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南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)蓮藕切片機(jī)切片平滑度的研究和改進(jìn)楊德勇 胡建平 韋恩鑄 雷恒群 孔祥次農(nóng)業(yè)設(shè)備和現(xiàn)代技術(shù)的國家重點實驗室江蘇省教育部 江蘇大學(xué).江蘇.鎮(zhèn)江中國 江蘇省 212013電話 +86-511-8:傳真+86-511-8yangdy163.com金湖農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣站中國 江蘇省 211600摘要:針對蓮藕切削質(zhì)量不高和蓮藕片的斜邊問題,通過分析原因,改進(jìn)的方法就是減少刀在垂直方向的力。在Pro/E的環(huán)境下創(chuàng)建了蓮藕切片機(jī)的3D零件和裝配體。基于虛擬樣機(jī)技術(shù),切片機(jī)的運動學(xué)和動力學(xué)分析是在ADAMS軟件模擬實驗下實現(xiàn)的,獲得最佳的切削時間為0.2s0.3s,并且得到了刀在垂直方向上的力的曲線。刀在垂直方向上的力隨著曲柄偏移量的變化而改變。曲柄的偏移量優(yōu)化結(jié)果表明,當(dāng)曲柄的偏移量為-80mm時,在切削時間里的垂直方向上的力幾乎為零。測試結(jié)果表明,經(jīng)過改進(jìn)設(shè)計后,切片厚度的相對誤差小于10,這是能夠完全滿足技術(shù)要求的。關(guān)鍵詞:蓮藕;切削機(jī)制;平滑度;優(yōu)化1前言 中國是一個生產(chǎn)蓮藕的大國,蓮藕半成品系列食品的國內(nèi)消費和外部的出口需求量比較大,為了提高工作效率,減輕勞動強(qiáng)度,設(shè)計工作組,在借鑒人工切蓮藕片原理的基礎(chǔ)上設(shè)計和開發(fā)一個新型的切片機(jī)(畢偉,胡建平,2006年)。這種新型的切片機(jī)容易解決切片易斷,粘刀,難清理等問題,但過程中還是出現(xiàn)不平滑切削和一些斜邊的現(xiàn)象。本文通過對切削時刀片的分析,發(fā)現(xiàn)了一些造成斜邊現(xiàn)象的原因,并提出了相應(yīng)的改進(jìn)方法,并通過實驗得到了驗證。2 切片機(jī)切削結(jié)構(gòu)原理蓮藕切片的切削原理是機(jī)器的核心,性能直接影響切片的質(zhì)量。在使用PRO / E平臺下建立了蓮藕切削原理的虛擬樣機(jī)(圖1),結(jié)構(gòu)本身的原理圖如圖2所示。蓮藕切片機(jī)的切削原理是通過核心的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)往里面添加材料,它可以堆疊許多蓮藕,蓮藕依靠自己本身上部和下部的蓮藕,以便它能夠到達(dá)擋板的表面。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是由電機(jī)驅(qū)動,在滑塊上安裝刀片切蓮藕。但在切削過程中,發(fā)現(xiàn)在一塊蓮藕兩端面的平行度是不足夠的,這不能滿足加工的技術(shù)要求。圖1 蓮藕切削原理的虛擬樣機(jī)圖2 切片原理結(jié)構(gòu)圖切片機(jī)的蓮藕片平滑度的研究和提高。3 斜邊的原因厚薄不均勻和斜邊問題與刀片在切削過程中的力量有關(guān)。按照結(jié)構(gòu)原理(圖2),不考慮相互間摩擦和重量的因素,C點的力F的方向是沿鏈接方向。力F可以分解為一個水平方向的分力和一個垂直方向的分力。水平分力造成的刀沿垂直方向移動切削,但垂直方向上的力造成的刀沿垂直方向移動。由于滑塊和導(dǎo)軌之間的差距,垂直分力會使葉片在運動時變形,刀不能沿水平方向切蓮藕,導(dǎo)致出現(xiàn)斜邊。因此,解決斜邊的問題和提高切削質(zhì)量的關(guān)鍵是減少或消除切片時的垂直分力。 當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速為6090轉(zhuǎn)/分鐘,C點和刀片連接部位的水平和垂直方向的力曲線如圖3和圖4所示。從圖上可以看出,當(dāng)曲柄的速度提高后,C點水平和垂直方向的力也增加了,相對穩(wěn)定的水平力有利于切削蓮藕期間,但垂直方向上的力也逐漸增加。越多的垂直方向上的力,越不利于切削的質(zhì)量。圖3 C點的水平力圖4 C點的垂直方向上的力4 仿真和優(yōu)化如果提高切片的平整度,結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以減少垂直分力,所以盡可能的要刀片保持水平。當(dāng)曲柄速度6090轉(zhuǎn)/分鐘時,刀質(zhì)量中心的速度曲線和加速度曲線分別如圖5和圖6所示。根據(jù)速度曲線,在0.2s0.3s時間里,刀質(zhì)量中心的速度是比較大的。按照刀應(yīng)該有更高的速度來切削蓮藕的要求,這期間的時間切削比其他時間更有利。根據(jù)加速度曲線,一個周期計算,在0.15s0.3s的時間里,相比其他的時間段加速度值是相對比較小。這表明速度的變化相對較小,同時慣性產(chǎn)生的力小,切片機(jī)受力引起的振動影響小。因此,在0.2s0.3s里來切蓮藕有利于提高蓮藕片的切削質(zhì)量。圖5 刀片的質(zhì)量中心速度曲線圖6 刀片的質(zhì)量中心加速度曲線 基于上述分析,刀片和鏈接之間的垂直分力是造成斜邊的主要原因。根據(jù)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的特點,在切削時間段通過改變曲柄偏移來減少對刀垂直方向上的力,從而提高切削質(zhì)量。當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速為60轉(zhuǎn)/分鐘,曲軸偏心率得到了優(yōu)化。當(dāng)曲柄偏移量分別為40mm,20mm,0mm,-20mm, -40mm, -80mm, -120mm時,在不同的偏移量下模擬其原理,獲得了垂直方向上的力曲線,如圖7所示。圖7 不同偏移下的垂直方向上的力曲線圖7表明:偏心率為正值時,在0.2s0.3s隨著曲柄偏移量增加,C點的垂直方向上的力逐漸增加;當(dāng)偏心率為負(fù)值時,隨著曲柄偏移量的增加,力開始下降,然后在-80mm處開始逐步增加。所以,當(dāng)偏移量為-80mm,力在0.2s0.3s的數(shù)值降到最低,這時切削質(zhì)量是最佳的。 當(dāng)曲柄在其他的速度旋轉(zhuǎn),有相同的優(yōu)化結(jié)果。圖8顯示的是曲軸轉(zhuǎn)速為80轉(zhuǎn)/分鐘、曲軸偏移量為0mm到-80mm時,垂直方向上的力。從圖8可以看出,當(dāng)偏移量為-80mm時,C點垂直方向的里在0.2s0.3s大大減少。因此通過優(yōu)化曲柄偏移量可以減少垂直方向上的力。圖8 C點的垂直方向上的力5 實驗分析蓮藕片的厚度相對誤差反映了切削質(zhì)量,一般控制在10。在結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和改進(jìn)前,總是存在斜邊現(xiàn)象,厚度相對誤差約為15%左右,這是難以滿足的技術(shù)要求。對曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的偏移量進(jìn)行優(yōu)化,并根據(jù)優(yōu)化的結(jié)果,它的結(jié)構(gòu)有了一些改進(jìn)。改進(jìn)后的曲柄,在速度的條件為80110轉(zhuǎn)/分鐘時,切削試驗出來的厚度相對誤差的統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示。從四個速度層次進(jìn)行分析實驗,每個速度層次進(jìn)行三次實驗。表 1 切片厚度相對誤差 序號曲柄速度(轉(zhuǎn)/分鐘)809010011016.6%6.4% 8.2%9.5%25.3%6.1%8.5%9.2%26.4%7.9%7.9%9.4%平均6.1%6.8%8.2%9.4%來自表1的數(shù)據(jù)顯示,當(dāng)曲柄速度為80110轉(zhuǎn)/分鐘時,切片厚度相對誤差能滿足各項技術(shù)指標(biāo),尤其是當(dāng)曲軸旋轉(zhuǎn)速度為80轉(zhuǎn)/分鐘和90轉(zhuǎn)/分鐘時,厚度相對誤差低于7,達(dá)到了較高的切削質(zhì)量。6 總結(jié) 切削的過程中,表面不平整和斜邊的主要原因是作用在刀組件上的垂直分力,因此提高質(zhì)量的關(guān)鍵是減小垂直方向上的力。通過刀片質(zhì)量中心速度和加速度模擬分析曲線得到,0.2s0.3s是切片的最佳時間。通過優(yōu)化曲柄的偏移量,當(dāng)偏移量為-80mm時,垂直方向上的力在切削時間大大減小。經(jīng)過實驗改進(jìn)蓮藕切片機(jī)后,實驗結(jié)果表明,通過改變曲柄偏移量,厚度相對誤差不到10,完全能夠滿足要求。因此,平整度不理想和斜邊問題基本解決。參考文獻(xiàn)1 胡建平.蓮藕切片技術(shù)的學(xué)習(xí)和新的模型設(shè)計. 中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究(12),112114.20062 韋恩鑄.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的新型蓮藕切片機(jī)仿真優(yōu)化.江蘇大學(xué),20083 張 策.機(jī)械動力學(xué).高等教育出版社,19994 陳秀林.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計.浙江大學(xué)出版社,1999.5 陳麗萍,鄭云群,容微群.機(jī)械系統(tǒng)的動態(tài)分析和應(yīng)用指南ADAMS.北京:清華大學(xué)出版 社,2005第 7 頁 共 7 頁
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