礦山碎料壓實(shí)機(jī)新型電液控制回路設(shè)計(jì)

陳宏勝，王立中，孫 亮，唐 猛

（1.池州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電汽車(chē)系，安徽池州 247000；2.平高集團(tuán)有限公司配網(wǎng)技術(shù)中心，河南平頂山 467000）

壓實(shí)機(jī)廣泛應(yīng)用于各種工程建設(shè)，如礦山、基礎(chǔ)建設(shè)和板材壓實(shí)等。壓實(shí)機(jī)控制回路的設(shè)計(jì)直接決定壓實(shí)的性能和穩(wěn)定性。近幾年來(lái)，學(xué)者從工作介質(zhì)的材料性能、力學(xué)基礎(chǔ)、施工工藝以及機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)等綜合角度來(lái)研究壓實(shí)機(jī)械的作業(yè)過(guò)程。壓實(shí)技術(shù)的提升不再取決于靜線壓力和質(zhì)量，可以通過(guò)靜力、搓揉、振動(dòng)、搗實(shí)、沖擊等多種方法的聯(lián)合作用來(lái)強(qiáng)化壓實(shí)過(guò)程，推進(jìn)壓實(shí)技術(shù)的發(fā)展[1-2]。雖然壓實(shí)理論和減振材料日益完善，壓實(shí)機(jī)機(jī)型正向大、中型機(jī)器快速發(fā)展[3]，但壓實(shí)機(jī)在整個(gè)壓實(shí)過(guò)程中效率較低，壓實(shí)完整性較差[4]。因此，本文運(yùn)用FluidSim軟件[5]設(shè)計(jì)一種新型碎料壓實(shí)機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，以提高壓實(shí)效率。

1 控制回路的設(shè)計(jì)要求

碎料經(jīng)壓實(shí)機(jī)壓實(shí)后應(yīng)整體運(yùn)出。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程選用兩個(gè)液壓缸，分別是碎料推進(jìn)缸1A和碎料壓實(shí)缸2A。為使1A液壓缸能夠?qū)⑺榱贤耆浦翂簩?shí)區(qū)，系統(tǒng)壓力設(shè)置為2 MPa；為使2A液壓缸能夠完全將碎料進(jìn)行壓實(shí)，進(jìn)油口壓力設(shè)置為5 MPa，出油口壓力設(shè)置為1 MPa，同時(shí)控制壓實(shí)缸的運(yùn)動(dòng)速度不隨外界負(fù)載變化。按下按鈕開(kāi)關(guān)，整個(gè)回路能夠?qū)崿F(xiàn)循環(huán)往復(fù)工作。為能夠充分將碎料壓實(shí)壓牢，需單獨(dú)設(shè)置2A壓實(shí)缸實(shí)現(xiàn)兩次循環(huán)工作。

2 調(diào)速閥的分析

調(diào)速閥工作原理如圖1所示[6-7]。顯然，調(diào)速閥是節(jié)流閥和定差減壓閥串接構(gòu)成的。設(shè)調(diào)速閥進(jìn)油口的油液壓力為P1，它作用于定差減壓閥閥芯左側(cè)；經(jīng)過(guò)節(jié)流閥輸出的壓力為P2，它作用在減壓閥閥芯右側(cè)。那么，作用在減壓閥閥芯左、右兩端的力分別為P1A和P2A+Fs，其中A為閥芯斷面面積，F(xiàn)s為定差減壓閥右側(cè)彈簧的作用力[8-9]。當(dāng)閥芯處于平衡狀態(tài)時(shí)，有

圖1 調(diào)速閥工作原理圖

調(diào)速閥內(nèi)的節(jié)流閥前后壓力差為

定差減壓閥彈簧的剛度較小，且工作過(guò)程中閥芯的移動(dòng)量很小，可以認(rèn)為Fs基本不變，因此，不管調(diào)速閥進(jìn)、出油口的壓力如何變化，ΔP始終不變，這樣保證了調(diào)速閥輸出流量的恒定，從而保證了執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)速度的穩(wěn)定性[10]。若忽略閥心自重、摩擦力，則閥心受力平衡方程為[11]

其中，ks為減壓閥彈簧的彈性系數(shù)，xc為減壓閥閥芯開(kāi)口量，xR為減壓閥彈簧初始?jí)嚎s量，CdR為減壓閥流量系數(shù)，ωR為減壓閥截面收縮系數(shù)，pm為減壓閥出口壓力，φ為節(jié)流閥指數(shù)，AR為減壓閥截面面積。

節(jié)流閥的流量為[12]

其中，CdT為節(jié)流閥流量系數(shù)，ωT為節(jié)流閥截面收縮系數(shù)，xT為節(jié)流閥彈簧的初始?jí)嚎s量，ρ為液壓油密度。又因

所以有

由式（6）可以看出，調(diào)速閥的流量基本不變。本文的設(shè)備控制系統(tǒng)需要保證液壓缸在執(zhí)行過(guò)程中不隨負(fù)載變化而影響運(yùn)動(dòng)速度，故選用具有速度特性“硬”的調(diào)速閥[13]作為回路設(shè)計(jì)的控制元件。

3 壓實(shí)機(jī)壓實(shí)機(jī)理

壓實(shí)機(jī)利用機(jī)器振動(dòng)原理，依靠電機(jī)來(lái)帶動(dòng)偏心輪產(chǎn)生激振的電動(dòng)式時(shí)效設(shè)備對(duì)材料進(jìn)行壓實(shí)處理。機(jī)械振動(dòng)參數(shù)之間的關(guān)系如下[14-15]：

其中，m1、m2分別為振動(dòng)輪質(zhì)量、振動(dòng)輪框架質(zhì)量，R為偏心距，ω為振動(dòng)輪角速度。激振力：

從式（7）、（8）可以看出，激振力的大小只與偏心塊夾角和頻率有關(guān)，與配重?zé)o關(guān)，頻率或偏心塊夾角的變化都能改變激振力。

4 系統(tǒng)控制回路的設(shè)計(jì)

運(yùn)用FluidSim軟件進(jìn)行回路總體設(shè)計(jì)，選用2個(gè)雙作用液壓缸，1A液壓缸將碎料送至壓實(shí)區(qū)，2A液壓缸對(duì)碎料進(jìn)行壓實(shí)處理。1A液壓缸伸出過(guò)程由壓力繼電器1S1進(jìn)行壓力控制，并選用“O”型中位機(jī)能三位四通電磁換向閥1V進(jìn)行中位保壓；2A液壓缸伸出選用速度特性“硬”的調(diào)速閥2V3和作背壓閥使用的順序閥2V4進(jìn)行速度控制，待系統(tǒng)壓力升至5 MPa（2Z1壓力表讀數(shù)），2A液壓缸活塞連桿伸；泵的出口并聯(lián)溢流閥進(jìn)行安全保護(hù)，并聯(lián)壓力順序閥可使兩個(gè)液壓缸按照一定順序進(jìn)行工作。這一環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)不同于以往任何形式的設(shè)計(jì)，屬于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)。設(shè)備控制系統(tǒng)的液壓回路如圖2所示，其電路回路如圖3所示。

圖2 液壓控制圖

圖3 電路回路圖

結(jié)合圖2、圖3分析可知，1A液壓缸處于初始狀態(tài)，接近開(kāi)關(guān)1S2感應(yīng)通電接通，繼電器K8得電，對(duì)應(yīng)繼電器K8觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)閉合。按下按鈕開(kāi)關(guān)S，繼電器K1得電，對(duì)應(yīng)繼電器K1觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)閉合并形成自鎖回路，則電磁鐵1Y1得電，“O”型中位機(jī)能三位四通電磁換向閥1V左位閥芯接通，1A液壓缸活塞連桿伸出至終端1S3處，使得接近開(kāi)關(guān)1S3感應(yīng)通電接通。

當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到壓力繼電器1S1 設(shè)定壓力值2 MPa（1Z 壓力表讀數(shù)）時(shí)，壓力繼電器1S1 釋放電信號(hào)，對(duì)應(yīng)壓力繼電器1S1觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)閉合，致使繼電器K2得電，對(duì)應(yīng)繼電器K2觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)閉合并形成自鎖回路，則電磁鐵2Y得電，二位四通單側(cè)電磁換向閥2V1左位閥芯接通，油液經(jīng)調(diào)速閥2V3流入2A液壓缸無(wú)桿腔。當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到5 MPa（2Z1壓力表讀數(shù)）時(shí)，2A液壓缸活塞連桿伸出至終端2S2處，使得接近開(kāi)關(guān)2S2 感應(yīng)通電接通。當(dāng)2A 液壓缸有桿腔壓力達(dá)到順序閥2V4（作被壓閥使用，控制液壓缸運(yùn)動(dòng)速度）設(shè)定壓力值1 MPa（2Z2壓力表讀數(shù)）時(shí)，有桿腔油液經(jīng)順序閥2V4流回油箱。

接近開(kāi)關(guān)2S2感應(yīng)通電接通，繼電器K3得電并形成自鎖回路，對(duì)應(yīng)繼電器K3常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，電磁鐵2Y失電，二位四通單側(cè)電磁換向閥2V1進(jìn)行彈簧復(fù)位，油液經(jīng)普通單向閥2V5流入液壓缸2A有桿腔，使得2A液壓缸活塞連桿快速?gòu)?fù)位縮回至初始狀態(tài)2S1處。至此，2A液壓缸第一個(gè)循環(huán)工作結(jié)束。接近開(kāi)關(guān)2S1感應(yīng)通電接通，繼電器K5得電，對(duì)應(yīng)繼電器K5常開(kāi)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)閉合，電磁鐵2Y得電，至此，第二個(gè)循環(huán)工作開(kāi)始。當(dāng)2A液壓缸伸出到位后，接近開(kāi)關(guān)2S2感應(yīng)通電接通，繼電器K4得電，對(duì)應(yīng)繼電器K4常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，電磁鐵2Y失電，至此第二個(gè)循環(huán)工作結(jié)束。

在第二個(gè)循環(huán)工作結(jié)束后，2A液壓缸處于初始位置，接近開(kāi)關(guān)2S1感應(yīng)通電，繼電器K6得電，對(duì)應(yīng)繼電器K6常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，使得繼電器K7得電并形成自鎖回路，對(duì)應(yīng)K7繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，則電磁鐵1Y2得電?！癘”型中位機(jī)能三位四通電磁換向閥1V右位閥芯接通，1A液壓缸活塞連桿復(fù)位至初始位置1S2 處，使得接近開(kāi)關(guān)1S2 感應(yīng)通電接通，繼電器K8 得電，對(duì)應(yīng)繼電器K8 常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，繼電器K7 失電，電磁鐵1Y2失電，致使“O”型中位機(jī)能三位四通電磁換向閥1V處于中位進(jìn)行保壓。

5 系統(tǒng)仿真與安裝調(diào)試

（1）系統(tǒng)仿真

選擇中位機(jī)能為“O”型的電磁換向閥、溢流閥、調(diào)速閥、壓力繼電器、雙作用液壓缸和接近開(kāi)關(guān)等液壓元件進(jìn)行系統(tǒng)安裝調(diào)試?；贔luidSim軟件，進(jìn)行系統(tǒng)仿真，仿真結(jié)果表明，整個(gè)系統(tǒng)控制回路設(shè)計(jì)是合理的。系統(tǒng)仿真如圖4、圖5所示。

圖4 系統(tǒng)液壓回路仿真圖

圖5 系統(tǒng)電路仿真圖

（2）系統(tǒng)安裝調(diào)試

根據(jù)系統(tǒng)仿真圖選擇對(duì)應(yīng)的控制元件，并將接近開(kāi)關(guān)分別設(shè)置在液壓缸活塞桿的起點(diǎn)和終點(diǎn)位置。系統(tǒng)執(zhí)行元件工作變化曲線如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)執(zhí)行元件工作變化曲線圖

首先，調(diào)節(jié)泵的出口壓力至2 Mpa，確保1A液壓缸能夠?qū)⑺榱贤耆浦翂簩?shí)區(qū)；其次，待碎料充滿壓實(shí)區(qū)后，調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力至5 Mpa，確保2A液壓缸能夠?qū)⑺榱先繅簩?shí)；最后，為保證2A液壓缸能夠?qū)λ榱掀鸬骄鶆虺浞值膲簩?shí)效果，通過(guò)調(diào)節(jié)單向順序閥，將該液壓缸的出口壓力調(diào)至2 Mpa。1A液壓缸達(dá)至最大行程200 mm后，2A液壓缸開(kāi)始緩慢伸出達(dá)到200 mm行程后立即縮回并進(jìn)行第二次壓實(shí)，直至碎料充分壓實(shí)為止。調(diào)試結(jié)果表明，執(zhí)行元件改變順序的動(dòng)作靈活，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，速度響應(yīng)快，同時(shí)運(yùn)用調(diào)速閥速度特性“硬”的特點(diǎn)，克服了可調(diào)節(jié)節(jié)流閥速度特性“軟”的缺點(diǎn)，提高了加工效率。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)壓實(shí)機(jī)在壓實(shí)過(guò)程中所存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種新型電液控制回路。根據(jù)壓實(shí)機(jī)的壓實(shí)機(jī)理選用2個(gè)雙作用液壓缸，1A液壓缸將碎料送至壓實(shí)區(qū)，2A液壓缸對(duì)碎料進(jìn)行壓實(shí)處理。選用“O”型中位機(jī)能三位四通電磁換向閥1V進(jìn)行中位保壓，選用速度特性“硬”的調(diào)速閥2V3和作背壓閥使用的順序閥2V4進(jìn)行速度控制。整個(gè)系統(tǒng)回路滿足了相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求，并且整個(gè)回路均設(shè)置了自鎖保護(hù)裝置，從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制，能夠完善壓實(shí)效果，提高壓實(shí)效率。為能夠充分將碎料進(jìn)行壓實(shí)壓牢，單獨(dú)設(shè)置2A壓實(shí)缸實(shí)現(xiàn)兩次循環(huán)工作，這是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處。