食品斗式提升機電控無油化制動方式研究

靳華偉 - 張 新 陳清華 - 徐少洋 - 王 賽

(1. 安徽理工大學機械工程學院，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大學機械工程學院實驗中心，安徽 淮南 232001) (1. School of Mechanical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan, Anhui 232001, China; 2. Experimental Center of Mechanical Engineering, Anhui Universityof Science and Technology, Huainan, Anhui 232001, China)

食品斗式提升機電控無油化制動方式研究

靳華偉1,2JINHua-wei1,2張 新1,2ZHANGXin1,2陳清華1,2CHENQing-hua1,2徐少洋1XUShao-yang1王 賽1WANGSai1

(1. 安徽理工大學機械工程學院，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大學機械工程學院實驗中心，安徽 淮南 232001) (1.SchoolofMechanicalEngineering,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan,Anhui232001,China; 2.ExperimentalCenterofMechanicalEngineering,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan,Anhui232001,China)

設計食品斗式提升機電控無油化制動裝置，以傳統液壓制動效能為基礎，進行“電機+行星齒輪減速器+螺旋變向”機構的選型計算，完成了運動轉換裝置、直流力矩電機和減速增矩機構的分析，并采用相似原理進行了試驗研究。結果表明：設計的食品斗式提升機電-機械制動裝置制動力穩定可靠且振動較小，制動塊制動迅速，部件運行正常，結構設計合理，實現了食品無油化、無菌化生產，能夠滿足食品斗式提升機的制動需要和食品衛生要求。

斗式提升機；制動裝置；電控

斗式提升機是食品加工常用的固體輸送設備，常密封運行，不易產生粉塵等外部污染，在食品領域有著重要的地位[1]。近些年，斗式提升機的設備水平逐漸提高，中國一些大型食品加工企業的技術裝備水平達到或接近國際先進水平。但傳統提升機在長期運行中存在著機油泄漏的隱患，泄漏的機油被誤食后會對人體消化系統帶來危害，嚴重影響人體健康[2]。2014年，中國曾出現因機油泄漏致饅頭中毒的事件。發達國家早已立法禁止在食品加工中使用非食品級潤滑油，但對于如食品斗式提升機制動系統這些需要高性能液壓油運行部件的操作存在瓶頸，故對其提出了新的要求，期望實現無油化操作[3-5]。

斗式提升機制動系統作為提升機的重要部件，在密封條件下，采用電控制動方式，是實現無油化、無菌化操作的有效途徑[6]。歐美國家對以無油化為目標的電控制動減速變矩機構研發較早， Frank[7]設計了以電機帶動錐齒輪加滾珠絲杠副機構；Chih等[8]設計了電磁離合器加二級減速齒輪機構；Atia等[9]設計了“內置電機+齒輪減速器+滾珠絲杠+棘爪鎖”機構等。中國對電控機械制動的研究起步較晚，但發展較快，李伯全等[10]以汽車為研究對象進行了無油化制動系統研究，田甜等[11]以農用機械為研究對象進行了電控制動研究。上述成果的研究多集中在工程機械領域，針對食品機械領域的研究較少，且在制動穩定性和控制振動方面需進一步研究。本研究以食品斗式提升機制動執行器為對象，采用電控無油化制動方式，變液壓為電控，研發“電機+行星齒輪減速器+螺旋變向”機構。基于相似原理的試驗表明其制動性能可靠。在實現設備無油化、無菌化操作的同時，滿足了食品斗式提升機在食品加工相關領域中的食品衛生要求。

1 總體方案設計

“電機+行星齒輪減速器+螺旋變向”結構見圖1。微型力矩電機4在行星齒輪減速器1、2、3的作用下運轉，絲杠10隨電機轉動；鉗體7在平動的螺母5帶動下，推動內側制動塊6移動；內側制動塊6完成消除制動間隙作業，完成夾緊命令。

1、2、3、9. 行星齒輪減速器 4. 微型力矩電機 5. 螺母 6. 內側制動塊 7. 鉗體 8. 保護罩 10. 絲杠 11. 軸承 12. 銷 13. 斗式提升機本體 14. 斗式提升機摩擦件

圖1 制動執行器結構

Figure 1 Structure of brake actuator

2 關鍵零部件設計

2.1 電-機械制動裝置的目標制動力

以食品斗式提升機傳統液壓制動為研究對象進行選型設計，取其制動間隙0.1～0.3 mm，制動間隙消除時間0.05～0.15 s。目標對象的參數為：直徑40 mm，液壓力12 MPa，得最大制動壓力：

Nmax=P×1/4πd2=15.08 kN。

(1)

式中：

Nmax——單個制動器最大制動壓力，kN；

P——制動管路最大液壓力，MPa；

d——液壓活塞直徑，mm。

故在設計時新型電機制動執行器目標夾緊力取16 kN，摩擦系數取0.4，得摩擦力和力矩：

Ff=Nmax×0.4=6.4 kN，

(2)

Tμ=2×Ff×R=2×6.4×103×97×10-3=1 241.6 N·M。

(3)

式中：

Tμ——制動盤與摩擦塊的摩擦力矩，N·m；

R——制動盤與摩擦塊的距離，m。

制動器制動力為：

Fμ=Tμ/r=1 241.6/0.288=4 311 N，

(4)

式中：

Fμ——裝置能提供的最大制動力，N；

r——制動器到裝置外沿距離，m。

FXbmax=Fz·φ=1 120×9.8×0.85=9 329.6 N。

(5)

式中：

FXbmax——所需的最大制動力，N；

Fz——給定預壓力，N；

Φ——摩擦系數。

2.2 運動轉換裝置的設計

以中等制動強度的食品斗式提升機為對象，設計滾珠絲杠副變轉動為移動，此時，絲杠承受的最大載荷約為液壓的1/2。根據式(1)得，平均載荷Fm為7.54 kN。制動間隙參數為0.2 mm，若要求在0.01 s夾緊，則Vmax=2 mm/s。由于絲杠導程L0為5 mm，外徑dm為20 mm，則絲杠特定間隙行程內的轉速、軸向載荷和容許轉速為：

n=vmax/L0=24 r/min，

(6)

F=Nmax=16 kN，

(7)

(8)

式中：

N1——絲杠軸的容許轉速，r/min；

lb——安裝間距，m；

d1——絲杠軸溝槽谷徑，m；

λ2——安裝方法相關參數。

其額定壽命(總轉數)為：

(9)

無預緊時的正傳動效率為：

η=tanφ/tan(φ+ρ)=96%，

(10)

(11)

得有預緊時正傳動效率為：

(12)

一般Fp取F的1/3，則驅動力矩為：

(13)

2.3 直流力矩電機的選擇

在食品斗式提升機布置空間有限的條件下，選擇轉矩為3.2 N·m 的力矩電機，其主要參數見表1。

2.4 減速增矩機構的設計

選擇NGW型行星齒輪減速器作為減速增矩機構，機構示意見圖2。由圖2知，固定內齒圈2，動力傳輸路線為“太陽輪1+行星架4”，齒輪都為標準齒輪，得傳動比：

(14)

imin=Tmax/Ta=4.3，

(15)

imax=nmax/n=7.9。

(16)

表1 電機性能參數Table 1 Motor performance parameter

1. 太陽輪 2. 內齒圈 3. 行星輪 4. 行星架n1. 太陽輪輸入轉速n4.行星架輸出轉速

圖2 減速增矩機構示意圖

Figure 2 Schematic diagram of slow increase torque

式中：

Tmax——絲杠驅動力矩，N·m，取13.69 N·m；

Ta——電機堵轉轉矩，N·m，取3.2 N·mm；

nmax——電機最高轉速，r/min，取190 r/min；

Z1-4——太陽輪、內齒圈、行星輪和內齒圈齒數。

取Z1=25，i=4.8，則Z3和Z2為：

Z3=Z1×(i-2)/2=35，

(17)

Z2=Z1×(i-1)=95。

(18)

3 試驗與結果

3.1 試驗方案

以食品斗式提升機制動盤為對象，對堵轉制動力和間隙消除時間參數進行測試研究，采用相似原理搭建試驗方案見圖3。通過上述“電機+行星齒輪減速器+螺旋變向”結構，設置在移動導軌5上的力矩電機4和減速器3，傳遞動力使滾軸絲杠副6平動；制動鉗體1在滾軸絲杠副6的帶動下作用于制動塊7，進而使壓力傳感器11和位移傳感器12動作。壓力傳感器11壓頭設置制動盤外側，位移傳感器12設置在兩制動塊的內側，制動盤8的動力由動力電機9提供。

1. 制動鉗體 2. 聯軸器一 3. 減速器 4. 力矩電機 5. 移動導軌 . 滾軸絲杠副 7. 制動塊 8. 制動盤 9. 動力電機 10. 聯軸器二 11. 壓力傳感器 12. 位移傳感器 13. 加速度傳感器

圖3 試驗方案

Figure 3 Experimental scheme

3.2 試驗結果分析

3.2.1 制動壓力測試試驗 在試驗臺架上，分別對力矩電機施加2，4，6，8，10，12 V的電壓值，進行對比試驗，結果見表2。

由表2可知，制動夾緊力的試驗值、理論值與仿真值相差不大，說明仿真及試驗效果較為理想，制動夾緊力與電壓呈線性關系，仿真值略大于試驗值和理論值，這是由于簡化執行器和傳動部件模型、安裝誤差以及外界環境變化等多種因素作用的結果。

表2 制動夾緊力試驗結果Table 2 Experimental results of braking clamping force

3.2.2 制動間隙消除時間及穩定性測試試驗 制動間隙消除時間測試試驗中，在制動間隙已知的情況下，通過多次測量2個位移傳感器運動2，3，4，5 mm所用時間，取平均值，得到間隙消除速度。在間隙為0.1 mm時，制動間隙消除時間很小，采用直接方法測量難度較大，故采用增加間隙進而增大運動時間的方法間接地測試速度。試驗結果顯示測試速度為2.48 mm/s，間隙消除時間為0.10 s，與理論的最大速度(2 mm/s)和仿真時間(0.087 5 s)較為接近。

以制動塊靜摩擦系數為0.6，0.7，0.8的制動盤角速度穩定性對比分析見圖4。從徑向和軸向振動分析可知，機構只

圖4 角速度及角減速度變化Figure 4 Changes with angular velocity and angle acceleration

在徑向出現小的振動，且振動與靜摩擦系數有關：當靜摩擦系數為0.8時，電控化制動2.18 s后，食品斗式提升機速度降到9 km/h；當靜摩擦系數為0.7時，電控化制動2.23 s后，食品斗式提升機速度降到7.5 km/h時；當靜摩擦系數為0.6時，食品斗式提升機制動盤速度減少得較為明顯，且徑向出現平緩振動。

4 結論

(1) 設計了食品斗式提升機電-機械制動裝置，選用最大驅動力矩13.69 N·m、轉速24 r/min的絲杠螺母副，轉矩3.2 N·m的力矩電機和太陽輪、內齒圈、行星輪齒數為25、95、35的標準行星齒輪，傳動精確、可靠，完全滿足液壓制動的參數要求。

(2) 基于相似原理進行了試驗研究，試驗結果表明食品斗式提升機電-機械制動裝置運行正常，剎車駐車等安全可靠，穩定性較好。

(3) 食品斗式提升機制動平穩，振動較小，結構設計合理。但電-機械制動裝置僅做了特定制動工況下的試驗，還需進行多工況多動載試驗，使其滿足食品斗式提升機的工況和性能要求。

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Researchofbrakingwaywithelectriccontrolandoilfreeoffoodbucketelevator

The electrical-mechanical brake device with food bucket elevator was designed, based on the traditional hydraulic braking effectiveness. The calculation of "motor + planetary gear reducer + spiral" was conducted, and the movement conversion device, dc torque motor and deceleration moment were analyzed. Moreover, the test was studied by using the similarity principle. The results showed that brake equipment operation of the electrical-mechanical brake device with food bucket elevator was stable and reliable, and brake disc vibration was small. The brake block was quickly, with the parts running normally, and structure design was reasonable. Finally, the food oil free, and the sterile productions were realized. The design could satisfy the food bucket elevator normal brake job needs and the food hygiene requirements.

food bucket elevator; electrical-mechanical brake device; electric brake

安徽省高等學校自然科學研究重點項目(編號：KJ2017A082)

靳華偉(1986—)，男，安徽理工大學講師，在讀博士研究生。E-mail: jinhuawei.love@163.com

2017—06—02

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.09.023