果蔬擦皮機設計,果蔬擦皮機,設計
編號 20141051317 本科生畢業(yè)設計 果蔬擦皮機設計 fruit and vegetable brush machine design 學 生 姓 名 常誠 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 學 號 1051317 指 導 教師 吳翠紅 分 院 機電工程分院 2014 年 6 月 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設計 摘 要 果蔬擦皮機在食品工業(yè)上應用比較廣泛，比如罐頭、生產(chǎn)果汁等，因此本人對該 機械進行創(chuàng)新設計。該說明書主要介紹了以摩擦原理為基礎的、適合食品加工工廠等 場所使用的大型果蔬原料（土豆、胡蘿卜等塊莖）去皮機的設計要點、工作原理和設 備組成。通過對去皮部分與電機的選型配套，滾動軸承的選擇及校核計算，卷筒從動 軸的設計計算，滾子鏈的傳動設計計算，傳動裝置的運動參數(shù)及動力參數(shù)的計算，減 速器的選用，結構設計與布置，及其強度校核以及密封裝置的選擇，使脫皮機具有運 轉平穩(wěn)、成本低、維修方便等特點。 關鍵詞：摩擦 去皮 傳動 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設計 Abstract Rub the skin of fruits and vegetables in the food industry machines used widely,such as canned food、fruit juice production,so I designed the mechanical innovations.This paper introduced the large-scale machine for peeling vegetable and fruit(potato and carrot and so on of tobers) which is designed by the principle of friction and suited to the factory of food processing ,and it presented the key of design ,working principle and the composition of the large-scale machine.Peeling some of the motor through the selection of matching, selection and check of rolling bearings calculation, drum driven shaft design calculation, the transmission roller chain design and calculation, transmission of the motion parameters and dynamic parameters of the calculation, speed reducerselection, structural design and layout, and the strength of the choice of checking and sealing device, so that peeling machine is running stable, low cost, easy maintenance. Keywords: friction peeling transmission 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設計 I 目 錄 緒 論 ........................................................1 第一章 果蔬原料摩擦擦皮機的結構設計 ..........................7 1.1 基本結構 ...............................................7 1.1.1 工作圓筒 ..........................................7 1.1.2 工作轉盤 ..........................................7 1.1.3 傳動系統(tǒng) ..........................................7 1.1.4 清洗裝置 ..........................................7 1.2 工作原理 ...............................................7 第二章 果蔬原料摩擦擦皮機的參數(shù)確定 ..........................9 2.1 物料在工作圓筒內的受力分析 ..............................9 2.2 工作轉盤轉速的確定 .....................................10 2.3 果蔬原料擦皮機功率的確定 ...............................11 2.4 整機主要參數(shù)指標 .......................................12 第三章 主要零件的結構設計與計算 .............................13 3.1 V 帶輪結構設計計算 ......................................13 3.2 傳動主軸的結構設計計算 [16]...............................15 3.2.1 初步計算軸的直徑 ...................................15 3.2.2 擬定軸上零件的裝配方案 .............................15 3.2.3 根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 ...........15 3.2.4 軸上零件的周向定位 ................................16 3.2.5 確定軸上圓角和倒角尺寸 ............................17 3.3 滾動軸承的初步選擇 .....................................17 第四章 軸的相關計算 .........................................18 4.1 滾動軸承的壽命計算 [19] ...................................18 4.2 軸的計算和校核 .........................................18 4.2.1 做出軸的計算簡圖 ..................................18 4.2.2 軸的強度校核計算 ...................................19 4.2.3 按彎扭合成應力校核軸的強度 .........................19 4.2.4 軸的扭轉剛度校核計算 ...............................20 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設計 II 結 論 .....................................................21 致 謝 .....................................................22 參考文獻 .....................................................23 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設計 1 緒 論 1.馬鈴薯、胡蘿卜果蔬的概述 隨著食品工業(yè)的發(fā)展，食品深加工已經(jīng)越來越被世界重視，特別是便餐和方便食 品的誕生，促使保鮮脫水蔬菜工業(yè)迅速發(fā)展起來，這更要求原料的深加工伴隨著發(fā)展。 其中果蔬和胡蘿卜等果蔬原料的深加工就是受到人們高度重視且發(fā)展較快的產(chǎn)業(yè)之一。 我國是果蔬的主要出產(chǎn)國，年種植面積和總產(chǎn)量均居世界第二位。但在我國絕大 部分果蔬被直接用作飼料和食用。由于每年僅有百分之幾用于深加工，致使鮮薯過剩， 增加了越冬保鮮難度，也降低了它的營養(yǎng)價值。究其原因主要是缺少加工設備，特別 是去皮機械。而從國外引進設備價格昂貴，生產(chǎn)成本高，致使國內該產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢。 在世界上工業(yè)發(fā)達國家，果蔬深加工一般都占總產(chǎn)量的 50%—80%。目前，美國是 世界上最大的果蔬生產(chǎn)國和出口國，果蔬食品加工企業(yè)有 300 多家，其子公司遍布世 界十幾個國家。美國的果蔬產(chǎn)品不僅暢銷國內，且大量出口干制食品及方便食品占據(jù) 了世界大部分市場。近 20 年來，德、法、英、荷蘭、瑞士及日本等國家，也在致力 發(fā)展果蔬食品深加工工業(yè)，從而使世界果蔬食品加工業(yè)進入蓬勃發(fā)展階段。 2.國內外馬鈴薯、胡蘿卜塊莖原料擦皮設備簡介 國內外果蔬、胡蘿卜塊莖原料去皮方法大致有三種，即機械去皮、蒸汽去皮和化 學去皮，三種去皮方法的工作原理為 [1]： 機械去皮：在圓筒形容器中，依靠帶有磨料的圓盤、滾輪或依靠特制的橡膠輥在中速 或高速旋轉中摩擦塊莖的表面而達到去皮目的。 蒸汽去皮：在高壓容器內，通入高壓蒸汽使塊莖表面受熱，然后打開容器蓋，突然釋 放壓力，塊莖的表皮和果肉即自行分離。 化學去皮：在耐堿容器內，加入強堿溶液并加溫，后加入塊莖，經(jīng)一段時間后塊莖的 表皮被堿溶液腐蝕，經(jīng)高壓水反復沖洗干凈后，在將塊莖放入機械去皮機中剝去表皮。 (1）目前，國內主要使用機械摩擦去皮機 [2]。 如圖 1[3]所示，該機由機蓋、機筒、機座、電機、砂盤等部分組成。以電機為 動力，通過減速齒輪帶動機筒底部的砂盤旋轉。塊莖加入機筒內，因其離心力和相互 碰撞作用，在機筒內上、下、左、右翻動，表面被砂盤均勻的摩蝕，去皮結束時加入 清水，再打開側門，塊莖從側門自動排出，皮屑隨水流從砂盤的周圍間隙排出，該機 為間歇生產(chǎn)。 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設計 2 圖 1 機械式摩擦擦皮裝置 （2）蒸煮裝置 圖 2 間歇式蒸煮裝置 國內食品加工業(yè)使用的連續(xù)式鏈帶蒸煮機和高壓蒸煮鍋，機體龐大，結構復雜， 造價昂貴，小型果蔬原料食品加工廠引進使用有一定困難。在實際生產(chǎn)中，對果蔬片 的蒸煮要求并不高，使用自制的蒸煮裝置完全可以滿足要求。 圖 2[4]為食堂、飯店常用的蒸煮裝置結構示意圖。 在一個大型蒸煮容器內鋪設軌道，道軌通到容器大門外切片機附近。道軌上置放平板 小車，小車上裝有方形籠屜若干層。塊莖切片后，依次放入籠屜。待所有的籠屜子都 裝滿薯片后，將小車連同籠屜推入容器中，密封大門，再通入蒸汽蒸煮。待薯片蒸熟 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設計 3 后，打開大門，拉出小車和籠屜，取出薯片。 蒸煮容器為長方形，下部設有進氣管道和閥們，上部有排氣管。容器框架由角鋼制作， 外壁由鋼板制造，并用隔熱材料涂抹保溫。 （3）化學去皮裝置 在由防堿材料制成的容器中注入氫氧化鈉溶液，溶液濃度為 15%—25%。加熱溶液， 溫度達到 87—95 C，加入塊莖攪拌使溫度保持在 70 C 左右；經(jīng)過 2—6 分鐘，塊莖? ? 的表皮開始變松變軟；撈出塊莖，用高壓水反復沖洗，知道表面無殘留物為止。撈出 的塊莖也可放入機械式去皮機中剝去表皮。 本法的優(yōu)點是對不同大小、不同形狀的塊莖適合性好，去皮快，不需要結構復雜 的專門設備。缺點是沖洗塊莖需要大量清水，皮屑不能利用，排出的廢液污染環(huán)境。 由于去皮方法不同，國內外果蔬、胡蘿卜去皮機械的結構形式也各不相同，去皮差異 較大，去皮率大致為 7%-25%，其中機械去皮率為最大，蒸汽去皮率為最小。 表 1 國內外幾種去皮設備的去皮性能比較 機型 離心式切削去皮機 機械去皮機 蒸汽式去皮機 化學法 去皮機 結構 簡單 復雜 復雜 簡單 對塊莖要求 卵 卵圓形，芽 卵，卵圓形，芽 無要求 無要 求 眼淺，無傷痕 眼淺，無傷痕 產(chǎn)品質量 表面光滑，無污染， 表面光滑，無污 表面光滑，有蒸 表面 光滑，無蒸 無蒸煮層 染，淀粉損失大 煮層，無污染 煮層， 有污染 皮屑 可利用 部分利用 部分利用 不可 利用 有無加熱設 無 無 需要（150-200 度） 需 要（85-95 度） 通過上表 [5]的比較分析以及聯(lián)系本次設計的任務要求，同時結合我國在去皮機上的實 際水平考慮經(jīng)濟性，達到能以最少的投資獲得較好的經(jīng)濟效益，決定以機械去皮機為 設計研究方案。在果蔬原料的加工預處理工藝中主要進行去皮的處理加工。 3.果蔬的清洗 果蔬原料清洗的目的在于洗去果品表面附著的灰塵、泥砂和大量的微生物以及部 分殘留的化學農藥，保證產(chǎn)品的清潔衛(wèi)生，從而保證制品的質量。果品原料在生產(chǎn)過 程中常有許多來自土壤和植物器官的微生物。據(jù)報道，長有“煙煤”的甜橙，其表面 的帶菌數(shù)達每平方厘米幾千甚至幾十萬個，某些有傷害的果品也同樣含有大量的微生 物。洗滌對于減少物料的帶菌數(shù)，特別是耐熱性芽孢，具有十分重要的意義。另一方 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設計 4 面，現(xiàn)代農業(yè)常大量使用農藥，洗滌對于除去果品表面的農藥殘留也有一定的意義。 對于農藥殘留的果品，或如枇杷等要手工剝皮的果品以及制取果汁、果酒、果醬、 果凍等制品的原料，洗滌時常應在水中加化學洗滌劑（見下表） 。常見的有鹽酸、醋 酸，有時用氫氧化鈉等強堿以及漂白粉、高錳酸鉀等強氧化劑，可除去蟲卵、減少耐 熱菌芽孢。近年來，更有一些脂肪酸系的洗滌劑如單甘油酸酯、磷酸鹽、蔗糖脂肪酸 酯、檸檬酸鈉等應用于生產(chǎn)。 表 2 幾種常用化學洗滌劑 藥品 種類 濃度 溫度處理時間 處理對象 鹽酸 0.5%～1.5% 常溫 3～5min 蘋果、梨、櫻桃、葡萄等具蠟質 果實 氫氧 化鈉 0.1% 常溫數(shù)分鐘 具果粉的果實，如蘋果 漂白 粉 600mg/kg 常溫 3～5min 柑橘、蘋果、桃、梨等 高錳 酸鉀 0.1% 常溫 10min 左右 枇杷、楊梅、草莓、樹莓等 果蔬的清洗方法多種多樣，須根據(jù)生產(chǎn)條件、果品形狀、質地、表面狀態(tài)、污染 程度、夾帶泥土量以及加工方法而定。 1、手工清洗 手工清洗是簡單的方法。所需設備只要清洗池、洗刷和攪動工具即可。在池上安 裝水龍頭或噴淋設備，池底開有排水孔，以便排除污水。有條件時，在池靠底部裝上 可活動的濾水板，清洗時，泥砂等雜質可隨時沉入底部，使上部水較清潔。大小可按 需要建造，可建成方形、長形或圓形，池體可用磚砌成，再鋪磨石和混凝土或磁磚， 也可用不銹鋼板單個制成，池底裝有重錘排污閥。 手工清洗簡單易行，設備投資少，適用于任何種類的果品，但勞動強度大，非連 續(xù)化效率低。對于一些易損傷的果品如楊梅、草莓、櫻桃等，此法較合適。 普通手工清洗池可制成長方形，大小隨意，也可以幾個連在一起，在清洗池上方 安裝冷、熱水管和噴頭，用以噴水洗滌果品。另有一根水管直通池底，用此洗滌不需 噴洗的原料。在清洗池上方有溢水管，下方為排水管。池底可安裝壓縮空氣管，通入 壓縮空氣使水翻動，提高清洗效果。 2、機械清洗 用于果蔬清洗的機械多種多樣，典型的有如下幾種： （1） 滾筒式清洗機 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設計 5 主要部分是一個可以旋轉的滾筒，筒壁成柵欄狀，與水平面成 3°左右的傾斜， 安裝在機架上。滾筒內有高壓水噴頭，以 300～400kPa 的壓力噴水。原料由滾筒一端 經(jīng)流水槽進入后，即隨滾筒的轉動與柵欄板條相互摩擦至出口，同時被沖洗干凈。此 種機械適合于質地比較硬和表面不怕機械損傷的原料。李、黃桃等均可用此法。 （2）噴淋式清洗機 在清洗裝置的上方或下方均安裝噴水裝置，原料在連續(xù)的滾筒或其他輸送帶上緩 緩向前移動，受到高壓噴水的沖洗。噴洗效果與水壓、噴頭與原料間的距離以及噴水 的水量有關，壓力大，水量多，距離近，則效果好。此法常在柑橘制汁等連續(xù)生產(chǎn)線 中應用。 （3）壓氣式清洗機 基本原理是在清洗槽內安裝有許多壓縮空氣噴嘴，通過壓縮空氣使水產(chǎn)生劇烈的 翻動，物料在空氣和水的攪動下進行清洗。在清洗槽內的原料可用滾筒、金屬網(wǎng)、刮 板等傳遞。此種機械用途廣，常見的有草莓洗果機。 （4）槳葉式清洗機 這是在清洗槽內安裝有槳葉的裝置，每對槳葉垂直排列，末端裝有撈料的斗。清洗時， 槽內裝滿水，開動攪拌機，然后可連續(xù)進料，連續(xù)出料。新鮮水也可以從一端不斷進 入。 4.果蔬的燙漂 果蔬的燙漂，生產(chǎn)中常稱預煮，即將已切分的或經(jīng)其他預處理的新鮮原料放入沸 水或熱蒸汽中進行短時間的處理。主要目的在于： （1）果蔬原料經(jīng)過燙漂處理后可以鈍化其內部的酶，排除果實內部空氣，防止 果品多酚類物質及色素、維生素 C 等發(fā)生氧化褐變，具有穩(wěn)定或改進色澤的作用。 （2）原料經(jīng)燙漂后，組織細胞死去，膨壓消失，改變了細胞膜的通透性。在果 品干制、糖制過程中，使水分易蒸發(fā)，糖分易滲入，不易產(chǎn)生裂紋和皺縮。 （3）燙漂可以除去果品表面的大部分污物、蟲卵微生物及殘留農藥。 （4）由于空氣從組織中排出，體積縮小，燙漂以后組織比較透明，色澤明亮。 但是燙漂同時要損失一部分營養(yǎng)成分，熱水燙漂時，果品要損失相當?shù)目扇苄怨?形物。果品燙漂常用的方法有熱水和蒸汽兩種。熱水燙漂的優(yōu)點是物料受熱均勻，升 溫速度快，方法簡便。缺點是可溶性固形物損失多，其燙漂用水的可溶性固形物濃度 隨燙漂的進行不斷加大，且濃度越高，果品中的可溶性物質損失越多，故應不斷更換。 果蔬燙漂的方法可用手工在夾層鍋內進行，現(xiàn)代化生產(chǎn)常采用專門的連續(xù)化機械。 依其輸送物料的方式，目前主要機械有鏈帶式連續(xù)預煮機和螺旋式連續(xù)預煮機。 果蔬燙漂的程序，應根據(jù)果品的種類、塊形、大小、工藝要求等條件而定。一般 情況下，特別是罐藏時，從外表上看果實燙至半生不熟，組織較透明，失去新鮮果品 的硬度，但又不像煮熟后的那樣柔軟即被認為適度。燙漂條件也以果品中的最耐熱的 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設計 6 過氧化物酶的鈍化作標準，特別是在干制和冷凍時更如此。 5.果蔬的抽空處理 某些果品如蘋果、梨等內部組織較松，含空氣較多，對加工、特別是罐藏不利如 變色、改變風味、組織形態(tài)不良、果塊上浮、腐蝕罐壁、降低罐內真空度，使罐頭內 容物品質發(fā)生變質，需進行抽空處理，即將原料在一定的介質里置于真空狀態(tài)下，使 內部空氣釋放出來，代之為糖水或無機鹽水等介質。 果品的抽空裝置主要由真空泵、氣液分離器、抽空鍋組成（見圖） 。真空泵采用 食品工業(yè)中常用的水環(huán)式，除能產(chǎn)生真空外，還可帶走水蒸氣。抽空鍋是帶有密封蓋 的圓形筒，內壁用不銹鋼制造，鍋上有真空表、進氣閥和緊固螺絲。 果品抽空的具體方法有干抽和濕抽兩種，分述如下。 （1）干抽法 將處理好的果品裝于容器中，置于 90kPa 以上的真空室或鍋內抽 去組織內的空氣，然后吸入規(guī)定濃度的糖水或鹽水等抽空液，使之淹沒果面 5cm 以上， 當抽空液吸入時，應防止真空室或鍋內的真空度下降。 （2）濕抽法 將處理好的果實，浸沒于抽空液中，放在抽空室內，在一定的 真空度下抽去果內的空氣，抽至果品表面透明。 果品所用的抽空液常用糖水、鹽水、護色液三種，因種類、品種和成熟度而選用。 原則上抽空液的濃度越低，滲透越快；濃度越高，成品色澤越好。 抽空處理的條件和參數(shù)主要有： （1）真空度 真空度越高，空氣逸出越快，一般在 87~93kPa 為宜。成熟度高， 細胞壁較薄的果品真空度可低些，反之則要求高些。 （2）溫度 理論上抽空液溫度越高，滲透效果越好，但一般不宜超過 50℃。 （3）抽氣時間 果品的抽氣時間依品種而定，一般抽至抽空液滲入果塊，而呈 透明狀或半透明狀即可，生產(chǎn)時應做小型試驗。 （4）果蔬受抽面積 理論上受抽面積越大，抽氣效果越好。小塊比大塊好， 切開好于整果，皮核去掉的好于帶皮核的。但這應根據(jù)生產(chǎn)標準和果品的具體情況而 定。 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設計 7 第一章 果蔬原料摩擦擦皮機的結構設計 1.1 基本結構 該機采用立式機型，主要包括工作圓筒，工作轉盤，機架和傳動部分，見裝配圖。 1.1.1 工作圓筒 工作圓筒部分包括圓柱形工作筒和倒梯形集皮槽。它由熱軋鋼板卷焊而成（采用 熱軋鋼板是因為它具有良好的耐腐蝕性能承受一定的沖擊載荷，具有較高的硬度和耐 摩性，特別是對于此類食品加工設備，食品安全衛(wèi)生狀況最佳） 。筒內壁為粗糙表面， 以棕剛玉摻環(huán)氧樹脂澆注、烘干而成。圓筒的側壁開有帶活門的出料口，物料塊莖在 離心力的作用下甩出來，碰在出料門的內壁上并改變方向，以便于物料的收集。出料 口和排渣口的方位可根據(jù)接收容器的放置位置和方便操作來確定。 1.1.2 工作轉盤 工作轉盤是物料去皮過程中產(chǎn)生機械作用的主要部件。根據(jù)胡蘿卜、果蔬的生物 學特性及物理特性，吸收手工去皮的基本原理，確定轉盤的基本形狀為圓盤形，轉盤 表面為中心向四周輻射的凸起波紋狀。為增大物料和轉盤的摩擦，用棕剛玉摻環(huán)氧樹 脂通過模型澆注在盤的頂面上，大概 20mm 厚，經(jīng)烘干制成。亦具有一定的去皮作用。 轉盤下方設有隨盤一起轉動的擋水環(huán)，以防止清洗水進入軸承 [6]。 1.1.3 傳動系統(tǒng) 該傳動系統(tǒng)采用 V 帶一級傳動。電機安裝在機架上水，整機結構簡單、緊湊。 1.1.4 清洗裝置 工作圓筒下部設有排渣口，清洗水連同物料皮渣一起從這里排出。機械的出料口 后面設置一個清洗裝置，清洗裝置有機架和篩網(wǎng)組成，篩網(wǎng)由很多個半徑為 15mm 的 圓依次排列，用于物料出料斗后水沖洗的皮子和廢水一起流下，物料在篩網(wǎng)上面，實 現(xiàn)了物料和皮的分離，物料由傾斜篩網(wǎng)順勢往下排，由料斗收集。 1.2 工作原理 當去皮機工作時，工作轉盤旋轉，物料由斗形進料口加入，物料落到旋轉圓盤表 面上的波紋凸起上時，受離心力的作用由工作圓盤的中心向外運動，同時被拋起向筒 壁的粗糙表面并產(chǎn)生摩擦。物料不斷的沿工作圓筒壁運動，上升到頂蓋，又被頂蓋擋 回落入工作盤表面。物料在這樣的往復運動過程中，被猛烈翻滾攪動，從而形成了與 盤、筒壁及顆粒之間的以翻轉、揉搓摩擦為主，撞擊為輔的綜合機械作用效果，從而 達到去皮的目的。在摩擦去皮的同時，從進水孔注入清水，及時將擦下的皮通過轉盤 與筒壁的縫隙沖至排渣口排出機體。在不停機的情況下，打開出料口的活門，物料利 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設計 8 用離心力從出料口卸出。卸料前應停止注水，以防止活門打開后從出料口濺出。物料 落入左邊的清洗裝置上面后，受到噴灑出來的水的清洗，通過篩網(wǎng)皮就被沖出篩網(wǎng)， 物料留在了篩網(wǎng)上面，篩網(wǎng)的傾斜，收到重力作用和出料時的離心力，會順勢往下運 動，端末有個漏斗式的收集器。把物料收集起來從而實現(xiàn)物料收集。如果遇到篩網(wǎng)堵 塞可以手搖機架下放的曲柄搖桿機構，把篩網(wǎng)左右搖晃幾下，可以把篩網(wǎng)的皮沖走。 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設計 9 第二章 果蔬原料摩擦擦皮機的參數(shù)確定 2.1 物料在工作圓筒內的受力分析 物料在轉盤旋轉時的受力情況如下圖所示： 1 波紋 2 圓盤 圖 2.1 轉盤受力情況 設波紋角為 ,物料的速度為 V。當轉盤旋轉時推動物料 A 運動。其運動方向垂? 直于波紋切線。V 可以分解為 V 垂直 和 V 水平 ，CB 與轉盤平面平行，可以看作是轉盤 圓周速度 R，? 式中 為角速度（1/s）,R 為轉盤半徑（m） V 垂直 =Vcos = Rsin cos (2.1)??? Sin2 =2sin cos sin cos = 2sin 則 V 垂直 = R （m/s）2sin 物料從垂直方向拋起的動能 E 垂直 = mv2 垂直 = m( )2= m 2R2sin22 (N m)1si??81?? 此動能應等于勢能 mgh 即： m 2R2sin22 =mgh8 2R2sin22 =gh1?? 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設計 10 為了正常運轉，拋高 h 一定要超過物料在工作圓筒內的厚度，才能使最低層的物 料拋起與桶壁進行摩擦，所以用 代替 h，即? 2R2sin22 =g81??? 又因為 = ，代入上式得?30n? （ ） 2 R2sin22 = g8130n?? 化簡得 n=60 (r/min) (2.2)???2sing 角一般取 20。 －30 。? 為了正常運轉，僅把物料拋起還不行，還要保證物料能拋向側壁進行摩擦，拋向側壁 的力靠離心力為 C C= = = = （N ）Rmv 22)(?gRnG2)30(?92 此離心力應大于波紋對物料的摩擦力 T，才能使物料離開波紋拋向側壁，摩擦力 T=Gf(N) f 為摩擦系數(shù) 使 C T，即? Gf n = n 30 (轉/ 分) (2.3)90 2GR?2GRf90f?Rf 在設計計算時，應?。?） 、 （2）兩式中的大值作為轉速值，設計所選擇的 n 值。 2.2 工作轉盤轉速的確定 收購果蔬、胡蘿卜等物料時，其包裝以編織袋居多，每袋 25KG－30KG，工作時 每次倒入兩袋（以袋的整數(shù)倍為一次計量） ，下面以此確定整機的尺寸和轉速。 果蔬、胡蘿卜的容量根據(jù)資料查找，選取一般值 900kg/m ,果蔬、胡蘿卜的長度一般3 取在 50mm-200mm 之間考慮，轉盤半徑應與物料長度有一定的可比性，再考慮整機 結構以及外形尺寸。 根據(jù)設計選定工作轉盤半徑 R＝400mm，則物料的堆高，根據(jù)公式 ＝m 可2R??? 以估算出，物料的堆高值 ＝110mm? 由（1）式可知，在 小于 45。 時，轉速隨 的增大而降低，考慮轉速不宜太高?? 且能有較大的拋高，取 ＝25 。 ，則由（1）式計算轉速最小值為 n＝93r/min。 果蔬、胡蘿卜與磨料的摩擦系數(shù)為 1.1-1.3,取 f＝1.2。 由（2）式計算轉速 n=52r/min 取以上兩者中的大值。 但由于以上確定的轉速僅適用于理想物料情況，實際工作中，由于物料之間的相 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設計 11 互碰撞、摩擦和物料的彈性影響，物料在此轉速下達不到計算高度，故 n 應適當放大 結合考慮，故最終選定工作轉盤轉速 n＝150r/min。 2.3 果蔬原料擦皮機功率的確定 擦皮機的功率消耗包括： 克服物料對轉盤摩擦力所需要的功率 N ；1 克服物料對工作圓筒壁摩擦力所需要的功率 N ；2 轉盤拋起物料所作的功率 N ；3 傳動機構因摩擦而消耗的功率 N 4 以上功率分別以下公式 [9]計算 （W） (2.4) cpmM??1 式中 ————處于圓筒內物料的摩擦力矩（N m）mpM?mp = （N m）2RGf 式中 G———物料重力（N） f———摩擦系數(shù)（1.1—1.3） ———摩擦臂矩（m）2R CP———物料與圓盤的平均相對角速度（1/s）,采用最大角速度的 1/2? (2.5) 60)3(21ncp??? 故 （W） (2.6)?1NRGf160fn?cpyMN??2 式中 ——————在離心力的作用下物料與側壁的瞬時摩擦力矩 （N m）yM ? （N m） (2.7)Rfmy??2?? 式中 ————物料圓周速度（m/s）? R?————摩擦臂矩（ = ） （m）?8 = （N m） (2.8)fmMy??2 gfGfRf222???? 故 （W ）nfgfN48068 22??? 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設計 12 （W ）603GsnkN? 式中 s———————工作轉盤表面波紋高度（m） k—————— 波紋的數(shù)量 即傳動損失，可用傳動效率 表示（ =0.9）4N? 則消耗的總功率為： (2.9)? ??60481202321 GsnkgfnGfRN???? 化簡得 480)(2snkgffn??? （W） 結合上式根據(jù)經(jīng)驗公式，總功率可用以下式子進行估算 N＝ （W） (2.10)??M 式中Ｍ為轉盤轉矩（N M）, 為傳動效率?fGR? R 為摩擦臂矩（m） ，R ＝ 0.4D（D 為工作轉盤直徑） 根據(jù)上式則可算出工作轉盤轉矩 M＝192N M? 用近似值進行估算，達到生產(chǎn)要求所需的功率Ｎ＝3.5KW，考慮到電動機效率 及意外情況，取電動機功率 [10]為 4KW。 2.4 整機主要參數(shù)指標 型號 QP－100 工作轉盤直徑 800mm 轉速 150r/min 電動機 Y160M1－8 4KW（同步轉速 750r/min） 生產(chǎn)能力 2500kg/h(對果蔬、胡蘿卜 ) 每次投料量 50kg 每次去皮時間 約為 70 秒 去皮得率 95％ 去皮損耗率 5％? 清洗水耗量 3t/h 重量 500kg 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設計 13 第三章 主要零件的結構設計與計算 3.1 V 帶輪結構設計計算 由上述可知，電動機轉速為 750r/min，額定功率 P＝4KW，工作轉盤轉速為 150r/min，傳動比 =5，電動機滿載轉速 n=720r/min，一天運轉時間小于 10h。? 計算功率 Pca 由機械設計書表 8-6[11]查得工作情況系數(shù) K ＝1.1 故A P ＝K P＝4.4kw (3.1)caA 選取普通 V 帶帶型 根據(jù)Ｐ ,n 由圖 8-9[12]確定為 SPZ 型窄 V 帶ca1 確定帶輪基準直徑 由表 8-3 和表 8-7 取主動輪基準直徑 d =100mm1 根據(jù)式(8-15)，從動輪基準直徑 d = d =500mm2? 根據(jù)表 8-7,取 d ＝500mm2 按式（8-13 ）驗算帶的速度 106??dn?? ＝ ＝3.8m/s<35m/s10672? 故帶的速度合適。 確定普通 V 帶的基準長度和傳動中心距 根據(jù) 0.7(d + d )
120 (至少需要達到 90 )1???5712???ad??5748910????? ? 故可知主動輪的包角合適。 計算普通 V 帶的根數(shù) Z 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設計 14 由式（8-22 ）知 Z＝ (3.2)LcaKP?)(??? 由 n =720r/min，d ＝100mm， ＝5，查表 8-5c 和表 8-5d 得11? P ＝1.2kw P =0.12kw? ? 查表 8-8 得 K =0.87,查表 8-2，得 K ＝1.05 則?L Z＝ ＝3.6505.187.)12.0( 4?? 取 Z＝4 根（Z<10 合適） （g）計算預緊力 F ? 由式（8-3 ）知 F ＝500 (3.3)? 2)15.(qvKZPca???? 查表 8-4 得 q=0.07kg/m,故 F ＝ N=272.18N? ?????? ??2)8.3(07.)8.2(4.350 計算作用在軸上的壓軸力 F p 為了設計安裝帶輪的軸和軸承，必須確定傳動作用在軸上的力 F p 由式（8-24 ）得 F ＝2ZF sin =2 =1997(N)p?21?213sin8.74?? 帶輪結構設計 設計 V 帶輪時應滿足的要求有：質量小，結構工藝性好，無過大的鑄造內應力； 質量分布均勻，輪槽工作面要精細加工（表面粗糙度 [13]一般應為 3.2）,以減少帶的 磨損；各槽的尺寸和角度應保持一定的精度，以使載荷分布較為均勻等。帶輪的材料 [14]選取 HT200 的灰鑄鐵，結構為腹板式。見 V 帶輪附圖 [15]。 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設計 15 圖 3.1 V 帶輪簡圖 3.2 傳動主軸的結構設計計算 [16] 由于軸承的型號是根據(jù)軸端直徑確定的，而且軸的結構設計是在初步計算軸徑的 基礎上進行的，故 3.2.1 初步計算軸的直徑 軸的直徑可按照扭轉強度法進行估算，即 d=C P=3.5KW n=150r/min3np 式中Ｐ為軸傳遞的功率，kw;n 為軸的轉速，r/min;C 為由軸的材料和受載情況確定的 系數(shù)。軸用 45 號鋼材料，C 取 110。 則經(jīng)過計算 d =32mmmin 輸出軸的最小直徑顯然是安裝帶輪 2 的直徑，由于此傳動主軸開有兩個鍵槽，考 慮到鍵槽對軸的強度的削弱，則 d ＝32+32minm8.36%15?? 考慮到車螺紋，故取最小軸徑 d=55mm 3.2.2 擬定軸上零件的裝配方案 本軸的零件的裝配方案見裝配圖 軸的結構圖見零件附圖 1 3.2.3 根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設計 16 L 段的軸段21? 為了滿足工作轉盤的軸向定位要求，考慮反轉螺帽的旋入深度，工作轉盤的厚度， 此軸段所車的螺紋長度為 25mm，總長 L 90mm,直徑 d=55mm21? L 段的軸段32? 此段安裝有軸承，考慮工作圓筒內的集皮空間和機架的厚度，此軸段的總長（由 于此處選用凸緣式軸承蓋進行密封，則軸承蓋連接螺釘直徑選 M10,數(shù)目 6 個） L ＝ 100mm，直徑 d＝65mm32? L 段的軸段4 此段主要是處于立式軸承座中，進行軸承的軸向固定起承載作用，故長度根據(jù)估算取 L ＝60mm d=74mm43? L 段的軸段5 此段的軸長主要是與大帶輪發(fā)生聯(lián)系，在其上安裝有軸承，根據(jù)大帶輪的帶輪寬 B＝（ Z－1） =52mm,綜合考慮取此處 L ＝90mm,d=65mmf2??54? Ｌ 段的軸段65? 此段用來安裝大帶輪，由以上的大帶輪寬度可取此處軸段長度 L ＝ 52mm,d=55mm。65? 圖 3.2 傳動軸簡圖 3.2.4 軸上零件的周向定位 工作圓筒和大帶輪的周向定位均采用平鍵聯(lián)接 d=由機械設計手冊查 [17]得所選用的平鍵截面 b (mm)(GB/T1095-1979),106??h 鍵槽用鍵槽銑刀加工，與工作轉盤相連的鍵槽長取 45mm，也大帶輪相連的鍵槽長取 32mm（標準鍵長見 GB/T1096-1979）,同時為了保證大帶輪與軸配合有良好的對中性， 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設計 17 故選擇大帶輪輪轂與軸的配合為 H7/n6,滾動軸承與軸的周向定位是借過渡配合來保證 的，此處選軸的直徑尺寸公差 [18]是 n6。 3.2.5 確定軸上圓角和倒角尺寸 參考機械設計書，表 15-2，取軸端倒角為 ?452? 3.3 滾動軸承的初步選擇 因軸承同時受有徑向力和軸向力的作用，故選用角接觸球軸承，按照工作要求并 根據(jù) d=65mm，由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取 0 基本游隙組，標準精度級的角接觸球軸 承 7213AC，其尺寸為 ,成對使用，安裝在立式軸承座上。23165???BDd 同時在驅動端安裝一個膜片式彈簧圈對軸施加預載荷，所以可以保證主軸系統(tǒng)無游隙 運動和高剛度，這樣可以避免無載荷軸承在高速下可能出現(xiàn)的球打滑現(xiàn)象，球打滑可 能會引起表面變粗糙，提高運轉噪聲。 軸承的潤滑：該滾動軸承采用脂潤滑。潤滑脂是增稠劑和基礎油的混合物，可分 為以下潤滑脂類型：（1）由金屬皂作為增稠劑與潤滑油所構成的金屬皂基潤滑脂。 （2）由無機膠凝劑式有機增稠劑與潤滑油構成的非皂基潤滑脂。 （3）由有機式無機 增稠劑與合成油構成的合成潤滑脂。該軸承選用 2 號鈣基脂為潤滑脂。該軸承為長壽 命潤滑脂潤滑，潤滑間隔為一年。 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設計 18 第四章 軸的相關計算 4.1 滾動軸承的壽命計算 [19] 在確定滾動軸承的支點位置時，應從手冊中查取 a 值，對于 7213AC 型角接觸球 軸承，由手冊查得 a=25mm,因此作為外伸梁的軸的支撐跨距 L＝25+60+25=110mm 求出軸承的徑向載荷 09101???prF)(2 根據(jù)計算得出 則兩者的方向相反NFr165??Nr3642 又因為 Gae70. 現(xiàn)以 為計算滾動軸承來校核軸承壽命2r 因為 2＝0.21 0.68 P= =3649N?rF 則所選用的滾動軸承的壽命為 (4.1) ?)(601PCnLh? 對于球軸承而言 ＝3? 查表知 7213AC 型角接觸球軸承的基本額定動載荷 C=51200N 根據(jù)上式計算其壽命得出 ，滿足工作要求hh394? 又對所選角接觸球軸承的靜載荷進行討論 NC4320?? aerFP76.0??? 顯然 ??PS? 綜合可知，所選的 7213AC 型角接觸球軸承符合工作要求 。 4.2 軸的計算和校核 4.2.1 做出軸的計算簡圖 結合 7213AC 型角接觸球軸承的計算數(shù)據(jù)，做出如下的軸的彎矩扭矩圖 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設計 19 圖 4.1 軸的彎矩扭矩圖 4.2.2 軸的強度校核計算 根據(jù)軸的彎矩扭矩圖可知其危險截面為軸承一所在支點處截面，根據(jù)軸的具體受 載及應力情況，可知該軸為傳動軸，主要承受扭矩。則按扭矩強度條件計算?？紤]還 受有不大的彎矩，則用降低許用扭矩切應力的方法予以考慮 軸的扭矩強度條件為： (4.2)??TTdn PW?????32.095 式中： ------- 扭轉切應力，單位為 ；T? aM T ------- 軸所受的扭矩，單位為 ；mN? ------- 軸的抗扭截面系數(shù)，單位為 mm ；T 3 N ------- 軸的轉速，單位為 r/min； P ------- 軸傳遞的功率，單位為 km； D ------- 計算截面處軸的直徑，單位為 mm ------- 許用扭轉切應力，單位為??T? aMP 此軸選用 45 號鋼， 值為 25-45 之間??T? 而通過對軸的計算， ＝5.1 =8.5minamaxT?a ,故軸的扭轉條件符合要求。T???? 4.2.3 按彎扭合成應力校核軸的強度 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設計 20 進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險截面）的強度， 由此軸的彎扭圖可知，其危險截面為軸承一所在支點處截面，根據(jù)機械設計書 [20]中 式（15-5 ） 及上表中的數(shù)值，并取 ，軸的計算應力3.0?? (4.3)2)(WTMca??? ＝WTMca 22)(???32651.09087?）（ 7?aMPa60?aP 以選定的軸的材料是 45 號鋼，調制處理。由表 15-1 查得 ＝60 。故安全。??1?? 4.2.4 軸的扭轉剛度校核計算 軸的扭轉變形用每米長的扭轉角 來表示? ＝ ??? ZPILTG14073.5? 式中：T ------- 軸所受的扭矩，單位為 mN? G ------- 軸的材料的剪切彈性模量，單位為 ，對于鋼材，Ｇ＝aM410.8?aMP ------- 軸截面的極慣性矩，單位為 mm ，對于圓軸， ＝I 4PI32 4d? L ------- 階梯軸受扭轉作用的長度，單位為 m. ------- 分別代表階梯軸第 段上所受的扭矩、長度和極慣性矩，單位??PIT, ? 同前 Z ------- 階梯軸受扭轉作用的軸段數(shù) 綜合上式計算出 ?m/)(32.0?? 為軸每米長的允許扭轉角，與軸的使用均合有關，對于一般的傳動軸，可取 ＝??? ??? ；對于精密傳動軸可取 ＝ 。對于精度要求不高的軸，m/)(15.0???????m/5.02?? 可大于 顯然對于本設計中所涉及的軸為一般的傳動軸， ，符合扭轉剛度要求。???? 綜上所述，設計的軸滿足工作要求。 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設計 21 結 論 隨著食品工業(yè)的發(fā)展，食品深加工已越來越被世界重視，特別是快餐和方便食品 的誕生，促使保鮮脫水蔬菜工業(yè)迅速發(fā)展起來。美國是世界上最大的果蔬生產(chǎn)國和出 口國。該產(chǎn)業(yè)給美國帶來了巨大的經(jīng)濟效益。近二十年來，繼美國之后，德、法、荷 蘭、英、瑞士、丹麥、加拿大、日本等國家，也在致力于發(fā)展果蔬食品加工業(yè)，從而 使世界果蔬食品加工業(yè)進入到當今興旺發(fā)達的階段。綜觀我國的果蔬加工產(chǎn)業(yè)，雖然 我國的果蔬種植面積居世界第一，但卻產(chǎn)生了我國有巨大果蔬產(chǎn)量卻需要巨額進口的 強烈反差。一方面我國有著巨大的市場需求，另一方面又是嚴重不足的生產(chǎn)加工能力。 隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國事物消費結構也在發(fā)生巨大的變化，快餐和休閑食品的消費將 快速增長，同時果蔬的消費趨勢也將呈現(xiàn)多樣化，其衍生產(chǎn)品的工業(yè)需求正在迅速增 加，而果蔬加工方面的機械卻很少，而且很少實現(xiàn)機械化。從宏觀上看，一方面加入 WTO 提供了巨大的發(fā)展機遇，另一方面還有著 13 億人口的國內消費市場，可見果蔬 等果蔬原料的加工將煥發(fā)無窮的魅力也勢在必行。 本課題的提出就是基于上述的實際需要出發(fā)，尤其是考慮到任何一種形式的果蔬 原料加工，去皮都是其中一項必不可少且重要的操作環(huán)節(jié)。去皮效率的高低和安全衛(wèi) 生性將直接影響果蔬原料加工的效益。針對這些特點所采取的設計方案不僅從實際產(chǎn) 量要求出發(fā)，而且還結合經(jīng)濟最優(yōu)化，以達到最低成本產(chǎn)生最大收益。本設計利用電 動機為動力源，物料在圓筒形容器中，通過傳動軸的作用，依靠帶有磨料的工作轉盤 在中速或高速旋轉中形成與工作轉盤、筒壁及物料顆粒之間的翻轉、揉搓摩擦為主， 撞擊為輔的綜合機械作用效果從而達到去皮的目的。因此可知本課題的設計方案所依 據(jù)的理論，證明是完全可行的。 本課題的設計涉及到機械制造、機械設計、理論力學、材料力學、工程材料基礎 等多種學科的知識。主要內容包括果蔬原料去皮機的結構設計、物料的受力分析、主 要參數(shù)的選擇確定、主要零件的校核及分析說明，有完整的理論闡述和設計計算，并 附有大量的裝配和零件圖，更加直觀的對整個設計加以論證。其中對果蔬原料去皮機 的關鍵部件——傳動軸作了詳細的力學分析和計算，并繪制出彎矩扭矩圖，通過理論 以及大量的計算闡述了傳動軸結構的可行性和性能特點。同時工作圓筒的結構設計也 是基于相應的理論依據(jù)、計算，大量文獻資料的閱讀，對出售相應機械產(chǎn)品公司的網(wǎng) 上查閱了解所確定的。由上可知，本設計基本實現(xiàn)了果蔬原料去皮機的去皮要求，是 一種切實可行的設計方案。 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設計 22 致 謝 本論文是在吳翠紅老師的悉心指導和熱情關懷下完成，大學四年的最后階段、也 是最重要的一個階段便是畢業(yè)設計。它是對大學四年所學知識的系統(tǒng)運用和總結，它 將我們在書本上所學的理論知識和實際工作需要密切結合起來，從而使這些知識得到 進一步的鞏固、加深和擴展。通過此次畢業(yè)設計，使我在設計、計算、繪圖、查找相 關設計資料等方面的專業(yè)能力得到了充分的鍛煉。 畢業(yè)設計的工作量是巨大的，從找資料到設計的過程中，花費了大量的時間和精 力，從一籌莫展到漸入佳境，從中體會到了做為一個工科學生需要具備的素質：嚴謹、 耐心、踏實、執(zhí)著和沉毅，更需對自己所學專業(yè)的喜愛和鉆研精神?？粗?jīng)過幾個月 的努力，這項充滿自己心血的設計任務得到初步的完成，心中充滿喜悅和成就感。本 設計在完成過程中，得到了吳翠紅老師的精心指導，從課題的確定到設計的步步進行 的整個過程中都始終耐心仔細的指導我，使我從中獲益良多，充實了許多課本中沒有 掌握牢固的知識，使整個設計能夠按照預定的計劃完成。 本人主要負責果蔬原料摩擦擦皮機的工作原理、結構、受力分析及主要參數(shù)確定 等部分的設計，由于自己知識和實際經(jīng)驗的局限，錯誤和不足之處在所難免，請廣大 老師和同學批評指正，讓我在專業(yè)知識方面更上一層樓。我的設計能夠順利完成與所 有幫助和關心過我的老師、同學是分不開的，為此我再次表示衷心的感謝！ 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設計 23 參考文獻 [1]施平主編．機械工程專業(yè)英語教程[M]．電子工業(yè)出版社:56-67. 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