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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量的關鍵是減少或消除切片時的垂直分力。
當曲軸轉速為60~90轉/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/分鐘時，刀質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量。
圖5 刀片的質量中心速度曲線
圖6 刀片的質量中心加速度曲線
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，從而提高切削質量。當曲軸轉速為60轉/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，這時切削質量是最佳的。
當曲柄在其他的速度旋轉，有相同的優(yōu)化結果。圖8顯示的是曲軸轉速為80轉/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/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/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/分鐘時，切片厚度相對誤差能滿足各項技術指標，尤其是當曲軸旋轉速度為80轉/分鐘和90轉/分鐘時，厚度相對誤差低于7％，達到了較高的切削質量。
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，因此提高質量的關鍵是減小垂直方向上的力。通過刀片質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
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[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
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