水果削皮机的工业工程设计论文

本科毕业设计(论文)

题目：水果削皮机的工业工程设计

院 （系）： 机电工程学院 专 业： 工业工程 班 级： 学 生： 学 号： 110217 指导教师：

2015年 6月

水果削皮机的工业工程创新设计

摘 要

本文主要研究对苹果削皮机的创新设计，各结构单元的设计首先是分析设计背景，了解目前研究现状的优缺点，通过分析、比较来确定一种最合理的传动系统方案以实现既定的功能要求。最后结合人因工程相关理论知识，对各构件的主要参数与结构尺寸进行详细设计。整个系统机构设计简单小巧，结构精妙，性能稳定，完全颠覆了传统的水果削皮机功能单一，装配复杂，去皮效果不佳的工作模式。

设计的主要内容包括：

（1）整机方案确定：基于人机工程原理，对包括插果机构、削皮机构、切片去核机构、固定机构，进给机构以及机架进行优化创新设计。

（2）进给机构设计：引用车床车削工件的原理，由手柄、连杆、进给轴和叉刀组成的横向进给能很好地满足去皮要求。

（3）削皮和去核机构设计：由弹簧、刀具台、去皮刀具组成的随行去皮机构能与被切削物很好地贴合，且去皮厚度和宽度可调，配合切片去核刀具，能很好地完成被切削物的去皮、去核与切片，通过换装刀具，还能实现切丝等功能，完全改变了以往削皮机功能单一，不能满足日常需求的现状。

（4）固定机构的设计：本机采用吸盘固定的原理，将吸盘与底座相连，利用弯曲摇杆的摆动实现机器的固定与松动，方便使用。

（5）三维建模及关键部位有限元分析：利用SolidWorks实现水果削皮机的三维建模，并对进给机构的运动进行仿真；本文还利用有限元分析软件ANSYS对部分零件进行了结构分析和强度校核。

关键词：苹果削皮机，多功能，SolidWorks，，强度校核，人机原理

设计，优化创新

Design and Development of an Apparatus for Grating and Peeling

Fruits and Vegetables

Abstract

For the design of apple peeler each function unit ,the first step,the design background is analyzed, the advantages and disadvantages of the research status are understood. The most reasonable transmission system solution to realize the function of the set function requirements is determined through analysis and comparison. Finally combining human factors engineering related to theory knowledge, the mechanism of the main parameters and structural dimension are designed in detail.The entire system ingeniously design simple mechanical , compact structure, stable performance, change the operation mode of traditional fruit peeler’s a single feature and peeled ineffective completely.

The main content of the design include:

（1）Finalize the whole plan: based on the ergonomics principles, the optimized design including the insert fruit mechanism, peel mechanism, slicing to the core mechanism, fixing mechanism, the feed components and rack are carried out.

（2）Feed mechanism design: referring to the principle of the lathe turning workpiece, transverse feed by handle, connecting rod, feed shaft fork and knife of peel can meet the requirements well.

（3） Mechanism design for peeling and piting : peeling mechanism composed of spring, cutting tool base, peeling knives can be cut and fit well, and peel thickness and width is adjustable, it is well done by cutting the peel of content, to nuclear and slice with sliced to nuclear tool, through changing the cutting tool can also realize wire cutting, completely changed the present situation of previous peeler’s single function and not satisfy the daily requirements. （4）Design of fixed mechanism: this machine adopts the principle of chuck fixed and connects the suction cups to the base, uses the pendulum motion of bending rocker to realize the machine fixed and loose and it is easy to use.

（5）3D modeling and Ansys for key posts: build the 3D modeling of fruit peeler by using Solidworks and carry on the feed mechanism movement simulation; This paper has also carried on some parts’ structure analysis and strength check by using Ansys, the finite element analysis software.

Key Words: apple peeler, multi-function, Solidworks, strength check, design of ergomonics engineering principle, optimzation and innovation

II

目录

中文摘要 ...................................................... Ⅰ 英文摘要 ...................................................... Ⅱ 1 绪论 ......................................................... 1

1.1 前言 ................................................................ 1 1.2 苹果削皮机的研究现状 ............................................... 1

1.2.1苹果去皮机发展现状调研 ......................................... 1 1.2.2 苹果去皮机调研结果分析 ......................................... 4 1.3 论文的主要研究内容 .................................................. 7

2 总体方案设计研究 ............................................. 8

2.1设计目的 ............................................................. 8 2.4水果削皮机的性能要求 ................................................. 8 2.5总体方案设计 ......................................................... 9 2.6 可行性对比分析 ..................................................... 10

3 SolidWorks三维建模和运动仿真 ................................ 11

3.1 SolidWorks简介 ..................................................... 12 3.2削皮构件的设计 ...................................................... 12

3.2.1削皮刀具的设计 ................................................ 12 3.2.2 刀具台的设计 .................................................. 14 3.2.3弹簧的设计 .................................................... 17 3.2.4削皮机构的结构特点 ............................................ 18 3.3挖心切片刀设计 ...................................................... 18 3.4固定吸盘的选择 ...................................................... 20 3.5进给机构设计 ........................................................ 21

3.5.1 进给轴的设计 .................................................. 21 3.5.2叉刀头的设计 .................................................. 21

III

3.5.3手柄的优化设计 ................................................ 22 3.6削皮机的配色 ........................................................ 26 3.7三维建模装配体的材料属性 ............................................ 28

4 设计校核 ................................................... 30

4.1 弹簧的校核 ......................................................... 30

4.1.1 弹簧丝横截面上的应力 .......................................... 30 4.1.2 弹簧的变形 .................................................... 31 4.1.3 拉伸弹簧的校核 ................................................ 31 4.1.4 固定弹簧的校核 ................................................ 32 4.2真空吸盘的选取 ...................................................... 32 4.4刀具的ANSYS分析 .................................................... 33

4.4.1 ANSYS简介 .................................................... 33 4.4.2 ANSYS分析的主要步骤 .......................................... 33 4.4.3去核切片刀具有限元分析 ........................................ 34 4.4.4 去皮刀具有限元分析 ............................................ 36

5 总结和展望 ................................................. 38

5.1 总结 ............................................................... 38 5.2 展望 ............................................................... 38

毕业设计（论文）知识产权声明 .................................. 41 毕业设计（论文）独创性声明 .................................... 42

IV

1 绪论 1 绪论

1.1 前言

水果中含有较多的营养物质，但是现代生产的各种农药激素在蔬菜表面都有残留。有的人可能会说，水果洗了几次，并且用开水和洗涤剂消毒消毒之后，果皮上不就没了农药了吗？结果并不是这样，因为农药经过单纯的冲洗是不可能完全洗掉的，果农在管理果园时，从始至终，一直都在使用农药，时间一长，一些农药必定会残留在果皮里，像敌敌畏、敌百虫等毒素，这些农药对人体虽然只有有一点的毒性，但就算少量的也对儿童也极为不利。

水果果皮还有各种各样的细菌、寄生虫卵，有的是运输时或采摘时的员工手上污染的。有的是销售时用污水浇洗污染了的。据调查，有的地方水果果皮上大肠杆菌残留量达68%~96%。吃水果时，如果不削皮，就会连留在水果皮上的污物也一起吃进去。轻者会呕吐腹泻，重者则会危及生命。我们如何消除水果表皮上的残留物呢？一般来说，可以有以下几种方法清除：

第一是清水浸泡法，将买来的水果用清水浸泡30分钟以上，之后反复冲洗两三次，这样就可以除去部分残留农药。还可以使用果蔬洗剂之类的清洁剂，加大农药的溶出。

第二是碱水浸泡法：先用5%碱水浸泡5分钟以上，然后再用清水洗涤两三遍。 第三是开水浸泡法：将洗净的水果放入开水中泡3至5分钟，再用清水洗涤1至2遍。 第四是去皮法：对于带皮的水果，如苹果、梨等，先清洗一遍，再去表皮，这种方法就可以彻底去除水果表面的农药残留。

第五是储藏保管法：可以将水果买回后储藏15天左右，也能有效降低农药残留的毒性。

以上方法对于水果表皮残留的农药清除有良好的效果，既可以保证水果的营养成分，也让食用者更放心。但清水浸泡法、碱水浸泡法、储存保管法耗时太长，操作不便。开水浸泡法会烫伤果肉，营养成分降低。总之去皮法比较简便，即食即用，不会损伤水果的营养成分，这样一来水果去皮机的研制就十分必要。

1.2 苹果削皮机的研究现状

1.2.1苹果去皮机发展现状调研

目前苹果削皮机的研究和设计吸收了国内外众多设计成果的优点，正在不断完善中。而且，各种前沿技术也在不断在尝试使用到削皮机中，以提高果蔬的削皮质量和速率。比如基于计算视觉的水果无损检测技术、图形识别技术等先进技术都被提了出来，在削皮机中尝试着使用。在国内，水果削皮机的发明可以说是非常丰富，光公开的水果削皮机的专利数量超过20项，而且，现在市场上，各类苹果削皮机聆郎满目，为了深入了解苹果去皮机的发展现状，分析苹果削皮机各自存在的优缺点，进而开发出一种全新的、工作效率

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1 绪论 高的苹果去皮机，调研了以下苹果削皮机生产厂家。

a.深圳市际实业有限公司------实用水果削皮机 1）产品介绍该苹果削皮机的插果轴线垂直放置，利用齿轮机构与凸轮机构传递运动与动力，最终实现刀具由下到上绕苹果表面旋转去皮。全塑料材质，机身精致，小巧易用，让苹果去皮工作充满乐趣。

图1.1 立式家用水果削皮机

2） 操作步骤

（1）装上手柄，将苹果削皮器放置在桌面上固定； （2）将苹果竖直插入叉针上；

（3）转动手柄，刀头就会从苹果的底部开始向上旋转，沿着苹果表面旋转，直到苹果头部，工作结束后刀就会离开苹果。

3） 注意事项：当刀头切削时，如果苹果表面被卡住，不要用力旋转手柄，应倒旋手柄，使刀头离开被卡处。

产品材质 优质高级塑料

产品规格 20.0×15.0×18.0cm 4） 分析不足之处

（1）该类去皮机需要手动按压上果，容易伤手；

（2）苹果表面不平整时，特别是在凹凸表面处，容易卡住，故切削有局限性。 b .蚌埠市超越食品机械有限公司半自动果蔬去皮机

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该水果削皮机也是将果蔬立式放置，刀具与水果接触切保持不动，电源提供动力带动果蔬旋转，达到自动去皮的效果。

图1.2 半自动水果削皮机

2）操作步骤

（1）装上4节5号电池，将水果削皮机固定放置在桌面上；

（2）将果蔬放到叉刀头上固定好，调节刀具与果蔬顶部接触； （3）开动电源，当削皮结束时关闭电源。 3）分析不足之处

（1）该类水果削皮机容易发热，在不间断工作的情况下容易烧坏电机； （2）由于运用的是5号电池，电量耗费严重，有浪费，不环保； （3）价格较普通家用水果削皮机来说不具有竞争力。

c .江苏省昆山亿鸿食品机械有限公司——全自动高速苹果（梨）去皮开瓣机

全自动苹果（梨）去皮开瓣机适用于罐头、干袋、果脯等深加工的食品厂家使用。苹果、梨的大小形状只需适当分级就可以通用，根据加工要求可以选择加装去皮后开瓣装置，高效简便、美观大方。

此苹果去皮切片机为全新技术投入开发的新产品。这种机器适用于各地区不同品种，针对加工生硬的苹果，果型异常，形状大小不同的苹果去皮、去芯、切片。本机为多功能一体机，由人工上料，通过柔性刀组去皮，去皮厚度≥1.5mm，每个小时用耗电量为5.4KW，机械加工能力为70~100个每分钟。

去皮切片机的设计是有20个工作单位，每个单位安装有独立的刀片，可以实现单独去皮、去芯、开瓣。正常工作时配备两到三个人员将苹果插在三角刀上，再将苹果定位，去皮设计为盘式20个工作单位，安装在一个大转盘上。工作时大盘由电机控制其转动速度，被插住的苹果随着转盘旋转，去皮工作开始，苹果被大盘带入到去皮区，苹果自动开始旋

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转，去皮刀具由下至上的拉起，通过苹果的自转，去皮刀贴合在苹果的外侧，苹果皮被刨去。被去皮的苹果继续进入下一组工作区（切片）进行切片，切片刀设计为活动的，可以调节切片厚度5~15mm，根据加工需要不同也可以将切片去除，不进行切片。完成切片的苹果进行下组冲芯区，因为切片厚度要不小于冲刀的外径，所以冲芯后的苹果会被加工成为苹果圈，根据要求不同苹果也可以加工成6瓣或者8瓣。

图1.3 昆山亿鸿食品机械有限公司的削皮机

1）工作程序

（1）苹果原料提升→水浮式集料槽→人工上料→去皮→切片→冲芯→成品；

（2）按实际工艺可完成多种品种类型，如去皮后只冲芯，或去皮开两瓣，去皮后开4、6瓣，去皮后切成5~10mm厚的圈，还可以加工成扇形片，可一次加工成10×10×10或15×15×15的方块，功能十分强大；

（3）根据员工的实际操作能力，每分钟确保75~85个的加工量，设备的加工能力也可以上调，最高可达100~110个，连续使用整台设备只需3人操作。 2）分析不足

（1）由于是多工位削皮，工作台的连续转速较快，手工插果时必定会有漏插的现象，而且插果过程中容易伤到手。

（2）去皮机在工作时，需要的人力较多，加工成本高。不适用于家庭或一般水果店小批量的水果加工。 1.2.2 苹果去皮机调研结果分析

根据走访调研所得的资料与信息，分析、总结与归纳出当前的苹果削皮机大体分为一下几类：

（1）单果手动去皮机（第一类）

如图所示，工作时水果不动，摇动手柄，通过齿轮传动带动刀具工作，由于齿轮传动

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效率较低，造成削皮是费时费力，效率低下。塑料的机身注定了他的耐用度低，不能符合现代人对于家用水果削皮机的需求。不过其低廉的价格使其在水果削皮机的市场中有很大的保有量。

图1.4 立式单果手动去皮机功能示意图

（2）单果半自动削皮机（第二类）

作为手动去皮设备的延伸，这类削皮机大大提高了工作的效率，其工作原理如下图所示，外观新颖，去皮效果佳，但是价格较一般的手动削皮机来说很贵，由于设计目的是为了满足家庭需求，所以采用的是小型电机，用电池或220V插座提供电源，连续工作时容易发热。

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图1.5 单果半自动水果削皮机工作原理示意图

（3）单果自动削皮机（第三类）

其工作原理如图所示。该类水果去皮机有一个转盘，转盘上设有数个苹果转动插针，均匀分布于圆盘的圆周之内。首先，人工将苹果插于苹果插针固定，圆盘转动一定角度，处理完后苹果被送于去皮工位，完成去皮工作，圆盘继续转动一定角度，待苹果完成切片工序，圆盘继续转动，苹果被送去去核工位，在该工位苹果核被去除，完成一个工作循环。此类去皮机较前两类去皮机去皮速度快，适合运用于小型苹果加工厂。

图1.6 单果自动去皮机工作原理

（4）多果自动去皮机（第四类）

如图所示。首先将苹果以苹果梗垂直于水平面的方向放置在苹果槽内，然后气缸推杆伸出带动升降板及其上电动机、插针等一同向下移动，直到苹果固定于于插针，之后气缸推杆回缩，将苹果提升到能够削皮的高度，电动机带动插刀、苹果一起旋转，直到完成苹果削皮工作，最后由将苹果卸下。这类削皮机属于自动化程度较高的设备，适合大型水果加工车间使用。

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图1.7 多果自动去皮机工作原理示意图

目前，我国研制生产了各种水果削皮机。市场上的水果削皮机主要以手动和半自动的为主，但由于功能单一，质量水准参差不齐，难以满足现如今家庭用水果削皮机的市场需求，所以，设计一种功能齐全，价格低廉，质量过硬的水果削皮机刻不容缓。

1.3 论文的主要研究内容

主要通过问卷调查的形式，对具有一定基数的人群进行调查，对结果进行统计分析，直观的表达出目前人们对水果削皮的需求。

（1）查阅资料和调查分析，了解对人工水果削皮的多方位需求； （2）利用工业工程的方法找出水果削皮机的创新因素；

（3）基于人机工程原理，给出创新设计原理，设计方案，并构建评价体系，实现方案的选择；

（4）完成削皮机结构装置、三维模型以及完整产品或模型制作。

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2 总体方案设计研究

2.1设计目的

针对圆形的，需要去皮的果蔬，设计一款集削皮、去核、切片，切丝于一体的，适合家庭使用的小型便携式水果削皮机。

2.2该课题的研究流程

市场需求调研分析削皮机的性能要求总体方案设计结构原理设计实用性对比分析图2.1研究流程图

2.3 市场调研需求分析

（1）问卷调查分析

通过问卷调查，了解现有水果削皮机的不足之处和改进型水果削皮机的市场所在，对所要设计的产品有一个大致方向上的把握。

图2.2问卷调查统计图

2.4水果削皮机的性能要求

本文研究的水果削皮机应满足操作简便、去皮效率高、耐用性强、多功能、安全性能搞的前提，做到结构巧妙，价格经济合理等。

多功能水果削皮机应具有的性能要求： （1）方便的操作和使用性能；

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（2）切削运动平稳准确，能保证规定的运动进精度；

（3）工作的可靠性既能根据功能要求完成既定动作，且各动作应协调稳定； （4）结构简单，制造容易，成本低； （5）生产效率高，劳动强度低；

（6）留有发展的余地，需要改进时不至于造成全机报废。 本文研究的具体目标及技术参数：

（1）设计苹果削皮机，能够同时完成削皮、去核、切片、切丝等功能。 （2）机身小巧，能够方便快递运送，为后期批量生产上市销售做好准备。 技术指标：去皮能力：3~5个/min （与操作者体力有关） 去皮厚度：0.6mm

2.5总体方案设计

通过前期对国内外水果削皮机现状的调研，不难发现，如今市场上的，适用于家庭的水果削皮机，多采用的是立式、刀片沿水果表面环绕切割的切削模式，如深圳市新际实业有限公司的实用水果削皮和昆山亿鸿食品机械有限公司的半自动去皮机，前者由四个吸盘固定底座，手摇进行削皮程序，后者由人工放好水果后启动电源开始工作。由于采用的是立式、刀片环绕水果表面进给的方式，削皮机不能一次性完成去核、切片的工作，如需完成，需要用额外去核切片器对削完皮的水果进行再加工，使流程变得复杂，且使操作不便，故本课题的设计方案采用卧式进给的方式。

图2.3卧式单果手动去皮机原理示意图

（1）功能与原理：通过手动摇手柄操作，对果蔬同步的进行去皮、去核、切片和切丝的工作，也可以实现单一的削皮功能。

（2）卧式进给特点是：机架采用铝合金材质，结构紧密，利用真空吸盘产生吸力的原理固定机架，方便而牢固；设计的削皮刀具有很强的仿形能力，能适应削不同程度椭圆度和凹凸面。

材料结构：削皮机整体材质由铝合金和不锈钢刀具所组成，另部件经过喷漆和电镀等工艺处理。加工后能切成无皮、无心且连续的薄片果肉，食用时口感松脆，不伤牙龈，运用起来很便利，是文明生活的好帮手。由于刀具台的支撑杆配置了可伸缩式弹簧，在削皮过程中，无论苹果的外形大小是否规则，刀具都能始终紧贴果皮进行工作，也完全不用担心去皮厚度。

该苹果削皮机机主要由传动、操纵、固定三部分组成，工作部分主要由挖心切片刀、叉刀、削皮刀、吸盘、手柄、传动轴等组成，工作时

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（1）按住底座，搬动吸盘拉杆，将机器固定在桌面上；

（2）压下削皮刀头，将自动调节弹簧扣住；

（3）按住调节卡扣，使其处于松开状态，同时将螺杆伸到最大位置； （4）将苹果垂直直接插入固定针，调节到合适的位置可松开调节可扣；

（5）松开自动调整弹簧，刀片顶部旋转螺丝调节，越宽削皮越厚，宽度越小削皮越薄；

（6）另一只手摇动手柄沿着顺时针方向；

（7）侧面刀片为切片中间固定去核，一个苹果从削皮、切片、去核、一次性就能完成，非常方便；

（8）最后留在叉刀头上的苹果核用手小心除去。

表2.1削皮机主要机构明细表

序号 1 2 3 4

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 名称 机架 削皮刀具 切片刀具 切丝刀具 弹簧 进给轴 刀具台 吸盘 手柄 叉刀头 连杆 卡槽 摇杆 紧固件 材料 不锈钢 45钢 45钢 45钢 60Si2MnA 不锈钢 不锈钢 橡胶 橡胶 不锈钢 铝合金 不锈钢 铝合金 主要功能 连接各构件，组成整体 去皮 去核切片 切丝 拉伸和紧固 推动被切削物向前进给 支撑、固定刀具 固定水果削皮机 方便使用者用力 固定被切削物 连接手柄和进给轴 保证轴的进给方向 控制吸盘 估计价格（元） 5 1 1 1 1 2 2 1 2 2 1 1 1 2 总计23

2.6 可行性对比分析

为使本设计的实施具有可行性，笔者将此多功能水果削皮机与市场上存在的两种家用

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3 SolidWorks三维建模和运动仿真 水果削皮机进行对比分析

（1）参数对比 多功能水果去皮机 立式手摇削皮机 半自动削皮机 多功能水果去皮机 立式手摇削皮机 半自动削皮机 （3）优缺点比较 优点 缺点 重量略高，需要换刀具 刀片易被卡主，塑料制品强度低，功能单一 价格高，切削过程中有噪音 多功能水实现了水果去皮、切片、去核、切丝果去皮机 集一身，价格便宜，操作简单 立式手摇削皮机 半自动削皮机 价格便宜，材料都为塑料制品，重量轻，方便移动，操作简单 削皮工作极其简单，且去皮效果好，适用所用硬皮水果 体积（cm2） 效率（个/s） 价格（元） 3380 5152 4850 16 18 15 33（10元加工费） 20～40 75 重量（KG） 0.51 0.38 0.6 适用个果蔬 苹果，土豆，黄瓜等 仅适用于类圆形果蔬 硬皮果蔬都适用 （2）功能对比 能实现的功能 削皮、去芯、切片、切丝 削皮，使用特制工具可完成切瓣去芯 削皮，使用特制工具可完成切瓣去芯 （4）分析

由图表不难看出，本课题所研究的水果削皮机不仅拥有多种功能以满足如今人们对于水果削皮的需求，而且在价格、操作、参数方面都不比市场上已有的水果削皮机差，相信在投放到市场上后，必定能获得广大消费者的好评。

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3 SolidWorks三维建模和运动仿真 3 SolidWorks三维建模和运动仿真

3.1 SolidWorks简介

Solidworks软件是基于特征的参数化实体建模工具对于熟悉微软的Windows系统的用户，基本上就可以用SolidWorks 来搞设计了。利用SolidWorks可以创建三维模型，设计过程中，实体简可以存在约束关系也可以不存在约束关系。同时，可以利用自动或用户自定义的约束关系来体现设计意图，并通过COSMOSXpress（有限元分析）和物理模拟功能对设计方案进行校核。

3.2削皮构件的设计

3.2.1削皮刀具的设计

a .削皮刀片材料选择

水果酸性大，腐蚀性强，要求削皮刀具具有较高的防锈能力。本机选择了价格便宜且具有一定防锈能力的45钢作为削皮刀片的选用材料。

b .切削刀具的外形确定

1)前提条件:(1)苹果的外形是顶部、底部凹陷的近似圆形，凹陷处外 圆直径d1，d2最大直径17毫米。

(2)为了增加苹果顶部和底部的去皮面积，必须使刃线运动到图中的C位置，削皮刀具的切削路径应始终和回转中心线B-B1垂直。如图3.1所示。

(3)削皮厚度考虑,为了达到削皮薄，去皮效果好的目的，去皮厚底应在0.6到1.2mm之间。

将该机器的切削刀片设计成弧形，弯曲弧度由市场上能买到的去皮刀片模拟实验得出，刀片切入角度应该能够和根据苹果大小和形状的不同进行调整，所以，刀具与刀具台之间设计成活动的，用蝶形螺栓进行固定，以实现角度的要求。因为刀具台和刀具之间是活动的，弹簧1作用力压迫刀具台与苹果果皮接触，这时就不需要担心去皮厚度，厚度可以调节刀具台与刀具之间的距离来确定。

c .实验与分析 用固定的力挤压刀具与苹果接触，模仿弹簧施加在刀具台上的力，用半径为10mm弧长为12mm和24mm的刀片分别进行削皮加工，实验结果如见表3.1：

表3.1切削刃宽对比表

弧长（mm） 削皮厚度可旋转角度（度） 去皮干净程加工后表面光洁

（mm） 度 度

12 0.2---0.3 60 欠好 较好 24 0.4---0.6 好 好

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当刃宽为12mm（窄）时，因刃线与苹果的顶部和底部不能保持相切，产生尖点接触，加上到头重量轻、径向跳动大、容易出现漏削状况，去皮干净程度和表面光洁度下降；又因刀头重量轻，吃刀深度浅，使得切削厚度有所下降。当刃宽为24mm时，其削皮厚度虽然比刃宽为12mm是略有增加，但其他两项指标均优于前者，故本机采用刃宽为24mm。

图3.1 刀具切削示意图

d .溜槽的设计

在刀具的设计过程中，考虑到果皮的飞出轨迹，可能会出现掉落到削皮机两个零件的夹缝间的情况，不利于削皮机的清洁，所以，在刀具上果皮的出屑方向加装一个溜槽，切削过程中，果皮沿着溜槽掉入预先摆放好的收纳盒中，美观、卫生。

由于溜槽难于制造，可以用废旧易拉罐进行简单的冲压加工，用夹具与刀具连接即可，即达到了导流的目的，还能废物利用，保护环境。

图3.2 刀具溜槽建模

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e .切丝器的设计

1）设计要求

（1）能够完成对黄瓜、萝卜，土豆等果蔬的切丝； （2）方便安装，且能轻松实现去皮和切丝的功能转换； （3）安全，可靠性高

图3.3 切丝刀具模型

3.2.2 刀具台的设计

刀具台的功能不仅是安装刀具。同时也控制着刀具的切削角度，它由一个弹簧与机架固定，并紧贴水果表面，避免刀具紧贴水果表面，由于弹簧力较大而造成的去皮厚度太大的浪费。在本机的刀具台设计过程中，可认为是刀具与水果表面所成的角度。

a .刀具台材料的确定

刀具台的选材为2Cr不锈钢，耐用强度大，且不容易变形。 b .切削角度

这里主要指刃倾角?，契角?，前角?,后角?.如下图所示.由于果品物料的组织松软,含有大量的水分,表皮组织又有较高的韧性,所以在切削加工过程中,要求刀具锋利.挤压力小,为此,对上述角度提出如下要求:

（1）刃倾角?:刃倾角?是切削刃和切削速度V的垂直间的夹角，如图3.4a所示。有了人倾角,即可进行斜交切割.斜角切割有以下两点好处:a. 减少了道具在切削过程中的实际工作契角?和刃圆半径Ra,又因斜角切削不会改变刀具的刃磨角度,从而保证了刀具的耐用度；b.斜角切割时,切削速度V的方向不垂直于切削刃,沿着切削刃方向有一个速度分量V刃，故切削刃相对于苹果除了“切”之外，还有“割”的作用，从而使切削刀刃显得更加锋利，减少了削皮厚度。所以斜角切削省力省功，加工质量高。本机先用λ=5o 。

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图3.4a 切削角度示意图

（2）契角?:如图3.4b所示，为了使刀具更锋利，降低切削加工的挤压力，食品刀具的契角一般都很小，但刀具的契角过小将使刀具的耐用度下降，导致加工产品质量降低。对于水果类的切削刀具，一般β=5o～20o ，单片刀片的契角β=17o 。

（3）前角?:前角的大小直接影响着刀具的锋利和牢固程度，影响切削作用和挤推作用的比例，决定刀具的切削性能。在保证刀具具有一定的耐用度下，尽量加大前角使刀刃锋利，以增加刃切作用减小挤推作用。本机选用：?=63o～68o.

（4）后角?：后角的作用主要是在切削过程中减小后刃面与加工对象（已加工表面）之间的摩擦，在水果加工中，二者之间的摩擦阻力很小，所以后角大小的选择不是主要矛盾。由图3.4c知，契角?，前角?,后角?三者的和为90度，前面已选前角为63o～68o，契角为17度左右，故本机后角为5o～10o。此数值基本符合加工塑性大或弹性大的金属材料的后角取值范围。

图3.4b 契角示意图

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图4c切削角度示意图

（5）削皮机构的结构特点

为了使刀具与水果表面的接触情况满足上文所示，将刀具台的设计为如图3.5所示。因加工对象的最大直径为90mm，则要求刀架上的刀具能以半径R=50mm的圆旋转，以满足切削要求。假设刀具台的原动力弹簧弹力为0，则刀具台能够转动270度，完全能满足要求。本机采用螺旋扭转弹簧，压着刀具台使削皮刀片在加工对象表变有一定压力，能随着被切削物形状的变化而变化，达到削皮的目的。

通过实验知，刀刃个刀具台之间的距离为1mm左右时，削皮质量较好（皮薄、已加工表面光滑、切削阻力小；小于此数值时，刀刃在苹果表面易脱落，增加了漏削率；大于此数值时，增加了切削过程中的推挤作用，已加工表面的光洁度下降。这个距离不是固定不变的，可以随水果的大小而适当改变，有刀具上的蝶形螺母控制，简单易操作。

图3.5 刀具台建模

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3.2.3弹簧的设计

a .固定弹簧的选择

1）YB型弹簧，线径?1mm，弹簧中径?15mm，自由高度12mm，制造精度为3级，材料为60Si2MnA，表面涂漆处理的右旋弹簧。

标记为：YB 1×15×12 GB/T 2089—1994?16? 2）设计要求

（1）固定刀具台；

（2）提供足够的使刀具台紧贴水果表面，为刀具提供切削力。

图3.6 拉伸弹簧的设计

b .拉伸弹簧的设计

1）YB型弹簧，线径?1mm，弹簧中径?10mm，自由高度15mm，制造精度为3级，材料为60Si2MnA，表面涂漆处理的右旋弹簧。

标记为：YB 1×10×15 GB/T 2089—1994?16?

图 3.7 拉伸弹簧

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3.2.4削皮机构的结构特点

安装削皮刀片的削皮刀架由2Cr不锈钢制作而成，其弯曲程度由之前确定的刀具角度确定，满足要求即可。因加工对象的最大直径为90mm。则要求刀架上的刀具能以半径R=50mm的圆旋转，以满足切削要求。假设刀具台的原动力弹簧为0，则刀具台能够转动270度，完全能满足要求。本机采用螺旋扭转弹簧，压着刀具台使削皮刀片在加工对象表变有一定压力，能随着被切削物形状的变化而化，达到削皮的目的。

通过实验知，刀刃个刀具台之间的距离为1mm左右时，削皮质量较好，皮薄、已加工表面光滑、切削阻力小；小于此数值时，刀刃在苹果表面易脱落，增加了漏削率；大于此数值时，增加了切削过程中的推挤作用，已加工表面的光洁度下降。这个距离不是固定不变的，可以随水果的大小而适当改变，有刀具上的蝶形螺母控制，简单易操作。

图3.8 削皮机构装配模型

3.3挖心切片刀设计

选几种直径分别为70,80,90mm的苹果，进行测定，取算术平均值填入表中，由数据知，苹果心直径为30mm，长度为38mm，顶尾部下陷最大直径为17mm。以上数据作为设计挖心刀的尺寸依据。该机挖心刀刃部非常锋利，刀的端部做成契型，便于入切，采用斜角切入，加上横断刀的配合，使该机挖心切削阻力小，出渣容易.?8?

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图3.9苹果核示意图

表1.常见苹果的尺寸调查

常见苹果尺寸调查 尺寸国光 大国光 元帅 红星 黄元帅 青香蕉 印度 红玉 秦冠 （mm） D 70 70 70 70 70 70 70 70 80 d 25 28 24 25 23 30 27 22 25 L 20 26 25 24 22 30 27 20 25 L1 20 17 19 15 24 16 18 23 16 L2 25 10 15 15 17 18 20 23 24 d1 14 17 16 14 16 12 15 14 14 d2 15 16 16 15 17 15 16 15 14 由以上数据确定出挖心刀去核直径为20mm，能最大限度的提高水果出肉率，较少切削过程中的浪费。

图3.10 挖心切片刀片建模

该刀片为硬度较高的45钢材料制成，在切削进给过程中，果核将沿圆孔型刀具直线前进，果肉随着进给轴的运动，被孔边缘的弧形刀片切割成螺旋状，最终果核将留在叉刀

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之上，实现果肉和果核的分离。

3.4固定吸盘的选择

图3.11 常用吸盘示意图

吸盘是一种带密封唇边的，在与被吸物体接触后形成一个临时的密封空间，通过抽走或是稀释密封空间里的空气，产生内外压强差而进行工作的一种气动原件。

生产真空吸盘的材料一般为各种橡胶、塑料和金属，我们经常见到的真空吸盘是NR、SI、FKM、NE、EPDM、SE等多种橡胶制造的，如果按吸盘的形状分类，可分为扁平吸盘，椭圆吸盘和异性吸盘等你，本机采用扁平真空吸盘，其特点是易耗损、易使用、无污染、不伤工件等特点。

真空吸盘的吸力计算公式为 W=(PxC)/101x10.13?1? 本机设计采用的吸盘模型如图3.12所示

图3.12 吸盘模型

如图3.13所示，本机采用的吸盘由底盖、弯曲拉杆、底座、外壳三部分组成，根 据吸盘的工作原理，将以上三部分组装起来，工作时，摆动弯曲拉杆，利用弯曲拉杆挤压吸盘，达到固定机器的作用。吸盘面积可以适当增大，在理想状态下，达到将水果削皮机吸在墙体上的效果，节约摆放空间。

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图3.13吸盘工作原理截面图

3.5进给机构设计

进给机构主要由手柄、连杆、进给轴、叉刀、卡轴器五部分组成，由螺纹连接，工作将苹果插入叉刀头上，摇动手柄，苹果就能和轴一起旋转向前运动，直到切削结束，取下苹果核。

3.5.1 进给轴的设计

a .材料的选择

进给轴承担着整个苹果的重量，需要抗弯强度极高的材料，本机进给轴采用的是目前市场上常用的奥氏体不锈钢1Cr17Mn6Ni5N，价格便宜且抗弯强度大。 b .传动螺纹设计

本机进给轴采用的是矩形螺纹传动，牙型为正方形，牙型角α=0度，其传动效率较其他螺纹高，缺点是牙根较弱，螺旋副磨损后，间隙难以修复和补偿，传动精度较低。 根据苹果的相关测量数据，将苹果直径选定为最大90mm，作为计算依据。苹果的半圆周长：L??r??(90/2)?142mm

按削皮刀具的最佳切削宽度，将刀具宽度d?5mm带入计算，最大限度估计苹果削皮需要旋转的圈数为n?L/d?142/5?28

螺距p?d?5mm

螺纹长度大于28?5?116mm时符合设计要求。本机将螺纹长度设计为150mm。?2?

图 3.14 进给轴模型

3.5.2叉刀头的设计

a .材料选择

由于叉刀头用于将苹果固定，需要插入苹果果肉中，所以选材是要求材料无毒，而且水果酸性大，腐蚀性强，要求叉刀有较高的防锈能力。本机选择了价格便宜且具有一定防

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锈能力的45钢作为削皮刀片的选用材料。

b .设计要求

（1）叉针长度能够将苹果牢牢固定，且削皮结束后容易取下苹果核； （2）具有一定的弯曲强度。 通过多次实验得出结论，满足设计要求的叉针长度为35mm，操作时可根据苹果大小自行决定苹果插入深度。

图3.15 叉刀头模型

3.5.3手柄的优化设计

a .手柄的人因工程优化

现代手持器械的设计主要依据人机工程学的相关研究，根据人手参数的统计进行设计，在实现功能的同时给人最佳的接触角度和安全保护。现代批量的生产方式决定了手持器械必须按照既定的尺寸设计，而这些尺寸经过大量的统计研究，确定了能够提供较高的操作舒适性，并且能缓解手的疲劳。然而事实总是具有两面性，现代的工具给人们在使用上带来了便捷和效率，然而却在其他方面带来了负面效应。

1）与手相关的职业病

医学上所称的职业病泛指职业病危害因素引起的疾病。劳动者在从事职业活动中接触职业病危害因素而引起的与特定职业相关的疾病就是职业病。在立法意义上，职业病有其特定的范围，即政府所规定的“法定职业病”凡属法定职业病的患者，均应获得调换工作，或者治疗休息的机会，并应按相关法律获得没规定的补偿，在工作中频繁持续性使用手持器械会引发手部相关的症状。常见的疾病包括以下几种：

（1）腱鞘炎 由于长时间重复动作或腕外转动引起的，重复性动作和冲击整栋会使之加剧。手长期处于弯曲或紧张状态，肌健会过度摩擦，引发肌腱和腱鞘损伤性炎症，如果

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得不到及时的治疗，便会留下病根，活动不便。

解决对策：设计工具时应尽量避免操作过程中手长期性姿势不佳，避免手腕尺偏、掌曲和手腕外传。

（2）扳机指 又称弹响指，医学上称之为手指屈肌腱鞘炎，手指在弯曲伸长的交替动作中，肌腱在手掌和手指相连的关节处受到束缚而造成。因其类似于扣动手枪扳机的动作，所以称之为板机指。初期屈指不灵，伴随轻微疼痛，日久则疼痛加重，手指需借助外力才能绷直。

解决对策：在工具设计时避免使拇指、食指、中指等采用指压板控制，该进开关设计。 （3）网球肘 一种肘部组织炎症，由手腕过度挠偏引起。尤其当挠偏与掌内转和背屈状态同时出现时，肘部挠骨头和肱骨小头之间的压力增加，导致网球肘，因网球运动员多得此病而得名。患者会在用力抓握或提举物体时感到肘部外侧疼痛。

解决对策:工具设计时应避免操作时手部过度挠偏。

（4）手臂振动 手臂长期接触强烈振动而引起，以肢端血管痉挛、上肢周围神经末梢感觉障碍以及骨关节骨质改变为主要表现的职业病，又称局部振动病、振动性白指、职业性雷诺症等。振动的最初度量有频率、峰值加速度和振动方向。频率为1Hz以下的振动可导致晕血症；1-30Hz导致全身振动；30-100Hz导致手臂振动；100Hz以上导致手振动。随着加速度峰值的增加，损害会加重。

解决对策：工具设计时改进增加防震功能，配备专用防震手套等。

图3.16 人体手部示意图

（5）关节表面磨损 关节内相互接触的骨端表面有一层透明软骨，它光滑而富有弹性，可以传递应力，作相对运动。由电动工具作业时产生的低频振动和高进给力造成磨损关节软骨而引发关节病。

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解决对策：工具设计时改进增加防震功能，配备专用防震手套等。

（6）骨骼微裂 电动工具操作时产生较高的冲击力造成，微裂的骨骼妨碍关节获得营养物质，引发疼痛。

解决对策：配备专用防震手套等工具。?13?

2）人体手部尺寸及部位，对照图3.16查表1表2。

表1 男性人体手部尺寸表 18~60岁 1 5 10 50 90 95 99 ...... 测量项目 ?% 年龄分组组 4.6.1手长 4.6.2手宽 4.6.3食指长 164 73 60 170 76 63 18 15 173 77 64 18 15 183 82 69 19 16 193 87 74 20 17 196 89 76 21 18 202 91 79 21 19 4.6.4食指近位 17 指节宽 4.6.4食指远位 14 指节宽

表2 女性人体手部尺寸表 15~55岁 1 5 10 50 90 95 99 ...... 测量项目 ?% 年龄分组组 4.6.1手长 4.6.2手宽 154 67 159 70 161 71 171 76 180 80 183 82 189 84 24

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4.6.3食指长 57 60 16 14 61 16 14 56 17 15 71 18 16 72 19 16 76 20 17 4.6.4食指近位 15 指节宽 4.6.4食指远位 13 指节宽 ( GB10000-1988 中国成年人人体尺寸）

现在的手柄在外形上都各式各样，但手柄材料却参差不齐，大多数手柄由硬塑料或硬橡胶制成，硬度高，弹性差，而且其形状并不符合人手的生理曲线，在振 动时也不能起到缓冲减震的作用。建议手柄由更加柔软，弹性好的材料制成，并且设计又符合人后形状的突起，增加握起来的舒适感。?13?

b .手柄的设计方案

在此削皮机的设计过程中，设计了三种手柄，以满足不同年龄段，不同职业的人群需求。根据人体数据调查分析可以看出，99%的人手长在200mm左右，人体在握住手柄时，自然放松，舒适性最佳位置在食指刚好达到拇指根部时，此时的卷曲周长为手长的3/5，约为120mm。

由周长的计算公式L?2?R,D?L/??120/??38mm

此直径数值为手骨中心线卷曲时的理论数值，要计算手柄的最大外径，还去除人体手部卷曲时皮肤包裹余量，一般情况下，这个余量取10cm，由此可以确定削皮机的手柄最大处外径为28mm。长度由上图手宽确定，取99%的比例，在84~91之间，取中间值86mm

方案1：以家庭使用水果削皮机使用手柄为目的设计，食指，无名指和小指抓握处略小，中指处略大，底部最大且弯曲，可以起到支撑手踝的作用。如图3.17所示。

图3.17 方案1手柄建模

在转动削皮的过程中，手部可以完全贴合手柄，舒适自然，将手柄的材质选择为橡胶，弹性好，有减震效果。

方案2：当该水果削皮机运用到水果店，罐头加工中心的时候，每天的切削量是很大的，工人不仅得讲究效率，还得保护好自己不受刀具和手柄带俩的身体危害，这时，可以将手柄设计为下图3.18所示

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图3.18 方案2手柄建模

手柄的凸出部分能让员工很好的发力，手柄全场设计为120mm，手握部分设计为9.5cm，最大直径为2.2，最小直径为1.8.符合人因工程中对手柄直径的要求。在高强度的转动过程中，建议员工带上手套，这样就能达到即提高效率，又减轻对手部的危害。

方案3：水果削皮机作为一种创新设计，对儿童来说也是一种有趣的玩具，在生活中，运用水果削皮机的时间也很多，所以，为小朋友量身定做手柄是必须的，手柄全长为5cm，最大直径为1.8cm，最小直径为cm1，凹进去的部分适合小孩子发力，凸出来的部分能够起到支撑手掌的作用，外形迷你，虽然使用性有所减少，但是安全性和舒适程度有了很好的增加。如图3.19所示。

图3.19方案3手柄建模

3.6削皮机的配色

（1）色彩调节的目的

人类的各种活动可以归纳为生产脑洞、工作学习和生活休闲，而色彩调节的目的就是使环境色彩的设计更加适合于人在该环境中所进行的特定活动，因此，色彩调节的母的可以分为三大类：1.提高作业者的作业愿望和作业效率；2.改善作业环境、减轻或延缓作业疲劳。3.提高生产的安全性，降低事故率。

其中，第一类调节适用于生产劳动和工作学习的环境，以提高作业者主观工作愿望和客观工作效率；第二类调节适用于人的各种特定活动，在客观上改善作业环境的氛围，主观上减少作业者的身理和心理疲劳;第三类调节生产劳动现场，如车间生产或户外工地现

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场，是为了排除作业者受到的身体甚至于生命的危害，实际上这种调节并不能调节环境因素，而是改变了安全因素，因此称为安全色。

（2）从上述色彩调节的目的出发，可以通过以下三个步骤来实现色彩的调节。 第一步，归纳出要实现环境调节应有的全部目标，对这些目标进行分析，确定最终应实现的调节目标。

第二部，根据色彩所具有的心理语义确定色调和配色，并概括语境确定调和方式。 第三部，确定在工程上施色的材料和步骤，实现环境的色彩调节。?13?

（3）色彩调配的方案设计

根据该水果削皮机的最初设计构想，此削皮机的最终受众大多为水果店和家庭使用，将水果店看做生产车间，员工需要处理的水果很多，这就很容易造成员工身理和心理的疲劳，而且在加工过程中过于讲究速率，容易造成刀具伤害，所以，当此削皮机的基本色调应设计为红色，它既是暖色中的一种，可以给操作者形成条件反射，在心理上让人出现兴奋与积极进取的情绪：它也是安全色中的一种，表示禁止、停止、危险的意思，时刻提醒操作者注意刀具的伤害。

图3.20 削皮机的配色

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图3.21 削皮机的配色

当该水果削皮机应用到家庭时，需要考虑的则是如何使一个刚性的东西融入到生活的气氛中，这时，就需要选择一款冷色，给人以沉静感，使人沉着冷静和宁静的休息。这里将此削皮机的基本色设计为绿色，也可以根据需求自行改动。

3.7三维建模装配体的材料属性

运用SolidWorks分析三维模型的重量为0.510KG，表面积、体积等明细如下： 装配体的质量属性 配置： 45钢

坐标系： -- 默认 --

质量（用户覆盖） = 0.510 千克 体积 = 3380000立方毫米

表面积 = 109892.110 平方毫米 重心 : ( 毫米 )

X = -0.197 Y = 3.024

Z = 189.868

惯性主轴和惯性主力矩: ( 千克 * 平方毫米 )由重心决定。

Ix = (0.935, 0.212, 0.286) Px = 875.831 Iy = (-0.190, 0.976, -0.102) Py = 4274.903 Iz = (-0.300, 0.041, 0.953) Pz = 4796.159 惯性张量: ( 千克 * 平方毫米 )由重心决定，并且对齐输出的坐标系。

Lxx = 1353.093 Lxy = 680.055 Lxz = 1056.643 Lyx = 680.055 Lyy = 4122.897 Lyz = 185.693

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Lzx = 1056.643 Lzy = 185.693 Lzz = 4470.903

惯性张量: ( 千克 * 平方毫米 )由输出座标系决定。

Ixx = 19743.228 Ixy = 679.750 Ixz = 1037.524 Iyx = 679.750 Iyy = 22508.389 Iyz = 478.476 Izx = 1037.524 Izy = 478.476 Izz = 4475.586

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4 设计校核

4.1 弹簧的校核

圆柱形螺旋弹簧在工程中应用极广。它可以用于缓冲减震，又可以用于控制机械运动，也可以测量力的大小。螺旋弹簧簧丝的轴线是一条空间螺旋线，其应力和变形的精确分析比较复杂。

4.1.1 弹簧丝横截面上的应力

将内力系简化为一个通过截面型心的力Fs和一个矩为T的力偶，根据平衡方程，

Fs?F (4.1)

FDT?2 (4.2)

?d这里Fs为簧丝横截面上的剪力；T为横截面上的扭矩。

与剪力Fs对应的切应力?1，按实用计算方法，可认为均匀分布于横截面上，即

??与扭矩T对应的的切应力?2，其最大值为

Fs4F?3 (4.3) A?d?2max?T8FD? (4.4) 3W1?d在考虑了簧丝曲率和?1并非均匀分布这两个因素后，求得计算最大且应力公式

?max?(c称为弹簧系数，k为修正系数。

4c?10.6158FD8FD?)?k (4.5) 4c?4c?d3?d3表4.1 螺旋弹簧的曲度因数k k c k c 4 1.40 9 1.15 4.5 1.35 9.5 1.15 5 1.31 10 1.14 6 1.25 12 1.12 7 1.21 14 1.09 8 1.18 ?? ?? 8.5 1.17

弹簧的强度条件是

式中?max是求出来的最大且应力，???是材料的许用应力。

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(4.6) ????max?

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4.1.2 弹簧的变形

当弹簧外力从零增加到最终值时，它的功等于

1 (4.7) w?F?2

F为压力，?为变形

在簧丝横截面上，距圆心为?的任一点的扭转切应力为

1FD? (4.8) 16FD?T?2?????d4??d4 I?32 单位体积的应变能

2??128FD?? (4.9)

v??222

外力完成的完成的功应等于储存于弹簧内的应变能，即W?V?于是

14F2D2n?F?? (4.10) 2Gd4

8FD3n64FR3n (4.11) ???Gd4Gd4

DR?式中， 是弹簧的平均直径?14?

24.1.3 拉伸弹簧的校核

簧圈平均半径R?5mm，簧丝直径d?1mm，有效圈数n?8。材料的续用应力为????350MPa，G?80GPa。弹簧工作时总压缩变形（包括预压变形）??10mm 弹簧所受压力F为

?Gd4(10?10?3m)(80?109Pa)(1?10?3m)4F???12.5N3?33 64Rn64(5?10)?8 由R及d求出

D2R2(5?10?3m) c????10dd1?10?3m

由表 4.1 查出弹簧的曲度因数k的值为1.14，故 8FD8(12.5N)(5?2?10?3m)6??k?1.14?314?10Pa拉max3?33 ?d?(1?10m)

?314MPa????

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2GG?2d8西安工业大学毕业设计（论文）

弹簧强度符合要求。?14? 4.1.4 固定弹簧的校核

簧圈平均半径R?8.5mm，簧丝直径d?1.5mm，有效圈数n?7。材料的续用应力为????350MPa，G?80GPa。弹簧工作时总压缩变形（包括预压变形）??5mm 弹簧所受压力F固为

(5?10?3m)(80?109Pa)(1.5?10?3m)4F固???7.4N3?3364Rn64(8.5?10)?7?Gd4F固?F拉，所以?固max??拉max????，弹簧强度符合要求。

4.2真空吸盘的选取

为了确保真空吸盘能完成给定的任务,需考虑一定的安全系数,根据理论和实践经验,真空吸盘的安全系数N一般取2.5，因此,许用提升重量= 理论提升重量/N=垂直提升力/N?1? 表4.2吸盘直径、面积、垂直提升力参数表 吸盘垂直提升力（N） 吸盘直径D(mm) 10 13 1.33 5.32 16 2.01 8.04 20 3.14 12.56 25 4.91 32 40 50 吸持面积（cm2） 0.785 吸盘垂直提升力3.14 8.04 12.6 19.6 19.64 32.1 50.4 78.4 （N）（-0.04MPa） 由上表可知，当工件重量为2kg时，许用提升重量为19.6N，欲使安全系数达到要求，只需满足 垂直提升力?2.5 (4.12) 许用提升力即可，由表4.2选取吸盘直径为40mm即可满足。 考虑到吸附物的可吸附尺寸（面），所选的吸盘直径应设定为大于所需吸盘直径（D）因吸盘在吸附时会变形，吸盘的外径将增加10%左右。因为真空压力会使吸盘变形，所以吸附面积要比吸盘直径小。变形度根据吸盘的材质，形状，橡胶的硬度而有区别，因此，在计算得出吸盘直径时需留出余量。安全系数中包括变形部分。盘直径虽表示吸盘的外径，但利用真空压力吸附物体时，因真空压会使橡胶变形，吸附面积也会随之缩小。缩小后的面积即称为有效吸附面积，此时的吸盘直径即称为有效吸盘直径。根据真空压力，吸盘橡胶的厚度以及与吸附物的摩擦系数等不同，有效吸盘直径也会有差异，一般情况可预估会缩小10%。

综合上述，所选吸盘参数为：设计吸盘直径D=100mm，完全可以达到削皮工作是固定机器的需求，也可以满足将削皮机悬挂于墙壁上放置的需求。

由于螺杆旋转进给，可按照扭转强度条件进行校核。转子轴的材料选取45钢，调质

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西安工业大学毕业设计（论文）

处理，查得许用扭转切应力[?]?40MPa。 估算最小轴径 d?35T（4.13）

[?]

P(kw)（4.14）

n(r/min)

扭矩 T?9549代P=7.5KW，n=2900r/min入公式（4.4）得T=24.698N?m。

代T=24698N?mm入公式（4.3）得d?7.1mm。

为了保险起见，设置安全系数为1.2。所以最小轴径尺寸设计为10mm满足强度要求。

4.4刀具的ANSYS分析

4.4.1 ANSYS简介

ANSYS是一种广泛的商业套装工程分析软件。所谓工程分析软件，主要是在机械结构系统受到外力负载所出现的反应，例如应力、位移、温度等，根据该反应可知道机械结构系统受到外力负载后的状态，进而判断是否符合设计要求。一般机械结构系统的儿何结构相当复杂，受的负载也相当多，理论分析往往无法进行。想要解答，必须先简化结构，采用数值模拟方法分析。由于计算机行业的发展，相应的软件也应运而生，ANSYS软件在工程上应用相当广泛，在机械、电机、土木、电了及航空等领域的使用，都能达到某种程度的可信度，颇获各界好评。使用该软件，能够降低设计成本，缩短设计时问。 4.4.2 ANSYS分析的主要步骤

1.问题描述（以去核切片刀具为例）

(1)使用ANSYA 分析水果削皮机去皮刀具如图所示 (2)求解在力片作用在A点的变形，条件如下：

(3)刀具末端小孔处完全约束，对此圆盘进行模态分析。

(4)刀具的材料属性：弹性模量E?2E11Pa，泊松比??0.3，密度??7.85E3kg/m3， 在圆形去皮刀刃上受到均匀载荷，压强为10MPa 2.求解过程

1)定义工作名和工作标题

（1）定义工作名。选择菜单Utility Menu→File→Change Jobname,弹出的?/FILNA?M文本框后输入“example1”将“New log and error files”后面的复选框中，使其处于“yes”状态，单机“ok”按钮，关闭对话框。

（2）定义工作标题。 （3）重新显示。 （4）设置优选项

2）定义单元类型和材料属性

（1）定义单元类型。选择菜单Main Menu→Preprocessor→Element Type→

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西安工业大学毕业设计（论文）

Add/Edit/Delete，弹出“Element Types”对话框，单机“add”键，弹出“Library of Element Types”对话框。选择“Elastic 4node 63”按钮。再单击“Close”按钮，关闭对话框。

（2）定义实常数。选择菜单Main Menu→Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete，弹出“Real Constants”对话框，单击“Add”按钮，弹出对话框，单击“ok”在“TK”后面的输入框中分别输入“0.002”单击“ok”按钮，返回到“Real Constants”对话框，此时，显示出新建编号为1的实常量，单击“Close”按钮，关闭对话框。

（3）定义材料属性。选择菜单Main Menu→Preprocessor→Material Props→Material，弹出“Define Material Model Behavior”对话框，在左侧的列表中连续双击“Structural→Linear→Elastic→Isotropic”选项，弹出”Linear Isotropic Properties for Material Number 1”对话框，在该对话框的“EX”后面的输入框中输入“2e11”，在“PRXY”后面的输入框中输入“0.3”。在右侧列表中单击“Density”选项，弹出“Density for Material Number1”对话框，在“DENS”后面的输入框中输入“7.85e3”，单击“OK”。

3）导入模型和划分网络

（1）将三维模型导入ANSYS中 （2）划分网络。选择菜单Main Menu→Preprocessor→Meshing→Mesh→Areas→Free，弹出一个拾取对话框，单击“Pick All”按钮，输入单元数

4）加载进行静力求解 （1）给模型施加约束；

（2）施加载荷。沿环形去核刀片的受力面施加沿z轴方向的大小为10N的力； （3）定义分析类型；

（4）设置求解选项。 5）结果分析?17?

4.4.3去核切片刀具有限元分析

通过静力学分析可验证机架的刚性和强度，按以下步骤进行静力分析：

（1）采用SolidWorks建模，将模型以实体形式保存为IGES格式导入ANSYS。

（2）设定单元类型，选择10NODE92单元模型，该单元模型是专门用于解决三维问题的单元类型。

（3）定义材料属性：静力学分析只需定义材料的弹性模量和泊松比，45钢的弹性模量为2?1011MPa，泊松比为0.3；

（4）网络划分：网络密度为0.005； （5）定义初始约束；

（6）施加载荷：在圆形去皮刀刃上受到均匀载荷，压强为10MPa。

（7）结果分析：按照去皮切片刀具的受力情况，可以等效云图来显示模型载荷，如图所示。从图中观察可知刀具上端处应力比较集中，最大受力为4153.6Pa，最大变形为0.804?10?5m。

由??E? （4.15） ?为刀刃方向的应力，E为弹性模量，?为变形

由公式4.15计算，许用应力为????E??2?1011?106Pa?0.804?105?1.6?1012Pa

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?????

所以，去核刀具强度符合要求。

图4.1 去核刀具分析结果图

图4.2 去核刀具分析结果图

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西安工业大学毕业设计（论文）

4.4.4 去皮刀具有限元分析

（1）采用SolidWorks建模，将模型以实体形式保存为IGES格式导入ANSYS。

（2）设定单元类型，选择10NODE92单元模型，该单元模型是专门用于解决三维问题的单元类型。

（3）定义材料属性：静力学分析只需定义材料的弹性模量和泊松比，45钢的弹性模量为2?1011MPa，泊松比为0.3；

（4）网络划分：网络密度为0.005； （5）定义初始约束；

（6）施加载荷：在去皮刀刃上受到均匀载荷，压强为10MPa。

（7）结果分析：按照去皮切片刀具的受力情况，可以等效云图来显示模型载荷，如图所示。从图中观察可知刀具上端处应力比较集中，最大受力为0.173?109Pa，最大变形为0.614?10?4m，都在刀具的许用强度内。如图4.3所示。

由??E? （4.15）

?为刀刃方向的应力，E为弹性模量，?为变形

由公式4.15计算，许用应力为????E??2?1011?106Pa?0.614?10?4?1.2?1012Pa ?????

所以，削皮刀具强度符合要求。

图4.3去皮刀具分析结果图

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西安工业大学毕业设计（论文）

图4.4 去皮刀具分析结果图

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5 总结与展望

5 总结和展望

5.1 总结

本次毕业设计已经结束，在这次毕业设计中，我学会了不少东西，也发现了不少问题。总的来说，本次毕业设计的预期工作都已经基本完成，完成水果削皮机的整体建模，相关的结构计算及运用工业工程的眼光对相关零件进行优化设计。

本文在苹果去皮机国内外现有成果的基础上，针对国内家用苹果削皮机功能单一，操作不简便的现状，重新定位水果削皮机的进给方式，运用极少使用的卧式进给的方式，对各机构进行人因工程原理分析，加以改进，赋予水果削皮机去皮、去核、切片、切丝等众多功能于一身的多种功能，研究基于特征技术的SolidWorks建模，装配及动态仿真，分析并解决了各个零部件之间的干涉情况。并对水果削皮机的关键部位进行校核，，值得一提的是，在校核的过程中运用了ANSYS 分析软件对水果削皮机刀具进行静态结构分析，既能不使运算失真，又提高了计算效率。

当然，本文的设计还远远不足，有许多设计需要在以后的学习过程中不断去完善。

5.2 展望

由于时间和作者水品有限。论文研究深度有待进一步加深，主要由以下几点： （1）论文主要是对市场上现有的适合家用的手动水果削皮机进行创新设计，而对半自动和自动水果削皮机研究比较薄弱，有待进一步研究。

（2）因为时间的关系，此次设计的水果削皮机还有很多不足，如不能实现一个刀具多个功能，而是采用多个刀具实现多种功能的模式。

（3）由于笔者非机械方向学生，所以本论文主要是完成水果削皮机的设计构想，故以后需要深入学习，继续改善。

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American Journal of Food Technology 2010-6

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致谢

经过一个学期的努力，论文最终定稿，在这里，我要特别感谢我的指导老师房亚东老师的悉心指导，无论是在论文的选题，构思，设计和创新方面，还是在课题研究及论文定稿方面，我都得到了房老师悉心的教诲和无私的帮助，他是一个具有广博的学识和深厚学术素养的好老师，他的治学精神和工作作风使我终身受益，在此表示我诚挚的谢意。

感谢李丽娟老师对我SolidWorks软件运用的教授和指导！ 感谢所有对我有帮助的良师益友。

最后，向百忙中抽出时间来给我们答辩的老师表示衷心感谢！

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毕业设计（论文）知识产权声明

本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：本科学生在校攻读学士学位期间毕业设计（论文）工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用毕业设计（论文）工作成果或用毕业设计（论文）工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。学校有权保留送交的毕业设计（论文）的原文或复印件，允许毕业设计（论文）被查阅和借阅；学校可以公布毕业设计（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毕业设计（论文）。 （保密的毕业设计（论文）在解密后应遵守此规定）

毕业设计（论文）作者签名：

指导教师签名： 日期：

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毕业设计（论文）独创性声明

秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的毕业设计（论文）是我个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，毕业设计（论文）中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含他人已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。

毕业设计（论文）与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。

毕业设计（论文）作者签名：

指导教师签名： 日期：

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