Hydraulische Konstruktion der 650-Tonnen-Spritzgießmaschine: Konfiguration mit zwei internen Zahnradpumpen für Schließ- und Einspritzkreisläufe

Eine 650-Tonnen-Spritzgießmaschine ist eine bedeutende Investitionsanlage. Bei dieser Schließkraftklasse – typischerweise für die Herstellung von Automobilinnenverkleidungen, Gehäusen für Großgeräte, Paletten, IBC-Containern und Bauteilen für die Logistik – bestimmt die Auslegung des Hydrauliksystems maßgeblich die Zykluszeitkonstanz, die Energiekosten und die langfristige Zuverlässigkeit.

Die Herausforderung besteht nicht nur in der Erzeugung von Durchfluss und Druck. Vielmehr geht es darum, die hydraulische Leistung an zwei grundlegend verschiedene Lastprofile innerhalb desselben Maschinenzyklus anzupassen: die Klemmkreis, was eine dauerhafte Druckhaltung bei relativ geringem Durchfluss erfordert, und die EinspritzkreisDies erfordert einen hohen momentanen Durchfluss bei gleichzeitig schnellen Druckänderungen. Aufgrund dieser widersprüchlichen Anforderungen sind Doppelpumpenarchitekturen nicht nur vorteilhaft, sondern für die effiziente Konstruktion von Maschinen der 650-Tonnen-Klasse unerlässlich.

In diesem Artikel erläutern wir die technischen Gründe für die Trennung von Klemm- und Einspritzkreisläufen mit dualer Innenzahnradpumpen der VG-SerieDie Methodik zur Pumpenauslegung detailliert beschreiben und erläutern, wie Servogetriebene Pumpensätze das Energieprofil dieser anspruchsvollen Anwendungen verändern.

Dimensionierung der Hydraulik für eine Schließkraft von 650 Tonnen – Welcher Durchfluss und welcher Druck sind im Kreislauf erforderlich?

Vor der Auswahl der Pumpenfördermengen müssen die hydraulischen Randbedingungen für eine 650-Tonnen-Maschine festgelegt werden. Die Schließkraft von 650 Tonnen erfordert eine Zylinderbohrung, die diese Kraft bei dem verfügbaren Systemdruck erzeugen kann. Bei einem Nenndruck von 31,5 MPa (315 bar) – dem Standard für moderne Systeme – ist dies erforderlich. hydraulische Maschinen — Der Bohrungsdurchmesser des Klemmzylinders liegt typischerweise zwischen 500 und 560 mm. Die Berechnung ist einfach:

F = P × A → 6375 kN = 31,5 × 10⁶ Pa × π × (D/2)² → D ≈ 0,51 m

Nach der Dimensionierung lässt sich der Durchflussbedarf des Klemmkreislaufs in jedem Zyklus in mehrere unterschiedliche Phasen unterteilen:

• Formschließung (Hochgeschwindigkeitsannäherung): Niedriger Druck, hoher Durchfluss – typischerweise 180–240 l/min, abhängig von der Hublänge und der gewünschten Trockenzykluszeit. Eine 650-Tonnen-Maschine mit einem Schließhub von 1000 mm, die eine Schließzeit von 3,5 Sekunden anstrebt, benötigt in dieser Phase etwa 200 l/min.
• Schimmelschutz und Verriegelung: Bei reduzierter Drehzahl steigt der Druck von 5 MPa auf über 30 MPa – der Durchfluss sinkt auf 30-60 l/min.
• Klemmenhalterung: Der Druck wird während der Einspritzung bei 28-31,5 MPa gehalten – der Durchfluss liegt nahe Null, es ist lediglich eine Leckagekompensation erforderlich (5-15 l/min).
• Formöffnung und Auswurf: Ähnliches Durchflussprofil wie beim Schließen, jedoch mit anderer Druckrichtung – typischerweise 160-200 l/min.

Der Einspritzkreislauf liefert ein anderes Bild. Die Anforderungen an die Einspritzgeschwindigkeit für große Bauteile variieren von 30 mm/s (für dickwandigen Strukturschaum oder Standardpaletten) bis über 120 mm/s (für dünnwandige Karosserieteile). Bei einem Schneckendurchmesser von 80–90 mm (typisch für 650-Tonnen-Maschinen) erfordert eine Einspritzgeschwindigkeit von 100 mm/s einen momentanen Förderstrom von ca. 300–380 l/min – weit mehr, als eine für das Spannen ausgelegte Pumpe effizient liefern kann.

Diese unterschiedlichen Arbeitszyklen führen uns zu einer Zweipumpenarchitektur: eine für das Klemmprofil optimierte Pumpe, eine weitere für die Einspritzung, jede gepaart mit ihrem eigenen ServoantriebssystemDie

Doppelte VG-Serie Innenzahnradpumpen – Warum wir Klemm- und Einspritzkreisläufe trennen

Eine einzelne große Pumpe, die beide Kreisläufe versorgt, würde einen ständigen Kompromiss erzwingen. Ausgelegt auf den maximalen Einspritzdurchfluss, wäre sie während der Schließphase deutlich überdimensioniert – was Energieverschwendung durch Druckentlastung, übermäßige Wärmeentwicklung und beschleunigten Bauteilverschleiß in den 90 % des Zyklus zur Folge hätte, in denen der volle Durchfluss nicht benötigt wird. Umgekehrt würde eine auf den durchschnittlichen Bedarf ausgelegte Pumpe die Einspritzphase unterversorgen, die Zykluszeiten verlängern und die Teilequalität mindern.

Die Doppelpumpenkonfiguration mit Innenzahnradpumpen der VG-Serielöst dieses Problem elegant. Jede Pumpe wird unabhängig von einem Servomotor angetrieben, dessen Drehzahl durch einen Servoregler gesteuert wird, der auf Druck- und Durchflussbefehle in Echtzeit reagiert. MaschinensteuerungDas Ergebnis ist ein Hydrauliksystem, bei dem jeder Liter Ölfluss direkt mit dem Prozessbedarf verknüpft ist – keine Drosselverluste, keine Bypass-Verschwendung.

Innenzahnradpumpen Sie eignen sich aus drei Gründen besonders gut für diese Architektur:

• Niedrige Pulsation: Das kontinuierliche Ineinandergreifen von Innen- und Außenzahnrädern erzeugt im Vergleich zu Kolbenpumpen oder Außenzahnradpumpen einen außergewöhnlich gleichmäßigen Förderstrom. Bei einer 650-Tonnen-Maschine reduziert dies die über die Hydraulikleitungen auf die Schließ- und Spritzeinheit übertragenen Vibrationen und trägt somit direkt zur gleichmäßigen Beschaffenheit der Formteile bei.
• Leiser Betrieb bei variabler Drehzahl:Im Gegensatz zu Flügelzellenpumpen, deren Schaufeln auf Zentrifugalkraft beruhen, InnenzahnradpumpeSie gewährleisten eine gleichbleibende volumetrische Effizienz über einen weiten Drehzahlbereich. Eine VG2-Pumpe, die mit 500 U/min für die Klemmung läuft, ist nahezu geräuschlos – typischerweise unter 55 dB(A) – im Vergleich zu einer drehzahlfesten Außenzahnradpumpe mit 1750 U/min, die über 75 dB(A) erzeugt.
• Hohe Druckfähigkeit bei niedriger Drehzahl:Die VG-Serie hält auch bei hohen Temperaturen einen stabilen Ausgangsdruck von 31,5 MPa aufrecht. Servomotor Die Drehzahl wird auf 10–20 % des Nennmaximums reduziert. Dies ist entscheidend für die Druckhaltephase des Spannvorgangs, in der der Druck ohne signifikanten Ölfluss aufrechterhalten werden muss.

Diese Doppelpumpen-Servokonfiguration ist abgestimmt auf ISO 4409Testmethoden für Hydraulikpumpe Wir gewährleisten die Reproduzierbarkeit der von uns angegebenen Effizienzmessungen unter standardisierten Bedingungen.

Pumpenauswahl für den Klemmkreislauf – Dauerhaftes Halten bei minimaler Wärmeentwicklung

Für den Spannkreislauf einer 650-Tonnen-Maschine spezifizieren wir typischerweise einen VG2-100 oder VG2-80InnenzahnradpumpeHier ist die Begründung, die auf Folgendem basiert:Technische Daten der VG-Serie:

Für eine typische 650-Tonnen-Maschine mit einem Schließhub von 1.000–1.200 mm liefert die VG2-100 150 l/min bei 1.500 U/min. In Kombination mit einem Servomotor, der eine Spitzendrehzahl von 2.200 U/min erreicht, kann dieselbe Pumpe während der schnellen Werkzeugschließphase 220 l/min fördern – ausreichend für einen 3,0–3,5 Sekunden langen Trockenzyklus. Während der Nachhaltephase… Servoantrieb Die Motordrehzahl wird auf 150–300 U/min reduziert, wodurch nur die für den Leckageausgleich benötigten 5–15 l/min gefördert werden. Bei dieser reduzierten Drehzahl sinken die mechanischen Verluste der Innenzahnradpumpe proportional, und der Öltemperaturanstieg im Klemmkreislauf bleibt unter 3–5 °C pro Zyklus.

Die Wahl zwischen VG2-80 und VG2-100 hängt von der angestrebten Trockenzykluszeit ab. Für Maschinen in der Automobilindustrie, die Zykluszeiten unter 3,5 Sekunden erfordern, ist die VG2-100 mit Servo-Überdrehzahlregelung vorzuziehen. Für allgemeine Spritzgussanwendungen mit weniger strengen Zykluszeitanforderungen bietet die VG2-80 bei typischen Betriebsgeschwindigkeiten eine geringfügig höhere volumetrische Effizienz.

Alle Pumpen der VG2-Serie verwenden SAE-genormte Montageflansche – die Modelle VG2-80 und VG2-100 nutzen den F16-Einlassflansch (77,8 × 42,9 mm Lochkreis, M12-Gewindetiefe 20 mm) und den F12-Auslassflansch (69,9 × 35,7 mm, M12). Diese standardisierten Schnittstellen vereinfachen die Integration in bestehende Hydraulikverteilersysteme und ermöglichen eine unkomplizierte Nachrüstung.

Pumpenauswahl für den Einspritzkreislauf – Hoher Momentanförderstrom mit Servopräzision

Der Einspritzkreislauf erfordert ein anderes Profil: sehr hoher Durchfluss für kurze Stöße (0,5–2 Sekunden pro Einspritzvorgang), gefolgt von relativ langen Ruhephasen während der Plastifizierung, Kühlung und des Öffnens/Schließens der Form. Für eine 650-Tonnen-Maschine mit einer 80–90-mm-Schnecke sind Einspritzgeschwindigkeiten von 80–120 mm/s erforderlich, die 250–380 l/min bei Drücken bis zu 31,5 MPa benötigen.

Wir geben üblicherweise an, dass VG2-125 oder VG2-145 für den Einspritzkreislauf, abhängig von der Konfiguration der Einspritzeinheit:

Beachten Sie die reduzierte Druckfestigkeit der VG2-145 und VG2-160. Dies ist typisch für Zahnradpumpen mit größerem Fördervolumen – mit zunehmendem Fördervolumen steigen die Lagerbelastungen durch die Druckdifferenz an den Zahnrädern proportional an. Für Einspritzkreisläufe, die einen Spitzendruck von 31,5 MPa erfordern, ist die VG2-125 die optimale Wahl. Sie liefert bei Volldruck und 2.000 U/min über 250 l/min – ausreichend für die meisten Einspritzprofile mit 650 Tonnen Fördermenge.

Für Maschinen, die keinen maximalen Einspritzdruck benötigen (z. B. Palettenformung mit 18-22 MPa), können die Pumpen VG2-145 oder VG2-160 gewählt werden, die eine höhere Förderleistung für schnellere Einspritzgeschwindigkeiten bieten, ohne die Druckbelastbarkeit der Pumpe zu überschreiten.

Der Servoantrieb für die Einspritzpumpe muss in der Lage sein, schnell zu beschleunigen – von nahezu null Drehzahl auf 1800 U/min in weniger als 100 ms –, um einen reaktionsschnellen Einspritzstart zu gewährleisten. VICKS Servosystem Dies wird durch feldorientierte Regelungsalgorithmen mit Drehmomentvorspannung erreicht, die sicherstellen, dass das vorgegebene Einspritzgeschwindigkeitsprofil während des gesamten Schusses innerhalb von ±1% des Sollwerts eingehalten wird.

Servogetriebene Effizienz – Wie die Drehzahlregelung den Energieverbrauch einer 650-Tonnen-Maschine verändert

Die energetischen Argumente für servogetriebene Doppelzahnradpumpen sind überzeugend. Ein Pumpensystem mit festem Fördervolumen an einer 650-Tonnen-Maschine betreibt typischerweise einen 45-55 kW-Motor kontinuierlich mit 1.500 U/min, unabhängig vom Lastzyklus. Überschüssiges Öl wird über Proportionalventile unter Systemdruck abgelassen, wodurch hydraulische Arbeit direkt in Wärme umgewandelt wird.

Durch die servogesteuerte Drehzahlregelung sinkt der Energieverbrauch auf den jeweils benötigten hydraulischen Arbeitsaufwand. Wir haben die folgenden typischen Leistungsprofile an 650-Tonnen-Maschinen gemessen, die mit VICKS nachgerüstet wurden. Servopumpensätze:

Die durchschnittliche Energieeinsparung von 50 % bedeutet konkret: Eine 650 Tonnen schwere Maschine, die 24 Stunden am Tag und 300 Tage im Jahr bei Stromkosten von 0,10 $/kWh läuft, spart etwa 24.900 US-Dollar pro Jahr Allein im Hinblick auf den Stromverbrauch. Dabei werden die reduzierte Kühllast (kleinere Wärmetauscher, geringerer Kältemittelbedarf), die längere Lebensdauer des Hydrauliköls (geringere Oxidationsraten bei niedrigeren Betriebstemperaturen) oder die reduzierten Wartungsintervalle bei servogetriebenen Pumpen im Vergleich zu kontinuierlich laufenden Festverdrängerpumpen nicht berücksichtigt.

Neben der reinen Energiegewinnung verbessert die servogetriebene Innenzahnradpumpenkonfiguration die Prozesskonstanz. Im Gegensatz zu proportionalventilgesteuerten Systemen, bei denen die Ölviskosität mit der Temperatur die Fördereigenschaften beeinflusst, gewährleistet die Drehzahlregelung der Servopumpe eine gleichbleibende Fördermenge unabhängig von der Öltemperatur im Betriebsbereich von 20–55 °C. Dies führt zu einer besseren Wiederholgenauigkeit des Schussgewichts – typischerweise innerhalb von ±0,3 % im Vergleich zu ±0,8 % bei Systemen mit festem Fördervolumen.

Systemintegrationsüberlegungen – Verteileranordnung, Filtration und Kühlung

Eine Konfiguration mit zwei internen Zahnradpumpen erfordert eine sorgfältige Integration auf Systemebene. Im Folgenden werden die praktischen Aspekte erläutert, die wir bei der Konstruktion von 650-Tonnen-Maschinen berücksichtigen:

Ölanschlussdimensionierung. Der VG2-100 verwendet einen F16-Einlassflansch (77,8 mm SAE-Muster) und den F12-Auslassflansch (69,9 mm Muster). Diese entsprechen den Anschlussgrößen SAE 1-5/8" bzw. SAE 1-1/4". Die Strömungsgeschwindigkeit in der Einlassleitung muss unter 1,5 m/s liegen, um Kavitation bei maximalem Durchfluss zu vermeiden. Für den F20-Einlassflansch (88,9 mm SAE-Muster) des VG2-125 empfehlen wir üblicherweise ein 2-Zoll-Stahlrohr (Schedule 40) oder einen gleichwertigen Schlauch für die Saugleitung, zusammen mit einem separaten Rücklauffilter, der für eine Kapazität von über 300 l/min ausgelegt ist.

Montage mehrerer Pumpen. Bei der Montage einer VG2-100 (Klemmpumpe) und einer VG2-125 (Einspritzpumpe) an einem gemeinsamen Behälter empfehlen wir eine vertikale Trennwand zwischen den beiden Pumpensaugzonen. Dadurch wird verhindert, dass Ölturbulenzen des Rücklaufs einer Pumpe die Saugstabilität der anderen beeinträchtigen. Jede Pumpe sollte über ein eigenes Saugfilter mit einem sauberen Druckverlust von unter 0,03 MPa verfügen.

Servoantriebskommunikation. Beide Servoantriebe kommunizieren über EtherCAT oder CANopen mit der Hauptsteuerung der Maschine. Die Steuerung sendet je nach Zyklusphase unabhängig voneinander Sollgeschwindigkeitsbefehle an jeden Antrieb. Während der Haltephasen arbeitet der Antrieb der Schließpumpe im Positionsregelungsmodus, um die Schließung ohne Überschwingen zu fixieren, während der Antrieb der Einspritzpumpe in den Druckregelungsmodus für eine präzise Nachdruckregelung schaltet. VICKS Servomotor Die Serie unterstützt alle drei Steuermodi nativ.

Kühlleistung. Selbst bei servogesteuerter Effizienz erzeugt eine 650-Tonnen-Maschine während der Einspritzung erhebliche Wärme (hohe Leistungsdichte in einem kurzen Impuls). Wir empfehlen für das Gesamtsystem eine Wärmetauscherleistung von 60–80 kW – das sind etwa 40–50 % weniger als bei einem System mit festem Verdrängungsvolumen und vergleichbarer Leistung. Der geringere Kühlbedarf ermöglicht zudem den Einsatz kleinerer Hydraulikbehälter (600–800 l statt über 1000 l), wodurch Stellfläche und Ölvolumen eingespart werden.

Filtrationsstrategie. Innenzahnradpumpen weisen im Vergleich zu Flügelzellenpumpen mit gleichem Fördervolumen engere interne Toleranzen auf und benötigen daher ein saubereres Öl. Wir spezifizieren β.₁₀ Für Pumpen der Baureihe VG2 an 650-Tonnen-Systemen ist eine Rücklauffiltration von ≥ 75 (ISO 16889) erforderlich. Da in Spritzgießumgebungen durch Werkzeugbewegungen und Materialhandhabung eine erhebliche Partikelkontamination entsteht, ist ein 10-µm-Absolutrücklauffilter mit Bypass-Anzeige unerlässlich. Wir empfehlen außerdem eine Offline-Filtration mit einer 3-µm-Nierenschleife, die während des Maschinenbetriebs kontinuierlich läuft, insbesondere bei der Verarbeitung von glasfaserverstärkten Compounds, deren Fasern in den Vorratsbehälter gelangen können.

Ölauswahl. Für Doppelpumpenkonfigurationen an 650-Tonnen-Maschinen empfehlen wir als Standard die Verwendung von verschleißfestem Hydrauliköl nach ISO VG 46. Bei Umgebungstemperaturen über 35 °C oder bei der Verarbeitung von Hochtemperatur-Kunststoffen (PEEK, PEI, LCP), die den Wärmeübergang vom Werkzeug zum Hydrauliksystem erhöhen, kann ISO VG 68 erforderlich sein, um eine ausreichende Schmierfilmdicke in den Zahnradpumpenlagern zu gewährleisten. Die Kaltstartviskosität sollte 800 mm²/s nicht überschreiten – dies ist insbesondere bei Maschinen zu berücksichtigen, die in unbeheizten Hallen in nördlichen Klimazonen installiert sind.

Fazit: Anpassung der Hydraulikarchitektur an die Maschinengröße

Die Konstruktion des Hydrauliksystems einer 650-Tonnen-Spritzgießmaschine erfordert ein Maß an ingenieurtechnischer Strenge, kleinere Maschinen Manchmal lassen sich einfachere Architekturen nutzen. In diesem Maßstab belaufen sich die Kosten für Energie und Prozessstabilität aufgrund einer mangelhaften Hydraulikkonstruktion auf Zehntausende von Dollar pro Jahr und auf Bruchteile eines Prozents beim Ertragsverlust – beides summiert sich über die 10- bis 15-jährige Betriebsdauer der Maschine.

Eine Konfiguration mit zwei internen Zahnradpumpen – mit unabhängig servogesteuerten Pumpen der Serie VG2 für die Spann- und Einspritzkreisläufe – löst den grundlegenden Widerspruch in der Hydraulik von 650-Tonnen-Maschinen, und die jüngsten Entwicklungen Branchenimplementierungen Dieser Ansatz muss kontinuierlich validiert werden: Der Klemmkreislauf benötigt eine dauerhafte Halteleistung, während der Einspritzkreislauf eine maximale Durchflusskapazität benötigt. Durch die Trennung dieser Funktionen mit den richtigen Pumpenfördermengen und der Servosteuerung kann jede Funktion kompromisslos im optimalen Betriebspunkt arbeiten.

Unser Ingenieurteam bei VICKS Diese Architektur wurde bereits in Dutzenden von Maschinenplattformen mit 500 bis 1.000 Tonnen Schließkraft eingesetzt und deckt Anwendungen von der Automobilinnenausstattung bis hin zu großformatigen Logistikverpackungen ab. Die Kombination aus der Zuverlässigkeit der VG-Serie von Innenzahnradpumpen und der servogesteuerten Präzision ermöglicht konstant eine Energieeinsparung von 45 bis 55 % im Vergleich zu Systemen mit festem Fördervolumen. Gleichzeitig werden messbare Verbesserungen bei der Schussgewichtsgenauigkeit und der Temperaturstabilität des Hydrauliksystems erzielt.

Für Ingenieure und Einkäufer, die hydraulische Antriebsoptionen für Spritzgießmaschinen ab 650 Tonnen – ob Neubau oder Modernisierung bestehender Anlagen – evaluieren, empfehlen wir, neben den Maschinenspezifikationen auch die Pumpenkonstruktion zu prüfen. Der Innenzahnradpumpentyp, die Fördermenge im Verhältnis zum Betriebszyklus der einzelnen Kreisläufe und die Servoantriebsarchitektur sind die entscheidenden Faktoren, die darüber bestimmen, ob Ihr Hydrauliksystem die Produktion ankurbelt oder dauerhafte Betriebskosten verursacht.

Häufig gestellte Fragen

VICKS-Ingenieurteam • NVICKS Intelligent Equipment (Ningbo) Co., Ltd. • Vom MIIT als nationales „Kleinriesen“-Unternehmen anerkannt • Nationales Hightech-Unternehmen • ISO-zertifiziert
Spezialisiert auf elektrohydraulische Servosysteme, Servopumpensätze und intelligente Bewegungssteuerungslösungen für Spritzguss-, Blasform- und industrielle Automatisierungsanwendungen.
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