侯曉鵬 陳申召 劉志軍2 邸賀安

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河北 保定 071000；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)木材加工機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071000；3.中國林科院林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091；4.河北依麗蘭家具有限公司，河北 雄安新區(qū) 071600)

模壓是制品生產(chǎn)的重要方法[1-2]，在其生產(chǎn)過程中，精確施膠至關(guān)重要，施膠量和施膠均勻性影響制品的物理和力學(xué)性能[3-5]。陳立軍等[6]結(jié)合某人造板廠實(shí)際問題，研究實(shí)現(xiàn)了并行在線式調(diào)施膠控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了邊調(diào)膠邊施膠生產(chǎn)工藝。國家林業(yè)和草原局北京林業(yè)機(jī)械研究所王雙永等[7-8]就物料高壓無氣施膠技術(shù)和方法做了系統(tǒng)研究，探究膠黏劑液相壓力、噴嘴出口形狀、嘴芯出口直徑等參數(shù)對高壓無氣施膠霧化效果的影響，并仿真分析了高壓無氣噴嘴內(nèi)部壓力場和速度場的分布規(guī)律，找出了該噴嘴的最佳霧化狀態(tài)。

在實(shí)際生產(chǎn)中，受環(huán)境因素如工業(yè)用電波動、物料喂入量等因素影響，施膠量是一個(gè)變化值，如何控制施膠量隨外界因素變化而變化就需要建立精確的數(shù)學(xué)模型[9-10]。一般而言，噴嘴噴霧壓力對施膠流量的影響更為直接，因此建立噴霧壓力與施膠流量的關(guān)系模型是實(shí)現(xiàn)變量施膠的可行方法。與人造板工業(yè)的精確施膠要求類似，在農(nóng)業(yè)和植保作業(yè)中也要求精確施藥，其方法對人造板行業(yè)而言同樣值得借鑒。為減少植保作業(yè)中藥液使用量，浙江大學(xué)蔣煥煜等[11]基于多傳感器信息融合理論，構(gòu)建了一套PWM變量噴霧實(shí)驗(yàn)平臺，建立了PWM噴霧流量模型，但該模型未考慮外界干擾因素如作業(yè)對象體量變化的影響。因此，構(gòu)建考慮物料喂入量等干擾因素的施膠量精確控制模型成為促進(jìn)粉料模壓生產(chǎn)的關(guān)鍵。

本文基于脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)，設(shè)計(jì)一套粉體螺旋進(jìn)料變量噴霧施膠系統(tǒng)，并建立可采集測量噴頭噴霧壓力、粉體進(jìn)料螺旋電機(jī)轉(zhuǎn)速的PWM變量噴霧施膠試驗(yàn)平臺。通過進(jìn)料螺旋電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算粉體進(jìn)料量，根據(jù)進(jìn)料量和氣流壓力調(diào)節(jié)PWM信號占空比，通過高速電磁閥控制氣流輸出，最終控制施膠量。為粉料施膠/干燥連續(xù)試驗(yàn)平臺的搭建奠定基礎(chǔ)。

1 粉體螺旋進(jìn)料變量噴霧施膠系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

粉體螺旋進(jìn)料變量噴霧施膠系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

試驗(yàn)平臺由螺旋進(jìn)料單元、氣體供壓單元、流量調(diào)節(jié)單元、信號采集單元和PWM控制單元構(gòu)成。其中螺旋進(jìn)料單元選用WLS-50螺旋進(jìn)料器，采用變頻調(diào)速，變頻器型號為Goodrive10—三相380VGD10-0R7G-4-B，經(jīng)MODBUS RTU協(xié)議與ST40PLC通信。氣體供壓單元包括空壓機(jī)和氣源調(diào)節(jié)裝置，壓縮空氣經(jīng)氣動三聯(lián)件到單向節(jié)流閥，而后經(jīng)高速電磁閥(ZCB型)到達(dá)噴頭，促使膠罐中的膠噴出，其中三聯(lián)件中的減壓閥用于調(diào)節(jié)氣流壓力，單向節(jié)流閥用于調(diào)節(jié)氣體流量。在單向節(jié)流閥的出口處安裝壓力傳感器(WMB-HS/XS帶顯示壓力變送器)，24 V供電，4～20 mA輸出。ST40PLC的PWM信號經(jīng)中間繼電器后發(fā)送給高速電磁閥，以此控制氣流輸出。根據(jù)圖1，通過硬件選型和安裝調(diào)試，設(shè)計(jì)的螺旋進(jìn)料變量噴霧施膠系統(tǒng)物理樣機(jī)如圖2所示。

圖1 螺旋進(jìn)料變量噴霧施膠系統(tǒng)總體框架1.電機(jī)；2.減速器；3.攪拌器料斗；4.螺旋進(jìn)料管道；5.膠罐；6.噴頭；7.高速電磁閥；8.壓力傳感器；9.單向節(jié)流閥；10.氣動三聯(lián)件；11.氣源調(diào)節(jié)裝置；12.空壓機(jī)

圖2 螺旋進(jìn)料變量噴霧施膠系統(tǒng)物理樣機(jī)1.空氣壓縮機(jī)；2.螺旋進(jìn)料管道；3.噴槍；4.進(jìn)料器；5.螺旋進(jìn)料電機(jī)；6.進(jìn)料器控制箱；7.氣動元件；8.按鈕；9.觸摸屏；10.PLC；11.計(jì)算機(jī)

1.2 PWM輸出和HMI 組態(tài)

使用Q0.1作為脈沖輸出點(diǎn)，脈寬根據(jù)所需要的控制要求變化。觸摸屏選擇SMARTLINE 700 IE，組態(tài)后的界面如圖3所示。

圖3 HMI組態(tài)界面

HMI主要?jiǎng)澐譃樗膫€(gè)功能區(qū)域，分別是工藝參數(shù)設(shè)定區(qū)域、螺旋進(jìn)料電機(jī)控制、PWM信號及噴膠控制、結(jié)構(gòu)示意圖及命令。參數(shù)設(shè)定后，依次按電機(jī)命令按鈕“START”、“設(shè)定電機(jī)頻率”和“讀轉(zhuǎn)速”，啟動程序，點(diǎn)擊“STOP”停止試驗(yàn)。HMI命令按鈕的組態(tài)與控制柜操作面板上的手動按鈕相對應(yīng)。

2 試驗(yàn)與分析

2.1 螺旋進(jìn)料試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

竹粉，含水率7.3%，80目，堆積密度0.35 t/m3；PWM變量噴霧控制試驗(yàn)臺；電子天平，0.01 g。

2.1.2 試驗(yàn)方法與結(jié)果

將竹粉倒入螺旋進(jìn)料器內(nèi)且占進(jìn)料器總?cè)莘e的1/2；設(shè)定電機(jī)頻率分別為10 Hz、15 Hz、20 Hz、25 Hz、30 Hz、35 Hz、40 Hz；啟動電機(jī)，待竹粉從螺旋進(jìn)料器穩(wěn)定出料后開始計(jì)時(shí)1 min，同時(shí)讀取電機(jī)同步轉(zhuǎn)速；出料過程中，通過攪拌棒在料斗內(nèi)攪拌以免竹粉架空而影響出料均勻性；將1 min的出料量進(jìn)行稱量，且三次測定取平均值。每次測定出料量后，需再次將料斗內(nèi)竹粉添加到1/2容積以保證每次試驗(yàn)的物料壓力一樣。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

三相異步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速與頻率關(guān)系：

(1)

式中：p為極對數(shù)；f為頻率(Hz)；n0為同步轉(zhuǎn)速(r/min)。

表1實(shí)際螺旋進(jìn)料量

序號設(shè)定頻率/Hz讀取的同步轉(zhuǎn)速/r·min-1實(shí)際進(jìn)料量/g·min-111030077.04215450118.48320600154.78425750197.41530900234.836351 050289.437401 200330.63

所用螺旋進(jìn)料電機(jī)型號為YVF2-71M2-4，極對數(shù)p為2。式(1)和表1數(shù)據(jù)表明，通過MODBUS RTU讀取的電機(jī)同步轉(zhuǎn)速與理論計(jì)算值一致，表明變頻調(diào)速的可靠性。

根據(jù)中華人民共和國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，螺旋進(jìn)料量為：

Im=47·106·ρ·φ·D2·S·n

(2)

式中：Im為進(jìn)料量(g/min)；ρ為堆積密度(t/m3)；φ為充填系數(shù)；D為螺旋輸送機(jī)公稱直徑(m)；S為螺距(m)；n為螺旋軸轉(zhuǎn)速(r/min)。然而，國標(biāo)的推薦值中螺旋輸送機(jī)的公稱直徑D≥100 mm，且填充系數(shù)和物料堆積密度的差異導(dǎo)致公式(2)的計(jì)算存在一定的偏差。為此，對表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，以建立設(shè)定頻率與實(shí)際進(jìn)料量的數(shù)學(xué)模型，如圖4所示。

圖4 螺旋進(jìn)料數(shù)據(jù)擬合

擬合結(jié)果為：

y=8.448x-10.82

(3)

式中：x為設(shè)定頻率(Hz)；y為進(jìn)料量(g/min)。模型的決定系數(shù)R2=0.997。

2.1.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

分別設(shè)定螺旋進(jìn)料電機(jī)頻率為12 Hz、22 Hz、32 Hz和45 Hz，按上述方法測定1 min的進(jìn)料量，對比式(3)計(jì)算值，結(jié)果見表2。

表2螺旋進(jìn)料模型驗(yàn)證

設(shè)定頻率/Hz讀取的同步轉(zhuǎn)速/r·min-1實(shí)際進(jìn)料量/g·min-1計(jì)算進(jìn)料量/g·min-1誤差/%1236093.3190.563.0422660171.12175.042.2432960254.27259.522.02451 350367.16369.340.59

由表2可以看出，試驗(yàn)設(shè)定頻率下，實(shí)際進(jìn)料量與計(jì)算值的偏差最大為3.04%，平均偏差為1.97%，滿足精度要求。

2.2 變量施膠試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)材料和設(shè)備

PWM變量噴霧控制試驗(yàn)平臺；脲醛樹脂膠，固含量57%，涂4杯測定黏度72.06 s；竹粉，含水率7.3%，80目；佳能平口卷裝保鮮袋，35 cm×45 cm；電子天平，0.01 g；燒杯，500 mL。

2.2.2 試驗(yàn)方法

(1)設(shè)定PWM信號頻率為1 Hz。

(2)為保證噴槍噴出的膠全部被收集，用保鮮袋套在噴頭出口收集膠液。

(3)調(diào)節(jié)氣動三聯(lián)件中減壓閥壓力為設(shè)定壓力，擰緊單向節(jié)流閥，使壓縮氣體不能反流；順次按啟動按鈕、讀頻率按鈕和讀轉(zhuǎn)速按鈕；待噴槍穩(wěn)定噴出膠液時(shí)開始收集并計(jì)時(shí)60 s，然后連同保鮮袋一起置于已經(jīng)清零的燒杯中并稱重。

(4)經(jīng)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)占空比小于40%、氣流壓力小于0.30 MPa時(shí)，噴槍由于氣流過小無法吸出脲膠，導(dǎo)致噴膠量為0。為此，占空比取40%～100%，氣流壓力取0.30 ～0.50 MPa。

2.2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

噴膠量測定結(jié)果見表3。

表3噴膠量測定結(jié)果

占空比/%氣流壓力/MPa0.300.400.504033.1058.0171.995052.3679.4294.336070.5191.87120.537079.46119.14146.228099.10138.76163.7290120.58168.89188.16100139.55182.88228.69

對0.30、0.40和0.50 MPa氣流壓力下的PWM信號占空比與噴膠量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，以此建立基于PWM的噴霧施膠量控制模型。

0.30 MPa氣流壓力線性擬合處理結(jié)果如圖5所示。

圖5 0.30 MPa氣流壓力下線性擬合結(jié)果

(4)

0.40 MPa氣流壓力下自動線性擬合處理結(jié)果如圖6所示。

圖6 0.4 MPa氣流壓力下線性擬合結(jié)果

(5)

0.50 MPa氣流壓力下自動線性擬合處理結(jié)果如圖7所示。

圖7 0.5 MPa氣流壓力下線性擬合結(jié)果

(6)

2.2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)模壓的工藝要求，每1 kg竹粉施膠量分別為15%和20%(固體樹脂膠黏劑與竹粉質(zhì)量的百分比)。固體膠150 g、200 g分別對應(yīng)所用固含量的脲醛樹脂膠黏劑263.16 g和350.88 g膠液。調(diào)整噴膠壓力分別穩(wěn)定在0.30 MPa、0.40 MPa和0.50 MPa，設(shè)5 min進(jìn)料1 kg竹粉，根據(jù)公式(3)，螺旋進(jìn)料器的設(shè)定頻率為24.95 Hz，取為25 Hz，則在不同的施膠配比下，需要施液體膠理論值分別為52.63 g/min、70.18 g/min。

在式(4)、式(5)和式(6)中，分別設(shè)定噴膠量為52.63 g和70.18 g，占空比計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4占空比計(jì)算和取值

理論噴膠量/g·min-1氣流壓力/MPa占空比計(jì)算值/%占空比確定值/%實(shí)際噴膠量/g·min-1相對誤差/%52.630.3049.545054.022.64 70.180.3059.335968.562.31 52.630.4038.663953.411.48 70.180.4046.844770.410.33 52.630.5033.183354.162.91 70.180.5040.194068.063.02

由表4可以看出，噴膠量誤差控制在4%范圍內(nèi)，表明所建模型可用于描述占空比、氣流壓力與噴霧量的關(guān)系。

3 結(jié)論

(1)建立了包括螺旋進(jìn)料單元、氣體供壓單元、流量調(diào)節(jié)單元、信號采集單元和PWM控制單元在內(nèi)的粉體螺旋進(jìn)料變量噴霧施膠系統(tǒng)和試驗(yàn)臺，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)氣流壓力和進(jìn)料量對噴膠量的調(diào)控。

(2)試驗(yàn)結(jié)果表明，所建螺旋進(jìn)料模型在試驗(yàn)設(shè)定頻率下，實(shí)際進(jìn)料量與計(jì)算值的偏差最大為3.04%，平均偏差為1.97%。

(3)采用PWM變量噴霧施膠試驗(yàn)平臺進(jìn)行噴膠試驗(yàn)，實(shí)測值與模型計(jì)算值相對誤差在4%范圍內(nèi)。

(4)所建的螺旋電機(jī)頻率與進(jìn)料量的數(shù)學(xué)模型以及氣流壓力、PWM占空比與噴膠量的數(shù)學(xué)模型是在本文所用竹粉、脲醛樹脂膠黏劑的材料特性下建立的，而在實(shí)際生產(chǎn)中，每一批次的材料可能有所差異，需要重新標(biāo)定并建立適用模型。