M型包裝袋掛面包裝機(jī)套袋裝置設(shè)計(jì)及模態(tài)分析

付瑞玲，李文方

黃河科技學(xué)院（鄭州 450063）

掛面作為一種重要主食，在日常飲食中占有重要地位，尤其受歡迎于我國北方市場[1-2]，據(jù)中國食品學(xué)會(huì)2019年調(diào)查數(shù)據(jù)表明，中國掛面2019年產(chǎn)能約812萬噸，相對于2018年增加約12%，中國掛面行業(yè)的發(fā)展不斷提升[3]，伴隨著掛面產(chǎn)能的提高，有關(guān)掛面自動(dòng)包裝裝置的研究變得尤為關(guān)鍵。M型包裝袋（袋口兩端側(cè)褶呈M型）因其容量大、方便存放的特點(diǎn)成為一種重要的包裝袋形式[4-5]。

國外對于包裝袋式自動(dòng)包裝研究起步相對較早，瑞士布勒公司研發(fā)新型MWPG全自動(dòng)包裝機(jī)，可以完成常規(guī)物料的包裝，但無法將包裝袋側(cè)褶處完全撐開，不能適用于掛面包裝[6-8]。國內(nèi)孫明遷等[9]模仿人工包裝方式設(shè)計(jì)一套自動(dòng)包裝方案，孔祥勝[10]開發(fā)一種對稱型套袋裝置，其退袋裝置采用兩氣缸機(jī)構(gòu)，存在氣缸不同步，退袋不順風(fēng)險(xiǎn)；國內(nèi)外開展諸多包裝袋式自動(dòng)包裝機(jī)的研究，但針對于掛面這種具有易碎、長條特性物料自動(dòng)化包裝研究較少。

自動(dòng)套袋裝置作為掛面自動(dòng)化包裝重要的一環(huán)，對其結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)尤為重要，基于M型包裝袋，設(shè)計(jì)一種自動(dòng)套袋裝置，并對其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究。

1 M型包裝袋掛面包裝特點(diǎn)及參數(shù)設(shè)定

M型包裝袋如圖1所示，在未填充掛面的狀態(tài)下，其開口左右兩側(cè)呈M型向內(nèi)部褶皺。M型包裝袋實(shí)現(xiàn)自動(dòng)套袋功能的主要難點(diǎn)在于面條的易碎性和獨(dú)特的開口模式[11]，由于掛面易碎、受力小，在充填干涉的情況下經(jīng)常出現(xiàn)問題，比如包裝袋開口小于面條尺寸時(shí)如圖2（a）所示，會(huì)發(fā)生斷裂、破碎的現(xiàn)象，因此要保證掛面順利進(jìn)入包裝袋一定要保證開口完全如圖2（b）所示。另外，為了保證自動(dòng)套袋裝置可適應(yīng)多個(gè)規(guī)格大小的M型包裝袋，其可撐開的口徑大小的是可調(diào)節(jié)的，同時(shí)在工作過程中需具備高可靠性和低干涉風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 M型包裝袋

圖2 M型包裝袋袋口撐開示意圖

設(shè)定的自動(dòng)套袋裝置技術(shù)參數(shù)表如表1所示。

表1 技術(shù)參數(shù)表

2 自動(dòng)套袋裝置設(shè)計(jì)

自動(dòng)套袋工序位于取袋工序段后，模仿人工套袋所需要的環(huán)節(jié)，將取袋裝置輸送過來的掛面包裝袋采用機(jī)構(gòu)將袋口撐開，移位到落料口下方接受掛面，機(jī)構(gòu)順利從袋口取出，完成套袋操作[12-13]。

基于掛面自動(dòng)包裝機(jī)的工藝流程和自動(dòng)套袋裝置所需具備的功能設(shè)計(jì)2種套袋裝置方案，如圖3所示。

圖3 掛面包裝機(jī)套袋裝置兩種方案

套袋裝置方案1主要可分為四大部分：齒輪轉(zhuǎn)向模塊、凸輪撐開模塊、高度提升模塊、寬度調(diào)節(jié)模塊。其工作方式如下，凸輪撐開模塊位于滑軌的最下側(cè)，2個(gè)撐袋桿處于合攏狀態(tài)，取袋裝置將包裝袋運(yùn)往套袋裝置時(shí)，伺服電機(jī)控制齒輪轉(zhuǎn)向模塊將撐袋桿所在平面與豎直平面平行，此時(shí)位于兩撐袋桿邊緣的方形支撐板進(jìn)入包裝袋內(nèi)，撐袋桿由合攏狀態(tài)向兩側(cè)打開，完成撐袋環(huán)節(jié)；同時(shí)包裝袋在支撐板支撐力作用下可隨撐袋桿移動(dòng)，齒輪轉(zhuǎn)向模塊將支撐桿旋轉(zhuǎn)90°，使原本水平袋口水平朝向的包裝袋變?yōu)樨Q直向上；此時(shí)伺服電機(jī)1控制提升模塊將凸輪撐開機(jī)構(gòu)向上提升使包裝袋對準(zhǔn)落料口處和下一工站的支撐板上；撐袋桿再次合攏通過齒輪轉(zhuǎn)向模塊再次旋轉(zhuǎn)90°脫離包裝袋，完成袋口取出動(dòng)作；凸輪撐桿機(jī)構(gòu)復(fù)位，處于初始裝袋等待下一次套袋動(dòng)作。如果包裝袋的口徑規(guī)格發(fā)生變化，通過調(diào)節(jié)模塊上的調(diào)節(jié)手輪來控制支撐桿之間的距離從而實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格包裝袋的套袋。

套袋裝置方案2與方案1除將凸輪撐開機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)檫B桿撐開機(jī)構(gòu)，其余保持一致，連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單但在撐袋桿進(jìn)出包裝袋時(shí)氣缸無法完美控制有產(chǎn)生與包裝袋干涉風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致包裝袋破損等不良現(xiàn)象。2種方案相比如表2所示。

表2 套袋裝置兩種方案比較

因此在大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)時(shí)，為防止干涉導(dǎo)致的不良現(xiàn)象及產(chǎn)能影響，建議采用凸輪撐開機(jī)構(gòu)的方案進(jìn)行。

3 自動(dòng)套袋裝置動(dòng)態(tài)特性分析

自動(dòng)套袋裝置作為掛面自動(dòng)包裝裝置最為核心的一環(huán)，對其動(dòng)態(tài)分析尤為重要，因?yàn)橥馆啌伍_機(jī)構(gòu)是在私服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)作用下進(jìn)行工作，對套袋裝置的激振作用不能忽視，因此要保證設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)不會(huì)因?yàn)楣舱駟栴}而被破壞。

3.1 模態(tài)分析簡介

模態(tài)分析是以結(jié)構(gòu)測試或基于有限元分析的仿真作為基礎(chǔ)對線性結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的研究。這些動(dòng)態(tài)特性包括諧振頻率（也稱為“固有頻率”或“本征頻率”）和結(jié)構(gòu)模式（或稱“本征模”），常用來對新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)件動(dòng)態(tài)特性的預(yù)計(jì)及優(yōu)化，在結(jié)構(gòu)件故障診斷方面起著重要作用。

模態(tài)分析計(jì)算方式是通過對線性系統(tǒng)振動(dòng)微分方程組求解從而獲得相應(yīng)的模態(tài)參數(shù)[14]，多自由度系統(tǒng)受迫振動(dòng)微分方程如式（1）所示。

式中：M、C、K、F分別為質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣和外應(yīng)力矩陣。模型無阻尼系統(tǒng)和外應(yīng)力時(shí)微分方程如式（2）所示。

設(shè)微分方程的解為：

式中：A為振幅陣列；ω為圓頻率；φ為初相位。

將式（3）對時(shí)間進(jìn)行二次求導(dǎo)可得到廣義加速度矩陣方程式（4）。

將式（3）和（4）代入式（2）可得：

對式（5）線性方程組求解，行列式有非零解的條件為系數(shù)值等于0，即：

將式（6）展開可得到關(guān)于ω2的代數(shù)方程組，它的根即為特征值，開平方后則得到該系統(tǒng)的各階固有頻率值ω1，ω2，ω3，…，將特征值代入式（5）后可得到對應(yīng)的特征向量A1，A2，A3，…，則代表各階振型。

3.2 自動(dòng)套袋裝置模態(tài)響應(yīng)分析

ANSYS Workbench雖自帶建模功能，但相對于專業(yè)軟件（SolidWorks、Proe）還是有所不足，由于自動(dòng)套袋裝置的三維機(jī)構(gòu)復(fù)雜，因此采用Proe軟件繪制如圖3（a）所示的模型后導(dǎo)入Workbench中。由于太多的零部件特征會(huì)占用ANSYS資源和影響網(wǎng)格劃分精度，因此模型省略如凸臺、螺母、螺栓等對整體振動(dòng)特性幾乎無影響的細(xì)小零件特征。

結(jié)構(gòu)材料定義：采用的材料屬性為結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量206 Gpa，密度7.8×103kg/m3，泊松比0.3。網(wǎng)格劃分參照類型采用Mechanical（結(jié)構(gòu)力學(xué)分析）。采用Workbench自動(dòng)網(wǎng)格劃分方式，網(wǎng)格大小設(shè)置為3 mm。在自動(dòng)套袋裝置轉(zhuǎn)軸位置設(shè)置施加柱面支撐約束方式，軸向和徑向設(shè)置為固定約束方式。

利用ANSYS Workbench自帶默認(rèn)的模態(tài)求解器對建立起的自動(dòng)套袋裝置結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行求解[15]，因?yàn)榈碗A模態(tài)下的固有頻率對結(jié)構(gòu)件的振動(dòng)特性影響較大，容易受到共振影響，因此只針自動(dòng)套袋裝置的前6階固有頻率進(jìn)行求解如圖4~圖9所示。

圖4 套袋裝置1階振型

圖9 套袋裝置6階振型

自動(dòng)套袋裝置各階振型頻率和振型形態(tài)總結(jié)如表3所示。

從表3可以看出，自動(dòng)套袋裝置的固有頻率從1階到6階呈現(xiàn)遞增趨勢，其中1階固有頻率最低也最為重要為47.5 Hz，由第1小節(jié)可知套袋頻率和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的激振頻率分別為0.17 Hz和（13.3±1.67）Hz，遠(yuǎn)低于1階固有頻率，因此套袋裝置結(jié)構(gòu)件不會(huì)受到共振的傷害，振型形態(tài)符合實(shí)際工況，證明自動(dòng)套袋裝置設(shè)計(jì)的合理性和模型建立的準(zhǔn)確性。

表3 自動(dòng)套袋裝置6階固有頻率及其振型

圖5 套袋裝置2階振型

圖6 套袋裝置3階振型

圖7 套袋裝置4階振型

圖8 套袋裝置5階振型

4 結(jié)論

自動(dòng)套袋裝置作為掛面自動(dòng)包裝裝置里最為核心的一環(huán)，結(jié)構(gòu)件的運(yùn)行工況也最為復(fù)雜。結(jié)合人工套袋方式對凸輪型和連桿型套袋裝置均進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過對比分析選擇凸輪型自動(dòng)套袋裝置，基于該設(shè)計(jì)采用Proe建立自動(dòng)套袋裝置的三維模型、采用ANSYS Workbench軟件對該模型的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行求解，得到自動(dòng)套袋裝置前6階固有頻率和振型，各階頻率均大于套袋頻率和驅(qū)動(dòng)電機(jī)激振頻率，振型方式也符合實(shí)際工況，證明自動(dòng)套袋裝置設(shè)計(jì)和模型建立的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)結(jié)果為掛面包裝自動(dòng)套袋裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)特性分析提供理論指導(dǎo)。