李瑞虎， 袁越錦

(陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

0 引言

在煉制出黃油成品后，用體積泵將黃油泵入黃油桶內(nèi)，其重量控制是通過(guò)控制泵入黃油的體積來(lái)實(shí)現(xiàn)的.但黃油的粘度大、流動(dòng)性差，在黃油煉制生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡不易逸出，導(dǎo)致黃油灌裝質(zhì)量偏小且不穩(wěn)定，達(dá)不到技術(shù)要求.

某企業(yè)采用人工憑經(jīng)驗(yàn)給灌裝后的油桶補(bǔ)油，補(bǔ)油量不容易控制，誤差較大，生產(chǎn)效率低.受企業(yè)委托，研究黃油灌裝方法，設(shè)計(jì)灌裝系統(tǒng).其要求如下：

灌裝溫度85℃，黃油桶質(zhì)量為5kg，黃油桶為圓筒形，圓桶直徑Φ200mm ；生產(chǎn)能力20000桶/日.灌裝質(zhì)量差值小于2.5%；本設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力24000桶/日，灌裝質(zhì)量差值小于2.0%.

黃油的物性參數(shù)[1]：常溫下黏度5×104cp，溫度85℃時(shí)，黃油密度ρ=850Kg/m3.

流水生產(chǎn)三班制，平均每班工作7.5h.

1 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題及解決方案

為實(shí)現(xiàn)成組同步運(yùn)行，成組同步初灌裝、分別計(jì)量、分別補(bǔ)償?shù)裙δ?要解決的關(guān)鍵技術(shù)：①設(shè)計(jì)黃油灌裝、計(jì)量、補(bǔ)償方法；②設(shè)計(jì)黃油桶成組承載托盤(pán)；③選擇合適的輸送機(jī)；④桶裝線的銜接.

1.1 承載托盤(pán)結(jié)構(gòu)

單桶黃油質(zhì)量較小，采用一次同時(shí)灌裝3桶的成組灌裝方法，以大幅度的提高效率.托盤(pán)由1個(gè)大托盤(pán)和3個(gè)小托盤(pán)組成，如圖1所示，小托盤(pán)松裝在大托盤(pán)的孔中，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)成組同步，對(duì)黃油桶計(jì)量時(shí)能分別舉起成組中各個(gè)黃油桶，小托盤(pán)中心下凹處放置黃油桶.托盤(pán)材料是工程塑料.

1.大托盤(pán) 2.小托盤(pán)圖1 托盤(pán)示意圖

1.大托盤(pán) 2.小托盤(pán) 3.輸送機(jī)輥?zhàn)?4.小支架 5.平臺(tái) 6.油缸 7.行程開(kāi)關(guān) 8.重力傳感器圖2 計(jì)量、補(bǔ)償結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 計(jì)量、補(bǔ)償方法

黃油桶裝分為3步完成：第一步初灌裝，第二步稱(chēng)重計(jì)量，第三步補(bǔ)償灌裝. 其中第二步、第三步是實(shí)現(xiàn)精確罐裝的關(guān)鍵和難點(diǎn)，為了便于PLC控制，稱(chēng)重計(jì)量與補(bǔ)油灌裝兩工序合并為一個(gè)工序.計(jì)量、補(bǔ)償結(jié)構(gòu)如圖2所示，工作時(shí)，油缸攜帶小支架穿過(guò)輸送機(jī)輥?zhàn)娱g的空隙分別舉起成組中各個(gè)黃油桶，實(shí)現(xiàn)稱(chēng)重計(jì)量、補(bǔ)償灌裝，整個(gè)過(guò)程由PLC控制，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：當(dāng)托盤(pán)攜帶初裝的黃油桶達(dá)到計(jì)量、補(bǔ)償區(qū)，觸發(fā)PLC控制油缸攜帶平臺(tái)以及小支架上升，小支架分別頂起各小托盤(pán)及相應(yīng)的黃油桶，大托盤(pán)仍停留在輸送機(jī)上；當(dāng)平臺(tái)上安裝的行程開(kāi)關(guān)運(yùn)行到機(jī)架上相應(yīng)位置時(shí)，黃油桶到達(dá)高點(diǎn)，此時(shí)PLC被觸發(fā)讀入各個(gè)重力變送器的讀數(shù)，讀入動(dòng)作完成后輸入通道閉合；即確保黃油桶上升過(guò)程、補(bǔ)償灌裝過(guò)程不能對(duì)初裝原始質(zhì)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響.

PLC控制器將每一個(gè)黃油桶對(duì)應(yīng)的原始讀入質(zhì)量與設(shè)定值5kg比較，當(dāng)某些黃油桶灌裝質(zhì)量不符時(shí)，PLC控制器計(jì)算出相應(yīng)的補(bǔ)償灌裝時(shí)間，并觸發(fā)補(bǔ)償灌裝.

等待所有需要補(bǔ)灌裝的黃油桶補(bǔ)償罐裝完成，此時(shí)PLC控制油缸復(fù)位；各個(gè)黃油桶隨小托盤(pán)同步下降到停留在原位的大托盤(pán)上.

在本設(shè)計(jì)中，舉起機(jī)構(gòu)、推動(dòng)機(jī)構(gòu)及攔截機(jī)構(gòu)都采用液壓缸推動(dòng)，確保平穩(wěn)運(yùn)行.

1.3 桶裝線的銜接方法

1.3.1平臺(tái)銜接

該桶裝線采用兩條平行的輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)，由于所用的承載大托盤(pán)的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于寬度(如圖1所示)，托盤(pán)在兩條平行的輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)間的銜接輸送必須采用其它機(jī)構(gòu)完成.

1.輥?zhàn)?2.鏈輪 3.輸送機(jī)機(jī)架圖3 輸送機(jī)橫剖面結(jié)構(gòu)

圖3是輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)的橫剖面結(jié)構(gòu),圖4是輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)與大平臺(tái)連接結(jié)構(gòu)，在第一條輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)的末端，輸送機(jī)的左側(cè)機(jī)架側(cè)板進(jìn)行了特殊處理，其高度降低到與輸送機(jī)輥?zhàn)痈叨纫恢?，輸送機(jī)的右側(cè)，設(shè)置了油缸推動(dòng)機(jī)構(gòu).

1.大平臺(tái) 2.輥?zhàn)虞斔蜋C(jī) 3.托盤(pán) 4.液壓推動(dòng)機(jī)構(gòu)圖4 輸送機(jī)與平臺(tái)連接結(jié)構(gòu)

當(dāng)托盤(pán)運(yùn)行到輸送機(jī)末端，油缸推動(dòng)機(jī)構(gòu)把托盤(pán)等平穩(wěn)推動(dòng)到大平臺(tái)上，然后在大平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)壓蓋工序.

1.3.2滾珠絲杠機(jī)構(gòu)

滾珠絲杠機(jī)構(gòu)如圖5所示，當(dāng)托盤(pán)在大平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)壓蓋后并到達(dá)設(shè)定的時(shí)間后，PLC控制滾珠絲杠機(jī)構(gòu)帶動(dòng)推桿推動(dòng)大托盤(pán)到另一條輸送機(jī)上，實(shí)現(xiàn)兩輸送機(jī)間的銜接.

1.輸送機(jī) 2.絲杠機(jī)構(gòu) 3.大平臺(tái) 4.大托盤(pán) 5.推桿圖5 絲桿機(jī)構(gòu)示意圖

1.4 生產(chǎn)線的節(jié)拍設(shè)計(jì)[2]

計(jì)劃期內(nèi)有效工作時(shí)間為：T=3×7.5×60×0.95×60=76950s.

設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力8000組/日

式中：T-有效工作時(shí)間；Q-計(jì)劃生產(chǎn)組次數(shù)；取計(jì)劃節(jié)拍為9.5.

對(duì)整個(gè)黃油灌裝過(guò)程采用固定節(jié)拍，便于自動(dòng)化，有利于PLC控制.

2 桶灌裝流程設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)思路

灌裝過(guò)程主要包括以下內(nèi)容：黃油桶的初次灌裝、稱(chēng)重計(jì)量、補(bǔ)油灌裝、壓蓋、移出堆碼和放置空桶.

生產(chǎn)工序依次為初次灌裝→稱(chēng)重計(jì)量→補(bǔ)油灌裝→壓蓋→移出堆碼→放置空桶.設(shè)備儀器主要有初次灌裝泵、稱(chēng)重計(jì)量設(shè)備、補(bǔ)油灌裝泵、特制托盤(pán)、輸送機(jī)、輔助設(shè)備控制部分等.

2.2 工藝流程

灌裝線流程如圖6所示，該系統(tǒng)的整個(gè)工作過(guò)程用PLC控制系統(tǒng)控制，各個(gè)工作區(qū)及控制位置都設(shè)有位置傳感器.在初灌裝區(qū)、稱(chēng)重計(jì)量補(bǔ)油區(qū)、移出桶區(qū)及放空桶區(qū)都設(shè)有液壓攔截機(jī)構(gòu)，以順利實(shí)現(xiàn)各功能.液壓攔截機(jī)構(gòu)如圖7所示.

灌裝過(guò)程是：成組黃油桶隨托盤(pán)運(yùn)行到初灌裝區(qū)并接觸到液壓攔截機(jī)構(gòu)，停止運(yùn)行；微動(dòng)開(kāi)關(guān)觸發(fā)PLC控制成組初裝泵分別按設(shè)定值給對(duì)應(yīng)的黃油桶灌裝；灌裝結(jié)束，液壓攔截機(jī)構(gòu)降落放行；當(dāng)托盤(pán)等運(yùn)行出設(shè)定的初灌裝區(qū)，液壓攔截機(jī)構(gòu)上升，準(zhǔn)備攔截后續(xù)目標(biāo)；托盤(pán)攜帶黃油桶運(yùn)行到補(bǔ)灌裝區(qū)并接觸到液壓攔截機(jī)構(gòu)， PLC一方面控制油缸頂起各黃油桶實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償灌裝，具體過(guò)程已在1.2敘述，另一方面觸發(fā)PLC對(duì)液壓攔截機(jī)構(gòu)攔截計(jì)時(shí)，當(dāng)液壓攔截機(jī)構(gòu)攔截計(jì)時(shí)到達(dá)設(shè)定值時(shí)，攔截下降，托盤(pán)等被放行，實(shí)現(xiàn)固定節(jié)拍；同樣當(dāng)托盤(pán)運(yùn)行出設(shè)定的補(bǔ)灌裝區(qū)時(shí)，同理液壓攔截機(jī)構(gòu)上升，準(zhǔn)備攔截后續(xù)目標(biāo).

1.第一輸送機(jī) 2.灌裝區(qū) 3.第二輸送機(jī) 4.空桶放置區(qū) 5.計(jì)量補(bǔ)償灌裝區(qū) 6.移出堆碼區(qū) 7.絲杠推動(dòng)機(jī)構(gòu) 8.大平臺(tái) 9.壓蓋區(qū) 10.油缸推動(dòng)機(jī)構(gòu)圖6 灌裝線流程簡(jiǎn)圖

1.輸送機(jī)輥?zhàn)?2.攔截機(jī)構(gòu) 3.微動(dòng)開(kāi)關(guān)圖7 液壓攔截機(jī)構(gòu)

當(dāng)托盤(pán)等運(yùn)行到第一輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)末尾端，油缸推動(dòng)機(jī)構(gòu)把托盤(pán)等整體推到大平臺(tái)(如圖4所示)上，實(shí)現(xiàn)壓蓋及輸送機(jī)間的銜接.

當(dāng)托盤(pán)運(yùn)行到第二輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)上后，按工序進(jìn)行移出堆碼，然后放置空桶于托盤(pán)上，其工作過(guò)程前述相似故不再贅述.

當(dāng)托盤(pán)等運(yùn)行到第二輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)末尾端，油缸推動(dòng)機(jī)構(gòu)把托盤(pán)等整體推到第一輸送機(jī)上，托盤(pán)承載著空的黃油桶隨著第一輸送機(jī)向初灌裝區(qū)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)循環(huán)灌裝.

整個(gè)生產(chǎn)線工作過(guò)程采用西門(mén)子S7-200系列小型可編程控制器[3].

本控制系統(tǒng)具有手動(dòng)、自動(dòng)和回原點(diǎn)3種工作方式，配合西門(mén)子TD200文本顯示器，本系統(tǒng)的操作具有很大的靈活性和方便性.

3 輸送機(jī)選型

3.1 驅(qū)動(dòng)式輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)

本設(shè)計(jì)采用驅(qū)動(dòng)式輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)，它與其它形式輸送機(jī)相比，有貨物運(yùn)行可靠；利用輥?zhàn)娱g的間隙便于布置灌裝過(guò)程中攔截和檢測(cè)裝置等許多優(yōu)點(diǎn)[4].

輸送機(jī)采用單鏈傳動(dòng)，輥?zhàn)咏Y(jié)構(gòu)采用圓柱形動(dòng)力式輥?zhàn)?，輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)呈主動(dòng)狀態(tài)，可以嚴(yán)格控制物品運(yùn)行狀態(tài)，按規(guī)定的速度精確、平穩(wěn)、可靠地輸送物品，便于實(shí)現(xiàn)輸送過(guò)程的自動(dòng)控制.

輥?zhàn)又С胁捎枚ㄝS式，因?yàn)槎ㄝS式輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)輥?zhàn)永@定軸旋轉(zhuǎn)，輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)部分自重輕，運(yùn)行阻力小，輥?zhàn)优c機(jī)架整體組裝性好，是通用的輥?zhàn)又С行问?輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)結(jié)構(gòu)形式(如圖3所示).

輥?zhàn)硬牧线x用不銹鋼，其外表美觀，用于耐酸、堿等腐蝕性強(qiáng)的場(chǎng)合，可承受輕、中、重各類(lèi)載荷，適用于石油化工等行業(yè).

3.2 輥?zhàn)佑?jì)算選型[5]

3.2.1輥?zhàn)佑?jì)算

3.2.1.1輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)輥?zhàn)娱L(zhǎng)度計(jì)算

圓柱形輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)直線段的輥?zhàn)娱L(zhǎng)度lz一般可按下式計(jì)算：

lz=B+ΔBmm (1)

式中：B—物件寬度 mm，即大托盤(pán)的寬度；取B=300mm，ΔB—寬度裕量 mm，ΔB=50～150mm，取ΔB=80mm, 計(jì)算得：lz=B+ΔB=300mm﹢80mm=380mm，取lz=400mm,lh=400mm，取lh=400mm.即本設(shè)計(jì)中輥?zhàn)娱L(zhǎng)度為400mm.

3.2.1.2輥?zhàn)娱g距

輥?zhàn)娱g距P應(yīng)保證一個(gè)物件始終支承在3個(gè)以上的輥?zhàn)由?

一般情況下，可按下式選?。?/p>

(2)

式中：L—物件長(zhǎng)度 mm，即大托盤(pán)的長(zhǎng)度；取L=900mm；

3.2.1.3輥?zhàn)又睆?/p>

輥?zhàn)又睆紻與輥?zhàn)映休d能力有關(guān)， 作用在單個(gè)輥?zhàn)由系妮d荷

F≤[F] (3)

式中:[F]—單個(gè)輥?zhàn)由系脑试S載荷，N；

作用在單個(gè)輥?zhàn)由系妮d荷F，與物件質(zhì)量、支承物件的輥?zhàn)訑?shù)以及物件底部特性有關(guān)，可按下式計(jì)算：

(4)

∴ 單個(gè)輥?zhàn)拥脑试S載荷

在選擇輸送機(jī)時(shí)，單個(gè)輥?zhàn)拥脑试S載荷必須滿足公式(3).

3.2.2輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)選型

輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)選用GZT4型定軸動(dòng)力式圓柱形長(zhǎng)輥輸送機(jī)(單鏈傳動(dòng))，其參數(shù)如表1所示；

表1 GZT5型定軸機(jī)動(dòng)式圓柱形長(zhǎng)輥輸送機(jī)參數(shù)/mm

注：行星擺線針輪減速器型號(hào)及功率：WD09-23-0.37.

輥?zhàn)訌?qiáng)度校核：F=35.6N<[F]=1 700N，滿足要求.

4 泵的選用[6]

優(yōu)選用齒輪泵.齒輪泵的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用技術(shù)成熟，維修比較方便，價(jià)格相對(duì)低廉，適用于粘度大的介質(zhì)等.它是目前應(yīng)用最廣泛的一種定量泵.

初灌裝泵選YCB4.0-0.6型齒輪泵，流量4.0 m3/h；補(bǔ)灌裝泵選YCB1.0-0.6型齒輪泵，流量1.0 m3/h.

對(duì)泵的灌裝過(guò)程設(shè)置了一個(gè)兩位兩通的電磁換向閥，當(dāng)加油時(shí)，PLC控制電磁閥打到加油檔，黃油流入油桶；當(dāng)加油完成時(shí)，PLC控制電磁閥打到泄油檔，黃油直接回流油箱.這樣就可以保證油泵一直正常運(yùn)轉(zhuǎn)，避免頻繁啟動(dòng).

稱(chēng)重計(jì)量[7]采用“S”梁式傳感器稱(chēng)重計(jì)量，量程0.5～30 kg，靈敏度為0.2%.

5 結(jié)束語(yǔ)

采用成組灌裝方法，整個(gè)工作過(guò)程用PLC控制的自動(dòng)灌裝線，既能實(shí)現(xiàn)黃油灌裝質(zhì)量的精確，又能提高生產(chǎn)效率，達(dá)到相關(guān)企業(yè)的基本要求.

采用了特制的托盤(pán)，既能實(shí)現(xiàn)成組黃油桶隨托盤(pán)同步運(yùn)行、同步初灌裝，又能實(shí)現(xiàn)成組黃油桶中各個(gè)黃油桶的分別同步稱(chēng)重計(jì)量、分別補(bǔ)灌裝，解決了成組的關(guān)鍵技術(shù).

采用兩個(gè)液壓推動(dòng)機(jī)構(gòu)和一個(gè)絲杠輸送機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)兩輸送機(jī)之間的銜接和循環(huán)灌裝過(guò)程.

該灌裝方法已在西安某輕工設(shè)計(jì)院新型包裝機(jī)上采用.

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