基于FluidSIM-H軟件的乳化炸藥灌裝機電液控制系統(tǒng)設(shè)計

， (九江學(xué)院 機械與材料工程學(xué)院， 江西 九江　332005)

引言

乳化炸藥是一種油包水型的新型工業(yè)炸藥，它是安全性能較好的一類乳膠抗水炸藥，自問世以來，由于其優(yōu)良的性能而在我國廣泛應(yīng)用于礦山及國民經(jīng)濟基礎(chǔ)建設(shè)中，其中一類為用于煤礦井下的許用型乳化炸藥。灌裝機結(jié)構(gòu)與注射器相似，工作時要保證灌裝要求和計量準(zhǔn)確性，乳化炸藥灌裝設(shè)備是最終完成乳化炸藥生產(chǎn)的重要組成部分，也是長期以來影響和制約乳化炸藥發(fā)展的一個非常重要的因素。FluidSIM-H軟件，是目前較為流行的典型液壓控制仿真軟件之一，為了實現(xiàn)對液壓控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計及提高設(shè)計效率，本研究闡述了基于FluidSIM-H軟件的乳化炸藥灌裝機電液控制系統(tǒng)設(shè)計，并將虛擬仿真成功后的乳化炸藥灌裝機電液控制系統(tǒng)應(yīng)用到實際生產(chǎn)，取得了良好效果。

1　乳化炸藥灌裝機主機功能

1.1　主要技術(shù)參數(shù)

灌裝直徑25 mm，灌裝長度100～500 mm，裝藥量精度1%～2.5%，生產(chǎn)能力1500 kg/h。

1.2　主機功能

圖1為主機結(jié)構(gòu)示意圖。SQ1、SQ2、SQ3、SQ4等為四個位置檢測開關(guān)，分別檢測送料缸1和灌裝缸9伸縮的行程極限位置。

工作循環(huán)：送料缸伸出送料-灌裝缸伸出灌裝-送料缸縮回-灌裝缸縮回。

工作原理：打開手動進料閥3，將乳化炸藥7從進料口4加入料桶2，后關(guān)閉進料閥3。送料缸1伸出將乳化炸藥7從料桶2推入灌裝桶8，灌裝缸9伸出將乳化炸藥7經(jīng)成型口6灌裝成型，切刀5將一定長度的灌裝乳化炸藥紙卷切斷。灌裝缸9的行程由位置檢測開關(guān)SQ3、SQ4限定，通過調(diào)節(jié)SQ3、SQ4的安裝位置，可以控制灌裝乳化炸藥的長度及裝藥量，使之滿足計量要求。送料缸1的行程由位置檢測開關(guān)SQ1、SQ2限定。同時位置檢測開關(guān)SQ1、SQ2、SQ3、SQ4還是自動工作循環(huán)的各工步的切換發(fā)訊元件。為了提高生產(chǎn)效率，在設(shè)計時成型口6下方安裝10支套料紙筒，可實現(xiàn)灌裝機一個行程同時灌裝10支藥卷的高速包裝。

2　基于FluidSIM-H軟件的乳化炸藥灌裝機電液控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1　FluidSIM-H軟件特點

FluidSIM-H是針對液壓系統(tǒng)設(shè)計的專業(yè)軟件，其豐富的元件庫包含標(biāo)準(zhǔn)液壓、電氣元件100余種，建模時可以直接拖入使用。該軟件具有CAD繪圖功能、元件連接自查錯功能、虛擬仿真功能，并可實時顯示系統(tǒng)仿真過程中的各物理量值，如液壓缸運動位移、速度等。

2.2　液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計

為了合理設(shè)計和實現(xiàn)乳化炸藥灌裝機所要求的工作循環(huán)，應(yīng)用FluidSIM 4.2版本的FluidSIM-H軟件設(shè)計的液壓傳動系統(tǒng)原理圖如圖2所示。缸1是送料缸，缸9是灌裝缸。電磁換向閥7控制送料缸1的伸縮，1YA通電時伸出送料，2YA通電時縮回。電磁換向閥8控制灌裝缸9的伸縮，3YA通電時伸出灌裝，4YA通電時縮回。節(jié)流閥6控制灌裝缸9的運行速度，減壓閥5起減壓作用，單向閥4對送料缸1起短時保壓作用。先導(dǎo)式溢流閥3起安全閥作用，其遙控口接二位二通電磁換向閥2用于卸載，當(dāng)5YA通電時，先導(dǎo)式溢流閥3的遙控口通油箱，系統(tǒng)處于卸載工況。

1、9.單伸出桿活塞缸　2.二位二通電磁換向閥　3.先導(dǎo)式溢流閥 4.單向閥　5.減壓閥　6.節(jié)流閥　7、8.三位四通電磁換向閥 10.液壓泵站　11、12.壓力表

液壓系統(tǒng)建模完成后，要根據(jù)工作中實際工況設(shè)置各液壓元件的壓力流量等相關(guān)屬性參數(shù)。對于液壓缸還要設(shè)置活塞面積及桿直徑大小，同時每個液壓缸上設(shè)置標(biāo)尺，定義一定距離并與位置檢測元件相關(guān)聯(lián)，以便模擬位置檢測元件的實際安裝位置。

2.3　電控系統(tǒng)設(shè)計

電控系統(tǒng)主要是控制驅(qū)動泵的電機和各個電磁閥。其中電動機是三相交流異步電動機，控制電源用380 V交流電源，控制電路用簡單的啟?？刂萍纯伞ｋ姶砰y的控制電路較為復(fù)雜，其控制電源為24 V直流電源，根據(jù)乳化炸藥灌裝機所要求的工作循環(huán)，結(jié)合液壓傳動系統(tǒng)原理圖，應(yīng)用FluidSIM 4.2版本的FluidSIM-H軟件針對電磁閥設(shè)計的電控系統(tǒng)原理圖如圖3所示。圖中元件包括：啟動按鈕SB2，停止開關(guān)SA1，卸載開關(guān)SA2，四個位置檢測開關(guān)SQ1、SQ2、SQ3、SQ4，電磁閥的5個電磁線圈1YA、2YA、3YA、4YA、5YA，中間繼電器K1、K2、K3、K4等。由于電磁換向閥通常只有線圈，沒有觸點，因此設(shè)計時引入了4個中間繼電器。

3　電液控制系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

在仿真之前設(shè)定液壓源壓力， 設(shè)定各元件屬性參數(shù)，同時添加一個狀態(tài)圖，并在狀態(tài)圖上建立兩液壓缸的狀態(tài)項，以方便在仿真過程中觀察各液壓缸的位置變化及動作順序。參數(shù)設(shè)定好之后，點擊“Start”開始仿真按鈕，并按下電控系統(tǒng)中的啟動按鈕SB2，就可以直觀看到液壓系統(tǒng)工作時的進回油路及電路中電磁線圈的得失電情況。并得到仿真結(jié)果，如圖4為電液控制系統(tǒng)仿真過程圖， 液壓回路中帶箭頭線表示了液流的方向，電路中粗線表示了通電回路及通電線圈。如圖5為液壓缸工作循環(huán)狀態(tài)圖。

圖3　電控系統(tǒng)原理圖

圖4　電液控制系統(tǒng)仿真過程圖

仿真結(jié)果分析：從仿真過程中可直接動態(tài)觀察到兩液壓缸動作順序，也可從圖5分析兩液壓缸的活塞位移中得出動作順序為“送料缸伸出-灌裝缸伸出-送料缸縮回-灌裝缸縮回”， 動作順序結(jié)果符合設(shè)計要求。仿真時通過控制液壓源壓力大小，可觀察到液壓缸輸出力大小的變化，實現(xiàn)工作時對灌裝力的調(diào)節(jié)控制。通過改變節(jié)流閥6開度大小，可觀察到灌裝缸運行速度發(fā)生變化，實現(xiàn)了灌裝速度控制調(diào)節(jié)目標(biāo)。通過改變與位置檢測開關(guān)SQ1、SQ2、SQ3、SQ4相關(guān)聯(lián)液壓缸活塞標(biāo)尺的位置距離定義來模擬位置檢測開關(guān)的實際安裝位置，可觀察到液壓缸移動行程范圍的變化，實現(xiàn)了灌裝乳化炸藥的長度及裝藥量控制，使之滿足計量要求。

4　灌裝機樣機性能測試及優(yōu)化

試制樣機， 并進行生產(chǎn)調(diào)試及大量產(chǎn)品的性能測試。針對出現(xiàn)的問題，對某些參數(shù)及控制量進行優(yōu)化。生產(chǎn)測試時出現(xiàn)粘壁現(xiàn)象， 有時還出現(xiàn)空穴和斷藥現(xiàn)象。究其原因是乳化炸藥黏度大、流動性較差。因此參數(shù)優(yōu)化主要是控制壓力閥調(diào)定值及節(jié)流閥的開口開度以得到合適的擠壓灌裝力和灌裝速度，很好地輸送藥體；另外減短輸送距離以減少輸送阻力，也對空穴和斷藥現(xiàn)象具有有效控制作用。

圖5　液壓缸工作循環(huán)狀態(tài)圖

優(yōu)化后樣機測試結(jié)果表明：生產(chǎn)能力每臺1500～1650 kg/h，操作人員1人；裝藥量精度可達0.9%～2.3%；灌裝無空穴、斷藥情況；外觀包裝整潔美觀、狀態(tài)良好；灌裝合格率可達96%。

5　結(jié)論

乳化炸藥灌裝設(shè)備是最終完成乳化炸藥生產(chǎn)的重要組成部分，基于FluidSIM-H軟件的乳化炸藥灌裝機電液控制系統(tǒng)設(shè)計，能夠虛擬仿真現(xiàn)實系統(tǒng)工況，將仿真成功后的乳化炸藥灌裝機電液控制系統(tǒng)應(yīng)用到實際生產(chǎn)，系統(tǒng)運行平穩(wěn)，滿足灌裝精度要求，實現(xiàn)了灌裝自動化，取得了良好效果。實踐表明，F(xiàn)luidSIM-H軟件為從事電液控制系統(tǒng)設(shè)計研究的工程技術(shù)人員提供了一個良好的開發(fā)平臺，在設(shè)計的過程中能及時的發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，節(jié)省設(shè)計時間，有效降低設(shè)計成本。

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