鄭 艷 王成軍 吳婭楠 程浩杰

(1.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2. 合肥學(xué)院機(jī)械工程系，安徽 合肥 230601)

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雙刀交替式連續(xù)剁餡機(jī)的設(shè)計(jì)

鄭 艷1王成軍1吳婭楠2程浩杰1

(1.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2. 合肥學(xué)院機(jī)械工程系，安徽 合肥 230601)

針對(duì)現(xiàn)有剁餡機(jī)技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)一種可實(shí)現(xiàn)兩片剁刀交替進(jìn)行連續(xù)往復(fù)剁切作業(yè)的雙刀交替式連續(xù)剁餡機(jī)。通過改進(jìn)傳統(tǒng)剁餡機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)，將二級(jí)錐齒輪減速器、蝸輪蝸桿減速器、帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，以及作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行合理布置，以滿足作業(yè)要求；并運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。分析結(jié)果表明，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)可靠且合理，所設(shè)計(jì)的新型剁餡機(jī)可大幅提高剁餡效率和制餡質(zhì)量，有效避免各種營養(yǎng)成分的流失和餡沫飛濺現(xiàn)象的發(fā)生。

剁餡機(jī)；剁刀；交替式；雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

傳統(tǒng)絞肉機(jī)在制餡時(shí)，由于受到擠壓，破壞了肉質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使肉富含的營養(yǎng)成分流失而失去原有的鮮味，影響了口感[1]，且很多時(shí)候剁餡作業(yè)對(duì)象比較單一[2-4]。自動(dòng)剁餡機(jī)的出現(xiàn)解決了餡的質(zhì)量不可控和口感問題[5]，但雙刀式剁餡機(jī)(見圖1)大多采用平刃剁刀和簡易的平面砧盤，且雙剁刀多采用同步剁切方式，作業(yè)時(shí)拌料不足，易產(chǎn)生飛濺，有的需專門人員協(xié)助才能完成整個(gè)剁餡工作，效率低[6]。市售的另一類制餡機(jī)，如多功能自動(dòng)菜餡機(jī)(見圖2)采用相對(duì)旋轉(zhuǎn)刀組對(duì)制餡原料進(jìn)行高速旋切成餡，但切料不均勻，覆蓋件內(nèi)飛濺嚴(yán)重，清洗不便。

1. 刀架板 2. 立柱 3. 彈簧護(hù)套 4. 凸輪 5. 圍板 6. 刀具 7. 拖板 8. 剁板 9. 防濺坡 10. 平臺(tái) 11. 彈簧壓板 12. 彈簧 13. 滑槽 14. 背板

圖1 雙刀式剁餡機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

Figure 1 The structure of the double type chop stuffing machine schematic diagram

1. 支架 2. 皮帶輪 3. 皮帶 4. 旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤 5. 安全蓋 6. 旋轉(zhuǎn)刀組 7. 滾輪

圖2 多功能自動(dòng)菜餡機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

Figure 2 The structure diagram of multifunctional automatic turnip machine

為此，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)一種雙刀交替式連續(xù)剁餡機(jī)，將二級(jí)錐齒輪減速器、蝸輪蝸桿減速器、帶輪，以及作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化布置，解決剁餡機(jī)剁餡質(zhì)量差、對(duì)象單一、工作效率低和清理不便等問題。同時(shí)，運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)雙刀連續(xù)剁餡機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行模擬仿真，以確保機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性[7]。

1 雙刀連續(xù)剁餡機(jī)的設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙刀交替式連續(xù)剁餡機(jī)結(jié)構(gòu)見圖3。由電機(jī)和二級(jí)錐齒輪減速器構(gòu)成的動(dòng)力系統(tǒng)通過主傳動(dòng)裝置與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連接，為執(zhí)行機(jī)構(gòu)中剁刀的往復(fù)運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力；動(dòng)力系統(tǒng)通過砧盤傳動(dòng)裝置與砧盤裝置相連接，為砧盤的旋轉(zhuǎn)提供動(dòng)力；主傳動(dòng)裝置與砧盤傳動(dòng)裝置均采用帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。上述七部分相互協(xié)調(diào)配合實(shí)現(xiàn)左右剁刀交替進(jìn)行連續(xù)往復(fù)剁切和砧盤的旋轉(zhuǎn)拌餡[7]，代替手工操作自動(dòng)完成剁餡和翻餡作業(yè)。雙刀連續(xù)剁餡機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

1. 底座 2. 動(dòng)力系統(tǒng) 3. 主傳動(dòng)裝置 4. 砧盤傳動(dòng)裝置 5. 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 6. 砧盤裝置 7. 砧盤防護(hù)筒 8. 安全防護(hù)罩

圖3 雙刀連續(xù)剁餡機(jī)的結(jié)構(gòu)

Figure 3 Structure of double continuous chop stuffing machine

表1 剁餡機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

1.2 工作原理

雙刀連續(xù)剁餡機(jī)的電機(jī)動(dòng)力由二級(jí)錐齒輪減速器第一次減速后經(jīng)過主傳動(dòng)裝置和砧盤傳動(dòng)裝置分別傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)的曲柄輪和砧盤裝置。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由相位角相差180°的兩組曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組成，執(zhí)行機(jī)構(gòu)將電機(jī)的單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為垂直方向的兩路直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)兩把剁刀對(duì)砧盤上的餡料進(jìn)行交替往復(fù)剁切。同時(shí)，二級(jí)錐齒輪減速器的另一個(gè)輸出端的動(dòng)力經(jīng)過渦輪蝸桿減速器二次減速后，由砧盤傳動(dòng)裝置傳遞給砧盤裝置，驅(qū)動(dòng)砧盤及餡料旋轉(zhuǎn)，餡料在砧盤轉(zhuǎn)動(dòng)及交替運(yùn)動(dòng)的剁刀短時(shí)歇阻擋作用下，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)攪拌和翻轉(zhuǎn)。由于所設(shè)計(jì)的砧盤采用凹面結(jié)構(gòu)，且與剁刀的刀刃輪廓完全吻合，餡料在剁切作業(yè)過程中自然向砧盤中心移動(dòng)。此外，在砧盤外設(shè)置的砧盤防護(hù)筒還可以對(duì)飛濺的餡料進(jìn)行有效遮擋，防止餡料四處飛濺。

1.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙刀剁餡機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)見圖4。執(zhí)行機(jī)構(gòu)左右兩部分結(jié)構(gòu)完全相同，動(dòng)力系統(tǒng)通過帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳遞給驅(qū)動(dòng)軸，驅(qū)動(dòng)軸通過驅(qū)動(dòng)左連桿機(jī)構(gòu)和右連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)左剁刀和右剁刀進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，左連桿機(jī)構(gòu)和右連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方向相反，相位相差180°，即執(zhí)行機(jī)構(gòu)的本質(zhì)是相位差為180°的雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。

1. 執(zhí)行支架 2. 驅(qū)動(dòng)軸 3. 左連桿機(jī)構(gòu) 4. 右連桿機(jī)構(gòu) 5. 左剁刀 6. 右剁刀

圖4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成

Figure 4 The composition of actuator

2 主要技術(shù)參數(shù)的確定

2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算

由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)左右兩部分結(jié)構(gòu)完全相同，因此，左連桿機(jī)構(gòu)或右連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)自由度即為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)自由度，圖5為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)原理圖。

根據(jù)式(1)，可計(jì)算。

(1)

式中：

F——執(zhí)行機(jī)構(gòu)的自由度；

n——構(gòu)件數(shù)；

pl——低副數(shù)；

ph——高副數(shù)。

本試驗(yàn)中n取5，pl取7，ph取0，代入式(1)求得：F=1。

圖5 執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理圖

同時(shí)，為保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，根據(jù)平面連桿的設(shè)計(jì)原理及條件，計(jì)算與確定了剁餡機(jī)虛擬樣機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各桿參數(shù)，結(jié)果見表2。

表2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各桿參數(shù)

2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)ADAMS模型的建立及運(yùn)動(dòng)仿真

2.2.1 ADAMS運(yùn)動(dòng)模型的建立 根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)結(jié)果在Pro/E中建立實(shí)體模型，然后導(dǎo)入ADAMS，修改零件名稱，添加約束和驅(qū)動(dòng)[8-9]見表3，最終的模型見圖6。

表3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的約束明細(xì)

圖6 執(zhí)行機(jī)構(gòu)ADAMS仿真模型

2.2.2 運(yùn)動(dòng)仿真及結(jié)果分析 由圖7可知，左剁刀和右剁刀在X、Y方向的位移、速度和加速度均為0，在Z向的位移、速度和加速度曲線呈周期性變化，且振幅平穩(wěn)，表明左剁刀和右剁刀在垂直方向上作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)；左剁刀的位移、速度、加速度曲線和右剁刀的位移、速度、加速度曲線的方向相反，左剁刀與右剁刀的運(yùn)動(dòng)相位相差1800。分析可知，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的ADAMS模型是正確的，滿足剁餡作業(yè)的要求。此外，根據(jù)模擬仿真試驗(yàn)，左右剁刀的頻率可通過改變動(dòng)力系統(tǒng)中電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)，其振幅的調(diào)節(jié)可通過改變執(zhí)行機(jī)構(gòu)中各桿參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)論

(1) 通過對(duì)雙刀連續(xù)剁餡機(jī)的工作原理以及結(jié)構(gòu)的分析，確定了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的自由度、執(zhí)行機(jī)構(gòu)中各桿參數(shù)以及剁餡機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)，為雙刀連續(xù)剁餡機(jī)的設(shè)計(jì)與制造提供了參考與依據(jù)。

圖7 剁刀的運(yùn)動(dòng)曲線

(2) 建立了雙刀連續(xù)剁餡機(jī)的虛擬樣機(jī)，創(chuàng)建了執(zhí)行機(jī)構(gòu)ADAMS仿真模型，通過ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性。

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Design of dual cleaver alternating continuous mincing machine

ZHENGYan1WANGCheng-jun1WUYa-nan2CHENGHao-jie1

(1.CollegeofMechanicalEngineering,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan,Anhui232001,China;2.DepartmentofMechanicalEngineering,HefeiUniversity,Hefei,Anhui230601,China)

To overcome the shortcomings of the existing mincing machine technology, a new type of mincing machine with dual cleaver chopping alternatively continuously was designed. The actuators and transmission system of the existing mincing machine were improved so that the reasonable layout of the two-stage cone gear reducer, worm gear reducer, belt transmission mechanism. Moreover, a double crank slider mechanism was made in order to meet the operation requirements. Furthermore, the software ADAMS was used to conduct a kinematic analysis of the actuator. The results showed that the actuator design was the reliable and reasonable. Our newly designed mincing machine turned out to boost chopping efficiency, filling-making quality and avoid the loss of various nutrients and the splash phenomenon effectively.

mincing machine; cleaver; alternate; double crank slider mechanism

安徽省2015年科研條件專項(xiàng)項(xiàng)目(編號(hào)：2060503)

鄭艷(1992—)，女，安徽理工大學(xué)在讀碩士研究生。

E-mail:2546750266@qq.com

2016-02-25

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.10.021