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南華大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告
設(shè)計(jì)（論文）題目
離心式切片機(jī)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)（論文）題目來(lái)源
自選課題
設(shè)計(jì)（論文）題目類型
工程設(shè)計(jì)類
起止時(shí)間
2011.12.28-2012.5.30
一、 設(shè)計(jì)（論文）依據(jù)及研究意義：
隨著人們的生活水平越來(lái)越高，對(duì)一些莖塊作物的食用要求也越來(lái)越高。例如在食用土豆或一些薯類的時(shí)候要將其切成絲或片，因而離心式切片機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。但如果食物的需求量比較大，用手工進(jìn)行工作量比較大、效率低，而且切出來(lái)的食物（片、絲）大小不一。跟據(jù)需求量的大小，改變其設(shè)計(jì)的參數(shù)，可以設(shè)計(jì)出不同功率、不同形式的產(chǎn)品。此設(shè)計(jì)的切片機(jī)主要針對(duì)中小型場(chǎng)合，例如加工作坊、食堂、家庭等；針對(duì)一些莖塊的形狀而設(shè)計(jì)的，非常實(shí)用且效率較高。
二、 設(shè)計(jì)（論文）主要研究的內(nèi)容、預(yù)期目標(biāo)：（技術(shù)方案、路線）
本論文主要設(shè)計(jì)的方面包括：
1、 從切片機(jī)切料入口開(kāi)始，根據(jù)切料的入料速度、入料量，計(jì)算出所需刀片的切力、扭矩等；
2、 再到安裝刀盤的軸、軸承、皮帶、皮帶輪的計(jì)算與選擇；
3、 根據(jù)刀片的速度扭矩經(jīng)過(guò)刀盤、軸、皮帶計(jì)算傳動(dòng)，計(jì)算出動(dòng)力所需的轉(zhuǎn)速及扭矩，從動(dòng)力標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)里選出本設(shè)計(jì)所需要的動(dòng)力；
4、 設(shè)計(jì)一個(gè)及外殼機(jī)架,能夠承受住動(dòng)力裝置、軸等零部件的轉(zhuǎn)速及扭矩；
5、 根據(jù)設(shè)計(jì)的技術(shù)參數(shù)對(duì)所選動(dòng)力、皮帶、皮帶輪、軸、軸承及刀盤進(jìn)行校核。
三、 設(shè)計(jì)（論文）的研究重點(diǎn)及難點(diǎn)：
在這個(gè)設(shè)計(jì)的整個(gè)構(gòu)思過(guò)程中，有以下要解決的問(wèn)題：
1、 傳動(dòng)過(guò)程的設(shè)計(jì)，其中包括軸、軸承的組合，皮帶及皮帶輪的組合；
2、 各零部件的安裝位置協(xié)調(diào)；
3、 整個(gè)設(shè)計(jì)的在工作狀態(tài)下是否會(huì)引起震動(dòng)與不穩(wěn)定。
設(shè)計(jì)的研究重點(diǎn)是：刀片的合理布置，高效率、穩(wěn)定工作。
設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是：刀片將切料切好片后，如何讓其從刀盤上落到出料口。
四、 設(shè)計(jì)（論文）研究方法及步驟（進(jìn)度安排）：
2011.12.28 下達(dá)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)
2011.12.28～2012.1.13 查閱文獻(xiàn)資料，完成開(kāi)題報(bào)告；
2012.1.14～2012.2.8 寒假期間參考相關(guān)機(jī)構(gòu)與資料查詢，翻譯外文資料；
2012.2.9～2012.2.15 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與整體結(jié)構(gòu)方案的確定；
2012.2.16～2012.3.9 機(jī)構(gòu)三維造型設(shè)計(jì)粗步結(jié)構(gòu)；
2012.3.10～2012.3.23 根據(jù)相關(guān)資料進(jìn)行設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的計(jì)算與校核；
2012.3.24～2012.4.18 根據(jù)數(shù)據(jù)和相關(guān)資料完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)初稿；
2012.4.29～2012.5.18 進(jìn)行CAD圖紙的繪制；
2012.5.19～2012.5.30 完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的撰寫(xiě)與裝訂，CAD出圖，檢查說(shuō)明書(shū)和圖紙，準(zhǔn)備答辯。
五、 進(jìn)行設(shè)計(jì)（論文）所需條件：
這一次設(shè)計(jì)是大學(xué)四年來(lái)所學(xué)知識(shí)的檢驗(yàn)，是一次全面性的、系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)，綜合了許多學(xué)科知識(shí)包括機(jī)械設(shè)計(jì)、材料、三維造型及仿真等知識(shí)；需要查閱的大量的文獻(xiàn)資料以及相類似的設(shè)計(jì)，綜合自己的想法來(lái)完成本設(shè)計(jì)；本設(shè)計(jì)需要運(yùn)用三維造型與仿真軟件solidworks進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真模擬，為設(shè)計(jì)提供在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化；當(dāng)然還有許多的參考書(shū)及其他設(shè)計(jì)工具也是必不可少的。
六、 指導(dǎo)教師意見(jiàn)：
簽 名： 年 月 日
南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
離心式切片機(jī)的設(shè)計(jì)
摘要：隨著生活水平逐漸提高，人們對(duì)一些莖塊作物的食用要求也越來(lái)越高。例如在加工土豆和一些薯類食品的時(shí)候，要將其切成片，因而離心式切片機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。當(dāng)食物的需求量比較大時(shí)，用手工進(jìn)行切削工作量較大、效率低，且切出來(lái)的食物大小不一。對(duì)于一些食品深加工工廠來(lái)說(shuō)，需要加工切成片的莖塊狀食品,切片機(jī)對(duì)工廠的重要性不言而喻，不僅提高了工廠的生產(chǎn)效率，而且還可嚴(yán)格控制食品的外觀形狀和大小。根據(jù)需求量的大小，改變離心式切片機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，可以設(shè)計(jì)出不同功率、不同形式的產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)的切片機(jī)主要是針對(duì)中小型場(chǎng)合，例如加工作坊、食堂、家庭等，是針對(duì)一些莖塊的形狀而設(shè)計(jì)的，非常實(shí)用且效率較高。本設(shè)計(jì)按照切片的厚度和所要達(dá)到的生產(chǎn)效率，根據(jù)所產(chǎn)生的彎矩、扭矩對(duì)軸的作用，計(jì)算軸的大小及校核強(qiáng)度、剛度；根據(jù)受力的大小和方向合理選擇軸承型號(hào)并計(jì)算軸承壽命；運(yùn)用solidworks三維軟件對(duì)機(jī)架進(jìn)行了設(shè)計(jì)與受力分析，在保證強(qiáng)度要求前提下盡可能的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，旨在設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)一種高效率、高質(zhì)量的離心式切片機(jī)。
關(guān)鍵詞: 離心式切片機(jī)；切片厚度；生產(chǎn)效率
A Design of Centrifugal Slice Machine
Abstract: As the improvement of people's living standard, the edible equirement of the tuber crops becomes higher and higher. For example, people want to cut the food like to potatoes into pieces, the use of the centrifugal slice machine appears consequently. When the demand of the food is large, the workload is relatively heavy and the efficiency is quite low by hand cutting. In addition the sizes of the food is inhomogeneous. To some of the food processing plant, they need the processed sliced stem massive food , it goes without saying that slicer is very important on the plant, it not only improves the production efficiency of the plant, but also strictly controls the appearance of the shape and size of the food . According to the demand, products with various powers and styles can be figured out by adjusting the parameters of the centrifugal slice machine. This design is aimed at medium and small occasions such as processing workshops, canteen and families. This design is very practical and efficient especially for the tuber crops. The design is accordance with thickness of a slice and production efficiency to be achieved, based on the effect generated by the bending moment, torque on the shaft , calculates the size of shaft and checks the strength, stiffness. Based on the size and direction of the force, we have a reasonable choice of bearing mode and calculate the life of bearing. This design uses solidworks 3D software to design and analysis stress of the support, optimizes the structure as much as possible under the premise of ensuring the strength requirements , aims to design and develop a high efficiency, high-quality centrifugal slicer.
Key words :Centrifugal Slice Machine; Slice Thickness ; Production Efficiency
目 錄
1 緒 論 1
1.1 國(guó)外發(fā)展情況 2
1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展概況 4
2 離心式切片機(jī)總體方案的確定 5
2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工作原理 5
2. 2 機(jī)構(gòu)的組成部分及特點(diǎn) 6
3 重要零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核 8
3.1 電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選擇 8
3.2 V帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 10
3.3 V帶輪的設(shè)計(jì) 18
3.4 軸的設(shè)計(jì)與校核計(jì)算 21
3.5 軸承計(jì)算與校核 31
3.6 鍵的選擇與校核 34
3.7 刀片的設(shè)計(jì) 37
3.8 入料斗及葉輪的設(shè)計(jì) 39
3.9 機(jī)架的設(shè)計(jì) 40
4 結(jié) 論 46
4.1 本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn) 46
4.2 存在的問(wèn)題及改進(jìn)的措施 46
參考文獻(xiàn) 47
謝 辭 49
附 錄 50
- ii -
南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
1 緒 論
隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化的逐步深入和中國(guó)加入WTO，中國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展人們的生活水平漸漸提高，對(duì)食物的種類和質(zhì)量的要求程度也越來(lái)越高。
薯類作物是世界上僅次于小麥、水稻和玉米的第四種主要作物。薯類作物中的各種營(yíng)養(yǎng)成分含量是一般蔬菜和糧食所不能比擬的，是一類營(yíng)養(yǎng)成分非常全面的食物[1]。薯類作物分布在我國(guó)二十多個(gè)省、自治區(qū)種植，是我國(guó)主要糧食作物之一，其中馬鈴薯就是其中一種非常好的蔬菜作物。我國(guó)薯類作物種植面積達(dá)1.4億畝，總產(chǎn)量達(dá)2 ~ 3千萬(wàn)噸，是世界上產(chǎn)薯最多的國(guó)家。
以馬鈴薯為原料可以開(kāi)發(fā)出一系列的深加工產(chǎn)品。近年來(lái)，一些營(yíng)養(yǎng)豐富、方便、美味的馬鈴薯食品受到廣大消費(fèi)者的喜愛(ài)，隨著麥當(dāng)勞、肯德基等洋快餐在我國(guó)的落戶，有掀起了一股方便和休閑的馬鈴薯食品熱潮。
薯類食品包括馬鈴薯、地瓜等加工食品。薯類經(jīng)工業(yè)加工成薯?xiàng)l、薯片等可增值20～30倍，增值較大。行業(yè)人士分析認(rèn)為——我國(guó)薯類生產(chǎn)落后，雖然我國(guó)地瓜的種植面積和產(chǎn)量均居世界首位，但地瓜的加工業(yè)卻發(fā)展緩慢[2]。我國(guó)馬鈴薯生產(chǎn)主要依賴遼闊的土地優(yōu)勢(shì)，薯類產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的28%，居世界第1位。但其整體生產(chǎn)水平卻遠(yuǎn)低于世界平均水平。薯類食品產(chǎn)銷兩旺我國(guó)一直是鮮薯產(chǎn)品的凈出口國(guó)，但在薯類加工產(chǎn)品上卻一直是進(jìn)口國(guó)，而且總量在逐步增加。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)每年需進(jìn)口近1億美元的薯類加工產(chǎn)品[3]。
油炸切片型馬鈴薯片和復(fù)合型馬鈴薯片是兩種最為流行的馬鈴薯休閑食品。切片型馬鈴薯片有百事、上好佳、親親、百宜等十余家企業(yè)生產(chǎn)，年產(chǎn)能9萬(wàn)噸。復(fù)合型馬鈴薯片有百事、達(dá)利、海德等企業(yè)生產(chǎn)，年產(chǎn)能2萬(wàn)余噸，據(jù)估計(jì)全國(guó)馬鈴薯片產(chǎn)能為16萬(wàn)噸。據(jù)中國(guó)食品工業(yè)協(xié)會(huì)馬鈴薯食品專業(yè)委員會(huì)不完全統(tǒng)計(jì)，2006年北京辛普勞公司生產(chǎn)冷凍薯?xiàng)l3萬(wàn)噸，哈爾濱麥肯公司生產(chǎn)1.5萬(wàn)噸，山西旭美生產(chǎn)1.8萬(wàn)噸，總量近6.3萬(wàn)噸[4]。我國(guó)全年實(shí)際消費(fèi)量近9萬(wàn)噸，不足部分由進(jìn)口補(bǔ)充。
我國(guó)目前馬鈴薯全粉的生產(chǎn)企業(yè)約有11家，總產(chǎn)能6萬(wàn)噸。生產(chǎn)呈現(xiàn)產(chǎn)銷兩
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旺，供不應(yīng)求的態(tài)勢(shì)。生產(chǎn)1噸全粉需要5噸鮮薯，5噸鮮薯的價(jià)格是5000元，但產(chǎn)出的1噸全粉價(jià)值是1～1.2萬(wàn)元，除去其中的加工成本，每生產(chǎn)1噸全粉利潤(rùn)在2500元左右，如果一家企業(yè)年產(chǎn)1萬(wàn)噸全粉，利潤(rùn)就達(dá)到2500萬(wàn)元，因而薯類食品加工的發(fā)展前景被眾多行家一致看好[5]。
據(jù)介紹，薯類作物中的主力軍馬鈴薯兼具糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物的特點(diǎn)，是重要的糧菜飼兼用作物和工業(yè)原料，由于其高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、適應(yīng)性廣、營(yíng)養(yǎng)成分全和產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)而受到世界各地的高度重視[6]。馬鈴薯的種薯、商品薯及各種加工產(chǎn)品、綜合利用型產(chǎn)品和附加工型產(chǎn)品已成為全球經(jīng)濟(jì)貿(mào)易的重要組成部分，市場(chǎng)份額比例也越來(lái)越高。薯類作物是地下的根(或莖)顯著膨大，且貯藏豐富的碳水化合物(主要是淀粉)，通過(guò)人工選擇馴化栽培的植物群的總稱，其種類繁多。在云南，除了目前種植的馬鈴薯、甘薯、木薯、芋頭、魔芋、薯蕷、芭蕉芋等等之外，還有大量的薯類野生資源有待開(kāi)發(fā)，薯類作物因此成為云南首選的能源作物[7]。
薯類作物的經(jīng)濟(jì)作用也在世界各國(guó)受到了重視，各種各樣的薯類作物加工產(chǎn)品需求量越來(lái)越大，國(guó)際上對(duì)此的研究與研討也越來(lái)越多。第12屆熱帶薯類作物學(xué)會(huì)（ISTRC)國(guó)際研討會(huì)于2000年9月10日在日本筑波科學(xué)城會(huì)議中心召開(kāi)，該學(xué)會(huì)3年1次召開(kāi)研討會(huì)，這是首次在溫帶地區(qū)日本召開(kāi)。這次會(huì)議由熱帶薯類作物學(xué)會(huì)發(fā)起，國(guó)際馬鈴薯中心（CIP)、國(guó)際植物遺傳資源研究所（International Plant Genetic Resources Institute,IPGRI)、亞太糧食和肥料技術(shù)中心（Food and Fertilizer Technology Center,FFTC)等單位共同參與，日本公司和企業(yè)贊助。來(lái)自世界28個(gè)國(guó)家和地區(qū)的100多位從事甘薯、木薯、芋頭等熱帶薯類作物研究的科學(xué)家參與了著此次會(huì)議[8]。
在2011年4月20日至2011年4月22日由農(nóng)業(yè)部貿(mào)易促進(jìn)中心主辦，中國(guó)馬鈴薯專業(yè)委員會(huì)、甘薯專業(yè)委員會(huì)等單位協(xié)辦的第二屆中國(guó)國(guó)際薯業(yè)博覽會(huì)上，內(nèi)蒙古烏蘭察布市代表團(tuán)收獲頗豐。此次博覽會(huì)吸引了來(lái)自荷蘭、德國(guó)、英國(guó)、美國(guó)、瑞士等11個(gè)國(guó)家的國(guó)際展商和來(lái)自北京、山西、內(nèi)蒙古、甘肅、寧夏、廣西等23 個(gè)省區(qū)市的國(guó)內(nèi)展商，共計(jì)近200家薯類企業(yè)、科研單位參展，展出內(nèi)容包括薯類育種及繁育、加工品、生產(chǎn)資料、設(shè)備和技術(shù)等[9]。烏蘭察布市組織了8家當(dāng)?shù)伛R鈴薯生產(chǎn)、加工領(lǐng)域的龍頭企業(yè)，帶來(lái)30多個(gè)品種的產(chǎn)品，匯集該市馬鈴薯生產(chǎn)、加工、銷售等各個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)品的精華，受到國(guó)內(nèi)外客商的青睞，特別是雄鷹蔬菜加工有限公司展示的馬鈴薯土豆絲、土豆片的半成品和桶裝的炸薯片等系列產(chǎn)品吸引了眾多客商和市民，成為博覽會(huì)上的一大亮點(diǎn)。
小土豆究竟有多大魔力？據(jù)了解，近年來(lái)，烏蘭察布市市委、市政府認(rèn)真貫徹溫家寶總理關(guān)于西部地區(qū)“要把小土豆辦成大產(chǎn)業(yè)”的指示精神，積極調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，把馬鈴薯產(chǎn)業(yè)作為全市農(nóng)牧業(yè)發(fā)展的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)來(lái)培育，每年投入一定的政府專項(xiàng)資金用于良種繁育、噴灌設(shè)施、覆膜推廣、精深加工等補(bǔ)貼。農(nóng)民人均來(lái)自馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的收入就有1500元左右，占到種植業(yè)收入的53%，占農(nóng)民純收入的20%~40%，馬鈴薯種植已經(jīng)成為了烏蘭察布市農(nóng)民脫貧致富、建設(shè)新農(nóng)村的支柱產(chǎn)業(yè)[10]。2009年3月，中國(guó)食品工業(yè)協(xié)會(huì)授予烏蘭察布市“中國(guó)馬鈴薯之都”稱號(hào)。難怪烏蘭察布市分管農(nóng)村工作的副市長(zhǎng)趙錦接受采訪時(shí)動(dòng)情談到：“你別看這土豆雖小，但切成片、切成絲、切成塊，它的增值空間就能達(dá)到30%-40%！今后我們將從各個(gè)方面加大力度推動(dòng)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展，不僅要面向全國(guó)打好品牌，還要讓它走向世界！”
面對(duì)以馬鈴薯為主的薯類作物經(jīng)濟(jì)效益和大號(hào)發(fā)展前景，隨著現(xiàn)在的快餐業(yè)迅速崛起，對(duì)莖塊的食物的需求越來(lái)越多，像土豆薯?xiàng)l、薯片等休閑食品的消費(fèi)急劇增長(zhǎng)。這給莖塊食物的加工帶來(lái)了勃勃生機(jī)與活力[11]。在莖塊作物的加工過(guò)程中需要用機(jī)器進(jìn)行加工,比如本設(shè)計(jì)的切片機(jī)等。按刀片安裝形式的不同切片機(jī)可以分為盤刀式、滾刀式和離心式三種。
1.1 國(guó)外發(fā)展情況
國(guó)外的切片機(jī)技術(shù)始于六十年代， 到七十年代已經(jīng)發(fā)展成熟，八十年代中期，大部分切片機(jī)都可以加工125 mm（5英寸）以上大直徑單晶，像瑞士的邁爾-布格耶斯公司的臥式內(nèi)圓切片機(jī)，切割棒料直徑最大可以達(dá)到304.8 mm（12英寸）。八十年代中期后的一、兩年，切片技術(shù)發(fā)展到了鼎盛時(shí)期，相當(dāng)多的多功能全自動(dòng)切片機(jī)相繼商品化。在八十年代中期還有一種設(shè)計(jì)獨(dú)特、完全與傳統(tǒng)切片技術(shù)不同的切割器——線鋸，它主要特點(diǎn)是刃口損失少、偏差小、表面平整度好、產(chǎn)量大、成本低[12]。從而誕生了世界上著名的切片機(jī)廠家，如瑞士Meyer-Burger AG公司的TS系列機(jī)，日本Tokyo Semitsu 株式會(huì)社的TSK（若干）系列機(jī),日本Okamoto Machine 株式會(huì)社的ASM系列機(jī)，美國(guó)STC公司的STC系列機(jī)等。實(shí)質(zhì)上，世界的切片機(jī)生產(chǎn)商基本形成兩大強(qiáng)勁陣容，即西歐的TS系列和東亞的TSK（若干）系列，各有各的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。它們?cè)谑澜绨雽?dǎo)體設(shè)備切片領(lǐng)域中，不分高低。TS-33備有Φ200 mm圓形工作臺(tái)，可以安裝單刀或多刀，以電液控制實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)操作；它適用于切削石英、鐵氧體、光學(xué)玻璃和陶瓷等脆硬材料。TS-123是一種高精度外圓切片機(jī)，他結(jié)合了前面幾種機(jī)型的有點(diǎn)，是為了電子行業(yè)的超精密元件加工而專門設(shè)計(jì)的，主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)一萬(wàn)轉(zhuǎn)以上，適用于硬盤用磁頭、半導(dǎo)體材料、陶瓷元件和維系鏡頭的加工。TSK系列的G-SL型是一種帶有端面研磨的內(nèi)圓切片機(jī)，它結(jié)合了S-LM-400系列機(jī)全部特點(diǎn)，可切割Φ150 mm和Φ200 mm片子，片子平整度達(dá)微米級(jí)。它采用的新型復(fù)位系統(tǒng)具有高復(fù)位效率，使用32位CPU（80386SX）新型高性能控制器。G-SL-500系列機(jī)的切片技術(shù)，開(kāi)創(chuàng)了世界領(lǐng)先水平。STC-155、STC-200型臥式內(nèi)圓切片機(jī)，采用液壓傳動(dòng)、液壓裝刀、計(jì)算機(jī)控制、具有快速返回裝置、戴那跟蹤、以及片子自動(dòng)回收系統(tǒng)（AWR）等；棒料可切削-7°~64°；真空卡盤可同時(shí)裝卡兩個(gè)工件。STC-200是在前者大的基礎(chǔ)上改進(jìn)的，主要用來(lái)切割區(qū)熔法（HB）拉制的化合物半導(dǎo)體材料，如GaAs、GaP、InP等，最大棒料可達(dá)200 mm；400 mm、550 mm、675 mm三種規(guī)格的內(nèi)圓刀片可替換，采用氣墊方式消除刀片變形，使片子平面度重復(fù)精度優(yōu)于5 μm。
就切片機(jī)的結(jié)構(gòu)而言，主軸以空氣軸承或滾動(dòng)軸承為支撐方式的臥式和立式兩種，有內(nèi)圓切片，也有外圓切片，有單刀切片，還有躲到切片，且以前者較為普遍。發(fā)展到現(xiàn)在，就切片機(jī)的功能而言，已經(jīng)相當(dāng)齊全，而且復(fù)合化，切片的方式也多種多樣。近今年來(lái)，日本東京精密株式會(huì)社開(kāi)發(fā)生產(chǎn)了片子組合加工系統(tǒng)，把單晶裝片、切片、傳片、拆除石墨支承片等多道工序集成，實(shí)現(xiàn)了片子加工過(guò)程全線自動(dòng)化。
1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展概況
我國(guó)的切片機(jī)技術(shù)始于七十年代初期，我國(guó)的切片機(jī)廣泛應(yīng)用于蔬菜、中藥、凍肉等領(lǐng)域，其中土豆的應(yīng)用尤為顯著[13]。目前我國(guó)切片機(jī)的主要方式有以下幾種：
(1)直線往復(fù)式切片機(jī)。直線往復(fù)式切片機(jī)的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但效益較低。 因此它應(yīng)用于對(duì)工作要求不高、效益較低的場(chǎng)合。
(2)圓盤旋轉(zhuǎn)式切片。圓盤旋轉(zhuǎn)式切片機(jī)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單且有較高的生產(chǎn)效益，因此它廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合。
(3)水槍式切片。水槍式切片機(jī)的耗水量大，只能切出平直的片，因此它的應(yīng)用不是十分廣泛。
(4)圓形（內(nèi)圓切片、外圓切片）切片。圓形式切片機(jī)有很高的工作效率，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)較困難，因此它應(yīng)用于工作效率要求相當(dāng)高的專業(yè)領(lǐng)域。
我國(guó)的切片機(jī)的研究開(kāi)發(fā)方面雖然已有30年的歷史，近幾年來(lái)切片機(jī)的研制發(fā)展也非常迅速，但是與發(fā)達(dá)國(guó)家相比目前仍然有一定的距離，研制的切片機(jī)沒(méi)有得到大面積推廣應(yīng)用。在我國(guó)已有切片機(jī)的生產(chǎn)廠家如山東省大洋食品機(jī)械廠的大洋牌土豆切片機(jī)有400型、600型、江陰鑫達(dá)藥化機(jī)械的中藥切片機(jī)。遼寧省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制6P-400型切片機(jī)為遼寧省科委“出口干薯片加工工藝及成套設(shè)備的研制”課題的我國(guó)的關(guān)鍵設(shè)備[14]。過(guò)去國(guó)內(nèi)各種切片機(jī)均采用臥式結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)效率低；該機(jī)采用立式轉(zhuǎn)盤推動(dòng)物料旋轉(zhuǎn)，被固定刀切削成片，提高生產(chǎn)率3倍以上。同時(shí)合理配置刀架圈及旋轉(zhuǎn)盤直徑、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、刀片傾角等，使切片均勻、光滑、無(wú)橫向裂紋、破碎低，減少淀粉的流失。目前我國(guó)已生產(chǎn)數(shù)臺(tái)，推廣至內(nèi)蒙古自治區(qū)、遼寧省、吉林省等地。在其他種類的切片機(jī)方面也取得有較大性突破，如通化市農(nóng)機(jī)工程研究設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的6PSL-550型離心式人參切片機(jī)[15]。近年來(lái)，隨著人參加工業(yè)的不斷發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，開(kāi)發(fā)出多種人參保健片新產(chǎn)品。例如紅參片、鮮參片、活性參片和人參蜜餞片燈光，都是以大塊人參為原料，切成薄片后，經(jīng)特殊加工處理制成的。對(duì)人參切片的質(zhì)量要求比較高，因而對(duì)此的研究也不斷在進(jìn)行[16]。6PSL-550型離心式人參切片機(jī)的研究成功和推廣使用，使得人參切片的質(zhì)量得到了一個(gè)大的飛躍。以及高效核桃仁切片機(jī)的設(shè)計(jì)在各個(gè)方面都有各自的創(chuàng)新特點(diǎn)，相比以前的設(shè)計(jì)產(chǎn)品都有較大的突破。
2 離心式切片機(jī)總體方案的確定
2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工作原理
2.1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求及適用面來(lái)確定切片機(jī)的形式：本設(shè)計(jì)中采用離心式切片，離心式切片機(jī)的裝料和卸料都比較容易，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作和維修便易，而且離心式相對(duì)立式工作時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)小，有益于機(jī)器的正常工作，是非常適合作坊使用。本設(shè)計(jì)的離心式切片機(jī)，主要是由電動(dòng)機(jī)經(jīng)V帶降速并傳遞動(dòng)力給旋轉(zhuǎn)軸，從而使軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)切片機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)切片。V帶傳動(dòng)在轉(zhuǎn)速較高的環(huán)境下，相比齒輪傳動(dòng)而言具有噪聲較小、磨損小的特點(diǎn)。而相對(duì)于鏈傳動(dòng)而言，傳動(dòng)效率比鏈傳動(dòng)高。本設(shè)計(jì)在機(jī)架結(jié)構(gòu)采用充分利用型材下料，利用角鋼、槽鋼等材料建立基體結(jié)構(gòu)，在機(jī)體結(jié)構(gòu)外面加以薄鐵皮或較薄的鋼板。相對(duì)于鑄造結(jié)構(gòu)的機(jī)架，具有經(jīng)濟(jì)性好、結(jié)構(gòu)較輕的特點(diǎn)。除此之外，在整體性能及作用方面本機(jī)構(gòu)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：①降低了人們的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率，能達(dá)到500~1000 kg/h。②切片的厚度一致性高，損耗低③切削種類多，能對(duì)土豆、紅薯、洋蔥等進(jìn)行切削④結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊⑤進(jìn)料卸料簡(jiǎn)單，方便。
按動(dòng)力種類分，離心式切片機(jī)可分為機(jī)動(dòng)和人力兩類。機(jī)動(dòng)的包括內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。本設(shè)計(jì)選擇效率較高的電機(jī)驅(qū)動(dòng)為動(dòng)力來(lái)源。
離心切片機(jī)由電動(dòng)機(jī)、旋轉(zhuǎn)葉輪、皮帶傳動(dòng)裝置和輸入、輸出物料裝置等組成。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.1所示。
圖2.1 離心式切片機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
1-電動(dòng)機(jī) 2-皮帶機(jī)皮帶輪 3-傳動(dòng)軸 4-葉輪及其葉片
2.1.2 工作原理及工作條件
離心式切片機(jī)采用電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，通過(guò)皮帶輪傳動(dòng)減速裝置帶動(dòng)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，軸的末端接一旋轉(zhuǎn)葉輪，隨著葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)把物料離心甩到葉輪邊上，緊靠機(jī)殼內(nèi)壁。物料由于葉輪上撥片的撥動(dòng)和有離心力而做緊靠著圓形機(jī)殼內(nèi)壁的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。而刀片是固定在機(jī)殼內(nèi)壁上的，因此物料達(dá)到了與固定刀片做相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)達(dá)到切片的目的。切好的切片通過(guò)自身的重力在葉輪與機(jī)殼內(nèi)壁間的空隙中落下，落到落料槽內(nèi)，通過(guò)出料槽滑出切片機(jī)，落到外部放置裝切片的容器內(nèi)。切片的厚度由刀片與機(jī)殼內(nèi)壁間的距離調(diào)節(jié)裝置來(lái)控制，通過(guò)在刀片下增加（或減少）墊片來(lái)調(diào)節(jié)刀片與機(jī)殼內(nèi)壁的距離。
工作條件：配套動(dòng)力為1~1.5 kw；切片厚度為2~5 mm；葉輪轉(zhuǎn)速為200~550 r/min；生產(chǎn)率為500~1000 kg/h
2. 2 機(jī)構(gòu)的組成部分及特點(diǎn)
2.2.1 電動(dòng)機(jī)
隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，舊時(shí)代的燃油動(dòng)力在很多場(chǎng)合已經(jīng)被淘汰。燃油動(dòng)力一般適合于功率非常大或轉(zhuǎn)矩很大以及通電不方便的場(chǎng)合應(yīng)用。使用電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，具有占地面積小、效率高、零污染排放以及噪音小等優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)于燃油動(dòng)力來(lái)說(shuō)，室內(nèi)使用的機(jī)器正好需要電動(dòng)機(jī)的這些優(yōu)點(diǎn)?？紤]到電動(dòng)機(jī)的通用性、經(jīng)濟(jì)性以及切片機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等，本設(shè)計(jì)選擇電機(jī)為Y2-90L-4，其額定功率為1.5 kW, 額定電壓為380V，同步轉(zhuǎn)速為1400 r/min 。
2.2.2 帶傳動(dòng)裝置
切片機(jī)選擇V帶傳動(dòng)作為傳動(dòng)裝置。
帶傳動(dòng)是一種撓性傳動(dòng)。帶傳動(dòng)的基本組成零件為帶輪（主動(dòng)帶輪和從動(dòng)帶輪）和傳動(dòng)皮帶。當(dāng)主動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，利用帶輪和傳動(dòng)皮帶之間的摩擦或嚙合作用，將運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力通過(guò)傳動(dòng)帶傳遞給從動(dòng)帶輪。帶輪具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)、價(jià)格低廉和緩沖吸振等特點(diǎn)，在近代機(jī)械中應(yīng)用廣泛。按照工作原理的不同，帶傳動(dòng)可分為摩擦型帶傳動(dòng)和嚙合型傳動(dòng)[17]。
傳動(dòng)比大會(huì)減小帶輪的包角。當(dāng)帶輪的包角減小到一定程度時(shí)，帶傳動(dòng)就會(huì)打滑，從而無(wú)法傳遞規(guī)定的功率。因此，帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比一般為，推薦值，取。
2.2.3 軸、軸承
軸的材料為40Cr鋼，由于軸線方向?yàn)樨Q直方向，故軸線方向上存在較大的受力，所以軸的固定選用能夠承受較大軸向力的圓錐滾子軸承作為支撐，采用軸肩定位。
2.2.4 刀片
由于本設(shè)計(jì)將的產(chǎn)品為食品，需要考慮防銹的因素，而且刀片材料中要無(wú)毒無(wú)有害物質(zhì)，故選用常用的食品加工刀片材料301不銹鋼。
3 重要零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核
3.1 電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選擇
3.1.1 選擇電動(dòng)機(jī)應(yīng)綜合考慮的問(wèn)題
1 根據(jù)機(jī)械的負(fù)載性質(zhì)和生產(chǎn)工藝對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速以及工作環(huán)境等要求，選擇電動(dòng)機(jī)類型及安裝方法。
2 根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、速度變化范圍和啟動(dòng)頻繁程度等要求，并考慮電動(dòng)機(jī)的溫升限制、過(guò)載能力和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，選擇電動(dòng)機(jī)的功率，并確定冷卻通風(fēng)方式。所選電動(dòng)機(jī)功率應(yīng)大于或等用于計(jì)算所需的功率，按靠近的功率等級(jí)選擇電動(dòng)機(jī)，負(fù)荷率一般取0.8~0.9。過(guò)大的備用功率會(huì)使電動(dòng)機(jī)效率降低，對(duì)于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，其功率因數(shù)將變壞，并且按電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩校驗(yàn)強(qiáng)度的生產(chǎn)機(jī)械造價(jià)提高。
3 根據(jù)使用場(chǎng)合的環(huán)境條件，如受灰塵、雨水、溫度、濕度、瓦斯以及腐蝕和易燃易爆氣體等考慮必要的保護(hù)方式，選擇電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)型式。
4 根據(jù)企業(yè)的電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)，確定電動(dòng)機(jī)的電壓等級(jí)和類型。
5 根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的最高轉(zhuǎn)速和對(duì)電力傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程性能的要求，以及機(jī)械減速結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，選擇電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速。
除此之外，選擇電動(dòng)機(jī)還必須符合節(jié)能要求，考慮運(yùn)行可靠性、設(shè)備的供貨情況、備品備件的通用性。安裝檢修的難以，以及產(chǎn)品價(jià)格、建設(shè)費(fèi)用、運(yùn)行和維修費(fèi)用、生產(chǎn)過(guò)程中前期與后期電動(dòng)機(jī)功率變化歡喜等各種因素。
3.1.2 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算
生產(chǎn)效率Q為 500~1000 kg/h,取中間值Q=750 kg/h,配套動(dòng)力：1~1.5 kw, 葉輪轉(zhuǎn)速：200~550 r/min。
莖塊一般為橢圓形，測(cè)定其長(zhǎng)為65~80 mm, 寬為45~60 mm。由生產(chǎn)效率的公式
（3-1）
式中：B —— 刀片長(zhǎng)度，mm；
r —— 葉輪半徑，mm；
n —— 傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速，r/min；
a —— 一般莖塊的橢圓長(zhǎng)，mm；
t —— 切片厚度，mm；
z —— 刀片片數(shù)。
可推算出轉(zhuǎn)速的公式如下：
（3-2）
初步選值，a =70 mm；Q=750 kg/h；t =3 mm；z =4；B=80；r =300 mm
將數(shù)據(jù)代入公式3-2得
3.1.3 電動(dòng)機(jī)型號(hào)的選擇
電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速時(shí)根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的要求而選定的。在確定電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速時(shí)，必須考慮機(jī)械減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比值，兩者相互配合，經(jīng)過(guò)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)全面比較才能確定。通常，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不低于500r/min，因?yàn)楫?dāng)功率一定時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速越低，其尺寸越大，價(jià)格越貴，而且效率也較低，如選用高速電動(dòng)機(jī)，勢(shì)必會(huì)加大機(jī)械減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比，致使機(jī)械傳動(dòng)部分復(fù)雜起來(lái)。
本設(shè)計(jì)采用的是V帶傳動(dòng)減速機(jī)構(gòu)，由于V帶動(dòng)傳的傳動(dòng)比為3，則由公式
（3-3）
式中： ——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速
——軸的轉(zhuǎn)速
初步計(jì)算電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是。
綜合考慮電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)裝置的尺寸、重量、價(jià)格和帶傳動(dòng)、減速器的傳動(dòng)比，采用經(jīng)濟(jì)性較好、較通用的一般三相異步Y(jié)系列電動(dòng)機(jī)。該系列電動(dòng)機(jī)效率高、耗電少、性能好、噪聲小、振動(dòng)小、體積小、重量輕、運(yùn)行可靠，維修方便。B級(jí)絕塵，結(jié)構(gòu)為全封閉式，自扇冷式，能防止灰塵、鐵屑、雜物侵入電動(dòng)機(jī)內(nèi)部。
由給定的工作條件可知配套功率為1~1.5 kW，又計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為1312.5 r/min。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表[18]17-1-29，選擇電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y2-90L-4，其額定功率為1.5kW, 同步轉(zhuǎn)速為1400 r/min，額定電壓為380V,質(zhì)量為27 kG。
因?yàn)?，故由公?-3可得
電動(dòng)機(jī)外形及安裝尺寸示意圖如圖3.1所示。
圖3.1 電動(dòng)機(jī)外形及安裝圖
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表17-1-30得Y2-90L-4電動(dòng)機(jī)的安裝尺寸如表3-1所示。
表3.1 電動(dòng)機(jī)的安裝尺寸(單位：mm)
H
A
B
C
D
E
F×GD
G
AA
AB
AC
AD
BB
90
140
125
56
24
50
8×7
20
36
180
90
155
155
3.2 V帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.2.1 求計(jì)算功率
計(jì)算功率是根據(jù)傳遞功率和帶的工作條件而確定的。
則由公式 ：
（3-4）
式中： ——計(jì)算功率，kW;
——工作情況系數(shù);
——所需傳遞的功率，kW。
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表13-1-17得
因?yàn)?，則計(jì)算可得
3.2.2 選V帶的型號(hào)
可用普通V帶或窄V帶，現(xiàn)選普通V帶。
根據(jù), ，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)圖13-1-1查得選用的V帶為Z型。
3.2.3 確定帶輪的基準(zhǔn)直徑并驗(yàn)算帶速
初選小帶輪直徑
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中表13-1-10可得Z型帶的直徑范圍為=50～71 mm。在帶傳動(dòng)需要傳遞的功率給定的條件下，減小帶輪的直徑，會(huì)增大帶傳動(dòng)的有效拉力，從而導(dǎo)致V帶根數(shù)的增加。這樣不僅增大了帶輪的寬度，而且也增大了載荷在V帶之間不均勻性。另外，帶輪直徑的減小，增加了帶的彎曲應(yīng)力。為了避免彎曲應(yīng)力過(guò)大，小帶輪的基準(zhǔn)直徑就不能過(guò)小。故根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表13-1-11直徑系列中取小輪基準(zhǔn)直徑為= 71 mm。
驗(yàn)算帶速
根據(jù)公式：
（3-5）
因?yàn)? =1400 r/min,=71 mm，故代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得
=5.21m/s
當(dāng)帶傳動(dòng)功率一定時(shí)，提高帶速，可以降低帶傳動(dòng)的有效拉力，相應(yīng)的減少帶的根數(shù)或者V帶的橫截面積，總體上減少帶傳動(dòng)的尺寸。但是提高帶速，也相應(yīng)的提高了V帶的離心應(yīng)力，增加了單位時(shí)間內(nèi)帶的循環(huán)次數(shù)，不利于提高帶傳動(dòng)的疲勞強(qiáng)度的壽命。降低帶速則有相反的利弊。
因此帶速一般不宜過(guò)低或過(guò)高，一般應(yīng)使=5～25 m/s，最高帶速＜30 m/s。因?yàn)?5.21 m/s，故符合要求。
計(jì)算大帶輪的基準(zhǔn)直徑
由公式：
（3-6）
因?yàn)?3，=71 mm故代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得=3×71 mm=213 mm
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表13-1-11圓整為=224 mm。
3.2.4 確定V帶的中心距a和基準(zhǔn)長(zhǎng)度
初定中心距
根據(jù)公式
初選 =1.5×(71+224)=442.5mm
計(jì)算基準(zhǔn)長(zhǎng)度
根據(jù)公式
（3-7）
代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得
=2×442.5+×（71+224）+
=1361.6 mm
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表13-1-5選取帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度=1400 mm。
計(jì)算實(shí)際中心距
根據(jù)公式
（3-8）
由=442.5 mm，=1400 mm，=1361.6 mm
故代入公式3-8計(jì)算可得
=442.5+=481.7 mm
考慮到帶輪的制造誤差、帶長(zhǎng)誤差、帶的彈性以及因帶的松弛而產(chǎn)生的補(bǔ)充張緊的需要，故中心距的變化范圍為
3.2.5 驗(yàn)算小帶輪上的包角
由于小帶輪上的包角小雨大帶輪上的包角，故小帶輪上的總摩擦力相應(yīng)的小于大帶輪上的摩擦力。因此，打滑只可能在小帶輪上發(fā)生。為了提高帶傳動(dòng)的工作能力，應(yīng)使。
根據(jù)公式
（3-9）
代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得
==180°-（224-71）×=161.8°
故符合要求。
3.2.6 計(jì)算帶的根數(shù)z
為了使各根V帶受力均勻，帶的根數(shù)不宜過(guò)多，一般應(yīng)少于10根。否則，應(yīng)選擇橫截面積較大的帶型，以減少帶的根數(shù)。
計(jì)算單根V帶的額定功率
根據(jù)公式
（3-10）
式中：——V帶的基本額定功率，kW；
——V帶的基本額定功率，kW；
——包角修正系數(shù)；
——帶長(zhǎng)修正系數(shù)。
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表13-1-19得 0.39 kW ,=0.03 kW，
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表13-1-22得=0.95，
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表13-1-23得=1.14,
代入公式3-10計(jì)算可得
=（0.39+0.03）×0.95×1.14=0.45kW
計(jì)算帶的根數(shù)
根據(jù)公式
(3-11)
式中 ：——計(jì)算功率，kW;
——V帶的額定功率，kW。
由3.2.1計(jì)算得知 =1.65 kW
由3.2.6計(jì)算得知 =0.45 kW
代入公式3-8計(jì)算可得==3.67，故帶的根數(shù)取4根。
3.2.7 確定帶的初拉力
帶傳動(dòng)工作前，傳動(dòng)帶以一定的初拉力(圖3.2a）張緊在帶輪上。
帶傳動(dòng)工作時(shí)，因帶和帶輪間的靜摩擦力作用使帶一邊拉緊，一邊放松。緊邊拉力為,松邊拉力為（圖3.2b）。如果僅是認(rèn)為帶的總長(zhǎng)度保持不變，并且假設(shè)帶為線彈性帶，則有公式（8-1）成立。
-=- （3-12）或者 -=- （3-12a）
（a)不工作時(shí) （b）工作時(shí)
圖3.2 帶傳動(dòng)的工作原理圖
如果取與帶輪接觸的傳動(dòng)帶為分離體（圖3.3），那么根據(jù)傳動(dòng)帶上諸力對(duì)帶輪中心的力矩平衡條件可得
=- （3-13）
式中，為傳動(dòng)帶工作面上的總摩擦力大小。
圖3.3 帶與帶輪的受力分析
帶傳動(dòng)的有效拉力等于傳動(dòng)帶工作表面上總摩擦力，于是
==- （3-14）
有效拉力與傳動(dòng)帶鎖傳遞的功率P的關(guān)系為
P= （3-15）
式中：功率P的單位為kW，有效拉力的單位為N，傳動(dòng)帶的速度v的單位為m/s。
在初拉力、緊邊拉力、松邊拉力和有效拉力這4個(gè)力中，只有兩個(gè)是獨(dú)立的。因此，由式（3-12）和式（3-14）可得
(3-16)
由式（3-15）可知，在帶速一定的條件下，帶傳動(dòng)所傳遞的功率P決定了帶傳動(dòng)應(yīng)有的有效拉力，也就相應(yīng)的決定了傳動(dòng)帶和帶輪間應(yīng)該至少具有的總摩擦力，以及為了獲得這個(gè)總摩擦力，傳動(dòng)帶應(yīng)具有的最小初拉力。
帶輪的初拉力必須大于帶傳動(dòng)正常工作所要求的最小初拉力，否則主動(dòng)帶輪將帶不動(dòng)從動(dòng)帶輪，帶傳動(dòng)將出現(xiàn)整體打滑。但過(guò)大的初拉力是沒(méi)有必要的。因?yàn)閺氖剑?-16）可見(jiàn)，傳動(dòng)帶的緊邊拉力與松邊拉力取決于帶的初拉力和帶傳動(dòng)的有效拉力。在帶傳動(dòng)的有效拉力給定的條件下，把傳動(dòng)帶張的過(guò)緊，只會(huì)無(wú)謂的增大傳動(dòng)帶的緊邊拉力和松邊拉力，從而使得傳動(dòng)帶因過(guò)度磨損而很快松弛。
由此可見(jiàn)，為了保證帶傳動(dòng)的正常工作，首先需要確定滿足傳動(dòng)功率要求的至少具有的總摩擦力和與之相對(duì)應(yīng)的最小初拉力。
考慮離心力和包角的影響，根據(jù)公式
（3-17）
式中：——單根V帶所需的最少初拉力,kW;
——包角修正系數(shù)；
——帶的根數(shù)；
——帶的速度；
——帶的單位長(zhǎng)度質(zhì)量。
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表13-1-22得，，
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表13-1-24得，，
又因?yàn)?，，將?shù)據(jù)代入公式（3-17）計(jì)算可得 ==66.2N
對(duì)于新安裝V帶，初拉力應(yīng)為1.5；對(duì)于運(yùn)轉(zhuǎn)后的V帶，初拉力應(yīng)為1.3。
安裝時(shí)，應(yīng)保證初拉力大于上述值，但也不應(yīng)過(guò)大。為了控制實(shí)際的大小，可以采用如圖3.4所示的方法，即在V帶與兩帶輪切點(diǎn)的跨度中點(diǎn)，施加一規(guī)定的、與帶邊垂直的力G（參考見(jiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)表5-1），使帶在每100mm上產(chǎn)生1.6mm的撓度即可。
3.4 初拉力的測(cè)定
表3.2 測(cè)定初拉力所需的垂直力G
帶型
小帶輪直徑
帶速v/(m/s)
50~100
50~100
50~100
Z
50~100
5~7
4.2~6
3.5~5.5
＞100
7~10
6~8.5
5.5~7
A
75~140
9.5~14
8~12
6.5~10
＞140
14~21
12~18
10~15
B
125~200
18.5~28
15~22
12.5~18
＞200
28~42
22~33
18~27
C
50~100
36~54
30~45
25~38
＞100
54~85
45~70
38~56
D
200~400
74~108
62~94
50~75
＞400
108~162
94~140
75~108
E
500~800
145~217
124~186
100~150
＞800
217~325
186~280
150~225
3.2.8 計(jì)算帶傳動(dòng)的壓軸力
為了設(shè)計(jì)帶輪軸的軸承，需要計(jì)算帶傳動(dòng)作用在軸上的壓軸力（參見(jiàn)圖3.5）
根據(jù)公式
(3-18)
其中為小帶輪包角，
由上面計(jì)算可知：=4，=66.2N，=161.8°，代入公式（3-18）計(jì)算可得
=2×4×66.2×sin80.9°≈523N
圖3.5 壓軸力計(jì)算示意圖
3.3 V帶輪的設(shè)計(jì)
3.3.1 V帶輪材料的選擇
設(shè)計(jì)V帶輪時(shí)應(yīng)滿足的要求是：質(zhì)量小，結(jié)構(gòu)工藝好，無(wú)過(guò)大的鑄造內(nèi)應(yīng)力，質(zhì)量分布均勻，轉(zhuǎn)速高時(shí)要經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡，輪槽工作面要精細(xì)加工（表面粗糙度一般為1.6或3.2，各槽的尺寸和角度應(yīng)保持一定的精度，以使載荷分布較均勻。帶輪的材料主要采用鑄鐵，常用的材料牌號(hào)為HT150或HT200，轉(zhuǎn)速較高時(shí)采用鑄鋼，小功率采用時(shí)可采用鑄鋁或塑料?？紤]本設(shè)計(jì)的功率情況和轉(zhuǎn)速，本設(shè)計(jì)采用鑄鐵，材料牌號(hào)為HT150。
3.3.2 帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)
帶輪結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)
鑄鐵制V帶輪的典型結(jié)構(gòu)有以下幾種形式：1、實(shí)心式；2、腹板式；3、孔板式；4、橢圓輪輻式。
V帶輪的輪槽與所選用的V帶的型號(hào)相對(duì)應(yīng)，此設(shè)計(jì)選的是Z帶，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表13-1-10可得，Z型帶輪對(duì)應(yīng)的參數(shù)為：
；；；；
；；
V帶輪的結(jié)構(gòu)形式與基準(zhǔn)直徑有關(guān)。當(dāng)帶輪基準(zhǔn)直徑為（d為安裝帶輪的軸的直徑，mm）時(shí)可采用實(shí)心式；當(dāng)時(shí)，可采用腹板式；當(dāng)，同時(shí)時(shí)，可采用孔板式；當(dāng)時(shí)可采用輪輻式。
由5.3中的計(jì)算已知、：
小帶輪基準(zhǔn)直徑
根據(jù)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表17-1-30，可得安裝小帶輪軸的直徑為，故
但因?yàn)楦鶕?jù)公式；
計(jì)算可得
所以小帶輪選用實(shí)心式
大帶輪基準(zhǔn)直徑，
根據(jù)公式；，計(jì)算可得
因?yàn)?dd≤300mm，且，所以大帶輪選用孔板式
帶輪尺寸的設(shè)計(jì)
小帶輪的尺寸參數(shù)為：
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表13-1-11可得，；
，?。?
；
??；
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表5-3-18可得，鍵槽尺寸大小為，
小帶輪的結(jié)構(gòu)圖如圖3.6所示。
圖3.6 小V帶輪結(jié)構(gòu)圖
大帶輪的尺寸參數(shù)為：
取安裝大帶輪軸的直徑為，又故
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表13-1-11可得：
；
，??；
，??；
, ??；
；
??；
,??；
；
，取。圓整取
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表5-3-18可得，鍵槽尺寸大小為，
大帶輪的結(jié)構(gòu)圖如圖3.7所示。
圖3.7 大V帶輪結(jié)構(gòu)圖
3.3.3 V帶輪的技術(shù)要求
鑄造或焊接或燒結(jié)的帶輪在邊緣、腹板、輪輻及輪轂上不允許有沙眼、裂紋、縮孔及氣泡。鑄造帶輪在不提高內(nèi)部應(yīng)力的前提下，允許對(duì)輪緣、凸臺(tái)、腹板及輪轂的表面缺陷進(jìn)行修補(bǔ)。轉(zhuǎn)速高于極限轉(zhuǎn)速的帶輪要做靜平衡實(shí)驗(yàn)，反之要做動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)。
3.4 軸的設(shè)計(jì)與校核計(jì)算
由前面設(shè)計(jì)部分可知軸的傳輸功率為,轉(zhuǎn)速
3.4.1 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度初步計(jì)算軸徑
(1) 選用40Cr鋼，調(diào)質(zhì)處理。查《軸常用材料及其機(jī)械性能表》得知，拉伸強(qiáng)度極限；拉伸曲極限；彎曲疲勞極限；扭轉(zhuǎn)疲勞極限 ；扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度極限。
(2) 計(jì)算軸的直徑計(jì)算公式
（3-19）
式中：P——軸的傳輸功率；
n——軸的轉(zhuǎn)速；
A——許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力有關(guān)的系數(shù)。
由上可知；
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表6-1-19可得， ；。
取，
將數(shù)據(jù)代入公式3-19計(jì)算可得
考慮軸端有鍵槽，取軸的最小直徑為
3.4.2 擬定軸的機(jī)構(gòu)
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
考慮到軸上零件的固定及變于軸系零件的裝拆，采用階梯軸結(jié)構(gòu)，各軸段的直徑和長(zhǎng)度等如下：
1) 根據(jù)結(jié)構(gòu)布局，下端采用一個(gè)圓錐滾子軸承30208作支承，軸徑大小為Φ40 mm，長(zhǎng)度為18 mm。
2) 為了便于裝拆軸承1和軸承2，在不損傷軸頸表面的情況下，取安裝皮帶輪的軸徑為Φ30 mm，長(zhǎng)度為28 mm。
3) 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表7-2-91可知，軸承30208的的安裝固定軸肩直徑為47 mm，又軸承直徑為40 mm，故軸肩高為3.5 mm
4) 上端同樣采用一個(gè)圓錐滾子軸承30208配合下端軸承使用，軸徑Φ40 mm,長(zhǎng)度18mm。
5) 刀盤輸出軸徑取值Φ20 mm,長(zhǎng)度25 mm。
6) 其余各段根據(jù)安裝結(jié)構(gòu)適當(dāng)合理給定（見(jiàn)圖3.8）。軸的總長(zhǎng)L=300 mm。
7) 軸兩端取倒角為1×45°。
8) 皮帶輪與軸用平鍵加間隙配合，采用A型平鍵，鍵槽寬度b=8 mm,槽深h=4 mm,槽長(zhǎng)L=28 mm。
9) 刀盤與軸用平鍵加間隙配合，采用A型平鍵，鍵槽寬度b=8 mm,槽深h=4 mm,槽長(zhǎng)L=28mm。
10) 左右軸承支反力作用點(diǎn)若按精確計(jì)算，應(yīng)距離軸承外端面9mm。得支承跨距,皮帶輪對(duì)支點(diǎn)A的跨距，葉輪對(duì)支點(diǎn)B的跨距。
圖3.8 主軸結(jié)構(gòu)示意圖
繪制彎矩圖及扭矩圖
軸主要受兩個(gè)方向的作用力，一是皮帶傳輸功率時(shí)作用的壓軸力在徑向會(huì)產(chǎn)生彎矩，另一個(gè)是刀盤重力及刀盤產(chǎn)生的軸壓力。
軸的受力示意圖以及彎矩扭矩等載荷分析圖如圖3.9所示。
（a）示意圖
（b）受力圖
（c）彎矩圖
（d) 扭矩圖
圖3.9 軸的載荷分析圖
計(jì)算各支撐力和力矩的大小
由皮帶輪的壓軸力,圖中各數(shù)據(jù)計(jì)算如下
支承點(diǎn)A的支反力
支承點(diǎn)B的支反力
A-A處軸的彎矩
剖面C-C處于剖面D-D處之間的扭矩為
3.4.3 校核軸的強(qiáng)度強(qiáng)度
根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)和彎矩圖及扭矩圖可見(jiàn)，剖面A-A處所受到的當(dāng)量彎矩最大，剖面A-A處有過(guò)盈配合會(huì)引起應(yīng)力集中，剖面C-C和剖面D-D間因?yàn)槭艿降呐ぞ兀?jīng)過(guò)分析認(rèn)為剖面C-C和剖面D-D的危險(xiǎn)度較大，故而只對(duì)剖面C-C和剖面D-D做強(qiáng)度校核。
按第三強(qiáng)度理論，計(jì)算應(yīng)力
（3-20）
通常由彎矩所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力是對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力，而由扭矩所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力則通常不是對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力。為了考慮兩者循環(huán)特性不同的影響，引入折合系數(shù)，則計(jì)算應(yīng)力為
（3-21）
式中的彎曲應(yīng)力為對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力。當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力時(shí)，??；當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力時(shí)，??；若扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力亦為對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力時(shí)，則取。
對(duì)于直徑為d的圓軸，彎曲應(yīng)力為,扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為,將和
代入公式3-21中，則軸的彎扭合成強(qiáng)度條件為
（3-22）
式中：——軸的計(jì)算應(yīng)力，MPa；
M——軸所受的彎矩，；
T——軸所受的扭矩，；
W——軸的抗彎截面系數(shù)，；
——對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力時(shí)軸的許用彎曲應(yīng)力。
查機(jī)械設(shè)計(jì)表15-4可得，帶鍵槽軸的抗彎截面系數(shù)W計(jì)算公式為
（3-23）
由上面部分可得知，，，
將數(shù)據(jù)代入公式3-23計(jì)算可得
又扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)，故。
由3.4.2中計(jì)算可知、
將、、和代入公式3-22中計(jì)算可得
因?yàn)?，故符合要求?
若軸為心軸時(shí)，只承受彎矩而不承受扭矩時(shí)，在應(yīng)用公式3-22時(shí)，應(yīng)取T=0。轉(zhuǎn)動(dòng)心軸的彎矩在軸截面上所引起的應(yīng)力是對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力。對(duì)于固定心軸，考慮啟動(dòng)、停車等的影響，彎矩在軸截面上所引起的應(yīng)力可視為脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力，所以在應(yīng)用公式時(shí)，固定心軸的許用應(yīng)力為（脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力時(shí)的許用彎曲應(yīng)力），=1.7。
3.4.4 按疲勞強(qiáng)度條件進(jìn)行精確校核
這種校核計(jì)算的實(shí)質(zhì)在于確定變應(yīng)力情況下軸的安全程度。在已知軸的外形、尺寸及載荷的基礎(chǔ)上，即可通過(guò)分析確定出一個(gè)或幾個(gè)危險(xiǎn)截面（這是不僅要考慮彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的大小，而且要考慮應(yīng)力集中和絕對(duì)尺寸等因素影響的程度），按下面公式計(jì)算出安全系數(shù)并應(yīng)使其稍大于或至少大于設(shè)計(jì)安全系數(shù)S,即
（3-24）
綜合系數(shù)的計(jì)算
查機(jī)械設(shè)計(jì)附表3-2，由，，經(jīng)直線插入，得因軸肩而形成的理論應(yīng)力集中系數(shù)為，
查機(jī)械設(shè)計(jì)附圖3-1得軸的材料敏感系數(shù)為，。
則按公式
（3-25）
將數(shù)據(jù)代入公式3-25計(jì)算可得
查機(jī)械設(shè)計(jì)附圖3-2、3-3按毛坯尺寸，得尺寸系數(shù)，。
查機(jī)械設(shè)計(jì)附圖3-4，由于軸采用精車加工，查得表面質(zhì)量系數(shù)。
查機(jī)械設(shè)計(jì)附圖3-5，由于軸表面未經(jīng)過(guò)強(qiáng)化處理，則可知。
綜合影響系數(shù)為
（3-26）
碳鋼系數(shù)的特性系數(shù)取為，
安全系數(shù)的計(jì)算
由3.4.2和3.4.3計(jì)算可知、、
則根據(jù)公式3-27和3-28
彎曲應(yīng)力幅
（3-27）
扭轉(zhuǎn)應(yīng)力幅
（3-28）
可以計(jì)算出彎曲應(yīng)力幅和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力幅
，
根據(jù)零件的強(qiáng)度計(jì)算設(shè)計(jì)公式
（3-29）
只考慮正應(yīng)力時(shí)的安全系數(shù)
只考慮正應(yīng)力時(shí)的安全系數(shù)
綜合考慮時(shí)
≥[S]=1.3~1.5
故滿足強(qiáng)度要求
3.4.5 軸的剛度校核計(jì)算
軸在載荷作用下，將會(huì)產(chǎn)生彎曲或扭轉(zhuǎn)變形。若變形量查過(guò)允許的限度，就會(huì)影響軸上零件的正常工作，甚至?xí)适C(jī)器應(yīng)有的工作性能。例如，安裝齒輪的軸，若彎曲剛度（或扭轉(zhuǎn)剛度）不足而導(dǎo)致?lián)隙龋ɑ蚺まD(zhuǎn)角）過(guò)大時(shí)，將會(huì)影響齒輪的正確嚙合，使齒輪沿齒寬和齒高方向接觸不良，造成載荷在齒面上嚴(yán)重分布不均勻。因此，在設(shè)計(jì)有剛度要求的軸時(shí)，必須進(jìn)行剛度的校核計(jì)算。
軸的彎曲剛度校核計(jì)算
常見(jiàn)的軸大多視為簡(jiǎn)易梁。若為光軸，可直接用材料力學(xué)中的公式計(jì)算其撓度或偏轉(zhuǎn)角；若為階梯軸，如果對(duì)計(jì)算精度要求不高，則可用當(dāng)量直徑法做近似計(jì)算。即把階梯軸看成是當(dāng)量直徑為的光軸，然后在按材料力學(xué)中的公式計(jì)算。當(dāng)量直徑計(jì)算公式（單位為mm)為
（3-30）
式中：——階梯軸第段的長(zhǎng)度，mm；
——階梯軸第段的直徑，mm；
L——階梯軸的計(jì)算長(zhǎng)度，mm；
Z——階梯軸計(jì)算長(zhǎng)度內(nèi)的軸段數(shù)。
代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得
由偏轉(zhuǎn)角公式3-31
（3-31）
代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得
式中： F——壓軸力
——支撐點(diǎn)之間距離，
——外伸端長(zhǎng)度。
因?yàn)樵撎庉S承為圓錐滾子軸承，查機(jī)械設(shè)計(jì)表15-