水力溢流法微粉分级系统的设计

梁博士，任天平，管士聪

（郑州大学机械工程学院，河南 郑州 450001）

1 引言

微粉是指尺寸小于63μm的磨粒，随着加工精度的要求越来越高，要求微粉更细，粒度分布更加集中。如：磨料用的微粉粒度分布必须集中，微粉过大容易划伤表面，微粉过小又会降低效率。然而，在微粉生产过程中，无论是采用物理粉碎法还是化学合成法，都难以直接获得特定细度和特定粒度级别的微粉，微粉在应用前，必须进行粒度分级[1]。

微粉的分级主要为自然沉降法，是一种利用斯托克斯沉降定理来进行分级的方式。但是，当微粉越小时，微粉沉降所需要的时间就会增加；且随着微粉变小，微粉的表面与界面效应增强，更容易团聚成大颗粒微粉，从而影响微粉的分级[2]；此外微粉越小，微粉的布朗运动也更为明显[2]；因此，用自然沉降法进行分级存在分级极限，实验表明，自然沉降法无法分级两微米以下的微粉。

2 微粉分选原理

由斯托克斯沉降定理知，层流状态下的微粉会受到重力、浮力和阻力作用，最终达到平衡状态并按一定的速度相对运动：

式中：g—重力加速度；ρ—微粉密度；ρ0—流体密度；μ—流体粘度；d—微粉直径；v—相对速度。由式（1）可知，微粉相对流体的速度与微粉的大小有关，微粉越大，相对速度越大。当流体静止时，通过控制沉降时间和沉降高度实现微粉分级就是自然沉降法，当流体向上匀速流动时，通过控制溢流速度实现微粉分级，就是水力溢流法。

水力溢流法一般采用底部圆锥顶部圆柱的结构，当水从分级桶底部流入时，水流先后经过射流和管流状态，并在圆柱部分产生均匀分布的上升流场[3-4]。控制溢流速度即可实现微粉的分级。溢流速度和分级粒径的关系，如式（2）所示。式中：D—溢流桶直径；V—溢流速度。

相比于自然沉降法微粉分级，水力溢流法通过上升水流快速将细微粉分离出来；而且，流体在圆锥部分时流速很大，可以快速的将底部的微粉带到圆柱部分，加快分级速度。

3 系统功能实现

微粉分级效率的影响因素主要有三个方面：微粉的稳定分散、稳定的分级力场和有效微粉的及时分离[5]。在设计分级系统时，添加分散剂可以提高微粉的分散性，使微粉更加稳定的存在分级场中，分散剂的种类和微粉有关；采用底部圆锥顶部圆柱的结构，能够在圆柱部分获得稳定均匀的上升流场[3-4]；合适的抽料系统可以快速及时的分离有效微粉。分级系统的结构示意图，如图1所示。图中将系统分为三部分：由气泵、水泵和两水箱组成的恒压供水系统；温度传感器、流量传感器、步进电动机控制的流量调节阀以及溢流分级容器组成的恒定流速控制系统；两个非接触式液位传感器、中间桶、负压泵和料桶组成的自动抽料系统。

图1 微粉分级系统结构示意图Fig.1 The Schematic Diagram of Micro Powder Grading System

3.1 恒压供水系统

恒定的溢流速度控制需要恒定压力的水源，采用两个水箱交替供水的方案来实现持续恒压供水，如图2所示。水箱是密闭状态，有四个出口，分别对应水箱进水、进气、排水和排气，水箱也有两个液位控制的触点开关，可用于判断水箱内水的状态。水箱内的水压使用气压调节阀设置，这里设置为0.1MPa，对应10m的水压。通过控制两水箱的进出水和进出气动作来产生不间断的恒压供水。

图2 恒压供水系统原理图Fig.2 The Principle Map of Constant Pressure Water Supply System

3.2 恒定流速控制系统

溢流法微粉分选的关键是溢流速度的控制，包含：流量采集和模糊PID控制。

3.2.1 实时流量采集

采用GICAR系列DN1.15口径的微小流量计测量实际流量，该流量计仪表口径为1.15mm，仪表系数为0.5ml/imp。测量范围是（35～1600）ml/min。使用时通过测量脉冲输出频率来得到实际流量值。为实现高精度的测量频率信号，参考多周期同步测频法[6]的原理，利用STM32单片机的外部标准晶振作为标准时钟，采用中断方式记录每一次的信号发生时间，并在采样结束后计算频率。经测试，该方式测得的频率误差不超过0.01%。

3.2.2 模糊PID控制

分级系统采用半连续进料式方式，分级前需要先将微粉原料放入溢流容器中。分级时，溢流容器和水箱里的液面不断变化；随着抽料次数增加，溢流容器里溶液的密度也在变化；而水箱切换时也会产生压力突变。这些特点使得控制具有非线性的特点，从控制原理上看，系统采用负反馈的方式实现流速的稳定控制，从流量采集到电机调节存在延时性的特点。显然传统的PID控制无法解决上述非线性和延时性的特点，这里采用模糊PID控制，控制过程由模糊化，模糊推理和逆模糊组成[7-8]，如图3所示。

图3 模糊PID控制系统框图Fig.3 The Block Diagram of Fuzzy PID Control System

模糊控制的输入为实际流量和理论流量之间的偏差E与偏差变化量EC，输出是PID控制参数的调整量ΔKp、ΔKi和ΔKd，输入输出的模糊集都为｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝，论域为［-3，3］，隶属度函数选择三角函数分布。按偏差大时，以减少偏差为目标，偏差小时，除了消除误差，还要避免减少超调和震荡的原则进行设计，根据专家经验和现场的调试经验得到的控制规则，如表1所示。逆模糊化选用加权平均方式。

表 1 ΔKpΔKiΔKd控制规则表Tab.1 The Control Rule Table of ΔKpΔKiΔKd

经模糊控制后，实际应用到流速调节的控制参数可由公式三计算，式中：KP0=21、KI0=12、KD0=5是使用现场试凑法获得的初始PID控制参数。

执行机构为57BYGH型步进电动机，通过LV8727驱动芯片进行控制。通过控制步进电机正反转，利用滚珠丝杠机构带动阀芯和阀体的相对运动，调整阀的开度值来实现流量调节，如图4所示。经模糊控制得到PID控制参数后，采用增量式PID算法进行调节。

图4 流量调节阀结构图Fig.4 The Structure Diagram of Flow Regulating Valve

3.3 自动抽料系统

微粉分级时，及时的分离有效微粉可以提高微粉分级的效率和质量。外溢流方式由于微粉横向运动产生细粒再沉降和循环短路问题，造成底流夹细增加[9]；而内溢流方式由于溢流区流速比分级区大，造成粒度分布变宽[10]，都会降低分级效率。由于分级时，密度一直在变化，采用两个非接触式液位传感器XKC-Y26-V来确定液位相对位置，两个检测位置分别对应溢流液位和抽料液位。两个液位之间的高度即为每次抽料的高度。

中间桶用于实现抽料，有三个出口，分别控制抽料、负压和放料。当溢流桶中的液体到达溢流液位后，控制器就驱动气缸带动四个均匀分布的抽料管下降到抽料位置，抽料管采用U形管头，能够避免抽料时对抽料位置以下液体产生干扰，同时也解决了外溢流和内溢流方式的问题。抽料时，关闭排料，打开负压泵，就可以将溢流桶中的分级液抽到中间桶，当液体位置下降到抽料液位后就停止抽料，并驱动气缸带动抽料管离开抽料位置，如图5所示。

图5 水力溢流分级机实物图Fig.5 The Physical Map of Micro Powder Classification System

4 分级实验

微粉分级测试时，投入十四万克拉的CBN-M800的原料，选用0.1%的硅酸钠做分散剂，在20°的常温环境下，溢流速度设置为45ml/min。连续四次抽料得到的微粉粒径参数，如表2所示。由式（2）可知，溢流速度为45ml/min时的理论分级径为1.237μm。由表二可知，分级后的微粉大部分都在理论分级径以内。但仍有少量的微粉在分级径以外，这是因为溢流桶圆柱部分流体上升的速度并不是完全均匀的，靠近中心部分的流速快，造成少量的大颗粒微粉分离出来[10]。而且随着抽料次数的增加，粒径参数也在变大，这是因为微粉越小，越容易被上升流带出，而粗颗粒因为上升速度缓慢，需要经过较长的时间才能到达溢流区，因此随着抽取次数增加，抽取出来的微粉相对较变粗。

表2 抽取次数和分级粒径的关系Tab.2 The Relationship Between Decimation Times and Graded Particle Size

测试溢流速度和理论分级径之间的关系时，投入十五万克拉的CBN-M800微粉，采用不同的溢流速度进行分级，得到溢流速度和粒径分布的关系，如表3所示。从表3和图6可以看出，水力溢流法分级出来的微粉粒径分布很集中，当溢流速度增加时，分级出来的微粉变粗，但是大部分微粉仍在分级径以内。不同溢流速度下分级出来的微粉的粒径分布有很大的重合区域，如图6所示。这是因为，调节溢流速度只能控制微粉分级的上限，而不能控制下限。要想实现完全抽完理论分级径以下的微粉，需要经过多次抽取。

表3 溢流速度和分级粒径的关系Tab.3 The Relationship Between Overflow Velocity and Graded Particle Size

图6 不同溢流速度下粒度分布曲线图Fig.6 The Grain Distribution Curve Under Different Overflow Speeds

5 结论

设计了基于水力溢流法的微粉分级系统，包含恒压供水系统、恒定流速控制系统和自动抽料系统。用设计好的分级系统进行CBN-M800的分级测试，结果表明：水力溢流法微粉分级得到的微粉粒径分布集中，控制溢流速度可以控制粒径分级的上限。合理的设置分级次数和溢流速度可以实现一次投料抽取多个粒度范围。