可视化磨粉机实验测试平台设计.pdf
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1、 实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 6 期 2023 年 6 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.6 Jun.2023 收稿日期:2022-12-11 基金项目:河南省高等教育教学改革研究与实践项目(教办高2021376 号)作者简介:王明旭(1980),男,河南平顶山,博士,副教授,主要研究方向为粮油工程,。引文格式:王明旭,袁梦玲,杨六栓,等.可视化磨粉机实验测试平台设计J.实验技术与管理,2023,40(6):173-179.Cite this article:WANG M X,YUAN M L,YANG L
2、S,et al.Design of experimental test platform for visualization pulverizerJ.Experimental Technology and Management,2023,40(6):173-179.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.06.027 可视化磨粉机实验测试平台设计 王明旭,袁梦玲,杨六栓,晏 丽,郭志洋,张海红(河南工业大学 机电工程学院,河南 郑州 450007)摘 要:该文设计了一种可视化磨粉机实验测试平台,通过新增变频
3、器、伺服电机、料位传感器等装置,并安装磨辊轧距自动调整控制系统,较已有平台更智能。平台将抽象的知识直观化,填补了粮食机械原理与设计课程缺少教具和实际操作的不足。该平台可辅助专业课程的教学,激发学生的学习兴趣、提高学习效果,将工程与理论教学紧密联系。该平台提高了学生的工程创新和实践动手能力,为培养创新型人才提供了有力的支持。关键词:可视化;磨粉机;实验测试;平台搭建 中图分类号:TS211.3;G642 文献标识码:A 文章编号:1002-4956(2023)06-0173-07 Design of experimental test platform for visualization pul
4、verizer WANG Mingxu,YUAN Mengling,YANG Liushuan,YAN Li,GUO Zhiyang,ZHANG Haihong(School of Electromechanical Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou 450007,China)Abstract:This paper designs an experimental test platform for visualization pulverizer.The platform adds frequency converter,
5、servo motor,material level sensor and other devices,and installs the automatic adjustment control system of grinding roll rolling distance,which is more intelligent than the existing platform.The platform visualizes abstract knowledge and fills in the lack of teaching aids and practical operation in
6、 the course of grain machinery principle and design.The platform can assist the teaching of professional courses,stimulate students interest in learning,improve the learning effect,and closely link engineering with theoretical teaching.Based on this platform,students engineering innovation and pract
7、ical ability are improved,which provides strong support for cultivating innovative talents.Key words:visualization;pulverizer;experimental test;platform construction 近年来,随着工程教育专业认证理念逐步融入高校工科专业人才培养,各高校突出了对学生工程实践和创新能力的培养。如:文献1开发了“机械原理与设计”虚拟仿真实验教学平台,提高了实验教学效果;文献2使用 UG 软件和 3D 打印的方法设计了无级自动变速器齿轮组教具,提高了课堂教
8、学效果;文献3将新型机器人教具设计引入机械原理课堂,有助于学生了解并掌握机械机构的运动机理;文献4基于自制有毒气体制备与性质验证一体化装置,创新了教学理念,提高了学生的创新实践能力。磨粉机实验测试平台主要用于探究磨粉机关键参数与小麦(杂粮)经过磨粉后的物料特性之间的关系,具体包括磨辊间距、磨辊转速、磨辊速度差、磨辊温度和压力等参数5。该平台旨在为智能化粮食加工装备测试实验平台系统6提供基础数据,以便配合在线颗粒度检测仪对设备进行实时动态调节。1 磨粉机实验测试平台结构原理 本文设计了一种可视化7的磨粉机实验测试平台,如图 1 所示。该平台在原有 MDDP 型磨粉机基础上,新增了变频器、伺服电机
9、、料位传感器、磨辊 轧距自动调整控制系统8、电机输出参数控制系统、174 实 验 技 术 与 管 理 物料喂料测试控制系统、辊间距测试系统、磨辊温度和压力等测试系统,以及可视化调节设备系统等。此外,该平台增加了在操作面板上手动调节电机频率和磨辊间距的功能,可实现磨辊的动态调节。图 1 可视化磨粉机实验测试平台 1.1 磨辊及轧距调节机构设计 1.1.1 磨辊组结构 磨辊组由一对平行放置的磨辊和两端对称布置的轧距调节机构组成,如图 2 所示。磨辊的轴端通过快、慢辊轴承座固定,慢辊轴承座需要移动时,可通过慢辊与支撑横梁间的间隙来调整,快辊轴承座由螺栓固定在横梁上。支撑横梁两端开有通孔,通过螺栓与机
10、架相连。伺服电机与微调螺杆通过联轴器连接,两者同步转动可对轧距进行微调。图 2 磨辊组总体结构示意图 1.1.2 轧距调节机构 1)轧距控制系统组成。如图 3 所示,磨粉机的慢辊端拉杆上装有预压蝶形弹簧组,可作为过载保护装置。在磨粉机正常工作时,其作用相当于刚性元件。当研磨物料中含有硬物时,磨辊间的压力会迅速增大,预压蝶形弹簧组发生变形,使得慢辊向后移动,两个磨辊的间距增大,从而使硬物通过研磨区时,起到保护磨辊的作用。当研磨物料中无硬物时,两个磨辊间的压力减小,预压蝶形弹簧组恢复正常。微调螺杆和微调臂通过铰接安装在轴承座上。转动臂通过偏心轴铰接在轴承座上,其下端与离合轧气缸活塞相连。离合轧气缸
11、固定架一端与离合轧气缸支架相连,另一端通过螺栓固定在支撑横梁上。在快辊轴承座上设计了支架,将伺服电机固定在支架上。支撑横梁固定在底部机架上。注:1预压碟形弹簧组;2慢辊轴承座;3偏心块;4转动臂;5离合轧拉杆;6快辊轴承座;7微调臂;8微调螺杆;9伺服电机;10气缸固定臂;11离合轧气缸。图 3 轧距调节机构示意图 2)磨辊离合轧。通常喂料机构动作 23 s 后磨辊开始合轧。在合轧时,离合轧气缸活塞伸出,由于快辊轴承座与离合轧气缸固定臂的位置相对固定,因此可以作为支点。转动臂带动偏心块转动,微调臂绕铰支点摆动,将慢辊推向快辊,完成合轧。在离轧时,需保证磨辊研磨区有物料,此时喂料可以与离轧同时进
12、行,离合轧气缸活塞杆退回,转动臂把慢辊拉离快辊,实现离轧。离合轧气缸故障会导致 2 个磨辊表面接触,为了避免该故障发生,在快、慢辊轴承座之间加装支撑弹簧,限制快、慢辊之间的距离。3)轧距调节。与传统的轧距调节机构不同,本实验平台在轧距调节机构中去除了手动调节轮,增加了伺服电机,以实现轧距的自动微调。在磨辊合轧结束后,根据 1 皮磨的轧距要求,伺服电机转动一定的圈数将轧距调整为 0.8 mm。当磨下物的粒度偏大或偏小时,控制器控制伺服电机正转或反转一定的圈数,来微调轧距,改善面粉质量。4)伺服电机。根据文献9中的计算方法可知:拉杆所受力为 王明旭,等:可视化磨粉机实验测试平台设计 175 226
13、.6 N;微调螺杆圆周力为 38.5 N;伺服电机所需扭矩为 0.54 Nm。本文选择西门子 SIMOTICS S-1FK2 HD 伺服电机,该电机的各种参数如表 1 所示。表 1 伺服电机参数 参数 数值 功率/kW 0.2 扭矩/Nm 0.64 圆柱形轴的直径/mm 14 圆柱形轴的长度/mm 30 1.2 排料和磨辊清理机构设计 1.2.1 出料斗 磨粉机排料采用自流下料的方式,因此需要确保磨下物出料顺畅,不会积聚在料斗中。将料斗倾斜面与水平面的夹角设置为大于等于磨下物的摩擦角(60)。1.2.2 磨辊清理装置 为了维持磨辊的正常运作,磨粉机需有磨辊清理装置。磨粉机通过靠紧辊面的毛刷对齿
14、辊进行清理,为简化设计装置,无论机器处于合轧还是离轧状态,毛刷均与辊面保持接触,并通过人工调节毛刷对辊面的压力。在选择毛刷时,需考虑刷毛的坚挺度、耐磨度等。1.3 磨辊组传动设计 磨辊组的传动设计涉及异步电机与快辊、慢辊之间的传动。快辊由电动机通过 V 带传动直接驱动,而慢辊则需要与快辊的转速保持一定的差值,以实现对小麦的搓撕、挤压作用。因此,快、慢辊之间采用同步齿楔带传动,并增加张紧轮,对受同步带弹性形变影响的慢辊进行速度补偿。1.3.1 异步电机确定 在磨辊研磨物料时,需考虑驱动磨辊组的功率。该功率包括磨辊对小麦颗粒的剪切挤压作用消耗的功率、小麦颗粒对磨辊的摩擦功率损失,以及轴端支撑轴承的
15、功率损失。通过查阅文献10,可得到磨辊组输入转矩为 208.64 Nm。计算理 论输入功率为9.83 kW,考虑轴端支撑轴承的损失,则实际的输入功率为 10.35 kW。结合 V 带的传动比,确定驱动磨辊组的电机型号为 Y160L-6,额定功率为 11 kW,满载转速 970 r/min11。1.3.2 电机与快辊之间的 V 带传动设计(1)小带轮。根据文献12要求,小带轮的基准直径为 132 mm,包角为 167。(2)大带轮。根据文献12要求,大带轮的基准直径为 280 mm。(3)V 带传动。V 带的带型为 B 型,共 4 根。V带的基准长度 1 950 mm,中心距的范围为 618 7
16、06 mm,压轴力 3 198.98 N。1.3.3 快、慢辊之间同步齿楔带带传动设计(1)齿楔带小带轮设计。齿楔带小带轮的齿型选PL 型,槽距为 4.70.05 mm,小带轮标记为 P-28-PL-118,基准直径为 118 mm,压轴力为 3 706.95 N。(2)慢辊同步带大带轮设计。慢辊同步大带轮的齿数为 70,基准直径为 300 mm,压轴力为 2 557.15 N。1.3.4 同步齿楔带中的张紧设计 快、慢辊传动中除了同步带大带轮、齿楔带小带轮,还安装张紧轮补偿带的微量变形装置,如图 4 所示。张紧轮为光轮,两端装有深沟球轴承,以减少与支撑轴之间的摩擦,由安装轴端挡圈和螺钉固定轴
17、向。通过调整螺杆可以改变张紧轮的位置,拉紧同步齿楔带,确保快、慢辊传动稳定。图 4 张紧设计结构图 1.3.5 V 带小带轮周向固定 V 带小带轮与电机主轴周向连接方式为键连接。电机主轴直径为 42 mm,小带轮轮毂长度为 70 mm。查阅文献13,键的尺寸为 12 mm 10 mm80 mm。1.3.6 其他带轮周向固定 胀紧连接11安装方便且拆卸简单,并能承受较大的动载荷。因此,除 V 带小带轮外,其他带轮均采用胀紧连接。在设计时,使用型号为 ESTRA-6090 的去除安装挡圈型胀紧套。其内径为 60 mm,外径为 90 mm,额定轴向力为 116 kN,额定扭矩为 3 493 Nm。1
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