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节能、精密、高效--塑料加工及其设备的发展方向 |
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| http://cn.newmaker.com
7/22/2008 8:31:00 PM
北京化工大学 王兴天
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“节能、精密、高效”不仅是我国塑料加工业和设备制造业发展的战术问题，而且是战略问题。因为它是和我国发展的“节能型社会”、“环境友好型社会”、“可持续发展战略”、“科学发展观”、“节能减排”、“创新型国家”密切联系在一起的；因为它是支撑我国塑料制品及机械设备进入国际高端市场的必备条件；因为它是国内企业摆脱低水平、低利润、打价格战的有效途径；因为它是各企业进行产品结构调整，技术创新、机制创新的基本原则。
解读“节能、精密、高效”
“节能”首先要意识到，对资源的节省就是最大的节能。塑料加工及其设备应该尽力地减少对原材料的消耗，对树脂的消耗，减少对钢铁和其他有色金属的消耗，因为从矿石冶炼到零部件加工是能源消耗和环境污染的“巨无霸”。对注塑机而言，就是要千方百计地简化和缩小合模部件和塑化部件的结构；并为减少每一个零件重量而努力；“节能”另一个不可忽视的意义是减少对土地资源的消耗，塑料加工设备要力求结构紧凑，缩小对塑料成型车间的占地面积和使用空间；“节能”就要强调全面细化地堵塞能源消耗的漏洞，减少机器在运行过程中各种形式，如电能、热能、机械能、液压能等能源的消耗。
“节能”就要特别注意高分子材料在加工过程中的能源消耗，因为高分子材料在“塑化装置”中要经过加热、输送、混合、剪切、均化、塑化和熔融，要经历从玻璃态－粘弹态－粘流态的相变过程，中间要消耗大量的热能和机械能，必须从加工方法、加工设备、加工工艺以及高分子材料改性等诸多方面进行研究，形成以“节能”为中心的合力，才能有所奏效。
本来塑料加工及其设备，承担着“以塑代钢”、“以塑代木”、加工“塑料合金”的光荣使命，在“节能、环保”领域起着重要作用。但是令人遗憾的是，如今的塑料加工，如注塑、挤出、中空成型等却是耗能的大户。例如，一台锁模力3600t的注塑机，机身重量达300吨，驱动油泵的动力竟是6个55KW的电机，机身长24m，占地面积120m2；料筒直径320mm，长达7m且布满加热容量270KW的加热圈；机身内装液压油5760升，当注射时，在14MPa油压的作用下，液压油流率达1000升/分，而且是在比室温高出27℃-32℃的温度下连续地高速循环，大量的热能散发到环境中。如果，按注塑机消耗原材料和热能的平均数据，和以国产注塑机7万台/年计算，一年仅注塑机机种所消耗的钢铁资源达2000万吨之多，加热功率容量大于2500万KW之巨，消耗的液压油高达17500万升。由此看来，塑料加工及其设备已成为名副其实的耗能大户。当我国政府正努力建立“节能型社会”，号召“节能减排”要从每一个人做起的时候，对于我们的塑料加工业及其设备制造业，实在有动“大手术”的必要。这就需要通过“原始创新”和“集成创新”加速产品结构调整，要以“节能、精密、高效”为目标，改造注塑机、挤出机、中空成型机等设备。
“精密”是指成型塑料制品的精密度。对挤出成型而言，就是要提高挤出管材、棒材、板材、线材直径或厚度的公差和重复精度；对注塑成型而言，就是要提高注塑制品的重量公差和重复精度。从节能角度看，提高制品的精度会给节能提供一个巨大的数字。因为，虽然“精度”是一个很小的数字，但是位于它后面却是长度、重量，是接近无穷大的数字，这是由于挤出机和注塑机都是连续高速、高效生产的，有极高的生产能力。
“高效”是指塑料加工设备“高效”地成型制品的能力。对挤出机而言，就是要提高挤出速度，实现高速挤出；对注塑机而言，就是要缩短成型周期，提高单位时间成型制品的数量。从节能角度看，就是提高单位能耗成型制品的长度或数量。由此看来，“节能、精密、高效”中的核心问题是“节能”，正是和国家乃至世界的能源政策相一致的。所以，这是一个发展战略问题。
进入“国际高端市场”
“节能、精密、高效”是我国塑料制品及其设备进入“国际高端市场”的必要条件。目前这个高端市场，存在于塑料工业发达的国度里，如欧、美、日等。
所谓“高端”是指这个市场对加工及其设备的“节能”有着深刻的理解和要求，又有较丰富的经验。如日本早在60年代就制造了两板式注塑机（在合模框架上只有前模板和动模板），80年代又研发出全电动注塑机。因为他们通晓，同级别锁模力的“两板机”比“三板机”（在合模框架上有前模板、动模板外，还有后模板）机器总长缩短28%，机器宽度缩小6%，安装面积减少33%，减少液压油用量30%。以我国“海天”公司生产的锁模力3300吨“两板机HTK3300”比“三板机HTF3300”，仅合模部件减少零件数量142个，减少重量50吨，节约钢铁资源65吨。这就是“高端市场”接受“两板机”而拒绝“三板机”的主要理由；同样，他们知道“全电动注塑机”的注塑部件是由伺服电机－滚珠丝杠－注塑螺杆组成的注塑系统，较传统系统钢性极强，大大地提高了传动精度和控制精度及灵敏度，保证制品重复精度，可达千分之1～3，甚至到万分之六；这个“高端消费市场”还知道：购买一台价格较贵的“全电动注塑机”在一年之后，由于在节水、节电和在效率方面所取得的增益，会很快弥补上两者的差价，一年以后“全电动”带来的经济效益和社会效益是不可估量的。所以这个“高端市场”是乐于接受以“节能为中心”的“两板机”和“全电动”注塑机的市场。对挤出机、中空成型机也有同理。所以说向“节能、精密、高效”发展是塑料加工设备进军国际高端市场的敲门砖。
“技术创新”
国产塑料加工及设备制造技术已有20余年的历史，从引进、消化、吸收到改进、完善，如今都配有比较完善的近代电子、液压的控制系统，使现有技术达到相对平衡的饱和状态。各企业之间竞争日趋激烈，进行着低价格、低利润白热化的竞争。这只有从“节能、精密、高效”方面进行技术创新才能打破僵局，打开创作空间。所以开展技术创新，实现产品结构调整，这正是赶超世界塑料工业发达国家的历史机遇。
但是，这种“技术创新”是艰难的，是需要科研支撑的，是要付出代价的。因为这里的“创新”凝聚着“原始创新”和“集成创新”，必须有深入的理论和科研实践作为指导。例如，当我们要解决塑料加工中的节能时，会发现一种“原位复合加工技术”。“原位复合加工”是指树脂的增强相，不是像传统那样在加工之前就有的，而是在加工过程中将液晶高分子置于共混的基体中，由于液晶态的流动性能好，粘度低，且大分子处于无缠绕的平行排列状态，又对剪切非常敏感，在加工过程中，流动阻力小、压力低，从而使得能耗大为降低；又由于液晶高分子是棒状大分子，能在共混基体中就地生成微纤结构，均匀地包络在基体中，就像水泥包着钢筋一样，充当骨架作用，性能大大优于宏观纤维的增强。这既能在加工中“节能”，又保持了制品的高性能，被认为是本世纪塑料加工技术在“节能”方面的重大进展。
在塑料加工设备中，值得重视一个共有的重要部件 —“塑化装置”，其中包含了“心脏”零件 — 塑化螺杆，这里是耗能最多的部位。例如，一根直径为150mm螺杆，料筒单面壁厚约40mm，则每个螺杆螺距所占有的重量是67Kg，所占有的电加热容量10KW之多。现在，众多设计者不经意的增加螺杆的长径比3-6D（D－螺杆直径）是常有的事，这就意味着每台设备的塑化装置经常浪费200-400Kg钢铁，30-60KW的电能。例如，在大多数反映塑化部件的技术参数表中，对同一锁模力都配有A、B、C三种不同直径的所谓“高压、中压、低压”螺杆，其原意是为了方便用户，根据模具型腔及其流道和模腔压力，来匹配出注射量－注射压力适宜的“塑化装置”。但是，却忽略了长径比这一重要数据。众知，螺杆的长径比（L/D），是影响物料热历程和塑化质量，驱动扭矩，和料筒电加热功率等重要能耗参数。以锁模力2000吨注塑机为例，在“标准”技术表中列出A螺杆直径为140mm，长径比为24；B螺杆直径为150mm，长径比为22.4；C螺杆直径为160mm，长径比21。这就意味着，A螺杆要多消耗200kg钢铁资源，30KW的电能。显然，这是一种不合理的“技术参数表”，是没有重视节能设计理念。为此，我们应该研究以“节能、精密、高效”为目标的螺杆新设计理念、设计原则，并对通用塑料加工设备应尽早出台耗能标准及其市场准入条件。
如今评定塑料加工设备“优与劣”、“先进与落后”，最基本条件应该是：
● 重量轻，消耗的金属材料少；
● 结构紧凑，占地面积小，占用空间小；
● 节省电能、水能和液压能；
● 结构简单，零件数量少，特别是易损件、机械摩擦件少；
● 成型制品精度高，速度快；
● 运行稳定，静音；
● 安全、可靠，人性化、智能化操作。
发展要求
目前，对通用注塑机的发展要求可以说得更具体：在现有基础上，进一步提高和完善两板机的合模系统，使之结构更加紧凑，节材省能，提高其启闭模速度和锁模精度；进一步提高和完善全电动注塑系统，使之传动链更短，系统刚性更强；进一步提高和完善伺服电机驱动的液压系统，使之液压元件与伺服系统匹配的更加合理，提高系统刚性及其灵敏度；进一步提高和完善注塑机的控制系统，实现以制品质量及精度为目标函数的反馈控制。深信，通过这些技术改造，会使我国通用注塑机提高到一个新的水平。
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