陶永亮1，張明怡2，張宏3
(1.重慶川儀工程塑料有限公司，重慶 400712；
2.中國航發(fā)西安航空發(fā)動機集團有限公司，陜西 西安 710021；
3.重慶捷爾博模具科有限公司，重慶 408400)
摘要：注塑行業(yè)是耗能較高，碳排放較大的行業(yè)。注塑機在注塑中起著重要的作用，目前從注塑機上進行節(jié)能減排改進是一個方式。文中介紹了注塑機上伺服控制、全電動控制、變頻調(diào)節(jié)裝置、料筒電磁節(jié)能加熱、烘干料桶節(jié)能裝置和視覺檢測設備等項目，都有從各個環(huán)節(jié)中講述裝置基本原理和提出節(jié)能的效果，值得注塑企業(yè)選用或推廣，也是注塑機節(jié)能化發(fā)展的要求。節(jié)能減排是一項系統(tǒng)工作，可以從每一個細節(jié)做起，注塑行業(yè)不列外。
關鍵詞：碳達峰；碳中和；節(jié)能減排；節(jié)能裝置；改進
注塑機是將熱塑（熱固）性塑料利用塑料成型模具制成各種形狀的塑料制品的主要成型設備。制造業(yè)中注塑機的耗能電老虎之一，注塑機數(shù)量龐大，使用壽命一般在20年左右。據(jù)有關文獻報道，南方一發(fā)達城市塑料制品的碳排放占制造業(yè)的相對值高，其工業(yè)增加值占制造業(yè)產(chǎn)值3.25%，電力耗能占制造業(yè)耗能的10.62%，塑料制品業(yè)2010年時碳排放量為329.4萬t[1]。可見注塑機是耗能之高的設備，耗能越高，相對地碳排放也是成正比。2020年9月22日，習主席在第75屆聯(lián)合國大會一般性辯論會向世界承諾中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和（簡稱“雙碳”目標）。面對“雙碳”目標下，注塑機節(jié)能化改進是勢在必行的途徑。
1 注塑機耗能情況分析
注塑成型工藝將熔融的聚合物溶體，再注入到模具型腔中，等聚合物溶體固化后，模具型腔打開，塑件被頂出。具體動作：合模→注塑座向前移動→注塑→保壓→冷卻（預塑→注塑座向后移動→開模→頂出塑件→頂桿復位→合模。通過這一工藝分析，注塑機需要有操作動力，需要有聚合物有加熱系統(tǒng)，即動力部分和加熱部分，這兩項都是需要電能來支持。在傳統(tǒng)液壓注塑機的用電量中，液壓油泵占到了80%以上[2]，其他還有料筒加熱用電，烘料斗加熱用電占到了15%，電器操控用電和其他一些用電占到了5%等[3]。為了實現(xiàn)注塑機節(jié)能低碳，有必要降低液壓油泵的耗電量，這也給注塑機的動力改進提供新的途徑，同時也需要降低料筒加熱用電，烘料斗加熱用電等，通過這些改進使注塑機用電盡量最小化。
2 注塑機節(jié)能方面的改進
目前注塑機已有伺服系統(tǒng)的應用（包括部分全電動控制），同時行業(yè)正在逐步開展加熱圈、干燥料斗的加熱節(jié)能配套工作[4]。其成果帶來的節(jié)能效益是一筆不小的數(shù)目，也是減少排放的措施。塑料行業(yè)的巨大空間，帶動了注塑機（包括擠出機）產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，帶動了變頻調(diào)節(jié)裝置、節(jié)能加熱圈、烘料節(jié)能裝置作為塑料機械的加熱節(jié)能產(chǎn)品開發(fā)和發(fā)展，不少節(jié)能產(chǎn)品的配套廠商加大了全國布局的力度。
2.1伺服控制系統(tǒng)的應用
在傳統(tǒng)的注塑機中，通常采用液壓傳動裝置，它主要由油泵、液壓控制閥、壓力電磁比例閥、流量電磁比例閥、各種不同的動作油缸、油泵電機及其他液壓附件和管道組成[5]。注塑機驅動系統(tǒng)-傳統(tǒng)液壓控制特點是傳統(tǒng)注塑機液壓油泵采用定量泵通過異步機工頻運行，高出系統(tǒng)的壓力油通過溢流閥回油，出現(xiàn)油溫高；噪音大；液壓油泄漏大；用戶電費成本很高；維護頻繁等缺點。后來采用變量泵做控制，變量泵相對定量泵可以節(jié)省了部分用電，但是避免不了定量泵的缺點[6]。采用電液混合控制（伺服泵），即伺服節(jié)能泵型的注塑機。主要有配置伺服電機、旋轉編譯碼、高精度壓力傳感器等組成。伺服泵時刻對液壓系統(tǒng)的壓力和流量進行檢測反饋，及時通過改變伺服同步電機的轉速和轉矩對壓力和流量做出調(diào)整的相應，最終維持整個系統(tǒng)的壓力，穩(wěn)、準、快達到設定壓力和流量，動態(tài)響應快、成品重復精度高、噪音低、最主要的是節(jié)省很多電費。伺服泵與傳統(tǒng)的定量泵和變量泵系統(tǒng)相比較，同噸位注塑機選配的電機功率要小得多，安裝空間，給注塑機整體提升了檔次。實踐證明電液混合控制方案在一定的條件下可比傳統(tǒng)的定量泵油壓系統(tǒng)節(jié)省60%的能耗[7]。
2.2全電動控制的應用
注塑機采用全電動控制，所有動作都依賴電動執(zhí)行機構來完成，注塑機系統(tǒng)中不需要液壓油路控制，也就是人們所稱的全電動注塑機。注塑機不需要過多的油箱和管路，運行和維護成本降低，變得更加清潔。當然全電動注塑機的成本明顯高于傳統(tǒng)液壓機，所采用伺服、驅動器、高精度傳感器等等，相對成品成型精度高。據(jù)統(tǒng)計，液壓式注塑機由于高壓節(jié)油造成的能量損耗高達36%~68%[8]，全電動注塑機運行噪音低，能耗低，與傳統(tǒng)注塑機相比可以節(jié)省50%~70%的能源[9]。當然全電動注塑機用于中小型鎖模噸位，在需要極長時間閉模和極高的鎖模壓力加工方面，還是需要液壓注塑機，全電動是替代不了。
2.3變頻調(diào)節(jié)裝置應用
將注塑機改造升級為“節(jié)能型”注塑機，其投資（主要是變頻器）應該在一年內(nèi)可以通過節(jié)約的電費或油費收回[10]。注塑機變頻器上采用在注塑機專用控制板或是在變頻器的CPU里面內(nèi)置一套專用程序的方式，就可以避免定量泵類注塑機存在能耗大、動作周期長、動作速度慢等缺陷。注塑過程中有鎖模、射膠、充填、溶膠、冷卻、開模等階段，這些階段對壓力的要求是不相同的。開模只要較小的壓力即可，溶膠、射膠、冷卻等就要較大的壓力，以保證塑件質(zhì)量和效率。注塑機中電極轉速高，則注塑壓力大，這樣通過變頻器對注塑機電機進行調(diào)速實現(xiàn)變壓節(jié)能。般注塑機變頻節(jié)能通常做法：將用來控制調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)閥的電量信號，進行轉換處理后作為變頻器輸出頻率的給定信號，直接將設備上鎖模、射膠、溶膠、冷卻、開模等過程控制信號進行處理后作為變頻器程序控制信號（變頻器輸出頻率信號），通過這種調(diào)節(jié)方式來滿足注塑機各個階段對供油壓力和流量的要求，以達到節(jié)能目的。廣東一公司對主泵55 kW大型注塑機進行變頻改進，塑機最大壓力可達2000t，最大注塑量可達16000g，在1~2min生產(chǎn)中、大型水管接頭。原工頻運行一小時耗電50.6kW.h，通過變頻運行一小時耗電30.1kW.h，節(jié)電率40.5%.節(jié)電效果明顯投資半年即收回[11]。
2.4料筒電磁節(jié)能加熱裝置
傳統(tǒng)的注塑機料筒加熱方式是用電阻式加熱圈。這種電阻式加熱圈是通過電流電阻熱效應來產(chǎn)生熱量，用加熱圈的內(nèi)壁安裝在料筒（也稱炮筒）外壁上，并且需要緊密接觸后（接觸式傳導）方能傳遞到料筒上。目前電阻式加熱圈結構簡單，價格便宜，安裝使用方便等優(yōu)勢。在接觸式傳熱中，注塑機在高速運行過程中有震動現(xiàn)象也會影響到加熱圈的加熱效果，另外加熱圈的外圈裸露在空氣中，也會散發(fā)出較多地熱量，熱損較大，熱損失可達50%[12]，從而帶來能耗的增加。加熱圈的外圈裸露在外面夏季對生產(chǎn)環(huán)境影響較大，并有一定安全風險。
防漏膠電磁加熱圈是在傳統(tǒng)電阻式加熱圈基礎上做了技術創(chuàng)新，用電磁加熱替代了電阻加熱，節(jié)能和安全指標有著很好地提升。其原理是通過電磁加熱控制器將交流電轉換為高頻電路，經(jīng)過電磁發(fā)熱圈（即高頻線圈）產(chǎn)生高頻磁場，使料筒鐵分子發(fā)生共振而產(chǎn)生熱量，達到加熱目的。電磁加熱圈包括帶定位功能內(nèi)筒基體（由耐高溫材料構成），電磁感應線圈，設有線圈定位邊和測溫點定位缺口，電磁感應線圈是多股電線繞制在內(nèi)筒基體之上，是單層或雙層（多層）的線圈，這與加熱器功率而選擇層數(shù)[13]。如圖1所示。
圖 1 電磁加熱圈結構與安裝示意圖（網(wǎng)圖）
電磁加熱圈可以在注塑機、吹膜機、擠出機塑料機械料筒高頻加熱選用，使料筒本體發(fā)熱并且不散熱，降低剪切力，同規(guī)格型號整套加熱圈比電阻加熱圈節(jié)電率40%~50%。電阻加熱圈外圈表面溫度有236℃，電磁加熱圈外圈表面溫度有47℃，降低車間內(nèi)溫度3~6℃，極大節(jié)約了電力成本，做到節(jié)能減排。一般5個月即可收回全部投資[14]，使用壽命長，電磁加熱圈得到了廣泛的應用?，F(xiàn)在還有“納米紅外線加熱”，通過碳纖維或石英燈管等對料筒直接表面光源高溫加熱，由發(fā)熱圈到料筒直接熱傳遞，節(jié)能效果更佳。
2.5烘干料桶節(jié)能裝置
塑料干燥機（也稱烘料斗）在注塑中是必不可少的周邊設備，對穩(wěn)定塑件注塑和表面質(zhì)量起著重要的作用。一般傳統(tǒng)塑料干燥機工作原理：在風機吹風作用于內(nèi)部發(fā)熱管的熱風吹入錐型料斗內(nèi)部，有上下篩網(wǎng)與料斗表面作為通風入干燥機桶內(nèi)→發(fā)熱絲通電→風機吹風的作用下→風吹入料桶達到干燥的目的[15]。傳統(tǒng)干燥機存在著無智能檢測傳感器，無法智能控制干燥風量大小，是恒風量運行，耗電較多、熱能轉換率低能量浪費嚴重等現(xiàn)象。
為了對原有的烘料桶進行節(jié)能改進，專門對烘料桶控制部分做智能控制處理，其他烘料桶里結構不變。基本由計算機程序構成的數(shù)字溫度智能控制伺服全自動系統(tǒng)，能夠按照料桶控制器設定溫度進行恒溫所需智能控制處理的功率進行補償，做到智能控制溫度、風量、加熱功率，達到烘料恒溫加熱節(jié)能作用。節(jié)能效果在40%~60%之間，安裝簡單，調(diào)試后不必額外維護。200kg的烘料桶改進前一小時用電3.3kW.h，改進后則為1.5kW.h，基本節(jié)電率54%，6~10個月可以收回成本。如圖2所示。其節(jié)能原理其一，自動調(diào)節(jié)功率，根據(jù)物料干燥程度給予匹配功率，保持在烘料所需的溫度并穩(wěn)定恒溫以減少浪費。其二，風量自動調(diào)節(jié)，實時測量塑料的溫度干燥度，通過系統(tǒng)自動控制風口的大小，從而減小熱量散失。其三，消除安全隱患，當溫度達到一定程度時系統(tǒng)會自動斷掉電源，起到安全保護作用。
圖2 烘料桶控制箱改進前后示意圖（現(xiàn)場圖）
2.6視覺檢測設備應用
注塑機節(jié)約電能的同時，做出合格產(chǎn)品，保護好模具更是注塑節(jié)能的重要環(huán)節(jié)。這些年，智能應用案例移植到注塑機應用，對提高產(chǎn)品質(zhì)量，保護模具等設備起到了很好地作用。引入機器視覺檢測設備，即CCD（Charge-coupled Device）圖像傳感器，通過CCD能夠把光學影像轉化為數(shù)字信號傳送智能圖像處理與決策系統(tǒng)，對光學影像判斷正確與否，實施有效控制。就是在塑機與模具的地方安裝幾個工業(yè)照相機或鏡頭用視覺設備代替人眼完成測量、檢查、引導、識別等功能，實現(xiàn)減少人工、降低勞動強度、對接信息化智能化建設等[16]。一般可以安裝6個CCD相機。
注塑模作為塑件加工中重要的成型工裝設備，直接影響到塑件品質(zhì)，模具在注塑加工中占據(jù)著重要比例，注重模具使用維護，延長模具使用壽命，是注塑行業(yè)節(jié)能減排、降本增效的重要議題。目前模具保護器適用注塑機運行情況實時監(jiān)視、檢測和控制，利用機器視覺實時拍攝運算等處理，智能話監(jiān)控注塑機，檢測脫模不良、短射或產(chǎn)品飛邊，監(jiān)視模具滑塊到位情況、嵌件安放、模具型腔表面異物和模具復位、粘模、色澤、閉模、產(chǎn)品脫落等。通過這樣監(jiān)控可以避免模具壓壞損傷而停產(chǎn)，縮短生產(chǎn)周期。當出現(xiàn)不良產(chǎn)品或短射時，系統(tǒng)還能及時提醒操作者。當然應用圖像傳感器除了監(jiān)視模具外，還有拓展功能，尤其與注塑機智能控制系統(tǒng)兼容[17]，還能做為控制產(chǎn)品質(zhì)量，識別和不合格分類，以減少人工檢驗產(chǎn)品帶來的疲勞造成產(chǎn)品的誤判和錯判等。
3結束語
據(jù)報道，2019年預計塑料的生產(chǎn)和焚化將產(chǎn)生超過8.5億t二氧化碳當量，相當于189個500MW燃煤發(fā)電廠的排放量。據(jù)專家的估計，從現(xiàn)在開始到2050年全球塑料生產(chǎn)和焚化將累計排放560億t二氧化碳當量，占本世紀中葉根據(jù)當前的減排承諾可以“支出”的總碳預算的10%~13%。到本世紀末，與塑料有關的排放量可能占碳總預算的一半[18]。從這些數(shù)據(jù)中看出，注塑行業(yè)的碳排放量還是很大的，在未來的減排之路上任重道遠，同時還是要通過技術進步進行減排，應用新型能源。目前，注塑行業(yè)通過節(jié)約電能，控制產(chǎn)品質(zhì)量，生產(chǎn)更多地合格產(chǎn)品是減少排放的一個重要途徑，實施節(jié)能減排、降本增效是實現(xiàn)“雙碳”目標基礎。還應以“智造”賦能減碳，為助力注塑行業(yè)智造升級，綠色轉型提供源源動力。將實施一系列舉措來降低排放量，為減緩全球溫室效應貢獻微薄力量。
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