莲子脱壳机设计毕业设计论文.doc

摘要莲子为药、食两用品种，近年来在医药、保健、食品等方面用量大增。在以莲子为原料加工干果制品时脱壳作业是一项十分重要的前处理工序。我国现在莲子的脱壳都是采用手工操作。劳动强度大。近年来，随着经济的发展和人们生活水平的提高，和对食品质量要求变高，以往的手工操作远不能满足现代水果加工的需求，研制一种新的脱壳机构是莲子加工业的前景所趋。莲子脱壳机的一般工作过程为：莲子的喂入、定位、切削与脱壳、成品与下脚料的分别收集。由于莲子的外形并非规则形状 因此在机械加工时，采用莲子的外形进行定位、夹持，不能保证莲子核的中心线刀具的中心线重合，定位会出现偏差，增加了莲子的破碎率和脱壳的不净率。通过对部分莲子品种的物理结构研究，设计导向机构定位方式，保证莲子喂入时的定位精度。 针对当前莲子脱壳机存在的问题，综合各类水果脱壳机优点，设计出了经济型的莲子脱壳机，主要包括：送料机构、输送机构、弹性支撑机构、刀具移动机构，各机构动作协调，脱壳率高，对实现我国脱壳自动化有深远的意义。关键词：莲子、弹性支撑、自动化、脱壳机 ABSTRACTIn recent years Lotus seed, in medicine, health care,as food consumption soar for medicine, food and varieties. In hawthorn as raw material processing beverages, canned and preserved fruit and dried fruit products to nuclear work is a very important pretreatment process. Our country now the hawthorn to nuclear were made by manual operation. General per person a day (8 h meter) processing hawthorn 50 60 kg, labor intensity. In recent years, with the development of economy and the improvement of peoples living standard and food quality asks to be high, in the past, the manual operation far cannot satisfy the demand of modern fruit processing, research and develop a new to nuclear agency is the prospect of hawthorn processing industry tend.Lotus seed sheller generally work process is: the lotus seed feeding, positioning, cutting and shelled, finished goods and scraps from the collected separately. Due to the shape of lotus seed is not rules shape. So the mechanical processing, positioning, clamping with the shape of a lotus seed, and cannot guarantee the center line of the lotus seed core cutter centerline overlap, positioning will appear deviation, increase the rate of the lotus seed broken shell and no net rate. Through the study on the part of the physical structure of lotus seed varieties, design guides positioning way, ensure the position precision when the lotus seed feeding.In view of the current problems of lotus seed sheller, and the comprehensive advantages of all kinds of fruit sheller, lotus seed sheller design out of the budget, mainly includes: conveying mechanism, transmission mechanism and elastic support, tooling mobile mechanism, the agencies coordination, shelling rate is high, for our country to shell automation has a profound significance now.Keywords: Lotus seed, elastic support, automation, sheller目录摘要2ABSTRACT3第一章 概述51.1前言51.2 国内莲子脱壳机的发展现状51.3课题的研究内容61.4课题的研究意义7第二章 莲子脱壳机方案设计82.1莲子脱壳机方案对比82.2莲子脱壳机方案确定102.3莲子定位解决方案102.4本章小结11第三章 莲子脱壳机设计计算123.1链轮链条的设计计算123.2 键的选择183.3速比分配193.4电机选型计算203.5同步带选型计算213.6导轨选型计算233.7本章小结24 第一章 概述1.1前言莲子作为一种口感好、营养高、绿色保健的食品，颇受大众的喜爱。随着人们生活水平的提高，相关产业的不断扩大与延伸，以及鲜莲子保鲜技术的不断完善，对鲜莲子的需求越来越大。但是现在莲子加工在中国还处在手工阶段，这种方式是低效的，人工成本高且不健康，这些不能满足企业大规模生产的需求。为此，作者结合莲子加工企业特点以及加工方式，莲子是常规的几何形状颗粒相对统一的水果。通过对莲子产地湖北的新鲜莲子测定发现，莲子的直径一般在12 20毫米，壳壁厚度0.5 1.0毫米，16毫米的直径最大数量的莲子，外壳厚度在0.9毫米左右。相关数据显示莲壳是只有约三分之一的外表面有点坚硬，其余的比较脆弱，只要对1/3 1/2的坚硬削减，一部分脆弱的部分稍微挤压自然打开。为了测试切削性能的新鲜莲子壳，纸刀片设置在板内，叶片略高于0.5 0.7毫米(根据莲子直径大小调整)，结果表明，可以实现莲子的自动切削。1.2 国内莲子脱壳机的发展现状莲子是我国特有的药果兼用树种。莲子品种繁多，鲜食和加工果均在市场上销售看好。莲子为药、食两用品种，近年来在医药、保健、食品等方面用量大增。在以莲子为原料加工果干制品时脱壳作业是一项十分重要的前处理工序。我国现在莲子的脱壳都是采用手工操作。一般每人每天(以8 h计)加工莲子5060kg，劳动强度大。近年来，随着经济的发展和人们生活水平的提高，和对食品质量要求变高，研制一种新的脱壳机构是莲子加工业的前景所趋。中国从20世纪80 年代后期着手对脱壳机进行研制，并陆续推出一些产品。但真正在生产中推广应用的并不多。在众多的果品加工厂中，脱壳作业至今基本上仍靠手工或十分简陋的工具完成。莲子是盛产于两湖、两广和江浙地区的特色农产品。壳莲经由剥壳、脱皮、穿心和（或）开边等一系列加工后，成为直接进入市场的成品莲米，莲米营养价值高且适口性好1，具有广阔的国内外市场。但是，在莲子加工中，壳莲的机械脱壳一直未能有效解决。莲壳主要由纤维素和半纤维素组成，莲壳坚硬，壳仁之间间隙小，而主要由淀粉构成的莲仁又为脆性，因此干壳莲子的破壳取仁难度很大2,3。现有莲子剥壳仍以人工为主，所研发的几类莲子剥壳机在实现壳莲机械剥壳方面进行了有益的探索4-6。因为受限于壳莲的几何和物理机械特性，当前在剥壳工艺上要解决剥壳率低、破碎率高等问题，在设备性能上要解决可靠性低、作业稳定性差等问题，通过创新设计，形成成熟定型的剥壳机产品，以满足莲子剥壳的实用性要求。莲子是广东、江苏和浙江地区特色农产品。通过剥壳、脱皮、穿心和一系列的处理，直接成为进入市场的莲米，莲子高营养价值和适口性，在国内外有着广泛的市场。但莲子加工、机械脱壳一直未能有效解决。外壳主要由纤维素和半纤维素在莲花，莲花坚硬外壳，外壳和内核之间的间隙很小，和主要由淀粉壳内核为脆性，所以干壳莲子壳取仁是非常困难的。现有剥莲子壳仍然还处在人工阶段。因为莲子几何和物理和机械性能的壳，脱壳非常复杂，破碎率高，在设备性能上要解决可靠性低、作业稳定性差等问题，形成成熟定型的剥壳机产品，通过创新设计，以满足莲子剥壳的实用性要求。图1.1 国内莲子脱壳机美国FMC公司80年代推出了一种自动转矩式脱壳机。剥壳机设计中所采用的集总式调节机构可以完成对切割主要参数的调节，这些参数是：减少压力、切削深度和切削刀在垂直平面的倾斜角度、切刀偏移角平面的地平线，减少压力是预设，可以调整滚筒叶片上的正压力，减少压力辊刀壳的莲花,滚刀旋转的同时减少预压弹簧的压力调节调整机制，设计可调压力8 20公斤范围内。切削深度是由切削深度限制在线调整控制调节机制，主要是根据壳莲子大小和凝固壳厚度大小调整。调节机制的设计考虑的三个要素：一个可以在线调整，第二个能自锁后调整，第三调节轻便，因此选用螺旋副调节。图1.2 国外莲子脱壳机随着人民生活水平的不断提高，人民对食品质量的要求也越来越严格。生产厂家也意识到前处理工序对产品质量有着不可忽视的影响，各厂家纷纷寻找合适的前处理设备。由于许多前处理设备在国内尚属空白，因此，开发性能优良的脱壳机及其它前处理设备是形势所需。脱壳作业是一项十分重要的前处理工序。以往所采用人工作业，不仅占用大量劳动力、劳动强度大、生产率低，并且产品质量难以控制。因此，实行水果脱壳的机械化作业是水果加工业中必然的发展趋势。1.3课题的研究内容（1）系统运动方案设计，提出几种可行的方案，进行优化对比，选出一种最优的方案进行设计。（2）莲子脱壳机主传动结构及工作原理分析。（3）传动系统的选型计算，对电机的扭矩、功率进行计算；减速器的额度负载、传动比进行理论计算链条传动、带传动进行选择；气缸的缸径、推力进行选择。（4）采用三维软件对传动系统中的零部件进行结构设计。（5）对莲子脱壳机进行装配。1.4课题的研究意义建国五十年来，我国的农业设备虽然已经有了较大的发展，具备了一定的基础和规模，初步满足国民经济和人民生活的需要。但随着世界科学技术的迅速发展，技术水平和生产能力与工业发达国家相比还存在相当大的差距。因此，在我国以新技术改造传统产业和开发高技术含量的新产品，已成为当前机械工业以至各传统产业密切关注和改革的焦点。机电一体化技术是机械技术和电子技术的有机结合，它包括机械、电子、计算机和自动控制技术。它从系统工程的观点出发，使产品或系统实现整体优化。近年来，世界上各发达国家竞相发展机电一体化技术，以提高制造技术水平，实现生产系统向柔性化、智能化发展。机电一体化技术给传统的机械工业带来了革命性的变革和惊人的效益，使产业结构、生产方式和管理体制发生深刻的变化。第二章 莲子脱壳机方案设计2.1莲子脱壳机方案对比（1）多联滚刀脱壳机按剥壳原理，坚果类物料的脱、剥壳方法有挤压式、撕搓式、冲击式、摩擦式、切割式等多种10-15。大量试验研究表明，由于壳莲构造、组织结构以及莲壳与莲仁的物理特性所限，莲子脱壳宜采用切割式即刀剥的方法。剥壳设备由3 部分组成：快速分级装置、剥壳机和仁壳分离装置。图2.1 多联脱壳机1.切割参数集总式调控装置2.进料斗3.分粒供料螺杆4.出料口5.传动系统6.机架7.电机8.剥壳头工作原理：经分级杆筛分级后的各级壳莲，分置于剥壳机各个不同的进料斗内，在同向转动的螺杆和光辊组成的送料机构作用下，壳莲按序排列着从机座上的出料孔中推出，莲子一经排出就进入由双托辊和螺旋辊刀构成的剥壳通道，双托辊平行布置且同向转动，辊面切制螺旋槽并滚花处理，莲子由托辊摩擦带动边转动边前行，逐渐为辊刀所切割，螺旋辊刀既完成切割莲壳，又带动莲子转动翻滚并不断向出料口移行，最终从出口排出已剥壳莲子和莲壳。（2）典型单级脱壳机莲子是常规的几何形状,颗粒相对统一的水果。通过莲子产地湖北(武汉、HongHuShi和周边市县,等等)的新鲜莲子,测定发现,莲子的直径一般在12 20毫米,壳壁厚度0.5 1.0毫米,16毫米的直径最大数量的莲子,外壳厚度在0.9毫米左右。相关数据显示lotus壳是只有约三分之一的外表面有点艰难,其余的脆弱,只要外1/3 1/2的力量被削减,一部分脆弱的部分稍微挤压自然打开。为了测试切削性能的新鲜莲子壳,纸刀片设置在板内,叶片略高于0.5 0.7毫米(根据莲子直径大小调整),结果表明,只是把莲子有点困难在叶片滚动可以整个循环将莲子壳不损害内核。因此可以根据切削性能的莲子脱壳技术研究。图2.2 单级脱壳机组成:1切割刀片 2调节螺钉;3.导向槽; 4调节弹簧; 5切割滑道6调整滑道; 7主动轮;8进料斗;9微型电磁振动给料机; 10莲子; 11 机架及其他固定件; 12 皮带; 13电机。脱壳机的主要结构如图所示,其主要工作原理是:新鲜莲子的分类从给料机进料斗、驱动轮驱动通过调整滑动和驱动轮的调整,形成一个梯度的空间通道,这个通道,莲子槽和驱动轮的压力和切向摩擦力驱动轮的滚动状态,轧制过程中,莲子逐渐调整滚动位置长轴方向和基本垂直滚动的方向,达到理想的切割位置,然后输入驱动轮切割的切割幻灯片和构成通道,通道莲子,继续切割方式和驱动轮和驱动轮的压力轧制条件下,切向摩擦的滑动导轨中间的刀片,当莲子通道减少刀片连续滚环切完成外壳。2.2莲子脱壳机方案确定经以上对比分析确定了最终的设计方案，采用两个工位，由电机作为动力的方案进行脱壳，方案如图2.3所示。图2.3 新型莲子脱壳机本文设计的新型莲子脱壳机主要包括电动控制部分、涨紧调节部分、传送部分、弹性支撑等部分组成。工作原理：人工将莲子导入大料斗中，莲子自动落入小料斗，电机通过减速机由链传动将动力分别传给两端输送带轮，从而带动输送带的传动，输送带的从动带轮轮轴上面安装链轮，经链传动将动力传给导向轮，随着导向轮的转动，莲子有序的落入输送带上，导向轮侧边设有滚轮，随着滚轮与移动刀具的接触，在复位弹簧的作用下，实现刀具的左右移动，完成莲子的脱壳。2.3莲子定位解决方案为解决现有莲子脱壳机器中普遍存在的定位等问题，进一步提高产品的质量和成品率，分析了现有机器定位对准方式，指出了产生上述不足的原因是由于没有考虑莲子大小不同引起莲子与导向轮相对位置的变化莲子脱壳时，导向轮应始终对准枣核中心。但由于莲子的大小不同和定位不合理，使得导向轮经常偏离莲子核中心，造成定位不准确现象，影响质量和成品率。文中通过对不同大小红莲子定位后中心位置变化规律的定量分析，设计了滚槽对准机构，并对机构的对准误差和主要影响因素进行了详细分析。该机构能够调整莲子的位置，适应不同的大小变化。 图2.4 导向轮2.4本章小结首先针对本课题提出的要求，对市面上的各种脱壳机进行分析比较，了解他们之间的确缺点与长处，结合各种机构特点，设计出了新型莲子脱壳机，主要包括电动控制部分、涨紧调节部分、传送部分、弹性支撑等部分组成。第三章 莲子脱壳机设计计算3.1链轮链条的设计计算链是标准件，因而链传动的设计计算主要是根据传动要求选择链的类型、决定链的型号、合理地选择参数、链轮设计、确定润滑方式等。一、链运动的主要失效形式1铰链磨损链节在进入和退出啮合时，相邻链节发生相对转动，因而在铰链的销轴与套筒间有相对转动，引起磨损，使链的实际节距变长，啮合点沿链轮齿高方向外移。当达到一定程度后，就会破坏链与链轮的正确啮合，导致跳齿或脱链，使传动失效。链条磨损后节距变长的情况如图所示。图中Dp为链节距的平均伸长量。铰链磨损后实际上只是外链节节距伸长了2Dp，即p2=p+2Dp。而内链节距是不变的，即p1=p。如图所示，可知链轮节圆直径的增量为Dd=Dp/sin(180/z)。由此可见，若Dp一定（通常许用伸长率Dp/p3%），则Dd随链轮齿数z的增多而增大。因此，为了保证链的使用寿命，不致过早产生跳齿或脱链，除应满足规定的润滑状态外，还有必要限制链轮的最大齿数。a)b)图3.1 链条磨损铰链磨损，过去是链传动的主要失效形式。近年来，由于链和链轮的材料、热处理工艺、防护与润滑状况都有了很大的改进，链因铰链磨损而失效的形式已经退居次要地位。只有那些不能保证所要求的润滑状态或防护装置不当的传动，磨损才会成为主要的失效原因。2疲劳破坏由于链在运转过程中所受载荷不断改变，因而链是在变应力状态下工作的。经过一定循环次数后，链的元件将产生疲劳破坏。滚子链在中、低速时，链板首先疲劳断裂；高速时，由于套筒或滚子啮合时所受冲击载荷急剧增加，因而套筒或滚子先于链板产生冲击疲劳破坏。在润滑充分和设计、安装正确的条件下，疲劳强度是决定链传动承载能力的主要因素。3铰链胶合铰链在进入主动轮和离开从动轮时，都要承受较大的载荷和产生相对转动，当链轮转速超过一定数值时，销轴与套筒之间的承载油膜破裂，使金属表面直接接触并产生很大的摩擦，由摩擦产生的热量足以使销轴和套筒胶合。在这种情况下，或者销轴被剪断，或者导致销轴、套筒与链板的紧配合松动，从而造成链传动迅速失效。试验表明，铰链胶合与链轮转速关系极大，因此，链轮的转速应受胶合失效的限制。4链被拉断在低速（v iG.若带传动的传动比分配过大，大带轮的外径v大于减速器中心 H 时，会造成尺寸不协调或安装不便。 3) 各级传动件彼此不发生碰撞现象。 4) 两级传动比可按下式分配 i1=(1.3 1.4)i2 i =(1.3 1.4)i -1/2 5) 传动比分配总传动比:i=n0/nW=5据机械设计课程设计表：取i同步带=2，n0=3400r/min则同步带传动比：i跑带=i/i同步带=5/2 =2.5电动机轴 Po=Pr=1.458kw no=3400r/min 前轴： P1=P0同步带=14580.95=1385W n1=no/i带=3400/2=1700r/min 后轴：P2=P1带=13850.96=1329.6w n2=n1/i12= 1700/2.5=680r/min3.4电机选型计算电机的选型原则一定满足扭矩、转速、功率要求，同时还要满足惯量匹配，如果不匹配，会引起系统动态特性，但是在一般的电机计算以及选型中，一般只考虑电机的功率和扭矩。传动轴所需功率： PW =FV /1000传动装置的总效率 ： = 同步带跑带2承确定各部分效率如下：皮带传动效率：同步带=0.95；跑带= 0.96滚动轴承效率：承 = 0.99则传动总效率：=0.950.900.992=0.816所需电动机功率： Pr = PW/P电机=P/同步带带轴承=1.67736（0.950.960.9920.96）=1458W取1.458kw已知机器人的功率为1.67p为满足上变电机要求电机参数为型号 ZYT42/06 电压220 VDC 功率 2.0 HP 电流不大于9.8A转速34007% 转向 逆时针 绝缘等级 F级表3-1 电机的扭矩速度表3.5同步带选型计算载荷有轻度冲击，使用5年。动力来源：电力220V。速度允差小于5%。选择电机为专门为机器人生产的永磁直流电动机，传动功率P=1.5KW，主动轮转速为n1=3400r/min 传动比定为i=2 由于同步带适于传递功率较大而又要求结构紧凑的场合，特别能适应带轮直径小的传动，所以择之。 机械传动装置设计手册（上册），机械工业出版社1、 确定设计功率 PdKAP KA工作情况系数，根据机器人使用的特性，选择每天工作时间10小时，载荷变动小。KA=1.1见机械设计Pd=1.1*1.5=1.65kw2、带型号的选择 对于同步带的型号可根据设计功率Pd=1.65KW和小带轮转速n1=3400r/min,选PJ型同步带。3、确定带轮直径de1、de2（有效直径）小带轮有效直径：选de1=33.5mm大带轮有效直径:小带轮节圆直径dp1=de1+2e=33.5+2*1.2=38mm4、计算带速v v=dp1n1 /（601000） m/s 注意：v 离心力、离心应力FQ单位时间内的应力循环次数Nv P=Fv/100可知，P一定时，F张紧力 一般v在525 m/s，最大30 m/s，在815 m/s较好V=*36*3400/60*1000=6.4a00.7（de1de2） 67.55a0193初定 a0=161mm6、确定带的有效长度Le Le0=2a0+/2（de1de2）+(de2-de1)2/4a0=2*150+161+1.45=452.96mm选Le=450mm7、计算实际中心距a 中心距的变动范围 考虑安装调整和补偿张紧力的需要（如胶带伸长而松弛后的张紧），尚需给中心距留有一定的调整余量。中心距的调整量为min=5,min=8.a=a0+(Le- Le0)/2=150-1.48=148.52mm则a1=153.52mm a2=140.52mm8、计算小带轮包角1 -（de2-de1 ）/a=3.14-0.199=2.94rad9、带所传递的额定功率及其增量由带型，de1=33.5mm，n1=3400r/min按插值法计算的p0=0.14kw由i=2, n1=3400r/min,用插值法计算得p0=0.02kw10、计算带轮齿数用插值法计算K=0.97，KL=0.78Z=1.65/（0.16*0.97*0.78）=13.63选取Z=1211，有效圆周力FT= Pd/v*103 =0.26*103=260N12作用在轴上的载荷为设计轴和轴承，需确定带传动作在轴上的力Fr得Kr=1.57则 Fr=1.57*260*0.995=406.16N3.6导轨选型计算直线滚动导轨在数控机床中有广泛的应用。相对普通机床所用的滑动导轨而言，它有以下几方面的优点： 滚动直线导轨可以减少高定位精度、摩擦系数对导轨的1/50。由于区别静态摩擦摩擦系数小，灵活的运动，可以使传动转矩下降了90%，减少机床的成本，大大节省电力，滚动直线导轨机由于使用摩擦阻力小,特别适用于重复的往复运动开始，停止，和电力传输机制可以使所需的电源小型化、重量、机床所需功率低90%，有一个很大的节能效果。可以增加的速度滚动直线导轨由于机床的运动摩擦阻力小，因此产生更少的热量，可以实现机床的高速运动，提高了机床工作效率的20 30%。可以长期保持高精度的机床，导轨表面的流体润滑，由于浮动油膜运动的准确性误差是不可避免的。在大多数情况下，流体润滑仅限于边境地区，直接由金属接触和摩擦是不可避免的，在这种摩擦,摩擦损失大量的能源浪费。相比之下，滚动接触小能源由于摩擦。表面的滚动摩擦损失更少，因此可以使长期滚动直线导轨系统的高精度。与此同时,由于润滑油的使用很少，大部分时间只是油脂润滑就够了，这使得机床润滑系统设计和使用维护变得非常容易。对于使用钢珠的直线滚动导轨，额定寿命L为：式中L：额定寿命km； C：基本额定动负荷，kN； PC：计算负荷，LN； fH：硬度系数； fT：温度系数； fC：接触系数， fW：负荷系数。由上述两式可以看出，直线滚动导轨的额定寿命受硬度系数fH、温度系数fT、接触系数fC、负荷系数fW的直接影响。根据已知条件可知：fH=1，fT=1，fC=0.81，fW=1.5一根导轨上用两个滑块，基本额定动负荷为3620kgf，每个滑块所受载荷为PC=200kgf，行程Ls=1m，每分钟往复n=10，每天开机8小时，每年按300个工作日计算，则每年工作时间为8300=2400小时故在正常情况下，可使用16.2年。预期寿命足够3.7本章小结根据设计方案的要求，首先确定了设计中所用到的负载参数，对负载的转动惯量，力矩进行了求解，最终确定了设计参量，同时对电机和减速机进行理论计算，确定了所需的型号，其次对气缸进行理论选型计算，确定选用亚德客气缸和台湾上银导轨，最后基于本设计中对传动比有严格要求，因此选用同步齿形带并进行理论计算，确定了带轮的直径，带长、中心距，带轮包角等参数。 参考文献参考文献1J. Y. Tang. SNS VACUUM INSTRUMENTATION AND CONTROL SYSTEM*，In: 8th International Conference on Accelerator & Large Experimental Physics Control Systems, San Jose, California, 2001. 2MSC. Softw are1MSC. ADAM SU sers Guide3陈文华,贺青,张旦闻. ADAMS2007 机构设计与分析范例M. 北京:机械工业出版社,2009.4盂少农机械加工工艺手册M机械工业出版社，19915 陈道南，盛汉中.起重机课程设计.M北京：冶金工业出版社，1983.6 杨臻,冲击载荷物理仿真理论 D 1 西安: 西安交通大学, 2002, 117张质文起重机设计手册M北京：中国铁路出版社，19988 . K. L. Johnson1 接触力学M 1 徐秉业等译.北京:高等教育出版社, 9 卢志翀，王国华，日期：2006 会议名称：第七届物流工程学术.10 中华人民共和国国家标准,起重机设计规范(GB3811-83), 中国标准出版社.1984.11 东北工学院编写组,机械零件设计手册(第三版), 冶金工业出版社.1987.12 机械设计手册,冶金工业出版社.1996年. 13 现代工程制图,化学