小型土豆切片机.docx
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小型土豆切片机
家用小型土豆切片机的设计
XXX
（机械电子工程XXXX）
指导老师：
XX
摘要
近年来，随着食品加工业的发展，切片机的研发与使用力度也在逐步增大，国内已经有很多工作效率高、操作方便、性能稳定的切片机。
但是这种切片机比较适用于企业与手工作坊使用，对于普通家庭的使用并不合适。
本文提出一种直线往复式家用小型土豆切片机，该机器主要由切刀部分、土豆推进与夹紧部分及调节土豆片厚度装置这三大部分组成。
该切片机具有体积小、操作方便、成本低等优点，可以很好的解决当代年轻人切菜难的问题，有很好的市场前景。
关键词：
切片机，直线往复式，刀片，厚度调节
DesignofMini-householdmachineforpotatoslicing
XXXX
（MachineryandelectronicsengineeringmajorXXXX）
Tutor:
XX
ABSTRACT
Inrecentyears,withthedevelopmentofthefoodprocessingindustry,theslicerdevelopmentandusearealsograduallyincreasing,thecountryhasanumberofhighefficiency,easeofoperation,stableperformanceoftheslicer.Howeverthissliceraremoreapplicabletoenterprisesandworkshopsusedfornormalhouseholduseisnotappropriate.Paperpresentsafamilybyautomaticslicingmachine,themachineispropelledbythecutterparts,potatoesandclampingpartandadjustthethicknessofpotatochipdevicethatconsistsofthreeparts.Theslicerhasasmallsize,easeofoperation,lowcost,canbeagoodsolutiontothedifficultproblemofcontemporaryyoungvegetable,havegoodmarketprospects.
KEYWORDS：
Slicingmachine，Linearreciprocating，Blade，Thicknessadjustment
引言
土豆营养丰富，它的块茎中含有丰富的淀粉和对人体极为重要的营养物质，例如蛋白质、糖类、矿物质、盐和多种维生素等，并且含量明显高于小麦、水稻、和玉米。
在学校待了将近四年时间了，我就觉得恩施人吃土豆样式是这里的一绝。
不管是学校的食堂还是外面的餐馆，土豆都是这里必不可少的一种食材，像榨广椒炒土豆片、腊肉炒土豆片、酸辣土豆丝都很受同学们的喜爱。
民以食为天，吃在人们生活中的地位不言而喻，随着人们生活水平的提高，对吃的要求越来越高，做一手好菜不但能够解决家人的温饱问题，还会为家庭的和谐做出很大的贡献。
土豆虽好，但要想做出好吃的土豆，首先就要解决如何把它切的比较均匀的问题。
当今社会的主体一般是80后，90后也会慢慢登上社会的舞台，80后、90后一般是独生子女，与父母生活在一起时很少自己做饭，自己单独在外面工作、成家以后，对于做饭、做菜就会显得力不从心，切菜对于这些年轻人也是一个不小的挑战，尤其是对于像土豆这类形状不规则的食材。
但是，市场上目前存在的切片类的机器主要都是针对企业工厂、学校食堂与手工作坊等一次性需求量比较大的场合，在家庭生活中使用存在体积大、移动不方便、耗电多、成本高、功能单一等缺点。
本文提出一种家庭用自动切片机，具有体积小、操作方便、成本低、机械传动节约能源的特点，可以很好的解决年轻人不会切菜的苦恼，有很好的市场前景。
1整体方案设计
1.1家用土豆切片机应满足的要求[3]
具有预定功能的要求
所设计制造的土豆切片机必须实现预定的解决生产或生活问题的功能，这是机器设计的最基本出发点。
为使所设计的机器具有预定功能，合理选择机器的工作原理是最重要的。
显然，预定实现的功能不同，设计的要求也不同。
经济性要求
机器的经济性是一个综合指标，在切片机的设计、制造、使用、销售、维修、管理等各个环节均有所体现。
总之，经济性要求就是在满足功能要求的前提下能够将总费用降到最低。
安全性要求
在土豆切片机的设计阶段就必须对机器的使用安全予以足够的重视。
简单地讲，安全就是指切片机本身的工作安全及使用者的安全，特别是使用者手的安全。
因此，要采用各种各样的防护措施，使运行时刀具不会与人体直接接触
可靠性要求
简单地讲，可靠性就是土豆切片机在使用中性能的稳定性，它是切片机的一个重要质量指标。
可靠性水平越高，说明机器在使用过程中发生故障的概率越小，能正常工作的时间就越长。
操作使用方便性要求
土豆切片机是一种给生活带来方便的机械产品。
在设计切片机时必须注意操作时要轻便省力；操作机构要适应人的生理条件；噪声要小；防止污染等。
此外，对有些机器还有一些特殊要求，如建筑机械要便于拆装和搬运、交通机械要重量轻等。
设计土豆切片机时，在满足基本要求的前提下还要满足不伤土豆的口感、漂亮均匀这些特殊要求，以提高机器的使用性能和保证机器的工作质量。
1.2整体方案的动作分析[4]
家用小型土豆切片机要求实现两个执行动作：
土豆的直线间歇移动和切刀的往复运动。
通过两者的动作配合从而完成整个切片动作。
在完成切片的同时，还要有一个可调整土豆切片的厚度的装置。
动作分析：
切刀直线往复式运动→切刀下切→切刀上升→土豆向前推进
图（1-1）土豆切片机的动作图
1.3家用小型土豆切片机总体机构方案的设计
Ø微调可调挡板上的螺母，使之达到自己所需求的切片厚度；
Ø将土豆放入两块挡板之间，土豆在弹簧力的作用下达到被夹紧的状态；
Ø转动手轮带动偏置曲柄滑块机构，切刀向下运动完成对土豆的切片动作。
图（1-2）家用土豆切片机运动简图
1.4切刀部分的设计
现在市场上的切片机主要有离心式切片机和圆盘旋转式切片机这两种类型。
离心式切片机的结构简单，生产能力较大，具有良好的通用性，缺点就是不能定向切片，切割阻力大，物料易受到挤压[5]。
因此像这种切片机一般多用于食堂、工厂等一次性需求量比较大的场合。
而圆盘旋转式切片机的结构虽然也比较简单，有很高的生产效率，但它需要专用的刀片，切出来的土豆片有毛刺影响口感，都不太适合普通家庭用户的使用。
我设计的就是一种简单的比较适合普通家庭使用的切片机，主要模仿人们平时切菜时的动作，用一个简单的直线往复式结构来完成切片动作。
切刀执行机构的方案拟定:
方案一：
采用曲柄滑块机构
图（1-3）曲柄滑块机构
此连杆机构的优点：
Ø运动副均为低副，底副的两运动副元素为面接触，压强较小，可承受较大的载荷，并且有利于润滑，运动副元素的几何形状较简单，便于加工制造[5]；
Ø能由机构本身的几何形状保持接触；
Ø连杆上各点的轨迹都是各种形状不同的曲线，其形状还随着各构件相对长度的改变而改变，从而可以得到众多形式的连杆曲线，我们可以利用这些曲线来满足不同曲线的设计要求，应用范围比较广泛[7]。
此连杆机构的缺点：
Ø连杆机构的运动必须经过中间构件进行传递，传递路线较长，易产生较大的误差累计，使机械效率降低；
Ø作变速运动的构件惯性力及惯性力矩难以完全平衡，设计复杂；
Ø此机构虽有上下往复运动，但它并没有急回运动特性。
不能够实现切刀下切速度慢而收回速度快的特性，也不能够很好的缩短空程的时间，影响效率。
故放弃。
方案二：
采用几何封闭凸轮机构
图（1-4）几何封闭凸轮机构
此凸轮机构的优点[6]：
Ø设计简单，适应性强，可以实现从动件的复杂运动规律要求；
Ø结构简单紧凑，控制准确有效，运动特性好，实用方便；
Ø性能稳定，故障少，维护保养方便。
此几何封闭凸轮机构的缺点：
Ø凸轮廓线与推杆之间为点、线接触，易磨损；
Ø没有急回运动特性，不能够实现切刀下切速度慢而收回速度快的特性。
不能够很好的缩短空程的时间，影响效率；
Ø凸轮的轮廓曲线比较复杂，加工困难，成本较高。
方案三：
组合机构
最初考虑采用曲柄滑块机构，由于该机构具有简单的构造和运动形式，所以成为了首选目标，但是该机构不能实现急回运动，达不到最优运动效果，所以转而考虑其他机构。
在凸轮机构中，用凸轮可以很好的控制刀的运动,实现最优的运动轨迹,可是凸轮的设计和制造比较复杂，造价比较高，且不能传递较大的力,并且凸轮轮廓与从动件之间为点接触、线接触，对零件的磨损非常厉害，故舍弃该方案。
总结了以上两种方案，得出了该机构需要具有急回运动，并要求拥有简单的构造，所以最终定位在了偏置曲柄滑块机构。
该机构构建简单，可承受较大的载荷，并且有利于润滑；运动副元素的几何形状较简单，便于加工制造。
改变各构件的相对长度来使从动件得到预期的运动规律。
所以用来实现切刀往复运动的机构选择了偏置曲柄滑块机构
图（1-5）偏置曲柄滑块机构
结合方案一、二优缺点，如图1-5所示，故选择偏置曲柄滑块机构。
1.5土豆推进部分的设计
土豆的直线间歇运动可选择齿轮机构、连杆步进输送机构、棘轮机构、槽轮机构等。
这些机构的传动效率都比较高，但是像棘轮机构、连杆步进输送机构的制造都很复杂，造价很高，故舍弃。
相对来说，槽轮机构的结构简单，外形尺寸小，其机械效率高，并且能较平稳地，间歇地进行转位[8]。
考虑到该土豆切片机的主要应用场合是家庭用户，简单、经济、实用是用户在购买时所会考虑的很大一部分因素，切片机并不需要很高的效率。
所以我在设计时就舍弃了用传送带或者其他的复杂机构来用于土豆的推进的想法。
在设计中，就用一个简单的弹簧机构就可以满足土豆的推进，而且还起到了对土豆的夹紧固定作用，有利于切刀与土豆的接触。
图（1-6）土豆的间歇性运动机构
1.6切片厚度调节部分的设计
1.6.1挡板可调装置
挡板的进给与固定是影响该设备切削质量的关键因素，对于挡板的进给采用螺旋丝杆传动[9]，能够达到无级进给，并可以实现反推自锁。
原理图如图（1-7）所示。
图（1-7）可调挡板机构
1.6.2切片粘板问题的解决[10]
考虑到土豆片含有很多的水分及淀粉，因此刚切下的土豆片就很容易就贴在挡板上，影响下一次的切削动作的完成。
解决这个问题有两种方法：
第一种，就是将挡板与土豆的接触面设计成凹凸不平的那种面，减少土豆片与挡板的实际接触面积，这样土豆片也就不容易粘在挡板上了。
图（1-8）挡板的改进设计
第二种，就是将切刀部分进行改进，在切刀的一面的脊背处加装一块横板，这样切刀在完成切片的同时，横板也顺带将土豆片推出[11]。
图（1-9）切刀的改进设计
在设计该切片机的初期，我就试着把家用的普通菜刀融入到该切片机到中去。
所以就舍弃掉第二种方案，采用方案一，将挡板的一面设计成波浪形，减小土豆片与其的接触面积。
1.7动力部分的设计
简单经济是设计该家用土豆切片机所要考虑的一大因素，所以就采用手摇式驱动装置。
将摇把安装在转盘上，这样设计的话，转盘就相当于一个飞轮的作用，操作者通过摇动手柄带动转盘运转，转盘的旋转运动再转换成切刀的上下往复运动。
操作简单，几乎人人都能操作。
1.8机架部分的设计[11]
机架起到在机器中起到支承或容纳零、部件的作用，机架的设计主要应保证以下三点：
足够的强度和刚度；形状简单，便于制造；便于在机架上安装附件等。
强度是评定重载机架工作性能的基本准则。
机架的强度应根据机器在运转过程中可能发生最大载荷或安全装置所能传递的最大载荷来校核其静强度。
此外还要校核其疲劳强度。
机架的强度和刚度都需要从静态和动态两方面来考虑。
动刚度是衡量机架抗震能力的指标，而提高机架抗振能力应从提高机架构件的静刚度，控制固有频率，加大阻尼等方面着手。
机架受压结构及受压弯结构都存在失稳问题。
有些构件制成薄壁腹式也存在局部失稳。
稳定性是保证机架正常工作的基本条件，需要重点考虑。
机架的各部分要各自稳定，而且相对固定，以便做到机械在运转过程中不会产生晃动、歪斜，造成人身危险。
2主要结构的设计计算
2.1偏置曲柄滑块机构的设计计算[12]
偏置曲柄滑块机构如图所示，图中AB为曲柄，长度为a，BC为连杆，长度为b，偏心距为e,传动角为γ。
越小，机构传力就越费劲，传动效率低；反之γ愈大，机构的传力性能就越好，对机构传动愈有利，它是机构传动性能的重要指标之一，工程上常以γ值来衡量机构的传力性能。
（2-1）
（2-2）
（2-3）
（2-4）
设计变量x的取值范围：
（2-5）
图（2-1）偏置曲柄滑块机构
现在市场上的土豆的平均直径都在50-70mm之间，最大的可以达到150mm，最小的在10mm以下。
所以我考虑切刀的行程H=100mm，行程比系数K=1.5（k越大，空回行程就越快，但是它的工作行程的进给速度就越慢，不利于土豆的切削）。
（2-6）
利用一维寻优最优化技术黄金分割法，来求γmin取极大值时的x值。
将γmin最大时的x值代入（2-1）（2-2）求出a、e，由（2-3）式b=x+a求出b值。
x的取值范围为0～137.638mm，化零取整x=90mm时，γmin的最大值为
39.97°。
曲柄a=34mm
连杆b=124mm
偏心距e=61mm
2.2弹簧的设计计算
普通家庭用户每顿所需要的土豆不会超过1KG，在加上挡板的重量，设计时的最大弹簧力F
设为60N，变形量
设为50mm。
常用的弹簧主要有螺旋弹簧、环形弹簧、碟形弹簧、涡卷形弹簧、板弹簧等等。
在该土豆切片机的设计中，弹簧主要起到一个储存并释放能量的作用。
所以，选择圆柱螺旋压缩弹簧。
①选材料:
一般选用碳素弹簧钢丝65Mn，它具有强度高，加工性能好，廉价，容易得到，弹性极限低，比较适合做小尺寸的弹簧。
取钢丝直径d=2mm。
②查表计算许用应力:
查《机械设计基础》[13]17-2表中Ⅰ类载荷的弹簧考虑（根据阀弹簧受力情况言）材料的抗拉强度σb与钢丝直径d有关
选d=2mm时，σb=2000Mpa
查表17-1取切变模量G=82×10
Mpa
查表17-1,取许用切应力τs==0.3σb=0.3×2000=600Mpa
查设计手册17-6表中，当钢丝直径d=1.1-2.2的时候，弹簧指数C=5-10。
初选C=8，算出K=
=1.184（2-7）
计算钢丝直径:
d≥1.6
=1.5mm（其中K=1.184，F为弹簧受力）
所以先前的假设d=2mm＞1.5是合理的。
③计算弹簧尺寸:
中径D
=Cd=16mm（2-8）
外径D=D
+d=18mm（2-9）
内径D
=D
-d=14mm（2-10）
④计算弹簧有效圈数:
n=
（取
=50mm）=33.36，取n=33圈（2-11）
总圈数n
=n+n
=35圈（死圈数n
=2）
⑤自由高度:
H
=nt+1.5d=267（2-12）
其中:
t——初步估计节距t=（
）D
（2-13）
查《简明机械设计手册》表16-8系列值H
取最优，H
=260
⑥弹簧螺旋角:
（此值一般符合=5°～9°）
α=arctan（t/πD
）（2-14）
据《简明机械设计手册》表16-2弹簧节距t=（
）D
，取t=1/2D
计算得α≈9°，符合要求。
⑦验算弹簧的稳定性（两端采用固定之承）
b=
=267/16＞
（
=5.3为临界高径比）（2-15）
当b＞
时，轴向载荷超过一定限度，弹簧就会失去稳定性而产生侧向弯曲。
这时就可以通过改变弹簧结构参数和两端的之承方式，也可以采用在弹簧内侧加装导杆或者在弹簧的外侧加装导套的办法使弹簧趋于稳定。
2.3轴承及挡板螺旋传动部分的设计选型
2.3.1.螺旋传动部分的选型
螺旋传动由螺杆和螺母组成，主要用来将旋转运动转换成直线运动，同时传递运动和动力[14]。
在本设计中，该螺旋传动用于调整挡板与切刀的相对位置，不经常转动，也不需要很高的强度要求。
材料及螺形的选定：
初步选材为45钢，材料不经热处理，适用于经常运动，受力不大，转速较低的传动。
采用梯形螺纹，压邪叫
=30°，工艺性好，牙根强度高，螺旋副对中性好，效率虽然不高，但足以满足切片机的要求。
2.3.2.轴承的选型
在该设计中采用的轴承是滚动轴承，它是依靠主元件间的滚动接触来支撑转动零件的。
与滑动轴承相比，滚动轴承具有启动灵活，摩擦阻力小，效率高，润滑简便及易于互换等优点
按滚动体的形状我们又分为球轴承和滚子轴承。
我采用的是深沟球轴承如图2-2所示。
深沟球轴承主要用于承受径向负荷，也可承受一定的轴向负荷。
结构简单，易于制造，价格低廉；启动性能好，摩擦系数最小。
当轴承的径向游隙加大时，具有角接触球轴承的性能，可承受较大的轴向负荷。
轴承组合的固定是通过轴承内圈和轴之间的锁紧，外圈和轴承座孔之间的固定来实现的。
滚动体和内、外圈的材料应具有高的硬度和接触疲劳强度、良好的耐磨性和冲击韧度，一般采用轴承铬钢制造，经热处理后硬度可达到61-65HRC,工作表面须经磨削和抛光。
保持架一般用低碳钢板冲压而成，它与滚动体间有较大的间隙，实体保持架常用铜合金、铝合金和塑料经切削加工制成，有较好的定心作用。
图（2-2）深沟球轴承
3Solidworks三维建模
3.1切片机运动简图[15]
图（3-1）
3.2切刀部分[16]
图（3-2）
3.3送料斗部分
图（3-3）
3.4切片厚度调节装置
图（3-4）
3.5家用小型土豆切片机
图（3-5）
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