【《红枣去核机的机械结构设计》15000字】

第一章绪论1.1研究背景红枣是人们日常生活的重要食物，其具有较为可口的口味，丰富的营养，在我国的种植历史已超过3500余年[1]。红枣不仅在我国得到了广泛的种植，在世界多国也作为经济作物完成种植，全世界主要分布在亚洲国家，在缅甸、越南这些国家可以当做经济作物进行种植，具有较高的经济效果[2]。在其他国家的红枣种植较少，美洲、欧洲等国家基本很少种植红枣作物，同时，这些红枣种植主要由亚洲及我国进口。红枣在我国种植主要是新疆和田一代最为出名，这个区域的天气适宜红枣种植，其生产的红枣具有较高营养及产量，广销海内外[3-6]。红枣是大枣种类中的一种，其内部含有多种营养物质，不仅能够作为水果进行食用，也可以加工为面点等副产品满足人们的食物需求[7]。根据科学分析，红枣内部含有多种维生素、糖类、氨基酸等营养成分，这些对人体都具有补充作用和一定的好处。同时，红枣中的维生素C是含量最多的几种水果之一，每斤的含量能够超过500mg，比传统的苹果、橘子等多了数十倍，其维生素C的含量是我国常用的水果中的最多一类。根据中医记载，红枣性柔易消化，可以用来安神、养血等用途，尤其可以作为治疗贫血的重要辅材之一。因此，红枣具有丰富的营养价值而被国内人们广泛喜爱，其生产产量也是与日俱增。图1-1红枣虽然人们生活水平的提高，人们对美丽的追求及渴望也是与日俱增，根据研究，红枣对于人们的美容方面也具有一定的作用。由于红枣的上述益处，已经作为我国重要的休闲食品之一，并且，在佳节过年之际，很多人也将红枣作为礼物送给亲朋好友，得到了人们的广泛喜爱，因此，市场对红枣的需求量也是越来越大，红枣的价格相对也是呈现逐步增长的趋势，很多农民发展红枣产业也能够作为致富脱贫的一条道路。红枣是我国具有代表性的出口农产品，不仅在国内广受欢迎，其他国家也很喜欢红枣产品，在国际市场上，中国的红枣及其深加工产品外销二十多个国家地区，我国红枣的出口产量呈现每年递增的趋势[8-10]。图1-22014-2019红枣产量图1-32014-2020红枣进出口量1.2国内研究现状大枣作为我国的典型种植产物，其加工的现代化水平直接决定了大枣副产品的国际竞争力。通过分析大枣的加工工艺，去核工序是其中的关键一个工序，提高去核工序的加工工艺水平对于提高大枣的生产效率具有重要的意义[11]。我国的大枣加工设备最早在1980年左右开始研发，其初步技术路线主要是模仿欧美的生产设备，但是，这些设备的生产可靠性较低，并没有得到广泛的应用[12]。现有的大枣加工机械还是以大型化为主，其加工成本较高，同时，这些设备也并不能满足正常使用需求，因此，现有的大枣去核工序还是采用手工去核为主，去核的速度较慢，并且耗费了大量的人力物力，很少有年轻人愿意从事这方面的工作[13-15]。人工去核的工艺动作一般是有一个放置大枣的模具，工人手工将需要去核的大枣放入到模具中，之后，这个模具上面有一个去核机构，工人通过操作手柄，可以带动顶部的去核针完成往复直线运动，可以将放入到模具内部的红枣完成去核动作。在实际使用过程中，模具会发生磨损等情况，同时，由于各个红枣的尺寸有所差异，因此，去核会导致部分红枣无法完成去核，影响整体的红枣去核效果[16-18]，具体结构如下图所示。图1-4人工红枣去核机宁天德设计出一个半自动的硬枣去核划皮机，解决了不同形状的红枣定位夹紧问题，去核效果较好。但是需要人工上下料，自动化程度偏低，生产效率没有得到显著提高[19]。彭三河研发了大枣的辅助去核设备，这种去核设备是采用回转台的工作原理，在回转台上面设置了多个红枣的加工工位，通过去核针的反复运动，能够完成红枣的高效去核动作，并且，这些去核针有专用的导向机构，可以保证去核的动作的准确性[20]。王在政研发了大枣去核装置，这种装置能够实现大枣的自动送料，同时，由于大枣的尺寸有所差异，能够根据大枣的不同尺寸合理改变送枣速度，这个设备也是采用了回转工作台的工作原理，在工作台上设置有大枣的安装定位装置，在完成去核作业之后，这些红枣可以自动实现出料，整体的工作效率较高，能够满足现代化的工作要求[21]。图1-5红枣去核机在水果的分级方面，李庆中做了一定的研究工作，它采用图像识别的技术手段，设置了图像识别的镜头，能够完成不同尺寸的苹果的自动分选工作，在实际使用过程中，由于光源的效果有所差异，苹果分选效果并不良好。同时，周钦也研发了根据尺寸完成的柑橘分选机，这种设备不仅能够完成柑橘的分选功能，而且，可以通过图像识别技术，完成柑橘表面的疤痕、凹坑等缺陷的是被工作，经过实际测试，分选效果达到了90%，但是，这种技术的工作效率较低，需要柑橘静止状态才能够识别高效识别，影响了整条生产线的运输速度[22]。图1-6柑橘分级机应义斌对水果分选设备都展开了研究并取得了很多研究成果，他的研究方向主要集中于水果的分选生产线，在考虑输送速度的前提现，提高了水果的识别率，识别率能够控制在8%，这种设备能够适用于柑橘、苹果等不同水果的分选工作，但是不适用于红枣的分选，在分选输送过程中，机器的振动容易造成红枣外皮的破损，并且分选准确率低，无法满足分选的需求，即影响了红枣的品质还降低工作效率。a.滚筒式b.滚轴式c.胶带式图1-7红枣分级机1.3国外研究现状国外的食品加工设备发展较为迅速，由于国外的自动化设备发展时间较早，同时，国外食品企业的人力成本也较高，因此，欧美发达国家在1960年已经开始了水果去核设备的研制工作，这些国家主要包括美国、英国、德国等国家率先推出了一批具有代表性的视频加工设备，这些设备在自动化水平领先我国[23-25]。在1980年，美国FMC公司研发了旋转式水果去核装置，这种设备主要是采用特制的模具对水果进行固定和移动，同时，针对不同的水果，这个模具可以更换，同时，在模具底下设置有旋转转轴，通过转轴的转动，可以带动水果的旋转，完成水果果肉和果核的分离，实现水果去核的自动化作业。德国的BERT公司在水果加工领域也研发了相关的产品，其代表性的水果去核机可以应用于桃子、苹果、李子等多种水果。去核机构主要是采用两个旋转辊轴，将水果放置在设备内部，通过练过旋转辊轴完成水果的挤压，进而，实现水果内部的果核完成分离，具有较高的生产速度，可以实现连续化的作业生产，广发应用于各种大型工厂内。1.4研究意义随着大枣的去核加工工序是大枣加工的重要一个步骤之一，而随着红枣的副产品的品类逐渐增多，对大枣的需求量也是越来越大，而手工加工红枣的作业方法已经不能满足大枣的加工要求，加工速度较低，因此，急需研制大枣的自动化加工设备，提高大枣的加工速度，降低加工成本及劳动人员数量，实现大枣的自动化加工。1.5研究内容（1）分选机构的结构设计。（2）红枣去核机的结构设计。（3）完成设备主要零部件的详细设计。（4）建立三维零件图，并进行总体装配、仿真设计。

第二章总体方案确定2.1总体结构确定本项目设计的红枣去核机主要包括分选功能，去核功能两部分，首先，通过进料槽使得红枣进入到分选输送带中，分选输送带采用多根间距逐渐变化的输送带组成，这种输送带可以实现分选范围的逐渐变化，不同于筛网分选机，可以完成多级红枣的分选，整体结构较为简单，且传动系统比较简单，只需要带动驱动滚筒转动即可，而多级滚筒分选机的传动系统较为复杂，每个滚筒都需要驱动转动，易出现故障。分选输送带通过驱动电机带动，红枣根据尺寸的不同，能够掉入到下侧的导向板中，进而，进入到不同尺寸的分选尺寸槽内，剩下的最大的红枣运动到输送带的末端，通过导向槽，能够将红枣的方向竖直起来，进入到下侧的红枣模具中，由于已经经过了分选，红枣的尺寸相对比较平均，模具的固定性能会较好。输送带带动模具运动，运动到去核工位。去核机构的驱动电机带动V形带转动，进而，带动齿轮减速器转动，而后，带动曲柄滑块机构运动，能够带动去核针运动，完成红枣的去核，剩下的红枣能够进入到收料槽内。图2-1机构简图1-进料槽；2-分选输送带电机；3-分选收料槽；4-导向滑道；5-分选输送带；6-导向槽；7-卡具；8-去核针；9-输送带；10-收料槽；11-电机；12-V形带；13-齿轮；14-锥齿轮；15-曲柄滑块机构；2.2分级方案对比及确定2.2.1辊式尺寸分级机辊式尺寸分级机是指利用按一定间距架设在固定支架上的若干个辊子来输送成件物品的输送机，通过调整各个辊子的间距大小，能够实现对不同尺寸的红枣的输送功能。这种传动设备的传动系统较为复杂，一般需要链传动的传动方式才能够满足每个滚筒的驱动要。这种机构的优点是结构稳定性高，但是，由于每个辊子都需要主动转动，所以，传动系统较为复杂，加工成本较高。图2-2辊式分级机2.2.2输送带式尺寸分级机输送带是常用的物料输送设备之一，随着自动化设备及生产线的逐渐发展，输送带已经成为了最常用的一种输送设备，整体结构较为简答，适用于不同的场景，其采用橡胶弹性材料，可以保护输送物质免受伤害。输送带式尺寸分级机采用多根尺寸分布不均的皮带组成分级输送装置，在红枣的输送过程中，通过红枣的输送，能够将尺寸不同的红枣掉入到下侧的收料槽内，完成红枣的分拣和输送功能，具体结构如下图所示。图2-3输送带式分级机2.2.3方案确定通过分析上述方案，能够确定采用皮带式分拣机构其结构更为简单，不须要增加繁琐的传动系统，能够实现红枣的高效分拣需求。红枣按照尺寸大小能够分为特级、一级、二级、三级、四级，一般四级的宽度为1.6-2cm，三级的宽度为2-2.6cm，二级的宽度为2.6-3cm，一级的宽度为3-3.5cm，特级的宽度为3.5-3.8cm。本项目采用输送带完成红枣的分选，最终的红枣尺寸的宽度范围为特级红枣，宽度为3.5-3.8cm。分析红枣的结构特点，考虑到红枣的外表面的表层较软，采用钢质的托辊机构极易造成红枣的外皮损坏等情况，对红枣的后期销售造成不利的影响，因此，本项目在调研各种方案之后，综合考虑本项目的结构设计要求，采用梯形皮带输送方式，完成红枣形状的逐渐分选。本项目设计的红枣分选机组成单元包括带轮、转轴、机架、轴承座、出料斗等结构，通过电动机提供动力源，采用V带轮作为传动方式，通过电机带动V带轮旋转，进而，带动转轴转动，完成对输送带的传动运动，为了提高整机的工作效率，采用4个转轴作为传动转轴，这4个转轴通过输送带的带动，能够实现4个转轴的等速同向转动，能够提高整机的驱动能力。皮带是本项目的主要工作部件，他的作用为分选和传动两个作用，皮带是呈梯形的布置方式，前端的两个皮带的间隙较小，能够使得尺寸最小的红枣从两个传送带之间的间隙掉入到底部的收料槽内，之后，随着皮带的输送，两条皮带的间隙也逐渐变大，进而，使得相应尺寸的红枣能够通过输送带的间隙掉入到收料槽中，完成了红枣的尺寸分选及收集的目的，最终，最大的红枣能够被收集到最终的收料槽内，按照红枣的不同尺寸，完成了5种规格的红枣的收料。图2-4分选输送带2.3去核方案对比及确定2.3.1圆柱凸轮机构凸轮机构是自动化设备常用的一种复杂运动机构，主要是通过凸轮沟槽的不同形状，带动辊子完成运动，进而，实现执行机构末端按照特定轨迹完成运动，整体的运动接触属于高副接触的一种，受力情况较为严苛，一般不能承受较大的载荷。优点：凸轮机构的轮廓线可以根据设计完成不同的运动规律的运动，整体的运动可以较为复杂，满足多种间歇运动的要求。缺点：设计和加工要求较高，且不能承受较大的载荷。图2-5圆柱凸轮机构示意图2.3.2连杆方案连杆机构是一种低副的运动机构，通过连杆的传动机构可以完成大行程、大载荷的一些传动方案，而且，设计不同的连杆机构的运动方案，可以满足转动、直线运动、急回运动等多种运动类型。优点：连杆机构的加工较为简单，加工成本较低，并且，连杆机构可以实现大行程的直线运动。缺点：连杆机构的运动规律较为复杂，不能按照设计师的需求完成某些特定的运动规律，在运动过程中速度不匀速。图2-6连杆方案示意图2.3.3盘形凸轮连杆方案优点：可实现急回运动规律结构紧凑，工作可靠，调整方便，可获得任意运动规律。缺点：动载荷较大，传动效率较低，传动不稳定，冲击与振动较大。图2-7盘形凸轮连杆方案示意图2.3.4齿轮齿条方案齿轮齿条传动方式是机械设备最常使用的传动方式之一，这种传动方式只要是通过齿轮的旋转运动带动齿条的直线运动，齿轮主要是作为主动力源，而齿条作为从动运动元件，这种传动方式运动较为可靠，使用寿命较高，但是，由于齿轮和齿条在啮合过程中是有反向啮合间隙的，因此，回程的运动精度较低。2.3.5丝杠传动方案丝杠螺母的运动主要是采用丝杆带动丝杠螺母的传动机构，这种传动机构是机械设备直线运动最常使用的一种传动机构，由于滚珠丝杠的运动精度较高，能够满足高精度的定位要求，实现整机的高效定位和控制。2.3.6方案确定去核机构是典型的往复直线机构运动，通过分析其运动结构，能够确定初步方案。综上所述，选择方案2作为优选方案，连杆机构是最为常用的机构运动方案，其加工简单，运行平稳可靠，能够满足本项目的应用要求。2.4动力方式选择1.电动优点：由于电机是目前机械设备最常用的驱动单元，同时，机械设备的使用场景变化较多，因此，随着电机的发展，电机的种类也较多，驱动电机按照供电的电源方式可以分为直流电机、交流电机，按照是否能够准确停止，可以分为同步电机、异步电机、伺服电机、步进电机等多种型号，其优点主要包括：采购成本低、不需要外部搭建动力源、其转速较为恒定并易完成控制。缺点：驱动能力较低，一般需要搭配减速器或者传动单元使用。2.气动优点：工作介质较为干净、无污染，动作速度较快，可完成快速的反应和动作。缺点：驱动能力较低，一般不能完成大负载的驱动；噪音较大，对操作热源造成一定的伤害；无法完成位置控制，只能够完成末端两个位置控制。3.液压传动优点：驱动能力较强，一般应用于工程机械或者其他重载荷机械设备；运动速度较为稳定，可以较为便捷控制增速和减速。缺点：对环境污染较大；需要配备液压泵站，整体结构较为复杂，成本较高。机械设备的动力源可以选取气动、液压及电能三种动力方式，而电能是最常用的供电方式，这种供电方式不需要像气动和液压外接动力源，就可以实现整机的高效工作，因此，本项目采用电机作为动力源。2.5传动系统选型整体的传动系统根据设计要求，本文完成了多种传动系统方案的设计，这些传动系统方案主要将常用的齿轮传动方式、V形带传动方式等合理组合，同时，本项目设计的设备的整机工况较为严苛，在户外场地使用，使用环境粉尘较多，设计传动系统的时候，需要考虑这种工作环境的条件，保证在这种环境下能够可靠使用，并且，本台设备不属于高精密设备，一些精密传动及成本较高的传动方式如谐波齿轮传动、摆线针轮传动等均不适用于本套系统，因此，对设计的三个方案进行对比分析。2.8a所示方案一是采用齿轮传动的方式，这种齿轮传动能够保证设备的高效率运行，但是，齿轮传动一般不能够实现较远距离的传动，需要将执行机构和电机布置的位置较近，并且对电机的安装也具有较高要求，在运行过程中，有可能导致电机振动，而造成损坏。2.8b所示方案二是蜗轮蜗杆传动方式，这种传动方式的传动比较大，并且，可以实现驱动电机和执行机构之间的垂直传动，但是，这种传动方式的传动效率较低，易产生发热的问题。2.8c所示方案三是采用V形带的传动方案，这种传动方式作为远距离传动的常用传动手段，可以实现对电动机的保护作用，V形带和带轮之间通过摩擦力能够实现相互的传动，摩擦传动方式不同于刚性传动，可以具备一定的柔性量，不会导致主动电机卡死等问题。因此，根据本项目的实际工况和安装条件，选取方案三作为本项目的优选方案。

(a)齿轮传动(b)蜗轮蜗杆传动(c)V形带传动图2-8传动系统2.6本章小结本项目设计的红枣去核机主要包括分选功能，去核功能两部分，分别对分选机构、去核机构完成机构选型，确定红枣去核机的总体结构方案，并完成传动系统的架构设计。

第三章结构设计3.1分选机构传动系统设计根据上章节的论述，本项目选择的传动方案是采用V形带与电机搭配运动的传动方案，驱动的动力源是采用电能的供电方式，机械设备的动力源可以选取气动、液压及电能三种动力方式，而电能是最常用的供电方式，这种供电方式不需要像气动和液压外接动力源，就可以实现整机的高效工作，因此，本项目采用电机作为动力源。图3-1传动机构示意图3.1.1确定电机的选择本项目分析输送皮带的能量消耗，输送皮带设计运料速度为0.5m/s，根据结构确定滚筒的直径为60mm，因此，能够计算得出滚筒的驱动转速n。（3-1）工作机有效功率P=，取输送滚筒的设计最大有效扭矩为T=30Nm，因此，能够计算得出。（3-2）计算得出末端的负载功率之后，需要通过分析传动系统的传动效率，进而，能够得出驱动电机的最小驱动功率，本次的传动系统的传动链主要包括带轮，末端传动机构为3级的带轮。本次设计的传动系统动力来源为电动机，它为整个系统每个组件的运作提供了动力，本系统需求动力为0.5kw，本次设计应用2级减速，其中选择齿轮减速器的工作效率为0.99，选择V形带减速的效率为0.96，初选联轴器传递功率值是0.99，可以由公式得出输入功率P为：（3-3）由于电机是目前机械设备最常用的驱动单元，同时，机械设备的使用场景变化较多，因此，随着电机的发展，电机的种类也较多，驱动电机按照供电的电源方式可以分为直流电机、交流电机，按照是否能够准确停止，可以分为同步电机、异步电机、伺服电机、步进电机等多种型号。根据本项目研发的设备的使用工况，其对停止位置并没有要求，电机为持续运行，同时，电机的驱动功率较大，为户外运行，采用交流电供电较为方便，因此，选用较为常用的三相异步电动机，这种电机的成本较低，运行较为可靠，在中大型设备中得到了广泛的应用。选择的型号为Y90L-6，驱动功率为1.1kw，转速为910r/min。计算减速比（3-4）确定减速比的分配方式，选用带传动的减速比为1.5，选择齿轮减速器的减速比为3.8，经过计算与核对，该减速比符合要求。3.1.2联轴器设计在机械设备中，电机是最常用的动力源，而电机的输出动力方式一般为一个旋转转轴，为了将这个驱动旋转轴和执行单元的转轴相互稳定连接，需要采用联轴器。联轴器的功能是将两个转轴相互连接，实现这两个转轴之间的转速及扭矩的传动功能，目前，联轴器发展较为成熟，能够满足低速、高速、重载等不同工况的需求，传动效率能够达到99%，保证了整体传动系统的稳定及高效运行。联轴器安装种类能够分为弹性和刚性两种，弹性型号更加便于安装，对转轴的实际工况要求较低，能够应用于一些不容易安装的场合，但是，其传动效率要低于刚性型号。联轴器的选型需要考虑实际工况的负载、转速、安装方式、使用环境、采购成本等多种因素，选择较为合适的型号。联轴节所承受的最大扭矩为：（3-5）因此，计算得出，选择弹性柱销联轴器，额定转矩为50N.m，能够满足要求。图3-2弹性柱销结构图3.1.3齿轮设计查参考文献[30]，分别选取小齿轮为40Cr，大齿轮为45钢；选用7级精度；选用直齿圆柱齿轮传动。大齿轮硬度为280HBS；小齿轮硬度为240HBS。（1）试选小齿轮齿数,大齿轮齿数，取76。（2）按齿面接触强度设计 （3-6）根据齿轮减速器的使用工况，试选计算齿轮转矩T1 查参考文献[30]，确定齿宽系数查参考文献[30]，确定根据齿轮的材质，查参考文献[30]，确定齿轮接触强度；。根据使用年限，计算应力循环次数。 （3-7） （3-8） （3-9）查参考文献[30]，选取数值；计算应力 （3-10） （3-11）进而，得出 计算圆周速度v （3-12）计算齿宽b （3-13）模数齿高 （3-14）计算载荷系数。查参考文献[30]得；直齿轮；查参考文献[30]得，； （3-15）因此，得出 （3-16）（3）按齿根弯曲强度设计 （3-17）查参考文献[30]得,小齿轮；大齿轮查参考文献[30]得，，；计算弯曲应力（3-18）（3-19）计算载荷系数K1.782（3-20）查参考文献[30]；，；比较两个齿轮的应力系数 （3-21） （3-22）大齿轮的数值大。将上述数据代入，能够计算得出 由上述计算能够确定，根据齿轮接触强度计算，小齿轮直径选取25.74mm，根据齿轮弯曲强度，齿轮模数选取m=1mm，可以得出小齿轮齿数和大齿轮齿数。 ，取1）计算分度圆直径 （3-23） （3-24）2）计算中心距 （3-25）3）计算齿轮宽度 （3-26）取，。3.1.4V形带设计V形带作为远距离传动的常用传动手段，其特性是一种柔性传动方式，可以实现对电动机的保护作用，在实际使用过程中，V形带传动可以做增速传动，也可以做减速传动，但是，由于尺寸的限制，V形带传动一般不能够实现大传动比的传动，最大传动比一般控制在4以内。V形带传动可以由带轮和V形带组成，通过带轮的旋转，V形带和带轮之间通过摩擦力能够实现相互的传动，摩擦传动方式不同于刚性传动，可以具备一定的柔性量，不会导致主动电机卡死等问题，但是，摩擦传动的传动效率较低，一般可以达到96%，对于传动效率要求不高的场合可以采用带传动方式，能够起到保护电机的作用，同时，带传动对于电机端和负载端的安装精度要求较低，具有一定调节量，满足一些安装较为困难的场合的要求。图3-3V形带（1）计算V形带功率并选择合理的带型根据设备的实际使用工况，确定为振动较轻，工作环境较好的场合，查表确定载荷系数为1.1，因此，能够得出（3-27）依据功率及转速结果查表应选用Z型传动带。（2）计算中心距及长度1.确定带轮直径根据带轮的转速及功率，查表确定小带轮其基准直径。因此，根据带轮转速，能够确定带的线速度 （3-28）进而，代入传动比，确定大带轮直径 （3-29）2.确定带长度（1）根据实际的结构布置要求，初定中心距（2）根据公式，确定带长度（3-30）确定基准长度。（3）计算实际中心距（3-31）3.计算包角及根数推算小带轮上包角（3-32）带轮包角能够满足实际的传动要求。（1）确定单根V带其额定功率为，，，（3-33）（2）确定V带的根数为z。（3-34）根据结构，确定选取为2根。4.计算压轴力（1）确定张紧力 （3-35）实际结构设计过程中，需要设置张紧力。（2）明确压轴力压轴力的最小值为 （3-36）5.带轮材料及结构合理化设计带轮还需要选择较为合适的带轮材料，一般带轮材料可以采用灰铸铁，这种采用是典型的铸造钢铁，毛坯一般可以采用铸造工艺加工，适用于生产批量较大，形状较为复杂的零件使用，同时，灰铸铁的力学性能也较高，能够满足带轮的使用要求。3.2辊轴结构设计转轴是机械设备的较为常用的一种零部件，其主要特征是由回转体组成，在机械设备中能够起到旋转的作用，可以通过联轴节、传动键等零件，实现与电机、齿轮、链轮之间的旋转传动。在设计机械装备的过程中，转轴的受力及结构设计是机械设计的典型分析对象，需要能够根据不同受力状态下，分析转轴的实际受力特征，并利用材料力学、理论力学、有限元分析方法等手段，完成转轴的强度校核和结构设计，为保证整机的平稳运行具有重要作用。图3-4辊轴本项目设计的转轴上面主要布置传动带轮、轴承等零件，根据实际的结构设计需求，对其合理化布置，具体结构如下图所示。图3-5轴的结构设计（1）1号轴上面安装了轴承，轴承的尺寸已经标准化设计，根据1号轴的轴径，并查找轴承选型手册，完成2号轴的轴径选型，因此，1号轴的轴径为40mm。（2）2号轴上面未安装零部件，这部分轴的主要作用是形成轴肩，完成对安装在1号轴上的轴承形成轴向的定位作用，同时，每个轴承的轴肩定位高度都有着较为规范化的要求，根据标准完成3号轴的结构设计，确定2号轴的轴径为56mm。（3）3号轴上面安装了带轮，根据结构的布置要求，这个轴径的长度需要比带轮长度略长，轴径需要和带轮内孔直径相同，因此，3号轴的轴径为40mm。图3-6轴的整机结构3.3去核结构设计3.3.1确定电机的选取本课题分析的去核机构的能量消耗，假设压板机构的速度为0.3m/s，压紧力为200N，因此，能够计算去核机构的驱动功率（3-37）由去核速度为0.3m/s，曲柄长度为54mm，能够计算曲柄转速为（3-38）本次设计的传动系统动力来源为电动机，它为整个系统每个组件的运作提供了动力，本系统需求动力为60W，本次设计应用1级减速，根据参考文献[18]选择V形带减速的效率为，可由公式得出电机功率为：（3-39）根据本项目研发的设备的使用工况，其对停止位置并没有要求，电机为持续运行，同时，电机的驱动功率较大，为户外运行，采用交流电供电较为方便，因此，选用较为常用的小型齿轮减速电动机，这种电机的成本较低，运行较为可靠，型号DM05RA-82i60F24，驱动功率为70W，扭矩为2.9N.m，转速为200r/min。计算减速比（3-40）故减速带速比为1.88。3.3.2V带的设计1.确定设计功率查参考文献[30]，取，因此，能够计算得出:（3-41）上式中为计算功率；为工作情况系数；为所需要传递的名义功率。2.选择带的型号以及确定带轮的直径查参考文献[30]，选取Z型V带,选取带轮1的直径为。代入减速比，可以算出大带轮的基准直径为（3-42）通常取验算带的速度v为，故符合要求。3.确定其中心距和V带的基准长度1）初定中心距为（3-43）计算得到因为其要求结构紧凑，故取偏小值，；2）计算皮带的长度：（3-44）根据参考文献[30]，确定基准长度为。3)确定其实际中心距为（3-45）4.计算小轮的包角，故符合设计的要求。5.确定V带的根数（3-46）在上面的式子中：为包角的修正系数，查参考文献[30]得为带长的修正系数，由参考文献[30]得查参考文献[30]得，由参考文献[17]得，由参考文献[30]得，即可求出其功率增量（3-47）所以带的根数为（3-48）故取1根。6.确定V带其初拉力由参考文献[30]查得，可以算出（3-49）7.计算带轮作用在轴上的压力（3-50）3.4本章小结根据红枣去核机的总体结构方案，采用机械设计、机械原理的课程所学知识，完成输送机构的电机选型、齿轮的结构设计及V形带的结构设计，并完成去核机构的电机选型、V形带的结构设计。

第四章强度校核4.1齿轮轴强度校核计算齿轮轴动力特性=,=910r/min,（4-1）计算轴径查参考文献[30]得，，则有： （4-2）留有安全余量d=15mm。求作用在齿轮上的力确定圆周力 （4-3）确定径向力 （4-4）确定左轴承到齿轮中心的距离L2=50mm，右轴承到齿轮中心的距离L3=40mm水平面支反力：FNH1==394.7N（4-5）FNH2==493.3N（4-6）垂直面支反力： （4-7） （4-8）危险截面处的水平弯矩：MH=FNH1L2=19.73Nm（4-9）危险截面处的垂直弯矩：MV1=FNV1L2=7.18Nm（4-10）危险截面处的合成弯矩：M1==21Nm（4-11）确定当量转矩，取a=0.6，T=N.m，则有： （4-12）根据轴径为20mm，计算抗弯截面系数 （4-13）因此，计算应力 （4-14）由于轴采用的材料为45#钢，许用应力为60Mpa，满足性能要求。图4-1齿轮轴弯矩图4.2轴承强度校核本项目分析对象为深沟球轴承，对其结构强度进行分析。根据条件，轴承预计寿命：Lh=12×1×8×300=28800h（4-15）初步计算当量动载荷P:因该轴承只受径向力，所以: （4-16）求轴承应有的基本额定载荷值C1为:（4-17）根据轴承样本手册，选择6004轴承，Cr=21kN，因此，能够得出：（4-18）轴承的稳定运行时间符合设备的工作要求。4.3输送带转轴强度校核设计本项目设计的转轴两侧分别布置了轴承，这种受力状况是最常遇见的转轴的力学状态，两侧轴承固定在轴承支座内部，通过所学的力学知识，能够将轴承视为转轴的两侧固定支撑点，在轴承处的受力转矩为0。转轴的受力类型一般可以等效为简支梁、悬臂梁等模型，通过本项目的转轴的实际受力状态，转轴两端为固定支点，转轴主要受力为两个支点之间，受力状态与简支梁相符，因此，可以采用简支梁受力模型对其进行分析。图4-2载荷施加方式分析转轴的受力状态，如下图所示。图4-3轴径载荷分布图估算旋转机构的压力F1为300N，F2为皮带轮的压轴力，左轴承距离中心载荷的距离为355mm，中心载荷距离右轴承的距离为355mm，右轴承距离皮带中心为80mm，根据理论力学的转轴受力分析公式，可以计算得出（4-19）（4-20）式中，为左轴承的受力；为右轴承的受力；为旋转机构压力，为-300N；为压轴力，为N；将上述参数代入，能够得出为129.8N，为349N。计算各支点的作用力并不能有效地反映出转轴的实际载荷作用情况，一般需要计算转轴的较为薄弱处的弯矩，通过弯矩能够较为明晰地计算得到转轴是否能够满足要求，采用材料力学所学知识，根据转轴的受力情况，可以完成各个不同截面的弯矩状态。图4-4各截面弯矩图通过上面的弯矩图可以看出，转轴的弯矩较为薄弱的地方为两个轴承的中心处，这个位置也是简支梁的弯矩最大处，需要计算这个位置的弯矩。（4-21）本文分析的转轴在实际使用过程中为旋转状态，需要综合考虑其弯矩和扭矩的受力，取a=0.6，T=N.m，则有： （4-22）最大扭矩的转轴直径为40mm，计算抗弯截面系数 （4-23）因此，计算应力 （4-24）本文分析的轴的材料为45钢，具有较高的强度及较为低廉的制造成本，其使用一般需要进行调质处理，增加钢材的耐用性。机械设备的正常运行离不开旋转零件，而为了保证这些旋转部件的稳定运行，就需要在这些旋转的转轴上布置轴承，轴承是由内圈、外圈和旋转体三部分组成，一般来说，轴承内圈和外圈和安装轴及孔之间均采用过盈配合，这种配合方式能够防止旋转过程中出现转轴晃动的问题，提高了转轴实际运行的稳定性。轴承其作为转动和静止之间的过渡元件，其工况较为严苛，也是机械设备最常损坏的零件，因此，对轴承的合理化选型是保证整机设备可靠性的关键一环[26]。根据条件，轴承预计寿命：Lh=12×1×8×300=28800h（4-25）初步计算当量动载荷P：因该轴承只受径向力，所以： （4-26）求轴承应有的基本额定载荷值C1为：（4-27）根据轴承样本手册，选择6008轴承，Cr=21kN，因此，能够得出：（4-28）轴承可以稳定运行4.4本章小结完成齿轮减速器的齿轮传动轴的强度校核设计，输送带辊轴的强度校核设计，支撑轴承的预期寿命校核，能够满足使用工况要求。

第五章三维实体建模与仿真5.1三维软件选择现有主流机械三维建模软件主要包括PROE、UG、CATIA、SolidWorks[27]，通过分析这些零件的优缺点，能够分析得出：（1）PROE在渲染，运动仿真，钣金上功能比较强大，并且，proe还具有一定的复杂建模能力；（2）CATIA在汽车，航天上应用比较多，在其他三维建模的方面应用较少[28]；（3）UG多用在数控方面，还有一些比如像powershape配合powermill数控编程特别强大；（4）SolidWorks软件目前是非标结构设计最常用的三维建模软件，这种软件经常被应用于机械设备的立体模型绘制，通过SolidWorks软件的建模功能，能够较为直观地展示零件及设备的内部组成结构和装配，为设计师的合理化设计提供参考，同时，这款软件作为较为常用的机械设计软件，包括齿轮、螺钉、链轮、螺母等机械常用零件的调用模型库，能够节约设计师对这些标准零件的建模时间，丰富设计手段，目前，SolidWorks软件已经是机械设计师最为有用的设计手段，同时，SolidWorks软件还包括有限元分析模块、工程图模块、装配仿真模块等较为实用的机械设计模块，能够应用这些模块完成机械设备的全面化设计[29]。本文采用的三维建模软件为SolidWorks。5.2整体系统结构设计根据上述章节完成的零件结构设计，对各零件完成尺寸三维建模，同时，在装配过程中，会用到螺钉、弹簧、螺母等标准件，这些标准件在SolidWorks自带的库中可以快速调用。将这些零件调入到装配体文件之后，需要根据这些零件的空间关系，采用配合特征，将零件由空间离散的状态组装成设计的实际装配状态，为了表现出不同零件的空间特征，可以采用颜色编辑命令，将零件改变外观颜色，能够更为直观地观察到零件的实际结构特征。图5-1整机三维模型5.3绘制各零件的三维模型由于整机结构较为复杂，考虑到零件加工的便利性和经济性，本项目设计的零件材料主要是常用的中碳钢和低碳钢，以Q235、45钢为主，这些材料是市场的钢材较为常见的钢材，硬度适中，加工成本较低，能够满足本项目的要求，并降低整机的制造成本。根据不同零件的形状特点，各个零件主要以机加件和焊接件为主，各个零件在安装处留有螺栓连接孔或者螺纹，方便不同零件的相互连接。5.3.1去核机构模型建立本项目设计的去核机构如下图所示，在完成分选之后的红枣能够进入到去核的模具。去核模具多个都是相同的形状，可以采用直线阵列命令，完成模具的生成。在去核模具的前侧，安装有去核针，在去核模具到达去核位置之后，完成红枣的快速去核。图5-2去核机构三维模型整体去核机构包括模具、去核针、固定板、连接杆、轴承座、驱动轴、连杆、轴承座、电机、出料槽、机架等结构组成，完成这些零件的结构建模，主要采用拉伸、切除、阵列、旋转等命令完成这些零件的建模操作，整体机构是采用同心、配合、重合、阵列等约束，完成这些零件的组装和定位。具体结构如下图所示。图5-3卡具三维模型图5-4去核针三维模型图5-5连杆三维模型5.3.2分选机构模型建立本项目设计的分选机构如下图所示，能够完成不同尺寸的红枣的分选工作，主要是采用多根分布距离不同的输送带，分选出尺寸不同的红枣。图5-6分选机构三维模型整体分选机构包括料槽、输送带、减速器、带轮、导向槽、带轮、电机、机架等结构组成，完成这些零件的结构建模，主要采用拉伸、切除、阵列、旋转等命令完成这些零件的建模操作，整体机构是采用同心、配合、重合、阵列等约束，完成这些零件的组装和定位。具体结构如下图所示。图5-7带轮三维模型图5-8输送带三维模型图5-9减速器三维模型

第六章总结与展望6.1总结大枣的食用不仅能够给人们带来味觉的愉悦感，而且，其内部含有多种维生素等对人体有益的物质。机械化的去核装置是提高农作物加工产量的重要一环，一般能够应用于大枣、桃、苹果等农作物的去核作业，这些农作物收获之后，去核作业一般是其首要的工作，同时，也是工作量最大的一项工序。现有的大枣去核机传动链较为复杂，设备体积较大，采购及加工成本均较高，对一些中小农户还不能满足其低成本的使用要求，因此，在大部分农户还是采用手工去核方式，这种方式导致工作效率，且拖慢了农化机械化步伐，对于改善农民收入及生活带来了不良的影响。因此，本文完成大枣分选去核机进行研究，完成下述内容：（1）分析国内外的发展趋势，针对本文的研究目标，制定大枣分选去核机的整体研究方案。（2）完成大枣分选去核机的详细设计，根据力学及机械设计的知识，完成传动系统的选型设计及关键零件的强度校核。6.2展望本文分析的设备其组成单元包括驱动电机、执行机构、机架、电气单元，设计过程中，需要协调考虑这些单元，才能够满足实际的工况使用要求，由于时间较为有限，本文还有一些待完善的功能：（1）本文未完成整机的电气系统设计，可以采用PLC控制系统搭配组态软件、传感器的控制方案，完成对设备的整机控制；（2）本文设计的驱动电机未考虑变频调速功能，在一些工况下，可能会涉及到设备执行机构转速需要在一定范围内调节。因此，后期的研究人员可以围绕上述两个方面展开研究，考虑到大枣分选去核机的实际生产需求，并结合智能化、现代化设备的发展方向，完成整机的优化设计。

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