80年代以來(lái)，塑料機(jī)械工業(yè)在我國(guó)獲得了蓬勃發(fā)展，特別是塑料注塑機(jī)年生產(chǎn)能力已達(dá)萬(wàn)臺(tái)以上，不僅滿(mǎn)足了國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的需要，還大量出口創(chuàng)匯，為滿(mǎn) 足這種機(jī)器高輸出力、快速響應(yīng)、高速、壓力控制精度和重復(fù)精度的技術(shù)要求，國(guó)產(chǎn)注塑機(jī)幾乎全部采用了液壓傳動(dòng)和電液比例控制技術(shù)。為進(jìn)一步提高精度，國(guó)外 還開(kāi)發(fā)了過(guò)程變量：模腔壓力、注射速度、螺桿轉(zhuǎn)速等閉環(huán)微機(jī)控制的電液系統(tǒng)。我國(guó)在這方面也作了相應(yīng)的研究。但是進(jìn)入90年代以來(lái)，隨著世界各國(guó)在環(huán)境保 護(hù)，如能耗、噪聲、泄漏等控制方面日益嚴(yán)格的要求，節(jié)能已成為注塑機(jī)電液系統(tǒng)的研究重點(diǎn)。為降低能耗，德、日等國(guó)已開(kāi)發(fā)了全電氣傳動(dòng)控制的注塑機(jī)，并投放 市場(chǎng)。與電液控制相比，目前電氣傳動(dòng)還存在無(wú)法實(shí)現(xiàn)集中控制，很難實(shí)現(xiàn)高精度的壓力控制，必須經(jīng)過(guò)中間轉(zhuǎn)換裝置才能實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)傳動(dòng)等不足，但已向電液控制提 出了嚴(yán)厲的挑戰(zhàn)。因此，電液控制系統(tǒng)必須在節(jié)能技術(shù)方面做出相應(yīng)發(fā)展，才可能避免被全電控技術(shù)取代。
2、國(guó)產(chǎn)注塑機(jī)電液控制技術(shù)現(xiàn)狀
目前國(guó)產(chǎn)注塑機(jī)幾乎全部應(yīng)用了電液比例技術(shù)，其技術(shù)特征是用三通型的比例調(diào)速閥控制速度，再在其上迭加比例壓力先導(dǎo)閥控制系統(tǒng)壓力。同最初采用 分離元件構(gòu)成的系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)雖可大大減少元件數(shù)量、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，但因采用定量泵供油，工作過(guò)程中始終存在與流量有關(guān)的能量損失，特別是保壓過(guò)程中，這部 分的能耗處于最大值。這樣的系統(tǒng)在國(guó)外已很少采用。
3、負(fù)載感應(yīng)注塑機(jī)電液系統(tǒng)
針對(duì)閥控電液控制系統(tǒng)有比較大能量損失的不足，國(guó)外發(fā)展了應(yīng)用變量泵和電液比例閥結(jié)合的負(fù)載感應(yīng)型的注塑機(jī)電液控制系統(tǒng)，原理如圖1所示。執(zhí)行 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度將由流過(guò)比例節(jié)流閥的流量和變量泵相結(jié)合來(lái)控制。比例節(jié)流閥進(jìn)出口油壓反饋到變量泵控制機(jī)構(gòu)的先導(dǎo)閥上，通過(guò)這一差壓反饋調(diào)整泵的變量機(jī) 構(gòu)，使泵輸出的流量始終與負(fù)載所要求的相一致。這樣就可消除采用定量泵加比例閥控制存在的與流量有關(guān)的能量損失，該系統(tǒng)在調(diào)整過(guò)程中，比例節(jié)流閥進(jìn)出口兩 端的壓差保持恒定，這樣通過(guò)比例節(jié)流閥的流量就可由電信號(hào)連續(xù)比例控制。這一壓力差值一般為1.5-2MPa。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行的壓力達(dá)到比例溢流閥VDB1所 限制的設(shè)定值，系統(tǒng)就從流量控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換為壓力控制狀態(tài)，系統(tǒng)僅輸出維持壓力所需的流量。采用這種閥和泵結(jié)合的方式，可以開(kāi)環(huán)也可以閉環(huán)控制鎖模機(jī)構(gòu)、注 塑過(guò)程、背壓以及輔助執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。為了控制塑化過(guò)程中的充填壓力，增加了溢流主閥VDB2，與比例先導(dǎo)溢流閥一起控制這一壓力。
圖1、負(fù)載感應(yīng)型電液控制系統(tǒng)
4、應(yīng)用p/Q比例復(fù)合泵的電液系統(tǒng)
采用閥泵結(jié)合的負(fù)載敏感控制原理，盡管可消除應(yīng)用定量泵與三通比例閥所有的與流量有關(guān)的能量損失，但因比例節(jié)流閥存在固定的工作壓差，仍存在較 大的節(jié)流損失、特別在高速階段，這一損失就很大。消除這一部分能量損失的方法是應(yīng)用壓力、流量直接閉環(huán)控制的高響應(yīng)變量泵作為動(dòng)力源。簡(jiǎn)化的回路原理如圖 2所示。
圖2、應(yīng)用p/Q復(fù)合比例泵的電液控制系統(tǒng)
該系統(tǒng)的最大優(yōu)勢(shì)就是不存在任何與流量和壓力有關(guān)的能量損失。
為了提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，整個(gè)控制機(jī)構(gòu)由差壓控制型徑向變量柱塞泵，含位置閉環(huán)的高速比例閥，以及壓力傳感器和位移傳感器組成。控制流量由比例閥 與檢測(cè)變量泵偏心量的位移傳感器構(gòu)成的位置閉環(huán)系統(tǒng)完成。通過(guò)壓力傳感器補(bǔ)償因泄漏造成的流量損失，使泵輸出的流量在0～10V內(nèi)與設(shè)定值信號(hào)成線(xiàn)性比 例。控制系統(tǒng)壓力由比例閥與壓力傳感器構(gòu)成的電閉環(huán)回路完成，壓力與流量?jī)煞N控制狀態(tài)的分離與轉(zhuǎn)換由電子放大器根據(jù)設(shè)定信號(hào)自動(dòng)完成。圖3所示分別是該變 量泵分別控制壓力和流量時(shí)的動(dòng)態(tài)階躍響應(yīng)曲線(xiàn)。
圖3、p/Q比例復(fù)合泵動(dòng)態(tài)階躍響應(yīng)曲線(xiàn)
可見(jiàn)當(dāng)系統(tǒng)的輸出流量由0增大到90％時(shí)，響應(yīng)時(shí)間約為50ms；而由90％輸出流量減小為0時(shí)，響應(yīng)時(shí)間約為30ms，系統(tǒng)壓力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間當(dāng)負(fù)載容腔為4L時(shí)，小于200ms，均與高性能的比例閥相當(dāng)，因而完全適合于注塑機(jī)的過(guò)程控制。
應(yīng)用電液閉環(huán)p/Q比例復(fù)合變量泵，控制油源可以是由輔助泵提供，也可以由系統(tǒng)自身的油源提供。采用自身油源時(shí)，為了達(dá)到希望的動(dòng)態(tài)特性，如圖 3所示，必須在壓力通道上串接一壓力順序閥，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)加載，使系統(tǒng)的最低壓力提高到一定值（小于2MPa），使用時(shí)這一順序閥與系統(tǒng)安全閥、卸載用的 單向閥集成在一個(gè)專(zhuān)用閥塊上。
5、定量泵加變頻調(diào)速電機(jī)電液系統(tǒng)
為了進(jìn)一步降低能耗、減少噪聲，最新一代的注塑機(jī)，用轉(zhuǎn)速可調(diào)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵作為動(dòng)力源，如圖4所示。為了滿(mǎn)足塑機(jī)高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求，可以 有兩種原理供采用。一種是用價(jià)格低的異步電機(jī)通過(guò)變頻調(diào)速與變量泵組成液壓動(dòng)力源（見(jiàn)圖4(a)），另一種是用高響應(yīng)的交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵作為動(dòng)力源 （見(jiàn)圖4(b)）。由于許多泵都規(guī)定了最低轉(zhuǎn)速（n>200r/min），采用第一種原理控制流量時(shí)，當(dāng)流量較小時(shí)通過(guò)改變泵的排量進(jìn)行控制；而當(dāng) 流量大于某一最小值后，通過(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，優(yōu)點(diǎn)是可降低噪聲。當(dāng)控制壓力時(shí)則通過(guò)改變泵排量進(jìn)行。采用第二種原理時(shí)，電機(jī)成本較高，但泵的成本要 低，壓力與流量均通過(guò)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。圖5是其閉環(huán)控制壓力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。采用這兩種原理，不僅完全沒(méi)有節(jié)流損失，不需要控制泵變量機(jī)構(gòu)的輔助 能源，并可極大地減少保壓工況及空轉(zhuǎn)工況（等待周期）的能量損失，這時(shí)電機(jī)處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)，同時(shí)還可降低噪聲，因此非常符合環(huán)保要求。今后的研究工作重點(diǎn) 是，通過(guò)提高變頻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵的動(dòng)態(tài)快速性，降低這一系統(tǒng)的成本。
(a) (b)
圖4、通過(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速控制液壓功率的原理
圖5、AC伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)定量泵閉環(huán)壓力響應(yīng)曲線(xiàn)
6、結(jié)論
應(yīng)用變量泵與比例閥構(gòu)成的負(fù)載感應(yīng)系統(tǒng)，是電液控制中最基本的節(jié)能方法，已在國(guó)外的工程機(jī)械中被廣泛應(yīng)用，不足的是仍存在與流量有關(guān)的能量損 失；p/Q復(fù)合泵與變頻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)的定量泵均不存在任何節(jié)流量損失。相比之下，應(yīng)用調(diào)頻電機(jī)加定量泵可進(jìn)一步減少空轉(zhuǎn)能耗及噪聲，更具競(jìng)爭(zhēng)性，但應(yīng)進(jìn)一 步提高其動(dòng)態(tài)快速性。
展望前景，進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用二次調(diào)節(jié)原理可能量回收的注塑機(jī)電液控制系統(tǒng)，提高這一系統(tǒng)的效率，迎接電器與機(jī)械傳動(dòng)的挑戰(zhàn)，將是非常有意義的工作。
