謝武裝，黃向陽

（廣州甘蔗糖業(yè)研究所 廣東省甘蔗改良與生物煉制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510316）

新型蔗帶秤在甘蔗糖廠的應(yīng)用機(jī)理研究

謝武裝，黃向陽

（廣州甘蔗糖業(yè)研究所 廣東省甘蔗改良與生物煉制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510316）

針對甘蔗糖廠壓榨輸送系統(tǒng)對蔗料輸送在線計(jì)量的高精度要求，在借鑒皮帶秤計(jì)量研究的基礎(chǔ)上，建立了蔗帶秤的秤體設(shè)計(jì)方案，結(jié)合秤體結(jié)構(gòu)方案對其特性響應(yīng)曲線和傳遞系數(shù)作出探討分析，并得出了蔗帶秤的數(shù)學(xué)計(jì)量模型，為蔗帶秤的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供借鑒。

秤體；響應(yīng)曲線；傳遞系數(shù)；計(jì)量模型

0 前言

甘蔗糖廠均衡壓榨輸送系統(tǒng)是制糖企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)管理中極為重要的一環(huán)，它是影響生產(chǎn)穩(wěn)定及生產(chǎn)成本的重要因素之一。而輸蔗機(jī)蔗料實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)有利于維持壓榨量均衡及全廠的物料供應(yīng)平衡，提高壓榨抽出率、生產(chǎn)安全率，降低工人的勞動強(qiáng)度，提高壓榨車間的生產(chǎn)自動化控制水平［1］。如何實(shí)現(xiàn)輸蔗機(jī)的蔗料在線計(jì)量，從而控制輸蔗機(jī)帶速度，實(shí)現(xiàn)碎蔗的均衡輸送，成為解決均衡壓榨輸送系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。

針對輸蔗機(jī)蔗料的在線實(shí)時計(jì)量需求，最初糖廠普遍采用壓力傳感器來進(jìn)行檢測，由于現(xiàn)場環(huán)境惡劣以及蔗料的輸送帶長度、張力、振動影響了壓力傳感器的正確測量，使進(jìn)蔗不均勻，容易造成設(shè)備跳閘停榨，反過來影響生產(chǎn)［2-3］。核子秤是一種非接觸型計(jì)量設(shè)備，它利用伽瑪射線照射輸蔗機(jī)的物料，實(shí)現(xiàn)被傳輸物料重量的動態(tài)在線相對測量。所以，核子秤的出現(xiàn)替代了傳統(tǒng)的壓力傳感器，克服了壓力傳感器的缺點(diǎn)，以核子秤為主要設(shè)備的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了壓榨車間的均衡壓榨。核子秤的推廣使壓榨處理甘蔗量滿足生產(chǎn)要求，降低能耗，穩(wěn)定蔗渣水分，提高鍋爐效能，取得了良好經(jīng)濟(jì)效益。

但是，隨著核子秤在糖廠的推廣使用，帶來核源管理嚴(yán)格、手續(xù)復(fù)雜以及由核輻射和核泄漏日益引起的環(huán)境安全問題。因此，壓榨車間蔗帶秤的無核源計(jì)量技術(shù)成為當(dāng)前糖業(yè)界亟待解決的難題之一。電子皮帶秤作為一種動態(tài)連續(xù)稱量的設(shè)備，在各行業(yè)中已得到廣泛應(yīng)用，由于微電子技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，使電子皮帶秤的稱量準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性明顯提高。如何將新型的電子計(jì)量技術(shù)借鑒、吸收引入糖廠均衡壓榨計(jì)量控制系統(tǒng)是一個值得研究的重要課題。所以，文章將從蔗帶秤的計(jì)量原理、秤體性能和數(shù)學(xué)累計(jì)模型等方面來進(jìn)行分析探討。

1 蔗帶秤的工作原理及結(jié)構(gòu)方案

1.1 皮帶秤的工作原理

電子皮帶秤作為對散狀物料自動連續(xù)、累計(jì)稱量的計(jì)量器具，主要特點(diǎn)是連續(xù)、自動稱重。為了測量輸送皮帶上某段長度的物料瞬時流量，可以通過測量某一托輥或幾個托輥上所承受物料的重量，測量方式采用連續(xù)采樣或周期采樣，所測得的物料瞬時重量再與皮帶速度或皮帶行程進(jìn)行運(yùn)算，得出物料瞬時流量和累計(jì)重量。在理論計(jì)算上，皮帶秤有積分型和累加型兩種累計(jì)計(jì)量數(shù)學(xué)模型。

1.1.1 積分型

當(dāng)皮帶秤輸送物料進(jìn)行動態(tài)計(jì)量時，測取皮帶秤上每單位長度的物料重量q（kg/m）和皮帶在同一時刻的速度v（m/s），得到物料的瞬時流量qv（kg/s），于是在一段時間T內(nèi)物料的累計(jì)量q∑可用積分法表示：

1.1.2 累加型

當(dāng)皮帶秤輸送物料時，輸送皮帶每運(yùn)行一段距離Δl時，累加器作一次物料重量的累加qi，在一段時間內(nèi)皮帶運(yùn)行了n倍Δl的距離，累加器則有n次物料重量的累加q∑。

1.2 蔗帶秤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

蔗帶秤計(jì)量原理與皮帶秤相似，但結(jié)構(gòu)形式與皮帶秤存在明顯差異。皮帶秤的簡要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是秤架安裝在皮帶輸送機(jī)上，皮帶在托輥上運(yùn)行，托輥?zhàn)饔糜诔芋w上的稱重傳感器，皮帶上通過的物料計(jì)量由稱重傳感器和測速傳感器進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換過程中，“皮帶效應(yīng)”［4］的存在，對稱重結(jié)果的精度有明顯影響，特別是皮帶張緊力的選定是影響計(jì)量精度的主要因素之一，其秤體結(jié)構(gòu)主要采用單托輥單杠桿式、多托輥單杠桿式、多托輥雙桿式、懸臂式以及懸浮式等形式。

在設(shè)備擺放、空間改造限制和輸蔗機(jī)結(jié)構(gòu)不改變的情況下，蔗帶秤通常安裝在最大傾斜角為22°的鏈板輸送帶上。結(jié)合相關(guān)皮帶秤的秤架結(jié)構(gòu)分析，懸浮式結(jié)構(gòu)秤架抗干擾能力強(qiáng)，稱重效率高，測量精度高，所以，蔗帶秤秤架的結(jié)構(gòu)宜采用懸浮式。鏈板輸送與皮帶輸送相比，鏈板傳動無彈性滑動和打滑現(xiàn)象，能保持準(zhǔn)確的平均傳動比，傳動效率較高。但是，鏈傳動本身存在“多邊形效用”［4］，鏈輪每轉(zhuǎn)過一個鏈節(jié)，鏈板傳動的瞬時速度大小會周期性地重復(fù)變化一次。鏈板速度與鏈輪節(jié)距和齒數(shù)相關(guān)，鏈板輸蔗帶在輸送過程中瞬時周期性地變速運(yùn)動，會產(chǎn)生動載荷，最終影響計(jì)量時的采樣精度。

鑒于鏈板輸蔗帶行走速度經(jīng)常處于波動狀態(tài)，若采用定時采樣Δt，速度的變化會影響采樣精度，所以，我們在方案設(shè)計(jì)時選用位移傳感器，通過“定長采樣”Δl來實(shí)現(xiàn)。所謂的“定長采樣”就是當(dāng)鏈板行走一定距離Δl時發(fā)出采樣脈沖，用它來控制測量儀表采樣，Δl對于蔗帶輸送系統(tǒng)來說是一個常數(shù)。物料的瞬時流量為：

其中，qi—物料的瞬時流量（kg·m）；pt—在承載器的有效稱量段Lx上瞬間的物料重量在稱重傳感器測得的數(shù)（kg）；vi—測量pt時刻的輸送帶速度（m/s）；Δt—定時采樣的時間間隔（s）。

在公式（3）中，當(dāng)定長采樣Δl=vi×Δt時，則某段時間內(nèi)蔗料輸送的流量表示如式（4）所示。

如圖l所示，甘蔗糖廠的蔗帶秤主要由秤體（稱重承載器）、稱重傳感器、位移傳感器和積算控制儀表等部分組成。其工作原理是當(dāng)鏈板式輸蔗帶4載著破碎、完全撕解后的蔗料2，以一定的張力和速度通過秤體6時，鏈板輸送帶上的計(jì)量蔗料和鏈板重量通過秤體6傳遞到秤架下的稱重傳感器5，通過位移傳感器3的測量和反饋控制，當(dāng)輸蔗帶上的蔗料被傳送過一個定長采樣距離Δl，系統(tǒng)就向稱重裝置發(fā)出一個詢問脈沖，稱重裝置從開始輸送蔗料時起，就在每個詢問時刻t，把稱重傳感器5感知的質(zhì)量信號送入積算控制顯示儀表1，經(jīng)過放大濾波、A/D轉(zhuǎn)換等轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送入內(nèi)置累計(jì)數(shù)學(xué)模型的運(yùn)算器，運(yùn)算器將兩個信號進(jìn)行乘積運(yùn)算，從而得出某段輸送距離L內(nèi)輸蔗帶上被測蔗料的瞬時流量值和質(zhì)量累計(jì)值。

2 蔗帶秤的秤體性能分析

2.1 秤體的響應(yīng)特性曲線

秤體響應(yīng)特性曲線分析方法是一種分析秤架特性的新方法，響應(yīng)曲線表示了某個恒定質(zhì)量的質(zhì)點(diǎn)通過秤體過程中稱重傳感器受力的變化情況。在同一有效稱量段長度Lx不變的情況下，秤體的結(jié)構(gòu)形式不同，其響應(yīng)曲線也不相同，即特性曲線的投影面積也不同。曲線投影面積越大，則表明秤體性能越好［5-9］。我們通過圖2中對秤體結(jié)構(gòu)的受力示意，利用平面慣性力學(xué)原理，對秤架各支點(diǎn)的受力進(jìn)行計(jì)算分析，便可得到本方案中秤體的近似響應(yīng)特性曲線圖2（忽略輸蔗帶的變速工況），其響應(yīng)特性曲線為ABCD，與水平軸AD構(gòu)成一個等腰梯形。該響應(yīng)特性曲線表示鏈板輸送帶上有效稱量段Lx內(nèi)各點(diǎn)的物料重量反映在秤體上的稱重傳感器變化情況。

圖2 秤體受力及響應(yīng)特性曲線示意圖

根據(jù)圖2的響應(yīng)特性曲線可以得出下面分析。

第一，斜線段分別為上升段AB和下降段CD，它反映了蔗料進(jìn)入秤體或離開秤體時，稱重傳感器所感受的力從零上升到最大值或最大值下降到零的反應(yīng)時間；如果斜線變得平緩，則梯形面積變小，表明秤架的響應(yīng)特性曲線變差。該秤體特性曲線的斜段上無拐點(diǎn)，表明該結(jié)構(gòu)形式的秤體在荷載時傳感器的受力無突變，懸浮式秤體對稱重信號的平滑濾波性好。

第二，水平段BC，該線段表示在L2這段區(qū)間上，蔗料對稱重傳感器的作用力是均勻分布的，并始終處于最大作用力狀態(tài)。線段BC越長，表明蔗料瞬時流量的波動小，秤體的機(jī)械濾波效果越好，則特性曲線的投影面積越大，稱重傳感器的總受力值也越大。

結(jié)合曲線圖2和秤體結(jié)構(gòu)來說，當(dāng)鏈板輸蔗帶的節(jié)距變小，相同有效稱量段Lx作用于秤體上的力更均勻，作用力更大，則特性曲線的投影面積更大，秤架的計(jì)量性能更優(yōu)。所以，根據(jù)特性曲線的分析，在兼顧秤體撓度范圍的情況下，適當(dāng)增大秤體長度，可以增大特性曲線的面積，從而改善其計(jì)量精確性。

2.2 傳遞系數(shù)η的推導(dǎo)

秤體是物料稱重過程中力與電信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換的第一個環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)的力轉(zhuǎn)換特性及其精確度對秤的性能優(yōu)劣起著關(guān)鍵作用［5-6］。蔗帶秤在秤體斜置工況下，輸蔗帶上蔗層實(shí)際重量∑Pt是通過懸浮式秤體傳遞給稱重傳感器，而在垂直方向上稱重傳感器感知的重量是∑Pt′，稱量段蔗層Lx的實(shí)際重量∑Pt=∑Pt′（忽略輸蔗帶與秤體作用在稱重傳感器部件上的重量）?！芇t′為輸蔗帶有效稱量段Lx內(nèi)在不同的位置作用在稱重傳感器的力，它在不同位置時傳感器感應(yīng)的力不相同（Pi因?yàn)楹狭c(diǎn)到力臂的支點(diǎn)距離不同，所以稱重傳感器感知的力也就不相同）?！芇t與∑Pt′之間有一個傳遞系數(shù)η，傳遞系數(shù)η與秤體的結(jié)構(gòu)尺寸以及鏈板輸送帶的節(jié)距p0均相關(guān)。

從響應(yīng)特性曲線圖2可以知道，它由兩個拐點(diǎn)，三個線性方程組成。用積分計(jì)算如式（5）、式（6）和式（7）所示。其中，鏈板輸送帶節(jié)距p0=Lg=L1=Lx-L2。

由此推導(dǎo)出懸浮式秤體傳遞系數(shù)計(jì)算公式（8）。

鏈板輸送帶的節(jié)距為p0，為了有利于計(jì)算分析，取有效稱量長度Lx=np0，由此可得式（9）。

所以，有效稱量段Lx蔗層于秤體垂直方向上各傳感器感知的實(shí)際重量應(yīng)滿足下面關(guān)系式（10）。

從式（8）可知，在滿足秤體撓度和剛性情況下，有效稱量長度Lx適當(dāng)增大，鏈板輸送帶間距p0越小，對應(yīng)有效稱量段作用在秤體上的節(jié)距數(shù)越多，秤體傳遞系數(shù)越大（近于一），稱重傳感器計(jì)量精度越高。

3 連續(xù)累計(jì)計(jì)量模型建立

實(shí)際上，蔗帶秤不可能對通過的每個單元蔗料進(jìn)行單獨(dú)計(jì)量，而是對連續(xù)輸送的蔗料進(jìn)行計(jì)量，可以將連續(xù)的蔗料看成是無數(shù)個單元寬度為Δl單元蔗層段（其寬度即為定長采樣距離），單元蔗料的重量為PΔl，隨同鏈板輸送帶依次通過秤體，每前進(jìn)一步增加一個Δl的距離，并且由位移傳感器發(fā)出一個脈沖，進(jìn)行一次計(jì)量。由圖2可見，Lx可以等分的距離數(shù)Lx= nkΔl（其中，n和k均為大于0的整數(shù)）。為了便于分析和計(jì)算，我們可以籠統(tǒng)地假設(shè)鏈板輸送帶的整圈長度為L=NL0（N為大于0的整數(shù)），連續(xù)工作的稱重計(jì)量重量可以采用長度積分法［7-8］得到下面的計(jì)量模型。

式中，Q0—鏈板輸蔗帶整圈累加皮重（kg）；L0—輸蔗帶的整圈長度（m）；L—輸蔗帶的輸送長度（m）；Q—鏈板輸蔗帶上Lx段蔗料的累加重量（kg）；θ—輸蔗帶的傾角（°）；P0（Δl）—輸蔗帶空載時的作用于秤體的縱向力（kg·m）；P（Δl）—輸蔗帶荷載時的作用于秤體的縱向力（kg·m）；η—秤體的傳遞系數(shù)。

所以上式（11）和式（12）動態(tài)累加數(shù)值算法分別如式（13）和式（14）所示。

4 實(shí)驗(yàn)平臺模擬及結(jié)果

根據(jù)上面秤體結(jié)構(gòu)方案所推導(dǎo)的動態(tài)連續(xù)累計(jì)計(jì)量數(shù)學(xué)模型，筆者搭建了圖1的小實(shí)驗(yàn)平臺，模擬了輸蔗帶荷載運(yùn)行工況，用定長采樣法對其數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，其模擬計(jì)量結(jié)果如表1所示。從相對誤差可以看出，計(jì)量結(jié)果優(yōu)于±0.5%的計(jì)量精度。

表1 實(shí)驗(yàn)?zāi)M計(jì)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)束語

本文提出了新型蔗帶秤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，從秤架結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析出發(fā)，推導(dǎo)出基于秤體結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特性曲線，并對秤架性能優(yōu)劣進(jìn)行探討。秤體結(jié)構(gòu)的傳遞系數(shù)η的推導(dǎo)有利于提高秤體的計(jì)量精度，采用的定長采樣法（或長度積分法）避免了因測速而引入的測速誤差；動態(tài)累加計(jì)量數(shù)學(xué)模型的建立為蔗帶秤的計(jì)量提供理論依據(jù)和參考。

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Study on Application Mechanism of New Cane Chain Plate Scale in Sugar Mill

Xie Wu-zhuang，Huang Xiang-yang
（Guangzhou Sugarcane Industry Research Institute/Guangdong Key Lab of Sugarcane Improvement& Biorefinery，Guangzhou 510316）

According to high precision requirements of sugarcane layer transmission online measurement in sugar mill press conveyor system，the designing scheme of suspension balance body of cane chain plate scale was established based on belt scale measurement research，and we analyzed its characteristic response curve and transmittance coefficient according to scale structure scheme，and received measuring mathematical model ofsugarcane belt scale，which served as a reference for optimal design ofsugarcane belt scale.

Load receptor;Response curve;Transfer coefficient;Measurement model

TS243.1

A

2095-820X（2016）03-05

2016-06-02

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目“綠色制糖加工關(guān)鍵技術(shù)與裝備研發(fā)”（2016B070701005）。

謝武裝（1977-），男，碩士，工程師，主要從事制糖工藝與裝備的研發(fā)設(shè)計(jì)；Email：xiewuzhuang2006@163.com。