腐竹自动切割装置的一种优化设计

沈银杰 代安南 许良元，2 江 庆，2 唐千升，2

(1. 安徽农业大学工学院， 合肥 230036； 2. 安徽省智能农机装备工程实验室， 合肥 230036)

腐竹在我国具有多年的生产历史，是我国的传统美食之一。在腐竹的大批量生产加工过程中要用到自动切割技术。为了提高切割效率，已经有许多学者对腐竹自动切割系统进行了研究[1-5]，但很少涉及切割刀具的磨损问题。刀具磨损问题不仅关乎刀具使用寿命，也关系到腐竹切割质量与切割效率。为减少刀具磨损量，我们设计了一种带有橡胶垫结构的新型腐竹切割装置。

1 腐竹切割装置的构成及原理

常用的腐竹切割装置如图1所示，主要包括装置机架、气动导轨、切割刀具、切割台、夹持机构和PLC控制系统等构成部分[6]。切割装置的工作原理是利用气泵产生具有一定压力的压缩空气，驱动气缸双向往复运动，带动切割刀具起落，实现对传送带上的腐竹进行等距离切割。

1 — 固定座；2 — 机架；3 — 径向传送带；4 — 前厚板；5 — 上厚板； 6 — 侧厚板；7 — 右传动轴；8 — 左传动轴；9 — 切刀固定架； 10 — 直刃切刀；11 — 气动缸；12 — 气路过滤阀图1 常用腐竹切割装置的结构

1 — 固定架；2 — 直刃切刀；3 — 橡胶垫；4 — 橡胶槽；5 — 气动导轨； 6 — 气动滑块；7 — 切刀固定架；8 — 传送带固定架图2 新型腐竹切割装置的结构

为了延长传送带与切刀的使用寿命，我们对这种常用的腐竹切割装置加以改进，添加一个橡胶垫结构和一条输送带，构成一种新型的腐竹切割系统。其结构如图2所示，其中包括机体固定架、直刃切刀、橡胶垫、橡胶槽、气动装置、切刀固定架等。

两条输送带之间留4 mm的间距，用于安装橡胶槽。橡胶垫安装在橡胶槽中，与橡胶槽水平齐平，其水平高度与传送带齐平。橡胶槽安装在切刀的正下方，其水平方向与固定刀具机架底部齐平。系统工作一定时间后，可拆卸更换橡胶垫，以提高切割质量。新型切割装置改变了刀具的受力条件，槽中安装的橡胶垫可承载直刃平刀垂直斩切力，消减在原装置中刀具所受的摩擦力，降低对传送带与刀具的磨损。

2 切割刀具的静力学分析

在腐竹自动切割装置中，一般选用直刃平刀。直刃平刀在变形比列、模态震动等方面都优于其他类型的刀具。假定原切割装置和新设计的切割装置使用相同的直刃平刀，其材料为具有高硬度和强耐磨性的65MnMoTi4钢。在Ansys workbench仿真平台，对两种切割装置中的刀具进行静力学分析。

针对原切割装置，在切刀的正上方施加固定约束。假定直刃平刀在切割过程中受到传送带的瞬时摩擦力为10 N，垂直于正切刃口的力为300 N。在软件的相应模块中施加外部载荷的边界条件即为：切刀倒角面的摩擦力10 N，垂直于正切刃口处的力300 N。加入载荷完成后，进行网格细化处理[7-8]。模拟结果如图3所示。

图3 原切割装置刀具静力学分析

从模拟结果来看，当载荷作用于刀具的整个刃口面时，刀具的最大应力为2.767 7 MPa，远小于其材料的屈服应力(232 MPa)，表明刀具切割时所受到的应力在安全范围内。刀具的最大应变数值为1.384 5×10-5mm/mm，且最大应变产生于刀柄处；由刀柄到刀尖处，应变数值呈递减状态。刀具的最大位移量为0.030 605 mm，刀尖切割处具有最大位移量，由此到刀柄处位移量呈递减状态。

在新型切割装置中，直刃平刀在切割过程中仅受到垂直于正切刃口300 N的力。因此，在软件的相应模块中施加外部载荷的边界条件为：垂直于正切刃口处300 N的力。刀具固定约束依然是施加在切刀的正上方。选择固定面加入载荷完成后，进行网格细化处理。模拟结果如图4所示。

图4 新切割装置刀具静力学分析

根据模拟结果，当载荷作用于新型装置的整个刃口面时，刀具的最大应力为0.438 37 MPa，也是远小于其材料屈服应力。刀具的最大应变数值为2.191 8×10-6mm/mm，且最大应变产生于刀柄处，由刀柄向刀尖处的应变数值呈递减状态。刀具的最大位移量为0.000 11 mm，刀尖切割处具有最大位移量，由此向刀柄处位移量呈递减状态。

两种装置的刀具应力、应变参数都在正常值范围内。在改进后的切割装置中，刀具的变形比例更小，对刀具起到了较好的保护作用。新型切割装置由于添加了橡胶垫，消除了刀具与传送带形成的摩擦力，刀具垂直正切割的切线变形比例大大降低，刀具和传送带之间的磨损量得以有效减少，提高了刀具的稳定性。

3 切割试验与刀具磨损量比较

搭建腐竹气动切割试验平台，在PLC自动控制系统支持下，分别采用两种切割装置进行腐竹切割试验。对新鲜腐竹进行切割，持续作业24 h。切割频率为10.3 Hz，切割长度为90 mm，切割间隔时间为6.0 s，切刀的落刀切割时间为1.2 s。切割作业结束后，对刀具表面进行清洗并使其干燥。采用高精度电子秤，测量作业前后刀具的质量。试验使用相同型号的65MnMoTi4材质直刃平刀，分别进行3组试验。

测试结果显示，采用新型切割装置时，刀具的磨损量很小，平均只有0.05 g；而采用改进前的切割装置，刀具的磨损量较大，平均值为0.09 g(见表1)。

表1 刀具磨损量比较

4 结 语

针对现有腐竹自动切割装置存在的不足，我们设计了一种带有橡胶垫结构的新型自动切割装置。在原切割装置的基础上，通过添加橡胶垫结构，借以承载刀具的垂直斩切力，同时消减刀具在切割过程中与传送带的瞬时摩擦力，从而降低刀具的磨损量。利用Ansys workbench仿真平台对刀具进行静力学分析，结果表明，新型切割装置中刀具的最大应力(0.438 37 MPa)较在原装置中(2.767 7 MPa)降低了84.16%，刀具的最大位移量降低了99.64%。在腐竹切割试验中，连续切割24 h，新型切割装置中刀具的平均磨损量也只有在原装置中的55%。设计的腐竹自动切割装置，可以有效延长刀具使用寿命，同时提高切割效率。