三邊封基質自動包裝機的設計與試驗

2024-01-11 07:55:14候明星黨革榮吳正哲楊有剛王俊一鄧海濤

農機化研究 2024年2期

候明星,黨革榮,吳正哲,楊有剛,王俊一,鄧海濤

(西北農林科技大學機械與電子工程學院,陜西楊凌 712100)

0 引言

我國地大物博,有著豐富的農林資源,但在耕種收獲的同時每年也會產生大量的農林廢棄物,如玉米高粱種植后產生的秸稈、牛羊等產生的糞便以及香菇等種植后產生的菇渣等[1]。我國每年平均產生約9億t農林廢棄物,如果沒有妥善的處理會造成環境的污染。因此,如果能將農林廢棄物進行再利用,不僅可以減少環境污染,而且可以產生附加的經濟價值。20世紀90年代,針對我國設施園藝較低的發展水平,以低成本和資源節約為目標,中國農業科學院蔬菜花卉研究所成功研發出有機生態型無土栽培模式,推動了我國以秸稈、菇渣、中藥渣、畜禽糞肥、稻殼、玉米芯、沼渣、爐灰渣等農林廢棄物為主要原料的基質栽培的研究和應用,成為我國現階段主要的無土栽培模式[2-4]。

基質栽培是無土栽培的主要形式,約占無土栽培總面積的90%以上,被廣泛應用于觀光農業、普通農業種植和育苗中[5]。荷蘭、美國、日本、英國等國家利用現代化無土栽培技術常年生產無公害蔬菜,產量比傳統的土壤栽培高出10倍以上。目前,現代化無土栽培技術在現代化農業發展中前景十分廣闊[6],所應用的基質栽培袋可分為枕式基質栽培袋和開口筒式基質栽培袋。其中,發達國家基本采用大型流水線工廠化生產枕式基質栽培袋,我國大多數個體用戶采用的是購買成品進口的基質袋或者購買空袋后人工裝填基質的方法,少數生產規模較大的用戶使用類似顆粒裝袋的機械,實現裝料和封口工作。這類機械設備大都需要人力完成其中一項或多項,長期工作在這種環境下將嚴重影響人的身體健康,且自動化程度低、成本較高,嚴重制約了無土栽培產業的進一步發展[7-8]。為此,項目組將面向基質栽培個體用戶及小中型企業,研制一種成本低、工作過程自動化的枕式基質栽培袋生產設備。

研制的枕式基質栽培袋生產設備適應我國大多數基質種類的裝填,能夠有效地將基質封裝成袋。利用這些農林廢棄物發展基質袋培,可變廢為寶,產生巨大的經濟價值,降低基質栽培成本,對推動我國基質栽培技術的快速發展具有重要的意義。

1 整機結構及工作原理

1.1 整機結構設計

三邊封基質自動包裝機主要由攪拌裝置、定料裝置、壓縮裝置、熱封裝置、換膜裝置、機架及傳動系統和控制系統組成,如圖1所示。

1.定料裝置 2.攪拌裝置 3.機架 4.傳動系統 5.換膜裝置 6.熱封裝置 7.壓縮裝置圖1 三邊封基質自動包裝機的機體樣圖Fig.1 The airframe diagram of the three-side sealing matrix automatic packaging machine

攪拌裝置包括料倉與攪拌器;定料裝置安裝在攪拌裝置下方,通過兩組滑軌組件支撐,可在導軌上移動;熱封裝置下方的擋料板通過角鐵與滑軌組件的滑塊連接,與定料盒機架為一體,保持同步移動;壓縮裝置安裝在料倉右側,壓板安裝高度位于料倉下料口所在平面上方、熱封裝置與其固定機架安裝在壓縮裝置正下方;熱封模具可繞模具中軸做扣合運動,換膜裝置固定在熱封裝置上,依靠熱封裝置運動來提供動力。

1.2 工作原理

三邊封基質自動包裝機包裝過程主要包括定料裝置對基質進行定量、夾持裝置展開薄膜、壓縮裝置壓縮基質到固定體積、熱封模具進行熱封成型以及輸出基質袋。

工作時,將基質物料添加入料倉內,經攪拌裝置充分攪拌疏松后,定料裝置運動到料倉下方,定料盒合頁底板封閉,形成一個上方開口的長方體。由于自重,定料盒內填充滿物料,在傳動系統的作用下向熱封裝置運動,使定料盒與料倉做剪切運動,將料倉的物料與定料盒內部的物料分開。定料盒運動至熱封模具正上方時,定料盒合頁底板打開,物料下落到熱封裝置鋪設有薄膜的模具內;預設的薄膜是通過上模具上的彈簧夾固定的,壓縮裝置的壓板通過定料盒內部向下提供壓力壓縮物料,待壓縮裝置退回,定料裝置退回到不影響封裝的位置,此時熱封下模具下的擋料板還未完全退回,仍在熱封裝置下部,防止物料提前下落;熱封模具進行熱封并夾持住薄膜,熱封結束后定料裝置繼續回退到料倉下方初始位置,此時定料裝置下方的擋料板完全退出熱封下模具下方,成型基質袋因自重下落至傾斜的滑板上,從下方取出;在薄膜封口的同時,熱封裝置的上模具邊緣的彈簧夾結合下模具邊緣的頂膜齒,已重新夾住塑料薄膜,在熱封上模具翻轉打開時拉動薄膜,完成薄膜的鋪設,為下一次封裝作業做好準備。

2 機械部位設計

2.1 定料裝置

定料裝置的主要功能是針對不同的產品規格從料倉內分離出相應體積的物料,并將物料輸送至熱封裝置的模具內,用于裝填及熱封包裝形成基質袋,輔助功能是控制熱封下模具下方的擋料板來輸出成型基質袋。定料裝置由定料盒、支架、滑軌組件、合頁組件、擋料板及滾子軸承組成,如圖2所示。

1.支架 2.滑軌組件 3.合頁組件 4.定料盒 5.擋料板 6.滾動軸承圖2 定料裝置Fig.2Feeding device

機架擋料板背面固定有鏈條,通過鏈輪轉動提供動力,滑軌組件與機架相連接,定料盒通過螺栓固定在機架上。合頁組件通過3個合頁固定在定料盒上,合頁軸上連接有長軸,長軸與合頁底板固定,可控制合頁底板開合釋放物料;在料倉下時,長軸被機架上的軸承支撐為水平,合頁底板閉合,精準定料;在熱封下模具正上方時,長軸下方沒有支撐變為豎直狀態,合頁底板打開,釋放物料。機架下方的底板通過角鐵與滑軌組件與機架連接為一體,與角鐵連接處為左右與上下2個自由度,底板支架上兩側各安裝有兩個滾子軸承,位置在重心兩側。該裝置生產不同規格的基質袋產品可直接更換定料盒來實現不同物料體積的定量。

應用SolidWorks2019軟件分別對定料盒體空載與滿載情況下進行三維實體建模,編輯材料為普通碳鋼,密度為7800kg/m3,通過質量屬性功能得到重心坐標。將導軌滑塊組件固定在重心兩邊支撐整體部件,對滑塊位置進行力學平衡分析,選擇適合的位置使定料裝置在運動中保持平衡。

2.2 壓縮裝置

壓縮裝置的主要功能為壓縮物料,使定料后固定體積的物料增加密度、縮小體積并成型為塊狀,減少物料的飛灑,為后續熱封工序提供先前條件。其主要由電機、升降機構、壓板及機架組成,如圖3所示。

升降機構通過法蘭與壓板連接,電機為0.75kW三相異步電動機,能夠提供的最大壓力約為5000N,通過矩形鋼安裝在下熱封模具正上方,參數如表1所示。壓板經特殊設計,為無底的等腰梯形殼體,如圖4所示。其四周安裝30mm寬、10mm厚的硅膠條用于密封,上方有直徑5mm的孔用于安裝壓力傳感器及排掉壓縮過程中的氣壓。壓縮后的物料裸露部分應平整,且形狀與壓板一致,在熱封槽上應無散落物料。

圖4 壓板Fig.4 Platen

2.3 熱封及換膜裝置

熱封裝置的主要功能是:當壓縮裝置工作完成返回后,將下模具內的物料通過薄膜受熱粘結的原理包裝起來,輸出成型好的基質袋落至斜板上以便收集。其主要由上模具、無底下模具、球頭翻轉桿件、熱封槽、熱封絲、隔熱橡膠和耐高溫膠帶組成。熱封槽安裝分解如圖5所示。

1.熱封絲 2.耐高溫絕緣膠帶 3.硅橡膠 4.橡膠槽圖5 熱封槽安裝分解Fig.5 Installation and decomposition of heat sealing tank

耐熱硬硅膠鑲嵌入橡膠槽內,橡膠槽橫截面長20mm、高10mm,橡膠上面由耐高溫膠帶固定,直徑為0.9mm鎳鉻電熱絲鋪設在膠帶上,電熱絲上面鋪設耐高溫膠帶絕緣,防止熱封時塑料薄膜黏連。

換膜裝置通過絲桿安裝在熱封裝置上,主要功能為夾持住薄膜鋪設到上下模具上,在壓縮物料時控制薄膜。其主要由彈簧、彈簧支架、壓膜桿件、撐膜桿件及角塊組成,如圖6所示。

1.插銷固定板 2.角塊 3.撐膜桿件 4.無底下模具 5.熱封槽 6.機架 7.球頭翻轉桿件 8.上模具 9.壓膜桿件圖6 熱封及換膜裝置Fig.6 Heat sealing and film changing device

壓膜桿件與撐膜桿件上的齒是由直徑4mm的鍍鋅低碳鋼絲折成無底梯形焊接的,利用上底與熱封模具壁夾持薄膜。角塊一邊為三角形斜面。熱封上模具在翻轉扣壓熱封時,為壓膜桿件提供動力;當壓膜桿件碰到角塊斜面時,彈簧被壓縮,壓膜桿突出,撐膜桿從下方將薄膜送入,壓膜桿繼續向下運動越過角塊的斜面,在彈簧作用下迅速下壓,夾持住薄膜。

3 控制系統

包裝機控制系統是其能否實現自動化的關鍵。包裝機在完成一個完整工作過程中會執行多種復雜動作,要求控制系統具有高可靠性。

在整個工作循環中,控制系統要實現定料、壓縮、封口及換膜等工作,主要由PLC控制器、PLC溫度擴展模塊、電機、電磁離合器、繼電器、電源、傳感器、開關、指示燈及保護電路組成。其基本工作原理是:通過PLC控制兩臺電機的正反運轉為不同工序提供動力輸入,通過溫度控制模塊實現對電熱絲的間歇加熱,實現封口作業。

PLC作為其控制核心,不同型號PLC的性能、價格以及系統編譯等方面也不相同。為了降低包裝機械設計的成本,簡化生產線控制系統的復雜性,合理選用PLC顯得尤為重要。本次設計采用信捷公司生產的XD3系列PLC下的XD3-16R-E,結合包裝機控制需求,該型號PLC滿足其所有控制要求,價格合理且可靠性較高。PLC程序設計如圖7所示,端口分配如表2、表3所示,硬件接線機如圖8所示。