冲压式芡实去壳机的主体结构设计

冲压式芡实去壳机的主体结构设计芡实，又叫：鸡头米、鸡头荷、湖南根、鸡头莲、假莲藕。是一种富有地方特色的优质农副产品。具有较高的营养、保健和经济价值。芡实的外壳坚硬、颗粒小。长期以来只能靠纯手工去壳，这样花费了太多的人力，影响了芡实产业的发展。研究芡实剥壳机将有助于芡实产业的发展，进而提高芡实的种植面积，增加农民的收入，给芡实生产地带来较大的经济发展和社会收益。对芡实的有限元分析分析，有助于机器的结构设计。芡实可分为嫩芡实、中芡实和老芡实。嫩芡实果壳的厚度范围在2.00~3.50mm之间，占总粒数的86%。中芡实果壳的厚度范围在1.50～3.00mm之间，占总粒数的88%。老芡实厚度的范围在2.00～3.00mm之间，占总粒数的88%。本文通过分析芡实的结构和芡实的可脱壳性。冲压式芡实剥壳机是为满足生产要求制造的，本文设计冲压式：加料滚压—筛选—输送—间歇送料—冲压—顶出—拨离—搅拌—分离。构思工艺动作过程要满足工作可靠、工序合理、工效提高等多种要求。并通过实验验证了设计的可行性，提高了剥壳质量。在设计过程中，进行剥壳力的计算，选择电机的容量，进行轴、齿轮的设计计算，进行剥壳机构的改进设计，对主要冲压件优化，取得较好的效果，有一定的经济效益。1绪论芡实的种植面积虽然不小，但是其单产量很低，导致芡实的总体产量也比较低。虽然芡实的营养价值很高，但是弄出其果实比较难，因为芡实的外壳很硬，加上加工手段比较落后，交通运输不方便，导致芡实的产量上不去。很多芡实种植者基本上都是自产自销的状态。数千年以来，芡实去壳的方法都是以手工去壳的比较多，现代技术设计的机械脱壳设备很少。芡实脱壳的方案有：化学法、生物化学法、能量法、真空法、激光切割法、火烧法、机械法。对于其他坚果吸纳在至少有相应的剥壳机器用于工业生产，而对于芡实剥壳机器的基本上还是比较少的，而且每个坚果类的机器，因为它们的外形都不一样，所以机器也不能用同一机器，也就是没有通用性。因此要设计一款芡实剥壳机器来应对现在的芡实产业的发展。芡实的外形可以看作为不规则的球体，通过芡实的外形分析及截面分析，大式可以得到其几何特征：1）芡实沿厚度方向有凸起一个小部分，除了那个小部分其余芡实的厚度比较均匀；2）芡实的表面比较光滑，就是有些小部分会有小颗粒存在；3）芡实的内部果仁与外面的芡实果壳有较小的间隙，还有一层薄薄的膜，但是间隙比较均匀；这种不规则的芡实加工起来不好定位，整体强度较低。芡实的外壳坚硬，里面的果仁强度比较低。而且干芡实果壳与果仁间存在间隙，湿芡实果壳与果仁间隙之间被一层膜填充，所以干芡实比湿芡实更易脱壳。对芡实果壳的基本物理特征的分析有助于芡实剥壳机的结构设计，该文使用了有限元对芡实破壳力的分析。在这种情况下，设计出一台机械式冲压芡实剥壳机，有利于提高芡实的剥壳效率，减轻人类劳动力，扩大芡实的种植面积，提高芡实的产量。冲压式芡实剥壳机的机构简单，工作原理较为明确。快速芡实剥壳，剥净率可达98%以上，整仁率可达90%以上，根据自动化设计，芡实剥壳机比同类的设备速度更快，更为稳定。快速分类装置，脱粒机和仁壳分离装置的开发与设计。适合家庭式加工作业，操作简单，芡实的去壳速度大大提高了，解决了芡实的去壳难，去壳慢的问题，节省了大量的加工时间1.1研究的目的及意义先研究芡实的整体结构，找出最佳的芡实剥壳的方向，然后设计出符合要求的机器。该机械一旦设计制造成功,将解决传统生产效率过低的缺点,且能将芡实米较完整剥出,解放了农民的劳动力,为芡实的产业化发展提供了基础保障。从大方面讲就能带动苏州市的经济更快更好的发展。1.2芡实种植及其加工在国内的现状1.2.1芡实种植的前景芡实种植在中国历史悠久，分布也比较广泛，其主要的产值地区有：河北、河南、江西、广西、四川、湖南、湖北、江苏贵州以及沿海地区。芡实有南、北芡实之分。其中江苏省的芡实种植区域最广，主要分布在湖边以及沿岸区域。芡实是一种水生草本植物，生产在湖泊中，适合生长在温暖、湿润、阳关充足、水位比较稳定的淤泥池塘和湖边。芡实的营养价值很高，少量的淀粉，少量的脂肪油，还富含钙、磷、铁、维生素C、蛋白质、氨基酸等大量对人体十分有益的成分，更是被誉为“水中人参”。因此，芡实的营养价值很高、保健。芡实也是一种药材，治遗精，淋浊，益肾玆阴，健碑止泻。是一种长期可以服用的绿色产品。芡实还可以帮助肠胃的吸收，提高尿木糖的排泄以及提高血清胡萝卜素的浓度。这样可以大大减少癌症的发病率。所以芡实的果仁作为药物被我国药店以及制药大量使用。每年芡实用在制药上大约占我国芡实总量的40%。芡实的经济价值很大程度上比一般的农作物高很多。在同一的一块地上，芡实每公顷可以产出约350kg的果仁，水稻在每公顷的产量为10500kg。芡实种植不需要施加肥料和药物，水稻则需要农药和化肥。芡实的市场价大约每公斤为200元，而水稻的市场价大约只有2元。经过比较可以知道每公顷芡实的收入约为70000元，水稻每公顷的收入为21000元。因此，大力发展芡实产业有助于当地农民的收入提高当地居民的生活水平，带动当地的经济发展。1.2.2芡实破壳加工的现状现在芡实的剥壳方法可以分为：传统剥壳法、机械剥壳法、化学法、生物化学法、能量法、真空法、激光切割法、火烧法、机械法。传统芡实破壳的方法有三种：第一种是相对于嫩芡实的破壳，用手指甲将芡实的外壳剥开。第二种是相对于中芡实的破壳方法，用牙齿将芡实的外壳咬破取出芡实果仁。第三种是相对于老芡实的破壳方法，用如图1.1（铁剪的示意图）将老芡实的外壳剪开。图1.1铁剪机械的加工方法有：挤压式芡实剥壳、重击式芡实剥壳、剪切式芡实剥壳、摩擦式芡实剥壳、辗搓式芡实剥壳。芡实果仁有外壳、假种皮、和果皮三层皮包裹着。由于芡实的外壳比较坚硬，果仁比较嫩，不易机械加工，这给芡实剥壳机的机械加工提高了难度。虽然现在国内也出现了一些剥壳机，但是其脱壳率、整仁率以及机械的成本都不是很理想，很大程度上不能满足芡实农的需求。由于其加工方法是老套，劳动力强度非常大。芡实脱壳加工成谦米，到目前为止一直这种机器很少!仍然采用比较老化的人工剥壳。据保守估计,一个当地的芡实农民剥芡实果仁每天(10h计)仅能剥46个左右,变成干芡米就只有1.1-1.3kg,每687㎡剥果仁的用人要求可以达到31-35个;如果剥嫩鸡头米,一天只能被剥成果仁到2.0-2.5公斤，可以想见。因此，工人劳动强度大大限制芡农业的进一步发展壮大的规模,一般自己种植然后自己剥壳的芡农(夫妻)二人只能种植3335-4002㎡.看到这些情况,能不能设计出一种机械帮农民朋友们从纷繁复杂的劳动中解脱出来?而且这种机械的剥壳效率要比传统手工剥壳效率要有很大的提高?于是在老师的指导带领下我们设计改进一种”冲压”机械,原因是这种机器操作方便,自动化程度高,且工作效率满足要求。1.3芡实剥壳机研究存在的问题及发展趋势芡实剥壳效率低是芡实深加工所面临的主要障碍,还有芡实剥壳机加工出来的芡实果仁的完整性和整仁率偏低是主要问题。要大规模生产这些产品,必须摆脱传统手工剥壳的缺点,提高生产率。芡实剥壳机朝着机械化以及全自动化的方向发展，减少人工劳动力。这样有助于芡实产业的发展，提高当地的经济收入。2芡实的破壳分析ANSYS作为全球知名的大型CAE分析软件，ANSYS自20世纪70年代诞生以来，随着世界信息技术和有限元理论的高速发展，在各个领域得到了高度的评价和广泛的应用。随着计算机技术的飞速发展，各种工程软件也得到以广泛应用。ANSYS软件以及成为主流的软件，应用很广泛。2.1有限元分析的简介ANSYS提供广泛的工程仿真解决方案，这些方案可以对设计过程要求的任何场进行工程虚拟仿真。软件主要包括3个部分：前处理模板，分析计算模块和后处理模块。2.2ANSYS的特色功能ANSYS的特色功能如下前后处理。1）双向参数互动的CAD接口：2）智能网格生成器；3）各种结果的数据处理：各种结果的图形及动画显示；全自动生成计算报告。结构静力分析（线性/非线性）1)非线性分析;几何非线性分析能力；(大变形、大应力、应力强化、旋转软化、压力载荷强化）；材料非线性（近70种非线性材料本构模型，含弹塑性、超弹性、非性弹性、岩土和混凝土、膨胀材料、垫片材料、铸铁材料等）；单元（或称边界/状态)非线性；（5）动力学分析能力；屈曲分析（线性屈曲，非线性屈曲，圆对称屈曲分析）；高级对称分析（循环对称模态分析、循环对称结构静力分析、轴对称、平面对称和反对称）；断裂力学分析（应力强度因子、积分、裂纹尖端的能量释放率）；通用疲劳分析；结构热分析。1）稳态温度场：包括热传导、热对流和热辐射；瞬态温度场：包括热传导、热对流、热辐射和相变；管流热耦合；支持复杂热载荷和边界条件；非线性特性（接触传热、非线性材料）耦合场分析部分及其他功能。静流体分析（流固耦合静动力分析）。声学分析（声波在各种声学介质中的传播、声波的反射和吸收（远场）耦合场分析设计优化：多种优化算法、多种辅助工具。扩普优化：扩普形状优化、扩普频率优化。概率设计系统（PDS)其他使用技术二次开发特征求解器：直接求解器、多种迭代求解器、特征值求解器。并行求解器。这一章通过proe建立芡实的三维模型，然后通过workbeach软件对芡实加载方向进行应力分析和应变分析，从而得到最佳方向的挤压方向，为机器的设计提供基础。2.3芡实的建模对芡实整体进行受力分析：芡实的外形是不规则的；如图2.1：图2.1芡实外形图芡实建模是利用CreoPro/E建模的，因为其建模能力强大，方便，其与ANSYSWorkbench14.0软件的接口兼容性好，其机构建模如图2.2；图2.2芡实建模2.4Wb创建几何体Step1：直接利用Creo启动Workbench14.0命令如图2.3；图2.3ANSYS14.0集成到CreoPro/EStep2：启动Workbench并建立分析项目如图2.4图2.4创建分析项目BStep3：双击项目B中的B3Geometry，此时进入到DesignModeler界面，选择单位Millimeter，单击OK按钮。此时设计树中Import1前显示，表示需要生成几何体，此时图形窗口中没有图形显示，如图2.5图2.5生成前的DesignModeler界面Step4：单击（生成）按钮，即可显示生成的几何体，如图2.6所示图2.6生成后的DesignModeler界面Step5:单击DesignModeler界面右上角的（关闭）按钮，退出DesignModeler,返回到Workbench主要界面。2.5添加材料库Step1：双击项目B中的B2EngineeringData项，进入图2.7所示的材料参数设置界面，在该界面下即可进行材料参数设置。图2.7材料参数设置界面Step2：在OutlineofschematicB2：EngineeringData中A3下的单击灰色添加新的材料45号如图2.8；图2.8添加新的材料Step3：在Toolbox中进行材料属性的添加定义，由（南京农业大学芡实物料特性的实验分析）可知芡实材料为类比于木材，其属性：弹性模量10MPa、泊松比为0.3、密度为2.23g/cm。别把Toolbox中的PhysicalProperties的鼠标左键拉到新建材料属性那进行密度设置。同样在LinearElastic的进行同样的设置，弹性模型和泊松比进行设置；如图2.9所示图2.9添加材料的属性Step4单击工具栏中的按钮，返回到Workbench主界面材料库添加完毕。2.6添加模型材料属性Step1：选择mechanical界面左侧Outlines（分析树）中Geometry选项下的solid，此时即可在Detailof“solid”参数列表中给模型添加材料，在其Material中的添加成如图2.10所示图2.10变更材料2.7划分网格Step1：选择mechanical界面左侧Outline（分析树）中的Mesh选项，此时可在Detailsof“Mesh”（参数列表）中修改网格参数，在sizing中ElementSize中设置为2.e-003m,在Mesh选项中点击右键选择insert选择method中的Detailsof“HexDominantmethod”apply模型，如图所示2.11所示图2.11修改材料后的分析树Step2：在outlines(分析树）中的Mesh选项右击，在弹出的快捷菜单中选择命令此时会弹出图2.12所示的进度条，表示网格正在划分，当网格划分完成后，进度条自动消失，最终的网格效果如图2.13所示图2.12生成网格图2.13网格效果2.8施加载荷与约束Step1：选择Mechanical界面左侧Outline(分析树）中的“StaticStructural（B5)选项，此时会出现图2.14所示的Environment工具栏。图2.14Envionment菜单栏Step2：选择environment工具栏中的supports（约束Fixedsupport（固定约束）命令，此时在分析树中会出现FixedSupport选项，选中FixedSupport，选择模板的地面进行固定约束在中，单击Geometry选项下的apply按钮，即可选中面上施加固定约束，如图2.15所示。如图2.15施加固定约束Step3：同步骤step1，选择environment工具栏中的Loads（载荷）force（力）命令，此时在分析树中出现force选项，选中force，在Detailsof“Force”（参数列表）面板中Geometry选择apply按钮，选择需要施加力的面，在DefineBy栏中选择Component选项，表示按坐标的方式输入数字，在YComponent栏输入-98N。此时在Graph（图表区）和TabularData（图表数据）区分别显示了载荷数值，保持其他选项默认即可。如图2.16所示图2.16添加面载荷Step4：在Outlines（分析树）中StaticStructural（B5)选项右击，在弹出快捷的菜单中选择命令此时会出现进度显示条，表示正在求解当求解完成后进度条自动消失，如图2.17所示图2.17求解2.9结果后处理Step1：选择Mechanical界面左侧Outline（分析树）中Solution（B6）选项，此时会出现Solution工具栏。如图2.18所示图2.18solution工具栏Step2：选择Solution工具栏中的Stress（应力）Equivalent（Von-Mises）命令，此时分析树中会出现Equivalentstress（等效应力）选项，如图2.19所示。图2.19添加等效应力2.10对芡实分别沿X轴、Y轴和Z轴施加等效应力芡实模型建立坐标系，如图2.20所示；分别对芡实坐标系的每个坐标施加等效力，并分析出哪个方向的力最容易破壳。XYZXYZ图2.20芡实坐标系2.10.1沿X轴的方向施加力对芡实受力采用固定约束，将力施加到芡实X轴与果壳的交接处。根据之前可知，需要施加160N的力。图2.21、图2.22、图2.23分别为芡实果壳的等效应力、等效应变以及总变形分布情况：图2.21等效应力分析云图图2.22等效应变分析云图图2.23总变形分析云图从图片可以看出，沿X轴方向施加载荷时，芡实壳最容易破裂的地方，并且芡实壳的变形量比较大，这样可以说明：芡实壳沿X轴施加载荷的效果比较好。2.10.2沿Y轴的方向施加力对芡实受力采用固定约束，将力施加到芡实X轴与果壳的交接处。根据之前可知，需要施加140N的力。图2.24、图2.25、图2.26分别为芡实果壳的等效应力、等效应变以及总变形分布情况：图2.24等效应力分析云图图2.25等效应变分析云图图2.26总变形分析云图从图片可以看出，沿Y轴方向施加载荷时芡实壳最容易破裂的地方，并且芡实壳的变形量比较大，这样可以说明：芡实壳沿Y轴施加载荷的效果和沿X轴的效果差不多。2.10.3沿Z轴的方向施加力对芡实壳沿Z轴的方向施加集中力，采用固定约束。因为芡实沿Z轴方向的果壳相对比X、Y轴的果壳厚度大一点，所以需要施加的集中力为160N。图2.27、图2.28、图2.29分别为芡实果壳的等效应力、等效应变以及总变形分布情况：图2.27等效应力分析云图图2.28等效应力分析云图图2.29总变形分析云图由上面的图可以看出：沿Z轴方向施加集中力时，芡实的最大应力和最大变形都出现在施加点，裂纹会沿施加力四周分布，并且从总变形云图可以知道，芡实的变形比较明显的地方出现在顶点位置，以致破裂，这样不利于后期的取果仁。2.11结果分析从上面的分析可以看出，沿X轴施加载荷时，芡实外壳破裂的程度比较明显，并且施加的载荷相对比较小。沿Y轴施加载荷时，芡实破裂的程度相对X轴来说较为不明显，施加的载荷也相对大一点点。而沿Z轴方向施加载荷时，芡实的破裂程度较为不明显，因为那个部分的壳相对厚一点，所以施加的载荷也比较大，破裂程度也只有一小部分，这样同样也不利于芡实外壳的破裂。所以沿X方向比较好。3对芡实X轴方向研究基于上面的芡实破壳力的分析，由于芡实的外壳比较坚硬，现沿X轴方向用人工剪切的方法，分别采用横切和竖切的方法切割，切割图形如图3.1；对芡实进行切割一个小口再进行分析，看切割口的大小对芡实破壳的影响。由于芡实的大小较小，所以现在分别对芡实切割1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm进行芡实的有限元分析，找出一个破壳应力最大的图形。图3.1芡实切割图前面的步骤跟上面芡实外壳整体破壳力的分析一样3.1划分网格Step1：选择mechanical界面左侧Outline（分析树）中的Mesh选项，此时可在Detailsof“Mesh”（参数列表）中修改网格参数，在sizing中ElementSize中设置为2.e-003m,在Mesh选项中点击右键选择insert选择method中的Detailsof“HexDominantmethod”apply模型，如图所示3.2所示图3.2修改材料后的分析树Step2：在outlines(分析树）中的Mesh选项右击，在弹出的快捷菜单中选择命令此时会弹出图3.3所示的进度条，表示网格正在划分，当网格划分完成后，进度条自动消失，最终的网格效果如图3.4所示图3.3生成网格图3.4网格效果3.2施加载荷与约束Step1：选择Mechanical界面左侧Outline(分析树）中的“StaticStructural（B5)选项，此时会出现图3.5所示的Environment工具栏。图3.5Envionment菜单栏Step2：选择environment工具栏中的supports（约束Fixedsupport（固定约束）命令，此时在分析树中会出现FixedSupport选项，选中FixedSupport，选择模板的地面进行固定约束在中，单击Geometry选项下的apply按钮，即可选中面上施加固定约束，如图3.6所示。如图3.6施加固定约束Step1：选择Mechanical界面左侧Outline（分析树）中Solution（B6）选项，此时会出现Solution工具栏。如图3.7所示图3.7solution工具栏Step2：选择Solution工具栏中的Stress（应力）Equivalent（Von-Mises）命令，此时分析树中会出现Equivalentstress（等效应力）选项，如图3.8所示。图3.8添加等效应力3.3.1沿X轴的方向施加力对芡实受力采用固定约束，将力施加到芡实X轴与果壳的交接处。根据之前可知，需要施加160N的力。得到其等效应力图，如图3.9；图3.9等效应力图3.3.2不同切割尺寸的等效应力分布图根据上面的求解步骤，分别将之前建好的芡实模型一一带入求出，每个不同切割尺寸的等效应力分布图，如图3.10至3.17；然后横切和竖切每个不同切割尺寸芡实外壳的等效应力分布图，如图3.18；图3.10切口为1mm的等效应力图图3.11切口为2mm的等效应力图图3.12切口为3mm的等效应力图图3.13切口为4mm的等效应力图图3.14切口为5mm的等效应力图图3.15切口为6mm的等效应力图图3.16切口为7mm的等效应力图图3.17切口为8mm的等效应力图图3.18不同切割长度竖切（左）和横切（右）的等效应力分布图3.3.3小结根据上面对芡实不同长度的切割等效应力的分布图可以得到，不同切割长度的等效应力是不同的，而且呈不规则分布。因为竖切的话切口的直径大于6的时候，触碰到芡实外壳比较厚的地方，等效应力发生突变，人工剪切的作用力要比较大，比较难以剪切，所以没有分析的必要。而从横切跟竖切的比较发现：当人工对芡实进行横向切割3mm的切口时，芡实外壳的等效应力最大达到23.068Mpa。所以进行机器破壳时，可以人工对芡实切割一个切口为3mm的小口，这样对芡实外壳的破坏程度最大，最容易使芡实的外壳破裂。4冲压式芡实剥壳机的设计本芡实剥壳机剥壳功能的实现，采用的是冲压型，下面就剥壳实现的方案：磨削、切削、切分和冲压四种方案进行评定和选择。方案1：磨削磨削多用于硬质金属，对有色金属或非金属材料通常不采用。且果壳硬而果壳软，易破碎。就算是同一尺寸的磨削，由于厚度不均、卡死、弹性变形等因素，很难实现。方案2：切削切削是用两把刀绕着芡实转一周后,芡实外壳被切开。见图4.1,保持器3和齿轮5和一个半环形夹具为过盈配合，形成一个组件，这个部件和固定杆间隙配合四组件之间可沿四个固定杆左右移动、旋转。但是，这种方案最终还是被否决了，因为芡实的果肉相对外壳来说，非常柔软，这样的搓揉会使果肉破碎。方案3：切分图4.1切分式避免了上述搓揉对果肉的破坏，但其中心定位与切分定位困难，且对各切分刀具和传动机构的相互协调性要求很高，很难达成高度的一致性。在具体的研究讨论中发现各机构的干涉性严重，最终该方案被抛弃。方案4：冲压借鉴了传统手工剥壳的特点，利用滚压充分揉挤使附着在外客内壁上的膜遭到破坏，然后利用冲压的精确性，使外壳的上面大半部分壳脱去，又利用落水搅拌使外壳的下面小半部分壳也脱去,且芡米的密度大于水的密度而沉在水底,壳因为密度小于水，所以浮在水面。提高了果肉的整仁率的同时，又不影响芡实的品质,清洁了芡实的表面.4.1最佳集中力对数分析不同对数集中力作用于外壳的分布情况；如图4.2：图4.2集中力分布情况由胡克定律假设集中力P,压缩变形量为δ，则位移也为δ。则：二对集中力下的位移为：三对集中力下的位移为：三对集中力下的位移为：由此可以看出在两队集中力作用下外壳的作用位移最大作用在外壳的力最大，也就是说外壳最容易破裂。通过以上分析，本芡实剥壳机采用上下作用的结构有利于芡实外壳的破裂，机构方案可行。4.2冲压式芡实剥壳机的设计图整体设计如图4.3：图4.3冲压式芡实剥壳机的整体设计图4.2.1芡实剥壳机的要求设计要求：冲压式芡实剥壳机应该满足一下几点要求：第一，操作简便,结构简单,工作效率高,成本低。第二，机器要有足够的强度，运行比较平稳，噪音小。第三，体积小减少机器的成本，使用寿命长，偏于维护及保养。功能要求：冲压式芡实剥壳机要能实现对芡实的剥壳，还要保持芡实剥壳能够完全的去壳率以及整仁率要达到98%。4.3冲压式芡实剥壳机的整体结构及工作原理芡实剥壳机要实现剥壳要经过：通过滚压—筛选—输送—自动上料—冲压—半顶出—拨离—全顶出—落水—搅拌—果壳分离。按照机械设计手册，可以将芡实剥壳机分为几个模块。整机机构如图4.4所示；主要有：进料桶、转滚装置、槽轮机构、输送管、电机、凸轮、带刀凹模、校正件、冲压头等组成。电机通过皮带带动皮带轮的转动，皮带轮连接在轴上通过齿轮分别带动冲压件的冲压运动和槽轮的摘选工作及滚筒的滚动。芡实首先在滚筒里面滚压，然后通过槽轮的筛选，自动上料。经过冲压件和带刀凹模的共同作用实现芡实的果壳破裂。然后经凸轮带动顶针将芡实顶出。图4.4冲压式芡实剥壳机总结构进料口2.滚压装置3.输送管4.槽轮5.电机6.凸轮7.带刀凹模8.校正装置9.冲压件技术动作过程的工作原理依赖于其功能，工作原理是用不同的工艺技术动作不同。对于芡实的剥壳来说，冲压式的和切分式的芡实剥壳，其辅助工序可能相同，但其主要的工艺动作是截然不同的，一个是靠冲压裁壳，另一个是靠切割切开后分离。4.4剥壳机的执行动作机器的过程比较复杂，很难用一个简单的机构来实现。因此，从机械运动方案的设计需要的，我们把这个过程分为运动分解过程的几个动作一定时间序列表达过程。这些机器的工艺动作，从机械设计的角度来看称之为机械的执行动作。简称为执行动作。我把冲压式芡实剥壳机的执行动作分成以下几个类别：序号执行动作的类别具体说明采用机构1连续旋转运动包括等速度运动、不等速旋转运动传动机构,滚压机构,搅拌机构2间歇旋转运动实现不同停歇要求的间歇旋转运动送料拨盘3往复摆动实现不同摆角的往复摆动筛子4往复移动实现行程大小的往复移动冲压机构,顶出,拨离芡米5刚体引导实现连杆型构件的若干位置冲压导筒、筛子导槽6预期运动轨迹实现连杆上某些点的给定轨迹输送导管、预定位支架4.4.1执行构件和执行机构执行构件是完成机械中执行动作的构件。在芡实脱壳机，机制追随者而不是跟随执行元件的，在至少一个。执行构件也称为输出构件是实现预期执行动作的从动件。在冲压使壳肉分离的过程中，执行动作同时由两个执行构件——冲压头和带刃凹模来完成。为了便于执行动作的完成，执行构件做成凹模成为一种特殊的配置。。执行机构是一种能实现个体执行构件所需机构。一般来说，通过执行机构完成执行动作，该机盖由身体的上部和下部半完成芡实脱壳，然后在水中搅拌达到芡实芡实的米饭和肉汤壳完全分离。4.5芡实剥壳机的部件设计冲压式芡实剥壳机的功能是将芡实加入转桶里，经过旋转挤压搓揉、筛选后，再经冲头冲压实现芡实的壳与肉的分离。为了让芡实的果仁和果壳分离，要经过六个动作来完成：挤压搓揉，使其肉和壳初步分离筛选，使芡实按照直径大小分类芡实的自动上料、输送冲压芡实，使其肉和部分壳分离顶出,拨离芡米落水搅拌,使其肉和剩余壳分离捞出浮于水面的壳冲压式芡实剥壳机的参数和设计要求：芡实剥壳机的生产能力：120次/分芡实的内外径：外径：10-15㎜内径：7-12㎜芡实内外直径统计表1外：10-11内：7-8外：12-13内：9-10外：14-15内：11-12其他总数内径912731333500外径972671324芡实内外径直径统计数量分布如图4.5:图进料筒和空心轴支撑的设计进料筒的设计：一台机器能不能把物料送入机构是非常重要的一个环节，如果无法把物料送入机构，那这台机器也就百搭了。由于滚压装置在不停的旋转，使筒产生离心力的作用,处于滚筒中的芡实会处于滚筒的边缘进行滚动,故将滚筒结构设计为漏斗形底。这样可以有效的让芡实掉入口中。筒的下端口直径为22mm设计如图4.6；图4.6滚筒支撑筒滚的设计：滚筒与空心轴支撑若为单个轴承,这样会对大轴承产生较大伤害,且不稳定,容易发生倾倒事故.故对支撑进行了改进,改为两轴承支撑，两轴支撑可以保持筒滚更加的平稳，增加零部件的使用寿命，也使筒滚不易发生倾倒。设计如图4.7。图槽轮机构的设计槽轮的机构是由槽轮和圆柱销组成的机构，只有单向旋转运动，槽轮的设计关乎芡实进料及冲压的工作，本机器要求芡实只能当个进料，太多芡实进入冲压机构的话会造成芡实不能完全剥壳以及飞溅，和把芡实果仁冲碎掉。所以槽轮的设计很重要。设计如图4.9；设计为4个槽轮拨动,且省去拨杆,结构简单,运作方便,满足4个凹刃模同步进行工作。图4.9槽轮4.5.3冲压结构的设计实现机械功能的方法虽然都局限于机械学范畴，但是还是可以根据不同的情况来选择不同工作原理，构思各种动作形式。现就本机的具体情况作如下分析：本芡实剥壳机采用的是冲压模的设计原理如图4.10所示，在常温下，利用冲模在压力机上对材料施加压力，在冲头和凹模刃口的共同作用下，实现芡实的去壳。由于没有做进一步的实验，下面就定性方面做如下分析：当冲压件下降，开始接触芡实并下压时，芡实与带刀凹模的接触圆周的芡实壳产生应力集中现象，使材料产生弹性压缩、弯曲、拉伸等复杂的变形。板料略有挤入凹模挤入带刀凹模的现象。随着冲压件继续压入，直到材料内的应力达到弹性极限。当板料内的应力达到屈服点，芡实壳与凹模的接触处产生塑性剪切变形。当板料的应力达到抗剪强度后，冲压件再向下压，则在芡实和凹模的刃口接触处分别产生裂纹，裂纹逐渐扩大并向芡实的内部延伸。当裂纹上升至直径处时，使得芡实的上半部分的壳脱离，剩下的部分嵌入带刃口的凹模中。因为芡实果仁可以看似为圆球状，芡实果仁的直径范围在5.66~11.23mm之间，芡实的外壳范围在8.66~18.62mm。所以设计带刀凹模的半径为6mm。图4.10冲压机构4.5.4凸轮的设计本设计中加入了凸轮装置,可以使顶出杆在顶出芡实的过程中作四分之一周期的暂停,以方便拨动芡米的连杆进行拨动作业.设计图如4.11:图4.11凸轮4.5.5电机的选择驱动电机：考虑到制造和使用成本问题，采用防护式笼型感应电动机Y系列，该种电机具有效率高，节能，高转矩，噪声低，振动小，安全可靠。电机功率估算：根据计算结果，选择三相异步电机Y801，转速1500r/min，功率0.55kw。4.6剥壳机的变速机构和传动速比根据选定的驱动电机的转速和冲压式芡实剥壳机的生产能力。它的机械传动系统的总速比为：如图4.12所示，第一级采用带传动速比为3；第二、三级采用两个大小不同圆柱直齿轮传动传动比为；第四阶段分别由正齿轮和斜齿轮传动，传动比为1。第五、六级分别由两个锥齿轮传动传动比为4和带轮传动,传动比是1。第七级由锥齿轮传动,传动比是1.图4.12传动比分布5设计芡实剥壳机的圆柱齿轮传动5.1设计的要求和条件本设计是一个冲压芡实脱壳机高速级齿轮。已知输入功率，小齿轮转速，齿数比，由电机驱动，设定工作寿命15年（设每年工作60天），冲压式芡实剥壳机工作平稳转向不变。5.2选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数由于没有承受轴向载荷就选用直齿圆柱齿轮传动。芡实脱壳机一般农业机械，速度不高，所以七精度的选择（GB10095-88）。材料选择。小齿轮为40Cr（调质）材料，其硬度为280HBS，大齿轮为45钢（调质）材料，硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS（由机械设计手册查得）。选小齿轮齿数和大齿轮齿数啮合。5.3按齿面接触强度设计由设计计算公式进行试算，即确定公式内的各计算数值试选载荷系数计算小齿轮传递的转矩选取齿宽系数为（由机械设计手册查得）；材料的弹性影响系数（由机械设计手册查得）；小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的接触疲劳强度极限（由机械设计手册查得）；由式计算应力循环次数接触疲劳寿命系数；（由机械设计手册查得）；计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数S=1，计算试算出小齿轮分度圆直径并代入中取较小的值计算圆周速度计算齿宽求出齿轮宽与齿轮高之比b/h模数齿高计算载荷系数根据，7级精度，动载系数为（由机械设计手册查得）;直齿轮，假设。由机械设计手册查得；系数（由机械设计手册查得）；查得精度为7级、支承非对称布置的小齿轮，由，查得；故载荷系数根据实际负荷因子校正所计算的节径，是：计算模数m5.4根据齿根弯曲的强度来设计由弯曲强度的设计公式确定公式内的各计算数值查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限；大齿轮的弯曲疲劳强度极限；查得弯曲疲劳寿命系数；；计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得计算载荷系数查取齿形系数；。查取应力校正系数；计算大、小齿轮的并加以比较设计计算根据计算结果，由由齿根弯曲强度计算的模数小于齿面接触强度计算的模数m，为了可同时满足接触和弯曲的疲劳强度取，。5.5几何尺寸计算计算分度圆直径计算中心距计算齿轮宽度但考虑到本芡实剥壳机传递的功率较小，且计算时齿宽系数取的较大，故选；。5.6验算，合适。6设备的可靠性与经济价值6.1机械设备的有效度对于可用的设备，因为失败后可以修复，恢复正常运行。因此，从机器开始运行到机器发生故障即为可靠度；从维修的故障恢复到修复其正常运行阶段；结合二者关系就是机械设备的有效度(有效利用率)。MTBF————平均故障间隔期(h)MTTR————平均维修时间设备10000小时的工作时间，有10故障的可能性，每个进程故障时间平均修复时