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(jī)集團(tuán)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(jī)在注塑中起著重要的作用，目前從注塑機(jī)上進(jìn)行節(jié)能減排改進(jìn)是一個方式。文中介紹了注塑機(jī)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(shè)備等項(xiàng)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(jī)節(jié)能化發(fā)展的要求。節(jié)能減排是一項(xiàng)系統(tǒng)工作，可以從每一個細(xì)節(jié)做起，注塑行業(yè)不列外。
關(guān)鍵詞：碳達(dá)峰；碳中和；節(jié)能減排；節(jié)能裝置；改進(jìn)
注塑機(jī)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(shè)備。制造業(yè)中注塑機(jī)的耗能電老虎之一，注塑機(jī)數(shù)量龐大，使用壽命一般在20年左右。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，南方一發(fā)達(dá)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]?？梢娮⑺軝C(jī)是耗能之高的設(shè)備，耗能越高，相對地碳排放也是成正比。2020年9月22日，習(xí)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(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和（簡稱“雙碳”目標(biāo)）。面對“雙碳”目標(biāo)下，注塑機(jī)節(jié)能化改進(jìn)是勢在必行的途徑。
1 注塑機(jī)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(yù)塑→注塑座向后移動→開模→頂出塑件→頂桿復(fù)位→合模。通過這一工藝分析，注塑機(jī)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(xiàng)都是需要電能來支持。在傳統(tǒng)液壓注塑機(jī)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(shí)現(xiàn)注塑機(jī)節(jié)能低碳，有必要降低液壓油泵的耗電量，這也給注塑機(jī)的動力改進(jìn)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(jìn)使注塑機(jī)用電盡量最小化。
2 注塑機(jī)節(jié)能方面的改進(jìn)
目前注塑機(jī)已有伺服系統(tǒng)的應(yīng)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(jī)（包括擠出機(jī)）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(jī)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(yīng)用
在傳統(tǒng)的注塑機(jī)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(jī)及其他液壓附件和管道組成[5]。注塑機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)-傳統(tǒng)液壓控制特點(diǎn)是傳統(tǒng)注塑機(jī)液壓油泵采用定量泵通過異步機(jī)工頻運(yùn)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(fèi)成本很高；維護(hù)頻繁等缺點(diǎn)。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(diǎn)[6]。采用電液混合控制（伺服泵），即伺服節(jié)能泵型的注塑機(jī)。主要有配置伺服電機(jī)、旋轉(zhuǎn)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(jìn)行檢測反饋，及時通過改變伺服同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩對壓力和流量做出調(diào)整的相應(yīng)，最終維持整個系統(tǒng)的壓力，穩(wěn)、準(zhǔn)、快達(dá)到設(shè)定壓力和流量，動態(tài)響應(yīng)快、成品重復(fù)精度高、噪音低、最主要的是節(jié)省很多電費(fèi)。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(jī)選配的電機(jī)功率要小得多，安裝空間，給注塑機(jī)整體提升了檔次。實(shí)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(yīng)用
注塑機(jī)采用全電動控制，所有動作都依賴電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)來完成，注塑機(jī)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(jī)。注塑機(jī)不需要過多的油箱和管路，運(yùn)行和維護(hù)成本降低，變得更加清潔。當(dāng)然全電動注塑機(jī)的成本明顯高于傳統(tǒng)液壓機(jī)，所采用伺服、驅(qū)動器、高精度傳感器等等，相對成品成型精度高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，液壓式注塑機(jī)由于高壓節(jié)油造成的能量損耗高達(dá)36%~68%[8]，全電動注塑機(jī)運(yùn)行噪音低，能耗低，與傳統(tǒng)注塑機(jī)相比可以節(jié)省50%~70%的能源[9]。當(dāng)然全電動注塑機(jī)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(jī)，全電動是替代不了。
2.3變頻調(diào)節(jié)裝置應(yīng)用
將注塑機(jī)改造升級為“節(jié)能型”注塑機(jī)，其投資（主要是變頻器）應(yīng)該在一年內(nèi)可以通過節(jié)約的電費(fèi)或油費(fèi)收回[10]。注塑機(jī)變頻器上采用在注塑機(jī)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(jī)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(jī)中電極轉(zhuǎn)速高，則注塑壓力大，這樣通過變頻器對注塑機(jī)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速實(shí)現(xiàn)變壓節(jié)能。般注塑機(jī)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(jìn)行轉(zhuǎn)換處理后作為變頻器輸出頻率的給定信號，直接將設(shè)備上鎖模、射膠、溶膠、冷卻、開模等過程控制信號進(jìn)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(jī)各個階段對供油壓力和流量的要求，以達(dá)到節(jié)能目的。廣東一公司對主泵55 kW大型注塑機(jī)進(jìn)行變頻改進(jìn)，塑機(jī)最大壓力可達(dá)2000t，最大注塑量可達(dá)16000g，在1~2min生產(chǎn)中、大型水管接頭。原工頻運(yùn)行一小時耗電50.6kW.h，通過變頻運(yùn)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(jī)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(yīng)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(dǎo)）方能傳遞到料筒上。目前電阻式加熱圈結(jié)構(gòu)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(jī)在高速運(yùn)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?zé)崃?，熱損較大，熱損失可達(dá)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(fēng)險(xiǎn)。
防漏膠電磁加熱圈是在傳統(tǒng)電阻式加熱圈基礎(chǔ)上做了技術(shù)創(chuàng)新，用電磁加熱替代了電阻加熱，節(jié)能和安全指標(biāo)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(zhuǎn)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(dá)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(gòu)成），電磁感應(yīng)線圈，設(shè)有線圈定位邊和測溫點(diǎn)定位缺口，電磁感應(yīng)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(jié)構(gòu)與安裝示意圖（網(wǎng)圖）
電磁加熱圈可以在注塑機(jī)、吹膜機(jī)、擠出機(jī)塑料機(jī)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(yīng)用。現(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(jī)（也稱烘料斗）在注塑中是必不可少的周邊設(shè)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(jī)工作原理：在風(fēng)機(jī)吹風(fēng)作用于內(nèi)部發(fā)熱管的熱風(fēng)吹入錐型料斗內(nèi)部，有上下篩網(wǎng)與料斗表面作為通風(fēng)入干燥機(jī)桶內(nèi)→發(fā)熱絲通電→風(fēng)機(jī)吹風(fēng)的作用下→風(fēng)吹入料桶達(dá)到干燥的目的[15]。傳統(tǒng)干燥機(jī)存在著無智能檢測傳感器，無法智能控制干燥風(fēng)量大小，是恒風(fēng)量運(yùn)行，耗電較多、熱能轉(zhuǎn)換率低能量浪費(fèi)嚴(yán)重等現(xiàn)象。
為了對原有的烘料桶進(jìn)行節(jié)能改進(jìn)，專門對烘料桶控制部分做智能控制處理，其他烘料桶里結(jié)構(gòu)不變?；居捎?jì)算機(jī)程序構(gòu)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(shè)定溫度進(jìn)行恒溫所需智能控制處理的功率進(jìn)行補(bǔ)償，做到智能控制溫度、風(fēng)量、加熱功率，達(dá)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(hù)。200kg的烘料桶改進(jìn)前一小時用電3.3kW.h，改進(jìn)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(fèi)。其二，風(fēng)量自動調(diào)節(jié)，實(shí)時測量塑料的溫度干燥度，通過系統(tǒng)自動控制風(fēng)口的大小，從而減小熱量散失。其三，消除安全隱患，當(dāng)溫度達(dá)到一定程度時系統(tǒng)會自動斷掉電源，起到安全保護(hù)作用。
圖2 烘料桶控制箱改進(jìn)前后示意圖（現(xiàn)場圖）
2.6視覺檢測設(shè)備應(yīng)用
注塑機(jī)節(jié)約電能的同時，做出合格產(chǎn)品，保護(hù)好模具更是注塑節(jié)能的重要環(huán)節(jié)。這些年，智能應(yīng)用案例移植到注塑機(jī)應(yīng)用，對提高產(chǎn)品質(zhì)量，保護(hù)模具等設(shè)備起到了很好地作用。引入機(jī)器視覺檢測設(shè)備，即CCD（Charge-coupled Device）圖像傳感器，通過CCD能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳送智能圖像處理與決策系統(tǒng)，對光學(xué)影像判斷正確與否，實(shí)施有效控制。就是在塑機(jī)與模具的地方安裝幾個工業(yè)照相機(jī)或鏡頭用視覺設(shè)備代替人眼完成測量、檢查、引導(dǎo)、識別等功能，實(shí)現(xiàn)減少人工、降低勞動強(qiáng)度、對接信息化智能化建設(shè)等[16]。一般可以安裝6個CCD相機(jī)。
注塑模作為塑件加工中重要的成型工裝設(shè)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(hù)，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(hù)器適用注塑機(jī)運(yùn)行情況實(shí)時監(jiān)視、檢測和控制，利用機(jī)器視覺實(shí)時拍攝運(yùn)算等處理，智能話監(jiān)控注塑機(jī)，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(fù)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(dāng)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(dāng)然應(yīng)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(jī)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(yàn)產(chǎn)品帶來的疲勞造成產(chǎn)品的誤判和錯判等。
3結(jié)束語
據(jù)報(bào)道，2019年預(yù)計(jì)塑料的生產(chǎn)和焚化將產(chǎn)生超過8.5億t二氧化碳當(dāng)量，相當(dāng)于189個500MW燃煤發(fā)電廠的排放量。據(jù)專家的估計(jì)，從現(xiàn)在開始到2050年全球塑料生產(chǎn)和焚化將累計(jì)排放560億t二氧化碳當(dāng)量，占本世紀(jì)中葉根據(jù)當(dāng)前的減排承諾可以“支出”的總碳預(yù)算的10%~13%。到本世紀(jì)末，與塑料有關(guān)的排放量可能占碳總預(yù)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(yuǎn)，同時還是要通過技術(shù)進(jìn)步進(jìn)行減排，應(yīng)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(shí)施節(jié)能減排、降本增效是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)基礎(chǔ)。還應(yīng)以“智造”賦能減碳，為助力注塑行業(yè)智造升級，綠色轉(zhuǎn)型提供源源動力。將實(shí)施一系列舉措來降低排放量，為減緩全球溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)微薄力量。
參考文獻(xiàn)：
[1]注塑機(jī)節(jié)能減排改造路徑研究的論文 [EB/OL].[2019-10-25].https://www.ruiwen.com/lunwen/2405195.html.
[2]劉學(xué)平，潘灝，向東.注塑成型工藝的碳排放分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012(11):1-3.
[3]泰石電子.注塑機(jī)節(jié)能發(fā)展趨勢介紹[EB/OL].[2015-01-30].https://www.doc88.com/p-7148352983450.html?r=1.
[4]節(jié)能成注塑機(jī)行業(yè)熱點(diǎn)研發(fā)方向[EB/OL].[2017-08-28].http://www.bianbao.net/newsDetail649229.html.
[5]注塑機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的節(jié)能改造[EB/OL].[2010-08-27].https://mw.vogel.com.cn/news_view.html?id=498926.
[6]注塑機(jī)用變頻器[EB/OL].[2020-06-23].https://baike.so.co m/doc/1817021-1921775.html.
寧波市節(jié)能技術(shù)（產(chǎn)品）導(dǎo)向目錄（2010年版）[EB/OL].[2014-05-07].https://www.doc88.com/p-5877163039544.html.
[8]林宏權(quán)，蔣衛(wèi)東，林達(dá).全電動式注塑機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].塑料工業(yè)，2005,33(4):1-4.
[9]關(guān)于全電動注塑機(jī)的工作原理,特點(diǎn)與應(yīng)用介紹[EB/OL].[2010-09-11].https://wenku.baidu.com/view/4368341414 791711cc791779.html.
[10]注塑機(jī)發(fā)展方向與節(jié)能特性[EB/OL].[2000-11-10].http://www.doc88.com/p-77481445895.html.
[11]在注塑機(jī)上應(yīng)用變頻器節(jié)能改造[EB/OL].[2011-09-21].https://www.docin.com/p-261466996.html.
[12]加熱圈（圖）[EB/OL].[2017-02-08].http://www.ailaba.org/sell/183704352233792.html.
[13]防漏膠電磁加熱圈外殼[EB/OL].[2013-02-06].http://www.doc88.com/p-8092844996317.html.
[14]塑能：倡導(dǎo)綠色生活，節(jié)能減排[EB/OL].[2016-10-09].http://www.jrbaike.com/brand/show.php?itemid=449.
[15]東莞市天天自動化設(shè)備有限公司.塑料干燥機(jī)的工作原理[EB/OL].http://www.szdatian.net.cn/szdatian_article_123197.html.
[16]焦楊，方志彬.智能視覺技術(shù)在汽車內(nèi)飾生產(chǎn)中的重要性[EB/OL].[2022-02-08].https://mp.weixin.qq.com/s/ o1uFOjdMDjaO6DBbwOYKhg.
[17]陶永亮.注塑過程智能控制方法及應(yīng)用實(shí)例[J]，橡塑技術(shù)與裝備（塑料），2019,45(16):38-41.
[18]全球塑料生產(chǎn)和焚燒碳排放有多大？[EB/OL].[2019-11-15]. http://www.tanjiaoyi.com/article-29468-1.html .
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