密封式隧道型电烘炉链网回镗结构设计

林若波，林荣才，刘桂雄

(1.揭阳职业技术学院，广东揭阳 522051;2.华南理工大学，广东广州 510640;3.广东丰盛食品机械有限公司，广东揭阳 515549)

烘烤是饼干生产成型必不可少重要工艺，直接关系到饼干成型质量及综合能耗，节能降耗与优质生产是饼干生产成型装备的核心问题之一。关于节能技术研究，主要集中在节能控制算法与新型炉具结构设计上。节能控制算法方面，SANCHEZ等 (2007)基于变频技术，研究一种节能模糊PID算法［1］;孙奉昌等(2009)研究基于小型PLC系统的智能PID控制算法，较好地解决加热炉温度控制存在超调量大、震荡频率大问题［2］;LI等 (2013)研究一种级联模糊算法(C-Fuzzy-PID)，较好地实现高速热风隧道的温度节能控制［3］。在新型炉具结构设计方面，文献 ［4］报道一种新型隧道炉结构，在进料口、出料口设置弯形挡热板，一定程度提高加热段的保温能力;文献［5］报道把隧道炉的出入口从两侧改为一侧的结构，充分利用热能，但与传统隧道炉布局不同，给节能改装带来难度。以上研究限于算法的节能控制或结构的改进，取得一定节能效果。文中则突破传统敞开式结构设计的弱点，研究一种密封式隧道型电烘炉链网回镗结构，采用主动轮、从动轮调节机构进行传动控制，实现链网平稳传动，大幅度降低能耗，具有很好的实用性。

1 密封式链网回膛结构与链网包角选择

图1为隧道炉链网传动结构对比图，其中图(a)为敞开式链网回镗结构示意图，图 (b)为密封式链网回膛结构示意图，实线框为密封式隧道炉主体。敞开式链网回镗结构只对工作段链网进行加热保温，非工作段链网裸露在空气中，导致热能损失;而文中设计的密封式链网回镗结构，则实现工作段链网与非工作段链网均保温，大大减少热能损失。

图1 隧道炉链网传动结构对比图

密封式隧道炉链网传动结构包括隧道炉主体、前链网驱动机构 (见图2)、后链网松紧调节机构 (见图3)三部分。

图2 前链网驱动机构

图3 后链网松紧调节机构

其中，隧道炉主体采用密封式隧道型链网传动，链网套装在前链网驱动机构、后链网松紧调节结构中间，置于密封隧道炉中，链网上下由电热管加热，隧道炉两边用耐火石棉进行隔热保温;前链网驱动机构主要负责链网的起动和停车控制，安装于饼干电烤炉出口处，由前支架、驱动滚轮和前导向辊构成，驱动滚轮和前导向辊安装在前支架上;后链网松紧调节机构安装在饼干电烤炉入口处，由后支架、从动滚轮、后导向辊和螺杆组构成，从动滚轮与螺杆组相连，通过驱动部件带动螺杆组调节从动滚轮的前后位置，控制链网的松紧程度。

图4为驱动滚轮受力示意图，滚筒为链网传动主动轮，从动滚筒为从动轮。假设链网为理想挠性体，可任意弯曲，没有弯曲应力和厚度，质量忽略不计。

图4 驱动滚轮受力示意图

设链网在滚筒包角为α(包角内滑动弧和静止弧分别为λ、γ，即α=λ+γ)，链网与滚轮间摩擦因数为f，传动链网工作表面上的总摩擦力Ff。链网有打滑趋势时，摩擦力、链网两端有效拉力Fe均达到最大值［6］。在不打滑状态下，根据欧拉公式，链网紧边拉力F1、松边拉力F2关系为［7］:

且有:Fe=Ff=F1－F2。

若链网传动速度为v，则有效拉力Fe与链网传动所传递功率P的关系为:

式中:P、Fe、v单位分别为kW、N、m/s。

由驱动电机的额定传动功率P0，可求得最小链网初拉力F0min。由此，可得到链网传动的临界摩擦力Ffc(或临界有效拉力Fec)为［7］:

由式 (3)，有:

因此，增大链网包角α或摩擦因数f，临界摩擦力Ffc增大，降低最小链网初拉力F0min，相应也降低驱动电机容量要求，有利于节能。

在系统设计中，应尽量增大链网包角α，但α过大会使滚轮侧面摩擦力降低导致打滑。传统敞开式隧道炉链网包角α＜200°，此设计通过导向辊提高回镗链网高度，可通过螺杆组调节导向辊位置，把链网包角增大至210°～220°之间，降低链网初拉力。

2 链网回膛结构的动力学特性分析与设计

链网回膛结构使用固定式拉紧装置，为保证安全可靠地运行，必须具有良好的静、动特性［8－9］。动力特性主要包括由于起动和停车引起的纵向振动、重载产生悬垂度引起的横向振动。

设链网传动机构 (不包括滚筒)的质量为m，链网截面位移速度为v，承载、空载分支弹性波传播速度分别为Cz、Ck，承载、空载分支链网的密度分别为ρz、ρk，驱动剩余力为ΔF，电动机机械特性斜度系数为β，则驱动滚筒外缘运动微分方程［10］为:

令链网回镗分支密度A=Czρz+Ckρk－β，则有:

非稳定运动状态下，链网动张力σd=Czρzv，链网传动最危险情况又发生在链网与滚轮相遇、分离时刻 (见图4中的趋入点1、奔离点2)，故链网在趋入点1、奔离点2的动张力σ1d、σ2d分别为:

重载起动时，因重载产生的拉力波传到两分支交界处，将产生一部分透射拉力波，经空载分支传到奔离点2处产生弹性波叠加，拉力波将削弱压力波，在到达奔离点2瞬间，压力波最大;同时，由奔离点2处产生的压力波传到两分支交界处，将产生一部分透射压力波，经承载分支传到趋入点1，压力波将削弱拉力波，在到达趋入点1瞬间，拉力波最大，故当趋入点拉力波、奔离点压力波都最大时为最危险情况。设链网传动机构总长度为L，且滚轮半径r＜＜L，则此过程经历时间为τ≈L/Cz+L/Ck，推得趋入点1、奔离点2的动张力极限值σ1dmax、σ2dmax分别为:

设正常运行时趋入点1、奔离点2静张力分别为σ1j、σ2j，防滑富裕系数为k(取1～1.15)，承载托辊单位质量、空载托辊单位质量分别为qz、qk，重力加速度为g，则链网、滚筒之间不打滑必须满足如下条件［11］:

因此，可通过式 (6)求得 σ1dmax、σ2dmax，由方程 (7)可求得静张力σ1j、σ2j。即在包角固定的情况下，通过调节后链网松紧调节机构获得合适的摩擦因数f，就可获得链网、驱动滚筒之间不打滑的必要条件，实现链网平稳传动。

3 密封式链网回膛机构节能分析与测试

链网回镗机构的平稳传动与控制，解决了结构节能的关键技术问题，为该隧道炉的结构节能提供前提基础。由于采用了密封式链网回镗结构，节能效果得到明显提高。

链网传动机构将成型饼干送入密封式隧道炉烘烤，链网吸收热量，快速升温至恒定温度，有效提高隧道炉热效率。链网经后导向辊送回密封式隧道炉炉膛，继续加热保温，避免了传统隧道炉回程链网暴露在空气中造成的热量损失，减少热量损耗，链网回到隧道炉入口时仍保持高温。由于隧道炉长度较长，能有效减少热量损耗，达到保温节能效果。

为评估密封式隧道炉的节能控制效果，广东省揭阳市质量计量监督检测所对广东丰盛食品有限公司的DKD RF 100型电烤炉进行测试，并与行业标准JB/T 4415-2011［12］和传统隧道式电烤炉620型进行比较，表1为测试结果比较表。

表1 测试结果比较表

结果表明:密封式隧道炉比传统隧道炉节能37.5%，升温时间远小于传统隧道炉，达到节能降耗、优质生产的效果［13］，已申请了多项国家专利［14－17］，并通过有关部门组织的专家鉴定［18］。

4 结论

(1)提出一种密封式隧道型电烘炉的设计，采用密封式链网回镗结构，实现工作段链网与非工作段链网均保温，大大减少热能损失。

(2)分析驱动滚轮的受力情况，通过增大摩擦因数f或链网包角α，使临界摩擦力Ffc增大，降低最小链网初拉力F0min，可相应降低驱动电机容量要求，有利于节能。

(3)分析滚筒外缘运动微分方程，计算最危险点动张力，在包角固定情况下，通过调节后链网松紧调节机构获得合适的摩擦因数f，满足链网、滚筒之间不打滑的必要条件，保证链网平稳传动。

(4)分析与测试密封式链网回镗机构的节能效果，密封式隧道炉比传统隧道炉节能37.5%，升温时间远小于传统隧道炉，达到节能降耗效果。

［1］SANCHEZ Edgar N，BECERRA Hectorm，VELEZ Carlos M.Combining Fuzzy PID and Regulation Control for an Autonomous Mini-helicopter［J］.Information Sciences，2007，177(10):1999 －2021.

［2］孙奉昌，乐恺，姜泽毅，等.智能控制算法对加热炉温度控制研究［J］.热能动力工程，2009，24(3):337 －341.

［3］LI Yunhua，CAI Chaozhi，LEE Kok Meng，et al.A Novel Cascade Temperature Control System for a High-speed Heat-airflow Wind Tunnel［J］.IEEE-ASME Transaction on Mechatronics，2013，18(4):1310 －1319.

［4］张宗报.一种隧道炉:中国，CN201010182417.6［P］.2010－09－22.

［5］王立武.全自动高效节能电隧道炉:中国，CN201020597749.6［P］.2011 －06 －08.

［6］廖林清，屈翔，张君.胶带式无级变速器轴向压力的研究综述［J］.机械设计，2012，29(12):1 －5.

［7］濮良贵，纪名刚.机械设计［M］.北京:高等教育出版社，2008.

［8］KONG L Y，PARKER R G.Equilibrium and Belt-pulley Vibration Coupling in Serpentine Belt Drives［J］.ASME Journal of Applied Mechanics，2003，70(5):739 －750.

［9］KONG L Y，PARKER R G.Coupled Belt-pulley Vibration in Serpentine Drives with Belt Bending Stiffness［J］.ASME Journal of Applied Mechanics，2004，71(1):109 －119.

［10］孙慧.带式输送机动态特性与可控传动装置的研究［D］.青岛:山东科技大学，2004.

［11］李光布.运输胶带的受力分析［J］.矿山机械，1993(12):33－37.

［12］机械工业食品机械标委会.JB/T4415-2011，隧道炉饼干电烤炉［S］.北京:机械工业出版社，2011.

［13］检验报告J13-W0047［R］.广东省揭阳市质量计量监督检测所，2013.

［14］林荣才，杨转正，林娥卿，等.一种饼干电烤炉密封式链网回膛装置:中国，201320488202.6［P］.2013 －08 －12.

［15］林荣才，杨转正，林娥卿，等.一种基于分区隔热加热的饼干电烤炉控制设备:中国，201320487815.8［P］.2013－08－12

［16］林荣才，杨转正，林娥卿，等.一种具有分区加热隔热的饼干电烤炉:中国，201320487363.3［P］.2013 －08 －12.

［17］林荣才，杨转正，林娥卿，等.一种饼干电烤炉循环热风系统:中国，201320488470.8［P］.2013 －08 －12.

［18］科学技术成果鉴定证书粤机学鉴字［2013］010号.广东省机械工程学会，2013.