超高压灭菌设备液压同步系统仿真研究.pdf

21 8 机 械设 计 与 制造 Ma c hi ne r y De s i g nMa n u f a c t ur e 第 9期 2 0 1 4年 9月 超高压灭菌设备液压同步系统仿真研究 方桂花， 李晓燕， 李斌 内蒙古科技大学 机械工程学院， 内蒙 古包头0 1 4 0 1 0 摘要 介绍了超高压灭菌设备的工作原理及工作过程， 对该设备的液压系统进行了简单的介绍， 对推动堵头移动的 两液压缸的液压系统进行了A M E S i m仿真分析，发现两液压缸的同步度比较低 ，对超高压容器的密封性有一定的影 响； 又对加有同步阀的液压同步控制系统进行 了A ME S i m仿真分析， 发现两液压缸的同步度有所提 高， 没有再发生堵 头与卡口发生碰撞的现象、 活塞杆发生抖动卡死等现象， 说明原设备的工作性能也有所提高， 对该设备液压系统的改 进 有一 定的参考意义。 关键词 超高压灭菌设备 ； 液压同步系统； A ME S i m 中图分类号 T H1 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 4 0 9 0 2 1 8 0 3 Si mu l a t i o n An a l y s i s o f Hy d r a u l i c Sy n c h r o n i z a t i o n S y s t e m f o r Ul t r a h i g h Pr e s s u r e St e r i l i z a t i o n E q u i p me n t FANG Gu i - h ua，L I Xi a o - y a n，LI Bi n I n n e r Mo n g o l i a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y I n s t i t u t e o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， I n n e r Mo n g o l i a B a o t o u 0 1 4 0 1 0 ， C h i n a A b s t r a c t h i n t r o d u c e s t h e w o r k i n gp r i n c ip l e a n d w o r k i n gp r o c e s s o ft h e u l t r a h i g h p r e s s u r e s t e r i l i z a t io n e q u ip m e n t ， a n d t h e h y d r a u l i c s t e m oft h i s e q u ip men t h a s c a r r i e d o n t h e s i m p l e i n t r o d uct i o n T h e t w o h y d r a u l i c c y l i n d e r oft h e h y d r a u l ic s t e m t o p r o m o t e p l u g m o v i n g i s c a r r i e d o n t h e A ME S i m s i m u l ati o n ana l y s is， fi ndi ng t h e s y n c h r o n iz atio n d e g r e e is l o w a n d h as a c e rt ain i n flu e nce o fu l t r ahi g h p r e s s u r e v e s s e l ’ s 却 r 0 Q e 强 An d t h e n t h e h y d r aul ic s t e m a d d e d b y s y nch r o n o u s v a l v e is c a r r i e d o n t h e A ME S i m s i m u l a t io n a n al y s i s ， a n d f o u n d t h e s y n c h r o n iz atio n d e g r e e i s h i g h e r ， n o c o l l is i o n b e t w e e n p l u g a n d 6 m n ￡ o c c u r s a g a i n and n o p h e n o men o n s uch asj i t t e r s t u c k p is t o n r o d o c c e r s a g air I t v an i m p r o v e t h e w o r k i n g p e 咖r m 删 e of t h e o r i g i n al e q u ip m e n t ，a n d i t h as c e r t ain r e f e r e nce s i g n ific a n c e t o t h e i m p r o v e me n t of t h e h y d r aul ic s t e m of t h e e quipme n t ． Ke y W o r d s Ul t r a h i g h Pr e s s u r e S t e r i l i z a t i o n Eq u i p m e n t ； Hy d r a u l i c S y n c h r o n i z a t i o n S y s t e m ； AM ES i m 1 引言 超高压加工技术 H i g h p r e s s u r e p r o c e s s i n g ， 又称高静水压 加工技术 Hi g h h y d r o s t a t i c p r e s s u r e p r o c e s s i n g ， 即利用液体介质 在 1 0 0 M P a以上的压力下处理食品，达到延长食品保藏时间的一 种物理加工方法【1 q 。技术是一种新兴的非热力加工技术， 可以更好 地保持食品原有的风味、 色泽和营养价值， 表现出巨大的潜在市场 和广阔的发展前景 。 超高压杀菌技术最关键的设备是超高压灭菌 设备。 目前国内外常见的食品加压装置由超高压容器和加压减压系 统两大部分组成， 超高压容器是整个装置的核心。密封问题是超高 压容器设计所考虑的关键问题目 。在液压缸推动堵头移动的时候出 现过堵头与卡口发生碰撞的现象、活塞杆发生过抖动卡死的现象， 说明两个液压缸的同步度比较低， 这样在堵头进入超高压容器的过 程中容易与容器内壁发生挤压， 对超高压容器的密封性也造成一定 的影响。 将对控制堵头移动的液压控制系统进行分析模拟改进， 使 推动堵头移动的两液压缸实现良好而精确的同步控制。 2超高压灭菌设备的液压系统组成及工 作 讨 租 I r一 、 ．一 I -- T - - 超高压灭菌设备的液压系统主要用于增压器的增压、超高 压容器堵头的移动、 超高压容器垫块的移动、 框架的移动和泄压 阀的运行。该系统由动力源 包括电动机、 油泵 、 方向控制回路 换向回路、 紧锁回路 、 速度控制回路 容积调速回路 、 安全溢流 和压力控制回路以及辅助系统等组成。 各回路具有独立的控制功 能， 并能联合作用使整个液压系统达到最佳控制状态。设备的液 压系统原理简图， 如图 1 所示。 来稿 日期 2 0 1 4 - 0 3 1 5 基金项目 内蒙古自 治区高等学校科学技术研究项目 N J Z Y I 2 1 0 9 ； 包头市重大科技发展项 目 2 0 1 2 Z 1 0 0 6 2 作者简介 T Y 桂花， 1 9 6 2 一 ， 女， 内蒙古包头人， 研究生， 教授， 主要研究方向 流体传动与控制 第 9期 方桂花等 超高压灭菌设备液压 同步 系统仿真研究 2 1 9 1 ． 油箱 2 ． 水箱 3 ． 过滤器 4 ．单向可调液压泵 5 ． 电动机 6 ． 单 向定量液压泵 7 单 向阀 8 ． 压力计 9 ．先导型 比例电磁溢流阀 1 0先导型电磁溢流阀 l 1 ． 电液换 向阀 1 2 ． 压力传感器 1 3 ． 阻尼阀组 1 4 ． 自 动卸压阀组 1 5 ． 排气阀感应器 1 6 1 ． 接左端泄压油缸 1 6 2 ． 接右端卸压油缸 l 6 _ 3 ．接左堵头移动 1 6 4接右堵头移动 1 6 5 ．接左垫块移动 1 6 _ 6 ．接右垫块移动 l 6 7 ． 接框架移动 1 7 ． 液控单向阀 1 8 ． 电磁换向阀 1 9 ． 截止 阀 图 1 液压系统原理简 图 F i g ． 1 Th e Hy d r a u l i c S y s t e m Prin c i p l e Di a g r a m a 超高压容器正视图的剖面图 9 b 超高压容器俯视图的剖面图 C 超高压容器侧视图的剖面图 1 ． 堵头液压缸 2 _堵头 3 ． 堵头卡 口 4 ． 承压框架 5 ．超高压容器 6 ． 容器腔 7 ．堵头连动杆 8 ． 垫块 9 ． 垫块液压缸 1 O ． 设备支架 1 1 ．容器支架 1 2 ． 水箱 图2超高压灭菌设备主体结构示意图 F i g ． 2 Th e Ma i n S t r u c t u r e Di a gra m o f t h e Ul t r a h i g h P r e s s u r e S t e ril i z a t i o n Eq u i p me n t 超高压灭菌设备主体结构示意图， 如图2所示。 超高压容器 在图2 c 的左位位置 虚线位置 时是物料进出的位置， 首先把 物料放到超高压容器里， 然后液压缸推动容器支架移动把超高压 容器移动到承压框架的中位 实线位置 ， 然后堵头液压缸 1 将堵 头推入到堵头卡口处， 此时给超高压容器充水， 等充满水之后， 关 闭截止阀， 之后堵头液压缸将堵头推入容器内， 一边的堵头先移 动到达超高压容器之后另一边的堵头再移动， 当堵头把超高压容 器两边密封住时， 垫块液压缸 9推动垫块移动， 将垫块移动到堵 头和承压框架之间， 堵头向后顶住垫块， 将堵头承受的压力传递 给承压框架。当堵头和垫块就位后， 增压器开始给超高压容器加 压即向超高压容器内加高压水， 当超高压容器的压力达到设定的 压力时， 增压器停止加压， 超高压容器处于保压状态， 达到保压设 定的时间后， 卸压阀自动开始卸压 ， 卸压完成后， 垫块、 堵头依次 移出，液压缸带动容器支架将超高压容器移到进出物料的位置， 最后产品出仓， 即完成给食品加压杀菌过程。整个控制过程都是 采用 P L C程序控制的 。 3问题分析 推动堵头移动的液压系统原理图， 如图3所示。在整套设备 中两个液压缸的缸体是固定在设备框架上的， 两个活塞是与堵头 固定在一起的， 不是严格意义上的刚性连接， 在液压缸推动堵头移 动的时候出现过堵头与卡口发生碰撞的现象、 活塞杆发生过抖动卡 死的现象， 说明两个液压缸的同步度比较低。 在设备的实际运行中， 造成液压缸的不同步是多方面的， 必须加以有效的控制环节来减 小同步误差， 来提高设备的工作性能。 l O A 7 1 ． 油箱 2 ． 过滤器 3 ． 单项定向液压泵 4 ． 电动机 5 ．先导型电磁溢流阀 6 ．压力计 7 ． 电磁换向阀 8 ． 液控单向阀 9 ． 液压缸 1 O ．堵头 图 3堵头液压缸液压系统 F i g ．3 T h e Hy d r a u l i c S y s t e m o f Hug Hy d r a u l i c C y l i n d e r 4超高压灭菌设备液压系统的仿真分析 4 ． 1对原系统的 A ME S i m建模仿真 对没有采取任何同步措施的两液压缸进行 A ME S i m仿真分 析 ， 为了方便叙述， 假定 面的液压缸为 1 液压缸， 下面的液压缸为 2 液压缸， 仿真中模拟实际堵头液压缸液压系统中的液压缸所受的负 载不一样， 液压缸的内经为 3 5 m m， 活塞杆的直径为 3 0 m m， 行程为 2 5 0 m m ， 设定的工作压力为 3 1 ． 5 M P a ， 流量为 l O I ／ m i n ， 溢流阀的值 为 I O MP a ， 管径均取 l O mm， 仿真时间为 5 s ， 时间间隔为 O ．O l s 。 堵头 液压缸的液压系统仿真模型图， 如图4所示。系统下两液压缸的活 塞位移图， 如图5 所示。 活塞杆的速度图， 如图6 所示。 仿真时对两 个液压缸输入的信号均相同。 从仿真结果可以看出由于负载的不同 两个活塞杆在同一时刻的伸出位移不同、 速度也不同， 既表现出不 同步现象。从图上可以看出， 两个活塞缸的位移差最大约有 3 mm， 这样很容易对两个液压缸造成损坏， 强制性的同步时很容易使堵头 倾斜， 使活塞杆发生卡死现象， 因此有必要采取同步控制措施。 ④ 图 4仿真模型图 Fi g ．4 Th e S i mu l a t i o n Mo d l e Di a gr a m 鼙 整 一 雾 蒸 毽 一 ～ 一 ， 一 一 一9 ～ ≯ j 謇 一 2 2 0 机械 设 计 与制 造 No ． 9 S e p t ． 2 0 1 4 ⋯ ⋯ ⋯ 。 l ⋯⋯ ⋯ ‘ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ‘ ⋯⋯ ⋯ ⋯ ‘ _ ． ⋯ ⋯ ⋯ ， i ⋯⋯⋯ ⋯⋯⋯‘ ⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯⋯⋯‘ ⋯⋯⋯⋯。 ⋯⋯ 0 ． 0 1 ．0 2 ．0 3 ．0 4 ． 0 5 ．0 6 ． 0 X T i m e [ s ] 图 5两液压缸的活塞杆位移 F i g ． 5 Th e Di s p l a c e me n t Di a g r a m o f t h e T wo Hy d r a u l i c Cy l i n d e r ’ p i s t o n Ro d X T i me [ s ] 图 6两液压缸的活塞杆速度 F i g ．6 T he Ve l o c i t y Di a gra m o f t h e Two Hy d r a u l i c Cy l i n d e r ’ p i s t o n Ro d 4 ． 2采用同步阀回路的 A ME S i m建模仿真 同步阀的工作原理可简单的概括为压力负反馈原理。即当负 载压力发生变化的时候，换向活塞会根据情况做出相应的动作， 通 过改变节流口的大小来满足要求。同步阀有两种工作状态， 分别是 分流工况和集流工 己 罔 。同步阀可以使两个液压缸的双向运动都起 同步作用。同步阀同步回路的A ME S i m模型图， 如图7 所示。仿真 中设置两个液压缸所受的负载不一样，两缸和信号的设置同上。 同步阀 H C D 模型中的参数设置为 固定节流孔等效直径 5 ． 5 m m 、 固定节流孔的最大流量系数 0 ．8 、阀芯通流小孔的直径 8 m m、 阀 芯小孔的最大流量系数 0 ．7 、 滑阀阀芯等效直径 4 7 ra m、 人口容积 3 2 c m 3 , 左右腔容积 1 2 ．5 c m 3 , 左右弹簧腔容积 1 4 ． 5 c m 、 弹簧预压 缩量 2 2 ra m、 弹簧原长4 2 mm、 弹簧刚度 1 ． 4 1 4 N ／ mm、 零开口度2 m m、 阀芯质量 1 ． 5 9 k g 、 阀芯质量快黏性摩擦系数 1 0 0 N ／ m ／ s 。两缸活 塞的位移图， 如图8所示。 两缸活塞的速度图， 如图9所示。 从仿 真结果可以看出在原液压回路中加入同步控制的同步阀之后， 两 液压缸位移和速度曲线基本重合 ， 达到了良好的同步精度。 图 7仿真模型图 F i g ．7 T h e S i mu l a t i o n Mo d l e Di a gra m ．| l ⋯L ⋯ ⋯⋯Iacaettuuaatt。omrmasass0s02L．r0rodd ddii spllaa ceme nⅡt[mm ]⋯⋯． 1 0 ． 0 1 ． 0 2 ． 0 3 ．0 4 ． 0 5 ．0 6 ． 0 X T i me [ s ] 图 8两液压缸的活塞杆位移 F i g ． 8 Th e Di s p l a c e me n t Di a g r a m o f t h e T wo Hy d r a u l i c C y l i n d e r ’ p i s t o n Ro d ＼ I一 ac t u ua m t o r m as s 。 0 2 1 ． r o d v v e e k c l o c i i t t y y [ 【 州 m ／ s ] 0 ．0 1 ．0 2 ．0 3 ． 0 4 ．0 5 ． 0 6 ．0 X T i m e [ s ] 图 9两液压缸的活塞杆速度 F i g ． 9 T h e V e l o c i t y D i a gra m o f t h e T w o Hy d r a u l i c Cy l i n d e r ’ p i s t o n Ro d 5结束语 对超高 压灭菌设备推动堵头移动 的液 压 回路进行 了 A ME S i m仿真研究，对液压回路加有同步控制前后做了仿真比 较。结果表明， 加有同步阀的同步控制回路两液压缸的同步度更 高一些 ， 可以使设备得到更好的工作性能， 对超高压灭菌设备液 压系统的改进有一定的参考意义。 参考文献 【 1 ]O e y 1 ， L i l l e M， V a n L o e y A．E ff e c t o f h i g h - p r e s s u r e p r o c e s s i n g o n c o l o r ， t e x t u r e a n g fl a v o r o f f r u i t a n d v e g e t a b l e - b a s e d f o o d p r o d u c t s a r e v i e w [ J J ． T r e n d s i n F o o dS c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 0 8 ， 1 9 6 3 2 0 - 3 2 8 ． 【 2 J B u t z P ， F e r n and e z G a r c i a A， L i n d a n e r R ．I n fl u e n c e o f u l t r a h i g h p r e s s u r e p r o c e s s i n g o n f rui t a n d v e g e t a b l e p r o d u c t s[ J ] J o u r n a l o f F o o d E n g i n e e r i n g ． 2 0 0 3 ． 5 6 2 ， 3 2 3 3 2 3 6 ． 1 3 J Ae r t s e n A， Me e r s m a n F， He n d r i c k x M E G ．B i o t e c h n o l o g y u n d e r h i g h p r e s s u r e a p p l i c a t i o u s a n d i m p l i c a t i o n s [ J ] ． T r e n d s i n B i o t e c h n o l o g y ． 2 0 0 9 ， 2 7 7 4 3 4 4 4 1 ． [ 4 ] 姜斌， 胡小松， 廖小军． 超高压对鲜榨果蔬汁的杀菌效果[ J ] ． 农业工程 学报 ， 2 0 0 9 ， 2 5 5 2 3 4 - 2 3 8 ． J i ang B i n ， H u X i a o s o n g ， L i a o X i a o - j u n ．E f f e c t s o f h i s h h y d r o s t a t i c p r e s s u r e p r o c e s s i n g o n mi c r o b i a l i n a c t i v a t i o n i n f r e s h f r u i t a n d v e g e t ab l e j u i c e[ J ] J o u r n alo f a g r i c u l t u r a l e n g i n e e ri n g ， 2 0 0 9， 2 5 5 2 3 4 - 2 3 8 ． [ 5 ] 黄丽， 孙远明， 潘科． 超高压处理对荔枝果汁品质的影响[ J ] ．农业工程 学报 ， 2 0 0 7 ． 2 3 2 2 5 9 - 2 6 3 ． H u ang L i ， S u n Y u an- mi n g 。 P an K e ．1 n f l u e n c e o f u l t r a h i g h p r e s s u r e t r e a t m e n t o n t h e q u al i t y o f l y c h e e j u i c e[ J ] J o u ma l o f a g r i c u h u r a l e n g i n e e ri n g ， 2 0 0 7 ， 2 3 2 2 5 9 2 6 3 ． [ 6 ] 易建勇， 张燕， 廖小军智 能化超高压食品灭菌设备[ J ] ．农业机械学报， 2 0 1 1 ， 4 2 1 1 1 1 3 1 1 7 ． Y i J i an- y o n g ， Z h ang Y an ， L i a o X i a o - j u n ．I n t e l l i g e n t u l t r a - h i g h p r e s s u r e f o o d s t e ri l i z a t i o n e q u i p m e n t [ J ] d o u rual o f A c u l t u r al Ma c h i n e r y ， 2 0 1 1 ， 4 2 1 1 1 1 3 1 1 7 ． [ 7 ] 付永领， 扑晓野．A ME S i m系统建模和仿真[ M] ． 北京 北京航空航天大 学出版社 。 2 0 0 6 1 2 - 4 7 ． F u Y o n g l i n g ， P u X i a o - y e ．Th e S y s t e m Mo d e l i n g a n d S i mu l a t i o n o n A M E S i m[ M] ．B e ij i n g B e ij i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s P r e s s ． 2 0 0 6 1 2 - - 4 7 ． 加 m 晒 ∞ 0 0 O O O 0 加 m 兮 ∞ O O 0 O O O