马铃薯切片机设计

杨立超;王妍玮;王梁;孙英鹏;张迪

【摘 要】介绍了马铃薯切片机的组成,并对切片机的带、轴、刀盘、刀片等进行了设计计算,对轴承、键等元件进行了选择.该切片机切片效率高,可用于食堂及家庭等场合.

【期刊名称】《林业机械与木工设备》

【年(卷),期】2018(046)009

【总页数】5页(P30-33,38)

【关键词】切片;离心式;切片机;刀片

【作 者】杨立超;王妍玮;王梁;孙英鹏;张迪

【作者单位】哈尔滨石油学院机械工程学院,黑龙江哈尔滨150027;哈尔滨石油学院机械工程学院,黑龙江哈尔滨150027;哈尔滨石油学院机械工程学院,黑龙江哈尔滨150027;哈尔滨石油学院机械工程学院,黑龙江哈尔滨150027;哈尔滨石油学院机械工程学院,黑龙江哈尔滨150027

【正文语种】中 文

【中图分类】TS215

马铃薯是一种常见的蔬菜，在日常生活中主要用于鲜食；在工业上主要是采用各种加工工艺加工成淀粉、粉丝、粉皮，还有一部分则加工成了我们熟悉的方便食品(薯片、薯条)。随着人们生活水平的提高，对生活质量提出了新的要求，也使快餐业发展迅速，随之出现了马铃薯薯片、薯条等休闲食品消费量的急剧增长，促进了马铃薯生产和加工业的进一步发展。在马铃薯的许多工业加工过程中，往往需要对马铃薯进行快速切片处理，而要在短时间内完成大量的马铃薯切片工作靠人工是难以完成的，这就需要寻找其他高效率的方式来完成对马铃薯的切片。

在马铃薯切片机的设计中通过系统分析到整体结构搭建，完成切片机各部分的设计，再利用UG软件完成马铃薯切片机机械结构的建模，并将建模结果导入到CAD平面线加工中，利用机械加工方法完成对零部件实际加工，最后根据零件配合关系进行装配。

1 马铃薯切片机的组成

马铃薯切片机由轴、轴承、键、V带、带轮、刀片和机架等部分组成。本设计采用Y90L-4电机，功率1.5 kW，转速1 500 r/min，电机经皮带减速后将动力传递给输出轴，轴的顶端连接叶轮和刀片，刀片可将物料切成片，被切下的物料从刀盘底落下，然后经出料口送出。通过调节刀片与转盘间的垫片厚度即可控制切片的厚度。

1.1 轴设计

(1)轴结构。根据轴上零件的安装、定位及轴的加工工艺，确定轴的结构尺寸如图1所示。

图1 轴结构尺寸

(2)轴强度计算。由公式计算出轴的最小直径为：

(1)

式中：p为轴所传递的功率(kW)；n为轴的转速(r/min)。

经计算得：

(3)轴的输出力矩计算公式为：

(2)

经计算得：

选取轴的材料为45钢，调质处理。

由以上计算可知，轴的输出直径小，与轮盘和从动轮的尺寸比例不协调，电机的输出轴直径为24 mm，数据远大于dmin，所以取最小轴径dmin为25 mm。

1.2 轴承选择

轴承在承受径向力的同时也承受轴的质量以及轴上其他部件的质量，故选用7207C角接触球轴承。

该轴承的主要参数如下：内径35 mm；外径72 mm；接触角15°；预计寿命为8年；工作小时数Lh预计为12 000 h。

1.3 键选择

马铃薯切片机各部均为一般连接，可选用普通平键中的圆头普通平键。

(1)安装刀盘处键的选择：由以上计算可知此处轴的直径d1=25 mm，查相关设计资料可得[1]，键宽b=8 mm，键高h=7 mm，取键长L=14 mm。

(2)与皮带轮连接键的选择：由以上计算可得此处轴的直径为d2=25 mm，同理选用键宽b=8 mm，键高h=7 mm，键长L=18 mm。

1.4 V带设计

1.4.1 计算功率Pc

P=1.5 kW，n=1 500 r/min，i1=3.53，由相关设计资料可知KA=1.1[2]。

计算功率的计算公式为：

Pc=KAP

(3)

经计算得：Pc=1.65 kW。

1.4.2 V带型号

可用普通V带或窄V带，现选普通V带。根据Pc=1.65 kW，n1=1 500 r/min，查相关设计资料选该V带为Z型带。

1.4.3 大小带轮d2、d1基准直径

由相关设计资料可知d1=50～71 mm，现取小带轮d1=71 mm。

大带轮的计算公式为：

d2=n1·d1(1-ε)/n2

(4)

经计算得：d2=3.53×71×0.98=245.617 mm，其中ε在相关设计资料查得为0.02。

由相关设计资料将大带轮直径圆整为d2=236 mm，虽然n2略有增大，但其误差小于5%，在允许范围内。

1.4.4 带速验算

由手册计算出V带的速度V=πd1n/60×1 000=5.57 m/s，要求V带的速度范围为5～25 m/s，其在此范围内。

1.4.5 V带中心距

初步计算V带中心距的公式为：

a0=1.5(d1+d2)

(5)

经初步计算得：a0=1.5(d1+d2)=1.5×(71+236)=460.5 mm

取a0=470 mm，相关的设计资料要求为：

0.7(d1+d2)﹤a0﹤ 2(d1+d2)

(6)

经计算得出中心距在其范围内，所以确定a0=470 mm。

根据相关设计资料，带长的计算公式为：

(7)

经计算得：

根据相关设计资料，查表确定选用V带中的Z型带，带长选用Ld=1 600 mm。

V带中心距的计算公式为：

(8)

通过计算确定V带的中心距：

1.4.6 验算小带轮包角α1

根据相关设计资料，包角α1的计算公式为：

(9)

经计算得：计算出的包角在要求的范围内。

1.4.7 V带根数

根据相关设计资料，V带根数的计算公式为：

(10)

已知：n1=1 500 r/min，d1=71 mm，查相关设计资料得P0=0.31 kW。

由传动比i=3.53 查相关设计资料得ΔP0=0.03 kW。

由α1=159.88° 查相关设计资料得Kα=0.95，KL=1.16，由这些参数经计算得：

所以V带取4根。

1.4.8 作用在带轮上的压力

查相关设计资料得V带每米长的质量q=0.06 kg/m，由公式：

(11)

式中：Pc为功率；Z为v带的根数；V为v带的带速；Kα为包角修正系数(查表得出其值为0.95)，经计算得：

下面计算作用在带轮上的压力FQ，其计算公式为：

(12)

经计算得FQ=238.96 N。

1.4.9 V带轮材料选择

V带轮是带传动的重要组成部分，首先应该满足强度要求，同时也要满足质量轻、结构工艺性好、质量分布均匀等要求。V带轮的轮槽侧面要进行精细加工，以减少对带的磨损。制造带轮的材料通常为铸铁(HT150、HT200)，允许的最大圆周速度为30 m/s。如果对速度有更高的要求就要考虑采用铸钢或者冲压钢板为材料。考虑本切片机的功率和转速，确定采用铸铁，材料牌号为HT200。

1.4.10 带轮结构尺寸设计

带轮的结构形式主要有以下几种：直径较小时(dd≤2.5 d，d为轴的直径)可采用实心式；dd≤300 mm时可采用辐射板式；当dd-d1≥100 mm时可采用孔板式；dd>300 mm时可采用轮辐式或孔板式。

小带轮基准直径d1=71 mm，安装轴带轮轴的直径d=25 mm，dd≤d得小带轮选用实心式，大带轮基准直径d2=236 mm。dd≤300 mm，大带轮选用腹板式。

V带轮的轮槽要与所选用的V带型号相对应，本设计选择的是Z型带，查表可得其基准宽度b0=8.5 mm，基准下槽深度hfmin=7.0 mm，槽间距e=12±0.3 mm，最小轮缘厚δmin=5.5 mm，带轮宽度B=45 mm，带轮总长L=(1.5～2.5)d=50 mm。

轮槽工作表面的粗糙度通常为1.6 μm或3.2 μm，由于这两个带轮在切片机运行过程中起着非常重要的传动作用，所以两个带轮轮槽工作表面的粗糙度均取1.6μm。主动轮与从动轮的结构设计分别如图2、图3所示。

图2 主动轮结构

图3 从动轮结构

1.5 刀片类型选择

切削刀片有直刃刀片和圆刃刀片两种，现对直刃刀片和圆刃刀片在切削中的受力进行分析。

本设计将针对常用型号的刀片进行受力分析，从中选出适合本型号离心式切片机的刀片类型，直刃刀片在切削中的受力数据见表1。

表1 直刃刀片分析

项目切削面积/cm2切削阻力/kg平均切削阻力/kg·cm-2切削长度/mm平均切削阻力/kg·mm-1顺行2.4×1.32.20.705 240.092逆行1.4×0.655.952140.375

圆刃刀片在切削中的受力数据见表2。

表2 圆刃刀片分析

项目切削面积/cm2切削阻力/kg平均切削阻力/kg·cm-2切削长度/mm平均切削阻力/kg·mm-1顺行2.4×0.51.51.25 240.063逆行1.4×0.62.52.98140.179

由表1、表2可以看出，圆刃刀片要比直刃刀片省力50%左右，所以本设计采用圆刃刀片，材料选用45号钢。

1.6 机架设计

1.6.1 机架设计要求

机架需给切片机的运转提供一个稳定的工作环境，因此机架的设计要满足以下三方面的要求：

(1)足够的强度和刚度；

(2)形状简单，便于制造；

(3)便于在机架上安装附件。

刚度决定了机架的工作能力。在离心式切片机中刚度决定着切片机的生产效率和切削精度。稳定性是保证机架正常工作的基本条件。

为了满足稳定切片和切削效率的要求，设计的离心式切片机在功能上应满足以下几点要求：

(1)在满足强度和刚度的前提下，机架的质量要轻、成本低；

(2)抗振性好；

(3)噪声小；

(4)温度场分布合理，热变形对精度的影响小；

(5)结构设计合理，工艺性良好，便于铸造、焊接及机械加工；

(6)结构便于安装、调整及维修；

(7)导轨面受力合理、耐磨性良好。

1.6.2 机架材料的选用及壁厚选择

铸造机架常用的材料有铸铁、铸造碳钢、铸造铝合金三种。

(1)铸铁：铸铁主要有灰铸铁和球墨铸铁。铸铁的流动性好，体、线收缩小，容易得到形状复杂的铸件。铸铁的内摩擦大、阻尼作用强，故动态刚性好。另外还有价格便宜、切削性能好和易于大批量生产等优点。

(2)铸造碳钢：铸钢是铸造合金的一种，铸钢分为铸造低合金钢、铸造碳钢和铸造特种钢三类。铸造碳钢具有较强的强度、韧性和塑性，成本低，因此其在重型机械中常用于

制造承受大负荷的零件。由于钢水的流动性差，在铸型中凝固冷却时体收缩和线收缩都较大，故不宜设计复杂形状的铸件。

(3)铸造铝合金：铝合金质量轻、密度小，通过热处理强化后具有较好的塑性、足够高的强度，以及良好的韧性。

铸铁的铸造性能好、价廉和吸振能力强，应用也最广，焊接机架具有制造周期短、质量轻和成本低等优点。由于本设计的机架结构较为复杂，为了满足支撑其他各零件的要求，本离心式切片机机架的各零件均采用HT200，整体选择焊接的方式。

1.6.3 壁厚选择

当机架零件的外廓尺寸一定时，在满足强度、刚度，以及振动稳定性等条件下，应尽量选用最小的壁厚。本设计选择壁厚d=8 mm。

机架结构如图4所示，其由支腿、底板、电机护罩、输出滑板、机壳、刀片座、连接板、支板、固定箱、固定箱盖等组成。

2 结束语

马铃薯切片机的整体结构设计主要包括电机、皮带及皮带轮、传动轴、叶轮及其刀片，整机长560 mm、宽321 mm、高448 mm。电机选用Y90L-4型，额定功率为1.5 kW，同步转速为1 500 r/min。最小轴径dmin=25 mm，轴肩高为4 mm，扭矩T2=131 759.8 N·mm，选用7207C角接触球轴承，功率PC=1.65 kW，V带速度V=5.57 m/s，

V带取4根，采用圆刃刀片，材料选用45钢。

图4 机架结构

【相关文献】

[1] 闻邦椿.机械设计手册[M].6版.北京：机械工业出版社，2018.

[2] 朱东华，樊智敏.机械设计基础[M].2版.北京：机械工业出版社，2010.