電動(dòng)錘式搗蒜機(jī)的設(shè)計(jì)與分析

賈梁智,劉 旭,陳孝國,梁寶堅(jiān),張勝軍

(黑龍江省八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院,黑龍江 大慶 1633319)

大蒜自古就被當(dāng)作天然殺菌劑，有天然抗生素之稱。數(shù)千年來，中國、埃及、印度等國將大蒜既作為食物也作為傳統(tǒng)藥物應(yīng)用[1]。有研究顯示大蒜的營養(yǎng)價(jià)值甚至超過了人參。其中含有200多種有益于身體健康的物質(zhì)，除蛋白質(zhì)、維生素E、C及鈣、鐵、硒等微量元素外，最受人們關(guān)注的是具有增強(qiáng)人體免疫力的S一烯丙基半胱氨酸(SAC)，以及極具殺菌力的大蒜素[2]。大蒜含有蒜氨酸和蒜酶等有效物質(zhì)，碾碎后它們會(huì)互相接觸，從而形成具有保健作用的大蒜素。因此，大蒜最好搗碎成泥吃，并且要先放10～15分鐘后再吃，這樣有利于大蒜素的生成[3]。

因?yàn)閾v成蒜泥這種食用方式，人們最初發(fā)明了蒜臼子，搗蒜缸，近現(xiàn)代又發(fā)明了一些電動(dòng)搗蒜機(jī)構(gòu)，針對(duì)目前市場上的搗蒜機(jī)，主要分為傳統(tǒng)搗蒜機(jī)構(gòu)（俗稱蒜臼子）和電動(dòng)鉸刀式搗蒜機(jī)，前者雖能保證大蒜優(yōu)質(zhì)的味道，但使用過程過于繁瑣，大蒜的搗碎仍需手工來完成，若使用力量不當(dāng)，易給手指，桌子，地板造成一定損傷，而后者雖然已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化處理，但鉸刀高速運(yùn)轉(zhuǎn)，嚴(yán)重破壞大蒜組織結(jié)構(gòu)，影響大蒜的原質(zhì)味道，研究新的搗蒜方式使搗蒜過程簡便，速度提高，保證蒜泥的味道質(zhì)量，所以將傳統(tǒng)錘式和電動(dòng)鉸刀式搗蒜機(jī)的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，提出一種新型搗蒜機(jī)構(gòu)—電動(dòng)錘式搗蒜機(jī)，將此想法，在UG軟件平臺(tái)進(jìn)行開展，對(duì)搗蒜機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)—建模—裝配—模擬—分析。如果以上各項(xiàng)數(shù)據(jù)均達(dá)到要求，則此搗蒜機(jī)可以用于實(shí)際生產(chǎn)加工。

1 錘式搗蒜機(jī)結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)

錘式搗蒜機(jī)械的基本結(jié)構(gòu)簡圖見圖1：整個(gè)機(jī)構(gòu)搗蒜過程：動(dòng)力由主動(dòng)軸2輸入，通過軸上的太陽輪與行星齒輪3，使3、4間的短軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)架5進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)，動(dòng)力由錐齒輪4傳遞至曲軸6，使其轉(zhuǎn)動(dòng)；曲軸6、連桿11、搗蒜錘10以及旋轉(zhuǎn)架5底部的滑道構(gòu)成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，是搗蒜錘10進(jìn)行簡諧式捶打；為保證搗蒜錘10具有一定動(dòng)能，使內(nèi)缸提升至搗蒜錘行程之內(nèi)，并用彈簧9連接內(nèi)缸8和外缸7；最終達(dá)到旋轉(zhuǎn)——捶打的目的，使機(jī)器可以均勻地?fù)v勻蒜泥。

圖1 錘式搗蒜機(jī)構(gòu)簡圖

2 搗蒜機(jī)中重要機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與選擇

2.1 齒輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及工作過程

齒輪機(jī)構(gòu)是整個(gè)機(jī)械中最關(guān)鍵的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，為達(dá)到均勻搗蒜的目的，使蒜錘能夠?qū)崿F(xiàn)繞軸旋轉(zhuǎn)和上下運(yùn)動(dòng)的捶打工作，我們通過行星齒輪機(jī)構(gòu)和錐齒輪機(jī)構(gòu)[4]（如圖2）來實(shí)現(xiàn)此種運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力由主動(dòng)軸輸入，經(jīng)過行星齒輪機(jī)構(gòu)將運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成為行星齒輪的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，分別帶動(dòng)曲軸和旋轉(zhuǎn)架做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖2

2.2 蒜錘與蒜缸的設(shè)計(jì)

蒜錘的錘頭底面設(shè)計(jì)為凸面型（如圖3），這樣設(shè)計(jì)，搗蒜過程中，減小錘頭與蒜瓣的接觸面積，增大了壓強(qiáng)，使蒜瓣更易于被搗碎，設(shè)計(jì)成凸面型，也能有效防止蒜末飛濺，蒜缸設(shè)計(jì)時(shí)，使蒜缸底部位于蒜錘工作行程之內(nèi)，為使蒜錘達(dá)到完整行程，選用彈性系數(shù)K=2000的剛性彈簧連接內(nèi)缸與外缸，使蒜錘壓縮彈簧并達(dá)到完整工作行程，實(shí)現(xiàn)搗蒜的目的（如圖4）。

圖3

圖4

2.3 電機(jī)的選擇

該錘式搗蒜機(jī)采用DD電機(jī)作為動(dòng)力提供裝置，該種電機(jī)借助正弦調(diào)制和空間矢量調(diào)制技術(shù)，給電動(dòng)機(jī)提供脈寬可調(diào)制的交流驅(qū)動(dòng)電壓，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，三相電樞繞組同時(shí)接通，在電樞繞組內(nèi)流過接近于正弦波的交流電流，在工作氣隙內(nèi)產(chǎn)生“連續(xù)式”旋轉(zhuǎn)磁場，帶動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子通過花鍵連接于軸套，進(jìn)而帶動(dòng)內(nèi)筒轉(zhuǎn)動(dòng)[5]。運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，該電機(jī)具備的空間矢量變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，無電刷結(jié)構(gòu)避免了電刷與換向器之間接觸形成的摩擦，防止了電磁干擾和摩擦噪音[6]。用此種電機(jī)有效減小了搗蒜機(jī)的體積，通過其無級(jí)變速的功能，省去了對(duì)減速器的設(shè)計(jì)。

3 錘式搗蒜機(jī)工作過程的仿真模擬

利用UG三維繪圖軟件對(duì)搗蒜機(jī)搗蒜過程進(jìn)行仿真模擬，運(yùn)動(dòng)過程（如圖5）.曲柄帶動(dòng)蒜錘做360°旋轉(zhuǎn)，并上下做往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)全方位搗蒜。

圖5

利用UG仿真模塊[7]運(yùn)行后，可得出蒜錘沿豎直方向v-t曲線，蒜錘的運(yùn)動(dòng)為簡諧運(yùn)動(dòng)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)出得到圖6曲線。由圖6可知曲柄帶動(dòng)蒜錘做往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，蒜錘所具有的最大速度為631mm/s,頻率較高，1s可完成約3次完整錘擊運(yùn)動(dòng)，蒜錘到達(dá)底部與蒜瓣接觸時(shí)，導(dǎo)出f-t曲線，（如圖6），可知蒜錘對(duì)蒜瓣的沖擊力達(dá)到400N以上，使蒜瓣被壓潰，能保證搗蒜要求。

圖6

4 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種新型搗蒜機(jī)器，并對(duì)整個(gè)搗蒜工作過程進(jìn)行了分析，較之前傳統(tǒng)手工搗蒜方式和鉸刀式搗蒜方式有了更進(jìn)一步的整合和提升，既提高了搗蒜的速度，同時(shí)也保證了蒜泥的口感，也為今后搗蒜機(jī)械的設(shè)計(jì)提供了研究方法，通過對(duì)搗蒜機(jī)進(jìn)行仿真模擬試驗(yàn)，得出了蒜錘運(yùn)動(dòng)速度與時(shí)間，蒜錘錘擊力與時(shí)間關(guān)系曲線，對(duì)今后搗蒜機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化有了一定的指導(dǎo)，本實(shí)驗(yàn)不足之處，為搗蒜機(jī)成本過高，搗蒜機(jī)拆卸清洗時(shí)不夠方便，望今后研究者可以研究出更為經(jīng)濟(jì)簡便的搗蒜機(jī)械。

[1]陳雄，喬昕，馬麗.大蒜油提取的比較研究[J].食品工業(yè)科技，1999(05)：16-18.

[2]鳳凰網(wǎng)健康綜合，大蒜十二種不可不知的健康功效，[EB/OL]http://health.ifeng.com/diet/food/detail7571055_4.shtml,2011-07-08/2014-07-10.

[3]何洪巨.營養(yǎng)與保健[J].生命時(shí)報(bào)，2013(12).

[4]黃開旺.G產(chǎn)品造型實(shí)例教程[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[5]王忠卿，石新國.滾筒洗衣機(jī)環(huán)保節(jié)能洗滌技術(shù)的應(yīng)用[J].家電科技雜志，2013(01)：25-28.

[6]龔熙戰(zhàn).新型直驅(qū)變頻洗衣機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].現(xiàn)代家電.2010.(08)：48-50.

[7]許傳俊，田新誠.工業(yè)機(jī)器人三維仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].高等教育出版社，2002.