趙 峰,張玉霞,薛 平,戚曉蕓,劉 晶

塑料機(jī)械節(jié)能技術(shù)的發(fā)展

趙 峰1,張玉霞2＊,薛 平1,戚曉蕓1,劉 晶1

(1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,北京100029;2.北京工商大學(xué)輕工業(yè)塑料加工應(yīng)用研究所,北京100048)

從傳動(dòng)系統(tǒng)、成型設(shè)備、輔助設(shè)備及控制系統(tǒng)出發(fā),分別介紹了近年來塑料機(jī)械出現(xiàn)的節(jié)能新技術(shù)及其應(yīng)用效果,特別從節(jié)能效果上進(jìn)行說明,包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和全電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等傳動(dòng)系統(tǒng);電磁動(dòng)態(tài)塑化和塑料拉伸流變塑化技術(shù)、熔體泵技術(shù)、雙階或復(fù)合系統(tǒng)加工技術(shù)、新型螺桿設(shè)計(jì)、無螺桿和多螺桿擠出機(jī)術(shù)、開槽機(jī)筒擠出機(jī)術(shù)等成型技術(shù);干燥技術(shù)、加熱冷卻系統(tǒng)等輔助技術(shù)等。

節(jié)能技術(shù);塑料機(jī)械;傳動(dòng)系統(tǒng);成型設(shè)備;輔助設(shè)備;控制系統(tǒng);電磁動(dòng)態(tài)塑化技術(shù);塑料拉伸流變塑化技術(shù);熔體泵技術(shù);新型螺桿;開槽機(jī)筒擠出機(jī)

Abstract:New energy-saving technologies for plastics machinery and their application effects were introduced,especially in the respect of energy-saving effect,including power transmission,extrusion and injection molding systems,auxiliary equipments and control systems,etc.

Key words:energy-saving technology;plastics machinery;driving system;molding machine;auxiliary device;control system;electromagnetic dynamic plasticization;tensile rheology;melt pump;innovative screw;grooved barrel

0 前言

進(jìn)入新世紀(jì)以來,我國(guó)塑料制品業(yè)以高于國(guó)家GDP的速度增長(zhǎng),產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大,2000～2005年間,各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)翻番,超預(yù)期地完成了“十·五”計(jì)劃目標(biāo)。2008年,我國(guó)塑料消費(fèi)量為51914 kt,若加上進(jìn)口的7070 kt廢舊塑料和2600 kt的塑料添加劑,則該年塑料實(shí)際表觀消費(fèi)量已超過60000 kt,占世界塑料消費(fèi)量的1/5;人均消費(fèi)46 kg,超過國(guó)際40 kg的平均水平[1]。隨著塑料加工業(yè)的快速發(fā)展,塑料機(jī)械的用量不斷增加。目前,全國(guó)在運(yùn)行的塑料加工設(shè)備加上每年新增各類塑料加工設(shè)備,全年理論上耗電量數(shù)百億度,耗電量巨大。在當(dāng)今能源緊缺的時(shí)代,國(guó)產(chǎn)塑料機(jī)械在能源利用效率上不占優(yōu)勢(shì)也是在國(guó)際市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力的重要因素。

低碳經(jīng)濟(jì)是一種以低能耗、低污染、低排放為特點(diǎn)的發(fā)展模式,其實(shí)質(zhì)是能源高效利用、清潔能源開發(fā)、改變嚴(yán)重依賴資源投入的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。我國(guó)承諾,到2020年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年降低40%～45%。塑料工業(yè)如何應(yīng)對(duì)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的挑戰(zhàn)?發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì),推動(dòng)節(jié)能減排,化解產(chǎn)能過剩,通過關(guān)停并轉(zhuǎn)的方式削減碳排放的硬著陸相對(duì)比較容易,而通過技術(shù)進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)升級(jí)、自主創(chuàng)新節(jié)能減排的軟著陸則并不易。令人欣慰的是,近年來國(guó)內(nèi)外塑料機(jī)械出現(xiàn)了很多節(jié)能新技術(shù),在傳動(dòng)系統(tǒng)、成型設(shè)備、輔助設(shè)備及控制系統(tǒng)方面都有新的突破。

1 傳動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

1.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

從節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境出發(fā),高效率電動(dòng)機(jī)是目前國(guó)際發(fā)展的大趨勢(shì)。通常情況下,高效電機(jī)的效率比傳統(tǒng)電機(jī)高3%,當(dāng)載荷達(dá)到75%左右時(shí)具有最佳峰值效率[2],因此,在塑料加工機(jī)械中使用高效電機(jī)是節(jié)能的基本要求。

變頻調(diào)速電機(jī)：變頻調(diào)速電機(jī)采用“專用變頻感應(yīng)電動(dòng)機(jī)+變頻器”的交流調(diào)速方式,使塑料機(jī)械自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率大為提高。例如,在傳統(tǒng)注塑機(jī)上采用變頻調(diào)速電機(jī)和儲(chǔ)能裝置等,節(jié)能效果可達(dá)30%～70%[3];西門子公司推出的 G120P新型變頻電機(jī)[4],特別適合應(yīng)用在需要效率高、利用率好且易于驅(qū)動(dòng)的泵、壓縮機(jī)等塑料機(jī)械中,其頻率變化范圍在0.37～18.5 kW;在液壓式注塑機(jī)上安裝變頻電機(jī)可以節(jié)約幾乎50%的能量消耗[5]。

同步轉(zhuǎn)矩電機(jī)：同步轉(zhuǎn)矩電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩大、結(jié)構(gòu)緊湊輕便、維修費(fèi)用少、能源效率高等特點(diǎn),被廣泛使用在擠出系統(tǒng)和下游輔助設(shè)備中。1臺(tái)同步轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)的能量使用比直流電動(dòng)機(jī)降低10%～20%,比三相異步電機(jī)減少5%～10%[6]。

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)：由開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、功率變換器及控制器組成。與傳統(tǒng)直流及交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相比,具有寬廣的調(diào)速范圍、能保持高效率運(yùn)行、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、啟動(dòng)電流小等特點(diǎn)。山東安培電氣公司研制的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已在紡織、礦山、石油、塑機(jī)等行業(yè)陸續(xù)得到應(yīng)用,正越來越顯現(xiàn)出它在調(diào)速性能和節(jié)能方面的優(yōu)勢(shì)。

除上述高效電機(jī)的使用之外,Chang等[7]從傳動(dòng)系統(tǒng)入手實(shí)現(xiàn)節(jié)能的要求。他們?cè)跈C(jī)筒和齒輪箱中間設(shè)計(jì)了一個(gè)獨(dú)立的軸承箱,使傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,加工成本降低,還減少了零件的磨損,提高了設(shè)備的使用壽命。

1.2 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

變量泵：變量泵的節(jié)能原理是在轉(zhuǎn)速不變的情況下,通過改變液壓泵排量來改變電機(jī)的負(fù)荷,從而達(dá)到省電的目的。配備高響應(yīng)功率匹配比例變量泵系統(tǒng),使注塑機(jī)液壓系統(tǒng)輸出功率與整機(jī)運(yùn)行所需功率相匹配,可實(shí)現(xiàn)無高壓節(jié)流、溢流能量損失,特別是在注射、塑化、冷卻時(shí)節(jié)電效果更明顯,平均節(jié)能可達(dá)30%～50%。如果在傳統(tǒng)注塑機(jī)上采用變頻節(jié)能技術(shù)和儲(chǔ)能裝置等,節(jié)能效果最高可達(dá)70%左右[3]。例如,國(guó)內(nèi)注塑機(jī)制造商——浙江申達(dá)塑料機(jī)械有限公司生產(chǎn)的FTA變量泵注塑機(jī),其在工作時(shí),可使泵內(nèi)的壓力與位置傳感器對(duì)輸出壓力和流量進(jìn)行在線檢測(cè)與校正,實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制,與傳統(tǒng)定量泵系統(tǒng)相比,可節(jié)電25%～70%[8]。

蓄能器：在間歇工作或?qū)崿F(xiàn)周期性動(dòng)作循環(huán)的液壓系統(tǒng)中,蓄能器可以把液壓泵輸出的多余壓力儲(chǔ)存起來,當(dāng)系統(tǒng)需要時(shí)再重新釋放,從而減少液壓泵的額定流量和電機(jī)功率的消耗,因此,蓄能器作為一種節(jié)能手段也被廣泛應(yīng)用在大型注射成型設(shè)備中。例如,寧波海航康庫(kù)得機(jī)械制造有限公司在對(duì)其40 kg的大型塑料托盤(1200 mm×1100 mm×150 mm)注塑機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造時(shí),就采用了蓄能器組作為輔助動(dòng)力源,通過合理安排各工藝時(shí)間、多點(diǎn)復(fù)合注射使注射壓力降低,直接對(duì)模具鎖緊技術(shù)使鎖模能耗降低,預(yù)塑不停機(jī)使螺桿功率降低等技術(shù),使注塑機(jī)的能耗降低50%左右[9]。

新型全液壓節(jié)能系統(tǒng)：2005年日本日精樹脂工業(yè)公司開發(fā)的全液壓式精密注塑機(jī)PNX40采用新型油泵系統(tǒng),具有幾乎與電動(dòng)成型機(jī)相同的節(jié)能和注射啟動(dòng)性能[10];巴頓菲爾注射成型技術(shù)公司開發(fā)的配備Airmould液壓式合模系統(tǒng)的 HM 800/350型注塑機(jī),具有低能耗DFEE液壓系統(tǒng)和雙液壓油缸的合模單元,實(shí)現(xiàn)了同時(shí)節(jié)能和優(yōu)化工藝的效果[11]。

1.3 直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

隨著市場(chǎng)對(duì)高產(chǎn)量和高能效比的不斷追求,高速化生產(chǎn)已成為塑料擠出加工領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一,而高速擠出的關(guān)鍵技術(shù)之一就是直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可與擠出螺桿直接相連,減少了由于減速箱的使用而產(chǎn)生的能量損耗。例如,美國(guó)Maplan公司的CMG四馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已被用于聚苯乙烯(PS)和聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜的直接擠出,還被用于單螺桿復(fù)合系統(tǒng)[12];德國(guó)機(jī)器制造商 K&A Knoedler公司采用四馬達(dá)CMG240驅(qū)動(dòng)制造的擠出機(jī),其螺桿轉(zhuǎn)速可達(dá)1500 r/min;在 K2007上,Cincinnati公司推出的Rapidex 1500擠出機(jī),采用Oswald永磁同步扭矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺桿,其轉(zhuǎn)速可達(dá)800 r/min,用于擠出高密度聚乙烯管材時(shí)產(chǎn)量高達(dá)1450 kg/h[13]。

1.4 全電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

全電動(dòng)驅(qū)動(dòng)是指整個(gè)操作都是電動(dòng)完成的,沒有液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。與全液壓式注塑機(jī)或吹塑機(jī)相比,全電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于[6]：(1)能量利用率高。電機(jī)驅(qū)動(dòng)能夠進(jìn)行完美的速度調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)需要的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng),其能量可節(jié)約50%左右;(2)安靜、清潔、操作簡(jiǎn)潔。傳統(tǒng)設(shè)備的噪音水平為78 dB,而全電動(dòng)注塑機(jī)的噪音水平為73 dB,同時(shí)消除了油霧問題,且設(shè)備的占地面積通常比傳統(tǒng)設(shè)備要小;(3)加工過程易于控制。更精確、可重復(fù)性更強(qiáng)的控制系統(tǒng)可以縮短加工過程,減小制品尺寸偏差;(4)更快的響應(yīng)時(shí)間。全電動(dòng)注塑機(jī)的電動(dòng)控制響應(yīng)時(shí)間比傳統(tǒng)電/液混合注塑機(jī)更快?？偟膩碚f,根據(jù)不同的成型過程及設(shè)備,在一個(gè)成型周期中,全電動(dòng)注塑機(jī)比傳統(tǒng)注塑機(jī)可減少30%～60%的能源成本,其能量消耗如圖1所示[2]。

圖1 全電動(dòng)注塑機(jī)與液壓注塑機(jī)全周期能量消耗圖Fig.1 Curves for power consumption of full cycle of all-electric injection machines and hydraulic injection machines

隨著全電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的價(jià)格逐漸接近液壓系統(tǒng),該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于塑料注射成型及吹塑成型裝備中。例如[14],在第十七屆德國(guó)杜塞爾多夫國(guó)際塑料及橡膠展(K2007)上,德國(guó) Uniloy Milacron公司推出了一款新型電/液混合連續(xù)往復(fù)式擠出吹塑成型機(jī)——UMS 16H.S,該機(jī)除鎖模系統(tǒng)外的所有運(yùn)動(dòng)部件都采用了電驅(qū)動(dòng),比傳統(tǒng)的液壓成型機(jī)節(jié)能近22%;在2009美國(guó)國(guó)際展覽會(huì)(NPE2009)上,該公司又推出了首款全電動(dòng)單工位連續(xù)往復(fù)式擠出吹塑成型機(jī)——UMS 4E.S,成型容器體積最大可達(dá)1.5 L。該機(jī)采用直接驅(qū)動(dòng)的方式產(chǎn)生鎖模力,在不借助其他力或杠桿系統(tǒng)的情況下,將力直接傳遞到壓板上,這種設(shè)計(jì)使吹塑過程中不需要耗費(fèi)任何能量來保持模具合緊,與液壓機(jī)相比,在機(jī)械運(yùn)動(dòng)方面的能耗降低了約70%,從整體的能耗來看(包括機(jī)械運(yùn)動(dòng)、擠出機(jī)驅(qū)動(dòng)和加熱),可節(jié)能 30%左右;在 2008年日本國(guó)際展覽會(huì)(IPF2008)上,臺(tái)灣Jih Huang公司推出了一款全電動(dòng)擠出吹塑成型機(jī)——FBM-4T-BL5L,與其之前的液壓機(jī)相比,成型周期可縮短10%,節(jié)能可達(dá)60%;2008年Amsler公司開發(fā)出了新型全電動(dòng)系列拉伸吹塑成型機(jī),可提高產(chǎn)量和 PET水瓶生產(chǎn)的靈活性,該系列成型機(jī)5模腔機(jī)組最高產(chǎn)量可達(dá)8500個(gè)/h,6模腔機(jī)組最大產(chǎn)量可達(dá)10000個(gè)/h,2款設(shè)備都可以節(jié)能35%左右。

2 成型系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

2.1 電磁動(dòng)態(tài)塑化和塑料拉伸流變塑化技術(shù)

電磁動(dòng)態(tài)塑化技術(shù)和塑料拉伸流變塑化技術(shù)是由華南理工大學(xué)瞿金平教授發(fā)明的,現(xiàn)階段已在新增設(shè)備上推廣應(yīng)用。這2項(xiàng)技術(shù)在塑料塑化理論方面具有革命性的突破,具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),已有國(guó)際發(fā)明專利授權(quán)。此技術(shù)的應(yīng)用可以部分替代沿用至今的主要以熱能和機(jī)械剪切能進(jìn)行塑料塑化的傳統(tǒng)加工手段,可使同類設(shè)備動(dòng)力部分節(jié)能40%～50%[15],節(jié)能效果顯著。

電磁動(dòng)態(tài)塑化擠出機(jī)是1993年開發(fā)成功的,擠出機(jī)采用電磁能直接換能的形式,聚合物在電磁振動(dòng)場(chǎng)的作用下實(shí)現(xiàn)塑化擠出。實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用證明,電磁動(dòng)態(tài)塑化擠出機(jī)可節(jié)能50%左右,制造成本降低近一半。此外,該機(jī)還具有噪音低、塑化擠出溫度低、對(duì)物料適應(yīng)性好等特點(diǎn)[15]。在塑料電磁動(dòng)態(tài)塑化擠出設(shè)備的基礎(chǔ)上,瞿金平等還將電磁場(chǎng)引起的機(jī)械振動(dòng)力場(chǎng)引入聚合物塑化計(jì)量、注射充模和保壓全過程,發(fā)明了電磁式聚合物動(dòng)態(tài)注射成型方法,開發(fā)了塑料電磁動(dòng)態(tài)塑化注塑機(jī)。與傳統(tǒng)螺桿往復(fù)式注塑機(jī)相比,電磁動(dòng)態(tài)注塑機(jī)的能耗降低50%以上,設(shè)備體積和質(zhì)量減少達(dá)30%。電磁動(dòng)態(tài)塑化擠出機(jī)及注塑機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)示意圖如圖2和圖3所示[16]。

圖2 電磁動(dòng)態(tài)塑化擠出機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of electromagnetic dynamic plasticizing extruder

塑料超切變塑化擠出機(jī)是塑料擠出成型方面的又一重要成果,其理論依據(jù)是瞿金平教授的“基于拉伸流變的高分子材料塑化輸送方法及設(shè)備”(中國(guó)專利號(hào)為200810026054,國(guó)際專利申請(qǐng)?zhí)枮?PCT/CN2008/000643)。該技術(shù)通過將傳統(tǒng)的塑化加工以剪切流變支配改變?yōu)槔炝髯冎?使得完成塑化加工過程所經(jīng)歷的熱機(jī)械歷程大大縮短,塑化輸送能耗顯著降低,首次真正意義上實(shí)現(xiàn)了塑料無螺桿塑化擠出。該設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)在于[17]：塑化輸送依靠變化特定形狀空間的容積來完成,具有完全正位移特性,輸送效率高。

圖3 電磁動(dòng)態(tài)塑化注塑機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of electromagnetic dynamic plasticizing injection molding machine

2.2 熔體泵技術(shù)

熔體齒輪泵在塑料擠出加工行業(yè)的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了熔體輸送、增壓和計(jì)量的目的。熔體齒輪泵具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、能耗低、容積效率高等特點(diǎn),同時(shí),由于齒輪泵是一種增壓設(shè)備,它能把擠出機(jī)計(jì)量段的增壓功能轉(zhuǎn)移到齒輪泵上,從而避免了擠出機(jī)在機(jī)頭高壓下工作時(shí)存在的功率消耗大、剪切力大、摩擦劇烈、物料停留時(shí)間長(zhǎng)、物料容易降解等缺點(diǎn),使擠出生產(chǎn)率提高,擠出機(jī)磨損降低,還極大地提高了擠出過程的穩(wěn)定性,因此熔體泵的研究也備受關(guān)注[18]。例如,科倍隆公司開發(fā)的一種新型熔體泵,已在大型聚乙烯復(fù)合和造粒系統(tǒng)中使用,其結(jié)構(gòu)如圖4所示,該熔體泵的泵送效率更高,同時(shí)還可以排除在復(fù)合過程中出現(xiàn)的故障,能量消耗降低20%左右[12]。

圖4 科倍隆生產(chǎn)的新型熔體齒輪泵Fig.4 The melt pump made by Coperion

2.3 雙階或復(fù)合系統(tǒng)加工技術(shù)

雙階或復(fù)合系統(tǒng)加工技術(shù)是傳統(tǒng)加工工藝的復(fù)合,是一種優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的加工方法,它可以使螺桿構(gòu)型和加工工藝最優(yōu)地分布在2個(gè)操作階段,這樣可以減少總能量輸入和提高高相對(duì)分子質(zhì)量聚合物的比例,或者說可以防止高相對(duì)分子質(zhì)量聚合物分子鏈斷裂而形成低相對(duì)分子質(zhì)量聚合物,從而在提高制品品質(zhì)的同時(shí)達(dá)到節(jié)能減排的效果。

雙階擠出機(jī)：雙階擠出機(jī)采用積木式原理設(shè)計(jì),其具有優(yōu)異的物料拉伸變形特性、柔和的剪切分散性能、可控的螺桿間壓延效應(yīng)、優(yōu)異的互換性和靈活的模塊化組合特性。例如,南京諾達(dá)擠出裝備有限公司生產(chǎn)的 TDS/TDD雙階擠出機(jī),其原理如圖5所示。該系列雙階混煉擠出機(jī)的第一階為充分混煉作用的 TDS型平行同向雙螺桿、TDY型平行異向雙螺桿或 TDW型往復(fù)式單螺桿混煉機(jī),第二階是低速旋轉(zhuǎn)的單螺桿擠出機(jī),這種組合使二者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),將螺桿間強(qiáng)弱差異很大的剪切作用相分離,避免了物料局部過熱且有效降低能耗,因此被廣泛應(yīng)用于各類熱敏性材料的造粒、大容量脫揮、一步法成型擠出等作業(yè)中;科倍隆公司生產(chǎn)的ZSK-NT雙階雙螺桿擠出系統(tǒng)在復(fù)合雙峰聚乙烯制備方面,能量利用率比傳統(tǒng)ZSK型擠出機(jī)提高10%左右,同時(shí)產(chǎn)品的性能也提高了近10%[12]。

圖5 TDS/TDD系列雙階式混煉擠出機(jī)示意圖Fig.5 Schematic diagram of TDS/TDD two stage compounding extruder

大型擠注復(fù)合系統(tǒng)：通常注射量為50 kg或100 kg的擠出與注射系統(tǒng)耗能巨大,為此,張友根等[19-20]開發(fā)了一種大型擠注復(fù)合系統(tǒng),其創(chuàng)新之處在于開發(fā)出連續(xù)不間斷塑化機(jī)構(gòu),即在整個(gè)注射成型過程中,塑化動(dòng)作獨(dú)立,塑化螺桿始終運(yùn)轉(zhuǎn),塑化時(shí)間獨(dú)立于成型周期之外而不影響成型周期,這樣可以采用小直徑的螺桿,如在其50 kg的大型擠注復(fù)合系統(tǒng)上,螺桿直徑90 mm就可達(dá)到傳統(tǒng)注塑機(jī)螺桿直徑230 mm的塑化量,降低了功率消耗。此外,其塑化螺桿采用的是交流變頻電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿塑化的傳動(dòng)機(jī)構(gòu),提高了驅(qū)動(dòng)效率,驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率僅為45 kW,降低了塑化能耗。

2.4 新型螺桿設(shè)計(jì)

螺桿優(yōu)化設(shè)計(jì)的一個(gè)重要目的就是要更好地實(shí)現(xiàn)塑化混煉效果,在滿足產(chǎn)品品質(zhì)的前提下,盡可能提高螺桿轉(zhuǎn)速來提高產(chǎn)量和產(chǎn)品品質(zhì),從比能耗的角度來講也是節(jié)能減排的手段。

單螺桿擠出機(jī)的螺桿設(shè)計(jì),主要考慮的是減小能量消耗和提高混合塑化效果,理想的擠出機(jī)應(yīng)該設(shè)計(jì)成輸入的能量正好滿足聚合物熔融和混合所需要的能量。單螺桿擠出機(jī)最早是經(jīng)典的三段式螺桿,隨著高分子材料及共混合金的不斷涌現(xiàn),推動(dòng)著新型螺桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與發(fā)展。至今,各類新型螺桿已有200多種,按結(jié)構(gòu)特征和功能分為屏障型螺桿、分流型螺桿、分離型螺桿、變流道螺桿、溝槽型螺桿、排氣型螺桿、剪切型螺桿、強(qiáng)冷輸送型螺桿、空心螺桿、分段螺桿等[18]。螺桿設(shè)計(jì)是整個(gè)擠出設(shè)備的核心,合理進(jìn)行螺桿設(shè)計(jì)對(duì)于提高聚合物塑化效果、生產(chǎn)效率、能源利用率來說至關(guān)重要。

REE公司生產(chǎn)的CRD混合屏障型混合元件[12]具有提高混合效果同時(shí)減少能量消耗的能力,其結(jié)構(gòu)如圖6所示。與傳統(tǒng)平頂螺棱相比,CRD屏障型螺桿的螺棱增加了1個(gè)傾斜部分,形成了1個(gè)楔形區(qū)域。由于帶斜溝槽螺棱和傾斜的螺棱推力面的結(jié)合形成了拉伸流動(dòng),此拉伸流動(dòng)可以同時(shí)改善分散和分布混合效果,還使其消耗在物料上的能量減少。

圖6 CRD屏障型混合元件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of CRD mixing element

Randcastle公司發(fā)明了一種新型混合元件[21],其結(jié)構(gòu)如圖7所示。Elongator混合元件能夠有效改善單螺桿擠出機(jī)輸送 PVC粒料或硬質(zhì) PVC粉料的效率。因?yàn)镋longator混合元件特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠形成伸長(zhǎng)流動(dòng),從而使單螺桿擠出機(jī)達(dá)到非常好的分散混合效果。

圖7 Elongator新型混合元件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of Elongator new mixing element

Buss混煉機(jī)以其獨(dú)特的工作原理、各種模式化的組合方式和突出的產(chǎn)品品質(zhì),成為連續(xù)性混煉加工的理想設(shè)備。Buss混煉機(jī)的Quantec系統(tǒng)在螺桿設(shè)計(jì)方面采用了新型4螺片結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)如圖8所示[21]。與3頭螺紋混煉技術(shù)相比,4頭螺紋之間存在重疊,提高了輸送能力,每長(zhǎng)徑比上形成了更多的剪切面,有利于自清潔,并擁有剪切均勻、軸向混合效果好、產(chǎn)品停留時(shí)間短、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。研究表明,其產(chǎn)量是相同規(guī)格3頭螺紋混煉機(jī)產(chǎn)量的2.5倍。

圖8 4螺片元件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic diagram of four screw thread

雙螺桿螺紋元件一般有輸送元件、剪切元件、混合元件、壓縮元件和捏合元件等,將其組裝到螺桿芯軸上形成整條螺桿后可以達(dá)到連續(xù)輸送、加壓、塑化、排氣、均化等目的。隨著雙螺桿擠出機(jī)的廣泛應(yīng)用,雙螺桿螺紋元件得到了不斷發(fā)展。例如[12],帶鋸齒的螺紋元件在混合超低黏度或超高黏度的聚合物時(shí)要比使用捏合塊時(shí)效果好;Leistritz公司在2004年推出了MAXX高速雙螺桿,與傳統(tǒng)螺桿的螺桿外徑與內(nèi)徑比(1.55/1)相比,增大為1.66/1,這種設(shè)計(jì)使其自由體積比傳統(tǒng)螺桿大30%,同時(shí)此雙螺桿還采用了不對(duì)稱花鍵軸的設(shè)計(jì),使其具有在較小的軸徑下提供大扭矩的能力,從而達(dá)到將能量高效地傳輸給螺桿元件,達(dá)到高速、高產(chǎn)的效果。對(duì)稱花鍵軸和非對(duì)稱花鍵軸的受力情況如圖9所示。

圖9 對(duì)稱花鍵軸和非對(duì)稱花鍵軸的受力分析圖Fig.9 Force analysis of symmetrical andasymmetrical spline shafts

注射螺桿雖然從結(jié)構(gòu)上與擠出螺桿相似,不但要有良好的塑化混合能力,還肩負(fù)著輸送、壓實(shí)、攪拌和施壓的任務(wù),因此針對(duì)注射螺桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)新技術(shù)也是層出不窮。張友根等[22]指出開槽屏障型螺桿的單位能耗低;交替波紋型螺桿能使整機(jī)的能耗降低約10%;有2個(gè)計(jì)量段和2個(gè)輸送段的雙階螺桿可將物料壓縮2次,可在相對(duì)低的溫度下和較小轉(zhuǎn)矩的情況下實(shí)現(xiàn)均勻塑化,其計(jì)量深度比普通螺桿深,所以產(chǎn)量增加,而所消耗的能量減少。

2.5 無螺桿和多螺桿擠出技術(shù)

無螺桿擠出機(jī)和多螺桿擠出機(jī)是傳統(tǒng)擠出設(shè)備的新突破。

無螺桿擠出機(jī)主要有端面混煉擠出機(jī)、磨盤擠出機(jī)、彈性熔體擠出機(jī)和鼓式擠出機(jī)等,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、停留時(shí)間短的特點(diǎn),物料的熔融主要依靠剪切摩擦生熱,受熱均勻,可達(dá)到很好的節(jié)能效果。

多螺桿擠出機(jī)主要指三螺桿、四螺桿、五螺桿擠出機(jī)及行星螺桿擠出機(jī)。例如[18],由北京化工大學(xué)自主研發(fā)的三角形排列的全嚙合三螺桿擠出機(jī),與常規(guī)的混煉用單雙螺桿擠出機(jī)相比,具有能耗低、產(chǎn)量高、混合分散質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn),可以以較小的長(zhǎng)徑比獲得優(yōu)于常規(guī)雙螺桿擠出機(jī)的分散效果,并且排氣性能優(yōu)異,排氣口無溢料,從而有效減少生產(chǎn)過程中原料和能量的損失;華南理工大學(xué)瞿金平教授開發(fā)的一字排列三螺桿擠出機(jī),在中間螺桿引入振動(dòng)場(chǎng),起到了促進(jìn)塑化、提高混煉效果的作用,還降低了混煉溫度,有利于降低加工能耗;晨光化工研究院研發(fā)的多功能高真空四螺桿新型反應(yīng)混煉機(jī),其物料停留時(shí)間分布窄,表面更新頻繁,能達(dá)到強(qiáng)化縮聚反應(yīng)、快速濃縮、干燥等工藝要求,因此該機(jī)自清潔效果好,物料在螺桿內(nèi)無死角、無堆積,不存在熱氧化和焦化現(xiàn)象,提高了產(chǎn)品品質(zhì),降低了原料成本;行星螺桿擠出機(jī)能夠使物料在主螺桿和行星螺桿、行星螺桿和機(jī)筒的嚙合作用下,受到反復(fù)的嚙合和碾壓,物料塑化的能量來自于外部加熱裝置和因承受嚙合、碾壓以及齒面之間的相對(duì)滑動(dòng)形成的剪切所產(chǎn)生的熱量,因此產(chǎn)量大,能耗低。

2.6 開槽機(jī)筒擠出機(jī)技術(shù)

從20世紀(jì)70年代開始,德國(guó)亞琛塑料加工研究所(IKV)和BASF公司的一些研究人員對(duì)如何提高固體輸送率進(jìn)行了一系列研究,并研制出性能優(yōu)異的IKV系統(tǒng)。該系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)是在機(jī)筒內(nèi)表面加工出縱向開槽以提高機(jī)筒摩擦因數(shù)。從圖10所示的開槽機(jī)筒與光滑機(jī)筒無量綱擠出特性曲線可以清楚地看出,開槽喂料擠出機(jī)具有更高的生產(chǎn)效率,其產(chǎn)量比傳統(tǒng)擠出機(jī)高30%～50%左右[23]。

圖10 無量綱擠出特性曲線Fig.10 Dimensionless screw characteristic curves

北京化工大學(xué)薛平等[24-25]對(duì) IKV擠出機(jī)新型固體輸送理論進(jìn)行了研究,并創(chuàng)新性地研究了在固體輸送段機(jī)筒內(nèi)壁開設(shè)螺旋溝槽的單螺桿擠出機(jī)。從弧板物理模型出發(fā),建立了雙螺棱推動(dòng)理論,通過理論分析,確定了螺旋溝槽擠出機(jī)由摩擦拖曳輸送向正位移輸送轉(zhuǎn)換的邊界條件方程及正位移輸送下溝槽結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,這必將推動(dòng)單螺桿擠出機(jī)向著節(jié)能方向發(fā)展。

波蘭的盧布林科技大學(xué)還研制了可調(diào)節(jié)溝槽喂料擠出機(jī)[26],其結(jié)構(gòu)及調(diào)節(jié)方式如圖11所示。研究表明,通過溝槽深度的調(diào)節(jié),能夠使加工設(shè)備具有更好的生產(chǎn)效率,加工過程更加穩(wěn)定,溝槽喂料區(qū)的傳輸效率與聚合物、螺桿構(gòu)型相匹配,達(dá)到更強(qiáng)的自潔性,還可以在加工過程中調(diào)節(jié)溝槽深度,在實(shí)際的加工條件下進(jìn)行過程優(yōu)化。

圖11 可調(diào)節(jié)溝槽喂料擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.11 Schematic diagram of the adjustable grooved feed extruder

2.7 氣體、水輔助注射成型技術(shù)

注塑制品在設(shè)計(jì)方面,從古至今都被認(rèn)為應(yīng)該設(shè)計(jì)成薄壁且壁厚均勻的制品,這是因?yàn)楹癖诘乃芰现破沸枰L(zhǎng)的冷卻時(shí)間,且制品表面易出現(xiàn)縮痕。然而,氣體輔助注射和水輔助注射成型技術(shù)解決了上述問題,其成型技術(shù)及裝備得到了廣泛的應(yīng)用。

氣體輔助注射成型過程首先是向型腔內(nèi)注入熔融的物料(欠料),然后將氣體注入熔融物料中,氣體沿著阻力最小方向流向模具的低壓和高溫區(qū)域,形成制品空腔,當(dāng)填充過程完成后,氣體繼續(xù)提供高壓力,迫使塑料熔體迅速固化并解決了體積收縮問題,由于氣體的注入,從而在塑料中形成空腔。這種方法消除了制品縮痕,降低了原料成本,對(duì)于某些部件,其成本甚至能夠減少50%左右。氣體輔助注射需要的注射壓力較低,僅為普通注射壓力的50%～75%,要求的鎖模力小,能量消耗也隨之減少,產(chǎn)品成本較低[27]。

水輔助注射成型技術(shù)與氣體輔助注射成型技術(shù)相比,其根本區(qū)別在于二者使用的介質(zhì)不同。水輔助注射成型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)就是直接冷卻制品內(nèi)部,使制品冷卻充分,大大縮短制品的冷卻時(shí)間,相應(yīng)縮短了成型周期。研究表明,水輔助成型的冷卻循環(huán)時(shí)間只有氣體輔助成型的25%左右[27]。

2.8 隨體冷卻技術(shù)

在注射成型過程中,塑料制品必須在脫模前實(shí)現(xiàn)冷卻固化,而注射成型周期中耗時(shí)最長(zhǎng)的階段就是冷卻。傳統(tǒng)的模具冷卻方法是在模板上鉆直孔并通水,這樣的冷卻方式,冷卻時(shí)間長(zhǎng),效率十分低,而且模具中冷卻流道的位置與制品的形狀不符,會(huì)在模具中形成一些熱點(diǎn)和冷點(diǎn),造成制品內(nèi)應(yīng)力大,制品易出現(xiàn)較大的翹曲變形。隨體冷卻技術(shù)是一種沿著型腔的輪廓對(duì)模具進(jìn)行冷卻的技術(shù),該技術(shù)能夠快速均勻地冷卻制品,縮短注射周期。通常該技術(shù)的應(yīng)用可縮短20%～50%的冷卻時(shí)間,顯著提高能源的利用率[5]。

2.9 其他成型新技術(shù)

隨著市場(chǎng)對(duì)材料特性及功能的要求越來越高,研究人員也不斷開發(fā)塑料成型新技術(shù),在節(jié)能減排方面做出了許多貢獻(xiàn)。例如,熱流道技術(shù)能夠縮短注射成型周期、節(jié)約原材料、消除后續(xù)加工工藝、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)等特點(diǎn),被發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛推廣應(yīng)用;結(jié)構(gòu)發(fā)泡、微發(fā)泡擠出技術(shù)和注射成型技術(shù),不但降低了制品質(zhì)量,還賦予制品隔音、隔熱、增韌等新特點(diǎn),從另外一個(gè)角度實(shí)現(xiàn)了低碳經(jīng)濟(jì);超臨界流體技術(shù)是近30年來發(fā)展起來的化工新技術(shù),在聚合物的成型加工、共混以及反應(yīng)擠出等領(lǐng)域也得到了非常廣泛的應(yīng)用;自增強(qiáng)技術(shù)通過加工方法、加工條件來控制增強(qiáng)相的尺寸及分布,使之處于分子結(jié)構(gòu)或超分子結(jié)構(gòu)的范疇,從而在空間上形成取向,達(dá)到高增強(qiáng)的效果;蔡朝輝等[28]通過增量降耗、減損降耗等措施降低了雙向拉伸生產(chǎn)線的能耗,其中增量降耗的措施主要有生產(chǎn)線升速、提高產(chǎn)品品質(zhì)和成品率等[29];固相擠出技術(shù)是在低于材料熔點(diǎn)的條件下,對(duì)聚合物進(jìn)行低倍或高倍拉伸乃至超級(jí)拉伸而使其發(fā)生大范圍的塑性變形,使分子鏈在拉伸力場(chǎng)下運(yùn)動(dòng)、滑移,并沿拉伸方向高度取向,從而制備超高模量的制品。

3 輔助系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

塑料機(jī)械中相對(duì)比較重要的一個(gè)環(huán)節(jié)就是輔助設(shè)備,輔助設(shè)備性能的好壞會(huì)直接影響到整個(gè)擠出生產(chǎn)線的加工水平和成型制品品質(zhì),同時(shí)輔助設(shè)備也是整個(gè)塑料加工裝備中推廣節(jié)能技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。目前,國(guó)內(nèi)外塑料加工設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)都提高了對(duì)輔助設(shè)備性能及節(jié)能方面的重視,在發(fā)展塑料成型技術(shù)的同時(shí),為輔助技術(shù)的發(fā)展與更新做了大量的工作。

3.1 干燥技術(shù)

聚合物在加工之前通常都要進(jìn)行干燥處理,如果聚合物不干燥,濕氣將轉(zhuǎn)換為蒸汽,造成制品表面不光潔,甚至削弱制品性能。干燥要消耗大量能量,但通常情況下,一個(gè)干燥系統(tǒng)的總能量消耗中只有34%的能量用于干燥聚合物[2]。為了達(dá)到干燥效率高、干燥效果好、節(jié)能減排等目的,在工業(yè)領(lǐng)域已涌現(xiàn)出多種干燥新技術(shù)。

旋轉(zhuǎn)干燥采用充滿干燥劑晶體的旋轉(zhuǎn)干燥輪來完成,在4.5 min的干燥過程中,干燥輪要經(jīng)歷吸附水分、再生和冷卻循環(huán)過程。這種干燥輪具有低的熱慣性,比傳統(tǒng)干燥系統(tǒng)需要更低的恢復(fù)再生溫度,而且可以產(chǎn)生較低的壓力降,允許使用更小的、能量利用率高的鼓風(fēng)機(jī)。近幾年來,蜂窩干燥輪技術(shù)越來越受到全球的關(guān)注。在蜂巢除濕葉輪或轉(zhuǎn)輪中,干燥劑被制造成分子篩或硅膠篩狀,此結(jié)構(gòu)不易產(chǎn)生灰塵,縮短了干燥周期,減少了電力消耗,維修十分便利[30]。

低壓干燥是通過對(duì)櫥式干燥機(jī)施加真空來實(shí)現(xiàn)快速干燥。真空的施加可使水的沸點(diǎn)從100℃降低到56℃左右,同時(shí)使水蒸氣在較低的溫度下與聚合物顆粒脫離。因此,低壓干燥技術(shù)簡(jiǎn)化了聚合物干燥過程,不需要干燥劑,從而避免了干燥劑的性能恢復(fù)和更換,可以縮短多達(dá)85%的干燥時(shí)間,能量消耗可減少50%～80%[2]。

紅外干燥是通過紅外線輻射直接加熱聚合物顆粒來實(shí)現(xiàn)的。紅外線輻射直接施加在聚合物上使聚合物顆粒內(nèi)部產(chǎn)生振蕩,從而產(chǎn)生熱量,利用這種熱量對(duì)聚合物進(jìn)行干燥,聚合物最終的含水量可以通過紅外加熱器的功率和物料在干燥系統(tǒng)中停留時(shí)間的組合來控制。紅外線干燥特別適合加工PET材料,因?yàn)樗蓪⒏稍镞^程與重結(jié)晶過程結(jié)合為一次過程,干燥和再結(jié)晶時(shí)間將減少到不足10 min,干燥后聚合物的最終含水量不到0.005%,整個(gè)干燥過程的能量消耗僅為120 W/kg·h[2]。

一些制造商提供組合式的天然氣供熱干燥設(shè)備,該設(shè)備能量成本相比電加熱干燥系統(tǒng)節(jié)約60%～80%[6]。這種干燥設(shè)備在結(jié)構(gòu)上與電加熱干燥設(shè)備相同,但是需要配備適當(dāng)?shù)姆莱痹O(shè)備,以防止凝結(jié)水進(jìn)入燃燒爐,因而該設(shè)備成本要比電加熱設(shè)備高。

3.2 加熱冷卻系統(tǒng)

加熱冷卻系統(tǒng)是聚合物加工設(shè)備不可或缺的部分,也是一個(gè)較重要的耗能部分。因此,如何充分利用加熱冷卻系統(tǒng),在保證產(chǎn)品品質(zhì)的基礎(chǔ)上達(dá)到節(jié)能減排的目的已經(jīng)被廣大塑料機(jī)械制造企業(yè)關(guān)注。

在傳統(tǒng)鑄鋁加熱器方面,Watlow公司開發(fā)了新型氮化鋁加熱器,其產(chǎn)品 Ultramictm600可以在高達(dá)600℃溫度下工作,且升溫非?？?適用于快速熱循環(huán)應(yīng)用。該公司還開發(fā)了新型的電纜形加熱器,電纜形加熱器的直徑較細(xì),退火完全,可根據(jù)各種使用需求任意彎曲[31]。

在電磁感應(yīng)加熱技術(shù)方面,目前市場(chǎng)上的擠出機(jī)、注塑機(jī)、中空成型機(jī)等的機(jī)筒加熱方式普遍采用傳統(tǒng)電熱圈加熱,熱效率只有40%～60%。與之相比,電磁加熱具有熱源穩(wěn)定、加熱迅速、能耗低等優(yōu)點(diǎn),極大地提高了熱效率,可使設(shè)備加熱部分節(jié)能30%～50%。所謂電磁感應(yīng)加熱技術(shù)就是加熱系統(tǒng)采用磁場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生渦流的加熱原理,利用高頻交變電流通過線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng),當(dāng)交變磁場(chǎng)的磁力線通過被加熱的金屬材料時(shí),就會(huì)在被加熱的金屬材料表面產(chǎn)生無數(shù)的小渦流,使被加熱的金屬材料本身自行高速發(fā)熱。由于感應(yīng)線圈與被加熱金屬并不直接接觸,能量通過電磁感應(yīng)進(jìn)行傳遞,與電阻絲加熱方式相比減少了熱傳導(dǎo)和空氣熱對(duì)流的損耗,熱效率很高[32]。在電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的基礎(chǔ)上,Pactiv公司還開發(fā)了Rex TCS熱控制技術(shù),即將輻射加熱元件嵌入陶瓷絕緣體中,溫度控制方式及結(jié)構(gòu)如圖12所示。Rex TCS加熱方式并不是依靠熱傳導(dǎo)的方式來加熱機(jī)筒,而是通過高能輻射來完成,其加熱速度和響應(yīng)要比傳統(tǒng)方式快很多。同時(shí),特殊的冷卻溝槽能夠使周圍的空氣直接接觸機(jī)筒來實(shí)現(xiàn)快速冷卻,使加熱冷卻過程變得更節(jié)能和迅速,減少了工作環(huán)境中熱量的損耗,節(jié)能可達(dá)33%左右[33]。

圖12 Rex TCX溫度控制系統(tǒng)及加熱元件Fig.12 Rex TCX thermal control system and heating elements

快速冷卻技術(shù)在注射成型和吹塑成型等領(lǐng)域也達(dá)到了優(yōu)異的節(jié)能效果。例如,Techne公司在 K2007上推出的鎖模力20 t的Advance系列全電動(dòng)擠出吹塑機(jī),其采用了Veltech快速冷卻技術(shù)以進(jìn)一步縮短成型時(shí)間,與液壓機(jī)相比,成型周期縮短了10%～25%,可節(jié)能35%左右[14]。

現(xiàn)在擠出機(jī)、注塑機(jī)和吹塑成型機(jī)的一些位置沒有采用機(jī)筒隔離襯套技術(shù),這樣便導(dǎo)致了熱量損失和相關(guān)的能量損失,據(jù)估計(jì),這部分熱量損失是加熱器總電量的10%～14%[33]。機(jī)筒隔離襯套技術(shù)是減少能量消耗的一種比較經(jīng)濟(jì)的方法,其工作方式與通用熱水箱十分相似,都是將機(jī)筒散發(fā)的熱量反射回去,可降低加熱元件50%的能耗[5]。例如,Nickerson公司對(duì)使用和不使用隔離襯套前后機(jī)筒加熱絲的能耗進(jìn)行了比較,在沒有使用隔離襯套時(shí)加熱絲的能耗為33.67 kW,而使用隔離襯套的能耗為26.58 kW,節(jié)能約21%[5];Scheeres[34]還開發(fā)出一種環(huán)繞式注塑機(jī)絕緣加熱器,其采用柔性耐熱材料制成內(nèi)部覆蓋層,中間為加熱元件,外層由柔性絕熱材料覆蓋,從而降低了加熱圈工作中能量的損耗,節(jié)能效果顯著。

4 控制系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

在材料配方、成型模具及設(shè)備一定的情況下,制品的品質(zhì)則主要依靠加工條件(速度、壓力、溫度與時(shí)間等)來保證。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的控制硬件主要采用溫度表、壓力表、繼電器、電位器和延時(shí)開關(guān)等,采用開環(huán)控制系統(tǒng),沒有實(shí)現(xiàn)各個(gè)參數(shù)之間的反饋控制,因此建立關(guān)鍵工序及品質(zhì)的在線監(jiān)控控制系統(tǒng)是保證產(chǎn)品品質(zhì)及提高能源利用率的關(guān)鍵。

目前,國(guó)外先進(jìn)的塑料加工設(shè)備均采用優(yōu)異的控制技術(shù),在硬件上采用更為精密的測(cè)量和檢測(cè)儀器,在控制方法上采用閉環(huán)控制、統(tǒng)計(jì)過程控制、串級(jí)控制、反饋控制以及智能控制方法,實(shí)現(xiàn)了加工過程中溫度、壓力、螺桿轉(zhuǎn)速和流量等的連續(xù)化控制。例如,Wong等[35]利用電容式傳感器作為連續(xù)監(jiān)測(cè)工具,該種傳感器具有卓越的開始/結(jié)束檢測(cè)功能,并可以追查熔體在模腔內(nèi)的位置,檢測(cè)物料塑化、注射、冷卻等整個(gè)加工過程的狀態(tài),還提供了一種可以評(píng)估凝固速率及制品收縮時(shí)間的方法,達(dá)到了監(jiān)控關(guān)鍵工序及品質(zhì)變量的能力;Chia等[36]介紹了模型預(yù)測(cè)控制、自動(dòng)調(diào)諧和多參數(shù)PID控制等方法,這些方法可以更好、更高效、更柔和地控制擠出機(jī)的機(jī)筒溫度,尤其對(duì)于多段溫度控制的效果更顯著。王建等[37]還建立了一種新穎的基于注塑機(jī)的在線測(cè)試設(shè)備,來測(cè)量壓力-體積-溫度三者之間的關(guān)系,保證得到高性能的制品。

5 結(jié)語(yǔ)

加快結(jié)構(gòu)調(diào)整和發(fā)展方式轉(zhuǎn)變,努力建設(shè)裝備制造業(yè)強(qiáng)國(guó)是“十二·五”時(shí)期我國(guó)裝備制造業(yè)的重大戰(zhàn)略任務(wù),其中推進(jìn)綠色制造及推進(jìn)節(jié)能降耗減排是重要任務(wù)之一。

在保證產(chǎn)品品質(zhì)的前提下,掌握和使用有效的技術(shù)是實(shí)現(xiàn)能耗和物耗降低的重要手段?，F(xiàn)階段,塑料機(jī)械制造企業(yè)及研發(fā)機(jī)構(gòu)也已經(jīng)開始積極開展節(jié)能降耗的相關(guān)技術(shù)研發(fā)。隨著社會(huì)對(duì)節(jié)能減排增效要求的不斷增強(qiáng)及聚合物成型加工技術(shù)的不斷發(fā)展,節(jié)能型塑料機(jī)械的大規(guī)模應(yīng)用是塑料機(jī)械發(fā)展的必然趨勢(shì)。企業(yè)在設(shè)備購(gòu)買及更新時(shí)應(yīng)優(yōu)先選擇節(jié)能型設(shè)備,這必將加速塑料行業(yè)走上低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的快車道。

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Development of Energy-saving Technologies for Plastics Machinery

ZHAO Feng1,ZHAN G Yuxia2＊,XUE Ping1,QI Xiaoyun1,LIU Jing1
(1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China;2.Institute of Plastics Processing&Application of Light Industry,Beijing Technology and Business University,Beijing 100048,China)

TQ320.5

A

1001-9278(2011)01-0015-10

2010-12-22

＊聯(lián)系人,chinaplas@126.com