一种小麦SDS 沉降值自动测定装置的设计与制作

河南农业大学机电工程学院 徐长春 董奥辉 王学良 李祥付 田辉

小麦SDS 沉降值是评价和判断小麦品质的一个重要标准。沉降试验是指在带玻璃塞的刻度试管中，利用小麦粉在乳酸溶液中沉降的体积表示小麦面筋的质量，这是简单有效测定小麦粉强度大小的方法。高筋面粉的沉降速率较低，且沉积物体积较大；强度较低的面粉沉降速率较快，沉积物体积较小。根据测定方式的不同，测定装置可以分为手动测定方式和半自动测定方式两种，其中，手动测定方式依靠纯手工加料、长时间摇晃试管，适合少量小麦的测定；半自动测定方式采用粉碎机对样品进行粉碎细分，再使用量筒振荡器来摇匀粉液。

目前，针对小麦SDS 沉降值测定方式自动化程度不高的现状，笔者尝试提供一种新的测定设备及测定思路，以达到解决测试结果受实验人员技术水平影响较大、因黏滞力影响粉液混合不均匀、不能自动读取测定值等问题，提高检测效率的目的。

一、方案设计

（一）总体设计

本文根据小麦试液的运动情况和小麦微量SDS 沉降值测定的实验方法，总结分析现有溶液混合设备优缺点的基础上，使用Solid Works 建模软件，根据自下而上的建模方法创建整机模型，设计了小麦SDS 沉降值自动测定装置（如图1 所示）。

图1 整机模型

该装置由输料模块、气泵、水平台、壳体等部分组成，按其功能可划分为自动加料、液体振荡、自动测定三部分，可实现自动下料、混合振荡、自动测定等功能。

（二）振荡系统设计

小麦SDS 沉降值自动测定装置的振荡系统按照振荡原理的不同可以分为涡旋振荡、搅拌振荡和晃动振荡，其中，三种振荡方式的优缺点如表1 所示。通过对上述三种振荡方式的对比，本文选择了晃动振荡的振荡系统。

表1 三种振荡方式优缺点对比

在振荡系统机构设计中，可使旋转运动转变为直线运动的常用的机构有凸轮式旋转机构、螺旋式旋转机构、曲柄式旋转机构。综合考虑经济性和可靠性需求，本文最终选择曲柄连杆机构来实现旋转运动转化为直线运动。旋转机构驱动装置主要由主电机、传动装置和制动装置三部分组成。

曲轴连杆机构运动原理见示意图2 所示。曲轴以角速度ω顺时针旋转，使得连杆带动试管槽上下移动，设试管槽移动的前死点为A，A点到试管槽中心的距离设为x，设后死点为B点，其到前死点A的距离s为试管槽上下移动的行程，若上升行程x为正，则试管槽运动规律可表示为：

图2 曲轴连杆机构原理示意运动图

式中：x为试管槽纵向位移；u为试管槽速度；为试管槽加速度；为曲柄转角；ω为曲柄角速度；t为时间；r为曲柄半径；λ为曲柄半径r与连杆长度l之比。

（三）振荡系统的结构设计

振荡系统的结构装配如图3 所示。振荡系统框架采用铝合金材料搭建，框架通过外壳壳底支撑，电机驱动水平台来实现旋转运动，电机传动轴与水平台同心固定连接，空心球装置底部薄片上端面与压盘的下端面重合，空心球装置中部的连接杆置于压盘的直槽口内，试管槽装置的底部与空心球装置顶部的空心球铰接，试管槽装置的中部置于水平台圆孔内。当电机开始工作时，水平台带动试管槽装置在斜盘上做旋转和上下的往复运动。

二、振荡装置选材及仿真分析

（一）装置选材

材料的性能要与部件的工作状态相适应，且要保证其具有良好的加工工艺和经济性能，从而提高设备的生产效率，减少生产成本。材料的工艺性能主要包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能等。经过分析，设备主要零件选材如表2 所示。

表2 设备主要零件选材

（二）振荡装置的力学仿真分析

设计采用倾斜旋转的方式振荡溶液，使得溶液做圆周运动的同时也有上下运动，倾斜的运动能使溶液充分混合均匀，同时减弱离心力的影响，但倾斜程度过大会导致机构运行出现障碍，因此，采用ANSYS Workbench分析软件建立有限元模型，对振荡装置做静力学仿真分析。振荡装置机构模型建立较为复杂，但运行原理简单，因此在确保分析结果准确的基础上，可以忽略一些不必要的结构。

根据振荡装置的组成原理及结构材料分析，利用三维建模软件Solid Works 对振荡装置进行建模，转化成相应stp 格式，再导入ANSYS Workbench 进行网格划分和仿真分析，所建三维模型如图4 所示。

图4 振荡装置的三维模型

将上述模型文件导入到Workbench 中，对结构进行简单调整，修改部分对装置强度影响不大的结构设计，避免出现应力集中问题。经过简单处理后，对斜盘进行Mesh 网格划分，由于质量不好的网格会影响求解结果的准确性，故综合考虑后，选取网格宽度为6 mm，进行仿真分析得到斜盘受力变形图。

在固定载荷下，对斜盘进行静力学分析得出此斜盘的应力大小等参数，从而校核斜盘的强度及刚度，满足实际工作需要。考虑到选取的工况中有弯扭组合变形，同时要保证其结果更加接近实际情况，所以选择第四强度理论作为结构发生破坏的准则，其破坏条件公式为：

在振荡装置运行过程中，各个机构会受到各种不同载荷的影响，斜盘在复杂载荷下发生弯扭及其组合变形，这就要求斜盘有很好的强度和刚度，以保证装置的顺利运行。为保证静力学分析的准确性就必须要确定斜盘的基本载荷。斜盘的基本载荷为：盛满液体的试管、带直槽口的斜盘及斜盘本身，详细数据如表3 所示。

表3 斜盘的基本载荷

施加基本载荷时，将各种载荷看作质量点，再施加到车架上。本文将以质量点的形式施加基本载荷，在进行分析时可直接对车架施加加速度，其等效于施加惯性载荷。

通过斜盘静力学分析可知，当斜盘同时承受弯矩和支端力作用时，应变最大值1 mm，应力最大值0.01 MPa，远小于材料的屈服极限值885 MPa，通过对应力和应变的求解，结果显示斜盘表面刚度及强度能够满足设计要求。

三、结论与分析

本文采用Solid Works 对振荡装置进行三维建模，利用Workbench 对斜盘部分进行静力学分析，通过对应力和应变的求解，结果表明：斜盘表面刚度及强度能够满足设计要求，且余量较大，在不影响强度和刚度的前提下可以适当降低斜盘厚度，以实现装置轻量化。根据设备运行规律，制作了简单的模型进行实验验证，旋转振荡装置实验结果静置前如图5 所示，静置后如图6 所示。静置后，沉淀下降，分层明显，实验结果良好，后续随着电机和气泵精度的进一步提高，设备整体稳定性和可靠性能够得到大幅度提升。

图5 静置前

图6 静置后