立式切碎機設計【塊根莖物料如馬鈴薯地瓜蘿卜瓜果的切碎加工】

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南華大學機械工程學院畢業(yè)設計（論文） 蓮藕切片機切片平滑度的研究和改進 楊德勇 胡建平 韋恩鑄 雷恒群 孔祥次 農業(yè)設備和現(xiàn)代技術的國家重點實驗室 江蘇省教育部 江蘇大學.江蘇.鎮(zhèn)江 中國 江蘇省 212013 電話 +86-511-8:傳真+86-511-8 yangdy@163.com 金湖農業(yè)機械化技術推廣站 中國 江蘇省 211600 摘要：針對蓮藕切削質量不高和蓮藕片的斜邊問題，通過分析原因，改進的方法就是減少刀在垂直方向的力。在Pro/E的環(huán)境下創(chuàng)建了蓮藕切片機的3D零件和裝配體。基于虛擬樣機技術，切片機的運動學和動力學分析是在ADAMS軟件模擬實驗下實現(xiàn)的，獲得最佳的切削時間為0.2s~0.3s，并且得到了刀在垂直方向上的力的曲線。刀在垂直方向上的力隨著曲柄偏移量的變化而改變。曲柄的偏移量優(yōu)化結果表明，當曲柄的偏移量為-80mm時，在切削時間里的垂直方向上的力幾乎為零。測試結果表明，經過改進設計后，切片厚度的相對誤差小于10％，這是能夠完全滿足技術要求的。 關鍵詞：蓮藕；切削機制；平滑度；優(yōu)化 1前言 中國是一個生產蓮藕的大國，蓮藕半成品系列食品的國內消費和外部的出口需求量比較大，為了提高工作效率，減輕勞動強度，設計工作組，在借鑒人工切蓮藕片原理的基礎上設計和開發(fā)一個新型的切片機（畢偉，胡建平，2006年）。這種新型的切片機容易解決切片易斷，粘刀，難清理等問題，但過程中還是出現(xiàn)不平滑切削和一些斜邊的現(xiàn)象。本文通過對切削時刀片的分析，發(fā)現(xiàn)了一些造成斜邊現(xiàn)象的原因，并提出了相應的改進方法，并通過實驗得到了驗證。 2 切片機切削結構原理 蓮藕切片的切削原理是機器的核心，性能直接影響切片的質量。在使用PRO / E平臺下建立了蓮藕切削原理的虛擬樣機（圖1），結構本身的原理圖如圖2所示。蓮藕切片機的切削原理是通過核心的曲柄滑塊機構往里面添加材料，它可以堆疊許多蓮藕，蓮藕依靠自己本身上部和下部的蓮藕，以便它能夠到達擋板的表面。曲柄滑塊機構是由電機驅動，在滑塊上安裝刀片切蓮藕。但在切削過程中，發(fā)現(xiàn)在一塊蓮藕兩端面的平行度是不足夠的，這不能滿足加工的技術要求。 圖1 蓮藕切削原理的虛擬樣機 圖2 切片原理結構圖 切片機的蓮藕片平滑度的研究和提高。 3 斜邊的原因 厚薄不均勻和斜邊問題與刀片在切削過程中的力量有關。按照結構原理（圖2），不考慮相互間摩擦和重量的因素，C點的力F的方向是沿鏈接方向。力F可以分解為一個水平方向的分力和一個垂直方向的分力。水平分力造成的刀沿垂直方向移動切削，但垂直方向上的力造成的刀沿垂直方向移動。由于滑塊和導軌之間的差距，垂直分力會使葉片在運動時變形，刀不能沿水平方向切蓮藕，導致出現(xiàn)斜邊。因此，解決斜邊的問題和提高切削質量的關鍵是減少或消除切片時的垂直分力。 當曲軸轉速為60~90轉/分鐘，C點和刀片連接部位的水平和垂直方向的力曲線如圖3和圖4所示。從圖上可以看出，當曲柄的速度提高后，C點水平和垂直方向的力也增加了，相對穩(wěn)定的水平力有利于切削蓮藕期間，但垂直方向上的力也逐漸增加。越多的垂直方向上的力，越不利于切削的質量。 圖3 C點的水平力 圖4 C點的垂直方向上的力 4 仿真和優(yōu)化 如果提高切片的平整度，結構優(yōu)化可以減少垂直分力，所以盡可能的要刀片保持水平。 當曲柄速度60~90轉/分鐘時，刀質量中心的速度曲線和加速度曲線分別如圖5和圖6所示。根據速度曲線，在0.2s~0.3s時間里，刀質量中心的速度是比較大的。按照刀應該有更高的速度來切削蓮藕的要求，這期間的時間切削比其他時間更有利。根據加速度曲線，一個周期計算，在0.15s~0.3s的時間里，相比其他的時間段加速度值是相對比較小。這表明速度的變化相對較小，同時慣性產生的力小，切片機受力引起的振動影響小。因此，在0.2s~0.3s里來切蓮藕有利于提高蓮藕片的切削質量。 圖5 刀片的質量中心速度曲線 圖6 刀片的質量中心加速度曲線 基于上述分析，刀片和鏈接之間的垂直分力是造成斜邊的主要原因。根據曲柄滑塊機構的特點，在切削時間段通過改變曲柄偏移來減少對刀垂直方向上的力，從而提高切削質量。當曲軸轉速為60轉/分鐘，曲軸偏心率得到了優(yōu)化。當曲柄偏移量分別為40mm，20mm，0mm，-20mm, -40mm, -80mm, -120mm時，在不同的偏移量下模擬其原理，獲得了垂直方向上的力曲線，如圖7所示。 圖7 不同偏移下的垂直方向上的力曲線 圖7表明：偏心率為正值時，在0.2s~0.3s隨著曲柄偏移量增加，C點的垂直方向上的力逐漸增加；當偏心率為負值時，隨著曲柄偏移量的增加，力開始下降，然后在-80mm處開始逐步增加。所以，當偏移量為-80mm，力在0.2s~0.3s的數值降到最低，這時切削質量是最佳的。 當曲柄在其他的速度旋轉，有相同的優(yōu)化結果。圖8顯示的是曲軸轉速為80轉/分鐘、曲軸偏移量為0mm到-80mm時，垂直方向上的力。從圖8可以看出，當偏移量為-80mm時，C點垂直方向的里在0.2s~0.3s大大減少。因此通過優(yōu)化曲柄偏移量可以減少垂直方向上的力。 圖8 C點的垂直方向上的力 5 實驗分析 蓮藕片的厚度相對誤差反映了切削質量，一般控制在10％。在結構的優(yōu)化和改進前，總是存在斜邊現(xiàn)象，厚度相對誤差約為15%左右，這是難以滿足的技術要求。對曲柄滑塊機構的偏移量進行優(yōu)化，并根據優(yōu)化的結果，它的結構有了一些改進。改進后的曲柄，在速度的條件為80?110轉/分鐘時，切削試驗出來的厚度相對誤差的統(tǒng)計數據如表?1所示。從四個速度層次進行分析實驗，每個速度層次進行三次實驗。 表 1 切片厚度相對誤差 序號 曲柄速度(轉/分鐘) 80 90 100 110 1 6.6% 6.4% 8.2% 9.5% 2 5.3% 6.1% 8.5% 9.2% 2 6.4% 7.9% 7.9% 9.4% 平均 6.1% 6.8% 8.2% 9.4% 來自表1的數據顯示，當曲柄速度為80?110轉/分鐘時，切片厚度相對誤差能滿足各項技術指標，尤其是當曲軸旋轉速度為80轉/分鐘和90轉/分鐘時，厚度相對誤差低于7％，達到了較高的切削質量。 6 總結 切削的過程中，表面不平整和斜邊的主要原因是作用在刀組件上的垂直分力，因此提高質量的關鍵是減小垂直方向上的力。通過刀片質量中心速度和加速度模擬分析曲線得到，0.2s?0.3s是切片的最佳時間。通過優(yōu)化曲柄的偏移量，當偏移量為-80mm時，垂直方向上的力在切削時間大大減小。經過實驗改進蓮藕切片機后，實驗結果表明，通過改變曲柄偏移量，厚度相對誤差不到10％，完全能夠滿足要求。因此，平整度不理想和斜邊問題基本解決。 參考文獻 [1] 胡建平.蓮藕切片技術的學習和新的模型設計. 中國農業(yè)機械化研究（12）,112~114.2006 [2] 韋恩鑄.基于虛擬樣機技術的新型蓮藕切片機仿真優(yōu)化.江蘇大學,2008 [3] 張 策.機械動力學.高等教育出版社,1999 [4] 陳秀林.機械優(yōu)化設計.浙江大學出版社,1999. [5] 陳麗萍,鄭云群,容微群.機械系統(tǒng)的動態(tài)分析和應用指南ADAMS.北京:清華大學出版 社,2005 第 7 頁 共 7 頁 本科畢業(yè)設計任務書 信息與機電工程系 填寫時間：2015年 1 月 12 日 課題名稱 立式切碎機 學生姓名 專業(yè)、學號 11機械116707011 畢業(yè)設計 基本要求、重點需要 研究的問題 基本要求：工作原理正確，能用于主要塊根莖物料，如馬鈴薯/地瓜/蘿卜/瓜果的切碎加工 完成總裝圖及零件圖（可運用CAXA電子圖板或AutoCAD2004繪圖） 完成畢業(yè)設計說明書一份 計劃 進度 安排 第1設計周：收集資料、知識準備； 第2～3設計周：方案設計； 第4設計周：總體結構草圖； 第5～10設計周：結構設計、設計計算、總體裝配圖、 零件圖設計； 第11～13設計周：設計說明書（論文）編寫。 應收集 的資料 及主要 參考文獻 指導教師（簽名）： 職稱： 系（教研室）主任（簽名）： 分管院長（簽章）： 本科畢業(yè)設計開題報告 設計題目： 立式切碎機 　 專業(yè)年級： 機械專業(yè)2011級 學 號： 116707011 姓　 名： 指導教師、職稱： 2015年 1 月 23 日 1、 本設計課題的目的意義，主要及擬解決的關鍵性問題（附參考文獻） 中國是農業(yè)大國，因此農作物是中國重要的一部分。自古以來，中國的糧食總類很多，其中包括塊根莖物料，如馬鈴薯、地瓜、蘿卜、瓜果。中國人飯桌上或多或少都會出現(xiàn)以上塊根莖物料所制作而成的一道菜。所以如何更合理更簡單方便的處理塊根莖物料成為人們需要研究的一個課題。后來就出現(xiàn)了切碎機。切碎機是將大尺寸的固體原料切碎至要求尺寸或形狀的加工機械，它在農品加工、中草藥加工、飼料加工等行業(yè)領域都有廣泛的應用。切碎機按所切物料的形態(tài)不同可分為：莖稈類物料切碎機、塊狀類物料切碎機。依照要求，本課題針對塊狀類物料切碎機進行研究。 塊狀類物料切碎機按盤刀的方式不同可分為立式盤刀式切碎機、水平盤刀式切碎機和刀式切碎機。當前的滾刀式切碎機其最主要的形式就是圓錐形滾刀式切碎機，其主要用來切碎青綠物料和塊狀莖，其動刀片一般安裝在圓錐形滾筒上。當滾筒旋轉時，料斗內的物料就被切碎，成品通過動刀和滾筒之間的空隙進入圓錐滾筒內，并沿著圓錐斜面從滾筒的大端排出。由于圓錐僅部分表面和喂料斗接觸，所以生產效率較低，但工作較可靠。根據簡易程度我們研究立式盤刀式切碎機（簡易式切碎機）。 立式簡易切碎機由喂入斗和裝有4把刀片的圓盤組成.圓盤與地面垂直.工作時,塊根裝在圓盤左的喂入斗內.當圓盤旋轉時,盤上的刀片就將塊根切成薄片,由圓盤下方排出口(出料口)排出.這種型式的切碎機,構造簡單,使用方便,易于保養(yǎng)修理. 1. 產品加工機械與設備,沈再春主編，中國農業(yè)出版社。 2.機械設計手冊。 3.其它相關參考資料。 二、本設計課題的主要設計、預期設計結果 主要設計內容： 按給定的物料和轉軸轉速，設計一套切碎系統(tǒng)，切碎機工作完畢后查其切碎的情況。 預期設計結果: 切割系統(tǒng)的設計要符合手動立式簡易切碎機（設計）規(guī)范要求，基本滿足使用上的功能要求，兼顧節(jié)能環(huán)保要求，實現(xiàn)經濟和功能的統(tǒng)一。 擬解決的關鍵問題： 1、主動軸和從動軸的協(xié)調性及剛度要求； 2、滿足給定的切割要求； 3、切割效果分析； 三、設計方法和步驟 １、收集切碎機的資料，調查研究，通過分析比較、確定設計方案； ２、根據給定要求，進行設計參數的計算； ３、運用AutoCAD和Photoshop繪圖等工具進行設計。 ４、進行切碎效果試驗； ５、撰寫設計說明書 4、 設計工作的總體安排及進度 第1設計周：收集資料、知識準備； 第2～3設計周：方案設計； 第4設計周：總體結構草圖； 第5～10設計周：結構設計、設計計算、總體裝配圖、 零件圖設計； 第11～13設計周：設計說明書（論文）編寫。 五、指導教師審查意見： 簽字：　　　　　　 年　月　日 六、系(教研室)審查意見： 簽字：　　 年　月　日 七、學院審查意見： 分管院長簽章： 年　月　日 目 錄 摘要 - 2 - Abstract - 3 - 第一章 前言 - 4 - 1.1 引言 - 4 - 第二章 選擇方案 - 5 - 2.1總體設計 - 5 - 2.2結構及實現(xiàn)原理 - 5 - 2.3方案選擇 - 6 - 第三章 設計與計算 - 7 - 3.1電機選擇 - 7 - 3.2 傳動比選擇 - 8 - 3.3 軸的強度條件計算 - 9 - 3.4 精確校核軸的疲勞強度 - 10 - 3.5 軸承的校核 - 13 - 結束語 - 15 - 參考文獻 - 16 - 致謝 - 17 - 摘要 本研究以馬鈴薯等根莖物料為研究對象，通過對根莖物料特性的分析，確定切碎原理和方法，設計出動力消耗低、力度大小滿足切碎成型要求的根莖切碎機。推動我國目前綜合開發(fā)利用農作物根莖物料資源的技術創(chuàng)新和實際應用。 通過對原始數據的分析、方案的論證比較和有關數據的分析計算，主要完成了切碎機的總體設計，電動機的選擇以及傳動方案的分析、比較與選擇等內容。在此基礎上對切碎機機體的結構尺寸、驅動轉軸的結構尺寸、V帶傳動等設計應用價值進行了詳細的計算和說明。 該機主要是由切碎機和喂入機構、喂入槽、甩拋裝置、帶傳動、電動機組成。其原理是根莖物料由喂入槽喂入，在喂入機構作用下將其壓實并卷入機構。被動刀片組成的切碎器切碎，最后由拋送裝置拋出機外。 關鍵詞：盤刀，切碎機，根莖物料，喂入槽，拋送機 Abstract In this study, potato and other root material for the study, by the material properties of the roots of analysis to determine the principles and methods of shredding designed low power consumption, efforts to meet the size requirements for compression molding roots shredder. Promote the comprehensive development and utilization of China's current crop roots material resources of technological innovation and practical application. ?? Through the analysis of raw data, analysis and calculation demonstrate Comparison Programme and the relevant data, mainly to complete the overall design of the shredder, the analysis of the motor and drive program selection, comparison and selection and so on. On this basis, the structure of the shredder body size, the drive shaft structure size, V belt drive, such as design value calculation and detailed description. ?? This machine is mainly composed of a shredder and feeding mechanism, feeding trough, throwing throwing unit, belt drive, motor. The principle is that the material from the feeding trough feeding roots, in effect compacting the feed mechanism and the involvement of institutions. Passive fixed chopper blades consisting of chopped, and finally by throwing device thrown outside. Keywords: disc cutter, shredder, roots materials, feed trough, throwing machine 第一章 前言 1.1 引言 近年來，發(fā)達國家中的農業(yè)生產已經高度機械化，通過先進的技術形成了一些列配套的生產體系和配套機具。但中國是從解放后才開始發(fā)展自己的農機化事業(yè)的，經過這些年的發(fā)展，雖取得了進步，但是由于中國領土疆域大，經濟發(fā)展不平衡，農機化水平差別較大，整體數據相當于美國上世紀五十年代后期水平，處于現(xiàn)代農業(yè)的初級階段，農機化事業(yè)任重二道院。而中國是農業(yè)大國，因此農作物是中國重要的一部分。自古以來，中國的糧食總類很多，其中包括塊根莖物料，如馬鈴薯、地瓜、蘿卜、瓜果。中國人飯桌上或多或少都會出現(xiàn)以上塊根莖物料所制作而成的一道菜。所以如何更合理更簡單方便的處理塊根莖物料成為人們需要研究的一個課題。后來就出現(xiàn)了切碎機。切碎機是將大尺寸的固體原料切碎至要求尺寸或形狀的加工機械，它在農品加工、中草藥加工、飼料加工等行業(yè)領域都有廣泛的應用。切碎機按所切物料的形態(tài)不同可分為：莖稈類物料切碎機、塊狀類物料切碎機。依照要求，本課題針對塊狀類物料切碎機進行研究。 塊狀類物料切碎機按盤刀的方式不同可分為立式盤刀式切碎機、水平盤刀式切碎機和刀式切碎機。當前的滾刀式切碎機其最主要的形式就是圓錐形滾刀式切碎機，其主要用來切碎青綠物料和塊狀莖，其動刀片一般安裝在圓錐形滾筒上。當滾筒旋轉時，料斗內的物料就被切碎，成品通過動刀和滾筒之間的空隙進入圓錐滾筒內，并沿著圓錐斜面從滾筒的大端排出。由于圓錐僅部分表面和喂料斗接觸，所以生產效率較低，但工作較可靠。 立式簡易切碎機由喂入斗和裝有4把刀片的圓盤組成.圓盤與地面垂直.工作時,塊根裝在圓盤左的喂入斗內.當圓盤旋轉時,盤上的刀片就將塊根切成薄片,由圓盤下方排出口(出料口)排出.這種型式的切碎機,構造簡單,使用方便,易于保養(yǎng)修理. 按給定的物料和轉軸轉速，設計一套切碎系統(tǒng)，切碎機工作完畢后查其切碎的情況。 第二章 選擇方案 2.1總體設計 原始參數：（1）容重1.2噸/m3； （2）作業(yè)形式：連續(xù)； （3）物料名稱：塊莖類物料； （4）生產能力：2t/h。 2.2結構及實現(xiàn)原理 該機主要有傳動軸I和裝在其一端的傳動系統(tǒng)，裝在其中部的切碎刀盤，裝在其一端的變速錐齒輪和傳動軸II上的變速錐齒輪和直齒輪及進給軸III、IV，裝在支撐固定他們的機架下部的電動機。主傳動輪及傳動皮帶，加之安裝在機架上的喂料臺，進料斗，機殼等構成，切碎機構由安裝在傳動軸一端的切碎刀盤及上的動刀片，加之固定在機架相應位置上，能在刀盤轉動過程中，與動片構成剪切動作的定刀片構成。傳動軸安裝在機架上，動力由機架下部的電動機及其主動輪。 驅動傳動軸運轉使安裝在中部的切刀盤工作。機架上靠切碎刀盤一側，制作了切碎機構喂料臺、自動進給輥壓輪及刀盤罩；位于傳動軸中部裝有機殼和進料斗，二者用小螺桿連為一體；主動輪與從動輪間套有皮帶防護罩；機架下部制作了切碎，破碎物料的出料斗。其中，喂料臺，刀盤罩、機殼、進料斗、皮帶防護罩、除掉都均連接在固定在機架上。這樣，就構成一個圓盤刀式切碎機。使用時，將馬鈴薯等塊根莖物料放入偏置的料斗中，動刀片隨刀盤的旋轉和固定在機架上的定刀片配合，將物料切碎。 2.3方案選擇 莖稈類物料的切割主要利用動，定刀之間的對切運動，宛如剪刀一樣，是根據剪切原理工作的。而塊狀類物料的切割是利用刀片的楔切作用，宛如加工金屬的車刀一樣，是根據切割原理工作的，這是因為切割時，動刀刃對物料通常不產生滑移，只是按照看砍切進行切割。馬鈴薯與動刀刃之間的摩擦角為35°～40°，遠比莖稈類物料與動刀刃之間的摩擦角（18°～24°）要大得多。 塊狀類物料切碎機按盤刀的方式不同可分為立式盤刀式切碎機、水平盤刀式切碎機和刀式切碎機。當前的滾刀式切碎機其最主要的形式就是圓錐形滾刀式切碎機，其主要用來切碎青綠物料和塊狀莖，其動刀片一般安裝在圓錐形滾筒上。當滾筒旋轉時，料斗內的物料就被切碎，成品通過動刀和滾筒之間的空隙進入圓錐滾筒內，并沿著圓錐斜面從滾筒的大端排出。由于圓錐僅部分表面和喂料斗接觸，所以生產效率較低，但工作較可靠。 立式簡易切碎機由喂入斗和裝有4把刀片的圓盤組成.圓盤與地面垂直.工作時,塊根裝在圓盤左的喂入斗內.當圓盤旋轉時,盤上的刀片就將塊根切成薄片,由圓盤下方排出口(出料口)排出.這種型式的切碎機,構造簡單,使用方便,易于保養(yǎng)修理. 按給定的物料和轉軸轉速，設計一套切碎系統(tǒng)，切碎機工作完畢后查其切碎的情況。 根據課題我們選擇立式盤刀式切碎機。 簡易式切碎機 見圖2-1 圓盤上安裝4把動刀，通過電機帶動帶輪和帶使圓盤回轉，物料從偏置的料斗進入，切碎后，從卸料槽排出，這種切碎機結構簡單，使用方便，造價低廉。 2-1 1-進料斗 2-六角螺栓 3-端蓋 4-固定臺 5-六角螺栓 6-彈簧墊圈 7-滾動軸承座 8-彈簧墊圈 9-六角螺栓 10-六角螺栓 11-出料口 12-支架 13-固定板 第三章 設計與計算 3.1電機選擇 由于立式盤刀式切碎機要求功率較低，所以選擇小功率電動機。 小功率電動機也稱為分馬力電動機，指連續(xù)工作定額不超過1.1KW的電動機，小功率交流異步電動機分為三相異步電動機和單相異步電動機。其中，YS（JB/T 1009-2007)系列為取代AO2系列的三相異步電動機，具有優(yōu)良的起動和運行性能，結構簡單，使用、維修方便，適合于使用三相電源的小型機械；YU(JB/T 1010-2007)系列為取代BO2系列的單相電阻起動異步電動機，具有中等起動和過載能力，結構簡單，使用、維修方便，適合于使用單相電源的小型機械；YC（JB/T1 1011-2007）系列為取代CO2系列的單相電容起動異步電動機，起動力矩大，起動電流小，適用于滿載起動的機械，如空壓機、磨粉機等；YY（JB/T 1012-2007）系列為取代DO2系列的單相電容運轉異步電動機，具有較高的功率因數、效率和過載能力，但是起動力矩小，空載電流大，適用于空載或輕載起動的小型機械，如電影放映機、電扇等； YL（JB/T 7588-2010）系列為單相雙值電容異步電動機，具有高轉矩、高效率、高功率因數的優(yōu)點，適用于要求起動力矩大的空氣壓縮機、木工機械、粉碎機及其他小型機械。 假設切割力F為100N n=1400r/min 則T1=F*r=100*0.14=14N·m 因為傳動比為3 所以T2=T1/3=4.7N·m P=（T*n）/9550=(4.7*1400)/9550=0.689KW 本課題研究的立式盤刀式切碎機為滿載起動的機械，所以考慮功率轉矩等選擇 YC90L4電機。 功率750W，轉速1400（r/min）。 3.2 傳動比選擇 傳動比為帶輪1直徑比去帶輪2直徑=60mm/180mm=1:3 3.3 軸的強度條件計算 通過軸的結構設計,軸的主要結構尺寸,軸上零件的位置,以及外載荷和支反力的作位置均已確定,軸上的載荷(變矩和扭矩)已可以求得,因而可按彎矩合成強度條件對軸進行強度校核計算.其作圖分析和計算步驟如下: 已知 h=68mm L1=130.6mm L2=67mm 計算： Fr1+Fr2=G Fr1*L1-G(L1+L2)+Fa*h=0 Fa2=Fa1=1/2Fa=2.7N Mc=Fr2*L1 由以上式子得 Fa2=Fa1=2.7N Fa=5.4N Fr1=107.64N Fr2=-34.64N Mc=-34.64*130.6=-4523.98N*mm =0.6 ca= 前面已選項定軸為45鋼/正火,〔-1〕=60MPa/55MPa ca<(-1) 故安全 3.4 精確校核軸的疲勞強度 1. 截面IA只受扭矩作用,雖然鍵槽,軸肩及過渡配合所引起的應力集中均將削弱軸的疲勞強度,但由于軸的最小直徑是按扭轉強度為寬裕地確定的,所以截面IA無需校核. 從應力集中對軸的疲勞強度的影響來看,截面V處應力最集中;從受載的情況來看,截面上的應力最大.最需要校核這個面. 2. 截面V左側 抗彎截面系數 W=0.1d=0.1*30 抗扭截面系數 截面IV左側的彎矩M為 M=-4523.98*17/67=-1147.88N*mm 截面IV上的扭矩T為 T=187180N*mm 截面上的彎曲應力 MPa 截面上的扭轉應力 軸上的材料為45鋼,調質處理.由表15-1查得=640MPa =275MPa 截面上由于軸肩而形成的理論應力集中系數及按表3-2查表取得 因r/d=2.0/30=0.067D/d=45/30=1.5 經插值后可查得 =2.1 =1.80 又由附圖3-1可得軸的材料的敏性系數為 故有效應力集中系數按式(附3-4)為 由附圖3-2得尺寸系數 ;由附圖3-2得扭轉尺寸系數 . 軸按磨削加工,由附圖3-4得表面質量系數為 .軸未經表面強化處理,即,則按式(3-12)及(3-12a)得綜合系數值為 又由§3-1及§3-2得碳鋼的特性系數 , 取 = 0.05~0.1, 取= 0.05 于是,計算安全系數Sca值,按式(15-6)~(15-8)則得 3.截面V右側 T=187180N*mm 過盈配合處值,由附表3-8用插入法, 0.8于是得 0.8*2.56=2.05 軸按磨削加工,由附圖3-4得表面質量系數為 故得綜合系數為 所以軸在V右側的安全系數為 繪制軸的工作圖, 見圖3-1: 3-1 3.5 軸承的校核 設根據工作條件決定在軸的兩端正裝兩個圓錐滾子軸承,如圖下所示. 已知n=55r/min 設初選兩個軸承的型號為30208. 受力分析如下: 1． 求兩軸承受到的徑向載荷Fr1和Fr2 Fr1=107.64N Fr2=-34.64N Fa=5.4N 查設計手冊可知30208 Cr=43.2KN Cor=50.5KN 2. 求兩軸承的計算軸向力Fa1和Fa2 對于30208型軸承,按表13-7,軸承派生軸向力 Fd=Fr/2d Fd1=Fr1/(2*1.6)=107.64/3.2=33.64 Fd2=Fr2/(2Y)=34.64/3.2=10.825N Fa1=Fd1-Fae=33.64-5.4=28.24N Fa2=Fd1=33.64N Fa1/C0=28.24/50500=0.00056 Fa2/C0=33.64/50500=0.00067 e=0.37 X=0.4 Y=1.6 3. 求軸承當量動載荷P1和P2 因軸承有中等沖擊載荷,按表13-6,fp=1.2~1.8 fp=1.5 P1=fp(XFr+YFa1)=1.5*(0.4*107.64+1.6*28.24)=132.36N P2=fp(XFr2+YFa2)=1.5*(0.4*34.64+1.6*33.64)=101.52N 4. 因為P1>P2, 所以按軸承1的受力大小驗算 年 結束語 經過一學期的準備，從到圖書館搜集資料，整理資料我的畢業(yè)設計生活就要結束了?；厥走@段期間的設計過程，有很多感受很多收獲，這是對我大學知識的一個整體的檢驗，很嚴格，但是對我今后走向社會有很大的幫助，這這使我非常清楚的認識到一項設計從開始到結束所經歷的過程，也對這個過程有了很深刻的了解。這對我們今后的各類設計提供了一個最基本的設計基礎，也使我認識到到做一件事應該堅持不懈，遇到困難應該用于面對，并且認真尋找解決的方法。這就是一個成長的過程，培養(yǎng)一種人生的態(tài)度。 通過對盤刀式立體切碎機的設計，我了解到切碎機的種類、工作原理以及工作過程，還了解到了各種切碎機的區(qū)別。在設計過程中，對以前學過的知識有了更深刻的理解，也罷學的不扎實的知識重新鞏固了一邊，發(fā)現(xiàn)以前不曾注意過的知識都十分有用，令我感受很深。 結束了這段畢業(yè)設計后，我覺得自己方面的能力都有所提高。。通過本課題的設計，使自己學會綜合運用所學的機械設計、機械制圖等基礎知識解決實際問題。在課題進行過程中，學會了掌握資料收集及整理的方法。獨立完成系統(tǒng)方案改造與設計工作，提高了綜合運用所學過的各科知識和培養(yǎng)分析問題的能力。使自己具有了一定的理論聯(lián)系實際的正確設計思想。更熟悉運用和查閱各種設計資料。掌握從事設計工作的具體步驟和方法。 參考文獻 [1] 高志,李威主編,機械設計課程設計手冊 第4版 高等教育出版社,2012 [2] 毛謙德，李振清主編，袖珍機械設計師手冊.第二版.北京：機械工業(yè)出版社，2000 [3] 成大先主編，機械設計手冊.第三版.第二冊.北京：化學工業(yè)出版社，1999 [4] 唐增寶，何永然，劉安俊主編，機械設計課程設計.第二版.武漢：華中理中大學出版社，1999 [5] 西北工業(yè)大學機械原理及機械零件教研組編.孫桓，陳作模主編，機械原理.第六版.北京：高等教育出版社，2001 [6] 羅迎社主編，材料力學.武漢：武漢理工大學出版社，2001 [7] 肖旭霖主編，食品機械與設備.北京：科學出版社，2006 [8] 石一兵主編，食品機械與設備.北京：中國商業(yè)出版社，1990 [9] 周良德,朱泗芳主編,現(xiàn)代工程圖學.長沙: 湖南科學技術出版社,2000 致謝 畢業(yè)設計是對我們知識運用能力的一次全面的考核，也是對我們進行科學研究基本功的訓練，培養(yǎng)我們綜合運用所學知識獨立地分析問題和解決問題的能力，為以后撰寫專業(yè)學 論文和工作打下良好的基礎。 本次設計能夠順利完成，首先我要感謝我的母?！r林大學金山許愿，是她為我們提供了學習知識的土壤，使我們在這里茁壯成長；其次我要感謝機械專業(yè)的老師們，他們不僅教會我們專業(yè)方面的知識，而且教會我們做人做事的道理；尤其要感謝在本次設計中給與我大力支持和幫助的朱亨銀老師，每有問題，老師總是耐心的解答，使我能夠充滿熱情的投入到畢業(yè)設計中去；還要感謝我的同學們，他們熱心的幫助，使我感到了來自兄弟姐妹的情誼；最后還要感謝相關資料的編著者和給予我們支持的社會各界人士，感謝您們?yōu)槲覀兲峁┮粋€良好的環(huán)境，使本次設計圓滿完成。 - 17 - 南華大學機械工程學院畢業(yè)設計（論文） Study and Improvement for Slice Smoothness in Slicing Machine of Lotus Root De-yong YANG ,Jian-ping HU , En-zhu WEI , Heng-qun LEI ,and Xiang-ci KONG Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology Ministry of Education Jiangsu Province Jiangsu University . Zhenjiang . Jiangsu Province .P.R.China212013 Tel.: +86-511-8;Fax:+86-511-8 yangdy@163.com Jinhu Agricultural Mechanization Technology Extension Station . Jinhu county Jiangsu Province .P.R.China 211600 Abstract: Concerning the problem of the low cutting quality and the bevel edge in the piece of lotus root, the reason was analyzed and the method of improvement was to reduce the force in the vertical direction of link to knife. 3D parts and assemblies of cutting mechanism in slicing machine of lotus were created under PRO/E circumstance. Based on virtual prototype technology, the kinematics and dynamics analysis of cutting mechanism was simulated with ADAMS software, the best slice of time that is 0.2s~0.3s was obtained，and the curve of the force in the vertical direction of link to knife was obtained. The vertical force of knife was changed according with the change of the offset distance of crank. Optimization results of the offest distance of crank showed the vertical force in slice time almost is zero when the offset distance of crank is -80mm. Tests show that relative error of thickness of slicing is less than 10% after improved design, which is able to fully meet the technical requirements. Keywords: lotus root; cutting mechanism; smoothness; optimization 1 Introduction China is a country of producing lotus toot, lotus root system of semi-finished products of domestic consumption and external demand for exports is relatively large. In order to improve efficiency, reduce labor intensity, the group work, drawing on the principle of the artificial slice based on the design and development of a new type of lotus root slice (Bi Wei and Hu Jianping, 2006). This new type of slice solved easily broken cutting, stick knives, hard to clean up and other issues, but the process appears less smooth cutting, and some have a problem of hypotenuse piece of root. In this paper, analyzing cutting through the course of slice knife, the reasons causing hypotenuse was found, and the corresponding improvement of methods was proposed and was verified by the experiments. 2 Structure of Cutting Mechanism of Slicing Machine Cutting mechanism of the quality of slice lotus root is the core of the machine, the performance of its direct impact on the quality of slice. Virtual prototyping of cutting mechanism of slice lotus root (Fig.1) was built by using PRO/E, and mechanism diagram of the body is shown in Fig.2. Cutting principle of lotus slicer adopted in the cardiac type of slider-crank mechanism was to add materials inside, which can be stacked several lotus root, lotus root to rely on the upper part of the self and the lower part of the lotus press down, so that it arrives in the material under the surface of the baffle. While slider-crank mechanism was driven by motor, the knife installed on the slider cut lotus root. In the slice-cutting process it was found that parallelism of the surface at both ends of part of piece lotus was not enough, which can not meet the technical requirements for processing. Fig.1 Virtual prototyping of cutting mechanism Fig.2 Diagram of cutting mechanism Study and improvement for slice smoothness in slicing machine of lotus root. 3 The Cause of the Bevel Edge Uneven thickness and bevel edge of cutting were related with forces on the slice knife in the process of cutting. In accordance with cutting mechanism (Fig.2), without taking into account the friction and weight, the direction of force F of point C was along the link. Force F may be decomposed with a horizontal direction force component and a vertical direction force component. The horizontal force component pushed the knife moving for cutting, but the vertical force component caused the knife moving along the vertical direction. Because of the gap between the slider and the rail, the vertical force component made the blade deforming during the movement, and knife could not move along the horizontal direction to cut lotus root, which caused the emergence of bevel edge. Thus, to reduce or eliminate the vertical force component in the cutting-chip was key to solve the problem of bevel edge and improve the quality of cutting. When crank speed was 69~90r/min, the horizontal and vertical direction of the force curve of point C connecting link and the blade hinge are shown in Fig.3 and Fig.4 respectively. As can be seen from the chart, with the crank speed improvement the horizontal and vertical direction of the force in point C also increased. The horizontal force changed relatively stable during 0s~0.2s, which was conducive to cutting lotus, but the vertical force increased gradually. The more the vertical force was, the more detrimental to the quality cutting. Fig.3 Horizontal force of C Fig.4 Vertical force of C 4 Simulation and Optimization If improving flatness of the slicer, the structure was optimized to reduce the vertical force component, so as far as possible the level of cutting blade. When crank speed was 60~90r/min the velocity curve and acceleration curve of the knife center of mass are shown in Fig.5 and Fig.6 respectively. According to the speed curve, the speed of the knife center of mass was relatively large in a period of 0.2s~0.3s. In accordance with the requirements that the knife should have a higher speed during cutting lotus, so this period time was more advantageous to cutting than other terms. According to acceleration curve. When calculates by one cycle, the acceleration value was relatively quite small in the period of time, 0.15s~0.3s compared with other time section. Which indicated that the change of velocity was relatively small, simultaneously the force of inertia was small, and the influence of vibration caused by the force was small to the slicer. Therefore,this period of time, 0.2s~0.3s, to cut root piece was advantageous in enhances the cutting quality of lotus root piece. Fig.5 Velocity curve of center of mass of knife Fig.6 Acceleration curve of center of mass of knife Based on the above analysis, the vertical force component between link and the knife was the main reason for bevel edge. According to the characteristics of slider-crank mechanism, reducing the vertical force on the knife in the period of cutting time by altering crank offest was tried to enhance the quality of the cutting. When crank speed was 60r/min, the crank eccentricity was optimized. When the offest of the crank was 40mm, 20mm, 0mm, -20mm, -40mm, -80mm, -120mm respectively, the mechanism was simulated and the vertical force curves under different crank eccentricity were obtained, as shown in Fig.7. Fig.7 vertical force curves in different offest Fig.7 indicates that: When the eccentricity was positive, the vertical force on point C increased gradually in 0.2s~0.3s with the increase of crank oddest: When the eccentricity was negative, the force decreased gradually first and then begun to increase along with -80mm. So when the offest was -80mm, the numerical of the force in 0.2s~0.3s achieved the minimum and the quality of cutting was the best. When the crank rotated in the other speed, there were the same optimization results. Fig.8 show the curve of vertical force in the offest of 0mm and -80mm when the speed of crank was 80r/min. From the Fig.8 it is obvious that vertical direction of the force of point C in 0.2s~0.3s reduced a lot when the eccentricity is -80mm. Therefore, the vertical force could be reduced by optimizing the slider-crank mechanism of eccentricity. Fig.8 Vertical force of C 5 Experimental Analysis The relative error of thickness of lotus root piece reflects the quality of cutting. Which is generally controlled of 10%. There always existed bevel edge phenomenon and the relative error of thickness was about 15% before structural optimization and improvement, which was difficult to meet the technical requirements. The offset in the slider-crank mechanism was optimized, and its structure was improved according to the results of optimization. After improvement cutting test were done in the conditions of crank speed for 80~110r/min and statistical data about the relative error of thickness was shown in Table.1. Four levels were separated in the experiment, three times for each level. Table 1 Relative error of thickness of slicing NO Crank speed (r/min) 80 90 100 110 1 6.6% 6.4% 8.2% 9.5% 2 5.3% 6.1% 8.5% 9.2% 2 6.4% 7.9% 7.9% 9.4% Average 6.1% 6.8% 8.2% 9.4% It is derived from Table.1 that the relative error of the thickness of slices could meet the technical indicators when the crank speed was 80~110r/min, especially in the crank rotation speed 80r/min, 90r/min the relative error of thickness was less than 7%,and high quality was achieved. 6 Conclusion The vertical force component acted on the knife in the process of cutting was the main reason for surface formation and bevel edge, so the key of improving the quality was to reduce the vertical force. Through slice knife and velocity acceleration simulation analysis the best time for slicing, 0.2s~0.3s, was obtained. By optimizing the offset of the crank the vertical force during cutting time was greatly reduced when the offset was -80mm. Experiments were made after improving the design of lotus root slicer, which results showed that by changing the offset of the crank, the relative error of the thickness could fully meet the requirements of less than 10%. So the problem was basically solved that the flatness was not ideal and was the issue of bevel edge.1 References [1] Wei,B . jianping,H.: Study of lotus root slicing techniques and design of new model,Journal of agricultural mechanization research (12),112-114(2006)(in Chinese) [2] Enzhu, w.:the simulation and optimization on the new slicing machine of lotus root based on virtual prototype technology .jiangsu university [2008)[in Chinese) [3] Ce ,Z .:mechanical dynamics .higher education press[1999) [4]Xiuning ,C.:optimal design of machinery .zhejiang university press[1999) [5]Liping,C.,yunqing,Z.,weiqun,R.: dynamic analysis of mechanical systems and application Guide ADAMS . Tsinghua university press ,Beijing(2005) Page 8 of 8