擠塑機配套負壓氣力輸送系統(tǒng)的改進及應用

>> 江蘇亨通光電股份有限公司 李龍 崔利興

擠塑機配套負壓氣力輸送系統(tǒng)的改進及應用

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一 引言

最近30年，工業(yè)設備裝備正在從機械化、自動化向網(wǎng)絡化、智能化方向發(fā)展。隨著國家制造2.0發(fā)布和企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的調(diào)整，光纜行業(yè)正在面臨著無限的機遇和挑戰(zhàn)。管道氣力輸送是利用有壓氣體作為載體在密閉管道中輸送散料或成型物品的輸送技術。與常見的天然氣等單相流管道輸送不同，它屬于氣固兩相流輸送技術。因其結(jié)構簡單、布置靈活且易于實現(xiàn)自動化,廣泛應用于橡膠、醫(yī)藥、冶金、港口、化工、電力等行業(yè)。目前，光纜制造企業(yè)中廣泛使用的塑料擠出機填料裝置的粒料輸送方式一般采用“一對多”模式的低速希相氣力輸送，但該系統(tǒng)還有諸多不足，比如無法清理管道、無法清理目標料筒、配料不精確、噪音大、可靠性較差和無法滿足多對多集中供料。目前的市場正從大批量生產(chǎn)向中小批量訂單式生產(chǎn)方向發(fā)展，小批量訂單式生產(chǎn)方式要求塑料擠出機具有靈活的多進料多目標供料的配方粒料輸送系統(tǒng)。然而，當前企業(yè)中使用的擠塑機粒料負壓輸送系統(tǒng)主要是一對多的準集中供料方式，因而無法滿足這樣的要求。與此同時，為了實現(xiàn)較高精度的配方供料的需求，要求對管路系統(tǒng)進行實時清管，更換原材料前需要清理目標料筒中殘存的粒料。更重要的是，目前粒料輸送過程產(chǎn)生的噪音來源主要有從填料口外泄的機械噪音和粒料在管道輸送過程中的碰撞和摩擦噪音，而該系統(tǒng)的可靠性不高主要是由于粒料與管路的摩擦和碰撞產(chǎn)生的機械震動。因此，為了滿足小批量訂單式生產(chǎn)的市場要求，也為了節(jié)支降本、提高生產(chǎn)力和企業(yè)核心競爭力，如何采用合適的負壓氣力輸送的方式將多種規(guī)格和品種的粒料從粒料集中供應區(qū)輸送至各個塑料擠出機填料裝置并且滿足多對多的配方供料要求將是我們公司現(xiàn)階段亟待解決的技術問題。

二 擠塑機配套負壓氣力輸送系統(tǒng)的改進

當前，應用廣泛的擠塑機配套負壓氣力輸送技術是“一對多”模式的低速密相氣力輸送技術，如圖1所示。這種粒料輸送方式存在無法清理管道、無法清理目標料筒、配料不精確和無法滿足多對多集中供料等問題，已經(jīng)無法滿足小批量訂單式生產(chǎn)模式。

改進后的擠塑機配套負壓氣力輸送系統(tǒng)如圖2所示。該輸送系統(tǒng)具有如下特點：負壓氣力栓狀濃相輸送、清理擠塑機筒料、清理管道、精確配方供料、多對多集中供料和降噪增壽管路結(jié)構設計。

圖1 原始擠塑機配套負壓氣力輸送系統(tǒng)

圖2 改進的擠塑機配套負壓氣力輸送系統(tǒng)

2.1 供料方式確定

負壓氣力輸送系統(tǒng)是將羅茨風機安裝在輸送系統(tǒng)末端,提通過抽吸管道內(nèi)的空氣,在輸送管道中形成負壓。物料通過吸嘴和空氣一起按照一定比例進入管道,并被輸送至儲權,空氣則經(jīng)除塵器凈化后排入大氣中,如圖1所示。該方式也成為負壓吸氣式輸送，它是工程歷史上最早實際運用、最可靠、最成熟的輸送方式。目前，負壓氣力輸送是擠塑機填料裝置中應用廣泛的粒料輸送方式，它具有如下特點：對輸送物料的適應性強，粉料、顆粒料均可順利輸送；環(huán)保的可靠性最好，管路內(nèi)的粉塵不會泄漏于環(huán)境；設備的制造、維護要求低，工人的可操作性強；使用的壓力(真空度)小，安全性高；氣體(一般為氣體)取自大氣，氣體的溫度即為當時當?shù)氐臍鉁?，對熱敏性物料尤為適宜；對輸送物料的適應性強，粉料、顆粒料均可順利輸送；設備故障率較低、自動化程度高。為了消除粉塵和改善車間工作環(huán)境，現(xiàn)選用負壓式輸送系統(tǒng)。

根據(jù)粒料顆粒在輸送管道中的密集程度，氣力輸送分為：稀相輸送、移動床濃相輸送和栓狀濃相輸送。不同的粒料結(jié)構特征對應不同的輸送方式（如表1所示），依據(jù)氣力輸送中粒料結(jié)構特征和流動模式圖（如圖3所示），以及光學傳感器檢測的需要，確定了輸送系統(tǒng)中的負壓氣力輸送流動模式為栓狀濃相輸送。

表1 粒料輸送方式

圖3 氣力輸送流動模式圖

2.2 管道結(jié)構設計

擠塑機配套氣力輸送系統(tǒng)依據(jù)輸入的粒料特征、輸送距離和輸送方式等參數(shù)建立的高效的計算和設計方法，計算和確定輸送管道幾何參數(shù)，包括管道內(nèi)徑、管道摩擦系數(shù)、管道壓力損失、經(jīng)濟輸送速度等。管道內(nèi)徑是由輸送系統(tǒng)末端的輸送速度來確定的,管道的末端輸送速度與物料性質(zhì)以及輸送形式等有關。輸送管道的內(nèi)徑計算公式如下：

其中，Qa指輸送氣量(m3/min)；Va指輸送氣流速度(m/s)

氣力輸送系統(tǒng)包括各種直徑的管道和閥門等零部件，而它們的使用壽命是影響整個氣力輸送安全可靠運行的一個重要保證。根據(jù)不同的運行狀態(tài)，選擇符合使用要求的且經(jīng)濟耐磨的零部件和原材料是提高壽命的一個重要手段。就管路而言，如何避免或者減少管道的磨損是提高輸送系統(tǒng)整體可靠性的關鍵因素，通過理論分析和設計，結(jié)合各種現(xiàn)場試驗和虛擬仿真技術，確定了技術經(jīng)濟性更優(yōu)良的管路連接方式。

雖然本系統(tǒng)采用氣流速度較低的負壓氣力輸送技術，管道磨損量相對較小，但是由于本系統(tǒng)輸送的個別物料硬度很高，輸料管道彎頭處磨損量很大。因此，我們在擠塑機進料管和分料管之間管路連接處采用大傾角的切向緩輸送設計方式，如圖4所示。由于管道拐角直徑比較大，粒料和管壁之間的碰撞和沖擊得以減緩，與此同時，噪音有很大的削弱，因此，與料管和分料管之間垂直連接的方式相比，該設計方式有效減緩了進料管和分料管之間的粒料沖擊問題，同時，也最大程度地降低管路中粒料的破碎產(chǎn)生的粉塵。

圖4 吸排管實現(xiàn)方式

2.3 多對多集中供料結(jié)構設計

通過管網(wǎng)將緊鄰粒料檢驗區(qū)的集中供料區(qū)的各種原料送至各個車間和廠房中各臺擠塑機的方式，可以提高系統(tǒng)自動化控制能力和有效降低供料區(qū)和其它供料區(qū)之間的物流和人工成本。

由于各個車間各個生產(chǎn)工序要求的擠塑機位置分散、添加的粒料品種不一和性能有差異，因此各個擠塑機采用獨立輸送管道、共用吸風管路和獨立集中供料吸料管路的管網(wǎng)系統(tǒng)，如圖2所示。為了便于裝卸和保證強度、連接和密封，所有從集中供料區(qū)到各車間之間的輸送管路采用金屬管輸送，而料筒進料管、出料管、吸料管和相關的拐角密集處管路采用鋼絲骨架塑料管并以快速接頭連接為宜。所有管網(wǎng)的安裝位置都在車間的工作區(qū)域之外，由于輸送的物料是粒料而非液體，所以可以將管網(wǎng)分門別類地布置在屋頂上。

2.4 清理筒料結(jié)構設計

設計和完善了料筒的結(jié)構及防堵疏料裝置，如圖5所示。為了提高料筒出料口端頭附近粒料輸送效率和避免料口封堵，擠塑機料筒底部均配置疏通氣管組，該疏通氣管組采用一對水平放置的與出料口正對的輸送氣管和與輸送氣管和出料管對中垂直放置的疏通氣管通氣方式。通過調(diào)節(jié)輸送氣流和疏通氣流的大小和比例，能夠有效提高料筒出料速率和有效避免料筒內(nèi)部余料在出料可的封堵。本功能保證了粒料性能發(fā)生粒料膨脹、破碎等變化和出料口封堵時能夠進行正常輸送。

依次清理筒料的具體步驟如下：

首先，清理料筒2的剩余粒料。關閉電磁分料閥1、11、2和7，關閉羅茨抽風機1，接通電磁分料閥3和6，啟動羅茨鼓風機2以便向管道中泵入空氣，調(diào)節(jié)調(diào)速閥1和2的速度比率使輸出余料穩(wěn)定后為止，檢測傳感器3檢測信號由常斷到常開表明該管道清理完畢。

其次，清理料筒1的剩余粒料。關閉電磁分料閥1、10、2和9，關閉羅茨抽風機1，接通電磁分料閥3和8，啟動羅茨鼓風機2以便向管道中泵入空氣，調(diào)節(jié)調(diào)速閥3和4的速度比率使輸出余料穩(wěn)定后為止，檢測傳感器3檢測信號由常斷到常開表明該管道清理完畢。

圖5 擠塑機料筒粒料清理方式

2.5 清理管道結(jié)構設計

為了便于更換不同使用性能和結(jié)構特征的粒料，也為了提高配料的精準度，我們設計和完善了送料管道中殘存余料的清理結(jié)構，如圖2所示。為了達到管道干凈無殘留的目的，清理供料管道的方法采用依次清理各個供料管路中殘余粒料的方式，具體步驟如下：

首先，清理料筒2的供料管線。關閉電磁分料閥1、11和2，接通電磁分料閥3，啟動羅茨鼓風機2以便向管道中泵入空氣，檢測傳感器3檢測信號由常斷到常開表明該管道清理完畢。

其次，清理料筒1的供料管線。關閉電磁分料閥1、10和2，接通電磁分料閥3，啟動羅茨鼓風機2以便向管道中泵入空氣，檢測傳感器3檢測信號由常斷到常開表明該管道清理完畢。

2.6 精確配比供料設計

精準配比供料技術方案是采用依據(jù)目標擠塑機料筒數(shù)量按照一定的控制順序進行順序供料和清管的技術。這種方法的使用提高了擠塑機的適應性，能夠?qū)κ袌龅淖兓托滦枨筮M行快速做出響應。圖6顯示了精準配比供料技術的操作流程圖。

圖6 精準配比供料技術的操作流程圖

首先，擠塑機1填料。關閉電磁分料閥10、6、7、8、3和1，接通電磁分料閥11、5、9和2，啟動羅茨抽風機1以便從管道中抽空氣產(chǎn)生負壓，檢測傳感器1檢測信號由常開到常開斷表明該管道開始進料，計時器開始計時直至高料位傳感器檢測出信號為止，然后關閉羅茨抽風機1和電磁分料閥2，同時打開電磁分料閥1進行卸載防止羅茨抽風機1倒轉(zhuǎn)出現(xiàn)故障。

其次，擠塑機1清管。關閉電磁分料閥1、10和2，接通電磁分料閥3，啟動羅茨鼓風機2以便向管道中泵入空氣，檢測傳感器3檢測信號由常斷到常開表明該管道清理完畢。

同理，進行擠塑機2的填料和清管工作。

三 問題及其解決措施

3.1 安裝和操作

氣力輸送裝置通常是由多臺機械和多種部件組成的輸送系統(tǒng)，因此安裝工作量較大，安裝工藝也較為復雜，涉及起重、鉗工、管道、電氣等工種。安裝質(zhì)量的好壞往往決定了整套裝置能否正常使用，故應引起足夠重視。

負壓氣力輸送系統(tǒng)包括動力裝置、加料裝置、輸送裝置、料氣分離裝置和控制裝置等組成。在安裝完畢后，首先應檢查各處是否嚴密，通?？稍诜ㄌm連接處或設置密封裝置的部位探聽有無“嘶嘶”的吸氣聲。而且，氣源裝置一定要在空載下起動以防燒壞電動機。

為了充分提升輸送效果、減少粉塵和降低能耗，需要合理分析和調(diào)整氣流速度和負壓壓力大小。擠塑機填充粒料主要有護套線使用的PE粒料和套塑線使用的PBT料。PE粒料具有相對較多氣孔和雜質(zhì)，因而容易產(chǎn)生粉塵，而PBT料具有強度高、硬度高、不易破碎的特點。輸送速度過大容易導致粒料發(fā)生碰撞沖擊而碎裂造成二次粉塵，輸送速度過小效率降低能耗增加。管道口徑過大容易導致風機的功率增加，管道口徑過小容易造成粒料與管道的摩擦幾率增加。負壓壓力過大造成風機功率增加、能耗增大，負壓壓力過小導致輸送動力不足。因此，實際采用速度較小，管道口徑較大，負壓較大的技術方案。

3.2 保養(yǎng)和維護

氣力輸送是在密閉的管道中以氣體為載體來輸送物料或小件物品的。由于物料要在管道中移動和碰撞，因此管道發(fā)生磨損和破壞是無法避免的。在某些特定的情況下還會產(chǎn)生物料運動不暢的現(xiàn)象，即產(chǎn)生堵塞。由于粒料性能、管道狀況和動力裝置性能均可能造成粒料堵塞。由于氣力輸送過程是在密閉狀況下工作，上述情況的發(fā)生不易察覺，從而一旦有堵塞事件出現(xiàn)，往往會措手不及，對生產(chǎn)產(chǎn)生很大影響。

堵塞

在設計氣力輸送裝置時，必須根據(jù)所輸送的物料性能、生產(chǎn)率、輸送距離等實際情況，合理地選擇氣力輸送裝置的類型及各部件的結(jié)構，并且根據(jù)上述情況合理確定本裝置的各項工藝參數(shù)。

如果流態(tài)化床中的氣體的速度和輸送終端的單個顆粒的速度一致的話, 那么氣體將變得不穩(wěn)定, 由此推測栓流密相輸送將變得不穩(wěn)定。在對栓流密相輸送的穩(wěn)定性的分析中, 最關鍵的是將Froude數(shù)和輸送管直徑聯(lián)系起來,其理論和實際結(jié)果能夠符合的比較好。

磨損

在氣力輸送系統(tǒng)中，物料在管道內(nèi)移動。因此，管道磨損是不可避免的。在生產(chǎn)實際中研究減輕磨損的途徑是有其現(xiàn)實意義的。

對彎管而言，提高使用壽命和耐磨性的方法是采用高強度耐磨材料。

對直管而言，降低輸送氣流的速度可以提高耐磨性，比如負壓氣力輸送系統(tǒng)可以使用低速高真空度輸送方式。

需要指出的是，通過采用超聲波測厚儀直接測定重要管路磨損前后的管壁厚度的方式對管道進行實時厚度檢測，可以在最大程度上預防管路破損造成的損失。

噪音

對于具有旋轉(zhuǎn)、滑動接觸和摩擦的零件，如葉閥輪式時供料管、螺旋供料器等，一定要定期檢查磨損情況，確保良好的密封性能；軸承損壞需及時更換、保證良好的潤滑，使得旋轉(zhuǎn)靈活輕便。

四 結(jié)束語

負壓氣力輸送系統(tǒng)具有結(jié)構簡單、性能穩(wěn)定、設備運動部件較少、系統(tǒng)維護成本少和工作環(huán)境好等優(yōu)點，因而在光纜制造行業(yè)應用廣泛。為了解決無法清理管道、無法清理目標料筒、配料不精確和無法滿足多對多集中供料等問題，我們對該系統(tǒng)進行結(jié)構優(yōu)化設計，本輸送系統(tǒng)的布置合理、簡單、實用。達到了預期效果。