小型攪拌設(shè)備及其控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計

薛明亮

（瑞浦蘭鈞能源股份有限公司，浙江 溫州 325024）

攪拌是過程工業(yè)的前提，主要是將2 種或多種化學(xué)物徹底攪拌使其分布均勻的過程，也是促使導(dǎo)熱和熱傳導(dǎo)增速的過程。近年來，當(dāng)前社會經(jīng)濟(jì)從整體上得到快速發(fā)展，攪拌在化工、涂料、鑄造、原油、分子遺傳學(xué)、藥業(yè)、食品企業(yè)、生態(tài)環(huán)境治理等行業(yè)。在之前的攪拌機(jī)械研發(fā)過程中，習(xí)慣于利用工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)和信息技術(shù)來處理完成，缺少檢驗驗收環(huán)節(jié)，其最終結(jié)果必定會導(dǎo)致攪拌機(jī)械類型選擇結(jié)果五花八門，器皿模樣核心部件配備千差萬別，產(chǎn)品的攪拌特性存在變數(shù)；指定設(shè)備與實驗器材的物理性質(zhì)不同，施工不同反映出機(jī)械設(shè)備設(shè)計功能缺乏科學(xué)性。另外，分析工業(yè)制造業(yè)總體狀況，涉及工業(yè)生產(chǎn)總量問題，嚴(yán)格遵循增大標(biāo)準(zhǔn)對體現(xiàn)進(jìn)行增大，但常常會受到攪拌全過程干擾因素的變化而改變，影響增大設(shè)計的效果差的結(jié)果，因此，采用模型實驗方式來確定最終的增大標(biāo)準(zhǔn)。因此，攪拌機(jī)械的提升及新產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計方案盡可能都是圍繞系統(tǒng)軟件模型實驗科研情況進(jìn)行的。為了能夠更好地滿足自身安全系數(shù)、可靠性和綠色環(huán)保的必須，世界各國也是越來越關(guān)心對攪拌機(jī)械的提升及新產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計方案。鑒于此，本文中自行設(shè)計了一款大中小型攪拌設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并且通過數(shù)字模型開展優(yōu)化分析。

1 攪拌設(shè)備實驗平臺中存在的問題

世界各國對攪拌機(jī)械科技技術(shù)科學(xué)研究因生產(chǎn)制造實際需要正朝著技術(shù)引進(jìn)、規(guī)范化、低碳環(huán)?；?、機(jī)電一體化、智能化等方向發(fā)展，為了更好地提高安全性能、可靠性、綠色環(huán)保，這些專業(yè)工作人員慢慢開展相關(guān)提高攪拌機(jī)械的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計、高效化以及上新等方面的研究，通過研究許多參考文獻(xiàn)及有關(guān)攪拌機(jī)械實驗平臺發(fā)展?fàn)顩r后發(fā)現(xiàn)，在我國傳統(tǒng)式攪拌機(jī)械實驗平臺日常清理存在下列難題。

（1）實驗室設(shè)備實用性較弱，每個攪拌槽擁安裝有獨立的動力系統(tǒng)，值得注意的是單套機(jī)械設(shè)備內(nèi)設(shè)置了多個攪拌槽，針對單一設(shè)備開展攪拌機(jī)械特性試驗設(shè)計研究比較少見。（2）設(shè)計實驗裝置攪拌槽框架時多選機(jī)玻璃板材，安全性能差，附帶筒節(jié)有機(jī)玻璃板和筒節(jié)常務(wù)必膠合劑進(jìn)行黏合，因此受操作溫度產(chǎn)生影響，怕高溫，時長期后很容易引發(fā)衰老，傷害機(jī)械設(shè)備性能參數(shù)；有一些攪拌槽選用復(fù)合材質(zhì)生產(chǎn)制造，不益于觀查攪拌全程。（3）攪拌筒節(jié)在實際生產(chǎn)過程中總體上是橢圓形。事實上，個別實驗裝置設(shè)計通過坡與攪拌模擬進(jìn)行，沒有考慮隔板本身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，最終獲得的實驗結(jié)果跟理論上存在適量偏差。（4）電機(jī)可調(diào)速范圍狹窄，特別是涉及中高黏度介質(zhì)的攪拌試驗過程中，一般因為電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速限制，化合物拌和時無法達(dá)到泥沙運動，導(dǎo)致一定要在潔凈臺或潔凈臺到泥沙運動的過渡態(tài)做實驗。（5）國內(nèi)攪拌實驗裝置正走上自動化改進(jìn)中，主要指標(biāo)狀況：自動控制系統(tǒng)目標(biāo)不健全；數(shù)據(jù)分析平臺精度低；安防監(jiān)控系統(tǒng)不全面或其他原因試驗基本參數(shù)精準(zhǔn)測量不精準(zhǔn)，造成攪拌試驗的不同結(jié)果。

2 攪拌設(shè)備設(shè)計需求

分析研究當(dāng)前攪拌機(jī)械實驗平臺中缺陷現(xiàn)成的實驗環(huán)境，將本研究定位攪拌裝置設(shè)計：（1）設(shè)計實驗平臺其操作流程中型號各異的攪拌方式，要求能開展各種各樣攪拌機(jī)械的進(jìn)行攪拌試驗，完成實驗平臺運行時，撥高攪拌試驗效率。（2）所定制的體不僅方便觀查拌和實驗步驟，還需要能夠有效地確保攪拌強(qiáng)度及其耐高溫預(yù)期目標(biāo)。（3）選擇適合本試驗所需的直流伺服電機(jī)及傳感器設(shè)備，立即將試驗參數(shù)記錄下來并保存好，選擇高品質(zhì)的攪拌的自動化水平及其檢測報告的精準(zhǔn)度。（4）選用PLC 設(shè)計方案是攪拌設(shè)備最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，要結(jié)合施工實際調(diào)整或拓展系統(tǒng)功能。

3 小型攪拌設(shè)備機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計

3.1 機(jī)械系統(tǒng)工作原理及總體設(shè)計方案

結(jié)合定位設(shè)計實際，完成“一機(jī)兩”攪拌機(jī)械型號設(shè)計。其設(shè)計概念：傳動系統(tǒng)設(shè)置適合的電機(jī)及傳動設(shè)備；該系統(tǒng)必須牢固地安裝在旋轉(zhuǎn)支撐架上，旋轉(zhuǎn)支撐架上的傳動系統(tǒng)具備隨意旋轉(zhuǎn)的功能，當(dāng)傳動裝置旋轉(zhuǎn)到攪拌槽相關(guān)位置時，其鎖緊機(jī)構(gòu)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)支撐架不會發(fā)生移動，便于攪拌內(nèi)做測驗；解決倉庫易于搬運的問題，軸分成轉(zhuǎn)動軸和攪拌軸，攪拌軸與轉(zhuǎn)動軸用連軸器聯(lián)接，攪拌軸與攪拌機(jī)械用活套法蘭，有利于迅速拆裝不一樣外形的攪拌機(jī)械，以科研不一樣攪拌機(jī)械類型對拌和整個過程帶來的影響；攪拌機(jī)械可以從攪拌軸上上下左右挪動以變動攪拌機(jī)械至底之間的距離，科研拌和設(shè)備組裝部位對混合作用的危害性；此外，再綜合軸扭轉(zhuǎn)變形抗壓強(qiáng)度、彎曲應(yīng)變等綜合因素的影響，生產(chǎn)整體設(shè)備要選用有機(jī)玻璃板原材料，依據(jù)法蘭與封頭聯(lián)接有利于試驗者馬上觀查攪拌整個過程。所有系統(tǒng)架構(gòu)簡易，生產(chǎn)加工省時省力，施工預(yù)算低，有利于倉庫的搬運，既能達(dá)到攪拌試驗要求，又可節(jié)省工業(yè)設(shè)備原材料成本。

3.2 傳動系統(tǒng)設(shè)計

傳動系統(tǒng)設(shè)備直流伺服電機(jī)6 和轉(zhuǎn)動軸11 各自安裝在旋轉(zhuǎn)支架1 兩側(cè)。攪拌設(shè)備工作時，直流伺服電機(jī)推動小皮帶盤8、同步帶10 將推動力傳至大皮帶盤12，大皮帶盤還可以通過齒輪軸推動轉(zhuǎn)動軸11 運動，而攪拌軸15 依據(jù)連軸器14 與轉(zhuǎn)動軸連接，轉(zhuǎn)動軸依靠2 個滾針軸承跟配套的滾針軸承殼13 支點運行。另外，旋轉(zhuǎn)和電機(jī)支架7，依靠螺帽5 和地腳螺絲4 整合在一起，將螺栓與螺帽整合處調(diào)節(jié)節(jié)徑就可調(diào)節(jié)機(jī)械設(shè)備皮帶盤節(jié)徑，并繃緊同步帶。傳動裝置支座采用旋轉(zhuǎn)支架，能夠?qū)崿F(xiàn)達(dá)到轉(zhuǎn)動支撐架3 的目的，若采用圓柱銷9 及定位螺栓2 能夠使其結(jié)成整體，從而達(dá)到整套傳動裝置指揮2 個攪拌任務(wù)的完成。

電機(jī)選型。通常研究試驗室攪拌實驗時，所選擇攪拌功率不大。要達(dá)到試驗與普通物料攪拌的目的，本文的攪拌輸出功率取0.5kW。攪拌輸出功率來源于電動機(jī)，由于驅(qū)動力由同步皮帶傳遞過來，取機(jī)械效率為96%，根據(jù)下式既可以計算出電機(jī)額定功率：

式中，Pd是電機(jī)功率；P0是攪拌功率；Pm是軸封系統(tǒng)摩擦損失，由于采用帶傳動因此該值為0，η 是機(jī)械效率，故電機(jī)功率Pd=0.52kw。選用安川Σ-Ⅱ系列伺服電機(jī)SGMAH-08AAA41。

為了使設(shè)備構(gòu)造緊密性、試驗精確的齒輪運行實現(xiàn)軸壓力降低的目的，本裝置傳動裝置利用同步圓弧齒傳動系統(tǒng)。

3.3 攪拌設(shè)計

因為攪拌在常溫常壓下應(yīng)用，要達(dá)到便利觀察攪合全過程的目的，同時確保攪拌抗壓強(qiáng)度達(dá)標(biāo)，部分材料可選用機(jī)玻璃板，其他材料可選擇建筑鋼材，處于筒節(jié)、鋼質(zhì)筒節(jié)與有機(jī)玻璃板筒節(jié)的相接處選用松套法蘭，利用硅膠圈的密閉性。體下設(shè)計有出料口、測量溫度部位要設(shè)計成超音波試驗傳感器接口，設(shè)備邊緣設(shè)置溫度測量口，設(shè)計腿式支座。

筒體總尺寸：

有機(jī)玻璃筒體尺寸：

封頭采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭材料為 Q235-A，尺寸如下：

3.4 主支架設(shè)計

主固定支架上邊必須設(shè)置旋轉(zhuǎn)支架，固定防松螺母；下邊焊接底座使其固定。攪拌設(shè)備、運行軸、連軸器、驅(qū)動軸、旋轉(zhuǎn)支架、電機(jī)、皮帶盤等關(guān)鍵預(yù)制構(gòu)件凈重由主固定支架支撐。主支架結(jié)構(gòu)選用無縫鋼管（GB/T 8162-1999），規(guī)格型號為φ133×30，支撐架強(qiáng)度計算：

許可承重量：

設(shè)備實際總重量遠(yuǎn)小于該值，所以支架強(qiáng)度滿足要求。

4 流場數(shù)值模擬及分析

CFD 計算軟件FLUENT6.0 具備在φ300mm 攪拌選擇水作為媒價的四種槳攪拌勢流做模擬運算。試驗攪拌傳動比都選擇60r/min，完成劃分?jǐn)嚢璨劬W(wǎng)格作業(yè)。為觀察流勢分布特征，每個攪拌槳取2 個縱橫交錯橫截面及2 個截面，大雙葉子槳在截面的流線圖中，槽壁流線型較為聚集，上槳在這樣一個區(qū)域范圍流動性情況非常明顯；在蜿蜒曲折截面流線圖中，上、下槳周邊地區(qū)都構(gòu)成了比較規(guī)模性循環(huán)流，尤其是在上方循環(huán)占地總面積非常大，絕大多數(shù)遍及全槽，能夠看出軸向流動成效顯著，有益于完備的攪拌。條式槳在橫截面勢流圖上可以獲知其軸向流動效果不好。雙斜葉75 度槳的溫度場遍布呈顯而易見的關(guān)閉循環(huán)流，軸向流動效果也很好，但據(jù)勢流圖縱橫交錯橫截面獲知，在漿葉底端流線型稀有且存有過電流保護(hù)。雙層雙斜葉75 度槳因布含兩層雙槳，在勢流圖中，徹底改進(jìn)了雙斜葉75 度槳及漿葉底部流線形普及，徹底提升了攪拌預(yù)期目標(biāo)。

5 控制系統(tǒng)設(shè)計

5.1 下位機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計

底部機(jī)自動控制系統(tǒng)由PLC、手機(jī)軟件app 和攪拌設(shè)備、直流伺服電機(jī)、熱敏電阻器和智能溫控器使用和檢測結(jié)果的數(shù)據(jù)，關(guān)性接納設(shè)備產(chǎn)生的參數(shù)信息，根據(jù)上部機(jī)軟件代碼控制系統(tǒng)落實過程，屬于自動控制系統(tǒng)最核心的內(nèi)容。必須認(rèn)識到實驗現(xiàn)場十分復(fù)雜，將造成試驗危害結(jié)果的可能，也要詳細(xì)了解操控性能、系統(tǒng)設(shè)置抗干擾性因素等內(nèi)容，奠定下位機(jī)自動控制系統(tǒng)科學(xué)、值得信賴的工作上，原文中采用西門子系統(tǒng)S7-200 主打產(chǎn)品程序控制器（PLC）其I/O 服務(wù)器端口如表3 展示。表中圖顯示4 個數(shù)字量輸入、4 個數(shù)字信號導(dǎo)出，由繼電器完成；1 路模分析量輸出，數(shù)據(jù)處于6410 ～31800，獲得模擬電壓數(shù)據(jù)信號處于0 ～10V；8 路分析量輸入，數(shù)據(jù)取值約6410 ～31800，其6路處于4 ～20mA 電流鍵入，2 路電壓處于0 ～10V 工作中標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，模擬量輸入控制板中排除輸入種類不同產(chǎn)生的電磁影響，選擇3 個模擬量輸入控制板，內(nèi)置2 個控制板，通過6 路電流信號的輸入，此外，單個控制板控制2 路電壓信號的輸入。攪拌實驗流程核心參數(shù)：功率、排量、混和速度、混和高效化和混合時間。本文的自動控制系統(tǒng)，多選擇拌和實驗中運行溫度、拌和速率和攪拌軸的扭距虛擬輸入及時收集、監(jiān)管，并且對拌和速率開展自動控制系統(tǒng)。傳動比由霍爾傳感器精確測量，轉(zhuǎn)距由扭矩儀或測功器精確測量，操作溫度由熱敏電阻器精確測量。

5.2 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

隨著近年來電腦監(jiān)控軟件科學(xué)技術(shù)日益完善，監(jiān)控系統(tǒng)軟件的研發(fā)參考點著研發(fā)生產(chǎn)周期短、更新省時省力、系統(tǒng)運行更可靠。論文中自動控制系統(tǒng)，選擇北京市昆侖通態(tài)全自動化設(shè)計科技公司研發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)版MCGS組態(tài)系統(tǒng)軟件，該系統(tǒng)具備功能齊全、操作方便、識別度好、可擴(kuò)展性高的特點。設(shè)計運用MCGS 組態(tài)管控攪拌機(jī)械試驗的可視化數(shù)據(jù)信息內(nèi)容、數(shù)據(jù)圖、歷史記錄等。及時數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建要設(shè)定概念、特性等數(shù)據(jù)對象。數(shù)據(jù)對象含軟件數(shù)據(jù)、上位機(jī)軟件運行過程數(shù)據(jù)和信息、下位機(jī)的基本參數(shù)和傳感器檢檢測報告等項目，含電源總開關(guān)、數(shù)值、字符、事情和組部分；對象涉及總體任務(wù)名字、類別、初始值、界線值、工程單位和核心內(nèi)容等。自動控制系統(tǒng)涉及電機(jī)啟動控制、通信數(shù)字量運行設(shè)置，全部處于電源控制型對象；轉(zhuǎn)速、扭距和溫度模擬量輸入導(dǎo)出功能是成數(shù)值型數(shù)據(jù)的總體目標(biāo)。用戶管理界面阻止無關(guān)人員改動試驗基本參數(shù)或內(nèi)部程序設(shè)置，排除運行錯誤，防止試驗失敗。處于設(shè)備工作時間段，前沿到用戶管理界面，鍵入登錄密碼后才能進(jìn)入系統(tǒng)軟件并選擇試驗控制器。該系統(tǒng)制定了二種用戶權(quán)限：主管及操作員。主管人具備調(diào)整試驗技術(shù)參數(shù)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)腳本程序的權(quán)利；一般作業(yè)員對操作步驟開展監(jiān)管及其機(jī)械故障的突發(fā)事件應(yīng)對。

6 結(jié)語

由于創(chuàng)新科技的快速發(fā)展，攪拌機(jī)設(shè)計應(yīng)市場的需求正朝著規(guī)范化、低碳環(huán)保化、機(jī)電一體化的方向發(fā)展。為了能夠滿足客戶對多元化以及攪拌品質(zhì)的要求，本文中采用“一機(jī)兩”的總體方案設(shè)計構(gòu)思，設(shè)計制作研發(fā)設(shè)計了一款小型攪拌機(jī)，并通過Solidworks 三維繪圖軟件開展三維建模及應(yīng)用CFD 流體動力學(xué)手機(jī)app 針對不同種類攪拌設(shè)備進(jìn)行仿真模擬，從而降低商品的施工進(jìn)度，提升產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量，模擬結(jié)果大雙葉子槳混和效果最佳。