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南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
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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(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析是在ADAMS軟件模擬實(shí)驗(yàn)下實(shí)現(xiàn)的，獲得最佳的切削時(shí)間為0.2s~0.3s，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(shí)，在切削時(shí)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(jì)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(gè)生產(chǎn)蓮藕的大國，蓮藕半成品系列食品的國內(nèi)消費(fèi)和外部的出口需求量比較大，為了提高工作效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，設(shè)計(jì)工作組，在借鑒人工切蓮藕片原理的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和開發(fā)一個(gè)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(shí)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(shí)驗(yàn)得到了驗(yàn)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(tái)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(dòng)，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(diǎn)的力F的方向是沿鏈接方向。力F可以分解為一個(gè)水平方向的分力和一個(gè)垂直方向的分力。水平分力造成的刀沿垂直方向移動(dòng)切削，但垂直方向上的力造成的刀沿垂直方向移動(dòng)。由于滑塊和導(dǎo)軌之間的差距，垂直分力會(huì)使葉片在運(yùn)動(dòng)時(shí)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(shí)的垂直分力。
當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速為60~90轉(zhuǎn)/分鐘，C點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)的水平力
圖4 C點(diǎn)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60~90轉(zhuǎn)/分鐘時(shí)，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0.2s~0.3s時(shí)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(shí)間切削比其他時(shí)間更有利。根據(jù)加速度曲線，一個(gè)周期計(jì)算，在0.15s~0.3s的時(shí)間里，相比其他的時(shí)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(shí)慣性產(chǎn)生的力小，切片機(jī)受力引起的振動(dòng)影響小。因此，在0.2s~0.3s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(diǎn)，在切削時(shí)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(shí)，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(shí)，在0.2s~0.3s隨著曲柄偏移量增加，C點(diǎn)的垂直方向上的力逐漸增加；當(dāng)偏心率為負(fù)值時(shí)，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0.2s~0.3s的數(shù)值降到最低，這時(shí)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(shí)，垂直方向上的力。從圖8可以看出，當(dāng)偏移量為-80mm時(shí)，C點(diǎn)垂直方向的里在0.2s~0.3s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(diǎn)的垂直方向上的力
5 實(shí)驗(yàn)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80?110轉(zhuǎn)/分鐘時(shí)，切削試驗(yàn)出來的厚度相對誤差的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表?1所示。從四個(gè)速度層次進(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)，每個(gè)速度層次進(jìn)行三次實(shí)驗(yàn)。
表 1 切片厚度相對誤差
序號(hào)
曲柄速度(轉(zhuǎn)/分鐘)
80
90
100
110
1
6.6%
6.4%
8.2%
9.5%
2
5.3%
6.1%
8.5%
9.2%
2
6.4%
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80?110轉(zhuǎn)/分鐘時(shí)，切片厚度相對誤差能滿足各項(xiàng)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(shí)，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，0.2s?0.3s是切片的最佳時(shí)間。通過優(yōu)化曲柄的偏移量，當(dāng)偏移量為-80mm時(shí)，垂直方向上的力在切削時(shí)間大大減小。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)改進(jìn)蓮藕切片機(jī)后，實(shí)驗(yàn)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(jì). 中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究（12）,112~114.2006
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社,2005
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