滾筒式分級機摩擦滾輪模糊可靠性設計

2014-12-20 06:58:28馬利平趙艷平

食品與機械 2014年5期

關鍵詞：設計

馬利平趙艷平

（漯河職業技術學院，河南漯河 462000）

滾筒式分級機是現代果蔬加工的重要設備，主要根據果蔬生產、貯藏和商品化的不同標準，對其進行分級［1－3］。滾筒式分級機的滾筒壁上分布有孔眼，由于滾筒的轉動，使原料在滾筒內滾動，并向出口移動，在此過程中原料從不同孔徑的孔眼掉下，分別收集后，即實現分級。分級機整機工作平穩，對果蔬本身造成的機械損傷小，分級效率高，噪音小，符合現代農業機械化生產的發展趨勢，目前廣泛應用于食品分級領域。滾筒式分級機滾筒的滾轉驅動方式有摩擦滾輪式、齒圈式和中心軸式3種類型。目前一般采用電動機驅動，經減速器、鏈傳動至摩擦滾輪，依靠摩擦滾輪與滾圈相互作用產生的摩擦力驅動滾筒轉動，其性能簡單可靠，運轉平穩。摩擦滾輪的輪毅釆用HT200材質，尼龍外包層，摩擦滾輪與筒體間的摩擦阻力較大，因此在使用過程中摩擦滾輪表面往往會出現破損現象。排除安裝和維護不當等因素外，設計思路也值得探討。機械零件從完好狀態到故障狀態并不是一蹴而就的，而是中間經過一系列的中介狀態，這些中介狀態既不是完全處于好的狀態，也不是完全處于故障狀態，而是呈現出隨機性與模糊性。模糊可靠性設計是一種基于常規可行性設計并進行拓展的一種設計方式，也是未來可行性設計理論非常重要的研究方向［4－6］。本研究擬運用模糊可靠性設計理論，解析滾筒式分級機摩擦滾輪的失效形式，找出失效的原因，并提出相應的改進措施。

1 滾筒式分級機基本組成及工作原理

滾筒式分級機結構如圖l所示。

圖1 滾筒式分級機Figure 1 Roller-type classifier

滾筒式分級機的主要構件是滾筒2。滾筒2是用1.5～2.0mm的鋼板輥壓成圓筒后焊接而成，鋼板預先鉆孔，孔的大小和分布按原料和工藝要求制定。為了制作方便，整個滾筒分節制造，各節之間用法蘭連接，法蘭邊即可作為摩擦滾圈，摩擦滾圈有摩擦輪和托輪支承，滾筒軸線略呈傾斜，便于物料在滾筒內向出口運動。

工作時，提升機把原料連續均勻地送進滾筒2前端的進料斗1。滾筒的下部裝置有出料斗6，料斗數目與分級數目相同，但不一定與滾筒的節數相同，因為有時可以由兩節滾筒組成同一個級別，這時兩節滾筒可共用一個料斗，夾在篩孔中的物料則由清篩裝置從篩筒外壁向內擊打清除［7，8］。

2 模糊可靠度設計

2.1 模糊可靠度原理

根據功能函數x＝r－s來設計機械零件的模糊可靠性，零件的廣義強度記為r，零件的廣義應力記為s。機械零件可用3種不同的狀態來描述［4］：

（1）x≥0，完好狀態；

（2）x＜0，且︱x︳較小，模糊狀態（零件從完好到失效的過渡過程）；

（3）x＜0，且︱x︳較大，失效狀態。

零件的完好狀態用模糊隨機事件A表示，用函數μA（x）表示x對A的隸屬度，則零件的模糊可靠度R為［4］：

式中：

R—— 零件的模糊可靠度；

P（A）——隨機事件A發生的概率；

μA（x）——變量X對隨機事件A的隸屬度；

f（x）——隨機變量x的概率密度函數。

隸屬度函數μA（x），可采用梯形線性分布（如圖2所示），其表達式為：

式中：

a1、a2——隸屬函數系數，可用增擴系數法確定。

圖2 開半梯形函數分布圖Figure 2 Open semi-trapezoid distribution function

滾筒式分級機摩擦滾輪的模糊可靠性設計，就是把應力和強度定義為兩個函數變量，服從正態分布，具有隨機性和模糊性，計算出摩擦滾輪接觸強度處于完好和模糊狀態的概率，摩擦滾輪的關鍵尺寸也可在模糊可靠度給定的前提下隨之確定。這種設計理論探討了機械零件的許多失效形式，如斷裂、腐蝕及蠕變等，都是由損傷累積到產生故障這一實際變化過程，使設計更趨于合理［9］。

設摩擦滾輪的工作應力為σ，其材料的疲勞強度極限為σlim，令x＝σlim－σ，σ、σlim和x都滿足正態分布，那么均值μx和標準差SX就表示為［9］：

式中：

μx——函數μA（x）在［a1，a2］區間的平均值；

SX——標準差；

lim——機械零件的工作應力疲勞極限均值；

——機械零件的工作應力均值；

Sσlim——機械零件的疲勞極限標準差；Sσ——機械零件的工作應力標準差。

隨機變量x的概率密度可用式（5）表示：

摩擦滾輪的疲勞可靠度表示為：

式中：

φ（）——標準正態分布函數。

2.2 摩擦滾輪模糊可靠度數學模型

摩擦滾輪在工作時，主要負載來自果蔬和滾筒的壓力，滾輪表面的受力為接觸應力，故摩擦滾輪接觸疲勞可靠度成為需要校核的主要參數。滾筒式分級機的受力分析見圖3［10］。

摩擦滾輪承受的總法向力為：

式中：

F1——摩擦滾輪承受的總法向力，N；

F2——支撐滾輪承受的總法向力，N；

圖3 滾筒式分級機受力圖Figure 3 The force diagram of roller-type classifier

G——筒體（Gl）和果蔬的總重量（G2），N；

β——物料上升達到的最高位置點與滾筒最低點對滾筒回轉中心的夾角，°。

單個摩擦滾輪上承受的法向力為：

式中：

—— 單個摩擦滾輪上承受的法向力，N；

F1——摩擦滾輪承受的總法向力，N；

n——滾輪的組數，個。

單個滾輪所受接觸應力為：

式中：

——單個滾輪所受接觸應力，MPa；

—— 單個摩擦滾輪上承受的法向力，N；

ρ1、ρ2——滾筒和摩擦滾輪的半徑，mm；

μ1、μ2——滾筒和滾輪材料的泊松比，取常量；

E1、E2——滾筒和滾輪材料的彈性模量，取常量；

L——摩擦滾輪的長度，mm。

接觸應力標準差表示：

式中：

SσH——接觸應力標準差；

F——單個摩擦滾輪上承受的法向力，N；

ρ1、ρ2——滾筒和摩擦滾輪的半徑，mm；

μ1、μ2——滾筒和滾輪材料的泊松比，取常量；

E1、E2——滾筒和滾輪材料的彈性模量，取常量；

L——摩擦滾輪的長度，mm。

式中：

——摩擦滾輪的接觸疲勞極限均值，MPa；

［σH］——摩擦滾輪的許用接觸應力，MPa；

KA——工作情況系數；

隨機系數為：

式中：

CσHliim—— 隨機系數；

滾輪接觸疲勞強度可靠度計算參數為：

將上述參數代入式（6）即可求出摩擦滾輪的接觸疲勞強度可靠度R。

3 實例分析

以GT5C8蘑菇滾筒式分級機為例。該分級機相關參數：滾筒直徑R1＝（900±1.5）mm，材料為45鋼，泊桑比μ1＝0.3，彈性模量E1＝205GPa；滾輪直徑R2＝（200±1.2）mm，長度L＝（120±0.8）mm，尼龍外包層，泊桑比μ2＝0.2，彈性模量E2＝24GPa，許用接觸應力［σH］＝3 6MPa，彈性系數KA＝1.2，組數n＝2。要求滾輪的可靠度不小于0.99。

單個摩擦滾輪上的法向力為：

根據文獻［3］的方法計算得G1＝2 440N，G2＝2 450N。