魔芋精粉机轧距调节控制系统及方案设计

吴 镇

（陕西能源职业技术学院，陕西 咸阳 712000）

魔芋精粉机是工业化、成批量干法加工魔芋精粉的主要设备。其中轧距调节控制系统是魔芋精粉机正常工作的前提之一。轧距调节控制系统作用是调整魔芋精粉机的磨辊间轧距，使慢辊靠近或离开快辊，使不同粒径的魔芋颗粒全部得到粉碎、研磨。轧距调节有手动调节和自动调节两种方式，互相配合使用。

1 魔芋精粉机轧距控制原理

轧距控制是在慢辊轴承座上设置一个V型槽，槽内连接一个圆顶，螺纹杆通过该圆顶中心，螺纹杆另一端连接另一个圆顶，与定轴承座上的摆臂相铰接。通过摆臂的转动将慢辊推离或拉进快辊。图1为设备轧距控制原理示意图。

图1 魔芋精粉机轧距控制原理示意图

当魔芋精粉机处于正常工作状态时，两磨辊间的轧距很小，且轧距必须保持稳定，轧距必须以很小的变化量来调节，否则魔芋精粉质量无法得到保证。魔芋精粉机磨辊合轧前，磨辊是分开的且间距很大，当喂料机构传感器检测到有物料进入时，磨辊应立即合轧。故轧距控制必须有一套快速调节的系统，因此要设计快速粗调和慢速微调轧距系统。

2 魔芋精粉机轧距调节控制系统

2.1 手动调节轧距控制系统

手动调节轧距控制系统是依靠手轮转动，类似丝杠螺母原理推动转臂转动，转臂连接连杆，连杆拉动摆臂使得慢辊轴承座向快辊轴承座靠拢或分开，如图2所示。魔芋精粉机在工作时磨辊间轧距必须恒定，因此在设计手动调节控制系统的手轮上螺纹时，必须满足一定自锁条件。魔芋精粉机在工作中常常存在振动，因此在手轮杆上设置锁紧杆，采用同心但直径不同的螺纹进行锁紧，避免发生共振而导致轧距恒定的失效。

图2 手动调节轧距控制系统

2.2 自动调节轧距控制系统

目前，轧距的自动控制系统有：气动控制和电动控制。气动控制是由气缸，气动回路，PLC控制装置，控制面板等组成。如图3所示，在调节轧距时，气缸杆伸出推动气缸推杆发生转动，与气缸推杆连接在一起的转臂发生转动，可以达到快速调节轧距目的。

图3 气动调节轧距控制系统

气动控制：通过气缸驱动魔芋精粉机的磨辊靠近或分开，气缸推杆推动，气缸的动作指令是由喂料系统中的传感器向气动控制阀发出。当进料量到达一定程度后，控制阀动作，气缸接通，使慢辊轴承座靠近快辊轴承座，完成粗调。气动控制能防止磨辊中心距不稳定问题的发生，气缸在停止工作后，气缸内留有的压缩气体使得气缸推杆不能发生转动，在一定程度上，保证了研磨魔芋精粉时稳定。但是也存在一些缺点：气缸驱动需要稳定干燥的压缩气体，当多台魔芋精粉机同时工作时需要大量压缩气体，生产压缩气体的时候会造成比较大的噪音，气体在干燥时需要干燥设备，油水分离器，气体在存储时还需要压力容器。

3 轧距调节控制系统运动构件组成分析

轧距调节控制系统是由两个磨辊、轴承座、手轮、气动调节机构及轧距锁紧机构等部件组成，如图4所示。

手动调节机构自由度计算：

两构件通过面接触组成的运动副称为低副，而两构件通过点、线的形式相接触组成的运动副称为高副[1]。手动调节机构简图如图5所示。公式F=3n-（2P1+Ph）[1]中，P1为低副数量，Ph为高副数量。该机构共有活动构件6个（分别为手轮15、手轮推杆13、连杆12、转臂8、长螺杆4及慢辊轴承座3）。机构中共有低副7个（手轮在手轮底座转动，手轮在锁紧螺母转动，推杆13转动，连杆两处转动，转臂8转动，慢辊轴承座转动3）,高副3个（分别为手轮锁紧螺母在推杆里滑动，活动V型块和固定V型块在滑槽里滑动）。可得自由度为1，Fa>0,且与原动件相等，即手动调节机构具有确定的运动。

图5 手动调节机构简图

气动调节机构自由度计算：

气动调节机构简图如图6所示。该机构共有活动构件7个（气缸1、气缸臂、气缸推杆16、连杆12、转臂8、长螺杆4及慢辊轴承座3）。机构中共有低副8个（气缸绕连接点转动，气缸臂移动，推杆16转动，连杆两处转动，转臂8转动，慢辊轴承座转动3），高副3个（手轮锁紧螺母在推杆里滑动，活动V型块和固定V型块在滑槽里滑动），解得自由度为1，Fa>0,且与原动件相等，即气动调节机构具有确定的运动。

图6 气动调节机构简图

魔芋精粉机磨辊的配置方式为复式平放，优点是：物料经喂料辊加速后进入两磨辊间研磨，落料能准确入磨辊间研磨区，喂料量和研磨效率能轻易提高，物料在落入研磨区时流畅，不会向磨辊外飞溅。

4 轧距调节控制系统结构的设计计算

图7为魔芋精粉机轧距调节控制系统结构设计计算示意图，图中有关数据是通过分析、研究设备样本和参照设计手册得出的结果，数值基本准确。

图7 轧距调节系统结构设计计算示意图

长螺杆7和预压碟簧组5用螺栓连接，碟簧的预压力用螺母4调节，V型块9用销钉固定在长螺杆7上，整个长螺杆装置以圆弧顶尖卡在慢辊轴承座3中的V形槽中。换磨辊时可以先松螺母4，取下长螺杆7，然后卸掉两个轴承座取下磨辊。快辊轴承座固定不动，用螺栓连接在箱体上，长螺杆拉住慢辊轴承座保持稳定。摆动V形块9和铰接在快辊轴承座上的摆臂8连为一体，绕快辊轴承座10上的销轴E点摆动。合轧时辊间弹簧受压，碟簧组受压，使得轧距能保持衡定，在轧距变动时不至于整个机构由于刚性连接而发生破坏。气动松轧时，气缸1推动推杆16转动，松开轧偏心轴C使连杆机构动作，慢辊轴承支点在绕偏距心B点向右做微量平动。计算数值见表1。

表1 机构作用力和离支点的垂直距离

（1）磨辊合闸：气缸1的力F21推动推杆，带动推杆上的偏心轴带动连杆将慢辊轴承座拉向快辊轴承座作平动，这时需要克服辊间弹簧力S1。

（2）粗调轧距：旋紧慢辊轴承座偏心B处的螺母,将控制面板上的旋钮拧至自动处，气缸开始动作使连杆12带动摆臂8转动，推动摆动V形块9向左移动，带动拉紧杆和活动V型块向左移动，使慢辊轴承座3绕B点摆动向快辊轴承座10靠拢，这时，整个机构的运动需要克服动力矩和辊间弹簧力S1产生的力矩。

测试机构时轧距按下列数值调整[2]：

1 皮，0.6 mm；2 皮，0.3 mm； 心 磨，3～5 皮，0.2mm。

（3）微调紧轧距：按顺时针方向转动微调手轮15,转臂13与螺纹杆14连接处设有线接触的连接件，在手轮杆14上滑动，推动13转动并保持手轮杆只转动不上下移动而卡死，通过摆动臂8使长螺杆杆拉着轴承座3向左运动，两顶尖距离变化 （H1-H2），此时的辊间弹簧弹力S1和预压垫圈弹簧组力S2做正功，同样推动慢辊轴承座3绕偏心B点向快辊轴承座10移动。设手轮每转一圈，轧距的变化量约Xmm,螺杆螺距2 mm。

根据机构运动简图做出运动分析，手轮每转一圈，由杠杆原理知12杆水平位移为：螺距乘以13杆的垂直距离比13杆短部的垂直距离，垂直距离由表1 可查到，即：X1=（2×49.5）/155=0.638 mm

摆动臂8同理，根据杠杆原理计算轴承座靠近或分离的距离。即手轮每转使轧距变化约为：

（4）微调松轧距：按逆时针方向转动手轮15,与紧轧距时的原理相反，通过摆动臂8使长螺杆松开，辊间弹簧推着动轴承座向右运动，顶尖距离伸长H1-H2距离，长螺杆7则需要克服碟簧组力S2和辊间弹簧力S使慢辊轴承座3绕B点向右移动，离开快辊，使得轧距增大。

（5）磨辊松闸：气缸杆力F21F21和辊间弹簧力S结合，使慢辊轴承座3绕B点向右作水平移动，离开快辊轴承座10。

（6）磨辊合闸：气缸推力F21在调节机构的转变下最终使慢辊轴承座3以顶尖H2为支点向左作水平移动,靠近快辊轴承座10。这时整个机构的运转需要克服辊间压力P和辊间弹簧力S1,对整个机构受力分析，以H2为支点，力矩的平衡方程为：

（7）微调紧轧距：手动调紧轧距时，通过手轮转动，螺杆推力F31通过杠杆最终转化为成为长螺杆上的拉力F11,并通过部件活动V型块的推力使慢辊轴承座3绕偏心B点靠近快辊轴承座，这时整个机构需克服P和力S。对整个机构受力分析，列出力矩平衡方程，以B点为支点：

以E点为支点：

（8）微调松轧距：手动调节松轧距时，螺杆拉力F32通过杠杆最终转化为成为F12,这时辊间弹簧力S1做正功使慢辊轴承座3绕B点移动离开快辊轴承座10,起了使慢辊离开快辊的作用，和F11相比是负值，力矩与力的关系分别为：

5 结语

以魔芋精粉机轧距调节控制系统为研究对象，可得到以下结论：

（1）魔芋精粉机轧距调节控制系统有两种方式，分别为手动调节和自动调节方式。

（2）魔芋精粉机轧距调节控制系统有手动调节机构和气动调节机构，两种机构的自由度均为1，具有确定的运动。

（3）对魔芋精粉机轧距调节控制系统结构进行设计计算。