自动定量包装秤系统优化设计研究.pdf

中国新技术新产品2024 NO.4（上）-81-工 业 技 术由于自动定量包装秤的机械部件沿用了部件结构简单的传统设计，虽然能够达到基本的动作要求，但却存在多种缺陷，在一定程度上会影响包装效率。本文主要从定量包装秤的 2 个重要部件，即给料器、夹袋器进行优化设计，以使自动包装秤的高效、可靠并经济地运行。1 给料器给料器的功能是将物料分次投入与传感器相连的称量斗内，当称重仪表显示落料质量达到预设目标值时，给料门及时关闭。1.1 传统给料器存在的问题传统给料器采用三级投料，由一个三级气缸驱动给料门右，左、右给料门间通过齿轮传动保持同时开关动作（如图1（a）所示）。气缸总行程为 72mm，分行程分别为 38mm、21mm 和 13mm。这种结构的给料器存在的问题包括以下 3个方面。1）气缸行程不可调，投料过程中给料门的开度是确定值。当物料的特性改变时，会影响投料的速度。2）气缸与物料在同一个空间，受粉尘的侵袭，密封件易损坏。3）三行程气缸的标准化程度低，通用性差，需要特殊定制。1.2 优化设计的给料器1.2.1 理论依据要提高投料的速度，就需要缩短投料的时间。给料器的投料时间与给料斗的卸料量有关。以常用 50kg 砂糖包装为例，设大投量为 X，投料时间为 S1，大投口的卸料量为 M1；小投量则为 50-X，投料时间为 S2，小投口的卸料量为 M2。总投料时间 S=S1+S2=X/M1+（50-X）/M2。卸料量 M=1.03g0.5（L-fpd）（W-fpd）1.5fh。其中 为物料的堆密度，g 为重力加速度，L 为出料口的长度，W 为出料口的宽度，fp为物料自动定量包装秤系统优化设计研究卫香艳1张敬源2（1.蓬莱市自控设备成套厂，山东 烟台 265600；2.烟台市蓬莱区企业服务中心，山东 烟台 265600）摘 要：传统定量包装秤的机械部件存在气缸选型/安装结构不合理、对物料适应性差、套袋速度慢以及脱袋等问题，影响生产效率和可靠性。通过机构分析和力学计算，对原有给料器、夹袋器2个重要部件进行优化设计，从而更好地服务于生产实际需要。经优化设计的包装秤具有高效率、低噪声、全封闭以及运行可靠的优点，可提供更友善的工作环境，实现传统手动定量包装秤的迭代更新。关键词：包装称；给料器；夹袋器；优化设计中图分类号：TH71文献标志码：A图 1 传统和优化设计的给料器结构1-给料器体；2-齿轮；3-给料门左；4-给料门右；5-三级气缸。（a）传统给料器结构1-给料器壳体；2-给料器体；3-给料门；4-调节拉杆；5-限位气缸；6-给料气缸；7-限位座；8-限位耳板；9-给料耳板。（b）优化设计给料器结构中国新技术新产品2024 NO.4（上）-82-工 业 技 术的形状系数，d 为颗粒直径。其中，fh=tg-0.55，为料斗休止角1。在实际生产中，每批次砂糖的颗粒大小、干燥程度有所不同，导致物料的堆密度 和颗粒直径 d 是变化的。因此设计的关键前提是出料口的宽度 W 必须任意可调，才能保证投料时间最短，以提高包装效率。出料口的宽度 W 通过气缸控制给料门的开度进行控制，要保证出料口的宽度任意可调，就需要气缸行程任意可调。气缸行程示意图如图 2 所示。对于同一类型、同一缸径的气缸，当活塞杆全部缩回时，活塞杆前端与缸筒前端面距离 A 是个确定值。假设活塞杆伸出缸筒的距离为 A+X，则气缸的工作行程=行程-X，其中 X 为任意值2。根据这一原理，本文优化设计了全新的大、小投料机构。1.2.2 结构优化设计大投料过程通过给料气缸通过给料耳板控制给料门的开度来实现（如图 1（b）所示）。给料气缸选用型号为 SE40 x80。初始状态时给料门关闭，气缸活塞杆全部缩回，A=70。当活塞杆伸出全行程为 80 时，给料门全部打开，即出料口的宽度为Wmax（如图 3（a）所示）。通过调节尾部的调节拉杆，使气缸初始位置变成（70+X）mm，则活塞杆伸出（80-X）mm，这时出料口的宽度 W 是任意值（如图 3（b）所示）。大投料结束后，当给料气缸活塞杆第一次缩回至限位耳板的位置时，给料门部分关闭，即为小投料过程。限位气缸前端与限位耳板连接，限位耳板仅绕给料门轴空转（不驱动给料门），后端通过调节拉杆固定在给料器壳体上（如图 1（b）所示）。小投料初始状态时，通过调节限位气缸尾部拉杆，使给料耳板与限位耳板产生一定的角度差，该角度差决定了小投料门的开度。当 X1X2时，1W2，根据这一规律可以得出任意出料口的宽度 W（如图 4 所示）。小投料结束后，给料气缸活塞杆第二次缩回，同时限位气缸缩回，给料门关闭，一次完整的投料过程完成（见表 1）。表 1 完整的投料过程投料过程初始状态大投料小投料结束给料气缸缩回伸出一次缩回二次缩回限位气缸缩回伸出不动作缩回给料门状态关闭打开部分关闭全部关闭1.2.3 优化设计优化设计后的给料器具有以下 4 个优点。1）给料门的开度任意可调，保证给料时间最短。2）取消三级给料，采用二级给料，缩短给料时间，提高包装效率。3）气缸连接于给料器体外壳侧面，有效隔离粉尘，气缸使用寿命长，维护方便。4）采用 2 个通用类标准气缸 SE40X80，无须特殊定制。2 夹袋器夹袋器的功能是夹紧包装袋，保证包装物料顺利落入包装袋内，通常每袋的包装质量为 50kg。包装袋除要承受物料质量外，还要承受一定的冲击力。2.1 传统夹袋器存在的问题传统夹袋器两侧各由一个气缸拉紧夹板，从而将包装袋夹紧在夹袋器体外部（如图 5（a）所示）。存在以下 2 个问题。1）气缸两端直接与夹板连接，两侧夹板开口宽度不一致，影响套袋速度。2）夹紧力不可靠，当物料特性或外部条件改变时会发生袋子脱落的现象。图 2 气缸行程示意图（a）行程（b）工作行程图 3 大投料时给料门调节示意图1501507070+80150-X150-X70+X70+80-X（a）给料门全开状态（mm）（b）给料门任意开度状态（mm）W任意任意打开状态打开状态初始状态初始状态行程行程AXAA+X行程-X行程-XWmax中国新技术新产品2024 NO.4（上）-83-工 业 技 术2.2 优化设计的夹袋器2.2.1 机构设计优化设计的夹袋器称为气动指夹，是一个独立的夹紧单元。如图 5（b）所示，气缸与主动杆连接，主动杆属于原动件，连杆与夹板组成 2 套级杆组，构成从动系统，保证夹板开度一致，满足机构的组成原理（杆组依次连接到原动件和机架上3）。气缸活塞杆缩回时，主动杆通过连杆使两侧夹板同时闭合，夹紧包装袋，气缸活塞杆伸出时夹板分离，即可松开包装袋。2.2.2 夹紧力分析夹袋器的功能决定了夹紧力的可靠性，这对夹袋器是非常重要的指标。以包装袋为研究对象进行受力分析（如图 6（a）所示）可发现夹紧原理就是利用摩擦力的平衡原理。使包装袋保持平衡，不滑落的条件为 W-2FS=0，FS FSmax=fSN，W=2FS 2fSN。其中 fS为静摩擦系数，W 为重力和冲击力之和，FS为静摩擦力，N 为夹紧力4。在 fS静摩擦系数一定的情况下，夹紧力 N 越大，包装袋可以承受的 W 就越大。2.2.2.1 传统夹袋器的夹紧力计算以传统夹袋器夹板为研究对象进行受力分析（如图 6（b）所示）对 A 点 取 距，即 MA（F）=0，FL1-NL2=0，N=FL1/L2，其中 F 为气缸拉力4。夹袋器体两侧各有一个气缸，所以包装袋所受总夹紧力2N=2FL1/L2。2.2.2.2 气动指夹的夹紧力计算在气动指夹机构中，连杆是二力构件，其受力方向是沿 A、B 连线（如图 5（b）所示）。根据牛顿第三定律，主动杆的受力如图 6（c）所示，平衡方程为 FY=0，F-2FBAsin=0，FBA=F/2sin，其中 F 为气缸拉力，FBA为连杆对主动杆的力。最后以夹板为研究对象进行受力分析（如图6（d）所示），列平衡方程对 C 点取距，即 MC（F）=0，NL2-FBAL1=0，N=FBAL1/L2=F/2sinL1/L2，夹 袋 器体两侧各有一个气动指夹总夹紧力2N=2F/2sinL1/L24。2.2.2.3 小结因为 0 sin 1，所以气动指夹的夹紧力 2F/2sinL1/L2大于传统夹袋器的夹紧力 2FL1/L2。并且当 越小，sin 越小，趋近于 0 时，sin趋近于 0。根据 X 趋近于 0 时，1/X的右极限趋近于+，因此当 sin趋近于 0 时，1/sin 趋近于+。当=0 时，机构到达死点位置，即使冲击力再大，包装袋也不会滑落。3 结语本文通过对包装秤给料器、夹袋器部件存在的问题进行系统分析和设计优化，研究出了更科学、合理的产品结构，从根本上解决了传统包装秤在实际生产中存在的问题，使产品性能不断提升，更好满足生产实际需求，并推进理论与实践创新。参考文献1 张荣善.散料输送与储存 M.北京：化学工业出版社，1994.2 成大先.机械设计手册 气压传动 M.4版.北京：化学工业出版社，2004.3 孙桓，葛文杰.机械原理 M.北京：高等教育出版社，2021.4 哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学 M.9版.北京：高等教育出版社，2023.图 4 小投料时给料门调节示意图（a）小投料-角度差 1状态（b）小投料-角度差 2状态1-夹袋器体；2-夹板；3-气缸；4-防滑圈。（a）传统夹袋器结构1-气缸；2-主动杆；3-连杆；4-机架；5-夹板；A-件3与件5间的转动副；B-件3与件2间的转动副。（b）优化设计夹袋器结构（气动指夹）图 5 传统和优化设计的夹袋器结构图 6 受力分析图（a）包装袋（b）传统夹袋器夹板（c）主动杆 （d）气动指夹夹板 X1W1W2X1X2X212112345BAFSFSFYFYFXFXAFNCFBAFBAFNL2L1L1L2NNW234