螺旋给料在粉体定量计量中的应用_王国军

图1 重力式给料方式计量

了全开、半开、关闭这三个过程。这三个过程其实就是快速给料、慢速给料、停止给料的过程。放料门开度的动作变化是通过称重传感器的重量信号的变化由PLC 程序来控制的。以定值30kg 的包装计量为例，初始阶段放料门全部打开，物料通过自重快速流到计量斗中，当计量斗中的重量达到预先设定的某一值SP1（比如28.5kg）,此时称重传感器将重量信号反馈给控制器，相应的执行机构将放料门大部关闭，进行慢速给料。直至接近目标值SP2时（考虑空中飞料，该值SP2<30kg），放料门全部关闭，停止给料。从前面的描述可以看出，SP1值的设定十分关键，如果

度得出如下结论：

S ∝ SP1A ∝ 1/SP1

由此可知，SP1值的设定很有讲究，对于流动性较好的物料，SP1值是可以尽量设定的大一些，既能满足精度控制的要求，也能提高计量的速度。

然而，许多企业生产的物料并非都是流动性很好的物料，这其中有很多流动性非常差的粉料，比如含水量较高的硫铵、PTA、纯碱、面粉等，这些物料经常会以团块状出现。如果还是一味地遵循重力式给料方式（图1），我们可以发现：当放料门全部打开时，物料虽然可以大量地下落，但绝不均匀，这是

因为流动性差的物料本身可能结块或者物料在下料斗内架桥。当放料门大部关闭时，这种粉料有可能就无法下降，下料斗内完全架空，导致包装计量的过程无法进行。根据这种情形，如果SP1值设定过小，慢速给料的时间变长，下料不畅的机会增加。如果SP1值设定过大，快速给料的时间变长，发生冲料的现象的机会增多。快速给料时由于物料有团块状，超目标值的可能性增大。因此，对于这些物料的包装计量，如果单纯地考虑SP1参数的设定肯定是解决不了问题。很显然，重力给料方式的原理是行不通的，必须考虑新的给料方式。

根据多年来的研究，我们研制出一种双螺旋结构的给料方式，对这种流动性较差的粉状物料的包装计量有明显的效果。其原理如图2。

螺旋给料的原理就是通过螺旋叶片的传动强制给料。在整个计量的过程中，螺旋给料机工作分为三个阶段：

第一阶段，快速给料，大小螺旋电机同时转动。

第二阶段，慢速给料，大螺旋给料机停止转动，小螺旋给料机继续运转。

第三阶段，停止给料，大小螺旋给料机停止运转。

从第一阶段到第二阶段转化的过程实际上就是前面所说的重力式给料方式中提到的SP1值。由螺旋给料机的结构可以看出，如果螺旋给料机螺旋叶片

的转速越快，给料就越快。如果螺旋给料机的叶片直径越大，给料也越快。由

图2 螺旋给料方式给料

图

3 螺旋轴与螺旋叶片图

SP1值设定过小，那么慢速给料时间就越长，整个计量的时间会延长，包装速度下降，精度控制起来就越容易。反之SP1值设定过大，快速给料时间变长，从而使得总的进料时间缩短，包装速度提高，由于SP1值过大，最后慢速给料的时间越短，造成的精度控制相对困难。用S 表示包装速度，A 表示计量精

此可以看出，增大转速和增大螺旋的叶片直径，可以提高给料速度减少给料时间，从而提高包装计量的速度。提高螺旋轴的转速和增大螺旋叶片的直径之所以能提高包装计量的速度是因为单位时间内出料流量加大，计量斗中进料时间缩短。很显然在计量快要结束时,即达到前面所说的SP2值，螺旋给料机的出料流量不能太大，否则将会影响到计量的精度。选多大的螺旋叶片和多大的转速成了我们研究的课题。

以图3为例来计算螺旋给料的出料流量。我们知道，螺旋每转动一圈，螺旋叶片向前推进一个螺距的长度，那么每分钟的出料流量可以用下列公式计算：

Q=[∏(D 2-d 2)/4]*P*k*r*n*10-9Q：单位时间的出料量（kg/min）；

P ：节距及螺旋叶片的间距（mm）；d：螺旋轴的直径（mm）；D：螺旋叶片的外圆直径（mm）；n：表示螺旋轴的转速（转/min）；

图4 螺旋转速与SP 值的关系

图5 变螺距螺旋给料机

k：物料充填系数；r：物料的堆积比重(kg/m 3)由上述公式可以看出：Q 会随着D、P、n 增大而增大,也就是说增大D、P、n 可以提高单位时间的出料流量，有利于缩短给料时间，从而可以提高包装计量的速度。

前面讲过螺旋给料分三个阶段：第一阶段：快速给料，大小螺旋分别以n 和n1同时运转，当计量斗内的计量物料的重量达到SP1值时，大螺旋停止转动，小螺旋继续转动。

第二阶段：慢速给料，大螺旋停止转动，小螺旋继续转动。由上述公式可以看出，小螺旋单位时间的出料量与小螺旋叶片外径D 和转速n1有着明显的正比关系。在该阶段的给料过程主要是为控制给料精度而设定，D 和n1不能设计成太大，否则就会难以控制精度。为此，对小螺旋轴的转速n1采用变频控制的方式来控制。当计量斗内物料目标值达到SP1的时候，通过变频器将小螺旋转速从n1降低至n2实现慢速给料。

第三阶段：给料停止，当计量斗内的计量物料的重量达到SP2时（考虑空中飞料，设定SP2<目标值），大小

螺旋停止转动。

以上三个阶段，大小螺旋的转速n

随着目标值SP 值的变化可以用图4表示。

前面我们讲了关于流动性差的粉状物料，采用螺旋强制给料的方式。但在现实中，有很多粉料不但流动性差，而且容易结块，在螺旋送料的过程中有可能造成螺旋绞龙内部堵塞，严重时损坏绞龙叶片，导致电机过载。我们知道，绞龙有一个物料进口和一个物料出口，在螺旋送料的过程中如果保证物料进口的流量小于出口的流

量，那么就不至于造成绞龙壳体内部

堵塞。根据前面所描述的，绞龙在单位时间内的送料流量与螺距P,叶片直径D,转速n有密切的关系，对于一个设计完成的螺旋轴来说，螺旋叶片外径D是不变的，转速n也是不变的，唯一可以有变化的就是螺旋叶片的螺距P，为此我们设计了一种变螺距的螺旋给料机。如图5所示：物料进口处螺旋叶片的间距为P1,出口出螺旋叶片间距为P, 且P1

根据上述公式可以计算出，螺旋

出口处由于螺旋叶片的螺距P>P1,所

以单位时间内出口流量大于进口处的

流量，这样就会减少螺旋绞龙内部堵

塞的机会。这种螺旋称之为变螺距螺

旋，在实际生产应用中已经得到很好

的证明。

综上所述，螺旋式给料机采用变螺

距结构，采用变频器控制小螺旋转速的

结构模式对提高粉体包装计量的速度，

控制计量精度，解决绞龙堵塞等问题有

明显的改善。梅特勒－托利多在这一计

量领域做了大量的试验和研究，并取得

了较为满意的效果。

当然，在研究用于计量的螺旋给料

机的结构方面还有许多值得探索的工

作。比如说螺旋给料机的快速清理，粉

体计量时轴承端的密封，大小螺旋的排

列布局等问题，笔者将在今后的论文中

作专题阐述。