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      自動定量包裝秤系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計研究

      2024-12-17 00:00:00衛(wèi)香艷張敬源
      中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2024年7期
      關(guān)鍵詞:優(yōu)化設(shè)計

      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

      [1]張榮善.散料輸送與儲存[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1994.

      [2]成大先.機械設(shè)計手冊 氣壓傳動[M].4版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

      [3]孫桓,葛文杰.機械原理[M].北京:高等教育出版社,2021.

      [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.

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