大米氣調保鮮包裝機稱(chēng)量機構試驗研究

1 前言

大米是我國人民最主要的食糧，根據近年來(lái)的統計，我國人均年消費大米約100公斤左右。隨著(zhù)市場(chǎng)經(jīng)濟的逐步發(fā)展，商品大米的包裝也從計劃經(jīng)濟時(shí)代的100公斤大麻袋出廠(chǎng)、散裝銷(xiāo)售，逐步過(guò)渡到10公斤、15公斤的塑料編織袋袋裝銷(xiāo)售。近些年，為適應城鎮人民生活水平的不斷提高，許多廠(chǎng)開(kāi)發(fā)出新品種加工米：免淘洗米、強化米、胚芽米、特優(yōu)米等等，這些精品米采用了5公斤、2.5公斤包裝。但是，被業(yè)界技術(shù)專(zhuān)家普遍認同的、有顯著(zhù)的防霉、防蟲(chóng)、延緩陳化的效果的大米氣調保鮮包裝技術(shù)尚未得到應用。為此，我們開(kāi)發(fā)了大米氣調保鮮自動(dòng)包裝機，對其關(guān)鍵部件之一的自動(dòng)稱(chēng)量裝置進(jìn)行了一系列的試驗研究，現簡(jiǎn)介如下。

2 下料機構的試驗研究

對于散粒物料的稱(chēng)重，下料機構常用的有電磁振動(dòng)型、皮帶輸送型和自重直流型等結構形式。電磁振動(dòng)型對各種物料的適應性好，落料重量的隨機性較小，稱(chēng)量精度易于保證，但結構復雜，體積較大，成本高，且振動(dòng)和噪音較大。皮帶輸送型對不同物料也有一定的適應性，稱(chēng)量精度也較高，缺點(diǎn)同樣是結構復雜，體積較大，成本較高，漏料是普遍問(wèn)題。自重直流型對各種物料的適應性不是太好，落料重量的隨機性較大，稱(chēng)量精度的控制將是其關(guān)鍵問(wèn)題；但自重直流型結構簡(jiǎn)單、緊湊，體積較小，成本低。根據大米自動(dòng)小包裝機的工作對象和特點(diǎn)，我們以選用自重直流型下料機構為宜。因而，為了保證稱(chēng)量精度的控制，下料裝置的研究將是其關(guān)鍵問(wèn)題之一。

通常的自重式直流型下料裝置，一般都采用雙料口（雙門(mén)）下料，即大料口負責主要的下料任務(wù)，能盡快地下料到接近設定重量； 小料口只是補充差額到設定重量。經(jīng)過(guò)反復試驗，由于大料口下料時(shí)，落料重量及其沖擊力、殘留料柱重量的隨機性大，致使稱(chēng)量高精度和高速度的矛盾不易解決，達不到較高的要求。為此，又設計了三料口（三門(mén)）、四料口（四門(mén)）下料器。四料口下料器的各料口從大到小分別設為1、2、3、4號，下料時(shí)各料口同時(shí)落料至等于或略大于第一重量值，1號料口關(guān)閉；2、3、4號料口同時(shí)落料至等于或略大于第二重量值，2號料口也關(guān)閉；3、4號料口同時(shí)落料至等于或略大于第三重量值，3號料口也關(guān)閉；僅剩4號料口落料至設定重量值，4號料口也關(guān)閉，下料完成。試驗裝置的1、2、3、4號料口的落料面積分別為30、18、8、3.2㎝2，實(shí)驗測得落料流量平均值（50次）分別為1977.1、1072.5、119.8、54.4 g/s，落料流量標準差S1、S2、S3、S4分別為44.61、31.22、5.16、2.01 g/s?？梢詮膶?shí)驗結果清楚地看出，不同的落料面積對落料流量標準差的影響是很大的。

達到第一重量值時(shí)，由于落料重量及其沖擊力、殘留料柱重量的隨機性大，誤差很大。僅從落料流量標準差的角度，按一般的3σ原則可以認為其誤差范圍在±249 g/s之間，其可信度為99.7%。但從包裝精度的要求看，選擇±5σ，即誤差范圍在±415 g/s之間，其可信度為99.99995%，落在此誤差范圍之外的概率僅為千萬(wàn)分之五。落料流量標準差是定時(shí)試驗結果（即控制器從發(fā)出開(kāi)門(mén)指令到發(fā)出關(guān)門(mén)指令的時(shí)間為1秒，在此設定時(shí)間內的落料試驗結果），從表面上看它并不反映落料沖擊力和殘留料柱重量的影響（對于標準稱(chēng)重量而言，前者的影響為負，后者的影響為正）。但落料沖擊力和殘留料柱重量的不均勻性，實(shí)質(zhì)上主要是由落料流量的不均勻性引起的，所以落料流量標準差可以在很大程度上反映定量試驗結果（即設定標準稱(chēng)重量，分別由各料口單獨落料的試驗結果），驗證試驗證明了這一點(diǎn)。

以稱(chēng)量5㎏為例，考慮到以后2、3、4號料口的工作，再將上述誤差范圍擴大約一倍，即第一重量值設為4200 g，由于第一重量值與標準稱(chēng)重量值之間的差距留為800 g，誤差對最終的稱(chēng)量結果不會(huì )產(chǎn)生影響。達到第一重量值的稱(chēng)量時(shí)間為4200/（1977.1+1072.5+119.8+54.4）=1.303 S。第二重量值的誤差范圍在±191.95 g/s之間，第二重量值設為4700 g，第二重量值與標準稱(chēng)重量值之間的差距留為300 g，達到第二重量值的稱(chēng)量時(shí)間為（4700-4200）/（1072.5+119.8+54.4）=0.401 S。第三重量值的誤差范圍在±35.85 g/s之間，第三重量值設為4900 g，第三重量值與標準稱(chēng)重量值之間的差距留為100 g，達到第三重量值的稱(chēng)量時(shí)間為（4900-4700）/（119.8+54.4）=1.148 S。4號料口的誤差范圍在±10.05 g/s之間，這便是最后達到的包裝精度。鑒于試驗證明，殘留料柱重量大于落料沖擊力約50 g（系統誤差），所以設定重量值為4950 g，達到設定重量值的稱(chēng)量時(shí)間為（4950-4900）/54.4=0.919 S?？偡Q(chēng)量時(shí)間為3.77 S。這既保證了最終的稱(chēng)量結果有足夠的高精度，同時(shí)，又保證了稱(chēng)量的高速度。

由此可見(jiàn)，較之雙料口下料器，四料口下料器的優(yōu)越性十分明顯。不過(guò)上述實(shí)驗用四料口下料器，在各料口面積大小的分配上，還不甚合理。實(shí)驗證明，與三料口下料器相比，在精度和速度方面優(yōu)越性并不十分明顯。三料口下料器的下料過(guò)程與四料口下料器基本相同，但結構要簡(jiǎn)單許多。因而，試驗結果選擇了三料口下料器。三料口下料器的大下料口（大門(mén)）、中下料口（中門(mén)）、小下料口（小門(mén)）的落料面積分別為110×70㎜、70×20㎜、20×20㎜，落料流量平均值分別為4721.45、827.17、64.21 g/s，實(shí)驗測得落料流量標準差分別為130.46、39.67、2.67 g/s。各料口的誤差范圍分別在±652.3、±198.35、±13.35 g/s之間。以稱(chēng)量5㎏為例，第一重量值設為4300 g，第二重量值設為4890 g，設定重量值為4955 g（消除殘留料柱重量大于落料沖擊力的系統誤差），達到各重量值的時(shí)間分別為0.766 S、0.662 S、1.012 S，總稱(chēng)量時(shí)間為2.44 S。整機試驗證明，稱(chēng)量誤差范圍為±15 g，稱(chēng)量速度可達2.5 S，與試驗設計的理論值基本吻合。也很好地解決了稱(chēng)量的高精度和稱(chēng)量的高速度之間的矛盾。

在料門(mén)形式上，設計試制了擺式弧形料門(mén)、垂直往復式直插料門(mén)、水平往復式直插料門(mén)，進(jìn)行對比試驗?？紤]擺式弧形料門(mén)在氣動(dòng)控制元件的布置與安裝方面，以及結構復雜性方面的問(wèn)題，未予采用。垂直往復式直插料門(mén)，在氣動(dòng)控制元件的布置與安裝方面，較為方便，但較易楔緊物料而卡住。試驗結果選擇了水平往復式直插料門(mén)。

圖1 機械電子式自動(dòng)稱(chēng)量裝置

3 計量機構的試驗研究

國內外散粒料的自動(dòng)計量裝置，可分為容積式和稱(chēng)重式兩大類(lèi)。容積式結構較為簡(jiǎn)單，但計量精度不高，結構也不緊湊，因而不宜用于有一定精度要求或較大計量的物料包裝。稱(chēng)重式一般有機械式、機械電子式、電子式三種。機械式自動(dòng)計量裝置體積大、笨重而精度低，速度慢，現代已很少采用。 第一階段設計和試制的是機械電子式自動(dòng)稱(chēng)量裝置，如圖1所示。機械部分選用市售的10㎏機械臺秤，將秤盤(pán)改為稱(chēng)料斗（帶充料門(mén)），對砝碼掛鉤進(jìn)行了改造，以實(shí)現了砝碼自動(dòng)兩段加載，再加上光電控制器，便可以控制下料器以實(shí)現自動(dòng)稱(chēng)量。