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2定量包裝機(jī)總體設(shè)計(jì)
2.1包裝設(shè)備的性能要求及工作原理
2.1.1強(qiáng)制給料定量包裝機(jī)的性能要求
散裝物料出廠時(shí)需要進(jìn)行定量包裝，將大宗散料以重量或體積為單位分成多個(gè)相同的個(gè)體，以利于貯藏、運(yùn)輸和使用。強(qiáng)制定量給料包裝機(jī)的作用就是在生產(chǎn)過程中把流動(dòng)性差的大宗物料按照一定的重量分成多個(gè)小的包裝單位。以利于后邊的生產(chǎn)運(yùn)輸。

Fig.2-1Overallstructureofpackagingmachine
由于強(qiáng)制給料定量包裝機(jī)主要應(yīng)用在流動(dòng)性較差的物料的定量包裝或者配料過程中，為了保證設(shè)備的稱量精度和速度，同時(shí)兼顧設(shè)備的整體性能和制造成本，在設(shè)計(jì)強(qiáng)制給料定量包裝機(jī)時(shí)，釆用了增重式稱量，主要包括：供料部分、給料部分、稱量部分、夾袋部分、控制系統(tǒng)等。具有自動(dòng)夾袋、自動(dòng)計(jì)量、自動(dòng)落袋等功能。本論文所設(shè)計(jì)的包裝機(jī)其整體結(jié)構(gòu)圖如上圖2-1所示：
強(qiáng)制給料定量包裝機(jī)系統(tǒng)應(yīng)滿足使用要求，并且具有良好的使用性能和合理的技術(shù)性能，本系統(tǒng)要求的技術(shù)參數(shù)為：
1）    稱量范圍：30-50kg；
2）    通過量（效率）：180-240包/小時(shí)；
3）    精度：±0.5%；
4）    稱量斗容量：80升；
5）    控制系統(tǒng)的功能：實(shí)時(shí)重量顯示、參數(shù)設(shè)定、提前量修正、標(biāo)定、通訊；
該機(jī)吸收國外同類包裝機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，送料機(jī)構(gòu)釆用螺旋給料系統(tǒng)，同時(shí)送料末端釆用雙導(dǎo)程螺旋以提高給料精度，由國外生產(chǎn)的電子稱重儀表及西門子可編程序控制器組成控制系統(tǒng)，設(shè)有專門的稱重系統(tǒng)，因而具有很高的包裝精度，較高的包裝速度和很高的可靠性。本機(jī)釆用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，外型尺寸小，安裝方便。
該機(jī)釆用自動(dòng)快、慢方式給料，能自動(dòng)顯示包裝重量，并具有零點(diǎn)跟蹤，累計(jì)次數(shù)，自動(dòng)落差修正等特性，使操作過程方便，效率提高，勞動(dòng)強(qiáng)度降低。
2.1.21作原理
由圖2-1可知強(qiáng)制給料定量包裝機(jī)的工作流程是料倉內(nèi)的物料通過大小螺旋的輸送進(jìn)入收料斗，從而流入包裝袋中，稱重系統(tǒng)檢測物料的重量，傳給控制系統(tǒng)控制物料輸送。流程圖如圖2-2所示。

圖2?2工作原理流程圖
Fig.2-2flowchartofworkingprinciple
當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)開始工作時(shí)，首先對(duì)包裝機(jī)的目標(biāo)值、粗給料量和精給料量進(jìn)行初始設(shè)定，上級(jí)供料系統(tǒng)開始工作，首先保證料倉內(nèi)的物料足夠。開機(jī)套上包裝袋，啟動(dòng)接近開關(guān)，夾帶結(jié)構(gòu)動(dòng)作，夾緊包裝袋，電機(jī)通過鏈條帶動(dòng)大小螺旋給料機(jī)構(gòu)工作，計(jì)量控制系統(tǒng)控制給料機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大給料和精給料。大小螺旋給料機(jī)構(gòu)啟動(dòng)，進(jìn)行粗給料，當(dāng)系統(tǒng)檢測到物料達(dá)到設(shè)定的粗給料值時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出指令停止大螺旋給料；小螺旋繼續(xù)給料，一直到達(dá)到檢測重量到設(shè)定的精給料值時(shí)停止精給料；料門氣缸帶動(dòng)料門關(guān)閉，減少空中落料量，空中物料落到袋中，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后脫袋，完成稱重過程。包裝袋由輸送帶送去封口，封口操作由人工控制。稱重系統(tǒng)檢測到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)物料的實(shí)際重量，同設(shè)定的目標(biāo)值相比較，當(dāng)誤差在允許的范圍內(nèi)時(shí)，下次大小給料量不變，當(dāng)誤差范圍超出允許范圍時(shí)，控制系統(tǒng)通過調(diào)整給料過程中的精給料量,來控制下一的精給料量，從而來達(dá)到物料的包裝的要求。設(shè)備圖如圖2-3。

圖2-3強(qiáng)制給料定量包裝機(jī)
Fig.2-3Forcedfeedingofquantitativepackagingmachine

2.2料倉部分
料倉主要作用是作為中間的儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)，接受上級(jí)供料系統(tǒng)的給料，保證下一給料系統(tǒng)的正常工作。同時(shí)，由于物料具有可壓縮性，為了保證物料的單位容積和供料的穩(wěn)定性，在料倉上裝有料位指示器，測量料倉內(nèi)的物料，當(dāng)料倉內(nèi)物料不能滿足要求時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警和指令。當(dāng)物料位置高于最高位時(shí)，上級(jí)供料機(jī)構(gòu)停止供料：料倉內(nèi)的物料低于最低位時(shí)，下級(jí)給料機(jī)構(gòu)停止工作，等料倉內(nèi)有足夠的物料時(shí)繼續(xù)工作。
2.2.1料倉選型
料倉的流型主要有兩種：整體流型料倉（圖2?4a）和中心流型料倉（或漏斗型料倉）（圖2-4b）.在整體流料倉中，卸料時(shí)所有物料均勻向下料口流動(dòng)，不存在流動(dòng)''死區(qū)”，料位均勻下降，卸料流動(dòng)穩(wěn)定均勻，不會(huì)出現(xiàn)管流、噴瀉等不穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)，適用于對(duì)物料流動(dòng)要求穩(wěn)定的場合。而在中心流料倉中，下料時(shí)只有中心部位的物料向下料口流動(dòng)，在該''流動(dòng)區(qū)”以外的部分為流動(dòng)"死區(qū)”。由于“鼠洞”和粘性拱的形成與崩塌，使卸料流動(dòng)不穩(wěn)定，甚至?xí)霈F(xiàn)噴瀉的情況【2組

圖2-4料倉基本流型
Fig.2-4Flowpatternofstoragehopper
為保證輸送過程中螺旋填充系數(shù)的穩(wěn)定和均勻，我們設(shè)計(jì)包裝機(jī)是選用整體流型料倉作為設(shè)備的儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)。料倉形狀常見的有圓形和方形兩類㈣叫圖2-5。在設(shè)計(jì)時(shí)我們選擇了方形倉。

a.方形料倉b.圓形料倉
圖2-5料倉形狀
Fig2-4Theformofstoragehopper
2.2.2料倉設(shè)計(jì)
為了滿足儲(chǔ)料和物料流動(dòng)的穩(wěn)定均勻，料倉傾角a要滿足一定的要求。若a過大,在下料口大小不變的情況下，料倉容積變小，若要保持容積不變，就需要增加料倉高度，這樣會(huì)使設(shè)備整體的高度增加，不僅造成加料不便，增加廠房空間這樣的缺點(diǎn)，同時(shí)對(duì)物料的單位容積密度影響較大。a不能太小，否則，物料流動(dòng)不暢，造成管涌和死區(qū)等。為了選取合理的料倉傾角a,必須對(duì)存儲(chǔ)的物料性質(zhì)進(jìn)行研究，物料的顆粒與顆粒間存在著間隙，這樣與之相鄰的顆粒就有可能嵌入其間。這種顆粒間的相互嵌入作用，將導(dǎo)致能自由下滑的顆粒表面形成一個(gè)傾斜的坡度。因此使物料顆粒相對(duì)于水平面出現(xiàn)一較大的斜度，物料顆粒在該表面上處于平衡狀態(tài)。這一斜度就是物料靜堆積角，物料的靜摩擦力就決定于這種物料顆粒間相互嵌入的作用。流散性不良的粘性散粒物料，堆積角大于內(nèi)摩擦角。將粘性散粒物料放在有孔的平板上，打開孔后,一部分散粒物料將從孔中落下。如圖2-6所示，從孔中落下的物料堆表面與平面的夾角成為該物料的安息角//;平板上剩余的物料從孔中落下的物料與水平面的夾角稱為該物料的逆息角Q°在設(shè)計(jì)料倉時(shí)，其側(cè)壁傾角必須大于逆息角p

圖2-6物料的安息角和逆息角
Fig.2-5Stoppingangleandflowingangleofmateriel
對(duì)于圓形料倉，只需取傾角a大于逆息角們即a>"即可，如圖2-7a示。而對(duì)于方形料倉，除了斜面與水平面的傾角外，還有棱邊與水平面的傾角，這個(gè)角小于斜面傾角，如果不考慮它的作用，方形儲(chǔ)料斗將出現(xiàn)死料堆積的現(xiàn)象。根據(jù)空間設(shè)計(jì)及整體結(jié)構(gòu)配合，本包裝機(jī)使用的即為方形儲(chǔ)料斗，如圖2-7b所示，為方形儲(chǔ)料斗示意圖。矩形短邊b對(duì)應(yīng)與水平面的傾角為％,長邊a對(duì)應(yīng)斜面與水平面傾角為a?,棱邊與水平面傾角為“（即為物料的逆息角）

a圓形料斗示意圖    b.方形料倉示意圖
圖2-7料斗示意圖
.Fig.2-7Sketchofrhopper
經(jīng)計(jì)算得
a,=arctan[(Va2+b2/a)tan/?]    式(2—1)
同理
a2=arctan[(Va2+^2/3)tan戶]    式(2—2)
由于a>b,可知％>%,即滿足a?時(shí)，一定滿足％,所以方形儲(chǔ)料斗最小傾角a確定時(shí)，應(yīng)令a>a2,即
a>arctan[(Va2+b2/b)tan0]    式(2—3)
在設(shè)計(jì)料倉時(shí)，還要考慮對(duì)下一系統(tǒng)給料的影響，我們選擇下一給料機(jī)構(gòu)是螺旋送料機(jī)構(gòu)，連接結(jié)構(gòu)如圖2-8：

圖2-8給料機(jī)構(gòu)
Fig.2-8Feedmechanism
當(dāng)螺旋給料機(jī)構(gòu)在定量送料時(shí)，需要送料穩(wěn)定可靠，需要有兩個(gè)條件：其一是料倉開口寬度L應(yīng)當(dāng)大于一個(gè)螺距，保證物料在進(jìn)料口端螺旋可以充滿；其二是料倉進(jìn)入螺旋的進(jìn)口與料筒相交處圓周切線與水平面的夾角0應(yīng)大于或等于物料的逆息角B
（Y=0,即y>6）,以此保證進(jìn)料口處螺旋的徑向可以充滿物料；這樣才可以保證螺旋在輸送物料時(shí)可以得到最大的填充系數(shù)，同時(shí)也提高下料的均勻性。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程一般將進(jìn)料口的寬度等于料簡直徑。
2.3給料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
在實(shí)際生產(chǎn)過程中，輸送的物料種類繁多，有顆粒狀、粉狀、塊狀等各種。對(duì)粉狀物料由于流動(dòng)性差，種類繁多，如食鹽、面粉、洗衣粉、粉狀白糖等一些物料，其自身特性的差別很大，它是影響稱量精度的關(guān)鍵因素之一，所以，對(duì)不同的物料輸送是應(yīng)該選擇不同的輸送設(shè)備。
目前，應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)中的給料系統(tǒng)有各種各樣，但使用最多的是螺旋給料系統(tǒng)、振動(dòng)給料系統(tǒng)、料門給料系統(tǒng)、皮帶輸送給料系統(tǒng)這幾種。下邊是對(duì)這幾種給料系統(tǒng)的特性及應(yīng)用進(jìn)行簡要分析。
1）    螺旋給料系統(tǒng)：這種系統(tǒng)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。給料速度由電機(jī)（包括減速機(jī)）速度、螺旋給料器直徑和螺距來決定。適用于物料流動(dòng)性差，配料精度要求較高，配料速度要求較慢的場合，如面粉、奶粉、洗衣粉、粉鹽等泌】。有時(shí)為了提高系統(tǒng)的稱量速度和精度，可以釆用大小雙螺旋給料，在粗給料期間，大小螺旋同時(shí)給料，提高給料速度，在精給料時(shí)，只要小螺旋給料，保證給料精度。也可以采用雙速電機(jī)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)螺旋給料器，粗加料時(shí)采用高速，以便節(jié)省螺旋給料系統(tǒng)稱量的時(shí)間；細(xì)加料時(shí)用低速,從而達(dá)到較高的稱量精度?，F(xiàn)在有的甚至釆用了三速控制給料系統(tǒng)。在螺旋給料的末端釆用雙頭螺旋給料同樣也可以提高稱量精度，同時(shí)由于輸送過程中雙頭螺旋給料可以減少給料的脈動(dòng)性，提高給料的均勻性和生產(chǎn)的穩(wěn)定性，效果更好。
2）    振動(dòng)給料系統(tǒng)：這種系統(tǒng)適合與各種類型的物料，它對(duì)于物料的流動(dòng)性等性能要求比較低。在安放時(shí)一般要求料槽的開口處位置不低于料槽在料斗的下料側(cè)位置，工作時(shí)電磁力驅(qū)動(dòng)槽體沿與彈簧板垂直方向作周期性的直線往復(fù)振動(dòng)，當(dāng)槽體振動(dòng)加速度的垂直分量大于物料自由下落的重力加速度時(shí)，物料與槽體脫離接觸，按照拋物線的軌跡向前拋起，經(jīng)過一定時(shí)間落下與槽體接觸，然后又拋起，又落下，如此循環(huán)反復(fù)。這種方式通用性好、結(jié)構(gòu)簡單，適用于振動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響可以忽略不記以及大劑量稱量的場合。
3）    料門給料系統(tǒng)：這種系統(tǒng)適合物料流動(dòng)性好，配料速度要求快，精度要求相對(duì)較低的場合，如砂子、石子等?；驹硎牵菏褂秒p氣缸實(shí)現(xiàn)料門兩種開口大小或一大一小兩個(gè)料門，既提高了下料速度又提高了稱量精度。在粗加料時(shí)，將料門全部打開或兩個(gè)料門打開，達(dá)到一定量時(shí)，將料門關(guān)閉一部分或?qū)⒋罅祥T關(guān)閉，從而進(jìn)行細(xì)加料，達(dá)到預(yù)定量值時(shí)將料門全部關(guān)閉。
4）    皮帶輸送給料系統(tǒng)：該方式是釆用扁平輸送帶喂料器，具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行平穩(wěn)、節(jié)省動(dòng)力等優(yōu)點(diǎn)，其快慢加料是利用氣動(dòng)閘門擋板裝置控制料層厚度來實(shí)現(xiàn)的。該喂料方式適合糧食顆粒物料，如稻谷、小麥、玉米等；適合油廠餅粕片狀物料；適合飼料廠顆粒飼料和粉狀全價(jià)飼料。該喂料方式因密封性能差，粒度細(xì)、密度大的粉
狀物料，如水泥、石粉、預(yù)混合飼料不太適宜【35】。
上述這些給料系統(tǒng)，都有自己的特定應(yīng)用場合，而螺旋給料系統(tǒng)卻有更廣泛的應(yīng)用范圍，它有許多優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，成本低，密封性能好，且容易進(jìn)行控制。因此，我們釆用的給料系統(tǒng)確定為螺旋給料系統(tǒng)。
2.3.1給料系統(tǒng)構(gòu)成
我們設(shè)計(jì)的強(qiáng)制給料定量包裝機(jī)的給料機(jī)構(gòu)由大小螺旋輸送器、交流電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)成。
螺旋輸送器（又稱螺旋攪龍）是一種用途廣泛的運(yùn)輸機(jī)械，它利用螺旋體與物料之間產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行輸送。當(dāng)螺旋葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)，物料的自重和殼體對(duì)物料的摩擦阻止其與螺旋葉片一起旋轉(zhuǎn)，物料類似不轉(zhuǎn)動(dòng)的螺母，兩者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)促使物料沿螺旋軸軸向運(yùn)動(dòng)【26）。同時(shí)由于螺旋結(jié)構(gòu)緊湊、密封性好、操作維護(hù)方便、物料不易撒落等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種物料的輸送和配料中在定量包裝機(jī)中用于輸送物料的螺旋為定量螺旋，定量螺旋給料機(jī)是螺旋輸送機(jī)的一種特殊形式，因此它的輸送能力與一般的螺旋輸送機(jī)是相同的，其生產(chǎn)能力如下式所示：
Q=\5n（D2-d2）Sn（ppC    式（2_4）
其中：Q—螺旋給料機(jī)的生產(chǎn)能力（〃屛3）；
。一螺旋葉片直徑S）；
d一轉(zhuǎn)動(dòng)軸直徑3）；
S-螺距S）；
〃一螺旋軸的轉(zhuǎn)速（m/min）；
啊Tl料的填充系數(shù)；
夕一物料的堆積密度U/m）:
C-給料機(jī)傾角系數(shù)。
當(dāng)某一個(gè)螺旋輸送機(jī)設(shè)計(jì)完成后，上述參數(shù)中螺旋葉片直徑轉(zhuǎn)動(dòng)軸直徑d、螺距S、螺旋軸的轉(zhuǎn)速〃、物料的堆積密度p、傾角系數(shù)C均為定值，而這些參數(shù)只和給料機(jī)的結(jié)構(gòu)和物料有關(guān)。只有填充系數(shù)們無法保證為恒定值，若使充填系數(shù)為一固定值，就變成了定量螺旋給料機(jī)了。因此定量螺旋給料機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是保證填充系數(shù)們?yōu)楹愣ㄖ?，設(shè)計(jì)螺旋給料機(jī)以此為理論根據(jù)。
2.3.2出料口
在定量包裝機(jī)給料過程中，為了保證稱量精度，要保證給料穩(wěn)定均勻。在使用螺旋給料機(jī)構(gòu)作為定量包裝機(jī)系統(tǒng)中的給料機(jī)構(gòu)，考慮到物料的流動(dòng)性和螺旋機(jī)構(gòu)的自身的一些特點(diǎn)，對(duì)螺旋給料機(jī)構(gòu)的進(jìn)料口和開料口之間的距離需要進(jìn)行一定的設(shè)計(jì)，以滿足使用要求。
假如在料筒內(nèi)沒有安裝螺旋時(shí)，物料按其自然堆積角由進(jìn)料口流向卸料口，要保證物料不會(huì)由卸料口流出，需要進(jìn)料口到卸料口的料筒具有一個(gè)最小距離C,這個(gè)最小距離由料筒的直徑和物料的安息角來決定。即角X小于物料安息角p（A 由財(cái)=£
得C里
tgp
所以，當(dāng)C>—時(shí)，可以保證物料不會(huì)由卸料口自然的流岀。
tgp

圖2-9進(jìn)出料口關(guān)系
Fig.2-9Therelationofmaterialinletandoutlet
以往人們認(rèn)為螺旋送料過程中，螺旋可以完全充滿物料，物料填充系數(shù)為1,但經(jīng)過實(shí)踐證明由于種種原因，這種情況無法達(dá)到，其原因如下：
1）    由于物料顆粒間具有一定的縫隙，具有可壓縮性，物料在螺旋輸送過程中受到葉片的擠壓，從而使葉片前端靠近葉片的物料受到擠壓并壓實(shí)，葉片后端的物料由于物料的減少形成空隙，螺旋處于不能充滿狀態(tài)。
2）    受物料止息角的影響，物料具有一定的滑移性，物料在螺旋中運(yùn)動(dòng)時(shí)隨著螺旋的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，物料向前滑移，這也影響了物料填充系數(shù)不能達(dá)到理想的填充系數(shù)為1的狀態(tài)。
3）    螺旋筒內(nèi)的結(jié)構(gòu)件如中間軸、葉片等，也影響充填系數(shù)
定量螺旋的輸送能力可以通過調(diào)整螺旋的轉(zhuǎn)速來改變，即通過調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速來滿足生產(chǎn)量的變化要求。
2.4夾袋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
包裝袋使用的是編織袋，夾袋機(jī)構(gòu)下部設(shè)計(jì)為半圓形結(jié)構(gòu)，方便工作時(shí)工人套袋。夾袋時(shí)兩個(gè)汽缸動(dòng)作帶動(dòng)有橡膠墊的支臂把編織袋加緊在收料斗的下端側(cè)壁上，保證了給料時(shí)料袋的密封，防止環(huán)境中的灰塵對(duì)產(chǎn)品的污染，提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量。

圖2-10夾袋機(jī)構(gòu)
Fig.2-10Themechanismofclipbag

2.5稱重部分
稱重系統(tǒng)是包裝機(jī)的核心部分，定量秤完成對(duì)物料重量的稱重，保證稱量的進(jìn)度和精度，電子秤是裝有電子裝置的一種衡器，它由承重、傳力復(fù)位系統(tǒng)、稱重傳感器以及稱重儀表等組成。
承重、傳力復(fù)位系統(tǒng)是被稱物體與轉(zhuǎn)換原件之間的機(jī)械、傳力復(fù)位系統(tǒng)。稱重傳感器是將非電量（質(zhì)量）轉(zhuǎn)換成電量的轉(zhuǎn)換原件。它是把支承力變換成電的或其它形式的適合計(jì)量求值的信號(hào)所用的一種輔助手段，在傳感器式電子秤中，最常用的仍然是電阻應(yīng)變式稱重傳感器。稱重儀表包括稱重傳感信號(hào)的電子線路（包括放大器、模數(shù)變換、電源、調(diào)節(jié)器、補(bǔ)償元件、保護(hù)線路）和指示部件（如顯示、打印、數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)器件等）。電子秤的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-9。
稱重系統(tǒng)固定與機(jī)架上，同時(shí)連接在收料斗上，稱量時(shí)連同收料斗及夾袋機(jī)構(gòu)一起稱重。

2-9電子秤結(jié)構(gòu)圖
Fig.2-Structuredrawingofelectronicscale
2.6本章小結(jié)
本章主要介紹了強(qiáng)制式定量包裝機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，提出了采用增量式稱量系統(tǒng)的稱重方案，說明了強(qiáng)制給料包裝機(jī)的工作過程和工作原理。并且對(duì)設(shè)備的主要組成部分料倉、給料部分進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)，確立了以大小螺旋給料系統(tǒng)為給料系統(tǒng)，同時(shí)闡述了電子秤的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。

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