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第五屆全國稱重技術(shù)研討會論文集
一種電子螺旋配料工藝秤的設計
濟南金鐘電子衡器股份有限公司 張兄華
[摘要] 主要介紹一種對螺旋給料機進行改進設計的螺旋配料工藝秤，可應用于粉末狀或具有一定粘度物料的配料工藝控制流水線上或配料系統(tǒng)中。
關(guān)鍵詞：螺旋給料 工藝秤 流量計 閉環(huán)控制
1.概述
隨著社會的發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模的擴大，工業(yè)生產(chǎn)過程自動程度越來越高、手段越來越先進，特別是近來國家對環(huán)保問題給予足夠的重視、人們對環(huán)保意識也在不斷的提高。所以如何減少環(huán)境污染，提高自動化程度，減輕勞動強度，保障生產(chǎn)的可靠性、安全性，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的質(zhì)量及經(jīng)濟效益是人們普遍關(guān)心的問題。近幾年來，許多大中型企業(yè)對原有的生產(chǎn)設備進行工藝改進設計，特別是化工、冶金、建材等行業(yè)。
2000年底，應某催化劑廠的工藝要求，我公司與其它廠家經(jīng)過為期一年左右時間共同對其生產(chǎn)工藝進行改進，2002年5月正式投入運行，使用效果較好，具體表現(xiàn)在以下幾方面：生產(chǎn)效率提高近4倍；采用DCS控制系統(tǒng)，工藝控制平穩(wěn)、穩(wěn)定；系統(tǒng)可靠性大大提高；綠色設計和人性化設計得到充分體現(xiàn)；產(chǎn)品質(zhì)量和合格率明顯提高；節(jié)能效果顯著。方案設計初，選用皮帶輸送機進行物料輸送，由于物料（鋁石和高嶺土）的特殊性，粉末狀，流動性相當好，采用皮帶進行輸送，漏料問題成了一大解決難題。當時生產(chǎn)線上有臺螺旋給料機，我們借此機會，經(jīng)過仔細推敲，根據(jù)生產(chǎn)工藝的需要，考慮直接對螺旋給料機進行改進，如果可行，這樣不但可以很容易解決漏料問題，減輕對環(huán)境的污染，減少對人身的傷害，而且還可省去皮帶輸送機（含電子皮帶秤），節(jié)約一筆資金，帶著一連串的問題，我們開始進行嘗試性的改造設計，現(xiàn)在產(chǎn)品使用效果較好，滿足生產(chǎn)工藝的要求。
2.系統(tǒng)工作原理
系統(tǒng)運行時，通過電子螺旋配料秤對輸送的物料進行計量，由電腦積算儀對接收的重量和速度信號處理后轉(zhuǎn)化為累計值和瞬時流量，并將累計值、瞬時流量信號由RS-485口傳送給工業(yè)控制機（上位機）、以4～20mA模擬電流信號傳送給變頻調(diào)節(jié)器，再由變頻調(diào)節(jié)器去調(diào)節(jié)上級給料機的轉(zhuǎn)速，當流量增大時，降低上級給料機的轉(zhuǎn)速，反之提高上級給料機的轉(zhuǎn)速，從而使得物料的流量和階段累計量均保持在設定的范圍內(nèi)，進而完成物料的計量和配料。系統(tǒng)工作原理框圖見圖1所示。
3.系統(tǒng)設計
從上面的工作原理我們?nèi)菀卓闯觯号淞辖Y(jié)果要求各種物料按一定的比例進行混合配比，這樣，只要保證各種物料按照預先設定的配比進行混合，就能滿足工藝要求。我們根據(jù)多年從事衡器的工作經(jīng)驗及借助力學基礎知識，利用CAD進行輔助設計，采用杠桿式結(jié)構(gòu)，設計一種噪音低、無摩擦、抗振動、消除氣流影響、計量準確、安裝調(diào)試及維護方便，適用于變化流量下對物料輸送和計量的電子螺旋配料工藝秤。因螺旋給料機是一種密封設備，且本身帶有動力部分，要想將它改造為一種計量設備，存在以下問題：1.如何進行螺旋給料機的水平度調(diào)整？2.如何克服電機運行中產(chǎn)生振動？3.如何消除物料運送過程中產(chǎn)生氣流而影響計量精度？4.如何解決一種螺旋給料機只能用于一定流量的物料輸送和計量。改造后的結(jié)構(gòu)如圖2所示：
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圖2 電子螺旋秤結(jié)構(gòu)示意圖 |
| 1、導氣管 |
2、稱重傳感器及連接固定機構(gòu) |
3、螺旋給料機 |
| 4、軟連接機構(gòu) |
5、支撐機構(gòu) |
6、機架 |
該電子螺旋配料工藝秤主要由積算儀、螺旋給料機、導氣管、稱重傳感器及連接固定機構(gòu)、軟連接機構(gòu)、支撐機構(gòu)、機架等部分組成。
3.1積算儀
引導式菜單操作，具備報警提示、脈沖輸出功能，并可實現(xiàn)自動模擬或?qū)嵨镄室约笆謩?自動空秤調(diào)零、零點自動跟蹤等功能。
具備角度自動補償、自診斷故障及停電數(shù)據(jù)保持功能。
液晶顯示，同屏顯示流量、累計量、速度（載荷或時間）等數(shù)據(jù)。壁掛式金屬板噴塑外殼，防水、防塵、防強磁場干擾。
具備通訊、打印、4～20mA模擬電流輸出等功能。
3.2稱重傳感器及連接固定機構(gòu)
螺旋給料機與稱重傳感器及連接固定機構(gòu)的連接部位焊接加強板，稱重傳感器及連接固定機構(gòu)上端通過固定螺栓與加強板聯(lián)接，下端由調(diào)節(jié)定位塊調(diào)整水平度，并與機架聯(lián)接。采用的加強板是一塊帶圓弧形的鋼板或類似物，配焊方便，保證輸送機具有足夠的強度和剛度；采用的調(diào)節(jié)定位塊是由兩塊截面類似為三角形的物塊組成，可方便調(diào)整螺旋給料機的水平位置，通過固定螺栓來調(diào)整螺旋給料機的限位，設備調(diào)整好后焊接固定，稱重傳感器和加強塊之間放置減振橡膠板，消除振動影響。
3.3支撐機構(gòu)
螺旋給料機與支撐機構(gòu)的連接部位焊接加強板，支撐機構(gòu)上端與加強板聯(lián)接，下端與機架聯(lián)接，支撐機構(gòu)通過連接軸和橡膠軸承聯(lián)接。導氣管安裝在出料口端，一端與螺旋給料機聯(lián)接，另一端聯(lián)接到上級給料機構(gòu)。采用橡膠軸承作為支撐點，利用緊固螺母和緊固螺栓進行固定，消除動力部分產(chǎn)生的影響。
3.4軟連接機構(gòu)
對給料機的進出料口進行處理，改硬連接為軟連接，讓改造的螺旋給料機成為獨立單元，消除外界因數(shù)對計量精度的影響。
3.5排氣機構(gòu)
在出料口附近增加夾層，安裝導氣管，及時排除產(chǎn)生的氣體，消除氣體帶來的壓力影響。
3.6尋找螺旋給料機的重心點
充分利用CAD先進技術(shù)，在計算機上進行受力分析，找出加載（滿載）情況下螺旋給料機的重心點，以便對其進行模擬校準。
4.可靠性驗證
4.1校準前的準備
螺旋給料機選用Y4220.100，生產(chǎn)率Q為11.6t/h，傾角為0°，轉(zhuǎn)速為48 r/min，螺距為160mm，功率1.5kW，電流3.7A。
根據(jù)公式：Q=47D2ntρψC
（1）
Q——物料流量（t/h）
D——螺旋直徑（m）
n——螺旋軸轉(zhuǎn)速（r/min）
t——螺距（m）
ρ——物料松散度（t/m3）
Ψ——物料填充系數(shù)
C——輸送機傾角系數(shù)
又設：k=D2tρ
（2）
W=mk
（3）
m——螺距數(shù)
取：Ψ=0.35，C=1
由（1）、（2）、（3）三式，推算給料機滿載時留在給料機內(nèi)的物料約62.5kg（化整后取65kg）。螺旋給料機自重為88 kg，為此我們選用LB-P-200型稱重傳感器。
4.2設備校驗
4.2.1模擬校準
按圖3所示，固定好給料機和傳感器，啟動電機進行空載運行，進行零點校準，然后施加80 kg砝碼進行模擬校準（線性和量程），發(fā)現(xiàn)效果很好，試驗結(jié)果如表1所示。
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圖3
試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 |
表1-1零點累計誤差
| 次數(shù) |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
| 誤差值 |
0.128% |
-0.091% |
-1.117% |
0.027% |
0.113% |
表1-2量程累計誤差
| 次數(shù) |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
| 誤差值 |
0.232% |
-0.131% |
-0.241% |
0.274% |
0.136% |
4.2.2實物校準
按圖3試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖固定好料倉、星型給料機、螺旋給料機等，正確連接傳感器與積算器、積算器與PID、PID與變頻器、變頻器與星型給料機之間的連線，保證螺旋給料機處于相對獨立狀態(tài)。
讓PID處于開路狀態(tài)，啟動星型給料機讓其以最大速度運行，保證螺旋給料機處于滿負荷，進行實物校準，試驗結(jié)果如表2所示。
表2 量程累計誤差（實物）
| 次數(shù) |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
| 誤差值 |
0.434% |
-0.391% |
-0.314% |
0.273% |
0.0271% |
4.2閉環(huán)調(diào)試
連接變頻器、調(diào)節(jié)器，進行系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)試，在開始施加物料和料倉物料較少時控制較為困難，開始時系統(tǒng)超調(diào)現(xiàn)象較嚴重，但很快就能恢復，隨著料倉物料減少，控制曲線波動較大，但料倉中的物料保持在一定的范圍內(nèi)時，控制曲線波動變化比較平穩(wěn)，但存在較嚴重的滯后現(xiàn)象，不過，對于同一種物料，在料位穩(wěn)定的情況下，滯后時間是比較穩(wěn)定的，通過調(diào)整PID內(nèi)部相關(guān)參數(shù)，可以解決此問題。
5.存在問題及采取的措施
5.1存在問題
5.1.1由于運送的是粉粒狀物料，物料在運送過程中，由于與葉片和筒壁之間相互摩擦，產(chǎn)生靜電。
5.1.2物料在運送過程中由于摩擦及葉片間隙等原因致使物料與葉片轉(zhuǎn)速間存在滯后。
5.1.3物料在運送過程中，由于間隙產(chǎn)生氣體，形成氣壓，對稱量造成極不穩(wěn)定的影響。
5.2采取的措施
5.2.1系統(tǒng)接地及防靜電處理
現(xiàn)場對設備進行良好的接地處理，確保靜電消除。
5.2.2充分利用經(jīng)驗及控制理論
反復進行試驗，記錄試驗數(shù)據(jù)，并對試驗數(shù)據(jù)進行技術(shù)處理，建立數(shù)學模型，并利用實際經(jīng)驗進行修改，調(diào)整PID內(nèi)部參數(shù)，完全克服系統(tǒng)的滯后現(xiàn)象。
5.2.3增加排氣裝置
在給料機出口處增加排氣裝置，將筒內(nèi)的氣體及時排除，一方面消除氣流影響計量的準確度，另一方面保證物料順利送走。
6.結(jié)束語
通過現(xiàn)場使用驗證，該種設備不僅適用于流動性較好的粉末狀、小顆粒狀物料，而且還適用于具有一定粘度的、流動性較差的物料，在化工、冶金、建材等行業(yè)，該種設備及控制方式值得在相應系統(tǒng)中推廣使用。
參考文獻
1、《運輸機械設計選用手冊》 化學工業(yè)出版社
2、張兄華 變頻技術(shù)在完善新型催化劑生產(chǎn)工藝改造中的應用 《變頻器世界》2002.9
聯(lián)系地址：山東省濟南市英雄山路147號 郵編：250002
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<全文完>
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