《莲藕切片机的结构设计及运动仿真研究8300字（论文）》

莲藕切片机的结构设计及运动仿真研究摘要为了提高莲藕切片的效率，本设计对莲藕切片机构型进行了重新设计，对莲藕切片规程进行了设计优化，提高设备运转效率以提升经济效益。本设计参考了市面上现有各类切片机的构型，根据莲藕的形状以及材料硬度进行了针对性优化，并对其结构进行改进。本次设计重点将对切片机的成型机构以及动力系统进行优化。最后将对设备整机结构进行校核并分析计算，并通过运动仿真对其进行干涉分析，检验结构设计的合理性。本设计解决了以往人工切片过程中存在的藕片易粘连，效率低下等难题，具有较高经济价值与市场发展前景。关键词：莲藕加工，切片，往复切片，自动化目录TOC\o"1-3"\h\u303451绪论 为V带基本额定功率。（3）经验算，带根数符合设计工作要求。（4）计算带传动有效力根据已知带传动计算公式：（4）通过该公式对带最大以及最小拉力进行设计计算。（5）计算带传动反力通过带轮所受的力来对轴所受支撑反力进行估算，对带传动两边受力进行求解。为尽量精简设计过程，此处计算忽略松紧边之间的拉力差，并将轴压力简化计算：

（5）根据设计公式求得带支撑力为：图13莲藕切片机带轮受力结构简图3.4.2带轮设计（1）使用选型本次设计中带轮所受作用力并不大，选择满足设计要求的材料即可，这里选用了铸铁，牌号为HT150，其具有足够的强度承受运动时产生的作用力［３］。（2）带轮结构形式充分考虑到带轮的工作情况，本设计根据电机输出轴尺寸对带轮进行考虑，为保证带轮正常运转，本设计采用腹板式构型。其结构简图如下图14所示：图14莲藕切片机带轮结构图3.5齿轮受力的计算校核3.5.1齿轮设计计算（1）齿轮的设计在对齿轮进行设计时需要对齿轮的各项参数继续计算，主要流程如下：1通过设计工作零件相互配合，对工作齿轮进行选型，可知本设计采用直齿轮最适合工作情景，同时应对零部件做好防护，避免受到意外磨损。2由于设备运动精度要求不高，故选用八级精度即可。3根据齿轮受力情况，选用40Gr（调质）作为材料加工齿轮，强度与硬度均能满足要求。4根据公式对齿数进行计算齿轮各结构尺寸图如下图15所示：图15齿轮各结构尺寸（2）受力分析根据轴径对齿轮受力进行分析（6）（3）计算尺寸对齿轮受力进型计算校核：（7）对齿轮应力进行校核：（8）（4）齿轮的结构设计根据计算尺寸对齿轮的结构进行设计并绘图，其二位结构示意图如下图16所示图16腹板式结构齿轮接下来对齿轮各项参数进行设计，所选尺寸如下表1所示：表1齿轮传动参数 名称符号单位齿轮中心距amm260传动比i1.2模数mmm4应力角αº30齿数Z91最大直径dmm290最小直径damm288外径dfmm269选材Bmm6240Cr加工工艺调质齿面硬度HBS2803.5.2轴的设计与强度计算对轴进行设计时应考虑到轴所受应力以及轴上轴承的安装位置，并根据主轴各截面受力情况来对轴截面进行分析。考虑轴的设计，在判断危险截面情况时采用计算公式算出设备工作时轴的受力最大情况发生在，在此处的轴截面受力达到最大，引起轴的受力形变也最大。电机轴带动输入轴进行转动，动力通过带轮被传递到切片装置上，切片装置主轴带动刀片对莲藕进行切片处理。接下来对各轴进行结构设计。（1）首先对工作主轴进行设计计算：根据安装以及受力初选轴直径为220mm对该轴进行受力计算，分别对其轴向力以及径向力进行计算：轴向力计算公式：Ft=F*sina=310轴向力计算公式：Fr=F*L/a=400/31=103.3（2）对轴结构进行设计根据按上述计算参数对轴尺寸进行计算，绘制出轴结构图，如下图17所示：图17工作主轴结构简图对工作主轴进行受力校核，采用计算公式：对轴弯曲应力进行校核:经验算，本设计轴的强度符合设计要求，满足使用寿命。随后本设计对轴的弯矩进行了计算分析，绘制出轴各截面所受弯矩如下图18所示：图18轴上各截面受力（3）轴承以及键槽选型根据轴以及机架设计，通过对轴承所受力的分析，这里选择深沟球轴承作为使用型号。随后对键槽进行设计，根据上述计算公式，键槽所受最大压力为36N。根据受力类型以及轴上安装尺寸，这里选择平键作为键槽类型。计算尺寸如下：随后对退料轴进行设计计算。因该轴与切片装置轴所受力以及工作方式类似，因此这里参照切片装置轴对其进行设计。根据尺寸计算绘制出轴结构简图如下图19所示;图19退料轴简图对轴上各部位所受应力进行校核：（9）随后本设计同样对轴的弯矩进行了计算分析，绘制出轴各截面所受弯矩如下图20所示：图20退料轴弯矩图（4）精确校核轴的疲劳强度判断危险截面从受力分析来判断危险截面，根据受力情况判断截面Ⅳ、Ⅴ处所受力最大，在此处所引起的应力集中对轴的危害性最大。虽然从表面上看截面Ⅳ所受的力与截面Ⅴ的相近，但这两个截面之间存在区别，截面Ⅴ只受单向力作用，并没有被施加扭力，因此不要考虑扭矩的影响，并且由于此轴外径相对较大受力更均匀，足够承受轴上所受压力。对于截面Ⅳ来说对该截面受力分析，由于存在键槽，轴本身的强度会被降低，且键槽也容易产生应力集中，这会加大轴的安全风险，所以该截面需要被纳入校核。只需对轴上危险截面进行校核即可检验是否符合工作要求。3.5.3滚动轴承的选择及寿命校核本设计中轴承选型时，由于轴承受力主要集中在径向方向，轴承选择应满足径向受力要求。根据需要选用单列深沟球轴承，深沟球轴承如下图21所示：轴Ⅰ6009一对，轴Ⅱ6009一对(GB/T297-1994)图21滚动轴承寿命计算：轴1（1）查表，可得深沟球轴承代号6009基本额定动负荷=17.0KN基本额定静载荷=11.8KN（2）查得X=1Y=0（3）计算轴承反力及当量动载荷：轴承在水平面内所受得载荷F´r1H=F´r2H==1095N轴承在水平面内所受得载荷F´r1v=F´r2v==529.5N所以轴承所受得总载荷（10）（4）设计轴承使用寿命为9年，二十四小时工作。轴承寿命计算公式如下所示：基本额定动载荷（11）轴承满足设计使用要求，故该轴承选型合适。4切料结构设计4.1切片装置4.1.1工作原理该设备是通过切削装置来完成切削的，该机构通过曲柄滑块原理实现循环往复的切削。采用电机驱动曲柄滑块来实现刀具伸出退回。莲藕放入导料筒后，由于自身重力的因素，物料在料筒中不断下落，最终被挡板压住，电机驱动曲柄滑块机构实现一个来回来对物料实现切割。该设计具有结构紧凑成本低的优点，能够有效降低设计体积占用，提高设备利用率，并且降低成本。但该装置也存在着一些设计缺陷，例如机械连接容易导致设备产生振动、噪音等不良影响。因此针对该装置还需进行一些后续改进设计，提高设备整体效率以及工作稳定性。由于曲柄滑块结构在运动时不够稳定，可能会影响到设备运转，故本设计添加了导轨机构来保证整体设备运转顺滑。4.1.2刀具设计由于莲藕本身较为水嫩，较脆弱，在切削过程中可能会破裂，故需要对刀具进行优化设计以保证刀具能够切削出满足使用要求的莲藕片，这可以从结构设计上进行改进设计，添加额外刀片装置。本次刀具选用45钢作为原料进行加工。同时还设计了切片厚度调节机构，可对切削出的莲藕片厚度进行自主调节。该设计中机架设计为整体式，通过改变机架上工作台的高度来对莲藕片切削厚度进行调节。控制莲藕片成品厚度可在3-10mm之间调节［９］。本设计中对刀片的厚度进行了设计，保证刀片切削下来的藕片符合使用要求。对其进行了三维模型绘制，其构型图如图22所示：图22刀片构型图4.2推料装置根据力学分析计算，推料装置中的推料板对藕片的推动作用可以有效减少藕片沾刀，且推料效果与刀具切削速度也有着一定程度的关联。根据试验表明，无推料装置时刀具更容易产生沾刀，影响切削效率，并且在切削速度加快的情况下刀具沾刀的情况也会减少，因此，总的来说很有必要设计出推料装置来减少沾刀概率。本设计中根据切刀的工作原理，跟随切刀设计出原料处理装置。在莲藕完成切片处理之后就对莲藕原料进行分割，力求避免莲藕原料对切片的影响。此设计中对推料装置的设计与切片装置设计同理，所以根据切刀装置的尺寸参数来对推料装置进行设计，设计推料装置长度与宽度尺寸分别为300mm、150mm，总体来看推料装置的设计能够有效减少沾刀。4.3落料装置设计根据荷藕的几何尺寸统计数据，直径的尺寸分布范围为30～100mm，藕节全长为130～270mm。为了满足各种尺寸类型物料都能落入进料筒，本次设计采用了自适应型落料筒，选用Q235作为材料来对料筒进行加工［５］。针对进料筒进行尺寸设计后对该部件进行了三维模型绘制，其结构外形图如下图23所示：图23进料筒4.4机架设计机架作为承载设备运行的主体结构，需要承受设备运转过程中的绝大部分受力，故要想保证设备稳定运行，需要保证机架具有足够强度的结构设计。由于本次设计中该设备需要驱动刀具进行循环往复切削，对设备稳定性以及强度要求较高，故需要对机架结构进行优化设计，保证设备的稳定工作。由于本设计整体结构占地面积较小，机架可以适当选择相对紧凑的构型，目前机架主要有三种加工工艺，各有优缺点。其中整体铸造成型的机架刚度以及强度特性较好，节省加工时间，同时铸造成型的机架结构较稳定，有利于提高机器使用寿命。同时其也存在着一些缺点，例如成本较高、加工要求较高，不利于批量加工生产。装配成型加工出的机架具有成本低，制造耗时短，易于批量生产的优点，但是由于拼接装配时会不可避免的存在间隙，存在机架易变形的缺点。焊接机架设计具有加工时间短造型要求低等优点，更有利于设计一些造型不够规格的产品，同时再加工完成后需要进行热处理以消除应力，能够加工结构较复杂的工件。经过设计计算，本设计对机架结构进行了设计优化改进，力求提高设备工作寿命以及工作稳定性，机架要具有结构强度高，稳定性高的优点。结构简图如下图24所示：图24机架结构图5结论本研究针对藕片切割过程设计了自动化莲藕切割机，该设备能够有效契合莲藕的切片加工流程，有效提高了加工效率与加工质量。同时本设计还针对机架固定进行设计优化，有效减少了加工过程中的噪音污染，同时优化了加工过程中刀片的原料残留以及沾刀问题，为未来莲藕切片机的发展优化提供了参考方向。本次设计经实验证明，经过优化设计后的莲藕切片机能够产生更高的经济效益，且各项参数相比市面上现有设备也有了很大提升。本设计具有噪音低及生产效率高、加工成品不易残留、加工质量较高等优点。还对切片装置、机架、传动系统这些关键部件进行了受力分析与校核，确保设备能够正常运行。本设计还对设备构型进行了优化设计，尽可能降低噪音与振动的危害，希望能够为未来莲藕切片机的设计与加工提供参考。最后通过对整体设计进行仿真优化建模，本研究找到了设备最合理的工作参数，以保证系统在最大工作效率情况下进行工作，同时设计了最优尺寸解析，保证整体设计结构更紧凑，更省材料。为了提高莲藕切片的效率，本设计对莲藕切片机构型进行了重新设计，对莲藕切片规程进行了设计优化，提高设备运转效率，并通过运动仿真对其进行干涉分析，检