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塔里木大學(xué)
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書(shū)
學(xué)院
機(jī)械電氣化工程學(xué)院
班級(jí)
數(shù)控13
學(xué)生姓名
石峰
學(xué)號(hào)
8042210016
課題名稱
花生去殼機(jī)的設(shè)計(jì)
起止時(shí)間
2012年 10 月 15 日—— 2013年5 月19日（共 14周）
指導(dǎo)教師
安靜
職稱
講師
課題內(nèi)容
傳統(tǒng)的剝殼為人力手工剝殼，手工剝殼不僅手指易疲勞、受傷，而且工效很低，所以花生產(chǎn)區(qū)廣大農(nóng)民迫切要求用機(jī)器來(lái)代替手工剝殼。去殼機(jī)是指將花生果外殼破碎的一種機(jī)械設(shè)備。
擬定工作進(jìn)度（以周為單位）
第1周—第2周 通過(guò)查找文獻(xiàn)資料，了解國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀。了解相關(guān)的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域及其有關(guān)的交集使用產(chǎn)品。
第2周—第5周 設(shè)計(jì)總體方案。
第6周—第9周 結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。繪制零件圖紙，尋找問(wèn)題解決問(wèn)題。
第10周—第12周 撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，對(duì)部分問(wèn)題修改、調(diào)整。
第13周—第14周 整理資料準(zhǔn)備答辯。
主要參考文獻(xiàn)
[1]石懷榮,芮延年. 新型錐體式花生碎殼機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究,2011,(01):111-114..
[2]張亞偉,錢(qián)俊. 剝皮/去殼設(shè)備的現(xiàn)狀及發(fā)展展望[J]. 木材加工機(jī)械,2008,(02):47-50+35.
[3]花生去殼機(jī)[J]. 資源開(kāi)發(fā)與市場(chǎng),2000,(04):255.
[4]尚書(shū)旗,劉曙光,王方燕.花生生產(chǎn)機(jī)械的應(yīng)用現(xiàn)狀與進(jìn)展分析[J].花生學(xué)報(bào),2003,(增刊)：509～517.
[5]李建東,梁寶忠,郝新明,李洋,尚書(shū)旗.鋼齒雙輥筒式花生脫殼裝置的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備,2008,(6)：35～37.
[6]王智才．我國(guó)農(nóng)機(jī)市場(chǎng)需求及發(fā)展前景[J]．農(nóng)機(jī)質(zhì)量與監(jiān)督，2002，(5)45
[7]段淑芬，胡文廣，李秀平，等．世界花生生產(chǎn)現(xiàn)狀分析[J]．花生學(xué)報(bào)，1999，(增刊)3
[8]袁金生. 花生紅衣脫除機(jī)的研制[J]. 食品研究與開(kāi)發(fā),1991,(01):25-26.
[9]易苗苗. 花生深加工及其綜合利用[D].合肥工業(yè)大學(xué),2010.74-75
任務(wù)下達(dá)人（簽字）
年 月 日
任務(wù)接受人意見(jiàn)
任務(wù)接受人簽名
年 月 日
注：1、此任務(wù)書(shū)由指導(dǎo)教師填寫(xiě)，任務(wù)下達(dá)人為指導(dǎo)教師。
2、此任務(wù)書(shū)須在學(xué)生畢業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)開(kāi)始前一周下達(dá)給學(xué)生本人。
3、此任務(wù)書(shū)一式三份，一份留學(xué)院存檔，一份學(xué)生本人留存，一份指導(dǎo)教師留存。
塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)
13 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)
花生去殼機(jī)的設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名 石 峰
學(xué) 號(hào) 8042210016
所屬學(xué)院 機(jī)械電氣化工程學(xué)院
專 業(yè) 數(shù)控技術(shù)應(yīng)用
班 級(jí) 13
指導(dǎo)教師 安靜
日 期 2013.05
塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院制
14
前 言
花生在加工或作為出口商品時(shí)，需要進(jìn)行剝殼加工。花生在制取油脂時(shí)，剝殼的目的是為了提高出油率，提高毛油和餅粕的質(zhì)量，利于軋胚等后續(xù)工序的進(jìn)行和皮殼的綜合利用。傳統(tǒng)的剝殼為人力手工剝殼，手工剝殼不僅手指易疲勞、受傷，而且工效很低，所以花生產(chǎn)區(qū)廣大農(nóng)民迫切要求用機(jī)器來(lái)代替手工剝殼。花生剝殼機(jī)的誕生在很大程度上改變了這種局面，使花生產(chǎn)區(qū)的農(nóng)民不必再采用最原始的剝殼方法進(jìn)行剝殼，從而大大地減輕了農(nóng)民的體力勞動(dòng)，同時(shí)還提高了花生剝殼的效率。
花生脫殼機(jī)是將花生莢果去掉外殼而得到花生仁的場(chǎng)上作業(yè)機(jī)械。由于花生本身的生理特點(diǎn)決定了花生脫殼不能與花生的田間收獲一起進(jìn)行，隨著花生產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，花生手工脫殼已無(wú)法滿足高效生產(chǎn)的要求，實(shí)行脫殼機(jī)械化迫在眉睫。
目錄
1 緒論 1
1.1 課題研究的目的和意義 1
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析 1
2 花生去殼機(jī)存在的問(wèn)題 3
3 花生脫殼機(jī)械的研究應(yīng)用現(xiàn)狀 4
3.1 目前花生脫殼機(jī)采用的脫殼原理 4
3.2 新型脫殼技術(shù) 5
3.3 花生脫殼機(jī)械的工藝研究 5
4 花生脫殼機(jī)械研究重點(diǎn) 6
4.1 提高花生脫殼機(jī)械的通用性和適應(yīng)性 6
4.2 提高機(jī)械脫殼率 6
4.3 向自動(dòng)控制和自動(dòng)化方向發(fā)展 6
5 總體方案的確定 7
5.1 脫殼原理 7
5.2 工作原理 7
6 花生脫殼機(jī)的設(shè)計(jì) 7
6.1 轉(zhuǎn)軸部件的半徑和轉(zhuǎn)速 7
6.2 脫殼功率 9
6.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 9
6.4 傳動(dòng)方式 10
6.5 凹板篩 10
6.6 料斗 10
6.7 箱體 11
6.8 仁殼分離裝置 11
6.9轉(zhuǎn)軸部件臨界轉(zhuǎn)速的校核 11
總 結(jié) 12
致 謝 13
參考文獻(xiàn) 14
1 緒論
1.1 課題研究的目的和意義
花生中富含脂肪和蛋白質(zhì)，既是主要的食用植物油來(lái)源，而且又可提供豐富的植物蛋白質(zhì)。利用花生或脫脂后的花生餅粕的蛋白粉，可直接用于焙烤食用，也可作為肉制品、乳制口、糖果和煎炸食品的原料或添加劑。以花生蛋白粉為原料或添加劑制成的食品，既提高了蛋白質(zhì)含量，又改善了其功能特性。花生蛋白粉還可以通過(guò)高壓膨化制成蛋白肉?；ㄉ鞘秤弥参镉凸I(yè)的重要原料，利用花生油可制造人造奶油、起酥油、色拉油、調(diào)和油等，也可用作工業(yè)原料?；ㄉ?jīng)簡(jiǎn)單加工就可食用外，經(jīng)深加工還可以制成營(yíng)養(yǎng)豐富，色、香、味俱佳的各種食品和保健品?；ㄉ庸じ碑a(chǎn)品花生殼和花生餅粕等可以綜合利用，加工增值，提高經(jīng)濟(jì)效益。
花生在制取油脂、制取花生蛋白、生產(chǎn)花生儀器以及在花生貿(mào)易出口時(shí)，都需要對(duì)花生進(jìn)行預(yù)處理加工?；ㄉ念A(yù)處理主要包括花生的剝殼和分級(jí)、破碎、軋胚和蒸炒等。
花生在加工或作為出口商品時(shí)，需要進(jìn)行剝殼加工?；ㄉ谥迫∮椭瑫r(shí)，剝殼的目的是為了提高出油率，提高毛油和餅粕的質(zhì)量，利于軋胚等后續(xù)工序的進(jìn)行和皮殼的綜合利用。傳統(tǒng)的剝殼為人力手工剝殼，手工剝殼不僅手指易疲勞、受傷，而且工效很低，所以花生產(chǎn)區(qū)廣大農(nóng)民迫切要求用機(jī)器來(lái)代替手工剝殼?；ㄉ鷦儦C(jī)的誕生在很大程度上改變了這種局面，使花生產(chǎn)區(qū)的農(nóng)民不必再采用最原始的剝殼方法進(jìn)行剝殼，從而大大地減輕了農(nóng)民的體力勞動(dòng)，同時(shí)還提高了花生剝殼的效率。
花生脫殼機(jī)是將花生莢果去掉外殼而得到花生仁的場(chǎng)上作業(yè)機(jī)械。由于花生本身的生理特點(diǎn)決定了花生脫殼不能與花生的田間收獲一起進(jìn)行，隨著花生產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，花生手工脫殼已無(wú)法滿足高效生產(chǎn)的要求，實(shí)行脫殼機(jī)械化迫在眉睫。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析
國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在花生脫殼方面研究起步較早,脫殼技術(shù)與設(shè)備較先進(jìn)[1]。20世紀(jì)80年代初，美國(guó)的LIANG 研制了一種脫殼設(shè)備,能夠在對(duì)物料尺寸分級(jí)的同時(shí)對(duì)其進(jìn)行破殼。美國(guó)的Prussia和Verma又試圖通過(guò)碰撞的機(jī)理研制種新型脫殼設(shè)備。目前,國(guó)外一些技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家,花生脫殼已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化。我國(guó)花生脫殼機(jī)的研制自1965年原八機(jī)部下達(dá)花生脫殼機(jī)的研制課題以來(lái)，已有幾十種花生脫殼機(jī)問(wèn)世。只進(jìn)行單一脫殼功能的花生脫殼機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，以小型家用為主的花生脫殼機(jī)在我國(guó)一些地區(qū)廣泛應(yīng)用，能夠完成脫殼、分離、清選和分級(jí)功能的較大型花生脫殼機(jī)在一些大批量花生加工的企業(yè)中應(yīng)用較為普遍。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的花生脫殼機(jī)種類很多，如6BH一60型花生剝殼機(jī)、6BH一20B型花生剝殼機(jī)、6BH一20型花生脫殼機(jī)等，其作業(yè)效率為人工作業(yè)效率的2O～60倍以上。錦州俏牌集團(tuán)生產(chǎn)的TFHS1500型花生除雜脫殼分選機(jī)組一次能實(shí)現(xiàn)花生原料的脫殼、除皮、分選，是一種比較先進(jìn)的花生后期生產(chǎn)機(jī)械。偉民牌6BH一720型花生脫殼機(jī)帶有復(fù)脫、分級(jí)裝置，采用搓板式脫殼、風(fēng)力初選、比重分離清選等裝置，具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作靈活方便、脫凈率高、消耗動(dòng)力小等特點(diǎn)。6BK一22型花生脫殼機(jī)是一種一次喂料就可完成花生脫殼工作的機(jī)械，經(jīng)風(fēng)力初選、風(fēng)扇振動(dòng)、分層分離、復(fù)脫清選分級(jí)后的花生仁可直接裝袋入庫(kù)。6BH一1800型花生脫殼機(jī)械采用了三軋輥混合脫殼結(jié)構(gòu)，能夠進(jìn)行二次脫殼。而隨著我國(guó)花生產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步調(diào)整，花生產(chǎn)量逐年增加，花生的機(jī)械化脫殼程度將大幅提高，花生脫殼機(jī)械將擁有廣闊的發(fā)展前景。
花生剝殼的原理很多，因此產(chǎn)生了很多種不同的花生剝殼機(jī)械?；ㄉ鷦儦げ考腔ㄉ鷦儦C(jī)的關(guān)鍵工作部件，剝殼部件的技術(shù)水平?jīng)Q定了機(jī)具作業(yè)剛花生仁破碎率、花生果一次剝凈率及生產(chǎn)效率等重要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。在目前的生產(chǎn)銷售中，花生仁破碎率是社會(huì)最為關(guān)心的主要指標(biāo)。
八十年代以前的花生剝殼機(jī)械，破碎率一般都大于8%，有時(shí)高達(dá)l5%以上。加工出的花生仁，只能用來(lái)榨油，不能作種用，也達(dá)到出口標(biāo)準(zhǔn)。為了降低破碎率而探討新的剝殼原理，研制新式剝殼部件，便有了刮板式花生剝殼機(jī)。自1983年以來(lái)，在已有的花生剝殼部件的研制基礎(chǔ)上，我國(guó)又相繼研制了多種不同結(jié)構(gòu)型式的新式剝殼部件，其主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，特別是破殼率指標(biāo)大有改善。
以下介紹一下我國(guó)上個(gè)世紀(jì)幾種主要的花生剝殼部件:
（1）封閉式紋桿滾筒，柵條凹板式花生剝殼部件
六十年代初， 我國(guó)在吸收國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上，研制了TH-340型花生剝殼機(jī)，其剝殼部件是在一個(gè)圓筒上鑲上若干根紋桿組成的封閉式紋桿滾筒，下面裝有若干根圓鋼條組成的柵條式凹板。
在該機(jī)構(gòu)中花生進(jìn)口大(3O-50mm)，出口小(1O-25mm)，工作時(shí)，花生果在滾筒的推動(dòng)下由進(jìn)口向出口端運(yùn)動(dòng)，在滾筒和凹板的沖擊、擠壓、揉搓作用下直接脫殼，花生受列剝殼機(jī)的直接搓擦作用，系強(qiáng)制脫殼，故破碎率高。剝殼時(shí)， 直徑同凹板柵縫一樣大小的單粒果及雙粒果便從柵縫中分離出來(lái)，所以一次剝凈率低，最高80％。為了將混在一起的花生仁和未脫果分離開(kāi)來(lái)，采用柵條式凹板的剝殼機(jī)一般要配置分離機(jī)構(gòu)。后來(lái)研制并生產(chǎn)的TH-47O型，6 BH-570型等型式的剝殼機(jī)，結(jié)構(gòu)與其大同小異，剝殼質(zhì)量均不理想。
（2）封閉橡膠板滾筒，直立橡膠板式剝殼部件
該機(jī)的剝殼部件是由封閉膠輥和直立膠板組成，剝殼原理系擠壓式作業(yè)時(shí)，花生果在膠輥的推動(dòng)下，通過(guò)剝殼間隙(5—20mm)，由膠輥和膠板的擠壓作用脫殼，避開(kāi)了剝殼部件。
（3）開(kāi)式紋桿滾筒，編織凹板式花生剝殼部件
剝殼部件采用了由兩根金屬紋桿組成的開(kāi)式紋桿滾筒和用編織絲網(wǎng)制成的編織凹板。作業(yè)時(shí)，花生果在滾筒的推動(dòng)下，受擠壓揉搓脫殼，該結(jié)構(gòu)與封閉滾筒式不同，花生果受到開(kāi)式滾筒的攪拌作用，剝殼力帶有柔性，故其破碎率較低，可控制在3%-5% 。另外，與柵條式凹板不同，因系編織網(wǎng)孔凹板，剝殼時(shí)，只有直徑小于網(wǎng)孔尺寸的單粒癟果末脫殼而被網(wǎng)孔分離，雙粒長(zhǎng)果則漏不出來(lái)，仍被剝殼，故剝凈率較高。
（4）立式剝殼機(jī)構(gòu)
剝殼部件采用了由兩根扁鋼條焊接而成的立式轉(zhuǎn)子，下面裝著用編織絲網(wǎng)制成的編織平底篩。在剝殼室內(nèi)，花生果受立式轉(zhuǎn)子的推動(dòng)而相互磨擦，從而達(dá)到剝殼的目的，此方法系柔性揉搓剝殼。實(shí)踐證明，該機(jī)破碎率較低，可控制在3％以下。其缺點(diǎn)是由于采用立式傳動(dòng)，故傳動(dòng)機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜。
（5)開(kāi)式扁條滾筒，編織凹板式花生剝殼部件
采用了由三根扁鋼條制成的開(kāi)式隨滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，在滾筒和凹板之間形成一個(gè)活動(dòng)層，花生果在該活動(dòng)層內(nèi)互相揉搓而脫殼。由于在該機(jī)構(gòu)中，避開(kāi)了剝殼部件的直接擠壓， 沖擊的作用，而是花生搓花生，系柔性剝殼，故破碎率較低， 該機(jī)鑒定時(shí)實(shí)測(cè)破傷率(破碎率+損傷率)為91%。另外脫凈率及生產(chǎn)效率等指標(biāo)亦較理想。
目前國(guó)內(nèi)花生脫殼技術(shù)及設(shè)備在技術(shù)性能和作業(yè)環(huán)節(jié)方面,存在作業(yè)質(zhì)量差、性能不穩(wěn)定、通用性差、脫殼率低以及破損率高等諸多問(wèn)題,制約了花生統(tǒng)一供種和精深加工業(yè)的有效發(fā)展。因此,提高花生脫殼技術(shù)及設(shè)備的適用性、穩(wěn)定性,降低破碎率和損傷率是我國(guó)今后研制花生脫殼技術(shù)及設(shè)備的關(guān)鍵問(wèn)題。
2 花生去殼機(jī)存在的問(wèn)題
目前我國(guó)在花生脫殼技術(shù)研究方面一直沒(méi)有大的突破，資金投入也不足，脫殼部件的研制仍在2O世紀(jì)90年代初的技術(shù)水平上徘徊，所以在脫殼性能上并沒(méi)有很大的提高。由于機(jī)械脫殼時(shí)對(duì)花生仁的損傷率偏高，用于種子和較長(zhǎng)期貯存的花生仁至今仍是手工剝殼。脫殼機(jī)械在技術(shù)性能和作業(yè)環(huán)節(jié)上存在以下問(wèn)題：
① 脫殼率低，脫殼后的果仁破損率高，損失大。
② 機(jī)具性能不穩(wěn)定，適應(yīng)性差。
③ 通用性差，利用率低。
④ 作業(yè)成本偏高，多數(shù)是單機(jī)制造，制造的工藝水平較低，同時(shí)能耗較高。
⑤ 有些產(chǎn)品僅進(jìn)行了樣機(jī)試制或少量試生產(chǎn)，未進(jìn)行大量生產(chǎn)性考核和示范應(yīng)用，作業(yè)性能及商品性等方面還存在不少問(wèn)題。
3 花生脫殼機(jī)械的研究應(yīng)用現(xiàn)狀
目前國(guó)內(nèi)花生脫殼機(jī)從其脫殼原理、結(jié)構(gòu)和材料上基本可分為以打擊、揉搓為主的鋼紋桿--鋼柵條凹板 以擠壓、揉搓為主的橡膠滾筒--橡膠浮動(dòng)凹板兩大類，但脫殼質(zhì)量均不高，破損率都大于8%，剝出的花生米只能用于榨油和食用，滿足不了外貿(mào)出口和作種子的要求。探索先進(jìn)的脫殼原理是解決脫殼機(jī)現(xiàn)存問(wèn)題的重要途徑。
3.1 目前花生脫殼機(jī)采用的脫殼原理
目前應(yīng)用比較廣泛的花生機(jī)械脫殼原理有以下幾種：
①撞擊法脫殼 撞擊法脫殼是物料高速運(yùn)動(dòng)時(shí)突然受阻而受到?jīng)_擊力，使外殼破碎而實(shí)現(xiàn)脫殼的目的。其典型設(shè)備為由高速回轉(zhuǎn)甩料盤(pán)及固定在甩料盤(pán)周圍的粗糙壁板組成的離心脫殼機(jī)。甩料盤(pán)使花生莢果產(chǎn)生一個(gè)較大的離心力撞擊壁面，只要撞擊力足夠大，莢果外殼就會(huì)產(chǎn)生較大的變形，進(jìn)而形成裂縫。當(dāng)莢果離開(kāi)壁面時(shí)，由于外殼具有不同的彈性變形而產(chǎn)生不同的運(yùn)動(dòng)速度，莢果所受到的彈性力較小，運(yùn)動(dòng)速度也不如外殼，阻止了外殼迅速向外移動(dòng)而使其在裂縫處裂開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)籽粒的脫殼。撞擊脫殼法適合于仁殼間結(jié)合力小，仁殼間隙較大且外殼較脆的莢果。影響離心式脫殼機(jī)脫殼質(zhì)量的因素有，籽粒的水分含量、甩料盤(pán)的轉(zhuǎn)速、甩料盤(pán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等。
②碾搓法脫殼 花生莢果在固定磨片和運(yùn)動(dòng)著的磨片間受到強(qiáng)烈的碾搓作用，使莢果的外殼被撕裂而實(shí)現(xiàn)脫殼。其典型的設(shè)備為由一個(gè)固定圓盤(pán)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)組成的圓盤(pán)剝殼機(jī)。莢果經(jīng)進(jìn)料口進(jìn)入定磨片和動(dòng)磨片的間隙中，動(dòng)磨片轉(zhuǎn)動(dòng)的離心力使籽粒沿徑向向外運(yùn)動(dòng)，也使莢果與定磨片問(wèn)產(chǎn)生方向相反的摩擦力；同時(shí)，磨片上的牙齒不斷對(duì)外殼進(jìn)行切裂，在摩擦力與剪切力的共同作用下使外殼產(chǎn)生裂紋直至破裂，并與殼仁脫離，達(dá)到脫殼的目的。該種方法影響因素有，莢果的水分含量、圓盤(pán)的直經(jīng)、轉(zhuǎn)速高低、磨片之間工作間隙的大小、磨片上槽紋的形狀和莢果的均勻度等。
③剪切法脫殼 花生莢果在固定刀架和轉(zhuǎn)鼓間受到相對(duì)運(yùn)動(dòng)著的刀板的剪切力的作用，外殼被切裂并打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)外殼與果仁的分離。其典型設(shè)備為由刀板轉(zhuǎn)鼓和刀板座為主要工作部件的刀板剝殼機(jī)。在刀板轉(zhuǎn)鼓和刀板座上均裝有刀板，刀板座呈凹形，帶有調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可根據(jù)花生莢果的大小調(diào)節(jié)刀板座與刀板轉(zhuǎn)鼓之間的間隙。當(dāng)?shù)栋遛D(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)時(shí)，與刀板之間產(chǎn)生剪切作用，使物料外殼破裂和脫落。主要適用于棉籽，特別是帶絨棉籽的剝殼，剝殼效果較好。由于其工作面較小，故易發(fā)生漏籽現(xiàn)象，重剝率較高。該種方法影響因素有，原料水分含量、轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的高低、刀板之間的間隙大小等。
④擠壓法脫殼 擠壓法脫殼是靠一對(duì)直徑相同轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，轉(zhuǎn)速相等的圓柱輥，調(diào)整到適當(dāng)間隙，使花生莢果通過(guò)間隙時(shí)受到輥的擠壓而破殼。莢果能否順利地進(jìn)入兩擠壓輥的間隙，取決于擠壓輥及與莢果接觸的情況。要使莢果在兩擠壓輥間被擠壓破殼，莢果首先必須被夾住，然后被卷入兩輥間隙。兩擠壓輥間的間隙大小是影響籽粒破損率和脫殼率高低的重要因素。
⑤搓撕法脫殼 搓撕法脫殼是利用相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的橡膠輥筒對(duì)籽粒進(jìn)行搓撕作用而進(jìn)行脫殼的。兩只膠輥水平放置，分別以不同轉(zhuǎn)速相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，輥面之間存在一定的線速差，橡膠輥具有一定的彈性．其摩擦系數(shù)較大?；ㄉv果進(jìn)入膠輥工作區(qū)時(shí)，與兩輥面相接觸，如果此時(shí)莢果符合被輥?zhàn)訃说臈l件，即嚙人角小于摩擦角，就能順利進(jìn)入兩輥問(wèn)．此時(shí)莢果在被拉人輥間的同時(shí)，受到兩個(gè)不同方向的摩擦力的撕搓作用；另外，莢果又受到兩輥面的法向擠壓力的作用，當(dāng)莢果到達(dá)輥?zhàn)又行倪B線附近時(shí)法向擠壓力最大，莢果受壓產(chǎn)生彈性—— 塑性變形，此時(shí)莢果的外殼也將在擠壓作用下破裂，在上述相反方向撕搓力的作用下完成脫殼過(guò)程。影響脫殼性能的因素有，線速差、膠壓輥的硬度、軋入角、軋輥半徑、軋輥間間隙等。
3.2 新型脫殼技術(shù)
壓力膨脹法 原理是先使一定壓力的氣體進(jìn)入花生殼 內(nèi)，維持一段時(shí)間，以使花生莢果內(nèi)外達(dá)到氣壓平衡，然后瞬間卸壓，內(nèi)外壓力平衡打破，殼體內(nèi)氣體在高壓作用下產(chǎn)生巨大的爆破力而沖破殼體，從而達(dá)到脫殼的目的。主要影響因素有，充氣壓力、穩(wěn)定壓力維持時(shí)間、籽粒的含水率等。
真空法 將花生莢果放在真空爆殼機(jī)中，在真空條件下，將具有相當(dāng)水分的莢果加熱到一定溫度，在真空泵的抽吸下，莢果吸熱使其外殼的水分不斷蒸發(fā)而被移除，其韌性與強(qiáng)度降低，脆性大大增加；真空作用又使殼外壓力降低，殼內(nèi)部相對(duì)處于較高壓力狀態(tài)。殼內(nèi)的壓力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，就會(huì)使外殼爆裂。
激光法 用激光逐個(gè)切割堅(jiān)果外殼。試驗(yàn)顯示，用這種方法幾乎能夠達(dá)到1009／6的整仁率，但因其費(fèi)用昂貴、效率低下等原因，很難得到推廣。
3.3 花生脫殼機(jī)械的工藝研究
在脫殼技術(shù)方面，除了在原理和設(shè)備上進(jìn)行研究外，人們還在工藝上進(jìn)行了研究以提高籽粒的脫殼率及脫殼質(zhì)量。
分級(jí)處理 物料的粒度范圍大，必須先按大小分級(jí)，再進(jìn)行脫殼，才能提高脫殼率，減少破損率。
水分含量 花生莢果的含水率對(duì)脫殼效果有很大的影響，含水率大，則外殼的韌性增加；含水率小，則果仁的粉末度大。因此應(yīng)使花生莢果盡量保持最適當(dāng)?shù)暮?，以保證外殼和果仁具有最大彈性變形和塑性變形的差異，即外殼含水率低到使其具有最大的脆性，脫殼時(shí)能被充分破裂，同時(shí)又要保持仁的可塑性，不能因水分太少而使果仁在外力作用下粉末度太大，可減少果仁破損率。
4 花生脫殼機(jī)械研究重點(diǎn)
我國(guó)加入WTO以來(lái)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于花生脫殼機(jī)械的開(kāi)發(fā)與推廣應(yīng)用日益增多，針對(duì)現(xiàn)有花生脫殼機(jī)械存在的優(yōu)點(diǎn)與不足，在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，對(duì)花生脫殼機(jī)械在生產(chǎn)應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，不斷完善其功能，使其呈現(xiàn)良好的發(fā)展勢(shì)頭。
4.1 提高花生脫殼機(jī)械的通用性和適應(yīng)性
提高花生脫殼機(jī)械的通用性和適應(yīng)性仍是當(dāng)前的主要研究方向之一目前，許多花生脫殼機(jī)械只是針對(duì)某一花生品種和所在地區(qū)的生長(zhǎng)環(huán)境來(lái)設(shè)計(jì)，其通用性、兼容性和適應(yīng)性較差。提高花生脫殼機(jī)械的通用性和兼容性，使研制的花生脫殼機(jī)械通過(guò)更換主要部件能夠同時(shí)對(duì)其他帶殼物料進(jìn)行脫殼加工。研制通過(guò)變換主要工作部件即能滿足不同堅(jiān)果脫殼作業(yè)需要的脫殼機(jī)具，并提高制造工藝水平，降低制造成本，以適應(yīng)不同加工企業(yè)的需要。花生脫殼機(jī)械能否適應(yīng)這種發(fā)展趨勢(shì)，將直接影響到花生脫殼機(jī)械能否更好的推廣應(yīng)用與健康發(fā)展。
4.2 提高機(jī)械脫殼率
降低破損率對(duì)花生脫殼機(jī)械的關(guān)鍵技術(shù)與工作部件進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān)，改革傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，研究新的脫殼機(jī)理，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；同時(shí)在整體配置上進(jìn)一步改進(jìn)和完善，提高脫殼率，降低籽仁破損率。目前國(guó)內(nèi)外的花生脫殼機(jī)械均存在脫殼率和破損率之間的矛盾，處理好這一關(guān)鍵技術(shù)將關(guān)系到花生脫殼機(jī)械的發(fā)展前景。
4.3 向自動(dòng)控制和自動(dòng)化方向發(fā)展
大多數(shù)機(jī)具目前仍依賴人工喂料或定位，影響了作業(yè)速度和作業(yè)質(zhì)量。因此應(yīng)通過(guò)機(jī)電一體化手段，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)自動(dòng)喂料、自動(dòng)定位脫殼裝置，保證均勻喂料與有效定位，實(shí)現(xiàn)機(jī)組自動(dòng)化操作，進(jìn)一步提高作業(yè)精確性和作業(yè)速度，提高產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)率，滿足部分大、中型加工企業(yè)的需要，以開(kāi)拓國(guó)內(nèi)和國(guó)外市場(chǎng)。
新技術(shù)原理、新結(jié)構(gòu)材料、新工藝將不斷應(yīng)用于花生機(jī)械的研制開(kāi)發(fā)中，隨著液壓技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)以及化工、冶金工業(yè)的發(fā)展，許多復(fù)雜的機(jī)械機(jī)構(gòu)、動(dòng)力傳遞、笨重的材料和落后的工藝將逐漸被取代。減輕重量，減少阻力，簡(jiǎn)化操作，減少輔助工作時(shí)間，延長(zhǎng)使用壽命，降低勞動(dòng)使用費(fèi)用等將作為主要設(shè)計(jì)目標(biāo)應(yīng)用于脫殼機(jī)械的設(shè)計(jì)制造。隨著國(guó)內(nèi)外高新技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，如何將這些高新技術(shù)更好的應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，也是目前花生脫殼機(jī)械需要盡快解決的問(wèn)題。
5 總體方案的確定
5.1 脫殼原理
目前，花生的主要脫殼方法有撞擊法、碾搓法、剪切法、擠壓法、搓撕法、壓力膨脹法和真空法等［4-8］。本文設(shè)計(jì)的刮板式花生脫殼機(jī)具備撞擊法、碾搓法、剪切法和擠壓法的特點(diǎn)，所以脫殼效率很高，效果好。
5.2 工作原理
刮板式花生脫殼機(jī)主要由進(jìn)料斗、脫殼轉(zhuǎn)軸部件(包括刮板架和刮板) 、凹板篩、風(fēng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、機(jī)架、花生殼出口和花生仁出口等組成，如圖5-1 所示。
1.機(jī)架 2.電動(dòng)機(jī) 3.花生殼出口 4.凹板篩
5.轉(zhuǎn)軸部件 6.料斗 7.風(fēng)機(jī) 8.花生仁出口
圖 5-1 刮板式花生脫殼機(jī)
設(shè)備工作時(shí)，花生果由進(jìn)料斗進(jìn)入脫殼室，在高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸部件—刮板的反復(fù)打擊與碰撞，以及刮板與凹板篩共同作用產(chǎn)生的摩擦、碾搓、剪切、擠壓的作用下，花生殼不斷破裂; 花生殼和花生仁在刮板的旋轉(zhuǎn)風(fēng)壓和打擊下穿過(guò)凹板篩，花生殼在下落時(shí)受到風(fēng)機(jī)的吹力作用，從花生殼出口被吹出，花生仁則從花生仁出口排出。
6 花生脫殼機(jī)的設(shè)計(jì)
6.1 轉(zhuǎn)軸部件的半徑和轉(zhuǎn)速
轉(zhuǎn)軸部件中刮板的旋轉(zhuǎn)速度必須確保能將花生殼通過(guò)打擊作用撞碎。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明［6］，當(dāng)花生與鋼板的相對(duì)速度在4～5m/s 時(shí)，可以達(dá)到較好的破碎花生殼效果。根據(jù)此數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)軸部件的旋轉(zhuǎn)半徑和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，如圖6-1 所示?；ㄉ侣涞奈恢迷谵D(zhuǎn)軸部件R/2 到R之間，設(shè)計(jì)時(shí)采用最小打擊半徑R/2 為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。
1.料斗 2.刮板 3.刮板架 4.轉(zhuǎn)軸
圖 6-1 轉(zhuǎn)軸部件花生下落簡(jiǎn)圖
為了有較高的生產(chǎn)率，此處設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)軸部件半徑R = 250mm，v = 4 ～ 5m/s。
（6-1)
由此得出n=305.7～382.2r /min。為了使所設(shè)計(jì)的設(shè)備具有更廣泛的適用性，應(yīng)根據(jù)花生品種的不同調(diào)整轉(zhuǎn)軸部件的轉(zhuǎn)速。
由于刮板式脫殼機(jī)采用的主要脫殼原理是打擊和擠壓兩種方法，因此對(duì)刮板的強(qiáng)度有一定要求，且刮板由于受到間斷式的持續(xù)沖擊，屬于易損件。相關(guān)研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示［6］，破碎板使用橡膠和木板的脫殼效果較差，脫凈率在70% 左右，而鋼板的脫凈率基本能夠保持在95% 左右。刮板零件采用高錳鋼制造，并用螺栓和刮板架聯(lián)接，使其易于調(diào)整和更換，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6-2 所示。
圖 6-2 轉(zhuǎn)軸部件三維圖
6.2 脫殼功率
由于脫殼是在高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸部件—刮板的反復(fù)打擊與碰撞以及刮板與凹板篩共同作用產(chǎn)生的摩擦、碾搓、剪切和擠壓的作用下進(jìn)行的，因此脫殼功率不能夠簡(jiǎn)單地以刮板對(duì)花生產(chǎn)生的動(dòng)能來(lái)計(jì)算，空氣阻力和摩擦對(duì)脫殼功率的消耗非常顯著，進(jìn)行功率計(jì)算時(shí)不能夠忽略，因此應(yīng)按以下公式進(jìn)行計(jì)算，即
(6-2)
式中 Q —脫殼機(jī)的加工量( kg /h)；
Rd—每脫1kg 物料所需的功( N·m/kg)；
A —高速運(yùn)轉(zhuǎn)空氣阻力所消耗的功率系數(shù)；
η—機(jī)械效率；
K —花生與打板間摩擦消耗的功率系數(shù)。
此處，根據(jù)設(shè)計(jì)要求取Q=1000kg/h；Rd根據(jù)文獻(xiàn)資料對(duì)比，取Rd = 300N·m/kg；取A=1.4； 取η =0.7；取K = 2。代入式( 2) 計(jì)算得，P = 1.2kW。因此，刮板式脫殼正常工作需要的最小功率為1.2kW。
6.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)
由于電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)具有在規(guī)定的調(diào)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)均勻地、連續(xù)地?zé)o級(jí)調(diào)速，并能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在運(yùn)行中當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變動(dòng)時(shí)可通過(guò)控制器的速度負(fù)反饋系統(tǒng)使輸出轉(zhuǎn)速基本上保持不變的特點(diǎn)，所以選用電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)，能夠提高設(shè)備的工作的穩(wěn)定性和通用性。選用YCT132－4B 型號(hào)的電磁調(diào)速電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸部件進(jìn)行脫殼工作，其功率為1.55kW，額定轉(zhuǎn)矩為9.5N·m，調(diào)速范圍為125～1400r/min。
6.4 傳動(dòng)方式
有兩種傳動(dòng)方案可供脫殼機(jī)選用: 一是皮帶傳動(dòng)；二是減速器傳動(dòng)。兩者都可以實(shí)現(xiàn)低電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和增加轉(zhuǎn)矩的作用。第2 種傳動(dòng)方案可以使設(shè)備設(shè)計(jì)的更為緊湊，傳遞效率高，但是其價(jià)格相對(duì)較高，在設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行中，還應(yīng)該考慮設(shè)備的過(guò)載保護(hù)，因?yàn)楣伟迨矫摎C(jī)具有慣性沖擊作用，應(yīng)考慮通過(guò)料斗進(jìn)入小石塊等其它異物時(shí)的情況。綜合考慮各種情況，選用第一種皮帶傳動(dòng)的方案更為合理，可以有效保護(hù)運(yùn)行中的設(shè)備安全。
6.5 凹板篩
凹板篩在脫殼機(jī)中的作用是使已經(jīng)被脫殼的花生仁和花生殼與花生果進(jìn)行分離，其分離原理是利用花生仁和花生殼與花生果的尺寸不同進(jìn)行分離的，即大個(gè)的花生果通不過(guò)，小個(gè)的花生仁和花生殼通過(guò)。凹板篩的柵條之間設(shè)計(jì)成只有容許一個(gè)花生仁大小的物體和被破碎的花生殼通過(guò)，而未脫殼的花生果無(wú)法通過(guò)柵條，被阻擋在凹板篩內(nèi)繼續(xù)脫殼，直到其外殼被破碎，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖5-1 所示。由于我國(guó)的花生品種多，其大小因品種不同導(dǎo)致其大小尺寸差別較大，花生仁的尺寸一般在7～14mm 之間，因此為了提高所設(shè)計(jì)脫殼機(jī)的通用性針對(duì)不同的花生品種或花生尺寸設(shè)計(jì)了不同尺寸間隔的凹板篩，以使在對(duì)不同尺寸的花生脫殼時(shí)進(jìn)行凹板篩的更換。
1．柵條鎖緊板 2．柵條固定板 3．柵條
圖 6-3 凹板篩部件圖
6.6 料斗
料斗通常是在無(wú)動(dòng)力的情況下依靠物料自身的重力來(lái)進(jìn)行工作的，其工作狀況主要取決于物料的物理特性和料斗的幾何形狀[9]。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使料斗盡量達(dá)到整體流動(dòng)這一理想流態(tài)，以使其最有效地發(fā)揮作用。料斗的外形一般有圓型和矩形兩種型式，按照理論計(jì)算的結(jié)果，在其它條件相同的情況下，圓型料斗的容積和強(qiáng)度更大，但其在實(shí)際中制作困難，較少采用［10］。在設(shè)計(jì)料斗時(shí)，考慮到其實(shí)用性和成本因素，把料斗設(shè)計(jì)成棱臺(tái)型( 其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5-1 所示)，其材料使用Q235鋼，通過(guò)焊接的方法制成。
6.7 箱體
脫殼機(jī)箱體的作用是給脫殼過(guò)程提供一個(gè)封閉的脫殼環(huán)境，并對(duì)相關(guān)的脫殼部件起到支承和定位作用。在進(jìn)行箱體設(shè)計(jì)時(shí)，箱座和箱蓋的尺寸主要是根據(jù)轉(zhuǎn)軸部件的尺寸來(lái)決定的(其外形結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5-1 所示)；箱體設(shè)計(jì)時(shí)，最需要注意的是材料的選取，因?yàn)槊摎C(jī)是旋轉(zhuǎn)式的，并伴有沖擊，從而會(huì)導(dǎo)致在工作時(shí)有較大的振動(dòng)和噪音，因?yàn)殍T鐵具有很強(qiáng)的減振作用，所以箱體選用HT200 的材料鑄造而成。
6.8 仁殼分離裝置
仁殼分離裝置的工作原理主要是利用花生仁和花生殼的重力，以及受風(fēng)吹時(shí)的受力面積不同，用氣流對(duì)其進(jìn)行分離，質(zhì)量大且受力面積小的花生仁不會(huì)被風(fēng)機(jī)吹來(lái)的氣流吹走，落到下面的花生仁收集板上，并從花生仁出口自動(dòng)流出; 質(zhì)量小且受力面積大的花生殼被氣流吹出花生殼出口( 其具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5-1所示)，從而完成分離任務(wù)。
6.9轉(zhuǎn)軸部件臨界轉(zhuǎn)速的校核
由于轉(zhuǎn)軸部件是刮板式脫殼機(jī)的關(guān)鍵核心部件，其運(yùn)行的可靠性和平穩(wěn)性嚴(yán)重影響著脫殼機(jī)的性能，因此需要對(duì)轉(zhuǎn)軸部件的臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行校核。由于轉(zhuǎn)軸部件比較復(fù)雜，所以采用有限元方法計(jì)算能夠更真實(shí)地反映出轉(zhuǎn)軸部件的臨界轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)軸部件的臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算采用一維有限元模型，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖6-4 所示。
圖 6-4 轉(zhuǎn)軸部件轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
該有限元模型綜合考慮了皮帶輪和刮板部件對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的影響，臨界轉(zhuǎn)速值的計(jì)算結(jié)果為: 轉(zhuǎn)軸部件的一階正進(jìn)動(dòng)臨界轉(zhuǎn)速為6479r/min 左右，其一階反進(jìn)動(dòng)臨界轉(zhuǎn)速值最低，為1205r/min，由于設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)軸部件的工作轉(zhuǎn)速最高為382.2r /min，低于轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸部件的最低臨界轉(zhuǎn)速，不會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)現(xiàn)象的產(chǎn)生。
總 結(jié)
1) 本刮板式花生脫殼機(jī)的設(shè)計(jì)主要是針對(duì)目前花生脫殼機(jī)存在的機(jī)器性能不穩(wěn)定、適應(yīng)性差、通用性差和利用率低等問(wèn)題而進(jìn)行的。通過(guò)采用電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)和不同尺寸間隔的凹板篩，可以提高對(duì)不同尺寸的花生進(jìn)行脫殼的通用性，同時(shí)也提高了脫殼機(jī)的適應(yīng)性和利用率。
2) 由于電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)的控制器具有速度負(fù)反饋系統(tǒng)，可以使電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速基本上保持不變，可以提高脫殼機(jī)運(yùn)行過(guò)程中性能的穩(wěn)定性。
3) 由于刮板式脫殼機(jī)運(yùn)行中具有沖擊性，為了避免更大的振動(dòng)，對(duì)轉(zhuǎn)軸部件的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)軸部件結(jié)構(gòu)合理，其運(yùn)行轉(zhuǎn)速低于轉(zhuǎn)軸部件的最小臨界轉(zhuǎn)速值。
4）本文是圍繞農(nóng)用機(jī)械產(chǎn)品--花生去殼機(jī)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了花生剝殼的機(jī)械化，應(yīng)用本機(jī)器后，可使廣大農(nóng)民群眾大大節(jié)省勞動(dòng)量，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。該機(jī)的關(guān)鍵部分是刮板結(jié)構(gòu)與半柵籠結(jié)構(gòu)，因?yàn)榛ㄉ鷦儦さ恼麄€(gè)過(guò)程都是由這兩部分完成的，剝出來(lái)的花生能不能符合要求，完全是看刮板與半柵籠的性能能不能達(dá)到要求。本文也介紹了目前各種花生剝殼原理及裝備，并對(duì)花生剝殼機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀以及發(fā)展前景作出了簡(jiǎn)明的概括和分析。
致 謝
本次設(shè)計(jì)是在我的導(dǎo)師安靜老師的指導(dǎo)下完成的，從最初我對(duì)本次設(shè)計(jì)的不了解到能夠整體把握再到比較順利的完成本次設(shè)計(jì)，這一步一步的走來(lái)，其中都包含了安靜老師耐心的指引和教導(dǎo)。通過(guò)本次設(shè)計(jì)，我從宏觀上把握了花生去殼機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)發(fā)展現(xiàn)狀和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，加深了以往學(xué)習(xí)的專業(yè)知識(shí)。同樣在本次設(shè)計(jì)中安靜老師始終踐行著“授人以魚(yú)，不如授之以漁”的原則，她經(jīng)常教導(dǎo)我們遇到問(wèn)題先自己解決，解決不了的再找老師一起討論。這種學(xué)習(xí)模式的大大提高了學(xué)習(xí)的自主能動(dòng)性。在此，我向安靜老師表示我最誠(chéng)摯的謝意。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，也得到了許多同學(xué)寶貴的建議，在此一并致以誠(chéng)摯的謝意。
最后，衷心的感謝機(jī)械電氣化工程學(xué)院的每位老師，謝謝你們?cè)趯W(xué)習(xí)上、生活中給予我的關(guān)心與支持。衷心祝愿塔里木大學(xué)的明天更加美好！更加輝煌！
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翻譯部分
英文原文
Gear mechanisms
Gear mechanisms are used for transmitting motion and power from one shaft to another by means of the positive contact of successively engaging teeth. In about 2,600B.C., Chinese are known to have used a chariot incorporating a complex series of gears like those illustrated in Fig.2.7. Aristotle, in the fourth century B .C .wrote of gears as if they were commonplace. In the fifteenth century A.D., Leonardo da Vinci designed a multitude of devices incorporating many kinds of gears. In comparison with belt and chain drives ,gear drives are more compact ,can operate at high speeds, and can be used where precise timing is desired. The transmission efficiency of gears is as high as 98 percent. On the other hand, gears are usually more costly and require more attention to lubrication, cleanliness, shaft alignment, etc., and usually operate in a closed case with provision for proper lubrication.
Gear mechanisms can be divided into planar gear mechanisms and spatial gear mechanisms. Planar gear mechanisms are used to transmit motion and spatial gear mechanisms. Planar gear mechanisms are used to transmit motion and power between parallel shafts ,and spatial gear mechanisms between nonparallel shafts.
Types of gears
(1) Spur gears. The spur gear has a cylindrical pitch surface and has straight teeth parallel to its axis as shown in Fig. 2.8. They are used to transmit motion and power between parallel shafts. The tooth surfaces of spur gears contact on a straight line parallel to the axes of gears. This implies that tooth profiles go into and out of contact along the whole facewidth at the same time. This will therefore result in the sudden loading and sudden unloading on teeth as profiles go into and out of contact. As aresult, vibration and noise are produced.
(2) Helical gears. These gears have their tooth elements at an angle or helix to the axis of the gear(Fig.2.9). The tooth surfaces of two engaging helical gears inn planar gear mechanisms contact on a straight line inclined to the axes of the gears. The length of the contact line changes gradually from zero to maximum and then from maximum to zero. The loading and unloading of the teeth become gradual and smooth. Helical gears may be used to transmit motion and power between parallel shafts[Fig. 2.9(a)]or shafts at an angle to each other[Fig. 2.9(d)]. A herringbone gear [Fig. 2.9(c)] is equivalent to a right-hand and a left-hand helical gear placed side by side. Because of the angle of the tooth, helical gears create considerable side thrust on the shaft. A herringbone gear corrects this thrust by neutralizing it , allowing the use of a small thrust bearing instead of a large one and perhaps eliminating one altogether. Often a central groove is made around the gear for ease in machining.
(3) Bevel gars. The teeth of a bevel gear are distributed on the frustum of a cone. The corresponding pitch cylinder in cylindrical gears becomes pitch cone. The dimensions of teeth on different transverse planes are different. For convenience, parameters and dimensions at the large end are taken to be standard values. Bevel gears are used to connect shafts which are not parallel to each other. Usually the shafts are 90 deg. to each other, but may be more or less than 90 deg. The two mating gears may have the same number of teeth for the purpose of changing direction of motion only, or they may have a different number of teeth for the purpose of changing both speed and direction. The tooth elements may be straight or spiral, so that we have plain and spiral bevel gears. Hypoid comes from the word hyperboloid and indicates the surface on which the tooth face lies. Hypoid gears are similar to bevel gears, but the two shafts do not intersect. The teeth are curved, and because of the nonintersection of the shafts, bearings can be placed on each side of each gear. The principal use of thid type of gear is in automobile rear ends for the purpose of lowering the drive shaft, and thus the car floor.
(4) Worm and worm gears. Worm gear drives are used to transmit motion and ower between non-intersecting and non-parallel shafts, usually crossing at a right angle, especially where it is desired to obtain high gear reduction in a limited space. Worms are a kind of screw, usually right handed for convenience of cutting, or left handed it necessary. According to the enveloping type, worms can be divided into single and double enveloping. Worms are usually drivers to reduce the speed. If not self-locking, a worm gear can also be the driver in a so called back-driving mechanism to increase the speed. Two things characterize worm gearing (a) large velocity ratios, and (b) high sliding velocities. The latter means that heat generation and power transmission efficiency are of greater concern than with other types of gears.
(5) Racks. A rack is a gear with an infinite radius, or a gear with its perimeter stretched out into a straight line. It is used to change reciprocating motion to rotary motion or vice versa. A lathe rack and pinion is good example of this mechanism.
Geometry of gear tooth
The basic requirement of gear-tooth geometry is the provision of angular velocity rations that are exactly constant. Of course, manufacturing inaccuracies and tooth deflections well cause slight deviations in velocity ratio; but acceptable tooth profiles are based on theoretical curves that meet this criterion.
The action of a pair of gear teeth satisfying this requirement is termed conjugate gear-tooth action, and is illustrated in Fig. 2.12. The basic law of conjugate gear-tooth action states that as the gears rotate, the common normal to the surfaces at the point of contact must always intersect the line of centers at the same point P called the pitch point.
The law of conjugate gear-tooth can be satisfied by various tooth shapes, but the only one of current importance is the involute, or, more precisely, the involute of the circle. (Its last important competitor was the cycloidal shape, used in the gears of Model T Ford transmissions.) An involute (of the circle) is the curve generated by any point on a taut thread as it unwinds from a circle, called the base circle. The generation of two involutes is shown in Fig. 2.13. The dotted lines show how these could correspond to the outer portion of the right sides of adjacent gear teeth. Correspondingly, involutes generated by unwinding a thread wrapped counterclockwise around the base circle would for the outer portions of the left sides of the teeth. Note that at every point, the involute is perpendicular to the taut thread, since the involute is a circular arc with everincreasing radius, and a radius is always perpendicular to its circular arc. It is important to note that an involute can be developed as far as desired outside the base circle, but an involute cannot exist inside its base circle.
Let us now develop a mating pair of involute gear teeth in three steps: friction drive, belt drive, and finally, involute gear-tooth drive. Figure 2.14 shows two pitch circles. Imagine that they represent two cylinders pressed together. If slippage does not occur, rotation of one cylinder (pitch circle) will cause rotation of the other at an angular velocity ratio inversely proportional to their diameters. In any pair of mating gears, the smaller of the two is called the pinion and the larger one the gear. (The term “gear” is used in a general sense to indicate either of the members, and also in a specific sense to indicate the larger of the two.) Using subscripts p and g to denote pinion and gear, respectively.
In order to transmit more torque than is possible with friction drive alone, we now add a belt drive running between pulleys representing the base circles, as in Fig 2.15. If the pinion is turned counterclockwise a few degrees, the belt will cause the gear to rotate in accordance with correct velocity ratio. In gear parlance, angle Φ is called the pressure angle. From similar triangles, the base circles have the same ratio as the pitch; thus, the velocity ratio provided by the friction and belt drives are the same.
In Fig. 2.16 the belt is cut at point c, and the two ends are used to generate involute profiles de and fg for the pinion and gear, respectively. It should now be clear why Φ is called the pressure angle: neglecting sliding friction, the force of one involute tooth pushing against the other is always at an angle equal to the pressure angle. A comparison of Fig. 2.16 and Fig.2.12 shows that the involute profiles do indeed satisfy the fundamental law of conjugate gear-tooth action. Incidentally, the involute is the only geometric profile satisfying this law that maintains a constant pressure angle as the gears rotate. Note especially that conjugate involute action can take place only outside of both base circles.
Nomenclature of spur gear
The nomenclature of spur gear (Fig .2.17) is mostly applicable to all other type of gears.
The diameter of each of the original rolling cylinders of two mating gears is called the pitch diameter, and the cylinder’s sectional outline is called the pitch circle. The pitch circles are tangent to each other at pitch point. The circle from which the involute is generated is called the base circle. The circle where the tops of the teeth lie is called the dedendum circle. Similarly, the circle where the roots of the teeth lie is called the dedendum circle. Between the addendum circle and the dedendum circle, there is an important circle which is called the reference circle. Parameters on the reference circle are standardized. The module m of a gear is introduced on the reference circle as a basic parameter, which is defined as m=p/π. Sizes of the teeth and gear are proportional to the module m.
The addendum is the radial distance from the reference circle to the addendum circle. The dedendum is the radial distance from the reference circle to the dedendum circle. Clearance is the difference between addendum and dedendum in mating gears. Clearance prevents binding caused by any possible eccentricity.
The circular pitch p is the distance between corresponding side of neighboring teeth, measured along the reference circle. The base pitch is similar to the circular pitch is measured along the base circle instead of along the reference circle. It can easily be seen that the base radius equals the reference radius times the cosine of the pressure angle. Since, for a given angle, the ratio between any subtended arc and its radius is constant, it is also true that the base pitch equals the circular pitch times the cosine of the pressure angle. The pressure angle is the angle between the normal and the circumferential velocity of the point on a specific circle. The pressure angle on the reference circle is also standardized. It is most commonly 20o(sometimes 15o).
The line of centers is a line passing through the centers of two mating gears. The center distance (measured along the line of centers) equals the sum of the pitch radii of pinion and gear.
Tooth thickness is the width of the tooth, measured along the reference circle, is also referred to as tooth thickness. Width of space is the distance between facing side of adjacent teeth, measured along the reference circle. Tooth thickness plus width of space equals the circular pitch. Backlash is the width of space minus the tooth thickness. Face width measures tooth width in an axial direction.
The face of the tooth is the active surface of the tooth outside the pitch cylinder. The flank of the tooth is the active surface inside the pitch cylinder. The fillet is the rounded corner at the base of the tooth. The working depth is the sum of the addendum of a gear and the addendum of its mating gear.
In order to mate properly, gears running together must have: (a) the same module; (b) the same pressure angle; (c) the same addendum and dedendum. The last requirement is valid for standard gears only.
Rolling-Contactbearings
The rolling-contact bearing consists of niier and outer rings sepatated by a number of rolling elements in the form of balls ,which are held in separators or retainers, and roller bearings have mainly cyinndrical, conical , or barrelcage.The needles are retainde by integral flanges on the outer race,
Bearigs with rolling contact have no skopstick effect,low statting torqeu and running friction,and unlike as in journal bearings. The coefficient of friction varies little with load or opeed.Probably the outstanding of a rolling-contant beating over a sliding bearing is its low statting friction.The srdinary sliding bearing starts from rest with practically metal to metal contact and has a high coefficient of friction as compared with that between rolling members.This teature is of particular important in the case of beatings whcch vust carry the same laode at test as when tunning,for example.less than one-thirtieth as much force is required to start a raliroad freight car equopped with roller beatings as with plain journal bearings.However.most journal bearing can only carry relatively light loads while starting and do not become heavily loaded until the speed is high enough for a hydrodynamic film to be built up.At this time the friction id that in the luvricant ,and in a properly designed journal bearing the viscous friction will be in the same order of magnitude ad that for a that for a rolling-conanct bearing.
中文譯文
齒輪機(jī)構(gòu)
齒輪機(jī)構(gòu)用來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，通過(guò)連續(xù)嚙合輪齒的正確接觸，從一根軸傳動(dòng)到另一根軸。大約公元前2600年，中國(guó)人就能夠使用一系列戰(zhàn)車而聞名復(fù)雜的齒輪機(jī)構(gòu)而構(gòu)成的。公元前4世紀(jì)，亞里士多德寫(xiě)的齒輪好象推動(dòng)的是平凡的。在公元15世紀(jì)，Leonardo da Vinci 設(shè)計(jì)了能與許多種類的齒輪樞結(jié)合的大量裝置。與皮帶和鏈傳動(dòng)相比較，齒輪傳動(dòng)裝置更加緊湊，能高速運(yùn)行，也能夠被運(yùn)用在要求準(zhǔn)確定時(shí)的場(chǎng)合。齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)效率高達(dá)98％。另一方面，齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)成本高，而且要求注意潤(rùn)滑、清潔度、軸的對(duì)中等等，經(jīng)常用在提供準(zhǔn)確箱體潤(rùn)滑的閉式情況下。
齒輪機(jī)構(gòu)能被分為平面齒輪機(jī)構(gòu)和空間齒輪機(jī)構(gòu)。平面齒輪機(jī)構(gòu)被用于傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，而平行軸間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力空間齒輪機(jī)構(gòu)用于傳遞不平行軸間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。
齒輪的分類：
1、 直齒輪 直齒輪有節(jié)輪表面和平行于輪的軸線的直齒輪，如圖2.8所示。它們用于傳遞兩平行軸間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。兩配合的直接齒面嚙合在一條平行于其軸線的直線上，這意味著整個(gè)齒寬在同一時(shí)刻嚙合脫開(kāi)，這樣在齒面上導(dǎo)致加載或卸載，當(dāng)齒輪嚙合或脫開(kāi)時(shí)，結(jié)果推動(dòng)和噪聲就產(chǎn)生了。
（1） 斜齒輪 這種齒輪的輪齒有一位角度或與其軸線旋轉(zhuǎn)一定角度在平面齒輪機(jī)構(gòu)中相互嚙合，斜齒輪齒面相嚙合于一條傾斜于軸承的直線上，嚙合線的長(zhǎng)度從0逐漸變化到最大再?gòu)淖畲笞兓?，輪齒的加載和卸載變得平穩(wěn)均勻的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。人字齒輪相當(dāng)于右旋齒輪和左旋齒輪并在一起，因?yàn)檩嘄X存在一定角度，斜齒輪產(chǎn)生相當(dāng)大的軸間推力，人字齒輪通過(guò)相互抵消糾正了這一推力，允許其使用以推力軸承代替大推力軸承，或不同推力軸承，為了加工方便經(jīng)常沿著齒輪加工一個(gè)中心槽。
（2） 傘狀齒輪 傘狀齒輪是依據(jù)平截頭圓錐體分配的。圓柱齒輪的節(jié)圓柱成為分圓錐，齒輪的齒的橫剖面的尺寸是不同的。為了方便起見(jiàn)，錐齒輪的大頭端部的參數(shù)和尺寸作為標(biāo)準(zhǔn)值。習(xí)慣上錐齒輪相互作用的軸彼此不是平行的，通常兩軸線彼此成為90度，有時(shí)會(huì)比90度或多或少。兩個(gè)相互嚙合的齒輪僅僅為了變向或許有一樣的齒數(shù)，又或者為了改變速度和方向而齒數(shù)不同。錐齒輪可能是直齒的也可能是螺旋形齒輪，以便我們有簡(jiǎn)單的和螺旋形的齒輪。準(zhǔn)雙曲面來(lái)自于雙曲面和齒面的放置的表面。準(zhǔn)雙曲面的齒輪屬于錐齒輪，但是兩軸不能橫斷，因?yàn)檩S的材料，它的齒是曲線的，軸承可以位于各齒輪的各個(gè)側(cè)面。這種齒輪主要用在汽車后方末端是為了降低傳動(dòng)軸并且用在汽車踏板處。
（3） 蝸輪蝸桿齒輪 蝸輪傳動(dòng)慣于傳遞動(dòng)力和功率，它的軸既不相交也不平行，通常都是垂直的，尤其是要求獲得高的齒輪減速在一定的極限運(yùn)算范圍內(nèi)。蝸桿是螺旋的，通常為了方便起見(jiàn)都是順時(shí)針?lè)较虻模绻枰脑捯部墒亲笮较虻?。按照類型，可以是單螺旋的也可以是雙螺旋的，螺桿通常用來(lái)降低速度的，即使不自動(dòng)鎖住，螺桿也能夠被驅(qū)動(dòng)，所以稱作回力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，為了提高速度。下面是蝸輪蝸桿傳動(dòng)裝置的兩個(gè)特點(diǎn)：（a）有很高的傳動(dòng)速度（b）后者意思指和其它種類的齒輪相比中心有高的發(fā)熱性和電力傳輸效率。
齒輪輪齒形狀
輪齒幾何形狀的基本要求提供一個(gè)準(zhǔn)確不變的角速度，當(dāng)然制造端差和輪齒變形將會(huì)在速度比上產(chǎn)生微小的偏差，然而可接受的齒形依據(jù)基于滿足這一判劇的理論曲線得出的。
滿足這要求的一對(duì)配合齒輪的運(yùn)動(dòng)被稱為共軛齒輪傳動(dòng)。如圖2.12所示，共軛齒輪傳動(dòng)的基本定律論述為當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，接觸點(diǎn)表面的公法線總是與中心線交于一點(diǎn)P，這點(diǎn)叫節(jié)點(diǎn)。
共軛齒輪傳動(dòng)原則能被各種齒形適應(yīng)，目前最重要的一種是漸開(kāi)線齒輪更精確地說(shuō)一個(gè)圓的漸開(kāi)線（與它相近的重要的競(jìng)爭(zhēng)者是擺線齒輪，它被用在福特汽車廠模式中）是條曲線，當(dāng)從一個(gè)基圓滿開(kāi)時(shí)，張緊線上每一點(diǎn)所形成的，兩條漸近線輪齒右外形相對(duì)應(yīng)，相應(yīng)地，通過(guò)逆時(shí)針?lè)较蛘归_(kāi)預(yù)先在右基圓上的線所產(chǎn)生的漸開(kāi)線會(huì)形成輪齒左邊的外形，該點(diǎn)在每一點(diǎn)上，漸開(kāi)線始終垂直于這條張緊線，因?yàn)闈u開(kāi)線理一條半徑不斷增加的圓弧，值得注意的是漸開(kāi)線能夠在基圓外部產(chǎn)生并繪制，而不能在基圓里面。
用以下三個(gè)步驟研究一對(duì)相配合的齒輪：摩擦傳動(dòng)，帶傳動(dòng)和漸開(kāi)線齒輪傳動(dòng)。如圖2.14所示兩個(gè)節(jié)圓，假設(shè)他們是兩個(gè)壓在一起的圓柱，如果不發(fā)生打滑，一個(gè)圓柱的旋轉(zhuǎn)會(huì)引起另一個(gè)圓柱以一定角速度旋轉(zhuǎn)，且這個(gè)速比反比于他們的直徑比，任何一對(duì)相嚙合的齒輪，兩個(gè)中較小的叫小齒輪，較大的叫大齒輪，用下標(biāo)p和g分別指明。
為了使傳動(dòng)的扭矩比摩擦傳動(dòng)產(chǎn)生的扭矩大，要附加一個(gè)帶有基圓的皮帶辦的皮帶驅(qū)動(dòng)裝置。如圖2.15所示，如圖，小齒輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)小角度，皮帶將帶動(dòng)大齒輪以相應(yīng)的速比旋轉(zhuǎn)，在齒輪傳動(dòng)中，角度Ψ為壓力角，人相似三角形得，把基圓具有相同速度的點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)。
如圖2.16中皮帶在c點(diǎn)被切斷，兩端分別形成了大齒輪和大齒輪上的漸開(kāi)線齒形DE和FG，現(xiàn)在應(yīng)該清楚了為什么稱Ψ為壓力角，忽略滑動(dòng)摩擦，一個(gè)齒輪作用于另一個(gè)齒輪的力總是形成一個(gè)與壓力角相同的角度。圖2.16和2.12的比較表明了漸開(kāi)線齒輪強(qiáng)調(diào)滿足共軛齒輪傳動(dòng)的基本原則，附帶的漸開(kāi)線齒輪只是幾何形狀滿足當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)壓力角多產(chǎn)生這一原則，特別注意共軛漸開(kāi)線齒輪傳動(dòng)只能發(fā)生在兩基圓外面，從而摩擦傳動(dòng)和皮帶傳動(dòng)所提供的速度三角開(kāi)相同。
直齒輪的專用術(shù)語(yǔ)
直齒輪的術(shù)語(yǔ)大部分可用于其它種類的齒輪。
兩個(gè)相配合的齒輪的每個(gè)最初的圓柱直徑被稱為中徑，并且圓柱體的橫截面外形被稱為節(jié)圓，兩個(gè)節(jié)圓相切于節(jié)點(diǎn)。產(chǎn)生漸開(kāi)線的圓稱為基圓。位于齒的頂部的圓稱為齒頂圓，同樣的，位于齒的根部的圓稱為齒根圓，在齒頂圓和齒根圓之間的重要的圓稱為分度圓，分度圓的參數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)化了的。用在齒輪分度圓的模數(shù)作為基本參數(shù)，m=p/π,齒和齒輪的尺寸正比于模數(shù)m。
齒頂是指由分度圓到齒頂圓的徑向距離，齒根是指由分度圓到齒根圓的徑向距離。相互嚙合的齒輪的齒頂和齒根之間的間隙是有差異的，此間隙的存在是為了防止兩齒輪相互嚙合引起偏心。
周節(jié)p是指相鄰齒的相應(yīng)邊之間的距離，它是沿分度圓測(cè)量的。類似于周節(jié)的基節(jié)沿分度圓測(cè)量代替分度圓。很容易看出來(lái)基圓半徑等于分度圓半徑乘上壓力角的余弦，因?yàn)閷?duì)于給定的角度，任一相對(duì)的弧和半徑之比為常數(shù)，它確實(shí)是基圓節(jié)距等于圓的節(jié)距乘上壓力角的余弦。壓力角是一確定的圓上法線和圓周速度相交點(diǎn)所在的角。在分度圓上的壓力角是標(biāo)準(zhǔn)化的，它通常是20o（有時(shí)15o）。
中心線是指通過(guò)相互嚙合齒輪的中心線的那條線。中心距（沿中心線測(cè)量）等于小齒輪和大齒輪節(jié)圓半徑的和。
齒厚是指齒的寬度，是沿著分度圓測(cè)量的這段距離稱之為齒厚。齒間寬是沿著分度圓測(cè)量相鄰齒相對(duì)邊之間的距離，齒厚加上齒間寬等于節(jié)距，齒側(cè)是齒間寬減去齒厚的距離。齒面寬是沿軸線上測(cè)量出齒的寬度。
齒頂面是在節(jié)圓作用之外的齒的作用面，齒根面是在節(jié)圓之內(nèi)的作用面。齒根圓角是齒的根部處的圓角，工作深度是大齒輪齒頂高與其相嚙合的齒輪的齒頂高之和。
為了正確嚙合，齒輪共同運(yùn)轉(zhuǎn)的準(zhǔn)則是：（a）具有相同的模數(shù)；（b）有相同的壓力角；（c）有相同的齒頂高和相同的齒根高。最后的一條準(zhǔn)則只適用于標(biāo)準(zhǔn)齒輪。
滾動(dòng)軸承
滾動(dòng)軸承包含了內(nèi)外尾圈，他由許多滾動(dòng)元件分開(kāi)，如滾珠，圓柱或圓錐滾子，或者滾針。滾珠軸承具有球狀滾動(dòng)元件，他被保持在隔圈和保持架之間，棍子軸承主要由圓柱的，圓錐的，鼓形的磙子代替。球行的滾針軸承通常即設(shè)內(nèi)滾道也設(shè)保持架。滾針被外圈滾道上構(gòu)成整體的必須法點(diǎn)固定。
具有滾動(dòng)軸承的滾道軸，不具有滑動(dòng)粘著效應(yīng)，低啟動(dòng)扭矩和速度摩擦力，不像滑動(dòng)軸承，摩擦系數(shù)遂在和和速度變化不大，滾動(dòng)接觸軸承優(yōu)于滑動(dòng)軸承的有點(diǎn)是他的啟動(dòng)扭矩，普通滑動(dòng)軸承從靜止開(kāi)始實(shí)際上伴隨著金屬的接觸，和滾動(dòng)元件之間的摩擦具有高摩擦系數(shù)，在軸承帶恒定負(fù)荷啟動(dòng)的情況下，這個(gè)特點(diǎn)相當(dāng)重要。