竹笋切片机研制与其传动轴的有限元分析

赵荣宽，林光春，徐炳辉，廖勋宝

竹笋切片机研制与其传动轴的有限元分析

赵荣宽，林光春*，徐炳辉，廖勋宝

（四川大学 机械工程学院，四川 成都 610065）

为优化竹笋自动化加工生产线、满足竹笋加工机械化需求，研制了一种竹笋切片机。该竹笋切片机采用了离心原理，并使用双转盘，在传动轴的带动下同时转动，极大地提高了竹笋切片机的切片效率。同时确定了竹笋切片机主要部件的设计参数，并对其传动轴进行了有限元分析。采用SolidWorks对切片机的传动轴建立了三维模型，并将其导入有限元分析软件ANSYS中进行分析，得到了传动轴的应力应变及变形分布结果，从而为进一步改进完善竹笋切片机提供理论依据。

竹笋；切片机；离心；传动轴；有限元分析

竹笋具有明显的时节性，为了保证不分时节地供用竹笋，可以将竹笋切片加工成罐头笋或袋装笋[1-3]。人工切片是传统的竹笋加工方式，不仅效率低、均匀度差、生产成本高，且不能保证食品的安全卫生，非常不符合当今产业机械化的发展趋势。

目前，国内外对于竹笋本身切片的研究比较少，但在其他食品切片技术上的研究比较成熟。高国华等[4]设计了一种槟榔切片试验台并进行了三因素五水平中心组合试验，确定了最优工作参数；杨培刚等[5]采用具有急回特性的偏心曲柄滑块设计了一种莲藕切片机，提高切削效率的同时解决了藕片破碎的问题；陈义厚等[6]设计出了一种离心式人参切片机，并设有厚度调节机构，采用多把刀、多道喂入结构，提高了效率；还有对馍片切片机[7]、多用食品切片机[8]等的研究，均取得了显著成果，为其他食品切片研究奠定了基础。

在现有切片机的基础上，研制了一种适用于竹笋自动化加工生产线[9]的离心式竹笋切片机，并对其传动轴进行有限元分析。利用软件SolidWorks建立传动轴三维模型并导入ANSYS中完成分析，获得应力应变云图和总变形分析云图，从而为进一步改进完善竹笋切片机提供了理论依据。

1 竹笋切片机的研制

1.1 竹笋切片机设计的基本要求

该切片机主要用于竹笋自动化加工生产线，可以解决企业生产效率低下和成本较高的问题，因此竹笋切片机主要需满足以下要求：

（1）切片机要具有自动进料、自动切片及出料的能力，保证竹笋自动化加工生产线的正常运行；

（2）为了满足高速流水线的生产要求，所以要保证切片机切片效率，可以大量进料并顺利切片完成出料，从而使下一步流程正常进行；

（3）可以保证切削的竹笋片厚度均匀整齐，且厚度在2～3 mm；

（4）由于切片机主要用于竹笋自动化加工生产线，所以整机尺寸及质量不宜过大。

1.2 竹笋切片机方案确定

分析竹笋切片机功能，得出自动切片并出料是本机的主要功能。为保证高效地完成切片，本竹笋切片机采用离心原理，即竹笋在高速旋转的条件下被甩向刀片，在相对运动的过程中完成切片工作；竹笋切片机的驱动装置是与转盘相连的传动轴，经过传动轴传递电机驱动力从而带动转盘旋转。电机选用Y100L1-4型号，额定功率2.2 kW，转速1500 r/min。

如图1所示，竹笋切片机设有两个进料斗，通过剥壳机去壳后的竹笋由输送机送入进料斗，从而落入切片机内转盘的叶片之间。当电动机驱动传动轴带动转盘回转时，叶片带动竹笋转动，竹笋在离心力的作用下贴靠在外壳内壁。在经过刀片时，竹笋被削成片状，并继续在离心力的作用下飞出，被出片通道的侧壁拦下。出片通道倾斜一定的角度，可减少竹笋片与侧壁接触面积，竹笋片由于自重从其底部开口落下。

1.外壳 2.出片通道 3.传动轴 4.进料斗 5.转盘 6.叶片 7.切削刀具 8.刀片

1.3 竹笋切片机主要部件的设计参数

1.3.1 转盘设计参数的确定

在保证切片机正常运行的前提下，根据竹笋直径及长度分布情况[10]，考虑到通过剥壳机去壳后竹笋的直径及长度，确定了转盘半径400 mm，上下两转盘之间相隔300 mm；为了使落入转盘内的竹笋可以随着转盘转动，确定了转盘上叶片高度150 mm、厚度10 mm；转盘材料选择强度高、抗腐蚀且密度较小的铝合金，质量约为26 kg。最终所定的竹笋切片机转盘模型如图2所示。

图2 转盘模型图

1.3.2 刀片设计参数的确定

切削刀具嵌入外壳内壁，为适配切削窗口的板状。刀片竖直放置在切削刀具中，多个刀片周向等间距布置，同时根据加工切片的厚度，设置相邻刀片间距为2～3 mm。竹笋与刀片进行斜切，而且斜度越大越好。

根据两转盘相隔距离，并考虑转盘厚度，确定刀片长度为540 mm，刀片材料为具有高硬度、高耐磨性和高耐热性的高速钢。

1.3.3 传动轴设计参数的确定

竹笋切片机的传动轴带动两个转盘转动，是切片机关键的动力传递部件，其性能的好坏直接影响到切片机工作的稳定性和寿命，因而要求传动轴具有精度高、刚度高、噪声低、振动小的特性，所以材料选用合金结构钢40Cr，调质处理。

轴的输出转矩和最小直径为：

式中：为轴的输出转矩，N·m；min为轴的最小直径，mm；为输出功率，＝1.508 kW；为传动轴转速，＝180 r/min；为与轴材料有关的系数，材料为40Cr时，＝106。

计算得：＝80 N·m；min＝21.53 mm。

根据轴上零件的安装、定位及轴的加工工艺，可以确定轴的结构尺寸如图3所示。

图3 传动轴结构尺寸

此外，为了保证竹笋顺利无堆积地通过进料斗，确定了进料斗倾斜角度为45°、宽度为300 mm，位于转盘上方120 mm处，如图4所示；为保证切片效率，同时考虑切片机整体强度，确定了切削窗口的圆心角为90°，出片通道圆心角为180°。

2 竹笋切片机传动轴的有限元分析

有限元分析法的目的是将复杂的连续体分散成可控变量的单元集合，实现模糊问题的清晰化、数字化，通过建立数学模型来直观地分析问题[11-12]。

图4 进料斗倾斜角度

合金结构钢40Cr的传动轴，其弹性模量＝2.06 GPa，泊松比＝0.26，质量密度＝7.87×103kg/m3。为了校核切片机传动轴的强度，使用ANSYS软件对其进行分析。

2.1 建立传动轴有限元模型

首先使用SolidWorks对传动轴创建三维模型，然后将传动轴的三维模型直接导入ANSYS Workbench里。为了简化有限元模型以提高分析效率及精度，在三维建模时需要删除对分析结果没有影响的圆角、倒角等特征。简化后的传动轴三维模型如图5所示。

图5 传动轴三维模型

2.2 网格划分

传动轴模型导入后，双击Model进行网格划分。定义材料属性后，先对模型建立网格，然后选中Mesh对网格细分，采用四面体单元，设置单元基本尺寸为4 mm，网格细化后，总计节点73557个，网格单元为43925个，网格模型如图6所示。

图6 传动轴网格模型

2.3 施加载荷和约束

传动轴绕轴逆时针旋转，转速为180 r/min，主要用来传递电动机输入转矩，经计算得到所受转矩为80.00 N·m。上下两个轴承为滚动轴承，承受传动轴绝大部分的径向力和轴向力，因此在安装轴承位置处添加两个圆柱面约束，为轴向、径向或切向约束提供单独的控制，并在上端面施加固定约束。

在轴肩处承受套筒及转盘的重力，所以在与转盘接触的轴肩面施加大小为540 N的载荷，方向为轴负方向；在切片机工作时，经测定刀片切削竹笋时的最大切削力不超过100 N，所以在安装转盘的两段轴头处施加100 N的切向力。施加约束与载荷后如图7所示。

图7 施加约束与载荷

2.4 结果后处理

经过ANSYS Workbench分析后，得到传动轴在施加载荷和约束后的应力分析云图、应变分析云图及总变形分析云图。为更清楚地看到结构的变化，选取缩放比例为2.1E+003（Auto Scale），如图8～图10所示。

图8 应力分析云图

图9 应变分析云图

可以看出，最大应力值为51.416 MPa，发生在轴最左端轴头处。传动轴所用40Cr的屈服极限为785 MPa，所以该传动轴在既定的载荷及约束作用下，满足强度需求。

图10 总变形分析云图

传动轴的最大变形值为0.022997 mm，而发生位移处的轴段直径为25 mm，相比之下变形非常小，可以忽略不计，满足刚度需求。

3 结论

针对竹笋自动化加工生产线的生产需求，研制了离心式竹笋切片机，该机机体外形为圆柱形，底面半径约600 mm，高约1000 mm，质量约90 kg。

（1）该竹笋切片机实现了设计目标要求：

①切片机的刀片通过切削刀具直接嵌入外壳侧壁，不需要安装刀座刀架等部件，且刀片根据加工的不同需求可以进行切换，降低了设备成本，且便于维护；

②切片机采用了两个进料斗分别对应两个转盘，大大提高了切片效率，满足高效流水线的生产要求，提高企业生产率；

③出片通道设置了倾斜角度，在避免粘连的同时使竹笋片依靠自重落至出料口；

但该竹笋切片机也还存在一些不足：

①该机在调节切片厚度时，需要更换刀片，所以要配套几套不同刀具以供换用，可以考虑设计厚度调节机构，以降低成本。

②竹笋切片机在工作的时候，会产生很多竹笋碎屑，若不能及时排出可能会使得机器不能正常工作，因此需要设计添加自清洗装置。

（2）通过使用有限元分析软件对竹笋切片机的传动轴进行元分析，得到了传动轴的应力应变及变形分布结果，得出所设计的传动轴满足强度和刚度要求，为进一步改进竹笋切片机提供了理论依据。传动轴应力集中大部分发生在轴头处，因此在设计切片机传动轴时，可在改进此处，比如电镀硬铬、减小两交接轴段的截面尺寸等以减小应力集中、提高传动轴强度和使用寿命。

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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－泸州）开袋即食野生罗汉笋关键技术及自动生产线研发（2017CDLZ-N10）

赵荣宽（1995－），男，江苏徐州人，硕士研究生，主要研究方向为机械设计及理论、机构学与工业机器人。

林光春（1964－），男，四川成都人，博士，教授、硕士生导师，主要研究方向为机械设计及理论、机构学与工业机器人，E-mail：lingc@scu.edu.cn。