关键词:
离子膜电解槽挤压装置
有限元分析
拓扑优化
尺寸优化
压紧液压系统
模糊PID
可编程控制器
摘要:
作为电解二次盐水的工艺设备,离子膜电解槽在烧碱的制作工艺流程中主要产出氯气、氢气以及碱水,并且其主要使用的密封方式为挤压装置夹紧。目前我国所使用的电解槽挤压装置面临质量过大以及生产加工工序离不开人为操作的问题迫切需要找到合理的解决办法,所以本文以单头电解槽挤压装置为研究对象,开展了电解槽挤压装置机架的轻量化、压紧液压系统的电液伺服控制以及制烧碱自动化工艺流程控制的研究。
在单头电解槽挤压装置机架轻量化方面,采用Ansys Workbench有限元软件创建了电解槽挤压装置不同载荷状态下的分析模型,并仿真模拟了机架正常与过冲载荷状态下的活动座和侧梁等部件应力分布与变形情况。选择仿真分析结果中应力与变形最小的侧梁进行轻量化设计,轻量化设计方法采用拓扑与尺寸联合轻量化设计。首先,对挤压装置侧梁原模型进行拓扑优化设计,得到二次设计侧梁模型;然后,利用尺寸优化方法对二次设计侧梁模型进行多目标尺寸优化,得到侧梁最终优化模型;最后,通过Ansys Workbench软件对最终优化模型进行仿真验证。验证结果表明:侧梁最终优化模型的材料得到充分利用,每根侧梁减重18.3%,使每台挤压装置节省钢材825.42kg。
在压紧液压系统的电液伺服控制方面,首先,通过电液伺服控制技术对挤压装置电液控制系统原理进行了分析,并通过Simulink仿真验证了控制系统传递函数的稳定性;然后,使用AMESim和Simulink软件创建了挤压装置压紧电液控制系统的联合仿真模型,并仿真分析了常规PID与模糊PID复合控制在挤压装置电液伺服控制系统中的压力控制特性;最后,搭建了单头挤压装置负载压力控制系统的液压试验平台来验证仿真分析的准确性。模糊PID复合控制与常规PID控制进行仿真与试验对比,仿真结果表明:模糊控制下,油缸负载力响应时间减少了50%,超调量减少了75%。另外试验结果表明:模糊控制下的油缸负载力平均超调量下降了50%。仿真与试验的结果表明,在模糊PID复合控制下,油缸无杆腔负载压力的响应速度更快,鲁棒性更强。
在电解槽制烧碱自动化工艺流程控制方面,首先,对离子膜电解槽制烧碱工艺流程进行概述和分析后选用西门子S7-1200PLC作为控制器以及液压伺服控制元件和传感器等共同搭建硬件系统;然后,确定了I/O口并绘制了挤压装置控制系统电气接线图;最后,根据电解槽挤压装置自动化工作的工艺流程顺序绘制PLC梯形图程序。此外为方便对控制系统的监控,还设计了常用的人机交互HMI页面,实现了现场可视化操作。
综上所述,本文对单头电解槽挤压装置的轻量化与自动化控制展开研究,包括挤压装置机架有限元分析、侧梁的拓扑与尺寸联合轻量化、挤压装置压紧液压系统电液伺服控制技术以及离子膜电解槽生产工艺自动化的研究,所做的工作对实现离子膜电解槽挤压装置轻量化与智能化的目标具有一定的意义。