竹筍切片機研制與其傳動軸的有限元分析

趙榮寬，林光春，徐炳輝，廖勛寶

竹筍切片機研制與其傳動軸的有限元分析

趙榮寬，林光春*，徐炳輝，廖勛寶

（四川大學 機械工程學院，四川 成都 610065）

為優化竹筍自動化加工生產線、滿足竹筍加工機械化需求，研制了一種竹筍切片機。該竹筍切片機采用了離心原理，并使用雙轉盤，在傳動軸的帶動下同時轉動，極大地提高了竹筍切片機的切片效率。同時確定了竹筍切片機主要部件的設計參數，并對其傳動軸進行了有限元分析。采用SolidWorks對切片機的傳動軸建立了三維模型，并將其導入有限元分析軟件ANSYS中進行分析，得到了傳動軸的應力應變及變形分布結果，從而為進一步改進完善竹筍切片機提供理論依據。

竹筍；切片機；離心；傳動軸；有限元分析

竹筍具有明顯的時節性，為了保證不分時節地供用竹筍，可以將竹筍切片加工成罐頭筍或袋裝筍[1-3]。人工切片是傳統的竹筍加工方式，不僅效率低、均勻度差、生產成本高，且不能保證食品的安全衛生，非常不符合當今產業機械化的發展趨勢。

目前，國內外對于竹筍本身切片的研究比較少，但在其他食品切片技術上的研究比較成熟。高國華等[4]設計了一種檳榔切片試驗臺并進行了三因素五水平中心組合試驗，確定了最優工作參數；楊培剛等[5]采用具有急回特性的偏心曲柄滑塊設計了一種蓮藕切片機，提高切削效率的同時解決了藕片破碎的問題；陳義厚等[6]設計出了一種離心式人參切片機，并設有厚度調節機構，采用多把刀、多道喂入結構，提高了效率；還有對饃片切片機[7]、多用食品切片機[8]等的研究，均取得了顯著成果，為其他食品切片研究奠定了基礎。

在現有切片機的基礎上，研制了一種適用于竹筍自動化加工生產線[9]的離心式竹筍切片機，并對其傳動軸進行有限元分析。利用軟件SolidWorks建立傳動軸三維模型并導入ANSYS中完成分析，獲得應力應變云圖和總變形分析云圖，從而為進一步改進完善竹筍切片機提供了理論依據。

1 竹筍切片機的研制

1.1 竹筍切片機設計的基本要求

該切片機主要用于竹筍自動化加工生產線，可以解決企業生產效率低下和成本較高的問題，因此竹筍切片機主要需滿足以下要求：

（1）切片機要具有自動進料、自動切片及出料的能力，保證竹筍自動化加工生產線的正常運行；

（2）為了滿足高速流水線的生產要求，所以要保證切片機切片效率，可以大量進料并順利切片完成出料，從而使下一步流程正常進行；

（3）可以保證切削的竹筍片厚度均勻整齊，且厚度在2～3 mm；

（4）由于切片機主要用于竹筍自動化加工生產線，所以整機尺寸及質量不宜過大。

1.2 竹筍切片機方案確定

分析竹筍切片機功能，得出自動切片并出料是本機的主要功能。為保證高效地完成切片，本竹筍切片機采用離心原理，即竹筍在高速旋轉的條件下被甩向刀片，在相對運動的過程中完成切片工作；竹筍切片機的驅動裝置是與轉盤相連的傳動軸，經過傳動軸傳遞電機驅動力從而帶動轉盤旋轉。電機選用Y100L1-4型號，額定功率2.2 kW，轉速1500 r/min。

如圖1所示，竹筍切片機設有兩個進料斗，通過剝殼機去殼后的竹筍由輸送機送入進料斗，從而落入切片機內轉盤的葉片之間。當電動機驅動傳動軸帶動轉盤回轉時，葉片帶動竹筍轉動，竹筍在離心力的作用下貼靠在外殼內壁。在經過刀片時，竹筍被削成片狀，并繼續在離心力的作用下飛出，被出片通道的側壁攔下。出片通道傾斜一定的角度，可減少竹筍片與側壁接觸面積，竹筍片由于自重從其底部開口落下。

1.外殼 2.出片通道 3.傳動軸 4.進料斗 5.轉盤 6.葉片 7.切削刀具 8.刀片

1.3 竹筍切片機主要部件的設計參數

1.3.1 轉盤設計參數的確定

在保證切片機正常運行的前提下，根據竹筍直徑及長度分布情況[10]，考慮到通過剝殼機去殼后竹筍的直徑及長度，確定了轉盤半徑400 mm，上下兩轉盤之間相隔300 mm；為了使落入轉盤內的竹筍可以隨著轉盤轉動，確定了轉盤上葉片高度150 mm、厚度10 mm；轉盤材料選擇強度高、抗腐蝕且密度較小的鋁合金，質量約為26 kg。最終所定的竹筍切片機轉盤模型如圖2所示。

圖2 轉盤模型圖

1.3.2 刀片設計參數的確定

切削刀具嵌入外殼內壁，為適配切削窗口的板狀。刀片豎直放置在切削刀具中，多個刀片周向等間距布置，同時根據加工切片的厚度，設置相鄰刀片間距為2～3 mm。竹筍與刀片進行斜切，而且斜度越大越好。

根據兩轉盤相隔距離，并考慮轉盤厚度，確定刀片長度為540 mm，刀片材料為具有高硬度、高耐磨性和高耐熱性的高速鋼。

1.3.3 傳動軸設計參數的確定

竹筍切片機的傳動軸帶動兩個轉盤轉動，是切片機關鍵的動力傳遞部件，其性能的好壞直接影響到切片機工作的穩定性和壽命，因而要求傳動軸具有精度高、剛度高、噪聲低、振動小的特性，所以材料選用合金結構鋼40Cr，調質處理。

軸的輸出轉矩和最小直徑為：

式中：為軸的輸出轉矩，N·m；min為軸的最小直徑，mm；為輸出功率，＝1.508 kW；為傳動軸轉速，＝180 r/min；為與軸材料有關的系數，材料為40Cr時，＝106。

計算得：＝80 N·m；min＝21.53 mm。

根據軸上零件的安裝、定位及軸的加工工藝，可以確定軸的結構尺寸如圖3所示。

圖3 傳動軸結構尺寸

此外，為了保證竹筍順利無堆積地通過進料斗，確定了進料斗傾斜角度為45°、寬度為300 mm，位于轉盤上方120 mm處，如圖4所示；為保證切片效率，同時考慮切片機整體強度，確定了切削窗口的圓心角為90°，出片通道圓心角為180°。

2 竹筍切片機傳動軸的有限元分析

有限元分析法的目的是將復雜的連續體分散成可控變量的單元集合，實現模糊問題的清晰化、數字化，通過建立數學模型來直觀地分析問題[11-12]。

圖4 進料斗傾斜角度

合金結構鋼40Cr的傳動軸，其彈性模量＝2.06 GPa，泊松比＝0.26，質量密度＝7.87×103kg/m3。為了校核切片機傳動軸的強度，使用ANSYS軟件對其進行分析。

2.1 建立傳動軸有限元模型

首先使用SolidWorks對傳動軸創建三維模型，然后將傳動軸的三維模型直接導入ANSYS Workbench里。為了簡化有限元模型以提高分析效率及精度，在三維建模時需要刪除對分析結果沒有影響的圓角、倒角等特征。簡化后的傳動軸三維模型如圖5所示。

圖5 傳動軸三維模型

2.2 網格劃分

傳動軸模型導入后，雙擊Model進行網格劃分。定義材料屬性后，先對模型建立網格，然后選中Mesh對網格細分，采用四面體單元，設置單元基本尺寸為4 mm，網格細化后，總計節點73557個，網格單元為43925個，網格模型如圖6所示。

圖6 傳動軸網格模型

2.3 施加載荷和約束

傳動軸繞軸逆時針旋轉，轉速為180 r/min，主要用來傳遞電動機輸入轉矩，經計算得到所受轉矩為80.00 N·m。上下兩個軸承為滾動軸承，承受傳動軸絕大部分的徑向力和軸向力，因此在安裝軸承位置處添加兩個圓柱面約束，為軸向、徑向或切向約束提供單獨的控制，并在上端面施加固定約束。

在軸肩處承受套筒及轉盤的重力，所以在與轉盤接觸的軸肩面施加大小為540 N的載荷，方向為軸負方向；在切片機工作時，經測定刀片切削竹筍時的最大切削力不超過100 N，所以在安裝轉盤的兩段軸頭處施加100 N的切向力。施加約束與載荷后如圖7所示。

圖7 施加約束與載荷

2.4 結果后處理

經過ANSYS Workbench分析后，得到傳動軸在施加載荷和約束后的應力分析云圖、應變分析云圖及總變形分析云圖。為更清楚地看到結構的變化，選取縮放比例為2.1E+003（Auto Scale），如圖8～圖10所示。

圖8 應力分析云圖

圖9 應變分析云圖

可以看出，最大應力值為51.416 MPa，發生在軸最左端軸頭處。傳動軸所用40Cr的屈服極限為785 MPa，所以該傳動軸在既定的載荷及約束作用下，滿足強度需求。

圖10 總變形分析云圖

傳動軸的最大變形值為0.022997 mm，而發生位移處的軸段直徑為25 mm，相比之下變形非常小，可以忽略不計，滿足剛度需求。

3 結論

針對竹筍自動化加工生產線的生產需求，研制了離心式竹筍切片機，該機機體外形為圓柱形，底面半徑約600 mm，高約1000 mm，質量約90 kg。

（1）該竹筍切片機實現了設計目標要求：

①切片機的刀片通過切削刀具直接嵌入外殼側壁，不需要安裝刀座刀架等部件，且刀片根據加工的不同需求可以進行切換，降低了設備成本，且便于維護；

②切片機采用了兩個進料斗分別對應兩個轉盤，大大提高了切片效率，滿足高效流水線的生產要求，提高企業生產率；

③出片通道設置了傾斜角度，在避免粘連的同時使竹筍片依靠自重落至出料口；

但該竹筍切片機也還存在一些不足：

①該機在調節切片厚度時，需要更換刀片，所以要配套幾套不同刀具以供換用，可以考慮設計厚度調節機構，以降低成本。

②竹筍切片機在工作的時候，會產生很多竹筍碎屑，若不能及時排出可能會使得機器不能正常工作，因此需要設計添加自清洗裝置。

（2）通過使用有限元分析軟件對竹筍切片機的傳動軸進行元分析，得到了傳動軸的應力應變及變形分布結果，得出所設計的傳動軸滿足強度和剛度要求，為進一步改進竹筍切片機提供了理論依據。傳動軸應力集中大部分發生在軸頭處，因此在設計切片機傳動軸時，可在改進此處，比如電鍍硬鉻、減小兩交接軸段的截面尺寸等以減小應力集中、提高傳動軸強度和使用壽命。

[1]李秀芬. 竹筍膳食纖維功能性質與生理作用研究[D]. 北京：中國科學院研究生院，2016.

[2]楊慧敏，吳良如，楊金來，等. 12種竹筍蛋白對腫瘤細胞體外增殖的抑制作用[J]. 安徽農業科學，2019，47（12）：181-186.

[3]鄧安彬. 竹筍及筍渣膳食纖維的提取工藝及理化特性研究[D].四川：四川農業大學，2008.

[4]閔海濤，高娟，馬天飛. 汽車變速器箱體結構強度分析與優化設計[J]. 中國機械工程，2012，23（20）：2514-2519.

[5]楊培剛，劉麗萍，熊少華，等. 新型蓮藕切片機設計與優化[J].食品與機械，2014，30（2）：99-102.

[6]陳義厚. 離心式人參切片機的設計與研究[J]. 長江大學學報：自然科學版，2014，11（23）：65-67.

[7]朱克慶，李軍輝. 一種饃片切片機的研究與開發[J]. 糧食加工，2015，40（5）：52-54.

[8]譚海英，徐亞茹，王迪，等. 快速多用食品切片機的研制[J].裝備制造技術，2014（9）：68-70.

[9]鄧兵，林光春. 竹筍自動化生產線的研究與設計[J]. 機電信息，2017（18）：117-119.

[10]胡文杰，龐宏東，胡興宜，等. 不同經營措施對鄂南毛竹筍用低產林形態特征及產量的影響[J]. 西南林業大學學報：自然科學版，2019，39（2）：86–91.

[11]張瑞東.某中型客車傳動軸振動仿真分析[D]. 陜西：長安大學，2017.

[12]唐良兵，王偉. 基于ANSYS 的汽車傳動軸的有限元分析[J].機械，2013（1）：45-48.

Development of Bamboo Shoot Slicer and Finite Element Analysis of its Transmission Shaft

ZHAO Rongkuan，LIN Guangchun，XU Binghui，LIAO Xunbao

( School of Mechanical Engineering, Sichuan University,Chengdu 610065,China)

In order to optimize the automatic production line of bamboo shoots and meet the mechanization demand of bamboo shoot processing, a bamboo shoot slicer was developed. The machine, whichadopts the centrifugal principle and uses two turntables, rotates simultaneously with the transmission shaft, and thus greatly improves the slicing efficiency. What's more, the main parameters were determined, and the finite element analysis on transmission shaft of bamboo shoot slicer was conducted. The three-dimensional model of the transmission shaft was built by SolidWorks, then it was imported into the finite element analysis software ANSYS, and the stress, strain and deformation distribution results of the transmission shaft were obtained, which provides a theoretical basis for further improvement of the bamboo shoot slicer.

bamboo shoots；slicer；centrifugal；transmission shaft；finite element analysis

TS255.8

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.07.007

1006－0316 (2020) 07－0042－05

2019－12－03

（川大－瀘州）開袋即食野生羅漢筍關鍵技術及自動生產線研發（2017CDLZ-N10）

趙榮寬（1995－），男，江蘇徐州人，碩士研究生，主要研究方向為機械設計及理論、機構學與工業機器人。

林光春（1964－），男，四川成都人，博士，教授、碩士生導師，主要研究方向為機械設計及理論、機構學與工業機器人，E-mail：lingc@scu.edu.cn。