基于电液比例阀的干法辊压造粒机工作特性研究

王志亮，刘志民，滑利光，吕国蒙，李万有，张钧，李学兵，李振，武新林，韩雷

(1.新兴铸管股份有限公司，河北邯郸 056300;2.河北工程大学机械与装备工程学院，河北邯郸 056038)

0 前言

干法辊压造粒机是直接将干粉物料制成颗粒状产品的环保型专用机械设备。干粉物料由料仓顶部进料，经螺旋绞龙搅拌均匀，并在其预压力作用下将物料送入两挤压辊入口，随着两挤压辊相对转动，物料咬入辊隙，并被挤压成密实薄片。在重力和表面张力作用下，密实片状物料脱出，再经过破碎、整粒、筛分等操作过程，便可得到0.2～10 mm(或8～80目)规格不等的小颗粒状物质，从而达到造粒目的。在整个制粒过程，无需添加水、黏接剂或其他辅助添加剂，也不破坏物料的化学性能，对环境无污染，所形成的颗粒产品纯度高，故干法辊压造粒技术广泛应用于制药、食品、化工和其他造粒等行业领域。

现有干法辊压造粒机主要由机械传动系统和液压传动系统组成，通常由机械传动系统来调节挤压辊转速，由液压传动系统来控制两挤压辊间隙和挤压力大小。如图1所示，挤压辊包括固定挤压辊1和移动挤压辊2，且固定挤压辊1和移动挤压辊2水平平行安装在机架上，并要求以同样速度相向转动。其中固定挤压辊1只能转动，不能往复移动，而移动挤压辊2在液压缸3作用下可沿机架上滑轨水平往复移动，以控制和调节挤压辊间隙和挤压力大小，以实现不同种性状粉体物料的挤压成型。现有干法造粒机液压系统多采用普通电磁阀控制。当粉体物料受到挤压后出现黏结，并对挤压辊产生变化较大的反作用力，使得液压缸系统压力出现剧烈波动。此时很难保证两液压缸具有准确同步位置，造成挤压辊出现偏斜和振动，同时受齿轮传动速度波动影响，严重影响了粉体物料成型过程和成型质量。

图1 挤压辊结构示意

文献[6]分析了挤压辊几何参数和粉体物料与挤压辊表面摩擦因数对粉体成型密度分布的影响和变化规律，而有关摩擦因数对挤压辊工作特性的影响有待研究。为此，本文作者采用电液比例技术对现有干法辊压造粒机液压系统进行改造，通过分析挤压辊咬入角受力平衡方程，验证了摩擦因数是影响挤压辊运动特性的主要因素；通过机液联合仿真，对比分析干法辊压造粒机改造前和改造后工作特性变化规律。此研究对改善干法辊压造粒机运动的稳定性和可靠性、提高粉体物料成型质量具有重要研究意义和经济价值。

1 干法辊压造粒机液压系统改造设计

采用电液比例控制技术对现有干法辊压造粒机液压系统及挤压辊传动系统进行改造设计，建立电液控制系统工作原理如图2所示。电液控制系统回路主要包括同步调速控制回路和同步位置控制回路。同步调速控制回路由2个比例调速阀和2个液压马达构成，通过比例调速阀分别调节和控制进入2个液压马达的流量，以实现固定挤压辊与移动挤压辊同步转动。同步位置闭环控制回路主要由2组电液比例方向流量控制阀、位移传感器、比例放大器和液压缸等元件组成。由电液比例方向流量控制阀分别控制液压缸3.1、3.2驱动移动挤压辊沿机架导轨水平同步移动，经位移传感器实时检测两液压所在位置，并将其转换为相应的电信号，与系统所设定的挤压辊位置间隙信号进行比较。通过比例放大器放大位移偏差信号，自动控制与调节移动挤压辊与固定挤压辊之间间隙，进而实现准确的位置闭环控制。

图2 干法辊压造粒电液控制系统工作原理

2 粉体物料咬入角受力平衡方程分析

在粉体物料连续挤压成型过程中，两挤压辊给粉体物料所施加的作用力大小相等、方向相反，故在此仅分析其中一个挤压辊对粉体物料的受力情况。沿挤压辊工作面选取3个特殊的工作点，即物料入口工作点、咬入角工作点和出口工作点，此3个工作点将粉体物料挤压成型过程划分为和两个工作区域，工作点处的受力情况分别如图3所示。在不考虑喂料压力时，令、、三点处所受挤压辊的支反力分别为、和，其方向沿挤压辊圆心垂直于挤压辊接触点的外法线，所对应的摩擦力分别为、和，其方向均与挤压辊接触点的表面相切，且沿挤压辊相对运动方向。

图3 挤压成型受力分析

在工作区域内，挤压辊表面任一点处所受支反力与摩擦力的合力均沿着轴正向，即此时合力推移粉体物料有反向离开挤压辊表面的运动趋势，但受螺旋绞龙向下喂料压力作用影响，粉体物料仍继续保持向下运行。在此段区域内，尽管粉体物料受力压缩变形较大，其相应物料密度也显著提高，但相对最终成型的密实薄片产品而言密度仍然较小，故粉体物料所受挤压辊的合力也相对较小。在工作点处，支反力与摩擦力的合力恰好与轴相垂直(即平行于轴)，此时粉体物料将不再有反向离开挤压辊表面的运动趋势，从此点处开始压缩。因此，把过工作点的外法线方向与轴的夹角定义为粉体物料的咬入角。咬入角的大小受粉体物料理化性质影响，粉体物料不同，咬入角的大小也会各不相同。在工作区域内，挤压辊表面任一点处支反力与摩擦力的合力均沿轴负向，即此时合力将加速推动粉体物料继续进入两挤压辊间隙。当粉体物料运动至点过程中，所受合力将迅速增大，当到达工作点处时，物料瞬间被挤压成密实薄片，随着挤压辊继续转动，在重力和表面张力作用下，密实薄片脱离挤压辊。

咬入角的大小可依据接触点的力平衡方程来确定，忽略粉体物料重力，设螺旋绞龙给予粉体物料的挤压力为，沿轴方向列力平衡方程：

2sin--2cos=0

(1)

其中：=，为粉体物料与挤压辊表面之间的摩擦因数。则有：

(2)

若设为粉体物料的侧压系数，则有=2cos，代入式(2)可得：

tan=+

(3)

为使粉体物料能正常咬入挤压辊，保证其连续挤压成型，要求咬入角必须满足如下条件：

≤arctan(+)

(4)

测压系数可利用巴尔申提出的粉体物料自然堆积角与侧压系数的关系来计算：

=tan(45°-2)

(5)

当测压系数保持一定的条件下，咬入角主要由粉体物料与挤压辊表面的摩擦因数来决定。由此可见，摩擦因数是影响挤压辊工作特性的主要因素。摩擦因数与粉体物料理化性质、挤压辊表面粗糙度和材料属性等多种因素有关。考虑粉体物料自身流动特性，在实际挤压成型过程中摩擦因数很难准确测量。因此，文中在对比分析摩擦因数对改造前和改造后干法辊压造粒机工作特性影响变化规律时，参照JONHSON实验选择摩擦因数大小，确定挤压辊与物料接触面的静摩擦因数为0.839 1，动摩擦因数分别为0.158 4、0.424 5和0.649 4。

3 工作特性机液联合仿真分析

3.1 构建机液联合仿真模型

将AMESim软件与ADAMS软件相结合，利用数据接口无缝集成技术，可实现复杂机液耦合模型的联合仿真。为便于分析电液控制系统各参量变化规律，把AMESim软件作为主仿真平台，把ADAMS软件作为辅助仿真平台。首先，创建模型输入和输出状态变量，以挤压辊输入扭矩torque和2个液压缸压力force1、force2为输入，以挤压辊角速度palstance和2个液压缸的位移displacement1、displacement2为输出。由于液压缸的压力随外负载的变化而变化，故在AMESim模型中添加了力传感器模块，将力传感器模块测得的数据实时传递给ADAMS中的液压缸模型。其次，利用ADAMS/Control模块创建ADAMS软件与AMESim软件间的数据接口，在模块窗口栏中分别加载输入状态变量和输出状态变量；控制选型软件包中选择Easy5选项，从菜单中选择非线性分析类型和C++求解器，即可生成与联合仿真相关联的数据文件(“*.inf”、“*.adm”和“*.cmd”)。最后，打开AMESim软件，利用“Import Adams model”选项加载“*.inf”文件，便可生成数据接口模块。构建改造前和改造后的干法辊压造粒机机液联合仿真模型分别如图4和图5所示。

图4 改造前联合仿真模型

图5 改造后联合仿真模型

3.2 仿真模型参数设置

将数据接口模块加载到AMESim软件中后，为实现数据能在两软件间实时传递，联合仿真过程采用完全导出模式，设置仿真时间为1 s，步长为0.01 s，其各仿真参数设置如表1所示。

表1 仿真参数设置

3.3 工作特性结果对比分析

保持其他工况相同条件下，现仅改变粉体物料与挤压辊表面间的动摩擦因数。选择静摩擦因数为0.839 1，动摩擦因数分别为0.158 4、0.424 5、0.649 4时，通过联合仿真，得到改造前和改造后干法辊压造粒机工作特性参数随时间变化曲线如图6所示。

从图6(a)和图6(b)可以看出:随着动摩擦因数的增加，改造前后液压缸无杆腔压力随时间变化趋势基本类似，即动摩擦因数对液压缸无杆腔压力的影响可以不考虑；当液压缸无杆腔压力达到额定工作压力后，与改造前相比，改造后无杆腔压力波动变化相对更加稳定。由图6(c)—(h)可以看出：动摩擦因数越大，挤压辊水平位移、速度和加速度随时间变化波动性越小，表明动摩擦因数和静摩擦因数相差越大，即动摩擦因数越小，挤压辊越不稳定，越容易发生振动；尤其在刚启动时，挤压辊水平方向速度和加速度波动变化较大，经0.4 s后波动性开始减小。与改造前相比，改造后挤压辊水平方向速度和加速度波动得到明显改善，当摩擦因数为0.649 4时，在0.4 s后，挤压辊速度峰峰值由0.116 1 m/s降为0.030 2 m/s，加速度峰峰值由8 039.5 m/s降为1 870.4 m/s。

图6 工作特性参数仿真结果对比

从图6(i)—(l)可以看出:改造前后挤压辊角速度和角加速度随时间变化出现随机性的波动，动摩擦因数越小，挤压辊角速度和角加速度波动性越显著，相应峰峰值均急剧增大。在动摩擦因数为0.158 4时，改造前挤压辊的角速度峰峰值达到1 777.3 (°)/s，角加速度峰峰值达到6.221×10(°)/s;而改造后挤压辊的角速度峰峰值降为217.4 (°)/s，角加速度峰峰值降为2 667.2 (°)/s，表明改造后的干法辊压造粒机挤压辊运动更加平稳。当摩擦因数为0.649 4时，改造前挤压辊的角速度峰峰值达到295.6 (°)/s，角加速度峰峰值达到5.311×10(°)/s；而改造后挤压辊的角速度峰峰值变为106.5 (°)/s，角加速度峰峰值变为527.4 (°)/s，改造前和改造后挤压辊角速度和角加速度波动性幅度均明显减弱，表明增大动摩擦系统有利于提高挤压辊传动的平稳性。

4 结论

(1)当测压系数保持一定的条件下，咬入角大小主要取决于粉体物料与挤压辊表面的摩擦因数，即摩擦因数是影响挤压辊工作特性的主要因素。

(2)增大粉体物料与挤压辊表面的动摩擦因数有利于改善干法辊压造粒机传动的平稳性。

(3)采用电液比例技术控制的干法辊压造粒机，其液压缸无杆腔压力，挤压辊位移、速度、加速度、角速度、角加速度等曲线随时间变化更加平稳，此时更有利于提高粉体物料挤压成型质量。