河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 徐長春 董奧輝 王學(xué)良 李祥付 田輝

小麥SDS 沉降值是評價和判斷小麥品質(zhì)的一個重要標(biāo)準(zhǔn)。沉降試驗是指在帶玻璃塞的刻度試管中，利用小麥粉在乳酸溶液中沉降的體積表示小麥面筋的質(zhì)量，這是簡單有效測定小麥粉強(qiáng)度大小的方法。高筋面粉的沉降速率較低，且沉積物體積較大；強(qiáng)度較低的面粉沉降速率較快，沉積物體積較小。根據(jù)測定方式的不同，測定裝置可以分為手動測定方式和半自動測定方式兩種，其中，手動測定方式依靠純手工加料、長時間搖晃試管，適合少量小麥的測定；半自動測定方式采用粉碎機(jī)對樣品進(jìn)行粉碎細(xì)分，再使用量筒振蕩器來搖勻粉液。

目前，針對小麥SDS 沉降值測定方式自動化程度不高的現(xiàn)狀，筆者嘗試提供一種新的測定設(shè)備及測定思路，以達(dá)到解決測試結(jié)果受實驗人員技術(shù)水平影響較大、因黏滯力影響粉液混合不均勻、不能自動讀取測定值等問題，提高檢測效率的目的。

一、方案設(shè)計

（一）總體設(shè)計

本文根據(jù)小麥試液的運動情況和小麥微量SDS 沉降值測定的實驗方法，總結(jié)分析現(xiàn)有溶液混合設(shè)備優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，使用Solid Works 建模軟件，根據(jù)自下而上的建模方法創(chuàng)建整機(jī)模型，設(shè)計了小麥SDS 沉降值自動測定裝置（如圖1 所示）。

圖1 整機(jī)模型

該裝置由輸料模塊、氣泵、水平臺、殼體等部分組成，按其功能可劃分為自動加料、液體振蕩、自動測定三部分，可實現(xiàn)自動下料、混合振蕩、自動測定等功能。

（二）振蕩系統(tǒng)設(shè)計

小麥SDS 沉降值自動測定裝置的振蕩系統(tǒng)按照振蕩原理的不同可以分為渦旋振蕩、攪拌振蕩和晃動振蕩，其中，三種振蕩方式的優(yōu)缺點如表1 所示。通過對上述三種振蕩方式的對比，本文選擇了晃動振蕩的振蕩系統(tǒng)。

表1 三種振蕩方式優(yōu)缺點對比

在振蕩系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計中，可使旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動的常用的機(jī)構(gòu)有凸輪式旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、螺旋式旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、曲柄式旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和可靠性需求，本文最終選擇曲柄連桿機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動裝置主要由主電機(jī)、傳動裝置和制動裝置三部分組成。

曲軸連桿機(jī)構(gòu)運動原理見示意圖2 所示。曲軸以角速度ω順時針旋轉(zhuǎn)，使得連桿帶動試管槽上下移動，設(shè)試管槽移動的前死點為A，A點到試管槽中心的距離設(shè)為x，設(shè)后死點為B點，其到前死點A的距離s為試管槽上下移動的行程，若上升行程x為正，則試管槽運動規(guī)律可表示為：

圖2 曲軸連桿機(jī)構(gòu)原理示意運動圖

式中：x為試管槽縱向位移；u為試管槽速度；為試管槽加速度；為曲柄轉(zhuǎn)角；ω為曲柄角速度；t為時間；r為曲柄半徑；λ為曲柄半徑r與連桿長度l之比。

（三）振蕩系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

振蕩系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)裝配如圖3 所示。振蕩系統(tǒng)框架采用鋁合金材料搭建，框架通過外殼殼底支撐，電機(jī)驅(qū)動水平臺來實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動，電機(jī)傳動軸與水平臺同心固定連接，空心球裝置底部薄片上端面與壓盤的下端面重合，空心球裝置中部的連接桿置于壓盤的直槽口內(nèi)，試管槽裝置的底部與空心球裝置頂部的空心球鉸接，試管槽裝置的中部置于水平臺圓孔內(nèi)。當(dāng)電機(jī)開始工作時，水平臺帶動試管槽裝置在斜盤上做旋轉(zhuǎn)和上下的往復(fù)運動。

二、振蕩裝置選材及仿真分析

（一）裝置選材

材料的性能要與部件的工作狀態(tài)相適應(yīng)，且要保證其具有良好的加工工藝和經(jīng)濟(jì)性能，從而提高設(shè)備的生產(chǎn)效率，減少生產(chǎn)成本。材料的工藝性能主要包括鑄造性能、壓力加工性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理性能等。經(jīng)過分析，設(shè)備主要零件選材如表2 所示。

表2 設(shè)備主要零件選材

（二）振蕩裝置的力學(xué)仿真分析

設(shè)計采用傾斜旋轉(zhuǎn)的方式振蕩溶液，使得溶液做圓周運動的同時也有上下運動，傾斜的運動能使溶液充分混合均勻，同時減弱離心力的影響，但傾斜程度過大會導(dǎo)致機(jī)構(gòu)運行出現(xiàn)障礙，因此，采用ANSYS Workbench分析軟件建立有限元模型，對振蕩裝置做靜力學(xué)仿真分析。振蕩裝置機(jī)構(gòu)模型建立較為復(fù)雜，但運行原理簡單，因此在確保分析結(jié)果準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，可以忽略一些不必要的結(jié)構(gòu)。

根據(jù)振蕩裝置的組成原理及結(jié)構(gòu)材料分析，利用三維建模軟件Solid Works 對振蕩裝置進(jìn)行建模，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)stp 格式，再導(dǎo)入ANSYS Workbench 進(jìn)行網(wǎng)格劃分和仿真分析，所建三維模型如圖4 所示。

圖4 振蕩裝置的三維模型

將上述模型文件導(dǎo)入到Workbench 中，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡單調(diào)整，修改部分對裝置強(qiáng)度影響不大的結(jié)構(gòu)設(shè)計，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中問題。經(jīng)過簡單處理后，對斜盤進(jìn)行Mesh 網(wǎng)格劃分，由于質(zhì)量不好的網(wǎng)格會影響求解結(jié)果的準(zhǔn)確性，故綜合考慮后，選取網(wǎng)格寬度為6 mm，進(jìn)行仿真分析得到斜盤受力變形圖。

在固定載荷下，對斜盤進(jìn)行靜力學(xué)分析得出此斜盤的應(yīng)力大小等參數(shù)，從而校核斜盤的強(qiáng)度及剛度，滿足實際工作需要?？紤]到選取的工況中有彎扭組合變形，同時要保證其結(jié)果更加接近實際情況，所以選擇第四強(qiáng)度理論作為結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的準(zhǔn)則，其破壞條件公式為：

在振蕩裝置運行過程中，各個機(jī)構(gòu)會受到各種不同載荷的影響，斜盤在復(fù)雜載荷下發(fā)生彎扭及其組合變形，這就要求斜盤有很好的強(qiáng)度和剛度，以保證裝置的順利運行。為保證靜力學(xué)分析的準(zhǔn)確性就必須要確定斜盤的基本載荷。斜盤的基本載荷為：盛滿液體的試管、帶直槽口的斜盤及斜盤本身，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 斜盤的基本載荷

施加基本載荷時，將各種載荷看作質(zhì)量點，再施加到車架上。本文將以質(zhì)量點的形式施加基本載荷，在進(jìn)行分析時可直接對車架施加加速度，其等效于施加慣性載荷。

通過斜盤靜力學(xué)分析可知，當(dāng)斜盤同時承受彎矩和支端力作用時，應(yīng)變最大值1 mm，應(yīng)力最大值0.01 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服極限值885 MPa，通過對應(yīng)力和應(yīng)變的求解，結(jié)果顯示斜盤表面剛度及強(qiáng)度能夠滿足設(shè)計要求。

三、結(jié)論與分析

本文采用Solid Works 對振蕩裝置進(jìn)行三維建模，利用Workbench 對斜盤部分進(jìn)行靜力學(xué)分析，通過對應(yīng)力和應(yīng)變的求解，結(jié)果表明：斜盤表面剛度及強(qiáng)度能夠滿足設(shè)計要求，且余量較大，在不影響強(qiáng)度和剛度的前提下可以適當(dāng)降低斜盤厚度，以實現(xiàn)裝置輕量化。根據(jù)設(shè)備運行規(guī)律，制作了簡單的模型進(jìn)行實驗驗證，旋轉(zhuǎn)振蕩裝置實驗結(jié)果靜置前如圖5 所示，靜置后如圖6 所示。靜置后，沉淀下降，分層明顯，實驗結(jié)果良好，后續(xù)隨著電機(jī)和氣泵精度的進(jìn)一步提高，設(shè)備整體穩(wěn)定性和可靠性能夠得到大幅度提升。

圖5 靜置前

圖6 靜置后