调整造粒机刀片的预应力的方法和装置 【技术领域】
本发明涉及预应力调整方法，通过该预应力，造粒机的造粒机头的一个装在一由马达驱动的并可轴向移动的轴上的刀片抵靠在孔板上，使要造粒的物质且尤其是热塑性材料穿过孔板的孔，其中为了该调整而利用了马达扭矩。另外，本发明涉及实现这种方法的装置。
背景技术
关于水下造粒机，从欧洲专利EP 418941A2中知道了一种前言所述类型的方法，其中利用造粒轴的驱动马达的功率损耗来调整在刀片旋转期间内出现的流体动力地大小。
在造粒机的情况下，众所周知的是，熔体流或塑化物从孔板的孔中流出并被旋转的造粒刀片切断成粒状。根据造粒机的类型，切断后的部分(颗粒)可以直接冷却(水下造粒)或通过在切断过程中产生的离心力被抛入冷却介质中。所述冷却介质可以是空气(空气造粒)或水(水环造粒)。为对低粘性化合物进行造粒，刀片必须无缝隙地可靠地抵靠在孔板上，为此，刀片就必须被紧压在孔板上。在这种情况下，众所周知地借助弹簧或借助液压装置或气动装置来实现这种压紧，或者使造粒轴前移向孔板，从而使刀片通过因弯曲而产生的预应力被紧压在孔板上。但是，已知设计方案均有缺点。弹簧易于疲劳和断裂，而液压系统或气动系统则成本较高。在使其弯曲的同时紧压刀片的方式也不可靠，因为该刀片在工作过程中不断磨损，结果，接触压力也随之变化。
【发明内容】
本发明的目的是如此改进前言所述类型的方法，即实现了可靠且尽可能均匀地将刀片压在造粒机孔板上，在这种情况下，力求获得尽可能有利的刀片磨损量、孔板磨损量及马达的功率损耗量。根据本发明，如此实现该目的，即轴在两个轴向上连续在等速下进行调整，在这两个方向上的位移路线范围里记录下马达扭矩变化情况，由此获得dM/dx值，其中x表示轴位移量，然后将dM/dx为0时的轴位置确定为X0，最后从该位置x0起，设定一个位置x＝x0+xz，其中xz表示轴朝向孔板的理想前进距离。在这种情况下，本发明基于以下由试验确认的认识，即在造粒机产量不变且造粒轴转速不变时，造粒轴驱动马达的扭矩在造粒轴的一特定前进位置处最小并且当在两个方向上离开所述最小位置时增大。通常，这个最小位置X0是造粒刀片刚好无压力地抵靠接触到孔板的位置。但实际上，因为由于有制造允许公差和流出孔板的熔体流的压力而需要造粒刀片的微小压力，所以无法保持这个造粒刀片和孔板的磨损从理论上讲是最小的位置。造粒刀片的这个特定预应力取决于正在加工的材料，该材料通常是塑性材料，但也可以由其它糊状物质如食品物质如面粉糕饼或壳等构成。另外，所述特定预应力取决于加工条件。因此，必须视在各种情况下的特殊情况来定。如果这是以本发明的方式发生的，则实现了刀片可靠压在孔板上，进而获得了令人满意的造粒质量和较低的能量消耗以及刀片和孔板的较小磨损，因为通过根据该方法适当地自由选择预应力，可以延长造粒刀片的使用寿命。通过当前的加工参数，也可以在操作期间内控制预应力并改变它们。这种可变的加工参数的例子就是产量和正加工的材料且尤其是塑性材料的类型。同样，通过根据该方法来进行连续调整，可以补偿造粒刀片的磨损。
根据本发明方法的另一个实施例，在两个轴向上，在对应于dM/dx的两个预定极限值δ、ε的两个位置x1和x2之间进行轴的位移，其中δ＜0，而ε＞0。因为这样选择的两个极限值δ、ε保证了在这两个位置x1和x2之间一定存在着dM/dx＝0的位置x0，所以保证了加工的可靠性。
在本发明的方法中，这样的进程是有利的，即在形成dM/dx微分之前通过一低通滤波器来滤波该马达的扭矩图形。低通滤波器用于使测量马达扭矩并将其转换成电气输出信号的装置的输出信号变平。
根据本发明方法的一个优选实施例，为了能够适应造粒过程中存在的情况变化，该方法过程是这样的，即以一定的时间间隔重复进行测量并随之进行预应力的调整。
用来实现本发明方法的本发明装置基于带有如挤出机的孔板的设计，至少一个由造粒机的造粒机头装载的刀片通过预应力抵靠在孔板孔上，该造粒机头通过一个轴支承在造粒机内，该轴可以在造粒机内轴向移动并且被马达驱动地绕自身轴线旋转，为马达扭矩的时间图形设置一个传感器，该传感器的输出信号影响一个用于使轴移动的启动驱动装置。在这种设计的基础上，本发明装置的特征是，该启动驱动装置与一个形成微分dM/dx的装置以及一个决定dM/dx＝0时的杆位置(x0)的装置相连。这样一来，该启动驱动装置在本发明方法的意义上受到控制。
在这种情况下，使用于马达扭矩的时间图形的传感器的输出信号变平的装置且尤其是一个低通滤波器与所述传感器相连，以避免由传感器输出信号中的波峰导致的测量结果失真。
根据本发明装置的一个优选实施例，为了能够在延长的操作期间内观察到最有利的方法条件，设置一个用于按预定时间间隔重复进行测量的输入单元。这个输入单元可以自动或手动地并且有利地按照自由选择的时间间隔来启动。
【附图说明】
参考附图中的实施例来详细地图接说明并解释本发明。
图1表示与造粒轴移动位置有关的并由计算机确定的造粒轴驱动马达扭矩的理想化图形。
图2表示实测决定的扭矩值和其在位移路线中的微分曲线。
图3表示用于轴向控制造粒刀轴的控制单元的框图。
图4表示造粒机的一个纵截面。
【具体实施方式】
在本发明方法的情况下，测定并估算造粒机马达21(参见图3和4)的功率消耗。以下关系适用于此：
在常数n＞0的情况下，P＝f(M)。
其中，P表示马达功率消耗，M表示马达扭矩，它由以下部分构成：
M＝Midiling+Mfriction+Mgap+Mplastics material+Msection
其中，Msection是根据熔体流截面的反作用力矩，Midiling是根据机械设计(包含轴承摩擦力和气体动力)产生的反作用力矩，Mfriction是根据造粒刀片在孔板上的摩擦所产生的反作用力矩，Mgap是因切割间隙与变厚的熔体层摩擦所产生的反作用力矩，Mplastics material是由流出的塑性材料造成的反作用力矩(包含加速力和切割力，即决定该压出操作的特定系数)。
如果首先考虑不同的操作状态，则结果：
(A)操作状态一：对于位置x＞0(x...造粒轴位移路线)，在造粒轴转速不变的情况下有不变的输出量。在图1下方(c)中示出了此操作状态，其中刀片11压在孔板8上(图1(b)表示刀片11无压力地抵靠在孔板8上，x＝0)。
在此操作状态下，类似条件适用于干燥工作状况(没有熔体)。压力增大导致摩擦力矩增大。在以上论述的基础上，以下条件适用于造粒刀片，其中R表示因压力而造成的切向摩擦力，μ表示摩擦系数，r表示刀片头长度，而N表示造粒刀片压力。
如果R＝μ·N，则对x＞0来说，产生了R＝f(x)。
如果Mfriction＝R·r且r为常数，则
对x≥0来说，Mfriction＝f(x)；
对x＞0来说，Mfriction＞0；
对x≤0来说，Mfriction＝0。
(B)操作状态二：在造粒轴转速不变的情况下，对位置x＜0来说，有不变的输出量。
此操作状态如图1(a)所示。
由实验结果可知，造粒刀片11与孔板8之间间隙64的加宽导致扭矩增大。由于切割缝隙较宽，所以需要更的力来切断熔体流。沉积在造粒孔板8操作面上的热融物质65的增多还增大了在造粒刀片与孔板之间的摩擦系数。
对造粒刀片来说，力F对因切割缝隙和在造粒孔板上的熔体层加厚而增大的可观察到的摩擦力的倚赖关系有如下限制条件：
当x＝0时，F＝0；
当x＞0时，F＝0；
当x＜0时，F＞0。
假设Mgap＝F·r，则
对于x≤0，Mgap＝f(x)；
对于x＜0，Mgap＞0；
对于x≥0，Mgap＝0。
如果假定如上，则对一输出量不变、造粒轴转速不变的操作状态而言，如果在两个邻接操作状态x1与x2之间形成差值ΔM，则
ΔM＝Mx2-Mx1
对n为常数、输出量不变且熔体状态保持不变的情况来说，结果：
ΔM＝Mgap·x2-Mgap·x1+Mfriction·x2-Mfriction·x1
为此，由上述等式推知：
对于所有介于x1和x2之间的值x而言(x1＞0，x2＜0)，ΔM＝f(x)，其中适用以下关系：
在范围x1，x2之间，当x＝0时，ΔM＝0；
在范围0，x1之间，当x＞0时，ΔM＝ΔMfriction＞0；
在范围0，x2之间，当x＜0时，ΔM＝ΔMgap＞0。
实验显示，扭矩M在位移路线x上的图形具有如图1所示的并类似于抛物线的形状。当x0＝0时，此图形在局部有最小值。通过测量来确定该最小值，即根据待造粒材料的各种类型、各批量产量和各造粒转速，只要转速m被认为对对每个工作状态来说都是短暂不变的并且产量和熔体性质也可以被视为不变。因为通过可用的感应测量工具和新近的逻辑电路可以在几秒钟内完成测量及其评估，所以上述假设可以视为已知条件。
如果从这样的认识出发，即尽管对x0＝0来说，造粒刀片和孔板的磨损是最小的，但实际上，为达到更好的造粒效果而需要一个小的造粒刀片压力，则从位置x0＝0开始，可以调整造粒刀片预应力。如果为此所需的造粒刀片的前进距离被定为x2，则产生一个工作点x2(如图1所示)。由此获得的x2值和预应力大小是由刀片11弹性造成的并且可以毫不困难地适应当前的加工参数，如正在加工的塑性材料的产量和种类。这种适应也可以自动地连续进行，从而可以连续适应不同的工作状态。结果，明显延长了造粒刀片11的使用寿命。
实际上，连续测量驱动马达21所施加的、用以旋转刀轴12(参见图4)的扭矩。这可借助任何所需类型的传感器66(参见图3)来完成。在任何情况下，在造粒开始后，以所需的方式人工进行或借助测量时间发送器67而自动地进行具有不连续启动时间t的按时启动。传感器66的输出信号到达使由传感器66送来的信号变平的低通滤波器68。 然后，根据在轴12移动期间内获得的如图2所示的略微不规则的M测量结果来形成一条变平的曲线(如图1所示)。低通滤波器68的输出信号到达微分器69，通过该微分器，由M(x)的信号得出信号dM/dx(x)(参见图2)。微分器69与一条具有任何所需的适当结构的逻辑电路70相连，该逻辑电路决定最小值x0＝0。由于刀轴12的前进速度不变，所以，足够精确地使用与dM/dt成比例的dM/dx值。为保证在测量路线上有一个dM/dx值为0适用于此的确定点，两个极限值ε和δ如此通过一输入单元72被输入逻辑电路70，即对于x1＞0的位置x1来说，dM/dx＝ε，而对于x2＜0的位置x2来说，dM/dx＝δ。
这样确定的位置x0＝0随后被用作一个参考值。然后，通过刀轴12的前进，达到位置x＝x0+xz，其中xz＞0限定了加工安全性，为了如此补偿允许观察而需要这样的加工安全性，即要确保一个足够大的但是最小所需的刀片压力。这样，xz值是一取决于工艺条件的参数并且在工作中也可以改变。参数xz可以通过与逻辑电路70相连的一输入单元73被输入，也可以从一加工数据库中读取。输入单元73也可被用来决定调整程序的时间间隔，从而在这样布置电路时，可以省略用来设置时间间隔的测量时间发送器67。
另外，参数xz与造粒刀片弹性有关，在刚性刀片的情况下，预应力弹性是选择xz的一个重要变量。
如上所述，所述程序为了补偿造粒刀片磨损而允许自我调整。为此，输入单元73必须在一个自选时间间隔Δt内启动调整程序的时刻t。或者，作为加工过程函数地控制测量时间间隔Δt。最后，也可以手工完成造粒刀片的调整启动。
一个有一启动驱动装置75和一位置发送器76的定位装置74被用于上述的刀轴12前进和返回运动及用于确定它们的各自位置。启动驱动装置保证了刀轴12以不变的速度前进和返回。为此，可以使用目前已知的启动驱动装置，如液压缸、气缸、线性驱动马达、三相驱动电机、主轴驱动马达或步进马达。位置发送器76探测刀轴12的位置并因此也决定参考值x0，(并且)它必须有足够高再现性精度。在由脉冲控制的启动驱动装置的情况下，可以省略位置发送器76，因为根据参考值x0，可以足够精确地计数并评估脉冲。
启动驱动装置75受到由逻辑电路70确定的数字的控制，所以在任何情况下获得了刀轴12的运动。在任何情况下，此调整由位置发送器76决定并被报告给逻辑电路70。
图4示出了一个适于实现本发明方法的装置。该造粒机如众所周知地包括一支承造粒箱1的框架16，造粒箱1有一圆柱体表面2，表面的端面之一终止于一端壁3，而另一端终止于与喷嘴接头4相连的供应件5。供应件5有一供应待造粒物质的供应管6，供应管(6)与一支管7相连，支管7通向喷嘴接头4的喷嘴9，喷嘴9以供应件5的轴10为中心分布成圆圈地布置在一孔板8内。从喷嘴9挤出的熔体被刀片11切断，刀片11被布置在刀轴12的刀片头14的径向臂13上。轴12被旋转安装在成框架16容槽15形式的轴承座内。另外，刀轴12借助启动驱动装置75在其轴线17方向上相对框架16纵向移动，以便能使刀片11在任何情况下以所需压力压在孔板8上。为此，通过滚柱轴承18可旋转地将轴12安置在一套筒19内，套筒19可以在容槽15的一圆柱形孔20内沿其纵向移动。轴12通过马达21绕其轴线17旋转，其转速可以有利地改变，如一通过螺栓被固定在与容槽15相连的凸缘22上的三相电机。为防止马达不得不参与轴12的纵向移动，轴12被分成两个部分23和24，这两个部分借助一楔子25以抗转动方式彼此相连，部分23可以在轴12的轴向上相对部分24移动，而部分24总是保持它的轴向位置。
刀轴12的两个轴承18通过弹簧圈或间隔套57相互保持一定距离。
套筒19支承着一个成径向销形式的带动件26，该带动件被拧入套筒19内并穿过并导向移动于容槽15的一个沿轴12的轴向延伸的槽28中。槽28太长，以至带动件26可在其中移动，以使轴部分23完成各自位移路线。带动件26的自由端位于螺纹轴30的头部29内的一开口里，螺纹轴30在轴12的轴向上延伸并且被拧入一个螺纹套筒31中。螺纹套筒31可旋转地安装在一箱体33内，箱体33被螺纹连接到凸缘22上。螺纹套筒31的外周面有一楔形部34，它啮合在蜗齿轮35的中央开口中的一个纵向槽内，蜗齿轮35与螺纹套筒31相连而可以同步转动。蜗齿轮35借助轴承32可旋转地安装在箱体33内并通过轴承32防止它轴向移动，蜗齿轮与一个抗旋转连接在启动驱动装置75的伺服马达37的驱动轴上的蜗杆36啮合，伺服马达37被固定到在箱体33上。逻辑电路70通过线路38给伺服马达37发信号，以便自动调整刀片头14。如图3所示，逻辑电路70连续接收在马达21上检测到的扭矩值，所述扭矩值经过元件66、68、69的滤波和微分。马达21的扭矩和模拟安培值分别取决于刀片11在孔板8端面上滑动的压力。
如果逻辑电路70决定需要移动刀片以改变它所承受的不变压力，则如此通过线路38把信号传送给启动驱动装置75，即套筒19通过由元件26-36形成的传动装置而朝孔板8方向移动，所以刀片11不同以往地压在孔板8上。在这种情况下，套筒19在轴向上通过滚柱轴承18带动轴部分23。楔形接头25保证轴部分24不参与所述轴向移动。当要由马达21提供的扭矩或其电流消耗值分别再次达到预期值时，伺服马达37再次停止动作。
位置发送器76可以被按照任何理想方式来设计。但是，上述程序简单显示出将位置发送器76设计成一角度发送器的可能性，它与螺纹套筒31抗转动地相连并利用其相对固定框架16或其凸缘22的旋转来表示位置。通过线路77把它的信号传送给逻辑电路70。
通过蜗轮和在螺纹轴30与螺纹套筒31之间的螺纹接头，伺服马达37驱动轴的转速的传动保证了非常精密地调整刀片11位置和控制接触压力以及使用商用零部件的可能性。另外，蜗轮35与蜗杆36之间的接合以自锁方式工作，从而套筒19和支承刀片的轴部23不可能无意中沿轴向移动。为获得在刀片11刀刃整个长度范围内都尽可能均匀的刀片11磨损，刀轴12轴线17以一个偏心度e偏离孔板8的轴线10，或偏离喷嘴9所布置成的圆圈的中心，从而利用到了刀片11的整个刀刃。结果，刀片11的使用寿命延长了。
螺纹套筒31的延长部分穿过凸缘22内的一开口43并且在外表面上配备有外螺纹，一螺帽44被拧到外螺纹上并且借助一开口销52被固定住。另外，螺纹套筒31有一个轴环53，它与螺帽44一起相对凸缘22地固定带有螺纹的套筒31的轴向位置。然而必要时，如果从套筒19上拧下并从开口27中抽出带动件26，则可以预先调整螺纹套筒31和刀轴12的轴向位置。当带动件26被再次插入开口27时，螺纹轴30可以在螺纹套筒31内旋转，从而引起开口27和刀轴12的轴向位置变化。
逻辑电路70可以与一显示器或信号装置60相连，它通过视觉信号或声音来表示自动调整正在进行并且一旦调整达到预期效果就马上切断信号，即一旦又达到了刀片11压住孔板8的时间间隔或马达21的监控工作参数值时，其中所述工作参数值对应于该时间间隔。
一个最好是用于水的冷却介质供应管45通过已知的方式通向造粒箱1，冷却介质在箭头61所示的方向上流动并且通过支管(未示出)在箭头62方向上被喷入喷嘴区9内。结果，由刀片11切出的扁豆状或圆柱状造粒颗粒在自喷嘴9压出后立即被冷却，并与冷却介质一起根据箭头63所示方向由出口46流出造粒箱1。供应件5内的温度可以由传感器47进行监测。为了避免冷却介质经端壁3内的开口48流入刀轴12安装区域，刀轴12穿过开口48，位于开口48内的部分49配备有回送螺纹50，当刀轴12旋转时，它在朝向刀片头14的方向上具有传送作用。
一个包围带动件26并被安装固定在容槽15上的波纹套管防止杂质经槽28进入容槽15内。