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1  問題的提出

顆粒型全自動包裝機的物料供應裝置是一個轉盤式定量供料器。對于顆粒、 粉劑和片劑物料, 主要采用量杯式定容計量^[1] 。定量供料器為轉盤式結構, 從料桶流入的物料用沿圓周均布于轉盤上的若干個 (一般為 4個^{[ 2]} 或 6個 )量杯進行連續(xù)定容計量, 然后, 物料由于自重而自動充填入包裝袋內, 配合制袋進行裝填包裝^{[ 3]} 。制袋裝置和供料系統(tǒng)的有機配合才能包裝好一袋袋定量的產品。轉盤轉速的大小直接決定著生產效率的高低。轉盤轉得慢, 單位時間內生產的產品袋數就少, 但是, 量杯內的物料可以*地通過成形器充填入包裝袋內。試想, 如果轉盤轉速過高,超過了一定限度, 物料還未來得及落進成形器口, 就被旋轉的量杯帶走了。這樣一來就造成了計量的不準確, 致使每袋的物料比預裝量少了一些。為了解決這一問題, 使量杯內的物料全部一粒不留地落進成形器, 保證每袋產品的凈含量達到預定值, 下面以力學和運動學為理論基礎, 對轉盤的轉速進行分析計算,從而得到準確計量的轉盤的極限轉速公式。

2  分析計算的前提條件

為了便于分析落料過程的實質, 特作以下幾點假設和簡化: 顆粒都看作是理想的散粒體^{[ 4]} ; 顆粒的下落流動理解為理想狀態(tài)下的運動; 顆粒的大小相等且質量都為 m ( kg); 顆粒與量杯相比足夠的小; 忽略顆粒間的摩擦力和空氣的阻力。為了不失一般性, 特作以下幾點設定: 假設量杯都為截面圓直徑為D (m), 深度為 H (m)的空圓柱體; 假設轉盤的轉速為 n( r/s);成形器口的 2個側邊對應轉盤的圓心角為 θ( rad), 見圖 1。

3  基于力學的分析

隨著量杯底面活門的打開, 量杯中的物料相繼落下。容易知道, zui可能留到量杯里的物料必定位于量杯zui上層, 見圖 2左上圖, 且位于旋轉方向上的后側, 見圖 2左下圖。在這些顆粒中(以顆粒 a、 b、 c為例, 見圖 2右圖 ), b、 c由于受力在任一瞬時的下落位置會比 a低, 從而顆粒 a被量杯帶走的可能性zui大。

現在考察顆粒 a的受力情況。它受重力 G 和量杯對它的推力 F。即它受到的合力 (見圖 3)為:

P= G + F  G= mg

其中, m 為顆粒 a的質量, kg ; g為重力加速度, m /s² 。

4  基于運動學的考察

以力學為基礎, 現考察顆粒 a在重力 G和推力 F 作用下的運動過程^{[ 4]} 。

θ為成形器口的 2個側邊對應轉盤的圓心角, rad ; ω 為轉盤的角速度, rad/s ; H 為量杯的深度, m; t₁ 為顆粒經過成形器口的 2個側邊所用的時間, s ; t₂ 為顆粒從開始下落到離開量杯底面所用的時間, s。

 

上式中, g為定值, 可取 9. 8m /s² ; 成形器和定量轉盤一旦給定, H和 H 即是定值。

由此可見, 要使顆粒全部落下, 轉盤的轉速不應超過其極限值 也就是說, 在轉盤的轉速不超過 n_授限的情況下, 量杯計量相對, 進入每個包裝袋內的物料為預定值。

5  驗 證

對于該極限轉速公式, 作者在 DXD系列顆粒包裝機上進行了驗證, 具體做法是測量了 2杯的高H 和成形器口的 2個側邊對應轉盤的圓心角θ , 對公式進行了賦值, 用蘿卜種子進行試驗, 當計量軸轉速較低時, 種子順利下落, 而不會被量杯帶走; 當把計量軸的轉速調到超過這一賦值時, 發(fā)現卸料后的量杯中還剩幾粒種子。經多次試驗發(fā)現, 轉速調得越高剩余的種子顆粒數目越多。接下來, 作者又把蘿卜種子換成了白砂糖顆粒, 發(fā)現以上的規(guī)律依然存在。這也說明, 在一定條件下極限轉速與顆粒種類的改變無關, 公式具有普遍適用性。這就基本證明了該極限轉速公式的正確性。

6  結  語

綜上所述, 可得到以下 3點結論:

(1) 轉盤轉速過高, 物料容易被量杯帶走, 造成計量的不。 ( 2) 在實際生產過程中, 應控制轉盤的轉速, 使之不超過 ( 3) 不同顆粒機的極限轉速是不同的, 極限轉速的大小取決于顆粒機本身, 所以, 在設計顆粒機的過程中, 要對顆粒機的尺寸 (這里主要是H 和 H)和計量精度做統(tǒng)籌考慮^{[ 5]} 。

參考文獻:

[ 1]  張聰. 自動化食品包裝機 [M ]. 廣州: 廣東科技出版社, 2003 .

[ 2]  許德群. 新型容積定量裝置的設計 [ J]. 包裝與食品機械, 1999 ,17( 1): 16- 18 .

[ 3]  梁睦. 全自動包裝機計量方案的設計 [ J]. 包裝與食品機械, 2000,18( 5): 15- 18 .

[ 4]  張波屏. 現代種植機械工程 [M ]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1997 .

[ 5]  吳軍偉. 論設計中的創(chuàng)造性思維 [ J]. 包裝工程, 2006, 27( 4): 261- 263 .

[ 6]  吳龍奇, 楊福馨. 斷流管徑的提出及研究意義 [ J]. 包裝工程,2006 , 27( 2): 284- 285.

[ 7]  熊應軍. 工業(yè)設計中的理性思維 [ J]. 包裝工程, 2006, 27( 4): 238- 239 .

[ 8]  吳龍奇, 劉師多. 液體包裝機計量機構的設計 [ J]. 洛陽工學院學報, 1997 , 18( 3): 46- 48.

作者簡介: 袁華祥 ( 1961- ), 男, 湖北人, 華中科技大學副教授, 研究生導師, 主要從事空間形態(tài)和語言等方面的研究。

收稿日期: 2006-10-13

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