一種簡易多功能切菜機的設計和實現(xiàn)

林新英，江小輝

（1.閩南理工學院，工業(yè)機器人測控與模具快速制造福建省高校重點實驗室，福建 石獅362700；2.福建南方路面機械有限公司，福建 泉州 362000）

市場上現(xiàn)有的切菜機多為蔬菜加工行業(yè)和食品行業(yè)專用，此類切菜機工作原理一般采用臥式送菜（傳送帶或送料槽的方式），在刀口處回轉(zhuǎn)式或往復式切菜。通常以三相電動機做動力源，傳動系統(tǒng)較復雜，功率大。雖功能較多，一般能實現(xiàn)切片、切段、切絲等，但操作復雜。此類切菜機功率大，體積大，重量也大，而且價格昂貴，不適合中小餐館、家庭的使用[1]。各大中小餐館、學校餐廳等需要有高效率，易于操作，安全可靠的切菜機來解放廚房切菜工人雙手，故設計了一款切菜效率高，易于操作，安全可靠，體積小，價格便宜的切菜機。

1 切菜機的方案設計

本切菜機的主要組成部分是底座、主軸、刀盤、送菜機構以及電控制部分，總體結(jié)構圖如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構圖

1.1 底座

底座由不銹鋼框架、電動機、帶輪、帶和主軸組成。不銹鋼框架，用截面為25 mm×25 mm的方鋼焊接成365 mm×365 mm×365 mm不銹鋼框架。距底面175 mm處焊一個平面用于安裝主軸。其結(jié)構圖如圖2所示。

圖2 不銹鋼架

選用的電動機型號:XD-180額定功率/電壓為180 W/220 V，額定電流為16 A，額定轉(zhuǎn)速為1 370 r/min.

主軸部分的主要零件有主軸、方銷、止推軸承、支承座、密封圈和螺母。支承座上加工有螺紋，與螺母配合將支承座緊骨在機架上，支承座墊有密封圈，可防止清洗機器時水滲透到底下的電動機部分。支承座的內(nèi)孔打進一個銅套，與主軸相配合形成滑動軸承。主軸上方的方銷用于定位刀盤并傳遞動力，螺紋孔旋入螺釘鎖緊刀盤。結(jié)構如圖3、圖4所示。

圖3 主軸剖面圖

圖4 主軸PR O E圖

1.2 刀盤

切菜機的切菜原理是運用旋轉(zhuǎn)刀片切割蔬菜、水果等，故刀盤形狀為圓盤狀，其上面固定有適用于切出各式形狀的刀片。圖5是三把刀盤的實物圖，分別用于切片、切絲和切條。

圖5 刀盤

1.3 送菜機構

送菜機構由菜桶和壓菜機構組成。菜桶的結(jié)構設計中主要有兩片擋菜板，用于切菜時對菜起限位作用，相當于“砧板”，一個直線線軸承，可以沿著固定導桿上下移動以及繞著導桿轉(zhuǎn)動以便于換刀，運用直線軸承可以避免因傾覆力矩而引起的卡死現(xiàn)象，在菜桶的側(cè)壁開有一道槽，用于對壓菜機構進行限位防止壓菜機構下壓時發(fā)生打刀現(xiàn)象，菜桶底部有一小圓柱銷（此圓柱銷用于電控部分，功能在電控部分闡明），菜桶底部側(cè)面焊接一圓環(huán)形不銹鋼，通過壓緊圓環(huán)可以將菜桶固定在機架上，其結(jié)構如圖6所示。

圖6 菜桶

整個壓菜機構采用搖桿——滑塊機構[2]。其由固定導桿、連桿、搖桿、直線軸承、把手、小圓筒及壓菜板組成，如圖7所示。直線軸承的作用與菜桶中的直線軸承的作用一樣，小圓筒作為長圓形蔬果的進料口，壓菜板的作用是使菜與刀盤保持接觸從而順利完成切削。菜桶和壓菜機構由固定導桿連成一體并將其固定在底座上。

圖7 壓菜機構

1.4 電控部分

為了加大整個操作過程的安全性，本切菜機的電控部分在正常的開關控制的基礎上又增加了一個安全裝置。安全裝置包括一個行程開關和菜桶上的小圓柱銷。只有在行程開關接通的情況下按下開關切菜機才能正常工作，而電路的接通需要小圓柱銷在整個工作過程中不能離開行程開關，這樣在換刀或菜桶沒有被固定的情況下保證電動機斷電，其結(jié)構如圖8所示。

圖8 電控部分

2 理論設計計算

2.1 電動機的選型

（1）根據(jù)家庭電器的供電模式，切菜機采用額定電壓220 V，單相交流電動機。參考刀片切削力范圍，經(jīng)了解調(diào)研，初定刀片切削力F=（10～30）N，電機輸出轉(zhuǎn)速n0=1 450 r/min.

經(jīng)帶輪一級降速，軸的轉(zhuǎn)速[3]為：

由刀片等效回轉(zhuǎn)切削半徑r刀=50 mm

對于切絲刀盤安裝雙刀片，其扭矩T＝2T0

由于主軸上安裝有帶輪，推力軸承，滑動軸承，

唐朝有十二位曾被冊立為太子而沒能繼承皇位者，有八人死后獲得了太子謚號，其中有兩人被追謚為皇帝，五人為太子謚號，一人被追謚為王，所使用的謚號各有深意。八個謚號中，有三個單字謚，分別是“隱”“讓”和“愍”；復字謚有五個，分別是“孝敬”“章懷”“節(jié)愍”“惠昭”“莊恪”。復字謚是由單字謚“孝”“敬”“章”“懷”“節(jié)”“愍”“惠”“莊”“昭”“恪”這十個字組合而成。無論單字謚還是復字謚，表達的多是褒揚或是哀思之意，沒有惡謚的情況。每個謚號的釋義有著不同的文化內(nèi)涵，大致與受謚者的生平事跡相一致或略有溢美，這也是太子地位至高無上在古代國家政治活動中的一種體現(xiàn)。

機理論額定功率Pn=（0.083～0.249）kW

參照電機實際參數(shù)，選PN=0.18 kW，額定轉(zhuǎn)速n=1 370 r/min，額定電壓UN=200 V的單相交流電動機。

（2）根據(jù)已選電機型號，設計分析主軸參數(shù)

代入公式可得主軸轉(zhuǎn)矩

2.2 電動機功率的實際實驗數(shù)據(jù)

由于電動機的參數(shù)設計為估計值，通過實際實驗得出切各種菜時的電動機功率。采用的實驗設備主要如下：可調(diào)電阻、180 W單相電動機、刀盤、轉(zhuǎn)速測速儀、電壓表、電流表[5]。其電路如圖9所示。

圖9 電路圖

實驗方法步驟：

1）講刀盤放入先前做好的角鋼架，安裝好主軸。主軸與單相可調(diào)電動機相連（電動機末端與轉(zhuǎn)速測速儀相連）。

3）處理數(shù)據(jù)。處理后的實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實驗數(shù)據(jù)

3 樣機的作原理及性能分析

3.1 切菜機工作原理

電動機通過帶傳動帶動主軸轉(zhuǎn)動，主軸上安裝附有刀刃的刀盤。轉(zhuǎn)動的刀刃與豎直往下送的菜做相對運動而完成切菜，切后的菜從刀盤開口下落至接菜盒。通過轉(zhuǎn)換刀盤切菜機可以實現(xiàn)切片、切絲、切條等多種功能，操作簡便。最終完成的實物樣機圖如圖10所示。

圖10 實物樣機圖

3.2 操作過程

（1）升起并轉(zhuǎn)動裝菜圓筒，更換刀盤并旋緊壓緊螺釘。轉(zhuǎn)動裝菜圓筒，根據(jù)下端小突起定位后下壓加緊（通過小突起使行程開關閉合）。

（2）裝菜，放好接菜盒，接通電源，按下啟動按鈕開始切菜。

（3）壓菜機構下壓使菜與刀盤保持接觸并完成切菜動作。

（4）停機，取菜，并擦洗機器。

3.3 性能分析

（1）壓菜機構整體運動靈活，主要完成轉(zhuǎn)動和豎直方向的運動，轉(zhuǎn)動依靠裝在桿上的軸承來完成，壓菜板的運動包括轉(zhuǎn)動和豎直運動（利用直線軸承來完成）。

（2）功率適中，能完成絕大部分蔬菜的切削，實際切菜過程中驗證主軸的強度足夠。

（3）巧妙利用壓菜機構的突起來控制行程開關，起到保護作用。

（4）刀盤通過鍵槽與主軸連接，相對于壓菜機構和底座獨立，方便更換。

（5）壓菜過程中菜的重力和施加壓菜的力均不大，故刀盤的安全可靠。

（6）底座機構合理，重心低整體穩(wěn)定性好。

4 創(chuàng)新點及應用前景

（1）本結(jié)構設計巧妙，利用了搖桿滑塊機構，將以往用輸送帶式的臥式切菜機改為立式。利用菜的自重或加壓就可完成送料。切好的菜通過刀片下方的通口落入封閉式集菜箱。

（2）功能齊全，通過快捷的換刀機構，就可以更換刀盤，完成多種菜種多樣式的切削。

（3）操作簡便，操作設計符合人類行為習慣，易學易用。

（4）安全可靠，增加了保護裝置，只有菜筒轉(zhuǎn)到位且鎖緊后電機才會啟動。

（5）外觀宜人，整潔大方的外觀設計，增加了產(chǎn)品藝術感。

（6）便于清洗，壓菜機構和入菜筒可轉(zhuǎn)開用水沖洗，刀盤和集菜箱等可拆卸清洗。

本切菜機具備廣闊的市場，目前市場上切菜機多用于工廠，且結(jié)構較大，功能單一。經(jīng)過調(diào)研各大、中、小型飯店餐廳及家庭急需本類型切菜機，以提高切菜效率和切菜效果。同時切菜機功能齊全、安全可靠、外觀宜人、成本低廉，具有廣泛的適用性、廣闊的市場和良好的社會效益。