一種小麥SDS 沉降值自動測定裝置的設計與制作

河南農業大學機電工程學院 徐長春 董奧輝 王學良 李祥付 田輝

小麥SDS 沉降值是評價和判斷小麥品質的一個重要標準。沉降試驗是指在帶玻璃塞的刻度試管中，利用小麥粉在乳酸溶液中沉降的體積表示小麥面筋的質量，這是簡單有效測定小麥粉強度大小的方法。高筋面粉的沉降速率較低，且沉積物體積較大；強度較低的面粉沉降速率較快，沉積物體積較小。根據測定方式的不同，測定裝置可以分為手動測定方式和半自動測定方式兩種，其中，手動測定方式依靠純手工加料、長時間搖晃試管，適合少量小麥的測定；半自動測定方式采用粉碎機對樣品進行粉碎細分，再使用量筒振蕩器來搖勻粉液。

目前，針對小麥SDS 沉降值測定方式自動化程度不高的現狀，筆者嘗試提供一種新的測定設備及測定思路，以達到解決測試結果受實驗人員技術水平影響較大、因黏滯力影響粉液混合不均勻、不能自動讀取測定值等問題，提高檢測效率的目的。

一、方案設計

（一）總體設計

本文根據小麥試液的運動情況和小麥微量SDS 沉降值測定的實驗方法，總結分析現有溶液混合設備優缺點的基礎上，使用Solid Works 建模軟件，根據自下而上的建模方法創建整機模型，設計了小麥SDS 沉降值自動測定裝置（如圖1 所示）。

圖1 整機模型

該裝置由輸料模塊、氣泵、水平臺、殼體等部分組成，按其功能可劃分為自動加料、液體振蕩、自動測定三部分，可實現自動下料、混合振蕩、自動測定等功能。

（二）振蕩系統設計

小麥SDS 沉降值自動測定裝置的振蕩系統按照振蕩原理的不同可以分為渦旋振蕩、攪拌振蕩和晃動振蕩，其中，三種振蕩方式的優缺點如表1 所示。通過對上述三種振蕩方式的對比，本文選擇了晃動振蕩的振蕩系統。

表1 三種振蕩方式優缺點對比

在振蕩系統機構設計中，可使旋轉運動轉變為直線運動的常用的機構有凸輪式旋轉機構、螺旋式旋轉機構、曲柄式旋轉機構。綜合考慮經濟性和可靠性需求，本文最終選擇曲柄連桿機構來實現旋轉運動轉化為直線運動。旋轉機構驅動裝置主要由主電機、傳動裝置和制動裝置三部分組成。

曲軸連桿機構運動原理見示意圖2 所示。曲軸以角速度ω順時針旋轉，使得連桿帶動試管槽上下移動，設試管槽移動的前死點為A，A點到試管槽中心的距離設為x，設后死點為B點，其到前死點A的距離s為試管槽上下移動的行程，若上升行程x為正，則試管槽運動規律可表示為：

圖2 曲軸連桿機構原理示意運動圖

式中：x為試管槽縱向位移；u為試管槽速度；為試管槽加速度；為曲柄轉角；ω為曲柄角速度；t為時間；r為曲柄半徑；λ為曲柄半徑r與連桿長度l之比。

（三）振蕩系統的結構設計

振蕩系統的結構裝配如圖3 所示。振蕩系統框架采用鋁合金材料搭建，框架通過外殼殼底支撐，電機驅動水平臺來實現旋轉運動，電機傳動軸與水平臺同心固定連接，空心球裝置底部薄片上端面與壓盤的下端面重合，空心球裝置中部的連接桿置于壓盤的直槽口內，試管槽裝置的底部與空心球裝置頂部的空心球鉸接，試管槽裝置的中部置于水平臺圓孔內。當電機開始工作時，水平臺帶動試管槽裝置在斜盤上做旋轉和上下的往復運動。

二、振蕩裝置選材及仿真分析

（一）裝置選材

材料的性能要與部件的工作狀態相適應，且要保證其具有良好的加工工藝和經濟性能，從而提高設備的生產效率，減少生產成本。材料的工藝性能主要包括鑄造性能、壓力加工性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理性能等。經過分析，設備主要零件選材如表2 所示。

表2 設備主要零件選材

（二）振蕩裝置的力學仿真分析

設計采用傾斜旋轉的方式振蕩溶液，使得溶液做圓周運動的同時也有上下運動，傾斜的運動能使溶液充分混合均勻，同時減弱離心力的影響，但傾斜程度過大會導致機構運行出現障礙，因此，采用ANSYS Workbench分析軟件建立有限元模型，對振蕩裝置做靜力學仿真分析。振蕩裝置機構模型建立較為復雜，但運行原理簡單，因此在確保分析結果準確的基礎上，可以忽略一些不必要的結構。

根據振蕩裝置的組成原理及結構材料分析，利用三維建模軟件Solid Works 對振蕩裝置進行建模，轉化成相應stp 格式，再導入ANSYS Workbench 進行網格劃分和仿真分析，所建三維模型如圖4 所示。

圖4 振蕩裝置的三維模型

將上述模型文件導入到Workbench 中，對結構進行簡單調整，修改部分對裝置強度影響不大的結構設計，避免出現應力集中問題。經過簡單處理后，對斜盤進行Mesh 網格劃分，由于質量不好的網格會影響求解結果的準確性，故綜合考慮后，選取網格寬度為6 mm，進行仿真分析得到斜盤受力變形圖。

在固定載荷下，對斜盤進行靜力學分析得出此斜盤的應力大小等參數，從而校核斜盤的強度及剛度，滿足實際工作需要。考慮到選取的工況中有彎扭組合變形，同時要保證其結果更加接近實際情況，所以選擇第四強度理論作為結構發生破壞的準則，其破壞條件公式為：

在振蕩裝置運行過程中，各個機構會受到各種不同載荷的影響，斜盤在復雜載荷下發生彎扭及其組合變形，這就要求斜盤有很好的強度和剛度，以保證裝置的順利運行。為保證靜力學分析的準確性就必須要確定斜盤的基本載荷。斜盤的基本載荷為：盛滿液體的試管、帶直槽口的斜盤及斜盤本身，詳細數據如表3 所示。

表3 斜盤的基本載荷

施加基本載荷時，將各種載荷看作質量點，再施加到車架上。本文將以質量點的形式施加基本載荷，在進行分析時可直接對車架施加加速度，其等效于施加慣性載荷。

通過斜盤靜力學分析可知，當斜盤同時承受彎矩和支端力作用時，應變最大值1 mm，應力最大值0.01 MPa，遠小于材料的屈服極限值885 MPa，通過對應力和應變的求解，結果顯示斜盤表面剛度及強度能夠滿足設計要求。

三、結論與分析

本文采用Solid Works 對振蕩裝置進行三維建模，利用Workbench 對斜盤部分進行靜力學分析，通過對應力和應變的求解，結果表明：斜盤表面剛度及強度能夠滿足設計要求，且余量較大，在不影響強度和剛度的前提下可以適當降低斜盤厚度，以實現裝置輕量化。根據設備運行規律，制作了簡單的模型進行實驗驗證，旋轉振蕩裝置實驗結果靜置前如圖5 所示，靜置后如圖6 所示。靜置后，沉淀下降，分層明顯，實驗結果良好，后續隨著電機和氣泵精度的進一步提高，設備整體穩定性和可靠性能夠得到大幅度提升。

圖5 靜置前

圖6 靜置后