一种上辅机粉料系统储斗的设计

2022-09-05庞永亮

橡塑技术与装备 2022年9期

庞永亮

( 北京橡胶工业研究设计院有限公司，北京 100143)

轮胎厂一般采用密闭式炼胶机进行炼胶，上辅机系统做为密闭式炼胶机的辅助机械，其作用是将炼胶所需的胶料、粉料、油料、小药等配合体系原材料，按照工艺要求进行称量、投喂到密炼机中参与炼胶过程。上辅机粉料系统是上辅机系统的组成部分，其作用是将炼胶所需原材料中的粉料进行加料、储存、称量、投料，将配合完成的粉料提供给密炼机。上辅机粉料系统中的粉料多是配方用量较多的补强剂，包括炭黑、白炭黑等，随着近年来工艺的不断进步，一些用量较多的小药也使用上辅机粉料系统进行称量投料。储斗作为上辅机粉料系统中的重要组成设备，其功能是多方面的，包括对粉料的储存、为加料器提供粉料、隔离上下部环境等。随着轮胎厂对产品质量要求增高，信息化水平的不断提高，储斗也被赋予了一些新的功能，为了实现这些要求，通过对粉料储斗的合理设计，在提高生产效率，避免误操作，提高产品质量，物料信息溯源，降低运行维护成本等方面可以发挥作用。

1 上辅机粉料系统储斗简介

上辅机粉料系统储斗是上辅机粉料系统中的重要设备，其包括储斗本体和安装于储斗上的附属设备，上辅机粉料系统示意图见图1 所示，左侧A 储斗采用气力输送方式将粉料加入日储斗中，右侧B 储斗采用人工解包方式将粉料加入日储斗中，上辅机粉料系统主要由引风机、袋滤器、日储斗、料位计、称重传感器、破拱装置、螺旋加料机、粉料秤、输送管道、分配器、解包口、气动阀、电磁阀、电气控制系统等组成。A储斗加料过程：当某日储斗4 内物料料位到达低料位计7 时，物料输送人员在输送控制系统上将旋钮选择到该日储斗，此时分配器11 动作将输送路径选择在该日储斗，控制室人员检查信号无误后确认，引风机1自动启动，物料输送人员将物料加入压送罐解包斗中，粉料输送系统自动工作，粉料输送系统将对应物料通过分配器和粉料输送管道12 输送到该日储斗，当日储斗内物料到达高料位计5 时，输送控制系统自动停止输送过程。B 储斗加料过程：当某日储斗内物料料位到达低料位计时，解包加料人员使用起重机13 吊起相应物料太空包14，引风机启动，将物料加入该日储斗中，当日储斗内物料到达高料位计时，解包加料人员将本太空包物料加完后，结束加料过程。称量投料过程：如果当前配方有某日储斗物料，则该日储斗的螺旋加料机会8 根据配方加入物料，当配方内所有粉料都加料称量完成后，粉料秤10 根据配方工艺将粉料投入到密炼机中，一个称量投料工作周期结束，当称量投料完成车数等于配方设定车数时，当前配方完成。

图1 上辅机粉料系统示意图

上辅机粉料系统日储斗包括储斗本体和安装于储斗上的附属设备两个部分，储斗本体的结构决定了储斗内物料的流动形态，安装于储斗上的附属设备决定了储斗可以实现的功能。为了使储斗更好的发挥功能，实现更多的功能，需要对储斗功能和储斗结构这两个部分进行设计。

2 粉料系统日储斗功能设计

2.1 袋滤器引风口安装自动阀

袋滤器安装在日储斗上部，起到气料分离的作用。通过离心引风机的引风，含有粉料粉尘的空气由底部进入袋滤器，空气穿过过滤材料，粉尘颗粒吸附于过滤材料表面，空气通过引风机排出。通过脉冲阀的反吹，将吸附于过滤材料表面的粉尘颗粒吹离，使过滤材料恢复透气性，吹离的粉尘，在重力作用下落入日储斗中。通常多台袋滤器共用一台引风机引风，当某日储斗进行加料时，引风机启动，其他日储斗因为引风机的启动在储斗内部也形成了负压环境。如果此时其他日储斗螺旋加料机在进行加料称量，并且此时日储斗内物料较少，储斗内的物料不能隔离上下部环境，则引风机形成的负压会影响称量过程的稳定性。通过为袋滤器引风口安装自动阀，当某日储斗进行加料时，该袋滤器的自动阀打开，其他没有进行加料的日储斗袋滤器自动阀关闭，则避免了加料过程影响称量过程，提高了系统稳定性。

2.2 日储斗安装称重传感器

称重传感器可采集储斗内剩余物料的重量信号，在气力输送过程中，如果分配器上的位置信号出现故障，可能会出现将物料送到错误的日储斗中的情况。为日储斗安装称重传感器，起到判断物料是否加错储斗的作用。例如通过气力输送方式加料的日储斗，在气力输送过程中，当分配器位置信号指到A 储斗时，B 储斗物料重量出现异常增加，则上辅机控制系统据此判断出故障发生。称重传感器采集的储斗内剩余物料重量信号是连续信号，相比于料位计信号更加精确，是日储斗料位计信号的有益补充与校验手段，通过此方式可避免加料过程影响称量过程，提高了称量稳定性。通过此信号可以对生产工作做出提前安排，也可以对设备维护工作起到辅助分析的作用。连续的重量信号方便了信息化管理，为工厂制造执行系统的物料管理功能提供了数据信号，通过与其他信号的结合，方便了信息化功能扩展，在物料信息溯源等方面发挥作用。

2.3 解包口安装门锁系统

在气力输送加料方式中，在压送罐解包斗进料口安装门锁系统，在人工解包加料方式中，在解包口安装门锁系统。门锁系统一般包括解包门、门锁、位置传感器、条码扫描器、控制系统等。其一般工作过程是：当日储斗内物料到达低料位后，低料位指示灯亮起提示工作人员加料，加料人员使用条码扫描器扫描物料条码和日储斗条码，系统校验两个条码，如果物料条码与此日储斗条码在系统中是对应关系，则条码校验通过，否则校验不通过。如果校验通过解包门锁自动打开，开锁指示灯亮起，打开解包门，加料人员将物料加入储斗中，待加料完成后关闭解包门，解包门自动落锁，开锁指示灯熄灭，解包投料过程完成。此方式可最大限度的避免因人为因素造成的误加料操作，通过此门锁系统还可以实现远程对物料的解包投料管控。

3 粉料系统日储斗结构设计

3.1 储斗流型的选择

粉料从储斗中卸出的流动模式可分为两种基本流型：整体流动和中心流动。在整体流动储斗中，卸料时储斗内的所有物料同时向卸料口流动，流动稳定均匀，不存在流动“ 死区”, 料位均匀下降。在中心流动的储斗中，流动的物料只存在于储斗中心的漏斗区域，其周围则是流动死区，由于鼠洞和粘性拱的形成与塌落, 使卸料流动不稳定, 甚至会出现喷泻的情况。储斗卸出物料的流动模式图见图2 所示［1］。

图2 储斗卸出物料的流动模式图

整体流型料仓和中心流型料仓的优缺点见表1［2］。

表1 整体流和中心流料仓的基本特性及适用场合

因为上辅机日储斗卸料口连接的是螺旋加料机，螺旋加料机将物料加入粉料秤中，螺旋加料机的加料质量取决于日储斗的卸料质量，根据表1 可知，在卸料速率方面整体流型不会出现管流、喷泻等不稳定流动状态，适用于需对卸料量进行计量和控制的场合。在卸料密度方面整体流型仓内压力波动小，卸料口处物料密度基本保持一致，适用于通过卸料速率来控制卸料量的场合。因为上辅机日储斗通过安装于储斗上的料位计信号进行加料操作，在卸料顺序方面整体流型物料同时向卸料口流动，料位均匀下降，物料的仓存时间基本一致。适用于对料位需要计量和控制，以及仓存时间会对物料性质有较大影响的场合。在离析程度方面，尽量减少离析现象对产品品质均一也有一定作用。通过分析以上因素，整体流型料仓是上辅机日储斗设计的首选流型。

3.2 储斗流型的设计和卸料口尺寸

根据仓存粉料的性质，对储斗流型进行设计，确定出料斗半顶角，如果要将料仓设计成整体流型, 对于圆锥形料斗，则保持物料整体流所需的最大半顶角为：

式中：

Φ—— 有效内摩擦角, (°) ；

δ—— 物料与仓壁摩擦角, (°) 。

形成整体流的必要条件是料斗半顶角要小于最大半顶角。实际设计时，将计算得出的值减去3° 的安全裕度，作为整体流料斗半顶角，以防止储斗交替出现整体流与中心流，影响正常卸料［1］。

卸料口尺寸的确定，对于整体流料仓，设计计算时，用一定性尺寸B来描述卸料口的大小。对于圆形卸料口，B等于卸料口直径，对于方形卸料口，B为对角线长度，对于缝形卸料口，B为缝宽（L≥3B，L为缝长）。对于平均直径较小的粉体物料，不产生粘性拱的最小卸料口尺寸可由下式确定［2］：

式中：

ρ—— 粉体密度，(kg/m3) ；

g—— 重力加速度，(m/s2) ；

σ*

c—— 粉体物料的临界开放屈服强度，(Pa)。

H(a) 由下式确定：

式中：

a—— 料斗半顶角,(°) ；

i—— 对于圆形和方形卸料口，i=1 ；对于缝形卸料口（L≥3B），i=0。

3.3 储斗防架桥设计

与粉体架桥有关的因素可以分为两类：一是粉体自身因素，即粉末颗粒的各项物性参数，包括颗粒的尺寸、形状、表面纹理结构、表面积、多孔性、密度、内聚力、黏附力、弹性、塑性等。二是环境因素，主要是环境湿度和粉体储存时间。这些因素不同程度地影响了粉体物料的流动性［3］。因此适当的应用防架桥装置对防止储斗内架桥、保证物料连续供应是很有必要的［4］。防架桥装置有利用振动原理的，常用设备有空气振动器、空气锤、振动马达等；有利用空气喷吹原理的，常用设备有破拱气碟、流化喷嘴、喷吹板等；有利用机械搅动原理的，常见设备有桨叶式松动器、螺旋刮刀式搅动器及拱破碎器。采用哪种防架桥装置取决于物料性质和环境，上辅机日储斗破拱通常采用利用振动原理和空气喷吹原理的设备。