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粉粒物料自动定量机理及系统研发

张西良  
【摘要】: 粉粒物料自动定量配料和定量包装在工农业生产中有着非常广泛的应用。随着对食品和药品等定量生产卫生质量要求不断提高,有毒有害物料对定量生产工人健康影响越来越受到重视,对定量生产准确度和速率要求也不断提高。现有的定量方法远远不能满足生产企业的要求,急需研究一种既快又准的粉粒物料自动定量新方法和新技术,研制新型自动定量系统,并进行实验研究,实现大量粉粒物料快速准确自动定量。这对丰富和完善自动定量理论、提高定量生产效率及其经济效益,具有十分重要的意义。 本文针对目前自动定量技术存在不足,开展粉粒物料自动定量机理及系统研发,主要内容有: 1.通过对容积式和称量式两种传统自动定量方法和先进组合式自动定量方法工作机理研究,提出了采用混合式自动定量方法的新思路。研究混合式自动定量工作机理及其实现的结构模型,对粉粒物料混合式自动定量系统和工艺时序进行总体设计。 2.为了提高混合式自动定量系统动态称量快速性和准确性,采用变阻尼技术设计称量台架,应用动特性分析方法,研究称量台架动态特性,提高称量响应信号的快速性;应用频谱分析方法,对动态称量信号进行分析,设计信号调理及采集电路,提高信号稳定性;应用无限长脉冲响应滤波方法和串联动态补偿数字滤波方法,研究动态称量数字信号滤波补偿处理技术,提高称量响应信号的稳定性和准确性。 3.为了提高混合式自动定量系统定量加料快速性和准确性,对电磁振动给料器加料工作机理进行系统分析,建立电磁振动给料器加料动力学方程,动力学分析表明,电磁振动给料器工作在亚临界近共振区,工作平稳,应用反共振原理设计新型三自由度电磁振动给料器,给料稳定迅速;建立电磁振动给料器输送物料运动学方程,运动学分析表明,对于加料量大而迅速主加料,在抛掷运动状态下工作,需要适当加大振动幅值、振动频率和振动倾角,反之,对于加料量小而稳定准确补加料,在向前滑移运动状态下工作,需要适当减小振动幅值、振动频率和振动倾角。 4.在对粉粒物料流动性试验方法综合分析基础上,针对定量加料流动特点,确定粉粒物料定量加料流动性评价指标,通过对典型粉粒物料电磁振动给料器加料流动性试验分析,表明粉粒物料加料流动性与物料特性、加料装置壁摩擦角和振动频率有关。 5.针对电磁振动给料器传统可控硅控制驱动电路,存在一定时间内振动次数不稳定、驱动电压可控性差等不足,提出电磁振动给料器同步数字控制方法,研究定量加料智能控制,进一步提高主加料量和微小补加料量稳定性和准确性。 6.研制了粉粒物料混合式自动定量系统,对典型粉粒物料混合式自动定量性能进行试验分析,并研究其在定量包装、配料中应用,试验和实际应用表明:主加料时间和最大补加料时间增加有助于提高定量准确度,但将使定量速率降低;对于小米、玉米渣等典型粉粒物料,定量200g,平均定量速率达50次/分钟左右,相对误差在±1.0%之内。 混合式自动定量系统总体性能超过传统自动定量方法,接近先进组合式自动定量方法,结构简单,性价比高。混合式自动定量方法是一种综合性能高的切实可行的自动定量新方法。 本文取得的主要创新性成果有: 1.创新提出了粉粒物料混合式自动定量新方法,通过对其机理研究、系统设计和试验研究,进一步丰富完善自动定量方法及有关理论; 2.以加料流量和流量偏差作为粉粒物料定量加料流动性评价指标,创新提出粉粒物料外力驱动下流动性测试新方法,设计了粉粒物料电磁振动给料器加料流动性测试软件,丰富了粉粒物料流动性测试方法; 3.首次采用变阻尼技术设计动态称量台架。所设计动态称量台架动态称量值在无外加阻尼器时相对误差约3.65%,信号稳定时间约756 ms,外加阻尼器后相对误差降低到约0.81%,稳定时间降低到约446 ms,称量台架动态响应快速性和相对平稳性得到明显提高; 4.创新提出了电磁振动给料器同步数字控制方法,设计了电磁振动给料器控制驱动电路,首次将智能控制理论应用于主加料量和微小补加料量的控制,提高了电磁振动给料器交流电源工作电压、频率和振动次数的可控性和准确性。主加料量相对偏差范围从5.9%~-5.7%降低到4.5%~-4.0%,补加料量相对偏差范围从3.5%~-8.0%降低到3.0%~-3.5%,提高了加料量稳定性和准确性。


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