大米氣調(diào)保鮮包裝機稱量機構(gòu)試驗研究

1 前言

大米是我國人民最主要的食糧，根據(jù)近年來的統(tǒng)計，我國人均年消費大米約100公斤左右。隨著市場經(jīng)濟的逐步發(fā)展，商品大米的包裝也從計劃經(jīng)濟時代的100公斤大麻袋出廠、散裝銷售，逐步過渡到10公斤、15公斤的塑料編織袋袋裝銷售。近些年，為適應城鎮(zhèn)人民生活水平的不斷提高，許多廠開發(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)專家普遍認同的、有顯著的防霉、防蟲、延緩陳化的效果的大米氣調(diào)保鮮包裝技術(shù)尚未得到應用。為此，我們開發(fā)了大米氣調(diào)保鮮自動包裝機，對其關鍵部件之一的自動稱量裝置進行了一系列的試驗研究，現(xiàn)簡介如下。

2 下料機構(gòu)的試驗研究

對于散粒物料的稱重，下料機構(gòu)常用的有電磁振動型、皮帶輸送型和自重直流型等結(jié)構(gòu)形式。電磁振動型對各種物料的適應性好，落料重量的隨機性較小，稱量精度易于保證，但結(jié)構(gòu)復雜，體積較大，成本高，且振動和噪音較大。皮帶輸送型對不同物料也有一定的適應性，稱量精度也較高，缺點同樣是結(jié)構(gòu)復雜，體積較大，成本較高，漏料是普遍問題。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，稱量精度的控制將是其關鍵問題；但自重直流型結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，體積較小，成本低。根據(jù)大米自動小包裝機的工作對象和特點，我們以選用自重直流型下料機構(gòu)為宜。因而，為了保證稱量精度的控制，下料裝置的研究將是其關鍵問題之一。

通常的自重式直流型下料裝置，一般都采用雙料口（雙門）下料，即大料口負責主要的下料任務，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)過反復試驗，由于大料口下料時，落料重量及其沖擊力、殘留料柱重量的隨機性大，致使稱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）、四料口（四門）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，下料時各料口同時落料至等于或略大于第一重量值，1號料口關閉；2、3、4號料口同時落料至等于或略大于第二重量值，2號料口也關閉；3、4號料口同時落料至等于或略大于第三重量值，3號料口也關閉；僅剩4號料口落料至設定重量值，4號料口也關閉，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?？梢詮膶嶒灲Y(jié)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，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分之五。落料流量標準差是定時試驗結(jié)果（即控制器從發(fā)出開門指令到發(fā)出關門指令的時間為1秒，在此設定時間內(nèi)的落料試驗結(jié)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(jié)果（即設定標準稱重量，分別由各料口單獨落料的試驗結(jié)果），驗證試驗證明了這一點。

以稱量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重量值之間的差距留為800 g，誤差對最終的稱量結(jié)果不會產(chǎn)生影響。達到第一重量值的稱量時間為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重量值之間的差距留為300 g，達到第二重量值的稱量時間為（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重量值之間的差距留為100 g，達到第三重量值的稱量時間為（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(tǒng)誤差），所以設定重量值為4950 g，達到設定重量值的稱量時間為（4950-4900）/54.4=0.919 S?？偡Q量時間為3.77 S。這既保證了最終的稱量結(jié)果有足夠的高精度，同時，又保證了稱量的高速度。

由此可見，較之雙料口下料器，四料口下料器的優(yōu)越性十分明顯。不過上述實驗用四料口下料器，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程與四料口下料器基本相同，但結(jié)構(gòu)要簡單許多。因而，試驗結(jié)果選擇了三料口下料器。三料口下料器的大下料口（大門）、中下料口（中門）、小下料口（小門）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(tǒng)誤差），達到各重量值的時間分別為0.766 S、0.662 S、1.012 S，總稱量時間為2.44 S。整機試驗證明，稱量誤差范圍為±15 g，稱量速度可達2.5 S，與試驗設計的理論值基本吻合。也很好地解決了稱量的高精度和稱量的高速度之間的矛盾。

在料門形式上，設計試制了擺式弧形料門、垂直往復式直插料門、水平往復式直插料門，進行對比試驗。考慮擺式弧形料門在氣動控制元件的布置與安裝方面，以及結(jié)構(gòu)復雜性方面的問題，未予采用。垂直往復式直插料門，在氣動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(jié)果選擇了水平往復式直插料門。

圖1 機械電子式自動稱量裝置

3 計量機構(gòu)的試驗研究

國內(nèi)外散粒料的自動計量裝置，可分為容積式和稱重式兩大類。容積式結(jié)構(gòu)較為簡單，但計量精度不高，結(jié)構(gòu)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。稱重式一般有機械式、機械電子式、電子式三種。機械式自動計量裝置體積大、笨重而精度低，速度慢，現(xiàn)代已很少采用。 第一階段設計和試制的是機械電子式自動稱量裝置，如圖1所示。機械部分選用市售的10㎏機械臺秤，將秤盤改為稱料斗（帶充料門），對砝碼掛鉤進行了改造，以實現(xiàn)了砝碼自動兩段加載，再加上光電控制器，便可以控制下料器以實現(xiàn)自動稱量。