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在計量包裝秤中, 物料的給料控制是實現zui終計量包裝的關鍵步驟之一。要準確迅速地對原鹽進行計量, 就要求給料裝置能提供均勻連續的鹽料并能對供料進行地控制, 以適應計量包裝的基本要求。目前, 國內針對計量包裝秤對不同特性物料進行包裝時常采用的有四種供料方式, 即: 螺旋輸送器 (絞籠 )供料、 皮帶機供料、 氣動門自流式供料和電磁震動式供料。其中氣動門自流式供料和電磁震動式供料主要適用于流動性好的物料, 而原鹽的易粘結及粒度不均勻造成流動性能較差, 因此, 它們不宜在原鹽計量包裝中應用。而皮帶機供料不容易實現對供料的控制。螺旋輸送器在輸送過程中可對物料進行攪拌, 并在一定程度上把較大顆料的鹽料攪碎以減小鹽料進入計量裝置時的落料沖擊, 提高供料時的穩定性; 同時, 螺旋輸送器可以通過對電動機的選用和控制而實現對計量裝置供料時的準確控制。但在《 機械工程手冊》 中螺旋輸送器設計的著重點主要放在輸送器結構、 輸送能力、 輸送器布置、 工作環境等方面, 而對于它在計量包裝秤方面的應用卻未做說明。

應用于計量包裝秤中的螺旋輸送器為適應計量包裝秤的要求, 在設計時應從以下幾方面入手。

1 結構尺寸的設計

螺旋輸送器的結構尺寸是由所設計的計量包裝秤的稱量范圍決定的。在設計中需要確定的結構尺寸主要有螺旋軸直徑、 螺旋葉片直徑及節距、 螺旋軸的轉速等, 正確地確定這幾個主要尺寸參數是整個設計的起點。螺旋輸送器應用于計量包裝秤時, 這幾個主要尺寸的確定直接影響計量包裝秤的計量精度, 因為在計量包裝時, 要求對供料進行控制,也即一個標準重量 (現在鹽業生產中實際要求每袋為 50kg± 0.5kg)達到時, 應立即停止供料, 而鹽料在輸送過程中的慣性和螺旋軸停轉時螺旋葉片相對于出料口停止位置的隨機性會使得少部分鹽料在計量完成后, 仍然落入到計量裝置中 (原鹽的堆密度約為 1 . 05t/m³ , 常溫下結晶密度約 2 . 16g/cm ³)^{[ 4]} ,這是產生計量后誤差的主要原因之一。因此, 問題的關鍵就是要把這個誤差控制在一個允許的范圍內。

螺旋軸葉片的直徑越大、 節距越長, 一個節距螺旋內所存的鹽料就越多, 鹽的慣性就越大, 同時, 螺旋輸送器內螺旋軸葉片與出料口構成空間的隨機變化也越大。這兩個原因就會造成計量完成后, 因供料未*終止而引起的計量后誤差變化范圍過大。螺旋軸葉片直徑過小、 節距過小, 螺旋輸送器的輸送能力變小, 計量秤的生產率過低。此外, 節距過小,還會導致螺旋輸送器對物料的適應性變差, /吃粗糧 0的能力降低。因此, 合理地確定螺旋軸葉片的直徑和節距可以有效的消除計量包裝秤的計量后誤差。

1 . 1 螺旋直徑的確定

應用于計量包裝秤時, 要求螺旋輸送器提供連續均勻的供料, 因此, 螺旋軸上的葉片應采用實體面型螺旋, 如圖 1所示。

在充分考慮螺旋軸的強度和剛度后, 用常規設計方法確定出螺旋軸的直徑φd后, 螺旋葉片的直徑 φD及節距 t的確定需根據計量包裝秤的設計生產率試算完成。試算方法如下:

假設計量包裝秤的設計生產率為每分鐘 10袋,每袋 50kg , 則螺旋輸送器所要達到的輸送能力應為:
  

一個節距內螺旋軸的體積為:
   

一個節距內螺旋軸所能輸送鹽料的zui大重量為:

M’= V _L ×γ₀ ( kg)                                     ( 3)

螺旋軸每秒的轉速為 n( r/s), 則每秒內螺旋輸送器所能輸送鹽料的重量為:

M = M’× n( kg)                                        ( 4)

于是, 根據生產效率計算的螺旋輸送能力 Q應和由螺旋幾何尺寸所確定的輸送能力相等, 即:

Q= M                                                         ( 5)

將 ( 1)、 ( 2)、 ( 3)、 ( 4)式代入 ( 5)式可得:
  

式中: k——為螺旋輸送器的充填系數, 對于封閉式螺旋輸送器來說取 0 . 45~ 0 . 55較為合適;

Q ——螺旋輸送器輸送能力, kg/s;

γ₀ ­——原鹽的容重, kg /mm³ ;

n ——螺旋軸轉速, r/s。

1 . 2 螺旋節距的確定

確定螺旋的節距時, 應考慮物料的粒度及實際要求的生產效率。螺旋軸的節距越大, 螺旋葉片的螺旋角也越大, 一個節距內螺旋葉片與料桶構成的存料空間也大, 存料空間的變化范圍和螺旋軸的停止位置有關。在圖 2中, 螺旋軸停轉后, 螺旋軸上的B- B截面會在一個節距 t內的任意位置隨機地停止, 其位置變化相當于在 A- A到 C- C截面之間這個節距內隨機變化, 這樣, 由出料口右端橫截面與螺旋面所構成的存料空間也是一個隨機量, 其中 A -A、 B- B、 C- C三個截面與出料口右側截面分別形成了三個存料空間的極值面。A- A和 C- C兩個截面與出料口右側截面所形成的存料空間zui大, 在這一位置處, 因慣性作用, 進入計量斗的鹽料zui多,若螺旋軸正好停止在這兩個截面位置, 則計量秤產生的計量后誤差zui大; B- B截面與之形成的存料空間zui小, 產生的計量后誤差也zui小。因此, 螺旋軸的節距越小, 計量秤產生的計量后誤差也越小。但如果螺旋葉片的節距過小, 不但螺旋軸的輸送效率變低, 而且對于易板結的原鹽來說, 螺旋輸送器進料口對板結成塊的鹽適應性變差, 易造成進料口的堵料現象。

因為原鹽計量中要盡可能地減少螺旋軸停轉后鹽料向計量斗的繼續下落, 螺旋葉片的節距確定時應考慮原鹽的安歇角 (≤40°), 因此, 螺旋葉片節距的計算式如下:

t≤D × cos40°≈ 0 . 766D

1 . 3 螺旋軸轉速的確定

螺旋軸的轉速應在滿足實際生產效率的前提下盡可能的降低, 因為, 螺旋軸轉速過高時, 螺旋葉片切線速度過高, 進料口的鹽料因葉片的高速拋擲使螺旋輸送器內容納的鹽料減少而影響實際進料速度。經實驗對比, 若電機的標定轉速為 1400r/m in,經過 1： 3減速后, 螺旋輸送器的進料效果較好。

原鹽計量中, 螺旋輸送器料桶為封閉結構, 轉速的確定只要能滿足實際的供料速度和進料速度即可, 不必進行極限轉速的驗算 (極限轉速的驗算是為了防止螺旋輸送器輸送過程中的物料拋擲現象的發生 )。

2 動力設計

動力設計的主要內容是確定螺旋軸的輸入功率。螺旋輸送器在一般應用中主要起輸送作用, 其長度zui長可達 70m, 輸送能力可通過加大螺旋的直徑和節距等參數來實現。而應用于原鹽計量時, 它的主要目的是對供料進行有效地控制。因此, 應用于計量秤中的螺旋輸送器長度不長, 輸送過程中的阻力矩較小, 為減小計量時的計量后誤差, 螺旋軸的直徑和節距較小, 但為了獲得與計量秤相適應的生產效率, 螺旋軸的轉速比前者要高。

對螺旋軸輸入功率的計算公式, 計算過程如下(計算簡圖如圖 3)。

已知條件為螺旋輸送器的運量 Q ( t/h)和螺旋軸的設計轉速 n( r/m in), 由此, 螺旋軸出料口物料的速度 V為:
  

根據 螺旋 輸送 器的 運量 Q, 在 △t 秒內 有 的鹽料由進料口輸送到出料口, 因此,輸送這些鹽料到長度 △L時, 動能的變化量為:
    

式中: K為阻力系數, 螺旋輸送器有效長度不同, 阻力矩也不同, K值與螺旋輸送器的有效長度成正比, K= 1 . 06L, L為螺旋輸送器進料口與出料口中心的距離。

設減速器的機械效率為 η₂ , 電動機的機械效率為η₁ , 則螺旋輸送器的總效率為: η=η₁ ·η₂  , 于是,電動機的有效功率為:
    

例如: 一臺自動秤要求的運輸量 Q= 30( t/h),螺旋軸的設計轉速 n=1400/3= 466 . 67( r/m in), 螺旋的節距 t= 120( mm ), 螺旋輸送器總的機械效率為η= 0 . 8 , 螺旋輸送的有效長度 L= 0 . 6( m )則所需驅動電動機的功率為:
    

3 結構設計要求

螺旋輸送器應用于計量包裝秤時, 它不僅僅要完成鹽料的輸送功能, 也要對所輸送的鹽料能實現較為的控制 , 同時, 基于實際的鹽業生產環境,它的結構特點應能滿足特殊生產環境下的特殊要求。具體包括以下幾方面內容。

3 . 1 螺旋軸螺旋葉片有效長度的合理確定

螺旋軸上螺旋葉片的有效長度的基本要求是:在進料口端應將螺旋葉片布滿, 這樣在進料口內側不易形成鹽料的堆積而造成鹽料的板結, 并能有效地防止粉末鹽由螺旋輸送器端蓋縫隙中溢出而造成軸承的腐蝕。在出料口端, 螺旋軸上的葉片應伸出出料口靠近進料口一端的橫截面, 伸出長度至少應為出料口軸向長度的二分之一。

3 . 2 螺旋軸的布置及兩端軸承的選用

螺旋輸送器在使用中工作頻率較高, 如果長期在受壓工況中使用, 螺旋軸會產生彎曲變形, 造成使用壽命過短。因此, 在選用螺旋軸兩端軸承時應該將軸承布置為使螺旋軸承受軸向拉力。在計量包裝秤中應用的螺旋軸單位時間內所輸送的鹽料不多,螺旋軸所受的載荷不大, 因此軸端固定采用深溝球軸承就能滿足實際要求。同時, 因螺旋軸長度較長,螺旋軸另一端可采用調心球軸承以提高螺旋輸送器的裝配性能。

3 . 3 螺旋輸送器進料口、 出料口截面積的確定

螺旋輸送器的輸料能力應和計量包裝秤的包裝速度相匹配, 因此, 進料口可以盡可能地大, 但出料口的截面積應大于螺旋輸送器的輸料能力, 否則會造成“悶料”現象。出料口截面積可根據螺旋輸送器的輸送能力 Q 和原鹽的容重η₀ 計算。另外, 進料口和出料口的兩個內側面之間應至少大于 1 . 5個螺旋節距, 以防止螺旋停止轉動后, 進料口和出料口之間未被螺旋葉片*封閉造成露鹽現象。

3 . 4 螺旋輸送器電動機的選用

應用于計量包裝秤中的螺旋輸送器要求計量完成后, 立即停止給計量裝置的供料, 而普通三相異步電動機的制動性能不能滿足要求。制動性能較好的是錐形制動電機, 它可通過調整好適當的制動間隙穩定可靠地實現電機轉子的啟動和制動, 并且具有維護簡單, 性價比高等優點, 對原鹽計量包裝的實際生產環境適應性較好。

3 . 5 螺旋軸及葉片材料的選用和熱處理工藝

鹽料不但對金屬材料具有較大的腐蝕性, 同時也具有較強的琢磨性。在實際生產企業中, 一根用中碳鋼制成的螺旋軸在不到三個月的時間內就因過度磨損而失效。因此, 螺旋軸的材料宜采用中碳錳鋼并做調質處理, 螺旋軸葉片的材料應選用不銹鋼。

3 . 6 螺旋輸送器結構工藝性的特殊要求

原鹽在采挖、 堆坨、 攤曬等等的生產過程中, 經常會人為摻雜進少部分雜物, 筆者在生產現場看到的雜物有石頭、 螺栓、 鐵塊甚至鐵路上的道釘, 這些雜物大多是在生產中無意識被人丟入的。而有的雜物對于螺旋輸送器來說卻是制造故障的zui大隱患。因此, 螺旋輸送器的設計就應該考慮到對這種意外情況的處理。這些雜物一旦卡死螺旋軸, 排除這種故障的*辦法是拆卸一次螺旋輸送器 (在料桶的上側面設置觀察孔時, 故障的處理效果并不理想 ),影響了生產的正常進行。針對這種情況, 可將螺旋輸送器的料桶設計成對開式, 即從料桶水平截面內將料桶剖開, 一側邊鉸接, 另一側邊由螺栓聯接, 這樣在螺旋軸被卡死時, 就可以翻開料桶的上部直接將雜物取出, 大大縮短這類故障的排除時間。

另外, 在螺旋輸送器進料口還應加裝二級料斗。螺旋輸送器應用于計量包裝秤的基本要求就是連續均勻供料, 如果螺旋輸送器進料口直接和大料倉出口相連, 大料倉內鹽料對進料口的壓力會隨著料倉內鹽料的多少而發生較大變化, 進料口內鹽料所受的壓力不同, 其實際密度不同, 則造成螺旋輸送器出料不均勻, zui終影響計量包裝秤的計量精度。而一定容積的二級料斗則可以有效地縮小這種壓力變化的范圍, 保證計量的穩定性。二級料斗的容積以3袋 ~ 4袋標準包裝重量 (此處每袋為 50kg)為宜。

4 結束語

螺旋輸送器在原鹽計量秤中應用時, 還可采用雙螺旋供料, 即通過大、 小螺旋的復合結構向計量秤的計量斗供料, 大螺旋供料到標準計量斤數的 80 %左右時, 由小螺旋開始供料, 這樣可以進一步減小鹽料進入到計量斗時的落料沖擊, 更加有效地降低原鹽計量包裝中的實際計量誤差, 使整個計量包裝秤的重復精度更高。

作者簡介: 譚生祿 ( 1973- ), 男, 1993年青海大學化工系無機化工專業畢業, 青海省鹽業股份公司項目工程部副主任。 

[參考文獻 ]

[ 1] 機械工程手冊 (第十二卷 ) [M ]. 機械工業出版社出版, 1982.

[ 2] 徐灝. 機械設計手冊(*卷 ) [M ]. 機械工業出版社, 1991.

[ 3] 哈爾濱工業大學理論力學教研室. 理論力學 [M ]. 高等教育出版社出版, 1982 .

[ 4] 內蒙 古自治 區鹽學 會, 內 蒙古自 治區 鹽務局. 湖 鹽工藝[M ]. 1998 .
 

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