一种防油溅锅盖结构设计与研究

韩飞坡，郭家伟，王 佐，谈 波，韦传杰

(马鞍山学院 1.智造工程学院；2.大阪医工学院，安徽 马鞍山 243100)

随着“十三五规划”推进、“健康中国”战略布局落实，大健康产业也迎来了新的发展契机[1]，人们对食物的要求也由填饱肚子趋于健康饮食，在众多的美食中，使用食用油烹饪的中国式菜肴因其香气诱人、口感爽而备受人们的喜爱，但是烹饪过程中油烟对人体产生的危害及油溅引起的厨房卫生问题已经成为众多学者关注的焦点[2-3]，诸如含水食材与高温食用油接触瞬间溅起的油滴伤人事件屡见报道[4]。此外，溅起的油滴运动几乎无规律可言，造成油渍喷射至厨房周遭的后果，不仅增加了清洁成本，也带来了安全隐患。此类问题产生的根源是烹饪过程中烹饪者将锅盖掀起，锅体完全敞开无法实时控制油溅，文献[5-6]从人身安全角度出发对不同油煎锅食用油油量、锅体尺寸、油温等因素进行了规定，然而人类对如何解决烹饪过程中的油贱问题还束手无策。

近年来，炊具及炊具配件一直在不断地发展与创新，且需求量日益剧增[7-8]，为了更好的改善烹饪者烹饪条件，本课题组针对烹饪过程中的油溅问题并结合现有传统锅盖设计出了一种防油溅锅盖，基于成本及安全性因素方面考虑，该锅盖采用无源驱动的滑块摇杆机构来实现锅盖的实时开闭，滑块摇杆机构与转板联动成圆周阵列布置，可与现有传统锅体匹配并能正常使用。本方案不仅可以在厨房用具领域做进一步生产推广，同时也为开闭机构设计提供了一种全新的设计思路。

1 防油溅锅盖结构设计

1.1 防油溅锅盖结构组成及功能

为防止烹饪过程中油滴溅出，本文设计了一种可实时开闭合的防油溅锅盖结构，锅盖如图1所示，主要由下料盖、开闭盖两部分组成。

防油溅锅盖结构放置到锅体上，将要炒的菜放置到下料盖内，此时开闭盖闭合，因此菜不会掉入锅内，如图2所示。确定菜下锅时，打开开闭盖，此时菜会掉入锅内，在这个过程中，由于防油溅锅盖结构与锅体完全盖合，油不会溅出，如图3所示。不需对菜实施翻炒时，可以关闭开闭盖，需对菜实施翻炒时，可以再次打开开闭盖。

1.2 防油溅锅盖结构开闭盖工作原理

防油溅锅盖结构开闭盖机构运动简图如图4所示。开闭盖机构由五组成圆周阵列布置的滑块摇杆机构组成，每组滑块摇杆机构具体包括盖架、滑槽、连杆、转板组成，其中滑槽为五组滑块摇杆机构共用的一个圆形滑槽。滑槽与盖架之间为移动副，滑槽与连杆之间通过活动铰链A形成转动副，连杆与转板通过活动铰链B形成转动副，转板与盖架通过固定铰链C形成转动副，固接在盖架上，综上，滑槽绕自身中心转动带动连杆、转板转动，最终实现转板的开闭，滑槽的转动提供本机构所需的动力。

现以一组滑块摇杆机构为例阐述开闭盖的具体工作原理。图5所示为一组滑块摇杆机构的工作过程，图5中转板实线位置为完全闭合状态(转板B1CO)，转板虚线位置为完全打开状态(转板B2CO2)。当滑槽在盖架所确定的圆形轨道内逆时针转动时，滑槽通过铰链A推动连杆，连杆通过铰链B推动转板转动，转板逐渐向盖架中心运动，五片转板同时运动到中心点时，实现了整个机构闭合。反之，当滑槽在盖架所确定的圆形轨道内顺时针转动时，滑槽通过铰链A拉动连杆，连杆通过铰链B拉动转板转动，转板逐渐远离盖架中心，五片转板同时运动到盖架边缘时，实现了整个机构张开。烹饪过程中，通过控制开闭盖机构的开合就可以保证油滴不向外四溅。

图5 开闭盖工作原理

1.3 防油溅锅盖结构开闭盖机构尺寸设计

经调查，炒锅的直径分布在26～42cm之间，将开闭盖机构中的转板简化为连杆，设计防油溅锅盖结构开闭盖主要机构尺寸如图6所示，滑槽转动轨迹圆直径为d=410mm，盖架C铰链位于直径d1=270mm的圆上，lA1B1=l1=135mm，lB1C=l2=147mm，lCO=l3=100mm，∠B1CO=58°，对于转板弧边具体尺寸可以根据实际需求，进行弧度设置，装配后不干涉即可。

图6 开闭盖机构运动尺寸设计

图7 开闭盖机构主动摇杆极限摆角分析

现对该滑块摇杆机构的滑块极限摆角进行分析，将滑块简化为连杆，则防油溅锅盖结构开闭盖机构进一步简化为图7所示四杆机构。经计算，最短杆与最长杆的长度之和大于其余两杆的长度之和，因此该滑块摇杆机构为双摇杆机构，主动摇杆为AO，最长摇杆为AO，当从动摇杆BC和连杆AB拉直共线时，摇杆AO处于两极限位置AO1、AO2，其极限摆角为φ[9]。

(1)

计算得φ=181.57°

开闭盖机构在工作过程中，主动摇杆转动角度应仅为其极限摆角的一部分，根据设计要求，在图6中，开闭盖机构在由闭合到完全开启状态，转板中心处角点应由O点至少应转到CB1直线上，即转板应该转过58°。

1.4 防油溅锅盖结构开闭盖机构自由度计算

防油溅锅盖结构开闭盖机构5块转板应该能协同作用实现开闭盖的开闭，即每个转板有确定的运动，在图4中，以一组滑块摇杆机构为例来计算，该机构共有3个活动构件，分别为滑槽、连杆、转板，4个低副即滑槽与盖架之间的移动副和转动副A、B、C，所以该滑块摇杆机构自由度为F=3×3-4×2=1，则防油溅锅盖结构开闭盖机构自由度为5，能够实现5块转板的转动，最终实现防油溅锅盖结构开闭盖开闭功能。

2 防油溅锅盖结构建模

根据图6提供尺寸数据，在Soildworks软件中建立防油溅锅盖结构的三维实体零部件模型，根据上述防油溅锅盖结构各个构件间装配关系，建立防油溅锅盖结构装配体模型，运用Soildworks软件自带的评估模块对防油溅锅盖结构进行运动干涉检查，结果显示无干涉，表明所设计锅盖满足初步的安装设计要求，如图8所示。

图8 防油溅锅盖结构模型

3 防油溅锅盖结构开闭盖运动性能仿真

在图6中，OC杆绕C点顺时针转动58°时，A1点应该转动到A2点，为保持开闭盖机构操作平稳性，滑槽与盖架至少有5处移动副，且每处移动副要求转板滑槽具有一定的弧长，由于滑槽上需要预留与转板铰接位置，因此要求弧A1A2弧长(即推杆A1B1的行程)小于盖架滑槽周长的五分之一，且在运动过程中B1点(即转板上的B点)不应出现死点。

将Soildworks软件中建立的防油溅锅盖开闭盖机构三维实体模型进行简化，导入Adams软件中，导入后设置各个构件的质量及材料属性、添加各个构件之间约束副、添加驱动、设置仿真运行时间为32.5s，转速1°/s，结果如图9所示[10]。

对每个转板在盖架中心处角点运动轨迹进行分析，设为5块转板的中心处角点为K1、K2、K3、K4、K5，同时验证推杆的行程是否满足要求，即图6中弧A1A2长度是否小于盖架滑槽周长五分之一。

图10、图11分别给出了K1、K2、K3、K4、K5五个角点在开闭盖机构开启过程中运动轨迹、位移幅值，图12则提供了转板在开闭盖机构开启过程中转过的角度。K1、K2、K3、K4、K5五个角点在32s内由转板中心处向外运动，且最终完全开启后不遮挡底板预留孔径(直径260mm)，五个角点运动速度及幅值相同，5条位移幅值线重合为一条线，在该运动过程中，转板绕相应的铰链转过58.15°，与前期设计要求的58°一致，推杆的行程与滑槽周长比值为i。

即弧A1A2长度小于盖架滑槽周长五分之一，不影响滑槽上需要预留与转板铰接位置。

图9 Adams中防油溅锅盖结构开闭盖机构图10 开闭盖机构转板中心角点运动轨迹

图11 K1、K2、K3、K4、K5五个角点位移幅值

图12 转板转动角度

图13给出了开闭盖机构传动角，该图表明该机构传动角由63.8°变为27.9°，机构在开启过程中传力性能越来越差，但未出现死点，锅盖开闭盖机构开启过程中实际需求动力很小，允许有较小的传动角[11]，锅盖开闭盖机构闭合过程中其传力性能则相反。

图13 开闭盖机构传动角

综上，防油溅锅盖结构开闭盖机构运动性能满足使用要求。

4 结论

针对日常生活烹饪过程引起的油滴溅落造成厨房周遭环境恶劣的情况和安全隐患，设计了一款手动防油溅锅盖结构。对防油溅锅盖结构工作原理、自由度进行了分析；根据我国居民使用锅体尺寸大小对锅盖主要零部件进行了尺寸设计；利用Soildworks软件完成了对该锅盖建模及装配，进一步的利用Adams软件对防油溅锅盖开启过程中每个转板开启耗时、转过角度、中心角点运动轨迹与位移幅值、机构传动角进行了仿真，结果证明防油溅锅盖设计合理满足使用要求。锅盖操作简便、体积小、重量轻、可以随时开闭，非常适合目前家庭保洁厨房烹饪者使用，对其他厨具设计与研发具有一定的指导意义。