（机械制造及其自动化专业论文）卧螺离心机电液伺服控制系统的设计与研究.pdf

摘要 y 7 2 1 1 5 7 卧螺离心机作为国民生产中的重要设备，在化工、环保、国防等行业中占有 很高的地位。卧螺离心机工作时。转鼓转速以及与螺旋推料器之间的速差，决定 着物料的分离效果和产量等。是离心机很重要的可变参数。目前国内实际应用中 的卧螺离心机，其传动装置多为行星传动差速器。采用电机驱动差速器的卧螺离 心机存在很多不足，鉴于液压传动在无级调速方面的方便性，可改为用液压方式 驱动卧螺离心机来调节机器转速和速差。 本课题主要是根据卧螺离心机的特点，设计研究适于卧螺离心机调速要求的 电液伺服控制系统。首先，通过静态设计选择合适的元器件，搭建起液压伺服控 制系统的基本框架。再对系统进行动态分析，并根据动态要求设计合适的控制器。 最后，建立起系统的数学模型并用m a t l a b 提供的s i m u l i n k 软件包对系统利锎速 性能进行了仿真分析，并给出操作意见。 在本课题的设计与研究中，以实用为原则，注意设计方案的可行性。本课 题虽然是选择的某一特定型号的卧螺离心机，但其设计思路和方法可为其他型 号的卧螺离心机电液伺服控制系统的设计提供参考。 关键词：卧螺离心机，电液伺服控制，静态设计，动态分析，仿真研究 a b s t r a c t t h eh o r i z o n t a ls c r e wd e c a n t e ri sak i n do fi m p o r t a n te q u i p m e n t i nn a t i o n a lp r o d u c t a n di t s p o s i t i o n i s v e r yh i 曲i n t h ei n d u s t r i e ss u c ha sc h e m i c a l i n d u s t r y , e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，a n dn a t i o n a ld e f e n s e t h ed r u m sr o t a t i n gs p e e da n dt h e r o t a t i n gs p e e dd i f f e r e n c eb e t w e e nd r u ma n ds p i r a ls t o c kp u s h e ra r ev e r yi m p o r t a n t v a f f a b l ep a r a m e t e r so ft h eh o r i z o n t a ls c r e wd e c a n t e rw h e ni t i s b e i n go p e r a t e d b e c a u s et h ee f f e c ta n do u t p u to fs e p a r a t i o na r ed e t e r m i n e db yt h er o t a t i n gs p e e da n d t h er o t a t i n gs p e e dd i f f e r e n c eb e t w e e nd r u ma n ds p i r a ls t o c kp u s h e r m o s to fd r i v e d e v i c ei nh o r i z o n t a ls c r e wd e c a n t e ra r e p l a n e td i f f e r e n t i a lg c a r i n gi n u s ei no u r c o u n t r y a tp r e s e n t b e c a u s et h e r ei sm u c hw e a k n e s si nu s i n ge l e c t r o m e t e rd r i v e p l a n e t d i f f e r e n t i a lg e a r i n gw em a yu s eh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o ni n s t e a do ft h ee l e c t r o m e t e r d r i v ep l a n e td i f f e r e n t i a lg e a r i n gt od r i v et h eh o r i z o n t a ls c r c wd e c a n t e r t h eh y d r a u l i c t r a n s m i s s i o nh a sm a n y p r i o r i t i e st ot h e e l e c t r o m e t e rd r i v e p l a n e td i f f e r e n t i a lg e a r i n g t h em a i nc o n t e n to ft h i st h e s i si st od e s i g n fa ne l e c t r i ch y d r a u l i cs e r v oc o n t r o l s y s t e mw h i c hi sa d a p t e dt ot h es p e e dr e g u l a t i o no ft h eh o r i z o n t a ls c r e wd e c a n t e r f i r s t l y , w es e l e c t t h ep f o p e re l e m e n t sb ys t a t i cd e s i g n ，a n dt h eb a s i cf r a m eo ft h e e l e c t r i ch y d r a u l i c i v oc o n t r o ls y s t e mi sb u i l tu p s e c o n d l y , a f t b rd y n a m i c a n a l y z i n g w e d e s i g np r o p e rc o n t r o l l e rw h i c hc a nf l l i f i l lt h es y s t e m sd y n a m i cr e q u i r e m e n t s a t l a s t ，t h em a t hm o d e lo ft h i ss y s t e mi ss e tu p a n dt h i ss p e e dr e g u l a t i o nl o o pi s s i m u l a t e db yu s i n gs i m u l i n ks o f t w a r ep a c k a g ew h i c hi sap a r to fm a t l a b t h e o p i n i o n o f o p e r a t i o ni sg i v e n i nt h er e s e a r c ho ft h i st h e s i s ，t h ea p p l i c a t i o na n d p r a c t i c a b i l i t yi sc r i t e r i af o rd e s i g n p l a na n dr e s e a r c hc o n t e n t - a l t h o u g hw es e l e c to n es p e c i f i cm o d e lw ec a l lg e ts o m e u s e f u li d e a sa n dm e t h o d s 蛔t h er e s e a r c ho ft h i st h e s i sw h e nw e d e s i g ne l e c t r i c h y d r a u l i c s e r v ec o n t r o ls y s t e m so fo t h e rm o d e lh o r i z o n t a ls 鳓，wd e c a n t e r s k e yw o r d s ：h o r i z o n t a ls c r e wd e c a n t e r , e l e c t r i ch y d r a u l i cs e l v oc o n t r o l , s t a t i c d e s i g n ，d y n a m i ca n a l r s i s , s i m u l a t i o n 兰州理工大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 固液分离机械及国内外发展概况 人们生活在混合物的世界中。自然资源( 如水、空气、矿物、动物体、植物体) 人们吃的、用的和周围环境都是混合物。“垃圾只是有用的东西放错了地方。”自然资 源的加工和处理过程如采油、炼油、选矿、冶炼、食品加工和生物制品的生产都是分 离过程。分离过程的完成又都是通过各种各样的分离机械来实现的。工业生产中，凡 是用以分离固一液、气一液、气一同等非均相混合物的机械统称为分离机械。 在工业生产中，实现固液混合物分离的操作方法分沉降与过滤两大类，过滤机和 离心机在工业生产过程中基本上属于后处理设备，主要用于脱水、浓缩、澄清、净化 及固体颗粒分级等工艺过程，它最随各工业部门的发展而发展起来的。现在已广泛甩 于化工、石油化工、石油炼制、轻工、食品、医药、纺织、冶金、煤炭、船舶、国防； 工业等各个领域，例如化工生产中联碱厂中重碱的脱水、合成氨生产中催化剂的脱水、 磷肥生产中磷石膏的脱水，各种石油化工制品如聚蔼烯、聚苯乙烯笛的脱液，石油开 采中钻井泥浆的回收，石油炼制中石油的脱蜡，轻工、食品工业中牛奶、酵母、啤酒、 果汁、砂糖、桔油、食用动物油、米糠油等食品的制造，淀粉及农药的制造，纺织品 及纤维的脱水及合成纤维的制造，放射性元素的浓缩，三废治理中的污泥脱水，各种 润滑油、燃料油的提炼等。过滤机和离心机已成为国民经济各个部门广泛使用的两种 通用机械。 我国解放后经过努力逐步形成了一个布局基本合理，初具规模的研究、设计和生 产制造体系，但八十年代前由于工业发展水平的制约，生产发展比较缓慢。大部份制 造厂是兼营厂，年产设备4 0 0 台套左右，技术水平与国外先进水平相距甚远。进a a 十年代后，由于能源、资源开发的需要、工业生产中三废问题日益突出，工业生产规 模不断扩大，各行业对过滤和分离设备的质量、性能和数量等方面都提出了新的要求， 同时我国加强了国际间的技术交流合作，促使我国的过滤和分离机械行业有了较大的 发展。 我国过滤和分离机械的研究和开发基础也比较薄弱，起步较慢，经过多年努力现 已逐步形成了一支具有定技术水平的研究、开发、设计队伍。近年来由于加强了国 兰州理工大学硕士学位论文 第一章绪论 际学术交流和技术交流和技术与设备的引进，对国外这一领域的发展情况也有了较全 面的了解。国内在这一领域的学术活动近年来也相当活跃，自1 9 8 2 年成立了中国流 体工程学会分离机械专业委员会，1 9 8 7 年成立了中国化学工程学会非均相分离专业 学组以来，到现在已经召开了九次全国性的专业技术交流会。但由于历史的种种原因； 致使我国目前过滤与分离机械大致处于国外八十年代末水平，落后国际水平约1 0 1 5 年。 国外过滤与分离机械二十世纪以来发展较快，尤其是进入八十年代后发展迅速， 先后创造出机器人操作、全自动化作业、纳米过滤、超导分离等高新技术产品。国外 过滤与分离机械制造精度和自动化程度高，主要产品类型、品种繁多，对类型划分国 外先后有多种提法，至今仍不尽一致。进入2 1 世纪后，多数发达国家趋向按推动力 工作原理的共性分为“类”，按整机结构特征( 特殊情况按功能) 分为“型”，按关 键特性分为“式”。目前国外分离机械的主要种类有过滤机、电磁选分设备、分离 设备，还包括萃取设备、发汗设备和于燥设备等。其中过滤机还可分为真空类和加压 类，加压类又分为压力组、压力容器组、压榨组、动态过滤组；电磁选分设备可分为 带型、滚筒型等；分离设备可分为膜类、离心类、气溶胶类，且离心类里面包含过滤 组、沉降组，每组里面还可分成各种型。 1 2 周液分离机械发展趋势 固液分离技术正处于方兴未艾的发展期，又非常繁杂，很难清理出简单的方向， 分析所了解的资料认为固液分离设备有如下发展趋势： 1 在不太增加能耗的前提下发展和改进各种压滤机 为降低滤渣的湿含量和降低脱水憨成本，促进备式压滤枫的发展，周对基于对滤 饼尤其是可压缩滤饼性质的深入研究，更加重视和发展滤饼的医榨或压缩技术。间断 式板框压滤机仍在材料、板框结构、进出口布置、过滤介质、提高和合理采用过滤压 力以及过滤机理等多方面进行研究和改进，例如提出了板框压滤机是半横流式而非端 式、“零压”过滤等观点；带式压滤机以其连续工作的优越性和大量处理污泥的需要 在国外得到很大的发展，尤其在结构上，包括脱水滚和挤压滚的大小、个数和布置等。 为大幅度降低滤渣含湿率，压榨机已进入脱水设备行列，并正在改进和发展。 间断式板框压滤机仍是主要的压滤机，国内外产量均很大。提高板框压滤机的工 2 兰塑堡三盔堂塑主堂鱼堡塞羔三蔓生! 鱼 作压力是降低滤饼水分的重要措施，国外的板框式压滤机的工作压力，一般为 0 6 。1 4 m p a ，可达2 5 m p a 或更高些。为此需从材料和结构上加强板框的可承压能 力，例如除铸铁外，采用不锈钢或涂有合成树脂膜的铝合金、青铜，特别适于海水， 锡一锌青铜适于酿造业，聚丙烯( p p ) 或聚乙烯( p v q 、c p v c 板框质量轻等。为迸一步 降低滤饼水分，国内外均己发展了加有隔膜压榨的板框压滤机。采用薄滤饼( 1 3 1 9 e r a ) ，既可缩短过滤时间，又有利于降低滤饼水分，过滤终了后采用双面隔膜压榨( 水 压或气压，0 6 。1 5 m p a ) ，一般可再降低滤饼中水分的2 5 ，形成没有湿心的干滤饼。 现用隔膜多为抗溶的橡胶混合物，和板框做成一体。一种用于医药行业的隔膜板框压 滤机是用柔性密封和一个水力冲头代替膜来实现压榨。 在纤维、纸浆、蔗糖以及许多食品、饮料等的生产以及污泥处理中，为降低渣的 湿含量而采用连续压榨机。国外有许多过滤公司生产旋转压榨机，有的称为脱水压缩 机，型式也很多。国内也开始生产，基本型式是旋转螺旋式。螺旋压榨机是一个非常 紧凑的设备，脱水、压榨和运输筛分全由一个螺旋来完戤。螺旋安在一个多孔的机壳 内，它既是压榨机构也是运输机构。由于螺旋和机亮间的空间越来越小，物料被压挤， 其有效体积也不断缩小，物料中的液体随着被压出。压榨机的型式基本有两种，一种 是圆筒形外壳，螺旋的螺距逐渐减小，一种是圆锥外壳，螺旋直径逐渐减小。可通过 喷嘴喷入水等液体洗涤压榨的滤渣。 2 为提高滤渣固含量和滤液澄清度，沉降离心机还有许多潜力 沉降离心机和过滤离心机是固液分离的重要设备，用途异常广泛，发展快、品种 多，国内外的厂家都相当多。除转鼓和螺旋结构外，离心机在机械传动、检测、指示、 自动控制以及密封等方面都有许多工作可做。 过滤离心机原则上分为。间断上悬式、自动短鼹环闯断或和连续输送式等。为了 满足微细物料阿脱水，上悬式的过滤介质可用帆布、金属丝加强布或金属丝网；自动 式机一般用细金属筛网：连续输送式的过滤介质，通常是钵体自身的窄缝壁。据资料 介绍，这种过滤机的滤饼水分甚至可以比压滤橇还低。但据国内资料介绍过滤离心 机的最小截冒颗粒粒度为1 0 l am ( - 足式和上悉式) 对予沉降离心机，中心问题是降低其滤液浊度和滤滚水分。微米乃至纳米级料浆 的浓缩和过滤是当前的极大难题，目前唯有管式离心机的给料粒度可小到o 5 勒m ， 据称当前国产的直径约l o o m m 的管式离心机的转速可达2 0 0 0 0 r m i n ，分离因数约达 ， 兰州理工大学硕士学位论文 第一章绪论 4 0 0 0 0 。 我国的离心机厂家非常重视对卧螺离心机的改进，以降低其排液浓度和沉渣水 分，分别引进法国、日本等国的技术，均有相当的改进。据了解，目前过滤纳米材料 用管式离心机比较可靠，可以得到很干的滤饼和接近清水的滤液。 3 复合技术正在实践中发展 复合技术在过滤脱水中的应用已经越来越普遍，文献资料也非常多，下面仅举几 个例子。 美国生产的j - v a p 压滤机，将蒸发、真空技术结合在板框压滤机上，使滤饼水分 几乎达到干燥的水平，可在5 5 9 9 固含量范围内选择。其过滤室很窄，所以初步 过滤阶段的时间很短，只是排除自由水，接着就用6 5 8 0 c 的热水压缩滤室，并引 入真空，以使残存的水分能蒸发，此阶段的时间可根据物料性质设定，该阶段终了后 即卸饼。这种压滤机可处理特细的料浆。 一种将筛分和离心机相结合的过滤离必机，入料由上部给料口进入，立即被分配 到旋转的筛网上，液体在离心力作用下穿过筛网进入液流区j 出，固体在缓慢加快的 旋转螺旋的作用下沿筛网向下运行，由于筛网的直径逐渐增加，离心力也逐渐增大， 固体紧贴在网上形成薄的滤饼，被进一步挤压脱水，但未介绍其截留粒度。 磁种过滤可用于除去特细( 包括胶体) 的固体颗粒，如在沉降过程中的污染物。磁 种过滤的基础是在磁场中颗粒间的作用力。用少量的顺磁性的胶体颗粒作磁种，在高 磁场中可发生异相絮凝，而且絮团有顺磁性，便可以在高梯度磁滤机中被分离出来。 进一步的发展是磁种不仅絮凝顺磁性颗粒，而且也絮凝j 基顺磁性颗粒，用于危险废水 处理。 4 膜滤技术蓬勃发展 由于需要脱水的物料的圃形物颗粒越来越小，纳米级料浆的脱水成为突出的课 题，过滤正在蓬勃发展，包括滤膜和设备。 膜滤是一个笼统的概念，确切地说是媵技术，包括微滤、超滤、反渗透、纳滤以 及离予交换等，膜的孔径：反渗透膜最小为一0 5 1 5 r i m ，纳滤膜分离范围为1 5 3 0 r i m , 超滤膜分离范围为0 0 0 2 0 2 um ，微滤膜分离范围为0 0 2 2 o um 。膜滤已 是一个专门学科，在理论上和技术上都相当丰富，虽然整个膜滤的确是固液分离的重 要组成部分，但我们在此不想多涉及，按分离粒度我们只涉及微滤至超滤( 微滤截留 4 兰州理工大学硕士学位论文 第一章绪论 粒度o 。1 1 0 um ，超滤大约为o 0 0 1 0 1 um ) ，以下我们简称它们为微细物料，本 节主要是介绍处理这种料浆的过滤方法和设备。又由于过滤介质是过滤机的心脏，所 以将主要介绍过滤这种物料的介质，其种类很多，其中微滤膜有更精确的分离结果， 微孔膜的孔径标准一般为0 1 、0 2 、0 4 5 、o 6 5 、o 3 um 和5 um ，也可做成1 0 u r 。 随着处理物料的细化和超细化。微孔过滤介质得到蓬勃的发展，微滤介质种类很 多，除微滤膜外，主要的有各种滤芯、烧结微孔过滤介质和复合膜微孔过滤介质。 滤芯的应用场合很多，从气体、液体到多种油类，滤芯的种类虽多，但其实质就 是各种渗透性材料用不同的方式做成的管式微孔过滤介质，同时也就是一类过滤器， 滤管的形式有缠绕式、微孔式、折叠式、组装式等，管的一端封闭，一端开启，流体 从管外表面流向管内，杂质滞留在管外表面。经过清洗可再生。随着处理物料的细化 和超细化，微孔过滤介质得到蓬勃的发展，微滤介质种类很多，除微滤膜外，主要的 有各种滤芯、烧结微孔过滤介质和复合膜微孔过滤介质。滤芯虽然可以经清洗再生， 但大多数是次性的，所以应尽可能价廉。滤芯的最高互作e , 9 - 般为0 5 m p a 。 参照膜滤技术，现在已开发出涂层的微孔陶瓷、微孔高分子及微孔金属过滤介质， 使这些介质的孔径可进一步减小至1 o 2 i lm 以下。 5 小结 目前，世界上大大小小的相关企业或公司已超过千余家，国外的技术发展迅猛。 国内虽也有一些研究机构和制造厂家坚持不懈地在开发新产品。但实事求是地说，国 内的产品无论在品种还是在质量上都存在较大程度差距，缺乏创新和开拓，更遗憾的 是缺乏研究开发人才。产品仿制的多，研制的少。因此我国需要在这方面加大资金和 技术投资力度。 1 3 本文的主要研究内容及意义 1 3 1 本文研究的意义 卧式沉降卸料离心机是网液分离机械中很重要得一种，卧式沉降卸料离心机一般 简称为卧螺离心机。由于卧螺离心机有很多其它分离机械不可比拟的优点，该种分离 机械被广泛应用于国民经济的各个领域，如：石油、化工、食品加工、医药、环保、 国防等行业。我国虽然也有二十余年的研究生产的历史，但在离心机的设计、制造、 驱动方式等的研究方面仍存在着很大差距。从而造成设备落后、竞争力不够，导致国 5 兰州理工丈学硕士学位论文 第一章绪论 内大量引进设备。仅国内市场每年的销售额在3 0 亿元以上，其中每年进1 3 在1 0 亿元 以上。而且进1 3 价格昂贵，少则几十万美元，多则超过百万美元。据调查，仅兰州炼 油化工总厂每年进口国外离心机的金额就近亿元人民币。随着国民经济的不断发展， 我国对离心机的需求量每年呈2 0 以上的幅度上升。所以，爱 螺离心机具有市场大、 应用面广、前景好的特点。 传统卧螺离心栅的驱动方式均采用一台电机驱动差速器，从而带动转鼓和螺旋推 料器以一定转速和速差旋转。该种驱动方式存在如下缺点：转鼓和螺旋推料器的转 速及它们间的速差不能任意调节，一旦差速器设计完成，转速和速差之间的变化关系 就确定，不能按需要进行调节。对于不同性质、不同种类、不同浓度的物料，以及 对分离精度和效率的不同，往往需要调节转速和速差，只有转速和速差任意可调，才 能使离心机适应各种物料的分离，而不是物科适应离心机。 采用液压驱动转鼓和螺旋捱料器，遁进闭环控制回路瀛墨，? 从而达到调节马达转 速，实现转鼓和螺旋推辩器的速羞可任意调节。 目前国内在卧螺离心机方面的研究和生产单位也有= 十余家。典型企业有广州重 型机器、重庆江北机器、台肥天工集团、合肥通用研究所等。但普遍存在可靠性和稳 定性差、使用寿命短、分离能力低、分离精度差以及物性变化的适应性差等缺点。而 且均采用电机带动差速器直接驱动，还没有采用液压驱动方式的研究报道。 在国外，大部分生产厂家和公司，如美国的s h a r p i e r s 公司、瑞典的na l f a 公 司仍采用电机和差遥器直接驱动离心机转鼓和螺旋捺料器。而德国的f l o t t w o g 公司也 只是在近几年才推出了液压驱动卧螺离心机。它代表了鞋螺离心机在驱动方式上的领 先水平。 1 3 2 本文研究的内容 本文研究的日的在于；采用液压马达驱动黔螺离心机，实现转速和速差的任意可 调，克服传统分离机的适应性和通用性差等缺点。研制出一种新型的以液压方式驱动 的卧螺离心分离机，具有可观的经济价值和社会意义。 因为液压系统的性能直接影响用液压方式驱动的卧蠕离心机的整体性能，因此液 压系统的设计在研制该种卧螺离心机中占有很重要的地位，因此本文的主要研究内容 为设计出适合卧螺离心机器要的液压系统。 6 兰州理工太学硕士学位论文 第一章绪论 本文的研究思路是分析某具体型号的卧螺离心机，根据该离心机的分析结果设计 出其适合的液压驱动回路。在这里我们选择上海化工机械厂生产的l w 2 0 0 4 0 0 一n 型 卧螺离心机，因此本文的主要任务是根据上海化工机械厂生产的l w 2 0 0 4 0 0 一n 型卧 螺离心机的技术参数，设计出适合该种卧螺离心机调速要求的液压系统，实现转鼓和 螺旋推料器转速及它们间速差的任意调节。通过本文的研究，可以给研制其它型号液 压驱动的卧螺离心机提供一定可借鉴的方法。 7 兰卿理工大学硕士学位论文 第二章卧螺离心机简介 第二章卧螺离心机简介 实现固液分离的主要操作方法有，重力沉降、过滤和离心分离。利用离心力来达 到固一液、液液，以及液一液一固分离的方法统称离心分离。实现离心分离操作的 机械称为离心机。 卧螺离心机与其他离心机相比较，能自动、连续操作，能长期运行、维修方便： 能密闭操作，可以在加压和低温下工作；分离因数高，单机生产能力大；对固相颗粒 粒度和浓度的变化不敏感，因此，可以分离固相颗粒粒度0 0 0 5 2 咖、固相浓度1 一5 0 ( 重量) 的悬浮液；分离因数、转鼓长径比设计范围大，转鼓液池深度可调， 因此，对物料的适应性强，应用范围广。 2 1 卧螺离心机的工作原理 卧螺离心机的主要作用是将圆体从液体中分离出来( 即两相分离) 。卧螺离心机是 卧式螺旋卸料离心机的简称，从名称中就不难看出卧螺离心机分离物料相当于在澄清 过程中把悬浮固体沉降出来。在澄清过程中悬浮固体受到的重力以及与此相反的浮力 和流动阻力的作用如图：2 - 1 ，而澄清速度和效果就是上述各个力综合作用的结果。 图2 - 1 澄清过程中悉浮耪受力状况 流动阻力取决于颗粒j 拘尺寸、形状以及液体的粘度。卧螺离心机分离物料时，物 料是被加在高速旋转的转鼓中，液体与沉降的固体所产生的摩擦力以及螺旋旋转的旋 流和转鼓旋转产生的搅动共同产生一个综合性的动力效应，对离心机内的半静态沉降 8 兰州理工大学硕士学位论文 第二章卧螵离心机简介 产生强烈的作用效果。固体在高速旋转的转鼓内，就是在离心力场下，受到浮力、 重力、流动阻力和离心力的作用。其中离心力相当于重力场中的重力，是促使固体沉 降的因素。 卧螺离心机的分离特点为它是一个连续分离的过程，所分离的悬浮液中固体含量 较高，卧螺离心机的结构简图如图2 2 所示： 望j 一，每：盘歪趣 颦n 鱼： 首f 孓迎戛垂墨雪严一一 1 图2 2 卧螺离心机结构简圈 1 摊液口2 进料瞥3 螺旋推料器4 布料口 5 螺旋6 ，管7 转鼓8 排渣口 简单地讲，卧螺离心机是一个高速旋转的转鼓，其两端支承在轴承上并且由一根 静置的进料管将物料输送到机内。由于高速旋转和摩擦，物料在机器内部被加速并且 形成一个圆柱液环。由于固体密度大予液体的密度，所以固体在离心力的作用下首先 沉降到转筒的内壁而澄清的液体则通过后端的溢流口流出。在机器的前端，直径变小 而形成一个圆锥，圆锥的最小端还有排渣口，这种结构可以保证液体不会从排渣口排 出。衡量卧螺离心机性能的很重要的一个参数悬分离因数： 口一詈( 斟 协， 式中r 一离心机转鼓半径； n 一一离心机转鼓转速。 可见离心机工作时转鼓转速在离心机的分离性能中起着关键性的作用。 为了使沉积在转鼓内壁的固体能排出机外，在机内安装一台螺旋推料器，把沉积 的固体物料推送到转鼓直径相对小的一端。螺旋推料器也可以使澄清液从原来沿轴向 的流动变成螺旋流动，这种螺旋流动会使液体的流通能力增强，同时也会产生搅动效 9 兰州理工大学硕士学位论文 第二章卧螺离心机简介 应。 如果螺旋推料器和转鼓产生一个相对的差速就会对沉降在转鼓的固体产生一个 向圆锥推进的输送力，子是沉降在转鼓内壁的固体被螺旋输送器往前推送并到达排渣 口，在离心力的作用下从排渣口排出机外。卧螺离心机工作时，转鼓转速以及与螺旋 推料器之间的差速，决定着物料的分离效果和产量等，是离心机很重要的可变参数。 产量按螺旋推料器排渣的生产能力可表示为： g ：叩警 ( 砜) 2 + s 2 】a o ns p 。( k g s ) ( 2 2 ) z 邛 式中钉螺旋输渣效率； n 。螺旋头数； s 螺旋螺距，m ： p 。- - - 一湿渣的容积密度，k g m 3 ； a e o 一螺旋推料器与转鼓的转速差，1 ，s ； b 出渣口处转鼓内半径，m ： a 。沉渣条的截面积，m 2 ； 转鼓和螺旋之间的速差应保持稳定，以免固体流量增加时速差降低而导致物料不 能及时排出机外而造成离心机堵塞。速差是影响泥饼含水率的关键因素，低速差可产 生更干的泥饼，对螺旋的磨损也相应减少，从而可大大延长螺旋的使用寿命。速差的 大小影响固体在离心机内的停留时间，低速差可以使固体在转鼓内的停留时间延长。 停留时间长意味着物料更容易被沉降到鼓壁上，也就更容易被分离出来。速差大，螺 旋推料器的输渣量大，但速差过大，会使转鼓内流体的搅动加剧，造成分离液中含固 量的加大，且会缩短沉渣在干燥区的停留时问，增大沉漆的含湿量。所以，在分离易 分离物料时，转速差可适当大些( 例如：分离p v c 时，转速差高达5 0 6 0 r m i n ) 。分 离难分离物料时，转速差过高会使分离液中含固量明显增加，而达不到预期的分离要 求，但转速差太小，会使螺旋推料器的输渣蠡降低，同时差速器的扭矩会明显增大。 所以，在分离难分离物料时( 如污泥脱水) 转速差以5 2 0 r r a i n 为宜。 在固体物料被输送的过程中会产生摩擦，转鼓的磨损对离心机安全运行的影响至 关重要，为控制磨损可将沉降在螺旋和转筒间隙中的固体作为自我保护层，同时为了 i 疗止螺旋叶片边缘的磨损，可以在螺旋叶片上加一层保护材料，如福乐伟公司采用特 1 0 兰州理工大学酾士学位论文 筇= 章卧螺离心机简介 驱动方式；现在国外能够提供多种驱动方式，比较先进的驱动方式有液压驱动， 转鼓及螺旋推料器分别瓤独立的液压系统驱动( 或转鼓由变频电机直接驱动) ，具有 其他驱动方式所不可比拟的优点，如更大的驱勘扭矩、更为简便的速差控制方式以及 更低的速菱。 2 3 小结 本章主要对卧螺离心机工作原理、应用以及发展趋势进行了阐述，并从中论述了 卧螺离心机工作时，转鼓和螺旋推料器转速以及它们的速差对分离效果和产量的影 响。从中可以看出为什么转鼓和螺旋推辩器转速以及它们的速差的任意调节，可提高 卧螺离心机的性能。 兰卅i 理工大学硕士学位论文第三章电液伺服系统的设计 第三章电液伺服系统的设计 伺服系统( 又称随动系统) 是构成自动化体系的基本环节，它由若干元件和部件组 成，具有功率放大作用的一种自动控制系统，它的输出量总是精确地跟随输入量的变 化而变化，或者说，他的输出量总是复现输入量。随动系统的基本职能是对信号进行 放大，保证足够能量推动负载( 被控对象) 按照输入信号的规律运动，并使输入与输出 之间的偏差不超过允许的误差范围。另外，某些随动系统还必须完成一定距离的自动 跟踪任务。 随着我国现代化建设的向前推动，随动系统在我国工农业生产、国防与科学技术 各个部门中越来越得到广泛的运用。广泛采用随动系统，既节省人力，又提高效率和 工作质量。 液压传动与控制是以液体( 油、高水基液压油、合成液体) 作为介质来实现各种机 械量( 力、位移或速度等) 的传递。 液压传动与单纯的机械传动、电气传动和气压传动相比，具有传递功率大、结构 紧凑、体积小重量轻等特点，因而被广泛运用于各种机械设备及精密的自动控制系统 中。 由液压动力装置作为驱动元件所构成的伺服系统叫液压伺服系统。液压伺服系统 一般由输入元件、反馈装置、转换放大装置( 包括能源装置) 、执行机构和控制对象五 个部分组成。如图3 】： 液压能源 图3 - i 液压伺服系统组成 液压伺服系统与其他类型的伺服系统相比，具有许多优点： 兰州理工大学烦士学位论文 第三章电波伺月幢系统的设计 1 它的功率一重量比和力矩一惯量比大，传递的力( 或力矩) 和功率很大。i 习而可 以组成体积小、重量轻、加速能力强和快速动作的伺服系统。 2 液压执行元件的响应速度快，在伺服控制中采用液压执行元件可以使回路增益 提高，频带加宽。由于油液的压缩性很小，所以液压执行元件的刚度较高。 3 能在大范围内实现无级调速，而且调速性能好。机械钢球变速器虽然也能实现 无级调速，但是调速范围和传动功率都比较小。电气传动也能实现无级调速，但调速 范围小，角速度过低则不稳定，而且本身不易实现大功率的直线往复运动。而且液压 伺服系统启动机械效率高，能传递较大的力或力矩。 4 。除了这些主要优点外，液压控制系统还具有元件润滑性好、寿命长：调速范围 宽、低速稳定性好；借助油管，动力传输比较方便：借助蓄能器，能量储存比较方便： 过载保护比较方便等优点。 但是，液压系统也有其自身不可避免的缺点。比如，油液容易泄漏：对油液的污 染比较敏感，影响到系统的可靠性；液压元件加工精度高、价格昂贵等。 系统的设计步骤大体如下： 1 ) 明确设计要求。 2 ) 拟订控制方案，画出系统原理图。 3 ) 静态计算：确定动力元件参数，选择系统的组成元件。 4 ) 动态计算：确定系统组成元件的动态特性。画出系统方块图，计算系统的稳 定性、响应特性和静态精度。 5 ) 校验系统的动、静态品质，需要时对系统进行校正。 6 ) 选择液压能源。 在设计过程中，以上各步骤不是成不变的，实际上是交叉和反复进行的，直至 获得满意的结果为止。 由于驱动转鼓和螺旋推料器的液压伺服系统是相似的，本文只给出驱动转鼓的液 压伺服系统的详细设计步骤和内容，对驱动螺旋推料器的液压伺服系统只是给出液压 元件的规格等。 3 ，1 负载分析 根据上海化工机械厂生产的l w 2 0 0 x 4 0 0 一n 离心机的技术参数分析可得：负载的 1 4 兰型型三盔堂塑主堂垡适塞 塑三童皇堕塑堡墨竺堕塑l 最大转速即转鼓转速为n = 4 5 0 0 r r a i n ：转鼓转动惯量j l = 0 1 2 k g 。t 2 ；最大负载力矩为 瓦；1 2 5 n m ；转速的误差为1 r m i n 。 3 2 拟订控制方案，画出系统原理图 伺服系统的控制方案主要是根据被控物理量类型、控制功率的大小、执行元件运 动方式、各种静、动态性能指标值以及环境条件和价格等因素决定的。 3 2 1 拟定液压调速回路 1 ) 采用开环控制还是闭环控制由于速度的控制精度要求很高，因此需要采用 闭环控制。 2 ) 采用阀控还是泵控在本回路中由于对转速的控制精度要求较高，决定选用 阀控的形式。 3 ) 执行元件采用液压缸还是液压马达转鼓和螺旋推料器的运动形式为回转运 动，并要求它们的转速各自任意可调，因此选择执行元件为液压马达。 4 ) 采用机液伺服还是电液伺服本回路需要控制的物理量为速度，对速度的检 测采用测速发电机。反馈信号为电信号，决定采用电液伺服。 参照己成熟的液压系统，根据以上分析结合本课题实际需要设计调速回路原理图 如图3 2 。 3 2 2 回路设计的简要说明 该回路为一典型的阀控马达 电液伺服速度控制回路。在液压 马达的进油口串接一电液伺服阀， 对流入马达的流量进行调节，实 现进油口节流调速。根据操作要 求设定转速指令u ，并和转速传 感器反馈回的转速信号u ，进行 比较，根据所得的差值经过伺服 放大器的放大对伺服阀进行调节， 图3 - 2 液压系统简化图 1 液压马达2 电液伺服阍3 溢流阀 4 伺服放大器5 负载 uf 一 一t l 上一 厂l j 一 兰州理工大学硕l 学位论文 第三章电液伺服系统的设计 达到调节流入马达的流量的目的，实现液压马达和负载转速的无级调节。其中溢流阀 作为一个安全阀，在回路压力达到或超过规定压力时起到高压溢流的目的，以保护液 压系统。电液伺服阀和液压马达是系统关键的液压元件，对它们的选择是本回路设计 的关键。另外反馈传感器或伺服放大器的选择也特别重要，传感器的精度要高于系统 所要求的精度。在选择这些元件时，就要考虑系统在增益和精度上的要求。 下面画出控制系统职能方块图，如图3 3 ： 图3 - 3 转度控制系统工作原理方块图 图中，u r 为速度设定值；u f 为速度反馈值；u e 为设定值和反馈值之差；疗m 为输 出转速。 3 3 确定液压动力元件参数，选择系统元件 液压动力元件参数的选择是系统静态设计的一个主要内容。动力元件参数选择包 括系统的供油压力p | ，液压执行元件的主要规格尺寸，即液压缸的有效面积a 。或液 压马达的排量d 。，伺服阀的最大空载流量q 。当选择液压马达作为执行元件时， 还应包括齿轮传动比i 的选择。 3 3 1 供油压力的选择 选择较高的供油压力，可以减小液压动力元件、液压能源装置和连接管道等部件 的重量和尺寸，可以减小压缩性容积和减少油液中所含气体对体积弹性模量的影响， 有利于提高液压固有频率。但执行元件主要规格尺寸( 活塞面积和液压马达排量) 减 小，又不利于液压固有频率提高。 选择较低的供油压力，可以降低成本，可以减小泄漏、减小能量损失和温升，可 以延长使用寿命，易于维护，噪声较低。在条件允许时，通常还是选择较低的供油压 1 兰州理工大学硕士学位论文 第三章电液伺服系统的设计 力。 在一般工业的伺服系统中，供油压力一般在2 51 4 m p a 的范围内选耿，在军用伺 服系统中可在2 卜3 2 m p a 的范围内选择。 综合以上因素，结合本系统设计实际，本回路选择供油压力为：1 2 m p a 3 3 2 液压元件主要规格尺寸的确定 液压执行元件主要规格尺寸和伺服阀空载流量的确定有3 种方法： 1 按负载匹配确定 这里有负载匹配的图解法和负载最佳匹配的解析法两种。按负载匹配确定执行元 件的主要规格尺寸和伺服阀空载流量，系统效率较高，适合于较大功率的伺服系统。 z 按最大负载力和最大负载速度确定 工程上常用近似计算的方法确定执行元件的主要规格尺寸和伺服阀空载流量。 按最大负载力。确定执行元件的规格尺寸，并限定伺服阀的负载压力 1 p 。墨言p ；，则液压缸的有效面积为 a p 。k ，= 3 m t x p + b p x p + k x p + f t ( 3 - 1 ) p lps 对系统的典型工作循环加以分析，可以确定最大负载力r 一。但工作循环图是比较麻 烦的，有时难以确定。作为近似计，可以认为备负载力同时存在，且为最大值， 伺服阀空载流量可按最大负载速度确定，并认为最大负载速度和最大负载力是同 时出现的。则伺服阀的空载流量为： q o m 一3 a 。x m( 3 2 ) 这种近似的计算方法偏于保守，计算出的活塞面积和伺服阀空载流量偏大，系统 功率储备偏大。 另一种方法是按最大负载力确定液压缸活塞面积，然后按负载最大功率点的速度 或者最大负载速度确定伺服阀的空载流量，根据两者中的较大者选择伺服阀的空载流 量， 兰型堡二盔堂塑主堂些堡塞 笙三童堕丝型竖墨笪盟塑l 3 按液压固有频率确定执行元件的主要规格尺寸 在负载很小并要求有较高的频率相应时，可按液压固有频率确定执行元件的规格 尺寸。液压缸活塞面积为 a p = ( 3 - 3 ) 液压固有频率可按系统要求频宽的5 1 0 倍来确定。按液压固有频率确定的执行元件 规格尺寸一般偏大，系统功率储备大。 选择阀控液压马达的参数时，只要将上述计算公式中的k 。、x x 、a 。、m 。相 应地换成r i k 。、p m 、d 。、j 。，就可以得到液压马达参数的计算公式。 结合本课题的实际情况，本文按最大负载力矩和最大负载速度来确定液压元件的 主要规格尺寸即马达的排量d 。和伺服阀的最大空载流量q 。 根据3 1 节的分析知道： 最大负载力矩为1 2 5 n m 最大负载速度为4 5 0 0 r r a i n 因供油压力已选定为1 2 m p a ，求出液压马达的排量 d m - - = 3 卫_ 三丝。1 5 6 x 1 0 - 6 m 3 r a d ( 3 4 ) i 百2 x 1 2 x 1 0 6 l 。m珥 为提高系统的固有频率，在满足负载转速要求的同时，可把马达的排量提高一些。因 此，可选取液压马达排量d 。= 3 6 1 0 - 6 m 3 t a d = 2 2 7 1 0 6 1 0 4 m 3 r 求出负载流量为 q l = 2 嬲l 。d _ = 2 j x 4 5 0 0 x 3 6 x 1 0 6 1 0 2 2 x 1 0 4 m 3 m i n ( 3 5 ) 此时伺服阀的压降为 驴p 。一苦- 1 2 x 1 0 6 一湍一s s p a a ， 3 3 3 齿轮传动比i 的选择 采用液压马达直接驱动的方式。能获得较大的负载加速度，负载加速特性好；不 1 8 兰州理t 大学硕士学位论文 笫三章电液伺服系统的设计 存在齿轮传动问隙的非线性；避免了传动机构柔度的影响，可以提高连接刚度；但要 求液压马达的低速性能好，适用于控制系统的低速液压马达难以得到。考虑到负载转 速比较高等因素，本课题选择液压马达直接驱动的方式，所以传动比i 2 l 。 3 4 伺服阀的选择 在电液伺服控制系统中，电液伺服阀将系统的电气部分和液压部分连接起来，实 现电、液信号的转换与放大以及对执行元件的控制。电液伺服阀是电液伺服控制系统 中的关键元件，它的性能及正确使用，直接关系到整个系统的控制精度和响应速度， 也直接影响到系统工作的可靠性和寿命。因此电液伺服阀的选择是本调速回路设计的 关键，在选择电液伺服阀时应多考虑一些因素。 伺服阀的最大压力一流量曲线应包围所有的负载工况点，并使伺服阀的负载压降 p 。s 三p ；( 对位置或速度控制) 。伺服阀的额定流量应留有一定余量，通常取该余量 ” 3 为负载所需流量的1 5 左右，在快速性高的系统中可取到3 0 。根据选定的供油压 力p 。和计算出的伺服阀空载流量q 。m ，可从伺服阀样本中选出合适的伺服阀。 本课题选择北京机床研究所气液伺服公司生产的q d y 系列电液伺服阀。q d y 系 列电液伺服阀产品系列多，可供选择余地大。q d y 系列电液伺服阀具有零点稳定， 灵敏度高，零漂小，频带宽，稳定性高，长期工作可靠等优点。适用于位置控制，速 度控制，加速度控制等自动控制系统。 一压力等级的选择 电液伺服阀的最高供油压力应大于或等于系统的最高工作压力。系统的供油压力 选择为1 2 m p a ，因此伺服阀的最高供油歪力应当大于或等于1 2 m p a 。 二额定流量的选择 q d y 系列电液伺服阀的额定流量指阀压降在7 0 x l o s p a 时( 即无负载压降时的 供油压力) 输入额定电流时的控制流量。 电液伺服阀额定流量的选择是从控制功率的工作要求出发的。由节3 3 2 计算知 负载流量为q l = 1 0 2 2 x l o - 3 m 3 m i n ，考虑到