摘要: 通过对传统电子皮带秤存在的问题机理分析,提出喂料式双悬臂电子皮带秤的先进思想和工作原理,并介绍其设计、试验过程和方法。
1 引 言
电子皮带秤主要分为称量(或计量)和配料两类,前者主要计量输送物料的瞬时、累计流量;后者除具有计量功能外,还必须按预先设定的瞬时物料从储料仓中向外定量排料,用于生产配料。喂料式双悬臂电子皮带秤就属于配料型电子皮带秤。
配料型电子皮带秤采用调速喂料和计量于一体的结构,即料仓直接作用于计量皮带上。如图1所示。其测重力装置为“托辊式+荷重传感器”测力机构,如图2所示。
由图2可知,传感器除了受称重区物料重量的重力G作用外,还会受到皮带行进方向、侧向运动的附加力H和I(垂直于纸面)的作用。即传感器受力不能真实地反映称重区物料重力大小。特别在使用时,当皮带张紧变化、调速、料粒度变化、皮带粘料等因素的综合影响时,使传感器受到更多的除重力以外的附加力的作用,导致零点漂移,采样测量信号失真,控制配料达不到要求。
针对这些情况,研制出了新型的配料型电子皮带秤———喂料式双悬臂电子皮带秤,采用调速喂料与双悬臂恒速计量各自独立的设计思想,彻底解决了普通皮带秤存在的问题。
2 喂料式双悬臂电子皮带秤的工作原理
喂料式双悬臂电子皮带秤主要由调速喂料机、双悬臂皮带秤、称重传感器、工业控制计算机及电气控制设备等组成,其工作原理如图3所示。当系统启动后变频器按微机给定的初始频率启动调速喂料机进行喂料,物料按一定的流量喂到双悬臂皮带秤上进行流量计量,微机将实测的流量与预置的流量进行比较计算,如有偏差则根据偏差计算出修正结果(即进行PID参数调节计算),并输入到变频器,自动调整喂料机速度,改变喂料流量,达到对预置流量连续自动跟踪的目的。
连续计量物料流量采用的计算公式如下:
式中:Q———物料流量(t2-t1时间间隔内的累计值),kg/s;Wt———双悬臂秤体上t时刻物料重量瞬时值,kg;W0———双悬臂秤校零时的底值, kg;vt———双悬臂秤的皮带输送速度(常数),m/s;L———物料流经双悬臂秤的有效皮带长度(常数),m;t1、t2———计量的起始和结束时间,s。
根据上式,只要Wt测量准确,采样时间足够短,就可以保证流量的计量精度。
系统采用带光电隔离的MAC2型智能多功能模拟信号测量和控制卡,对传感器信号进行A/D转换,通过内部固化的二次仪表测量换算软件包对其进行单回路、定比值计算,输出对变频器4~20 mA(0~10 V)信号控制。同时采用自行开发的称重显示、配料设定、操作运行的专用软件包。一台微机可同时控制1~8(或16)路配料秤,按照一定的配方进行多路配料。
3 设计分析
3.1 喂料机的设计
喂料机采用电机+摆线针轮减速机驱动主动滚筒,考虑到料仓自重需要较大的拖动转矩,采用耐冲击、强度高的链条传动。总减速比、喂料机带宽、电机功率由输送物料流量范围(Qmax,Qmin)、物料的堆积密度D、变频器输出频繁范围等参数决定。其设计流程如图4所示
喂料机的调速采用变频调速。由微机对传感器采样、计算流量偏差,进行PID运算后,输出4~20 mA信号给变频器,变频器输出对应频率的交流电,完成电机的调速任务。
3.2 双悬臂秤体的设计
双悬臂皮带秤体主要由上部运动送料与底部的双悬臂杠杆测量两部分组成。秤体皮带采用电机+减速机、V带传动。秤体运动送料(包括机架、环形输送带、电机)部分整体通过四个刀口式挂钩悬挂于底部的双悬臂杠杆的两个悬臂上,如图5所示。采用刀口式挂钩悬挂结构的作用是使秤体上皮带的运动向力、侧向力都不会传递给荷重传感器。底部的双悬臂杠杆在两支点中间通过刀口连接,在其中一个悬臂上设有可前后移动的平衡重锤,用于调整上部送料部分自重引起的双悬臂不平衡。通过移动平衡重锤的前后位置,可调整前后悬臂相对于支点的水平位置,使传感器正确受力,使秤体上流过的物料重力准确地传递给荷重传感器,而在无物料时传感器不受力(或很小)。
式(2)可用来计算传感器的量程。同时可以看出,采用这种结构以后,传感器受力与皮带上物料重力Wt严格成线性关系,从而大大简化了测量程序,为计算机准确采样提供了可靠保证。即传感器受到的力仅与物料的重量有关,而与物料在秤上的位置、喂料速度、皮带张紧程度等因素无关。因此,在一般精度要求时,可以用放砝码的静态标定代替繁琐、工作量大、用实物标定的动态标定,给使用带来很大方便。
双悬臂秤体及传感器的主要参数设计流程如图6所示。
3.3 传感器的选取
传感器的选取包括传感器的量程、结构型式、测量精度、密封性、安装型式、价格等。电子皮带秤用的称重传感器,可选用电阻应变式、差动变压器式或压电式等多种。但常用的以电阻应变式为多,这是由于这种传感器在非线性、滞后、准确度方面均优于其它形式传感器,而且其结构简单、便于应用。由于电子皮带秤使用环境比较恶劣(如现场湿度大、温差大、粉尘多、易受机械振动和冲击、常伴有腐蚀性的介质等),因此要选用除刚性好、温漂低、抗冲击外,还要求最好是全密封的传感器。
传感器量程S的选取由皮带秤的最大瞬时重量Wmax(t)、测量精度、过载系数K和秤体双悬臂力臂L1、L决定,即由式(2)得:
S = Fmax(t)·K = L1/L·Wmax(t)·K (3)
式中过载系数K通常取1.2左右,也是为了保证传感器工作在全量程的线性段。具体选型时,在满足传感器最大受力前提下,量程要尽可能选小。因量程愈小,分辨率愈高,测量精度就愈高。
4 结束语
喂料式双悬臂电子皮带秤由于采用了调速喂料与恒速计量各自独立的设计思想,测力机构为双悬臂杠杆平衡式,简化了测量方法;采用了具有抗干扰能力强、多路A/D、D/A处理的工业测量与控制计算机,提高了测量与控制精度。经用户初步现场考核使用,证明喂料式双悬臂电子皮带秤使用方便、自动化程度高、操作简单、运行可靠、配料精度高。是一种新型高精度的自动连续配料系统,适用于化工、冶金、煤炭、建材等行业中各种散料的计量配料。
