颗粒状物料计量机的设计与制造

2014-02-07周铭强

机电工程技术 2014年6期

周铭强，张清

（禾欣可乐丽超纤皮（嘉兴）有限公司，浙江嘉兴 314003）

0 引言

在无纺布超细纤维纺丝工艺生产过程中，常常会有二种颗粒状物料要同步进行配比连续生产，常用比例PA∶PE在0.95～1.05之间，颗粒形状相差不大，PA为圆柱体状，大小为φ3 mm×4 mm左右，PE为鸡蛋状，外形为φ5 mm×4 mm左右，不同厂家生产的原料有不同的外形，造成堆积密度不一。由于有较高的防潮要求，不适合在开放式的环境中进行配比，因此考虑在密封的环境中进行混合。传统方法采用称重搅拌混和法[1-3]，但由于密度原因在混合过程中易分层导致混和不均，实践证明结果不是最理想，并且由于不能实施过程调整，一旦出现配料不均就导致大量原料浪费[4]。经过改进，采用旋转量杯方法，结合PLC触摸屏在线自动调整反馈系统，作者设计出不锈钢计量机，有效地解决了上述问题。

1 总体方案设计和工作原理

图1是计量机的总体设计框架，由于有两种料进行配比，所以计量机有两个取料器，这两个取料器分别有对应的伺服驱动器、伺服电机、减速器和测速装置。计量机由一个可编程控制器（PLC）控制，同时控制2个伺服驱动器和两种料对应的进料阀。人机界面采用触摸屏方式，简单易懂，所以本计量机操作非常方便。

系统正常运行时，设置完成各类参数，一键启动后，由PLC给出信号分别控制进料阀门1、进料阀门2的开关操作，延时1秒后，同时运行伺服驱动器，驱动伺服电机带动取料器中的计量盘旋转进料，PLC同时高速采集计量盘上感应开关检测信号，经过处理计算，得到计量盘旋转速度，从而得出各计量机实际产量。另外，实际检测得到的速度如果不在正常设定范围内，PLC会报警，甚至停机保护。

图1 计量机总体设计示意图

2 计量机组成结构

2.1 取料器

取料器主要有壳体、计量盘、轴、轴承及端盖等零件组成，见图2，它的关键零件是计量盘，其圆周上分布着两排量杯孔，每排16个，总共32个。

图2 取料器结构

为保证较好的防锈性能，与物料接触部分均采用1Cr18Ni9作为主材料，轴承端盖等采用Q235。

2.2 测速装置

测速装置由测速转盘和测量传感器二部分组成，测速转盘上有16个等分的沿径向伸展的圆棒，测量传感器为AUTONICS接近开关，型号PR18-8DN。该装置安装在取料器的轴上，如图3所示。

图3 测速装置

2.3 伺服电机及驱动器

为保证较高的控制精度，电机采用三菱伺服电机HF-SE152JW1-S100，其最高转速为2 000 r/min；驱动器采用三菱伺服MR-JE-200A。

2.4 减速机

减速机采用APEX日本新宝减速机AT090-FL1。该装置和取料器的轴相连接。

2.5 可编程控制器及触摸屏

可编程控制器为三菱品牌的MITSUBISHI Q系列PLC，人机界面采用三菱GT1575-VNBA触摸屏。

3 配比计算

在无纺布超细纤维纺丝工艺生产过程中，PA和PE这二种原料按需要的比例进行混合，才能保证纺丝的生产质量。

PA和PE取料器的计量盘上量杯孔总体积分别为：

其中：V1、V2——PA和PE取料器上计量盘上量杯孔的总体积（m3）；

r1、r2——计量盘上量杯孔的半径（mm）；

h1、h2——计量盘上的量杯孔的深度（mm）；

S1、S2——计量盘上的量杯孔的数量。

则原料PA和PE每小时的出料量分别为：

其中：M1、M2——分别是PA和PE取料器的出料量（kg/h）；

i1、i2——PA和PE取料器对应的减速箱减速比；

n1、n2——PA和PE取料器对应的伺服电机转速（r/min）；

ρ1、 ρ2——原料PA和PE的堆积密度（kg/m3）；

所以，由式（3）和（4）得到原料PA和PE在取料混合后的总质量为：

原料PA和PE的配比为:

所以，根据上述各式知，在硬件参数确定后，可以通过控制伺服电机的转速来确定原料PA和PE的配比。

4 计量机控制系统

图4为计量机的软件控制系统程序流程图，控制系统以PLC为核心，通过人机界面设置不同品种产品的配比，实时监视运转，统计生产所消耗的原材料数量，并能保存历史记录。说明如下。

（1）在触摸屏上设定配比及总进料量，总进料量即是生产线运行时需要的产量；配比和产量确定后，程序就自动计算出各伺服驱动电机所需要的运转速度。

（2）确认无故障，开启系统运转，首先开启进料阀门，确认阀门都开启后，各驱动器按照计算要求的速度同时运行，开始均匀混料。

（3）运转时，转盘计数器同步采集料的流量，信号反馈到PLC控制器，与设定的流量进行比较，偏差小范围进行报警提示，大范围停机运行，减少损失和不良品。

（4）整个系统中，采样器是自动控制的重要组成部分，它是以脉冲取样的方式输入到PLC中，由PLC计算出当前旋转速度，进一步得出当前产量。

图4 控制系统程序流程图

5 实例

图5 实际运行界面

实际生产中，原料PA堆积密度为 ρ1=720 kg/m3，原料PE堆积密度为 ρ2=550kg/m3，设计每小时的产量为M=1 000kg/h，计量盘的量杯孔半径为r1=r2=12 mm，深度h1=h2=30 mm，量杯孔数量S1=S2=32个，PA减速箱减速比i1=1∶40，PE减速箱减速比i2=1∶25。由于配比不同，对应于PA取料器的伺服电机实际运行转速范围为1 039～1 093 r/min，对应于PE取料器的伺服电机实际运行转速范围为851～895 r/min。图5为实际运行界面。