本科机械制造和自动化毕业设计_说明

1、. . . . 52 / 57目 录摘要III关键字IIIAbstract第一章自动化盘式揉捻机介绍11.1茶叶揉捻工艺简介11.2研究的目的与意义11.3 国外研究现状2第二章揉捻机自动化简要介绍与其总体方案设计32.1 揉桶转速控制介绍42.2 压力控制介绍42.3 揉捻过程控制介绍42.4 自动化盘式揉捻机总体方案设计5第三章自动化盘式揉捻机结构设计63.1 自动化盘式揉捻机结构63.1.1 自动化盘式揉捻机结构示意图63.1.2 自动化盘式揉捻机结构示意图73.2 自动化盘式揉捻机机架设计73.2.1 自动化盘式揉捻机腿部支撑件设计83.2.2 自动化盘式揉捻机转动曲臂设计93.2.3

2、 自动化盘式揉捻机揉桶固定架设计93.2.4 自动化盘式揉捻机自动化加压装置副轴设计103.2.5 自动化盘式揉捻机步进电动机固定架设计103.3 自动化盘式揉捻机揉盘设计113.4 自动化盘式揉捻机揉桶设计123.5 自动化盘式揉捻机加压盖与其组件设计12第四章自动化盘式揉捻机主要机械部件有限元分析134.1 Solidworks有限元分析简介134.1.1 有限单元法分析134.1.2 有限元法的分析过程134.2 有限元分析分析机械部件174.2.1 揉捻机支撑件有限元法分析174.2.2 揉盘有限元法分析224.2.3 加压盖有限元法分析26第五章自动化盘式揉捻机主要机械部件结构分析校

3、核295.1 传动比的分配295.2 三角带传动的计算295.3 键的选择与校核335.3.1 电动机端带轮处键的选择校核335.3.2 减速箱带轮处键的选择校核335.4 标准斜齿圆柱齿轮计算345.5 中间轴的设计与校核385.6 中间轴轴承的设计与校核455.7 步进电动机端的联轴器设计与校核475.7.1 滑块联轴器的介绍475.7.2 滑块联轴器的强度计算47参考文献49致50自动化盘式揉捻机设计摘 要 自动化盘式揉捻机以揉盘和揉桶为主要部件的间歇性揉捻机。主要由揉桶、揉盘、曲柄回转机构和自动加压装置组成。作业时，装有茶叶的揉桶在凹并装有棱骨的揉盘作平面回转运动，揉桶、揉盘的相对运动

4、与自动加压装置力的作用使揉桶的茶叶受到有规律的翻动和揉搓，叶细胞受损，茶汁挤出，条索卷紧，从而提高揉捻机的自动化程度、适应性、揉捻质量与稳定性。揉捻是茶叶加工中的重要工序，通过揉捻，茶叶细胞组织部分破坏，含成份适当转化与合成，使成品茶滋味更为醇和，香气更持久，冲泡浸出更均匀，外形更整齐。因此，揉捻是茶叶品质特色形成的关键，在茶叶加工中具重要作用。揉捻叶质量首先取决于鲜叶的物理性状(包括柔软性、韧性、可塑性与粘性和嫩度),其次决定于揉撩机的性能。而揉捻叶缩胞的破损率和成条率是衡量揉捻工艺性能的重要指标。关键字：自动化盘式揉捻机，揉桶，加压装置，自动化Automation of tea twist

5、ing machine to rub disc plate designAbstractAutomation of tea twisting machine to rub disc plate and knead barrel is the major parts of intermittent twisted machine.Mainly by the kneading drums, rubbing plates, crank rotation body composition and automatic compression device. Operations, with tea an

6、d kneading drums in the concave disc with inner edge of bone rubbing a plane turning, rubbing barrel, rubbing plate relative motion and automatic compression device loads to be there rubbing the barrel of tea flip and rub the law, leaf cell damage, tea out of, the cable and tight, thereby enhancing

7、the degree ofautomation, rolling machine, adaptability, quality and stability of rolling.Tea twisting is the important process in the tea processing, through the Tea twisting, part of tea cells will be destroyed, then containing ingredients will transform and synthesize, aroma lasting longer time, t

8、he appearance is more orderly.Therefore, Tea twisting is the key procedure in the forming of high quality tea. Tea twisting leaf quality first depends on fresh leaves physical properties (including soft, toughness, plasticity and sticky and tender), next decided to the function of the tea twisting m

9、achine. And the damage rate of twisted shrinkage leaf cells and the rate of article into Tea-like strip in the procedure of twisting is a significant index.Keywords: automated disc rolling machine, kneading drums, pressurized equipment,automation第一章 自动化盘式揉捻机介绍1.1茶叶揉捻工艺简介揉捻，是一种茶叶初制的塑型工序，主要是运用搓揉方法破坏茶叶

10、的组织细胞，挤出茶汁，使叶片成条。揉捻是初步做形，除了白茶类和绿、黄茶中有些不要揉捻外，一般在制茶过程中都有揉捻工序。鲜叶直接揉捻是不能成条的，因为鲜叶的物理性能硬而脆。另外，揉捻是力的作用，如果用力不当，也不能成条。所以揉捻也可以说是一项综合了叶的物理性能和揉捻力大小的茶叶加工技术。揉捻是茶叶加工中极为重要的一个过程，它的好坏决定成茶品质的优劣。目前，茶叶加工中的揉捻原理基本一样，均是让杀青(或萎凋)叶团在由揉桶、压盖和揉盘组成的揉捻空间中，利用曲柄连杆机构带动揉桶在揉盘上做匀速平行圆周运动，茶叶受到揉桶、压盖、揉盘、棱骨与叶自身的多方向力的复合作用，沿各自叶片主脉揉搓成紧结同浑的条索状，同

11、时将叶细胞破碎，从而完成揉捻过程。1.2研究的目的与意义本项目针对目前国茶叶揉捻机的自动化程度低、适应性差、揉捻质量不稳定等问题，并结合我省绿茶品牌多而杂、规模小、品质差的现状，拟研发一种高适应性、低成本的集控式茶叶揉捻加工装备。 研究茶叶揉捻工艺，分析不同茶叶揉捻的工艺参数，探索工艺参数对揉捻品质的影响规律，在机械自动化控制方面的研发完成之后，反复通过生产实践加以验证并不断修正参数，使茶叶揉捻环节高适应性地进入茶叶自动化生产的过程中。 省茶叶加工企业普遍存在规模小，机械化水平不高，加工工艺落后，加工过程规化和标准化差等缺点，严重制约和影响了茶产业的发展。据统计，2007年，全省工商登记的茶叶

12、加工企业300余家，注册商标146个。茶叶加工企业中，省级农业产业化经营龙头企业12家，地（州、市）级龙头企业18家；拥有自主进出口经营权的企业18 家，通过ISO9000族质量管理体系和ISO14000环境管理体系认证的企业8 家；加工能力上千吨的企业7家，上百吨的企业18家。因此发展高适应性、自动化的茶叶加工技术和装备，对于规品牌茶叶揉捻工艺，打造茶叶品牌，解决“三农”问题具有十分重要的意义。目前，具有一定自动化技术的茶叶揉捻机数量极少，且价格约为10万元，茶叶揉捻机成本过高。本项目研制的高适应性自动茶叶揉捻装备采用集中控制系统，相对于一般的单机控制系统，每台可降低设备成本约1-2万元，如

13、按照省2000台揉捻机计算，可节省设备成本2000万元-4000万元。另一方面，该项目的实施可以大幅度提高茶叶揉捻质量，提高名优茶的产能，品牌提升，提高产品附加值。在上述研究工作的基础上，以我省名优绿茶品牌“绿宝石”的揉捻加工为应用对象，建立高适应性茶叶揉捻加工示基地，推动我省绿茶生产向优质、高效、低成本、名品牌方向发展，提升我省的绿茶产业的经济效益和社会效益。茶叶产业在我省国民经济和社会发展中具有非常重要的地位，发展茶叶产业对于促进农业经济结构调整、生态建设和农业产业化经营，增加农民收入，推进社会主义新农村建设，具有十分重要的意义。因此，本项目所致力推动的茶叶生产机械化、自动化、高适应性，符

14、合国家与省产业政策，符合我省国民经济和社会发展的需要，无疑具有重要的社会效益。1.3 国外研究现状20世纪50年代以来，尤其是进入80年代以来，我国的茶叶加工技术快速向着机械方向发展，各茶类的制茶机械相继研制与开发成功，并逐步应用于生产。到目前为此，我国的大宗茶已有90实现了机械化加工，名优茶也有50以上的加工实现了机械化。近年来，在制茶机械自动控制方面也有所突破，如以继电器为基础控制元件的自动控制技术在匀堆拼配设备中应用；机电控制系统在揉捻机上的应用；1987年通过部级鉴定的“计算机控制茶叶烘干机，与在乌龙茶做青工艺中的应用；圆电脑控制型龙井茶炒制机的研制成功等。最近几年，绿茶加工的鲜叶摊放

15、、杀青、冷却和干燥等工序在一定程度上实现了连续化流水作业，唯有杀青后的揉捻间歇作业如何实现连续化仍在探索中。省和省分别就揉捻机技术进行了攻关，取得了一些成果，但揉捻机的自动化与适应性水平却不甚理想，揉捻质量也不稳定，制约着茶叶加工机械化、连续化流水作业的发展。我国制茶机械化作业的自动化和连续化程度仍然较低，与食品工业的机械化相比却存在着较大的差距。食品工业生产技术的发展过程大体要经历五个阶段，即机械化阶段、初级自动化阶段、自动控制阶段、数据化阶段、高级自动化阶段(无人化阶段)。目前国食品加工技术已处于第四阶段，而我国的制茶技术总体上仍处于第一阶段，个别单机或生产线处于第二阶段，与国外相比尚存在

16、巨大的差距。 目前，世界产茶发达国家茶叶机械化生产发展速度很快，尤其是日本、印度、斯里兰卡等国家。国外茶叶加工已进人第三、第四阶段，如日本蒸青茶生产线和英国CTC生产线2。本项目拟通过高校与茶叶装备制造企业和茶叶加工企业的强强联合攻关，针对目前国茶叶揉捻机的自动化程度低、适应性差的问题，结合我省绿茶产业的现状，研发一种高适应性、低成本的茶叶揉捻加工装备。该项目的实施将有助于推动我省绿茶加工向优质、高效、低成本、名品牌方向发展，从而提升我省的绿茶产业带技术经济效益（尤其是名优绿茶），并对我省茶叶机械化加工具有积极的示作用。第二章 揉捻机自动化简要介绍与其总体方案设计本着操作简便，安全可靠，生产效

17、率高的目标，茶叶揉捻机控制部分应达到以下工作要求。打开电源后，首先进行触摸屏操作，输入工作组、用户名与密码，验证无误后，才能进入茶叶揉捻机的控制系统，然后或更改生产参数，或进入监视界面。按下开始按钮，茶叶揉捻机会进入自动运行状态，随后进入初始化状态，再进行故障自检，一切正常后，如果没有新的数据输入，系统会自动载入上次数据。如果有新的数据输入，系统将采用新的数据进行揉捻。揉捻结束后，出茶门自动打开，等待下茶。按下复位按钮，系统会自动返回初始状态。如果在揉捻过程当中，系统检测到异常现象，系统会报警。在揉捻过程当中，允许随时暂停操作，并在转换到继续时，恢复所有数据。运行当中的重要数据，在停电后能够得

18、到保持，恢复供电后，也能继续工作。在遇到非常严重的故障，按下急停按钮，系统会自动禁止所有输出，等待人工处理后，按下复位按钮，系统就可以恢复到初始状态。如果在运行当中遇到问题，但是可以通过手动解决，那么，先可以按下暂停，然后再切换到手动状态，进行手动操作。在遇到较大的故障后，系统仍然可以进行手动揉捻、压盖手动升降、出茶门手动开关、手动复位等日常操作。2.1 揉桶转速控制介绍 原6CR-55型茶叶揉捻机有一齿轮减速机构，输出转速为50士1r/min(见表2-1)。这一转速是固定的，不能调整。但是不同的茶种、茶质和杀青质量，需用不同的转速揉捻，虽然只是些微的变化，也体现茶叶加工的精细程度。转速的控制

19、由交流电机变频调速技术来实现。变频调速技术是目前世界上技术先进、使用成熟、性能可靠的调速方式，它实现了电机转速连续无级调速。这里的变频调速是开环控制，控制指令直接来自于上位机中输入的参数。2.2 压力控制介绍压力控制是整个控制系统的关键所在，利用压盖的升降来控制桶茶叶所受到的压力。其控制框图如图2-1所示，它是一个开环控制。控制对象步进电机PLC图2-1压力控制把加压型式由55型的双滑柱加压改为40-45型的单滑柱丝杆浮动加压(见图2一1、图2-3)。滑柱是一根中空的钢管，对着压盖的一侧，开有一平行于钢管中心线的竖直长槽，竖直长槽的顶部又连着一段与水平方向成45。角沿管壁开凿的斜槽，钢管中心是

20、一根丝杆，可以带动加压臂上的螺母沿着竖直长槽上下移动，并沿着斜槽移离揉桶上方，便于上叶。在滑柱的根部装有一个手轮，用来转动丝杆。现在，在手轮的位置上装一个步进电机，改手轮转动为步进电机带动丝杆转动。再在滑柱的顶部和根部分别装上一个行程开关控制加压臂的上下限和进行加压臂定位。2.3 揉捻过程控制介绍过程控制其实就是时间控制。可以把揉捻加工分为“轻一重一轻”三过程，也可以分为“轻一重一较重一轻”四过程，还可以制定别的工艺阶段。总之，要根据各茶种的特征，叶质老嫩、匀度和杀青质量来制定。每一过程的时间数值，按前面论述的揉捻加工工艺灵活掌握确定。加工前，把每一过程的时间参数输入上位机中，再由上位机传输给

21、PLC, PLC根据输入的时间参数控制主电机和压力系统的运行。2.4 自动化盘式揉捻机总体方案设计改造后的6CR-55型自动化盘式揉捻机。揉盘是一个由边缘向中间逐渐下凹的铸铁圆盘，通常做成花盘形，上铺铜板或不锈钢板，板上装有十几根月牙形棱骨，用于增加揉搓力。揉盘由三个支座支承，其中一个支座分为上下两节，上面一节兼作减速箱。三个支座同时也兼作机架，带动揉桶框架运转的三只曲臂就装在三个支座中的三根立轴上，其中一只为主动曲臂，揉盘的中心装有可供开启和关闭的出茶门。揉盘的上面装置是揉桶，揉桶用铜板或不锈钢板卷制而成。揉捻机以其揉筒外径厘米数作为型号标定依据，如6CR55C型揉捻机，即揉桶外径为55cm

22、的揉捻机，大宗茶加工常用的揉捻机型号有6CR45型、6CR.55型和6CR65型等。揉桶是装载揉捻叶的容器，它固定于揉桶框架上，由曲臂带动运转。揉桶上装有压盖，揉桶可由传动机构带动在揉盘上空作平面转动，并与揉盘互相配合，完成揉捻作业。在副轴上装有压盖，该加压装置是在现有传统揉捻机的基础上对其进行基于PLC的自动化改造，利用步进电动机控制副轴中的丝杠传动机构，从而更精确控制压盖的上升与下降的距离。在这方面的基础之上，编写WINCC FLEXIBLE组态程序，制定不同茶品的揉捻工艺（时间、压力、转速），利用西门子10寸的mp-227触摸屏实时记录实时数据，并对整个系统进行控制与监控。从而实现揉捻时

23、对揉捻叶的自动化加压。茗茶加工主要有6CR20、6CR25、6CR30和6CR35等型号。揉捻机的传动机构，是电动机通过皮带与皮带轮将动力传向减速箱，再由减速箱主轴带动主动曲臂旋转，从而使揉桶回转。此外，揉捻机揉桶的旋转方向对于揉捻品质十分重要，自上向下看，应是顺时针转动，绝不允许反方向运行，否则将造成揉捻叶条索松散并造成跑茶。揉捻机在作业时，在电动机和传动机构的带动下，由揉桶、压盖、揉盘组成的揉捻腔在揉盘上做水平旋转运动：揉桶的加工叶由于受到压盖压力、揉盘反作用力、棱骨揉搓力与揉桶侧压力作用。被逐渐揉捻成条，并使部分叶细胞破碎而茶汁外溢，以达到揉捻目的。本课题具体是用西门子S7-300 PL

24、C控制两台型号为6CR-55型盘式揉捻机，利用S7-300 CPU 的高速脉冲端口控制步进电机驱动器，从而控制步进电机。PLC控制变频器从而控制交流异步电动机的速度，并可从变频器返回一个实际速度值便于对电机运行速度的监控。在使用揉捻机集中控制系统的过程中，取得权限的用户可根据自己的实际情况对揉捻机各个工艺方案进行微调，大为增加了系统的适应性。自动化盘式揉捻机总装立体图如图1.1所示：图2.2第三章 自动化盘式揉捻机结构设计3.1 自动化盘式揉捻机结构3.1.1 自动化盘式揉捻机结构示意图自动化盘式揉捻机总体主要结构示意图如图3.1所示：图3.11-三相异步电动机、2-减速箱、3-步进电动机、4

25、-步进电动机固定架5-副轴、6-悬臂、7-加压盖组件8-揉桶、9-揉桶固定架、10-曲臂、11-揉盘、12-出茶门组件、13-揉捻机支撑件3.1.2 自动化盘式揉捻机结构示意图揉捻机主要参数如下表3.1所示：揉桶（直径x高）550x400揉桶容叶量30-40kg曲臂中心距200mm配用电机2.2kw揉桶回转速度46-48r/min外形尺寸（长x宽x高）1700x1650x1520mm3.2 自动化盘式揉捻机机架设计自动化盘式揉捻机机架设计是指揉捻机各机械部分的结构设计，其中主要包括揉捻机腿部支撑件设计、转动曲臂设计、揉桶固定架设计、自动化加压装置副轴、步进电动机固定结构设计、异步电动机减速箱作

26、为支撑件的简化设计。3.2.1 自动化盘式揉捻机腿部支撑件设计盘式揉捻机由三根支柱组成支撑装置，其主要作用是对揉捻机的总体机构起到稳定支撑的作用，以协调和巩固揉捻机个装置间的运动作用，确保揉捻的顺利完成，为揉捻质量提供保障，并且还要考虑工作过程中加压盖工作时的外加压力，在材料选择上使用HT200即可，采用薄壁拔模特征，并用M16的螺栓与其他部件进行连接，其结构如图3.1所示：图3.23.2.2自动化盘式揉捻机转动曲臂设计 揉捻机的曲柄装置，一台揉捻机上面装有大小各三个曲柄两种装置，分别与支柱和揉捻盘连接，其作用主要是传递由电动机输出的揉捻力，带动揉捻盘作三百六十度的回转运动，从而给揉捻桶中的茶

27、叶一个转动的力，达到卷曲茶叶的作用，其材料选择为HT200的铸造件，并且两端轴承由于考虑受力不同的问题，所选择轴承均为角接触球轴承，但内径不同，分别为7006C和7007AC。其固定螺栓选择M10x30，设计三维图如图3.2所示：图3.33.2.3自动化盘式揉捻机揉桶固定架设计 揉桶固定架主要是用来固定揉桶，在其中一个臂上固定步进电动机与其自动化加压装置的副轴，并且在揉捻机工作时受到茶叶的反作用力，故在固定自动化加压装置的副轴处进行加厚，其材料选择为HT200，固定轴的固定螺栓选择M14，固定揉桶的半圆头螺栓选择M14，具体结构设计如图3.3所示：图3.43.2.4 自动化盘式揉捻机自动化加压

28、装置副轴设计揉捻机在经过自动化改造后，将在副轴顶端加装上一个传感器，来控制工作时加压盖对茶叶的压力，并将数据传递给步进电动机，副轴一侧开槽，将内部装有的丝杠的转动，变成直线移动输出，从而实现自动化控制。其材料选择合金碳钢，但底端端盖用HT200与副轴做焊接，并用M12螺栓组与步进电动机减速箱连接，且两端轴承选择7006C的角接触球轴承，正装固定。其具体结构如图3.4所示：图3.53.2.5 自动化盘式揉捻机步进电动机固定架设计 步进电动机固定架固定于揉桶固定架的一个臂上，并主要用来固定自动化加压装置的步进电动机，其材料选择为碳钢，并用M16螺栓组进行固定连接，其具体结构如图3.5所示：图3.6

29、3.2.6异步电动机减速箱作为支撑件的简化设计 异步电动机减速箱作为揉盘的一个支撑支座，该支座分为上下两节，上面一节兼作减速箱，并用M16的螺栓与揉盘进行连接，其具体基本结构如图3.6所示：图3.73.3 自动化盘式揉捻机揉盘设计 揉盘是一个由边缘向中间逐渐下凹的铸铁圆盘，通常做成花盘形，上铺铜板或不锈钢板，板上装有12到20月牙形棱骨，用于增加揉搓力，本设计选择12根棱骨。揉盘的中间装有可供开启和关闭的出茶门。揉盘的上面装揉桶，揉桶上装有揉桶盖。揉桶可由传动机构带动在揉盘上作平面转动，并与揉盘互相配合，完成揉捻作业，其具体结构如图3.7所示：图3.83.4 自动化盘式揉捻机揉桶设计 揉桶是装

30、载揉捻叶的容器，它固定于揉桶固定架上，由曲臂带动运转。揉桶上部的揉桶盖装有加压装置用于控制揉桶盖的上下位置，从而实现揉捻时对揉捻叶的加压。其具体结构如图3.8所示：图3.93.5 自动化盘式揉捻机加压盖与其组件设计如图3.10所示为茶叶揉捻机的加压装置组件，该装置是自动化茶叶揉捻机的核心部分，起主要作用是对茶叶施加一向下的压力，控制压力的大小。它主要包括桶盖、悬梁、副轴、轴承、丝杠螺母、锥齿轮以与自动施加压力的步进电动机等部件。其主要部分为进给部分，在步进电动机的带动下通过丝杆螺母调整悬臂的竖直位置进而来调整压力的大小，达到所需的不同大小的压力，保证茶叶揉捻质量。图3.10第四章 自动化盘式揉

31、捻机主要机械部件有限元分析4.1 Solidworks有限元分析简介4.1.1 有限单元法分析 有限单元法（finite element method,简称FEM）是求解数理方程的一种数值计算方法，是将弹性理论、计算数学和计算机软件结合在一起的一种数值分析技术，是解决工程实际问题的一种有力的数值计算工具。由于这一方法灵活、快速和有效，其迅速发展成为求解各领域数理方程的一种通用计算方法。目前，有限元法在许多科学技术领域和实际工程问题中都得到了广泛的应用，如机械制造、材料加工、航空航天、土木建筑、电子电气、国防军工、船舶、铁道、汽车和石化能源等，并得到了普遍重视。4.1.2 有限元法的分析过程有限

32、元分析计算的步骤可归纳如下：1、结构的离散化结构的离散化就是将分析的结构体划分为有限个单元体，将原来连续的单元体假想地分割成为一个离散的结构，这一离散化的结构由有限多个形状简单的构件组成，这些有限大小的构件称为有限单元或简称单元，相邻单元在节点处连接在一起，并在单元体的指定点设置节点，使相邻单元的有关参数具有一定的连续性，并构成一个单元的集合体，以它代替原来的结构。单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质、描述变形形态的需要和计算精度而定。有限元法的计算模型实际上是一个仅在节点处连接，仅靠节点传力的有限个单元的集合体。2、选择位移模式在完成结构的离散化之后，就可以对单元进行特性分析。在有限元

33、法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法;选择节点力作为基本未知量时称为力法;取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。位移法易于实现计算自动化，所以在有限单元法中位移法应用围最广。为了能用节点位移表示单元体的位移、应变和应力，在分析连续体问题时，必须对单元中位移的分布做出一定的假设，也就是假定位移是坐标的某种简单函数，这种函数称为位移模式或插值函数。选择适当的位移函数是有限单元法分析中的关键。通常选择多项式作为位移模式。其原因是因为多项式的数学运算(微分和积分)比较方便，并且由于所有光滑函数的局部，都可以用多项式逼近，至于多项式的项数和阶次的选择，则要考虑单元的自由度和解

34、的收敛性要求，一般来说，多项式的项数应等于单元的自由度数，它的阶次应包括常数项和线性项等。单元的自由度是指单元节点独立位移的个数。根据选定的位移模式，就可以导出用节点位移表示单元任意一点位移的关系式，其矩阵形式是：u= N (4-1)(4-1)式中u单元任意一点的位移列阵单元的节点位移列阵N形函数矩阵，它的元素是位置坐标的函数3、分析单元的力学性质位移模式选定以后，根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置与其含义等，进行单元的力学特性分析，包括如下三步：(1)利用几何方程，由位移表达式(4-1)导出节点位移表示单元应变的关系式：= B (4-2)(4-2)式中单元任意一点的应变列阵B单元

35、应变矩阵(2)利用本构方程，由应变的表达式(4-2)导出节点位移表示单元应力的关系式：= D= DB (4-3)(4-3)式中单元任意一点的应力列阵D与单元材料有关的弹性矩阵(3)利用变分原理，建立作用于单元上的节点力与节点位移之间的关系式，即单元的平衡方程为： f = K (4-4)(4-4)式中K 单元刚度矩阵，K =BDB dxdydz式(4-4)的积分应普与整个单元的体积。4、单元组集，建立整个结构的平衡方程单元组集包括两方面的容:一是各个单元的刚度矩阵，集合成整个物体的整体刚度矩阵;二是将作用于各单元的等效节点力集合成总的载荷列阵。最常用的集合刚度矩阵的方法是直接刚度法。一般来说，集

36、合所依据的理由是要求所有相临的单元在公共结点处的位移相等。于是得到以整体刚度矩阵K、载荷列阵f以与整个物体的结点位移列阵表示的整个结构的平衡方程：K =f(4-5)这个方程还应考虑几何边界条件作适当的修改之后，才能够解出所有的未知结点位移。5、求解未知节点位移由集合起来的平衡方程组(4-5)解出未知位移。这里，可以根据方程组的具体特点选择合适的计算方法。6、计算单元应力最后就可利用公式(4-3)和已求得的节点位移计算各单元的应力，并加以整理得出想要的结果2021。7、有限元法的分析步骤从使用有限元程序的角度来讲，有限元分析可分为三个步骤，即有限元分析的前处理、有限元分析的计算和有限元分析的后处

37、理。(1) 前处理是对计算对象网格划分、形成计算模型的过程。包括单元类型的选择，结构的材料特征参数的确定，实体建模，节点和单元网格的确定，边界条件或约束条件与载荷的移置等。许多商用有限元软件不仅提供了与主流CAD系统的接口，自己本身也又很好的实体建模性能有限元软件都提供了一种以上的网格划分方法，以供使用者根据计算要求进行选择。其任务包括：1) 建立分析结构的几何模型。对于几何形状复杂的结构，可以直接读取CAD软件的相关格式，或者以IGES等文件格式作为中介，从CAD系统中获取结构的几何模型，输入有限元分析软件。2) 根据分析对象和目的，确定有限元网格划分方案(单元类型的选择、但愿密度和数量)和

38、装配方案(连接关系类型和位置)，建立有限元分析的计算模型。3)确定施加边界条件(结构所受的载荷和约束)。(2) 计算是在形成总刚度方程和约束处理后求解大型联立方程组、最终得到节点位移的过程。可以利用程序提供的各种求解方法进行选择求解。由于商用软件己经针对多种模型进行过验证运算，因此只需要按照提示输入各种条件，包括收敛的方法(在软件中，这常被称为求解器)等，计算机就可以进行计算，得到计算结果。(3) 后处理是对计算结果(应力、应变或振型等)进行必要的处理，并按一定有限单元法具有如下优点：1）分析对象的几何形状适应性强；2）适用围广；3）较好的稳定性和收敛性。便于计算机进行处理。有限单元法采用矩阵

39、式和单元组装方法，每一个步骤都便于实现计算机软件模块化，有利于计算机软件的处理。4.2 有限元分析分析机械部件4.2.1 揉捻机支撑件有限元法分析1. 安装 Solidworks simulation插件后，打开所要分析的零件图，新建一个算例，该揉捻机结构部件的有限元分析只做其静态分析，并单击确定按钮，如图4.1所示：图4.12. 编辑该零件的应用材料 选择灰铸铁，并单击应用按钮，然后关闭该窗口，如图4.2所示：图4.23. 添加夹具 固定几何体，然后单击确定按钮，如图4.3所示：图4.34. 加载外部载荷 由于揉捻机各个零件都已经编辑了应用材料，所以整个机器的总重量是已知的。在此，估测一个足

40、够大的值，取施加载荷为1200N的力作分析，然后单击确定按钮，其具体做法如图4.4所示：图4.45. 划分网格 网格控制允许独立于整体单元尺寸而只在所选的位置控制局部单元尺寸。与整体网格细化相比较，它是更有效的数值技术。在需要的位置进行小单元划分，那些无应力集中的地方用较大的网格划分。本部件由于在受力的部位有应力集中的地方如图4.5所示，因此，可以应用网格控制细化分析。在这里我们做个比较，选择应用网格控制图4.6和不选择应用网格控制图4.7所示：图4.5图4.6图4.7综述：网格控制可以应用到点、面或装配体的整个零部件。从以上两图通过分析我们可以观察出来，在应力集中的地方，选择了应用网格控制的

41、位置比其他地方网格要细化很多，控制的网格沿边界局部细化，而没选择的网格和其他一样。6. 运行算例 在应力集中的地方发生的位移变形比较大，因为此零件是铸造而成，在应力集中的地方没有倒角，应力较大，所以要改进的是将此处倒角，减少应力集中。因此，可以清晰的看到该零部件受到1200N力时的应力、位移、应变结果示意图，其如图4.8、4.9、4.10所示：图4.8图4.9图4.104.2.2 揉盘有限元法分析1. 选择模型 我们知道揉盘中的载荷来源是茶叶的重量，而茶叶只有揉桶里面有，所以揉盘只有揉盘所处的位置受力，其它部分不受力，我们用分割线将模型分割出揉桶的位置以便接下来分析。如下图4.11所示：图4.

42、112. 编辑材料 在茶叶揉捻过程中，由于茶叶汁液的流出，可能会使得铸铁生锈。因此，应在铸铁构架中铺设不锈钢钢板，也保证了该机器所揉捻的茶叶品质保持较好。3. 揉盘进行夹具固定 在固定揉盘时，是将三个轴承座处固定，其具体固定方式如图4.12所示：图4.124. 外部载荷 考虑揉桶所装茶叶的重量，与其加压盖所加压力，这里给予较大的估测值500N进行分析，如图4.13所示：图4.135. 划分网格 揉盘在工作部位和固定端存在应力集中，可采用应用网格控制和不选择应用网格控制进行比较分析，如图4.14和4.15所示：图4.14图4.156. 运行算例 在运行算例后，可以得到应力、位移和应变的分析结果，

43、并通过分析诊断，其显示未超出材料的需用最大值，故该零部件符合设计要求，如图4.16、4.17和4.18所示：图4.16图4.17图4.184.2.3 加压盖有限元法分析1. 选择加压盖分析模型、编辑应用材料并将模型进行固定，如图4.19所示：图4.192. 外部载荷 考虑揉捻机在工作过程中受到茶叶的方作用力足够大的情况，最大为200N时，如图4.20所示：图4.203. 划分网格 加压盖在工作部位存在应力集中不明显，这里只采用不选择应用网格控制来观察加压盖受力情况，如图4.21所示：图4.214. 运行算例 在运行算例后，可以得到应力、位移和应变的分析结果，并通过分析诊断，其显示未超出材料的需

44、用最大值，故该零部件符合设计要求，如图3.22、4.23和4.24所示：图4.22图4.21图4.23第五章 自动化盘式揉捻机主要机械部件结构分析校核5.1传动比的分配根据揉桶转速为50r/min，传动方案为电动机提供得的动力经带传动、直齿圆柱齿轮传动和一级圆锥齿轮传动将水平轴的转动转换成竖直轴的转动并经主动曲臂带动柔婷旋转，根据机械设计课程设计表2.4常用传动形式的性能和适用围可知V带传动传动比为2-4，最大值为6，斜齿圆柱齿轮传动的传动比为3-5，最大为10，直齿圆锥齿轮传动的传动围为2-3最大值为6，所选择的主动力电动机的满载转速为1440r/min，总传动比为i=。可取各级传动比分配为

45、带传动i带=3，i斜齿=3.0，i锥齿=3.15。5.2三角带传动的计算三角带传动中，轴间距A可以较大。由于是摩擦传递，带与轮槽间会有打滑，亦可因而缓和冲击与隔离震动，使传动平稳。带传动结构简单，但尺寸，机床中多用于电机输出轴的定比传动。1. 选择三角带的型号根据电机功率P（kw）和小带轮nd（r/min）查机床主轴变速箱设计指导,选择带的型号。计算功率式中：计算功率，kW；所需传递的额定功率；工作情况系数。茶叶揉捻机的起动载荷轻，工作载荷稳定，查机械设计1中表8-7，。小带轮的转速为电动机的满载转速，故取小带轮转速n1=1440r/min， 机械设计1中图8-11即可选取普通V带带型，带的型

46、号是：A型，参数如下：2. 确定带轮的计算直径d1、d21）.小带轮计算直径d1皮带轮的直径越小，带的弯曲应力就越大。为提高带的使用寿命，小带轮直径d1不宜过小，要求许用最小带轮直径dmin，即d1dmin。各型号带对应的最小带轮直径dmin可查机械设计1表8-6 V带的最小基准直径，可知dmin=50mm取d1=90m。m2）.大带轮计算直径d2 式中: n1小带轮转速r/min；n2大带轮转速r/min；带的滑动系数,一般取0.02。算后应将数字圆整为整数，其结果取为280mm 。 3）.确定三角带速度v具体的计算过程如下：= =6.68m/s一般应使5m/sv25m/s，此速度完全符合A

47、型带的带速。4）.初定中心距a0：带轮的中心距，通常根据揉捻机总体布局初步选定，一般可以在下列围选取：0.7（d1+d2）a02（d1+d2）根据 该式可初定中心距。若中心距过小，将降低带的寿命；中心距过大时，会引起带振动。5）.确定三角带的计算长度L0 三角带的计算长度是通过三角带截面重心的长度。=1598.95mm圆整到标准的计算长度 Ld=1600mm，经查表 Ld0=1600 mm，修正值KL=0.99。6）.验算三角带的扰曲次数u40 次/s （则合格）式中：m带轮个数，如u超限，可加大L（加大a）或降低u（减少d1、d2）来解决。代入数据得：=8.35次/s 40 次/s故三角带的

48、扰曲次数u是合格的，不需作任何修改。7）.确定实际中心距a= 500.53mm8）.验算小带轮包角180-（d2-d1）x180/（）120如果过小，应加大中心距或加紧装置。代入数值如下：=172.87120经校核合格。9）.确定三角带根数z 计算单根V带的额定功率Pr由d1=90mm和n1=1440r/min，查1中表8-4a得P0=1.07KW根据n1=1440r/min，i=3.11和Z型带，查1中表8-4b得KW查机械设计1中表8-5得；查机械设计1中表8-2得，于是有Pr=（P0+）=（1.07+0.17）0.980.99=1.45KW计算带的根数Z=1.52因此，取2根。10）计算

49、单根V带的初拉力最小值由机械设计1中表8-3查得Z型带的单位长度质量q=0.10kg，所以=132.17N对于新安装的V带，初拉力应为1.5；对于运转后的V带，初拉力应为1.3。因此，应使带的实际初拉力大于初拉力最小值。11）计算带传动的压轴力式中，为小带轮包角。12） .带轮的的设计 （1）、小带轮的设计根据电机参数设计：小带轮结构如图示：由机械设计1中8-10可得小带轮的结构如图所示该带轮转速材料：HT200小带轮参数如下：5.3键的选择与校核5.3.1 电动机端带轮处键的选择校核 1. 选择键连接的类型和尺寸根据茶叶揉捻机的工作情况和该处载荷的分布情况，该处有定心精度的要求，应选用平键连

50、接，由于小带轮在轴端，故采用单圆头普通平键。根据电机输出轴的尺寸，电动机轴伸出端直径为d=28mm，查机械设计1中表6-1可得键的尺寸为：键宽b键高h=87，由轮毂宽度并参考键的长度系列，取键长L=28mm（比轮毂宽度小些）。2. 校核键连接的强度键和轴的材料都是钢，而带轮的材料是HT200，由机械设计1中表6-2查得许用挤应力，取其平均值。键的工作长度，键与轮毂键槽的接触高度k=0.5h=0.57mm=3.5mm，又通过小带轮传递的功率与有效拉力的关系，可以得到电动机传递的转矩T=14.82Nm，由1中式6-1得到：标记为键C828 GB 10961979。5.3.2 减速箱带轮处键的选择校

51、核1. 选择键连接的类型和尺寸根据茶叶揉捻机的工作稳定情况与定心精度的要求，应选用普通平键连接，由于大带轮在轴端，故选用单圆头普通平键（C型）。根据减速箱动力输入端的锥齿轮轴的尺寸，其直径为d=35mm，从1中表6-1查得键的截面尺寸为：宽度b=10mm，高度h=8mm。由轮毂宽度并参考键的长度系列，取键长L=45mm（并轮毂宽度50mm小些）。2. 校核键连接的强度键和轴的材料选择都是钢，而轮毂材料选择为灰铸铁（HT200），由1中表6-2查得许用挤压应，取其平均值。键的工作长度如下：键与轮毂键槽的接触高度k=0.5h=0.58mm=4mm，又通过大带轮传递的功率与有效拉力的关系，可以得到电动机传递的转矩T=46.1076Nm，由1中式6-1得到：标记为键C1045 GB 10961979。5.4 标准斜齿圆柱齿轮计算1.选择材料并确定极限应力 选小齿轮40Cr调质，280HB，大齿轮材料为45钢（调质）硬度为240HBS,二者材料硬度相差40HBS。 2. 按齿面接触强度设计由机械设计1中式10-21设计计算公式进行试算，即（1）确定公式各个计算数值1）试选载荷系数，查表选取齿宽系数。2）由机械设计1中图10-30选取区域系数。3）由机械设计1中图10-26查得，则。4）计算小齿轮传递的力矩。由电动机