家用剁辣椒絞碎自動(dòng)灌瓶機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工能力參數(shù)分析

劉偉成+胡竟湘+林方寬

（湖南工程學(xué)院 工程訓(xùn)練中心 湖南 湘潭 411101）

摘 要：針對(duì)現(xiàn)有家庭制作剁辣椒絞碎機(jī)不具有自動(dòng)裝瓶與加鹽機(jī)構(gòu)的問(wèn)題，（基于機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械傳動(dòng)、機(jī)構(gòu)間的受力分析等相關(guān)知識(shí)），研制出了辣椒絞碎、裝瓶、加鹽一體化的裝置，本文具體闡述了剁辣椒絞碎自動(dòng)裝瓶機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)能力參數(shù)分析。結(jié)果表明，該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能利用任意單螺紋口的飲料瓶灌剁辣椒，實(shí)用性較強(qiáng)，減輕勞動(dòng)力，提高勞作效率，并且使用安全，環(huán)保清潔。

關(guān)鍵詞：剁辣椒絞碎；自動(dòng)裝瓶、加鹽一體化；環(huán)保清潔

0引言

辣椒（Capsicum annuum L.syn.Cfrutscena）是一種重要的蔬菜和調(diào)味品，屬茄科，辣椒屬，小灌木。辣椒原產(chǎn)地拉丁美洲和北美。在近幾十年成為了全世界消費(fèi)量最大的果蔬之一。辣椒作為一種重要的調(diào)味品，一般人們將其加工成干辣椒或制成辣椒醬、剁辣椒或以辣椒為輔料加工成復(fù)合調(diào)味產(chǎn)品等[1]。由于辣椒生產(chǎn)季節(jié)性強(qiáng)，加工剁辣椒的廠家很多，但加工區(qū)域基本集中南方等省市[2]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和自動(dòng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)家庭切剁辣椒機(jī)械提出了越來(lái)越多的要求。大多數(shù)的家庭制作剁辣椒時(shí)都是用人手工直接切，手會(huì)由于切辣椒時(shí)，將辣椒素沾在皮膚上，使微血管擴(kuò)張，導(dǎo)致皮膚發(fā)紅、發(fā)熱，嚴(yán)重者會(huì)感到疼痛[3]。現(xiàn)存的家用絞碎機(jī)，存在著很多的缺點(diǎn)：在絞碎辣椒后，辣椒顆粒較小，水分流失，不能很好的保留本身所含的營(yíng)養(yǎng)成分；沒(méi)有自動(dòng)灌瓶機(jī)構(gòu)，人手工灌瓶保存時(shí)手易被辣椒灼傷；沒(méi)有加鹽的裝置，不能很好的調(diào)配口味；市場(chǎng)上賣(mài)的剁辣椒是大批生產(chǎn)不適合每個(gè)家庭口味，家庭自己切絞碎辣椒食用量大，需求量也相當(dāng)大[4]。由此可以看出市場(chǎng)上現(xiàn)存剁辣椒機(jī)在整個(gè)制作過(guò)程絞碎辣椒、加鹽、裝瓶等分別獨(dú)立操作，而家庭手剁辣椒費(fèi)力、費(fèi)時(shí)，工作效率不高，加鹽、裝瓶等工藝繁瑣[5]。

1 家用剁辣椒絞碎自動(dòng)灌瓶機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

1.1剁辣椒絞碎自動(dòng)灌瓶機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)分析

針對(duì)市場(chǎng)上家用絞碎機(jī)制作過(guò)程辣椒顆粒較小，辣椒水分流失，不能很好的保留本身所含的營(yíng)養(yǎng)成分，無(wú)法實(shí)現(xiàn)加鹽，灌裝裝瓶的自動(dòng)化現(xiàn)狀。利用機(jī)械原理、機(jī)械傳動(dòng)、機(jī)構(gòu)間的受力分析等相關(guān)知識(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)半自動(dòng)化加工剁辣椒機(jī)，并把理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)合，成功解決了現(xiàn)有家用絞碎辣椒機(jī)的不足之處。

家用剁辣椒絞碎自動(dòng)灌瓶機(jī)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，它主要包括機(jī)體、螺桿、手柄、推進(jìn)軸、吸盤(pán)、灌瓶裝置（圓錐螺桿）、圓刀、十字刀片、加鹽裝置、出料筒組成。結(jié)構(gòu)上選擇市場(chǎng)上家用絞碎機(jī)為樣機(jī)。結(jié)構(gòu)形式的選擇取決于原料供料的要求。整個(gè)傳遞運(yùn)動(dòng)過(guò)程中螺桿是家用剁辣椒絞碎自動(dòng)灌瓶機(jī)的主要執(zhí)行部件，是關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，它的主要任務(wù)就是將十字刀片、圓刀和圓錐螺桿連接在一起，形成一個(gè)整體傳動(dòng)軸。辣椒由投料口輸入，通過(guò)作用手柄帶動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)，從而把辣椒輸送到十字刀片處，由于螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)，十字刀片也隨螺桿旋轉(zhuǎn)，圓刀固定不動(dòng)。從而把辣椒絞碎，并從圓刀孔中流出。流出的辣椒顆粒經(jīng)過(guò)加鹽后，再通過(guò)圓錐螺桿的輸送，灌入瓶中。圖1所示物料隨圓柱形螺旋桿不斷填充，刀具進(jìn)行切碎，壓環(huán)裝置進(jìn)行加鹽，錐形螺桿輸送，最后由出料筒落入容器瓶中。在制作過(guò)程中只要控制螺桿的轉(zhuǎn)數(shù)，即可完成定量供料。

1.2圓刀結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

圓刀孔直徑?jīng)Q定辣椒顆粒的大小和水分的流失。我們對(duì)此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，列表：

根據(jù)對(duì)市場(chǎng)上瓶裝剁辣椒和走訪多個(gè)家庭，了解他們采用傳統(tǒng)加工剁辣椒的習(xí)慣和口感的要求，確定剁辣椒加工顆粒直徑6-7 ，辣椒出水量10，是符合家庭加工剁辣椒制作要求。因此，我們對(duì)家用絞碎機(jī)圓刀孔直徑進(jìn)行改進(jìn)，由原來(lái)4改為7。使之符合設(shè)計(jì)要求。

1.3自動(dòng)送辣椒裝置設(shè)計(jì)

圖3所示自動(dòng)送辣椒裝置，采用的是螺桿供料機(jī)構(gòu)。由于要把絞碎的辣椒灌入瓶中，而圓刀直徑比瓶口大，所以按照以往采用圓柱螺桿的輸送方式，無(wú)法實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，通過(guò)對(duì)螺桿一次供料量、螺桿轉(zhuǎn)速、每圈螺旋的容積、供料一次螺桿的轉(zhuǎn)數(shù)、螺距、槽深、圈螺旋周長(zhǎng)、螺旋中徑、對(duì)應(yīng)中徑的螺旋升角的理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出了該裝置。采用的螺桿供料機(jī)構(gòu)，為錐形螺桿。流出的辣椒顆粒經(jīng)過(guò)錐形螺桿旋轉(zhuǎn)，完成大口徑的輸入變?yōu)樾】趶捷敵觥Ｊ菇g碎的辣椒能夠以最理想的速度自動(dòng)灌進(jìn)瓶中。

1.4自動(dòng)加鹽裝置設(shè)計(jì)

圖4所示自動(dòng)加鹽裝置，采用的是壓簧結(jié)構(gòu)。由于要把鹽加入辣椒顆粒中，而灌瓶裝置在灌瓶時(shí)將有一定的擠壓力，才使得辣椒顆粒灌入瓶中。而在擠壓時(shí)，會(huì)把辣椒顆粒擠入加鹽漏斗中，使鹽無(wú)法順利進(jìn)入辣椒顆粒中 ， 所以按照以往采用漏斗形式，利用鹽的自重而流入辣椒顆粒中的功能，無(wú)法實(shí)現(xiàn)。為此我們采用了壓簧裝置，并經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)及計(jì)算確定壓簧供料機(jī)構(gòu)。根據(jù)自動(dòng)加鹽裝置在機(jī)座上所處的位置把它設(shè)計(jì)成有蓋的圓筒狀，筒底螺紋與出料筒相連接。將蓋與筒身通過(guò)螺紋連接。筒內(nèi)部安裝有活塞、連桿、壓簧構(gòu)件，共同組成了壓簧供料機(jī)構(gòu)裝置?；钊夯珊蜕w通過(guò)連桿聯(lián)結(jié)在一起，加鹽時(shí)，只需將蓋旋出，內(nèi)部壓簧供料機(jī)構(gòu)一同取出。把鹽加入筒內(nèi)，安裝內(nèi)部壓簧供料機(jī)構(gòu)，旋上蓋。加鹽過(guò)程完成。鹽的加入量，依靠蓋的旋轉(zhuǎn)周數(shù)控制。旋轉(zhuǎn)周數(shù)越多，壓簧的受力越大，作用在鹽上的力就會(huì)越大，加鹽量也就越大。反之，則相反。

圓柱螺旋壓縮彈簧的設(shè)計(jì)步驟如下：

彈簧在自由狀態(tài)時(shí)，P=0，f=0；負(fù)荷為P1，變形為f1；工作時(shí)，載荷為P2，變形為f2，P2大彈簧也大，P1也大，P1 與P2之間的關(guān)系為：P1/P2=0.1-0.5.

彈簧的極限負(fù)荷為P3，變形為f3一般P3稍大于P2，其關(guān)系：P3/P2=1.25.

行程為f2- f1=h。由此可繪出示性圖，從示性圖還不能直接計(jì)算出彈簧的主要尺寸，但示性圖與彈簧的主要尺寸有關(guān).

2 示性圖與彈簧主要尺寸的關(guān)系

3 彈簧強(qiáng)度條件

3.3.1根據(jù)理論推導(dǎo)，彈簧的強(qiáng)度條件為：

T=8kP2c/πrd2≤[T]（1）

若為靜載荷或循環(huán)次數(shù)Ⅳ≤l03，則k=l；若為變載荷，則k>l.

k=（4c -1 ）/（4c -4）+0.615/c

式中 k-曲度指數(shù)，d-彈簧絲直徑， [T]-許用剪應(yīng)力，取決于彈簧材料和負(fù)荷類(lèi)型，可查表[1】，

c-旋繞比，一般取c=5～8.

3.3.2彈簧剛度條件

剛度Kp反映彈簧的基本性能，可根據(jù)示性圖算出：Kp= P2 / f2 =P1/ f1=（P2-P1）/（f2-f1）=（P2-P1）/h

又Kp=Gd4/8D23n= Gd4/8（D-d）3n[1】則：n=Gd4h/8（D-d）3（P2-Pl） （2）

式中 D-彈簧外徑， D2 -彈簧中徑，n-彈簧有效工作圈數(shù).

3.3.3 制造條件

彈簧制造中的主要參數(shù)為旋繞比c，當(dāng)d不變時(shí)，D2小則c小，卷繞困難，

∵ c=D2/d=（D—d）/d=D/d一1， ∴ D=（c+l）d （3）

3.3.4 行程條件

彈簧的行程h與螺距t有關(guān).在P2作用下，彈簧各圈之間應(yīng)留有一定間隙σ（σ=0.1d）.

∵ t=f2/n+d+σ，而f2=P2h/（（P2-P1），∴ t=hP2/n（（P2-P1）+d+σ（4）

由上述可見(jiàn)，d、D、n.t與式（1）、（2）、（3）、（4）存在一定關(guān)系.彈簧的設(shè)計(jì)，首先必須滿足強(qiáng)度與行程條件.強(qiáng)度條件若不滿足，可改選材料.如尺寸不夠理想，可改選c和[T]來(lái)加以調(diào)整.

4 螺旋壓縮彈簧的設(shè)計(jì)

試算法是彈簧的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其計(jì)算步驟為：

1）選材料，查力學(xué)性能數(shù)據(jù)[1】；2）選c，計(jì)算K；3）根據(jù)c估取d，由表[1】查取[T]；4）根據(jù)強(qiáng)度條件T≤[T]，計(jì)算z若T >[T]，重選d，直到T≤[T]為止；5）由d、c再計(jì)算其他尺寸[1】；6）驗(yàn)算.

實(shí)例設(shè)計(jì)一成形模上所用的圓柱形壓簧，己知P2=1 500N，行程h=34mm，載荷屬Ⅱ類(lèi).

解：1）繪制彈簧示性圖：P1=（0.1～0.5）P2

取 P1=0.33， P2=500N； P3=1.25 P2=1880N； Kp= （P2-P1）/h=30N/m m.

據(jù)fi= Pi/K，計(jì)算，得： f1=16.7mm，f2=50mm，f3=63mm

21計(jì)算彈簧主要尺寸：

鋼的G=8xl04N/mm，取c=6，計(jì)算k=1.25

①試算法

T=8kP2c/πrd2≤[T] ，[T]=XσB=0.4×l250=500N/mm2

初選d=7，查表[1】得σB=l 250N/mm2

T =8 ×1.25×1 500×6/72π=5 85 N/mm2

T >[ T l，不合格

重選d=8， T =8 ×1.25×1 500×6/82π=448 N/mm2<[ T l，合格

n=Gd4/8D23 Kp=8×104×8/×8×30×63=12.3圈

取n=12，t=hP2/n（（P2-P1）+d+σ=13.2mm，D=（c+l）d =56mm

2 加工分析

如圖4所示，螺桿式供料機(jī)構(gòu)生產(chǎn)能力按下式計(jì)算：

Q=G·n

G=V · ρ · n′

V=s · t · L/2

L=πD11 /cosα1

式中G—螺桿一次供料量（kg）

n—螺桿轉(zhuǎn)速（r/min）

V—每圈螺旋的容積（cm3）

n′—供料一次螺桿的轉(zhuǎn)數(shù)

s—螺距（cm）

t —槽深（cm）

L —圈螺旋周長(zhǎng)（cm）

D1—螺旋中徑（cm）

α1 —對(duì)應(yīng)中徑的螺旋升角

經(jīng)過(guò)計(jì)算得生產(chǎn)前辣椒密度為532.9kg /m3

生產(chǎn)后辣椒密度為980kg /m3

n′ =3radn=51r /min

圓柱形螺桿的加工能力Q1參數(shù)：

S1=22.70mm t1 =16.48mm

D1=32mm α1 =25 °

圓錐形螺桿的加工能力Q2參數(shù)：

S2=15.20mm t2=20mm

D2=27mm α2 =4 °

∴由以上數(shù)據(jù)代入Q=G · n，得Q1 < Q2，

故物料能夠順利的落入瓶中。

通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合，將剁辣椒的加工能力提高到最大值。

3 結(jié)論

研制了一種應(yīng)用于家用制作剁辣椒的裝置，該作品具有成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性較強(qiáng)的特點(diǎn)。本文主要介紹了自動(dòng)送辣椒裝瓶裝置和自動(dòng)加鹽裝置的結(jié)構(gòu)與剁辣椒生產(chǎn)能力參數(shù)分析，并在實(shí)驗(yàn)中證明了該裝置在使用的全過(guò)程中方便、簡(jiǎn)捷、環(huán)境衛(wèi)生。文中對(duì)剁辣椒絞碎自動(dòng)灌瓶裝置的結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)剁辣椒的能力參數(shù)進(jìn)行了初步的分析，為實(shí)現(xiàn)新的功能成品，作進(jìn)一步地開(kāi)發(fā)與研究。

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