基于气力输送技术的袜坯输送设备研制*

2020-08-21方利翔陈英豪吴鑫杰任杰镝

机电工程 2020年8期

方利翔,陈英豪,任锟,吴鑫杰,任杰镝

(1.浙江理工大学机械与自动控制学院,浙江杭州 310018;2.浙江伟联科技股份有限公司,浙江嘉兴 314500)

0 引言

织袜和缝头是长筒丝袜主要生产工艺[1]。独立的织袜[2]和缝头技术装备[3]在国内业已成熟。但是,由于丝袜具有质地柔软、表面光滑和容易破损的特点,导致实现丝袜的全自动输送变得尤为困难,这也使得织袜与缝头工序始终独立,主要依靠人力搬运实现工序衔接,效率较低。因此,有必要对织袜与缝头工序间的袜坯全自动输送技术进行研究。

气力输送利用气流产生的力,在密闭管道内沿气流方向输送物料[4]。目前,气力输送主要应用于工厂的除灰系统[5]、水利水电施工工地,以及冶金、化工[6]、建材等行业的粉状物料输送[7]、转运工艺[8]中。气力输送装置可分为吸气式、压气式[9]与混合式3类[10]。考虑袜坯的特点,研究袜坯气力输送方法,由风机在圆柱形管道内形成定向的气体流动,在保证袜坯不变形的条件下,吸入并推动袜坯沿着一定方向运动,从而达到袜坯全自动输送的目的。同时,有必要研究输送过程中袜坯的方向控制技术及装置。

目前,国内袜坯的方向判断、输送以及不良品的报废主要依托人力完成。而国际上知名丝袜生产企业已成功将气力输送技术应用于丝袜的多工序自动生产。国外已有的丝袜自动输送技术是将气力输送的控制部分置于丝袜生产的缝头工位中,利用传感器完成对于袜坯的传输过程进行监控,利用基于可编程控制器的触摸屏技术完成操作人员与设备之间的通信。但换向操作与不良品的报废仍需人工发出指令。

针对丝袜生产过程中袜坯输送自动化程度低的问题,本文借鉴气力输送的物料输送模式,对于全自动丝袜输送技术进行研究。

1 模型研究

主要涉及到的参数有:风机功率、风机流量、风压、管道截面积和管道长度。而管道输送物料产生的压损,可看作是诸多相关参数的函数。由于丝袜为柔性织品,且可视作一个整体,不存在传统气力物料传输中的传输物之间的相互作用,故管道输送物料产生的压力损失可视为一定常量,设定摩擦系数。因此,可以通过简化袜坯在管道中的运动,建立输送特征模型。

1.1 袜坯管道特征模型

在实际生产过程中,袜坯在管道内传输的时间较短,风机的输出状态改变不明显,袜坯在管道中的传输时间短,可视作匀加速运动。本研究的模型可简化为风机与一维定常流管道的组合[11]。

风机的功率可表达为:

(1)

式中:η—效率系数;P—风机处于额定工作状态时出口的风压;K—系统安全系数;Q—风机处于额定工作状态时出口的空气输出流量。

其中,流量的表达式为:

(2)

式中:v—管道内风速;S—管道内管横截面积;d—管道内径。

袜坯整体的运动中,Re(雷诺数)为:

(3)

式中:v—管道中空气流速;ρ—管道中空气密度;μ—常温常压下空气的黏性系数;d—管道当量直径。

假设袜坯的平均长度为l0(测量多只袜坯的长度,取平均值得l0为1 m),袜坯的加速距离记为l1。由于袜坯在管道内的运动时间短、运动速度快,袜坯的加速运动可简化成匀加速运动,即:

(4)

式中:l1—袜坯加速距离;a—加速度;k1—风压利用比例系数;m—袜坯平均质量;t—袜坯输送时间。

空气压力包括提供动力的有效风压与损失风压。其中,有效风压Pu可表示为:

(5)

由匀加速运动的运动特征可知,袜坯的平均运动速度为:

(6)

袜坯的最大运动速度umax可表示为:

(7)

式中:k2—速度比例系数。

风速v可表示为:

(8)

式中:k3—风速比例系数。

进而损失风压PS可表达为:

(9)

式中:l—输袜管管道总长;λ—阻力系数;v—空气流速;ρ—空气密度。

将式(2,5,7～9)代入式(1)中,可得:

(10)

2 实验与模型优化

2.1 实验条件及实验对象

实验设备主要由风机、换向管路、传感器、风速计、风压计等组成。实验所产生的电流信号由PLC实时采集,所采集的数据通过USB总线实时传至控制系统硬盘存储。

实验对象为输袜管的长度,控制变量分别取3 m、5 m、7 m作为袜坯输送管的长度,进行对照实验。

实验主要工艺参数表如表1所示。

表1 实验主要工艺参数

实验以风机为动力源,利用传感器实时监控输送状态并返回参数。实际输送过程中,输袜管长度不同,袜坯的运动速度亦不同,欲使袜坯的运动速度达到最大值,需要对式(7)中的速度比例系数k2的值进行修正。

由实验过程中获取袜坯运动速度与3种不同的输袜管长度之间的关系数据共30组,将数据利用最小二乘法拟合,得到袜坯平均输送速度与管道长度的关系,如图1所示。

图1 袜坯输送平均速度与管道长度的关系

由图1可看出:袜坯在管道中的加速时间短,加速度大,因此整个加速过程可以简化成匀加速运动;加速过程约占整个运动过程的三分之一,加速后袜坯的运动速度处于一个相对稳定状态。

根据加速运动的运动规律可以知道,袜坯的最大运动速度为稳定运动时速度的1.2倍,即当速度比例系数k2修正为1.2时,袜坯的平均输送速度的理论值与期望值基本吻合,仅存在较小的系统误差。

进一步修正式(7)后,可得:

(11)

实际输送过程中,受风机功率以及风速波动的影响,需要对式(8)中的风速比例系数k3的值进行修正。

取输送管的长度为7 m的实验数据作为典型案例,将数据利用最小二乘法进行拟合,得到袜坯平均输送速度与管道内风速的关系,如图2所示。

图2 袜坯平均输送速度与管道内风速的关系

经实验计算发现,最大风速约为袜坯最大速度(此处的最大速度为k2经过修正后所求出的数值)的两倍;多次计算取平均值,得到最大风速与袜坯最大运动速度的比例关系,即当风速比例系数k3修正为2.1时,风速的理论值与期望值基本吻合,仅存在较小的系统误差。

进一步修正式(8)后,可得:

(12)

实际输送过程中,输袜管长度不同,单位时间内的风压差亦不同,欲使风压的利用率达到最高,需要对式(5)中的风压利用比例系数k1的值进行修正。

实验获取单位时间内的风压差与3种不同的输袜管长度之间的关系数据共30组,将数据利用最小二乘法进行拟合,得到袜坯输送管管道内风压变化,如图3所示。

图3 袜坯输送管管道内风压变化

风压变化为袜坯的运动提供动力,在整体的静态风压中,风压差Δp值所占的比例可反映风压的利用率。由实验可以得知,风压利用率约为30%,即当风压利用比例系数k1修正为0.3时,有效风压的理论值与期望值基本吻合,仅存在较小的系统误差。

进一步修正式(5)后,可得:

(13)

(14)

雷诺数Re为:

据此可判断管道内气体的状态为紊流状态。管道选用材质为有机玻璃,查莫迪图得阻力系数λ取0.019 1。

2.2 优化后的相关参数

经实验,笔者针对模型的相关参数进行了优化。优化后的参数能够更好地对系统进行描述,使得理论值与期望值基本吻合。

优化后的主要工艺参数表如表2所示。

表2 优化后的主要工艺参数

由表2可以看出,采用气力对袜坯进行输送,不仅平均输送的速度可以达到13.3 m/s,平均输送所用时间也缩短到0.25 s。

3 测试与结果分析

3.1 设备样机

笔者将经实验优化后的模型应用至实际生产过程中,制作了长筒丝袜自动输送装备样机。样机主要由风机、换向管路、压板、检测管路等组成。笔者选用欧姆龙3G3MV系列变频器以及三菱FX系列的PLC实现装置的运动控制,选用SONCEBOZ步进电机与2H504系列步进驱动器实现袜坯送出动作。

自动输送设备结构示意图如图4所示。

图4 长筒丝袜自动输送设备结构示意图

图4中:采用简易装置替代实际管路作为演示,将阀门、通气孔以及光电传感器等安装在管道合适位置,利用橡皮塞以及密封圈实现管道内的密封;利用气压控制阀门、顶杆、挡板以及通气口的动作,实现工作时气路的调节;将相应的左、中、右压板设置在检测管道中,利用气压控制压板的上下往复运动。其中,左压板与右压板用于实现气路的转换,丝袜方向检测的实现则由中压板承担完成。

因此,袜向错误的袜坯可由换向管路与检测管路配合完成,不良品的报废与回收则由落袜斗与弃袜管路配合实现。