1、国内外节能塑料机械的研发与应用进展吴大鸣（北京化工大学 塑料机械及塑料工程研究所，北京 100029）摘 要：本 文 介 绍 了 节 能 技 术 在 塑 料 机 械 中 研 发 和 应 用 情 况 ， 探 讨 了 降 低 塑 料 加 工 能 耗 的 技术 途 径 。1 节能降耗与可持续发展以 资 源 利 用 最 大 化 和 污 染 排 放 最 小 化 为 主 线 ， 将 清 洁 生 产 、 资 源 综 合 利 用 、 生 态 工 业设 计 和 可 持 续 消 费 等 融 为 一 体 的 循 环 经 济 战 略 已 得 到 国 际 社 会 的 广 泛 认 同 。 党 的 十 六 届 三中 全 会
2、 提 出 了 “以 人 为 本 ， 全 面 、 协 调 ， 可 持 续 发 展 ”的 科 学 发 展 观 ， 这 标 志 着 我 国 的 发 展 战略 做 出 了 重 大 调 整 ， 步入了一个全新的发展阶段。我国经济正在从传统工业经济模式逐步走上循环经济发展的模式。我国正处在工业化和城镇化加快发展阶段，能源消耗强度较高，消费规模不断扩大，特别是高投入、高消耗、高污染的粗放型增长方式，加剧了能源供求矛盾和环境污染状况。能源问题已经成为制约经济和社会发展的重要因素。全球范围内，以石油、煤炭为代表的化石类能源材料的储量已经十分有限，虽然一些新型可替代能源已在开发中，但尚未取得突破性进展。1.1 国
3、内塑料加工业持续高速发展近年来，我国塑料制品的产量稳步增长，2003 年已达到 30000kt/a，位居世界第二，成为了名副其实的塑料制品生产大国。据有关部门统计，我国塑料加工业的增长速率明显超过国民经济的平均增长水平。塑料制品生产量的快速增长，为塑料加工装备生产企业提供了很好的发展机遇。表 1 我国近年来塑料机械的有关统计数据项 目 2000 年 2001 年 2002 年 2003 年塑料机械总产值（元） 85.29 95.3 105.6 128.2挤出机（台数） 7784 9880 12350 14752注射机（台数） 29331 37950 43643 51062国内塑机产销情况中空成
4、型机（台数） 1425 2179 2739 3405进口塑机总额（亿元） 153.9 179.46 210.47 325.51进口挤出机（台数） 1817 2397 2334 2248塑机进口 情况进口注射机（台数） 16025 13938 14524 19149出口塑机总额（亿元） 19.997 25.802 36.140 48.206出口挤出机（台数） 1317 1589 2260 2210国产塑机出口情况出口注射机（台数） 8662 5361 6276 8620表 2 近年来我国塑料机械市场容量、进口和国产设备所占比重年 份 1999 2000 2001 2002 2003市场容量（亿元
5、） 179.61 206.88 248.95 279.91 405.51金额（亿元） 130.00 153.90 179.46 210.47 325.51进口所占比例（%） 72.38 74.39 72.09 75.19 80.27金额（亿元） 49.61 52.98 69.49 69.44 80.00其中 国产所占比例（%） 27.62 25.61 27.91 24.81 19.73表 1 和表 2 表明，2003 年我国塑料机械的市场容量已达到了 10 万台套（400 亿元）的规模，其中国产塑机内销 8.3 万套,进口塑机约 1.7 万套。国产塑机的销售台数虽然超过市场总容量的 80%，但
6、销售收入所占比例却不足 20%。进口装备主要为大型和精密设备，其单价为国内设备的 810 倍，附加值明显高于国内设备。1.2 开发节能型塑料机械成为塑料机械产业可持续发展的最重要课题世界上第一台柱塞式挤出机是由英格兰的 Henry Bewley 和 Richard Brooman 于 1845年研制成功，而第一台单螺杆挤出机是由美国的 William Kiel 和 John Prior 于 1876 年研制成功的。在历经了一个半世纪的发展，挤出成型已成为高分子材料最主要的加工方法。近年来国内频繁出现“油荒” 、 “电荒”甚至“煤荒”，能源短缺信号频频闪现；国际上，以石油、煤炭为代表的化石类能源
7、材料的储量已经十分有限,虽然一些新型可替代能源已在开发中,但尚未取得突破性进展。国家发展和改革委员会主任马凯说：“我国还没有完全改变高投入、高消耗、高排放、不协调、难循环、低效率 的粗放型经济增长方式。建国 50 多年来，我国的 GDP 增长了 10 多倍，矿产资源消耗却增长了 40 多倍。平均每增加 1 亿元GDP 就需要高达 5 亿元的投资。 ”特别是近两年来，中国经济的高增长是建立在能源高消耗基础之上的高增长。2003 年我国消耗的各类国内资源和进口资源约合 50 亿吨，而创造的GDP 仅相当于世界的 4%，投入产出比例明显低于国际平均水平。高消耗换来的增长，导致废弃物排放多、环境污染严
8、重。我国单位 GDP 的废水、固体废弃物排放水平都大大高于发达国家。由于经济增长方式粗放，付出的资源环境代价过大，加剧了能源、资源短缺的压力，带来了煤电油运全面紧张，经济运行绷得过紧等问题。在当前的严峻形势下，中央适时提出要树立和落实科学发展观，努力实现国民经济的全面、协调、可持续发展。塑料机械的发展也必须遵循科学发展观，确保可持续发展。按我国塑料制品的年产量为 3000 万吨，加工每吨塑料制品耗电能 300 度计算，我国每年仅塑料加工业就需要 90 亿度电，所消耗的电能极为巨大。所以，开发节能型塑料机械大有可为，不仅可以为相关企业带来巨大的经济效益，还会产生巨大的社会效益。2 开发节能型塑料
9、机械的主要技术途径节能型塑料机械的开发主要有如下三方面的技术途径：2.1 以节能为目标对传统塑料机械进行优化设计传统塑料机械在节能方面还具有一定的潜力，原因是以往的设计往往只注重单机的生产能力。在节能型塑料机械的设计中，生产速度已不是最重要的指标，最重要的指标是加工单位重量制品的能耗。所以，必须对设备的机械结构、控制模式，以及操作工艺条件进行基于最小能耗的优化设计。2.2 先进节能技术的采用 低压、低温成型技术的采用: 降低塑料加工成型的温度和压力是最有效的节能措施。实现低压、低温成型，需要采用新型成型方法，如将振动场、电磁场、微波等引入塑料加工过程就能够有效地降低加工能耗。注塑机二次合模技术
10、的应用，气体辅助成型技术、液体辅助成型技术等先进工艺技术的采用也具有明显的节能效果； 变频调速电机的电能转换效率明显高于以往的电磁调速电机、直流电机等，随着变频调速技术的成熟以及变频调速器成本的降低，在塑料机械中，特别是在挤出装备上得到了广泛采用； 发展电动式注塑机和电动式吹塑机，替代液压式注塑机和液压式吹塑机，可以节约能耗 2/3 左右，对大型注塑机和吹塑机尤为明显； 精密传动减速箱、滚珠丝杠、齿形同步带等精密传动元件的采用，显著提高了传动效率，已在挤出机、全电动注塑机和全电动吹塑机上应用； 广泛采用一模多腔技术。该技术在注塑机和吹塑机上已是成熟技术，近年来在门窗型材、塑料管材的挤出装备上开
11、始采用，明显提高了生产效率。由于采取了一系列节能措施，成型制品所需的能耗大幅度降低，国外合模力为 1200KN的注塑机成型 ABS 制品的能耗仅为 0.50.7kwh/kg；螺杆直径为 48mm 的平行双螺杆挤出机的能耗仅为 0.160.17kwh/kg，WP 公司的 ZSK 系列同向平行双螺杆挤出机的比能耗已达到 0.1kwh/kg 左右的水平；电磁动态挤出机可以降低挤出温度 20以上，比传统挤出机节能 20%50%；全电动注塑机比传统注塑机节能 4070%。总体上说，国产设备能耗同国际先进设备比较，上世纪八十年代为 3 倍左右，九十年代中期为 2 倍左右，目前为 1.5 倍左右。2.3 先
12、进控制技术的应用控制水平的高低不仅可以影响装备的自动化程度，对降低能耗也有重要意义。 提高温控精度，包括挤出注射塑化及各种加热冷却装置的温度控制。加热冷却系统的能耗约占塑料加工成型总能耗的 40%左右，精密控制温度，一方面是为了满足成型工艺条件的要求，另一方面也是节约能耗的重要手段。国产设备在上世纪八十年代中期前，温控精度为5，九十年代中期为3 ，目前可以达到了 1，部分已达到0.5 ，与当今国际先进技术基本上处在同一水平线上。 采用 PID、PLC 闭环控制系统对塑料机械主、辅机进行联动控制； 超过 3000 点的中空吹塑型坯壁厚控制技术； 机器人技术在注塑机、大型波纹管生产线等装备上的应用
13、； 微型化、预固化、响应快的机、电、磁、光、声控制器件的采用； 数字图谱控制及其与 CAD、CAE、CAM 系统的集成； 基于总线技术的数据传输和数据控制系统； 基于 Windows NT4.0 的在线网络控制技术； 基于 Internet 的在线设备网络通信、调试、故障诊断和排除技术（美国 NDC 公司、加拿大 Husky 公司、奥地利 Greinere 公司、德国的 WP 公司等均已采用了网络技术） 。上述先进控制技术的采用，可以显著提高塑料成型装备的生产效率，降低能耗。3 节能型塑料机械的技术创新总体上说，通过对传统塑料机械的优化和先进节能技术的采用，可以在降低能耗上有所作为，但这方面的
14、潜力是有限的，同时还常常要以降低生产速度、提高设备制造成本和售价为代价。为此，开发不同于传统塑料机械的新型节能型塑料机械，最有可能在节能方面带来突破性进展。3.1 电磁动态挤出和注射成型装备华南理工大学瞿金平教授发明的电磁动态成型技术已成功地用于挤出成型和注射成型装备。电磁动态挤出机的机构见图 1。图 1 电磁动态塑化挤出机其结构特点和工作原理为： 挤出机机筒置于电机转子内腔 挤出螺杆悬浮安装于机筒中 定、转子间气隙中的谐波磁场在转子中产生热耗，加热聚合物 控制结构参数，谐波磁场还会在气隙中产生脉振磁场和旋转磁场，导致悬浮的螺杆产生脉动旋转和轴向振动 电机的热耗得到应用，同时引入振动场研究和实
15、验表明，电磁动态挤出机可以降低挤出温度 20以上，比传统挤出机节能20%50%。3.2 无齿轮挤出机自从 Reifenhuser 在 NPE 2003 上推出第一台商业化的无齿轮挤出机开始，到K2004，短短一年多时间，已有约 200 台配有无齿轮电机的挤出机投放市场。尽管主要的生产厂商和用户都居于欧洲市场，美国仅有少数几家生产和使用，但是，一种全新技术以这样的速度进入市场，其发展 势头可见非同一般。图 2 Reifenhuser 的无齿轮挤出机Reifenhuser 的无齿轮挤出机采用瑞士 Etel Motion 技术公司的无齿轮电机，具有低震动、低噪音、免维护、水冷、防尘、几乎不需要润滑油
16、、便于螺杆拆装检修、在整个速度范围内可以提供稳定的扭矩等优点，加之电机结构紧凑，特别适合共挤加工。由于省去了减速器，减少了能耗。用于挤出加工的无齿轮电机，主要为永磁同步电机，由于该类电机具有低转速下的恒定高扭矩的特性，特别适合于挤出机要求。 永磁同步电机推向市场已有近 20 年的历史，但是由于最初的产品体积庞大，而且价值不菲，因而主要应用于军事领域，如雷达望远镜、巡航导弹等，后来渐渐扩大到电梯、机床、印刷等领域。在挤出加工的应用进展得益于Siemens 开发出一种与以往不同的小型、无齿轮、高扭矩、低惯性中空轴电机。西门子推出的这一产品最初用于 Krauss-Maffei 的注射机。经过不断改进
17、，电机的扭矩速度已经从20500Nm 提高到 11000 Nm。电机制造商并不满足于此，还积极开发更高扭矩的永磁同步电机。11000Nm 的扭矩对于挤出机来说，只能适合 100mm 的机型，对于吹塑膜与流延膜领域普遍使用的 120150mm的机型尚不能提供足够的动力。Oswald 电机公司称：将推出 2000030000Nm 的永磁同步电机。西门子也正在进行类似的项目，其目标是 32000Nm 的扭矩和 1000 转的转速，以满足120mm 吹膜机组或 150mm 流延膜机组的动力需求。3.3 直接挤出技术将原料共混改性与制品成型一次完成，避免了原料的二次加热，可以显著减少加工成型能耗。直接挤
18、出就是在同向平行双螺杆挤出机的出口串连熔体齿轮泵或单螺杆挤出机，物料混炼后直接成型。直接挤出改性 PP 管材的生产线如图 3 所示。图 3 直接挤出改性 PP 管材的生产线直接挤出与双螺杆造粒加单螺杆挤出的对比见表 3。表 3 直接挤出与常规挤出技术的对比3.4 在线管材变径技术德 国 伊 诺 艾 克 斯 公 司 （ iNOEX） 的 自 动 变 径 系 统 使 挤 出 生 产 线 在 不 停 机 的 状 况 下 自 动 改 变生 产 管 径 的 规 格 ， 最 大 调 节 範 围 为 1:2， 为 生 产 32400 毫 米 聚 烯 烃 管 材 厂 家 开 创 了 节 约 成 本的 美 好
19、前 景 。 图 4 iNOEX 的挤出管材在线变径系统系统包括导腔，定径套，密封装置和控制所有管材参数的主控制系统。生产一种特殊的管材需要所有组成部分的同步配合，牵引速度和挤出机的产量都是可以调节的。事实上在按下按钮和生产线生产时，自动变径系统都可以改变产品的规格。此外系统自身所有的部件都可以外接生产线或整合到生产线中。导腔与位于真空中的定径套紧紧连接在模头上，熔体流过腔体形成管材的外径和壁厚，承接其后的定径套位于第一个真空箱内。位于入口处的水起到冷却管材表面的作用，同时密封箱体。而由两个级别的圆周网格创造的机动性则使定径套能够在 1:2 的范围内调整。分别收缩和延展的带子可以调节定径套的长度
20、和直径，从而改变挤出管材的直径。密封套也具有同等的灵活性，他们位于所有真空箱和冷却箱的入口和出口处，就像一个折叠的领子一样完美的包围着管子。 3.5 三螺杆连续混炼机由北京化工大学自主研发的三角形排列的全啮合三螺杆挤出机，与常规的混炼用单双螺杆挤出机相比，具有能耗低、产量高、混合分散质量好，可以较小的长径比获得优于常规双螺杆挤出机的分散效果，并且排气性能优异，排气口无溢料，可有效减少生产过程中原料和能量的损失。 图 5 三角形排列的全啮合三螺杆挤出机表 4 螺杆类挤出机的产能比较挤出机类型 螺杆直径 mm 产量 能耗 产能比 A/B平行双螺杆 45 A B 1平行双螺杆 70 3A 3B 1三
21、螺杆 45 2A 1.5B 1.33三螺杆挤出机突破了相互啮合的三根螺杆组空间结构设计复杂难题，解决了小空间和高承载能力的矛盾，保证了三根螺杆主动、同步、稳定运转。该项目采用“法向等间隙修正”设计三螺杆挤出机螺纹元件，实现了三根螺杆的完全等间隙啮合；首次提出并采用了“端面结合误差修正” 技术，实现了不同螺纹元件组合过程中的平滑过渡，同时保证螺纹元件的互换性，整机性能达到国际先进水平。 华南理工大学瞿金平教授开发的一字排列三螺杆挤出机，中间螺杆可以振动，起到了促进塑化和混炼效果的作用。振动场的引入，也起到了降低混炼温度的作用，有利于降低加工能耗。3.6 注射机节能技术装备3.6.1 全电动注射机
22、在全电动注射机出现之前注射机不是机械式的就是液压式的，由于环保和节能的需要，以及伺服电机的成熟应用和价格的大幅度下降，近年来全电动式的精密注射机越来越多。目前较先进的全电动式注射机节电可以达到 70%，另外，由于使用伺服电机注射控制精度较高，转速也较稳定，还可以多级调节。在注塑产品的成本构成中，电费占了相当的比例，依据注射机设备工艺的需求，注塑机油泵马达耗电占整个设备耗电量的比例高达 50%-65%，因而极具节能潜力。由于不需要电能和液压能之间的转换，机器运转直接由电能驱动，且无任何溢流损失，因此全电动注射机在节能效果上具有先天的优势。另外，全电动注射机在实现全闭环控制方面也极具优势。日本的全
23、电动注射机的年产量占总产量的 50%以上，并 70%以上外销国际市场，其中我国就是一个很大的用户。3.6.2 变频技术的应用在通用注射机上引入变频节能技术、变量泵节能技术和储能装置等，节能效果可以达到 3070%。传统的注射机没有对机器的驱动电机进行调整，即只要机器通电，电机就始终以额定转速运行。由于电机与油泵同轴，油泵将以额定排量将油吸入液压系统中，当系统需要的流量小于油泵所提供的流量时，多余的油将被回流，这势必极大浪费。变频节能型注射机从根本上克服了传统注射机的这一弊病。当系统需要的流量发生变化时，电机的转速也跟着发生变化，从而使得油泵排出的油的流量发生变化，即真正做到“需要多少给多少”。
24、国内注射机变频节能技术应用的最新发展是：应用创新的变频与电液比例复合调整原理对注射机液压系统的主电机进行调速控制，既大幅度降低了注射机液压系统的溢流损耗，又具有阀控系统的快速响应性，从而达到高效节能的目的。针对液压系统特有的负载特性，具有超载能力强、频响高和低速转矩大等特点。由于主电机的加速与减速时间较长，因而在控制过程中引入了各动作控制电磁换向阀的控制信号，以便对注射机所处的工艺流程进行鉴别判断，提前给出加速与减速指令，实现工艺过程与调速控制的最佳配合。尤其在冷却工艺流程中，使主电机停转。3.6.3 变量泵注射机变量泵节能型工作原理：在转速不变的情况下，通过改变液压泵排量，同时电机负载也会随
25、着排量而改变，达到省电的目的。变量泵与标准定量泵的主要区别是输出功率不同，变量泵的输出功率是随负载的变化而变化，而定量泵的输出功率相对恒定，在小流量动作情况下，变量泵的输出功率很低，而定量泵的输出功率基本恒定。配备高响应功率匹配比例变量泵系统令注射机液压系统输出与整机运行所需功率匹配，无高压节流溢流能量损失，特别在射胶工序、熔胶、冷却工序的节电效果较高，平均可达 30-50%的节电效果。对射胶保压时间较长的厚身或大 型 制 品 ， 节 电 的 优 越 性 更 加 明 显 。 同 时 ， 相 同 电 机 功 率 可 配 用 更大 排 量 油 泵 ， 令 整 机 速 度 加 快。3.6.4 储能装
26、置的使用储能装置的采用是注射机最早发展的一种节能方法，但目前注射机储能装置的使用主要是出于加快射出速度的考虑，液压油通过储能器储存和输送能源，从而更加经济地满足了注塑峰值功率和模板高速运动的要求。一般来讲，注射机储能装置原理为：储能装置氮气储能射胶（ACCUMULATOR FOR INJECTION）是利用注射机本身的在其他动作时过剩的油压，将储能器内的氮气压缩，使能量储存于储能器内，于射胶动作同时将储能器打开，使储能器内的油高速进入油缸推动射胶螺杆，做成高速注射的效果。 除以上传统的节能技术外，华南理工大学的“聚合物电磁动态成型新方法和新设备”研究领域，成功地将振动力场引入到聚合物塑化成型加
27、工全过程，节能效果可达百分五十以上。永磁同步电动机具有动态响应性好，输出扭矩大的特点，其性能与效率是使用异步电机和变频器的组合无法超越的。在国外尤其是在日本，同步电机不仅使用在全电动注塑机上，而且在普通注塑机上的应用也越来越广。目前，日本的油研、大金、德国的 BUCHER 等众多公司都加大了对电液混合系统的研发。中国丰富的稀土资源可以使电机的生产成本大大降低，宁波海天集团目前正在积极研究永磁同步伺服电机在注塑机中的应用。 3.7 超声波在线测控技术的应用加 拿 大 NDT 公 司 的 超 声 波 在 线 测 量 系 统 可 以 实 时 获 得 聚 合 物 塑 化 质 量 、 混 合 质 量 、
28、 分子 量 分 布 、 粘 度 、 密 度 等 信 息 ， 据 此 可 以 在 保 证 产 品 质 量 的 前 提 下 ， 实 现 产 量 的 最 大 化 ， 起到 节 能 的 效 果 。图 6 加拿大 NDT 公司的超声波在线测量系统结语：节能性塑料机械具有很大的市场需求，符合可持续发展战略的要求。在技术方面，有很多途径，通过采用先进的节能装备，降低成型加工能耗 20%50%是完全可能的。参考文献：1廖正品. 中国塑料制造业产需状况和展望. PPTS 2004 塑料加工技术高峰论坛论文集, 182许政仓. 迈向制造强国的我国塑料机械工业. PPTS 2004 塑料加工技术高峰论坛论文集, 2
29、0253吴大鸣. 塑料加工技术和装备发展展望. PPTS 2004 塑料加工技术高峰论坛论文集, 25284许政仓, 刘政坤, 吴志风. 中国塑料机械信息网. 各种节能技术在注射机上的应用. 李红艳, 翁云煊, 杨惠娣, 张玉霞. 第四届亚太国际塑胶工业展览会和第十五届中国国际塑料橡胶工业展览会回顾J. 中国塑料, 2001,15(7):82926国外塑料编辑部. 挤出成型技术: 2001 现状与发展J. 国外塑料, 2002,20(2):16197瞿金平. 振动力场下聚合物塑化挤出技术的研究. 2000 中国工程塑料加工应用技术研讨会论文集, 2000,9,北京,1271308郭奕崇, 丁玉梅等译. 塑料挤出技术. 北京: 中国轻工业出版社, 2001
