基于Automation Studio的橡胶开炼机液压调距系统设计与仿真

付昕杰，杨铭，胡逢石，刘烨，张海龙，胡清明，马洪亮

基于Automation Studio的橡胶开炼机液压调距系统设计与仿真

付昕杰1，杨铭1，胡逢石1，刘烨1，张海龙2，胡清明1＊，马洪亮3

（1.齐齐哈尔大学 机电工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006；2.黑龙江省农业机械工程科学研究院齐齐哈尔分院，黑龙江 齐齐哈尔 161003；3.齐重数控装备股份有限公司，黑龙江 齐齐哈尔 161003）

针对现有机械式橡胶开炼机存在机构工作行程大、可靠性差、安全性低等问题，设计了一种橡胶开炼机液压调距系统。该系统通过液压泵吸油提升油液的压力推动液压杆，采用给定信号控制各阀门开口大小和开口方向实现液体的流向和速度改变，从而控制液压杆的位移和速度以实现调距功能。采用Automation Studio软件搭建液压调距系统仿真模型，得到该系统液压缸侧压力和液压杆位移随时间变化曲线，验证了此系统运行平稳，可代替传统调距装置实现调距功能。

橡胶开炼机；调距装置；液压系统；Automation Studio

在橡胶加工和生产中，橡胶开炼机用途广泛，是橡胶生产中重要设备之一[1-2]。开炼机在炼胶过程中，辊距是影响胶料质量的重要因素[3-4]，辊距大小直接影响橡胶制品质量和胶料性能，且胶料性能是否稳定决定了橡胶制品的好坏[5]。调距装置根据胶料工艺性能要求不同，对辊距进行调整[6]。目前，国内开炼机设备普遍采用的调距装置形式为手动和电动，其都属于机械调距。手动调距装置通过手轮、蜗轮和调距螺杆配合工作，通过手轮驱动蜗轮使调距螺杆伸缩实现调距功能，具有结构简单，动作可靠等特点，但工作强度大[7]；与手动调距不同，电动调距装置采用可双向转动电机和减速器取代传统手动调距装置的手轮，具有工作强度小、运行可靠等优势，但其结构组成复杂，系统稳定性不足[8]。液压装置通过使用液压动力机构进行工作，具有布置紧凑、平稳传动且适用性高等优点[9]。相比于传统调距技术，液压调距通过使用液压杆代替螺杆，取代传统调距装置，可有效提高橡胶开炼机开炼精度和效率，减轻劳动者工作强度，保证操作的连续性和安全性。基于此，本文提出一种基于液压调距离的橡胶开炼机，代替传统调距装置实现自动调距，适用于不同规格橡胶开炼机。

1 橡胶开炼机工作原理

橡胶开炼机通过两个速度不同的辊筒旋转，使堆积在其上的胶料通过辊筒表面的摩擦和黏附进入辊隙[10-11]，胶料在通过辊筒的楔形断面时，通过挤压和剪切作用，橡胶分子链氧化断裂，增加胶料的可塑度，一段时间后，材料在辊筒横压力的作用下发生塑化，多次往复，从而达到炼胶的目的[8]。橡胶开炼机工作原理如图1所示。

图1 橡胶开炼机工作原理

为确定液压系统工作压力，需对辊筒横压力进行计算，得到系统工作压力。开炼机辊筒单位横压力计算如下：

式(1)中，为单位横压力（MPa）；为胶料粘度（Pa·s）；为辊筒线速度（cm/s）；为辊筒半径（cm）；为辊筒工作部分长度（cm）；为辊距（cm）；为供胶厚度（cm）。横压力影响因素较多，理论计算仅作为参考标准，实际选取横压力大小一般根据所选开炼机型号采用实际测量及经验数据来确定，选取单位横压力为50MPa。

依据液压油压力和力转换关系，计算液压系统所需工作压力公式如下：

式(2)中，为液压缸无杆腔面积（m2）；为液压系统工作压力（Pa）。

2 液压调距系统

2.1 液压调距工作原理及过程

橡胶开炼机液压调距系统原理如图2所示。工作时，液压系统由定量泵和蓄能器一起供油，实现液压杆的伸缩进而达到调整辊距目的；当系统出现故障，可通过手动液压泵供油，实现液压杆快速退回。

图2 液压调距系统工作原理

注：1-过滤器，2-定量泵，3-马达，4-单向阀，5-流量计，6-先导式溢流阀，7-直动式溢流阀，8-常闭式换向阀，9-可变节流阀，10-压力计，11-蓄能器，12-分流器，13-电磁换向阀，14-液压锁紧回路，15-液压缸，16-液位计，17-温度计，18-手动液压泵，19-油箱。

液压系统开始工作，进入空载状态。此时启动液压马达3，定量泵2开始吸油，常闭式换向阀8.1得电，压力油通过过滤器1、单向阀4.1、流量计5、可变节流阀9、常闭式换向阀8.1，最后流回油箱19。在此过程中，压力表10.1示数为0，定量泵2通过常闭式换向阀8完成卸荷。

系统工作一段时间，定量泵2和马达3工作到正常状态，系统运行平稳。常闭式换向阀8.1不得电，电磁换向阀13.1和13.2处于“0”机位，此时蓄能器开始充能。

蓄能器充能完毕，系统整体压力达到稳定阈值，此时系统可实现调距功能。电磁换向阀13.1和13.2得电，压力油经过分流器流入工作系统，通过分流器的作用，保证两液压缸同步伸出，电磁换向阀13.1和13.2通过控制阀芯开口大小改变系统流量，进而改变液压缸缸内压力，以调整液压缸15.1和15.2中液压杆的位置。液压杆到达既定位置，电磁换向阀13.1和13.2切换到M型中位，定量泵2完成卸荷，液压缸通过液压锁紧回路14确保液压缸位置保持不变。当辊筒由于巨大横压力作用和液压缸漏油情况下发生移动，根据液压缸15.1和15.2的移动信号控制电磁换向阀 13.1和13.2的信号，对液压缸15.1和15.2的位移进行调整，使液压杆回到既定位置，保证炼胶性能。

橡胶开炼机完成既定工作，辊筒需分离来增大辊距，此时液压杆退回。通过给定信号，电磁换向阀13.1和13.2切换到右位，液压油进入有缸腔，实现液压杆的退回。

当橡胶开炼机发生故障，液压杆需急速退回时，常闭式换向阀8.2和8.3得电，通过手动泵吸油，实现液压杆的急速退回。

2.2 主要参数计算

液压系统中，压力和流量作为主要参数，是确定常用液压元件、液压辅助元件和液压马达规格型号的依据[12]。液压系统工作压力根据载荷大小和设备种类来定，初选此系统的工作压力为20MPa[13]。根据所选用的调距缸活塞面积和液压杆伸缩速度，取最大速度为2.5m/s，活塞直径为350mm，求得液压缸最大流量为

式(3)中，为液压缸有效面积（m2），max为液压缸最大速度（m/s）。因考虑系统泄露等因素，将系统流量扩大30%，取max=18.75L/min。

3 工况仿真分析

基于Automation Studio搭建液压调距系统工作原理图，计算参数设置如表1所示，不计油泵启动时间，对该液压系统工况特征曲线进行绘制。

3.1 液压杆位移分析

电磁换向阀13.1和13.2得电，液压油进入液压缸无杆侧，液压杆到达指定位置后换向阀切换至M型中位；当电磁换向阀13.1和13.2右位得电，液压油进入液压缸有杆侧，液压杆伸缩位移和伸缩速度如图3和图4所示。

图3 液压杆伸缩位移

图4 液压杆伸缩速度

由液压杆伸缩位移和伸缩速度可知，系统开始进行工作，液压泵吸油，液压油分别进入液压缸有杆腔和无杆腔，实现液压杆伸缩。此过程中液压杆伸缩速度出现短暂波动后稳定，液压杆速度保持不变，实现平稳伸出和收缩。结果表明，此系统能够保证液压杆伸缩稳定，满足调距系统的要求。

3.2 活塞侧压力分析

当电磁换向阀13.1和13.2得电，压力油进入液压缸无杆侧，此时液压缸无杆侧压力上升，当电磁换向阀右位得电，液压油进入液压缸有杆侧，液压缸活塞侧压力如图5所示。

由图5可知，液压系统开始工作时，液压缸活塞侧压力上升，液压杆伸出，当液压杆位置达到极限值后，液压缸无杆腔内压力迅速上升后趋于稳定，液压杆位置保持不变，当液压杆退回时，活塞侧压力下降到一定值后趋于稳定。

3.3 快速退回位移

当系统发生故障时，换向阀8.2和8.3得电，通过手动泵将液压油吸入有杆腔，液压杆快速退回，其位移如图6所示。

由图可知，当设备故障紧急停车后，通过手动泵吸油，可实现液压杆的快速退回，对比图3分析，此过程液压杆退回速度高于电磁换向阀位于右位时速度，可极大程度保证操作人员人身安全。

图5 液压缸活塞侧压力

图6 液压杆快速退回位移

4 结论

对现有橡胶开炼机调距装置研究，提出了一种橡胶开炼机液压调距系统，基于Automation Studio软件绘制液压调距系统原理图，并进行仿真分析。通过分析液压缸伸缩位移、伸缩速度和液压缸活塞侧压力，表明该系统可实现液压杆的平稳伸缩，符合橡胶开炼机调距装置需求，并可减少操作人员的工作强度。通过分析系统故障液压杆快速退回位移，表明该系统可实现发生故障时的快速退回，很大程度上保证了操作人员安全，证明了该系统的可行性，为橡胶开炼机液压调距系统开发提供借鉴。

[1] 唐帆，聂卫云，路丽珠，等. 橡胶混炼技术创新及产业化应用[J]. 橡胶科技，2021, 19(11): 525-533.

[2] 田建德，刘保权，马美琴. 我国橡胶机械工业的现状､机遇及对策[J]. 橡塑技术与装备，2015, 41(13): 28-29.

[3] ZENG X K, WANG D, AN S, et al. Experimental research on the influence of the open mill mixing process technological parameters on the mixing quality[C]//Key Engineering Materials, Trans Tech Publications Ltd, 2013, 561: 400-404.

[4]贾慧青，翟月勤，笪敏峰. 开炼机混炼程序对丙烯腈-丁二烯硫化胶性能的影响[J].合成材料老化与应用，2017, 46(05): 65-67, 79.

[5] 曾宪奎，宋国宗，汪传生，等. 开炼机混炼工艺参数对天然橡胶性能的影响[J]. 合成橡胶工业，2014, 37(06): 418-422.

[6] BIAN H G TIAN X L,PAN YI R, et al. The numerical and experimental research of impacts that shearing action and stretching action of open mill mixing have on rubber mixing properties[J]. Key Engineering Materials, 2016, 717: 91-97.

[7] 柴建. 开炼机液压调距系统设计与控制研究[D]. 兰州：兰州交通大学，2015.

[8] 颜建龙，陆永高，张晓琳，等. 半钢二次法成型机箱体式主机扣圈盘调距装置的设计[J]. 橡塑技术与装备，2019, 45(06): 55-58.

[9] 梁钻元. 液压机械传动控制系统在机械设计及制造中的应用[J]. 南方农机，2022, 53(20): 159-161.

[10] 徐秀丽，欧阳亮. 液压式开炼机液压系统设计与研究[J]. 机械工程师，2016(08): 196-197.

[11] 蒋胜男，余尧，崔凯文，等. 恒黏天然橡胶/白炭黑复合材料的制备及性能[J]. 弹性体，2022, 32(05): 41-48.

[12] 秦泗吉，李学洋，潘自给，等. 压边力控制技术研究现状[J]. 塑性工程学报，2022, 29(10): 1-11.

[13] 陈英龙，郝新娟，宋甫俊，等. 低温环境下液压元件及系统研究综述[J]. 机床与液压，2022, 50(13): 174-180.

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

齐齐哈尔大学研究生创新科研项目（YJSCX2021084）；齐齐哈尔大学学位与研究生教育教学改革研究项目（JGXM＿QUG＿2021007）；黑龙江省省属本科高校基本科研业务费科研项目（145209402）；中央引导地方科技发展专项项目（SBZY2021E043）

付昕杰（1999-），男，山西临汾人，硕士在读，主要从事液压传动相关技术应用研究，1059145742@qq.com。

胡清明（1985-），男，江西遂川人，副教授，博士，主要从事现代机械传动系统设计与仿真研究，huqingming1267@126.com。