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| 自動灌裝機三段式加料系統(tǒng)原理的研究 | 2020-03-16 |
| 近年來，在我國食品行業(yè)，其所處理的物料按其物理形狀來分主要有顆粒料、粉狀料和液體物料，其所對應(yīng)的灌裝設(shè)備主要有稱重式和容積式兩種。自動灌裝機加料方式也主要有重力式給料（適應(yīng)于流動性較好的物料）和強制性給料（如皮帶給料、螺旋給料和電振給料等）兩種。對于重力稱重式自動灌裝機而言，它能夠按照預(yù)先設(shè)定的重量自動地把松散物料分成若干質(zhì)量相等且穩(wěn)定的、相互分離的個體。因其計量準確，稱量范圍寬，對物料的適用性較強，便于實現(xiàn)灌裝生產(chǎn)線自動化，已成為食品行業(yè)處理流動性好的小顆粒狀物料的定量灌裝設(shè)備。 我國自從20世紀80年代從美國引進的定量面粉自動灌裝機以來，經(jīng)過20多年的消化吸收，時至今日，我們已能生產(chǎn)處理多種物料的灌裝裝置，且具有較高的灌裝速度與較高的灌裝精度。雖然我們?nèi)〉昧丝上驳某删?，但與國外同類型機相比，稱重精度與速度仍有差距。其主要原因與國內(nèi)灌裝企業(yè)對灌裝理論的研究投入較少關(guān)系密切。影響灌裝設(shè)備的稱重精度與速度因素很多，本文不從控制器的響應(yīng)速度與精度、元器件的質(zhì)量、系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整、稱量斗的結(jié)構(gòu)合理性、工作環(huán)境和物料物理特性等，而僅從重力稱重式自動灌裝機加料方式的角度，來探討其對灌裝精度與速度的機理。 定量灌裝是眾多工業(yè)生產(chǎn)過程的主要環(huán)節(jié)之一，隨著工業(yè)現(xiàn)代化水平的不斷提高，定量灌裝行業(yè)亦告別了傳統(tǒng)的陳舊模式，朝著高精度、高速度、高可靠性及高勞動生產(chǎn)率的方向迅速發(fā)展。 1 常見重力自動灌裝機的工作原理與存在的問題 自動灌裝機運行包括：校驗皮重→快加料→慢加料→稱量校驗→卸料?？刂葡到y(tǒng)校驗皮重，若皮重不為零，重量補償給灌裝設(shè)定重量，以保證稱量的物料凈重不受稱量斗皮重影響，總保持為用戶設(shè)定值。 控制系統(tǒng)校驗皮重以后，輸出快加料信號給加料裝置，使加料裝置中快加料氣缸控制加料門快速打開，物料以一個較大的流量流入稱量斗。此時控制系統(tǒng)通過接收傳感器信號，不斷監(jiān)視稱量斗重量變化，當進入稱量斗的物料重量接近快加料設(shè)置重量時，系統(tǒng)控制快加料氣缸快速關(guān)閉，快加料信號轉(zhuǎn)為慢加料信號，此時物料以一個較小的流量流入稱量斗，以保證系統(tǒng)以較高的精度控制流入稱量斗中物料。控制系統(tǒng)通過系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型運算，可以準確預(yù)測一個提前量，停止整個加料進程，使得稱量斗中物料最終的重量為用戶設(shè)定重量，加料結(jié)束以后系統(tǒng)進入稱量校驗狀態(tài)。進行稱量校驗的目的就在于在快慢加料均停止以后，系統(tǒng)進一步確認進入稱量斗中的物料重量是否在用戶的設(shè)定重量誤差允許范圍以內(nèi)，若在誤差范圍以內(nèi)，系統(tǒng)才進行卸料操作，否則系統(tǒng)報警，等待操作人員處理，操作人員處理完畢以后，系統(tǒng)繼續(xù)運行。 系統(tǒng)卸料完畢，稱量斗中的卸料門即刻關(guān)閉，這樣系統(tǒng)便完成了一個周期的操作。此時若操作人員設(shè)定為連續(xù)工作狀態(tài)，系統(tǒng)將開始下一個周期的運行。已經(jīng)裝滿物料的灌裝袋落在送袋裝置上，進行下一步折邊、縫口、轉(zhuǎn)運等工序。 由上述常見自動灌裝機工作原理可以看出，重力式灌裝設(shè)備在加料段采用二段式加料，大流量做快加料，當加料量達到設(shè)定重量的80%~90%時，改為小流量做慢加料，直到達到目標值。數(shù)學(xué)模型為： 式中：Q為實際加料量；qi為第i段加料流量；ti（i=1，2）為第i段加料時間δj（j=1，2，3）為稱量誤差、控制誤差和其它誤差。 由（1）式可看出：在系統(tǒng)設(shè)定的時間與灌裝量的前提下，為保證灌裝速度，快加料段t1時間內(nèi)加料量q1。盡可能大，同時也希望t1值盡可能??；為保證灌裝精度，慢加料段t2時間內(nèi)，需要q2越小、t2越大。但物料從快加料向慢加料轉(zhuǎn)化過程中，因料量的較大變化，物料對稱量斗會產(chǎn)生沖擊，并使之發(fā)生振動，對稱重儀表采樣有很大影響，此是兩段式加料法無法避免的主要問題?？旒恿狭髁吭酱?，沖擊振動越明顯，因為在整個加料過程中，稱重儀表不斷采樣，并把采樣結(jié)果與設(shè)定重量進行比較，當稱量斗振幅超過系統(tǒng)設(shè)定振幅時，稱量儀表便會當作設(shè)定重量信號而中止慢加料，結(jié)果出現(xiàn)不合格灌裝量，所以過大快加料量不僅不會提高稱量速度，還可能影響稱量精度或延長整個稱量時間。為避免此項不足，目前常見做法是增大慢加料的灌裝量，也就是說延長慢加料時間，以犧牲灌裝速度來保證灌裝精度。因此采用兩段式加料不僅無法提高灌裝速度，對精度也有影響。如何消除兩段式加料的不足，此為本文研究的重點。 2 三段式變速加料系統(tǒng)原理 消除兩段式加料的不足，減少快加料物料對稱量斗的沖擊，必須解決系統(tǒng)的加料方式，采取的措施如下。 2.1 加料斗加料（段加料） 其基本思想是在原加料器上再增加一套流量可調(diào)的加料斗，將兩段式加料變成三段式加料，其結(jié)構(gòu)見圖1所示，本加料斗的作用在于降低用戶料倉中的物料到稱量斗的高度，從而達到減少對稱量斗從無物料到大流量物料的沖擊，保證計量精度。 式中：Q1為段加料量，其大小與加料斗中流量調(diào)節(jié)板下部和加料器上部之間的存料量多少有關(guān)；q1為常量，單位時間加料量；t1為段快加料時間。 2.2變速快加料（第二段加料） 由圖1可知，并如前述，快加料與慢加料兩雙作用氣缸控制加料器中的關(guān)料門動作，但在快慢加料切換過程中，即快加料將要結(jié)束時的狀態(tài)，物料對稱量斗有較大沖擊，經(jīng)實驗發(fā)覺采用變流量加料可避免快慢加料切換時因快加料大流量對稱量斗的沖擊，減小計量測量誤差。為此設(shè)計了圖3所示的利用兩單向節(jié)流閥來控制快加料氣缸動作速度的單向調(diào)速回路。 本方式采用進氣調(diào)速，其目的在于采用進口節(jié)流調(diào)速時，調(diào)速閥靠近氣缸安裝，活塞的平均速度較低，波動小，在整個行程中，活塞速度逐漸增加；氣缸充氣壓力上升得慢，達到氣源壓力也較慢，另外，再配合閥1與閥2閥芯調(diào)至一合適圈數(shù)，就樣就保證快加料氣缸活塞桿伸出快，回程慢，從而達到控制快加料料門的開關(guān)門速度。 2.3慢速加料（第三段加料） 為保證灌裝精度，灌裝系統(tǒng)在快加料結(jié)束時，快加料門迅速關(guān)閉，慢加料門打開。此段灌裝量較常見的重力自動灌裝機的慢加料灌裝量而言，要減少5%～7%。2.4三段式變速供料系統(tǒng)灌裝總量 將上（2）、（3）與（4）3式相加，得出三段式變速供料系統(tǒng)灌裝總量表達式： 控制系統(tǒng)將本灌裝總量Q與系統(tǒng)設(shè)定重量Qs進行比較，若在精度范圍Δξ之內(nèi)，排料裝置動作，否則，系統(tǒng)報警。其工作模型如下： Q-Qs Δξ系統(tǒng)排料；Q-Qs Δξ系統(tǒng)報警。 3 實現(xiàn)與結(jié)論 重力稱重式自動灌裝機三段式變速加料原理，經(jīng)在武漢人天CJZD-50型大袋自動灌裝機上試驗，選用流動性好的小顆粒狀食用碘鹽作為灌裝物料，灌裝量為50kg，得出灌裝速度可達到每分鐘12包，灌裝精度可控制在±1‰。現(xiàn)此產(chǎn)品已在國內(nèi)大多數(shù)鹽廠使用，銷售已有30多臺套，運行效果一直良好。 針對目前兩段式加料的不足，提出了三段式加料原理，采用加料斗加料和變速控制加料門動作，使其迅速打開，變速關(guān)門，減少快加料的物料對稱量斗的沖擊。 | |
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