大葱切根装置设计.docx

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大葱切根装置设计

中文摘要………………………………………………………………………………Ⅰ

AbstractⅡ

摘要

大葱是我国的主要出口蔬菜之一。

本文在总结国内外相关资料的基础上，对大葱切根装置的工作原理及各部分结构进行了详细地设计。

该装置采用针定位，成功解决了切割过程中大葱容易跑偏的问题，设计合理，结构简单，对提高大葱的附加值，促进大葱的出口，提高我国大葱产后加工的机械化水平具有重要意义。

关键词：

大葱大葱切根装置针定位切割

ABSTRACT

Thescallionisoneofmainexportvegetablesinourcountry.Basedonthesummaryofreferences,theprinciplesandstructureofthecuttingrootsequipmentofscallionarethoroughlydesignedinthispaper.Thecuttingrootsequipmentofscallionhassolvedtheproblemofscallion’sremovingirregularlywhileitisbeingcutbyusingtheneedle-locatingimplement.Thedesignisreasonableandthestructureissimple.Thecuttingrootsimplementofscallionplaysanimportantroletoincreasethemechanizationlevelofscallion’safter-productionprocessingandexpandexport.

Keywords:

scallion；thecuttingrootsequipmentofscallion；needle-location；cutting

第1章绪论

1.1我国蔬菜的生产现状

我国是农业大国，有着几千年的农业发展历史。

历史上，我国曾在各项农业生产技术上处于领先地位，勤劳的中国民发明了各种各样的农具。

但是到了近代，由于社会发展滞后，导致我国农业技术发展停滞不前，闭关锁国政策又使我们未能及时引进国外的先进技术，在国外已经普遍使用机械时，我国农民依然进行着繁重的体力劳动。

新中国成立后，我国的领导人提出要尽快实现农业机械化，但是由于种种原因，中国只有新疆、黑龙江等地的大农场基本实现了机械化生产，而其它大部分地区由于受各种因素的制约，仍未能实现农业生产的机械化。

众所周知，我国用占世界7%的耕地养活着占世界22%的人口，人多地少，而且我国有相当多地方仍然依靠人畜力劳动，劳动生产率低，不能形成大规模生产。

因此，我国要想在农业方面获得更大的成就，必须根据自己的国情，发展有自己特色的农业生产。

近年来，我国的蔬菜和水果的生产逐渐展现出广阔的发展前景。

目前，我国蔬菜生产发展迅速，尤其是沿海地区，依托有利的地理条件，大规模发展蔬菜生产，不但满足我国居民消费外，还大量出口国外，是目前出口增长最为迅速的农产品这之一。

在一些地区，蔬菜的生产加工和出口贸易已经成为支柱产业，实现了专业化、规范化、优质化经营发展，形成了种加销、贸工农于一体的新的生产格局，除了满足我国居民消费外，出口蔬菜已经成为重要的创汇农产品。

而且我国生产的蔬菜在国际市场上有一定的竞争优势，出口蔬菜已成为一些地区增加农民收入、出口创汇和发展农村经济的一条重要途径，越来越显示出它强大的生命力。

但是，目前我国蔬菜生产加工依然主要依靠人力，机械化程度极低，在国际上的竞争优势主要源自于低廉的劳动力。

这种优势将随着中国加入WTO以及中国人民生活质量的提高化为乌有。

这不符合长久发展的利益，要使我国蔬菜继续在国际市场上保持竞争优势，一是要提高本身的品质，二是要降低生产成本。

提高蔬菜生产加工的机械化水平是解决问题的最佳途径。

由于我国蔬菜生产在以前很长的时间里，都是小规模生产，主要是自产自销，所以蔬菜的加工几乎全部是手工完成。

现在，随着改革开放的深入，一些地区逐渐出现了大规模的蔬菜生产基地，而且大部分蔬菜将出口国外。

以前完全依靠人工的作业方法已经不能适应现在的生产了。

这就要求我们必须发展适合于我国生产力状况的蔬菜生产加工机械。

尤其是蔬菜的加工机械，因为要想在国际市场上取得竞争优势，必须采用统一规范的加工，创品牌，开拓市场。

大葱在我国出口创汇蔬菜中，占有很重要的位置。

大葱原产于我国西部及中亚、西亚地区。

约在公元1000多年即成为我国栽培食用蔬菜。

在世界上，我国是栽培大葱的主要国家之一。

大葱可以周年供应，产量高，栽培容易，病虫害少，既耐贮藏又耐运输。

它在一般气候、土壤条件下均能生长良好，它是一种很受欢迎的蔬菜和重要的调味品，在国内外都很受欢迎。

目前，我国大葱主要销往日本和欧美国家，部分销往港澳地区，日本国内年产54万吨，近年来从中国进中数量剧增。

大葱由外贸加工企业收购后，进行保鲜或加工后运销海外。

1.2大葱生物特性与加工标准

大葱是百合科，属二、三年生草本植物。

其生物特征如下：

（1）根

大葱根为白色弦状须根，粗1－2mm，着生在短缩的茎盘上，平均长30－40cm，无根毛，吸收肥料和水分的能力较弱。

大葱根的再生力较强，随着叶片数增多和培土加高，根系分布在培土层（地上）和地下40cm的土层里，横展半径达20－30cm。

（2）茎

营养生长期，大葱的茎为短缩茎，叶片呈同心环状，着生其上。

通过春化后，生长点停止分化叶片，形成花薹。

（3）叶

大葱叶由叶身和叶鞘组成。

叶鞘圆管形，层层包围，环生在茎盘上。

每个新叶均在前片叶鞘内伸出，抱合伸长，组成假茎，即葱白。

幼叶刚伸出叶鞘时黄绿色，实心；成龄叶深绿色，管状，中空，表层披有白色蜡状物，具耐旱生态型。

（4）花

大葱花薹的粗度和高度因品种特性和营养生长情况而异。

花为伞状花序，圆球形，藏在膜状球形总苞内，内有小花400－500朵，先后开放。

小花为两性花，异花授粉。

（5）果实和种子

大葱果实为蒴果，成熟后开裂，种子易脱落。

种子呈盾形，内侧有棱，种皮黑色、坚硬、不透水，千粒重2.4－3.4克。

种子寿命较短，在一般贮藏条件下仅1－2年。

生产上宜用当年新籽种。

　　目前我国种植的大葱品种繁多。

主要有山东章丘大葱系列，如大梧桐，其株高120－140cm，假茎粗3－4cm，假茎长50－60cm，单株重0.5－0.8kg；气煞风，株高110cm左右，假茎粗4.5cm左右，假茎长40－50cm，单株重0.5kg左右；二九系，株高130－150cm，假茎粗4cm左右，假茎长50－70cm。

另外还有华县谷葱，株高90－120cm，假茎粗2.5－3.6cm，假茎长50－65cm，单株重0.4kg左右。

还有北京高脚白大葱，株高75－90cm，假茎粗3cm左右，假茎长35－40cm。

单株重0.3kg左右。

从以上资料可以看出，最常见的大葱，其株高75－150cm，假茎粗3－5cm，假茎长35－70cm。

大葱的生产需要消耗大量的劳动力，其中收获加工消耗的劳动力要占总消耗的三分之一以上，这将成为制约扩大大葱生产规模的主要因素。

而且，大葱的加工作业是有精度要求的。

尤其是根部的切除工作，其目的不只是切除根毛，还为了提高以后剥皮的效率。

但是，一但切得太深，葱芯就会飞溅出来，降低产品质量；如果切得太浅，就会降低剥皮的效率。

所以大葱在加工的时候需要用锋利的刀片快切，而且根盘不能全部切去。

若用手工切除，不但效率低，而且切除的质量不能得到保证。

然后去除多余叶片，剩三叶片，再按照要求将过长的叶片切去，只留15－25cm。

1.3国内外的研究现状

由于我国是在前几年才开始大规模种植并出口蔬菜的，所以对一些蔬菜的产后加工机械的研究开发比较晚。

到目前我国还没有专门用于大葱收后切根的机械。

最近几年，我国无论是大葱的种植面积还是大葱的出口数量都在急剧增加，这就要求我国尽快开发完善大葱产后加工机械。

目前，国外在这方面的研究已经取得了一定的成绩。

日本在这方面的研究比较成熟，而且简单的大葱加工机械已经得到一定程度的普及。

日本在大葱收获后的切根，剥皮，切叶的机械化研究开发方面都取得了一定的成果，我们在开发自己的产品的时候，可以借鉴他们的经验。

1.4研究内容

通过以上的分析，本文对大葱切根装置进行了设计，设计思路为：

图1－1　大葱切根装置的设计思路

主要研究内容：

对大葱切根装置进行了整体设计；

对大葱切根装置的动力部分进行了选定；

对大葱切根装置的传动部分（包括传送带、压紧带、定位针带）进行了设计；

对大葱切根装置的切割部分进行了设计。

第2章大葱切根装置的设计

2.1动力部分

大葱切根装置要实现大葱自动切根，必须有动力输入，我们可以采用内燃机或电动机。

由于该装置工作时需要操作人员在近前工作，不适于采用内燃机这样有污染排放而且噪音很大的动力机械，所以我们选用能源清洁而且低噪音的电动机来提供动力。

该大葱切根装置并不对外大量做功，只是需要很少的一点动力来驱动传送带、压紧带以及定位针带，所以我们选用功率为1kw，转速为1000r/min的电动机便足够用了。

动力分配如图2－1

图2－1　大葱切根装置的动力分配图

2.2传动部分的设计

该装置动力由1000r/min的电动机提供，通过变速箱变速，最终有三个部分需对外输出动力，即传送带、压紧带、定位针带。

传送带主要作用是输送大葱，并提供切割时所需动力。

由于大葱需要由工作人员手工放置到传送带上，因此传送带速率不能太大。

但是，要使切割能顺利进行，并且保证切割质量，传送带必须达到一定的速率，所以要使传送带在能保证正常切割的情况下尽量放慢速度，以使工作人员能够顺利从容地将大葱准确放置到传送带上。

压紧带主要作用是将大葱紧压在传送带上，以保证在切割时大葱与传送带之间不发生相对移动，这便要求压紧带与传送带必须保持同速，而且压紧带必须对大葱施以足够大的压力。

定位针带的作用是对大葱进行精确定位，以保证切割精度。

在进行定位的时候，只允许大葱作垂直于前进方向的移动，因而要求针的移动速度与大葱前进速度相同，即定位针带与传送带速度相同。

传送带、压紧带、定位针带三者要求有相同的线速度，我们采用半径相同的主动轮，那变速箱输出的三个转速必须相同。

其中，传送带和压紧带的轴位于水平面，而定位针带的轴垂直于水平面。

要实现传送带和压紧带与大葱接触的一面速度相同，二者驱动轴的转向必须相反。

由于定位针带的轴垂直于水平面，传动过程中要采取一定措施改变动力方向。

动力的传递路线如图2－2。

由传动路线图可知，整个传动共需要6根轴，1对带轮，1对链轮，3对圆柱齿轮，1对锥齿轮。

另外还需要5对球轴承，1对滚子轴承。

图2－2　传动路线图

在该装置中，传送带、压紧带、定位针带的驱动轮直径均取d=60mm，传送带速率取v=0.25m/s。

传送带轮转速n=v/πd=0.25×60/0.06π≈80r/min

传动比　　　　i=1000/80=12.5

由于该装置对速度的精确度要求不高，所以传动比取i=12

需要变速的传动分两级，传动比分别为i1=3，i2=4。

2.2.1第一级传动

从电机到轴Ⅰ,传动比为i1=3。

由于电机转速比较高（1000t/min），所以采用带传动，以降低对零件的要求。

高速级带轮（与电动机相连）直径d1=50mm，低速级带轮（固定于轴Ⅰ上）直径d2=150mm。

轴Ⅰ的转速为　n1＝n/i1=1000/3≈333r/min

其带长为　　L＝2a+π（d1+d2）/2+（d2-d1）2/4a

＝2×500+π（50+150）/2+（150-50）2/4×250

＝824mm

2.2.2第二级传动

从轴Ⅰ到轴Ⅱ。

采用圆柱齿轮传动，传动比为i2=4。

高速级齿轮（固定于轴Ⅰ上）直径d3=50mm，低速级齿轮（固定于轴Ⅱ上）;d4＝200mm;模数为m=2.5mm，高速级齿轮齿数为Z=20，低速级齿轮齿数为Z=80;中心距为a=（d3+d4）/2=（50+200）/2=125mm;由于需要传递的功率很小，所有齿轮的齿宽都取b=20mm。

首先对高速级齿轮进行校核：

取其载荷系数为K=1.5

齿形系数为YF=2.9

转矩T=9.55×106P/n

则其弯曲强度为σF=2KT1Y2/bm2Z

=2×1.5×9.55×106×0.003×2.9/20×2.52×20

=99.7N/mm2

对低速级齿轮进行校核：

其载荷系数为K=1.5

齿形系数为YF=2.25

转矩T=9.55×106P/n

弯曲强度为σF=2KT1Y2/bm2Z

=2×1.5×9.55×106×0.012×2.25/20×2.52×80

=77.3N/mm2

由计算可知

两齿轮采用普通碳素钢（[σF]>100N/mm2）即可满足要求。

对轴Ⅰ进行校核：

我们采用45#钢制造轴，则取C=118（最大值），其传递的功率按照最大值计算，即取P=1KW。

轴的直径d≥C（P/n）1/3=118×（3/1000）1/3=17mm

轴Ⅰ的直径最小处为20mm，满足要求。

另外，轴上靠近小齿轮一端的轴承采用轻系列204的轴承。

内径为d=20，外径D=47，宽度b=14;另一端为轻系列205轴承;

其具体参数为：

内径d=25mm，外径D=52mm，宽b=15mm。

两轴承用轴承端盖固定。

2.2.3第三级传动

从轴Ⅱ到轴Ⅲ;根据两轴之间的位置关系，采用链传动，传动比为i3=1。

由于传动比为1，所以两链轮的分度圆直径相同。

基本参数为：

链轮齿数为Z=33，则Ｋ＝10.5201链条节距　P=9.525mm（链号为　06B）分度圆直径　d=PK=9.525×10.5201=100.2mm

对轴Ⅱ校核：

轴Ⅱ需要对外传输动力，即通过联轴器带动传送带。

我们采用40Cr为原料，由于弯矩很小，取C=100。

传递功率取P=1KW。

n=250/3r/min

d≥C（P/n）1/3=100×（3/250）1/3=23mm

轴Ⅱ最细处的直径为25mm。

满足要求。

轴Ⅱ两端的轴承均采用轻系列205轴承，用轴承端盖固定。

2.2.4第四级传动

从轴Ⅲ到轴Ⅳ;采用圆柱齿轮传动，传动比为i4=1。

两齿轮分度圆直径为d7=d8=100mm;模数为m=2.5mm，齿为数Z=40;传递的功率P=0.5KW。

校核其弯曲强度：

σF=2KTY2/bm2Z

=2×1.5×9.55×106×0.006×2.45/20×2.52×40

=84N/mm2

根据计算可知，采用普通碳素钢就可以满足要求。

从轴Ⅲ往后的轴传递的功率都很小，只是用来驱动压紧带或是定位针带，转速全都与轴Ⅲ相同，而轴的最细处的直径都大于20mm，所以轴和齿轮的强度都不必再校核。

轴Ⅲ两端的轴承均采用轻系列205轴承，用轴承端盖固定。

2.2.5第五级传动

从轴Ⅳ到轴Ⅴ。

该级传动需要改变动力方向，所以采用锥齿轮传动，传动比为i5=1。

两个锥齿轮的参数分度圆锥角δ1=δ2=45o

分度圆直径d9=d10=100mm

模数m=4mm

齿数Z=25

齿宽b=20mm

固定于轴Ⅴ上的锥齿轮位于轴的末端，由轴顶端的固定螺栓和挡圈将其固定在轴上，轴端必须加工螺孔。

而轴Ⅳ的顶端需要固定压紧带的驱动轮，同样需要螺栓和挡圈来固定。

由于采用锥齿轮传动，所以轴Ⅳ和轴Ⅴ都受一定的轴向力，需要安装圆锥滚子轴承，两个圆锥滚子轴承都是中窄3系列7305，具体参数为内径d=25mm，外径D=62mm，宽度b=17mm。

轴Ⅳ另外一端的轴承采用轻系列205轴承，用轴承端盖固定。

2.2.6第六级传动

从轴Ⅴ到轴Ⅵ。

由于这两根轴的方向是垂直于水平面的，所以不能采用链传动或是带传动，只能采用圆柱齿轮传动。

传动比i6=1。

齿轮的分度圆直径为d11=d12=150mm，模数m=2.5mm，齿数Z=60。

定位针带的驱动轮需要固定在轴Ⅵ的末端，所以要在轴端加工螺孔，依靠螺栓和档圈来固定驱动轮。

轴Ⅴ的下端装有滚子轴承，上端的轴承位于定位针带驱动轮的下面，依靠挡圈将其固定在轴上，因为如果采用轴承端盖固定的话，有可能影响上面驱动轮的工作。

2.3传送部分的设计

根据要求，在切根时只须切去根毛，根盘不能全部切去，这就要求我们切割时要达到一定速度，而且刀片一定要锋利。

但是不管采用何种方法切割，都不可能让工作人员用手工将大葱送到切割位置，因为那样很容易发生危险，所以必须借助机械的力量将大葱送到切割位置，并保证切割的精确度，即给大葱进行精确定位。

大葱的输送我们可以采用传送带的形式来完成，由传送带将大葱输送到切割位置。

该装置传送部分主要由传送带及其张紧装置组成。

其动力由轴Ⅱ通过联轴器提供。

大葱由人工放置到传送带上，由传送带将其输送至切割位置，并辅助切刀完成切割，然后将葱送至成品葱放置平台。

传送带的结构比较特殊，传送带上每隔40cm左右就有一排凸起。

工作时，要求工作人员将大葱紧挨着凸起放置，这样，在前进过程中，由于凸起的作用，大葱能够一直保持垂直于前进方向的位置，并且在定位系统调整其位置时也能很好地保持这样的方向。

在压紧带起作用前，大葱完全由凸起保持位置。

在大葱由压紧带固定压紧并进行切割时，靠近切刀一侧的凸起就起辅助切割的作用，因为切刀是固定不动的，所以切割所需的动力就由传送带上的凸起和压紧带一起提供。

传送带靠近切刀一侧的凸起距离传送带边缘20mm多一点，主要是为了空出压紧带的位置，使压紧带能够充分地起到压紧作用。

在传送带的前端的支撑架上，安装有传送带的张紧装置，传送带从动轮的轴可以在支撑它的槽内前后移动，转动支架顶端的螺栓就可以实现这种移动，从而达到调节传送带张紧程度的作用。

2.4定位部分的设计

对大葱进行定位，有三种方法可以选择，一是利用光电感应来确定大葱位置，然后对大葱进行调整，它的特点是定位精确度高但结构复杂，造价高；二是利用一种专用的定位针带来对大葱进行精确定位，这种定位方法的特点是精确度高，需要消耗动力，但是只能对大葱的位置进行微调，不适合对位置偏差较大的大葱进行调节；另外一种是在传送带的旁边安装一块定位板，定位板与大葱前进方向有一定角度，可对位置偏差较大的大葱进行调整，其缺点是定位精度不高，优点是调整范围大，不消耗动力，而且结构简单。

对比三种定位方法，并考虑到降低成本及机械的复杂程度，我们同时采用后两种定位方法。

这样，对大葱的定位分两部分，首先利用斜板进行粗定位，然后用针带进行精确定位。

定位板只是起普通限位作用的斜板，固定于支架上。

定位针带比较特殊（见零件说明图），其上有一排15mm长的针，依靠这些针刺入大葱的根部，来实现对大葱精确定位。

定位针带的驱动轮安装在轴Ⅵ上，动力直接由轴Ⅵ提供，其从动轮安装于一个专用的支架上，主动轮和从动轮直径均为60mm，两轮的中心距为150mm。

斜板的高度为30mm,总跨度为345mm，其中倾斜部分的跨度为300mm。

倾斜角度为18度。

由于定位针带只能微调大葱位置，所以在定位针带起作用前，一定要先将大葱调整到接近要求的位置，这由定位斜板来完成。

工作人员放置大葱的时候，一定要使大葱的根部伸出传送带外，否则定位装置将不会起作用，大葱也无法被切到。

在大葱随传送带前进过程中，其根部首先与斜板接触，斜板将向大葱施加一个垂直于大葱前进方向的分力，在这个分力的作用下，大葱被向传送带内推进，直至达到斜板的末端。

这时，大葱的位置已接近切割要求的位置。

紧接着，定位针带开始作用，定位针将会刺入大葱根部一定深度，由于大葱在垂直于前进方向上所受的力只有很小的摩擦力，所以针刺入大葱根部的深度很浅，而且每棵大葱都相差很小，这样大葱的位置就取决于定位针末端的位置。

所以只要设置了定位针带的位置，就可以确保大葱切割的精度了。

定位针带需要作用到压紧装置起作用为止，当大葱被压紧装置固定位置后，定位针带的作用便自动取消。

2.5　压紧部分的设计

该部分由两个带轮，两个支架以及一个弹簧组成。

（见零件说明图）

压紧带的驱动轮是直接安装在轴Ⅳ上的，而从动轮则是安装在一个可以绕轴转动的支架2上，支架2的另一端由弹簧拉向支架1。

弹簧的作用是利用杠杆的原理，让传送带获得一个施向大葱的压力，从而达到固定大葱的作用。

其中，主动轮的直径为60mm，从动轮的直径为20mm，两轮中心距为200mm。

主动轮下沿距传送带60mm，而从动轮可以接触到传送带，这样可以保证在定位针带取消作用前，压紧带已经可以起作用了。

2.6切割部分的设计

根部切割必须在运动过程中才能实现，这有三种方案：

一是大葱不动，依靠切刀运动来实现切割；二是切刀不动，由大葱运动来实现切割；三是大葱和切刀同时运动来实现切割。

我们可以根据不同的情况在这三种方式中做出选择。

前面已经确定，大葱的输送采用传送带的形式来完成，由传送带将大葱输送到切割位置。

这样不但实现了大葱的输送，还实现了大葱的运动，从简化机构、降低机械的复杂程度方面考虑，切割时我们便可以采用静止切刀。

该装置的切割作用是在几个部件共同作用下完成的，这些部件包括切刀、砧轮、压紧带、传送带等。

其中切刀的作用当然是切割了，压紧带的传送带的作用是提供动力。

由于传送带具有弹性，如果在切割过程中传送带下面没有依托的话，就可能使压紧带起不到应起的作用，从而影响切割的质量。

所以在传送带的下面，切刀起作用的地方增加一个砧轮，让它起砧板的作用，从而保证切割的质量。

切刀与砧轮共同固定在一个俯视为U形的支架上，U形支架开口朝向大葱输送来的方向。

砧轮安于U形支架的外侧，半径为25mm，略小于传送带驱动轮，上沿高出U形支架；切刀安于U形支架的内侧，向上伸出U形支架70－80mm，刀刃与水平面成60o。

砧轮的内端面与切刀平面以及传送带靠近切刀的端面几乎在同一平面。

支架固定在变速箱壳体上，要求砧轮上沿正好支撑传送带，切刀位于定位针带从动轮与压紧带从动轮之间。

切割的部位是切刀，砧轮、压紧带、传送带只是起辅助作用。

切割时，压紧带和传送带施给大葱一个向前的力，砧轮通过传送带施给大葱一个向上的力，在这两个力的作用下，大葱被推向倾斜60o的刀刃，从而完成切割。

下面分别为切刀的三维图及大葱切割示意图：

图2－3切刀三维图

图2－4　大葱切割示意图

2.7成品大葱的放置以及残根的处理

大葱在被切根后，将由传送带传送至位于一个平台，平台固定在支撑传送带驱动轮的支架上。

大葱从传送带上落下的后，落在平台前的斜板上，然后沿斜板滑至平台上。

平台与传送带下端的高度差为150mm，斜板的作用是缓冲，防止大葱下落时受到损伤。

平台水平部分的长度为300mm。

工作时每经过一段时间需要工作人员将成品大葱移走，防止大葱积攒太多影响传送带工作。

对于被切斜的残根，我们在平台的斜板下又安装了一块窄窄的斜板，切下的残根将正好落在这块斜板上，然后沿斜板滑落到地上，以便于清扫。

2.8　支架

支架的作用是支撑整个机械装置，要求是稳定，在工作的时候能够保持机械的稳定性，而且高度适中，适合于工作人员坐着工作，以减轻工作人员的劳动强度。

该装置对支架的要求是能稳定支撑并保持传送带高度为一米即可。

第3章结论

该大葱切根装置，是在总结国内外相关研究的基础上，根据大葱的生长特性和加工的具体要求而进行设计的。

在设计过程中我们充分考虑到我国的实际情况，尽量简化它的结构，降低其制造成本，使之适合于在我国大面积推广。

因此，