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注塑机变频节能改造

文档作者：钟燕辉文档来源：河源职业技术学院		点击数：	更新时间： 2021年10月12日
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２０１４年２月
第４２卷第４期
机床与液压
ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ
Ｆｅｂ２０１４
Ｖｏｌ４２Ｎｏ４
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊｉｓｓｎ１００１－３８８１２０１４０４０４１
收稿日期：２０１３－０１－２１
作者简介：钟燕辉（１９８２—），男，硕士，讲师，现主要从事高分子材料加工成型及模具设计与开发的教学及研究工作。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｙｚｈｏｎｇｙｈ＠１６３ｃｏｍ。
注塑机变频节能改造
钟燕辉
（河源职业技术学院，广东河源５１７０００）
摘要：介绍了电液控制注塑机的变频节能原理和改造方案设计，并通过实例表明注塑机变频调速改造后的节电效果显
著，值得应用和推广。
关键词：注塑机；变频调速；节能改造
中图分类号：ＴＱ３２０５　　文献标识码：Ｂ　　文章编号：１００１－３８８１（２０１４）４－１２５－２
　　注塑机是塑料加工行业的主要生产设备之一，一
台注塑机的电动机少则几千瓦、十几千瓦，多则上百
千瓦，生产过程耗电量大，且电能浪费也不容忽视。
注塑机在成型一个塑件的全部工序中，有些工序电动
机在空转，另一些工序电动机不必输出全功率，这就
使得注塑生产企业每天有约３０％左右的电能被白白
浪费。由于工业生产电价昂贵，电费在塑胶生产企业
成本中占有相当大的比重，注塑机的电能浪费问题一
直困扰着广大塑胶制品生产企业，已经成为影响企业
生产效益的重要因素。
１　注塑机变频节能的可行性分析
注塑机进行注塑产品生产是一个周期性的间歇式
生产过程，一般按照一个预定的工序步骤，如锁模→
喷嘴进→注射→保压→冷却→熔料→开模→顶出展
开。传统的电液式控制注塑机一般采用三相异步电动
机进行驱动，设备开启，电动机即按照额定功率转
动，驱使定量泵定量定压地向液压系统供油。而注塑
机在生产过程中，每个不同的生产阶段所需的注塑压
力并不是一个恒值，而是一个压力波动较大的变量。
其中锁模、射胶、熔料所需压力较大，而冷却等阶段
所需压力较小。这样，当油泵输出的定量定压的液压
油大于所需工序阶段压力时，多余的液压油就由高压
节流回流掉，造成大量的能耗浪费，而且还会造成缩
短注塑机寿命等不利影响［１］。
通过对注塑机工作原理的分析，对注塑机进行变
频节能改造，可极为有效地降低这一能耗。注塑机安
装变频器后，可实时采集来自塑机程控系统的各生产
过程信息，通过程控信号转换器后将信号放大，传送
给变频器来驱动电机，使得电机的转速和实际工作需
要的压力流量相符，减少高压回流，从而达到节能目
的。
２　注塑机变频节能改造的方案设计
２１　系统调速控制设计及工作原理
对注塑机进行变频节能改造主要适用于采用比例
阀液压油路系统的定量泵注塑机，包括常见的单泵、
双联泵、三联泵等多泵系统，以及单电机、双电机和
多电机系统注塑机。需注意的是，其他诸如变量泵注
塑机则不适宜，因为变量泵已经带有一定的节能效
果，增加变频器体现不出明显的节能效果。另外，对
采用手动调节流量阀来控制系统速度的注塑机进行变
频节能改造，效果也不甚明显［２］。
在注塑机变频调节过程中，注塑机程控器输送给
流量比例阀和压力比例阀的流量、压力控制信号亦同
步输送给同步信号转换器，在同步信号转换器中可将
０～１ＡＤＣ的模拟电流信号转换成０～１０ＶＤＣ或４～
２０ｍＡ的模拟电压信号，然后输送给变频器，通过变
频器输出的变化频率来驱动油泵电机的不同转速，从
而使传统的定量泵转变为变量泵［３］。因油泵电机接受
的信号和程控器发出控制流量压力的信号是同步的，
所以可以使油泵输出的油量很好地与注塑成型各工艺
阶段实际所需油量相匹配，减少了回油量，达到节能
目的。
变频调速节能装置的控制系统方框图如图１。
图１　注塑机变频控制工作原理
说明：
（１）ＱＦ１和ＱＦ２分别为工频、变频主回路空气开
关。
（２）ＫＭ１和ＫＭ２分别为工频、变频交流接触器。
（３）ＫＭ１和ＫＭ２互为联锁。
２２　系统改造的电气设计及工作原理
在系统电气电路的设计过程中，为保证系统运行
的可靠性，进行变频电路接线后，仍保留原有的工频
运行回路。这样，万一变频回路发生故障时，可通过
控制电路手动切换回原有工频回路运行，注塑机的正
常运行不至于受到影响，保证了注塑生产的连贯性。
变频器主回路接线如图２所示。
由图３的控制电路原理图可见：系统运行采用变
频器和电机一对一的方式进行，当变频器发生故障
时，系统会发出故障报警，此时，可手动切换回工频
运行。此外，为保证系统运行时不会同时启动工频和
变频连接，控制电路中应对变频器和工频模式进行电
气联锁［４］。
图２　变频器主回
路接线图
　　　　　　图３　控制电路
原理图
２３　注塑工艺伺服控制单元设计
注塑机的变频控制一般采用随动系统，在注塑生
产过程中，注塑机会对不同注塑阶段进行实时监控，
此时比例压力放大板输出不同宽度的脉宽调制信号，
计算机或ＰＬＣ输出的注塑指令则作为变频器的跟随
信号。但单纯采用变频器对注塑机进行调速节能有一
定的局限性，主要是因为响应时间较长，控制精度较
低，在产品质量和生产率要求较高的情况难以适应，
而系统采用伺服控制单元可以较好解决这一问题。
注塑工艺伺服控制单元是注塑机变频节能的核
心，承担着大量的分析、计算和实时控制任务。它
主要收集注塑机在生产过程中的各种运行信息，并进
行综合分析处理，按照优化的节电数学模型，计算出
注塑机油泵的节电运转速度曲线，控制油泵调速运
行，实现节能效果。节电数学模型一般包括设备的型
号、设备运行状态以及设备所设定的工艺参数等信
息，把系统发出的比例压力流量控制信号输给伺服
器，经过计算分析后，输送给变频器，作为变频器的
控制信号，使油泵电机在开模、合模、射胶、冷却、
熔料等不同工作阶段实现自适应，从而实现变频调
速［５］。
为减少变频器对ＰＬＣ的影响，以及减少其他信
号对变频器的干扰，避免影响其正常运行，注塑机伺
服控制器一般会内置隔离放大器。为减少系统响应时
间，提高生产效率，伺服控制器一般设计前馈控制单
元，即当随动系统输入信号时，先对信号的各阶导数
进行测量或计算，并对其进行前馈控制，从而构成前
馈控制和反馈控制相结合的复合控制系统，并通过修
改ＰＬＣ参数来设置电流补偿等数学模型参数。复合
控制系统结构如图４所示。
图４　复合控制系统结构图
当注塑生产工程师在进行试模或在操作过程中进
行参数变换时，伺服控制器可以积极响应输入各参数
的变化，自动计算并输出修正数据，从而达到节电率
高和保证产品质量的双重效果［６］。
３　注塑机变频节能改造应用的成功案例
某塑胶五金有限公司原有佳明注塑机８台（电
机功率２２ｋＷ），后因企业经营状况良好扩大生产规
模，另新购置了４台海天注塑机（电机功率１１６
ｋＷ）。企业原采用一台１０ｋＶ／４００Ｖ４００ｋＶＡ的干式
变压器供电，但当订单较多需全开注塑机，高峰用电
时常引起变压器超载运行，因为过流保护导致跳闸，
严重影响正常交货期。为解决这一现象，企业原设想
新购置一台变压器，但设备前期投资过大，且不利于
后期运行时节能降损，故决定对８台佳明注塑机进行
变频节能改造。自改造以后，通过监控，发现总线电
流通量由原来接近或超过变压器额定电流的８６８Ａ，
降低到改造后的７３６Ａ，明显低于变压器的额定电
流，即使高峰用电也没出现超载现象，未出现过流保
护跳闸。采样变频运行前后对比作测试，测试时间
２０１２年８月２日至４日，注塑机型号为ＰＤ１６８ＫＸ，
电机功率４５ｋＷ，产品是打印机配件，质量为１８５ｇ，
成型周期为３２ｓ，其中锁模４ｓ、开模３ｓ、射胶５ｓ、
冷却１５ｓ、顶针进３ｓ、顶针退２ｓ，具体运行过程数
据记录如表１所示。
（下转第１２９页）
·１２６· 机床与液压 第４２卷
图２　轴承预紧机构示意图
该机构主要由：千分表１，机床主轴用角接触球
轴承２、４，隔套３，外圈轴套５，锁紧螺母６组成。
在轴端使用测力矩扳手施加预计的预紧力，通过轴套
５将力施加到轴承滚动体上，进而使轴承内外圈发生
偏移，然后利用千分表记录偏移值。将发生的偏移配
置到隔套中。轴承隔套的平行度要求较高，一般为
０００１～００１５ｍｍ，需要在平面磨床上进行加工。与
主轴轴套实现小的间隙配合，在装配的时候用大拇指
稍加用力将其推入为宜。
４　安装要求
（１）轴承选配要求。轴承的内孔和外径差要在
０００２～０００３ｍｍ以内，与轴套内孔保持０００４～
０００８ｍｍ的间隙。
（２）套内孔及主轴轴颈圆度要求在０００３ｍｍ以
内。可以采用研磨来进行精度修复，对于低于尺寸的
部位需要在采用电镀之后再进行刮研。
（３）在安装之前要对轴承进行清洗，不能使用
压缩空气清理轴承，这样易于损坏轴承。
（４）润滑油的施加要适当，过量的润滑油会造
成温升明显。一般应该形成１～３μｍ的油膜。
５　安装完成后的检验工作
安装完成后需要对主轴的径向跳动进行检验，一
般要求为０００１～０００２ｍｍ，圆跳动一般为０００２～
０００３，具体的情况要根据机床的精度来确定。如果
上述指标基本没问题就可以试运行机床，观察机床是
否有发热现象。如果机床发热明显，则隔套设计不合
理，应重新修磨隔套。
参考文献：
【１】陈建伟，葛培琪．角接触球轴承组合轴向预紧力分析
［Ｊ］．组合机床与自动化加工技术，２０１２（４）：４－１３．
【２】蒋慰，孟庆伟．双列角接触球轴承预紧力分析［Ｊ］．轴
承，２０００（３）：１２－１８．
【３】刘艳华．高速轴系支持刚度的计算分析与研究［Ｄ］．合
肥：合肥大学，２００５．
【４】吴志国，范秀娇．机床主轴温升原因分析［Ｊ］．机械工程
师，２００８（８）：１４５－１４６．
【５】刘桂芝．影响机床主轴系统加工精度分析［Ｊ］．机械制
造与研究，２００８（８）：５７－６０．
（上接第１２６页）
表１　变频改造前后运行节能效果测试
变频改造前
记录时刻
电度表实测数／
（ｋＷ·ｈ·（１２ｈ）－１）
产品件数
变频改造后
记录时刻
电度表实测数／
（ｋＷ·ｈ·（１２ｈ）－１）
产品件数
８月２号９∶１５ ４１５ １３０１ ８月２号２１∶１５ ２２７ １３０１
８月３号９∶１５ ４１７ １３０１ ８月３号２１∶１５ ２２７ １３０１
８月４号９∶１５ ４１４ １３０４ ８月４号２１∶１５ ２２７ １３０４
工频平均数３４６ １３０２ 变频平均数１８９ １３０２
节约比例ａ＝（３４６－１８９）／３４６＝４５４％
　　由表１可见，对注塑机进行变频改造后，总体功
率下降较多，节能效果明显。在生产过程、生产周期
不变的前提下，若冷却时间所占比例增大，则节能效
果更佳。
４　结束语
注塑机变频节能改造涉及液压控制系统、自动化
控制和变频技术等多个学科学术交叉问题。随着计算
机技术、电子技术及现代调速控制理论的发展，对
电液控制注塑机的定量泵采用变频调节，使电机的
转速根据实际工序阶段进行实时调节，并适当调整
相应参数保证产品质量，完全具有研究及应用的现
实意义。
参考文献：
【１】冯刚，江平．变频技术和变量泵在注塑机节能方面的应
用研究［Ｊ］．工程塑料应用，２０１１（３）：１０２－１０４．
【２】张红娟，权龙，李斌．注塑机电液控制系统能量效率对比
研究［Ｊ］．机械工程学报，２０１２（８）：１８０－１８７．
【３】许晓勤．注塑机变频节能控制系统的研究［Ｊ］．荆门职
业技术学院学报，２００８（９）：２８－３２．
【４】周孚宏．注塑机的变频节能改造［Ｊ］．电器传动自动化，
２００６，２８（５）：３７－４１．
【５】张军涛．变频调速技术在注塑成型机节能问题上的应用
［Ｊ］．自动化应用，２０１２（３）：６５－６７．
【６】魏蕾．基于ＰＬＣ及变频调速器的多电机控制研究［Ｄ］．
大连：大连交通大学，２００９．
第４期 张翔宇 等：主轴轴承预紧力在数控维修中的应用 ·１　２９　·

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