全自動卸膠機螺旋卸膠刀優化設計與試驗

摘要：為進一步優化天然橡膠干燥生產線全自動卸膠機的作業效果，降低機器作業過程中對橡膠塊的損傷程度，以全自動卸膠機的核心部件螺旋刀為研究對象，以螺旋刀的外圓半徑、導程、進給速度為優化變量，以螺旋刀所受最大扭矩和最大壓力為評價指標，得到最優參數以優化全自動卸膠機的作業性能。基于螺旋刀的結構使用有限元仿真軟件COMSOL Multiphysics進行單因素分析并得到優化參數的最佳范圍，而后搭建模擬試驗臺進行正交試驗。結果表明：當進給速度為0.1 m/s、外圓半徑為60 mm、導程為80 mm時，螺旋刀所受最大扭矩為174.2 N ? m、最大壓力為1 463.4 N，相比優化前，最大扭矩減小10.5%，最大壓力減小9.7%，滿足卸膠作業需求。

關鍵詞：天然橡膠；全自動卸膠機；螺旋刀；有限元仿真；正交試驗

中圖分類號：TH122； S776" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2024） 08?0027?05

Optimization design and test of spiral unloading cutter of natural rubber automatic unloading machine

Deng Jiayu1， Zhang Baozhen1， Ruan Linguang2， Fan Junqing1， Yang Xuezhang2， Shen Fei1

（1. School of Mechanical and Electrical Engineering， Hainan University， Haikou， 570100， China；2. Yunnan Natural Rubber Industry Group Xishuangbanna Jingyang Co.， Ltd.， Jinghong， 666100， China）

Abstract： In order to further optimize the operation effect of the automatic rubber unloader in the natural rubber drying production line and reduce the damage degree of the rubber block during the operation of the machine， the spiral cutter， the core component of the automatic rubber unloader， was taken as the research object. The outer radius， lead and feed speed of the spiral cutter were taken as the optimization variables， and the maximum torque and maximum pressure of the spiral cutter were taken as the evaluation indexes. The optimal parameters were obtained to optimize the operation performance of the automatic rubber unloader. Firstly， based on the structure of the spiral cutter， the finite element simulation software COMSOL Multiphysics is used for single factor analysis and the optimal range of optimization parameters is obtained. Then， a simulation test bench is built for orthogonal test. The results show that when the feed speed is 0.1 m/s， the outer radius is 60 mm， and the lead is 80 mm， the maximum torque of the spiral cutter is 174.2 N ? m， and the maximum pressure is 1 463.4 N. Compared with the maximum torque before optimization， the maximum torque is reduced by 10.5 %， and the maximum pressure is reduced by 9.7 %. The whole machine test proves that the design well meets the demand of unloading operation.

Keywords： natural rubber； automatic unloading machine； spiral cutter； finite element simulation； orthogonal test

0 引言

天然橡膠是重要戰略資源，廣泛應用于國防安全、交通運輸、醫療衛生、建筑工程等領域[1]。天然橡膠生產加工中，干燥是決定橡膠產品工藝性能和質量的重要環節[2]。目前卸膠作為干燥過程的最后工序完全依賴人工，效率低、勞動強度大[3]，制約了橡膠加工企業的發展。因此，為提高天然橡膠加工的自動化水平改變卸膠作業依賴人工這一傳統模式，需尋求新的卸膠方式[4]。

天然橡膠生產過程中，卸膠方式的選擇是提高卸膠質量和效率的關鍵。國內很多學者在卸膠方面有廣泛的研究：海南大學李增增等[5]設計了一種卸膠機械手，該設備采用機械手指扎入天然橡膠塊進行卸膠；林斌等[6]采用了一種機械倒鉤拖動橡膠塊的卸膠方式，但以上方式并未發現在生產實際中應用。實地考察發現，天然橡膠干燥后表現出疏松、粘度大[7]的特性，為解決人工卸膠效率低的問題，樊軍慶等[8]設計了一種螺旋進給式全自動卸膠機。為進一步優化卸膠效果，降低作業過程中對天然橡膠塊的損傷程度，本研究從全自動卸膠機的核心部件螺旋刀的優化設計出發，在滿足卸膠效果的前提下，以螺旋刀的外圓半徑、導程、進給速度為優化設計變量，分析以上三個因素對其所受最大扭矩和最大壓力的影響。

1 全自動卸膠機工作原理與螺旋刀模型

1.1 全自動卸膠機工作原理

全自動卸膠機作為螺旋刀的載體，其結構如圖1所示。其卸膠作業原理為：初始狀態下接膠車停在初始位置，當膠車滿載天然橡膠塊到達導軌下方時，升降電機正轉啟動，齒輪傳動副帶動升降絲杠下降，同時螺旋刀電機啟動帶動主傳動鏈輪、傳動鏈條使螺旋刀正轉，邊下降邊旋轉，直至螺旋刀旋入天然橡膠塊到位，此為旋入過程；然后升降電機反轉啟動，螺旋刀帶動膠塊提升，此為提膠過程；然后接膠車沿著導軌到達膠塊正下方，到位后螺旋刀電機反轉，膠塊脫離下落至接膠車上，此為脫膠過程；最后接膠車載著橡膠塊返回初始位置。

1.2 螺旋刀模型

螺旋刀是直接作用于天然橡膠塊的部件，其結構如圖2所示。刀軸上部較粗增加整體強度與剛度，下部較細減小旋入膠塊時的阻力；螺旋線型采用阿基米德螺旋線[9]，螺旋刀底部設計為圓錐型利于旋入膠塊內部；螺旋刀葉片厚度為2 mm，且刀刃外邊緣磨薄，以減小刀刃與膠塊之間的摩擦力。同時為便于更換，上方通過法蘭盤與傳動軸連接。

將螺旋刀刃面展開，如圖3所示。設刀軸直徑為d，刀刃外徑為D，以導程H為直角邊AB，分別以長度pd和pD作為另外的直角邊BE和BC，則斜邊AE和AC的長度分別為圓環片內圓周長l和外圓周長L。再以l和L為兩底、（D-d）/2為高作等腰梯形。以兩腰延長線的交點O為圓心，分別以點O到等腰梯形兩底的距離為半徑作圓，在得到的圓環外圓周截取弧長為BC的陰影部分即為螺旋刀刃面展開圖[10]。

展開圖3中，內圓半徑r和外圓半徑R可由式（1）和式（2）得出。

[r=（D-d）l2（L-l）]" " " " " " "（1）

[R=（D-d）2]" " " " " " " （2）

[L=（πD）2+H2]" " " " （3）

[l=（πd）2+H2]" " " " （4）

展開圖3中，舍棄部分圓環的中心角

[θ=180°（2πR-l）πR]" " " （5）

由此可得螺旋刀結構的部分關鍵參數。本文以螺旋刀為優化對象，優化前刀軸直徑d=20 mm，螺旋刀葉片厚度為2 mm，外圓半徑R=80 mm，導程H=80 mm。經測量，在進給速度v=0.1 m/s時，全自動卸膠機作業時螺旋刀所受最大扭矩Tmax為194.6 N ? m，最大壓力Fmax為1 621.4 N。

綜合天然橡膠塊的厚度、螺旋刀的通用性以及加工過程中參數的標準化[11]，螺旋刀的相關參數如整體長度、材料、刀軸直徑d、葉片厚度都固定，需要優化的參數為外圓半徑R和導程H，同時結合螺旋刀進給速度v這一重要工況，分析以上三個因素在螺旋刀旋入天然橡膠塊的過程中對螺旋刀所受最大扭矩和最大壓力的影響。

2 建模與仿真分析

2.1 幾何建模

為節約螺旋刀加工制造成本，減少消耗，采用建模仿真的方式[12]分析單個因素不同水平作用下螺旋刀所受最大扭矩和最大壓力的影響。依據螺旋刀模型，在COMSOL Multiphysics三維空間中構建圓柱體、圓錐體，而后進行旋轉、倒角等操作，并采用阿基米德螺旋線構建螺旋刀刃部分，材料屬性設置為結構鋼。由于天然橡膠材料具有低彈性模量和高延展性的力學特性，采用neo-Hookean模型簡化天然橡膠塊的材料函數[13]。而后對模型劃分網格并設置混合邊界條件，并將膠塊底面設定為固定約束，螺旋刀仿真模型如圖4所示。螺旋刀的自轉速度[ω]以及垂直于天然橡膠塊向下運動的進給速度v由式（6）進行標定。

[v=H2π · ω]" " " " " " " " "（6）

2.2 仿真分析

為分析外圓半徑R對螺旋刀所受最大扭矩和最大壓力的影響，設置螺旋刀導程H為80 mm，進給速度v為0.1 m/s，并取外圓半徑R分別為50 mm、60 mm、70 mm、80 mm，記錄螺旋刀在不同外圓半徑R下所受最大扭矩Tmax和最大壓力Fmax的情況，如圖5所示。

由圖5可知，螺旋刀在旋入天然橡膠塊的過程中，受到的最大扭矩Tmax和最大壓力Fmax隨外圓半徑R的增大而增大，且兩者增幅隨外圓半徑R的增大略有上升。

同理，為分析導程H對螺旋刀所受最大扭矩和最大壓力的影響，設置螺旋刀外圓半徑R為50 mm，進給速度v為0.1 m/s，并取導程H分別為50 mm、60 mm、70 mm、80 mm，記錄螺旋刀在不同導程H下所受最大扭矩Tmax和最大壓力Fmax的情況，如圖6所示。

由圖6可知，螺旋刀在旋入天然橡膠塊的過程中，受到的最大扭矩Tmax和最大壓力Fmax隨導程H的增大而減小，導程H對于最大扭矩Tmax和最大壓力Fmax的影響程度不如外圓半徑R明顯。

同理，為分析進給速度v對螺旋刀所受最大扭矩和最大壓力的影響，設置螺旋刀外圓半徑R為50 mm，導程H為80 mm，并取進給速度v分別為0.05 m/s、0.1 m/s、0.15 m/s、0.2 m/s，記錄螺旋刀在不同進給速度v下所受最大扭矩Tmax和最大壓力Fmax的情況，如圖7所示。

由圖7可知，螺旋刀在旋入天然橡膠塊的過程中，受到的最大扭矩Tmax和最大壓力Fmax隨進給速度v的增大而增大。當進給速度為0.05 m/s時，螺旋刀所受扭矩和壓力極小，綜合實際卸膠工況，進給速度過小將嚴重影響全自動卸膠機的作業效率，故螺旋刀進給速度不宜設置過小。

3 試驗與分析

3.1 模擬試驗臺搭建

為進一步分析多個因素作用下對螺旋刀所受最大扭矩和最大壓力的影響，搭建模擬試驗臺，如圖8所示。驅動電機通過聯軸器與蝸桿連接，將動力通過蝸桿傳遞給蝸輪，蝸輪帶動主軸旋轉，絲杠螺母機構使得主軸在旋轉的同時向下移動；主軸末端通過聯軸器與動態扭矩傳感器一端連接，傳感器另一端則與螺旋刀通過法蘭盤連接，底部安裝有壓力傳感器。在螺旋刀旋入天然橡膠塊的同時，動態扭矩傳感器和膠塊底部的壓力傳感器把扭矩和壓力數據輸出至計算機。

依據模擬試驗臺原理和結構，對搭建試驗臺所需的零部件進行加工和制造。為避免試驗過程中膠塊自重的影響，將試驗臺整體水平放置，使膠塊重力完全作用在地面，同時將連接絲杠和螺旋刀的動態扭矩傳感器和豎直放置的壓力傳感器通過顯示儀表轉接至計算機采集數據。

3.2 正交試驗與分析

3.2.1 正交因素水平與試驗結果

試驗發現，螺旋刀外圓半徑R過小會對提膠過程造成影響，故不考慮外圓半徑R=50 mm的情況。結合上述仿真結論，為得到螺旋刀的最優參數組合，采用三因素三水平正交表進行正交試驗，如表1所示。以螺旋刀所受的最大扭矩Tmax和最大壓力Fmax為評價指標，正交試驗結果如表2所示。A、B、C為各因素編碼值。

3.2.2 正交試驗結果分析

極差分析是正交試驗分析的常用方式，極差分析結果能夠直觀展現出各因素水平下的影響主次關系和最優參數組合。極差分析結果如表3所示。

極差數值越大表明該因素水平對試驗結果的影響程度越大[14]。通過表3極差結果表明，影響螺旋刀最大扭矩和最大壓力的因素為：C（進給速度）gt;A（外圓半徑）gt;B（導程），其中較優組合為A1B3C1，即當外圓半徑為60 mm，導程為80 mm，進給速度為0.1 m/s時，螺旋刀所受的最大扭矩和最大壓力最小。

3.2.3 試驗驗證

根據極差分析結果，加工制造外圓半徑R為60 mm、導程H為80 mm的螺旋刀，設置進給速度v為0.1 m/s，進行3次試驗，并取平均值，得到螺旋刀所受的最大扭矩Tmax為174.2 N?m，最大壓力Fmax為1 463.4 N。其結果相比優化前，外圓半徑R減小20 mm，最大扭矩Tmax減小10.5%，最大壓力Fmax減小9.7%。

3.3 整機試驗

整機試驗地點為海南省昌江黎族自治縣海膠集團下轄金林橡膠廠。依據上文加工制造8把外圓半徑R=60 mm、導程H=80 mm的螺旋刀，設置進給速度v=0.1 m/s，通過試驗對比優化前的整機作業情況，如圖9所示。

天然橡膠初加工生產中單輛膠車膠塊承載量為28塊，結合天然橡膠生產工藝流程，按照膠車序號進行全自動卸膠機整機試驗，分為優化前與優化后兩個部分，每部分選取10輛膠車分別進行試驗，記錄單次試驗中天然橡膠塊的卸膠合格數。結果如表4所示。

整機試驗結果表明：當螺旋刀外圓半徑R=60 mm、導程H=80 mm，并設置進給速度v=0.1 m/s時，全自動卸膠機作業過程中卸膠合格率大幅度提升，同時試驗中發現螺旋刀對膠塊損傷程度相比優化前降低明顯，滿足了天然橡膠初加工卸膠工序作業需求。

4 結論

1） 為優化全自動卸膠機的作業效果，降低天然橡膠塊的損傷程度，通過建模與仿真分別分析外圓半徑R、導程H、進給速度v三個因素對螺旋刀所受最大扭矩和最大壓力的影響，并確定優化參數的范圍。

2） 設計模擬試驗臺，進行正交試驗。當外圓半徑R=60 mm、導程H=80 mm、進給速度為v=0.1 m/s時，螺旋刀所受最大扭矩Tmax為174.2 N ? m、最大壓力Fmax為1 463.4 N，相比優化前外圓半徑R減小20 mm，最大扭矩Tmax減小10.5%，最大壓力Fmax減小9.7%。通過整機試驗證明該組合相比優化前有更好的卸膠效果，提升全自動卸膠機的作業性能。

參 考 文 獻

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