王 冬，付宏才，黃宋魏

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明 650201；2.昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093）

某食品加工企業(yè)腌泡池智能清洗車(chē)設(shè)計(jì)的方案探討

王 冬1，付宏才1，黃宋魏2

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明 650201；2.昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093）

針對(duì)某食品加工企業(yè)上百個(gè)大型腌泡池的經(jīng)常性清洗任務(wù)需求，基于現(xiàn)代機(jī)電控制技術(shù)，提出智能清洗車(chē)的解決方案，重點(diǎn)探討這種清洗車(chē)的型式及結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)與電氣控制部分的設(shè)計(jì)。

智能清洗車(chē)；型式結(jié)構(gòu)；液壓系統(tǒng)；電氣控制；腌泡池

0 引言

某食品企業(yè)是云南地區(qū)一家以傳統(tǒng)腌制食品加工為主的出口型企業(yè)，主打產(chǎn)品包括以云南特產(chǎn)丘北辣椒為原料的腌辣椒等。企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模較大，生產(chǎn)流程整體上處于自動(dòng)化、半自動(dòng)化程度。其中，上百個(gè)腌制食品的腌泡池 （腌泡池的長(zhǎng)×寬×高=6×3×4米）在定期不定期輪換使用時(shí)，需要清理和清洗（清洗面包括四壁和池底），而目前這一工作主要依靠人工來(lái)完成；但在清洗過(guò)程中存在著許多不利因素：池底釋放有毒氣體危害人身安全，清洗人員上、下池子的高邊墻不方便也不衛(wèi)生，清洗需要較多勞動(dòng)力、耗時(shí)長(zhǎng)等。因此，對(duì)該流程做自動(dòng)化改造勢(shì)在必行，本文對(duì)此探討智能清洗車(chē)的解決方案。

1 清洗車(chē)的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 清洗車(chē)的結(jié)構(gòu)組成

清洗車(chē)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中圖1（a）和圖1（b）代表清洗車(chē)的兩種工作狀態(tài)，圖1（c）是清洗車(chē)的底座形狀。該清洗車(chē)主要由行走機(jī)構(gòu)、清洗刷、清洗刷轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、電機(jī)、液壓泵、底座、傳動(dòng)鏈條、安裝支架、螺旋升降裝置[1]、導(dǎo)軌、配重塊，清洗液箱、水箱、控制柜、吊鉤等組成。其中行走機(jī)構(gòu)主要由支架、電機(jī) （液壓馬達(dá)）、傳動(dòng)輪、支撐輪和履帶組成；清洗車(chē)的底座為空心，前后對(duì)稱設(shè)計(jì)成半圓形；在半圓形的圓心處設(shè)有螺旋升降裝置與轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，螺旋升降裝置一側(cè)安裝有與洗刷裝置相連的安裝支架，在安裝支架上裝有電機(jī)，電機(jī)上裝有鏈輪，電機(jī)通過(guò)鏈輪、鏈條來(lái)帶動(dòng)各清洗刷轉(zhuǎn)動(dòng)；在螺旋升降裝置另一側(cè)安裝有配重塊，用來(lái)平衡洗刷裝置的偏移重量，并且在螺旋升降裝置兩側(cè)設(shè)有上升導(dǎo)軌；在底座中央設(shè)有清洗液箱、水箱和電氣控制柜，底座空心處設(shè)有線路和底部清洗刷傳動(dòng)裝置，底部在半圓形的直徑上設(shè)有兩排清洗刷，用來(lái)實(shí)現(xiàn)池底面的清洗，其中控制柜中安裝有控制器、鋰充電電池組及線路。

圖1 清洗車(chē)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure schematic of the flushing vehicle

1.2 清洗車(chē)的移動(dòng)

在行走機(jī)構(gòu)[2]上安裝有兩個(gè)傳動(dòng)輪，傳動(dòng)輪上安裝有履帶，履帶上開(kāi)有防滑凹槽，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)輪帶動(dòng)履帶旋轉(zhuǎn)，履帶與地面摩擦推動(dòng)小車(chē)前進(jìn)。傳動(dòng)輪直接與電機(jī)的輸出軸相連接，在輸出軸上安裝有編碼盤(pán)，當(dāng)清洗車(chē)直線前進(jìn)時(shí)，保證兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速一致；當(dāng)轉(zhuǎn)彎時(shí)，根據(jù)編碼盤(pán)編寫(xiě)的程序，由程序控制轉(zhuǎn)彎大小，實(shí)現(xiàn)清洗車(chē)的非直線移動(dòng)。

1.3 清洗車(chē)的清洗

在每個(gè)腌泡池里 “設(shè)有”一個(gè)初始位置，清洗工作開(kāi)始前，將清洗車(chē)放置到初始位置附近，接通電源，根據(jù)定位傳感器的定位，通過(guò)程序控制使其移動(dòng)到工作位置。當(dāng)清洗車(chē)到達(dá)工作位置時(shí)，一方面，開(kāi)啟液壓泵，具有壓力的清洗液噴射到墻面和地面上；另一方面，電機(jī)帶動(dòng)清洗刷轉(zhuǎn)動(dòng)。在程序設(shè)定的墻壁濕潤(rùn)后，移動(dòng)清洗車(chē)，進(jìn)行墻面清洗工作，遵循先上后下的原則，先清洗墻面高處，小車(chē)前后移動(dòng)，直線清洗，在清洗完洗刷裝置的工作范圍之后，通過(guò)螺旋升降裝置調(diào)整清洗刷的工作高度；根據(jù)洗刷裝置上每?jī)蓚€(gè)清洗刷之間的距離與螺旋升降裝置之間的關(guān)系，每次調(diào)整的工作高度是通過(guò)程序預(yù)先設(shè)定的。假設(shè)已知螺旋升降裝置上螺旋為等距兩線螺紋，螺距為P，洗刷裝置上每?jī)蓚€(gè)清洗刷之間的距離為H，它們之間的關(guān)系為H=2nP，n為螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)。

2 洗刷裝置的結(jié)構(gòu)及工作程序

2.1 洗刷裝置的結(jié)構(gòu)

如圖2所示，洗刷裝置主要由清洗刷安裝板、清洗刷、定位傳感器以及安裝卡槽組成。清洗刷固定于清洗刷安裝板上，清洗刷安裝板的背面安裝有四個(gè)卡槽，用來(lái)安裝與清洗車(chē)相連接的支架，在清洗刷安裝板的頂端安裝有定位傳感器；清洗刷安裝板上共裝有五行清洗刷，每行兩個(gè)，以墻壁高4m為例，設(shè)洗刷裝置安裝板總高為2.5m，洗刷裝置每?jī)蓚€(gè)清洗刷之間的為50cm，在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)墻面的高度在小車(chē)剛性范圍內(nèi)進(jìn)行拓展安裝。

其中，清洗刷主要由毛刷、轉(zhuǎn)盤(pán)、噴頭、出水管路、軸承、軸套、傳動(dòng)鏈輪及管路接頭組成。轉(zhuǎn)盤(pán)上裝有毛刷，轉(zhuǎn)盤(pán)直徑為20cm，毛刷長(zhǎng)15cm，毛刷相對(duì)于轉(zhuǎn)盤(pán)的中心線向外側(cè)傾斜一定角度α（5°～15°），保證清洗時(shí)毛刷與墻面的接觸面積，轉(zhuǎn)盤(pán)通過(guò)軸承、軸套與出水管路相連接，轉(zhuǎn)盤(pán)后端固裝有鏈輪，出水管路固定于清洗刷安裝板上，出水管路前端裝有噴頭，后端裝有水管接頭，噴頭上設(shè)有九個(gè)噴眼，噴頭頂端設(shè)有一個(gè)噴眼，周?chē)O(shè)有八個(gè)噴眼，分兩圈，每圈4個(gè)，周?chē)鷩娧劭障鄬?duì)于轉(zhuǎn)盤(pán)中心線傾斜一定的角度β，β的角度與毛刷的長(zhǎng)度有關(guān)，使得里面的噴眼噴射出的清洗液能夠濕潤(rùn)毛刷，外面的噴眼與頂端的噴眼噴射出的清洗液射到墻面上。毛刷的長(zhǎng)度和每行清洗刷之間距離相關(guān)保證清洗工作時(shí)不會(huì)出現(xiàn)清洗遺漏現(xiàn)象。

圖2 洗刷裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Structure of the flushing unit

2.2 洗刷裝置的工作程序

當(dāng)清洗工作開(kāi)始時(shí)，清洗液經(jīng)過(guò)管路接頭和噴頭形成壓力水流，噴射到墻面和毛刷，濕潤(rùn)墻面與毛刷，通過(guò)時(shí)間差達(dá)到浸泡墻面污漬、降低污漬對(duì)墻面附著力的作用；清洗刷轉(zhuǎn)盤(pán)在與鏈輪相連接的傳動(dòng)裝置的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，與轉(zhuǎn)盤(pán)相連接的毛刷在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下與墻面接觸，毛刷的刷力分離墻面的污漬。定位傳感器用來(lái)檢測(cè)洗刷裝置與墻面的距離，其檢測(cè)結(jié)果用來(lái)調(diào)整清洗刷與墻面的距離，保證墻面清洗的最佳距離和洗刷裝置與墻面的安全距離。安裝卡槽用來(lái)連接支架，支架則與清洗車(chē)升降裝置相連接，實(shí)現(xiàn)洗刷裝置的上下位置調(diào)整。

2.3 液壓系統(tǒng)的工作程序

如圖3所示為清洗裝置的液壓系統(tǒng)原理圖。液壓系統(tǒng)[3～5]主要由液壓泵、過(guò)濾器、清洗液箱、水箱、單電控二位二通電磁閥、雙電控三位四通電磁閥、單向閥、壓力表、液位計(jì)、溢流閥、管路接頭、軟管和壓力傳感器等組成。

清洗工作開(kāi)始時(shí)，控制器啟動(dòng)液壓泵，2#、3#電磁閥同時(shí)通電接通負(fù)壓回路和水箱；電機(jī)帶動(dòng)液壓泵將水箱內(nèi)的清水抽出，經(jīng)過(guò)單向閥，以一定的壓力輸送到7#電磁閥處；7#電磁閥控制清水單獨(dú)流向墻壁或地面清洗刷，8#電磁閥通電可以實(shí)現(xiàn)墻面與地面的同時(shí)清洗；當(dāng)7#電磁閥未通電時(shí)，清水經(jīng)6#電磁閥回到水箱中。當(dāng)接通1#、4#、5#電磁閥時(shí)控制清洗液回路，其工作原理與控制清水回路原理相同。當(dāng)清水（清洗液）通過(guò)7#電磁閥后經(jīng)過(guò)管路接頭、軟管，被分成多條支流連接到洗刷裝置上的清洗刷出水管路上。9#、10#電磁閥是分別與水箱、清洗液箱接通的外部水路，當(dāng)液位低于低限值時(shí)控制系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，并自動(dòng)打開(kāi)9#與10#電磁閥。當(dāng)清洗工作進(jìn)入智能清洗階段，控制器可以采集管路過(guò)濾器兩端的壓差信號(hào)，以及水箱和清洗液箱的液位信號(hào)，設(shè)定清洗的時(shí)間長(zhǎng)度和處理報(bào)警，實(shí)時(shí)地監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)。

3 清洗車(chē)的控制原理

3.1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能清洗車(chē)的系統(tǒng)控制器采用S7－200 PLC，控制程序由STEP7—MicroWIN V4.0編程軟件開(kāi)發(fā)，控制系統(tǒng)遵循模塊化設(shè)計(jì)，將智能清洗車(chē)的控制系統(tǒng)分為三個(gè)模塊：行走控制模塊，液壓控制模塊和洗刷工作控制模塊。模塊化編程是根據(jù)功能分為不同的邏輯塊，其特點(diǎn)是易于分工合作，調(diào)試方便[6]。其中，行走控制模塊控制小車(chē)的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎；液壓控制模塊控制清洗液的傳送與供給，并采集水箱（清洗液箱）的液位及管道壓力等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)水箱（清洗液箱）自動(dòng)供給清水、清洗液并調(diào)節(jié)管路壓力、控制清洗液的噴射力。洗刷工作控制模塊實(shí)現(xiàn)清洗刷的傳動(dòng)和位置的控制。

圖3 清洗車(chē)的液壓系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic of the hydraulic unit

3.2 控制系統(tǒng)原理

當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，系統(tǒng)通電，清洗車(chē)開(kāi)始工作，控制清洗車(chē)到達(dá)初始位置，切換到程序控制的智能模式，根據(jù)程序的設(shè)定，清洗車(chē)執(zhí)行相關(guān)指令，直到清洗任務(wù)完成，清洗車(chē)回到初始位置，退出程序，發(fā)出停機(jī)指令，結(jié)束清洗工作。清洗車(chē)的工作流程如圖4所示。

圖4 智能清洗車(chē)的工作流程圖Fig.4 Work flow of the intelligent flushing vehicle

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)某食品加工企業(yè)腌泡池的實(shí)際情況，提出了智能清洗車(chē)的解決方案，分別對(duì)清洗車(chē)的體型結(jié)構(gòu)、清洗裝置及電氣控制部分的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了探討。該裝置制造成本低、占用空間面積小、移動(dòng)方便，在工藝上易于實(shí)現(xiàn)，可大大減輕清洗工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

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[2]馬強(qiáng)，陳志，張小超.蘋(píng)果采摘機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究[D].中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，2012.

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Discussion on Design of an Intelligent Flushing Vehicle for the Pickled Pools of a Food-processing Enterprise

WANG Dong1，F(xiàn)U Hong-Cai1，HUANG Song-Wei2
（1.Faculty of Mechanical and Electrical Engineering,Yunnan Agriculture University,Kunming Yunnan 650201,China；2.Faculty of Land and Resources Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming Yunnan 650093,China)

Aimed at the regular cleaning assignment need for nearly a hundred of large pickled pools of a food-processing enterprise,this paper presents the solution of intelligent flushing vehicle by modern mechanical and electrical control technology,and mainly discusses on the design of the physical structure,hydraulic system and electrical control of the intelligent flushing vehicle.

intelligent flushing vehicle；physical structure；hydraulic system；electrical control；pickled pool

TH-39

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.020

1002－6673（2014）03－051－03

2014－04－13

王冬（1989-），男，江蘇鹽城人，2012級(jí)農(nóng)業(yè)機(jī)械化碩士研究生；付宏才（1966-），男，湖北隨州人，博士，副教授。研究領(lǐng)域：機(jī)電一體化、決策支持系統(tǒng)等。已發(fā)表論文三十余篇