冬瓜去皮机用冬瓜夹持主轴的设计及校核

夏侯超 何雨峰 肖 瑶

（北京航空航天大学沙河校区，北京102206）

1 概述

生活中很常见的冬瓜，与中秋月圆之际的月饼之间，存在着千丝万缕的联系。其实，月饼等很多糕点的馅料当中都含有冬瓜，不仅因为冬瓜蓉可以延长保质期，提升口感，更重要的是，冬瓜的营养价值非常高，具有美容养颜等作用。然而，由于冬瓜皮太硬，冬瓜的快速高效去皮一直是糕点厂的一个难题。传统手工去皮方式因效率较低、人工成本高而难以满足目前的需求，在此背景下，代替人工的自动化冬瓜批量去皮机应运而生。在自动化冬瓜去皮机的工作过程中，夹持冬瓜的主轴尤为关键。其需要保证能够将冬瓜稳定地固定在指定位置，它的强度、刚度及稳定性问题都会对自动化冬瓜去皮机的工作效率及工作安全性产生巨大的影响。

2 模型建立

由于冬瓜去皮机的冬瓜夹持部分为左右对称结构，在工作时，左右两部分对称位置受力大小相同，方向相同，故只需研究某一边的受力情况，即可得到该夹持装置强度分析结果。将电动机、联轴器、轴承及轴承座、主轴部分简化为如下三维图形：

图1 夹持主轴三维简化图

轴承座对主轴起到位置约束作用，对主轴作用力方向沿铅锤方向。当夹持冬瓜后，轴承座对主轴有向上的支持力，可简化为在轴承处的集中力，防止主轴夹持冬瓜后出现铅锤方向的位移。为了便于对机构进行受力分析，简化机构如下：

图2 夹持主轴简化图形

3 总体设计

3.1 冬瓜参数设定

重量：m=10kg

轴向长度：l=600mm

直径：D=250mm

3.2 电动机参数设定

电机转速：r1=750r/min

功率：P=2.2kw

减速传动比：i=2:1

3.3 主轴参数设定

轴向长度：l=600mm

直径：d=25mm

主轴转速（经减速）：r2=150r/min

主轴材料：45 号钢（未经调质处理）

4 强度校核

4.1 冬瓜处于正中心（定位准确）

（1）受力分析

图3 夹持主轴受力分析

主轴在弯矩与扭矩的作用下，符合弯扭组合变形的特点。

图4 夹持主轴内力图

（2）强度校核

应用第四强度理论[1]进行强度校核：

由此可见，轴的设计合理，正常工作时处于安全状态。

45 号钢（未经调质处理）相关数据：

弯曲疲劳极限：σ-1=255MPa

剪切疲劳极限：τ-1=140MPa

许用弯曲应力：[σ-1]=55MPa

许用弯曲应力[σ-1] 是指对称循环变应力时轴的许用弯曲应力，上述的值45 号钢未经调质处理时的许用弯曲应力值[2]。

4.2 冬瓜偏离正中心（定位有偏差）

假设偏心距e=50mm

图5 冬瓜偏心时的受力

此时主轴扭矩：T'=T+T0=72.48N·m

此时仍可按照弯扭组合变形进行计算：

应用第四强度理论进行强度校核：

由此可见，当偏心距在一定范围时，轴的强度符合要求，处于安全状态。

5 结论

通过对所设计冬瓜去皮机的主轴夹持部分进行机构简化，并对其进行受力及强度分析，根据分析结果，得到冬瓜去皮机主轴夹持部分的适合尺寸及材料；通过对冬瓜偏离中心的情况的分析，发现在偏心距<5cm的情况下，主轴处于安全状态。此主轴的设计方案，为冬瓜去皮机的正常运行提供了有力的理论支撑。面对中国每年接近14 亿的月饼需求，冬瓜去皮机作为自动化生产线的一部分，在糕点厂等食品加工厂中具有非常广阔的应用前景。