毕业设计（论文）-菠萝去皮机设计

摘要在这个阶段，随着国家经济建设的进步，人民对生活质量的要求越来越高。吃的食物也越来越精致，菠萝这种去皮困难的水果人们购买时更多会选择深加工产品或者会选择请商家代为去皮加工。前些年大部分菠萝的加工厂对菠萝的去皮工作都是借助简单工具由工人纯手工完成的，人工去皮不仅效率差、有安全隐患而且食品卫生很难保证。这也是多年以来制约着菠萝深加工产业发展的一大因素。在本文中将，我们将使用在车床上加工工件的原理设计菠萝去皮机。这种菠萝去皮机不仅可以去除菠萝皮同时可以去除菠萝的硬心并直接将菠萝切割成块，这些工序可以一步完成，而且工作效率较高。菠萝去皮机设计了自动定位功能，定位筒可以将直径不同的菠萝自动定位到圆心上，这有利于自动进料器的对接并为自动化生产提供了条件。刮皮刀可以随菠萝的外圆形状走向最大程度的减速浪费。关键字：菠萝去皮；去皮机；去除硬心全套图纸加V信153893706或扣3346389411ABSTRACTAtthepresentstage,withtheAdvancementofthecountry'seconomicconstruction,thepeople'srequirementsforqualityoflifeareincreasingdaybyday.Thefoodisbecomingmoreandmorerefined,andpineapple,afruitthatisdifficulttopeel,ismorelikelytobepurchasedindeepprocessingproductsortobeprocessedbymerchants.Inpreviousyears,mostofthepineappleprocessingplants'peelingofpineappleswasdonebyworkerspurelybyhandwithsimpletools.Artificialpeelingisnotonlyinefficient,butalsohassafetyrisksandfoodhygieneisdifficulttoguarantee.Thisisalsoamajorfactorthathasrestrictedthedevelopmentofthedeepprocessingindustryofpineappleformanyyears.nthispaper,apineapplepeelingmachineisdesignedbasedontheprincipleoflathemachining.Thispineapplepeelingmachinecannotonlyremovethepineappleskinbutalsoremovethehardheartofthepineappleandcutthepineappledirectlyintopieces.Theseprocessescanbecompletedinonestepandworkmoreefficiently.Thepineappledesorptionmachinedesignedtheautomaticpositioningfunction.Thepositioningcylindercanautomaticallypositionpineapplewithdifferentdiametersonthecenterofthecircle.Thisprovidesconvenienceforthedockingoftheautomaticfeedmachineandprovidesconditionsfortheautomaticproduction.Scrapercanbereducedtomaximumwastewiththeshapeoftheoutercircleofpineapple.Keywords:Pineapplepeeling;Leatherremovalmachine;Removehardheart

目录摘要 绪论1.1菠萝种植机研究背景我国是世界上主要种植菠萝的国家，菠萝在我国的种植区域遍布了南部沿海城市以及广西、云南等西南内陆省份，其中以广东省和海南省的产量最高。菠萝富含多种维生素微量元素尤其富含的柠檬酸和蛋白酶，不仅是可以补充维生素的美味水果还具有助消化和促进蛋白质分解吸收的作用。菠萝的味道甘甜又属性平和属于老少皆宜的水果，在夏季里食用可以解暑热又生津止渴，属于一种药食同源的水果。前不久联合国粮农组织曾发布过一份研究统计表，世界范围内的热带水果消费排行榜中菠萝位列第二位，一年总的消费量能到达1500万吨。中国是农业种植的大国，也是农产品的主要进口国。并不是因为我们自己生产的农产品品质低下二是我们没有合理连续的销售通道和先进的精加工产业链。我国的菠萝产品往往是采摘后直接装车运往销售地进行零售。由于是初级农产品从产地到销售地之间损耗巨大而利润缺很有限。对比外国进口的产品多数为深加工制品其附加值更高售价高却受到很多人青睐。近年来我国的菠萝深加工行业也纷纷兴起而菠萝这种水果的深加工过程中首当其冲的便是去皮工序，如果利用传统的手工方式去皮不仅速度较慢、耗费人工而且去皮刀大多具有危险性容易造成生产事故。于是对于菠萝去皮机械的需求就凸显出来了。1.2国内外菠萝去皮机的研究现状现阶段，随着国家经济建设的推进，人民对生活品质要求日益提升。吃的食物也越来越精致，菠萝这种去皮困难的水果人们购买时更多会选择深加工产品或者会选择请商家代为去皮加工。前些年大部分菠萝的加工厂对菠萝的去皮工作都是借助简单工具由工人纯手工完成的，人工去皮不仅效率差、有安全隐患而且食品卫生很难保证。这也是多年以来制约着菠萝深加工产业发展的一大因素。在过去的几十年里，由于国家大力发展机械化行业，推动自动化技术的进步。一些大型食品加工厂开始引进了管外先进的菠萝去皮机械。国内也开始了菠萝去皮机械的深入研究。更具代表性的产品是广州一家食品设备公司研究生产的全自动菠萝快速去皮机。这是一台能够快速完成菠萝去皮的设备，其每小时的处理能力能达到四百到六百个。另外一些小的食品加工厂为了提高生产效率也自主研发了一些菠萝快速去皮的装置，这些菠萝去皮的装置多数为人力操作去皮效率优于传统人工。这些菠萝去皮设备的开发，生产和应用都为菠萝深加工产业的发展提供了动力。2国内现有菠萝去皮机存在的问题2.1国内现有的菠萝去皮机现阶段管内常见的菠萝去皮机主要分为两大类：一是以大型食品加工厂使用的靠PLC控制和数控系统控制的电气控制自动化式的大型菠萝去皮机。二是以小销售点和小型食品加工作坊使用的靠人力控制的手动简单机械式菠萝去皮机。前者是类似数控加工中心加工零件的操作，先检测菠萝皮厚再测绘下刀位置再进行编程切削。后者分为仿手工去皮的去皮刀架和仿冲压加工的冲筒式菠萝去皮机。刀架式去皮装置是将手工去皮用的去皮刀连接在固定连杆上，通过计算轨迹给定连杆的长度和连接形式以便达到省力完成菠萝去皮的操作。冲筒式的菠萝去皮机主要是利用一个圆形刀筒将菠萝至于刀筒下部通过摇杆或压力杠杆在上面施加压力使刀筒落下时完成对菠萝的去皮操作。2.2国内现有的菠萝去皮机优缺点分析几种有代表性的菠萝去皮机各有其优势和应用市场。数控快速菠萝去皮机主要优势是靠传感器和PLC程序控制能保证菠萝去皮和去内刺准确无遗漏。去皮厚度均匀又可以随着菠萝外形起伏改变刀头角度以确保去皮干净又不会浪费果肉。同时这种设备属于连续机械化操作使其去皮的效率极高，封闭的去皮操作室保证了食品的卫生也确保了操作人员的安全。而其缺点也非常明显，由于设备由大量的传感器和数控系统构成其制造成本较高维护成本也非常可观。虽然这个设备可以彻底解放手工去皮的人工操作但是机器的操作和维护却需要更专业的技术人员来完成，人工成本也不低。因此这种设备一般只能用于对生产速率要求高的大型食品加工厂。手工连杆式菠萝去皮装置优势是结构简单价格便宜操作简单容易上手，甚至不会手工削菠萝的人都能使用，由于连杆限定了刀具的运动轨迹大大减少了发生安全事故的几率。缺点是：首先依然是人工去皮效率提升幅度不大；其次没能实现封闭式去皮没有解决食品卫生的问题。冲筒式菠萝去皮机是利用圆形刀筒对菠萝外皮进行一次性冲切操作。其优点是设备结构比较简单设备造价较低，操作也非常简单对操作人员要求不高，去皮过程可以迅速完成生产效率较高，设备可以封闭加工食品卫生有一定保证。这种设备是一般小型食品加工厂比较青睐的设备之一。这种设备的缺点是由于刀筒直径是定值菠萝外径却不会统一，造成小菠萝去皮不全大菠萝又浪费很多果肉。往往需要在使用前对菠萝进行分拣使用不同等级的刀筒进行加工，但是即便是分拣出来同等级的菠萝也会有外径差异依然无法避免果肉浪费的情况发生。3菠萝物理性质的分析在全世界菠萝种植的品种极其多，在中国境内种植的菠萝品种就有卡因类、皇后类、西班牙类和杂交种类四类。1、卡因类菠萝是世界上栽培面积最大的菠萝品种，其种植面积占据了世界菠萝种植面积的一大半。这种菠萝的植物体，叶片的边缘没有刺或者叶片的尖端有很少刺。这种的果肉通常是淡黄色或者黄色，但是也有例外，另有少部分的糖心菠萝果肉是橙黄色的。卡因类菠萝单个成熟果实重量可达到1500g-2000g，属于晚熟品种。成熟个体具有中等的糖酸含量,12％至20％的可溶性固形物和0.4％至0.5％的酸度,果实含水果汁多，纤维较多，果皮薄，抗病能力较差，果实容易受烈日灼伤，不耐储存和运输,适宜于罐体加工，产量高。2、皇后类菠萝系最古老的栽培品种，有400多年栽培历史，为南非、越南和中国的主要品种之一。这种菠萝幼苗中等大小，叶子边缘有短叶子，如叶子和荆棘；果实是圆柱形或圆锥形，单个成熟果实重量400～1500g。3、西班牙类菠萝苗木体较大，叶较软，黄绿色，叶片的边缘有红色刺，但也存在着无刺品种。果实中等大小，单个成熟果实重量500～1000g，小果实大而扁平，中央凸起或凹陷;果肉橙黄色，香味浓，纤维多，多用于罐装和果汁。4、杂交种是通过有性杂交等手段培育的优良品种。它的特点是苗木体高大直立，叶片的边缘有刺，花淡紫色，果形欠端正，单个成熟果实重量1200～1500g。果肉色黄，质地脆，纤维少，清甜可口，可溶性固形物11%～15%，酸含量0.3%～0.6%，既可鲜食，也可加工罐头。菠萝的果实硬度会随着果实的成熟度变化而变化其统计图如图3-1所示： 图3-1图中Ⅰ表示菠萝青皮期，Ⅱ表示菠萝果皮颜色变为黄色阶段，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ表示果皮颜色逐步加深的过程。对各个时期的菠萝的VC含量和糖含量测试表明当成熟度为Ⅱ-Ⅲ时的果实VC含量和糖含量都处于峰值，这个阶段便是果实最适宜食用和加工的阶段。因此可以用硬度值作为菠萝果肉硬度的计算参数。4菠萝去皮机设计方案本菠萝去皮机针对的是小型菠萝加工厂，希望菠萝去皮机即不像全速控式的去皮机械制造和维护使用成本那么高，又能保证比较高的去皮效率。本章中将对几种菠萝去皮方案进行筛选最后选取出一种最优的方案。4.1摩擦式菠萝去皮机4.1.1摩擦式菠萝去皮机的结构摩擦式菠萝去皮机的机型是立式的，它的主要结构包括机架、工作转盘，传动部分和摩擦筒。1.摩擦筒：摩擦筒部件主要组成有圆柱面摩擦筒和梯台状的果皮搜集槽。摩擦筒整体用耐腐蚀金属薄钢板滚圆后焊接（选用耐腐蚀金属是由于器需要具备很好的抗化学损坏能力可以经受一些的小冲量的撞击，具备很高的强度和耐摩性，尤其适合用于食品加工设备，不利于细菌滋生可以有效保证食品卫生）。筒内表面是适合摩擦的工作面，工作面的浇注材料为棕刚玉掺环氧树脂，然后再经烘干而成。当通过离心力甩出菠萝的块茎时，带有挡板的排出口在圆筒的侧壁上打开，它将碰撞在卸料门的内壁上并改变方向，因此材料的收集将更加方便。另外出料口和排渣口的位置可以根据接收容器的放置位置和方便操作来确定。2.工作转盘：工作转盘是菠萝剥皮过程中的机械作用的主要组成部件。通过研究菠萝的生物和物理特性，加上对现有手工剥皮机器基本原理的学习，可以确认转盘的基本形状是圆盘形状，并且转盘的表面是朝向中心并且向四周辐射的凸起波纹形状。为了增加材料和转盘之间的摩擦，将棕刚玉掺环氧树脂通过模型浇注在盘的顶面上，大概20mm厚，经烘干制成。这样的做法能够让盘的顶面也具有一定的去皮作用。挡水环设计在盘的下方随盘一起转动，这样设计的目的是为了防止清洗水进入轴承。3.传动系统：该传动系统采用V带一级传动。电机安装在机器框架上水，摩擦缸下部设有排渣口，洗涤水与物料渣一起排出。这样设计的特点是结构简单、紧凑。图4-1摩擦式去皮机1菠萝入口2简易盖3插板4缸5排出口6基座7机器槊8联轴器9电机10换挡机构11橡胶挡板12磨盘4.1.2摩擦式菠萝去皮机的工作原理图4-2主要执行元件结构图1-磨盘2-橡胶挡板3-轴4-齿轮4.2手动调节式菠萝去皮机设计方案4.2.1手动调节式菠萝去皮机基本结构介绍该解决方案是使用旋转切割器旋转切削固定菠萝的外表面，固定刀具吃刀深度稍浅对菠萝的外皮进行整体切削V字形刀具吃刀深度稍深专门针对有内刺区域随着刀具架的旋转，固定刀具对菠萝外表进行连续切削，V字形刀具对有内刺部位进行螺旋式切削。简图如图4-3所示：图4-3手动调节式菠萝去皮机示意图1. 外壳：该机械的外壳2. 基座：是该机械稳定3. 上顶盖：用来遮挡切削渣飞溅4. 上顶盖及对顶螺母：顶部螺母用于固定顶部螺柱，顶部螺柱用于固定菠萝。当两个螺母拧紧到顶部时，螺纹首先受到额外的压力和摩擦。这样设计的特点是放松效果好，结构简单。5.下顶盖:与下顶钉固连来支撑菠萝。6.下顶钉：用于固定菠萝，并将菠萝与顶部钉子固定在一起。7.V字形刀具1：V字形刀具为固定刀具，它两面均为刀刃。当动力传递到此处时，刀具法兰（13）带动V型刀“挖果眼”。8. V型道具2:V型刀具2为可沿心轴上下移动的刀具。当刀具1定位在第一层“果眼”中时,系统释放蝴蝶夹紧卡子(9),并沿开口槽1（10）移动V型刀具2，然后让V型刀具2与第二层“果眼”对齐，然后读取开口槽1（10）上的档次，然后调整摇动手柄并选取合适转速继续切削菠萝。9. 蝴蝶夹紧卡子：配合V型刀具2从而使其选取正确位置。10.开口槽1：V型刀具2沿开口槽1上下移动，上部标尺用于选择转速。11.夹紧滑动梯形槽：当将待切削菠萝放在下顶盖上时，首先旋转夹紧T型销(12)使得刀具夹紧法兰盘体（13）上的刀架沿着夹紧滑动梯形槽朝向中心夹紧，这样就达成将菠萝加紧的目的。12.夹紧T型销:旋转T型销，使得刀具夹紧法兰盘体（13）向内夹紧，以便定位。13.刀具夹紧法兰盘体：刀具夹紧法兰盘体上有四把可移动的刀杆，其中两个是两把“V”槽刀：V型刀具1（7）和V型刀具2（8），另外两个平行于菠萝表面：片刀1（14）与片刀2（15）,其中V型刀具1（7）、刀片1（14）和片刀2（15）三者在同一水平面上。它的形状大致类似于车床上的法兰盘体。14.片刀1：它的作用是切削菠萝表面的毛刺和菠萝表皮。15.片刀2：与片刀1作用相同16.进给螺纹套管：在壳体上选择传动螺纹，目的是传递功，并且可以实现回转运动与线性运动变化的功能。传动螺纹的牙型有矩形，梯形等。这次我们采用矩形螺纹传动，其中螺距P=2mm，大径D=14mm，中径D2=11.835mm。进给螺纹套管连接到刀具夹紧法兰盘体（13）的底部，两者通过齿合将动力传递给刀架。17.直齿圆锥齿轮1：与进给螺纹套管固连18.直齿圆锥齿轮2：直齿圆锥齿轮2通过与直齿圆锥齿轮1啮合来达到传递动力的目的。19.开口槽2：该开口槽2在外壳1上。当下顶针插入菠萝后，另一端卡在外壳1上，已经打开的槽上与上顶针（4）一起作用来固定菠萝。20.齿轮变速机构：该机构由一个三联滑移齿轮和同轴上的三个齿轮组成，可为不同尺寸的菠萝提供三种不同的速度。21.摇动手柄：目的是提供可以拉入和拉出外壳（1）的动力，以便控制某个齿轮和三联滑移齿轮。4.2.2手动调节式菠萝去皮机工作原理该机构的菠萝加持机构由上顶盖、上顶钉及对顶螺母、下顶盖、和下顶钉、构成，并且直齿圆锥齿轮与进给螺纹套管固连，摇动手柄和变速齿轮机构产生动力，而后由直齿圆锥齿轮与进给螺纹管道组成的传递机构将动力传给刀具夹紧法兰盘，进而带动刀具旋转，实现刀具的旋转运动与线性进给运动，从而完成对菠萝的去皮与“挖果眼”的工作。4.3车削加工式菠萝去皮机本方案设计灵感来自车床的车削加工，工作过程类似于车床对圆柱体的车削加工，由刀片对菠萝的外皮进行整体刮削，提高了工作效率，并且可以适用于不同大小的菠萝，经济适用性强.简图如图4-4：图4-4车削式菠萝去皮机4.3.1主要结构介绍1.左定位筒。左定位筒固定在滑动托板上由导杆保证其与主轴同心，会随着托板移动向右定位筒挤压，作用是对放置在架体托盘上的菠萝进行挤压，圆锥形状的定位筒会使菠萝向圆心方向滑移自动对准圆心完成定位。2.右定位筒。右定位筒固定在机架上由导杆保证其与主轴同心，定位完成后菠萝不再发生滑移，两个定位筒后部的压簧的弹性系数差使菠萝优先向右定位筒方向移动，右定位筒后的弹簧回缩使菠萝准确插入主轴的插齿上。3.取芯筒。取芯筒会随着托板移动而移动，当右定位筒完全回缩后玻璃会插在旋转主轴的插头上，这时菠萝将不在做纵向移动，左定位筒后的弹簧开始压缩取芯筒会露出逐步插入旋转中的菠萝中心去除硬心。当菠萝完成去皮后取芯筒也随之完成全部菠萝的取芯将整个菠萝中心贯穿。4.滑动托板。滑动托板由下方的丝杠螺母驱动可以在导轨上移动，主要作用是带动左定位筒和取芯筒向旋转主轴方向靠近，完成定位和取芯。5.丝杠。丝杠是托板的传动部件，作用是按照预定速度带动托板向旋转主轴靠近。6.刮皮刀。刮皮刀是完成去皮的主要工作部件，仿照手工去皮刀制作，刀架固定在滑动托板上随着托板移动而移动类似车刀的纵向进给，刀架下方有扭簧控制刀架始终贴合菠萝表面刀片可以按照设计深度切入菠萝表皮。7.旋转主轴。旋转主轴前端有插头，可以插如菠萝中心完成类似车床上卡盘的作用，使菠萝可以随着旋转主轴的旋转而旋转。8.减速器。减速器的作用是将电机的转速减慢到适合主轴旋转和丝杠旋转需要的速度。4.3.2工作原理车削式菠萝去皮机顾名思义，其去皮的原理类似于车床对圆柱工件的加工操作。它是借助左右定位筒的弹簧力将不同直径的菠萝对正圆心后插入主轴上的插头。再由托板带动的左定位筒对菠萝进行挤压定位。当移动到相应位置定位完成后菠萝不再发生滑移，两个定位筒后部的压簧的弹性系数差使菠萝优先向右定位筒方向移动，右定位筒后的弹簧回缩使菠萝准确插入主轴的插齿上。定位筒的弹簧回缩到适宜位置后刮片刀被释放，在扭簧的作用下压向菠萝表面切入菠萝表皮。当电机带动主轴旋转时菠萝便随着主轴旋转刮皮刀就开始对菠萝做螺旋式削皮操作，同时继续带动丝杠转动，与丝杆相连的螺母会继续向前驱动托板前进。取芯筒会随着托板移动而移动，当右定位筒完全回缩后玻璃会插在旋转主轴的插头上，这时菠萝将不在做纵向移动，左定位筒后的弹簧开始压缩取芯筒会露出逐步插入旋转中的菠萝中心去除硬心。当菠萝完成去皮后取芯筒也随之完成全部菠萝的取芯将整个菠萝中心贯穿，后电机反转丝杠带动滑移托板后退，菠萝不再受到取芯筒的挤压和支撑，右定位筒的弹簧会将右定位筒复位，菠萝也受到推力将掉落到托盘上。4.4最终方案的确定根据对菠萝去皮机的定位方向，和适用范围，选择方案3，车削式菠萝去皮机作为菠萝去皮机的设计方案。5菠萝去皮机关键零部件的设计5.1刀架扭簧的选取按照市场上菠萝的平均外形尺寸将菠萝去皮机的适应直径范围设计为60mm-200mm，设计刮皮刀长度为20mm，刀片厚度为1mm。刮刀切入菠萝表皮的示意图如图5-1所示。图5-1刮刀位置图如图所示，菠萝刮刀在刀杆扭簧作用力下贴靠在菠萝外表皮上，图中A位置，当菠萝随蜗杆运动开始旋转时，刮刀会受到表皮的摩擦力分力作用开始向表皮内切入，由于菠萝表皮硬度与粗糙度明显大于果肉，因此刮刀切入果肉的过程中其摩擦力逐步减小当摩擦力的分力与菠萝果肉硬度相当时刮刀将不再切入而是沿着表皮与果肉之间的层面滑移。切入菠萝时刮刀的受力情况如图5-2所示。图5-2刮刀受力图刮刀可以看做是一个以B为支点的杠杆，由于AB=BC，所以F1=F3，因此F2=F1+F3=2F。F1为刮刀切入菠萝表面时所受到的菠萝果肉的阻力可以近似按照公式（5.1）计算。（5.1）p—菠萝果肉的硬度，p=4.8×s—刀刃的面积：s=0.02*0.001=0.0002(m2)代入计算得F1=9.6N，F2=19.2N沿垂直于摆杆方向的分力为：（5.2）从图5-1可以看出，a的值随着菠萝直径变化而变化，其最大值为42.91°，最小值为0°。因此可以计算出Fx最大值为19.2N，最小值为14N。扭簧工作扭矩（5.3）L—设计摆杆长度，L=0.15mF—摆杆末端垂直于摆杆的力，F=14N-19.2N代入公式（5.3）计算得T=2.1N·m-2.88N·m根据弹簧的工作条件选择碳素弹簧钢丝B级弹簧。弹簧自由角度为0度。初步选择弹簧钢丝直径为1mm。弹簧钢丝的抗拉强度见表5-1表5-1弹簧钢丝的拉伸极限强度δb（选自GB4537-1989）则本设计中选用的扭转弹簧的许用弯曲应力为δbp=0.8δb=1328（MPa）计算弹簧曲度系数（5.4）C—弹簧的旋绕比，这里暂定C=6带入公式（5.4）计算得K=1.15扭簧钢丝直径计算（5.5）因为，计算得d>0.28mm选取的d=1mm符合要求。弹簧中径D及缠绕比C计算D=C*d（5.6）D—弹簧中径C—弹簧缠绕比，这里可以使用C的暂定值6。d—弹簧钢丝直径，d=1mm代入公式5-6计算得D=6mm取标准D值，D=6C=D/d=6弹簧圈数（5.7）E—弹簧钢丝的弹性模量，E=206000Tm—最大工作扭矩，Tm=2880N·mmTn—最小工作扭矩，Tn=2100N·mm—工作扭转角，由方案图可知=30°将数值代入公式计算得n=3.3，取整数值n=4弹簧节距：t=d+λ=1+0.5=1.5（5.8）5.2电机的选取由菠萝去皮机的方案可知，这款菠萝去皮机的电机同时为带动菠萝旋转的主轴和带动刀杆的滑动托板移动的丝杠提供动力。在菠萝去皮机工作时共有三个部件做功：刮刀完成菠萝的去皮，托板丝杠的做功主要用于克服托板与导轨之间的摩擦力，和取芯管对菠萝的切割。主轴转动的动力来带动菠萝转动与削皮刀片接触利用旋转力刮掉菠萝皮。刮刀与菠萝果肉之间有一个持续作用力F1=9.6N，刮刀长度为20mm，按照菠萝平均长度200mm扣除刀片交叠处刀片的有效工作长度16mm左右。因此完成整个去皮工作刮刀需要切割的整个长度计算公式为：L=3.14*0.2*n=7.85mn—刮刀完成每个菠萝去皮菠萝需要旋转的圈数，n=200/16=12.5 刮刀完成每个菠萝所做的功W1为W1=FL=9.6N*7.85m=75.36J我们可以使用摩擦力公式计算托板导轨槽与导轨的摩擦力Ff=mg*μ（5.9）μ—摩擦系数，为了减少摩擦这里选用尼龙导轨，导轨材质为尼龙1010，因此μ=0.039m—托板的质量，这里取初步估算值m=100kg因此可以计算出Ff=39N由于每次完成菠萝去皮都需要导轨的一个往返，因此做功距离S=0.9m托板完成每个菠萝所做的功W2为W2=Ff*s=35.1J取芯管切入菠萝施加的力F3可以用取芯管与菠萝接触的面积与菠萝的果肉硬度计算F3=p*s（5.10）p—菠萝的果肉硬度，p=4.8×s—取芯管的横截面积，s=πr2（5.11）按照方案取r=15mm代入（5.10）计算得F3=339.12N取芯管完成每个菠萝所做的功W3W3=F3*s（5.12）s-菠萝的平均长度，取s=0.2m代入公式（5.12）得W3=40.69因此可以计算出完成一个菠萝去皮工作所需的总功W=W1/η1+W2/η2+W3/η3(5.13)η1—电机驱动主轴的机械效率，主要传动部件有齿轮、皮带轮和轴承，因此η1=0.98*0.98*0.99=0.95η2、η3—电机驱动丝杠的机械效率，主要传动部件有齿轮、丝杠、轴承，因此η3=η2=0.4*0.98*0.99=0.388代入公式（5.13）计算得W=274J按时市场上小型菠萝去皮机的生产能力,设计生产能力为每小时加工30个菠萝,即每个菠萝耗时2s因此加工功率Pw=W/t=137w查找设计工具书取电机功率为0.55kw，电机转速1390r/min查找机械设计手册选择Y801-4三项异步电动机。电机外形见图5-3图5-3电机安装尺寸图5.3传动部件的设计5.31传动结构设计由5.2可知电机的输出转速为1390r/min，由前文分析可知刮刀完成每个菠萝去皮菠萝需要旋转的圈数为12.5，菠萝去皮机的设计生产能力每个菠萝去皮需要2S因此主轴的输出转速n2=（60/2）*12.5=375传动比计算（5.14）i—系统传动比n1—电机的输出转速，n1=1390r/minn2—执行元件转速，n2=375r/min代入公式（5.14）计算得i=3.7i=i1×ii—机械总传动比i1—传动系统1的传动比i2—传动系统2的传动比这里选择传动系统1为为V带传动，传动系统2齿轮传动。取传动比选择齿轮传动比i2=2.5则带轮传动比i1=1.48传动系统结构如图5-4所示：图5-4传动系统结构简图电动机；2-V带传动；3-单级圆柱齿轮减速器；4-连轴器；5-V带传动5.32带传动设计设计功率(5.16)－工况系数，查设计工具书，取＝1.2P－传递的功率，P=0.55kw代入公式5-16计算可得Pd=0.66kw选定带型根据=0.55kw和=1390r/min查图5-5选择V带型号图5-5V带型号的选择选取普通V带Z型，－小带轮转速，为1390r/min传动比i1=1.48n2=n1/i1(5-17)n2=751r/min①小带轮基准直径（mm）初选小带轮直径＝50mm=带速验算（5.18）—小带轮直径，＝50mm－小带轮转速，=1390r/min代入公式（5.18）计算得v=3.77m/s根据要求，V带传动的皮带速度需要大于5m/s，因此皮带速度不符合要求，需要重新选择小皮带轮直径。再选小带轮直径＝71mm代入公式（5.18）计算带速得到v=5.35m/s≤25m/s，所以皮带速度符合要求。因此，可以选定小带轮直径＝71mm，小带轮外径ds1=75mm②大带轮基准直径（mm）（5.19）计算得dd2≈103mm由表5-2得=100mm表5-2V带轮的基准直径系列基准直径dd带

型YZSPZASPABSPBCSPC外

径

ds2023.2

22.425.6

2528.2

2831.2

31.534.7

35.538.7

4043.2

4548.2

5053.2+54

5659.2+60

6366.2677174.275

75

79+80.5

8083.284+85.5

85

+90.5

9093.29495.5

95

100.5

100106

111.5

112115.2116117.5118

123.5

125128.2129130.5+132

132

137.5+139

140

144145.5147

150

154155.5157160

164165.5167

170

177③初定轴间距（mm）α0建议取0.7~2倍的取α0=0.7—2（dd1+dd2）=119-340mm根据方案图位置选取α0=300mm所需带的基准长度（mm）（5.20）将各数值代入公式4-10得依设计工具书取＝700mm，即带型为Z－700④实际轴间距

（5.21）计算得a=180mmαmin=ααmax=αbd—带轮的基准宽度查得Z型V带的基准宽度为8.5mm计算得αmax=194mm，α⑤小带轮包角（5.24）计算得=158°按照带型号、和查设计工具书，P1=0.31kw当时单根V带型额定功率增量根据带型号和查表4-3得=0.01kw表5-3V带的根数ZZ=（5.25）－小皮带轮包角修正系数查设计工具书,取0.98－带长修正系数查设计工具书，取0.99代入公式4-15计算得Z=1.7，取Z=2单根V带的预紧力（5.26）m－V皮带每米质量长度（kg/m），查找设计工具书，取0.06kg/m计算得F0=41.58N带轮的结构和尺寸皮带轮设计时应使其能满足工作应力要求并且结构合理便于加工和装配。轮槽表面要利于带轮工作不会造成带轮的过分损耗。（表面粗糙度Ra=3.2μm）带轮的材料为HT200。按照机械设计手册V带轮结构图表，我们可以确定Z型普通V带的外形结构。大带轮转速n2（5.27）5.33单级圆柱齿轮减速器的设计由于小齿轮与大带轮同轴，因此小齿轮转速为730r/min.选择材料，确定和及精度等级。设计工具书中的金属材料性能及应力表可以选择两齿轮的材料40Cr，热处理方式为正火并高温回火，并对齿面表层淬火，表层硬度为45－50HRC。设计工具书中的MQ级质量指标查得；由设计工具书中的MQ级质量指标查得；。按接触强度进行初步设计确定中心距a（5.28）式中：配对材料修正系数Cm＝1螺旋角系数Aa＝476载荷系数K＝1.6小齿轮额定转矩（5.29）计算得T1=7表5-4齿宽系数推荐范围依据上表齿宽系数∅d＝齿数比u=i=2.5许用接触应力（设计工具书推荐值）取a＝100mm确定模数mnmn=(0.007~0.02)a=0.7~2,取mn=1.5mm确定齿数z1,z2初取螺旋角＝13z=（5.30）计算得z=37.11取z=37z=μz（5.31）取z=92重新确定螺旋角（5.32）计算得=12.8°计算主要的几何尺寸分度圆的直径d=mz/cos（5.33）计算得d=1.537/cos=66mmd=mz/cos（5.34）计算得d2=1.5*86/cos=132mm齿顶圆直径d=d+2h（5.35）计算得d=40+21.5=69mmd=d+2h=132+21.5=135mm端面压力角（5.36）计算得基圆直径（5.37）d=37cos20.5°=34.6mmd=dcos（5.38）d=92cos20.5°=86mm齿顶圆压力角=arccos=27.13°（5.39）=arccos=23.61°（5.40）端面重合度=[z（tg-tg）+z(tg-tg)]（5.41）=1.96齿宽系数=（5.42）=0.32齿宽b=·a（5.43）b＝0.32*100＝32取b=32纵向重合度（5.44）=1.17当量齿数（5.45）＝37(5.46)＝935.4轴的设计轴因其使用场合和配置空间不同设计出不同的轴线走向和刚性配置，如此便有了曲轴、直轴、软轴和挠形轴等形式的区别，按照菠萝去皮机的结构特点和装配布局选定阶梯状轴作为各传动轴的形式。菠萝去皮机上共有3根传动轴。如图5-5所示。图5-5传动轴布局5.41轴1设计轴1是负责将大皮带轮的动力传递给小齿轮的传动轴，在系统中其受力情况如图5-5所示图5-5轴1的受力情况图中A、B两点为轴承支撑位置，C点受到皮带的拉力Fr和皮带传递来的扭矩M1，D点受到齿轮传递来的扭矩M2。根据公式4-37可以计算出符合安全要求的最小轴径：—轴材料系数—传动轴1传递的功率，单位kw根据前文分析可知，这里P=1kw—传动轴1上的转速，单位r/min由前文的计算可知轴1的转速为730r/min轴上的材料由《机械设计实用手册》一书中的表18—1可以查到，应选择调质处理的45号钢，，书中表18—2取A0=120，代入公式（5.47）计算得d≥13.3传动轴1的最小直径是安装带轮处的直径，为了带轮与使所选的轴直径相配合，故使安装带轮端轴径选为15mm。根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度为了满足由大带轮传动的定位要求，需要有两个轴承对轴进行支撑，轴承一端需要有阶梯为轴承限位，大带轮厚度为50mm，带轮设计内径为17mm。使用计算机绘图画出相应部分尺寸后就可以推算出各段轴长度。选用键的型号为普通平键。键的型号可以按照相应轴段的直径通过查《机械设计实用手册》一书取得。轴1为传动轴，其作用是将带轮传来的扭矩通过齿轮传递出去。由计算机绘图后推算的尺寸可知轴承段的轴径为20mm，由于轴承只承受径向力因此选用深沟球轴承，查设计工具书选取轴承型号6204，其相关尺寸为：内圈20mm、外圈47mm、厚度14mm。考虑到机体的制造误差及其他各种原因造成的安装错位或是借口不齐等，滚动轴承应在机体内有一段移动的位移，进而来尽量的减少不必要的误差。查设计工具书可等位移量s=1mm取安装滚筒的轴Ⅳ—Ⅴ段的直径为，已知滚筒长为220mm。轴的基本结构如图5-7：图5-7轴的结构5.42轴2设计轴2是负责将小齿轮的动力传递给联轴器的传动轴，在系统中其受力情况如图5-6所示图5-6轴2的受力情况图中B、D两点为轴承支撑位置，C点受到大齿轮传递来的扭矩M2，A点受到联轴器传递来的扭矩M1。根据公式5-48可以计算出符合安全要求的最小轴径（5.48）—轴材料系数—传动轴2传递的功率，单位kw根据前文叙述可知，这里P=1kw—传动轴2上的转速，单位r/min由前文的计算可知轴2的转速为182.5r/min在《机械设计基础》一书中表18—1可以查到轴上使用的材料，应选取调质处理的45号钢，，书中表18—2取A0=120，代入公式（5.48）计算得d≥19mm传动轴1的最小直径是安装带轮处的直径，为了使所选的轴直径与带轮相配合，故使安装带轮端轴径选为19mm。根据轴向定位的要求确定轴的每个部分的直径和长度为了满足由大齿轮传动的定位要求，需要有两个轴承对轴进行支撑，轴承一端需要有阶梯为轴承限位，大齿轮厚度为32mm，齿轮设计内径为25mm、联轴器设计内径19mm。使用计算机绘图画出相应部分尺寸后就可以推算出各段轴长度。选用键的型号为普通平键为。我们可以借助《机械设计实用手册》一书通过相应轴段的的直径来找到键的型号。轴2为传动轴，其作用是通过联轴器将齿轮传来的扭矩传递出去。由计算机绘图后推算的尺寸可知轴承段的轴径为20mm，由于轴承只承受径向力因此选用深沟球轴承，查设计工具书选取轴承型号6204，其相关尺寸为：内圈20mm、外圈47mm、厚度14mm。考虑到机体的制造误差等原因造成的错口不齐等或是安装错位，滚动轴承应在机体内有一段移动的位移，查设计工具书可等位移量s=1mm轴的基本结构如图5-7：图5-7轴2的结构5.43轴3设计轴3是旋转主轴，它的作用是带动菠萝旋转，在系统中其受力情况如图5-10所示图5-8轴3的受力情况图中B、C两点为轴承支撑位置，A点受到皮带轮传递来的扭矩M1，D点受到菠萝传递来的扭矩M2。根据公式（5.48）可以计算出符合安全要求的最小轴径：（5.48）—轴材料系数—传动轴3传递的功率，单位kw传递功率约等于电机功率，这里P=0.55kw—传动轴3上的转速，单位r/min由前文的计算可知轴3的转速为375r/min我们可以通过《机械设计实用手册》一书中表18—1查到轴上所使用的材料，应选取调质处理的45号钢，，由于书中表18—2取A0=120，代入公式（5.48）计算得d≥8mm安装带轮处的直径就是传动轴1的最小直径，为了能够使带轮与所选的轴直径相配合，所以我们选择安装带轮端轴径为17mm。根据轴向定位的要求确定轴的每一部分的直径和长度为了满足由皮带轮传动的定位要求，需要有两个轴承对轴进行支撑，轴承一端需要有阶梯为轴承限位，皮带轮宽度为26mm，皮带轮设计内径为17mm。使用计算机绘图画出相应部分尺寸后就可以推算出各段轴长度。选用键的型号为普通平键为。我们可以借助《机械设计实用手册》一书通过相应轴段的的直径来找到键的型号。由计算机绘图后推算的尺寸可知轴承段的轴径为20mm，由于轴承需要承受轴向力因此选用圆锥滚子轴承，查设计工具书选取轴承型号30204，其相关尺寸为：内圈20mm、外圈47mm、厚度12mm。考虑到机体的制造误差等原因造成的错口不齐等或是安装错位，滚动轴承应在机体内有一段移动的位移，进而能够尽量减少不必要的误差。查设计工具书可等位移量s=1mm轴的基本结构如图5-9：图5-9轴3的结构5.5丝杠螺母的设计计算初选基本尺寸螺纹中径dm（5.49）F—丝杠承受的轴向载荷，由5.2分析可以得到F的值为导轨的摩擦力与取芯管切割菠萝的力之和，所以F=39+339.12=378.12(N)[p]—许用比压，查设计工具书得[p]=1.5N/mm2—螺母长度系数，这里初步取,将数值带入公式（5.49）计算得d2查表设计手册可知，我们可以选择螺纹中径d2=18、螺距P=8，则螺纹公称直径d=22螺纹升角a（5.50）s-导程，根据菠萝刮皮刀的移动距离取s=16mm，将d2=9带入公式（5.50）得a=0.27当量摩擦角（5.51）f-摩擦系数，这里取f=0.9，代入公式5-51计算得=0.71°螺母高度（5.52）—螺母高度系数，代入公式（5.52）计算得H=36mm旋合圈数（5.53）计算得n=4.5基本牙型高度H’=0.5PH’=4mm6主要零部件强度校核6.1轴强度校核根据图5-5可知，共有3根传动轴分别是大带轮驱动的齿轮轴1轴、大齿轮驱动的减速器输出轴2轴和带动菠萝旋转的执行轴3轴。6.111轴的强度校核根据1轴受力情况我们可以作出主轴简化受力图，如图6-1所示图6-1轴受力简图求输出轴上的所受作用力的大小轴在垂直面内所受的支反力根据5.32计算结果可知V带张紧力F0=41.32N，因为是两个V带传动因此Fr=2F0=82.64N，根据5.41设计结果可知BC=74mm，AB=76mm。根据受力平衡条件有FB=Fr*AC/AB=163.1NFA=FB-Fr=80.46N作弯矩图如图6-2图6-21轴弯矩图在水平面内，我们可以计算出轴上A、B、C三点的弯矩为：MA=MC=0MB=3305.6N.mm作扭矩图（6.1）—电动机的额定功率P=0.55kw—主轴的转速r/min，n=1390r/min将数据代入公式（6.1），得T=3779N.mmM1=T=3779N.mm由受力平衡条件可知M2=M1作轴的扭矩图6-3所示：图6-3扭矩图校核轴的强度在进行校核时，通常只校核轴上承受最大当量弯矩的强度（即危险截面c的强度）。由经验公式及上面计算出的数值可得出。（6.2）—轴的抗弯抛面模量，—轴的许用应力，。按轴实际所受弯曲应力的循环特性，在、、中选取其相应的数值，我们从《机械设计基础》可以查出。（6.3）在设计工具书书中可以查到，对于的碳钢材料，承受对称循环变应力时的许用应力。6.12轴2的强度校核轴2由大齿轮驱动，其作用是将动力传递给联轴器和皮带轮。根据2轴受力情况可以作出主轴简化受力图如图6-4所示图6-4轴受力简图求输出轴上的所受作用力的大小轴在垂直面内所受的支反力根据5.32计算结果可知V带张紧力F0=41.32N，因为是两根V带传动因此Fr=2F0=82.64N，根据5.41设计结果可知DE=37.5mm，CD=38mm,BC=38mm,AB=31mm。根据受力平衡条件有Fr*DE=FB*BD代入计算得FB=40.78N作弯矩图如图6-5图6-52轴弯矩图在水平面内，我们可以计算出轴上E、D、B三点的弯矩为：MB=ME=0MD=3099N.mm作扭矩图（6.4）—电动机的额定功率,P=0.55kw—主轴的转速r/min，n=1390r/min将数据代入公式6-1，得T=3779N.mmM2=T=3779N.mm由受力平衡条件可知M2=M1+M3作轴的扭矩图6-6所示：图6-6扭矩图校核轴的强度在进行校核时，我们通常只校核轴上承受最大当量弯矩的强度（既危险截面c的强度）。由经验公式及上面计算出的数值可得出。（6.5）—轴的抗弯抛面模量，—轴的许用应力，。按轴实际所受弯曲应力的循环特性，可以在在、、中选取其相应的数值，我们从《机械设计基础》可以查到。（6.6）按设计工具书书中查得，对于的碳钢材料，承受对称循环变应力时的许用应力。6.13轴3的强度校核轴3为旋转主轴其在工作中的主要受力来自于刮皮刀对菠萝进行去皮工作时对菠萝的压力。由5.2节中计算可知，刮皮刀对菠萝的持续作用力为9.6N。这个作用力非常小可以不必进行强度校核。6.2齿轮强度校核6.2.1校核齿面接触强度强度条件：[]计算应力：=ZZZZZ=式中：名义切向力F===2044N使用系数K=1由设计工具书表第八章中的3-31查取动载系数=（）式中V=A=83.6B=0.4C=6.57=1.2齿向载荷分布系数K=1.35通过设计工具书表第八章中的3-32得，按硬齿面齿轮装配时检修调整，6级精度K非对称支称公式计算齿间载荷分配系数由设计工具书表第八章中的3-33查取节点区域系数=1.5由设计工具书图第八章中的3-11查取重合度的系数由设计工具书图第八章中的3-12查取螺旋角系数由设计工具书图第八章中的3-13查取弹性系数由设计工具书表第八章中的3-34查取单对齿齿合系数Z=1=＝＝245.5MPa许用应力：[]=式中：极限应力=1120MPa最小安全系数=1.1由设计工具书表第八章中的3-35查取寿命系数=0.92由设计工具书图第八章中的3-17查取润滑剂系数=1.05由设计工具书图第八章中的3-19查取，按油粘度等于350速度系数=0.96按由设计工具书图第八章中的3-20查取粗糙度系数=0.9由设计工具书图第八章中的3-21查取齿轮工作面的硬度系数=1.03按齿面硬度45HRC为基础，由设计工具书图第八章中的3-22查取尺寸系数=1由设计工具书图第八章中的3-23查取则：[]==826MPa满足[]6.2.2校核齿根的强度强度条件：[]许用应力：=；式中：齿形系数=2.61，=2.2应力修正系数，重合度系数=1.9螺旋角系数=1.0齿向载荷分布系数==1.3（其中N=0.94，）齿间载荷分配系数=1.0则=94.8MPa==88.3MPa许用应力：[]=（按值较小齿轮校核）式中：极限应力=350MPa安全系数=1.25（按设计工具书表第八章中的3-35查取）应力修正系数=2（按设计工具书表第八章中的3-30查取）使用周期=0.9（按设计工具书图第八章中的3-18查取）齿根圆角敏感系数=0.97（按设计工具书图第八章中的3-25查取）齿根表面状况系数=1（按设计工具书图第八章中的3-26查取）尺寸系数=1（按设计工具书图第八章中的3-24查取）则[]=满足，〈〈[]验算结果安全6.3螺杆螺母的校核由5.5可知螺杆的公称直径d