吳萬榮，徐春蓉

（中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長沙 410083）

0 引言

活塞式推料離心機(jī)是一種在全速下完成進(jìn)料、分離、濾餅洗滌、甩干和卸料等工序的過濾式離心機(jī)，可實(shí)現(xiàn)自動操作、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。具有效率高、產(chǎn)量高、操作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，目前在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于化工、輕工、制藥、食品等工業(yè)部門[2]。傳統(tǒng)的活塞式離心機(jī)推料機(jī)構(gòu)是通過徑向換向閥桿的移動來控制，高速回轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生不平衡力矩，導(dǎo)致?lián)Q向不靈活、活塞運(yùn)動不正常等現(xiàn)象的發(fā)生。近幾年來，制造商改進(jìn)了活塞式離心機(jī)的推料機(jī)構(gòu)，采用軸向換向滑閥來驅(qū)動活塞的往復(fù)運(yùn)動，避免了不平衡力矩的產(chǎn)生，使運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠[3]。

國內(nèi)外的學(xué)者也對離心機(jī)進(jìn)行了相關(guān)研究。Harald Reinach[4]對物料入口處漏斗方式進(jìn)行了研究。蔣德軍[5]針對離心機(jī)發(fā)生顫抖、瞬間停滯甚至停止推料等現(xiàn)象，對軸向換向滑閥的液壓系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，對內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。李魯濤[6]對離心機(jī)實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的供油故障、振動大、內(nèi)部部件被腐蝕等現(xiàn)象進(jìn)行分析并提出解決方案。陶淵卿[7]對離心機(jī)的軸承失效進(jìn)行分析及改進(jìn)。逄翀[8]采用數(shù)值模擬分析的方法提出了活塞的推料頻率會影響物料的脫水效果，但是缺少對推料頻率的控制方式及影響參數(shù)方面的研究。因此，本文將對軸向換向滑閥的推料機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，運(yùn)用液壓沖擊器的換向原理，實(shí)現(xiàn)活塞式離心機(jī)推料機(jī)構(gòu)的高頻推料控制，并分析研究推料頻率的控制方式及影響因素。

1 行程反饋式活塞推料機(jī)構(gòu)的工作原理

液壓沖擊器換向頻率的控制方式主要分為行程反饋和壓力反饋。行程反饋控制頻率主要是通過改變液壓系統(tǒng)的輸入流量、壓力或者通過增設(shè)多個反饋信號孔，控制各信號孔的開關(guān)來調(diào)節(jié)活塞行程，改變液壓的沖擊頻率[9]。壓力反饋控制頻率是通過計(jì)算機(jī)和壓力傳感器采集油壓與預(yù)設(shè)壓力的大小，改變預(yù)設(shè)壓力來調(diào)節(jié)往復(fù)運(yùn)動的頻率。本設(shè)計(jì)受結(jié)構(gòu)的限制，液壓系統(tǒng)處于一個相對密閉的空間，整個液壓系統(tǒng)在往復(fù)運(yùn)動的同時進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，預(yù)設(shè)壓力的設(shè)定和傳感器的設(shè)定較難實(shí)現(xiàn)，所以采用的是行程反饋的控制方式。

圖1為行程反饋式活塞離心機(jī)推料機(jī)構(gòu)的液壓控制系統(tǒng)原理圖，該系統(tǒng)主要由活塞和換向閥兩部分組成。其原理為高壓油液經(jīng)過換向閥A口或者B口進(jìn)入到活塞的前腔或者后腔驅(qū)動活塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，當(dāng)活塞運(yùn)動至反饋孔時，油液經(jīng)過反饋孔進(jìn)入換向閥的左端或者右端使其換向，活塞前后腔高低壓交替變化推動活塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動。

圖1 液壓控制系統(tǒng)原理圖

2 推料機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型的建立

活塞運(yùn)動過程中，系統(tǒng)油壓受多方面因素的影響，考慮所研究的活塞式推料機(jī)構(gòu)的實(shí)際情況，在建立數(shù)學(xué)模型的過程中，忽略一些次要的因素。所以，提出以下假設(shè)：1）忽略油液的壓縮性、油液黏度和溫度的變化。2）推料機(jī)構(gòu)內(nèi)部所有構(gòu)件都被視為不變形的絕對剛體。3）泵的供油流量恒定。4）忽略油液的質(zhì)量。

圖2 推料機(jī)構(gòu)的計(jì)算模型

1）活塞的力平衡方程：

式中：mp為活塞的質(zhì)量；

Bp為阻尼系數(shù)；

P1為活塞后腔壓力；

P2為活塞前腔壓力；

Xp為活塞的位移；

A1為活塞后腔的受壓面積；

A2為活塞前腔的受壓面積；

F為活塞的負(fù)載。

2）換向閥芯的力平衡方程：

式中：mv為為閥芯的質(zhì)量；

Bv為為阻尼系數(shù)；

PG為為閥芯左端的壓力；

PH為為閥芯右端的壓力；

xv為為閥芯的位移；

A3為為閥芯兩端的油壓面積，左右端油壓面積相等。

3）高壓油流量平衡方程：

式中：Q為為輸入的總流量；

up為活塞的運(yùn)動速度；

uv為閥芯的運(yùn)動速度；

Qg為泄露的油量；

Qe為補(bǔ)償流量。

其中，由于壓力變化引起的油液與進(jìn)油高壓膠管容積發(fā)生變化而產(chǎn)生的補(bǔ)償流量為：

4）泄漏計(jì)算：

式中：Qg為總的泄漏量；

Qg1為活塞的泄漏量；

Qg2為閥的泄漏量。

5）壓差計(jì)算：

（1）狀態(tài)A（活塞向右運(yùn)動，但未越過反饋孔階段）閥進(jìn)口P與活塞后腔P1的壓差：

（2）狀態(tài)B、C階段（活塞越過信號孔并減速）

活塞后腔P1與閥芯右端PH之間的壓差：

（3）閥芯進(jìn)油腔PA與回油腔Pf之間的壓差：

（4）閥進(jìn)口P與活塞前腔（P2）的壓差：

3 推料機(jī)構(gòu)AMESIM仿真模型的建立

在上述的數(shù)學(xué)模型的理論基礎(chǔ)上，建立推料機(jī)構(gòu)的AMESIM仿真模型。根據(jù)實(shí)際情況，為了簡化仿真模型，建模時對推料機(jī)構(gòu)液壓控制系統(tǒng)作了一定的簡化：

1）假定油泵為恒壓源；

2）忽略活塞缸體的彈性變形；

3）忽略推料機(jī)構(gòu)活塞和 換向閥閥芯運(yùn)動時的機(jī)械摩擦阻力；

4）忽略系統(tǒng)的外泄漏；

5）忽略推料機(jī)構(gòu)內(nèi)部通道油液質(zhì)量。

圖3 推料機(jī)構(gòu)液壓控制系統(tǒng)AMESIM模型

推料機(jī)構(gòu)液壓控制系統(tǒng)AMESIM仿真模型如圖3所示，而仿真模型中具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 AMESIM模型中的參數(shù)設(shè)定

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 活塞和閥芯正常工作狀態(tài)下的仿真

在基本參數(shù)的設(shè)定下，流量160L/min時，活塞的位移曲線和閥芯的位移曲線如圖4、圖5所示，此時推料機(jī)構(gòu)能夠正常工作?；钊奈灰魄€是類似三角波形的曲線，換向頻率54Hz，活塞運(yùn)動行程41mm。閥芯的位移曲線由于有結(jié)構(gòu)的限位，所以其位移曲線類似方波形曲線，其換向的頻率與活塞的頻率保持一致。圖5所示，活塞的速度曲線也類似方波形曲線，在沖程和回程期間速度保持恒定。換向閥的速度曲線類似于脈沖曲線，表明換向閥芯切換速度很快，油液瞬間換向流入活塞的另一個腔，使得活塞的速度發(fā)生突變，并進(jìn)行反向運(yùn)動。而本文將從流量、壓力和閥芯的結(jié)構(gòu)參數(shù)等方面來考察其對推料頻率和活塞行程的影響。

圖4 活塞的位移和閥芯的位移曲線

圖5 閥芯和活塞的運(yùn)動速度曲線

4.2 供油流量對頻率和行程的影響

在其他基本參數(shù)不變的情況下，供油流量分別為107L/min，160.5/min，214L/min的仿真結(jié)果如下：

圖6 輸入不同流量時活塞的位移曲線

圖7 輸入不同流量時活塞的速度曲線

表2 輸入不同流量活塞的仿真數(shù)據(jù)

如圖6、圖7可知，活塞的行程隨輸入流量的增大而略有減小，推料頻率隨流量的增加而增加，活塞的速度也隨流量的增加而明顯增大。輸入流量在107～214L/min中變化時，頻率的變化范圍在35～74Hz，達(dá)到了控制推料頻率的目的。因此，可以通過改變輸入流量的大小來改變推料機(jī)構(gòu)的頻率。

4.3 反饋孔的位置對頻率和行程的影響

針對推料機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的AMESIM仿真模型，在流量輸入為160L/min，其他參數(shù)不變的情況下改變反饋孔的位置，分別設(shè)置反饋孔距零位移的距離為16mm，18mm，20mm，得出結(jié)果如圖8所示。

圖8 反饋孔不同位置時活塞的運(yùn)動曲線

如圖8所示，隨著反饋孔位置的改變，活塞的行程和頻率也會受到影響，反饋孔距離零位移的距離越遠(yuǎn)，活塞行程越長，推料頻率越低，但活塞的速度保持一致。因此，可以通過改變反饋孔的位置來調(diào)節(jié)推料頻率。

4.4 節(jié)流孔的大小對頻率和行程的影響

在其他參數(shù)設(shè)定不變的情況下，改變圖9中換向閥左右端節(jié)流孔孔徑的大小，分別設(shè)置孔徑為1mm，0.5mm，0.3mm?；钊奈灰魄€如圖10所示。

圖9 推料機(jī)構(gòu)的液壓控制系統(tǒng)原理圖

圖10 節(jié)流孔孔徑0.3mm/0.5mm/1mm的活塞位移曲線

表3 不同節(jié)流孔孔徑時推料頻率和行程的數(shù)據(jù)記錄

由圖10、表3可知，當(dāng)孔徑在0.1mm～0.5mm之間變化時，推料頻率隨節(jié)流孔的增大而增大，活塞行程受活塞限位的影響，為最大行程50mm。當(dāng)孔徑在0.5mm～2mm之間變化時，推料頻率隨節(jié)流孔的增大而增大，活塞行程隨節(jié)流孔的增大而減小。當(dāng)孔徑在2mm以上變化時，節(jié)流孔的大小不能影響推料頻率和活塞的運(yùn)動行程，表明此時節(jié)流孔不能達(dá)到節(jié)流的目的。因此，改變節(jié)流孔的大小也可以調(diào)節(jié)推料機(jī)構(gòu)的推料頻率。

4.5 閥芯的開口度對頻率和行程的影響

針對推料機(jī)構(gòu)液壓控制系統(tǒng)的AMESIM仿真模型，在流量輸入為160L/min，其他基本參數(shù)不變的情況下，改變閥芯處于右端時的最大開口度，圖11、圖12為不同開口度活塞的位移曲線。

圖11 開口度為1mm/2mm時的活塞位移曲線

圖12 開口度為0.8mm時的活塞位移曲線

如圖1 1、圖1 2 所示，當(dāng)閥芯的最大開口度在1mm～2mm之間時，隨著閥芯開口度的變化，推料頻率和活塞的運(yùn)動行程不變。當(dāng)閥芯開口度小于1mm時，活塞不能正常工作。當(dāng)閥芯開口度在2mm～3mm之間時，推料頻率隨閥芯開口度的增加而減小，活塞的行程不變。但隨著開口度的增大，活塞的沖程回程的速度大小不等。

綜上可知，在基本參數(shù)的設(shè)定下，閥芯開口度的大小影響推料機(jī)構(gòu)的推料頻率。

5 結(jié)語

推料頻率是影響活塞式推料離心機(jī)生產(chǎn)能力和分離性能的重要參數(shù)。經(jīng)過仿真計(jì)算，得到的結(jié)果如下：

1）改變輸入流量的大小可以調(diào)節(jié)推料機(jī)構(gòu)的推料頻率。并且輸入的流量越大，頻率越高。

2）改變反饋孔的位置也可以調(diào)節(jié)推料頻率。反饋孔離零位移越遠(yuǎn)，活塞行程越長，推料頻率越低。

3）在一定范圍內(nèi)改變節(jié)流孔的大小可以調(diào)節(jié)推料機(jī)構(gòu)的推料頻率。節(jié)流孔孔徑在0.1mm～2mm范圍內(nèi)，推料頻率隨節(jié)流孔孔徑的增大而增大。

4）閥芯開口度的大小影響推料機(jī)構(gòu)的推料頻率。