一种可动态调速的渣饼破碎机及其控制方法
【专利摘要】本发明提出了一种可动态调速的渣饼饲料破碎机及其控制方法，所述渣饼破碎机，包括驱动电机、破碎室和控制系统，所述破碎室上端设有喂料口、下端设有出料口，破碎室内设有破碎辊轴，破碎辊轴通过联轴器与驱动电机连接，所述破碎辊轴表面焊有螺旋形刀齿；破碎室内壁上排布有凸齿，凸齿与螺旋形刀齿之间的留有间隙；控制系统包括电源、PLC控制器、人机交互设备、变频器、装在驱动电机的轴上的编码器、装在破碎辊轴上的温度传感器，PLC控制器包括速度控制器和温度修正转速控制器。本发明通过对渣饼破碎机的结构改进，采用双闭环动态控制调节方法，实现破碎过程及速度的自动控制，自动适应渣饼破碎载荷动态变化，使破碎力和破碎效率最大化。
【专利说明】一种可动态调速的渣饼破碎机及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机电领域，尤其是一种可动态调速的渣饼破碎机及其控制方法。
【背景技术】
[0002]粉碎是饲料厂最重要的工序之一，破碎机的动力配备占饲料厂总配套功率的三分之一或更多，所以它直接影响饲料厂的生产规模、能耗、饲料加工成本以及产品的质量。
[0003]随着畜牧业生产的发展，越来越多的饼柏将作为主要的植物性蛋白质供禽畜饲用。在中国江苏北部、山东、安徽等地油坊榨油后的油渣经处理后通常为直径500-600mm、厚度70-90mm，重约IOKg的饼状，常见的有豆饼、菜饼和花生饼等各种渣饼，这些饼材经破碎和再加工后可作为农业养殖饲料。这种饼块物料跟其它饲用原料(玉米、麦类)相比，不但体积大、材质坚硬，而且油脂含量高，因此，它具有一定的硬度、韧性和较大的变形能储存，加工困难。
[0004]目前使用的破碎机普遍达不到饲料破碎的技术要求，大部分还在使用上个世纪六七十年代为粉碎稻谷、高粱、地瓜干之类而发展起来的粉碎设备。这类破碎机虽然也可以对渣饼进行破碎加工，但必须对渣饼进行破碎预处理，如通过压、铡等将饼加工处理成块状后，再用粉碎机加工，导致生产效率低、操作危险、加工成本高等缺点。
[0005]现有技术中，锤片式破碎机具有破碎比大、构造简单、尺寸紧凑、维护简单等优点，它是利用高速旋转的锤子撞击物料，尤其是当硬度较大的物料进料时，锤片能起到缓冲作用，所以有着广泛的应用。但由于油坊下来的渣饼形状特殊、材质坚硬、油脂含量高，导致进料口损伤大、锤片和筛片磨损率高、加工出料量低、出料1000公斤/时就需要IlKW以上电机，电能利用率低。加工时，操作不当容易使半碎后的物料从喂料口被高速抛出，造成人身伤亡事故；另外，由于电机高转速带动锤片旋转，饼料在离心力作用下不能顺利下落到粉碎室，通常采用人为外力挤压渣饼至破碎室内。如果操作者推料冲力过大时，造成主轴转速下降使活动锤片的破碎能力减小，被活动锤片打击下的粉碎物料颗粒增大，滞留在粉碎室中，从而使主轴转速进一步降低，甚至出现敝车现象，增加了的启动扭矩和电机的超载危险，导致高能耗、高启动扭矩等问题。2001年蒋树义等人在“饼类锤片粉碎机敝车的改进措施”文献中，针对饼类锤片粉碎机在饲料生产中经常出现的敝车问题，提出增大破碎机筛片包角、增加固定切刀的方法，使其成为饼类锤片、切刀组合式粉碎机，改善了饼类粉碎生产中出现的主轴转速突变的现象、降低能耗，但对于刀片磨损、锤片数配置及后期更换并未作考虑。
[0006]辊式破碎机是粮食、饲料加工的另一种常用的机械设备，有单辊和对辊式两种。对辊式破碎机通过挤压、剪切破碎物料，能效高、电耗低，产品的粒度均匀，但对玉米之类的易粉碎原料适应性强，且当物料水分适当时，才能获得较细的产品，而对于大块又有韧性的渣饼来说，采用对辊式不合适。1991年扬州粮食饲料机械研制单辊式碎饼机利用铣切原理加工豆饼，喂料口导板倾角为38°，其结构简单、喂入性能好、工作平稳，15KW电机达到3600Kg/时的破碎量，推向市场就深受用户的欢迎。随着饲料加工规模的日益扩大，这种单辊式破碎机存在加工效率低，仅适合小规模的手工作坊，而对饼类破碎机的使用寿命、节能加工和智能控制等方面提出更高的要求。
[0007]专利200580009647.X公开了一种单段锤式破碎机系统，包括设置于破碎机上的传感器、执行机构和控制器在内的DCS控制系统，通过嵌入式控制器内的通讯模块实现远程监控和维护。该专利仅从总体控制框架上进行阐述，对影响破碎效果的关键因素如物料特性、压榨方式和破碎机结构等并未作具体涉及。
[0008]专利200480003867.7公开一种用于降低机械负荷增加的风险以及由此发生的故障的方法。在控制破碎端头位置的液压流体中发生压力升高超系统预定值时，改变破碎机外壳的相对位置，并调整破碎机间隙的宽度。该方法在一定程度上降低破碎机过早发生故障的风险，并实现了动态调节，弥补了前述技术上的不足。但这种单环的位置液压控制仅从机械结构调整破碎腔体空间来适应不同物料，存在液压结构成本高、装配不良易渗油和不易控制等缺点。
【发明内容】
[0009]针对目前破碎机的喂料难、易磨损、生产率低、能耗高等问题，本发明提出一种可动态调速的渣饼饲料破碎机及其控制方法。本发明的目的是通过对渣饼破碎机的结构改进，采用双闭环动态控制调节的方法，实现渣饼饲料破碎过程及速度的自动控制，自动适应渣饼破碎载荷动态变化，使破碎机的破碎力和破碎效率最大化。
[0010]本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0011]一种可动态调速的渣饼破碎机，包括驱动电机、破碎室和控制系统，其特征在于，所述破碎室上端设有喂料口、下端设有出料口，破碎室内设有贯穿破碎室的破碎辊轴；所述破碎辊轴的两端延伸至破碎室的外部、由固定在水平工作面上的滚动轴承支撑，破碎辊轴的一端通过联轴器与驱动电机连接，所述破碎辊轴的表面焊接有螺旋形刀齿；所述破碎室内壁上排布有凸齿，所述凸齿与螺旋形刀齿之间的留有间隙；所述控制系统包括电源、PLC控制器、A/D转换器和人机交互设备、变频器、安装在驱动电机的轴上的编码器、安装在破碎辊轴上的温度传感器，所述人机交互设备、变频器、编码器、温度传感器均与PLC控制器连接，温度传感器与PLC控制器之间设有A/D转换器，所述变频器还与驱动电机相连，所述PLC控制器包括速度控制器和温度修正转速控制器，所述速度控制器为PID控制器。
[0012]优选地，所述破碎辊轴的轴是直径为130mm-170mm的实心轴，所述螺旋形刀齿的材质为闻络铸铁。
[0013]优选地，所述喂料口位于破碎室正上端、且垂直于水平面。
[0014]优选地，所述料口、出料口均采用高铬铸铁材料制成。
[0015]优选地，所述凸齿与螺旋形刀齿之间的间隙为70_90mm。
[0016]优选地，所述温度传感器与螺旋辊轴之间使用柔性连接器连接。
[0017]优选地，所述人机交互设备通过RS-232串行接口与PLC控制器连接
[0018]所述可动态调速的渣饼破碎机的控制方法，包括以下步骤:
[0019](I)测量、并通过人机交互装置输入待加工的渣饼的密度Y、含水量δ以及环境温度Ttl,依据渣饼的存放时间h选择压榨方式，预设破碎转速nQ ；
[0020](2)自动或手动将待加工的渣饼放入破碎室；[0021](3)温度传感器采集实际破碎温度值T，经过A/D转换器传输至PLC控制器；
[0022](4)温度修正转速控制器比较实际破碎温度值T与环境温度Ttl，得到AT=Ttl-T ；并线性调节破碎辊轴的转速差Λη。，当AT>25°C时，Λ nQ=k ( Λ T_25°C )，当ΔT≤25°C时，Δ η0=0 ；
[0023](5)速度控制器根据预设初始转速Iitl与温度修正转速控制器线性调节的转速差Δ nQ相减,得到初始转速V =η0- Δ n0 ；
[0024](6)编码器检测破碎辊轴的实际转速η、并传输至PLC控制器，速度控制器比较实际转速η与初始转速Iitl’得到差值An=Iic/-η、并根据Λ η通过PID控制向变频器输出频率f=f (Δη),变频器根据频率f控制驱动电机的转速η。
[0025]与现有技术相比，本发明所述的可动态调速的渣饼破碎机具有以下有益效果:
[0026]I)喂料口采用高铬铸铁材料，有效防护因渣饼饲料造成的磨损，其开口位置设在破碎室正上端，打破进料口传统切线位置或一定角度依靠自身全部重力进入破碎室，并结合破碎辊轴刀齿的螺旋分布，使得喂料更快，并且降低了设备制造工艺复杂性。
[0027]2)采用破碎辊轴上螺旋刀齿，破碎辊轴只需低速便能使渣饼自动进料，无需外力压进，喂料性能好，大大降低了人力物力，避免锤片式高速旋转导致物料抛出伤人事故、敝车现象的发生。
[0028]3)破碎辊轴上堆焊接螺旋刀齿与破碎室内壁上的凸齿形成破碎间隙，确保切料整齐，并取消了传统的筛片，消除了由于过筛困难导致过破碎问题，且简化了结构，组件安装更加方便。
[0029]4)经多次反复试验，本实施例中提供典型物料常温豆质渣饼采用5.5KW电机能达到6000Kg/时的破碎量，破碎效果是目前市场同类破碎机的5-6倍，真正实现了低功耗、高效率、高稳定的要求，满足广大农村饲料加工的要求，解决了饲料厂因为破碎设备动力大、电耗高的技术问题。
[0030]本发明所述可动态调速的渣饼破碎机的控制方法，实现渣饼饲料破碎过程自动控制，使破碎机的破碎力和破碎效率最大化，能适应不同的渣饼原料破碎要求，破碎能耗低，能够广泛应用家禽、家畜、养渔业饲料的加工。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1为本发明所述可动态调速的渣饼破碎机的结构简图。
[0032]图2为本发明所述破碎室的剖面图。
[0033]图3为所述破碎室的横向截面图。
[0034]图4为所述破碎辊轴的结构图。
[0035]图5为所述破碎辊轴上的螺旋形刀齿排列展开图。
[0036]图6为所述控制系统的结构框图。
[0037]图7为本发明所述控制方法的主控程序流程图。
[0038]图8为本发明所述控制方法的原理图。
[0039]图9为本发明所述控制方法的流程图。
[0040]附图标记说明如下:
[0041]1-底座，2-驱动电机，3-喂料口，4-破碎室，5-破碎辊轴，6_控制系统，7_内壁，8-凸齿，10-出料口，11-螺旋形刀齿，12-柔性连接器，13-温度传感器，14-编码器，15-联轴器。
【具体实施方式】
[0042]下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
[0043]如图1、图2所示，本发明所述可动态调速的渣饼破碎机，包括驱动电机2、破碎室4和控制系统6，包括驱动电机2、破碎室4和控制系统6。所述破碎室4上端设有矩形喂料口 3、下端设有出料口 10，所述喂料口 3、出料口 10均采用高铬铸铁材料来提高寿命。破碎室4内设有贯穿破碎室4的破碎辊轴5，破碎辊轴5与破碎室4的左、右侧壁密封连接，所述破碎辊轴5的两端延伸至破碎室4的外部、由固定在水平工作面上的滚动轴承支撑。破碎辊轴5的一端通过联轴器15与驱动电机2连接，驱动电机2固定在底座I上。如图4所示，所述破碎辊轴5的表面焊接有螺旋形刀齿11，所述破碎辊轴5上的螺旋形刀齿11排列展开图如图5中所示。所述破碎室4的内壁7上排布有凸齿8，所述凸齿8与螺旋形刀齿11之间的留有70-90mm的间隙，如图3所示。
[0044]驱动电机2的转速由所述控制系统6控制，如图6所示，所述控制系统6包括电源，PLC控制器，A/D转换器和人机交互设备，变频器，安装在驱动电机2的轴上的编码器14，安装在破碎辊轴5上的温度传感器13。编码器14连接在驱动电机2的轴上，用于检测破碎辊轴5的转速η。温度传感器13用于检测破碎辊轴5的温度Τ，温度传感器13属精密器件，不能受到较大的冲击，温度传感器13与螺旋辊轴5的连接时使用柔性连接器12连接。编码器14、温度传感器13均与PLC控制器连接，将检测到的转速η、温度T传输到PLC控制器。具体的，所述温度传感器13与PLC控制器之间设有A/D转换器。所述PLC控制器包括速度控制器和温度修正转速控制器，所述温度修正转速控制器用于根据所述辊轮的温度对转速进行修正，所述速度控制器为PID控制器，用于对转速进行PID控制。所述人机交互设备通过RS-232串行接口与PLC控制器连接，用于输入渣饼物料密度、含水量、存放时间、环境温度和压榨方式、预设驱动电机2转速％。PLC控制器通过变频器来控制驱动电机2的转速。
[0045]工作时，物料自动或手动通过喂料口 3装入破碎室4，驱动电机2在控制系统6控制下，通过联轴器15带动破碎辊轴5旋转。喂料口 3设在破碎室4上端，打破进料口传统切线或一定角度位置依靠自身全部重力进入破碎室4的传统结构设计，并结合破碎辊轴5上螺旋形刀齿11，破碎辊轴5只需低速便能使渣饼自动带进破碎室4，无需外力压进、加速喂料进程，并且简化了设备制造工艺。破碎辊轴5为是直径为130mm-170mm的实心轴，螺旋形刀齿11与破碎室4内壁7上的凸齿88之间留有70-90mm的间隙，利用螺旋形刀齿11挤压、剪切渣饼饲料，破碎后的物料从出料口 10排出。喂料口 3、出料口 10均采用高铬铸铁材料，有效防护因渣饼饲料造成的磨损，特别是含水量低、存放时间长的渣饼磨损，无需更换刀片、取消筛网，延长使用寿命长，降低维护成本。
[0046]图7所示为所述控制方法的主控程序流程图，包括系统资源初始化、显示刷新、按键查询处理，各种破碎参数输入和选择，以及破碎运行处理。具体控制原理如图8所示，为双闭环自动控制，包括速度控制器和温度修正转速控制器两部分。其中，速度控制器为PID控制，输入量是根据渣饼物料密度、含水量、存放时间、环境温度和渣饼冷榨和热榨不同的压榨方式通过PLC控制器预设驱动电机2转速％，通过编码器14反馈的实际转速n，依据转速差值Λ η,按照PID控制变频器的转速。温度修正转速控制器，通过安装在破碎辊轴5上的温度传感器13采集破碎辊轴5的实际加工温度Τ，经过A/D转换器送到PLC控制器，与环境温度Ttl比较，依据温度升高大小，外环反馈线性调节驱动电机2的预设转速％，避免大规模过载加工，特别是连续过载加工导致的破碎辊轴5温升过高而发生物料粘连现象。
[0047]如图9所示，所述可动态调速的渣饼破碎机的控制方法的具体步骤为:
[0048](1)测量、并通过人机交互装置输入待加工的渣饼的密度Y、含水量δ以及环境温度Ttl,依据渣饼的存放时间h选择压榨方式，预设破碎转速nQ ；
[0049](2)自动或手动将待加工的渣饼放入破碎室4 ；
[0050](3)温度传感器13采集实际破碎温度值T，经过A/D转换器传输至PLC控制器；
[0051](4)温度修正转速控制器比较实际破碎温度值T与环境温度Ttl，得到AT=Ttl-T ;并线性调节破碎辊轴5的转速差Λη。，当AT>25°C时，Λ nQ=k ( Λ T_25°C )，当AT≤25°C时，Δ η0=0 ；
[0052](5)速度控制器根据预设初始转速Iitl与温度修正转速控制器线性调节的转速差Δ nQ相减,得到初始转速V =η0- Δ n0 ；
[0053](6)编码器14检测破碎辊轴5的实际转速η、并传输至PLC控制器，速度控制器比较实际转速η与初始转速Iitl’得到差值An=Iic/-η、并根据Λ η通过PID控制向变频器输出频率f=f (Δη),变频器根据频率f控制驱动电机2的转速η。
[0054]所述实施例为本发明的优选的实施方式，但发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种可动态调速的渣饼破碎机，包括驱动电机(2 )、破碎室(4)和控制系统(6 )，其特征在于，所述破碎室(4)上端设有喂料口( 3)、下端设有出料口( 10)，破碎室(4)内设有贯穿破碎室(4)的破碎辊轴(5);所述破碎辊轴(5)的两端延伸至破碎室(4)的外部、由固定在水平工作面上的滚动轴承支撑，破碎辊轴(5)的一端通过联轴器(15)与驱动电机(2)连接，所述破碎辊轴(5)的表面焊接有螺旋形刀齿(11);所述破碎室(4)的内壁(7)上排布有凸齿(8)，所述凸齿(8)与螺旋形刀齿(11)之间的留有间隙；所述控制系统(6)包括电源、PLC控制器、A/D转换器和人机交互设备、变频器、安装在驱动电机(2)的轴上的编码器(14)、安装在破碎辊轴(5)上的温度传感器(13)，所述人机交互设备、变频器、编码器(14)、温度传感器(13)均与PLC控制器连接，温度传感器(13)与PLC控制器之间设有A/D转换器，所述变频器还与驱动电机(2 )相连，所述PLC控制器包括速度控制器和温度修正转速控制器，所述速度控制器为PID控制器。
2.根据权利要求1所述的可动态调速的渣饼破碎机，其特征在于，所述破碎辊轴(5)的轴是直径为130mm-170mm的实心轴，所述螺旋形刀齿(11)的材质为高铬铸铁。
3.根据权利要求1所述的可动态调速的渣饼破碎机，其特征在于，所述喂料口(3)位于破碎室(4)正上端、且垂直于水平面。
4.根据权利要求1所述的可动态调速的渣饼破碎机，其特征在于，所述料口、出料口(10)均采用高铬铸铁材料制成。
5.根据权利要求1所述的可动态调速的渣饼破碎机，其特征在于，所述凸齿(8)与螺旋形刀齿(11)之间的间隙为70-90mm。
6.根据权利要求1所述的可动态调速的渣饼破碎机，其特征在于，所述温度传感器(13)与螺旋辊轴之间使用柔性连接器(12)连接。
7.根据权利要求1所述的可动态调速的渣饼破碎机，其特征在于，所述人机交互设备通过RS-232串行接口与PLC控制器连接。
8.根据权利要求1所述可动态调速的渣饼破碎机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)测量、并通过人机交互装置输入待加工的渣饼的密度Y、含水量S以及环境温度Ttl,依据洛饼的存放时间h选择压榨方式,预设破碎转速Iici ； (2)自动或手动将待加工的渣饼放入破碎室(4)； (3)温度传感器(13)采集实际破碎温度值T，经过A/D转换器传输至PLC控制器； (4)温度修正转速控制器比较实际破碎温度值T与环境温度Ttl，得到AT=Ttl-T;并线性调节破碎辊轴(5)的转速差Λη。，当AT>25°C时，Λ nQ=k ( Λ T_25°C )，当AT≤25°C时，Δ η0=0 ； (5 )速度控制器根据预设初始转速Iitl与温度修正转速控制器线性调节的转速差Λ η0相减，得到初始转速1?’ =η0- Δ n0 ； (6)编码器(14)检测破碎辊轴(5)的实际转速η、并传输至PLC控制器，速度控制器比较实际转速η与初始转速Iitl’得到差值An=Iic/-η、并根据Λ η通过PID控制向变频器输出频率f=f (Δη),变频器根据频率f控制驱动电机(2 )的转速η。
【文档编号】B02C18/14GK103706445SQ201310722924
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月24日 优先权日:2013年12月24日
【发明者】崔守娟, 张西良, 李伯全, 路欣, 张世庆 申请人:江苏大学