雙排鏈電磁式餐盤清理回收裝置的研發

余劍武 文 丞 胡其豐 沈 湘 李 鑫

(湖南大學機械與運載工程學院，湖南 長沙 410082)

雙排鏈電磁式餐盤清理回收裝置的研發

余劍武 文 丞 胡其豐 沈 湘 李 鑫

(湖南大學機械與運載工程學院，湖南 長沙 410082)

針對餐盤回收過程中效率和智能化較低等技術問題，提出一種采用電磁原理的雙排鏈式餐盤清理回收裝置。該裝置工作時，用餐者將餐盤放置于電磁式吸附模塊上，可實現對不同型號或材質餐盤的自動回收、清理、堆疊、計量，具有良好的實用性和經濟性，裝置結構緊湊，操作簡單。最大理論清理速度為240個/min，清理回收速度和清理壓力可以根據需要調節。清理過程設備不直接接觸殘渣，保證了裝置潔凈，清理介質無二次污染，大大減少了食堂就餐環境的安全隱患。

餐盤；電磁吸附；壓縮空氣清理；自動回收；雙排鏈

中國餐飲行業市場巨大，食堂、酒樓等大型的餐飲中心都設置有專門的餐盤回收處，需要配備大量的人手收集用餐后帶有食物殘渣的餐盤，待收集后再統一進行清洗[1-2]。國外的餐具自動回收清洗技術較為先進，自動化水平較高，其自動化流水線機械設備可實現餐具出渣、分揀、消毒、甚至是包裝等功能，值得借鑒，但是成本很高，同時由于中外飲食文化的差異，國外設備并不能完全適應中國市場使用[3]。如博世公司[4]餐具清洗專利利用超聲波高頻率壓迫液體介質振動使其急劇產生微小空化氣泡，并瞬時強烈閉合，產生強烈的微爆炸和沖擊波使被清洗物表面的污物遭到破壞，從清洗表面脫落下來。樊偉偉等[5]提出國外大型的食品機械清洗消毒中常采用微波殺菌，它加熱時間短、升溫速度快、殺菌均勻，無化學物質殘留，安全性提高。也有一些學者設計了餐具清洗回收設備，汪劉一等[6]設計了一種食堂自助餐具回收清洗系統，采用傳送帶輸送和高溫水洗相結合，在兩名工人的配合下可完成餐盤進行兩次噴淋、過水、高溫熱風烘干、消毒等過程。但該系統自動化程度低，不能完成餐盤的倒渣、堆疊、計數等功能。肖兵等[7]設計的食堂餐具回收裝置，采用機械臂設計，實現餐具的輸送、倒渣、分類。但單個機械臂設計成本較高、效率低，裝置缺少堆疊計數等功能。施立錦等[8]設計的自動餐具回收機的碗碟分離裝置，利用高度差原理，實現碗、碟的準確分類，但該裝置功能單一，自動化程度低。

針對大型餐飲中心餐盤回收產品智能化較低、回收效率低、人與剩菜直接接觸等技術問題，本研究提出一種雙排鏈電磁式餐盤清理回收裝置，可實現對不同型號或材質餐盤的吸附、清理、堆疊、計量，其中餐盤的吸附采用電磁鐵吸附完成；食物殘渣清理采用壓縮空氣噴射；餐盤的自動堆疊采用絲杠機構旋轉完成；餐盤的數量采用紅外傳感器檢測；裝置控制部分由PLC和觸摸屏組成，主要完成對吸附、清理、回收、速度壓力的控制。該裝置工作時，設備不直接接觸殘渣，保證了裝置的潔凈，從而大大減少了食堂就餐環境的安全隱患[9]。

1 裝置整體設計方案及工作原理

餐具回收裝置的整體設計方案見圖1，由機械系統和控制系統組成。

根據雙排鏈式餐盤清理回收裝置的整體設計方案，運用Pro/E軟件設計出如圖2所示的三維樣機，其工作原理：啟動電機，雙排鏈開始轉動；當用餐者將餐盤放到電磁式吸附模塊上，在行程開關的作用下，電磁式吸附模塊吸附并將餐盤傳送到壓縮空氣清理位置；當傳感器采集到餐盤位置信息后，將信號發送至壓縮空氣清理模塊，控制單向電磁閥打開，噴出壓縮空氣，對餐盤進行清理，殘渣由殘渣導向槽收集，落入殘渣回收桶；當餐盤被輸送到自動回收位置時，在行程開關的作用下，吸附系統解除吸附，餐盤在重力的作用下落入餐盤導向槽，最后滑入餐盤回收框。餐盤回收模塊設有計數傳感器和重量傳感器，當落入回收框的餐盤達到設定數量時，或者回收桶的殘渣重量達到設定重量時，裝置將停機、報警，通知工作人員進行更換。這樣就實現了對餐盤的自動清理與回收功能，具有較高的自動化程度。

2 機械系統設計

2.1 電磁式吸附模塊

對餐盤進行輸送、回收、清理時，首先需要將餐盤固定，其固定有機械、液壓、氣壓、電磁等多種方式。機械式和液壓式固定方式需要專用夾具，設計周期長，成本高，不利于自動控制；氣壓式固定方式是利用負壓原理吸附固定餐盤，氣管布置麻煩，對真空吸盤吸附表面要求高，剩飯易堵塞氣管且噪音大；電磁式固定方式控制簡單，采用電磁鐵通電產生的磁力吸住餐盤，回收時，斷電失去磁力餐盤在自重作用下下落，而且餐盤不需要特定的擺放方向。

1. 機架 2. 電磁式吸附系統 3. 雙排鏈輸送系統 4. 壓縮空氣清理系統 5. 殘渣導向槽 6. 殘渣回收桶 7. 餐盤導向槽 8. 餐盤回收框

圖2 雙排鏈式餐盤清理回收裝置三維仿真樣機

Figure 2 Prototype of double row of chain equipment for recycling and cleaning of plates

食堂配備餐盤多為不銹鋼或者聚乙烯材質，這兩種材料沒有磁性，不能達到本裝置設計的吸附要求，為了適應電磁式固定，在餐盤底部貼上橡膠磁膠板。圖3是電磁式吸附系統原理圖，用餐者將餐盤放置在電磁式吸附模塊上，當電磁式吸附模塊的行程開關1被機架上的檔塊觸碰時，接觸器3接通，電磁鐵4通電，在磁力作用下，實現餐盤的自動吸附；當餐盤被雙排鏈輸送到餐盤回收導向槽上方時，行程開關被機架上的檔塊觸碰時，斷路器2斷開，電磁鐵4斷電使其失去吸附作用，餐盤5在重力作用下掉到導向槽上，然后自動滑動到餐盤回收框。

通常用餐后餐盤和殘渣的重量不會超過1.5 kg，在本設計中，選用方形電磁鐵，其尺寸為98 mm×33 mm×20 mm，額定電壓為24 V，功率為5 W，能夠產生10 kg吸力，電磁鐵的吸力滿足吸附要求。

2.2 壓縮空氣清理模塊

以水為清理介質不僅成本較高，且清理時水流噴射產生飛濺，造成二次污染。以空氣作為清理介質成本低廉，不會產生二次污染，且空氣壓縮后沖力大。采用整排噴嘴布置，無清理死角。裝置不直接接觸食物殘渣，保證了裝置的潔凈。設計壓縮空氣清理系統見圖4，當清理系統紅外傳感器6檢測到餐盤8通過時，PLC控制電磁單向閥2開啟，噴射壓縮空氣，在壓縮空氣和殘渣自身重力的共同作用下，食物殘渣落入殘渣導向槽9，經導向槽導向進入殘渣回收桶。從而完成殘渣的清理。清理完成后通電延時器3啟動使電路斷開，單向電磁閥關閉，當傳感器檢測到下一餐盤時，清理系統再次開啟。當清理壓力需要改變時，可通過PLC控制壓力調節閥進行調節。

1. 空氣壓縮機 2. 單向電磁閥 3. 通電延時器 4. 壓力調節閥 5. 過濾器 6. 紅外傳感器 7. 高壓噴嘴 8. 餐盤 9. 殘渣導向槽

圖4 壓縮空氣清理系統原理圖

Figure 4 Principle of automatic clean system

高壓氣體從噴嘴噴出后產生自由射流，射流結構見圖5，自由射流結構由起始段和主體段組成[10]。在射流起始段內射流軸向流速和動壓力基本不變，在射流主體段內軸向流速和動壓力下降迅速，在主體段氣體的沖力不能滿足清理要求，所以清理餐盤時噴頭和餐盤的距離在起始段長度內清理的效果最好，效率最高。在20 ℃時，自由射流中空氣密度ρ=1.205 kg/m3，射流紊流系數α=0.066，噴射效率η=1.05，選取噴嘴口徑d=1.9 cm，由式(1)計算可得初始段長度ST=9.6 cm。

(1)

式中：

ST——初始段長度，cm；

R0——噴嘴半徑，m；

?——射流紊流系數。

在初始段內建立噴嘴個數N與射程S的數學模型見式(2)，通過matlab計算得出兩者之間的規律，見圖6。在初始段內，隨著射程的不斷增加，單個噴嘴的射流半徑增加，噴嘴的個數相應減少。

(2)

通過試驗發現，要使餐盤達到較好的清理效果，需要提供10 N的沖力，餐盤面積A=0.06 m2，至少需要清洗壓力p=166.7 Pa。當射程為初始段長度時，即S=9.6 cm，由圖6可知，噴嘴個數N=5個，清理時，各個噴嘴的最大合力為50 N，小于電磁式吸附系統的吸力，不會對吸附系統造成影響。結合20 ℃自由射流計算參數和式(3)計算得到空氣壓縮機的排量Q。經計算此時至少需要排量Q=12 L/min的空氣壓縮機。

(3)

式中：

d——噴嘴口徑，mm；

p——清理壓力，×105Pa；

Q——流量，L/min；

n——噴嘴個數，個；

η——噴射效率，%。

2.3 自動回收模塊

餐盤回收堆疊計數原理見圖7，當電磁式吸附模塊運動至下部的餐盤回收導向槽上方時，行程開關被支架上的檔塊觸碰時，接觸器斷開，電磁鐵斷電使其失去吸附作用，餐盤在重力作用下掉到回收導向槽上，自動滑動到回收框內，餐盤回收模塊設有計數傳感器，每回收一個餐盤，傳感器就計數1次。同時控制步進電機旋轉一定角度，使接收的餐盤始終保持一定的高度面，當落入回收框的餐盤達到設定數量時，系統報警并停止工作，提醒工作人員更換餐盤回收框。

回收桶固定架上設有重量傳感器，當回收桶內殘渣的重量超過設定數量時，系統報警并停止工作，提醒工作人員更換殘渣回收桶，食物殘渣回收計量原理見圖8。

2.4 雙排鏈輸送模塊

為了實現餐盤的自動吸附、清理和回收，要選擇合適的餐盤輸送機構。由于餐盤是剛性結構，不適合用帶傳動輸送。

本設計采用雙排鏈結構，結構緊湊，餐盤的輸送準確可靠，解決了餐盤的剛性和傳送帶柔性的矛盾問題，適用于惡劣的工作環境[11]。采用雙排鏈結構，目的在于提高回收效率。

本裝置采用雙排輸送鏈，鏈速在0～0.7 m/s調節，電磁式吸附模塊長度為0.3 m，每個模塊之間間隔0.05 m，雙排鏈寬度為0.2 m，電磁式吸附模塊個數為20個，電磁式吸附模塊重量為2.5 kg，電機功率P為1.5 kW，當鏈速達到最大(0.7 m/s)時，裝置的理論清理回收速度達到了240個/min。根據統計某大學食堂在最高峰期每分鐘大約產生51個餐盤，清理回收能力完全滿足食堂要求。結合電磁鐵參數和公式(4)，當裝置滿負荷以v=0.7 m/s運轉時，可得到此時電機輸出功率。電機的功率至少要1 120 W。

(4)

式中：

P——電機功率，W；

G——總重力，N；

m1——雙排鏈系統質量，kg；

m2——滿負荷時餐盤和殘渣的質量，kg。

3 控制系統設計

3.1 控制流程

裝置主要采用PLC作為系統的主控芯片?？刂葡到y主要包括吸附控制、清理控制、回收控制、速度壓力控制，其結構框圖見圖9。雙排鏈輸送模塊和餐盤回收模塊采用 220 V電源供電，控制系統采用24 V電源供電。

3.2 控制系統硬件選擇

采用PLC控制，通過2.4寸TFT彩色液晶屏模塊觸摸輸入，由PLC控制驅動電機和壓力調節閥，設置整個系統的清理回收速度和清理壓力。PLC用軟件功能取代繼電器、計數器等器件，控制的設計、安裝、接線工作大量減少。具有一系列的硬件和軟件的抗干擾措施，平均無故障時間達到數萬小時以上，可直接用于有強烈干擾的工業生產現場，足以滿足系統穩定性、系統壽命等設計要求。PLC故障率低，且有自診斷和顯示功能，可根據PLC上的發光二極管或編程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更換模塊的方法可以迅速地排除故障。

4 結論

(1) 研發一種基于電磁原理的雙排鏈式餐盤清理回收裝置，并對其機械系統和控制系統做了詳細說明。該裝置在不改變原有餐盤的材料工藝和結構的情況下，可實現對不同型號的不銹鋼餐盤和聚乙烯餐盤的自動回收、清理、堆疊、計量，具有良好的實用性和經濟性。

(2) 本裝置的清理和回收主要通過壓縮空氣和電磁控制來實現，裝置結構緊湊，操作簡單，與其它方法相比，無二次污染，大大減少了食堂就餐環境的安全隱患。

(3) 本裝置和人工清理回收相比，本裝置在正常工作時僅需一名操作工配合完成開機、調速、調壓、更換殘渣回收桶、餐盤回收框等簡單操作，減少了勞動強度，提高了效率，在食堂、酒樓等大型餐飲中心有著巨大的市場前景。

(4) 本裝置能夠滿足食堂清理回收等需求，但仍然有不足之處，如裝置不具備清洗、消毒、包裝等功能，可在裝置中引入超聲波清洗技術和高溫水蒸氣消毒技術等技術進一步擴展該裝置的功能。

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Development of an electromagnetic double row of chain equipment for recycling and cleaning of plates

YU Jian-wuWENChengHUQi-fengSHENXiangLIXin

(CollegeofMechanicalandVehicleEngineering,HunanUniversity,Changsha,Hunan410082,China)

In order to solve low collection efficiency and low automation existing in present plates collection equipments, an electromagnetic double row of chain equipment for recycling and cleaning of plates is proposed. Diners place plates on the electromagnetic adsorption module, then plates with different models and materials is cleaned up and collected through automatic adsorbing, cleaning, stacking, and calculating stages. The equipment has good practicability and economy which design with compact structure and simple operation. The maximum speed of equipment is 240 pieces /min, the speed and pressure can be adjusted according to actual need. Equipments do not contact ort during collecting, and cleaning medium does not produce secondary pollution, thus the food safety problems are reduced greatly.

plate; electromagnetic adsorbing; compressed air cleaning; automatic recycling; double row of chain

國家自然科學基金(編號：51275165)；長沙市科技計劃項目(編號：K1406080-11)

余劍武(1968—)，男，湖南大學教授，博士。 E-mail: 569997274@qq.com

2016—08—31

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.03.019