魔芋精粉機(jī)軋距調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)及方案設(shè)計(jì)

吳 鎮(zhèn)

（陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000）

魔芋精粉機(jī)是工業(yè)化、成批量干法加工魔芋精粉的主要設(shè)備。其中軋距調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)是魔芋精粉機(jī)正常工作的前提之一。軋距調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)作用是調(diào)整魔芋精粉機(jī)的磨輥間軋距，使慢輥靠近或離開(kāi)快輥，使不同粒徑的魔芋顆粒全部得到粉碎、研磨。軋距調(diào)節(jié)有手動(dòng)調(diào)節(jié)和自動(dòng)調(diào)節(jié)兩種方式，互相配合使用。

1 魔芋精粉機(jī)軋距控制原理

軋距控制是在慢輥軸承座上設(shè)置一個(gè)V型槽，槽內(nèi)連接一個(gè)圓頂，螺紋桿通過(guò)該圓頂中心，螺紋桿另一端連接另一個(gè)圓頂，與定軸承座上的擺臂相鉸接。通過(guò)擺臂的轉(zhuǎn)動(dòng)將慢輥推離或拉進(jìn)快輥。圖1為設(shè)備軋距控制原理示意圖。

圖1 魔芋精粉機(jī)軋距控制原理示意圖

當(dāng)魔芋精粉機(jī)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，兩磨輥間的軋距很小，且軋距必須保持穩(wěn)定，軋距必須以很小的變化量來(lái)調(diào)節(jié)，否則魔芋精粉質(zhì)量無(wú)法得到保證。魔芋精粉機(jī)磨輥合軋前，磨輥是分開(kāi)的且間距很大，當(dāng)喂料機(jī)構(gòu)傳感器檢測(cè)到有物料進(jìn)入時(shí)，磨輥應(yīng)立即合軋。故軋距控制必須有一套快速調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，因此要設(shè)計(jì)快速粗調(diào)和慢速微調(diào)軋距系統(tǒng)。

2 魔芋精粉機(jī)軋距調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)

2.1 手動(dòng)調(diào)節(jié)軋距控制系統(tǒng)

手動(dòng)調(diào)節(jié)軋距控制系統(tǒng)是依靠手輪轉(zhuǎn)動(dòng)，類(lèi)似絲杠螺母原理推動(dòng)轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)臂連接連桿，連桿拉動(dòng)擺臂使得慢輥軸承座向快輥軸承座靠攏或分開(kāi)，如圖2所示。魔芋精粉機(jī)在工作時(shí)磨輥間軋距必須恒定，因此在設(shè)計(jì)手動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的手輪上螺紋時(shí)，必須滿(mǎn)足一定自鎖條件。魔芋精粉機(jī)在工作中常常存在振動(dòng)，因此在手輪桿上設(shè)置鎖緊桿，采用同心但直徑不同的螺紋進(jìn)行鎖緊，避免發(fā)生共振而導(dǎo)致軋距恒定的失效。

圖2 手動(dòng)調(diào)節(jié)軋距控制系統(tǒng)

2.2 自動(dòng)調(diào)節(jié)軋距控制系統(tǒng)

目前，軋距的自動(dòng)控制系統(tǒng)有：氣動(dòng)控制和電動(dòng)控制。氣動(dòng)控制是由氣缸，氣動(dòng)回路，PLC控制裝置，控制面板等組成。如圖3所示，在調(diào)節(jié)軋距時(shí)，氣缸桿伸出推動(dòng)氣缸推桿發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，與氣缸推桿連接在一起的轉(zhuǎn)臂發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，可以達(dá)到快速調(diào)節(jié)軋距目的。

圖3 氣動(dòng)調(diào)節(jié)軋距控制系統(tǒng)

氣動(dòng)控制：通過(guò)氣缸驅(qū)動(dòng)魔芋精粉機(jī)的磨輥靠近或分開(kāi)，氣缸推桿推動(dòng)，氣缸的動(dòng)作指令是由喂料系統(tǒng)中的傳感器向氣動(dòng)控制閥發(fā)出。當(dāng)進(jìn)料量到達(dá)一定程度后，控制閥動(dòng)作，氣缸接通，使慢輥軸承座靠近快輥軸承座，完成粗調(diào)。氣動(dòng)控制能防止磨輥中心距不穩(wěn)定問(wèn)題的發(fā)生，氣缸在停止工作后，氣缸內(nèi)留有的壓縮氣體使得氣缸推桿不能發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，在一定程度上，保證了研磨魔芋精粉時(shí)穩(wěn)定。但是也存在一些缺點(diǎn)：氣缸驅(qū)動(dòng)需要穩(wěn)定干燥的壓縮氣體，當(dāng)多臺(tái)魔芋精粉機(jī)同時(shí)工作時(shí)需要大量壓縮氣體，生產(chǎn)壓縮氣體的時(shí)候會(huì)造成比較大的噪音，氣體在干燥時(shí)需要干燥設(shè)備，油水分離器，氣體在存儲(chǔ)時(shí)還需要壓力容器。

3 軋距調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件組成分析

軋距調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)是由兩個(gè)磨輥、軸承座、手輪、氣動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及軋距鎖緊機(jī)構(gòu)等部件組成，如圖4所示。

手動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算：

兩構(gòu)件通過(guò)面接觸組成的運(yùn)動(dòng)副稱(chēng)為低副，而兩構(gòu)件通過(guò)點(diǎn)、線(xiàn)的形式相接觸組成的運(yùn)動(dòng)副稱(chēng)為高副[1]。手動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖5所示。公式F=3n-（2P1+Ph）[1]中，P1為低副數(shù)量，Ph為高副數(shù)量。該機(jī)構(gòu)共有活動(dòng)構(gòu)件6個(gè)（分別為手輪15、手輪推桿13、連桿12、轉(zhuǎn)臂8、長(zhǎng)螺桿4及慢輥軸承座3）。機(jī)構(gòu)中共有低副7個(gè)（手輪在手輪底座轉(zhuǎn)動(dòng)，手輪在鎖緊螺母轉(zhuǎn)動(dòng)，推桿13轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿兩處轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)臂8轉(zhuǎn)動(dòng)，慢輥軸承座轉(zhuǎn)動(dòng)3）,高副3個(gè)（分別為手輪鎖緊螺母在推桿里滑動(dòng)，活動(dòng)V型塊和固定V型塊在滑槽里滑動(dòng)）。可得自由度為1，F(xiàn)a>0,且與原動(dòng)件相等，即手動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)。

圖5 手動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

氣動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算：

氣動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖6所示。該機(jī)構(gòu)共有活動(dòng)構(gòu)件7個(gè)（氣缸1、氣缸臂、氣缸推桿16、連桿12、轉(zhuǎn)臂8、長(zhǎng)螺桿4及慢輥軸承座3）。機(jī)構(gòu)中共有低副8個(gè)（氣缸繞連接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，氣缸臂移動(dòng)，推桿16轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿兩處轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)臂8轉(zhuǎn)動(dòng)，慢輥軸承座轉(zhuǎn)動(dòng)3），高副3個(gè)（手輪鎖緊螺母在推桿里滑動(dòng)，活動(dòng)V型塊和固定V型塊在滑槽里滑動(dòng)），解得自由度為1，F(xiàn)a>0,且與原動(dòng)件相等，即氣動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)。

圖6 氣動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

魔芋精粉機(jī)磨輥的配置方式為復(fù)式平放，優(yōu)點(diǎn)是：物料經(jīng)喂料輥加速后進(jìn)入兩磨輥間研磨，落料能準(zhǔn)確入磨輥間研磨區(qū)，喂料量和研磨效率能輕易提高，物料在落入研磨區(qū)時(shí)流暢，不會(huì)向磨輥外飛濺。

4 軋距調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算

圖7為魔芋精粉機(jī)軋距調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算示意圖，圖中有關(guān)數(shù)據(jù)是通過(guò)分析、研究設(shè)備樣本和參照設(shè)計(jì)手冊(cè)得出的結(jié)果，數(shù)值基本準(zhǔn)確。

圖7 軋距調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算示意圖

長(zhǎng)螺桿7和預(yù)壓碟簧組5用螺栓連接，碟簧的預(yù)壓力用螺母4調(diào)節(jié)，V型塊9用銷(xiāo)釘固定在長(zhǎng)螺桿7上，整個(gè)長(zhǎng)螺桿裝置以圓弧頂尖卡在慢輥軸承座3中的V形槽中。換磨輥時(shí)可以先松螺母4，取下長(zhǎng)螺桿7，然后卸掉兩個(gè)軸承座取下磨輥。快輥軸承座固定不動(dòng)，用螺栓連接在箱體上，長(zhǎng)螺桿拉住慢輥軸承座保持穩(wěn)定。擺動(dòng)V形塊9和鉸接在快輥軸承座上的擺臂8連為一體，繞快輥軸承座10上的銷(xiāo)軸E點(diǎn)擺動(dòng)。合軋時(shí)輥間彈簧受壓，碟簧組受壓，使得軋距能保持衡定，在軋距變動(dòng)時(shí)不至于整個(gè)機(jī)構(gòu)由于剛性連接而發(fā)生破壞。氣動(dòng)松軋時(shí)，氣缸1推動(dòng)推桿16轉(zhuǎn)動(dòng)，松開(kāi)軋偏心軸C使連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)作，慢輥軸承支點(diǎn)在繞偏距心B點(diǎn)向右做微量平動(dòng)。計(jì)算數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 機(jī)構(gòu)作用力和離支點(diǎn)的垂直距離

（1）磨輥合閘：氣缸1的力F21推動(dòng)推桿，帶動(dòng)推桿上的偏心軸帶動(dòng)連桿將慢輥軸承座拉向快輥軸承座作平動(dòng)，這時(shí)需要克服輥間彈簧力S1。

（2）粗調(diào)軋距：旋緊慢輥軸承座偏心B處的螺母,將控制面板上的旋鈕擰至自動(dòng)處，氣缸開(kāi)始動(dòng)作使連桿12帶動(dòng)擺臂8轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)擺動(dòng)V形塊9向左移動(dòng)，帶動(dòng)拉緊桿和活動(dòng)V型塊向左移動(dòng)，使慢輥軸承座3繞B點(diǎn)擺動(dòng)向快輥軸承座10靠攏，這時(shí)，整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)需要克服動(dòng)力矩和輥間彈簧力S1產(chǎn)生的力矩。

測(cè)試機(jī)構(gòu)時(shí)軋距按下列數(shù)值調(diào)整[2]：

1 皮，0.6 mm；2 皮，0.3 mm； 心 磨，3～5 皮，0.2mm。

（3）微調(diào)緊軋距：按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)微調(diào)手輪15,轉(zhuǎn)臂13與螺紋桿14連接處設(shè)有線(xiàn)接觸的連接件，在手輪桿14上滑動(dòng)，推動(dòng)13轉(zhuǎn)動(dòng)并保持手輪桿只轉(zhuǎn)動(dòng)不上下移動(dòng)而卡死，通過(guò)擺動(dòng)臂8使長(zhǎng)螺桿桿拉著軸承座3向左運(yùn)動(dòng)，兩頂尖距離變化 （H1-H2），此時(shí)的輥間彈簧彈力S1和預(yù)壓墊圈彈簧組力S2做正功，同樣推動(dòng)慢輥軸承座3繞偏心B點(diǎn)向快輥軸承座10移動(dòng)。設(shè)手輪每轉(zhuǎn)一圈，軋距的變化量約Xmm,螺桿螺距2 mm。

根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖做出運(yùn)動(dòng)分析，手輪每轉(zhuǎn)一圈，由杠桿原理知12桿水平位移為：螺距乘以13桿的垂直距離比13桿短部的垂直距離，垂直距離由表1 可查到，即：X1=（2×49.5）/155=0.638 mm

擺動(dòng)臂8同理，根據(jù)杠桿原理計(jì)算軸承座靠近或分離的距離。即手輪每轉(zhuǎn)使軋距變化約為：

（4）微調(diào)松軋距：按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)手輪15,與緊軋距時(shí)的原理相反，通過(guò)擺動(dòng)臂8使長(zhǎng)螺桿松開(kāi)，輥間彈簧推著動(dòng)軸承座向右運(yùn)動(dòng)，頂尖距離伸長(zhǎng)H1-H2距離，長(zhǎng)螺桿7則需要克服碟簧組力S2和輥間彈簧力S使慢輥軸承座3繞B點(diǎn)向右移動(dòng)，離開(kāi)快輥，使得軋距增大。

（5）磨輥松閘：氣缸桿力F21F21和輥間彈簧力S結(jié)合，使慢輥軸承座3繞B點(diǎn)向右作水平移動(dòng)，離開(kāi)快輥軸承座10。

（6）磨輥合閘：氣缸推力F21在調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)變下最終使慢輥軸承座3以頂尖H2為支點(diǎn)向左作水平移動(dòng),靠近快輥軸承座10。這時(shí)整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)需要克服輥間壓力P和輥間彈簧力S1,對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)受力分析，以H2為支點(diǎn)，力矩的平衡方程為：

（7）微調(diào)緊軋距：手動(dòng)調(diào)緊軋距時(shí)，通過(guò)手輪轉(zhuǎn)動(dòng)，螺桿推力F31通過(guò)杠桿最終轉(zhuǎn)化為成為長(zhǎng)螺桿上的拉力F11,并通過(guò)部件活動(dòng)V型塊的推力使慢輥軸承座3繞偏心B點(diǎn)靠近快輥軸承座，這時(shí)整個(gè)機(jī)構(gòu)需克服P和力S。對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)受力分析，列出力矩平衡方程，以B點(diǎn)為支點(diǎn)：

以E點(diǎn)為支點(diǎn)：

（8）微調(diào)松軋距：手動(dòng)調(diào)節(jié)松軋距時(shí)，螺桿拉力F32通過(guò)杠桿最終轉(zhuǎn)化為成為F12,這時(shí)輥間彈簧力S1做正功使慢輥軸承座3繞B點(diǎn)移動(dòng)離開(kāi)快輥軸承座10,起了使慢輥離開(kāi)快輥的作用，和F11相比是負(fù)值，力矩與力的關(guān)系分別為：

5 結(jié)語(yǔ)

以魔芋精粉機(jī)軋距調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，可得到以下結(jié)論：

（1）魔芋精粉機(jī)軋距調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)有兩種方式，分別為手動(dòng)調(diào)節(jié)和自動(dòng)調(diào)節(jié)方式。

（2）魔芋精粉機(jī)軋距調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)有手動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和氣動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，兩種機(jī)構(gòu)的自由度均為1，具有確定的運(yùn)動(dòng)。

（3）對(duì)魔芋精粉機(jī)軋距調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。