离心式土豆切片机设计-机械设计及其自动化毕业论.doc

毕 业 设 计(论 文) 题目 离心式土豆切片机 系部 机械工程系 专业 机械制造与自动化 姓名 管 春 森 学号 G 1221018 指导教师 孙 菁 2015 年4 月 20 日 离心式土豆切片机摘要：随着科学技术的持续发展，农业机械技术也得到了广泛的应用。本文所设计的马铃薯切片机要比其它切片机体积要小，结构也较简单，适用于家庭、餐厅、小作坊的小型加工机械。土豆切片机设计的整个过程，主要包括整机方案的确定，各部件的设计及计算，总装与部装图纸以及各零件的图纸。完成全部设计后，对切片机进行评价，并指出它的特点、优势之处，以及存在的一些不足，并提出一些改进的措施。关键词：切片机；离心式；切片机；刀片前言2014年6日由中国农业科学院、国家粮食与营养咨询委员会、中国种子协会共同举办的马铃薯主粮化发展战略研讨会上，正式提出了马铃薯的主粮化战略。即将国人习惯吃的米粉、面包、馒头等主食由马铃薯来替代加工制作，进而实现国人马铃薯的消费习惯由目前副食消费向主食消费的转变、其消费类型由温饱型消费向营养型消费的转变、其产业类型也由原来的原料产品向制成品的转变。专家建议马铃薯主粮化将涉及科研、生产、加工、流通、消费等多个环节，需要不断加大扶持的力度，集中力量攻关。加强主粮化加工工艺改进和完善,加快研发适宜马铃薯主粮化的加工机械等。另一方面，随着社会经济发展的加速，人们生活节奏也相应加快，随之而来的快餐文化的迅猛发展，对薯类食物的需求越来越多。像土豆薯条、薯片等休闲食品的消费急剧增长。这也给薯类食物的加工带来了勃勃生机与活力。在薯类作物的加工过程中需将其切成片。因此土豆切片机应运而生。目前，食品切片技术在某些产品上已经相对成熟，在国内市场上可以见到运用良好的人参切片机、洋葱切片机、黄姜切片机等，按刀片安装形式的不同切片机可以分为盘刀式、滚刀式和离心式三种。由于马铃薯形状很不规则，又要求一定的表面质量，所以不宜用夹具夹持，通常的做法是利用离心切削法进行切削，这样即可以保证其表面的完好，又可以提高切削率。本次毕业设计主要针对加工效率较高、应用较为普遍的离心式土豆切片机进行设计。目 录前言11 国内外研究现状11.1 国外发展情况11.2 国内发展情况12 离心式切片机整机方案的设计12.1整机结构及工作原理12.1.1 结构特点12.1.2 工作原理及工作条件22.2 核心部件组成及特点22.2.1 电动机22.2.2 皮带传送装置32.2.3轴33 电机驱动装置选型及设计34 带传动参数计算及选型44.1 计算功率PC54.2 选择V带型号54.3 确定带轮基准直径54.4 验算带速v54.5 初定中心距a064.6 初算带长Ld064.7 计算中心距a64.8 验算小带轮的包角64.9 确定带的根数z64.10 单根V带初拉力F074.11 作用在轴的力FQ75 V带轮的设计75.1 V带轮材料的选择75.2 带轮结构尺寸的设计85.2.1 带轮结构形式的设计85.2.2 带轮尺寸的设计86轴的设计116.1 选择轴的材料116.2 轴径的初步估算116.2.1 主、从轴的输入功率116.2.2 主、从轴的转矩116.2.3 初步估算轴径126.3 轴的结构设计126.4 轴的强度计算136.5 判断危险截面并验算强度147 轴承的选用及校核147.1 轴承类型的选择147.2 预选型号147.3 计算当量动载荷P147.4 计算实际动载荷C158 键联接的选择计算158.1 键联接类型的选择158.2 键联接尺寸的选择158.3 键联接的强度计算159 刀片的设计169.1 刀片类型的选择169.2 刀片的形状、工作位置及尺寸的设计1710 入料斗及叶轮的设计1811 机架的设计1811.1 机架的设计要求1811.2 机架材料的选用及壁厚选择1911.3 机架的整体设计1912 机体结构的设计1913 结论2013.1 本次设计的优点2013.2 本设计存在的问题及改进措施20主要参考文献21致谢221 国内外研究现状1.1 国外发展情况国外的切片机技术的出现最早可以追溯到60年代；70年代时切片机的技术已经发展成熟；到了80年代，国外逐渐开始出现很多像瑞士的迈克-布格耶斯那样的切片机制造公司；等到了80年代中期时，市面上大部分切片机可以加工125mm(5英寸）。八十年代中期后的一、两年，切片机技术发展到了鼎盛时期，相当多的多功能全自动切片机相继商品化。从而诞生了世界上许多著名的切片机切片机厂家，如日本Okamoto Machine株式会社的ASM系列机，瑞士Meyer-Burger AG公司的TS系列机，日本Tokyo Semitsu株式会社的TSK（若干）系列机，美国STC公司的STC系列机,美国的哈克逊公司生产的BIZERBA SE12、FAC F300半自动切片机，意大利碧佳ES25、ES30斜刀式切片机等。1.2 国内发展情况我国的切片机技术发展缓慢，较国外发展稍晚一些。我国的切片机技术始于七十年代初期，那时还主要应用在蔬菜、中药、冻肉等领域，其中在土豆上的应用尤为显著。我国在切片机的研究开发方面虽然已经有了30几年的历史，近些年来切片机的研制发展也非常迅速，但是与发达国家相比仍然存在有一定的距离。虽然在过去我国已有切片的生产厂家如北京雅宝食品山东省机械厂生产QR-300型自动切片机，诸城市大洋食品机械厂的大洋牌土豆切片机有400型、600型，沈阳清宝食品机械有限公司生产的CWS-350A，马鞍山华宝机械设备有限公司生产的落地式切片机，江阴鑫达药化机械的中药切片机等。这些机器的显著特点是生产率大，速度快，适合于大型的场合。但是它们价格相对较贵，对于农民的作坊生产来说不适合。2 离心式切片机整机方案的设计2.1整机结构及工作原理2.1.1 结构特点根据本设计的要求及适用面，初步确定切片机将会有以下几个特点:装、卸料要简单；整体结构设计要简单且便于维护；操作要方便，不繁琐，长时间工作状态要稳定。因此将在本设计中采用离心式的结构设计来满足上述特点，而且离心式相对立式工作时产生的震动小，并且有益于机械的正常工作，是非常适合作坊的机械。本机构将达到以下几个优点:一、降低了人们的劳动强度，提高了工作效率，能达到5001000kg/h。二、切片的薄厚度一致性高，破损少。三、切削种类多，能对土豆、红薯、洋葱等进行切削。四、结构简单紧凑。按动力种类分，离心式切片机又可分为机动和人力两类。其中机动的包括内燃机驱动和电机驱动。由于电机驱动在操作方便，工作稳定，效率高，污染小等方面拥有突出的优点，故本设计选择效率较高的电机驱动为动力来源。概括起来，本次设计的是离心式切片机将由电动机、旋转叶轮、皮带传动装置、装料和卸料装置、控制装置等组成。其大致轮廓图如图1:1-电动机 2-皮带及皮带轮 3-传动轴 4-叶轮及其刀片图1 马铃薯切片机结构简图Fig 1 Schematic structure of potato slicer2.1.2 工作原理及工作条件离心式切片机采用电动机作为动力，皮带轮传动减速装置带动输出轴转动，轴的顶端连接叶轮和刀片。土豆从高速旋转的转盘中心孔投入，以一定速度回转的叶轮带动土豆作圆周运动，土豆在离心力的作用下滑向机壳内壁并随叶轮作高速旋转（此离心力可达到其自身重量的7倍），由于土豆紧压在机壳内壁并与固定刀片作相对运动，当土豆经过装在切向的固定刀片时，此时相对运动所产生的相对切削力将把土豆切成厚薄均匀的薄片，被切下来的土豆片从刀盘底落下，然后经出料口送出。此外，切片的厚度由刀片与转盘间垫片厚度在控制。配套动力： 切片厚度： 叶轮转速： 生产率：2.2 核心部件组成及特点2.2.1 电动机考虑到对土豆的实际加工环境，并且在电动机选择上面Y型电机具有结构简单、成本低、工作稳定可靠、容易维护，且交流电源易获得等优点，故本设计将采用全封闭自扇冷式笼型三相异步电动机，型号为：,其额定功率为,同步转速为(具体选择计算见第3部分)。2.2.2 皮带传送装置切片机选择V带作为传送装置，型号为：，传动比选为。（具体选择计算见第4部分）表 常见机械传动的单级传动比推荐值带传动一般有以下特点： 具有良好的挠性，能吸收震动，缓和冲击，传动平稳，噪声小； 当过载时，带在带轮上打滑，防止其他机件损坏，起保护作用； 结构简单，制造，安装和维护方便；带传动根据不同的工作原理分为摩擦传动和啮合传动。根据横截面形状的不同分为平带、V带、多楔带、圆形带。目前在一般传动机械中，应用最广的是V带传动。V带的截面为等腰梯形，传动时，V带只和轮槽的两个侧面相接触。根据槽面摩擦定理，在同样的张紧力下，V带传动较平带传动能产生更大的摩擦力，并且V带传动工作时能允许较大的传动比，结构紧凑，以及已标准化等特点，因而本设计选择V带传动。2.2.3轴轴的材料为45钢，轴的固定选用角接触球轴承；采用轴肩定位。（具体选择设计及计算见6、7部分）碳素钢具有足够高的强度，对应力集中敏感性较低，便于进行各种热处理及机械加工，价格低，供应充足，应用广泛等特点。45钢属于优质碳素结构钢，常用于制作承受负载大的小截面调制件和应力较小的大型正火零件，及对心部要求不高的表面淬火件，如曲轴、传动轴、连杆、链轮、齿轮、齿条、蜗杆等3 电机驱动装置选型及设计根据设计要求配套动力：，初步确定采用Y型电机即可满足切片加工要求且符合这一范围的额定功率有和两种。通过查阅机械设计基础课程设计表Y系列三相异步电动机的技术参数（摘自JB/T 9616-1999)(），可查得六种方案，见表。表 电动机参数由生产率Q为，所以Q取。茎块一般为椭圆形，测定其长为,宽为。由生产效率的公式得出其中，B为刀片长度； r为刀盘半径； n为传动轴的转速； a,b分别为一般茎块的椭圆的长和宽； d为切片厚度，此处切片厚度为; z为刀片片数，此处刀片片数为。前面提到,所选V带的传动比定为，由此得出电机的转速范围是。综合考虑电动机极数、耗材及传动系统的质量和节约资金等因素，因此选定第一方案的电动机，型号为。其主要性能如表。表 电动机主要性能 电动机主要外形和安装尺寸见表。表 电动机主要外形和安装尺寸 mm4 带传动参数计算及选型4.1 计算功率PC表 工况系数由表（工况系数）查得4.2 选择V带型号可选普通V带和窄V 带，现选普通V带。根据，,由图表确定为Z型V带。4.3 确定带轮基准直径由表可知,确定小带轮直径则大带轮直径：取标准值。则实际从动轮转速转速误差为：，允许。4.4 验算带速v由带速的计算公式:，可以计算出V带的速度，在之间，合适。4.5 初定中心距a0由公式初选的取值范围为,故取中心距。4.6 初算带长Ld0由公式，计算得：。由表查得,相近的基准长度。4.7 计算中心距a实际中心距4.8 验算小带轮的包角包角，合适。4.9 确定带的根数z查手册(表 特定条件下单根V带的基本额定功率和表时，单根普通V带基本额定功率增量)得单根型普通V带的基本额定功率;单根型普通V带的基本额定功率增量;由表 包角修正系数查得,表 包角修正系数用插值法求得包角修正系数；由表 V带基准长度及修正系数，查得带长修正系数；由公式得则取。根据表可知满足Z型V带使用根数不多于2根的使用要求，合适。表普通V带使用标准4.10 单根V带初拉力F0由公式.其中由表普通V带使用标准，查得；计算得，。4.11 作用在轴的力FQ由公式，得。5 V带轮的设计5.1 V带轮材料的选择V带轮是带传动的重要组成部分，在充分考虑带轮应该满足强度要求下，同时也需满足以下条件： 质量小； 结构工艺好； 无过大的铸造内应力； 质量分布均匀，转速高时要经过动平衡； 轮槽工作面要精细加工（表面粗糙度一般应为），以减小带轮的磨损； 各槽的尺寸和角度应保持一定的精度，以使载荷分布较为均匀。带轮的材料常采用灰铸铁（HT150、HT200）、铸钢、焊接钢板、铸铝、工程塑料等，其中灰铸铁应用最广。当带轮的圆周速度在以下时，用灰铸铁；但转速较高时，可采用铸钢或焊接钢板；传递小功率时可用铸铝或塑料，以减轻带轮重量。由小带轮的转速，可知小带轮的圆周速度，又依据表铸铁力学性能表格，确定采用铸铁制造，材料牌号为HT200。表 铸铁力学性能5.2 带轮结构尺寸的设计5.2.1 带轮结构形式的设计带轮由轮缘、腹板（轮辐）和轮毂三部分组成。轮缘是带轮的工作部分，制有梯形轮槽。轮毂是带轮与轴的连接部分，轮缘与轮毂则用轮辐（腹板）联接成一个整体。V带轮按腹板（轮辐）结构的不同分为以下几种形式。实心式：；腹板式：；孔板式：；轮辐式：。由4.3中计算得知，所以小带轮采用实心式，标记为：；，所以大带轮采用腹板式，标记为：。5.2.2 带轮尺寸的设计V带轮的轮槽与所选用的V带的型号相对应，此设计选的是Z型V带，根据V带轮设计手册可直接查得，基准宽度 ；基准上槽深 ；基准下槽深 ；槽间距 ；第一槽对称面至端面的距离 ；最小轮缘厚 ；带轮宽度 ；主动轮相关尺寸：外径 ；轮槽角 ；轮毂直径；表 Y系列电机输出轴尺寸及键槽尺寸由表查得，电机输出轴直径为。又因，故小带轮的总长。从动轮相关尺寸：外径 ;轮槽角;轮毂直径;其中d大带轮的计算见6.2.3.轮辐厚；大带轮的总长故大带轮总长。6轴的设计6.1 选择轴的材料由于该轴没有特殊要求。因而选用调制处理的45钢。其主要力学性能见表。表 45钢的主要力学性能6.2 轴径的初步估算6.2.1 主、从轴的输入功率表 机械传动和摩擦副的效率概表由表查得：V带传动效率；因此，电动机轴（主动轮轴）的输入功率：；转盘轴(从动轮轴)的输入功率：。6.2.2 主、从轴的转矩电动机轴（主动轮轴）的转矩：；转盘轴(从动轮轴)的转矩：。表机械传动系统运动和动力参数的计算值6.2.3 初步估算轴径表 轴的几种常用材料的及值按扭转强度估算联接带轮处的最小直径，根据表按45钢，取；根据公式有：，其中P,n值均在表中。因此，。由于在大带轮和转盘联接处各有一个键槽，因此轴径应增加；对此，又根据轴径最小部分一般位于轴的端部，且轴的其中一端将联接大带轮，所以应取标准值。6.3 轴的结构设计根据设计需要从动轴的两端将分别采用螺母用来连接皮带轮和刀盘，对此取从下往上（从左往右）取直径：根据大带轮从而确定，。由于轴承选用的是，则可以查表知。根据轴承端盖总宽度为以及需要便于添加润滑剂的要求，从而取。最后，取。根据轴上零件的安装、定位及轴的制造工艺，确定轴的结构如下图： 6.4 轴的强度计算先绘制出轴的受力计算图（即力学模型）如图根据力学模型不难看出：承受载荷最大的面是靠近大带轮的轴承端面，轴承与联接带轮之间的截面为危险截面。即只需对该处进行校核。由表知，外力偶矩：；则可以计算出作用在轴上的圆周力有：作用在刀片上的径向力有：。对此，可以绘制出接截面的扭矩求算表：6.5 判断危险截面并验算强度由于近带轮处当量弯矩最大，故带轮与轴承之间的剖面为危险剖面。因为是单向回转，视转矩为脉动循环。依据上面表格取。通过将上述数据代入公式从而计算轴的应力值。由公式，计算得，所以强度足够。由于该机器在工作过程中几乎不存在瞬时过载和相对严重的应力循环不对称性的发生，即整根轴的强度足够，满足使用需求。7 轴承的选用及校核7.1 轴承类型的选择根据此次设计，轴承将承受径向和轴向上的载荷，故选用角接触球轴承。7.2 预选型号因，预选轴承7206C，标记为：。通过查阅手册知：基本额定动载荷，基本额定静载荷。7.3 计算当量动载荷P表载荷系数表因,，那么。由表查得，。由表载荷系数表知。又因轴承同时承受轴向载荷和径向载荷。根据栋梁载荷P公式，。求解得。7.4 计算实际动载荷C表 温度系数由表 温度系数 ，取温度系数。假定轴承寿命为h。解得实际动载荷。故选用轴承合适。8 键联接的选择计算8.1 键联接类型的选择由于轴的两端将会各自加工出一个键槽用来分别联接带轮和刀盘，为简化制造加工工序。综合考虑成本等因素，故选用普通平键中的A型键（圆头）。8.2 键联接尺寸的选择根据键所在的轴径选择键的截面尺寸，确定该处轴径，从表普通平键和键槽尺寸中查得键宽，键高。键长。标记为：。8.3 键联接的强度计算由于键、轴和毂的材料均为钢查表键联接的许用挤压应力得许用应力，取。键的工作长度，由公式式中，d为轴的直径（mm）；h为键的高度（mm）；l为键的工作长度（mm）;T为传递转矩（Nm）。代入数据，。对此，键强度满足使用要求。9 刀片的设计9.1 刀片类型的选择在实际应用中切削刀片常被分为圆刃刀片和直刃刀片两种。由资料查得刀片刀片单位长度承受的切削力至少为0.3kg/mm。对此，将通过对比分析对圆刃刀片和直刃刀片在切削过程中的受力数据，进而选择切削合适的切削刀片。圆刃刀片在切削中的受力数据分析见下表：表1 圆刃刀片分析The analyzing of arc bit直刃刀片在切削中的受力数据分析见下表：表2直刃刀片分析Table2 The analyzing of straight bit通过对比两种刀片可以发现：圆刃刀片要比直刃刀片省力50%左右。故针对本设计而言，将采用圆刃刀片，刀片材料则选用45钢。9.2 刀片的形状、工作位置及尺寸的设计针对此次设计的工作要求，在进行加工进行过程中。切片刀片是被固定在机壳内壁上的，并且通过叶轮的旋转使得土豆能相对刀片运动，进而达到切片的目的。所以设计出来的刀片应呈现出一定的弯曲且弯曲的半径也应接近机壳内壁的半径。根据土豆的外形尺寸、切片时所需的速度、生产效率等条件，确定刀盘直径为，对此由于，同时考虑到切片刀片在实际加工中需要进行调节，以保证切片厚薄的均匀，故切片刀片的厚度定为。考虑到本设计的离心式切片机的切削物料以茎块作物为主，刀片的长、宽应接近作物的尺寸。考虑到平带是做圆周运动，因此将每隔一定的角度安置一把切片刀片，以提高加工效率。因此设计了4把刀片安装在刀座上，即当转盘运动一周时，刀片将进行切片四次。刀片的物理尺寸：长为，宽为；并用铆钉将刀片固定。铆钉将选用带有沉头的型式，；考虑到切片刀片的强度会因为有沟槽的存在而降低，对此将在刀座装有刀片的地方也铆上薄铁皮以此来避免。刀盘是铸造而成，要求其质量分布均匀，保证传动的平稳性。10 入料斗及叶轮的设计入料斗的用途：一是，能够保证投料顺利；二是，起到定力刃的作用。针对本次设计机构的特点。入料斗将设计成倾斜的矩形状，这样可以使物料在自身重力的作用下自然下滑。又因为入料斗与叶轮之间的距离将影响切片的厚度，对此设计入料斗和刀盘间的距离定为左右。下面将考虑如何让茎块投放到入料斗后能够在自身重力作用下下滑，那么则必定要求法向上在轴上的投影要在轴的正方向上，同时还得满足，即。由，解得，故取，即物料斗的倾斜角度为45度。叶轮的设计图如下：11 机架的设计11.1 机架的设计要求机架起到在机器中一般起到支撑或容纳零部件的作用，对此机架在设计过程中主要应保证以下三点：拥有足够的强度和刚度；形状尽量简单，以便于批量化加工；要便于在上面安装附件等。其中，决定机架工作能力的准要评判依据则是刚度。因此，在离心式切片机中刚度则决定着切片机的生产效率和切片的薄厚均匀程度。强度是评判重载机架工作性能的另一重要指标。机架的强度应依据机器在实际运转过程中可能发生最大载荷或安全装置所能传递的最大载荷来校核其静强度。此外还要对其疲劳强度进行校核。机架的刚度和强度都需要从静态和动态两个方面来进行考虑。其中，动刚度则是衡量机架抗震能力的指标，而提高机架抗震能力应从提高机架构件的静刚度、加大阻尼、控制固有频率等方面进行设计。机架受压结构及受压弯结构都存在失稳问题。有些构件由于制成薄壁腹式也存在局部失稳。稳定性是保证机架正常工作的基本条件，必须加以校核。为了能够满足切片效率的要求，本设计的离心时切片机将在功能上应该完成以下几点要求：结构设计合理，工艺性好，便于进行焊接、铸造和机械加工；在满足强度和刚度的前提下，机架的重量能轻并且成本要低；抗震性好，噪声小，便于安装、调整和维修；温度场分布合理，热变形对精度影响小。11.2 机架材料的选用及壁厚选择铸造具有较低的生产成本，常用的铸造合金有铸铁、铸钢、铸造铝合金和铸造合金。然而针对本设计中的离心式切片机的形状比较复杂，故采用具有制造周期较短、重量轻和成本低等优点的焊接机架，材料为HT200。当机架零件的外轮廓尺寸一定时，因而在满足强度、刚度、振动稳定性等条件下，应尽量选用最小的壁厚11.3 机架的整体设计机架的整体应起到固定及连接各零件的作用。机架结构如下图：机架主要由以下几个部分组成：支腿、底板、输出滑板、电机护罩、机壳、连接板、支板、刀片座、固定箱、固定箱盖、输出滑板等。12 机体结构的设计机体就是由机座和箱体焊接而成的，材料选用HT200。为了能减少整个机体的重量，采用机座把箱体支撑起来，再把箱体和箱盖相连接，使得整体结构更加简单、稳定，以减少震动。机座的下面安装电动机，把带轮设置在机体外面，这样将方便调节带轮的松紧，检查皮带的安装是否正确到位。13 结论本次设计主要针对的是为中小型场合而设计的，可以对多种茎块类作物进行加工，且具有较高的生产效率。本次设计主要内容：离心式切片机研究的目的、意义以及国内外研究的动态；离心式切片机总体方案的确定及主要装置参数的设计计算；离心式切片机传动方案的确定及设计计算和主要工作部件的设计；离心式切片机主要受力零件的强度或寿命校核计算；离心式切片机装置装配图、零件图的绘制。通过此次设计，我从中受益良多；在进行设计过程中，它将大学期间所学的所有理论知识系统的联系在一起，全面了解了机械设计的方法及流程，特别是在这当中培养我独立思考问题和解决问题的能力，也使得我所学的知识得到一次比较全面的巩固，同时通过此次设计我也学到