圓柱型產(chǎn)品填充粉末料的自動機設(shè)計[螺桿式粉末定量包裝機]

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The screw play an important role in powder quantitative packaging machine. The main principle is that it can control the filling material weight by controlling the lap or rotating time. Based on the basic physics of powder materials properties.Firstly,use the mathematical method to descript the powder particles blanking process, determine the trajectory equation of the single particle materials and analyses powder particles velocity in three directions, that is xyz velocity and acceleration of change.Studied the movement of powder particles between the stress of powder particles and the screw geometry parameter relation. Secondly,analysis and calculate the volume of the Archimedes screw Archimedes screw axial profile is a whole trapezoidal profile trapezoid, will be divided into two triangles and a rectangular,using integral method respectively and ask out their volume, and then adding them, the whole screw palpitation’s volume will be get. Thirdly, analysis the theory of power and actual power,getting auger filling efficiency of expression. In order to get a higher auger filling efficiency,need consider the relationship between the screw speed the screw geometric parameters. Key words: Screw; Quantitative packaging machine; Particulate material 目 錄 摘 要 III ABSTRACT IV 目 錄 V 1 緒論 1 1.1課題的研究內(nèi)容和意義 1 1.2國內(nèi)外的發(fā)展概況 1 1.3課題研究目的和意義 3 1.4 課題研究的主要內(nèi)容 3 2 粉末充填機總體設(shè)計方案 5 2.1 引言 5 2.2 粉末灌裝工藝過程及可行性分析 5 2.2.1工藝分析 5 2.2.2總體布局 5 2.3 總體傳動系統(tǒng) 6 2.3.1上料系統(tǒng) 6 2.3.2計量充填系統(tǒng) 6 2.3.3輸送系統(tǒng) 6 2.3.4自動控制系統(tǒng) 6 2.4 粉末物料的基本性質(zhì) 6 2.5 同心旋轉(zhuǎn)形成的渦旋機理 6 2.5.1渦旋的定義 6 2.5.2螺桿旋轉(zhuǎn)形成的渦旋機理 6 2.6 本章小結(jié) 6 3 粉末顆粒下料的運動分析 6 3.1 引言 6 3.2 粉末顆粒運動軌跡方程 6 3.2.1 研究方法 6 3.2.2 速度分析 6 3.2.3 軌跡方程 6 3.3 粉末顆粒受力分析 6 3.4 容積計算 6 3.4.1 研究方法 6 3.4.2 展開高度 6 3.4.3 三角形區(qū)域的容積 6 3.4.4 矩形區(qū)域的容積 6 3.5 本章小結(jié) 6 4 螺旋輸送機結(jié)構(gòu)設(shè)計 6 4.1 螺旋輸送機的簡介 6 4.2 旋輸送機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 6 4.2.1 電機的選擇 6 4.2.2 輸送機的螺旋直徑和螺旋軸的轉(zhuǎn)軸 6 4.2.3 螺旋輸送機的功率計算和驅(qū)動裝置的型號選擇 6 4.2.4螺旋葉片的表面展開尺寸 6 4.3 驅(qū)動端裝置設(shè)計 6 4.3.1 驅(qū)動端軸的最小直徑的確定 6 4.3.2 驅(qū)動軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 6 4.4 中間軸承裝置 6 4.5 尾端裝置的設(shè)計 6 4.5.1計算軸的最小直徑 6 4.5.2 尾端軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 6 4.6 驅(qū)動裝置和尾端裝置軸的校核 6 4.6.1 驅(qū)動裝置的受力分析 6 4.6.2 前端軸的校核 6 4.6.3 尾端軸的校核 6 5帶式輸送機結(jié)構(gòu)簡介 6 5.1帶式輸送機的應(yīng)用 6 5.2帶式輸送機的工作原理 6 5.3傳動形式與驅(qū)動裝置 6 5.3.1 傳動形式的選擇 6 5.3.2 驅(qū)動裝置的選擇 6 6 結(jié)論與展望 6 6.1總結(jié) 6 6.2問題與展望 6 致 謝 6 參考文獻 6 39 圓柱型產(chǎn)品填充粉末料的自動機設(shè)計 1 緒論 1.1課題的研究內(nèi)容和意義 最近幾年，國內(nèi)經(jīng)濟飛速發(fā)展，大力發(fā)展自主知識創(chuàng)新，對積極研發(fā)高速度高精度的新產(chǎn)品產(chǎn)生了重要的影響。我國在粉末定量包裝設(shè)備的發(fā)展方面相對滯后，雖然自動粉末定量充填包裝機技術(shù)在我國從八十年代開始發(fā)展了將近二十年，發(fā)展逐漸壯大，在粉末定量充填的技術(shù)上發(fā)展已經(jīng)趨于成熟，可自主生產(chǎn)，不再依賴于進口，但是生產(chǎn)規(guī)模較小，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計和自主研發(fā)環(huán)節(jié)的能力非常薄弱[1]。之前由于我國經(jīng)濟發(fā)展較慢、技術(shù)水平不高，粉末定量包裝行業(yè)長期處于生產(chǎn)效率低下的發(fā)展困境，大部分企業(yè)仍然是借鑒國外的先進技術(shù)和管理經(jīng)驗?zāi)Ｊ?，以此降低生產(chǎn)成本，提高利潤。 但隨著社會的進步，人民對生活水平要求也不斷提高，生活品質(zhì)也不斷提高，尤其在我國進入WTO之后[2]，企業(yè)經(jīng)濟不斷發(fā)展，各個企業(yè)面臨相互間更大的競爭壓力，因此在商品的包裝方面，要求也越來越高。其中，比如，我們每天都用到的食鹽、糖等日用品，還有洗衣粉、化肥等生產(chǎn)用品，以及病人經(jīng)常用到的藥品和營養(yǎng)食品等都是粉末狀物料，粉末顆粒狀物料與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和我們的日常生活密切相關(guān)，這些粉末料都需要按各種規(guī)格進行定量充填和包裝。因此，大力發(fā)展粉末料的自動充填機對我國的經(jīng)濟發(fā)展有著戰(zhàn)略意義。 由于我們國家人口較多，對粉末充填包裝商品的消耗量無疑是巨大的，而我國的包裝產(chǎn)品發(fā)展與國外相比還有一定的差距，因此大多依賴進口，但如果單純依靠先進的進口設(shè)備，成本就會增加，這使我國很多小包裝生產(chǎn)企業(yè)都難以承受。因此，我們需要大力發(fā)展先進的包裝科技，加強包裝新材料的研發(fā)和應(yīng)用，提高機器零件的加工工藝水平，保證定量充填包裝商品的精度，注意減少對自然環(huán)境的破壞，保證被包裝商品的衛(wèi)生安全，開發(fā)出運行可靠、定量精確、生產(chǎn)效率高的自動定量充填機，提高整個粉末定量包裝機械行業(yè)的發(fā)展水平，滿足我國廣大的市場需求，爭取在廣闊的國際市場中占有一席之地[3]。 1.2國內(nèi)外的發(fā)展概況 廣闊的市場，繁華的街道，粉末包裝機默默的為各行業(yè)提出最好的幫助。隨著國際科技的發(fā)展，日新月異的產(chǎn)品陸續(xù)邁向了市場，包裝設(shè)備也不例外，為適應(yīng)市場的巨大變化，粉末包裝機時刻站在市場的前列，不斷創(chuàng)新，先從自身做起，重抓技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量，開拓先河[4]。目前，國內(nèi)對塑料擠出機螺桿和食品擠壓或者食品膨化螺桿研究較多，而對于充填螺桿的研究相對較少。螺桿的精確加工可以保證螺桿的精度，對充填精度的提高有很大幫助。 改革開放以來，隨著大量成套設(shè)備的引進及國際間經(jīng)濟技術(shù)交流活動的開展，我國科技工作者對我國粉體包裝機械給予了足夠的重視?，F(xiàn)在我國已經(jīng)能自行設(shè)計制造出多種大、中、小型粉體包裝機械。除了各種自動計量充填機外，自動制袋、自動上袋、封口或縫口、印字，集裝等機械也造出了樣機。有的小袋自動包裝機質(zhì)量很好，不僅能滿足國內(nèi)市場需要，而宜還能出口，在國際上受到了好評。有的包裝機的技術(shù)性能已趕上當(dāng)代國際先進水平。但總的來看，在這一領(lǐng)域我國與發(fā)達國家的差距還較大。主要表現(xiàn)在[5]： 1、科研水平低。我國對粉體物性的測試缺乏現(xiàn)代化的儀器設(shè)備，缺乏專業(yè)人才。開展學(xué)術(shù)研究和交流活動也較差。我們在研制這類機械時往往不得不用實際產(chǎn)品做試驗，反復(fù)多次， 費功、費時、費錢。效果還不理想，使產(chǎn)品的研制周期拖長。 2、自動化程度低。近幾年來，許多單位只著重進行了自動計量充填機的研制，缺乏對包裝自動線的研制。 3、設(shè)備成套性差。機械中的元件、器件或輔助機械往往配套難。如近年來引進了國外氣缸制造技術(shù)但引進的氣缸接口為英制螺紋，在國內(nèi)難以選購到適合的氣路接頭。又如氣缸用的關(guān)節(jié)軸承也難以選購到相配的產(chǎn)品。還有，有很多廠生產(chǎn)環(huán)帶式熱封機，但是很難找到能直接用在包裝自動線上的熱封機。 4 、品種規(guī)格少。粉體的種類很多，物理性能差別很大，不可期望研制出一種萬用型粉體自動計量充填機，只能針對具體對象采用具體的解決辦法，以滿足各類用戶的不同需要。現(xiàn)在不僅品種少，規(guī)格也少，例如計量在1 -10 k g 之內(nèi)的粉體自動充填機國內(nèi)還是空白。 5、專業(yè)化程度差。現(xiàn)在有許多國產(chǎn)機型剛剛研制出樣機，沒有改進定型，沒有專業(yè)化廠家生產(chǎn)，因此外形設(shè)計及制造工藝水平較低。 6、設(shè)計方式落后。包裝機械行業(yè)現(xiàn)在還沒有普遍采用計算機輔助設(shè)計技術(shù)，設(shè)計周期長，對市場的應(yīng)變能力差。 7、元件器件質(zhì)量差。國產(chǎn)元件、器件的質(zhì)量一般都比進口件差，以電子秤用的稱重傳感器為例， 國外的產(chǎn)品能用數(shù)年不壞， 國產(chǎn)件則遠不如它。 8、產(chǎn)品的耐用性、可靠性有待提高。 9、對自動包裝機的使用管理方式也落后。國內(nèi)用戶仍然輕視包裝作業(yè)，不設(shè)立專門的技術(shù)總管人員，硬將機電一體化的包裝機分成幾個部分交幾個部門分別管理。而且維護人員往往不進行運行前的檢查和調(diào)整，要等機器用壞了才來修理。這樣的管理方式是很難保證機電一體化產(chǎn)品的正常運行的。 為了提高皮帶傳動精度、準(zhǔn)確地控制螺桿轉(zhuǎn)數(shù)，采用齒形帶傳動。小帶輪為塔形結(jié)構(gòu)，調(diào)整齒形帶在帶輪上的位置，即可調(diào)整計量螺桿的轉(zhuǎn)數(shù)。為了進一步提高計量精度，采用螺桿加光電碼盤的計量方式。攪拌電機動力通過減速器后，由鏈傳動副傳至攪動桿，用來破壞料斗中物料的應(yīng)力分布，改善物料流動狀態(tài)，穩(wěn)定物料進人螺桿時的堆積密度，以提高計最精度。計量電機通過小帶輪使大帶輪轉(zhuǎn)動，光電碼盤同時轉(zhuǎn)動。當(dāng)計量開始時，電磁離合器接受信號，于是與螺旋軸連在一起的離合器和大帶輪吸合，螺旋軸轉(zhuǎn)動。當(dāng)計量螺旋軸及光電碼盤轉(zhuǎn)過預(yù)定圈數(shù)滿足計量要求時，對電氣控制系統(tǒng)發(fā)出信號，離合器與大帶輪脫開，制動器同時制動，計量與充填過程結(jié)束。 我國粉末包裝機在市場中占有重要地位，但是暫時還沒有完全取代過去的一些傳統(tǒng)的設(shè)備，主要還是因為思想先進但是技術(shù)落后，一些陳舊的設(shè)備在很大程度上制約著包裝機械的進步，很多企業(yè)已經(jīng)在嘗試研發(fā)新的粉末包裝機，但是并沒有從根本上改變設(shè)備的性能，無非是外型上發(fā)生了變化，內(nèi)部還是原來的材料和裝備，這種做法根本無法改變發(fā)展現(xiàn)狀，想發(fā)展就必須徹底改變。 粉體是指固體仰料的粒度在1mm 以下的集合體。在食品、化工、建材等許多行業(yè)中常常需要進行粉體或粉?；旌衔锏挠嬃亢桶b作業(yè)二過去靠人工操作不僅勞動強度大，而且飛楊的粉塵污染環(huán)境，有損操作人員的健康，尤其是有毒性粉塵危害更加嚴重。況且人工操作時計量往往不準(zhǔn)確，難免有些散失，有些較貴重的粉體因此造成的經(jīng)濟損失和能源消耗是相當(dāng)大的。在發(fā)達國家中，隨著生產(chǎn)的發(fā)展及科學(xué)技術(shù)的進步，這類作業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)了自動或半自動的機械化生產(chǎn)。 國外的粉體自動計量充填機在朝著高精度，高速度、高自動化、高可靠性方向發(fā)展[6]。一方面不斷改進已有機型，另一方面也在按市場需要研制新的機型.其重要的技術(shù)措施是盡量利用成功的經(jīng)驗，盡量采用先進技術(shù)開展科學(xué)研究，改進制造工藝，不僅追求優(yōu)良的技術(shù)性能，而且外觀質(zhì)量和造型設(shè)計也很講究。國外在包裝機械設(shè)計中較普遍地運用了計算機輔助設(shè)計技術(shù)，再加上自成體系的標(biāo)準(zhǔn)化工作，所以對市場需求反應(yīng)較靈活，能較快地設(shè)計并制造出新的機型以滿足各類用戶的不同需要。 1.3課題研究目的和意義 近年來，隨著人民生活水平的不斷提高及世界著名食品公司不斷進入中國市場，我國奶粉和高質(zhì)量、高營養(yǎng)的蛋白粉等粉料類食品消耗量與日俱增，粉料加工行業(yè)發(fā)展速度日益加快。與此相適應(yīng)，人們越來越注重食品安全，包裝塑料袋對人體危害較大，因此有著替代塑料袋包裝趨勢的鐵罐包裝逐漸擁有越來越高的市場占有率。傳統(tǒng)的半自動灌裝機多為臺式機型，結(jié)構(gòu)簡單，只能實現(xiàn)稱量過程自動化，其它過程都靠手工完成，生產(chǎn)效率低，經(jīng)濟利益也較低，只能用于小規(guī)模生產(chǎn)，不能滿足大規(guī)模的生產(chǎn)要求。 目前我國市場上的粉末罐裝產(chǎn)品占有率逐年飆升，已經(jīng)達到了百分之七十左右，面對如此多的罐裝商品，罐裝商品的質(zhì)量和定量問題也同樣值得關(guān)注。然而，有調(diào)查顯示罐裝商品的定量問題十分嚴重 [7]。一些較為貴重的罐裝商品存在的問題更為嚴重，比如茶葉、奶粉等。為什么定量包裝商品會存在如此嚴重的虧量，究其原因，除了有些生產(chǎn)企業(yè)投機取巧獲取非法利潤外，包裝設(shè)備落后則是主要原因。 我國的灌裝機械行業(yè)，在經(jīng)歷了七十年代起步，八十年代發(fā)展和九十年代實現(xiàn)高速增長，在國家和有關(guān)政府主管部門的支持下，經(jīng)過全行業(yè)的努力，初步形成了門類比較齊全、品種基本配套的產(chǎn)業(yè)。隨著相關(guān)行業(yè)的迅速發(fā)展，已形成一批重點骨干企業(yè)，形成了一批既能滿足國內(nèi)需求，又有部分暢銷國外的優(yōu)勢產(chǎn)品。 最近幾年，我國部分大型企業(yè)的定量包裝技術(shù)有了較快的發(fā)展，但大多數(shù)中小型企業(yè)，依然存在生產(chǎn)設(shè)備差、生產(chǎn)技術(shù)水平低等現(xiàn)象，造成產(chǎn)品運行不穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量得不到保障，產(chǎn)品性能單一，在國際市場上缺乏競爭力[8]。早在九十年代初期，發(fā)達國家的小稱量定量包裝機械發(fā)展迅猛，日本、德國、美國和意大利四國共同壟斷了世界上大約四分之三的包裝機械產(chǎn)品，技術(shù)含量也越來越高。我國雖然由于人口眾多，發(fā)展成生產(chǎn)包裝機械的大國，但并沒有成為生產(chǎn)包裝機械的強國，技術(shù)水平相對落后，在機械的設(shè)備、質(zhì)量等很多方面跟發(fā)達國家還有一定的差距。因此我國面對如此嚴峻的發(fā)展形勢，需要積極開發(fā)研究定量充填包裝技術(shù)。本文即是對容積式定量充填包裝技術(shù)常用的一種方式—螺桿式定量充填技術(shù)的研究。 1.4 課題研究的主要內(nèi)容 本課題針對粉末料利用螺桿充填下料的問題，主要研究分析螺桿的各個參數(shù)對充填的影響，找出粉末顆粒在螺桿下料過程中的運動軌跡，建立數(shù)學(xué)模型，對螺桿設(shè)計提供理論指導(dǎo)，還有粉末料的輸送機的設(shè)計以及罐體輸送機的設(shè)計。 本課題具體研究內(nèi)容如下： （1）研究螺桿式充填機的總體設(shè)計結(jié)構(gòu)，然后對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進行設(shè)計計算。 （2）根據(jù)螺桿的受力情況及運動軌跡方程，對螺桿充填的效率進行分析，通過效率分布曲線確定出較好的螺桿轉(zhuǎn)速范圍及螺旋升角。 （3）對粉末料的送料機構(gòu)進行設(shè)計，包括電機的選擇以及驅(qū)動裝置的設(shè)計。 （4）對圓柱型罐體輸送機進行設(shè)計，即皮帶輸送機的設(shè)計。 2 粉末充填機總體設(shè)計方案 2.1 引言 灌裝機從整體結(jié)構(gòu)上來分，主要有氣流式灌裝機和螺桿式螺旋下料灌裝機。從其應(yīng)用對象來分又有液體灌裝機、粉料灌裝機和大顆粒灌裝機。各種灌裝機的工作原理和結(jié)構(gòu)都有其不同之處[9]。氣流式灌裝機，原理是利用真空吸取定量容積粉劑，再通過凈化干燥壓縮空氣將粉劑吹入袋或瓶中。螺桿式灌裝機，原理是通過控制螺桿的轉(zhuǎn)速，來量取定量粉劑再裝入袋或瓶中。 2.2 粉末灌裝工藝過程及可行性分析 2.2.1工藝分析 粉末灌裝機是針對粉末顆粒進行外包裝的一種手段。在工藝分析中，首先對內(nèi)裝物物件的特性、灌裝材料和灌裝過程作詳細的分析和研究，并對單功能機的分析，進行擴展其功能，如擴展它的灌裝尺寸范圍、擴展它的灌裝物件、擴展它的灌裝材料、擴展它的灌裝生產(chǎn)力等。這些擴展涉及到的主要部件的分析比較，以便得出可靠的機構(gòu)。 2.2.2總體布局 灌裝工藝確定以后，要考慮如何實現(xiàn)這種灌裝動作。因此，要求選擇合適的傳動、操作和執(zhí)行機構(gòu)。這些機構(gòu)組成若干個部件，這些部件相互位置怎樣安排，它們又是怎樣聯(lián)系和形成一個完整的總體，這就是灌裝機總體設(shè)計的任務(wù)。灌裝機的傳動與控制機構(gòu)，可以采用機械式，液壓式，或氣動式。應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的特點、生產(chǎn)能力、使用者的情況等具體條件以及機器動作的復(fù)雜程度而定。 粉末灌裝機要求每分鐘生產(chǎn)15-20盒。要實現(xiàn)這樣高的灌裝速度，而且要保證動作的相互協(xié)調(diào)和工作可靠穩(wěn)定，用液壓式或氣動式控制機構(gòu)稍微有點困難，因為液體粘度大，氣體有很強的壓縮性，當(dāng)運動處于高速狀態(tài)時慣性發(fā)熱高、沖擊大，液體還會因溫度的升高而使粘度發(fā)生變化，影響生產(chǎn)運動的可靠性，所以一般只用于動作較慢的活塞往復(fù)運動機械。目前國內(nèi)外在粉料灌裝機中大多采用機械傳動方式。因為機械傳動機構(gòu)能嚴格保證動作的可靠性[10]，并配合先進的微機控制技術(shù)和電子技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)比較復(fù)雜的生產(chǎn)動作，從而能進一步提高生產(chǎn)率。 本文設(shè)計的粉末灌裝機的操縱系統(tǒng)采用機械式控制系統(tǒng)，涉及有：鏈條傳動，帶(齒形帶)傳動，齒輪傳動等傳動機構(gòu)。 布局形式的選定，最主要根據(jù)灌裝工藝的特點即決定于灌裝的工藝性。布局式要便于灌裝，使機構(gòu)簡化，工人操作和維修方便。根據(jù)灌裝工藝，碳粉灌裝機布局形式宜采用立式布局，這樣便于進料、送盒、灌裝等。 在設(shè)計中總體布局要求： (1) 在能滿足生產(chǎn)設(shè)備多功能的基礎(chǔ)上，保證傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單； (2) 機械操作，操作簡單，易上手； (3) 操縱手柄要安放在便于操作的位置； (4) 送料機構(gòu)的擺放位置要方便安全； (5) 移動安裝方便，外形簡潔。 2.3 總體傳動系統(tǒng) 2.3.1上料系統(tǒng) 上料系統(tǒng)由貯料斗、提升螺桿、電機和支架組成[11]。上料系統(tǒng)的貯料斗為螺旋式，防止物料粘連，保證輸送順暢，容積大可貯藏一定量的物料，滿足后期的連續(xù)化生產(chǎn)需要。螺桿提升物料，速度快，占地少。上料管與稱料斗連接處采用軟連接，防止上料系統(tǒng)振動對稱量的影響，保證灌裝系統(tǒng)的穩(wěn)定性。軟連接用帆布袋，可透氣，能清洗。 1-上料系統(tǒng) 2-輸送帶 3-支架 4-稱量灌裝系統(tǒng) 5-灌裝口 6-電機 7-稱料斗 8-控制柜 圖2.1 全自動粉末灌裝機結(jié)構(gòu)示意圖 2.3.2計量充填系統(tǒng) 螺桿式充填系統(tǒng)主要由伺服電機、進料口、出料口、儲料倉、螺桿、控制室等組成[12]，如圖2.2所示。 圖2.2計量充填系統(tǒng)示意圖 螺桿計量裝置是通過控制螺桿旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)或時間來量取產(chǎn)品。螺桿每圈螺旋槽都有一定的理論容積，在物料的堆積密度恒定的前提下，只要準(zhǔn)確地控制螺桿轉(zhuǎn)數(shù)或更換螺桿，就能完成計量。為了提高皮帶傳動精度、準(zhǔn)確地控制螺桿轉(zhuǎn)數(shù)，采用齒形帶傳動。小帶輪為塔形結(jié)構(gòu)，調(diào)整齒形帶在帶輪上的位置，即可調(diào)整計量螺桿的轉(zhuǎn)數(shù)。為了進一步提高計量精度，采用螺桿加光電碼盤的計量方式。攪拌電機動力通過減速器后，由鏈傳動副傳至攪動桿，用來破壞料斗中物料的應(yīng)力分布，改善物料流動狀態(tài)，穩(wěn)定物料進人螺桿時的堆積密度，以提高計最精度。計量電機通過小帶輪使大帶輪轉(zhuǎn)動，光電碼盤同時轉(zhuǎn)動。當(dāng)計量開始時，電磁離合器接受信號，于是與螺旋軸連在一起的離合器和大帶輪吸合，螺旋軸轉(zhuǎn)動。當(dāng)計量螺旋軸及光電碼盤轉(zhuǎn)過預(yù)定圈數(shù)滿足計量要求時，對電氣控制系統(tǒng)發(fā)出信號，離合器與大帶輪脫開，制動器同時制動，計量與充填過程結(jié)束。然后進行包裝，當(dāng)包裝完畢后，再重復(fù)下一個同樣的計量循環(huán)[14]。 圖2.3工作時序圖 2.3.2.1 螺桿葉片的形狀 螺桿根據(jù)螺旋葉片旋向的不同可分為左旋和右旋螺桿，也可以根據(jù)頭數(shù)的不同分為單頭、雙頭和三頭螺桿。多頭螺桿一般用于食品加工方面，比如食品的攪拌和混合等，本文中主要研究定量充填所用的螺桿，其中最常用的是單頭右旋螺桿[15]。螺旋葉片的形式主要有以下幾種，如圖2.4所示，其中實體型螺桿是最常用的，它適用于輸送流動性較好、干燥的、小顆粒或粉末狀物料 [16]。 圖2.4螺旋葉片形式 2.3.2.2螺桿充填機的特點 對粉粒狀物料進行自動定量充填包裝，從定量原理的角度來看，主要有兩種方式： 容積式定量充填包裝和稱重式定量包裝[17]。 現(xiàn)在廣泛應(yīng)用能自動計量的機電秤和電子秤，其靜態(tài)計量精度可達0.05 %[18]，電子秤的分辨率還可高于此值1 倍以上，并能采用減重式計量。電子秤可以自動調(diào)零，能打印輸出計量結(jié)果，還能自動修正計量偏差，所以它不僅適用于不粘附的粉體及顆粒體，而且還適用于有些粘附力的粉體。不僅適用作有斗秤，而且適用作無斗秤。電子秤由于其傳感器類型不同而有多種型式， 如電阻應(yīng)變片式、電容式、差動變壓器式及振動弦式等，其中以電阻應(yīng)變片式應(yīng)用最為廣泛。近十年來，國外的電子稱量技術(shù)發(fā)展很快，逐步克服了性能不穩(wěn)定、不可靠的缺點，在自動計量包裝機械中大有取代其它秤的趨勢。機電秤一般沒有自動調(diào)零功能，不能自動扣除秤斗上粘附的粉體的重量，所以只適用于干燥的粘附性小、流勺性好的粉體及顆粒料。機電秤也可以作成無斗秤，但要求包裝容器自重誤差較小才好。機電秤的響應(yīng)速度較快，抗干擾能力強，用戶易于掌握和維修，因此機電秤在自動計量包裝機械中仍然占有一定位置[19]。 容積式定量充填包裝是通過控制被充填物料的容積來實現(xiàn)定量充填的，它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，不需要稱重裝置，成本較低，充填效率高，充填精度根據(jù)被充填物料的不同而有較大變動是其缺點，主要依賴于被充填物料視比重的穩(wěn)定性、物料顆粒的大小均勻程度以及物料的吸濕性和松散程度等特性。 與容積式定量充填相比，稱重式定量充填是通過控制被充填物料的重量來保證充填的精度，結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜，成本也較高，利潤較低，充填效率也低于容積式充填。目前稱重式定量充填采用的秤主要有三種，分別是機械式杠桿秤、電子稱和機械電子組合秤。為了提高定量精度和給料速度，根據(jù)給料方式的不同分為單級給料和多級給料。一般采用多級給料方式，即一邊給料一邊稱重的動態(tài)稱量。 2.3.3輸送系統(tǒng) 本設(shè)計采用皮帶輸送機，輸送帶初步設(shè)計長4米，左端連接上罐平臺，灌裝口位于整條帶的中部，灌裝口下方安裝控罐機構(gòu)，使空罐定位在灌裝位置，定位完成后傳感器傳送信號，電機啟動，稱量螺桿旋轉(zhuǎn)，開始下料灌裝，旋轉(zhuǎn)速度和時間由控制系統(tǒng)自動設(shè)置。灌裝完成后，罐前行下一空罐進入灌裝位置。 2.3.4自動控制系統(tǒng) 自動控制系統(tǒng)采用先進的可編程控制器自動控制生產(chǎn)全過程，液晶顯示屏顯示當(dāng)前灌裝狀態(tài)，自動計數(shù)，按鈕可以調(diào)整灌裝速度、灌裝容量。 2.4 粉末物料的基本性質(zhì) 若想要分析某一種粉末在定量充填過程中的運動軌跡，首先要了解粉末料的基本物理性質(zhì)，而其中最基本的一個性質(zhì)是粉末的半徑的物理性質(zhì)。粉末顆粒的形狀大小及顆粒分布狀態(tài)對粉末充填的過程影響是極大的。如傳統(tǒng)材料中的咖啡，粗細顆粒的分布、顆粒的大小形狀對產(chǎn)品性能有著非常大的影響，例如醫(yī)藥行業(yè)中的某些藥劑，可以通過改變藥劑的顆粒大小來改變藥劑的用量和吸收性。 2.5 同心旋轉(zhuǎn)形成的渦旋機理 2.5.1渦旋的定義 渦旋是指一種半徑很小的圓柱在靜止流體中旋轉(zhuǎn)引起周圍流體作圓周運動的流動現(xiàn)象，是渦量聚集的渦結(jié)構(gòu)，一般旋渦內(nèi)部有一渦量的密集區(qū)，稱為渦核，一群流體微團圍繞渦核旋轉(zhuǎn)。我國北航教授陸士嘉也指出，流體的本質(zhì)運動就是渦，因為流體經(jīng)不起搓，一搓就搓成了渦。這里所提到的“搓”是指流體在運動中所受到的剪切力[20]。 德國物理學(xué)家、近代力學(xué)奠基人之一屈西曼，簡單而又明了的說明了渦旋在流體運動中的重要性，即渦旋是流體運動的肌腱。陸教授指出了固體與流體的本質(zhì)區(qū)別，也說明了流體運動中出現(xiàn)渦旋現(xiàn)象的原因。在螺桿式粉末定量包裝機中，旋轉(zhuǎn)的螺桿對儲料器中粉末物料起到了“搓”的作用，使粉末物料的流動速度、運動密度等發(fā)生了變化，粉末物料的流動變?yōu)橛行鲃?，形成了流體運動中的漩渦。 2.5.2螺桿旋轉(zhuǎn)形成的渦旋機理 同心旋轉(zhuǎn)的定義為兩同心圓柱之間的相對旋轉(zhuǎn)，螺桿式粉末定量包裝機內(nèi)部就屬于同心旋轉(zhuǎn)的范疇，從相對運動學(xué)的角度出發(fā)，由于螺桿與儲料倉是同心的，雖然螺桿外圍的儲料倉是靜止不動的，但當(dāng)螺桿旋轉(zhuǎn)時，螺桿與外部儲料倉屬于同心旋轉(zhuǎn)。在不同的條件下同心旋轉(zhuǎn)運動會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)各異的渦形，同心旋轉(zhuǎn)最典型的的流動模型為兩同心圓柱之間旋轉(zhuǎn)形成的庫埃特流，而庫埃特流也是形成渦旋的典型流動方式[21]。 典型的庫埃特流實驗的示意圖如下所示，為內(nèi)外圓柱的同心相對旋轉(zhuǎn)。 （a）旋轉(zhuǎn)庫埃特流； （b）同心圓筒間的泰勒渦 圖2.5旋轉(zhuǎn)庫埃特流實驗示意圖 圓柱的內(nèi)半徑為1R，以角速度1Ω旋轉(zhuǎn)，圓柱的外半徑為2R，以角速度2Ω旋轉(zhuǎn)[22]， 經(jīng)典的庫埃特流模型為內(nèi)外圓柱同心旋轉(zhuǎn)，同時旋轉(zhuǎn)的圓柱之間充滿了一定黏性系數(shù)的流體。 庫埃特流模型規(guī)定，如果內(nèi)外圓柱的長度遠遠大于內(nèi)外圓柱之間的間隙，則內(nèi)外圓柱兩端的端部效應(yīng)可以忽略，圓柱可以近似的被看成無限長?？偵纤?，同心旋轉(zhuǎn)會形成渦旋運動，螺桿式粉末定量包裝技術(shù)與同心旋轉(zhuǎn)不同的是，充填螺桿代替庫埃特流模型的內(nèi)圓柱，儲料器代替了庫埃特流的外圓柱，這樣就形成了同心旋轉(zhuǎn)問題，螺桿充填機的螺旋葉片作用在粉末物料上，產(chǎn)生了螺桿充填機內(nèi)的渦旋運動。 2.6 本章小結(jié) 本章分析了螺桿式充填機的功能:高速、多功能、范圍大，提出灌裝工藝路線圖和合理的布局。其次主要研究了螺桿充填機中螺桿的運動機理及特點，以及螺桿葉片的形狀對粉末下料時的影響。 3 粉末顆粒下料的運動分析 3.1 引言 目前國內(nèi)外粉末定量包裝主要使用螺桿式定量充填包裝機，利用螺桿的旋轉(zhuǎn)下料，以及通過控制螺桿旋轉(zhuǎn)圈數(shù)來得到可靠的計量精度。在使用螺桿定量充填的過程中，粉末顆粒的運動有一定的規(guī)律可循，并不是并非雜亂無章的。 為了得到粉末顆粒在下料過程中的運動軌跡方程，在螺桿螺旋面的下方，取出單個粉末顆粒作為研究對象，研究一個單元體的運動軌跡方程。在螺桿充填下料過程中，并不是只有一個單元體在運動，它的運動情況必然受到其他粉末顆粒的影響，所以在研究某個單元體的運動時，需要適當(dāng)?shù)倪M行以下幾個假設(shè)： （1）假設(shè)粉末顆粒在運動時與螺桿的螺旋面始終不粘，避免考慮顆粒與螺桿螺旋面因粘連問題而改變運動軌跡的情況； （2）假設(shè)粉末顆粒沿螺桿的徑向方向被分成無數(shù)個小層，且各層之間無相對滑動現(xiàn)象，在研究過程中某個單元體受到其他粉末顆粒影響的情況就不必考慮； （3）假定粉末顆粒的運動方程是在螺桿以勻速旋轉(zhuǎn)的情況下求解的，不必考慮螺桿速度不均勻時的狀態(tài)。 另外，在實際應(yīng)用中，大多數(shù)用于定量充填的螺桿為阿基米德螺桿，本文也是以阿基米德螺桿為例進行分析[23]。 3.2 粉末顆粒運動軌跡方程 粉末顆粒在螺桿旋轉(zhuǎn)葉片的作用下，是沿著一定的軌跡進行運動的，是有規(guī)律可尋的。軌跡的定義是符合一定條件的動點所形成的圖形，又或者說，符合一定條件的點的整體所組成的集合，叫做滿足該條件的點的軌跡[24]。因此研究螺桿的充填規(guī)律，可以通過研究粉末顆粒在螺桿葉片作用下的運動規(guī)律，獲得粉末顆粒運動軌跡方程。 由于本文中研究的粉末顆粒運動特征是連續(xù)性的，所以此處研究的粉末顆粒運動軌跡即為粉末顆粒從起始位置到結(jié)束位置所經(jīng)過的路線的空間特征。 3.2.1 研究方法 在螺桿葉片的正螺旋面下方，在螺桿螺旋面的邊緣取某一單元體，命名為 A，如圖 3.1所示。 圖 3.1 螺桿坐標(biāo)系 根據(jù)上面的假設(shè)情況，假設(shè)螺桿以角速度做穩(wěn)定的勻速旋轉(zhuǎn)，單元體 A 在螺旋面的牽連作用下，只考慮螺桿在勻速狀態(tài)下的情況，以穩(wěn)定的角速度沿著螺桿旋轉(zhuǎn)的方向旋轉(zhuǎn)。由于單元體 A 存在自身重力以及管壁對單元體的摩擦力作用，此處摩擦力不可忽略不計，因此導(dǎo)致螺桿旋轉(zhuǎn)的角速度始終大于單元體 A 自身的角速度，這也是螺桿葉片帶動單元體 A 向下運動的主要因素[25]。 為了方便計算研究，過 A 點作一平面 P，使平面 P 平行于 Z 軸，如圖 3.1 所示，在 P 面上過 A 點做螺旋線的切線 T-T，再過 A 點沿螺旋面圓周方向作一水平線 L-L。 3.2.2 速度分析 下面探討粉末料運動速度與螺桿旋轉(zhuǎn)速度的關(guān)系，之間究竟有何影響，為使研究方便，我們將平面 P 進行單獨分析，以更好的獲得實驗研究結(jié)果。如圖 3.2 所示： 圖 3.2 A 在 P 平面內(nèi)的運動分析 在圖 3.2 中，可以仔細的觀察出 T-T 線與 L-L 線的夾角β 是螺桿的螺旋升角，設(shè)螺桿的半徑為 ，螺桿的導(dǎo)程為。在圖 3.2 中 是單元體 A 在螺桿螺旋面上的重合點的速度，它的方向與 L-L 線一致，如圖3.2。 單元體 A 的速度與螺桿螺旋線的方向 T-T 一致，是相對于螺桿旋轉(zhuǎn)的相對速度。然后綜合速度合成原理，由相對速度和單元體 A 與螺桿螺旋面重合點的速度組成一個平行四邊形，由此得出的大小與方向。 在平行四邊形中，是單元體 A 下降過程中的絕對速度，與水平線 L-L 的夾角為α 。將速度分別向水平方向和垂直方向上投影，水平方向上的分速度為，垂直方向上的分速度為，由圖 3.2 可知： 單元體 A 向下運動的有效速度在垂直方向上的速度分量，而在水平方向上的速度分量是單元體 A 運動的水平速度。我們希望獲得較高的充填效率，即同一時間內(nèi)，充填的量越多越好，因此粉末顆粒在垂直向下方向的速度越大越好，而在水平方向上的速度越小越好，水平方向上的速度會影響物料顆粒向下運動的速度，而且浪費了系統(tǒng)的部分能量[26]。 在圖 3.2 中，，由式 3.1 和 3.2 可得： 即 前面從理論上已經(jīng)分析過單元體 A 的角速度小于螺桿旋轉(zhuǎn)的角速度，這里從實際的速度分析中也能得到與之相同的結(jié)論，再一次驗證了理論的正確性。 下面分析粉末顆粒在垂直方向上的速度與螺桿轉(zhuǎn)速的關(guān)系，以及與螺桿幾何參數(shù)之間的關(guān)系。 根據(jù)圖 3.2 有： 又： 從上面的公式中可以看到物料顆粒垂直下降的有效速度與轉(zhuǎn)速及螺桿幾何參數(shù)的函數(shù)關(guān)系。 3.2.3 軌跡方程 在圖 3.1 所示的坐標(biāo)系中，把單元體 A 的運動軌跡分解到各個坐標(biāo)方向上，得出方程表達式為： 其中： t為單元體 A 沿螺桿葉片旋轉(zhuǎn)方向的時間； 為單元體 A 運動的實際通過路程。 因為單元體 A 的實際通過路程無法通過實驗計算得出，所以單元體 A 在 Z 軸方向上的運動軌跡無法準(zhǔn)確計算，因此需要把實際導(dǎo)程轉(zhuǎn)換為已知量。實際導(dǎo)程如圖 3.3 所示： 圖 3.3 實際導(dǎo)程 單元體 A 的運動路線為： 將式 3.10 代入式 3.9 后，可得出： 在前面公式的推導(dǎo)過程中，都假設(shè)和為常量。上述方程表達式為單元體 A 在螺旋充填過程中運動時的軌跡方程。 已知了單元體 A 的軌跡方程，就可以很容易的求得單元體 A 的速度和加速度。很明顯，對單元體的軌跡方程中的時間t進行分別求導(dǎo)，即可得出單元體在各個方向的速度為： 據(jù)速度合成公式，求出圖 3.2 中速度： 將式 3.12 代入式 3.13 后得： 的方向在圖 3-2 中與水平線 L-L 的夾角為角。 再次分別對各個坐標(biāo)方向上分速度中的t求導(dǎo)，即可求得單元體 A 的加速度： 由合成定理得加速度的大小為： 方向： 從以上分析可以看出單元體 A 的加速度大小是個不變的量，而它的方向垂直于 Z 軸，并且指向 Z 軸。 3.3 粉末顆粒受力分析 上一節(jié)主要從速度與加速度方面分析了單元體 A 在下降過程中的運動情況，但若要最終根據(jù)粉末顆粒的運動情況進行螺桿的幾何參數(shù)設(shè)計[27]，還需要考慮單元體 A 在下料過程中都受到哪些力的作用，以及這些力對單元體 A 究竟會產(chǎn)生哪些影響，對其運動軌跡又會有哪些影響，下面具體研究單元體 A運動過程中的受力情況。 單元體 A 在運動過程中的受力情況如圖 3.4 所示。 圖 3.4 單元體的受力分析 由式 3.16 和質(zhì)點達郎伯原理可知，設(shè)單元體 A 質(zhì)量為 m，螺桿螺旋面對單元體 A正壓力： 其中： 為單元體 A 在螺桿螺旋面圓周放上旋轉(zhuǎn)的角速度； 為螺桿的半徑。 因為螺旋管壁表面并不是完全的絕對光滑，單元體接觸螺旋管一定受摩擦力的影響，為了方便實驗計算，因此設(shè)此摩擦力為，螺旋管壁與單元體 A 之間的摩擦系數(shù)為，則螺旋管壁對單元體 A 的摩擦力大小為： 另外，考慮螺桿的螺旋面對粉末顆粒也同樣會產(chǎn)生摩擦力，設(shè)螺旋面與單元體 A 的之間的摩擦系數(shù)為，則螺桿螺旋面對單元體 A 的摩擦力作用大小可以表示為： 其中： 摩擦力的方向與速度的方向相反，與水平方向的夾角為。 N 是螺桿螺旋面對單元體 A 的正壓力。 在圖 3.4 中，我們分析單元體 A 的受力情況，單元體 A 處于動力學(xué)平衡狀態(tài)在四個力的共同作用下，將已知的四個力分別向 N-N 和 T-T 兩個方向上分解投影，建立力學(xué)平衡方程如下： 即 將式 3.20 代入式 3.22 即可得到： 然后將式 3.19 代入式 3.23 得： 將式 3.24 變形后得： 式 3.25 中：常量有螺桿螺旋升角和螺桿的半徑，以及螺旋管壁與單元體 A 之間的摩擦系數(shù)，而角度代表了粉末顆粒的充填速度，因此是變化的量。因此，式 3.25 反映了螺桿轉(zhuǎn)速對粉末顆粒向下運動速度的影響，粉末顆粒的下降隨著螺桿的轉(zhuǎn)速的增大，也在一定范圍內(nèi)相應(yīng)的增大，當(dāng)螺桿的螺旋升角以及半徑確定以后，單元體 A下降的速度僅與螺桿的轉(zhuǎn)速有關(guān)。 3.4 容積計算 3.4.1 研究方法 本文中主要研究阿基米德螺桿旋轉(zhuǎn)時每個螺桿導(dǎo)程所包含粉末物料容積的公式[28]。定量充填就是根據(jù)螺桿固定旋轉(zhuǎn)圈數(shù)所決定的，為了準(zhǔn)確的得到被充填物料的實際重量，在螺桿的實際應(yīng)用中，首先要確定螺桿每轉(zhuǎn)一圈所充填的物料體積是多少，然后乘以被充填物料的密度，最終確定螺桿每轉(zhuǎn)一圈所充填物料的重量，從而確定所需要的螺桿旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)。阿基米德螺桿的軸向剖面如圖 3.5 所示。 圖 3.5 阿基米德螺桿的軸向剖視面 圖 3.5 中，是螺桿的外半徑，是螺桿軸的半徑。從圖中可以看出，螺桿的軸向剖面是一個梯形，上底邊長為n，下底邊長為m。 為了計算螺桿運動一圈所包含的粉末物料的容積，將圖 3.5 中的梯形分割成無數(shù)個無限小的面積，將所有的小面積與相應(yīng)展開高度的乘積相加就是該導(dǎo)程所包含的粉末物料的容積。 3.4.2 展開高度 螺旋線的展開高度 H 隨著半徑的變化而變化，從圖 3.5 中得到，要研究的處于梯形區(qū)域的半徑是一個變化的值，不是恒定的，因此研究起來有些困難，它的最小值是螺桿的軸半徑，最大值是螺桿的外徑，因此螺旋線的展開高度是相對于每個無限小的面積上，螺旋線的展開長度。如圖 3.6 所示。 圖 3.6 展開后的螺旋線變化圖 依據(jù)圖 3.6 可以得出H ： 上式中的 H，是指螺桿半徑 r 從螺桿軸的半徑 r1 到螺桿的外半徑的不斷變化時，在其中的任意半徑 r 處，所得到的螺旋線的展開長度。 為了計算方便，為方便研究螺桿一個導(dǎo)程上的容積，我們將螺桿的梯形剖面分為兩個部分，即為兩個三角形和一個矩形，如圖 3.7 所示： 圖 3.7 梯形剖面 為了方便計算，在求螺桿每一個導(dǎo)程所輸送的粉末物料容積時，可將其分開求解，螺桿沿Z軸方向的剖面被分成兩個三角形ABF、CDE 和一個矩形 BCEF，先求出三角形ABF和CDE內(nèi)的粉末物料的容積，再求矩形 BCEF 所包含粉末物料的容積，最后將三者結(jié)果加起來即為一個螺桿導(dǎo)程所輸送的粉末物料的容積。 3.4.3 三角形區(qū)域的容積 按圖 3.8 在三角形區(qū)域?qū)ζ浣⒅苯亲鴺?biāo)系，分析研究半徑： 圖 3.8 建立的直角坐標(biāo)系 在上圖所示坐標(biāo)系中，把螺桿的半徑r設(shè)為橫坐標(biāo) ，它的變化范圍設(shè)定為從螺桿的最小半徑到螺桿的最大半徑的范圍內(nèi)。把一個中間變量設(shè)為縱坐標(biāo) y，它可用我們之前的已知量或螺桿半徑 r 來表示。 在 ABF 中，整體計算有些麻煩，因此我們將其分解成無數(shù)塊小面積，只取一小塊面積進行分析研究，然后再利用積分方法求出整個三角形所包含的粉末物料的容積。 BUV 相似于三角形 ABF ，所以有： 得到： 求三角形 ABF 內(nèi)的任意一處單位面積為： 前面已經(jīng)計算過任意半徑處所對應(yīng)的螺旋線的展開高度為，所 以在一個導(dǎo)程內(nèi)三角形 ABF 所包含粉末料的容積為： 因為在螺桿一個導(dǎo)程，所以整個三角形的所包含有兩個三角形的粉末顆粒的容積為： 將式 3.31 整理后得： 式 3.32 中，是個常數(shù)，設(shè)，令： 則： 所以螺桿一個導(dǎo)程內(nèi)，軸向剖面內(nèi)三角形所包含的粉末顆粒的容積為： 3.4.4 矩形區(qū)域的容積 前面主要計算了在螺桿一個導(dǎo)程內(nèi)，軸向剖面里面兩個三角形區(qū)域所包含的粉末物料的容積，如果要計算整個軸向剖面粉末物料的容積，還需要計算出矩形部分 BCEF 所包裝的粉末物料的容積，然后將兩者相加即可。對矩形 BCEF 建立如圖 3.9 所示的坐標(biāo)系。 圖 3.9 矩形直角坐標(biāo)系 與前面的三角形求面積采用相同的方法，對于矩形BCEF，直接計算比較復(fù)雜，因此可以將矩形分成無數(shù)個小單位，求出一個小矩形的單位面積后，對其積分即可求得整個矩形的面積，在圖3.9 中，矩形中一個單位的小矩形面積為：