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螺旋秤应用中存在的问题及处理

2015-04-17

摘要:螺旋秤是一种应用较为广泛的粉、粒状物料连续给料计量设备。由于多方面的原因,当今许多螺旋秤运行不够稳定可靠、计量控制精度较低。笔者根据长期研发、应用技术实践,比较全面系统的对螺旋秤的发展,技术特点和应用中的问题做以深入概要的介绍。希望对螺旋秤的设计制造和生产应用提供参考,希望和同行交流商讨。

螺旋秤(又称螺旋称重给料机等),是在管螺旋给料机的基础上,采用恒速定量给料秤的工作原理,集给料输送、称重计量和定量给料控制功能为一体,机电一体化连续动态给料计量设备。螺旋秤的设备结构简单、制造容易、价格便宜,设备高度小、便于安装布置,料流系统完全密闭,没有扬尘跑料污染问题,对环境和物料适应性较强、工作可靠、操作维护简单方便。广泛地应用于建材、冶金、化工、电力和轻工等工业生产部门。

尤其在粉煤灰、窑灰、矿粉、物料添加剂和磷肥等非黏滞性粉粒体物料计量和配料控制方面有较广泛地应用。但是,由于螺旋秤的结构和特殊的工作机理,做好选好和用好并非容易。尤其在要求精度和稳定性较高的使用场合,更需十分注意。本文通过对螺旋秤的发展,工作原理、结构特点和关键技术全面概要介绍,希望对螺旋秤的设计、选用和使用提供有益的参考。

1 发展概况

早在上个世纪70年代,山西某磷肥厂和湛江某化工厂等单位,基于生产实际的需求开始研发和试用螺旋秤。1973年山西某磷肥厂设计人员就与笔者商讨以管螺旋给料机为基础,采用悬臂式恒速定量给料秤的工作原理,开发设计螺旋秤的技术问题。但在建材行业直到80年代,中国建材研究院才实际起步研发螺旋秤,于1984年9月在建材行业首先通过技术鉴定,并用在浙江某水泥厂的煤粉计量系统。

随之许多计量设备制造厂家相继设计和生产了螺旋秤,并逐步推广应用。但是,直到90年代末,设计和生产使用的螺旋秤,基本都属于秤体重量自相平衡结构的“短螺旋秤”。计量螺旋的进出料口间距(以下通称螺旋长度)一般只有1.1m左右。给料螺旋有的稍长一些,但总体都很短。螺旋叶径主要有ф250mm和ф300mm等少量几种,螺旋间隙较大。

称重传感器多采用下压安装方式。称重控制器在七、八十年代多采用电动单元仪表组合或以分立元件为主的单机控制仪表,90年代以后开始采用以初级单片机或PC机为核心的称重显示控制器。

其采样速度较低、数量较少,功能不强、操作调整较为麻烦。在生产使用中,常常零点波动较大、计量精度较低、稳定可靠性较差,更主要由于螺旋过短,使之瞬时采样量过少,料流稳定性差,信号波动变化较大。尤其当物料流动性很好和仓压波动变化较大时,容易发生冲跑料自流,破坏生产正常运行。

在生产运行时,螺旋管振荡冲击较大,经常造成称重传感器损坏,使螺旋秤的推广应用受到很大限制。到上个世纪90年代末期,尤其在21世纪以后,针对短螺旋秤在使用中的问题,纷纷开发设计螺旋秤体重量非自相平衡的“长螺旋秤”。

一般螺旋长度是螺旋叶径的8~12倍,大多都取10倍左右。从而对料流可以有效控制,大大的减少冲料跑料自流问题,负荷测量采样量增大。测量的准确性和稳定性明显提高。

随着微电子技术快速发展,电子元件功能和质量的提高,高性能CPU和PLC模块广泛使用,新一代高功能高可靠性称重控制器不断问世,部分技术先进的设备制造厂商对给料螺旋和计量螺旋进行优化设计,以“量身定做”的方式,根据具体物料的流量、物料性质、使用要求选择设计螺旋规格、长度和结构。

如采用防堵变距螺旋、防冲料阻流螺旋、锁风溢流螺旋、稳流双叶螺旋等有针对性的结构。以减少堵料、卡料和冲跑料自流等不稳定问题。使螺旋秤的稳定可靠性和计控精度有显著提高,为螺旋秤广泛的应用提供了良好基础。

2 系统组成和工作原理

螺旋秤主要由预给料的给料螺旋(也可以采用叶轮给料机等预给料设备)、称重螺旋(或称计量螺旋)、称重传感器、称重控制器、变频调速器和电气控制柜等部分组成。给料螺旋是系统被控制的执行机构,通过变频调速器调节螺旋转数来调节控制给料量,使计量螺旋达到系统设定的瞬时流量。计量螺旋恒速运行,通过测重点的称重传感器测量螺旋管内瞬时物料负荷,并把物料重力转化成比例的电信号输入控制器,控制器通过信号处理、运算、流量显示和根据设定参数进行自动调节控制物料流量。

所以,螺旋秤的瞬时流量Qt为:

 

式中:K——修正系数(通称称重系数)由系统调试时确定的常数;

qt——计量螺旋的瞬时物料线负荷,kg/m;

vt ——计量螺旋内瞬时料流线速度,m/s。

由于螺旋内实际料流速度无法直接测量,只能以螺旋转速n来代表,但螺旋转速n与料流线速度V往往不能保持恒定线性关系,为了保障料流速度与螺旋转速关系基本稳定,计量螺旋转速必须恒定不变,(这是计量螺旋采用恒速运行的基本原因)从而以n代表V值。即;V(n)也为常数。所以,称重传感器测量的物料负荷信号即可代表螺旋秤的瞬时流量。即:

式中K0为综合修正系数或称综合称重系数。从而,t0到t1时间中螺旋秤的累计流量即为:

计量螺旋的瞬时流量测量值Qt输入称重控制器,经过与生产要求的设定流量值的比较运算。控制器根据运算的偏差大小和方向,通过变频调速器自动调节给料螺旋的转速,从而改变给料速率,并使之趋近和达到设定流量目标值,实现定量给料控制。

3 螺旋秤的分类及其特点

螺旋秤的分类和方法尚没见到国内外标准和资料介绍。笔者认为螺旋秤的电气控制设备,与定量给料(机)秤等连续给料计量设备基本类似和通用,螺旋秤的特点主要表现在秤体结构方面。所以,主要根据螺旋秤体的结构形式、支承安装方式分类。前文曾把螺旋秤分为”短螺旋秤”和“长螺旋秤”,由于短螺旋秤现在已较少选用。所以,以下主要针对长螺旋秤的分类说明。

3.1 悬浮吊挂支承和支座支承方式

计量螺旋秤的支承安装方式主要分为:悬浮吊挂方式(如图1)和支座支承安装方式(如图2)两种。

悬浮吊挂安装秤体又可分为两种:一种是在三条绕性吊件中均设称重传感器,即其前端(出料端)设一只称重传感器,后端(进料端)设两只称重传感器,(如图1) 。螺旋秤体整体吊挂称重,故称“全荷式螺旋秤”。另一种是后端两吊件中不设称重传感器,只在前端吊件中设一只称重传感器,称“悬臂式吊装螺旋秤”(如图2b)。

为了保障螺旋秤体位置稳定,后端两条挠性吊件需与铅直方向呈6°~10°角向外倾斜安装。如果吊件中不设称重传感器时,吊件与铅直方向向外倾斜呈15O角左右更好,以使螺旋秤体位置更加稳定。

悬吊安装螺旋秤,结构简单,安装方便,应用较多。但由于螺旋秤体的左右、前后方向处于自由浮动状态。所以,对震动很敏感,要求承重吊挂点基础十分稳固、基点和周边无明显震动,必要时需在吊挂基点设置减震措施,秤体前后左右方向严禁外力干扰。

目前全荷式螺旋秤吊挂点的位置常常不够讲究,称重系统皮重较大,物料负荷信号较小,影响称重灵敏度。进料口中料柱负荷波动变化和进料冲击对计量精度有明显影响,设计选用时应足够重视。悬臂式吊挂螺旋秤后端两挂点设计在进料口中心两侧,吊件上不设称重传感器,只做为螺旋秤体的支撑点。从而平衡掉部分皮重,进料口中料柱负荷变化和进料冲击完全由支撑点承受,对计量精度基本没有影响。

由于后端两吊挂件向外倾斜角度较大,有利于螺旋秤体位置稳定。前端称重吊挂点设在负荷最大的黄金测量点上,只设一只称重传感器,有利于负荷信号更大,灵敏度较高,称重测量稳定可靠性更高。所以,悬臂式吊挂螺旋秤有更多的优越性。

支座支承螺旋秤,如图2a图所示。有轴承(包括轴耳)支承和簧片支承两种。支座支承螺旋秤体位置稳固、抗震稳定性好,对环境适应性强,前端只设一只称重传感器,在负荷测量方面,具有前文悬臂式吊挂螺旋秤的全部优点。

但设备结构和安装相对复杂,价格提高。簧片支承结构简单,不怕粉尘、抗震和减震性好,灵敏度高,长期稳定性好,不需维护,尤其X结构簧片,两片承载均衡,对进料口中料柱负荷变化和进料冲击更不敏感,长期稳定可靠性高。但对簧片的材质和加工质量要求较高,否则可能产生负面作用。总之,支座支承的螺旋秤应属优选的结构方式。

3.2 称重传感器的安装方式

短螺旋秤和许多支座支承螺旋秤多采用直压安装称重传感器。由于螺旋秤体较重,惯性矩较大,工作时容易发生振颤。所以,直压安装容易造成称重传感器压头承受过大的冲击振动和碾压摩擦损坏。压力作用线也容易偏心,使负荷测量产生水平分力,从而影响测量精度。而拉式安装称重传感器,始终保证重力作用线通过称重传感器受力中心,不会产生水平分力,更不会发生振动摩擦损坏称重传感器。所以,吊挂安装和笔者设计的支座支承螺旋秤均采用拉式安装称重传感器。如果基础和环境有明显震动,建议在吊挂件基点设置减震块克服震动影响。

4 影响计量精度的主要原因和解决对策

螺旋秤是一种连续给料计量控制的动态计量设备,影响计量精度的基本因素有负荷测量误差、速度(位移)影响误差、环境影响误差、信号处理传输误差和试验操作误差。其中影响最大、最不稳定的是负荷测量、速度和环境影响误差。以下主要对这三方面误差产生的原因和解决对策概要介绍。

4.1 负荷测量误差

根据螺旋秤的工作原理,称重传感器测量的瞬时负荷信号即代表螺旋秤的瞬时流量。可见,负荷测量精度是影响螺旋秤计量精度的关键因素之一。螺旋秤的皮重较大,瞬时负荷采样量较小,及特殊的工作原理和结构,情况较为复杂,影响负荷测量的因素较多。深入具体的了解原因,采用科学合理的对策是保障良好测量精度的必要措施。

(1)螺旋秤间隙和黏附物料的影响。螺旋管内径较小,相对长度较大,因此螺旋管内壁一般均不加工。另一方面,螺旋轴叶在焊接过程容易发生变形。所以,螺旋间隙普遍较大。从而在生产运行时造成螺旋管内壁黏附不动和缓动的料层和窜料回流。黏附的料层厚度和窜料程度,随着表面粗糙度,间隙大小和物料的水分、黏度、流动特性不同而随机变化。造成螺旋秤的皮重零点发生变化,从而影响螺旋秤计量精度。如德国布拉本德(Brabender Technologie)公司介绍:对于螺旋叶径为250mm的螺旋秤,当螺旋间隙达到4mm时,造成的测量不确定度会超过6%。

其次,螺旋秤经过一段时间运行后,由于螺旋轴叶表面较为粗糙,也容易黏附物料。黏附程度随着物料的水分、黏附性和运行状态不同而变化,导致螺旋秤零点波动变化。从而影响螺旋秤的计量精度和稳定性。对于小流量的螺旋秤影响尤为明显。因此,螺旋秤体的设计加工尽力精细,力求尽量小的螺旋间隙,尽量保持物料性质和运行状态的稳定。尤其重要的是经常进行标定和校正,这是在要求使用精度较高的场合必要和有效措施。

(2)进料口中料柱负荷变化、下料冲击和偏析的影响。当下料状态和流量波动变化时,进料口中料柱负荷随之变化、下料冲击和偏析均使螺旋秤承受附加载荷,从而可能导致螺旋秤零点波动变化。对于全荷式螺旋秤这种影响更不能忽视的。但对于悬臂支承结构螺旋秤由于后端不设置称重传感器,进料口料柱负荷和下料冲击基本由支点承受。所以,对计量精度基本没有影响。在计量螺旋的进料口纵向尺寸较大时,容易产生进料负荷偏载,即进料口中心线两侧进料量的负荷不等。造成零点波动。但是,在采用不过大的圆形进料口时,基本不存在偏析影响。

(3)计量螺旋秤体上积灰、积料的影响。螺旋秤是基于恒速定量给料秤工作原理设计的。不论全荷结构或悬臂结构,整个螺旋秤体都是称重测量区域。秤体上任何部位重量变化都会导致皮重和零点变化,影响计量精度。所以,系统一经调整好,秤体任何部位都不得积灰、积料和重量变化。生产使用过程必须精细维护,每班都要及时清除秤体上的积灰、积料和检查软连接状态,如果减速机加油等造成秤体重量变化,必须重新进行系统标定和零点调整。

(4)软连接状态影响。由于整个计量螺旋秤体都是称重测量区域。所以,计量螺旋进出料口必须与上下设备的出进料口保持良好的软连接状态。保障秤体自由不受附加外力干扰状态。

但是,看似简单的问题,国内大多数螺旋秤往往没有很好解决。大多数螺旋秤与上下设备进出料口尺寸相等,采用帆布等柔性材料简单包扎,软接头很短(多为100mm左右或更短),上下连接过紧。尤其在工作一段时间后,由于物料在帆布软接头上黏附、潮结、堆积、使软接头逐渐膨胀变短、拉紧、硬化,失去软连接的作用,秤体失去上下自由度,也就失去称重测量功能。

这已成为长期困扰螺旋秤正常计量控制的难题。为此,笔者参考德国相关设备技术,设计了带套的新型结构软接头(国家专利技术)。软接头的内套减少了物料与软接头帆布的接触,黏附、堆积,包扎简单密封可靠,长度在150mm左右(出料口软接头可更长些),实践证明能长期保持良好软连接状态,克服了软连接失效问题。

4.2 速度影响误差

(1)由于计量螺旋中的物料流速无法直接测量,只能以螺旋(或拖动电动机)的转速代表。且为了保障螺旋转速与物料流速保持稳定的同步关系,计量螺旋采用恒速运行。但在实际生产运行时,物料是按着螺旋付传动原理运行,靠摩擦作用按螺旋形轨迹向前运动,物料既有纵向速度也有横向速度。又由于螺旋间隙的存在,料流中会产生静止不动料层和窜料回流。

虽然,螺旋转速与物流速度同步运行,但有时没有恒定的线性关系。即物料流速不仅仅取决螺旋转速,还与物料粒度、水分、黏附性、流动状态和物料的填充系数、仓压大小、给料状态等因素密切相关。当供给料和物料性质发生变化时就会产生速度变化误差,从而产生计量误差。这是螺旋秤的基本特性和“先天不足”,只有保持工况稳定来克服。

(2)计量螺旋虽然设定为恒速运行。但是,由于物料负荷、电网频率和电压等条件波动变化,螺旋转速随之发生变化,不能保持恒定。如;电网频率发生1HZ变化,螺旋转速就产生2%的变化,物料流速随之变化,便产生明显的计量误差。在使用精度要求较高的生产场合,自然不能忽略。

为此,有些设备生产厂家在系统中设置测速机构,进行速度补偿。但是,增设螺旋转速测量,虽然可能有助于改善计量精度。可是,由于螺旋转速与料流速度往往没有稳定的线性关系,对计量精度提高往往作用不大。笔者认为设置变频调速器控制,螺旋转速保持高度恒定,使物料流速稳定,对于保障计量精度有更好的作用。

(3)在螺旋秤料流负荷发生变化时,物料填充系数随之发生变化。从而导致物料运行阻力和窜料情况变化,造成综合料流速度变化,促使螺旋秤产生线性误差。试验证明有时线性误差可达20%以上。可见,螺旋秤在流量基本不变的状态下运行,可以达到更好的计量精度。因此,系统标定调整时,测量点应选在实际使用量程范围。如果实际使用量程变化较大,应采用具有线性校正功能的称重控制器,并对各使用量程分别进行标定和参数调整,以克服线性误差。本公司已设计了具有线性校正功能的称重控制器。但目前国内外具有线性校正功能的称重控制器尚少,需注意选择。

4.3 环境影响误差

环境影响系指计量设备的周边环境和配套工艺设备对螺旋秤计量精度产生的影响。如:设备现场的温度及温度变化、相对湿度、电源电压和频率、电磁场强度和供给料、卸出料工况状态等等。其中影响较大,经常发生的是上级供料料仓的卸料状态、螺旋秤卸出料处的气压环境和周边电磁场强度影响。以下主要就这三个方面作以介绍说明。

(1)料仓卸料状态的影响。螺旋秤一般多由中间仓直接供料。料仓保持连续、平稳和可控制的卸料是螺旋秤稳定正常运行和保持良好计量精度的基础和关键条件之一。但在料仓设计和选用时,其卸料状态对计量精度影响往往不被重视。生产实践证明由于料仓卡堵料、冲跑料造成螺旋秤不能稳定正常运行、计量精度不能保证的情况屡见不鲜。尤其在设有气体助流和粉煤灰、窑灰等流动性极好的粉体物料计量控制系统更为常见。

所以,粉体料仓应尽量不采用气体助流方式卸料,而靠物料自重自然卸料。如果必须采用气体助流方式卸料,必须做好下游排气、气料分流疏导措施。料仓的设计和控制,对其卸料状态起决定性作用,必须充分重视。但其超出了本文内容,必要时请参阅笔者撰写的“粉体料仓的卸料问题”(见《水泥》2014,N03)一文和相关资料。

(2)螺旋秤卸料口气压的影响。螺旋秤卸料口处最好为微负压环境,以利于顺畅卸料。如果有较大正压气流时,螺旋管内会产生反风和堵料现象。从而破坏螺旋秤正常运行和计量精度,必须及时解决。

(3)周边电磁场的影响。螺旋秤的电气仪表设备,必须远离和避免强电磁场影响。尤其有些使用现场采用大功率变频器和电力设备较多,布置密集容易对螺旋秤信号线路和仪表产生干扰。在现场工艺布置设计时应足够重视,力求远离强电磁场,并严格按使用说明书要求,做好科学布线、走线和屏蔽、接地。如果发现干扰现象应及时查找原因和处理。

5 螺旋秤的优化设计

从前文可见影响螺旋秤稳定正常运行和计量精度的因素较多,也是当今许多运行中的螺旋秤不稳定计量精度较低的基本原因。但实践证明只要科学选型、正确安装和精心的维护可以实现在较高计量精度状态下稳定正常运行,可以满足绝大多数用户的使用要求。首先,正确的选用和优化设计是用好螺旋秤的技术基础。从笔者设计的LGC型螺旋秤的特点,可以对螺旋秤的优化设计获得借鉴和参考。

LGC型螺旋秤的主要特点

LGC型螺旋秤,是在充分吸收国内外先进技术成果基础上,融合长期研发应用实践经验,针对普通螺旋秤的缺点和不足,创新设计开发的持有国家专利技术的新一代产品。除了具有普通螺旋秤的优点外,还有以下特点:

(1)规格齐全系列化。螺旋直径从ф80mm到ф500mm十几种规格,给料能力从0.5m3/h到220m3/h,是国内规格最全的厂家之一。订货时与用户密切沟通配合。螺旋结构和长度需要根据实际物料性质和工艺条件“量身定做”,才能充分满足用户的需求。不但要为用户提供先进实用的产品,还要由资深专家提供系统优化方案,为选好用好技术设备提供支持。

(2)给料螺旋根据实际物料性质、流动状态选用与之相适应的变距螺旋、阻流螺旋、溢流螺旋或双螺旋结构以及螺旋长度。从而保障料流通畅和更平稳。根据进料口长度采用通用螺旋或变径螺旋新技术,确保料仓卸料均衡稳定不偏析。

(3)给料螺旋设有较大的矩形进料口和圆形出料口,计量螺旋进出料口都为圆形,从而有利于进料更顺畅,安装连接更简单方便可靠,有利于设备布置自由方便。根据使用要求设置沉降室和排风口,减少杂物卡堵,方便事故处理、维护和消除正压反风影响。

(4)独创设计的X簧片支承结构(国家专利技术)确保计量螺旋位置稳固,不会产生纵向和横向浮动。抗震稳定性好、测力灵敏度高、无磨损,不受粉尘影响,长期稳定可靠。支撑点通过进料口中线,显著减少皮重影响,有效的克服进料冲击、料柱负荷波动和进料偏析等影响。有利于零点稳定,明显优于悬挂和轴承支撑安装方式。

(5)采用单只高精度拉力传感器,设置在黄金测力点测重。测量灵敏度高、负荷信号大,重力作用线通过敏感元件中心,避免水平力影响,避免压头受冲击振打、摩擦损坏,而且系统简单,便于维护可靠性高。

(6)独创设计的软连接结构(国家专利技术),彻底解决了软接头在使用中积料、变粗、变短和硬化失效的老大难问题,解决了软接头在长期使用中失灵使计量精度变坏的问题。而且新型软连接结构简单、密封效果好,安装简便、长期可靠、便于维护。

(7)由于螺旋秤的结构和工作方式,固有的非线性误差较大(可达20%以上),因此本公司独家设计的线性校正软件,解决了螺旋秤线性精度差的问题,优于国内外同类产品,而且操作简单,不增加设备成本。

(8)采用进口原装名牌变频调速器和知名品牌电子元件组装的电气控制柜,稳定可靠性高,操作维护简单方便。

(9)高精度、高稳定可靠智能化HL-820称重控制器,采用双CPU高速采样实时控制,模块化结构,采用SMT工艺、全光电隔离和多重抗干扰技术,功能强大,抗干扰性强,适应性广。可简便的与上位机、DCS和PLC系统兼容通讯。可适应复杂控制系统。曾受国内外知名专家赞誉和用户好评,是替代进口控制器的理想产品,而且价格低廉,服务及时周到。

6 值得注意的几个问题

(1)螺旋秤的选用不仅确定规格长度和工作参数,尚需根据实际物料确定螺旋结构形式。所以,用户与设备供应商需深入具体交流工艺流程、卸料和物料流动状态等工艺情况。以“量身定做”的方式确定采用变距螺旋、阻流螺旋、双螺旋、溢流螺旋或变径螺旋等结构形式,根据工况状态设置沉降室、排气口等,不再千篇一律的采用一种结构形式。

(2)科学合理的确定螺旋长度。为了保障预给料稳定,给料螺旋可适当长些。但给料和计量螺旋的进出料口间距均应是螺旋直径的8~12倍左右。过长可能导致螺旋间隙加大,皮重增加,运行质量差,甚至需加装吊轴承,使故障率增加,可靠性变差。但过短不利于料流稳定控制,影响采样和精度稳定。

(3)料仓的连续、平稳、可控的卸料是螺旋秤稳定正常运行的基础。必须保证料仓不起拱堵料塌仓、不冲跑料自流。尽量避免采用气体助流卸料。如果采用气体助流卸料,必须做好排气、气料分离、料流控制措施。

(4)由于整个螺旋秤体都是称重部分,任何部分的重量变化和积灰积料都会对计量精度产生明显影响。所以,必须精细维护保持清洁,保持原始状态。对要求计量精度较高的使用场合,经常定期标定校正是必要和有效措施。所以,最好设置在线标定仓式秤。