基于電液比例閥的干法輥壓造粒機工作特性研究

王志亮，劉志民，滑利光，呂國蒙，李萬有，張鈞，李學兵，李振，武新林，韓雷

(1.新興鑄管股份有限公司，河北邯鄲 056300;2.河北工程大學機械與裝備工程學院，河北邯鄲 056038)

0 前言

干法輥壓造粒機是直接將干粉物料制成顆粒狀產品的環保型專用機械設備。干粉物料由料倉頂部進料，經螺旋絞龍攪拌均勻，并在其預壓力作用下將物料送入兩擠壓輥入口，隨著兩擠壓輥相對轉動，物料咬入輥隙，并被擠壓成密實薄片。在重力和表面張力作用下，密實片狀物料脫出，再經過破碎、整粒、篩分等操作過程，便可得到0.2～10 mm(或8～80目)規格不等的小顆粒狀物質，從而達到造粒目的。在整個制粒過程，無需添加水、黏接劑或其他輔助添加劑，也不破壞物料的化學性能，對環境無污染，所形成的顆粒產品純度高，故干法輥壓造粒技術廣泛應用于制藥、食品、化工和其他造粒等行業領域。

現有干法輥壓造粒機主要由機械傳動系統和液壓傳動系統組成，通常由機械傳動系統來調節擠壓輥轉速，由液壓傳動系統來控制兩擠壓輥間隙和擠壓力大小。如圖1所示，擠壓輥包括固定擠壓輥1和移動擠壓輥2，且固定擠壓輥1和移動擠壓輥2水平平行安裝在機架上，并要求以同樣速度相向轉動。其中固定擠壓輥1只能轉動，不能往復移動，而移動擠壓輥2在液壓缸3作用下可沿機架上滑軌水平往復移動，以控制和調節擠壓輥間隙和擠壓力大小，以實現不同種性狀粉體物料的擠壓成型。現有干法造粒機液壓系統多采用普通電磁閥控制。當粉體物料受到擠壓后出現黏結，并對擠壓輥產生變化較大的反作用力，使得液壓缸系統壓力出現劇烈波動。此時很難保證兩液壓缸具有準確同步位置，造成擠壓輥出現偏斜和振動，同時受齒輪傳動速度波動影響，嚴重影響了粉體物料成型過程和成型質量。

圖1 擠壓輥結構示意

文獻[6]分析了擠壓輥幾何參數和粉體物料與擠壓輥表面摩擦因數對粉體成型密度分布的影響和變化規律，而有關摩擦因數對擠壓輥工作特性的影響有待研究。為此，本文作者采用電液比例技術對現有干法輥壓造粒機液壓系統進行改造，通過分析擠壓輥咬入角受力平衡方程，驗證了摩擦因數是影響擠壓輥運動特性的主要因素；通過機液聯合仿真，對比分析干法輥壓造粒機改造前和改造后工作特性變化規律。此研究對改善干法輥壓造粒機運動的穩定性和可靠性、提高粉體物料成型質量具有重要研究意義和經濟價值。

1 干法輥壓造粒機液壓系統改造設計

采用電液比例控制技術對現有干法輥壓造粒機液壓系統及擠壓輥傳動系統進行改造設計，建立電液控制系統工作原理如圖2所示。電液控制系統回路主要包括同步調速控制回路和同步位置控制回路。同步調速控制回路由2個比例調速閥和2個液壓馬達構成，通過比例調速閥分別調節和控制進入2個液壓馬達的流量，以實現固定擠壓輥與移動擠壓輥同步轉動。同步位置閉環控制回路主要由2組電液比例方向流量控制閥、位移傳感器、比例放大器和液壓缸等元件組成。由電液比例方向流量控制閥分別控制液壓缸3.1、3.2驅動移動擠壓輥沿機架導軌水平同步移動，經位移傳感器實時檢測兩液壓所在位置，并將其轉換為相應的電信號，與系統所設定的擠壓輥位置間隙信號進行比較。通過比例放大器放大位移偏差信號，自動控制與調節移動擠壓輥與固定擠壓輥之間間隙，進而實現準確的位置閉環控制。

圖2 干法輥壓造粒電液控制系統工作原理

2 粉體物料咬入角受力平衡方程分析

在粉體物料連續擠壓成型過程中，兩擠壓輥給粉體物料所施加的作用力大小相等、方向相反，故在此僅分析其中一個擠壓輥對粉體物料的受力情況。沿擠壓輥工作面選取3個特殊的工作點，即物料入口工作點、咬入角工作點和出口工作點，此3個工作點將粉體物料擠壓成型過程劃分為和兩個工作區域，工作點處的受力情況分別如圖3所示。在不考慮喂料壓力時，令、、三點處所受擠壓輥的支反力分別為、和，其方向沿擠壓輥圓心垂直于擠壓輥接觸點的外法線，所對應的摩擦力分別為、和，其方向均與擠壓輥接觸點的表面相切，且沿擠壓輥相對運動方向。

圖3 擠壓成型受力分析

在工作區域內，擠壓輥表面任一點處所受支反力與摩擦力的合力均沿著軸正向，即此時合力推移粉體物料有反向離開擠壓輥表面的運動趨勢，但受螺旋絞龍向下喂料壓力作用影響，粉體物料仍繼續保持向下運行。在此段區域內，盡管粉體物料受力壓縮變形較大，其相應物料密度也顯著提高，但相對最終成型的密實薄片產品而言密度仍然較小，故粉體物料所受擠壓輥的合力也相對較小。在工作點處，支反力與摩擦力的合力恰好與軸相垂直(即平行于軸)，此時粉體物料將不再有反向離開擠壓輥表面的運動趨勢，從此點處開始壓縮。因此，把過工作點的外法線方向與軸的夾角定義為粉體物料的咬入角。咬入角的大小受粉體物料理化性質影響，粉體物料不同，咬入角的大小也會各不相同。在工作區域內，擠壓輥表面任一點處支反力與摩擦力的合力均沿軸負向，即此時合力將加速推動粉體物料繼續進入兩擠壓輥間隙。當粉體物料運動至點過程中，所受合力將迅速增大，當到達工作點處時，物料瞬間被擠壓成密實薄片，隨著擠壓輥繼續轉動，在重力和表面張力作用下，密實薄片脫離擠壓輥。

咬入角的大小可依據接觸點的力平衡方程來確定，忽略粉體物料重力，設螺旋絞龍給予粉體物料的擠壓力為，沿軸方向列力平衡方程：

2sin--2cos=0

(1)

其中：=，為粉體物料與擠壓輥表面之間的摩擦因數。則有：

(2)

若設為粉體物料的側壓系數，則有=2cos，代入式(2)可得：

tan=+

(3)

為使粉體物料能正常咬入擠壓輥，保證其連續擠壓成型，要求咬入角必須滿足如下條件：

≤arctan(+)

(4)

測壓系數可利用巴爾申提出的粉體物料自然堆積角與側壓系數的關系來計算：

=tan(45°-2)

(5)

當測壓系數保持一定的條件下，咬入角主要由粉體物料與擠壓輥表面的摩擦因數來決定。由此可見，摩擦因數是影響擠壓輥工作特性的主要因素。摩擦因數與粉體物料理化性質、擠壓輥表面粗糙度和材料屬性等多種因素有關。考慮粉體物料自身流動特性，在實際擠壓成型過程中摩擦因數很難準確測量。因此，文中在對比分析摩擦因數對改造前和改造后干法輥壓造粒機工作特性影響變化規律時，參照JONHSON實驗選擇摩擦因數大小，確定擠壓輥與物料接觸面的靜摩擦因數為0.839 1，動摩擦因數分別為0.158 4、0.424 5和0.649 4。

3 工作特性機液聯合仿真分析

3.1 構建機液聯合仿真模型

將AMESim軟件與ADAMS軟件相結合，利用數據接口無縫集成技術，可實現復雜機液耦合模型的聯合仿真。為便于分析電液控制系統各參量變化規律，把AMESim軟件作為主仿真平臺，把ADAMS軟件作為輔助仿真平臺。首先，創建模型輸入和輸出狀態變量，以擠壓輥輸入扭矩torque和2個液壓缸壓力force1、force2為輸入，以擠壓輥角速度palstance和2個液壓缸的位移displacement1、displacement2為輸出。由于液壓缸的壓力隨外負載的變化而變化，故在AMESim模型中添加了力傳感器模塊，將力傳感器模塊測得的數據實時傳遞給ADAMS中的液壓缸模型。其次，利用ADAMS/Control模塊創建ADAMS軟件與AMESim軟件間的數據接口，在模塊窗口欄中分別加載輸入狀態變量和輸出狀態變量；控制選型軟件包中選擇Easy5選項，從菜單中選擇非線性分析類型和C++求解器，即可生成與聯合仿真相關聯的數據文件(“*.inf”、“*.adm”和“*.cmd”)。最后，打開AMESim軟件，利用“Import Adams model”選項加載“*.inf”文件，便可生成數據接口模塊。構建改造前和改造后的干法輥壓造粒機機液聯合仿真模型分別如圖4和圖5所示。

圖4 改造前聯合仿真模型

圖5 改造后聯合仿真模型

3.2 仿真模型參數設置

將數據接口模塊加載到AMESim軟件中后，為實現數據能在兩軟件間實時傳遞，聯合仿真過程采用完全導出模式，設置仿真時間為1 s，步長為0.01 s，其各仿真參數設置如表1所示。

表1 仿真參數設置

3.3 工作特性結果對比分析

保持其他工況相同條件下，現僅改變粉體物料與擠壓輥表面間的動摩擦因數。選擇靜摩擦因數為0.839 1，動摩擦因數分別為0.158 4、0.424 5、0.649 4時，通過聯合仿真，得到改造前和改造后干法輥壓造粒機工作特性參數隨時間變化曲線如圖6所示。

從圖6(a)和圖6(b)可以看出:隨著動摩擦因數的增加，改造前后液壓缸無桿腔壓力隨時間變化趨勢基本類似，即動摩擦因數對液壓缸無桿腔壓力的影響可以不考慮；當液壓缸無桿腔壓力達到額定工作壓力后，與改造前相比，改造后無桿腔壓力波動變化相對更加穩定。由圖6(c)—(h)可以看出：動摩擦因數越大，擠壓輥水平位移、速度和加速度隨時間變化波動性越小，表明動摩擦因數和靜摩擦因數相差越大，即動摩擦因數越小，擠壓輥越不穩定，越容易發生振動；尤其在剛啟動時，擠壓輥水平方向速度和加速度波動變化較大，經0.4 s后波動性開始減小。與改造前相比，改造后擠壓輥水平方向速度和加速度波動得到明顯改善，當摩擦因數為0.649 4時，在0.4 s后，擠壓輥速度峰峰值由0.116 1 m/s降為0.030 2 m/s，加速度峰峰值由8 039.5 m/s降為1 870.4 m/s。

圖6 工作特性參數仿真結果對比

從圖6(i)—(l)可以看出:改造前后擠壓輥角速度和角加速度隨時間變化出現隨機性的波動，動摩擦因數越小，擠壓輥角速度和角加速度波動性越顯著，相應峰峰值均急劇增大。在動摩擦因數為0.158 4時，改造前擠壓輥的角速度峰峰值達到1 777.3 (°)/s，角加速度峰峰值達到6.221×10(°)/s;而改造后擠壓輥的角速度峰峰值降為217.4 (°)/s，角加速度峰峰值降為2 667.2 (°)/s，表明改造后的干法輥壓造粒機擠壓輥運動更加平穩。當摩擦因數為0.649 4時，改造前擠壓輥的角速度峰峰值達到295.6 (°)/s，角加速度峰峰值達到5.311×10(°)/s；而改造后擠壓輥的角速度峰峰值變為106.5 (°)/s，角加速度峰峰值變為527.4 (°)/s，改造前和改造后擠壓輥角速度和角加速度波動性幅度均明顯減弱，表明增大動摩擦系統有利于提高擠壓輥傳動的平穩性。

4 結論

(1)當測壓系數保持一定的條件下，咬入角大小主要取決于粉體物料與擠壓輥表面的摩擦因數，即摩擦因數是影響擠壓輥工作特性的主要因素。

(2)增大粉體物料與擠壓輥表面的動摩擦因數有利于改善干法輥壓造粒機傳動的平穩性。

(3)采用電液比例技術控制的干法輥壓造粒機，其液壓缸無桿腔壓力，擠壓輥位移、速度、加速度、角速度、角加速度等曲線隨時間變化更加平穩，此時更有利于提高粉體物料擠壓成型質量。