隨著人們對(duì)食品安全、衛(wèi)生的日益重視，全自動(dòng)堆積式螺旋速凍裝置的市場(chǎng)需求越來(lái)越旺盛，它克服了傳統(tǒng)支撐式螺旋速凍裝備網(wǎng)帶的支架、導(dǎo)軌等處難于處理的衛(wèi)生死角問(wèn)題，具有生產(chǎn)效率高、自動(dòng)化程度高、占地面積更小、衛(wèi)生條件好等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。它是目前國(guó)際市場(chǎng)上最先進(jìn)的速凍裝備，也是未來(lái)新型食品速凍裝備的發(fā)展趨勢(shì)，但目前我國(guó)對(duì)堆積式螺旋速凍裝備的研究還處于早期，與國(guó)際先進(jìn)水平還存在一定的差距。
在螺旋自堆積式機(jī)械傳送系統(tǒng)中，柔性輸送帶的結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)傳送系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性至關(guān)重要，是堆積式螺旋速凍裝置的核心技術(shù)。根據(jù)螺旋自堆積式機(jī)械傳送系統(tǒng)的工作原理與特點(diǎn)，研究輸送帶帶匝自支撐位置、自鎖結(jié)構(gòu)、自伸縮結(jié)構(gòu)、抗變形結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，使螺旋自堆積式柔性輸送帶同時(shí)具有安全性、適用性和耐久性等可靠特性，滿(mǎn)足速凍裝備長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)于提升我國(guó)螺旋速凍裝備技術(shù)具有重要意義。
自堆式螺旋輸送帶的基本單元由兩塊相互鏡像的側(cè)鏈板通過(guò)兩根平行的串條連接而成，如圖1所示，基本單元通過(guò)側(cè)鏈板上的細(xì)長(zhǎng)槽相互鏈接而形成循環(huán)的輸送帶，由于細(xì)長(zhǎng)槽使相互鏈接基本單元相對(duì)可調(diào)、可轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)輸送帶自堆積螺旋塔的形成[3-4]，輸送帶的運(yùn)行路徑，如圖2所示。
2.1 輸送帶側(cè)鏈板支撐位置的設(shè)計(jì)與分析
現(xiàn)在國(guó)內(nèi)輸送帶側(cè)鏈板所形成的自堆積螺旋塔還存在一定的問(wèn)題，螺旋塔下層支撐上層的支撐位置由于結(jié)構(gòu)問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致側(cè)鏈板的自堆積有一定偏移，上下兩層偏移大小為，螺旋塔偏移示意圖，如圖3所示。
圖1 輸送帶基本單元
Fig.1Basic Unit of Conveyor Belt
圖2 自堆積式螺旋輸送帶
Fig.2The Self-Stacking Spiral Conveyor Belt
圖3 輸送帶螺旋塔偏移示意圖Fig.3The Offset Diagram of the Spiral Conveyor Belt Tower
輸送帶的運(yùn)行路徑是循環(huán)的，都是由底層運(yùn)行至上層再循環(huán)至底層。在這個(gè)過(guò)程中，相對(duì)應(yīng)的一對(duì)側(cè)鏈板會(huì)沿著連接它們的串條相對(duì)靠近或遠(yuǎn)離，隨著螺旋塔層數(shù)的增加偏移尤為明顯。側(cè)鏈板與串條的相對(duì)滑動(dòng)，（1）可能使輸送帶由直段進(jìn)入螺旋塔時(shí)的自堆積錯(cuò)位而造成螺旋塔坍塌；（2）螺旋塔中的側(cè)鏈板受到上部的壓力，在串條上移動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的摩擦力，容易造成串條和側(cè)鏈板上串條口的磨損。
螺旋塔中每塊側(cè)鏈板下部的支撐都來(lái)自于與之對(duì)應(yīng)的串條，如圖4中（a）所示，側(cè)鏈板1下部的支撐來(lái)自于串條a、串條b和與之鏈接的側(cè)鏈板2上的串條a′，由于支撐位置的接觸面積小，在受螺旋塔上部壓力時(shí)容易造成串條口和細(xì)長(zhǎng)槽的變形，而細(xì)長(zhǎng)槽的變形會(huì)導(dǎo)致輸送帶自伸縮的卡滯。同樣，側(cè)鏈板上邊緣對(duì)上層的支撐也由于接觸面積小，容易造成串條的磨損和側(cè)鏈板上邊緣的變形以及受力不均，特別是當(dāng)螺旋塔層數(shù)升級(jí)后重量增加，這些變形和磨損會(huì)更加明顯，不利于自堆積式螺旋速凍機(jī)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。
根據(jù)以上存在的問(wèn)題，側(cè)鏈板支撐位置的設(shè)計(jì)主要從兩個(gè)方面進(jìn)行：其一，串條不再作為側(cè)鏈板的支撐，而由側(cè)鏈板自身的上下邊緣進(jìn)行支撐，如圖4中（b）所示，側(cè)鏈板3下邊緣擱置在側(cè)鏈板1和側(cè)鏈板2上，形成面—面接觸，從而增大了支撐位置的接觸面積，能有效減小磨損，并使凍品重量和輸送帶自重均勻地分布在側(cè)鏈板上，從而提高輸送帶運(yùn)行的穩(wěn)定性；其二，因?yàn)楦倪M(jìn)后上下側(cè)鏈板的支撐方式消除了偏移，故將串條與側(cè)鏈板焊接起來(lái)，使它們成為一個(gè)整體，避免串條與串條口相對(duì)滑動(dòng)而產(chǎn)生磨損，同時(shí)使輸送帶由直段進(jìn)入螺旋塔時(shí)的自堆積更加可靠。
圖4 側(cè)鏈板自堆積局部示意圖
Fig.4The Local Map of Self-Stacking Lateral Plate
2.2 輸送帶自伸縮結(jié)構(gòu)的分析
輸送帶在運(yùn)行過(guò)程中所形成的螺旋塔主要依靠于側(cè)鏈板上所設(shè)計(jì)的細(xì)長(zhǎng)槽，串條口1和串條口2的中心距離為L(zhǎng)，串條口2與細(xì)長(zhǎng)槽左側(cè)的中心距離為N，細(xì)長(zhǎng)槽的長(zhǎng)度為M。
輸送帶在直線運(yùn)行時(shí)，兩側(cè)的側(cè)鏈板通過(guò)細(xì)長(zhǎng)槽同時(shí)壓縮或伸展；輸送帶在形成螺旋狀態(tài)時(shí)，一側(cè)的側(cè)鏈板通過(guò)細(xì)長(zhǎng)槽緊靠在一起，而另一側(cè)的側(cè)鏈板則沿著細(xì)長(zhǎng)槽伸展，如圖5所示。通過(guò)兩側(cè)的長(zhǎng)度差而形成不同的曲率。
圖5 輸送帶形成最大曲率時(shí)局部狀態(tài)圖
Fig.5The Local State Diagram of the Maximum Curvature of Conveyor Belt
在輸送帶形成最大曲率時(shí)，螺旋塔所占面積最小，此時(shí)輸送帶壓縮一側(cè)環(huán)繞一周的長(zhǎng)度為（N+L）·n，輸送帶伸展一側(cè)環(huán)繞一周的長(zhǎng)度為（L+N+M）·n，內(nèi)外相對(duì)應(yīng)的側(cè)鏈板間的距離為S，外側(cè)的曲率半徑為R。根據(jù)相似，它們之間滿(mǎn)足關(guān)系式
因此，輸送帶所形成螺旋塔外側(cè)半徑為：
由（1）式可知，我們可以設(shè)計(jì)合理的 L、M、N、S 值，使螺旋塔的半徑滿(mǎn)足產(chǎn)量和占地面積的要求。當(dāng)然，它們的值也是在一定范圍內(nèi)的，比如為了減小R值增大M，會(huì)伴隨側(cè)鏈板寬度的增加，這會(huì)減弱側(cè)鏈板的剛度，另一方面可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)側(cè)輸送帶處串條的干涉，如圖5輸送帶壓縮側(cè)所示，當(dāng)相鄰兩串條間的中心距離x小于2r時(shí)，產(chǎn)生干涉，其中r為串條半徑。
在輸送帶側(cè)鏈板的設(shè)計(jì)過(guò)程中，帶腳與驅(qū)動(dòng)鏈條的接觸面積越大，它們之間產(chǎn)生的磨損就越小。因此，在輸送帶內(nèi)側(cè)串條不干涉的前提下，帶腳可以盡可能的寬。設(shè)串條伸出長(zhǎng)度為y，由相似可得：
而相鄰兩串條的中心距離x滿(mǎn)足x≥2r時(shí)，不發(fā)生干涉，即：
所以，在設(shè)計(jì)帶腳寬度時(shí)，要時(shí)伸出的最大長(zhǎng)度需滿(mǎn)足：
2.3 輸送帶自鎖結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析
相比于傳統(tǒng)支撐式螺旋輸送裝置，自堆積螺旋速凍機(jī)只有最底層的驅(qū)動(dòng)鏈條進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和支撐，而其他帶匝則依靠側(cè)鏈板自身進(jìn)行支撐[5]，因此輸送帶在運(yùn)行過(guò)程中形成的螺旋塔可能會(huì)產(chǎn)生橫向挪動(dòng)和輸送帶帶匝節(jié)距間的相互滑移，從而影響螺旋塔的穩(wěn)定性。
為了避免這些不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生，故為側(cè)鏈板設(shè)計(jì)一個(gè)“咬合”結(jié)構(gòu)，它包括側(cè)鏈板帶腳一側(cè)斜向下的折彎和另一側(cè)的襯墊片，從而使下層側(cè)鏈板上邊緣位置受到限制，如圖6所示。
圖6 具有“咬合”作用的側(cè)鏈板
Fig.6With‘Lock Effect’of the Lateral Plate
該“咬合”結(jié)構(gòu)可以有效的控制帶匝的橫向移動(dòng)，通過(guò)上下側(cè)鏈板的“咬合”作用可以防止中間層帶匝節(jié)距間的滑移。
其次由于螺旋塔是螺旋上升，故當(dāng)其螺旋升角θ與側(cè)鏈板的摩擦系數(shù)μ滿(mǎn)足tanθ≤μ時(shí)，螺旋塔通過(guò)摩擦也會(huì)產(chǎn)生一定的自鎖。
若側(cè)鏈板的材料為304不銹鋼，摩擦系數(shù)為（0.15～0.30）（有潤(rùn)滑）和（0.30～0.40）（無(wú)潤(rùn)滑），則當(dāng)螺旋升角 θ＜8°30′時(shí)，可滿(mǎn)足自鎖要求。因此，輸送帶所形成的螺旋塔可以通過(guò)機(jī)械咬合和摩擦形成良好的自鎖，從而保證了螺旋塔的穩(wěn)定性。
2.4 輸送帶抗變形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析
現(xiàn)有的側(cè)鏈板結(jié)構(gòu)雖然設(shè)計(jì)了一折彎角度α，使其厚度增加，剛度增強(qiáng)，但側(cè)鏈板仍屬于薄板，容易發(fā)生屈曲變形或屈曲失穩(wěn)。在輸送帶螺旋塔自堆積層數(shù)增加和凍品重量增大的情況下，則需要?jiǎng)偠雀蠛涂棺冃文芰Ω鼜?qiáng)的側(cè)鏈板來(lái)保證螺旋塔運(yùn)行的穩(wěn)定，使螺旋速凍裝備長(zhǎng)時(shí)間可靠運(yùn)行。
提高側(cè)鏈板剛度和抗變形能力最直接的辦法是增加其厚度，但考慮到該做法會(huì)導(dǎo)致螺旋塔的自重大大增加，故在原來(lái)側(cè)鏈板上增加一系列加固條以及將帶腳與側(cè)鏈板左側(cè)通過(guò)肋板連接起來(lái)，從而在不大幅增加側(cè)鏈板重量的前提下提升側(cè)鏈板的整體剛度[6-7]，改進(jìn)后的側(cè)鏈板，如圖7所示。
圖7 優(yōu)化后的輸送帶側(cè)鏈板
Fig.7The Optimized Lateral Plate of the Conveyor Belt
3.1 輸送帶自重與凍品重量的估算
凍品以肉制品為例，凍肉的密度約為400kg/m3，凍品高取65mm，凍品擺放距離為1.5倍產(chǎn)品長(zhǎng)度，輸送帶螺旋塔單層網(wǎng)帶面積為7.7m2，則可以算出每層凍品重量w′：
凍品總重：w=80.08×40=3203kg（螺旋塔為40層）。
由（1）式和側(cè)鏈板參數(shù)可得輸送帶螺旋塔外側(cè)側(cè)鏈板所繞成的半徑R：
螺旋塔輸送帶每層內(nèi)外側(cè)側(cè)鏈板個(gè)數(shù)為：
304不銹鋼的密度為7.93g/cm3，每塊側(cè)鏈板的重量約為0.06kg，每根串條的重量約為0.12kg。
由以上數(shù)據(jù)可以估算出輸送帶在工作時(shí)的總重量（螺旋塔高40層）：
3.2 輸送帶基本單元的受力分析
圖8 側(cè)鏈板的受力示意圖
Fig.8The Stress Diagram of the Lateral Plate
當(dāng)輸送帶形成自堆積螺旋塔時(shí)，側(cè)鏈板有兩種受力情況，如圖8所示。一種是螺旋塔底層側(cè)鏈板的上邊緣受到來(lái)自螺旋塔上層的壓力F，它的帶腳受到來(lái)自于驅(qū)動(dòng)鏈條的支持力N；另一種是其他層側(cè)鏈板的上邊緣受到該層以上螺旋塔的壓力F′，它的下邊緣由下層側(cè)鏈板的上邊緣提供支持力N′。
假設(shè)底層受力均勻，每塊側(cè)鏈板受力相同，則底層每塊側(cè)鏈板受到的壓力為：
根據(jù)輸送帶螺旋塔自堆積的特性，側(cè)鏈板上邊緣受到來(lái)自上層的壓力作用位置會(huì)隨著輸送帶自伸縮程度的變化而變化，現(xiàn)以輸送帶形成的最大曲率的螺旋塔為例進(jìn)行分析，即內(nèi)側(cè)輸送帶最大程度的壓縮，外側(cè)輸送帶最大程度的拉伸。由于輸送帶壓縮側(cè)相比于拉伸側(cè)受力位置接觸面積更大，受力更均勻，因此只對(duì)側(cè)鏈板拉伸側(cè)的受力位置進(jìn)行分析。側(cè)鏈板優(yōu)化前后拉伸側(cè)上邊緣4種典型的受力位置，如表1所示。表中：F—壓力；q—均布載荷。
表1 螺旋輸送帶拉伸側(cè)上邊緣的受力位置
Tab.1The Stress Position of the Top Edge of the Tensile Side Spiral Conveyor Belt
受力位置 優(yōu)化前側(cè)鏈板 優(yōu)化后側(cè)鏈板1F F F q q q F F 2F F q 3F F F q q 4
從表1中可以看出側(cè)鏈板上邊緣所受壓力由集中力變?yōu)榫驾d荷，不僅可以大大減小側(cè)鏈板上邊緣局部變形或被壓潰的幾率，還能使側(cè)鏈板整體受力更加均勻，從而提高側(cè)鏈板的穩(wěn)定性和壽命。
4.1 有限元模型的建立
圖9 側(cè)鏈板網(wǎng)格劃分實(shí)體模型
Fig.9The Meshing Entity Model of the Lateral Plate
為了驗(yàn)證優(yōu)化后輸送帶側(cè)鏈板具有更高的剛度、抗變形能力和更好的穩(wěn)定性，以國(guó)產(chǎn)某自堆積式螺旋速凍裝置的基本參數(shù)為例，建立優(yōu)化前和優(yōu)化后的側(cè)鏈板實(shí)體模型。側(cè)鏈板材料為06Cr19Ni10，彈性模量E=195GPa，泊松比μ=0.247。側(cè)鏈板的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：厚度為1mm，高度為80mm，寬度為70mm，其中，L長(zhǎng)30m，N長(zhǎng)7.5mm，M長(zhǎng)22.5mm。在SolidWorks中建立側(cè)鏈板的實(shí)體模型并導(dǎo)入ANSYS Workbench中，并在Engineering Data修改材料屬性，密度為7930kg/m3，抗拉屈服強(qiáng)度為2.05E+08Pa，拉伸極限強(qiáng)度為5.2E+08Pa。優(yōu)化后側(cè)鏈板網(wǎng)格劃分的實(shí)體模型，如圖9所示。
4.2 加載與約束
在對(duì)輸送帶基本單元受力分析中，確定了螺旋塔在形成最大曲率時(shí)，拉伸側(cè)側(cè)鏈板因受力接觸面積小而更易發(fā)生變形或屈曲失穩(wěn)，因此只對(duì)拉伸側(cè)側(cè)鏈板進(jìn)行加載分析，加載位置表1已經(jīng)給出，合力為150N。
對(duì)于輸送帶側(cè)鏈板的約束，底層側(cè)鏈板和其它層側(cè)鏈板的約束位置也不同。優(yōu)化前底層側(cè)鏈板的約束為帶腳和細(xì)長(zhǎng)槽中串條的支撐，優(yōu)化后底層側(cè)鏈板的約束為帶腳和擱置在下一塊側(cè)鏈板下邊緣部分的支撐；其它層的約束以倒數(shù)第二層側(cè)鏈板為例，優(yōu)化前側(cè)鏈板的約束為三根串條的支撐，優(yōu)化后側(cè)鏈板的約束為下邊緣和擱置在下一塊側(cè)鏈板下邊緣部分的支撐。在Mechanical中對(duì)其相應(yīng)位置添加固定支撐。
4.3 結(jié)果與分析
在對(duì)側(cè)鏈板模型前處理完畢后[8-9]，在ANSYS Workbench中對(duì)優(yōu)化前后螺旋塔底層側(cè)鏈板和倒數(shù)第二層側(cè)鏈板的總變形、應(yīng)力以及不發(fā)生屈曲失穩(wěn)的臨界載荷進(jìn)行求解[10]，求解結(jié)果，如表2所示。
從ANSYS求解結(jié)果來(lái)看，底層輸送帶側(cè)鏈板優(yōu)化前最大變形量同時(shí)發(fā)生在側(cè)鏈板頂部和串條的中部，最大應(yīng)力在側(cè)鏈板頂部受力處，同時(shí)應(yīng)力集中于上邊緣、串條口和細(xì)長(zhǎng)槽處；優(yōu)化后側(cè)鏈板最大變形量只發(fā)生在側(cè)鏈板頂部，應(yīng)力均勻分布于側(cè)鏈板的整塊平面，最大應(yīng)力位于帶腳折彎處，相比于優(yōu)化前最大應(yīng)力大幅減小，能承受的臨界載荷增加約5倍。
表2 ANSYS Workbench求解結(jié)果
Tab.2The Calculation Results in ANSYS Workbench
受力位置底層側(cè)鏈板 倒數(shù)第二層側(cè)鏈板最大變形量（mm）最大應(yīng)力（MPa）臨界載荷（N）最大變形量（mm）最大應(yīng)力（MPa）臨界載荷（N）優(yōu)化前10.059451.0031075.200.038968.9711273.3120.096550.6041078.940.058998.9941243.2630.0631266.6701007.930.0634216.5401238.6440.0757203.1201081.260.0507253.3301293.9010.015833.3975167.350.009521.5542661.9020.019633.6525199.300.010622.6892684.2530.026752.6164128.000.020048.6872247.0040.019650.1483941.250.021847.8662223.60優(yōu)化后
倒數(shù)第二層側(cè)鏈板優(yōu)化后最大變形量減小約3倍，變形位置同樣發(fā)生在頂部；最大應(yīng)力產(chǎn)生部位由頂部受力處轉(zhuǎn)為側(cè)鏈板下邊緣中部，且最大應(yīng)力成倍減小，優(yōu)化后側(cè)鏈板能承受的臨界載荷提高了約2倍。
同時(shí)，從優(yōu)化后側(cè)鏈板的求解數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，在前兩種自堆積受力位置上，側(cè)鏈板變形量更小，應(yīng)力更小，能承受更大的臨界載荷，這說(shuō)明在螺旋塔自堆積的過(guò)程中使上下側(cè)鏈板盡量對(duì)齊會(huì)進(jìn)一步提高螺旋塔的穩(wěn)定性和使用壽命。
因此，優(yōu)化后的輸送帶相比以前剛度大大提高，具有更高的抗變形能力和高穩(wěn)定性，能夠保證在螺旋塔層數(shù)增加和凍品重量增加的情況下繼續(xù)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。
（1）介紹了自堆式螺旋輸送帶的基本結(jié)構(gòu)及其工作原理，分析了輸送帶自伸縮能力以及輸送帶帶腳伸出長(zhǎng)度需滿(mǎn)足的條件；
（2）將輸送帶自堆積上下側(cè)鏈板的接觸位置由線—面接觸改進(jìn)成面—面接觸，大大增加了接觸表面，減小了磨損，給側(cè)鏈板細(xì)長(zhǎng)槽側(cè)下邊緣提供支撐使側(cè)鏈板受力更均勻，提高了穩(wěn)定性；
（3）設(shè)計(jì)了一個(gè)“咬合”結(jié)構(gòu)，避免螺旋塔的橫向挪動(dòng)和輸送帶帶匝節(jié)距的相互滑移，提高輸送帶的自鎖性能；
（4）為側(cè)鏈板設(shè)計(jì)了一系列加固條和連接帶腳與側(cè)鏈板左側(cè)的肋板，提高側(cè)鏈板的整體剛度，防止其屈曲變形或屈曲失穩(wěn)。通過(guò)對(duì)輸送帶基本單元的有限元分析，得出優(yōu)化后輸送帶側(cè)鏈板變形量更小，應(yīng)力更小且分布均勻，能承受更大的臨界載荷，且優(yōu)化后的輸送帶在自堆積成螺旋塔時(shí)盡量使上下側(cè)鏈板對(duì)齊以提高其穩(wěn)定性。