配裝防粘連計(jì)量裝置的粘性物料分裝機(jī)的研究設(shè)計(jì)

董可宏,孫 濤,劉 影

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院 牡丹江分院，黑龍江 牡丹江 157000)

0 引言

現(xiàn)有的粉料、顆粒料分裝機(jī)是一種廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工等行業(yè)的機(jī)械設(shè)備，用于滿足粉料、顆粒料、微小零件等產(chǎn)品的快速準(zhǔn)確定量分裝，其結(jié)構(gòu)一般由料倉(cāng)、給料裝置、稱量裝置、接料裝置、卷模、熱封裝置及相關(guān)控制裝置等構(gòu)成，采用供料、分裝、計(jì)量、熱封、輸送等幾個(gè)步驟完成對(duì)物料的分配包裝。目前，國(guó)內(nèi)粉料、顆粒料分裝機(jī)的計(jì)量方式主要分三種：體積定量、稱重定量和螺桿旋轉(zhuǎn)定量。1)體積定量。主要是通過設(shè)定容器的體積來(lái)定量，但其定量精度低，特別是有些物料受到環(huán)境因素影響，其物理性能會(huì)發(fā)生變化，同樣的體積，定量變化大，需要經(jīng)常調(diào)整體積大小來(lái)達(dá)到計(jì)量要求。2)稱重定量：根據(jù)所需物料包重量標(biāo)準(zhǔn)，用電子秤等質(zhì)量衡器來(lái)進(jìn)行計(jì)量，計(jì)量精準(zhǔn)度高，但包裝速度較低。3)螺桿旋轉(zhuǎn)定量。適于均勻度高的物料分裝，原理是通過控制螺桿的轉(zhuǎn)速和時(shí)間，量取定量物料。螺桿旋轉(zhuǎn)定量下料針對(duì)物料本身的流動(dòng)性有不同要求，當(dāng)分裝流動(dòng)性較好物料時(shí)，要選用較小螺距的下料螺桿；當(dāng)粉料的流動(dòng)性不好，即該物料具有較大的粘性時(shí)，要選用較大螺距的螺桿，相對(duì)體積定量和稱重定量，螺桿旋轉(zhuǎn)定量的分裝效率更高。

由上述可知，現(xiàn)有的分裝機(jī)能夠滿足大多數(shù)物料的計(jì)量要求，但其對(duì)物料的物理性能(如散落性、含水率等)要求高，即該物料應(yīng)具有較好的流動(dòng)性。當(dāng)待分裝物料的流動(dòng)性不好，即該物料有較大的粘性時(shí)，易發(fā)生不定量的物料粘連在腔體內(nèi)壁上的問題(如粘連在計(jì)量容器內(nèi)壁上、卸料倉(cāng)內(nèi)壁上)，使計(jì)量準(zhǔn)確的物料不能完全進(jìn)入物料包，造成物料包的重量不均勻，超出誤差范圍，從而造成成品包計(jì)量合格率低的問題。如用現(xiàn)有的分裝機(jī)對(duì)高價(jià)值粘性物料進(jìn)行小包裝(小于50 g)分裝，其成品包實(shí)際計(jì)量值偏離標(biāo)定計(jì)量值大的問題更突出，假如售出這樣的成品包，既損害消費(fèi)者的利益，又影響生產(chǎn)者的商業(yè)信譽(yù)。如用人工操作分裝計(jì)量，存在工作效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大的問題。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)一種分裝機(jī)的防粘連計(jì)量裝置，采用稱重定量方式，合理運(yùn)用流動(dòng)氣體的附壁作用原理，在計(jì)量裝置腔體內(nèi)表面上形成流動(dòng)穩(wěn)定、連續(xù)地氣體保護(hù)層，利用高壓氣膜層阻止粘性物料與腔體內(nèi)壁表面直接接觸，解決分裝粘性物料時(shí)，粘性物料不定量粘連在腔體內(nèi)壁面上的問題，確保稱重定量準(zhǔn)確的粘性物料完全進(jìn)入物料包，實(shí)現(xiàn)分裝后的成品包計(jì)量精準(zhǔn)。

1 粘性物料分裝機(jī)的整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，分裝機(jī)由機(jī)架、料倉(cāng)、振動(dòng)給料裝置、防粘連計(jì)量裝置、熱封裝置、電磁裝置、總控箱及內(nèi)置于總控箱內(nèi)的高壓氣控制裝置、低壓氣控制裝置、PLC控制系統(tǒng)等組成。

1.機(jī)架;2.料倉(cāng);3.振動(dòng)給料裝置;4.防粘連計(jì)量裝置;5.熱封裝置;6.電磁裝置；7.高壓氣控制裝置;8.低壓氣控制裝置;9.總控箱;10.PLC控制系統(tǒng)

其結(jié)構(gòu)布局為：在機(jī)架上安裝料倉(cāng)、振動(dòng)給料裝置、包裝袋熱封裝置和總控箱，PLC控制系統(tǒng)、高壓氣控制裝置、低壓氣控制裝置和電磁裝置合理配置在總控箱內(nèi)，料倉(cāng)與振動(dòng)給料裝置相互連通，防粘連計(jì)量裝置位于振動(dòng)給料裝置下方與包裝袋熱封裝置上方之間部位處，且依次相互連通；PLC控制系統(tǒng)分別與振動(dòng)給料裝置、包裝袋熱封裝置、高壓氣控制裝置、低壓氣控制裝置和電磁裝置上的開關(guān)、傳感器、繼電器、電磁閥、接觸器等部件電性連接。

1.2 工作原理

按照預(yù)設(shè)程序，PLC控制系統(tǒng)控制各組成裝置依次工作，料倉(cāng)中的粘性物料由振動(dòng)給料裝置振動(dòng)輸送進(jìn)入到防粘連計(jì)量裝置的計(jì)量腔內(nèi)，由電子秤進(jìn)行常規(guī)稱重計(jì)量，當(dāng)粘性物料達(dá)到計(jì)量設(shè)定值時(shí)，PLC控制系統(tǒng)控制振動(dòng)給料裝置停止振動(dòng)給料，與此同時(shí)，電磁裝置控制計(jì)量裝置的底蓋水平滑動(dòng)打開，粘性物料脫離計(jì)量裝置的計(jì)量腔，進(jìn)入位于熱封裝置的包裝袋中，由熱封裝置進(jìn)行常規(guī)封裝，至此，完成粘性物料的一次分裝過程，隨后在PLC控制系統(tǒng)控制下，電磁裝置控制底蓋水平滑動(dòng)關(guān)閉，振動(dòng)給料裝置重新振動(dòng)給料，依次循環(huán)，進(jìn)行分裝作業(yè)。

2 主要系統(tǒng)、裝置的設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

應(yīng)用PLC控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)相關(guān)裝置的工作控制要求，PLC控制系統(tǒng)與振動(dòng)給料裝置、高壓氣控制裝置、低壓氣控制裝置和電磁裝置上的多種開關(guān)、傳感器、繼電器、電磁閥、接觸器等部件電性連接，用于信號(hào)采集處理、邏輯控制、順序控制、模擬量控制、運(yùn)動(dòng)控制協(xié)調(diào)控制各裝置正常運(yùn)行。如由PLC控制繼電器的通電/斷電來(lái)實(shí)現(xiàn)空氣壓縮機(jī)、真空泵開起/關(guān)閉；由PLC控制電磁閥的通電/斷電控制底蓋直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)底蓋水平滑動(dòng)的打開/關(guān)閉；由PLC控制電磁閥的通電/斷電實(shí)現(xiàn)管路氣體的接通/斷開，實(shí)現(xiàn)氣體溫度、壓力、流量和速度等的模擬量控制；由PLC進(jìn)行傳感器信號(hào)采集處理、對(duì)控制對(duì)象實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)進(jìn)行監(jiān)控等。

2.2 防粘連計(jì)量裝置的設(shè)計(jì)

防粘連計(jì)量裝置由外筒壁、內(nèi)筒壁、負(fù)壓環(huán)、底蓋和電子秤等構(gòu)成(圖2、圖3)，其整體呈現(xiàn)上大、下小的錐形結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)布局利于物料的收集及氣體在筒壁內(nèi)表面的流動(dòng)。在外筒壁內(nèi)配套安裝內(nèi)筒壁，由外筒壁與內(nèi)筒壁之間封閉的空腔構(gòu)成高壓氣腔，且高壓氣腔上設(shè)立進(jìn)氣口，其通過氣管與高壓氣控制裝置出氣口連通，用于存儲(chǔ)高于計(jì)量腔內(nèi)氣壓的高壓氣體；由內(nèi)筒壁環(huán)繞構(gòu)成計(jì)量腔，用于承載計(jì)量物料；在內(nèi)筒壁上規(guī)律開設(shè)貫通孔(圖4)，分布區(qū)域?yàn)閺纳系较碌恼麄€(gè)內(nèi)筒壁上，且貫通孔軸線與內(nèi)筒壁法線呈下傾角α(圖5)，此種朝向貫通孔利于高壓氣腔內(nèi)高壓氣體導(dǎo)入計(jì)量腔中，并沿內(nèi)筒壁表面均勻向斜下方流動(dòng)，形成流動(dòng)穩(wěn)定、連續(xù)地高壓氣膜層；負(fù)壓環(huán)氣密的配裝在外筒壁和內(nèi)筒壁底端部位上，其內(nèi)壁面環(huán)繞構(gòu)成負(fù)壓環(huán)內(nèi)腔，其與計(jì)量腔平順貫通銜接；負(fù)壓環(huán)內(nèi)部中空形成環(huán)形負(fù)壓腔，且環(huán)形負(fù)壓腔外壁上設(shè)立出氣口，其通過氣管與低壓氣控制裝置進(jìn)氣口連通，在負(fù)壓環(huán)的內(nèi)壁面底端部位上開設(shè)環(huán)形孔，此環(huán)形孔將計(jì)量腔與負(fù)壓環(huán)的環(huán)形負(fù)壓氣腔連通，用于將計(jì)量腔內(nèi)壁表面流動(dòng)的氣體導(dǎo)入負(fù)壓腔；底蓋可橫向移動(dòng)地配裝在負(fù)壓環(huán)下端部位上，用于封堵負(fù)壓環(huán)，由固裝在機(jī)架上的電磁裝置來(lái)控制其打開或關(guān)閉；電子秤內(nèi)嵌入安裝在底蓋上，且電子秤上平面與底蓋上平面平齊，用于物料的稱重計(jì)量；至此，構(gòu)建組成粘性物料的防粘連計(jì)量裝置。

1.外筒壁;2.內(nèi)筒壁;3.貫通孔;4.負(fù)壓腔;5.環(huán)形孔;6.底蓋;7.電子秤;8.負(fù)壓環(huán)內(nèi)腔;9.負(fù)壓環(huán);10.高壓腔;11.計(jì)量腔

1.外筒壁;2.計(jì)量腔;3.內(nèi)筒壁;4.貫通孔;5.負(fù)壓環(huán);6.環(huán)形孔;7.負(fù)壓環(huán)內(nèi)腔;8.電子秤;9.底蓋;10.負(fù)壓腔

圖4 內(nèi)筒壁結(jié)構(gòu)展開圖

圖5 圖4的A-A剖面圖

3 具體實(shí)例(胚芽米)的分裝過程

胚芽米是保留米的胚芽部分，其它部分則與白米完全相同的一種米。本例所述胚芽米是通過濕式(溫水浸泡)加工工藝使胚芽部分萌發(fā)，以形成發(fā)芽米。其包裝前含水率達(dá)30%，具有相當(dāng)大的黏性，用現(xiàn)有包裝機(jī)分裝時(shí)，極易粘連在計(jì)量容器內(nèi)壁上，不能完全進(jìn)入包裝袋中，使包裝袋中的米量缺失，超出誤差范圍，從而造成成品包計(jì)量合格率低的問題。

在PLC控制系統(tǒng)控制下，電磁裝置控制底板將計(jì)量腔關(guān)閉，總控箱內(nèi)的高壓氣控制裝置和低壓氣控制裝置依次啟動(dòng)工作，其中的高壓氣控制裝置連續(xù)向防粘連計(jì)量裝置的高壓氣腔內(nèi)輸入高壓氣體，充滿后的高壓氣體通過內(nèi)筒壁上的傾斜通孔持續(xù)均勻地進(jìn)入計(jì)量腔內(nèi)，在流體附壁特性控制下，高壓氣體貼覆在內(nèi)筒壁內(nèi)壁表面上向斜下方持續(xù)穩(wěn)定地流動(dòng)；此時(shí)的低壓氣控制裝置將負(fù)壓環(huán)內(nèi)環(huán)形負(fù)壓氣腔中的氣體抽出，使環(huán)形負(fù)壓氣腔內(nèi)氣壓低于計(jì)量腔內(nèi)的氣壓，與此同步，沿內(nèi)筒壁的內(nèi)壁表面向斜下方流動(dòng)的高壓氣體通過負(fù)壓環(huán)上的環(huán)形孔流進(jìn)環(huán)形負(fù)壓氣腔內(nèi)，再經(jīng)低壓氣控制裝置從環(huán)形負(fù)壓氣腔內(nèi)持續(xù)穩(wěn)定地抽出，至此，在防粘連計(jì)量裝置的內(nèi)筒壁內(nèi)表面上形成流動(dòng)穩(wěn)定、連續(xù)地高壓氣膜層。在此條件下，PLC控制系統(tǒng)控制并開啟振動(dòng)給料裝置工作，料倉(cāng)內(nèi)的胚芽米經(jīng)由振動(dòng)給料裝置振動(dòng)輸送，進(jìn)入到防粘連計(jì)量裝置的計(jì)量腔內(nèi)，并逐漸累積堆落在電子秤上稱重計(jì)量，基于動(dòng)態(tài)高壓氣膜層的存在，徹底阻止了胚芽米下落和堆積過程中與內(nèi)筒壁內(nèi)壁面的直接接觸，避免和消除了胚芽米粘附計(jì)量腔內(nèi)壁面的難題；當(dāng)累積堆落的胚芽米達(dá)到電子秤設(shè)定值時(shí)，在PLC控制系統(tǒng)控制下，振動(dòng)給料裝置停止振動(dòng)給料，同時(shí)，在PLC控制系統(tǒng)控制下，啟動(dòng)電磁裝置控制緊貼在負(fù)壓環(huán)下端面上的底蓋水平滑動(dòng)打開計(jì)量腔，堆積在電子秤平面上的胚芽米在底蓋水平滑動(dòng)打開過程中，被負(fù)壓環(huán)下端面全部刮離電子秤平面，在胚芽米自重和高壓流動(dòng)氣體吹力共同作用下，快速落入熱封裝置內(nèi)的包裝袋內(nèi)，由熱封裝置完成胚芽米的封裝，至此，完成胚芽米的一次分裝過程。隨后PLC控制系統(tǒng)控制各組成裝置依次循環(huán)工作，實(shí)現(xiàn)胚芽米的連續(xù)封裝作業(yè)。

4 結(jié)論

結(jié)合當(dāng)前黏性物料分裝作業(yè)的實(shí)際使用需求，設(shè)計(jì)了一種配裝防粘連計(jì)量裝置的粘性物料分裝機(jī)，合理運(yùn)用流動(dòng)氣體的附壁特性原理，在黏性物料分裝作業(yè)中，達(dá)到黏性物料與計(jì)量容器內(nèi)壁面不粘連、分裝計(jì)量精準(zhǔn)的目的，此分裝機(jī)具有結(jié)構(gòu)新穎、合理、獨(dú)特、適用性強(qiáng)、使用可靠、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)。適用于農(nóng)藥、洗衣粉、小五金、種子、雜糧、小食品、雞精等常規(guī)小顆粒和不規(guī)則物料的分裝。