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定量包裝秤是稱重技術在包裝領域的應用和發(fā)展， 廣泛用于飼料、 食品、 糧油、 化工、 藥品等行業(yè)的成品定量包裝 ^[1] 。隨著飼料行業(yè)的快速發(fā)展， 成品飼料的定量包裝已從傳統(tǒng)手工式的稱重封包，發(fā)展成為自動、 快速的定量包裝 ^[2] ， 飼料定量包裝秤的需求前景廣闊， 研發(fā)、 生產企業(yè)也逐漸增多。本文從對粉料或者粒料定量包裝入手，研究設計本定量包裝秤的機械部分及其電控部分。通過對各機械部件合理設計及電控部分準確控制， 完成對成品物料的快速、的定量包裝，提高飼料企業(yè)成品包裝效率及更好地減輕工人的勞動強度 ^[3] 。

1 定量包裝秤機械部分設計

定量包裝秤機械部分是成品物料稱重過程的載體， 本定量包裝秤包括的運動機構部件 （圖 1） 有： 料倉、 給料機構、 截料機構、 稱料機構、 箱體、 卸料機構和夾料機構。

1.1 料倉

料倉是本定量包裝秤的*個部分，是定量包裝秤物料的進料口， 是物料的緩沖倉 ^[4] 。包裝時， 成品料通過成品倉下的放料閥首*入定量包裝秤的料倉。

1.2 給料機構

給料機構是本定量包裝秤的重要機構，完成物料的快速和慢速給料，包括皮帶輸送和電機傳動 2部分。

1.2.1 皮帶輸送部分

根據(jù)調查， 物料輸送形式有雙筒螺旋式、 漏斗式、刮刀式、 皮帶式、 單筒雙速螺旋式等 ^[5-6] 。因刮刀喂料或螺旋容易使顆粒物料破碎和存在脈動性， 漏斗式喂料易使流動性較差的粉料產生結拱造成物料流動不均勻， 影響輸送的速度和精度， 所以本包裝秤選擇能實現(xiàn)高速、穩(wěn)定給料的皮帶輸送。根據(jù)飼料企業(yè)成品包裝規(guī)格一般為 40 kg/包， 包裝速度為 7 包/min 并根據(jù)理論計算公式來計算選擇皮帶的寬度 （公式 1） ：

式中： Q—散粒物料輸送量 （t/h） ；

V—皮帶的運行速度 （m/s） ；

r—物流的容重 （t/m 3 ） ；

C—傾斜輸送的修正系數(shù)；

通過包裝量可以計算出物料輸送量 Q=7×60×40=16 800 kg/h， 根據(jù)電機輸送速度取 V 為 1.2 m/s，物料容重 r 取 0.6， 修正系數(shù) C 取 1.0。

根據(jù)公式 1，可求得需求皮帶寬度 B=0.446 m，經皮帶寬度規(guī)格表查詢可取皮帶寬度為 480 mm。

1.2.2 電機傳動部分

為了能快速、 準確的完成物料輸送工作， 選擇具有二極、 十二極 2 種運轉速度的雙速電機。在每包稱量過程中，為了完成快速給料，控制電機以二*速運轉， 實現(xiàn)快速輸送物料； 為了保證稱重的準確性，在每包物料輸送的后面部分控制電機以十二極慢速運轉，通過閘板機構動作控制皮帶輸送機上料層的厚度， 實現(xiàn)慢速給料， 從而保證了稱重過程的準確性。

電機傳動除選擇運轉方式外，運轉功率也是電機選擇的重要參數(shù)， 根據(jù)定量包裝速度、 包裝重量及理論計算公式來選擇電機的功率。

 

式中： K ₁ LV—輸送機空載運行功率 （kW） ；

K ₂ QL—水平輸送物料的功率 （kW） ；

0.00273QH—垂直提升物料的功率 （kW） ， 向上輸送取 （+） ， 向下輸送取 （-） ；

L—輸送機水平投影長度 （m） ；

H—傾斜輸送時物流垂直提升高度 （m） ；

Q—物料的輸送量 （t/h） ；

V—物料的輸送速度 （m/s） ；

K ₁ —輸送機空載運行的功率系數(shù)；

K ₂ —物料水平輸送的功率系數(shù)；

K ₃ —與輸送機水平投影長度有關的系數(shù)；

K ₄ —與輸送機布置形式的系數(shù)；

K ₅ —清掃、 倒料欄板系數(shù)；

N _軸 —驅動滾筒軸功率 （kW） ；

K—功率安全系數(shù)和滿載起動系數(shù)，取 K=1.2～1.4；

η—總傳動效率， 通常取 0.8～0.9， 采用減速箱傳動時， 對光面滾筒取 η=0.88， 對膠面滾筒取 η=0.9；

∑N—卸料裝置， 清掃器等的附加功率。

由設計樣機及理論表格查詢可得： L=0.9m， H=0， Q =16.8t/h， V =1.2m/s， K ₁ =0.0066， K ₂ =0.0000682，K ₃ =1.25， K ₄ =1.08， K ₅ =0.37， ∑N=K ₅ V根據(jù)公式 3 可計算得： N_軸 =0.455 kw， N _軸 =0.71 kW，按電機功率檔位表查詢可取電機功率 N為 0.75 kW。

1.3 截料機構

截料機構由氣缸及截料板組成，可阻止給料機構在完成每包物料給料時，多余的物料進入稱料機構。在定量包裝秤稱重過程中，稱料機構負責物料的稱重，當物料重量達到規(guī)定時，給出重量到位信號，電控部分發(fā)出指令停止電機運轉。但因慣性及皮帶輸送出口邊沿的物料還會掉入稱重機構，必將影響每包物料重量的準確性。截料機構就是在皮帶出口下端增加的裝置，當電控部分發(fā)出停止電機工作的同時， 啟動截料板， 使給料機構多余的過沖量截止在截料板 ^[7] ， 避免掉入稱重機構， 從而保證稱重機構中稱重物料的準確性。

1.4 稱料機構

秤料機構是完成物料稱重的核心機構，由傳感器、 稱料斗、 卸料機構組成。

稱重過程為： 控制系統(tǒng)根據(jù)設定的給料量， 啟動皮帶給料機快速給料， 當達到設定的慢給料量時， 控制系統(tǒng)根據(jù)設定的空中量控制皮帶給料機變換為慢速運轉， 實現(xiàn)慢速給料， 當達到設定的空中量時， 皮帶給料機停止運轉， 截料機構關閉， 完成一次稱量。

1.4.1 傳感器

稱重傳感器是定量包裝秤的心臟， 選擇合適、 精度靈敏的稱重傳感器對保證定量包裝秤精度和速度至關重要。本包裝秤選擇只受拉力的波紋傳感器（圖 2） 。

1.4.2 秤料斗

秤料斗是物料的承載體，在保證稱重物料的容積的同時， 考慮到解決物料在稱料斗中的掛料、 漏料、粘料現(xiàn)象及完成快速卸料， 對比市場上一般的原秤料斗 （圖 3） ， 將本定量包裝秤的秤料斗設計成八角、 底部倒三角形狀 （圖 4） ， 較好地解決了物料在秤斗中掛料、 漏料、 粘料現(xiàn)象， 實現(xiàn)物料平穩(wěn)、 快速卸料。

1.4.3 卸料機構

卸料機構是秤料斗承載物料和卸物料的開關門， 由氣缸、 連桿傳動、 自鎖拉桿組成。秤斗由傳感器掛在包裝秤箱體里面， 設計時在傳動連桿上增加自鎖拉桿， 使卸料機構平穩(wěn)開關， 避免了對秤料斗偏振。

1.5 夾袋機構

夾袋機構由氣缸、 傳動連桿組成， 位于箱體出口下方， 可實現(xiàn)定量包裝時對包裝袋的夾、 放。

2 定量包裝秤電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)由電路板、 電器元件、 PLC 控制器等組成 ^[8] 。本定量包裝秤的機械部分是完成快速、 定量包裝的基礎， 能夠完成各自在快速、 定量包裝工作中工作量的機械動作功能。電控部分是這些機械工作的組織和控制者， 只有有效的組織和控制， 包裝秤的各機械部件才能準確、 協(xié)調、 地完成各自的工作。它通過電控信號在傳感器、 電機、 氣缸控制元件等信號控制元之間來回穿梭， 準確、 地完成稱重傳感器信號的接收、 信號參數(shù)對比、 控制指令信號發(fā)出等電控工作。

為了能更好地完成對機械部件電控控制，專門設計配套了一個電控控制箱， 在電器選擇上， 選擇質量穩(wěn)定可靠的正泰電器元件、歐姆龍可編程控制器及志美稱重顯示控制儀表 ^[9] 。

電控部分主要完成的任務及解決的問題是如何保證稱重信號的保真性、準確控制各機械部件的工作。本包裝秤通過應用具有高精度、 A/D 快速轉換、抗干擾力強的 Σ—Δ 型 A/D 轉換技術 ^[10] ， 具有組裝密度高、 可靠性能高、 抗振能力強的 SMT 表面貼片技術， 具有數(shù)字信號調節(jié)、 過濾噪聲及振動能力強的 TraxDSP TM 三階段過濾技術。 通過三項電控技術來保證稱重信號在轉換、傳輸過程中重量信號的真實性。 在電控控制過程中 （圖 5） ， 通過運行封裝在* PLC 控制器中的電控程序： 傳感器稱重的重量模擬信號通過 Σ—Δ 型 A/D 轉換成電路的數(shù)字信號，數(shù)字信號進入電控控制模塊，與控制模塊中的預設參數(shù)對比形成控制指令， 控制指令由控制模塊發(fā)出，指揮控制各機械部件的工作。

3 試用

根據(jù)機械部分及電控部分設計，生產出試用樣機 （圖 6） ， 制定出試驗方案， 將樣機配套在飼料成套設備包裝工段，對樣機進行實際成品包裝試驗。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)測量及計算得出靜態(tài)精度 （表 1） 、 動態(tài)精度 （表 2） 、 包裝速度 （表 3） 。

由試驗數(shù)據(jù)表可得：本定量包裝秤靜態(tài)精度≤0.1%, 動態(tài)精度≤0.2%，符合定量包裝秤包裝精度要求； 包裝速度為每分鐘 6～7 包， 比其他多數(shù)企業(yè)的定量包裝秤 （一般為每分鐘 4～5 包） 要快。

4 小結

本文通過對飼料行業(yè)及定量包裝秤的發(fā)展研究分析， 研制了一款同時適合飼料成品粉料、 粒料定量包裝的包裝秤， 并從機械部分和電控系統(tǒng)進行了論述。同時， 通過樣機的試制、 試驗及飼料生產廠家的應用，其包裝精度符合包裝秤精度要求， 包裝速度也快于其他多數(shù)定量包裝秤， 可以得到很好的推廣應用。

參考文獻

[1] 郭家治.我國電子定量包裝秤簡介[J].中氮肥， 1996(6)： 56-58.

[2] 金平， 曲英青.淺談國內定量包裝秤的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].衡器， 2008(4)： 7-9.

[3] 繆剛， 韓震宇， 溫顯超.電子定量包裝秤系統(tǒng)設計[J].機械設計與制造， 2011(3)： 25-27.

[4] 莊建橋， 龐聲海.飼料廠配料倉設計方法[J].農業(yè)機械學報，2005(11)： 95-97.

[5] 王敏. 高速自動包裝秤在飼料行業(yè)中的應用 [J]. 江西飼料，2007(3)： 29-30.

[6] 顏旺洪， 高劍鋒， 王飛雪.糧食與飼料工業(yè)包裝秤的選用[J].糧食與飼料工業(yè)， 2003， （11） ： 21-22.

[7] 程睿， 魏國靜， 吳澤全.可編程控制器在糧食定量包裝秤中的應用[J].農機化研究， 2006(2)： 124-125.

[8] 姚永剛， 盧家成， 郝文思.提高定量包裝稱重準確度的措施[J].計量技術， 2004(7)： 32-33.

[9] 張兄華， 張放， 馬昭.一種三級控制自動定量包裝機的設計[J].衡器， 2007(2):29-30.

[10] 于焱.Δ-Σ 型 A/D 轉換芯片 CS5550 在稱重系統(tǒng)中的應用[J].計測技術， 2008,28(3)： 57-59.

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