顆粒干冰制造機(jī)液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

嚴(yán)東兵，趙海兵，陳水宣，梅麗芳

(廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建廈門 361024)

顆粒干冰制造機(jī)液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

嚴(yán)東兵，趙海兵，陳水宣，梅麗芳

(廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建廈門 361024)

在分析、對(duì)比目前市場(chǎng)上顆粒干冰制造機(jī)液壓控制系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型的基于PLC自動(dòng)控制的顆粒干冰制造機(jī)的液壓控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)PLC對(duì)電比例液壓泵流量、壓縮雪花干冰主油缸行程和電磁節(jié)流膨脹閥充液時(shí)間參數(shù)的聯(lián)合控制，不僅實(shí)現(xiàn)了顆粒干冰的全自動(dòng)可視化生產(chǎn)，而且實(shí)現(xiàn)了顆粒干冰產(chǎn)能的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，從而提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和競(jìng)爭(zhēng)力。

顆粒干冰制造機(jī);液壓控制系統(tǒng);無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)

顆粒干冰制冰機(jī)是一種使用先進(jìn)制冷技術(shù)，是將液態(tài)二氧化碳(CO2)經(jīng)過(guò)節(jié)流膨脹變成雪花狀，再使用壓縮成型技術(shù)，將雪花狀CO2壓緊而形成顆粒狀干冰的機(jī)械裝置。目前，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上存在的顆粒干冰制造機(jī)根據(jù)壓縮傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的不同，主要可分為機(jī)械傳動(dòng)式制冰機(jī)和液壓傳動(dòng)式制冰機(jī)。前者是根據(jù)機(jī)械傳動(dòng)原理，由動(dòng)力裝置推動(dòng)剛性桿壓縮模具內(nèi)雪花狀CO2。由于剛性機(jī)械零部件之間的間隙與干摩擦特性，剛性機(jī)械運(yùn)行時(shí)噪聲大、效率低，且發(fā)熱嚴(yán)重［1］。后者采用液壓油作為傳動(dòng)介質(zhì)，推動(dòng)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，具有工作平穩(wěn)、噪聲小、效率高等優(yōu)點(diǎn)。目前市場(chǎng)上的顆粒干冰制造機(jī)的液壓系統(tǒng)主要采用傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，但其接線復(fù)雜，機(jī)械觸點(diǎn)多，可靠性低，使用壽命短，設(shè)備操作專業(yè)性要求高，自動(dòng)化程度低，且不能根據(jù)實(shí)際需求實(shí)現(xiàn)顆粒干冰產(chǎn)能的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。

因此，設(shè)計(jì)一種新型的基于PLC控制的顆粒干冰制造機(jī)液壓系統(tǒng)成為當(dāng)前值得研究的課題。

1 干冰制造機(jī)結(jié)構(gòu)組成及工作原理

圖1為DIM500顆粒干冰制造機(jī)樣機(jī)圖，它主要由液態(tài)CO2節(jié)流膨脹系統(tǒng)、壓縮雪花狀CO2干冰的壓縮機(jī)構(gòu)和液壓控制系統(tǒng)組成。其中，液壓控制系統(tǒng)由液壓傳動(dòng)系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)組成。

圖1 顆粒干冰制造機(jī)結(jié)構(gòu)

顆粒干冰制造機(jī)的主要功能是將液態(tài)CO2經(jīng)過(guò)節(jié)流膨脹閥變成雪花狀固體CO2(俗稱干冰)后，再通過(guò)壓縮機(jī)構(gòu)將雪花狀的CO2壓縮成餅狀干冰，最后經(jīng)過(guò)模頭擠壓成Ф3～Ф16的條形顆粒干冰。

其中壓縮機(jī)構(gòu)由擠壓模頭、壓縮活塞、壓縮型腔和壓縮主油缸組成，其壓縮機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖1可知DIM500顆粒干冰制造機(jī)樣機(jī)采用2組干冰壓縮機(jī)構(gòu)并列排列，主要有2個(gè)方面的因素:1)液態(tài)CO2經(jīng)過(guò)節(jié)流膨脹閥變成雪花狀固體CO2，充塞壓縮機(jī)構(gòu)需要一定的時(shí)間周期。如當(dāng)壓縮機(jī)構(gòu)I內(nèi)壓縮活塞在伸出將雪花狀干冰擠壓成條形干冰產(chǎn)出以及復(fù)位時(shí)，另一組壓縮機(jī)構(gòu)Ⅱ液態(tài)CO2通過(guò)節(jié)流膨脹閥變成雪花狀干冰，從而避免了單個(gè)壓縮機(jī)構(gòu)壓縮完成后停止等待雪花狀干冰的生產(chǎn)時(shí)間，最大程度地提高了顆粒干冰制造機(jī)的生產(chǎn)效率;2)另外2個(gè)壓縮機(jī)構(gòu)可以根據(jù)不同的生產(chǎn)需要，實(shí)現(xiàn)2種不同直徑大小的條形干冰顆粒同時(shí)生產(chǎn)，避免了因不同干冰顆粒的需求而反復(fù)更換擠壓模頭的工作，不僅提高了顆粒干冰制造的生產(chǎn)效率，而且滿足了不同客戶的需求。

圖2 顆粒干冰制造機(jī)壓縮機(jī)構(gòu)

2 液壓控制系統(tǒng)組成及工作原理

2.1 液壓控制系統(tǒng)的組成

顆粒干冰制造機(jī)液壓控制系統(tǒng)原理如圖3所示。該系統(tǒng)主要由電比例主油泵、單向閥、三位四通電液動(dòng)換向閥、電磁溢流閥、液壓缸(帶緩沖)、壓力傳感器、液壓缸位移傳感器、吸油過(guò)濾器、回油過(guò)濾器(帶旁通和污染警報(bào)功能)、散熱器(帶溫控啟動(dòng)器)、溫度傳感器和液位液溫計(jì)及管路等附件組成。

顆粒干冰制造機(jī)液壓控制系統(tǒng)的吸油回路和回油回路采用80 μm和10 μm來(lái)保證系統(tǒng)液壓油的清潔度。其中吸油過(guò)濾器采用傳統(tǒng)的內(nèi)置濾網(wǎng)型，簡(jiǎn)化了液壓油箱的設(shè)計(jì);回油過(guò)濾器具有旁通和污染發(fā)訊報(bào)警功能，其旁通功能是避免因污染物堵塞過(guò)濾器造成系統(tǒng)被壓過(guò)大引起的系統(tǒng)誤動(dòng)作、回油過(guò)濾器發(fā)生漏油或破裂等故障，并通過(guò)污染發(fā)訊報(bào)警功能及時(shí)提醒用戶更換或清洗濾芯，延長(zhǎng)了主油泵、控制閥等系統(tǒng)核心元器件的使用壽命，提高了系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)使系統(tǒng)的操作與維護(hù)變得更加直觀和簡(jiǎn)單。另外該液壓控制系統(tǒng)主油缸帶有緩沖設(shè)計(jì)，并結(jié)合M型三位四通電磁換向閥的使用，降低了系統(tǒng)換向沖擊，減少震動(dòng)，減小元器件的發(fā)熱，延長(zhǎng)系統(tǒng)元器件的使用壽命［2-4］。

圖3 顆粒干冰制造機(jī)液壓控制系統(tǒng)原理

2.2 液壓控制系統(tǒng)的工作原理

本文設(shè)計(jì)的顆粒干冰制造機(jī)液壓控制系統(tǒng)是一種電液比例控制的基于PLC控制新型液壓控制系統(tǒng)。與國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品相比，其主要區(qū)別在于該系統(tǒng)采用電比例主油泵和位移傳感器控制壓縮主油缸行程，從而實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)構(gòu)壓縮活塞推出擠壓的無(wú)級(jí)變速的功能。

該系統(tǒng)的基本工作原理如圖3所示。當(dāng)壓縮機(jī)構(gòu)I主油缸處于擠壓階段(即活塞桿伸出階段)時(shí)，位移傳感器檢測(cè)發(fā)訊，電磁溢流閥6(DT1)和電液動(dòng)換向閥7(DT2)得電，主油泵3的高壓油進(jìn)入壓縮油缸活塞腔，驅(qū)動(dòng)壓縮油缸活塞桿伸出。在伸出階段，在保證條形干冰質(zhì)量的前提下并盡可能減少擠壓時(shí)間T1，實(shí)現(xiàn)擠壓活塞的無(wú)級(jí)變速。該液壓控制系統(tǒng)采用Rexroth A11系類電比例主油泵，根據(jù)不同工況需要調(diào)節(jié)主油泵的排量。壓縮機(jī)構(gòu)I在工作過(guò)程中，液態(tài)CO2經(jīng)過(guò)節(jié)流膨脹閥在壓縮型腔Ⅱ中生成雪花狀干冰，當(dāng)壓縮主油缸活塞桿到設(shè)定行程后，電液動(dòng)換向閥7(DT3)得電，壓縮油缸活塞桿復(fù)位(即活塞桿縮回階段);當(dāng)壓縮油缸活塞桿到位后，壓縮機(jī)構(gòu)Ⅱ壓縮油缸開始執(zhí)行與壓縮機(jī)構(gòu)I壓縮油缸相同的擠壓復(fù)位動(dòng)作。為了保證壓縮型腔的清潔，壓縮機(jī)構(gòu)在生產(chǎn)條形干冰之前，需要對(duì)壓縮型腔進(jìn)行3～5次的清洗。其工作原理是在壓縮主油缸I或Ⅱ伸出時(shí)，同時(shí)向壓縮型腔內(nèi)充入CO2氣體，通過(guò)壓縮機(jī)構(gòu)內(nèi)活塞的擠壓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮型腔的清洗。完成壓縮型腔的清潔后，在壓縮主油缸推出前，液態(tài)CO2通過(guò)節(jié)流膨脹閥生產(chǎn)雪花狀干冰后，壓縮機(jī)構(gòu)I和壓縮機(jī)構(gòu)Ⅱ內(nèi)的主油缸進(jìn)行反復(fù)推出和復(fù)位工作，不斷產(chǎn)出條形狀顆粒干冰。

另外，為了提高優(yōu)質(zhì)條狀干冰的產(chǎn)能，必須通過(guò)大量試驗(yàn)匹配液態(tài)CO2的充液時(shí)間與壓縮主油缸的擠壓和復(fù)位時(shí)間，實(shí)際就是通過(guò)調(diào)節(jié)電比例主油泵的排量Vm、壓縮主油缸行程L和電磁節(jié)流膨脹閥開啟時(shí)間T實(shí)現(xiàn)不同直徑大小干冰以及不同產(chǎn)能的需求。

盡管此液壓系統(tǒng)液壓元器件不多，卻能實(shí)現(xiàn)以下功能:

1)通過(guò)電磁節(jié)流膨脹閥開啟時(shí)間T、壓縮主油缸行程L和電比例主油泵的排量Vm的聯(lián)合調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)不同直徑條形干冰產(chǎn)能的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。

2)具有在設(shè)備怠速狀態(tài)下的自動(dòng)卸荷功能，以減少能量消耗和發(fā)熱。

3)采用帶溫控控制的散熱器。當(dāng)系統(tǒng)液壓油溫度不超過(guò)一定溫度時(shí)不啟動(dòng)散熱器馬達(dá)，不僅可以減少系統(tǒng)能量消耗，而且不會(huì)因油溫過(guò)低而使液壓油的運(yùn)動(dòng)粘度過(guò)高，從而影響系統(tǒng)的正常工作。這主要是由于儲(chǔ)罐內(nèi)液態(tài)CO2的屬性(為-30℃)以及液態(tài)CO2在經(jīng)過(guò)節(jié)流膨脹閥形成雪花狀干冰時(shí)，需要吸收大量的熱量。因此在顆粒干冰制造機(jī)工作一段時(shí)間后，壓縮型腔外表面和液態(tài)CO2從儲(chǔ)罐到節(jié)流膨脹閥的管路外表面全部覆蓋一層較厚的雪花，從而極大地降低了設(shè)備的工作環(huán)境溫度［5］。

4)系統(tǒng)的吸油和回油過(guò)濾器都具有污染報(bào)警功能，當(dāng)系統(tǒng)過(guò)濾器堵塞到一定程度時(shí)，會(huì)自動(dòng)提醒用戶更換濾芯或過(guò)濾器。

3 液壓控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 液壓控制系統(tǒng)的動(dòng)力系統(tǒng)比較

國(guó)內(nèi)外顆粒干冰制造機(jī)液壓控制系統(tǒng)的動(dòng)力元件多采用雙聯(lián)齒輪泵或兩段壓力兩段流量的柱塞泵或采用恒功率柱塞泵，而本文設(shè)計(jì)DIM500顆粒干冰制造機(jī)液壓控制系統(tǒng)采用電比例液壓泵，并帶有恒功率和壓力切斷功能。由于顆粒干冰制造機(jī)會(huì)根據(jù)不同客戶需求生產(chǎn)不同直徑大小的條形干冰，為了保證條形干冰質(zhì)量，不同直徑大小的條形干冰擠出的速度和負(fù)載都不同，因此不管是采用大小流量串聯(lián)的雙聯(lián)齒輪泵還是采用兩段壓力和兩段流量的柱塞泵或采用帶有恒功率控制的柱塞泵，在一定程度上都很難滿足不同工況的需求。

采用電比例主油泵不僅可以滿足不同直徑大小的條形干冰生產(chǎn)要求，而且可以通過(guò)PLC控制系統(tǒng)將不同直徑大小干冰不同產(chǎn)量設(shè)定成固定的可以選擇的操作模式，從而實(shí)現(xiàn)不同工況切換的全自動(dòng)生產(chǎn)，操作更加簡(jiǎn)單、方便。

另外，該主油泵上帶有壓力切斷的功能，當(dāng)系統(tǒng)壓力超過(guò)設(shè)定壓力時(shí)，主油泵的流量輸出會(huì)瞬間降低到最小，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的流量卸荷［4，6］。

3.2 液壓控制系統(tǒng)主油缸換向方案的比較

國(guó)內(nèi)外顆粒干冰制造機(jī)液壓控制系統(tǒng)的換向方案主要有以下幾種:

1)采用壓差式壓力繼電器實(shí)現(xiàn)壓縮主油缸8的換向。其工作原理為活塞運(yùn)動(dòng)到一定行程時(shí)，通過(guò)活塞前后2個(gè)型腔內(nèi)的壓差實(shí)現(xiàn)壓力繼電器開關(guān)閉合，發(fā)送信號(hào)實(shí)現(xiàn)電液換向閥7的換向，最終實(shí)現(xiàn)壓縮主油缸8的換向。

2)采用高壓接近開關(guān)檢測(cè)信號(hào)實(shí)現(xiàn)壓縮主油缸的換向。其工作原理是采用裝在壓縮主油缸兩端的電感式高壓接近開關(guān)檢測(cè)壓縮主油缸活塞或通過(guò)油缸內(nèi)部設(shè)計(jì)檢測(cè)其他元件信號(hào)控制電液換向閥換向，從而實(shí)現(xiàn)壓縮主油缸的換向。

3)采用位移傳感器實(shí)現(xiàn)壓縮主油缸的換向。其工作原理是通過(guò)檢測(cè)壓縮主油缸活塞桿的位移實(shí)現(xiàn)控制電液換向閥的換向，從而實(shí)現(xiàn)壓縮主油缸的換向。

由圖2顆粒干冰制造機(jī)壓縮機(jī)構(gòu)可知，壓縮主油缸活塞桿端連接擠壓活塞，通過(guò)壓縮主油缸活塞桿的伸出和復(fù)位實(shí)現(xiàn)擠壓活塞在壓縮型腔中的擠壓和復(fù)位動(dòng)作，因此無(wú)法采用傳統(tǒng)的行程開關(guān)或行程換向閥實(shí)現(xiàn)壓縮主油缸的換向。而不論是采用壓差壓力繼電器還是采用高壓接近開關(guān)都只能實(shí)現(xiàn)壓縮主油缸一個(gè)行程的控制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多個(gè)行程的控制。而通過(guò)位移傳感器可以實(shí)現(xiàn)壓縮主油缸行程的無(wú)級(jí)控制，再結(jié)合對(duì)電比例主油泵和電磁節(jié)流膨脹閥的控制，即可實(shí)現(xiàn)不同干冰產(chǎn)能的調(diào)節(jié)，從而滿足不同工況的需求［7-8］。

3.3 液壓控制系統(tǒng)的控制方案的比較

國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品多采用繼電器、時(shí)間繼電器控制方式，這種控制系統(tǒng)雖然成本較低，但接線復(fù)雜，操作程序繁瑣，自動(dòng)化程度低，對(duì)操作人員的專業(yè)性要求高，且系統(tǒng)的可靠性低。而采用基于PLC的液壓控制系統(tǒng)，可以針對(duì)以上系統(tǒng)的弊端做如下改進(jìn):

1)基于PLC的液壓控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的操作，使設(shè)備的操作更加直觀人性化，降低了對(duì)操作人員的專業(yè)化要求。顆粒干冰制造機(jī)液壓控制系統(tǒng)的操作界面如圖4所示。界面各命令采用觸摸式按鈕，且每個(gè)操作按鈕命令都非常直觀?？偪刂平缑姘讼到y(tǒng)參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊、系統(tǒng)操作控制模塊以及自動(dòng)操作模式的具體操作按鈕。

圖4 液壓控制系統(tǒng)的總控制界面

2)控制系統(tǒng)可以根據(jù)生產(chǎn)需要進(jìn)行自動(dòng)和手動(dòng)2種模式的自由切換。另外，不管是在手動(dòng)模式還是自動(dòng)模式下，均可實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)構(gòu)I和壓縮機(jī)構(gòu)Ⅱ的單獨(dú)工作或連續(xù)工作。

3)為了更好地檢測(cè)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程，不僅對(duì)液壓控制系統(tǒng)多參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，而且操作人員可以隨時(shí)觀測(cè)設(shè)備的實(shí)際工作過(guò)程，如圖5所示。另外，控制系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了故障記錄和故障報(bào)警功能，便于操作人員根據(jù)設(shè)備的具體使用情況進(jìn)行系統(tǒng)的維護(hù)和故障診斷。

圖5 液壓控制系統(tǒng)工作過(guò)程實(shí)時(shí)界面

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于PLC控制的顆粒干冰制造機(jī)的液壓控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)電比例主油泵的排量、壓縮主油缸行程和電磁節(jié)流膨脹閥開啟時(shí)間參數(shù)調(diào)節(jié)，不僅實(shí)現(xiàn)干冰產(chǎn)能的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，而且實(shí)現(xiàn)顆粒干冰生產(chǎn)不同工況的一鍵操作設(shè)計(jì)，極大地簡(jiǎn)化了設(shè)備的操作，滿足了多種不同直徑條形干冰顆粒生產(chǎn)的需求和不同顆粒干冰產(chǎn)能的需求。

［1］劉輝.干冰制造機(jī)液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2007.

［2］周憶，熊瑞平，于今，等.流體傳動(dòng)與控制［M］.西安:西安電子科技出版社，2006.

［3］金成毅，熊瑞平.一種基于PLC控制的石材切割機(jī)的液壓系統(tǒng)［J］.液壓與氣動(dòng)，2012(4):48-50.

［4］吳海榮.基于節(jié)能的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］，液壓與氣動(dòng)，2011(4):31-33.

［5］戰(zhàn)江濤.干冰清洗設(shè)備系統(tǒng)的開發(fā)研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2002.

［6］嚴(yán)東兵，徐紹軍，王群，等.新型氮爆式液壓樁錘設(shè)計(jì)與分析［J］.現(xiàn)代制造工程，2008(12).

［7］李玉琳.液壓元件與系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1991.

［8］關(guān)景泰，溫濟(jì).機(jī)電液控制技術(shù)［M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2003.

(責(zé)任編輯 何杰玲)

Design of Particles of Dry Ice Maker Machine Hydraulic Control System

YAN Dong-bing，ZHAO Hai-bing，Chen Shui-xuan，MEI Li-fang
(College of Mechanical and Automotive Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China)

On the basis of analysis and comparison to various particles of dry ice maker machine hydraulic control systems，a new hydraulic system based on PLC was designed.Its hydraulic control system was applied PLC to control of electric proportional pump flow，main cylinder stroke and solenoid throttle expansion valve filling time，and got automotive manufacturing process and particles of dry ice capacity adjusting in stepless，which also improved production efficiency and competitive strength.

particles of dry ice maker machine;hydraulic control system;stepless adjusting

TH137

A

1674-8425(2014)08-0039-05

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2014.08.009

2014-01-18

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51205336);福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2013J05086)

嚴(yán)東兵(1982—)，男，江蘇鹽城人，碩士，主要從事工程設(shè)備電液控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究。

嚴(yán)東兵，趙海兵，陳水宣，等.顆粒干冰制造機(jī)液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014(8):39-43.

format:YAN Dong-bing，ZHAO Hai-bing，Chen Shui-xuan，et al.Design of Particles of Dry Ice Maker Machine Hydraulic Control System［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(8):39 -43.