隨著人們對食品安全、衛(wèi)生的日益重視，全自動堆積式螺旋速凍裝置的市場需求越來越旺盛，它克服了傳統(tǒng)支撐式螺旋速凍裝備網(wǎng)帶的支架、導軌等處難于處理的衛(wèi)生死角問題，具有生產(chǎn)效率高、自動化程度高、占地面積更小、衛(wèi)生條件好等優(yōu)點[1-2]。它是目前國際市場上最先進的速凍裝備，也是未來新型食品速凍裝備的發(fā)展趨勢，但目前我國對堆積式螺旋速凍裝備的研究還處于早期，與國際先進水平還存在一定的差距。
在螺旋自堆積式機械傳送系統(tǒng)中，柔性輸送帶的結(jié)構(gòu)對整個傳送系統(tǒng)運行的可靠性與穩(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)螺旋自堆積式機械傳送系統(tǒng)的工作原理與特點，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具有安全性、適用性和耐久性等可靠特性，滿足速凍裝備長時間連續(xù)穩(wěn)定運行，對于提升我國螺旋速凍裝備技術(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)鏈板通過兩根平行的串條連接而成，如圖1所示，基本單元通過側(cè)鏈板上的細長槽相互鏈接而形成循環(huán)的輸送帶，由于細長槽使相互鏈接基本單元相對可調(diào)、可轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)輸送帶自堆積螺旋塔的形成[3-4]，輸送帶的運行路徑，如圖2所示。
2.1 輸送帶側(cè)鏈板支撐位置的設(shè)計與分析
現(xiàn)在國內(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題，螺旋塔下層支撐上層的支撐位置由于結(jié)構(gòu)問題，會導致側(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
輸送帶的運行路徑是循環(huán)的，都是由底層運行至上層再循環(huán)至底層。在這個過程中，相對應(yīng)的一對側(cè)鏈板會沿著連接它們的串條相對靠近或遠離，隨著螺旋塔層數(shù)的增加偏移尤為明顯。側(cè)鏈板與串條的相對滑動，（1）可能使輸送帶由直段進入螺旋塔時的自堆積錯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，在串條上移動時會產(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自于與之對應(yīng)的串條，如圖4中（a）所示，側(cè)鏈板1下部的支撐來自于串條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容易造成串條口和細長槽的變形，而細長槽的變形會導致輸送帶自伸縮的卡滯。同樣，側(cè)鏈板上邊緣對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，特別是當螺旋塔層數(shù)升級后重量增加，這些變形和磨損會更加明顯，不利于自堆積式螺旋速凍機的長期穩(wěn)定運行。
根據(jù)以上存在的問題，側(cè)鏈板支撐位置的設(shè)計主要從兩個方面進行：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，從而提高輸送帶運行的穩(wěn)定性；其二，因為改進后上下側(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，使它們成為一個整體，避免串條與串條口相對滑動而產(chǎn)生磨損，同時使輸送帶由直段進入螺旋塔時的自堆積更加可靠。
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
輸送帶在運行過程中所形成的螺旋塔主要依靠于側(cè)鏈板上所設(shè)計的細長槽，串條口1和串條口2的中心距離為L，串條口2與細長槽左側(cè)的中心距離為N，細長槽的長度為M。
輸送帶在直線運行時，兩側(cè)的側(cè)鏈板通過細長槽同時壓縮或伸展；輸送帶在形成螺旋狀態(tài)時，一側(cè)的側(cè)鏈板通過細長槽緊靠在一起，而另一側(cè)的側(cè)鏈板則沿著細長槽伸展，如圖5所示。通過兩側(cè)的長度差而形成不同的曲率。
圖5 輸送帶形成最大曲率時局部狀態(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，螺旋塔所占面積最小，此時輸送帶壓縮一側(cè)環(huán)繞一周的長度為（N+L）·n，輸送帶伸展一側(cè)環(huán)繞一周的長度為（L+N+M）·n，內(nèi)外相對應(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)計合理的 L、M、N、S 值，使螺旋塔的半徑滿足產(chǎn)量和占地面積的要求。當然，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，會伴隨側(cè)鏈板寬度的增加，這會減弱側(cè)鏈板的剛度，另一方面可能會導致內(nèi)側(cè)輸送帶處串條的干涉，如圖5輸送帶壓縮側(cè)所示，當相鄰兩串條間的中心距離x小于2r時，產(chǎn)生干涉，其中r為串條半徑。
在輸送帶側(cè)鏈板的設(shè)計過程中，帶腳與驅(qū)動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)串條伸出長度為y，由相似可得：
而相鄰兩串條的中心距離x滿足x≥2r時，不發(fā)生干涉，即：
所以，在設(shè)計帶腳寬度時，要時伸出的最大長度需滿足：
2.3 輸送帶自鎖結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析
相比于傳統(tǒng)支撐式螺旋輸送裝置，自堆積螺旋速凍機只有最底層的驅(qū)動鏈條進行驅(qū)動和支撐，而其他帶匝則依靠側(cè)鏈板自身進行支撐[5]，因此輸送帶在運行過程中形成的螺旋塔可能會產(chǎn)生橫向挪動和輸送帶帶匝節(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)計一個“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，通過上下側(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，故當其螺旋升角θ與側(cè)鏈板的摩擦系數(shù)μ滿足tanθ≤μ時，螺旋塔通過摩擦也會產(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）（有潤滑）和（0.30～0.40）（無潤滑），則當螺旋升角 θ＜8°30′時，可滿足自鎖要求。因此，輸送帶所形成的螺旋塔可以通過機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)計與分析
現(xiàn)有的側(cè)鏈板結(jié)構(gòu)雖然設(shè)計了一折彎角度α，使其厚度增加，剛度增強，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，則需要剛度更大和抗變形能力更強的側(cè)鏈板來保證螺旋塔運行的穩(wěn)定，使螺旋速凍裝備長時間可靠運行。
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，但考慮到該做法會導致螺旋塔的自重大大增加，故在原來側(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)通過肋板連接起來，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
當輸送帶形成自堆積螺旋塔時，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自螺旋塔上層的壓力F，它的帶腳受到來自于驅(qū)動鏈條的支持力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)鏈板上邊緣受到來自上層的壓力作用位置會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，因此只對側(cè)鏈板拉伸側(cè)的受力位置進行分析。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)格劃分實體模型
Fig.9The Meshing Entity Model of the Lateral Plate
為了驗證優(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30m，N長7.5mm，M長22.5mm。在SolidWorks中建立側(cè)鏈板的實體模型并導入ANSYS Workbench中，并在Engineering Data修改材料屬性，密度為7930kg/m3，抗拉屈服強度為2.05E+08Pa，拉伸極限強度為5.2E+08Pa。優(yōu)化后側(cè)鏈板網(wǎng)格劃分的實體模型，如圖9所示。
4.2 加載與約束
在對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，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)，因此只對拉伸側(cè)側(cè)鏈板進行加載分析，加載位置表1已經(jīng)給出，合力為150N。
對于輸送帶側(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長槽中串條的支撐，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中對其相應(yīng)位置添加固定支撐。
4.3 結(jié)果與分析
在對側(cè)鏈板模型前處理完畢后[8-9]，在ANSYS Workbench中對優(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)的臨界載荷進行求解[10]，求解結(jié)果，如表2所示。
從ANSYS求解結(jié)果來看，底層輸送帶側(cè)鏈板優(yōu)化前最大變形量同時發(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，同時應(yīng)力集中于上邊緣、串條口和細長槽處；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，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，這說明在螺旋塔自堆積的過程中使上下側(cè)鏈板盡量對齊會進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)長時間穩(wěn)定運行。
（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度需滿足的條件；
（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)鏈板細長槽側(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)計了一個“咬合”結(jié)構(gòu)，避免螺旋塔的橫向挪動和輸送帶帶匝節(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)。通過對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盡量使上下側(cè)鏈板對齊以提高其穩(wěn)定性。