檳榔自動包裝機電磁供料裝置結構設計及動態特性分析

付 嵐，段好運

(1.新鄉職業技術學院 新鄉 453000；2.商丘技師學院 商丘 476000)

0 引言

榔是生活中常見的零食，尤其對于湖南省，檳榔在食品行業產值巨大，據湖南省檳榔協會相關資料顯示，2009年檳榔總產值約50億元[1]，到2018年產值迅速增長到200億元。而目前檳榔包裝主要采用人工包裝形式，會帶來效率低下、食品衛生等問題[2]。美國對于食品自動化包裝研究較早，具有自己獨立的包裝流程體系[3,4]德國包裝機械生產和出口量較大，生產總量占據了歐洲70%，77%對外出口包括中國[5]。我國包裝行業相對起步較晚，雖然通過引進國外技術已具備自動化包裝能力，不過同發達國家比還有較大差距，核心技術被國外壟斷，高端設備仍然依賴進口[6,7]。主要存在產品成套數量少、產品設備精度較低、低水平重復建設等問題[8～10]

檳榔自動化包裝系統主要由供料系統、帶式輸送系統、計數及裝袋系統構成，電磁供料裝置位于前端，依靠振動進行送料，其結構設計的好壞決定送料的效率，因此本文對電磁供料裝置的結構設計和動態特性展開相關研究。

1 檳榔自動包裝及電磁給料裝置原理

檳榔在包裝時需要定量裝袋，因此檳榔給料器要滿足送料時可保證每兩顆相鄰檳榔之間留有一定的距離以保證檳榔間斷性的進入包裝袋，從而計數模塊可以正常工作。常規的階梯狀帶式給料裝置，雖然運輸速度快，但不能保證各相鄰檳榔之間的安全計數距離，電磁式振動給料器通過振動方式進行給料，合理設計經實驗證明可以保證相鄰檳榔間安全計數距離[11],如圖1所示，為整個檳榔自動包裝系統的各個工序段。電磁給料裝置負責供料，此時落入傳送帶的檳榔間具備安全計數距離，每當一顆檳榔進入裝袋裝置，計數器開始計數，最終按照設定的檳榔數量完成裝袋。

圖1 檳榔自動包裝原理

電磁給料裝置如圖2所示，主要由給料盤、電磁鐵、板彈簧、基座、減振支架構成，其料到螺旋式布置在給料盤內。在給電磁線圈輸入經過半波整流后的電流時，會產生對應的電磁力吸引料斗底部的鐵芯，從而使料盤和板彈簧下移，因為位于料盤下方的板彈簧是傾斜安裝的，因此板彈簧下降在存儲大量勢能的同時還會產生一定傾斜方向的扭轉；當電流消失后，電磁力迅速消失，板彈簧釋放勢能迫使料盤反方向運動，在迅變周期電流的激勵下，料盤會以每分鐘3000次（50Hz）進行往復的高頻微幅振動，使料斗內的物料沿著料道移動，從而完成檳榔的出料[12]。

圖2 電磁給料裝置示意圖

2 電磁給料裝置設計考量參數

料盤用于承載檳榔，大多數形狀呈錐形，角度約等于170°。整個裝置需考慮的重要參數有料道螺旋升角α、料盤直徑D、料盤高度H，板彈簧傾斜角度β。

料道螺旋升角一般需滿足式(1)：

式(1)中：μ—料道摩擦系數，取0.16；θ—振動角，取65°；

從式(1)可看出α的取值與料道摩擦系數和振動角有關系，過大的α值會導致檳榔在料道中行駛緩慢，影響送料效率，過小的α值會導致檳榔一起飛出，不滿足計數安全距離，α一般取1°到3°間。

料盤直徑D和高度H一般需滿足式(2)和式(3)：

式(2)和式(3)中：L—物料直徑，取0.08m。

料盤的直徑與所需供給的物料直徑有關系，料盤高度一般為直徑的一半，同時也與螺旋料道升距有關，一般不超過4倍的螺旋料道升距。

板彈簧傾斜角β一般需滿足式(4)：

式(4)中：R'—底座上板彈簧固定半徑，取0.08m；

板彈簧傾斜角一般指的是處于靜平衡狀態時彈簧與垂直方向的夾角，與α，θ，D值有關。

以上為關鍵尺寸的設計思路，參數如表1所示。

表1 參數表

本文主要進行電磁給料裝置的模態分析，考量到過多的零件特征會占用ANSYS資源空間，簡化不影響動態特性因素，最終采用Proe建立的3D模型如圖4所示。

圖4 電磁給料裝置簡化3D模型

3 電磁給料裝置模態分析

模態分析是基于有限元仿真對線性結構件動態特性的研究。常用來對新設計結構件動態特性進行優化和預估，在機構件故障分析方面起著重要作用[13,14]。電磁給料裝置作為重要的檳榔供料系統，對其動態特性研究尤為重要。

將Proe繪制的電磁給料裝置3D模型導入ANSYS Workbench中，采用ANSYS默認網格劃分方式，網格size設置5mm，如圖4所示。

圖5 有限元模型圖

設定料盤激振力頻率為50Hz，減震彈簧下方為固定約束，材料屬性定義如表2所示。

表2 材料屬性定義表

采用模態求解器對建立起的電磁給料裝置有限元模型進行求解[15]，結構件的振動特性主要由低階模態下固有頻率體現，因此本文只計算前5階固有頻率。如圖6至圖10所示，數據統計如表2所示。

圖6 電磁給料裝置1階振型

圖7 電磁給料裝置2階振型

圖8 電磁給料裝置3階振型

圖9 電磁給料裝置4階振型

圖10 電磁給料裝置5階振型

表3 固有頻率值統計表

從表2中數據可以發現，電磁給料裝置固有頻率2階與3階相近，4階與5階相近，但整體上1階至5階呈逐漸上升趨勢，其中1階固有頻率最低為55.12Hz，與激振頻率（50Hz）接近，此時頻率比為0.9，系統處于亞共振狀態，使得電磁給料器可以利用共振特性更高效、更穩定的進行工作。

4 諧響應分析

諧響應分析是對于結構在已知頻率條件下的穩態響應，確保在不同的頻率段下，結構件依然可以正常工作，不受載荷破壞。

從整個電磁振動給料裝置的機構分析，板彈簧為承受應力最大的部件，容易產生破壞，因此在板彈簧中間部位選擇一個分析節點A，記錄其應力在不同頻率段下的變化情況，在第3節中得到了系統固有頻率為55.12Hz，因此在Workbench中設置激振力變化頻率為[46Hz，65Hz]區間，提取該節點A在X,Y,Z方向的應力變化曲線，如圖11為X方向應力值。

圖11 A節點X方向應力值

為方便比較，將X，Y，Z方向應力值采用Excel擬合成一幅曲線如圖12所示。

圖12 A節點X/Y/Z方向應力曲線

從圖12可以看出，三個方向的應力均隨著頻率的增加呈現先上升后下降的趨勢為凸字形；其中在一階固有頻率55.12Hz處出現最大值，偏離該頻率值時，應力急速降低說明此時板彈簧振幅也跟著同步降低；Y方向在各頻率段的應力值最大，是因為與板彈簧所受激振力主振幅方向一致。其中最大值為17.6Mpa遠小于板彈簧材質65Mn的屈服強度。因此整個設計合理，振動給料裝置結構不會被破壞。

5 結語

檳榔作為生活中常見的零食，對其自動化包裝的研究日益增多，而電磁供料裝置作為自動包裝系統的核心環節，對其結構設計和動態特性分析尤為重要。本文首先分析了檳榔供料過程中需要滿足的特殊條件選用了電磁式振動給料器，給出了設計電磁供料裝置結構時需主要考量的因素，同時建立起3D模型導入ANSYS Workbench軟件進行模態分析，得到了前5階固有頻率，整體呈現遞增趨勢，其中1階固有頻率最低為55.12Hz與激振頻率接近，因此可利用共振特性更高效的工作，通過諧響應分析得到板彈簧在X、Y、Z方向的應力曲線，其中Y方向應力有最大值為17.6Mpa遠小于65Mn的屈服強度。證明了電磁給料裝置結構設計的合理性和模型建立的準確性，為同類型結構的設計提供一定的理論參考。