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张友根注塑机节能技术的现状和展望（一） 注塑机节能技术的现状和展望（一） 张友根 （宁波海航塑料机械制造有限公司，宁波３１５８０６） 摘要：节能是注塑机科技进步的重要特征。从注塑机的节能注射成形技术、节能执行机构、节能动 力驱动系统等３个方面，进行了较为详情的分析研究，指出只有创新节能的注射成形技术、节能的动力 驱动系统和节能执行机构，才能达到完满的节能性能。分析了推广节能技术中值的注意的几个问题，指 出必须把节能技术作为提高注射戍形的技术之一来创新开拓，才能使节能技术不断地深入发展。 关键词：注塑机；节能技术；分析研究 中图分类号：ＴＢ４８６ ．１文献标识码：Ｂ文章编号：１００１～３５６３（２００８）０３—０２０７—０３ Ｐｒｅｓｅｎｔ Ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓａｖｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｐｌａｓｔｉｃ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ（Ｐａｒｔ １） ＺＨＡＮＧ Ｙｏｕ—ｇｅｎ （Ｎｉｎｇｂｏ Ｈａｉｈａｎｇ Ｐｌａｓｔｉｃ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｎｉｎｇｂｏ ３１５８０６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｐｌａｓｔｉｃ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｌｄｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｄｖａｎｃｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ ｉｎ— ｊｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒｍｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｅｎｅｒｙ ｓａｇｖｉｎｇ ｅｘｅｃｕｔｉｖｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ａｎｄ ｅｎｅｒｙ ｓａｖｉｇｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ．Ｉｔ ｗａｓ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ ｔｈａｔ ｏｎｌｙ ｔｈｅ ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｉｎ ｅｎｅｒｙ ｓｇａｖｉｎｇ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒｍｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｅｎｅｒｙ ｓａｖｉｇｎｇ ｅｘｅｃｕｔｉｖｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ａｎｄ ｅｎｅｒｙ ｓａｖｉｇｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ ｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙ ｓａｖｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ ｅｆｆｅｃｔ．Ｓｏｍｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｏｐｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｉｔ ｗａｓ ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ ｔｈａｔ ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ａｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｌｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｏ ｐｒｏｍｏｔｅ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｅｎｅｒｙ ｓａｖｉｇｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｌａｓｔｉｃ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｌｄｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ；ｅｎｅｒｙ ｓｇａｖｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｓｔｕｄｙ 注塑机是生产塑料包装制品的主要机械，降低能耗是降低 塑料包装制品成本的重要措施。注塑机的节能技术是注塑机 科技进步发展过程中开发的一项新技术，随注塑机的不断发展 而进步，同时又推动了注塑机的科技进步。高端注塑机必定具 有高端的节能技术，高端的节能技术是高端的注射成形不可缺 少的技术。对节能技术的分析研究，有助于注塑机的科技进步 用率，加工一个同样的制品，耗用的能量少即节能。注塑机的 能耗性能具体主要反映在动力驱动系统的结构形式及能量转 换效率上，以及驱动机构的结构形式上。注塑机的节能技术， 实际上主要包涵３个方面：一是节能注射成形技术，二是节能 的执行机构，三是节能的动力驱动系统。机构、电气控制及动 力驱动系统是为注射成形技术服务的，节能技术围绕着注射成 及高端注塑机的开发。本文对注塑机的节能技术作了较为详 细的分析，提出了注塑机节能技术推厂应用中的几个值得注意 形展开，随着注射成形技术的发展而进步，同时又促进注射成 形的科技进步。近年来，随着注塑机的发展，节能技术有了很 大的进展，主要在中、小型注塑机上进行节能技术开发，在动力 驱动系统上作开发，缺少对节能注射成形原理及节能执行机构 的问题及发展方向，供有关人士参考。 １ 注塑机能耗特性及节能特性分析 注塑机能耗的本质，就是动力系统输出的能量及能量的利 的创新开发。从根本上实现注塑机的节能注射成形，只有创新 节能的注射成形技术、节能的动力系统和节能执行机构，三者 合为一体，才能达到完满的节能性能。 收稿日期：２００７．１２－２５ 作者简介：张友根（１９５７一），男，上海人，教授级高级工程师，宁波海航塑料机械制造有限公司总工程师，主要从事塑料机械 的研究。 ２０７ 维普资讯 http://www.cqvip.com 包装工程ＰＡＣＫＡＧＩＮＧ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏ１．２９ Ｎｏ．３ ２００８．０３ 形，必定应用热流道技术。应用热流道技术，使较小合模力的 ２节能注塑机的创新开发 创新节能注射成形技术带动节能注塑的创新开发，在专用 注塑机的开发上首先得到应用，取得了良好的节能效果。 ２．１超大型专用节能注塑机的创新 注塑机可成形投影面积更大的制品。 ２．４振动成型节能技术 振动成型技术的实质是利用聚合物吸收振动能量，具有提 高加工性能和制品质量、缩短成型周期、节能和节约原料消耗 等效果，带有振动功能的塑化装置及设备有利于提高聚合物的 塑化质量和熔体平均流动速率，降低能耗，提高产量。 ２．５介质辅助节能技术 低压高速注射成形节能技术带动超大型专用节能注塑机 的创新。创新大型塑料制品的节能成形原理，开发节能超大型 专用注塑机。超大型注塑机主要用于特定大型塑料制品的注 介质辅助技术注塑成型的技术实质是将介质（氮气或水） 射成形，降低能耗是降低制品成本的主要措施。降低能耗的最 有效的措施是降低整机的装载功率，而不像中、小型注塑机那 样，从提高驱动系统的效率方面进行。降低整机的装载功率， 必须降低执行机构的所需功率。要降低执行机构的所需功率， 必须创新加工制品的注射成形工艺。超大型注塑机节能最明 显的特征是，能够实现低压高速注射／低锁模力成形制品。具 备１氏压高速注射／低锁模力成形的超大型注塑机，整机的重量、 装载功率、制造成本、性价比等具有明显的竞争能力。针对托 盘制品的性能要求及结构特征，一些单位从创新托盘的注射成 形工艺角度出发，降低托盘的注射成形能耗，并根据注射成形 的工艺要求 开发创新的节能系统和机构的超大型托盘注塑 机。 宁波海航塑料机械制造有限公司根据低压高速的节能注 塑成型原理，研发的４００００ｇ节能超大型注塑机，液压动力系统 装载功率仅为３７ｋＷ，是同规格普通卧式注塑机的ｌ／７—１／６， 整机装载功率仅为１９６ｋＷ，能加工废旧塑料的１５００ｍｍ× １２００ｍｍ的托盘。运用热流道注射原理，研发出模外多点热流 道注射，多达３４点，从而达到低压注射，大大降低了注射压力 和锁模力，降低了制品的内应力。塑化机构，运用挤出连续塑 化和中空机存储缸的原理和特点，与注射塑化结合起来，减小 了塑化螺杆的直径，４００００ｇ塑化螺杆的直径仅为１ １０ｍｍ，相当 于普通注塑机４０００ｇ的塑化螺杆，大幅度降低了塑化的驱动 力，塑化电动机仅为４５ｋＷ。加工一个１２００ｍｍ×１００ｍｍ托盘， 注射压力８０ＭＰａ，成型周期仅４．５ｍｉｎ，能耗为普通卧式注塑机 的５０％，从根本上解决了超大型机的注射成型节能问题。 ２．２微发泡节能注射成形技术 微发泡注塑技术，对于相同类型的制品，可以大大降低成 形所需的合模力，较低的合模力可成形较大的制品，低的合模 力使模具成本更低，低的合模力降低了成形能耗。从理论上 说，几乎目前所有的非结构性塑料制品和一部分结构性塑料制 品都可以采用微发泡注塑成型工艺制备。是一项很有发展前 途的高端的节能注射成形技术。 ２．３群腔热流道节能注射成形 热流道对低压节能注射成形非常重要，达到大幅度降低注 射成形能耗。注射成形大型制品，应用群腔热流道，降低了成 形的流长比，降低了注射压力，使注射成形制品所需的合模力 及注射压力大幅度降低，降低了制品成形的能耗。低压注射成 ２０８ 快速注入带有缺料注射高聚物熔体的模腔中，利用介质压力打 通介质通道，推动熔体前沿充满型腔。与此同时，介质由通道 内部向四周均衡传递压力，使熔体充实到型腔各壁面，并进行 压力保持，冷却定型，最终形成带有部分中空的制品。介质辅 助技术的节能实质在于２个方面：一是在加工中，用介质推动 前沿熔体流动，极大地减小高聚物传递中的能量耗散，缩短了 熔体传递时间及其成型周期并降低了模腔压力及其锁模力，从 而减少加工中的能量消耗；另一方面是缺料定型并保持气道的 存在，形成中空制品，节约原料，使成本降低２０％一４０％。 ２．６注射一压缩的节能注射成形 德国ＲＥＭＡＮＰＬＡＮ公司应用注射一压缩的节能注射成形 原理，降低成形制品所需的合模力，开发托盘注射成形设备， 达到节能的效果。 ３节能执行机构 节能执行机构是注塑机节能的一个重要方面。注塑机的 执行机构主要是注射与合模两大部分。 ３．１节能合模机构 ３．１．１ 肘杆合模机构节能进一步研究的课题 肘杆机构的开发及推广应用是合模机构节能的一个重大 进步，但进一步对其节能的先进性的研究，还缺少深入研究。 肘杆机构的节能是肯定的。肘杆机构的能耗的特征主要表现 在合模油缸的能量消耗Ｐ（工作压力）－Ｑ（工作流量）值上，这 ２个参数又体现在合模油缸的内径及活塞行程的参数上，这２ 个参数的确定与肘杆的系统的刚度及有关参数直接关联，刚度 由各零件的几何参数确定，这几者之间如何达到节能的最佳匹 配，使合模缸的内径和活塞行程之积达到最ＪＪ、，还未见研究成 果。 ３．１．２卡式节能合模机构 宁波海航塑料机械制造有限公司根据超大型节能托盘注 塑机的要求，开发了卡式节能合模机构。根据锁模的本质，把 锁模与移模的２个功能分开，在满足安装模具的情况下，尽可 能减小移模的移动模板的几何尺寸。整个合模机构为立式。 合模机构把移模与锁模分为２个部件，移模仅负责模具上模具 的开模与合模，锁模仅负责对模具锁紧，在液压回路中设有蓄 能器和大流量充油阀，起到了节能快速移模。两锁模油缸活塞 维普资讯 http://www.cqvip.com
张友根注塑机节能技术的现状和展望（一） 杆同步推动两锁模卡直接卡紧模具模脚通过斜锲扩力机构产 生锁模力，锁模力直接作用于模具上，而不是普通注塑机那样 锁模油缸的推力首先作用于模板上然后通过模板作用于模具 上产生锁模力。锁模原理从根本上作了创新，大幅度降低了合 模部件的重量及锁模能耗。 ３．１．３节能无拉杆合模机构 国际上以ＥＮＧＥＬ公司的无拉杆合模机构为代表，已于２０ 世纪９０年代中期进行批量生产，最大规格已发展到６０００ｋＮ锁 模力，由于没有拉杆与导向套的摩擦副，消除了该摩擦能耗。 无拉杆合模机构，由于其结构简单、容模空间大、装拆模具方 便、有利于机械手的作业，深受用户欢迎。吉林华王塑料机械 有限公司已于１９９８年在国内第１家试制成功了合模力为 ５００ｋＮ的无拉杆合模机构的注塑机，但到现在国内还没有其他 有关厂家进行研究开发制造。 ３．２节能注射塑化机构 ３．２．１单缸一线式节能高性能注射塑化机构 单缸一线注射塑化机构塑化及注射时，仅单个活塞做轴向 移动。双缸注射塑化时，双活塞带动塑化部件一起作轴向移 动。相比之下，前者的移动摩擦力及阻力大大低于后者，同理， 能耗也低，机器越大越明显。单缸一线注射塑化机构起动阻力 小，不但降低了能耗，而且提高了起动灵敏度。 ３．２．２螺杆的节能 注射螺杆在直径确定的条件下，与能耗有关的主要技术参 数是螺纹升角（螺距）、螺槽深度、长径比等等。 螺纹升角（螺距）对能耗的影响较大。螺纹升角增大，即 增大螺距，减小了剪切力，塑化能耗下降，例如，加工ＨＤＰＥ，螺 距由一个Ｄ增加到１．２Ｄ，塑化能耗约下降１６％。在达到塑化 质量的前提下，增大螺距，有利于降低能耗。现在一些螺杆头 部结构上设计了混炼鱼雷区，以提高塑化质量。混炼鱼雷区的 增加，增加了剪切力，同时降低了塑化能力，由此增加了能耗。 所以，在达到塑化质量前提下，尽量不用混炼鱼雷区。螺杆长 径比大，驱动扭矩增大，能耗增加，所以在保证塑化质量的前提 下，尽量缩短长径比，也可通过在不减小长径比的情况下，设计 合适的槽深，不增加塑化扭矩。 ３．２．３塑化传动机构的节能 现在液压驱动的注塑机的塑化都用高效的低速高扭矩的 液压马达直接驱动螺杆塑化，传动机构具有很高效率，所以塑 化传动机构的能耗主要是液压马达的工作效率。叶片马达由 其本身结构决定，工作效率不高。径向柱塞式马达工作效率 高，但由于各个制造公司加工精度的差别，其工作效率有高低， 直接关系到能耗效率的高低。 ３．２．４ ＩＭＣ挤注混合节能注射塑化系统 ＩＭＣ挤注混合节能注射塑化系统是指塑化由挤出螺杆完 成、注射由柱塞完成。塑料原料经挤出塑化后，进入储料缸或 直接进入注射储料，注射开始，柱塞推料进入模腔。这种系统 应用于大型注塑系统，节能效果明显。宁波海航塑料机械制造 有限公司开发的４００００ｇ超大型节能注塑机的ＩＭＣ节能注塑系 统，不但突破了普通注塑系统的注塑量依赖于螺杆直径的约 束，而且大幅度降低了注塑能耗。普通的卧式大型注塑机的注 射塑化机构，普遍采用低速大扭矩液压马达直接驱动螺杆的一 线式机构，这样为达到塑化量必须采用大直径的螺杆，而且在 成形工艺上，螺杆塑化为间歇式工作，对塑化油马达的资源没 有得到充分利用。本项目根据超大型注塑机的注射塑化的实 际情况，把塑化与注射分为２个机构，塑化为电驱动，为减小塑 化驱动功率以降低能耗，塑化为连续不问断，即设备在工作过 程中，塑化不停止，４５ｋＷ变频电机驱动直径１００ｍｍ的挤出螺 杆连续不问断塑化，塑化熔融料进入储料缸，与循环周期配合， 达到４００００ｇ的塑化量，这样在达到塑化量的前提下，大大减小 了塑化螺杆的直径，能量得到充分利用，同时大幅度降低了系 统的装载功率及塑化驱动力，减小了熔融料的轴向温差。 ３．３节能运动结构 节能运动结构是节能机构的辅助，合理的优化设计，不但 能降低运动摩擦力，而且能提高运动机构的性能，是一种必不 可少的设计。 用滚动摩擦取代滑动摩擦，是节能运动结构常用的方式。 拉杆与导套的往复运动副，常规采用普通的光壁式润滑导套， 易发生拉杆表面拉毛，应用滚珠导套取代光壁式润滑导套，起 到了提高运行精度降低摩擦力的功能。塑化注射移动结构，用 直线导轨取代普通润滑副，起到了降低运行摩擦力作用。尾板 （后板）与机身导轨的滑动副的平面轴承改为滚动轴承，降低 了移动摩擦力。 改进润滑副性能，降低摩擦力。肘杆机构的销轴与钢套的 旋转摩擦副，钢套由过去的普通的光壁式润滑套改为多孔式， 同时降低了旋转摩擦力，提高了使用寿命。中、大型注塑机的 移动模板与机身导轨之间的滑动支承装置，采用普通的机床斜 铁式可调固定式的平面滑动结构，不但运性摩擦力大，而且运 行性能不佳，设计为液压浮动自动调节平面滑动结构，减小了 摩擦力，提高了移动模板的运行精度。 提高润滑系统性能，降低摩擦力。有了良好的润滑副，必 须要有良好的润滑系统性能，才能充分发挥优秀的低摩擦力低 能耗的功能。 合理的结构设计，减少摩擦副数量。有摩擦副，就有摩擦 能耗；没有摩擦副，就不产生摩擦力。 ３．４节能液压结构 肘杆合模机构的合模油缸设计成差动式，全液压合模油缸 设计成充液式，高速注射采用蓄能器，是降低系统能耗的有效 措施。宁波海航塑料机械制造有限公司研发的４（０００ｇ超大型 注塑机，合模油缸为充液式结构，达到快速移模，配备了８个 １００Ｌ的蓄能器，实现了高速注射和移模，注射速度高达４Ｏ０Ｏｇ／ ｓ，大大降低了设备的装载功率，从而降低了无效功率的伸耗， 系统装载功率仅为３７ｋＷ。 ２０９
