中空纤维膜自动切断机的研发

邓维克，刘志辉,2，宁康琪

(1.邵阳学院 机械与能源工程系，湖南 邵阳，422000；2.中南大学 机电工程学院，湖南 长沙,410012)



中空纤维膜自动切断机的研发

邓维克1，刘志辉1,2，宁康琪1

(1.邵阳学院 机械与能源工程系，湖南 邵阳，422000；2.中南大学 机电工程学院，湖南 长沙,410012)

针对工厂现有中空纤维膜切断机存在截面变形大、产品报废率高及效率低等缺点，设计了一种基于PLC技术能同时切断16根中空纤维膜的自动切断机。该切断机由导丝装置、中空纤维膜剪切装置、成品收集装置及控制电路组成。详细介绍了各部件的结构组成及设计，该设计成果能大幅度提高中空纤维膜的剪切效率及减少截面变形，能有效提高切断机的可靠性，并满足实际需要。

中空纤维膜；PLC；自动切断机

根据国际组织的调查，全球80%的疾病和50%的儿童死亡都与饮用水的水质不良有关[1]。而我国水资源安全形势十分严峻，自1998年以来，湖泊污染率超过25%，水库污染率超过70%，80%的地下水已无法直接饮用。统计数据分析表明，我国城市地区经净化处理的自来水供水率超过90%，农村地区饮用水经集中净化处理的村庄超过24.5%[2]。传统饮用水水净化处理工艺一般采取氯化、絮凝沉淀、离子交换、混凝、沉淀等方法，传统工艺出水存在细菌、藻类、微生物泄漏以及有机物超标等问题，水中有机杂质、重金属无法除去，水中有机杂质或腐殖酸会与氯气化学作用生成致癌物质三氯化钾，不能达到直接饮用的标准。中空纤维膜技术具体是指在纤维轴向具有贯通的细管状空腔的化学纤维，纤维管壁上布满微孔，原液在一定压力下通过膜的一侧，溶剂及小分子溶质透过膜壁为滤出液，而大分子溶质被膜截留，达到物质分离及浓缩的目的。其能克服传统饮用水净化处理工艺不足，具有能耗低、装置体积小、易操作、效益高、不产生二次污染等特点，现已成为水处理领域最受关注的核心技术之一[3-4]。目前产业化较好的中空纤维膜制备技术主要是溶液纺丝法，熔融纺丝-拉伸法,及热致相分离法。无论采用何种制备方法，都需要一种专用自动切断设备对中空纤维膜进行定长切断，目前国内中空纤维膜自动切断技术不成熟，在切断时截面发生较大变形导致产品报废率高,而且剪切效率低。针对这一市场特殊需求及现有不足，通过摸清中空纤维膜特性，寻求一种最有效的切断方式，开发一种基于PLC控制的高效率、高可靠性的自动切断机具有重要现实意义及广阔的应用前景。

1 中空纤维膜自动切断机技术条件

(1)将连续出料的中空纤维膜切成1000mm截面无变形的定长纤维膜段，长度误差为±1mm。

(2)切断采用气动装置，送料采用电动装置，由人工辅助牵引中空纤维膜的情况下实现电气控制。

(3)自动送料及切断，分切误差可由人工实时调整和控制。

(4)工作电压为交流380V。

(5)切断后能自动滑落，且可由装置传递后续捆扎工序。

(6)工作气压为0.3-0.4Mpa。

2 切断机总体方案

切断机的总体方案如图1所示，人工从生产中空纤维膜设备出口位置将纤维膜穿过滚轮至中空纤维膜收集装置处，滚轮由三相交流异步电机经中间传动机构驱动，切断刀具由气缸驱动，正式工作时，滚轮的连续转动带动中空纤维膜连续向右运动，图示刀具位置向上运动一次实现一次切断，根据滚轮的转速和纤维膜的切断长度，计算好刀具的停留时间，定时时间一到，切断刀具向下运动再次切断纤维膜，这样刀具可以做上下方向运动实现一个周期切断两次，切断后的中空纤维膜被收集在纤维膜收集装置中，并可以通过PLC对切断后的纤维膜段进行计数，待纤维膜收集装置收集到设定数目的纤维膜段时，由驱动气缸驱动纤维膜收集装置，将被收集的纤维膜送至槽形收集器中。槽形收集器固定在皮带输送机上，由一异步电机连接凸轮分割器做间歇步进运动，当槽形收集器收集到纤维膜收集装置中的中空纤维膜时，皮带输送机步进运动一次，依此循环，最后皮带输送机将槽形收集器里的纤维膜输送致后续的打包工位[5-7]。

图1 中空纤维膜切断机总体方案

3 中空纤维膜切断力计算模型

中空纤维膜自动切断机要保证中空纤维膜截面不发生变形，切断力和切断刀具设计要合适，因此需要正确计算切断力，从而保证选取合适的驱动刀具气动型号。

图2所示，1为切断刀具，2为中空纤维膜，假设切断刀具刃口半径为R2，中空纤维膜在切断过程中，切断刀具与中空纤维膜为弹性接触，且为凸圆柱面与凹圆柱面接触，其曲率半径分别为R2、R1。由赫兹接触理论可知，在接触载荷F的作用下，接触面为一宽度2b，长度为L的矩形窄带。切断刀具与中空纤维膜接触面上的平均压应力为[8-9]：

图2 切断刀具与中空纤维膜的接触模型示意图

σ=F/(2bL)

(1)

由于接触面中线上的最大压应力为平均应力的4/Pi倍，可得:

σmax=2F/(πbL)

(2)

由赫兹公式：

(3)

将式(3)代入式(2)，并考虑R1远大于R2的条件，则可得最大压应力为：

(4)

式中L为切断刀具的工作长度，F为切断力。

由中空纤维膜的切断过程可知，只有当切断刀具与中空纤维膜之间的接触应力超过其本身的断裂强度，中空纤维膜才能被切断。因此通过查阅或者实验得出中空纤维膜的断裂强度值，并令其与σmax相等，可计算出切断纤维膜所需切断力，从而为正确选取驱动气缸型号提供依据。

4 切断机设计

4.1 切断机总体结构

切断机总体结构主视图如图3所示，具体由链板输送线、皮带输送机、中空纤维膜推送装置、中空纤维膜剪切装置、导丝装置组成，首先由人工将中空纤维膜从导丝入口(图3中标记进丝位置)处，经导丝装置，剪切装置牵引至链板线入口处，正常工作时，中空纤维膜在导丝装置和链板输送线的作用下，被剪段的中空纤维膜被传送至链板输送线的最右端位置，并保留在链板输送线上。具体部件详见部件结构设计。

图3 切断机主视图

4.2 部件结构设计

4.2.1 导丝装置

导丝装置如图4所示，由驱动电机、机架、轴承座、导轮(3个，分别记为下导轮、中导轮和上导轮)、传动齿轮、皮带轮组成，带轮与下导轮和中导轮分别固接在不同轴上，电机驱动带轮转动，带动下导轮和中导轮同向转动，中导轮和上导轮中间通过两级齿轮传动实现反向等速运动，从而可以实现中空纤维膜平滑导丝。

4.2.2 中空纤维膜剪切装置

图4 导丝装置

中空纤维膜剪切装置如图5所示，为图3B-B剖视图，由机架、剪切机构驱动气缸、刀具安装支架、压丝机构驱动气缸、压丝机构、刀具组成，压丝块由压丝机构驱动气缸驱动，弓形刀具安装支架上安装有开有槽且槽的侧面上开有小孔的螺柱，刀具为扁平双面刃钢片刀具，两端开有小孔，刀具置于螺柱槽内并将小孔对准，通过螺栓将刀具与螺柱固接，拧紧螺柱上的螺母可以绷紧刀具。刀具由剪切机构驱动气缸实现上下方向运动，可以将16根中空纤维膜排成一排进行同时双向切断。具体使用时，在进行剪切操作之前，先开启压丝机构，压丝机构驱动气缸活塞伸出，带动压丝机构向上运动，之后，人工将中空纤维膜引入剪切刀片位置处的凹槽内，然后再使压丝机构驱动气缸活塞缩回，将中空纤维膜限定在凹槽区域内，凹槽高度比中空纤维膜直径稍大，能保证中空纤维膜在凹槽内自由穿过，且进行剪切操作时中空纤维膜在动力驱动装置下能保证一直匀速前进。

在进行定长剪切时，可以根据导轮转速和切丝长度设定剪切动作的停留时间，例如剪切机构驱动气缸活塞伸出时，可以推动刀片向上运动实现剪切一次，停留设定时间，剪切机构驱动气缸活塞退回，推动刀片向下运动又实现剪切一次，此后重复操作即可实现中空纤维膜的定长剪切。

图5 切断刀具结构图

4.2.3 成品收集装置

成品收集装置结构如图6所示，为图3C-C剖视图，由槽型收集器，皮带输送机，驱动电机，皮带轮主动滚轮， 中空纤维膜推送装置组成，中空纤维膜推送装置将链板输送线上的被剪纤维膜段推至槽形收集器里，电机驱动皮带输送机做步进运动，带动槽形收集器间歇转动，将定长纤维膜集中输送至出料口位置，用于后序的加工处理。

图6 成品收集装置

4.3 控制电路设计

中空纤维膜自动切断机采取可编程控制器控制方式，滚轮、皮带输送机、链板线驱动电机均采用三相交流异步电机，工作电压为380V，均采取变频器变频调速控制方式，其电气原理如图7所示，三相电源L1、L2、L3经空气开关QF58分别接入变频器R、S、T端，变频器U、V、W分别接异步电动机接线端子，继电器KA58控制电机的正反转，且继电器KA58线圈通过PLC控制得断电，PG58为外接旋转编码器，通过A、B两相脉冲输入实现异步电机转速闭环控制，KM58为变频器故障保护用接触器，当变频器无故障时，KM58线圈正常得电，KM58常开触点闭合，变频器正常供电，反之KM58常开触点断开。

图7 链板线驱动电机控制电路

变频器正反转方向控制采用的继电器与驱动气缸方向控制采用的电磁换向阀均通过PLC控制，PLC接线图如图8所示。

图8 PLC接线图

SA1.手动自动转换开关 SQ1.刀具上限位开关 SQ2.刀具下限位开关 SB1.滚轮驱动电机启动按钮 SB2.皮带输送机驱动电机启动按钮 SB3.链板输送线驱动电机启动按钮 SB4.滚轮驱动电机停止按钮 SB5.皮带输送机驱动电机停止按钮 SB6.链板输送线驱动电机停止按钮 KA1.滚轮驱动电机正反转控制按钮 KA2.链板输送线正反转控制按钮 KA3.皮带输送机正反转控制按钮 YV1.剪切机构驱动气缸电磁换向阀

整个设备控制流程大致为：人工送丝→转换开关拨至自动挡→滚轮驱动电机启动 KA1 ON→链板线驱动电机启动 KA2 ON→皮带输送机驱动电机启动 KA3 ON→SQ1或SQ2为ON→延时→YV1 ON→SQ2或SQ1 ON→延时→YV1 OFF→剪切机构驱动气缸完成一次工作循环转至SQ1或SQ2为ON。

5 结语

中空纤维膜自动切断机除了配备3个小功率异步电机外， 其余全部采用气缸驱动， 安全性好， 可靠性高，消耗低，基本无污染。该机易于操作，能同时切断16根甚至更多根中空纤维膜，具有高效率的特点，该设备的结构设计能满足现有生产企业的要求，并能达到预想目标，符合市场的需求。

[1]张晓.中国水污染趋势与治理制度[J].战略与决策，2014(10):11-24.

[2]国务院第二次全国农业普査领导小组办公室，中华人民共和国国家统计局.中国第二次全国农业普查资料综合提要[R].北京：中国统计出版社,2008.

[3]胡晓宇,梁海先,肖长发.中空纤维膜制备方法研究进展[J].高科技纤维与应用，2009,34(1)：38-45.

[4]QIN J J,CAO Y M,OO M H.Preparation of poly (ether sulfone) hollow fiber UF membrane for removal of NOM[J].Journal of applied polymer science,2006,99(1):430-435.

[5]李坤,张建中,张树君,孔德文.基于TRIZ理论的粉丝生产线切断机设计与仿真[J].包装与食品机械,2013,(05):35-38。

[6]车仁炜,陆念力,王树春.一种新型钢筋切断机的设计研究[J].机械传动，2004,(2)：48-50.

[7]张勇,李茂廷,张迎春.多刀无芯冲切式自动铝管切断机结构设计[J].轻工机械，2013,31(4):93-95.

[8]J Józwik，P Pietras.Invetgaiton and assessment of occupational risk on the metal cutting tool stand [J]. Advances in Science & Technology-Research Journal,2013,3 (5):501-505.

[9]J Fleischer，B Denkena，B Winfough，M Mori.Workpiece and Tool Handling in Metal Cutting Machines[J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology,2006,55(2):817-839.

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

湖南省教育厅一般项目(15C1238);湖南省教育厅一般项目(15C1239)

邓维克(1964-)，男，湖南邵阳人，高级工程师，从事自动化设备开发研究

刘志辉，男，湖南邵阳人，讲师，博士研究生，从事自动化设备开发及非线性动力学研究，E-mail：Lzh840319@163.com

TH12

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