一种简易多功能切菜机的设计和实现

林新英，江小辉

（1.闽南理工学院，工业机器人测控与模具快速制造福建省高校重点实验室，福建 石狮362700；2.福建南方路面机械有限公司，福建 泉州 362000）

市场上现有的切菜机多为蔬菜加工行业和食品行业专用，此类切菜机工作原理一般采用卧式送菜（传送带或送料槽的方式），在刀口处回转式或往复式切菜。通常以三相电动机做动力源，传动系统较复杂，功率大。虽功能较多，一般能实现切片、切段、切丝等，但操作复杂。此类切菜机功率大，体积大，重量也大，而且价格昂贵，不适合中小餐馆、家庭的使用[1]。各大中小餐馆、学校餐厅等需要有高效率，易于操作，安全可靠的切菜机来解放厨房切菜工人双手，故设计了一款切菜效率高，易于操作，安全可靠，体积小，价格便宜的切菜机。

1 切菜机的方案设计

本切菜机的主要组成部分是底座、主轴、刀盘、送菜机构以及电控制部分，总体结构图如图1所示。

图1 总体结构图

1.1 底座

底座由不锈钢框架、电动机、带轮、带和主轴组成。不锈钢框架，用截面为25 mm×25 mm的方钢焊接成365 mm×365 mm×365 mm不锈钢框架。距底面175 mm处焊一个平面用于安装主轴。其结构图如图2所示。

图2 不锈钢架

选用的电动机型号:XD-180额定功率/电压为180 W/220 V，额定电流为16 A，额定转速为1 370 r/min.

主轴部分的主要零件有主轴、方销、止推轴承、支承座、密封圈和螺母。支承座上加工有螺纹，与螺母配合将支承座紧骨在机架上，支承座垫有密封圈，可防止清洗机器时水渗透到底下的电动机部分。支承座的内孔打进一个铜套，与主轴相配合形成滑动轴承。主轴上方的方销用于定位刀盘并传递动力，螺纹孔旋入螺钉锁紧刀盘。结构如图3、图4所示。

图3 主轴剖面图

图4 主轴PR O E图

1.2 刀盘

切菜机的切菜原理是运用旋转刀片切割蔬菜、水果等，故刀盘形状为圆盘状，其上面固定有适用于切出各式形状的刀片。图5是三把刀盘的实物图，分别用于切片、切丝和切条。

图5 刀盘

1.3 送菜机构

送菜机构由菜桶和压菜机构组成。菜桶的结构设计中主要有两片挡菜板，用于切菜时对菜起限位作用，相当于“砧板”，一个直线线轴承，可以沿着固定导杆上下移动以及绕着导杆转动以便于换刀，运用直线轴承可以避免因倾覆力矩而引起的卡死现象，在菜桶的侧壁开有一道槽，用于对压菜机构进行限位防止压菜机构下压时发生打刀现象，菜桶底部有一小圆柱销（此圆柱销用于电控部分，功能在电控部分阐明），菜桶底部侧面焊接一圆环形不锈钢，通过压紧圆环可以将菜桶固定在机架上，其结构如图6所示。

图6 菜桶

整个压菜机构采用摇杆——滑块机构[2]。其由固定导杆、连杆、摇杆、直线轴承、把手、小圆筒及压菜板组成，如图7所示。直线轴承的作用与菜桶中的直线轴承的作用一样，小圆筒作为长圆形蔬果的进料口，压菜板的作用是使菜与刀盘保持接触从而顺利完成切削。菜桶和压菜机构由固定导杆连成一体并将其固定在底座上。

图7 压菜机构

1.4 电控部分

为了加大整个操作过程的安全性，本切菜机的电控部分在正常的开关控制的基础上又增加了一个安全装置。安全装置包括一个行程开关和菜桶上的小圆柱销。只有在行程开关接通的情况下按下开关切菜机才能正常工作，而电路的接通需要小圆柱销在整个工作过程中不能离开行程开关，这样在换刀或菜桶没有被固定的情况下保证电动机断电，其结构如图8所示。

图8 电控部分

2 理论设计计算

2.1 电动机的选型

（1）根据家庭电器的供电模式，切菜机采用额定电压220 V，单相交流电动机。参考刀片切削力范围，经了解调研，初定刀片切削力F=（10～30）N，电机输出转速n0=1 450 r/min.

经带轮一级降速，轴的转速[3]为：

由刀片等效回转切削半径r刀=50 mm

对于切丝刀盘安装双刀片，其扭矩T＝2T0

由于主轴上安装有带轮，推力轴承，滑动轴承，

唐朝有十二位曾被册立为太子而没能继承皇位者，有八人死后获得了太子谥号，其中有两人被追谥为皇帝，五人为太子谥号，一人被追谥为王，所使用的谥号各有深意。八个谥号中，有三个单字谥，分别是“隐”“让”和“愍”；复字谥有五个，分别是“孝敬”“章怀”“节愍”“惠昭”“庄恪”。复字谥是由单字谥“孝”“敬”“章”“怀”“节”“愍”“惠”“庄”“昭”“恪”这十个字组合而成。无论单字谥还是复字谥，表达的多是褒扬或是哀思之意，没有恶谥的情况。每个谥号的释义有着不同的文化内涵，大致与受谥者的生平事迹相一致或略有溢美，这也是太子地位至高无上在古代国家政治活动中的一种体现。

机理论额定功率Pn=（0.083～0.249）kW

参照电机实际参数，选PN=0.18 kW，额定转速n=1 370 r/min，额定电压UN=200 V的单相交流电动机。

（2）根据已选电机型号，设计分析主轴参数

代入公式可得主轴转矩

2.2 电动机功率的实际实验数据

由于电动机的参数设计为估计值，通过实际实验得出切各种菜时的电动机功率。采用的实验设备主要如下：可调电阻、180 W单相电动机、刀盘、转速测速仪、电压表、电流表[5]。其电路如图9所示。

图9 电路图

实验方法步骤：

1）讲刀盘放入先前做好的角钢架，安装好主轴。主轴与单相可调电动机相连（电动机末端与转速测速仪相连）。

3）处理数据。处理后的实验数据如表1所示。

表1 实验数据

3 样机的作原理及性能分析

3.1 切菜机工作原理

电动机通过带传动带动主轴转动，主轴上安装附有刀刃的刀盘。转动的刀刃与竖直往下送的菜做相对运动而完成切菜，切后的菜从刀盘开口下落至接菜盒。通过转换刀盘切菜机可以实现切片、切丝、切条等多种功能，操作简便。最终完成的实物样机图如图10所示。

图10 实物样机图

3.2 操作过程

（1）升起并转动装菜圆筒，更换刀盘并旋紧压紧螺钉。转动装菜圆筒，根据下端小突起定位后下压加紧（通过小突起使行程开关闭合）。

（2）装菜，放好接菜盒，接通电源，按下启动按钮开始切菜。

（3）压菜机构下压使菜与刀盘保持接触并完成切菜动作。

（4）停机，取菜，并擦洗机器。

3.3 性能分析

（1）压菜机构整体运动灵活，主要完成转动和竖直方向的运动，转动依靠装在杆上的轴承来完成，压菜板的运动包括转动和竖直运动（利用直线轴承来完成）。

（2）功率适中，能完成绝大部分蔬菜的切削，实际切菜过程中验证主轴的强度足够。

（3）巧妙利用压菜机构的突起来控制行程开关，起到保护作用。

（4）刀盘通过键槽与主轴连接，相对于压菜机构和底座独立，方便更换。

（5）压菜过程中菜的重力和施加压菜的力均不大，故刀盘的安全可靠。

（6）底座机构合理，重心低整体稳定性好。

4 创新点及应用前景

（1）本结构设计巧妙，利用了摇杆滑块机构，将以往用输送带式的卧式切菜机改为立式。利用菜的自重或加压就可完成送料。切好的菜通过刀片下方的通口落入封闭式集菜箱。

（2）功能齐全，通过快捷的换刀机构，就可以更换刀盘，完成多种菜种多样式的切削。

（3）操作简便，操作设计符合人类行为习惯，易学易用。

（4）安全可靠，增加了保护装置，只有菜筒转到位且锁紧后电机才会启动。

（5）外观宜人，整洁大方的外观设计，增加了产品艺术感。

（6）便于清洗，压菜机构和入菜筒可转开用水冲洗，刀盘和集菜箱等可拆卸清洗。

本切菜机具备广阔的市场，目前市场上切菜机多用于工厂，且结构较大，功能单一。经过调研各大、中、小型饭店餐厅及家庭急需本类型切菜机，以提高切菜效率和切菜效果。同时切菜机功能齐全、安全可靠、外观宜人、成本低廉，具有广泛的适用性、广阔的市场和良好的社会效益。