基于溫濕度控制的板栗剝殼機機械系統(tǒng)設計含6張CAD圖

基于溫濕度控制的板栗剝殼機機械系統(tǒng)設計含6張CAD圖,基于,溫濕度,控制,節(jié)制,板栗,剝殼,機械,系統(tǒng),設計,cad 目錄 1緒論 7 1.1研究背景 7 1.2 研究意義 7 1.3 國內(nèi)研究概況 8 1.3.1 北京農(nóng)業(yè)機械板栗剝殼機 8 1.3.2 江蘇大學板栗去殼裝置 8 1.3.3 韓國板栗剝殼機械裝置 9 1.4 存在問題及對比 10 1.4.1 存在主要問題及其分析 10 1.4.2存在問題及機械設計分析 10 2 板栗的物理學研究 12 2.1板栗樣本的物理學研究加關系 12 2.2 板栗的物理學特征 12 2.3板栗的重量測定 14 2.4 板栗的含水率測定 16 2.5根據(jù)板栗物理特性分析 18 3 板栗剝殼機的設計 19 3.1 板栗剝殼機的整體性設計 19 3.2 板栗剝殼機的局部設計及選擇 21 3.2.1加熱圈的選取 21 3.2.2 門的開關裝置設計 21 3.2.3 溫度傳感器的選擇 22 3.2.4 烘干裝置的選取 22 3.2.5 進料口的設計 23 3.3 電機的選擇 24 3.3.1 選擇電動機類型 25 3.3.2 確定電機工作時的功率 26 3.3.3 確定電動機的轉速 26 3.4 刀具的設計 26 3.5 機械廢料收集裝置的設計 28 3.6 電器控制系統(tǒng)的設計 29 3.6.1電器控制系統(tǒng) 29 3.6.2 電器控制系統(tǒng)的主要步驟 30 總 結 32 參考文獻 33 致 謝 34  1緒論 1.1研究背景 20世紀60年代初，在世界范圍內(nèi)就已經(jīng)開始有人著手研制板栗去殼裝置，至90年代初，美國，德國，法國等地都擁有了自己的板栗去殼裝置，經(jīng)過30多年的發(fā)展，板栗去殼技術已日臻成熟，目前正向著機電自動化的方向發(fā)展。然而，我國板栗去殼技術的發(fā)展卻遠遠落后于其他國家的發(fā)展，由于一些制造和應用機器均存在一些尚未解決的問題，使得它們難以發(fā)展和使用，大部分機械去殼裝置都存在各種各樣的問題，主要包括以下幾個方面： (1) 剝殼率較低。不少剝殼機械裝置剝殼率嚴重不達標, 有些廠家生產(chǎn)的剝殼機效 率甚至低于50%，這也是最需要改進的地方。 (2) 損失率高。由于機器設計中存在的各種漏洞，以及不合理處碎殼貼附在果肉表 面難以剔除，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)目前有些機械裝置的果仁損失率甚至高達40%左右。 (3) 通用性差。一些板栗剝殼機械裝置僅能用于單一品種板栗的去殼,對于其它品 種的板栗, 不能實現(xiàn)一機多用，成本略微偏高，我國板栗去殼裝置尚未形成較大規(guī)模, 多數(shù)均為小作坊使用, 設計制造的工藝水平普遍較低, 成本也相對比較高。 在我國，市場上還沒有完全適合于家庭型的板栗剝殼機械裝置。國外有多種去殼方法，例如火燒脫殼法，但是溫度難以控制，極易造成浪費。其他如：蒸汽脫殼法、機械脫殼法、真空爆殼法和微波去殼法等，但都難以奏效。對于家庭來說，這些方法都不能有效且安全地加工出完整的栗仁，既不容易實現(xiàn)也不太安全。所以，針對適用于家庭使用的板栗剝殼法依舊要依據(jù)機械設計機械脫殼。 1.2 研究意義 目前，由于還沒有找到更好更合理的方式進行家庭板栗脫殼工作，人們在對生板栗或者炒熟的板栗剝殼的過程中容易出現(xiàn)被板栗外殼刮傷，現(xiàn)已知工業(yè)上有多種方法，比如火燒脫殼法、蒸汽脫殼法、機械脫殼法、真空爆殼法和微波去殼法等等。但是對于家庭來說,這些方法都不能更有效且更安全地得到完整的栗仁，而適用于家庭用的板栗剝殼法要依據(jù)物理原理機械脫殼；本課題主要以研究家庭型板栗剝殼器為前提，本著以最大化的節(jié)省材料、成本低、安全簡便、效率高的原則，著眼于板栗去殼機的設計與研究，要考慮安全、效率，能耗等問題，使去殼效率達到理想最大化。 1.3 國內(nèi)研究概況 1.3.1 北京農(nóng)業(yè)機械板栗剝殼機 如圖1.1所示為北京農(nóng)業(yè)機械研究所設計的板栗剝殼機結構示意圖。整個裝置的工作原理是：首先將板栗放入剝殼裝置之中，板栗經(jīng)過漏斗落向凹版與石磙縫處，再經(jīng)調(diào)解機構旋轉使石磙與板栗充分接觸，已達到擠壓效果，最終在石磙和凹版的作用下，板栗達到脫殼目的，但是通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)：板栗實際破殼率僅為50%-60%之間，果肉損傷率高達40%-50%之間，若要使用該機械裝置進行板栗剝殼試驗，則必需對板栗的大小進行分類。結合裝置的破殼率并不高，機械產(chǎn)生的廢料也不沒有集中收集并處理，不宜推廣家庭使用。 1、調(diào)節(jié)機構 2、凸版 3、石磙 4、入料斗 5、樣品 圖1.1 板栗去殼整體示意圖 1.3.2 江蘇大學板栗去殼裝置 圖示1.2為江蘇大學設計出的板栗剝殼機械裝置[2] [3]，本設計的工作原理是利用漏斗將干燥的板栗放入其中，然后經(jīng)過喂入輥將板栗送到剝殼滾筒凹版下面。凹版可以保護板栗，使其不被揉搓力而破壞，剝殼滾筒上面安裝很多鋸齒狀圓形刀片，待板栗進入工作區(qū)以后。剝殼滾筒在電機的帶動下高速旋轉，利用橫向和縱向的揉搓力充分與板栗接觸，從而實現(xiàn)板栗果肉的分離，通過調(diào)查取樣發(fā)現(xiàn)該板栗剝殼機脫殼率僅為60%-70%左右，板栗果肉損傷率控制在20%-30%之間，通過最大努力降低損傷率，避免資源浪費。但由于脫殼率不高，機械產(chǎn)生的廢料也不沒有集中收集并處理，因此不宜推廣家庭使用。 1、入料斗 2、喂入磙 3、去殼滾筒 4、凹版 4、發(fā)電機 圖1.2 板栗剝殼整體示意圖 1.3.3 韓國板栗剝殼機械裝置 圖示圖1.3由查詢外文文獻了解到為韓國公開發(fā)明的一種板栗剝殼機，該機械裝置首先將板栗放入進料斗中，然后板栗從進料口進入與圓盤鋸齒刀具充分接觸，待電機啟動后，轉筒就會高速運轉帶動刀片切割板栗外殼，被切割的板栗反復與鋸齒刀片接觸，再經(jīng)過板栗之間的反復摩擦，最終板栗與廢殼將從3b出口出來。通過查找相關文獻后我們發(fā)現(xiàn)：此板栗剝殼機破殼率較高，果肉損傷率也較低，但機械裝置體積過大，機器產(chǎn)生的廢料也不能很好地處理，適合小作坊使用，家庭使用相對比較麻煩，綜合工作原理和各方面進行考慮，該款機械裝置并不適宜家庭使用。 1、 橡膠刀盤套?1s、轉筒 1c、圓盤齒刀 1t、刀盤齒刃 1n、軸承蓋1p、大皮帶輪 1x、中心輥子2、外套筒 2a,剝殼腔右側擋板 2b、剝殼腔左側擋板 2g、板栗撥桿2m、摩擦裝置 2p、摩擦接觸件 2r、軸承3、機架 3a、進料口 3b、出料口 3h、進料斗3r、軸承 4、輥子電機 4p、套筒電機 圖1.3 板栗機械裝置整體示意圖 1.4 存在問題及對比 1.4.1 存在主要問題及其分析 分析以上國內(nèi)外的板栗脫殼裝置不難發(fā)現(xiàn)，各個裝置都有其好的優(yōu)點，同時也存在不足，分別從剝殼率和果肉損傷率以下兩個指標進行分析,如表1.1所示。 表1.1 幾種板栗剝殼機的分析對比 機械裝置 物理 參數(shù) 北京農(nóng)業(yè)機械板栗剝殼機 江蘇理工大學板栗剝殼機 韓國板栗剝殼機 機械效率 高 高 中等 去殼率 50%-60% 60%-70% 80%-90% 果肉損傷率 40%-50% 40%-50% 10%-20% 適合環(huán)境 農(nóng)業(yè) 小作坊 小作坊 說明：圖表中機械效率是基于一定的前提下測得的數(shù)據(jù)，中等則代表機械效率低于70%，高則代表高于80%。破殼率和損傷率是基于試驗中按照每次100個正常實驗板栗得出的數(shù)據(jù)。 通過圖表分析知：在機械效率相對比較高的情況下，剝殼機的破殼率僅能保持在50%-60%左右，果肉損傷率也很高?？梢哉f明機械裝置如果一味的追求效率最終會導致破殼率降低，反而控制效率在70%-80%之間，破殼率和損傷率都能得到很好的結果，另外，機器的大小和體積都未能達到家庭使用標準，基于上述情況，設計出一款具有高效率，通用性強，剝殼率高和較低果肉損傷率的板栗剝殼機就顯得尤為重要。 1.4.2存在問題及機械設計分析 由以上例子可發(fā)現(xiàn)，在設計板栗剝殼機時，并不能一味的對表皮破壞的方式進行改變，這樣會使破損率大大增加。因此對比以上方案，根據(jù)本次設計思路，對整體設計方案進行改變，由板栗內(nèi)部入手，并與傳統(tǒng)工藝相結合。通過觀察我們不難發(fā)現(xiàn)，以上實驗中，板栗皆為干燥狀態(tài)，且板栗殼與板栗內(nèi)皮相貼，因此在脫殼使，很容易將板栗損壞。經(jīng)實地考察，多數(shù)廠家并不希望皮與板栗相貼切，因此，本設計優(yōu)先將皮與栗子分開，后進行脫殼。 2 板栗的物理學研究 2.1板栗樣本的物理學研究加關系 為了早日設計出板栗剝殼機樣機，針對家庭為目標，現(xiàn)在以山東省威安縣板栗為研究對象。通過調(diào)查取樣[5]的方法將一批板栗收集并加以分析，利用數(shù)學模型的方法將板栗逐一分析，從初步的數(shù)學模型中得出板栗物理特性以及相關規(guī)律，為使板栗剝殼裝置的關鍵部件設計和實驗研究提供了重要的技術支持，為研究方向提供了關鍵思路，取樣時，主要以正常成熟且半個月以內(nèi)的板栗為實驗對象，通過隨機抽樣以避免數(shù)據(jù)統(tǒng)計不正確，待取樣完畢后立即整理出樣品，利用數(shù)學模型的方法將板栗逐個進行分析，從初步的板栗模型中得出板栗物理特性等規(guī)律。 圖2.1 板栗樣本模型示意圖 如圖2.1所示為板栗外殼為橢球形，在各類板栗中還有寬楔形，偏斜狀等，邊緣有鋸齒或者齒端有芒，下面被白色且較長的單毛[6]，葉柄短，干燥的板栗外殼一般呈橢球狀；濕潤的板栗一般難以脫殼，工業(yè)上一般先把板栗烘干，在進行脫殼實驗。因此，確定水分的含量實驗對于板栗研究是非常必要的。 2.2 板栗的物理學特征 通過板栗的物理特性，為研究板栗去殼裝置提供了重要理論依據(jù)，本小節(jié)將采取隨機取樣的方法對板栗的長度，寬度，高度，含水率進行收集和統(tǒng)計，并對此實驗進行分析說明。從威安縣將一批成熟后半個月以內(nèi)的板栗進行收集，然后從中隨機取樣100個完整板栗。將隨機取樣的板栗進行測量，測量工具為游標卡尺，直尺，等工具。板栗的長度和寬度，高度記載如下表2.1所示。 表2.1 樣本板栗的長度，寬度，高度測量統(tǒng)計表 長度/mm 樣品占比/% 寬度/mm 樣品占比/% 高度/mm 樣品占比/% <18.0 0 [18.0，20.0） 6 <17.0 5 [17.0，18.0） 6 <13.0 6 [13.0，14.0） 8 [20.0，22.0） 8 [22.0，24.0） 21 [18.0，19.0） 9 [19.0，20.0） 10 [14.0，15.0） 8 [15.0，16.0） 7 [24.0，26.0） 10 [20.0，21.0） 9 [16.0，17.0） 9 [26.0，28.0） 9 [28.0，30.0） 19 [30.0，32.0） 14 [32.0，34.0） 6 [34.0，36.0） 5 >36.0 2 平均值 26.88 [21.0，22.0） 6 [22.0，23.0） 4 [23.0，24.0） 11 [24.0，25.0） 21 [25.0，26.0） 12 >26 7 平均值 22.16 [17.0，18.0） 11 [18.0，19.0） 15 [19.0，20.0） 8 [20.0，21.0） 9 [21.0，22.0） 11 >22 8 平均值 17.82 標準差 3.23 標準值 1.05 標準值 0.85 上表2.1所示所取樣本板栗的長度分布在區(qū)間[18.0，36.0）之間，其中平均值為26.88mm，其中分布在[26.0，28.0）占總樣本的9%；所取樣本板栗的寬度分布在區(qū)間[17.0，26.0）之間，其中平均值為22.16mm，其中寬度分布在區(qū)間[22.0，26.0）的板栗占樣品總數(shù)48%；板栗的高度分布在區(qū)間[13.0，22.0）之間，其中平均值為17.82mm，其中寬度分布在[13.0，22.0）的樣本數(shù)占樣本總數(shù)的86%。 圖2.2 樣品板栗長度分布直方圖 圖2.3 樣品板栗寬度分布直方圖 圖2.4 樣品板栗高度分布直方圖 如上圖所示2.2，2.3,2.4為樣品板栗長度分布直方圖，從圖表中可以得出樣本板栗長度分布區(qū)間范圍，其中分布在區(qū)間[22.0,24.0)和區(qū)間[28.0,30.0)的樣本居多，其中平均值為26.88mm；上表所示3.3為樣品板栗寬度分布直方圖，其中分布在區(qū)間[24.0,25.0)的樣本明顯高于其他區(qū)間，其中樣本板栗的平均值為22.16mm，總體樣本符合正態(tài)曲線分布規(guī)律；上表所示2.4為樣品板栗高度分布直方圖，其中分布在區(qū)間[17.0,18.0)和[18.0,19.0)和的樣本明顯高于其他區(qū)間，其中平均值17.82mm。 2.3板栗的重量測定 將取樣的板栗利用天平逐一測定重量，再將樣品外殼去除測定果肉質(zhì)量，記錄如下表2.2和圖2.5所示。 表2.2 樣本板栗的質(zhì)量，去殼果肉質(zhì)量測量統(tǒng)計表 質(zhì)量/g 樣品占比/% 果肉/g 樣品占比/% <18.0 6 [18.0，20.0） 4 <13.0 6 [13.0，14.0） 8 [20.0，22.0） 8 [22.0，24.0） 21 [14.0，15.0） 8 [15.0，16.0） 7 [24.0，26.0） 8 [16.0，17.0） 9 [26.0，28.0） 9 [28.0，30.0） 10 [30.0，32.0） 8 [32.0，34.0） 6 [34.0，36.0） 5 >36.0 15 平均值 26.54 [17.0，18.0） 11 [18.0，19.0） 15 [19.0，20.0） 8 [20.0，21.0） 9 [21.0，22.0） 11 >22 8 平均值 17.82 標準差 4.05 標準值 0.85 圖2.5 樣本板栗的總質(zhì)量分布曲線圖 此圖表是基于100個正常板栗分分三次測量所取值，如上表所示所取樣本板栗的質(zhì)量分布在區(qū)間[18.0，36.0）之間，其中平均值為26.54g，其中分布在[26.0，28.0）占總樣本的9%。標準差為4.05。所取樣本板栗果肉分布在區(qū)間[13.0，22.0）之間，其中平均值為17.82g，標準差為0.85。樣品板栗的質(zhì)量和果肉質(zhì)其中分布區(qū)間 [13.0，22.0）的樣本數(shù)占樣本總數(shù)的86%。根據(jù)表2.2中的數(shù)據(jù)，將樣本數(shù)據(jù)予以分布曲線圖呈現(xiàn)，如下圖2.6所示。 圖2.6 樣本板栗果肉的質(zhì)量分布曲線圖 從曲線圖可以清晰的看出樣本板栗的總質(zhì)量和果肉質(zhì)量的分布范圍，為接下來板栗剝殼機裝置的設計提供了理論依據(jù)，也為研究數(shù)據(jù)提供了清晰的保障。 2.4 板栗的含水率測定 板栗的含水量[7]（Moisture content，簡稱MC）也就是表示為板栗中水的質(zhì)量與板栗總質(zhì)量之比的百分比。板栗中的含水量直接影響著后期板栗的脫殼，所以研究板栗的含水量至關重要，為了保證實驗數(shù)據(jù)的準確性，我們將樣品中的板栗分為隨機的分為三組，并將分組好的板栗編組為1,2,3查閱文獻得知板栗的含水率計算方法如下所示[4]（2.1）； X= ×100% （2.1） 式中： X——板栗的含水率； m1——干燥前盤子與板栗總質(zhì)量； m2——干燥后盤子與板果總質(zhì)量； m3——盤子的質(zhì)量； 利用圖式烤箱，如圖3.7所示，將分組好的板栗首先測出并記錄出板栗的總質(zhì)量，接下來，將栗子和栗子板放入烤箱中，并將溫度調(diào)節(jié)至120°C，每隔一個小時拿出并記錄總質(zhì)量，當測定前后兩組質(zhì)量差在2.0 g之間時，說明實驗結果在正常誤差范圍內(nèi)并且可以繼續(xù)下去。 圖2.7 家用式烤箱 板栗的含水率實驗結果如下表2.3 所示，再基于六組隨機取樣的板栗前提下，從結果我們可以看出，五組板栗的含水率平均值為23.25%，表明六組樣本板栗中平均含水量約占總質(zhì)量的五分之一。 表2.3 樣本板栗的含水率實驗結果 組別 含水率/% 1 21.3 2 22.5 3 24.6 4 23.6 5 23.8 6 23.7 查看有關文獻得知：正常堅果類果實的含水率約為自身總質(zhì)量的20.0%至25.0%左右，該實驗數(shù)據(jù)均在正常范圍內(nèi)，說明該樣本板栗均滿足試驗的相關條件，為下面的板栗脫殼試驗提供了重要研究方向，在實際生活中，板栗含水率的大小主要取決于堆擠時間的長短和氣候條件，利用這一思路，為后面的研究提供了重要思路和方向。 通過對板栗的幾何尺寸，板栗重量，板栗含水量等參數(shù)的詳細統(tǒng)計分析：在基于100個正常成熟后的板栗采集樣本中，板栗長度分布在區(qū)間[18.0，36.0）之間，其中平均值為26.88mm，方差為3.23。樣本板栗的寬度集中分布在[26.0，28.0）。其中平均值為22.16mm，方差為1.05。所取樣本板栗的高度集中分布在區(qū)間[13.0，22.0）之間，其中平均值為17.82mm，方差為0.85。樣本板栗的幾何尺寸符合正態(tài)分布規(guī)律。 板栗的質(zhì)量分布在區(qū)間[18.0，36.0）之間，其中平均值為26.54g，其中分布在[26.0，28.0）占總樣本的9%。標準差為4.05。樣本板栗的質(zhì)量分布在區(qū)間[18.0，36.0）之間，其中平均值為26.54g，其中分布在[26.0，28.0）占總樣本的9%。標準差為4.05。所取樣本板栗果肉分布在區(qū)間[13.0，22.0）之間，其中平均值為17.82g，標準差為0.85。樣品板栗的質(zhì)量和果肉質(zhì)其中分布區(qū)間 [13.0，22.0）的樣本數(shù)占樣本總數(shù)的86%。板栗的含水率實驗結果顯示，再基于三組隨機取樣的板栗前提下，從結果我們可以得出，三組板栗的含水率平均值為23.0%。根據(jù)板栗的幾何形狀，板栗重量，板栗含水量等參數(shù)，進行了詳細的統(tǒng)計分析，得出板栗的物理特性等規(guī)律，為關鍵部件的設計和實驗研究提供了有力的技術支持。 2.5根據(jù)板栗物理特性分析 通過對板栗樣本的分析后，不難發(fā)現(xiàn)板栗的含水率平均為23.0%，且大小形狀并不統(tǒng)一，根據(jù)測試當水溫與95℃，并將板栗煮5分鐘后，放入清水冷卻5分鐘，皮與果仁分離效果最好。且由于大小不一，因此我們在設計時，應當避免使用傳統(tǒng)擠壓方式進行脫殼。此時將板栗熱風吹1分鐘左右，表殼較脆，容易擊碎，且板栗肉含水率平均值為28.0%，此時如采用較鈍刀具，最易擊碎外殼，且對果肉損傷最小。 3 板栗剝殼機的設計 3.1 板栗剝殼機的整體性設計 根據(jù)前面我們對樣品板栗的物理學分析，針對板栗的大小，形狀和質(zhì)量，剝殼機的設計的必須滿足以下幾個條件。 (1) 栗子的入口必須能夠同時滿足不同類型的栗子，并且必須盡可能地儲存以達到一定的效率，產(chǎn)生的廢料可以集中收集和使用。 (2) 機械裝置應保證操作人員的安全，安全系數(shù)應符合國際安全系數(shù)標準，并應進行電路保護工作以確保安全。 (3) 在整個機械設計過程中，該裝置的主要機械機構包括驅(qū)動器的設計和驅(qū)動器的設計，進料口設計，廢料收集設計，電器控制設計[8]等在設計滿足相關要求的板栗剝殼裝置以后，必須盡可能多的進行試驗，以測定相關數(shù)據(jù)是否達標，并預先準備好相關預案。 我們運用之前學習的有關工具將機械裝置的設計步驟路線設計如圖3.1所示，在整個設計過程中我們始終保持著以理論為指導思想，以家庭為研究對象，設計出節(jié)省材料、成本低廉、安全簡易、通用性強，效率高的板栗剝殼機械裝置為最終目標。 圖3.1 板栗剝殼機的設計步驟 根據(jù)前面對板栗剝殼機理論的構想和實際對機械裝置的估算，對整體樣機設計如圖3.2所示，該樣機包括進料口，刀盤切割裝置，自動控制裝置，電機設計裝置，整體箱架，散熱裝置，廢料收集等裝置。依據(jù)該結構，完成對機體一些列的設計。 1、 熱風處理箱 2、板栗工作套筒 3、控制開關 4、PLC控制樞紐5、機蓋 出料口?7、鎖緊扣8、套筒蓋9、入料口 圖3.2整機結構示意圖 如圖3.2為整體結構CAD圖示，首先板栗進入裝置第一層利用電磁加熱板燒開水并煮熱，將板栗首次加熱，然后板栗進入第二層裝置再放進涼水，這樣可以加速讓殼和皮分離，機械裝置內(nèi)置溫度傳感器可以提前預知溫度，完成前面的這些預先過程后；馬上進入剝殼筒，當機械裝置插上電源，這時連接在電動機上端的刀片會跟著電動機的運轉而轉動，這時從頂部的漏斗處投放板栗，落入套筒內(nèi)，與裝有齒狀刀片的圓盤接觸和摩擦，板栗果仁會與板栗殼分離，而巨大的離心力會使碎片狀的板栗殼沿切線方向從側面飛出，留下的板栗肉因為自身重力大，保留在了套筒內(nèi)部，當位于齒狀刀片的下部套筒的外部的風鳴器響起后，打開套筒側面的門，這時板栗果仁會由于慣性的作用而飛向出口，板栗廢料也由于自身的質(zhì)量輕便而從另外出口飄落出來，利用PLC技術可以有效控制剝殼時間，在選擇板栗剝殼機的傳動路線時，考慮到機械效率和傳動比等一些列問題，最后采用如下圖3.3所示的單傳動路線，這樣能夠最大限度的保證輸送的樣本板栗得到最大的去殼和較高的機械效率。 圖3.3 傳動路線圖 3.2 板栗剝殼機的局部設計及選擇 3.2.1加熱圈的選取 加熱圈在本次設計中，放于門下，外直徑80mm，厚度5mm，首先板栗進入裝置第一層，利用電熱圈加熱盤將水加熱，使板栗得到加熱，當水溫度達95℃左右，持續(xù)5分鐘，由溫度傳感器控制。達到要求后，進入第二層，此時將注水進入裝置，由溫度傳感器感應，此時溫度維持在24℃左右，這樣能夠有效的將板栗殼與板栗仁分開，如下圖3.4所示為電磁加熱板。 3.4 電熱圈加熱盤 3.2.2 門的開關裝置設計 機械裝置的預操作箱在三個級別上具有門打開和關閉裝置，包括門板和設置在門板上的傳動裝置。第二盒固定地連接到傳動裝置的下端的內(nèi)壁。第二腔在第二機殼中設置有第三腔，該第三腔具有向下的開口。第一腔的底部的內(nèi)壁與上下延伸的第二傳動軸可旋轉地連接。其操作便捷，傳動高，且雙重安全驗證，提高的安全系數(shù)和空間利用率，如下圖3.5所示為門的結構示意圖。 3.5 門的結構 計算門開關傳動軸的強度并校核強度計算公式為： ＝ 其中，根據(jù)實際情況取=0.60 ==49.86Mpa 前面已經(jīng)選定的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，所以選取強度許允值為：[]=60Mpa 由計算結果可知： 所以最危險的截面仍然在安全范圍之內(nèi)，所以該門的開關裝置是安全的。 3.2.3 溫度傳感器的選擇 溫度傳感器由兩端焊接在一起的不同材料的兩條金屬線組成。然后測量未加熱部分的環(huán)境溫度，即可準確知道加熱點的溫度。由于它必須具有兩種不同的材料導體，因此稱為熱電偶。不同材料制成的熱電偶在不同溫度范圍內(nèi)使用，其靈敏度也不同。熱電偶的靈敏度是指當加熱點溫度變化1°C時輸出電勢差的變化。對于大多數(shù)金屬材料所支持的熱電偶，該值約為5至40°C。設備可以提前預測溫度。從而有效的判斷溫度的，如下圖3.5所示為溫度傳感器。 3.6 溫度傳感器 3.2.4 烘干裝置的選取 最后進入第三層再用熱風吹樣本板栗，經(jīng)過前三個預先過程以后，此時的板栗能夠順利進入到第二階段的板栗筒進行齒狀刀片脫殼。烘干機功率選取2000w即可，如下圖3.7位烘干機裝配圖。 3.7 烘干機 3.2.5 進料口的設計 如圖3.8和圖3.9所示為板栗剝殼機的進料口裝置，進料口的設計材料一般選用灰鑄鐵[10]HT200，這樣能夠保證承受足夠多的板栗?？紤]到家庭的需求，設計大小和尺寸嚴格按照家庭使用為標準。 圖3.8 進料口三視圖 圖3.9 進料口的三維設計 通過上一章我們了解到所研究樣本板栗的平均質(zhì)量為26.54g,理論上100顆樣本板栗的總質(zhì)量為2.654kg。設進料口的總承受體積為V料口,每次加工單個樣本板栗的平均質(zhì)量為m1 ,加工板栗的總質(zhì)量記為m總 , 進料口的上端邊長記為d1,下端邊長記為d2 ，每次試驗所放入進料口的樣本板栗總體積記為V試驗。由于板栗的體積近似可以看作球體，進料裝置可以近似看作正方體，總體積計算方法由查找相關文獻得知（3.1,3.2）。 （3.1） V試驗= （3.2） 說明：V料口；表示進料口的最大體積； S上；表示進料口上端正方形的面積； S下；表示進料口下端正方形的面積； h；表示進料口的兩端垂直高度； d1；表示進料口的上端邊長； d2；表示進料口下端端面邊長； m總；表示每次加工板栗的總質(zhì)量； m1；表示加工板栗單個平均質(zhì)量； V1；表示樣品板栗的平均體積； d；表示樣品板栗平均半徑； 由上式可以知，我們可以知道，在基于正常誤差范圍內(nèi)，我們設計取d1為200mm，d2為160mm，h取120mm，通過理論計算V料口為9.8×，V試驗為5.7×。滿足V料口略大于V試驗。我們將樣本板栗分別編組記為1，2，3組，再分別置于進料裝置中，分別將三組的情況記錄下來，通過理論的計算再加上實際的實驗結果論證，得知進料口的設計是合理的。 3.3 電機的選擇 在選擇電機時要考慮的第一件事就是功率選擇[11]，為了正確選擇發(fā)動機輸出功率，必須經(jīng)過以下公式計算或比較（3.3）。 　 　 （3.3） 其中p是計算出的力，測量單位是千瓦，f是所需的張力，單位是N，v是工作機的線速度m / s。也。最常見的是使用類比來選擇發(fā)動機功率。所謂的模擬方法是比較類似生產(chǎn)機器中使用的發(fā)動機的功率。一種特定的方法是找出此設備或其他相鄰設備中的類似生產(chǎn)機器消耗了多少能量，然后使用類似面團的動力發(fā)動機。試運行的目的是確認所選發(fā)動機對應于生產(chǎn)機器；測試方法是讓電動機為相關設備供電。如果測得的電動機電流超過指示的額定電流超過40％。這說明電機輸出太低，需要用更高的輸出更換發(fā)動機，這個時候，需要考慮扭矩發(fā)動機輸出的公式（3.4）。 (3.4) 式中：P：功率，單位是kw； N：電機的額定轉速，單位是r/min； T：轉矩，單位是N·m； 下表3.1為不同型號的發(fā)電機的拉力力矩情況，從中能夠看出，隨著拉力的增大，力矩也在進一步增大，根據(jù)電動機在勻速轉動時的轉矩，以電動機的最大轉矩為標準。 表3.1 發(fā)動機輸出扭矩力矩 號數(shù)/號 0.4 0.6 0.8 1.0 1.5 2.0 直徑/mm 0.10 0.12 0.14 0.16 0.20 0.23 拉力/Kg 4.8 5.6 6.8 8.3 9.9 12.7 力矩 0.00065 0.0025 0.0029 0.0033 0.0 041 0.0047 3.3.1 選擇電動機類型 根據(jù)電動機在恒定速度下的轉矩，以電動機的最大轉矩為標準，選取2.0系列三相異步電動機系列直流微型電動機，如圖3.10所示。 圖3.10 2.0系列籠型三相異步電動機 3.3.2 確定電機工作時的功率 電機正常工作時所需要的功率PW（3.5）。 = （3.5） 式中，取。 電動機的輸出功率P0（4.6）： == （3.6） 其中，齒輪傳動效率，聯(lián)軸器的效率，滾動軸承效率，所以： 得： （3.7） 選取電動機的額定功率，使,查機械設計手冊得電動機的額定功率為：。 3.3.3 確定電動機的轉速 滾筒的轉速為（4.8）： （3.8） 取V帶傳動比，雙級圓柱齒輪傳動比，總傳動比為： 電動機可選擇的轉速為： 所以電動機選擇為：2.0系列籠型三相異步電動機。 3.4 刀具的設計 下圖3.11為板栗剝殼機械裝置的核心工作部件所示，由于機械在生產(chǎn)過程中使用的刀具通常用于切割金屬材料，樣本板栗從進料口進入板栗的工作區(qū)域內(nèi)，刀頭和電機使用固定螺釘相互連接，這樣能夠最大保證刀盤高速運轉過程中不會因松動而造成影響，刀盤上設計有三個互成120°的齒狀切刀[12]，齒狀切刀的安裝高度與刀具的轉速有著密切關系，電機帶動刀盤產(chǎn)生旋轉運動，這時連接在電動機上端的刀片會跟著電動機的運轉而轉動，這時開始從頂部的漏斗處投放板栗，落入套筒內(nèi)，與裝有齒狀切刀的圓盤接觸和摩擦，樣本板栗在刀具上做不規(guī)則的運動，旋轉的刀片與樣本板栗的運動形成一定的速度差，各個板栗間相互擠壓和碰撞，反復的運動，這時的板栗果仁會與板栗殼分離，而巨大的離心力會使碎片狀的板栗殼沿切線方向從側面飛出，最終實現(xiàn)板栗殼與果仁的分離，圖3.12為刀盤的結構示意圖。 1、 刀盤定位緊固螺釘 2、刀位孔 3、圓弧形刀具 4、連接套簡定位緊固螺釘 5、刀盤 6、刀片支撐 7、連接套筒 圖3.11刀盤的結構示意圖 圖3.12 刀盤的結構示意圖 工具孔的直徑為54mm，兩端圓弧的高度為2mm，圓弧的直徑為25mm，工具孔的寬度為14mm，工具中心孔與中心之間的距離光盤的直徑為72mm,刀片空之間的夾角為120°，查閱機械設計教材等文獻得知（4.9）。 (4.9) 式中:Ra;從栗子與刀片接觸的點到刀頭與刀片接觸的中心的距離。值是0.031，以m為單位; ρ;刀盤材料的密度，單位g/cm; r;刀盤定為中心圓孔的半徑，擬定0.0125，單位m; h;刀盤的厚度，擬定0.003,單位m; m;刀盤質(zhì)量,單位kg; N;一電動機所需轉速，單位r/min; 選擇設計參數(shù)后，電動機最小轉速經(jīng)計算得1350r/min，由圓軸扭轉時抗扭截面最大扭轉切應力許用應力公式（4.10）: （4.10) 式中：τMAX:扭轉最大切應力，單位為Mpa; TMAX:刀盤運動所受的最大扭矩，單位為Nm; Wt:抗扭截面系數(shù)，單位為Mpa; Ip:橫截面對轉軸圓心O點的極慣性矩，單位為m4; ρ:刀盤材料的密度，單位10*kg/m; D:計算緊固螺釘軸線所在位置的刀盤直徑，單位為m; d:定位中心圓刀盤直徑，單位為m; n:電動機輸出轉速，單位為r/min; 根據(jù)上面公式計算得到其大小為45.09N，刀片剝殼力的力學性能滿足其設計條件。 3.5 機械廢料收集裝置的設計 (1) 通過前面的設計，我們知道在板栗機械裝置工作時，會產(chǎn)生大量的板栗殼廢料，這些廢料如果不集中處理，會大量夾雜在板栗果肉中間，然后一起隨著板栗果肉出來，剩余少部分會遺留在機械裝置里面，長期下來，會影響機械裝置的運行情況，針對此情況，可以采用將一個小型鼓風機[13]置于板栗工作區(qū)域，待機械裝置開始工作的時候，開啟鼓風機，殼便從預先設置好的收集口飛出去，鼓風機是一種緊湊型高壓鼓風機，結構緊湊，隨著葉輪旋轉，如圖3.13所示； 圖3.13 小型鼓風機 從圖3.11廢料收集裝置示意圖可以清晰的看出來，待機械裝置開始工作的時候，開啟鼓風機，板栗與飛速刀片的接觸會將板栗打碎，此時，廢殼集中在栗子去皮盒中。將打開一個小型鼓風機，當葉輪快速旋轉時，風向由于離心力而使氣體向前和向后移動，從而形成一系列螺旋運動。機械裝置工作的時候可以使板栗殼從圖中所示的廢料收集裝置位置飛出來，收集的廢料可以集中處理，從而大大減少了廢料造成的影響。 3.6 電器控制系統(tǒng)的設計 3.6.1電器控制系統(tǒng) 運用在板栗剝殼裝置中能夠大大縮減由于時間上控制不精確而造成的工作時間浪費，與計算機控制系統(tǒng)相比，PLC電氣控制系統(tǒng)的最大優(yōu)勢是實時性和高可靠性，由于控制器是采用自動控制串接為基礎，信號處理的時間間隔非常短暫，速度較快，正常處理時間可以精確到10ms到20ms之間；同時PLC系統(tǒng)采用獨有的抗干擾技術，具有很強的抗干擾能力，使用起來方便快捷，相比較電源控制下的機械系統(tǒng)，可編程邏輯控制系統(tǒng)（PLC）[14]有比較大的優(yōu)勢性可言； 圖3.14 PLC終端整體示意圖 3.6.2 電器控制系統(tǒng)的主要步驟 電器控制系統(tǒng)的主要分為以下幾個步驟，其中圖3.15為PLC控制器總梯形圖，設定控制時間后，M35的一組常開觸點閉合，輔助繼電器M54線圈電氣閉合，與輸出繼電器Y21串聯(lián)連接的常開觸點閉合，從而輸出繼電器SB1通電并自動鎖定并打開電燈開關。當需要手動控制時，只要按下按鈕SB，SB2就會閉合，輸出繼電器SB3就會上電并自鎖，并且開關會斷開。當達到控制時間時，繼電器SQ1的線圈被電閉合后，會產(chǎn)生一個掃描周期的脈沖信號，從而使與輸出繼電器SQ2的線圈串聯(lián)的常開觸點快速斷開，輸出繼電器Y21打開，燈熄滅。當您需要手動關閉電燈時，只需按下按鈕SB，然后SB3閉合，輔助繼電器通電，并且串聯(lián)到輸出繼電器的常開觸點快速斷開，從而輸出繼電器SB2斷電。 圖3.15 PLC控制器總梯形圖 如圖3.16為 PLC終端示意圖，首先制定被控對象的的分析和描述，得到系統(tǒng)方案論證，根據(jù)電器元件和機械設備的總體分布情況，制定系統(tǒng)的總體設計方案如下所示。 (1) 設計硬件設計和軟件設計，根據(jù)組件布局和電氣原理繪制接線圖，然后檢查和測試相關系統(tǒng)是否正確。 (2) 根據(jù)機械裝置的自身相關情況，繪制電氣原理的相關組線圖，適當根據(jù)各線路圖的反饋情況予以記載和改善，進一步細致化，使整個系統(tǒng)更加完善化。 (3) 現(xiàn)場安裝并測試電器設備是否符合相關標準，通過一定的測試和分析，達到目標要求，從而對設計編寫說明書等相關說明。 相關步驟圖如圖3.15所示，從圖中我們可以清晰的看出設計的關鍵步驟情況，設計時根據(jù)先關的步驟一步一步的進行調(diào)試，最終能夠達到預期的效果。 圖3.16 PLC終端示意圖 圖3.17 設計主要步驟 總 結 本課題以研究家庭板栗剝殼機為契機，本著以最大化的節(jié)省材料、成本控制最低、使用安全簡便、剝殼效率高的原則，致力于板栗剝殼機的設計與研制，力求設計一種能夠滿足不同栗子尺寸和不同成熟度的機械脫殼設備，同時節(jié)省加工成本，同時還必須考慮安全性，效率，能耗等問題，使去殼效率達到理想最大化，以滿足不同家庭的需求,論文完成的工作如下： (1) 課題研究背景調(diào)查；先以調(diào)查國內(nèi)外板栗剝殼機研究現(xiàn)狀為契機，通過具體分析國內(nèi)外該機械裝置的成果和效應，對比分析了一些關鍵技術的利與弊，為本課題的設計提供了理論性的方案選擇和設計依據(jù)。 (2) 調(diào)查統(tǒng)計板栗樣本；以威安縣板栗為研究對象。通過調(diào)查取樣的方式收集一批板栗樣本，通過對板栗幾何形狀，板栗重量，水分含量等參數(shù)的詳細分析，得出了板栗物理特性規(guī)律和其他規(guī)律，為今后的設計和實驗研究提供了重要的性能基礎。 (3) 板栗剝殼機初步設計；首先板栗進入裝置第一層利用電磁加熱板燒開水并煮熱，將板栗首次加熱，然后板栗進入第二層裝置再放進涼水，這樣可以加速讓殼和皮分離，機械裝置內(nèi)置溫度傳感器可以提前預知溫度，完成前面的這些預先過程后；馬上進入剝殼筒，當機械裝置插上電源，電動機開始運轉，這時連接在電動機上端的刀片會跟著電動機的運轉而轉動，這時開始從頂部的漏斗處投放板栗，落入套筒內(nèi)，與裝有齒狀刀片的圓盤接觸和摩擦，這時的板栗果仁會與板栗殼分離，而巨大的離心力會使碎片狀的板栗殼沿切線方向從側面飛出，從而實現(xiàn)了果殼的分離的效果。 (4) 機械裝置的模擬性試驗；根據(jù)脫殼率和果肉破損率指標進行統(tǒng)計比較和分析，以得到高剝皮率和低破損率的最佳實驗性能參數(shù)，進而優(yōu)化栗子脫殼機的性能。機器性能得到優(yōu)化。 由于研究能力有限，板栗剝殼機的結構優(yōu)化和等一些關鍵性因素還有待進一步提升。未來希望可以更好的學習有關的知識，將板栗剝殼機與智能化控制方向結合，使板栗剝殼機朝著更好的方向邁進一步。 參考文獻 [1]崔建云.食品加工機械與設備[M].北京:中國輕工業(yè)出版社，2014. 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