尹 強(qiáng) 楊 創(chuàng) 彭 輝 張國全 - 黎想發(fā) -

(1. 武漢輕工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430048；2. 武漢市黎氏面業(yè)機(jī)械設(shè)備有限公司，湖北 武漢 430051) (1. College of Mechanical Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan, Hubei 430048, China; 2. Wuhan Leas' Noodle Industry Machine Equipment Co., Ltd., Wuhan, Hubei 430051, China)

堿面條松散裝置方案設(shè)計(jì)及仿真分析

尹 強(qiáng)1YINQiang1楊 創(chuàng)1YANGChuang1彭 輝1PENGHui1張國全1ZHANGGuo-quan1黎想發(fā)2LIXiang-fa2

(1. 武漢輕工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430048；2. 武漢市黎氏面業(yè)機(jī)械設(shè)備有限公司，湖北 武漢 430051) (1.CollegeofMechanicalEngineering,WuhanPolytechnicUniversity,Wuhan,Hubei430048,China; 2.WuhanLeas'NoodleIndustryMachineEquipmentCo.,Ltd.,Wuhan,Hubei430051,China)

設(shè)計(jì)了一種適用于堿面條自動化生產(chǎn)的堿面條松散裝置，對其總體方案進(jìn)行了研究，并對其內(nèi)壁帶有多個攪拌桿的滾筒、滾輪及支架、傳動帶等進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。利用Adams軟件對堿面條松散裝置進(jìn)行建模，通過運(yùn)動學(xué)仿真從滾筒轉(zhuǎn)速和角加速度2個方面驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性；通過動力學(xué)仿真測試了傳動帶的接觸力及滾輪接觸力，為堿面條松散裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)及構(gòu)建堿面條的自動化生產(chǎn)線提供了參考依據(jù)。

堿面條松散裝置；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；運(yùn)動學(xué)仿真；動力學(xué)仿真

堿面條作為一種既可作主食又能快速制作成其他各種美食的食品，因經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、味道可口、方便快捷、營養(yǎng)豐富而廣受消費(fèi)者的青睞。堿面條屬于濕面，是最常見的面食之一[1-4]。中國堿面條生產(chǎn)工業(yè)尚屬新興的產(chǎn)業(yè)范圍[5-8], 主要是小作坊式的生產(chǎn)，衛(wèi)生條件惡劣、面條質(zhì)量不過關(guān)、工藝流程不合理、生產(chǎn)效率低、成本居高不下等問題相當(dāng)突出。目前，對堿面條生產(chǎn)工藝及設(shè)備的相關(guān)研究雖取得了一些成果[9-16]，但缺乏系統(tǒng)的研究、生產(chǎn)設(shè)備未定型、面條質(zhì)量缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這些問題都在很大程度上限制了中國堿面條工業(yè)的發(fā)展[17]。要實(shí)現(xiàn)堿面條大規(guī)模的自動化生產(chǎn)，必須針對堿面條特定的生產(chǎn)工藝流程，研制出適合堿面條的自動化生產(chǎn)線與特定生產(chǎn)裝置。

本研究主要針對堿面條自動化生產(chǎn)中的堿面條松散裝置進(jìn)行詳細(xì)的功能分析，確定堿面條松散裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具體實(shí)施方案。在此基礎(chǔ)上，利用Adams對模型進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和力學(xué)仿真分析，根據(jù)模擬仿真的結(jié)果，分析修改設(shè)計(jì)參數(shù)對模型所產(chǎn)生的影響，從而對模型的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。擬為探究堿面條自動化生產(chǎn)的關(guān)鍵工藝和構(gòu)建自動化生產(chǎn)線提供技術(shù)支持，促進(jìn)堿面條規(guī)?；a(chǎn)業(yè)發(fā)展和擴(kuò)大經(jīng)濟(jì)效益。

1 堿面條松散裝置設(shè)計(jì)

堿面條松散裝置主要功能是將生產(chǎn)好的堿面條進(jìn)行打亂分離，防止堿面條黏連。堿面條的松散處理是面條生產(chǎn)線的最后一道工序。本研究采用內(nèi)壁帶有多個攪拌桿的滾筒結(jié)構(gòu)來對堿面條進(jìn)行松散處理。

設(shè)計(jì)思路為：薄壁滾筒內(nèi)壁均布著許多具有一定傾斜角度的攪拌桿，滾筒通過皮帶與電機(jī)連接，電機(jī)帶動滾桶進(jìn)行滾動。堿面條松散裝置總體布局見圖1。具體工作程序：當(dāng)堿面條從傳送裝置上進(jìn)入滾筒后，滾筒在電機(jī)的帶動下進(jìn)行滾動，由于攪拌桿具有一定的傾斜度，不僅可使堿面條旋轉(zhuǎn)前行，還可使堿面條松散不黏連。

1.1 滾筒

松散裝置采用薄壁圓筒形狀的滾筒，其內(nèi)部安裝攪拌桿。

1. 滾筒 2. 滾輪支架 3. 限位支架 4. 機(jī)架 5. 電機(jī) 6. 傳動帶

圖1 堿面條松散裝置總體布局圖

Figure 1 Overall layout of alkaline noodle loosening device

由于滾筒和攪拌桿需要與堿面條進(jìn)行接觸。因此在選擇滾筒材料時要保證其具有足夠的耐磨性、耐腐蝕性、不易生銹、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，故選用不銹鋼材料。

根據(jù)傳送的堿面條的寬度及生產(chǎn)效率確定滾筒的直徑為800 mm，滾筒壁厚為6 mm；攪拌桿直徑為5 mm，長度為200 mm，按一定的傾斜角度均勻地排列焊接在滾筒內(nèi)壁上，這樣既保證了堿面條能夠被分離開，又保證了堿面條能夠在滾筒內(nèi)部向前傳輸，見圖2。

1. 攪拌桿 2. 限位支架 3. 滾輪 4. 傳動帶圖2 滾筒Figure 2 Roller

1.2 滾輪及支架

由于滾筒是通過滾輪連接傾斜放置在支架上的，為防止?jié)L筒沿水平方向左右滑落，設(shè)計(jì)了滾輪限位支架進(jìn)行保護(hù)。滾輪限位支架是一個有一定厚度的空心圓環(huán)，其內(nèi)圓直徑與滾筒直徑相同，2個輪子護(hù)欄之間的距離由滾輪的大小來決定。工作時，滾輪的圓柱面是用來支撐滾筒的，當(dāng)滾筒在皮帶的帶動下進(jìn)行滾動時，滾輪可以提供一個很好的支撐作用。滾輪的厚度設(shè)計(jì)為40 mm，直徑為150 mm，滾輪通過螺栓與支架進(jìn)行連接。

為減少滾輪與限位支架的摩擦力，在滾輪的側(cè)表面安裝了萬向軸球，其結(jié)構(gòu)見圖3。考慮到有多個滾輪對滾筒進(jìn)行支撐，多個滾輪的表面不可能都與限位支架同時接觸，故每個萬向軸球通過彈簧一起裝配在滾輪上，這樣可使萬向軸球有一定的伸縮量，保障每個滾輪與限位支架充分接觸。

1.3 電機(jī)及傳動帶

根據(jù)實(shí)際工作情況，滾筒工作時的轉(zhuǎn)速為120 r/min，所需要的轉(zhuǎn)矩約為1 200 N·m，因此計(jì)算出工作時所需功率為3.77 kW， 選取電機(jī)的額定功率為4 kW，轉(zhuǎn)速為960 r/min，最大轉(zhuǎn)矩為2.0 N·m。

1. 限位支架 2.滾輪 3.萬向球軸承 4. 滾輪支架圖3 滾輪及支架Figure 3 Wheel and bracket

由于帶傳動是一種撓性傳動，它具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、傳動平穩(wěn)以及緩沖吸震等特點(diǎn)。故松散裝置的滾筒轉(zhuǎn)動選用帶傳動形式。由于滾筒直徑較大，傳動比大，且傳動的中心距較大，V帶可以通過增加接觸面積從而提高摩擦力來傳動，因此比較適合用V帶傳動。因滾筒在制造過程中存在形狀誤差，選擇V帶傳動能夠帶動滾筒平穩(wěn)轉(zhuǎn)動，減少了滾筒在轉(zhuǎn)動過程中的振動。V帶傳動還可以起到過載保護(hù)的作用。帶傳動具有打滑和疲勞破壞2種主要失效形式，在設(shè)計(jì)帶傳動時，要保證傳動帶在不打滑的前提下具有足夠的疲勞強(qiáng)度和壽命。

2 建模與仿真

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

按照松散裝置帶傳動的相關(guān)參數(shù)，選擇A型普通V帶傳動，帶的根數(shù)為2根，小帶輪的直徑為120 mm，而滾筒的直徑為800 mm，中心距為1 455 mm，帶速為6 m/s，且單根普通V帶的拉力為320 N。因動力學(xué)仿真軟件Adams中只提供了多楔帶、梯形齒、同步帶以及普通平帶的建模工具，沒有提供對于普通V帶仿真的相關(guān)支持，多楔帶可以看作為多根普通V帶組成的傳動帶，因此選用多楔帶替代普通V帶進(jìn)行仿真。

Adams/view所提供的多楔帶傳動中，在建模帶輪時，只需要給定帶輪的寬度和節(jié)圓直徑2個基本參數(shù)。在此建模的過程中，直接把帶輪和松散裝置滾筒的外圓直徑當(dāng)做是2個帶輪的節(jié)圓直徑，帶輪的寬度，使用的2根普通V帶，V帶頂部寬度約為20 mm。

2.2 創(chuàng)建模型

在Adams/view中創(chuàng)建一個V帶傳動模型，同時選擇3Dlinks的方法，在單元和帶輪之間存在接觸力。由于帶傳動中滾筒和帶輪都是不銹鋼制材料，因此選擇帶輪的材料為Steel,完成對帶輪的創(chuàng)建，見圖4。

對皮帶輪施加順時針方向驅(qū)動。將松散裝置在SolidWorks中建立的模型另存為para-solid格式的文件，導(dǎo)入到Adams中。對具有相對運(yùn)動的各個零部件之間設(shè)置運(yùn)動副，滾筒與滾輪之間具有接觸關(guān)系，將滾筒與大帶輪設(shè)置固定在一起，小帶輪與電機(jī)輸出端帶輪固定在一起，完成整個裝置的建模，見圖5。

圖4 帶傳動模型Figure 4 Belt drive model

圖5 Adams中所建立的最終模型Figure 5 Final model built in Adams

2.3 仿真及分析

2.3.1 運(yùn)動學(xué)仿真 首先將仿真時間設(shè)為6 s，仿真的步數(shù)為600步，經(jīng)過多次仿真試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，仿真過程的后半階段其運(yùn)動速度會趨于平穩(wěn)，整個過程在1 s后，運(yùn)動的相關(guān)參數(shù)基本保持不變，呈勻速轉(zhuǎn)動狀態(tài)，因此將仿真時間設(shè)置為1 s。圖6、7分別是滾筒在啟動階段角速度和角加速度的曲線圖。

由圖6可知，滾筒的角速度從0°/s慢慢地增加(圖中是負(fù)方向)，當(dāng)時間為0.06 s左右時，速度達(dá)到峰值，0.06～0.35 s時有小幅的波動，0.35 s之后速度趨于穩(wěn)定。由圖7可知，角加速度從0°/s2慢慢增加，0.05 s時加速度方向開始突變，0.05～0.45 s時加速度有一定的波動，之后基本保持穩(wěn)定，符合勻速傳動的特征。 經(jīng)計(jì)算帶傳動打滑率趨近于1%～2%，此傳動設(shè)計(jì)是合理的，電機(jī)能夠有效驅(qū)動滾筒轉(zhuǎn)動，從而完成堿面條的松散。

圖6 滾筒轉(zhuǎn)動的速度曲線圖Figure 6 Speed curve of roller

圖7 滾筒轉(zhuǎn)動的角加速度曲線圖Figure 7 Angular acceleration curve of roller

2.3.2 動力學(xué)仿真 在整個傳動過程中與電機(jī)軸相連的小帶輪是主動輪，而松散裝置的滾筒是從動輪，小帶輪上的受力比滾筒表面的受力要大。因此，繪制出小帶輪法向接觸力的變化曲線(見圖8)，由圖8可知，帶單元與小帶輪之間的接觸是由小變大的，在0.25 s時達(dá)到峰值(30 N左右)，然后隨著緊邊過渡到松邊，法向接觸力不斷變小，帶單元進(jìn)入松邊，在0.08 s時變?yōu)?3 N左右，在0.08～0.22 s時有一定的波動，此時接觸力相對穩(wěn)定且小于之前的一段時間，0.22 s時帶單元開始脫離小帶輪，接觸力逐漸減小，到0.25 s時帶單元脫離小帶輪，接觸力減小為0 N。

松散裝置的穩(wěn)定性很大程度上取決于滾輪支撐時的受力情況。在6個滾輪和支撐座之間分別添加轉(zhuǎn)動副，滾筒與6個滾輪分別添加接觸，仿真后繪制出其中一處滾輪和滾筒之間的接觸受力曲線，由圖9可知，0.5 s之前接觸力有較大的波動，1.2 s后接觸處所受到的壓力基本在2 500 N左右。此處分析結(jié)果可為滾輪的支架及支撐軸的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3 結(jié)論

針對目前中國堿面條生產(chǎn)自動化程度不高的現(xiàn)狀，對堿面條自動化生產(chǎn)中的關(guān)鍵裝置——堿面條松散裝置進(jìn)行了研究，在其功能特性需求分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了總體方案設(shè)計(jì)，詳述了滾筒、滾輪、傳動帶等關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)過程。利用Adams軟件對堿面條松散裝置進(jìn)行建模，通過運(yùn)動學(xué)仿真從滾筒轉(zhuǎn)速和角加速度2個方面驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性；通過動力學(xué)仿真測試了傳動帶的接觸力及滾輪接觸力，為后續(xù)堿面條松散裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)及構(gòu)建堿面條自動化生產(chǎn)線提供了參考依據(jù)。

圖8 小帶輪法向接觸力示意圖及帶單元接觸力圖Figure 8 Contact force sketch of small pulleys and contact force curve of belt unit

圖9 接觸受力圖Figure 9 Contact force curve

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Schematicdesignandsimulationstudyonalkalinenoodlelooseningdevice

Alkaline noodle loosening device of automated production was designed, and the overall scheme was then researched. It was carried out the research on the structure design of roller with multiple stirring rod, wheel and bracket, conveyor belt and so on, and its parameters were given. Alkaline noodle loosening device waas modeled by using Adams software. The rationality of the design was verified through kinematics simulation from the two aspects such as rotary speed and angular acceleration of the roller. The contact force of the conveyor belt and contact force of the roller were tested through dynamic simulation, providing the reference for optimization design of alkaline noodle loosening device and building automatic production line of alkaline noodle.

alkaline noodle loosening device; structural design; kinematics simulation; dynamics simulation

湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(編號：D20161706)

尹強(qiáng)(1978—)，男，武漢輕工大學(xué)副教授，博士。

E-mail:ydqking1210@sina.com

2017—07—15

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.09.022