電動錘式搗蒜機的設計與分析

賈梁智,劉 旭,陳孝國,梁寶堅,張勝軍

(黑龍江省八一農墾大學工程學院,黑龍江 大慶 1633319)

大蒜自古就被當作天然殺菌劑，有天然抗生素之稱。數千年來，中國、埃及、印度等國將大蒜既作為食物也作為傳統藥物應用[1]。有研究顯示大蒜的營養價值甚至超過了人參。其中含有200多種有益于身體健康的物質，除蛋白質、維生素E、C及鈣、鐵、硒等微量元素外，最受人們關注的是具有增強人體免疫力的S一烯丙基半胱氨酸(SAC)，以及極具殺菌力的大蒜素[2]。大蒜含有蒜氨酸和蒜酶等有效物質，碾碎后它們會互相接觸，從而形成具有保健作用的大蒜素。因此，大蒜最好搗碎成泥吃，并且要先放10～15分鐘后再吃，這樣有利于大蒜素的生成[3]。

因為搗成蒜泥這種食用方式，人們最初發明了蒜臼子，搗蒜缸，近現代又發明了一些電動搗蒜機構，針對目前市場上的搗蒜機，主要分為傳統搗蒜機構（俗稱蒜臼子）和電動鉸刀式搗蒜機，前者雖能保證大蒜優質的味道，但使用過程過于繁瑣，大蒜的搗碎仍需手工來完成，若使用力量不當，易給手指，桌子，地板造成一定損傷，而后者雖然已經實現自動化處理，但鉸刀高速運轉，嚴重破壞大蒜組織結構，影響大蒜的原質味道，研究新的搗蒜方式使搗蒜過程簡便，速度提高，保證蒜泥的味道質量，所以將傳統錘式和電動鉸刀式搗蒜機的優點相結合，提出一種新型搗蒜機構—電動錘式搗蒜機，將此想法，在UG軟件平臺進行開展，對搗蒜機進行設計—建模—裝配—模擬—分析。如果以上各項數據均達到要求，則此搗蒜機可以用于實際生產加工。

1 錘式搗蒜機結構的總體設計

錘式搗蒜機械的基本結構簡圖見圖1：整個機構搗蒜過程：動力由主動軸2輸入，通過軸上的太陽輪與行星齒輪3，使3、4間的短軸帶動旋轉架5進行轉動；同時，動力由錐齒輪4傳遞至曲軸6，使其轉動；曲軸6、連桿11、搗蒜錘10以及旋轉架5底部的滑道構成曲柄滑塊機構，是搗蒜錘10進行簡諧式捶打；為保證搗蒜錘10具有一定動能，使內缸提升至搗蒜錘行程之內，并用彈簧9連接內缸8和外缸7；最終達到旋轉——捶打的目的，使機器可以均勻地搗勻蒜泥。

圖1 錘式搗蒜機構簡圖

2 搗蒜機中重要機構的設計與選擇

2.1 齒輪機構的設計及工作過程

齒輪機構是整個機械中最關鍵的傳動機構，為達到均勻搗蒜的目的，使蒜錘能夠實現繞軸旋轉和上下運動的捶打工作，我們通過行星齒輪機構和錐齒輪機構[4]（如圖2）來實現此種運動，動力由主動軸輸入，經過行星齒輪機構將運動轉化成為行星齒輪的自轉運動和公轉運動，分別帶動曲軸和旋轉架做旋轉運動。

圖2

2.2 蒜錘與蒜缸的設計

蒜錘的錘頭底面設計為凸面型（如圖3），這樣設計，搗蒜過程中，減小錘頭與蒜瓣的接觸面積，增大了壓強，使蒜瓣更易于被搗碎，設計成凸面型，也能有效防止蒜末飛濺，蒜缸設計時，使蒜缸底部位于蒜錘工作行程之內，為使蒜錘達到完整行程，選用彈性系數K=2000的剛性彈簧連接內缸與外缸，使蒜錘壓縮彈簧并達到完整工作行程，實現搗蒜的目的（如圖4）。

圖3

圖4

2.3 電機的選擇

該錘式搗蒜機采用DD電機作為動力提供裝置，該種電機借助正弦調制和空間矢量調制技術，給電動機提供脈寬可調制的交流驅動電壓，電動機運行時，三相電樞繞組同時接通，在電樞繞組內流過接近于正弦波的交流電流，在工作氣隙內產生“連續式”旋轉磁場，帶動永磁轉子轉動，轉子通過花鍵連接于軸套，進而帶動內筒轉動[5]。運轉過程中，該電機具備的空間矢量變頻技術實現無極調速，無電刷結構避免了電刷與換向器之間接觸形成的摩擦，防止了電磁干擾和摩擦噪音[6]。用此種電機有效減小了搗蒜機的體積，通過其無級變速的功能，省去了對減速器的設計。

3 錘式搗蒜機工作過程的仿真模擬

利用UG三維繪圖軟件對搗蒜機搗蒜過程進行仿真模擬，運動過程（如圖5）.曲柄帶動蒜錘做360°旋轉，并上下做往復式運動，實現全方位搗蒜。

圖5

利用UG仿真模塊[7]運行后，可得出蒜錘沿豎直方向v-t曲線，蒜錘的運動為簡諧運動，將數據導出得到圖6曲線。由圖6可知曲柄帶動蒜錘做往復式運動，蒜錘所具有的最大速度為631mm/s,頻率較高，1s可完成約3次完整錘擊運動，蒜錘到達底部與蒜瓣接觸時，導出f-t曲線，（如圖6），可知蒜錘對蒜瓣的沖擊力達到400N以上，使蒜瓣被壓潰，能保證搗蒜要求。

圖6

4 結論

本實驗設計了一種新型搗蒜機器，并對整個搗蒜工作過程進行了分析，較之前傳統手工搗蒜方式和鉸刀式搗蒜方式有了更進一步的整合和提升，既提高了搗蒜的速度，同時也保證了蒜泥的口感，也為今后搗蒜機械的設計提供了研究方法，通過對搗蒜機進行仿真模擬試驗，得出了蒜錘運動速度與時間，蒜錘錘擊力與時間關系曲線，對今后搗蒜機的設計優化有了一定的指導，本實驗不足之處，為搗蒜機成本過高，搗蒜機拆卸清洗時不夠方便，望今后研究者可以研究出更為經濟簡便的搗蒜機械。

[1]陳雄，喬昕，馬麗.大蒜油提取的比較研究[J].食品工業科技，1999(05)：16-18.

[2]鳳凰網健康綜合，大蒜十二種不可不知的健康功效，[EB/OL]http://health.ifeng.com/diet/food/detail7571055_4.shtml,2011-07-08/2014-07-10.

[3]何洪巨.營養與保健[J].生命時報，2013(12).

[4]黃開旺.G產品造型實例教程[M].化學工業出版社，2010.

[5]王忠卿，石新國.滾筒洗衣機環保節能洗滌技術的應用[J].家電科技雜志，2013(01)：25-28.

[6]龔熙戰.新型直驅變頻洗衣機的設計要點[J].現代家電.2010.(08)：48-50.

[7]許傳俊，田新誠.工業機器人三維仿真系統的設計與實現[M].高等教育出版社，2002.