張文斌

(紅河學(xué)院工學(xué)院，云南 蒙自 661199)

為搗碎花椒辣椒之類的食物，已經(jīng)出現(xiàn)了各種類型的粉碎機、碾碎機。這些機具雖然能很快粉碎物料，但粉碎后的食物口感卻不盡如人意，總是找不到傳統(tǒng)手工搗碎的那種味道。于是又研發(fā)出了粉碎原理與傳統(tǒng)石臼相類似的電動搗碎機，現(xiàn)有的搗碎機的結(jié)構(gòu)，一種是靠凸輪機構(gòu)來提升搗錘［1］，這種搗碎機在減速機的輸出軸上安裝有凸輪，在機架一側(cè)前后位置橫向安裝有轉(zhuǎn)動軸，在轉(zhuǎn)動軸上向外連接固定有搗錘桿，在轉(zhuǎn)動軸上還固定安裝有撥動桿，依靠凸輪與撥動桿相互作用，使安裝在搗錘桿頭部的搗錘不斷落入和離開搗錘下方的搗臼，從而實現(xiàn)辣椒的搗碎。另一種是靠連桿機構(gòu)來提升搗錘［2］，這種搗碎機利用曲柄連桿原理，將電機的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為搗碎桿的上下往復(fù)運動，從而實現(xiàn)辣椒的搗碎。但兩者的噪音均較大，需要提供的動力較大，且用途單一，而且在搗碎過程中缸缽是固定不動的，致使物料搗碎的效果較差，粗細不均勻，必須依靠人工進行攪拌。

本設(shè)計擬在分析現(xiàn)有搗碎機不足的基礎(chǔ)上，提出設(shè)計一種動力消耗少，缸缽可以自動轉(zhuǎn)動，搗碎效果更好，效率更高的小型多用搗碎機，以彌補現(xiàn)有技術(shù)的不在，滿足人們對食物口感上更高的追求。

1 系統(tǒng)方案擬定

為了能更好地設(shè)計搗碎機的各部分功能，對搗碎機的功能進行功能樹［3］分析，見圖1。

根據(jù)機械系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)原理，建立能完成以上所列各個功能的形態(tài)學(xué)矩陣［3］，見表1。

圖1 搗碎機的功能樹Figure 1 Function tree of stamp mill

表1 多用搗碎機的形態(tài)學(xué)矩陣Table 1 Morphological matrix of multi-functional stamp mill

根據(jù)形態(tài)學(xué)矩陣?yán)碚撋峡梢杂?×3×3×3=81種方案?？紤]到搗碎機的整體裝配、經(jīng)濟成本和環(huán)保要求等各方面，確定最佳方案為A1+B2+C1+D1。

2 整機結(jié)構(gòu)及工作原理

本設(shè)計的小型多用搗碎機，擬包含機架、安裝在機架上的電機、搗錘、缸缽、繩子、槽輪、滑輪、聯(lián)軸器、傳動軸等零部件，其特征在于傳動軸上安裝有槽輪，電機驅(qū)動傳動軸轉(zhuǎn)動，繩子經(jīng)過滑輪，繩子兩端分別系在槽輪和搗錘上，槽輪上有滑脫槽，繩子繞槽輪不到一周處自動打滑，搗錘在缸缽內(nèi)作周期性自由落體運動，其具體結(jié)構(gòu)見圖2［4］。

圖2 整機結(jié)構(gòu)圖Figure 2 Structure diagram of the machine

工作原理:當(dāng)電機工作時，帶動槽輪轉(zhuǎn)動，繩子端頭固定在槽輪滑槽的切線方向，當(dāng)槽輪的系點從最低處往上轉(zhuǎn)動時，繩子就開始繞上輪子，搗錘隨之被提升起來，當(dāng)繩子繞到快接近系點處時，槽輪上的打滑口將繩子從輪子上撥出，繩子快速從輪子上滑脫，搗錘作自由落體運動，將缸缽內(nèi)的物料砸碎，隨著系點周而復(fù)始的運動，搗錘就作周期性的自由落體運動，物料就被搗碎到所需的細度。在搗碎過程中，當(dāng)用皮帶將豎軸上的帶輪和缸缽座上的帶輪連接起來時，缸缽就跟著轉(zhuǎn)動，物料就有更多被搗碎的平等機會，使最終被搗碎的物料粗細一致，搗碎效率更高。如果不需要缸缽轉(zhuǎn)動，只需將皮帶撤去即可，這樣可以使被搗物料粗細要求不嚴(yán)格的場合進行自由選擇，增加機器的靈活性。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵零部件詳細設(shè)計

3.1 電機的選擇

為了使搗碎機能適應(yīng)更多的工作環(huán)境，本設(shè)計采用的電機為交流電機，電壓為220 V。電機的輸出軸通過聯(lián)軸器與傳動軸相連接，根據(jù)各傳動部分所需要的動力，計算得知電機所需要的功率約為10 W，由于摩擦等因素實際中消耗的功率必定要更大，根據(jù)市場上實際銷售的電機類型，選用25 W的電機作為動力源，其具體性能參數(shù)［5］為:電機型號YN80-25W，輸出功率 25 W，輸出轉(zhuǎn)速 75 r/min，扭矩 12 kg/cm，輸出電壓 220 V，搭配電容 1.8 μF。

3.2 提升機構(gòu)的設(shè)計

3.2.1 槽輪的設(shè)計 根據(jù)表1確定的提升搗錘方式，采用鋼繩和槽輪相配合使用，鋼繩的一端固定在槽輪上，另一端連接搗錘，中間加有兩個定滑輪，這樣就能保證鋼繩在運動過程中的摩擦最小，有效地節(jié)約了能量。定滑輪安裝在水平固定于機架上的支撐桿兩端。鋼繩通過槽輪、定滑輪將槽輪的圓周運動通過打滑轉(zhuǎn)化為搗錘的自由落體運動。

根據(jù)搗錘的具體工作條件可知，搗錘下降距離為20 cm，人工搗碎周期約為1 s，要實現(xiàn)高效率必定要比人工搗碎節(jié)約時間，選取搗錘的周期為0.8 s。則搗錘下降20 cm所需要的時間為0.2 s，而搗錘上升需要0.6 s。搗錘與鋼繩連接，而鋼繩則連接在槽輪上通過槽輪上的打滑點打滑實現(xiàn)上下運動，由于搗錘下降所用時間為上升所用時間的1/3，就說明打滑點應(yīng)該設(shè)置在槽輪的1/4圓弧處，則可計算出1 min內(nèi)槽輪的轉(zhuǎn)數(shù)為75。進而可計算出槽輪半徑為4.25 cm。

為了計算方便設(shè)槽輪半徑為4.2 cm，設(shè)槽輪槽邊高為0.3 cm，則最終槽輪的半徑為4.5 cm。為了減輕槽輪的重量，在槽輪上加工4個半徑為1 cm的孔，在槽輪中心加工一個半徑為1 cm的孔并加工一個鍵槽來和軸裝配。所設(shè)計的槽輪的結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 槽輪結(jié)構(gòu)圖Figure 3 Size chart of sheave

3.2.2 打滑點的設(shè)計 如上所述，要使鋼繩在1/4處能夠脫離槽輪的軌道讓搗錘靠自身重力自由下落，就必須在此處設(shè)置一個能讓鋼繩打滑的裝置，可以是一個杠桿，每當(dāng)鋼繩到達此處杠桿就把鋼繩撬起來使之脫離軌道，也可以在此處焊接一個圓弧狀的鐵塊，相比之下焊接鐵塊更方便也更可靠。所以在此處焊上一個半圓形鐵塊就能達到打滑的效果。

3.3 多用搗錘的設(shè)計

本設(shè)計把搗錘設(shè)計為可換搗錘，這樣不僅可以搗藥也可以搗蒜、搗辣椒等，能滿足人們的不同需要。思路來源于電燈泡的安裝，把搗錘分為搗錘柄和搗錘頭兩部分，但考慮到實物制作的復(fù)雜性，把搗錘頭和搗錘柄的連接設(shè)計成銷連接，錘頭、錘柄都加工有孔，安裝時只要插上銷就能裝配起來。錘頭的尺寸見圖4。搗錘頭可根據(jù)搗不同的物品而設(shè)計不同形狀，比如搗辣椒的錘頭上有螺紋形狀以加大其摩擦力能更好的搗碎辣椒，而搗花椒的錘頭是光滑的，就不會使花椒夾在縫隙間。可根據(jù)搗碎的食物種類選擇相應(yīng)的錘頭。

圖4 多用搗錘尺寸圖Figure 4 Size chart of multi-functional tamper

3.4 旋轉(zhuǎn)缸的設(shè)計

為了節(jié)約成本、加強整機機構(gòu)的協(xié)調(diào)采用一個電機，要使搗碎缸旋轉(zhuǎn)必然要改變傳動方向，所以使用錐齒輪。在傳動軸上安裝一個錐齒輪然后在另一個錐齒輪的相配軸上安裝帶輪，通過皮帶使小帶輪和搗碎缸相連接，這樣通過帶傳動就能讓搗碎缸旋轉(zhuǎn)起來，所以搗碎缸也稱為旋轉(zhuǎn)缸。旋轉(zhuǎn)缸的尺寸見圖5。

圖5 旋轉(zhuǎn)缸尺寸圖Figure 5 Size chart of rotating cylinder

由實踐得知，搗錘每搗4下?lián)v碎缸旋轉(zhuǎn)1周就能夠使搗碎更加均勻，能有效地節(jié)約時間。為了加工方便使用傳動比為2的錐齒輪，直齒錐齒輪傳動是以大端參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)值的。在強度計算時，則以齒寬中點處的當(dāng)量齒輪作為計算的依據(jù)［6］。本設(shè)計中的直齒錐齒輪軸交角為90°，u=2，小齒輪轉(zhuǎn)速為75 r/min。假設(shè)單班制工作，使用壽命為10年。

錐齒輪的傳動比為2，要滿足條件則帶傳動的傳動比應(yīng)為2。在錐齒輪的軸上一端安裝一個小帶輪，把旋轉(zhuǎn)缸當(dāng)做大帶輪。使用普通平帶，大帶輪即是搗碎缸的外缸，為了加工的便捷和節(jié)省材料，搗碎缸采用木質(zhì)材料制作，在其缸底外側(cè)加工一道凹槽即可防止皮帶脫落。

4 實物及動作過程

根據(jù)上述對各部件進行的詳細計算得出的尺寸進行材料加工和成品購買，最終完成了小型多用搗碎機的實物制作，見圖6。插上電源，電機開始轉(zhuǎn)動并帶動聯(lián)軸器，聯(lián)軸器把動力傳給傳動軸，帶動槽輪做圓周運動，繩子隨著槽輪的圓周運動在豎直方向進行運動并帶動搗錘進行搗碎;傳動軸的轉(zhuǎn)動使錐齒輪運動，并把動力傳給帶輪，通過皮帶帶動搗碎缸作旋轉(zhuǎn)運動。

圖6 小型多用搗碎機實物圖Figure 6 Physical map of small multi-functional tamper stamp mill

5 結(jié)束語

本設(shè)計完成了一種新型的小型多用搗碎機的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并完成了相應(yīng)的實物制作和實際干物料搗碎測試，實際測試過程中，將0.1 kg干辣椒(即滿滿一搗碎缸)搗碎成辣椒面僅需3 min左右，可見所設(shè)計的搗碎機的效率還是比較高的，基本能滿足家庭需求，該設(shè)計同時獲得了國家專利授權(quán)(專利號:ZL201320335029.6)。本設(shè)計的搗碎機結(jié)構(gòu)簡單，較之凸輪機構(gòu)和連桿機構(gòu)均節(jié)省材料，制造成本低大約20% ～30%，故障率更低，動力消耗更少，更適合中小商販及家庭使用。

1 黃俊民.辣椒搗碎機:中國，200720090383.1［P］.2008—02—20.

2 中國民俗攝影協(xié)會.搗辣椒面的機器［EB/OL］.(2012—09—16)［2014—07—13］. http://bbs.icfpa.cn/forum.php?mod=viewthread＆tid=117550.html.

3 趙韓，黃康，陳科.機械系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京:高等教育出版社，2005.

4 張文斌，羅鴻佳，普亞松，等.小型多用搗碎機:中國，201320335029.6［P］.2013—11—20.

5 東莞市志恒機電有限公司.減速電機 YN80-25W［EB/OL］.(2012—02—03)［2014—07—13］.http://detail.cn.china.cn/provide/2682164055.html.

6 吳宗澤，羅圣國.機械設(shè)計課程設(shè)計手冊［M］.北京:高等教育出版社，2006.