小型多用搗碎機(jī)的設(shè)計(jì)

張文斌

(紅河學(xué)院工學(xué)院，云南 蒙自 661199)

為搗碎花椒辣椒之類的食物，已經(jīng)出現(xiàn)了各種類型的粉碎機(jī)、碾碎機(jī)。這些機(jī)具雖然能很快粉碎物料，但粉碎后的食物口感卻不盡如人意，總是找不到傳統(tǒng)手工搗碎的那種味道。于是又研發(fā)出了粉碎原理與傳統(tǒng)石臼相類似的電動(dòng)搗碎機(jī)，現(xiàn)有的搗碎機(jī)的結(jié)構(gòu)，一種是靠凸輪機(jī)構(gòu)來(lái)提升搗錘［1］，這種搗碎機(jī)在減速機(jī)的輸出軸上安裝有凸輪，在機(jī)架一側(cè)前后位置橫向安裝有轉(zhuǎn)動(dòng)軸，在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上向外連接固定有搗錘桿，在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上還固定安裝有撥動(dòng)桿，依靠凸輪與撥動(dòng)桿相互作用，使安裝在搗錘桿頭部的搗錘不斷落入和離開(kāi)搗錘下方的搗臼，從而實(shí)現(xiàn)辣椒的搗碎。另一種是靠連桿機(jī)構(gòu)來(lái)提升搗錘［2］，這種搗碎機(jī)利用曲柄連桿原理，將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為搗碎桿的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)辣椒的搗碎。但兩者的噪音均較大，需要提供的動(dòng)力較大，且用途單一，而且在搗碎過(guò)程中缸缽是固定不動(dòng)的，致使物料搗碎的效果較差，粗細(xì)不均勻，必須依靠人工進(jìn)行攪拌。

本設(shè)計(jì)擬在分析現(xiàn)有搗碎機(jī)不足的基礎(chǔ)上，提出設(shè)計(jì)一種動(dòng)力消耗少，缸缽可以自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，搗碎效果更好，效率更高的小型多用搗碎機(jī)，以彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不在，滿足人們對(duì)食物口感上更高的追求。

1 系統(tǒng)方案擬定

為了能更好地設(shè)計(jì)搗碎機(jī)的各部分功能，對(duì)搗碎機(jī)的功能進(jìn)行功能樹(shù)［3］分析，見(jiàn)圖1。

根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)原理，建立能完成以上所列各個(gè)功能的形態(tài)學(xué)矩陣［3］，見(jiàn)表1。

圖1 搗碎機(jī)的功能樹(shù)Figure 1 Function tree of stamp mill

表1 多用搗碎機(jī)的形態(tài)學(xué)矩陣Table 1 Morphological matrix of multi-functional stamp mill

根據(jù)形態(tài)學(xué)矩陣?yán)碚撋峡梢杂?×3×3×3=81種方案。考慮到搗碎機(jī)的整體裝配、經(jīng)濟(jì)成本和環(huán)保要求等各方面，確定最佳方案為A1+B2+C1+D1。

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

本設(shè)計(jì)的小型多用搗碎機(jī)，擬包含機(jī)架、安裝在機(jī)架上的電機(jī)、搗錘、缸缽、繩子、槽輪、滑輪、聯(lián)軸器、傳動(dòng)軸等零部件，其特征在于傳動(dòng)軸上安裝有槽輪，電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，繩子經(jīng)過(guò)滑輪，繩子兩端分別系在槽輪和搗錘上，槽輪上有滑脫槽，繩子繞槽輪不到一周處自動(dòng)打滑，搗錘在缸缽內(nèi)作周期性自由落體運(yùn)動(dòng)，其具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2［4］。

圖2 整機(jī)結(jié)構(gòu)圖Figure 2 Structure diagram of the machine

工作原理:當(dāng)電機(jī)工作時(shí)，帶動(dòng)槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)，繩子端頭固定在槽輪滑槽的切線方向，當(dāng)槽輪的系點(diǎn)從最低處往上轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，繩子就開(kāi)始繞上輪子，搗錘隨之被提升起來(lái)，當(dāng)繩子繞到快接近系點(diǎn)處時(shí)，槽輪上的打滑口將繩子從輪子上撥出，繩子快速?gòu)妮喿由匣?，搗錘作自由落體運(yùn)動(dòng)，將缸缽內(nèi)的物料砸碎，隨著系點(diǎn)周而復(fù)始的運(yùn)動(dòng)，搗錘就作周期性的自由落體運(yùn)動(dòng)，物料就被搗碎到所需的細(xì)度。在搗碎過(guò)程中，當(dāng)用皮帶將豎軸上的帶輪和缸缽座上的帶輪連接起來(lái)時(shí)，缸缽就跟著轉(zhuǎn)動(dòng)，物料就有更多被搗碎的平等機(jī)會(huì)，使最終被搗碎的物料粗細(xì)一致，搗碎效率更高。如果不需要缸缽轉(zhuǎn)動(dòng)，只需將皮帶撤去即可，這樣可以使被搗物料粗細(xì)要求不嚴(yán)格的場(chǎng)合進(jìn)行自由選擇，增加機(jī)器的靈活性。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵零部件詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 電機(jī)的選擇

為了使搗碎機(jī)能適應(yīng)更多的工作環(huán)境，本設(shè)計(jì)采用的電機(jī)為交流電機(jī)，電壓為220 V。電機(jī)的輸出軸通過(guò)聯(lián)軸器與傳動(dòng)軸相連接，根據(jù)各傳動(dòng)部分所需要的動(dòng)力，計(jì)算得知電機(jī)所需要的功率約為10 W，由于摩擦等因素實(shí)際中消耗的功率必定要更大，根據(jù)市場(chǎng)上實(shí)際銷售的電機(jī)類型，選用25 W的電機(jī)作為動(dòng)力源，其具體性能參數(shù)［5］為:電機(jī)型號(hào)YN80-25W，輸出功率 25 W，輸出轉(zhuǎn)速 75 r/min，扭矩 12 kg/cm，輸出電壓 220 V，搭配電容 1.8 μF。

3.2 提升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

3.2.1 槽輪的設(shè)計(jì) 根據(jù)表1確定的提升搗錘方式，采用鋼繩和槽輪相配合使用，鋼繩的一端固定在槽輪上，另一端連接搗錘，中間加有兩個(gè)定滑輪，這樣就能保證鋼繩在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的摩擦最小，有效地節(jié)約了能量。定滑輪安裝在水平固定于機(jī)架上的支撐桿兩端。鋼繩通過(guò)槽輪、定滑輪將槽輪的圓周運(yùn)動(dòng)通過(guò)打滑轉(zhuǎn)化為搗錘的自由落體運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)搗錘的具體工作條件可知，搗錘下降距離為20 cm，人工搗碎周期約為1 s，要實(shí)現(xiàn)高效率必定要比人工搗碎節(jié)約時(shí)間，選取搗錘的周期為0.8 s。則搗錘下降20 cm所需要的時(shí)間為0.2 s，而搗錘上升需要0.6 s。搗錘與鋼繩連接，而鋼繩則連接在槽輪上通過(guò)槽輪上的打滑點(diǎn)打滑實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，由于搗錘下降所用時(shí)間為上升所用時(shí)間的1/3，就說(shuō)明打滑點(diǎn)應(yīng)該設(shè)置在槽輪的1/4圓弧處，則可計(jì)算出1 min內(nèi)槽輪的轉(zhuǎn)數(shù)為75。進(jìn)而可計(jì)算出槽輪半徑為4.25 cm。

為了計(jì)算方便設(shè)槽輪半徑為4.2 cm，設(shè)槽輪槽邊高為0.3 cm，則最終槽輪的半徑為4.5 cm。為了減輕槽輪的重量，在槽輪上加工4個(gè)半徑為1 cm的孔，在槽輪中心加工一個(gè)半徑為1 cm的孔并加工一個(gè)鍵槽來(lái)和軸裝配。所設(shè)計(jì)的槽輪的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 槽輪結(jié)構(gòu)圖Figure 3 Size chart of sheave

3.2.2 打滑點(diǎn)的設(shè)計(jì) 如上所述，要使鋼繩在1/4處能夠脫離槽輪的軌道讓搗錘靠自身重力自由下落，就必須在此處設(shè)置一個(gè)能讓鋼繩打滑的裝置，可以是一個(gè)杠桿，每當(dāng)鋼繩到達(dá)此處杠桿就把鋼繩撬起來(lái)使之脫離軌道，也可以在此處焊接一個(gè)圓弧狀的鐵塊，相比之下焊接鐵塊更方便也更可靠。所以在此處焊上一個(gè)半圓形鐵塊就能達(dá)到打滑的效果。

3.3 多用搗錘的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)把搗錘設(shè)計(jì)為可換搗錘，這樣不僅可以搗藥也可以搗蒜、搗辣椒等，能滿足人們的不同需要。思路來(lái)源于電燈泡的安裝，把搗錘分為搗錘柄和搗錘頭兩部分，但考慮到實(shí)物制作的復(fù)雜性，把搗錘頭和搗錘柄的連接設(shè)計(jì)成銷連接，錘頭、錘柄都加工有孔，安裝時(shí)只要插上銷就能裝配起來(lái)。錘頭的尺寸見(jiàn)圖4。搗錘頭可根據(jù)搗不同的物品而設(shè)計(jì)不同形狀，比如搗辣椒的錘頭上有螺紋形狀以加大其摩擦力能更好的搗碎辣椒，而搗花椒的錘頭是光滑的，就不會(huì)使花椒夾在縫隙間?？筛鶕?jù)搗碎的食物種類選擇相應(yīng)的錘頭。

圖4 多用搗錘尺寸圖Figure 4 Size chart of multi-functional tamper

3.4 旋轉(zhuǎn)缸的設(shè)計(jì)

為了節(jié)約成本、加強(qiáng)整機(jī)機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)采用一個(gè)電機(jī)，要使搗碎缸旋轉(zhuǎn)必然要改變傳動(dòng)方向，所以使用錐齒輪。在傳動(dòng)軸上安裝一個(gè)錐齒輪然后在另一個(gè)錐齒輪的相配軸上安裝帶輪，通過(guò)皮帶使小帶輪和搗碎缸相連接，這樣通過(guò)帶傳動(dòng)就能讓搗碎缸旋轉(zhuǎn)起來(lái)，所以搗碎缸也稱為旋轉(zhuǎn)缸。旋轉(zhuǎn)缸的尺寸見(jiàn)圖5。

圖5 旋轉(zhuǎn)缸尺寸圖Figure 5 Size chart of rotating cylinder

由實(shí)踐得知，搗錘每搗4下?lián)v碎缸旋轉(zhuǎn)1周就能夠使搗碎更加均勻，能有效地節(jié)約時(shí)間。為了加工方便使用傳動(dòng)比為2的錐齒輪，直齒錐齒輪傳動(dòng)是以大端參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)值的。在強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，則以齒寬中點(diǎn)處的當(dāng)量齒輪作為計(jì)算的依據(jù)［6］。本設(shè)計(jì)中的直齒錐齒輪軸交角為90°，u=2，小齒輪轉(zhuǎn)速為75 r/min。假設(shè)單班制工作，使用壽命為10年。

錐齒輪的傳動(dòng)比為2，要滿足條件則帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比應(yīng)為2。在錐齒輪的軸上一端安裝一個(gè)小帶輪，把旋轉(zhuǎn)缸當(dāng)做大帶輪。使用普通平帶，大帶輪即是搗碎缸的外缸，為了加工的便捷和節(jié)省材料，搗碎缸采用木質(zhì)材料制作，在其缸底外側(cè)加工一道凹槽即可防止皮帶脫落。

4 實(shí)物及動(dòng)作過(guò)程

根據(jù)上述對(duì)各部件進(jìn)行的詳細(xì)計(jì)算得出的尺寸進(jìn)行材料加工和成品購(gòu)買，最終完成了小型多用搗碎機(jī)的實(shí)物制作，見(jiàn)圖6。插上電源，電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)聯(lián)軸器，聯(lián)軸器把動(dòng)力傳給傳動(dòng)軸，帶動(dòng)槽輪做圓周運(yùn)動(dòng)，繩子隨著槽輪的圓周運(yùn)動(dòng)在豎直方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)搗錘進(jìn)行搗碎;傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)使錐齒輪運(yùn)動(dòng)，并把動(dòng)力傳給帶輪，通過(guò)皮帶帶動(dòng)搗碎缸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖6 小型多用搗碎機(jī)實(shí)物圖Figure 6 Physical map of small multi-functional tamper stamp mill

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)完成了一種新型的小型多用搗碎機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并完成了相應(yīng)的實(shí)物制作和實(shí)際干物料搗碎測(cè)試，實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，將0.1 kg干辣椒(即滿滿一搗碎缸)搗碎成辣椒面僅需3 min左右，可見(jiàn)所設(shè)計(jì)的搗碎機(jī)的效率還是比較高的，基本能滿足家庭需求，該設(shè)計(jì)同時(shí)獲得了國(guó)家專利授權(quán)(專利號(hào):ZL201320335029.6)。本設(shè)計(jì)的搗碎機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，較之凸輪機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)均節(jié)省材料，制造成本低大約20% ～30%，故障率更低，動(dòng)力消耗更少，更適合中小商販及家庭使用。

1 黃俊民.辣椒搗碎機(jī):中國(guó)，200720090383.1［P］.2008—02—20.

2 中國(guó)民俗攝影協(xié)會(huì).搗辣椒面的機(jī)器［EB/OL］.(2012—09—16)［2014—07—13］. http://bbs.icfpa.cn/forum.php?mod=viewthread＆tid=117550.html.

3 趙韓，黃康，陳科.機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:高等教育出版社，2005.

4 張文斌，羅鴻佳，普亞松，等.小型多用搗碎機(jī):中國(guó)，201320335029.6［P］.2013—11—20.

5 東莞市志恒機(jī)電有限公司.減速電機(jī) YN80-25W［EB/OL］.(2012—02—03)［2014—07—13］.http://detail.cn.china.cn/provide/2682164055.html.

6 吳宗澤，羅圣國(guó).機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:高等教育出版社，2006.