甜菜制糊機的開發設計

劉新力，陳 剛

(黑龍江大學機電工程學院，哈爾濱 150080)

0 引言

甜菜屬于藜科甜菜屬，甜菜莖根含糖量高，是制糖工業的主要原料之一，新疆、黑龍江、內蒙古三省區是我國甜菜主要產區[1]。甜菜品質檢測前期處理設備-甜菜制糊機用于甜菜群體品質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，以便進行甜菜含糖率和其他成分的分析。

甜菜制糊機作為甜菜品質檢測前期處理設備制取樣品菜糊，每年僅在甜菜收獲后約半個月內集中使用，利用率低，使用范圍及用量小，設備制造成本要求低，且研究開發投入有限，技術和設備方面發展較為緩慢。雖然該類設備利用率低，卻要求使用年限長。20世紀90年代，我國甜菜品質檢測設備還比較落后，在十幾年的應用實踐中通過不斷改進，提高了甜菜品質檢測的準確性和工作效率[2]。該設備尚存在以下問題：設備部分結構設計不夠合理，振動和噪音大，部分零件腐蝕較快，影響使用壽命，鋸糊效果和準確性等也有待進一步提高。

在借鑒國內現有甜菜品質檢測前期處理設備的基礎上，對甜菜制糊機進行了開發設計，改進優化其結構，降低了設備振動和噪音，使設備運行平穩可靠，增強了零件抗腐蝕性能，并提高了設備使用壽命及操作方便性、安全性，提高了甜菜品質檢測前期處理設備的技術水平。

1 總體方案及結構設計

設計過程是一個創造性的工作過程。要盡量利用現有的成功經驗，把繼承和創新統一起來。該甜菜制糊機是在對國內現有甜菜品質檢測前期處理技術與設備調研的基礎上，并在制糊原理與方法上吸收借鑒已有的成熟技術，對其機架結構及動力源布置等進行了改進優化，以降低設備振動和噪音，使設備運行平穩可靠，且以提高設備使用壽命和鋸糊效果為主要目標進行開發設計。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，多組喂料斗循環連續工作，樣品甜菜被逐個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，如圖1所示。

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

經分析研究，鑒于一些現有甜菜品質檢測前期處理設備機架部分結構設計較單薄，剛度不足，加之有的將鋸糊驅動電機和輸送驅動電機均置于機架底部，雖然驅動電機重心低，穩定性較好，但造成鋸糊驅動帶傳動距離過長，且由于鋸糊驅動電機轉速要求高達2 900 r/min，造成設備振動和噪音大。帶傳動的中心距(即距離)選擇大些可以減少單位時間內帶的循環次數，有利于提高帶的壽命。帶傳動的中心距不易過大，否則工作時容易造成帶顫動。中心距也不易過小，因為中心距越小，帶的長度越短，在一定速度下，單位時間內的應力變化次數越多，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結構，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]。

依據上述原則，對現有設備機架結構和動力源布置等進行改進優化如下：將鋸糊驅動電機盡可能靠近鋸片軸布置安裝，即縮短鋸糊驅動帶傳動距離(中心距)，大小帶輪基準直徑均選擇150 mm(采用B型普通V帶)，將帶傳動的中心距設計為465 mm，為1.55倍大小帶輪基準直徑之和。由于大小帶輪基準直徑設計為相等的尺寸，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。適當增大機架零件槽鋼截面尺寸，并在機架中間增加橫梁，以縮短支承跨距并增加支承點，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動電機的承載梁。對支承鋸糊驅動電機和輸送驅動電機的兩塊安裝板與該電機接觸的表面均采用精銑加工，兩塊安裝板在與機架橫梁連接時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。通過以上改進優化，降低了設備振動和噪音，使設備運行平穩可靠，提高了設備使用壽命。改進前后制糊機機架結構和動力源布置及相關整體結構如圖2所示。

1輸送機構 2喂料斗 3鋸糊驅動電機 4鋸糊傳動帶 5鋸糊機構 6鋸片 7輸送傳動帶 8機架 9輸送驅動電機安裝板 10輸送驅動電機 11鋸糊驅動電機安裝板 12中間橫梁圖2 改進前后制糊機機架結構和動力源布置及相關整體結構示意圖Fig.2 Sketch map of the rack construction, power source allocation and related massive structure of paste machine before and after reform

通過以上機架結構和驅動電機(動力源)布置等進行的改進優化，雖然在機架原材料、機架和安裝板零件加工成本及安裝費用上略有所增大，但卻大幅度降低了設備振動和噪音，提高了設備使用壽命和可靠性，達到了預期改進優化效果。改進優化后，該甜菜制糊機主要技術參數指標為：工作能力：960(±5%)株甜菜/h；鋸片轉速：2 900 r/min；鋸片直徑：250 mm；功率：輸送驅動電機0.75 kW，鋸糊驅動電機1.5 kW。

2 鏈條托板和壓板的設計

鏈傳動是一種撓性傳動，通過鏈輪輪齒與鏈條鏈節的嚙合來傳遞運動和動力。鏈傳動無彈性滑動和整體打滑現象，因而能保持準確的平均傳動比，且能在潮濕環境中工作，其中滾子鏈常用于鏈速不超過15 m/s的低速級傳動系統。滾子鏈加上附件，還可用于輸送[5]。

該甜菜制糊機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，多組喂料斗循環連續工作。國內現有的甜菜制糊機采用常規的鏈傳動托板方式，將兩條單排滾子鏈分別用外側帶立邊的托板從鏈條的下方托住，當設備空轉，即喂料斗內未裝填甜菜物料時，鏈條可在托板上拖動空喂料斗平穩滑動；設備工作時，即甜菜裝填到喂料斗內通過制糊機高速旋轉的鋸片鋸糊時，喂料斗內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確，且使鋸糊過程不穩定，對鋸糊效果和準確性有一定影響。

該甜菜制糊機對在鋸糊位置處的常規鏈傳動托板進行了改進，增設了一段壓板，該壓板與外側帶立邊的托板一起組成了具有導向功能的鏈條托板和壓板相結合的鏈條張緊方式，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，當甜菜隨同喂料斗受到鋸片作用力時，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動。鏈條托板和壓板如圖3所示。該鏈條托板和壓板結合的鏈條張緊方式設計合理可行，簡單實用，效果十分顯著。

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

3 機架、防護板和罩板防腐處理與減振設計

由于制糊機的甜菜物料需要經過清洗設備的有效水洗，以去除甜菜表面的泥土污物才能用制糊機進行鋸糊，甜菜物料表面難免帶有一定量的殘留水，制糊機進行鋸糊時也難免造成甜菜糊的飛濺，制糊機使用后的班后清洗清理也需要用水，使制糊機無論是在工作時還是在班后一直處于潮濕環境中。甜菜制糊機的喂料斗、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，提高了設備使用壽命，且清理維護方便。上述少數與物料接觸的關鍵零件采用不銹鋼材料制造非常必要，設備的制造成本增加不大。但是，如果機架、防護板和罩板也采用不銹鋼材料制造，設備的制造成本就會大大增加，通常采用Q235碳鋼材料制造并進行表面噴塑處理，成本較低且防腐效果較好。由于該設備使用范圍和用量小，為單件加工制造，人工裝配安裝，機架、防護板和罩板上的螺紋孔、通孔大多需現場裝配時與相關零部件配制。如果采用通常的方法，將機架、防護板和罩板先進行整體表面噴塑處理，然后在裝配現場與相關零部件配合制做機架、防護板和罩板上相應的螺紋孔、通孔后，再將相應的零部件用螺釘、螺栓等緊固件連接固定，雖然機架、防護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、通孔時會被去除，Q235碳鋼材料暴露在潮濕的空氣環境中，螺紋孔、通孔表面很快被腐蝕，短時間內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、通孔腐蝕嚴重，使緊固連接固定失效。

該甜菜制糊機機架、防護板和罩板使用Q235碳鋼材料加工制造，但采用了以下防腐處理方法：在機架、防護板和罩板上與相關零部件配合制做相應的螺紋孔、通孔，將相應的零部件用螺釘、螺栓等緊固件預連接后，將螺釘、螺栓等緊固件拆卸。再將帶有螺紋孔、通孔的機架、防護板和罩板進行表面噴塑處理，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，可用相應的絲錐或鉆頭做適當清理)，使機架、防護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。由于該甜菜制糊機此處螺釘、螺栓、螺母緊固件規格多為M3～M6小尺寸標準件，采用了不銹鋼材質替代碳鋼，成本只略有增加，但長期使用，抗腐蝕性能顯著，且對提高機架、防護板和罩板螺紋孔、通孔處的抗腐蝕性也是有利的。

制糊機工作時，鋸糊驅動電機驅動鋸片以高達2 900 r/min的轉速旋轉，同時輸送驅動電機帶動鏈條上的喂料斗中的甜菜以一定速度向鋸片運動，當鋸片切割到甜菜時，產生切割阻力較大，機架及其上的防護板和罩板等零件不可避免地出現振動，由于防護板和罩板厚度只有1.5 mm左右，且表面積較大，產生的振動較劇烈，噪音較大。該機除在機架與地面接觸處之間采用聚氨酯減振墊外，還可在機架與防護板、罩板螺釘固定連接處之間采用適當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計

電控系統設計采用主控制柜與操作按鈕柜結合的雙工位操作控制方式，使該機具有左右兩個上料工位，均可方便就近控制操作。鋸片旋轉和物料進給設計為獨立啟動和停止，并設計急停和點動進給操作功能，實現鋸片旋轉和物料進給緊急快速停止和點動進給調節。電路設計增加了變壓器，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 結論

該機在制糊原理與方法上吸收了國內甜菜品質檢測前期處理已有的成熟技術，對設備機架結構和動力源布置等進行了改進優化，設計的鏈條托板和壓板避免了鋸糊時裝有甜菜的喂料斗與鏈條一起向上竄動，對機架、防護板和罩板進行了防腐處理與減振設計，采用了雙工位操作控制等設計。該機改進設計科學合理，簡單實用，大幅度降低了設備振動和噪音，提高了設備使用壽命及鋸糊效果。開發設計的甜菜制糊機樣機如圖4所示。該機已得到了實際應用，取得了預期效果。該甜菜制糊機的開發設計提高了甜菜品質檢測前期處理設備技術水平，對提高檢測準確性和工作效率具有促進意義。

圖4 甜菜制糊機樣機實物照片Fig.4 Photo of the prototype of beet paste machine