建筑用全液压泥水处理分离机研发.pdf

2 0 1 0年 6月 第 3 8卷 第 1 2期 机床与液压 MACHI NE T 0OL HYDRAU 『 L I C S J u n ． 2 0 1 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 1 2 DOI 1 0． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 2 ． 0 1 6 建筑用全液压泥水处理分离机研发 刘京广，于萍，魏星，张钦国 吉林大学机械科 学与工程学院 ，吉林长春 1 3 0 0 2 5 摘要针对国内建筑用卧螺离心机的不足，通过采用泵控式速度电液伺服控制系统，设计一种新型的全液压驱动与控 制系统，能够根据建筑泥水的密度、黏度 、固相含量和粒度的变化 ，实时采集离心机的转速信号，并将其转换成 电信号， 控制液压泵的排量，从而控制液压马达的转速实现泥水分离。采用此控制系统，离心机完全适应泥水参数的变化。 关键词离心机；电液伺服控制；液压调速回路；自动控制 中图分类号 T H 6 9 3 ． 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 2 0 4 33 De s i g n o f Hyd r a ul i c M u d- wa t e r Se pa r a t o r f o r Co ns t r uc t i o n L I U J i n g g u a n g ，Y U P i n g ，WE I X i n g ，Z HA N G Q i n g u o C o l l e g e o f Me c h a n i c a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ，J i l i n U n i v e r s i t y ，C h a n g c h u n J i l i n 1 3 0 0 2 5 ，C h i n a Ab s t r a c t A n e w t y p e o f f u l l y h y d r a u l i c d r i v e a n d c o n t r o l s y s t e m wa s d e s i g n e d b y u s i n g p u mp c o n t r o l s p e e d e l e c t r o h y d r a u l i c s e r - v o c o n t r o l s y s t e m t o o v e r c o me t he s ho rta g e o f do me s t i c d e c a nt e r ． Ac c o r d i n g t o t h e d i ffe r e nt mu d wa t e r pa r ame t e r s i n c l ud i n g t he d e n s i t y， v i s c o s i t y， s o l i d p h a s e c o n t e n t a n d p a r t i c l e s i z e ， c e n t r i f u g a l s p e e d s i gn a l s w e r e c o l l e c t e d r e al t i me a n d w e r e t r a n s l a t e d i n t o e l e c t r i c a l s i g n a l s t o c o n t r o l t h e fl o w o f h y d r a u l i c p u mp a n d t o f u rt h e r c o n t r o l t h e v e l o c i t y o f h y d r a u l i c mo t o r t o r e a l i z e t h e s e p a r a t i o n o f mu d - wa t e r ． I t c a n ma k e t h e c e n t r i f u g e a l w a y s i n t h e b e s t c o n d i t i o n ． Ke y wo r d s C e n t r i f u g e ； E l e c t r o h y d r a u l i c s e r v o c o n t r o l ； Hy d r a u l i c s p e e d r e g u l a t i o n l o o p； Au t o ma t i c c o n t r o l 随着城 市建 设的发展 ，在城市建筑施工 的桩基工 程 中，采用钻孔灌柱桩 、地 下连续墙 、泥水顶管 、泥 水盾构等地下工程技术 日益增多 。在钻进过程 中 ，普 遍采用泥浆作为 冲洗 液以携带岩粉 、冷却钻头 ，并起 护壁作用 。由于采用全 面钻进 ，因而从孔 内上返 的废 砂浆量大 ，钻进时泥浆 中固相 含量迅速增加 。在施工 现场，泥浆大多数是利用 自然沉淀方式循环利用。在 循 环过程 中，浆量越来越多 ，造成工 地泥泞不堪 ，严 重 影响施 工 ，随之产生大量 的废泥浆 的处理也成为 困 扰 工程施 工的难题 。 目前 泥浆水 的处理方式多是用罐 车把现场 的泥浆 水运 到郊外 垃圾 场 ，让 其 自然干化 。这种处 理方式原 始 、落后 ，一是费用高 ，效率低，二是施工现场环境 恶劣 ，罐 车在运输 途中也常 因泥水漏洒在城 区干道上 而污染 了城 市环 境。较 为先进 的处理方式 ，就是 机械 手段 ，采用强制分离 的方式 ，使建筑废泥水 中的液 相 含量尽可 能的低 。 采用最多 的强 制分 离设备 ，主要是离心机 。 目前 国内离心机驱动方式多为双电机结构。但是在这种离 心机的应用过程中存在一个亟待解决的问题 ，即现场 应用过程 中经常 出现离心机所 配的电控设备烧毁 。导 致这种现象的直接原因是离心机转鼓内部堵塞 ，螺旋 输送 器排渣困难 ，最终致使 电控设备烧毁 。究其根本 原 因 1 和设 备 的应 用不 当有 关 ； 2 即更 主要 的原 因 ，和离心机的结构设计有很大关 系 ，即离心机 的适应性和通用性不能满足现在建筑工程的要求。泥 水作为一种 特殊 的介质 ，与其他行业 中所用 的介质有 着很大的区别。对于不同的地质构造，不同的泥浆体 系，其黏度、密度 、固相含量及其粒度分布是不 同 的 ，对于不 同的城 市 ，其 泥浆参 数也 是不 断变化 的。 基于 以上这些特点 ，使得 建筑用泥浆分离机必须具有 很强 的适应性 和通用性 ，只有这样 才能使其适 应各种 泥浆 。为 了解决这些 问题 ，结合液压驱 动所特 有的优 点 无级调速 ，设计 出了全液 压泥 水处理 分离机 ， 其与现在所应用 的建筑泥水处理 离心机相 比有着很 大 的优 势 ，如表 1 所 示 。 可以看 出，全液压驱动泥水分离机在建筑泥水分 离中有着明显的优势 ，并且我国尚没有全液压的驱动 产 品。即使 在西方一些发达 国家 ，全液压驱动方式也 是最先进的技术。由某课题组研制的全液压泥水处理 分离机是专为建筑上产生的泥水设计的，下面就做一 些详细介绍 。 收稿 日期 2 0 0 9 0 61 9 基金项 目长春市 自然科学 基金项 目 G N 2 0 0 8 0 3 2 8 5 5 作者 简介刘 京广 ，男 ，在读硕 士研究生 。电话 1 3 7 5 6 4 6 0 5 1 0 ，E ma i l l i u j g 3 4 8 9 1 2 6 ． c o n。 4 4 机床与液压 第 3 8卷 表 I 建筑用泥水处理分离机优缺点对 比 主要优点 主要缺点 方法 液率／ ％ ⋯⋯⋯ ～⋯” ’ 1 离心机主要组成和工作原理 1 ． 1 主要 组成 1 转鼓结构 由大端盖 、小端盖 、转鼓等装 配而成 。其 中大端 盖上装有溢流挡板，其上配有可调装置，可以调节溢 流口直径的大小，从而改变转鼓内的液体容积和沉降 区与干燥区的长度。转鼓小端设有排渣 口，和滚筒接 口部分成流线型设计 ，便于沉渣在离心力的作用下顺 利经排渣 口排 出。转鼓 的内表面镶 以硬质合 金套筒 ， 其上设有内衬筋板，因为在转鼓高速旋转的过程中， 固体小颗粒和转鼓的内表面产生剧烈的摩擦 ，加上筋 板后，就在转鼓的内表面附着一层固体颗粒 ，这样摩 擦就变成了骨头颗粒间的摩擦，大大减少对内衬板的 摩损。 2 输送器组件 该部分主要由简体 、螺旋叶片、加料腔部分组 成。其中螺旋叶片采用双螺旋，因为和混合物直接接 触并且作用在其上 的力最 大 ，故而其磨 损也最严 重。 针对这种情 况 ， 在 叶片上 面做特殊 的处理 ，采用烧 结 耐磨合金工艺，磨损到一定程度时可以更换。同时， 因为料液经 常流动 ，出料 口易被磨损 ，因而要在 出料 口周边喷涂上耐磨的硬质合金层。在其他与物料接触 的部分全部喷上硬质合金层，减少物料对实体 的磨 损 ，大大延长 了机器的使用寿命。 1 ． 2 工作原 理 主电机通 过液 压泵 驱动 液压 马达 此 处 以 电机 示之 ，带动滚筒旋转 ，其速度 可 以无级 调节 ；辅 电 机也是通过液压泵驱动液压马达，进而带动螺旋输送 器旋转，其速度也是无级可调。待处理的泥浆用供浆 泵输送到滚筒 6大端的进浆管，由进浆管到达液室， 再通过螺旋输送器 4的分料 口5进入滚筒 6内 ，由液 压泵驱动滚筒 6和螺旋输送器4同向旋转 ，并且控制 滚筒 6的转速较螺旋输送器4的转速存在一个转速差 转鼓转速略高 。在由空心液压马达带动滚筒高速 旋转产生的离心力的作用下，密度较大的泥浆的固相 被甩到滚筒内壁上沉淀下来，同时由液压马达驱动螺 旋输送器 4与滚筒6同方向旋转，形成滚筒 6与螺旋 输送器4之间的差速，输送器将 内壁上沉渣刮下来， 推到滚筒小端的干燥 区中 ，从排渣 口进入排渣槽 ，分 离后的泥水 ，从滚筒大端 出浆 口溢 出，从而实现分离 的目的 。 1 一电机2 一轴承3 一溢流板4 ～螺旋输送器5 一 分料 口6 一滚筒 图 1 液压泥浆离心分离机示意 图 2控 制 系统 设计 建筑用 全液压泥水处理分离机关键部分是如何控 制变量泵的排量 ，进而控制液压马达输 出的转速 ，最 终控制转鼓和螺旋推料器，使其达到各 自所需要的转 速，同时保证其各自转速的无级可调。并且 ，当泥水 混合液的参数发生变化，如何控制转鼓和螺旋推料器 的速度，进而使二者的速度变化达到最佳分离效果的 要求 ，结 合这些要求 ，采用以下设计 。 该机器 的最大优点在于采用新 型的驱动方式 液压驱动，其控制中心器件是两个电液伺服阀。电液 伺服 阀是一种将 小功率 电信 号转换成大功率的液压能 输 出，以实现对位置和压力控 制的装置。它集 中了电 信号的许多优点 ，如传递快、线路连接方便、便于遥 控、容易检测反馈、比较、校正等 ，同时还兼有液压 动力的输出力大、惯性小、反应快等优点，而成为一 种控制灵活、精度高、快速性好、输出功率大的控制 元件。该驱动正是通过两个电液伺服阀来控制其对应 的变量机构双杆缸的位置，改变变量泵的输出流量， 从而控制液压马达的输出转速。一个液压马达通过等 比齿轮连接转鼓 ，另一个液压马达连接到螺旋输送器 上 ，两个液压马达分别 由两个变量泵控制 。通过调整 两个电液伺服阀的输入电压来调节转鼓和螺旋输送器 的转速 。因为滚筒液压 系统工作原理和螺旋输送器 的 液压系统工作 原理相 同 ，下面 以滚筒的液压系统工作 原理为例说明其控制系统的设计。滚筒的液压系统工 作原理 如图 2所示 。 第 1 2期 刘京广 等建筑用全液压泥水处理分离机研发 4 5 1 一伺服放大器2 一电液伺服阀 3 一双杠液压缸 4 一位置传感 器5 一变量液 压泵6 一安全 液压马达 7 一安全溢 流阀8 一 补油 单 向 阀 9 一测 速 电动 机 1 O 一 泵控电液伺服机构 图 2 滚筒液压 系统 工作原理 图 图 2为泵 控式 电液 速 度控 制 系 统 ，变量 液 压泵 5 ，安全液 压 马达 6及安 全溢 流 阀 7和 补油单 向阀 8 组成 闭式 油路 。通过改变变量 泵 5的排量 达到对液压 马达 6的调速。 而变量泵的排量调节则是通 过电液伺服 阀 2和双 杆 液压缸 3 组成 的泵控 电液 伺服 机构 1 0的位 移调 节 来 实现 。在 负 载 与 指 令 机 构 之 间设 有 测 速 电 动 机 速度传感器9 ，从而构成一个闭环速度控制系统。 当系统输入 指令 信号后 ，控制液压源 的压力油经 电液 伺服 阀 2向双杆液压缸 供油 ，使液压缸驱动 变量泵 的 变量机构 在一 定位置下工作 ；液 压马达 的输 出转 速 n 由速度传感器实时检测，进而转换为反馈信号与输入 的指令信号 比较 得出偏 差信号控制 电液伺 服阀的开 口 度 ，从而使变量泵 的变量 机构 ，即变量泵 的排量保持 在设定值 附 近 ，最终 保 持液 压 马达 在 理想 值 附 近工 作 ，而位置传感器又构成 了内部反馈环节 ，从 而进 一 步保证了系统的控制精度。这样，使滚筒转速能随着 负载的变化而迅速地变化 ，保 证了机器的灵敏性 和广 泛适应性 。 同时 ，滚筒和螺旋 输送 器 的速差 控制 十分 关键 ， 如图 3 所示 为速差控制方块 图。可 以看 出 ，系统是通 过两套闭环控制系统 ，分别控 制螺输送器转速和转鼓 的转速 ，进而确定螺旋输送器 和转鼓 的转速差 。其控 制部分用一台微型计算机监测 分离机的参数 ，以进行 统一 的数 字化操作。其 中的软 件控制 系统是用 V B编 程语言开 发出来的实时控制系统 。 广 _ _ 1 速度传感器 ] J广 垡里 堡壁矍 I J L一 [ 殇丽 J L一 1速度传感器 } ⋯ 图 3 速差控 制方块图 3离心机的主要参数 转鼓直径 D4 2 0 m m；转鼓 长 度 Ll 6 8 0 m i l l ； 主机长径 比 L ／ D 4 ；转 速 1 5 0 0～1 8 0 0 r ／ m i n ；处理 量 8～1 0 1T I ／ h ；转鼓半 锥角 7 。～8 。 ；电动机功率 1 5 k W 2 ；主 机 外 型 尺 寸 2 0 0 0 m m 1 5 0 0 m m 9 0 0 m m；总质量 1 5 0 0 k g ；可无 级调速 的转速 差 0～ 2 0 r ／rai n。 4结束语 建筑用全液压泥水处理分离 机的研 制成功 ，有效 克服 机器的分离稳定性差 、分离精度差 以及对物质变 化适 应性差的缺点 。因为液压驱动 方式在 世界上代表 了离 心机控 制 系统 的 最先 进 方式 ，此机 器 的研 制 成 功 ，也填补 了我国在离 心机控 制方 式上 的一个 空 白 ， 为 以后离心 机控制系统的研究指 明了方 向。同时 ，其 结构 紧凑 ，真正实 现了无 级调速 ，故具有更好的适应 性和通用性 ，还兼 有处理量大和实现过程 自动化 的优 点 。在建筑 泥 水分 离 中 ，有 效地 分 离 出泥 水 中的 固 相 ，可 以很好解决建筑工 地的环境问题 ，同时也为节 水节能做出了一定贡献 ，使得建筑工程更加智能化、 绿色化 。 参考文献 【 l 】陈催龙， 席莹本 ， 章棣． L W4 5 01 8 1 0 一 N型卧式螺旋卸 料离心机在市 政污水 中 的应 用 [ J ] ． 过滤 与分离 ， 2 0 0 1 ， 1 l 4 3 03 3 ． 【 2 】董怀荣， 王平 ， 蔡文军． ～种全 自动闭环控制钻井液高速 离心机[ J ] ． 西部探矿工程， 2 0 0 6 4 2 0 9 2 1 1 ． 【 3 】张利平． 液压传动与控制[ M] ． 北京 化学工业出版社， 1 9 9 8 2 6 52 8 8． 2 8 93 0 3． 【 4 】马咏梅， 王冬梅， 薛骁． 液压控制 WL Z 3 0 0型卧螺离心 机的开发研制 [ J ] ． 四川大学学报 工程科学版， 2 0 0 0 f 4 9 39 6 ． 【 5 】董怀荣 ， 王新梅， 蔡文君， 等． L W4 0 01 2 0 0型变频控制 高速离心机的研制[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 6 ， 3 5 1 4 5 4 7． 【 6 】张利平． 液压控制系统设计[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 2 0 0 4 1 2 7 1 4 5 ． 【 7 】龚俊 ， 路 玉峰 ， 辛舟， 等． 卧螺离心机 的液压调速 回路 [ J ] ． 机械与 电子 ， 2 0 0 4 1 2 2 62 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