螺旋式定量包装秤基本原理与实际应用的深入探究

螺旋式定量包装秤的研究

陆佳平

（江南大学‚江苏无锡2 1 4 0 6 3 ）

［摘要］　运用称重定量包装的基本理论，结合小型定量包装秤的实际应用，提出了一种针对散体物料以螺旋为加料方式的新型定量包装秤的构思。对其中的构造和工作原理、结构和工艺参数及其技术性能作了比较全面深入的理论研究和探讨。获得了在一定范围内同时提高小型定量包装秤定量精度和速度的可行结构、相关措施和理论结果。

关键词：　包装计量；称重式定量秤；螺旋加料

图分类号：T B 4 8 6 ＋．1 ；T H 7 1 5　文献标识码：B　文章编号：1 0 0 1 －3 5 6 3 （ 2 0 0 2 ） 0 6 －0 0 0 2 9 －0 4

Study on the Screw Feed ing Gravimetric Filling Machine

LU Jia-ping

（ Southern Yangtze University ‚ Wu xi 2 1 4 0 6 3 ‚ China ）

Abstract：　By using the the ory of gravimetric measuring technique and the application of small types of gravimatric filling machine ‚ the paper provided a new kind of design relating to a screw feeding gravimetric fill-ing machine and focused on the study of its construction principle of work parameter of structure and technical performance through theoretical research and made some results in raising its measuring accuracy and speed at the same time ．

Key words ：　Packaging measuring technique ；Grav imatric filling machine ；Screw feeding

    定量包装秤是散体物料包装机械的重要组件，对于通过称量来完成产品的质量定量包装具有重要意义。

    目前包装机上应用的定量秤有多种形式，它们各有优越性和局限性。对于小型定量包装秤，主要采用的是动态称量原理，由于受系统内外多种因素的影响，定量精度和定量速度难以兼顾。单秤构造定量包装秤较难适应目前包装机生产能力的匹配要求。

    提出了以螺旋为加料方式的静态称重定量包装秤的构思，并作相应的研究‚旨在探讨一种适合于常见散体物料，具有较高定量精度和速度的定量包装秤，以相对简单的构造，来适应目前包装机的能力匹配要求。

　1  基本构造和工作原理

    图1为螺旋式定量包装秤（以下简称定量秤）的结构简图。

    1.储料斗 2.料筒 3.加料螺杆 4.减振弹簧　5.断料装置 6.阻尼器  7.负荷传感器  8.支承 9.控制装置 10.步进电机  11.搅拌器

          图1　螺旋式定量包装秤结构简图　　

    料斗与料筒采用柔性连接，斗内物料重心通过支点o。断料装置是防止因出料口物料的塌陷而影响相邻两次的定量精度。减振弹簧主要起调整负荷传感器的空载负荷和限制振幅的作用。阻尼器作用是缩短系统达到静平衡的时间，确保该秤有足够的定量精度和速度。

    定量秤的工作原理为：当料筒内充满物料，并停止出料后，通过负荷传感器静态取样，测量当前料筒内物料所产生的力矩，由控制装置将测得的力矩换算为物料的体积密度，再比较定量目标设定值，确定并控制加料螺杆的转动圈数，从而完成所要求的加料量，即定量。一旦加料驱动停止，断料门随即关闭，待秤体趋于稳定后进行下一个称量循环。

　2 静态称量研究

　2.1 静态称量和定量供料

    图2为秤体负载静态受力图

图2　秤体负载静态受力图

    料筒内物料密度：

    ρ＝ ρ1＋k（L－L6） （g／c m 3）   （ 1 ）

　　根据称量系统测得的料筒内物料对支点o的负载力矩M1可求算出料筒入口物料的密度ρ1，即：

    式中： L为料筒某载面到支点o的距离, L6≤ L≤ L1；L1为料筒出口处至支点o的距离，c m ；L6为贮料斗的下料口长度的一半（cm） ；L2为传感器与秤体支点o的水平距离（ cm） ；L3为减振弹簧与秤体支点o的水平距离（cm） ；K3为传感器的刚度（ N ／cm） ；K为减振弹簧的总刚度（N／cm） ；ΔN为传感器测得的物料载荷（N） ；A为螺旋供料横载面积（cm2） ‚等螺距时为常量； g为重力加速度‚ g ＝ 981（cm／s2） ；k为料筒内物料密度分布系数。

    上式中,对于给定的定量秤‚若确定了料筒内物料分布系数k的值,便可根据测得的传感器物料载荷ΔN ,求算出物料的密度ρ1。

    加料螺杆完成一次定量供料所需转动的圈数,取决于定量目标值和螺杆转一圈输出的物料量。考虑到接触面的摩擦,螺杆转一圈将物料实际推送的距离S0总是小于螺杆的螺距S。现令η＝S0／S,则螺杆实际需要转动的圈数为：

    i0＝i/η＝Q/ηρ1AS　　（ r ）  （ 3 ）

　　式中： Q为定量目标值（g） ；S为加料螺杆螺距（cm） ；η为加料螺杆的输送效率。

    物料分布系数k和加料螺杆的输送效率η是系统中的两个重要参数。系数k既与机械部分的设计合理性和制造精度有关,也与物料本身特性及环境有关。效率η既决定于供料装置的结构和材质,又决定于所处理物料特性及物料接触面状况。实用中可通过试验确定,对于给定的结构、物料等条件,它们的值是相对稳定的,可通过人工赋值。

2 .2　静态性能特征分析

灵敏度e0、鉴别力P0和标尺间隔d是反映定量秤静态性能的三个重要特征。

a ．灵敏度。提高灵敏度有利于提高静态称量精度。灵敏度可由下式表示：

    上式中的“K3L22＋ KL32”项是该系统的扭转刚度。为限制秤体的振幅和使其尽快恢复静平衡,要求扭转刚度须与秤体的转动惯量相匹配。

b ．鉴别力。鉴别力的大小将对定量精度产生影响。当料筒内物料因密度变化而产生的质量变量小于鉴别力时‚螺杆的加料圈数是一样的。因此‚由此而产生的定量离散范围W1为:

W1＝ P0*2Q/ρA（L1－L6）　　（ g ） （ 5 ）

　　OIML对定量秤离散范围的许用最大值做了规定,见表1 。定量秤能够达到的离散范围若超出表中规定时‚便失去使用价值。

　　设计中鉴别力决定于秤体支点的静摩擦力矩M0。

c ．标尺间隔（ d ） 。标尺间隔是表示衡器称量精度的重要指标之一。影响标尺间隔的因素有秤体的鉴别力、传感器的检定间隔、A ／D转换器的分辨力和布局方面的参数L2、L3、L0等。

　　在加料螺杆输送物的过程中,由于物料密度系数k和输送效率η的波动,实际离散范围会更大一些。

    因此,由标尺间隔即静态称量的误差所产生的定量离散范围应小于定量秤标称离散范围W的一半,即d应满足下式：

    静态称量和定量供料分析结果表明：拟定的“螺旋式定量包装秤”的称量方法和定量原理是可行的；系统的两个重要参数物料分布系数k及加料螺杆的输送效率η应通过试验确定,并予以赋值；为提高称量精度,应合理确定负荷传感器的空载载荷和秤体转动惯量。

3 秤体动态的研究

    研究秤体动态振动的目的是使秤体加料后尽快恢复静平衡‚以便进行静态称量。

    该称量系统可简化为作单自由度有阻尼自由角振动的弹簧质量系统。在弱阻尼状态下‚系统恢复静平衡时间按下式确定：

    在建立秤体的动态振动力学模型的基础上，对系统固有圆频率ω0和系统衰减系数ζ两主要振动参数的合理确定进行了分析，并对系统转动惯量I﹑总刚度K及阻尼系数μ对恢复静平衡时间tp的影响进行了讨论。其中恢复静平衡时间将直接影响定量精度和速度。

    求算恢复静平衡时间的程序框图见图3所示。

    动态振动分析结果表明：合理设计系统动态振动的有关结构参数,完全可以使秤体加料后尽快恢复静平衡，从而达到设计要求的定量精度和速度；系统的无阻尼固有频率ω0应在52.36 ～ 104 .72 rad／s范围内选取；考虑到定量精度和速度的关系， ζ应在0.3～0.5范围内确定；恢复静平衡时间可按式（7）确定,其值在0.15 ～0 .30s范围内。

图3　求算恢复静平衡时间的程序框图

4 加料螺杆和料筒的研究

    以固体摩擦理论为依据,研究分析了物料在螺旋内的运动。针对所供物料的具体特性和作为定量秤的特殊要求,对加料螺杆和料筒的主要参数如摩擦表面、螺杆长度L 、直径D 、d及螺距S等进行了分析和优化设计,以提高供料速度。对加料螺杆转动阻力矩及驱动电机特性进行了分析,以确保定量秤正常工作。

    研究结果表明：螺杆供料速度与所供物料的特性、螺杆和料筒结构及其接触面情况有关；常见物料的摩擦系数为0.3 ～ 0.5 ,与之对应的最佳螺旋角（φD）opt＝17°～ 2 0°,可以使输送效率η最高, S＝D时,可以实现优化；螺杆直径D将以定量目标值为定量范围的最小值时螺杆转动一圈左右完成供料确定；螺杆和料筒长度可取L＝（4.5～5） S ；螺杆加料输送效率η在求得物料移动角后可以进行计算,实用中η在0.6 ～ 0.9范围内。

5　实例分析

    定量秤的工作循环时间由螺杆供料时间、断料装置的关门和开门时间、秤体恢复静平衡时间及控制装置的检测与输出时间组成,即T＝tF＋2tM＋tp＋tQ。定量速度QT＝60／T 。工作循环如图4所示。

    以面粉为包装物料,定量范围为Q＝200～1000g,进行实例分析和设计计算,结果见表2。

6　结　语

    通过以上分析‚可得出如下结论：

    a ．拟定的“螺旋式定量包装秤”的称量方法和定量原理是可行的；

    b ．物料适用性：螺杆供料对一般物料有较好的适用性。本定量秤适用于产品单一、且批量较大的场合,可发挥本定量秤较高的定量速度和定量精度的潜能；

    c ．定量精度：特定的物料在料筒内分布情况是较为稳定的。保持环境温度、湿度在相对稳定,可使输送效率较为稳定。只要给定的恢复静平衡时间足够,结构设计合理,可以将定量误差控制在定量目标值的±5 ‰范围内‚即离散范围不超出定定量目标值的1%。

    d ．定量速度,理论研究表明‚恢复静平衡需时0.150.3s,在定量范围内,供料时间在0.4 ～2.0s ,定量速度可达62～23 pcs／min；

    e ．定量范围,螺旋式供料装置单圈供料能力受到限制,为了保证有较高的定量速度,最大秤量不宜超过1500g 。而为了保证有较高的定量精度,螺杆定量供送圈数不宜过少。因此,本定量秤的定量范围为：最大秤量Qm a x≤1 5 0 0 g ‚最小秤量Qmin≥0.2Qmax。

参考文献:

［1］　许林成．包装机械原理与设计［M］.上海：上海科学技术出版社1988．

［2］　清华大学工程力学系固体教研组振动组.机械振动［M］.北京：机械工业出版社1980 .

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［4］　赵治华．称重式定量包装计量技术［J］.包装与食品机械, 1990 （1).

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［6］　Automatic Gravimetric Filling Machines ［J］. OIML, 1985（61）.

［7］　Non－automatic Weighing Instruments ［J］.OIML , 1985（76）.

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