小型攪拌設備及其控制系統的研究與設計

薛明亮

（瑞浦蘭鈞能源股份有限公司，浙江 溫州 325024）

攪拌是過程工業的前提，主要是將2 種或多種化學物徹底攪拌使其分布均勻的過程，也是促使導熱和熱傳導增速的過程。近年來，當前社會經濟從整體上得到快速發展，攪拌在化工、涂料、鑄造、原油、分子遺傳學、藥業、食品企業、生態環境治理等行業。在之前的攪拌機械研發過程中，習慣于利用工業設備數據和信息技術來處理完成，缺少檢驗驗收環節，其最終結果必定會導致攪拌機械類型選擇結果五花八門，器皿模樣核心部件配備千差萬別，產品的攪拌特性存在變數；指定設備與實驗器材的物理性質不同，施工不同反映出機械設備設計功能缺乏科學性。另外，分析工業制造業總體狀況，涉及工業生產總量問題，嚴格遵循增大標準對體現進行增大，但常常會受到攪拌全過程干擾因素的變化而改變，影響增大設計的效果差的結果，因此，采用模型實驗方式來確定最終的增大標準。因此，攪拌機械的提升及新產品研發設計方案盡可能都是圍繞系統軟件模型實驗科研情況進行的。為了能夠更好地滿足自身安全系數、可靠性和綠色環保的必須，世界各國也是越來越關心對攪拌機械的提升及新產品研發設計方案。鑒于此，本文中自行設計了一款大中小型攪拌設備的機械結構，并且通過數字模型開展優化分析。

1 攪拌設備實驗平臺中存在的問題

世界各國對攪拌機械科技技術科學研究因生產制造實際需要正朝著技術引進、規范化、低碳環保化、機電一體化、智能化等方向發展，為了更好地提高安全性能、可靠性、綠色環保，這些專業工作人員慢慢開展相關提高攪拌機械的建筑結構設計、高效化以及上新等方面的研究，通過研究許多參考文獻及有關攪拌機械實驗平臺發展狀況后發現，在我國傳統式攪拌機械實驗平臺日常清理存在下列難題。

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

2 攪拌設備設計需求

分析研究當前攪拌機械實驗平臺中缺陷現成的實驗環境，將本研究定位攪拌裝置設計：（1）設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械的進行攪拌試驗，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度及其耐高溫預期目標。（3）選擇適合本試驗所需的直流伺服電機及傳感器設備，立即將試驗參數記錄下來并保存好，選擇高品質的攪拌的自動化水平及其檢測報告的精準度。（4）選用PLC 設計方案是攪拌設備最關鍵的環節，要結合施工實際調整或拓展系統功能。

3 小型攪拌設備機械系統設計

3.1 機械系統工作原理及總體設計方案

結合定位設計實際，完成“一機兩”攪拌機械型號設計。其設計概念：傳動系統設置適合的電機及傳動設備；該系統必須牢固地安裝在旋轉支撐架上，旋轉支撐架上的傳動系統具備隨意旋轉的功能，當傳動裝置旋轉到攪拌槽相關位置時，其鎖緊機構導致旋轉支撐架不會發生移動，便于攪拌內做測驗；解決倉庫易于搬運的問題，軸分成轉動軸和攪拌軸，攪拌軸與轉動軸用連軸器聯接，攪拌軸與攪拌機械用活套法蘭，有利于迅速拆裝不一樣外形的攪拌機械，以科研不一樣攪拌機械類型對拌和整個過程帶來的影響；攪拌機械可以從攪拌軸上上下左右挪動以變動攪拌機械至底之間的距離，科研拌和設備組裝部位對混合作用的危害性；此外，再綜合軸扭轉變形抗壓強度、彎曲應變等綜合因素的影響，生產整體設備要選用有機玻璃板原材料，依據法蘭與封頭聯接有利于試驗者馬上觀查攪拌整個過程。所有系統架構簡易，生產加工省時省力，施工預算低，有利于倉庫的搬運，既能達到攪拌試驗要求，又可節省工業設備原材料成本。

3.2 傳動系統設計

傳動系統設備直流伺服電機6 和轉動軸11 各自安裝在旋轉支架1 兩側。攪拌設備工作時，直流伺服電機推動小皮帶盤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動軸11 運動，而攪拌軸15 依據連軸器14 與轉動軸連接，轉動軸依靠2 個滾針軸承跟配套的滾針軸承殼13 支點運行。另外，旋轉和電機支架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節節徑就可調節機械設備皮帶盤節徑，并繃緊同步帶。傳動裝置支座采用旋轉支架，能夠實現達到轉動支撐架3 的目的，若采用圓柱銷9 及定位螺栓2 能夠使其結成整體，從而達到整套傳動裝置指揮2 個攪拌任務的完成。

電機選型。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，由于驅動力由同步皮帶傳遞過來，取機械效率為96%，根據下式既可以計算出電機額定功率：

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

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

3.3 攪拌設計

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

筒體總尺寸：

有機玻璃筒體尺寸：

封頭采用標準橢圓形封頭材料為 Q235-A，尺寸如下：

3.4 主支架設計

主固定支架上邊必須設置旋轉支架，固定防松螺母；下邊焊接底座使其固定。攪拌設備、運行軸、連軸器、驅動軸、旋轉支架、電機、皮帶盤等關鍵預制構件凈重由主固定支架支撐。主支架結構選用無縫鋼管（GB/T 8162-1999），規格型號為φ133×30，支撐架強度計算：

許可承重量：

設備實際總重量遠小于該值，所以支架強度滿足要求。

4 流場數值模擬及分析

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，完成劃分攪拌槽網格作業。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、下槳周邊地區都構成了比較規模性循環流，尤其是在上方循環占地總面積非常大，絕大多數遍及全槽，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閉循環流，軸向流動效果也很好，但據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。雙層雙斜葉75 度槳因布含兩層雙槳，在勢流圖中，徹底改進了雙斜葉75 度槳及漿葉底部流線形普及，徹底提升了攪拌預期目標。

5 控制系統設計

5.1 下位機控制系統的設計

底部機自動控制系統由PLC、手機軟件app 和攪拌設備、直流伺服電機、熱敏電阻器和智能溫控器使用和檢測結果的數據，關性接納設備產生的參數信息，根據上部機軟件代碼控制系統落實過程，屬于自動控制系統最核心的內容。必須認識到實驗現場十分復雜，將造成試驗危害結果的可能，也要詳細了解操控性能、系統設置抗干擾性因素等內容，奠定下位機自動控制系統科學、值得信賴的工作上，原文中采用西門子系統S7-200 主打產品程序控制器（PLC）其I/O 服務器端口如表3 展示。表中圖顯示4 個數字量輸入、4 個數字信號導出，由繼電器完成；1 路模分析量輸出，數據處于6410 ～31800，獲得模擬電壓數據信號處于0 ～10V；8 路分析量輸入，數據取值約6410 ～31800，其6路處于4 ～20mA 電流鍵入，2 路電壓處于0 ～10V 工作中標準內，模擬量輸入控制板中排除輸入種類不同產生的電磁影響，選擇3 個模擬量輸入控制板，內置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：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，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、監管，并且對拌和速率開展自動控制系統。傳動比由霍爾傳感器精確測量，轉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 上位機監控系統的設計

隨著近年來電腦監控軟件科學技術日益完善，監控系統軟件的研發參考點著研發生產周期短、更新省時省力、系統運行更可靠。論文中自動控制系統，選擇北京市昆侖通態全自動化設計科技公司研發出標準版MCGS組態系統軟件，該系統具備功能齊全、操作方便、識別度好、可擴展性高的特點。設計運用MCGS 組態管控攪拌機械試驗的可視化數據信息內容、數據圖、歷史記錄等。及時數據庫創建要設定概念、特性等數據對象。數據對象含軟件數據、上位機軟件運行過程數據和信息、下位機的基本參數和傳感器檢檢測報告等項目，含電源總開關、數值、字符、事情和組部分；對象涉及總體任務名字、類別、初始值、界線值、工程單位和核心內容等。自動控制系統涉及電機啟動控制、通信數字量運行設置，全部處于電源控制型對象；轉速、扭距和溫度模擬量輸入導出功能是成數值型數據的總體目標。用戶管理界面阻止無關人員改動試驗基本參數或內部程序設置，排除運行錯誤，防止試驗失敗。處于設備工作時間段，前沿到用戶管理界面，鍵入登錄密碼后才能進入系統軟件并選擇試驗控制器。該系統制定了二種用戶權限：主管及操作員。主管人具備調整試驗技術參數和內部結構腳本程序的權利；一般作業員對操作步驟開展監管及其機械故障的突發事件應對。

6 結語

由于創新科技的快速發展，攪拌機設計應市場的需求正朝著規范化、低碳環保化、機電一體化的方向發展。為了能夠滿足客戶對多元化以及攪拌品質的要求，本文中采用“一機兩”的總體方案設計構思，設計制作研發設計了一款小型攪拌機，并通過Solidworks 三維繪圖軟件開展三維建模及應用CFD 流體動力學手機app 針對不同種類攪拌設備進行仿真模擬，從而降低商品的施工進度，提升產品設計質量，模擬結果大雙葉子槳混和效果最佳。