在擠出加工中,往往需要將多種原料混合在一起(如顏色、阻燃劑、玻纖等),進入擠出機。在連續的擠出生產過程中,各種原料都要連續地同步加入,顯然,各種原料的加入速度必須依據相應的配比(配方)。要控制原料的加料速度就需要使用計量加料機,而且是每種原料要用一臺加料機。
加料機的形式
目前最常見的加料機都是螺桿式的,這種加料機是在儲料桶的底部裝配螺桿,依靠螺桿的轉動將料桶中的原料推出,達到加料的目的。我們通過控制螺桿的轉速就可以控制加料的流量,這就是螺桿式計量加料機。除了螺桿式的,還有皮帶式、振動盤式以及添加液體用的計量泵等形式的計量加料機。
失重式計量控制系統
根據自動控制學理論,要達到精確控制的目的,就必須采用死循環控制的方式,即要把控制量反饋,與設定值作比較。對于計量加料機,我們所希望控制的量就是加料機的加料流量,所以可得出控制流程圖如圖1:
從圖1可以看到,我們必須用傳感器采集實際加料流量,然后反饋給控制器,再與設定值作比較,如果實際值小于設定值,控制器就增加加料機的轉速,反之就減小加料機的轉速,從而使實際與設定值接近。由此原理可知,傳感器的精確度和采樣速度與控制的精度息息相關。
那么,傳感器是如何測得實際的加料流量的?通常傳感器就是一臺荷重元(秤),荷重元測量整個加料機的重量(包含料桶中的原料,如圖2),加料機工作時重量就會減少,減少的值就是排出原料的量,若在一小段時間內(Δt)重量的減少量為(ΔG),那么這段時間內的平均加料流量就是:ΔG/Δt。如果Δt足夠小,就可以看作是實時的加料流量。由于實際流量是靠重量的減少來測定的,故這種計量方式稱為失重式計量。
應用這一原理控制的加料機都稱為失重式計量加料機,其形式不僅僅局限于螺桿式的,其它如皮帶式、振動盤式乃至計量泵(液體),等等,均可采用失重式控制以得到高的添加精度。
荷重元(傳感器)
由于荷重元的好壞與控制精度直接相關,所以荷重元就成為失重式計量機的核心部件。根據前面講過的控制流程圖,荷重元最重要的性能指針就是測量精度和速度。由于計量機工作時重量是不斷變化的,要準確測得實時的重量值就要求荷重元的測量速度極快,稍有延遲重量就已經變化。而我們通常使用的稱重組件都是靜態稱重,測重物放上去后要等一小段時間平靜之后才能稱準。這就是為什么普通的測重組件不能用在加料機上,即便是它的測量精度很高。也正是因為這一點,目前世界上能夠生產失重式加料機的廠商還不是很多。以Colortronic等品牌的失重式計量機制造商代表著當今世界上荷重元技術的最高水準,其荷重元采用震動弦式,響應速度極快,分辨率達1/1,000,000。不僅如此,荷重元還內置有微處理器,測量數據全部采用數字化傳輸,進一步保證了速度與精度。荷重元本身還具有軟件濾波和溫度補償功能,可消除一般的震動和溫度變化對測量的影響。
設備選型
有了先進的加料機并不意味著就能解決生產中的實際問題。現實生產中所使用的原料千變萬化,原料的性質也各有不同。從原料的形態上分有:顆粒、粉末、微粒、碎片、纖維、針狀、束狀、液體等等,原料性質也有粘結、硬度、低熔點、磨蝕性等的區別,表現出來的流動性有好、中、差甚至極難流動之分。可以說沒有任何一種加料機可以適應所有的原料,為此,設備制造商們針對不同的需求開發了各種類型的加料機。單是螺桿式加料機就分為單螺桿和雙螺桿,螺桿的形式又分為螺旋形的和實心的,甚至還可以再細分。對于流動性差,易于架橋的原料,通常采用在料桶內部加水平攪拌器或垂直攪拌器的方式解決,然而Brabender和Colortronic卻設計出了彈性料斗加料機,這種加料機采用彈性樹脂制成料桶,在料桶外側裝上蠕動機構,通過在料桶壁外側的按壓來破壞料桶內原料的架橋。這種設計的優點之一就是在更換和清理原料時比較方便,省去了清理內部攪拌器的種種不便。
從上所述可知加料機的形式有很多種,對于不同的原料要搭配何種形式的加料機是一門非常復雜的學問,不僅要了解原料的各種性質,還要了解不同形式加料機的性能特點,除此之外還需要有大量的實際經驗,有時看似不太匹配的選擇卻往往可以達到意想不到的效果。在此無法一一詳述,如有需要可直接詢問加料機的供貨商,他們本著對設備的了解加上長期積累的實際經驗,通常會給出用戶理想的解決方案。對于一些特殊的需求,客戶甚至可以提供原料樣品給設備供貨商做測試,以尋求最佳的設備選擇。