密封式隧道型電烘爐鏈網(wǎng)回鏜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

林若波，林榮才，劉桂雄

(1.揭陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東揭陽(yáng) 522051;2.華南理工大學(xué)，廣東廣州 510640;3.廣東豐盛食品機(jī)械有限公司，廣東揭陽(yáng) 515549)

烘烤是餅干生產(chǎn)成型必不可少重要工藝，直接關(guān)系到餅干成型質(zhì)量及綜合能耗，節(jié)能降耗與優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)是餅干生產(chǎn)成型裝備的核心問(wèn)題之一。關(guān)于節(jié)能技術(shù)研究，主要集中在節(jié)能控制算法與新型爐具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上。節(jié)能控制算法方面，SANCHEZ等 (2007)基于變頻技術(shù)，研究一種節(jié)能模糊PID算法［1］;孫奉昌等(2009)研究基于小型PLC系統(tǒng)的智能PID控制算法，較好地解決加熱爐溫度控制存在超調(diào)量大、震蕩頻率大問(wèn)題［2］;LI等 (2013)研究一種級(jí)聯(lián)模糊算法(C-Fuzzy-PID)，較好地實(shí)現(xiàn)高速熱風(fēng)隧道的溫度節(jié)能控制［3］。在新型爐具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，文獻(xiàn) ［4］報(bào)道一種新型隧道爐結(jié)構(gòu)，在進(jìn)料口、出料口設(shè)置彎形擋熱板，一定程度提高加熱段的保溫能力;文獻(xiàn)［5］報(bào)道把隧道爐的出入口從兩側(cè)改為一側(cè)的結(jié)構(gòu)，充分利用熱能，但與傳統(tǒng)隧道爐布局不同，給節(jié)能改裝帶來(lái)難度。以上研究限于算法的節(jié)能控制或結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，取得一定節(jié)能效果。文中則突破傳統(tǒng)敞開(kāi)式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的弱點(diǎn)，研究一種密封式隧道型電烘爐鏈網(wǎng)回鏜結(jié)構(gòu)，采用主動(dòng)輪、從動(dòng)輪調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)鏈網(wǎng)平穩(wěn)傳動(dòng)，大幅度降低能耗，具有很好的實(shí)用性。

1 密封式鏈網(wǎng)回膛結(jié)構(gòu)與鏈網(wǎng)包角選擇

圖1為隧道爐鏈網(wǎng)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)比圖，其中圖(a)為敞開(kāi)式鏈網(wǎng)回鏜結(jié)構(gòu)示意圖，圖 (b)為密封式鏈網(wǎng)回膛結(jié)構(gòu)示意圖，實(shí)線框?yàn)槊芊馐剿淼罓t主體。敞開(kāi)式鏈網(wǎng)回鏜結(jié)構(gòu)只對(duì)工作段鏈網(wǎng)進(jìn)行加熱保溫，非工作段鏈網(wǎng)裸露在空氣中，導(dǎo)致熱能損失;而文中設(shè)計(jì)的密封式鏈網(wǎng)回鏜結(jié)構(gòu)，則實(shí)現(xiàn)工作段鏈網(wǎng)與非工作段鏈網(wǎng)均保溫，大大減少熱能損失。

圖1 隧道爐鏈網(wǎng)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)比圖

密封式隧道爐鏈網(wǎng)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)包括隧道爐主體、前鏈網(wǎng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) (見(jiàn)圖2)、后鏈網(wǎng)松緊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) (見(jiàn)圖3)三部分。

圖2 前鏈網(wǎng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖3 后鏈網(wǎng)松緊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

其中，隧道爐主體采用密封式隧道型鏈網(wǎng)傳動(dòng)，鏈網(wǎng)套裝在前鏈網(wǎng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、后鏈網(wǎng)松緊調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)中間，置于密封隧道爐中，鏈網(wǎng)上下由電熱管加熱，隧道爐兩邊用耐火石棉進(jìn)行隔熱保溫;前鏈網(wǎng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)鏈網(wǎng)的起動(dòng)和停車控制，安裝于餅干電烤爐出口處，由前支架、驅(qū)動(dòng)滾輪和前導(dǎo)向輥構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)滾輪和前導(dǎo)向輥安裝在前支架上;后鏈網(wǎng)松緊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)安裝在餅干電烤爐入口處，由后支架、從動(dòng)滾輪、后導(dǎo)向輥和螺桿組構(gòu)成，從動(dòng)滾輪與螺桿組相連，通過(guò)驅(qū)動(dòng)部件帶動(dòng)螺桿組調(diào)節(jié)從動(dòng)滾輪的前后位置，控制鏈網(wǎng)的松緊程度。

圖4為驅(qū)動(dòng)滾輪受力示意圖，滾筒為鏈網(wǎng)傳動(dòng)主動(dòng)輪，從動(dòng)滾筒為從動(dòng)輪。假設(shè)鏈網(wǎng)為理想撓性體，可任意彎曲，沒(méi)有彎曲應(yīng)力和厚度，質(zhì)量忽略不計(jì)。

圖4 驅(qū)動(dòng)滾輪受力示意圖

設(shè)鏈網(wǎng)在滾筒包角為α(包角內(nèi)滑動(dòng)弧和靜止弧分別為λ、γ，即α=λ+γ)，鏈網(wǎng)與滾輪間摩擦因數(shù)為f，傳動(dòng)鏈網(wǎng)工作表面上的總摩擦力Ff。鏈網(wǎng)有打滑趨勢(shì)時(shí)，摩擦力、鏈網(wǎng)兩端有效拉力Fe均達(dá)到最大值［6］。在不打滑狀態(tài)下，根據(jù)歐拉公式，鏈網(wǎng)緊邊拉力F1、松邊拉力F2關(guān)系為［7］:

且有:Fe=Ff=F1－F2。

若鏈網(wǎng)傳動(dòng)速度為v，則有效拉力Fe與鏈網(wǎng)傳動(dòng)所傳遞功率P的關(guān)系為:

式中:P、Fe、v單位分別為kW、N、m/s。

由驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定傳動(dòng)功率P0，可求得最小鏈網(wǎng)初拉力F0min。由此，可得到鏈網(wǎng)傳動(dòng)的臨界摩擦力Ffc(或臨界有效拉力Fec)為［7］:

由式 (3)，有:

因此，增大鏈網(wǎng)包角α或摩擦因數(shù)f，臨界摩擦力Ffc增大，降低最小鏈網(wǎng)初拉力F0min，相應(yīng)也降低驅(qū)動(dòng)電機(jī)容量要求，有利于節(jié)能。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量增大鏈網(wǎng)包角α，但α過(guò)大會(huì)使?jié)L輪側(cè)面摩擦力降低導(dǎo)致打滑。傳統(tǒng)敞開(kāi)式隧道爐鏈網(wǎng)包角α＜200°，此設(shè)計(jì)通過(guò)導(dǎo)向輥提高回鏜鏈網(wǎng)高度，可通過(guò)螺桿組調(diào)節(jié)導(dǎo)向輥位置，把鏈網(wǎng)包角增大至210°～220°之間，降低鏈網(wǎng)初拉力。

2 鏈網(wǎng)回膛結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性分析與設(shè)計(jì)

鏈網(wǎng)回膛結(jié)構(gòu)使用固定式拉緊裝置，為保證安全可靠地運(yùn)行，必須具有良好的靜、動(dòng)特性［8－9］。動(dòng)力特性主要包括由于起動(dòng)和停車引起的縱向振動(dòng)、重載產(chǎn)生懸垂度引起的橫向振動(dòng)。

設(shè)鏈網(wǎng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu) (不包括滾筒)的質(zhì)量為m，鏈網(wǎng)截面位移速度為v，承載、空載分支彈性波傳播速度分別為Cz、Ck，承載、空載分支鏈網(wǎng)的密度分別為ρz、ρk，驅(qū)動(dòng)剩余力為ΔF，電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性斜度系數(shù)為β，則驅(qū)動(dòng)滾筒外緣運(yùn)動(dòng)微分方程［10］為:

令鏈網(wǎng)回鏜分支密度A=Czρz+Ckρk－β，則有:

非穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，鏈網(wǎng)動(dòng)張力σd=Czρzv，鏈網(wǎng)傳動(dòng)最危險(xiǎn)情況又發(fā)生在鏈網(wǎng)與滾輪相遇、分離時(shí)刻 (見(jiàn)圖4中的趨入點(diǎn)1、奔離點(diǎn)2)，故鏈網(wǎng)在趨入點(diǎn)1、奔離點(diǎn)2的動(dòng)張力σ1d、σ2d分別為:

重載起動(dòng)時(shí)，因重載產(chǎn)生的拉力波傳到兩分支交界處，將產(chǎn)生一部分透射拉力波，經(jīng)空載分支傳到奔離點(diǎn)2處產(chǎn)生彈性波疊加，拉力波將削弱壓力波，在到達(dá)奔離點(diǎn)2瞬間，壓力波最大;同時(shí)，由奔離點(diǎn)2處產(chǎn)生的壓力波傳到兩分支交界處，將產(chǎn)生一部分透射壓力波，經(jīng)承載分支傳到趨入點(diǎn)1，壓力波將削弱拉力波，在到達(dá)趨入點(diǎn)1瞬間，拉力波最大，故當(dāng)趨入點(diǎn)拉力波、奔離點(diǎn)壓力波都最大時(shí)為最危險(xiǎn)情況。設(shè)鏈網(wǎng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)總長(zhǎng)度為L(zhǎng)，且滾輪半徑r＜＜L，則此過(guò)程經(jīng)歷時(shí)間為τ≈L/Cz+L/Ck，推得趨入點(diǎn)1、奔離點(diǎn)2的動(dòng)張力極限值σ1dmax、σ2dmax分別為:

設(shè)正常運(yùn)行時(shí)趨入點(diǎn)1、奔離點(diǎn)2靜張力分別為σ1j、σ2j，防滑富裕系數(shù)為k(取1～1.15)，承載托輥單位質(zhì)量、空載托輥單位質(zhì)量分別為qz、qk，重力加速度為g，則鏈網(wǎng)、滾筒之間不打滑必須滿足如下條件［11］:

因此，可通過(guò)式 (6)求得 σ1dmax、σ2dmax，由方程 (7)可求得靜張力σ1j、σ2j。即在包角固定的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)后鏈網(wǎng)松緊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)獲得合適的摩擦因數(shù)f，就可獲得鏈網(wǎng)、驅(qū)動(dòng)滾筒之間不打滑的必要條件，實(shí)現(xiàn)鏈網(wǎng)平穩(wěn)傳動(dòng)。

3 密封式鏈網(wǎng)回膛機(jī)構(gòu)節(jié)能分析與測(cè)試

鏈網(wǎng)回鏜機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)傳動(dòng)與控制，解決了結(jié)構(gòu)節(jié)能的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，為該隧道爐的結(jié)構(gòu)節(jié)能提供前提基礎(chǔ)。由于采用了密封式鏈網(wǎng)回鏜結(jié)構(gòu)，節(jié)能效果得到明顯提高。

鏈網(wǎng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將成型餅干送入密封式隧道爐烘烤，鏈網(wǎng)吸收熱量，快速升溫至恒定溫度，有效提高隧道爐熱效率。鏈網(wǎng)經(jīng)后導(dǎo)向輥送回密封式隧道爐爐膛，繼續(xù)加熱保溫，避免了傳統(tǒng)隧道爐回程鏈網(wǎng)暴露在空氣中造成的熱量損失，減少熱量損耗，鏈網(wǎng)回到隧道爐入口時(shí)仍保持高溫。由于隧道爐長(zhǎng)度較長(zhǎng)，能有效減少熱量損耗，達(dá)到保溫節(jié)能效果。

為評(píng)估密封式隧道爐的節(jié)能控制效果，廣東省揭陽(yáng)市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)所對(duì)廣東豐盛食品有限公司的DKD RF 100型電烤爐進(jìn)行測(cè)試，并與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4415-2011［12］和傳統(tǒng)隧道式電烤爐620型進(jìn)行比較，表1為測(cè)試結(jié)果比較表。

表1 測(cè)試結(jié)果比較表

結(jié)果表明:密封式隧道爐比傳統(tǒng)隧道爐節(jié)能37.5%，升溫時(shí)間遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)隧道爐，達(dá)到節(jié)能降耗、優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)的效果［13］，已申請(qǐng)了多項(xiàng)國(guó)家專利［14－17］，并通過(guò)有關(guān)部門(mén)組織的專家鑒定［18］。

4 結(jié)論

(1)提出一種密封式隧道型電烘爐的設(shè)計(jì)，采用密封式鏈網(wǎng)回鏜結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)工作段鏈網(wǎng)與非工作段鏈網(wǎng)均保溫，大大減少熱能損失。

(2)分析驅(qū)動(dòng)滾輪的受力情況，通過(guò)增大摩擦因數(shù)f或鏈網(wǎng)包角α，使臨界摩擦力Ffc增大，降低最小鏈網(wǎng)初拉力F0min，可相應(yīng)降低驅(qū)動(dòng)電機(jī)容量要求，有利于節(jié)能。

(3)分析滾筒外緣運(yùn)動(dòng)微分方程，計(jì)算最危險(xiǎn)點(diǎn)動(dòng)張力，在包角固定情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)后鏈網(wǎng)松緊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)獲得合適的摩擦因數(shù)f，滿足鏈網(wǎng)、滾筒之間不打滑的必要條件，保證鏈網(wǎng)平穩(wěn)傳動(dòng)。

(4)分析與測(cè)試密封式鏈網(wǎng)回鏜機(jī)構(gòu)的節(jié)能效果，密封式隧道爐比傳統(tǒng)隧道爐節(jié)能37.5%，升溫時(shí)間遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)隧道爐，達(dá)到節(jié)能降耗效果。

［1］SANCHEZ Edgar N，BECERRA Hectorm，VELEZ Carlos M.Combining Fuzzy PID and Regulation Control for an Autonomous Mini-helicopter［J］.Information Sciences，2007，177(10):1999 －2021.

［2］孫奉昌，樂(lè)愷，姜澤毅，等.智能控制算法對(duì)加熱爐溫度控制研究［J］.熱能動(dòng)力工程，2009，24(3):337 －341.

［3］LI Yunhua，CAI Chaozhi，LEE Kok Meng，et al.A Novel Cascade Temperature Control System for a High-speed Heat-airflow Wind Tunnel［J］.IEEE-ASME Transaction on Mechatronics，2013，18(4):1310 －1319.

［4］張宗報(bào).一種隧道爐:中國(guó)，CN201010182417.6［P］.2010－09－22.

［5］王立武.全自動(dòng)高效節(jié)能電隧道爐:中國(guó)，CN201020597749.6［P］.2011 －06 －08.

［6］廖林清，屈翔，張君.膠帶式無(wú)級(jí)變速器軸向壓力的研究綜述［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2012，29(12):1 －5.

［7］濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京:高等教育出版社，2008.

［8］KONG L Y，PARKER R G.Equilibrium and Belt-pulley Vibration Coupling in Serpentine Belt Drives［J］.ASME Journal of Applied Mechanics，2003，70(5):739 －750.

［9］KONG L Y，PARKER R G.Coupled Belt-pulley Vibration in Serpentine Drives with Belt Bending Stiffness［J］.ASME Journal of Applied Mechanics，2004，71(1):109 －119.

［10］孫慧.帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)特性與可控傳動(dòng)裝置的研究［D］.青島:山東科技大學(xué)，2004.

［11］李光布.運(yùn)輸膠帶的受力分析［J］.礦山機(jī)械，1993(12):33－37.

［12］機(jī)械工業(yè)食品機(jī)械標(biāo)委會(huì).JB/T4415-2011，隧道爐餅干電烤爐［S］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［13］檢驗(yàn)報(bào)告J13-W0047［R］.廣東省揭陽(yáng)市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)所，2013.

［14］林榮才，楊轉(zhuǎn)正，林娥卿，等.一種餅干電烤爐密封式鏈網(wǎng)回膛裝置:中國(guó)，201320488202.6［P］.2013 －08 －12.

［15］林榮才，楊轉(zhuǎn)正，林娥卿，等.一種基于分區(qū)隔熱加熱的餅干電烤爐控制設(shè)備:中國(guó)，201320487815.8［P］.2013－08－12

［16］林榮才，楊轉(zhuǎn)正，林娥卿，等.一種具有分區(qū)加熱隔熱的餅干電烤爐:中國(guó)，201320487363.3［P］.2013 －08 －12.

［17］林榮才，楊轉(zhuǎn)正，林娥卿，等.一種餅干電烤爐循環(huán)熱風(fēng)系統(tǒng):中國(guó)，201320488470.8［P］.2013 －08 －12.

［18］科學(xué)技術(shù)成果鑒定證書(shū)粵機(jī)學(xué)鑒字［2013］010號(hào).廣東省機(jī)械工程學(xué)會(huì)，2013.