李向東，劉洋，董鵬舉，張春林

(東華機(jī)械有限公司，廣東 東莞 523118）

1 伺服液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀分析

伺服液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)目前在注塑機(jī)械行業(yè)得到越來(lái)越多的普及應(yīng)用，但許多具體的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用問(wèn)題都還沒(méi)有定論。但就油泵的種類來(lái)說(shuō)五花八門，各種泵都有，如：齒輪泵、柱塞泵、螺桿泵，甚至是葉片泵等；但疑問(wèn)也很多，如：用什么類型的泵好？各種類型的泵當(dāng)中是否也就那么一小部分特殊性能的泵好？這種變速驅(qū)動(dòng)對(duì)泵的壽命又有那些影響？如何實(shí)行機(jī)器性能與伺服液壓驅(qū)動(dòng)的性能匹配和價(jià)格匹配等等……伺服液壓技術(shù)在注塑領(lǐng)域的應(yīng)用缺少確定的行業(yè)衡量標(biāo)準(zhǔn)，伺服液壓技術(shù)還沒(méi)有成為一種行業(yè)，泵的廠家并沒(méi)有專門為它提供有效的技術(shù)支持；伺服驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)廠商無(wú)法深入注塑成型制品領(lǐng)域，從而無(wú)法根據(jù)確定的行業(yè)特性做伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)施規(guī)劃。

2 伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)存在的主要問(wèn)題

塑料注塑成型與金屬加工成型一樣，已經(jīng)成為我國(guó)加工行業(yè)必不可少的組成部分，國(guó)家工信部已經(jīng)將塑料機(jī)械行業(yè)作為智能裝備行業(yè)列為十二五國(guó)家戰(zhàn)略規(guī)劃。但同我國(guó)長(zhǎng)期形成和熟悉的金屬加工工藝概念不同，塑料機(jī)械成型概念在我國(guó)的發(fā)展歷史比較短。塑料成型的整個(gè)過(guò)程包含了注塑成型機(jī)、模具、塑膠原料及冷水機(jī)、干燥機(jī)、上料機(jī)等機(jī)械設(shè)備和原料以及各種添加劑，由于以上原因塑料成型的工藝過(guò)程機(jī)器復(fù)雜，與金屬加工成型原理截然不同，需要對(duì)各工藝環(huán)節(jié)有深入的理解和認(rèn)識(shí)，對(duì)各工藝段所需要的功率、扭矩、占載率等有細(xì)致詳細(xì)的分析，才能夠建立相應(yīng)的應(yīng)用基礎(chǔ)理論模型。而目前我國(guó)的伺服驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)廠商絕大多數(shù)是在CNC、風(fēng)力發(fā)電和油電復(fù)合的應(yīng)用領(lǐng)域解決問(wèn)題，在面向注塑領(lǐng)域的應(yīng)用時(shí)會(huì)天然地用已有產(chǎn)品概念去理解和涵蓋，沒(méi)有將伺服液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)建立在注塑成型的應(yīng)用工藝基礎(chǔ)之上。

3 伺服液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)與傳統(tǒng)油泵使用沖突的技術(shù)環(huán)節(jié)分析

（1）低速區(qū)機(jī)械潤(rùn)滑：油泵內(nèi)部機(jī)械的潤(rùn)滑與壓力脈動(dòng)的控制都是基于異步機(jī)各系列的最低轉(zhuǎn)速來(lái)設(shè)計(jì)的，目前最低轉(zhuǎn)速大概都在300～600 r/min的范圍；而伺服變速驅(qū)動(dòng)方式在高壓力低轉(zhuǎn)速的工作場(chǎng)合時(shí)往往大大低于這個(gè)要求范圍，對(duì)于高容積效率的柱塞泵等低速范圍在0.3～10 r/min之間，柱塞之間的潤(rùn)滑油膜幾乎消失；這樣，在低速區(qū)就出現(xiàn)了同樣壓力，轉(zhuǎn)速降低，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩加大，油泵發(fā)熱加劇等情況。

（2）壓力脈動(dòng)問(wèn)題：伺服液壓驅(qū)動(dòng)環(huán)境下壓力脈動(dòng)一般在低速高壓或低速低壓區(qū)更容易產(chǎn)生。因油泵都存在泄露問(wèn)題，從理想狀態(tài)來(lái)說(shuō)，泄露給控制并不帶來(lái)影響，只是泄露越大，即油泵容積效率越低，節(jié)能效果越差。但泄露大小與壓力脈動(dòng)息息相關(guān)。伺服電機(jī)為了彌補(bǔ)泄露需要不斷調(diào)整轉(zhuǎn)速，而轉(zhuǎn)速越低，代表節(jié)能效果越好，尤其是在低速高壓區(qū)。因?yàn)樵S多成型工藝都存在保壓工藝，保壓工藝下壓力脈動(dòng)要非常小，以避免產(chǎn)品冷卻后的應(yīng)力集中，因而在注塑成型工藝?yán)锉仨氉⒁鈮毫γ}動(dòng)的產(chǎn)生，而這與伺服電機(jī)和油泵都是分不開(kāi)的。

（3）反轉(zhuǎn)問(wèn)題：一般油泵都不允許反轉(zhuǎn)，而伺服電機(jī)變速驅(qū)動(dòng)油泵方式在卸壓時(shí)必須反轉(zhuǎn)，且容積效率越高沖擊越大。反轉(zhuǎn)會(huì)給油泵帶來(lái)空蝕現(xiàn)象和反轉(zhuǎn)沖擊，對(duì)油泵的材料、加工工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料熱處理等都帶來(lái)非常高的技術(shù)要求。同時(shí)要求伺服電機(jī)提供較高的峰值扭矩、超載能力，以及較好的溫升控制。

（4）帶載啟動(dòng)停止：一些泵的手冊(cè)中標(biāo)明不許帶載啟動(dòng)停止，伺服電機(jī)變速驅(qū)動(dòng)油泵方式帶載啟動(dòng)是必然的，特別是在長(zhǎng)時(shí)間機(jī)器停歇然后啟動(dòng)場(chǎng)合，沖擊很大。

4 伺服液壓技術(shù)與注塑技術(shù)的匹配關(guān)系建立

在過(guò)往使用異步電機(jī)的注塑成型設(shè)備中，異步電機(jī)的技術(shù)選型一般只參考注塑成型工藝過(guò)程中的溶膠功率，就可以3倍左右的超載功率進(jìn)行選型匹配，其他工藝段所需要的負(fù)載都已經(jīng)含蓋在此最大功率之內(nèi)。但在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)油泵的環(huán)境下，注塑成型工藝的每個(gè)變化步驟都會(huì)對(duì)伺服電機(jī)特性有較大影響。我們以下面的理論模型建立應(yīng)用匹配原理。

4.1 注塑成型基本工藝中壓力與流量的關(guān)系

一般注塑成型工藝由以下工藝組成：鎖模、注射、塑化、冷卻、開(kāi)模、頂進(jìn)、頂退，而每個(gè)工藝段也有不同的工藝組成，例如鎖模工藝也可以分成低速高壓?jiǎn)?dòng)段、低壓高速段、低壓低速段、高壓低速段等不同流量壓力設(shè)定段組成，由于運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和控制特點(diǎn)的差異，各工藝階段所需要的壓力和流量有非常大的區(qū)別。要建立伺服液壓技術(shù)與注塑成型工藝的關(guān)聯(lián)性，就必須對(duì)整個(gè)工藝過(guò)程進(jìn)行仔細(xì)的歸類分析。參見(jiàn)圖1。

4.2 注射階段的注射工藝節(jié)拍及能量分析

對(duì)注塑成型工藝各階段建立功率、扭矩分析圖表，系統(tǒng)功率為W=P×Q/612 kW，系統(tǒng)扭矩為T=P×qm×η/2/π，成型其中P代表系統(tǒng)壓力，Q代表系統(tǒng)流量，qm代表油泵排量、η代表機(jī)械效率。

圖1 注塑成型工藝圖

假設(shè)某機(jī)型系統(tǒng)所需要的流量為253 L/min，選擇以下兩款油泵建立伺服液壓驅(qū)動(dòng)的初始技術(shù)條件，如下：

總排量 253L/min

主泵排量 153 L/min

輔泵排量 100 L/min

主泵電機(jī)轉(zhuǎn)速 2 000 r/min

輔泵電機(jī)轉(zhuǎn)速 2 000 r/min

油泵容積 76.50 cc/rev

油泵容積 50.00 cc/rev

同時(shí)按照?qǐng)D1注塑成型工藝所示各階段建立各運(yùn)動(dòng)工藝段所需要設(shè)定的壓力、流量、時(shí)間，以此計(jì)算各工藝段所需要的功率、扭矩分析表如表1。

按注塑成型工藝表1中各工藝段的壓力、流量和時(shí)間參數(shù)，我們可以得到各工藝時(shí)間段主泵及輔泵所需要的基于各時(shí)間段的功率及扭矩，以此可以借助方差平均值公式推論在16 s成型周期時(shí)間內(nèi)的主泵平均功率為14.18 kW，主泵平均扭矩為105.79 N·m，輔泵平均功率為9.27 kW， 輔泵平均扭矩為69.15 N·m。

表1 注塑成型工藝表

4.3 全周期工藝技術(shù)參數(shù)的選型原則建立

塑料成型工藝的實(shí)際壓力和流量曲線并不能達(dá)到理想狀態(tài)，普通異步電機(jī)拖動(dòng)的液壓式塑料成型裝備，典型的工作曲線是壓力和流量不會(huì)隨時(shí)間的變化而變化。只有保證流量和壓力曲線非常接近理想的曲線，才能使塑料成型制品的質(zhì)量得以保證，塑料成型設(shè)備的工作效率才可能得到提升。伺服液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)是以流量來(lái)追蹤壓力的，當(dāng)沒(méi)有達(dá)到壓力設(shè)定值時(shí)，伺服電機(jī)將以設(shè)定的最高流量轉(zhuǎn)速進(jìn)行工作，而當(dāng)達(dá)到設(shè)定壓力值之后自動(dòng)降低轉(zhuǎn)速，最低轉(zhuǎn)速只要能夠維持油泵的泄露就可以了，而無(wú)須像異步電機(jī)一樣旁路溢流掉。因此伺服液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)環(huán)境中的伺服電機(jī)參數(shù)選取，不僅要考慮到功率，更要考慮扭矩。

按注塑成型工藝表2提供的基于各工藝段時(shí)間占比分配的功率，可以觀察到一個(gè)成型周期中峰值功率為注射工藝產(chǎn)生，主泵最高功率為25 kW，峰值扭矩為保壓工藝產(chǎn)生，主泵峰值扭矩為158.28 N·m。而我們?cè)谧⑸涔に嚬?jié)拍及能量分析章節(jié)已經(jīng)計(jì)算出16 s成型周期時(shí)間內(nèi)的主泵平均功率為14.18 kW， 主泵平均扭矩為105.79 N·m。所以我們可以判斷出當(dāng)選擇伺服電機(jī)參數(shù)時(shí)，當(dāng)伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為2 000 r·min時(shí)，電機(jī)的額定功率應(yīng)不低于25 kW，而額定扭矩低于105.79 N·m即可，不必追求滿足峰值扭矩的工況要求。

以上建立了注塑成型與伺服液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)的選擇和判斷原理，當(dāng)然伺服液壓驅(qū)動(dòng)環(huán)境還會(huì)受驅(qū)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)、運(yùn)行模塊和算法設(shè)計(jì)、電機(jī)溫升控制、超速超調(diào)等方面因素的影響。但無(wú)論如何，伺服液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)是對(duì)所有組成成型工藝各時(shí)間階段動(dòng)作的分項(xiàng)細(xì)致研究，每一項(xiàng)初始值的改變，都會(huì)影響到整體。