李長安，鄧立君，陳笑天

（濱州學(xué)院機電工程學(xué)院，山東濱州 256600）

0 引言

燒烤是我們?nèi)粘Ｉ钪袏蕵贩绞街籟1]。目前，國內(nèi)外許多肉類加工企業(yè)中，對食品進行穿串的工作都是由工人采用純手工方式完成[2-5]。這種方式缺點很多，例如穿串不衛(wèi)生、生產(chǎn)勞動效率低下等。為了解決這一系列問題，設(shè)計了一臺能實現(xiàn)自動穿串的裝置來代替手工穿串。

本文介紹了穿串傳動系統(tǒng)和穿簽控制機構(gòu)設(shè)計方案與選定，并對所用的齒輪、鏈輪進行了詳細(xì)計算。主要采用交流伺服電機、帶傳動與鏈傳動達到肉塊傳送分切和穿插動作，進而實現(xiàn)穿串動作的完成[6]。

此機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)精巧、自動化程度高的優(yōu)點，能有效解決傳統(tǒng)手工穿串的弊端。穿串效果好，速度快，老人、孩子及能力較低的工人都可快速地操作，合理解決生產(chǎn)效率低、雇人難等問題，提高經(jīng)濟效益[7]。

1 自動穿串裝置的總體設(shè)計

自動穿串裝置[8]主要由3個部分組成：肉塊傳送裝置、肉塊成型分切裝置、穿簽控制裝置，如圖1所示。

2 穿簽控制機構(gòu)

2.1 穿簽箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖2（a）所示，放置分切好的肉塊的箱體為1個方盒，這樣設(shè)計是為了在成型分切時方便固定。底端槽的寬度設(shè)計為35 mm，底端通過這個槽口可以在穿簽工作時固定在傳送帶上，可以防止穿簽箱在穿簽時發(fā)生擺動。圖2（a）中，穿簽箱由3個部分組成：穿簽方盒外殼、方盒內(nèi)格、推送板。穿簽方盒外殼按照工作要求與肉串的實際結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示，長200 mm、寬200 mm、高300 mm。穿簽箱里裝配1個方盒內(nèi)格，如圖2（a）所示，設(shè)計尺寸為長180 mm、寬180 mm、高240 mm。推送板的尺寸與方盒內(nèi)格的底面積大致相似，與內(nèi)格間隙配合。當(dāng)最底端的推送板沿著方盒內(nèi)格被推送的機構(gòu)推出后，由于重力原因，穿好的肉串會落在預(yù)定的軌道中。此機構(gòu)對不同的肉串形狀設(shè)計不同的穿簽箱模具。

圖1 自動穿串裝置整體

圖2 穿簽箱結(jié)構(gòu)圖

2.2 穿簽推送機構(gòu)的設(shè)計

如圖3所示，穿簽推送機構(gòu)由3個部分組成：曲柄滑塊機構(gòu)、穿簽推送電機、傳送帶機構(gòu)。前兩部分機構(gòu)布置在工作臺上完成打簽，傳送帶裝置完成穿簽箱的運輸。

當(dāng)穿簽箱最底層的肉塊達到預(yù)定地方時，時間繼電器閉合，電動機開始工作。它帶動機構(gòu)上的軸連續(xù)轉(zhuǎn)動，由于電動機與帶輪的順時針轉(zhuǎn)動而使工作臺上的曲柄滑塊機構(gòu)上的曲柄做順時針旋轉(zhuǎn)，滑塊機構(gòu)平移運動，工作臺上的竹簽箱能夠左右移動某個距離（該距離等于或略大于1個方盒穿簽箱的直徑），通過曲柄滑塊機構(gòu)的轉(zhuǎn)動，傳感器的工作竹簽通過落簽孔落入相應(yīng)的打簽?zāi)＞邇?nèi)，推送電機將竹簽推送到穿簽箱方盒模具中。

圖3 工作臺

3 關(guān)鍵零部件的仿真分析

3.1 基于SolidWorks Simulation軸的靜應(yīng)力分析

本論文采用SolidWorks軟件進行三維建模，在建模過程中盡量反應(yīng)輸出軸的形狀和特點，做出合理的簡化處理。通過三維建模，可以做到最真實的有限元模型。根據(jù)輸出軸的運轉(zhuǎn)工作，對軸進行施加扭矩，根據(jù)實際的工作情況，將軸的一端的表面作為約束面，由于軸只受扭矩力，扭矩為1 017 N·m。對其進行仿真計算，結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 輸出軸的應(yīng)力仿真分析

圖5 輸出軸的位移仿真分析

在SolidWorks Simulation軟件中，在已有的三維圖的基礎(chǔ)上對輸出軸進行靜應(yīng)力分析，根據(jù)以上的靜應(yīng)力分析結(jié)果可知，輸出軸所受的扭矩力產(chǎn)生的應(yīng)力最大值為5.879e+007 N/m2，最小值為1.000e-000 mm，且最大應(yīng)力值小于7.100e+008 N/m2；應(yīng)變的變化在可允許范圍之內(nèi)，滿足仿真要求；集中應(yīng)力主要出現(xiàn)在軸的中間位置，位移主要表現(xiàn)在主軸的左端，不過位移量較小，能夠保證運行期間的穩(wěn)定性。為了提高輸出軸的強度，應(yīng)該采用鋼制材料。

3.2 基于SolidWorks Simulation工作臺的靜應(yīng)力分析

根據(jù)工作臺的實際運行情況可知，工作臺的主要受力來自于電動機與曲柄機構(gòu)的自重。且工作臺的主要受力方式為豎直的靜力。對工作臺進行固定，在穿簽機構(gòu)的接觸面施加靜應(yīng)力。針對所設(shè)計的夾具和載荷，利用Solid?Works Simulation對穿簽工作臺進行靜應(yīng)力分析，所得結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 工作臺應(yīng)力仿真分析

圖7 工作臺位移仿真分析

對于穿簽工作臺的靜應(yīng)力分析，主要步驟是：首先選擇工作臺的材料為鋼，然后根據(jù)實際運行的情況對工作臺的內(nèi)壁和4個螺孔進行固定，接著對工作臺的接觸表面施加載荷為300 N，運行得出結(jié)果。根據(jù)以上的靜應(yīng)力分析，穿簽箱工作臺的應(yīng)力最大值為2.836e-003 N/m2，最小值為1.400e+003 N/m2，遠遠小于屈服力7.100e+008 N/m2，故可以滿足要求。應(yīng)力主要集中在與工作臺接觸的表面，應(yīng)在工作臺表面噴涂高硬度合金材料，并在表面高硬度合金材料磨損時能夠及時進行修復(fù)，保證工作臺的耐磨性和使用壽命。工作臺的最大位移量為1.397e-007 mm，可知位移量遠遠小于工作臺的整體尺寸，穿簽工作臺所受到的位移變形量較小，但位移量主要表現(xiàn)在工作臺的表面與電動機接觸的部位，能滿足設(shè)計強度的需求。

4 結(jié)束語

本文通過國內(nèi)外的食品機械現(xiàn)狀的研究，從總體設(shè)計入手，設(shè)計了穿簽控制機構(gòu)，最后針對主要的零部件進行了有限元分析，得出了以下結(jié)論。

（1）在穿串裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，對肉類傳送機構(gòu)、肉塊成型分切機構(gòu)和穿簽控制機構(gòu)進行了創(chuàng)造性設(shè)計，改變了以往的單層穿串，設(shè)計了5層穿串裝置的穿簽箱，此設(shè)計能夠更快速的穿簽。肉塊傳送機構(gòu)、肉塊成型分切機構(gòu)能夠保證肉塊原料更好地成型，而且穿簽機構(gòu)中的工作臺升降機構(gòu)的設(shè)計大大提高了總體穿串效率。在打簽機構(gòu)設(shè)計方面，選用推桿電機，更好的節(jié)約成本，能夠做到在穿簽出故障時更便捷的更換，減少了工作量。

（2）對自動穿串裝置的總體傳動方案進行分析，最終達到對方案確定；根據(jù)總體設(shè)計的產(chǎn)量選擇了更為合適的電機，確定了以帶傳動為基礎(chǔ)的傳動方式；針對主軸進行了對主軸的校核和驗算。

（3）對軸、工作臺進行了靜應(yīng)力分析，通過分析發(fā)現(xiàn)針對自動穿串裝置總體和零部件更好的設(shè)計。該設(shè)計達到在實際工作條件下對于零部件的要求。