液壓濾膠機的設計

□ 王 翔 □ 萬永華

1.漯河雙匯肉業(yè)有限公司機械加工廠 河南漯河 462000

2.河南中煙工業(yè)有限責任公司漯河卷煙廠 河南漯河 462000

1 設計背景

濾膠工序的功能是過濾混入膠料和再生膠內(nèi)的非橡膠雜質(zhì)［1］，是保證橡膠產(chǎn)品質(zhì)量的重要工序。此工序由濾膠機完成。常見的濾膠機由電機、聯(lián)軸器、減速器、螺桿、機筒、機頭、機頭鎖緊裝置等構(gòu)成，其特點為螺桿轉(zhuǎn)速恒定，且生產(chǎn)能力相對固定。電機過載時，易引起電機燒毀。

筆者設計了一種液壓濾膠機，動力源由油泵提供，螺桿旋轉(zhuǎn)由液壓馬達直接驅(qū)動，螺桿轉(zhuǎn)速、驅(qū)動扭矩均通過電液伺服閥進行調(diào)整及控制，機頭鎖緊裝置由鎖緊油缸驅(qū)動。當負載較大時，由液壓卸荷，保證油泵不受到損壞。

2 總體方案

液壓濾膠機由電機、油泵、液壓閥組、液壓馬達、轉(zhuǎn)速傳感器、鎖緊油缸、機頭、機筒、螺桿等組成，如圖1所示。液壓馬達用螺栓安裝在機筒上，其輸出軸用聯(lián)軸器與螺桿連接。機頭鎖緊油缸一端固定在底座上，另一端通過活塞桿與機頭鉸接，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)動及鎖緊機頭。油泵與電機直連，電機固定在底座上，上部為油箱及液壓閥組。液壓閥組控制兩路油路，其中一路為螺桿旋轉(zhuǎn)提供動力，另一路為機頭轉(zhuǎn)動及鎖緊提供動力。濾膠機螺桿開始旋轉(zhuǎn)前，需將機頭鎖緊后才能啟動液壓馬達運轉(zhuǎn)。在油缸活塞桿兩端安裝光電行程開關，檢測機頭到位工況，光電感應檢測式轉(zhuǎn)速傳感器中用于發(fā)生信號的齒盤安裝在液壓馬達輸出軸上，用以檢測液壓馬達的轉(zhuǎn)速。

當鎖緊油缸驅(qū)動機頭轉(zhuǎn)動一定的角度后，使機頭嵌塊與濾膠機本體上的齒塊嚙合。濾膠機工作時，由于機頭受到螺桿輸送膠料的擠壓作用，機頭嵌塊與濾膠機本體上的齒塊緊密嚙合，鎖緊油缸提供的推力使機頭旋轉(zhuǎn)。濾膠機螺桿要求實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)，反轉(zhuǎn)時鎖緊油缸并打開機頭，清理在機頭、機筒及濾板處的膠料與雜質(zhì)，并散熱，使機頭不被堵塞。濾膠機工作過程如圖2所示。

▲圖1 液壓濾膠機示意圖

▲圖2 液壓濾膠機工作過程

3 液壓系統(tǒng)設計

3.1 液壓系統(tǒng)原理

液壓濾膠機液壓系統(tǒng)如圖3所示。空濾器、濾油器、液位計、壓力表為液壓站輔助元件。A0、A1為光電行程開關，與電磁換向閥組合使用，控制機頭鎖緊及松開。電液伺服閥使用魯棒性較強的雙噴嘴擋板式閥芯［4］，與轉(zhuǎn)速傳感器組成液壓馬達閉環(huán)控制系統(tǒng)。

▲圖3 液壓濾膠機液壓系統(tǒng)原理

3.2 液壓馬達配比

濾膠機生產(chǎn)能力與螺桿直徑和轉(zhuǎn)速的乘積為正比關系，當螺桿直徑確定后，調(diào)整螺桿轉(zhuǎn)速可調(diào)控其生產(chǎn)能力。由于鎖緊油缸油路壓力及流量較小，因此按液壓馬達油路工作壓力p1和排量qv進行濾膠機液壓系統(tǒng)的設計。

普通濾膠機電機驅(qū)動功率經(jīng)驗公式為［2］：

式中：P0為電機驅(qū)動功率，kW；D為螺桿外徑，m；n為螺桿轉(zhuǎn)速，r/min

對于液壓濾膠機而言，使用液壓馬達替代電機時，P0為液壓馬達功率。功率確定后，應按照驅(qū)動轉(zhuǎn)速要求，確定液壓馬達的工作壓力p1，然后求出液壓馬達所需的排量qv［3］。根據(jù)螺桿直徑規(guī)格將液壓濾膠機分為小型、中型和大型，表1給出了不同螺桿直徑下選用的液壓馬達工作壓力p1和排量qv參數(shù)。

液壓馬達轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)如圖4所示［5］。比例積分微分（PID）控制器是流量控制的主要元件［6］。將轉(zhuǎn)速傳感器產(chǎn)生的數(shù)字信號送入PID控制器進行運算，如果傳感器輸出為模擬信號，需進行模數(shù)轉(zhuǎn)換［7-8］。運算后的數(shù)據(jù)通過數(shù)模轉(zhuǎn)換，由放大器作用在電液伺服閥閥芯上。伺服閥通過接收到的電壓值來改變閥芯開度，使液壓馬達輸出相應的轉(zhuǎn)速。

表1 液壓馬達參數(shù)

▲圖4 液壓馬達轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

4 電氣控制系統(tǒng)設計

液壓濾膠機用可編程序控制器（PLC）實現(xiàn)自動控制。圖4中的點劃線框部分由PLC進行工作，其中PID控制器由PLC自帶的PID控制算法程序?qū)崿F(xiàn)［9］。濾膠機機頭鎖緊后才可使液壓馬達驅(qū)動螺桿旋轉(zhuǎn)，為互鎖程序要求。若出現(xiàn)鎖緊油缸鎖緊不到位或油缸活塞桿動作時，不允許螺桿旋轉(zhuǎn)。螺桿旋轉(zhuǎn)時更不許打開濾膠機機頭。以上互鎖程序要求均編寫在PLC程序中，以實現(xiàn)液壓濾膠機自動控制的目的。

液壓濾膠機電氣接線如圖5所示。油泵電機電源為380 V，控制電路及轉(zhuǎn)速傳感器采用直流24 V供電，轉(zhuǎn)速傳感器輸出為數(shù)字開關量［10］。 KA1～KA5為中間繼電器，1YA、2YA、3YA為電磁換向閥線圈，4YA為電液伺服閥線圈。觸摸屏通過RS 485通信線與PLC連接［11］。電液伺服閥控制信號線接入放大器輸出端，放大器輸入端接PLC輸出端。PLC信號經(jīng)放大后輸出電壓為-10～10 V，當電壓為負值時，液壓馬達反轉(zhuǎn)。當機頭松開及停止運行時，停止向4YA供電。工作時合上開關QS，使電機總電源接通。按下SB2，使接觸器KM接通，油泵電機開始運轉(zhuǎn)。然后在觸摸屏上設置螺桿轉(zhuǎn)速后，按下SB3，鎖緊油缸活塞桿動作，將機頭鎖緊。按下SB5，濾膠機螺桿開始工作。濾膠完成后，按下SB6使螺桿停止工作。打開機頭清理時，需使螺桿反轉(zhuǎn)運行。由PLC設置定時1 min后，螺桿停止工作，按下SB4松開機頭進行清理。

5 結(jié)束語

筆者設計的液壓濾膠機在螺桿調(diào)速、機頭鎖緊及自動控制方面均優(yōu)于普通濾膠機，液壓系統(tǒng)采用了PLC中的PID控制，使濾膠機自動化程度得到了較大提高。這一液壓濾膠機的研制思路為其它橡膠設備設計提供了借鑒。

▲圖5 液壓濾膠機電氣接線圖