環(huán)模制粒機(jī)模輥間隙自適應(yīng)調(diào)整機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

華晨光，武 凱，孫 宇

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

1 引言

環(huán)模制粒裝備在飼料加工行業(yè)的應(yīng)用極其廣泛，其生產(chǎn)率高、成型效果好、能耗低、原料適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)奠定了其作為飼料加工裝備四大主機(jī)之一的地位[1]。環(huán)模制粒機(jī)的工作原理是利用環(huán)模與壓輥之間的相互作用力將粉體物料擠壓成型獲得所需顆粒[2]。

從壓輥、環(huán)模的配置上劃分，環(huán)模制粒機(jī)可分為三輥式、雙輥式、大小輥式、雙環(huán)模式[3]。目前應(yīng)用最為廣泛的是雙輥式環(huán)模制粒機(jī)。國內(nèi)外研究學(xué)者的研究熱點(diǎn)大多著眼于制粒成型過程、能耗、效率等方面，就模輥間隙對制粒影響這一方面的研究相對較少。文獻(xiàn)[4]利用Abaqus有限元軟件分析了模輥間隙對輥軋過程的影響，指出了隨著模輥間隙的縮小，物料底邊接觸面等效應(yīng)力增大。文獻(xiàn)[5]分析了模輥間隙大小對生產(chǎn)率、電耗和顆粒加工質(zhì)量的影響，指出了模輥間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)最好設(shè)計(jì)成可在制粒過程中可調(diào)的形式。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種小型可調(diào)間隙飼料制粒機(jī)，但設(shè)計(jì)的模輥間隙調(diào)整結(jié)構(gòu)依舊基于人工操作，智能化程度低。文獻(xiàn)[7]提出了一種臥式放置的環(huán)模壓輥間隙調(diào)整裝置，調(diào)整原理是通過螺紋調(diào)整間隙，但是鎖緊機(jī)構(gòu)部分依舊是人工操控，沒有實(shí)現(xiàn)完全自動化。

上述相關(guān)研究所設(shè)計(jì)的模輥間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)均采用手動調(diào)節(jié)，靠工人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整，沒有自動化、智能化的功能。而通過工人的經(jīng)驗(yàn)來判斷間隙調(diào)整的時(shí)間和大小，很容易出現(xiàn)堵機(jī)或者喂料不均現(xiàn)象[8]。因此，設(shè)計(jì)一種模輥間隙自動調(diào)整裝置，克服以往的單憑人工操作的弊端，滿足實(shí)時(shí)調(diào)整、精確調(diào)整的需求，提升制粒裝備的智能化水平。

2 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 制粒機(jī)基本工作原理

環(huán)模制粒機(jī)通過環(huán)模與壓輥之間相互擠壓，將物料輥軋成型。工作時(shí)，環(huán)模由主軸帶動，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。由于環(huán)模、壓輥、物料之間存在摩擦力，壓輥在摩擦力的作用下也開始順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，物料經(jīng)過變形壓緊，最后擠壓成型，從環(huán)?？字袛D出[9]。其工作原理，如圖1所示。

圖1 制粒成型原理Fig.1 Granulation Molding Principle

由于環(huán)模與壓輥之間存在物料，所以環(huán)模與壓輥之間必然會有一定的間隙，而合適的模輥間隙是物料能夠被擠出?？椎闹匾獥l件。對于一些難以擠出?？椎奈锪希梢赃x擇適當(dāng)減小模輥間隙來增大底邊接觸應(yīng)力，使得物料能夠獲得足夠的力被擠出?？?。但是當(dāng)物料確定時(shí)，模輥間隙過小，會引起環(huán)模和壓輥間的碰撞和摩擦且會使得制粒機(jī)的振動急劇增大，加劇部件的磨損；間隙過大時(shí)，會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，影響顆粒質(zhì)量[10]。

2.2 壓力感知機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)環(huán)模制粒機(jī)工作時(shí)，環(huán)模、物料、壓輥三者之間存在相互的擠壓作用力，當(dāng)環(huán)模壓輥之間間隙變大時(shí)，壓輥所受的物料擠壓力減?。环粗?，當(dāng)環(huán)模壓輥之間間隙變小時(shí)，壓輥所受物料擠壓力增大。因此，通過感知壓輥所受到的擠壓力可以判斷模輥間隙的變化情況。由于環(huán)模制粒成型過程是在高粉塵、旋轉(zhuǎn)工作的工況下，使用壓力傳感器進(jìn)行檢測往往會出現(xiàn)靈敏度受到影響、傳感器供電困難等問題。

針對上述出現(xiàn)的問題，設(shè)計(jì)壓力感知機(jī)構(gòu)，如圖2所示。電刷安裝在壓輥殼內(nèi)部的電刷槽內(nèi)，集流環(huán)同心裝配在壓輥軸上與電刷接觸。壓輥受到的擠壓力通過應(yīng)變計(jì)采集，應(yīng)變計(jì)安裝的應(yīng)變計(jì)安裝架上，應(yīng)變計(jì)安裝架通過螺釘也固定在壓輥殼內(nèi)部，如圖3所示。安裝架上的活塞桿伸出壓輥殼上的通孔與物料接觸，傳遞壓輥受到的擠壓力；安裝架上的限位座與活塞桿的限位槽配合，起到防止活塞桿脫落和限位作用。

圖2 壓力感知機(jī)構(gòu)Fig.2 PressureSensingMechanism

圖3 應(yīng)變計(jì)安裝架Fig.3 Strain Gage Mount

正常工作時(shí)，隨著壓輥和環(huán)模的旋轉(zhuǎn)，物料在模輥間隙中被壓縮、擠壓，繼而推動活塞桿觸碰到應(yīng)變計(jì)，進(jìn)行擠壓力采集。壓輥殼在制粒過程中與環(huán)模同向運(yùn)動，電刷隨壓輥殼旋轉(zhuǎn)與集流環(huán)保持接觸，進(jìn)而給應(yīng)變計(jì)供電。壓輥殼內(nèi)部開有兩個(gè)導(dǎo)線槽，供驅(qū)動電壓輸入線和應(yīng)變計(jì)檢測到的信號輸出線安裝，防止出現(xiàn)由于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動造成輸入輸出導(dǎo)線斷裂的問題。

2.3 自動調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓輥與環(huán)模之間的間隙是通過調(diào)節(jié)壓輥偏心軸的偏心程度來實(shí)現(xiàn)的。其原理是：將壓輥偏心軸套套在一根固定軸上，這根軸與環(huán)模的距離固定不變，壓輥偏心軸套與固定軸組成壓輥偏心軸。壓輥殼套在壓輥偏心軸外，兩者之間安裝有軸承，旋轉(zhuǎn)壓輥偏心軸就可以調(diào)整壓輥與環(huán)模之間的間隙。結(jié)合設(shè)計(jì)的壓力感知機(jī)構(gòu)，自動調(diào)整機(jī)構(gòu)的壓輥組件，如圖4所示。

圖4 偏心壓輥組件Fig.4 EccentricPressureRollerAssembly

集流環(huán)與偏心壓輥軸套同心裝配與電刷接觸給應(yīng)變計(jì)供電實(shí)時(shí)檢測壓輥所受擠壓力。階梯軸的中段部分設(shè)計(jì)成從動帶輪的樣式。

驅(qū)動旋轉(zhuǎn)部件的方式往往是施加一個(gè)轉(zhuǎn)矩，所以設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)電缸驅(qū)動偏心軸。旋轉(zhuǎn)電缸是利用電機(jī)直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)模塊的模塊化產(chǎn)品，具有精確速度控制、精確位置控制等優(yōu)點(diǎn)。利用旋轉(zhuǎn)電缸驅(qū)動壓輥偏心軸可以實(shí)現(xiàn)偏心轉(zhuǎn)角角度變化的精確控制，從而實(shí)現(xiàn)模輥間隙的精確控制。

正常制粒過程中，壓輥軸保持靜止，壓輥殼在物料摩擦力的作用下繞偏心壓輥殼的軸線旋轉(zhuǎn)；但是調(diào)隙工況下，壓輥軸要繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到位后需要鎖緊裝置進(jìn)行鎖緊。為此設(shè)計(jì)了三爪電缸進(jìn)行自動鎖緊。夾爪夾緊時(shí)，可以抑制壓輥軸的轉(zhuǎn)動；夾爪松開時(shí)，壓輥軸可以自由轉(zhuǎn)動。

設(shè)計(jì)的整體調(diào)整結(jié)構(gòu)，兩個(gè)壓輥組件安裝在壓輥支撐軸上，旋轉(zhuǎn)電缸和三爪電缸安裝在前面板上，三爪電缸夾爪夾緊壓輥階梯軸軸端進(jìn)行鎖緊，同時(shí)三爪氣缸也起到了鎖緊前面板的作用。旋轉(zhuǎn)電缸通過與帶輪連接板相連帶動主動輪驅(qū)動偏心軸上的從動帶輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，根據(jù)應(yīng)變計(jì)采集到的壓輥所受擠壓力實(shí)現(xiàn)模輥間隙的實(shí)時(shí)調(diào)整，如圖5所示。

圖5 整體調(diào)整結(jié)構(gòu)Fig.5 Over all Adjustment Structure

2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模輥間隙調(diào)整結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)相結(jié)合組成了整個(gè)間隙調(diào)整裝置?？刂平Y(jié)構(gòu)原理，如圖6所示。

圖6 控制結(jié)構(gòu)原理Fig.6 Control Structure Principle

控制系統(tǒng)是重要的組成部分，當(dāng)壓力傳感器檢測的壓力值與設(shè)定值產(chǎn)生偏差時(shí)，相應(yīng)的調(diào)整旋轉(zhuǎn)電缸的轉(zhuǎn)動角度從而控制壓輥偏心軸的偏心轉(zhuǎn)角，達(dá)到調(diào)整模輥間隙的目的?？刂葡到y(tǒng)的輸出模擬量為主機(jī)轉(zhuǎn)速，輸出數(shù)字量有三爪電缸的開關(guān)量和旋轉(zhuǎn)電缸的旋轉(zhuǎn)角度，輸入模擬量為壓輥所受擠壓力值和主機(jī)電流大小。

3 部件選型與設(shè)計(jì)

模輥系統(tǒng)基于某公司的MUZL610T型環(huán)模制粒機(jī)，其主要參數(shù)，如表1所示。

表1 環(huán)模制粒機(jī)參數(shù)Tab.1 Ring Mold Granulator Parameters

壓輥在工作過程中，受到環(huán)模通過物料作用在上面的壓力F N和物料對其的摩擦力f[11]，摩擦力f帶動壓輥殼旋轉(zhuǎn)，而偏心壓輥軸主要受到壓力F N和滾動軸承的摩擦力f滾，對于壓輥，其所受壓力如式（1）所示：

式中：P—主機(jī)功率；η1—電機(jī)效率，一般取90%；η2—傳動效率，該結(jié)構(gòu)是帶傳動和齒輪傳動結(jié)合，取η2=97%；f2—物料與環(huán)模之間的摩擦系數(shù)，取f2=0.4。根據(jù)正常工作時(shí)環(huán)模線速度v=ωR=5.6m∕s，帶入式（1）可得F N=14615N，取球軸承的摩擦系數(shù)f球=0.001。

所受阻力矩：

故根據(jù)壓輥擠壓力F N所選的三爪電缸為IAI公司的RCP2-GR3LS，其技術(shù)參數(shù)，如表2所示。

表2 三爪電缸參數(shù)Tab.2 Three-Claw Electric Cylinder Parameters

根據(jù)壓輥受到的阻力矩M阻所選的旋轉(zhuǎn)電缸為IAI公司的DD-LT18，其技術(shù)參數(shù)，如表3所示。

表3 旋轉(zhuǎn)電缸參數(shù)Tab.3 Rotating Electric Cylinder Parameters

根據(jù)控制結(jié)構(gòu)原理，對控制系統(tǒng)進(jìn)行模塊選型。通過TIA‐PortalV13軟件進(jìn)行I∕O分配，選取德國西門子S-1500系列PLC作為系統(tǒng)控制器件，其主要配置，如表4所示。

表4 PLC1500配置表Tab.4 PLC1500ConfigurationTable

4 試驗(yàn)

根據(jù)模輥間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，完成所有零部件的加工，按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行裝配，并安裝相應(yīng)的電氣系統(tǒng)。檢查樣機(jī)機(jī)械部分可以正常運(yùn)動后，開機(jī)進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)。壓輥偏心軸組件，如圖7所示。現(xiàn)場控制柜，如圖8所示。

利用樣機(jī)生產(chǎn)511雞飼料，其配方為：玉米：52.25%，豆粕8.4%，印度豆粕：2.8%，棉粕：5%，玉米蛋白粉：4%，豬大油：3.05%，DDGS：1.5%，魚粉：1.5%，菜粕：1.5%，小麥：15%，石粉：1.25%。顆粒直徑3mm。

首先驗(yàn)證樣機(jī)測力系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，對樣機(jī)在制粒過程中的壓輥擠壓力進(jìn)行檢測。將模輥間隙設(shè)置為最適宜的間隙0.2mm；然后開機(jī)進(jìn)料，同時(shí)開啟應(yīng)變計(jì)進(jìn)行壓力采集；進(jìn)料頻率從0Hz逐漸增加，在2min內(nèi)恒定至16Hz，穩(wěn)定喂料；將制粒過程中測得的壓力值記錄下來，并繪制成曲線，壓力曲線，如圖9所示。

圖9 壓力測試曲線Fig.9 Pressure Test Curve

從曲線中可以看出，制粒過程開始時(shí)，物料經(jīng)歷擠壓、變形、壓緊，壓輥受到的擠壓力逐漸線性增大。當(dāng)制粒過程逐漸平穩(wěn)后，飼料顆粒已經(jīng)成型從模孔中被擠出，壓輥受到的壓力也保持穩(wěn)定。這表明了一旦物料被壓實(shí)，只要擠壓力足以克服摩擦力將物料擠出?？?，物料對壓輥的支反力將不會增加，所以壓輥受到的擠壓力也就趨于平穩(wěn)。平穩(wěn)時(shí)的壓力值約為350N，按照活塞桿面積占壓輥受力面積的2.5%左右計(jì)算，活塞桿傳遞的擠壓力也只是壓輥受到的擠壓力的2.5%左右，故應(yīng)變計(jì)測得的壓力值也為實(shí)際整個(gè)壓輥所受壓力值的2.5%。經(jīng)過計(jì)算，理論值與所測得的壓力值非常接近。

其次，驗(yàn)證模輥間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)的正確性，將模輥間隙的控制值 分 別 設(shè) 為0.18mm、0.185mm、0.19mm、0.195mm、0.2mm、0.205mm、0.21mm、0.215mm、0.22mm，然后讀取應(yīng)變計(jì)上的壓力值，并根據(jù)以往工廠利用塞尺、傳感器測得的模輥間隙和壓輥擠壓力的關(guān)系進(jìn)行對比（傳感器布點(diǎn)與活塞桿位置一致），得到的模輥間隙和壓力的關(guān)系曲線對比圖，如圖10所示。

圖10 模輥間隙與壓力關(guān)系曲線Fig.10 Die Roll Gap and Pressure Curve

從圖10的曲線中可以看出，當(dāng)設(shè)定的模輥間隙值從（0.18～0.22）mm變化時(shí)，應(yīng)變計(jì)測得的壓輥所受擠壓力成非線性趨勢減小，與工廠以往實(shí)際生產(chǎn)時(shí)模輥間隙和壓力的關(guān)系曲線相比，樣機(jī)測得的壓力值相對偏小，但最大誤差不超過3%，而且整體趨勢與實(shí)際曲線一致，壓力值偏小的原因可能是活塞桿傳遞壓力信號時(shí)產(chǎn)生了一定的損耗，但是損耗程度較小，可忽略不計(jì)。綜上可以驗(yàn)證環(huán)模制粒機(jī)模輥間隙自適應(yīng)調(diào)整機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是合理準(zhǔn)確的。

5 結(jié)論

針對以往環(huán)模制粒機(jī)模輥間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)都是利用工人手動操作，沒有自動調(diào)整裝置這一現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了環(huán)模制粒機(jī)模輥間隙自適應(yīng)調(diào)整機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)，主要工作如下：

（1）根據(jù)不同模輥間隙壓輥所受擠壓力值不同，以及偏心軸調(diào)隙原理，設(shè)計(jì)了集感知與調(diào)整為一體的模輥間隙自動調(diào)整機(jī)構(gòu)；（2）根據(jù)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理和相關(guān)參數(shù)要求，對核心的鎖緊部件三爪電缸和調(diào)隙部件旋轉(zhuǎn)電缸進(jìn)行相應(yīng)的選型，并對控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與模塊選型；（3）利用生產(chǎn)出的樣機(jī)對測力系統(tǒng)和間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)，證明了所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)調(diào)整機(jī)構(gòu)的合理性與準(zhǔn)確性。