螺旋配麦器的研制与试验

毛广卿，罗 琼

(1.河南工业大学粮油食品学院，河南 郑州 450001； 2.河南工业大学小麦和玉米深加工国家工程实验室，河南 郑州 450001)

螺旋配麦器的研制与试验

毛广卿1，罗 琼2

(1.河南工业大学粮油食品学院，河南 郑州 450001； 2.河南工业大学小麦和玉米深加工国家工程实验室，河南 郑州 450001)

在小麦加工生产线上，配麦器是必不可少的设备。最新研制的螺旋配麦器采用螺旋供料方式结合PLC可编程控制器与变频器控制，具有流量精确、性能稳定、不堵塞等特点。介绍了螺旋配麦器研制的技术方案、基本结构、关键参数和控制方法，并对该设备的试验结果和设备特点进行了总结。

螺旋配麦器；流量控制器；小麦加工

在小麦加工工艺中，原粮搭配是一个重要的生产环节。通过将两种以上不同品质的小麦按比例进行搭配，可以实现稳定原料质量、控制产品品质和产品品种的目的。为了保证各种小麦精确、稳定的搭配比例，必须利用专用的流量控制设备——配麦器。

配麦器安装于每个小麦仓的出口处，实际就是一个流量控制器。在此之前，国内外使用的配麦器主要有以下几种型式：叶轮式、电子重力式以及振动式。

(1)叶轮式配麦器 这是最早使用的一种配麦器，在20世纪80年代，随着引进的国外小麦粉生产线进入我国。它是依靠旋转的叶轮上不同大小的格槽来控制物料流量，所以也叫容积式配麦器。叶轮式配麦器的优点是：结构简单、坚实耐用；缺点是：较小格槽上方的物料容易结拱而堵料，无法实现远程计算机控制。所以这类设备在新建的生产车间已很少采用。

(2)重力式配麦器 这种配麦器的应用要晚于叶轮式配麦器，也叫做电子配麦器。它是依靠冲板和传感器检测小麦自由下落时的冲击力，测算出小麦的流量，然后按照操作人员给定的流量值自动调节进料闸门的开度。从理论上讲，重力式配麦器是按照小麦的质量流量进行控制，是比较合理的控制方式；但实际上，由于多种因素的影响，如冲击力与流量间的比例关系、传感器的性能变化、闸门调节的步阶和时滞等，使得这种配麦器难以保持长期稳定的控制精度，而且设备价格较高。

(3)振动式配麦器 这是近几年出现的改进型重力式配麦器，其基本原理与重力式配麦器相同，不同之处是用振动槽代替闸门来控制下料的流量，解决了重力式式配麦器在闸门小开度状态下容易结拱的问题，使得流量更均匀，且可以实现较小的流量；但体积较大，控制精度依然不高。

本研究介绍一种新型配麦设备——螺旋配麦器的研究开发与试验、应用情况。

1 研究的目的和意义

1.1研究的目的

本研究的目的是开发一种新型的配麦器，并达到如下目标。

(1)提高配麦器的流量控制精度，达到精确配麦的目的。

(2)提高设备的稳定性和可靠性，保证在长期工作状态下保持稳定的精度和性能。

(3)提高设备的防堵塞能力。

(4)降低制造成本。

1.2研究的意义

精确稳定的配麦是保证最终产品质量稳定的重要条件，特别是对于质量较为特殊的小麦更是如此。在过去的实际生产中，曾出现过因为配麦器问题而导致成批的产品质量不合格的情况。因此，开发一种精确、稳定、可靠的配麦器既是技术需求，也是市场的需求，对于提高小麦加工的技术水平具有一定的意义。

2 技术方案与技术特征

2.1基本方案的确定

物料出仓流量的大小取决于两个因素：通料孔的大小和物料的流动速度。因此，控制物料的流量可从两个途径考虑：一是控制通料孔的大小，二是控制物料的流动速度[1]。

控制通料口大小是常见的流量控制方法，最简单的设备就是闸阀门，在有些场合称之为节流阀。但将闸阀门用于毛麦出仓流量的控制却有明显的缺陷：①小麦流动速度的波动会造成流量的波动；②当闸阀门开度较小时，含杂的小麦在闸阀门上方容易结拱阻塞而停止流动[1]。因此，鉴于这两个方面的问题，新型配麦器必须抛开闸阀门控制的思路，而是从另外一个途径着手，通过改变物料的流动速度来改变流量。

利用圆管式螺旋输送机来控制物料出仓流量是理想的方案。这种控制方式在散料储运工艺中并不鲜见，称为“螺旋供料器”[1-2]。其特点是结构简单、体积小、工作稳定、易操控等。设想将其安装在麦仓出料口，通过改变螺旋体的转速来改变小麦的推进速度，便可达到控制和调节小麦出仓流量的目的。

按照理论计算方法，圆管式螺旋输送机的输送流量为[1,3]：

Q=47·D2·S·n·γ·C。

(1)

式中，Q为输送流量；D为螺旋叶片直径；S为螺旋叶片螺距；n为螺旋体转速；γ为物料体积质量；C为输送效率。

由公式(1)可以看出，圆管螺旋输送机的输送流量与螺旋体的转速呈正比。在其他条件不变时，改变螺旋体的转速，即可线性地改变输送流量。这就为精确调节流量提供了极大的方便。

控制螺旋体的转速有多种方法。这里选择的方法是：通过变频器调节电机供电电源的频率，改变电机的转速。这种控制方法精确、可靠，且调整方便、灵活，并且可以获得较大的变速比(最高转速与最低转速之比)，完全可以满足配麦的需求。

2.2总体结构

螺旋配麦器主要由圆管式机壳(5)、可旋转的螺旋体(4)、传动装置(2)以及控制仪表(1)组成，其结构如图1所示。

机壳(5)为圆管状结构，水平放置。上方进料口(3)与麦仓的出料口连接，下方出料口(6)与后续的输送设备相接。螺旋体(4)采用满面式叶片，叶片从进料口至出料口划分为两段：前段(进料口处)为喂料段，后段为定量段。喂料段为变直径叶片，目的是让整个进料口下料均匀。定量段是流量控制的关键部位，要求螺旋叶片的形状、直径、螺距必须精确。

传动装置(2)由变频电机、减速器构成。减速器的输出轴与螺旋体用联轴器连接，保证传动的精度。

控制箱(1)内置变频器、文本PLC一体机及相关的元器件。操作人员通过文本PLC一体机的操作显示终端向PLC输入流量等数据，经PLC运算后，向变频器发出信号控制变频器的输出频率，从而使电机以及螺旋体按照要求的速度运转，控制物料的流速和流量。其控制路线如图2所示。

图1 螺旋配麦器基本构造图

图2 螺旋配麦器控制路线

2.3关键技术和参数的确定

2.3.1螺旋叶片的直径

螺旋叶片直径的大小，取决于工艺对配麦器最大流量的要求。根据公式(1)，可得到螺旋叶片直径的计算式为：

(2)

式中各符号的意义同前。这里，有两个因数需要确定：①螺距S，根据螺旋输送机的制造使用经验数据，叶片的螺距通常取S=(0.8～1.0)D。②转速n，确定螺旋体的转速要考虑：叶片直径D、物料的特性尤其是磨琢性、工况。综合考虑配麦器的工作状态，对于D=200 mm、D=250 mm的螺旋体，其最高转速限制在115 r/min以下。至此，即可计算出螺旋叶片的直径D(具体数据保留，后同)。

2.3.2机身最小长度的确定

机身的长度越小，则螺旋体转动的阻力越小，越省动力。但是，进口和出口的距离太近会造成物料穿过叶片的空隙自流到出料口，即使在停机状态下这种情况也可能发生。因此，机身必须大于一定长度，才能保证其正常工作并在停机时能够锁住物料。这个长度值通过实验可以获得。

3 控制方案

螺旋配麦器采用开环控制方式，过程如图2所示。

为了方便用户操作，整个控制系统必须能够接收用户输入的流量数值，然后通过PLC运算、变频器变频，将这个流量数值Q转换为电机的转速n，使配麦器的输出量达到预期的流量。这样就必须建立流量数值Q与电机转速n之间的函数关系，即n=f(Q) 。要想获得精确的数据，仅依靠简单的理论计算是不行的，必须通过实际的测试找到二者的关系。

测试的方法是：首先测出配麦器在不同频率下的流量，画出频率与流量的关系曲线。根据这条曲线的规律，确定几个关键点，用数学方法找出流量和频率之间的关系，这个过程称为“流量标定”。

4 测试与结果分析

4.1螺旋配麦器转速与流量之间的关系测试

将制作完成的螺旋配麦器，连接在试验台的麦仓出料口。在电机的供电线路上接入变频器，分别测试在变频器不同的频率输出时配麦器的出料流量。

测试条件：电机功率0.75 kW，额定转速1 390 r/min;减速比1∶15；小麦体积质量760 kg/m3。

测试结果见表1。

表1 不同频率下配麦器的出料流量

为了更直观和方便分析，将测试数值转换成图3。

图3 不同频率下配麦器的出料流量

由图3可见，螺旋配麦器的流量与电机电源的频率存在很好的线性关系。仅仅是在电源频率小于5 Hz时，由于低频时电机的转差率大、实际转速低于额定转速，造成了配麦器的出料量偏低。所以这条曲线的左下端与直线有略微的偏差。但这个问题可以在编写PLC计算程序时进行补偿。

4.2实际控制精度的测试

将频率与流量的测试数据经过处理后，取关键点的数据输入PLC控制器，然后进行整机的精度测试。测试方法是：通过PLC一体机的操作面板向配麦器输入指令流量，然后测出配麦器的实际出料流量，计算出二者之间的相对误差，即为配麦器的控制精度。测试与计算结果见表2。

由表2可以看出，所测的螺旋配麦器流量控制精度为±2.8%。在小流量区间，精度最低；随着流量的增大，精度迅速提高。这种现象应该和电机在低频率下的转差率有关。而在实际生产应用中，如果配麦器不是经常在最小流量下工作，则其控制精度会达到±1.35%。对于小麦加工工艺中配麦而言，螺旋配麦器的控制精度是完全满足要求的，而且这样的精度是稳定的，不会随时间的变化而下降。

表2 螺旋配麦器的精度测试

5 总结

螺旋配麦器的研制经历了近一年的时间，从方案设计、制造到试验、改进、再试验，经过了多次反复，最终研制成功。该设备目前已成功应用于生产实际中，并取得了良好的效果。生产实际证明，这是一种理想的配麦设备。其优点主要表现在：

(1)螺旋配麦器为机电结合的设备，克服了原有配麦器的一些缺点，具有较高的控制精度，较高的稳定性和耐用性，且能够实现远程计算机控制。

(2)主要工作部分为旋转的螺旋体和壳体，其结构简单，操控容易，工作中不会出现堵、卡现象，工作可靠性高。

(3)机体的长度可根据使用要求制造成任意长度，因此方便了工艺设备的布置，有利于降低麦仓仓底高度，提高仓的容量。

[1] 毛广卿，刘玉兰，王志山，等. 粮食输送机械与应用[M]. 北京：科学出版社，2003.

[2] BOUMANS G.Grain handling and storage[M]. New York:ELSEVIER SCIENCE PUBLISHING COMPANY INC，1985.

[3] 袁 纽，粱之洵. 运输机械设计选用手册(下册)[M]. 北京：化学工业出版社，1999:9-12.

(责任编辑：俞兰苓)

Developmentandtestofscrewflowbalancer

MAO Guang-qing1，LUO Qiong2

(1.College of Food Science and Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou 450001,China; 2.National Engineering Laboratory of Wheat and Corn Deep Processing,Henan University of Technology,Zhengzhou 450001,China)

The flow control is an important step in wheat blending, and the wheat screw flow balancer is an essential equipment during wheat processing. The newly developed wheat screw flow balancer adopts a screw feed by PLC and inverter,which has the characteristics of accurate flow rate, stable performance and non-blocking. We introduced the technical scheme, basic structure, key parameters and control method of the newly developed wheat screw flow balancer, and summarized the test results and equipment characteristics.

screw flow balancer; flow controller; wheat processing

2017-09-25；

2017-10-30

毛广卿(1961-)，男，教授，研究方向为小麦加工与散料输送技术。

10.7633/j.issn.1003-6202.2017.11.004

TS211.3

A

1003-6202(2017)11-0013-04