屠宰自动切割装置设计

邹辉,李志刚

(1.常德伟创机械制造有限责任公司,湖南 常德,415000;2.湖南文理学院 机械工程学院,湖南 常德,415000)

随着人们生活水平的提高,人民对肉类食物的消耗量日益增加。养猪场的饲养规模越来越大,生猪屠宰厂也规模化的发展[1]。但因为缺乏一套能与之相匹配的切割猪体设备,目前生猪屠宰厂大多采用人工来切割猪体,耗费了精力也耽误了效率,而最为关键的是人工切割很容易就会导致切割猪体不均匀,就会造成很大程度的浪费。我国大多数企业使用人工辅助分割流水线来分割家畜胴体。将家畜胴体悬挂在传送链上,人工将待分割的家畜胴体放置于分割平台,推动胴体配合分割台上的带锯进行分割作业,这种人工辅助分割方法效率较低且工人工作环境较差[2-3]。丛明等人研究了牛肉、猪肉、羊肉等屠宰机器人的发展现状,指出机器人在家畜屠宰分割领域应用越来越广泛,屠宰分割机器人的研发对促进屠宰行业的发展具有重要意义[4]。国内对于猪、牛、羊肉的初级分割主要是利用胴体劈半机对家畜胴体进行劈半处理,胴体劈半机是目前国内主要的半自动屠宰设备。任涛等人研究了一种使用双刀片分割技术代替传统劈半锯的分割设备,这使得分割损失几乎为零,增加了家畜屠宰企业的经济效益[5]。国内使用的劈半设备主要包括桥式劈半机、圆盘式劈半机、往复式劈半机和全自动劈半机等,其中桥式劈半机主要用于猪胴体劈半,通过锯片前端V形引进槽使胴体脊背正对锯片,通过圆盘锯将猪胴体劈半。该机器生产效率高、劳动强度低、分割精度高,但是分割产生的废料多、清洗消毒困难、占地面积大[6-8]。国外在家畜胴体自动化屠宰分割领域的研究领先于我国,从20世纪30年代开始研制家畜屠宰加工设备,其产品自动化程度高,包括屠宰分级生产线、切割剔骨生产线、控制系统等。Gregory Guire教授设计了一种切割牛胴体的切割机,它可以实现自动切割牛胴体,但其加工速度慢并且设备成本高。2Kevin Subrin等人提出通过模拟人手动分割家畜的动作来规划机械臂分割动作,并优化机械手的自动化切割过程[9],Van等人提出在家畜屠宰流水线上使用自动化检测设备如机器视觉等代替人工来判别家畜胴体是否满足加工要求,从而提升屠宰设备的效率以及灵活性[10]。经过几十年的研究与发展,国外家畜屠宰设备技术在不断成熟和完善,逐步取代了传统的人工辅助流水加工方式。国外家畜屠宰设备具有机械化、自动化程度高等特点,但价格昂贵,难以维护和推广。

为了促进我国家畜屠宰分割加工产业的发展,提升企业屠宰分割设备的机械化以及自动化水平,就必须在家畜屠宰分割设备的研发领域进行更加深入的研究和探索。

1 屠宰自动切割装置机构设计

1.1 屠宰自动切割装置组成及工作原理

屠宰自动切割装置的主要结构是由底座、升降柱、减速机、悬臂、切割系统、配重块与控制系统部分组成。通过Solidworks绘制屠宰自动切割装置机构各个零件然后装配,装配图如图1所示。

猪体经过切半机切成两半后通过传动带运送到屠宰机构处。当猪体的一端接近定位开关框架时,电机的启动是由联轴器带动猪体的主轴左右方向旋转,然后由于主轴带动锯片的转动,从而在其中产生一种切削运动方式来对猪体进行切削,通过这种方式,人工切削猪体的劳动强度得到了大幅减少,生产的劳动和企业自动化程度显著加快。

1.2 屠宰自动切割装置机构关键零部件设计

主轴组件是执行件,它的主要作用是支承并且带动屠宰自动切割装置锯片的旋转,从而达到切割猪体的效果。主轴组件的性能直接影响加工猪的质量和猪的生产力,因此它是切割猪体的关键部件。

主轴和普通的传动轴均被用于产品中所需要传递扭矩、传送运动并能够承受传动力,它们必须能够满足传动件和支撑传动设备正常切削工件所产生的切削力。然而该产品的主轴直接驱动锯片所产生的切割运动并能够实现对猪体切割的运动,所以该产品的主轴也是因为它需要直接驱动和承受切削力,因此与普通的主轴产品相比该类型的主轴具有较高的传动力要求。

1.3 屠宰自动切割装置主轴设计

1.3.1 主轴的旋转精度

屠宰自动切割装置切割猪体的刀片未切割到猪体时,主轴前端定位面的径向跳动Δr,端面跳动Δa和轴向偏转值Δo的具体情况可以代表主轴的旋转精度。如图2所示。图中的一条虚线表示了实际切割猪体下的旋转轴的跳动,表示出了理想切割猪体的状态,切割猪体旋转轴的运动精度是主轴以所需的切割速度旋转时主轴旋转轴的漂移量。

主轴旋转的精度主要取决于零件时的精度。主轴的运动精度主要是取决于主轴机械运动时的转动速度,轴承质量的好坏和主轴运动时的状态。对于某些专用特殊主轴部件的旋转精度也可以按照工件实际的精度要求确定[11]。

1.3.2 主轴组件刚度

主轴组件的刚度具体情况如图3所示。由图3可知K=F/y(N/μm),也就是说柔度是刚度的倒数。主轴组件的刚度是由轴承、切割猪体屠宰自动切割装置的悬臂以及传动轴的刚度决定的,旋转精度由主轴组件的刚度控制。因此,主轴组件的刚度越高,在施加力之后主轴的变形越小。如果刚度不够,就不能满足不了对于猪肉切割要整齐好看的要求;对于在传动方面来说,主轴的变形将对切割猪体的时候产生不利影响,比如切割出来的猪肉不整齐;而在工件平稳性方面,主轴在变化的切削猪肉时所对应的力的大小不一样,在传递动力的时候,会产生过大的振动,容易引起机器产生噪音,同时也降低了机器的稳定性。

主轴的综合刚度指的是主轴组件的刚度。主轴的轴承的类型、以及轴承的结构尺寸,轴承的安装的方式、轴承与主轴配合所产生的间隙、主轴的位置,联轴器的位置、主轴组件的制造与装配质量等[12]。都会对主轴组件刚度的产生影响。

1.3.3 主轴组件的抗震性

屠宰自动切割装置机在切割猪体时受到冲击下仍保持其平稳运行能力的能力被称为主轴组件的抗振性。主轴组件的抗振性的影响因素主要是机器本身抵抗受迫振动和自激振动的能力。所以我们可以提高机器的抵抗受迫振动和自激振动的能力用来达到抗振性的要求。

1.3.4 主轴组件的耐磨性

主轴承构件的抗耐磨性主要在于它们使工件能够长期地保持原来的精度。因此,在所有的主轴零部件及各需要相互配合的位置和地方,都必须要求它们具备良好的硬度,以便于保证整个主轴的耐磨性和使用寿命。提高主轴的耐磨能性主要是要考虑到热处理方式。

1.4 主轴的参数设计

1.4.1 切割猪体所需的剪切力

切割猪体的时候,剪应力应超过猪体的许用剪应力[τ]。即屠宰自动切割装置猪体的条件为[13]:由文献[14]可得猪体的许用剪应力[τ]=4.68 MPa。由于本设备的锯片的最大直径dmax=750 mm。则本机器的最小剪切力为Q=[τ]×dmax2/(4×π)计算后得到Q=20 647.4 N,取屠宰自动切割装置机的剪切力Q=21 000 N。

1.4.2 切割猪体所需的功率计算

屠宰自动切割装置所需的功率P=Q×15×2π/(60×75×10-3)=2 472.75 W。

1.4.3 主轴直径的选择

主轴直径对于主轴部分和组件的刚度影响很大,直径愈大则其主轴部分的刚度也愈高。轴的设计是依靠轴径的尺寸来推算的,轴径的计算公式为。P为轴所传递的功率(kW),n为轴的转速(r/min),C为轴的许用应力所确定的与材料有关的系数。由于45号钢C一般为118～107,取值为110,根据公式计算后轴径尺寸d取50 mm。

1.4.4 主轴前端悬伸量

主轴前端悬伸量a指的是轴承外连接锯片所伸出的长度,如果伸出的长度比较大的话会降低主轴的刚度。因此,提高了主轴零部件的刚度,可以降低悬伸量a,这样可以保证主轴的性能。根据主轴的悬伸量与直径比的表可以知道,本次设计的轴是属于中等长度的轴,所以a/D1的值为1.25～2.5,可得a=1.25～2.5×D1=62.5～125,因此a初步选定为99 mm。

1.4.5 主轴支承跨距

主轴的前、后两轴承承之间的距离叫做主轴支承跨距L。支承跨距过大或过小都会降低主轴部件的刚度[15]。由于此次设计的主轴的悬伸量较小,取Fc=Kc(fap)N≤5a为宜。因此可以按照式(2)来计算合理跨距:LFc≤5amax=625。初取L=556 mm。

1.4.6 主轴结构图

根据主轴的参数设计得到的主轴参数如表1[16]。根据表1参数绘制主轴的结构图如图4所示。

表1 主轴的设计参数 /mm

2 主轴的校核

将主轴组件结构受力简化为简支梁,如图5所示。因为前支承为的轴承为滚动轴承,那么可以确认主轴位于前支承的连接点上并且没有发生任何变形,这样就可以把主轴简化成一个固定的端梁,如图6所示。

分析轴的受力情况后可以进行轴的校核计算,已知锯片的直径为750 mm,寿命系数Kn=1,轴的转矩T=225 N·m,所以轴的校核采用如下方法:

(1)通过计算画出空间受力图(图7a)。

(2)通过计算画出直面受力图求轴上垂直面的载荷,求得垂直面的支反力(图7b)。

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

(3)通过计算画出水平受力图求出轴上水平面的载荷,求得水平支反力(图7c)。

锯片的径向力Fr=Ft×tanα=218 N。∑MA=0得Fr×669-FAH×572=0,FAH=254.97 N。

由X方向合力为0,∑FY=0,得FBH=FAH+Fr=472.96N,受力方向相反。其中:FBH为B点水平支反力,FAH为A点水平支反力。

(4)通过计算绘制垂直面弯矩MV图(图7d)。MV=FBV×105=73 682.7 N·mm。

(5)通过计算绘制水平面弯矩MH图(图7e)。MH=-FBH×105=-26 771.85 N·mm。

(6)通过计算绘制合成弯矩M图(图7f)。,因此MV=78 421.94 N·mm。

(7)绘制轴的转矩T(图7g)。转矩T=225 N·m。

(8)通过计算绘制当量弯矩Me图(图7h),弯矩轴的横向旋转矩阵图可按纵向脉动式和循环方式进行考虑,已知该弯矩轴的主要传动材料45钢，查得[σ-1W]=60 MPa,[σ0W]=100 MPa,α=[σ-1W]/[σ0W]=0.6,该轴截面。

(9)通过计算得出校核危险截面处轴的直径:由轴的结构图和当量弯矩图可得。

计入螺纹孔的影响d=30.73 mm＜34 mm,即计算截面直径小于其结构设计确定直径,合格。

3 结论

通过对屠宰自动切割装置工作原理进行了分析,主轴组件是该机构的核心部件,直接影响加工的品质质量和安全,因此本文对屠宰自动切割装置主轴进行了详细计算和优化。并通过校核验证了理论计算与设计的合理性。为猪体屠宰自动化、规模化生产打下了一定的基础。