（机械工程专业论文）xm27020密炼机液压系统的改造及液压上顶栓系统的设计.pdf

贵州人学j 程埘! 卜学位论文中文摘要 中文摘要 通过对x m 2 7 0 2 0 密炼机在我厂使用情况的综合介绍，结合对国内外唰类先 进殴备以及液压上顶栓技术的应用润研。自行设计新型令液压系统，实现对公刮 围产x m 2 7 0 2 0 密烁机液压系统的改造谋题。 论文首先对原x m 2 7 ( ) 2 0 密炼机液j j i 系统的功能进行分析，浣明密炼机对液 压系统的要求：然后提出全液压设计的改造思路，进行液压系统图设计、液压系 统的工作原理及特点分析、部分液压元件选型、液压站集成块的c a d 设计、关键 元件的分析计算以及污染防治分析；最后进行p l c 自动控制设计，对全液压系统 实现电气控制自动化。 设计完成的液胍系统具有以下特点：全液压设计先进、方便维护、备件易于 采购；采用液压式上顶栓装置，适用于子午胎胶料的生产；液压取代气动，大大 降低了设备运行成本和能源消耗成本。 总之，通过对国产x m 2 7 0 2 0 密炼机液压系统的改造，使该型密炼机适用j 二 子午胎炼胶工艺的要求，采，【 i 令液压控制，使该密炼机在控制技术上达到先进性 水平。 关键词：密炼机、全液j 玉系统、液压i ：顶检、集成块、c a d 、电接点压力表、蓄 能器、p l c 自动控制 贵州人学t ：程倾 一学位论文 英义摘要 a b s t r a c t p a s st h ec o m p r e h e n s i v ei n t r o d u c t i o no ft h eu s a g ec i r c u m s t a n c et ot h em i x e r x m 2 7 0 2 0i si n l yf a c t o r y c o t n b i n et oi n v c s t i g a t et ot h ea d v 肌c e de q u i p n l e n t sa n d t h et e c h n 0 1 0 9 yo f h y d r a u l i cr a ma p p l j e do ff o r e i g n t of u l n l lt 1 1 et a s ko f r e f o h n i n gt h e m i x e rx m 2 7 0 2 0h y d r a u 】i cs y s t e mb ya d o p td e s i g n i n gl h en e ww h o l eh y d r a u l i c s y s t e m 1 n 、v h o l c1 1 y d r a u l i cd e s i g n ，t 1 1 eo b j e c t j v em e t h o d st h a tj n c l u d ei s ：f i r s t ly - t o u s t m t et h er e q u i r e m e n t sw h i c hi h em i x e rx m 2 7 0 2 0c a j lf o rt h eh y d r a u 】i cs y s t e m t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft | 1 ef h n c t i o no for i g j n a lm i x e rx m 2 7 0 2 0h y d r a u l i cs y s t e m s e c o n d l y t op o s et h er e f o h nt h j n k i n gd b o u tt h ed e s i g n so f w h o l eh y d r a u 】i c ，i n c l u d i n g c a 门了i n go u t t h ec h a r to ft h e h y d r a u l i cs y s t c m ，a n a l y z i n gt h ep r i n c i p l e s a n d c h a r a e t e r j s t j c so ft h e h y d r a u l i cs y s t e m ， c h o o s i n g t h e t y p e o f p a n j a 】 e l e m e m s ，c o m p l e t i n gt h ec a dd e s i g no fj e t ， c o n s i d e r i n gm ek e ye l e m e n t sa n d a n a l y z i n gt h ep r e v e n t i o na n dc u r eo np o l l u t i o n l a s t t oc a r r yo u tt h ep l c a u t o n l a 廿c c o n t r o ld e s i g n ，如1 n l l t h ee l e c m cc o n t m la u t o m a t eo f w h o l eh y d r a u l i cs y s t e m w h o l eh y d r a u l i cs y s t e mi sa d v a n c e dd e s i g n ，c o n v e n i e n tm a j n t e n a n c e ，e a s y p u r c h a s eo ft h es p a r ep a r t s ；h y d r a u l i cr a md e v i c ea r ea v a i 】l b l et o t h ep r o d u c eo f r o d i a 】t i r er u b b e li tr e d u c e st | l ec o s to fe q u i p m e n to p e m t i n gg r e a t l ya 1 1 dm e c o n s u m p t i o no f e n e 曜ye n o r n l o u s l yb yu s i n gt h eh y d m u j i ci n s t e a do f p l l e u m a t i c i ns h o r t t h em i x e rx m2 7 0 2 0h a sr e a c h e da d v a n c e ds t a n d a r di nc o n t r o l t e c h n 0 1 0 9 yb yt h er e f o m l i n go f t h ew h o i eh y d r a u l i cc o n t m l _ k e y w o r d s ：m i x e r w h 0 1 eh y d r a u j i cs y s t e m ， h y d r a u j i cr a l l l ， b l o c k ，c a d p r e s s u r es w i t c h ，h y d r o p n e u m a t i ca c c u l l l u j a t o r ， p l ca u t o m a t i cc o n t r o 】 贵州人学工程硕士学位论文前言 l 前言 1 1 选题背景： 在轮胎制造的半成品加工过程中，主要采用的设备就是密炼机。大型橡胶密 炼机主要用于橡胶的塑炼和混炼。其主要特点是混炼时问短，生产效率高，操作 容易，能够很大程度地改善劳动条件，作为炼胶机械的一个重要设备，密炼机至 今仍然处于不断地发展完善中。 我公司目前使用的大型密炼机主要有以下型号： 进口设备：美国f a r r e lb a n b u r y f 2 7 0 型密炼机 意大利p o m i k ip x 4 2 0 型密炼机 国产设备：大连x m l 4 0 、x f 2 5 0 、x m 2 7 0 、b b 2 7 0 型密炼机 益阳g k 2 7 0 型密炼机 大型密炼机的液压系统足j 三机的一个重要组成部分，它主要对下顶栓的锁紧 装置及卸料门的联动进行控制。另外辅助对进料门油缸及密封圈拨义油缸提供压 力油。液压系统般由：电机、叶片泵、油箱、过滤器、溢流阀、磁组电接点压 力表、蓄能器、电磁换向阀、节流阈、单向蒯以及外部控制管路和执行元件等构 成。 我厂使用的国产x m 2 7 0 2 0 密炼机组，该机液压系统由于在设计上存在一定 的闷题，在实际使用当中，该系统的故障率较高，粗路统计其故障率约占整个机 组故障率的5 0 左右，维修成本也相当高，而且花费大量的人力物力，仍然不 能使该系统的重复故障得到有效控制。我公司的设备管理目标是：保证设备长周 期、高效率运行，稳定满足生产的需要。鉴于该机目前较高的故障率，势必影响 生产计划的j 卜常完成，对其进行改造势在必行。 另外，近年来轮胎制造行、l k 面l 临朝子午化方向进行结构调整形势我厂也在 朝制备子午线轮胎的设备方面加大投入。通过对国内外橡胶加工工艺现状的研 究，我们发现，在橡胶半成品的加工过程中，像很硬的予午胎胶料，混炼均匀很 难，要达到特殊的分散度，要求上顶栓压砣对胶料箍予较高的压力，且浮动量要 小，用传统气压式上顶栓很难满足。而根据围外研究资料表明，新型的液压上项 贵州大学工程硕学位论文 栓系统，完全可以满足这些要求。特别是近年来，随着部分顾客通过第二方认证 等手段，对我们产品的性能提出了一些特殊要求。在原材料、配方、工艺基本不 改变的前提下，最终必须要通过在混炼胶料轧制过程中采取较高的上顶栓压力才 能满足这些要求。 但是，国际卜一些先进的轮胎制造厂商已经普遍采用的液压上项栓技术，目 前在我公司仍然没有一台使用液压上顶栓装置的密炼机设备。对于公司产品结构 调整以后，大规模的轮胎了午化带来的需要大量性能优异的子午胎胶料的生产， 在没备选择l ：无疑稍显滞后。 1 2 选题依据： 1 2 1 国外的同类设备水平调查： 从我公司进口的意大利p o m i n ip x 4 2 0 型密炼机的生产使用中可以得到一 些启发。该产品主机液压系统结构比较复杂，采用的是德国t e k i m p 的液压系统， 设计采用准全液压自动控制，即液压站对除上顶栓装置之外的下顶栓机构、锁紧 机构、密封罔装置和进料门机构的全部联动动作提供液压动力。 其优点足：故障率很低，控制元件相对可靠，压力控制采用电接点压力控制 器直接控制电机，压力达到设定高压时，电机停转，压力降至设定低压时，电机 启动，延跃了油泵及电机的使用寿命，用二个蓄能器保持系统压力，增加了保压 的可靠性，限制了油液的温升，保证了油液的良性循环及各元件的正常工作环境。 缺点是：该系统结构及控制原理复杂，不易掌握和维修。旦出现故障，修 理难度较大，埘维护人员要求较高。另外，该系统所需备件全部为进口件，维护 费用十分昂贵。 1 2 2 液压上顶栓技术的国内外水平研究调查1 1 液压压料装簧目前国内外的水平是怎么样的呢? 自从1 9 1 6 年在美国诞生 b a n b u r y 回型密炼机以来，尽管在各个密炼机设备生产厂家在转子构型和机器结构 方而进行了不断改进和提高，但是压料装置的加压机构一直是采用气缸加压的彤 贵州大学工程坝十学位论文 日u 口 式。国内最早采用液压压料装置的是卜海橡胶机械厂，是在2 0 世纪7 0 年代，当 时是运用存j o i ，密炼机上，但由于种种原因，2 0 多年来这一技术并未得到推广 和发展。国外研究液压压料装置的技术是在8 0 年代中期。真正被运用在实际生 产是在9 0 年代，经过部分轮胎行业的使用，发现液压压料装置的优点：压力稳 定，压砣对胶料单位面积的压力高，响应速度快，特别是对提高于子午线胶料的 混炼质量作用显著，另外还可以节约能源。但是由于存在泄漏、维修不便等等问 题，目前在国内使用带液压卜顶栓密炼机的家也并不多，我公司炼胶分厂目前 也尚无一台采用液压上顶栓装置的密炼机设备。 近年来，轮胎产品市场半钢、全钢子午线轮胎的需要迅速扩大，各牛产厂家 随之迸行轮胎产品结构的调整，在基础设旌建设和设备方面也加大投入。制备子 午线胶料，除了要求密炼机配置具有高分散性的转子、大功率电机和多种转速控 制外，还要求压料装置提供稳定而较高的压力。采用独立的液压系统对上顶栓系 统供油压取代传统气压是一种理想的解决办法。不少大的轮胎制造厂家已经开始 使用采用液压上顶栓的密炼设备。考虑公司未来经营目标，产品结构向子午化方 向发展，液压上顶栓技术对子午胎胶料性能质量的提升，值得在该技术上进行研 究突破。 1 2 3 综合确定选题目标： 通过对比幽外同类设备的使用水平和状况，本课题提出吸取进口密炼机液压 系统的优点，同时满足国产x m 2 7 0 2 0 密炼机的功能，二者相结合，同步考虑采 用液压上顶栓装置，自行设计新型全液压系统，实现对公司国产x m 2 7 0 2 0 密炼 机的液压系统的改造。 1 3 研究的主要内容与方法： 1 - 3 - l 研究的主要内容： ( 1 ) 、对原液压系统的功能进行分析并提出改造设计方案； ( 2 ) 、进行“伞液压”设计，包含系统图设计、集成块c a i ) 设计、部分液压冗 责州人学工程碗l 学位论文 月高 件选型、关键元件的分析计算以及污染防治分析等 ( 3 ) 、进行p l c 设计，对全液压系统实现电气自动控制。 1 3 2 研究的主要方法： ( 1 ) 、首先，通过搜集相关信息和资料，查阅国内外密炼机的技术资料，并 进行参考比较，综合考虑，拟定h 改造设计方案，绘制出系统原理图( 包 括液压上顶栓系统) ； ( 2 ) 、白行设计控制集成块，并对各液压控制件进行选型，要求达到可靠耐用、 易于采购，降低成本，便于维修同的； ( 3 ) 、油泵运行方式改为f l l j 歇式运行；电接点压力控制器选用进口件，保证其 稳定性及- 叮靠性；设计采用双莆能器保压； ( 4 ) 、分析全液压系统功能和原理，进行p l c 设计，实现电气自动控制。 ( 5 ) 、最后对已经完成设计的整个液压系统的重要性能和重要影响因素进行 分析和研究。提出主要成果和创新点，撰写完成论文。 1 4 研究的目的和意义： 通过本研究课题，期望能够达到使陔设备运行稳定、控制可靠、结构简单、 方便维修、备件易于采购的目的。实现该丰几台长周期、高效率稳定运行，满足生 产实际需要，同时节约人力、物力。另外，通过设计液压上顶栓系统，与目前公 司产品结构向予午化方向调整的战略相结合，满足未来轮胎市场的需要。 另外，通过涉及对新型液压压料装置技术的运用和设计改造，提高该设备技 术含量，延伸我们专业技术人员的视野水平，同时，通过理论上的深入研究，储 备先进的专业知识。冉一方面，从长远来看，轮胎子午化是必然趋势，本次研究 技术，可推广到其它系列密炼机。 贵州大学工程五贞 学位论文难文 2 全液压设计 2 1 愿舢7 0 2 0 密炼机液压系统的综合分析： 2 1 1 原液压系统工作循环过程： 参照下图( 图21 ) e 啦一1 在单车混炼完成后，由安装在下顶栓上的“j ”型热电偶感应混炼胶料温度， 向主机p i c 输出信号，通知可以进行排料。首先是液压系统松锁电磁阀得电，锁 紧缸动作，行程开关检测到松锁到位后，) 下r j 电磁阀得电，直线油缸动作，卸料 门开门到位，保持】o 2 0 秒，保证排料完成。然后关门电磁阀得电，直线油缸 动作，关门到位，锁紧电磁阀得电，行程开关检测到锁紧到位，向主机p l c 输出 信号，通知| u 以进行下一车胶料得混炼，如此循环往复。 贵州人学丁程硕t 学位论文正_ 童= 2 1 2 原液压系统工作原理： 参照下图( 图2 2 ) 图2 2 其工作原理是；电机启动，漓泵丌始泵浊，当系统压力低于电接点压力表设 定的爪力值时，1d j 得电，压力油流阳各油缸以及蓄能器。l # y 一6 3 b 的设定压 6 贵州大学工程硕j 学位论史正文 力略微高于电接点压力表设定的高压压力值，一般不超过6 5 m p a ，如果各油缸 运行动作正常，还可以适当降低。当系统油压达到电接点压力表设定值时，延时 5 秒，1 d t 失电，泵出的油呈低压由l # y 一6 3 b 卸荷，系统压力由蓄能器保持。 图中j l 一6 3 b 减压阀是用柬控制调节减小锁紧压力，以保证油缸能够顺利松锁。 2 # y 一6 3 b 溢流阀是用来保护当下顶栓松锁的瞬间，直线油缸内油液由于受到胶 料压力传给油缸形成的高压溢流，其压力设定可以等于1 # y 一6 3 b 。j 一2 5 b 是用 来调节密封装置油缸油压，其没定值视密封圈泄漏情况，约为2 2 5m p a 。y 一 2 5 b 的压力设定可以高于l # y6 3 b ，手动2 2 e 一1 0 b 可以进行系统压力卸荷。 该液压系统的油泵的输出压力由磁组电接点压力表及先导式溢流阀共同控 制。磁组电接点压力表设定液压系统工作时的压力范围，压力达到设定高压时， 二位i 通阀动作，油泵的输出油经过该阀流凼油箱，系统压力由蓄能器保持。当 压力降至设定低压时，二位三通阀动作，压力油进入系统增压，这罩先导式溢流 阀的手动设定值大于系统 二作压力值。当磁组电接点压力表出现故障，控制失效 时，系统压力达到手动设定值，溢流阀即动作。使压力保持在设定值上，不再升 高。采用两个电磁换向阀，其中个控制直线油缸动作，以带动下顶栓做开关门 的运动，节流阀起调速的作j j 。当下顶栓打开或关闭运行至最后行程时( 占总行 程的1 4 ) ，电磁换向阀停止工作，由节流阀单独工作以减轻下顶栓开关时的冲 击，另一电磁换向阀控制锁紧缸的运动，以完成松锁或锁紧过程。另外转子端面 密封用的小液压缸，又由单独的减压阀、溢流阀共同调节压力。 2 1 3 原液压系统在实际使用中存在问题： 1 ) 系统设计较复杂，与系统主压力有关的控制阀较多，出现故障时，故障 点的查找及维修费时费力； 2 ) 老式国产磁组电接点压力表工作不稳定、寿命短。二位三通电磁阀阀芯 部分通径小，月频繁动作，易出现卡死现象。另外其电磁线圈烧坏频率 高，直接引起整个系统压力控制失效，各个执行元件动作不正常； 3 ) 蓄能器由于容量和压力等级不匹配，工作极不稳定，胶囊易损坏，不能 稳定保持系统压力，造成磁组电接点压力表及先导溢流阀长时问处于工 作状态，缩短其寿命。同时也使油泵长期处于负荷工作状态。油温高、 不易冷却，造成各密封件老化速度加快，且便油液变质快，更换频繁； 1 ) 油泵与电机分体安装，j l j 联轴器联接。此安装方式使电机与油泵同轴性 贵州大学工程硕士学位沦义正文 不易调整，且油泵运行方式为连续运行，造成油泵叶片与定子磨损迅速， 降低油泵的使用寿命； j ) 系统元件多，管路复杂，造成密封点，泄漏情况较严重，且不易治理。 2 1 4 原液压系统的综合分析： 该液压系统运行的目的，主要是实现下顶栓关到位后由锁紧块锁紧下顶栓以 进行胶料的混炼，以及混炼完成后，锁紧块松锁，下顶栓打开排料的动作，辅助 提供密封装置的油缸油压。下顶栓的丌关动作只需要一个换向电磁阀即可实现。 只要系统压力调整得当，且换向阀及管路的通径选择合理，动作过程中下顶栓的 受力情况及直线油缸的冲击情况均无影响，原系统啦独设计的外置式控制节流阀 的使用，显得复杂而且不可靠。 另外，原设计系统压力达到设定值时，泵出的油从系统二位三通阀呈低压状 态卸荷。这样产生的负面影响是不仅油液温度较高，而且由于系统二位三通电磁 阀长期处于工作状态，阀芯弹簧极易损坏，而阀芯一旦出现卡死现象，系统压力 将一直升高，直到达到其它溢流阀设定压力才能卸荷，对于整个系统来说，承受 高压力状态时问过长，容易造成一些动、静密封元件的使用寿命降低或者直接导 致损坏。在原设计中，对于密封圈拨叉油缸油压进行辅助控制的减压阀和节流阀， 实际使用巾，发生类似系统无压力等故障现象时，两阔和系统溢流阀交叉在一起， 均成为故障产生的叮能原因，不易判断查清原因，不直观，而且维修起来比较麻 烦。该部分设计较显冗余。 通过以上列举原来液压系统的实际使用中存在问题，和举例分析原设计中的 部分冗余和缺点。奉课题针对性地提出对原液压系统需要进行重新设计改造。 2 2 全液压系统的改造设计思路： 大型密炼机中，液压系统是主机的一个重要组成部分。密炼机要求液压系统 主要完成的动作是：上顶栓的升降，锁紧缸的锁紧与松锁，卸料门的开闭，进料 门的开天，以及密封圈油缸的保压等。根据x m 2 7 0 2 0 密炼机炼胶工艺和密炼机 的工作循环，如图2 3 所示。密炼机对其液压部分的基本要求是： ( 1 ) 、足够的上顶栓压力：较硬的子，l ：胎胶料，其混炼通常需要较高的上顶栓 压力。在压砣面积不变的情况f ，需要有足够的上顶栓单位压力，才能满足胶料 的均匀搅拌： 贵州大学工程硕士学位论文 正文 ( 2 ) 、上顶栓可以停留在任意位置：由于密炼机进行橡胶混炼的排胶温度都是 在1l o 以上，在排料的时候一般都要求将i ：顶栓提起进行排料，这样做的目的 一是可以减轻锁紧机构排料的压力，二i 是可以避免冈为锁紧机构故障不能及时打 开卸料门，而造成胶料温度迅速升高发生焦烧的严重事故。所以，为避免在紧急 排胶时，发生电力中断，造成上顶栓压砣在自重力作用下压在胶料上，发生焦烧 事故，需要在失去电力的情况下，上顶栓能够停留在任意位置。 ( 3 ) 、适当的锁紧力和松锁力：由于锁紧机构和卸料门机构的机械互锁结合面 是一个具有一定角度的斜面，如果锁紧力过大，出现我们通常所说的“锁过头” 现象，则有可能发生打不开的情况，其严重后果就是发生前面提到的焦烧事故； 如果锁紧力过小，则有可能发生“打爆”现象，即在密炼机进料后，由于锁紧机 构未对卸料门真正锁紧，在受到胶料向下足够大的压力后，锁紧装置退开，卸料 门被胶料强行挤压打开，造成尚未混炼的胶料提前排下的故障。所以，需要能够 通过调节，得到一个适当的锁紧压力。 ( 4 ) 、下项栓装置的平稳打开：根据对密炼机排料过程的分析，我们知道，在 锁紧缸完成松锁到位的同时，下顶栓丌门电磁阀得电，这个瞬间，由于胶料在转 子的挤压卜- ，已经对卸料门装置产生较大的捱力，这时电磁阀得电换向会产生很 大的液压冲击，需要采取措施减轻这种有害的冲击。 ( 5 ) 、密封圈油缸保压：密封圈采用的是p y h 形式机械密封，其油缸弹簧、中 间支点螺栓和密封圈通过密封圈拨叉连接共同构成一个杠杆系统。油缸压缩弹簧 产生反作用力，通过中伺支点，使另一端的密封圈紧紧压在转子合金圈上，保证 运动中的转子端面不会有胶料和粉料泄漏出来。所以其密封圈油缸需要在任何情 况下都保持有一定压力。 ( 6 ) 、工作稳定可靠、能够满足各种机构之间的准确联动动作。 ( 7 ) 、抗污染能力强，维护保养方便。 以上各个动作分别由上顶栓油缸、进料门油缸、锁紧缸、下顶栓直线油缸和 密封圈油缸来完成。在本课题进行全液压的设计指导思想中，是以满足密炼机对 液压系统的基本要求为前提，同时兼顾设计简化、易于操作、方便维护和购置备 件容易的设计思路依据。 通过在上一章节，对密炼机液压系统需要实现的功能的系统分析，我们知道 液压系统j r 常运行的关键在j 二：油泵能否正常工作、蓄能器能古正常实现保压功 能、以及压力控制元件能甭正常动作。在此基础上尽可能减少控制元件，增加系 9 贵州大学工程硕士学位论文正文 统动作的可靠性，降低泄漏率，并且控制油液的温升，减少各部件的故障发生率， 所以，对该液压系统的改造，在保证英功能的前提下，尽量简化设计也裁成为必 然。 另外，综合本课题存前言部分所述，提出“全液压系统”的改造思路。即在 液压系统改造设计巾同步考虑加入液压上顶栓压料装置系统，使用全液压控制方 式实现密炼机各部分联动。 2 3 全液压系统工作循环过程示意图： 参照下图2 3 ： 单车混炼完成 热电偶测温输出 上项栓升电磁 上顶栓升到位 松锁电磁阀得 锁紧装置松锁到位 卸料门开电磁j 下一个单车混炼周期 卸料门开门( 排料) 到排胶温度 得电 得电 门到传信号 得电 锁紧电磁阀得电 l i 一 锁紧装置锁紧到位 i 一 j 进料门丌电磁阀得电 迸料开门到位 进料准铬 图2 3 o 贵州人学t 程硕十学位论交 本全液压系统设计工作循环过程是：胶料单车混炼完成后，由安装在卜j 页栓 上的“j i ，型热电偶测量达到排胶温度，向主机p l c 输出信号，执行排料步骤。 首先是上顶栓提升电磁阀得电，上顶栓升到位，然后锁紧装置松锁电磁阀得电， 锁紧缸进行松锁动作，行程开关检测到松锁到何信号后，开门电磁阀得电，直线 油缸动作，卸料门开门到位，保持l o 2 0 秒，保证排料完成。然后卸料门关电 磁阀得电，直线油缸动作，下顶栓关门到位，锁紧电磁阀得电，行程开关检测锁 紧到位信号，然后进料门打开，主机p l c 输出信号，执行下一车胶料混炼准备， 如此循环往复。通过前面叙述，在液压力作用下，液压油驱动上顶栓、卸料门、 锁紧机构、进料门及f y l l 型密封幽拨叉油缸等各个部分协调动作，整个系统能够 为密炼机的胶料混炼提供充分保证。 综合分析上述全液压一r 作循环过程，采用该系统可以满足对上顶栓油缸、进 料门油缸、锁紧缸、下项栓直线油缸、密封圈油缸等全部执行元件的液压控制。 即可以保证密炼机对液压部分的工作要求。且通过分析，各个执行机构可以实现 在密炼机炼胶工艺过程中合理的流程控制，本课题提出的全液压控制方式能够得 到实现，方案具备可行性。 2 4 全液压系统图的设计： 通过前面对全液压系统改造设计思路和工作循环过程分析，在密炼机对橡胶 和各种添加辅料的炼制循环过程中( 包括从开始进料，到中间加辅料，最后单车 混炼完成，进行排料的整个过程) ，密炼机需要液压系统各个执行机构之间的一 系列动作，能够按炼胶工艺规定要求的程序进行，达到准确、可靠，且实现自动 化控制的目的。在贯彻这一指导思想的前提f ，下面进行全液压系统图设计，并 对系统如何实现液压系统满足密炼机炼胶工艺的要求，以及各重要元件工作原理 及过程进行详细的分析说明。 2 4 1 全液压系统图： 参照卜图2 4 ： 二量蒂釜直 醉掌3釜酎一 藩源馨 踮一一一黧 踞 - _ p 。 ，难 了氲蒂黯龄富 强圭于匿釜富 巫2。，1)(m27()一一嚼溶甚i-玲蕊离弧龄函 贵州大学j 程颤 学位论文 2 4 2 油泵的工作过程分析： 首先辅助系统启动，油泵电机电源供给，电机( 0 2 ) 启动，油泵( 0 3 ) 开始 泵油。当系统压力低于电接点压力表( 1 4 ) 设定的压力值时，由泵打出的压力油 流向蓄能器( 1 5 ) 以及各个油缸。当系统压力值达到电接点压力表设定的高压压 力值时，油泵电机停转，系统压力由蓄能器予以维持。注意，系统溢流阀( 1 6 ) 设定压力应该稍稍高于电接点压力表设定的高压压力值，一般不得超过8 5 m p a 。 当系统压力低于电接点压力表设定的低压值时，油泵再次启动，泵出压力油，一 直达到设定高压值。整个系统压力油的供给依靠电接点压力表检测系统压力，然 后向泵输出是否进行t 作的指令。 从上述工作过程巾，可以看出，在系统基本无泄漏，系统压力由蓄能器进行 保持。在设计中，各个执行元件无动作的工作状态下，该液压系统油泵是处于不 运转的工作方式。这一点对于降低整个液压系统的油液温度非常至关重要。众所 周知，将液压油的工作温度保持在一定的范围内对液压系统正常工作至关重要。 我们公司生产是采用四班三运转的方式，即设备在无故障的情况下是不停机 的，这样长时问连续负荷使用，对于液压系统油液温度的升高是不可避免的。在 原来的液压系统设计中，油泵不工作时是处于低压卸荷状态，这样由于液压油温 度升高就会带来的一系列问题，最为显著的就是液压油起泡。这样的问题在现场 实际表现是：在初期是产生较大的噪音，中期会出现系统不保压、内泄漏、各部 分温度高等等问题，后期则会h 现系统打不起压力等严重问题。所以，在新全液 压设计中将油泵的运行方式改为问歇运行，对于降低油液温度，稳定系统运行起 到重要作用。 2 4 - 3 电接点压力表的工作过程分析： 当整个辅助控制部分电源启动以后，电接点压力表( 1 4 ) 就丌始工作，首先 检测全液压系统主管路压力，并且根据调整好压力检测比较值，作出对油泵电机 是否进行启动、停i l ：的控制。并且在整个系统的工作过程当中，随时对系统压力 进行动态检测，输出准确信号，控制油泵及时运转或者停止，确保整个系统运转 正常。可以打个比方，如果油泵在整个全液压系统当中是心脏的话，电接点压力 表就是她的人腑。在前面我们提到，全液压系统油泵的工作方式足间歇式工作， 这一点刈于降低整个液压系统的油液温度全关重要，进而就是保证系统能够长期 贵州大学t 程硕士学位论文正文 稳定运行至关重要。保证油泵间歇式工作的前提就是，电接点压力表准确检测与 输出控制信号。鉴于电接点压力表在整个液压系统中的重要性，我们对该元件的 选型上决定选用进口元件，选用意大利制造的s q u a r 印品牌，c l a s s9 0 】2 型， 其型号为：a d w 一4 。具体参数如下： 可调压力卜限范围： 2 8 2 1m p a 可调压力补充范围： o 6 9 2 8m p a 2 4 4 蓄能器的工作过程分析： 图2 5 如图2 5 ，显示蓄能器4 种不同状态。 a ) 未充2 以前，蓄能器胶囊处于自由状态的情况。 b ) 通过一个特殊的气门，氮气被冲入胶囊内部，此时胶囊内气体压力为p 0 。 胶囊体积膨胀充满整个钢瓶内部，胶囊的体积为v 。 c ) 当液压系统外界压力为p ，高于胶囊内部气体压力p 0 时，底部阀门打开， 油液进入蓄能器内部，胶囊被压缩，体积减小至v 。 d ) 随着油液压力的升高至心，气体的体积进一步减少至v 。，与外界液体的 雎力达到平衡状态。 当液压系统电机启动，油泉开始工作以后，油泵泵油到达蓄能器胶囊外部( 如 图25 ，c ) ，胶囊被压缩，体积减小，此时由于系统压力p 1 低于电接点琏力表 ( 1 4 ) 设定压力，油泵继续工作，油液继续流向蓄能器，胶囊继续被压缩，直到 贵州人学工程硼十学位论文正文 达到电接点压力表( 1 4 ) 没定高压上限值p 2 ( 如图2j ，d ) ，此时油泵停止运转， 系统压力由蓄能器保持。在本设计中，蓄能器的作用就是将液压系统中的压力油 储存起来，在需要时又重新放出，作辅助动力源。 2 4 5 各执行元件的工作过程分析： ( 1 ) 、上顶栓油缸： 活塞杆的伸出：电机( 0 2 ) 启动一油泵( 0 3 ) 工作一单向阀( 0 8 ) 打开一泵 出的油液流向莆能器( 1 5 ) 一电接点压力表( 1 4 ) 检测系统压力达到设定的 高压值一向油泵电机( 0 2 ) 输出停j i ：工作信号，系统压力由蓄能器保持一外 部输入上顶栓活塞降控制信号一二位四通电磁阀( 1 7 ) b 线圈得电一二位川 通电磁阀阀芯移到右位一油液流向上顶栓油缸上腔，同时液控单向阀( 2 l 打开，油缸下腔油液从电磁阀“t ”口同油箱一上顶栓活塞杆伸出，实现压 砣降动作 活塞杆的缩回：外部输入上顶栓活塞升控制信号一二位四通电磁阀( 1 7 ) a 线圈得电一二位四通电磁阀阀：苍移到左位一油液流向上顶栓油缸下腔，同时 油缸上腔油液从电磁阀“1 ，口回油箱一j - ：顶栓活塞杆缩回，实现压砣提升 动作 需要对上顶栓活塞杆伸出和缩回过程的分析进行补充说明的是，液控单向阀 ( 2 】) 在系统巾起到的作用是可以使上顶栓在应急提起的情况下，断电后仍 然停留在原来位置，而不会因为自重落下，这样对丁避免在紧急排胶时由于 j ：顶栓不能提起，压在胶料上，造成胶料温度持续升高而发生事故有很重要 的作用。 ( 2 ) 、进料门油缸： 活塞杆的伸出：三位五通电磁阀( 1 8 ) c 线圈得电一三位五通电磁阀阀芯移 到左位一压力油经叠加式单向阀( 2 2 ) 流向油缸下腔，同时油缸上腔油液经 过单向节流阀从阀( 1 8 ) 流回油箱一进料门活塞杆伸出实现关门动作 活塞杆的缩回：三位五通电磁阀( 1 8 ) d 线圈得电一三位五通电磁阀阀芯移 剑右位一压力油经叠加式单向阀( 2 2 ) 流向油缸上腔，同时油缸e ：腔油液经 过单向节流阀从阀( 1 8 ) 流回油箱一迸料门活塞杆缩回实现开门动作 ( 3 ) 、锁紧缸： 贵川：_ j = 学工程硕士学位论文正文 活塞杆的伸出：下顶栓关门到位信号接收一二位四通电磁阀( 1 9 ) f 线圈得 电一二位四通电磁阀阀芯移到右位一压力油经叠加式单向阀( 2 3 ) 流向油缸 后腔，同时油缸前腔油液从阀( 1 9 ) 流同油箱一锁紧缸活塞杆伸出实现锁劣影 动作 活塞杆的缩回：热电偶检测达到排胶温度输出松锁信号一二位四通电磁阀 ( 1 9 ) e 线圈得电一二位四通电磁阀阀芯移到左位一压力油经叠加式单向阀 ( 2 3 ) 流向油缸前腔，同时油缸后腔油液从阀( 1 9 ) 流回油箱一锁紧缸活塞 杆缩回实现松锁动作 ( d ) 、下顶栓直线油缸齿轮齿条机构： 参照下图2 6 ： 图2 6 1 、密炼室2 、耐磨块3 、卜顶托机构4 、f 项栓耐磨块5 、锁紧i 耐磨块6 、摇臂7 、锁紧机构 由丁二卜- 顶栓机构卸料门的动作是以a 轴为中心，并沿着一个扇形的轨迹运 动，冈此它的执行机构的运动不i 司于前面i 个作直线往复运动的液压缸，而是一 个旋转运动。其动作的吱现是通过齿轮齿条机构来实现的。 卸料门打开：二位五通电磁阀( 2 0 h 线圈得电一三位五通电磁阀阀芯移到 南位一压力油经叠加式单向阀( 2 j ) 分别流向上油缸的右腔和下油缸的左腔， 6 贵州大学t 程硕士学位论文正文 同时上油缸左腔和下油缶：= 存腔油液经过单向节流阀( 2 5 ) 从阀( 2 0 ) 流回油 箱一活塞带动齿条作直线运动，推动t j 之相啮合的齿轮沿逆时针转动一实现 开门动作 卸料门关闭：三位血通电磁阀( 2 0 ) g 线幽得电一三位五通电磁阀阀芯移到 左位一压力油经叠加式单向阀( 2 5 ) 分别流向上油缸的左腔和卜油缸的右腔， 同时上油缸右腔和下油缸左腔油液经过单向节流阀( 2 5 ) 从阀( 2 0 ) 流【旦：l 油 箱一活塞带动齿条作直线运动，推动与之相啮合的齿轮沿顺时针转动一实现 关门动作 ( 5 ) 、密封圈油缸： 活塞杆的伸出：电机( 0 2 ) 启动一油泵( 0 3 ) 一作一单i 柚阀( 0 8 ) 打开一泵 出的油液流向叠加式单向阀( 2 7 ) 一经过叠加式调压阀( 2 6 ) ，压力手动调 定一油液流向密封圈4 个小油缸的后腔一实现对密封圈拨叉杠杆一端保持 向外的压力 通过对咀卜部分重要控制兀什和执行元件工作过程的分析，本全液压系统设 计应该可以满足密炼机对液压系统的要求，即：准确、可靠、按自动工作循环程 序动作。 2 5 液压站集成块的c a d 设计： 2 5 1 液压站集成块的设计思路： 在进行液压站集成块的设计之前，首先需要分析密炼机全液压系统的工作原 理：胶料单车混炼完成后，由热电偶测量达到排胶温度，向主机p l c 输出信号， 执行排料步骤。首先是上顶栓提升电磁阀得电，上顶栓升到位，然后锁紧装置松 锁电磁阀得电，锁紧缸进行松锁动作，行程开关检测到松锁到位信号后，开门电 磁阀得电，直线油缸动作，卸料门开门到f 讧，保持1 0 2 0 秒，保证排料完成。 然后卸料门关电磁阀得电，直线油缸动作，下顶栓关门到位，锁紧电磁阀得电， 行程开关检测锁紧到位信号，然后进料门打丌，主机p l c 输出信号，执行下一车 胶料混炼准备，如此循环往复，各个执行元件依次顺序动作。但是在实际生产过 程中，冈为生产和工艺的要求，排料和进料过程中，为了节省时问，上顶栓油缸 和锁紧缸，进料门油缸和锁紧缸，有同步动作的要求。所以，出于技术上和实际 贵州大学工程砸十学位论文 正文 使用上的原凶，考虑对上顶栓油缸和进料l 、j 油缸实行单独控制，而在本课题的集 成块设计中先只对锁紧油缸、下项栓油缸和密封圈油缸进行控制设计，保证其运 动实现依次顺序动作。 2 5 2 液压站部分元件的选型列表： 根据上一小节对液压站集成块设计思路的分析，联系本课题集成块部分的设 计主要是针对原设计进行改造，即密炼机本身在工作过程当中对执行元件的运动 速度和负载要求没有发生变化，对液压系统的基本功能要求没有变化，原来液压 站的压力、流量等基本参数可以沿用。为此，通过现场测量、查阅说明书等办法， 得到一些相关数据，并根据数据，结合新的全液压系统控制及工作原理选定了1 一 些主要元件，以期达到三个f f 的： 其一，为下一步集成块的c a d 图设计，提供准确的尺寸参考； 其二，使液压系统备件国产化，易于采购； 其二，质量相对稳定可靠。 为此，通过网上查询，以及同行业之间信息交流，借鉴先进经验。基本确定 选用卜海液压件一厂产品。具体选定型号如下表 序号 分类名称型号 规格 6 3 m d a 1 取作片j 叶片泵 y b b 4 8 b f l 4 8 l m j n 主回路 2 针式截止阀j 2 3 w 一2 56 3 m p a 3 管式单向阀 d i f l 2 0 1 16 3 m d a 4 先导阀 4 w e 6j5 0 aw 2 2 06 3 m d a 下顶栓部分 主换向阀 54 w e h l6j5 0 w 2 2 06 3 m d a ( 三位四通) 6 叠加式溢流阀 d g m c 一5 一p t b w 一106 3 m d a 锁紧缸部分 主换向阀 7 d g 4 v 一5 2 n m u l d 一2 0 6 3 m d a ( _ 位四通) 8 密封圈 叠加式单向阀 d g m d c 一3 一p y l 一2 06 3 m d a 9 拨叉油缸 叠加式减压阀d g m x 23p pb w 一2 0 6 3 m p a 贵州大学= 丁= 程硕士学位论文 2 s 3 液压站集成块c a d 图设计： 根据液压站7 i 件选型的确定，下面给出了液压站的集成块c a d 设计图( 包含 主视图、俯视图和6 幅局部剖视陶) 。参照下图2 7 吐e _f _ c 1l_ j l 二j 5 一 r 匡巫固5 0 t 厂1 i 舄 ，6 挞廿u 斑5 埂 蕃2 啊： 2 5 一o，_ i n 紫：名 l 玮翟型# e ：芏 撬 氍_ i 卜耳一一一逛 念糊乒孙 一熬 峙 h 丝一 ：微铲 u z + 叫4 乒一：螂，飞 ：壬 1 0 态 0 0一 dejf gh 贵州大学工程硕j 学位论文正文 幽2 4 7 2 5 - 4 液压站集成块的设计特点： 从图2 2 可以看出，原来液压系统的集成块由四个集成块组构成，每个集成 块组与其连接的阀和管路构成一个液压回路，结构较为复杂。在改造后的集成块 设计中，综合体现了设计简化、紧凑，便于维护的设计思想。从图27 可以看 j ， 集成块的结构是一块正六面体，锁紧缸回路、下顶栓网路以及密封圈回路的主要 控制液压阀均通过叠加式连接方式，固定在单一的集成块上面。这样的优点是： 1 )结构紧凑，占地面积小； 2 ) 更换元件方便，不用拆装其它阀或管路，便于装卸和维修； 3 )阀集中布置，便于故障检查。 另外，在集成块的各个液压回路当中采用标准化元件叠加控制阀，使设 计工作简化，日组装也方便。元件之间的连接不需要使用管予，或者其它形式的 连接体，结构紧凑，系统的泄漏损失和压力损失较小，甚至如果需要进行局部的 更改都十分方便。 2 6 全液压系统的蓄能器压力分析及计算3 1 2 6 1 蓄能器的作用： 贵州大学工程硕i 学化论文卜文 在全液压系统设计中，蓄能器的作用是将液压系统中的压力油储存起来，存 需要时又重新放出。其主要作用表现在以下叫个方面： 1 、作辅助动力源。本液压系统的执行元件，例如：锁紧油缸、下顶栓直线 油缸、迸料门油缸、上顶栓油缸是叫歇动作，总的工作时间很短，在系统中设置 蓄能器后，即可以采1 j 一个功率比较小的泵，以减小主传动的功率，使整个液压 系统的尺寸小、重量轻、价格便宜。 2 、补充泄漏和保持恒定压力。对于本液压系统的执行元件，例如：密封圈 拨义油缸，长时问不动作，而要求保持恒定压力，莆能器在这里可以起到补偿泄 漏，从而使压力恒定的作用。 3 、吸收液压冲击。由于换向阀突然换向，或者执行元件的运动突然停止， 甚至人为的需要执行元件紧急制动等原因，都会使管路内的液体流动发生急剧变 化，而产生冲击压力( 油击) 。虽然系统中设置有溢流阀，但仍然难免产生压力 的短时间剧增和冲击。这种冲击压力，往往引起系统中的仪表、元件和密封装置 发生故障甚至损坏或者管道破裂，此外还会使系统产生明显的振动。在本全液压 系统中使用蓄能器，即可吸收和缓和这种液压冲击。 4 、吸收脉动、降低噪声。泵的流量脉动会引起压力脉动，使执行元件的运 动速度不均匀，产生振动、噪声等。在泵的出| 】处并联一个或几个反应灵敏而惯 性小的蓄能器，即可吸收流量和压力的脉动，降低噪声。 2 6 2 蓄能器的种类选定： 根据实际情况，在此选定充气气囊式蔷能器，这种蓄能器利用气体( 氮气) 的压缩和膨胀来储存、释放液压能。气囊将液体和气体隔离开。特点是：体积小、 重量轻、反应灵敏、可以吸收压力冲击和脉动。 2 6 3 蓄能器的压力分析及计算： 在本设计巾，蓄能器主要作用是作为作动力源使用。如前面图25 所示，蓠 能器的容积v 。是充液前充气压力为p 。时的容积，v ，为气体在最低工作压力只卜 的体积， v 。为气体在最高工作压力r 下的体积。设工作中要求蓄能器输出油液 的体积为v ，由气体定律有 p ，v ，“= f v 1 = nv ：”常数 ( 21 ) 贵州人学工程硕士学位论义正文 式巾，n 为指数，其值由气体工作条件决定：当蓄能器用来补偿泄漏，保持压力 时，它释放能量的速度缓慢，可认为气体在等温条件下工作，n = l ；当蓄能嚣用 来大量供油时，它释放能量的速度很快，州，人为气体在绝热条件下：r ：作，n = 1 4 。 p 。、p 、吱的单位均为绝对压力单位( p d ) ；v 。、v 。、