基于電液比例閥的干法輥壓造粒機(jī)工作特性研究

王志亮，劉志民，滑利光，呂國(guó)蒙，李萬(wàn)有，張鈞，李學(xué)兵，李振，武新林，韓雷

(1.新興鑄管股份有限公司，河北邯鄲 056300;2.河北工程大學(xué)機(jī)械與裝備工程學(xué)院，河北邯鄲 056038)

0 前言

干法輥壓造粒機(jī)是直接將干粉物料制成顆粒狀產(chǎn)品的環(huán)保型專用機(jī)械設(shè)備。干粉物料由料倉(cāng)頂部進(jìn)料，經(jīng)螺旋絞龍攪拌均勻，并在其預(yù)壓力作用下將物料送入兩擠壓輥入口，隨著兩擠壓輥相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，物料咬入輥隙，并被擠壓成密實(shí)薄片。在重力和表面張力作用下，密實(shí)片狀物料脫出，再經(jīng)過(guò)破碎、整粒、篩分等操作過(guò)程，便可得到0.2～10 mm(或8～80目)規(guī)格不等的小顆粒狀物質(zhì)，從而達(dá)到造粒目的。在整個(gè)制粒過(guò)程，無(wú)需添加水、黏接劑或其他輔助添加劑，也不破壞物料的化學(xué)性能，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，所形成的顆粒產(chǎn)品純度高，故干法輥壓造粒技術(shù)廣泛應(yīng)用于制藥、食品、化工和其他造粒等行業(yè)領(lǐng)域。

現(xiàn)有干法輥壓造粒機(jī)主要由機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和液壓傳動(dòng)系統(tǒng)組成，通常由機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)擠壓輥轉(zhuǎn)速，由液壓傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)控制兩擠壓輥間隙和擠壓力大小。如圖1所示，擠壓輥包括固定擠壓輥1和移動(dòng)擠壓輥2，且固定擠壓輥1和移動(dòng)擠壓輥2水平平行安裝在機(jī)架上，并要求以同樣速度相向轉(zhuǎn)動(dòng)。其中固定擠壓輥1只能轉(zhuǎn)動(dòng)，不能往復(fù)移動(dòng)，而移動(dòng)擠壓輥2在液壓缸3作用下可沿機(jī)架上滑軌水平往復(fù)移動(dòng)，以控制和調(diào)節(jié)擠壓輥間隙和擠壓力大小，以實(shí)現(xiàn)不同種性狀粉體物料的擠壓成型?，F(xiàn)有干法造粒機(jī)液壓系統(tǒng)多采用普通電磁閥控制。當(dāng)粉體物料受到擠壓后出現(xiàn)黏結(jié)，并對(duì)擠壓輥產(chǎn)生變化較大的反作用力，使得液壓缸系統(tǒng)壓力出現(xiàn)劇烈波動(dòng)。此時(shí)很難保證兩液壓缸具有準(zhǔn)確同步位置，造成擠壓輥出現(xiàn)偏斜和振動(dòng)，同時(shí)受齒輪傳動(dòng)速度波動(dòng)影響，嚴(yán)重影響了粉體物料成型過(guò)程和成型質(zhì)量。

圖1 擠壓輥結(jié)構(gòu)示意

文獻(xiàn)[6]分析了擠壓輥幾何參數(shù)和粉體物料與擠壓輥表面摩擦因數(shù)對(duì)粉體成型密度分布的影響和變化規(guī)律，而有關(guān)摩擦因數(shù)對(duì)擠壓輥工作特性的影響有待研究。為此，本文作者采用電液比例技術(shù)對(duì)現(xiàn)有干法輥壓造粒機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行改造，通過(guò)分析擠壓輥咬入角受力平衡方程，驗(yàn)證了摩擦因數(shù)是影響擠壓輥運(yùn)動(dòng)特性的主要因素；通過(guò)機(jī)液聯(lián)合仿真，對(duì)比分析干法輥壓造粒機(jī)改造前和改造后工作特性變化規(guī)律。此研究對(duì)改善干法輥壓造粒機(jī)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和可靠性、提高粉體物料成型質(zhì)量具有重要研究意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 干法輥壓造粒機(jī)液壓系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

采用電液比例控制技術(shù)對(duì)現(xiàn)有干法輥壓造粒機(jī)液壓系統(tǒng)及擠壓輥傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，建立電液控制系統(tǒng)工作原理如圖2所示。電液控制系統(tǒng)回路主要包括同步調(diào)速控制回路和同步位置控制回路。同步調(diào)速控制回路由2個(gè)比例調(diào)速閥和2個(gè)液壓馬達(dá)構(gòu)成，通過(guò)比例調(diào)速閥分別調(diào)節(jié)和控制進(jìn)入2個(gè)液壓馬達(dá)的流量，以實(shí)現(xiàn)固定擠壓輥與移動(dòng)擠壓輥同步轉(zhuǎn)動(dòng)。同步位置閉環(huán)控制回路主要由2組電液比例方向流量控制閥、位移傳感器、比例放大器和液壓缸等元件組成。由電液比例方向流量控制閥分別控制液壓缸3.1、3.2驅(qū)動(dòng)移動(dòng)擠壓輥沿機(jī)架導(dǎo)軌水平同步移動(dòng)，經(jīng)位移傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)兩液壓所在位置，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，與系統(tǒng)所設(shè)定的擠壓輥位置間隙信號(hào)進(jìn)行比較。通過(guò)比例放大器放大位移偏差信號(hào)，自動(dòng)控制與調(diào)節(jié)移動(dòng)擠壓輥與固定擠壓輥之間間隙，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的位置閉環(huán)控制。

圖2 干法輥壓造粒電液控制系統(tǒng)工作原理

2 粉體物料咬入角受力平衡方程分析

在粉體物料連續(xù)擠壓成型過(guò)程中，兩擠壓輥給粉體物料所施加的作用力大小相等、方向相反，故在此僅分析其中一個(gè)擠壓輥對(duì)粉體物料的受力情況。沿?cái)D壓輥工作面選取3個(gè)特殊的工作點(diǎn)，即物料入口工作點(diǎn)、咬入角工作點(diǎn)和出口工作點(diǎn)，此3個(gè)工作點(diǎn)將粉體物料擠壓成型過(guò)程劃分為和兩個(gè)工作區(qū)域，工作點(diǎn)處的受力情況分別如圖3所示。在不考慮喂料壓力時(shí)，令、、三點(diǎn)處所受擠壓輥的支反力分別為、和，其方向沿?cái)D壓輥圓心垂直于擠壓輥接觸點(diǎn)的外法線，所對(duì)應(yīng)的摩擦力分別為、和，其方向均與擠壓輥接觸點(diǎn)的表面相切，且沿?cái)D壓輥相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向。

圖3 擠壓成型受力分析

在工作區(qū)域內(nèi)，擠壓輥表面任一點(diǎn)處所受支反力與摩擦力的合力均沿著軸正向，即此時(shí)合力推移粉體物料有反向離開(kāi)擠壓輥表面的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，但受螺旋絞龍向下喂料壓力作用影響，粉體物料仍繼續(xù)保持向下運(yùn)行。在此段區(qū)域內(nèi)，盡管粉體物料受力壓縮變形較大，其相應(yīng)物料密度也顯著提高，但相對(duì)最終成型的密實(shí)薄片產(chǎn)品而言密度仍然較小，故粉體物料所受擠壓輥的合力也相對(duì)較小。在工作點(diǎn)處，支反力與摩擦力的合力恰好與軸相垂直(即平行于軸)，此時(shí)粉體物料將不再有反向離開(kāi)擠壓輥表面的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，從此點(diǎn)處開(kāi)始?jí)嚎s。因此，把過(guò)工作點(diǎn)的外法線方向與軸的夾角定義為粉體物料的咬入角。咬入角的大小受粉體物料理化性質(zhì)影響，粉體物料不同，咬入角的大小也會(huì)各不相同。在工作區(qū)域內(nèi)，擠壓輥表面任一點(diǎn)處支反力與摩擦力的合力均沿軸負(fù)向，即此時(shí)合力將加速推動(dòng)粉體物料繼續(xù)進(jìn)入兩擠壓輥間隙。當(dāng)粉體物料運(yùn)動(dòng)至點(diǎn)過(guò)程中，所受合力將迅速增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)工作點(diǎn)處時(shí)，物料瞬間被擠壓成密實(shí)薄片，隨著擠壓輥繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，在重力和表面張力作用下，密實(shí)薄片脫離擠壓輥。

咬入角的大小可依據(jù)接觸點(diǎn)的力平衡方程來(lái)確定，忽略粉體物料重力，設(shè)螺旋絞龍給予粉體物料的擠壓力為，沿軸方向列力平衡方程：

2sin--2cos=0

(1)

其中：=，為粉體物料與擠壓輥表面之間的摩擦因數(shù)。則有：

(2)

若設(shè)為粉體物料的側(cè)壓系數(shù)，則有=2cos，代入式(2)可得：

tan=+

(3)

為使粉體物料能正常咬入擠壓輥，保證其連續(xù)擠壓成型，要求咬入角必須滿足如下條件：

≤arctan(+)

(4)

測(cè)壓系數(shù)可利用巴爾申提出的粉體物料自然堆積角與側(cè)壓系數(shù)的關(guān)系來(lái)計(jì)算：

=tan(45°-2)

(5)

當(dāng)測(cè)壓系數(shù)保持一定的條件下，咬入角主要由粉體物料與擠壓輥表面的摩擦因數(shù)來(lái)決定。由此可見(jiàn)，摩擦因數(shù)是影響擠壓輥工作特性的主要因素。摩擦因數(shù)與粉體物料理化性質(zhì)、擠壓輥表面粗糙度和材料屬性等多種因素有關(guān)?？紤]粉體物料自身流動(dòng)特性，在實(shí)際擠壓成型過(guò)程中摩擦因數(shù)很難準(zhǔn)確測(cè)量。因此，文中在對(duì)比分析摩擦因數(shù)對(duì)改造前和改造后干法輥壓造粒機(jī)工作特性影響變化規(guī)律時(shí)，參照J(rèn)ONHSON實(shí)驗(yàn)選擇摩擦因數(shù)大小，確定擠壓輥與物料接觸面的靜摩擦因數(shù)為0.839 1，動(dòng)摩擦因數(shù)分別為0.158 4、0.424 5和0.649 4。

3 工作特性機(jī)液聯(lián)合仿真分析

3.1 構(gòu)建機(jī)液聯(lián)合仿真模型

將AMESim軟件與ADAMS軟件相結(jié)合，利用數(shù)據(jù)接口無(wú)縫集成技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜機(jī)液耦合模型的聯(lián)合仿真。為便于分析電液控制系統(tǒng)各參量變化規(guī)律，把AMESim軟件作為主仿真平臺(tái)，把ADAMS軟件作為輔助仿真平臺(tái)。首先，創(chuàng)建模型輸入和輸出狀態(tài)變量，以擠壓輥輸入扭矩torque和2個(gè)液壓缸壓力force1、force2為輸入，以擠壓輥角速度palstance和2個(gè)液壓缸的位移displacement1、displacement2為輸出。由于液壓缸的壓力隨外負(fù)載的變化而變化，故在AMESim模型中添加了力傳感器模塊，將力傳感器模塊測(cè)得的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞給ADAMS中的液壓缸模型。其次，利用ADAMS/Control模塊創(chuàng)建ADAMS軟件與AMESim軟件間的數(shù)據(jù)接口，在模塊窗口欄中分別加載輸入狀態(tài)變量和輸出狀態(tài)變量；控制選型軟件包中選擇Easy5選項(xiàng)，從菜單中選擇非線性分析類型和C++求解器，即可生成與聯(lián)合仿真相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)文件(“*.inf”、“*.adm”和“*.cmd”)。最后，打開(kāi)AMESim軟件，利用“Import Adams model”選項(xiàng)加載“*.inf”文件，便可生成數(shù)據(jù)接口模塊。構(gòu)建改造前和改造后的干法輥壓造粒機(jī)機(jī)液聯(lián)合仿真模型分別如圖4和圖5所示。

圖4 改造前聯(lián)合仿真模型

圖5 改造后聯(lián)合仿真模型

3.2 仿真模型參數(shù)設(shè)置

將數(shù)據(jù)接口模塊加載到AMESim軟件中后，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)能在兩軟件間實(shí)時(shí)傳遞，聯(lián)合仿真過(guò)程采用完全導(dǎo)出模式，設(shè)置仿真時(shí)間為1 s，步長(zhǎng)為0.01 s，其各仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

3.3 工作特性結(jié)果對(duì)比分析

保持其他工況相同條件下，現(xiàn)僅改變粉體物料與擠壓輥表面間的動(dòng)摩擦因數(shù)。選擇靜摩擦因數(shù)為0.839 1，動(dòng)摩擦因數(shù)分別為0.158 4、0.424 5、0.649 4時(shí)，通過(guò)聯(lián)合仿真，得到改造前和改造后干法輥壓造粒機(jī)工作特性參數(shù)隨時(shí)間變化曲線如圖6所示。

從圖6(a)和圖6(b)可以看出:隨著動(dòng)摩擦因數(shù)的增加，改造前后液壓缸無(wú)桿腔壓力隨時(shí)間變化趨勢(shì)基本類似，即動(dòng)摩擦因數(shù)對(duì)液壓缸無(wú)桿腔壓力的影響可以不考慮；當(dāng)液壓缸無(wú)桿腔壓力達(dá)到額定工作壓力后，與改造前相比，改造后無(wú)桿腔壓力波動(dòng)變化相對(duì)更加穩(wěn)定。由圖6(c)—(h)可以看出：動(dòng)摩擦因數(shù)越大，擠壓輥水平位移、速度和加速度隨時(shí)間變化波動(dòng)性越小，表明動(dòng)摩擦因數(shù)和靜摩擦因數(shù)相差越大，即動(dòng)摩擦因數(shù)越小，擠壓輥越不穩(wěn)定，越容易發(fā)生振動(dòng)；尤其在剛啟動(dòng)時(shí)，擠壓輥水平方向速度和加速度波動(dòng)變化較大，經(jīng)0.4 s后波動(dòng)性開(kāi)始減小。與改造前相比，改造后擠壓輥水平方向速度和加速度波動(dòng)得到明顯改善，當(dāng)摩擦因數(shù)為0.649 4時(shí)，在0.4 s后，擠壓輥速度峰峰值由0.116 1 m/s降為0.030 2 m/s，加速度峰峰值由8 039.5 m/s降為1 870.4 m/s。

圖6 工作特性參數(shù)仿真結(jié)果對(duì)比

從圖6(i)—(l)可以看出:改造前后擠壓輥角速度和角加速度隨時(shí)間變化出現(xiàn)隨機(jī)性的波動(dòng)，動(dòng)摩擦因數(shù)越小，擠壓輥角速度和角加速度波動(dòng)性越顯著，相應(yīng)峰峰值均急劇增大。在動(dòng)摩擦因數(shù)為0.158 4時(shí)，改造前擠壓輥的角速度峰峰值達(dá)到1 777.3 (°)/s，角加速度峰峰值達(dá)到6.221×10(°)/s;而改造后擠壓輥的角速度峰峰值降為217.4 (°)/s，角加速度峰峰值降為2 667.2 (°)/s，表明改造后的干法輥壓造粒機(jī)擠壓輥運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)。當(dāng)摩擦因數(shù)為0.649 4時(shí)，改造前擠壓輥的角速度峰峰值達(dá)到295.6 (°)/s，角加速度峰峰值達(dá)到5.311×10(°)/s；而改造后擠壓輥的角速度峰峰值變?yōu)?06.5 (°)/s，角加速度峰峰值變?yōu)?27.4 (°)/s，改造前和改造后擠壓輥角速度和角加速度波動(dòng)性幅度均明顯減弱，表明增大動(dòng)摩擦系統(tǒng)有利于提高擠壓輥傳動(dòng)的平穩(wěn)性。

4 結(jié)論

(1)當(dāng)測(cè)壓系數(shù)保持一定的條件下，咬入角大小主要取決于粉體物料與擠壓輥表面的摩擦因數(shù)，即摩擦因數(shù)是影響擠壓輥工作特性的主要因素。

(2)增大粉體物料與擠壓輥表面的動(dòng)摩擦因數(shù)有利于改善干法輥壓造粒機(jī)傳動(dòng)的平穩(wěn)性。

(3)采用電液比例技術(shù)控制的干法輥壓造粒機(jī)，其液壓缸無(wú)桿腔壓力，擠壓輥位移、速度、加速度、角速度、角加速度等曲線隨時(shí)間變化更加平穩(wěn)，此時(shí)更有利于提高粉體物料擠壓成型質(zhì)量。