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保证给料机的精度 |
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作者：美国K-Tron公司 John Pettit 来源：PT现代塑料 |
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今天，错误的配方导致的材料浪费和产品报废的代价太昂贵了，不能不引起人们的重视，并设法避免。在生产中，时刻保证了给料机的精度，就等于保证正确的配方。而要时刻保证给料机的精度，就离不了对给料机精度的测量和监测，以及对给料机的清洁和维护。
精确给料的因素
对于塑料加工商而言，要想按照重量方式获得并保持精准的散装物料流量，就必须首先了解和考虑以下7个主要因素：物料（物料仓储情况和搬运处理特性）、给料机工作原理、称量系统、机械设计、控制方案、运行环境以及维修保养方法。
1、物料
在今天的塑料加工过程中，由于给料工作遇到的材料和搬运处理特性千差万别，就要求塑料加工商应在确定给料机技术规范和选型的阶段，就要充分注意对物料特性的评估。通常，材料决定所需的给料机类型。对于那些难于处理的、会漫溢的材料或难于流动的材料，最好使用失重式给料机。这种给料机的特点是可以根据具体材料进行适当配置。而对于自由流动材料则不要求给料机采用任何特殊配置，使用皮带式给料机是最佳选择。当然，这只是一般性的原则，为了将给料机与材料进行正确的匹配，塑料加工商应与给料机供应商密切磋商，在试验室进行一些必要的试验，以对选型进行确认。
2、工作原理
皮带式和失重式给料机是当今使用最多的两种称量给料机类型。由于它们的工作原理不同，使它们各自的给料精度影响因素也不尽相同。在称量皮带给料工艺中，当材料进入给料机时，材料可形成大致均匀的料床，然后被输送且要通过一个剪切闸门。当薄薄一层材料快速通过称量段时，给料机就检测到了材料的重量。根据检测到的重量，皮带速度能够连续不断地自动进行调整，这样排出的物料重量就可以始终处于可控状态中。与此相比，在失重给料方法中，整个给料机、料斗中的材料和排出材料都连续不断地被称量，使给料机的输出速率（给料系统失去重量的速率）被精确控制，以达到理想的给料速率。
3、称量系统
不管是选择皮带式还是选择失重式给料机，要想精确给料就必须保证精确称量。在称量皮带给料中，对于给定运行范围而言，不管要求的给料速率是多少，需要测量的重量都是比较小而且几乎是恒定的。所以，皮带称量系统的直线性不如失重给料工艺那么重要。由于称量皮带给料工艺一般不要求配置计量台以对施加到传感器运行范围的负荷进行测量，故其对材料重量分辨率的要求要低一些。但是，称量皮带给料机的精度对于皮带检测重量的任何改变却是极其敏感的，不管这种变化是由粘附到皮带上的材料造成的，还是由于重量传感器的零点漂移造成的。
失重给料工艺要求称量系统拥有宽的运行范围、极好的直线性、能够精确确定系统总重量的足够高的分辨率以及能够在加料进程中进行迅速测量所需要的高水准反应能力。另外，在低速率失重给料应用中，如果与检测到的总重量相比，两个时刻之间的重量损失非常小时，测量分辨率的高低则显得尤为重要。这是因为失重给料工艺不像称量皮带给料工艺那样依赖于稳定零点，它的着重点是重量的变化，而不是重量的绝对测量值。
K-Tron公司专有的智能力传感器（SFT）适合于满足称量皮带和失重给料应用中的各种具体要求，其真正的数字工作原理可以给任何流程称量装置以无漂移数字格式提供最高的分辨率（1:1000000）。由于SFT的运行不产生偏转，使得它足够灵敏，能够精确跟踪失重给料工艺中不断变化的负荷，同时它又足够稳定，可以避免与依靠偏转的称量系统（如LVDT解算器）相关联的误差。
4、机械系统
因为失重式给料机的机械结构简单，人们很少担心给料精度的问题。但是，在皮带式给料机的应用中，给料精度可能会受到称量台错位的影响。具体来说，就是直接处于称量台上游的固定料台与称量台本身的错位会造成给料速率的意外增加或减少。另外，任何与皮带牵引力、张紧力或清洁度有关的因素都会造成给料速率的错误。因此，在设备选型过程中和在编制任何维修保养计划时，都应该对上述系统的可靠性和运行有效性进行评估。
5、控制
任何给料机，不管是皮带式给料机，还是失重式给料机，都会配置一个控制器，以执行设备运行的基本功能。一般来说，可靠的准确性常常取决于控制功能的强化，而提供强化功能是为了创造某些条件或满足某些要求。称量皮带给料工艺所要求的强化功能包括输送滞后延迟、皮带自动称量、溢撒检测等多种项目。而失重给料工艺所需的控制强化功能则包括为了解决环境干扰影响而采取的复杂重量信号过滤以及为了在给料机容积计量再加料阶段维持精度而提供的再加料阵列控制技术等。
6、环境
关注给料机的运行环境常常会揭示出确保给料机可靠运行的方法。如当振动是影响因素的时候，可采取措施将给料机与其他设备隔离开来。这些措施一般包括使用柔性进口和出口接头以及在设备上安装减振装置。此外，只要可能，应该尽量避免高温、高湿、风和其他环境因素对给料机的影响。
7、维修保养
没有一定水准的维修保养，就不可能指望精密设备会准确地工作。尽管今天的先进给料机所需要的维修保养很少，但正确的维修保养还是非常必要的。这包括：定期清理称量皮带给料机内部，以避免由材料积聚所导致的给料误差；检查皮带是否有磨损和材料在皮带上的粘附情况，必要时要进行更换；检查与皮带相关联的机械系统运行是否正常；定期检查所有柔性接头，确保牢固连接。若接头连接不紧，会影响失重式给料机的重量测量精度。
测量精度
1、直线性和重复性
不管给料机类型或结构设计如何，称重给料机的精度都是从给料机出口处定时抽取样品进行称量而得的。“称量给料机精度”实际上表征了两个既有区别但又相互关联的数据特性，即直线性和重复性的综合效果。
直线性是对给料机在其整个运行范围内平均提供所需流量速率能力的一种衡量。因此，直线性测量值揭示出，在各种流量设定值状况下，实际重量与所需平均样品重量之间的差别；重复性是对给料机在给定流量速率状况下经短暂时间排出恒定流量材料的度量。这种度量通常是在所需的工作流量速率下进行的，它表示一组称量抽样样品在平均抽样重量周围的离散水平。
要想清楚地表征给料机精度，就必须详细了解直线性和重复性。
● 直线性。给料机的直线性测量值是以量化方式表明给料机在整个运行范围内的每个点上提供所需平均速率的好坏程度。完美的直线性是用一条直线表示的，其所表示的是给料机在满刻度运行范围内的实际平均给料速率与设定值之间的关系。
为了进行直线性测量，要从给料机出料流中定时采集数组样品。一般情况下，要在满刻度的5%、25%、50%、75%和100%流量速率下连续抽取十个样品并对之称重。（最小测试流量速率应该在给料机最大调节比的情况下抽取，在图1中，给料机20:1的调节比可换算成5%）。对于每个组别，都计算出样品的平均重量，然后计算平均值和样品所要求的重量之间的差值。请注意，当某个组的平均样品重量小于所要求的样品重量时，其差值为负数。这些以重量为基础的误差用所需速率的百分比来表示，每个差值被其各自所要求的样品重量相除，再乘以100，就可以得出一组五个误差数值。这些误差反映出给料机在其运行范围内的平均给料速率的准确性。
图1 图2
为了消除只能采用校验进行修正的任何偏差以及将这一组五个误差值简化成能够描述给料机直线性特点的一个单一数值，对误差组的范围又进行了计算。其计算结果为运行速率的百分比，用此值可表示给料机的直线性。
● 重复性。虽然重复性（对抽样组平均重量离散情况的度量）并不揭示给料机是否在提供平均所需的速率，但是它可以告诉我们有关短时间内的流量速率不一致程度的大量信息。这种信息是极其有价值的，特别是对于质量控制而言，更是如此。
要想以有意义的方式表达重复性，其关键是重复误差的随机性质。在实践中，造成重复性误差的主要因素是材料的流动特性，其他次要因素还包括给料机和取样天平对气流和振动等环境干扰的敏感性。
重复性误差可以进行量化，借助于标准偏差概念用统计方法予以表述。标准偏差能够描述任何一组随机事件在平均值（平均样品重量）中是如何分布的（图2表示的是抽取样品时的振动情况）。一系列抽取样品重量的标准偏差（S）是从平均值（）中求出的单个样品重量偏差（d）平方的和除以抽取样品的数量（n）而得的，其计算公式表示如下：
标准偏差的一个有用特性如图3所示，68.3%的样品重量都在一个平均样品重量标准偏差（1S）范围内，95.5%的样品重量都在两个标准偏差(2S)范围内，99.7%的样品重量都将在三个标准偏差(3S)范围内。因此，用平均样品重量除以1S、2S和3S的数值，就可将重复性误差以精确的、但仍然是概率的术语表示出来。
图3
2、取样
不管是自动取样还是手工取样，精确取样是精确校验的关键，进而也是测定给料机性能的关键。今天，由于认识到取样精度的重要性，越来越多的厂家都在实现取样程序的自动化。因为自动化取样可消除如取样间隔不一致等与手工取样相关的人为错误，同时也可简化数据处理过程。要实现自动取样，就必然涉及到能够将数据输出到计算机的精密天平的使用。当给料机将材料排出到精密天平上时，由软件来控制重量数据的采集。
K-Tron公司独家采用的取样程序称为微分动态取样（differential dynamic sampling）。这种高度精确的取样方法是每0.1s输出一个重量读数并自动计算出与后续“微量样品”之间的差别。再将一定取样批量或一定时限内（通常为1lb.或1min，以大数为准）的这些数值进行综合，形成一个单一 的“宏样品”。这个过程重复进行，直至获得所需的30个宏样品（用于重复性测量）或10个宏样品（用于直线性测量）。最后，自动进行统计处理，以确定重复性或平均样品重量（直线性）。
虽然自动取样是趋势，但是在实际操作中仍然经常使用手工取样。所用工具包括秒表、两个容器、取样天平、记录纸和计数器等。不管是测试直线性，还是测试重复性，程序基本上是一样的，那就是将所需的设定数值调整好，在给料机运行过程中，利用一个分流闸（或类似装置）将材料输送到一个容器内。
在定时取样开始时（一般持续时间为1min，但是根据用途不同，时间也有可能不同），取样器快速使一干净空容器滑进材料流中，其位置刚好能让所有材料都排到容器中。当定时取样间隔终了时，取样器将另外一个空容器放入取样位置，在这个容器接收材料的同时，第一个容器内材料的重量可被记录下来。取样器就是以这样一种方式进行取样工作。在称量一个样品的同时，获取下一个样品，直至采集到所需数量的样品为止（建议每个直线性数据点取样10个，每个重复性测量取样30个）。
为了确保取样精度，必须遵守以下事项：
● 由于空取样容器的重量可能存在差别（不管差别多小），所以应该分别称量各个容器的重量。如果所用天平不能存储两个容器的重量数值，则应该称量较重之容器，并在较轻容器上加上配重，使其重量与较重容器的重量相等。常用的一种替代方法是将取样容器中采集到的材料转移到一个重量经过标定的容器中，再在天平上称量每个采集到的样品。
● 为了尽量减少取样过程中的人为误差，样品重量必须足够大。多数给料机生产厂家都会规定，取样时间应该为1min或者样品重量为1lb.，以数值大者为准。但是，由于每个加工者的取样用途和精度要求以及限制因素往往是不同的，因此，取样规范还是应该根据加工者的实际情况来制定，以反映出加工者的特殊处理要求。
● 为了尽量减少取样方法的差异，应该由同一个人采集所有样品。
● 样品的采集应该连续进行。
● 取样天平分辨率必须能够满足要求，其分辨率的最小要求为取样重量的0.1%。
精度的监测
因为工艺和质量控制的要求千差万别，精度检查的频度无法硬性规定，也不可能一成不变。如在某些通用场合，可能要求每两个月或每一个季度进行一次性能复查核对，而在那些对工艺要求更加严格的场合，则可能需要每周或在更短的时间内对精度进行校验。
虽然性能复查核对的最佳频度是由经验决定的，但是同时应该考虑以下四个方面的因素：
● 材料的成本或材料的重要性。处理昂贵和非常重要组份的给料机需要更加经常地检查其性能。
● 与在可控环境条件下或环境相对变化不大情况下运行的给料机相比，在环境变化范围大的条件下运行的给料机需要更加经常地进行检查。
● 给料速率有无发生大幅度变化。即使多数给料机在相当大的调节范围内都能够精确运行，如果给料机需要长时间运行于与原有校验速率不同的速率之下，最好对其精度进行验证。
● 材料是否发生实质性变化。材料密度、颗粒和块状尺寸或流动性发生大的变化都会对给料机性能产生影响。在这些情况下，除了重新校验之外，还需要对传动系统的齿轮系统和（或）进口几何形状进行调整。
一般来说，在给料机的使用初期，其精度验证工作需要经常性地进行，而在正常运行后，除非有明确说明时，一般都不需要进行再校验。而随着加工者经验的积累，一般都可以获得最佳的检查频度。
在监测给料机精度时，准确地进行记录是关键。因为在校验给料机时要连续称量样品的平均重量。为了可靠地确定样品的平均重量，通常在每个测试设定点上要取10个样品。除了记录单个样品重量及计算出来的平均重量以外，其它相关信息也应被记录下来，这包括设定点、材料、取样时间、测试日期以及取样器名称等。由于详细记录了给料机精度，可以使加工者在生产工艺和生产效率受到影响之前就能够发现给料机所存在的问题。
保持精度
不同给料机是为满足不同要求而设计的，因此对给料机的正确选型是关系到给料机能否在线保持精度的极其重要因素。加工商若在购买给料机之前能与给料机生产厂商进行良好的沟通，则将有助于确保给料机在将来的生产中获得满意的精度。另外，与给料机一起订购适当的附件，如集尘器、截止阀、取样阀等，也有助于减少校验频度、方便维修和取样工作。如果要将给料机的计划外停机尽量减少或者消除，那么提高对给料机在工艺流程中重要性的认识，开展预防性维修以及储存一些生产厂家推荐的备品备件也是相当必要的。
在给料机安装之后，要保持其精度，就意味着必须让给料机保持清洁和良好的运行状态，同时不要发生错误操作。皮带给料机的清理和保养维护之所以经常被加工者所忽略，是因为他们对给料机的精密性认识不足。请记住，称量给料机虽然是一种适合于长年日常使用的设备，但它同时也是一种精密机械，加工者应该予以精心对待。虽然给料机已经设计了不少防止材料堆积的功能，但是时间久了也会发生堆积，从而严重影响给料机的精度并导致损坏。因此，不管应用环境恶劣与否，对给料机的定期清理还是非常必要的。为了确定最佳的清理频度，操作人员应在给料机安装后的头几周或头几个月中经常性地对其进行检查，以找出材料堆积的规律。
原载MM《现代塑料》杂志(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(3/17/2006) |
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