顆粒干冰制造機液壓控制系統的設計

嚴東兵，趙海兵，陳水宣，梅麗芳

(廈門理工學院機械與汽車工程學院，福建廈門 361024)

顆粒干冰制造機液壓控制系統的設計

嚴東兵，趙海兵，陳水宣，梅麗芳

(廈門理工學院機械與汽車工程學院，福建廈門 361024)

在分析、對比目前市場上顆粒干冰制造機液壓控制系統優缺點的基礎上，設計了一種新型的基于PLC自動控制的顆粒干冰制造機的液壓控制系統。該系統通過PLC對電比例液壓泵流量、壓縮雪花干冰主油缸行程和電磁節流膨脹閥充液時間參數的聯合控制，不僅實現了顆粒干冰的全自動可視化生產，而且實現了顆粒干冰產能的無級調節，從而提高了產品的生產效率和競爭力。

顆粒干冰制造機;液壓控制系統;無級調節

顆粒干冰制冰機是一種使用先進制冷技術，是將液態二氧化碳(CO2)經過節流膨脹變成雪花狀，再使用壓縮成型技術，將雪花狀CO2壓緊而形成顆粒狀干冰的機械裝置。目前，國內外市場上存在的顆粒干冰制造機根據壓縮傳動機構的不同，主要可分為機械傳動式制冰機和液壓傳動式制冰機。前者是根據機械傳動原理，由動力裝置推動剛性桿壓縮模具內雪花狀CO2。由于剛性機械零部件之間的間隙與干摩擦特性，剛性機械運行時噪聲大、效率低，且發熱嚴重［1］。后者采用液壓油作為傳動介質，推動液壓執行機構工作，具有工作平穩、噪聲小、效率高等優點。目前市場上的顆粒干冰制造機的液壓系統主要采用傳統的繼電器控制系統，結構簡單，價格低廉，但其接線復雜，機械觸點多，可靠性低，使用壽命短，設備操作專業性要求高，自動化程度低，且不能根據實際需求實現顆粒干冰產能的無級調節。

因此，設計一種新型的基于PLC控制的顆粒干冰制造機液壓系統成為當前值得研究的課題。

1 干冰制造機結構組成及工作原理

圖1為DIM500顆粒干冰制造機樣機圖，它主要由液態CO2節流膨脹系統、壓縮雪花狀CO2干冰的壓縮機構和液壓控制系統組成。其中，液壓控制系統由液壓傳動系統和PLC控制系統組成。

圖1 顆粒干冰制造機結構

顆粒干冰制造機的主要功能是將液態CO2經過節流膨脹閥變成雪花狀固體CO2(俗稱干冰)后，再通過壓縮機構將雪花狀的CO2壓縮成餅狀干冰，最后經過模頭擠壓成Ф3～Ф16的條形顆粒干冰。

其中壓縮機構由擠壓模頭、壓縮活塞、壓縮型腔和壓縮主油缸組成，其壓縮機構總體結構如圖2所示。由圖1可知DIM500顆粒干冰制造機樣機采用2組干冰壓縮機構并列排列，主要有2個方面的因素:1)液態CO2經過節流膨脹閥變成雪花狀固體CO2，充塞壓縮機構需要一定的時間周期。如當壓縮機構I內壓縮活塞在伸出將雪花狀干冰擠壓成條形干冰產出以及復位時，另一組壓縮機構Ⅱ液態CO2通過節流膨脹閥變成雪花狀干冰，從而避免了單個壓縮機構壓縮完成后停止等待雪花狀干冰的生產時間，最大程度地提高了顆粒干冰制造機的生產效率;2)另外2個壓縮機構可以根據不同的生產需要，實現2種不同直徑大小的條形干冰顆粒同時生產，避免了因不同干冰顆粒的需求而反復更換擠壓模頭的工作，不僅提高了顆粒干冰制造的生產效率，而且滿足了不同客戶的需求。

圖2 顆粒干冰制造機壓縮機構

2 液壓控制系統組成及工作原理

2.1 液壓控制系統的組成

顆粒干冰制造機液壓控制系統原理如圖3所示。該系統主要由電比例主油泵、單向閥、三位四通電液動換向閥、電磁溢流閥、液壓缸(帶緩沖)、壓力傳感器、液壓缸位移傳感器、吸油過濾器、回油過濾器(帶旁通和污染警報功能)、散熱器(帶溫控啟動器)、溫度傳感器和液位液溫計及管路等附件組成。

顆粒干冰制造機液壓控制系統的吸油回路和回油回路采用80 μm和10 μm來保證系統液壓油的清潔度。其中吸油過濾器采用傳統的內置濾網型，簡化了液壓油箱的設計;回油過濾器具有旁通和污染發訊報警功能，其旁通功能是避免因污染物堵塞過濾器造成系統被壓過大引起的系統誤動作、回油過濾器發生漏油或破裂等故障，并通過污染發訊報警功能及時提醒用戶更換或清洗濾芯，延長了主油泵、控制閥等系統核心元器件的使用壽命，提高了系統的可靠性，同時使系統的操作與維護變得更加直觀和簡單。另外該液壓控制系統主油缸帶有緩沖設計，并結合M型三位四通電磁換向閥的使用，降低了系統換向沖擊，減少震動，減小元器件的發熱，延長系統元器件的使用壽命［2-4］。

圖3 顆粒干冰制造機液壓控制系統原理

2.2 液壓控制系統的工作原理

本文設計的顆粒干冰制造機液壓控制系統是一種電液比例控制的基于PLC控制新型液壓控制系統。與國內外同類產品相比，其主要區別在于該系統采用電比例主油泵和位移傳感器控制壓縮主油缸行程，從而實現壓縮機構壓縮活塞推出擠壓的無級變速的功能。

該系統的基本工作原理如圖3所示。當壓縮機構I主油缸處于擠壓階段(即活塞桿伸出階段)時，位移傳感器檢測發訊，電磁溢流閥6(DT1)和電液動換向閥7(DT2)得電，主油泵3的高壓油進入壓縮油缸活塞腔，驅動壓縮油缸活塞桿伸出。在伸出階段，在保證條形干冰質量的前提下并盡可能減少擠壓時間T1，實現擠壓活塞的無級變速。該液壓控制系統采用Rexroth A11系類電比例主油泵，根據不同工況需要調節主油泵的排量。壓縮機構I在工作過程中，液態CO2經過節流膨脹閥在壓縮型腔Ⅱ中生成雪花狀干冰，當壓縮主油缸活塞桿到設定行程后，電液動換向閥7(DT3)得電，壓縮油缸活塞桿復位(即活塞桿縮回階段);當壓縮油缸活塞桿到位后，壓縮機構Ⅱ壓縮油缸開始執行與壓縮機構I壓縮油缸相同的擠壓復位動作。為了保證壓縮型腔的清潔，壓縮機構在生產條形干冰之前，需要對壓縮型腔進行3～5次的清洗。其工作原理是在壓縮主油缸I或Ⅱ伸出時，同時向壓縮型腔內充入CO2氣體，通過壓縮機構內活塞的擠壓來實現對壓縮型腔的清洗。完成壓縮型腔的清潔后，在壓縮主油缸推出前，液態CO2通過節流膨脹閥生產雪花狀干冰后，壓縮機構I和壓縮機構Ⅱ內的主油缸進行反復推出和復位工作，不斷產出條形狀顆粒干冰。

另外，為了提高優質條狀干冰的產能，必須通過大量試驗匹配液態CO2的充液時間與壓縮主油缸的擠壓和復位時間，實際就是通過調節電比例主油泵的排量Vm、壓縮主油缸行程L和電磁節流膨脹閥開啟時間T實現不同直徑大小干冰以及不同產能的需求。

盡管此液壓系統液壓元器件不多，卻能實現以下功能:

1)通過電磁節流膨脹閥開啟時間T、壓縮主油缸行程L和電比例主油泵的排量Vm的聯合調節可以實現不同直徑條形干冰產能的無級調節。

2)具有在設備怠速狀態下的自動卸荷功能，以減少能量消耗和發熱。

3)采用帶溫控控制的散熱器。當系統液壓油溫度不超過一定溫度時不啟動散熱器馬達，不僅可以減少系統能量消耗，而且不會因油溫過低而使液壓油的運動粘度過高，從而影響系統的正常工作。這主要是由于儲罐內液態CO2的屬性(為-30℃)以及液態CO2在經過節流膨脹閥形成雪花狀干冰時，需要吸收大量的熱量。因此在顆粒干冰制造機工作一段時間后，壓縮型腔外表面和液態CO2從儲罐到節流膨脹閥的管路外表面全部覆蓋一層較厚的雪花，從而極大地降低了設備的工作環境溫度［5］。

4)系統的吸油和回油過濾器都具有污染報警功能，當系統過濾器堵塞到一定程度時，會自動提醒用戶更換濾芯或過濾器。

3 液壓控制系統關鍵技術分析

3.1 液壓控制系統的動力系統比較

國內外顆粒干冰制造機液壓控制系統的動力元件多采用雙聯齒輪泵或兩段壓力兩段流量的柱塞泵或采用恒功率柱塞泵，而本文設計DIM500顆粒干冰制造機液壓控制系統采用電比例液壓泵，并帶有恒功率和壓力切斷功能。由于顆粒干冰制造機會根據不同客戶需求生產不同直徑大小的條形干冰，為了保證條形干冰質量，不同直徑大小的條形干冰擠出的速度和負載都不同，因此不管是采用大小流量串聯的雙聯齒輪泵還是采用兩段壓力和兩段流量的柱塞泵或采用帶有恒功率控制的柱塞泵，在一定程度上都很難滿足不同工況的需求。

采用電比例主油泵不僅可以滿足不同直徑大小的條形干冰生產要求，而且可以通過PLC控制系統將不同直徑大小干冰不同產量設定成固定的可以選擇的操作模式，從而實現不同工況切換的全自動生產，操作更加簡單、方便。

另外，該主油泵上帶有壓力切斷的功能，當系統壓力超過設定壓力時，主油泵的流量輸出會瞬間降低到最小，實現系統的流量卸荷［4，6］。

3.2 液壓控制系統主油缸換向方案的比較

國內外顆粒干冰制造機液壓控制系統的換向方案主要有以下幾種:

1)采用壓差式壓力繼電器實現壓縮主油缸8的換向。其工作原理為活塞運動到一定行程時，通過活塞前后2個型腔內的壓差實現壓力繼電器開關閉合，發送信號實現電液換向閥7的換向，最終實現壓縮主油缸8的換向。

2)采用高壓接近開關檢測信號實現壓縮主油缸的換向。其工作原理是采用裝在壓縮主油缸兩端的電感式高壓接近開關檢測壓縮主油缸活塞或通過油缸內部設計檢測其他元件信號控制電液換向閥換向，從而實現壓縮主油缸的換向。

3)采用位移傳感器實現壓縮主油缸的換向。其工作原理是通過檢測壓縮主油缸活塞桿的位移實現控制電液換向閥的換向，從而實現壓縮主油缸的換向。

由圖2顆粒干冰制造機壓縮機構可知，壓縮主油缸活塞桿端連接擠壓活塞，通過壓縮主油缸活塞桿的伸出和復位實現擠壓活塞在壓縮型腔中的擠壓和復位動作，因此無法采用傳統的行程開關或行程換向閥實現壓縮主油缸的換向。而不論是采用壓差壓力繼電器還是采用高壓接近開關都只能實現壓縮主油缸一個行程的控制，無法實現多個行程的控制。而通過位移傳感器可以實現壓縮主油缸行程的無級控制，再結合對電比例主油泵和電磁節流膨脹閥的控制，即可實現不同干冰產能的調節，從而滿足不同工況的需求［7-8］。

3.3 液壓控制系統的控制方案的比較

國內外產品多采用繼電器、時間繼電器控制方式，這種控制系統雖然成本較低，但接線復雜，操作程序繁瑣，自動化程度低，對操作人員的專業性要求高，且系統的可靠性低。而采用基于PLC的液壓控制系統，可以針對以上系統的弊端做如下改進:

1)基于PLC的液壓控制系統簡化了系統的操作，使設備的操作更加直觀人性化，降低了對操作人員的專業化要求。顆粒干冰制造機液壓控制系統的操作界面如圖4所示。界面各命令采用觸摸式按鈕，且每個操作按鈕命令都非常直觀。總控制界面包含了系統參數監測模塊、系統參數設置模塊、系統操作控制模塊以及自動操作模式的具體操作按鈕。

圖4 液壓控制系統的總控制界面

2)控制系統可以根據生產需要進行自動和手動2種模式的自由切換。另外，不管是在手動模式還是自動模式下，均可實現壓縮機構I和壓縮機構Ⅱ的單獨工作或連續工作。

3)為了更好地檢測控制系統的工作過程，不僅對液壓控制系統多參數進行實時檢測，而且操作人員可以隨時觀測設備的實際工作過程，如圖5所示。另外，控制系統還設計了故障記錄和故障報警功能，便于操作人員根據設備的具體使用情況進行系統的維護和故障診斷。

圖5 液壓控制系統工作過程實時界面

4 結束語

本文設計的基于PLC控制的顆粒干冰制造機的液壓控制系統通過對電比例主油泵的排量、壓縮主油缸行程和電磁節流膨脹閥開啟時間參數調節，不僅實現干冰產能的無級調節，而且實現顆粒干冰生產不同工況的一鍵操作設計，極大地簡化了設備的操作，滿足了多種不同直徑條形干冰顆粒生產的需求和不同顆粒干冰產能的需求。

［1］劉輝.干冰制造機液壓控制系統的設計與研究［D］.西安:西北工業大學，2007.

［2］周憶，熊瑞平，于今，等.流體傳動與控制［M］.西安:西安電子科技出版社，2006.

［3］金成毅，熊瑞平.一種基于PLC控制的石材切割機的液壓系統［J］.液壓與氣動，2012(4):48-50.

［4］吳海榮.基于節能的液壓系統設計［J］，液壓與氣動，2011(4):31-33.

［5］戰江濤.干冰清洗設備系統的開發研究［D］.杭州:浙江大學，2002.

［6］嚴東兵，徐紹軍，王群，等.新型氮爆式液壓樁錘設計與分析［J］.現代制造工程，2008(12).

［7］李玉琳.液壓元件與系統設計［M］.北京:北京航空航天大學出版社，1991.

［8］關景泰，溫濟.機電液控制技術［M］.上海:同濟大學出版社，2003.

(責任編輯 何杰玲)

Design of Particles of Dry Ice Maker Machine Hydraulic Control System

YAN Dong-bing，ZHAO Hai-bing，Chen Shui-xuan，MEI Li-fang
(College of Mechanical and Automotive Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China)

On the basis of analysis and comparison to various particles of dry ice maker machine hydraulic control systems，a new hydraulic system based on PLC was designed.Its hydraulic control system was applied PLC to control of electric proportional pump flow，main cylinder stroke and solenoid throttle expansion valve filling time，and got automotive manufacturing process and particles of dry ice capacity adjusting in stepless，which also improved production efficiency and competitive strength.

particles of dry ice maker machine;hydraulic control system;stepless adjusting

TH137

A

1674-8425(2014)08-0039-05

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2014.08.009

2014-01-18

國家自然科學基金資助項目(51205336);福建省自然科學基金資助項目(2013J05086)

嚴東兵(1982—)，男，江蘇鹽城人，碩士，主要從事工程設備電液控制系統的設計研究。

嚴東兵，趙海兵，陳水宣，等.顆粒干冰制造機液壓控制系統的設計［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2014(8):39-43.

format:YAN Dong-bing，ZHAO Hai-bing，Chen Shui-xuan，et al.Design of Particles of Dry Ice Maker Machine Hydraulic Control System［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(8):39 -43.