顆粒狀物料計(jì)量機(jī)的設(shè)計(jì)與制造

周銘強(qiáng)，張 清

（禾欣可樂麗超纖皮（嘉興）有限公司，浙江嘉興 314003）

0 引言

在無紡布超細(xì)纖維紡絲工藝生產(chǎn)過程中，常常會(huì)有二種顆粒狀物料要同步進(jìn)行配比連續(xù)生產(chǎn)，常用比例PA∶PE在0.95～1.05之間，顆粒形狀相差不大，PA為圓柱體狀，大小為φ3 mm×4 mm左右，PE為雞蛋狀，外形為φ5 mm×4 mm左右，不同廠家生產(chǎn)的原料有不同的外形，造成堆積密度不一。由于有較高的防潮要求，不適合在開放式的環(huán)境中進(jìn)行配比，因此考慮在密封的環(huán)境中進(jìn)行混合。傳統(tǒng)方法采用稱重?cái)嚢杌旌头╗1-3]，但由于密度原因在混合過程中易分層導(dǎo)致混和不均，實(shí)踐證明結(jié)果不是最理想，并且由于不能實(shí)施過程調(diào)整，一旦出現(xiàn)配料不均就導(dǎo)致大量原料浪費(fèi)[4]。經(jīng)過改進(jìn)，采用旋轉(zhuǎn)量杯方法，結(jié)合PLC觸摸屏在線自動(dòng)調(diào)整反饋系統(tǒng)，作者設(shè)計(jì)出不銹鋼計(jì)量機(jī)，有效地解決了上述問題。

1 總體方案設(shè)計(jì)和工作原理

圖1是計(jì)量機(jī)的總體設(shè)計(jì)框架，由于有兩種料進(jìn)行配比，所以計(jì)量機(jī)有兩個(gè)取料器，這兩個(gè)取料器分別有對(duì)應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、減速器和測(cè)速裝置。計(jì)量機(jī)由一個(gè)可編程控制器（PLC）控制，同時(shí)控制2個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器和兩種料對(duì)應(yīng)的進(jìn)料閥。人機(jī)界面采用觸摸屏方式，簡(jiǎn)單易懂，所以本計(jì)量機(jī)操作非常方便。

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，設(shè)置完成各類參數(shù)，一鍵啟動(dòng)后，由PLC給出信號(hào)分別控制進(jìn)料閥門1、進(jìn)料閥門2的開關(guān)操作，延時(shí)1秒后，同時(shí)運(yùn)行伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)帶動(dòng)取料器中的計(jì)量盤旋轉(zhuǎn)進(jìn)料，PLC同時(shí)高速采集計(jì)量盤上感應(yīng)開關(guān)檢測(cè)信號(hào)，經(jīng)過處理計(jì)算，得到計(jì)量盤旋轉(zhuǎn)速度，從而得出各計(jì)量機(jī)實(shí)際產(chǎn)量。另外，實(shí)際檢測(cè)得到的速度如果不在正常設(shè)定范圍內(nèi)，PLC會(huì)報(bào)警，甚至停機(jī)保護(hù)。

圖1 計(jì)量機(jī)總體設(shè)計(jì)示意圖

2 計(jì)量機(jī)組成結(jié)構(gòu)

2.1 取料器

取料器主要有殼體、計(jì)量盤、軸、軸承及端蓋等零件組成，見圖2，它的關(guān)鍵零件是計(jì)量盤，其圓周上分布著兩排量杯孔，每排16個(gè)，總共32個(gè)。

圖2 取料器結(jié)構(gòu)

為保證較好的防銹性能，與物料接觸部分均采用1Cr18Ni9作為主材料，軸承端蓋等采用Q235。

2.2 測(cè)速裝置

測(cè)速裝置由測(cè)速轉(zhuǎn)盤和測(cè)量傳感器二部分組成，測(cè)速轉(zhuǎn)盤上有16個(gè)等分的沿徑向伸展的圓棒，測(cè)量傳感器為AUTONICS接近開關(guān)，型號(hào)PR18-8DN。該裝置安裝在取料器的軸上，如圖3所示。

圖3 測(cè)速裝置

2.3 伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器

為保證較高的控制精度，電機(jī)采用三菱伺服電機(jī)HF-SE152JW1-S100，其最高轉(zhuǎn)速為2 000 r/min；驅(qū)動(dòng)器采用三菱伺服MR-JE-200A。

2.4 減速機(jī)

減速機(jī)采用APEX日本新寶減速機(jī)AT090-FL1。該裝置和取料器的軸相連接。

2.5 可編程控制器及觸摸屏

可編程控制器為三菱品牌的MITSUBISHI Q系列PLC，人機(jī)界面采用三菱GT1575-VNBA觸摸屏。

3 配比計(jì)算

在無紡布超細(xì)纖維紡絲工藝生產(chǎn)過程中，PA和PE這二種原料按需要的比例進(jìn)行混合，才能保證紡絲的生產(chǎn)質(zhì)量。

PA和PE取料器的計(jì)量盤上量杯孔總體積分別為：

其中：V1、V2——PA和PE取料器上計(jì)量盤上量杯孔的總體積（m3）；

r1、r2——計(jì)量盤上量杯孔的半徑（mm）；

h1、h2——計(jì)量盤上的量杯孔的深度（mm）；

S1、S2——計(jì)量盤上的量杯孔的數(shù)量。

則原料PA和PE每小時(shí)的出料量分別為：

其中：M1、M2——分別是PA和PE取料器的出料量（kg/h）；

i1、i2——PA和PE取料器對(duì)應(yīng)的減速箱減速比；

n1、n2——PA和PE取料器對(duì)應(yīng)的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；

ρ1、 ρ2——原料PA和PE的堆積密度（kg/m3）；

所以，由式（3）和（4）得到原料PA和PE在取料混合后的總質(zhì)量為：

原料PA和PE的配比為:

所以，根據(jù)上述各式知，在硬件參數(shù)確定后，可以通過控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速來確定原料PA和PE的配比。

4 計(jì)量機(jī)控制系統(tǒng)

圖4為計(jì)量機(jī)的軟件控制系統(tǒng)程序流程圖，控制系統(tǒng)以PLC為核心，通過人機(jī)界面設(shè)置不同品種產(chǎn)品的配比，實(shí)時(shí)監(jiān)視運(yùn)轉(zhuǎn)，統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)所消耗的原材料數(shù)量，并能保存歷史記錄。說明如下。

（1）在觸摸屏上設(shè)定配比及總進(jìn)料量，總進(jìn)料量即是生產(chǎn)線運(yùn)行時(shí)需要的產(chǎn)量；配比和產(chǎn)量確定后，程序就自動(dòng)計(jì)算出各伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需要的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。

（2）確認(rèn)無故障，開啟系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，首先開啟進(jìn)料閥門，確認(rèn)閥門都開啟后，各驅(qū)動(dòng)器按照計(jì)算要求的速度同時(shí)運(yùn)行，開始均勻混料。

（3）運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)盤計(jì)數(shù)器同步采集料的流量，信號(hào)反饋到PLC控制器，與設(shè)定的流量進(jìn)行比較，偏差小范圍進(jìn)行報(bào)警提示，大范圍停機(jī)運(yùn)行，減少損失和不良品。

（4）整個(gè)系統(tǒng)中，采樣器是自動(dòng)控制的重要組成部分，它是以脈沖取樣的方式輸入到PLC中，由PLC計(jì)算出當(dāng)前旋轉(zhuǎn)速度，進(jìn)一步得出當(dāng)前產(chǎn)量。

圖4 控制系統(tǒng)程序流程圖

5 實(shí)例

圖5 實(shí)際運(yùn)行界面

實(shí)際生產(chǎn)中，原料PA堆積密度為 ρ1=720 kg/m3，原料PE堆積密度為 ρ2=550kg/m3，設(shè)計(jì)每小時(shí)的產(chǎn)量為M=1 000kg/h，計(jì)量盤的量杯孔半徑為r1=r2=12 mm，深度h1=h2=30 mm，量杯孔數(shù)量S1=S2=32個(gè)，PA減速箱減速比i1=1∶40，PE減速箱減速比i2=1∶25。由于配比不同，對(duì)應(yīng)于PA取料器的伺服電機(jī)實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍為1 039～1 093 r/min，對(duì)應(yīng)于PE取料器的伺服電機(jī)實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍為851～895 r/min。圖5為實(shí)際運(yùn)行界面。

6 結(jié)論

采用旋轉(zhuǎn)量杯方法，結(jié)合PLC觸摸屏在線自動(dòng)調(diào)整反饋系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出顆粒狀物料配比計(jì)量機(jī)。該設(shè)備經(jīng)過生產(chǎn)中實(shí)際使用，自動(dòng)化程度高、計(jì)量準(zhǔn)確、生產(chǎn)效率高，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

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