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南華大學機械工程學院畢業(yè)設計（論文） 蓮藕切片機切片平滑度的研究和改進 楊德勇 胡建平 韋恩鑄 雷恒群 孔祥次 農(nóng)業(yè)設備和現(xiàn)代技術的國家重點實驗室 江蘇省教育部 江蘇大學.江蘇.鎮(zhèn)江 中國 江蘇省 212013 電話 +86-511-8:傳真+86-511-8 yangdy@163.com 金湖農(nóng)業(yè)機械化技術推廣站 中國 江蘇省 211600 摘要：針對蓮藕切削質(zhì)量不高和蓮藕片的斜邊問題，通過分析原因，改進的方法就是減少刀在垂直方向的力。在Pro/E的環(huán)境下創(chuàng)建了蓮藕切片機的3D零件和裝配體。基于虛擬樣機技術，切片機的運動學和動力學分析是在ADAMS軟件模擬實驗下實現(xiàn)的，獲得最佳的切削時間為0.2s~0.3s，并且得到了刀在垂直方向上的力的曲線。刀在垂直方向上的力隨著曲柄偏移量的變化而改變。曲柄的偏移量優(yōu)化結果表明，當曲柄的偏移量為-80mm時，在切削時間里的垂直方向上的力幾乎為零。測試結果表明，經(jīng)過改進設計后，切片厚度的相對誤差小于10％，這是能夠完全滿足技術要求的。 關鍵詞：蓮藕；切削機制；平滑度；優(yōu)化 1前言 中國是一個生產(chǎn)蓮藕的大國，蓮藕半成品系列食品的國內(nèi)消費和外部的出口需求量比較大，為了提高工作效率，減輕勞動強度，設計工作組，在借鑒人工切蓮藕片原理的基礎上設計和開發(fā)一個新型的切片機（畢偉，胡建平，2006年）。這種新型的切片機容易解決切片易斷，粘刀，難清理等問題，但過程中還是出現(xiàn)不平滑切削和一些斜邊的現(xiàn)象。本文通過對切削時刀片的分析，發(fā)現(xiàn)了一些造成斜邊現(xiàn)象的原因，并提出了相應的改進方法，并通過實驗得到了驗證。 2 切片機切削結構原理 蓮藕切片的切削原理是機器的核心，性能直接影響切片的質(zhì)量。在使用PRO / E平臺下建立了蓮藕切削原理的虛擬樣機（圖1），結構本身的原理圖如圖2所示。蓮藕切片機的切削原理是通過核心的曲柄滑塊機構往里面添加材料，它可以堆疊許多蓮藕，蓮藕依靠自己本身上部和下部的蓮藕，以便它能夠到達擋板的表面。曲柄滑塊機構是由電機驅(qū)動，在滑塊上安裝刀片切蓮藕。但在切削過程中，發(fā)現(xiàn)在一塊蓮藕兩端面的平行度是不足夠的，這不能滿足加工的技術要求。 圖1 蓮藕切削原理的虛擬樣機 圖2 切片原理結構圖 切片機的蓮藕片平滑度的研究和提高。 3 斜邊的原因 厚薄不均勻和斜邊問題與刀片在切削過程中的力量有關。按照結構原理（圖2），不考慮相互間摩擦和重量的因素，C點的力F的方向是沿鏈接方向。力F可以分解為一個水平方向的分力和一個垂直方向的分力。水平分力造成的刀沿垂直方向移動切削，但垂直方向上的力造成的刀沿垂直方向移動。由于滑塊和導軌之間的差距，垂直分力會使葉片在運動時變形，刀不能沿水平方向切蓮藕，導致出現(xiàn)斜邊。因此，解決斜邊的問題和提高切削質(zhì)量的關鍵是減少或消除切片時的垂直分力。 當曲軸轉(zhuǎn)速為60~90轉(zhuǎn)/分鐘，C點和刀片連接部位的水平和垂直方向的力曲線如圖3和圖4所示。從圖上可以看出，當曲柄的速度提高后，C點水平和垂直方向的力也增加了，相對穩(wěn)定的水平力有利于切削蓮藕期間，但垂直方向上的力也逐漸增加。越多的垂直方向上的力，越不利于切削的質(zhì)量。 圖3 C點的水平力 圖4 C點的垂直方向上的力 4 仿真和優(yōu)化 如果提高切片的平整度，結構優(yōu)化可以減少垂直分力，所以盡可能的要刀片保持水平。 當曲柄速度60~90轉(zhuǎn)/分鐘時，刀質(zhì)量中心的速度曲線和加速度曲線分別如圖5和圖6所示。根據(jù)速度曲線，在0.2s~0.3s時間里，刀質(zhì)量中心的速度是比較大的。按照刀應該有更高的速度來切削蓮藕的要求，這期間的時間切削比其他時間更有利。根據(jù)加速度曲線，一個周期計算，在0.15s~0.3s的時間里，相比其他的時間段加速度值是相對比較小。這表明速度的變化相對較小，同時慣性產(chǎn)生的力小，切片機受力引起的振動影響小。因此，在0.2s~0.3s里來切蓮藕有利于提高蓮藕片的切削質(zhì)量。 圖5 刀片的質(zhì)量中心速度曲線 圖6 刀片的質(zhì)量中心加速度曲線 基于上述分析，刀片和鏈接之間的垂直分力是造成斜邊的主要原因。根據(jù)曲柄滑塊機構的特點，在切削時間段通過改變曲柄偏移來減少對刀垂直方向上的力，從而提高切削質(zhì)量。當曲軸轉(zhuǎn)速為60轉(zhuǎn)/分鐘，曲軸偏心率得到了優(yōu)化。當曲柄偏移量分別為40mm，20mm，0mm，-20mm, -40mm, -80mm, -120mm時，在不同的偏移量下模擬其原理，獲得了垂直方向上的力曲線，如圖7所示。 圖7 不同偏移下的垂直方向上的力曲線 圖7表明：偏心率為正值時，在0.2s~0.3s隨著曲柄偏移量增加，C點的垂直方向上的力逐漸增加；當偏心率為負值時，隨著曲柄偏移量的增加，力開始下降，然后在-80mm處開始逐步增加。所以，當偏移量為-80mm，力在0.2s~0.3s的數(shù)值降到最低，這時切削質(zhì)量是最佳的。 當曲柄在其他的速度旋轉(zhuǎn)，有相同的優(yōu)化結果。圖8顯示的是曲軸轉(zhuǎn)速為80轉(zhuǎn)/分鐘、曲軸偏移量為0mm到-80mm時，垂直方向上的力。從圖8可以看出，當偏移量為-80mm時，C點垂直方向的里在0.2s~0.3s大大減少。因此通過優(yōu)化曲柄偏移量可以減少垂直方向上的力。 圖8 C點的垂直方向上的力 5 實驗分析 蓮藕片的厚度相對誤差反映了切削質(zhì)量，一般控制在10％。在結構的優(yōu)化和改進前，總是存在斜邊現(xiàn)象，厚度相對誤差約為15%左右，這是難以滿足的技術要求。對曲柄滑塊機構的偏移量進行優(yōu)化，并根據(jù)優(yōu)化的結果，它的結構有了一些改進。改進后的曲柄，在速度的條件為80?110轉(zhuǎn)/分鐘時，切削試驗出來的厚度相對誤差的統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表?1所示。從四個速度層次進行分析實驗，每個速度層次進行三次實驗。 表 1 切片厚度相對誤差 序號 曲柄速度(轉(zhuǎn)/分鐘) 80 90 100 110 1 6.6% 6.4% 8.2% 9.5% 2 5.3% 6.1% 8.5% 9.2% 2 6.4% 7.9% 7.9% 9.4% 平均 6.1% 6.8% 8.2% 9.4% 來自表1的數(shù)據(jù)顯示，當曲柄速度為80?110轉(zhuǎn)/分鐘時，切片厚度相對誤差能滿足各項技術指標，尤其是當曲軸旋轉(zhuǎn)速度為80轉(zhuǎn)/分鐘和90轉(zhuǎn)/分鐘時，厚度相對誤差低于7％，達到了較高的切削質(zhì)量。 6 總結 切削的過程中，表面不平整和斜邊的主要原因是作用在刀組件上的垂直分力，因此提高質(zhì)量的關鍵是減小垂直方向上的力。通過刀片質(zhì)量中心速度和加速度模擬分析曲線得到，0.2s?0.3s是切片的最佳時間。通過優(yōu)化曲柄的偏移量，當偏移量為-80mm時，垂直方向上的力在切削時間大大減小。經(jīng)過實驗改進蓮藕切片機后，實驗結果表明，通過改變曲柄偏移量，厚度相對誤差不到10％，完全能夠滿足要求。因此，平整度不理想和斜邊問題基本解決。 參考文獻 [1] 胡建平.蓮藕切片技術的學習和新的模型設計. 中國農(nóng)業(yè)機械化研究（12）,112~114.2006 [2] 韋恩鑄.基于虛擬樣機技術的新型蓮藕切片機仿真優(yōu)化.江蘇大學,2008 [3] 張 策.機械動力學.高等教育出版社,1999 [4] 陳秀林.機械優(yōu)化設計.浙江大學出版社,1999. [5] 陳麗萍,鄭云群,容微群.機械系統(tǒng)的動態(tài)分析和應用指南ADAMS.北京:清華大學出版 社,2005 第 7 頁 共 7 頁