橡膠壓塊機機電液系統(tǒng)的分析與改進

武文浩 王嘉琪 韓嘉祥

（燕山大學，秦皇島 066000）

1 研究目的及意義

傳統(tǒng)的合成橡膠壓塊機主要存在壓塊周期長、故障率高、振動大、壓力大、能耗大、泵站復雜、出現(xiàn)狀況后不易維護等問題，且液壓系統(tǒng)控制結構原理過于簡單，沒有散熱節(jié)能與提高功率的裝置，不能顯著提高整個生產線的效益。此外，傳統(tǒng)的橡膠壓塊機并沒有很好地與現(xiàn)代技術相結合。本文對橡膠壓塊機的液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)提出了改進意見，并分析改進后具有的優(yōu)勢，可為未來機械中國智能制造添磚加瓦。

2 研究現(xiàn)狀及背景

液壓機是制品成型生產中應用最廣的設備之一。合成橡膠壓塊機是將稱重后合成橡膠的散狀膠料擠壓成符合要求的幾何形狀膠塊的專用設備，主要由壓塊機機體、垂直推塊液壓缸、水平推塊液壓缸、液壓泵站及電氣控制系統(tǒng)等組成[1]。一般壓塊機利用液壓傳動，可以輸出大的推力或大轉矩，實現(xiàn)低速大噸位運動，具有其他傳動方式不可比擬的優(yōu)點。為了使橡膠成型更加便捷，大大提高生產效率，設計了新型合成橡膠壓塊機。以大慶某石化公司的現(xiàn)有橡膠壓塊機為例，由于合成橡膠壓塊機液壓控制系統(tǒng)原設計存在不合理之處及當時加工制造水平的限制，裝置故障頻出，無用功率消耗過大，維修消耗了大量人力物力，系統(tǒng)運行速度慢，嚴重影響了生產線的長周期連續(xù)運轉和橡膠產品的競爭力，增加了公司運營成本，不符合未來機械大功率、小能耗、節(jié)能環(huán)保的發(fā)展趨勢。

3 原壓塊機及其問題分析

以大慶某石化公司現(xiàn)有的橡膠壓塊機為例，傳統(tǒng)橡膠壓塊機結構如圖1所示。

圖1 原壓塊機簡圖（單位：mm）

橡膠壓塊機開始工作時，油缸8的活塞桿先運動，隨之活動料筒5在其帶動下運動，并對正料筒6。料筒6與落料斗相連，電子秤中的原料到達一定數(shù)量后，將原料落入壓塊機。水平缸8的活塞桿向后運動，帶動活塞桿4運動，封住壓塊機的腔口，隨后垂直缸11的活塞桿運動，并使擠壓頭2上升，在箱中的原料被推上來與上水平氣缸活塞桿一起將原料壓塊成型并保壓。活塞桿8退回，水平缸活塞桿運動到最后位置，垂直油缸11的活塞桿上升，帶動擠壓頭2上升至壓塊機機體3腔口的上平面，使膠塊升到腔口上面，同時水平油缸活8的塞桿前移，上水平氣缸活塞桿4將膠塊推出[1]。

在此結構設計層面，該橡膠壓塊機并沒有很好的潤滑裝置、水冷裝置和輔助散熱裝置，因此在長時間橡膠壓塊機的運行過程中容易出現(xiàn)機器過熱問題，使橡膠融化黏著在機器上造成原料損失，也造成一定程度的機器損壞、老化，降低了功率，輔助散熱液流動性差，熱交換性能差，導致凹槽內下料效率低。此外，該裝置的潤滑油只能手動添加，均勻性差，不利于快速下料。因此，文章針對存在的問題提出了一種改進方案。

4 改進方案

在原有的壓塊機結構上增加沖壓機構、液冷換熱機構和潤滑油分散添加機構。沖壓機構安裝在工作平臺的上方，液冷換熱機構安裝在沖壓機構沖壓段與水箱之間，潤滑油分散添加機構安裝在工作平臺上。

沖壓機構包括安裝在工作平臺側壁的L形架、安裝在L形架水平段且置于沖壓槽正上方的液壓伸縮部、安裝在液壓伸縮部伸縮端的沖壓頭。液冷換熱機構包括對稱設置在工作平臺且延伸至水箱內腔的散熱筒、滑動連接在散熱筒內的活塞、固定連接在活塞頂部且延伸至散熱筒外部的活塞桿以及固定連接在液壓伸縮部伸縮端與活塞桿頂端之間的工字型結構的連接桿。散熱筒的外側壁設置有均勻分布的散熱翅片。潤滑油分散添加機構包括通過支架安裝在工作平臺側壁的儲油箱、連接在儲油箱出油口的出油管、開設在工作平臺頂部的滑槽、滑動連接在滑槽內的U形架、安裝在出油管遠離儲油箱一端的手動閥門以及連接在手動閥門遠離出油管一端的分散管。分散管上設置有均勻分布的分散頭，與U形架固定相連。

此改進順應了未來機械的節(jié)能發(fā)展趨勢，設計的新型橡膠壓塊機結構簡圖如圖2所示（只畫了垂直缸，水平缸與其結構相似不做贅述）。

圖2 新型壓塊機簡圖

在電控系統(tǒng)層面，原有的橡膠壓塊機通常采用如圖3所示的可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。傳統(tǒng)橡膠液壓機通常只用一種傳感器——位移傳感器。此種傳感器將原料的直線運動位移信號轉化為電流信號，具有一定的優(yōu)點。在化工廠中，機器的工作環(huán)境較為惡劣，而直線位移傳感器與工件并不直接接觸，并不會對傳感器造成污染。此外，傳感器不會因為長時間接觸而有所磨損。但是，工廠環(huán)境復雜多變，受濕度、溫度等多因素影響，單單用一個位置傳感器和PLC相配合的電控系統(tǒng)不可靠。因此，在原有的電控系統(tǒng)上添加了溫度傳感器、壓力傳感器和油位傳感器，如圖4所示。

圖3 原PLC電控系統(tǒng)簡圖

圖4 新型PLC電控系統(tǒng)簡圖

改進后的主要電控系統(tǒng)中的PLC，可以選用OMRON公司的CQMIH系列產品，具有高運行速度且內置RS-232端口，可以實現(xiàn)遠程操控且指令功能齊全，適合多種復雜運算，還能適應化工廠復雜惡劣的工作環(huán)境[2]。沿用原有的直線位移傳感器，確保其與工件不直接接觸，以免污染傳感器，也不會因為長時間接觸而有所磨損。在此基礎上增加溫度傳感器、油位傳感器以及壓力傳感器等。例如，溫度傳感器和壓力傳感器將油路溫度變化量和系統(tǒng)壓力變化率轉換為相應的電流輸出給PLC反饋，并通過遠程顯示屏顯現(xiàn)。工作人員可以利用遠程觸摸屏進行操控，修改液壓系統(tǒng)參數(shù)，如液壓放大元件、液壓伺服閥以及比例閥控制器等，實現(xiàn)方便的遠程調節(jié)[3-5]。根據(jù)系統(tǒng)反饋參數(shù)調節(jié)輸入?yún)?shù)增大功率，適應工作環(huán)境要求，使得機械具備方便、穩(wěn)定、快速、節(jié)能以及可靠的優(yōu)點。

實際上，除了PLC控制系統(tǒng)，還可以使用其他嵌入式軟硬件設計電控系統(tǒng)。比如，意法半導體公司的STM32系列芯片，搭配HAL（Hardware Abstraction Layer）庫的程序設計十分高效，憑借其高性能、高性價比，成為國內嵌入式產品市場的主力。STM32CubeMX以圖形化界面簡單直觀地對目標微控制器進行引腳、時鐘、各種外設等初始化配置，并能針對不同的開發(fā)環(huán)境如MDK-ARM、ST32CubeIDE等快速生成開發(fā)項目。HAL庫是意法半導體公司最新推出的硬件抽象固件庫，與STM32CubeMX捆綁發(fā)售。意法半導體公司新推出的產品都是基于HAL庫開發(fā)的，且不再對標準庫進行更新和支持。例如，程序中的位移傳感器可以通過STM32芯片中的數(shù)模轉換模塊，把檢測到的位移信號轉為電流信號輸送給STM32芯片，并可以啟用高級定時器TIM1在定時中斷回調函數(shù)中設置約10 ms一次的定時中斷，最后通過STM32自帶的串口功能將信號遠程輸出到人工控制端口進行人為操控。串口、定時器、數(shù)模轉換模塊還有通用型之輸入輸出（General-Purpose Input Output，GPIO）的程序編寫。設計時，既可以采用原有的庫函數(shù)方法，也可以采用新興的HAL庫配合Cubemx進行。

5 結語

從傳統(tǒng)橡膠壓塊機的結構、電控系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)出發(fā)，提出了一種更加節(jié)能、高效、穩(wěn)定的改進方案。一方面，改進了結構上散熱冷卻和潤滑油分配的問題，使得新型橡膠壓塊機可以達到更加節(jié)能高效的狀態(tài)；另一方面，根據(jù)生產負荷遠程調整壓塊機電控系統(tǒng)，實現(xiàn)了參數(shù)優(yōu)化，達到了新型機械智能制造的方便性、快速性等多維目標，實現(xiàn)了機電液系統(tǒng)一體化的整體最優(yōu)。此外，在液壓系統(tǒng)控制領域設計了一套由差動缸換向閥等組成的控制裝置，改進了原有橡膠壓塊機在安全性和系統(tǒng)穩(wěn)定性方面存在的問題。