密封式隧道型電烘爐鏈網回鏜結構設計

林若波，林榮才，劉桂雄

(1.揭陽職業技術學院，廣東揭陽 522051;2.華南理工大學，廣東廣州 510640;3.廣東豐盛食品機械有限公司，廣東揭陽 515549)

烘烤是餅干生產成型必不可少重要工藝，直接關系到餅干成型質量及綜合能耗，節能降耗與優質生產是餅干生產成型裝備的核心問題之一。關于節能技術研究，主要集中在節能控制算法與新型爐具結構設計上。節能控制算法方面，SANCHEZ等 (2007)基于變頻技術，研究一種節能模糊PID算法［1］;孫奉昌等(2009)研究基于小型PLC系統的智能PID控制算法，較好地解決加熱爐溫度控制存在超調量大、震蕩頻率大問題［2］;LI等 (2013)研究一種級聯模糊算法(C-Fuzzy-PID)，較好地實現高速熱風隧道的溫度節能控制［3］。在新型爐具結構設計方面，文獻 ［4］報道一種新型隧道爐結構，在進料口、出料口設置彎形擋熱板，一定程度提高加熱段的保溫能力;文獻［5］報道把隧道爐的出入口從兩側改為一側的結構，充分利用熱能，但與傳統隧道爐布局不同，給節能改裝帶來難度。以上研究限于算法的節能控制或結構的改進，取得一定節能效果。文中則突破傳統敞開式結構設計的弱點，研究一種密封式隧道型電烘爐鏈網回鏜結構，采用主動輪、從動輪調節機構進行傳動控制，實現鏈網平穩傳動，大幅度降低能耗，具有很好的實用性。

1 密封式鏈網回膛結構與鏈網包角選擇

圖1為隧道爐鏈網傳動結構對比圖，其中圖(a)為敞開式鏈網回鏜結構示意圖，圖 (b)為密封式鏈網回膛結構示意圖，實線框為密封式隧道爐主體。敞開式鏈網回鏜結構只對工作段鏈網進行加熱保溫，非工作段鏈網裸露在空氣中，導致熱能損失;而文中設計的密封式鏈網回鏜結構，則實現工作段鏈網與非工作段鏈網均保溫，大大減少熱能損失。

圖1 隧道爐鏈網傳動結構對比圖

密封式隧道爐鏈網傳動結構包括隧道爐主體、前鏈網驅動機構 (見圖2)、后鏈網松緊調節機構 (見圖3)三部分。

圖2 前鏈網驅動機構

圖3 后鏈網松緊調節機構

其中，隧道爐主體采用密封式隧道型鏈網傳動，鏈網套裝在前鏈網驅動機構、后鏈網松緊調節結構中間，置于密封隧道爐中，鏈網上下由電熱管加熱，隧道爐兩邊用耐火石棉進行隔熱保溫;前鏈網驅動機構主要負責鏈網的起動和停車控制，安裝于餅干電烤爐出口處，由前支架、驅動滾輪和前導向輥構成，驅動滾輪和前導向輥安裝在前支架上;后鏈網松緊調節機構安裝在餅干電烤爐入口處，由后支架、從動滾輪、后導向輥和螺桿組構成，從動滾輪與螺桿組相連，通過驅動部件帶動螺桿組調節從動滾輪的前后位置，控制鏈網的松緊程度。

圖4為驅動滾輪受力示意圖，滾筒為鏈網傳動主動輪，從動滾筒為從動輪。假設鏈網為理想撓性體，可任意彎曲，沒有彎曲應力和厚度，質量忽略不計。

圖4 驅動滾輪受力示意圖

設鏈網在滾筒包角為α(包角內滑動弧和靜止弧分別為λ、γ，即α=λ+γ)，鏈網與滾輪間摩擦因數為f，傳動鏈網工作表面上的總摩擦力Ff。鏈網有打滑趨勢時，摩擦力、鏈網兩端有效拉力Fe均達到最大值［6］。在不打滑狀態下，根據歐拉公式，鏈網緊邊拉力F1、松邊拉力F2關系為［7］:

且有:Fe=Ff=F1－F2。

若鏈網傳動速度為v，則有效拉力Fe與鏈網傳動所傳遞功率P的關系為:

式中:P、Fe、v單位分別為kW、N、m/s。

由驅動電機的額定傳動功率P0，可求得最小鏈網初拉力F0min。由此，可得到鏈網傳動的臨界摩擦力Ffc(或臨界有效拉力Fec)為［7］:

由式 (3)，有:

因此，增大鏈網包角α或摩擦因數f，臨界摩擦力Ffc增大，降低最小鏈網初拉力F0min，相應也降低驅動電機容量要求，有利于節能。

在系統設計中，應盡量增大鏈網包角α，但α過大會使滾輪側面摩擦力降低導致打滑。傳統敞開式隧道爐鏈網包角α＜200°，此設計通過導向輥提高回鏜鏈網高度，可通過螺桿組調節導向輥位置，把鏈網包角增大至210°～220°之間，降低鏈網初拉力。

2 鏈網回膛結構的動力學特性分析與設計

鏈網回膛結構使用固定式拉緊裝置，為保證安全可靠地運行，必須具有良好的靜、動特性［8－9］。動力特性主要包括由于起動和停車引起的縱向振動、重載產生懸垂度引起的橫向振動。

設鏈網傳動機構 (不包括滾筒)的質量為m，鏈網截面位移速度為v，承載、空載分支彈性波傳播速度分別為Cz、Ck，承載、空載分支鏈網的密度分別為ρz、ρk，驅動剩余力為ΔF，電動機機械特性斜度系數為β，則驅動滾筒外緣運動微分方程［10］為:

令鏈網回鏜分支密度A=Czρz+Ckρk－β，則有:

非穩定運動狀態下，鏈網動張力σd=Czρzv，鏈網傳動最危險情況又發生在鏈網與滾輪相遇、分離時刻 (見圖4中的趨入點1、奔離點2)，故鏈網在趨入點1、奔離點2的動張力σ1d、σ2d分別為:

重載起動時，因重載產生的拉力波傳到兩分支交界處，將產生一部分透射拉力波，經空載分支傳到奔離點2處產生彈性波疊加，拉力波將削弱壓力波，在到達奔離點2瞬間，壓力波最大;同時，由奔離點2處產生的壓力波傳到兩分支交界處，將產生一部分透射壓力波，經承載分支傳到趨入點1，壓力波將削弱拉力波，在到達趨入點1瞬間，拉力波最大，故當趨入點拉力波、奔離點壓力波都最大時為最危險情況。設鏈網傳動機構總長度為L，且滾輪半徑r＜＜L，則此過程經歷時間為τ≈L/Cz+L/Ck，推得趨入點1、奔離點2的動張力極限值σ1dmax、σ2dmax分別為:

設正常運行時趨入點1、奔離點2靜張力分別為σ1j、σ2j，防滑富裕系數為k(取1～1.15)，承載托輥單位質量、空載托輥單位質量分別為qz、qk，重力加速度為g，則鏈網、滾筒之間不打滑必須滿足如下條件［11］:

因此，可通過式 (6)求得 σ1dmax、σ2dmax，由方程 (7)可求得靜張力σ1j、σ2j。即在包角固定的情況下，通過調節后鏈網松緊調節機構獲得合適的摩擦因數f，就可獲得鏈網、驅動滾筒之間不打滑的必要條件，實現鏈網平穩傳動。

3 密封式鏈網回膛機構節能分析與測試

鏈網回鏜機構的平穩傳動與控制，解決了結構節能的關鍵技術問題，為該隧道爐的結構節能提供前提基礎。由于采用了密封式鏈網回鏜結構，節能效果得到明顯提高。

鏈網傳動機構將成型餅干送入密封式隧道爐烘烤，鏈網吸收熱量，快速升溫至恒定溫度，有效提高隧道爐熱效率。鏈網經后導向輥送回密封式隧道爐爐膛，繼續加熱保溫，避免了傳統隧道爐回程鏈網暴露在空氣中造成的熱量損失，減少熱量損耗，鏈網回到隧道爐入口時仍保持高溫。由于隧道爐長度較長，能有效減少熱量損耗，達到保溫節能效果。

為評估密封式隧道爐的節能控制效果，廣東省揭陽市質量計量監督檢測所對廣東豐盛食品有限公司的DKD RF 100型電烤爐進行測試，并與行業標準JB/T 4415-2011［12］和傳統隧道式電烤爐620型進行比較，表1為測試結果比較表。

表1 測試結果比較表

結果表明:密封式隧道爐比傳統隧道爐節能37.5%，升溫時間遠小于傳統隧道爐，達到節能降耗、優質生產的效果［13］，已申請了多項國家專利［14－17］，并通過有關部門組織的專家鑒定［18］。

4 結論

(1)提出一種密封式隧道型電烘爐的設計，采用密封式鏈網回鏜結構，實現工作段鏈網與非工作段鏈網均保溫，大大減少熱能損失。

(2)分析驅動滾輪的受力情況，通過增大摩擦因數f或鏈網包角α，使臨界摩擦力Ffc增大，降低最小鏈網初拉力F0min，可相應降低驅動電機容量要求，有利于節能。

(3)分析滾筒外緣運動微分方程，計算最危險點動張力，在包角固定情況下，通過調節后鏈網松緊調節機構獲得合適的摩擦因數f，滿足鏈網、滾筒之間不打滑的必要條件，保證鏈網平穩傳動。

(4)分析與測試密封式鏈網回鏜機構的節能效果，密封式隧道爐比傳統隧道爐節能37.5%，升溫時間遠小于傳統隧道爐，達到節能降耗效果。

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［13］檢驗報告J13-W0047［R］.廣東省揭陽市質量計量監督檢測所，2013.

［14］林榮才，楊轉正，林娥卿，等.一種餅干電烤爐密封式鏈網回膛裝置:中國，201320488202.6［P］.2013 －08 －12.

［15］林榮才，楊轉正，林娥卿，等.一種基于分區隔熱加熱的餅干電烤爐控制設備:中國，201320487815.8［P］.2013－08－12

［16］林榮才，楊轉正，林娥卿，等.一種具有分區加熱隔熱的餅干電烤爐:中國，201320487363.3［P］.2013 －08 －12.

［17］林榮才，楊轉正，林娥卿，等.一種餅干電烤爐循環熱風系統:中國，201320488470.8［P］.2013 －08 －12.

［18］科學技術成果鑒定證書粵機學鑒字［2013］010號.廣東省機械工程學會，2013.