趙榮寬，林光春，徐炳輝，廖勛寶

竹筍切片機(jī)研制與其傳動(dòng)軸的有限元分析

趙榮寬，林光春*，徐炳輝，廖勛寶

（四川大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610065）

為優(yōu)化竹筍自動(dòng)化加工生產(chǎn)線、滿足竹筍加工機(jī)械化需求，研制了一種竹筍切片機(jī)。該竹筍切片機(jī)采用了離心原理，并使用雙轉(zhuǎn)盤，在傳動(dòng)軸的帶動(dòng)下同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，極大地提高了竹筍切片機(jī)的切片效率。同時(shí)確定了竹筍切片機(jī)主要部件的設(shè)計(jì)參數(shù)，并對其傳動(dòng)軸進(jìn)行了有限元分析。采用SolidWorks對切片機(jī)的傳動(dòng)軸建立了三維模型，并將其導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS中進(jìn)行分析，得到了傳動(dòng)軸的應(yīng)力應(yīng)變及變形分布結(jié)果，從而為進(jìn)一步改進(jìn)完善竹筍切片機(jī)提供理論依據(jù)。

竹筍；切片機(jī)；離心；傳動(dòng)軸；有限元分析

竹筍具有明顯的時(shí)節(jié)性，為了保證不分時(shí)節(jié)地供用竹筍，可以將竹筍切片加工成罐頭筍或袋裝筍[1-3]。人工切片是傳統(tǒng)的竹筍加工方式，不僅效率低、均勻度差、生產(chǎn)成本高，且不能保證食品的安全衛(wèi)生，非常不符合當(dāng)今產(chǎn)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展趨勢。

目前，國內(nèi)外對于竹筍本身切片的研究比較少，但在其他食品切片技術(shù)上的研究比較成熟。高國華等[4]設(shè)計(jì)了一種檳榔切片試驗(yàn)臺(tái)并進(jìn)行了三因素五水平中心組合試驗(yàn)，確定了最優(yōu)工作參數(shù)；楊培剛等[5]采用具有急回特性的偏心曲柄滑塊設(shè)計(jì)了一種蓮藕切片機(jī)，提高切削效率的同時(shí)解決了藕片破碎的問題；陳義厚等[6]設(shè)計(jì)出了一種離心式人參切片機(jī)，并設(shè)有厚度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，采用多把刀、多道喂入結(jié)構(gòu)，提高了效率；還有對饃片切片機(jī)[7]、多用食品切片機(jī)[8]等的研究，均取得了顯著成果，為其他食品切片研究奠定了基礎(chǔ)。

在現(xiàn)有切片機(jī)的基礎(chǔ)上，研制了一種適用于竹筍自動(dòng)化加工生產(chǎn)線[9]的離心式竹筍切片機(jī)，并對其傳動(dòng)軸進(jìn)行有限元分析。利用軟件SolidWorks建立傳動(dòng)軸三維模型并導(dǎo)入ANSYS中完成分析，獲得應(yīng)力應(yīng)變云圖和總變形分析云圖，從而為進(jìn)一步改進(jìn)完善竹筍切片機(jī)提供了理論依據(jù)。

1 竹筍切片機(jī)的研制

1.1 竹筍切片機(jī)設(shè)計(jì)的基本要求

該切片機(jī)主要用于竹筍自動(dòng)化加工生產(chǎn)線，可以解決企業(yè)生產(chǎn)效率低下和成本較高的問題，因此竹筍切片機(jī)主要需滿足以下要求：

（1）切片機(jī)要具有自動(dòng)進(jìn)料、自動(dòng)切片及出料的能力，保證竹筍自動(dòng)化加工生產(chǎn)線的正常運(yùn)行；

（2）為了滿足高速流水線的生產(chǎn)要求，所以要保證切片機(jī)切片效率，可以大量進(jìn)料并順利切片完成出料，從而使下一步流程正常進(jìn)行；

（3）可以保證切削的竹筍片厚度均勻整齊，且厚度在2～3 mm；

（4）由于切片機(jī)主要用于竹筍自動(dòng)化加工生產(chǎn)線，所以整機(jī)尺寸及質(zhì)量不宜過大。

1.2 竹筍切片機(jī)方案確定

分析竹筍切片機(jī)功能，得出自動(dòng)切片并出料是本機(jī)的主要功能。為保證高效地完成切片，本竹筍切片機(jī)采用離心原理，即竹筍在高速旋轉(zhuǎn)的條件下被甩向刀片，在相對運(yùn)動(dòng)的過程中完成切片工作；竹筍切片機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置是與轉(zhuǎn)盤相連的傳動(dòng)軸，經(jīng)過傳動(dòng)軸傳遞電機(jī)驅(qū)動(dòng)力從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)。電機(jī)選用Y100L1-4型號(hào)，額定功率2.2 kW，轉(zhuǎn)速1500 r/min。

如圖1所示，竹筍切片機(jī)設(shè)有兩個(gè)進(jìn)料斗，通過剝殼機(jī)去殼后的竹筍由輸送機(jī)送入進(jìn)料斗，從而落入切片機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)盤的葉片之間。當(dāng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)時(shí)，葉片帶動(dòng)竹筍轉(zhuǎn)動(dòng)，竹筍在離心力的作用下貼靠在外殼內(nèi)壁。在經(jīng)過刀片時(shí)，竹筍被削成片狀，并繼續(xù)在離心力的作用下飛出，被出片通道的側(cè)壁攔下。出片通道傾斜一定的角度，可減少竹筍片與側(cè)壁接觸面積，竹筍片由于自重從其底部開口落下。

1.外殼 2.出片通道 3.傳動(dòng)軸 4.進(jìn)料斗 5.轉(zhuǎn)盤 6.葉片 7.切削刀具 8.刀片

1.3 竹筍切片機(jī)主要部件的設(shè)計(jì)參數(shù)

1.3.1 轉(zhuǎn)盤設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

在保證切片機(jī)正常運(yùn)行的前提下，根據(jù)竹筍直徑及長度分布情況[10]，考慮到通過剝殼機(jī)去殼后竹筍的直徑及長度，確定了轉(zhuǎn)盤半徑400 mm，上下兩轉(zhuǎn)盤之間相隔300 mm；為了使落入轉(zhuǎn)盤內(nèi)的竹筍可以隨著轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，確定了轉(zhuǎn)盤上葉片高度150 mm、厚度10 mm；轉(zhuǎn)盤材料選擇強(qiáng)度高、抗腐蝕且密度較小的鋁合金，質(zhì)量約為26 kg。最終所定的竹筍切片機(jī)轉(zhuǎn)盤模型如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)盤模型圖

1.3.2 刀片設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

切削刀具嵌入外殼內(nèi)壁，為適配切削窗口的板狀。刀片豎直放置在切削刀具中，多個(gè)刀片周向等間距布置，同時(shí)根據(jù)加工切片的厚度，設(shè)置相鄰刀片間距為2～3 mm。竹筍與刀片進(jìn)行斜切，而且斜度越大越好。

根據(jù)兩轉(zhuǎn)盤相隔距離，并考慮轉(zhuǎn)盤厚度，確定刀片長度為540 mm，刀片材料為具有高硬度、高耐磨性和高耐熱性的高速鋼。

1.3.3 傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

竹筍切片機(jī)的傳動(dòng)軸帶動(dòng)兩個(gè)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，是切片機(jī)關(guān)鍵的動(dòng)力傳遞部件，其性能的好壞直接影響到切片機(jī)工作的穩(wěn)定性和壽命，因而要求傳動(dòng)軸具有精度高、剛度高、噪聲低、振動(dòng)小的特性，所以材料選用合金結(jié)構(gòu)鋼40Cr，調(diào)質(zhì)處理。

軸的輸出轉(zhuǎn)矩和最小直徑為：

式中：為軸的輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；min為軸的最小直徑，mm；為輸出功率，＝1.508 kW；為傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速，＝180 r/min；為與軸材料有關(guān)的系數(shù)，材料為40Cr時(shí)，＝106。

計(jì)算得：＝80 N·m；min＝21.53 mm。

根據(jù)軸上零件的安裝、定位及軸的加工工藝，可以確定軸的結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示。

圖3 傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)尺寸

此外，為了保證竹筍順利無堆積地通過進(jìn)料斗，確定了進(jìn)料斗傾斜角度為45°、寬度為300 mm，位于轉(zhuǎn)盤上方120 mm處，如圖4所示；為保證切片效率，同時(shí)考慮切片機(jī)整體強(qiáng)度，確定了切削窗口的圓心角為90°，出片通道圓心角為180°。

2 竹筍切片機(jī)傳動(dòng)軸的有限元分析

有限元分析法的目的是將復(fù)雜的連續(xù)體分散成可控變量的單元集合，實(shí)現(xiàn)模糊問題的清晰化、數(shù)字化，通過建立數(shù)學(xué)模型來直觀地分析問題[11-12]。

圖4 進(jìn)料斗傾斜角度

合金結(jié)構(gòu)鋼40Cr的傳動(dòng)軸，其彈性模量＝2.06 GPa，泊松比＝0.26，質(zhì)量密度＝7.87×103kg/m3。為了校核切片機(jī)傳動(dòng)軸的強(qiáng)度，使用ANSYS軟件對其進(jìn)行分析。

2.1 建立傳動(dòng)軸有限元模型

首先使用SolidWorks對傳動(dòng)軸創(chuàng)建三維模型，然后將傳動(dòng)軸的三維模型直接導(dǎo)入ANSYS Workbench里。為了簡化有限元模型以提高分析效率及精度，在三維建模時(shí)需要?jiǎng)h除對分析結(jié)果沒有影響的圓角、倒角等特征。簡化后的傳動(dòng)軸三維模型如圖5所示。

圖5 傳動(dòng)軸三維模型

2.2 網(wǎng)格劃分

傳動(dòng)軸模型導(dǎo)入后，雙擊Model進(jìn)行網(wǎng)格劃分。定義材料屬性后，先對模型建立網(wǎng)格，然后選中Mesh對網(wǎng)格細(xì)分，采用四面體單元，設(shè)置單元基本尺寸為4 mm，網(wǎng)格細(xì)化后，總計(jì)節(jié)點(diǎn)73557個(gè)，網(wǎng)格單元為43925個(gè)，網(wǎng)格模型如圖6所示。

圖6 傳動(dòng)軸網(wǎng)格模型

2.3 施加載荷和約束

傳動(dòng)軸繞軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為180 r/min，主要用來傳遞電動(dòng)機(jī)輸入轉(zhuǎn)矩，經(jīng)計(jì)算得到所受轉(zhuǎn)矩為80.00 N·m。上下兩個(gè)軸承為滾動(dòng)軸承，承受傳動(dòng)軸絕大部分的徑向力和軸向力，因此在安裝軸承位置處添加兩個(gè)圓柱面約束，為軸向、徑向或切向約束提供單獨(dú)的控制，并在上端面施加固定約束。

在軸肩處承受套筒及轉(zhuǎn)盤的重力，所以在與轉(zhuǎn)盤接觸的軸肩面施加大小為540 N的載荷，方向?yàn)檩S負(fù)方向；在切片機(jī)工作時(shí)，經(jīng)測定刀片切削竹筍時(shí)的最大切削力不超過100 N，所以在安裝轉(zhuǎn)盤的兩段軸頭處施加100 N的切向力。施加約束與載荷后如圖7所示。

圖7 施加約束與載荷

2.4 結(jié)果后處理

經(jīng)過ANSYS Workbench分析后，得到傳動(dòng)軸在施加載荷和約束后的應(yīng)力分析云圖、應(yīng)變分析云圖及總變形分析云圖。為更清楚地看到結(jié)構(gòu)的變化，選取縮放比例為2.1E+003（Auto Scale），如圖8～圖10所示。

圖8 應(yīng)力分析云圖

圖9 應(yīng)變分析云圖

可以看出，最大應(yīng)力值為51.416 MPa，發(fā)生在軸最左端軸頭處。傳動(dòng)軸所用40Cr的屈服極限為785 MPa，所以該傳動(dòng)軸在既定的載荷及約束作用下，滿足強(qiáng)度需求。

圖10 總變形分析云圖

傳動(dòng)軸的最大變形值為0.022997 mm，而發(fā)生位移處的軸段直徑為25 mm，相比之下變形非常小，可以忽略不計(jì)，滿足剛度需求。

3 結(jié)論

針對竹筍自動(dòng)化加工生產(chǎn)線的生產(chǎn)需求，研制了離心式竹筍切片機(jī)，該機(jī)機(jī)體外形為圓柱形，底面半徑約600 mm，高約1000 mm，質(zhì)量約90 kg。

（1）該竹筍切片機(jī)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)要求：

①切片機(jī)的刀片通過切削刀具直接嵌入外殼側(cè)壁，不需要安裝刀座刀架等部件，且刀片根據(jù)加工的不同需求可以進(jìn)行切換，降低了設(shè)備成本，且便于維護(hù)；

②切片機(jī)采用了兩個(gè)進(jìn)料斗分別對應(yīng)兩個(gè)轉(zhuǎn)盤，大大提高了切片效率，滿足高效流水線的生產(chǎn)要求，提高企業(yè)生產(chǎn)率；

③出片通道設(shè)置了傾斜角度，在避免粘連的同時(shí)使竹筍片依靠自重落至出料口；

但該竹筍切片機(jī)也還存在一些不足：

①該機(jī)在調(diào)節(jié)切片厚度時(shí)，需要更換刀片，所以要配套幾套不同刀具以供換用，可以考慮設(shè)計(jì)厚度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以降低成本。

②竹筍切片機(jī)在工作的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生很多竹筍碎屑，若不能及時(shí)排出可能會(huì)使得機(jī)器不能正常工作，因此需要設(shè)計(jì)添加自清洗裝置。

（2）通過使用有限元分析軟件對竹筍切片機(jī)的傳動(dòng)軸進(jìn)行元分析，得到了傳動(dòng)軸的應(yīng)力應(yīng)變及變形分布結(jié)果，得出所設(shè)計(jì)的傳動(dòng)軸滿足強(qiáng)度和剛度要求，為進(jìn)一步改進(jìn)竹筍切片機(jī)提供了理論依據(jù)。傳動(dòng)軸應(yīng)力集中大部分發(fā)生在軸頭處，因此在設(shè)計(jì)切片機(jī)傳動(dòng)軸時(shí)，可在改進(jìn)此處，比如電鍍硬鉻、減小兩交接軸段的截面尺寸等以減小應(yīng)力集中、提高傳動(dòng)軸強(qiáng)度和使用壽命。

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Development of Bamboo Shoot Slicer and Finite Element Analysis of its Transmission Shaft

ZHAO Rongkuan，LIN Guangchun，XU Binghui，LIAO Xunbao

( School of Mechanical Engineering, Sichuan University,Chengdu 610065,China)

In order to optimize the automatic production line of bamboo shoots and meet the mechanization demand of bamboo shoot processing, a bamboo shoot slicer was developed. The machine, whichadopts the centrifugal principle and uses two turntables, rotates simultaneously with the transmission shaft, and thus greatly improves the slicing efficiency. What's more, the main parameters were determined, and the finite element analysis on transmission shaft of bamboo shoot slicer was conducted. The three-dimensional model of the transmission shaft was built by SolidWorks, then it was imported into the finite element analysis software ANSYS, and the stress, strain and deformation distribution results of the transmission shaft were obtained, which provides a theoretical basis for further improvement of the bamboo shoot slicer.

bamboo shoots；slicer；centrifugal；transmission shaft；finite element analysis

TS255.8

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.07.007

1006－0316 (2020) 07－0042－05

2019－12－03

（川大－瀘州）開袋即食野生羅漢筍關(guān)鍵技術(shù)及自動(dòng)生產(chǎn)線研發(fā)（2017CDLZ-N10）

趙榮寬（1995－），男，江蘇徐州人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論、機(jī)構(gòu)學(xué)與工業(yè)機(jī)器人。

林光春（1964－），男，四川成都人，博士，教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論、機(jī)構(gòu)學(xué)與工業(yè)機(jī)器人，E-mail：lingc@scu.edu.cn。