（机械电子工程专业论文）木瓜切剖原理研究与木瓜剖半机设计.pdf

武汉理j ：大学硕士学位论文 摘要 木瓜主要分两大类，一类是作为水果用的叫番木瓜，一类是作为中药用的叫 宣木瓜。作为水果，它水分多，糖份含量高，含有丰富的营养物质：作为中药，有 广泛的药用价值，市场前景很广阔。木瓜作为中药需要将其剖开干燥再制成药 品，但其表面坚硬，形状不规则，因而给其装央、机械化剖半作业带来了一定困 难，论文针对我国用作中药的宣木瓜机械化剖半技术落后，主要停留在人工剖 半这一现状，进行了木瓜物料特性的研究，在分析了国内外食品切半( 切片) 加工技术基础上，结合其物料特性，设计了一种新型木瓜剖半机。 论文首先阐述了物料的切割原理，介绍了物料切割的两种方式：正切和滑 切，分析了两者的受力情况，计算了切割过程中钳住木瓜所需的钳住角。然后 根据研究的需要对木瓜的几何形状和尺寸进行统计和分析，包括木瓜短轴长、 长轴长、长短轴之比和质量的分布范围，发现质量在0 4 k g o 6 k g 的木瓜占大 多数，它们长短轴之比平均为0 7 8 。 其次，利用m c l - l 系列拉压力传感器和m c k - z s 系列智能显示控制仪，对木 瓜的物理机械性能进行测试和分析，包括木瓜的表面抗压强度、表面静摩擦系 数，为木瓜的a n s y s 仿真和钳住条件的计算提供了依据。在几何形状和尺寸分 析的基础上，在a n s y s 上建立的木瓜模型，利用有限元分析软件a n s y s 对在各 种施力方向下木瓜的应力应变进行了仿真分析，包括短轴方向、前端法线方向 和长轴方向，绘制了应变云图和变形图。有限元仿真结果表明，在前端法线方 向对木瓜施加载荷对木瓜的影响比在其余两个方向上的影响要小，此结果为木 瓜剖半选择合理的入刀位置提供了重要参考依据。 最后结合物料的切割原理和木瓜的物料特性，提出了适合木瓜剖半的四种 切半方案，对四种机构分别运用综合评价法和模糊评价法进行了方案选优，确 定了以曲柄滚刀机构作为木瓜剖半的最佳执行机构。针对木瓜剖半时易破碎、 对中难的特点，确定了切刀的合理结构及切削方式，设计了一种木瓜剖半机并 分析了设计参数。 关键词：木瓜；滑切角；剖分技术；盘型切刀；切割角 武汉理t 大学硕士学位论文 a b s t r a c t p a p a y ah a s t w od i f f e r e n tb r e e d s ，a saf r u i ti t sw a t e ra n ds u g a rc o n t e n tw a sh i g h ， i t sn u t r i t i o ni sr i c h ；a sac h i n e s et r a d i t i o n a lm e d i c i n et h e r ea r ea l s oaw i d er a n g eo f m e d i c i n a lv a l u e ，t h em a r k e to u t l o o ki sv e r yw i d e b e c a u s ea st h ec h i n e s et r a d i t i o n a l m e d i c i n et h ep a p a y as u r f a c ei sh a r da n dt h es h a p ei si r r e g u l a r , t h e r ew i l lb el o t so f d i f f i c u l t i e sw h i l eb i s e c t i n g i na l l u s i o nt ot h ep r e s e n tc o n d i t i o no ft h el o wp a p a y a m e c h a n i z a t i o nb i s e c t i n gt e c h n i q u e ，m a i n l ys t a y i n ga r o u n dt h ea r t i f i c i a lt oc u ti n t oh a l f i no u rc o u n t r y , t h ep a p a y am a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i cw a s i n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r a n da n e wk i n do fp a p a y ab i s e c t i n gm a c h i n ew a sd e s i g n e da tt h ef o u n d a t i o no fa n a l y z i n g t h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lf o o dc u t t i n gp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , t h ep r i n c i p l eo fp a p a y ac u t t i n g ，h o wt oc h o o s et h ec u t t i n gf o r ma n d t h ec u t t i n gt o o ls t r u c t u r e ，a r ee x p o u n d e d ，t h ea n g l eo fl o c k - u pp a p a y ai sc a c u l a t e d a n dt h e nt h es h a p ea n ds i z eo ft h ep a p a y aw e r es t a t e da n da n a l y z e d ，i n c l u d i n gt h e s c o p eo ft h es h o r t - a x i sl e n g t h ，t h el o n g a x i sl e n g t h ，t h er a t i oo ft h es h o r ta n dl o n ga x i s a n dt h ew e i g h t f o u n dt h ep a p a y aw h i c hw e i g h ta m o n g 0 4 k gt o0 6 k gi si nt h e m a j o r i t y , a n dt h e i rr a t i oo ft h es h o r ta n dl o n ga x i si s0 7 8o nt h ea v e r a g e i na d d i t i o n ，t h ep h y s i c sm a c h i n ef u n c t i o no ft h ep a p a y aw e r et e s t e da n da n a l y z e d ， i n c l u d i n gt h es u r f a c ec o m p r e s s i v es t r e n g t h ，s u r f a c es t a t i cc o e f f i c i e n to ff r i c t i o ni n u s i n gt h em c l - lp u l l - s t r e s ss e n s o ra n dm c k - z si n t e l i i g e n td i s p l a yc o n t r o l d e v i c e t h et e s tp r o v i d e dab a s i sf o ra n s y ss i m u l a t i o n o nt h eb a s i so ft h eg e o m e t r y a n ds i z ea n a l y s i s ，e s t a b l i s h e dt h ep a p a y am o d e lu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s s o f t w a r ea n s y s ，l o a d e ds t r e s s e si nt h ed i f f e r e n td i r e c t i o n s ，i n c l u d i n gt h es h o r t a x i s d i r e c t i o n ，t h ef r o n td i r e c t i o na n dt h el o n g a x i sd i r e c t i o n ，p r o d u c e dt h ep i c t u r e so ft h e s t r a i na n dt h ed e f o r m a t i o no fp a p a y a f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ， l o a d i n gt h es t r e s si nt h ed i r e c t i o no ft h ef r o n to i lt h ep a p a y ap r o d u c e dt h el e s si m p a c t o nt h ep a p a y a t h er e s u l t sp r o v i d ei m p o r t a n tr e f e r e n c ea b o u th o wt oc h o o s et h e p o s i t i o no ft h ec u t t e r i i 武汉理工大学硕士学位论文 f i n a l l yf o u rk i n d so fb i s e c t i n gp r o j e c t sw h i c hw e r es u i t a b l ef o rp a p a y ab i s e c t i n g w e r ep u tf o r w a r dc o m b i n i n gt h ep a p a y am a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i c a n dt h ef o u rs e t t i n g s w e r es e l e c t e di nu s i n gm i s t i n e s sv a l u em e t h o d a n dt h e4 t hd e v i c ew a sc h o s e nf o r t h e b e s tp e r f o r m a n c eo r g a n i z a t i o n c o m b i n i n gt h ep a p a y am a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i can e w t y p em a c h i n ef o rp a p a y a b i s e c t i n gw a sd e v e l o p e d t h em a j o rc u t t i n gp a r a m e t e r s w e r ec a c u l a t e da n da n a l y s e d k e y w o r d s ：p a p a y a ；s l i d i n g c u t t i n ga n g l e ：b i s e c t i n gt e c h n i q u e ；p l a t ec u t t e r ；c u t t i n g a n g l e i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 日期2 0 0 6 受6 日期：z - o 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期：塑堕：呈16 武汉理j 大学硕十学位论文 1 1 引言 第一章绪论 木瓜鲜果具有丰富的营养价值号称百果之王。术瓜作为中药称为宣木瓜， 有很好的药用价值，它特有的木瓜酵素能清心润肺还可以帮助消化、治胃病， 它独有术瓜碱具有抗肿瘤功效，对淋巴性白血病细胞具有强烈抗癌活性”“。但 其作为中药的初加工和干燥技术却严重滞后，效率低，质量差，因而导致木瓜 不能很好的发挥其药用价值，阻碍了木瓜在中药产业中的发展。 木瓜不仅是很好的中药，它作为新鲜水果营养全面，富含各种维生素、矿 物质、氨基酸、尤以糖分、维生奈c 及胡萝b 素的含量最为丰富；其含糖量可达 鲜果重的8 - - 1 0 ，维生素c 、胡萝b 紊的含量则比西瓜，香蕉高4 5 倍，具 有养颜美容、强筋健骨、预防消化系统疾病等功效。但由于木瓜熟果保存期短、 易腐烂、不耐藏，作为水果鲜食的消耗量较小，尤其在旺产季节，常冈不能及 时外调鲜销而造成原料大量过熟、腐烂。因此，木瓜产品加工技术的开发与应 用，对该果树的种植与发展有很大的促进作用，它可以提高种植经济效益，提 高产品加工附加值。 墓霉毋 ：昂。矿 图1 1 宣木瓜示意图 武汉理丁大学硕士学位论文 目前木瓜的中药加工方法主要是将木瓜果肉干燥后再浸泡或磨粉再制成其 他药品。木瓜主要采用自然干燥和热风干燥方式，现在还有一种利用微波干燥 的方式幢。由于木瓜表层很坚硬，不可能进行整瓜干燥，因此要将木瓜剖开进行 干燥；木瓜籽也有很高的药用价值，这也需要将木瓜剖开取籽。木瓜作为水果 加工方法多样，但每种加工方法基本上都需要将木瓜剖开。 可见木瓜剖分在木瓜加工中是必不可少的工序，但以前的研究都主要集中 在木瓜干燥技术的研究上，对木瓜切剖原理的研究很少。目前木瓜的切剖方式 有人工切半和机器切半。人工切半效率低，切剖质量差；而目前机器切半虽然 效率高，但切剖质量也不能很好的满足要求。这就直接影响了木瓜二次加工的 品质。因此有必要对木瓜的剖切原理进行研究，并在此基础上研制一种木瓜剖 半机，使木瓜的切半速度又快，质量又好。对于木瓜产业的发展有所推动，并 带来一定的社会、经济意义。 1 2 国内外研究现状及存在的主要问题 1 2 1 研究现状 农业物料的切割方式有滑切和砍切两种，根据物料的不同的组织、成分、 密度、含水率以及加工产品的不同要求，采用不同的切削方式。 食品切片切瓣技术从八十年代发展以来，在某些产品的切片技术上已经很 成熟，如用于冻肉切片的旋转圆盘式切片装置。国内市场上可以见到的适用于 大规模生产的食品切片机主要有人参切片机、马铃薯切片机、洋葱切片机、黄 姜切片机。由于人参、马铃薯、黄姜这些食品形状很不规则，又要求一定的表 面质量，所以不宜用夹具夹持，通常的做法是利用离心切削法进行切削，这样 即可以保证表面的完好，又可以提高切削率，而且利用率也得到了提高。它们 的工作原理大致相同：切片刀安装在定位圆环外侧面固定不动，人参等要加工 的食品在圆环内侧的转盘导向刀管内相对切片刀作旋转运动。当人参等在旋转 离心推力的作用下与切片刀相接触时，靠转盘切向力进行切片，并不断地被抛 出机外，落到接料斗内。这种机器切出的产品，开始切削时的产品与加工末了 时的产品厚度有差别，这是因为质量不同，旋转时产生的离心力也不同，所以 切削时切出的厚度也不同晤1 。 目前国外所研制的多功能食品切片机，可以加工多种农业物料，主要有： 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 ) u r s c h e l c c 型离心式切片机，产品从输送带送入旋转叶轮，而叶轮位于 上下出料箱中。当产品进入旋转叶轮时，离心力使产品停留在由8 个独立切割台 组成的切头组件的内表面。产品以平稳、恒定和不间断的方式通过每个切片刀 并进行切片。 2 ) t r a n s l i c e r 2 0 0 0 带式送料横向切片机该带式进料横向切片机约在3 年前 由国外引入食品加工业中，能够大量加工较长的产品，并且具有与c c 型切片机 相同的切割精确度。机身设有绞式及活动控制板，使维修及清洗更为方便。产 品放在2 条形成“v 形输送槽的高速进料带上，高速进料带与直径5 0 8 毫米的旋 转切片轮同步运行，保证切片轮每一次转动产品便会适当地前进。应力下的刀 片作为切片轮边缘的辐条并产生支撑作用；刀片上轻微的扭纹，使轮心与轮缘 之间形成均匀的齿节二刀片的间距，能将产品带过切片轮，使切片厚度准确一 致。该机每次只进行一次切割，以防止产品压碎畸1 。 目前国内外的食品切片设备比较多，产品也比较成熟，单独用于木瓜剖半 的设备研制比较少。近年来，一些科研机构和企业对木瓜切半机进行了初步的 研究，现简要介绍如下： ( 1 ) 台湾农委会苗栗区农业改良场研制了一种采用砍切方式的木瓜剖半 机，见图1 - - 2 。木瓜剖半机的作业流程是将已削皮的木瓜，将两端修整，然后 放入输送机送至自动剖半机上，在完成剖半行程后，自动退料至v 型座上。木瓜 剖半机在结构上含机体、传动系统、输送系统及剖半控制系统等；切刀刀片安 装上方，微动开关安装在机体下方，由凸轮的触动来控制空压缸及切刀刀片动 作，以进行木瓜的自动剖半作业。此设备的不足是木瓜在切半前多一道修整工 序，增加了工作量，设备结构比较复杂，造价高，经济性差。 ( 2 ) 北京元享蔬菜食品机械厂生产的木瓜切半机，采用连续式锯齿刀切制 的原理。这种方式有点类似用锯子切割木头的方式，切出的木瓜瓣有一定的碎 片率，切剖平面很不光滑，影响后续的加工。 3 武汉理i 大学硕 ：t 忙论文 1 2 2 存在主要问题 图l 一2 台湾研制的术j g 9 0 半机 分析木瓜剖芈技术，需要解决的关键问题有： 1 ) 如何在切割过程中增大滑切系数。滑切系数越大，滑切作用越强烈切 割力越小“1 ，从而可以减小在木瓜表面未切开时切割力对木瓜的机械损伤。 2 ) 如何简化切割机构。用简单的机构就能完成对术瓜的有效剖分，使其不 但切割效果好效率高，低故障率产生较好的经济效益。 3 ) 解决木瓜的装央问题。小瓜形状根不舰则，设计有效的装央机构，使木 瓜在切割时完成很好的定位，提高切割效果。 现在研究小瓜剖分技术就是要在以上二个方血寻找问题的解决方案，因此 有必要从切割原理的分析、新机型殴计等方面着手，以改善木瓜剖半机的现状。 1 3 主要研究内容 针对木瓜特有的物料特性，现有术瓜剖半技术存在的问题及拟解决的关键 叫题，本文将利用先进的力学传感器及电脑模拟分析的手段，对木瓜的几何特 性l l 及物理机械特性进行删试分析，在此萆础上进彳亍剖半机系统结构设计及试 武汉理 二大学硕士学位论文 验优化。 具体的研究内容为： ( 1 ) 阐述基本的切割原理，对剖半的切割形式、切刀的结构进行比较分析， 找出最适合木瓜剖半的切割形式。通过对木瓜钳住条件的分析，设计机构的最 佳参数。 ( 2 ) 木瓜的几何特征分析，研究木瓜的短轴和长轴之比、质量的分布范围 以及两端和中间部分直径的尺寸差异。 ( 3 ) 木瓜的物理机械性能测试分析，利用m c l - l 系列拉压力传感器和m c k - z s 系列智能显示控制仪，试验分析木瓜的物理机械特性和表面力学性能，对木瓜 的纵向最大压溃力、表面抗压强度、以及木瓜表面静摩擦系数进行测试与分析。 ( 4 ) 忽略其内容物对木瓜力学特性的影响，将木瓜抽象为一具有一定厚度 的椭球体的力学模型，利用有限元软件，对所建立的力学模型在不同载荷、不 同加载方向下进行计算分析，求得其应力应变及位移的变化分布规律，从而对 其力学特性进行探讨。 ( 5 ) 木瓜剖半机系统结构设计研究，首先确定木瓜剖半机构的方案，然后 对剖半机的系统结构进行设计研究，主要研究剖半机构的切削特性、传动机构 的设计与分析等。 5 武汉理t 大学硕士学位论文 第二章切割原理 木瓜剖半机最重要的系统是切半系统，对切割器的性能要求是：切割面整 齐，不堵刀，功率消耗小。要满足这些要求，就要从切割原理上进行系统分析。 木瓜的切割过程与切刀的特性、木瓜的物理机械性质、切刀与木瓜的相对 位置以及切割的速度和方向等都有密切的关系。 刀片的端面一般呈楔形，楔角的顶部就是刃口。但两侧的楔面并不是直接 相交，而总有一段过渡的圆弧。通常用刃口圆弧的内切圆直径来表示刃口的厚 度。刃口越薄，工作时对材料产生的单位压力就越大，刃口也越锐利。但是， 过于单薄而尖锐的刃口，没有足够的强度，会很快磨损或折断，而缩短寿命。 因此，必须正确处理好锐利度与耐磨性的关系晦1 。 与切割过程有关的木瓜的物理特性包括：切割阻力、弯曲阻力、弹性模数 和磨损系数等，这些性质随木瓜的品种、成熟度和湿度的不同而在一定范围内 变化。 木瓜的横断面大都呈近似圆形或略带椭圆形。木瓜外表有一层由硬质纤维 形成的韧皮，使木瓜表面具有一定的刚度，表皮以下是含水量比较多且较软的 果肉，而最内部是一个籽囊，呈空心状。因为木瓜不是均匀体，在不同方向上 的机械性能并不相同( 称为各向异性) ，所以在切割木瓜的过程中，刀刃与木瓜 的相对位置和相对运动的方向和速度，对切割的效果也有影响。 2 1 正切和滑切 许多机器( 如收割机、饲料切碎机) 的切割装置，是由动刀把物料压在定 刀上进行切割的。图2 - 1 表示动刀对定刀的三种配置方法，a ) 的情况是，割刀 运动方向垂直于刀刃，刀刃以速度v 进入物料进行切割：在b ) 和c ) 的情况下 割刀速度的方向与刃口倾斜，它可分解为垂直刃口的v 。和沿刃口的v t 两个分量。 戈里亚奇金把v 。称为正切速度，v 。称为滑切速度，比值v r v n 。f g 口称为滑切系数， a 为滑切角( 即刀刃的运动方向与刀刃法线之间的夹角，有的书上也称为切割角 6 儿l i 6 武汉理丁大学硕士学位论文 a ) 垂直 铲y tl ； 埝。 n u b ) 倾斜c ) 变斜度( 曲线刃口) 图2 1 割刀相对于被切材料的三种位置 1 一动刀o 一瞬时回转中心r 一瞬时半径 戈里亚奇金曾对茎干做过滑切试验，一面在刀刃的法向施加压力p ，一面使 刀刃沿切向产生s 。其试验结果如下： 法向压力p ( g )切向滑移值s ( m m ) 6 0 01 5 5 0 02 0 4 0 06 2 0 04 0 可见，滑移值s 愈大，切割茎干所需的法向力p 便愈小。戈氏根据试验总 结出下面的规律： p s - 常数 为了解释滑切比正切省力这一物理现象，下面首先讨论正切时刀刃的受力 情况。 若在刀刃楔角y 的两边各增加一个摩擦角伊( 图2 2 ) ，即把刀刃看作一个假 想楔，这样，切割时作用在假想楔面上的正压力( 相当于作用在实际刀刃楔面 上的合阻力) 等于n c o s c p 和1 c o s q 口( 图2 2 a ) 。 7 武汉理工人学硕+ 学位论文 f f f p o a ) 单面楔 n c o s 妒* c o s ( 1 + 甲) 广ililiiil l t w 却 b ) 两面楔 图2 2 正切时作用在楔上的力 根据水平和垂直方向的平衡条件可得： ， 1 一_ 二二_ 一c o s ( ) ，+ 妒) c o s 口 刀刃所需的切割力为 8 颦 武汉理工大学硕十学位论文 p 。蜀+ 且s i n 妒+ 旦s 吣+ 妒) c o s 妒c o s 妒 或 p 。蜀+ ns i n ( ? + ，2 q ) ( 2 1 ) 式中 昂刃口透入茎干的阻力，茎干相同时决定于刃口厚度，其方向 垂直于刃口； 及l 楔面压缩茎干纤维的正压力。 同理，可得对称的两面楔克服阻力所需的切割力为： p 晶+ 旦s i n ( 姜+ 伊) ( 2 2 ) c o s 妒2 由式( 2 1 ) 及( 2 2 ) 可见，正切时所需的切割力和刃口厚度及楔角，成正 比。 当楔角为，的刀刃沿着与刃口法线倾斜口角的方向进行滑切时( 图2 3 ) ，切 入材料的实际楔角为，- ，相当于根角变小了。图2 3 中a a e d 和a a c b 为直角三 角形。 因为 b c d e t g r 。一a c ；t g r 石 而 a e ，笪：舾；曰c c o s 口 所以 - 。丝c o s a - - t c o s 0 13 t g y ( 2 - 3 ) 。万啷a 。v ， 当滑切角口越大时，刀刃切入材料的实际楔角，- 就越小，因此，刀刃切进 材料所需的法向力就越小。 此外，很多刀刃是锯齿形的，即使是光滑的刀刃，其微观几何形状也是高 低不平的，上面布满了许多所谓“微观齿 。当刃口在切向沿材料产生滑移时， 这些尖锐的微观齿就发挥了切开材料纤维的作用。这也是在某些场合滑切较正 切显得省力的另一个原因。 9 武汉理，大学硕十学位论文 d b 图2 - 3 滑切时刀刃楔角的变化 但是试验表明，切完同样断面的材料，滑切比正切相比，前者的切割行程 需要较长，消耗于楔面与材料间摩擦功有所增加，故其总的切割功将比后者大。 2 2 钳住物料的条件 切割木瓜的过程，如果刀刃与木瓜央持装置之间的张角太大，木瓜就有可 能从张口中向外有滑出的趋势，不利于切割，所以为了能正常进行切割，还要 保证刀具在剪切前的瞬间先将木瓜钳住n 。 先对物料钳住条件做一般性分析。图2 4 表示物料被稳定地钳住时的受力 状态，为了方便分析，这里把物料的截面近似成圆形。在图示的物料截面上， 物料只在a 、b 两点受到外力，要保持平衡，则动刀片作用力只和定刀片作用力 只必定大小相等、方向相反，并且在连接a 、b 的一条直线上。而作用力( 全约 束反力) 只、只分别由法向力1 、，和摩擦力e 、r 所合成。 1 0 武汉理j ：大学硕十学位论文 图2 4 物料被刀片钳住的条件 在四边形o a c b 中，_ o a c 和_ o b c 为直角，z a o b 和z , 4 c b 互为补角， 故 鼠，良1 8 0 。- z a o b ；坠垒 2 2 式中b 、岛动、定刀片作用力号、芝与刀刃法线间的交角； a ，、动、定刀片刃口的滑切角。 若动刀片滑切角q 和定刀片滑切角口：增大，则e 、最与刀刃法线间的夹角 卧幺也将增大。但由静力学可知，全约束反力的作用线必定在摩擦角之内。也 就是说，e 、芝与法线间的最大夹角不可能超过物料对动、定刀片的摩擦角补仍 ( 即b + 吼s 吼+ 眈) ，而q + 吼= q + t 1 2 ，所以 口l + 口2s 蚜+ 仍 ( 2 4 ) 上式表明，动、定刀片滑切角之和必须小于它们与物料的摩擦角之和。 在设计木瓜剖半机的方案中，用木瓜夹持装置取代定刀片，所以式中口，为0 度。设动刀片和木瓜夹具的摩擦角相等，可得木瓜钳住条件的关系为： 口ls2 弼 武汉理- 大学硕士学位论文 2 3 切割装置的基本类型与刀片性能分析 切割装置是指直接完成切割作业的部件。切割装置的类型及结构直接影响 着切割机械的功能及整体性能。 2 3 1 按切割方式 切割装置分为有支承切割和无支承切割两种方式n 。 ( 1 ) 有支承切割器在切割点附近有支承面，阻止物料的移动。这种切割 器在结构上表现为由动刀和定刀( 或另一动刀) 构成切割副。为保证整齐稳定 的切割断面质量，要求动刀与定刀之间在切割点处的侧向刀片间隙尽可能小且 均匀一致。所需刀片切割速度较低，碎段尺寸均匀、稳定，动力消耗小，多用 于切片、段、丝等要求形状及尺寸稳定一致的场合。 ( 2 ) 无支承切割器物料在被切割时，由物料自身的惯性和变形力阻止其 沿切割方向移动。这种形式的切割器仅包含有一个( 组) 动刀。所需刀片运动 速度高，不易获得尺寸均匀一致的碎段，动力消耗多，多用于碎块、浆、糜等 形状及尺寸一致性要求不高的场合。 2 3 2 按结构形式 切割器分为盘刀式、滚刀式和组合刀式三种( 图2 5 ) ( a ) 盘刀式( b ) 滚刀式( c ) 组合刀式 图2 5 切割器结构形式 在木瓜剖半的问题上，采用盘刀式是可行，其余两个形式不可取，所以主 要介绍一下盘刀式切割器。 盘刀式切割器动刀刃口工作时所形成的轨迹近似为盘形。切制出产品的 尺寸( 如切片的厚度) ：当物料喂入进给方向与动刀主轴方向垂直时，取决于相 邻刀片的间距；当物料喂入进给方向与动刀主轴方向平行时，取决于相邻两次 切割过程中物料迸给量。 1 2 武汉理t 大学硕十学位论文 盘刀式刀片刃口基本类型有直刃口、凸刃口和凹刃口。 ( a ) 盘刀直刃口( b ) 盘刀凸刃口( c ) 盘刀凹刃口 图2 6 切割器刀片刃口基本类型 盘刀直刃口，如图2 6 ( a )随着切割点由近而远，滑切角减小，参与切 割的刃口增长，因而切割阻力矩变化幅度大；同时近端钳住角较大但制造、刃 磨容易。 盘刀凸刃口，如图2 6 ( b )有偏心圆和螺线两种。随切割点渐远，滑切 角增大，切割阻力矩较为稳定，但远端钳住角较大，将形成推料，使刀片刃口 磨损不均匀；不便于刃磨，常需要配置专用刃磨架，对于连续进给场合的刃片 间隙调整困难。常见的圆盘刀也属于凸刃口，一般速度较高，滑切作用强烈， 切割断面质量好，尤其适合于刚度较差的物料切片。 盘刀凹刃口，如图2 6 ( c )与凸刃口相比，其钳住性能好，切割阻力矩 均匀，但滑切现象不明显，且制造、刃磨困难。 从上述的介绍，盘刀式切割器比较适合木瓜的剖半作业，盘刀直刃口和盘 刀凸刃口都可以作为木瓜剖半机的刀片刃口形状。 2 4 本章小节 本章对物料的切割原理进行了介绍，详细阐述了滑切比正切省力的原因， 根据木瓜的物理特性，两种切割方式都可以采用。对木瓜钳住条件进行了分析， 得出钳住木瓜的条件：qs2 红。最后介绍了切割装置的类型和刀片形式，对木 瓜剖半机的设计有很重要的指导意义。 武汉理上大学硕十学位论文 第三章木瓜几何及物理机械性能研究 3 1 木瓜几何形状分析 测定木瓜的几何形状特征，对正确制定加工工艺、选择合理的加工方法及 确定加工设备的结构参数都有着密切的关系。因此在进行加工设备的设计和试 验前，有必要首先测定术瓜的几何形状特征。 奉试验采用岭南地区产的药用型木瓜进行了几何形状特征的统计与分析。 ( 1 ) 形状特征分析 由于术瓜的生长环境不同以及品种的不同，术瓜的形状略有差异，但是， 经过大量统计发现其外观形状大致为两头直径较小，中部直径较大的类椭圆 形。如图3 1 所示。 图3 一l 木瓜照片 ( 2 ) 木瓜尺寸分析 术瓜的几何尺寸是正确进 行a n s y s 建模分析和选择加工设备和确定其结构 尺寸的主要依据。对木瓜的测试主要包括：短轴直径、长轴长、长短轴比，质量 从大量试验木瓜中随机抽取3 0 个木瓜进行测量。对木瓜咀个体质量等级不 同分类所得短轴卣径、长轴长、平均重量见表3 一l 。 武汉理i 大学硕+ 学位论文 表3 - 1 木瓜外形尺寸均值表 样品 短轴k ( m m )长轴长( 姗) k 短轴比 平均重鼍( k g ) 0 8k g 以上 7 81 2 70 6 10 6 3 0 。8 0 。4 k g 6 48 20 ，7 80 4 7 0 4 k g 以f 4 35 60 7 70 2 8 平均 6 28 80 7 20 4 6 木瓜重量所占百分比情况见表3 - 2 。 表3 - 2 木瓜重量分布表 从两个表中可以看出，重量在0 4 - - 0 6 k g 之间的木瓜占大部分，而在此重 量范围内木瓜长短轴之比约为0 7 8 ，形状比较规则，所以研究这一重量范围内 的木瓜特性比较有代表性。 3 2 木瓜物理机械特性分析 木瓜的物理机械特性在生产、质量控制和发展新产品中起着重要作用，为 木瓜生产与加工机械的设计提供依据，其研究有利于深入了解物料的结构，加 强木瓜加工中的质量控制，木瓜的物理机械特性是优化剖半工艺的重要依据， 木瓜物理机械特性也是切削部件设计的基础。研究木瓜等农业物料物理机械特 性，完全用理论分析和计算方法是比较困难的，一般都采用试验和经验的方法 来进行。木瓜的物理机械特性是研究木瓜在外力作用下产生的变形，以及载荷 作用的时效。 木瓜物理机械特性的力学试验主要有压缩试验、剪切试验、弯曲试验、加 载一卸载试验等，测定方法可以分为二类：( 1 ) 基本力学测试( f u n d a m e n t a l t e s t ) ，例如测定木瓜的各种模量、泊松比等基本物理机械特性参数，这些参数 武汉理i 学硕十学位论文 是物料本身所固有的，与样品的几何形状、载荷状况以及使用的仪器等无关。 具有明确的力学定义，可以用公式描述。( 2 ) 经验测试( e m p i r i c a lt e s t ) ，测 定压溃力、挤压能、硬度等参数，虽没有明确的数学定义却与木瓜的物理机械 特性较为相关。 由于试验设备的局限性，这里只分析与木瓜剖半和剖半机设计密切相关的 物理特性：木瓜表面抗压性能，木瓜表面摩擦系数。 3 2 1 实验仪器介绍 采用北京正开仪器有限公司产m c l l 系列拉压力传感器和m c k z s 系列智能 显示控制仪。 ( 1 ) m c l l 系列拉压力传感器介绍 m c l l 系列拉压力传感器( 见图3 2 ) 精度高、低漂移，小体积，抗偏能力 强，广泛运用于微小力值的计量与控制系统中。 p 图32 眦l l 拉压力传感器 主要技术指标 量程：5 0n 输出：15m v v 或 o 5 v ，l 5 v ，0 1 0 m a ，4 2 0 m a 非线性：00 3 o 1 f s 滞后：0 0 3 ，0 1 f s 不重复性：00 3 ，0 1 f s 温漂：00 0 3 ，0 0 1 f s 。c 零位输出：2 f s 激励电压：1 0 v 或1 2 v ，1 5 v ，2 4 v ( d c ) 武汉理r 人学碗十学伊论文 工作温度：一2 0 8 0 。c 过载能力：1 5 0 f s 主要特点 体积小、重量轻、小力值、高精度、低漂移 ( 2 ) m c k z s 系列智能显示控制仪介绍 m c k z s 系列智能显示控制仪( 图3 3 所示) 性能稳定可靠，测量准确直观， 有通讯、打印接口、6 种报警方式选择、自动手动清零、峰值记忆、模拟、频 率、丌关量的转换、输人、闭环继电器、d a 控制输出等功能。可作为压力、拉 力、重量、位移、温度等的测量与控制。 图33m c kz s 系列智能显示控制仪 主要技术指标 输入方式：模拟信号、数字信号、频率信号、丌关信号，与各种传感器配套测量 放大电路：高精度放大电路 采样速度：5 次秒 响应速度：约03 秒 精度：01 ( f s ) ( 2 3 5 ) 显示：宴时检测值、峰值、报警值等 p v ：1 9 9 9 9 1 9 9 9 9 、s v ：一1 9 9 9 9 9 9 9 ，自由设定小数点 p v ：05 6 英寸、s v ：03 9 英寸高亮度l e d 数码 通讯、打印接口：标准z 射t r s2 3 2 4 8 5 双向接口、多机地址编码0 - - 2 5 5 通吼波特率：1 5 0 、3 0 0 、6 0 0 、1 2 0 0 、4 8 0 0 、9 6 0 0 、1 9 2 0 0 b p s 任意设定 报警输出：可选荜氘上l 卜限、偏差内( 外) 、上上限、下下限 丌关量输出：继电器触点06 a ( 2 2 0 v a c ) 、2 a ( 3 0 v d c ) 模拟量输出：0 5 v 、l 5 v 、0 1 0 m a 、4 2 0 m a 可选 电源： 2 2 0 v s o h z 武汉理工大学硕士学位论文 使用温度： 一1 0 - - - - , 5 0 c 3 2 2 表面压溃测试 在几何形状分析中，重量在0 4 - - - 0 6 k g 之间的木瓜占大多数，形状较规则， 所以在重量0 4 - - 0 6 k g 之间的木瓜中随机选取三个做表面压溃试验。测试结果 见图3 4 ，图3 5 和图3 - 6 ，图中纵向表示力单位为n ，横向表示时间单位为s 。 ；i 们 i 量i 矿 一 ；鼍一r - ， l 彳 i -r ( a ) 一号木瓜( b ) 二号木瓜( c ) 三号木瓜 图3 - 4 木瓜前端压溃力一时间曲线 ； ? 罗 z ，； 厂 ；i ，7r rrr l a z 尸 厂 ： ”7 ( a ) 一号木瓜( b ) 二号木瓜( c ) 三号木瓜 图3 - 5 木瓜中部压溃力一时间曲线 ( a ) 一号木瓜( b ) 二号木瓜( c ) 三号木瓜 图3 6 木瓜后端压溃力一时间曲线 1 8 武汉理i ：火学硕十学位论文 从二个图中得到木瓜各个部位蛀大抗捱力见表3 3 。 表3 3 术瓜表面最大抗压力 莉端强凡m ，中酃磕x 山后端砬太m 山 一0 术瓜4 95 0 4 54 l 4 54 4 日本瓜 4 94 3 4 46 54 95 6 二0 术瓜4 98 24 63 6 4 95 0 从表3 3 中可以看出木瓜两头抗压力比中部要大，这与我们平时感觉到的木 瓜两头硬中u j 较软的感觉是一致的。压力平均值为4 7 4 1 n ，测试探头的面积为 5 0 2 4r u n 2 ，则可以计算得知其破裂平均应力为： 。：94 3 8x 1o ，m ： 一 3 2 3 木瓜表面静摩擦系数测试 常温下木瓜表面的静摩擦系数是在木瓜剖切时钳住木瓜的重要数据，所咀 有必要对其进行测试，为了模拟术瓜剖切时的条件，我们只测试木瓜对钢的摩 擦系数。由于试验条件的限制只能措建简易试验装置( 见图37 ) ，试验器材 还是术瓜表面压溃测试的器材。 图37 摩擦系数测试装置 试验方法是将术瓜放在钢制的试验平台上，木瓜与拉力传感器连接。在木 瓜上放置不同质量的砝码拉动传感器，记录力的变化。为了减小试验误差， 选择质量较大的木瓜。试验用木瓜重l3 7 2 k g 。进行三次试验，每次的质量分别 是：木瓜自重、本瓜自重1 05 k g , 珐码、水瓜自重+ 1 k g 砝码。 试验数据见表34 。 武汉理工人学硕十学位论文 表3 - 4 摩擦力数据 质量数值1数值2数值3数值4数值5数值6数值7数值8数值9 k g nnnnnnnnn 1 3 7 20 0 21 7 52 3 25 2 36 3 87 37 1 17 0 87 0 9 1 8 7 20 0 50 8 82 3 94 0 25 6 16 8 28 1 07 9 87 8 9 2 3 7 20 0 81 2 54 3 15 6 37 5 69 1 71 0 2 7 9 0 18 9 7 从表3 4 可以看出三次的最大摩擦力分别是7 3 n 、8 1 n 、1 0 2 7 n 。根据公式 k m g g 可以得出静摩擦系数分别是0 4 7 5 、0 4 4 2 和0 4 4 2 ，平均静摩擦系数为 0 4 5 3 。 由于摩擦系数一t a n q ，所以可得摩擦角为2 4 3 7 度。根据上一章所得到的钳 住木瓜的公式：a 。s 勉。可得钳住木瓜的条件为qs 4 8 7 4 。 3 3 本章小结 本章对木瓜的几何特征及物理机械特性进行了测试与分析，首先对木瓜重 量的分布、长短轴长度、长短轴之比统计分析。采用m c l l 拉压力传感器测试了 表面最大压溃力和破裂平均应力9 4 3 8 x l o s n 小：，测定了常温下木瓜表面平均静 摩擦系数为0 4 5 3 。对木瓜夹具尺寸的设计、木瓜a n s y s 模型的建立和木瓜钳住 条件的计算提供了重要的依据。 武汉理工大学硕七学位论文 第四章基于有限元法的木瓜受力分析 4 1 有限单元分析的基本思想 有限元法是一种数值离散化方法，是将复杂的连续体结构假想分割成数量 和尺寸上有限的单元。根据构件的具体情况，这些单元可以是杆、梁、多边形( 如 三角形、四边形) 与多面体等。单元与单元之间，假设仅在单元的节点上连接。 这种具有有限尺寸的单元称为有限元。将构件分割成单元称之为网格化，这样 把无限个质点构成的连续体转化成为有限个单元集合体的过程称为离散化瞄2 1 。 在有限元法中，常常把节点力或节点变形作为未知数，分别称为力法或变 形求解法。而把单元内部的力表达成这个单元上所有节点力或节点变形的简单 函数。随着所选单元尺寸的减小和数量的增加，近似解愈逼近精确解。对于变 形有限元，为了求得各节点的变形，通常采用虚功原理( 或变分原理) ，列出每 个单元的能量平衡方程组，从而获得单元刚度矩阵。将各单元的方程按照节点 变形连续的方式组合起来，从而获得整个物理的平衡方程组，即结构的总刚度 矩阵。按照给定的变形边界条件和工况完善这些方程组并求解，便可得到各节 点处的变形，然后，再根据已求得的变形，计算各单元的力 5 2 o 使用有限单元法分析工程问题时需要相当大的计算量，单纯依靠人工计算 不仅费时，而且容易出错，实用性差。随着计算机软硬件的发展，根据有限单 元法开发的计算机程序得到广泛的应用，其中比较常用的有：a n s y s ，n a s t r a n ， a d i n a ，a b a q u s ，c o s m o s 等。由于有限元通用程序使用方便、计算精度高，其计 算结果已成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。以