毛廣卿，羅 瓊

(1.河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001； 2.河南工業(yè)大學(xué)小麥和玉米深加工國家工程實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001)

螺旋配麥器的研制與試驗(yàn)

毛廣卿1，羅 瓊2

(1.河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001； 2.河南工業(yè)大學(xué)小麥和玉米深加工國家工程實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001)

在小麥加工生產(chǎn)線上，配麥器是必不可少的設(shè)備。最新研制的螺旋配麥器采用螺旋供料方式結(jié)合PLC可編程控制器與變頻器控制，具有流量精確、性能穩(wěn)定、不堵塞等特點(diǎn)。介紹了螺旋配麥器研制的技術(shù)方案、基本結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵參數(shù)和控制方法，并對(duì)該設(shè)備的試驗(yàn)結(jié)果和設(shè)備特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。

螺旋配麥器；流量控制器；小麥加工

在小麥加工工藝中，原糧搭配是一個(gè)重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。通過將兩種以上不同品質(zhì)的小麥按比例進(jìn)行搭配，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定原料質(zhì)量、控制產(chǎn)品品質(zhì)和產(chǎn)品品種的目的。為了保證各種小麥精確、穩(wěn)定的搭配比例，必須利用專用的流量控制設(shè)備——配麥器。

配麥器安裝于每個(gè)小麥倉的出口處，實(shí)際就是一個(gè)流量控制器。在此之前，國內(nèi)外使用的配麥器主要有以下幾種型式：葉輪式、電子重力式以及振動(dòng)式。

(1)葉輪式配麥器 這是最早使用的一種配麥器，在20世紀(jì)80年代，隨著引進(jìn)的國外小麥粉生產(chǎn)線進(jìn)入我國。它是依靠旋轉(zhuǎn)的葉輪上不同大小的格槽來控制物料流量，所以也叫容積式配麥器。葉輪式配麥器的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)實(shí)耐用；缺點(diǎn)是：較小格槽上方的物料容易結(jié)拱而堵料，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制。所以這類設(shè)備在新建的生產(chǎn)車間已很少采用。

(2)重力式配麥器 這種配麥器的應(yīng)用要晚于葉輪式配麥器，也叫做電子配麥器。它是依靠沖板和傳感器檢測(cè)小麥自由下落時(shí)的沖擊力，測(cè)算出小麥的流量，然后按照操作人員給定的流量值自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)料閘門的開度。從理論上講，重力式配麥器是按照小麥的質(zhì)量流量進(jìn)行控制，是比較合理的控制方式；但實(shí)際上，由于多種因素的影響，如沖擊力與流量間的比例關(guān)系、傳感器的性能變化、閘門調(diào)節(jié)的步階和時(shí)滯等，使得這種配麥器難以保持長期穩(wěn)定的控制精度，而且設(shè)備價(jià)格較高。

(3)振動(dòng)式配麥器 這是近幾年出現(xiàn)的改進(jìn)型重力式配麥器，其基本原理與重力式配麥器相同，不同之處是用振動(dòng)槽代替閘門來控制下料的流量，解決了重力式式配麥器在閘門小開度狀態(tài)下容易結(jié)拱的問題，使得流量更均勻，且可以實(shí)現(xiàn)較小的流量；但體積較大，控制精度依然不高。

本研究介紹一種新型配麥設(shè)備——螺旋配麥器的研究開發(fā)與試驗(yàn)、應(yīng)用情況。

1 研究的目的和意義

1.1研究的目的

本研究的目的是開發(fā)一種新型的配麥器，并達(dá)到如下目標(biāo)。

(1)提高配麥器的流量控制精度，達(dá)到精確配麥的目的。

(2)提高設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性，保證在長期工作狀態(tài)下保持穩(wěn)定的精度和性能。

(3)提高設(shè)備的防堵塞能力。

(4)降低制造成本。

1.2研究的意義

精確穩(wěn)定的配麥?zhǔn)潜ＷC最終產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的重要條件，特別是對(duì)于質(zhì)量較為特殊的小麥更是如此。在過去的實(shí)際生產(chǎn)中，曾出現(xiàn)過因?yàn)榕潲溒鲉栴}而導(dǎo)致成批的產(chǎn)品質(zhì)量不合格的情況。因此，開發(fā)一種精確、穩(wěn)定、可靠的配麥器既是技術(shù)需求，也是市場(chǎng)的需求，對(duì)于提高小麥加工的技術(shù)水平具有一定的意義。

2 技術(shù)方案與技術(shù)特征

2.1基本方案的確定

物料出倉流量的大小取決于兩個(gè)因素：通料孔的大小和物料的流動(dòng)速度。因此，控制物料的流量可從兩個(gè)途徑考慮：一是控制通料孔的大小，二是控制物料的流動(dòng)速度[1]。

控制通料口大小是常見的流量控制方法，最簡(jiǎn)單的設(shè)備就是閘閥門，在有些場(chǎng)合稱之為節(jié)流閥。但將閘閥門用于毛麥出倉流量的控制卻有明顯的缺陷：①小麥流動(dòng)速度的波動(dòng)會(huì)造成流量的波動(dòng)；②當(dāng)閘閥門開度較小時(shí)，含雜的小麥在閘閥門上方容易結(jié)拱阻塞而停止流動(dòng)[1]。因此，鑒于這兩個(gè)方面的問題，新型配麥器必須拋開閘閥門控制的思路，而是從另外一個(gè)途徑著手，通過改變物料的流動(dòng)速度來改變流量。

利用圓管式螺旋輸送機(jī)來控制物料出倉流量是理想的方案。這種控制方式在散料儲(chǔ)運(yùn)工藝中并不鮮見，稱為“螺旋供料器”[1-2]。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、工作穩(wěn)定、易操控等。設(shè)想將其安裝在麥倉出料口，通過改變螺旋體的轉(zhuǎn)速來改變小麥的推進(jìn)速度，便可達(dá)到控制和調(diào)節(jié)小麥出倉流量的目的。

按照理論計(jì)算方法，圓管式螺旋輸送機(jī)的輸送流量為[1,3]：

Q=47·D2·S·n·γ·C。

(1)

式中，Q為輸送流量；D為螺旋葉片直徑；S為螺旋葉片螺距；n為螺旋體轉(zhuǎn)速；γ為物料體積質(zhì)量；C為輸送效率。

由公式(1)可以看出，圓管螺旋輸送機(jī)的輸送流量與螺旋體的轉(zhuǎn)速呈正比。在其他條件不變時(shí)，改變螺旋體的轉(zhuǎn)速，即可線性地改變輸送流量。這就為精確調(diào)節(jié)流量提供了極大的方便。

控制螺旋體的轉(zhuǎn)速有多種方法。這里選擇的方法是：通過變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)供電電源的頻率，改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種控制方法精確、可靠，且調(diào)整方便、靈活，并且可以獲得較大的變速比(最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比)，完全可以滿足配麥的需求。

2.2總體結(jié)構(gòu)

螺旋配麥器主要由圓管式機(jī)殼(5)、可旋轉(zhuǎn)的螺旋體(4)、傳動(dòng)裝置(2)以及控制儀表(1)組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

機(jī)殼(5)為圓管狀結(jié)構(gòu)，水平放置。上方進(jìn)料口(3)與麥倉的出料口連接，下方出料口(6)與后續(xù)的輸送設(shè)備相接。螺旋體(4)采用滿面式葉片，葉片從進(jìn)料口至出料口劃分為兩段：前段(進(jìn)料口處)為喂料段，后段為定量段。喂料段為變直徑葉片，目的是讓整個(gè)進(jìn)料口下料均勻。定量段是流量控制的關(guān)鍵部位，要求螺旋葉片的形狀、直徑、螺距必須精確。

傳動(dòng)裝置(2)由變頻電機(jī)、減速器構(gòu)成。減速器的輸出軸與螺旋體用聯(lián)軸器連接，保證傳動(dòng)的精度。

控制箱(1)內(nèi)置變頻器、文本PLC一體機(jī)及相關(guān)的元器件。操作人員通過文本PLC一體機(jī)的操作顯示終端向PLC輸入流量等數(shù)據(jù)，經(jīng)PLC運(yùn)算后，向變頻器發(fā)出信號(hào)控制變頻器的輸出頻率，從而使電機(jī)以及螺旋體按照要求的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，控制物料的流速和流量。其控制路線如圖2所示。

圖1 螺旋配麥器基本構(gòu)造圖

圖2 螺旋配麥器控制路線

2.3關(guān)鍵技術(shù)和參數(shù)的確定

2.3.1螺旋葉片的直徑

螺旋葉片直徑的大小，取決于工藝對(duì)配麥器最大流量的要求。根據(jù)公式(1)，可得到螺旋葉片直徑的計(jì)算式為：

(2)

式中各符號(hào)的意義同前。這里，有兩個(gè)因數(shù)需要確定：①螺距S，根據(jù)螺旋輸送機(jī)的制造使用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，葉片的螺距通常取S=(0.8～1.0)D。②轉(zhuǎn)速n，確定螺旋體的轉(zhuǎn)速要考慮：葉片直徑D、物料的特性尤其是磨琢性、工況。綜合考慮配麥器的工作狀態(tài)，對(duì)于D=200 mm、D=250 mm的螺旋體，其最高轉(zhuǎn)速限制在115 r/min以下。至此，即可計(jì)算出螺旋葉片的直徑D(具體數(shù)據(jù)保留，后同)。

2.3.2機(jī)身最小長度的確定

機(jī)身的長度越小，則螺旋體轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力越小，越省動(dòng)力。但是，進(jìn)口和出口的距離太近會(huì)造成物料穿過葉片的空隙自流到出料口，即使在停機(jī)狀態(tài)下這種情況也可能發(fā)生。因此，機(jī)身必須大于一定長度，才能保證其正常工作并在停機(jī)時(shí)能夠鎖住物料。這個(gè)長度值通過實(shí)驗(yàn)可以獲得。

3 控制方案

螺旋配麥器采用開環(huán)控制方式，過程如圖2所示。

為了方便用戶操作，整個(gè)控制系統(tǒng)必須能夠接收用戶輸入的流量數(shù)值，然后通過PLC運(yùn)算、變頻器變頻，將這個(gè)流量數(shù)值Q轉(zhuǎn)換為電機(jī)的轉(zhuǎn)速n，使配麥器的輸出量達(dá)到預(yù)期的流量。這樣就必須建立流量數(shù)值Q與電機(jī)轉(zhuǎn)速n之間的函數(shù)關(guān)系，即n=f(Q) 。要想獲得精確的數(shù)據(jù)，僅依靠簡(jiǎn)單的理論計(jì)算是不行的，必須通過實(shí)際的測(cè)試找到二者的關(guān)系。

測(cè)試的方法是：首先測(cè)出配麥器在不同頻率下的流量，畫出頻率與流量的關(guān)系曲線。根據(jù)這條曲線的規(guī)律，確定幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，用數(shù)學(xué)方法找出流量和頻率之間的關(guān)系，這個(gè)過程稱為“流量標(biāo)定”。

4 測(cè)試與結(jié)果分析

4.1螺旋配麥器轉(zhuǎn)速與流量之間的關(guān)系測(cè)試

將制作完成的螺旋配麥器，連接在試驗(yàn)臺(tái)的麥倉出料口。在電機(jī)的供電線路上接入變頻器，分別測(cè)試在變頻器不同的頻率輸出時(shí)配麥器的出料流量。

測(cè)試條件：電機(jī)功率0.75 kW，額定轉(zhuǎn)速1 390 r/min;減速比1∶15；小麥體積質(zhì)量760 kg/m3。

測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 不同頻率下配麥器的出料流量

為了更直觀和方便分析，將測(cè)試數(shù)值轉(zhuǎn)換成圖3。

圖3 不同頻率下配麥器的出料流量

由圖3可見，螺旋配麥器的流量與電機(jī)電源的頻率存在很好的線性關(guān)系。僅僅是在電源頻率小于5 Hz時(shí)，由于低頻時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率大、實(shí)際轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速，造成了配麥器的出料量偏低。所以這條曲線的左下端與直線有略微的偏差。但這個(gè)問題可以在編寫PLC計(jì)算程序時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償。

4.2實(shí)際控制精度的測(cè)試

將頻率與流量的測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，取關(guān)鍵點(diǎn)的數(shù)據(jù)輸入PLC控制器，然后進(jìn)行整機(jī)的精度測(cè)試。測(cè)試方法是：通過PLC一體機(jī)的操作面板向配麥器輸入指令流量，然后測(cè)出配麥器的實(shí)際出料流量，計(jì)算出二者之間的相對(duì)誤差，即為配麥器的控制精度。測(cè)試與計(jì)算結(jié)果見表2。

由表2可以看出，所測(cè)的螺旋配麥器流量控制精度為±2.8%。在小流量區(qū)間，精度最低；隨著流量的增大，精度迅速提高。這種現(xiàn)象應(yīng)該和電機(jī)在低頻率下的轉(zhuǎn)差率有關(guān)。而在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，如果配麥器不是經(jīng)常在最小流量下工作，則其控制精度會(huì)達(dá)到±1.35%。對(duì)于小麥加工工藝中配麥而言，螺旋配麥器的控制精度是完全滿足要求的，而且這樣的精度是穩(wěn)定的，不會(huì)隨時(shí)間的變化而下降。

表2 螺旋配麥器的精度測(cè)試

5 總結(jié)

螺旋配麥器的研制經(jīng)歷了近一年的時(shí)間，從方案設(shè)計(jì)、制造到試驗(yàn)、改進(jìn)、再試驗(yàn)，經(jīng)過了多次反復(fù)，最終研制成功。該設(shè)備目前已成功應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際中，并取得了良好的效果。生產(chǎn)實(shí)際證明，這是一種理想的配麥設(shè)備。其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在：

(1)螺旋配麥器為機(jī)電結(jié)合的設(shè)備，克服了原有配麥器的一些缺點(diǎn)，具有較高的控制精度，較高的穩(wěn)定性和耐用性，且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制。

(2)主要工作部分為旋轉(zhuǎn)的螺旋體和殼體，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操控容易，工作中不會(huì)出現(xiàn)堵、卡現(xiàn)象，工作可靠性高。

(3)機(jī)體的長度可根據(jù)使用要求制造成任意長度，因此方便了工藝設(shè)備的布置，有利于降低麥倉倉底高度，提高倉的容量。

[1] 毛廣卿，劉玉蘭，王志山，等. 糧食輸送機(jī)械與應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，2003.

[2] BOUMANS G.Grain handling and storage[M]. New York:ELSEVIER SCIENCE PUBLISHING COMPANY INC，1985.

[3] 袁 紐，粱之洵. 運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)選用手冊(cè)(下冊(cè))[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999:9-12.

(責(zé)任編輯：俞蘭苓)

Developmentandtestofscrewflowbalancer

MAO Guang-qing1，LUO Qiong2

(1.College of Food Science and Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou 450001,China; 2.National Engineering Laboratory of Wheat and Corn Deep Processing,Henan University of Technology,Zhengzhou 450001,China)

The flow control is an important step in wheat blending, and the wheat screw flow balancer is an essential equipment during wheat processing. The newly developed wheat screw flow balancer adopts a screw feed by PLC and inverter,which has the characteristics of accurate flow rate, stable performance and non-blocking. We introduced the technical scheme, basic structure, key parameters and control method of the newly developed wheat screw flow balancer, and summarized the test results and equipment characteristics.

screw flow balancer; flow controller; wheat processing

2017-09-25；

2017-10-30

毛廣卿(1961-)，男，教授，研究方向?yàn)樾←溂庸づc散料輸送技術(shù)。

10.7633/j.issn.1003-6202.2017.11.004

TS211.3

A

1003-6202(2017)11-0013-04