自動定量包裝秤系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計研究

摘 要：傳統(tǒng)定量包裝秤的機械部件存在氣缸選型/安裝結(jié)構(gòu)不合理、對物料適應(yīng)性差、套袋速度慢以及脫袋等問題，影響生產(chǎn)效率和可靠性。通過機構(gòu)分析和力學(xué)計算，對原有給料器、夾袋器2個重要部件進行優(yōu)化設(shè)計，從而更好地服務(wù)于生產(chǎn)實際需要。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計的包裝秤具有高效率、低噪聲、全封閉以及運行可靠的優(yōu)點，可提供更友善的工作環(huán)境，實現(xiàn)傳統(tǒng)手動定量包裝秤的迭代更新。

關(guān)鍵詞：包裝稱；給料器；夾袋器；優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：TH 71" " " " 文獻標志碼：A

由于自動定量包裝秤的機械部件沿用了部件結(jié)構(gòu)簡單的傳統(tǒng)設(shè)計，雖然能夠達到基本的動作要求，但卻存在多種缺陷，在一定程度上會影響包裝效率。本文主要從定量包裝秤的2個重要部件，即給料器、夾袋器進行優(yōu)化設(shè)計，以使自動包裝秤的高效、可靠并經(jīng)濟地運行。

1 給料器

給料器的功能是將物料分次投入與傳感器相連的稱量斗內(nèi)，當稱重儀表顯示落料質(zhì)量達到預(yù)設(shè)目標值時，給料門及時關(guān)閉。

1.1 傳統(tǒng)給料器存在的問題

傳統(tǒng)給料器采用三級投料，由一個三級氣缸驅(qū)動給料門右，左、右給料門間通過齒輪傳動保持同時開關(guān)動作（如圖1（a）所示）。氣缸總行程為72mm，分行程分別為38mm、21mm和13mm。這種結(jié)構(gòu)的給料器存在的問題包括以下3個方面。1）氣缸行程不可調(diào)，投料過程中給料門的開度是確定值。當物料的特性改變時，會影響投料的速度。2）氣缸與物料在同一個空間，受粉塵的侵襲，密封件易損壞。3）三行程氣缸的標準化程度低，通用性差，需要特殊定制。

1.2 優(yōu)化設(shè)計的給料器

1.2.1 理論依據(jù)

要提高投料的速度，就需要縮短投料的時間。給料器的投料時間與給料斗的卸料量有關(guān)。以常用50kg砂糖包裝為例，設(shè)大投量為X，投料時間為S1，大投口的卸料量為M1；小投量則為50-X，投料時間為S2，小投口的卸料量為M2?？偼读蠒r間S=S1+S2=X/M1+（50-X）/M2。卸料量M=1.03ρ·g0.5（L-fp·d）（W-fp·d）1.5fh。其中ρ為物料的堆密度，g為重力加速度，L為出料口的長度，W為出料口的寬度，fp為物料的形狀系數(shù)，d為顆粒直徑。其中，fh=tgβ-0.55，β為料斗休止角[1]。在實際生產(chǎn)中，每批次砂糖的顆粒大小、干燥程度有所不同，導(dǎo)致物料的堆密度ρ和顆粒直徑d是變化的。因此設(shè)計的關(guān)鍵前提是出料口的寬度W必須任意可調(diào)，才能保證投料時間最短，以提高包裝效率。

出料口的寬度W通過氣缸控制給料門的開度進行控制，要保證出料口的寬度任意可調(diào)，就需要氣缸行程任意可調(diào)。氣缸行程示意圖如圖2所示。對于同一類型、同一缸徑的氣缸，當活塞桿全部縮回時，活塞桿前端與缸筒前端面距離A是個確定值。假設(shè)活塞桿伸出缸筒的距離為A+X，則氣缸的工作行程=行程-X，其中X為任意值[2]。根據(jù)這一原理，本文優(yōu)化設(shè)計了全新的大、小投料機構(gòu)。

1.2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

大投料過程通過給料氣缸通過給料耳板控制給料門的開度來實現(xiàn)（如圖1（b）所示）。給料氣缸選用型號為SE40x80。初始狀態(tài)時給料門關(guān)閉，氣缸活塞桿全部縮回，A=70。當活塞桿伸出全行程為80時，給料門全部打開，即出料口的寬度為Wmax（如圖3（a）所示）。通過調(diào)節(jié)尾部的調(diào)節(jié)拉桿，使氣缸初始位置變成（70+X）mm，則活塞桿伸出（80-X）mm，這時出料口的寬度W是任意值（如圖3（b）所示）。

大投料結(jié)束后，當給料氣缸活塞桿第一次縮回至限位耳板的位置時，給料門部分關(guān)閉，即為小投料過程。限位氣缸前端與限位耳板連接，限位耳板僅繞給料門軸空轉(zhuǎn)（不驅(qū)動給料門），后端通過調(diào)節(jié)拉桿固定在給料器殼體上（如圖1（b）所示）。小投料初始狀態(tài)時，通過調(diào)節(jié)限位氣缸尾部拉桿，使給料耳板與限位耳板產(chǎn)生一定的角度差α，該角度差決定了小投料門的開度。當X1gt;X2時，α1lt;α2，W1gt;W2，根據(jù)這一規(guī)律可以得出任意出料口的寬度W（如圖4所示）。

小投料結(jié)束后，給料氣缸活塞桿第二次縮回，同時限位氣缸縮回，給料門關(guān)閉，一次完整的投料過程完成（見表1）。

表1 完整的投料過程

投料過程 初始狀態(tài) 大投料 小投料 結(jié)束

給料氣缸 縮回 伸出 一次縮回 二次縮回

限位氣缸 縮回 伸出 不動作 縮回

給料門狀態(tài) 關(guān)閉 打開 部分關(guān)閉 全部關(guān)閉

1.2.3 優(yōu)化設(shè)計

優(yōu)化設(shè)計后的給料器具有以下4個優(yōu)點。1）給料門的開度任意可調(diào)，保證給料時間最短。2）取消三級給料，采用二級給料，縮短給料時間，提高包裝效率。3）氣缸連接于給料器體外殼側(cè)面，有效隔離粉塵，氣缸使用壽命長，維護方便。4）采用2個通用類標準氣缸SE40X80，無須特殊定制。

2 夾袋器

夾袋器的功能是夾緊包裝袋，保證包裝物料順利落入包裝袋內(nèi)，通常每袋的包裝質(zhì)量為50kg。包裝袋除要承受物料質(zhì)量外，還要承受一定的沖擊力。

2.1 傳統(tǒng)夾袋器存在的問題

傳統(tǒng)夾袋器兩側(cè)各由一個氣缸拉緊夾板，從而將包裝袋夾緊在夾袋器體外部（如圖5（a）所示）。存在以下2個問題。1）氣缸兩端直接與夾板連接，兩側(cè)夾板開口寬度不一致，影響套袋速度。2）夾緊力不可靠，當物料特性或外部條件改變時會發(fā)生袋子脫落的現(xiàn)象。

2.2 優(yōu)化設(shè)計的夾袋器

2.2.1 機構(gòu)設(shè)計

優(yōu)化設(shè)計的夾袋器稱為氣動指夾，是一個獨立的夾緊單元。如圖5（b）所示，氣缸與主動桿連接，主動桿屬于原動件，連桿與夾板組成2套Ⅱ級桿組，構(gòu)成從動系統(tǒng)，保證夾板開度一致，滿足機構(gòu)的組成原理（桿組依次連接到原動件和機架上[3]）。氣缸活塞桿縮回時，主動桿通過連桿使兩側(cè)夾板同時閉合，夾緊包裝袋，氣缸活塞桿伸出時夾板分離，即可松開包裝袋。

2.2.2 夾緊力分析

夾袋器的功能決定了夾緊力的可靠性，這對夾袋器是非常重要的指標。以包裝袋為研究對象進行受力分析（如圖6（a）所示）可發(fā)現(xiàn)夾緊原理就是利用摩擦力的平衡原理。使包裝袋保持平衡，不滑落的條件為W-2FS=0，F(xiàn)S≤FSmax=fS·N，W=2FS≤2fS·N。其中fS為靜摩擦系數(shù)，W為重力和沖擊力之和，F(xiàn)S為靜摩擦力，N為夾緊力[4]。在fS靜摩擦系數(shù)一定的情況下，夾緊力N越大，包裝袋可以承受的W就越大。

2.2.2.1 傳統(tǒng)夾袋器的夾緊力計算

以傳統(tǒng)夾袋器夾板為研究對象進行受力分析（如圖6（b）所示）對A點取距，即∑MA（F）=0，F(xiàn)·L1-N·L2=0，N=F·L1/L2，其中F為氣缸拉力[4]。夾袋器體兩側(cè)各有一個氣缸，所以包裝袋所受總夾緊力2N=2F·L1/L2。

2.2.2.2 氣動指夾的夾緊力計算

在氣動指夾機構(gòu)中，連桿是二力構(gòu)件，其受力方向是沿A、B連線（如圖5（b）所示）。根據(jù)牛頓第三定律，主動桿的受力如圖6（c）所示，平衡方程為∑FY=0，F(xiàn)-2FBA·sinα=0，F(xiàn)BA=F/2sinα，其中F為氣缸拉力，F(xiàn)BA為連桿對主動桿的力。最后以夾板為研究對象進行受力分析（如圖6（d）所示），列平衡方程對C點取距，即∑MC（F）=0，N·L2-FBA·L1=0，N=FBA·L1/L2=F/2sinα·L1/L2，夾袋器體兩側(cè)各有一個氣動指夾總夾緊力2N=2F/2sinα·L1/L2[4]。

2.2.2.3 小結(jié)

因為0＜sinα＜1，所以氣動指夾的夾緊力2F/2sinα·L1/L2大于傳統(tǒng)夾袋器的夾緊力2F·L1/L2。并且當α越小，sinα越小，α趨近于0時，sinα趨近于0。根據(jù)X趨近于0時，1/X的右極限趨近于+∽，因此當sinα趨近于0時，1/sinα趨近于+∽。當α=0時，機構(gòu)到達死點位置，即使沖擊力再大，包裝袋也不會滑落。

3 結(jié)語

本文通過對包裝秤給料器、夾袋器部件存在的問題進行系統(tǒng)分析和設(shè)計優(yōu)化，研究出了更科學(xué)、合理的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，從根本上解決了傳統(tǒng)包裝秤在實際生產(chǎn)中存在的問題，使產(chǎn)品性能不斷提升，更好滿足生產(chǎn)實際需求，并推進理論與實踐創(chuàng)新。

參考文獻

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[4]哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室.理論力學(xué)[M].9版.北京：高等教育出版社，2023.