吴龙奇,杨玉兰
(河南科技大学,河南洛阳 471003)
[摘要] 对常用的螺杆式计量装置的计量精度进行了探讨,给出了下料嘴的设计公式,试验验证,按照这种设计方法可以保证对物料的计量精度。
关键词:螺杆;计量;精度
中图分类号:TB486+.1 文献标识码:B 文章编号:1001-3563(2004)01-0034-02
螺杆给料器是一种容积式计量装置,无论它作为一个单独的计量装置还是作为一个与包装机配套的计量装置,都有比较成熟的应用。但是这种计量装置的计量精度有时难以达到设计要求。按照传统的分析方法,排除螺杆加工精度和转速的影响,对于某些物料仍然难以达到设计的计量精度。因此,对螺杆计量装置的精度问题深入研究具有重要意义。
1 影响计量精度的原因
图1是螺杆式计量装置示意图,它主要由螺杆、搅拌装置、步进电机、搅拌电机、下料嘴等组成。
工作时步进电机(或通过电磁离合器)驱动计量螺杆旋转,物料被强制送出下料嘴。通过控制步进电机的转数来达到控制每次下料量。
为了减少物料视比重引起的精度误差,提高下料的均匀性,设计了与螺杆旋转方向相反的搅拌装置,它通过单相电机、齿轮和驱动搅拌叶片对物料进行搅拌。
1. 1 转速对精度的影响
物料在螺杆强制作用下送出下料嘴,螺杆旋转圈数的多少控制了下料量的多少,根据图2,螺杆每次旋转所计量的物料量如下[1]:
G=V·ρ·n (1）
式中: V为每圈螺旋容积(cm 3);ρ为物料的密度(kg/cm 3);n为转数(r/min)。
设螺杆每次旋转的角度误差为±△n则就会引起相应的计量误差△G。要想减少误差,可以通过控制螺杆每次旋转圈数的精度来达到。
1.2 螺杆加工精度对计量精度的影响
如果螺杆加工不均匀,或者说加工出来的螺杆与螺杆轴心不对称,也会影响螺杆计量的精度,这种影响与螺杆每次计量时旋转圈数有关。当每次计量的旋转圈数成整数倍时,从理论
上来说没有影响,例如旋转1圈、2圈等等;当不成倍数时才有影响,例如旋转半圈,一圈半等。因此,提高螺杆加工精度是保证计量精度的措施之一。
另外,从(1)式也可以看出,要减少螺杆加工精度问题带来的计量误差,也可以通过加大每次计量螺杆的转数来解决。例如将螺杆的结构尺寸减小,加大螺杆的转数等。
1. 3 下料嘴对精度的影响
在排除了以上两种情况引起的误差以后,从理论上来说,螺杆的计量精度可以达到1%,至少也可以达到2%。但实际情况则不理想。对于视比重比较均一的物料来说,计量精度比较高;对于视比重差异较大的物料来说,就很难达到计量的精度。像潮湿的奶粉等一类物料,计量误差就比较大。经过观察和分析,发现下料嘴的形状也对计量精度有很大的影响。图2是使用普通下料嘴计量时经常出现的情况:图2a是上棚架的情况,导致负误差的计量结果出现;图2b是下棚架的情况,导致正误差的计量结果发生。由于视比重比较差的物料一般粘性较大,易于出现棚架结构,当出现在下料嘴附近时,每次排出的物料量发生变化,直接导致了每次计量的误差。
2 下料嘴尺寸对精度的影响
下料嘴尺寸不但影响着计量大小,而且直接影响计量的精度。从图2可以理解,当改变下料嘴尺寸时,会改变物料棚架轮廓的大小,例如减小下料嘴的直径,棚架轮廓会变小,增加下料嘴的直径,棚架轮廓会变大,这些都直接影响着计量精度。
从理论上说,下料嘴直径越小,因棚架结构造成的误差就越小,计量精度会越高,所以在设计时应尽量选用直径较小的螺杆和下料嘴直径。但过小的直径也会带来其它问题,一个单位计量所用的时间延长,螺杆转数增加,会降低生产效率。因此在螺杆直径确定的情况下,下料嘴直径(D)可按照下列公式计算:
D=(0.7-0.9)d (2)
式中:d为螺杆直径。
物料视比重均一时选较小的系数,视比重变化比较大时选较大的系数。粘性较大时选较大的系数,对于特别粘的物料,系数还可以加大到1。
通常下料嘴采用圆形结构。
3 下料嘴形状对精度的影响
在下料嘴尺寸确定以后,实际上也就确定了物料的过流面积,从理论上来说已经满足了设计要求,这对于一部分流动性比较好的物料来说,已经能够达到相当的计量精度(大多不超过1%)但对于流动性不好的物料或视比重比较差的物料来说,基本难以达到计量精度,因此,对下料嘴的形状进行设计研究也是重要的。
螺杆对物料的作用是动态强制性的,所以物料在螺杆段很少发生堵塞问题,而下料嘴对物料的作用则是被动的,物料在通过下料嘴时会发生物料堵塞的情况,所以在设计下料嘴的形状时就要考虑让物料尽快通过下料嘴。通常将下料嘴的出口厚度设计很薄,使物料离开螺杆后用很短的时间通过下料嘴,物料在下料嘴处不发生堵塞情况。
减小或消除棚架结构可采用加丝的方法,如图3所示,在下料嘴的下平面加上相应的不锈钢钢丝,钢丝在机器运转时相对于物料造成周向切割作用,使得物料在通过出料口时被强制疏散,粘结困难;也造成轴向阻挡作用,圆形截面的物料被切割成四部分,这样就从2个方面消除或弱化了物料的棚架作用,从而提高了计量的精度。
一般情况下加十字丝就可以了,丝越细越好。
4 实验结果
对下料嘴形状的改进进行了实际实验,实验机采用DXD电脑控制全自动包装机,物料采用钱师傅鸡精调料,包装材料是铝箔复合包装膜,包装重量为35g,由于该物料具有明显的视比重误差,粘性大,采用传统下料嘴包装机包装时误差超过±8%。作者受厂家的委托,对该问题进行了研究,找到了影响精度的原因,设计了新的下料嘴,并进行了实验验证及生产实践,计量精度都在±1%以内,达到了设计目的。
5 结 语
a.螺杆计量装置的下料嘴尺寸及形状直接影响计量的精度,对粘度越大、视比重不均一的物料影响越大。b.公式(2)可作为下料嘴尺寸设计依据,添加细丝可作为结构设计依据,可以保证计量精度控制在1%以内。
[参考文献]
[1] 肖振金,等.食品工厂机械与设备[M].北京:轻工业出版社,1991.
[2] 张聪.自动化食品包装机[M].广州:广东科技出版社2003
