（机械工程专业论文）多功能蔬菜加工机的研制.pdf

中国农业大学工程硕士论文摘要 摘要 随着近年来我国蔬菜出口的迅速崛起，蔬菜加工出口已成为我国的重要创汇渠道。但蔬菜加 工机械却远远滞后于蔬菜出口的发展，并且价格昂贵由此我们研制了多功能蔬菜加工机，一机 多用取代了部分功能单一、效率低下、价格昂贵的进口机械。本文首先研究了蔬菜切割、输送， 定位、成型的基本理论，然后设计了多功能蔬菜加工机的切削装置、送料装置和传动机构等，使 之能够达到对块根状及叶菜状蔬菜进行切片、丝，段等规格形状的加工。同时应用新科技，采用 先进的数字调速电机，省去复杂的变速机构与调节机构。试验表明，该设备出成率、效率达到进 口机械水平，价格较进口设备降低5 0 以上，可填补此类机械的国内空白，取得良好的经济效益 和社会效益 关键词：多功能，蔬菜，加工机 中国农业大学工程硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ei m p o r t e dv e g e t a b l eo fo u rc o u n t yo nt h er e c e n ty e a r , t h ei m p o r t e d a d d i n gv e g e t a b l eh a sb e c o m ei m p o r t a n te n t i a l l m o n e yo fc h i n a b u tt h ec u t t i n gm a c h i n eo fv e g e t a b l e i sn m r cd r o p p e dt h a nt h ed e v e l o p m e n to ft h ei m p o r t e dv e g e t a b l e t h ep r i c eo ft h ei m p o r t e dm a c h i n ei s c o s i l yc o m p a r a t i v e l y s ow eh a v es t u d ya n dw o d u c e dt h em o r ef u n c t i o nv e g e t a b l ec u t t i n gm a c h i n e t h i sm a c h i n ei sm o u s e d ；t h i sm a c h i n ec a l lr e p l a c et h ei m p o r t e dm a c h i n eo ft h ep mo fs i m p l e f u n c t i o n 1 0 we f f i c i e n c ya n dc o s t t yp r i c e t h i sa r t i c l eh a v es t u d yt h eb a s i ct h e o r yo ft h ec u t t i n g , t m n s p o r t i n g o f i x e da n dg r o w n - u pp a t t e r nf i r s t l y , s ow er e s e a r c h e da n dd e s i g n e dt h e c u u i n g o p e n - - d e v i c e , t h er e t u r n e dm a t e r i a l - - - d e v i c ea n dt h et r a n s m i t t e d - - o r g a n i z a t i o ne t c o ft h em o r e f u n c t i o nv e g e t a b l ew o r k i n g - - m a c h i n e i tc a nb e c o m et h eb l o c kr o o ta n dl e a f - v e g e t a b l ea tt h er e g u l a r s h a p eo fs h e e t , s i l k , s e c t i o ne t c a tt h es a m et i m e ，i ta p p l i e st h en e ws c i e n c e ，i ta d o p t st h ea d v a n c e d e l e c t r i c a lm a c h i n e r yi nc o u n t i n g , a n di to m i t st h eo r g a n i z a t i o no ft h ec o m p l i c a t e dt r a n s f o r m a t i o ns p e e d a n da d j u s t m e n t e x p e r i m e n ta n dp r o v e d ，p | i c co fe q u i p m e n tc 越r e d u c e5 0 ，c o m p a r e dw i t hi m p o r t e d e q u i p m e n t , t h er a t eo ff i n i s h e dp r o d u c ta n de f f i c i e n tc a nr e a c hl e v e lo fi m p o r t e dm a c h i n e i tc a ns t a f f n a t i o n a l b l a n ko f t h i s k i n d o f m a c h i n e i t h a s o b t a i n e d t h e g o o de c o n o m i cr e s u l t s a n ds c i e n c e u t i l i t y k e yw o r d s ：m o r ef u n c t i o n , v e g e t a b l e , w o r k i n g - m a c h i n e 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 芝参滋 时间：2 0 0 r 7 年4 月6 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名乏吞噬 一名：7 仂嘲 时间：2 0 0 7 年4 月6 日 时阃：2 0 0 7 年6 目lb 中国农业大学工程硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的目的和意义 蔬菜是人类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、经过加工的精细蔬菜的需求越来越大，对产品的品质要求越来越高。蔬菜出口在我国起步虽晚，但 由于中国蔬菜富含营养、品种齐全、质优价廉，深受各国消费者的青睐，因而近几年蔬菜出口发展十分 迅速，已成为创汇农业的支柱产业。 山东蔬菜是从上世纪9 0 年代初，开始实施。菜篮子工程”和。高产，高效农业”发展战略进入快 速发展轨道的1 9 9 1 年，全省蔬菜( 包括西瓜、甜瓜) 播种面积为3 9 3 万h m 2 ，总产量仅1 5 3 0 万t ， 产值4 6 亿元，蔬菜产品基本上是自给自足，进入全国市场和出口的商品量很少此后发展速度加快， 表现一年上一个台阶，卜- 4 年则上一个大台阶。2 0 0 5 年蔬菜播种面积达到了2 2 6 9 h m 2 ，总产量1 3 2 0 6 9 万t ，总产值8 2 3 亿元【1 1 。 山东蔬菜经过1 0 多年的快速发展，已经成为全省种植业中的第一支柱产业，全省蔬菜种植产值占 全省种植业产值的4 3 5 ，占全省大农业总产值的2 1 。 目前山东的蔬菜面积、产量，产值一直居全国首位。蔬菜商品量约占全国蔬菜商品总量的2 0 。 山东拥有全国最大的蔬菜批发市场、最大的蔬菜运销队伍和最多的蔬菜加工企业，是全国最大的设施蔬 菜和出口蔬菜生产基地。 山东省与韩国、日本隔海相望，有多个港口和发达的交通，发展出口创汇蔬菜有独特的优势和良 好的工作基础。“九五一以来山东出口创汇蔬菜发展迅速【2 】。自1 9 9 8 年以来，每年以1 0 以上的速度 递增。山东出口蔬菜占全国出口蔬菜总量的比例也迅速上升。据青岛海关统计2 0 0 3 年山东蔬菜出口量 为1 7 7 5 万t ，比2 0 0 2 年增长3 1 3 ，创汇7 9 8 亿美元2 0 0 4 年出口蔬菜1 8 7 a 万t ，创汇1 0 4 2 亿美元。 目前已经形成了四大出口蔬菜生产和加工区：即以莱阳为中心的胶东半岛生产加工区，以安丘为中心的 鲁中生产加工区，以苍山为中心的鲁南生产加工区，以牡丹区为中心的鲁西南生产加工区。出口产品包 括保鲜、冷冻、脱水、腌渍、罐藏等近百个商品种类；产品出口到1 0 0 多个国家和地区阿。 山东省既是我国蔬菜生产大省也是出口大省。全省已有十几个地市的千余家企业加工出口蔬菜。 仅莱阳市从事蔬菜加工出口的企业达1 6 0 余家，规范加工点3 5 0 多处，2 0 0 6 年出口各种蔬菜4 4 万余吨， 仓4 汇2 0 5 亿美元，远销日本、美国、德国、瑞士、新加坡、韩国，港、台等国家和地区。近5 年来， 每年以1 0 的速度递增。 中国农业大学工程硕十论文第一章绪论 山东蔬菜加工业虽然已取得了一定的发展，但蔬菜加工技术落后，粗加工蔬菜出口比重较大，科 技含量水平低，市场竞争能力差，效益向出口国流失十分严重。统计表明，目前山东省蔬菜加工企业己 由1 9 9 5 年的1 0 0 6 家发展到2 0 0 2 年的3 4 9 3 家，但平均每个企业职工人数仅仅6 2 人；2 0 0 0 多家蔬菜加 工龙头企业，资产过亿元的还不到2 0 家，大多数企业规模太小，设备简陋，产品开发技术革新能力不 足。2 0 0 2 年山东省瓜菜总产量达9 6 7 8 6 万t ，出口仅为1 3 5 4 4 万t ，按每加工l k g 成品菜消耗2 k g 原菜 计算，加工出口率还不到3 ；出口大多以冷冻保鲜等中低档产品为主，多数为对蔬菜进行简单的分级 清洗消毒等粗加工；高附加值高效益的脱水脱毒调理加工等产品的发展出口则更为缓慢，2 0 0 2 年出口 蔬菜创汇6 4 2 亿美元，每吨创汇仅4 7 4 美元。而且按目前蔬菜产量、加工品价格及出口比例推算，蔬菜 加工出口率每提高一个百分点，约可增加产值2 0 亿元人民币，增加出口创汇近2 5 亿美元【3 4 】。 调查结果显示，目前我国蔬菜加工机械却远远滞后于蔬菜出口的发展，现在主要靠合资外方从国外 进口，价格昂贵，如牛蒡、胡萝h 切丝机，从日本进口一台普通( 长短、粗细不可调) 切丝机，需人民币 1 2 万多元。为适应蔬菜加工的需要，我们设计多功能蔬菜加工机，一机多用，只需更换切刀和部分零 件，即可加工各种异型块根状蔬菜，如铅笔屑状( 牛蒡) 、各种异型状片( 葫萝h 、土豆的梅花状、菊花 状、树叶状，球拍状等) 、丝条( 葫萝h 、牛蒡等) 、自由片( 牛蒡、葫萝h 、姜、蒜等) 及菜酱等。该机 的多功能化，取代了部分功能单一、价格昂贵的进口机械，蔬菜加工厂家只需购买一台设备就可加工多 种适合出口需要的不同规格的产品。投资少，效益高，适应于多品种、批量生产的需要，提高了设备利 用率。 加快蔬菜加工业的发展，提高企业技术装备水平，无疑将成为山东蔬菜出口发展的战略突破口，增 值增效潜力巨大。本课题旨在研制一种高效、可靠，实用、多功能蔬菜加工机械，重点解决我国蔬菜加 工机械功能单一、进口机械价格昂贵的问题。 1 2 蔬菜加工机械的种类 蔬菜的深加工，通常第一步就是对物料的尺寸进行减小。初加工处理过程就是尺寸减小的过程。 蔬菜的初加工通常是将其切碎成片、丝、小块和细末等形状，这类物料的加工设备称为块状物料切碎机。 由于蔬菜的种类繁多，切碎这些物料的切碎装置种类也很多。目前切割蔬菜类物料的机械主要有以下几 种【8 , 1 0 ： a ：盘刀式切碎机：这类切碎机的刀片的运动轨迹是一个圆形，它又可以分为： 立式盘刀式切碎机：其特点是刀片圆形轨迹面与水平轴垂直，常用的垂直盘刀式切碎机主要有两种 类型：简易式切碎机：刀片圆盘垂直安装在主轴上，圆盘上装有2 - - 4 把刀片，物料从偏置的料斗进入。 这类切碎机的刀片实际切割面积只占整个圆盘面积的3 0 - - 4 0 ，刀片利用系数k ”- - - 0 3 - 0 4 ，结构简单， 2 中国农业大学丁程硕士论文第一章绪论 使用方便和造价低廉。该机主要用来切割甘薯和萝h 等。双排圆盘式切碎机：在两个平行轴上，平摊地 交错安装着数把圆盘形刀片，两组刀片作相对回转，物料从喂料斗进入后被切碎。这种切碎机主要用来 切碎肉类和果品，其特点是切割质量好，汁液损失少，耗能少。结构比较复杂 水平盘刀式切碎机。它由喂入斗、水平圆盘和安装在圆盘上的2 - 4 把平板刀等构成。该切碎机的主 轴转速不能高，否则块状物科会因离心力的作用集中在圆盘的外缘，降低了刀片的利用率，为了防止萝 h 和白菜等物料随同圆盘一起回转，通常在喂入斗的侧壁装有几块阻挡板，以提高切碎效率该切碎机 刀片的利用系数k 一较高，达到0 8 加9 ，使用可靠，升差率较高。 综合式切碎机。这种综合式切碎机的特点是电动机与刀盘直联，结构紧凑，转速较高，刀片利用率 高，生产率很高，物料细碎，但切割白菜等多汁蔬菜类时，汁液流失较多。 b ：滚刀式切碎机 主要用来切碎青绿物料和块根块茎，其刀片安装在圆锥形或圆柱型滚筒上。由于圆锥仅部分表面和 喂入斗接触，所以刀片的利用系数k 一较低，一般为0 2 5 加3 5 。该切碎机生产率较低。工作可靠，结构 较复杂。 c ：离心式切碎机。 其类型比较多，常用的通用型切碎机和切丁机。 通用型离心式切碎机：该机适用于将各种瓜果( 如苹果，椰子和草莓等) ，果菜( 如番茄等) ，块根 类蔬菜( 如马铃薯、胡萝 、洋葱、大蒜头、荸荠和甜菜等) 与叶菜( 如卷心菜、莴苣等) 切成片状。 切丁机：该机主要用于将各种瓜果、蔬菜( 如蜜瓜、桃、李、菠萝，萝h 和马铃薯等) 切成正方形 的。丁一状、块状或切条【1 “。 1 3 国内外研究状况 随着我国改革开放，蔬菜加工出口的崛起，各种不同类型加工机械有了很大发展，开发研制的厂家 也比较多。从我们文献检索情况来看，国内单一功能的蔬菜加工机械品种较多，功能可靠但开发多功能 加工机械的厂家几乎没有，即使所谓的多功能蔬菜加工机械其实也是生产同类型的产品，只不过是针对 不同的原料而讲是多功能。生产上除了靠昂贵的进口机械外，主要靠手工加工和酱菜机械或饮事机械来 代替，加工成型不规则，成品率低，浪费大，不能满足日益迅速发展的蔬菜加工出口的需要国内蔬菜 深加工的研究尚属起步阶段。对蔬菜的品质和综合利用的研究与应用无成熟经验。对蔬菜成型机械的研 究尚属空白，不能满足日益迅速发展的蔬菜加工出口的需要7 1 7 2 ”。 国外情况：国外蔬菜生产机械化【“，2 7 ，“，具有6 个突出特点：1 蔬菜机械大型化；2 机械自动化； 3 使用高技术；4 广泛应用多功能机械；5 质量稳定可靠，使用寿命长；6 售后服务好。与此同时，国 3 中国农业大学1 = 程硕十论文 第一章绪论 外还广泛采用一整套现代化科学技术和先进设备，实行科学化加工。生产企业在研发产品时使产品和高 科技兼容，在机器智能化上下功夫，通过优化设计切削结构、动力控制、输送装置等减轻劳动强度，加 大操作的舒适性，实现系统内按钮操作。并且加大控制系统的科技含量，通过仪表装置就可以随时了解 机器的生产、安全等技术指标和使用状态，使产品发挥出最大效能。同时，生产的加工机综合应用了信 息技术、先进的加工工艺，实现了计算机与高精度的机、电一体化等产品的有机结合，大大提高了产品 质量。 1 4 研究的主要内容 蔬菜的深加工，先进的工业化国家起步较早，设备先进，有规范的检验标准，但因其设备昂贵，用 户滩以承受，加之一些先进的加工技术对我们保密，致使我们不少的蔬菜出口后需要二次加工，效益流 失严重。 本课题旨在研制一种可加工丝条、各种异型状片、铅笔屑状，自由片、酱菜等不同规格的适合出口 需要的多功能加工机械，具体内容如下： ( 1 ) 研究合理的切削装置，满足多功能( 可加工丝条、片、铅笔屑状、各种异型片等) 的需要，各种 不同的刀具具有互换性，调整方便，以完成异形状的加工。且规格尺寸在一定范围内可调，确保高效、 耐用，操作方便； ( 2 ) 由于蔬菜的种类多种多样，各种蔬菜的物理特性不同，为了保证研制适合加工各种不同形状的 物料，蔬菜的输送和固定是非常重要的工作条件，因此必须研制合理的送料机构； ( 3 ) 研制合理的传动机构，要求简练、新颖、实用。根据我国的国情，在部件的原理和结构的设计 中，以操作维修方便和降低成本为主要研究方向，寻求合理的工作原理，要求功能多样化；对结构进行 优化设计，以高效、节能、通用和工作可靠为目标； ( 4 ) 设计能加工各种异型蔬菜产品的刀具。 主要技术指标：( 1 ) 配套电机为7 5 0 w 调速电机。( 2 ) 纯小时生产率( 以5 m m 厚的土豆片为例) 达到 4 0 0 k g h 。( 3 ) 适应加工的蔬菜：块根状蔬菜，如牛蒡，葫萝h 、土豆、姜、蒜、萝h 、地瓜等；叶菜 状蔬菜，如菠菜，大白菜等。“) 加工功能：可加工成长2 0 m m 5 0 m m ，粗为2 m 1 0 m 的丝条，厚度为 l 棚 8 m m 的各种自由片及异形状片，铅笔屑状，颗粒直径为0 5 m m 左右的蔬菜酱，长为3 0 m 6 0 m 的 蔬菜段。 4 中国农业大学工程硕士论文第二章工作机理与结构分析研究 第二章工作机理与结构分析研究 2 1 蔬菜切削有关理论分析 众所周知，切割金属时可假定消耗的切割功直接与切割材料的横截面大小成比例 1 ”。相反，在切 割蔬菜时，由于蔬菜具有特殊的结构( 纤维) 阻力。此力的大小主要与切割方向有关，而与切割的横截 面大小关系不大。换句话说，切割阻力和功耗主要与割刀相对蔬菜的位置有关。割刀相对蔬菜的各种位 置如图2 1 所示。 序号刀刃相对蔬菜的位置切割方法6 和8 角变化范围切割时发生的现象 横向切割6 - - 0 开始时蔬菜被刀刃 l也墨剖钞 ( 砍切) 0 = 0 挤压然后开始切割 啦 冒 开始时蔬菜被刀刃挤压 2 嘬 斜切0 ( 6 f ，则p p ； 若妒f ，则p p 。 a p 考虑到实际情况，即切割机f 值为：1 5 。 t a n a 式中伊摩擦角； 图2 5 作用在两带辊拉入的蔬菜上的力的分解 a 滚轴和压随蔬菜的接触角。 由此得出蔬菜在滚轴间移动的必要性，即摩擦角必须大于接触角，口妒 当然这个推论同样适用于另一根带辊，由图中看出 d d + d d d dd 口- 一s ( 1 一书c 妒 这个公式表明，随着d 和d 的增加a 角减小，事实上增加d 将改善带辊抓取蔬菜的能力，但同时 容易咬伤蔬菜并使拉过蔬菜的能力恶化。在口。妒时， d 。垡二芝 1 一c o s _ ( p 为了保证抓取蔬菜必须满足 d ，生二芝 1 一c o s 矿 一般采用d d l ( 0 6 0 9 ) d 图2 6 带辊实例 对于光带辊，_ f l 一0 5 0 ，口一2 7 。为了增加带辊的夹持能力，通常在带辊的圆周表面有各种形 状的凸起( 图2 6 ) 。对于这些辊轴当卢。1 ，口可以大大提高( 直到4 5 ) 前苏联研究表明，带辊 上凸起的数目对带辊的工作质量影响很小，而比较重要的是凸起的高度和形状 机器的工作速度取决于生产率。通常所说的每对带辊的生产率可以表示为 q 。业王 t ( k g s ) 式中 g l 拉过蔬菜的质量( k g )g 2 切下蔬菜的重量( k g ) f 被切菜移动时间。 婚嗲够 中国农业大学工程硕士论文第二章工作机理与结构分析研究 2 3 设计方案的选择及论证 不同的食用要求对被切碎物料的规格和质量各不相同。食用时可将叶菜类蔬菜切割成碎段，将块根 类蔬菜切割成片、丝和末、酱等不同的形状因此，为达到出口蔬菜的需要，对切削的工艺要求是： 切割省力，耗用功率少；加工质量好，特别是切割营养丰富、含水份多，流变性突出的蔬菜时，要求 碎屑少和流汁少，这就要求切刀刃薄而锋利；适于加工切割成不同几何形状和大小的成品；切碎工 作部件有足够的强度和刚度；有效的送料，解决耗用大量劳动力问题“” 蔬菜种类很多，叶菜类如大白菜、菠菜等，块根类如胡萝h 、牛蒡、马铃薯、甘薯等，上述物料在 形态上的共同点是类似球行，椭圆行，园柱形和不规则形状，它们都要经过尺寸减少的加工处理过程， 将其切成一定形状，我们把这类机械统称为蔬菜切碎机，即加工机。通常这类加工机主要有两种类型： 盘刀式加工机和滚刀式加工机。滚刀式加工机的特点是动刀片刃口线的运动轨迹呈圆柱形切碎器为滚 筒式，整机结构比较紧凑，切割质量比较好，负载比较均匀，但由于叶菜与块茎类蔬菜的切割阻力，需 在滚筒主轴一侧配置飞轮以增加转动惯量，那样，刀片对滚筒主轴会引起明显的轴向力，此外磨刀刃比 较困难。盘刀式加工机的特点是动刀片刃口线的运动轨迹是一个垂直于回转轴的圆形平面。物料由输送 带传送，切割部件安装在回转轴的园盘上。这类加工机的通用性广，切割质量更好，生产效率高，刀片 拆卸和安装方便，自动化程度较高，是目前应用晟为广泛的一种切碎机械设备。因此我们设计多功能蔬 菜加工机采用盘刀式加工机构造和工作过程。 2 3 1 切削部分的设计 出口蔬菜要求规格一致；长度误差小，切片厚薄均匀；切面质量好，组织新鲜；形状各异，品种 繁多，一机多用。因此，要求加工机切割副必须配合合理刀具具有一定的强度和刚度喂入口配置 合理刀具具有互换性，通过刀具的简单更换，满足加工各种不同规格形状蔬菜的要求，以达到出口产 品的质量要求，因此设计切削部分必须满足能够切削丝条、片、末、段、异形片等规格形状与质量的要 求。 切割副结构参数的确定：动刀片和定刀片组成的切割副的结构参数如图2 7 所示，动刀片的磨 刃角y ，刃口锐角6 ，切割角a ，刀片安装角b 。动、定刀片之间的间隙6 ：。y 角直接影响切割阻力 的大小。刃口锐角6 是一个独立的几何参数，它不取决于磨刃角y 或物料和刀片刃口侧面的摩擦系数f 值。对于切割蔬菜，刃口锐角6 = 2 0 1 0 0 微米足够。使用时，当6 ，。1 0 0 微米厚度时，算是钝刀刃， 即需要磨刃。为了磨刃到开始时的锐利程度，一般在刃口处留出宽度为的磨刃区域，而a = 6 。i t g y 若被切割的蔬菜强度大，则y 角要小些，但为了延长刀片的使用期，y 值尽量大一些。经过多次实 1 0 中国农业大学工程硕十论文第二章工作机理与结构分析研究 验，我们取y 为4 0 。左右为宜，6 。为0 5 1 为宜。 c c ) c 图2 7 刀片结构参数 ( a ) 动刀片结构参数( b ) 动刀片安装角( c ) 切割副 1 动刀片2 。定刀片 刀片形状与性能分析：直刃口刀片几何形状简单，易于制造和磨刃，缺点是切割阻力和切割阻 力矩变化较大。设直刃刀片a b 距离0 点为p ，见图2 8 。 图2 8 切削刀片形状的性能分析 直刃口刀的方程式为r c o $ e = 常数，式中r 刃口上切割点k 到回转中心0 点的距离，e 一刀片回 转角。从图上可以看出：h = r s i n ( t x ) - - - u t g ( t x ) ， h u = t g ( t ) = ( t gt t g x ) ( 1 + t gt $ t g x ) 所以：t g x = ( u t gt h ) ( u + h t gt ) ，因u = ( r 2 _ h z ) 1 2 ，t g f = p ( r 2 - p2 ) 1 2 1 1 中国农业大学工程硕士论文第二章工作机理与结构分析研究 因此t g x = ( p ( r 2 _ h 2 ) - h ( r 2 - p2 ) 2 】( c - h 5 “2 ( r 2 - p2 ) “2 + h p ) 上式中h 和p 都是定值，不同用途和不同类型的切碎机其h 和p 有一定比值。x 角和r 成反比，即开始 时r 小，x 角大，随着r 的逐渐加大，x 角逐渐减小。 滑切角t 的变化规律见图，也和钳住角x 的变化规律相一致。t 角和r 成反比，因为 t gt = p ( r - p ) ”，由式可看出，随着r 的增加，t 角减小，切割阻力增加，使轴上的扭矩不均匀。 当p = o 时，t ：0 ，此时，仅为砍切。欲使开始切割时， 乃片的x 和t 角不致过大，切割终点时，刀片的x 和 t 角不致过小，以便尽量使切割阻力和阻力矩的变化 不大，我们将直刃口刀制造成月牙刀，如图2 9 所示。 这种刀刃结构简单，容易制造与磨锐，既有一定强度 又有一定刚度。 撅穗藏宠冀 图2 9月牙刀 喂入口的配置：加工机喂入口高度a 和宽度b 主要取决于机器外形大小和生产率的高低。在生产 率相同情况下，喂入口的长宽比有所不同。如图2 1 0 所示，a b 形状比九b 形状好，其原因是丸b 形 状在切割初期压缩变形很大，刀片对蔬菜的挤压功较多， 而且会影响切割质量；a b 形状的宽度也不宜过长，否则 刀片的回转半径大，机器结构也庞大；此外，切割开始和 终了的阻力矩的差异也比较大，因此，经过实验，我们采 用b a = 1 0 1 3 。经过多次实验，我们确定b ：1 1 8 a , b 值 为1 3 0 m ，从而可求出a 值为l l o m m 喂入口与回转中心的距离h 和c ：加工机回 转中心的配置高度h 是指从回转中心0 点到喂入 口底边线之问的垂直距离，配置距离c 是指0 点 到喂入口侧边线之间的距离。h 和c 值对于切刀 盼滑切角t 和钳住角x 有着较大的影响，对加工 机的性能关系甚大。回转中心0 点与喂入口有三 种配置方案，如图2 1 1 所示，第一种情况h 0 。 回转中心0 点位于喂入口下边缘水平线之下，即 固定刀刃线之下，由图可知，h = u t g ( x - t ) ，x = f + a r c t g h u 由式可知，钳住角大于滑切角，采 用较大的滑切角受到限制。采用这种配置方案， 往往在切割终了时x 角过大，钳制作用不够，会 把物料推出去，但采用较小的钳住角，则滑切作 亡 j b 一o 一 图2 1 0 喂入口形状 拨 羹： 丑馔乏 图2 1 1喂入口配置方案 1，la，。 中国农业大学工程硕士论文第二章t 作机理与结构分析研究 用又不够大。这种配置的最大滑切角tm a x 为： f m a x ( 巾l + 中2 ) 一a r c t g h u 第二种配置情况h = o 即回转中心位于喂入口下边缘的同一条水平线上，此时x - t ，这种配置与第 一种情况有相同的缺点，虽然情况有所改进，但仍不够理想。 第三种配置情况h 0 。 回转中心0 点位子喂入口下边缘线上方，由图可见此时x h ( b + c ) t g ( t m a x - 2 由) ，对于蔬菜加工机通常 tm i n x m i n = 3 5 9 4 0 6 。则h _ ( 1 2 3 5 ) c ，或c = ( l7 2 ) h 。经过多次实验，我们确定c = 1 8 h ，c 值 为9 0 m ，从而可求出h 值为5 0 m m 。 2 3 2 送料部分的设计 蔬菜的形状是不规则的，自动进料的问题一直困扰着人们，所以大多数的蔬菜加工机都是手动送 料。研究适合加工各种不同形状蔬菜的送料机构，达到生产的连续性，提高产品加工质量和生产效率是 本课题送料部分设计的宗旨。我们查阅了大量的资料 1 。翻，确定送料机构采用辊压操作、皮带输送、自 动调整夹持的设计方案。要求的运动过程是：压辊的直径相等，速度相等，且同时驱动；被压物料等速 运动；物料仅承受压辊施加的力作用；输送的对象是连续的，机械性质是均匀的；输送物料的物理与化 学性质不能发生变化。 导入条件与压辊直径的确定：在接触区内物料a 点的受力 情况如图2 1 2 所示。图中，p n 为压辊对物料的正压力，p f 为压辊 对物料的摩擦力，由为摩擦角，n 为导入角将p n 与p f 分别分解 p 嘲2 1 2导入嚷件 中国农业大学工程硕士论文第二章工作机理与结构分析研究 成水平方向的力p 、p f i 与垂直方向的力p n ，p f ，那么正确导入的条件是：在水平方向上，摩擦力对物 料的作用应该大于正压力的作用。用公式表示为：p f 。 p n 。，即p n t g 巾c o sa p n c o s ( 9 0 一a ) ，整理后得 t g 由 t g a 或f t g a 式中卜压辊表面与物料的摩擦系数只有满足此条件，物料才可能连续顺利地 进入压辊问。由以上推导知，导入角。的正切值为：t g d = ( d 2 ) 2 _ ( d 2 一a h 2 ) 2 】1 7 7 ( d 2 一a h 2 ) = d z 一( d _ h ) 2 】1 7 2 ( d h ) 式中a h 为绝对压下量，代入得t g m d 2 一( p h ) 2 】2 ( d - a h ) ，整理得d ) 2 h s i r 巾。经过多次实验，我们最终确定压辊直径为：零8 0 m m ，外圆滚花。 横压力与运动过程分析：在输送物料过程中，物料对压辊产生横压力( 径向作用力) 和接触应( 切 向作用力) 。横压力使两辊分离，其方向垂直于辊面，其大小随物料进入压辊问的位置而逐渐变化，横 压力分布如图2 1 3 中虚线所示，由流体捏炼理 y 论，可得单位长度横压力p d ，p j = kn v d e ， 式中p f 一单位横压力( k g f c m ) ， v 一压辊线速度( c m s ) ， n p _ 嘞料表观粘度( k g s c m 2 ) ，吨辊间隙 ( c m ) ，k - - 比例系数 由此可看出，压辊间隙与输送带线速度对物料 的输送起着决定的作用横压力过大，损坏蔬 菜，横压力过小，不能有效地夹持与输送蔬菜， 更谈不上有效地切割所以，我们采用了两种 图2 1 3 压力与速度的分布 x 方法解决这个问题。第一，输送带线速度由调速电机调节，可大范围精确地调节其速度，直至达到各种 蔬菜输送的要求第二，上带输送带由拉簧将其拉紧，以保证压辊间隙最小。从而保证切向作用力。拉 簧可以调节，以适应不同的要求。 输送结构的确定：我们根据以上的分析与论证，参考常用的国内外输送蔬菜设备确定其结构如图 2 1 4 所示送料机构在水平输送时，主动双联链轮1 5 通过下滚子链1 6 带动中间链齿轮1 8 转动，中间链 齿轮1 8 与下带驱动齿轮1 9 啮合，下尼龙输送带1 2 在下带驱动辊2 0 作用下，向前方转动。同时，主动 双联链轮1 5 又通过上滚子链1 0 带动上带驱动链轮9 同步转动，这样，上尼龙输送带3 在上带驱动辊8 作用下，向前方转动。因此物料在两辊间的压力及物料重力作用下，在物料表面产生外摩擦力，在 1 4 中国农业大学工程硕士论文第二章工作机理与结构分析研究 图2 1 4蔬菜输送结构图 1 上带从动辊2 上带转臂3 上尼龙输送带4 拉簧5 上带涨紧轮6 上带调节螺丝7 挡块 8 上带驱动辊9 上带驱动链轮1 0 上滚子链1 1 上带驱动支撑座1 互下尼龙输送带1 3 下带从动辊 h 下带调节螺丝1 5 主动双联链轮坫下滚子链1 7 固定座1 & 中间链齿轮1 9 下带驱动齿轮 舶下带驱动辊 物料问产生内摩擦力，带动物料连续整体被输送，而不致发生打滑与翻滚现象。为增加摩擦力，调节拉 簧4 将整个上带输送机构拉紧来缩小上、下辊的间隙。整个上带输送机构可围绕上带驱动辊8 的中心转 动。上带调节螺丝6 与下带调节螺丝1 4 可调节输送带的松紧，以达有效地输送。 2 3 3 传动部分的设计甄列 为了适应不同形状、不同规格的蔬菜加工，切菜机的切削速度和传送速度要求亦不相同。本方案 采用数字调速电机作为动力，可通过调整控制面板上的数字，来改变切削机构和传送机构的转速，从而 实现切割蔬菜规格的调整。省去复杂的调速、变速机构，实现无级变速，可大大降低生产成本。我们查 阕了大量国内、外资料 犯蛐，确定采用l i c d 型调速电机，这种电机的无级调速也是靠电磁转差离合器 来完成，不过增加了数字智能化控制器，以达到多功能蔬菜加工机的要求我们使用的电机控制器主要 特点有：交流无级调速，具有速度负反馈的自动调节系统，速度变化率低于3 。结构简单，使用 维护方便，价格低廉。无控制区，调速范围广，最大可达1 0 ：1 控制功率小，便于自控和遥控， 1 5 中国农业大学工程硕士论文第二章工作机理与结构分析研究 适用范围广启动性能好，启动力矩大，启动平滑。据此，可大大降低多功能加工机的成本，实现多 功能的目的 2 4 蔬菜加工成型刀具的研究 我们设计多功能蔬菜加工机，一机多用，只需更换切刀和部分零件，即可加工各种异型块根状蔬 菜，如铅笔屑状( 牛蒡) ，各种异型状片( 葫萝h ，土豆的梅花状、菊花状、树叶状，球拍状等) ，丝条( 葫 萝h 、牛蒡等) 、自由片( 牛蒡、葫萝h 、姜、蒜等) 及菜酱等。下面分别给以定性描述。 2 6 1 切片或段的实现 如图2 1 5 ，图2 1 6 所示，刀片直接安装在旋转轴上，调节电机的旋转速度可直接调节切割蔬菜 长度，由实验可知，加工蔬菜长度误差小于0 5 m 。只需按照所切蔬菜要求调整面板上的数字，从而 调节电机速度即可切出相应规格的蔬菜( 易打滑蔬菜误差偏大，可根据实际要求调整到理想长度) 。如 果切制蔬菜规格在l 1 5 m 范围内。由图2 1 6 所示的标准月牙双刀切削加工，如果切制蔬菜规格在1 6 5 5 m 范围内，由图2 1 5 所示的标准月牙刀切削加工( 注意将一片切刀拆下换上随机附件配重块) 。 图2 1 5标准月牙刀 2 6 2 切丝的实现 图2 1 6标准双月牙刀 要加工成丝，片等蔬菜或者体积较小的蔬菜( 如大蒜、姜、芋头、洋葱、土豆等) ，片刀和丝刀用 螺钉固定在刀盘的正、反面上，两者之间的距离在一定范围内能进行调节，可切不同三维尺寸的丝或片。 如图2 1 7 、图2 1 8 所示，片刀固定于转盘上，可用螺钉来调节片刀与转盘侧面的间隙。松开紧固 螺钉，调整调节螺钉使片刀与转盘的间隙适当后，拧紧紧固螺钉。丝刀是组合件，由刀盒、丝刀、垫片 组成，此组合件用螺钉固定在转盘上，也可进行调节。松开紧固螺钉，调整调节螺钉，使丝刀的刀尖片 刀刀刃0 5 l m ，间隙适当后，拧紧紧固螺钉菜丝的宽度由刀组之间的垫片决定，是通过更换丝刀垫 片来实现菜丝尺寸的变化；菜丝的厚度由片刀与转盘的间隙来决定，通过调整片刀来实现尺寸变化。 中国农业大学工程硕士论文第二章工作机理与结构分析研究 图2 1 7 圆盘丝刀( 正面) 图2 1 8 圆盘丝刀( 反面) 2 6 3 切蔬菜末或蔬菜丁的实现 要加工成末，丁等蔬菜，圆盘刀要改成如图2 1 9 所示的擦孔盘形式。由不锈钢材料经冲床加工而成， 类似于我们家庭用的擦撑。通过调节输送速度与圆盘速度，来达到切成末还是丁的尺寸要求。 2 6 4 部分蔬菜被加工成型的图样展示 白葵丝 图2 1 9 圆盘擦刀 1 7 萝l 丝 中国农业大学工程硕士论文第二章工作机理与结构分析研究 2 5 多功能蔬菜加工机的主要结构 本机主要有机架、物料输送及夹持部分、切削成型部分、传动部分、数字控制部分等结构组成，其 结构简图如2 2 0 所示，实物图如2 2 1 所示。 切削成型部分由调速电机，皮带轮，主轴，动刀盘，动刀，定刀，定刀座等组成； 物料输送夹持部分：下带驱动轮，下带从 动轮，下带中间轮，下带涨紧调节螺丝，下输送 带，上带驱动轮，上带从动轮，上带涨紧轮，上 中国农业大学工程硕士论文第二章工作机理与结构分析研究 带涨紧调节螺丝，上输送带，上带拉紧簧，拉簧 挡块等组成； 传动部分主要由调速电机，皮带轮， 驱动链轮，双联链轮，中间传动链轮，驱动齿轮 滚子链等组成。 2 6 多功能蔬菜加工机的工作与传动原理 图2 2 1多功能加工机实物图 2 6 1 工作原理 2 i 堆菜部分2 螺扦3 输菜船分4 数控盒 5 手轮6 护扳7 机颦8 护板9 壳体 图2 2 0多功能加工机结构简图 23 4 5 6 l 切刀2 压菜带3 压菜辊4 蔬菜5 输送带6 辊筒 图2 2 2 多功能加工机工作原理图 如图所示2 2 2 所示，当物料放在下输送带上时，下输送带带动物料向前运动，进入上输送带与下输 送带的间隙之间，上、下输送带将物料夹住。本设计的传动使上下夹持传动带具有相同的线速度。这时 物辩运动的速度与上、下输送带的速度同步。与此同时，主轴带动动刀盘做旋转运动，刀盘带动动刀也 傲旋转运动。当物料前进到定刀前端的位置时，动刀切削物料，根据刀盘上安装动刀具的不同，便将物 料切削为片状、丝状、条状等规格形状。 中国农业大学工程硕士论文第二章= r = 作机理与结构分析研究 根据不同的物料自动调节迸料间隙，由于蔬菜的外型非常复杂，即使同一种蔬菜粗细程度也不一样， 因此要求送料间隙应能够自由调节，这样才能达到多功能加工的目的为此我们设计上输送带由上带拉 紧簧调节其与下输送带之间的间隙。当输送物料比较粗时，上带拉紧簧被拉开，物料进入上、下输送带 时，将物料紧紧夹住，使物料随输送带同步运动。当输送物料比较细时，将上带拉紧簧调紧。物料进入 上、下输送带时，将物料紧紧夹住，使物料随输送带同步运动。 根据不同物料的加工要求调节切片的厚度或切段的长短上、下输送带通过双联链轮传动达到同 步运动，由调速电机调节皮带轮的转速，进而调节驱动链轮的转速，这样可调节输送带的运输速度，从 而调节切片的厚度或切段的长短。另外通过调节主轴的转速，也可微调切片的厚度或切段的长短，影响 比较小。 2 6 2 传动路线 多功能蔬菜加工机为了实现对多种物 料加工多种尺寸和形状的产品，除了在刀具 的配备上设计了多种类型刀具外。同时采用 特殊的传动方式，保证加工物料机传动如 图2 2 3 所示：上夹持输送带和下夹持输送 带为定速传动，分别有带传动、齿轮传动、 链传动等组成，并保证使上、下夹持带在夹 持物料处具有相同的线速度。另一路传动是 采用调速电机，带动刀盘旋转，通过调整数 字控制面板上的数字来改变刀盘的转速，从 而实现蔬菜切断长度的调整，切制满意长度 尺寸的蔬菜。采用调速电机尽管增加了机器 的成本，但可使传动系统简单，机器对多种 物料的适应性大大较强。 l 输送带2 压菜链传动3 输送链传动4 压菜带 5 切刀6 壳体7 前门8 刀盘9 轴承座1 0 大槽轮 1 1 电机轮1 2 普通v 带1 3 电动机1 4 大带轮 1 5 齿轮箱1 6 多锲带1 7 电动机1 8 中齿轮 图2 2 3多功能加工机传动原理图 本机特点：( 1 ) 通过更换刀具，可加工各种不同形状的蔬菜：片、段、丝、末等，提高了设备利 用率，适应小规模多品种的生产要求。( 2 ) 采用电磁调速电机，实现了无级变速，适应加工各种形状 的蔬菜，同时省去了复杂的变速机构，降低了设备的生产成本。( 3 ) 采用自动可调带式传动机构，可 自动送料，实现自动连续生产。 2 7 本章小结 本章首先分析了蔬菜切割时刀具形状、运动形式对切割阻力、滑切力与阻力矩的影响，由此确定了 2 0 中国农业大学工程硕士论文 第二章t 作机理与结构分析研究 切刀样式与喂料口的配置。然后又分析研究了采用何种结构、何种原理才能有效地夹持与输送各种蔬菜 原料进行切割，最后确定了采用上、下输送带夹持输送，自动抓取与定位的结构形式，达到各种蔬菜输 送的要求。同时，我们通过对各种成型刀具的研究，说明了蔬菜加工机多功能的实现过程；通过对系统 传动形式的分析研究，确定了动力形式采用双调速电