小型電動絞肉機的設(shè)計

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故障的分析、尺寸的決定以及凸輪的分析和應(yīng)用 前言介紹： 作為一名設(shè)計工程師有必要知道零件如何發(fā)生和為什么會發(fā)生故障，以便通過進行最低限度的維修以保證機器的可靠性。有時一次零件的故障或者失效可能是很嚴重的一件事情，比如，當(dāng)一輛汽車正在高速行駛的時候，突然汽車的輪胎發(fā)生爆炸等。另一方面，一個零件發(fā)生故障也可能只是一件微不足道的小事，只是給你造成了一點小麻煩。一個例子是在一個汽車冷卻系統(tǒng)里的暖氣裝置軟管的松動。后者發(fā)生的這次故障造成的結(jié)果通常只不過是一些暖氣裝置里冷卻劑的損失，是一種很容易被發(fā)現(xiàn)并且被改正的情況。 能夠被零件進行吸收的載荷是相當(dāng)重要的。一般說來，與靜載重相比較，有兩個相反方向的動載荷將會引起更大的問題，因此，疲勞強度必須被考慮。另一個關(guān)鍵是材料是可延展性的還是脆性的。例如，脆的材料被認為在存在疲勞的地方是不能夠被使用的。 很多人錯誤的把一個零件發(fā)生故障或者失效理解成這樣就意味著一個零件遭到了實際的物理破損。無論如何，一名設(shè)計工程師必須從一個更廣泛的范圍來考慮和理解變形是究竟如何發(fā)生的。一種具有延展性的材料，在破裂之前必將發(fā)生很大程度的變形。發(fā)生了過度的變形，但并沒有產(chǎn)生裂縫，也可能會引起一臺機器出毛病，因為發(fā)生畸變的零件會干擾下一個零件的移動。因此，每當(dāng)它不能夠再履行它要求達到的性能的時候，一個零件就都算是被毀壞了（即使它的表面沒有被損毀）。有時故障可能是由于兩個兩個相互搭配的零件之間的不正常的磨擦或者異常的振動引起的。故障也可能是由一種叫蠕變的現(xiàn)象引起的，這種現(xiàn)象是指金屬在高溫下時一種材料的塑性流動。此外，一個零件的實際形狀可能會引起故障的發(fā)生。例如，應(yīng)力的集中可能就是由于輪廓的突然變化引起的，這一點也需要被考慮到。當(dāng)有用兩個相反方向的動載荷，材料不具有很好的可延展性時，對應(yīng)力考慮的評估就特別重要。 一般說來，設(shè)計工程師必須考慮故障可能發(fā)生的全部方式，包括如下一些方面： ——壓力 ——變形 ——磨損 ——腐蝕 ——振動 ——環(huán)境破壞 ——固定設(shè)備松動 在選擇零件的大小與形狀的時候，也必須考慮到一些可能會產(chǎn)生外部負載影響的空間因素，例如幾何學(xué)間斷性，為了達到要求的外形輪廓及使用相關(guān)的連接件，也會產(chǎn)生相應(yīng)的殘余應(yīng)力。 凸輪是被應(yīng)用的最廣泛的機械結(jié)構(gòu)之一。凸輪是一種僅僅有兩個組件構(gòu)成的設(shè)備。主動件本身就是凸輪，而輸出件被稱為從動件。通過使用凸輪，一個簡單的輸入動作可以被修改成幾乎可以想像得到的任何輸出運動。常見的一些關(guān)于凸輪應(yīng)用的例子有： ——凸輪軸和汽車發(fā)動機工程的裝配 ——專用機床 ——自動電唱機 ——印刷機 ——自動的洗衣機 ——自動的洗碗機 高速凸輪(凸輪超過1000 rpm的速度)的輪廓必須從數(shù)學(xué)意義上來定義。無論如何，大多數(shù)凸輪以低速(少于500 rpm)運行而中速的凸輪可以通過一個大比例的圖形表示出來。一般說來，凸輪的速度和輸出負載越大，凸輪的輪廓在被床上被加工時就一定要更加精密。 材料的設(shè)計屬性 當(dāng)他們與抗拉的試驗有關(guān)時，材料的下列設(shè)計特性被定義如下。 靜強度： 一個零件的強度是指零件在不會失去它被要求的能力的前提下能夠承受的最大應(yīng)力。因此靜強度可以被認為是大約等于比例極限，從理論上來說，我們可以認為在這種情況下，材料沒有發(fā)生塑性變形和物理破壞。 剛度： 剛度是指材料抵抗變形的一種屬性。這條斜的模數(shù)線以及彈性模數(shù)是一種衡量材料的剛度的一種方法。 彈性： 彈性是指零件能夠吸收能量但并沒有發(fā)生永久變形的一種材料的屬性。吸收的能量的多少可以通過下面彈性區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力圖表來描述出來。 韌性： 韌性和彈性是兩種相似的特性。無論如何，韌性是一種可以吸收能量并且不會發(fā)生破裂的能力。因此可以通過應(yīng)力圖里面的總面積來描述韌性，就像用圖2.8 b 描繪的那樣。顯而易見，脆性材料的韌性和彈性非常低，并且大約相等。 脆性： 一種脆性的材料就是指在任何可以被看出來的塑性變形之前就發(fā)生破裂的材料。脆性的材料一般被認為不適合用來做機床的零部件，因為當(dāng)遇到由軸肩，孔，槽，或者鍵槽等幾何應(yīng)力集中源引起的高的應(yīng)力時，脆性材料是無法來產(chǎn)生局部屈服的現(xiàn)象以適應(yīng)高的應(yīng)力環(huán)境的。 延展性： 一種延展性材料會在破裂之前表現(xiàn)出很大程度上的塑性變形現(xiàn)象。延展性是通過可延展的零件在發(fā)生破裂前后的面積和長度的百分比來測量的。一個在發(fā)生破裂的零件，其伸長量如果為5%，則認為該伸長量就是可延展性和脆性材料分界線。 可鍛性： 可鍛性從根本上來說是指材料的一種在承受擠壓或壓縮是可以發(fā)生塑性變形的能力，同時，它也是一種在金屬被滾壓成鋼板時所需金屬的重要性能。 硬度： 一種材料的硬度是指它抵抗擠壓或者拉伸它的能力。一般說來，材料越硬，它的脆性也越大，因此，彈性越小。同樣，一種材料的極限強度粗略與它的硬度成正比。 機械加工性能（或切削性）： 機械加工性能是指材料的一種容易被加工的性能。通常，材料越硬，越難以加工。 壓應(yīng)力和剪應(yīng)力 除抗拉的試驗之外，還有其它一些可以提供有用信息的靜載荷的實驗類型。 壓縮測試： 大多數(shù)可延展材料大約有相同特性，當(dāng)它們處于受壓狀態(tài)的緊張狀態(tài)時。極限強度，無論如何，不能夠被用于評價壓力狀態(tài)。當(dāng)一件具有可延展性的樣品受壓發(fā)生塑性變形時，材料的其它部分會凸出來，但是在這種緊張的狀態(tài)下，材料通常不會發(fā)生物理上的破裂。因此，一種可延展的材料通常是由于變形受壓而損壞的，并不是壓力的原因。 剪應(yīng)力測試： 軸，螺釘，鉚釘和焊接件被用這樣一種方式定位以致于生產(chǎn)了剪應(yīng)力。一張抗拉試驗的試驗圖紙就可以說明問題。當(dāng)壓力大到可以使材料發(fā)生永久變形或發(fā)生破壞時，這時的壓力就被定義為極限剪切強度。極限剪切強度，無論如何，不等于處于緊張狀態(tài)的極限強度。例如，以鋼的材料為例，最后的剪切強度是處于緊張狀態(tài)大約極限強度的75%。當(dāng)在機器零部件里遇到剪應(yīng)力時，這個差別就一定要考慮到了。 動力載荷 不會在各種不同的形式的力之間不停發(fā)生變化的作用力被叫作靜載荷或者穩(wěn)定載荷。此外，我們通常也把很少發(fā)生變化的作用力叫作靜載荷。在拉伸實驗中，被分次、逐漸的加載的作用力也被叫作靜載荷。 另一方面，在大小和方向上經(jīng)常發(fā)生變化的力則被稱為動載荷。動載荷可以被再細分為以下的3種類型。 變載荷： 所謂變載荷，就是說載荷的大小在變，但是方向不變的載荷。比如說，變載荷會產(chǎn)生忽大忽小的張應(yīng)力，但不會產(chǎn)生壓應(yīng)力。 周期性載荷： 像這樣的話，如果大小和方向同時改變，則就是說這種載荷會反復(fù)周期性的產(chǎn)生變化的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，這種現(xiàn)象往往就伴隨著應(yīng)力在方向和大小上的周期性變化。 沖擊載荷： 這類載荷是由于沖擊作用產(chǎn)生的。一個例子就是一臺升降機墜落到位于通道底部的一套彈簧裝置上，這套裝置產(chǎn)生的力會比升降機本身的重量大上好幾倍。當(dāng)汽車的一個輪胎碰撞到道路上的一個突起或者路上的一個洞時，相同的沖擊荷載的類型也會在汽車的減震器彈簧上發(fā)生。 疲勞失效－疲勞極限線圖 正如圖2.10a所示，如果材料的某處經(jīng)常會產(chǎn)生大量的周期性作用力，那么在材料的表面就很可能會出現(xiàn)裂縫。裂縫最初是在應(yīng)力超過它極限壓力的地方開始出現(xiàn)的，而通常這往往是有微小的表面缺陷的地方，例如有一處材料出現(xiàn)瑕疵或者一道極小的劃痕。當(dāng)循環(huán)的次數(shù)增加時，最初的裂縫開始在軸的周圍的逐漸產(chǎn)生許多類似的裂縫。所以說，第一道裂縫的意義就是指應(yīng)力集中的地方，它會加速其它裂縫的產(chǎn)生。一旦整個的外圍斗出現(xiàn)了裂縫，裂縫就會開始向軸的中心轉(zhuǎn)移。最后，當(dāng)剩下的固體的內(nèi)部地區(qū)變得足夠小，且當(dāng)壓力超過極限強度時，軸就會突然發(fā)生斷裂。對斷面的檢查可以發(fā)現(xiàn)一種非常有趣的圖案，如圖2.13中所示。外部的一個環(huán)形部分相對光滑一些，因為原來表面上相互交錯的裂縫之間不斷地發(fā)生磨擦導(dǎo)致了這種現(xiàn)象的產(chǎn)生。無論如何，中心部分是粗糙的，表明中心是突然發(fā)生了斷裂，類似于脆性材料斷裂時的現(xiàn)象。 這就表明了一個有趣的事實。當(dāng)正在使用的機器零件由于靜載荷的原因出現(xiàn)問題時，由于材料具有的延展性，他們通常會發(fā)生一定程度的變形。 盡管許多地由于靜壓力導(dǎo)致的零件故障可以通過頻繁的做實際的觀察并且替換全部發(fā)生變形的零件來避免。不管怎樣，疲勞失效有助于起到警告的作用。汽車中發(fā)生故障的零件中的90%的原因都是因為疲勞的作用。 一種材料的疲勞強度是指在壓力的反復(fù)作用下的抵抗產(chǎn)生裂縫的能力。持久極限是用來評價一種材料的疲勞強度的一個重要參數(shù)。進一步說明就是，持久極限就是指在無限循環(huán)的作用力下不引起失效的壓力值。 讓我們回頭來看在圖2.9 所示的疲勞試驗機器的。試驗是這樣被進行的：一件小的重物被插入，電動機被啟動。在試樣的失效過程中，由計算寄存器記錄下循環(huán)的次數(shù)N，并且彎曲壓力的相應(yīng)最大量由第2.5 方程式計算。然后用一個新的樣品替換掉被毀壞的樣品，并且將另一個重物插入以增加負荷量。壓力的新的數(shù)值再次被計算，并且相同的程序再次被重復(fù)進行，直到零件的失效只需要一個完整周期時為止。然后根據(jù)壓力值和所需的循環(huán)的次數(shù)來繪制一個圖。正如圖表2.14a所示圖形，該圖被稱為持久極限曲線或者S-N 曲線。由于這需要的前提是要進行無限次的循環(huán)，所以我們可以以100萬個循環(huán)用來作循環(huán)參考單位。因此，持久極限可以從圖表2.14a那里看到，該材料是在承受了100萬個循環(huán)后而沒有發(fā)生失效的。 用圖2.14 描繪的關(guān)系對于鋼的材料來說更為典型，因為當(dāng)N 接近非常大的數(shù)字時，曲線就會變得水平。因此持久極限等于曲線接近一條水平的切線時的壓力水平。由于包含了大量的循環(huán)，在繪圖時，N通常會被按照對數(shù)標度來畫，如圖2.14 b中所示。當(dāng)采用這樣的方法做時，水平的直線就可以更容易發(fā)現(xiàn)材料的持久極限值。對于鋼的材料來說，持久極限值大約等于極限強度的50%。無論如何，已經(jīng)加工完成的表面如果不是一樣的光滑，持久極限的值就會被降低。例如，對于鋼材料的零件來說，63 微英寸（ μin ）的機械加工的表面，零件的持久極限占理論的持久極限的百分比降低到了大約40%。而對于粗糙的表面來說 （300μin，甚至更多），百分比可能降低到25%左右的水平。 最常見的疲勞損壞的類型通常是由于彎曲應(yīng)力所引起的。其次就是扭應(yīng)力導(dǎo)致的失效，而由于軸向負載引起的疲勞失效卻極少發(fā)生。彈性材料通常使用從零到最大值之間變化的剪應(yīng)力值來做實驗，以此來模擬材料實際的受力方式。 就一些有色金屬而論，當(dāng)循環(huán)的次數(shù)變得非常大時，疲勞曲線不會隨著循環(huán)次數(shù)的增大而變得水平。，而疲勞曲線的繼續(xù)變小，表明不管作用力有多么的小，多次的應(yīng)力反復(fù)作用都會引起零件的失效。這樣的一種材料據(jù)說沒有持久極限。對于大多數(shù)有色金屬來說，它們都有一個持久極限，數(shù)值大小大約是極限強度的25%。 溫度對屈服強度和彈性模數(shù)的影響 一般說來，當(dāng)在說明一種擁有特殊的屬性的材料時，如彈性模數(shù)和屈服強度，表示這些性能在室溫環(huán)境下就可以存在。在低的或者較高的溫度下，材料的特性可能會有很大的不同。例如，很多金屬在低溫時會變得更脆。此外，當(dāng)溫度升高時，材料的彈性模數(shù)和屈服強度都會變差。圖2.23 顯示了低碳鋼的屈服強度在從室溫升高到1000oC過程中被降低了大約70%。 當(dāng)溫度升高時，圖2.24顯示了低碳鋼在彈性模數(shù)E方面的削減。正如從圖上可以看見的那樣，彈性模數(shù)在從室溫升高到1000oC過程中大約降低了30%。從這張圖表中，我們也能看到在室溫下承受了一定載荷而不會發(fā)生變形的零件卻可能在高溫時承受相同載荷時發(fā)生永久變形。 蠕變： 一種塑性變形的現(xiàn)象 由于溫度效應(yīng)的影響，金屬中產(chǎn)生了一種被稱為蠕變的現(xiàn)象，一個承受了一定的載荷的零件的塑性變形是按照一個時間函數(shù)來逐漸增加的。蠕變現(xiàn)象在室溫的條件下也是存在的，但它發(fā)生的過程是如此之慢，以致于很少變得像在預(yù)期壽命中溫度被升高到300oC或更多時那樣顯著，逐漸增加的塑性變形可能在一段短的時期內(nèi)變得很明顯。材料的抗蠕變強度是指材料抵抗蠕變的屬性，并且抗蠕變強度的數(shù)據(jù)可以通過處理長期的蠕變試驗(模擬實際零件的操作條件)來獲得。在試驗的過程中，給定的材料在規(guī)定的溫度下的塑性應(yīng)變被被進行了實時監(jiān)控。 由于蠕變是一種塑性變形現(xiàn)象，發(fā)生了蠕變的零件的尺寸可能就會被永久的改變。因此，如果一個零件是在很強的強度下運轉(zhuǎn)的話，那么設(shè)計工程師必須精確地預(yù)言將在機器的使用壽命期間可能發(fā)生的蠕變的次數(shù)。否則，與此伴隨的或者相關(guān)的問題就可能發(fā)生。 在高溫下，當(dāng)螺栓被用來緊固零件時，蠕變就可能變成一個必須解決的問題。處在壓力狀態(tài)下的螺釘，蠕變是按照一個時間函數(shù)來發(fā)生的。因為變形是塑性的，夾緊力的損失將可能導(dǎo)致螺紋連接件的意外松動。像這種特殊的現(xiàn)象，通常被稱為松弛，我們可以通過進行適當(dāng)?shù)娜渥儚姸葧r測試來確定是不是發(fā)生了蠕變。 圖2.25顯示了三種承受了恒定的張緊力的低碳鋼零件的典型的蠕變曲線。從中，我們可以注意到在高溫條件下，蠕變發(fā)生的速度逐漸加速，直到零件失效。從圖表里的時間軸上(x軸)，我們可以描述在10年的時間里，這種產(chǎn)品的預(yù)期壽命。 總結(jié) 機器設(shè)計者必須理解進行抗拉的靜止強度的測試目的。這種試驗可以確定被在設(shè)計方程式過程中使用的許多金屬的機械特性。像彈性模數(shù)，比例極限，屈服強度，彈性，以及延展性等等可以根據(jù)抗拉試驗來決定它們的特性。 動載荷是指那些，在大小和方向上發(fā)生變化并且可能需要對機器零件在抵抗失效能力上的研究。由于應(yīng)力的反復(fù)作用，允許使用的安全應(yīng)力是基于材料的持久極限而不是基于屈服強度或者是極限強度。 壓力集中在機器零件改變尺寸的位置發(fā)生，例如在一塊平的金屬板上的一個孔或者一塊平板、一個溝槽、一個圓軸上的皮帶在寬度方向上的突然變化。尤其是在一塊平板上或一塊條板上有一個孔的情況下，當(dāng)孔的大小減少時，最大應(yīng)力的值相對于平均應(yīng)力變得大得多。減少的壓力集中影響的方法通常就是使在形狀上的變化更有規(guī)律性。 被設(shè)計出來的機械零件被用于在低于屈服強度或者極限強度的一些允許的環(huán)境下使用。這種方法可以用來照顧到在加工期間像材料屬性的變化和殘余應(yīng)力的產(chǎn)生這樣的未知因素， 以及用來做近似而不是精確計算的方程式。根據(jù)屈服強度或者極限強度來確定安全系數(shù)以決定安全應(yīng)力的大小。 溫度能影響金屬的機械特性。溫度的增加可能會引起金屬的熱脹和蠕變，并且還可能降低它的屈服強度和它的彈性模數(shù)。如果大多數(shù)金屬不被允許在溫度發(fā)生變化時發(fā)生膨脹或者收縮，那么壓力就會被當(dāng)做載荷來看待。這現(xiàn)象在依靠干涉配合來進行零件裝配時是有益的。一個轂或者孔的內(nèi)徑比與它相配的軸或者圓柱的直徑小一點。先將轂加熱后，由于熱脹冷縮，此時可以輕松的將軸插入其中。當(dāng)它冷卻以后，同樣由于熱脹冷縮，它的內(nèi)孔直徑會變小，從而對插入其中的軸產(chǎn)生了很大的摩擦力，有效的防止了軸的松動。 計算機輔助制造構(gòu)造的類型 盤形凸輪. 這類凸輪是最受歡迎的類型之一，因為這種凸輪的設(shè)計和制造是比較簡單和容易的。如圖6.1所示的盤形凸輪?？梢宰⒁獾綇膭蛹苿拥搅伺c凸輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直的位置。所有的凸輪都按照兩個不同的實體在運轉(zhuǎn)時不會互相碰撞的基本原理來運行。因此，隨著凸輪的旋轉(zhuǎn)（在這種情況下，一般是逆時針轉(zhuǎn)），從動件要么向上移動要么就接受適當(dāng)?shù)募s束。我們應(yīng)該把注意力集中于防止從動件發(fā)生粘接和使從動件的運動滿足生產(chǎn)的要求。當(dāng)從動件向下移動時，彈簧需要使從動件的棍子和凸輪的輪廓保持。棍子是被用來減少齒輪接觸表面的磨擦力的。對于凸輪的每次旋轉(zhuǎn)來說，從動件通過對凸輪底部死點的沖擊使其移動到頂端。 圖6.2 所示的是一個帶有一個尖頂從動件的盤形凸輪。復(fù)雜的動作可以通過這類從動件產(chǎn)生，因為一個點能夠精確地跟隨著凸輪輪廓的任何突然變化。無論如何，這種設(shè)計局限于負荷是非常小的應(yīng)用里；否則兩個實體的接觸點將會被磨損掉，從而導(dǎo)致一系列的問題出現(xiàn)。 盤形凸輪的兩個另外的變量分別是旋轉(zhuǎn)的從動件和從動件的偏移量，如圖6.3所示。當(dāng)需要的是旋轉(zhuǎn)的運動時，一個旋轉(zhuǎn)的從動件就會被使用。關(guān)于從動件的偏移量，我們需要注意從動件的偏移量的大小是取決于像壓力角和凸輪外輪廓等參數(shù)的，這兩個參數(shù)稍后將會被介紹。沒有偏移量的從動件被稱作同軸心的從動件。 傳遞動力的凸輪：如圖6.4 所描繪的被用來傳遞動力的凸輪。當(dāng)凸輪朝著水平的方向傳遞運動時，從動件會產(chǎn)生上下滑動。從這里我們可以看出，一個旋轉(zhuǎn)的從動件和一個滑動的從動件都可以被使用。這種類型的動作通常會被用在一些生產(chǎn)用于凸輪上的產(chǎn)品的專用機床上。這種設(shè)計上的變化在旋轉(zhuǎn)和傳輸動力的三維的凸輪上體現(xiàn)了出來。例如，一塊手工制造的步槍原料被放在一臺專用車床上。這塊原料的形狀是要求能夠?qū)崿F(xiàn)以各凸輪所要達到的功能。當(dāng)它旋轉(zhuǎn)并傳輸動力時，從動件就可以控制用來把一塊木材加工成生產(chǎn)步槍原料的機床。 主動凸輪：在上述的凸輪設(shè)計中，凸輪和從動件之間在往返運動中保持接觸是通過彈簧力的作用來保證的。無論如何，處于高速運轉(zhuǎn)中的凸輪，用來保持凸輪和從動件之間的接觸的彈簧力可能會變得很大，這是由于凸輪在高速運動中的加速度會產(chǎn)生額外的動作用力，接觸的位置可能會發(fā)生變形。在這種情況下，接觸面可能產(chǎn)生過大的壓力，這樣將會導(dǎo)致零件過早的被磨損。主動凸輪是不需要彈簧的，因為從動件被迫在兩個方向上與凸輪接觸。這樣的主動凸輪可以分為4類：圓柱形的凸輪，開槽的盤形凸輪(也叫表面凸輪)，分型板凸輪，以及共軛凸輪。 圓柱形凸輪：如圖6.5所示，圓柱形凸輪可以使從動件實現(xiàn)不斷的往復(fù)運動。圖6.6所示的是一個旋轉(zhuǎn)的從動件的應(yīng)用實例。通過凸輪上槽溝的設(shè)計，我們可以實現(xiàn)使用幾個凸輪軸來完成從動件的圓周分布。 開槽的盤形凸輪：在圖6.8上，我們可以看到一個帶有旋轉(zhuǎn)的從動件的分型板凸輪，但是這樣的設(shè)計也可以被用于傳遞動力的從動件上面。凸輪E和F一起繞著凸輪軸B旋轉(zhuǎn)。凸輪E始終保持與滾筒C接觸，而凸輪F則一直和滾筒D保持著接觸。滾筒C和滾筒D都被安裝在一根直角杠桿上，而這個直角杠桿是繞著點A 擺動的從動件。當(dāng)凸輪F提供個滾筒D的需要的動作時，凸輪E則被用于給滾筒C提供需要的動作。 共軛凸輪．這種類型的凸輪，正如圖表6.9描述的那樣，由一個被安裝在凸輪軸偏心處的圓凸輪組成。從動件每次的擺度等于兩倍的凸輪的偏心矩e。這樣的凸輪會生產(chǎn)簡諧振運動而沒有保留時間。下面更進一步的討論一下第6.8 部分。 計算機輔助制造的專有名詞 在我們涉及凸輪的設(shè)計之前，我們很有必要知道各種各樣被用于鑒別凸輪的重要的設(shè)計參數(shù)?？匆幌孪聢D6.11中的術(shù)語。如果你把凸輪想像成是不動的，而從動件是繞著凸輪轉(zhuǎn)動的，那么，你將更容易理解對凸輪的描述。 軌跡點：是指尖頂從動件的終點或者輥子中心或者輥子之類的從動件的終點。 凸輪輪廓：凸輪的實際形狀。 基圓：是指能夠畫出來的且與凸輪的輪廓線相切的最小的圓。它的中心也就是凸輪軸的中心。凸輪軸里的最小的半徑就是基圓的半徑。 嚙合曲線：假定凸輪是固定不動的，從動件繞著凸輪旋轉(zhuǎn)的，那么，軌跡點的路徑就是嚙合曲線。 優(yōu)圓：優(yōu)圓是指與嚙合曲線相切，且它的中心也在分配軸的中心的圓。 壓力角：壓力角是指從動件的運動方向與節(jié)圓上輥子的中心所在的點之間的角度。 凸輪外形：與凸輪輪廓相同。 BDC：是Bottom Dead Center的縮寫，是指從動件離凸輪中心最近的位置。 行程：是指從動件在BDC 和TDC之間走過的路程的長度。 高度上的行程：是指從動件從BDC轉(zhuǎn)到TDC的時高度的變化值。 返程：是指從動件從TDC轉(zhuǎn)到BDC時所需時間。 輪廓平行線：是指當(dāng)凸輪在轉(zhuǎn)動時，從動件可以和凸輪的中心保持恒定的距離不變的軌跡。 我們可以通過圖6.12獲得對壓力角的意義有一個更清楚、更深刻的理解。在這里，F(xiàn)T是影響輥子的一個合力。在任何一個接觸點的地方，它一定是與表面垂直的。FT的方向顯而易見不與從動件運動的方向平行。相反，它時通過壓力角α來表明從動件的運動的方向的。因此，力FT可以被分解為水平方向的力FH和垂直方向的力FV兩部分。垂直分量是向上驅(qū)動從動件的那個力，因此，忽略了摩擦力，就等于從動件所受的力。水平方向的力沒有座有用功，但是它仍然是不可或缺的。事實上，它試圖使從動件能夠沿著它的方向走。這樣就可能會損壞從動件或者使從動件被卡死。很明顯，我們希望壓力角能夠盡可能的減小測向力的大小。一個實際的經(jīng)驗法則是設(shè)計凸輪輪廓時，應(yīng)使壓力角的度數(shù)不超過30o 。壓力角的大小，一般說來，取決于從動件的以下四個參數(shù)： ——基圓的大小。 ——從動件相對主動件的圓心的偏移量的大小。 ——滾筒直徑的大小。 ——凸輪輪廓平面(取決于使用的從動件運動的從動件行程和類型)。 如果凸輪的要求沒有改變，那么前面提到的一些參數(shù)就不能被改變。例如空間的限制。在我們已經(jīng)學(xué)習(xí)過了如何設(shè)計凸輪之后，我們將學(xué)到減小壓力角的各種各樣的方法。 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計）評閱表 學(xué)號 2006183822 姓名 李昌席 專業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設(shè)計）題目： 絞肉機的設(shè)計 評價項目 評 價 內(nèi) 容 選題 1.是否符合培養(yǎng)目標，體現(xiàn)學(xué)科、專業(yè)特點和教學(xué)計劃的基本要求，達到綜合訓(xùn)練的目的； 2.難度、份量是否適當(dāng)； 3.是否與生產(chǎn)、科研、社會等實際相結(jié)合。 能力 1.是否有查閱文獻、綜合歸納資料的能力； 2.是否有綜合運用知識的能力； 3.是否具備研究方案的設(shè)計能力、研究方法和手段的運用能力； 4.是否具備一定的外文與計算機應(yīng)用能力； 5.工科是否有經(jīng)濟分析能力。 論文 （設(shè)計）質(zhì)量 1.立論是否正確，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴謹合理；實驗是否正確，設(shè)計、計算、分析處理是否科學(xué)；技術(shù)用語是否準確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范； 2.文字是否通順，有無觀點提煉，綜合概括能力如何； 3.有無理論價值或?qū)嶋H應(yīng)用價值，有無創(chuàng)新之處。 綜 合 評 價 評閱人： 2010年5月 日 1 目 錄 中文摘要…………………………………………………………………………………………………3 Abstract………………………………………………………………………………………………… 3 第 1 章 緒論…………………………………………………………………………………………… 4 第 2 章 結(jié)構(gòu)及工作原理……………………………………………………………………………… 5 2.1 絞肉機的結(jié)構(gòu)……………………………………………………………………………………… 5 2.1.1 送料機構(gòu)………………………………………………………………………………………… 5 2.1.2 切割機構(gòu)………………………………………………………………………………………… 5 2.1.3 驅(qū)動機構(gòu)………………………………………………………………………………………… 5 2.2 絞肉機的工作原理…………………………………………………………………………………5 第 3 章 螺旋供料器的設(shè)計……………………………………………………………………………7 3.1 絞籠的設(shè)計…………………………………………………………………………………………7 3.1.1 絞籠的材料………………………………………………………………………………………7 3.1.2 螺旋直徑…………………………………………………………………………………………7 3.1.3 螺旋供料器的轉(zhuǎn)速………………………………………………………………………………7 3.1.4 螺旋節(jié)距…………………………………………………………………………………………8 3.2 絞筒的設(shè)計…………………………………………………………………………………………8 第 4 章 傳動系統(tǒng)的設(shè)計………………………………………………………………………………9 4.1 電機的選擇…………………………………………………………………………………………9 4.2 帶傳動的設(shè)計………………………………………………………………………………………9 4.2.1 設(shè)計功率………………………………………………………………………………………9 4.2.2 選定帶型…………………………………………………………………………………………10 4.2.3 傳動比……………………………………………………………………………………………10 4.2.4 小帶輪基準直徑…………………………………………………………………………………10 4.2.5 大帶輪基準直徑…………………………………………………………………………………10 4.2.6 帶速驗算…………………………………………………………………………………………10 4.2.7 初定軸間距………………………………………………………………………………………10 4.2.8 所需帶的基準長度………………………………………………………………………………10 4.2.9 實際軸間距………………………………………………………………………………………11 4.2.10 小帶輪包角…………………………………………………………………………………… 11 4.2.11 單根 V 帶的基本額定功率 …………………………………………………………………… 11 4.2.12 1?i時單根 V 帶型額定功率增量 ……………………………………………………………11 4.2.13 V 帶的根數(shù)………………………………………………………………………………………11 4.2.14 單根 V 帶的預(yù)緊力…………………………………………………………………………… 11 4.2.15 作用在軸上的力…………………………………………………………………………………11 4.2.16 帶輪的結(jié)構(gòu)和尺寸…………………………………………………………………………… 12 4.3 齒輪傳動設(shè)計…………………………………………………………………………………… 12 4.3.1 選擇材料，確定 limH?和 liF及精度等級…………………………………………………12 4.3.2 按接觸強度進行初步設(shè)計……………………………………………………………………… 12 4.3.2.1 確定中心距…………………………………………………………………………………12 2 4.3.2.2 確定模數(shù)……………………………………………………………………………………13 4.3.2.3 確定齒數(shù)……………………………………………………………………………………13 4.3.2.4 計算主要的幾何尺寸………………………………………………………………………13 4.3.3 校核齒面接觸強度……………………………………………………………………………14 4.3.4 校核齒根的強度………………………………………………………………………………16 4.3.5 齒輪及齒輪副精度的檢驗項目計算……………………………………………………………17 4.3.5.1 確定齒厚偏差代號…………………………………………………………………………17 4.3.5.2 確定齒輪的三個公差組的檢驗項目及公差值……………………………………………17 4.3.5.3 確定齒輪副的檢驗項目與公差值…………………………………………………………17 4.3.5.4 確定齒坯的精度……………………………………………………………………………18 4.4 軸的設(shè)計 ………………………………………………………………………………………… 18 4.4.1 按扭轉(zhuǎn)強度計算………………………………………………………………………………… 18 第 5 章 絞刀的設(shè)計………………………………………………………………………………… 20 5.1 絞刀的設(shè)計……………………………………………………………………………………… 20 5.1.1 刀刃的起訖位置…………………………………………………………………………………21 5.1.2 刀刃的前角………………………………………………………………………………………21 5.1.3 刀刃的后角……………………………………………………………………………………… 23 5.1.4 刀刃的刃傾角 …………………………………………………………………………………23 5.1.5 刀刃上任一點位量上絞肉速度…………………………………………………………………24 5.1.6 絞刀片的結(jié)構(gòu)……………………………………………………………………………………26 第 6 章 生產(chǎn)能力分析……………………………………………………………………………… 27 6.1 絞刀的切割能力………………………………………………………………………………… 27 6.2 絞肉機的生產(chǎn)能力……………………………………………………………………………… 27 6.3 功率消耗…………………………………………………………………………………………27 設(shè)計總結(jié)………………………………………………………………………………………………28 參考文獻………………………………………………………………………………………………29 致謝……………………………………………………………………………………………………30 3 摘要 本文論述了肉類加工機械—絞肉機的工作原理、主要技術(shù)參數(shù)、傳動系統(tǒng)、典型零件的結(jié) 構(gòu)設(shè)計及生產(chǎn)能力分析。 關(guān)鍵詞：絞肉機，擠肉樣板，絞刀，絞籠 ABSTRACT The principle, technical pare-maters, transmiting system and main parts structure of mincing ma- chine were introduced. The productingcapacity was analysed.Keywords Mincing machine Holds plate Cutting blade Transfer auger Key words: meat chopper ，reamer 4 第 1 章 緒論 隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，人民對食品工業(yè)提出了更高的要求。現(xiàn)代食 品已朝著營養(yǎng)、綠色、方便、功能食品的方向發(fā)展，且功能食品將成為新世紀的主流食品。食 品工業(yè)也成為國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，作為裝備食品工業(yè)的食品機械工業(yè)發(fā)展尤為迅猛。 食品工業(yè)的現(xiàn)代化水平，在很大程度上依賴于食品機械的發(fā)展及其現(xiàn)代化水，離開現(xiàn)代儀 器和設(shè)備，現(xiàn)代食品工業(yè)就無從談起。食品工業(yè)的發(fā)展是設(shè)備和工藝共同發(fā)展的結(jié)果，應(yīng)使設(shè) 備和工藝達到最佳配合，以設(shè)備革新和創(chuàng)新促進工藝的改進和發(fā)展，以工藝的發(fā)展進一部促進 設(shè)備的發(fā)展和完善。兩者互相促進、互相完善，是使整個食品工業(yè)向現(xiàn)代化邁進的必要條件。 在肉類加工的過程中，切碎、斬拌攪拌工序的機械化程度最高，其中絞肉機、斬拌機、攪 拌機是最基本的加工主械.幾乎所有的肉類加工廠都具備這 3 種設(shè)備。國內(nèi)一些大型肉類加工廠 先后從西德、丹麥、瑞士、日本等引進了先進的加工設(shè)備，但其價格十分昂貴。目前中、小型 肉類加工企業(yè)所使用的大部分設(shè)備為我國自行設(shè)計制造的產(chǎn)絞肉機是為中、小型肉類加二企業(yè) 所設(shè)計的較為理想的、絞制各種肉餡的機械，比如生產(chǎn)午餐肉罐頭和制造魚醬、魚圓之類的產(chǎn) 品，它將肉可進行粗、中、細絞以滿足不同加工工藝的要求，該機亦可作為其他原料的擠壓設(shè) 備。 5 絞 肉 機 第 2 章 結(jié) 構(gòu) 及 工 作 原 理 2.1 絞肉機的結(jié)構(gòu) 絞肉機主要由送料機構(gòu)、切割機構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)等組成，如圖 2－1 所示。 圖 2－1 絞肉機結(jié)構(gòu) 1.機架 2.絞刀 3.擠肉樣板 4.旋蓋 5.紋筒 6.絞籠 7.料斗 8.減速器 9.大皮帶輪 10.電機 11.三角帶 12.小皮帶輪 2.1.1 送料機構(gòu) 包括料斗 7、絞籠 6 和絞筒 5。其作用是輸送物料前移到切割機構(gòu)，并在前端對物料進行擠 壓。 2.1.2 切割機構(gòu) 包括擠肉樣板 3,絞刀 2,旋蓋 4。其作用是對擠壓進人樣板孔中的物料進行切割.樣板孔眼規(guī) 格有多種，可根據(jù)不同的工藝要求隨時旋下旋蓋進行更換。 2.1.3 驅(qū)動機構(gòu) 包括電機 10、皮帶輪 9、12、減速器 8、機架 I 等 2.2 絞肉機的工作原理 工作時，先開機后放料，由于物料本身的重力和螺旋供料器的旋轉(zhuǎn)，把物連續(xù)地送往絞刀 口進行切碎。因為螺旋供料器的螺距后面應(yīng)比前面小，但螺旋軸的直徑后面比前面大，這樣對 物料產(chǎn)生了一定的擠壓力，這個力迫使已切碎的肉從格板上的孔眼中排出。 6 用于午餐肉罐頭生產(chǎn)時，肥肉需要粗絞而瘦肉需要細絞，以調(diào)換格板的方式來達到粗絞與 細絞之需。格板有幾種不同規(guī)格的孔眼，通常粗絞用之直徑為 8－10 毫米、細絞用直徑 3－5 毫 米的孔眼。粗絞與細絞的格板，其厚度都為 10－12 毫米普通鋼板。由于粗絞孔徑較大，排料較 易，故螺旋供料器的轉(zhuǎn)速可比細絞時快些，但最大不超過 400 轉(zhuǎn)/分。一般在 200－400 轉(zhuǎn)/ 分。 因為格板上的孔眼總面積一定，即排料量一定，當(dāng)供料螺旋轉(zhuǎn)速太快時，使物料在切刀附近堵 塞，造成負荷突然增加，對電動機有不良的影響。 絞刀刃口是順著切刀轉(zhuǎn)學(xué)安裝的。絞刀用工具鋼制造，刀口要求鋒利，使用一個時期后， 刀口變鈍，此時應(yīng)調(diào)換新刀片或重新修磨，否則將影響切割效率，甚至使有些無聊不是切碎后 排出，而是由擠壓、磨碎后成漿狀排出，直接影響成品質(zhì)量，據(jù)有些廠的研究，午餐肉罐頭脂 肪嚴重析出的質(zhì)量事故，往往與此原因有關(guān)。 裝配或調(diào)換絞刀后，一定要把緊固螺母旋緊，才能保證格板不動，否則因格板移動和絞刀 轉(zhuǎn)動之間產(chǎn)生相對運動，也會引起對物料磨漿的作用。絞刀必須與格板緊密貼和，不然會影響 切割效率。 螺旋供料器在機壁里旋轉(zhuǎn)，要防止螺旋外表與機壁相碰，若稍相碰，馬上損壞機器。但它 們的間隙又不能過大，過大會影響送料效率和擠壓力，甚至使物料從間隙處倒流，因此這部分 零部件的加工和安裝的要求較高。 絞肉機的生產(chǎn)能力不能由螺旋供料器決定，而由切刀的切割能力來決定。因為切割后物料 必須從孔眼中排出，螺旋供料器才能繼續(xù)送料，否則，送料再多也不行，相反會產(chǎn)生物料堵塞 現(xiàn)象。 7 第 3 章 螺旋供料器的設(shè)計 3.1 絞籠的設(shè)計 絞籠的作用是向前輸送物料，并在前端對肉塊進行擠壓。如圖 3－1 所示，設(shè)計上采用一根 變螺距、變根徑的螺旋，即螺距后大前小，根徑后小前大，這樣使其絞籠與絞筒之間的容積逐 漸減小實現(xiàn)了對物料的擠壓作用。 絞籠前端方形軸處安裝絞刀，后端面上安裝兩個定位鍵與其主軸前端面上鍵槽配合，以傳 遞動力。 R530120438 785801051301.67.29節(jié) 距 t＝ 1302. 圖 3－1 絞籠 3.1.1 絞籠的材料 絞籠的材料選為 HT200 3.1.2 螺旋直徑 ＝0.136 m 取 D＝160mm5.2CGKD??? G－生產(chǎn)能力,由原始條件得 G＝1T/H K－物料綜合特性系數(shù),查表 1-16 得 K＝0.071 -物料得填充系數(shù)查 B4 表 1－16 得 ＝0.15? －物料的堆積密度 t/m 豬肉的為 1.5t/m?33 C－與螺旋供料器傾角有關(guān)的系數(shù)，查 B4 表 1－15 得 C＝1 3.1.3 螺旋供料器的轉(zhuǎn)速 8 由原始數(shù)據(jù) n＝326r/min 3.1.4 螺旋節(jié)距 實體面型螺旋的節(jié)距 t＝D 3.2 絞筒的設(shè)計 由于肉在絞筒內(nèi)受到攪動，且受擠壓力的反作用力作用，物料具有向后倒流的趨勢，因此在 絞籠的內(nèi)壁上設(shè)計了 8 個止推槽.沿圓周均勻分布，如圖 3－2 所示 絞筒內(nèi)壁與絞籠之間的間隙要適當(dāng)，一般為 3-5mm。間隙太大會使物料倒流;間隙太小絞籠與絞 筒內(nèi)壁易碰撞。 絞筒的物料可選用鑄鐵，選 HT200 圖 3－2 絞筒 9 第 4 章 傳動系統(tǒng)的設(shè)計 由于絞籠只有一種工作轉(zhuǎn)速，則從電機至絞籠的運動路線為定比傳動，其總的傳動比可利 用帶傳動、齒輪傳動等構(gòu)機逐級減速后得到。 絞籠的轉(zhuǎn)速不易太高，因為輸送能力并不是隨轉(zhuǎn)速增加而增加。當(dāng)速度達到一定值以后， 效率反而下降，且速度過高，物料磨擦生熱，出口處的壓力升高，易引起物料變性，影響絞肉 質(zhì)量，因此絞籠的轉(zhuǎn)速一般在 200 一 400r/min 比較適宜。在本機選用 326r/min。 14.32610ii???總 由傳動比標準系列查 B2 表 2－1 初步取 1.76 2.50ii 根據(jù)選用的電機和絞籠轉(zhuǎn)速要求設(shè)計傳動路線如下： 4.1 電機的選擇 N= ＝4(KW)?WG? G－絞肉機的生產(chǎn)能力，1000kg/h W－切割 1kg 物料耗用能量，其值與孔眼直徑有關(guān)，d 小則 w 大，當(dāng) d＝3mm， 取 w＝0.0030kw.h/kg。 （查 B5p ）75 －傳動效率，取 0.75? 所以根據(jù) N＝4kw，n＝1500r/min，查 B1 表 10-4-1 選用 Y112M-4，再查 B1 表 10-4-2 得 Y112M-4 電機的結(jié)構(gòu)。 圖 4-1 Y112M-4 電動機的外觀圖 4.2 帶傳動的設(shè)計 10 4.2.1 設(shè)計功率 dP kwKAd 8.42.1???? －工況系數(shù)，查 B1 表 8－1－22 ，取 ＝1.2AK P－傳遞的功率 4.2.2 選定帶型 根據(jù) 和 查 B1 圖 8－1－ 2 選取普通 V 帶 A 型， －小帶輪轉(zhuǎn)速，為 1440r/mindp1n 1n 4.2.3 傳動比 1.76 ＝ ＝?0i2i1mi/0876.4r? 4.2.4 小帶輪基準直徑 （mm）1d 由 B1 表 8－1－12 和表 8－1－14 選定 ＝100mm> ＝75r/min 1dmind 4.2.5 大帶輪基準直徑 （mm）2d cidd 1760.12 ???? 由 B3 表 8－7 得 =180mm2 4.2.6 帶速驗算 smvsmndv /3025/54.7106106 ax????????? 4.2.7 初定軸間距 （mm）a da28)(210? 4.2.8 所需帶的基準長度 （mm）0dL 0 204)()(212210 aaLddd ????? ＝ 88?? 11 ＝886mm 依 B1 表 8－1－8 取 ＝900mm，即帶型為 A－900dL 4.2.9 實際軸間距 a mad2876902800 ＝?????? 4.2.10 小帶輪包角 1? ??3.5718012????ad = ??. = ?164 4.2.11 單根 V 帶的基本額定功率 1p 根據(jù)帶型號、 和 普通 V 帶查 B1 表 8－1－27（c） 取 1.32kw1dn 4.2.12 時單根 V 帶型額定功率增量?i P? 根據(jù)帶型號、 和 查 B1 表 8－1－27（c） 取 0.15kw1i 4.2.13 V 帶的根數(shù) Z Z = 49.387.096)15.032.(4)(1 ???????LadkpP －小帶輪包角修正系數(shù)查 B1 表 8－1－23,取 0.96ak －帶長修正系數(shù)查 B1 表 8－1－8，取 0.87L 4.2.14 單根 V 帶的預(yù)緊力 0F 20)15.2(mvZPkFda??? = 254.710.4896. ? =134（N） 12 m－V 帶每米長的質(zhì)量（kg/m）查 B1 表 8－1－24，取 0.1k/gm 4.2.15 作用在軸上的力 ?F )(062sin4132sin20 NZF???? ? )(1598ii310max?? ? －考慮新帶初預(yù)緊力為正常預(yù)緊力的 1.5 倍ax?F 4.2.16 帶輪的結(jié)構(gòu)和尺寸 帶輪應(yīng)既有足夠的強度，又應(yīng)使其結(jié)構(gòu)工藝性好，質(zhì)量分布均勻，重量輕，并避免由于鑄 造而產(chǎn)生過大的應(yīng)力。 輪槽工作表面應(yīng)光滑（表面粗糙度 ）以減輕帶的磨損。mRa?2.3? 帶輪的材料為 HT200。查 B1 表 8－1－10 得基準寬度制 V 帶輪輪槽尺寸，根據(jù)帶輪的基準 直徑查 B1 表 8－1－16 確定輪輻 2*45401A63B0.AB1591808725195.72534??B0A62×453.0R5 圖 4-2 小帶輪 圖 4-3 大帶輪 4.3 齒輪傳動設(shè)計 4.3.1 選擇材料，確定 和 及精度等級。limH?liF 參考 B1 表 8－3－24 和表 8－3－25 選擇兩齒輪材料為：大、小齒輪均為 40 ，并經(jīng)調(diào)質(zhì)rC 及表面淬火，齒面硬度為 45－50HRc；精度等級為 6 級。 按硬度下限值，由 BI 圖 8－3－8（d）中的 MQ 級質(zhì)量指標查得 ；由 B1 圖 8－3－9（d）中的 MQ 級質(zhì)量指標查得MPaH120lim1li?? ； 。FE72 MPaF502lim1li?? 13 4.3.2 按接觸強度進行初步設(shè)計 4.3.2.1 確定中心距 a（按 B1 表 8－3－27 公式進行設(shè)計） 321][)(HaamuKTAC????? 式中：配對材料修正系數(shù) Cm＝1（由 B1 表 8－3－28 查?。? 螺旋角系數(shù) Aa＝476（由 B1 表 8－3－29 查取） 載荷系數(shù) K＝1.6（參考 B1 表 8－3－27 推薦值） 小齒輪額定轉(zhuǎn)矩 )(7.4619541 MNnPT??? 齒寬系數(shù) ＝0.4（參考 B1 表 8－3－4 推薦值）a? 齒數(shù)比 u=i=2.5 許用接觸應(yīng)力 （參考 B1 表 8－3－27 推薦值）PaH10829.0.][lim???? 則 取 a＝80mm,.61085.2476)15.2(47632a?? 4.3.2.2 確定模數(shù) m (參考 B1 表 8—3—4 推薦表) m=(0.007~0.02)a=0.56~1.6, 取 m=1.5mm 4.3.2.3 確定齒數(shù) z ,z12 初取螺旋角 ＝13?? z = = =29.4 取 z =301)(cos2??ma)15.2(3cos80?? ?1 z =μz =2.5 30=75 取 z =752 2 重新確定螺旋角 ? ?142.082)753(.1arcos2)(arcos1 ??????zn 4.3.2.4 計算主要的幾何尺寸（按 B1 表 8—3—5 進行計算） 分度圓的直徑 d =m z /cos =1.5 30/cos =45.7mm1?? d =m z /cos =1.5*75/cos =114.3mm2 14 齒頂圓直徑 d = d +2h =45.7+2 1.5=48.7mm1aa? d = d +2h =114.3+2 1.5=117.3mm2 端面壓力角 (查 B1 表 8－3－4)029.14.0coscos???tgartgarnt?? 基圓直徑 d = d cos = cos20.292 =40.2mm1bt? d = d cos =348 cos20.292 =107.2mm2t 0 齒頂圓壓力角 =arccos =34.365?1at1ab0 = arccos =23.9512at 2abd0 端面重合度 = [ z （tg -tg ）+ z (tg -tg )]a??1?1at 2?2at =1.9 齒寬 b= .a＝0.4*80＝32 取 b ＝32mm；b ＝40mma?21 齒寬系數(shù) = = =0.7d?17.453 縱向重合度 =1.25.1420sinsi?????? ?nmb 當(dāng)量齒數(shù) ＝31.4531co/zv? ＝78.6282s 4.3.3 校核齒面接觸強度（按 B1 表 8—3—10 校核） 強度條件： [ ]H?? 計算應(yīng)力： =Z Z Z Z Z 1BE?????1?bdFKktHVA = 2H?1BD 15 式中：名義切向力 F = = =2044Nt120dT?7.4560 使用系數(shù) K =1（由 B1 表 8—3—31 查?。〢 動載系數(shù) =（ ）V20?B? 式中 V= smnd95.1687.45160????? A=83.6 B=0.4 C=6.57 =1.2VK 齒向載荷分布系數(shù) K =1.35（由 B1 表 8—3—32 按硬齒面齒輪，裝配時檢修調(diào)整，6 級精?H 度 K 非對稱支稱公式計算）?H34.1? 齒間載荷分配系數(shù) （由 B1 表 8—3—33 查?。?.1??H 節(jié)點區(qū)域系數(shù) = 1.5（由 B1 圖 8—3—11 查?。㈱ 重合度的系數(shù) （由 B1 圖 8—3—12 查?。?.? 螺旋角系數(shù) （由 B1 圖 8—3—13 查?。?0?? 彈性系數(shù) （由 B1 表 8—3—34 查?。㎝PaZE.19 單對齒齒合系數(shù) Z =1B = 1H?2 ＝ 327.4501.235.108.70.895. ????? ＝245.5MPa 許用應(yīng)力：[ ]=H?XWRVLNTZZSlim 式中：極限應(yīng)力 =1120MPali 最小安全系數(shù) =1.1（由 B1 表 8—3—35 查取）limH 16 壽命系數(shù) =0.92（由 B1 圖 8—3—17 查?。㎞TZ 潤滑劑系數(shù) =1.05（由 B1 圖 8—3—19 查取，按油粘度等于 350 ）L sm 速度系數(shù) =0.96（按 由 B1 圖 8—3—20 查?。￢,95.1sm?? 粗糙度系數(shù) =0.9（由 B1 圖 8—3—21 查?。㏑Z 齒面工作硬化系數(shù) =1.03（按齒面硬度 45HRC，由 B1 圖 8—3—22 查取）W 尺寸系數(shù) =1（由 B1 圖 8—3—23 查?。 則： [ ]= =826MPaH?0.18596.012.10?? 滿足 [ ]? 4.3.4 校核齒根的強度（按 B1 表 8—3—30 校核） 強度條件： [ ]1F? 許用應(yīng)力： = ； 1 ????FVASaFnt KYbm1212??SFF?? 式中：齒形系數(shù) =2.61， =2.2（由 B1 圖 8—3—15（a）查?。??Y2 應(yīng)力修正系數(shù) ， （由 B1 圖 8—3—16（a）查取）6.?Sa7.SaY 重合度系數(shù) =1.9? 螺旋角系數(shù) =1.0（由 B1 圖 8—3—14 查?。? 齒向載荷分布系數(shù) = =1.3（其中 N=0.94，按 B1 表 8—3—30 計算）FKNH? 齒間載荷分配系數(shù) =1.0（由 B1 表 8—3—33 查?。? 則 =94.8MPa1F? = =88.3MPa26.127? 17 許用應(yīng)力：[ ]= （按 值較小齒輪校核）F?XlTrelNTSYYRlim?limF? 式中：極限應(yīng)力 =350MPali 安全系數(shù) =1.25（按 B1 表 8—3—35 查?。﹍imFS 應(yīng)力修正系數(shù) =2（按 B1 表 8—3—30 查?。㏕Y 壽命系數(shù) =0.9（按 B1 圖 8—3—18 查?。㏒ 齒根圓角敏感系數(shù) =0.97（按 B1 圖 8—3—25 查取）relT? 齒根表面狀況系數(shù) =1（按 B1 圖 8—3—26 查?。﹍YR 尺寸系數(shù) =1（按 B1 圖 8—3—24 查?。 則 [ ]=F?MPa497.025.1?? 滿足， 〈 〈[ ] 驗算結(jié)果安全1F? 4.3.5 齒輪及齒輪副精度的檢驗項目計算（大齒輪） 4.3.5.1 確定齒厚偏差代號 確定齒厚偏差代號為：6KL GB10095—88（參考 B1 表 8—3—54 查?。?4.3.5.2 確定齒輪的三個公差組的檢驗項目及公差值（參考 B1 表 8— 3—58 查?。?第Ⅰ公差組檢驗切向綜合公差 ， = =0.063+0.009=0.072mm,(按 B1 表 8—3—1iFifP? 69 計算，由 B1 表 8—3—60，表 8—3—59 查取)； 第Ⅱ公差組檢驗齒切向綜合公差 ， =0.6（ ）=0.6（0.009+0.011）1ifi tptf =0.012mm， （按 B1 表 8—3—69 計算，由 B1 表 8—3—59 查取） ； 第Ⅲ公差組檢驗齒向公差 =0.012（由 B1 表 8—3—61 查?。?。?F 4.3.5.3 確定齒輪副的檢驗項目與公差值（參考 B1 表 8—3—58 選擇） 對齒輪，檢驗公法線長度的偏差 。按齒厚偏差的代號 KL，根據(jù)表 8—3—53 的計算式求wE 18 得齒厚的上偏差 =-12 =-12 0.009=-0.108mm，齒厚下偏差 =-16 =-16 0.009=-sEptf?siEptf? 0.144mm；公法線的平均長度上偏差 = *cos -0.72 sin =-0.108 cos -0.72 WSEs?TF02 =-0.110mm,下偏差 = cos +0.72 sin =-02sin36.0a?wisi 0.144 cos +0.72 0.036 sin =-0.126mm；按表 8—3—19 及其表注說明求得公法線長?02 度 =87.652， 跨齒數(shù) K=10，則公法線長度偏差可表示為：knW 10.26.57? 對齒輪傳動，檢驗中心距極限偏差 ，根據(jù)中心距 a=80mm，由表查得 8—3—65 查得 =?f ?f ；檢驗接觸斑點，由表 8—3—64 查得接觸斑點沿齒高不小于 40%，沿齒長不小于 70%；023.? 檢驗齒輪副的切向綜合公差 =0.05+0.072=0.125mm（根據(jù) B1 表 8—3—58 的表注 3，由 B1 表icF 8—3—69，B1 表 8—3—59 及 B1 表 8—3—60 計算與查?。?；檢驗齒切向綜合公差 =0.0228mmicf （根據(jù) B1 表 8—3—58 的表注 3，由 B1 表 8—3—69，B1 表 8—3—59 計算與查?。?。 對箱體，檢驗軸線的平行度公差， =0.012mm， =0.006mm（由 B1 表 8—3—63 查取） 。xfyf 4.3.5.4 確定齒坯的精度要求按 B1 表 8—3—66 和 8—3—67 查取。 根據(jù)大齒輪的功率，確定大輪的孔徑為 33mm，其尺寸和形狀公差均為 6 級，即 0.016mm， 齒輪的徑向和端面跳動公差為 0.014mm。 （如圖 4-4）0.14A6.080.816?94.7528 128 *?47 0-,15 圖 4-4 大齒輪簡圖 4.4 軸的設(shè)計 19 4.4.1 按扭轉(zhuǎn)強度的計算 用實心軸 33][5nPATd??? 式中:d－軸的直徑，mm T－軸傳遞的轉(zhuǎn)矩，N.mm P－軸傳遞的額定功率，kw n－軸的轉(zhuǎn)速，r/min [ ]－軸材料的許用切應(yīng)力，Mpa30? A－系數(shù)，見【1】表 4－1－8，這里取 120 根據(jù)上面公式計算，齒輪軸的最小直徑 d＝20mm；大齒輪軸的最小直徑 d＝20mm 依據(jù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計如圖 232 ?16?20+,79-?5+0,79-14,?315+0,79- 4 圖 4－5 齒輪軸 ?30+,79-2630.82*4526184?7?30+,79-, 圖 4－6 低速軸 20 第 5 章 絞 刀 設(shè) 計 絞刀的作用是切割物料。它的內(nèi)孔為方形，安裝在絞籠前端的方軸上隨其一起旋轉(zhuǎn)，刀刃的 安裝方向應(yīng)與絞籠旋向相同。絞刀的規(guī)格有 2 刃、3 刃、4 刃、 6 刃、8 刃。 絞刀用 ZG65 Mn 材料制造，淬火硬度為 HRC55 - 60，刃口要鋒利，與樣板配合平面應(yīng)平整、 光滑。 5.1 絞刀的設(shè)計 絞刀的幾何參數(shù)對所絞出肉的顆粒度以及產(chǎn)品質(zhì)量有著很大的影響，現(xiàn)對十字刀片的各主 要幾何參數(shù)進行設(shè)計。 十字刀片如圖(5－1)所示。其每一刃部的絞肉(指切割肉的)線速度 分布亦如該圖所示。從 圖上可以看出其刃部任一點位置上只有法向速度 。 ?v 圖 5-1 絞肉機絞刀片示意圖及每一葉刀片上速度分布 其值為： （ ）????30nvp Rr? 式中： －刀片刃部任一點的線速度 m／s； n－刀片的旋轉(zhuǎn)速度 rpm； －刀片刃部任一點至旋轉(zhuǎn)中心的距離 mm；? r－刀刃起始點半徑 m m ； R—刀刃終止點半徑 mm； 再從任一葉刀片的橫截面上來看 [圖(5-1)A—A 截面]，其刃部后角 較大，而前角 及刃?? 21 傾角 都為零。 ? 因此，該刀片的幾何參數(shù)(角度)不盡合理。故再將以一葉刀片的與網(wǎng)眼扳相接觸的一條刀 刃為對象，分析刀片上各參數(shù)的作用及其影響，設(shè)計各參數(shù)。 5.1.1 刀刃的起訖位置 絞肉時，絞肉機的十字刀片作旋轉(zhuǎn)運動。從式[I]可以看出，在轉(zhuǎn)速一定的條件下，刀刃離 旋轉(zhuǎn)中心點越遠，則絞肉(指切割肉的)線速度越快。并且在螺桿進科速度也一定的條件下，假 定絞肉時刀片所消耗的功全部轉(zhuǎn)化為熱能，則任一與網(wǎng)眼板相接觸的刀刃，在單位時間內(nèi)產(chǎn)生 的熱量為： VFQ?? 式中：Q－單位時間內(nèi)任一與網(wǎng)眼板相接觸的刀刃切割肉所產(chǎn)生的熱量（J／s） F－鉸肉時任一與網(wǎng)眼板相接觸的刀刃上的切割力（N）（參見第二部分刀刃的前角式[4]) －任一刀刃切割肉的線速度（m／s）? 所以，絞肉(切割肉)的線速度越快，則所產(chǎn)生的熱量也越大，因此絞肉的線速度不能很高。 根據(jù)經(jīng)驗，我們知道一般絞肉時刀刃切割肉的錢速度處在 30 一 90m／min 之間最為理想，因此 由這些數(shù)據(jù)可估算出刀刃的起訖位置，即刃的起點半徑 和終點半徑 R。? 根據(jù)式[1]得： [3]?????n30 我們已知十字刀片得轉(zhuǎn)速n＝326r/min 當(dāng) 時， ，mi? ＝30m/min=0.5m/sr? m65.14.0326/?????? 當(dāng) 時， ， minR s/.in/9? R＝ m435.13260/???? 圓整后取:r=15mm R=45mm 5.1.2刀刃的前角 ? 當(dāng)十字刀片絞肉時，其任一與網(wǎng)限板相接觸的刀刃上的受力情況如圖(5-2)所示。 22 圖5-2 與網(wǎng)眼板相接觸的刀刃的受力分析 根據(jù)圖5-2可知： ???fnfnFF????? 其值為： ????? sincoisfnfnfn FF????? 因為刀刃與網(wǎng)眼板的摩擦力為： ??nf 肉與前刀面的摩擦力為： ???nfF 整理得： [4]??????? cos)1()(2??nnF 式中：F－鉸肉時任一與網(wǎng)眼板相接觸的刀刃上的切割力（N） —刀片絞肉時肉的剪切抗力（N）? －刀刃與網(wǎng)眼板的摩擦系數(shù)?? －肉被剪切時與前刀面的摩擦系數(shù)? －刀片的前角（ ）?90?? －網(wǎng)眼板作用于刀刃上的壓力（N）?nF －肉被切割時作用于前刀面的壓力（N）? 由于 ??A?? 式中： －肉的抗剪應(yīng)力，與肉的質(zhì)地有關(guān) 23 －肉被剪切的面積，與網(wǎng)眼板的網(wǎng)眼直徑有關(guān)?A 所以 與肉的質(zhì)地及網(wǎng)眼的直徑有關(guān)，故選定網(wǎng)眼板之后， 可以看成為常量，故令F ?F 。1C?? 由于 是網(wǎng)眼板作用于刀刃上的壓力，可以看為刀片的預(yù)緊壓力，是常量，故令?n 。 是刀片切割肉時，肉對前刀面的壓力與速度v有關(guān)，故令 。2Fn? ][vnF?? 簡化式[4]得： [5]?????cos)1()(2][21 ???vFC 從式[5]和式[2]可知，刀刃前角 的大小，直接影響著絞肉過程中的切割力，以及切割肉 時所產(chǎn)生的溫度。 在刀片旋轉(zhuǎn)速度以及螺桿進料速度都一定的情況下，前角大，切割肉所需的力和切割肉所 產(chǎn)生的熱都??；反之，則大。但前角很大時，則因刀具散熱體積小而使切割肉時所產(chǎn)生的溫度 不能很快冷卻。因此，在一定的條件下，前角有一合理的數(shù)值范圍： 一般取： (肉質(zhì)軟取大值，反之取小值)?4025??? 5.1.3刀刃的后角 刀刃后角的目的：一是減小后刀面與網(wǎng)眼板(包括三眼板)表面的摩擦；二是在前角不變的 情況下，增大后角能使刀刃鋒利。 刀片磨損后將使刀刃變鈍，使肉在絞肉(切割)過程中變形能增加，同時由于磨損后刀片的 后角基本為零，加大了刀片與網(wǎng)眼扳的摩擦，兩者都使絞肉過程中產(chǎn)生的熱量增多。 另外，在同樣的磨鈍標準V B下，后角大的刀片由新用到鈍所磨去的金屬體積較大 [如圖5-3 所示]。這說明增大后角可提高刀片的耐用度，但同時也帶來的問題是刀片的N B磨損值大(反映 在刀體材料的磨損過大這一方面)，并且刀刃極度也有所削弱，故后角也有一合理的數(shù)值范圍： 一般?。?(肉質(zhì)軟取大值反之取小值)?53??? 圖5-3 后角與VB、NB的關(guān)系 5.1.4 刀刃的刃傾角 從分析由前刀面和后刀面所形成的刀刃來得知刀傾角 對刀片性能的影響情況。 ? 24 在任一葉刀片的法剖面內(nèi)，當(dāng)把刀刃放大看時，可以把刀刃看成是一段半徑為 的圓弧?r [圖 5－4]，由于刀刃有刃傾角 ，故在線速度方向剖面內(nèi)的刀刃將變成橢圓弧(斜剖刀刃圓柱所? 得) 圖 5-4 刃傾角與刀刃鋒利度 橢圓的長半徑處的曲率半徑，即為刀刃實際純圓半徑 。 er0 其關(guān)系為： [6] ?cos0ner? 由此可見，增大刀傾角 的絕對值，可減小刀刃的實際鈍圓半徑 ，這就說明增大刃傾角er0 就可使刀刃變得較為鋒利。 一旦刀刃的起訖半徑 r 及 R 確定后，其最大初始刃傾角 就可確定了[參見圖 5-5]：max0? 圖 5-5 [7]Rr/acsinmx0?? 初始刃傾角按下式計算： [見圖 5-6] 25 圖 5-6 初始刃傾角計算用示意圖 [8])/(20 bRractg??? 式中：r－刀刃起始點半徑(mm)； R－刀刃終止點半徑(mm)； b－葉刀片外端寬度（mm）; －初始刃傾角；0? 5.1.5 刀刃上任一點位量上絞肉速度 由于有了刃傾角，故刀刃上任一點相對于網(wǎng)眼板的速度 ，將可以分解為垂直于刃的法向?v 速度分量 和平行于刃的切向速度 分量 。[參見圖 5-7]nv? rv? 即： ???? 其值為： )(30Rprnv?????cosn??ivr 圖 5－7 刀刃上任一點的速度示意圖 26 又因為： ???/sin'? 'R 所以： 30sincos22????? 整理得 0/si22???Rnv （ ）30/i????Rpr? 式中： －刀刃上任一點位置的法向速度分度 m／s；nv －刀刃上任一點位置的切向速度分量 m／s；? －刀刃上任一點至刀片旋轉(zhuǎn)中心距離 mm；? －刀刃的初始刃傾角；?? －與刀刃相切的圓計算半徑 mm；'? R－刀刃的終點半徑 mm； r－刀刃的起點半徑 mm； 5.1.6 刀片的結(jié)構(gòu) 根據(jù)以上對絞刀各個幾何參數(shù)的分析，得出絞刀的結(jié)構(gòu)圖（圖 5-8），此絞刀的特點： 1、 后角取 4 ，刀片的壽命較長；? 2、 前角取 30 ，以減小絞肉所需的力及功率； 3、 增加刃傾角，以提高刀刃的鋒利度； 4、 采用全圓弧形的前刀面結(jié)構(gòu)，以改善刀刃的強度； 5、 采用可換式刀片結(jié)構(gòu)，以節(jié)約刀體材料并可選用不同幾何參數(shù)刀片。 27 R65?40A1??8815??AR6?406.5?30R4n 圖 5－8 2 刃、4 刃、8 刃絞刀 第 6 章 生產(chǎn)能力分析 6.1 絞刀的切割能力 切刀的切割能力，可用下式計算： )/(460 22hcmZDnF??? 式中：F－絞刀切割能力（ ） ；/2 n－絞刀轉(zhuǎn)速（r/min ）;326r/min 28 D－擠肉樣板外徑（mm） ；168mm －孔眼總面積與樣板面積之比，一般取 0.3－0.4；取 0.4? Z－絞刀刃數(shù)；取 6.2 絞肉機的生產(chǎn)能力 G 生產(chǎn)能力 G（kg/h）： AF1? 式中： －被切割 1kg 物料的面積，其值與孔眼直徑有關(guān)（ ） ；1 hcm/2 A－絞刀切割能力利用系數(shù)，一般為 0.7－0.75； 6.3 功率消耗 N 功率消耗 N 可用下式計算： (kw)?WG?? 式中：W－切割 1kg 物料耗用能量，其值與孔眼有關(guān)（kw h/kg） ；? －傳動效率； 由生產(chǎn)能力計算可知，在 N、D 一定的條件下，絞刀的刃數(shù)越多，生產(chǎn)能力越大。但是不同 刃數(shù)的絞刀應(yīng)與不同孔徑的擠肉樣板相匹配，才能得到較為合理的生產(chǎn)量和功率消耗。在使用 能過程中，可根據(jù)附表中推薦的值來選用。 樣板孔徑 mm 3?8、 10?16? 絞刀刃數(shù) 8 4 2 生產(chǎn)能力 kg/h 800 1000 1400 29 設(shè)計總結(jié) 漫長而又倍感充實的畢業(yè)設(shè)計階段即將結(jié)束，通過這幾十天的學(xué)習(xí)，我覺得自己的專業(yè)知 識和獨立思考問題的能力有了很大的提高，對我走向社會從事專業(yè)工作有著深遠的影響?，F(xiàn)在 談?wù)剬Ρ敬萎厴I(yè)設(shè)計的認識和體會。 首先，我感觸最深的就是：實踐的重要性。這次設(shè)計中我做了許多重復(fù)性的工作，耽誤了 很多的時間，但是這些重復(fù)性的工作卻增強了我的實踐能力和動手能力，積累了設(shè)計經(jīng)驗。同 時也得到一條經(jīng)驗，搞設(shè)計不能只在腦子里想它的結(jié)構(gòu)，必須動手，即使你想的很完美，但是 到實際的設(shè)計過程時，會遇到許多意不到的問題。 其次，我學(xué)會了查閱資料和獨立思考。當(dāng)開始拿到畢業(yè)設(shè)計題目時，心里真的是一點頭緒 也沒有，根本不知道從那里下手。在劉老師的指導(dǎo)下，我開始查閱相關(guān)書籍，借鑒他人的經(jīng)驗， 結(jié)合自己的構(gòu)想，再利用自己所學(xué)過的專業(yè)知識技能， ，深入了解了機械傳動原理及機械系統(tǒng)的 設(shè)計方案。把設(shè)計意圖從構(gòu)想階段變?yōu)榭勺x者付諸生產(chǎn)的實現(xiàn)階段。我發(fā)現(xiàn)每一個設(shè)計都是一 個創(chuàng)新、修改、完善的過程，在設(shè)計的過程中，運用自己所掌握的知識，發(fā)揮自己的想象力來 搞好自己的設(shè)計，這個過程也是一個學(xué)習(xí)的過程。這是一個艱辛的過程，很幸運能在周善炳老 師的指導(dǎo)下，邊學(xué)邊用，才能按時按量完成規(guī)定的任務(wù)。 設(shè)計的完成，給了我很大的信心：我完全有能力利用自己所學(xué)過的知識和技能完成我并不 熟悉的任務(wù)。在設(shè)計過程我更深切的體會到：獨立自主是關(guān)鍵，互協(xié)作更重要。 30 參考文獻 【1】 吳宗澤主編．機械設(shè)計實用手冊[M]．第一版．北京：化學(xué)工業(yè)出版社． 1999 【2】 濮良貴、紀名剛主編．機械設(shè)計[M]．第七版．北京：高等教育出版社． 2001 【3】 張裕中主編．食品加工技術(shù)裝備[M]．第一版．北京：中國輕工業(yè)出版社． 2000 【4】 無錫輕工業(yè)學(xué)院、天津輕工業(yè)學(xué)院編[M]．食品工廠機械與設(shè)備．第二版．北京：輕工 業(yè)出版社．1985 【5】 胡繼強主編．食品機械與設(shè)備[M]．第一版．北京：中國輕工業(yè)出版社． 1999 【6】 李興國主編．食品機械學(xué)（下冊）[M]．第一版．四川：四川教育出版社． 1992 【7】 中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院編．實用機械設(shè)計手冊（下）[M]．北京：中國農(nóng)業(yè)機械出 版社．1985 【8】 成大先主編．機械設(shè)計手冊（第 4 卷）[M]．第四版．北京：化學(xué)工業(yè)出版社． 2002 【9】 [蘇] 卡查科夫、 馬爾切諾夫著．食品機械制造工藝學(xué)[M]．北京：機械??H??A 工業(yè)出版社．1984 【10】 張萬昌主編．熱加工工業(yè)基礎(chǔ)[M]．第一版．北京 :高等教育出版社．1997 【11】 馬曉湘、鐘均祥主編．畫法幾何及機械制圖[M]．第二版．華南理工大學(xué)出版社 1992 【12】 毛謙德、李振清主編．袖珍機械設(shè)計師手冊[M]．第二版．北京：機械工業(yè)出版 社．2002 31 致 謝 將近三個月的畢業(yè)設(shè)計就這樣伴隨著我們的大學(xué)畢業(yè)而完成了，在這段值得珍 藏的歲月里，我在指導(dǎo)老師周善炳老師的帶領(lǐng)下，從開始的不知所措，到一步步的 進入設(shè)計狀態(tài)：收集資料，查信息，圖紙繪制，直至說明書的完成及后期檢查。通 過本次畢業(yè)設(shè)計，不僅使我系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用了以前的知識，而且也鍛煉了我獨立 動手和思考的能力。我們的老師“授我們以漁” ，而且在設(shè)計當(dāng)中教導(dǎo)我們做人如 做事一樣，要踏塌實實，來不得馬虎取巧。我會記住這次設(shè)計，以后努力的工作， 為母校爭光!