橡膠壓塊機(jī)機(jī)電液系統(tǒng)的分析與改進(jìn)

武文浩 王嘉琪 韓嘉祥

（燕山大學(xué)，秦皇島 066000）

1 研究目的及意義

傳統(tǒng)的合成橡膠壓塊機(jī)主要存在壓塊周期長(zhǎng)、故障率高、振動(dòng)大、壓力大、能耗大、泵站復(fù)雜、出現(xiàn)狀況后不易維護(hù)等問題，且液壓系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)原理過于簡(jiǎn)單，沒有散熱節(jié)能與提高功率的裝置，不能顯著提高整個(gè)生產(chǎn)線的效益。此外，傳統(tǒng)的橡膠壓塊機(jī)并沒有很好地與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合。本文對(duì)橡膠壓塊機(jī)的液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)提出了改進(jìn)意見，并分析改進(jìn)后具有的優(yōu)勢(shì)，可為未來機(jī)械中國智能制造添磚加瓦。

2 研究現(xiàn)狀及背景

液壓機(jī)是制品成型生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的設(shè)備之一。合成橡膠壓塊機(jī)是將稱重后合成橡膠的散狀膠料擠壓成符合要求的幾何形狀膠塊的專用設(shè)備，主要由壓塊機(jī)機(jī)體、垂直推塊液壓缸、水平推塊液壓缸、液壓泵站及電氣控制系統(tǒng)等組成[1]。一般壓塊機(jī)利用液壓傳動(dòng)，可以輸出大的推力或大轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)低速大噸位運(yùn)動(dòng)，具有其他傳動(dòng)方式不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。為了使橡膠成型更加便捷，大大提高生產(chǎn)效率，設(shè)計(jì)了新型合成橡膠壓塊機(jī)。以大慶某石化公司的現(xiàn)有橡膠壓塊機(jī)為例，由于合成橡膠壓塊機(jī)液壓控制系統(tǒng)原設(shè)計(jì)存在不合理之處及當(dāng)時(shí)加工制造水平的限制，裝置故障頻出，無用功率消耗過大，維修消耗了大量人力物力，系統(tǒng)運(yùn)行速度慢，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)線的長(zhǎng)周期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)和橡膠產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，增加了公司運(yùn)營(yíng)成本，不符合未來機(jī)械大功率、小能耗、節(jié)能環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)。

3 原壓塊機(jī)及其問題分析

以大慶某石化公司現(xiàn)有的橡膠壓塊機(jī)為例，傳統(tǒng)橡膠壓塊機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 原壓塊機(jī)簡(jiǎn)圖（單位：mm）

橡膠壓塊機(jī)開始工作時(shí)，油缸8的活塞桿先運(yùn)動(dòng)，隨之活動(dòng)料筒5在其帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)，并對(duì)正料筒6。料筒6與落料斗相連，電子秤中的原料到達(dá)一定數(shù)量后，將原料落入壓塊機(jī)。水平缸8的活塞桿向后運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)活塞桿4運(yùn)動(dòng)，封住壓塊機(jī)的腔口，隨后垂直缸11的活塞桿運(yùn)動(dòng)，并使擠壓頭2上升，在箱中的原料被推上來與上水平氣缸活塞桿一起將原料壓塊成型并保壓?；钊麠U8退回，水平缸活塞桿運(yùn)動(dòng)到最后位置，垂直油缸11的活塞桿上升，帶動(dòng)擠壓頭2上升至壓塊機(jī)機(jī)體3腔口的上平面，使膠塊升到腔口上面，同時(shí)水平油缸活8的塞桿前移，上水平氣缸活塞桿4將膠塊推出[1]。

在此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面，該橡膠壓塊機(jī)并沒有很好的潤(rùn)滑裝置、水冷裝置和輔助散熱裝置，因此在長(zhǎng)時(shí)間橡膠壓塊機(jī)的運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)機(jī)器過熱問題，使橡膠融化黏著在機(jī)器上造成原料損失，也造成一定程度的機(jī)器損壞、老化，降低了功率，輔助散熱液流動(dòng)性差，熱交換性能差，導(dǎo)致凹槽內(nèi)下料效率低。此外，該裝置的潤(rùn)滑油只能手動(dòng)添加，均勻性差，不利于快速下料。因此，文章針對(duì)存在的問題提出了一種改進(jìn)方案。

4 改進(jìn)方案

在原有的壓塊機(jī)結(jié)構(gòu)上增加沖壓機(jī)構(gòu)、液冷換熱機(jī)構(gòu)和潤(rùn)滑油分散添加機(jī)構(gòu)。沖壓機(jī)構(gòu)安裝在工作平臺(tái)的上方，液冷換熱機(jī)構(gòu)安裝在沖壓機(jī)構(gòu)沖壓段與水箱之間，潤(rùn)滑油分散添加機(jī)構(gòu)安裝在工作平臺(tái)上。

沖壓機(jī)構(gòu)包括安裝在工作平臺(tái)側(cè)壁的L形架、安裝在L形架水平段且置于沖壓槽正上方的液壓伸縮部、安裝在液壓伸縮部伸縮端的沖壓頭。液冷換熱機(jī)構(gòu)包括對(duì)稱設(shè)置在工作平臺(tái)且延伸至水箱內(nèi)腔的散熱筒、滑動(dòng)連接在散熱筒內(nèi)的活塞、固定連接在活塞頂部且延伸至散熱筒外部的活塞桿以及固定連接在液壓伸縮部伸縮端與活塞桿頂端之間的工字型結(jié)構(gòu)的連接桿。散熱筒的外側(cè)壁設(shè)置有均勻分布的散熱翅片。潤(rùn)滑油分散添加機(jī)構(gòu)包括通過支架安裝在工作平臺(tái)側(cè)壁的儲(chǔ)油箱、連接在儲(chǔ)油箱出油口的出油管、開設(shè)在工作平臺(tái)頂部的滑槽、滑動(dòng)連接在滑槽內(nèi)的U形架、安裝在出油管遠(yuǎn)離儲(chǔ)油箱一端的手動(dòng)閥門以及連接在手動(dòng)閥門遠(yuǎn)離出油管一端的分散管。分散管上設(shè)置有均勻分布的分散頭，與U形架固定相連。

此改進(jìn)順應(yīng)了未來機(jī)械的節(jié)能發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)的新型橡膠壓塊機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示（只畫了垂直缸，水平缸與其結(jié)構(gòu)相似不做贅述）。

圖2 新型壓塊機(jī)簡(jiǎn)圖

在電控系統(tǒng)層面，原有的橡膠壓塊機(jī)通常采用如圖3所示的可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。傳統(tǒng)橡膠液壓機(jī)通常只用一種傳感器——位移傳感器。此種傳感器將原料的直線運(yùn)動(dòng)位移信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，具有一定的優(yōu)點(diǎn)。在化工廠中，機(jī)器的工作環(huán)境較為惡劣，而直線位移傳感器與工件并不直接接觸，并不會(huì)對(duì)傳感器造成污染。此外，傳感器不會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間接觸而有所磨損。但是，工廠環(huán)境復(fù)雜多變，受濕度、溫度等多因素影響，單單用一個(gè)位置傳感器和PLC相配合的電控系統(tǒng)不可靠。因此，在原有的電控系統(tǒng)上添加了溫度傳感器、壓力傳感器和油位傳感器，如圖4所示。

圖3 原PLC電控系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

圖4 新型PLC電控系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

改進(jìn)后的主要電控系統(tǒng)中的PLC，可以選用OMRON公司的CQMIH系列產(chǎn)品，具有高運(yùn)行速度且內(nèi)置RS-232端口，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控且指令功能齊全，適合多種復(fù)雜運(yùn)算，還能適應(yīng)化工廠復(fù)雜惡劣的工作環(huán)境[2]。沿用原有的直線位移傳感器，確保其與工件不直接接觸，以免污染傳感器，也不會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間接觸而有所磨損。在此基礎(chǔ)上增加溫度傳感器、油位傳感器以及壓力傳感器等。例如，溫度傳感器和壓力傳感器將油路溫度變化量和系統(tǒng)壓力變化率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流輸出給PLC反饋，并通過遠(yuǎn)程顯示屏顯現(xiàn)。工作人員可以利用遠(yuǎn)程觸摸屏進(jìn)行操控，修改液壓系統(tǒng)參數(shù)，如液壓放大元件、液壓伺服閥以及比例閥控制器等，實(shí)現(xiàn)方便的遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)[3-5]。根據(jù)系統(tǒng)反饋參數(shù)調(diào)節(jié)輸入?yún)?shù)增大功率，適應(yīng)工作環(huán)境要求，使得機(jī)械具備方便、穩(wěn)定、快速、節(jié)能以及可靠的優(yōu)點(diǎn)。

實(shí)際上，除了PLC控制系統(tǒng)，還可以使用其他嵌入式軟硬件設(shè)計(jì)電控系統(tǒng)。比如，意法半導(dǎo)體公司的STM32系列芯片，搭配HAL（Hardware Abstraction Layer）庫的程序設(shè)計(jì)十分高效，憑借其高性能、高性價(jià)比，成為國內(nèi)嵌入式產(chǎn)品市場(chǎng)的主力。STM32CubeMX以圖形化界面簡(jiǎn)單直觀地對(duì)目標(biāo)微控制器進(jìn)行引腳、時(shí)鐘、各種外設(shè)等初始化配置，并能針對(duì)不同的開發(fā)環(huán)境如MDK-ARM、ST32CubeIDE等快速生成開發(fā)項(xiàng)目。HAL庫是意法半導(dǎo)體公司最新推出的硬件抽象固件庫，與STM32CubeMX捆綁發(fā)售。意法半導(dǎo)體公司新推出的產(chǎn)品都是基于HAL庫開發(fā)的，且不再對(duì)標(biāo)準(zhǔn)庫進(jìn)行更新和支持。例如，程序中的位移傳感器可以通過STM32芯片中的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，把檢測(cè)到的位移信號(hào)轉(zhuǎn)為電流信號(hào)輸送給STM32芯片，并可以啟用高級(jí)定時(shí)器TIM1在定時(shí)中斷回調(diào)函數(shù)中設(shè)置約10 ms一次的定時(shí)中斷，最后通過STM32自帶的串口功能將信號(hào)遠(yuǎn)程輸出到人工控制端口進(jìn)行人為操控。串口、定時(shí)器、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊還有通用型之輸入輸出（General-Purpose Input Output，GPIO）的程序編寫。設(shè)計(jì)時(shí)，既可以采用原有的庫函數(shù)方法，也可以采用新興的HAL庫配合Cubemx進(jìn)行。

5 結(jié)語

從傳統(tǒng)橡膠壓塊機(jī)的結(jié)構(gòu)、電控系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)出發(fā)，提出了一種更加節(jié)能、高效、穩(wěn)定的改進(jìn)方案。一方面，改進(jìn)了結(jié)構(gòu)上散熱冷卻和潤(rùn)滑油分配的問題，使得新型橡膠壓塊機(jī)可以達(dá)到更加節(jié)能高效的狀態(tài)；另一方面，根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷遠(yuǎn)程調(diào)整壓塊機(jī)電控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)優(yōu)化，達(dá)到了新型機(jī)械智能制造的方便性、快速性等多維目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電液系統(tǒng)一體化的整體最優(yōu)。此外，在液壓系統(tǒng)控制領(lǐng)域設(shè)計(jì)了一套由差動(dòng)缸換向閥等組成的控制裝置，改進(jìn)了原有橡膠壓塊機(jī)在安全性和系統(tǒng)穩(wěn)定性方面存在的問題。