毕业设计（论文）-红枣去核机设计

I第一章绪论1.1课题研究意义红枣是一种藤本属植物，具有极大的药用意义如图1-1所示。在中医中，有健脾、胃、滋阴补血、强身健体的功效；在日常生活中，人们经常将其视为保健食品。红枣具有补气、养血安神、调和药性的功效。可用于脾虚少食乏力便稀、妇女脏易怒、血虚、面黄、心慌失眠。图1-1红枣红枣作为食物被广泛食用之时，一些安全隐患也逐渐暴露出来。红枣的果核是两端尖锐中间鼓起的形状，在食用时如果不注意就容易将枣核吞下喉咙，因其果核尖锐的形状，卡在喉咙中容易将刮伤食道严重者甚至会将食道戳穿；而且，果核卡在喉咙，容易堵塞气缸以致缺氧死亡。因此在食物工业制品上，在对红枣进行食物加工处理前，将红枣核去掉是一道必要的工序。以前人们将红枣去核的方法是人工将红枣一个一个的去核，这就导致人人工成本非常高，且效率非常低下，很多工人在加工食品时不讲究个人卫生，容易导致食品安全问题，而且人工去核生产出来的产品质量差，卖相不好看。随着机械化进程的发展，红枣去核机械化也提上了进程，现市场上的去核机普遍是单个作业，虽然效率也不错，但是难以形成完整的自动化生产链，因此本课题将研究国内外红枣去核机的发展进程，设计出一款新型的红枣去核机，用来满足未来的自动化要求。1.2国内外红枣去核机的发展情况1.2.1国外红枣去核机的发展情况在国外，从上个世纪60年代就开始了红枣去核机的研制，在发展初期，红枣去核机也只是简单的工具，随着行业机械化的发展，红枣去核机在食品加工行业已完成了全自动机械化生产。20世纪80年代初，美国FMC公司推出了自动扭矩去核机。它的生产效率非常高，可达800kg/h。同时，在意大利，BERTUZZI推出了滚筒式核清除机。与前者相比，它是的效率更高，产生的效益更大，更具有推广价值。就总体而言，国外的去核机的技术已经发展的非常完善和成熟。1.2.2国内红枣去核机的发展情况国内红枣去核机的发展始于80十年代，并且之后陆续推出一些产品，但是由于食品加工企业并不多，食品加工工业非常落后，对去核技术需求不多，造成了技术无法在实际生产中得到应用和发展。近年来，随着食品工业的大力发展，对去核机的需求也激烈的增长，国内也开始加大对去核机的研制力度，但相比于国外来说，国内去核机的发展起步慢，发展过程崎岖，总体水平还是有很大的差距。就目前市场上推行的红枣去核机而言，国内的去核机成本相对比较便宜，但是在效率和品质方面还是比不上国外的设备。1.3红枣去核机的研究内容1.3.1研究方向本次设计的题目是红枣去核机的设计，先从红枣去核机的整体方案出发，研究红枣去核机的去核机构、进出料机构、以及料盘的结构设计、零部件的加工方式、设备整体的安装装配、以及设备的自动化控制等。其中，去核机构是本次设计的重点，其包括了传动机构设计、执行机构设计、动力源的选型等。进出料机构主要完成了计算其传动参数的和校核关键部件。料盘的设计需要考虑到对红枣的定位功能，防止去核过程中去核刀进入红枣内时红枣会移位导致产品质量不佳等问题。1.3.2红枣去核机研究的主要内容（1）本次研究通过查阅大量书籍、搜寻网上的参考文献等，了解和认识红枣去核机的的去核原理以及对应功能的传动机构机构。（2）分析其的主要结构，确定红枣去核机总体方案以及各个部分的具体方案。（3）用三维软件对三维模型进行建模。（4）用软件组装红枣去核机，对工作原理进行仿真，完成爆炸图。（5）撰写红枣去核机设计说明书。1.3.3红枣去核机设计的主要参数红枣果实形状呈椭圆形红枣的长度范围L=25mm~30mm红枣直径范围∅=15mm~20mm红枣核直径d≤8mm第二章红枣去核机方案设计2.1红枣去核原理分析本设计通过查找大量文献，了解红枣去核的原理。先将红枣树立起来，利用一个薄壁的空心圆管插入到红枣中，等待空心圆管将红枣核穿透，枣核与枣肉分离并留在了空心管中，之后将枣核与空心圆管一并从枣肉中取出，在取出过程中，因为枣核上残留的枣肉与圆孔内壁有粘性，因此枣核会留在空心圆管内。而红枣去核机的运动分解为三部分：进料、去核、出料。根据红枣去核机的工作划分，可将红枣去核机分解为去核机构和进出料机构。2.2去核机构总体方案设计根据设计思路设计符合工作要求的机械设备，通过带刮板的输送带实现枣子由暂存区向定向区的输送，漏斗进入定向区并进行动态定向，定向完成后通过漏孔进入托盘并通过托盘运输到切分区，托盘要就有连续性因此设计成多边形滚筒输送带，切分过程需要刀具的往复直线运动，可以采用减速器及曲柄滑块机构将电机的高速回转运动转化为刀具的慢速直线运动。设计的机械如图2-1所示：图2-1枣去核机工作流程的分析讲解：1暂存托盘作为暂存区临时储存大量的鲜枣可以源源不断的输送至定向区；2带刮板的输送带将暂存区枣子输送至高处并通过斜面漏斗进入定向机构；3定向机构定向完成后，通过漏孔进入托盘中；4托盘将枣子运送到切分去核区；5刀具切分鲜枣并将果核捅出托盘并通过斜面进入果核收集箱；2.3去核机工作原理本次设计的红枣去核机主要由，上料理料机构，红枣定位输送机构，红枣去核机构以及主传动系统组成，该红枣去核机采用的是多头冲压去核方式，输送定位机构采用的是循环输送定位的方式，这样既保证了红枣去核的效率又保证了去核的精度。其各个机构的组成和结构原理如下（1）上料理料机构：该机构的作用主要是完成红枣的上料拨正工序，其主要由上料斗和理料板组成，其工作原理是红枣通过落料漏斗的初次理料将多层杂乱的红枣梳理成单层的列数与红枣托板中定位孔数量一致的状态，落料斗与红枣托板具有一定的倾斜角，保证红枣进入定位孔中准确性，当红枣落入到托板中相对应的定位孔中以后，有的通过落入的角度和自身的重力作用下正好落入定位孔中，有的没有落入孔中或者位置略微不正，这样在红枣托板不断前进的过程中通过理料板将落入孔中位置不正和未落入孔中的红枣拨正，完成红枣的理料和上料。(2)输送定位机构：该机构主要由红枣定位托板，六角驱动辊筒，带座轴承，档板，带传动机构等组成，其主要的作用就是完成红枣的定位和输送作用，通过上料漏斗和理料板红枣进入到托板中的定位孔，然后主传动系统带动六角驱动滚筒转动，滚筒带动红枣定位托板进行循环输送作业，当托板进入到去核机构的位置是电机停止转动，等待去核工序完成后继续循环输送完成下一个批红枣的输送。（3）红枣去核机构，该机构主要由刀具固定板，气缸安装板，升降导向机构，升降气缸，去核刀具组，缓冲弹簧，刀具限位板组成。去驱动方式采用的是气动方式，其主要作用就是在气缸的作用下通过去核刀具的快速下落通过冲压的方式完成红枣的去核工作。当红枣输送机构的托板进入到去核位置后，托板停止运动，这时气缸活塞杆快速收回带动刀具固定板快速下落，行程一定的冲压力，然后固定板上的去核刀具在冲压惯性的作用下完成对红枣的去核工作。第三章齿轮传动系统设计3.1电动机选择3.1.1去核机构电动机选择（1）减速器输出轴的确定红枣去核的工作节拍为25/3PCS/S，其中25为料盘中枣核的个数，3为每次加工料盘中红枣所需的时间（单位s）；减速器输出轴每转一圈，红枣去核机工作一次，则每分钟减速器输出轴的转速n=60/3r/min=20r/min。（2）减速器输出扭矩确定由于在红枣去核机工作时，去核时所需的去核力F无法准确的确定，因此采用一个远大于该去核力的数值作为计算数值，取去核力F=100N，根据建模时的模拟，去核刀和收纳盒及其附属零件总质量M=2kg；则减速器所需的输出扭矩为TT1=（其中，取g=10m/L=30mm代入数值得T（3）电机功率计算去核刀从最高点落到最低点距离为s=60mm，时间t=3s，则平均速度v=s/t=60/3=20mm/s=0.02m/s红枣去核机工作时功率p=F×v=100×0.02=查得轴承效率为δ1=0.99，联轴器效率为δ2=0.98，滑块工作效率为δ3P=p∗ε1代入数据得P=4.5W根据去核机构的工作场合和工作条件，选择70YT15GV22调速电机，同时配90GK60H标准减速箱，其具体参数如表1,表2。表190YT40GV22调速电机参数表型号最大输出功率(W)电压（V）调速范围（r/min）起动转矩（N*m）额定转矩（N*m）70YT15GV221522090-1400190r/min1200r/min0.51.45表270GK50H标准减速电器参数表型号减速比输出最高转速额定转矩（N*m）70GK50H50283.80各轴转速0轴为电机轴，1轴为齿轮轴，2轴为带轮轴，3轴为曲柄轴。各轴输入功率各轴输入功率由电动机的额定功率计算P0==2.2KWP1=P0•η1η2=2.2ⅹ0.98ⅹ0.95=2.048KWP2=P1η1η3=2.048ⅹ0.98ⅹ0.95=1.907KWP3=P2η1η4=1.907ⅹ0.98ⅹ0.95=1.775KW各轴转矩T0=9550ⅹP0/n0=9550ⅹ2.2/710=29.6KN•mT1=9550ⅹP1/n1=9550ⅹ2.048/117.5=166.5KN•mT2=9550ⅹP2/n2=9550ⅹ1.907/59.17=307.8KN•mT3=9550ⅹP3/n3=9550ⅹ1.775/29.58=573.1KN•m3.2齿轮传动设计3.2.1选定齿轮类型、精度等级、材料以及齿数。1选用直齿圆柱齿轮传动，压力角取为20°。2枣切分去核机器时一般工作机器，齿轮选用7级精度。3材料选择：选择小齿轮材料为40Cr（调质），齿面硬度280HBS，大齿轮材料为45钢（调质），齿面硬度240HBS。根据经验选小齿轮齿数Z1=24根据传动比计算出数比：Z2=24×4=963.2.2按齿面接触疲劳强度设计1、试算小齿轮分度圆直径：确定公式中的各参数值试选试选载荷系数KHt=1.3计算小齿轮传递的转矩：3）由小齿轮作悬臂布置，取齿宽系数取4）查取区域系数ZH=2.5。5）材料的弹性影响系数Z6)计算接触疲劳强度用重合度系数：端面压力角：ααα端面重合度：ε轴向重合度：ε重合度系数：Z计算接触疲劳许用应力 由表查小齿轮和大齿轮的接触疲劳极限分别为,.计算应力循环次数：.查取接触疲劳寿命系数:KHN1=0.9、KHN2=1.04。取失效概率为1%,安全系数S=1，得：σσ取和中的较小者作为该齿轮副的接触疲劳许用应力，即σ试算小齿轮分度圆直径2、调整小齿轮分度圆直径（1）计算实际载荷系数前的数据准备1）圆周速度2）齿宽计算实际载荷系数1）使用系数KA=1。2）动载系数KV=0.92。查表得齿间载荷分配系数K3)齿轮的圆周力F4)由《机械设计第九版）》表10-4用插值法查得7级精度、小齿轮悬臂布置，KHβ按实际载荷系数算得的分度圆直径及相应的齿轮模数3.2.3按齿根弯曲疲劳强度设计1确定公式中的各参数值1）试选。计算弯曲疲劳强度用重合度系数：所以取2、调整齿轮模数（1）计算实际载荷系数前的数据准备1）圆周速度齿宽宽高比5.33(2)计算实际载荷系数K=可按载荷系数计算齿轮模数m对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲疲劳强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，可取由弯曲疲劳强度算的模数m==1.578mm，并就近圆整为标准值2，按接触疲劳强度算得的分度圆直径d1=54.063mm，算出小齿轮齿数取Z1=27，则大齿轮齿数Z2=108，这样设计出来的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到了结构紧凑，避免浪费。3.2.4几何尺寸计算齿轮的参数汇总表3小齿轮和大齿轮的参数汇总表参数名小齿轮大齿轮模数(mm)22压力角(°)2020d（mm）54216齿顶高(mm)22齿根高（mm）2.52.5齿顶圆直径(mm)58220齿根圆直径(mm)49211b（mm）3527中心距a（mm）135齿轮模型齿轮模型如图3-1所示，大齿轮采用腹板式结构，中心轴孔直径为45mm，与齿轮轴采用14*9普通平键连接；小齿轮采用实心式结构。图3-1齿轮模型3.3带传动的设计由于带传动可以缓和载荷冲击可以用于较长距离间传递运动和力制造安装精度较低可以降低制造成本，同时当载荷过大时会发生打滑从而很大程度上防止其他部件损坏。3.3.1确定计算功率由表查得工作情况系数KA=1.1，故P3.3.2选择V带的带型选用B型带。3.3.3确定带轮基准直径初选小带轮的基准直径取小带轮的基准直径dd1=132mm2）计算大带轮基准直径 取标准值为400mm。3.3.4确定V带的中心距和基准长度1)初定中心距 根据课本公式，初定中心距a0=800mm。取 =800mm由课本公式计算带所需的基准长度L由表选带的基准长度Ld=2500mm。2）按课本公式计算实际中心距a0。a≈5.验算小带轮上的包角a1α6.计算带的根数z1）计算单根V带的额定功率Pr。由dd1=100mm和nm=1440r/min，查表得P0=1.3Kw根据nm=1440r/min，i0=3和A型带，查表得DP0=0.16Kw查表得Kα=0.94，查表得KL=1.04，于是P2）计算V带的根数zz=取3根。7.计算单根V带的初拉力F0由表查得A型带的单位长度质量q=0.10kg/m，所以F8.计算压轴力FpF带轮的参数汇总表3-3带轮机构参数汇总表参数名小带轮大带轮带型V带，B型中心距(mm)821mm带数3基准长度(mm)2500单根带初拉力（N）498.35基准直径(mm)132400轮型(mm)腹板式孔板式带轮模型带轮模型如图3-2所示，大带轮采用孔板式结构，中心轴孔直径为40mm，与带轮轴采用的普通平键连接；小带轮采用腹板式结构，中心轴孔直径为35mm，与带轮轴采用的普通平键连接。图3-2带轮模型3.4齿轮轴的设计由于大齿轮轴结构相对复杂而且十分重要，因此对大齿轮轴进行详细的设计，具体如下3.4.1轴的设计及检验已知：r/minP=2.048kw（1）选取45号钢（调质处理）的及，取=35MPa，=112（2）圆周力径向力（3）根据轴受力情况，按弯扭强度条件计算：考虑到轴与联轴器有键连结，故轴径可增加5%，即（4）按弯扭合成强度理论校核轴的强度1)水平支反力：垂直支反力：2）计算弯矩水平弯矩：C点左侧C点右侧垂直弯矩：C点左侧C点右侧3)求合成弯矩C点左侧：C点右侧：4)求扭矩C点左侧：C点右侧：5）求合成弯扭矩该轴为单向工作，转矩产生的弯曲应力按脉动循环应力考虑，取，则C点左侧：C点右侧：6）按弯扭合成强度理论校核轴的强度校核剖面C处强度：查得45号钢的，因此，故合格。(5)轴的刚度校核：阶梯轴取，所以，故合格。（6）轴的设计如图3-4图3-3轴模型第四章其他主要结构设计4.1冲针的设计冲针也被称为凸模,是一种在模具中广泛用于加工成型塑料制品内部和外表面的零件,根据冲针所用材料的不同,可以将其分为多种种类，其中包括skd冲针、skh冲针、asp冲针。依据冲针的形状不一样,可以把冲针大致分为空心冲针和实心冲针,空心的冲针多数适合于相对较软的产品上,不过它们可以承受太大的冲力。而实心冲针则多用于相对较硬的产品上,可以同时承受很大的冲击力。根据冲针切口的不同,可以分为平切口冲针和斜切口冲针，平切口冲针在冲压时受力较为均匀，工作平稳，因此可以应用在高速往返运动中，斜切口冲针在冲压时受力不均，但其切口可以产生很大的切力，因此多应用与低速往返运动中。根据红枣材料特性，以及工作所需的切力不是很大等特点，采用空心平切口，为增强切力，在切口处增设切牙其尺寸为长度155mm冲针底面积为∅10。其结构如图4-1所示。图4-1冲针结构图4.2去核机构结构设计1.传动方式机构设计由上，去核机构采用调速+曲柄滑块方式作为+传动机构，其结构如图4-2所示。图4-2去核机构传动结构图市场上的调速电机自带行星减速机，可以通过调节电压可以获得所需的转速。调速电机带动曲柄滑块机构进行运动，电机每转一圈，曲柄滑块机构就完成了一次上下往复运动，当电机转动180°时，滑块从最高点下落至最低点，此时，去核刀从最高点插入红枣内部的最低点，并且把枣核与枣肉进行隔离，当电机从180°转到360°时，去核刀从红枣内部的最低点回移至最高点，并且把枣核与枣肉进行分离。2.去核刀及排核系统设计根据去冲针的结构，将去核刀设计如图4-3。图4-3去核刀结构图冲针依靠螺纹拧死在冲针固定块上，冲针固定块由固定在枣核收纳上，冲针和冲针固定块都是带通孔根据红枣的大小本次固定块槽的大小为∅25，其剖面图如图4-4所示。图4-4去核刀剖面图去核刀的机构如上图所示，去核刀为中空的薄壁圆柱，去核刀从上往下插进红枣内时（红枣在料盘中竖直放置），将红枣核与果肉分离，此时，枣核在圆柱孔内，枣肉在圆柱外，去核刀从下往上运动时，枣核因为粘性（枣核上残留的枣肉具有粘性）而留在圆柱孔内，而枣肉因为料盘上的限位机构（上下限位）而留在料盘内。当去核刀切割下一个红枣时，上一个红枣的枣核会被下一个红枣的枣核推动往上运动（由于每个枣核都有粘性，因此不会掉下来），直至圆孔内被枣核填满，上方的枣核就会溢出而留在枣核的收纳盒内（收纳盒在去核刀上方）。4.3进出料机构分析4.3.1进出料机构结构设计根据上述所讲，带传动机构简单，成本低，传动平稳，结合生产实际和经济成本等，采用带传动的方式。为能使得到间歇传动；采用步进电机+带轮的结构，其结构图如4-5。图4-5进出料机构结构图4.4红枣固定机构确定差速式红枣动态定向输送机构的结构如图4-8所示，通过提升输送机构单排的鲜红枣通过漏斗进入定向机构，在定向带的持续的摩擦作用力的作用下，根据最小作用力原理红枣会围绕短轴做平稳转动向前的运动，定向后通过漏孔进入托盘之后进行切分去核。图4-8定向输送装置结构图夹持带传动系统如图4-9所示，鲜红枣通过漏斗进入I区，之后进入动态定区II进行定向为下一步做准备，最后抵达III区并通过漏孔进入托盘运输至去核区。图4-9夹持帯传动系统

第五章冲针有限元分析5.1有限元法简介有限元法，其英文为FiniteElementMethod，即有限制的单元的方法，简称FEM，他可以解决用一般数学模型方法不能解决或者很麻烦通过计算机运算解决工程问题。它通过将一个大的系统分解成较小、更简单的、有限数量的子域，即“单元”，来近似求解问题。这些单元通常是连接在一起的节点构成的多边形（在二维问题中）或多面体（在三维问题中）。有限元法通过建立一个系统的数学模型，并将其划分为较小的、可管理的单元，让复杂的工程问题简单化，化繁为简最后拟合求解。它最初是在工程领域中发展起来的，特别是在解决航空工业中的结构和弹性问题时。有限元法的发展是逐步的，由多个科学家和工程师的贡献共同推动的。随着理论和计算机技术的现代化发展，其应用领域非常广泛分为结构分析和场分析如下图7.1：（a）结构分析（b）场分析图5.1有限元法应用领域5.1.1定义材料属性本次设计所用的材料是什么，其材料属性如下表5-1材料属性表材料弹性模量(N/m^2)泊松比密度(kg/m^3)屈服强度(N/m^2)Cr12MoV2.18E+110.2807.85E+037.5E+085.1.2网格划分本次利用ANSYS划分的网格如下图，其中网格参数如下，5-2网格质量参数单元数量节点数量网格质量系数雅克比比率55005940370.798950.96741本次设计的模型约束和施加载荷如下表5-5模型约束约束类型施加位置固定约束固定位置7-6施加载荷载荷类型施加位置集中力3KN5.1.3求解后处理选择位移云图和应力云图进行求解，如下图5.1.4结果分析第一张应力云图图像显示了主轴上的应力分布。应力是用于工程中的一个标量应力值，用于从简单单轴拉伸试验的结果预测材料在任何加载条件下的屈服。颜色渐变代表不同水平的应力，红色代表应力最高的区域，蓝色代表应力最低的区域。从图中可以看出主轴最大应力为212.35Mpa,屈服强度是材料开始发生塑性变形的应力量。在此应力之下，当应力被移除时材料将恢复其原始形状。当材料中的应力超过屈服强度时，它表明材料将经历永久变形，本次设计小于材料屈服强750Mpa所以符合要求。第二张位移云图图像显示了主轴的形变，颜色渐变指示了在施加载荷下半轴各部分的位移量。最大位移量为0.018897mm,小于国家标准0.1mm，因此符合要求。总结通过本次设计，使我们基本掌握了红枣去核机的基本结构和工作原理以及去核机构，主传动机构的设计和计算。论文中在进行研究红枣去核机的结构和功能之前，收集了国外特别是发达国家欧美在红枣去核机的发展事实，并列举了一些学者对其有重要促进作用的内容，提供了更多研究学者在红枣去核机发表的成果，说明了国外技术的起步和现状。并通过比较国内外机构的研究时间、市场份额和研究方向，总结出国内的研究目标，并将部分内容作为本文的研究意义。论文在确定总体设计思想后，直接对红枣去核机的结构进行了分析，通过积极查询和参考相关资料，选择了重要的功能部件，并进行了分析和对比，梳理出了红枣去核机的结构组成和工作原理，并通过与其他类型去核机的对比设计分析了红枣去核机相对于其他机构的优缺点，现有设计中红枣去核机我们要参考其优点，避免和改进其不足之处，同时，应积极询问老师和同学，更加完善自己的设计方案，并综合应用机械设计、带传动机构等理论知识计算和校核主要零件的设计参数和强度。最后，确定了红枣去核机的总体方案。根据具体参数的要求，完成了红枣去核机的主要尺寸和参数的工艺设计。然后使用SolidWorks3D软件完成红枣去核机结构的3D模型，最后使用CAD绘图软件绘制红枣去核机总体装配图和主要零部件图，进而完成整个课题的研究与设计。总的来说，这个设计使我们在综合运用基础理论和正确解决实际问题方面得到了更好的训练。提高了我们的思考能力、解决问题的能力和设计创新能力，为以后的设计工作打下了良好的基础。参考文献[1]郭琳,苗明三.红枣现代研究分析[J].中医学报,2014(04):543-545.[2]周靖博,张淑娟,孙海霞,等.我国红枣去核机的研究现状与发展趋势[J].山西农业科学,2014,42(002):199-202.[3]濮良贵.机械原理.西北工业大学出版社[4]常淑凤.自动上下料装置的设计与研究[J].电脑知识与技术:学术交流,2009.[5]濮良贵.机械设计第九版.西北工业大学出版社[6]胡江平,康立武,陈伟.新型皮带轮的结构设计[J