腐竹自動(dòng)切割裝置的一種優(yōu)化設(shè)計(jì)

沈銀杰 代安南 許良元，2 江 慶，2 唐千升，2

(1. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 合肥 230036； 2. 安徽省智能農(nóng)機(jī)裝備工程實(shí)驗(yàn)室， 合肥 230036)

腐竹在我國具有多年的生產(chǎn)歷史，是我國的傳統(tǒng)美食之一。在腐竹的大批量生產(chǎn)加工過程中要用到自動(dòng)切割技術(shù)。為了提高切割效率，已經(jīng)有許多學(xué)者對(duì)腐竹自動(dòng)切割系統(tǒng)進(jìn)行了研究[1-5]，但很少涉及切割刀具的磨損問題。刀具磨損問題不僅關(guān)乎刀具使用壽命，也關(guān)系到腐竹切割質(zhì)量與切割效率。為減少刀具磨損量，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種帶有橡膠墊結(jié)構(gòu)的新型腐竹切割裝置。

1 腐竹切割裝置的構(gòu)成及原理

常用的腐竹切割裝置如圖1所示，主要包括裝置機(jī)架、氣動(dòng)導(dǎo)軌、切割刀具、切割臺(tái)、夾持機(jī)構(gòu)和PLC控制系統(tǒng)等構(gòu)成部分[6]。切割裝置的工作原理是利用氣泵產(chǎn)生具有一定壓力的壓縮空氣，驅(qū)動(dòng)氣缸雙向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)切割刀具起落，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳送帶上的腐竹進(jìn)行等距離切割。

1 — 固定座；2 — 機(jī)架；3 — 徑向傳送帶；4 — 前厚板；5 — 上厚板； 6 — 側(cè)厚板；7 — 右傳動(dòng)軸；8 — 左傳動(dòng)軸；9 — 切刀固定架； 10 — 直刃切刀；11 — 氣動(dòng)缸；12 — 氣路過濾閥圖1 常用腐竹切割裝置的結(jié)構(gòu)

1 — 固定架；2 — 直刃切刀；3 — 橡膠墊；4 — 橡膠槽；5 — 氣動(dòng)導(dǎo)軌； 6 — 氣動(dòng)滑塊；7 — 切刀固定架；8 — 傳送帶固定架圖2 新型腐竹切割裝置的結(jié)構(gòu)

為了延長傳送帶與切刀的使用壽命，我們對(duì)這種常用的腐竹切割裝置加以改進(jìn)，添加一個(gè)橡膠墊結(jié)構(gòu)和一條輸送帶，構(gòu)成一種新型的腐竹切割系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中包括機(jī)體固定架、直刃切刀、橡膠墊、橡膠槽、氣動(dòng)裝置、切刀固定架等。

兩條輸送帶之間留4 mm的間距，用于安裝橡膠槽。橡膠墊安裝在橡膠槽中，與橡膠槽水平齊平，其水平高度與傳送帶齊平。橡膠槽安裝在切刀的正下方，其水平方向與固定刀具機(jī)架底部齊平。系統(tǒng)工作一定時(shí)間后，可拆卸更換橡膠墊，以提高切割質(zhì)量。新型切割裝置改變了刀具的受力條件，槽中安裝的橡膠墊可承載直刃平刀垂直斬切力，消減在原裝置中刀具所受的摩擦力，降低對(duì)傳送帶與刀具的磨損。

2 切割刀具的靜力學(xué)分析

在腐竹自動(dòng)切割裝置中，一般選用直刃平刀。直刃平刀在變形比列、模態(tài)震動(dòng)等方面都優(yōu)于其他類型的刀具。假定原切割裝置和新設(shè)計(jì)的切割裝置使用相同的直刃平刀，其材料為具有高硬度和強(qiáng)耐磨性的65MnMoTi4鋼。在Ansys workbench仿真平臺(tái)，對(duì)兩種切割裝置中的刀具進(jìn)行靜力學(xué)分析。

針對(duì)原切割裝置，在切刀的正上方施加固定約束。假定直刃平刀在切割過程中受到傳送帶的瞬時(shí)摩擦力為10 N，垂直于正切刃口的力為300 N。在軟件的相應(yīng)模塊中施加外部載荷的邊界條件即為：切刀倒角面的摩擦力10 N，垂直于正切刃口處的力300 N。加入載荷完成后，進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理[7-8]。模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 原切割裝置刀具靜力學(xué)分析

從模擬結(jié)果來看，當(dāng)載荷作用于刀具的整個(gè)刃口面時(shí)，刀具的最大應(yīng)力為2.767 7 MPa，遠(yuǎn)小于其材料的屈服應(yīng)力(232 MPa)，表明刀具切割時(shí)所受到的應(yīng)力在安全范圍內(nèi)。刀具的最大應(yīng)變數(shù)值為1.384 5×10-5mm/mm，且最大應(yīng)變產(chǎn)生于刀柄處；由刀柄到刀尖處，應(yīng)變數(shù)值呈遞減狀態(tài)。刀具的最大位移量為0.030 605 mm，刀尖切割處具有最大位移量，由此到刀柄處位移量呈遞減狀態(tài)。

在新型切割裝置中，直刃平刀在切割過程中僅受到垂直于正切刃口300 N的力。因此，在軟件的相應(yīng)模塊中施加外部載荷的邊界條件為：垂直于正切刃口處300 N的力。刀具固定約束依然是施加在切刀的正上方。選擇固定面加入載荷完成后，進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理。模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 新切割裝置刀具靜力學(xué)分析

根據(jù)模擬結(jié)果，當(dāng)載荷作用于新型裝置的整個(gè)刃口面時(shí)，刀具的最大應(yīng)力為0.438 37 MPa，也是遠(yuǎn)小于其材料屈服應(yīng)力。刀具的最大應(yīng)變數(shù)值為2.191 8×10-6mm/mm，且最大應(yīng)變產(chǎn)生于刀柄處，由刀柄向刀尖處的應(yīng)變數(shù)值呈遞減狀態(tài)。刀具的最大位移量為0.000 11 mm，刀尖切割處具有最大位移量，由此向刀柄處位移量呈遞減狀態(tài)。

兩種裝置的刀具應(yīng)力、應(yīng)變參數(shù)都在正常值范圍內(nèi)。在改進(jìn)后的切割裝置中，刀具的變形比例更小，對(duì)刀具起到了較好的保護(hù)作用。新型切割裝置由于添加了橡膠墊，消除了刀具與傳送帶形成的摩擦力，刀具垂直正切割的切線變形比例大大降低，刀具和傳送帶之間的磨損量得以有效減少，提高了刀具的穩(wěn)定性。

3 切割試驗(yàn)與刀具磨損量比較

搭建腐竹氣動(dòng)切割試驗(yàn)平臺(tái)，在PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)支持下，分別采用兩種切割裝置進(jìn)行腐竹切割試驗(yàn)。對(duì)新鮮腐竹進(jìn)行切割，持續(xù)作業(yè)24 h。切割頻率為10.3 Hz，切割長度為90 mm，切割間隔時(shí)間為6.0 s，切刀的落刀切割時(shí)間為1.2 s。切割作業(yè)結(jié)束后，對(duì)刀具表面進(jìn)行清洗并使其干燥。采用高精度電子秤，測量作業(yè)前后刀具的質(zhì)量。試驗(yàn)使用相同型號(hào)的65MnMoTi4材質(zhì)直刃平刀，分別進(jìn)行3組試驗(yàn)。

測試結(jié)果顯示，采用新型切割裝置時(shí)，刀具的磨損量很小，平均只有0.05 g；而采用改進(jìn)前的切割裝置，刀具的磨損量較大，平均值為0.09 g(見表1)。

表1 刀具磨損量比較

4 結(jié) 語

針對(duì)現(xiàn)有腐竹自動(dòng)切割裝置存在的不足，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種帶有橡膠墊結(jié)構(gòu)的新型自動(dòng)切割裝置。在原切割裝置的基礎(chǔ)上，通過添加橡膠墊結(jié)構(gòu)，借以承載刀具的垂直斬切力，同時(shí)消減刀具在切割過程中與傳送帶的瞬時(shí)摩擦力，從而降低刀具的磨損量。利用Ansys workbench仿真平臺(tái)對(duì)刀具進(jìn)行靜力學(xué)分析，結(jié)果表明，新型切割裝置中刀具的最大應(yīng)力(0.438 37 MPa)較在原裝置中(2.767 7 MPa)降低了84.16%，刀具的最大位移量降低了99.64%。在腐竹切割試驗(yàn)中，連續(xù)切割24 h，新型切割裝置中刀具的平均磨損量也只有在原裝置中的55%。設(shè)計(jì)的腐竹自動(dòng)切割裝置，可以有效延長刀具使用壽命，同時(shí)提高切割效率。