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注塑機變頻節(jié)能改造

文檔作者：鐘燕輝文檔來源：河源職業(yè)技術學院		點擊數：	更新時間： 2021年10月12日
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２０１４年２月
第４２卷第４期
機床與液壓
ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ
Ｆｅｂ２０１４
Ｖｏｌ４２Ｎｏ４
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊｉｓｓｎ１００１－３８８１２０１４０４０４１
收稿日期：２０１３－０１－２１
作者簡介：鐘燕輝（１９８２—），男，碩士，講師，現(xiàn)主要從事高分子材料加工成型及模具設計與開發(fā)的教學及研究工作。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｙｚｈｏｎｇｙｈ＠１６３ｃｏｍ。
注塑機變頻節(jié)能改造
鐘燕輝
（河源職業(yè)技術學院，廣東河源５１７０００）
摘要：介紹了電液控制注塑機的變頻節(jié)能原理和改造方案設計，并通過實例表明注塑機變頻調速改造后的節(jié)電效果顯
著，值得應用和推廣。
關鍵詞：注塑機；變頻調速；節(jié)能改造
中圖分類號：ＴＱ３２０５　　文獻標識碼：Ｂ　　文章編號：１００１－３８８１（２０１４）４－１２５－２
　　注塑機是塑料加工行業(yè)的主要生產設備之一，一
臺注塑機的電動機少則幾千瓦、十幾千瓦，多則上百
千瓦，生產過程耗電量大，且電能浪費也不容忽視。
注塑機在成型一個塑件的全部工序中，有些工序電動
機在空轉，另一些工序電動機不必輸出全功率，這就
使得注塑生產企業(yè)每天有約３０％左右的電能被白白
浪費。由于工業(yè)生產電價昂貴，電費在塑膠生產企業(yè)
成本中占有相當大的比重，注塑機的電能浪費問題一
直困擾著廣大塑膠制品生產企業(yè)，已經成為影響企業(yè)
生產效益的重要因素。
１　注塑機變頻節(jié)能的可行性分析
注塑機進行注塑產品生產是一個周期性的間歇式
生產過程，一般按照一個預定的工序步驟，如鎖?！?
噴嘴進→注射→保壓→冷卻→熔料→開?！敵稣?
開。傳統(tǒng)的電液式控制注塑機一般采用三相異步電動
機進行驅動，設備開啟，電動機即按照額定功率轉
動，驅使定量泵定量定壓地向液壓系統(tǒng)供油。而注塑
機在生產過程中，每個不同的生產階段所需的注塑壓
力并不是一個恒值，而是一個壓力波動較大的變量。
其中鎖模、射膠、熔料所需壓力較大，而冷卻等階段
所需壓力較小。這樣，當油泵輸出的定量定壓的液壓
油大于所需工序階段壓力時，多余的液壓油就由高壓
節(jié)流回流掉，造成大量的能耗浪費，而且還會造成縮
短注塑機壽命等不利影響［１］。
通過對注塑機工作原理的分析，對注塑機進行變
頻節(jié)能改造，可極為有效地降低這一能耗。注塑機安
裝變頻器后，可實時采集來自塑機程控系統(tǒng)的各生產
過程信息，通過程控信號轉換器后將信號放大，傳送
給變頻器來驅動電機，使得電機的轉速和實際工作需
要的壓力流量相符，減少高壓回流，從而達到節(jié)能目
的。
２　注塑機變頻節(jié)能改造的方案設計
２１　系統(tǒng)調速控制設計及工作原理
對注塑機進行變頻節(jié)能改造主要適用于采用比例
閥液壓油路系統(tǒng)的定量泵注塑機，包括常見的單泵、
雙聯(lián)泵、三聯(lián)泵等多泵系統(tǒng)，以及單電機、雙電機和
多電機系統(tǒng)注塑機。需注意的是，其他諸如變量泵注
塑機則不適宜，因為變量泵已經帶有一定的節(jié)能效
果，增加變頻器體現(xiàn)不出明顯的節(jié)能效果。另外，對
采用手動調節(jié)流量閥來控制系統(tǒng)速度的注塑機進行變
頻節(jié)能改造，效果也不甚明顯［２］。
在注塑機變頻調節(jié)過程中，注塑機程控器輸送給
流量比例閥和壓力比例閥的流量、壓力控制信號亦同
步輸送給同步信號轉換器，在同步信號轉換器中可將
０～１ＡＤＣ的模擬電流信號轉換成０～１０ＶＤＣ或４～
２０ｍＡ的模擬電壓信號，然后輸送給變頻器，通過變
頻器輸出的變化頻率來驅動油泵電機的不同轉速，從
而使傳統(tǒng)的定量泵轉變?yōu)樽兞勘茫郏常?。因油泵電機接受
的信號和程控器發(fā)出控制流量壓力的信號是同步的，
所以可以使油泵輸出的油量很好地與注塑成型各工藝
階段實際所需油量相匹配，減少了回油量，達到節(jié)能
目的。
變頻調速節(jié)能裝置的控制系統(tǒng)方框圖如圖１。
圖１　注塑機變頻控制工作原理
說明：
（１）ＱＦ１和ＱＦ２分別為工頻、變頻主回路空氣開
關。
（２）ＫＭ１和ＫＭ２分別為工頻、變頻交流接觸器。
（３）ＫＭ１和ＫＭ２互為聯(lián)鎖。
２２　系統(tǒng)改造的電氣設計及工作原理
在系統(tǒng)電氣電路的設計過程中，為保證系統(tǒng)運行
的可靠性，進行變頻電路接線后，仍保留原有的工頻
運行回路。這樣，萬一變頻回路發(fā)生故障時，可通過
控制電路手動切換回原有工頻回路運行，注塑機的正
常運行不至于受到影響，保證了注塑生產的連貫性。
變頻器主回路接線如圖２所示。
由圖３的控制電路原理圖可見：系統(tǒng)運行采用變
頻器和電機一對一的方式進行，當變頻器發(fā)生故障
時，系統(tǒng)會發(fā)出故障報警，此時，可手動切換回工頻
運行。此外，為保證系統(tǒng)運行時不會同時啟動工頻和
變頻連接，控制電路中應對變頻器和工頻模式進行電
氣聯(lián)鎖［４］。
圖２　變頻器主回
路接線圖
　　　　　　圖３　控制電路
原理圖
２３　注塑工藝伺服控制單元設計
注塑機的變頻控制一般采用隨動系統(tǒng)，在注塑生
產過程中，注塑機會對不同注塑階段進行實時監(jiān)控，
此時比例壓力放大板輸出不同寬度的脈寬調制信號，
計算機或ＰＬＣ輸出的注塑指令則作為變頻器的跟隨
信號。但單純采用變頻器對注塑機進行調速節(jié)能有一
定的局限性，主要是因為響應時間較長，控制精度較
低，在產品質量和生產率要求較高的情況難以適應，
而系統(tǒng)采用伺服控制單元可以較好解決這一問題。
注塑工藝伺服控制單元是注塑機變頻節(jié)能的核
心，承擔著大量的分析、計算和實時控制任務。它
主要收集注塑機在生產過程中的各種運行信息，并進
行綜合分析處理，按照優(yōu)化的節(jié)電數學模型，計算出
注塑機油泵的節(jié)電運轉速度曲線，控制油泵調速運
行，實現(xiàn)節(jié)能效果。節(jié)電數學模型一般包括設備的型
號、設備運行狀態(tài)以及設備所設定的工藝參數等信
息，把系統(tǒng)發(fā)出的比例壓力流量控制信號輸給伺服
器，經過計算分析后，輸送給變頻器，作為變頻器的
控制信號，使油泵電機在開模、合模、射膠、冷卻、
熔料等不同工作階段實現(xiàn)自適應，從而實現(xiàn)變頻調
速［５］。
為減少變頻器對ＰＬＣ的影響，以及減少其他信
號對變頻器的干擾，避免影響其正常運行，注塑機伺
服控制器一般會內置隔離放大器。為減少系統(tǒng)響應時
間，提高生產效率，伺服控制器一般設計前饋控制單
元，即當隨動系統(tǒng)輸入信號時，先對信號的各階導數
進行測量或計算，并對其進行前饋控制，從而構成前
饋控制和反饋控制相結合的復合控制系統(tǒng)，并通過修
改ＰＬＣ參數來設置電流補償等數學模型參數。復合
控制系統(tǒng)結構如圖４所示。
圖４　復合控制系統(tǒng)結構圖
當注塑生產工程師在進行試?；蛟诓僮鬟^程中進
行參數變換時，伺服控制器可以積極響應輸入各參數
的變化，自動計算并輸出修正數據，從而達到節(jié)電率
高和保證產品質量的雙重效果［６］。
３　注塑機變頻節(jié)能改造應用的成功案例
某塑膠五金有限公司原有佳明注塑機８臺（電
機功率２２ｋＷ），后因企業(yè)經營狀況良好擴大生產規(guī)
模，另新購置了４臺海天注塑機（電機功率１１６
ｋＷ）。企業(yè)原采用一臺１０ｋＶ／４００Ｖ４００ｋＶＡ的干式
變壓器供電，但當訂單較多需全開注塑機，高峰用電
時常引起變壓器超載運行，因為過流保護導致跳閘，
嚴重影響正常交貨期。為解決這一現(xiàn)象，企業(yè)原設想
新購置一臺變壓器，但設備前期投資過大，且不利于
后期運行時節(jié)能降損，故決定對８臺佳明注塑機進行
變頻節(jié)能改造。自改造以后，通過監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)總線電
流通量由原來接近或超過變壓器額定電流的８６８Ａ，
降低到改造后的７３６Ａ，明顯低于變壓器的額定電
流，即使高峰用電也沒出現(xiàn)超載現(xiàn)象，未出現(xiàn)過流保
護跳閘。采樣變頻運行前后對比作測試，測試時間
２０１２年８月２日至４日，注塑機型號為ＰＤ１６８ＫＸ，
電機功率４５ｋＷ，產品是打印機配件，質量為１８５ｇ，
成型周期為３２ｓ，其中鎖模４ｓ、開模３ｓ、射膠５ｓ、
冷卻１５ｓ、頂針進３ｓ、頂針退２ｓ，具體運行過程數
據記錄如表１所示。
（下轉第１２９頁）
·１２６· 機床與液壓 第４２卷
圖２　軸承預緊機構示意圖
該機構主要由：千分表１，機床主軸用角接觸球
軸承２、４，隔套３，外圈軸套５，鎖緊螺母６組成。
在軸端使用測力矩扳手施加預計的預緊力，通過軸套
５將力施加到軸承滾動體上，進而使軸承內外圈發(fā)生
偏移，然后利用千分表記錄偏移值。將發(fā)生的偏移配
置到隔套中。軸承隔套的平行度要求較高，一般為
０００１～００１５ｍｍ，需要在平面磨床上進行加工。與
主軸軸套實現(xiàn)小的間隙配合，在裝配的時候用大拇指
稍加用力將其推入為宜。
４　安裝要求
（１）軸承選配要求。軸承的內孔和外徑差要在
０００２～０００３ｍｍ以內，與軸套內孔保持０００４～
０００８ｍｍ的間隙。
（２）套內孔及主軸軸頸圓度要求在０００３ｍｍ以
內?？梢圆捎醚心磉M行精度修復，對于低于尺寸的
部位需要在采用電鍍之后再進行刮研。
（３）在安裝之前要對軸承進行清洗，不能使用
壓縮空氣清理軸承，這樣易于損壞軸承。
（４）潤滑油的施加要適當，過量的潤滑油會造
成溫升明顯。一般應該形成１～３μｍ的油膜。
５　安裝完成后的檢驗工作
安裝完成后需要對主軸的徑向跳動進行檢驗，一
般要求為０００１～０００２ｍｍ，圓跳動一般為０００２～
０００３，具體的情況要根據機床的精度來確定。如果
上述指標基本沒問題就可以試運行機床，觀察機床是
否有發(fā)熱現(xiàn)象。如果機床發(fā)熱明顯，則隔套設計不合
理，應重新修磨隔套。
參考文獻：
【１】陳建偉，葛培琪．角接觸球軸承組合軸向預緊力分析
［Ｊ］．組合機床與自動化加工技術，２０１２（４）：４－１３．
【２】蔣慰，孟慶偉．雙列角接觸球軸承預緊力分析［Ｊ］．軸
承，２０００（３）：１２－１８．
【３】劉艷華．高速軸系支持剛度的計算分析與研究［Ｄ］．合
肥：合肥大學，２００５．
【４】吳志國，范秀嬌．機床主軸溫升原因分析［Ｊ］．機械工程
師，２００８（８）：１４５－１４６．
【５】劉桂芝．影響機床主軸系統(tǒng)加工精度分析［Ｊ］．機械制
造與研究，２００８（８）：５７－６０．
（上接第１２６頁）
表１　變頻改造前后運行節(jié)能效果測試
變頻改造前
記錄時刻
電度表實測數／
（ｋＷ·ｈ·（１２ｈ）－１）
產品件數
變頻改造后
記錄時刻
電度表實測數／
（ｋＷ·ｈ·（１２ｈ）－１）
產品件數
８月２號９∶１５ ４１５ １３０１ ８月２號２１∶１５ ２２７ １３０１
８月３號９∶１５ ４１７ １３０１ ８月３號２１∶１５ ２２７ １３０１
８月４號９∶１５ ４１４ １３０４ ８月４號２１∶１５ ２２７ １３０４
工頻平均數３４６ １３０２ 變頻平均數１８９ １３０２
節(jié)約比例ａ＝（３４６－１８９）／３４６＝４５４％
　　由表１可見，對注塑機進行變頻改造后，總體功
率下降較多，節(jié)能效果明顯。在生產過程、生產周期
不變的前提下，若冷卻時間所占比例增大，則節(jié)能效
果更佳。
４　結束語
注塑機變頻節(jié)能改造涉及液壓控制系統(tǒng)、自動化
控制和變頻技術等多個學科學術交叉問題。隨著計算
機技術、電子技術及現(xiàn)代調速控制理論的發(fā)展，對
電液控制注塑機的定量泵采用變頻調節(jié)，使電機的
轉速根據實際工序階段進行實時調節(jié)，并適當調整
相應參數保證產品質量，完全具有研究及應用的現(xiàn)
實意義。
參考文獻：
【１】馮剛，江平．變頻技術和變量泵在注塑機節(jié)能方面的應
用研究［Ｊ］．工程塑料應用，２０１１（３）：１０２－１０４．
【２】張紅娟，權龍，李斌．注塑機電液控制系統(tǒng)能量效率對比
研究［Ｊ］．機械工程學報，２０１２（８）：１８０－１８７．
【３】許曉勤．注塑機變頻節(jié)能控制系統(tǒng)的研究［Ｊ］．荊門職
業(yè)技術學院學報，２００８（９）：２８－３２．
【４】周孚宏．注塑機的變頻節(jié)能改造［Ｊ］．電器傳動自動化，
２００６，２８（５）：３７－４１．
【５】張軍濤．變頻調速技術在注塑成型機節(jié)能問題上的應用
［Ｊ］．自動化應用，２０１２（３）：６５－６７．
【６】魏蕾．基于ＰＬＣ及變頻調速器的多電機控制研究［Ｄ］．
大連：大連交通大學，２００９．
第４期 張翔宇 等：主軸軸承預緊力在數控維修中的應用 ·１?。玻埂?#183;

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