毕业设计（论文）-果蔬三维切丁机切丁部件的研究与设计.doc

全套图纸加扣 3012250582JIANGSU UNIVERSITY本 科 毕 业 论 文 果蔬三维切丁机切丁部件的研究与设计Analysising and designing the crosscut knives construction of three section dicing Fruit and vegetable machine学院名称： 机械工程学院 专业班级： 机械设计制造及自动化 学生姓名： 指导教师姓名： 2009年6月目 录第一章 切丁机的介绍51.1 切丁机发展背景51.2切丁机原理51.3三维果蔬切丁机可加工的食品以及能切出丁的尺寸81.4我国切丁机的发展现状以及各国切丁机的对比81.5 切丁机研究的目的和意义9第二章 切丁机条刀机构设计分析102.1 条刀形状的设计112.2 条刀角度的分析122.3 刀架结构的设计12第三章 丁断面及长度分析143.1丁断面分析143.1.1 断面形成原理143.1.2 丁断面方程的推导143.2 丁长度分析16第四章 条刀结构设计194.1 结构设计软件的使用及介绍194.2 条刀总成零件设计194.3 条刀总成传动零件设计214.4 总装配工程图23结论24致谢25参考文献26果蔬三维切丁机切丁部件研究与设计专业班级：机械设计制造及自动化0504班 姓名：指导老师： 职称：摘要 本文主要对三维果蔬切丁机条刀机构进行设计，研究条刀切丁机构中刀盘转速、直径大小，以及条刀与切丁颗粒大小、切丁断面平整度之间的关系，寻找现有切丁机难以切出高质量大丁的主要原因，通过理论分析切丁机构参数，优化机构中传动比，使切出来的丁的断面比较平整，符合市场客户的需求。关键词：条刀 切丁 断面分析 Analysising and designing the crosscut knives construction of three section dicing Fruit and vegetable machineAbstract The article mainly designing the crosscut knives construction research the relationship between cutter heads rotational speed, diameter size,as well as knives in knives construction and dices size, cross-section, looking for the main reason that why cuber can not cut high-quality big dices. Through theoretical analysis the parameter of crosscut knives construction , and pramete the constructiondrive , so that i can cutl dices better dices,and accord with customer needs.Key words:crosscut knives cutting dices Cross-section analysis引 言果蔬是人生活中必不可少的营养丰富的食品之一，可为人体提供必需的维生素、矿物质、膳食纤维等有益于人体健康的功能成分。随着人们生活水平的不断提高，生活节奏加快，对食用方便、营养丰富、经过加工的精细果蔬的需求越来越大，对产品的品质要求越来越高。近年来，在我国大中城市的超市、食品加工厂及快餐行业中出现一种新式的食用方便、快捷、有营养的果蔬加工产品，即切割果蔬。切割果蔬作为一种新兴食品工业产品正在国内兴起，由于其具有自然、新鲜、卫生和方便的特点，正日益受消费者的喜爱。目前使用比较广泛的切割果蔬机器是三维果蔬切丁机，现有国产三维切丁机在完成切片、切丝后，利用旋转条刀切出大丁时，因刀具安装角度、刀盘直径、切削速度与送料速度不协调，最后切出的大丁断面普遍存在弧形断面的缺陷，为此需要分析不同果蔬切丁规格与各执行部件运动参数的匹配问题，通过优化设计及样机试验，进行参数优化，解决大丁断面弧形问题，提高果蔬加工质量。第一章 切丁机的介绍1.1 切丁机发展背景随着新的农业生产模式和新技术的发展与应用，农业机械化将成为农业生产加工的主力军。果蔬切丁机作为农业机械的重要类型，具有很大的发展潜力。我国是一个农业大国，虽然农业人口众多，但随着工业化进程的不断加速，可以预计农业劳动力将逐步向社会其它产业转移，实际上进入21 世纪后，我们将面临着比世界任何国家都要严重的人口老化的问题，农业劳动力不足的问题将逐步变为现实。综上,可以预计，在21 世纪提高农业工程的自动化水平将成为我国农业科技领域的一个重要研究热点，用于农产品生产加工方面的各类机械作为自动化设备，也将得到推广应用。切割果蔬(又名半处理果蔬、轻度加工果蔬或鲜切果蔬)，是对新鲜果蔬进行分级整理、清洗切分、保鲜包装、贮藏等程序处理，并使产品保持生鲜状态的制品。据统计，到2000年，美国的切割果蔬销售量已占果蔬销售总量的25%，并且在逐年增长。我国自20世纪90年代进行切割果蔬的商业化生产以来，全国各地均建立了蔬菜配送中心，为发展切割果蔬产业提供了有利条件。然而，果蔬由于切割造成的机械损伤会导致一系列不利于贮藏的生理生化反应发生，如呼吸代谢加剧、酶促和非酶促反应活化、营养物质外渗或流失、微生物活动活跃以及切割表面木质化等。上述变化均可导致切割果蔬失去新鲜的特征。目前切割果蔬的原料主要锁定在胡萝卜、马铃薯、生菜、洋葱、甘蓝、苹果、桃、菠萝等品种上。切丁是常用的一种蔬菜加工方法，需要小量菜丁完全可以用手工来切丁，比如在家庭里，但如果需要大量菜丁时（比如饭店、城乡加工厂以及城市食品加工厂）手工切丁就比较费时，而且速度比较慢，因此需要一个机器来解决这种问题，这种机器就是切丁机。切丁机是种多功能食品加工机械，相对于人工切割而言，切丁机有着无可替代的优势，整个加工过程实现了卫生、安全、高效、尺寸精确的特点，因此大大提高了生产效率（在相同时间下，切丁机相当于25人的劳动量），产品的形状和外观也得到极大的改善，且避免了人手的污染，缩短产品货架期，最终提高了产品的质量和销量。1.2切丁机的原理传统的切丁方法是用手工对切片后的果蔬制品进行纵向和横向的切割，工作效率低、劳动强度大，因此该方法不适应于现代的大规模化生产。目前切丁机的原理可分为三种，一种是栅格切丁，一种是两维切丁，还有另外一种是三维切丁。下面分别介绍每种方式的原理。栅格切丁原理。这种切丁机的切刀为固定形式栅形切刀盘，切刀盘的正上方设有压盘。栅形切刀盘是由垂直交叉设置的纵向刀和横向刀组成，纵向刀和横向刀形成方形的栅格。如图1所示，将物料放到栅形切刀盘上，压盘垂直下压，压板将切刀盘上的果蔬垂直压入栅形切刀盘，果蔬被切割成固定规格的规整丁块。所需的切丁规格大小由送入的片状果蔬厚度和栅形刀盘的大小确定。这种形式切丁方法优点在于机器结构简单，切出的丁规格形状和截面质量比较好；缺点是原材料必须是片状或已经切成片状的，只能切丁，具有一定得局限性，而且要切不同尺寸丁时更换刀具比较麻烦。图1栅格切丁原理示意图两维切丁原理。两维切丁机采用模仿人工切割动作的两维切削方式，即利用机械刀片来实现果蔬制品的横向和纵向的切割。如图2所示，片状物料被送到横向切刀下面时，被横切刀切成丝状，然后丝状被送到纵向切刀下面，被切成丁状。这种加工方式虽然比人工切割工作效率有了较大提高，但在加工过程中不能实现连续送料、连续切削，而且需对切割果蔬进行夹持，从而影响了加工效率和适应能力，不能满足蔬菜食品的大规模生产要求。图2两维切丁原理示意图三维切丁原理。进入20世纪90年代，随着蔬菜生产规模的不断扩大，切割果蔬的商业化生产显得十分迫切，随着离心切片技术的成熟，国外一些先进的果蔬鲜切机械逐渐抛弃了纯粹模仿人工切屑动作的二维切削方式，而是普遍采用了离心切片、盘形刀或栅形刀切丝、然后条刀切丁的三维切割加工工艺，其加工效率明显提高。三维果蔬切丁机是目前比较流行的果蔬切割机器。这种三维果蔬切丁机主要由推进器、切片刀、圆盘刀总成和条刀总成组成，如图3所示。当物料被放进推进器中时，电机带动叶轮高速旋转，利用离心力使物料紧贴推进器内侧，再借助切片刀将物料切成片状，然后经过园盘刀总成将片状切成条状，并条状物料送到条刀总成刀口，由条刀总成切成所需要丁块。调节切片刀的位置可得到不同切片的厚度，更换不同尺寸圆盘刀总成和条刀总成可切出不同的宽度和长度。这种切丁机可以单独切片、丝，当只需要切片时，可将圆盘刀总成和条刀总成卸掉；同理，当需要切丝时，将条刀成卸掉就行，从而达到一机多用、一机多能的效果。图3三维切丁原理1.3三维果蔬切丁机可加工的食品以及能切出丁的尺寸三维果蔬切丁机可加工的食品有胡萝卜、马铃薯、洋葱、草莓、茄子、梨、菠萝、黄瓜、青红椒等各类水果及薯球根类物料。能切出丁的尺寸为333、3.53.53.5、444、555、666、777、888、101010丁形，亦可切 33(1.6-11)、3.53.5(1.6-11)、44(1.6-11)、55(1.6-11)、66(1.6-11)、77(1.6-11)、88(1.6-11)、1010(1.6-11) ，以及长19、25、30或自由长的丝条形，也可组合切厚10mm以内的所需方块。根据刀具组合可切厚度不等的正方块形、长方条形，条长可为15 、20、25、30或自由长。卸去条刀总成，物料可切成自由长的丝条。1.4 我国切丁机的发展现状及各国切丁机的对比我国切丁机在国外先进的果蔬三维切丁机基础上，通过自主研制开发，研制出了一种采用旋转推进器送料，离心切削法切片，切片借助辅进料机构连续不断地送入圆盘格栅刀切成条状，梳齿机构进行梳齿清理，最后由由条刀将果蔬切割成立方块、长方块或其他预设尺寸，该方法改变了传统的输送带输送造成的输送效率低下、设备结构庞大，以及产品在切割过程易发生滞留阻料、降低生产效率的缺点。该技术已申请发明专利，并已公告，专利号：200720041189.4。另外，我国专利02282036.1公布了一种芦荟切丁机，其工作原理是：剥皮后的芦荟肉可以在输送带的带动下连续进料，而设置有若干同轴转动刀片的纵向切刀可以把芦荟肉切成与输送带行走方向平行的条状，再经过周向设置有若干横向刀片的横向切刀，便可以实现用机械连续化工业生产芦荟丁的目的。我国专利03271657.5也公布了一种三维切丁机截切刀机构，其结构包括截切刀、截切刀轴，蜂窝轮，截切刀轴齿轮，其原理是截切刀在参与截切刀体共转的同时，也在进行自转，在共同转动时，刀体中心轴与其上的偏心凸轮固定不动，使截切定向，所以在切菜时，刀刃口固定向下，使被切菜成为方块丁。该机构能够生产尺寸均匀的食品，切片、条和质量高的丁块，适用于切割各种软质水果和脆质的根茎蔬菜，且下脚料少。我国专利还公布了一种果蔬切丁机，专利号200620160119.6,该果蔬切丁机采用固定刀盘、间歇送料和下压切丁结构，实现了工业化连续切丁作业，有效提高了切丁的规整度和产量。目前切丁机的种类有国产的仿美国Urschel切丁机、德国的HOLAC、日本的EMURA、美国的Urschel、比利时FAM Flexifam。每种类型都各自有自己的特点。国产的（仿Urschel）：结构复杂，不锈钢材质欠佳，产量高，转速快，截切规格佳但刀片易破，耐用略差，规格范围窄（难以切出10mm以上大丁）、出料不流畅；德国的（HOLAC）：运行稳定，安全，无机械故障，最主要的是刀具材质锋利耐用性价比高。日本的（EMURA）：不锈钢材质好，产量低，转速慢，截切规格欠佳，易堵，安装时偏繁琐且略带危险性，精巧、人性化高，使用上较安全；美国的（Urschel）：不锈钢材质好，产量高，转速快，截切规格佳，安装简单且相对安全，耐用；比利时（FAM Flexifam）:跟美国切丁机差不多，不过调节切片厚度比美国的方便。1.5 切丁机研究的目的和意义切割果蔬作为一种新兴食品工业产品正在国内兴起，由于其具有自然、新鲜、卫生和方便等特点，正日益受到消费者喜爱。切割果蔬，可开袋即食或直接烹调，可广泛应用于快餐业、宾馆、饭店、单位食堂或零售，节省时间，减少果蔬在运输与垃圾处理中的费用，符合无公害、高效、优质、环保等食品行业的发展要求。切割果蔬不但可拓宽果蔬原料的应用范围，实现果蔬的综合利用，又具有潜在的经济效益和广阔的国内外市场发展空间。另外在诸多的农产品加工制成品中，有相当规模的产品是以切加工工艺技术为核心或以切加工工艺技术的应用为前提的。例如各种净菜、切制品、方便食品的生产技术中，切加工工艺技术是极为重要的核心生产环节之一，农产品的各种物理提取和萃取生产技术中，切加工工艺技术是极为重要的前处理生产环节。因此，对农产品的鲜切加工关键技术及装备研究开发，提高制成品的合格率，是农产品深加工高效、优质发展的基础。由于我国在果蔬鲜切加工技术与装备研究起步晚，基础研究非常薄弱，因此对果蔬鲜切加工核心技术还没有真正掌握，加工质量、工作效率仍达不到国外先进水平，从而造成先进的果蔬切割机械被国外产品垄断，淘汰、落后的果蔬切割机械相互恶性竞争，使我国果蔬食品加工企业承担了高额的设备购置成本和使用成本。因此国内加工业的技术创新能力、产品质量及安全管理的提高将直接关系到我国果蔬加工业在世界加工业中的实力地位，更直接关系到我国“三农”问题的解决程度。这项工作对于提高我国农业生产附加值和农业效益，提供社会就业，推进农村小城镇建设，具有重要而深远的意义。第二章 切丁机条刀机构设计分析2.1 条刀形状的设计根据三维切丁机的原理可知，丁的形成是由旋转地条刀总成切割丝状物料得来的。现在设计两种旋转切割方案，如下图4所示，方案一为左图，方案二为右图。对于方案一，其优点在于刀具的结构比较简单；缺点是装刀的时候必须挨把刀用螺钉固定下来，卸多把刀时又得松开好多螺钉，一般切丁机都有几十把的刀具，装刀和卸刀的麻烦程度可想而知，操作起来费时费力。而对于方案二，刀具结构也比较简单，装刀的时候直接把刀插到刀槽中，然后在两头用两个端盖将所有的刀子夹紧就行，卸多把刀的时候把一边的端盖拿掉，将刀子拔出就行，操作比较简单。因此我们选择第二种切割方案，条刀的截面形状如图4右图所示。为了能够很好的将刀具固定在刀架上，在条刀的两侧分别开V形槽，如图5所示。图4 切丁方案图图5 条刀形状2.2 条刀角度的分析 条刀角度可分为两种情况，如图5所示，一种是90，另一种是90。现在假设条状物料静止不动，旋转地条刀总成对其进行切割。当90时，在整个刀具切割物料过程中刀尖点水平位置始终比刀背面A水平位置低，因此会造成到背面A挤压上截面，影响截面的切割质量。当90时，切割物料过程中刀尖点水平位置一直比刀背面A水平位置高，不会有以上情况出现。由此可见，若条状物料再往下有一定速度的话刀具角度就更不能选90了，所以应该使刀具的角度大于90度。图5 条刀角度的对比条刀角度的具体数值。由以上分析得刀具角度应该是大于90度比较好，至于大于90度那个角度最好，这个得根据切割实验得到。在此，我们参照美国Urschel牌切丁机条刀的角度，根据对其测绘的结果，得出=120。2.3 刀架结构的设计根据以上步骤2.1中方案的选择，刀架的截面形状就是图4中右图去掉刀具后的图形，如下图6为刀架的轴向视图，两侧V形槽作用是跟刀子上的V形槽对齐，方便将刀具固定在刀架上。图6 刀架结构示意图第三章 丁断面及长度分析3.1 丁断面分析切丁机是利用旋转地刀具对有一定速度条状物料进行切丁，因此丁的断面不是一个平整的截面，而是一个有一定圆弧度或不太规则的断面。对于小丁而言，由于其断面比较小，所以看不出截面的不平整性，可近似认为是一个没有斜度或弧度的平面。但对于比较大的丁来说，断面的不平整现象就很明显。对丁断面进行分析研究，找出与影响断面不平整性的有关因素，有助于改善切出丁的质量。 3.1.1 断面的形成原理图6 切丁示意图1如图6所示，R为条刀刀尖点运动轨迹半径，O为轨迹圆心点，AC为刀尖点的一段圆弧轨迹，A为刀尖切入物料的点，C为切出点。条状物料有一定得速度v1向前匀速移动。当刀尖点经过时间t后从A点运动到B点时，条状物料也向前移动s距离，此时物料上与B同在以水平线上的的D点将运动到B点，被刀尖切到。这样，将D点的轨迹求出来，最后得出的曲线就是丁断面曲线AE。3.1.2 丁断面方程的推导D点的x方向坐标为B点的坐标减去DB的距离S, y方向的坐标与B点一样。首先先求出B点的坐标来，对B点进行速度分析。刀尖点做匀速圆周运动，则B点的速度为轨迹的切线方向，且值恒定不变，设为其大小为V，B点在x轴和y轴的分速度分别为VxB=VcosB,VyB=VsinB设刀尖点从A点到B点所用的时间为t,从而可以得到B点的坐标为xB=VxBt=VcosBt, yB=VyBt=VsinBt经过时间t后D点往前移S距离，则S=V1t, D点的坐标为xD=xB-S=( VcosB-V1)t, yD=yB=VsinBt B等于减去刀尖从A点到B点转过的角度，设刀尖点角速度为，B=-tD点轨迹方程可表示为 xD=( VcosB-V1)tyD=VsinBt B=-t （3-1）由求出的D点方程（3-1）可看出当VcosB-V10时，即B点水平方向速度大于条状物料速度时，D点轨迹是一条位于y轴右边的曲线 ；当VcosB-V1=0时，D点的轨迹上个点跟y轴很接近，近似于一条竖直向下的线。当VcosB-V10时，D点轨迹为一条位于y轴左边的曲线；以此，要想切出理想的丁断面，必须满足条件VcosB=V1 （3-2） 式（3-2）中V1的确定。V1为条状物料往前移动的速度，由前面三维切丁机原理图可知，推进器利用离心力使物料被切成片，切出片的速度即推进器的线速度，虽然物料片跟切刀片存在摩擦力而使片的速度减小，但物料片在被切成条状的过程中被圆盘刀往下带动，其速度又有一定得增大，在此我们可近似认为减小的速度跟增大的速度互相抵消，因此，条状物料的速度V1即为推进器的线速度。式（3-2）中V=R(为条刀总成角速度)，V1=R11（R1为推进器半径，1推进器角速度），式（3-2）就变成RR1cosB=1 (3-3)公式中1为推进器同条刀总成的传动比，在切丁过程中半径比RR1不变，转动比1也不可能改变， B在整个切丁过程中变化比较小，可以近似的认为 B为一个固定值，来保证传动比是固定的，在此取B=，如图7所示图7，切丁示意图2式（3-3）变成RR1cos=1 （3-4）从这个公式可以看出，丁断面平整度跟刀尖轨迹半径及其圆心位置、叶轮直径和推进器跟条刀总成传动比有关。在机构尺寸已经确定的情况下，要优化丁断面形状，则只能改变推进器跟条刀总成传动比。本课题跟泰州科技攻关项目有关，要求推进器半径R1=200mm,根据在UG中对切丁机的虚拟装配，量得条刀刀尖轨迹半径R=124mm,刀尖轨迹圆心到切片刀垂直距离OG为40mm（图7示），带入公式（3-4）得转动比为1=0.2才能切出比较理想的丁断面。 3.2 丁长度的计算如前所述，丁的厚度可通过调整切片刀的位置来确定，丁的宽度可通过改变圆盘刀之间的间距来改变，而丁的长度跟条刀的数目、叶轮转速和条刀轴转速有关。如图8所示，片状物料被切成条状后有一定的速度沿切片刀往下走，设其速度为v1,然后被条刀切割成丁,设条状物料被相邻两把条刀切到的时间间隔为t,则丁的长度s=v1t。图8 切丁长度示意图下面为具体的推算过程。(1) 设条刀总成上有x把条刀，则每相临两把刀间隔角度为360x度，即2x弧度。当相临两把刀转到同一位置时，其时间间隔为t=2x。(2) 根据前面的分析可知，条状物料的速度即为推进器的线速度，所以v1=1R1。（3）丁的长度s=v1t=1r12x=2R1x1。 （3-5）（4）更换不同刀具数量可得到不同长度尺寸的丁，已知叶轮半径为200mm，由3.1.2节得叶轮转速与条刀轴转速之比1=0.2，下表1为条刀数量与丁长度之间的关系。表1条刀数量与丁长度之间的关系丁长度/mm条刀数量丁长度/mm条刀数量38414183.572151746216165501715642181473619138312112928231110252510112228912213181319自由长第四章 条刀结构设计4.1 结构设计工具的选用及介绍选用UG软件进行实体的结构设计。UGNX是UnigraphicsSolutions公司推出的集CAD/CAM/CAE于一体的三维参数化设计软件，在汽车、交通、航空航天、日用消费品、通用机械及电子工业等工程设计领域得到了大规模的应用，在CAD/CAE/CAM领域中处于领先地位。它集零件设计、大型组件设计、钣金设计、造型设计、模具开发、数控加工、运动分析、有限元分析、数据库管理等功能于一身，具有参数化设计，特征驱动，单一数据库等特点，大大加快了产品开发速度。本设计使用的NX4.0版本，其功能较以前的版本有了很大的提高，而且操作界面也更为好用，可以大大提高技术人员的工作效率。4.2 条刀总成零件的设计条刀的实体建模。根据前面2.1节条刀形状设计结果来建模，首先先绘制条刀截面形状，然后将其拉伸一定长度，最后再在条刀两侧切两个V形槽以便固定在刀架上。其三维图如图9所示。图9 条刀刀架的实体建模。光有一把一把刀具还不够，还要有刀架带动它们进行旋转。刀架建模步骤：首先画出一个截面，对这个截面进行旋转，得到一个回转的实体，对该实体进行拉伸切割，得出一个一个刀座，再对刀座进行拉伸切割，将刀槽做出来，最后在刀架两侧面分别打5个螺纹孔，其作用是可以通过螺栓将端盖固定到刀架上，从而将刀具固定住；再在刀架内环打三个光孔，其作用是用来传动。刀架实体如图12所示图10 刀架端盖的建模。端盖的作用是将刀具固定在到座上。端盖是一个圆形体，故可通过旋转工具来建模，先绘制其截面形状，然后进行旋转，端盖一侧凸出的V字形是用来跟条刀两头凹进去的V槽配合，以便把刀子固定在刀架上。如图13示。图13 端盖条刀总成的装配。通过对每个零件的配对、对齐和距离，得出条刀总成结构的装配图，如图15所示。图14 条刀总成4.3 条刀总成传动零件设计传动轴的设计。根据条刀总成的结构特点，所设计的轴上应该有螺纹孔，从而可以将螺栓把轴跟条刀总成连起来，通过螺栓传动。轴的结构设计如图15所示。图14 条刀轴大套筒的设计。套筒是用来固定轴承的，根据轴承的外径大小来确定其内孔的直径，其另外一个作用是将调刀成固定在机架上。