（机械电子工程专业论文）sma纤维添加设备优化设计.pdf

摘要 伴随着经济的飞速发展，现代公路正向着重载、大流量、高速等方向发展，而采用 s m a 技术可以大大提高路面的抗车辙能力、承载能力、有利于提高路面的低温开裂性， 延长路面使用寿命。因此，世界各国争相利用s m a 技术，并开发研究与s m a 技术相 配套的s m a 纤维添加设备。s m a 纤维添加设备是保证把蓬松的纤维素按一定质量，按 规定的时间送入拌合楼。s m a 纤维添加设备对纤维计量的精确度及送入拌合楼的及时 性是保证路面质量的关键因素之一。 本文是以p l c 控制技术为基础，设计研发了以质量计量为前提的自动计量定量给 料设备。首先设计了给料设备的机械结构，设计了主要零部件的主要参数。分析了计量 称的质量计量原理。与体积计量和流量计量相比它不受所称物料的性质影响，且计量精 度比较高。接着，设计了该定量给料控制系统的方案，确定了以变频器控制螺旋给料电 机的控制计量方案，并分析得出了控制算法。对控制系统建立数学模型，利用m a t l a b 仿真软件确定了匹配4 0 0 0 型拌和设备的控制参数。再接着对计量控制系统硬件进行选 择，设计了控制系统主电路接线图，并对选择的p l c 、变频器、压力传感器、模拟量输 入输出模块进行了接线。最后，根据控制算法，利用编程软件s t e p m i c r o w m4 0 完 成了该系统p l c 控制程序，并对系统控制参数进行了设置。利用可视化编程软件v i s u a l b a s i c 6 0 设计了上位机控制界面，利用m s c o m m 通讯控件及p l c 自由端口控制方式实 现了p l c 与上位计算机的通讯。实现了计算机对控制系统的远程控制、数据传输、参 数设置、累计计量、计量次数的统计显示及数据处理。 该添加设备结构简单、紧凑，计量精度高，通过改变参数可以适用于任何粉体定量 计量给料。 关键词：s m a 纤维素添加设备p l c 控制变频器定量计量 a b s t r a c t w i t ht h er a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，p o s i t i v ee m p h a s i so nt h em o d e mh i g h w a y l o a d i n g ，h i g h - v o l u m e ，h i g h s p e e da n do t h e rd i r e c t i o n ，w h i l et h eu s eo fs m at e c h n o l o g yc a n g r e a t l yi m p r o v et h ep a v e m e n tr u t t i n gr e s i s t a n c e ，c a r r y i n gc a p a c i t y , h e l pt oi m p r o v et h el o w t e m p e r a t u r ec r a c k i n go ft h er o a d ，e x t e n d i n gp a v e m e n tl i f e t h e r e f o r e ，c o u n t r i e si nt h ew o r l d c o m p e t i n gu s eo fs m at e c h n o l o g ya n dr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g i e ss u p p o r t i n g s m as m af i b e rt oa d de q u i p m e n t s m af i b e ra d de q u i p m e n tt oe n s u r et h ef l u f f yc e l l u l o s eb y ac e r t a i nq u a l i t y , t h er e q u i r e dt i m ei n t ot h em i x i n gp l a n t s m at oa d de q u i p m e n tt of i b e r m e a s u r e m e n ta c c u r a c ya n dt i m e l i n e s si n t ot h em i x i n gp l a n tw h i c hi st oe n s u r et h a tt h e c o n s t r u c t i o no fa u t o m a t i o n ，m e c h a n i z a t i o n , i m p r o v i n gc o n s t r u c t i o ne f f i c i e n c y , a n de n s u r et h e q u a l i t yo ft h er o a do n eo ft h ek e yf a c t o r s t h i sa r t i c l ei sb a s e do np l cc o n t r o lt e c h n o l o g y , d e s i g na n dd e v e l o p m e n to fq u a l i t y m e a s u r e m e n ti st h ep r e r e q u i s i t ef o ra u t o m a t i cm e a s u r i n gd o s i n gc o n t r o ls y s t e m f i r s t , t h e d o s i n gs y s t e md e s c r i b e dt h em e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h em e a s u r e ，s a i d t h eq u a l i t yo fm e a s u r e m e n tp r i n c i p l e m e t e r i n ga n df l o wm e a s u r e m e n ta n dv o l u m ec o m p a r e d 、析t l lt h ea l l e g e dn a t u r eo ft h em a t e r i a l si ti sn o ta f f e c t e d ，a n dt h er e l a t i v e l yh i 曲m e a s u r e m e n t p r e c i s i o n n e x t ，d e t e r m i n et h ed o s i n gc o n t r o ls y s t e mp r o g r a m , s e tt os p i r a lt ot h ef e e dm o t o r i n v e r t e rc o n t r o lm e a s u r e m e n t p r o g r a m sa n da n a l y s i st od e t e r m i n et h ec o n t r o la l g o r i t h m t h e n a g a i no nt h em e a s u r e m e n tc o n t r o ls y s t e mh a r d w a r es e l e c t i o n ，d e s i g nt h ec o n t r o ls y s t e mo f c i r c u i tw i r i n gd i a g r a m ，a n ds e l e c tt h ep l c ，i n v e r t e r , p r e s s u r es e n s o r s ，a n a l o gi n p u t o u t p u t m o d u l eo fw i r i n g f i n a l l y , c o n t r o la l g o r i t h m s ，u s i n gp r o g r a m m i n gs o f t w a r es t e p - m i c r o w i n 4 0t oc o m p l e t et h es y s t e mp l cc o n t r o lp r o g r a m ，a n ds y s t e mc o n t r o lp a r a m e t e r sa r es e t u s e o fv i s u a lp r o g r a m m i n gs o 伺 w a r ev i s u a lb a s i c 6 0p cc o n t r o li n t e r f a c ed e s i g n ，u s eo f c o m m u n i c a t i o n sc o n t r o la n dp l cm s c o m mf r e ep o r tc o n t r o lw a sa c h i e v e db yt h ep l ca n d h o s tc o m p u t e rc o m m u n i c a t i o n r e a l i z a t i o no fac o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mo nt h er e m o t e c o n t r o l ，d a t at r a n s m i s s i o n , p a r a m e t e rs e t t i n g ，t h ec u m u l a t i v em e a s u r e m e n t ，m e a s u r i n gt h e n u m b e ro fs t a t i s t i c sa n dd a t ap r o c e s s i n g a d dad e v i c es t r u c t u r et h a ti s s i m p l e ，c o m p a c t ，h i g ha c c u r a c y , b yc h a n g i n gt h e p a r a m e t e r sc a nb ea p p l i e dt oa n yq u a n t i t a t i v em e a s u r e m e n to fp o w d e rf e e d i n g k e y w o r d s zs m af i b e r , p l cc o n t r o l ，a d dd e v i c e ，i n v e a e r ，q u a n t i t a t i v em e a s u r e m e n t 长安大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 随着现代交通的飞速发展，高速公路的发展很难适应于高速、重载、流量大、车速 快的要求，因此世界各国都在路面领域争相研究适应于现代交通发展的沥青路面。直到 2 0 世纪6 0 年代中期德国科学家研究了一种抗滑能力强、抗车辙能力好的沥青马蹄脂碎石 混合料路面( s t o n em a s t i c a s p h a l t ) 简称s m a 路面。它是一种断级配的混合料，是由集料 组成框架结构，矿粉和纤维素添加其框架空隙中间，沥青作为粘结剂的高强度耐磨性、 抗滑能力好的沥青混合料。 s m a 沥青混合料是由粗集料碎石骨架和沥青马蹄脂结合料两部分组成，由于它具 有粗集料多、沥青用量多、矿粉多和细骨料少的特点，因此具有良好的高温稳定性、低 温稳定性和使用寿命长等特点。s m a 混合料中加入了木质纤维素，不仅曾强了路面的低 温抗裂性，而且使得路面的耐久性和抗老化性能得到了很大的提高。 由于s m a 路面具有良好的路面性能，随后欧洲、美洲各国也先后借鉴引进并推广了 s m a 技术，同时根据自己的国情制定了适合各国发展的s m a 技术规范，我国开始应用s m a 技术是在9 0 年代初期，修建的第一条s m a 路面是首都机场高速，由于其显著的优点以及 结合我国高速公路的发展现状和要求，同时，根据我国的气候条件、筑路设备的发展现 状、路面材料的条件制定了适合我国高速公路发展的s m a 路面规范，大力推广了s m a 路面 技术在我国的发展。因此，世界各国都在研制与s m a 技术有关的筑路设备，这是保证s m a 技术广泛应用的前提。 在s m a 中必须采用纤维稳定剂，因为s m a 使用较多的矿粉和沥青结合料，纤维具 有加筋、分散、吸附及吸收沥青、稳定、增粘等作用，可以防止沥青析漏，它与改性沥 青有着不相同的功效。因此，应用s m a 技术，可以大大提高路面的承载能力、抗车辙能 力，有利于改善路面的抗低温开裂性能，延长路面使用寿命。世界各国竞相开发应用s m a 技术，并研制与施工相配套纤维添加设备。德国等欧洲一些国家采取预制纤维沥青混合 物颗粒，再添加到拌和楼的方式：而美国则采取直接添加纤维的方式。通过应用和对比 分析，我们认为直接添加纤维的方式成本低，适合中国国情，值得推广应用。美国开发 的纤维添加设备主要适合于连续式沥青拌和楼，而中国应用的沥青拌和楼多为间歇式， 因此，只有开发出与间歇式沥青拌和楼相配套的纤维添加设备，才能直接使用添加纤维 第一章绪论 这一经济、高效的施工方式，才能促进s i v l a 技术在中国推广应用。 目前，我国使用的s m a 纤维添加没备只是把包装纤维进行打散后，通过体积计量， 最后依靠风机送入拌合楼。依靠体积计量很难保证其计量精度，同时，不能对添加量进 行实时监控。由于木质纤维素添加的多与少直接影响路面的质量。因此对s m a 纤维添加 设备进行动态分析及控制使其能适应于各种纤维蓬松是未来s m a 纤维添加设备发展的趋 势，也是高等级路面发展的需要。 1 2 国内外发展现状 1 2 1 s m a 纤维添加设备计量系统 目前，国内外的s m a 木质纤维添加设备有很多种，其机械结构大都基本相同，而 计量主要的发展与不同都在定量给料系统上( 即计量系统) 。定量给料系统一般由两部 分组成。一是给料机，它是保证计量的前提，二是计量装置，良好的定量给料系统就是 要把这两个部分能够很好的配合保证其给料精度和给料速度。尤其对于像纤维素这样的 粉体定量给料而言是一个技术难题，世界各国都在争相研究粉体的定量给料。当前，s m a 纤维添加设备的计量设备主要有电子皮带秤、失衡秤、转阀给料机、环状天平型粉体计 量供给系统、体积计量系统。其各部分的工作原理如下： l 、电子皮带秤：电子皮带秤是目前粮食、矿物、水泥上普遍采用的计量方式，它 的称重原理是通过布置在皮带上的压力传感器不断地对皮带上的重物进行实时的采样， 同时，利用速度传感器不断地检测皮带的运行速度。它把采样单位长度上的重力信号和 转速信号经过信号处理( a d 转化、滤波、放大) 传入计算机，由计算机进行积分得出 皮带上某一时间的流量值，进而以时间作为变量来测量通过皮带秤的给料量。皮带计量 是一种流量计量，对于粉体物体来说，它忽略了由皮带打滑、物料随机震动、物料粘附 在皮带上引起的计量误差。所以，这种计量方式计量精度较低，对粉体来说计量过程不 易密封易造成粉尘污染，并且测量元件容易损坏、维修难度大、零点漂移严重、长期稳 定性差、要经常进行标定、劳动强度大。 2 、失衡秤：失衡秤俗称减料秤，其计量原理与皮带秤有相似之处，把一组传感器 布置在物料斗上，当物料斗内满料时的物料记为形，当物料开始下落时传感器实时监测 物料的变化测出单位时间物料的变化量缈，把传感器测得的信号经过处理转换为数字 信号利用积分就得出物料的瞬时流量，进而得出物料一定时间内的流量值进而得到其重 量，是一种流量计量。对于粉体计量而言要保证其计量精度要求控制系统稳定可靠，且 2 长安大学硕士学位论文 不受环境影响，故实现难度大。 3 、转阀给料计量系统：转阀给料计量系统是将给料和计量集于一体的计量系统， 其原理是测出转阀旋转一周的下料量，进而控制转阀的转速来进行定量给料，它是一种 体积计量方式，受物料的特性影响大，不同物料有不同的孔隙率。其计量误差比较大， 适应于计量精度是很高的设备。 4 、环状天平计量系统：环状天平定量给料系统由定量给料机构、计重机构、送料 机构三部分组成。如图1 1 所示，s m a 纤维粉体由定量供给机均匀稳定的供给环状天 平计重机，计重机测得粉体单位时间内的瞬时流量并把测得值送于控制系统进行处理， 控制系统将实测流量与设定流量相比较，用所得的偏差值调节喂料机和称重机的转速， 从而实现定量给料。由于是采用流量计量，其计量的精度取决于粉体的蓬松度及孔隙率， 计量误差大。 图1 1 环状天平计量系统 由上面分析可见，以上几种定量给料控制系统都存在自身的一些缺点，本课题设计 使用的是一种新型s m a 纤维定量给料系统，它是利用计重传感器来实时测量粉体的质 量，其工作原理先进，计量精度高。具体机械结构和工作原理将在第二章中介绍。 1 2 2 计算机控制系统 目前随着计算机技术、软件技术、通信技术的迅速发展，计算机自动控制技术在工 业领域、交通领域等各个行业得到了广泛的应用，计算机控制系统主要是以计算机硬件 为基础，以软件为载体，各种电子技术及通信技术综合起来实现整个工业生产过程的自 第一章绪论 动化、信息化、集成化。当前，在工业生产中用于工业控制的计算机有很多种，有单片 机控制、p l c 控制、p c 机控制等等。目前应用最广泛的是可编程控制器。它是一种稳 定可靠的控制器，功能强大、使用方便是目前最受欢迎的通用工业控制装置，现已成为 当代工业自动化控制的主要支柱之一。可编程控制器可以构成多种控制系统，根据控制 的需要及控制系统的复杂性来确定采用单机控制、分布控制还是集中控制。一般情况下 实现单台设备简单的功能采用单机控制。若在大型的工业生产中，控制系统复杂并且各 个设备之间要有数据共享或者数据通信采用集中式控制系统可以构成单机控制系统、集 中控制系统和分布式控制系统，采用一台p l c 控制器，各个控制对象采用设定p l c 的 输入、输出端口连接。若在实际生产中要求的控制对象比较多而且控制对象不是很集中 分布比较广，则采用分布式控制系统，其要求多个p l c 控制器进行控制，同时多个控 制器之间有信息及数据共享及交换。在设计的该s m a 纤维添加设备中其控制系统采用单 台p l c 完成，为了实现控制系统之间数据交换和通信上位机设计了基于v i s u a lb a s i c 6 0 编程软件的控制系统，利用梯形图及v b 提供的m s c o m m 控件实现上位计算机与下位 机p l c 的串行通信。 1 3 课题意义 本文以机械设计理论及机械工程控制理论为基础，对目前国内使用的基于间歇式沥 青拌合楼的s m a 添加设备设计原理进行分析研究，提出了以p l c 和变频技术为基础的 计量给料控制系统。其意义有以下几点： 1 、对于s m a 添加设备而言，提高自动化程度、计量精度有着重要的现实意义，本 文采用质量计量的计量方法，具有计量精度高，不受物料特性影响。 2 、控制系统上位机采用可视化编程软件v i s u a lb a s i c6 0 代替了工程中常用的触 摸屏加p l c 的方法来控制设备运行。系统开发成本低，稳定性好、操作简便，可在恶劣 的工况下稳定、可靠的工作，具有一定的推广价值。 3 、可与拌合楼进行信息通讯，容易实现集成化和自动化。 4 、通过上位机改变参数，可以适应于不同物料及粉体的定量计量。 1 4 课题主要内容 ( 1 ) 、设计了以质量计量的s m a 纤维添加设备的机械结构。 4 长安大学硕士学位论文 ( 2 ) 、确定该定量给料控制系统方案，确定了以变频器控制螺旋给料电机的控制计量 方案，并分析确定了控制算法。 ( 3 ) 、对计量控制系统硬件进行选择，设计了控制系统主电路接线图，并对选择的 p l c 、变频器、压力传感器、模拟量输入输出模块进行了接线。 ( 4 ) 、利用可视化编程软件v i s u a lb a s i c 6 0 设计了上位机控制界面，利用m s c o m 通 讯控件及p l c 自由端口控制方式实现了p l c 与上位机的通讯。实现了计算机对控制系 统的远程控制、数据传输、参数设置、累计计量、计量次数的统计显示及数据处理。 5 第二章s m a 纤维添加设备结构设计 第二章s m a 纤维添加设备结构设计 2 1s m a 纤维添加设备总体结构及工作原理 s m a 纤维添加设备定量给料系统由机械部分和控制部分组成的，它不仅可以添加纤 维素，也可以添加橡胶粉。其结构紧凑、操作简便、物料输送均匀、计量精度高、抗干 扰能力强。是专门解决纤维粉体定量给料及输送的特制设备。系统结构简图如图2 1 所 示： 蓬松仓 2 1 系统结构简图 2 1 1 系统结构 该设备机械部分包括料仓、打散机构、螺旋送料装置、转阀、计量仓、风机输送机 6 长安大学硕士学位论文 构。控制系统包括称重传感器、变频器、p l c 及微机等。 2 1 2 系统工作原理 木质纤维素压缩包在料仓内经过打散机构快速打散、蓬松后由刮料器均匀稳定的送 给螺旋输料机构，木质纤维素在螺旋送料过程中再经过二次蓬松很均匀的送到计量仓内 计量。进入计量仓内粉体的质量由称重传感器来精确测得，并将重量信号经过( 滤波、 放大、a d 转化) 送入控制系统进行处理，控制系统将实际测量的重量与设定的重量值 进行比较，所得的偏差值来控制螺旋输送器的转速及启停，使得实际的重量保持在设定 值，确保整个系统的定量给料。当实际的重量值达到设定值时并将信号及时送入控制系 统，控制系统控制风机的开始工作。将粉料送入拌合楼，以实现整个系统的定量给料控 制系统中，重量传感器是核心部分，对于重量的精确计量有很大的影响。下面将设计适 应于本控制系统的打散机构、给料机构及送料机构。 2 2 机械部分结构设计 2 2 1 料仓 料仓是一斗型的缸体，其设计要保证物料的流动性、物料中气体混入量、水分等因 素的影响，要有足够的空间保证一次投料大约5 0 - 6 0 公斤，料仓内设计有刮料器，避免 料仓内物料起拱，下料不畅通等问题。确保粉料能够连续稳定的进入螺旋送料器。 1 、料仓的结构尺寸确定 对于设计的该纤维添加设备，其料仓满足一次性投料6 0 公斤的蓬松。即m = 6 0 k g 纤维的松密度为：p = 2 8 堙m 3 料的体积为：v = m p = 6 0 2 8 2 1 4 m 3 取料仓的装料系数为o 6 5 ，则设计的料仓体积为：仓= v o 6 5 3 3 m 3 设计的料仓为一斗型体，便于打散轴的安装，其长度方向保证打散轴的安装，所以其长 度：，= 2 1 m 高度：h = 1 4 m ，宽度：b = 1 6 m 则： 实际的料仓体积为：际= l x b x h = 1 8 x 1 6 x 1 4 = 4 0 m 3 。 斗型料仓是选用5 m m 厚的2 0 号钢板焊接而成，并且在斗型仓的宽度方向上距仓底8 0 c m 开一个长度为7 0 c m ，宽为3 0 c m 的投料口，投料口设有仓门，当料投进后可以关闭，避 免蓬松时的粉尘污染。 7 第二章s m a 纤维添加设备结构设计 2 2 2 打散机构 当前，打散机构的形式很多，有离心式打散结构。其原理是把要打散的物体放入圆 盘中，用电机驱动圆盘主轴带动圆盘高速旋转使得圆盘中的物体产生离心力，物体间的 冲击产生冲击力及物体与圆盘产生碰撞使得物体打散，这种结构只适用于打散的对象是 固体物体。对于絮状物体及像木质纤维这种类型的物体的打散机构大多是直齿形的。主 要靠打散轴带动打散齿相互转动把物体撕碎，达到打散的效果。 对s m a 纤维压缩包的充分打散是保证木质纤维快速、顺畅输送的前提，也是保证 拌合时间的重要环节，对于一般4 0 0 0 型的拌合设备而言要在8 s 1 0 s 内风送1 2 k g 的木质 纤维素，那么压缩纤维在料仓短时间快速充分的打散是至关重要的。因此我们设计如图 2 2 所示的打散机构。 m 删了洲尹 划 i r ii - i - ii i 茜i i - ju u 呻 u - t 凸 i中面 凸6idi凸 鼻 。雇k。瓶甄n 轧兀i 。雇h。捶量。 一 蔓n l j u 咂y 吨 一 “ i j u1 扩u1r “哐 一 “ 吨 一 u y u 2 2 打散机构示意图 该打散机构主要由叶片轴、扭转4 5 度叶片、焊接板和打散棍装配而成。其中叶片 通过焊接板连接在叶片轴上，打散棍焊接在叶片轴上，叶片轴在电机的驱动下带动叶片 和打散棍做圆周运动。中间的叶片轴顺时针转动，两边的轴做逆时针转动，并且4 5 度 的叶片反方向装配这样在叶片轴转动的过程中会产生一个相位差，产生的相位差保证了 木质纤维在蓬松打散过程中形成一个料流，同时打散棍对纤维进行再次打散和蓬松。保 证了木质纤维在短时间内充分蓬松，确保了下一步的输料流畅。 2 、打散机构主要零件尺寸确定 8 长安大学硕士学位论文 ( 1 ) 轴的参数 在图2 2 所示，电机驱动打散轴带动装配在轴上的叶片做圆周运动使得木质纤维素 蓬松，根据搅拌与混合设备设计手册查的料仓的深度h 1l o o m m 时，且轴为空心轴 时其空心轴直径d = 6 5 m m ，根据机械设计手册则空心轴壁厚取8 5 m m ，则内径为d = 4 8 m m 轴 是纵向及仓的宽度方向安装，长度l = 1 9 0 0 m m ( 2 ) 叶片参数 查搅拌与混合设备设计手册得知，长叶片外径d ：料仓深= o 3 5 0 8 则长叶片外径d = 1 2 4 0 x 0 3 5 = 4 3 5 m m 长叶片高度h = ( 4 35 6 5 ) 2 5 = 18 0 m m 且长叶片宽度b ：d = o 1 0 2 5 则b = 4 3 5x o 1 = 4 3 5 m m ，圆整后取b = 5 0 m m 叶片厚度：宽度= o 1 ，则e = o 1 x 5 0 = 5 m m 2 2 3 螺旋送料装置 1 、螺旋给料机结构 卧式螺旋给料机器主要由料槽、螺旋叶片和转动轴组成的螺旋体、两端轴承、中间 悬挂轴承及驱动装置所组成。是一种容积式的给料机构，他的作用是将打散后的木质纤 维素从打散仓中均匀的取出，进而将纤维素均匀连续的供给下一级计量系统。 2 、螺旋给料机的工作原理 打散后的木质纤维素在刮料器的作用下由下料口进入螺旋送料器的螺旋槽内，当旋 体转动时，进入机槽的物料受到旋转叶片的法向推力，该推力的径向分量和叶片对物料 的摩擦力将使物料绕轴转动；对纤维素进行进一步的打散，增强了物料的流动性。物料 的重力和机槽对物料的摩擦力又阻止物料绕轴转动。当螺旋叶片对物料法向推力的轴向 分量克服了机槽对物料的摩擦力及法向推力的径向分量，物料不和螺旋一起旋转，只沿 料槽向前远移。这样使其输送密度达到稳定，避免物料粘壁及起拱，消除送料过程中产 生死区。物料在一个螺距内经过均压后，这些相对稳定的纤维素以相同的容积进入计量 称，达到了稳定均匀进入计量仓的目的。螺旋送料器对纤维素的输送量与螺旋的转速成 正比例线性关系，转速相对越高，输送能力越大。其工作原理如图2 3 所示： 9 第二章s m a 纤维添加设备结构设计 图2 3 螺旋给料机工作原理图 3 、螺旋给料机参数确定 设计的螺旋输料器要最大满足5 0 0 0 型拌和楼的给料要求，根据s m a 路面的工艺要 求使用5 0 0 0 型拌和楼拌和一锅料需要就加入1 5 k g 的木质纤维素，即在2 5 s 内要输送计 量1 5 k g 纤维素。所以设计的该螺旋输料器的输送能力为： q = ( 1 5 2 5 ) 3 6 0 0 = 2 1 6 t h ， 根据输料能力，要确定螺旋输料器的螺旋叶片外径、螺距、转速及螺旋轴直径。 螺旋直龇”厮= 0 0 4 1 5 x 跞一o 2 9 4 圆整后取d = 0 3 m 式中：足特性系数，输送轻而无磨削性物料时取0 0 4 1 5 ； q 输送能力； 物料充填系数，输送轻而无磨削性物料时取0 4 5 ： p 物料密度，为2 8 k g m j ； c 倾角修正系数，水平输送时取为l 。 计算极限转速为刀：4 ：兽：1 3 7 ，m i n d 4 0 3 式中：a 一综合特性系数，当为轻质无磨削性物料时取为7 5 。 校核充填系数 1 0 长安大学硕士学位论文 胪j 三一：三鱼一= o 5 0 74 7 d 宰d 宰p 幸刀宰c 幸s 4 7 0 3 0 3 0 0 2 8 1 5 0 l 0 8 0 2 5 式中：s 为螺旋螺距，当螺旋输送机水平输送或输送易移动物料时，螺距可取 为s = ( 0 8 一1 ) d 。 由于计算的充填系数值超过推荐值的上限，故需增加螺旋直径，取d - - 0 3 5 m ， 重新校核充填系数值 ：望一：二坐l 一= 0 4 3 9 9 符合推 4 7 d 幸d + p 幸刀c s 4 7 0 3 5 0 3 5 0 0 2 8 1 5 0 1 0 8 0 2 8 荐范围。 螺距为：s = 0 8 d = 0 8 x 3 5 0 = 2 8 0 m m 根据螺旋输料机设计准则，螺旋叶片厚度范围为4 1 0 m m ，则将厚度取为：e = 5 m m 。 螺旋轴直径为d = ( 0 2 0 3 5 ) d = 0 3 x 3 5 0 = 1 1 5 r a m 根据螺旋输料机设计准则，螺旋输料机壳内径和螺旋直径的间距范围为7 1 0 m m ，则 取为1 0 m m ，机壳厚度取e 机壳= 1 0 m m 。因此，螺旋输料机壳内径为3 7 0 r a m ，机壳外径 为3 9 0 m m 。 螺旋转动所需功率：。= 品( 三) = 专蒡( 4 2 3 ) = 0 0 5 4 k w3 bl3 | 式中：物料阻力系数，取为4 ； i 广嘞料输送的水平距离。 电动机功率：= 巍等- 1 4 詈= 0 8 6 k 形 式中：备用系数，取值范围在1 2 - 1 4 之间3 n _ 驱动装置总效率，取值范围在0 8 8 0 9 5 之间。 因此，电机选型为变频调速三相异步电动机y v f 6 3 1 - 4 ，功率为0 1 2 k w ，额定 转矩为0 8 4 n m ，恒转矩变频范围为5 - 5 0 h z ，恒功率调频范围为5 0 1 0 0 h z 。 2 2 4 旋转给料阀的选型 1 、旋转给料阀的原理 转阀俗称行星卸料器，是应用于固体物料、粉末料、粒料、粉粒混合料输送系统中 用来卸料、混合、包装、除尘、计量、定量输送的专用设备。其工作原理是通过电机、 第二章s m a 纤维添加设备结构设计 减速机的传动将一个带有等分结构的叶轮在壳体内旋转，从壳体上部料仓或给料装置的 物料填充在叶轮的型腔内，物料随叶轮的旋转到壳体的下部卸出。可以按照输送系统的 要求均匀地、连续不断地向下游卸料。 2 、转阀的选型 按照5 0 0 0 型来选择给料器的型号规格，要求在1 0 s 内把计量好的1 5 k g 纤维素送到 风送仓内，所以要求所选择的转阀的输送能力为：5 3 6 l s ，同时要求连接处密闭性好。 所以选用y j d h j 一1 0 0 型给料器。其参数如表2 - 1 所示： 表2 1 转阀参数弗工寸霉 歹取 每转体积电机型号转速 1 0 0 l ry 一1 0 0 l - 4 2 2 k w2 4 r m i n 2 2 - 5 电子计量称 电子计量称是由机械式皮带秤发展而来，改变了传统的容积式计量和流量式计量。 早期利用电子计量称用于固体和粉体的静态计量，因受当时电子科学技术水平( 如计算 机水平、电子技术、测量技术) 的制约，电子计量称没有很好的用于粉体的动态计量。 现在，由于科技水平的发展，尤其是计算机技术、控制技术、传感器技术的迅速发展， 使以前难以解决的技术问题，如加速度、测力及抗干扰能力变的相对容易。电子重量计 量与其他计量方法( 如容积计量、流量计量) 相比具有不受物料性质影响、计量准确、 抗干扰能力强等优点。因此它广泛的应用于水泥、化工、粮食、冶金、公路施工等质量 计量领域。该s m a 设计的计量称的工作原理如图2 4 所示： 图2 4 计量称工作原理图 当粉碎的木质纤维素在螺旋送料器的作用下进入计量仓，计量仓承重受压，压力施 给传感器，该传感器发生形变，从而使阻抗发生变化，同时使用激励电压发生变化，输 出一个变化的模拟信号。该信号经放大电路放大输出到模数转换器。转换成便于处理的 数字信号输出到c p u 运算控制。 一、电阻应变式传感器基本工作原理 1 2 长安大学硕士学位论文 电阻应变式称重传感器是把被测量转化为电阻变化的传感器，它是由电阻应变片、 弹性敏感元件组合起来的，当弹性敏感元件受到外力、力矩、位移、加速度等各种参数 作用时，弹性敏感元件就会产生变形引起应变，那么粘贴在它表面上的电阻应变片将它 们转化成电阻的变化，变形越大电阻的变化就越大，然后有相应的检测电路把电阻的变 化转化成电信号( 电压或者电流) ，便于后续信号的处理。 因此，称重传感器由电阻应变片、弹性体和检测电路这几个部分组成。下面逐一论 述。 1 、电阻应变片 电阻应变片是由基底、覆盖片、引线和敏感元件组成，当应变片工作时，基地把工 作元件的应变准确的传给敏感元件，引线则把敏感元件与测量电路连接起来，其意义如 下： 以金属丝式应变片为例，其工作原理是利用金属材料的电阻定律。当应变片的结构 尺寸发生变化时，其电阻也会发生相应的变化，其应变的变化与电阻的变化推导关系如 下： 设有一根金属导线其长度为，导线横截面为彳，根据电阻定律知，金属导线的电 阻尺与其导线长度，成正比，与导线的截面积彳成反比，即 r = p 万1 ( 2 1 ) 当该电阻丝受到轴向拉力，的作用时，其电阻丝的长度变化为出，径向尺寸缩小即电 阻丝半径减少，加之其电阻率也发生变化记为p 。利用( 2 1 ) 可得电阻的相对变 化为： d r 尺= d p p + d l l 一私a ( 2 - 2 ) 此外，我们知道该导线的横截面积为a = 万2 ，因此： 幽a ：2 d r ，( 2 3 ) 由材料力学可得： d r r = 一则| t ( 2 - 4 ) 式( 2 4 ) 中，负号表示轴向伸长，径向方向是缩小，是表示材料横向效应泊松 系数。把式( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 代入( 2 2 ) 中就有 1 3 第二章s m a 纤维添加设备结构设计 d r r = 和p4 - d l 1 4 - 2 脚t a l = ( 1 + 2 ( d p p ) ( d l 1 ) ) d l l ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 中令k = 1 + 2 p + ( a p p ) ( a l l ) 则式( 2 5 ) 可表示为： d r r = k x d l l( 2 6 ) 由式( 2 - 6 ) 可以得出电阻应变片在受到外力作用下的变化率和其电阻丝之间的变化 关系。式中k 为衡量电阻应变片的重要系数，定义为灵敏度，它的大小与应变片的变形 尺寸无关，只与应变片本身的材料性质有关，即应变片选定后，其k 值就随之确定。一 般情况下k 的取值为1 7 - - 3 6 之间，它没有纲量，是一个无因物理量。 d l l l 在材料力学中被称为材料的轴向线应变，常记作来表示，在工程上常用肛来 表示，由于单独用s 来表示的话弹性会显得很大，所以使用其百万分之一作为单位来表 示。故式( 2 - 6 ) 可表达为： d r r = k s ( 2 7 ) 由式( 2 7 ) 可以得出，电阻的变化与应变的大小有关，即与外力的大小成正比，因 此只需测出电阻的变化就能间接地得出外力的大小，因此后续设计相应的检测电路测出 其电阻的变化，下面讨论检测电路的基本工作原理。 2 、检测电路 电阻应变式传感器要把电阻的变化转换成电压的变化，一般情况下是通过直流电桥 来检测传感器的输出信号，直流电桥的作用就是把电阻变化转化成电压或者电流，目前 常用的检测电路是惠斯通电桥。它是把电阻的变化转化成电压的变化输出，其特点是可 以抑制由温度变化引起的误差，可已很容易的解决传感器的补偿，除此之外还可以抑制 侧向力的干扰等。因此惠斯通电桥在压力传感器中得到了很广泛的应用。其工作原理图 如图2 5 所示： 图2 5 惠斯通电桥工作原理图 1 4 长安大学硕士学位论文 惠斯通电桥的基本结构如图2 5 所示，它由4 个桥臂和一个供桥电源组成。供桥电 源一般为直流激励，其工作原理是利用桥路对角线b 、d 间的输出电压反映被测量 电阻的变化。当被测量无变化时，电桥输出电压为零：当被测量发生变化时，其测量桥 路被破坏，有电压输出。 电桥的激励电源为直流电压e ，此时桥路电流为： 厶2 彘；l 2 去； 输出电压为： 2 厶r - 。l 尺z2 百r 酉l r 4 丽- r e r 3 e ( 2 - 1 。) 当电桥输出电压为零时，电桥平衡状态。由式2 - l o 可知，当局凡= r ：r ，时电桥达 到平衡状态。但为了保证电桥灵敏度最大，在设计电桥时使得r 。= r ：，r 3 = r 。，实际中 常常使r 。= r 2 = r 3 = r 。= r 。，为了保证测量的准确性，在实测之前应使电桥平衡( 置 零) ，这样输出的电压只与应变计感受应变所引起的电阻变化有关。当桥路电阻发 生变化时，电阻应变为：a r i r = k 将上式代入式2 - 1 0 中，并略去高阶量，可得电桥的输出电压为： y 肋= 了e k ( s l s 2 一s 3 + 占4 ) ( 2 - 1 1 ) 按照上式2 1 1 力学模型知： 当f = 0 时，r l r 4 = r 2 r 3 ；v b d = 0 。 当f 0 时，r l ，r 4 增加，r 2 ，r 3 减小，y 肋 0 ； 根据桥路工作臂的不同组合，电桥有三种基本工作方式：半桥单臂、半桥双臂及全 桥等臂。 第二章s m a 纤维添加设备结构设计 ( 1 ) 、半桥单臂如图2 6 中，如果电桥四个桥臂中只有一个电阻蜀为应变片，其余三 个是常值电阻。在受到力作用时，电阻r 。有一个微小的增量欲。，由式( 2 - 1 1 ) 可知电 桥的输出电压a v 为 矿= 三胁 ( 2 ) 、半桥双臂：如图2 6 中，若将两个相邻桥臂都接上应变片，其中一个受拉一个 受压，另外两个桥臂为定值电阻，这种电桥称为半桥双臂。设电阻尺，有一个增量欲。，r ： 有一个增量欲2 ，即s l = 一9 2 ，s 3 = s 4 = 0 ，由式( 2 1 1 ) 可得电桥输出电压 a v = 兰胁。 ( 3 ) 、全桥等臂：如果电桥四个桥臂上都接上应变片，则称为全桥。假定桥臂上四 个应变片电阻的变化量分别为s l = 一9 2 = 吨3 = s 4 ，即电阻尺l 、r 。增加，而电阻r 2 、足3 减小，则相应的输出电压为 a v = k e 6 l 由上述推到表明，全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易 相互抵消，应变片由于温度引起的阻值变化可以补偿，所以称重传感器均采用全桥式等 臂电桥。因此可以得出，计量斗内物料的重量与其产生的电信号成正比。 二、称重感器的选型叫 传感器的选型应根据实际的工况考虑，从传感器支撑点的数量、精度等级、量程、 环境适应性等几个方面进行选择。 l 、传感器的量程选择 根据以往经验，一般使传感器工作在其3 0 7 0 量程内，但是对于一些特殊的在使 用过程中会出现较大的冲击力的衡器如动态汽车衡、动态轨道衡、钢材秤等，在使用传 感器时，一般情况下都要扩大其称重量程，使传感器工作正在其量程的2 0 - 4 0 之内， 这样就增大了传感器称量的储备量程，就可以保证传感器的使用寿命和安全，避免超载。 按照使用到额定量程6 0 7 0 的建议，假设传感器个数为n ，单只传感器的量程为 1 6 长安大学硕士学位论文 m 料仓自重加上满料重量的总重力为m ，则在已知m 和n 的情况下，按照如下公式计 算m ： 旦坍旦( 2 1 2 ) 0 7 x 0 6 x n 确定此范围后，在传感器规格里面选择满足此范围的传感器。 2 、精度等级的选择 传感器精度的直接影响计量的精度，因此为了保证计量精度，对传感器精度的选择 是相当重要。对传感器精度的选择必须满足下列两个条件： ( 1 ) 、要与输入的仪表量程匹配。称重显示仪表是对传感器输出信号经过放大、a d 转换、滤波等处理之后显示计量结果的。因此，传感器的输出信号必须大于或等于仪表 要求的输入灵敏度值，即将传感器的输出灵敏度代入传感器和仪表的匹配公式： 墨堕矍塑譬塑生型壁譬皇旦兰里量塑堕仪表输入灵敏度 a 传感器最大量程xn 传感器个教 计算结果须大于或等于仪表要求的输入灵敏度。 ( 2 ) 、要满足整个计量系统准确度的要求。一个计量系统主要由秤体、传感器、仪 表三部分组成，在对传感器精确度选择的时候，应使其准确度略高于理论计算值，因为 理论往往受到客观条件的制约，如秤的工作环境恶略、仪表性能不好、秤体的强度差一 点等因素都直接影响到计量系统的准确度要求。因此要从各个方面提高要求，又要考虑 到经济效益，确保达到使用目的r 。，。 3 、环境适应性的选择 用于称重系统的传感器，通常情况下都长期工作在各种复杂的环境中，经受湿度、 粉尘、温度、腐蚀等的考验，必须事先对传感器密封型式做出比较合理的选择。由于木 质纤维素粉体粉尘很大，对传感器有很大的影响。因此选择密封形式的传感