多功能切菜機設計2

多功能切菜機設計摘要：通過對切菜機的工作原理、分類等學習，結合當下主流的三維設計軟件Pro/E對所設計的切菜機產品的零部件進行建模，通過軟件提供的虛擬裝配和機構運動仿真環(huán)境，在不需要投入資金制造實物的情況下，對所設計的產品進行整體結構分析、外觀設計、結構優(yōu)化設計等傳統(tǒng)設計方法無法實現(xiàn)的操作，并且利用圖紙轉換功能將所設計的零部件生成二維工程圖圖紙。關鍵字：切菜機；虛擬裝配；運動仿真；Pro/E；任何時期，新產品設計開發(fā)都離不開市場的需求。伴隨著生活節(jié)奏的不斷加快，人們的生活壓力也在逐步增大，如何幫助人們更好的適應現(xiàn)在的快節(jié)奏的生活，是每一個產品設計人員的責任和義務。本設計貼近生活，著眼于切菜這一危險性的家務勞動，提出了家用切菜機的設計方案，主要幫助人們解決生活中常見的根莖類、塊類蔬菜的切削工作，幫助人們擺脫切菜這個危險性的工作，提升人們在快節(jié)奏環(huán)境中的生活質量。1切菜機開展情況概述切菜機，一種將食品原材料進行預處理的一種食品機械設備，其工作過程是利用剪切原理將食品原材料切斷或者切碎，通過物料和切刀之間產生的相對運動來完成。切菜機所加工的對象是蔬菜，加工之后的形狀和規(guī)格也不同于切割機械，是一類專用機械設備。1.1切菜機分類目前市場上已有的切菜機實現(xiàn)蔬菜加工的原理主要是通過模擬人手工切菜，通過傳動帶將蔬菜勻速向固定方向進給，刀具在豎直方向作往復運動，從而實現(xiàn)蔬菜的切削目的，這種切菜機可以通過控制進給速度和刀具往復運動的頻率來滿足不同的切削要求。此類切菜機體積龐大、效率高、能耗大，主要用來滿足大型食品加工廠或者大型的食堂等蔬菜需求量大的場所使用。依據(jù)功能主要分為兩類：單切型和多功能型切菜機。單切型切菜機適用于片、段、絲、塊莖、葉菜類的蔬菜的切削，一般多用于食品加工廠，專機專用，例如土豆切絲機等，可以提高產品的生產效率。典型結構為箱式。多功能型切菜機在單切型的根底上，將片、絲等切削功能融于一身，同時可對不同類別的蔬菜圓進行加工，豐富了產品的加工對象。此類切菜機多用于大型飯店等場所。多功能型切菜機按結構可分為兩類：雙頭型切菜機：一頭專切葉菜類，由傳送帶送菜，往復運動的刀具進行切削；另一頭專切土豆等根莖類、塊類蔬菜，原料從傾斜的料筒送入，由旋轉刀具進行切削，可同時工作，通過更換刀盤，可以切出各種規(guī)格的片、絲、條。組合式切菜機：水平傳送帶傳送原料，由在傳送帶上間隔分布的成一定角度的多個刀具進行切削，根據(jù)需要原料在傳送帶上經一次或屢次切削后成形，成品的形狀參數(shù)通過調節(jié)刀具的切削速度及原料的傳送速度來控制。1.2切菜機的開展趨勢通過對市場上的切菜機觀察了解，對其結構和功能比照分析發(fā)現(xiàn)，切菜機的開展主要傾向于以下這兩個特點：〔1〕功能集成化在保證根本功能的同時，同過對結構修改和優(yōu)化，將不同產品的功能融于一身，實現(xiàn)一機多用，提升產品的使用價值，降低產品的本錢。類似于豆?jié){機和榨汁機的融合，既減輕了消費者的本錢，又提升了產品的市場競爭力。〔2〕規(guī)格兩極化切菜機是一種蔬菜加工機械，其適用范圍因地點而異。大規(guī)模的食品加工廠和酒店，需要高效率、全自動化的切菜機設備，同時對其加工效果的要求也會不斷提高。但是隨著生活水平的提高，人們對家庭生活的舒適度要求也在提高，對家用切菜機的需求一定會不斷增強，操作簡便、輕巧時尚、功能多樣的家用切菜機產品一定會受到市場的熱烈歡送。1.3切菜機原始參數(shù)本文提出的切菜機設計方案主要處理對象是生活中常見的根莖類、塊類蔬菜，主要的設計參數(shù)源自于對不同蔬菜的實驗測量結果。表1-1中列出的是對土豆、山藥、胡蘿卜、白蘿卜及藕這五類蔬菜切削力的測定結果，本實驗選用的是家庭生活中較為常見的蔬菜種類，切削刀具選用普通家用水果刀，在最大直徑處豎直切削，并通過電子稱測定切削時的最大重量，然后通過數(shù)據(jù)轉換得到對不同蔬菜切削時的近似切削力。表1-1蔬菜切削力測定蔬菜種類蔬菜特征切削力〔N〕切削力最大值〔N〕最大直徑自重g1234馬鈴薯5620030.8740.5740.2837.7340.57山藥6224010.3411.1710.0010.6811.17胡蘿卜307043.5146.3546.4546.0646.45白蘿卜7832023.3320.816.2716.4623.33藕6814072.1365.7656.5459.6872.13通過對表1-1的測量結果分析，選定藕的最大切削力作為本設計的參照，在綜合考慮原料形狀及測量精度等因素，確定設計參數(shù)切削力為90N?？紤]到塊類蔬菜形狀差異較大，限定本設計可加工的最大直徑為80mm。依據(jù)烹飪對食材的不同尺寸要求，設定切削出的片厚度在3-10mm內可調節(jié)，可加工的絲狀蔬菜分粗細兩種。依據(jù)大多數(shù)家庭的生活習慣，確定該切菜機的工作時間為：使用年限10年，360天/年，2次/天，每次工作0.4h。本切菜機設計采用國家標準的產品設計要求標準，設計節(jié)能環(huán)保，平安使用，維修方便。2原理方案設計2.1方案設計家用切菜機不同于現(xiàn)在市場上存在切菜機產品，其體積小、質量輕、操作簡便，并且要融合時尚因素，便于清洗等，通過對現(xiàn)有切菜機的設計方案的分析，提出了本設計的設計方案：將蔬菜置于豎直或者向上傾斜的料筒內，依靠蔬菜自身重力或者給蔬菜施加外力，使它向下運動，刀具在水平面作高速旋轉，即可實現(xiàn)蔬菜加工功能；通過更換不同型號的刀具來實現(xiàn)切片切絲功能；刀具下方設計容器，利用重心或者離心力收集加工好的蔬菜。所設計出切菜機減少了傳送帶結構，使產品整體空間縮小，并且通過旋轉切削可以不用考慮根莖類、塊類蔬菜不規(guī)那么的外觀，就可以獲得很好的切削效果，而且動力采用人力或者電動機均可，只需要設計合理的供壓機構就可以滿足設計要求。2.2結構設計產品的整體結構布置形式可以分為水平和立式兩種布置方式，對兩種結構布置方式分析如下:水平布置：目前最常見的布置形式，在水平方向，依次布置動力機構、傳動機構、切削機構，最后是料筒。刀具在豎直平面內旋轉，蔬菜被放入料筒后，因自重沿筒壁向下運動實現(xiàn)進給。加工好的蔬菜在自重及離心力作用下落入位于刀具下方的收集容器內。主要優(yōu)點是水平布置分散受力，結構穩(wěn)定，各個機構獨立性較好。缺點是料筒位置固定，不易做到蔬菜的分類收集，相比立式布置占用空間較大。立式布置：在豎直方向依次布置供壓機構、料筒、切削機構、傳動機構、動力機構，其中傳動機構和動力機構可平行布置。立式布置的優(yōu)點是：料筒豎直布置，占用空間小，可在刀具旋轉路徑上布置多個進料口，并且蔬菜的運動總是豎直向下，各個料筒的工作不會互相干預。缺點比擬明顯，立式布置結構相對集中，對支撐機構的強度要求較高。通過兩種布置形式的比照分析，結合家用切菜機的設計要求，綜合考慮，決定選擇立式布置形式來設計家用切菜機。2.3原理圖綜上以上原理分析結果，本切菜機的工作原理圖簡化為如圖2-1所示。圖2-1切菜機原理圖3主要部件結構設計3.1參數(shù)計算有原始參數(shù)得知完成切削時的最大切削力：F=90N，工作時間:使用年限10年，360天/年，2次/天，每次工作0.4h，電機的轉速：120r/min,采用立式布置形式，將電機軸與刀具直接連接。由以上數(shù)據(jù)可計算切菜機工作時需要的總功率：其中：--切菜機切削時所需工作功率，W；--電機主軸至切菜機切刀轉軸的總效率。切菜機所需工作功率：其中：F--切菜機的工作阻力，即最大切削力，N；V--切菜機切刀的線速度，m/s；n--切菜機的轉速，r/min；R—切菜機切削力作用半徑，mm；傳動裝置總效率為組成傳動裝置的各局部運動效率之乘積，在本設計中即為電機軸承的傳遞效率：其中：為軸承額傳動效率，那么初步設計R=80mm,那么可計算得：主軸的輸入轉矩：表3-1運動和動力參數(shù)計算結果軸名效率P〔〕轉矩T〔〕輸入輸出輸入輸出電機軸115.35113.049.189.02結合以上計算結果，跟據(jù)切菜機的工作環(huán)境和家庭的電源條件，選擇立式封閉型直流電動機，額定電壓220V，額定功率120W，轉速120r/min，綜合考慮切菜機整體裝配要求，初步確定電機軸長L=250mm，伸出局部長度為180mm。通過對市場上電機的參數(shù)了解以及對網絡資源的利用，確定選擇深圳市龍威實業(yè)生產的永磁直流電機，型號為LRS-7512SHP-2080-160M，電機參數(shù)如表3-2電機主要參數(shù)表所示，其主要外形尺寸見圖3-1LRS-7512SHP型電動機主要外形及尺寸。表3-2電機主要參數(shù)型號額定電壓額定功率負載參數(shù)質量Kg轉速r/min力矩N.mLRS-7512SHP220V120W120250.5圖3-1LRS-7512SHP型電動機主要外形及尺寸3.2刀軸結構設計及校核3.2.1刀軸結構設計根據(jù)刀片安裝方式和裝配要求，設計出刀軸的結構如圖3-2所示。圖3-2軸的結構尺寸圖刀軸軸徑可按下式進行確定：式中：--軸傳遞的功率，kw；--軸的轉速，r/min；--材料系數(shù)；根據(jù)GB9684-88《不銹鋼食具容器衛(wèi)生標準》的要求，選擇電機軸的材料為SUS304，即1Cr19Ni9。查[1]表15-3??；那么軸直徑為：考慮到軸端的扁平結構和螺紋，為此將軸徑放大15%以確保軸的強度，那么軸的最小直徑可取d=〔1+15%〕×7.84=9.016mm，將d取整為10mm.3.2.2刀軸強度校核根據(jù)切菜機工作原理，得知此軸僅受較小的彎矩，因此只需要按照扭轉強度進行校核，查[1]式〔15-1〕得：式中：--扭轉切應力，MPa；--軸所受的扭矩，；--軸的抗扭截面系數(shù)，；--許用扭轉切應力，MPa；軸端危險截面處軸的截面如圖3-3軸的危險截面圖所示：圖3-3軸的危險截面查[1]表〔15-4〕抗彎、抗扭截面系數(shù)計算公式可知該危險截面的抗扭截面系數(shù)計算公式為：由圖4-4可知d=10,b=7.1,t=1.5代入計算得：那么有：由此可知此軸強度設計滿足要求。3.2.3刀軸剛度校核根據(jù)切菜機工作原理，得知此軸的彎曲變形很小，因此僅按照軸的扭轉剛度進行軸的剛度校核。查[1]式〔15-15〕得光軸的扭轉剛度校核計算公式為：式中：--軸所受的扭矩，；--軸的材料的剪切彈性模量，，對于鋼材，；--軸截面的極慣性矩，，對于圓軸，；此處??；那么有：；將帶入得：故此軸滿足剛度要求。3.3切削部件設計切削機構作為本設計的執(zhí)行機構，是本設計的重點局部，既要考慮使用性能，又要兼顧材料的平安性及產品使用之后的清洗工作。出于平安考慮，其構件必須選擇無污染的防銹材料，還要注意將切削部件與電器元件隔離開來，降低原材料污染的可能性。眾所周知，根莖類、塊類蔬菜不僅形狀不規(guī)那么，而且硬度大難切削，結合實驗測量及果，本設計的切削刀片采用光滑刃口平板刀作為切片刀，切絲選用梳形刃口刀片。刀片材料結合GB9684-88《不銹鋼食具容器衛(wèi)生標準》的要求選用奧氏體型不銹鋼〔1Cr18Ni9Ti，0Cr19Ni9，1Cr18Ni9〕，確定切菜機刀片材料為0Cr19Ni9，即常說的SUS304鋼。圖3-4刀架因為要從刀具上實現(xiàn)切片切絲功能的轉換，所以考慮將刀片與刀架別離，通過更換不同的刀片來實現(xiàn)切片切絲功能的轉換，同時，換刀過程必須簡單易操作，綜合考慮將刀架結構設計成如圖3-4所示結構，設計三個刀片安裝槽，在刀具下方采用內六角螺釘固定，在需要換刀時，將刀具下方的盛菜容器取出，將固定刀片的內六角螺釘松開，從側邊就可以將刀片取出，這樣不僅實現(xiàn)了切片切絲功能，而且減少了換刀的時間。圖3-4刀架實現(xiàn)切片切絲功能的同時，我們還要考慮對切片厚度的不同需求，本設計中，在刀架與刀片之間預留了一定的空間，在刀片與刀架之間通過增加或者減少墊片來調整刀片的切削厚度，從而實現(xiàn)了對切削厚度控制的功能。具體情況如圖3-5刀架結構所示。圖3-5刀架結構4基于Pro/e三維設計軟件的應用伴隨著計算機技術的開展進步，計算機輔助設計技術已經從CAD的二維設計層次轉向了三維實體設計，目前三維設計軟件已經廣泛應用于機械、電子、航空航天、建筑等行業(yè)。其三維建模的設計優(yōu)勢，極大的縮短了產品研發(fā)設計的周期，減輕了設計人員的勞動強度，同時還實現(xiàn)了同類零件的標準庫建立，極大的方便同類行業(yè)之間的技術交流。本切菜機設計采用美國波士頓PTC公司研發(fā)的三維設計軟件Pro/e對產品全部零部件進行了三維建模、虛擬裝配、機構仿真、裝配動畫、干預檢查等工作，通過虛擬裝配模擬產品裝配過程，干預檢查可以對虛擬裝配好的產品進行檢查，發(fā)現(xiàn)零部件之間的裝配干預問題，機構仿真可以真實的了解到產品的工作情況，裝配動畫可以模擬真實的裝配效果，通過軟件的應用，不僅減輕了設計者的工作壓力，同時節(jié)約了設計本錢，加快了產品設計周期和產品設計質量。4.1虛擬裝配4.2爆炸視圖4.3干預檢查在經過虛擬裝配和爆炸視圖的工作之后，我們并不能保證零部件在裝配的過程中相互之間沒有干預，如果盲目制造實物，可能會因為一些小細節(jié)造成不必要的浪費，為了防止這個問題，我們可以在Pro/e裝配環(huán)境下，對所組裝部件進行干預檢查，確保各部件配合尺寸正確，各零部件之間裝配吻合。對裝配好的零部件進行干預檢查的操作方法如下：依次單擊“分析〞-“模型〞-“全局干預〞命令，在“全局干預〞對話框中依次選擇“包括面組〞、“包括小平面〞、“精確〞選項，即可對所完成的裝配組件進行干預檢查。采用此方法對所涉的切菜機進行干預檢查結果如下：6總結〔1〕本次設計通過對現(xiàn)有切菜機的了解，提出了一套全新的家用切菜機設計方案，家用切菜機設計不僅豐富了家用食品機械的種類，同時填補了國內家用切菜機的市場空白，在家用切菜機產品方向還有很大的研究空間，應進一步研究，實現(xiàn)其一機多用的功能?！?〕通過對Pro/e三維設計軟件的使用，熟悉了通過三維設計軟件進行產品設計的流程以及三維軟件的設計優(yōu)勢，并對本設計進行了虛擬裝配、運動仿真等操作，不僅豐富了三維設計軟件在食品機械產品設計方面的應用案例，同時為計算機輔助設計三維軟件設計技術的進一步研究打下根底。參考文獻[1]家用和類似用途電器的平安電動食品加工器具的特殊要求.北京：中國標準出版社，2006.[2]田衛(wèi)軍.基于Pro/E機械設計實例精解[M].北京：北京航空航天大學出版社，2023.1；[3]單泉陳硯汪殿龍.Pro/ENGINEERWildfire4.0中文版參數(shù)化設計從入門到精通[M].北京：高等教育出版社，2007；[4]雪茗齋電腦教育研究室.Pro/Engineer野火版機構仿真運動實例精講.北京：人民郵電出版社，2023.5；[5]蔣迪青，唐偉強.食品通用機械與設備[TS].北京：國防工業(yè)出版社，2005；[6]李長林，白喬，項輝宇，羅紅旗.Pro/e參數(shù)化技術在食品機械通用零部件設計中的應用[J].北京：包裝與食品機械，2023年第29卷第6期；DesignofmultifunctioncuttingmachineLiuChengYangZhangZhanLing(DepartmentofMechanicalEngineering,