馬　佳，楊元慧，程陽培，孫輝剛，錢　露（龍巖學(xué)院　機(jī)電工程學(xué)院，福建　龍巖　364000）

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一種適用于工況的尿素拆包裝置設(shè)計(jì)研究

馬佳，楊元慧，程陽培，孫輝剛，錢露
（龍巖學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建龍巖364000）

摘要：本文設(shè)計(jì)了一種尿素拆包裝置，該裝置通過兩個(gè)安裝在尿素存儲(chǔ)倉(cāng)口內(nèi)的可旋轉(zhuǎn)式電鋸?fù)瑫r(shí)相向運(yùn)動(dòng)對(duì)固定于漏斗定位環(huán)內(nèi)的尿素袋兩側(cè)進(jìn)行切割，尿素靠重力作用完成與袋的完全分離.此裝置代替了目前的人工拆包，避免了尿素對(duì)人體的傷害，保障了工人的身體健康，提高了生產(chǎn)效率.

關(guān)鍵詞：尿素；拆包；電鋸；蝸輪蝸桿

0　引言

尿素是以二氧化碳、水、天冬氨酸和氨等合成的物質(zhì)，正常情況下對(duì)人體是沒有害處的，如果分解成為氨氣，就對(duì)人體有刺激性了，能刺激咽喉部后引起咽癢不適，長(zhǎng)期接觸的話可以引起了氨中毒，對(duì)人體是很不利的，傷害中樞神經(jīng)系統(tǒng)，引起驚厥、抽搐、嗜睡和昏迷.所以平時(shí)避免接觸尿素有利于身體健康.很多環(huán)保企業(yè)要以尿素為還原劑進(jìn)行脫硝，需采用大量的袋裝尿素，每天均需由人工進(jìn)行拆包后倒入提升裝置，由于尿素具有刺激性，長(zhǎng)期接觸對(duì)人體有很大的危害，因此設(shè)計(jì)一種尿素自動(dòng)拆包裝置代替手工拆包勢(shì)在必行.因尿素在密封的編織袋中對(duì)人體的危害要比直接在空氣中小的多，因此選擇先將尿素運(yùn)至儲(chǔ)倉(cāng)附近再進(jìn)行拆包，這樣可以遠(yuǎn)離工人，降低尿素的刺激性，有利于企業(yè)職業(yè)病的防護(hù).目前市面上還未看到類似針對(duì)尿素帶的拆包裝置.

1　設(shè)計(jì)思路

尿素拆包的主要目的是實(shí)現(xiàn)尿素與編織袋的分離，由于企業(yè)不再二次利用編制袋，考慮采用鋸切法對(duì)尿素編織袋進(jìn)行切割.尿素帶的運(yùn)輸可以采用皮帶傳送或者起吊設(shè)備.本文采用起吊設(shè)備將袋裝尿素轉(zhuǎn)運(yùn)至尿素顆粒入口附近定位，然后進(jìn)行尿素袋底部?jī)蓚?cè)切割，切開后，尿素顆?？孔灾刈杂上侣渲羶?chǔ)倉(cāng)，完成與尿素袋的分離.環(huán)保企業(yè)使用的尿素編織袋主要材料構(gòu)成為聚丙烯袋、聚乙烯袋，經(jīng)過經(jīng)緯編織.常規(guī)50KG尿素編制袋規(guī)格為80cm*55cm.

圖1　尿素儲(chǔ)倉(cāng)示意圖

圖2　拆包支架結(jié)構(gòu)示意圖

2　拆包機(jī)設(shè)計(jì)

2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)

尿素拆包機(jī)主要由拆包支架、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)以及鏈傳動(dòng)電鋸組成，具體設(shè)計(jì)如下：

2.1.1支架

拆包支架成漏斗形，如圖2所示，主要起支撐旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、對(duì)尿素袋定位及引導(dǎo)尿素進(jìn)入尿素存儲(chǔ)倉(cāng)的作用.支架固定于尿素存儲(chǔ)倉(cāng)入口處.根據(jù)尿素帶的規(guī)格，設(shè)計(jì)拆包支架的上部直徑1000mm左右，高度為300mm左右，支架中央設(shè)計(jì)留有成尿素袋截面形狀的開口，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)尿素袋的固定作用.將設(shè)計(jì)好的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)對(duì)稱安裝于其內(nèi)部橢圓形截面的長(zhǎng)邊邊緣，完全隱藏在漏斗內(nèi)部，確保安全的同時(shí)還可以兼顧防塵防水，提高拆包機(jī)構(gòu)的使用壽命.

2.1.2旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)

尿素拆包機(jī)的拆包動(dòng)作主要是依靠固定于支架上的一組旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)帶動(dòng)電鋸實(shí)現(xiàn)切割動(dòng)作.工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作是通過一組蝸輪蝸桿傳動(dòng)實(shí)現(xiàn).設(shè)計(jì)蝸輪技術(shù)參數(shù)為：模數(shù)2，齒數(shù)25，分度圓直徑50mm，齒頂圓直徑56mm，齒厚20mm，孔徑12mm，導(dǎo)程角5o，齒形角20o；蝸桿技術(shù)參數(shù)為：模數(shù)2，頭數(shù)1，分度圓直徑26mm，齒頂圓直徑32mm，長(zhǎng)度60mm，軸徑20mm，總長(zhǎng)340mm，導(dǎo)程角5o，齒形角20o.蝸輪蝸桿的傳動(dòng)比1:25，中心距76mm,傳動(dòng)效率0.7.如圖3所示，將蝸輪蝸桿裝在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的上下面板中間，并固定在旋轉(zhuǎn)器之上.旋轉(zhuǎn)器的底部與漏斗支架固定.旋轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作依靠蝸輪蝸桿傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)，蝸桿由軸承座支撐.

圖3　尿素拆包結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.3電鋸

電鋸固定在旋轉(zhuǎn)臺(tái)的上面，電鋸主要由鏈板、主動(dòng)鏈輪、從動(dòng)鏈輪、鏈條組裝而成.鏈條由特殊鏈結(jié)拼接而成，單面帶有三角形刀具，如圖4所示.鏈條高速運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)刀具高速拆包，在保證安全可靠的前提下實(shí)現(xiàn)主動(dòng)拆包動(dòng)作.

圖4　電鋸刀具

2.2控制程序設(shè)計(jì)

2.2.1步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)步數(shù)的確定

尿素拆包的核心部件——旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)是通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的.要實(shí)現(xiàn)一組電鋸?fù)蚝拖嘞蜻\(yùn)動(dòng)，以確保電鋸得到足夠的動(dòng)力前進(jìn)拆包和后退回位，需控制工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度以避免兩把電鋸相碰.根據(jù)設(shè)計(jì)位置限定工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度為35°至40°范圍.

步進(jìn)電機(jī)采用57步進(jìn)電機(jī)，步距角1.8o，步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)計(jì)算公式為：

其中θ為旋轉(zhuǎn)角度，i為蝸輪蝸桿的傳動(dòng)比.

經(jīng)計(jì)算角度在35°至40°范圍內(nèi)的步進(jìn)電機(jī)步數(shù)為487步至556步.

為保證刀具相向運(yùn)行時(shí)不會(huì)碰刀，且切割至一定深度，選取36°的偏轉(zhuǎn)角，即步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)步數(shù)為500步.

2.2.2控制流程設(shè)計(jì)

尿素拆包機(jī)主要是通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿帶動(dòng)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)，直流電機(jī)帶動(dòng)電鋸鏈條傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)切割，工作臺(tái)的動(dòng)作與電鋸動(dòng)作同步，具體控制流程如圖4所示：電機(jī)控制主要由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)臺(tái)正轉(zhuǎn)36°后快速回到初始位置，初始位置裝有霍爾傳感器檢測(cè)裝置，當(dāng)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)回到初始位置后霍爾傳感器發(fā)送信號(hào)到單片機(jī)，從而控制步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，準(zhǔn)備下一次工作循環(huán).在步進(jìn)電機(jī)開始工作時(shí)，單片機(jī)同時(shí)控制直流電機(jī)開始工作，當(dāng)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)單次循環(huán)結(jié)束時(shí)直流電機(jī)也停止運(yùn)轉(zhuǎn)，準(zhǔn)備進(jìn)行下次工作循環(huán).

圖5　控制流程圖

3　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)室搭建尿素拆包實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示，選取57步進(jìn)電機(jī)，工作電壓12V，工作電流2.5A，輸出功率30W，輸出扭矩1.2N·M，步距角1.8°；直流電機(jī)，工作電壓12V，工作電流0.2A，輸出功率2.4W，轉(zhuǎn)速300r/min，扭矩0.04N·M.

經(jīng)多次調(diào)試驗(yàn)證，該尿素拆包裝置每分鐘可以順利完成1次拆包動(dòng)作，如增大工作電源及電機(jī)輸出功率還可以進(jìn)一步提高拆包效率.根據(jù)環(huán)保公司實(shí)際做出尿素自動(dòng)拆包出料裝置，采用現(xiàn)有的起吊設(shè)備將重50kg尿素編制袋用雙吊鉤電動(dòng)葫蘆及平移跑車從地面轉(zhuǎn)運(yùn)至尿素倉(cāng)的入口漏斗，在拆包裝置內(nèi)進(jìn)行拆包動(dòng)作實(shí)際生產(chǎn)中拆包效率比人工拆包效率提高90%以上，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的.

圖6　試驗(yàn)示意圖

4　結(jié)論

本文通過兩組步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)蝸輪蝸桿傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)了電鋸對(duì)尿素帶的主動(dòng)切割動(dòng)作.該尿素拆包機(jī)在工業(yè)條件下能達(dá)到每分鐘進(jìn)行4次拆包，拆包效率高，代替了手工拆包，且避免了尿素對(duì)人體的損害，由于尿素袋沒有完全割斷，尿素會(huì)有一點(diǎn)殘留，還需進(jìn)一步改善.

旋轉(zhuǎn)式雙電鋸尿素自動(dòng)拆包裝置擁有以下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：

（1）高效該裝置采用雙吊鉤豎直水平同時(shí)運(yùn)動(dòng)起吊裝置及高效旋轉(zhuǎn)雙電鋸拆包裝置，最小化單次工作時(shí)間，最大化生產(chǎn)效率；

（2）安全該裝置采用機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，操作簡(jiǎn)單，可靠性高，使工人遠(yuǎn)離尿素顆粒，避免有害氣體對(duì)工作人員的傷害.

（3）超低殘余該裝置中的雙吊鉤電動(dòng)葫蘆采用吊鉤分別控制技術(shù)以及電鋸傾斜布置方式，合理控制拆包點(diǎn)及拆包角度并且通過吊鉤分控技術(shù)實(shí)現(xiàn)尿素包的傾斜卸料，達(dá)到超低殘余，減少浪費(fèi)，降低企業(yè)成本；

（4）空袋超便捷回收該裝置中的吊鉤起吊裝置可以做到尿素包的提升、拆包、回收不離鉤，最大程度減少了空袋回收的難度并且不影響生產(chǎn)效率，不僅便捷同時(shí)為高效生產(chǎn)提供了保障.

本設(shè)計(jì)最大程度保證了工人的健康并且最大程度降低了該工作對(duì)工人技能的要求，降低入職門檻，同時(shí)在兼顧節(jié)能環(huán)保中降低企業(yè)成本.在保證達(dá)到設(shè)計(jì)要求的同時(shí)最簡(jiǎn)化機(jī)械零件的加工生產(chǎn)難度，大量采用標(biāo)準(zhǔn)件，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單組合，降低設(shè)備投入，并且巧妙應(yīng)用市場(chǎng)中其他行業(yè)的零件，具有廣闊的市場(chǎng)前景.

參考文獻(xiàn):

〔1〕濮良貴，陳國(guó)定，吳立言.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2013.5.

〔2〕孫桓，陳作模.機(jī)械原理[M].北京：高等教育出版社，2006.5.

〔3〕王伯平.互換性與測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.12.

〔4〕李益民，劉小春.電機(jī)與電氣控制技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2012.3.

〔5〕魏立峰，王寶興.單片機(jī)原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2006.8.

〔6〕秦曾煌.電工學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2009.6.

基金項(xiàng)目：福建省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（S201511312046）

收稿日期：2015-12-2

中圖分類號(hào)：TH122

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-260X（2016）04-0033-03