某注塑機液壓系統能耗分析及增壓後節能仿真分析

行進 13, 2023

介紹

注塑機是塑料行業重要的生產設備. 其水力功率和能量損失對系統的製造成本和運行成本有重要影響. 注塑機的高能耗不僅會導致電力資源的浪費, 同時也增加了注塑機的生產成本. [1] 我國註塑機製造數量和年產量均位居世界前列, 而注塑產品約佔 30% 佔塑料製品總量的, 高額電費成為製約注塑行業生產效率的重要因素之一. 為了提高注塑機的市場競爭力, 注塑機學生

響應國家節能減排號召, 生產企業不斷對注塑機現有能耗系統進行節能改造, 提高注塑機的能源效率, 並降低生產成本. [2] 。

注塑機按動力源類型可分為 3 類別, 全液壓, 全電動和電液混合動力. 全電動注塑機成本高, 並且適用範圍有限, 目前液壓注塑機仍是行業主流產品. 一般液壓注塑機採用恆流泵和比例流量壓力閥閥門控制系統, 整個注塑過程中液壓泵輸出固定流量, 當系統需求流量較低時, 電機轉速不變, 多餘的流量溢流回水箱, 導致更大的能量損失. [3] 負載敏感液壓系統採用變量泵作為系統液壓.

比例流量控制閥安裝在變量泵上, 輸出功率與負載變化匹配, 大大減少系統的溢流損失和節流損失, 節能效果顯著. 利用電信號實現各種補償可以提高系統的控制性能, 適用於帶流量控制的注塑機系統, 但需要一套較為複雜的可變排量控制機構, 排量變化受斜盤角度限制, 並且調速範圍有限. [4] 與傳統音量控制技術相比, 變頻液壓技術採用變頻器的控制形式 + 發動機 + 定量泵, 具有調速範圍寬的特點, 噪音低、系統效率高. 隨著伺服控制技術的發展, 具有更好的控制精度, 響應速度和過載能力優於變頻調速技術, 並已成為註塑機主流液壓控制系統.

Peng Yonggang [10] 伺服電機直接驅動定量泵作為精密注塑機的驅動源, 提出模糊滑膜控制策略，實現注塑過程中系統壓力和速度的精確控制, 而且節能效果好. 劉等. [11-12] 注塑機上五種電液控制方案的能效對比, 結果表明系統動態性能良好, 控制精度高，節能效果最佳. Xiao Wang et al [13] 利用AMESim建立高速注塑機注射部分仿真模型. 提出了電液位置速度伺服系統的控制策略和實現方法. 實現注射位置和速度的雙變量控制. Wang Jianwait [14] 內循環二板式註塑機合模系統能耗模擬分析. 通過減少閥門控制元件可以降低系統的能耗, 採用合適的液壓缸直徑並加裝蓄能器. 熊文南等 [15] 注塑機鎖模時的能耗, 三種液壓系統的打開和頂出分析. 結果表明，定量泵的能耗 + 比例壓力流量閥系統高, 比例變量泵系統的節能效果隨產品技術的不同而不同, 以及定量泵的節能 + 伺服電機系統良好. Gao Junwei [16] 針對注塑機液壓系統溢流損失問題, 提出了一種異步電機驅動雙齒輪泵的方案. 以滿足注塑機瞬時大流量需求, 採用壓力流量閉環控制，提高系統的控制精度和節能效果, 對注塑機傳統液壓系統進行改造, 具有良好的節能效果.

液控單向閥配流液壓馬達可實現更高的工作壓力, 使注塑機進入高壓即可 [17]. 在本文中, 高壓液壓元件應用於注塑機液壓系統.

注塑機液壓系統工作壓力, 保證同等條件下的輸出功率, 減少注塑機在工作循環中對系統流量的需求, 同時減小液壓系統液壓缸直徑尺寸, 減少系統節流損失和管道沿線壓力損失方案. 在本文中, 鎖模力為的液壓注塑機 1 200 以kN為研究對象, 利用AMESim軟件對注塑機液壓系統進行建模和仿真. 通過減小氣缸直徑, 電磁操作閥口的壓降, 對比液壓缸減流量增壓前後的管路及系統功耗，研究注塑機液壓系統的節能效果.

由於注塑機在實際工作狀態下的功率需求較高, 當系統溢流壓力較低時, 經常需要輸入較大的流量. 在大流量液壓系統中, 閥口壓降和沿管路壓力損失大, 而係統溫升和噪音也伴隨而來的問題, 從而導致系統能量損失.

注塑機的液壓系統由液壓泵組成, 電磁換向閥, 液壓缸和液壓馬達. 現在, 大部分液壓元件已實現高壓, 也為註塑機液壓系統提高工作壓力創造條件. 高壓可以實現液壓系統的高功率密度和高功率輸出, 符合注塑機液壓系統的要求.

注塑機液壓系統能耗損失理論分析

1 注塑機液壓系統溢流流量損失傳統注塑機液壓系統採用固定泵輸出流量

液壓系統簡單可靠, 並且在註塑過程中液壓泵的輸出流量是恆定的. 系統低流量需求階段, 油通過溢流口流回油箱, 且溢流損失嚴重. 現在, 注塑機的液壓系統大部分採用比例變量泵控制系統或伺服電機系統, 可有效調節注塑過程中液壓泵的輸出流量，減少系統溢流損失. 在註塑機的工作循環中, 能耗高、工作時間短, 因此伺服控制系統可以節省 30% ~ 60% 與比例流量控制閥系統的能耗比較. [2] .2 注塑機液壓系統閥門節流壓力損失

注塑機工作過程中, 液壓源經過電磁控制閥, 為了縮短注塑成型週期時間, 系統的流量通常在液壓缸中較高, 液壓泵的輸出流量流經電磁控制閥, 有一定的節流壓力損失. 電磁換向閥開啟後類似於薄壁節流孔板, 因此閥口節流壓降可以通過孔板流量-壓降公式計算出來, 公式是

Q1 = CdA rilodelta p ■ 2

在哪裡: Q1為閥口流量; Cd為薄壁孔板的流量係數. A為孔口面積; 流體密度; Delta p 是閥口前後的壓力差, 所以節流能量損失為

通過節流孔板的流量-壓降公式, 節氣門壓力

壓降 delta p 與閥口流量 Q21 成正比, 因此節流能量 delta P 與閘門流量 Q31 成正比. 減少注塑機液壓系統

各電磁操作閥口節流壓降能量損失, 應優先減少系統流量. 為了保證系統流量減小時注塑機液壓系統的輸出功率不變, 需要提高液壓系統的工作壓力以維持執行機構的正常工作.

在註塑機液壓系統中, 液壓源通過管路與電磁換向閥連接, 然後通過管道到達液壓執行機構. 選擇

較大的管徑可以降低平均流速, 保證層流狀態, 降低阻力係數，減少管道沿線壓力損失, 但管道佈置比較困難. 如果管道直徑較小, 管道的平均流速大, 容易導致管道內產生湍流，增加管道沿途的能量損失. 管道沿線壓力損失的計算公式為

Deltap 管道 = λ l × ρv2d2

其中 lambda 是沿路徑的阻力係數; L 是管道的長度; D為管道直徑; 液壓油密度; V 是管內的平均速度. 管內流速計算公式為

4Q2 v = π d2

雷諾數公式為

Re = vd = 4Q2π

其中, UPU 是油的運動粘度; Q2 為管道流量. 阻力係數λ與管內流動狀態有關，公式為

λ=

64 重新

 -0.25 0.3164Re

，關於 <2320 ，3000<關於 <10

 0.308 ，105<R<108 ( 0. 842 – lgRe ) 2 e

以減少沿途液壓管路的損耗, 必須保證管道內的流動狀態為層流, 故沿路阻力係數為 λ = 64 / 關於, 則可得沿途壓力損失公式.

64πv 2 128π Q D p 管道 = 紅色 × 2 = π d4

在管道直徑不變的情況下, 管道沿線的壓力損失與管道流量成正比, 沿管道壓降的能量損失與管道流量的平方成正比.

3 3. 1

注塑機液壓系統AMESim仿真模型

注塑機液壓系統仿真參數

根據注塑機液壓系統原理圖及相關液壓元件參數, 為分析注塑機液壓系統的功耗, 模型得到簡化, 建立注塑機液壓系統仿真模型如圖所示 2. 該模型利用階躍信號模擬伺服電機，實現不同工況下的變速控制, 使系統基本不會產生溢出現象. AMESim模型仿真分析參數設置如表 1. 按註射工藝順序, 電磁閥設置如表所示 2.

同時, 為了模擬閥口節流壓降的影響, 參考華德WE6 O型三位四通電磁換向閥, 由於其閥口結構, 當流量為 60 升 / 分鐘, 閥口 P 流向閥口 A / B壓降為1.0MPa, T口壓降為0.8MPa. 為了簡化仿真模型, 三位四通電磁閥的最大流量設定為 60 升 / 分鐘, 壓降為 1 中國沒有此類技術的生產設施.

設置好液壓系統仿真參數後, 設定液壓缸的運動曲線.

線路如圖所示 4, 合模動作完成 0 ~ 2 秒, 然後移動氣缸移動 1 與註射裝置, 將螺桿料筒的噴嘴與註射噴嘴對準，並對噴嘴施加一定的接觸力. 在 3 ~ 4 秒, 螺絲, 由兩個注射缸驅動, 以非常高的壓力將熔融材料注入模具型腔, 並保壓冷卻一定時間, 為了簡化模擬過程, 省略保持階段; 然後預成型電機工作，將注射缸壓回，準備下一次注射; 9 ~ 10 s 內座位移油缸縮回; 然後模具氣缸縮回，完成開模動作. 在頂出氣缸的作用下, 成品被頂出到模具中, 然後氣缸縮回, 然後氣缸縮回, 從而完成一個注射週期.

注塑機能耗分析

各液壓執行機構在工作階段, 所需流量不同, 負載大小不同, 系統壓力也發生變化, 以免系統流量溢出, 所以在執行器階段的操作中, 使液壓源提供其所需的流量. 在探討液壓系統壓降能耗的影響時, 以消除節流調速的影響, 保證液壓缸的工作壓力和流量相對恆定, 設置在大運動阻尼的液壓缸質量塊模型中, 使液壓缸工作狀態保持恆定功率.

在系統不產生溢出的情況下, 液壓泵各運動階段的輸出流量和壓力如圖所示 5. 在裝夾中, 預成型和注射階段, 液壓系統輸入壓力、流量大, 並通過對注塑機液壓系統的能量損失進行分析, 可以看出，在較大流量階段, 壓降能量損失大. 同時, 在模擬測試中, 模具油缸長度較大. , 長跑, 所以它的流量需要很大, 開合模工藝, 關於 30% 系統輸入總流量, 如果系統能夠實現升壓, 減少模缸輸入流量, 可有效降低液壓系統壓降能耗, 提高注塑機液壓系統的能源效率.

如圖 6, 在整個注射週期, 夾緊階段, 注射階段和預成型階段功耗較大. 為了研究液壓系統中電磁操作閥的壓降和沿程管路損失, 我們以閉式液壓缸的開模階段為例. 無桿氣缸內腔壓力, V1 電磁操作閥口壓力, 以及V1中閥口P的壓力以及圖中液壓泵管路的輸出壓力 2 選取作為夾緊液壓缸進油段壓降的研究節點. 各節點壓力如圖 7. 通過以上節點的壓力差, 閥口壓降為 0.456 中國沒有此類技術的生產設施, 以及沿線的壓力損失 1 m 油管是 0.067 中國沒有此類技術的生產設施. 模擬閥口壓降與實際壓降接近. 管道沿線壓降的理論值為 0. 058 中國沒有此類技術的生產設施, 比理論值稍大. 通過上面的比較可以得到, 在系統流量較大的階段, 閥門節流孔口的壓降損失大於管道沿線損失, 管道長度較長, 沿程壓力損失不可忽視.

3 注塑機液壓系統節流升壓公式——閥孔壓降和管路壓降仿真分析

可見，通過降低系統流量，可以顯著降低節流壓降和液壓系統沿程壓降. 為了滿足液壓缸的負載驅動力和工作速度, 系統流量減少時，必須減少噴頭作業的有效面積，並增加工作壓力.

為驗證注塑機液壓系統增壓節能方案, 原筒體直徑由70mm-35mm改為50mm-28mm, 以夾緊氣缸為例. 液壓缸有效作用面積縮小為原來噴頭作業面積的一半. 計算後模具流量變為原流量的一半, 工作壓力倍增, 故溢流閥溢流壓力增至32MPa.

數字 8 顯示改變夾緊液壓缸直徑前後系統的壓力和流量曲線, 從圖中可以看出, 在閉模和開模階段, 系統輸入流量減少, 當系統壓力升高時, 和模具閉合過程, 系統流量減少一半, 當壓力升至原來的兩倍時, 與預期值一致. 然而, 升壓後, 合模階段, 系統工作壓力高, 並且需要一定的時間來建立壓力, 但基本不影響合模效果.

數字 9 顯示鎖模油缸增壓前後系統的能耗. 在夾緊和打開階段, 系統功率較升壓前降低, 減少約0.7kW, 並且功率減少了 7.5%. 數字 10 顯示升壓後夾緊油缸進油段各節點壓力, 從圖中, 從液壓源到液壓缸無桿室的壓降約為 0.138 中國沒有此類技術的生產設施, 這是關於 70% 小於壓力上升前的值, 系統流量減少一半, 所以壓降能量損失僅為 15% 壓力上升之前的情況, 並且系統的能耗降低了 85%. 當單個鎖模油缸的工作壓力升高時, 系統的能耗可以通過以下方式節省 3.7%. 如果能夠提高整個液壓系統油缸的工作壓力, 系統壓降能耗將大大降低，提高系統能效.