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大米气调保鲜包装机称量机构试验研究 |
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作者：张萃明 刘建伟 徐润琪 包清彬 |
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1 前言
大米是我国人民最主要的食粮，根据近年来的统计，我国人均年消费大米约100公斤左右。随着市场经济的逐步发展，商品大米的包装也从计划经济时代的100公斤大麻袋出厂、散装销售，逐步过渡到10公斤、15公斤的塑料编织袋袋装销售。近些年，为适应城镇人民生活水平的不断提高，许多厂开发出新品种加工米：免淘洗米、强化米、胚芽米、特优米等等，这些精品米采用了5公斤、2.5公斤包装。但是，被业界技术专家普遍认同的、有显著的防霉、防虫、延缓陈化的效果的大米气调保鲜包装技术尚未得到应用。为此，我们开发了大米气调保鲜自动包装机，对其关键部件之一的自动称量装置进行了一系列的试验研究，现简介如下。
2 下料机构的试验研究
对于散粒物料的称重，下料机构常用的有电磁振动型、皮带输送型和自重直流型等结构形式。电磁振动型对各种物料的适应性好，落料重量的随机性较小，称量精度易于保证，但结构复杂，体积较大，成本高，且振动和噪音较大。皮带输送型对不同物料也有一定的适应性，称量精度也较高，缺点同样是结构复杂，体积较大，成本较高，漏料是普遍问题。自重直流型对各种物料的适应性不是太好，落料重量的随机性较大，称量精度的控制将是其关键问题；但自重直流型结构简单、紧凑，体积较小，成本低。根据大米自动小包装机的工作对象和特点，我们以选用自重直流型下料机构为宜。因而，为了保证称量精度的控制，下料装置的研究将是其关键问题之一。
通常的自重式直流型下料装置，一般都采用双料口（双门）下料，即大料口负责主要的下料任务，能尽快地下料到接近设定重量； 小料口只是补充差额到设定重量。经过反复试验，由于大料口下料时，落料重量及其冲击力、残留料柱重量的随机性大，致使称量高精度和高速度的矛盾不易解决，达不到较高的要求。为此，又设计了三料口（三门）、四料口（四门）下料器。四料口下料器的各料口从大到小分别设为1、2、3、4号，下料时各料口同时落料至等于或略大于第一重量值，1号料口关闭；2、3、4号料口同时落料至等于或略大于第二重量值，2号料口也关闭；3、4号料口同时落料至等于或略大于第三重量值，3号料口也关闭；仅剩4号料口落料至设定重量值，4号料口也关闭，下料完成。试验装置的1、2、3、4号料口的落料面积分别为30、18、8、3.2㎝2，实验测得落料流量平均值（50次）分别为1977.1、1072.5、119.8、54.4 g/s，落料流量标准差S1、S2、S3、S4分别为44.61、31.22、5.16、2.01 g/s。可以从实验结果清楚地看出，不同的落料面积对落料流量标准差的影响是很大的。
达到第一重量值时，由于落料重量及其冲击力、残留料柱重量的随机性大，误差很大。仅从落料流量标准差的角度，按一般的3σ原则可以认为其误差范围在±249 g/s之间，其可信度为99.7%。但从包装精度的要求看，选择±5σ，即误差范围在±415 g/s之间，其可信度为99.99995%，落在此误差范围之外的概率仅为千万分之五。落料流量标准差是定时试验结果（即控制器从发出开门指令到发出关门指令的时间为1秒，在此设定时间内的落料试验结果），从表面上看它并不反映落料冲击力和残留料柱重量的影响（对于标准称重量而言，前者的影响为负，后者的影响为正）。但落料冲击力和残留料柱重量的不均匀性，实质上主要是由落料流量的不均匀性引起的，所以落料流量标准差可以在很大程度上反映定量试验结果（即设定标准称重量，分别由各料口单独落料的试验结果），验证试验证明了这一点。
以称量5㎏为例，考虑到以后2、3、4号料口的工作，再将上述误差范围扩大约一倍，即第一重量值设为4200 g，由于第一重量值与标准称重量值之间的差距留为800 g，误差对最终的称量结果不会产生影响。达到第一重量值的称量时间为4200/（1977.1+1072.5+119.8+54.4）=1.303 S。第二重量值的误差范围在±191.95 g/s之间，第二重量值设为4700 g，第二重量值与标准称重量值之间的差距留为300 g，达到第二重量值的称量时间为（4700-4200）/（1072.5+119.8+54.4）=0.401 S。第三重量值的误差范围在±35.85 g/s之间，第三重量值设为4900 g，第三重量值与标准称重量值之间的差距留为100 g，达到第三重量值的称量时间为（4900-4700）/（119.8+54.4）=1.148 S。4号料口的误差范围在±10.05 g/s之间，这便是最后达到的包装精度。鉴于试验证明，残留料柱重量大于落料冲击力约50 g（系统误差），所以设定重量值为4950 g，达到设定重量值的称量时间为（4950-4900）/54.4=0.919 S。总称量时间为3.77 S。这既保证了最终的称量结果有足够的高精度，同时，又保证了称量的高速度。
由此可见，较之双料口下料器，四料口下料器的优越性十分明显。不过上述实验用四料口下料器，在各料口面积大小的分配上，还不甚合理。实验证明，与三料口下料器相比，在精度和速度方面优越性并不十分明显。三料口下料器的下料过程与四料口下料器基本相同，但结构要简单许多。因而，试验结果选择了三料口下料器。三料口下料器的大下料口（大门）、中下料口（中门）、小下料口（小门）的落料面积分别为110×70㎜、70×20㎜、20×20㎜，落料流量平均值分别为4721.45、827.17、64.21 g/s，实验测得落料流量标准差分别为130.46、39.67、2.67 g/s。各料口的误差范围分别在±652.3、±198.35、±13.35 g/s之间。以称量5㎏为例，第一重量值设为4300 g，第二重量值设为4890 g，设定重量值为4955 g（消除残留料柱重量大于落料冲击力的系统误差），达到各重量值的时间分别为0.766 S、0.662 S、1.012 S，总称量时间为2.44 S。整机试验证明，称量误差范围为±15 g，称量速度可达2.5 S，与试验设计的理论值基本吻合。也很好地解决了称量的高精度和称量的高速度之间的矛盾。
在料门形式上，设计试制了摆式弧形料门、垂直往复式直插料门、水平往复式直插料门，进行对比试验。考虑摆式弧形料门在气动控制元件的布置与安装方面，以及结构复杂性方面的问题，未予采用。垂直往复式直插料门，在气动控制元件的布置与安装方面，较为方便，但较易楔紧物料而卡住。试验结果选择了水平往复式直插料门。
图1 机械电子式自动称量装置
3 计量机构的试验研究
国内外散粒料的自动计量装置，可分为容积式和称重式两大类。容积式结构较为简单，但计量精度不高，结构也不紧凑，因而不宜用于有一定精度要求或较大计量的物料包装。称重式一般有机械式、机械电子式、电子式三种。机械式自动计量装置体积大、笨重而精度低，速度慢，现代已很少采用。 第一阶段设计和试制的是机械电子式自动称量装置，如图1所示。机械部分选用市售的10㎏机械台秤，将秤盘改为称料斗（带充料门），对砝码挂钩进行了改造，以实现了砝码自动两段加载，再加上光电控制器，便可以控制下料器以实现自动称量。
砝码自动两段加载的工作示意图见图2。作为杠杆机构的机械秤，在称量过程中，落料冲击力对其工作稳定性影响很大，为了解决这一问题，采用了砝码自动两段加载的办法。在开始称量时，砝码中的一个X（例如200克），支撑在支撑座上（图2之上图），并不加载到杠杆上，这样加载到杠杆上的砝码仅为设定称重量-X=Y，当料斗中的物料+落料冲击力达到Y时，杠杆便上抬，砝码X就离开了支撑座，它的重量加载到杠杆上，克服了杠杆上抬的惯性，杠杆按设定称重量重新进行平衡。平衡结果若杠杆仍可上抬一点，下光电开关感知，关闭大下料口。小下料口继续落料，直至杠杆徐徐上抬到水平位置，上光电开关感知，关闭小下料口。光电控制器图见图3。
该装置的最大优点是，结构简单，成本很低，称量精度也能满足要求。但是，由于不同设定称重量对应的残留料柱重量及其冲击力不同，需要由设定称重量值减去不同的值来进行修正，这在使用操作上很不方便。加之，机械电子式自动称量装置结构尺寸要大一些，致使整机尺寸较大。所以，在经过试验之后，便放弃了这一方案。
样机正式采用的是电子式自动称量装置，它是直接在市售的电子秤上，安装带充料门的称料斗而成。市售的电子秤是经国家计量部门检定过的标准产品，其精度为1/3000（精度高于1/3000者为电子天平），最大称量为3㎏、6㎏、15㎏等。由于该包装机最大称量为5㎏，加上称料斗的重量，已经大于6㎏，便只有选择15㎏的电子秤，其分辨率为5 g。电子秤的自动称量由单片机为核心的称量控制器控制，其面板上有两个显示器，一个显示重量值，一个显示各种设定值或包装的袋数，并有相应的各种设定键。称量控制器输入的除称重信号外，还有允许称重、停止称重、倒料状态等，而称量控制器输出的信号有倒料、充气、大、中、小料门控制等，直接输出220V控制各电磁阀开关，如图4所示。从电子秤内单片机的串口取出电子秤的称重信号，直接输入称量控制器，由控制器依据大量实验数据而编制的软件去控制大、中、小料门的开闭，并由面板上的显示器将重量值显示出来。
该电子式自动称量装置经实验，称量5 kg大米100次，其平均重量为4991.9 g（即平均误差为8.1 g），标准差为4.9 g，最大误差为15 g，其出现概率为2%。平均称量时间为2.5S。
自动倒料充填机构是电子式自动称量装置的一个必不可少的部分，它实际上是称量斗的可控制斗底。但是，为了保证称量精度，在称量时控制部分不能接触斗底，只有在倒料充填时控制部分才能接触斗底进行工作。为此试验了几种方案，最终选择气缸下拉式，在斗底加上平衡重块，回位弹簧很软，冲击力小。这种倒料充填机构结构简单紧凑，反应迅速，工作可靠。
4 结束语
作为大米气调保鲜自动包装机的关键部件之一的自动称量装置，采用自重直流型下料机构，结构简单、紧凑，同时用双料口（双门）、三料口（三门）、四料口（四门）下料器进行实验对比，结果表明三料口下料器在解决称量的高精度和称量的高速度之间的矛盾方面明显地优于双料口下料器，而又与四料口下料器较为接近。机械电子式自动称量装置结构简单，成本很低，称量精度也能满足要求；但是尺寸较大，且自动化水平不够高。电子式自动称量装置是直接在市售的电子秤基础上增加称量控制器而成的，因此电子秤本身的精度和检定便不存在问题。这样研制出的大米气调保鲜自动包装机的自动称量装置，最大称量5 kg时的误差不大于15 g，平均称量时间为2.5S，不仅能完全满足大米气调保鲜包装对高速度和高精度的要求，而且结构简单，工作可靠，成本低廉。 (end)
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(5/11/2005) |
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