鄒輝,李志剛

(1.常德偉創(chuàng)機(jī)械制造有限責(zé)任公司,湖南 常德,415000;2.湖南文理學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,湖南 常德,415000)

隨著人們生活水平的提高,人民對(duì)肉類(lèi)食物的消耗量日益增加。養(yǎng)豬場(chǎng)的飼養(yǎng)規(guī)模越來(lái)越大,生豬屠宰廠也規(guī)模化的發(fā)展[1]。但因?yàn)槿狈σ惶啄芘c之相匹配的切割豬體設(shè)備,目前生豬屠宰廠大多采用人工來(lái)切割豬體,耗費(fèi)了精力也耽誤了效率,而最為關(guān)鍵的是人工切割很容易就會(huì)導(dǎo)致切割豬體不均勻,就會(huì)造成很大程度的浪費(fèi)。我國(guó)大多數(shù)企業(yè)使用人工輔助分割流水線來(lái)分割家畜胴體。將家畜胴體懸掛在傳送鏈上,人工將待分割的家畜胴體放置于分割平臺(tái),推動(dòng)胴體配合分割臺(tái)上的帶鋸進(jìn)行分割作業(yè),這種人工輔助分割方法效率較低且工人工作環(huán)境較差[2-3]。叢明等人研究了牛肉、豬肉、羊肉等屠宰機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀,指出機(jī)器人在家畜屠宰分割領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛,屠宰分割機(jī)器人的研發(fā)對(duì)促進(jìn)屠宰行業(yè)的發(fā)展具有重要意義[4]。國(guó)內(nèi)對(duì)于豬、牛、羊肉的初級(jí)分割主要是利用胴體劈半機(jī)對(duì)家畜胴體進(jìn)行劈半處理,胴體劈半機(jī)是目前國(guó)內(nèi)主要的半自動(dòng)屠宰設(shè)備。任濤等人研究了一種使用雙刀片分割技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)劈半鋸的分割設(shè)備,這使得分割損失幾乎為零,增加了家畜屠宰企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[5]。國(guó)內(nèi)使用的劈半設(shè)備主要包括橋式劈半機(jī)、圓盤(pán)式劈半機(jī)、往復(fù)式劈半機(jī)和全自動(dòng)劈半機(jī)等,其中橋式劈半機(jī)主要用于豬胴體劈半,通過(guò)鋸片前端V形引進(jìn)槽使胴體脊背正對(duì)鋸片,通過(guò)圓盤(pán)鋸將豬胴體劈半。該機(jī)器生產(chǎn)效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、分割精度高,但是分割產(chǎn)生的廢料多、清洗消毒困難、占地面積大[6-8]。國(guó)外在家畜胴體自動(dòng)化屠宰分割領(lǐng)域的研究領(lǐng)先于我國(guó),從20世紀(jì)30年代開(kāi)始研制家畜屠宰加工設(shè)備,其產(chǎn)品自動(dòng)化程度高,包括屠宰分級(jí)生產(chǎn)線、切割剔骨生產(chǎn)線、控制系統(tǒng)等。Gregory Guire教授設(shè)計(jì)了一種切割牛胴體的切割機(jī),它可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切割牛胴體,但其加工速度慢并且設(shè)備成本高。2Kevin Subrin等人提出通過(guò)模擬人手動(dòng)分割家畜的動(dòng)作來(lái)規(guī)劃?rùn)C(jī)械臂分割動(dòng)作,并優(yōu)化機(jī)械手的自動(dòng)化切割過(guò)程[9],Van等人提出在家畜屠宰流水線上使用自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備如機(jī)器視覺(jué)等代替人工來(lái)判別家畜胴體是否滿足加工要求,從而提升屠宰設(shè)備的效率以及靈活性[10]。經(jīng)過(guò)幾十年的研究與發(fā)展,國(guó)外家畜屠宰設(shè)備技術(shù)在不斷成熟和完善,逐步取代了傳統(tǒng)的人工輔助流水加工方式。國(guó)外家畜屠宰設(shè)備具有機(jī)械化、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn),但價(jià)格昂貴,難以維護(hù)和推廣。

為了促進(jìn)我國(guó)家畜屠宰分割加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,提升企業(yè)屠宰分割設(shè)備的機(jī)械化以及自動(dòng)化水平,就必須在家畜屠宰分割設(shè)備的研發(fā)領(lǐng)域進(jìn)行更加深入的研究和探索。

1 屠宰自動(dòng)切割裝置機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 屠宰自動(dòng)切割裝置組成及工作原理

屠宰自動(dòng)切割裝置的主要結(jié)構(gòu)是由底座、升降柱、減速機(jī)、懸臂、切割系統(tǒng)、配重塊與控制系統(tǒng)部分組成。通過(guò)Solidworks繪制屠宰自動(dòng)切割裝置機(jī)構(gòu)各個(gè)零件然后裝配,裝配圖如圖1所示。

豬體經(jīng)過(guò)切半機(jī)切成兩半后通過(guò)傳動(dòng)帶運(yùn)送到屠宰機(jī)構(gòu)處。當(dāng)豬體的一端接近定位開(kāi)關(guān)框架時(shí),電機(jī)的啟動(dòng)是由聯(lián)軸器帶動(dòng)豬體的主軸左右方向旋轉(zhuǎn),然后由于主軸帶動(dòng)鋸片的轉(zhuǎn)動(dòng),從而在其中產(chǎn)生一種切削運(yùn)動(dòng)方式來(lái)對(duì)豬體進(jìn)行切削,通過(guò)這種方式,人工切削豬體的勞動(dòng)強(qiáng)度得到了大幅減少,生產(chǎn)的勞動(dòng)和企業(yè)自動(dòng)化程度顯著加快。

1.2 屠宰自動(dòng)切割裝置機(jī)構(gòu)關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

主軸組件是執(zhí)行件,它的主要作用是支承并且?guī)?dòng)屠宰自動(dòng)切割裝置鋸片的旋轉(zhuǎn),從而達(dá)到切割豬體的效果。主軸組件的性能直接影響加工豬的質(zhì)量和豬的生產(chǎn)力,因此它是切割豬體的關(guān)鍵部件。

主軸和普通的傳動(dòng)軸均被用于產(chǎn)品中所需要傳遞扭矩、傳送運(yùn)動(dòng)并能夠承受傳動(dòng)力,它們必須能夠滿足傳動(dòng)件和支撐傳動(dòng)設(shè)備正常切削工件所產(chǎn)生的切削力。然而該產(chǎn)品的主軸直接驅(qū)動(dòng)鋸片所產(chǎn)生的切割運(yùn)動(dòng)并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)豬體切割的運(yùn)動(dòng),所以該產(chǎn)品的主軸也是因?yàn)樗枰苯域?qū)動(dòng)和承受切削力,因此與普通的主軸產(chǎn)品相比該類(lèi)型的主軸具有較高的傳動(dòng)力要求。

1.3 屠宰自動(dòng)切割裝置主軸設(shè)計(jì)

1.3.1 主軸的旋轉(zhuǎn)精度

屠宰自動(dòng)切割裝置切割豬體的刀片未切割到豬體時(shí),主軸前端定位面的徑向跳動(dòng)Δr,端面跳動(dòng)Δa和軸向偏轉(zhuǎn)值Δo的具體情況可以代表主軸的旋轉(zhuǎn)精度。如圖2所示。圖中的一條虛線表示了實(shí)際切割豬體下的旋轉(zhuǎn)軸的跳動(dòng),表示出了理想切割豬體的狀態(tài),切割豬體旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)精度是主軸以所需的切割速度旋轉(zhuǎn)時(shí)主軸旋轉(zhuǎn)軸的漂移量。

主軸旋轉(zhuǎn)的精度主要取決于零件時(shí)的精度。主軸的運(yùn)動(dòng)精度主要是取決于主軸機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度,軸承質(zhì)量的好壞和主軸運(yùn)動(dòng)時(shí)的狀態(tài)。對(duì)于某些專(zhuān)用特殊主軸部件的旋轉(zhuǎn)精度也可以按照工件實(shí)際的精度要求確定[11]。

1.3.2 主軸組件剛度

主軸組件的剛度具體情況如圖3所示。由圖3可知K=F/y(N/μm),也就是說(shuō)柔度是剛度的倒數(shù)。主軸組件的剛度是由軸承、切割豬體屠宰自動(dòng)切割裝置的懸臂以及傳動(dòng)軸的剛度決定的,旋轉(zhuǎn)精度由主軸組件的剛度控制。因此,主軸組件的剛度越高,在施加力之后主軸的變形越小。如果剛度不夠,就不能滿足不了對(duì)于豬肉切割要整齊好看的要求;對(duì)于在傳動(dòng)方面來(lái)說(shuō),主軸的變形將對(duì)切割豬體的時(shí)候產(chǎn)生不利影響,比如切割出來(lái)的豬肉不整齊;而在工件平穩(wěn)性方面,主軸在變化的切削豬肉時(shí)所對(duì)應(yīng)的力的大小不一樣,在傳遞動(dòng)力的時(shí)候,會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的振動(dòng),容易引起機(jī)器產(chǎn)生噪音,同時(shí)也降低了機(jī)器的穩(wěn)定性。

主軸的綜合剛度指的是主軸組件的剛度。主軸的軸承的類(lèi)型、以及軸承的結(jié)構(gòu)尺寸,軸承的安裝的方式、軸承與主軸配合所產(chǎn)生的間隙、主軸的位置,聯(lián)軸器的位置、主軸組件的制造與裝配質(zhì)量等[12]。都會(huì)對(duì)主軸組件剛度的產(chǎn)生影響。

1.3.3 主軸組件的抗震性

屠宰自動(dòng)切割裝置機(jī)在切割豬體時(shí)受到?jīng)_擊下仍保持其平穩(wěn)運(yùn)行能力的能力被稱(chēng)為主軸組件的抗振性。主軸組件的抗振性的影響因素主要是機(jī)器本身抵抗受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)的能力。所以我們可以提高機(jī)器的抵抗受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)的能力用來(lái)達(dá)到抗振性的要求。

1.3.4 主軸組件的耐磨性

主軸承構(gòu)件的抗耐磨性主要在于它們使工件能夠長(zhǎng)期地保持原來(lái)的精度。因此,在所有的主軸零部件及各需要相互配合的位置和地方,都必須要求它們具備良好的硬度,以便于保證整個(gè)主軸的耐磨性和使用壽命。提高主軸的耐磨能性主要是要考慮到熱處理方式。

1.4 主軸的參數(shù)設(shè)計(jì)

1.4.1 切割豬體所需的剪切力

切割豬體的時(shí)候,剪應(yīng)力應(yīng)超過(guò)豬體的許用剪應(yīng)力[τ]。即屠宰自動(dòng)切割裝置豬體的條件為[13]:由文獻(xiàn)[14]可得豬體的許用剪應(yīng)力[τ]=4.68 MPa。由于本設(shè)備的鋸片的最大直徑dmax=750 mm。則本機(jī)器的最小剪切力為Q=[τ]×dmax2/(4×π)計(jì)算后得到Q=20 647.4 N,取屠宰自動(dòng)切割裝置機(jī)的剪切力Q=21 000 N。

1.4.2 切割豬體所需的功率計(jì)算

屠宰自動(dòng)切割裝置所需的功率P=Q×15×2π/(60×75×10-3)=2 472.75 W。

1.4.3 主軸直徑的選擇

主軸直徑對(duì)于主軸部分和組件的剛度影響很大,直徑愈大則其主軸部分的剛度也愈高。軸的設(shè)計(jì)是依靠軸徑的尺寸來(lái)推算的,軸徑的計(jì)算公式為。P為軸所傳遞的功率(kW),n為軸的轉(zhuǎn)速(r/min),C為軸的許用應(yīng)力所確定的與材料有關(guān)的系數(shù)。由于45號(hào)鋼C一般為118～107,取值為110,根據(jù)公式計(jì)算后軸徑尺寸d取50 mm。

1.4.4 主軸前端懸伸量

主軸前端懸伸量a指的是軸承外連接鋸片所伸出的長(zhǎng)度,如果伸出的長(zhǎng)度比較大的話會(huì)降低主軸的剛度。因此,提高了主軸零部件的剛度,可以降低懸伸量a,這樣可以保證主軸的性能。根據(jù)主軸的懸伸量與直徑比的表可以知道,本次設(shè)計(jì)的軸是屬于中等長(zhǎng)度的軸,所以a/D1的值為1.25～2.5,可得a=1.25～2.5×D1=62.5～125,因此a初步選定為99 mm。

1.4.5 主軸支承跨距

主軸的前、后兩軸承承之間的距離叫做主軸支承跨距L。支承跨距過(guò)大或過(guò)小都會(huì)降低主軸部件的剛度[15]。由于此次設(shè)計(jì)的主軸的懸伸量較小,取Fc=Kc(fap)N≤5a為宜。因此可以按照式(2)來(lái)計(jì)算合理跨距:LFc≤5amax=625。初取L=556 mm。

1.4.6 主軸結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)主軸的參數(shù)設(shè)計(jì)得到的主軸參數(shù)如表1[16]。根據(jù)表1參數(shù)繪制主軸的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

表1 主軸的設(shè)計(jì)參數(shù) /mm

2 主軸的校核

將主軸組件結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁,如圖5所示。因?yàn)榍爸С袨榈妮S承為滾動(dòng)軸承,那么可以確認(rèn)主軸位于前支承的連接點(diǎn)上并且沒(méi)有發(fā)生任何變形,這樣就可以把主軸簡(jiǎn)化成一個(gè)固定的端梁,如圖6所示。

分析軸的受力情況后可以進(jìn)行軸的校核計(jì)算,已知鋸片的直徑為750 mm,壽命系數(shù)Kn=1,軸的轉(zhuǎn)矩T=225 N·m,所以軸的校核采用如下方法:

(1)通過(guò)計(jì)算畫(huà)出空間受力圖(圖7a)。

(2)通過(guò)計(jì)算畫(huà)出直面受力圖求軸上垂直面的載荷,求得垂直面的支反力(圖7b)。

鋸片的切向力Ft=2T/d=600 N,由A點(diǎn)合力為0:∑MA=0,得FBV×572-Ft×669=0。FBV=701.74 N。由Y方向合力為0:∑FY=0,得FAV=Ft1-FB=-101.74 N,受力方向相反。其中,FBV:B點(diǎn)垂直面的支反力;FAV:A點(diǎn)垂直面的支反力。

(3)通過(guò)計(jì)算畫(huà)出水平受力圖求出軸上水平面的載荷,求得水平支反力(圖7c)。

鋸片的徑向力Fr=Ft×tanα=218 N?！芃A=0得Fr×669-FAH×572=0,FAH=254.97 N。

由X方向合力為0,∑FY=0,得FBH=FAH+Fr=472.96N,受力方向相反。其中:FBH為B點(diǎn)水平支反力,FAH為A點(diǎn)水平支反力。

(4)通過(guò)計(jì)算繪制垂直面彎矩MV圖(圖7d)。MV=FBV×105=73 682.7 N·mm。

(5)通過(guò)計(jì)算繪制水平面彎矩MH圖(圖7e)。MH=-FBH×105=-26 771.85 N·mm。

(6)通過(guò)計(jì)算繪制合成彎矩M圖(圖7f)。,因此MV=78 421.94 N·mm。

(7)繪制軸的轉(zhuǎn)矩T(圖7g)。轉(zhuǎn)矩T=225 N·m。

(8)通過(guò)計(jì)算繪制當(dāng)量彎矩Me圖(圖7h),彎矩軸的橫向旋轉(zhuǎn)矩陣圖可按縱向脈動(dòng)式和循環(huán)方式進(jìn)行考慮,已知該彎矩軸的主要傳動(dòng)材料45鋼，查得[σ-1W]=60 MPa,[σ0W]=100 MPa,α=[σ-1W]/[σ0W]=0.6,該軸截面。

(9)通過(guò)計(jì)算得出校核危險(xiǎn)截面處軸的直徑:由軸的結(jié)構(gòu)圖和當(dāng)量彎矩圖可得。

計(jì)入螺紋孔的影響d=30.73 mm＜34 mm,即計(jì)算截面直徑小于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定直徑,合格。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)屠宰自動(dòng)切割裝置工作原理進(jìn)行了分析,主軸組件是該機(jī)構(gòu)的核心部件,直接影響加工的品質(zhì)質(zhì)量和安全,因此本文對(duì)屠宰自動(dòng)切割裝置主軸進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算和優(yōu)化。并通過(guò)校核驗(yàn)證了理論計(jì)算與設(shè)計(jì)的合理性。為豬體屠宰自動(dòng)化、規(guī)?；a(chǎn)打下了一定的基礎(chǔ)。