槟榔自动包装机电磁供料装置结构设计及动态特性分析

付 岚，段好运

(1.新乡职业技术学院 新乡 453000；2.商丘技师学院 商丘 476000)

0 引言

榔是生活中常见的零食，尤其对于湖南省，槟榔在食品行业产值巨大，据湖南省槟榔协会相关资料显示，2009年槟榔总产值约50亿元[1]，到2018年产值迅速增长到200亿元。而目前槟榔包装主要采用人工包装形式，会带来效率低下、食品卫生等问题[2]。美国对于食品自动化包装研究较早，具有自己独立的包装流程体系[3,4]德国包装机械生产和出口量较大，生产总量占据了欧洲70%，77%对外出口包括中国[5]。我国包装行业相对起步较晚，虽然通过引进国外技术已具备自动化包装能力，不过同发达国家比还有较大差距，核心技术被国外垄断，高端设备仍然依赖进口[6,7]。主要存在产品成套数量少、产品设备精度较低、低水平重复建设等问题[8～10]

槟榔自动化包装系统主要由供料系统、带式输送系统、计数及装袋系统构成，电磁供料装置位于前端，依靠振动进行送料，其结构设计的好坏决定送料的效率，因此本文对电磁供料装置的结构设计和动态特性展开相关研究。

1 槟榔自动包装及电磁给料装置原理

槟榔在包装时需要定量装袋，因此槟榔给料器要满足送料时可保证每两颗相邻槟榔之间留有一定的距离以保证槟榔间断性的进入包装袋，从而计数模块可以正常工作。常规的阶梯状带式给料装置，虽然运输速度快，但不能保证各相邻槟榔之间的安全计数距离，电磁式振动给料器通过振动方式进行给料，合理设计经实验证明可以保证相邻槟榔间安全计数距离[11],如图1所示，为整个槟榔自动包装系统的各个工序段。电磁给料装置负责供料，此时落入传送带的槟榔间具备安全计数距离，每当一颗槟榔进入装袋装置，计数器开始计数，最终按照设定的槟榔数量完成装袋。

图1 槟榔自动包装原理

电磁给料装置如图2所示，主要由给料盘、电磁铁、板弹簧、基座、减振支架构成，其料到螺旋式布置在给料盘内。在给电磁线圈输入经过半波整流后的电流时，会产生对应的电磁力吸引料斗底部的铁芯，从而使料盘和板弹簧下移，因为位于料盘下方的板弹簧是倾斜安装的，因此板弹簧下降在存储大量势能的同时还会产生一定倾斜方向的扭转；当电流消失后，电磁力迅速消失，板弹簧释放势能迫使料盘反方向运动，在迅变周期电流的激励下，料盘会以每分钟3000次（50Hz）进行往复的高频微幅振动，使料斗内的物料沿着料道移动，从而完成槟榔的出料[12]。

图2 电磁给料装置示意图

2 电磁给料装置设计考量参数

料盘用于承载槟榔，大多数形状呈锥形，角度约等于170°。整个装置需考虑的重要参数有料道螺旋升角α、料盘直径D、料盘高度H，板弹簧倾斜角度β。

料道螺旋升角一般需满足式(1)：

式(1)中：μ—料道摩擦系数，取0.16；θ—振动角，取65°；

从式(1)可看出α的取值与料道摩擦系数和振动角有关系，过大的α值会导致槟榔在料道中行驶缓慢，影响送料效率，过小的α值会导致槟榔一起飞出，不满足计数安全距离，α一般取1°到3°间。

料盘直径D和高度H一般需满足式(2)和式(3)：

式(2)和式(3)中：L—物料直径，取0.08m。

料盘的直径与所需供给的物料直径有关系，料盘高度一般为直径的一半，同时也与螺旋料道升距有关，一般不超过4倍的螺旋料道升距。

板弹簧倾斜角β一般需满足式(4)：

式(4)中：R'—底座上板弹簧固定半径，取0.08m；

板弹簧倾斜角一般指的是处于静平衡状态时弹簧与垂直方向的夹角，与α，θ，D值有关。

以上为关键尺寸的设计思路，参数如表1所示。

表1 参数表

本文主要进行电磁给料装置的模态分析，考量到过多的零件特征会占用ANSYS资源空间，简化不影响动态特性因素，最终采用Proe建立的3D模型如图4所示。

图4 电磁给料装置简化3D模型

3 电磁给料装置模态分析

模态分析是基于有限元仿真对线性结构件动态特性的研究。常用来对新设计结构件动态特性进行优化和预估，在机构件故障分析方面起着重要作用[13,14]。电磁给料装置作为重要的槟榔供料系统，对其动态特性研究尤为重要。

将Proe绘制的电磁给料装置3D模型导入ANSYS Workbench中，采用ANSYS默认网格划分方式，网格size设置5mm，如图4所示。

图5 有限元模型图

设定料盘激振力频率为50Hz，减震弹簧下方为固定约束，材料属性定义如表2所示。

表2 材料属性定义表

采用模态求解器对建立起的电磁给料装置有限元模型进行求解[15]，结构件的振动特性主要由低阶模态下固有频率体现，因此本文只计算前5阶固有频率。如图6至图10所示，数据统计如表2所示。

图6 电磁给料装置1阶振型

图7 电磁给料装置2阶振型

图8 电磁给料装置3阶振型

图9 电磁给料装置4阶振型

图10 电磁给料装置5阶振型

表3 固有频率值统计表

从表2中数据可以发现，电磁给料装置固有频率2阶与3阶相近，4阶与5阶相近，但整体上1阶至5阶呈逐渐上升趋势，其中1阶固有频率最低为55.12Hz，与激振频率（50Hz）接近，此时频率比为0.9，系统处于亚共振状态，使得电磁给料器可以利用共振特性更高效、更稳定的进行工作。

4 谐响应分析

谐响应分析是对于结构在已知频率条件下的稳态响应，确保在不同的频率段下，结构件依然可以正常工作，不受载荷破坏。

从整个电磁振动给料装置的机构分析，板弹簧为承受应力最大的部件，容易产生破坏，因此在板弹簧中间部位选择一个分析节点A，记录其应力在不同频率段下的变化情况，在第3节中得到了系统固有频率为55.12Hz，因此在Workbench中设置激振力变化频率为[46Hz，65Hz]区间，提取该节点A在X,Y,Z方向的应力变化曲线，如图11为X方向应力值。

图11 A节点X方向应力值

为方便比较，将X，Y，Z方向应力值采用Excel拟合成一幅曲线如图12所示。

图12 A节点X/Y/Z方向应力曲线

从图12可以看出，三个方向的应力均随着频率的增加呈现先上升后下降的趋势为凸字形；其中在一阶固有频率55.12Hz处出现最大值，偏离该频率值时，应力急速降低说明此时板弹簧振幅也跟着同步降低；Y方向在各频率段的应力值最大，是因为与板弹簧所受激振力主振幅方向一致。其中最大值为17.6Mpa远小于板弹簧材质65Mn的屈服强度。因此整个设计合理，振动给料装置结构不会被破坏。

5 结语

槟榔作为生活中常见的零食，对其自动化包装的研究日益增多，而电磁供料装置作为自动包装系统的核心环节，对其结构设计和动态特性分析尤为重要。本文首先分析了槟榔供料过程中需要满足的特殊条件选用了电磁式振动给料器，给出了设计电磁供料装置结构时需主要考量的因素，同时建立起3D模型导入ANSYS Workbench软件进行模态分析，得到了前5阶固有频率，整体呈现递增趋势，其中1阶固有频率最低为55.12Hz与激振频率接近，因此可利用共振特性更高效的工作，通过谐响应分析得到板弹簧在X、Y、Z方向的应力曲线，其中Y方向应力有最大值为17.6Mpa远小于65Mn的屈服强度。证明了电磁给料装置结构设计的合理性和模型建立的准确性，为同类型结构的设计提供一定的理论参考。