姜昊天，史晨曦，王 澳

（1.東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.沈陽航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院，遼寧 沈陽 110135）

包裝機(jī)是把產(chǎn)品包裝起來的一類機(jī)器，可以起到保護(hù)、美觀的作用。包裝機(jī)的出現(xiàn)給人們的生活帶來了很大方便，但是在包裝系統(tǒng)[1-2]運(yùn)行的過程中，由于包裝材料或空氣中攜有大量粉塵，若包裝食品，會對食品安全造成威脅，且大量粉塵的吸入也會對相關(guān)工作人員身體健康產(chǎn)生負(fù)面影響。為了使包裝環(huán)境變得更好，設(shè)計一種除塵裝置來降低包裝系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的粉塵是十分必要的。

1 除塵裝置的設(shè)計與工作原理

除塵裝置主要由傳輸部分、過濾裝置和鼓風(fēng)機(jī)組成[3]。為了便于除塵工作的進(jìn)行，應(yīng)將除塵裝置安裝在包裝機(jī)軌道主體的兩側(cè)，即傳動軌道與包裝機(jī)軌道主體的連接處，見圖1，由圖1 可知吸塵口與更換門的所在位置就是除塵裝置的安裝處。

圖1 枕式包裝機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 傳輸部分及鼓風(fēng)機(jī)的設(shè)計與說明

傳輸部分結(jié)構(gòu)見第75 頁圖2-a，吸塵口設(shè)置在包裝機(jī)軌道主體的內(nèi)表面上，位于傳動軌道上方10 cm 左右的位置，鼓風(fēng)機(jī)由外接電源提供動力，當(dāng)包裝機(jī)啟動時，鼓風(fēng)機(jī)也隨之啟動。鼓風(fēng)機(jī)的工作原理如下：由于風(fēng)機(jī)工作時里面的風(fēng)機(jī)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，使風(fēng)機(jī)殼里的空氣產(chǎn)生離心力而被甩離風(fēng)機(jī)葉輪，經(jīng)過出風(fēng)口被“壓送”出風(fēng)機(jī)；由于風(fēng)機(jī)葉輪周圍的空氣被甩出而產(chǎn)生“負(fù)壓”，所以“新空氣”便從吸塵口處被源源不斷地補(bǔ)充進(jìn)來。在鼓風(fēng)機(jī)的作用下，除塵裝置內(nèi)外形成壓強(qiáng)差，軌道上帶有粉塵的氣體便會由吸塵口進(jìn)入傳輸部分，并在鼓風(fēng)機(jī)的吸引下向中心處的過濾系統(tǒng)運(yùn)動。

1.2 過濾系統(tǒng)的設(shè)計與說明

過濾系統(tǒng)的主體是凈化筒，見第75 頁圖2-a和圖2-b，凈化筒內(nèi)設(shè)置有多層浮塵過濾網(wǎng)[4]，并且過濾網(wǎng)由上至下孔徑依次減小，此外，過濾系統(tǒng)部分的傳輸管采用豎直放置的設(shè)計方案，這樣氣體中的雜物在該階段可以借助自身的重力下落，降低了鼓風(fēng)機(jī)功率的損耗。凈化筒外安裝有更換門，當(dāng)吸塵裝置工作一段時間后，工作人員可打開更換門對裝置內(nèi)部的除塵過濾網(wǎng)進(jìn)行更換，定期更換清潔可以降低因雜物累積而造成除塵效果不佳的可能性。

圖2 除塵裝置示意圖

2 EDEM 仿真試驗及結(jié)果分析

由于處理后的氣體將由排氣口排出，若帶粉塵的氣體在過濾裝置處過濾效果不好的話，顆粒、浮塵依然會再次回到空氣中，對裝件衛(wèi)生與工作人員的健康造成威脅。利用多用途離散元素法建模軟件EDEM 對過濾裝置的工作過程進(jìn)行離散元仿真[5]，選擇最佳過濾網(wǎng)層數(shù)與孔徑來達(dá)到最好的除塵效果。

1） 粉塵的參數(shù)設(shè)置。粉塵是指懸浮在空氣中的固體微粒，如總懸浮顆粒物、飄塵、降塵等。本次仿真中假設(shè)粉塵成分為飄塵、降塵與總懸浮粒。查閱資料可得飄塵的粒徑小于10 μm，降塵的粒徑大于10 μm，總懸浮顆粒粒徑小于100 μm。

利用球面堆積法建立粉塵模型，設(shè)定飄塵粒徑為6 μm，降塵懸浮粒徑為25 μm，總懸浮微粒粒徑為80 μm，顆粒類型為正態(tài)分布。選取無滑動接觸的Hertz-Mindin（無滑移，no slip） 模型，作為顆粒與顆粒之間、顆粒與幾何體之間的接觸模型。

2） 模型的參數(shù)設(shè)置。為確定最優(yōu)除塵效果的工作參數(shù)，選擇對除塵影響較大的除塵過濾網(wǎng)層數(shù)n、最大過濾網(wǎng)孔徑R、最小過濾網(wǎng)孔徑r 為試驗因素，查閱相關(guān)資料可知除塵過濾網(wǎng)的層數(shù)最好大于等于3，層數(shù)設(shè)置時還要考慮到經(jīng)濟(jì)效益問題，且為了保證各層過濾網(wǎng)都能有效過濾掉相應(yīng)大小的粉塵，而不致大部分粉塵都堆積在最小孔徑的過濾網(wǎng)處，因此按照各粉塵粒徑正態(tài)分布的規(guī)律設(shè)置最大孔徑，中間層孔徑按等差依次減小直至最小孔徑。

在仿真過程中設(shè)置固定時間步長為瑞利（Rayleigh） 時間步長的18%，仿真時長為5 s，數(shù)據(jù)保存時間為每0.05 s 迭代保存一次。網(wǎng)格尺寸設(shè)置為最小顆粒半徑的2.5 倍。

3） 設(shè)計回歸試驗。試驗因素取浮塵過濾網(wǎng)層數(shù)為4 層、5 層、6 層，最大過濾網(wǎng)孔徑為70 μm，80μm，90μm，最小過濾網(wǎng)孔徑為5μm，6μm，7μm。設(shè)置漏塵率、最小孔徑層處粉塵占總數(shù)的百分比為響應(yīng)指標(biāo)。依照組合設(shè)計理論進(jìn)行試驗設(shè)計，試驗因素編碼見表1。

表1 試驗因素編碼

4） 試驗結(jié)果。試驗設(shè)計方案和結(jié)果見表2。

5） 結(jié)果分析。由表2 的試驗結(jié)果分析各因素對漏塵率的影響：最小過濾網(wǎng)孔徑處于0 水平時，隨過濾網(wǎng)層數(shù)的增加，漏塵率先顯著下降再有略微的提高，最大過濾網(wǎng)孔徑的變化對漏塵率基本無影響；最大過濾網(wǎng)孔徑處于0 水平時，當(dāng)最小過濾網(wǎng)孔徑減小時，會減弱因過濾網(wǎng)層數(shù)增大而引起的除塵率的變化；過濾網(wǎng)層數(shù)處于0 水平時，漏塵率隨最小過濾網(wǎng)孔徑的減小而降低，最大過濾網(wǎng)孔徑的變化對漏塵率基本無影響，且對最小過濾網(wǎng)孔徑的作用效果也無明顯影響。

表2 試驗設(shè)計方案及結(jié)果

由表2 的試驗結(jié)果分析各因素對最小孔徑層處粉塵占總數(shù)百分比的影響：最小過濾網(wǎng)孔徑處于0水平時，隨過濾網(wǎng)層數(shù)的增加及最大過濾網(wǎng)孔徑的減小，最小孔徑層處粉塵占總數(shù)百分比逐漸減?。蛔畲筮^濾網(wǎng)孔徑處于0 水平時，當(dāng)最小過濾網(wǎng)孔徑增大時，會減弱因過濾網(wǎng)層數(shù)減小而引起的最小孔徑層處粉塵占總數(shù)百分比的升高；過濾網(wǎng)層數(shù)處于0 水平時，當(dāng)最小過濾網(wǎng)孔徑增大時，同樣也會減弱因最大過濾網(wǎng)孔徑增大而引起的最小孔徑層處粉塵占總數(shù)百分比的升高。

6） 參數(shù)優(yōu)化。以漏塵率最小、最小孔徑層處粉塵占總數(shù)百分比的平均水平為目標(biāo)函數(shù)，利用軟件Design Expert 10.0.1 進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)參數(shù)組合為：浮塵過濾網(wǎng)層數(shù)為5.46 層、最大過濾網(wǎng)孔徑為77.06 μm、最小過濾網(wǎng)孔徑為5.56 μm，此模型所預(yù)測的漏塵率為5.56%，最小孔徑層處粉塵占總數(shù)的百分比為47.51%。由經(jīng)驗可得，過濾網(wǎng)層數(shù)越多，最小過濾網(wǎng)孔徑越小，則其漏塵率越低。但網(wǎng)層數(shù)越多，成本越高，且網(wǎng)孔直徑越小，其制造難度越大，價格也越高。所以，考慮到經(jīng)濟(jì)效益及實際工作環(huán)境等情況，取浮塵過濾層數(shù)為5 層、最大過濾網(wǎng)孔徑位77 μm、最小過濾孔孔徑為6 μm，此模型的漏塵率為6.17%，最小孔徑層處粉塵占總數(shù)的百分比為48.49%，可達(dá)到預(yù)期效果。

3 結(jié)束語

1） 本文主要針對枕式包裝機(jī)的除塵裝置進(jìn)行了研究，相比于原有的除塵裝置，該除塵裝置在過濾階段采用了垂直方向設(shè)置凈化筒的方法，使顆粒物和浮塵在自身重力與鼓風(fēng)機(jī)的雙重作用下向濾網(wǎng)處運(yùn)動，且主要驅(qū)動力為重力，極大地降低了功率損耗，另外可以通過更換門，對裝置內(nèi)部的除塵過濾網(wǎng)進(jìn)行更換，降低因雜物累積而造成的除塵效果不佳的可能性。

2） 設(shè)計了三因素二水平回歸正交組合試驗，并使用軟件EDEM 進(jìn)行離散元仿真，試驗結(jié)果表明：僅過濾網(wǎng)層數(shù)增加時，漏塵率減小，最小孔徑層處粉塵占總數(shù)的百分比減?。粌H最大過濾網(wǎng)孔徑增加時，漏塵率無明顯影響，最小孔徑層處粉塵占總數(shù)的百分比增大；僅最小過濾網(wǎng)孔徑增加時，漏塵率增大，最小孔徑層處粉塵占總數(shù)的百分比減小。

3） 根據(jù)仿真試驗中除塵裝置各類尺寸參數(shù)組合的試驗結(jié)果，利用軟件Design Expert 10.0.1 得出最優(yōu)參數(shù)組合：過濾網(wǎng)層數(shù)為5 層，最大過濾網(wǎng)孔徑為77 μm，最小孔徑為6 μm，模型的漏塵率為6.17%，最小孔徑層處粉塵占總數(shù)的百分比為48.49%。

4） 由于該裝置未采用靜電、潤濕等可能損壞裝件的方法，因此可適用于絕大多數(shù)物品的包裝過程，對其他種類的包裝機(jī)除塵裝置的設(shè)計具有一定的參考價值。