苹果分级系统——输送机构设计

南京林业大学南京林业大学 本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 题题 目：目：苹果分级系统苹果分级系统输送机构设计输送机构设计 学学 院：院： 机械电子工程学院 专专 业：业： 机械设计制造及其自动化 学学 号：号： 070301210 学生姓名：学生姓名： 陆宝 指导教师：指导教师： 黄秀玲 职职 称：称： 副教授 二二 O 一一 一一 年年 五五 月月 三十三十 日日 摘要摘要 当今水果分级市场，全自动分级流水生产线已成为发展的趋势，而人工分级及半机 械分级是目前国内普遍采用的分级方法。在水果市场日益发达的商品贸易化时代，全自 动分级流水线以其生产效率高、精度高、分级全面等优点正逐渐被重视和采用。所以水 果分级的发展水平会直接影响我国水果类商品标准化的实施，并且会影响水果商品在国 际贸易中的竞争。 对苹果分级机的输送装置的合理优化的设计可以使苹果在输送过程中没有明显的碰 撞，保证苹果的质量，而且输送速度平稳没有冲击，能够快速迅捷的实现苹果的输送， 提高生产效率，产生相应的经济效益。 本次毕业设计的内容是：设计一个输送装置，用一个带有轮子的模块定向并输送苹 果，把苹果输送到位于倾斜装置顶端的检测摄像机前进行等级分拣。输送机构的关键之 一是在输送水果的同时，使水果的中心轴始终保持垂直，同时保持水果围绕其中心轴转 动，以便拍摄到水果的不同位置。 关键词：关键词：苹果分级;输送装置;链传动;输出动力;机架 AbstractAbstract In the classification of fruit market totally automatic pipelining has becoming a current nowadays. But in our coutry, machine grading and semi- manual classification is currently widely used in fruit grading . Increasingly developed in the fruit market and in the era of trade in goods, .Automatic classification line with its high efficiency, high precision, differential advantages of full attention and are increasingly being used.Therefore, the level of development of fruit grading will directly affect our fruit products standardized implementation of fruits in international trade competition. A proper design of the conveyor of the apple grader can avoid obvious crash in the transmission and ensure the quality of apples. The speed of transmission is quick and stable. All these can improve the production efficiency significantly and generate corresponding economic benefits. The content of this graduate design is transportation equipment. A module with wheels can use to transport the fruit. It can transport the fruit to the top of the acclivitous device. The systematic linchpin was when the apple was feeding the apples center mandrel keep upright. And the apple turn embay the center mandrel. The camera can shoot the apples different situation. KeywordsKeywords : : Apple Grading ; Conveyor; Chain Transmission; Power Output; Stander 目录目录 1 前言前言 .1 1.1 研究目的及意义.1 1.2 研究产品的国内外发展状况.2 1.2.1 国内同类研究的情况 .2 1.2.2 国外同类研究的概况 .3 1.3 研究的特色与创新.4 2 总述总述 .5 2.1 设计要求.5 2.2 工作原理.5 2.3 组成部分.5 3 输送装置输送装置 .8 3.1 PVC 塑料模块的设计.8 3.1.1 方案确定 .8 3.1.2 目标 .8 3.1.3 材料和方法 .9 3.1.4 实验和讨论 .9 3.1.5 结论 .10 3.1.6 PVC 塑料模块的具体设计 10 3.2 链传动设计.13 3.2.1 链传动的特点 .13 3.2.2 链传动的选择 .13 3.2.3 滚子链传动的设计计算 .14 3.2.4 滚子链传动的失效形式 .17 3.2.5 齿形的计算 17 3.2.6 滚子链链轮常用材料及热处理 .22 3.2.7 链传动的布置、张紧、润滑和平稳 .22 3.3 PVC 塑料模块与链条的连接.22 3.4 轴系零、部件的设计.23 3.4.1 从动轴的设计 .23 3.4.2 滚动轴承的选用 .28 3.4.3 轴承座的设计 .31 3.4.4 轴承端盖的设计 .31 4 驱动装置的设计驱动装置的设计 .32 5 机架的设计机架的设计 .32 6 结论结论 .33 7 致谢致谢 .34 8 参考文献参考文献 .35 1 2 1 前言前言 1.11.1 研究目的及意义研究目的及意义 传统的水果品质检测、分级方法存在着分级结果受人主观因素的影响、精度低、视 觉易疲劳、效率低;存在着不能对大小、重量、形状、尺寸、成熟度、表面缺陷、表面色 泽等指标综合评判等问题。 我国是一个水果生产大国，但我国的水果出口量却很低，与国外水果的分级销售相 比，中国水果市场不容乐观。国外进口水果的价格会高于国内水果几倍甚至几十倍。同 样都是水果，就因为国外的水果采取了分级后出售，其价格就大大提高。而中国的水果 则不分大小好坏混装出售，其价格就大打折扣。这一方面是由于果园总体管理水平低， 另一方面是水果的商品化处理落后。 水果生产的产业化，使实现水果采后处理的机械化与自动化技术成为可能。随着果 品贮藏加工业的发展和人们生活水平的提高，对水果质量的要求越来越高，水果采后处 理工作显得日益重要，而采后处理工作时效性强，作业质量标准高，因此，实现机械化、 自动化作业势在必行。 水果采后商品化处理的主要技术环节包括挑选、清洗、打蜡、分级和包装。挑选是 水果采后处理的第一个环节。目的是剔除有机械伤、病虫危害、着色度不够、外观畸形 等不符合商品要求的产品，以利于下一步的分级、包装和贮运。挑选由于涉及到病虫、 伤、残、色、畸形等多项指标，综合判断较复杂，目前还难做到机械化操作，所以无论 是技术先进的国家还是发展中国家，基本靠手工完成，但必须根据不同水果的特点制定 相应的标准清洗是商品化处理中的重要环节，是采用浸泡、冲洗、喷淋等方式水洗或用 干（湿）毛巾、毛刷等清除果品表面污物，减少病菌和农药残留，使之清洁、卫生，符 合商品要求和卫生标准，提高商品价值。打蜡（涂膜）是在果品表面涂上一层薄而均匀 的透明薄膜，也称涂膜。涂膜多用于苹果、柑桔、油桃、李子等。经涂膜处理后，不仅 可抑制水果的呼吸、减少水分蒸发和营养物质消耗，还可抑制病原菌侵染、减少腐烂， 而且还可以增进果品表面光泽，使外皮洁净、美观、漂亮，提高商品价值。分级的目的 是要实现农业产品的工业化，使果品成为标准化的商品。不同果品的分级，各个国家和 地区都有各自的分法和标准，我国现有 16 个果品分级标准，其中苹果、梨、香蕉、龙眼、 核桃、板栗、红枣已制定了国家标准。此外还制定了一些行业标准。随着生产的发展、 品种的更新以及市场的要求，标准还应不断 3 修订和完善。良好的包装，可以保证产品安全运输和贮藏、减少产品间的磨擦、碰撞和 挤压造成的机械伤，减少病虫害的蔓延和水分蒸发，使水果在流通中保持良好的稳定性。 设计精美的包装也是商品的重要组成部分，是贸易的辅助手段，为市场交易提供标准规 格单位，并有利于充分利用仓储空间和合理堆放。 水果分级是水果进入流通的第一个环节，并直接关系到水果的包装、运输、贮藏和 销售的效果和效益。果树果实有优劣之分，形状、大小、着色程度等也不完全一致，甚 至还有风蚀、病虫害等， 采后如混在一起既不便于贮藏运输，也不便以质论价销售。在 市场商品经济高度发达的今天，异地销售大宗农产品交易和农产品国际贸易等均离不开 标准化，而今水果分级就是实现水果商品标准化的最基础的一步。 分级的目的是要实现农业产品的工业化，使果品成为标准化的商品。不同果品的分 级，各个国家和地区都有各自的分法和标准，我国现有 16 个果品分级标准，其中苹果、 梨、香蕉、龙眼、核桃、板栗、红枣已制定了国家标准。此外还制定了一些行业标准。 随着生产的发展、品种的更新以及市场的要求，标准还应不断修订和完善。因此，水果 分级有着很强的重要性。 1.21.2 研究产品的国内外发展状况研究产品的国内外发展状况 1.2.11.2.1 国内同类研究的情况国内同类研究的情况 虽然我国大多数水果均是通过人工分级，只有少量的水果实现了部分自动化。但是随 着国民企业的不断发展，人们生活水平的逐渐提高，人们对生活质量也有了更高的要求。 于是，有关水果分级的研究也有了很大的进展。我国于 20 世纪 90 年代开始研究利用计 算机视觉进行苹果品质的检测。杭州杭挂机电有限公司与浙江大学合作 ,在国家“863” 计划项 目的支持下 ,成功研制了国内第一套基于机器视觉技术 、拥有自主知识产权的 “智能化水果实时检测与分级生产线” 。该生产线可从快速运动的水果中提取有效图像 信息并对其进行矫正和分析处理 ,以完成水果按国家标准所要求的大小、形状、色泽、 果面缺陷和损伤进行分级。在用于柑桔品质实时检测与分级时,每条生产线每小时可处理 水果 23 吨（二轨道） ,并可根据用户对生产规模的需求 ,组合多套 （416 轨道 ） 协同工作,所设计的硬件系统具有广泛的适应性 ,只需对软件进行适当修改 ,即可用于苹 果、梨 、桃子 、西红柿和土豆等水果 、农产品的分检 ,其技术水平达到国际同类先进 水平。应用于实际生产中将减轻农民劳动强度 ,提高劳动生产率和水果、农产品附加值 ,并 可增加农民收人 ,具有巨大的经济效益和社会效益。江苏省自主研制生产的电脑控制全 4 自动水果分级流水生产线在陕西成功运行，并通过国家一级科技查新，填补了国内果品 加工生产机械的空白。 该生产线由江苏牧羊集团研制，采用水果品质视觉系统测与分级， 每条生产线每小时能检测分级 25 吨及 3 吨水果，适用于柑橘、胡柚、苹果、西红柿、 土豆等多种水果及农产品的快速分级，部分指标达到世界先进水平。为配套新生产线， 该集团同时研发出压榨机、榨汁机等饮料机械，以及去核机、打浆机等果汁生产线前处 理设备与后道包装设备，具有良好的应用前景。 水果分级形式包括有体积分级和重量分级两大类，由于分级的目的主要为统一产品 外观规格，以便包装和提升销售档次，因此以体积分级应用最广泛。传统的体积分级设 备有滚筒式分级机、三辊筒式分级机和带式分级机等，其原理大同小异，均利用若干级 别尺寸的孔框或缝隙进行筛选，当物料的外形稍小于孔隙时，可依靠其本身重力穿过或 跌落输出，从而实现分级。孔隙式筛选分级是一种简单实用的形式，不但生产效率较高， 而且可设置多个级别。但这种分级形式存在一定的缺陷，主要表现在：（1）物料全程机 械式翻转筛分，难免造成鲜果表皮碰伤、擦伤及压伤；（2）分级精度不高，级差不可设 置过小，一般不小于 5mm。 （3）容易出现大小“串级”的混乱现象；（4）适应性较差， 只对近圆形、硬皮类水果，如柑桔等适用性较好，而对于苹果、梨、桃、柿、芒果等表 皮薄弱的水果须慎用。根据上述，广东省农业机械研究所张聪经深入研究，运用光幕测 量技术，构思一种创新的体积分级形式，设计新型的水果分级选别设备，于机上实现高 速连续的单个辨别分级。这种分级技术特别适应外形不匀称的鲜果分级，较之传统的孔 径分级方式，是一个质的飞跃，因为它实现了非接触式的分级形式，根本杜绝了孔框伤 果的缺点，而且精确、高速。 1.2.21.2.2 国外同类研究的概况国外同类研究的概况 发达国家在农产品品质检测与分级方面，于 20 世纪 80 年代中期就开始了水果品质 自动检测的研究,并成功制造了一些水果自动化分级系统。 比如，日本消费者对水果的消费是非常挑剔的，其水果上市前都要经过分级包装。 有些价值较高的水果，如冬季上市的西瓜要在标签上标出糖度数值。日本三菱电器公司 研制的水果成熟度分级机，就是利用传感器综合测出梨的表面颜色、对特定光的透光率、 形状和大小，并与事先贮存在计算机中的优良梨的数据进行对比，推算出成熟度和糖分。 意大利的果品贮藏加工业生产中，很早就使用了颜色分级机，主要是对苹果进行颜 5 色分级，是按照绿色苹果比红色苹果的反射光强的道理进行的。工作时，果实在松软的 传送带上跳跃移动，光线可照射到水果的大多部位，这样就避免了水果单面被照射。反 射光传递给电脑，由电脑按照反射率的不同来将果实分开，一般分为全绿果、半绿（半 红）果、全红果等级别。 再有，美国 Penwalt 公司 Decco 型分级机是一种新型果实分级机，具有速度快、性 能好、通用性强的特点，根据“体积”分级的原理进行工作，综合了大小和重量分级机 最突出的优点，同时消除了二者的缺点，使分级作业真正得以柔和平缓地进行。Decco 分 级机工作原理是：提升机辊子将待分级的果实送入四星装料斗，星轮与提升机以链条驱 动的各对定距辊子同步，辊子承载水果通过分级全程，这样的装置，星轮可以很柔和地 将水果从提升机传送到由一对滚子形成的凹槽中，根据选用分级机规格的不同，分级部 分包括 6-9 行高度可调的“摩擦指” ，滚子从摩擦指下通过，缓缓地作反时针回转，水果 则作顺时针转动，当水果遇到摩擦指（最大的水果首先接触摩擦指） ，由于转动与摩擦的 组合，水果极柔和地从滚子上移动并落入弹性的摆动活动门上，水果自重足够使其滑出 并滚到输送皮带上，然后由皮带送入包装槽中。由于水果没有摔落，也没有其她任何典 型的引起损伤的动作，分级柔和。水果分级只有综合形状、大小、色泽、果面缺陷等各 种因素，甚至是内部品质，才能排除其它因素，使分级质量得到保证。 还有就是法国的 MAF France 公司的水果分级包装设备，不仅能对果蔬进行分级包装， 还可以利用电子、光学原理对果蔬表皮的瑕疵进行分选，全电脑监控，自动化程度相当 高。 1.31.3 研究的特色与创新研究的特色与创新 果分级在国内尚属新兴产业，有关这方面的研究本身就是一种创新。对去其内容的 研究，一般而言，苹果分拣是把苹果输送到双锥棍子上，不需知道苹果花萼/茎的位置。 随着数字成像技术用于缺陷识别，鉴别花萼/茎位置的图像处理被测试以确保在图像分割 之后，花萼/茎部被当作缺陷。 本设计课题对于苹果分级研究提供机械上的支持，是总体生产线的一个重要组成部 分，创新在于用一个带有定位轮的杯子的输送装置进行定位与输送，输送系统在输送水 果的同时，使水果的中心轴始终保持与水平面保持垂直。当苹果经过摄像机时，摄像机 可拍摄到不含有果萼和果梗的图像，识别出果萼和果梗，从而区别出缺损和果萼并进行 颜色分拣。 6 2 2 总述总述 2.12.1 设计要求设计要求 1 链传动的设计 输送 PVC 塑料板的输送装置选用链传动，根据需求选用合适的链条与链轮型号，并 设计其链轮张紧装置。设计完整的从动轴的设计，以及轴上零件的设计。如轴承、轴承 座、套筒、轴承端盖等的选用和设计。链条输送过程中要保证 PVC 塑料板运输苹果的平 稳性，于是要设计托板与托架以保证苹果的平稳运输。 2 PVC 塑料模块的设计 设计一种装置，可使苹果的花萼/茎置于一个固定的位置，即使苹果转正。在苹果图 像捕获期间，使其旋转。输送装置零件必须在摄像机的视场之外。定向必须在很短的时 间完成并且始终如一。在图像捕获期间输送装置的速度必须保持稳定。图像捕捉之后， 苹果应自动缓慢回落。机构必须构造简单。 3 驱动装置的设计 4 机架的设计 2.22.2 工作原理工作原理 由进料装置输送进需要分级的苹果，使其逐个落在设计好的 PVC 塑料模块上。模块 由链条输送以 0.4 米/秒的速度前进，在模块前进的过程中，模块上的小轮与机架上的托 条接触，实现不停的旋转。同时与小轮接触的苹果由于摩擦力的作用也在不停的旋转， 当苹果的花萼或花茎部分转到小轮处，小轮与苹果不再接触，此时苹果停止旋转，定位 完成。这一过程大概耗时 7、8 秒。当 PVC 由链传动传至灯箱下时，有箱内的相机给苹果 拍照，并通过两面的反射镜及两边的磨砂玻璃的到较好较完整的苹果的图像。由计算机 对拍摄到的图像进行处理，处理完毕之后，由计算机发出指令，实现苹果的分级。 2.32.3 组成部分组成部分 此套苹果分级装置主要由三大部分组成，其具体内容和作用如下： 一、传动部分 传动部分选择电动机作为动力输出，由于此套苹果分级装置要求输送速度较低，只 有 0.4m/s，因此选用 YCJ 系列电动机。此电动机转速调节范围较大，即 7 15rad/min600rad/min，其结构相对较简单，输出功率等一些参数都比较符合输送部分 的设计需求。电动机通过联轴器与驱动轴连接，驱动轴再将动力传到链轮上，实现动力 的传送。 二、输送部分 输送部分选用链传动来实现，驱动轴上装有两个链轮，与装在从动轴上的两个链轮 用两根 16A 的套筒滚子链条联接起来，共同完成输送任务。因为在整个输送过程中，我 们要完成苹果的定位、倾斜和旋转等一系列工作，所以我们设计了一个特制的 PVC 塑料 模块，模块固定在链条上，而苹果是落在模块上的。 此 PVC 塑料模块主要由模块外圈和模块内圈组成。模块外圈的主要作用是在输送的 过程中挡住苹果防止苹果掉落；同时模块上的四个螺纹孔起到了与链条固定的作用。苹 果落在模块内圈上，模块内圈和外圈配合起来，在输送的过程中要保证苹果的定位、倾 斜和旋转等一系列工作，以便最终实现苹果的分级。定位过程主要由内圈中心的定位轮 来实现，在模块前进的过程中，定位轮与机架上的托条摩擦实现旋转，从而带动苹果的 滚动，直到定位成功。内圈上有一个倾斜轮，其主要作用是实现模块内圈的倾斜，从而 使苹果完全暴露在摄像机的镜头前。模块内圈上的旋转轮在苹果实现倾斜之后与机架上 的凸轮作用，实现苹果的旋转，以便摄像机拍摄到苹果的各个部分，保证苹果分级的准 确性。 三、机架 传动部分与输送部分固定在机架上，保证整套设备工作的顺利完成。 四、设备示意图 8 图 2-1 总装图 9 3 3 输送装置输送装置 3.13.1 PVCPVC 塑料模块的设计塑料模块的设计 3.1.13.1.1 方案确定方案确定 PVC 塑料板，其上包含两个防止苹果滑落的挡轮及旋转体，在模块的中部有凹下去的 地方，使苹果固定，并有定位轮当苹果的花萼或花茎部分转到小轮处，小轮与苹果不再 接触，此时苹果停止旋转，定位完成。方便拍摄，其外形如图所示： 图 31 模块示意图 3.1.23.1.2 目标目标 用一个下面带有小轮子的杯形物体进行苹果定向的观念是简单的，而且经过时间证 明不管是任何苹果品种都能很好地工作。然而，当输送和使苹果定向用于苹果表面和内 部缺陷检测时，某些设计标准需要仔细考虑。 1在苹果图像捕获期间，输送装置零件必须在摄像机的视场之外。 2设计中必须考虑在图像捕获期间允许有适当的距离以便照明穿过。 10 3定向必须在很短的时间完成并且始终如一。 4在图像捕获期间输送装置的速度必须保持稳定。 5机构必须构造简单，重量轻。 6必须适合各种不同尺寸的苹果。 7设计必须适应苹果长茎及由于长茎所带来的问题。 3.1.33.1.3 材料和方法材料和方法 此 PVC 塑料模块由长 98mm 宽 120mm 的长方形，41mm 厚的 PVC 塑料板组成，中心有直 径为 76mm 的洞。板固定在相互平行的 16A 号套筒滚子链条之间，板间间距为 101.6mm。 当 PVC 由链传动传至灯箱下时，有箱内的相机给苹果拍照，并通过两面的反射镜及两边 的磨砂玻璃的到较好较完整的苹果的图像。灯箱的内部如图： 图 3-2 灯箱的结构 3.1.43.1.4 实验和讨论实验和讨论 对于我们设计的 PVC 塑料模块，自行做了一个模型，属手摇式。通过此实验，可测 得苹果定向所需时间及其路程。并确定了所处理的苹果的极限尺寸。 定向苹果中，最大和最小的苹果直径分别为 92.7mm 和 59.2mm。从观察中可以看出， 能定向直径为 90 的苹果是本次定向设计的极限。 在定向期间旋转苹果的轮子上方支撑苹果的环的设计，允许茎移动而不接触机构。 成功定向的长茎苹果品种的定向成功并没有显著的区别。观察到茎移动到环的空处而没 有打断苹果旋转。 尽管表面缺陷检测装置的一段包括很多绕轴旋转及自传的零件，全部的机构是用 CNN 机床来加工 PVC 板。这可以方便的用注射塑料膜来制造。注射膜也能制造 2 个圆柱辊子 和 3 个聚氨酯覆盖的辊子。在轮子的周围的小环从 PVC 标准管上切割。PVC 和聚氨酯表面 11 没有聚积明显的蜡，即使旋转了多个苹果后。 3.1.53.1.5 结论结论 输送装置的一段设计成能使苹果在表面缺陷摄像机前花萼/茎处于一个已知的位置， 经过多次实验，大部分苹果都能完成定位。 在定向过程中，输送装置的一段的设计特点为：允许在定向过程中苹果旋转时留空 隙给茎。苹果的直径 90mm 及直径 63.5mm 定向成功率相当。没有明显的蜡聚积在输送装 置的零件上。输送装置的一段比较轻，且在图像拍摄过程中，在摄像机视野之外，照明 设备有一些影子出现作为表面缺陷。 经过计算、实验分析确定基本参数如下表所示： 表 3-1 基本参数 小模板板间间距 101.6mm 链轮角速度 30.91rad/min 链传动传输速度 24.38m/min PVC 塑料模块小轮转速 271rad/min 每秒钟传输苹果数4 个苹果/s 苹果定位用长 2908.3mm 苹果倾斜旋转分级用长 1422.4mm 模板总数93 个 输送装置总长 4.3307m 3.1.63.1.6 PVCPVC 塑料模块的具体设计塑料模块的具体设计 一、PVC 塑料模块总体的设计 PVC 塑料模块主体由模块外圈和模块内圈组成。模块外圈是一个长 98mm,宽 120mm 的 PVC 塑料板，中间有一个直径为 76mm 的半圆，其主要作用是防止苹果的滚落。模块内圈 12 是是安装在模块外圈中的，对苹果起支承作用。模块内圈中间安装一小轮，作用是实现 苹果的定位。两个零件通过轴连接。 二、旋转轴的设计 旋转轴是安装在模块内圈上，其主要作用是靠底部旋转轮的作用带动轴顶端的棍子 转动，从而使苹果旋转，也起到防止苹果掉落的。其具体尺寸如图 33 所示： 图 33 旋转轴的尺寸 轴两端分别用螺钉与开口销连接旋转轮与旋转体，因此轴两端分别有螺纹孔和光孔。 三、挡圈的选择 用于轴端的挡圈，其作用是对轴进行固定。固选择轴用弹性挡圈，其型号为 GB/894.2-86 6。 用于旋转轮和定位轮处的挡圈选用孔用弹性挡圈，其型号为 GB8931-86 17。 四、弹簧的设计 当 PVC 塑料模块由链传动带动转到输送装置下面时，小模块处于反向状态，此时小 模块内圈由于重力作用会向下倾斜，挡在机架上，影响前进。因此设计一扭转弹簧，安 装在模块内圈与外圈连接处，防止模块向下运动时模块内圈向下倾斜。弹簧具体尺寸如 图所 34 示： 13 图 34 弹簧的尺寸 弹簧右旋，有效圈数 3 圈，热处理后硬度要求（4050）HRC，弹簧展开长度 L41mm. 五、轮子的设计 1 定位轮的设计 定位轮的作用是利用摩擦力带动苹果旋转，使苹果旋转到其花萼/茎与小轮接触，完 成苹果的定位。小轮内端要安装一轴承和挡圈，其具体形状与尺寸如图 35 所示： 图 35 定位轮的尺寸 旋转体是安装在旋转轴顶端的，靠抓走旋转带动与苹果摩擦，从而实现苹果的旋转， 也起到固定苹果的作用。其具体尺寸如图 36 所示： 图 36 旋转体的尺寸 14 3.23.2 链传动设计链传动设计 3.2.13.2.1 链传动的特点链传动的特点 链传动由两个或两个以上的链轮和连接它们的传动链锁组成，是一种具有中间绕性 件的啮合传动，它兼有齿轮传动和带传动的一些特点。由于它具有结构简单、传力大、 效率高、传动比准确、适应性强、紧凑、经济耐用和维修保养方便等主要特点，因而链 传动在金属切削机床、农业机械、矿山机械、输送设备起重机械、纺织机械、汽车船舶 及日用品机械等许多方面得到了广泛应用。此次课程设计主要是输送苹果，因此选用链 传。 链传动具有以下优缺点： 与齿轮传动相比：因为链传动是一种具有中间绕性的啮合传动，所以对链轮齿形的 加工与安装精度要求为低，安装和维修方便。两链轮的中心距适应范围大。有较好的缓 冲及吸振能力。链轮齿受力较小，强度较高。链轮结构简单、紧凑。成本较低，具有较 好的经济性。运动时存在瞬时速度不均匀。两轮中心距较小的场合不能采用。冲击、振 动和噪音较大。只能传递平行轴之间的运动和动力。 与带传动相比：能获得准确的平均传动比。链传动不存在弹性滑动及打滑，因此和 带传动相比，有较高的机械效率。链传动不存在弹性滑动及打滑，因此和带传动相比， 有较高的机械效率。链传动不象带传动那样需要较大的预紧力，因而作用于轴和轴承的 载荷为小，减少了轴承的摩擦损失，有利于提高传动效率。在相同功率的条件下，链条 的宽度比带传动中的带宽为窄，链轮也比带轮的直径为小，容易实现结构紧凑的要求。 能在较小中心距下工作。由于链传动允许链条在链轮上的包角可小一些，其传动比范围 比带传动大。链条的磨损伸长较胶带拉伸变形伸长缓慢，不需要经常调节预紧力。链条 比胶带容易装拆。使用比带传动安全，不会产生引燃现象。比带传动噪声大。需要润滑。 转速不如带传动高。只能传递平行轴之间的运动和动力。 3.2.23.2.2 链传动的选择链传动的选择 链传动的类别及应用，如表 3-2 15 表 3-2 链传动类别及应用 名称特点及应用 传动用套筒 滚子链 它由许多链节构成，每个链节由内链板、外链板、销轴、套筒和滚子组成， 内外链节逐节交替，最后接头形成封闭无端的链条整体。根据所传递功率 的需要可以组装成单排、双排及多排形式。套筒滚子链主要用于动力传动， 如配上各种附件也可供输送机械使用。 传动用套筒 链 种链除没有滚子外，其余结构与套筒滚子链相同，其节距较小，常用于轻 载传动中。特种套筒链的套筒可用粉末冶金制作，可自行润滑，多用于食 品、纺织等需要洁净传动的场合。 传动用齿形 链 由多个链板交接而成，为防止链从链轮上脱落，再链节两侧设置有外导板， 链片与轮齿作楔入啮合，因而具有传动平稳无噪声等特点。齿形链多用于 高速或运动精度要求高的传动，链速可达 35m/s.在汽车、磨床上应用较广。 销轴链具有结构简单、成本低廉、转动灵活、可在较少齿数的链轮上工作等特点。 但链片易伸长，造成冲击及噪声增大。销轴链多用于农业机械、输送提升 机械或中低载荷及工作环境脏污的场合。 综上所述，选用传动用套筒滚子链。 3.2.33.2.3 滚子链传动的设计计算滚子链传动的设计计算 1 传动比 i i= / = / = 1:1； 1 n 2 n 2 z 1 z 2 主动链轮齿数 1 Z 表 3-3 传动比与齿数 i123456 1 Z 312725232117 = 1； 1 Z 16 3 从动链轮齿数 2 Z = i = 131 = 31 120； 2 Z 1 z 4 链条节距 p (mm) P=25.4mm； 5 链轮轮毂直径 （mm） k d ； k d maxk d = 48 mm； k d 6 链轮中心距 （mm） 0 a = 4330.7mm ； 0 a 7 链长节数 p L = 2+（）/2+c/； p L 0p a 12 zz 0p a = /p； 0p a 0 a C = (-)/(2)； 2 z 1 z = 372 节； p L 8 链条长度 L (m) L = （P）/1000； p L L = 9.4488 m； 9 链速 v （m/s） v = 0.406 m/s； v 0.6m/s 低速传动； v 0.68m/s 中速传动； 17 v 8m/s 高速传动； 10 如上计算分析，选取 16A-1-372 GB/T1243-1997 套筒滚子链，其参数如表 3-4 所 示。 表 3-4 传动用滚子链基本参数和尺寸 （摘自 GB1243.1-83） 节距滚子 外径 内链 节内 宽 销轴 直径 套筒 内径 内链 节外 宽 外链 节内 宽 销轴 长度 链条 通道 高度 内连 扳高 度 外链 板高 度 单排 重量 p 1 d max 1 b min 2 d max 3 d min 2 b max 3 b min 4 b max 1 h min 2 h max 3 h max q 链号 mmKg/m 16A25.4015.8815.757.927.9722.6122.6633.524.3924.1320.832.60 滚子链链条是由若干组件链节以铰链副形式串接起来的挠性件。因此，链节是 组成链条的基本结构单元。链节一般可分为外链节、内链节和接头链节（连接链节或过 渡链节）几种。其中内链节和外链节称为基本链节，它们交替串接排列，形成两端，再 用一个接头链节将两端连接成闭合的链条。链条如图所示： 图 3-7 链条装配 18 3.2.43.2.4 滚子链传动的失效形式滚子链传动的失效形式 由于设计、制造、使用等多方面的差异，链传动的失效形式是多种多样的，主要有： 1 链条疲劳破坏。在闭式链条传动中，链条元件受变应力作用，经过一定循环次数 链板发生疲劳断裂，滚子套筒发生冲击疲劳破裂。在润滑得当的条件下，疲劳破坏是决 定链传动能力的主要因素。 2 链条铰链磨损。是常见的失效形式之一。磨损使链条总长伸长，从而使链条垂度 变大，增大动载荷、发生振动、引起跳齿、加大噪声以及其它破坏，如打坏链箱、链边 互相碰撞、销轴因磨损削弱而断裂等。开式传动、工作条件恶劣、润滑不良、链条铰链 比压过大等均会加剧链条铰链的磨损，降低其使用寿命。 3 链条铰链胶合。润滑不当或转速较高时，组成铰链副的销轴和套筒的摩擦表面易 发生胶合破坏。 4 链条静强度破断。低速重载的链条过载时，易发生静强度不足而破断。 3.2.53.2.5 齿形的计算齿形的计算 1 滚子链与链轮的啮合属非共轭啮合，其链轮齿形的设计可以有的、较大的灵活性。 试验和使用表明，齿槽形状在一定范围内变动，在一般工况下对链传动的性能不会有很 大影响。因此选择三圆弧一直线齿形，符合 GB1244-85 标准规定的齿形范围，且使用相 应的标准刀具加工，即“齿形按 3R GB1244-85 规定制造” 。其参数如表 3-5 所示。 19 表 3-5 三圆弧一直线齿槽形状参数表 （摘自 GB1244-85） 20 名称代号 单 位 计算公式 齿沟圆弧半径 i r mm =0.5025+0.05 i r 1 d 齿沟半角 / 2 度/2=-/Z5560 MmmM=0.8 d sin/2 工作段圆弧中心 的坐标 2 o TmmT=0.8 d cos/2 工作段圆弧半径 2 r mm =1.3025+0.05 2 r 1 d 工作段圆弧中心角 度=-/Z1856 Wmm W=1.3cos(/Z) 1 d180 齿顶圆弧中心的 3 o 坐标 Vmm V=1.3sin(/Z) 1 d180 齿形半角/2度/2=-/Z1764 齿顶圆弧半径 3 r mm =(1.3cos/2-0.8cos-1.3025)-0.05 3 r 1 d 工作段直线部分长 度 e b mm =(1.3sin/2-0.8sin) e b 1 d E 点至齿沟圆弧中心 连线的距离 Hmm H= 22 3 (1.3/2)rdp 2 选用腹板式单排铸造链轮。滚子链链轮基本参数和主要尺寸，如表 3-6，图 21 38 所示。 表 3-6 链轮的直径及齿高 参数名称 代 号 计算式 单 位 说明结果 分度圆直径 dd=p/sin(/Z)180mm P-链轮节距，与配用链条同； Z-链轮齿数，根据计算求出。 251.2 齿顶圆直径 a d=p(0.54+ctg/Z) a d180 mm 选用三圆弧一直线齿形。 264 分度圆弦齿 高 a h=0.27 p a h mm 辅助尺寸。 6.86 齿根圆直径 f d=d- f d 1 d mm235.2 图 38 滚子链链轮的主要尺寸 22 3 轴向齿廓结构，如表 3-7，图 39 所示。 表 3-7 链轮轴向齿廓参数表 （摘自 GB/T1243-1997） 名称符号单位计算公式备注结果 单排尺宽 1f b mm =0.95 1f b 1 b适用于 p12.7 15. 齿侧倒角 a b mm =0.13p a b适用除 081083084 外的 A 或 B 系列链条 3.3 齿侧半径 x r mm =p x r 公称28 图 39 轴向齿廓尺寸 4 腹板单排式铸造链轮，如表 3-8，图 310 所示。 23 表 3-8 腹板式、单排铸造链轮主要结构尺寸 名称符号单位结构尺寸结果 h=K+/6+0.01d h d 轮毂厚度 hmm 常数 K： d150 K3.24.86.49.5 h=20.01 轮毂长度 lmml=4hl=80.04 轮毂直径 h d mm =+2h h d k d=88.02 h d 圆角半径 Rmm R=24 R=3 图 310 腹板式、单排铸造链轮主要结构尺寸 24 3.2.63.2.6 滚子链链轮常用材料及热处理滚子链链轮常用材料及热处理 材料选用 45 号钢；热处理：淬火、回火；齿面硬度：（4050）HRC；应用范围： 无剧烈冲击振动和要求耐磨损的主、从动链轮。 3.2.73.2.7 链传动的布置、张紧、润滑和平稳链传动的布置、张紧、润滑和平稳 1 链传动的布置。链传动合理布置的原则是：两链轮应位于同一垂直平面内，并保 持两轮轴线相互平行。两轮中心线与水平线的夹角应小于，并尽量采用水平布置。一45 般情况下，链传动应紧边在上、松边在下（与带传动相反） ，有利于防止咬链或两边链条 相碰。 2 链传动的张紧。链传动张紧的目的，主要是为了避免在链条的垂度过大时产生啮 合不良和链条的振动现象；同时也为了增加链条与链轮的啮合包角。当两轮中心轴连线 于 60 度时设有张紧装置。 因为此次设计的链传动要求一个 PVC 塑料板对应 4 节链节，不可改变其个数。可通 过调节其中心距来控制张紧程度。 3 链传动的润滑。链传动的润滑十分重要。良好的润滑可缓和冲击，减轻磨损，延 长链条使用寿命。润滑方式采用人工润滑；润滑方法：用刷子或油壶定期在链条松边内、 外链板间隙中注油；供油量：每班注抽一次。润滑油推荐采用牌号 L-AN32、L-AN46、L- AN68 的全损耗系统用油。 4 链条的平稳性。当苹果输送到摄像机前拍照时，应保证 PVC 塑料板上的苹果保持 平稳，这就要求链条输送时要有一定的平稳性。采用托板和托架以保证链条平稳，它适 用于链轮中心距较大的场合，材料选用耐油橡胶。 3.33.3 PVCPVC 塑料模块与链条的连接塑料模块与链条的连接 输送链共有 372 节链节，93 个 PVC 塑料板。平均 4 节链节固定一个 PVC 塑料板。加 工链条时，每四节链节便更换一块外链板，换上特制的外链板，使其连接 PVC 塑料板与 链条。即在标准链条上稍加该装。如图 311 所示 25 图 311 PVC 塑料板与链条的连接情况 该处特制链板其材料厚度，技术要求，制造精度均与 16A 套筒滚子链相同。其具体 尺寸与安装尺寸见零件图与装配图。 3.43.4 轴系零、部件的设计轴系零、部件的设计 3.4.13.4.1 从动轴的设计从动轴的设计 3.4.1.13.4.1.1 轴的功用和分类轴的功用和分类 一、轴的功用 轴是机械中的重要零件之一。它主要功用是支承回转零件，如齿轮、带轮、链轮、 凸轮等，以实现运动和动力的传递。 二、轴的分类 轴按受载情况分： 1）转轴 既支承传动件又传递动力，即承受弯矩和扭矩两种作用。 2）心轴 只起支承旋转机件作用而不传递动力，即只承受弯矩作用。心轴又可分为 固定心轴（工作时轴不转动）和转动心轴（工作时轴转动）两种。 3）传动轴 主要传动动力，即主要承受扭矩作用。 按结构形状分：光轴，阶梯轴，实心轴，空心轴等。 按几何轴线形状分：直轴，曲轴，钢丝软轴。 3.4.1.23.4.1.2 轴的材料轴的材料 机械中的轴多数为转轴，要同时承受弯曲正应力和扭转切应力两种交变应力的作用， 26 因此要求轴具有高的静强度和疲劳强度，足够的韧性，即具有良好的综合机械性能。此 外对于用滑动轴承支承的轴，轴颈处还受到强烈的摩擦和磨损，因此轴颈处的局部表面 还要求有高的硬度和耐磨性。对于载荷不大、转速不高的一些不重要的轴可采用 Q235、Q237 等碳素结构钢来制造，以降低成本；对于一般用途和较重要的轴多采用 45 钢 等中碳的优质碳素结构钢制造，这类钢对应力集中的敏感性小，加工性和经济性好，且 经过调制（或正火）处理后可获得良好的综合机械性能，轴颈处可进行表面淬火处理。 根据需求，从动轴的材料选用 45 钢，其力学性能见表 39 所示 表 39 轴的常用材料及其主要力学性能 抗拉 强度 b 屈服 点 s 弯曲疲 劳极限 1 扭转疲 劳极限 1 许用静 应力 1 许用疲劳 应力 1 材 料 牌 号 热 处 理 毛怌 直径 /mm 硬度 (HB) MPa 不小于 MPaMPa 备注 45 调 质 100 170 217 600 300 240140240 160184 应用 最广 泛 3.4.1.33.4.1.3 从动轴的结构设计从动轴的结构设计 轴的结构设计就是在强度计算（求得轴端直径）的基础上，合理地定出轴的各部分 的结构形状和尺寸。所谓合理就是轴的结构要满足轴上零件（包括轴承）的可靠定位和 固定，以保证轴上零件和轴具有正确的工作位置；同时轴的结构应满足轴的受力情况好， 应力集中小，强度、刚度、高的要求；此外，轴的结构还应具有良好的工艺性，便于轴 的加工和测量，便于轴承、轴、轴上零件的装配、拆卸和调整等。为实现上述要求，一 般轴多设计成中间粗、两端细的阶梯形，称为阶梯轴。 一、轴上零件的布置 轴的结构应考虑合理布置轴上零件的要求。轴上零件布置合理，可以改善轴的受力 情况提高轴的强度、刚度。对于中间传动轴，其轴上传动零件应尽量采取对称布置； 对于动力输入轴和输出轴，其外伸端的传动零件应尽量靠近轴承布置，以减少外伸长度； 对于同以轴上多个零件受到轴向力作用时，应使轴向力方向相反，互相抵消。 二、轴上零件的定位和固定 27 1 轴上零件的轴向定位和固定 轴上零件的轴向定位通常均采用轴肩或轴环。这种定位方法简单、方便、可靠。轴 肩或轴环处应有过渡圆角，且圆角半径不宜太小，以减少应力集中。为了使零件断面能 与轴肩或轴环平面接触到，零件孔口处的半径 R 或倒角 C 应大于轴上圆角半径 r。为了使 零件端面能与轴肩或轴环平面具有一定的接触面积，轴肩或轴环应有足够的高度 h，轴环 的宽度 b 可取 1.4h。受有轴向力的定位轴肩取大值，没有轴向力的定位轴肩取小值。为 了拆卸滚动轴承方便，安装滚动轴承处的轴肩高度另有规定，可直接由滚动轴承标准中 查取。 轴上零件除要求正确的轴向定位外，还要求可靠的轴向固定，以防止轴上零件在工 作时产生轴向移动。轴上零件常用的轴向固定方式有多种，如套筒，其结构简单（不用 在轴上开槽、钻孔） ，固定可靠，承受轴向力大，多用于轴上两零件相距不远的场合。 2 轴上零件的周向固定 轴上零件的周向固定就是限制轴上零件和轴之间的相对运动，以实现两者之间的运 动和动力（转矩）的传递。这种固定均通过轴与轮毂之间的联接来实现。常用的方法有 普通平键联接以及过盈配合联接，此外，用紧定螺钉和圆锥销作轴向向固定的同时也起 到周向固定的作用。 综上所述，轴上安装链轮处其轴向固定用轴肩与套筒；其周向固定用平键。轴上安 装轴承处其轴向固定用轴肩。 轴肩或轴环处应有过渡圆角，且圆角半径 r 不宜太小，以减少应力集中。为了使零 件端面能与轴肩或轴环平面接触到，零件孔口处的圆角半径 R 或倒角 C 应大于轴上圆角 半径 r。为了使零件端面能与轴肩或轴环平面具有一定的接触面积，轴肩或轴环应有足够 的高度 h，轴环的宽度 b 可取为 1.4h。具体的 r、R、C 和 h 见表 310。 28 表 310 轴上零件的孔口倒角 C 或圆角 R，轴肩、轴环处圆角半径 r 和高度 h（mm） 轴径 d1018183030505080 轴上圆角 r 11.522.5 零件倒角 C 或圆 角 R 1.522.53 轴肩高度 h 定位轴肩 h（1.22）C 或 h（1.52）R；非定位轴肩： h13mm 或更小 三、轴的结构工艺性 轴的结构应满足便于轴的加工、测量，轴上零件的装配、拆卸等工艺要求。 轴上车削螺纹处一般应有螺纹退刀槽；在磨削处应留有砂轮越程槽；同一轴上有多 个键槽时，各轴段上的键槽应位于同以直线上，以便于加工；对于细长轴和高精度要求 的轴（需要磨削）其轴端设计有中心孔，以便加工时可用顶尖顶住，既可使加工过程中 定位基准统一，又可提高加工时支承的刚度，减少加工时轴的变形，从而显著提高轴的 加工精度。为了便于轴上零件的装配，减少压配距离，并保证配合面的精度，在轴上相 应部位也应设计出轴肩，这种轴肩称为装配轴肩（非定位轴肩） 。其高度 h 应比定位轴肩 小，一般可取 13mm。 四、轴的加工和装配工艺性 轴的结构应便于加工、测量、装配和维修