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)是我國甜菜主要產(chǎn)區(qū)[1]。甜菜品質(zhì)檢測前期處理設(shè)備-甜菜制糊機(jī)用于甜菜群體品質(zhì)檢測的多株甜菜混合測定取樣工序，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。20世紀(jì)90年代，我國甜菜品質(zhì)檢測設(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。

在借鑒國內(nèi)現(xiàn)有甜菜品質(zhì)檢測前期處理設(shè)備的基礎(chǔ)上，對甜菜制糊機(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)是在對國內(nèi)現(xiàn)有甜菜品質(zhì)檢測前期處理技術(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)，對其機(jī)架結(jié)構(gòu)及動力源布置等進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化，以降低設(shè)備振動和噪音，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，帶動甜菜喂料斗移動，給制糊鋸片自動上料鋸糊，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)動電機(jī)和輸送驅(qū)動電機(jī)均置于機(jī)架底部，雖然驅(qū)動電機(jī)重心低，穩(wěn)定性較好，但造成鋸糊驅(qū)動帶傳動距離過長，且由于鋸糊驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速要求高達(dá)2 900 r/min，造成設(shè)備振動和噪音大。帶傳動的中心距(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。帶傳動的中心距不易過大，否則工作時(shí)容易造成帶顫動。中心距也不易過小，因?yàn)橹行木嘣叫?，帶的長度越短，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，對現(xiàn)有設(shè)備機(jī)架結(jié)構(gòu)和動力源布置等進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化如下：將鋸糊驅(qū)動電機(jī)盡可能靠近鋸片軸布置安裝，即縮短鋸糊驅(qū)動帶傳動距離(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，即使帶傳動的中心距較原來縮短，帶輪的包角也為最大(即180°)，不會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)動電機(jī)的承載梁。對支承鋸糊驅(qū)動電機(jī)和輸送驅(qū)動電機(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)動電機(jī) 4鋸糊傳動帶 5鋸糊機(jī)構(gòu) 6鋸片 7輸送傳動帶 8機(jī)架 9輸送驅(qū)動電機(jī)安裝板 10輸送驅(qū)動電機(jī) 11鋸糊驅(qū)動電機(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)動電機(jī)(動力源)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)動電機(jī)0.75 kW，鋸糊驅(qū)動電機(jī)1.5 kW。

2 鏈條托板和壓板的設(shè)計(jì)

鏈傳動是一種撓性傳動，通過鏈輪輪齒與鏈條鏈節(jié)的嚙合來傳遞運(yùn)動和動力。鏈傳動無彈性滑動和整體打滑現(xiàn)象，因而能保持準(zhǔn)確的平均傳動比，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的低速級傳動系統(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，帶動甜菜移動，給制糊鋸片自動上料鋸糊。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。國內(nèi)現(xiàn)有的甜菜制糊機(jī)采用常規(guī)的鏈傳動托板方式，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空喂料斗平穩(wěn)滑動；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鏈條一起向上竄動，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，對鋸糊效果和準(zhǔn)確性有一定影響。

該甜菜制糊機(jī)對在鋸糊位置處的常規(guī)鏈傳動托板進(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，將承載帶動甜菜喂料斗移動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鏈條一起向上竄動，甜菜連同喂料斗及鏈條只能保持輸送移動的方向運(yùn)動。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，但長期使用，抗腐蝕性能顯著，且對提高機(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)動電機(jī)驅(qū)動鋸片以高達(dá)2 900 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)輸送驅(qū)動電機(jī)帶動鏈條上的喂料斗中的甜菜以一定速度向鋸片運(yùn)動，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，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，以減輕振動和噪音，簡單方便，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)立啟動和停止，并設(shè)計(jì)急停和點(diǎn)動進(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內(nèi)甜菜品質(zhì)檢測前期處理已有的成熟技術(shù)，對設(shè)備機(jī)架結(jié)構(gòu)和動力源布置等進(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，對機(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，簡單實(shí)用，大幅度降低了設(shè)備振動和噪音，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)檢測前期處理設(shè)備技術(shù)水平，對提高檢測準(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