某注塑机液压系统能耗分析及增压后节能仿真分析

3月 13, 2023

介绍

注塑机是塑料行业重要的生产设备. 其水力和能量损失对系统的制造成本和运行成本有重要影响. 注塑机的高能耗不仅会导致电力资源的浪费, 但也增加了注塑机的生产成本. [1] 中国注塑机制造数量和年产量位居世界前列, 而注塑产品约占 30% 塑料制品总量, 高昂的电费成为制约注塑行业生产效率的重要因素之一. 为了提高注塑机的市场竞争力, 注塑机学生

响应国家节能减排号召, 生产企业不断对现有注塑机能耗系统进行节能改造, 提高注塑机的能效, 并降低了生产成本. [2] 。

注塑机按电源类型可分为 3 这可以概括为, 全液压, 全电动和电液混合动力. 全电动注塑机成本高, 且适用范围有限, 目前油压式注塑机仍是行业主流产品. 一般油压注塑机采用恒压泵和比例流量压力阀阀控制系统, 液压泵在整个注塑过程中输出固定流量, 当系统需求流量低时, 电机转速不变, 多余流量溢流回水箱, 导致更大的能量损失. [3] 负载敏感液压系统采用变量泵作为系统液压.

比例流量控制阀安装在变量泵上, 输出功率与负载变化相匹配, 大大降低了系统的溢流损失和节流损失, 节能效果显着. 利用电信号实现各种补偿可以提高系统的控制性能, 适用于有流量控制的注塑机系统, 但需要一套较为复杂的可变排量控制机构, 排量变化受斜盘角度限制, 且调速范围有限. [4] 与传统的音量控制技术相比, 变频液压技术采用变频器控制形式 + 马达 + 定量泵, 具有调速范围广的特点, 低噪音和高系统效率. 随着伺服控制技术的发展, 它具有更好的控制精度, 响应速度和过载能力优于变频调速技术, 并已成为注塑机液压控制系统的主流.

Peng Yonggang [10] 伺服电机直接驱动定量泵作为精密注塑机的驱动源, 并提出模糊滑膜控制策略，实现注塑过程中系统压力和速度的精确控制, 而且节能效果好. 刘等. [11-12] 五种电液控制方案在注塑机上的能效比较, 结果表明系统的动态性能良好, 控制精度高，节能效果最佳. Xiao Wang et al [13] 利用AMESim建立高速注塑机注射部分仿真模型. 介绍了电液位置-速度伺服系统的控制策略和实现方法. 实现注射位置和速度的双变量控制. Wang Jianwait [14] 内循环双板式注塑机合模系统能耗仿真分析. 通过减少阀门控制元件可以降低系统的能耗, 采用合适的液压缸直径并加装蓄能器. 熊文南等 [15] 注塑机合模时的能耗, 浅析三种液压系统的开启和顶出. 结果表明，定量泵的能耗 + 比例压力流量阀系统高, 比例变量泵系统的节能效果因产品工艺而异, 和定量泵的节能 + 伺服电机系统好. Gao Junwei [16] 针对注塑机液压系统溢流损失问题, 提出了一种异步电动机驱动双联齿轮泵的方案. 为满足注塑机瞬时大流量需求, 采用压力流量闭环控制，提高了系统的控制精度和节能效果, 并对传统注塑机液压系统进行改造, 具有良好的节能效果.

液控单向阀配流液压马达可达到更高的工作压力, 使注塑机进入高压即可 [17]. 在本文中, 注塑机液压系统采用高压液压元件.

注塑机液压系统工作压力, 保证相同条件下的输出功率, 降低注塑机在工作循环中对系统流量的需求, 同时减小液压系统液压缸直径尺寸, 减少系统节流损失及管道沿线压力损失方案. 在本文中, 合模力为 1 200 以kN为研究对象, 并通过AMESim软件对注塑机液压系统进行建模仿真. 通过减小气缸直径, 电磁操作阀口压降, 对比液压缸减流量增压前后管路及系统功耗，研究注塑机液压系统节能效果.

由于注塑机在实际工作状态下对功率的需求较大, 当系统溢流压力较低时, 经常需要输入大流量. 在大流量液压系统中, 阀口压降和沿管路压力损失大, 而系统温升和噪音也伴随着问题, 造成系统能量损失.

注塑机液压系统由液压泵组成, 电磁换向阀, 液压缸和液压马达. 现在, 大部分液压元件都达到了高压, 也为注塑机液压系统提高工作压力创造条件. 高压可实现液压系统的高功率密度和高功率输出, 符合注塑机液压系统的要求.

注塑机液压系统能耗损失的理论分析

1 注塑机液压系统溢流损失传统注塑机液压系统采用定量泵输出流量

液压系统简单可靠, 注塑过程中液压泵输出流量恒定. 在系统低流量需求阶段, 油通过溢流口流回油箱, 且溢流损失严重. 现在, 大多数注塑机的液压系统采用比例变量泵控制系统或伺服电机系统, 可有效调节注塑过程中液压泵的输出流量，减少系统溢流损失. 在注塑机的工作循环中, 能耗高，工作时间短, 所以伺服控制系统可以节省 30% ~ 60% 与比例流量控制阀系统相比的能耗. [2] .2 注塑机液压系统阀门节流压力损失

在注塑机工作过程中, 液压源通过电磁控制阀, 为了缩短注塑成型的周期时间, 系统的流量通常在液压缸中很高, 液压泵的输出流量流经电磁控制阀, 具有一定的节流压力损失. 电磁换向阀开启后类似于薄壁孔板节流阀, 所以阀口节流压降可以通过孔板流量-压降公式计算, 公式是

Q1 = CdA rilodelta p ■ 2

让我告诉你如何评价注塑机: Q1为阀口流量; Cd为薄壁孔板的流量系数. A是孔面积; 流体密度; Delta p为阀口前后压差, 所以节流能量损失是

通过节流孔流量-压降公式, 节气门压力

压降增量 p 与阀口流量 Q21 成正比, 所以节流能量增量 P 与闸门流量 Q31 成正比. 减少注塑机液压系统

各电磁操作阀口节流压降能量损失, 应优先降低系统流量. 为保证注塑机液压系统在系统流量降低时输出功率不变, 需要提高液压系统的工作压力以维持执行机构的正常工作.

在注塑机液压系统中, 液压源通过管路连接到电磁换向阀, 再通过管道输送到液压执行机构. 选择

较大的管径可以降低平均流速, 保证层流状态, 降低阻力系数，减少沿管压力损失, 但很难安排管道. 如果管径小, 管道平均流速大, 容易在管道内产生湍流，增加管道沿线的能量损失. 管道沿程压力损失计算公式为

Deltap 流水线 = λ l × ρv2d2

其中 lambda 是沿路径的阻力系数; L是管道的长度; D是管道的直径; 液压油密度; V 是管中的平均速度. 管内流速的计算公式为

4Q2 v = π d2

雷诺数公式为

Re = vd = 4Q2π

其中, upu 是油的运动粘度; Q2为管道流量. 阻力系数λ与管内流动状态有关，公式为

λ=

64重新

 -0.25 0.3164Re

，关于 <2320 ，3000<关于 <10

 0.308 ，105<电阻<108 ( 0. 842 – 雷电 ) 2 拔模斜度不足 → 可增大拔模斜度而不影响功能或缩小外观

为了减少液压管路沿途的损耗, 必须保证管道内的流动状态为层流, 所以沿路的阻力系数为 λ = 64 / 关于, 可得沿程压力损失公式.

64l π v 2 128π Q D p pipeline = Red × 2 = π d4

在管径不变的情况下, 管道沿线的压力损失与管道流量成正比, 沿管道压降的能量损失与管道流量的平方成正比.

3 3. 1

注塑机液压系统AMESim仿真模型

注塑机液压系统仿真参数

根据注塑机液压系统原理图及相关液压元件参数, 为了分析注塑机液压系统的功耗, 模型被简化, 建立注塑机液压系统仿真模型如图所示 2. 该模型利用步进信号模拟伺服电机，实现不同工况下的变速控制, 使系统基本不会产生溢出现象. AMESim模型仿真分析参数设置如表 1. 按注射工艺顺序, 电磁操作阀设置如表所示 2.

同时, 为了模拟阀口节流压降的效果, 参照华德WE6 O型三位四通电磁换向阀, 由于其阀口结构, 当流速为 60 升 / 分钟, 阀口P流向阀口A / B压降为1.0MPa, 到T口的压降为0.8MPa. 为了简化仿真模型, 三位四通电磁阀的最大流量设置为 60 升 / 分钟, 压降是 1 兆帕.

液压系统仿真参数设置后, 设定液压缸运动曲线.

线如图所示 4, 合模运动完成 0 ~ 2 秒, 然后移动气缸移动 1 带注射装置, 将螺杆料筒的喷嘴与注射喷嘴对齐，并施加一定的喷嘴接触力. 在 3 ~ 4 秒, 螺丝, 由两个注射缸驱动, 在非常高的压力下将熔融材料注入模具型腔, 并保持压力冷却一段时间, 为了简化仿真过程, 省略保持阶段; 然后预成型电机工作并将注射缸压回准备下一次注射; 9 ~ 10 s 内座位移缸缩回; 然后缩回模缸完成开模动作. 在顶出油缸的作用下, 成品被顶出到模具中, 然后气缸缩回, 然后气缸缩回, 从而完成一个注射周期.

注塑机能耗分析

工作阶段的每个液压执行机构, 所需流量不同, 负载大小不同, 系统压力也发生变化, 以免系统溢出流量, 所以在执行器阶段的操作, 使液压源提供其所需的流量. 在探究液压系统压降对能耗的影响时, 为了消除节流调速的影响, 确保液压缸的工作压力和流量相对恒定, 设置在大运动阻尼液压缸质量块模型中, 使液压缸工作状态保持恒定功率.

在系统不产生溢出的情况下, 各运动阶段液压泵的输出流量和压力如图所示 5. 在夹紧, 预成型和注射阶段, 液压系统输入压力和流量大, 并通过对注塑机液压系统能量损失的分析, 可以看出在大流量阶段, 压降能量损失大. 同时, 在模拟测试中, 模具油缸长度较大. , 长跑, 所以它的流量需要很大, 开合模工艺, 关于 30% 系统输入的总流量, 如果系统可以实现升压, 减少模缸输入流量, 可有效降低液压系统压降能耗, 提高注塑机液压系统的能效.

如图 6, 在整个注射周期, 夹紧阶段, 射出阶段和预成型阶段耗电量大. 为了研究电磁阀在液压系统中的压降和沿途管路损失, 我们以闭式液压缸的开模阶段为例. 气缸无杆腔压力, V1电磁操作阀口压力, 和V1中阀口P的压力以及图1中液压泵管路的输出压力 2 被选为合模液压缸进油段压降的研究节点. 各节点压力如图 7. 通过以上节点的压差, 阀口压降为 0.456 兆帕, 以及沿线的压力损失 1 m油管是 0.067 兆帕. 模拟阀口压降接近实际. 管道沿程压降的理论值为 0. 058 兆帕, 略大于理论值. 通过以上比较可以得到, 在系统流程大舞台, 阀口节流压降损失大于管道沿程损失, 在管道长度更长, 沿线压力损失不容忽视.

3 注塑机液压系统节流-阀孔压降及管路压降增压公式仿真分析

可见，通过降低系统流量可以显着降低节流压降和液压系统沿程压降. 为了满足液压缸的负载驱动力和工作速度, 系统流量减少时，喷水灭火有效面积必须减小，工作压力必须增加.

为验证注塑机液压系统增压节能方案, 原筒径由70mm-35mm改为50mm-28mm, 以夹紧缸为例. 液压缸的有效作用面积减少到原来洒水作业面积的一半. 计算出模流后变成原来流量的一半, 工作压力倍增, 所以溢流阀溢流压力增加到32MPa.

数字 8 显示改变夹紧液压缸直径前后系统的压力和流量曲线, 从图中可以看出, 在合模和开模阶段, 系统输入流量减少, 当系统压力上升时, 和合模过程, 系统流量减半, 而压力上升到原来的两倍, 与预期值一致. 然而, 升压后, 合模阶段, 系统工作压力高, 并且需要一定的时间来建立压力, 但基本不影响合模效果.

数字 9 显示合模油缸升压前后系统能耗. 在夹紧和打开阶段, 系统功率低于升压前, 减少约0.7kW, 并且功率降低了 7.5%. 数字 10 显示升压后夹紧油缸进油段各节点压力, 从图中, 从液压源到液压缸无杆腔的压降约为 0.138 兆帕, 这是关于 70% 小于压力上升前, 系统流量减半, 所以压降能量损失仅为 15% 在压力上升之前, 系统能耗降低 85%. 当单个夹紧缸的工作压力升高时, 系统的能源消耗可以通过以下方式节省 3.7%. 如果能提高整个液压系统油缸的工作压力, 大大降低系统压降能耗，提高系统能效.