液體封口機設計開發

李永濤,劉興德,錢 程,刁建超,陳永軍

(1.人民郵電出版社,北京 100161;2.吉林化工學院 機電工程學院,吉林 吉林 132022;3.吉林化工學院 信息與控制工程學院,吉林 吉林 132022)

多數個體生產者和農村生產者在進行液體食品、飲品的生產包裝中使用食品級塑料袋,其灌裝、封口生產操作多數仍然采用人工操作。操作人員的勞動強度大,對生產環境溫度、濕度等有一定要求,操作不當還經常導致手指燙傷。同時,由于人的介入也存在食品、飲品衛生安全隱患[1]。為此,開發全自動液體自動灌裝、封口設備,液體封口機就是該設備的重要組成部分。

1 總體方案

待封口原料袋如圖1所示,材質為聚丙烯, “方框”框選區域為封口區域。

圖1 原料袋圖

依據所開發設備的使用環境——生產車間與生活空間重疊,為避免氣動的噪聲擾民,運動部件的動力源均采用電動驅動方式。如圖2所示,電機驅動雙旋向絲杠螺母副,帶動封口壓板開合,實現封口動作。左右兩個開合板分別安裝耐高溫橡膠和加熱塊,實現壓緊和封口操作。

封口機的控制系統分為溫度控制系統和運動控制系統兩部分,其中溫度控制系統由溫度控制器控制加熱單元(加熱棒)來給右側壓板加熱,再由溫度傳感器檢測溫度是否到達預設值。若溫度到達預設值,則輸出溫度達標信號給步進電機控制器,作為輸出控制信號的必要條件[2];若溫度沒有到達預設值,則反饋給溫度控制器繼續控制加熱棒加熱,直到達到預設值。并且,控制封口壓板溫度在一定范圍,實現封口機工作時在一定范圍內的溫度控制。而運動控制系統是由步進電機控制器、步進電機驅動器和壓力傳感器組成。當步進電機控制器接收到溫度傳感器的溫度達到預設值信號時,且接收到灌裝完成信號時,開始控制步進電機驅動器驅動兩壓板進行閉合運動。當左右壓板接觸時,通過壓力傳感器檢測兩壓板間壓力,壓力到達預設值(≤100 N)時,計時器開始計時,進行封口。計時結束,則表示封口完成。步進電機開始驅動復位,進行下一次封口循環,具體控制系統框圖如圖3所示。

圖3 控制系統框圖

2 結構部分

如圖4所示,結構部分主要由導軌副、雙向絲杠副、步進電機等構成。

圖4 封口機軸測圖

雙向絲杠上的兩個滑塊上分別安裝左右連接板,連接板上分別壓板,左側壓板帶壓力傳感器和耐高溫橡膠條,右側壓板安裝有加熱板和溫度傳感器。步進電機通過聯軸器與雙向絲杠相連,帶動滑塊開合運動,進而帶動左右壓板運動,實現封口動作。結構部分設計參數見表1。

表1 結構設計參數表

3 力學分析

最大工作載荷Fm的計算:工作載荷是影響絲桿導軌副使用壽命的重要因素[3]。本例中的工作滑塊為水平布置,采用單導軌、雙滑塊的支承形式。已知移動部件總重量G=10N,工作臺受橫向載荷Fx=100 N,受縱向載荷Fy=0,受垂直方向載荷忽略不計,即Fz=0。按矩形導軌進行計算,實驗公式見表2。

表2 最大工作載荷Fm實驗計算公式及參考系數表

求得絲桿導軌副的最大工作載荷:

Fm=KFx+μ(Fz+Fy+G)=111.5 N 。

(1)

最大動載荷FQ的計算:絲桿轉速500 r/min,取絲桿的使用壽命T=15 000 h,代入L0=60nT/106,得絲桿壽命系數L0=450(單位為106r)。

取載荷系數fw=1.2,滾道硬度為60HRC時,取硬度系數fH=1.0。

(2)

電機采用57BYGH56型號,絲桿導軌副采用1204型號的組件。其電機速度、轉矩輸出等見表3。絲桿、導軌的具體參數如表4、表5所示[3]。

表3 電機的基本參數

表4 絲桿的具體參數

表5 導軌模組參數

一般旋轉運動機械公式如式(3)[4]所示。

(3)

已知TD=1.2 N/m,nD=500 r/min,帶入公式(3)可得P=0.062 8 kW=62.8 W。

電機軸上靜阻負載轉矩計算公式如式(4)所示。

(4)

已知正常工作時作用力Fmax<100 N,故取F=100 N,vm=0.03 m/s,wD=52.3 rad/s,傳動效率η=90%。代入式(4)得T1=0.063

設計的機加件——連接板和壓板是主要受力零件,需要校核計算,以驗證其應力、應變是否符合受力、形變要求。

如圖5、6所示,在封口機封口時左右兩壓板間壓力≤100 N(計算時取100 N);左右兩連板分別通過4個M5的螺釘連接到螺母滑塊上。采用NX Nastran的有限元高級仿真分析[5],網格采用的是3D四面體網格劃分,受力零件材質為Aluminum_2014(2A12鋁合金)。約束、施加載荷大小與位置分布如圖5、6所示。分別在4個螺紋連接處采用固定約束;右側壓板施加載荷100 N,其中加熱條部分占60%,上下分別占20%;左側壓板載荷施加在耐高溫橡膠條上,大小為100 N[6]。

圖5 右側原件有限元網格劃分、受力及約束結果

圖6 左側原件有限元網格劃分、受力及約束結果

左右兩側極限應力分布結果如圖7、圖8所示,加熱部分原件連接板上的極限應力為8.085 MPa,壓力檢測原件連接板上的極限應力為33.09 MPa,而2A12鋁合金的應力屈服極限為265 MPa[4],故滿足設計需求。

圖7 右側加熱部分原件應力分析圖

圖8 左側壓力檢測部分原件應力分析圖

左右兩側極限應變分布結果如圖9、圖10所示。右側加熱部分原件的極限應變為0.023 mm,左側壓力檢測部分原件的極限應變為0.332 mm。其偏差在可控范圍之內,故其滿足設計要求。

圖9 右側加熱部分原件應變分析圖

圖10 左側壓力檢測部分原件應變分析圖

產品實物樣機和實際封口效果如圖11所示,考慮到成本,機架采用鋁型材,規格40 mm×40 mm×4 mm,大基板采用2A12鋁合金板,厚度為6 mm,控制柜采用PLA經過3D打印成型。灌裝水略高于大氣壓(沒有具體測量壓值),起封口效果良好,封口機樣機與封口效果如圖11所示。

圖11 封口機樣機與封口效果

4 結 論

該封口機采用三維CAD設計技術設計,通過對關鍵部件進行分析計算,保證了薄弱部分的安全可靠。經過制造、采購和裝配調試后進行了封口試驗,并取得了良好的封口效果。該封口機成本相對低,制造成本是市場同類產品售價的1/10,是一款適用于個體經營者和農村生產者的新型液體封口機。