CN110314614A - 一种环模制粒机模辊间隙调整结构的控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环模制粒机模辊间隙调整结构的控制方法及系统，获取压辊所受实时挤压力N_e，判断N_e与预设的N_max、N_min的大小，如果N_e>N_max或者N_e<N_min，则关闭三爪卡盘，松开夹爪，调整旋转电机旋转一定角度，旋转的角度根据N_e与α的关系式进行调整；当压力值调整到合适的范围之内，开启三爪卡盘，夹紧夹爪，获取压辊实时挤压力并进行正常制粒。本发明具有调整精度高，不用停机就可以进行调整等特点，完全实现了自动化调整，克服了人工调整的弊端。

Description

一种环模制粒机模辊间隙调整结构的控制方法及系统

技术领域

本发明属于环模制粒成型技术领域，特别涉及一种环模制粒机模辊间隙调整结构的控制方法及系统。

背景技术

环模制粒机是利用环模与压辊之间的相互作用力将粉体物料挤压成型获得所需颗粒的制粒装备。其具有：生产过程连续稳定、生产效率高、原料适应性强、能耗低、成型效果较好、成型率高等优点。作为饲料加工装备的四大主机之一，是直接生产成品饲料颗粒的装备，在很大程度上决定了饲料加工的质量和产量，是所有饲料加工设备中最重要的装备之一，在饲料生产中起着重要作用。

环模制粒机的压辊环模间隙对制粒机的性能有着很大的影响，包括对压辊环模的寿命和颗型成型质量等的影响。如果间隙过小，则压辊环模之间的挤压力会增大，导致两者之间的阻力增大，加剧部件的磨损，增大噪音；如果间隙过大，则会导致出料困难、制粒密度过小，颗粒松散。压辊与环模间的间隙调整结构往往比较复杂，目前，环模制粒机的模辊间隙调整都是通过工人手动操作调节的，没有全自动调节装置，更没有相应的控制方法。依靠工人的经验判断间隙调整的时间和程度，可能会出现调整强度的结果没有达到最适宜情况，调整强度不一，依旧会出现堵机或喂料不均等现象，甚至会导致相应的结构变形，影响颗粒机的正常工作，对整机性能十分不利。

发明内容

本发明的目的在于提供一种环模制粒机模辊间隙调整结构的控制方法及系统，以实现自动调整模辊间隙，避免间隙不合理导致的压辊环模寿命下降和颗粒成型质量差的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种环模制粒机模辊间隙调整结构的控制方法，包括以下步骤：利用模辊挤压力几何关系：

步骤1、计算环模中心到压辊轴心的竖直方向距离；

步骤2、计算环模中心到初始偏心压辊旋转中心的距离；

步骤3、计算初始偏心压辊中心到环模中心的水平距离；

步骤4、计算压辊中心到两次压辊旋转中心的距离；

步骤5、计算初始偏心压辊旋转中心到磨损调整后偏心压辊旋转中心之间距离；

步骤6、计算旋转角α与初始压辊半径和磨损后压辊半径的关系式：

步骤7、计算挤压力：根据压辊受理分析，计算挤压力；

步骤8、根据物料挤压高度，计算挤压区圆心角与变形压紧区圆心角与压辊半径的关系；

步骤9、计算挤压力N与压辊半径r的关系式；

步骤10、计算旋转角α与挤压力N的关系，若α＞0，则控制旋转电缸逆时针旋转；若α＜0，则控制旋转电缸顺时针旋转。

一种环模制粒机模辊间隙调整结构的控制系统，包括环模、偏心轴、固定板、旋转电机、主动带轮、从动带轮、传动带、设置在环模内的两个轴向平行设置的压辊、锁紧装置、测试单元、控制单元；所述压辊通过偏心轴支撑在支撑座上；偏心轴上下与压辊之间均设有支撑轴承进行支撑；使得压辊可相对偏心轴旋转；两个偏心轴上端均与固定板相连；所述偏心轴可相对固定板和支撑座转动；所述旋转电机与固定板固连；所述旋转电机转动轴与主动带轮相连；两个偏心轴上均设有从动带轮；主动带轮通过传动带与两个从动带轮相连；所述固定板上设有锁紧装置，用于打开和锁紧两个偏心轴；所述测试单元设置在压辊外壳上，用于测试压辊与环模之间的挤压力；所述控制单元用以控制旋转电机、锁紧装置的工作；根据挤压力控制旋转电机旋转角度。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)本发明的环模制粒机模辊间隙调整结构的控制方法及系统，模辊间隙调整结构通过压力感知判断模辊间隙是否需要调整；利用集流环、电刷、应变计三者互相配合在高粉尘、高旋转工况下实时检测挤压力；利用偏心轴调隙原理通过旋转电机高精度调整模辊间隙；利用三爪卡盘锁紧偏心调整机构，保证机构的安全工作；实现了集感知和自适应调整为一体的调整机构。

(2)本发明根据压力模块实时获取的压力值N_e与N_max、N_min进行比较，保证一次调整机构可以正常工作较长时间，提高了稳定性。

(3)本发明，调整机构与控制方法结合，解决了现有的模辊间隙只能依靠工人手动的问题，实现了自动化调整。

附图说明

图1是本发明的间隙调整控制方法的一个实施例的流程图。

图2是本发明的模辊挤压力几何模型。

图3是本发明的物料压强分布原理图。

图4是本发明的物料压强分布示意图。

图5是本发明的模辊间隙调整结构的轴测图。

图6是本发明的模辊间隙调整结构的主视图。

图7是本发明的模辊间隙调整结构的压辊组件的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

结合图2，为模辊挤压力几何模型。压辊经过使用磨损后，相应的半径会减小，故需要重新调整压辊的位置使其与环模的距离保持在合适范围之内。图5中，O为环模旋转中心；P为压辊轴旋转中心；O₁是初始偏心压辊轴旋转中心；O₂是磨损调整后压辊旋转中心；A点是P点在环模竖直半径方向上的投影；调整压辊偏心轴时是绕压辊轴进行旋转，故相当于绕图示P点旋转。假设初始状态时压辊的半径O₁C₁为r₁，位于图5中圆a的位置。磨损后的压辊半径变为r₂，位于图5中圆b的位置；调整压辊偏心轴将圆2旋转至圆c处,半径O₂C₂为r₂。

结合图1-图4，本发明的一种环模制粒机模辊间隙调整结构的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、计算环模中心O到压辊轴心P的竖直方向距离d_OA：

其中l是压辊在安装时，压辊轴心P与环模中心O之间的距离d_OP，e是压辊轴中心P旋转中心到环模中心O的偏心距d_AP。

步骤2、计算环模中心O到初始偏心压辊旋转中心O₁的距离

其中R是环模半径。

步骤3、计算初始偏心压辊中心O₁到环模中心O的水平距离

步骤4、计算压辊中心P到两次压辊旋转中心O₁，O₂的距离O₁P,O₂P：

步骤5、计算初始偏心压辊旋转中心O₁到磨损调整后偏心压辊旋转中心O₂之间距离

根据几何关系，在ΔOPO₂中，利用余弦定理可得：

式中 是磨损调整后的偏心压辊旋转中心O₂到环模中心O的距离。

将式(4)带入可得：

在ΔOPA中∠β＝∠AOP：

同理在ΔOO₁O₂中，利用余弦定理可得：

带入与得：

步骤6、计算旋转角α与初始压辊半径r₁和磨损后压辊半径r₂的关系式：

式中∠O₁OO₂＝∠β-∠POO₂，故：

又在ΔO₁O₂P中，

联立式(9)(10)(11)可得旋转角α与初始压辊半径r₁和磨损后压辊半径r₂的关系式：

步骤7、计算挤压力：根据压辊受理分析，计算挤压力。

结合图6，挤压力N的表达式如下：

N＝P₁A₁+P₂A₂＝(P₁α₁+P₂α₂)RB (13)

其中P₁为挤压区压强；A₁为挤压区面积；P₂为变形压紧区平均压强；A₂为变形压紧区面积；α₁为挤压区圆心角；α₂为变形压紧区圆心角；挤压区圆心角与变形压紧区圆心角之和为圆心角α₀；R为环模半径；B为环模宽度。

根据图6所示，变形压紧区的平均压强是挤压区压强的一半，故式(13)为：

步骤8、计算挤压区圆心角α₁与变形压紧区圆心角α₂与压辊半径r的关系：

挤压区圆心角与变形压紧区圆心角之和(圆心角α₀)与物料挤压高度h有入下关系：

r²＝(R-r)²+(R-h)²-2(R-r)(R-h)cosα₀ (15)

其中，r为压辊半径；h为挤压物料高度。

而挤压物料高度h又与环模转速n、单位时间产量q、环模开孔率ε、环模半径R、环模宽度B、物料初始容重ρ₁之间存在如下关系：

q＝6×10^-11Zε[πR²-π(R-h)²]Bρ₁n (16)

其中，q为单位时间产量；n为环模转速；ρ₁为物料初始容重；Z是压辊个数。所以联立式(15)(16)得：

如果按照基础物料估算产量，并设挤压区物料容重为ρ₂，则单位时间产量q还可以表示为：

q＝6×10^-11Zε[πR²-π(R-h)²]Bρ₂n (18)

联立式(15)和(18)可得挤压区物料高度h和挤压区圆心角α₁：

步骤9、计算挤压力N与压辊半径r的关系式：

将α₁和α₀带入式(14)中得到挤压力N与压辊半径r的关系式：

所以式(20)可以转换成：

r＝finverse(N) (21)

其中，finverse(N)函数代表对式(20)求反函数，即用挤压力N表示压辊半径r。

步骤10、计算旋转角α与挤压力N的关系：

综合式(12)与式(21)，由于初始压辊未磨损，所以初始压辊半径可以看作是定值r₁，对于实时测得的挤压力Ne,可以根据式(20)得出

r₂＝finverse(Ne) (22)

带入式(12)，得到：

式(23)即压辊所受实时挤压力N_e与相应的调整的偏心角α之间的关系。根据检测出的实时挤压力N_e，控制旋转电缸转动|α|的角度。

若α＞0，则控制旋转电缸逆时针旋转：

若α＜0，则控制旋转电缸顺时针旋转：

结合图5-图7，本发明的一种环模制粒机模辊间隙调整结构的控制系统：包括环模1、偏心轴2、固定板3、旋转电机8、主动带轮7、从动带轮23、传动带5、设置在环模1内的两个轴向平行设置的压辊9、锁紧装置4、测试单元、控制单元；

所述压辊9通过偏心轴2支撑在支撑座10上；偏心轴2上下与压辊9之间均设有支撑轴承26进行支撑；使得压辊9可相对偏心轴2旋转；两个偏心轴2上端均与固定板3相连；所述偏心轴2可相对固定板3和支撑座10转动；所述旋转电机8与固定板3固连；所述旋转电机8转动轴与主动带轮7相连；两个偏心轴2上均设有从动带轮23；主动带轮7通过传动带5与两个从动带轮23相连；所述固定板3上设有锁紧装置，用于打开和锁紧两个偏心轴2。所述测试单元设置在压辊9外壳上，用于测试压辊9与环模1之间的挤压力；所述控制单元用以控制旋转电机8、锁紧装置4的工作；根据挤压力控制旋转电机8旋转角度，使得模辊间隙处于适宜范围之内。当检测到挤压力不在设定值范围内时，即需要调整压辊9与环模1的间隙，锁紧装置打开，旋转电机8转动带动主动带轮7旋转，主动带轮7旋转通过传动带5带动从动带轮23旋转，从动带轮23旋转带动偏心轴2旋转，偏心轴2旋转使得压辊9与环模1之间的间隙得到调整。当压辊9与环模1正常工作时，锁紧装置将偏心轴2锁死。

进一步的，所述压辊9包括压辊壳体、转轴21、螺母23、偏心轴套24、端盖25、球轴承26、套筒27；所述转轴21与偏心轴套24过盈配合组成压辊偏心轴2；所述偏心轴2、球轴承26、套筒27均设置在压辊壳体内；所述偏心压辊轴2与压辊壳体之间装配有球轴承26，压辊壳体可绕偏心压辊轴2旋转；所述压辊壳体两端均设有固定有端盖25，以对支撑轴承26定位和密封。两个支撑轴承26之间设有套筒27，以进行支撑定位。所述螺母23安装于轴端，对端盖25起锁紧作用。

所述检测单元包括应变计28、安装架29、集流环31、电刷32；所述电刷32固定在压辊9内侧；所述集流环31套在偏心轴2上，与电刷32接触；利用集流环31以及电刷32对应变计28供电。所述应变计28通过螺栓连接固定在安装架29上，安装架29通过螺钉连接固定在压辊壳9内壁；所述压辊9壳体沿径向设有通孔；所述安装架29上设有活塞杆30，活塞杆30一端穿过通孔伸出压辊9壳体外壁，另一端穿过安装架29与应变计28接触。

作为一种实施方式，所述锁紧装置包括两个固定在固定板3上端的三爪卡盘4，所述三爪卡盘通过电机驱动，用于锁死和打开偏心轴2。

进一步的，所述旋转电机8通过带轮连接板6以法兰形式与主动带轮7相连。

作为一种实施方式，所述旋转电机8与两个主动带轮7相连；两个主动带轮7分别与一个从动带轮22相连。

作为另外一种实施方式，所述固定板3上固定有两个旋转电机8，两个旋转电机8各连接有一个主动带轮7；每个主动带轮7分别与一个从动带轮22相连。

所述电刷32尾部的弹簧压片卡在压辊9壳体内的卡槽33内，把电刷32固定在压辊9上，与压辊9一起转动。正常工作时，外部驱动电压通过输入导线经由电刷32和集流环31连接到应变计28的输入端。制粒过程中，压辊壳9外部的环模由主电机带动旋转，压辊9与环模1之间的物料不断被挤压，通过摩擦力从而带动压辊9旋转，物料接触活塞杆，推动活塞杆接触应变计28，应变计28将所受压力信号传输到外部的数据处理系统。由于活塞杆及应变计28安装的位置可以在压辊9的外圆多个位置，所以压辊压力的检测可以实现多点的检测，进一步提高了检测的准确性。

所述控制单元包括主轴电机、旋转电机、三爪卡盘对应的控制器，主控制系统PLC；正常工作时，三爪卡盘4处于夹紧状态，锁紧偏心轴2，偏心轴2无法旋转。主电机带动主轴旋转，环模1与主轴相连，主轴带动环模1开始旋转，带动环模1与压辊9之间的物料转动，物料与压辊9之间由于挤压产生摩擦力，压辊9在摩擦力的作用下开始转动，转动方向与环模1转动方向相同。集流环31与电刷32在旋转过程中保持接触，给应变计28供电。应变计28实时检测由活塞杆传递来的挤压力N_e，当挤压力不在正常范围之内时证明需要进行间隙调整。当需要调整间隙时，三爪卡盘4松开，旋转电机8启动，带动主动带轮7和传动带5，进一步带动偏心轴2绕转转轴21轴线转动，起到调整间隙的作用。当间隙达到合适的位置时，旋转电机8关闭，三爪卡盘4夹紧，继续锁紧偏心轴2，进入正常工作。通过控制器控制旋转电机8的旋转角度α，从而控制偏心轴2的旋转角度α，继而自动控制压辊壳9与环模1的间隙。主轴电机、旋转电机、三爪卡盘分别于相应的控制器连接，再与主控制系统PLC相连。应变计将测得的数据信号传输给PLC，然后PLC通过控制相应的控制器继而控制主轴电机、旋转电机、三爪卡盘实现相应的动作。其主要作用是：传输应变计28实时检测得到的压力值N_e，并根据压力值N_e控制旋转电机8旋转相应的角度，使得模辊间隙处于适宜范围之内。

其中，控制角度α的关系式为：

当检测得的压力值N_e大于预设的正常工作范围内最大压力值N_max时，证明模辊间隙过小：则控制器控制三爪卡盘松开，并控制旋转电机顺时针旋转-α，α的值根据上式计算可得；

当检测得的压力值N_e小于预设的正常工作范围内最小压力值N_min时，证明模辊间隙过大：则控制器控制三爪卡盘打开，并控制旋转电机逆时针旋转α，α的值根据上式计算可得；

当检测得的压力值N_e位于预设的正常工作范围内最大压力值N_max与最小压力值N_min之间时，证明模辊间隙合适：

本实施例的模辊间隙调整结构控制方法具体包括下述步骤，参见图1所示。

步骤S1：制粒机主机上电。

步骤S2：模辊间隙调整机构上电。

步骤S3：打开三爪卡盘，夹爪锁紧转轴，进入正常制粒工况。

步骤S4：一段时间以后，制粒机保持稳定，应变计实时获取压辊所受的挤压力N_e。

步骤S5：判断N_e与预设的N_max和N_min的大小。

如果N_e>N_max，压辊受到挤压力偏大，证明模辊间隙过小，需要调整机构减小偏心转角增大间隙，因此执行步骤S6；

如果N_e<N_min，压辊受到挤压力偏小，证明模辊间隙过大，需要调整机构增大偏心转角减小间隙，因此执行步骤S9；

如果N_min<N_e<N_max，则压辊挤压力处于正常范围内，模辊间隙合适，直接返回步骤S4，实时检测挤压力。

步骤S6：关闭三爪卡盘，松开夹爪，使压辊偏心轴可以转动，进入调隙工况。

步骤S7：根据N_e的值控制旋转电机驱动压辊偏心轴顺时针转动一定角度α，α的值如下式，以此增大模辊间隙。

步骤S8：打开三爪卡盘，夹爪锁紧，再次进入正常制粒工况，返回步骤S4。

步骤S9：关闭三爪卡盘，松开夹爪，使压辊偏心轴可以转动，进入调隙工况。

步骤S10：根据N_e的值控制旋转电机驱动压辊偏心轴逆顺时针转动一定角度α，α的值如下式，以此减小模辊间隙。

步骤S11：打开三爪卡盘，夹爪锁紧，再次进入正常制粒工况，返回步骤S4。

本发明的环模制粒机模辊间隙调整结构的控制方法及系统，模辊间隙调整结构通过压力感知判断模辊间隙是否需要调整；利用集流环、电刷、应变计三者互相配合在高粉尘、高旋转工况下实时检测挤压力；利用偏心轴调隙原理通过旋转电机高精度调整模辊间隙；利用三爪卡盘锁紧偏心调整机构，保证机构的安全工作；实现了集感知和自适应调整为一体的调整机构。

Claims (10)

1.一种环模制粒机模辊间隙调整结构的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：利用模辊挤压力几何关系：

步骤1、计算环模中心到压辊轴心的竖直方向距离；

步骤2、计算环模中心到初始偏心压辊旋转中心的距离；

步骤3、计算初始偏心压辊中心到环模中心的水平距离；

步骤4、计算压辊中心到两次压辊旋转中心的距离；

步骤5、计算初始偏心压辊旋转中心到磨损调整后偏心压辊旋转中心之间距离；

步骤6、计算旋转角α与初始压辊半径和磨损后压辊半径的关系式：

步骤7、计算挤压力：根据压辊受理分析，计算挤压力；

步骤8、根据物料挤压高度，计算挤压区圆心角与变形压紧区圆心角与压辊半径的关系；

步骤9、计算挤压力N与压辊半径r的关系式；

步骤10、计算旋转角α与挤压力N的关系，若α＞0，则控制旋转电缸逆时针旋转；若α＜0，则控制旋转电缸顺时针旋转。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤6中旋转角α与初始压辊半径r₁和磨损后压辊半径r₂的关系式为：

其中R是环模半径；l是压辊在安装时，压辊轴心与环模中心之间的距离；是压辊轴中心旋转中心到环模中心的偏心距。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，步骤7中挤压力N的表达式为:

其中P₁为挤压区压强；α₁为挤压区圆心角；α₂为变形压紧区圆心角；B为环模宽度。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，步骤8中挤压区圆心角α₁为：

其中Z是压辊个数；q为单位时间产量；n为环模转速；ρ₂为挤压区物料容重；ε为环模开孔率。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，步骤10计算旋转角α与挤压力N的关系为：

其中N_e为实时挤压力，finverse(N)函数表示对挤压力N与压辊半径r的关系式的反函数。

6.一种环模制粒机模辊间隙调整结构的控制系统，其特征在于，包括环模(1)、偏心轴(2)、固定板(3)、旋转电机(8)、主动带轮(7)、从动带轮(23)、传动带(5)、设置在环模(1)内的两个轴向平行设置的压辊(9)、锁紧装置(4)、测试单元、控制单元；所述压辊(9)通过偏心轴(2)支撑在支撑座(10)上；偏心轴(2)上下与压辊(9)之间均设有支撑轴承(26)进行支撑；使得压辊(9)可相对偏心轴(2)旋转；两个偏心轴(2)上端均与固定板(3)相连；所述偏心轴(2)可相对固定板(3)和支撑座(10)转动；所述旋转电机(8)与固定板(3)固连；所述旋转电机(8)转动轴与主动带轮(7)相连；两个偏心轴(2)上均设有从动带轮(23)；主动带轮(7)通过传动带(5)与两个从动带轮(23)相连；所述固定板(3)上设有锁紧装置，用于打开和锁紧两个偏心轴(2)；所述测试单元设置在压辊(9)外壳上，用于测试压辊(9)与环模(1)之间的挤压力；所述控制单元用以控制旋转电机(8)、锁紧装置(4)的工作；根据挤压力控制旋转电机(8)旋转角度。

7.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述压辊9包括压辊壳体、转轴(21)、螺母(23)、偏心轴套(24)、端盖(25)、球轴承(26)、套筒(27)；所述转轴(21)与偏心轴套(24)配合组成压辊偏心轴(2)；所述偏心轴(2)、球轴承(26)、套筒(27)均设置在压辊壳体内；所述偏心压辊轴(2)与压辊壳体之间装配有球轴承(26)，压辊壳体可绕偏心压辊轴(2)旋转；所述压辊壳体两端均设有固定有端盖(25)，以对支撑轴承(26)定位和密封；两个支撑轴承(26)之间设有套筒(27)。

8.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述检测单元包括应变计(28)、安装架(29)、集流环(31)、电刷(32)；所述电刷(32)固定在压辊(9)内侧；所述集流环(31)套在偏心轴(2)上，与电刷(32)接触；所述应变计(28)固定在安装架(29)上；所述安装架(29)固定在压辊壳(9)内；所述压辊(9)壳体沿径向设有通孔；所述安装架(29)上设有活塞杆(30)，活塞杆(30)一端穿过通孔伸出压辊(9)壳体外壁，另一端穿过安装架(29)与应变计(28)接触。

9.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于，当检测得的压力值N_e大于预设的正常工作范围内最大压力值N_max时，控制三爪卡盘松开，并控制旋转电机顺时针旋转；当检测得的压力值N_e小于预设的正常工作范围内最小压力值N_min时，控制旋转电机逆时针旋转。

10.根据权利要求9所述的控制系统，其特征在于，旋转角度α为：