家用剁辣椒絞碎自動灌瓶機結構設計與加工能力參數分析

劉偉成+胡竟湘+林方寬

（湖南工程學院 工程訓練中心 湖南 湘潭 411101）

摘 要：針對現有家庭制作剁辣椒絞碎機不具有自動裝瓶與加鹽機構的問題，（基于機構設計、機械傳動、機構間的受力分析等相關知識），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裝瓶機的結構設計與生產能力參數分析。結果表明，該設備結構簡單、能利用任意單螺紋口的飲料瓶灌剁辣椒，實用性較強，減輕勞動力，提高勞作效率，并且使用安全，環保清潔。

關鍵詞：剁辣椒絞碎；自動裝瓶、加鹽一體化；環保清潔

0引言

辣椒（Capsicum annuum L.syn.Cfrutscena）是一種重要的蔬菜和調味品，屬茄科，辣椒屬，小灌木。辣椒原產地拉丁美洲和北美。在近幾十年成為了全世界消費量最大的果蔬之一。辣椒作為一種重要的調味品，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合調味產品等[1]。由于辣椒生產季節性強，加工剁辣椒的廠家很多，但加工區域基本集中南方等省市[2]。隨著科學技術的不斷發展和自動技術的廣泛應用，人們對家庭切剁辣椒機械提出了越來越多的要求。大多數的家庭制作剁辣椒時都是用人手工直接切，手會由于切辣椒時，將辣椒素沾在皮膚上，使微血管擴張，導致皮膚發紅、發熱，嚴重者會感到疼痛[3]。現存的家用絞碎機，存在著很多的缺點：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養成分；沒有自動灌瓶機構，人手工灌瓶保存時手易被辣椒灼傷；沒有加鹽的裝置，不能很好的調配口味；市場上賣的剁辣椒是大批生產不適合每個家庭口味，家庭自己切絞碎辣椒食用量大，需求量也相當大[4]。由此可以看出市場上現存剁辣椒機在整個制作過程絞碎辣椒、加鹽、裝瓶等分別獨立操作，而家庭手剁辣椒費力、費時，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灌瓶機結構設計及工作原理

1.1剁辣椒絞碎自動灌瓶機結構設計及結構分析

針對市場上家用絞碎機制作過程辣椒顆粒較小，辣椒水分流失，不能很好的保留本身所含的營養成分，無法實現加鹽，灌裝裝瓶的自動化現狀。利用機械原理、機械傳動、機構間的受力分析等相關知識，設計一個半自動化加工剁辣椒機，并把理論計算與實驗結合，成功解決了現有家用絞碎辣椒機的不足之處。

家用剁辣椒絞碎自動灌瓶機總體結構示意圖如圖1所示，它主要包括機體、螺桿、手柄、推進軸、吸盤、灌瓶裝置（圓錐螺桿）、圓刀、十字刀片、加鹽裝置、出料筒組成。結構上選擇市場上家用絞碎機為樣機。結構形式的選擇取決于原料供料的要求。整個傳遞運動過程中螺桿是家用剁辣椒絞碎自動灌瓶機的主要執行部件，是關鍵機構，它的主要任務就是將十字刀片、圓刀和圓錐螺桿連接在一起，形成一個整體傳動軸。辣椒由投料口輸入，通過作用手柄帶動螺桿旋轉，從而把辣椒輸送到十字刀片處，由于螺桿旋轉時，十字刀片也隨螺桿旋轉，圓刀固定不動。從而把辣椒絞碎，并從圓刀孔中流出。流出的辣椒顆粒經過加鹽后，再通過圓錐螺桿的輸送，灌入瓶中。圖1所示物料隨圓柱形螺旋桿不斷填充，刀具進行切碎，壓環裝置進行加鹽，錐形螺桿輸送，最后由出料筒落入容器瓶中。在制作過程中只要控制螺桿的轉數，即可完成定量供料。

1.2圓刀結構的改進

圓刀孔直徑決定辣椒顆粒的大小和水分的流失。我們對此進行了實驗，列表：

根據對市場上瓶裝剁辣椒和走訪多個家庭，了解他們采用傳統加工剁辣椒的習慣和口感的要求，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，我們對家用絞碎機圓刀孔直徑進行改進，由原來4改為7。使之符合設計要求。

1.3自動送辣椒裝置設計

圖3所示自動送辣椒裝置，采用的是螺桿供料機構。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，無法實現。經過計算，通過對螺桿一次供料量、螺桿轉速、每圈螺旋的容積、供料一次螺桿的轉數、螺距、槽深、圈螺旋周長、螺旋中徑、對應中徑的螺旋升角的理論計算與實驗相結合，設計出了該裝置。采用的螺桿供料機構，為錐形螺桿。流出的辣椒顆粒經過錐形螺桿旋轉，完成大口徑的輸入變為小口徑輸出。使絞碎的辣椒能夠以最理想的速度自動灌進瓶中。

1.4自動加鹽裝置設計

圖4所示自動加鹽裝置，采用的是壓簧結構。由于要把鹽加入辣椒顆粒中，而灌瓶裝置在灌瓶時將有一定的擠壓力，才使得辣椒顆粒灌入瓶中。而在擠壓時，會把辣椒顆粒擠入加鹽漏斗中，使鹽無法順利進入辣椒顆粒中 ， 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，無法實現。為此我們采用了壓簧裝置，并經過設計及計算確定壓簧供料機構。根據自動加鹽裝置在機座上所處的位置把它設計成有蓋的圓筒狀，筒底螺紋與出料筒相連接。將蓋與筒身通過螺紋連接。筒內部安裝有活塞、連桿、壓簧構件，共同組成了壓簧供料機構裝置。活塞、壓簧和蓋通過連桿聯結在一起，加鹽時，只需將蓋旋出，內部壓簧供料機構一同取出。把鹽加入筒內，安裝內部壓簧供料機構，旋上蓋。加鹽過程完成。鹽的加入量，依靠蓋的旋轉周數控制。旋轉周數越多，壓簧的受力越大，作用在鹽上的力就會越大，加鹽量也就越大。反之，則相反。

圓柱螺旋壓縮彈簧的設計步驟如下：

彈簧在自由狀態時，P=0，f=0；負荷為P1，變形為f1；工作時，載荷為P2，變形為f2，P2大彈簧也大，P1也大，P1 與P2之間的關系為：P1/P2=0.1-0.5.

彈簧的極限負荷為P3，變形為f3一般P3稍大于P2，其關系：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算出彈簧的主要尺寸，但示性圖與彈簧的主要尺寸有關.

2 示性圖與彈簧主要尺寸的關系

3 彈簧強度條件

3.3.1根據理論推導，彈簧的強度條件為：

T=8kP2c/πrd2≤[T]（1）

若為靜載荷或循環次數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，d-彈簧絲直徑， [T]-許用剪應力，取決于彈簧材料和負荷類型，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.

3.3.3 制造條件

彈簧制造中的主要參數為旋繞比c，當d不變時，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.在P2作用下，彈簧各圈之間應留有一定間隙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，d、D、n.t與式（1）、（2）、（3）、（4）存在一定關系.彈簧的設計，首先必須滿足強度與行程條件.強度條件若不滿足，可改選材料.如尺寸不夠理想，可改選c和[T]來加以調整.

4 螺旋壓縮彈簧的設計

試算法是彈簧的傳統設計方法，其計算步驟為：

1）選材料，查力學性能數據[1】；2）選c，計算K；3）根據c估取d，由表[1】查取[T]；4）根據強度條件T≤[T]，計算z若T >[T]，重選d，直到T≤[T]為止；5）由d、c再計算其他尺寸[1】；6）驗算.

實例設計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.

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fi= Pi/K，計算，得： f1=16.7mm，f2=50mm，f3=63mm

21計算彈簧主要尺寸：

鋼的G=8xl04N/mm，取c=6，計算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，螺桿式供料機構生產能力按下式計算：

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—螺桿轉速（r/min）

V—每圈螺旋的容積（cm3）

n′—供料一次螺桿的轉數

s—螺距（cm）

t —槽深（cm）

L —圈螺旋周長（cm）

D1—螺旋中徑（cm）

α1 —對應中徑的螺旋升角

經過計算得生產前辣椒密度為532.9kg /m3

生產后辣椒密度為980kg /m3

n′ =3radn=51r /min

圓柱形螺桿的加工能力Q1參數：

S1=22.70mm t1 =16.48mm

D1=32mm α1 =25 °

圓錐形螺桿的加工能力Q2參數：

S2=15.20mm t2=20mm

D2=27mm α2 =4 °

∴由以上數據代入Q=G · n，得Q1 < Q2，

故物料能夠順利的落入瓶中。

通過理論與實驗的結合，將剁辣椒的加工能力提高到最大值。

3 結論

研制了一種應用于家用制作剁辣椒的裝置，該作品具有成本低，結構簡單，實用性較強的特點。本文主要介紹了自動送辣椒裝瓶裝置和自動加鹽裝置的結構與剁辣椒生產能力參數分析，并在實驗中證明了該裝置在使用的全過程中方便、簡捷、環境衛生。文中對剁辣椒絞碎自動灌瓶裝置的結構與生產剁辣椒的能力參數進行了初步的分析，為實現新的功能成品，作進一步地開發與研究。

參考文獻：

[1]蔣立文，李宗軍，等.剁辣椒的生產現狀及技術進展[A]，中國釀造.2006（2）：6-7.

[2]哈爾濱工業大學理論力學教研組編. 理論力學.高等教育出版社 2009（7）：301-302.

[3]劉鴻文主編.材料力學.高等教育出版社2004（1）：28-31.

[4]徐健康主編.機械設計.高等教育出版社.2004（4）：392-401.

[5]李建國主編.壓力容器設計的力學基礎及其標準應用.機械工業出版社，2004（1）：11-13.

[6]梁錫昌主編.機械創造方法與專利設計實例.國防工業出版社，2005（2）：31-32.