注塑機(jī)液壓系統(tǒng)能耗分析及升壓節(jié)能仿真分析

羅 濤，郭 桐，2，林添良，陳其懷，翁貞瓊

(1.華僑大學(xué) 機(jī)電及自動化學(xué)院， 福建 廈門 361021；2.浙江大學(xué) 流體動力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點實驗室， 杭州 310027;3.寧波京瓊機(jī)械制造有限公司， 浙江 寧波 315113)

0 引言

注塑機(jī)是塑料行業(yè)的重要生產(chǎn)設(shè)備，其液壓裝機(jī)功率、能量損耗對于系統(tǒng)制造成本和使用成本具有重要影響。高能耗的注塑機(jī)不僅會導(dǎo)致電力資源浪費(fèi)，也會提高注塑機(jī)的生產(chǎn)成本[1]。我國注塑機(jī)制造數(shù)量與年產(chǎn)量均位居世界前列，且注塑成型產(chǎn)品占塑料制品總量的30%左右，高額的電費(fèi)成本已成為制約注塑行業(yè)生產(chǎn)效益的重要因素之一。為提高注塑機(jī)市場競爭力，注塑機(jī)生產(chǎn)企業(yè)響應(yīng)國家節(jié)能減排號召，不斷對現(xiàn)有注塑機(jī)耗能系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，提高注塑機(jī)功率能效，降低生產(chǎn)成本[2]。

注塑機(jī)按照動力源類型可分為3類，全液壓式、全電動式和電液混合式。全電動式注塑機(jī)成本較高，且應(yīng)用范圍受限，目前液壓式注塑機(jī)仍然是行業(yè)中的主流產(chǎn)品。普通液壓式注塑機(jī)采用定量泵-比例流量壓力閥閥控系統(tǒng)，整個注塑過程中液壓泵輸出固定流量，當(dāng)系統(tǒng)需求流量較低時，電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，多余流量溢流回油箱，造成較大能量損失[3]。

負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)采用變量泵作為系統(tǒng)液壓源，輸出功率與負(fù)載變化相匹配，極大程度地減少系統(tǒng)溢流損失和節(jié)流損失，節(jié)能效果顯著，通過在變量泵上增設(shè)比例流量閥，利用電信號實現(xiàn)各種補(bǔ)償，可提高系統(tǒng)控制性能，適用于流量控制的注塑機(jī)系統(tǒng)中，但其需要一套較為復(fù)雜的變排量控制機(jī)構(gòu)，且排量變化受到斜盤角度的局限，調(diào)速范圍有限[4]。變頻液壓技術(shù)相較傳統(tǒng)容積控制技術(shù)，其采用變頻器+電機(jī)+定量泵的控制形式，具有調(diào)速范圍寬、噪音小、系統(tǒng)效率高等特點[5-7]。隨著伺服控制技術(shù)的發(fā)展，其具有比變頻控制技術(shù)更好的控制精度、響應(yīng)速度和過載能力，已成為主流的注塑機(jī)液壓控制系統(tǒng)[8-9]。

彭勇剛等[10]采用伺服電動機(jī)直接驅(qū)動定量泵作為精密注塑機(jī)的驅(qū)動源，并提出模糊滑膜控制策略，實現(xiàn)注塑過程中系統(tǒng)壓力、速度的精確控制，且節(jié)能性較好。Liu等[11-12]在注塑機(jī)上對5種電液控制方案進(jìn)行能效對比，結(jié)果表明交流伺服電動機(jī)驅(qū)動定量泵系統(tǒng)動態(tài)性能好、控制精度高且節(jié)能效果最優(yōu)。肖旺等[13]利用AMESim建立高速注塑機(jī)注射部分的仿真模型，提出了一種電液位置-速度伺服系統(tǒng)的控制策略以及實現(xiàn)方法，實現(xiàn)了對注射位置和速度的雙變量控制。王建等[14]對內(nèi)循環(huán)二板注塑機(jī)合模系統(tǒng)進(jìn)行能耗仿真分析，通過減少閥控元件、采用合適液壓缸桿徑和添加蓄能器等措施，均可降低系統(tǒng)能耗。熊文楠等[15]在3種液壓系統(tǒng)中針對注塑機(jī)合模、開模和頂出過程進(jìn)行能耗分析，結(jié)果表明定量泵+比例壓力流量閥系統(tǒng)能耗高，比例變量泵系統(tǒng)節(jié)能效果受制品工藝不同而變化，而定量泵+伺服電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能性好。高俊等[16]針對注塑機(jī)液壓系統(tǒng)溢流損失問題，提出一種異步電機(jī)驅(qū)動雙聯(lián)齒輪泵的方案，以滿足注塑機(jī)瞬時大流量需求，采用壓力流量閉環(huán)控制，提高控制精度以及系統(tǒng)節(jié)能效果，并對傳統(tǒng)注塑機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行改造，具有較好的節(jié)能效果。

液控單向閥配流液壓馬達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的工作壓力，使注塑機(jī)的高壓化成為可能[17]。本文提出在注塑機(jī)液壓系統(tǒng)中采用高壓液壓元件，提高注塑機(jī)液壓系統(tǒng)工作壓力，在保證輸出功率不變的條件下，降低注塑機(jī)工作周期內(nèi)系統(tǒng)流量需求，同時減少液壓系統(tǒng)中液壓缸桿徑尺寸，降低系統(tǒng)節(jié)流損耗以及管路沿程壓力損失的方案。文章以合模力為1 200 kN的液壓注塑機(jī)為研究對象，采用AMESim軟件對注塑機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真，通過減小合模液壓缸缸徑，對比液壓缸減流升壓前后電磁閥閥口壓降、管路壓降以及系統(tǒng)功耗，研究注塑機(jī)液壓系統(tǒng)升壓后節(jié)能效果。

1 注塑機(jī)液壓系統(tǒng)簡介

注塑機(jī)液壓系統(tǒng)動力來源于液壓泵，注塑機(jī)各運(yùn)動機(jī)構(gòu)由液壓缸或液壓馬達(dá)驅(qū)動。注塑機(jī)的周期動作主要包括調(diào)模、開合模、座進(jìn)退、注射、預(yù)塑、保壓、抽芯和頂出等，每個動作主要由電磁換向閥控制，且為減少注塑機(jī)工作過程中的溢流能量損失，大部分注塑機(jī)動力源采用伺服控制技術(shù)，根據(jù)每個執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需流量，適應(yīng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)。在系統(tǒng)保壓冷卻階段，降低液壓泵輸出流量，而在液壓執(zhí)行器工作階段，通過執(zhí)行器壓力和流量反饋，自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量。圖1為某型注塑機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖。

圖1 注塑機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖

由于注塑機(jī)在實際工作狀態(tài)下，功率需求較高，在系統(tǒng)溢流壓力較低時，常常需要系統(tǒng)輸入較大的流量，在大流量液壓系統(tǒng)中，其閥口壓降和管路沿程壓力損失較大，同時還伴隨系統(tǒng)溫升和噪音等問題，造成系統(tǒng)能耗損失。

注塑機(jī)液壓系統(tǒng)主要包括有：液壓泵、電磁換向閥、液壓油缸和液壓馬達(dá)等元件。目前，大多數(shù)液壓元件已實現(xiàn)高壓化，也為注塑機(jī)液壓系統(tǒng)提高工作壓力創(chuàng)造條件。高壓化可以實現(xiàn)液壓系統(tǒng)高功率密度以及高功率輸出，也與注塑機(jī)液壓系統(tǒng)需求相一致。

2 注塑機(jī)液壓系統(tǒng)能耗損失理論分析

2.1 注塑機(jī)液壓系統(tǒng)溢流流量損失

傳統(tǒng)的注塑機(jī)液壓系統(tǒng)采用定量泵輸出流量，通過比例壓力流量閥，實現(xiàn)各個執(zhí)行器穩(wěn)定工作，該液壓系統(tǒng)簡單可靠，注塑過程中液壓泵輸出流量恒定，在系統(tǒng)流量需求較低的階段，油液通過溢流流回油箱，其溢流流量損失嚴(yán)重。目前，注塑機(jī)液壓系統(tǒng)大多數(shù)采用比例變量泵控系統(tǒng)或伺服電機(jī)系統(tǒng)，可有效調(diào)節(jié)注塑過程中液壓泵輸出流量，減少系統(tǒng)溢流流量損失。在注塑機(jī)工作周期中，高能耗工作時間短，故伺服電控系統(tǒng)相較于比例流量閥控系統(tǒng)可節(jié)約能耗30%～60%左右[2]。

2.2 注塑機(jī)液壓系統(tǒng)閥口節(jié)流壓力損失

注塑機(jī)工作過程中，液壓源通過電磁控制閥，將流量輸入各個液壓執(zhí)行器，為縮短注塑加工周期，在液壓缸運(yùn)動過程中，系統(tǒng)流量通常較高，而液壓泵輸出流量流經(jīng)電磁控制閥，其存在一定的節(jié)流壓力損失。電磁換向閥其閥口開啟后類似于薄壁節(jié)流小孔，故閥口節(jié)流后壓降可通過節(jié)流孔口流量-壓降公式計算，其公式為

式中：Q1為閥口流量；Cd為薄壁小孔流量系數(shù)；A為孔口面積；ρ為流體密度；Δp為閥口前后壓差，故節(jié)流能量損失為

2.3 注塑機(jī)液壓系統(tǒng)管路沿程壓力損失

注塑機(jī)液壓系統(tǒng)中，液壓源通過管路連接到電磁換向閥，再通過管路連接到液壓執(zhí)行器。選用較大的管徑可以降低管內(nèi)平均流速，保證管內(nèi)層流流動狀態(tài)，減少沿程阻力系數(shù)，降低沿程壓力損失，但管路布置較難；若選用較小管徑，管路平均流速較大，容易導(dǎo)致管內(nèi)出現(xiàn)紊流現(xiàn)象，增大管路沿程能量損失。管路沿程壓力損失計算公式為

式中：λ為沿程阻力系數(shù)；l為管路長度；d為管徑大?。沪褳橐簤河兔芏?；v為管內(nèi)平均流速。管內(nèi)流速計算公式為

雷諾數(shù)計算公式為

其中:υ為油液運(yùn)動粘度；Q2為管道過流流量。沿程阻力系數(shù)λ與管內(nèi)流動狀態(tài)有關(guān)，計算公式為

為減少液壓管路沿程損失，需保證管內(nèi)流動狀態(tài)為層流，故沿程阻力系數(shù)λ=64/Re，代入沿程壓力損失計算公式可得

在管路直徑未改變的條件下，管路沿程壓力損失與管路流量成正比，而管路沿程壓降能量損失與管路流量的平方成正比例。

3 注塑機(jī)液壓系統(tǒng)AMESim仿真模型

3.1 注塑機(jī)液壓系統(tǒng)仿真參數(shù)

依據(jù)注塑機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖以及相關(guān)液壓元件參數(shù)，為方便分析注塑機(jī)液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件功耗，將模型進(jìn)行簡化處理，搭建如圖2所示的注塑機(jī)液壓系統(tǒng)仿真模型，該模型采用階躍信號模擬伺服電機(jī)在不同工況下實現(xiàn)變轉(zhuǎn)速控制，使系統(tǒng)基本不產(chǎn)生溢流現(xiàn)象。AMESim模型仿真分析參數(shù)設(shè)置如表1所示。依據(jù)注塑工藝順序，設(shè)置電磁閥動作順序如表2所示。

圖2 注塑機(jī)液壓系統(tǒng)AMEsim仿真模型原理圖

表1 液壓系統(tǒng)仿真分析關(guān)鍵參數(shù)

表2 電磁閥動作順序

注：表2中“+/-”表示電磁閥V2先左位得電，后右位得電。

同時，為模擬閥口節(jié)流壓降效應(yīng)，參考華德WE6型的O型滑閥三位四通電磁換向閥，由于其閥口結(jié)構(gòu)原因，在流量為60 L/min時，其閥口P流向閥口A/B壓降為1.0 MPa，其閥口A/B流向閥口T壓降為0.8 MPa。為簡化仿真模型，將仿真系統(tǒng)中的三位四通電磁閥閥口最大流通量設(shè)置為60 L/min，壓降大小為1.0 MPa，其壓降曲線如圖3，與樣本數(shù)據(jù)接近。

圖3 電磁閥流量壓降曲線

在設(shè)定液壓系統(tǒng)仿真參數(shù)后，液壓缸運(yùn)動曲線如圖4，在0～2 s內(nèi)合模液壓缸完成合模運(yùn)動；之后座移缸帶著注射裝置移動1 s，將螺桿料筒的噴嘴對準(zhǔn)模具注射口，并施加一定的噴嘴接觸力；在3～4 s內(nèi)，螺桿在2個注射缸的推動下，將腔內(nèi)熔融狀材料以極高的壓力射入模具內(nèi)腔中，并保壓冷卻一定時間，為簡化仿真過程，將保壓階段略去；之后預(yù)塑馬達(dá)工作，并將注塑缸壓回，為下一次注塑做好準(zhǔn)備；9～10 s內(nèi)座移缸收回；之后合模油缸縮回，完成開模運(yùn)動；在頂出油缸的作用下，已經(jīng)完成的制品被頂出模具內(nèi)，然后頂出油缸縮回，然后頂出油缸縮回，至此完成1次注塑周期。

圖4 注塑機(jī)各液壓缸活塞運(yùn)動曲線

3.2 注塑機(jī)能耗分析

各個液壓執(zhí)行器在工作階段，所需流量不同，負(fù)載大小不同，系統(tǒng)壓力也隨之改變，為避免系統(tǒng)產(chǎn)生溢流流量，故在各執(zhí)行器運(yùn)作階段，使液壓源提供其所需流量。在探究液壓系統(tǒng)壓降能耗影響時，為消除節(jié)流調(diào)速影響，保證液壓缸工作壓力和流量較為恒定，故在液壓缸質(zhì)量塊模型中設(shè)置較大的運(yùn)動阻尼，使液壓缸工作狀態(tài)保持恒定功率。

在系統(tǒng)不產(chǎn)生溢流的情況下，各運(yùn)動階段液壓泵輸出流量以及壓力如圖5所示。在合模、預(yù)塑和注射階段，液壓系統(tǒng)輸入壓力和流量均較大，且通過上述注塑機(jī)液壓系統(tǒng)能耗損失分析可知，在較大的流量工作階段，其壓降能耗損失較大。同時，在仿真實驗中，合模油缸尺寸較大，運(yùn)動行程長，故其流量需求大，開合模過程中，約占系統(tǒng)總流量輸入的30%，若能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)升壓，減少合模油缸輸入流量，可以有效減少液壓系統(tǒng)壓降能耗，提高注塑機(jī)液壓系統(tǒng)能效。

圖5 仿真系統(tǒng)液壓泵輸出流量壓力曲線

如圖6所示，在整個注塑周期內(nèi)，合模階段、注射階段及預(yù)塑階段，其消耗功率較大。為探究其液壓系統(tǒng)中，電磁閥閥口壓降及管路沿程損失情況，現(xiàn)以合模液壓缸開模階段為例，選取圖2中油缸無桿腔壓力、V1電磁閥A口壓力、V1電磁閥P口壓力以及液壓泵管路輸出壓力作為合模液壓缸進(jìn)油段壓降研究節(jié)點，各節(jié)點壓力如圖7所示，通過上述各個節(jié)點壓力差異可以得知閥口壓降為0.456 MPa，1 m油管沿程壓降為0.067 MPa。該仿真閥口壓降與實際閥口壓降大小相近，管路沿程壓降理論計算值為0.058 MPa，仿真管路沿程壓降比理論計算值略大。通過上述對比可得，在系統(tǒng)流量較大的階段中，閥口節(jié)流壓降損失大于管路沿程損失，在管路長度較長時，沿程壓力損失同樣不可忽略。

圖6 注塑過程系統(tǒng)功率能耗曲線

圖7 合模油缸開模階段進(jìn)油管路各節(jié)點壓力曲線

3.3 注塑機(jī)液壓系統(tǒng)升壓仿真分析

通過閥口節(jié)流-壓降公式及管路沿程壓降公式可知，通過減少系統(tǒng)流量，可以顯著減少液壓系統(tǒng)中存在的節(jié)流壓降和沿程壓降。為滿足液壓缸負(fù)載驅(qū)動力和工作速度，在減小系統(tǒng)流量時，必須減小液壓缸有效作用面積并提高工作壓力。

為驗證注塑機(jī)液壓系統(tǒng)增壓節(jié)能方案，仍以合模油缸為例，將其原缸徑由70 mm-35 mm更換為50 mm-28 mm，其液壓缸無桿腔有效作用面積縮小為原來的一半，并為保證運(yùn)行速度與時間不變，將流量相應(yīng)減少。經(jīng)計算合模流量變?yōu)樵髁康囊话?，工作壓力提升一倍，故將溢流閥溢流壓力調(diào)高至32 MPa。

圖8為改變合模液壓缸缸徑前后系統(tǒng)壓力和流量曲線，從圖中可以看出，在合模和開模階段，系統(tǒng)輸入流量減少，同時系統(tǒng)壓力上升，且合模過程中，系統(tǒng)流量減少一半，同時壓力上升為原來的2倍，與預(yù)期值相符。但在升壓后，合模開始階段，系統(tǒng)工作壓力較高，建壓需要一定時間，但基本不影響合模效果。

圖8 合模油缸升壓前后系統(tǒng)流量壓力曲線

圖9為合模油缸升壓前后系統(tǒng)能耗對比曲線，在合模和開模階段，系統(tǒng)功率均較未升壓前有所下降，且下降量約為0.7 kW，功率降低7.5%。圖10為合模油缸升壓后合模油缸進(jìn)油段各節(jié)點壓力，從圖可知，液壓源至液壓缸無桿腔內(nèi)壓降約0.138 MPa，相比升壓前，壓降減少約70%，且其系統(tǒng)流量減少一半，故壓降能量損失僅為未升壓前的15%，系統(tǒng)節(jié)流壓降能耗減少85%。在僅提升單個合模油缸工作壓力下，系統(tǒng)能耗節(jié)約3.7%，若能夠提升整個液壓系統(tǒng)油缸工作壓力，其系統(tǒng)壓降能耗將得到極大減少，系統(tǒng)能效得到提升。

圖9 合模油缸升壓前后系統(tǒng)功率和能耗曲線

圖10 升壓后合模油缸進(jìn)油管路各節(jié)點壓力

通過上述液壓缸升壓前后壓降對比，在保證換向閥以及管路不變的條件下，減小液壓缸缸徑尺寸，同時保證負(fù)載以及運(yùn)行速度不變，系統(tǒng)壓力將會上升，而系統(tǒng)所需流量反而減少，從而減少液壓泵至液壓執(zhí)行器之間的壓降大小，降低系統(tǒng)壓降能量損耗，并降低系統(tǒng)油液溫升及噪聲。

4 結(jié)論

1) 注塑機(jī)液壓系統(tǒng)輸入流量在周期內(nèi)變化較大，采用伺服控制技術(shù)可解決系統(tǒng)溢流現(xiàn)象，但系統(tǒng)中換向閥數(shù)量較多且管路較長，系統(tǒng)工作壓力較低，在大功率工作階段，系統(tǒng)輸入流量需求大，換向閥閥口以及管路沿程存在壓力損失，造成系統(tǒng)能效降低、噪聲大和溫度高等問題。

2) 通過節(jié)流孔口壓降公式及管路沿程壓損公式可知，閥口壓降能量損失與流經(jīng)流量的3次方成正比，管路沿程壓降能量損失與流經(jīng)流量的平方成正比，并通過仿真試驗驗證其相關(guān)關(guān)系。

3) 為提高注塑機(jī)液壓系統(tǒng)能效，可通過提高液壓執(zhí)行器工作壓力，降低系統(tǒng)輸入流量，減少閥口和管路沿程壓降。