基于Automation Studio的橡膠開煉機液壓調距系統設計與仿真

付昕杰，楊銘，胡逢石，劉燁，張海龍，胡清明，馬洪亮

基于Automation Studio的橡膠開煉機液壓調距系統設計與仿真

付昕杰1，楊銘1，胡逢石1，劉燁1，張海龍2，胡清明1＊，馬洪亮3

（1.齊齊哈爾大學 機電工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2.黑龍江省農業機械工程科學研究院齊齊哈爾分院，黑龍江 齊齊哈爾 161003；3.齊重數控裝備股份有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161003）

針對現有機械式橡膠開煉機存在機構工作行程大、可靠性差、安全性低等問題，設計了一種橡膠開煉機液壓調距系統。該系統通過液壓泵吸油提升油液的壓力推動液壓桿，采用給定信號控制各閥門開口大小和開口方向實現液體的流向和速度改變，從而控制液壓桿的位移和速度以實現調距功能。采用Automation Studio軟件搭建液壓調距系統仿真模型，得到該系統液壓缸側壓力和液壓桿位移隨時間變化曲線，驗證了此系統運行平穩，可代替傳統調距裝置實現調距功能。

橡膠開煉機；調距裝置；液壓系統；Automation Studio

在橡膠加工和生產中，橡膠開煉機用途廣泛，是橡膠生產中重要設備之一[1-2]。開煉機在煉膠過程中，輥距是影響膠料質量的重要因素[3-4]，輥距大小直接影響橡膠制品質量和膠料性能，且膠料性能是否穩定決定了橡膠制品的好壞[5]。調距裝置根據膠料工藝性能要求不同，對輥距進行調整[6]。目前，國內開煉機設備普遍采用的調距裝置形式為手動和電動，其都屬于機械調距。手動調距裝置通過手輪、蝸輪和調距螺桿配合工作，通過手輪驅動蝸輪使調距螺桿伸縮實現調距功能，具有結構簡單，動作可靠等特點，但工作強度大[7]；與手動調距不同，電動調距裝置采用可雙向轉動電機和減速器取代傳統手動調距裝置的手輪，具有工作強度小、運行可靠等優勢，但其結構組成復雜，系統穩定性不足[8]。液壓裝置通過使用液壓動力機構進行工作，具有布置緊湊、平穩傳動且適用性高等優點[9]。相比于傳統調距技術，液壓調距通過使用液壓桿代替螺桿，取代傳統調距裝置，可有效提高橡膠開煉機開煉精度和效率，減輕勞動者工作強度，保證操作的連續性和安全性?；诖?，本文提出一種基于液壓調距離的橡膠開煉機，代替傳統調距裝置實現自動調距，適用于不同規格橡膠開煉機。

1 橡膠開煉機工作原理

橡膠開煉機通過兩個速度不同的輥筒旋轉，使堆積在其上的膠料通過輥筒表面的摩擦和黏附進入輥隙[10-11]，膠料在通過輥筒的楔形斷面時，通過擠壓和剪切作用，橡膠分子鏈氧化斷裂，增加膠料的可塑度，一段時間后，材料在輥筒橫壓力的作用下發生塑化，多次往復，從而達到煉膠的目的[8]。橡膠開煉機工作原理如圖1所示。

圖1 橡膠開煉機工作原理

為確定液壓系統工作壓力，需對輥筒橫壓力進行計算，得到系統工作壓力。開煉機輥筒單位橫壓力計算如下：

式(1)中，為單位橫壓力（MPa）；為膠料粘度（Pa·s）；為輥筒線速度（cm/s）；為輥筒半徑（cm）；為輥筒工作部分長度（cm）；為輥距（cm）；為供膠厚度（cm）。橫壓力影響因素較多，理論計算僅作為參考標準，實際選取橫壓力大小一般根據所選開煉機型號采用實際測量及經驗數據來確定，選取單位橫壓力為50MPa。

依據液壓油壓力和力轉換關系，計算液壓系統所需工作壓力公式如下：

式(2)中，為液壓缸無桿腔面積（m2）；為液壓系統工作壓力（Pa）。

2 液壓調距系統

2.1 液壓調距工作原理及過程

橡膠開煉機液壓調距系統原理如圖2所示。工作時，液壓系統由定量泵和蓄能器一起供油，實現液壓桿的伸縮進而達到調整輥距目的；當系統出現故障，可通過手動液壓泵供油，實現液壓桿快速退回。

圖2 液壓調距系統工作原理

注：1-過濾器，2-定量泵，3-馬達，4-單向閥，5-流量計，6-先導式溢流閥，7-直動式溢流閥，8-常閉式換向閥，9-可變節流閥，10-壓力計，11-蓄能器，12-分流器，13-電磁換向閥，14-液壓鎖緊回路，15-液壓缸，16-液位計，17-溫度計，18-手動液壓泵，19-油箱。

液壓系統開始工作，進入空載狀態。此時啟動液壓馬達3，定量泵2開始吸油，常閉式換向閥8.1得電，壓力油通過過濾器1、單向閥4.1、流量計5、可變節流閥9、常閉式換向閥8.1，最后流回油箱19。在此過程中，壓力表10.1示數為0，定量泵2通過常閉式換向閥8完成卸荷。

系統工作一段時間，定量泵2和馬達3工作到正常狀態，系統運行平穩。常閉式換向閥8.1不得電，電磁換向閥13.1和13.2處于“0”機位，此時蓄能器開始充能。

蓄能器充能完畢，系統整體壓力達到穩定閾值，此時系統可實現調距功能。電磁換向閥13.1和13.2得電，壓力油經過分流器流入工作系統，通過分流器的作用，保證兩液壓缸同步伸出，電磁換向閥13.1和13.2通過控制閥芯開口大小改變系統流量，進而改變液壓缸缸內壓力，以調整液壓缸15.1和15.2中液壓桿的位置。液壓桿到達既定位置，電磁換向閥13.1和13.2切換到M型中位，定量泵2完成卸荷，液壓缸通過液壓鎖緊回路14確保液壓缸位置保持不變。當輥筒由于巨大橫壓力作用和液壓缸漏油情況下發生移動，根據液壓缸15.1和15.2的移動信號控制電磁換向閥 13.1和13.2的信號，對液壓缸15.1和15.2的位移進行調整，使液壓桿回到既定位置，保證煉膠性能。

橡膠開煉機完成既定工作，輥筒需分離來增大輥距，此時液壓桿退回。通過給定信號，電磁換向閥13.1和13.2切換到右位，液壓油進入有缸腔，實現液壓桿的退回。

當橡膠開煉機發生故障，液壓桿需急速退回時，常閉式換向閥8.2和8.3得電，通過手動泵吸油，實現液壓桿的急速退回。

2.2 主要參數計算

液壓系統中，壓力和流量作為主要參數，是確定常用液壓元件、液壓輔助元件和液壓馬達規格型號的依據[12]。液壓系統工作壓力根據載荷大小和設備種類來定，初選此系統的工作壓力為20MPa[13]。根據所選用的調距缸活塞面積和液壓桿伸縮速度，取最大速度為2.5m/s，活塞直徑為350mm，求得液壓缸最大流量為

式(3)中，為液壓缸有效面積（m2），max為液壓缸最大速度（m/s）。因考慮系統泄露等因素，將系統流量擴大30%，取max=18.75L/min。

3 工況仿真分析

基于Automation Studio搭建液壓調距系統工作原理圖，計算參數設置如表1所示，不計油泵啟動時間，對該液壓系統工況特征曲線進行繪制。

3.1 液壓桿位移分析

電磁換向閥13.1和13.2得電，液壓油進入液壓缸無桿側，液壓桿到達指定位置后換向閥切換至M型中位；當電磁換向閥13.1和13.2右位得電，液壓油進入液壓缸有桿側，液壓桿伸縮位移和伸縮速度如圖3和圖4所示。

圖3 液壓桿伸縮位移

圖4 液壓桿伸縮速度

由液壓桿伸縮位移和伸縮速度可知，系統開始進行工作，液壓泵吸油，液壓油分別進入液壓缸有桿腔和無桿腔，實現液壓桿伸縮。此過程中液壓桿伸縮速度出現短暫波動后穩定，液壓桿速度保持不變，實現平穩伸出和收縮。結果表明，此系統能夠保證液壓桿伸縮穩定，滿足調距系統的要求。

3.2 活塞側壓力分析

當電磁換向閥13.1和13.2得電，壓力油進入液壓缸無桿側，此時液壓缸無桿側壓力上升，當電磁換向閥右位得電，液壓油進入液壓缸有桿側，液壓缸活塞側壓力如圖5所示。

由圖5可知，液壓系統開始工作時，液壓缸活塞側壓力上升，液壓桿伸出，當液壓桿位置達到極限值后，液壓缸無桿腔內壓力迅速上升后趨于穩定，液壓桿位置保持不變，當液壓桿退回時，活塞側壓力下降到一定值后趨于穩定。

3.3 快速退回位移

當系統發生故障時，換向閥8.2和8.3得電，通過手動泵將液壓油吸入有桿腔，液壓桿快速退回，其位移如圖6所示。

由圖可知，當設備故障緊急停車后，通過手動泵吸油，可實現液壓桿的快速退回，對比圖3分析，此過程液壓桿退回速度高于電磁換向閥位于右位時速度，可極大程度保證操作人員人身安全。

圖5 液壓缸活塞側壓力

圖6 液壓桿快速退回位移

4 結論

對現有橡膠開煉機調距裝置研究，提出了一種橡膠開煉機液壓調距系統，基于Automation Studio軟件繪制液壓調距系統原理圖，并進行仿真分析。通過分析液壓缸伸縮位移、伸縮速度和液壓缸活塞側壓力，表明該系統可實現液壓桿的平穩伸縮，符合橡膠開煉機調距裝置需求，并可減少操作人員的工作強度。通過分析系統故障液壓桿快速退回位移，表明該系統可實現發生故障時的快速退回，很大程度上保證了操作人員安全，證明了該系統的可行性，為橡膠開煉機液壓調距系統開發提供借鑒。

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Design and simulation of hydraulic spacing system for rubber open mill based on Automation Studio

FU Xin-jie1，YANG Ming1，HU Feng-shi1，LIU Ye1，ZHANG Hai-long2，HU Qing-ming1＊，MA Hong-liang3

(1.School of Mechanical and Electronic Engineering, Qiqihar University, Heilongjiang Qiqihar 161006, China; 2.Heilongjiang Agricultural Machinery Engineering Science Research Institute, Heilongjiang Qiqihar 161003, China; 3.Qiqihar Heavy CNC Equipment Co., Ltd., Heilongjiang Qiqihar 161003, China)

Aiming at the problems of large working stroke, poor reliability and low safety of the existing mechanical rubber open mill, a hydraulic spacing system of the rubber open mill was designed. The system promoted the hydraulic rod through the hydraulic pump, and adjusted the size and direction of each valve opening with the given signal to realize the change of flow direction and speed. The distance could be tuned by adjusting the displacement and velocity of the hydraulic rod. The Automation Studio simulation software is applied to build the simulation model of the hydraulic spacing system, and the curve of the hydraulic cylinder side pressure and hydraulic rod displacement with time is obtained, indicating that the system could replace the traditional distance control device, and realize distance adjustment and ensured the safety of the operator.

rubber open mill；distance adjusting device；hydraulic system；Automation Studio

TQ330.4+3

A

1007-984X(2023)03-0055-04

2023-02-27

齊齊哈爾大學研究生創新科研項目（YJSCX2021084）；齊齊哈爾大學學位與研究生教育教學改革研究項目（JGXM＿QUG＿2021007）；黑龍江省省屬本科高?；究蒲袠I務費科研項目（145209402）；中央引導地方科技發展專項項目（SBZY2021E043）

付昕杰（1999-），男，山西臨汾人，碩士在讀，主要從事液壓傳動相關技術應用研究，1059145742@qq.com。

胡清明（1985-），男，江西遂川人，副教授，博士，主要從事現代機械傳動系統設計與仿真研究，huqingming1267@126.com。