行程反饋式活塞離心機推料機構的頻率控制及其影響因素研究

吳萬榮，徐春蓉

（中南大學 機電工程學院，長沙 410083）

0 引言

活塞式推料離心機是一種在全速下完成進料、分離、濾餅洗滌、甩干和卸料等工序的過濾式離心機，可實現自動操作、連續運轉[1]。具有效率高、產量高、操作穩定可靠等優點，目前在國內外已廣泛應用于化工、輕工、制藥、食品等工業部門[2]。傳統的活塞式離心機推料機構是通過徑向換向閥桿的移動來控制，高速回轉時會產生不平衡力矩，導致換向不靈活、活塞運動不正常等現象的發生。近幾年來，制造商改進了活塞式離心機的推料機構，采用軸向換向滑閥來驅動活塞的往復運動，避免了不平衡力矩的產生，使運轉平穩可靠[3]。

國內外的學者也對離心機進行了相關研究。Harald Reinach[4]對物料入口處漏斗方式進行了研究。蔣德軍[5]針對離心機發生顫抖、瞬間停滯甚至停止推料等現象，對軸向換向滑閥的液壓系統進行了改進，對內部結構參數進行了優化。李魯濤[6]對離心機實際生產中出現的供油故障、振動大、內部部件被腐蝕等現象進行分析并提出解決方案。陶淵卿[7]對離心機的軸承失效進行分析及改進。逄翀[8]采用數值模擬分析的方法提出了活塞的推料頻率會影響物料的脫水效果，但是缺少對推料頻率的控制方式及影響參數方面的研究。因此，本文將對軸向換向滑閥的推料機構進行改進，運用液壓沖擊器的換向原理，實現活塞式離心機推料機構的高頻推料控制，并分析研究推料頻率的控制方式及影響因素。

1 行程反饋式活塞推料機構的工作原理

液壓沖擊器換向頻率的控制方式主要分為行程反饋和壓力反饋。行程反饋控制頻率主要是通過改變液壓系統的輸入流量、壓力或者通過增設多個反饋信號孔，控制各信號孔的開關來調節活塞行程，改變液壓的沖擊頻率[9]。壓力反饋控制頻率是通過計算機和壓力傳感器采集油壓與預設壓力的大小，改變預設壓力來調節往復運動的頻率。本設計受結構的限制，液壓系統處于一個相對密閉的空間，整個液壓系統在往復運動的同時進行高速旋轉運動，預設壓力的設定和傳感器的設定較難實現，所以采用的是行程反饋的控制方式。

圖1為行程反饋式活塞離心機推料機構的液壓控制系統原理圖，該系統主要由活塞和換向閥兩部分組成。其原理為高壓油液經過換向閥A口或者B口進入到活塞的前腔或者后腔驅動活塞進行往復運動，當活塞運動至反饋孔時，油液經過反饋孔進入換向閥的左端或者右端使其換向，活塞前后腔高低壓交替變化推動活塞進行往復運動。

圖1 液壓控制系統原理圖

2 推料機構的數學模型的建立

活塞運動過程中，系統油壓受多方面因素的影響，考慮所研究的活塞式推料機構的實際情況，在建立數學模型的過程中，忽略一些次要的因素。所以，提出以下假設：1）忽略油液的壓縮性、油液黏度和溫度的變化。2）推料機構內部所有構件都被視為不變形的絕對剛體。3）泵的供油流量恒定。4）忽略油液的質量。

圖2 推料機構的計算模型

1）活塞的力平衡方程：

式中：mp為活塞的質量；

Bp為阻尼系數；

P1為活塞后腔壓力；

P2為活塞前腔壓力；

Xp為活塞的位移；

A1為活塞后腔的受壓面積；

A2為活塞前腔的受壓面積；

F為活塞的負載。

2）換向閥芯的力平衡方程：

式中：mv為為閥芯的質量；

Bv為為阻尼系數；

PG為為閥芯左端的壓力；

PH為為閥芯右端的壓力；

xv為為閥芯的位移；

A3為為閥芯兩端的油壓面積，左右端油壓面積相等。

3）高壓油流量平衡方程：

式中：Q為為輸入的總流量；

up為活塞的運動速度；

uv為閥芯的運動速度；

Qg為泄露的油量；

Qe為補償流量。

其中，由于壓力變化引起的油液與進油高壓膠管容積發生變化而產生的補償流量為：

4）泄漏計算：

式中：Qg為總的泄漏量；

Qg1為活塞的泄漏量；

Qg2為閥的泄漏量。

5）壓差計算：

（1）狀態A（活塞向右運動，但未越過反饋孔階段）閥進口P與活塞后腔P1的壓差：

（2）狀態B、C階段（活塞越過信號孔并減速）

活塞后腔P1與閥芯右端PH之間的壓差：

（3）閥芯進油腔PA與回油腔Pf之間的壓差：

（4）閥進口P與活塞前腔（P2）的壓差：

3 推料機構AMESIM仿真模型的建立

在上述的數學模型的理論基礎上，建立推料機構的AMESIM仿真模型。根據實際情況，為了簡化仿真模型，建模時對推料機構液壓控制系統作了一定的簡化：

1）假定油泵為恒壓源；

2）忽略活塞缸體的彈性變形；

3）忽略推料機構活塞和 換向閥閥芯運動時的機械摩擦阻力；

4）忽略系統的外泄漏；

5）忽略推料機構內部通道油液質量。

圖3 推料機構液壓控制系統AMESIM模型

推料機構液壓控制系統AMESIM仿真模型如圖3所示，而仿真模型中具體參數設置如表1所示。

表1 AMESIM模型中的參數設定

4 仿真結果與分析

4.1 活塞和閥芯正常工作狀態下的仿真

在基本參數的設定下，流量160L/min時，活塞的位移曲線和閥芯的位移曲線如圖4、圖5所示，此時推料機構能夠正常工作。活塞的位移曲線是類似三角波形的曲線，換向頻率54Hz，活塞運動行程41mm。閥芯的位移曲線由于有結構的限位，所以其位移曲線類似方波形曲線，其換向的頻率與活塞的頻率保持一致。圖5所示，活塞的速度曲線也類似方波形曲線，在沖程和回程期間速度保持恒定。換向閥的速度曲線類似于脈沖曲線，表明換向閥芯切換速度很快，油液瞬間換向流入活塞的另一個腔，使得活塞的速度發生突變，并進行反向運動。而本文將從流量、壓力和閥芯的結構參數等方面來考察其對推料頻率和活塞行程的影響。

圖4 活塞的位移和閥芯的位移曲線

圖5 閥芯和活塞的運動速度曲線

4.2 供油流量對頻率和行程的影響

在其他基本參數不變的情況下，供油流量分別為107L/min，160.5/min，214L/min的仿真結果如下：

圖6 輸入不同流量時活塞的位移曲線

圖7 輸入不同流量時活塞的速度曲線

表2 輸入不同流量活塞的仿真數據

如圖6、圖7可知，活塞的行程隨輸入流量的增大而略有減小，推料頻率隨流量的增加而增加，活塞的速度也隨流量的增加而明顯增大。輸入流量在107～214L/min中變化時，頻率的變化范圍在35～74Hz，達到了控制推料頻率的目的。因此，可以通過改變輸入流量的大小來改變推料機構的頻率。

4.3 反饋孔的位置對頻率和行程的影響

針對推料機構液壓系統的AMESIM仿真模型，在流量輸入為160L/min，其他參數不變的情況下改變反饋孔的位置，分別設置反饋孔距零位移的距離為16mm，18mm，20mm，得出結果如圖8所示。

圖8 反饋孔不同位置時活塞的運動曲線

如圖8所示，隨著反饋孔位置的改變，活塞的行程和頻率也會受到影響，反饋孔距離零位移的距離越遠，活塞行程越長，推料頻率越低，但活塞的速度保持一致。因此，可以通過改變反饋孔的位置來調節推料頻率。

4.4 節流孔的大小對頻率和行程的影響

在其他參數設定不變的情況下，改變圖9中換向閥左右端節流孔孔徑的大小，分別設置孔徑為1mm，0.5mm，0.3mm。活塞的位移曲線如圖10所示。

圖9 推料機構的液壓控制系統原理圖

圖10 節流孔孔徑0.3mm/0.5mm/1mm的活塞位移曲線

表3 不同節流孔孔徑時推料頻率和行程的數據記錄

由圖10、表3可知，當孔徑在0.1mm～0.5mm之間變化時，推料頻率隨節流孔的增大而增大，活塞行程受活塞限位的影響，為最大行程50mm。當孔徑在0.5mm～2mm之間變化時，推料頻率隨節流孔的增大而增大，活塞行程隨節流孔的增大而減小。當孔徑在2mm以上變化時，節流孔的大小不能影響推料頻率和活塞的運動行程，表明此時節流孔不能達到節流的目的。因此，改變節流孔的大小也可以調節推料機構的推料頻率。

4.5 閥芯的開口度對頻率和行程的影響

針對推料機構液壓控制系統的AMESIM仿真模型，在流量輸入為160L/min，其他基本參數不變的情況下，改變閥芯處于右端時的最大開口度，圖11、圖12為不同開口度活塞的位移曲線。

圖11 開口度為1mm/2mm時的活塞位移曲線

圖12 開口度為0.8mm時的活塞位移曲線

如圖1 1、圖1 2 所示，當閥芯的最大開口度在1mm～2mm之間時，隨著閥芯開口度的變化，推料頻率和活塞的運動行程不變。當閥芯開口度小于1mm時，活塞不能正常工作。當閥芯開口度在2mm～3mm之間時，推料頻率隨閥芯開口度的增加而減小，活塞的行程不變。但隨著開口度的增大，活塞的沖程回程的速度大小不等。

綜上可知，在基本參數的設定下，閥芯開口度的大小影響推料機構的推料頻率。

5 結語

推料頻率是影響活塞式推料離心機生產能力和分離性能的重要參數。經過仿真計算，得到的結果如下：

1）改變輸入流量的大小可以調節推料機構的推料頻率。并且輸入的流量越大，頻率越高。

2）改變反饋孔的位置也可以調節推料頻率。反饋孔離零位移越遠，活塞行程越長，推料頻率越低。

3）在一定范圍內改變節流孔的大小可以調節推料機構的推料頻率。節流孔孔徑在0.1mm～2mm范圍內，推料頻率隨節流孔孔徑的增大而增大。

4）閥芯開口度的大小影響推料機構的推料頻率。