黃油桶裝方法研究

李瑞虎， 袁越錦

(陜西科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

0 引言

在煉制出黃油成品后，用體積泵將黃油泵入黃油桶內(nèi)，其重量控制是通過控制泵入黃油的體積來實現(xiàn)的.但黃油的粘度大、流動性差，在黃油煉制生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的氣泡不易逸出，導(dǎo)致黃油灌裝質(zhì)量偏小且不穩(wěn)定，達(dá)不到技術(shù)要求.

某企業(yè)采用人工憑經(jīng)驗給灌裝后的油桶補油，補油量不容易控制，誤差較大，生產(chǎn)效率低.受企業(yè)委托，研究黃油灌裝方法，設(shè)計灌裝系統(tǒng).其要求如下：

灌裝溫度85℃，黃油桶質(zhì)量為5kg，黃油桶為圓筒形，圓桶直徑Φ200mm ；生產(chǎn)能力20000桶/日.灌裝質(zhì)量差值小于2.5%；本設(shè)計生產(chǎn)能力24000桶/日，灌裝質(zhì)量差值小于2.0%.

黃油的物性參數(shù)[1]：常溫下黏度5×104cp，溫度85℃時，黃油密度ρ=850Kg/m3.

流水生產(chǎn)三班制，平均每班工作7.5h.

1 關(guān)鍵技術(shù)問題及解決方案

為實現(xiàn)成組同步運行，成組同步初灌裝、分別計量、分別補償?shù)裙δ?要解決的關(guān)鍵技術(shù)：①設(shè)計黃油灌裝、計量、補償方法；②設(shè)計黃油桶成組承載托盤；③選擇合適的輸送機；④桶裝線的銜接.

1.1 承載托盤結(jié)構(gòu)

單桶黃油質(zhì)量較小，采用一次同時灌裝3桶的成組灌裝方法，以大幅度的提高效率.托盤由1個大托盤和3個小托盤組成，如圖1所示，小托盤松裝在大托盤的孔中，以實現(xiàn)運行時成組同步，對黃油桶計量時能分別舉起成組中各個黃油桶，小托盤中心下凹處放置黃油桶.托盤材料是工程塑料.

1.大托盤 2.小托盤圖1 托盤示意圖

1.大托盤 2.小托盤 3.輸送機輥子 4.小支架 5.平臺 6.油缸 7.行程開關(guān) 8.重力傳感器圖2 計量、補償結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 計量、補償方法

黃油桶裝分為3步完成：第一步初灌裝，第二步稱重計量，第三步補償灌裝. 其中第二步、第三步是實現(xiàn)精確罐裝的關(guān)鍵和難點，為了便于PLC控制，稱重計量與補油灌裝兩工序合并為一個工序.計量、補償結(jié)構(gòu)如圖2所示，工作時，油缸攜帶小支架穿過輸送機輥子間的空隙分別舉起成組中各個黃油桶，實現(xiàn)稱重計量、補償灌裝，整個過程由PLC控制，具體實現(xiàn)過程如下：當(dāng)托盤攜帶初裝的黃油桶達(dá)到計量、補償區(qū)，觸發(fā)PLC控制油缸攜帶平臺以及小支架上升，小支架分別頂起各小托盤及相應(yīng)的黃油桶，大托盤仍停留在輸送機上；當(dāng)平臺上安裝的行程開關(guān)運行到機架上相應(yīng)位置時，黃油桶到達(dá)高點，此時PLC被觸發(fā)讀入各個重力變送器的讀數(shù)，讀入動作完成后輸入通道閉合；即確保黃油桶上升過程、補償灌裝過程不能對初裝原始質(zhì)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響.

PLC控制器將每一個黃油桶對應(yīng)的原始讀入質(zhì)量與設(shè)定值5kg比較，當(dāng)某些黃油桶灌裝質(zhì)量不符時，PLC控制器計算出相應(yīng)的補償灌裝時間，并觸發(fā)補償灌裝.

等待所有需要補灌裝的黃油桶補償罐裝完成，此時PLC控制油缸復(fù)位；各個黃油桶隨小托盤同步下降到停留在原位的大托盤上.

在本設(shè)計中，舉起機構(gòu)、推動機構(gòu)及攔截機構(gòu)都采用液壓缸推動，確保平穩(wěn)運行.

1.3 桶裝線的銜接方法

1.3.1平臺銜接

該桶裝線采用兩條平行的輥子輸送機，由于所用的承載大托盤的長度遠(yuǎn)大于寬度(如圖1所示)，托盤在兩條平行的輥子輸送機間的銜接輸送必須采用其它機構(gòu)完成.

1.輥子 2.鏈輪 3.輸送機機架圖3 輸送機橫剖面結(jié)構(gòu)

圖3是輥子輸送機的橫剖面結(jié)構(gòu),圖4是輥子輸送機與大平臺連接結(jié)構(gòu)，在第一條輥子輸送機的末端，輸送機的左側(cè)機架側(cè)板進(jìn)行了特殊處理，其高度降低到與輸送機輥子高度一致，輸送機的右側(cè)，設(shè)置了油缸推動機構(gòu).

1.大平臺 2.輥子輸送機 3.托盤 4.液壓推動機構(gòu)圖4 輸送機與平臺連接結(jié)構(gòu)

當(dāng)托盤運行到輸送機末端，油缸推動機構(gòu)把托盤等平穩(wěn)推動到大平臺上，然后在大平臺上實現(xiàn)壓蓋工序.

1.3.2滾珠絲杠機構(gòu)

滾珠絲杠機構(gòu)如圖5所示，當(dāng)托盤在大平臺上實現(xiàn)壓蓋后并到達(dá)設(shè)定的時間后，PLC控制滾珠絲杠機構(gòu)帶動推桿推動大托盤到另一條輸送機上，實現(xiàn)兩輸送機間的銜接.

1.輸送機 2.絲杠機構(gòu) 3.大平臺 4.大托盤 5.推桿圖5 絲桿機構(gòu)示意圖

1.4 生產(chǎn)線的節(jié)拍設(shè)計[2]

計劃期內(nèi)有效工作時間為：T=3×7.5×60×0.95×60=76950s.

設(shè)計生產(chǎn)能力8000組/日

式中：T-有效工作時間；Q-計劃生產(chǎn)組次數(shù)；取計劃節(jié)拍為9.5.

對整個黃油灌裝過程采用固定節(jié)拍，便于自動化，有利于PLC控制.

2 桶灌裝流程設(shè)計

2.1 總體設(shè)計思路

灌裝過程主要包括以下內(nèi)容：黃油桶的初次灌裝、稱重計量、補油灌裝、壓蓋、移出堆碼和放置空桶.

生產(chǎn)工序依次為初次灌裝→稱重計量→補油灌裝→壓蓋→移出堆碼→放置空桶.設(shè)備儀器主要有初次灌裝泵、稱重計量設(shè)備、補油灌裝泵、特制托盤、輸送機、輔助設(shè)備控制部分等.

2.2 工藝流程

灌裝線流程如圖6所示，該系統(tǒng)的整個工作過程用PLC控制系統(tǒng)控制，各個工作區(qū)及控制位置都設(shè)有位置傳感器.在初灌裝區(qū)、稱重計量補油區(qū)、移出桶區(qū)及放空桶區(qū)都設(shè)有液壓攔截機構(gòu)，以順利實現(xiàn)各功能.液壓攔截機構(gòu)如圖7所示.

灌裝過程是：成組黃油桶隨托盤運行到初灌裝區(qū)并接觸到液壓攔截機構(gòu)，停止運行；微動開關(guān)觸發(fā)PLC控制成組初裝泵分別按設(shè)定值給對應(yīng)的黃油桶灌裝；灌裝結(jié)束，液壓攔截機構(gòu)降落放行；當(dāng)托盤等運行出設(shè)定的初灌裝區(qū)，液壓攔截機構(gòu)上升，準(zhǔn)備攔截后續(xù)目標(biāo)；托盤攜帶黃油桶運行到補灌裝區(qū)并接觸到液壓攔截機構(gòu)， PLC一方面控制油缸頂起各黃油桶實現(xiàn)補償灌裝，具體過程已在1.2敘述，另一方面觸發(fā)PLC對液壓攔截機構(gòu)攔截計時，當(dāng)液壓攔截機構(gòu)攔截計時到達(dá)設(shè)定值時，攔截下降，托盤等被放行，實現(xiàn)固定節(jié)拍；同樣當(dāng)托盤運行出設(shè)定的補灌裝區(qū)時，同理液壓攔截機構(gòu)上升，準(zhǔn)備攔截后續(xù)目標(biāo).

1.第一輸送機 2.灌裝區(qū) 3.第二輸送機 4.空桶放置區(qū) 5.計量補償灌裝區(qū) 6.移出堆碼區(qū) 7.絲杠推動機構(gòu) 8.大平臺 9.壓蓋區(qū) 10.油缸推動機構(gòu)圖6 灌裝線流程簡圖

1.輸送機輥子 2.攔截機構(gòu) 3.微動開關(guān)圖7 液壓攔截機構(gòu)

當(dāng)托盤等運行到第一輥子輸送機末尾端，油缸推動機構(gòu)把托盤等整體推到大平臺(如圖4所示)上，實現(xiàn)壓蓋及輸送機間的銜接.

當(dāng)托盤運行到第二輥子輸送機上后，按工序進(jìn)行移出堆碼，然后放置空桶于托盤上，其工作過程前述相似故不再贅述.

當(dāng)托盤等運行到第二輥子輸送機末尾端，油缸推動機構(gòu)把托盤等整體推到第一輸送機上，托盤承載著空的黃油桶隨著第一輸送機向初灌裝區(qū)運行，實現(xiàn)循環(huán)灌裝.

整個生產(chǎn)線工作過程采用西門子S7-200系列小型可編程控制器[3].

本控制系統(tǒng)具有手動、自動和回原點3種工作方式，配合西門子TD200文本顯示器，本系統(tǒng)的操作具有很大的靈活性和方便性.

3 輸送機選型

3.1 驅(qū)動式輥子輸送機

本設(shè)計采用驅(qū)動式輥子輸送機，它與其它形式輸送機相比，有貨物運行可靠；利用輥子間的間隙便于布置灌裝過程中攔截和檢測裝置等許多優(yōu)點[4].

輸送機采用單鏈傳動，輥子結(jié)構(gòu)采用圓柱形動力式輥子，輥子轉(zhuǎn)動呈主動狀態(tài)，可以嚴(yán)格控制物品運行狀態(tài)，按規(guī)定的速度精確、平穩(wěn)、可靠地輸送物品，便于實現(xiàn)輸送過程的自動控制.

輥子支承采用定軸式，因為定軸式輥子輸送機輥子繞定軸旋轉(zhuǎn)，輥子轉(zhuǎn)動部分自重輕，運行阻力小，輥子與機架整體組裝性好，是通用的輥子支承形式.輥子輸送機結(jié)構(gòu)形式(如圖3所示).

輥子材料選用不銹鋼，其外表美觀，用于耐酸、堿等腐蝕性強的場合，可承受輕、中、重各類載荷，適用于石油化工等行業(yè).

3.2 輥子計算選型[5]

3.2.1輥子計算

3.2.1.1輥子輸送機輥子長度計算

圓柱形輥子輸送機直線段的輥子長度lz一般可按下式計算：

lz=B+ΔBmm (1)

式中：B—物件寬度 mm，即大托盤的寬度；取B=300mm，ΔB—寬度裕量 mm，ΔB=50～150mm，取ΔB=80mm, 計算得：lz=B+ΔB=300mm﹢80mm=380mm，取lz=400mm,lh=400mm，取lh=400mm.即本設(shè)計中輥子長度為400mm.

3.2.1.2輥子間距

輥子間距P應(yīng)保證一個物件始終支承在3個以上的輥子上.

一般情況下，可按下式選?。?/p>

(2)

式中：L—物件長度 mm，即大托盤的長度；取L=900mm；

3.2.1.3輥子直徑

輥子直徑D與輥子承載能力有關(guān)， 作用在單個輥子上的載荷

F≤[F] (3)

式中:[F]—單個輥子上的允許載荷，N；

作用在單個輥子上的載荷F，與物件質(zhì)量、支承物件的輥子數(shù)以及物件底部特性有關(guān)，可按下式計算：

(4)

∴ 單個輥子的允許載荷

在選擇輸送機時，單個輥子的允許載荷必須滿足公式(3).

3.2.2輥子輸送機選型

輥子輸送機選用GZT4型定軸動力式圓柱形長輥輸送機(單鏈傳動)，其參數(shù)如表1所示；

表1 GZT5型定軸機動式圓柱形長輥輸送機參數(shù)/mm

注：行星擺線針輪減速器型號及功率：WD09-23-0.37.

輥子強度校核：F=35.6N<[F]=1 700N，滿足要求.

4 泵的選用[6]

優(yōu)選用齒輪泵.齒輪泵的設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，使用技術(shù)成熟，維修比較方便，價格相對低廉，適用于粘度大的介質(zhì)等.它是目前應(yīng)用最廣泛的一種定量泵.

初灌裝泵選YCB4.0-0.6型齒輪泵，流量4.0 m3/h；補灌裝泵選YCB1.0-0.6型齒輪泵，流量1.0 m3/h.

對泵的灌裝過程設(shè)置了一個兩位兩通的電磁換向閥，當(dāng)加油時，PLC控制電磁閥打到加油檔，黃油流入油桶；當(dāng)加油完成時，PLC控制電磁閥打到泄油檔，黃油直接回流油箱.這樣就可以保證油泵一直正常運轉(zhuǎn)，避免頻繁啟動.

稱重計量[7]采用“S”梁式傳感器稱重計量，量程0.5～30 kg，靈敏度為0.2%.

5 結(jié)束語

采用成組灌裝方法，整個工作過程用PLC控制的自動灌裝線，既能實現(xiàn)黃油灌裝質(zhì)量的精確，又能提高生產(chǎn)效率，達(dá)到相關(guān)企業(yè)的基本要求.

采用了特制的托盤，既能實現(xiàn)成組黃油桶隨托盤同步運行、同步初灌裝，又能實現(xiàn)成組黃油桶中各個黃油桶的分別同步稱重計量、分別補灌裝，解決了成組的關(guān)鍵技術(shù).

采用兩個液壓推動機構(gòu)和一個絲杠輸送機構(gòu)，實現(xiàn)兩輸送機之間的銜接和循環(huán)灌裝過程.

該灌裝方法已在西安某輕工設(shè)計院新型包裝機上采用.

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[2] 于 儉，陳 帆.運作管理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[3] 廖常初．S7-200產(chǎn)品手冊[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[4] 文小炎，史良蟾.輥子輸送機的概況與分析[J].汽車科技，1996，24(4)：1-5.

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