一種自動穿串裝置的設計

李長安，鄧立君，陳笑天

（濱州學院機電工程學院，山東濱州 256600）

0 引言

燒烤是我們日常生活中娛樂方式之一[1]。目前，國內外許多肉類加工企業中，對食品進行穿串的工作都是由工人采用純手工方式完成[2-5]。這種方式缺點很多，例如穿串不衛生、生產勞動效率低下等。為了解決這一系列問題，設計了一臺能實現自動穿串的裝置來代替手工穿串。

本文介紹了穿串傳動系統和穿簽控制機構設計方案與選定，并對所用的齒輪、鏈輪進行了詳細計算。主要采用交流伺服電機、帶傳動與鏈傳動達到肉塊傳送分切和穿插動作，進而實現穿串動作的完成[6]。

此機構具有結構精巧、自動化程度高的優點，能有效解決傳統手工穿串的弊端。穿串效果好，速度快，老人、孩子及能力較低的工人都可快速地操作，合理解決生產效率低、雇人難等問題，提高經濟效益[7]。

1 自動穿串裝置的總體設計

自動穿串裝置[8]主要由3個部分組成：肉塊傳送裝置、肉塊成型分切裝置、穿簽控制裝置，如圖1所示。

2 穿簽控制機構

2.1 穿簽箱的結構設計

如圖2（a）所示，放置分切好的肉塊的箱體為1個方盒，這樣設計是為了在成型分切時方便固定。底端槽的寬度設計為35 mm，底端通過這個槽口可以在穿簽工作時固定在傳送帶上，可以防止穿簽箱在穿簽時發生擺動。圖2（a）中，穿簽箱由3個部分組成：穿簽方盒外殼、方盒內格、推送板。穿簽方盒外殼按照工作要求與肉串的實際結構如圖2（b）所示，長200 mm、寬200 mm、高300 mm。穿簽箱里裝配1個方盒內格，如圖2（a）所示，設計尺寸為長180 mm、寬180 mm、高240 mm。推送板的尺寸與方盒內格的底面積大致相似，與內格間隙配合。當最底端的推送板沿著方盒內格被推送的機構推出后，由于重力原因，穿好的肉串會落在預定的軌道中。此機構對不同的肉串形狀設計不同的穿簽箱模具。

圖1 自動穿串裝置整體

圖2 穿簽箱結構圖

2.2 穿簽推送機構的設計

如圖3所示，穿簽推送機構由3個部分組成：曲柄滑塊機構、穿簽推送電機、傳送帶機構。前兩部分機構布置在工作臺上完成打簽，傳送帶裝置完成穿簽箱的運輸。

當穿簽箱最底層的肉塊達到預定地方時，時間繼電器閉合，電動機開始工作。它帶動機構上的軸連續轉動，由于電動機與帶輪的順時針轉動而使工作臺上的曲柄滑塊機構上的曲柄做順時針旋轉，滑塊機構平移運動，工作臺上的竹簽箱能夠左右移動某個距離（該距離等于或略大于1個方盒穿簽箱的直徑），通過曲柄滑塊機構的轉動，傳感器的工作竹簽通過落簽孔落入相應的打簽模具內，推送電機將竹簽推送到穿簽箱方盒模具中。

圖3 工作臺

3 關鍵零部件的仿真分析

3.1 基于SolidWorks Simulation軸的靜應力分析

本論文采用SolidWorks軟件進行三維建模，在建模過程中盡量反應輸出軸的形狀和特點，做出合理的簡化處理。通過三維建模，可以做到最真實的有限元模型。根據輸出軸的運轉工作，對軸進行施加扭矩，根據實際的工作情況，將軸的一端的表面作為約束面，由于軸只受扭矩力，扭矩為1 017 N·m。對其進行仿真計算，結果如圖4、圖5所示。

圖4 輸出軸的應力仿真分析

圖5 輸出軸的位移仿真分析

在SolidWorks Simulation軟件中，在已有的三維圖的基礎上對輸出軸進行靜應力分析，根據以上的靜應力分析結果可知，輸出軸所受的扭矩力產生的應力最大值為5.879e+007 N/m2，最小值為1.000e-000 mm，且最大應力值小于7.100e+008 N/m2；應變的變化在可允許范圍之內，滿足仿真要求；集中應力主要出現在軸的中間位置，位移主要表現在主軸的左端，不過位移量較小，能夠保證運行期間的穩定性。為了提高輸出軸的強度，應該采用鋼制材料。

3.2 基于SolidWorks Simulation工作臺的靜應力分析

根據工作臺的實際運行情況可知，工作臺的主要受力來自于電動機與曲柄機構的自重。且工作臺的主要受力方式為豎直的靜力。對工作臺進行固定，在穿簽機構的接觸面施加靜應力。針對所設計的夾具和載荷，利用Solid?Works Simulation對穿簽工作臺進行靜應力分析，所得結果如圖6、圖7所示。

圖6 工作臺應力仿真分析

圖7 工作臺位移仿真分析

對于穿簽工作臺的靜應力分析，主要步驟是：首先選擇工作臺的材料為鋼，然后根據實際運行的情況對工作臺的內壁和4個螺孔進行固定，接著對工作臺的接觸表面施加載荷為300 N，運行得出結果。根據以上的靜應力分析，穿簽箱工作臺的應力最大值為2.836e-003 N/m2，最小值為1.400e+003 N/m2，遠遠小于屈服力7.100e+008 N/m2，故可以滿足要求。應力主要集中在與工作臺接觸的表面，應在工作臺表面噴涂高硬度合金材料，并在表面高硬度合金材料磨損時能夠及時進行修復，保證工作臺的耐磨性和使用壽命。工作臺的最大位移量為1.397e-007 mm，可知位移量遠遠小于工作臺的整體尺寸，穿簽工作臺所受到的位移變形量較小，但位移量主要表現在工作臺的表面與電動機接觸的部位，能滿足設計強度的需求。

4 結束語

本文通過國內外的食品機械現狀的研究，從總體設計入手，設計了穿簽控制機構，最后針對主要的零部件進行了有限元分析，得出了以下結論。

（1）在穿串裝置結構設計方面，對肉類傳送機構、肉塊成型分切機構和穿簽控制機構進行了創造性設計，改變了以往的單層穿串，設計了5層穿串裝置的穿簽箱，此設計能夠更快速的穿簽。肉塊傳送機構、肉塊成型分切機構能夠保證肉塊原料更好地成型，而且穿簽機構中的工作臺升降機構的設計大大提高了總體穿串效率。在打簽機構設計方面，選用推桿電機，更好的節約成本，能夠做到在穿簽出故障時更便捷的更換，減少了工作量。

（2）對自動穿串裝置的總體傳動方案進行分析，最終達到對方案確定；根據總體設計的產量選擇了更為合適的電機，確定了以帶傳動為基礎的傳動方式；針對主軸進行了對主軸的校核和驗算。

（3）對軸、工作臺進行了靜應力分析，通過分析發現針對自動穿串裝置總體和零部件更好的設計。該設計達到在實際工作條件下對于零部件的要求。