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定量包裝秤是稱重技術(shù)在包裝領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展， 廣泛用于飼料、 食品、 糧油、 化工、 藥品等行業(yè)的成品定量包裝 ^[1] 。隨著飼料行業(yè)的快速發(fā)展， 成品飼料的定量包裝已從傳統(tǒng)手工式的稱重封包，發(fā)展成為自動(dòng)、 快速的定量包裝 ^[2] ， 飼料定量包裝秤的需求前景廣闊， 研發(fā)、 生產(chǎn)企業(yè)也逐漸增多。本文從對(duì)粉料或者粒料定量包裝入手，研究設(shè)計(jì)本定量包裝秤的機(jī)械部分及其電控部分。通過(guò)對(duì)各機(jī)械部件合理設(shè)計(jì)及電控部分準(zhǔn)確控制， 完成對(duì)成品物料的快速、的定量包裝，提高飼料企業(yè)成品包裝效率及更好地減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度 ^[3] 。

1 定量包裝秤機(jī)械部分設(shè)計(jì)

定量包裝秤機(jī)械部分是成品物料稱重過(guò)程的載體， 本定量包裝秤包括的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)部件 （圖 1） 有： 料倉(cāng)、 給料機(jī)構(gòu)、 截料機(jī)構(gòu)、 稱料機(jī)構(gòu)、 箱體、 卸料機(jī)構(gòu)和夾料機(jī)構(gòu)。

1.1 料倉(cāng)

料倉(cāng)是本定量包裝秤的*個(gè)部分，是定量包裝秤物料的進(jìn)料口， 是物料的緩沖倉(cāng) ^[4] 。包裝時(shí)， 成品料通過(guò)成品倉(cāng)下的放料閥首*入定量包裝秤的料倉(cāng)。

1.2 給料機(jī)構(gòu)

給料機(jī)構(gòu)是本定量包裝秤的重要機(jī)構(gòu)，完成物料的快速和慢速給料，包括皮帶輸送和電機(jī)傳動(dòng) 2部分。

1.2.1 皮帶輸送部分

根據(jù)調(diào)查， 物料輸送形式有雙筒螺旋式、 漏斗式、刮刀式、 皮帶式、 單筒雙速螺旋式等 ^[5-6] 。因刮刀喂料或螺旋容易使顆粒物料破碎和存在脈動(dòng)性， 漏斗式喂料易使流動(dòng)性較差的粉料產(chǎn)生結(jié)拱造成物料流動(dòng)不均勻， 影響輸送的速度和精度， 所以本包裝秤選擇能實(shí)現(xiàn)高速、穩(wěn)定給料的皮帶輸送。根據(jù)飼料企業(yè)成品包裝規(guī)格一般為 40 kg/包， 包裝速度為 7 包/min 并根據(jù)理論計(jì)算公式來(lái)計(jì)算選擇皮帶的寬度 （公式 1） ：

式中： Q—散粒物料輸送量 （t/h） ；

V—皮帶的運(yùn)行速度 （m/s） ；

r—物流的容重 （t/m 3 ） ；

C—傾斜輸送的修正系數(shù)；

通過(guò)包裝量可以計(jì)算出物料輸送量 Q=7×60×40=16 800 kg/h， 根據(jù)電機(jī)輸送速度取 V 為 1.2 m/s，物料容重 r 取 0.6， 修正系數(shù) C 取 1.0。

根據(jù)公式 1，可求得需求皮帶寬度 B=0.446 m，經(jīng)皮帶寬度規(guī)格表查詢可取皮帶寬度為 480 mm。

1.2.2 電機(jī)傳動(dòng)部分

為了能快速、 準(zhǔn)確的完成物料輸送工作， 選擇具有二極、 十二極 2 種運(yùn)轉(zhuǎn)速度的雙速電機(jī)。在每包稱量過(guò)程中，為了完成快速給料，控制電機(jī)以二*速運(yùn)轉(zhuǎn)， 實(shí)現(xiàn)快速輸送物料； 為了保證稱重的準(zhǔn)確性，在每包物料輸送的后面部分控制電機(jī)以十二極慢速運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)閘板機(jī)構(gòu)動(dòng)作控制皮帶輸送機(jī)上料層的厚度， 實(shí)現(xiàn)慢速給料， 從而保證了稱重過(guò)程的準(zhǔn)確性。

電機(jī)傳動(dòng)除選擇運(yùn)轉(zhuǎn)方式外，運(yùn)轉(zhuǎn)功率也是電機(jī)選擇的重要參數(shù)， 根據(jù)定量包裝速度、 包裝重量及理論計(jì)算公式來(lái)選擇電機(jī)的功率。

 

式中： K ₁ LV—輸送機(jī)空載運(yùn)行功率 （kW） ；

K ₂ QL—水平輸送物料的功率 （kW） ；

0.00273QH—垂直提升物料的功率 （kW） ， 向上輸送取 （+） ， 向下輸送取 （-） ；

L—輸送機(jī)水平投影長(zhǎng)度 （m） ；

H—傾斜輸送時(shí)物流垂直提升高度 （m） ；

Q—物料的輸送量 （t/h） ；

V—物料的輸送速度 （m/s） ；

K ₁ —輸送機(jī)空載運(yùn)行的功率系數(shù)；

K ₂ —物料水平輸送的功率系數(shù)；

K ₃ —與輸送機(jī)水平投影長(zhǎng)度有關(guān)的系數(shù)；

K ₄ —與輸送機(jī)布置形式的系數(shù)；

K ₅ —清掃、 倒料欄板系數(shù)；

N _軸 —驅(qū)動(dòng)滾筒軸功率 （kW） ；

K—功率安全系數(shù)和滿載起動(dòng)系數(shù)，取 K=1.2～1.4；

η—總傳動(dòng)效率， 通常取 0.8～0.9， 采用減速箱傳動(dòng)時(shí)， 對(duì)光面滾筒取 η=0.88， 對(duì)膠面滾筒取 η=0.9；

∑N—卸料裝置， 清掃器等的附加功率。

由設(shè)計(jì)樣機(jī)及理論表格查詢可得： L=0.9m， H=0， Q =16.8t/h， V =1.2m/s， K ₁ =0.0066， K ₂ =0.0000682，K ₃ =1.25， K ₄ =1.08， K ₅ =0.37， ∑N=K ₅ V根據(jù)公式 3 可計(jì)算得： N_軸 =0.455 kw， N _軸 =0.71 kW，按電機(jī)功率檔位表查詢可取電機(jī)功率 N為 0.75 kW。

1.3 截料機(jī)構(gòu)

截料機(jī)構(gòu)由氣缸及截料板組成，可阻止給料機(jī)構(gòu)在完成每包物料給料時(shí)，多余的物料進(jìn)入稱料機(jī)構(gòu)。在定量包裝秤稱重過(guò)程中，稱料機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)物料的稱重，當(dāng)物料重量達(dá)到規(guī)定時(shí)，給出重量到位信號(hào)，電控部分發(fā)出指令停止電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。但因慣性及皮帶輸送出口邊沿的物料還會(huì)掉入稱重機(jī)構(gòu)，必將影響每包物料重量的準(zhǔn)確性。截料機(jī)構(gòu)就是在皮帶出口下端增加的裝置，當(dāng)電控部分發(fā)出停止電機(jī)工作的同時(shí)， 啟動(dòng)截料板， 使給料機(jī)構(gòu)多余的過(guò)沖量截止在截料板 ^[7] ， 避免掉入稱重機(jī)構(gòu)， 從而保證稱重機(jī)構(gòu)中稱重物料的準(zhǔn)確性。

1.4 稱料機(jī)構(gòu)

秤料機(jī)構(gòu)是完成物料稱重的核心機(jī)構(gòu)，由傳感器、 稱料斗、 卸料機(jī)構(gòu)組成。

稱重過(guò)程為： 控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的給料量， 啟動(dòng)皮帶給料機(jī)快速給料， 當(dāng)達(dá)到設(shè)定的慢給料量時(shí)， 控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的空中量控制皮帶給料機(jī)變換為慢速運(yùn)轉(zhuǎn)， 實(shí)現(xiàn)慢速給料， 當(dāng)達(dá)到設(shè)定的空中量時(shí)， 皮帶給料機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)， 截料機(jī)構(gòu)關(guān)閉， 完成一次稱量。

1.4.1 傳感器

稱重傳感器是定量包裝秤的心臟， 選擇合適、 精度靈敏的稱重傳感器對(duì)保證定量包裝秤精度和速度至關(guān)重要。本包裝秤選擇只受拉力的波紋傳感器（圖 2） 。

1.4.2 秤料斗

秤料斗是物料的承載體，在保證稱重物料的容積的同時(shí)， 考慮到解決物料在稱料斗中的掛料、 漏料、粘料現(xiàn)象及完成快速卸料， 對(duì)比市場(chǎng)上一般的原秤料斗 （圖 3） ， 將本定量包裝秤的秤料斗設(shè)計(jì)成八角、 底部倒三角形狀 （圖 4） ， 較好地解決了物料在秤斗中掛料、 漏料、 粘料現(xiàn)象， 實(shí)現(xiàn)物料平穩(wěn)、 快速卸料。

1.4.3 卸料機(jī)構(gòu)

卸料機(jī)構(gòu)是秤料斗承載物料和卸物料的開(kāi)關(guān)門(mén)， 由氣缸、 連桿傳動(dòng)、 自鎖拉桿組成。秤斗由傳感器掛在包裝秤箱體里面， 設(shè)計(jì)時(shí)在傳動(dòng)連桿上增加自鎖拉桿， 使卸料機(jī)構(gòu)平穩(wěn)開(kāi)關(guān)， 避免了對(duì)秤料斗偏振。

1.5 夾袋機(jī)構(gòu)

夾袋機(jī)構(gòu)由氣缸、 傳動(dòng)連桿組成， 位于箱體出口下方， 可實(shí)現(xiàn)定量包裝時(shí)對(duì)包裝袋的夾、 放。

2 定量包裝秤電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)由電路板、 電器元件、 PLC 控制器等組成 ^[8] 。本定量包裝秤的機(jī)械部分是完成快速、 定量包裝的基礎(chǔ)， 能夠完成各自在快速、 定量包裝工作中工作量的機(jī)械動(dòng)作功能。電控部分是這些機(jī)械工作的組織和控制者， 只有有效的組織和控制， 包裝秤的各機(jī)械部件才能準(zhǔn)確、 協(xié)調(diào)、 地完成各自的工作。它通過(guò)電控信號(hào)在傳感器、 電機(jī)、 氣缸控制元件等信號(hào)控制元之間來(lái)回穿梭， 準(zhǔn)確、 地完成稱重傳感器信號(hào)的接收、 信號(hào)參數(shù)對(duì)比、 控制指令信號(hào)發(fā)出等電控工作。

為了能更好地完成對(duì)機(jī)械部件電控控制，專門(mén)設(shè)計(jì)配套了一個(gè)電控控制箱， 在電器選擇上， 選擇質(zhì)量穩(wěn)定可靠的正泰電器元件、歐姆龍可編程控制器及志美稱重顯示控制儀表 ^[9] 。

電控部分主要完成的任務(wù)及解決的問(wèn)題是如何保證稱重信號(hào)的保真性、準(zhǔn)確控制各機(jī)械部件的工作。本包裝秤通過(guò)應(yīng)用具有高精度、 A/D 快速轉(zhuǎn)換、抗干擾力強(qiáng)的 Σ—Δ 型 A/D 轉(zhuǎn)換技術(shù) ^[10] ， 具有組裝密度高、 可靠性能高、 抗振能力強(qiáng)的 SMT 表面貼片技術(shù)， 具有數(shù)字信號(hào)調(diào)節(jié)、 過(guò)濾噪聲及振動(dòng)能力強(qiáng)的 TraxDSP TM 三階段過(guò)濾技術(shù)。 通過(guò)三項(xiàng)電控技術(shù)來(lái)保證稱重信號(hào)在轉(zhuǎn)換、傳輸過(guò)程中重量信號(hào)的真實(shí)性。 在電控控制過(guò)程中 （圖 5） ， 通過(guò)運(yùn)行封裝在* PLC 控制器中的電控程序： 傳感器稱重的重量模擬信號(hào)通過(guò) Σ—Δ 型 A/D 轉(zhuǎn)換成電路的數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)進(jìn)入電控控制模塊，與控制模塊中的預(yù)設(shè)參數(shù)對(duì)比形成控制指令， 控制指令由控制模塊發(fā)出，指揮控制各機(jī)械部件的工作。

3 試用

根據(jù)機(jī)械部分及電控部分設(shè)計(jì)，生產(chǎn)出試用樣機(jī) （圖 6） ， 制定出試驗(yàn)方案， 將樣機(jī)配套在飼料成套設(shè)備包裝工段，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)際成品包裝試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量及計(jì)算得出靜態(tài)精度 （表 1） 、 動(dòng)態(tài)精度 （表 2） 、 包裝速度 （表 3） 。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)表可得：本定量包裝秤靜態(tài)精度≤0.1%, 動(dòng)態(tài)精度≤0.2%，符合定量包裝秤包裝精度要求； 包裝速度為每分鐘 6～7 包， 比其他多數(shù)企業(yè)的定量包裝秤 （一般為每分鐘 4～5 包） 要快。

4 小結(jié)

本文通過(guò)對(duì)飼料行業(yè)及定量包裝秤的發(fā)展研究分析， 研制了一款同時(shí)適合飼料成品粉料、 粒料定量包裝的包裝秤， 并從機(jī)械部分和電控系統(tǒng)進(jìn)行了論述。同時(shí)， 通過(guò)樣機(jī)的試制、 試驗(yàn)及飼料生產(chǎn)廠家的應(yīng)用，其包裝精度符合包裝秤精度要求， 包裝速度也快于其他多數(shù)定量包裝秤， 可以得到很好的推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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