蚕豆剥豆机设计【机械原理设计】

1.1设计题目：剥豆机 1.2原始数据及设计要求 1 2.1工作原理和工艺动作分解 22.2机械执行机构的选择和评定 22.2.1间歇送料 22.2.2压豆切皮 42.3根据工艺动作和协调要求拟定运动循环图 82.4机械传动系统的设计选择和评定 82.4.2V带传动 92.5传动系统的确定 92.5.1工作机外部传动系统的确定 92.5.2选择电动机 2.5.3计算传动装置总传动比和分配各级传动比 2.5.4计算传动装置的运动和动力参数 3执行机构尺寸设计 3.1执行机构各部分尺寸设计 3.1.1凸轮设计 3.1.2不完全齿轮的设计 3.1.3不完全齿轮形状的设计 3.1.4不完全齿轮尺寸的设计 3.1.5料斗形状和尺寸的设计 3.2机构运动简图 5设计总结 11设计题目1)蚕豆长度：20~25mm2)蚕豆宽度：15~20mm3)蚕豆厚度：6~8mm4)生产率：每分钟剥80粒。5)要求体积小、重量轻、压紧力可调、工作可靠、外形美观。1)本题设计的时间为2周；2)根据功能要求，确定工作原理和工艺动作分解；3)执行机构选型与设计：构思出至少3种运动方案，并在说明书中画出运动方案草图，经对所有运动方案进行分析比较后，选择其4)对选择的方案画出机构运动循环图；5)机械传动系统的设计；6)对选择的方案执行机构进行尺寸设计；7)在2或3号图纸上画出最终方案的机构运动简图；8)编写设计说明书，附源程序和计算结果。2将干蚕豆浸胖后放在料斗内，通过振动下料后将蚕豆平放排列成头尾相接，送豆到切皮位置，将豆压住并切开头部的皮，然后用挤压方法将豆挤出。主要工艺动作是送料、压豆切皮、挤压脱皮。图2-1功能元功能元解(匹配机构)123间歇送料A不完全齿轮机构平带传动曲柄滑块机构曲柄摇杆机构压豆切皮B凸轮机构导杆机构曲柄滑块机构直接将刀片固定于挤压脱皮C曲柄滑块机构双摇杆机构2.2.1间歇送料方案一：不完全齿轮机构平带传动功能：将旋转运动转换为单向间歇转动。我们运用了不完全齿轮机构作为我们的步进传输蚕豆的装置。我们将该机构安放在机架导轨的右下方，由主动轮不完全齿轮1带动不完全齿轮2,从而带动输送带，实现豆的间歇传动。机构的活动构件n=4,低副数目Pl=3,高副数目Ph=5,局部自由度F’=0,虚约束p'=0,机构的自由度F=3n-(2P1+Ph)=3×4-2×3-5=13方案二：曲柄滑块机构我们将该机构安放在机架导轨的正下方，并我们运用了曲柄摇杆机构作为我们的步进传输蚕豆的装置。且在连杆上设有铰链点，当摇杆转动一周时，滑块实现运料功能。机构的活动构件n=3,低副数目，Pl=4高副数目，Ph=0局部自由度，F’=0虚约束p'=1机构的自由度F=3n-(2Pl+Ph)=3×3-2×4=1方案三：曲柄摇杆机构我们运用了曲柄摇杆机构作为我们的步进传输蚕豆的装置。我们将该机构安放在机架导轨的正下方，并且在连杆上设有铰链点，使之与带有拨动齿的拨杆相铰接，从而我们可以利用连杆的平动来实现拨动蚕豆向前移动的动作。首先我们设定曲柄摇杆步进机构的初始位置，即其左齿1的左极限位置在机架管2管口的左侧，一旦步进机构启动，当有蚕豆从机架管2掉落进机架导轨后，连杆带动与其铰接的拨杆向前平动，此时落进导轨的第一颗蚕豆会被左齿1向前拨动行程L。并且我们设定每一个齿运动的行程大于每两个齿的间隔。所以当左齿1将蚕豆向前拨动行程L后，即步进机构整体运动到其右极限位置，接着，步进机构向其左极限位置运动。当步进机构第二次由左向右运动时，蚕豆会被左齿2再接着向前拨动行程L,与此同时，第二颗蚕豆会从机架管2掉进机架导轨中，被步进机构的左齿1向前拨动行程L。以次类推，每一颗蚕豆经由八个齿向前推动，同时也实现了对蚕豆的连续传动。而且，根据曲柄摇杆机构的急回特性，还可以保证步进机构在拨动一颗蚕豆后，可以迅速返回拨动下一颗蚕豆，缩短了传送的时间，提高效机构的活动构件n=7,低副数目，Pl=10高副数目，Ph=0局部自由度，F’=0虚4图2-4我们对三种方案中的机构作了如下的对比：1.从机构的功能来看：方案一主动轮1转一周，从动轮2转半周。在此半周内，从动轮2有间歇、加速运动，匀速运动和减速运动阶段。利用其间歇运动的特点，主动轮每转过一周，从动轮向左传送一颗蚕豆。所以可以实现蚕豆的顺次传送，可以保证蚕豆的直线排列。方案三采用的是曲柄滑块机构来代替不完全齿轮机构，在滑块上同样开有只能容纳一颗蚕豆的孔，利用滑块的直线往复运动，实现从机架管1处接下一颗蚕豆，运送至机架管2管口掉落。所以两种机构都可以实现依次传送蚕豆，并且保证蚕豆的直线排列。2.从机构的工作性能来看：方案一不完全齿轮每转一周可以传送四颗蚕豆，方案二用摇杆运动动不稳定，方案三滑块来回往复运动一次可以转送一颗蚕豆，效率较低。如果要提高传送的效率必须加快曲柄的转速，但是曲柄滑块机构滑块的质心是在做变速运动，所产生的惯性力难于用一般的平衡方法加以消除，所以并不适合高速运动。3.从机构的动力性能来看：方案一不完全齿轮速度会突变，因此会有刚性冲击，不适合用于重载的场合。方案二和方案三曲柄滑块和摇杆机构运动副为低副，是面接触，所以磨损较小，可以承受较大的载荷。但是我们此处只是用于传送蚕豆，没有较大的载荷，所以两者都适合该工艺要求。4.从制造加工经济性来看：方案二三曲柄滑块机构制造简单，生产成本底，并且可以使整个机构的结构紧凑。方案一不完全齿轮机构的加工相对复杂，并且所占的空间比曲柄滑块大。综上：为了保证传送的效率，我们最终采用方案一的不完全齿轮机构来实现送料的过程。2.2.2压豆切皮方案一：凸轮机构导杆机构中采用的是凸轮机构导杆机构，并且在导杆杆上套有弹簧，从而实现压紧力可机构的活动构件n=7,低副数目P1=10,高副数目Ph=0,局部自由度F’=0,虚约束p’=0,机构的自由度F=3n-(2Pl+Ph)=3×7-2×10=1方案二：曲柄滑块机构是采用了曲柄滑块家机构，并在滑块上固定刀片。机构的活动构件n=3,低副数目Pl=7,高副数目，Ph=0局部自由度，F’=0虚约束p’=0,机构的自由度F=3n-(2Pl+Ph)=3×5-2×7=15方案三：直接将刀片固定于滑槽上我们在最后一个齿，即齿8处前端安放有刀具，用于蚕豆切皮。为实现这一动作，我们利用了平底凸轮机构。当其处于远休止的阶段，使其平底推杆底部距离导轨的垂直距离略小于蚕豆的厚度，因此可以实现对蚕豆的暂时保压固定，并且我们在平底推杆上套有弹簧，通过对弹簧刚度的设定，我们可以调定平底对蚕豆的压紧力的大小，所以我们可以保证能固定蚕豆，使其利于刀具对其的切皮，并且也可以不压扁蚕豆。此外，我们将凸轮的转轴中心距离齿8的左极限位置的水平距离设定得略小于齿8的行程L。所以当凸轮压住蚕豆的时候，齿8还可以继续向前移动，从而可以切近蚕豆中，实现压紧切皮的动作。第一颗蚕豆被压紧切皮后，凸轮的远休止阶段结束，平底推杆向上移动，步进机构齿8也由其右极限位置向左运动，实现退刀，蚕豆停止在原位。当齿8再次运动到其右极限位置的过程中，将第二颗蚕豆推至第一颗蚕豆停留处，与第一颗蚕豆发生碰撞，借助这一推力，第一颗蚕豆向前移动，从前方紧接的倾斜机架导轨滑落致后面的机构当中。所以我们通过曲柄摇杆机构和平底凸轮机构可以实现对蚕豆的传送和压紧切皮一系列动作。我们从一下方面方案进行了对比：方案一是利用凸轮远休的特点来对蚕豆实现暂时的保压固定。方案二是通过从动件与机架的移动副，实现上下往复移动可以实现压紧切皮的动作。方案三直接无6法压紧。所以只有方案一二两种机构可以达到此项工艺要求，方案三不行。2.从机构的工作性能来看：方案一在导杆杆上可以套有弹簧，可以实现压紧力可调，所以可以保证不会压坏蚕豆，传力效果好，承载能力强。方案二利用从动件的左右移动，无法实现较长时间的保压固定，并且与机架的磨损较大。3.从机构的运动性能来看：方案一凸轮运动平稳，凸轮与导杆的接触面间易形成油膜，润滑较好，所以可以用于高速运动的场合，易于保证生产效率。方案二有连杆机构，不能用于高速运动的场合。方案三无力支撑。4.从制造加工经济性来看：方案一涉及的构件少，仅有凸轮，导杆，加工制造方便，成本较底。方案二涉及机构过，包括连杆，滑块，加工成本高，所占空间大，结构不紧凑。综上：为了保证切皮的效率，我们最终采用方案一的凸轮机构和导杆机构来实现切皮的过程。2.2.3挤压脱皮方案一：曲柄滑块机构机构的活动构件n=5,低副数目Pl=7,高副数目Ph=0,局部自由度F’=0,虚约束p’=0,机构的自由度F=3n-(2方案二：双摇杆机构机构的活动构件n=6,低副数目Pl=8,高副数目Ph=0,局部自由度F’=0,虚约束p’=0,机构的自由度F=3n-(2P1+Ph)=3×6-2×8=2方案三：压辊为实现对蚕豆的挤压脱皮，我们选用的是轧辊装置。7设定两轧辊之间的间隙为5mm,略小于蚕豆的厚度。蚕豆由于其重力，掉落进轧辊，在通过轧辊间歇时，两个轧辊同时向中心回转，对蚕豆一端挤压，由于蚕豆另一端已经被切皮，所以蚕豆可以从切皮端被挤出。我们对三种方案中的机构作了如下的对比：5.从机构的功能来看：方案一采用曲柄滑块机构进行挤压脱皮，滑块运动史也地面进行配合，实现挤压脱皮。方案二采用的是双摇杆机构，在双摇杆之间进行挤压脱皮，从侧面进行输出，方案三是利用压辊进行挤压脱皮，利用双压辊之间的距离进行挤压脱皮。6.从机构的工作性能来看：方案一曲柄滑块机构利用曲柄机构无死点进行脱皮，效率高，稳定方案二用摇杆运动动不稳定，方案三利用压辊进行脱皮。如果要提高传送的效率必须加快曲柄的转速，但是曲柄滑块机构滑块的质心是在做变速运动，所产生的惯性力难于用一般的平衡方法加以消除，所以并不适合高速运动。7.从机构的动力性能来看：方案一曲柄滑块质心会突变，,所产生的惯性力难于用一般的平衡方法加以消除，而且所用的空间大。方案二机构运动副为低副，是面接触，所以磨损较小，可以承受较大的载荷。方案三压辊并不需要太大的要求，空间小。但是我们此处只是用于挤压蚕豆，没有较大的载荷，所以方案一和三都适合该工艺要求。8.从制造加工经济性来看：方案一曲柄滑块机构制造简单，生产成本底，但是占用空间大。方案二两个摇杆机构的加工相对复杂，并且所占的空间比曲柄滑块还大。方案三压辊生产和装配更为简单。综上：为了保证挤压的效率，我们最终采用方案三的压辊机构来实现挤压的过程。82.3根据工艺动作和协调要求拟定运动循环图转角q3D°60°90°120°150°18D°210°24D°27D°3DD°33D°36凸轮运动循环图是以凸轮的运动规律即转角为基准来绘制的。振动下料机构和压紧切皮机构的运动循环图为一条直线，代表它们在整个过程中都处于匀速运动状态。送料不完全齿轮的运动循环图为四条直线段，每一条直线段代表其在这段区间内处于匀速运动状态，空白处表示其处于间歇状态，此时正是压豆切皮机构执行切皮过程。压豆切皮凸轮的运动循环图为三段完全相同的折线，每个折线表示压豆切皮机构在这段时间内完成一个切皮过程，三段折线表示其在凸轮转动一圈的过程中完成3次切皮。上升的线段表示刀片向下运动完成切皮过程，下降的线段表示刀片向上运动完成空程返回过程，其余的直线段表示刀片处于停歇状态。2.4机械传动系统的设计选择和评定它是以一个小齿轮和一个不完全齿轮为主动轮，由主动机、联轴器、带传动二级减速器驱动。工作时，主轴带动小齿轮和不完全齿轮转动，一对不完全齿轮通过啮合带动带轮的转动，从而使传送带的运动进而带动带上的豆子的运动。小齿轮的转动带动大齿轮的转动，从而使和大齿轮连在一起的凸轮转动。大齿轮的转动还带动过度齿轮的运动，过度齿轮传递动力给压辊，从而使压辊转动将豆子挤压切皮。2.4.1齿轮传动电动机传出的扭距通过一个有保护作用的联轴器，传人一个有分配传动比的减速器，然后通过联轴器传人开式齿轮副，进入带动两轴的传动。如图3.2所示。9电动机联轴器减速器这种传动方式的特点是：工作可靠，使用寿命长，凑，功率和速度适用范围广等，但是其成本较高，对由电动机的转距通过如图3.3所皮带传人冲压机电动机电动机联轴器带轮带这种传动方式具有传动平稳，噪音下的特点，同时动的成本较低，对于剥豆机这种对传动比要求不是很高鉴于上节的分析，考虑到所设计的是剥豆机，减速的目的。且齿轮减速器一般体积较大，造价较高，不传动系统如图3.4所示：所以选用了带传动来降低电动机的转速，减速比i=5.62.2.5.2选择电动机电动机选择包括选择类型，结构模式，容量(功率)和转速，并确定型号。工业上一般用三相交流电源，无特殊要求一般应选三相交流异步电动机。电动机能提供的功率范围很大，从毫瓦级到万千瓦级。使用和控制非常方便，具有自起动、加速、制动、反转、掣住等能力，能满足各种运行要求，电动机的工作效率较高，又没有烟尘、气味，不污染环境，噪声也较小。运行可靠、价格低廉、结构牢固。剥豆机选择Y80M2-4电动机，转速大小适中，功率合适，重量较轻，属于卧价格便宜适合小型食品机械。Y80M2-4电动机的额定功率为0.75kW,满载转速为1390r/min,质量为19kg,堵转转矩为2.3N●m,最大转矩为2.3N·m。2.5.3计算传动装置总传动比和分配各级传动比1)传动装置总传动比nw是连接压辊的那两根轴的转速，由于剥豆机的生产率为每分钟剥80粒，所以我们设计压辊每转一圈恰好剥一颗豆子，因此其转速为81r/min。2)分配各级传动比取V带传动的传动比i1=5.62,则其余几对齿轮传动比以此如下：2.5.4计算传动装置的运动和动力参数1)各轴的转数电动机轴为0轴，大带轮轴为I轴，凸轮轴为II轴，过度齿轮轴为III轴，轧辊轴为IV轴，各轴的转速为2)各轴的输入功率按照电动机的额定功率Ped计算各轴的输入功率，即Pπ=P₁n₂η₅=0.69×0.97×0.9Pm=PπT7₃7₆=0.66×0.97×0.9Pɪv=Pm7₄η┐=0.63×0.97×0.式中，n1,η2,73.η4为从电动机至压辊之间各传动机构的效率。由机械设计手册可查得：V带传动η1=0.97;圆柱齿轮传动η2=73=74=0.96,ηs=76=η7=0.993)各轴的转矩功率(kw)转矩传动比i效率η电动机轴2I轴1Ⅲ轴IV轴3执行机构尺寸设计3.1执行机构各部分尺寸设计3.1.1凸轮设计图3-1凸轮结构草图凸轮是用来控制压块和刀片的运动的，由于剥豆机的生产率为每分钟80粒，因此本方案中我们所设计的凸轮是个非常对称的图形。凸轮运动一周可带动刀片上下往复运动三次，即凸轮转一圈刀片可以切三颗豆子。由此我们也可以确定轴2的转速为27r/min.由上图我们可以看出，凸轮在0～15°,105°~135°,225°~255°,345°~360°之间是间歇状态，此时刀片近似不动；凸轮转过15°连接刀片的杆件在顶端弹簧力的作用下向下运动，当端，此时压块在弹簧力作用下给豆子一个大小适中的向与此同时刀片，刀片的形状为V型，将豆子的头部切开一个口子便于最后的挤压切皮。凸轮转过90°后连接刀片的杆件受到凸轮的动，处于停歇状态。此时刀片完成一次切皮。在凸轮转动360°的过程中刀片还要由于次切皮过程是通过凸轮和与凸轮相连接的杆件共同完成，所以凸轮的尺寸和杆件的长短是相互制约的，也就是说我们如首先我们来定它的形状，它实际是由一个正三角形演变而来的，三角形的三个尖角变成三段光滑的弧线，每一段的弧度为15°,为了避免杆件在凸轮上运动产来求其余部分的尺寸。凸轮和齿轮4共同装在轴2上，所以我们可以设计演变成凸轮的那个正三角形刚好是齿轮4所代表的圆的内接三角形。我们已知大圆的半径即AO₂=BO₂/sin30°=2x带入数值后可以求出小圆半径以及小圆圆心的位置即O₁O₂的距离。BO₂=31.7mm,O₁O₂=118.3mm3.1.2不完全齿轮的设计3.1.3不完全齿轮形状的设计根据图5.1的运动循环图，我们知道不完全齿轮的设计要依赖于凸轮的运动规律来定。在凸轮切豆的一定区域内不完全齿轮必须实现间图5.4所示的不完全齿轮的结构草图。在齿轮的整个360°区域内有三个区间是没有齿的，且这三个区间是均匀分布于齿轮之上的，每个区间都是30°。3.1.4不完全齿轮尺寸的设计3.1.5料斗形状和尺寸的设计为了使豆子成一颗颗掉到皮带上，这里我们设的体积要大点的长方形，且长为25mm,宽为15mm,料斗下端不易做的过长，因为子的长度。整个料斗的下面成一个空心的长方体，料斗部到下端均匀减小，因为要保证料斗一次能装一定斗的上面设计的稍微大点。这里定料上部的高度为162mm,长为200mm,宽为150mm,,料斗的壁厚设为3mm。整个料斗的形状就跟我们平常所见到的漏斗一样。其材料为45钢。下面我们绘出料斗结构设计草图3.2机构运动简图刀片刀片带轮凸轮齿轮7齿轮6齿轮5齿轮4齿轮3不完全齿轮1唐4参考文献[1]王德祥，魏杰，俞桂蛾，板栗剥壳去衣机的研制【J】,北京林业大学学报，2002,[2]赵德春，玉米剥皮机的研究设计【J】,农机化的研究，2001,(2):9—60。[3]袁鼎山，FBPY型小麦剥皮机的结构原理及性能【J】,粮食与饲料工业，2005,[4]田庆国，碾米机具与大米加工【J】,茶叶机械杂志，1995,(1):25。[5]资友，谷物脱皮机【J】,农牧与食品机械，1994(3):44。[6]Walter(Hamburg,DE,US)Suhrbier,Rol