夏侯超 何雨峰 肖 瑤

（北京航空航天大學(xué)沙河校區(qū)，北京102206）

1 概述

生活中很常見的冬瓜，與中秋月圓之際的月餅之間，存在著千絲萬縷的聯(lián)系。其實(shí)，月餅等很多糕點(diǎn)的餡料當(dāng)中都含有冬瓜，不僅因?yàn)槎先乜梢匝娱L(zhǎng)保質(zhì)期，提升口感，更重要的是，冬瓜的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值非常高，具有美容養(yǎng)顏等作用。然而，由于冬瓜皮太硬，冬瓜的快速高效去皮一直是糕點(diǎn)廠的一個(gè)難題。傳統(tǒng)手工去皮方式因效率較低、人工成本高而難以滿足目前的需求，在此背景下，代替人工的自動(dòng)化冬瓜批量去皮機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。在自動(dòng)化冬瓜去皮機(jī)的工作過程中，夾持冬瓜的主軸尤為關(guān)鍵。其需要保證能夠?qū)⒍戏€(wěn)定地固定在指定位置，它的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性問題都會(huì)對(duì)自動(dòng)化冬瓜去皮機(jī)的工作效率及工作安全性產(chǎn)生巨大的影響。

2 模型建立

由于冬瓜去皮機(jī)的冬瓜夾持部分為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在工作時(shí)，左右兩部分對(duì)稱位置受力大小相同，方向相同，故只需研究某一邊的受力情況，即可得到該夾持裝置強(qiáng)度分析結(jié)果。將電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、軸承及軸承座、主軸部分簡(jiǎn)化為如下三維圖形：

圖1 夾持主軸三維簡(jiǎn)化圖

軸承座對(duì)主軸起到位置約束作用，對(duì)主軸作用力方向沿鉛錘方向。當(dāng)夾持冬瓜后，軸承座對(duì)主軸有向上的支持力，可簡(jiǎn)化為在軸承處的集中力，防止主軸夾持冬瓜后出現(xiàn)鉛錘方向的位移。為了便于對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)如下：

圖2 夾持主軸簡(jiǎn)化圖形

3 總體設(shè)計(jì)

3.1 冬瓜參數(shù)設(shè)定

重量：m=10kg

軸向長(zhǎng)度：l=600mm

直徑：D=250mm

3.2 電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)定

電機(jī)轉(zhuǎn)速：r1=750r/min

功率：P=2.2kw

減速傳動(dòng)比：i=2:1

3.3 主軸參數(shù)設(shè)定

軸向長(zhǎng)度：l=600mm

直徑：d=25mm

主軸轉(zhuǎn)速（經(jīng)減速）：r2=150r/min

主軸材料：45 號(hào)鋼（未經(jīng)調(diào)質(zhì)處理）

4 強(qiáng)度校核

4.1 冬瓜處于正中心（定位準(zhǔn)確）

（1）受力分析

圖3 夾持主軸受力分析

主軸在彎矩與扭矩的作用下，符合彎扭組合變形的特點(diǎn)。

圖4 夾持主軸內(nèi)力圖

（2）強(qiáng)度校核

應(yīng)用第四強(qiáng)度理論[1]進(jìn)行強(qiáng)度校核：

由此可見，軸的設(shè)計(jì)合理，正常工作時(shí)處于安全狀態(tài)。

45 號(hào)鋼（未經(jīng)調(diào)質(zhì)處理）相關(guān)數(shù)據(jù)：

彎曲疲勞極限：σ-1=255MPa

剪切疲勞極限：τ-1=140MPa

許用彎曲應(yīng)力：[σ-1]=55MPa

許用彎曲應(yīng)力[σ-1] 是指對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力時(shí)軸的許用彎曲應(yīng)力，上述的值45 號(hào)鋼未經(jīng)調(diào)質(zhì)處理時(shí)的許用彎曲應(yīng)力值[2]。

4.2 冬瓜偏離正中心（定位有偏差）

假設(shè)偏心距e=50mm

圖5 冬瓜偏心時(shí)的受力

此時(shí)主軸扭矩：T'=T+T0=72.48N·m

此時(shí)仍可按照彎扭組合變形進(jìn)行計(jì)算：

應(yīng)用第四強(qiáng)度理論進(jìn)行強(qiáng)度校核：

由此可見，當(dāng)偏心距在一定范圍時(shí)，軸的強(qiáng)度符合要求，處于安全狀態(tài)。

5 結(jié)論

通過對(duì)所設(shè)計(jì)冬瓜去皮機(jī)的主軸夾持部分進(jìn)行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化，并對(duì)其進(jìn)行受力及強(qiáng)度分析，根據(jù)分析結(jié)果，得到冬瓜去皮機(jī)主軸夾持部分的適合尺寸及材料；通過對(duì)冬瓜偏離中心的情況的分析，發(fā)現(xiàn)在偏心距<5cm的情況下，主軸處于安全狀態(tài)。此主軸的設(shè)計(jì)方案，為冬瓜去皮機(jī)的正常運(yùn)行提供了有力的理論支撐。面對(duì)中國(guó)每年接近14 億的月餅需求，冬瓜去皮機(jī)作為自動(dòng)化生產(chǎn)線的一部分，在糕點(diǎn)廠等食品加工廠中具有非常廣闊的應(yīng)用前景。