小型土豆切片机的结构设计

小型土豆切片机的设计姓名学院专业班级指导教师：XX教授摘要：随着科学技术的不断发展，农业机械技术也得到了大规模的应用。本文所设计的土豆切片机是一种体积比较小、结构比较简单。适用于家庭、餐厅、小作坊的小型农产品加工机械。土豆切片机设计的整个过程，其中主要包括总体方案的确定，各部件的设计与计算，总装与部装图纸以及各零件的图纸。完成了全部设计后，对切片机进行了评价，指出它的特点、优势之处，以及存在的一些不足，并提出了一些改进的措施。关键词：小型切片机；设计；计算1前言在我国，薯类作物的种植范围极为广泛，覆盖了二十多个省份和自治区，它们是我们国家的主要粮食作物之一，同时，马铃薯也是一种高品质的蔬菜作物。据估计，我国薯类作物的种植面积大约为1.4亿亩，总产量在2至3千万吨之间，我国是全球最大的薯类生产国[1]。在茎块作物的加工过程中，通常需要将其切成片状。因此，切片机的出现满足了这一需求。目前市场上，切片机已经相对常见，但这些机器主要适用于产业化生产，而缺乏适用于农民作坊生产的切片机器；另外，这些机器对切片物体的尺寸有着严格要求，对于块茎类蔬菜来说并不太适用。因此，根据市场需求，开发了一种适用于块茎类蔬菜（如红薯、土豆等）的切片机器，要求切片大小和厚度一致、均匀，且效率较高。这些要求已经超出了手工操作的范围。此外，一些富含营养的新鲜蔬菜（如土豆）不易保存，需要进行加工保存。因此，更迫切需要一种能切片的小型机器。这种机器能够满足切片大小和厚度一致、均匀的要求，效率较高，从而提高了劳动效率，改善了劳动质量，使人们从繁琐的切片劳动中解放出来。这样做既减轻了农民在加工过程中的劳动强度，又增加了他们的收入，有利于农业机械化在农村的发展。2国内外概况2.1国外切片概况现阶段，国内外的制造商已经开始研制和生产这种设备。例如，美国的哈克逊公司制造了BIZERBASE12、FACF300半自动切片机，以及BIZERBASE12D自动切片机；意大利碧佳ES25、ES30斜刀式切片机；韩国地质公司的肉类切片机等[2]。此外，瑞士Meyer-BurgerAG公司的TS系列机，日本TokyoSemitsu株式会社的TSK（若干）系列机，日本OkamotoMachine株式会社的ASM系列机，以及美国STC公司的STC系列机等，都是该领域的典型代表。在我国，虽然切片机的研究开发已有30年的历史，但近年来切片机的研制发展速度相当快。然而，与发达国家相比，我们还有一定的差距。目前，我国在切片机领域尚未取得突破性进展。2.2国内切片概况在在我国，一些公司已经开始生产这类设备。例如，马鞍山华宝机械设备有限公司制造了落地式切片机，北京雅宝食品机械厂生产了QR-300型自动切片机，沈阳清宝食品机械有限公司生产了CWS-350A。此外，山东省诸城市大洋食品机械厂生产了400型和600型大洋牌土豆切片机，江阴鑫达药化机械制造了中药切片机等。这些机器的共同特点是生产效率高，速度快，适合大规模应用[3]。然而，这些机器的价格相对较高，对于农民作坊生产来说可能不太适合。。3土豆切片机总体方案的确定3.1结构特点与工作原理3.1.1结构特点根依据本设计的需求和适用范围来选择切片机的类型：在本设计中，我选择了卧式切片机，因为卧式切片机在装料和卸料方面较为便捷，结构相对简单，操作和维护容易。同时，卧式切片机在运行时产生的震动较小，有利于机械的正常运行，非常适合在作坊中使用。卧式切片机主要由电机、旋转刀盘、皮带传动装置以及输入输出物料装置等部分组成。本设计具有以下优势：(1)、降低了人们的劳动强度，提高了工作效率。(2)、切片厚度的一致性较高，损耗较小。(3)、切削范围广泛，可以对土豆、红薯、洋葱等进行切削。(4)、结构简单且紧凑。3.1.2工作原理及工作条件卧式切片机以电动机为驱动力，皮带轮传动减速器使输出轴转动，轴的终端连接一个旋转刀盘。随着刀盘的旋转，刀盘上的刀片将马铃薯切成片[4]。切片厚度由刀片与刀盘间的垫片厚度控制。另外，切片与切丝之间的转换可以通过更换切片来实现。1-刀盘2-传动轴3-皮带以及皮带轮4-电动机图1土豆切片机原理图3.2机构的组成部分及特点3.2.1电动机由于卧式切片机的生产效率为500kg/h,所以选择的电动机为YB132S1-2,其额定功率为5.22KW，同步转速n=2000/min(选定计算过程见后面).3.2.2皮带传动装置切片机选择V带轮作为传动装置，传动比为4。3.2.3轴轴的材料为45号钢，轴的固定选用深沟球轴承：采用轴肩定位4传动设计计算、零部件的强度、刚度计算4.1动力计算4.1.1主要参数刀盘直径:根据红薯的外型尺寸，切片时所需的速度、生产率等条件，确定刀盘直径为300mm切削力:由资料查得到刀片单位长度承受的切削力至少为0.3kg/mm.下面是直刃刀片和圆弧刃刀片在切削中受力的对比，从而选择刀片[5]。直刃刀片和圆弧刃刀片在切削中受力数据资料如下:对直刃刀片而言直刃刀片在切削中的受力数据如下表：表1直刃刀片分析Table1Theanalyzingofstraightbit编号项目切削面积切削阻力平均切削阻力切削长度平均切削阻力cm2kgkg/cm2mmkg/mm1顺行2.4×05240.092逆行1.4×0.655.952140.3752顺行1.6×0.820.694160.125逆行1.4×0.621.786150.1333顺行0.7×1.322.198130.667逆行1.0×0.51.53100.154顺行1.9×1.231.31690.158逆行0.7×3370.55顺行1.9×87190.79逆行0.9×0.834.16790.3336顺行1.2×0.721.681120.167逆行1.2×0.622.778120.167平均2.7990.258圆刃刀片在切削中的受力数据如下表：表2圆刃刀片分析Table2Theanalyzingofarcbit编号项目切削面积切削阻力cm2kg平均切削阻力切削长度平均切削阻力kg/cm2mmkg/mm1顺行2.4×0.51.5逆行1.4×0.62.52顺行1.5×0.72逆行1.4×0.81.51.905160.1331.339150.1073顺行1.7×0.31.50.629130.088逆行1.0×0.512100.14顺行1.8×0.72.51.98490.139逆行0.7×0.628.47770.2865顺行1.8×0.210.455190.056逆行0.9×0.822.77890.2226顺行1.9×0.120.887120.05逆行1.2×0.61.52.083120.125平均1.920.133以上两表可以看出圆刃刀片要比直刃刀片省力50%左右，所以本设计采用圆刃刀片，材料选用45#。4.12土豆在料斗、刀片间被切削的受力分析土豆在切削时的受力情况示意图1-刀盘2-土豆3-料斗壁图2土豆受力分析图Fig.2Beanstressanalysis红薯在切削时，刀片给红薯一切削力P，同时入料斗也给红薯一反力N,N分解为水平分力R1.和垂直分力N1，形成一对力矩M1=R1L2,M2=N1L1，要使红薯不跳动,不转动，保持平衡则需PL2=MI+M2。方向相反。4.13输出轴的转速计算由小时生产效率500kg/h来确定转速nQ=60×nZ×V×P×K1×K2(1)Z=1V=S×LQ=500kg/hK1=0.7K2=0.2取L=0.5，P=1.033×10×0.001来确定n，则Z是料斗中出现的刀片数量；L是切片厚度；Q是该设备的生产率；sK1是刀片利用率；K2是刀盘的不旋空概率；因此我们将转速定为n=500rpm。4.14切削功耗P切由前面得知，切削平均阻力P=0.3Kg/mm，则刀片在切削长度内承受的阻力矩积分得：图3扭矩图Fig.3TorqueP(2)=0.3×0.5X²|=2756.3Kg·㎜(3)4.1.5传动、摩擦等的功率损失由机械设计上表可得[6]可知总功率=0.96×0.97×0.97×0.96=0.9033(4)=2.808÷0.9033=3.13Kw因为经电动机的传输功率,其利用率通常在60%—70%之间，故选用电动机的额定功率0.6—0.7P额，由此得到的额定功率是5.22Kw，我们选择电动机的功率为5.22Kw。4.1.6选择电机根据计算机算出来的额定功率，刀盘转速以及该机使用的减速机构的传动比，选择额定功率为5.22Kw。转速在自身减速后为2000rpm、工作电压为380V的电动机。4.1.7切片可靠性的计算为了使在切片过程中，物料的进给都可靠，显然要保证物料下落到挡板的时间t1要小于刀片间隙的时间t2[7]。现分析如下：假设物料道与物料的摩擦系数为0.4,送料道的倾斜角为45°则对物料进行受力分析：F=mgsina-Nμ；(5)N=mgcosa所以F=mgsina-mgcosaμ(6)又F=ma所以a=101.6N计算作用在轴上的压力QQ=2zFf0sin(α／2)(7)=2×5×101.6×sin（132.7/2）=930.67（包角：127°计算见后）4.1.8求计算功率PC因为＝5.22kW则由机械设计手册表13-15可知选KA=1.2则由公式：PC=KAP（8）则得出PC=5.22×1.2=6.27kw4.2选V带的型号可用普通V带或窄V带，现选普通V带。根据PC=6.27kw,nd＝2000r/min，由机械设计手册查出为V带为SPZ型带。4.3求大小带轮d2、d1基准直径由机械设计手册中表13-9可知d1=50～71mm，现在取小轮d1=63mm由公式：d2=n1d1(1-ε)/n2（9）可得出d2=n1d1(1-ε)/n2=3.53×71×0.98=252mm。其中ε在机械设计手册查出为0.02由机械设计手册表13-9取d2=2526虽然n2略有增大，但其误差小于5%，在允许的范围内，所以d2=250可以。4.4验算带速V 由公式V=（10）则可以算出V带的速度V==π63×2000/(60×1000)=8.12m/sV带的带速度5～25m/s的范围内，合适。4.5计算V带的基准长度Ld和中心距a查机械设计手册由其中计算V带公式[8]：a0=1.5(d1+d2)（11）初步计算选取V带的中心距a0则可以得出a0=1.5(d1+d2)=1.5×(63+250)=248，现在取a0=248,由公式0.7(d1+d2)<a0<2(d1+d2)（12）可以得出中心距在其范围内，所以取a0=250可以。查机械设计手册由式：L=2a0++（13）可以得出带长为L=2×250++=1026.3mm由机械设计基础查表13-2选用V带的型号，对Z型带选用Ld=1000mm。再由其公式：a≈a0+（14）可以确定V带的中心距a=250—（1000-1026.6）/2=237mm4.6验算小带轮包角α1查机械设计基础由公式α1=180°-×60°（15）可以得出α1=180°-×603°=132.7°>120°所以得出包角合适。4.7求V带的根数查机械设计基础由公式：Z=（16）已知n1=2000r/min，d1=63查表可以得出P0=1.45KW由传动比i=4查表13-5得∆P0=0.45KW由α1=132.7°查表13-7得Kα=0.87,查表13-2得KL=0.90,由此可得Z=≈1.81所以V带取2根4.8求作用在带轮轴上的压力FQ查机械设计手册表13-1得出V带每米长的质量q=0.07kg/m由公式：F0=（17）其中Pc为功率，Z为v带的根数，V为v带的带速，Kа为包角修正系数可以查表得出其值为0.95可以得出F0=≈82.4N现在计算作用在带轮上的压力FQ,由公式：FQ=（18）可以得出FQ=402.5N4.9V带轮的设计4.9.1V带轮材料的选择设计V带轮时应满足的要求是：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（表面粗糙度一般为3.2以减少带摩擦，各槽的尺寸和角度应保持一定的精度，以使载荷分布较均匀。[9]带轮的材料主要采用铸铁，常用的材料牌号为HT150或HT200，转速较高时采用铸钢，小功率采用铸铝或塑料。考虑本设计的功率情况和转速，本设计采用铸铁，材料牌号为HT200。4.9.2带轮结构形式的设计铸铁制V带轮的典型结构有以下几种形式：实心式、腹板式、孔板式、椭圆轮辐式。[10]V带轮的结构形式与基准直径有关。当带轮基准直径为dd≤d（d为安装带轮的轴的直径，mm）时可采用实心式；当dd≤300mm时，可采用腹板式；当dd≤300mm时，同时D1-d1≥100mm时，可采用孔板式；当dd＞300时可采用轮辐式由5.3中的计算已知d1，d2：主动轮基准直径d1=63mm安装轴带轮轴的直径d=25mm∵dd≤d∴小带轮选用实心式从动轮基准直径d2=232mm∵dd≤300mm∴大带轮选用腹板式4.9.3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SPZ带，根据书上表格可直接得出基准宽度b0=10mm基准下槽深度hfmin=10mm槽间距e=14±0.3mm最小轮缘厚δmin=5.5mm带轮宽度B=28带轮的总长L=（1.5~2.5）d=40图4主动轮大V轮d=200mm小于350，所以采用腹板式。由其轴径为35mm.基准宽度b0=10mm基准下槽深度hfmin=10mm槽间距e=14±0.3mm最小轮缘厚δmin=5.5mm带轮宽度B=26带轮的总长L=（1.5~2.5）d=45图5从动轮轮槽工作表面的粗糙度为1.6或3.2，由于这两个带轮在切片机运行过程中起着非常重要的传动作用，所以两个带轮轮槽工作表面的粗糙度均取1.6。[11]4.10轴的选择选取轴的材料为45号钢，调质处理。根据轴上零件的安装、定位及轴的制造工艺，确定轴的结构如图五：图6轴4.10.1计算轴的最小直径轴的强度计算，由公式计算轴的最小直径，由公式：dmin=（19）得出dmin=≈28mm计算轴的输出力矩T，由公式：T=9550×（20）可以得出T=9550×≈36N.m轴的输出直径显然不大，且与轮盘和从动轮的尺寸比列不协调，考虑到与键槽和电动机的输出直径为35mm。已经远大于dmin,所以取最小轴径dmin取35mm。4.10.2轴的结构尺寸确定轴的两端分别与刀盘的从动轮相连接，所以取d1-2=2d7-8=35mm。带轮及刀盘采用轴肩定位，且定位高度h>0.07dd2-3=d6-7=42mm。考虑此处轴径，出轴承产品目录中初步选定6209深沟球轴承轴承，其尺寸为d×D×B=45×85×19,所以d3-4=d5-6=45mm。查手册6209深沟球轴承轴承的轴肩高为4mm，所以d4-5=53mm由刀盘的尺寸和从动轮的尺寸确定l1-2=25mm,l7-8=35mm。由轴承的尺寸，可以确定l3-4=l5-6=50mm。有轴承端盖的结构和传动轴，确定轴承端盖的总宽度为20，根据轴承端盖的装拆及便于对轴承添加润滑剂的要求，去l2-3=30,l6-7=50mm。根据轴的总体尺寸，取l4-5=130mm。4.10.3轴的校核求轴上的载荷，首先根据轴的结构，作出轴的计算简图。根据轴的计算图，做出轴的弯矩图和扭矩图。图7轴的载荷分析图从轴的结构图以及弯矩和扭矩图中可以看出靠近大带轮轴承上的截面为危险截面。现将计算的危险截面处的M、MH、MV。选取轴的材料为45号钢，调质处理。根据《机械设计》表14-2,已经算出轴的最小直径为35mm，扭矩为36N.m所以，可以计算出作用在轴上的力圆周力Ft：Ft=（21）Ft==200N作用在刀片上的力径向力Fr：（22）可以得出Fr=166.2N根据上面的数据和轴的机构以及弯矩和扭矩图中可以看出，受载荷最大的面是靠近大带轮的轴承端面，因此求得此截面的弯矩扭矩如下表：表3截面的弯矩扭矩载荷平行于轴垂直于轴支反力F1125NN弯矩MMH=34245N/mm总弯矩=63999N/mm=35413N/mm扭矩TT2=131759.8N.mm4.10.4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C）的强度。根据《机械设计》式（15-5），以及上表的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取=0.6，计算轴的应力,由公式：（23）得出轴的应力：=37.6Mpa前面已经选定轴的材料为45号钢，调质处理，由《机械设计》表15-1可查得[σ-1]=60Mpa，所以计算出轴安全。故该轴在此截面的右侧的强度也是足够的。本机无大的瞬时过载及严重的应力循环不对称性，故可略去静强度校核。至此,轴的校验结束,轴的校验合格。[12]4.11轴承的选择和校核4.11.1轴承的选择由于轴承主要承受的只有机体中的轴，刀盘，从动轮的径向力。故选用6209深沟球轴承轴承的主要参数：n=396r/min，预计寿命为8年，工作小时数Lh预计为24000小时。4.11.2轴承的校核深沟球轴承一般是由内圈、外圈、滚动体和保持架组成。内圈装在轴上，外圈装在机座和轴承座上。滚动体与内外圈的材料应具有高的硬度和接触疲劳强度、良好的耐磨性和冲击性。一般用含铬合金钢制造。[13]工作表面要磨削和抛光。与滑动轴承相比，角接触球轴承具有摩擦阻力小、起动灵敏、效率高、能够同时承受径向和轴向的作用力等优点。所以选择深沟球轴承。[14]因该轴承受和的作用，必须求出当量动载荷P。计算时用到的径向系数X、轴向系数Y要根据Fa/C0r值查取，而C0r是轴承的径向额定静载荷，在轴承型号未选出前暂时不知道，故用试算法。根据《机械设计基础》表16-11，暂取Fa/C0r=0.17，则e=0.5。因Fr=288N，Fa=166.2N，则Fa/Fr=0.57>e，由《机械设计基础》表16-11查得X=0.44，Y=1.4。由公式P=XFr+YFa（24）P=计算所需径向基本额定动载荷值，由公式：（25）fp=1.2（查《机械设计基础》表16-9得）；ft=1（查《机械设计基础》表16-8得，因工作温度不高）；Lh是使用寿命，为24000h所以：Cr=2910>2900NC0r故6209深沟球轴承轴承轴承的Fa/C0r=288/1920=0.15与原估算接近，适用。4.12键的选择和校核4.12.1键的选择均为一般联接，可选用普通平键中的圆头普通平键。安装刀盘处键的选择：此处轴的直径d1=35mm，查《机械设计课程设计手册》表4-1得键的截面尺寸为：宽度b=8mm,高度h=7mm,取键长L=14mm.与皮带轮联接的键的选择：此处轴径为d2=25mm，同理选用键的宽度b=8mm,高度h=7mm,取键长L=18mm.4.12.2键的校核键、轴的材料都是钢，键采用静联接，冲击轻微。查《机械设计基础》表14-1得许用挤压应力[σp]=120～150Mpa,取[σp]=135Mpa。键1的工作长度l=L-b=14-7=7mm,键与刀盘的接触高度k=0.5h=3.5mm查机械设计手册由公式：=（26）得出σp为116Mpa小于[σp]所以键1的强度合适。键2的工作长度l=L-b=25-6=19mm，键与皮带轮的接触高度k=0.5h=3mm=（27）得出σp为136Mpa小于[σp]所以键1的强度合适T——传动的转矩N·mk——键与轮毂键槽的接触高度l——键的工作长度mmd——轴的直径5结构设计5.1刀盘总成的结构设计刀盘总成是完成切削过程并且保证切削质量的最重要部件；刀盘总成有刀盘、刀片、和调整垫片以及螺钉组成，通过调整垫片即可调整切片厚度。调整垫片有多块，厚度均为1mm，不用调整垫片时，可以切5mm厚的片，用一块垫片则可切6mm。根据要求，切削厚度为5mm，且刀片需要通过调节以保证切削厚度，所以刀片厚度应稍大于切削厚度以嵌入刀座并可进行调节，刀片厚度取5mm。考虑到本设