可视化磨粉机实验测试平台设计.pdf

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 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 pulverizer 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,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 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 practical 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、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 175 226.6 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 618 706 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。1.4 机架结构及零部件连接设计 1.4.1 总体机架尺寸设计 磨粉机的尺寸设计要符合人机工程学的要求，并适应生产工艺的发展，如操作尺度适合、检测和调整方便省力、运转安全等。如图 5 所示，磨粉机去除进料筒后的高度为1 326 mm，便于操作人员的清理工作。中部宽度为1 377 mm，底部宽度为 744 mm，总机身长度为 1 446 mm；用于放置磨辊组的机身长度为 620 mm，上部进料口 176 实 验 技 术 与 管 理 图 5 磨粉机机架总体尺寸设计示意图（单位：mm）高度为 322 mm，下端宽度为 299 mm。1.4.2 零部件与机架连接 针对安装到机架后无需拆卸的零部件，采用焊接或铆接的方式连接。焊接能够节省工时，且连接强度高、密封性好。然而，焊接会导致应力集中，造成焊接残余应力和变形较大，接头性能也不均匀，因此不适用于连接薄件。铆接的优点是连接变形小，对连接环境要求较低，尤其适用于连接薄件。但铆接接头的强度较低、密封性也不如焊接。此外，铆接效率较低，接头比较笨重。因此，在设计过程中，需要根据安装要求和连接件特点来选择适当的连接方式。本文采用铆接的方式将进料筒、料斗、喂料机构滑道连接到机架上，而机架顶部盖板则采用焊接的方式与上部机架侧撑板连接，喂料机构滑道撑板也采用焊接的方式与两端侧撑板连接。对于在维护过程中必须拆除的零部件，可以采用螺栓或螺钉连接。螺栓适用于连接较薄的零件。由于通孔的加工要求较低，结构简单且拆卸方便，因此轧距调节机构、磨辊轴挡板、磨辊清扫装置、电机吊板等零部件与机架连接均采用螺栓连接。如果被连接的零部件较厚，则可在该零部件上开螺纹孔，然后在机架上开光孔，将螺钉从机架表面穿过并固定。磨粉机的两端旋转门等部件与机架的连接采用此方式。在零部件与机架连接后，若需要围绕机架转动，可采用销连接或合页连接的方式。磨辊与料斗间的侧盖板与机架通过销连接，实现翻转功能，并方便操作人员观察磨辊的研磨情况和料斗清理。在设计中，喂料机构作为一个独立的单元，易于更换和维修，因此喂料机构侧盖板通过合页连接以实现翻转功能。2 初步智能化控制策略 2.1 伺服电机与变频器工作原理 2.1.1 伺服电机 伺服电机是一种带有间接变速装置的补助马达，可以非常准确地控制速度和位置精度，并将电压信号转化为转矩和转速，以驱动控制对象。在实际应用中，伺服电机可以将接收到的电信号转换为电机主轴上的角位移或角速度输出。伺服电机的驱动原理与异步电机相同。为了实现数控功能，需要将驱动器的交电信号转化为伺服电机主轴的角位移或角速度。伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的 U/V/W 三相电形成电磁场，使得转子在电磁场的作用下旋转。同时，电机内置的编码器会反馈信号给驱动器，驱动器将反馈值与目标值比较，以调整转子的旋转角度。2.1.2 变频器 变频器是一种通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机转速的控制设备14。图 6 为变频器的接线方式。变频器将工频交流电通过整流变成直流电，再把直流电变成频率、电压均可控的交流电。当功率较大时，变频器使用可控硅，并配置调频装置，以改变电机转速。变频器具有调节范围广、反应及时、运行平稳、节省能耗等特点。2.2 智能控制方案 为实现智能控制需要开展实验并收集数据，然后让智能磨粉机学习调整各参数，从而确定研磨优质面粉所需的最佳的喂料辊转速、磨辊轧距和转速等。在进料槽和出料口安装传感器，采集进料的料位和出料面粉的粒度大小等信息。在手动开启料门后，进料筒内的物料流量发生变化，料位传感器检测到进 王明旭，等：可视化磨粉机实验测试平台设计 177 图 6 变频器改变电机转速接线图 料筒料位信号后，通过运算电路的处理，将信号传递给 PLC 控制器。提前写入算法程序的 PLC 控制器能够输出控制信号给伺服电机，以改变驱动喂料辊的电机转速，实现喂料辊调速，确保物料均匀准确地落入磨辊的研磨区，并防止料门堵塞。同时，通过 PLC 控制器控制磨辊电机的变频器，改变 2 个磨辊转速及线速差，确保磨粉机在物料变化后，仍能保持良好的研磨效果。当喂料机构动作后，气缸活塞伸出，保证磨辊先喂料后合轧的研磨过程。磨辊轧距调节装置的伺服电机带动微调螺杆转动一定的角度，以微量调节轧距。在出料口处的红外分析仪在线检测研磨后的面粉粒度大小，并将信号反馈给 PLC 控制器。PLC 控制器根据检测值与工艺要求设定值之间的偏差，输出控制信号给驱动器，驱动器输出一定的脉冲信号控制伺服电机，使慢辊远离或靠近快棍，从而改变轧距，改善面粉质量。为了保证轧距的稳定，气缸活塞需持续动作，为慢辊提供支撑力。2.3 控制系统设计 为了保证磨粉机的正常运行，需要在启动和空载时确保磨辊处于离轧状态。当喂料辊动作 3.5 s 后，轧距调节机构开始动作，将磨辊合轧平。在轧距调节结束后，气缸及时动作，以保持轧距的稳定。基于上述要求，控制系统的基本框图如图 7 所示。图 7 控制系统框图 2.4 控制器与变频器选择 选用西门子 SIMATIC S7-1200 型控制器作为磨粉机控制核心组件。根据确定的 Y160L-6 型异步电机参数（电压为 380 V，频率为 50 Hz，额定转矩为 2.0 Nm）选择西门子 SINAMICS G120C 型变频器15。2.5 传感器设计 2.5.1 料位传感器 为了监测喂料槽内物料量，在料槽后挡板处安装传感器。该传感器可将后挡板上物料的重量或槽内物料高度转化为电信号，并传递给 PLC 控制器16。相比于红外传感器，压力传感器的信号连续、灵敏度和精度高。使用运算电路可精确掌握实时的进机流量，并调节喂料辊转速，以便更好地监测喂料槽内物料量。经过市场调研，选择 FIT7A 数字式压力传感器，相比于其他压力传感器，其测量数据更精准，灵敏度更高。如图 8 所示，压力传感器安装在料槽的后挡板后178 实 验 技 术 与 管 理 侧，并与板面贴合，起到支撑后挡板的作用。在物料从进料筒进入料槽时，会对后挡板产生一定的压力，并且随着物料流量的增加，压力不断增大。后挡板面上的压力传感器能感知压力的变化，并将其转化为电信号。图 8 压力传感器安装示意图 2.5.2 光电传感器 为了延长磨辊的使用寿命，及时调整快、慢辊转速，可在研磨区安装光电传感器。该传感器可测量研磨区物料层厚度，并将信号作为磨辊速度负反馈系统的输入信号。在考虑传感器的经济性后，本文选择了PR-F51N3 红外激光传感器。2.6 喂料辊转速负反馈控制系统设计 2.6.1 负反馈 负反馈控制是一种广泛应用的闭环控制方式。系统的输入信号通常为设定值与被控对象实际值的差值。该系统会根据偏差的变化，通过负反馈的作用使被控对象不断接近设定值。在喂料辊转速调节系统中，通过调整喂料辊转速，控制物料料槽内物料的高度保持稳定并接近设定值。2.6.2 相关参数确定（1）被控参数。本控制系统要求料槽物料的高度保持在设定值附近，但喂料机构对物料高度的测量较困难，且精度得不到保证。由于料槽物料高度与物料重力成正比，因此可以使用重力传感器测量，且操作过程相对容易、精度也较高。（2）控制参数。喂料辊转速是影响料槽内料位的主要因素，可通过伺服电机直接控制。2.6.3 喂料辊转速负反馈控制系统 喂料辊转速负反馈控制系统16的控制过程为：当进料量增大时，料槽内物料高度增加，物料重量也随之增加，导致与设定值的偏差增大。此时，检测变送器将偏差转化为电信号，经运算电路处理后，PLC 控制器将其输出到伺服电机的驱动器，增大伺服电机的转速，从而减小料槽内物料高度。相反，当进料量减少时，料槽内物料高度会降低，物料重量也随之减少，导致与设定值的偏差减小。此时，检测变送器同样将偏差转化为电信号，经运算电路处理后，PLC 控制器将其输出到伺服电机的驱动器，减小伺服电机的转速，从而降低料槽内料位。2.6.4 驱动器控制规律 喂料辊转速控制过程要求伺服电机驱动器具备控制质量高、反应及时、滞后小、余差小等特点，因此选用 PID 控制规律。2.7 磨辊转速负反馈控制系统设计 2.7.1 相关参数（1）被控参数。本控制系统要求研磨区物料层厚度保持在设定值附近。在生产实际中可以直接测量且比较容易，因此可以直接选择研磨区物料厚度作为被控参数。（2）控制参数。磨辊转速是影响研磨区物料层厚度的主要因素，可通过变频器直接控制。2.7.2 磨辊转速负反馈控制系统 磨辊转速负反馈控制系统的控制过程为：当喂料量增大时，研磨区的物料厚度会增加，导致与设定值的偏差增大。随后，光电检测变送器将该偏差转化为电信号，PLC 控制器通过运算电路将此电信号输出到变频器，以增大异步电机的转速，从而减小研磨区的厚度。反之，当喂料量减少时，研磨区的厚度会降低，与设定值的偏差也会减小。随后，光电检测变送器将该偏差转化为电信号，PLC 控制器将此电信号输出到变频器，以减小异步电机的转速，从而降低研磨区的厚度。2.7.3 变频器控制规律确定 磨辊转速控制过程要求变频器控具备制质量高、余差小等特点，因此选用 PID 控制规律。3 结语 可视化的磨粉机实验测试平台适用于高等学校工科专业交互式、可视化教学实验和案例分析。该实验测试平台的设计有助于教师在教学过程中实现理论与实践相结合的教育方式，有助于激发学生学习粮食机械学科知识的兴趣，并提高学生的自主学习能力。此外，该平台的设计也有助于提高学生的工程创新能力和实践动手能力，为培养创新型人才提供了有力的支持。参考文献(References)1 武照云，李丽，朱红瑜，等.机械原理与设计虚拟仿真实验教学平台的设计J.实验技术与管理，2017,34(8):121124.2 王华.基于 UG和 3D打印的无级自动变速器齿轮组教具的设计J.科学技术创新，2019(28):3840.王明旭，等：可视化磨粉机实验测试平台设计 179 3 刘克毅，余斌，王梦，等.基于机械原理的新型机器人教具的设计与研究J.机电信息，2019(18):110112.4 邢丽丽.自制教具的创新设计及应用：以有毒气体制备与性质验证一体化装置为例J.实验教学与仪器，2020,37(2):5859.5 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