毕业设计（论文）-中药粉碎机设计

苏州科技大学天平学院本科生毕业设计第一章绪论1.1课题背景中医学是中国的传统医学，它是以阴阳五行学说为理论基础，通过望、闻、问、切四则作为诊断方法的一套阐述人体奥秘的理论。中医不仅关注治病救人，更重视调节人体活力、平衡人体内部环境，已达到预防和治疗人体疾病的目的。几千年来，中医学和中草药融为一体，发挥着治疗疾病和调节身体的作用，已成为中国文化体系中不可或缺的一部分。我国是中药资源最丰富的国家之一，古老的中医药方剂经过千年的应用验证，已被广泛应用于疾病的预防、治疗和康复中。家用中药材自动粉碎机以其独特的功能特点、简单的操作方法和重要的意义，在家庭场景下的中药材加工领域发挥着不可忽视的作用。它将配好的中药材方剂进行粉碎和混合不仅可以保证药效的稳定性和安全性，还可以提高中药材有效成分溶出量和产品均匀度，方便中药成分的吸收。近年来，随着人们对健康养生和中医药文化的重视，其应用领域更加广泛，更多的人选择用它来自制个性化的养生饮品和食物。本课题首先对中药材自动粉碎机的运动功能进行分析，然后结合所学知识设计中药材自动粉碎机。通过对中药材自动粉碎机的研究设计，设计出较为轻巧、可靠、方便的中药材自动粉碎机，让其有着显著的市场开发前景和应用价值。1.2文献综述1.2.1中药材自动粉碎机的分类及选型世界上对粉碎机的研究已经持续了几十年。根据粉碎的不同工作原理，粉碎技术主要包括有剪切、冲击、碾压和研磨等粉碎技术。目前我国广泛应用于中草药粉碎的粉碎机主要有锤片式中药粉碎机，齿爪式中药粉碎机和振动式中药粉碎机。锤片式中药粉碎机的工作原理是利用锤片进行高速旋转在机壳内部进行不断的锤打，并且在旋转的过程中带动物料与机壳内部的筛片进行相互挤压。机壳内部的筛片还可以控制最后成型的碎片的体积，可利用更换不同的筛片来得到想要的碎片的精细度。这种结构的粉碎机结构比较简单，维修也方便。由于没有过多的能量损耗，所以其生产效率高，适应性强可一机多用。一般来说，锤片式药材粉碎机的进料方式有两种，分别是端面和顶面。粉碎机粉碎性能的影响因素主要有粉碎材料的种类和结构特点，锤筛间隙，筛片的结构设计和锤片的设计及性能等。在中国，锤片式中药材粉碎机的各项性能参数已经位居世界前列。锤片式中药材粉碎机也因其高效的粉碎效果和可靠的使用性能，已经走进了中国的千家万户中，初步满足了我国家用中药材的粉碎需求。齿爪式中药粉碎机包括揉搓机和揉碎机。揉搓机的工作原理是带动锤片进行高速旋转，高速旋转的锤片和齿板、定刀间的物料会与锤片和齿板、定刀进行剧烈的摩擦揉搓。揉搓机目前技术较为不成熟，其使用有极大的局限性，大多用于对物料粗碎，并且工作效率低，噪音巨大，且难以对不干燥或强度较大物料进行破碎。揉碎机是2010年前后才出现的一种物料加工机械，其主要应用于饲料加工行业。目前技术仍旧不成熟，故障率较大，且维修困难。目前在我国没有得到大范围的推广使用。振动式中药粉碎机的工作原理是通过振动，使中草药原料与机械内部突出部件产生碰撞和摩擦力，促使物料变小。虽然这种粉碎机工作效率高，还能节能环保，但其制造成本高、技术不成熟，还有很大的改进空间。因此，它不适合广泛应用。综上所述，由于本设计的使用对象是家庭，所以选锤片式中药材粉碎机合适。1.2.2中药材自动粉碎机的现状分析早在原始社会，人们就已经开始使用磨盘、石臼等工具对物料进行粉碎了。但现代粉碎机是在工业革命以后才出现的。它是在18世纪末19世纪初，由英国的化学家和工程师共同研发的一种被称为“颗粒机”的物料粉碎机器。人类对粉碎机的研究，到目前为止，已经有了上百年的研究史，已经制造出了各种类型的粉碎机，但破碎原理非常相似。国外的研发重点是开发通用性能较强的大功率（一般超过75kw），高自动化程度和高生产效率的大型粉碎机械。最具代表性的机械有：由拖拉机动力输出轴驱动的最大功率为55kw的朵农805型粉碎机，它是丹麦朵农机械厂生产制造的；除此之外，还有生产效率高达每小时4～5吨的，生产功率在73.5～1110.25kw之间的粉碎机，它是由丹麦President有限公司生产研发的。当然，也有一些专注于小型粉碎机械研究开发的西方国家，代表性的机械有：意大利Sike公司研究制造的小型桶式粉碎机，它的结构非常简单，刀片呈螺旋状排列，机体小巧，物料粉碎后的粒径均匀，工作起来振动也不大，但它的功率很小，故生产效率低。中国从上个世纪80、90年代开始，国民经济大幅增加，人民对物质的要求越来越高，为了顺应生产，相继研究制造出了很多种不同功能的粉碎机。根据粉碎的不同工作原理，粉碎技术主要包括有剪切、冲击、碾压和研磨等粉碎技术。随着中国中药产业的不断发展和资源利用率的提高，对家用中药材粉碎机的创新研究变得尤为重要。首先，我们应该将各大药制厂和药房的现有中药材粉碎机器进行调研，将这些设备进行改进和优化，保证在机械性能不变的情况下，将机型体积变得小巧，粉碎机的质量加强，生产效率提升，安全性能提高，能量损耗降低。其次，我们还要将粉碎机的理论研究与实践创新相结合，研发制造一些更加便捷的一体式全自动的粉碎机。最后我们还要根据不同地区人们的需求，研发制造出通用性和功能更强的高性价比粉碎设备，以达到降低劳动强度，提高经济效益的目的。1.2.3家用中药材粉碎机的应用前景目前，中药粉碎机行业的发展潜力巨大。随着人们对健康和自然疗法的关注日益增加，中药材的使用也越来越普及。然而传统的中药材普遍体积较大且质地坚硬。往常人们都是借用简单工具，采取切断、砸碎等操作将其变小，后经过提前浸泡，再加火进行炖煮的形式，来提取中草药的汤汁来服用的。这种操作不仅费时费力，还不能充分提取中药材的有效成分。中药以后发展的趋势必然是疗效好、用量低、药物细，而目前的粉碎技术正好与这个趋势吻合。家用中药材粉碎机有着提升中药品质和药效，改善口感和溶解性，节能环保，操作简单和维护成本低的巨大优势，它可以为家庭提供高效、便捷的服务，对中药产业的发展具有重要意义。随着现代技术的不断发展，机械制造业的国际竞争力日益增强，国内中药材粉碎机制造商必须坚持走创新发展道路，以技术研发为核心，创造更具竞争力的粉碎机械产品。中药材粉碎机的型号更加多样化，应用领域也更加广泛。中草药粉碎机不仅可以粉碎中草药，还可以粉碎食品调味料、化工原料等。因此，家用中草药粉碎机的市场前景是积极的。第二章中药材自动粉碎机总体方案设计2.1中药材粉碎机的工作原理锤片式中药材粉碎机的工作原理是利用电机带动锤片进行高速旋转，锤片上的锤头在机壳内部对室内的中草药进行不断的锤打和冲击，将中草药粉碎成所需大小的。中药材粉碎机的粉碎过程实际上是锤片的旋转和打击作用将中药材粉碎的，显然，只有瞬间产生足够大的冲击力，才能破坏药材的极限强度，使中药材被粉碎。锤片式中药材粉碎机通常由电动机、旋转锤片、粉碎室、筛片和进出料口等部件组成。它的主要工作部件为粉碎室，粉碎室的核心部件为转子，转子由主轴和锤架板、锤片和销轴组成。电机带动带轮转动，由从动轮带动粉碎室的主轴（也就是转子主轴）高速转动，从而锤片也随主轴高速旋转。当中药材由进料口喂入，在粉碎室负压下进入粉碎室时，由于转子的高速运转使得中药材只能在粉碎室器壁上的齿板、筛片和锤片之间运动。当转子运转起来后，锤片末端距粉碎室器壁的距离仅有10mm左右，这样，就可以使中药材受到锤片和齿板之间的揉搓撕扯进而被粉碎。达到粉碎颗粒尺寸要求的中药材就会经过粉碎室底部的鱼鳞筛片孔从出料口排出，尺寸粒径较大或未达要求的中药材会继续留在粉碎室内受锤片与齿板的揉搓被粉碎，直到达到粉碎要求才可以从筛孔排出。2.2中药材粉碎机电机功率的选择锤片式中药材粉碎机的功率决定其生产效率，本次设计为小型设备，规定其生产能力为1T/h。根据相关资料有以下公式可求出其所需功率。N=KQ(2-1)式中Q：粉碎机理论生产率（T/h），即为1T/h；K：配套动力系数，一般取3~10之间；所以有K=N/Q=7生产率N=CQ(2-2)式中系数C=(6.4`10.5)，取C=7；Q为生产率，取Q=1T/h，所以N=7x1=7KW2.3锤片速度和转子速度的确定锤片撞击力的大小与工作速度有关。根据经验：一般粉碎精物料为50-65m/s,粗物料为70-100m/s。考虑到本设计为家用中药材粉碎机，以粉碎粗物料为主，所以选锤片为75m/s。锤片长120mm,锤架板直径D=400mm。粉碎室主轴中心到锤片末端距离（2-3）其中代入式中求得所以，从动轴的转速2.4理论生产率中药材粉碎机的理论生产率一般根据经验公式进行计算：Q=3.6KD2Brn/60(2-4)式中C：转子直径；B：子长度；r：物料容重，中药材的容重r=0.18t/m3；n：转子转速，n=2830r/min；K：粉碎机结构系数（与筛片结构参数有关），一般取K=0.16～0.42将各参数数值代入公式，可得：故满足设计要求。2.5粉碎室宽度的选择粉碎室的宽度作为粉碎机的一个重要的参数，它的宽度将直接影响粉碎物料的多少和粉碎的效率。依据粉碎机的设计要求和国家标准规定，本项目所设中药材粉碎机的转子轴组选取D=520mm，粉碎室宽度B=325mm，其比值D/B=1.6符合我国的粉碎机系列设计规定。2.6家用中药材粉碎机的总体结构本次设计的家用中药材粉碎机的总体结构如图2-1所示,它是由电动机（动力输入）、带传动（传动部分）、进料机构、粉碎机构、出料机构和机架六部分组成。动力输入设备—电机，带动主动带轮转动，将扭矩传递至从动带轮，再由从动轮带动粉碎室的主轴旋转运动。由于本项目的粉碎机需要高速运转，故主轴转速较高，所以不需要为电机配备减速装置，当然，带传动的传动比也因此变得很小。本中药材粉碎机采用切向进料，转子只能朝一个方向转动，它的出料口用法兰盘进行连接，方向为竖直向下。粉碎机构是中药材粉碎机的核心部件，也是本次设计的核心内容。它的主要组成部件有主轴、锤架板、锤片和销轴等。粉碎室的机架内壁安装有筛片和齿板，安装在主轴正下方的是包角为180º的筛片，安装在筛片及进料口间的是齿板，当转子进行运转时，锤片末端与筛片齿板的间隙须保持在10mm以内。本项目设计中需要选型、计算和校核的有：电动机选型及扭矩计算；带传动设计选型；粉碎机构主轴的设计计算及校核轴承寿命计算校验。1.机架;2.电机；3.带传动；4.落料机构；5.粉碎机构；6.进料机构图2-1中药材粉碎机的总体结构第三章家用中药材粉碎机的结构设计及计算3.1家用中药材粉碎机整机的设计计算3.1.1电机选型及扭矩计算3.1.1.1电机选型由于本设计是家用中药材粉碎机，根据上文粉碎机电机功率和锤片转速的选择，所选电机参数如下表3-1：表3-1电机参数型号model功率power（kw）马力HP（hp）额定电流ratedcurrent（A）转速Rpm（r/min）效率efficiency（%）功率因数powerfactor（cosφ）Y132S2-27.51015290086.20.883.1.1.2扭矩计算电机扭矩计算公式[16]：其中，P：功率（kw）n:转速（r/min）T:扭矩（N·m）将功率、转速带入上式得：(3-1)考虑电机效率86.2%，求得实际扭矩：3.1.2带传动的设计计算及选型锤片式中药材粉碎机的带传动选择普通V带传动。（1）计算功率参考《机械设计》表8.8查得工作情况系数在小于10小时，并且载荷变动很大的情况下按每天工作8小时计算，则(3-2)（2）选取普通V带型号根据，，由《机械设计》图8.11确定选用A（3）计算从动轴转速n2根据上文计算从动轴转速即转子转速（4）确定小带轮和大带轮的基准直径根据《机械设计》表3.8初取，由式3.20得(3-3)根据《机械设计》表8.4选取大小带轮的基准直径分别为：则实际减速比为(3-4)实际转速为(3-5)误差，故允许计算带速v得计算得(3-6)由于5<18.97<25，故带速合适计算带长和中心距初步确定中心距：由式计算得(3-7)可初步选取带长：由式计算得(3-8)据表8.2选取基准带长计算实际中心距：由式计算得。综上所述：基准带长实际中心距验算包角由式计算得(3-9)>120º故验算合格确定V带根数由式计算(3-10)传动比由表8.4查得;由表8.5查得;由表8.6查得;由表8.2查得;可求得(3-11)取z=4根。求初压力及压轴力初压力F0：由式(3-12)查表3.2知，q=0.105kg/m可计算出：压轴力FQ：由式(3-13)可计算出：综上，带传动设计如下表3-2：表3-2带传动设计参数型号model根数radicaldd1(mm)dd2(mm)n1(r/min)n2(r/min)Ld(mm)(mm)A4125132290027401430513带轮结构的设计A型带轮槽结构如图3-1：图3-1大带轮结构尺寸图3-2小带轮结构尺寸本设计中，大小带轮结构相同，尺寸不同。带传动的效率普通V带传动的效率一般在0.90~0.95之间，故本设计中取0.94。3.1.3粉碎室主轴的设计计算选材：考虑到粉碎室主轴所受载荷不大，故选用通过调质处理好的45钢。主轴的设计计算：设计过程中的注意事项：按弯扭合成强度来进行设计校核；计算弯矩时，将带轮作用视为一个集中力，大小根据带的质量来计算；转子引起的弯矩由转子不平衡量来计算；当时，转子的不平衡量5g，可查得：粉碎机平衡品质等级为G16[18]，由，知式中e：转子的许用不平衡度（μm）ω：转子的角速度（rad/s）故(3-14)取转子的不平衡量M=5g，则转子由于M所产生的离心力可根据式计算。其中，r：转子半径；ω：转子的角速度。代入式中，可求得：；离心力是法向的，其方向是变化的，但当离心力在铅锤方向时，对主轴影响最大，故按铅垂方向计算。（2）初步确定轴的最小直径按式来估算，(3-15)其中，A：系数，可查表7.2取P2：主轴功率/kw，P2=Pη（η为带传动效率）P2=7.5×0.94kw=7.05kwn2：主轴转速（r/min）n2=2740r/min代入式中，求得：据实际情况取dmin=35mm轴的结构及装配情况确定图3-3主轴结构轴各段直径及长度的确定L1-2、d1-2的确定：根据皮带轮以及轴承座的结构设计来确定，可取L1-2=63+35+17-1=114mmd1-2=35mmL2-3、d2-3的确定：2-3段轴主要是轴承的轴肩和机壳，可取L2-3=50.5mmd2-3=45mmL3-4、d3-4的确定：3-4段轴主要是套筒的轴环，可取L3-4>1.4x(62-52)/2=7mm可取L3-4=10mmD3-4=62L4-5、d4-5的确定：4-5段轴主要是套筒的轴肩和圆螺母和止动垫圈，可取L3-4=297mmd4-5=52mmL5-6、d5-6的确定：5-6段轴作用与2-3段轴相似，可取L5-6=14mm可取L5-6=45.5 d5-6=45mmL6-7、d6-7的确定：6-7段轴主要根据轴承来确定尺寸选用深沟球轴承6207可取：L6-7=16mmd6-7=35mm综上可知：主轴全长L=533mm，各轴段长及直径见表3-3：表3-3各轴段长及直径轴段1-22-33-44-55-66-7(mm)11450.51029745.516d轴段(mm)3545625245353.1.4锤片的设计、选材及排列锤片的设计及选材锤片是中药材粉碎机的核心（粉碎室）内的重要的工作部件，也是易损件。每年，我国仅粉碎机锤片损耗掉的钢材就多达数十万吨，所以，延长锤片的使用寿命具有十分重要的意义。此外，锤片的质量、形状、尺寸、排列方式及线速度都是影响粉碎机粉碎效率的主要因素。以下便是目前市场上所生产的不同形状的锤片使用性能，详见下表3-4。表3-4各种锤片使用性能的比较锤片类型使用性能Ⅰ型：矩形锤片通用性好，形状简单，易制造Ⅱ型：焊耐磨合金延长使用寿命，制造成本较高Ⅲ型：锯齿型锤片工作棱角多，粉碎效果好，但耐磨性差Ⅳ型：尖角锤片适于粉碎纤维质物料，但耐磨性差Ⅴ型：环形锤片只有一个销孔，工作中自动变换工作角，因此磨损均匀，使用寿命较长，但结构复杂根据本次设计需求，选用I型锤片较为合适，具体设计结构如图3-4：图3-4锤片的结构尺寸锤片的具体参数有：长度a：120mm宽度b：40mm厚度e：4mm孔径d：16.5mm锤片作为锤片式中药材粉碎机的核心部件，它必须满足较高的加工要求，如：外表硬度高，内部柔韧度好，整体耐磨性优良等。本设计中，锤片所选用的材料为钢，它经过热处理之后，渗碳层的厚度可达0.8-1.2mm，表面硬度为HRC56-62，周边淬火区硬度为HRC50-57，内部非淬火区HRC≤28。锤片的排列方式锤片是粉碎机执行粉碎工作的主要部件，悬挂在均布于转子锤架板上的销轴上且可以绕销轴自由转动。不同类型规格的粉碎机的锤片数量及销轴数各不相同，但一般均为偶数，目的在于减少转子转动过程中的不平衡。总的原则是，关于主轴中心对称的两销轴上装配的锤片数量相同[21]。目前常见的锤片排列方式有螺旋线排列、对称排列、交错排列、对称交错排列四种，本次设计选择对称排列方式。3.1.5锤架板的设计选材在粉碎机中，通常将锤架板安装在粉碎室的主轴上，本设计是直接将锤架板焊接在套筒上，套筒通过键安装在主轴上，销轴安装在锤架板上的孔中，锤片安装在销轴上。所以，锤架板用来支撑销轴和锤片。锤架板的具体形状如图3-5：图3-5锤架板的结构设计3.1.6销轴的设计计算销轴的设计销轴主要贯穿于锤片和锤架板的销孔上，用来安装锤片，其材料为45钢。销轴的设计结构尺寸如图3-6：图3-6销轴的结构尺寸销轴左端为一开口销孔，用于阻挡锤片、套筒，防止其从销轴上滑落。开口销的选型开口销是标准件，有标准规格，本设计中所选开口销规格为：c=7mmd1=3.7mmb=8mma=2mmL=36mm3.1.7套筒的设计套筒的作用是把锤片间隔开，本设计中使用了24片锤片，两锤片间距30mm，锤片与锤架板间距有两种：30、65mm，故套筒设计时有两种长度尺寸：套筒的形状尺寸如图3-7和3-8：图3-7短套筒的结构尺寸图3-8长套筒的结构尺寸3.1.8机架、机壳及进、出料口的设计（1）机架的设计选型机架用来支撑整个粉碎机及电机和带轮，本设计所用机架为方管，是标准件，规格为50x50x3mm。机壳的设计机壳分上下两部分，内部装筛片，上下机壳间用螺栓连接。进、出料口的设计进料口连接在上机壳上，出料口连接在下机壳下方，其上接有法兰，用于连接外部管道或接口。进料口及上机壳如图3-9，出料口及下机壳如图3-10：图3-9进料口及上机壳图3-10落料口及下机壳第四章主轴的校核、键的校核及轴承寿命验算4.1主轴的校核由于主轴既受到扭矩也受到弯矩，是转轴，所以按弯扭合成强度来校核。分析主轴上所受到的力（三种）轴承支反力；转子由于旋转不平衡引起的离心力F1；带传动引起的压轴力FQ；计算各力的大小带传动引起的压轴力FQ在设计带传动时已计算出来，FQ=1077.02N转子不平衡产生的离心力F1=107N计算轴承支反力并做剪力图画出轴在竖直面内铅垂方向的受力图（图4-1）：图4-1铅垂方向受力图其中，LAB=75mm，LBC=210mm，LCD=210mmFA=1077.02N，FC=107N计算轴承支反力和：对B点取矩得：(4-1)代入数据得：1077.02×75-107×210+×420=0求得：=-138.83N对D点取矩得：(4-2)代入数据得：1077.02×495-×420+107×210=0求得：=1322.85N综上：轴承支反力=1322.85N，=-138.83N图4-2剪力图求B、C各截面的弯矩并作弯矩图(4-3)(4-4)铅垂方向弯矩图（图4-2）：图4-3铅垂方向弯矩图求主轴所受扭矩并作扭矩图求轴上的功率P1：P1=Pη=7.5×0.94kw=7.05kw(4-5）求主轴扭矩T：(4-6)铅垂方向扭矩图（图4-4）：图4-4铅垂方向扭矩图求当量弯矩并作当量弯矩图求合成弯矩：由于在竖直面内主轴所受的力较大，所以铅垂方向的弯矩即为合成弯矩。求当量弯矩：根据式（7.8）计算(4-7)扭矩产生的应力一般为脉动循环变应力，取。（转矩不变只是理论上的，实际上机器运转不可能完全均匀，且有扭转振动的存在，为安全计，常按脉动转矩算）由于B处弯矩最大且横截面积最小，故只需校核B截面即可。按弯扭合成强度来校核各截面按式（7.8）来计算(4-8)求得查表7.1得：45钢许用弯曲应力因为＜，故轴的强度足够。4.2键的强度校核本设计在皮带轮与主轴安装处采用一普通平键规格为：b×h×L=10×8×50mm根据式来校核(4-9)其中，：挤压应力，MPaT：轴传递的扭矩，N·mmD：轴的直径，mm：键与轮彀的接触高度，取，mmH：键的高度，mm：键的工作长度，A型键=L-b：许用挤压应力，MPa(4-10)查表12.2，轴材料为钢，受到轻微冲击，取=100MPa由于＜=100MPa，故键的强度满足要求。4.3轴承的寿命计算轴承代号为：6207深沟球轴承的轴向力非常小，可忽略。由轴的校核中求出的支反力可知轴承径向力：画出轴承的受力图（图4-5）：图4-5轴承受力图确定径向动载荷系数X和轴向动载荷系数Y由于深沟球轴承所受轴向力非常小，本计算中忽略，因此X=1，Y=0计算当量动载荷P轴承1：(4-11)轴承2：(4-12)计算寿命由于P1＞P2，轴承1受力比轴承2大，故只需计算轴承1的寿命即可。根据公式（8.9）计算(4-13)查表8.6取，查表8.7取，查手册知c=25.5KN，带入数据得[23]：按每天工作8小时，每年工作300天，寿命5年的要求，轴承的预期寿命因为，所以轴承的寿命符合要求。参考文献[1]王雅鹏，孙凤莲，丁文斌，等.中国生物质能源开发利用探索性研［M］．北京:科学出版社，2010.[2]薛建华.中草药加工机械概述[J].农产品加工,2003(12):34-35.[3]WangXH,FengZM.BiofueluseanditsemissionofnoxiousgasesinruralChina[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2004,8(2)：183-192.[4]朱文德，陈永生，肖宏儒，等．我国生物质粉碎加工技术的研究进［J］．现代农业装备，2007(7):47－50．[5]家族用小型多功能刚性粉碎机.内蒙古农牧学院,1990-12-01.[6]中药超微粉碎成套装备.江苏省,昆山市釜用机械密封件厂,2003-01-01.[7]WENZM，WORNH．Solvingtheinversekinematicsproblemsymbolicallybymeansofknowledge-basedandlinearalgebra-basedmethods［C］//EmergingTechnologiesandFactoryAutomation，2007．ETFA．Patras:IEEE，2007:1346－1353．[8]KanafojskiC,KarwowskiT.AgriculturalMachines,TheoryandConstruction[M].Washington:ForeignSc