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（湖南工程学院 工程训练中心 湖南 湘潭 411101）
摘 要：针对现有家庭制作剁辣椒绞碎机不具有自动装瓶与加盐机构的问题，（基于机构设计、机械传动、机构间的受力分析等相关知识），研制出了辣椒绞碎、装瓶、加盐一体化的装置，本文具体阐述了剁辣椒绞碎自动装瓶机的结构设计与生产能力参数分析。结果表明，该设备结构简单、能利用任意单螺纹口的饮料瓶灌剁辣椒，实用性较强，减轻劳动力，提高劳作效率，并且使用安全，环保清洁。
关键词：剁辣椒绞碎；自动装瓶、加盐一体化；环保清洁
0引言
辣椒（Capsicum annuum L.syn.Cfrutscena）是一种重要的蔬菜和调味品，属茄科，辣椒属，小灌木。辣椒原产地拉丁美洲和北美。在近几十年成为了全世界消费量最大的果蔬之一。辣椒作为一种重要的调味品，一般人们将其加工成干辣椒或制成辣椒酱、剁辣椒或以辣椒为辅料加工成复合调味产品等[1]。由于辣椒生产季节性强，加工剁辣椒的厂家很多，但加工区域基本集中南方等省市[2]。随着科学技术的不断发展和自动技术的广泛应用，人们对家庭切剁辣椒机械提出了越来越多的要求。大多数的家庭制作剁辣椒时都是用人手工直接切，手會由于切辣椒时，将辣椒素沾在皮肤上，使微血管扩张，导致皮肤发红、发热，严重者会感到疼痛[3]。现存的家用绞碎机，存在着很多的缺点：在绞碎辣椒后，辣椒颗粒较小，水分流失，不能很好的保留本身所含的营养成分；没有自动灌瓶机构，人手工灌瓶保存时手易被辣椒灼伤；没有加盐的装置，不能很好的调配口味；市场上卖的剁辣椒是大批生产不适合每个家庭口味，家庭自己切绞碎辣椒食用量大，需求量也相当大[4]。由此可以看出市场上现存剁辣椒机在整个制作过程绞碎辣椒、加盐、装瓶等分别独立操作，而家庭手剁辣椒费力、费时，工作效率不高，加盐、装瓶等工艺繁琐[5]。
1 家用剁辣椒绞碎自动灌瓶机结构设计及工作原理
1.1剁辣椒绞碎自动灌瓶机结构设计及结构分析
针对市场上家用绞碎机制作过程辣椒颗粒较小，辣椒水分流失，不能很好的保留本身所含的营养成分，无法实现加盐，灌装装瓶的自动化现状。利用机械原理、机械传动、机构间的受力分析等相关知识，设计一个半自动化加工剁辣椒机，并把理论计算与实验结合，成功解决了现有家用绞碎辣椒机的不足之处。
家用剁辣椒绞碎自动灌瓶机总体结构示意图如图1所示，它主要包括机体、螺杆、手柄、推进轴、吸盘、灌瓶装置（圆锥螺杆）、圆刀、十字刀片、加盐装置、出料筒组成。结构上选择市场上家用绞碎机为样机。结构形式的选择取决于原料供料的要求。整个传递运动过程中螺杆是家用剁辣椒绞碎自动灌瓶机的主要执行部件，是关键机构，它的主要任务就是将十字刀片、圆刀和圆锥螺杆连接在一起，形成一个整体传动轴。辣椒由投料口输入，通过作用手柄带动螺杆旋转，从而把辣椒输送到十字刀片处，由于螺杆旋转时，十字刀片也随螺杆旋转，圆刀固定不动。从而把辣椒绞碎，并从圆刀孔中流出。流出的辣椒颗粒经过加盐后，再通过圆锥螺杆的输送，灌入瓶中。图1所示物料随圆柱形螺旋杆不断填充，刀具进行切碎，压环装置进行加盐，锥形螺杆输送，最后由出料筒落入容器瓶中。在制作过程中只要控制螺杆的转数，即可完成定量供料。
1.2圓刀结构的改进
圆刀孔直径决定辣椒颗粒的大小和水分的流失。我们对此进行了实验，列表：
根据对市场上瓶装剁辣椒和走访多个家庭，了解他们采用传统加工剁辣椒的习惯和口感的要求，确定剁辣椒加工颗粒直径6-7 ，辣椒出水量10，是符合家庭加工剁辣椒制作要求。因此，我们对家用绞碎机圆刀孔直径进行改进，由原来4改为7。使之符合设计要求。
1.3自动送辣椒装置设计
图3所示自动送辣椒装置，采用的是螺杆供料机构。由于要把绞碎的辣椒灌入瓶中，而圆刀直径比瓶口大，所以按照以往采用圆柱螺杆的输送方式，无法实现。经过计算，通过对螺杆一次供料量、螺杆转速、每圈螺旋的容积、供料一次螺杆的转数、螺距、槽深、圈螺旋周长、螺旋中径、对应中径的螺旋升角的理论计算与实验相结合，设计出了该装置。采用的螺杆供料机构，为锥形螺杆。流出的辣椒颗粒经过锥形螺杆旋转，完成大口径的输入变为小口径输出。使绞碎的辣椒能够以最理想的速度自动灌进瓶中。
1.4自动加盐装置设计
图4所示自动加盐装置，采用的是压簧结构。由于要把盐加入辣椒颗粒中，而灌瓶装置在灌瓶时将有一定的挤压力，才使得辣椒颗粒灌入瓶中。而在挤压时，会把辣椒颗粒挤入加盐漏斗中，使盐无法顺利进入辣椒颗粒中 ， 所以按照以往采用漏斗形式，利用盐的自重而流入辣椒颗粒中的功能，无法实现。为此我们采用了压簧装置，并经过设计及计算确定压簧供料机构。根据自动加盐装置在机座上所处的位置把它设计成有盖的圆筒状，筒底螺纹与出料筒相连接。将盖与筒身通过螺纹连接。筒内部安装有活塞、连杆、压簧构件，共同组成了压簧供料机构装置。活塞、压簧和盖通过连杆联结在一起，加盐时，只需将盖旋出，内部压簧供料机构一同取出。把盐加入筒内，安装内部压簧供料机构，旋上盖。加盐过程完成。盐的加入量，依靠盖的旋转周数控制。旋转周数越多，压簧的受力越大，作用在盐上的力就会越大，加盐量也就越大。反之，则相反。
圆柱螺旋压缩弹簧的设计步骤如下：
弹簧在自由状态时，P=0，f=0；负荷为P1，变形为f1；工作时，载荷为P2，变形为f2，P2大弹簧也大，P1也大，P1 与P2之间的关系为：P1/P2=0.1-0.5.
弹簧的极限负荷为P3，变形为f3一般P3稍大于P2，其关系：P3/P2=1.25.
行程为f2- f1=h。由此可绘出示性图，从示性图还不能直接计算出弹簧的主要尺寸，但示性图与弹簧的主要尺寸有关.
2 示性图与弹簧主要尺寸的关系 3 弹簧强度条件
3.3.1根据理论推导，弹簧的强度条件为：
T=8kP2c/πrd2≤[T]（1）
若为静载荷或循环次数Ⅳ≤l03，则k=l；若为变载荷，则k>l.
k=（4c -1 ）/（4c -4）+0.615/c
式中 k-曲度指数，d-弹簧丝直径， [T]-许用剪应力，取决于弹簧材料和负荷类型，可查表[1】，
c-旋绕比，一般取c=5～8.
3.3.2弹簧刚度条件
刚度Kp反映弹簧的基本性能，可根据示性图算出：Kp= P2 / f2 =P1/ f1=（P2-P1）/（f2-f1）=（P2-P1）/h
又Kp=Gd4/8D23n= Gd4/8（D-d）3n[1】则：n=Gd4h/8（D-d）3（P2-Pl） （2）
式中 D-弹簧外径， D2 -弹簧中径，n-弹簧有效工作圈数.
3.3.3 制造条件
弹簧制造中的主要参数为旋绕比c，当d不变时，D2小则c小，卷绕困难，
∵ c=D2/d=（D—d）/d=D/d一1， ∴ D=（c+l）d （3）
3.3.4 行程条件
彈簧的行程h与螺距t有关.在P2作用下，弹簧各圈之间应留有一定间隙σ（σ=0.1d）.
∵ t=f2/n+d+σ，而f2=P2h/（（P2-P1），∴ t=hP2/n（（P2-P1）+d+σ（4）
由上述可见，d、D、n.t与式（1）、（2）、（3）、（4）存在一定关系.弹簧的设计，首先必须满足强度与行程条件.强度条件若不满足，可改选材料.如尺寸不够理想，可改选c和[T]来加以调整.
4 螺旋压缩弹簧的设计
试算法是弹簧的传统设计方法，其计算步骤为：
1）选材料，查力学性能数据[1】；2）选c，计算K；3）根据c估取d，由表[1】查取[T]；4）根据强度条件T≤[T]，计算z若T >[T]，重选d，直到T≤[T]为止；5）由d、c再计算其他尺寸[1】；6）验算.
实例设计一成形模上所用的圆柱形压簧，己知P2=1 500N，行程h=34mm，载荷属Ⅱ类.
解：1）绘制弹簧示性图：P1=（0.1～0.5）P2
取 P1=0.33， P2=500N； P3=1.25 P2=1880N； Kp= （P2-P1）/h=30N/m m.
据fi= Pi/K，计算，得： f1=16.7mm，f2=50mm，f3=63mm
21计算弹簧主要尺寸：
钢的G=8xl04N/mm，取c=6，计算k=1.25
①试算法
T=8kP2c/πrd2≤[T] ，[T]=XσB=0.4×l250=500N/mm2
初选d=7，查表[1】得σB=l 250N/mm2
T =8 ×1.25×1 500×6/72π=5 85 N/mm2
T >[ T l，不合格
重选d=8， T =8 ×1.25×1 500×6/82π=448 N/mm2<[ T l，合格
n=Gd4/8D23 Kp=8×104×8/×8×30×63=12.3圈
取n=12，t=hP2/n（（P2-P1）+d+σ=13.2mm，D=（c+l）d =56mm
2 加工分析
如图4所示，螺杆式供料机构生产能力按下式计算：
Q=G·n
G=V · ρ · n′
V=s · t · L/2
L=πD11 /cosα1
式中G—螺杆一次供料量（kg）
n—螺杆转速（r/min）
V—每圈螺旋的容积（cm3）
n′—供料一次螺杆的转数
s—螺距（cm）
t —槽深（cm）
L —圈螺旋周长（cm）
D1—螺旋中径（cm）
α1 —对应中径的螺旋升角
经过计算得生产前辣椒密度为532.9kg /m3
生产后辣椒密度为980kg /m3
n′ =3radn=51r /min
圆柱形螺杆的加工能力Q1参数：
S1=22.70mm t1 =16.48mm
D1=32mm α1 =25 °
圆锥形螺杆的加工能力Q2参数：
S2=15.20mm t2=20mm
D2=27mm α2 =4 °
∴由以上数据代入Q=G · n，得Q1 < Q2，
故物料能够顺利的落入瓶中。
通过理论与实验的结合，将剁辣椒的加工能力提高到最大值。
3 结论
研制了一种应用于家用制作剁辣椒的装置，该作品具有成本低，结构简单，实用性较强的特点。本文主要介绍了自动送辣椒装瓶装置和自动加盐装置的结构与剁辣椒生产能力参数分析，并在实验中证明了该装置在使用的全过程中方便、简捷、环境卫生。文中对剁辣椒绞碎自动灌瓶装置的结构与生产剁辣椒的能力参数进行了初步的分析，为实现新的功能成品，作进一步地开发与研究。
参考文献：
[1]蒋立文，李宗军，等.剁辣椒的生产现状及技术进展[A]，中国酿造.2006（2）：6-7.
[2]哈尔滨工业大学理论力学教研组编. 理论力学.高等教育出版社 2009（7）：301-302.
[3]劉鸿文主编.材料力学.高等教育出版社2004（1）：28-31.
[4]徐健康主编.机械设计.高等教育出版社.2004（4）：392-401.
[5]李建国主编.压力容器设计的力学基础及其标准应用.机械工业出版社，2004（1）：11-13.
[6]梁锡昌主编.机械创造方法与专利设计实例.国防工业出版社，2005（2）：31-32.
摘 要：针对现有家庭制作剁辣椒绞碎机不具有自动装瓶与加盐机构的问题，（基于机构设计、机械传动、机构间的受力分析等相关知识），研制出了辣椒绞碎、装瓶、加盐一体化的装置，本文具体阐述了剁辣椒绞碎自动装瓶机的结构设计与生产能力参数分析。结果表明，该设备结构简单、能利用任意单螺纹口的饮料瓶灌剁辣椒，实用性较强，减轻劳动力，提高劳作效率，并且使用安全，环保清洁。
关键词：剁辣椒绞碎；自动装瓶、加盐一体化；环保清洁
0引言
辣椒（Capsicum annuum L.syn.Cfrutscena）是一种重要的蔬菜和调味品，属茄科，辣椒属，小灌木。辣椒原产地拉丁美洲和北美。在近几十年成为了全世界消费量最大的果蔬之一。辣椒作为一种重要的调味品，一般人们将其加工成干辣椒或制成辣椒酱、剁辣椒或以辣椒为辅料加工成复合调味产品等[1]。由于辣椒生产季节性强，加工剁辣椒的厂家很多，但加工区域基本集中南方等省市[2]。随着科学技术的不断发展和自动技术的广泛应用，人们对家庭切剁辣椒机械提出了越来越多的要求。大多数的家庭制作剁辣椒时都是用人手工直接切，手會由于切辣椒时，将辣椒素沾在皮肤上，使微血管扩张，导致皮肤发红、发热，严重者会感到疼痛[3]。现存的家用绞碎机，存在着很多的缺点：在绞碎辣椒后，辣椒颗粒较小，水分流失，不能很好的保留本身所含的营养成分；没有自动灌瓶机构，人手工灌瓶保存时手易被辣椒灼伤；没有加盐的装置，不能很好的调配口味；市场上卖的剁辣椒是大批生产不适合每个家庭口味，家庭自己切绞碎辣椒食用量大，需求量也相当大[4]。由此可以看出市场上现存剁辣椒机在整个制作过程绞碎辣椒、加盐、装瓶等分别独立操作，而家庭手剁辣椒费力、费时，工作效率不高，加盐、装瓶等工艺繁琐[5]。
1 家用剁辣椒绞碎自动灌瓶机结构设计及工作原理
1.1剁辣椒绞碎自动灌瓶机结构设计及结构分析
针对市场上家用绞碎机制作过程辣椒颗粒较小，辣椒水分流失，不能很好的保留本身所含的营养成分，无法实现加盐，灌装装瓶的自动化现状。利用机械原理、机械传动、机构间的受力分析等相关知识，设计一个半自动化加工剁辣椒机，并把理论计算与实验结合，成功解决了现有家用绞碎辣椒机的不足之处。
家用剁辣椒绞碎自动灌瓶机总体结构示意图如图1所示，它主要包括机体、螺杆、手柄、推进轴、吸盘、灌瓶装置（圆锥螺杆）、圆刀、十字刀片、加盐装置、出料筒组成。结构上选择市场上家用绞碎机为样机。结构形式的选择取决于原料供料的要求。整个传递运动过程中螺杆是家用剁辣椒绞碎自动灌瓶机的主要执行部件，是关键机构，它的主要任务就是将十字刀片、圆刀和圆锥螺杆连接在一起，形成一个整体传动轴。辣椒由投料口输入，通过作用手柄带动螺杆旋转，从而把辣椒输送到十字刀片处，由于螺杆旋转时，十字刀片也随螺杆旋转，圆刀固定不动。从而把辣椒绞碎，并从圆刀孔中流出。流出的辣椒颗粒经过加盐后，再通过圆锥螺杆的输送，灌入瓶中。图1所示物料随圆柱形螺旋杆不断填充，刀具进行切碎，压环装置进行加盐，锥形螺杆输送，最后由出料筒落入容器瓶中。在制作过程中只要控制螺杆的转数，即可完成定量供料。
1.2圓刀结构的改进
圆刀孔直径决定辣椒颗粒的大小和水分的流失。我们对此进行了实验，列表：
根据对市场上瓶装剁辣椒和走访多个家庭，了解他们采用传统加工剁辣椒的习惯和口感的要求，确定剁辣椒加工颗粒直径6-7 ，辣椒出水量10，是符合家庭加工剁辣椒制作要求。因此，我们对家用绞碎机圆刀孔直径进行改进，由原来4改为7。使之符合设计要求。
1.3自动送辣椒装置设计
图3所示自动送辣椒装置，采用的是螺杆供料机构。由于要把绞碎的辣椒灌入瓶中，而圆刀直径比瓶口大，所以按照以往采用圆柱螺杆的输送方式，无法实现。经过计算，通过对螺杆一次供料量、螺杆转速、每圈螺旋的容积、供料一次螺杆的转数、螺距、槽深、圈螺旋周长、螺旋中径、对应中径的螺旋升角的理论计算与实验相结合，设计出了该装置。采用的螺杆供料机构，为锥形螺杆。流出的辣椒颗粒经过锥形螺杆旋转，完成大口径的输入变为小口径输出。使绞碎的辣椒能够以最理想的速度自动灌进瓶中。
1.4自动加盐装置设计
图4所示自动加盐装置，采用的是压簧结构。由于要把盐加入辣椒颗粒中，而灌瓶装置在灌瓶时将有一定的挤压力，才使得辣椒颗粒灌入瓶中。而在挤压时，会把辣椒颗粒挤入加盐漏斗中，使盐无法顺利进入辣椒颗粒中 ， 所以按照以往采用漏斗形式，利用盐的自重而流入辣椒颗粒中的功能，无法实现。为此我们采用了压簧装置，并经过设计及计算确定压簧供料机构。根据自动加盐装置在机座上所处的位置把它设计成有盖的圆筒状，筒底螺纹与出料筒相连接。将盖与筒身通过螺纹连接。筒内部安装有活塞、连杆、压簧构件，共同组成了压簧供料机构装置。活塞、压簧和盖通过连杆联结在一起，加盐时，只需将盖旋出，内部压簧供料机构一同取出。把盐加入筒内，安装内部压簧供料机构，旋上盖。加盐过程完成。盐的加入量，依靠盖的旋转周数控制。旋转周数越多，压簧的受力越大，作用在盐上的力就会越大，加盐量也就越大。反之，则相反。
圆柱螺旋压缩弹簧的设计步骤如下：
弹簧在自由状态时，P=0，f=0；负荷为P1，变形为f1；工作时，载荷为P2，变形为f2，P2大弹簧也大，P1也大，P1 与P2之间的关系为：P1/P2=0.1-0.5.
弹簧的极限负荷为P3，变形为f3一般P3稍大于P2，其关系：P3/P2=1.25.
行程为f2- f1=h。由此可绘出示性图，从示性图还不能直接计算出弹簧的主要尺寸，但示性图与弹簧的主要尺寸有关.
2 示性图与弹簧主要尺寸的关系 3 弹簧强度条件
3.3.1根据理论推导，弹簧的强度条件为：
T=8kP2c/πrd2≤[T]（1）
若为静载荷或循环次数Ⅳ≤l03，则k=l；若为变载荷，则k>l.
k=（4c -1 ）/（4c -4）+0.615/c
式中 k-曲度指数，d-弹簧丝直径， [T]-许用剪应力，取决于弹簧材料和负荷类型，可查表[1】，
c-旋绕比，一般取c=5～8.
3.3.2弹簧刚度条件
刚度Kp反映弹簧的基本性能，可根据示性图算出：Kp= P2 / f2 =P1/ f1=（P2-P1）/（f2-f1）=（P2-P1）/h
又Kp=Gd4/8D23n= Gd4/8（D-d）3n[1】则：n=Gd4h/8（D-d）3（P2-Pl） （2）
式中 D-弹簧外径， D2 -弹簧中径，n-弹簧有效工作圈数.
3.3.3 制造条件
弹簧制造中的主要参数为旋绕比c，当d不变时，D2小则c小，卷绕困难，
∵ c=D2/d=（D—d）/d=D/d一1， ∴ D=（c+l）d （3）
3.3.4 行程条件
彈簧的行程h与螺距t有关.在P2作用下，弹簧各圈之间应留有一定间隙σ（σ=0.1d）.
∵ t=f2/n+d+σ，而f2=P2h/（（P2-P1），∴ t=hP2/n（（P2-P1）+d+σ（4）
由上述可见，d、D、n.t与式（1）、（2）、（3）、（4）存在一定关系.弹簧的设计，首先必须满足强度与行程条件.强度条件若不满足，可改选材料.如尺寸不够理想，可改选c和[T]来加以调整.
4 螺旋压缩弹簧的设计
试算法是弹簧的传统设计方法，其计算步骤为：
1）选材料，查力学性能数据[1】；2）选c，计算K；3）根据c估取d，由表[1】查取[T]；4）根据强度条件T≤[T]，计算z若T >[T]，重选d，直到T≤[T]为止；5）由d、c再计算其他尺寸[1】；6）验算.
实例设计一成形模上所用的圆柱形压簧，己知P2=1 500N，行程h=34mm，载荷属Ⅱ类.
解：1）绘制弹簧示性图：P1=（0.1～0.5）P2
取 P1=0.33， P2=500N； P3=1.25 P2=1880N； Kp= （P2-P1）/h=30N/m m.
据fi= Pi/K，计算，得： f1=16.7mm，f2=50mm，f3=63mm
21计算弹簧主要尺寸：
钢的G=8xl04N/mm，取c=6，计算k=1.25
①试算法
T=8kP2c/πrd2≤[T] ，[T]=XσB=0.4×l250=500N/mm2
初选d=7，查表[1】得σB=l 250N/mm2
T =8 ×1.25×1 500×6/72π=5 85 N/mm2
T >[ T l，不合格
重选d=8， T =8 ×1.25×1 500×6/82π=448 N/mm2<[ T l，合格
n=Gd4/8D23 Kp=8×104×8/×8×30×63=12.3圈
取n=12，t=hP2/n（（P2-P1）+d+σ=13.2mm，D=（c+l）d =56mm
2 加工分析
如图4所示，螺杆式供料机构生产能力按下式计算：
Q=G·n
G=V · ρ · n′
V=s · t · L/2
L=πD11 /cosα1
式中G—螺杆一次供料量（kg）
n—螺杆转速（r/min）
V—每圈螺旋的容积（cm3）
n′—供料一次螺杆的转数
s—螺距（cm）
t —槽深（cm）
L —圈螺旋周长（cm）
D1—螺旋中径（cm）
α1 —对应中径的螺旋升角
经过计算得生产前辣椒密度为532.9kg /m3
生产后辣椒密度为980kg /m3
n′ =3radn=51r /min
圆柱形螺杆的加工能力Q1参数：
S1=22.70mm t1 =16.48mm
D1=32mm α1 =25 °
圆锥形螺杆的加工能力Q2参数：
S2=15.20mm t2=20mm
D2=27mm α2 =4 °
∴由以上数据代入Q=G · n，得Q1 < Q2，
故物料能够顺利的落入瓶中。
通过理论与实验的结合，将剁辣椒的加工能力提高到最大值。
3 结论
研制了一种应用于家用制作剁辣椒的装置，该作品具有成本低，结构简单，实用性较强的特点。本文主要介绍了自动送辣椒装瓶装置和自动加盐装置的结构与剁辣椒生产能力参数分析，并在实验中证明了该装置在使用的全过程中方便、简捷、环境卫生。文中对剁辣椒绞碎自动灌瓶装置的结构与生产剁辣椒的能力参数进行了初步的分析，为实现新的功能成品，作进一步地开发与研究。
参考文献：
[1]蒋立文，李宗军，等.剁辣椒的生产现状及技术进展[A]，中国酿造.2006（2）：6-7.
[2]哈尔滨工业大学理论力学教研组编. 理论力学.高等教育出版社 2009（7）：301-302.
[3]劉鸿文主编.材料力学.高等教育出版社2004（1）：28-31.
[4]徐健康主编.机械设计.高等教育出版社.2004（4）：392-401.
[5]李建国主编.压力容器设计的力学基础及其标准应用.机械工业出版社，2004（1）：11-13.
[6]梁锡昌主编.机械创造方法与专利设计实例.国防工业出版社，2005（2）：31-32.