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切菜機的設計
摘 要
蔬菜是人體所必需的一種食品，而且食用方法多樣。所以要把蔬菜加工成各種形狀，如條狀、片狀等；單靠人工來完成既費時、費力而且也不好加工。目前，多功能切菜機多為價格昂貴的大型設備，不適用于農(nóng)民個體生產(chǎn)及小型工廠的食品加工；為克服這種缺點，本設計在查閱了大量相關文獻資料的基礎上，進行切菜機的設計，經(jīng)過理論計算及校核，設計了一種小型多功能切菜機。該機主要由進料斗、下料斗、切削刀、刀盤及電動機組成，其工作原理是利用根莖類蔬菜的自由落體實現(xiàn)進料，通過切削刀旋轉(zhuǎn)將下料斗中的蔬菜進行切片或切絲，最后成品由出料口出料。實現(xiàn)了能夠連續(xù)進料和出料，片厚度、絲粗細可調(diào)的功能，具有生產(chǎn)率高、功耗低、安全可靠、加工質(zhì)量好等優(yōu)點。
關鍵詞：蔬菜，切削，電動機
VI
DESIGN OF THE VEGETABLE CUTTING MACHINE
Abstract
Vegetables are essential food for our body, and we uaually make them in various ways. In the process of eating, the vegetables need to be made into a variety of shapes, such as strip, sheet and so on; It is time-consuming, laborious and it is not easy to cut the vegetables well when we only depend on human themselves. Currently, multi-functional shredders are mostly expensive and large, they do not apply to individual farmers or small factories which produce food; In order to overcome this drawback, the paper makes a design of a small multi-purpose shredder on the foundation of a lot of relevant literature on the conduct shredder design, and it is also through some theoretical calculations and checking. The shredder consists of a feed hopper, hopper, cutting knife, the knife dish and motor, and its working principle is to use the freefall of root vegetables to realize the feed, then through the cutting knife to make the vegetables to slice or shred. Finally, the finished product come out from the discharge port. It is able to achieve a continuous feed and discharge, and it also has a function to adjust the slice thickness, wire thickness. It is a product which is with high productivity, low power consumption, safe, reliable, good processing quality and other advantages.
KEY WORDS:vegetables, cutting, motor
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 緒論 1
1.1前言 1
1.2國內(nèi)外的發(fā)展 1
1.2.1 國外的發(fā)展 1
1.2.2國內(nèi)切菜機技術(shù)的發(fā)展概況 1
1.3本設計的目的、意義及方案設計 2
1.3.1 本設計的目的和意義 2
1.3.2 方案設計 2
第2章 機械部分的設計與實現(xiàn) 6
2.1 總體設計 6
2.2 主傳動部分設計 6
2.2.1 電機的選擇 6
2.2.2 主傳動方式選擇 8
2.2.3帶傳動的設計計算 9
2.2.4 小帶輪的結(jié)構(gòu)設計 12
2.2.5 大帶輪的結(jié)構(gòu)設計 13
2.3 主軸部件的設計 14
2.3.1 軸的材料選取和結(jié)構(gòu)圖 14
2.3.2 計算主軸上的功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)距 14
2.3.3 初定軸的最小直徑 14
2.3.4 軸的結(jié)構(gòu)尺寸確定 15
2.3.5 軸承的設計 15
2.3.6 主軸支承方案的確定 16
2.3.7 主軸的校核計算 17
2.3.8 軸承的校核 22
2.4 鍵的選擇和校核 23
2.4.1 鍵的選擇 23
2.4.2 鍵的校核 23
2.5 刀具的設計 24
2.5.1 新月型刀具 24
2.5.2 圓盤刀具 25
2.5.3 刀具的最后設計 26
2.5.4 料斗的設計 26
第3章 機架的設計 28
3.1 機架設計要求 28
3.2 機架材料的選用及壁厚選擇 29
3.3 機架整體設計 29
參 考 文 獻 31
致 謝 33
附 錄1英文文獻 34
附 錄2中文翻譯 48
第1章 緒論
1.1前言
蔬菜是人生活中必不可少的營養(yǎng)豐富的食品之一，可為人體提供必需的維生、礦物質(zhì)、膳食纖維等有益于人體健康的功能成分。隨著人們生活水平的不斷提高，生活節(jié)奏加快，對食用方便、營養(yǎng)豐富、經(jīng)過加工的精細蔬菜的需求越來越大，對產(chǎn)品的品質(zhì)要求越來越高。蔬菜出口在我國起步雖晚，但由于中國蔬菜富含營養(yǎng)、品種齊全、質(zhì)優(yōu)價廉，深受各國消費者的青睞，因而近幾年蔬菜出口發(fā)展十分迅速，己成為創(chuàng)匯農(nóng)業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)。
隨著現(xiàn)在的快餐業(yè)迅速崛起，對莖塊的食物的需求越來越多。像土豆薯條、薯片等休閑食品的消費急劇增長。這給莖塊食物的加工帶來了勃勃生機與活力。在莖塊作物的加工過程中需將其切成片。因此切菜機應運而生。按刀片安裝形式的不同切菜機可以分為盤刀式、滾刀式和離心式三種。
1.2國內(nèi)外的發(fā)展
1.2.1 國外的發(fā)展
國外的切菜機技術(shù)始于六十年代，到七十年代已經(jīng)發(fā)展成熟，八十年代中期，大部分切菜機都可以加工直徑125mm以上的蔬菜，象瑞士的邁爾-布格耶斯公司的臥式內(nèi)圓切菜機，切割蔬菜直徑最大可以達到304.8mm。八十年代中期后的一、兩年，切菜技術(shù)發(fā)展到了鼎盛時期，相當多的多功能全自動切片機相繼商品化。從而誕生了世界上一些著名的切菜機廠家，如瑞士?Meyer-Burger?AG 公司的 TS 系列機，日本TokyoSemitsu株式會社的?TSK（若干）系列機，日本?Okamoto?Machine?株式會社的 ASM 系列機，美國?STC?公司的 STC 系列機等。發(fā)展到現(xiàn)在，就切菜機的功能而言，已經(jīng)相當齊全，而且復合化，切菜的方式也多種多樣。
1.2.2國內(nèi)切菜機技術(shù)的發(fā)展概況
我國的切菜機技術(shù)始于七十年代初期，目前我國切菜機的主要方式有以下幾種：
(1)直線往復式切菜機。直線往復式切菜機的結(jié)構(gòu)簡單，但效益低。因此它應用于工作要求不高、效益低的場合。
(2)圓盤旋轉(zhuǎn)式切菜。圓盤旋轉(zhuǎn)式切菜機的機構(gòu)簡單也有較高的生產(chǎn)效益，因此它廣泛應用于各種場合。
(3)水槍式切菜。水槍式切菜機耗水量打，只能切出平直的片，因此它的應用不是十分廣泛。
(4)圓形（內(nèi)圓切片的外圓切片）切菜。圓形式切菜機有很高的工作效率，但是結(jié)構(gòu)復雜，設計較困難，因此它應用于工作效率要求相當高的專業(yè)領域。我國的切菜的研究開發(fā)方面雖然已有 30 年的歷史，近幾年來切菜機的研制發(fā)展也非常迅速，但是與發(fā)達國家相比目前仍然有一定的距離，研制的切菜機沒有得到大面積推廣應用。
1.3本設計的目的、意義及方案設計
1.3.1 本設計的目的和意義
針對目前切菜機噪音大、電氣化程度低、成本高、刀具的磨損大、不能切葉類蔬菜、切片或切絲的形狀不規(guī)則、厚度不均等缺點，本次設計將對噪音大，成本高，切片切絲的形狀不規(guī)則、厚度不均來進行改進。
1.3.2 方案設計
方案一：直線式多用切菜機
1.結(jié)構(gòu)及原理圖
圖1是直線式多用切菜機原理圖，該裝置的主要工作部分由切刀1、壓蔬菜錕2、錕筒3、運送帶4和壓蔬菜輪5組成。在工作過程中，蔬菜由進料處由傳送帶3輸送，并通過壓蔬菜錕2和壓蔬菜輪5進行壓緊，然后由旋轉(zhuǎn)圓盤刀具1進行切削。其中壓蔬菜輪5可以上下移動。
5
4
2
3
料斗處
1
1-旋轉(zhuǎn)圓盤切刀 2-壓蔬菜輥 3-輥筒 4-運送帶 5-壓蔬菜輪
圖1直線式多用切菜機原理圖
2.該方案的優(yōu)缺點
優(yōu)點：一是設計先進，節(jié)能高效居同類產(chǎn)品領先水平；二是對蔬菜的體型大小要求不是很嚴格。
缺點：一是電機調(diào)速精度低，切絲長度不易控制；二是噪音大，電氣化程度低，成本高。
方案二：離心式切菜機
1.結(jié)構(gòu)及工作原理圖
圖2是離心式切菜機原理圖，該裝置的主要工作部分由切片厚度調(diào)節(jié)旋鈕1、撥動臂2、切片筒3和刀片4 組成。在工作過程中，蔬菜通過進料處放入，通過 撥動臂2使蔬菜高速旋轉(zhuǎn)，利用離心力使蔬菜緊切切片筒3由刀片4進行切削。其中切菜的厚度可以通過切片厚度調(diào)節(jié)旋鈕1來進行調(diào)節(jié)。
1
4
3
2
進料處
1-切片厚度調(diào)節(jié)旋鈕 2-撥動臂 3-切片筒 4-刀片
圖2離心式切菜機原理圖
2.該方案的優(yōu)缺點
優(yōu)點：一是具有結(jié)構(gòu)緊湊、合理和操作簡便；二是調(diào)整維修方便。
缺點：一是對刀具的磨損大。二是不能切葉類蔬菜。
方案三：旋轉(zhuǎn)式切菜機
1.結(jié)構(gòu)及工作原理圖
圖3是旋轉(zhuǎn)式切菜機原理圖，該裝置的主要工作部分由料斗1、葉輪及其刀片2、電動機3、皮帶機皮帶輪4和傳動軸5。在工作過程中，蔬菜在向上傾斜的料斗1內(nèi)依靠重力自動向下運動，通過利用電動機3帶動皮帶機皮帶輪4和傳動軸5 運動，然后由葉輪及其刀片2對蔬菜進行旋轉(zhuǎn)切削。
3
4
5
2
1
1-料斗2-葉輪及其刀片3-電動機 4-皮帶機皮帶輪 5-傳動軸
圖3旋轉(zhuǎn)式切菜機原理圖
2.該方案的優(yōu)缺點
優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊、堅固耐用、易于維修和更換刀具、可提高生產(chǎn)率、降低勞動強度。
缺點：切片或切絲的形狀不規(guī)則，厚度不均。
方案的確定：
對比上述三種方案，可以發(fā)現(xiàn)，方案三體型較小，操作方便，相比其他兩種方案清洗簡單，成本較低，適用于家庭，食堂，飯館使用，而且固定可靠，設計簡單。結(jié)合上述三種方案的對比，本設計將采用方案三完成切菜機相關參數(shù)的理論計算和對比。
64
第2章 機械部分的設計與實現(xiàn)
這一章主要介紹本切菜機系統(tǒng)的機械部分，包括主運動和進給運動方式的設計和實現(xiàn)，以及各主要零部件的校核計算。
2.1 總體設計
圖2-1是旋轉(zhuǎn)式切菜機原理圖，該裝置的主要工作部分由料斗1、葉輪及其刀片2、電動機3、皮帶機皮帶輪4和傳動軸5。在工作過程中，蔬菜在向上傾斜的料斗1內(nèi)依靠重力自動向下運動，通過利用電動機3帶動皮帶機皮帶輪4和傳動軸5 運動，然后由葉輪及其刀片2對蔬菜進行旋轉(zhuǎn)切削。
3
2
1
5
4
1-料斗 2-葉輪及其刀片 3-電動機 4-皮帶機皮帶輪 5-傳動軸
圖2-1旋轉(zhuǎn)式切菜機原理圖
2.2 主傳動部分設計
2.2.1 電機的選擇
目前最常用的主要是交流電動機，它可分為兩種：1.三相異步電動機。2.單相交流電動機。第一種多用在工業(yè)上，而第二種多用在民用電器上。下面以三相異步電動機為例介紹其基本工作原理起先，形成一個閉合的籠型繞組。定子三相繞組可接成星形，也可以接成三角形。
綜上分析可知，三相異步電動機的基本工作原理是：
（1）三相對稱繞組中通入三相對稱電流產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場。
（2）轉(zhuǎn)子導體切割旋轉(zhuǎn)磁場感應電動勢和電流。
（3）轉(zhuǎn)子載流導體在磁場中受到電磁力的作用，從而形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)使電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。
經(jīng)查閱手冊及相關資料，只要刀盤軸轉(zhuǎn)矩滿足T〉5N.m，即可滿足一般蔬菜的切削。由于刀盤太快了反而不好，不能保證質(zhì)量，初步擬定轉(zhuǎn)速450r/min，取轉(zhuǎn)矩T=15 N.m
（2.1）
（2.2）
由于課題要求使用三相異步電動機，所以選用三相異步電動機，額定電壓380V。
查閱機械課程設計手冊，可選用小功率異步電動機Y系列。該系列的特點是單相電容起動，起動力矩大，起動電流小，適用于滿載起動的機械。這樣在進行蔬菜切削時完全可以將蔬菜放進料斗以后在開動機器。
根據(jù)功率和轉(zhuǎn)速，由機械設計課程設計手冊查出的電動機型號有以下兩種傳動比選擇方案符合，如下表據(jù)機械設計課程設計手冊可知有：
表2-1 電動機的類型
方案
電動機型號
額定功率/W
電壓/V
轉(zhuǎn)速r/min
電機質(zhì)量kg
1
Y801-2
0.75
380
2830
16
2
Y802-4
0.75
380
1390
18
綜合考慮電動機和傳動裝置的尺寸，質(zhì)量以及傳動比。采用V帶傳動，采用第二種方案，設計V帶傳動比為3即可，不必另外安裝減速器。故采用第二種方案。因此選定電動機的型號是Y802-4。
該電動機的主要外型和安裝尺寸如下表2-2：
表2-2 電動機主要外形尺寸
中心高
外形尺寸
安裝尺寸
地腳螺栓孔直徑
軸伸尺寸
裝鍵部位尺寸
80
285×165×170
125×100
10
40
6
其主要外形安裝尺寸如圖2-2
圖2-2主電機外形圖
2.2.2 主傳動方式選擇
常見的傳動類型有鏈傳動、齒輪傳動和帶傳動。
鏈傳動的優(yōu)點：能夠保證準確的傳動比，壓軸力較小，傳遞功率大，過載能力強；能在低速重載高溫條件下及塵土大的情況下良好工作，傳動效率高。缺點是：工作中有沖擊和噪聲，磨損后易發(fā)生跳齒，鏈條的鉸鏈磨損后，使節(jié)距變大造成脫節(jié)，安裝和維護要求較高。
齒輪傳動的優(yōu)點是：能保證瞬時傳動比恒定，平穩(wěn)性高，傳遞運動準確可靠，傳遞的功率和速度范圍較大，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，可實現(xiàn)較大的傳動比，傳動效率高，使用壽命長。缺點是：造價較高，制造、安裝成本高。
帶傳動的優(yōu)點是；結(jié)構(gòu)簡單，適于兩軸中心距較大的場合，造價低廉，并且?guī)Ц挥袕椥?，可緩沖吸振，傳動平穩(wěn)無噪聲。缺點是：傳動帶需張緊在帶輪上，需要專門的張緊措施，且對軸和軸承的壓力較大，傳動效率較低(一般0.94~0.96)。
考慮到切菜機要求傳動平穩(wěn)，并且結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，所以選擇帶傳動。
在帶傳動中，有平帶傳動，V帶傳動，多楔帶傳動和同步帶傳動。其中V帶傳動應用最廣。V帶的橫截面呈等腰梯形，帶輪上也做出相應形狀的輪槽，傳動時，V帶只和輪槽的兩個側(cè)面接觸，所以在相同的張緊力下，V帶能產(chǎn)生更大的摩擦力，并且V帶傳動的傳動比較大(i≤7)，結(jié)構(gòu)緊湊，現(xiàn)已標準化和大量生產(chǎn)，因此選擇V帶傳動。V帶種類中選擇普通V帶，其當量摩擦因數(shù)大，工作面與輪槽粘附性好，允許包角小，適用于小功率傳動。
結(jié)合電機的選擇結(jié)果，最終確定傳動方式為電機通過傳動比i=3的普通V帶驅(qū)動主軸轉(zhuǎn)動。
2.2.3帶傳動的設計計算
(1) 確定計算功率
計算功率是根據(jù)傳遞功率，并考慮到載荷性質(zhì)和每天運轉(zhuǎn)時間長短等因素影響而確定的，即
(2.3)
式中，Pd為計算功率，傳遞功率P在此為步進電機最大功率，為工作情況系數(shù)，查機械設計手冊[13]得=1.1。
步進電機最大功率按下式計算：
(2.4)
式中，Pw指工作機所需最大工作功率，指電動機至工作機的傳動總效率
代入式(2.4)中得P=0.084kW，將其代入式(2.3)中得Pd=0.092kW
(2) 選擇帶型
普通V帶分為Y、Z、A、B、C、D、E、F七種帶型，截面高度與節(jié)寬的比值為0.7。根據(jù)Pd和小帶輪的轉(zhuǎn)速n′確定帶型，查機械設計手冊[14]，選擇A型帶。
V帶和帶輪有兩種尺寸制，即有效寬度值和基準寬度值。普通V帶是基準寬度制用帶。根據(jù)機械設計手冊[14]表《V帶(基準寬度制)的截面尺寸》查得A型帶的截面尺寸為：節(jié)寬bp=11mm，b=13mm，h=8.0mm，楔角α=40°。如圖所示：
圖 2-3 帶截面示意圖
(3) 傳動比
式中，為小帶輪轉(zhuǎn)速，為大帶輪轉(zhuǎn)速
(4) 小帶輪基準直徑
按照機械設計手冊[14]表《普通和窄V帶(基準寬度制)直徑系列》選取小帶輪的直徑=75mm。
(5) 大帶輪基準直徑
(2.5)
式中，為大帶輪的基準直徑，ε為彈性滑動率，取0.02，代入公式(2.3)得=246.5mm，再根據(jù)機械設計手冊[14]《普通和窄V帶(基準寬度制)直徑系列》選取標準值=265mm。
(6) 帶速
普通V帶m/min符合條件
(7) 初定軸間距
要求結(jié)構(gòu)盡量緊湊，取mm
(8) 所需帶基準長度
根據(jù)機械設計手冊[14]表《普通基準長度系列》選取相近長度，選取實際長度=1000mm
(9) 實際軸間距
安裝時所需最少軸間距
張緊或補償伸長所需最大軸間距
(10) 小帶輪包角
符合要求。
(11) 單根V帶所傳遞的額定功率
是、載荷平穩(wěn)時，特定基準長度的單根V帶基本額定功率。根據(jù)帶型和查機械設計手冊[14]表《A型V帶額定功率》得=0.27kW。
(12) 傳動比i≠1時的額定功率增量
根據(jù)帶型、i和查表《A型V帶額定功率》得。
(13) V帶根數(shù)
(2.6)
式中，為小帶輪包角修正系數(shù)，根據(jù)小帶輪包角查機械設計手冊[14]表《小帶輪包角修正系數(shù)》得=0.91，為帶長修正系數(shù)，根據(jù)帶長查機械設計手冊[14]表《普通V帶帶長修正系數(shù)》得=0.96，代入(2.6)中得：
因此需要三根帶。
(14) 單根V帶的預緊力
(2.7)
式中，m為V帶每米長的質(zhì)量，查機械設計手冊[14]表《V帶每米長的質(zhì)量》得m=0.06kg/m-1，代入(2.5)式中得：
(15) 作用在軸上的力
2.2.4 小帶輪的結(jié)構(gòu)設計
設計帶輪應滿足以下要求：質(zhì)量小，結(jié)構(gòu)工藝性好；無過大的結(jié)構(gòu)內(nèi)應力；質(zhì)量均勻，轉(zhuǎn)速高時要進過動平衡；輪槽工作面要精細加工；以減少帶的磨損；各槽的尺寸和角度應保持一定的精度，以使載荷分布均勻。
(1) 首先選擇帶輪的結(jié)構(gòu)形式。V帶輪典型的結(jié)構(gòu)形式有實心、輻板(或孔板)和橢圓輪輻三種。由于帶輪基準直徑較小，選擇實心式。
(2) 由于前面所選帶型為A型，與之相配的帶輪輪槽也為A型，圖2-4是查機械設計手冊[14]表《V帶輪輪緣尺寸》所得的小帶輪結(jié)構(gòu)示意圖，其尺寸如下：
圖 2-4 小帶輪結(jié)構(gòu)示意圖
基準寬度=11mm；基準線上槽深=2.7mm；基準線上槽深=11mm；
槽間距=15±0.3mm；第一槽對稱面至端面的最小距離=9mm，由于電機軸鍵槽長22mm，選擇；槽間距累積極限偏差±0.6mm；帶輪寬；轂長，當B<1.5d時，取L=B，因此L=50mm；外徑；輪槽角；輪槽角的極限偏差±0.5。
2.2.5 大帶輪的結(jié)構(gòu)設計
大帶輪的設計與小帶輪類似，可確定其部分尺寸如下：
基準寬度=8.5mm；基準線上槽深=2mm；基準線上槽深=7mm；槽間距=15±0.3mm；第一槽對稱面至端面的最小距離=7mm，??；槽間距累積極限偏差±0.6mm；帶輪寬；轂長，當B<1.5d時，取L=B，因此L=50mm；外徑；輪槽角；輪槽角的極限偏差±0.5。
由于主軸軸徑未知，還不能確定大帶輪的結(jié)構(gòu)形式以及其他尺寸。
2.3 主軸部件的設計
2.3.1 軸的材料選取和結(jié)構(gòu)圖
選取軸的材料為 45 號鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)軸上零件的安裝、定位及軸的制造工藝，確定軸的結(jié)構(gòu)如圖2-5：
圖2-5 軸的結(jié)構(gòu)圖
2.3.2 計算主軸上的功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)距
功率取三角帶傳送功率，則
扭矩
2.3.3 初定軸的最小直徑
按照扭轉(zhuǎn)強度來估算直徑，公式如下：
(2.8)
式中，C為由軸的材料和承載情況決定的系數(shù)，根據(jù)機械設計手冊[14]表《常用材料的C值》查得45鋼，C=118~106，考慮到軸還要承受一定的彎矩，取C=112；這里n應取最小值，考慮到圓盤刀具轉(zhuǎn)速為0~500rpm，取n=467rpm，代入(2.8)式中得：
考慮到大帶輪加鍵，需要增大軸徑，初定最小軸徑20mm。
此時，可初步確定連接大帶輪的軸段直徑d=20mm，據(jù)此可確定大帶輪的結(jié)構(gòu)形式為腹板式，輻板厚度S=10mm，其余結(jié)構(gòu)尺寸如下：
圖2-6 大帶輪結(jié)構(gòu)示意圖
輪轂直徑，取。
2.3.4 軸的結(jié)構(gòu)尺寸確定
軸的兩端分別與刀盤的從動輪相連接，所以取 d1-2=d7-8=20mm。帶輪及刀盤采用軸肩定位，且定位高度 h>0.07d， d2-3=d6-7=25mm。考慮此處軸徑，由軸承產(chǎn)品目錄中初步選定整體有襯正滑動軸承，其尺寸為 d×D×B=30×38×50, 所以d3-4= d5-6=30mm。查機械設計手冊整體有襯正滑動軸承的軸肩高為4mm，所以 d4-5=38 mm由刀盤的尺寸和從動輪的尺寸確定 L1-2=45mm ，L7-8=20mm。由軸承的尺寸，可以確定 L3-4=L5-6=50mm。根據(jù)軸承的裝拆及便于對軸承添加潤滑劑的要求，取L2-3=L6-7=45mm。根據(jù)軸的總體尺寸，取 L4-5=105mm。
2.3.5 軸承的設計
由軸的結(jié)構(gòu)尺寸確定，安裝軸承的軸直徑是30mm。查機械設計手冊[14] 表2-3選取安裝簡單的整體有襯正滑動軸承。
表2-3整體有襯正滑動軸承
型號
d
D
R
B
b
L
L1
H≈
h
H1
d1
d2
C
質(zhì)量/kg≈
HZ030
30
38
30
50
40
150
110
70
35
20
18.5
M10×1
1.5
1.7
其主要外形安裝尺寸如圖2-7
圖2.7 整體有襯正滑動軸承
2.3.6 主軸支承方案的確定
由于機床要求結(jié)構(gòu)簡單且受力不大，因此采用前后兩端進行軸向定位，常用的軸承配置方式有兩種：兩端固定支撐和一端固定一端游動支撐。
兩端固定支撐指每個支撐只固定軸承內(nèi)、外圈相對的一個側(cè)面，兩個支撐組合起來限制軸的雙向移動，這種固定方式結(jié)構(gòu)簡單，安裝調(diào)整容易，適于溫度變化不大和較短軸的固定。一端固定一端游動支撐指一端支撐的軸承內(nèi)外圈兩側(cè)均固定，從而限制了軸的雙向移動，另一端內(nèi)圈兩側(cè)固定，防止脫落，這種固定方式結(jié)構(gòu)比較復雜，但工作穩(wěn)定性好，適應于對工作溫度變化較大的長軸的固定。
主軸前端裝有圓盤刀具，主軸的回轉(zhuǎn)精度直接影響到圓盤刀具與蔬菜之間切割壓力的大小，后端裝有大V帶輪。因此采用固定方式簡單，安裝調(diào)整容易的兩端固定。圖2-7是主軸部件的結(jié)構(gòu)示意圖，大帶輪周向固定采用鍵，軸向固定一端采用六角螺栓和墊圈固定，另一端采用軸肩固定。主軸周向固定采用軸肩固定，軸向固定采用一對整體有襯正滑動軸承。
圖2.7主軸部件結(jié)構(gòu)示意圖
2.3.7 主軸的校核計算
本計算是經(jīng)過軸的初步設計和軸的結(jié)構(gòu)確定后的校核計算。
選取軸的材料為 45 號鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)機械設計[14],已經(jīng)算出軸的最小直徑為 20 mm，扭矩為 14.65 N.m。
最大摩擦力F=19.2N，如圖2-8所示，方向與蔬菜位置處圓盤刀具運動方向相反，將圓盤刀具所受摩擦力向軸心簡化，如圖2-9所示，合力為：
FX=0
蔬菜作用于圓盤刀具上的總力矩T=14.65N·m；
圖2-8圓盤刀具所受摩擦力示意圖
圖2-9圓盤刀具受力圖
據(jù)本章2.2.3節(jié)計算可知，帶輪作用在主軸上的徑向力Q=277.3N，圖2-10是主軸受力示意圖。O點為圓盤刀具作用于主軸上的點，A點和B點為兩軸承作用于主軸上的點，C點為大帶輪作用于主軸上的點，首先求出A點和B點出各個方向上的作用點，然后畫出各個平面內(nèi)的主軸彎矩圖，將彎矩合成，接著畫出扭矩圖，最后將彎矩和扭矩合成得出計算彎矩來進行校核。
圖2-10主軸受力示意圖
(1) X-Y平面內(nèi)受力分析
圖2-11是X-Y平面內(nèi)的受力圖，其中，L1=145mm，L2=105mm，L3=115mm。
圖2-11 X-Y平面內(nèi)受力圖
受力計算式為：
(2.9)
由式(2.7)可得：
，
圖2-12是X-Y平面內(nèi)的彎矩圖。
圖2-12 X-Y平面內(nèi)彎矩圖
(2) Y-Z平面內(nèi)
圖2-13是Y-Z平面內(nèi)的受力圖，其中，Q=227.3N，L1=150mm，L2=105mm，L3=115mm。
圖2-13 Y-Z平面內(nèi)受力圖
受力計算式為：
(2.10)
由式(2.8)可得：
，，
圖2-14是Y-Z平面內(nèi)的彎矩圖。
圖2-14 Y-Z平面內(nèi)彎矩圖
(3) 合成彎矩
A點和B點處為危險截面，求出A點和B點的合成彎矩：
圖2-15是其合成彎矩圖，圖2-16是其扭矩圖。
圖2-15 合成彎矩圖
圖2-16 扭矩圖
(4) 按彎扭組合強度條件校核軸的強度
通常只校核軸上承受最大彎矩和轉(zhuǎn)矩的截面(即危險截面B處)的強度。其校核公式為：
(2.11)
式中， α是考慮扭矩和彎矩的作用性質(zhì)不同而引人的校正系數(shù),取α=0.6(單向傳動，考慮啟動、停車的影響，轉(zhuǎn)矩按脈動循環(huán)變化)，代入式(2.11)中得：
抗彎截面模量：
B處的彎曲強度：
故設計的軸有足夠的強度，并有一定的裕度。
2.3.8 軸承的校核
整體式有襯正滑動軸承是一種常見的徑向滑動軸承。最常用的軸承座材料為鑄鐵。軸承座用螺栓與機座聯(lián)接，頂部設有裝油杯的螺紋孔。軸承孔內(nèi)壓入用減摩材料哦軸套，軸套上開有油孔，并在內(nèi)表面上開油溝以輸送潤滑油。整體式軸承構(gòu)造簡單，常用于低速、載荷不大的間歇工作的機器上。由上述可知，選擇整體式有襯正滑動軸承，先對其校核。
因該軸承受Fr和Fa的作用，必須求出當量動載荷P。計算時用到的徑向系數(shù)X、軸向系數(shù)Y要根據(jù)Fa/Cor指查取，而Cor是軸承的徑向額定靜載荷，在軸承號未選出前暫時不知道，故用試算法。根據(jù)機械設計手冊，暫取Fa/Cor=0.17，則e=0.5.
因Fa=115.2N，F(xiàn)r=14.29N，則Fa/Fr=8.06>e,由機械設計手冊查得X=0.44，Y=1.4。
由公式：
（2.11）
得：
計算所需徑向基本額定動載荷值，由公式：
（2.12）
fp=1.2（查機械設計手冊得），ft=1（查機械設計手冊得），Lh是使用壽命，為12000h
所以：
CR=3895>3800
故整體有襯正滑動軸承適用。
2.4 鍵的選擇和校核
2.4.1 鍵的選擇
均為一般聯(lián)接，可選用普通平鍵中的圓頭普通平鍵。
安裝刀盤處鍵的選擇：
此處軸的直徑d1=20 mm，查機械設計手冊[14]表得鍵的截面尺寸為：寬度b=6mm,高度h=6mm,取鍵長L=14mm.
與皮帶輪聯(lián)接的鍵的選擇：
此處軸徑為d2=20 mm，同理選用鍵的寬度b=8 mm,高度h=7mm,取鍵長L=18mm.
2.4.2 鍵的校核
鍵、軸的材料都是鋼，鍵采用靜聯(lián)接，沖擊輕微。查機械設計手冊得許用擠壓應力[σP]=120~150Mpa，取[σP]=135Mpa。
鍵1的工作長度L1=L-b=14-6=8mm，鍵與刀盤的接觸高度k=0.5h=3mm查機械設計手冊由公式：
（2.13）
得出σP為116Mpa小于[σP]所以鍵1的強度合適。
鍵2的工作長度L2=L-b=18-8=10mm，鍵與皮帶輪的接觸高度k=0.5h=3.5mm
（2.13）
得出σP為Mpa小于[σP]所以鍵2的強度合適。
T——傳動的轉(zhuǎn)矩 N·m
k——鍵與輪轂鍵槽的接觸高度
l——鍵的工作長度 mm
d——軸的直徑
2.5 刀具的設計
2.5.1 新月型刀具
新月型刀具主要用于切削軟的物料，如食品，葉類蔬菜等。
新月形刀具又分為單刀和雙刀兩種。如圖(2-17)在物料輸送速度一定的條件下，用雙刀具時的物料切片厚度為采用單刀時的切片厚度的一半。在本機上，當要求切片厚度變?yōu)?mm時，只能采用雙刀進行切削。
單刀用于加工莖類，葉類，長細狀的物料。加工尺寸范圍較大，加工長度為2～30mm。可以切片，也可以切絲。
雙刀也用于加工莖類，葉類，長細狀的物料。加工長度為1～16mm。也可以切片，切絲。
(a) 單 刀 (b) 雙 刀
圖2-17 新月型刀具
2.5.2 圓盤刀具
主要應用于切削物料形狀不規(guī)則，短而硬的物料，如土豆，洋蔥等。因為刀片時按在圓盤上，所以一方面增加了刀具的剛性，另一方面刀盤可以擋住刀具不切削時的物料送進而不致使物料掉下來（當物料短時），以便保證物料的切削厚度的均勻性和可靠性。
圓盤刀具同樣又分為單刀圓盤刀和雙刀圓盤刀。如圖(2-18)它們之間的切削厚度的關系與新月形刀具的單刀和雙刀的切削厚度關系相同。采用圓盤刀具的一個重要的特點是它能夠調(diào)整切片厚度。
它可以根據(jù)刀片厚度的要求，在圓盤刀架安裝刀具的表面和刀具定位面之間加入一個可調(diào)厚度的墊片來調(diào)整刀具的高度，從而可以改變切削厚度。
雖然刀片為不銹鋼材質(zhì)，但是要在刀具使用之后用水洗凈，烘干，涂油保管起來，不要與其它硬件放在一起，以免碰壞刀片的刀刃。
圖2-18 圓盤刀具
2.5.3 刀具的最后設計
根據(jù)本章2.5.1和2.5.3對兩種刀具的介紹，我決定定在圓盤刀具的基礎上進行改進。考慮到本次設計的要求，因此我設計在圓盤上安裝3把刀片，來進行對蔬菜的切割，即在圓盤旋轉(zhuǎn)一周的時間內(nèi)，刀片對蔬菜切割3次。刀片的尺寸為：長取95mm，寬取40mm。用鉚釘將刀片鉚上去。鉚釘?shù)拇笮∵x取：采用沉頭的型式，L=11mm，d=6mm。
圖2-19 刀具
2.5.4 料斗的設計
入料斗是保證進料順利，同時起定力刃的作用，根據(jù)本機構(gòu)的整體特點，入料斗設計成傾斜的矩形狀，這樣物料可以出重力自動下滑，入料斗和葉輪之間的距離不能太大或太小，必須保證切片的厚度，所以設計入料斗與刀盤之間的距離為 100 m 左右。現(xiàn)考慮如何讓蔬菜進入料斗后能順利下滑，來完成切割工序，首先查表得到物料與物料之間的摩擦系數(shù)為 0.4， 在分析莖塊在料斗中的受力情況。
要讓蔬菜能順利下滑，必須要求向 Fn 向 x 軸的投影在 x 軸的正方向上， 那樣蔬菜才能順利下滑，那么就必須要求ɑ>δ，斜坡角度的確定過程如下：
FR= FN+F1 （2.14）
要想讓莖塊能順利下滑的話，那么必須 Gsin(ɑ-δ)>0，也就是說ɑ>δ時莖塊就能順利下滑，f=tgδ=0.4，得到δ=21.8°，而ɑ>δ，所以取ɑ=45°，也就是說料斗的傾斜角度ɑ=45o。
圖2.20 料斗
第3章 機架的設計
3.1 機架設計要求
機架起到在機器中支承或容納零、部件的作用，機架的設計主要應保證以下三點：
1.足夠的強度和剛度；
2.形狀簡單，便于制造；
3.便于在機架上安裝附件等。
絕定機架工作能力的主要準則是剛度。在離心式切片機的中剛度決定著切片機的生產(chǎn)效率和切削精度。
強度是評定重載機架工作性能的基本準則。機架的強度應根據(jù)機器在運轉(zhuǎn)過程中可能發(fā)生最大載荷或安全裝置所能傳遞的最大載荷來校核其靜強度。此外還要校核其疲勞強度。機架的強度和剛度都需要從靜態(tài)和動態(tài)兩方面來考慮。動剛度是衡量機架抗震能力的指標，而提高機架抗振能力應從提高機架構(gòu)件的靜剛度，控制固有頻率，加大阻尼等方面著手。
機架受壓結(jié)構(gòu)及受壓彎結(jié)構(gòu)都存在失穩(wěn)問題。有些構(gòu)件制成薄壁腹式也存在局部失穩(wěn)。穩(wěn)定性是保證機架正常工作的基本條件。必須加以校核。
為了滿足穩(wěn)定切片和切削效率的要求，本設計的離心式切片機在功能上應該完成以下幾點要求：
1.在滿足強度和剛度的前提下，機架的重量應要求輕、成本低。
2.抗振性好。
3.噪聲小。
4.溫度場分布合理，熱變形對精度的影響小。
5.結(jié)構(gòu)設計合理，工藝性良好，便于鑄造、焊接和機械加工。
6.結(jié)構(gòu)便于安裝、調(diào)整及修理。
7.導軌面受力合理、耐磨性良好。
8.造型好。
3.2 機架材料的選用及壁厚選擇
鑄造機架常用材料：
1.鑄鐵：
鑄鐵流動性好，體收縮和線收縮小，容易獲得形狀復雜的鑄件。鑄鐵的內(nèi)摩擦大、阻尼作用強，故動態(tài)剛性好。另外還有切削性能好、價格便宜和易于大量生產(chǎn)等優(yōu)點。鑄鐵主要 有灰鑄鐵、球墨鑄鐵。
2.鑄造碳鋼
鑄鋼的彈性模量大，強度也比鑄鐵高，故用于受力較大的機架。由于鋼水流動性差，在鑄型中凝固冷卻時體收縮和線收縮都較大，故不宜設計復雜形狀的鑄件。
3.鑄造鋁合金
鋁合金密度小、重量輕，通過熱處理強化，具有足夠高的強度、較好的塑性，良好的韌性。材料的選用，主要是根據(jù)機架的使用要求。本設計中的離心式切片機的形狀較復雜。鑄鐵的鑄造性能好、價廉和吸振能力強，應用也最廣。焊接機架具有制造周期短、重量輕和成本低等優(yōu)點。由于本設計的機架結(jié)構(gòu)較為復雜，為了滿足支撐其它各零件的要求，本離心式切片機機架各零件零件采用 HT200，整體選擇焊接的方式。
4.壁厚選擇
機架零件的外廓尺寸一定時，因而在滿足強度、剛度、振動穩(wěn)定性等條件下，應盡量選用最小的壁厚。
3.3 機架整體設計
機架整體應起到固定及連接各零件的作用。
機架結(jié)構(gòu)如下圖3-1。
1-料斗 2-整體有襯正滑動軸承 3-軸 4-電動機 5-螺栓 6-小V帶輪
7-鍵 8-墊圈 9-鍵 10-V帶 11-螺栓 12-螺栓 13-大V帶輪 14-圓盤刀具
圖3-1 切菜機機架圖
參 考 文 獻
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致 謝
經(jīng)過16周的忙碌和工作，本次畢業(yè)論文設計已經(jīng)接近尾聲，作為一個本科生的畢業(yè)論文，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導師的督促指導，以及一起工作的同學們的支持，想要完成這個設計是難以想象的。
在論文寫作過程中，得到了XXX老師的親切關懷和耐心的指導。他嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到項目的最終完成，X老師都始終給予我細心的指導和不懈的支持。多少個日日夜夜，宋老師不僅在學業(yè)上給我以精心指導，同時還在思想、生活上給我以無微不至的關懷，除了敬佩宋金鵬老師的專業(yè)水平外，他的治學嚴謹和科學研究的精神也是我永遠學習的榜樣，并將積極影響我今后的學習和工作。在此謹向宋老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。
在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意!
附 錄1
Implementation of Product Design Tools for the Development of an Automated Vegetable Chopper
Subrata Talapatra, Md. Shakil, Pritom Kumar Mondal, Md. Saiful Islam
Department of Industrial Engineering & Management (IEM),
Khulna University of Engineering & Technology (KUET), Khulna, Bangladesh
Email: sub_ksy@yahoo.com, shakil.anowar@yahoo.com, pritom.ipe08@gmail.com, saifuliem@gmail.com
Received October 26, 2013; revised November 26, 2013; accepted December 3, 2013
Copyright ? 2014 Subrata Talapatra et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. In accor- dance of the Creative Commons Attribution License all Copyrights ? 2014 are reserved for SCIRP and the owner of the intellectual property Subrata Talapatra et al. All Copyright ? 2014 are guarded by law and by SCIRP as a guardian.
ABSTRACT
In the era of industrialization, automatic machines become an integral part of human life. These machines help to reduce the time needed to do a specific task. Nowadays, human life becomes more competitive and faster than the previous. Automation brought about by technology has saved human effort and time to a large extent. Slicing vegetables are a risky and time-consuming task in our busy life. This project is aimed at solving above stated problems by introducing a special product named Automatic Vegetable Chopper. This chopper is mainly de- signed to reduce human effort and make the job of chopping vegetables much easier and faster. Its main features are fully automated, easily portable, less power consumption and changeable stainless, sharp blade, etc. This product is designed and established by following a structured product design process and with the help of a board of design engineers. Product planning, customer needs identifying, product specification, concept screen- ing, concept scoring and bill of materials are tools that mainly used to accomplish this task. Finally, this paper also suggests various techniques and opportunities of product planning in manufacturing industries as future recommendations.
KEYWORDS
Automatic Machine; Chopper; ProductPlanning; Bill of Materials
1.Introduction
Product design is considered to be the most difficult, sensitive and critical in creating products [1]. It greatly influences the cost, robustness, manufacturability and development time of the final products [2]. As a rule of thumb, the cost of engineering changes increases by ten times when changes are made in a later stage. Product planning, customer needs identifying, product specifica- tion, concept screening, concept scoring and bill of mate- rials are the basic tools for the development and design of a product. Designers use these concepts for the develop- ment of a product. This stage also includes comparing the relative strengths and weaknesses of the product, and determining concepts for further investigation, testing or development.
These phases significantly affect whether the final de- sign will be exemplary, resulting in