一種全自動上甑系統及其布料規程和布料時間的設計研究

段言峰，唐娜云，劉向峰，唐心強

(1.普瑞特機械制造股份有限公司，山東泰安 271000；2.萊蕪職業技術學院醫學技術與護理系，山東濟南 271100；3.山東第一醫科大學圖書館，山東濟南 250117)

隨著我國科技和經濟的飛速發展，傳統白酒行業暴露出勞動強度大、成本高、衛生條件差等問題[1]。特別是近幾年以來，人力資源越來越緊缺、昂貴。傳統白酒行業為節省人力、降低成本，不得不逐步用機械化、自動化替代傳統的手工工藝，即機械化、自動化已成為當今白酒生產發展的必然趨勢[2]。

自中國白酒“158 計劃”開展以來，國內大多數白酒生產廠已基本實現了機械化生產，勞動強度和生產效率得到了很大改善[3]。特別是下列工序在機械化、自動化方面取得了巨大進步：原料運輸、加工、涼甑、自動灌裝、包裝等。但在上甑工序上，目前的機械作業還很難完全模仿人工作業。作為白酒釀造5 個A 級工序點之一的上甑工序，其操作復雜、要求苛刻，要實現自動化上甑困難重重[4]。“上甑”操作是蒸餾白酒釀造的關鍵工藝環節，蒸餾效率的關鍵又在于上甑操作[5]，即上甑操作質量的好壞將直接決定出酒率和酒質好壞[6]。通常上甑時要求：在甑鍋的中間部位要均勻平鋪，且松軟適當、密實度一致，靠近鍋壁的周圈部位要求形成一定高度的斜坡，如圖1 的斜坡(24)所示，以保證在蒸餾過程中釀酒原料既不跑汽又不壓汽[6]。目前，熟練的工人上甑雖然能滿足以上嚴格的上甑工藝要求，但人工酒醅上甑勞動強度較大，生產效率、質量和出酒率受人為要素的影響大，人工成本高、招工難、企業負擔較重[7]。為減輕企業用工負擔，現今行業中部分工廠使用的傳送帶拋撒上甑不但做不到均勻上甑，更不能在靠近鍋壁的周圈部位形成一定高度的斜坡，很難滿足以上的工藝要求。之所以這樣要求，是要達到以下目的：松軟適當、密實度一致、不壓汽、不塌汽、不漏汽，即在上甑的整個過程中要確保甑鍋的中間部位上甑厚度均勻、松軟適當、密實度一致，以便保證鍋底蒸汽能均勻的通過松軟的甑料層及時達到新鋪甑料層的下部，實現不壓汽；甑鍋的局部因為上甑時用力過大或其他原因引起密實度不均，會造成密實度大的地方蒸汽上不來，即所謂塌汽；此外，在上甑過程中還要確保在不壓汽、不塌汽的基礎上不漏汽，僅僅是及時上甑、均勻上甑、松軟適當、密實度一致是不夠的。靠近鍋壁的周圈，金屬鍋壁傳熱快，蒸汽上來也快，在靠近鍋壁的周圈部位上甑時，要形成一定高度的斜坡，以確保蒸汽不會先于其他位置沿著鍋壁漏出。不壓汽、不塌汽是為了使甑層的各部分受熱均勻，使得蒸鍋里的所有甑料均勻出酒，否則會降低產量；不漏汽是為了在上甑過程中不把甑料中含有的酒分過早蒸出，以免造成浪費，減少蒸酒過程中酒的損耗。人工上甑、傳送帶拋撒上甑和本研究的自動上甑系統的優缺點如表1所示。

表1 人工上甑、傳送帶拋撒上甑和本研究的自動上甑的優缺點

1 自動上甑系統的組成結構及關聯關系

1.1 自動上甑系統的組成結構

為克服現有的人工上甑和傳送帶拋撒上甑的缺點，達到熟練工人上甑的工藝效果，本研究設計了一套全自動上甑系統，該系統的主要部分的構造及其主要部件如圖1所示。

1.2 自動上甑系統各部分的關聯關系

4 支掛桿(8)的一端分別固定在2 根導軌(7)的兩端，另一端分別與房頂連接，從而將2 根導軌(7)平行且等高度的懸掛于蒸鍋(25)正上方的適當高度；料斗(5)通過其上端左右兩邊設置的4 支滾動輪(6)及2 根滾動軸(圖中沒有標出)懸掛于導軌上，其中右邊的滾動軸上設置有滾動輪驅動電機(圖中沒有標出)，驅動電機啟動后可以帶動滾動輪(6)和料斗(5)及懸掛在其以下的機構沿著導軌(7)左右移動；軸承座一(4)的外圈通過連接筋(圖中沒有標出)固定在料斗(5)的上端口，軸承座二(10)的外圈通過連接筋(圖中沒有標出)固定在料筒(13)的上端口，此外料斗(5)的下部安裝有自動稱量裝置(圖中沒有標出)；螺旋式輸送機的料筒(13)的上部與料斗(5)的下端口對接，料筒(13)的下部焊接有連接套(15)，連接套(15)的下端連接有伸縮料筒(17)，伸縮料筒(17)的下部固定有套筒(19)，楔形送料筒(21)通過套筒(19)前后兩側設置的旋轉軸(18)掛在套筒(19)的下端(旋轉軸和楔形送料筒的軸和孔上分別鑲嵌有尼龍套)；螺旋式輸送機的主軸(2)的上端通過聯軸器(圖中沒有標出)連接電機一(1)，主軸(2)的下半部焊接有螺旋帶(12)，主軸(2)的上部通過軸承一(3)和軸承二(9)固定在料筒(13)的中心軸線上，而軸承一(3)和軸承二(9)分別固定在軸承座一(4)和軸承座二(10)上，軸承座一(4)和軸承座二(10)分別通過連接筋與料斗(5)的上端口和料筒(13)的上端口連接(要保證軸承一和軸承二的中心軸線與料筒的中心軸線重合)；主軸(2)在電機一(1)的驅動下帶著螺旋帶(12)繞著料筒(13)的中心線旋轉，從而通過電機一(1)的啟、停實現送料和停止送料的動作。螺旋式輸送機除通過改變電機轉速調節下料量外，當驅動電機一(1)斷電后，螺旋式輸送機還可以保證物料暫時存放在料斗(5)和料筒(13)的內部，起到物料閥門的作用，即停止送料的作用；氣缸(14)的兩端分別通過固定座一(11)和固定座二(20)焊接在料筒(13)的上端和套筒(19)的上端，氣缸(14)的伸縮可以帶動伸縮料筒(17)及其以下部分在料筒(13)的軸向方向上下移動，從而可根據甑鍋(25)中物料的高低調節落料口的高低，以便減少甑料在落料過程中酒分的揮發(圖中僅畫出了1 只氣缸，實際上是2 只氣缸對稱分布于料筒的兩側)；卷揚電機(37)通過固定套(16)固定在連接套(15)上，卷揚電機(37)的主軸通過聯軸器(圖中沒有標出)與卷揚筒(38)相連，滑輪支架(35)一端安裝有滑輪(34)，另一端焊接在套筒(19)上，楔形送料筒(21)楔形面的右下角兩側分別焊接1只掛鼻(22)，尼龍繩(36)的兩個Y 型分叉分別系在2只掛鼻(22)上，合并后通過滑輪(34)后再固定在卷揚筒(38)上，開動卷揚電機(37)帶動卷揚筒(38)轉動，轉動卷揚筒(38)使得尼龍繩(36)卷繞或伸展，進而調節楔形送料筒(21)的角度、調整落料角度，即當尼龍繩(36)處于最大伸展狀態時楔形送料筒(21)的狀態如圖1 所示，這時甑料會自由下落；當尼龍繩(36)卷繞時，楔形送料筒(21)沿著旋轉軸(18)逆時針轉動，從而實現楔形送料筒(21)的軸線與蒸鍋(25)的鍋壁形成需要的角度(如圖2所示)，該角度的形成可以使沿著楔形送料筒(21)滑落的甑料在慣性力的作用下沖向鍋壁，沿著鍋壁自由下滑，從而在鍋壁周圈附近形成一圈斜坡形的甑料層(當蒸鍋處于旋轉狀態時)。

圖2 本系統的楔形送料筒落料形成斜坡時的狀態（各部件標識與圖1一致）

蒸鍋(25)的上部外檐上鑲有一圈齒圈(26)，蒸鍋(25)鍋底的中心焊有轉軸(27)，轉軸(27)與推力軸承(28)和軸承三(29)裝配，推力軸承(28)和軸承三(29)固定在軸承座上(圖中沒有標出)，軸承座又固定在混凝土基礎上；電機二(30)的主軸與變速器(31)連接，變速器(31)通過聯軸器(32)與齒輪(33)連接，電機二(30)通過其底座固定在蒸鍋(23)右側的混凝土基礎上。當電機二(30)通電時會帶動變速器(31)、聯軸器(32)和齒輪(33)轉動，齒輪(33)又會通過齒圈(26)帶動蒸鍋(25)繞著轉軸(27)以一定的角速度轉動。本研究料筒(13)的內直徑是蒸鍋的平均直徑(該比例可根據實際情況調整)。

2 自動上甑系統的布料規程及布料時間的設定

2.1 自動上甑系統的布料規程

本研究的全自動上甑系統開始工作時，中心控制器首先指示螺旋式輸送機(圖中沒有標出)將甑料輸送到料斗(5)，當設置在料斗下方的稱重裝置所稱重量大于某一設定值M 時(M 值為料斗重量+滿斗甑料的重量)，稱重裝置將信號傳輸到中心控制器，中心控制器再指示螺旋式輸送機停止送料；然后，中心控制器指示滾輪驅動電機啟動，帶動滾動輪(6)、料斗(5)及懸掛在其以下的設備移動到蒸鍋中心偏右的位置，即料筒(13)移動到如圖3 所示的粗實線圓一(48)的正上方，也就是料筒(13)的中心軸線與蒸鍋橫向軸線(40)和細點畫線圓三(46)的右側交點重合；同時中心控制器指示電機一(1)、電機二(30)啟動并帶動螺旋帶(12)和蒸鍋(25)轉動，這時甑料就會從料斗(5)的底部通過軸承座二(10)與料筒(13)之間的連接筋形成的空隙落入料筒(13)的上部，甑料在螺旋帶(12)的推動下逐步下移，并通過伸縮料筒(17)、套筒(19)及楔形送料筒(21)均勻自由落入蒸鍋的如圖3 所示的粗點畫線圓二(45)所圍成的圓圈內(因為落料的同時蒸鍋也在旋轉)；經過一定時間t1 后(t1 的確定方法下面會詳細說明)，中心控制器指示電機一(1)停止轉動(即甑料停止下落)，同時指示滾輪驅動電機啟動將料筒(13)移動到如圖3所示的粗實線圓二(50)的正上方，即料筒(13)的中心軸線與蒸鍋橫向軸線(40)和細點畫線圓二(44)的右側交點重合，啟動電機一(1)，甑料就會再次均勻自由落入蒸鍋的如圖3 所示的粗點畫線圓二(45)和粗點畫線圓一(43)之間的范圍內；經過一定時間t2 后(t2 的確定方法下面會詳細說明)，中心控制器指示電機一(1)停止轉動(即甑料停止下落)，同時指示滾動輪驅動電機啟動將料筒(13)移動到如圖3所示的粗實線圓三(52)的正上方，即料筒(13)的中心軸線與蒸鍋橫向軸線(40)和細點畫線圓一(42)的右側交點重合，指示啟動電機一(1)，甑料均勻自由落入蒸鍋的如圖3 所示的粗點畫線圓一(43)和蒸鍋內圓(41)之間的范圍內；經過一定時間t3 后(t3 的確定方法下面會詳細說明)，中心控制器指示電機一(1)停止轉動(即甑料停止下落)，同時指示滾動輪驅動電機啟動將料筒(13)移動到如圖3 所示的細點畫線圓三(46)的正上方，即料筒(13)的中心軸線與蒸鍋中心軸線重合，再指示啟動電機一(1)，這時甑料就會再次均勻自由落入蒸鍋的如圖3 所示的細點畫線圓三(46)以內的范圍內；經過一定時間t4 后(t4 的確定方法下面會詳細說明)，中心控制器指示電機一(1)停止轉動(即甑料停止下落)，同時指示滾輪驅動電機啟動將料筒(13)移動到如圖3 所示的粗破折線圓一(49)的正上方，即料筒(13)的中心軸線與蒸鍋橫向軸線(40)和粗點畫線圓二(45)的右側交點重合，再指示啟動電機一(1)，這時甑料就會再次均勻自由落入蒸鍋的如圖3 所示的細點畫線圓二(44)和細點畫線圓三(46)之間的范圍內；經過一定時間t5 后(t5 的確定方法下面會詳細說明)，中心控制器指示電機一(1)停止轉動(即甑料停止下落)，同時指示滾動輪驅動電機啟動將料筒(13)移動到如圖3 所示的粗破折線圓二(51)的正上方，即料筒(13)的中心軸線與蒸鍋橫向軸線(40)和粗點畫線圓一(43)的右側交點重合，再指示啟動電機一(1)，這時甑料就會再次均勻自由落入蒸鍋的如圖3 所示的細點畫線圓一(42)和細點畫線圓二(44)之間的范圍內；經過一定時間t6 后(t6 的確定方法下面會詳細說明)，中心控制器指示電機一(1)停止轉動(即甑料停止下落)，同時指示卷揚電機(37)逆時針轉動，將尼龍繩(36)纏卷到卷揚筒(38)上，楔形送料筒(21)在尼龍繩(36)的拉動下逆時針轉動，當轉動到如圖3 所示的位置時，中心控制器指示卷揚電機(37)停止轉動，指示啟動電機一(1)，這時甑料就會從料斗(5)的底部通過軸承座二(10)與料筒(13)之間的連接筋形成的空隙落入料筒(13)的上部，然后甑料在螺旋帶(12)的推動下逐步下移，并通過伸縮料筒(17)、套筒(19)自由垂直落向處于傾斜狀態的楔形送料筒(21)，甑料在楔形送料筒(21)的強制下由自由垂直下落改變為沿著楔形送料筒(21)向著斜下方滑動著通過楔形送料筒(21)，在慣性力的作用下繼續按照圖3 所示虛實線箭頭(39)的方向沖向蒸鍋(25)的內壁，再順著蒸鍋(25)的鍋壁下滑到已有甑料的上方，并隨著甑鍋(25)的轉動和落料的連續進行，甑料會貼著鍋壁周圈逐漸堆積成一圈斜坡(24)。經過一定時間t7 后，當觀測到斜坡達到要求的高度后，中心控制器指示電機一(1)停止轉動(即甑料停止下落)，同時指示滾輪驅動電機啟動將料筒(13)移動到如圖3 所示的粗實線圓一(48)的正上方，也就是料筒(13)的中心軸線與蒸鍋橫向軸線(40)和細點畫線圓三(46)的右側交點重合；這樣就完成了一層的布料，多次重復以上動作就會完成蒸鍋的全部布料(經過以上布料，如果發現蒸鍋的中間區域布料的厚度和均勻程度達不到要求的話，可以通過適當調整布料位置實現蒸鍋中間區域的布料厚度均勻)。

圖3 蒸鍋布料位置示意圖

此外，在布料的過程中如果設置在料斗下方的稱重裝置所稱重量小于某一設定值m 時(M＞m，m值略大于料斗的重量)，中心控制器就會指示啟動螺旋式輸送機(圖中沒有標出)將甑料輸送到料斗(5)，當設置在料斗下方的稱重裝置所稱重量大于某一設定值M 時，稱重裝置將信號傳輸到中心控制器，中心控制器再次指示螺旋式輸送機停止送料；當設置在蒸鍋(25)上面及落料口下面的超聲波物位儀檢查到落料口與甑料層(23)的距離小于200 mm 時，中心控制器指示啟動氣泵，在氣泵的作用下，氣缸(14)帶動套筒及楔形送料筒、伸縮料筒向上收縮300 mm后停止氣泵。

之所以在每層布料時，把料筒(13)在蒸鍋橫向軸線上的布料位置交錯布置，是為了彌補不同落料區域落料多少不一致的缺點。圓形料筒(13)在蒸鍋(25)旋轉過程中，均勻落料，但在落料范圍內的不同部位其落料多少并不一致(細點畫線圓三(46)上布料除外)，下面舉例說明。當料筒(13)處于粗實線圓二(50)的正上方布料時，單獨從料筒(13)直下方的小范圍看(假設蒸鍋靜止不動，實際上是在以一定的角速度不停的旋轉中)，料筒的落料是均勻的，但如果同時考慮落料時蒸鍋以一定的角速度旋轉，就可以發現：細點畫線圓二(44)右邊的落料區域內隨著離細點畫線圓二(44)越遠其料筒單位落料面積所對的落料區域越來越大，其結果就是經一定時間布料結束后，越靠右邊的區域其料層厚度越薄，交錯位置布料后就可以有效彌補以上缺點，達到蒸鍋中間區域每層布料基本均勻的效果。

2.2 料筒在不同位置的布料時間

首先假設：料筒(13)的內直徑為d，則蒸鍋平均直徑為6 d(因為本研究的料筒的內直徑是蒸鍋平均直徑的)。

其次，當甑料、螺旋式輸送機的螺旋帶(12)的轉速一定時，即單位時間內落料量一定時：

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t1的確定：

t1要根據有經驗的師傅來確定，即當在粗實線圓一(48)的正上方布料時，有經驗的師傅從開始布料就記錄下時間，當該師傅認為布料厚度達到要求時，該落料時間間隔即為t1(以后不同蒸鍋的布料皆以該時間為準)，其對應的布料面積為：。然后依據不同位置布料時對應的布料面積確定其它位置的布料時間；

t2的確定：

粗實線圓二(50)的正上方布料時對應的布料面積為：

布料時間：

t3的確定：

粗實線圓三(52)的正上方布料時對應的布料面積為：

布料時間：

t4的確定：

細點畫線圓三(46)的正上方布料時對應的布料面積為：

布料時間：

t5的確定：

粗破折線圓一(49)的正上方布料時對應的布料面積為：

布料時間：

即：t5=2t1；

t6的確定：

粗破折線圓二(51)的正上方布料時對應的布料面積為：

布料時間：

即：t6=4t1；

t7的確定：

t7要根據有經驗的師傅來確定，即當甑料沿著楔形送料筒(21)滑鍋壁時開始計時，當甑料在鍋壁的周圈形成的斜坡(24)達到工藝要求時，該時間段即為t7(以后不同蒸鍋的布料皆以該時間為準)。

3 結論

本研究的自動上甑系統及布料程序和時間的設計與現有的其它機械化自動布料裝置相比具有結構簡潔、操作簡單、投資少、效率高、布料均勻等優點，且能完全滿足上甑工藝的各種復雜、苛刻的要求。