一种机械式常闭压力控制阀设计与试验研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)湖南工业职业技术学院 作者:李楷模

  螺旋式挤压机是由螺旋轴旋转产生轴向力做功,推动挤压物从出口流出。在这种工作状态下期,其出口压力是不能控制的,压制物无法满足压力达到一定规定值。就这种情况设计了一种机械式常闭压力控制阀,将其安装在挤压机的出口,当出口压力没达到压力控制阀调定的压力时,压力控制阀处于非工作状态,阀门关闭;只有当出口压力达到压力控制阀弹簧调定的压力时,控制阀阀门打开,处于工作状态。

  引言

  挤压机是将动力机的转矩通过机械传动装置变为挤压力的装备,通常情况下是利用螺旋轴旋转,螺旋轴由于本身结构在旋转过程中而产生轴向推力和径向力,轴向力推动压制物颗粒形成一定形状和结构力,如工程机械的制砖机,食品、药丸机械的谷物、玉米和肉制品成型挤压机等,使所挤压制的物质形成成品或半成品。目前,为了提高生产效率,大多在螺旋挤压机的出口处安装模具,带一定形状的出口孔,压制物颗粒被挤压而成形,这种工作状态的缺点是输出压力不能控制,无法保证压制物的颗粒之间能保持一定致密度,具有一定结构力。解决这一问题的有效方法就是在挤压机出口安装一压力控制阀,压力可以根据产品的不同要求而调节,出口形状做成产品所需的形状,这样压力就得到了有效控制,挤压产品就能得到一定的结构力。

1、压力控制阀的功能要求

  在螺旋式挤压机的出口处设计安装一个常闭式压力控制阀,让挤压物挤压到一定形状的形腔内成形,保证达到一定的压力后挤出,能得到具有一定形状和一定质地密度的连续毛坯,如圆柱截面、矩形截面等食品、药品。如果不保压而直接从出口挤出,坯料会因为结构力不够而散落,或不连续而断等现象,如果利用压力控制阀,保证组成物颗粒之间一定的压力和密度,能达到保证毛坯质量的目的。

  根据应用要求,压力控制阀必须能根据应用场合的需要能调整输出压力,当工作压力没达到调定的压力时,压力阀处于非工作状态,此时阀门闭关;当被工作压力达到弹簧调定的压力值时,压力控制阀的阀门被打开,挤压物被挤出来,从而使被挤压物能达到具有一定的结构力的形坯,此时压力阀处于工作状态。压力调整螺栓可以调整,因而压力机出口压力可以控制,提高了压力机械的应用范围。

  当压力控制阀阀门控制部分或其他部位出现异常现象,阀门打不开时,此时阀内压力升高,当压力达到一定极限程度时,为了避免损坏压力机其他机械装置,压力控制阀还需设计保险装置,保证在异常状态下设备和操作人员安全。

2、压力控制阀的结构设计

  如图1所示,压力控制阀由阀体、摇臂机构、导杆机构、滑轮机构、铰链机构、行程开关、弹簧机构、阀体等构成。摇臂机构利用铰链和导杆,可以改变力的传动方向;弹簧因为具有弹性,因而可以达到控制力的目的;行程开关利用运动行程实现自动循环控制。

一种机械式常闭压力控制阀设计与试验研究

1.阀体;2.形腔套筒;3.滑动板;4.压力调整螺栓;5.安全压头;6.安全摇臂连杆;7.压力调整弹簧;8.连杆;9.摇臂摇杆;10.摇臂;11.铰链支座;12.摇臂连杆;13.半椭圆形上阀门;14.半椭圆形下阀门;15.定滑轮;16.细绳索;17.连杆;18.摇杆;19.行程开关;20.开口销;21.铰链轴;22.紧定螺栓;23.出口模具套筒;24.机械式压力机挤压物输出口

图1 机械式常闭压力控制阀结构图

3、压力控制阀工作原理

  为了保证螺旋式压力机的输出端能控制压力,设计如图1所示的压力控制阀。压力机工作,螺旋轴旋转,将压制物推挤到形腔套筒2中,此时阀门的上、下半椭圆形阀门13、14关闭,密闭形腔套筒内工作压力随着挤压物的增多而升高,当压力达到压力调整螺栓4调定弹簧7的压力时,挤压物推动滑动板3在阀体1上向左运动,滑板3与链杆8用开口销连接,由于滑板的向左动而带动连杆8向左移动,连杆8与摇臂10通过开口销连接,因此摇臂10在连杆8的向左推动下,摇臂绕摇臂支座11向下压摇臂摇杆9(主视图、左视图),摇臂摇杆、连杆17、摇杆18以及阀体组成双摇杆机构,由于摇杆9的向下推动而带动摇杆18推上半椭圆形阀门13(左视图)向左运动,此时上行程开关19被压,行程开关中一弹簧由原来的伸长状态恢复原形,弹簧缩短而产生拉力,拉(推)杆拉动阀门,将阀门打开。上下阀门对称,控制工作原理一样,两阀门同时被打开,此时阀门处于工作状态,左视图的虚线部分。

  若形腔套筒2中被挤压物质较少造成套筒内压力较小,当小于压力调整螺栓4调定的弹簧7的压力时,压力调整弹簧7推动滑动板3向右运动,滑动板3连杆8是通过开口销20连接的,因此滑动板3带动连杆8向右运动,带动摇臂10绕铰链支座11上升,摇臂10与摇臂摇杆9通过开口销连接,因而能带动摇臂摇杆9向上运动,摇臂摇杆9是和连杆17是铰接的,而连杆17又和摇杆18铰接,可以看出,摇杆不再推挤半椭圆形上阀门13而离开阀门,(左视图),因为摇臂摇杆9的向上运动,带动绕定滑轮的细绳向上拉,通过三个定滑轮变向而拉动行程开关19,行程开关中一压缩的弹簧恢复原形产生推力,将半椭圆形上阀门13关闭(左视图)。上下阀门对称,控制工作原理一样,两阀门同时被关闭,此时阀门处于非工作状态,左视图的实线部分。阀门处于关闭状态时形腔套筒内的压力由上下阀门传递给出口模具套筒23,出口模具套筒与阀体由紧定螺栓22连接,最终阀体的压力传给压力机械。

  压力控制阀处于正常的工作状态时,滑板3上的安全压头是不会接触安全摇臂连杆,只有当阀门处于危险状态,正常工作情况下的压力达到了压力控制弹簧调定的压力而阀门又打不开时,此时形腔套筒内随着挤压物的增多压力增大,滑板3向左的移动量超过了正常的移动量,安全压头5压着安全摇臂连杆6,通过摇臂而带动摇臂连杆12向下运动,摇臂连杆12向下的推力将阀门推开,上下传动原理一样,下阀门也被推开,挤压物被排除。此时阀门处于安全工作状态,避免了因压力的增大而损坏机械装置,起到了安全保护作用。这种工作状态警示操作工要停机,检修压力控制阀。

  行程开关:是一种利用弹簧弹力控制阀门开、闭的控制开关,主要由A、B两弹簧控制。当A弹簧受到外压力时,A弹簧由伸长状态恢复原形,(此时杠杆将另一B弹簧压缩)弹簧产生拉力,拉(推)杆拉动阀门,将阀门打开;当B弹簧受到一定的拉力时,压缩的B弹簧恢复原形(此时杠杆将另一弹簧拉伸),弹簧产生推力,推(拉)杆推动阀门,将阀门关闭。如此往复循环,将阀门打开―关闭、关闭-打开。

  3.1、压力控制阀设计原理

  在设计机械式压力控制阀中,应用的都是简单机构,连杆机构、摇臂装置、滑轮装置以及弹簧等零部件。连杆机构是平面机构,能使摇杆产生一定的摆动,由于选用的是双摇杆机构,主动摇杆和从动摇杆摆角较小,不可能产生死点位置保证了运动的可靠性;摇臂装置实际上是利用杠杆原理,能改变力的传动方向;滑轮装置能利用细绳传递或改变力的方向。

  3.2、计算与实验

  如图2挤压机工作状态,动力机通过V带传动带动V带轮旋转,带轮轴与螺旋轴联接,使螺旋轴一起转动,物料由料斗4进入,在螺旋轴3的推动下向前推进,送进挤压模5内,由于螺旋轴的不断的连续旋转,使物料不断的由螺旋轴向前推进,进入挤压模内,并与装在挤压模内的压力控制阀接触,压力控制阀上安装压力传感器,可以读出挤压模内的压力。在此工作状态下,以鱼肉泥淀粉混合料,做直径为Φ15mm鱼肉条(火锅菜或蒸菜)进行试验。

一种机械式常闭压力控制阀设计与试验研究

1.V带轮;2.带轮轴;3.螺旋轴;4.料斗;5.挤压模;6.压力控制阀;7.压力传感器

图2 压力阀实验原理图

  实验条件:螺旋压力机的螺旋轴为锯齿螺纹B67×37×10-7,头数为2,电机额定功率为2.5KW,转速为950转/分,大带轮与小带轮的传动比为2.5,与螺旋轴配套的挤压模直径为Φ70mm。先计算在条件下螺旋轴所产生的轴向推力Fx,根据:

一种机械式常闭压力控制阀设计与试验研究

  式中Mx代表螺旋轴相对于轴线之转矩,r代表锯齿螺旋轴的半径,r=33.5mm,Φ代表摩擦角,α代表螺旋升角。

tanα=h/2πr (2)

  式中h代表螺距,

一种机械式常闭压力控制阀设计与试验研究

  式中Φ代表摩擦角,fs代表静摩擦系数:

一种机械式常闭压力控制阀设计与试验研究

  (4) 由式(1)~式(4)可得:

  此力是在电机额定功率、螺旋轴本身结构以及挤压鱼肉泥淀粉混合料每次情况下所产生的最大推力。

  根据实验图2情况,压力表的读数0.46MPa,可以算出平均挤压力P=(35×10-3)2×π×0.46×106N/mm2=1.769KN,实验数据如表1所示。

表1 实验数据

一种机械式常闭压力控制阀设计与试验研究

  卸下压力阀,在端口的下端的安装一个压力表,结果显示压力为0.28MP,挤压品结构呈显松疏;当压力调整到大于2.64KN时,挤压机抖动,造成挤压品表面出现一道一道的压痕,这种工作状态是不允许出现的,必须增大电机功率。螺旋压力机的输出压力为1.96KN时,压力阀打开,其原因是弹簧的弹力误差,通常情况下5%左右误差属于正常现象。

4、结论

  由上述可知机械式常闭压力控制阀由简单的机械传动组成,制造成本低,工作状态可靠,在非工作状态下是阀门是常闭的,只有在挤压机出口压力达到弹簧调定的压力时才工作,保证了被挤压物的挤压密度;当压力阀本身结构出现异常时阀的安全装置会打开阀门,保证了机械部分不会损坏;当压力阀弹簧调定的压力超过螺旋轴的推力时,挤压机发生抖动现象,这说明电机功率太小,不允许出现。实验证明挤压机安装压力阀后产品质量明显提升,实用性强,加之压力阀全部机械结构,既环保又经济。由于现在市场上的压力传感器现在都是压强单位,在数值显方面有待改进。

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