董可宏,孫 濤,劉 影

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學(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、顆粒料分裝機是一種廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工等行業(yè)的機械設(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、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、計量、熱封、輸送等幾個步驟完成對物料的分配包裝。目前，國內(nèi)粉料、顆粒料分裝機的計量方式主要分三種：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)整體積大小來達到計量要求。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)量衡器來進行計量，計量精準(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)速和時間，量取定量物料。螺桿旋轉(zhuǎn)定量下料針對物料本身的流動性有不同要求，當(dāng)分裝流動性較好物料時，要選用較小螺距的下料螺桿；當(dāng)粉料的流動性不好，即該物料具有較大的粘性時，要選用較大螺距的螺桿，相對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)有的分裝機能夠滿足大多數(shù)物料的計量要求，但其對物料的物理性能(如散落性、含水率等)要求高，即該物料應(yīng)具有較好的流動性。當(dāng)待分裝物料的流動性不好，即該物料有較大的粘性時，易發(fā)生不定量的物料粘連在腔體內(nèi)壁上的問題(如粘連在計量容器內(nèi)壁上、卸料倉內(nèi)壁上)，使計量準(zhǔn)確的物料不能完全進入物料包，造成物料包的重量不均勻，超出誤差范圍，從而造成成品包計量合格率低的問題。如用現(xiàn)有的分裝機對高價值粘性物料進行小包裝(小于50 g)分裝，其成品包實際計量值偏離標(biāo)定計量值大的問題更突出，假如售出這樣的成品包，既損害消費者的利益，又影響生產(chǎn)者的商業(yè)信譽。如用人工操作分裝計量，存在工作效率低，勞動強度大的問題。

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計一種分裝機的防粘連計量裝置，采用稱重定量方式，合理運用流動氣體的附壁作用原理，在計量裝置腔體內(nèi)表面上形成流動穩(wěn)定、連續(xù)地氣體保護層，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，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入物料包，實現(xiàn)分裝后的成品包計量精準(zhǔn)。

1 粘性物料分裝機的整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，分裝機由機架、料倉、振動給料裝置、防粘連計量裝置、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.機架;2.料倉;3.振動給料裝置;4.防粘連計量裝置;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：在機架上安裝料倉、振動給料裝置、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)，料倉與振動給料裝置相互連通，防粘連計量裝置位于振動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，料倉中的粘性物料由振動給料裝置振動輸送進入到防粘連計量裝置的計量腔內(nèi)，由電子秤進行常規(guī)稱重計量，當(dāng)粘性物料達到計量設(shè)定值時，PLC控制系統(tǒng)控制振動給料裝置停止振動給料，與此同時，電磁裝置控制計量裝置的底蓋水平滑動打開，粘性物料脫離計量裝置的計量腔，進入位于熱封裝置的包裝袋中，由熱封裝置進行常規(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關(guān)閉，振動給料裝置重新振動給料，依次循環(huán)，進行分裝作業(yè)。

2 主要系統(tǒng)、裝置的設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)的設(shè)計

應(yīng)用PLC控制技術(shù)實現(xiàn)相關(guān)裝置的工作控制要求，PLC控制系統(tǒng)與振動給料裝置、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，用于信號采集處理、邏輯控制、順序控制、模擬量控制、運動控制協(xié)調(diào)控制各裝置正常運行。如由PLC控制繼電器的通電/斷電來實現(xiàn)空氣壓縮機、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動，實現(xiàn)底蓋水平滑動的打開/關(guān)閉；由PLC控制電磁閥的通電/斷電實現(xiàn)管路氣體的接通/斷開，實現(xiàn)氣體溫度、壓力、流量和速度等的模擬量控制；由PLC進行傳感器信號采集處理、對控制對象實時動態(tài)進行監(jiān)控等。

2.2 防粘連計量裝置的設(shè)計

防粘連計量裝置由外筒壁、內(nèi)筒壁、負壓環(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。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)立進氣口，其通過氣管與高壓氣控制裝置出氣口連通，用于存儲高于計量腔內(nèi)氣壓的高壓氣體；由內(nèi)筒壁環(huán)繞構(gòu)成計量腔，用于承載計量物料；在內(nèi)筒壁上規(guī)律開設(shè)貫通孔(圖4)，分布區(qū)域為從上到下的整個內(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)入計量腔中，并沿內(nèi)筒壁表面均勻向斜下方流動，形成流動穩(wěn)定、連續(xù)地高壓氣膜層；負壓環(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)成負壓環(huán)內(nèi)腔，其與計量腔平順貫通銜接；負壓環(huán)內(nèi)部中空形成環(huán)形負壓腔，且環(huán)形負壓腔外壁上設(shè)立出氣口，其通過氣管與低壓氣控制裝置進氣口連通，在負壓環(huán)的內(nèi)壁面底端部位上開設(shè)環(huán)形孔，此環(huán)形孔將計量腔與負壓環(huán)的環(huán)形負壓氣腔連通，用于將計量腔內(nèi)壁表面流動的氣體導(dǎo)入負壓腔；底蓋可橫向移動地配裝在負壓環(huán)下端部位上，用于封堵負壓環(huán)，由固裝在機架上的電磁裝置來控制其打開或關(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，用于物料的稱重計量；至此，構(gòu)建組成粘性物料的防粘連計量裝置。

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

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

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30%，具有相當(dāng)大的黏性，用現(xiàn)有包裝機分裝時，極易粘連在計量容器內(nèi)壁上，不能完全進入包裝袋中，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工作，其中的高壓氣控制裝置連續(xù)向防粘連計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)均勻地進入計量腔內(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；此時的低壓氣控制裝置將負壓環(huán)內(nèi)環(huán)形負壓氣腔中的氣體抽出，使環(huán)形負壓氣腔內(nèi)氣壓低于計量腔內(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的高壓氣體通過負壓環(huán)上的環(huán)形孔流進環(huán)形負壓氣腔內(nèi)，再經(jīng)低壓氣控制裝置從環(huán)形負壓氣腔內(nèi)持續(xù)穩(wěn)定地抽出，至此，在防粘連計量裝置的內(nèi)筒壁內(nèi)表面上形成流動穩(wěn)定、連續(xù)地高壓氣膜層。在此條件下，PLC控制系統(tǒng)控制并開啟振動給料裝置工作，料倉內(nèi)的胚芽米經(jīng)由振動給料裝置振動輸送，進入到防粘連計量裝置的計量腔內(nèi)，并逐漸累積堆落在電子秤上稱重計量，基于動態(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量腔內(nèi)壁面的難題；當(dāng)累積堆落的胚芽米達到電子秤設(shè)定值時，在PLC控制系統(tǒng)控制下，振動給料裝置停止振動給料，同時，在PLC控制系統(tǒng)控制下，啟動電磁裝置控制緊貼在負壓環(huán)下端面上的底蓋水平滑動打開計量腔，堆積在電子秤平面上的胚芽米在底蓋水平滑動打開過程中，被負壓環(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)的實際使用需求，設(shè)計了一種配裝防粘連計量裝置的粘性物料分裝機，合理運用流動氣體的附壁特性原理，在黏性物料分裝作業(yè)中，達到黏性物料與計量容器內(nèi)壁面不粘連、分裝計量精準(zhǔn)的目的，此分裝機具有結(jié)構(gòu)新穎、合理、獨特、適用性強、使用可靠、自動化程度高的特點。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。