鄧維克，劉志輝,2，寧康琪

(1.邵陽(yáng)學(xué)院 機(jī)械與能源工程系，湖南 邵陽(yáng)，422000；2.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙,410012)

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中空纖維膜自動(dòng)切斷機(jī)的研發(fā)

鄧維克1，劉志輝1,2，寧康琪1

(1.邵陽(yáng)學(xué)院 機(jī)械與能源工程系，湖南 邵陽(yáng)，422000；2.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙,410012)

針對(duì)工廠現(xiàn)有中空纖維膜切斷機(jī)存在截面變形大、產(chǎn)品報(bào)廢率高及效率低等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于PLC技術(shù)能同時(shí)切斷16根中空纖維膜的自動(dòng)切斷機(jī)。該切斷機(jī)由導(dǎo)絲裝置、中空纖維膜剪切裝置、成品收集裝置及控制電路組成。詳細(xì)介紹了各部件的結(jié)構(gòu)組成及設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)成果能大幅度提高中空纖維膜的剪切效率及減少截面變形，能有效提高切斷機(jī)的可靠性，并滿(mǎn)足實(shí)際需要。

中空纖維膜；PLC；自動(dòng)切斷機(jī)

根據(jù)國(guó)際組織的調(diào)查，全球80%的疾病和50%的兒童死亡都與飲用水的水質(zhì)不良有關(guān)[1]。而我國(guó)水資源安全形勢(shì)十分嚴(yán)峻，自1998年以來(lái)，湖泊污染率超過(guò)25%，水庫(kù)污染率超過(guò)70%，80%的地下水已無(wú)法直接飲用。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析表明，我國(guó)城市地區(qū)經(jīng)凈化處理的自來(lái)水供水率超過(guò)90%，農(nóng)村地區(qū)飲用水經(jīng)集中凈化處理的村莊超過(guò)24.5%[2]。傳統(tǒng)飲用水水凈化處理工藝一般采取氯化、絮凝沉淀、離子交換、混凝、沉淀等方法，傳統(tǒng)工藝出水存在細(xì)菌、藻類(lèi)、微生物泄漏以及有機(jī)物超標(biāo)等問(wèn)題，水中有機(jī)雜質(zhì)、重金屬無(wú)法除去，水中有機(jī)雜質(zhì)或腐殖酸會(huì)與氯氣化學(xué)作用生成致癌物質(zhì)三氯化鉀，不能達(dá)到直接飲用的標(biāo)準(zhǔn)。中空纖維膜技術(shù)具體是指在纖維軸向具有貫通的細(xì)管狀空腔的化學(xué)纖維，纖維管壁上布滿(mǎn)微孔，原液在一定壓力下通過(guò)膜的一側(cè)，溶劑及小分子溶質(zhì)透過(guò)膜壁為濾出液，而大分子溶質(zhì)被膜截留，達(dá)到物質(zhì)分離及濃縮的目的。其能克服傳統(tǒng)飲用水凈化處理工藝不足，具有能耗低、裝置體積小、易操作、效益高、不產(chǎn)生二次污染等特點(diǎn)，現(xiàn)已成為水處理領(lǐng)域最受關(guān)注的核心技術(shù)之一[3-4]。目前產(chǎn)業(yè)化較好的中空纖維膜制備技術(shù)主要是溶液紡絲法，熔融紡絲-拉伸法,及熱致相分離法。無(wú)論采用何種制備方法，都需要一種專(zhuān)用自動(dòng)切斷設(shè)備對(duì)中空纖維膜進(jìn)行定長(zhǎng)切斷，目前國(guó)內(nèi)中空纖維膜自動(dòng)切斷技術(shù)不成熟，在切斷時(shí)截面發(fā)生較大變形導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢率高,而且剪切效率低。針對(duì)這一市場(chǎng)特殊需求及現(xiàn)有不足，通過(guò)摸清中空纖維膜特性，尋求一種最有效的切斷方式，開(kāi)發(fā)一種基于PLC控制的高效率、高可靠性的自動(dòng)切斷機(jī)具有重要現(xiàn)實(shí)意義及廣闊的應(yīng)用前景。

1 中空纖維膜自動(dòng)切斷機(jī)技術(shù)條件

(1)將連續(xù)出料的中空纖維膜切成1000mm截面無(wú)變形的定長(zhǎng)纖維膜段，長(zhǎng)度誤差為±1mm。

(2)切斷采用氣動(dòng)裝置，送料采用電動(dòng)裝置，由人工輔助牽引中空纖維膜的情況下實(shí)現(xiàn)電氣控制。

(3)自動(dòng)送料及切斷，分切誤差可由人工實(shí)時(shí)調(diào)整和控制。

(4)工作電壓為交流380V。

(5)切斷后能自動(dòng)滑落，且可由裝置傳遞后續(xù)捆扎工序。

(6)工作氣壓為0.3-0.4Mpa。

2 切斷機(jī)總體方案

切斷機(jī)的總體方案如圖1所示，人工從生產(chǎn)中空纖維膜設(shè)備出口位置將纖維膜穿過(guò)滾輪至中空纖維膜收集裝置處，滾輪由三相交流異步電機(jī)經(jīng)中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，切斷刀具由氣缸驅(qū)動(dòng)，正式工作時(shí)，滾輪的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)中空纖維膜連續(xù)向右運(yùn)動(dòng)，圖示刀具位置向上運(yùn)動(dòng)一次實(shí)現(xiàn)一次切斷，根據(jù)滾輪的轉(zhuǎn)速和纖維膜的切斷長(zhǎng)度，計(jì)算好刀具的停留時(shí)間，定時(shí)時(shí)間一到，切斷刀具向下運(yùn)動(dòng)再次切斷纖維膜，這樣刀具可以做上下方向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)周期切斷兩次，切斷后的中空纖維膜被收集在纖維膜收集裝置中，并可以通過(guò)PLC對(duì)切斷后的纖維膜段進(jìn)行計(jì)數(shù)，待纖維膜收集裝置收集到設(shè)定數(shù)目的纖維膜段時(shí)，由驅(qū)動(dòng)氣缸驅(qū)動(dòng)纖維膜收集裝置，將被收集的纖維膜送至槽形收集器中。槽形收集器固定在皮帶輸送機(jī)上，由一異步電機(jī)連接凸輪分割器做間歇步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)槽形收集器收集到纖維膜收集裝置中的中空纖維膜時(shí)，皮帶輸送機(jī)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)一次，依此循環(huán)，最后皮帶輸送機(jī)將槽形收集器里的纖維膜輸送致后續(xù)的打包工位[5-7]。

圖1 中空纖維膜切斷機(jī)總體方案

3 中空纖維膜切斷力計(jì)算模型

中空纖維膜自動(dòng)切斷機(jī)要保證中空纖維膜截面不發(fā)生變形，切斷力和切斷刀具設(shè)計(jì)要合適，因此需要正確計(jì)算切斷力，從而保證選取合適的驅(qū)動(dòng)刀具氣動(dòng)型號(hào)。

圖2所示，1為切斷刀具，2為中空纖維膜，假設(shè)切斷刀具刃口半徑為R2，中空纖維膜在切斷過(guò)程中，切斷刀具與中空纖維膜為彈性接觸，且為凸圓柱面與凹圓柱面接觸，其曲率半徑分別為R2、R1。由赫茲接觸理論可知，在接觸載荷F的作用下，接觸面為一寬度2b，長(zhǎng)度為L(zhǎng)的矩形窄帶。切斷刀具與中空纖維膜接觸面上的平均壓應(yīng)力為[8-9]：

圖2 切斷刀具與中空纖維膜的接觸模型示意圖

σ=F/(2bL)

(1)

由于接觸面中線(xiàn)上的最大壓應(yīng)力為平均應(yīng)力的4/Pi倍，可得:

σmax=2F/(πbL)

(2)

由赫茲公式：

(3)

將式(3)代入式(2)，并考慮R1遠(yuǎn)大于R2的條件，則可得最大壓應(yīng)力為：

(4)

式中L為切斷刀具的工作長(zhǎng)度，F(xiàn)為切斷力。

由中空纖維膜的切斷過(guò)程可知，只有當(dāng)切斷刀具與中空纖維膜之間的接觸應(yīng)力超過(guò)其本身的斷裂強(qiáng)度，中空纖維膜才能被切斷。因此通過(guò)查閱或者實(shí)驗(yàn)得出中空纖維膜的斷裂強(qiáng)度值，并令其與σmax相等，可計(jì)算出切斷纖維膜所需切斷力，從而為正確選取驅(qū)動(dòng)氣缸型號(hào)提供依據(jù)。

4 切斷機(jī)設(shè)計(jì)

4.1 切斷機(jī)總體結(jié)構(gòu)

切斷機(jī)總體結(jié)構(gòu)主視圖如圖3所示，具體由鏈板輸送線(xiàn)、皮帶輸送機(jī)、中空纖維膜推送裝置、中空纖維膜剪切裝置、導(dǎo)絲裝置組成，首先由人工將中空纖維膜從導(dǎo)絲入口(圖3中標(biāo)記進(jìn)絲位置)處，經(jīng)導(dǎo)絲裝置，剪切裝置牽引至鏈板線(xiàn)入口處，正常工作時(shí)，中空纖維膜在導(dǎo)絲裝置和鏈板輸送線(xiàn)的作用下，被剪段的中空纖維膜被傳送至鏈板輸送線(xiàn)的最右端位置，并保留在鏈板輸送線(xiàn)上。具體部件詳見(jiàn)部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖3 切斷機(jī)主視圖

4.2 部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.2.1 導(dǎo)絲裝置

導(dǎo)絲裝置如圖4所示，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、機(jī)架、軸承座、導(dǎo)輪(3個(gè)，分別記為下導(dǎo)輪、中導(dǎo)輪和上導(dǎo)輪)、傳動(dòng)齒輪、皮帶輪組成，帶輪與下導(dǎo)輪和中導(dǎo)輪分別固接在不同軸上，電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)下導(dǎo)輪和中導(dǎo)輪同向轉(zhuǎn)動(dòng)，中導(dǎo)輪和上導(dǎo)輪中間通過(guò)兩級(jí)齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)反向等速運(yùn)動(dòng)，從而可以實(shí)現(xiàn)中空纖維膜平滑導(dǎo)絲。

4.2.2 中空纖維膜剪切裝置

圖4 導(dǎo)絲裝置

中空纖維膜剪切裝置如圖5所示，為圖3B-B剖視圖，由機(jī)架、剪切機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)氣缸、刀具安裝支架、壓絲機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)氣缸、壓絲機(jī)構(gòu)、刀具組成，壓絲塊由壓絲機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)氣缸驅(qū)動(dòng)，弓形刀具安裝支架上安裝有開(kāi)有槽且槽的側(cè)面上開(kāi)有小孔的螺柱，刀具為扁平雙面刃鋼片刀具，兩端開(kāi)有小孔，刀具置于螺柱槽內(nèi)并將小孔對(duì)準(zhǔn)，通過(guò)螺栓將刀具與螺柱固接，擰緊螺柱上的螺母可以繃緊刀具。刀具由剪切機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)氣缸實(shí)現(xiàn)上下方向運(yùn)動(dòng)，可以將16根中空纖維膜排成一排進(jìn)行同時(shí)雙向切斷。具體使用時(shí)，在進(jìn)行剪切操作之前，先開(kāi)啟壓絲機(jī)構(gòu)，壓絲機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)氣缸活塞伸出，帶動(dòng)壓絲機(jī)構(gòu)向上運(yùn)動(dòng)，之后，人工將中空纖維膜引入剪切刀片位置處的凹槽內(nèi)，然后再使壓絲機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)氣缸活塞縮回，將中空纖維膜限定在凹槽區(qū)域內(nèi)，凹槽高度比中空纖維膜直徑稍大，能保證中空纖維膜在凹槽內(nèi)自由穿過(guò)，且進(jìn)行剪切操作時(shí)中空纖維膜在動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置下能保證一直勻速前進(jìn)。

在進(jìn)行定長(zhǎng)剪切時(shí)，可以根據(jù)導(dǎo)輪轉(zhuǎn)速和切絲長(zhǎng)度設(shè)定剪切動(dòng)作的停留時(shí)間，例如剪切機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)氣缸活塞伸出時(shí)，可以推動(dòng)刀片向上運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)剪切一次，停留設(shè)定時(shí)間，剪切機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)氣缸活塞退回，推動(dòng)刀片向下運(yùn)動(dòng)又實(shí)現(xiàn)剪切一次，此后重復(fù)操作即可實(shí)現(xiàn)中空纖維膜的定長(zhǎng)剪切。

圖5 切斷刀具結(jié)構(gòu)圖

4.2.3 成品收集裝置

成品收集裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示，為圖3C-C剖視圖，由槽型收集器，皮帶輸送機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)，皮帶輪主動(dòng)滾輪， 中空纖維膜推送裝置組成，中空纖維膜推送裝置將鏈板輸送線(xiàn)上的被剪纖維膜段推至槽形收集器里，電機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶輸送機(jī)做步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)槽形收集器間歇轉(zhuǎn)動(dòng)，將定長(zhǎng)纖維膜集中輸送至出料口位置，用于后序的加工處理。

圖6 成品收集裝置

4.3 控制電路設(shè)計(jì)

中空纖維膜自動(dòng)切斷機(jī)采取可編程控制器控制方式，滾輪、皮帶輸送機(jī)、鏈板線(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)均采用三相交流異步電機(jī)，工作電壓為380V，均采取變頻器變頻調(diào)速控制方式，其電氣原理如圖7所示，三相電源L1、L2、L3經(jīng)空氣開(kāi)關(guān)QF58分別接入變頻器R、S、T端，變頻器U、V、W分別接異步電動(dòng)機(jī)接線(xiàn)端子，繼電器KA58控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，且繼電器KA58線(xiàn)圈通過(guò)PLC控制得斷電，PG58為外接旋轉(zhuǎn)編碼器，通過(guò)A、B兩相脈沖輸入實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，KM58為變頻器故障保護(hù)用接觸器，當(dāng)變頻器無(wú)故障時(shí)，KM58線(xiàn)圈正常得電，KM58常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，變頻器正常供電，反之KM58常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)。

圖7 鏈板線(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制電路

變頻器正反轉(zhuǎn)方向控制采用的繼電器與驅(qū)動(dòng)氣缸方向控制采用的電磁換向閥均通過(guò)PLC控制，PLC接線(xiàn)圖如圖8所示。

圖8 PLC接線(xiàn)圖

SA1.手動(dòng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān) SQ1.刀具上限位開(kāi)關(guān) SQ2.刀具下限位開(kāi)關(guān) SB1.滾輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)按鈕 SB2.皮帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)按鈕 SB3.鏈板輸送線(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)按鈕 SB4.滾輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止按鈕 SB5.皮帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止按鈕 SB6.鏈板輸送線(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止按鈕 KA1.滾輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制按鈕 KA2.鏈板輸送線(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制按鈕 KA3.皮帶輸送機(jī)正反轉(zhuǎn)控制按鈕 YV1.剪切機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)氣缸電磁換向閥

整個(gè)設(shè)備控制流程大致為：人工送絲→轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)撥至自動(dòng)擋→滾輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng) KA1 ON→鏈板線(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng) KA2 ON→皮帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng) KA3 ON→SQ1或SQ2為ON→延時(shí)→YV1 ON→SQ2或SQ1 ON→延時(shí)→YV1 OFF→剪切機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)氣缸完成一次工作循環(huán)轉(zhuǎn)至SQ1或SQ2為ON。

5 結(jié)語(yǔ)

中空纖維膜自動(dòng)切斷機(jī)除了配備3個(gè)小功率異步電機(jī)外， 其余全部采用氣缸驅(qū)動(dòng)， 安全性好， 可靠性高，消耗低，基本無(wú)污染。該機(jī)易于操作，能同時(shí)切斷16根甚至更多根中空纖維膜，具有高效率的特點(diǎn)，該設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能滿(mǎn)足現(xiàn)有生產(chǎn)企業(yè)的要求，并能達(dá)到預(yù)想目標(biāo)，符合市場(chǎng)的需求。

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The development of automatic cutting machine for hollow fiber membrane

DENG Weike1,LIU Zhihui1,2,NING Kangqi1

(1.Department of Mechanical and Energy Engineering,Shaoyang University,Shaoyang 422000，China;2.School of Mechanical and Electrical Engineering,Central South University,Changsha 410083,China)

An automatic cutting machine based on PLC technology is designed to cut off 16 hollow fiber membranes simultaneously,in view of the shortcomings of the existing hollow fiber membrane cutting machine,including large section deformation,high product rejection rate and low cutting efficiency. The cutting machine is composed of a guiding device,a hollow fiber membrane cutting device,a finished product collecting device and a control circuit. It introduces the structure and the design of the various components. The design can greatly improve the cutting efficiency of hollow fiber membrane,reduce the cross section deformation,and can effectively improve the reliability of the cutting machine.

hollow fiber membrane；PLC；automatic cutting machine

1672-7010(2016)03-0082-06

2016-05-17

湖南省教育廳一般項(xiàng)目(15C1238);湖南省教育廳一般項(xiàng)目(15C1239)

鄧維克(1964-)，男，湖南邵陽(yáng)人，高級(jí)工程師，從事自動(dòng)化設(shè)備開(kāi)發(fā)研究

劉志輝，男，湖南邵陽(yáng)人，講師，博士研究生，從事自動(dòng)化設(shè)備開(kāi)發(fā)及非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)研究，E-mail：Lzh840319@163.com

TH12

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