红薯条切制机构设计

红薯条切制机构设计摘 要：随着人们的生活水平越来越高，对一些块茎作物的食用要求也越来越高。例如在食用土豆或一些薯类的时候要将其切成条或片，因而盘刀式切条机应运而生。本文设计的切条机主要针对中小型企业，例如加工作坊、食堂、家庭等。本设计针对一些块茎的形状而设计的。本文分别对带、轴、刀片、刀盘等进行设计计算，对轴承、键等元件进行了选择。本设计的切条机有较高的效率，能分别对红薯、土豆、洋葱等进行工作。关键词：切条；盘刀式；切条机；刀片The Design of Sweet potato cutting mechanism Student:Wang XiangTutor: Gao Yingwu(Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128)Abstract: With the development of economy, the tuber crops standard for the people is getting better and better. For example，people want to cut the potatoes and tubers into pieces, so the slicing machine was born. The slicing machine designed in this thesis mainly aims at some small and medium-sized places, such as the workshops, canteens and households. The slicing machine is designed for some tuber crops in this thesis. In this paper，the author designs and calculates the tape, axis, disk and razor, then selects the components of axle bearing and key. The slice machine designed in this thesis is of great efficiency, and it can be used to slice the soil beans, potatoes and onions.Keywords: Cutting; Disc cutter; Cut machine ; Blade1 前言红薯的营养价值非常高，市场潜力巨大。在国外，大约占40%的红薯加工成食品后进入消费市场。在国内，一向被国人视为不能登大雅之堂的红薯产品也突然间在市场上风靡起来。在北京、上海、广州及西安等全国大中城市，以红薯条、红薯泥为基本原料的麦当劳、肯德基食品已占据我国快餐市场的半壁江山，而从各种渠道进口的其它油炸薯片或膨化食品等也滚滚而来1。中国农科院副院长屈东玉博士在日前召开的中国红薯学术年会上指出：“红薯是一种产量高、适应性强、经济价值大的作物，应把红薯主产区列入国家粮食商品粮基地，享受与水稻、小麦等商品粮基地同样的财税待遇，这将是保证我国粮食安全的有效手段。”红薯条切制机构在农产品和食品加工业中发挥着重要作用。机构要求耐腐蚀，强度高，使用寿命长，操作舒适，省力， 一块原料一次切出，要使加工的尺寸规格完全一致，符合食品加工机械卫生标准要求。红薯原料形状不一，大多椭圆形，所以在切制的时候往往很难控制其均匀度，因此，研究设计合理实用的红薯条切制机构非常有必要。随着现在的快餐业迅速崛起，对茎块的食物的需求越来越多。像土豆薯条、薯片等休闲食品的消费急剧增长。这给茎块食物的加工带来了勃勃生机与活力。在茎块作物的加工过程中需将其切成条。因此切条机应运而生。按刀片安装形式的不同切条机可以分为盘刀式、滚刀式和转盘三种2。本设计主要针对加工效率较高、应用较为普遍的盘刀式切条机进行设计。2 国内外现状2.1 国外发展情况当今国外的红薯条切制机构设计生产已基本上形成系列化，设计制造工艺娴熟，使用方便操作简单，清洗快捷，携带方便，但也仍有不足之处，如机器使用时噪音大，常用零件易磨损，更换不方便等，希望能在以后的设计中不断完善创新，不断优化，以促进红薯条切制机构在人们生活领域内的广泛使用。在发达国家中红薯条切制机的应用很早就投入到食品加工机械中，各类切制技术的应用也是比较早的，发达国家有很高的食品工业产值，食品工业产值在工业总产值中所占比例一般在10以上，最高的接近18，食品工业是发达国家的主要工业支柱产业，发达国家为食品工业提供装备的食品机械行业已经发展成为一个重要的支柱产业，是机械工业的一个重要组成部分，发达国家食品机械性能高，自动化程度高，这样大大减少了劳动力，保证了生产速度，降低了劳动成本，节省了劳动时间，从而获得了更多的经济效益。现今市场普遍的切片机的基本类型的五种，按其结构可分为: 摇动式切片机, 轮转式切片机，滑动式切片机，推动式切片机，冰冻切片机3。普通最常用的是轮转式切片机。目前，国外的红薯条切制机构设计均往均匀切制进行研究探讨，红薯条切制机构已在各行各业起到越来越大的作用，这是我们今后对此类机械研究的重点、难点。2.2 国内切条机技术的发展概况我国的切条机技术始于七十年代初期，我国的切条机广泛应用于蔬菜、中药、冻肉等领域， 其中土豆的应用尤为显著4。目前我国切条机的主要方式有以下几种：(1)直线往复式切条机。直线往复式切条机的结构简单，但效益低。 因此它应用于工作要求不高、效益低的场合。(2)圆盘旋转式切条。圆盘旋转式切条机的机构简单也有较高的生产效益，因此它广泛应用于各种场合。(3)水枪式切条。水枪式切条机耗水量打， 只能切出平直的片， 因此它的应用不是十分广泛。(4)圆形（内圆切片的外圆切条）切条。圆形式切条机有很高的工作效率，但是结构复杂，设计较困难，因此它应用于工作效率要求相当高的专业领域。我国的切条的研究开发方面虽然已有30年的历史，近几年来切条机的研制发展也非常迅速，但是与发达国家相比目前仍然有一定的距离，研制的切条机没有得到大面积推广应用。虽然在我过已有切条机的生产厂家如山东省诸城市大洋食品机械厂的大洋牌土豆切条机有400型、600型、江阴鑫达药化机械的中药切条机等5。但我国的切条机方面仍然没有根本性突破。3 盘刀式切条机总体方案的确定3.1 结构特点与工作原理3.1.1 结构特点为了可靠方便的进料，偏心连杆盘刀式切条机采用垂直进料，水平进给的方式。偏心连杆盘刀式切条机由动力部分，传动部分，连接部分，执行部分，辅助部分组成6。动力部分，动力部分由电动机来提供动力，通过电动机的旋转带动一对V带轮传动，将转矩传递至偏心轮机构。传动部分，传动部分由带、带轮、减速器、偏心轮和连杆组成，通过一对V带传动将旋转运动传递给减速器，由减速器减速后再将旋转运动传递给偏心轮，偏心轮将旋转运动转化为直线运动，推复合刀盘前进，通过连接件发生运动关系。连接部分，连接部分比较关键，是该机械系统中比较复杂的部分，主要通过偏心轮机构来实现传动部分和执行部分之间的动作。执行部分，执行部分主要由偏心轮机构和凸轮式间歇运动机构来实现，通过偏心轮将旋转运动转化为直线运动，推复合刀盘切割红薯，利用刀盘直接进行退料，使传动紧凑。辅助部分，辅助部分主要是指对该装置起补充和完善的部分，主要指支撑架部分，红薯接收部分。其中滑座，刀座的结构形状大小由加工成型的产品来决定，改变料斗出口大小及施加红薯推力可控制进料多少，因而也就决定了红薯条的厚度和高度。 因此，我们按照上述原理，来设计和计算该机械。盘刀切条机由电动机、旋转转盘、皮带传动装置和输入、输出物料装置等组成。其结构如图1：1-电动机 2-机架 3-复合刀片座 4-滑杆 5-轴承座 6-连杆 7-减速箱 8-偏心轮 9-大带轮 10-皮带 11-小带轮图1 转盘切条机结构简图Fig.1 Leave heart type slice of structure3.1.2 工作原理及工作条件：盘刀式切条机采用电动机作为动力，电动机带动带传动，再通过减速器减速，带动偏心轮机构将旋转运动转化为直线运动，将红薯切条，利用复合刀片座将切好的薯条推出。此外，切条与起丝的转换可以通过更换刀片座来实现。配套动力：11.5 kw 切条截面是正方形，边长：15 mm 转盘转速：100250 r/min 生产率 5001000kg/h3. 2 机构的组成部分及特点3.2.1 电动机本设计选择电机为Y80M1-4，其额定功率为0.55 KW, 同步转速为1390 r/min （具体选择计算见第4部分）7。3.0.55 皮带传动装置 切条机选择V带轮作为传动装置，传动比为3.53。3.2.3 减速箱选取传动比为20的单级蜗杆减速器。4 电机的选择生产效率Q为 5001000 kg/h所以Q取600 kg/h, 配套动力：11.5 kw, 滑杆来回速度：2s。茎块一般为椭圆形，测定其长为100-120 mm, 宽为45-60 mm。由生产效率的公式Q=60Brn/1000abtz (1)Q=6080250n/100070154得出n201 r/minB 是刀片长度；r 为刀盘半径；n 为传动轴的转速；a b 分别是一般茎块的椭圆的长和宽；T 为切条厚度；这里切条厚度为15 mm.z 为刀片片数，刀片片数为4.由V带动传的传动比为3.53，则电机的转速范围是2013.53=709.53 r/min。 由配套功率为11.5 kw, 综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量、价格和带传动、减速器的传动比，选择电机为Y80M1-4，其额定功率为0.55 kw, 同步转速为1390 r/min电动机结构如图二所示：图2 电动机Fig.2 Electric voltage5 V带传动的设计计算5.1 求计算功率PC因为0.55kW，n1390 r/min，i1=3.53则由机械设计手册表13-15可知选KA=1.1则由公式 ： PC= KA P （2）则得出PC =0.551.1=0.605 kw5.2 选V带的型号可用普通V带或窄V带，现选普通V带。根据PC=0.605 kw, nd1390 r/min，由机械设计手册查出为V带为Z型带5.3 求大小带轮d2、d1基准直径 由机械设计手册中表13-9可知d1=5071 mm，现在取小轮d1=71 mm由公式：d2=n1d1(1-)/n2 （3）可得出d2=n1d1(1-)/n2=3.53710.98=156.2 mm。其中在机械设计手册查出为0.02由机械设计手册表13-9取d2=160mm虽然n2略有增大，但其误差小于5%，在允许的范围内，所以d2=160mm可以13。5.4 验算带速V由公式V= （4）则可以算出V带的速度V=5.57 m/sV带的带速度525 m/s的范围内，合适。5.5 计算V带的基准长度Ld和中心距a查机械设计手册由其中计算V带公式：a0=1.5(d1+d2) （5）初步计算选取V带的中心距a0则可以得出a0=1.5(d1+d2)=1.5(71+160)=504，现在取a0=470,由公式0.7(d1+d2)a0120所以得出包角合适。5.7 求V带的根数查机械设计基础由公式：Z= （10）已知n1=1390 r/min ，d1=71 查表可以得出 P0=0.30 KW由传动比i=3.53 查表13-5得 P0=0.03 KW由1=155.98 查表13-7得 K=0.95,查表13-2得KL=1.16,由此可得Z=2.357所以V带取2根5.8 求作用在带轮轴上的压力FQ查机械设计手册表13-1得出V带每米长的质量q=0.06 kg/m由公式：F0= （11）其中Pc为功率，Z为v带的根数，V为v带的带速，K为包角修正系数可以查表得出其值为0.95可以得出F0=82.4 N现在计算作用在带轮上的压力FQ ,由公式：FQ= （12）可以得出FQ=402.5 N6 V带轮的设计6.1 V带轮材料的选择设计V带轮时应满足的要求是：质量小，结构工艺好，无过大的铸造内应力，质量分布均匀，转速高时要经过动平衡，轮槽工作面要精细加工（表面粗糙度一般为3.2以减少带摩擦，各槽的尺寸和角度应保持一定的精度，以使载荷分布较均匀8。带轮的材料主要采用铸铁，常用的材料牌号为HT150或HT200，转速较高时采用铸钢，小功率采用铸铝或塑料。考虑本设计的功率情况和转速，本设计采用铸铁，材料牌号为HT200。6.2带轮的结构尺寸的设计6.2.1 带轮结构形式的设计铸铁制V带轮的典型结构有以下几种形式：1、实心式；2、腹板式；3、孔板式；4、椭圆轮辐式9。V带轮的结构形式与基准直径有关。当带轮基准直径为ddd（d为安装带轮的轴的直径，mm）时可采用实心式；当dd300mm时，可采用腹板式；当dd300mm时，同时D1-d1100mm时，可采用孔板式；当dd300时可采用轮辐式由5.3中的计算已知d1，d2：小带轮基准直径d1=71 mm安装轴带轮轴的直径d=38 mm ddd 小带轮选用实心式大带轮基准直径d2=160 mm dd300mm 大带轮选用腹板式6.2.2 带轮尺寸的设计V带轮的轮槽与所选用的V带的型号相对应，此设计选的是Z带，根据书上表格可直接得出10基准宽度b0=8.5 mm 基准下槽深度hfmin=7.0 mm槽间距e=120.3 mm最小轮缘厚min=5.5 mm带轮宽度 B=28mm带轮的总长L=（1.52.5）d=38mm 图3 主动轮Fig. 3 Drive sprocket大V轮d=160mm小于350，所以采用腹板式。由其轴径为39 mm.基准宽度b0=8.5 mm 基准下槽深度hfmin=7.0 mm槽间距e=120.3 mm最小轮缘厚min=4.5 mm带轮宽度 B=28mm带轮的总长L=（1.52.5）d=45mm 图4 从动轮Fig. 4 Follower sprocket轮槽工作表面的粗糙度为1.6或3.2，由于这两个带轮在切条机运行过程中起着非常重要的传动作用，所以两个带轮轮槽工作表面的粗糙度均取1.6。6.3 大小带轮上键的选取与强度校核 键主要用来实现轴和轴上零件之间的周向固定一传递转矩。有些类型的键还可实行轴上零件的轴向固定或轴上移动，对于轴上不需要滑动的需固定位置的齿轮采用平键。而对于经常移动的齿轮则采用花键连接，具体选型则根据其所在的轴确定。6.3.1 小带轮上键的选取与强度校核根据电动机的轴d=19mm，查机械设计手册11选取键宽B键高H为66mm键长L为36mm的普通平键联接。小V带轮上所受的扭矩T T=9550P/n=95500.55/1390=3.78N/m (13)小V带轮上键的强度为 （14）T传递的转矩，单位为N.m;K键与轮毂键槽的接触高度k=0.5h, 此处h为键的高度，单位为mm;l键的工作长度，单位为mm;半圆头平键l=L-b/2,L为键的公称长度,单位为mm.d轴的直径，单位为mm;键、轴、轮毂三者是最弱材料的许用压力，单位为Mpa, 查得=120Mpa小V带轮上键的强度足够。6.3.2大带轮上键的选取与强度校核根据减速器的轴d=30mm，查机械设计手册11选取键宽B键高H为108mm键长L为36mm的普通平键联接。大V带轮上所受的扭矩T T=9550Pi/n=95500.550.55/1390=8.316N/m小V带轮上键的强度为T传递的转矩，单位为N.m;K键与轮毂键槽的接触高度k=0.5h, 此处h为键的高度，单位为mm;l键的工作长度，单位为mm;半圆头平键l=L-b/2,L为键的公称长度,单位为mm.d轴的直径，单位为mm;键、轴、轮毂三者是最弱材料的许用压力，单位为Mpa, 查得=120Mpa大V带轮上键的强度足够。7 减速器轴的选择减速器是指原动机与工作机之间独立的闭式传动装置，用来降低转速并相应地增大转矩。减速器的种类很多，按照传动类型可分为齿轮减速器、蜗杆减速器和行星减速器以及它们互相组合起来的减速器；按照传动的级数可分为单级和多级减速器；按照齿轮形状可分为圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器和圆锥一圆柱齿轮减速器；按照传动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式减速器。根据偏心滑柱式紧压茶叶机的工作原理和要求，减速器应满足传动比大，实现交错轴传动。蜗杆减速器的特点是在外廓尺寸不大的情况下，可以获得大的传动大，工作平稳，噪声较小，但效率较低。其中应用最广的是单级蜗杆减速器。由上述要求，选取传动比为20的单级蜗杆减速器，减速器的型号为HWB 250-20-112。故该轴在此截面的右侧的强度也是足够的。本机无大的瞬时过载及严重的应力循环不对称性，故可略去静强度校核。至此,轴的校验结束,轴的校验合格。8 偏心连杆式机构的设计计算8.1 偏心连杆式机构的要求偏心连杆式机构是将偏心轮上的旋转运动通过偏心轮机构转化为直线运动，利用连杆将动力传递给滑柱对红薯茶叶进行切制成形加工13。要求在切制红薯时连杆的力恒为3000N，红薯条为长方体，长为120mm,宽度为15mm，高度为15mm。滑柱的行程为100mm,在空行程中要能实现快速退回，以提高生产效率。一般为间歇工作，每次工作时间短，工作速度也不高。该机械在加工时，应当满足工作强度要低，劳动生产率要高的要求。8.2 偏心轮机构的设计根据偏心连杆式机构滑柱的行程为100mm,在空行程中要能实现快速退回的要求和机构的结构设计要求，如图5所示，选取偏心轮回转中心与滑柱中心线的距离L1=38mm偏心轮的偏心距e=38mm,连杆L2=230mm,滑柱L4=220mm。 图3图 5 偏心轮机构Fig.5 Eccentric gear8.2.1 偏心轮机构的极位夹角和行程速比系数的计算图3所示为一偏心轮机构，偏心轮为原动件，则偏心距e为曲柄，当偏心距e和连杆L2两次共线时，偏心距e在两个位置之间所夹的角为极位夹角14。=16.47行程速比系数K （15） 偏心轮机构存在急回运动。机构的这种急回作用，在机构中常被用来节省空回行程的时间，以提高劳动生产率。8.2.2 偏心轮机构的的传动角和压力角的计算当偏心距e与滑柱的中心线垂直时,压力角最大,传动角最小,计算最小传动角 （16） 机构的传力性能好15。最大压力角的计算=90-= （17）偏心轮机构以偏心轮为原动件,能够做整周回转,因此,机构的传动性能好,无死点位置。8.2.3 滑柱的强度的计算根据压制成型茶的试验可得，滑柱所受的压力F=3000N,选取滑柱的直径为30mm, 材料为Q235，查表得许用应力 = 150Mpa，计算连杆的应力和校核 =7.6Mpa，斜坡角度的确定过程如下：FR= FN+F1 （21）要想让茎块能顺利下滑的话， 那么必须Gsin(-)0，也就是说时茎块就能顺利下滑， f=tg=0.4，得到=21.8，而， 所以取=45，也就是说料斗的倾斜角度=450。 料斗的设计图如下：图7 料斗Fig.7 Heppor刀片座是直线来回运动，是通过键槽连接固定在导轨上。12 机架的设计12.1 机架设计要求机架起到在机器中支承或容纳零、部件的作用，机架的设计主要应保证以下三点：1.足够的强度和刚度；2.形状简单，便于制造；3.便于在机架上安装附件等。绝定机架工作能力的主要准则是刚度。在盘刀式切条机的中刚度决定着切条机的生产效率和切削精度。强度是评定重载机架工作性能的基本准则。机架的强度应根据机器在运转过程中可能发生最大载荷或安全装置所能传递的最大载荷来校核其静强度。此外还要校核其疲劳强度。机架的强度和刚度都需要从静态和动态两方面来考虑。动刚度是衡量机架抗震能力的指标，而提高机架抗振能力应从提高机架构件的静刚度，控制固有频率，加大阻尼等方面着手22。机架受压结构及受压弯结构都存在失稳问题。有些构件制成薄壁腹式也存在局部失稳。稳定性是保证机架正常工作的基本条件。必须加以校核17。为了满足稳定切片和切削效率的要求，本设计的转盘切条机在功能上应该完成以下几点要求：1.在满足强度和刚度的前提下，机架的重量应要求轻、成本低。2.抗振性好。3.噪声小。4.温度场分布合理，热变形对精度的影响小。5.结构设计合理，工艺性良好，便于铸造、焊接和机械加工。12.2 机架材料的选用及壁厚选择材料的选用，主要是根据机架的使用要求。本设计中的红薯切条机的形状较复杂。铸铁的铸造性能好、价廉和吸振能力强，应用也最广。焊接机架具有制造周期短、重量轻和成本低等优点。由于本设计的机架结构较为复杂，为了满足支撑其它各零件的要求，本红薯切条机机架各零件零件采用HT200，整体选择焊接的方式。壁厚选择当机架零件的外廓尺寸一定时，因而在满足强度、刚度、振动稳定性等条件下，应尽量选用最小的壁厚。12.3 机架整体设计机架整体应起到固定及连接各零件的作用。机架结构如下图。图8 机架Fig.8 Machine frame机架由以下几部分组成：支腿、底板、电机护罩、输出滑板、机壳、连接板、支板、连接板、固定箱、固定箱盖。13 机体结构的设计机体就是由机座和箱体焊接而成，材料为HT200,箱体的安装， 为了减少整个机体的重量，采用机座把箱体支撑起来， 再把箱体和箱盖相连接，使得整体结构更简单、合理、稳定，减少震动。机座的下面安装电机，比带轮设置在机体外面，这样方便调节比带轮的松紧，检查皮带的安装是否正确到位。14 结论14.1 本设计的优点本切条机有多种功能，能将多种径类作物切成条，也能将其切成丝；同时该切条机结构简单，体积小，重量轻，生产效率处于大型接卸与手工劳动之间。适合工作与作坊、食堂、家庭等中小场合；另外该机构的明显要求就是切片无的尺寸要求低，使用广泛。14.2 存在的问题及改进的措施由于本设计因为个人知识有限，本切条机采用复合刀盘座，因此在切片的过程中难免会出现切片厚度不均匀的情况，还有就是本切条机占空间大。设计的切条机结构比较简单。主要改进措施是为了解决不均匀的问题，解决方案是： 在切片过程中始终保持切片的物体压紧，使其不跳动、不滑移。还有就是导轨的润滑比较的困难。还有能够通过人为去调节速度。本机构主要是针对中小型场合而设计的， 它可以对多种茎块类作物进行工作，且有较高的生产效率。本机构主要内容：1红薯切条机研究的目的、意义、国内外研究的动态；2红薯切条机总体方案的拟定和刀盘装置主要参数的设计计算；3红薯切条机传动方案的确定及设计计算，主要工作部件的设计；4红薯切条机受力零件的强度或寿命校核计算；5红薯切条机装置总图、部件图、零件工作图的绘制。通过这次毕业设计， 我从中受益良多；在设计过程中，是我在大学所学的理论知识系统的联系在一起，了解了机械设计的方法和流程，特别是思考问题和解决问题的能力，也使得我所学的知识得到一次比较全面的巩固，同时通过这次设计有学到了很多以前没有接触过的新知识，提高了自己的自学能力，从而为我以后更好地从事这项工作奠定了良好的基础。参考文献1 濮良贵、纪明刚. 机械设计M. 北京：高等教育出版社第八版. 143-2722 王与、王顺喜. 饲料粉碎机发展现状分析J. 北京：粮食与饲料工业2007，103 王昆、何小柏,汪信远.机械设计课程设计M. 北京：高等教育出版社1996年版 130-1524 刘曼茹锤片粉碎机的研究J. 北京：农业机械学报，l990，3(54) 5 沈长山. 饲料粉碎粒度对营养和加工成本的影响J. 北京：粮食与饲料工业.2000，46 王卫国. 饲料粉碎粒度最新研究进展J. 北京： 稂食与饲料工业2001，117 沈再春主编.农产品加工机械与设备M.北京.中国农业出版社.1993. 75-828 李良藻、汤楚宙主编. 农产品加工机械M.长沙：湖南教育出版社，1989.269 无锡轻工业学院主编. 食品工厂机械与设备 M.北京：中国轻工业版社，1993.76-7710 崔大同主编. 果蔬加工机械M.北京：北京农业大学出版社，1993.101-10311 第一机械工业部农业机械研究所.农业机械设计手册（上、下册）M.北京：机械工业出版社，1972. 23-2612 饶应昌.饲料加工工艺与设备M.北京.中国农业出版社.1996. 137-145 1