黃俊軍

（震德塑料機(jī)械有限公司技術(shù)中心，廣東佛山，528300）

1. 注塑機(jī)現(xiàn)有能耗水平， 對(duì)各環(huán)節(jié)能耗進(jìn)行分析

1.1 簡介注塑機(jī)產(chǎn)生能耗的地方

在整個(gè)注塑生產(chǎn)過程中， 除注塑機(jī)本身產(chǎn)生能耗外， 其它輔助設(shè)備如冷水機(jī)，機(jī)械手，運(yùn)輸帶等，都會(huì)產(chǎn)生能耗。 如只單看注塑機(jī)本身的能耗，則需了解注塑機(jī)是何種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

1.2 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能耗分析

對(duì)于液壓驅(qū)動(dòng)的注塑機(jī)，主要能耗來自于兩部份。分別是射臺(tái)料筒的發(fā)熱部份及液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。即是俗稱的發(fā)熱圈及油泵電機(jī)。

普通注塑機(jī)通常采用液壓傳動(dòng)，其結(jié)構(gòu)包含注射裝置、開合模裝置、液壓傳動(dòng)裝置和電氣控制裝置，后者的作用是保證注塑機(jī)預(yù)定工序的要求（壓力、速度、溫度、時(shí)間、位置）和動(dòng)作程序準(zhǔn)確有效地工作。

在傳統(tǒng)的注塑機(jī)中液壓傳動(dòng)裝置主要由油泵、液壓控制閥、壓力電磁比例閥、流量電磁比例閥、各種不同的動(dòng)作油缸、油泵電機(jī)及其它液壓附件和管道組成，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的動(dòng)力由電機(jī)帶動(dòng)油泵提供。其中，油泵絕大部分是定量油泵，電動(dòng)機(jī)通常提供額定功率和轉(zhuǎn)速，油泵將電動(dòng)機(jī)所輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，然后向液壓系統(tǒng)的液壓元件輸送具有一定壓力和流量的液壓油，滿足液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)負(fù)載所需能量的要求。

注塑機(jī)成型工藝是一個(gè)按照預(yù)定的周期性動(dòng)作過程，即以合?！渥烨斑M(jìn)——射膠——保壓——溶膠、冷卻——開?！〕鲋破贰獙⒈蛔⑺芗湃肽＞咧小夏５燃庸すば蜻_(dá)到某件產(chǎn)品成型。

各個(gè)過程所需的速度和壓力因不同工藝而不同，即所需的液壓油流量不同，因而注塑機(jī)整個(gè)動(dòng)作過程對(duì)油泵電機(jī)來說是個(gè)變負(fù)載過程。在定量泵注塑機(jī)液壓系統(tǒng)中，油泵電機(jī)始終以恒定轉(zhuǎn)速提供恒定流量的液壓油，各個(gè)動(dòng)作中相應(yīng)多余的液壓油則通過溢流閥回流，從而造成電能的浪費(fèi)。 雖然早有變量泵的設(shè)計(jì)，以減低對(duì)溢流所產(chǎn)生的耗損，但溢流所產(chǎn)生的耗損只能減低，卻不能減除。

發(fā)熱圈方面， 主要以電阻加熱及金屬傳熱方法，把熱量傳至料筒內(nèi)，從而達(dá)至把塑料加熱目的。 但在另一面，卻因?yàn)榘l(fā)熱圈外露于空氣中，故對(duì)料筒加熱的同時(shí)，也把部份熱量散失于空氣中， 從而產(chǎn)生耗損。 雖然市面上有所謂的保溫罩設(shè)計(jì)。 但其實(shí)際目的不是在于保溫，而是安全設(shè)計(jì)。主要是避免人手觸碰料筒而燙傷。 但不論保溫罩如何理想，隨空氣散失熱量仍會(huì)不斷發(fā)生。

除以上兩種主要能耗， 對(duì)于液壓系統(tǒng)來說，還有一個(gè)能耗來源。 因?yàn)橐簤河驮谶\(yùn)作一段時(shí)間后， 因?yàn)閴毫ψ兓?，油管磨擦?管徑大小改變，溢流等原因， 液壓油溫度會(huì)隨著時(shí)間不斷累升。油溫上升引至液壓油粘度變化，最終影響產(chǎn)品質(zhì)量。 故此，需加入油冷卻器。把冷水引入，從而把液壓油的過多熱量帶走。 但冷水的引入，也意味著雖要加入水泵。 水泵的運(yùn)作，本身也會(huì)產(chǎn)生能耗。

1.3 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能耗分析

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也就是以伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，從而進(jìn)行合模， 射膠，保壓，熔膠，開模，頂出等動(dòng)作。 整臺(tái)機(jī)的每個(gè)動(dòng)作均是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)， 故也稱全電機(jī)。 因?yàn)闆]有液壓驅(qū)動(dòng)，故此液壓系統(tǒng)所產(chǎn)生的耗損（例如：溢流，油管孔徑改變，油管磨擦，油管方向改變，油泵效率，冷卻水所需的水泵等等）都不再發(fā)生。 因此，對(duì)于全電機(jī)來說， 主要的能耗來自于發(fā)熱圈部份。

當(dāng)然，伺服電機(jī)本身的效率及滾珠絲桿所產(chǎn)生的磨擦在運(yùn)作過程中會(huì)產(chǎn)生一定的能耗， 但與傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)比較，這部份所產(chǎn)生的能耗低很多。

1.4 注塑機(jī)現(xiàn)有的能耗水平

經(jīng)過測試, 一般單臺(tái)傳統(tǒng)注塑機(jī)能耗和所站例分別是

液壓系統(tǒng)的耗能：60-75%

加熱系統(tǒng)的耗能：15-25%

冷卻系統(tǒng)的耗能：5-10%

控制組件的耗能：1- 5%

之前提及，全電機(jī)沒有液壓系統(tǒng)所產(chǎn)生的能耗。 故以上傳統(tǒng)注塑機(jī)能耗中的液壓系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)，對(duì)全電機(jī)來說，可說是不存在的。 只有加熱系統(tǒng)及控制組件的能耗。 故此較液壓系統(tǒng)低很多。 故與傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)比較， 全電機(jī)的節(jié)能效果可高達(dá)至約85%。

2. 國際同類產(chǎn)品的能耗水平

早在國內(nèi)仍使用定量泵時(shí)代， 外國先進(jìn)國家已開始研發(fā)全電機(jī)，以減低能耗為目標(biāo)。目前，節(jié)能型注塑機(jī)在歐洲和日本得到了較大和較快的發(fā)展，主要的形式有：

普通標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)+變量泵控制；

普通標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)+定量泵和變量泵組合控制；

變頻電機(jī)+變頻器；

伺服電機(jī)+伺服驅(qū)動(dòng)器；

全電動(dòng)

雖然我國也有以上各類產(chǎn)品的生產(chǎn)，但在能耗方面仍較外國為高。原因如下

國內(nèi)所制作的電機(jī)， 本身效率，質(zhì)量及壽命較外國品牌為低

油泵方面，國內(nèi)所制作的較外國品牌，在內(nèi)泄方面較大，從而使能耗增加

全電機(jī)的滾珠絲桿制作，在質(zhì)量仍未達(dá)至國際上的質(zhì)量。故而較易產(chǎn)生磨損，從而降低效率。 因而在耐用性上， 也較外國品牌為低。

即使在傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)注塑機(jī)上，使用外國與國產(chǎn)的油泵，也有達(dá)10%的能耗及使用壽命上的差異。

3. 注塑機(jī)節(jié)能技術(shù)的種類，原理及節(jié)能效果；對(duì)各節(jié)能技術(shù)進(jìn)行比較，排序，明確主推節(jié)能技術(shù)

如上文所說， 主要產(chǎn)生能耗的地方在于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及發(fā)熱系統(tǒng)。故此，節(jié)能技術(shù)一直也以這兩部份為重點(diǎn)。

3.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

3.1.1 變量泵驅(qū)動(dòng)

上面介紹的傳統(tǒng)注塑機(jī)驅(qū)動(dòng)方式帶來很大的能耗，故此早年業(yè)界推出變量泵驅(qū)動(dòng)的注塑機(jī)，該系統(tǒng)由變量泵代替原有的定量泵。

改用變量泵的最大優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)處于保壓時(shí)雖然電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)但變量泵會(huì)根據(jù)系統(tǒng)壓力的大小來調(diào)整自己的排量，即當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)變量泵會(huì)切換成小排量從而減少保壓時(shí)泵的輸出流量以減少電機(jī)的輸出扭矩達(dá)到了減少電機(jī)功率輸出， 同時(shí)，也因減少流量，使溢流所產(chǎn)生的耗損降低，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。 此種節(jié)能技術(shù)較原來的定量系統(tǒng)可節(jié)能高達(dá)至40%

3.1.2 變頻器驅(qū)動(dòng)

變頻器驅(qū)動(dòng)是變量泵的同期產(chǎn)品，主要是增加變頻器，以改為電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變排量。

改用變頻器來驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)系統(tǒng)處于保壓時(shí)，注塑機(jī)控制器會(huì)給一個(gè)比例流量信號(hào)給變頻器告訴變頻器現(xiàn)在要執(zhí)行低速運(yùn)轉(zhuǎn)，這時(shí)變頻器就驅(qū)動(dòng)電機(jī)以很低的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的效果，但是由于變頻器在啟動(dòng)和停止時(shí)都有加減速時(shí)間所以注塑機(jī)的運(yùn)行周期要比沒有加變頻器要慢，因此對(duì)于保壓時(shí)間短和工作時(shí)間短的產(chǎn)品不適合用變頻器。雖然此種節(jié)能技術(shù)較原來的定量系統(tǒng)也可節(jié)能高達(dá)至40%， 但因?yàn)轫憫?yīng)速度過慢及對(duì)電機(jī)壽命的減短，使變頻器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不及變量泵系統(tǒng)那么普及。

3.1.3 全電機(jī)

這是一個(gè)徹底的改變。把原來的液壓系統(tǒng)，均改為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由4部份組成。

鎖模部份（伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)）

注射部份（伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)）

頂針部份（伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)）

射移部份（一般交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)）

如前文所說，全電機(jī)因不是使用液壓傳動(dòng)，故沒有液壓系統(tǒng)帶來的能耗。伺服電機(jī)與滾珠絲桿的連接，籍著電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)在絲桿另一端的模板或螺桿進(jìn)行往復(fù)前后動(dòng)作。 雖然電控部份的電能增加，但整體上的能耗卻大大降低。加上沒有冷卻水所需的水泵， 此種節(jié)能技術(shù)較原來的定量系統(tǒng)可節(jié)能高達(dá)至85%

3.1.4 伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)

這是近年內(nèi)國內(nèi)較為火熱的一個(gè)節(jié)能系統(tǒng)。 主要是把傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)與全電機(jī)兩者合而為一。 此系統(tǒng)仍沿用液壓傳動(dòng)，與傳統(tǒng)的定量泵系統(tǒng)唯一分別則是使用伺服電機(jī)代替原有的交流電機(jī)，并配上一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以閉環(huán)控制式，控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速及扭力變化。

因?yàn)槭鞘褂靡簤合到y(tǒng)，故油管磨擦，油管口徑改變，油管方向改變等所產(chǎn)生的耗能仍然存在。 但相較變量泵系統(tǒng)，在溢流及冷卻水泵所產(chǎn)生的能耗卻進(jìn)一步降低。 因?yàn)樗欧姍C(jī)能于很短時(shí)間內(nèi)作出高低轉(zhuǎn)速的變化，并且是閉環(huán)控制， 故此在每個(gè)動(dòng)作所需的流量能作出精確的控制。 因此，產(chǎn)生溢流的情況降至最低。從而使溢流所產(chǎn)生的損耗大大降低。 另外，因?yàn)檎麄€(gè)注塑周期中， 保壓及冷卻占了2/3或更多的時(shí)間。 在這期間內(nèi)， 伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速是以十分緩慢地轉(zhuǎn)動(dòng) （保壓時(shí)只有每分鐘幾十轉(zhuǎn)， 冷卻時(shí)每分鐘只有10轉(zhuǎn)甚至更低）。在這情況下，因油泵電機(jī)傳遞至液壓油的升溫大大減低。另外，這段時(shí)間內(nèi)，液壓油在油管內(nèi)慢速流動(dòng)或甚至不動(dòng)，也有利減低磨擦，管徑變化等所產(chǎn)生的升溫。故此，此系統(tǒng)下的液壓油較傳統(tǒng)定量泵及變量泵系統(tǒng)，液壓油的工作溫度大大降低。據(jù)資料顯示，若工作環(huán)境不超過40oC，可以不用油冷卻器，也就意味可以減除冷卻水泵所產(chǎn)生的能耗。也因此減低注塑機(jī)對(duì)液壓油量的需求，也可加長液壓油的使用壽命。 此種節(jié)能技術(shù)較原來的定量系統(tǒng)可節(jié)能高達(dá)至75%

以下是各種節(jié)能系統(tǒng)與傳統(tǒng)定量泵系統(tǒng)的節(jié)能比較。這只是參考值，實(shí)際上的節(jié)能視乎使用的組件及注塑工藝而定

節(jié)能 (%)變量泵系統(tǒng) 40變頻系統(tǒng) 40全電機(jī) 85伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng) 75

3.2 發(fā)熱系統(tǒng)

傳統(tǒng)的發(fā)熱系統(tǒng)使用電阻式發(fā)熱圈。 原理是把發(fā)熱圈套在料筒上，籍著電流通過電阻，產(chǎn)生熱能。從而把熱能經(jīng)料筒表面?zhèn)鬟f至料筒內(nèi)的塑料中。 這樣裝置雖然效果不錯(cuò)，制作容易及成本低。 但因?yàn)榘l(fā)熱圈外露于空氣，故加熱同時(shí)，也有部份熱能散失于空氣中。 雖有保溫罩，但仍不能避免熱能流失。

新一代的發(fā)熱裝置改用電磁加熱。電磁控制器利用變頻原理來加熱. 將來自繼電器的交流電整流變成直流電，再將直流電利用斬波(晶集管開關(guān))轉(zhuǎn)換成頻率為20-30KHz的高頻高壓電. 當(dāng)高頻高壓電流流過線圈(耐高溫電線)會(huì)產(chǎn)生高速變化的交變磁場, 這磁場透過保溫層作用在與線圈接觸的料筒部分, 使其內(nèi)部產(chǎn)生無數(shù)的小渦流,即是高頻電子碰撞. 最后使料筒本身自行高速發(fā)熱

傳統(tǒng)發(fā)熱圈因金屬外殼與料筒表面接觸，散熱速度較快。 但電磁感應(yīng)發(fā)熱圈則是整個(gè)料筒用保溫棉包著，大大減少因熱傳遞所引至的功率損耗。 此外，減少了熱傳導(dǎo)損失和熱量對(duì)空氣的散失, 提高了熱效率. 據(jù)資料顯示，電磁加熱較傳統(tǒng)發(fā)熱圈節(jié)能30%以上。

此外，電磁加熱也有以下優(yōu)點(diǎn)

車間工作溫度較低——因減少了對(duì)空氣傳導(dǎo)的熱量，特別是夏天對(duì)車間的溫度影響

溫控較精確——傳統(tǒng)發(fā)熱圈從加熱，傳導(dǎo)至料筒內(nèi)部，再經(jīng)熱電偶反饋至電腦。 因部份熱能在空氣中散失，以及熱傳導(dǎo)的延遲。 故發(fā)熱圈所產(chǎn)生的溫度變化未能即時(shí)到達(dá)料筒內(nèi)部。 但電磁發(fā)熱則因熱能產(chǎn)生在料筒內(nèi)，加上隔溫棉， 故在溫度控制上較傳統(tǒng)的發(fā)熱圈更準(zhǔn)確

壽命較長——因本身溫度低, 不因高溫引至發(fā)熱圈老化問題. 壽命長很多. 故而減低成本及增加生產(chǎn)效率

提高操作安全——因與金屬接觸才產(chǎn)生熱能，另外料筒表面加上一保溫層。故表面溫度一般不超過50度,避免因接觸而引至燙傷。

因這電磁加熱裝置是把料筒表面加保溫層，對(duì)PVC，POM等熱敏性材料，不能有效地散熱。故這技術(shù)問題一直未能改善，加上仍未能效降低電磁波的影響，故仍未能使這裝置全面普及。

4. 節(jié)能測算口徑統(tǒng)一， 測算過程要準(zhǔn)確

由中國塑料機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)和全國塑機(jī)行業(yè)專家委員會(huì)組織的塑料注射成型機(jī)能耗檢測方法研討會(huì)，于2009年7月2日至3日在寧波市海天公園舉行。會(huì)議中通過對(duì)塑機(jī)行業(yè)第一部關(guān)于產(chǎn)品節(jié)能方面的標(biāo)準(zhǔn)——《塑料注射成型機(jī)能耗檢測方法》，以及有關(guān)積極實(shí)施行業(yè)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)化具體措施。這是我國對(duì)注塑機(jī)在節(jié)能方面的第一個(gè)定出的標(biāo)準(zhǔn)及檢測方法。

注塑機(jī)能耗等級(jí)節(jié)能等級(jí) 標(biāo)準(zhǔn)制品每千克質(zhì)量的耗電量（kW.h/kg ）1≤0.4 2≤0.55 3≤0.7 4≤0.85 5≤1.0 6＞1.0

在此標(biāo)準(zhǔn)中，定出對(duì)不同的注塑量，配合指定大小的模具進(jìn)行生產(chǎn)。模具的形狀，尺寸大小按注塑機(jī)大小有一定的規(guī)范要求。并要求在成品的外觀不超出指定的公差變化。 在這要求下，調(diào)整注塑工藝。待產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定后，進(jìn)行能耗測試。 從而得出該機(jī)的節(jié)能是否合符標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)制品每千克質(zhì)量的耗電量，判定該產(chǎn)品的能耗等級(jí), 如下表

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)制品每千克質(zhì)量的耗電量低于0.55kW.h/kg（即節(jié)能等級(jí)不超過2）時(shí)，判定該產(chǎn)品的能耗指標(biāo)符合節(jié)能產(chǎn)品認(rèn)證的技術(shù)要求。雖這檢測方法視乎生產(chǎn)時(shí)，注塑工藝占有很大的變數(shù)。

5. 明確是對(duì)哪個(gè)核心部件推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化

從上文可得知，產(chǎn)生能耗最主要來自于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。而全電機(jī)是眾多節(jié)能產(chǎn)品中效果最好的一種。 但因成本問題，以及性價(jià)比的考慮。 全電機(jī)一直未能全面代替原來的液壓系統(tǒng)。 為達(dá)至節(jié)能效果理想， 注塑機(jī)在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)這部份由原來的定量泵，改至早年的變量泵，及至改為近年火紅的，以伺服電機(jī)帶動(dòng)的伺服驅(qū)動(dòng)油泵系統(tǒng)， 也是原由于此。相信在一定的時(shí)間內(nèi)，以伺服電機(jī)帶動(dòng)的伺服驅(qū)動(dòng)油泵系統(tǒng)將會(huì)是國內(nèi)注塑機(jī)技術(shù)的主要發(fā)展方向。 如要打開海外市場，尤其是歐洲市場，則要先解決電磁波產(chǎn)生對(duì)其它輔件及人體的影響，始能進(jìn)軍海外。

另外，發(fā)熱部份也是一樣。為了減低這部份所產(chǎn)生的能耗，近年來市場上也有電磁加熱的發(fā)熱裝置。 雖這設(shè)計(jì)有助減低能耗，但本身仍有電磁波問題仍未解決。另外，對(duì)某些熱敏性塑料需要散熱而非保溫，這類產(chǎn)品現(xiàn)時(shí)仍未能解決相關(guān)問題。 故此，在電磁加熱技術(shù)上仍有很大的改進(jìn)空間。

因此， 在傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)配合伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電磁加熱裝置， 相信是未來一段時(shí)間內(nèi)， 行業(yè)內(nèi)的主要節(jié)能技術(shù)方向。