基于“雙碳”目標(biāo)下注塑機(jī)節(jié)能化的改進(jìn)

陶永亮，張明怡，張宏

(1.重慶川儀工程塑料有限公司，重慶 400712；2.中國航發(fā)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710021；3.重慶捷爾博模具科有限公司，重慶 408400)

注塑機(jī)是將熱塑（熱固）性塑料利用塑料成型模具制成各種形狀的塑料制品的主要成型設(shè)備。制造業(yè)中注塑機(jī)的耗能電老虎之一，注塑機(jī)數(shù)量龐大，使用壽命一般在20年左右。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，南方一發(fā)達(dá)城市塑料制品的碳排放占制造業(yè)的相對(duì)值高，其工業(yè)增加值占制造業(yè)產(chǎn)值3.25%，電力耗能占制造業(yè)耗能的10.62%，塑料制品業(yè)2010年時(shí)碳排放量為329.4萬t[1]?？梢娮⑺軝C(jī)是耗能之高的設(shè)備，耗能越高，相對(duì)地碳排放也是成正比。2020年9月22日，習(xí)主席在第75屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論會(huì)向世界承諾中國二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和（簡稱“雙碳”目標(biāo)）。面對(duì)“雙碳”目標(biāo)下，注塑機(jī)節(jié)能化改進(jìn)是勢在必行的途徑。

1 注塑機(jī)耗能情況分析

注塑成型工藝將熔融的聚合物溶體，再注入到模具型腔中，等聚合物溶體固化后，模具型腔打開，塑件被頂出。具體動(dòng)作：合模→注塑座向前移動(dòng)→注塑→保壓→冷卻（預(yù)塑）→注塑座向后移動(dòng)→開?！敵鏊芗敆U復(fù)位→合模。通過這一工藝分析，注塑機(jī)需要有操作動(dòng)力，需要有聚合物有加熱系統(tǒng)，即動(dòng)力部分和加熱部分，這兩項(xiàng)都是需要電能來支持。在傳統(tǒng)液壓注塑機(jī)的用電量中，液壓油泵占到了80%以上[2]，其他還有料筒加熱用電，烘料斗加熱用電占到了15%，電器操控用電和其他一些用電占到了5%等[3]。為了實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)節(jié)能低碳，有必要降低液壓油泵的耗電量，這也給注塑機(jī)的動(dòng)力改進(jìn)提供新的途徑，同時(shí)也需要降低料筒加熱用電，烘料斗加熱用電等，通過這些改進(jìn)使注塑機(jī)用電盡量最小化。

2 注塑機(jī)節(jié)能方面的改進(jìn)

目前注塑機(jī)已有伺服系統(tǒng)的應(yīng)用（包括部分全電動(dòng)控制），同時(shí)行業(yè)正在逐步開展加熱圈、干燥料斗的加熱節(jié)能配套工作[4]。其成果帶來的節(jié)能效益是一筆不小的數(shù)目，也是減少排放的措施。塑料行業(yè)的巨大空間，帶動(dòng)了注塑機(jī)（包括擠出機(jī)）產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，帶動(dòng)了變頻調(diào)節(jié)裝置、節(jié)能加熱圈、烘料節(jié)能裝置作為塑料機(jī)械的加熱節(jié)能產(chǎn)品開發(fā)和發(fā)展，不少節(jié)能產(chǎn)品的配套廠商加大了全國布局的力度。

2.1 伺服控制系統(tǒng)的應(yīng)用

在傳統(tǒng)的注塑機(jī)中，通常采用液壓傳動(dòng)裝置，它主要由油泵、液壓控制閥、壓力電磁比例閥、流量電磁比例閥、各種不同的動(dòng)作油缸、油泵電機(jī)及其他液壓附件和管道組成[5]。注塑機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)－傳統(tǒng)液壓控制特點(diǎn)是傳統(tǒng)注塑機(jī)液壓油泵采用定量泵通過異步機(jī)工頻運(yùn)行，高出系統(tǒng)的壓力油通過溢流閥回油，出現(xiàn)油溫高；噪音大；液壓油泄漏大；用戶電費(fèi)成本很高；維護(hù)頻繁等缺點(diǎn)。后來采用變量泵做控制，變量泵相對(duì)定量泵可以節(jié)省了部分用電，但是避免不了定量泵的缺點(diǎn)[6]。采用電液混合控制（伺服泵），即伺服節(jié)能泵型的注塑機(jī)。主要有配置伺服電機(jī)、旋轉(zhuǎn)編譯碼、高精度壓力傳感器等組成。伺服泵時(shí)刻對(duì)液壓系統(tǒng)的壓力和流量進(jìn)行檢測反饋，及時(shí)通過改變伺服同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩對(duì)壓力和流量做出調(diào)整的相應(yīng)，最終維持整個(gè)系統(tǒng)的壓力，穩(wěn)、準(zhǔn)、快達(dá)到設(shè)定壓力和流量，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、成品重復(fù)精度高、噪音低、最主要的是節(jié)省很多電費(fèi)。伺服泵與傳統(tǒng)的定量泵和變量泵系統(tǒng)相比較，同噸位注塑機(jī)選配的電機(jī)功率要小得多，安裝空間，給注塑機(jī)整體提升了檔次。實(shí)踐證明電液混合控制方案在一定的條件下可比傳統(tǒng)的定量泵油壓系統(tǒng)節(jié)省60%的能耗[7]。

2.2 全電動(dòng)控制的應(yīng)用

注塑機(jī)采用全電動(dòng)控制，所有動(dòng)作都依賴電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來完成，注塑機(jī)系統(tǒng)中不需要液壓油路控制，也就是人們所稱的全電動(dòng)注塑機(jī)。注塑機(jī)不需要過多的油箱和管路，運(yùn)行和維護(hù)成本降低，變得更加清潔。當(dāng)然全電動(dòng)注塑機(jī)的成本明顯高于傳統(tǒng)液壓機(jī)，所采用伺服、驅(qū)動(dòng)器、高精度傳感器等等，相對(duì)成品成型精度高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，液壓式注塑機(jī)由于高壓節(jié)油造成的能量損耗高達(dá)36%～68%[8]，全電動(dòng)注塑機(jī)運(yùn)行噪音低，能耗低，與傳統(tǒng)注塑機(jī)相比可以節(jié)省50%～70%的能源[9]。當(dāng)然全電動(dòng)注塑機(jī)用于中小型鎖模噸位，在需要極長時(shí)間閉模和極高的鎖模壓力加工方面，還是需要液壓注塑機(jī)，全電動(dòng)是替代不了。

2.3 變頻調(diào)節(jié)裝置應(yīng)用

將注塑機(jī)改造升級(jí)為“節(jié)能型”注塑機(jī)，其投資（主要是變頻器）應(yīng)該在一年內(nèi)可以通過節(jié)約的電費(fèi)或油費(fèi)收回[10]。注塑機(jī)變頻器上采用在注塑機(jī)專用控制板或是在變頻器的CPU里面內(nèi)置一套專用程序的方式，就可以避免定量泵類注塑機(jī)存在能耗大、動(dòng)作周期長、動(dòng)作速度慢等缺陷。注塑過程中有鎖模、射膠、充填、溶膠、冷卻、開模等階段，這些階段對(duì)壓力的要求是不相同的。開模只要較小的壓力即可，溶膠、射膠、冷卻等就要較大的壓力，以保證塑件質(zhì)量和效率。注塑機(jī)中電極轉(zhuǎn)速高，則注塑壓力大，這樣通過變頻器對(duì)注塑機(jī)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速實(shí)現(xiàn)變壓節(jié)能。一般注塑機(jī)變頻節(jié)能通常做法：將用來控制調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)閥的電量信號(hào)，進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理后作為變頻器輸出頻率的給定信號(hào)，直接將設(shè)備上鎖模、射膠、溶膠、冷卻、開模等過程控制信號(hào)進(jìn)行處理后作為變頻器程序控制信號(hào)（變頻器輸出頻率信號(hào)），通過這種調(diào)節(jié)方式來滿足注塑機(jī)各個(gè)階段對(duì)供油壓力和流量的要求，以達(dá)到節(jié)能目的。廣東一公司對(duì)主泵55 kW大型注塑機(jī)進(jìn)行變頻改進(jìn)，塑機(jī)最大壓力可達(dá)2 000 t，最大注塑量可達(dá)16 000 g，在1～2 min生產(chǎn)中、大型水管接頭。原工頻運(yùn)行一小時(shí)耗電50.6 kW.h，通過變頻運(yùn)行一小時(shí)耗電30.1 kW.h，節(jié)電率40.5%。節(jié)電效果明顯投資半年即收回[11]。

2.4 料筒電磁節(jié)能加熱裝置

傳統(tǒng)的注塑機(jī)料筒加熱方式是用電阻式加熱圈。這種電阻式加熱圈是通過電流電阻熱效應(yīng)來產(chǎn)生熱量，用加熱圈的內(nèi)壁安裝在料筒（也稱炮筒）外壁上，并且需要緊密接觸后（接觸式傳導(dǎo)）方能傳遞到料筒上。目前電阻式加熱圈結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，安裝使用方便等優(yōu)勢。在接觸式傳熱中，注塑機(jī)在高速運(yùn)行過程中有震動(dòng)現(xiàn)象也會(huì)影響到加熱圈的加熱效果，另外加熱圈的外圈裸露在空氣中，也會(huì)散發(fā)出較多地?zé)崃?，熱損較大，熱損失可達(dá)50%[12]，從而帶來能耗的增加。加熱圈的外圈裸露在外面夏季對(duì)生產(chǎn)環(huán)境影響較大，并有一定安全風(fēng)險(xiǎn)。

防漏膠電磁加熱圈是在傳統(tǒng)電阻式加熱圈基礎(chǔ)上做了技術(shù)創(chuàng)新，用電磁加熱替代了電阻加熱，節(jié)能和安全指標(biāo)有著很好地提升。其原理是通過電磁加熱控制器將交流電轉(zhuǎn)換為高頻電路，經(jīng)過電磁發(fā)熱圈（即高頻線圈）產(chǎn)生高頻磁場，使料筒鐵分子發(fā)生共振而產(chǎn)生熱量，達(dá)到加熱目的。電磁加熱圈包括帶定位功能內(nèi)筒基體（由耐高溫材料構(gòu)成），電磁感應(yīng)線圈，設(shè)有線圈定位邊和測溫點(diǎn)定位缺口，電磁感應(yīng)線圈是多股電線繞制在內(nèi)筒基體之上，是單層或雙層（多層）的線圈，這與加熱器功率而選擇層數(shù)[13]。如圖1所示。

電磁加熱圈可以在注塑機(jī)、吹膜機(jī)、擠出機(jī)塑料機(jī)械料筒高頻加熱選用，使料筒本體發(fā)熱并且不散熱，降低剪切力，同規(guī)格型號(hào)整套加熱圈比電阻加熱圈節(jié)電率 40%～50%。電阻加熱圈外圈表面溫度有236 ℃，電磁加熱圈外圈表面溫度有47 ℃，降低車間內(nèi)溫度3～6 ℃，極大節(jié)約了電力成本，做到節(jié)能減排。一般5個(gè)月即可收回全部投資[14]，使用壽命長，電磁加熱圈得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在還有“納米紅外線加熱”，通過碳纖維或石英燈管等對(duì)料筒直接表面光源高溫加熱，由發(fā)熱圈到料筒直接熱傳遞，節(jié)能效果更佳。

2.5 烘干料桶節(jié)能裝置

塑料干燥機(jī)（也稱烘料斗）在注塑中是必不可少的周邊設(shè)備，對(duì)穩(wěn)定塑件注塑和表面質(zhì)量起著重要的作用。一般傳統(tǒng)塑料干燥機(jī)工作原理：在風(fēng)機(jī)吹風(fēng)作用于內(nèi)部發(fā)熱管的熱風(fēng)吹入錐型料斗內(nèi)部，有上下篩網(wǎng)與料斗表面作為通風(fēng)入干燥機(jī)桶內(nèi)→發(fā)熱絲通電→風(fēng)機(jī)吹風(fēng)的作用下→風(fēng)吹入料桶達(dá)到干燥的目的[15]。傳統(tǒng)干燥機(jī)存在著無智能檢測傳感器，無法智能控制干燥風(fēng)量大小，是恒風(fēng)量運(yùn)行，耗電較多、熱能轉(zhuǎn)換率低能量浪費(fèi)嚴(yán)重等現(xiàn)象。

為了對(duì)原有的烘料桶進(jìn)行節(jié)能改進(jìn)，專門對(duì)烘料桶控制部分做智能控制處理，其他烘料桶里結(jié)構(gòu)不變?；居捎?jì)算機(jī)程序構(gòu)成的數(shù)字溫度智能控制伺服全自動(dòng)系統(tǒng)，能夠按照料桶控制器設(shè)定溫度進(jìn)行恒溫所需智能控制處理的功率進(jìn)行補(bǔ)償，做到智能控制溫度、風(fēng)量、加熱功率，達(dá)到烘料恒溫加熱節(jié)能作用。節(jié)能效果在40%～60%之間，安裝簡單，調(diào)試后不必額外維護(hù)。200 kg的烘料桶改進(jìn)前一小時(shí)用電3.3 kW.h，改進(jìn)后則為1.5 kW.h，基本節(jié)電率54%，6～10個(gè)月可以收回成本。如圖2所示。其節(jié)能原理其一，自動(dòng)調(diào)節(jié)功率，根據(jù)物料干燥程度給予匹配功率，保持在烘料所需的溫度并穩(wěn)定恒溫以減少浪費(fèi)。其二，風(fēng)量自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)時(shí)測量塑料的溫度干燥度，通過系統(tǒng)自動(dòng)控制風(fēng)口的大小，從而減小熱量散失。其三，消除安全隱患，當(dāng)溫度達(dá)到一定程度時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)斷掉電源，起到安全保護(hù)作用。

2.6 視覺檢測設(shè)備應(yīng)用

注塑機(jī)節(jié)約電能的同時(shí)，做出合格產(chǎn)品，保護(hù)好模具更是注塑節(jié)能的重要環(huán)節(jié)。這些年，智能應(yīng)用案例移植到注塑機(jī)應(yīng)用，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量，保護(hù)模具等設(shè)備起到了很好地作用。引入機(jī)器視覺檢測設(shè)備，即CCD（Charge-coupled Device）圖像傳感器，通過CCD能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳送智能圖像處理與決策系統(tǒng)，對(duì)光學(xué)影像判斷正確與否，實(shí)施有效控制。就是在塑機(jī)與模具的地方安裝幾個(gè)工業(yè)照相機(jī)或鏡頭用視覺設(shè)備代替人眼完成測量、檢查、引導(dǎo)、識(shí)別等功能，實(shí)現(xiàn)減少人工、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、對(duì)接信息化智能化建設(shè)等[16]。一般可以安裝6個(gè)CCD相機(jī)。

注塑模作為塑件加工中重要的成型工裝設(shè)備，直接影響到塑件品質(zhì)，模具在注塑加工中占據(jù)著重要比例，注重模具使用維護(hù)，延長模具使用壽命，是注塑行業(yè)節(jié)能減排、降本增效的重要議題。目前模具保護(hù)器適用注塑機(jī)運(yùn)行情況實(shí)時(shí)監(jiān)視、檢測和控制，利用機(jī)器視覺實(shí)時(shí)拍攝運(yùn)算等處理，智能話監(jiān)控注塑機(jī)，檢測脫模不良、短射或產(chǎn)品飛邊，監(jiān)視模具滑塊到位情況、嵌件安放、模具型腔表面異物和模具復(fù)位、粘模、色澤、閉模、產(chǎn)品脫落等。通過這樣監(jiān)控可以避免模具壓壞損傷而停產(chǎn)，縮短生產(chǎn)周期。當(dāng)出現(xiàn)不良產(chǎn)品或短射時(shí)，系統(tǒng)還能及時(shí)提醒操作者。當(dāng)然應(yīng)用圖像傳感器除了監(jiān)視模具外，還有拓展功能，尤其與注塑機(jī)智能控制系統(tǒng)兼容[17]，還能做為控制產(chǎn)品質(zhì)量，識(shí)別和不合格分類，以減少人工檢驗(yàn)產(chǎn)品帶來的疲勞造成產(chǎn)品的誤判和錯(cuò)判等。

3 結(jié)束語

據(jù)報(bào)道，2019年預(yù)計(jì)塑料的生產(chǎn)和焚化將產(chǎn)生超過8.5億t二氧化碳當(dāng)量，相當(dāng)于189個(gè)500 MW燃煤發(fā)電廠的排放量。據(jù)專家的估計(jì)，從現(xiàn)在開始到2050年全球塑料生產(chǎn)和焚化將累計(jì)排放560億t二氧化碳當(dāng)量，占本世紀(jì)中葉根據(jù)當(dāng)前的減排承諾可以“支出”的總碳預(yù)算的10%～13%。到本世紀(jì)末，與塑料有關(guān)的排放量可能占碳總預(yù)算的一半[18]。從這些數(shù)據(jù)中看出，注塑行業(yè)的碳排放量還是很大的，在未來的減排之路上任重道遠(yuǎn)，同時(shí)還是要通過技術(shù)進(jìn)步進(jìn)行減排，應(yīng)用新型能源。目前，注塑行業(yè)通過節(jié)約電能，控制產(chǎn)品質(zhì)量，生產(chǎn)更多地合格產(chǎn)品是減少排放的一個(gè)重要途徑，實(shí)施節(jié)能減排、降本增效是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)基礎(chǔ)。還應(yīng)以“智造”賦能減碳，為助力注塑行業(yè)智造升級(jí)，綠色轉(zhuǎn)型提供源源動(dòng)力。將實(shí)施一系列舉措來降低排放量，為減緩全球溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)微薄力量。