徐雁东，王鹏峰，徐志玲
(中国计量大学 现代科技学院，浙江 杭州 310018)
摘 要：针对粉状物料包装存在包装体积大，环境污染严重，以及运输效率低等问题，研究开发了一种可以实现对粉状物料进行抽真空处理、定量称重及快速灌装等连续一体化作业的包装机。其核心是采用多功能真空上料仓，利用在灌装前真空化处理粉状物料的技术，彻底解决了粉状物料易飞扬和污染空气的顽疾，同时也确保了粉状物料的快速出料及准确称重。
关键词：粉状物料；真空；上料仓；定量包装
通常粉状物料的包装存在包装体积大，环境污染严重，以及运输效率低[1]等问题。目前，多数生产厂家分别使用定量包装机和真空包装机辅以人工来实现粉状物料的包装。其中，定量包装机可以实现对粉状物料的定量称重和灌装作业，它的核心技术是称重控制系统的高精度实现和高效率加料包装，而真空包装机可以实现对已称重粉状物料的抽真空和封口作业，它的核心技术是如何高效对已称重粉状物料进行抽真空和封口处理；因此，结合两者功能，研发一种粉状物料包装机，使其具备使用成本低、包装速度快、计量精度高和操作使用方便等特点，对国内包装机械行业将具有重大意义。对于粉状物料包装机的设计，其核心技术主要体现在多功能真空上料仓的研究与设计上。
1.1 实现功能及工作原理
在工业生产中， 粉状物料的称量和包装是常见的生产形式，称量和包装装置也是自动化生产系统中最重要和最复杂的设备之一。人们不仅要求减少物料在包装过程中对环境的污染，也追求物料包装的快速化和计量准确。粉状物料是指粒度非常小的颗粒状物料，由于其颗粒度非常小，极易受空气流影响而产生飞扬，污染室内空气和室外大气，所以，针对粉状物料包装存在包装体积大和环境污染严重等问题，在包装环节有必要对现有包装设备进行改进，尽可能地减少粉尘对空气的污染。
本文所设计的粉状物料包装机，采用了多功能的真空上料仓，整机包装速度快，可以将市场上存在的定量包装机和真空包装机2种设备功能完美地结合起来。其最重要的技术突破体现在针对待包装的粉状物料，采用在灌装前真空化处理的技术思路。在真空上料仓中采用抽真空技术，将粉状物料的单位密度加大，使得粉状物料体积缩小，运输效率提高；粉状物料在出料时不易飞扬，污染大大减少；同时确保实现粉状物料的准确称重计量和快速灌装。
1.2 结构设计
粉状物料包装机的结构示意图如图1所示。其由机架、固定在机架上的真空上料仓、称重装置、盛料盘、真空元件、真空管路和驱动电动机及传动部件(传动部件为齿轮以及用于联动所有齿轮的链条)等部分组成。
图1 粉状物料包装机结构示意图
包装机工作时，首先将待包装粉状物料送进真空上料仓，真空上料仓在工作状态下为密闭状；然后起动驱动电动机，驱动真空上料仓工作，在驱动电动机、真空元件、真空管路和真空上料仓的共同作用下，真空上料仓内的空气会被抽出，当粉状物料间隙中的空气被完全排出后，由螺旋输送机构[2-3]将其快速输送至出料口；最后，粉状物料下落至盛料盘上夹放的包装袋中，称重装置定量称重[4]后进行封口包装。该粉状物料包装机设计功率为4 kW，耗气量为0.1 m3/h，气源为0.5～0.7 MPa，最大包装质量为50 kg。
2.1 真空上料仓的功能要求和设计难点
根据粉状物料包装机的功能要求，真空上料仓需要设计实现两部分功能：一是完成粉状物料的抽真空处理；二是将处理完成的粉状物料从出料口快速送入包装袋。所以，真空上料仓的设计也就存在着三大难点：一是如何使真空上料仓内快速持续地达到需要的负压[5]，以实现粉状物料的抽真空；二是在抽真空过程中部分粉状物料势必会结块，影响正常包装；如何将其及时打碎成粉状；三是如何将处理完毕的粉状物料快速均匀地从出料口送出，进行后续的定量称重。
2.2 真空上料仓的结构设计
针对真空上料仓需要完成的两项功能及存在的三大设计难点，在真空上料仓的结构设计中，设计放置了三类装置：1)在中部偏上处设置抽气组件(包括转筒、转轴、刮片及填料密封轴连接装置)；2)在抽气组件的下方设置破拱组件；3)在破拱组件下方(真空上料仓的底部)安装螺旋输送机构，螺旋输送机构带有螺杆，通过螺杆的转动推进物料。
2.2.1 抽气组件
抽气组件包含4根水平设置在料仓内的转轴和套设在转轴外的转筒(见图3)，分为2层，其中，2根在上，向料仓中心处靠近；另外2根在下，向料仓侧壁处靠近。转筒采用陶瓷加工，其上有若干抽气孔[6]。转筒的两端与转轴之间为固定连接，其余部分与转轴之间有2～3 mm的间隙，该间隙与转筒上的抽气孔连通。转轴的一端通过轴承连接在料仓内的侧壁上；另一端贯穿料仓的另一侧壁，延伸出料仓侧壁后通过填料密封轴连接装置与真空管路密封连接，填料密封轴连接装置可随转轴绕真空管路转动。转轴贯穿料仓侧壁的部分及延伸出侧壁外的部分均为中空结构，在料仓内，该中空结构与间隙连通，在料仓外，该中空结构与真空管路连通，这样，料仓内的空气会依次通过转筒上的抽气孔、转筒与转轴之间的间隙、转轴的中空结构、真空管路和真空元件被抽出。为了防止转筒通气孔的堵塞，在料仓内还固定有4根刮片，与转筒的数量和位置相对应。该刮片的两端固定在料仓内的两侧壁上，刮片的一侧边与转筒的外周面之间为接触配合，在转筒随转轴转动的过程中，刮片固定不动，与转筒接触配合，刮去转筒外周面上的残留物。
图3 抽气组件结构示意图
2.2.2 破拱组件
破拱组件为外带若干径向耙齿的转动辊。该转动辊位于抽气组件下方料仓的中心处，为水平布置的3根，且转动辊与转筒相互平行。转动辊的一端与转轴一样，通过轴承连接在料仓内的一侧侧壁上；另一端穿过料仓的另一侧侧壁。
2.2.3 螺旋输送机构
在料仓内底部设置螺旋输送机构，螺旋输送机构的螺杆延伸出料仓外，与延伸出料仓外部分相对的一端为物料出口，物料出口向外延伸凸出机架约20～30 cm。在物料出口的下方设置带盛料盘的称重装置，称重装置的主体固定在机架上，其盛料盘向外伸出位于物料出口的正下方。
2.3 工作原理及工作过程
真空上料仓工作时，粉状物料在料仓内由于重力作用下落，沿其下落方向依次经过抽气组件、破拱组件和螺旋输送机构。驱动电动机的输出轴与破拱组件、抽气组件及螺旋输送机构的螺杆之间通过若干齿轮传动，以保证抽气组件、破拱组件和螺旋输送机构同步运行。抽气组件对料仓内进行抽真空，粉状物料在抽气组件抽真空的过程中会有结块，该结块的块状物料下落至破拱组件，破拱组件将其打碎后下落至螺旋输送机构，螺旋输送机构将其输送至物料出口，然后下落至盛料盘上夹放的包装袋中。螺旋输送机构采用智能变频控制的多速度加料方式，自动对物料进行快、中、慢速加料[7]，以此实现快速灌装。
该粉状物料包装机是机电一体化的高新技术产品，采用了多功能真空上料仓、变频控制多速度加料方式等新技术和新工艺，可以有效地减少空气污染和提高生产效率，特别适用于生产线上的定值自动包装工序。该设计得到了相关行业专家的认可，并已经在生产实践中得到验证，且成功获得实用新型专利证书(专利号：ZL 201220119245.2)。
参考文献
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[7] 王书鹤，王宁.粉状物料计控一体化装置的设计与实现[J].工业计量，2003(2):19-21.
XU Yandong，WANG Pengfeng，XU Zhiling
(College of Modern Science and Technology，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China)
Abstract： Aiming at the problems of packaging volume, serious environmental pollution and low transport efficiency, Introduces a kind of packaging machine which can realize the continuous operation of powdery material, vacuum treatment, quantitative weighing and quick filling. The core adopts multi-function vacuum hopper, the use of vacuum in the processing of powder material before filling the technology, completely solve the powdery material easy to fly, pollution of the air ills, but also to ensure that the powder material rapid discharge and Accurate weighing.
Key words: powdery material，vacuum，hopper，quantitative packaging
中图分类号：TH 122
文献标志码：A
* 浙江省教育厅科技计划资助项目(Y201431889)
作者简介：徐雁东(1970-)，男，研究生，工程师，主要从事计算机应用、机电一体化等方面的研究。
收稿日期：2017-08-03
责任编辑 马彤
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