1 引言

注塑機設(shè)備在各類加工行業(yè)中被廣泛的應(yīng)用，它使用的是注射成型的方式。
塑料注射成型是利用塑料三種狀態(tài)，借助于注塑機和模具，成型出所需要的塑料制品。盡管所用的注塑機不盡相同，但要完成的工藝內(nèi)容和基本過程還是相同的，下面以臥式螺桿注塑機的加工過程為例予以說明。

1.1 合模與鎖緊
注射成型過程是一個循環(huán)工作過程，一般以合模作為過程的始點，合模過程中動模板的移動速度需符合慢-快-慢要求，而且有低壓保護階段。低壓保護的作用一方面是保證模具平穩(wěn)地合模，減小沖擊，縮短閉模時間，從而縮短成型周期;另一方面是當(dāng)動模與定?？煲咏鼤r，避免模具內(nèi)有異物或模內(nèi)嵌件松動脫落損壞模具。最后為高壓低速鎖模階段，該階段的作用是保證模具有足夠的鎖緊力，以免在注射、保壓時產(chǎn)生溢邊等現(xiàn)象。

1.2 注射裝置前移
當(dāng)合模機構(gòu)閉合鎖緊后，注射座整體移動油缸工作，使注射裝置前移，保證噴嘴與模具澆道口貼合，為注射階段作好準(zhǔn)備。

1.3 注射與保壓
完成上述兩個工作過程后，注射裝置的注射油缸工作推動注射機螺桿前移，使料筒前部的熔料以高壓高速注入模腔內(nèi)。此時螺桿頭部作用于熔料上的壓力稱之為注射壓力，又稱一次壓力。熔料注入模腔后，由于模具的冷熱傳導(dǎo)，使模腔內(nèi)物料產(chǎn)生體積收縮。為了保證塑料制品的致密性、尺寸精度、強度和剛度，必須使注射系統(tǒng)的模具施加一定的壓力進行補料，直到澆注系統(tǒng)(關(guān)鍵是澆口處)的塑料凍結(jié)為止。此時螺桿作用于熔料上的壓力稱之為保壓壓力，又稱二次壓力。

1.4 制品冷卻和預(yù)塑化
隨著模具的進一步澮，模具澆注系統(tǒng)內(nèi)的深料逐漸趨于凍結(jié)，尤其當(dāng)澆口凍結(jié)時，保壓已失去了補料作用，此時，可以卸去保壓壓力，使制品在模內(nèi)充分冷卻定型。

同時，螺桿傳動裝置帶動螺桿傳動，料斗內(nèi)的塑料經(jīng)螺桿向前輸送，在料筒加熱系統(tǒng)的外加熱和螺桿的剪切、混煉作用下，塑料逐漸依次熔融塑化，并由螺桿運到料筒端部，產(chǎn)生一定的壓力。這壓力是根據(jù)所加工塑料調(diào)節(jié)注射機液壓系統(tǒng)的背壓閥和克服螺桿后退的運動阻力建立的，統(tǒng)稱為預(yù)塑背壓，其目的是保證塑化質(zhì)量。由于螺桿不停地轉(zhuǎn)動，熔料也不斷地向料筒端部輸送，螺桿端部產(chǎn)生的壓力迫使螺桿連續(xù)向后移動，當(dāng)后移到一段距離，料筒端部的熔料足以滿足下次注射量時螺桿停止，由于制品冷卻和預(yù)塑同時進行，一般要求預(yù)塑時間不超過制品冷卻時間，以免影響成型周期。

1.5 注射裝置后退
注射裝置是否后退需根據(jù)加工塑料的工藝而定。有的在預(yù)塑化后退回，有的在預(yù)塑化前退回，有的注射裝置根本不退回，如熱流道模具。注射裝置需要退回的目的是避免噴嘴與冷模長時間接觸使噴嘴內(nèi)料溫過低而影響下次注塑和制品質(zhì)量。有的為了便于清料，也常使注射裝置退回。

1.6 開模和頂出制品
模具內(nèi)的制品冷卻定型后，合模機構(gòu)就開啟模具。在注射機的頂出系統(tǒng)和模具的頂出機構(gòu)聯(lián)合作用下，將制品自動頂落，為下次成型過程做好準(zhǔn)備。
根據(jù)上述動作，按時間先后程序可將注射機工作過程繪成曲線圖(見圖1)。

圖1 注塑機工頻及變頻運行的耗電曲線

2 注塑機的變頻改造的可行性

一臺通用注塑機設(shè)備，在一個完整的注塑過程中的鎖模、射膠、充填、熔膠、冷卻、開模等階段對壓力的要求各不相同，開模階段只需保證較小的壓力即可，但要熔膠、冷卻時卻需要較大的壓力，以保證產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)率。根據(jù)注塑機原理，我們知道電機轉(zhuǎn)速越高，注射壓力也就越大，所以通過變頻器對注塑機電機進行調(diào)速實現(xiàn)變壓節(jié)能是完全可行的。

3 方案簡述

目前一些注塑機已采用了變頻節(jié)能技術(shù)，收到了節(jié)能、超靜音、高效和可靠的顯著效果，且能大大減少注塑機的耗電量，這已在眾多注塑機用戶中得到了非常好的評價與信賴。通過一些專家的測試和改良，注塑機的變頻節(jié)能技術(shù)已日趨完善。

一般的注塑機的變頻節(jié)能改造通常是:將用來控制調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)閥的電量信號，進行轉(zhuǎn)換處理后作為變頻器輸出頻率的給定信號，或是將注塑機的鎖模、射膠、熔膠、冷卻、開模等工藝過程控制信號進行處理后作為變頻器的多段速或程序控制信號(也是變頻器輸出頻率的給定信號)，以此調(diào)節(jié)方式來滿足注塑機各種工藝對供油壓力和流量的要求，并達(dá)到節(jié)能的目的。(見圖2)

圖2 變頻改造示意圖

為了實現(xiàn)注塑機在變頻調(diào)節(jié)時的最佳工況，我公司特別研究開發(fā)了針對注塑機壓力，流量雙信號控制回路自動切換電路，它能根據(jù)注塑機各個不同工作環(huán)節(jié)的流量，壓力要求不同而自動選擇信號，這樣在加工一些高精度的塑料產(chǎn)品時使用更是得心應(yīng)手。

4 注塑機節(jié)能的原理及可行性分析

4.1 理論原理
如果忽略機械能到液壓能轉(zhuǎn)換過程中的能量損失，則可近似認(rèn)為油泵的輸出功率等于電機的輸出轉(zhuǎn)矩與電機轉(zhuǎn)速的乘積。因此可以看出，當(dāng)系統(tǒng)要求低流量時，系統(tǒng)需要的功率其實是非常低的。但是實際情況卻是，由于電動機始終運行在工頻50hz狀態(tài)上，并不能根據(jù)實際的需求來降低其轉(zhuǎn)速，從而減小流量。因此多余的液壓油只能通過比例流量閥流回油箱，造成能源的白白浪費。

4.2 油泵變頻調(diào)速節(jié)電運行
從圖1注塑機的p=f(t)工序過程中看出，在不同時間段，它的主油泵壓力是變化的，而且起伏較大，這就存在節(jié)能的可能性，且潛力較大。據(jù)統(tǒng)計，注塑機節(jié)電率一般可達(dá)25%~60%。眾所周知注塑機未使用變頻器時，主泵的電動機始終恒速運行，是極不經(jīng)濟的運行方式。

采用注塑機節(jié)電控制器，將控制比例流量閥的電流信號(0~1a)，按每個生產(chǎn)工藝階段設(shè)定的流量比例，得到0~1a的比例電流信號去打開電磁閥的比例開度，以提供系統(tǒng)所需的壓力。多余的流量通過溢流閥溢流掉。把比例流量信號連接到注塑機節(jié)電控制器作為驅(qū)動指令，控制油壓驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，油泵只補充油路中所消耗的部份，油泵電機按比例指令運轉(zhuǎn)相應(yīng)轉(zhuǎn)速，輸出相應(yīng)的流量，以提供系統(tǒng)所需的壓力。即需要多少提供多少，在源頭上讓它不產(chǎn)生浪費。因此用變頻節(jié)電系統(tǒng)在注塑機的整過生產(chǎn)過程中都具有明顯的節(jié)電效果，從而能夠較大幅度節(jié)能省電，為用戶帶來可觀的經(jīng)濟效益。

5 應(yīng)用案例

5.1 工程案例一: 廣東南海新豐塑料廠大型注塑機改造
深圳市日業(yè)電氣有限公司同東莞市某節(jié)能設(shè)備科技開發(fā)有限公司合作，對廣東南海新豐塑料廠4臺主泵55kw大型注塑機(由東華800)進行了變頻改造，該機最大壓力可達(dá)2000t，最大投料量可達(dá)16000g，約1~2min生產(chǎn)6個中、大型水管接頭。這是應(yīng)用變頻器的技術(shù)改造成功的典范，現(xiàn)已投產(chǎn)使用達(dá)半年之久，工作正常，平均節(jié)電率達(dá)35％以上，深受用戶歡迎，經(jīng)長達(dá)半年之久的應(yīng)用對比，該廠已確定對另6臺注塑機也使用變頻器進行技術(shù)改造。充分說明應(yīng)用變頻器對大型注塑機實行節(jié)能的技術(shù)改造方案是正確的有效的，值得向大家推薦。

(1) 工頻、變頻主電路及變頻器的選用
主油泵55kw，選用深圳市日業(yè)電氣有限公司zy3200-zy055t4變頻器四臺，經(jīng)半年來使用，證明變頻器的性能良好，工作可靠，節(jié)電率高，主電路采用工頻-變頻二套電源供電方式(即變頻、工頻互鎖互換的雙回路控制),以確保不間斷的工作。

（2）變頻改造應(yīng)用中注意的事項
必需是采用比例流量控制的注塑機才可進行變頻節(jié)能改造。
變量泵不用進行變頻節(jié)能改造。因為變量泵本身已帶有一定的節(jié)能效果，增加變頻器不能體現(xiàn)出它的優(yōu)勢。
有些繼電器控制的注塑機速度是采用手調(diào)節(jié)流量閥控制速度的，進行變頻節(jié)能改造的效果并不理想。對小型注塑機響應(yīng)速度的特別要求，需慎重進行變頻節(jié)能改造。
一般情況下,安裝節(jié)能變頻器不會影響注塑機的操作使用方式,為保證生產(chǎn)效率,某些工藝參數(shù)卻需要作調(diào)整。
如何正確取得控制信號，實現(xiàn)變頻器與注塑機的最優(yōu)結(jié)合是十分重要的。我們采用的方案原理框圖見圖3。

圖3 變頻控制流程圖

(3) 經(jīng)濟效益分析
如表1、表2所示。

表1 注塑機及生產(chǎn)情況表

表2 工頻、變頻運行耗用電能表

投資回報分析:
每月節(jié)電:
0.5kwh/h×22h/天×28天=12628kwh/月
每月節(jié)約電費:12628kwh×0.6元/kwh=7576.8元
每年節(jié)約電費:7576.8元/月×12月=90921.6元
投資回收期:
63800元÷7576.8元/月×28天/月=235天

5.2 工程案例二: 某注塑廠仁興塑機進行節(jié)能改造
我公司于2004年3月1日對某玩具廠進行注塑節(jié)能改造，節(jié)電率達(dá)到35.86％，現(xiàn)就改造過程分析如下:
(1) 對象
如表3所示。

表3 注塑機及生產(chǎn)情況表

(2) 改造前后電流、電度表讀數(shù)比較
改造前后運行電流的比較如表4所示。

表4 改造前后電流比較圖

根據(jù)表4的比較結(jié)果可以得知采用變頻器調(diào)速后電流有了明顯的下降。
改造前后的有功電度表讀數(shù)比較如表5所示。

表5 工頻下有功表以及用電容量的計算結(jié)果

由表5可計算單位產(chǎn)品的耗電量:
單件產(chǎn)品平均耗電量=326.9/1370=0.2387

表6 變頻下有功表以及用電容量的計算結(jié)果

由表6可計算出單位產(chǎn)品的耗電量:
單件產(chǎn)品平均耗電量=207.9/1358=0.1531kwh
使用變頻節(jié)電器后效率=169.75/171.25=99.13%
根據(jù)以上耗量可以計算出改造后節(jié)電百分比:
節(jié)電率=(p工頻-p變頻)/p工頻
=(0.2387-0.1531)/0.2387=35.86％

(3) 改造后對生產(chǎn)穩(wěn)定性、產(chǎn)品質(zhì)量、機器性能的影響

表7 改造前后的生產(chǎn)數(shù)量的對比

生產(chǎn)量的穩(wěn)定性
變頻調(diào)速運行后單位小時生產(chǎn)量沒有明顯變化，每小時減產(chǎn)1.5只,生產(chǎn)效率下降僅0.88%,具體數(shù)據(jù)見表(7)。
產(chǎn)品質(zhì)量:經(jīng)工廠fqc檢驗，未發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題
機器性能:經(jīng)測量采用變頻調(diào)速后，電機的表面溫度有所提高，工頻運行電機溫度為53.6℃，變頻運行時電機最高溫度為57.5℃，仍在電機安全范圍內(nèi)，這是由于電機在整個周期內(nèi)，根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同運轉(zhuǎn)，電機的散熱風(fēng)扇風(fēng)力減小的緣故。建議保持散熱風(fēng)扇及電機的清潔。

6 結(jié)束語

目前市場上各種注塑機變頻節(jié)能器種類繁多，技術(shù)含量和產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，因此在現(xiàn)場改造中出現(xiàn)了一些具體問題，有的是屬于采用變頻調(diào)速技術(shù)后的正?，F(xiàn)象，而有的則是屬于產(chǎn)品或應(yīng)用中應(yīng)該克服的缺點:

(1) 電機高頻噪聲較市電時尖銳
由于變頻器輸出電壓是由許多脈沖列組成，存在著高次諧波，使電機運行時轉(zhuǎn)速不同時會發(fā)出不同響度且稍尖銳的聲音，這是正常現(xiàn)象，并可以通過降低變頻載波頻率來降低尖嘯聲。

(2) 電機溫度略高于市電運行時的溫度
由于輸出諧波的存在，增加了電機的銅損和鐵損，因此，電機在變頻節(jié)電運行時的溫度要稍高于市電運行時的溫度。同時，在中低速運轉(zhuǎn)階段，電機冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下降，散熱能力降低，溫升可能上升3～5℃左右。由于普通油泵電機絕緣等級均在b級或f級以上，故電機溫升仍在允許的范圍內(nèi)，不會影響電機的使用和壽命。

(3) 對注塑機的正常運行產(chǎn)生干擾
變頻裝置產(chǎn)生的諧波對注塑機的一些控制回路會有一定干擾，影響注塑機的正常動作，特別是一些制造工藝粗糙、諧波含量大的變頻器用在工藝不穩(wěn)定的注塑機表現(xiàn)的更明顯，這就需要我們在現(xiàn)場采取一些對策解決干擾問題。干擾源主要有下面兩個方面:
高次諧波通過導(dǎo)線產(chǎn)生的射頻干擾,對這類干擾可以通過在變頻裝置的輸入或輸出側(cè)加裝抑制射頻干擾的設(shè)備加以解決，例如磁環(huán)或濾波器等;
輸入諧波通過電源耦合到其他用電設(shè)備形成干擾, 對這類干擾可以在變頻裝置的輸入側(cè)加裝濾波器解決，或者安裝進線側(cè)交流電抗器也有一定效果;另外，同一電源下的其他設(shè)備最好能做到隔離供電。

(4) 影響注塑生產(chǎn)的效率
變頻節(jié)能器在控制油泵電機速度的過程中存在著一定的加減速時間，相比原來的電磁閥開通速度有一定的滯后，導(dǎo)致單位加工周期延長，生產(chǎn)效率受到一定影響，由于日業(yè)sy3200變頻節(jié)能器能夠采用流量和壓力兩路信號控制，同時根據(jù)情況修改部分注塑機參數(shù)，就能夠較好地解決這個問題。

參考文獻
(略)