劉新力，陳 剛

(黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

0 引言

甜菜屬于藜科甜菜屬，甜菜莖根含糖量高，是制糖工業(yè)的主要原料之一，新疆、黑龍江、內(nèi)蒙古三省區(qū)是我國(guó)甜菜主要產(chǎn)區(qū)[1]。甜菜品質(zhì)檢測(cè)前期處理設(shè)備-甜菜制糊機(jī)用于甜菜群體品質(zhì)檢測(cè)的多株甜菜混合測(cè)定取樣工序，制取少量具有代表性樣品菜糊，并將甜菜糊聚集在集糊器內(nèi)，以便進(jìn)行甜菜含糖率和其他成分的分析。

甜菜制糊機(jī)作為甜菜品質(zhì)檢測(cè)前期處理設(shè)備制取樣品菜糊，每年僅在甜菜收獲后約半個(gè)月內(nèi)集中使用，利用率低，使用范圍及用量小，設(shè)備制造成本要求低，且研究開發(fā)投入有限，技術(shù)和設(shè)備方面發(fā)展較為緩慢。雖然該類設(shè)備利用率低，卻要求使用年限長(zhǎng)。20世紀(jì)90年代，我國(guó)甜菜品質(zhì)檢測(cè)設(shè)備還比較落后，在十幾年的應(yīng)用實(shí)踐中通過不斷改進(jìn)，提高了甜菜品質(zhì)檢測(cè)的準(zhǔn)確性和工作效率[2]。該設(shè)備尚存在以下問題：設(shè)備部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠合理，振動(dòng)和噪音大，部分零件腐蝕較快，影響使用壽命，鋸糊效果和準(zhǔn)確性等也有待進(jìn)一步提高。

在借鑒國(guó)內(nèi)現(xiàn)有甜菜品質(zhì)檢測(cè)前期處理設(shè)備的基礎(chǔ)上，對(duì)甜菜制糊機(jī)進(jìn)行了開發(fā)設(shè)計(jì)，改進(jìn)優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備振動(dòng)和噪音，使設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)可靠，增強(qiáng)了零件抗腐蝕性能，并提高了設(shè)備使用壽命及操作方便性、安全性，提高了甜菜品質(zhì)檢測(cè)前期處理設(shè)備的技術(shù)水平。

1 總體方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)過程是一個(gè)創(chuàng)造性的工作過程。要盡量利用現(xiàn)有的成功經(jīng)驗(yàn)，把繼承和創(chuàng)新統(tǒng)一起來。該甜菜制糊機(jī)是在對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有甜菜品質(zhì)檢測(cè)前期處理技術(shù)與設(shè)備調(diào)研的基礎(chǔ)上，并在制糊原理與方法上吸收借鑒已有的成熟技術(shù)，對(duì)其機(jī)架結(jié)構(gòu)及動(dòng)力源布置等進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化，以降低設(shè)備振動(dòng)和噪音，使設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)可靠，且以提高設(shè)備使用壽命和鋸糊效果為主要目標(biāo)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)。工作原理為：采用兩條單排滾子鏈為載體，帶動(dòng)甜菜喂料斗移動(dòng)，給制糊鋸片自動(dòng)上料鋸糊，喂料斗與鏈條以銷軸相連接，多組喂料斗循環(huán)連續(xù)工作，樣品甜菜被逐個(gè)用制糊鋸片在塊根非根溝處一面的居中處縱向掏溝至1/2深處鋸取甜菜糊，并將甜菜糊聚集在集糊器內(nèi)，如圖1所示。

圖1 制糊機(jī)工作原理示意圖Fig.1 Sketch map of the working principle of paste machine

經(jīng)分析研究，鑒于一些現(xiàn)有甜菜品質(zhì)檢測(cè)前期處理設(shè)備機(jī)架部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較單薄，剛度不足，加之有的將鋸糊驅(qū)動(dòng)電機(jī)和輸送驅(qū)動(dòng)電機(jī)均置于機(jī)架底部，雖然驅(qū)動(dòng)電機(jī)重心低，穩(wěn)定性較好，但造成鋸糊驅(qū)動(dòng)帶傳動(dòng)距離過長(zhǎng)，且由于鋸糊驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速要求高達(dá)2 900 r/min，造成設(shè)備振動(dòng)和噪音大。帶傳動(dòng)的中心距(即距離)選擇大些可以減少單位時(shí)間內(nèi)帶的循環(huán)次數(shù)，有利于提高帶的壽命。帶傳動(dòng)的中心距不易過大，否則工作時(shí)容易造成帶顫動(dòng)。中心距也不易過小，因?yàn)橹行木嘣叫。瑤У拈L(zhǎng)度越短，在一定速度下，單位時(shí)間內(nèi)的應(yīng)力變化次數(shù)越多，這會(huì)加速帶的疲勞。一般初定中心距為0.7～2倍大小帶輪基準(zhǔn)直徑之和[3]。為了提高零件整體剛度，可采取加大零件截面尺寸或加大截面的慣性矩，縮短支承跨距或采取多支點(diǎn)結(jié)構(gòu)，以減小撓曲變形等。為提高接觸剛度，可采取增大貼合面以降低壓力，采用精加工以降低表面不平度等[4]。

依據(jù)上述原則，對(duì)現(xiàn)有設(shè)備機(jī)架結(jié)構(gòu)和動(dòng)力源布置等進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化如下：將鋸糊驅(qū)動(dòng)電機(jī)盡可能靠近鋸片軸布置安裝，即縮短鋸糊驅(qū)動(dòng)帶傳動(dòng)距離(中心距)，大小帶輪基準(zhǔn)直徑均選擇150 mm(采用B型普通V帶)，將帶傳動(dòng)的中心距設(shè)計(jì)為465 mm，為1.55倍大小帶輪基準(zhǔn)直徑之和。由于大小帶輪基準(zhǔn)直徑設(shè)計(jì)為相等的尺寸，即使帶傳動(dòng)的中心距較原來縮短，帶輪的包角也為最大(即180°)，不會(huì)減少帶在帶輪上的包角和降低帶與帶輪間的摩擦力。適當(dāng)增大機(jī)架零件槽鋼截面尺寸，并在機(jī)架中間增加橫梁，以縮短支承跨距并增加支承點(diǎn)，提高零件的整體剛度，減小變形，增加的中間橫梁又可做為鋸糊驅(qū)動(dòng)電機(jī)的承載梁。對(duì)支承鋸糊驅(qū)動(dòng)電機(jī)和輸送驅(qū)動(dòng)電機(jī)的兩塊安裝板與該電機(jī)接觸的表面均采用精銑加工，兩塊安裝板在與機(jī)架橫梁連接時(shí)保持水平并可靠固定，可增大貼合面，降低表面不平度，提高接觸剛度。通過以上改進(jìn)優(yōu)化，降低了設(shè)備振動(dòng)和噪音，使設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)可靠，提高了設(shè)備使用壽命。改進(jìn)前后制糊機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)和動(dòng)力源布置及相關(guān)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1輸送機(jī)構(gòu) 2喂料斗 3鋸糊驅(qū)動(dòng)電機(jī) 4鋸糊傳動(dòng)帶 5鋸糊機(jī)構(gòu) 6鋸片 7輸送傳動(dòng)帶 8機(jī)架 9輸送驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝板 10輸送驅(qū)動(dòng)電機(jī) 11鋸糊驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝板 12中間橫梁圖2 改進(jìn)前后制糊機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)和動(dòng)力源布置及相關(guān)整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch map of the rack construction, power source allocation and related massive structure of paste machine before and after reform

通過以上機(jī)架結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)(動(dòng)力源)布置等進(jìn)行的改進(jìn)優(yōu)化，雖然在機(jī)架原材料、機(jī)架和安裝板零件加工成本及安裝費(fèi)用上略有所增大，但卻大幅度降低了設(shè)備振動(dòng)和噪音，提高了設(shè)備使用壽命和可靠性，達(dá)到了預(yù)期改進(jìn)優(yōu)化效果。改進(jìn)優(yōu)化后，該甜菜制糊機(jī)主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)為：工作能力：960(±5%)株甜菜/h；鋸片轉(zhuǎn)速：2 900 r/min；鋸片直徑：250 mm；功率：輸送驅(qū)動(dòng)電機(jī)0.75 kW，鋸糊驅(qū)動(dòng)電機(jī)1.5 kW。

2 鏈條托板和壓板的設(shè)計(jì)

鏈傳動(dòng)是一種撓性傳動(dòng)，通過鏈輪輪齒與鏈條鏈節(jié)的嚙合來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。鏈傳動(dòng)無彈性滑動(dòng)和整體打滑現(xiàn)象，因而能保持準(zhǔn)確的平均傳動(dòng)比，且能在潮濕環(huán)境中工作，其中滾子鏈常用于鏈速不超過15 m/s的低速級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)。滾子鏈加上附件，還可用于輸送[5]。

該甜菜制糊機(jī)采用兩條單排滾子鏈，加上附件-喂料斗作為輸送甜菜的載體，帶動(dòng)甜菜移動(dòng)，給制糊鋸片自動(dòng)上料鋸糊。喂料斗與鏈條以銷軸相連接，多組喂料斗循環(huán)連續(xù)工作。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的甜菜制糊機(jī)采用常規(guī)的鏈傳動(dòng)托板方式，將兩條單排滾子鏈分別用外側(cè)帶立邊的托板從鏈條的下方托住，當(dāng)設(shè)備空轉(zhuǎn)，即喂料斗內(nèi)未裝填甜菜物料時(shí)，鏈條可在托板上拖動(dòng)空喂料斗平穩(wěn)滑動(dòng)；設(shè)備工作時(shí)，即甜菜裝填到喂料斗內(nèi)通過制糊機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的鋸片鋸糊時(shí)，喂料斗內(nèi)的甜菜就會(huì)受到鋸片向后上方的作用力，該作用力可分解為向后的作用力分力和向上的作用分力。向后的作用力分力由鏈條傳遞的力克服抵消，而向上的作用分力卻使裝有甜菜的喂料斗帶動(dòng)鏈條一起向上竄動(dòng)，造成鋸片切割甜菜位置不夠準(zhǔn)確，且使鋸糊過程不穩(wěn)定，對(duì)鋸糊效果和準(zhǔn)確性有一定影響。

該甜菜制糊機(jī)對(duì)在鋸糊位置處的常規(guī)鏈傳動(dòng)托板進(jìn)行了改進(jìn)，增設(shè)了一段壓板，該壓板與外側(cè)帶立邊的托板一起組成了具有導(dǎo)向功能的鏈條托板和壓板相結(jié)合的鏈條張緊方式，將承載帶動(dòng)甜菜喂料斗移動(dòng)的兩條滾子鏈用鏈條托板向上方托住并用壓板向下方壓住。鋸糊過程中，當(dāng)甜菜隨同喂料斗受到鋸片作用力時(shí)，可避免裝有甜菜的喂料斗帶動(dòng)鏈條一起向上竄動(dòng)，甜菜連同喂料斗及鏈條只能保持輸送移動(dòng)的方向運(yùn)動(dòng)。鏈條托板和壓板如圖3所示。該鏈條托板和壓板結(jié)合的鏈條張緊方式設(shè)計(jì)合理可行，簡(jiǎn)單實(shí)用，效果十分顯著。

圖3 鏈條托板和壓板Fig.3 Chain pallet and plate

3 機(jī)架、防護(hù)板和罩板防腐處理與減振設(shè)計(jì)

由于制糊機(jī)的甜菜物料需要經(jīng)過清洗設(shè)備的有效水洗，以去除甜菜表面的泥土污物才能用制糊機(jī)進(jìn)行鋸糊，甜菜物料表面難免帶有一定量的殘留水，制糊機(jī)進(jìn)行鋸糊時(shí)也難免造成甜菜糊的飛濺，制糊機(jī)使用后的班后清洗清理也需要用水，使制糊機(jī)無論是在工作時(shí)還是在班后一直處于潮濕環(huán)境中。甜菜制糊機(jī)的喂料斗、傳動(dòng)軸等與物料接觸的零件通常采用不銹鋼材料制造，該制糊機(jī)的鏈輪和滾子鏈也采用了不銹鋼材料制造，增加了零件防腐性能，提高了設(shè)備使用壽命，且清理維護(hù)方便。上述少數(shù)與物料接觸的關(guān)鍵零件采用不銹鋼材料制造非常必要，設(shè)備的制造成本增加不大。但是，如果機(jī)架、防護(hù)板和罩板也采用不銹鋼材料制造，設(shè)備的制造成本就會(huì)大大增加，通常采用Q235碳鋼材料制造并進(jìn)行表面噴塑處理，成本較低且防腐效果較好。由于該設(shè)備使用范圍和用量小，為單件加工制造，人工裝配安裝，機(jī)架、防護(hù)板和罩板上的螺紋孔、通孔大多需現(xiàn)場(chǎng)裝配時(shí)與相關(guān)零部件配制。如果采用通常的方法，將機(jī)架、防護(hù)板和罩板先進(jìn)行整體表面噴塑處理，然后在裝配現(xiàn)場(chǎng)與相關(guān)零部件配合制做機(jī)架、防護(hù)板和罩板上相應(yīng)的螺紋孔、通孔后，再將相應(yīng)的零部件用螺釘、螺栓等緊固件連接固定，雖然機(jī)架、防護(hù)板和罩板表面防腐性能較好，但螺紋孔、通孔處表面噴塑防腐涂層在配合制做螺紋孔、通孔時(shí)會(huì)被去除，Q235碳鋼材料暴露在潮濕的空氣環(huán)境中，螺紋孔、通孔表面很快被腐蝕，短時(shí)間內(nèi)造成螺紋孔和通孔處的螺釘、螺栓等緊固件難以拆卸，長(zhǎng)期使用，螺紋孔、通孔腐蝕嚴(yán)重，使緊固連接固定失效。

該甜菜制糊機(jī)機(jī)架、防護(hù)板和罩板使用Q235碳鋼材料加工制造，但采用了以下防腐處理方法：在機(jī)架、防護(hù)板和罩板上與相關(guān)零部件配合制做相應(yīng)的螺紋孔、通孔，將相應(yīng)的零部件用螺釘、螺栓等緊固件預(yù)連接后，將螺釘、螺栓等緊固件拆卸。再將帶有螺紋孔、通孔的機(jī)架、防護(hù)板和罩板進(jìn)行表面噴塑處理，使螺紋孔、通孔表面也附著噴塑的防腐涂層。將相應(yīng)的零部件用螺釘、螺栓等緊固件連接固定(如果螺紋孔、通孔表面附著噴塑的防腐涂層過厚，可用相應(yīng)的絲錐或鉆頭做適當(dāng)清理)，使機(jī)架、防護(hù)板和罩板及其螺紋孔、通孔表面防腐性能都得到保證，尤其是螺紋孔表面附著一定厚度的噴塑涂層，螺紋連接處會(huì)更加緊密、牢固、可靠。由于該甜菜制糊機(jī)此處螺釘、螺栓、螺母緊固件規(guī)格多為M3～M6小尺寸標(biāo)準(zhǔn)件，采用了不銹鋼材質(zhì)替代碳鋼，成本只略有增加，但長(zhǎng)期使用，抗腐蝕性能顯著，且對(duì)提高機(jī)架、防護(hù)板和罩板螺紋孔、通孔處的抗腐蝕性也是有利的。

制糊機(jī)工作時(shí)，鋸糊驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)鋸片以高達(dá)2 900 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)輸送驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)鏈條上的喂料斗中的甜菜以一定速度向鋸片運(yùn)動(dòng)，當(dāng)鋸片切割到甜菜時(shí)，產(chǎn)生切割阻力較大，機(jī)架及其上的防護(hù)板和罩板等零件不可避免地出現(xiàn)振動(dòng)，由于防護(hù)板和罩板厚度只有1.5 mm左右，且表面積較大，產(chǎn)生的振動(dòng)較劇烈，噪音較大。該機(jī)除在機(jī)架與地面接觸處之間采用聚氨酯減振墊外，還可在機(jī)架與防護(hù)板、罩板螺釘固定連接處之間采用適當(dāng)厚度的圓形橡膠緩沖墊，以減輕振動(dòng)和噪音，簡(jiǎn)單方便，效果顯著。

4 采用雙工位操作控制設(shè)計(jì)

電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用主控制柜與操作按鈕柜結(jié)合的雙工位操作控制方式，使該機(jī)具有左右兩個(gè)上料工位，均可方便就近控制操作。鋸片旋轉(zhuǎn)和物料進(jìn)給設(shè)計(jì)為獨(dú)立啟動(dòng)和停止，并設(shè)計(jì)急停和點(diǎn)動(dòng)進(jìn)給操作功能，實(shí)現(xiàn)鋸片旋轉(zhuǎn)和物料進(jìn)給緊急快速停止和點(diǎn)動(dòng)進(jìn)給調(diào)節(jié)。電路設(shè)計(jì)增加了變壓器，使控制電路電壓為安全電壓，保證了控制操作的用電安全性。

5 結(jié)論

該機(jī)在制糊原理與方法上吸收了國(guó)內(nèi)甜菜品質(zhì)檢測(cè)前期處理已有的成熟技術(shù)，對(duì)設(shè)備機(jī)架結(jié)構(gòu)和動(dòng)力源布置等進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化，設(shè)計(jì)的鏈條托板和壓板避免了鋸糊時(shí)裝有甜菜的喂料斗與鏈條一起向上竄動(dòng)，對(duì)機(jī)架、防護(hù)板和罩板進(jìn)行了防腐處理與減振設(shè)計(jì)，采用了雙工位操作控制等設(shè)計(jì)。該機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)科學(xué)合理，簡(jiǎn)單實(shí)用，大幅度降低了設(shè)備振動(dòng)和噪音，提高了設(shè)備使用壽命及鋸糊效果。開發(fā)設(shè)計(jì)的甜菜制糊機(jī)樣機(jī)如圖4所示。該機(jī)已得到了實(shí)際應(yīng)用，取得了預(yù)期效果。該甜菜制糊機(jī)的開發(fā)設(shè)計(jì)提高了甜菜品質(zhì)檢測(cè)前期處理設(shè)備技術(shù)水平，對(duì)提高檢測(cè)準(zhǔn)確性和工作效率具有促進(jìn)意義。

圖4 甜菜制糊機(jī)樣機(jī)實(shí)物照片F(xiàn)ig.4 Photo of the prototype of beet paste machine