土豆切片切條機的結構計算和設計目錄摘要 1關鍵詞 11前言 【摘要】：土豆是世界上主要的糧食之一，它富含蛋白質、氨基酸、維生素、礦物質等，其中維生素含量最高。在我們的日常飲食中，通常是把土豆切片或切條。然而，人工切片或者切條費時費力，勞力浪費嚴重，因此，土豆切片切條機由然而生，只需要人工填入洗凈的土豆，便可實現土豆的切片切條，從而大大節省時間，提高勞動效率。而在生活中對于土豆切片切條的需求，現今市場上的切片切條機就顯得過于單調了，大多數機構只能實現單一的切片或者切條，技術落后于需求，功能單一是切片切條機發展面臨的困境。本畢業設計將以對切片切條機機構部分進行結構優化，實現土豆切片切條一體化的機構設計，降低制造成本，提高生產效率。【關鍵詞】：土豆，切片，切條，傳動裝置，刀具1前言1.1引言據有關數據顯示，到21世紀，我國土豆的種植面積已經達到了1.4億多畝，其中以中國的土豆產量最多，而隨著土豆種植技術的不斷成熟，人們對食用土豆的需求量也越來越大，而目前市場中大多數是適合土豆產業化大批量生產大型土豆切片切條機，但功能單一，并且缺少適合家庭，小作坊，餐館的小型土豆切片切條機。隨著經濟的發展，科學技術的不斷進步，人們的日常生活、生產都離不開自動化的要求。各種土豆切片機、切條機的出現，使生產效率得到極大的提高，工人的勞動強度得到了極大的降低，同時也使加工工藝的質量和衛生得到了保障。本畢業設計將結合土豆的食用加工需要，對市場上的切片機、切條機進行了改進，從而提高效率，實現土豆加工的薄厚均勻，安全生產，以及土豆切片切條的一體化。通過查閱國內外相關的期刊、中國知網、萬方等學術網站，查閱了大量關于土豆切片切條機的相關資料，并對其機構類型、現狀、前景、存在的問題等進行了較為詳細的研究。本文對相關文獻進行了梳理，從中選出了一些需要借鑒的范例。1.2研究背景目前，我國在土豆切條技術與裝備上的投入不足，技術積累不足，與國外的技術和設備相比還不夠成熟。目前國內使用最廣泛的切割方法是機械切割。而國外發達國家則是在土豆食用生產中實現了機械化、自動化。我國馬鈴薯切片切條技術與國際上的差距還很大。土豆切片切條機機構有以下幾種：1.2.1安全土豆切片切條機圖1-1為安全土豆切片切條機結構簡圖，本土豆切條機配有一架等腰三角形的支架，支架的頂部有一個用來盛放馬鈴薯的半圓形卡槽，卡槽的一側是一滑軌，滑軌上裝有一柄刀具，它可以在滑軌上滑動。這種安全的土豆切條機能把土豆固定在架子上，這樣既能保證土豆條的厚度均勻，又不會對手指造成損傷，為人們切馬鈴薯提供了極大的便利。1-卡槽斗2-土豆3-刀片4-手把5-機架圖1-1安全土豆切片切條機結構簡圖1.2.2傳送帶式土豆切片機圖1-2為傳送帶式土豆切片機結構簡圖，土豆通過兩條輸送帶的空隙進入進料口，由一臺旋轉的切割機將土豆切割，然后將切好的土豆片放入一個固定的架子中，切出來的土豆片大小、厚度都是一樣的，而且不用手動維持，整個過程都是自動化的，既方便，又安全。刀具采用十字形刀片2，使用電動轉動，刀刃2可快速切割土豆，并是可連續的切割，減少了切割時的阻力，減少能量消耗。兩輸送帶布置在輸送機架上，兩輸送帶具有間隙，兩條輸送帶間的間隙為給料通道，兩條輸送帶將土豆運送到末端。該驅動裝置通過安裝支架與該固定支架相連接，驅動裝置上刀片與該驅動裝置的連續輸出軸相配合，該刀片為十字形，并由四個固定葉片組成，每一葉片的刀刃都沿轉動方向排列。基板上有一個位于切片設備的下面圓形的凹槽，是一個放置土豆片的籃子。置物架上有供果汁流出的通孔，并在槽下面設置一個貯液槽。傳輸設備結構包含阻尼器，阻尼器由襯墊和阻尼器構成，阻尼器與傳輸器的橫向板連接，阻尼器與第一傳輸器的小阻尼器相連接，阻尼器上具有開口。阻尼器是彈性關鍵元件是由至少一個彈簧和設置于該第一彈簧和第二個彈簧組成的。底板箱設有支架，支架上裝有萬向輪，在支架上設有可容納土豆的凹槽[3]。固定架；2、刀片；3、第一傳送帶；4、橫板；5、彈簧；6、墊塊；7、減震塊；8、支桿；9、支腿；10、萬向輪；11、第二傳送帶；12、底板；13、置物籃；14、充電接口；15、開關；16、伺服電機；17、安裝架；18、固定板；圖1-2傳送帶式土豆切片機結構簡圖1.2.3離心式土豆切片切條機圖1-3為離心式土豆切片切條機結構簡圖，土豆按照一定的比例送入進料斗，離心力將土豆以比本身重量多出數倍的力量緊貼在回轉內壁上，在推料葉片的推動下，將土豆片以一定的速度送到高速轉動的切條機上，最后完成切條。馬鈴薯條的橫斷面大小取決于切刀的厚度調整機制、切刀數量以及切刀旋轉輥的速度。旋轉槽的寬度愈大，愈有利于土豆條的擺放，且能保證在切片時沿著土豆的寬度方向進行切割。在較短的時間內，土豆沿著土豆的寬度方向進行切割，對其有利。當旋轉速度恒定時，切刀數目愈多，切出的馬鈴薯條就會愈小，所以要改變馬鈴薯條的大小，就必須要調整切條的數目。切條刀片的入切角愈小，其橫斷面愈不規則，愈容易被撕裂。當切條機的數量固定時，切條機旋轉滾輪的旋轉速度越高，所處理的土豆條就會變得更小，所以可以通過改變切條刀回轉滾筒的速度來調整土豆條的大小[2]。圖1-3離心式土豆切片切條機結構簡圖1.2.4壓桿式土豆切條機圖1-4為壓桿式土豆切條機結構簡圖，其包括基架、安裝于基座上的切條刀板和可與切條刀板配合的推板，以及用以驅動切條刀板，切條刀板包括刀架和多個切割刀片，切條刀板在刀架上交叉安裝，切條刀板在切條刀板之間形成多個長方形切口，切割刀片的端部分別嵌入刀架上的溝槽中，切條刀板由螺釘固定。用下壓手將推進機構移至矩形刀座，將中間的馬鈴薯切成條，完成土豆的切條。后座，2-基架，3-導桿，4-框架，5-凸塊，6-刀架，7-刀片，8-矩形刀口，9-切條刀片，10-扭片，11-鎖定件，12-安裝空間，13-刀架，14-推板，15-驅動裝置，16-手把圖1-4壓桿式土豆切條機結構簡圖該切條機構是將切條刀片的兩頭插入到刀架上的凹槽中，并用螺釘固定，從而確保切條刀片能夠穩定地安裝在刀架上，而在推板的前端，設有多個凸點，這些凸點與長方形的切口相匹配，結構堅固，切土豆的過程中，切條的刀片不會因為切割而崩斷，所以使用起來非常安全。在切割刀的上端設有一個槽口，它與螺母的螺帽相接觸，從而確保了切條刀片能夠平穩地安裝在刀座上，具有結構穩定、使用壽命長的特點。本裝置采用多個支桿，操作簡單，便捷[6]。1.3現有切片切條方式及問題研究本文在分析目前市場上常用的土豆切片切條機工作原理的基礎上，歸納出了以下幾種常用的切片切條方法。綜合比較如下：（1）安全的土豆切片切條機的工作原理：該裝置具有簡單的機械結構，能夠安全地處理土豆。將土豆安放在貨架上，解決了當前切土豆時容易受傷的問題，同時也保證了切條的厚度均勻，而且不會對手指造成傷害，便于大家切割。能夠將土豆切片與切條機械一體化。但是，由于采用人工的方法，其加工效率不高，而且切削時必須進行換刀，所以操作起來較為繁瑣。（2）傳送帶式土豆切片機原理:土豆大多為橢圓形，該機構使用傳送帶進行送料并固定土豆，柔性裝置避免土豆在切片的過程中出現很難固定，容易打滑的現象，切片均勻，大小也較為統一，設置物籃收取加工完成后的土豆，實現土豆削片的半自動化，方便快捷，安全省力。但是該機構功能單一，只能實現土豆的切片加工，無法實現切條加工，切片厚度較為固定，且加工時喂入量不宜太大，否則會可能導致堵塞。（3）離心式機械切條機原理：該機構基本實現了土豆切片切條，在提高生產效率的前提下，可以從兩個方面實現對不同大小的土豆條的切割，即通過調整切片機構，改變切片厚度；但需要人工操作，拆卸換刀。二是改變切條刀回轉輥的轉速來實現，由于不是所有的切條大小所對應的轉速都是由傳動裝置傳動比來確定的，所以在實際工作中改變轉速是比較困雉的，如果同時安裝兩臺電機，則會增加機器的體積和成本。不符合要求。（4）壓桿式土豆切條機原理：它可以一次把一塊或多塊土豆切成土豆條，這樣較容易操作。該切條機由一個刀架和一個縱橫交錯的刀片組成，它的組裝結構是固定的，在切割土豆時不會輕易地將刀刃帶出來崩掉,造成損壞,避免了一定安全風險。但是該機構只能實現土豆切條加工，土豆條加工規格固定，不宜更改，功能較為單一，效率較低并且需要人為操作。1.4切片切條的選擇和設計優化方案通過調查，對常見的土豆切片切條機構進行分析可知，市場上實現土豆切片切條的機構效率較低，只能實現單一的切片或切條。且土豆切片切條的厚度固定，改變厚度需要人工更換刀具，較為繁瑣。傳動方式不夠合理。綜合分析比較，唯有離心式切片切條的方式較優，因此本設計將在離心式土豆切片切條機構的基礎上，對土豆切片切條機構進行以下五個方面的優化：①減小機構體積重量，實現設備小型化；②降低生產成本，提高加工效率；③實現土豆切片切條的薄厚均勻且可調；④實現切片和切條方式的簡易轉換；⑤實現切片切條機構的一體化；2土豆切片切條機機構設計2.1工作原理本機械結構是以目前市場上已有的離心式土豆切條機為基礎，對其內部結構及外型進行了改良與創新。本設計采用連續生產的方式，由電動機驅動，通過帶傳動驅使圓筒內的推料轉臺工作。轉臺設計四個凸起推料葉片，中心對稱布置。當土豆切片切條機工作時，轉臺轉動，土豆由進料箱送進，土豆落入臥式圓筒內，受到推料轉臺的推力和離心力的作用，使其在圓筒內沿內壁轉動。土豆受力沿內壁向出料口運動，出料口設置切片刀和切條刀，在推板推力的作用下實現土豆的切片切條。2.2土豆切片切條機主要組成機構本次設計的土豆切片切條機主要由物料箱、臥式圓筒、送料和刀具部分組成。如圖所示：1-物料箱2-臥式圓筒3-刀具4-出料口5-帶傳動6-電動機7-電動推桿8-送料箱圖2-1機構裝配效果圖2.2.1推料轉臺推料轉臺是土豆切片切條的重要組成部分。根據土豆自身特性，結合離心式土豆切條機的工作原理，選擇了一種圓型轉臺，其上表面有四個凸出的推料葉片。中心對稱布置，為讓土豆更好的與臥式圓筒內壁接觸，推板有一定斜度。在帶傳動的驅動下，推料葉片推動圓筒內的土豆轉動。圖2-2推料轉臺設計效果圖2.2.2臥式圓筒臥式圓筒由四分之三圓柱形圓筒和四分之一可旋動上筒壁并由一個橫桿連接在一起。材質選用304不銹鋼，讓該部件具有抗腐蝕性，能經受一定的沖擊負荷。更衛生、更安全。圓筒內壁平滑，能減小土豆在其時的工作阻力。通過切片厚度調節器調節可旋動的上筒壁蓋來調整出料口間距，從而實現土豆切片厚度調節。臥式圓筒的一側設置出料。在出料口的下處安裝刀具，由于推板的推動力，土豆被推入料口，撞到刀具上，使土豆片或土豆條從出料口滑出，落在接收的物籃中。通過切片切條轉換器來控制切條刀具的進給，從而實現土豆切條切片的轉換。1-上筒壁蓋2-切片厚度調節器3-切條刀具4-切片切條轉換器圖2-3臥式圓筒設計效果圖2.2.3刀具刀具分為兩把，分別是切片刀和切條刀，刀片材料使用不銹鋼，這樣使刀更鋒利且不易生銹。切片刀平行布置于出料口，用螺絲固定。切條刀垂直于切片刀橫向布置于出料口，土豆先經過切片刀切成片，再經過橫向布置的切條刀，便實現土豆切條。切條刀由刀片，刀具盒，彈簧，間距調節器組成，可通過推動兩端間距調節器，壓縮刀片間的彈簧，調節刀片間距，便可實現土豆條半自動的尺寸調節。通過控制切條刀具盒橫向移動，便可實現土豆切條切片的轉換。1-切片刀具2-間距調節器3-切條刀片4-切條刀具5-彈簧圖2-4刀具設計效果圖2.2.4底座臥式圓筒與底座相連接，底座由臥式圓筒支撐板，帶傳動擋板，支撐平板焊接組成。因圓筒橫向布置，故在圓筒支撐板開孔并于螺釘配合，限制工作圓筒移動，滾動和自身轉動，將工作圓筒固定再底座上。支撐平板又與下部的支撐框架連接。圖2-5底座設計效果圖2.2.5送料機構送料機構由物料箱，送料箱，電動推桿組成，物料箱內壁具有斜度，使儲料土豆往出料口聚集。電動推桿與傳感器配合，當檢測到送料箱無土豆時，電動推桿伸出，從而使送料箱上端口打開，下端口關閉，土豆進入送料箱，當傳感器檢測工作圓筒內無土豆時，電動推桿縮回，上端口關閉，下端口打開，送料箱土豆進入工作圓筒，實現土豆自動化定量送料。送料箱上端蓋用橫桿與箱體連接，故可轉動，并用拉簧限制，當送料箱向下運動送料時，避免送料箱與送料上端口的土豆卡住，阻礙送料箱送料，同時也能阻礙土豆繼續進入送料箱。1-物料箱2-上端蓋3-拉簧4-電動推桿圖2-6送料機構設計效果圖2.2.6傳動系統本切片切條機是由V型皮帶驅動的。電動機通過V帶輪帶動推料轉臺旋轉，從而使該機構的工作。整體的機械構造簡潔緊湊。圖2-7傳動系統設計效果圖3土豆切片切條機的參數確定3.1土豆切片切條機的參數確定在該機構的工作過程中，推料轉臺起到了很大的作用，在離心力的作用下，土豆在臥式圓筒內以大于自身質量幾倍的作用力緊靠內壁，在推料轉臺的推力下完成切片，為了保證土豆能在臥式圓筒內不斷回轉并完成切片，參照市場上同類產品的技術參數。以此為基礎，檢驗和計算該機構的生產能力[20]。原始參數：①食品原料：土豆②加工模式：連續加工③原料產量：800公斤/小時④原料個體尺寸：小于80毫米⑤整臺設備大小：600*400*800mm（長*寬*高）3.2主軸轉速理論計算假設土豆粒徑都小于80mm,取80mm，推料轉臺每轉一圈可將土豆切削成3-10mm的土豆片，故工作圓盤最多需要轉動80/3約27圈可切削完一個土豆，而一個工作圓筒內可放置4個土豆。因土豆密度ρ=1.0?1.2，設ρ=1.1g/cm3，則單個土豆體積（3?1）土豆單個質量m（3?2）故取m近似為0.25kg所以得出工作圓盤每轉動27圈可生產1kg的土豆，再根據初設物料產量Q=800kg/h，可知一小時加工800kg的土豆需要圓盤轉動800×27=21600圈，由此可得工作圓盤轉速：n=2160060=360且推料轉臺的旋轉速度應該在n中取最大，并適當增大，故取n=400r/min3.3所消耗功率計算設土豆重量為m，呈橢圓狀；那么它在臥式圓筒內的受力如下圖。圖3-1傳動系統設計效果圖在該機構運轉時，刀片會給土豆一切削力F切，同時推料葉片也會給土豆一反作用力F，N為臥式圓筒對土豆的支持力，提供土豆旋轉時的向心力，還受到阻礙運動的摩擦力F摩切削力:直刃刀片和圓弧刃刀片在切削中受力數據資料如下[23]:直刃刀片在切削中的受力數據如表3-1:表3-1直刃刀片分析編號項目切削面積cm2切削阻力kg/cm2平均切削阻力kg/cm2切削長度平均切削阻力1順行2.4×1.32.20.705240.092逆行1.4×0.655.952140.3752順行1.6×0.820.694160.125逆行1.4×0.621.786150.1333順行0.7×1.322.198130.667逆行1.0×0.51.53100.154順行1.9×1.231.31690.158逆行0.7×0.63.58.33370.55順行1.9×0.81.50.987190.79逆行0.9×0.834.16790.3336順行1.2×0.721.681210.167逆行1.2×0.622.778120.167平均2.7990.258圓刃刀片在切削中的受力數據如下表3-2所示:表3-2圓刃刀片分析編號項目切削面積cm2切削阻力kg/cm2平均切削阻力kg/cm2切削長度平均切削阻力1順行2.4×0.51.5逆行1.4×0.62.52順行1.5×0.721.905160.133逆行1.4×0.81.51.339150.1073順行1.7×0.31.50.629130.088逆行1.0×0.512100.14順行1.8×0.72.51.98490.139逆行0.7×0.628.47770.2865順行1.8×0.210.455190.056逆行0.9×0.822.77890.2226順行1.9×0.120.887120.05逆行1.2×0.61.52.083120.125平均1.920.133從上面的兩個表格中可以看到，圓刃型的刀片要比直刃型的刀片節省50%的力，因此，該機構選用圓形的刃口刀片。材料選用304不銹鋼。由此可知，切削時平均切削阻力為0.133kg/mm，而在切削土豆時，刀片與土豆間的有效切削長度應為160mm（土豆最大寬度80mm，切條時土豆與刀片切削長度最大為160mm）故F切=0.133×160×F摩=μN（3?μ為土豆與工作圓筒內壁的動摩擦系數[22]（由表3-3取0.269）N為土豆在運轉是對工作內壁的正壓力N=（3?5）m為土豆質量（0.25kg）為土豆運轉時的角速度（13.4πrad/s）r為工作圓盤半徑（0.15m）所以F1摩F1推+mg=F切+F1摩所以F1推對軸的力矩Tn=F1推×r=33.78N·m表3-3種薯與塑料、鋼之間動摩擦系數計算結果序號種薯與塑料種薯與鋼板薯與塑料間的動摩擦角種薯與塑料間的動摩擦系數薯與鋼板間的動摩擦角種薯與鋼板間的動摩擦系數117.980.32514.350.256218.410.33317.20.310319.010.3459.890.174416.510.29618.620.337523.260.43013.990.249613.90.24714.550.26077.170.12617.590.317812.70.22513.130.233922.290.41015.780.2831016.30.29215.210.272平均值16.750.30315.030.269同理對臥式圓筒內轉動的其他三個土豆受力分析可知：圖3-2傳動系統設計效果圖F2推對軸的力矩TF3推=對軸的力矩TF4推=對軸的力矩T由上可知對軸的合力矩為Tn總=Tn+Tn1+Tn2+Tn3=42.16Nm本機構所需的功率，可由下式算出：P=得出機構運作所消耗的總功率P=1.765kw3.4整機主要參數指標設備主要技術參數為：①推料轉臺轉速：400r/min②推料轉臺直徑：300mm③電機：Y100L1-42.2KW④產能：800公斤/小時⑤送料量：1公斤/次⑥切片或切條厚度調節3-10毫米⑦設備質量：50kg4土豆切片切條機傳動方案的設計選用4.1電動機的選用4.1.1電動機容量的選擇本設計中所需的功率P=1.765KW，因為該設計采用V帶傳動與軸承傳動，故該系統的整體效率為：η0=η滾·其中η滾η4.1.2電動機的選型針對土豆切片切條機的特點，確定選用Y系列三相異步電機[24]，具有較高的起動轉矩、低噪聲等優點。因電動機的功率應比計算的要大一點，況且現功率至少等于1.838KW,由《機械設計課程設計手冊》可找到兩種滿足需求的電動機，并列出了兩種不同的驅動方式如表4-1[24]：表4-1電機方案比較方案電動機型號額定功率P/kW滿載轉速效率（%）電動機重量（kg）功率因素1Y100L1-42.2143081340.822Y100L2-43143082.5350.81綜合電機參數、V型皮帶傳動比等諸多因素的影響，選擇方案1。選定電機為Y100L1-4。所選電機額定功率P=2.2kw,滿載轉速n=1430r/min，整體傳動符合要求，符合實際需要，結構緊湊。4.2傳動方案的設計4.2.1傳動方案的選擇由前文可知該機構推料轉臺的旋轉速度n為400轉/分鐘，電機的額定速度為1430轉/分鐘，因此，該機構的總傳動比是1430/400=3.57，從以上的結果中可以得到兩個選項，即：第一個方案：電機——V帶——推料轉臺第二個方案：電機——鏈條——推料轉臺方案一采用帶驅動調節轉速，帶傳動使電機與工作箱體更易于分開，操作簡便，傳動效率高，皮帶有彈性，可減少振動，傳動平穩，噪聲低。在超負荷情況下，能使皮帶在輪上滑動，也能避免其它部件的損傷。對環境要求比較低，只需在工作中不碰到潤滑油。方案二采用鏈傳動調節轉速，與第一方案相比無彈性滑移，傳動比平穩，運轉效率高，軸跟軸承載能力要求低，但不適用于高速作業。以上兩種方法均有其優勢，能夠滿足工作要求，但帶傳動更好，綜合考慮該設備生產過程的需求，選取V帶輪傳動，雖然由于V帶的滑移而可能造成的傳動比不夠精確，但該機構并不需要太高要求的傳動比，只要大概能保證該機構的正常運轉即可。所以方案一更具備合理性，符合實際生產需求。4.3V帶的設計該機構整體上傳動穩定，結構簡單，具有減震的特點。根據傳動皮帶的橫斷面可分為平帶、V帶、圓帶等，而一般用普通V帶。1-主動輪、2-傳動帶、3-從動輪圖4-1帶傳動設計4.3.1V帶的設計（1）確定計算功率為了求出所計算的功率，必須由電機的驅動功率P和V型皮帶在實際工作環境中的工況系數來決定。可以用下列公式來求得：Pca=K式中：KA為P為電機功率數據可由《機械設計》[25]一書表8-8查得,取K則計算功率[25]Pca=K（2）V帶的選型由上述計算可知，功率為2.42kW，電機上的小皮帶輪旋轉速度n=1430轉/分鐘，V形皮帶的具體參數由相關標準可知。按照《機械設計》[25]中的圖8-11，通過對電機的功率和轉速的分析，確定為A型（3）求出帶輪的基準直徑，并對帶速進行校核①初始選擇小帶輪的參考直徑D1V帶采用A型，《機械設計》[25]書中的表8-4，小帶輪的參考直徑D1小于75mm②驗算V帶的速度v:v=π×D1平常V帶的帶速在5m/s到25m/s之間，最好不要大于30m/s。可見帶速滿足要求。電動機與主軸傳動比：i=③計算大帶輪的基準直徑DD2=i×D按照《機械設計》[25]的表格8-9，選擇大滑輪的參考直徑是250mm。根據設計的轉數進行計算。（4）確定中心距，并確定V帶的基準長度L①必須在適當的范圍內確定中心距離。無論選擇太大，還是選擇太小，都會對驅動系統的性能產生影響。為使保證穩定性及其驅動效果，通常由下列公式決定中心距離：0.7D1+其中，a0根據公式，則：0.7（75+250得：227.5選取中心距a0Ld0≈2a=2×=由《機械設計》[25]一書的表8-2，可選擇帶的基準長度Ld（5）計算中心距及其變動范圍傳動的實際中心距近似為：帶輪加工工藝簡單，但在生產時難免會產生誤差；同時還要考慮到皮帶長度，皮帶的彈性和由于皮帶的松馳引起的補充緊張，因此，在設計上必須有一個變化的范圍，如下：a中心距的變化范圍為260.5-305mm。5.驗算小帶輪上的包角α1α6.計算帶的根數Z：其中，P0為Kα為KL為?P0為計入傳動比的影響時，由《機械設計》[25]表8-4，8-5，8-6，8-2分別取值為P0=0.68kW，帶入數據，Z值計算如下：z≥取z=4,即需要4根V帶。（8）確定單根V帶的初拉力F其中，q為傳動V帶單位長度的質量，kg/m由《機械設計》[25]一書表8-3知A型V帶的q=0.105即算得單根V帶初拉力如下：F（9）計算壓軸力F在V型皮帶傳動中，V型皮帶將對其驅動軸的軸向施加壓力。要想更好的完成與軸承的安裝，就必須要計算出壓力的大小。其值為V形帶兩側的初始拉力總和，而V形帶兩側的拉力差異可以忽略不計。4.4V帶輪的設計選用4.4.1帶輪的設計（1）帶輪的材料選擇帶輪關鍵的傳動零件，其質量要均勻，在鑄件、焊接過程中，內應力較低，在工作時必須進行動平衡；為使皮帶磨耗最小，表面粗糙度Ra通常為3.2。材料通常選擇灰鑄鐵，功率較低時，可視具體要求選擇塑料等材料。在高速運轉的情況下，采用鑄鋼等材質比較好。已知小帶輪速度為5.61m/s；小于25m/s,并且在一個很低的范圍內，故選擇（2）主動帶輪（小帶輪）的設計帶輪的D1=75由《機械設計》[25]一書表8-11，知小帶輪參數如下：表4-2帶輪的輪槽截面參數槽型bhhefφA112.758.71934小帶輪的厚度由公式計算如下：B=其中，Z為輪槽數。則計算得B=63mm帶輪設計如下圖：圖4-2小帶輪（3）該大帶輪的設計，因其參考直徑為250毫米，軸徑被限定為30毫米，并為腹板結構。大滑輪的凹槽與小滑輪是完全相同的。它的厚度是這樣計算的：大帶輪設計如下圖：圖4-3大帶輪4.4.2V帶傳動的鍵的選擇在本機構中選擇圓頭普通平鍵。由上述所選尺寸可知，電機軸的尺寸為：L=60mm；軸徑為d=28mm；查《機械設計》[25]表6-1可得：小帶輪和大帶輪上鍵的參數一致為：b=8mm；L=36mm；h=7mm；普通的鍵材，其抗張強度是在600Mpa以下的鋼材，一般選擇45號鋼；在鍵槽寬的兩邊Ra一般選擇為1.6~3.2m[25]。由校核公式校核強度是否符合需求：P=(4?18)τ=k為鍵與鍵槽的接觸高度，k=0.5倍的鍵高；l為鍵長，圓頭平鍵的鍵長為L-b；鍵的公稱長度是L；b為鍵寬；d為軸徑；由《機械設計》[25]表6-2，可得[P]=40Mpa，[]=30Mpa1）校核小帶輪的鍵TP=τ=2）校核大帶輪的鍵TP=τ=4.5軸的設計4.5.1軸的材料選用主軸的主要材質為碳素鋼和合金鋼，在普通的軸類材料中有數種。Q235A常被用在不需要太大負荷的軸上；45號鋼是調質鋼材中使用最多的，40Cr主要用于受力不大但沖擊不大的主要軸類；40CrNi通常被用在非常重要的軸上；38SiMnMo和40CrNi的特性相似，都是在非常關鍵的軸上使用；38CrMoAlA通常被用在微變形、高耐磨、高強度的環境中，所以需要熱處理（氮化）；3Cr13在腐蝕情況才會使用；1Cr18Ni9Ti在高溫和高溫環境中常用；故綜合考慮選用45號鋼。4.5.2軸的結構設計軸的形狀、大小取決于軸的加工工藝，以及軸上零件的安裝、定位等因素。設計是否合理將影響軸的性能，從而影響到所有部件的可靠性，還會提高成本和組裝的困難。為了避免在使用過程中出現大的變形，必須對其進行校核；為了避免對高速運行的主軸產生損傷，必須對其進行穩定分析。4.5.3軸的設計計算1、求傳動軸上的功率、轉速和轉矩根據《機械設計》[25]得帶傳動的效率η帶=0.9軸I功率：P軸I轉速:軸I轉矩：2、初步確定軸的最小直徑按純扭矩和減小允許扭切應力，求出軸徑d，其公式如下：d≥其中，P為軸傳遞功率，kWn為軸轉速，r/minA0為查《機械設計》[25]]表15-3可知45號鋼的[τT]取值范圍是25到45MPa，A0取值d≥1安裝皮帶輪的軸段直徑和皮帶輪的內孔一致，是最小的臺階軸徑。在這一軸這一位置上有一個鍵槽，在不損耗輸出軸的力量的情況下，可將主軸的直徑增大5%~7%，從而提高主軸的工作強度。即：將其圓整為d=303、繪制軸的結構簡圖圖4-4軸的設計1）確定各軸段的直徑d1=?30mm,由推料轉臺的內孔徑d2d3=?35mm，由軸承內徑d4=?40mm，由軸承軸向固定軸頸直徑d5=?35mm，由軸承內徑d6d7=?30mm，由大帶輪內孔徑2）確定各軸段的長度l1=15mm，由推料l2=5mm，由l3=18mm，由軸承厚度l4=60mm，由l5=18mm，由軸承厚度l6=15mm，l7=65mm由此可知，主軸受到的軸向壓力很小，因此它受到的彎矩可以忽略。主軸所受扭矩T:T扭矩圖：圖4-5軸的扭矩圖軸的彎扭合成強度為：σσca為軸計算應力，MPM為軸所受彎矩，N·mm；α為當扭轉切應力為靜應力時，α≈0.13[19]T為軸所受扭矩，N·mm；W為軸的抗彎截面系數，mm3；取W=2155.645；[σ?1]為對稱循環變應力時軸的許用彎曲應力，MPa；查《機械設計》[25]表15-1得[σ則σ所以滿足條件。4.6軸承的選擇4.6.1軸承類型的選擇滾動軸承在生產中得到了廣泛的應用，它具有支承結構簡單等特點。并且受載大小、方向、工作轉速等因素會影響選型，而該機構構的主軸轉速較低，徑向壓力較大，故選擇HR30207J圓錐滾子軸承[[25]。4.6.2軸承壽命計算軸承的壽命公式為：L將其轉換為一個小時單位的軸承的基本額定壽命為：L?=n為軸承轉速（r/min）；?為對于滾子軸承的指數?=10/3；C為基本額定動載荷，N；P為當量動載荷，N；由于是轉速是一定的，所以：P=FR為合成載荷，近似取P，d為最小軸徑，T由（4-14）求得為51.47N·m，所以P=2000T/d=3431NC=Lh為預期壽命，查《機械設計》[25]表13-3定預期壽命為8000小時帶入得C=135290N。L?4.7電動推桿的選用電推桿是由直流有刷電動機減速后驅動螺桿，使內筒運轉，由直流電動機的正反方向調節電機的正反方向，使推桿上下運動。在土豆切片切條機的工作送料的過程中有很大作用，作為送料的驅動裝置，為了保證土豆能快速的實現送料，參考了市面上規格的設備參數。在對該機構沒有特別要求的情況下，對每種常見的電動推桿進行了分析。故選擇SY-A02B型號的電動推桿，具體參數如下[27]：表4-3電動推桿具體參數型號額定電壓滿載速度額定拉力額定推力行程規格最短安裝距離SY-A02B24V80mm/s250N150N100mm110mm因設定土豆切片切條機的送料機構單次送料量為1kg，載荷小，由上表可知符合條件。5應變分析5.1機架分析在結構設計完成后，為了保證結構的安全穩定，必須對受力的方向和大小進行分析。利用應力分析方法，可以對相應約束、載荷作用下的機械結構的變形和應力分布進行智能分析。并與最大容許應力作了對比。機架整體由方管制造，承托整個機構，主要受重力和V帶拉力，因此進行力學分析。建模機架受對其由上往下約為1200N的壓力(v帶會產生相互的拉力從而會作用機架上，由壓軸力近似代替為979.58N，物料儲量約為10kg，機架上工作圓筒等零件的重量為約10kg)，在機架的下面是一個固定的限制。機架的負載和約束如圖5-1；圖5-1機架建模約束和載荷圖5-2對機架0約束和載荷仿真分析圖5-3機架應力分析結果機架的材質是40Cr，其其屈服強度為540MPa[25]，基礎安全系數是1.3，折減系數是1.1[20]，得到378MPa的許用應力。用有限元方法計算出的最大允許應力值為248MPa，屬于安全值。圖5-4機架變形量的分析通過分析，得出了該框架最大變形值為0.0058毫米，該數值在可接受的安全范圍之內，并達到了設計要求。5.2推料轉臺分析①建模圖5-5推料轉臺建模該推料轉臺采用304不銹鋼材質，是食品安全級別很高的材料。其在正常運轉時受到物料的反作用。為F1推=225.8N，F2推=18.46N，F3推=20.29N，F4推=17.12N。推料轉盤和軸之間的聯結是固定的約束。轉盤的限定負荷和限制如圖②約束和載荷圖5-6推料轉臺的約束和載荷仿真分析圖5-7推料轉臺應力分析推料轉臺所受的最大應力為114.1MPa，而304不銹鋼的許用應力與國內的0Cr18Ni9相似為137MPa[26]，在許用范圍內，符合標準。圖5-8工作轉臺變形量結果分析可知，推料轉臺的最大變形量為0.39mm，該數值在可接受的安全范圍之內，并達到了設計要求。5.3刀具分析①建模圖5-9刀片建模該刀片選用304不銹鋼制成，不易生銹，有良好的韌性，刀刃更鋒利，容易打磨，由公式（3-6）可知工作刀片受物料對其作用力約等于F切=208N，刀片與螺釘的連接處為約束。刀片所受載荷和約束如圖5-11所示②約束和載荷圖5-10刀片約束和載荷3仿真分析圖5-11工作刀片應力分析刀片所受的最大應力為134.7MPa，而304不銹鋼的許用應力為137MPa[26]，該數值在可接受的安全范圍之內，并達到了設計要求。圖5-12工作刀片變形量結果由此可知，刀片的最大變形量為0.074mm，該數值在可接受的安全范圍之內，并達到了設計要求。6土豆切條切片機的評估6.1成本估算表6-1土豆切片切條機初步設計費用分析元件單價（元）數量（個）價格（元）電動機1601160推料轉臺60160主帶輪27127從帶輪83183電動推桿1001100圓筒刀具11015011110150推車2101210加工費200——200人工費200——200合計1300由分析可知，設備的成本約在1300元。從網上咨詢的設備來看，目前市面上的設備價格在800-10000元不等。除此優化的設計之外，它的價格也較低。因而在實際應用中應有很大的應用前景。6.2關于環境的制約因素十四五規劃提出工業化應該向智能領域發展，同時工業發展漸漸往綠色無污染方向發展，同時也要注意環保，最好不要對環境造成任何的影響。因此，在選用土豆切片切條機時，不考慮其它切條工藝的復雜性和對環境的影響，采用離心式切片切條法，以降低廢料的產生，降低對環境的污染。采用不銹鋼材質，確保了產品的清潔。但在生產過程中會產生廢物。V帶傳動雖能降低噪聲，但不能徹底消除噪聲，而且對環境也有一定的影響，因此必須重視對各類污染的處理。6.3設備使用重點安全須知1、嚴禁兒童在機械旁玩鬧，以免造成無法彌補的損害。專業人士在使用時要留意四周有沒有小孩，一旦發現立即勸阻。2、成年人在使用過程中要注意操作，在設備未完全停機前，嚴禁將頭部或雙手接觸推料轉臺，以免受傷。3、在使用該設備時，應合理安排每日作業，避免因頻繁操作而導致設備壽命縮短、機械損壞。4、機器需要潤滑的零件，例如軸承等，要經常進行相應的潤滑，以防止強行運轉損壞機器。5、如果設備有問題或者運行中發生了問題，必須立即斷電并停止運行，檢查設備。6、必須保證機器的各部分都是完好的，檢查零件是否松動、脫落；定期進行檢測，防止零件變形，損壞。7總結本次設計是完成土豆切片切條機的設計，對目前市面上常用的各種土豆切條機或者切片機進行了一系列的調查和分析，并在此基礎上，對現有的切條機進行了可行性的優化，并對其進行了合理的選擇。本次完整的設計，是通過使用由美國PTC公司的Creo專用的機械軟件來完成，并對其進行了合理的修正和模擬；利用SOLIDWORKS軟件，對機構進行應力、應變、結構等進行有限元分析，以確定其機械的性能是否符合要求，使所設計的方案能夠達到需要。本次土豆切片切條機機構設計，具有下列優點：對臥式圓筒進行改良，結構簡潔大方，既能降低機構復雜程度，便捷調節切片切條的尺寸，以及切片切條的便易轉換，還提高了加工效率。2、該設備屬于中小型設備，它不僅適合在一些大的餐廳，也可以適用于家庭。操作性能