橡胶压块机机电液系统的分析与改进

武文浩 王嘉琪 韩嘉祥

（燕山大学，秦皇岛 066000）

1 研究目的及意义

传统的合成橡胶压块机主要存在压块周期长、故障率高、振动大、压力大、能耗大、泵站复杂、出现状况后不易维护等问题，且液压系统控制结构原理过于简单，没有散热节能与提高功率的装置，不能显著提高整个生产线的效益。此外，传统的橡胶压块机并没有很好地与现代技术相结合。本文对橡胶压块机的液压系统和电控系统提出了改进意见，并分析改进后具有的优势，可为未来机械中国智能制造添砖加瓦。

2 研究现状及背景

液压机是制品成型生产中应用最广的设备之一。合成橡胶压块机是将称重后合成橡胶的散状胶料挤压成符合要求的几何形状胶块的专用设备，主要由压块机机体、垂直推块液压缸、水平推块液压缸、液压泵站及电气控制系统等组成[1]。一般压块机利用液压传动，可以输出大的推力或大转矩，实现低速大吨位运动，具有其他传动方式不可比拟的优点。为了使橡胶成型更加便捷，大大提高生产效率，设计了新型合成橡胶压块机。以大庆某石化公司的现有橡胶压块机为例，由于合成橡胶压块机液压控制系统原设计存在不合理之处及当时加工制造水平的限制，装置故障频出，无用功率消耗过大，维修消耗了大量人力物力，系统运行速度慢，严重影响了生产线的长周期连续运转和橡胶产品的竞争力，增加了公司运营成本，不符合未来机械大功率、小能耗、节能环保的发展趋势。

3 原压块机及其问题分析

以大庆某石化公司现有的橡胶压块机为例，传统橡胶压块机结构如图1所示。

图1 原压块机简图（单位：mm）

橡胶压块机开始工作时，油缸8的活塞杆先运动，随之活动料筒5在其带动下运动，并对正料筒6。料筒6与落料斗相连，电子秤中的原料到达一定数量后，将原料落入压块机。水平缸8的活塞杆向后运动，带动活塞杆4运动，封住压块机的腔口，随后垂直缸11的活塞杆运动，并使挤压头2上升，在箱中的原料被推上来与上水平气缸活塞杆一起将原料压块成型并保压。活塞杆8退回，水平缸活塞杆运动到最后位置，垂直油缸11的活塞杆上升，带动挤压头2上升至压块机机体3腔口的上平面，使胶块升到腔口上面，同时水平油缸活8的塞杆前移，上水平气缸活塞杆4将胶块推出[1]。

在此结构设计层面，该橡胶压块机并没有很好的润滑装置、水冷装置和辅助散热装置，因此在长时间橡胶压块机的运行过程中容易出现机器过热问题，使橡胶融化黏着在机器上造成原料损失，也造成一定程度的机器损坏、老化，降低了功率，辅助散热液流动性差，热交换性能差，导致凹槽内下料效率低。此外，该装置的润滑油只能手动添加，均匀性差，不利于快速下料。因此，文章针对存在的问题提出了一种改进方案。

4 改进方案

在原有的压块机结构上增加冲压机构、液冷换热机构和润滑油分散添加机构。冲压机构安装在工作平台的上方，液冷换热机构安装在冲压机构冲压段与水箱之间，润滑油分散添加机构安装在工作平台上。

冲压机构包括安装在工作平台侧壁的L形架、安装在L形架水平段且置于冲压槽正上方的液压伸缩部、安装在液压伸缩部伸缩端的冲压头。液冷换热机构包括对称设置在工作平台且延伸至水箱内腔的散热筒、滑动连接在散热筒内的活塞、固定连接在活塞顶部且延伸至散热筒外部的活塞杆以及固定连接在液压伸缩部伸缩端与活塞杆顶端之间的工字型结构的连接杆。散热筒的外侧壁设置有均匀分布的散热翅片。润滑油分散添加机构包括通过支架安装在工作平台侧壁的储油箱、连接在储油箱出油口的出油管、开设在工作平台顶部的滑槽、滑动连接在滑槽内的U形架、安装在出油管远离储油箱一端的手动阀门以及连接在手动阀门远离出油管一端的分散管。分散管上设置有均匀分布的分散头，与U形架固定相连。

此改进顺应了未来机械的节能发展趋势，设计的新型橡胶压块机结构简图如图2所示（只画了垂直缸，水平缸与其结构相似不做赘述）。

图2 新型压块机简图

在电控系统层面，原有的橡胶压块机通常采用如图3所示的可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。传统橡胶液压机通常只用一种传感器——位移传感器。此种传感器将原料的直线运动位移信号转化为电流信号，具有一定的优点。在化工厂中，机器的工作环境较为恶劣，而直线位移传感器与工件并不直接接触，并不会对传感器造成污染。此外，传感器不会因为长时间接触而有所磨损。但是，工厂环境复杂多变，受湿度、温度等多因素影响，单单用一个位置传感器和PLC相配合的电控系统不可靠。因此，在原有的电控系统上添加了温度传感器、压力传感器和油位传感器，如图4所示。

图3 原PLC电控系统简图

图4 新型PLC电控系统简图

改进后的主要电控系统中的PLC，可以选用OMRON公司的CQMIH系列产品，具有高运行速度且内置RS-232端口，可以实现远程操控且指令功能齐全，适合多种复杂运算，还能适应化工厂复杂恶劣的工作环境[2]。沿用原有的直线位移传感器，确保其与工件不直接接触，以免污染传感器，也不会因为长时间接触而有所磨损。在此基础上增加温度传感器、油位传感器以及压力传感器等。例如，温度传感器和压力传感器将油路温度变化量和系统压力变化率转换为相应的电流输出给PLC反馈，并通过远程显示屏显现。工作人员可以利用远程触摸屏进行操控，修改液压系统参数，如液压放大元件、液压伺服阀以及比例阀控制器等，实现方便的远程调节[3-5]。根据系统反馈参数调节输入参数增大功率，适应工作环境要求，使得机械具备方便、稳定、快速、节能以及可靠的优点。

实际上，除了PLC控制系统，还可以使用其他嵌入式软硬件设计电控系统。比如，意法半导体公司的STM32系列芯片，搭配HAL（Hardware Abstraction Layer）库的程序设计十分高效，凭借其高性能、高性价比，成为国内嵌入式产品市场的主力。STM32CubeMX以图形化界面简单直观地对目标微控制器进行引脚、时钟、各种外设等初始化配置，并能针对不同的开发环境如MDK-ARM、ST32CubeIDE等快速生成开发项目。HAL库是意法半导体公司最新推出的硬件抽象固件库，与STM32CubeMX捆绑发售。意法半导体公司新推出的产品都是基于HAL库开发的，且不再对标准库进行更新和支持。例如，程序中的位移传感器可以通过STM32芯片中的数模转换模块，把检测到的位移信号转为电流信号输送给STM32芯片，并可以启用高级定时器TIM1在定时中断回调函数中设置约10 ms一次的定时中断，最后通过STM32自带的串口功能将信号远程输出到人工控制端口进行人为操控。串口、定时器、数模转换模块还有通用型之输入输出（General-Purpose Input Output，GPIO）的程序编写。设计时，既可以采用原有的库函数方法，也可以采用新兴的HAL库配合Cubemx进行。

5 结语

从传统橡胶压块机的结构、电控系统及液压系统出发，提出了一种更加节能、高效、稳定的改进方案。一方面，改进了结构上散热冷却和润滑油分配的问题，使得新型橡胶压块机可以达到更加节能高效的状态；另一方面，根据生产负荷远程调整压块机电控系统，实现了参数优化，达到了新型机械智能制造的方便性、快速性等多维目标，实现了机电液系统一体化的整体最优。此外，在液压系统控制领域设计了一套由差动缸换向阀等组成的控制装置，改进了原有橡胶压块机在安全性和系统稳定性方面存在的问题。