鄒輝,李志剛

(1.常德偉創(chuàng)機械制造有限責任公司,湖南 常德,415000;2.湖南文理學院 機械工程學院,湖南 常德,415000)

隨著人們生活水平的提高,人民對肉類食物的消耗量日益增加。養(yǎng)豬場的飼養(yǎng)規(guī)模越來越大,生豬屠宰廠也規(guī)?；陌l(fā)展[1]。但因為缺乏一套能與之相匹配的切割豬體設備,目前生豬屠宰廠大多采用人工來切割豬體,耗費了精力也耽誤了效率,而最為關鍵的是人工切割很容易就會導致切割豬體不均勻,就會造成很大程度的浪費。我國大多數企業(yè)使用人工輔助分割流水線來分割家畜胴體。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,推動胴體配合分割臺上的帶鋸進行分割作業(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、羊肉等屠宰機器人的發(fā)展現狀,指出機器人在家畜屠宰分割領域應用越來越廣泛,屠宰分割機器人的研發(fā)對促進屠宰行業(yè)的發(fā)展具有重要意義[4]。國內對于豬、牛、羊肉的初級分割主要是利用胴體劈半機對家畜胴體進行劈半處理,胴體劈半機是目前國內主要的半自動屠宰設備。任濤等人研究了一種使用雙刀片分割技術代替?zhèn)鹘y劈半鋸的分割設備,這使得分割損失幾乎為零,增加了家畜屠宰企業(yè)的經濟效益[5]。國內使用的劈半設備主要包括橋式劈半機、圓盤式劈半機、往復式劈半機和全自動劈半機等,其中橋式劈半機主要用于豬胴體劈半,通過鋸片前端V形引進槽使胴體脊背正對鋸片,通過圓盤鋸將豬胴體劈半。該機器生產效率高、勞動強度低、分割精度高,但是分割產生的廢料多、清洗消毒困難、占地面積大[6-8]。國外在家畜胴體自動化屠宰分割領域的研究領先于我國,從20世紀30年代開始研制家畜屠宰加工設備,其產品自動化程度高,包括屠宰分級生產線、切割剔骨生產線、控制系統等。Gregory Guire教授設計了一種切割牛胴體的切割機,它可以實現自動切割牛胴體,但其加工速度慢并且設備成本高。2Kevin Subrin等人提出通過模擬人手動分割家畜的動作來規(guī)劃機械臂分割動作,并優(yōu)化機械手的自動化切割過程[9],Van等人提出在家畜屠宰流水線上使用自動化檢測設備如機器視覺等代替人工來判別家畜胴體是否滿足加工要求,從而提升屠宰設備的效率以及靈活性[10]。經過幾十年的研究與發(fā)展,國外家畜屠宰設備技術在不斷成熟和完善,逐步取代了傳統的人工輔助流水加工方式。國外家畜屠宰設備具有機械化、自動化程度高等特點,但價格昂貴,難以維護和推廣。

為了促進我國家畜屠宰分割加工產業(yè)的發(fā)展,提升企業(yè)屠宰分割設備的機械化以及自動化水平,就必須在家畜屠宰分割設備的研發(fā)領域進行更加深入的研究和探索。

1 屠宰自動切割裝置機構設計

1.1 屠宰自動切割裝置組成及工作原理

屠宰自動切割裝置的主要結構是由底座、升降柱、減速機、懸臂、切割系統、配重塊與控制系統部分組成。通過Solidworks繪制屠宰自動切割裝置機構各個零件然后裝配,裝配圖如圖1所示。

豬體經過切半機切成兩半后通過傳動帶運送到屠宰機構處。當豬體的一端接近定位開關框架時,電機的啟動是由聯軸器帶動豬體的主軸左右方向旋轉,然后由于主軸帶動鋸片的轉動,從而在其中產生一種切削運動方式來對豬體進行切削,通過這種方式,人工切削豬體的勞動強度得到了大幅減少,生產的勞動和企業(yè)自動化程度顯著加快。

1.2 屠宰自動切割裝置機構關鍵零部件設計

主軸組件是執(zhí)行件,它的主要作用是支承并且?guī)油涝鬃詣忧懈钛b置鋸片的旋轉,從而達到切割豬體的效果。主軸組件的性能直接影響加工豬的質量和豬的生產力,因此它是切割豬體的關鍵部件。

主軸和普通的傳動軸均被用于產品中所需要傳遞扭矩、傳送運動并能夠承受傳動力,它們必須能夠滿足傳動件和支撐傳動設備正常切削工件所產生的切削力。然而該產品的主軸直接驅動鋸片所產生的切割運動并能夠實現對豬體切割的運動,所以該產品的主軸也是因為它需要直接驅動和承受切削力,因此與普通的主軸產品相比該類型的主軸具有較高的傳動力要求。

1.3 屠宰自動切割裝置主軸設計

1.3.1 主軸的旋轉精度

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

主軸旋轉的精度主要取決于零件時的精度。主軸的運動精度主要是取決于主軸機械運動時的轉動速度,軸承質量的好壞和主軸運動時的狀態(tài)。對于某些專用特殊主軸部件的旋轉精度也可以按照工件實際的精度要求確定[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),也就是說柔度是剛度的倒數。主軸組件的剛度是由軸承、切割豬體屠宰自動切割裝置的懸臂以及傳動軸的剛度決定的,旋轉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,就不能滿足不了對于豬肉切割要整齊好看的要求;對于在傳動方面來說,主軸的變形將對切割豬體的時候產生不利影響,比如切割出來的豬肉不整齊;而在工件平穩(wěn)性方面,主軸在變化的切削豬肉時所對應的力的大小不一樣,在傳遞動力的時候,會產生過大的振動,容易引起機器產生噪音,同時也降低了機器的穩(wěn)定性。

主軸的綜合剛度指的是主軸組件的剛度。主軸的軸承的類型、以及軸承的結構尺寸,軸承的安裝的方式、軸承與主軸配合所產生的間隙、主軸的位置,聯軸器的位置、主軸組件的制造與裝配質量等[12]。都會對主軸組件剛度的產生影響。

1.3.3 主軸組件的抗震性

屠宰自動切割裝置機在切割豬體時受到沖擊下仍保持其平穩(wěn)運行能力的能力被稱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器本身抵抗受迫振動和自激振動的能力。所以我們可以提高機器的抵抗受迫振動和自激振動的能力用來達到抗振性的要求。

1.3.4 主軸組件的耐磨性

主軸承構件的抗耐磨性主要在于它們使工件能夠長期地保持原來的精度。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 主軸的參數設計

1.4.1 切割豬體所需的剪切力

切割豬體的時候,剪應力應超過豬體的許用剪應力[τ]。即屠宰自動切割裝置豬體的條件為[13]:由文獻[14]可得豬體的許用剪應力[τ]=4.68 MPa。由于本設備的鋸片的最大直徑dmax=750 mm。則本機器的最小剪切力為Q=[τ]×dmax2/(4×π)計算后得到Q=20 647.4 N,取屠宰自動切割裝置機的剪切力Q=21 000 N。

1.4.2 切割豬體所需的功率計算

屠宰自動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。軸的設計是依靠軸徑的尺寸來推算的,軸徑的計算公式為。P為軸所傳遞的功率(kW),n為軸的轉速(r/min),C為軸的許用應力所確定的與材料有關的系數。由于45號鋼C一般為118～107,取值為110,根據公式計算后軸徑尺寸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度,如果伸出的長度比較大的話會降低主軸的剛度。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。根據主軸的懸伸量與直徑比的表可以知道,本次設計的軸是屬于中等長度的軸,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。支承跨距過大或過小都會降低主軸部件的剛度[15]。由于此次設計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)來計算合理跨距:LFc≤5amax=625。初取L=556 mm。

1.4.6 主軸結構圖

根據主軸的參數設計得到的主軸參數如表1[16]。根據表1參數繪制主軸的結構圖如圖4所示。

表1 主軸的設計參數 /mm

2 主軸的校核

將主軸組件結構受力簡化為簡支梁,如圖5所示。因為前支承為的軸承為滾動軸承,那么可以確認主軸位于前支承的連接點上并且沒有發(fā)生任何變形,這樣就可以把主軸簡化成一個固定的端梁,如圖6所示。

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

(1)通過計算畫出空間受力圖(圖7a)。

(2)通過計算畫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點垂直面的支反力;FAV:A點垂直面的支反力。

(3)通過計算畫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點水平支反力,FAH為A點水平支反力。

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

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

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

(7)繪制軸的轉矩T(圖7g)。轉矩T=225 N·m。

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

(9)通過計算得出校核危險截面處軸的直徑:由軸的結構圖和當量彎矩圖可得。

計入螺紋孔的影響d=30.73 mm＜34 mm,即計算截面直徑小于其結構設計確定直徑,合格。

3 結論

通過對屠宰自動切割裝置工作原理進行了分析,主軸組件是該機構的核心部件,直接影響加工的品質質量和安全,因此本文對屠宰自動切割裝置主軸進行了詳細計算和優(yōu)化。并通過校核驗證了理論計算與設計的合理性。為豬體屠宰自動化、規(guī)模化生產打下了一定的基礎。