小型搅拌设备及其控制系统的研究与设计

薛明亮

（瑞浦兰钧能源股份有限公司，浙江 温州 325024）

搅拌是过程工业的前提，主要是将2 种或多种化学物彻底搅拌使其分布均匀的过程，也是促使导热和热传导增速的过程。近年来，当前社会经济从整体上得到快速发展，搅拌在化工、涂料、铸造、原油、分子遗传学、药业、食品企业、生态环境治理等行业。在之前的搅拌机械研发过程中，习惯于利用工业设备数据和信息技术来处理完成，缺少检验验收环节，其最终结果必定会导致搅拌机械类型选择结果五花八门，器皿模样核心部件配备千差万别，产品的搅拌特性存在变数；指定设备与实验器材的物理性质不同，施工不同反映出机械设备设计功能缺乏科学性。另外，分析工业制造业总体状况，涉及工业生产总量问题，严格遵循增大标准对体现进行增大，但常常会受到搅拌全过程干扰因素的变化而改变，影响增大设计的效果差的结果，因此，采用模型实验方式来确定最终的增大标准。因此，搅拌机械的提升及新产品研发设计方案尽可能都是围绕系统软件模型实验科研情况进行的。为了能够更好地满足自身安全系数、可靠性和绿色环保的必须，世界各国也是越来越关心对搅拌机械的提升及新产品研发设计方案。鉴于此，本文中自行设计了一款大中小型搅拌设备的机械结构，并且通过数字模型开展优化分析。

1 搅拌设备实验平台中存在的问题

世界各国对搅拌机械科技技术科学研究因生产制造实际需要正朝着技术引进、规范化、低碳环保化、机电一体化、智能化等方向发展，为了更好地提高安全性能、可靠性、绿色环保，这些专业工作人员慢慢开展相关提高搅拌机械的建筑结构设计、高效化以及上新等方面的研究，通过研究许多参考文献及有关搅拌机械实验平台发展状况后发现，在我国传统式搅拌机械实验平台日常清理存在下列难题。

（1）实验室设备实用性较弱，每个搅拌槽拥安装有独立的动力系统，值得注意的是单套机械设备内设置了多个搅拌槽，针对单一设备开展搅拌机械特性试验设计研究比较少见。（2）设计实验装置搅拌槽框架时多选机玻璃板材，安全性能差，附带筒节有机玻璃板和筒节常务必胶合剂进行黏合，因此受操作温度产生影响，怕高温，时长期后很容易引发衰老，伤害机械设备性能参数；有一些搅拌槽选用复合材质生产制造，不益于观查搅拌全程。（3）搅拌筒节在实际生产过程中总体上是椭圆形。事实上，个别实验装置设计通过坡与搅拌模拟进行，没有考虑隔板本身结构产生的影响，最终获得的实验结果跟理论上存在适量偏差。（4）电机可调速范围狭窄，特别是涉及中高黏度介质的搅拌试验过程中，一般因为电动机额定转速限制，化合物拌和时无法达到泥沙运动，导致一定要在洁净台或洁净台到泥沙运动的过渡态做实验。（5）国内搅拌实验装置正走上自动化改进中，主要指标状况：自动控制系统目标不健全；数据分析平台精度低；安防监控系统不全面或其他原因试验基本参数精准测量不精准，造成搅拌试验的不同结果。

2 搅拌设备设计需求

分析研究当前搅拌机械实验平台中缺陷现成的实验环境，将本研究定位搅拌装置设计：（1）设计实验平台其操作流程中型号各异的搅拌方式，要求能开展各种各样搅拌机械的进行搅拌试验，完成实验平台运行时，拨高搅拌试验效率。（2）所定制的体不仅方便观查拌和实验步骤，还需要能够有效地确保搅拌强度及其耐高温预期目标。（3）选择适合本试验所需的直流伺服电机及传感器设备，立即将试验参数记录下来并保存好，选择高品质的搅拌的自动化水平及其检测报告的精准度。（4）选用PLC 设计方案是搅拌设备最关键的环节，要结合施工实际调整或拓展系统功能。

3 小型搅拌设备机械系统设计

3.1 机械系统工作原理及总体设计方案

结合定位设计实际，完成“一机两”搅拌机械型号设计。其设计概念：传动系统设置适合的电机及传动设备；该系统必须牢固地安装在旋转支撑架上，旋转支撑架上的传动系统具备随意旋转的功能，当传动装置旋转到搅拌槽相关位置时，其锁紧机构导致旋转支撑架不会发生移动，便于搅拌内做测验；解决仓库易于搬运的问题，轴分成转动轴和搅拌轴，搅拌轴与转动轴用连轴器联接，搅拌轴与搅拌机械用活套法兰，有利于迅速拆装不一样外形的搅拌机械，以科研不一样搅拌机械类型对拌和整个过程带来的影响；搅拌机械可以从搅拌轴上上下左右挪动以变动搅拌机械至底之间的距离，科研拌和设备组装部位对混合作用的危害性；此外，再综合轴扭转变形抗压强度、弯曲应变等综合因素的影响，生产整体设备要选用有机玻璃板原材料，依据法兰与封头联接有利于试验者马上观查搅拌整个过程。所有系统架构简易，生产加工省时省力，施工预算低，有利于仓库的搬运，既能达到搅拌试验要求，又可节省工业设备原材料成本。

3.2 传动系统设计

传动系统设备直流伺服电机6 和转动轴11 各自安装在旋转支架1 两侧。搅拌设备工作时，直流伺服电机推动小皮带盘8、同步带10 将推动力传至大皮带盘12，大皮带盘还可以通过齿轮轴推动转动轴11 运动，而搅拌轴15 依据连轴器14 与转动轴连接，转动轴依靠2 个滚针轴承跟配套的滚针轴承壳13 支点运行。另外，旋转和电机支架7，依靠螺帽5 和地脚螺丝4 整合在一起，将螺栓与螺帽整合处调节节径就可调节机械设备皮带盘节径，并绷紧同步带。传动装置支座采用旋转支架，能够实现达到转动支撑架3 的目的，若采用圆柱销9 及定位螺栓2 能够使其结成整体，从而达到整套传动装置指挥2 个搅拌任务的完成。

电机选型。通常研究试验室搅拌实验时，所选择搅拌功率不大。要达到试验与普通物料搅拌的目的，本文的搅拌输出功率取0.5kW。搅拌输出功率来源于电动机，由于驱动力由同步皮带传递过来，取机械效率为96%，根据下式既可以计算出电机额定功率：

式中，Pd是电机功率；P0是搅拌功率；Pm是轴封系统摩擦损失，由于采用带传动因此该值为0，η 是机械效率，故电机功率Pd=0.52kw。选用安川Σ-Ⅱ系列伺服电机SGMAH-08AAA41。

为了使设备构造紧密性、试验精确的齿轮运行实现轴压力降低的目的，本装置传动装置利用同步圆弧齿传动系统。

3.3 搅拌设计

因为搅拌在常温常压下应用，要达到便利观察搅合全过程的目的，同时确保搅拌抗压强度达标，部分材料可选用机玻璃板，其他材料可选择建筑钢材，处于筒节、钢质筒节与有机玻璃板筒节的相接处选用松套法兰，利用硅胶圈的密闭性。体下设计有出料口、测量温度部位要设计成超音波试验传感器接口，设备边缘设置温度测量口，设计腿式支座。

筒体总尺寸：

有机玻璃筒体尺寸：

封头采用标准椭圆形封头材料为 Q235-A，尺寸如下：

3.4 主支架设计

主固定支架上边必须设置旋转支架，固定防松螺母；下边焊接底座使其固定。搅拌设备、运行轴、连轴器、驱动轴、旋转支架、电机、皮带盘等关键预制构件净重由主固定支架支撑。主支架结构选用无缝钢管（GB/T 8162-1999），规格型号为φ133×30，支撑架强度计算：

许可承重量：

设备实际总重量远小于该值，所以支架强度满足要求。

4 流场数值模拟及分析

CFD 计算软件FLUENT6.0 具备在φ300mm 搅拌选择水作为媒价的四种桨搅拌势流做模拟运算。试验搅拌传动比都选择60r/min，完成划分搅拌槽网格作业。为观察流势分布特征，每个搅拌桨取2 个纵横交错横截面及2 个截面，大双叶子桨在截面的流线图中，槽壁流线型较为聚集，上桨在这样一个区域范围流动性情况非常明显；在蜿蜒曲折截面流线图中，上、下桨周边地区都构成了比较规模性循环流，尤其是在上方循环占地总面积非常大，绝大多数遍及全槽，能够看出轴向流动成效显著，有益于完备的搅拌。条式桨在横截面势流图上可以获知其轴向流动效果不好。双斜叶75 度桨的温度场遍布呈显而易见的关闭循环流，轴向流动效果也很好，但据势流图纵横交错横截面获知，在浆叶底端流线型稀有且存有过电流保护。双层双斜叶75 度桨因布含两层双桨，在势流图中，彻底改进了双斜叶75 度桨及浆叶底部流线形普及，彻底提升了搅拌预期目标。

5 控制系统设计

5.1 下位机控制系统的设计

底部机自动控制系统由PLC、手机软件app 和搅拌设备、直流伺服电机、热敏电阻器和智能温控器使用和检测结果的数据，关性接纳设备产生的参数信息，根据上部机软件代码控制系统落实过程，属于自动控制系统最核心的内容。必须认识到实验现场十分复杂，将造成试验危害结果的可能，也要详细了解操控性能、系统设置抗干扰性因素等内容，奠定下位机自动控制系统科学、值得信赖的工作上，原文中采用西门子系统S7-200 主打产品程序控制器（PLC）其I/O 服务器端口如表3 展示。表中图显示4 个数字量输入、4 个数字信号导出，由继电器完成；1 路模分析量输出，数据处于6410 ～31800，获得模拟电压数据信号处于0 ～10V；8 路分析量输入，数据取值约6410 ～31800，其6路处于4 ～20mA 电流键入，2 路电压处于0 ～10V 工作中标准内，模拟量输入控制板中排除输入种类不同产生的电磁影响，选择3 个模拟量输入控制板，内置2 个控制板，通过6 路电流信号的输入，此外，单个控制板控制2 路电压信号的输入。搅拌实验流程核心参数：功率、排量、混和速度、混和高效化和混合时间。本文的自动控制系统，多选择拌和实验中运行温度、拌和速率和搅拌轴的扭距虚拟输入及时收集、监管，并且对拌和速率开展自动控制系统。传动比由霍尔传感器精确测量，转距由扭矩仪或测功器精确测量，操作温度由热敏电阻器精确测量。

5.2 上位机监控系统的设计

随着近年来电脑监控软件科学技术日益完善，监控系统软件的研发参考点着研发生产周期短、更新省时省力、系统运行更可靠。论文中自动控制系统，选择北京市昆仑通态全自动化设计科技公司研发出标准版MCGS组态系统软件，该系统具备功能齐全、操作方便、识别度好、可扩展性高的特点。设计运用MCGS 组态管控搅拌机械试验的可视化数据信息内容、数据图、历史记录等。及时数据库创建要设定概念、特性等数据对象。数据对象含软件数据、上位机软件运行过程数据和信息、下位机的基本参数和传感器检检测报告等项目，含电源总开关、数值、字符、事情和组部分；对象涉及总体任务名字、类别、初始值、界线值、工程单位和核心内容等。自动控制系统涉及电机启动控制、通信数字量运行设置，全部处于电源控制型对象；转速、扭距和温度模拟量输入导出功能是成数值型数据的总体目标。用户管理界面阻止无关人员改动试验基本参数或内部程序设置，排除运行错误，防止试验失败。处于设备工作时间段，前沿到用户管理界面，键入登录密码后才能进入系统软件并选择试验控制器。该系统制定了二种用户权限：主管及操作员。主管人具备调整试验技术参数和内部结构脚本程序的权利；一般作业员对操作步骤开展监管及其机械故障的突发事件应对。

6 结语

由于创新科技的快速发展，搅拌机设计应市场的需求正朝着规范化、低碳环保化、机电一体化的方向发展。为了能够满足客户对多元化以及搅拌品质的要求，本文中采用“一机两”的总体方案设计构思，设计制作研发设计了一款小型搅拌机，并通过Solidworks 三维绘图软件开展三维建模及应用CFD 流体动力学手机app 针对不同种类搅拌设备进行仿真模拟，从而降低商品的施工进度，提升产品设计质量，模拟结果大双叶子桨混和效果最佳。