一種防油濺鍋蓋結構設計與研究

韓飛坡，郭家偉，王 佐，談 波，韋傳杰

(馬鞍山學院 1.智造工程學院；2.大阪醫工學院，安徽 馬鞍山 243100)

隨著“十三五規劃”推進、“健康中國”戰略布局落實，大健康產業也迎來了新的發展契機[1]，人們對食物的要求也由填飽肚子趨于健康飲食，在眾多的美食中，使用食用油烹飪的中國式菜肴因其香氣誘人、口感爽而備受人們的喜愛，但是烹飪過程中油煙對人體產生的危害及油濺引起的廚房衛生問題已經成為眾多學者關注的焦點[2-3]，諸如含水食材與高溫食用油接觸瞬間濺起的油滴傷人事件屢見報道[4]。此外，濺起的油滴運動幾乎無規律可言，造成油漬噴射至廚房周遭的后果，不僅增加了清潔成本，也帶來了安全隱患。此類問題產生的根源是烹飪過程中烹飪者將鍋蓋掀起，鍋體完全敞開無法實時控制油濺，文獻[5-6]從人身安全角度出發對不同油煎鍋食用油油量、鍋體尺寸、油溫等因素進行了規定，然而人類對如何解決烹飪過程中的油賤問題還束手無策。

近年來，炊具及炊具配件一直在不斷地發展與創新，且需求量日益劇增[7-8]，為了更好的改善烹飪者烹飪條件，本課題組針對烹飪過程中的油濺問題并結合現有傳統鍋蓋設計出了一種防油濺鍋蓋，基于成本及安全性因素方面考慮，該鍋蓋采用無源驅動的滑塊搖桿機構來實現鍋蓋的實時開閉，滑塊搖桿機構與轉板聯動成圓周陣列布置，可與現有傳統鍋體匹配并能正常使用。本方案不僅可以在廚房用具領域做進一步生產推廣，同時也為開閉機構設計提供了一種全新的設計思路。

1 防油濺鍋蓋結構設計

1.1 防油濺鍋蓋結構組成及功能

為防止烹飪過程中油滴濺出，本文設計了一種可實時開閉合的防油濺鍋蓋結構，鍋蓋如圖1所示，主要由下料蓋、開閉蓋兩部分組成。

防油濺鍋蓋結構放置到鍋體上，將要炒的菜放置到下料蓋內，此時開閉蓋閉合，因此菜不會掉入鍋內，如圖2所示。確定菜下鍋時，打開開閉蓋，此時菜會掉入鍋內，在這個過程中，由于防油濺鍋蓋結構與鍋體完全蓋合，油不會濺出，如圖3所示。不需對菜實施翻炒時，可以關閉開閉蓋，需對菜實施翻炒時，可以再次打開開閉蓋。

1.2 防油濺鍋蓋結構開閉蓋工作原理

防油濺鍋蓋結構開閉蓋機構運動簡圖如圖4所示。開閉蓋機構由五組成圓周陣列布置的滑塊搖桿機構組成，每組滑塊搖桿機構具體包括蓋架、滑槽、連桿、轉板組成，其中滑槽為五組滑塊搖桿機構共用的一個圓形滑槽。滑槽與蓋架之間為移動副，滑槽與連桿之間通過活動鉸鏈A形成轉動副，連桿與轉板通過活動鉸鏈B形成轉動副，轉板與蓋架通過固定鉸鏈C形成轉動副，固接在蓋架上，綜上，滑槽繞自身中心轉動帶動連桿、轉板轉動，最終實現轉板的開閉，滑槽的轉動提供本機構所需的動力。

現以一組滑塊搖桿機構為例闡述開閉蓋的具體工作原理。圖5所示為一組滑塊搖桿機構的工作過程，圖5中轉板實線位置為完全閉合狀態(轉板B1CO)，轉板虛線位置為完全打開狀態(轉板B2CO2)。當滑槽在蓋架所確定的圓形軌道內逆時針轉動時，滑槽通過鉸鏈A推動連桿，連桿通過鉸鏈B推動轉板轉動，轉板逐漸向蓋架中心運動，五片轉板同時運動到中心點時，實現了整個機構閉合。反之，當滑槽在蓋架所確定的圓形軌道內順時針轉動時，滑槽通過鉸鏈A拉動連桿，連桿通過鉸鏈B拉動轉板轉動，轉板逐漸遠離蓋架中心，五片轉板同時運動到蓋架邊緣時，實現了整個機構張開。烹飪過程中，通過控制開閉蓋機構的開合就可以保證油滴不向外四濺。

圖5 開閉蓋工作原理

1.3 防油濺鍋蓋結構開閉蓋機構尺寸設計

經調查，炒鍋的直徑分布在26～42cm之間，將開閉蓋機構中的轉板簡化為連桿，設計防油濺鍋蓋結構開閉蓋主要機構尺寸如圖6所示，滑槽轉動軌跡圓直徑為d=410mm，蓋架C鉸鏈位于直徑d1=270mm的圓上，lA1B1=l1=135mm，lB1C=l2=147mm，lCO=l3=100mm，∠B1CO=58°，對于轉板弧邊具體尺寸可以根據實際需求，進行弧度設置，裝配后不干涉即可。

圖6 開閉蓋機構運動尺寸設計

圖7 開閉蓋機構主動搖桿極限擺角分析

現對該滑塊搖桿機構的滑塊極限擺角進行分析，將滑塊簡化為連桿，則防油濺鍋蓋結構開閉蓋機構進一步簡化為圖7所示四桿機構。經計算，最短桿與最長桿的長度之和大于其余兩桿的長度之和，因此該滑塊搖桿機構為雙搖桿機構，主動搖桿為AO，最長搖桿為AO，當從動搖桿BC和連桿AB拉直共線時，搖桿AO處于兩極限位置AO1、AO2，其極限擺角為φ[9]。

(1)

計算得φ=181.57°

開閉蓋機構在工作過程中，主動搖桿轉動角度應僅為其極限擺角的一部分，根據設計要求，在圖6中，開閉蓋機構在由閉合到完全開啟狀態，轉板中心處角點應由O點至少應轉到CB1直線上，即轉板應該轉過58°。

1.4 防油濺鍋蓋結構開閉蓋機構自由度計算

防油濺鍋蓋結構開閉蓋機構5塊轉板應該能協同作用實現開閉蓋的開閉，即每個轉板有確定的運動，在圖4中，以一組滑塊搖桿機構為例來計算，該機構共有3個活動構件，分別為滑槽、連桿、轉板，4個低副即滑槽與蓋架之間的移動副和轉動副A、B、C，所以該滑塊搖桿機構自由度為F=3×3-4×2=1，則防油濺鍋蓋結構開閉蓋機構自由度為5，能夠實現5塊轉板的轉動，最終實現防油濺鍋蓋結構開閉蓋開閉功能。

2 防油濺鍋蓋結構建模

根據圖6提供尺寸數據，在Soildworks軟件中建立防油濺鍋蓋結構的三維實體零部件模型，根據上述防油濺鍋蓋結構各個構件間裝配關系，建立防油濺鍋蓋結構裝配體模型，運用Soildworks軟件自帶的評估模塊對防油濺鍋蓋結構進行運動干涉檢查，結果顯示無干涉，表明所設計鍋蓋滿足初步的安裝設計要求，如圖8所示。

圖8 防油濺鍋蓋結構模型

3 防油濺鍋蓋結構開閉蓋運動性能仿真

在圖6中，OC桿繞C點順時針轉動58°時，A1點應該轉動到A2點，為保持開閉蓋機構操作平穩性，滑槽與蓋架至少有5處移動副，且每處移動副要求轉板滑槽具有一定的弧長，由于滑槽上需要預留與轉板鉸接位置，因此要求弧A1A2弧長(即推桿A1B1的行程)小于蓋架滑槽周長的五分之一，且在運動過程中B1點(即轉板上的B點)不應出現死點。

將Soildworks軟件中建立的防油濺鍋蓋開閉蓋機構三維實體模型進行簡化，導入Adams軟件中，導入后設置各個構件的質量及材料屬性、添加各個構件之間約束副、添加驅動、設置仿真運行時間為32.5s，轉速1°/s，結果如圖9所示[10]。

對每個轉板在蓋架中心處角點運動軌跡進行分析，設為5塊轉板的中心處角點為K1、K2、K3、K4、K5，同時驗證推桿的行程是否滿足要求，即圖6中弧A1A2長度是否小于蓋架滑槽周長五分之一。

圖10、圖11分別給出了K1、K2、K3、K4、K5五個角點在開閉蓋機構開啟過程中運動軌跡、位移幅值，圖12則提供了轉板在開閉蓋機構開啟過程中轉過的角度。K1、K2、K3、K4、K5五個角點在32s內由轉板中心處向外運動，且最終完全開啟后不遮擋底板預留孔徑(直徑260mm)，五個角點運動速度及幅值相同，5條位移幅值線重合為一條線，在該運動過程中，轉板繞相應的鉸鏈轉過58.15°，與前期設計要求的58°一致，推桿的行程與滑槽周長比值為i。

即弧A1A2長度小于蓋架滑槽周長五分之一，不影響滑槽上需要預留與轉板鉸接位置。

圖9 Adams中防油濺鍋蓋結構開閉蓋機構圖10 開閉蓋機構轉板中心角點運動軌跡

圖11 K1、K2、K3、K4、K5五個角點位移幅值

圖12 轉板轉動角度

圖13給出了開閉蓋機構傳動角，該圖表明該機構傳動角由63.8°變為27.9°，機構在開啟過程中傳力性能越來越差，但未出現死點，鍋蓋開閉蓋機構開啟過程中實際需求動力很小，允許有較小的傳動角[11]，鍋蓋開閉蓋機構閉合過程中其傳力性能則相反。

圖13 開閉蓋機構傳動角

綜上，防油濺鍋蓋結構開閉蓋機構運動性能滿足使用要求。

4 結論

針對日常生活烹飪過程引起的油滴濺落造成廚房周遭環境惡劣的情況和安全隱患，設計了一款手動防油濺鍋蓋結構。對防油濺鍋蓋結構工作原理、自由度進行了分析；根據我國居民使用鍋體尺寸大小對鍋蓋主要零部件進行了尺寸設計；利用Soildworks軟件完成了對該鍋蓋建模及裝配，進一步的利用Adams軟件對防油濺鍋蓋開啟過程中每個轉板開啟耗時、轉過角度、中心角點運動軌跡與位移幅值、機構傳動角進行了仿真，結果證明防油濺鍋蓋設計合理滿足使用要求。鍋蓋操作簡便、體積小、重量輕、可以隨時開閉，非常適合目前家庭保潔廚房烹飪者使用，對其他廚具設計與研發具有一定的指導意義。