粉體螺旋進料變量噴霧施膠系統(tǒng)設(shè)計與試驗

侯曉鵬 陳申召 劉志軍2 邸賀安

(1.河北農(nóng)業(yè)大學林學院，河北 保定 071000；2.河北農(nóng)業(yè)大學木材加工機電一體化實驗室，河北 保定 071000；3.中國林科院林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091；4.河北依麗蘭家具有限公司，河北 雄安新區(qū) 071600)

模壓是制品生產(chǎn)的重要方法[1-2]，在其生產(chǎn)過程中，精確施膠至關(guān)重要，施膠量和施膠均勻性影響制品的物理和力學性能[3-5]。陳立軍等[6]結(jié)合某人造板廠實際問題，研究實現(xiàn)了并行在線式調(diào)施膠控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了邊調(diào)膠邊施膠生產(chǎn)工藝。國家林業(yè)和草原局北京林業(yè)機械研究所王雙永等[7-8]就物料高壓無氣施膠技術(shù)和方法做了系統(tǒng)研究，探究膠黏劑液相壓力、噴嘴出口形狀、嘴芯出口直徑等參數(shù)對高壓無氣施膠霧化效果的影響，并仿真分析了高壓無氣噴嘴內(nèi)部壓力場和速度場的分布規(guī)律，找出了該噴嘴的最佳霧化狀態(tài)。

在實際生產(chǎn)中，受環(huán)境因素如工業(yè)用電波動、物料喂入量等因素影響，施膠量是一個變化值，如何控制施膠量隨外界因素變化而變化就需要建立精確的數(shù)學模型[9-10]。一般而言，噴嘴噴霧壓力對施膠流量的影響更為直接，因此建立噴霧壓力與施膠流量的關(guān)系模型是實現(xiàn)變量施膠的可行方法。與人造板工業(yè)的精確施膠要求類似，在農(nóng)業(yè)和植保作業(yè)中也要求精確施藥，其方法對人造板行業(yè)而言同樣值得借鑒。為減少植保作業(yè)中藥液使用量，浙江大學蔣煥煜等[11]基于多傳感器信息融合理論，構(gòu)建了一套PWM變量噴霧實驗平臺，建立了PWM噴霧流量模型，但該模型未考慮外界干擾因素如作業(yè)對象體量變化的影響。因此，構(gòu)建考慮物料喂入量等干擾因素的施膠量精確控制模型成為促進粉料模壓生產(chǎn)的關(guān)鍵。

本文基于脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)，設(shè)計一套粉體螺旋進料變量噴霧施膠系統(tǒng)，并建立可采集測量噴頭噴霧壓力、粉體進料螺旋電機轉(zhuǎn)速的PWM變量噴霧施膠試驗平臺。通過進料螺旋電機轉(zhuǎn)速計算粉體進料量，根據(jù)進料量和氣流壓力調(diào)節(jié)PWM信號占空比，通過高速電磁閥控制氣流輸出，最終控制施膠量。為粉料施膠/干燥連續(xù)試驗平臺的搭建奠定基礎(chǔ)。

1 粉體螺旋進料變量噴霧施膠系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成

粉體螺旋進料變量噴霧施膠系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

試驗平臺由螺旋進料單元、氣體供壓單元、流量調(diào)節(jié)單元、信號采集單元和PWM控制單元構(gòu)成。其中螺旋進料單元選用WLS-50螺旋進料器，采用變頻調(diào)速，變頻器型號為Goodrive10—三相380VGD10-0R7G-4-B，經(jīng)MODBUS RTU協(xié)議與ST40PLC通信。氣體供壓單元包括空壓機和氣源調(diào)節(jié)裝置，壓縮空氣經(jīng)氣動三聯(lián)件到單向節(jié)流閥，而后經(jīng)高速電磁閥(ZCB型)到達噴頭，促使膠罐中的膠噴出，其中三聯(lián)件中的減壓閥用于調(diào)節(jié)氣流壓力，單向節(jié)流閥用于調(diào)節(jié)氣體流量。在單向節(jié)流閥的出口處安裝壓力傳感器(WMB-HS/XS帶顯示壓力變送器)，24 V供電，4～20 mA輸出。ST40PLC的PWM信號經(jīng)中間繼電器后發(fā)送給高速電磁閥，以此控制氣流輸出。根據(jù)圖1，通過硬件選型和安裝調(diào)試，設(shè)計的螺旋進料變量噴霧施膠系統(tǒng)物理樣機如圖2所示。

圖1 螺旋進料變量噴霧施膠系統(tǒng)總體框架1.電機；2.減速器；3.攪拌器料斗；4.螺旋進料管道；5.膠罐；6.噴頭；7.高速電磁閥；8.壓力傳感器；9.單向節(jié)流閥；10.氣動三聯(lián)件；11.氣源調(diào)節(jié)裝置；12.空壓機

圖2 螺旋進料變量噴霧施膠系統(tǒng)物理樣機1.空氣壓縮機；2.螺旋進料管道；3.噴槍；4.進料器；5.螺旋進料電機；6.進料器控制箱；7.氣動元件；8.按鈕；9.觸摸屏；10.PLC；11.計算機

1.2 PWM輸出和HMI 組態(tài)

使用Q0.1作為脈沖輸出點，脈寬根據(jù)所需要的控制要求變化。觸摸屏選擇SMARTLINE 700 IE，組態(tài)后的界面如圖3所示。

圖3 HMI組態(tài)界面

HMI主要劃分為四個功能區(qū)域，分別是工藝參數(shù)設(shè)定區(qū)域、螺旋進料電機控制、PWM信號及噴膠控制、結(jié)構(gòu)示意圖及命令。參數(shù)設(shè)定后，依次按電機命令按鈕“START”、“設(shè)定電機頻率”和“讀轉(zhuǎn)速”，啟動程序，點擊“STOP”停止試驗。HMI命令按鈕的組態(tài)與控制柜操作面板上的手動按鈕相對應(yīng)。

2 試驗與分析

2.1 螺旋進料試驗

2.1.1 試驗材料與設(shè)備

竹粉，含水率7.3%，80目，堆積密度0.35 t/m3；PWM變量噴霧控制試驗臺；電子天平，0.01 g。

2.1.2 試驗方法與結(jié)果

將竹粉倒入螺旋進料器內(nèi)且占進料器總?cè)莘e的1/2；設(shè)定電機頻率分別為10 Hz、15 Hz、20 Hz、25 Hz、30 Hz、35 Hz、40 Hz；啟動電機，待竹粉從螺旋進料器穩(wěn)定出料后開始計時1 min，同時讀取電機同步轉(zhuǎn)速；出料過程中，通過攪拌棒在料斗內(nèi)攪拌以免竹粉架空而影響出料均勻性；將1 min的出料量進行稱量，且三次測定取平均值。每次測定出料量后，需再次將料斗內(nèi)竹粉添加到1/2容積以保證每次試驗的物料壓力一樣。試驗結(jié)果見表1。

三相異步電機的同步轉(zhuǎn)速與頻率關(guān)系：

(1)

式中：p為極對數(shù)；f為頻率(Hz)；n0為同步轉(zhuǎn)速(r/min)。

表1實際螺旋進料量

序號設(shè)定頻率/Hz讀取的同步轉(zhuǎn)速/r·min-1實際進料量/g·min-111030077.04215450118.48320600154.78425750197.41530900234.836351 050289.437401 200330.63

所用螺旋進料電機型號為YVF2-71M2-4，極對數(shù)p為2。式(1)和表1數(shù)據(jù)表明，通過MODBUS RTU讀取的電機同步轉(zhuǎn)速與理論計算值一致，表明變頻調(diào)速的可靠性。

根據(jù)中華人民共和國機械行業(yè)標準，螺旋進料量為：

Im=47·106·ρ·φ·D2·S·n

(2)

式中：Im為進料量(g/min)；ρ為堆積密度(t/m3)；φ為充填系數(shù)；D為螺旋輸送機公稱直徑(m)；S為螺距(m)；n為螺旋軸轉(zhuǎn)速(r/min)。然而，國標的推薦值中螺旋輸送機的公稱直徑D≥100 mm，且填充系數(shù)和物料堆積密度的差異導致公式(2)的計算存在一定的偏差。為此，對表1中數(shù)據(jù)進行擬合，以建立設(shè)定頻率與實際進料量的數(shù)學模型，如圖4所示。

圖4 螺旋進料數(shù)據(jù)擬合

擬合結(jié)果為：

y=8.448x-10.82

(3)

式中：x為設(shè)定頻率(Hz)；y為進料量(g/min)。模型的決定系數(shù)R2=0.997。

2.1.3 試驗驗證

分別設(shè)定螺旋進料電機頻率為12 Hz、22 Hz、32 Hz和45 Hz，按上述方法測定1 min的進料量，對比式(3)計算值，結(jié)果見表2。

表2螺旋進料模型驗證

設(shè)定頻率/Hz讀取的同步轉(zhuǎn)速/r·min-1實際進料量/g·min-1計算進料量/g·min-1誤差/%1236093.3190.563.0422660171.12175.042.2432960254.27259.522.02451 350367.16369.340.59

由表2可以看出，試驗設(shè)定頻率下，實際進料量與計算值的偏差最大為3.04%，平均偏差為1.97%，滿足精度要求。

2.2 變量施膠試驗

2.2.1 試驗材料和設(shè)備

PWM變量噴霧控制試驗平臺；脲醛樹脂膠，固含量57%，涂4杯測定黏度72.06 s；竹粉，含水率7.3%，80目；佳能平口卷裝保鮮袋，35 cm×45 cm；電子天平，0.01 g；燒杯，500 mL。

2.2.2 試驗方法

(1)設(shè)定PWM信號頻率為1 Hz。

(2)為保證噴槍噴出的膠全部被收集，用保鮮袋套在噴頭出口收集膠液。

(3)調(diào)節(jié)氣動三聯(lián)件中減壓閥壓力為設(shè)定壓力，擰緊單向節(jié)流閥，使壓縮氣體不能反流；順次按啟動按鈕、讀頻率按鈕和讀轉(zhuǎn)速按鈕；待噴槍穩(wěn)定噴出膠液時開始收集并計時60 s，然后連同保鮮袋一起置于已經(jīng)清零的燒杯中并稱重。

(4)經(jīng)多次試驗發(fā)現(xiàn)，當占空比小于40%、氣流壓力小于0.30 MPa時，噴槍由于氣流過小無法吸出脲膠，導致噴膠量為0。為此，占空比取40%～100%，氣流壓力取0.30 ～0.50 MPa。

2.2.3 試驗結(jié)果與分析

噴膠量測定結(jié)果見表3。

表3噴膠量測定結(jié)果

占空比/%氣流壓力/MPa0.300.400.504033.1058.0171.995052.3679.4294.336070.5191.87120.537079.46119.14146.228099.10138.76163.7290120.58168.89188.16100139.55182.88228.69

對0.30、0.40和0.50 MPa氣流壓力下的PWM信號占空比與噴膠量數(shù)據(jù)進行擬合，以此建立基于PWM的噴霧施膠量控制模型。

0.30 MPa氣流壓力線性擬合處理結(jié)果如圖5所示。

圖5 0.30 MPa氣流壓力下線性擬合結(jié)果

(4)

0.40 MPa氣流壓力下自動線性擬合處理結(jié)果如圖6所示。

圖6 0.4 MPa氣流壓力下線性擬合結(jié)果

(5)

0.50 MPa氣流壓力下自動線性擬合處理結(jié)果如圖7所示。

圖7 0.5 MPa氣流壓力下線性擬合結(jié)果

(6)

2.2.4 試驗驗證

根據(jù)模壓的工藝要求，每1 kg竹粉施膠量分別為15%和20%(固體樹脂膠黏劑與竹粉質(zhì)量的百分比)。固體膠150 g、200 g分別對應(yīng)所用固含量的脲醛樹脂膠黏劑263.16 g和350.88 g膠液。調(diào)整噴膠壓力分別穩(wěn)定在0.30 MPa、0.40 MPa和0.50 MPa，設(shè)5 min進料1 kg竹粉，根據(jù)公式(3)，螺旋進料器的設(shè)定頻率為24.95 Hz，取為25 Hz，則在不同的施膠配比下，需要施液體膠理論值分別為52.63 g/min、70.18 g/min。

在式(4)、式(5)和式(6)中，分別設(shè)定噴膠量為52.63 g和70.18 g，占空比計算和試驗結(jié)果見表4。

表4占空比計算和取值

理論噴膠量/g·min-1氣流壓力/MPa占空比計算值/%占空比確定值/%實際噴膠量/g·min-1相對誤差/%52.630.3049.545054.022.64 70.180.3059.335968.562.31 52.630.4038.663953.411.48 70.180.4046.844770.410.33 52.630.5033.183354.162.91 70.180.5040.194068.063.02

由表4可以看出，噴膠量誤差控制在4%范圍內(nèi)，表明所建模型可用于描述占空比、氣流壓力與噴霧量的關(guān)系。

3 結(jié)論

(1)建立了包括螺旋進料單元、氣體供壓單元、流量調(diào)節(jié)單元、信號采集單元和PWM控制單元在內(nèi)的粉體螺旋進料變量噴霧施膠系統(tǒng)和試驗臺，實現(xiàn)了根據(jù)氣流壓力和進料量對噴膠量的調(diào)控。

(2)試驗結(jié)果表明，所建螺旋進料模型在試驗設(shè)定頻率下，實際進料量與計算值的偏差最大為3.04%，平均偏差為1.97%。

(3)采用PWM變量噴霧施膠試驗平臺進行噴膠試驗，實測值與模型計算值相對誤差在4%范圍內(nèi)。

(4)所建的螺旋電機頻率與進料量的數(shù)學模型以及氣流壓力、PWM占空比與噴膠量的數(shù)學模型是在本文所用竹粉、脲醛樹脂膠黏劑的材料特性下建立的，而在實際生產(chǎn)中，每一批次的材料可能有所差異，需要重新標定并建立適用模型。