螺杆式紧压茶叶机的设计-农业机械

1、 螺杆式紧压茶叶机的设计摘 要：本文分析我国茶叶加工现状，设计出一种紧压茶块加工机械。紧压茶大多为发酵砖茶,饮用前必须先将其掏碎后在锅中烹煮出茶叶汁味才可饮用。将绿茶通过专用机具加工成小块的紧压茶，不需复水蒸压，保持绿茶原有的形态和品质，并可将绿茶加工成各种形状、大小不一的紧压茶，以及加工表面带字的紧压茶。这种茶耐储藏，饮用既方便又卫生，还能保持和提高了绿茶的原有形态和品质。所具有的优点使其带来很高的附加值, 本次毕业设计对这种机械进行初步的设计和研究。并在样机的基础上，进行了部分的改进。关键词：紧压茶；改进；螺杆；模具 Design of a Screw Type Compressing M

2、achine for Tea Author: Wen Biao Tutor: Tang Xingchu(Oriental Science & Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha )Abstract: The article analyses the status quo of the tea manufacture in our country, that design a new clamping device for tea .This grows tea bears the preserve, dri

3、nks with both facilitates and the health, but also could maintain and enhance green teas original shape and the quality.It make the green tea through the special machine processed into small pieces of tightly compressed tea, dont need after water autoclaved, keep the original shape and quality green

4、 tea, and can be processed into various shapes, green tea tightly compressed size differ with words, and the machined surface tightly compressed tea. Has the merit causes it to bring the very high attachment value, this topic design specially carries on the preliminary design and the research to thi

5、s kind of machinery. And in the prototypical foundation, we have made the partial improvements.Keywords: Clamp Tea；Improve；Screw rod；Mold1 前言1.1 设计的目的与意义我国是茶叶的原产地，也是世界第一大产茶国。目前，我国年产干茶80多万吨，其中绿茶就占60多万吨。全国有大中型茶叶生产企业近万家，个体茶农100多万户。茶叶是人民日常生活的必需品。茶叶是世界上三大饮料之一，国内外市场巨大。但是，我国茶叶生产、加工规模散小，科技含量、附加值低。长期以来，茶叶的形状

6、以条索、片状为主，紧压茶只有蒸压后发酵的砖茶、沱茶，由于其体积大发酵时间长，饮用时要粉碎，既不方便也不卫生，而绿茶紧压在国内外还没有人系统地进行这方面的研究。我国是一个生产和消费茶叶的大国。茶叶作为特殊的商品,已经成为人们生活中不可缺少的组成部分,饮茶被称为“国饮”。茶叶千百年来均是以条素状、叶片状和砖块状的形式展现在人们面前。食用时,人们往往用手抓茶叶入杯泡茶给自己或客人,既不卫生也不雅观。为了克服发酵类紧压茶这些缺陷，填补绿茶没有紧压茶的空白，我们拟设计一种体积小，适用性强的绿茶紧压机。该机可把绿茶制成各种形状的小块紧压茶。这种茶耐储藏，饮用方便卫生，又保持和提高了绿茶的原有形态和品质。目

7、前国内外市场上很少有此类小块茶，即使有也是手工加工而成，生产效率低、劳动强度大、紧压茶品质差。而小块紧压绿茶所具有的优点使其带来很高的附加值。因此很有必要对紧压绿茶进行研究和开发本项目研究的目的:将绿茶通过专用机具加工成小块的紧压茶，不需复水蒸压，保持绿茶原有的形态和品质，并可将绿茶加工成各种形状、大小不一的紧压茶，以及加工表面带字的紧压茶。其加工机具重量轻、体积小、操作简单。加工的紧压茶耐储藏、饮用方便卫生，具有很高的附加值。因此，这种紧压茶具备较大的潜在市场和经济价值。 本次毕业设计专门对这种机械进行初步的设计和研究。并且在样机的基础上，进行了部分的改进。1.2 我国茶叶加工现状与发展前景

8、2005年，我国茶叶种植面积超过113万公顷，已居世界首位；而80万吨茶叶的年产量，则排世界的第二位；年出口茶叶28万吨、创汇4.4亿美元，名列世界第四位，但没有国际品牌和世界名牌。我国有茶农8000万人，茶商5000万人，茶叶产值100亿元，深加工产值逾100亿元。目前我国茶在世界上的地位是：面积第一、产量第二、出口第三和创汇第四。这些数字反映出我国茶的特征为竞争力弱和世界地位下滑，但也有大量的潜力可挖。作为世界性饮料的商品茶叶受国际市场影响，价格波动很大，近年来，茶叶市场疲软，价格低下，许多茶叶生产场、厂面临较大困难。其中之一是由于我们目前生产茶叶产品单一，外观及包装较差，无法参与国内外产

9、品的竞争所造成的。因此，如何利用现有茶叶原料，进一步加工成外观新颖，包装、携带方便的商品茶，打开茶叶销路，取得更多的市场份额，是保障茶叶生产稳定发展的一个急需解决的问题。 一般红、绿、青茶的外观已很难适应新的市场变化，而且价格低下，效益低。所以，传统的烘青、炒青绿茶、条红及乌龙茶等大宗茶，如能通过特殊加工方法，使其外形光滑紧结成饼仔状，富有美感，其价值将会大大提高，销路也会更好。为此，着手研究一种新的加工工艺、并设计制造出一种紧压茶叶加工机械势在必行。螺杆式紧压茶叶机是将茶叶作适当的处理后直接加压成形，不需添加任何粘合剂，全工艺过程简单，易于操作。生产出来的成茶，体积小、分量轻，饼仔粒重在25

10、，可直接冲泡饮用，且保持茶叶原有的品质和冲泡后的叶状。同时可进行精美包装，方便冲泡、易于保存、卫生又具有一定的艺术性。所研制配套的螺杆式紧压机结构简单，设计合理、生产效率高、性能稳定、体积小，安全可靠，操作方便该机械的研制，非常成功地解决了各种毛茶特别是中低档茶类的外型松散，包装臃肿，易吸潮，易变味，不便携带和运输费用高的老大难问题，加工出的成品茶外形光滑、紧实，十分便于包装、库存及携带，并且保持茶原有的风味，减少运输费用。特别适用于中低档茶类的生产。新工艺加工出的紧压茶叶，由于外观新颖，冲泡饮用方便，能有效地促进茶叶市场的繁荣，提高茶叶生产经济效益。 本新工艺技术已得到茶叶学术界的认可，试制

11、的少量产品也得到经营者的赞赏和推崇。目前，该机械处在初步研究阶段，还需要进一步完善，希望能进行连续生产，进一步提高生产率和产品质量。同时研制新的花式品种及精美包装，以适应市场的变化和提高竞争能力。紧压茶加工流程： 紧压茶是以绿茶或红茶或黑茶作原料，经过蒸软压模制成不同形状的茶叶，有砖形、饼形、碗形、柱形、方块形等。压制工艺因品种不同而异。基本加工流程: 原料蒸茶装匣紧压定型脱模干燥目前，市场上紧压茶包括花砖茶、黑砖茶、青砖茶、茯砖茶、康砖茶、金尖茶、米砖茶、沱茶、紧茶。紧压茶属再加工茶和茶叶的深加工，符合现代茶叶加工的发展趋势，使茶叶产品增值，螺杆式紧压茶叶机对茶叶的加工不改变原茶的性质，使茶

12、叶能保持原滋原味，并且可以加入些有益成分，还使茶叶加工艺术化，富有美感，让现代气息扑面而来。2 设计原理与设计方案2.1 设计原理 基本结构，为了可靠方便的进料，螺杆式紧压茶叶机采用垂直进料，水平挤压的方式。 螺杆式紧压茶叶机由动力部分，传动部分，连接部分，执行部分，辅助部分组成。动力部分，动力部分由人工手动来提供动力，通过人的右手转动手轮，手轮将转矩传递至螺杆。传动部分，传动部分由螺杆和推力球轴承组成，螺母固定，螺杆旋转，螺杆接受手轮传递过来的力矩，将旋转运动转化为直线运动，推动推力球轴承前进，推力球轴承与执行部分模柱，通过连接件发生运动关系。连接部分，连接部分比较关键，是该机械系统中比较复

13、杂的部分，主要由内螺纹套（连接套），和外螺纹套（外连套）通过螺纹连接来实现传动部分和执行部分之间的动作。执行部分，执行部分主要由模柱来实现，弹簧也起辅助执行的作用，在螺杆传动的同时，压缩弹簧，弹簧压缩模套，使传动紧凑。辅助部分，辅助部分主要使指对该装置起补充和完善的部分，主要指支撑架部分，茶块接收部分。其中模柱，模套的结构形状大小由加工成型的产品来决定，改变料斗出口大小及施加茶叶推力可控制进料多少，因而也就决定了紧压茶的厚度和重量。 因此，我们按照上述原理，来设计和计算该机械。2.2 设计方案 由产品的要求，来考虑机械下的设计，产品是带由字样的茶块，这种产品主要通过物理的压力的加工来压缩完成，

14、这一过程比较简单，压缩的方法方式也有多种多样，常用的可以考虑采用液压传动，也可以用连杆机构的带动的往复运动来实现，最简单的是直接用力压模柱，来压缩成茶块。液压加工的动力大，易于压缩，但难以控制压力的大小，且液压传动多用于自动控制和连续运动的控制中：连杆机构存在较大的冲击，机械工作的时候会产生震动和噪音；直接压模柱过于费力，劳动强度太大；由于以上存在问题较多，选择螺纹传动，则劳动强度比较低，生产效率较差（可以通过将字模该为块模而提高效率），但其结构比较简单，且加工制造比较方便，不仅经济，而且便于维修。因此，选择螺杆来传动动力。 设计方案由设计原理来确定和改进，现在设计的方案是在原有方案上的改进。

15、 原来的方案:原来的方案其原理仍然是按照上述的原理来设计的，只是在设计的时候，出现了有些不足之处，有些地方需要做较大的改动.原方案的结构图如图1所示：图1 螺杆紧压式茶叶机原方案结构图Fig.1 Screw tightly compressed type tea machine the original plan structure 1.机架，2.模柱，3.模套，4.料斗，5.弹簧，6.滑套，7.滑套座，8.连接套，9.螺钉，10.轴承，11.外连套，12.螺杆，13.螺母，14.螺钉，15.丝杆座，16.手轮，17.螺母，18.垫圈工作过程：压制茶叶时，将炒制好的茶叶放入料斗（4），并用料椎

16、将茶叶送入模套（3），转动手轮（16），这时会通过螺杆（12）的旋转，由推力轴承（10）推动连接套（8）从而带动模柱（2）在模套（3）内作轴向移动，从而挤压茶叶成型。压力大小由紧压茶的截面积及茶叶所含水分的多少而定。把模套（3）向右推而压缩弹簧（5），同时手轮转回去，紧压茶落入料盘。周而复始，就不端加工出这种形状大小一致的小块紧压茶。不足之处：2.2.1.推力球轴承是传动中传递力和转矩的关键部分，该图中用了一个推力球轴承，受到的压力大，传动不是很稳定，会影响到使用寿命。2.2.2.螺杆退回时的压力全部由外连套承受，外连套容易磨损。2.2.3.弹簧所处的滑套和滑套座如果去掉，并不会对传动造成很大

17、的影响，这部分可以考虑是否去掉。2.2.4.在工作完成后，螺纹退回的过程中，由于模柱与连接套是通过螺纹来完成的，退后时，连接套会与模柱发生脱松现象，从而使模柱的退回不连续，当再次进料压缩时，要先将脱松部分旋转紧凑，才进行后续的茶块压缩，这样，相当于做了很大部分的无用功。针对上面出现的问题，现方案的结构进行了如下的改进：改进后的结构图如图2所示： 图2 螺杆紧压式茶叶机改进结构图Fig.2 Screw tightly compressed type tea machine improved structure （1）.缺点1，2的改进：多增加一个推力球轴承，置于外连套与螺杆接触处，同时，加入一块

18、垫片，使传动更加平稳，也减少了外连套的磨损。（2）.缺点3的改进：该部分的滑套和滑套座分别起放置弹簧和支撑的作用。去掉该部分，由于字模部分可以起到支撑的作用，对系统的影响不大，并且节省了材料和简化了装置。因此，该部分应该去掉。（3）. 缺点4的改进：该缺点主要是要要解决螺纹防松的问题，可以在内螺纹套与模柱配合的端面用一紧定螺钉钉入模柱内来实现。3 螺杆的设计计算3.1 螺杆的要求螺杆式紧压茶叶机的螺杆传递动力为主，要求以较少的转矩产生较大的轴向推力，用以克服传动时的摩擦阻力和负载的要求。这种传力的螺旋主要是承受较大的轴向力，一般为间歇工作，每次工作时间短，工作速度也不高。该机械在加工时，应当满

19、足工作强度要低，劳动生产率要高的要求。3.2 螺纹副与螺纹的选择螺纹传动按其螺纹副的摩擦性质不同，可分为滑动螺旋（滑动摩擦），滚动螺旋（滚动摩擦）等，在此设计中，我选择滑动螺旋结构，理由是它结构简单，相对滚动螺旋传动的结构复杂，制造复杂而言，便于制造，经济适用，但其主要缺点是传动效率低，摩擦阻力大，磨损大，在传动精度与要求不高的手工加工中，能满足设计和应用的要求。 螺纹的选择：滑动螺旋采用的螺纹类型常用的有矩形，梯形和锯齿形。矩形螺纹传递效率较其它螺纹高，但牙根强度弱，加工不方便，螺旋副磨损后，间隙难以修复和补偿，传动精度降低，且矩形螺纹尚未标准化，梯形螺纹与矩形螺纹相比，虽然其传动效率略低，

20、但工艺性好，牙根强度高，对中性好。锯齿形螺纹兼有矩形螺纹传动效率高，梯形螺纹牙根强度高的特点，但只能用于单向受力的螺纹螺纹联接或螺旋传动中。对比之下，选梯形螺纹为传动的螺纹。3.3 螺杆的设计计算3.3.1 螺杆的受力选择在茶叶压制的过程中，压制力过大，容易将茶叶挤压破裂，茶汁外溢，影响紧压茶的品质，压制力过小，不容易将茶叶压制成型，干燥后紧实度不够，表面不平整。因此压制力的大小直接影响到茶叶的品质，压力的大小由茶块的受力面积和厚度，以及茶叶的含水量来决定，厚度和受力面积已经给定，为12cm，下面为试验过程和试验数据：第一次试验，先将采摘的鲜叶在阴凉通风清洁地方摊放4h，期间每小时轻翻一次。试

21、验时采用手工杀青，锅温在160C，每次鲜叶投放量为400g，杀青时间为5min。杀青后摊凉进行手工揉捻3min，然后进行炒二青，锅温在100C，边炒边揉搓，时间为6min。这时测得茶叶的含水量在24，起锅后立即利用茶叶的粘性趁热进行压制成型茶。压制的成型茶形状为五棱柱，截面积为2.6cm2。采用3种压力2.94MPa，4.41MPa，5.88MPa压制。第二次试验，采用同块地里的鲜叶，将采摘的鲜叶在阴凉通风清洁的地方摊放4h，期间每小时轻翻一次。试验时采用第一次试验的前四道工序的同样方法，第四道工序完工即炒二青后摊凉复揉5min，然后进行炒三青，锅温为90C，时间8min，边炒边揉搓提毫，起锅

22、时测得含水量为15，同样趁热压制成型茶，形状大小同前，采用压力为2.94MPa，4.41MPa，5.88MPa。为了便于对比，每次试验均留下部分散茶。两次试验压型后即送入烤箱干燥，干燥温度均为70C，第一次干燥时间为8h，第二次干燥时间为5h。干燥后紧压茶含水量8%左右。紧压茶和散茶审评：见表1结果与分析两次共压制型茶968块，10千克鲜茶压制干燥后的小块茶干燥后重2.23kg，单个均重2.3g。散茶105克，第一次试验留散茶52克，第二次试验留散茶53克。第一次试验压力为30kg/cm2（2.94MPa）得160个，45kg/cm2 (4.41MPa)得160个，60kg/cm2(5.88M

23、Pa)得162个。第二次试验压力为30kg/cm2（2.94MPa）得160个，45kg/cm2(4.41MPa)得160个，60kg/cm2(5.88MPa)得166个。感官审评结果：两次试验紧压茶与散茶的感官审评结果如表1、表2。表1 茶叶含水量、压力与紧压茶质量关系Tab.1 Tea water content, pressure and tightly compressed tea quality relationship 含水量（%） 压力（MPa） 感官评定（干燥前） 感官评定（干燥后）含水量（8%）15 2.94 茶块表面欠平整、香气纯 茶块表面欠平整、棱角欠分明 正清香、汤色黄

24、绿明亮、 香气纯正清香、汤色黄绿明亮 滋味甘爽、叶底翠绿 滋味甘爽、叶底黄绿 15 4.41 茶块表面较平整、香气纯 茶块表面欠平整、棱角欠分明 正清香、汤色黄绿明亮、 香气纯正清香、汤色黄绿明亮 滋味甘爽、叶底翠绿 滋味甘爽、叶底黄绿 15 5.88 茶块表面平整光滑、香气 茶块表面平整、棱角分明香 纯正清香、汤色黄绿明亮、 气纯正清香、汤色黄绿明亮 滋味甘爽、叶底翠绿 滋味甘爽、叶底黄绿 24 2.94 茶块表面较平整、香气纯 茶块表面欠平整、棱角欠分明 正清香、汤色黄绿明亮、 香气纯正清香、汤色黄绿明亮 滋味甘爽、叶底翠绿 滋味甘爽、叶底黄绿 24 4.41 茶块表面平整、香气纯 茶块表

25、面较平整、棱角欠明 正清香、汤色黄绿明亮、 香气纯正清香、汤色黄绿明亮 滋味甘爽、叶底翠绿 滋味甘爽、叶底黄绿 24 5.88 茶块表面平整、香气纯 茶块表面平整、棱角分明 正清香、汤色黄绿明亮、 香气纯正清香、汤色黄绿明亮 滋味甘爽、叶底翠绿 滋味甘爽、叶底黄绿 表2 同批散茶与紧压茶（含水量15%、压力5.88MPa）内质关系Tab.2 Scattered with batch tea and tightly compressed tea tastes relations种类 感官评定（干燥前） 感官评定（干燥后） 紧压茶（15%） 香气纯正清香、汤色黄绿明 香气纯正清香、汤色黄绿明亮 （

26、5.88MPa） 亮、滋味甘爽、叶底翠绿 滋味甘爽、叶底黄绿 散茶 香气纯正清香、汤色黄绿明 香气纯正清香、汤色黄绿明亮 亮、滋味甘爽、叶底翠绿 滋味甘爽、叶底黄绿 分析:a.含水量对紧压茶外形及内质影响（1）当茶叶水分在24时，在干燥前前两种压力对茶叶外形影响不大，表面都比较平整，但当压力达到5.88MPa时，紧压茶表面比前两种压力的紧压茶表面要光滑平整。棱角分明，但色彩呈墨绿，有微量茶汁液留在模具上。干燥后前两种压力的紧压茶表面不平整，棱角欠分明，这与茶叶在干燥过程中具有收缩性质有关。块茶给人不紧实的感觉，从一米高处自然下落，会产生掉渣碎叶断裂不紧。后一种压力较大，压出的茶叶产生较大粘性，

27、因而干燥后紧压茶表面仍平整，棱角分明，从一米高处自然下落无变形，掉渣，冲泡后叶底呈黄绿，香气纯正。（2）当茶叶水分含量在15%时，在干燥前前两种压力的紧压茶表面欠平整，但当压力达5.88MPa时，紧压茶表面光滑平整，棱角分明，色彩翠绿。干燥后紧压茶表面与干燥前变化不大，这与茶叶水分含量较少有关。从一米高处让其自然下落，前两种压力紧压茶掉渣，压力越小，掉渣越严重。后一种压力较大，紧压茶表面光滑坚实，无掉渣断裂现象，冲泡后香气纯正，叶底黄绿。b.加工压力对紧压茶外形及内质的影响（1）当压力为2.94MPa对两种水分含量的紧压茶外形影响较大，干燥后表面均不平整，不紧实，内质同散茶无区别。（2）当压力

28、为4.41MPa对水分含量低的紧压茶外形还是有影响，干燥后表面欠光滑平整。水分含量高的紧压茶外形光滑平整，棱角分明。冲泡后香气纯正，叶底黄绿。（3）当压力为5.88MPa无论水分含量高低，紧压茶的外型表面光滑平整，棱角分明，但水分含量高的紧压茶在模具上留有微量茶汁，色彩呈墨绿，且不易脱模，影响生产效率。内质同散茶无区别。但水分含量高的紧压茶茶汁挤压出太多对茶叶内质有一定影响。c.散茶与紧压茶的内质比较从试验中得知，由于采用了干燥前压制，紧压茶与同批散茶冲泡后茶叶外形一样，内质基本上一致。也就是说这种紧压型茶内质不受形状和压力的影响。结论：（1）从试验中得知，当水分含量大于24以上时，压力大于4

29、.41MPa时，紧压茶表面光滑平整，但易使茶叶挤压破裂，茶汁外溢，茶叶水分含量越高，茶汁外溢越严重。这样会使紧压茶内质受到影响，也影响紧压茶脱模。压力太小，则紧压茶不紧实，表面不光滑，较松散。（2）从试验结果也可以得出这样结论：当采用在干燥前把茶叶压制成小块紧压茶时，只要压力适当，紧压茶表面就光滑平整，而且不会影响茶叶的内质。而采用干茶复水后蒸煮压制成紧压茶品质就会受到一定影响。由图标可知：压力的选择在45kg/cm100kg/cm为佳。即压力在4.5MPa-10MPa为佳。3.3.2 螺杆参数的确定先由负载确定螺杆的配合直径d，查相关标准，选择合适的公称直径，再选择螺距，计算工作圈数，螺纹工

30、作高度，螺纹升角，螺纹牙底宽度。3.3.3 螺杆的受力分析图3 螺杆受力分析图Fig.3 Screw stress analysis structure由机械原理可知，拧紧螺母时，可看作推动重物沿螺纹表面运动。将螺纹沿中径处展开，滑块代表螺母，螺母和螺杆间的运动可视为滑块在斜面上运动。螺旋副的受力分析图如图3所示。根据力的平衡条件可得：旋紧螺母时作用在螺纹中径上的水平推力(圆周力)： F=Qtg() （1） 转动螺纹需要的转矩为：T=F*d/2=Qd*tg()，螺杆传动的效率为=Qdtg/(2Qtg()=tg/tg()， 同理，可得松开螺母时的圆周力和效率分别为：F=Qtg()， =Fd/Qs

31、=Qtg()d/Qdtg， 自锁条件为 为当量摩擦角，=arctg，当量摩擦系数=/cos，为实际摩擦系数，F为螺旋副所受的轴向力。3.3.4 螺杆的耐磨性计算计算项目：螺杆中径 d= F-轴向载荷，轴向载荷由实验确定，范围为45kgcm100kgcm p-许用压强，查表可得：由于螺杆采用45号钢，螺母采用青铜，许用压强为18-25MPa， 梯形螺纹，矩形螺纹的 0.8，计算可得： d0.8 由d=mm 查阅相关标准，选取相应的公称直径d和螺距p,考虑到传动的距离较长，螺杆的长度比较长，直径取大点，查表，取公称直径d24mm.d=21.5mm,d=18.5mm，D=24.5, D=19,p=5

32、mm,为优先选择的螺距， 螺母高度：H=*d=2.521.5=53.75mm, 旋合圈数：z=H/p=53.75mm/5mm=10.6圈 取11圈螺纹的工作高度:h=0.5*p=2.5mm工作压强：p=F/(*dh*z)p,用于较核 =102/(3.1421.52.511) =100/78.5=1.318,螺纹升角：= arctan=arctan =arctan = arctan0.07964.55当量摩擦角=arctan 查表：f-摩擦系数，钢对青铜，取：f=0.09由于是梯形螺纹，牙型角a30度可知， S=3.55.0该螺杆满足稳定性要求。综上所述，该螺杆能满足该传动的要求。4 其它零部件

33、的设计计算4.1 弹簧的设计计算4.1.1 弹簧的作用在螺杆式紧压茶叶机中，弹簧起到一个辅助压缩的作用，能随着模柱一起压缩模套，使压缩过程更加紧凑，并且，在模套退回，卸料的时候，弹簧先随模套的退回压缩，在模套复位时，由于存在弹簧的压缩力反力，弹簧压缩模套，能引导模套的快速复位。4.1.2 弹簧的使用要求由弹簧在该机械中的作用可以知道，该弹簧为压缩弹簧，弹簧的受力较小，弹簧应该具备很好的收缩性能 ，并且当弹簧被压缩到最大尺寸时，弹簧不至于被破坏。4.1.3 弹簧的设计(1)材料的选取，我们这里选取碳素弹簧钢作为材料，原因是价格便宜，原材料来源方便；虽然他由弹性极限低，多次重复变形后容易失去弹性的

34、缺点，但在受力不大的环境中，还是能满足设计的要求。在螺杆式紧压茶叶机中，弹簧起到一个辅助压缩的作用，我们可以假设它的受力最大为100N，最小为0.1最大10N因为它的作用式起到一个紧凑的作用，受力并不大。（2）尺寸的计算：弹簧的压缩长度，选为20mm,结合配合部分的尺寸，初选弹簧中径D=28mm.弹簧设计的任务是要确定弹簧丝直径d、工作圈数n以及其它几何尺寸，使得能满足强度约束、刚度约束及稳定性约束条件，进一步地还要求相应的设计指标(如体积、重量、振动稳定性等)达到最好。具体设计步骤为：先根据工作条件、要求等，试选弹簧材料、弹簧指数C。由于与d有关，所以往往还要事先假定弹簧丝的直径d，接下来计

35、算d、n的值及相应的其它几何尺寸，如果所得结果与设计条件不符合，以上过程要重复进行。直到求得满足所有约束条件的解，即为本问题的一个可行方案。试算： 选择弹簧材料和许用应力。 选用B级碳素弹簧钢丝。弹簧为II类弹簧。根据外径要求，初选C=10，由C=D/d=(D-d)/d 得 d=2.5mm，由表查 得 =1570，由表知： =0.41=644。计算弹簧丝直径d 由式 K=4C-1/(4C-4)+0.615/C （4） 得 K=1.14 由式d1.6 （5）得 d2.13mm可知： d=2.5mm满足强度约束条件。计算有效工作圈数n确定变形量 =20.22mm。 查表得 G=79000N/，由式

36、 n=Gd/8Ck=Gd/8 FC 得 n=4.99取 n=5，考虑两端各并紧一圈， 则总圈数n1=n+2=7。至此，得到了一个满足强度与刚度约束条件的可行方案.确定变形量 、和实际最小载荷F 弹簧的极限载荷为： F=F/0.8=100N/0.8=125N 因为工作圈数由6.11改为6.5，故弹簧的变形量和最小载荷也相应有所变化。 由式 =8FCn/Gd （6）得： =8n FC/(Gd)=8510010/79000/2.5=20.25 =20.22mm =h=(20.25-20)mm=0.25mm F=Gd/8nC=1.23N求弹簧的节距p、自由高度H、螺旋升角和簧丝展开长度L 在F作用下相

37、邻两圈的间距0.1d=0.25mm，取=0.5mm，则无载荷作用下弹簧的节距为 p=d+max/n+1 （7）=(2.5+20.22/5+0.5)mm=7.44mmp基本符合在(1/21/3)D2的规定范围。端面并紧磨平的弹簧自由高度为H=np+1.5d=57.44+1.52.5=41.25 取标准值 H=42mm。无载荷作用下弹簧的螺旋升角为 =arctg7.44/(3.1428)=5.2基本满足 =59的范围。弹簧簧丝的展开长度 L=Dn/cos=287/cos5.2=613mm 稳定性计算 b=H0/D2=42/28=1.5 采用两端固定支座，b=1.55.3，故不会失稳。弹簧结构图如图

38、4所示： 图4 弹簧结构图 Fig.4 Spring chart 4.2 圆头平键的设计计算当平键联接用于传递扭矩时，键的侧面受挤压，截面受剪切，可能的失效形式是较弱零件(通常为轮毂)工作面的压溃(对于静联接)或磨损(对于动联接)和键的剪断。对于实际采用的材料和按标准选用的键联接尺寸来说，工作表面的压溃或磨损是主要的失效形式。因此，对于平键联接的强度计算，通常可只进行挤压应力(对于静联接)或压强(对于动联接)的校核计算。在该联结中，按静联接来计算.假设工作面上的作用力沿键的长度和高度均匀分布，则平键联接的强度约束条件为： 静联接 =2T/dlk （8） 式中： 为平键联接工作表面的挤压应力()

39、； T 为转矩(N.m)； d 为轴的直径(mm)； l 为平键的接触长度(mm)；对圆头平键，l=L-b；平头平键，l=L； b为键的宽度； k 为键与轮毂的接触高度，一般k0.5h ,h为平键的高度； 为许用挤压应力，在此，我们选取圆头平键查阅相关标准，=120-150 d=16mm,l=20mm,键宽b*键高 h=6mm6mm代入数据计算得：10.36 120 ，可知，该键满足强度要求。3.4推力球轴承的选择： 螺杆式紧压茶叶机用到了两个推力球轴承，推力球轴承已经标准化，其尺寸和额定动载荷，额定静载荷可以通过相关标准查阅到，不需要另外的计算。4.3 模具部分的设计计算4.3.1 模具部分

40、的组成模具部分由三部分组成：1.字模，字模上刻上“福”字或者“寿” 字，通过电火花型腔加工可以实现。2.模柱，模柱部分与模套部分通过线切割，一次性加工出来，这样加工出来的模块配合精度比较搞，模具配合非常紧凑3.模套，模套部分可以说是线切割模柱部分剩余下来的部分，茶块的压缩就是在模套里完成的。4.3.2 模具配合的精度要求字模与模柱，模柱与模套的配合精度要求较高，字模与模柱的配合精度由模套来调整与保证！模柱结构图如图5所示： 图5 模柱结构图 Fig.5 Mould column chart 4.3.3 模具部分的尺寸模具可以用圆柱模或者六棱柱模，在此，选六棱柱的模具进行计算。 对于六棱柱模柱，

41、取两相对边的宽度为20mm,计算边长，得：边长11.55mm。 4.4 连接部分的设计计算4.4.1 连接部分的组成连接部分由内连套和外连套，紧钉螺钉组成，内连套的内螺纹与模柱部分相连接，外螺纹与外连套相旋合，为了防止在旋转过程中，内连套与外连套的发生相对转动，在他们配合好后，在内连套和外连套上钻一螺纹孔，用一个紧定螺钉来连接，起防松的作用。4.4.2 内连套与外连套的尺寸设计计算内连套的尺寸确定：与模柱部分螺纹配合的部分的尺寸由模柱的螺纹部分配合来确定，由设计可以知道，模柱的螺纹大径d=16mm,所以内螺纹的直径；内连套里装有推力球轴承，该部分的尺寸应该由推力球轴承的大径来确定；内连套外螺纹

42、大径的尺寸应该由与之相配合的外连套内螺纹的尺寸来确定。内连套结构图如图6所示： 图6 内连套结构图 Fig.6 Even set of structure within chart外连套结构图如图7所示： 图7 外连套结构图 Fig.7 Outside webspace set of chart 4.5 推力球轴承的选择 螺杆式紧压茶叶机用到了两个推力球轴承，推力球轴承已经标准化，其尺寸和额定动载荷，额定静载荷可以通过相关标准查阅到，不需要另外的计算。 推力球轴承的选择考虑如下因素：4.5.1 负载，负载是决定选择何种轴承的主要因素，由负载最大为100kg/cm*2cm=200kg的力2kN4

43、.5.2 零件的配合尺寸来确定轴承的尺寸。推力球轴承1与内连套相配合，选取的推力球轴承型号为51204，D=40mm,d=20mm,T=14mm，属于轻（2）系列，其额定动载荷，额定静载荷分别为C=16.2kN, C=27.5kN,满足传动的要求。推力球轴承2与螺杆的光杆部分相配合，由设计可以知道，螺杆的公称直径为24，推力球轴承通过螺纹套在光杆部分上，他们的配合采用基轴制，这里选取的轴承型号为51205，d=25mm,D=47mm,T=15mm, 属于轻（2）系列，其额定动载荷，额定静载荷分别为C=21.2kN, C=40.2kN,满足传动的要求。4.6 轴承的寿命计算4.6.1 当量动负荷

44、的计算承受大小和方向一定的合成负荷的向心轴承与推力轴承（a不等于90度)的当量动负荷可由下式计算：P=XFr+YFa.(9)这里，：当量动负荷，Nkgf对于向心轴承，表示为Pr:径向当量动负荷对于推力轴承，表示为Pa:轴向当量动负荷Fr:径向负荷，NkgfFa:轴向负荷，NkgfX:径向负荷系数Y:轴向负荷系数（负荷系数与载于轴承尺寸表）对于单列向心轴承，当Fa/Fr=e时，取X=1、Y=0，因此，这时当量动负荷为Pr=Fr。4.6.2基本额定静负荷与当量静负荷轴承承受太大的静负荷或在极低转速下承受冲击负荷时，滚动体与滚道的接触面会产生局部永久变形。其变形电随负荷增大而增大，超过一定限度的话，将会影响正常的旋转。基本额定静负荷是指使承受最大负荷的滚动体与滚道的接触面中央产生按以下计算接触应力的静负荷。a、调心球轴承.4600MPa469kgf/mm2b、其他球轴承.4200MPa429kgf/mm2c、滚子轴承.4000MPa408kgf/mm2在这些接触应力下产生的滚动体与滚道的永久变形总量约为滚动体直径的0.0001倍。向心轴承与推力轴承的基本额定静负荷分别称作径向基本额定静负荷与轴向基本额定静负荷，用Cor与Coa表示，其数值载于轴承尺寸表。5 结论5.1 该机械存在以下的问题5.1.1 为了保持茶块的卫