擠壓力對(duì)干法制粒機(jī)擠壓輥運(yùn)行特性分析

李英娜，王曉敏，韓雷，劉志民

(1.石家莊煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司，河北石家莊 050000；2.河北省煤礦機(jī)械技術(shù)創(chuàng)新中心，河北石家莊 050000；3.河北工程大學(xué)機(jī)械與裝備工程學(xué)院，河北邯鄲 056038；4.邯鄲工程高級(jí)技工學(xué)校，河北邯鄲 056000)

0 前言

干法制粒是在傳統(tǒng)濕法混合制?；A(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新的造粒工藝。整個(gè)造粒過(guò)程無(wú)需任何中間體和添加劑，也不需后續(xù)加工處理，可有效控制溶解度、孔隙率和比表面積，可以制備濕法制粒工藝比較難做的粉體物料，具有壓縮分布均勻、顆粒穩(wěn)定性和流動(dòng)性好、過(guò)粉碎少、成品率高等優(yōu)點(diǎn)。隨著制粒技術(shù)的不斷發(fā)展，干法制粒機(jī)在食品、塑料、制藥、化工等造粒行業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1-4]。

目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)干法制粒機(jī)主要以德國(guó)Alexanderwerk、美國(guó)Fitzpatrick等公司生產(chǎn)的品牌為主，國(guó)產(chǎn)設(shè)備價(jià)格相對(duì)便宜，但相關(guān)企業(yè)缺乏技術(shù)研發(fā)及創(chuàng)新方面的投入，使得干法制粒機(jī)在成粒質(zhì)量、生產(chǎn)效率、故障率、擠壓輥運(yùn)行穩(wěn)定性等方面與國(guó)外品牌相比尚存一定差距[5]。干法制粒機(jī)主要由上料裝置、螺旋輸送裝置、擠壓裝置、破碎裝置、篩分裝置以及液壓和電控系統(tǒng)組成，其中液壓系統(tǒng)對(duì)干法制粒機(jī)擠壓輥運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性有著重要的影響。文獻(xiàn)[6]針對(duì)干法制粒機(jī)液壓系統(tǒng)減壓回路、恒壓回路、調(diào)速回路等方面進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，其回路設(shè)計(jì)主要采用普通電磁閥控制。文獻(xiàn)[7]針對(duì)干法制粒機(jī)液壓及控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)回路雖然采用了電液比例閥，但尚未形成閉環(huán)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)擠壓輥位置的精準(zhǔn)控制。為此，本文作者在上述研究基礎(chǔ)上，以國(guó)產(chǎn)200型干法制粒機(jī)為例，基于電液比例技術(shù)對(duì)其液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并研究擠壓成型壓力對(duì)擠壓輥運(yùn)行特性影響及其變化規(guī)律。此研究對(duì)于改善國(guó)產(chǎn)干法制粒機(jī)擠壓輥運(yùn)行平穩(wěn)性和可靠性，提高粉體物料成型質(zhì)量和生產(chǎn)效率具有重要意義。

1 基于電液比例技術(shù)的干法制粒機(jī)液壓系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

200型干法制粒機(jī)擠壓輥傳動(dòng)箱(如圖1所示)主要由液壓缸、固定擠壓輥、可動(dòng)擠壓輥和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)組成?，F(xiàn)利用電液比例技術(shù)對(duì)其液壓缸驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)和擠壓輥旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，構(gòu)建電液比例控制系統(tǒng)工作原理如圖2所示，該系統(tǒng)回路主要包括液壓馬達(dá)同步調(diào)速控制回路和液壓缸同步位置控制回路。液壓馬達(dá)同步調(diào)速控制回路由1個(gè)兩位兩通電磁換向閥和2個(gè)電液比例流量控制閥組成，通過(guò)電液比例流量控制閥控制2個(gè)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)兩擠壓輥以相同的速度相向同步轉(zhuǎn)動(dòng)。液壓缸同步位置控制回路由2個(gè)電液伺服比例閥、2個(gè)液壓缸、2個(gè)位移傳感器和2個(gè)比例放大器組成，由位移傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)液壓缸所在位置，通過(guò)比例放大器對(duì)所產(chǎn)生的位移偏差信號(hào)進(jìn)行放大，控制電液伺服比例閥的輸出流量，使得兩液壓缸同步驅(qū)動(dòng)可動(dòng)擠壓輥移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)兩擠壓輥間隙的精準(zhǔn)位置閉環(huán)控制。

圖1 擠壓輥傳動(dòng)箱示意

圖2 電液比例控制系統(tǒng)工作原理

2 擠壓輥豎直方向運(yùn)動(dòng)微分方程

在干法制成型過(guò)程中，密室薄片成型質(zhì)量的好壞與擠壓輥沿豎直方向振動(dòng)有關(guān)。設(shè)擠壓輥質(zhì)量為m，半徑為r，以角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)，平衡狀態(tài)時(shí)所受界面摩擦力為f，方向與擠壓輥轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，并與豎直方向成α角，粉體物料以速度v運(yùn)動(dòng)，其力學(xué)關(guān)系模型如圖3所示。此時(shí)擠壓輥沿豎直方向質(zhì)心運(yùn)動(dòng)微分方程[8-10]為

圖3 擠壓輥豎直顫振力學(xué)模型

(1)

(2)

忽略式(2)的二階及其高階項(xiàng)，可簡(jiǎn)化為

(3)

則式(1)變?yōu)?/p>

(4)

(5)

計(jì)算質(zhì)心位移的通解為

ξω0Y0)/ωd]sinωdt}

(6)

3 擠壓輥運(yùn)行特性仿真分析

3.1 擠壓輥擠壓成型壓力計(jì)算

擠壓輥擠壓成型壓力(即物料對(duì)擠壓輥的水平作用力)是擠壓輥幾何參數(shù)與粉體物料屬性的函數(shù)，研究不同擠壓成型壓力對(duì)擠壓輥運(yùn)行特性影響及其變化規(guī)律，有助于提高干法制粒機(jī)的成型質(zhì)量。擠壓輥成型壓力N[12-14]可用下式進(jìn)行計(jì)算：

N=σ×W×D/2×K

(7)

式中：σ為位置角等于咬入角時(shí)的平均應(yīng)力，MPa；W為擠壓輥寬度，mm；D為擠壓輥直徑，mm；K為成型力系數(shù)。

依據(jù)干法制粒機(jī)實(shí)際造粒工作過(guò)程，沿水平方向?qū)D壓輥施加不同的作用力，設(shè)在兩擠壓輥間隙分別為5、6、7 mm時(shí)，由式(7)計(jì)算擠壓成型壓力分別為62 974、103 872、1 094 208 N，研究此時(shí)擠壓成型壓力對(duì)擠壓輥運(yùn)行工作特性影響及變化規(guī)律。

3.2 機(jī)液聯(lián)合仿真與結(jié)果分析

利用AMESim和ADAMS接口無(wú)縫集成技術(shù)可實(shí)現(xiàn)耦合模型的機(jī)液聯(lián)合仿真[15-17]。為方便分析液壓缸和擠壓輥各參量變化規(guī)律，將AMESim作為仿真主界面，ADAMS作為輔助仿真界面，此時(shí)需要ADAMS軟件接口許可和ADAMS/Control工具箱，而AMESim軟件需要實(shí)時(shí)許可。利用ADAMS軟件構(gòu)建如圖1所示擠壓輥傳動(dòng)系統(tǒng)三維實(shí)體模型，電液比例控制部分在AMESim中建模。在AMESim軟件中導(dǎo)入ADAMS模型，構(gòu)建機(jī)液聯(lián)合仿真模型如圖4所示，按表1設(shè)置主要仿真參數(shù)。

表1 仿真參數(shù)

圖4 機(jī)液聯(lián)合仿真模型

聯(lián)合仿真參數(shù)設(shè)置完成后，進(jìn)入仿真模式，將仿真初始時(shí)間設(shè)置為0 s，結(jié)束時(shí)間設(shè)置為1 s，通信間隔設(shè)置為0.001 s，在AMESim中單擊擠壓輥傳動(dòng)系統(tǒng)便可觀察各參數(shù)曲線變化規(guī)律。改變擠壓輥擠壓成型壓力，使其分別為62 974、103 872、1 094 208 N時(shí)，得到擠壓輥工作特性參數(shù)變化曲線如圖5所示。

圖5 擠壓輥工作特性

從圖5(a)可以看出：隨著擠壓成型壓力的增加，擠壓輥位移特性曲線變化規(guī)律基本一致，即在其平衡位置做等幅微小振動(dòng)，表明擠壓成型壓力對(duì)擠壓輥位移特性的影響可以忽略不計(jì)。從圖5(b)和圖5(c)擠壓輥速度和加速度曲線可以看出：在系統(tǒng)啟動(dòng)瞬間，擠壓輥速度和加速度最大波動(dòng)幅度達(dá)到最大值，當(dāng)擠壓成型壓力為62 974 N時(shí)，最大速度和加速度分別為0.269 m/s和-9 996.4 m/s2；當(dāng)擠壓成型壓力為103 872 N時(shí)，最大速度和加速度分別為-0.136 m/s和-4 588.9 m/s2；當(dāng)擠壓成型壓力為1 094 208 N，最大速度和加速度分別為-0.054 m/s和2 824.3 m/s2；且最大加速度均出現(xiàn)在0.32 s，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，擠壓輥速度和加速度的波動(dòng)幅度逐漸減弱，并趨于平穩(wěn)。上述現(xiàn)象與閥換向時(shí)使得執(zhí)行元件具有一定的沖擊特性理論相一致。同時(shí)也可以看出，擠壓輥速度和加速度的波動(dòng)幅度隨著擠壓成型壓力的增加而明顯減弱，這是由于成型壓力的增大會(huì)使得擠壓輥表面摩擦力增大所致，表明適當(dāng)增大擠壓成型壓力，有利于改善擠壓輥運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。在不同擠壓成型壓力作用下，擠壓輥角速度和角加速度變化特性曲線如圖5(d)和圖5(e)所示。從圖5(d)中可以看出：擠壓輥角速度隨時(shí)間近似呈周期性變化，隨著擠壓成型力的增加，擠壓輥角速度峰值周期性波動(dòng)幅度與變化趨勢(shì)基本一致，且其最大峰值不超過(guò)208.9(°)/s。從圖5(e)可以看出：擠壓輥角加速度隨時(shí)間呈非周期性變化，其峰值出現(xiàn)的時(shí)間與角度速度峰值出現(xiàn)時(shí)間基本一致，隨著擠壓成型力的增加，擠壓輥角加速度峰值波動(dòng)幅度變化無(wú)規(guī)律，但其角加速度最大峰值不超過(guò)1 928.5(°)/s2。表明擠壓成型力對(duì)角加速度的影響更為敏感，且采用電液比例流量閥控制液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)擠壓輥轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)具有較好的平穩(wěn)性。

4 結(jié)論

基于電液比例伺服閥和比例流量控制閥對(duì)干法制粒機(jī)液壓缸驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)和擠壓輥旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，利用AMESim和ADAMS軟件對(duì)擠壓輥工作特性進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明：擠壓輥運(yùn)行特性較為平穩(wěn)，擠壓成型壓力對(duì)位移特性的影響可以忽略不計(jì)；在系統(tǒng)啟動(dòng)瞬間，擠壓輥速度和加速度波動(dòng)峰值達(dá)到最大值；適當(dāng)增大擠壓成型壓力，可有效改善擠壓輥的速度和加速度波動(dòng)特性；擠壓成型壓力對(duì)角加速度的影響要大于對(duì)角速度的影響。