一种适用于工况的尿素拆包装置设计研究

马　佳，杨元慧，程阳培，孙辉刚，钱　露（龙岩学院　机电工程学院，福建　龙岩　364000）



一种适用于工况的尿素拆包装置设计研究

马佳，杨元慧，程阳培，孙辉刚，钱露
（龙岩学院机电工程学院，福建龙岩364000）

摘要：本文设计了一种尿素拆包装置，该装置通过两个安装在尿素存储仓口内的可旋转式电锯同时相向运动对固定于漏斗定位环内的尿素袋两侧进行切割，尿素靠重力作用完成与袋的完全分离.此装置代替了目前的人工拆包，避免了尿素对人体的伤害，保障了工人的身体健康，提高了生产效率.

关键词：尿素；拆包；电锯；蜗轮蜗杆

0　引言

尿素是以二氧化碳、水、天冬氨酸和氨等合成的物质，正常情况下对人体是没有害处的，如果分解成为氨气，就对人体有刺激性了，能刺激咽喉部后引起咽痒不适，长期接触的话可以引起了氨中毒，对人体是很不利的，伤害中枢神经系统，引起惊厥、抽搐、嗜睡和昏迷.所以平时避免接触尿素有利于身体健康.很多环保企业要以尿素为还原剂进行脱硝，需采用大量的袋装尿素，每天均需由人工进行拆包后倒入提升装置，由于尿素具有刺激性，长期接触对人体有很大的危害，因此设计一种尿素自动拆包装置代替手工拆包势在必行.因尿素在密封的编织袋中对人体的危害要比直接在空气中小的多，因此选择先将尿素运至储仓附近再进行拆包，这样可以远离工人，降低尿素的刺激性，有利于企业职业病的防护.目前市面上还未看到类似针对尿素带的拆包装置.

1　设计思路

尿素拆包的主要目的是实现尿素与编织袋的分离，由于企业不再二次利用编制袋，考虑采用锯切法对尿素编织袋进行切割.尿素带的运输可以采用皮带传送或者起吊设备.本文采用起吊设备将袋装尿素转运至尿素颗粒入口附近定位，然后进行尿素袋底部两侧切割，切开后，尿素颗粒靠自重自由下落至储仓，完成与尿素袋的分离.环保企业使用的尿素编织袋主要材料构成为聚丙烯袋、聚乙烯袋，经过经纬编织.常规50KG尿素编制袋规格为80cm*55cm.

图1　尿素储仓示意图

图2　拆包支架结构示意图

2　拆包机设计

2.1机械结构

尿素拆包机主要由拆包支架、旋转工作台以及链传动电锯组成，具体设计如下：

2.1.1支架

拆包支架成漏斗形，如图2所示，主要起支撑旋转工作台、对尿素袋定位及引导尿素进入尿素存储仓的作用.支架固定于尿素存储仓入口处.根据尿素带的规格，设计拆包支架的上部直径1000mm左右，高度为300mm左右，支架中央设计留有成尿素袋截面形状的开口，主要实现对尿素袋的固定作用.将设计好的旋转工作台对称安装于其内部椭圆形截面的长边边缘，完全隐藏在漏斗内部，确保安全的同时还可以兼顾防尘防水，提高拆包机构的使用寿命.

2.1.2旋转工作台

尿素拆包机的拆包动作主要是依靠固定于支架上的一组旋转工作台带动电锯实现切割动作.工作台的旋转动作是通过一组蜗轮蜗杆传动实现.设计蜗轮技术参数为：模数2，齿数25，分度圆直径50mm，齿顶圆直径56mm，齿厚20mm，孔径12mm，导程角5o，齿形角20o；蜗杆技术参数为：模数2，头数1，分度圆直径26mm，齿顶圆直径32mm，长度60mm，轴径20mm，总长340mm，导程角5o，齿形角20o.蜗轮蜗杆的传动比1:25，中心距76mm,传动效率0.7.如图3所示，将蜗轮蜗杆装在旋转工作台的上下面板中间，并固定在旋转器之上.旋转器的底部与漏斗支架固定.旋转台的旋转动作依靠蜗轮蜗杆传动实现，蜗杆由轴承座支撑.

图3　尿素拆包结构示意图

2.1.3电锯

电锯固定在旋转台的上面，电锯主要由链板、主动链轮、从动链轮、链条组装而成.链条由特殊链结拼接而成，单面带有三角形刀具，如图4所示.链条高速运动带动刀具高速拆包，在保证安全可靠的前提下实现主动拆包动作.

图4　电锯刀具

2.2控制程序设计

2.2.1步进电机正反转步数的确定

尿素拆包的核心部件——旋转工作台是通过步进电机驱动的.要实现一组电锯同向和相向运动，以确保电锯得到足够的动力前进拆包和后退回位，需控制工作台的旋转角度以避免两把电锯相碰.根据设计位置限定工作台的旋转角度为35°至40°范围.

步进电机采用57步进电机，步距角1.8o，步进电机的步数计算公式为：

其中θ为旋转角度，i为蜗轮蜗杆的传动比.

经计算角度在35°至40°范围内的步进电机步数为487步至556步.

为保证刀具相向运行时不会碰刀，且切割至一定深度，选取36°的偏转角，即步进电机正反转步数为500步.

2.2.2控制流程设计

尿素拆包机主要是通过步进电机驱动蜗轮蜗杆带动工作台旋转，直流电机带动电锯链条传动实现切割，工作台的动作与电锯动作同步，具体控制流程如图4所示：电机控制主要由单片机实现，单片机控制步进电机驱动模块，实现旋转台正转36°后快速回到初始位置，初始位置装有霍尔传感器检测装置，当旋转工作台回到初始位置后霍尔传感器发送信号到单片机，从而控制步进电机停止运转，准备下一次工作循环.在步进电机开始工作时，单片机同时控制直流电机开始工作，当旋转工作台单次循环结束时直流电机也停止运转，准备进行下次工作循环.

图5　控制流程图

3　实验验证

实验室搭建尿素拆包实验平台如图5所示，选取57步进电机，工作电压12V，工作电流2.5A，输出功率30W，输出扭矩1.2N·M，步距角1.8°；直流电机，工作电压12V，工作电流0.2A，输出功率2.4W，转速300r/min，扭矩0.04N·M.

经多次调试验证，该尿素拆包装置每分钟可以顺利完成1次拆包动作，如增大工作电源及电机输出功率还可以进一步提高拆包效率.根据环保公司实际做出尿素自动拆包出料装置，采用现有的起吊设备将重50kg尿素编制袋用双吊钩电动葫芦及平移跑车从地面转运至尿素仓的入口漏斗，在拆包装置内进行拆包动作实际生产中拆包效率比人工拆包效率提高90%以上，达到了设计的目的.

图6　试验示意图

4　结论

本文通过两组步进电机带动蜗轮蜗杆传动实现了电锯对尿素带的主动切割动作.该尿素拆包机在工业条件下能达到每分钟进行4次拆包，拆包效率高，代替了手工拆包，且避免了尿素对人体的损害，由于尿素袋没有完全割断，尿素会有一点残留，还需进一步改善.

旋转式双电锯尿素自动拆包装置拥有以下几点优点：

（1）高效该装置采用双吊钩竖直水平同时运动起吊装置及高效旋转双电锯拆包装置，最小化单次工作时间，最大化生产效率；

（2）安全该装置采用机电一体化设计，操作简单，可靠性高，使工人远离尿素颗粒，避免有害气体对工作人员的伤害.

（3）超低残余该装置中的双吊钩电动葫芦采用吊钩分别控制技术以及电锯倾斜布置方式，合理控制拆包点及拆包角度并且通过吊钩分控技术实现尿素包的倾斜卸料，达到超低残余，减少浪费，降低企业成本；

（4）空袋超便捷回收该装置中的吊钩起吊装置可以做到尿素包的提升、拆包、回收不离钩，最大程度减少了空袋回收的难度并且不影响生产效率，不仅便捷同时为高效生产提供了保障.

本设计最大程度保证了工人的健康并且最大程度降低了该工作对工人技能的要求，降低入职门槛，同时在兼顾节能环保中降低企业成本.在保证达到设计要求的同时最简化机械零件的加工生产难度，大量采用标准件，实现简单组合，降低设备投入，并且巧妙应用市场中其他行业的零件，具有广阔的市场前景.

参考文献:

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基金项目：福建省大学生创新创业训练计划项目（S201511312046）

收稿日期：2015-12-2

中图分类号：TH122

文献标识码：A

文章编号：1673-260X（2016）04-0033-03