自動定量包裝秤系統優化設計研究

摘 要：傳統定量包裝秤的機械部件存在氣缸選型/安裝結構不合理、對物料適應性差、套袋速度慢以及脫袋等問題，影響生產效率和可靠性。通過機構分析和力學計算，對原有給料器、夾袋器2個重要部件進行優化設計，從而更好地服務于生產實際需要。經優化設計的包裝秤具有高效率、低噪聲、全封閉以及運行可靠的優點，可提供更友善的工作環境，實現傳統手動定量包裝秤的迭代更新。

關鍵詞：包裝稱；給料器；夾袋器；優化設計

中圖分類號：TH 71" " " " 文獻標志碼：A

由于自動定量包裝秤的機械部件沿用了部件結構簡單的傳統設計，雖然能夠達到基本的動作要求，但卻存在多種缺陷，在一定程度上會影響包裝效率。本文主要從定量包裝秤的2個重要部件，即給料器、夾袋器進行優化設計，以使自動包裝秤的高效、可靠并經濟地運行。

1 給料器

給料器的功能是將物料分次投入與傳感器相連的稱量斗內，當稱重儀表顯示落料質量達到預設目標值時，給料門及時關閉。

1.1 傳統給料器存在的問題

傳統給料器采用三級投料，由一個三級氣缸驅動給料門右，左、右給料門間通過齒輪傳動保持同時開關動作（如圖1（a）所示）。氣缸總行程為72mm，分行程分別為38mm、21mm和13mm。這種結構的給料器存在的問題包括以下3個方面。1）氣缸行程不可調，投料過程中給料門的開度是確定值。當物料的特性改變時，會影響投料的速度。2）氣缸與物料在同一個空間，受粉塵的侵襲，密封件易損壞。3）三行程氣缸的標準化程度低，通用性差，需要特殊定制。

1.2 優化設計的給料器

1.2.1 理論依據

要提高投料的速度，就需要縮短投料的時間。給料器的投料時間與給料斗的卸料量有關。以常用50kg砂糖包裝為例，設大投量為X，投料時間為S1，大投口的卸料量為M1；小投量則為50-X，投料時間為S2，小投口的卸料量為M2?？偼读蠒r間S=S1+S2=X/M1+（50-X）/M2。卸料量M=1.03ρ·g0.5（L-fp·d）（W-fp·d）1.5fh。其中ρ為物料的堆密度，g為重力加速度，L為出料口的長度，W為出料口的寬度，fp為物料的形狀系數，d為顆粒直徑。其中，fh=tgβ-0.55，β為料斗休止角[1]。在實際生產中，每批次砂糖的顆粒大小、干燥程度有所不同，導致物料的堆密度ρ和顆粒直徑d是變化的。因此設計的關鍵前提是出料口的寬度W必須任意可調，才能保證投料時間最短，以提高包裝效率。

出料口的寬度W通過氣缸控制給料門的開度進行控制，要保證出料口的寬度任意可調，就需要氣缸行程任意可調。氣缸行程示意圖如圖2所示。對于同一類型、同一缸徑的氣缸，當活塞桿全部縮回時，活塞桿前端與缸筒前端面距離A是個確定值。假設活塞桿伸出缸筒的距離為A+X，則氣缸的工作行程=行程-X，其中X為任意值[2]。根據這一原理，本文優化設計了全新的大、小投料機構。

1.2.2 結構優化設計

大投料過程通過給料氣缸通過給料耳板控制給料門的開度來實現（如圖1（b）所示）。給料氣缸選用型號為SE40x80。初始狀態時給料門關閉，氣缸活塞桿全部縮回，A=70。當活塞桿伸出全行程為80時，給料門全部打開，即出料口的寬度為Wmax（如圖3（a）所示）。通過調節尾部的調節拉桿，使氣缸初始位置變成（70+X）mm，則活塞桿伸出（80-X）mm，這時出料口的寬度W是任意值（如圖3（b）所示）。

大投料結束后，當給料氣缸活塞桿第一次縮回至限位耳板的位置時，給料門部分關閉，即為小投料過程。限位氣缸前端與限位耳板連接，限位耳板僅繞給料門軸空轉（不驅動給料門），后端通過調節拉桿固定在給料器殼體上（如圖1（b）所示）。小投料初始狀態時，通過調節限位氣缸尾部拉桿，使給料耳板與限位耳板產生一定的角度差α，該角度差決定了小投料門的開度。當X1gt;X2時，α1lt;α2，W1gt;W2，根據這一規律可以得出任意出料口的寬度W（如圖4所示）。

小投料結束后，給料氣缸活塞桿第二次縮回，同時限位氣缸縮回，給料門關閉，一次完整的投料過程完成（見表1）。

表1 完整的投料過程

投料過程 初始狀態 大投料 小投料 結束

給料氣缸 縮回 伸出 一次縮回 二次縮回

限位氣缸 縮回 伸出 不動作 縮回

給料門狀態 關閉 打開 部分關閉 全部關閉

1.2.3 優化設計

優化設計后的給料器具有以下4個優點。1）給料門的開度任意可調，保證給料時間最短。2）取消三級給料，采用二級給料，縮短給料時間，提高包裝效率。3）氣缸連接于給料器體外殼側面，有效隔離粉塵，氣缸使用壽命長，維護方便。4）采用2個通用類標準氣缸SE40X80，無須特殊定制。

2 夾袋器

夾袋器的功能是夾緊包裝袋，保證包裝物料順利落入包裝袋內，通常每袋的包裝質量為50kg。包裝袋除要承受物料質量外，還要承受一定的沖擊力。

2.1 傳統夾袋器存在的問題

傳統夾袋器兩側各由一個氣缸拉緊夾板，從而將包裝袋夾緊在夾袋器體外部（如圖5（a）所示）。存在以下2個問題。1）氣缸兩端直接與夾板連接，兩側夾板開口寬度不一致，影響套袋速度。2）夾緊力不可靠，當物料特性或外部條件改變時會發生袋子脫落的現象。

2.2 優化設計的夾袋器

2.2.1 機構設計

優化設計的夾袋器稱為氣動指夾，是一個獨立的夾緊單元。如圖5（b）所示，氣缸與主動桿連接，主動桿屬于原動件，連桿與夾板組成2套Ⅱ級桿組，構成從動系統，保證夾板開度一致，滿足機構的組成原理（桿組依次連接到原動件和機架上[3]）。氣缸活塞桿縮回時，主動桿通過連桿使兩側夾板同時閉合，夾緊包裝袋，氣缸活塞桿伸出時夾板分離，即可松開包裝袋。

2.2.2 夾緊力分析

夾袋器的功能決定了夾緊力的可靠性，這對夾袋器是非常重要的指標。以包裝袋為研究對象進行受力分析（如圖6（a）所示）可發現夾緊原理就是利用摩擦力的平衡原理。使包裝袋保持平衡，不滑落的條件為W-2FS=0，FS≤FSmax=fS·N，W=2FS≤2fS·N。其中fS為靜摩擦系數，W為重力和沖擊力之和，FS為靜摩擦力，N為夾緊力[4]。在fS靜摩擦系數一定的情況下，夾緊力N越大，包裝袋可以承受的W就越大。

2.2.2.1 傳統夾袋器的夾緊力計算

以傳統夾袋器夾板為研究對象進行受力分析（如圖6（b）所示）對A點取距，即∑MA（F）=0，F·L1-N·L2=0，N=F·L1/L2，其中F為氣缸拉力[4]。夾袋器體兩側各有一個氣缸，所以包裝袋所受總夾緊力2N=2F·L1/L2。

2.2.2.2 氣動指夾的夾緊力計算

在氣動指夾機構中，連桿是二力構件，其受力方向是沿A、B連線（如圖5（b）所示）。根據牛頓第三定律，主動桿的受力如圖6（c）所示，平衡方程為∑FY=0，F-2FBA·sinα=0，FBA=F/2sinα，其中F為氣缸拉力，FBA為連桿對主動桿的力。最后以夾板為研究對象進行受力分析（如圖6（d）所示），列平衡方程對C點取距，即∑MC（F）=0，N·L2-FBA·L1=0，N=FBA·L1/L2=F/2sinα·L1/L2，夾袋器體兩側各有一個氣動指夾總夾緊力2N=2F/2sinα·L1/L2[4]。

2.2.2.3 小結

因為0＜sinα＜1，所以氣動指夾的夾緊力2F/2sinα·L1/L2大于傳統夾袋器的夾緊力2F·L1/L2。并且當α越小，sinα越小，α趨近于0時，sinα趨近于0。根據X趨近于0時，1/X的右極限趨近于+∽，因此當sinα趨近于0時，1/sinα趨近于+∽。當α=0時，機構到達死點位置，即使沖擊力再大，包裝袋也不會滑落。

3 結語

本文通過對包裝秤給料器、夾袋器部件存在的問題進行系統分析和設計優化，研究出了更科學、合理的產品結構，從根本上解決了傳統包裝秤在實際生產中存在的問題，使產品性能不斷提升，更好滿足生產實際需求，并推進理論與實踐創新。

參考文獻

[1]張榮善.散料輸送與儲存[M].北京：化學工業出版社，1994.

[2]成大先.機械設計手冊 氣壓傳動[M].4版.北京：化學工業出版社，2004.

[3]孫桓，葛文杰.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2021.

[4]哈爾濱工業大學理論力學教研室.理論力學[M].9版.北京：高等教育出版社，2023.