机械课程设计（论文）-离心磨皮机的设计【全套图纸】.doc

吉 林 大 学食 品 工 程 系 统设 计 说 明 书离心磨皮机的设计作者姓名：班 级：学 号：导师姓名：2012 年 9 月16目 录1 绪论-31.1 课程设计提出的背景及应用价值-31.2 研究和使用现状-31.3 本设计的内容-32 总体方案的选择-42.1 方案的论证-42.2方案的确定-43 设计计算-43.1 设备结构-43.1.1 工作圆筒-43.1.2 工作转盘-43.1.3 传动系统-43.1.4其他-43.2 苹果去皮机的参数确定-43.2.1 物料在工作圆筒内的受力分析-53.2.2工作转盘转速的确定-63.2.3苹果去皮机功率的确定-73.2.4整机主要参数指标-84.主要零件的结构设计与计算-84.1传动主轴的结构设计计算-84.2.1轴上零件的周向定位-94.2.2确定轴上圆角和倒角尺寸-104.3滚动轴承的初步选择-104.3.1滚动轴承的寿命计算-104.4轴的计算和校核-114.4.1作出轴的计算简图-114.4.2轴的强度校核计算-114.4.3按弯扭合成应力校核轴的强度-124.4.4轴的扭转刚度校核计算-125 总结-13参 考 文 献-14-1 绪论1.1 课程设计提出的背景及应用价值全套图纸，加153893706随着我苹果的产量大大增加，苹果加工业也有了一定的发展。但是，我国的苹果加工在总体上还远远落后于苹果生产的发展。由于各级政府的重视，苹果种植业发展很快。随着苹果种植技术的推广普及以及优良苹果品种的培育和引进，种植面积不断扩大，苹果总产量逐年提高。苹果是我国第一大水果，目前我国的苹果产量居世界第1位，占世界总产量的50左右。我国有着丰富的苹果资源。据2005年调查统计，我国年产量已达2500万吨，但主要用于鲜食，苹果加工率极低。由于缺乏先进的果品加工机械，不能及时加工处理，导致每年约25的水果腐烂变质，经济损失数以亿计，因此苹果加工是我国苹果资源合理利用的重要课题。苹果通过加工既可以解决苹果鲜销市场卖果难的问题，同时又可以实现加工增值。在苹果加工产品诸如苹果果汁及苹果干等的加工工艺中，去皮是必不可少的一道工序，苹果经过去皮工序去除表皮上残留的农药、污渍等。苹果去皮方法有：手工去皮、半机械及机械去皮、蒸汽去皮和碱液去皮等。目前在苹果加工行业中广泛使用的苹果去皮机均为半自动，即由人工上果，机器自动去皮。为保证去皮的顺利进行，必须为每台去皮机配备人员，用手将苹果插在苹果削皮工位处。显然由人工上果费时、费力、劳动强度大，而且容易产生差错乃至事故。因此苹果加工中的去皮设备自动化程度低成为了苹果加工业发展的一个制约因素。为解决上述技术的不足而提供一种降低劳动强度、提高劳动效率和降低事故率，故而研究开发一种自动化程度高、功能性强的苹果去皮机械。1.2 研究和使用现状当前苹果去皮机大体分为如下几类：(1)单果手动削皮机。该机用于个人及家庭使用，由于其削皮速度极慢，劳动强度高，不宜生产使用(2)多果自动去皮机。该类去皮机每台机器至少一人、甚至两人负责放果和卸果，该机之劳动强度属三类去皮机中最大者，生产效率较低。(3)单果自动去皮机。此类去皮机较单果手动削皮机去皮速度快，但其仍然依靠人工上果，生产速度多由人工的熟练程度决定。是目前企业所用比较流行的机种。1.3 本设计的内容先用碱液浸泡清洗过的苹果，使苹果皮与果肉相连的果胶水解后放入离心磨皮机。离心磨皮机以电机为动力，通过齿轮带动圆筒底部的磨盘旋转。磨盘上表面中间低、边缘高，呈波浪形。将经碱液处理的苹果加入圆筒内，因离心力和相互碰撞作用，在圆筒内上、下、左、右翻动，并不断地滚动；而圆筒上的弹板，将苹果弹回，在磨盘和弹板共同作用下苹果被均匀地磨去外皮，实现苹果去皮的目的。去皮结束时加入清水，再打开侧门，块茎从侧门排出，皮屑随水流从磨盘的周围间隙排出。该机为间歇生产。本设计的内容是：总体方案的选择、主动轴的设计计算、结构设计。2 总体方案的选择2.1 方案的论证在苹果加工产品诸如苹果果汁及苹果干等的加工工艺中，去皮是必不可少的一道工序，苹果经过去皮工序去除表皮上残留的农药、污渍等。苹果去皮的工序日益重要而且前景广阔。本设计方案是为提供一种降低劳动强度、提高劳动效率和降低事故率，研究开发一种自动化程度高、功能性强的苹果去皮机械。2.2方案的确定离心摩擦去皮是苹果果汁加工的重要步骤。选择适合的苹果去皮机械尤为重要。本方案是借鉴了马铃薯去皮机的特点，选择先将苹果用碱液浸泡一定时间，待苹果皮与果肉间的果胶被水解后在采用离心擦皮机去除苹果皮。本设计的内容是：总体方案的选择、主动轴的设计计算、结构设计。3 设计计算3.1 设备结构该机采用立式机型，主要包括工作圆筒，工作转盘，机架和传动部分。3.1.1 工作圆筒工作圆筒部分包括圆柱形工作筒和倒梯形集皮槽。它由不锈钢薄钢板卷焊而成（采用不锈钢是因为它具有良好的耐腐蚀性能承受一定的冲击载荷，具有较高的硬度和耐摩性，特别是对于此类食品加工设备，食品安全卫生状况最佳）。筒内壁为粗糙表面，以棕刚玉掺环氧树脂浇注、烘干而成。圆筒的侧壁开有带活门的出料口，物料块茎在离心力的作用下甩出来，碰在出料门的内壁上并改变方向，以便于物料的收集。出料口和排渣口的方位可根据接收容器的放置位置和方便操作来确定3.1.2 工作转盘工作转盘是物料去皮过程中产生机械作用的主要部件。根据马铃薯的生物学特性及物理特性，吸收手工去皮的基本原理，确定转盘的基本形状为圆盘形，转盘表面为中心向四周辐射的凸起波纹状。为增大物料和转盘的摩擦，用棕刚玉掺环氧树脂通过模型浇注在盘的顶面上，大概20mm厚，经烘干制成。亦具有一定的去皮作用。转盘下方设有随盘一起转动的挡水环，以防止清洗水进入轴承。图2.4轴上零件的装配分析。3.1.3 传动系统该传动系统采用V带一级传动。电机安装在机架上水，整机结构简单、紧凑。3.1.4其他工作圆筒下部设有排渣口，清洗水连同物料皮渣一起从这里排出。3.2 苹果去皮机的参数确定3.2.1 物料在工作圆筒内的受力分析去皮机工作时，磨盘以一定的速度旋转，工作室内的苹果在离心力、重力和摩擦力共同作用下。利用苹果相对于工作磨盘间的相对速度差，将苹果的皮去掉。物料在转盘旋转时的受力情况如图3.1所示：图3.1 物料在擦皮机中的受力分析图设波纹角为,物料的速度为V。当转盘旋转时推动物料A运动。其运动方向垂直于波纹切线。V可以分解为V垂直和V水平，CB与转盘平面平行，可以看作是转盘圆周速度R，式中为角速度（1/s）,R为转盘半径（m） =Vcos=RsincosSin2=2sincossincos=则=R（m/s）物料从垂直方向抛起的动能E垂直=mv2垂直=m()2=m2R2sin22(Nm)此动能应等于势能mgh即：m2R2sin22=mgh 2R2sin22=gh为了正常运转，抛高h一定要超过物料在工作圆筒内的高度，才能使最低层的物料抛起与桶壁进行摩擦，所以用代替h，即2R2sin22=g又因为=，代入上式得（）2 R2sin22= g化简得n=60(r/min) (1)角一般取20。30。为了正常运转，仅把物料抛起还不行，还要保证物料能抛向侧壁进行摩擦，抛向侧壁的力靠离心力为CC=（N）此离心力应大于波纹对物料的摩擦力T，才能使物料离开波纹抛向侧壁，摩擦力T=Gf(N) f为摩擦系数使CT，即 Gf n=n30(转/分) (2)在设计计算时，应取（）、（）两式中的大值作为转速值，设计所选择的n值。3.2.2工作转盘转速的确定收购苹果等物料时，其包装以编织袋居多，每袋，工作时每次倒入两袋（以袋的整数倍为一次计量），下面以此确定整机的尺寸和转速。苹果的容量根据资料查找，选取一般值kg/m,苹果的长度一般取在mm-mm之间考虑，转盘半径应与物料长度有一定的可比性，再考虑整机结构以及外形尺寸。根据设计选定工作转盘半径500mm，则物料的堆高，根据公式m可以估算出，物料的堆高值80mm由（）式可知，在小于。时，转速随的增大而降低，考虑转速不宜太高且能有较大的抛高，取。，则由（）式计算转速最小值为nr/min。苹果与磨料的摩擦系数为1.1-1.3,取f1.2由（）式计算转速n=r/min取以上两者中的大值。但由于以上确定的转速仅适用于理想物料情况，实际工作中，由于物料之间的相互碰撞、摩擦和物料的弹性影响，物料在此转速下达不到计算高度，故n应适当放大结合考虑，故最终选定工作转盘转速nr/min3.2.3苹果去皮机功率的确定去皮机的功率消耗包括：克服物料对转盘摩擦力所需要的功率；克服物料对工作圆筒壁摩擦力所需要的功率；转盘抛起物料所作的功率；传动机构因摩擦而消耗的功率以上功率分别以下公式计算 （W）式中处于圆筒内物料的摩擦力矩（Nm）=（Nm）式中 G物料重力（N）f摩擦系数（1.11.3）摩擦臂矩（m）CP物料与圆盘的平均相对角速度（1/s）,采用最大角速度的1/2故 （W） 式中在离心力的作用下物料与侧壁的瞬时摩擦力矩 （Nm） （Nm）式中 物料圆周速度（m/s） 摩擦臂矩（=）（m） = （Nm）故（W） （W）式中s工作转盘表面波纹高度（m） k波纹的数量即传动损失，可用传动效率表示（=0.9）则消耗的总功率为：化简得 （W）结合上式根据经验公式，总功率可用以下式子进行估算（）式中为转盘转矩（NM）,为传动效率R为摩擦臂矩（m），0.4（为工作转盘直径）根据上式则可算出工作转盘转矩用近似值进行估算，达到生产要求所需的功率.，考虑到电动机效率及意外情况，取电动机功率为3.2.4整机主要参数指标工作转盘直径 1000mm转速 150r/min电动机 112（同步转速750r/min）生产能力 1250kg/h每次投料量 25kg每次去皮时间 约为70秒去皮得率 95去皮损耗率 5清洗水耗量 3t/h重量 500kg4.主要零件的结构设计与计算4.1传动主轴的结构设计计算由于轴承的型号是根据轴端直径确定的，而且轴的结构设计是在初步计算轴径的基础上进行的，故初步计算轴的直径轴的直径可按照扭转强度法进行估算，即d=C P=3.5KW n=150r/min式中为轴传递的功率，kw;n为轴的转速，r/min;C为由轴的材料和受载情况确定的系数。轴用号钢材料，取。则经过计算=32mm输出轴的最小直径显然是安装带轮的直径，由于此传动主轴开有两个键槽，考虑到键槽对轴的强度的削弱，则32+32考虑到车螺纹，故取最小轴径d=55mm拟定轴上零件的装配方案本轴的零件的装配方案见装配图；轴的结构图见零件附图。根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度L段的轴段为了满足工作转盘的轴向定位要求，考虑反转螺帽的旋入深度，工作转盘的厚度，此轴段所车的螺纹长度为mm，总长Lmm,直径d=55mmL段的轴段此段安装有轴承，考虑工作圆筒内的集皮空间和机架的厚度，此轴段的总长（由于此处选用凸缘式轴承盖进行密封，则轴承盖连接螺钉直径选M10,数目6个）L110mm，直径d65mm L段的轴段此段主要是处于立式轴承座中，进行轴承的轴向固定起承载作用，故长度根据估算取L200mm d=74mm段的轴段此段的轴长主要是与大带轮发生联系，在其上安装有轴承，根据大带轮的带轮宽（1）=52mm,综合考虑取此处110mm,d=65mm段的轴段此段用来安装大带轮，由以上的大带轮宽度可取此处轴段长度52mm,d=55mm4.2.1轴上零件的周向定位工作圆筒和大带轮的周向定位均采用平键联接,按d=55mm由机械设计手册查得所选用的平键截面b (mm)(GB/T1095-1979),键槽用键槽铣刀加工，与工作转盘相连的键槽长取mm，也大带轮相连的键槽长取mm（标准键长见GB/T1096-1979）,同时为了保证大带轮与轴配合有良好的对中性，故选择大带轮轮毂与轴的配合为H7/n6,滚动轴承与轴的周向定位是借过渡配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差是n6。4.2.2确定轴上圆角和倒角尺寸参考机械设计书，表15-2，取轴端倒角为。4.3滚动轴承的初步选择因轴承同时受有径向力和轴向力的作用，故选用角接触球轴承，按照工作要求并根据d=65mm，由轴承产品目录中初步选取0基本游隙组，标准精度级的角接触球轴承7213AC，其尺寸为,成对使用，安装在立式轴承座上。同时在驱动端安装一个膜片式弹簧圈对轴施加预载荷，所以可以保证主轴系统无游隙运动和高刚度，这样可以避免无载荷轴承在高速下可能出现的球打滑现象，球打滑可能会引起表面变粗糙，提高运转噪声。轴承的润滑：该滚动轴承采用脂润滑。润滑脂是增稠剂和基础油的混合物，可分为以下润滑脂类型：(1)由金属皂作为增稠剂与润滑油所构成的金属皂基润滑脂。(2)由无机胶凝剂式有机增稠剂与润滑油构成的非皂基润滑脂。(3)由有机式无机增稠剂与合成油构成的合成润滑脂。该轴承选用号钙基脂为润滑脂。该轴承为长寿命润滑脂润滑，润滑间隔为一年。4.3.1滚动轴承的寿命计算在确定滚动轴承的支点位置时，应从手册中查取a值，对于7213AC型角接触球轴承，由手册查得a=25mm,因此作为外伸梁的轴的支撑跨距25+60+25=110mm求出轴承的径向载荷根据计算得出 则两者的方向相反又因为现以为计算滚动轴承来校核轴承寿命因为0.210.68 P=3649N则所选用的滚动轴承的寿命为对于球轴承而言3查表知7213AC型角接触球轴承的基本额定动载荷C51200N根据上式计算其寿命得出，满足工作要求又对所选角接触球轴承的静载荷进行讨论显然综合可知，所选的7213AC型角接触球轴承符合工作要求。4.4轴的计算和校核4.4.1作出轴的计算简图结合7213AC型角接触球轴承的计算数据，作出如下的轴的弯矩扭矩图4.4.2轴的强度校核计算根据轴的弯矩扭矩图可知其危险截面为轴承一所在支点处截面，根据轴的具体受载及应力情况，可知该轴为传动轴，主要承受扭矩。则按扭矩强度条件计算。考虑还受有不大的弯矩，则用降低许用扭矩切应力的方法予以考虑轴的扭矩强度条件为：式中：扭转切应力，单位为；轴所受的扭矩，单位为；轴的抗扭截面系数，单位为mm； n 轴的转速，单位为r/min； 轴传递的功率，单位为；d计算截面处轴的直径，单位为mm 许用扭转切应力，单位为此轴选用号钢，值为 之间。而通过对轴的计算，5.1 =8.5,故轴的扭转条件符合要求。4.4.3按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面）的强度，由此轴的弯扭图可知，其危险截面为轴承一所在支点处截面，根据机械设计书中式（15-5）及上表中的数值，并取，轴的计算应力以选定的轴的材料是号钢，调制处理。由表15-1查得60 。故安全。4.4.4轴的扭转刚度校核计算轴的扭转变形用每米长的扭转角来表示式中：轴所受的扭矩，单位为轴的材料的剪切弹性模量，单位为，对于钢材，轴截面的极惯性矩，单位为mm，对于圆轴，阶梯轴受扭转作用的长度，单位为m.分别代表阶梯轴第段上所受的扭矩、长度和极惯性矩，单位同前阶梯轴受扭转作用的轴段数综合上式计算出；为轴每米长的允许扭转角，与轴的使用均合有关，对于一般的传动轴，可取；对于精密传动轴可取。对于精度要求不高的轴，可大于。显然对于本设计中所涉及的轴为一般的传动轴，符合扭转刚度要求。综上所述，设计的轴满足工作要求。5 总结本次课程设计的题目是苹果果汁系统的设计。基于实际需要，并考虑到任何一种形式的苹果原料加工，去皮都是其中一项必不可少且重要的操作环节。去皮效率的高低和安全卫生性将直接影响苹果原料加工的效益。针对这些特点所采取的设计方案不仅从实际产量要求出发，而且还结合经济最优化，以达到最低成本产生最大收益。本设计借鉴马铃薯去皮的过程，利用电动机为动力源，物料在圆筒形容器中，通过传动轴的作用，依靠带有磨料的工作转盘在中速或高速旋转中形成与工作转盘、筒壁及物料颗粒之间的翻转、揉搓摩擦为主，撞击为辅的综合机械作用效果从而达到去皮的目的。因此可知本课题的设计方案所依据的理论，证明是完全可行的。本课题的设计涉及到机械