颗粒干冰制造机液压控制系统的设计

严东兵，赵海兵，陈水宣，梅丽芳

(厦门理工学院机械与汽车工程学院，福建厦门 361024)

颗粒干冰制造机液压控制系统的设计

严东兵，赵海兵，陈水宣，梅丽芳

(厦门理工学院机械与汽车工程学院，福建厦门 361024)

在分析、对比目前市场上颗粒干冰制造机液压控制系统优缺点的基础上，设计了一种新型的基于PLC自动控制的颗粒干冰制造机的液压控制系统。该系统通过PLC对电比例液压泵流量、压缩雪花干冰主油缸行程和电磁节流膨胀阀充液时间参数的联合控制，不仅实现了颗粒干冰的全自动可视化生产，而且实现了颗粒干冰产能的无级调节，从而提高了产品的生产效率和竞争力。

颗粒干冰制造机;液压控制系统;无级调节

颗粒干冰制冰机是一种使用先进制冷技术，是将液态二氧化碳(CO2)经过节流膨胀变成雪花状，再使用压缩成型技术，将雪花状CO2压紧而形成颗粒状干冰的机械装置。目前，国内外市场上存在的颗粒干冰制造机根据压缩传动机构的不同，主要可分为机械传动式制冰机和液压传动式制冰机。前者是根据机械传动原理，由动力装置推动刚性杆压缩模具内雪花状CO2。由于刚性机械零部件之间的间隙与干摩擦特性，刚性机械运行时噪声大、效率低，且发热严重［1］。后者采用液压油作为传动介质，推动液压执行机构工作，具有工作平稳、噪声小、效率高等优点。目前市场上的颗粒干冰制造机的液压系统主要采用传统的继电器控制系统，结构简单，价格低廉，但其接线复杂，机械触点多，可靠性低，使用寿命短，设备操作专业性要求高，自动化程度低，且不能根据实际需求实现颗粒干冰产能的无级调节。

因此，设计一种新型的基于PLC控制的颗粒干冰制造机液压系统成为当前值得研究的课题。

1 干冰制造机结构组成及工作原理

图1为DIM500颗粒干冰制造机样机图，它主要由液态CO2节流膨胀系统、压缩雪花状CO2干冰的压缩机构和液压控制系统组成。其中，液压控制系统由液压传动系统和PLC控制系统组成。

图1 颗粒干冰制造机结构

颗粒干冰制造机的主要功能是将液态CO2经过节流膨胀阀变成雪花状固体CO2(俗称干冰)后，再通过压缩机构将雪花状的CO2压缩成饼状干冰，最后经过模头挤压成Ф3～Ф16的条形颗粒干冰。

其中压缩机构由挤压模头、压缩活塞、压缩型腔和压缩主油缸组成，其压缩机构总体结构如图2所示。由图1可知DIM500颗粒干冰制造机样机采用2组干冰压缩机构并列排列，主要有2个方面的因素:1)液态CO2经过节流膨胀阀变成雪花状固体CO2，充塞压缩机构需要一定的时间周期。如当压缩机构I内压缩活塞在伸出将雪花状干冰挤压成条形干冰产出以及复位时，另一组压缩机构Ⅱ液态CO2通过节流膨胀阀变成雪花状干冰，从而避免了单个压缩机构压缩完成后停止等待雪花状干冰的生产时间，最大程度地提高了颗粒干冰制造机的生产效率;2)另外2个压缩机构可以根据不同的生产需要，实现2种不同直径大小的条形干冰颗粒同时生产，避免了因不同干冰颗粒的需求而反复更换挤压模头的工作，不仅提高了颗粒干冰制造的生产效率，而且满足了不同客户的需求。

图2 颗粒干冰制造机压缩机构

2 液压控制系统组成及工作原理

2.1 液压控制系统的组成

颗粒干冰制造机液压控制系统原理如图3所示。该系统主要由电比例主油泵、单向阀、三位四通电液动换向阀、电磁溢流阀、液压缸(带缓冲)、压力传感器、液压缸位移传感器、吸油过滤器、回油过滤器(带旁通和污染警报功能)、散热器(带温控启动器)、温度传感器和液位液温计及管路等附件组成。

颗粒干冰制造机液压控制系统的吸油回路和回油回路采用80 μm和10 μm来保证系统液压油的清洁度。其中吸油过滤器采用传统的内置滤网型，简化了液压油箱的设计;回油过滤器具有旁通和污染发讯报警功能，其旁通功能是避免因污染物堵塞过滤器造成系统被压过大引起的系统误动作、回油过滤器发生漏油或破裂等故障，并通过污染发讯报警功能及时提醒用户更换或清洗滤芯，延长了主油泵、控制阀等系统核心元器件的使用寿命，提高了系统的可靠性，同时使系统的操作与维护变得更加直观和简单。另外该液压控制系统主油缸带有缓冲设计，并结合M型三位四通电磁换向阀的使用，降低了系统换向冲击，减少震动，减小元器件的发热，延长系统元器件的使用寿命［2-4］。

图3 颗粒干冰制造机液压控制系统原理

2.2 液压控制系统的工作原理

本文设计的颗粒干冰制造机液压控制系统是一种电液比例控制的基于PLC控制新型液压控制系统。与国内外同类产品相比，其主要区别在于该系统采用电比例主油泵和位移传感器控制压缩主油缸行程，从而实现压缩机构压缩活塞推出挤压的无级变速的功能。

该系统的基本工作原理如图3所示。当压缩机构I主油缸处于挤压阶段(即活塞杆伸出阶段)时，位移传感器检测发讯，电磁溢流阀6(DT1)和电液动换向阀7(DT2)得电，主油泵3的高压油进入压缩油缸活塞腔，驱动压缩油缸活塞杆伸出。在伸出阶段，在保证条形干冰质量的前提下并尽可能减少挤压时间T1，实现挤压活塞的无级变速。该液压控制系统采用Rexroth A11系类电比例主油泵，根据不同工况需要调节主油泵的排量。压缩机构I在工作过程中，液态CO2经过节流膨胀阀在压缩型腔Ⅱ中生成雪花状干冰，当压缩主油缸活塞杆到设定行程后，电液动换向阀7(DT3)得电，压缩油缸活塞杆复位(即活塞杆缩回阶段);当压缩油缸活塞杆到位后，压缩机构Ⅱ压缩油缸开始执行与压缩机构I压缩油缸相同的挤压复位动作。为了保证压缩型腔的清洁，压缩机构在生产条形干冰之前，需要对压缩型腔进行3～5次的清洗。其工作原理是在压缩主油缸I或Ⅱ伸出时，同时向压缩型腔内充入CO2气体，通过压缩机构内活塞的挤压来实现对压缩型腔的清洗。完成压缩型腔的清洁后，在压缩主油缸推出前，液态CO2通过节流膨胀阀生产雪花状干冰后，压缩机构I和压缩机构Ⅱ内的主油缸进行反复推出和复位工作，不断产出条形状颗粒干冰。

另外，为了提高优质条状干冰的产能，必须通过大量试验匹配液态CO2的充液时间与压缩主油缸的挤压和复位时间，实际就是通过调节电比例主油泵的排量Vm、压缩主油缸行程L和电磁节流膨胀阀开启时间T实现不同直径大小干冰以及不同产能的需求。

尽管此液压系统液压元器件不多，却能实现以下功能:

1)通过电磁节流膨胀阀开启时间T、压缩主油缸行程L和电比例主油泵的排量Vm的联合调节可以实现不同直径条形干冰产能的无级调节。

2)具有在设备怠速状态下的自动卸荷功能，以减少能量消耗和发热。

3)采用带温控控制的散热器。当系统液压油温度不超过一定温度时不启动散热器马达，不仅可以减少系统能量消耗，而且不会因油温过低而使液压油的运动粘度过高，从而影响系统的正常工作。这主要是由于储罐内液态CO2的属性(为-30℃)以及液态CO2在经过节流膨胀阀形成雪花状干冰时，需要吸收大量的热量。因此在颗粒干冰制造机工作一段时间后，压缩型腔外表面和液态CO2从储罐到节流膨胀阀的管路外表面全部覆盖一层较厚的雪花，从而极大地降低了设备的工作环境温度［5］。

4)系统的吸油和回油过滤器都具有污染报警功能，当系统过滤器堵塞到一定程度时，会自动提醒用户更换滤芯或过滤器。

3 液压控制系统关键技术分析

3.1 液压控制系统的动力系统比较

国内外颗粒干冰制造机液压控制系统的动力元件多采用双联齿轮泵或两段压力两段流量的柱塞泵或采用恒功率柱塞泵，而本文设计DIM500颗粒干冰制造机液压控制系统采用电比例液压泵，并带有恒功率和压力切断功能。由于颗粒干冰制造机会根据不同客户需求生产不同直径大小的条形干冰，为了保证条形干冰质量，不同直径大小的条形干冰挤出的速度和负载都不同，因此不管是采用大小流量串联的双联齿轮泵还是采用两段压力和两段流量的柱塞泵或采用带有恒功率控制的柱塞泵，在一定程度上都很难满足不同工况的需求。

采用电比例主油泵不仅可以满足不同直径大小的条形干冰生产要求，而且可以通过PLC控制系统将不同直径大小干冰不同产量设定成固定的可以选择的操作模式，从而实现不同工况切换的全自动生产，操作更加简单、方便。

另外，该主油泵上带有压力切断的功能，当系统压力超过设定压力时，主油泵的流量输出会瞬间降低到最小，实现系统的流量卸荷［4，6］。

3.2 液压控制系统主油缸换向方案的比较

国内外颗粒干冰制造机液压控制系统的换向方案主要有以下几种:

1)采用压差式压力继电器实现压缩主油缸8的换向。其工作原理为活塞运动到一定行程时，通过活塞前后2个型腔内的压差实现压力继电器开关闭合，发送信号实现电液换向阀7的换向，最终实现压缩主油缸8的换向。

2)采用高压接近开关检测信号实现压缩主油缸的换向。其工作原理是采用装在压缩主油缸两端的电感式高压接近开关检测压缩主油缸活塞或通过油缸内部设计检测其他元件信号控制电液换向阀换向，从而实现压缩主油缸的换向。

3)采用位移传感器实现压缩主油缸的换向。其工作原理是通过检测压缩主油缸活塞杆的位移实现控制电液换向阀的换向，从而实现压缩主油缸的换向。

由图2颗粒干冰制造机压缩机构可知，压缩主油缸活塞杆端连接挤压活塞，通过压缩主油缸活塞杆的伸出和复位实现挤压活塞在压缩型腔中的挤压和复位动作，因此无法采用传统的行程开关或行程换向阀实现压缩主油缸的换向。而不论是采用压差压力继电器还是采用高压接近开关都只能实现压缩主油缸一个行程的控制，无法实现多个行程的控制。而通过位移传感器可以实现压缩主油缸行程的无级控制，再结合对电比例主油泵和电磁节流膨胀阀的控制，即可实现不同干冰产能的调节，从而满足不同工况的需求［7-8］。

3.3 液压控制系统的控制方案的比较

国内外产品多采用继电器、时间继电器控制方式，这种控制系统虽然成本较低，但接线复杂，操作程序繁琐，自动化程度低，对操作人员的专业性要求高，且系统的可靠性低。而采用基于PLC的液压控制系统，可以针对以上系统的弊端做如下改进:

1)基于PLC的液压控制系统简化了系统的操作，使设备的操作更加直观人性化，降低了对操作人员的专业化要求。颗粒干冰制造机液压控制系统的操作界面如图4所示。界面各命令采用触摸式按钮，且每个操作按钮命令都非常直观。总控制界面包含了系统参数监测模块、系统参数设置模块、系统操作控制模块以及自动操作模式的具体操作按钮。

图4 液压控制系统的总控制界面

2)控制系统可以根据生产需要进行自动和手动2种模式的自由切换。另外，不管是在手动模式还是自动模式下，均可实现压缩机构I和压缩机构Ⅱ的单独工作或连续工作。

3)为了更好地检测控制系统的工作过程，不仅对液压控制系统多参数进行实时检测，而且操作人员可以随时观测设备的实际工作过程，如图5所示。另外，控制系统还设计了故障记录和故障报警功能，便于操作人员根据设备的具体使用情况进行系统的维护和故障诊断。

图5 液压控制系统工作过程实时界面

4 结束语

本文设计的基于PLC控制的颗粒干冰制造机的液压控制系统通过对电比例主油泵的排量、压缩主油缸行程和电磁节流膨胀阀开启时间参数调节，不仅实现干冰产能的无级调节，而且实现颗粒干冰生产不同工况的一键操作设计，极大地简化了设备的操作，满足了多种不同直径条形干冰颗粒生产的需求和不同颗粒干冰产能的需求。

［1］刘辉.干冰制造机液压控制系统的设计与研究［D］.西安:西北工业大学，2007.

［2］周忆，熊瑞平，于今，等.流体传动与控制［M］.西安:西安电子科技出版社，2006.

［3］金成毅，熊瑞平.一种基于PLC控制的石材切割机的液压系统［J］.液压与气动，2012(4):48-50.

［4］吴海荣.基于节能的液压系统设计［J］，液压与气动，2011(4):31-33.

［5］战江涛.干冰清洗设备系统的开发研究［D］.杭州:浙江大学，2002.

［6］严东兵，徐绍军，王群，等.新型氮爆式液压桩锤设计与分析［J］.现代制造工程，2008(12).

［7］李玉琳.液压元件与系统设计［M］.北京:北京航空航天大学出版社，1991.

［8］关景泰，温济.机电液控制技术［M］.上海:同济大学出版社，2003.

(责任编辑 何杰玲)

Design of Particles of Dry Ice Maker Machine Hydraulic Control System

YAN Dong-bing，ZHAO Hai-bing，Chen Shui-xuan，MEI Li-fang
(College of Mechanical and Automotive Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China)

On the basis of analysis and comparison to various particles of dry ice maker machine hydraulic control systems，a new hydraulic system based on PLC was designed.Its hydraulic control system was applied PLC to control of electric proportional pump flow，main cylinder stroke and solenoid throttle expansion valve filling time，and got automotive manufacturing process and particles of dry ice capacity adjusting in stepless，which also improved production efficiency and competitive strength.

particles of dry ice maker machine;hydraulic control system;stepless adjusting

TH137

A

1674-8425(2014)08-0039-05

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2014.08.009

2014-01-18

国家自然科学基金资助项目(51205336);福建省自然科学基金资助项目(2013J05086)

严东兵(1982—)，男，江苏盐城人，硕士，主要从事工程设备电液控制系统的设计研究。

严东兵，赵海兵，陈水宣，等.颗粒干冰制造机液压控制系统的设计［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，2014(8):39-43.

format:YAN Dong-bing，ZHAO Hai-bing，Chen Shui-xuan，et al.Design of Particles of Dry Ice Maker Machine Hydraulic Control System［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(8):39 -43.