基于FluidSIM-H軟件的乳化炸藥灌裝機電液控制系統(tǒng)設計

， (九江學院 機械與材料工程學院， 江西 九江　332005)

引言

乳化炸藥是一種油包水型的新型工業(yè)炸藥，它是安全性能較好的一類乳膠抗水炸藥，自問世以來，由于其優(yōu)良的性能而在我國廣泛應用于礦山及國民經濟基礎建設中，其中一類為用于煤礦井下的許用型乳化炸藥。灌裝機結構與注射器相似，工作時要保證灌裝要求和計量準確性，乳化炸藥灌裝設備是最終完成乳化炸藥生產的重要組成部分，也是長期以來影響和制約乳化炸藥發(fā)展的一個非常重要的因素。FluidSIM-H軟件，是目前較為流行的典型液壓控制仿真軟件之一，為了實現對液壓控制系統(tǒng)的可靠性設計及提高設計效率，本研究闡述了基于FluidSIM-H軟件的乳化炸藥灌裝機電液控制系統(tǒng)設計，并將虛擬仿真成功后的乳化炸藥灌裝機電液控制系統(tǒng)應用到實際生產，取得了良好效果。

1　乳化炸藥灌裝機主機功能

1.1　主要技術參數

灌裝直徑25 mm，灌裝長度100～500 mm，裝藥量精度1%～2.5%，生產能力1500 kg/h。

1.2　主機功能

圖1為主機結構示意圖。SQ1、SQ2、SQ3、SQ4等為四個位置檢測開關，分別檢測送料缸1和灌裝缸9伸縮的行程極限位置。

工作循環(huán)：送料缸伸出送料-灌裝缸伸出灌裝-送料缸縮回-灌裝缸縮回。

工作原理：打開手動進料閥3，將乳化炸藥7從進料口4加入料桶2，后關閉進料閥3。送料缸1伸出將乳化炸藥7從料桶2推入灌裝桶8，灌裝缸9伸出將乳化炸藥7經成型口6灌裝成型，切刀5將一定長度的灌裝乳化炸藥紙卷切斷。灌裝缸9的行程由位置檢測開關SQ3、SQ4限定，通過調節(jié)SQ3、SQ4的安裝位置，可以控制灌裝乳化炸藥的長度及裝藥量，使之滿足計量要求。送料缸1的行程由位置檢測開關SQ1、SQ2限定。同時位置檢測開關SQ1、SQ2、SQ3、SQ4還是自動工作循環(huán)的各工步的切換發(fā)訊元件。為了提高生產效率，在設計時成型口6下方安裝10支套料紙筒，可實現灌裝機一個行程同時灌裝10支藥卷的高速包裝。

2　基于FluidSIM-H軟件的乳化炸藥灌裝機電液控制系統(tǒng)設計

2.1　FluidSIM-H軟件特點

FluidSIM-H是針對液壓系統(tǒng)設計的專業(yè)軟件，其豐富的元件庫包含標準液壓、電氣元件100余種，建模時可以直接拖入使用。該軟件具有CAD繪圖功能、元件連接自查錯功能、虛擬仿真功能，并可實時顯示系統(tǒng)仿真過程中的各物理量值，如液壓缸運動位移、速度等。

2.2　液壓傳動系統(tǒng)設計

為了合理設計和實現乳化炸藥灌裝機所要求的工作循環(huán)，應用FluidSIM 4.2版本的FluidSIM-H軟件設計的液壓傳動系統(tǒng)原理圖如圖2所示。缸1是送料缸，缸9是灌裝缸。電磁換向閥7控制送料缸1的伸縮，1YA通電時伸出送料，2YA通電時縮回。電磁換向閥8控制灌裝缸9的伸縮，3YA通電時伸出灌裝，4YA通電時縮回。節(jié)流閥6控制灌裝缸9的運行速度，減壓閥5起減壓作用，單向閥4對送料缸1起短時保壓作用。先導式溢流閥3起安全閥作用，其遙控口接二位二通電磁換向閥2用于卸載，當5YA通電時，先導式溢流閥3的遙控口通油箱，系統(tǒng)處于卸載工況。

1、9.單伸出桿活塞缸　2.二位二通電磁換向閥　3.先導式溢流閥 4.單向閥　5.減壓閥　6.節(jié)流閥　7、8.三位四通電磁換向閥 10.液壓泵站　11、12.壓力表

液壓系統(tǒng)建模完成后，要根據工作中實際工況設置各液壓元件的壓力流量等相關屬性參數。對于液壓缸還要設置活塞面積及桿直徑大小，同時每個液壓缸上設置標尺，定義一定距離并與位置檢測元件相關聯，以便模擬位置檢測元件的實際安裝位置。

2.3　電控系統(tǒng)設計

電控系統(tǒng)主要是控制驅動泵的電機和各個電磁閥。其中電動機是三相交流異步電動機，控制電源用380 V交流電源，控制電路用簡單的啟停控制即可。電磁閥的控制電路較為復雜，其控制電源為24 V直流電源，根據乳化炸藥灌裝機所要求的工作循環(huán)，結合液壓傳動系統(tǒng)原理圖，應用FluidSIM 4.2版本的FluidSIM-H軟件針對電磁閥設計的電控系統(tǒng)原理圖如圖3所示。圖中元件包括：啟動按鈕SB2，停止開關SA1，卸載開關SA2，四個位置檢測開關SQ1、SQ2、SQ3、SQ4，電磁閥的5個電磁線圈1YA、2YA、3YA、4YA、5YA，中間繼電器K1、K2、K3、K4等。由于電磁換向閥通常只有線圈，沒有觸點，因此設計時引入了4個中間繼電器。

3　電液控制系統(tǒng)仿真及結果分析

在仿真之前設定液壓源壓力， 設定各元件屬性參數，同時添加一個狀態(tài)圖，并在狀態(tài)圖上建立兩液壓缸的狀態(tài)項，以方便在仿真過程中觀察各液壓缸的位置變化及動作順序。參數設定好之后，點擊“Start”開始仿真按鈕，并按下電控系統(tǒng)中的啟動按鈕SB2，就可以直觀看到液壓系統(tǒng)工作時的進回油路及電路中電磁線圈的得失電情況。并得到仿真結果，如圖4為電液控制系統(tǒng)仿真過程圖， 液壓回路中帶箭頭線表示了液流的方向，電路中粗線表示了通電回路及通電線圈。如圖5為液壓缸工作循環(huán)狀態(tài)圖。

圖3　電控系統(tǒng)原理圖

圖4　電液控制系統(tǒng)仿真過程圖

仿真結果分析：從仿真過程中可直接動態(tài)觀察到兩液壓缸動作順序，也可從圖5分析兩液壓缸的活塞位移中得出動作順序為“送料缸伸出-灌裝缸伸出-送料缸縮回-灌裝缸縮回”， 動作順序結果符合設計要求。仿真時通過控制液壓源壓力大小，可觀察到液壓缸輸出力大小的變化，實現工作時對灌裝力的調節(jié)控制。通過改變節(jié)流閥6開度大小，可觀察到灌裝缸運行速度發(fā)生變化，實現了灌裝速度控制調節(jié)目標。通過改變與位置檢測開關SQ1、SQ2、SQ3、SQ4相關聯液壓缸活塞標尺的位置距離定義來模擬位置檢測開關的實際安裝位置，可觀察到液壓缸移動行程范圍的變化，實現了灌裝乳化炸藥的長度及裝藥量控制，使之滿足計量要求。

4　灌裝機樣機性能測試及優(yōu)化

試制樣機， 并進行生產調試及大量產品的性能測試。針對出現的問題，對某些參數及控制量進行優(yōu)化。生產測試時出現粘壁現象， 有時還出現空穴和斷藥現象。究其原因是乳化炸藥黏度大、流動性較差。因此參數優(yōu)化主要是控制壓力閥調定值及節(jié)流閥的開口開度以得到合適的擠壓灌裝力和灌裝速度，很好地輸送藥體；另外減短輸送距離以減少輸送阻力，也對空穴和斷藥現象具有有效控制作用。

圖5　液壓缸工作循環(huán)狀態(tài)圖

優(yōu)化后樣機測試結果表明：生產能力每臺1500～1650 kg/h，操作人員1人；裝藥量精度可達0.9%～2.3%；灌裝無空穴、斷藥情況；外觀包裝整潔美觀、狀態(tài)良好；灌裝合格率可達96%。

5　結論

乳化炸藥灌裝設備是最終完成乳化炸藥生產的重要組成部分，基于FluidSIM-H軟件的乳化炸藥灌裝機電液控制系統(tǒng)設計，能夠虛擬仿真現實系統(tǒng)工況，將仿真成功后的乳化炸藥灌裝機電液控制系統(tǒng)應用到實際生產，系統(tǒng)運行平穩(wěn)，滿足灌裝精度要求，實現了灌裝自動化，取得了良好效果。實踐表明，FluidSIM-H軟件為從事電液控制系統(tǒng)設計研究的工程技術人員提供了一個良好的開發(fā)平臺，在設計的過程中能及時的發(fā)現設計缺陷，節(jié)省設計時間，有效降低設計成本。

參考文獻：

[1]路甬祥.液壓氣動技術手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002.

[2]楊存智.基于FluidSIM Pneumatics軟件的氣動及機電一體化設計[J]. 煤礦機械,2004,(9):63-65.

[3]鄧樸樹，李自光.當前液壓系統(tǒng)仿真技術發(fā)展現狀及趨勢[J]. 機床與液壓，2003,(1) : 20-22.

[4]許志壯.乳化炸藥包裝機[J]. 礦山機械，1992,(7):21-23.

[5]張利平.液壓傳動系統(tǒng)及設計 [M].北京：化學工業(yè)出版社，2005.

[6]李書銀. 乳化炸藥設備安全管理探析[J]. 科學之友，2012,(11):89-90.