夏侯超 何雨峰 肖 瑤

（北京航空航天大學沙河校區(qū)，北京102206）

1 概述

生活中很常見的冬瓜，與中秋月圓之際的月餅之間，存在著千絲萬縷的聯(lián)系。其實，月餅等很多糕點的餡料當中都含有冬瓜，不僅因為冬瓜蓉可以延長保質期，提升口感，更重要的是，冬瓜的營養(yǎng)價值非常高，具有美容養(yǎng)顏等作用。然而，由于冬瓜皮太硬，冬瓜的快速高效去皮一直是糕點廠的一個難題。傳統(tǒng)手工去皮方式因效率較低、人工成本高而難以滿足目前的需求，在此背景下，代替人工的自動化冬瓜批量去皮機應運而生。在自動化冬瓜去皮機的工作過程中，夾持冬瓜的主軸尤為關鍵。其需要保證能夠將冬瓜穩(wěn)定地固定在指定位置，它的強度、剛度及穩(wěn)定性問題都會對自動化冬瓜去皮機的工作效率及工作安全性產生巨大的影響。

2 模型建立

由于冬瓜去皮機的冬瓜夾持部分為左右對稱結構，在工作時，左右兩部分對稱位置受力大小相同，方向相同，故只需研究某一邊的受力情況，即可得到該夾持裝置強度分析結果。將電動機、聯(lián)軸器、軸承及軸承座、主軸部分簡化為如下三維圖形：

圖1 夾持主軸三維簡化圖

軸承座對主軸起到位置約束作用，對主軸作用力方向沿鉛錘方向。當夾持冬瓜后，軸承座對主軸有向上的支持力，可簡化為在軸承處的集中力，防止主軸夾持冬瓜后出現(xiàn)鉛錘方向的位移。為了便于對機構進行受力分析，簡化機構如下：

圖2 夾持主軸簡化圖形

3 總體設計

3.1 冬瓜參數(shù)設定

重量：m=10kg

軸向長度：l=600mm

直徑：D=250mm

3.2 電動機參數(shù)設定

電機轉速：r1=750r/min

功率：P=2.2kw

減速傳動比：i=2:1

3.3 主軸參數(shù)設定

軸向長度：l=600mm

直徑：d=25mm

主軸轉速（經(jīng)減速）：r2=150r/min

主軸材料：45 號鋼（未經(jīng)調質處理）

4 強度校核

4.1 冬瓜處于正中心（定位準確）

（1）受力分析

圖3 夾持主軸受力分析

主軸在彎矩與扭矩的作用下，符合彎扭組合變形的特點。

圖4 夾持主軸內力圖

（2）強度校核

應用第四強度理論[1]進行強度校核：

由此可見，軸的設計合理，正常工作時處于安全狀態(tài)。

45 號鋼（未經(jīng)調質處理）相關數(shù)據(jù)：

彎曲疲勞極限：σ-1=255MPa

剪切疲勞極限：τ-1=140MPa

許用彎曲應力：[σ-1]=55MPa

許用彎曲應力[σ-1] 是指對稱循環(huán)變應力時軸的許用彎曲應力，上述的值45 號鋼未經(jīng)調質處理時的許用彎曲應力值[2]。

4.2 冬瓜偏離正中心（定位有偏差）

假設偏心距e=50mm

圖5 冬瓜偏心時的受力

此時主軸扭矩：T'=T+T0=72.48N·m

此時仍可按照彎扭組合變形進行計算：

應用第四強度理論進行強度校核：

由此可見，當偏心距在一定范圍時，軸的強度符合要求，處于安全狀態(tài)。

5 結論

通過對所設計冬瓜去皮機的主軸夾持部分進行機構簡化，并對其進行受力及強度分析，根據(jù)分析結果，得到冬瓜去皮機主軸夾持部分的適合尺寸及材料；通過對冬瓜偏離中心的情況的分析，發(fā)現(xiàn)在偏心距<5cm的情況下，主軸處于安全狀態(tài)。此主軸的設計方案，為冬瓜去皮機的正常運行提供了有力的理論支撐。面對中國每年接近14 億的月餅需求，冬瓜去皮機作為自動化生產線的一部分，在糕點廠等食品加工廠中具有非常廣闊的應用前景。