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        煙用濾棒成型機(jī)自動(dòng)循環(huán)投料裝置的研制*

        2020-07-23 09:07:18偉,陳
        機(jī)電工程技術(shù) 2020年6期
        關(guān)鍵詞:濾棒投料儲(chǔ)罐

        唐 偉,陳 昆

        (南通煙濾嘴有限責(zé)任公司,江蘇南通 226014)

        0 引言

        近年來(lái),卷煙市場(chǎng)新品層出不窮,能夠降低危害和新型特征風(fēng)味的卷煙深受消費(fèi)者喜愛。卷煙濾嘴中加入活性炭粉、咖啡粉、陳皮粉等風(fēng)味顆粒,能夠顯著降低卷煙危害,滿足不同消費(fèi)者群體差異化的卷煙消費(fèi)需求。

        煙濾嘴中如何高效、精準(zhǔn)地添加風(fēng)味型顆粒是濾棒生產(chǎn)企業(yè)設(shè)備升級(jí)改造的技術(shù)熱點(diǎn)和難點(diǎn)。當(dāng)前活性炭粉等外加顆粒型濾棒,顆粒添加方式更多采用人工投料方式。國(guó)內(nèi)諸多專家學(xué)者對(duì)自動(dòng)投料裝置開展了設(shè)計(jì)與研究,致力于取代人工投料方式,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、機(jī)械化投料。劉文婷等[1]設(shè)計(jì)了一種鼓風(fēng)爐投料氣控回路裝置,能夠保障投料人員操作安全并穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投料任務(wù);天工[2]研制了一種吸入式投料裝置,提高了顆粒物現(xiàn)場(chǎng)投料效率,投料效率比人工方式高60%;曹暉等[3]運(yùn)用模糊PID控制算法,設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)投料裝置控制方法,提高了投料裝置控制精度、穩(wěn)定性等問(wèn)題;胡俊等[4]設(shè)計(jì)了一種粉末物料自動(dòng)投料裝置,該裝置對(duì)錐形槽、振動(dòng)器選型、自動(dòng)切斷閥選型等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與選型,解決了粉末物料投料過(guò)程中密閉性和精確性的問(wèn)題;李躍鋒等[5]發(fā)明了一種卷煙加香加料系統(tǒng)改進(jìn)裝置,可以實(shí)現(xiàn)卷煙生產(chǎn)換料作業(yè)精準(zhǔn)性的問(wèn)題;林天勤等[6]發(fā)明了一種投料裝置,包括投料罐、過(guò)濾器、加料泵和噴嘴等零部件,該發(fā)明裝置有效解決了投料物進(jìn)入投料泵工作可靠性的問(wèn)題。

        本文設(shè)計(jì)一種濾棒成型機(jī)自動(dòng)循環(huán)投料裝置,運(yùn)用真空吸料原理,通過(guò)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、投料系統(tǒng)設(shè)計(jì),提高顆粒物在濾棒生產(chǎn)投料過(guò)程中的精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性;通過(guò)控制設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投料,旨在取代人工操作方式,實(shí)現(xiàn)更加高效、精準(zhǔn)、穩(wěn)定的投料方式。

        1 裝置運(yùn)行原理

        濾棒加料成型設(shè)備普遍采用人工投料方式,顆粒物通過(guò)料倉(cāng)和施加輥進(jìn)入醋酸纖維絲束,部分顆粒則進(jìn)入回收料筒。該種運(yùn)行方式效率較低,主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是人工投料方式效率低;二是回收料筒內(nèi)顆粒物無(wú)法自動(dòng)循環(huán)使用,造成呆滯。本文研發(fā)一種顆粒自動(dòng)循環(huán)投料裝置,能夠取代人工方式,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投料,同時(shí)實(shí)現(xiàn)顆粒物循環(huán)使用。

        自動(dòng)投料設(shè)計(jì)原理是通過(guò)顆粒儲(chǔ)罐內(nèi)正負(fù)壓切換,達(dá)到吸料和排料的目的。利用正壓氣體對(duì)過(guò)濾器自動(dòng)清洗,料倉(cāng)位達(dá)到限位高度,自動(dòng)關(guān)閉投料系統(tǒng),進(jìn)而完成自動(dòng)投料。循環(huán)投料設(shè)計(jì)原理是安裝循環(huán)料倉(cāng),物料經(jīng)落料口進(jìn)入循環(huán)料倉(cāng)內(nèi),在循環(huán)料倉(cāng)安裝料位傳感器,通過(guò)控制振動(dòng)盤,對(duì)顆粒物進(jìn)行轉(zhuǎn)移,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)顆粒物的循環(huán)使用。

        2 裝置設(shè)計(jì)

        2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        該裝置主要包括自動(dòng)投料系統(tǒng)和循環(huán)投料系統(tǒng)。通過(guò)真空泵、精密氣壓閥、控制閥、料位傳感器、PLC控制器等裝置實(shí)現(xiàn)顆粒的循環(huán)投放。自動(dòng)投料系統(tǒng)由顆粒儲(chǔ)罐、真空泵、過(guò)濾器、控制閥、精密氣壓閥等組成;循環(huán)投料系統(tǒng)由循環(huán)料倉(cāng)、振動(dòng)盤、加料管道、料位傳感器等組成。裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

        圖1 裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

        2.2 顆粒儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        2.2.1 容積設(shè)計(jì)

        加料濾棒生產(chǎn)時(shí),裝置中的顆粒處于不斷循環(huán)狀態(tài)。為保證裝置的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行,裝置的投料速度必須大于料倉(cāng)的落料速度,且能在一定時(shí)間內(nèi)將料倉(cāng)顆粒從低限位添加至高限位。因此,裝置的投料速度即為料倉(cāng)落料速度與料倉(cāng)傳感器檢測(cè)限位間的顆粒添加速度之和。

        顆粒儲(chǔ)罐的容積。經(jīng)測(cè)量,傳感器檢測(cè)限位間的料倉(cāng)容積為60 L,料倉(cāng)落料速度為0.1 L/s,裝置投料速度計(jì)算公式為:

        式中:v為裝置投料速度,L/s;t為儲(chǔ)罐單次吸—放料時(shí)間,s;n為投料次數(shù);V為儲(chǔ)罐容積,L。

        2.2.2 構(gòu)造設(shè)計(jì)

        儲(chǔ)罐構(gòu)造設(shè)計(jì)需對(duì)材料、制造成本、抗壓性能等方面進(jìn)行綜合考慮,參考GB150.1-2011《壓力容器》,選取圓筒殼與球殼兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較設(shè)計(jì)。其中,圓筒殼體壁厚計(jì)算公式為:

        式中:δ為計(jì)算厚度,mm;Pc為計(jì)算壓力,MPa;Di為圓筒或球殼內(nèi)直徑,mm;[σ]t為設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力,MPa;φ為焊接接頭系數(shù),φ=0.65。

        根據(jù)式(1)~(2),不同構(gòu)造下顆粒儲(chǔ)罐壁厚的數(shù)據(jù)如表1所示;材料厚度與材料應(yīng)力關(guān)系圖如圖2所示。

        2.3 檢測(cè)與控制設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)在顆粒儲(chǔ)罐、料倉(cāng)、循環(huán)料倉(cāng)中共計(jì)安裝7個(gè)料位傳感器,傳感器選用電容式接近開關(guān),適用于各類介電物質(zhì)。檢測(cè)距離為2~15 mm,重復(fù)精度小于5%(Sr),響應(yīng)時(shí)間小于1.5 ms,可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)3個(gè)倉(cāng)體中的料位變化,控制系統(tǒng)吸料和投料。

        表1 圓筒與球形結(jié)構(gòu)選用材料應(yīng)力數(shù)據(jù)表

        圖2 材料厚度與材料應(yīng)力關(guān)系圖

        加料濾棒生產(chǎn)時(shí),只需根據(jù)濾棒規(guī)格確定顆粒信息,調(diào)節(jié)精密氣壓閥的設(shè)定壓力,點(diǎn)擊啟動(dòng)按鍵,即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行。系統(tǒng)運(yùn)行后,對(duì)所有傳感器完成自檢,確定各倉(cāng)體中的料位狀態(tài),將信號(hào)反饋給PLC控制器,由PLC控制各部件啟動(dòng)與關(guān)閉。調(diào)控裝置存在兩個(gè)獨(dú)立模塊,一是自動(dòng)投料系統(tǒng),當(dāng)料位傳感器5未檢測(cè)到物料時(shí),說(shuō)明料倉(cāng)中料位已低于最低限位,此時(shí)系統(tǒng)報(bào)警,PLC控制成型設(shè)備停機(jī);當(dāng)料位傳感器3檢測(cè)到物料時(shí),說(shuō)明料倉(cāng)中料位處于高位,無(wú)需進(jìn)行投料,則PLC控制投料系統(tǒng)停止投料;當(dāng)料位低于料位傳感器4時(shí),說(shuō)明料倉(cāng)中料位已低于料倉(cāng)容積的2/5,需要進(jìn)行投料,此時(shí)真空泵啟動(dòng),精密氣壓閥打開至設(shè)定開度,控制閥和氣壓閥關(guān)閉,開始向顆粒儲(chǔ)罐中吸料,直至料位傳感器1檢測(cè)到物料,然后對(duì)上述零部件反向操作,利用正壓空氣迅速將物料投放進(jìn)料倉(cāng)中,此過(guò)程循環(huán)往復(fù),直至料位傳感器3檢測(cè)到物料后停止投料。二是循環(huán)投料系統(tǒng),當(dāng)料位傳感器6和7都未檢測(cè)到物料時(shí),說(shuō)明循環(huán)料倉(cāng)中的料位已降至低位,此時(shí)系統(tǒng)提示需向循環(huán)料倉(cāng)中投料,若5 min內(nèi)未進(jìn)行人工投料,則PLC控制成型設(shè)備停機(jī);當(dāng)料位傳感器6未檢測(cè)到物料,而料位傳感器7檢測(cè)到物料時(shí),說(shuō)明循環(huán)料倉(cāng)中的料位因生產(chǎn)落料出現(xiàn)傾斜,此時(shí)PLC控制振動(dòng)盤啟動(dòng),利用箱體振動(dòng)使倉(cāng)體內(nèi)的料位平衡,直至料位傳感器6檢測(cè)到物料后關(guān)閉振動(dòng)盤,此過(guò)程循環(huán)往復(fù),從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的循環(huán)投料。料位檢測(cè)與控制系統(tǒng)運(yùn)行原理圖如圖3所示。

        3 可靠性驗(yàn)證

        對(duì)研制的自動(dòng)循環(huán)投料裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,判斷其運(yùn)行的可靠性。為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性,任選3種規(guī)格加料濾棒進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)改變顆粒種類,觀測(cè)在不同真空壓力、顆粒種類條件下,每班次人工投料情況、循環(huán)投料下顆粒目數(shù)的穩(wěn)定性,以及濾棒中顆粒目數(shù)的穩(wěn)定性。每組實(shí)驗(yàn)測(cè)試多組,然后求取平均值進(jìn)行分析,具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2~3所示。

        由表可以看出,啟動(dòng)裝置后,平均每班次人工投料次數(shù)為4次、耗時(shí)500 s、人工投料質(zhì)量為220 kg左右,對(duì)比關(guān)閉裝置后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),各項(xiàng)指標(biāo)均低于50%,極大減少了操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度。循環(huán)投料下,顆粒樣品粒度各項(xiàng)指標(biāo)與濾棒中無(wú)明顯差異。自動(dòng)循環(huán)投料裝置的可靠性滿足設(shè)計(jì)要求,且能適用于多種顆粒物料的自動(dòng)投放。

        圖3 料位檢測(cè)與控制系統(tǒng)運(yùn)行原理圖

        表2 不同規(guī)格濾棒下啟停裝置的人工投料實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        表3 取樣樣品粒度分布檢測(cè)值

        4 結(jié)束語(yǔ)

        (1)自動(dòng)循環(huán)投料裝置基于真空系統(tǒng)與大氣壓力差的原理,采用真空吸料和物料循環(huán)使用方式,既減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,又適用于多種顆粒的自動(dòng)投料,保證生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)進(jìn)行,提高了生產(chǎn)效率。

        (2)投料裝置操作簡(jiǎn)單,內(nèi)部安裝多個(gè)傳感器與氣動(dòng)控制閥,設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控料位,操作人員設(shè)定生產(chǎn)濾棒規(guī)格后只需點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕,系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行且精準(zhǔn)控制物料的輸送與投放。

        (3)物料的輸送與投放均在密閉環(huán)境中進(jìn)行,該種輸送方式既杜絕了粉塵對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的污染,同時(shí)減少了環(huán)境和人員對(duì)物料的污染,提高了運(yùn)行環(huán)境的潔凈度。

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