厨房刀具智能消洗一体机设计与研究

0引言

厨房刀具作为食品加工的重要工具,其卫生状况直接关系到食品安全和公众健康。研究表明,刀具表面易残留食物残渣和微生物,成为交叉污染的重要媒介,尤其是沙门氏菌、大肠杆菌等致病菌的滋生,可能引发食源性疾病[1]。传统的清洗消毒方法(如手工刷洗、化学消毒剂浸泡等)存在效率低、效果不稳定、化学残留等问题,难以满足现代厨房对高效、环保、安全的需求。因此,开发一种高效、自动化且环保的厨房刀具清洗消毒装置具有重要的现实意义。

近年来,随着超声波清洗、紫外线杀菌、高温蒸汽消毒等技术的发展,其在食品工业中的应用为厨房刀具的清洁消毒提供了新的解决方案[2]。然而,针对家庭及餐饮业中刀具消毒的专用设备研究仍相对不足,尤其是在集成化、智能化和能耗优化方面存在提升空间。本文旨在设计一种集机械清洗、物理消毒和智能控制于一体的厨房刀具专用清洗消毒机,通过调研刀具清洗参数和消毒工艺,设计一款智能消洗一体机,以提升清洁效率并降低能耗,同时避免化学残留[3—4]。本文研究的厨房刀具智能消洗一体机对保障食品安全和推动厨具智能装置发展具有积极意义。

1机器方案设计

1.1整体方案设计

根据刀具清洗消毒的一般流程,将装置设计为由刀具夹持模块、清理模块、除水模块、加热烘干模块以及智能控制系统等组成[5]。装置整体设计结构如图1所示。考虑到刀具形状的多样性,为适应绝大多数的刀具,刀具夹持模块设计了自适应的刀具夹持机构,适应刀柄宽度范围在22~40mm;清理装置由同步带控制清洗范围,最大可清洗长220mm、宽140 mm的刀具表面。在设计过程中,考虑到加工和安装的难度,采用了铝型材做框架作为支撑。

厨房刀具智能消洗一体机整体的机械系统运行主要分为三个阶段。第一阶段:清洗阶段,由清理装置中清理滚筒旋转摩擦刀具表面,清理装置从下限位出发,通过同步带带动上下往复清洗并最终返回下限位;第二阶段:除水阶段,除水装置中电机驱动齿轮,上下两齿条做同步运动控制除水器贴合刀具表面,除水装置从上限位出发,由同步带带动自上往下进行除水工作;第三阶段:自清洁阶段,除水装置中齿轮反转,除水器张开至起始位置并返回上限位,清理滚筒开始进行自清洁工作。至此,机械系统的工作结束,紫外线消毒灯、加热烘干器开始对刀具进行消毒烘干工作I实现了刀具消洗烘干以及机器自清洁的功能。

1.2 主要模块工作原理

1)刀具夹持模块。如图2所示,刀具夹持模块安装在框架上方,主要由刀架、推刀板、顶升弹簧和推刀滑轨组成。刀具插入机器后,弹簧压紧推刀板,保持刀具垂直向下的姿态,通过合理的夹持力保证在清理工作时刀具位置不会发生偏移。

2)刀具清理模块。清理模块实现刀具清洗的初步处理,通过滚筒旋转摩擦刀具表面并喷洒清洁剂和清水达到清洗效果。如图3所示,清理模块位于框架左侧,主要由驱动电机、同步带、齿轮、滑块导轨、清理滚筒、刮水板组成[6]。由驱动电机带动同步带,通过滑块导轨的导向作用,实现清理滚筒的上下往复运动。

3)刀具除水模块。除水模块的作用是在清理完成后,去除刀具表面模块的水,为后续烘干消毒做准备。如图4所示,除水模块主要由一个蜗杆电机、一个减速电机、齿轮齿条、导轨滑块、除水器、带轮、同步带组成。除水模块采用了齿轮齿条同步传动机构,通过电机驱动齿轮带动上下两齿条的相向位移,控制除水器紧贴刀具表面,由同步带带动除水模块自上往下对刀具表面进行除水工作,通过两个机构的配合实现刀具除水功能。

4)加热烘干模块及智能控制模块。如图5所示,清洗程序完成后,在红外传感器和限位机构的信号下,设备将自动启动加热烘干模块与智能控制模块协同运作:内置LED紫外灯即刻开启,针对顽固细菌实施深度消杀,进一步提升除菌效果;与此同时,侧面烘干风扇同步启动,快速带走残留水分,实现高效烘干,时刻保持厨房环境的干爽洁净。

2理论设计计算

2.1 清理滚筒电机选择

清理滚筒由驱动电机驱动,以抵抗清理滚筒工作时的摩擦力[7]。电机驱动所需要的功率P为:

P=Mn/9550 (1)

式中:M为单个电机所受转矩,M=Fr,其中F=μN,F为抵抗清理滚筒所受的摩擦力,μ为动摩擦因数(此处为滚筒外圈绒布的动摩擦因数),N为正压力,r为滚筒半径;n为电机转速,初步设计为200 r/min。

已知:r=0.018 m,μ=0.4,N=12 N,代入得:

F=μN=0.4×12=4.8 N

M=Fr=4.8×0.018=0.086 4 N.mP=Mn/9550=0.086 4×200/9550

≈0.0018 kW=1.8 W

设计计算过程为电机选型提供重要基础,为保证电压一致,方便电路连接,故选用DC12 V的XD-25GA370电机。

2.2 带轮驱动电机选择

清理模块(图6)和除水模块(图7)内部均有两个较大扭矩减速电机,分别驱动两个同步带轮,带动清理模块和除水模块上下移动工作,由于两模块受力相似,所以计算扭矩稍大的清理模块。

P1=M1n1/9550 (2)

式中:P1为清理模块的电机功率;M1为清理模块电机所受转矩,M1=F1d,其中F1为清理模块刀具和连接组件的重力,d为该组件悬伸的力臂;n1为电机转速,初步设计为50 r/min。

己知:d=0.045 m,刀具及组件质量m=0.8 kg,g取10 N/kg,F1=mg=0.8×10=8 N,代入得:

M1=F1d=8×0.045=0.36 N.m

P1=M1n1/9 550=0.36×50/9550

≈0.00188 kW=1.88 W

为确保电机的安装,保证电压一致,故选择DC12 V的电机,由公式计算后,最终选择减速电机XD-25GA370。

3 关键零件仿真分析

结构静力学分析用于计算在固定不变的载荷作用下结构的效应,它不考虑惯性和阻尼的影响,静力学分析基本矩阵方程为:

[K]{μ}={F(t)}(3)

式中:[K]为刚度系数矩阵;{μ}为位移矢量;{F(t)}为力矢量。

为保证装置的正常运行,刮水板、螺旋轴等关键零部件需要满足一定的强度和刚度,为了检验所设计结构是否满足工作要求,运用ANSYS软件对其进行有限元分析[8-10]。

将简化后的零件导入ANSYS软件进行静力学仿真分析,设定零件的力学性能参数如表1所示,添加约束和载荷后运行仿真计算,得到如图8、图9所示等效应力云图和总体变形云图[11]。由图可知,在载荷作用下,刮水板的最大变形量约为2.21 mm,最大应力约为16.70 Mpa,螺旋轴的最大变形量约为0.41 mm,最大应力约为19.64 Mpa,材料的许用应力为25 Mpa,刮水板和螺旋轴的最大应力小于许用应力,因此强度和刚度能够满足工作要求。

4样机制作与调试

根据设计模型进行实物样机制作与组装调试，完成以单片机为控制核心的控制系统设计与调试，得到如图10所示的实物样机，可通过控制屏幕或语音实现对样机的有效控制。工作时各装置通过电气控制紧密有序地配合,完成了对刀具的清洗、消毒、除水、烘干等作业,实现了机器自洁的功能，样机测试得到了满意的结果。

5 结束语

本文针对厨房刀具清洗消毒的卫生需求,设计了一款智能消洗一体机。通过模块化设计,实现了刀具的自动化夹持、机械清洗、高效除水及紫外线—热风联合消毒。理论计算与仿真分析表明,关键部件(如刮水板、螺旋轴)的强度和刚度均满足工作要求。样机测试验证了装置的可行性与稳定性I其清洗效率高、无化学残留I且具备自清洁功能。该研究为厨房刀具卫生管理提供了新型解决方案I未来可进一步优化能耗与智能化控制,以适应更广泛的应用场景。

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《机电信息》2025年第20期第11篇