基于Automation Studio的橡膠開煉機液壓調(diào)距系統(tǒng)設(shè)計與仿真

付昕杰，楊銘，胡逢石，劉燁，張海龍，胡清明，馬洪亮

基于Automation Studio的橡膠開煉機液壓調(diào)距系統(tǒng)設(shè)計與仿真

付昕杰1，楊銘1，胡逢石1，劉燁1，張海龍2，胡清明1＊，馬洪亮3

（1.齊齊哈爾大學 機電工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學研究院齊齊哈爾分院，黑龍江 齊齊哈爾 161003；3.齊重數(shù)控裝備股份有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161003）

針對現(xiàn)有機械式橡膠開煉機存在機構(gòu)工作行程大、可靠性差、安全性低等問題，設(shè)計了一種橡膠開煉機液壓調(diào)距系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過液壓泵吸油提升油液的壓力推動液壓桿，采用給定信號控制各閥門開口大小和開口方向?qū)崿F(xiàn)液體的流向和速度改變，從而控制液壓桿的位移和速度以實現(xiàn)調(diào)距功能。采用Automation Studio軟件搭建液壓調(diào)距系統(tǒng)仿真模型，得到該系統(tǒng)液壓缸側(cè)壓力和液壓桿位移隨時間變化曲線，驗證了此系統(tǒng)運行平穩(wěn)，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)調(diào)距裝置實現(xiàn)調(diào)距功能。

橡膠開煉機；調(diào)距裝置；液壓系統(tǒng)；Automation Studio

在橡膠加工和生產(chǎn)中，橡膠開煉機用途廣泛，是橡膠生產(chǎn)中重要設(shè)備之一[1-2]。開煉機在煉膠過程中，輥距是影響膠料質(zhì)量的重要因素[3-4]，輥距大小直接影響橡膠制品質(zhì)量和膠料性能，且膠料性能是否穩(wěn)定決定了橡膠制品的好壞[5]。調(diào)距裝置根據(jù)膠料工藝性能要求不同，對輥距進行調(diào)整[6]。目前，國內(nèi)開煉機設(shè)備普遍采用的調(diào)距裝置形式為手動和電動，其都屬于機械調(diào)距。手動調(diào)距裝置通過手輪、蝸輪和調(diào)距螺桿配合工作，通過手輪驅(qū)動蝸輪使調(diào)距螺桿伸縮實現(xiàn)調(diào)距功能，具有結(jié)構(gòu)簡單，動作可靠等特點，但工作強度大[7]；與手動調(diào)距不同，電動調(diào)距裝置采用可雙向轉(zhuǎn)動電機和減速器取代傳統(tǒng)手動調(diào)距裝置的手輪，具有工作強度小、運行可靠等優(yōu)勢，但其結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜，系統(tǒng)穩(wěn)定性不足[8]。液壓裝置通過使用液壓動力機構(gòu)進行工作，具有布置緊湊、平穩(wěn)傳動且適用性高等優(yōu)點[9]。相比于傳統(tǒng)調(diào)距技術(shù)，液壓調(diào)距通過使用液壓桿代替螺桿，取代傳統(tǒng)調(diào)距裝置，可有效提高橡膠開煉機開煉精度和效率，減輕勞動者工作強度，保證操作的連續(xù)性和安全性。基于此，本文提出一種基于液壓調(diào)距離的橡膠開煉機，代替?zhèn)鹘y(tǒng)調(diào)距裝置實現(xiàn)自動調(diào)距，適用于不同規(guī)格橡膠開煉機。

1 橡膠開煉機工作原理

橡膠開煉機通過兩個速度不同的輥筒旋轉(zhuǎn)，使堆積在其上的膠料通過輥筒表面的摩擦和黏附進入輥隙[10-11]，膠料在通過輥筒的楔形斷面時，通過擠壓和剪切作用，橡膠分子鏈氧化斷裂，增加膠料的可塑度，一段時間后，材料在輥筒橫壓力的作用下發(fā)生塑化，多次往復(fù)，從而達到煉膠的目的[8]。橡膠開煉機工作原理如圖1所示。

圖1 橡膠開煉機工作原理

為確定液壓系統(tǒng)工作壓力，需對輥筒橫壓力進行計算，得到系統(tǒng)工作壓力。開煉機輥筒單位橫壓力計算如下：

式(1)中，為單位橫壓力（MPa）；為膠料粘度（Pa·s）；為輥筒線速度（cm/s）；為輥筒半徑（cm）；為輥筒工作部分長度（cm）；為輥距（cm）；為供膠厚度（cm）。橫壓力影響因素較多，理論計算僅作為參考標準，實際選取橫壓力大小一般根據(jù)所選開煉機型號采用實際測量及經(jīng)驗數(shù)據(jù)來確定，選取單位橫壓力為50MPa。

依據(jù)液壓油壓力和力轉(zhuǎn)換關(guān)系，計算液壓系統(tǒng)所需工作壓力公式如下：

式(2)中，為液壓缸無桿腔面積（m2）；為液壓系統(tǒng)工作壓力（Pa）。

2 液壓調(diào)距系統(tǒng)

2.1 液壓調(diào)距工作原理及過程

橡膠開煉機液壓調(diào)距系統(tǒng)原理如圖2所示。工作時，液壓系統(tǒng)由定量泵和蓄能器一起供油，實現(xiàn)液壓桿的伸縮進而達到調(diào)整輥距目的；當系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可通過手動液壓泵供油，實現(xiàn)液壓桿快速退回。

圖2 液壓調(diào)距系統(tǒng)工作原理

注：1-過濾器，2-定量泵，3-馬達，4-單向閥，5-流量計，6-先導(dǎo)式溢流閥，7-直動式溢流閥，8-常閉式換向閥，9-可變節(jié)流閥，10-壓力計，11-蓄能器，12-分流器，13-電磁換向閥，14-液壓鎖緊回路，15-液壓缸，16-液位計，17-溫度計，18-手動液壓泵，19-油箱。

液壓系統(tǒng)開始工作，進入空載狀態(tài)。此時啟動液壓馬達3，定量泵2開始吸油，常閉式換向閥8.1得電，壓力油通過過濾器1、單向閥4.1、流量計5、可變節(jié)流閥9、常閉式換向閥8.1，最后流回油箱19。在此過程中，壓力表10.1示數(shù)為0，定量泵2通過常閉式換向閥8完成卸荷。

系統(tǒng)工作一段時間，定量泵2和馬達3工作到正常狀態(tài)，系統(tǒng)運行平穩(wěn)。常閉式換向閥8.1不得電，電磁換向閥13.1和13.2處于“0”機位，此時蓄能器開始充能。

蓄能器充能完畢，系統(tǒng)整體壓力達到穩(wěn)定閾值，此時系統(tǒng)可實現(xiàn)調(diào)距功能。電磁換向閥13.1和13.2得電，壓力油經(jīng)過分流器流入工作系統(tǒng)，通過分流器的作用，保證兩液壓缸同步伸出，電磁換向閥13.1和13.2通過控制閥芯開口大小改變系統(tǒng)流量，進而改變液壓缸缸內(nèi)壓力，以調(diào)整液壓缸15.1和15.2中液壓桿的位置。液壓桿到達既定位置，電磁換向閥13.1和13.2切換到M型中位，定量泵2完成卸荷，液壓缸通過液壓鎖緊回路14確保液壓缸位置保持不變。當輥筒由于巨大橫壓力作用和液壓缸漏油情況下發(fā)生移動，根據(jù)液壓缸15.1和15.2的移動信號控制電磁換向閥 13.1和13.2的信號，對液壓缸15.1和15.2的位移進行調(diào)整，使液壓桿回到既定位置，保證煉膠性能。

橡膠開煉機完成既定工作，輥筒需分離來增大輥距，此時液壓桿退回。通過給定信號，電磁換向閥13.1和13.2切換到右位，液壓油進入有缸腔，實現(xiàn)液壓桿的退回。

當橡膠開煉機發(fā)生故障，液壓桿需急速退回時，常閉式換向閥8.2和8.3得電，通過手動泵吸油，實現(xiàn)液壓桿的急速退回。

2.2 主要參數(shù)計算

液壓系統(tǒng)中，壓力和流量作為主要參數(shù)，是確定常用液壓元件、液壓輔助元件和液壓馬達規(guī)格型號的依據(jù)[12]。液壓系統(tǒng)工作壓力根據(jù)載荷大小和設(shè)備種類來定，初選此系統(tǒng)的工作壓力為20MPa[13]。根據(jù)所選用的調(diào)距缸活塞面積和液壓桿伸縮速度，取最大速度為2.5m/s，活塞直徑為350mm，求得液壓缸最大流量為

式(3)中，為液壓缸有效面積（m2），max為液壓缸最大速度（m/s）。因考慮系統(tǒng)泄露等因素，將系統(tǒng)流量擴大30%，取max=18.75L/min。

3 工況仿真分析

基于Automation Studio搭建液壓調(diào)距系統(tǒng)工作原理圖，計算參數(shù)設(shè)置如表1所示，不計油泵啟動時間，對該液壓系統(tǒng)工況特征曲線進行繪制。

3.1 液壓桿位移分析

電磁換向閥13.1和13.2得電，液壓油進入液壓缸無桿側(cè)，液壓桿到達指定位置后換向閥切換至M型中位；當電磁換向閥13.1和13.2右位得電，液壓油進入液壓缸有桿側(cè)，液壓桿伸縮位移和伸縮速度如圖3和圖4所示。

圖3 液壓桿伸縮位移

圖4 液壓桿伸縮速度

由液壓桿伸縮位移和伸縮速度可知，系統(tǒng)開始進行工作，液壓泵吸油，液壓油分別進入液壓缸有桿腔和無桿腔，實現(xiàn)液壓桿伸縮。此過程中液壓桿伸縮速度出現(xiàn)短暫波動后穩(wěn)定，液壓桿速度保持不變，實現(xiàn)平穩(wěn)伸出和收縮。結(jié)果表明，此系統(tǒng)能夠保證液壓桿伸縮穩(wěn)定，滿足調(diào)距系統(tǒng)的要求。

3.2 活塞側(cè)壓力分析

當電磁換向閥13.1和13.2得電，壓力油進入液壓缸無桿側(cè)，此時液壓缸無桿側(cè)壓力上升，當電磁換向閥右位得電，液壓油進入液壓缸有桿側(cè)，液壓缸活塞側(cè)壓力如圖5所示。

由圖5可知，液壓系統(tǒng)開始工作時，液壓缸活塞側(cè)壓力上升，液壓桿伸出，當液壓桿位置達到極限值后，液壓缸無桿腔內(nèi)壓力迅速上升后趨于穩(wěn)定，液壓桿位置保持不變，當液壓桿退回時，活塞側(cè)壓力下降到一定值后趨于穩(wěn)定。

3.3 快速退回位移

當系統(tǒng)發(fā)生故障時，換向閥8.2和8.3得電，通過手動泵將液壓油吸入有桿腔，液壓桿快速退回，其位移如圖6所示。

由圖可知，當設(shè)備故障緊急停車后，通過手動泵吸油，可實現(xiàn)液壓桿的快速退回，對比圖3分析，此過程液壓桿退回速度高于電磁換向閥位于右位時速度，可極大程度保證操作人員人身安全。

圖5 液壓缸活塞側(cè)壓力

圖6 液壓桿快速退回位移

4 結(jié)論

對現(xiàn)有橡膠開煉機調(diào)距裝置研究，提出了一種橡膠開煉機液壓調(diào)距系統(tǒng)，基于Automation Studio軟件繪制液壓調(diào)距系統(tǒng)原理圖，并進行仿真分析。通過分析液壓缸伸縮位移、伸縮速度和液壓缸活塞側(cè)壓力，表明該系統(tǒng)可實現(xiàn)液壓桿的平穩(wěn)伸縮，符合橡膠開煉機調(diào)距裝置需求，并可減少操作人員的工作強度。通過分析系統(tǒng)故障液壓桿快速退回位移，表明該系統(tǒng)可實現(xiàn)發(fā)生故障時的快速退回，很大程度上保證了操作人員安全，證明了該系統(tǒng)的可行性，為橡膠開煉機液壓調(diào)距系統(tǒng)開發(fā)提供借鑒。

[1] 唐帆，聶衛(wèi)云，路麗珠，等. 橡膠混煉技術(shù)創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用[J]. 橡膠科技，2021, 19(11): 525-533.

[2] 田建德，劉保權(quán)，馬美琴. 我國橡膠機械工業(yè)的現(xiàn)狀?機遇及對策[J]. 橡塑技術(shù)與裝備，2015, 41(13): 28-29.

[3] ZENG X K, WANG D, AN S, et al. Experimental research on the influence of the open mill mixing process technological parameters on the mixing quality[C]//Key Engineering Materials, Trans Tech Publications Ltd, 2013, 561: 400-404.

[4]賈慧青，翟月勤，笪敏峰. 開煉機混煉程序?qū)Ρ╇?丁二烯硫化膠性能的影響[J].合成材料老化與應(yīng)用，2017, 46(05): 65-67, 79.

[5] 曾憲奎，宋國宗，汪傳生，等. 開煉機混煉工藝參數(shù)對天然橡膠性能的影響[J]. 合成橡膠工業(yè)，2014, 37(06): 418-422.

[6] BIAN H G TIAN X L,PAN YI R, et al. The numerical and experimental research of impacts that shearing action and stretching action of open mill mixing have on rubber mixing properties[J]. Key Engineering Materials, 2016, 717: 91-97.

[7] 柴建. 開煉機液壓調(diào)距系統(tǒng)設(shè)計與控制研究[D]. 蘭州：蘭州交通大學，2015.

[8] 顏建龍，陸永高，張曉琳，等. 半鋼二次法成型機箱體式主機扣圈盤調(diào)距裝置的設(shè)計[J]. 橡塑技術(shù)與裝備，2019, 45(06): 55-58.

[9] 梁鉆元. 液壓機械傳動控制系統(tǒng)在機械設(shè)計及制造中的應(yīng)用[J]. 南方農(nóng)機，2022, 53(20): 159-161.

[10] 徐秀麗，歐陽亮. 液壓式開煉機液壓系統(tǒng)設(shè)計與研究[J]. 機械工程師，2016(08): 196-197.

[11] 蔣勝男，余堯，崔凱文，等. 恒黏天然橡膠/白炭黑復(fù)合材料的制備及性能[J]. 彈性體，2022, 32(05): 41-48.

[12] 秦泗吉，李學洋，潘自給，等. 壓邊力控制技術(shù)研究現(xiàn)狀[J]. 塑性工程學報，2022, 29(10): 1-11.

[13] 陳英龍，郝新娟，宋甫俊，等. 低溫環(huán)境下液壓元件及系統(tǒng)研究綜述[J]. 機床與液壓，2022, 50(13): 174-180.

Design and simulation of hydraulic spacing system for rubber open mill based on Automation Studio

FU Xin-jie1，YANG Ming1，HU Feng-shi1，LIU Ye1，ZHANG Hai-long2，HU Qing-ming1＊，MA Hong-liang3

(1.School of Mechanical and Electronic Engineering, Qiqihar University, Heilongjiang Qiqihar 161006, China; 2.Heilongjiang Agricultural Machinery Engineering Science Research Institute, Heilongjiang Qiqihar 161003, China; 3.Qiqihar Heavy CNC Equipment Co., Ltd., Heilongjiang Qiqihar 161003, China)

Aiming at the problems of large working stroke, poor reliability and low safety of the existing mechanical rubber open mill, a hydraulic spacing system of the rubber open mill was designed. The system promoted the hydraulic rod through the hydraulic pump, and adjusted the size and direction of each valve opening with the given signal to realize the change of flow direction and speed. The distance could be tuned by adjusting the displacement and velocity of the hydraulic rod. The Automation Studio simulation software is applied to build the simulation model of the hydraulic spacing system, and the curve of the hydraulic cylinder side pressure and hydraulic rod displacement with time is obtained, indicating that the system could replace the traditional distance control device, and realize distance adjustment and ensured the safety of the operator.

rubber open mill；distance adjusting device；hydraulic system；Automation Studio

TQ330.4+3

A

1007-984X(2023)03-0055-04

2023-02-27

齊齊哈爾大學研究生創(chuàng)新科研項目（YJSCX2021084）；齊齊哈爾大學學位與研究生教育教學改革研究項目（JGXM＿QUG＿2021007）；黑龍江省省屬本科高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費科研項目（145209402）；中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項項目（SBZY2021E043）

付昕杰（1999-），男，山西臨汾人，碩士在讀，主要從事液壓傳動相關(guān)技術(shù)應(yīng)用研究，1059145742@qq.com。

胡清明（1985-），男，江西遂川人，副教授，博士，主要從事現(xiàn)代機械傳動系統(tǒng)設(shè)計與仿真研究，huqingming1267@126.com。