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技术论坛  自动灌装机三段式加料系统原理的研究
自动灌装机三段式加料系统原理的研究2020-03-16
近年来,在我国食品行业,其所处理的物料按其物理形状来分主要有颗粒料、粉状料和液体物料,其所对应的灌装设备主要有称重式和容积式两种。自动灌装机加料方式也主要有重力式给料(适应于流动性较好的物料)和强制性给料(如皮带给料、螺旋给料和电振给料等)两种。对于重力称重式自动灌装机而言,它能够按照预先设定的重量自动地把松散物料分成若干质量相等且稳定的、相互分离的个体。因其计量准确,称量范围宽,对物料的适用性较强,便于实现灌装生产线自动化,已成为食品行业处理流动性好的小颗粒状物料首选的定量灌装设备。
我国自从20世纪80年代从美国引进的定量面粉自动灌装机以来,经过20多年的消化吸收,时至今日,我们已能生产处理多种物料的灌装装置,且具有较高的灌装速度与较高的灌装精度。虽然我们取得了可喜的成就,但与国外同类型机相比,称重精度与速度仍有差距。其主要原因与国内灌装企业对灌装理论的研究投入较少关系密切。影响灌装设备的称重精度与速度因素很多,本文不从控制器的响应速度与精度、元器件的质量、系统参数的调整、称量斗的结构合理性、工作环境和物料物理特性等,而仅从重力称重式自动灌装机加料方式的角度,来探讨其对灌装精度与速度的机理。
定量灌装是众多工业生产过程的主要环节之一,随着工业现代化水平的不断提高,定量灌装行业亦告别了传统的陈旧模式,朝着高精度、高速度、高可靠性及高劳动生产率的方向迅速发展。
1 常见重力自动灌装机的工作原理与存在的问题
自动灌装机运行包括:校验皮重→快加料→慢加料→称量校验→卸料。控制系统校验皮重,若皮重不为零,重量补偿给灌装设定重量,以保证称量的物料净重不受称量斗皮重影响,总保持为用户设定值。
控制系统校验皮重以后,输出快加料信号给加料装置,使加料装置中快加料气缸控制加料门快速打开,物料以一个较大的流量流入称量斗。此时控制系统通过接收传感器信号,不断监视称量斗重量变化,当进入称量斗的物料重量接近快加料设置重量时,系统控制快加料气缸快速关闭,快加料信号转为慢加料信号,此时物料以一个较小的流量流入称量斗,以保证系统以较高的精度控制流入称量斗中物料。控制系统通过系统数学模型运算,可以准确预测一个提前量,停止整个加料进程,使得称量斗中物料最终的重量为用户设定重量,加料结束以后系统进入称量校验状态。进行称量校验的目的就在于在快慢加料均停止以后,系统进一步确认进入称量斗中的物料重量是否在用户的设定重量误差允许范围以内,若在误差范围以内,系统才进行卸料操作,否则系统报警,等待操作人员处理,操作人员处理完毕以后,系统继续运行。
系统卸料完毕,称量斗中的卸料门即刻关闭,这样系统便完成了一个周期的操作。此时若操作人员设定为连续工作状态,系统将开始下一个周期的运行。已经装满物料的灌装袋落在送袋装置上,进行下一步折边、缝口、转运等工序。
由上述常见自动灌装机工作原理可以看出,重力式灌装设备在加料段采用二段式加料,大流量做快加料,当加料量达到设定重量的80%~90%时,改为小流量做慢加料,直到达到目标值。数学模型为:
式中:Q为实际加料量;qi为第i段加料流量;ti(i=1,2)为第i段加料时间δj(j=1,2,3)为称量误差、控制误差和其它误差。
由(1)式可看出:在系统设定的时间与灌装量的前提下,为保证灌装速度,快加料段t1时间内加料量q1。尽可能大,同时也希望t1值尽可能小;为保证灌装精度,慢加料段t2时间内,需要q2越小、t2越大。但物料从快加料向慢加料转化过程中,因料量的较大变化,物料对称量斗会产生冲击,并使之发生振动,对称重仪表采样有很大影响,此是两段式加料法无法避免的主要问题。快加料流量越大,冲击振动越明显,因为在整个加料过程中,称重仪表不断采样,并把采样结果与设定重量进行比较,当称量斗最大振幅超过系统设定振幅时,称量仪表便会当作设定重量信号而中止慢加料,结果出现不合格灌装量,所以过大快加料量不仅不会提高称量速度,还可能影响称量精度或延长整个称量时间。为避免此项不足,目前常见做法是增大慢加料的灌装量,也就是说延长慢加料时间,以牺牲灌装速度来保证灌装精度。因此采用两段式加料不仅无法提高灌装速度,对精度也有影响。如何消除两段式加料的不足,此为本文研究的重点。
2 三段式变速加料系统原理
消除两段式加料的不足,减少快加料物料对称量斗的冲击,必须解决系统的加料方式,采取的措施如下。
2.1 加料斗加料(第一段加料)
其基本思想是在原加料器上再增加一套流量可调的加料斗,将两段式加料变成三段式加料,其结构见图1所示,本加料斗的作用在于降低用户料仓中的物料到称量斗的高度,从而达到减少对称量斗从无物料到大流量物料的冲击,保证计量精度。
式中:Q1为第一段加料量,其大小与加料斗中流量调节板下部和加料器上部之间的存料量多少有关;q1为常量,单位时间加料量;t1为第一段快加料时间。
2.2变速快加料(第二段加料)
由图1可知,并如前述,快加料与慢加料两双作用气缸控制加料器中的关料门动作,但在快慢加料切换过程中,即快加料将要结束时的状态,物料对称量斗有较大冲击,经实验发觉采用变流量加料可避免快慢加料切换时因快加料大流量对称量斗的冲击,减小计量测量误差。为此设计了图3所示的利用两单向节流阀来控制快加料气缸动作速度的单向调速回路。
本方式采用进气调速,其目的在于采用进口节流调速时,调速阀靠近气缸安装,活塞的平均速度较低,波动小,在整个行程中,活塞速度逐渐增加;气缸充气压力上升得慢,达到气源压力也较慢,另外,再配合阀1与阀2阀芯调至一合适圈数,就样就保证快加料气缸活塞杆伸出快,回程慢,从而达到控制快加料料门的开关门速度。
2.3慢速加料(第三段加料)
为保证灌装精度,灌装系统在快加料结束时,快加料门迅速关闭,慢加料门打开。此段灌装量较常见的重力自动灌装机的慢加料灌装量而言,要减少5%~7%。2.4三段式变速供料系统灌装总量
将上(2)、(3)与(4)3式相加,得出三段式变速供料系统灌装总量表达式:
控制系统将本灌装总量Q与系统设定重量Qs进行比较,若在精度范围Δξ之内,排料装置动作,否则,系统报警。其工作模型如下:
Q-Qs Δξ系统排料;Q-Qs Δξ系统报警。
3 实现与结论
重力称重式自动灌装机三段式变速加料原理,经在武汉人天CJZD-50型大袋自动灌装机上试验,选用流动性好的小颗粒状食用碘盐作为灌装物料,灌装量为50kg,得出灌装速度可达到每分钟12包,灌装精度可控制在±1‰。现此产品已在国内大多数盐厂使用,销售已有30多台套,运行效果一直良好。
针对目前两段式加料的不足,提出了三段式加料原理,采用加料斗加料和变速控制加料门动作,使其迅速打开,变速关门,减少快加料的物料对称量斗的冲击。

 
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