毕业设计（论文）-橙子滚筒式分级机设计

本科毕业设计说明书—1引言1.1研究目的意义我国的水果产量基数较大，而因为国情而使得各类水果价格不高，因而也时而出现水果滞销现象，而果农也因此受到较大影响。并且由于我国的水果出口率不高，也制约了水果的发展。我国水果在市场上的竞争力差的原因是水果商品率不高，水果外形包装不大美观，整体外观不优。通常在采摘完水果，对其进行商品化处理的步骤为清洗、打蜡、分级及整体包装。在水果处理中，对水果依照尺寸大小进行筛分极为重要。目前我国对于水果的清洗及打蜡技术较为成熟，而在对水果进行分级上仍不算太好，因此本次设计主要研究根据尺寸大小对橙子进行分级筛选，以提高效率，节省人力。1.2国内外现状我国对水果的分级技术自80年代从国外引进，而后随着我国技术的提高，我国制造业开始学习和了解水果的分级技术。90年代后，我国可以逐步开发些水果分级设备，但其效率、工艺技术和使用寿命等仍不如国外，而这过程中，我国不断积累经验，逐渐不再完全依赖从国外进口水果分级设备。在对水果分级技术研究了近几十年后，我国在水果分级技术上积累了较多经验，现今我国所制作的水果分级设备，在使用性能等方面逐步赶超大多数国外的水果分级设备。水果分级技术上的进度，能较好的改善我国农产品和水果良莠不齐，外观不佳和同一批水果中品相差距较大等问题。假如我国一半产量的橙子（约300万吨）[8]采用分级技术进行分类筛选，可以使每公斤水果增值约0.2元左右，那么可以使这些橙子增值6亿元。而这也说明了水果分级技术的重要性，可以提高水果质量，节约人力，使水果增值等，具有较为重要的研究意义。1.3研究意义如今人们挑选水果主要从水果大小及色泽两方面对水果进行挑选，而对于橙子而言，越大的橙子果肉越饱满充实，因此也更为受人们喜爱。而对于尺寸较小的橙子，由于橙子本身皮厚占比较大，果肉相对占比较小，因此相对而言不如尺寸较大的橙子受人们欢迎。故而对于商家来说，需要对水果的尺寸进行筛分是十分有必要的，商家对水果根据不同尺寸进行分批报价，以此获得更大的利益。而根据水果尺寸对水果进行筛分，不能靠人工进行筛分，需通过设备进行筛选，以此提高筛分的精准度及效率等。本次设计的橙子滚筒式分级机主要是应用于对橙子的尺寸大小进行筛分，以此提高对橙子的筛分精准度及效率。以我国现今的国情，不可能采用人工对橙子大小进行筛分，因为此种方式准确度及效率均极低。因此，本设计的橙子滚筒式分级机，采用多个滚筒的形式，对供料的橙子以尺寸为标准进行筛分出不同尺寸规格的橙子，提高对橙子的筛分精度及效率。1.4研究内容本次对橙子滚筒式分级机的设计，主要是先对本次课题需求进行分析，根据需求来分析所设计的橙子滚筒式分级机需要有哪些功能，在根据所需功能来细分出各机构功能。本次设计的橙子滚筒式分级机，需要实现对橙子的上料及根据其尺寸进行分类至不同的收料桶内。根据所需功能，将橙子滚筒式分级机的总体方案拆分为各机构方案，通过分析对比不同方案之间的优劣，最终确定各机构的方案，再整合为橙子滚筒式分级机的总体方案。（1）通过在使用学校图书馆或者借由网络等渠道对橙子滚筒式分级机进行查阅其相关资料及信息等，借此理解橙子滚筒式分级机的各结构原理及其功能等，而后收集并记录橙子滚筒式分级机的相关资料以便后续设计时参考。（2）辽解橙子滚筒式分级机的各结构原理及其功能，对所设计的橙子滚筒式分级机的相应参数进行确定。橙子滚筒式分级机相关参数如下：橙子重量：0.2kg橙子筛分速度：300个/分钟橙子分类规格：5类不同尺寸规格；（3）对本设计的橙子滚筒式分级机的各机构方案进行初步设计。（4）对本设计的橙子滚筒式分级机的整体方案进行最终确认。（5）采用SolidWorks软件对橙子滚筒式分级机进行三维建模，而后使用CAD软件对橙子滚筒式分级机的总装图及零件图进行绘制。（6）完成对橙子滚筒式分级机论文的撰写。2方案设计2.1总体设计方案概述（1）整体功能：本设计的橙子滚筒式分级机能够实现对橙子根据不同尺寸进行自动分类筛选的功能，以此达到将橙子销售利益最大化的目的。橙子滚筒式分级机可以减少工人的劳动强度，达到自动化筛选橙子的目的，且其稳定性及效率均高于人工对水果进行筛选。（2）方案概述：橙子滚筒式分级机主要由橙子输送机构和橙子筛分机构所组成。橙子输送机构的功能是将人工上料的橙子输送到橙子筛分处，实现对橙子的输送作用。而橙子筛分机构是实现通过尺寸大小对橙子进行筛分并分类的作用，以此达到本设计的要求。本设计的橙子滚筒式分级机的结构如图2-1。图2-1橙子滚筒式分级机结构图2.2输送机构方案确定输送机构的作用是将橙子输送到筛分机构处进行筛选分类为五种不同尺寸规格，倾斜向上输送橙子可以使橙子输送进筛分机构处的数量不会太多。如果输送机构水平布置，可能会出现多层堆叠的现象，导致一次性进入筛分机构处的橙子数量较多，而输送机构倾斜输送不会在末端出现橙子堆叠多层的现象，故本设计的输送机构为倾斜布置。方案一：本方案的输送机构由上料斗、机架、托辊、链轮、偏置链条、电机及减速器等所组成。本设计的输送机构采用链条传动，链条为偏置链条，可以安装托辊在两条链条之间。电机通过链条带动托辊，橙子经由托辊输送至橙子筛分机构处。如图2-2为偏置链节，如图2-3为本方案的输送机构结构图。图2-2偏置链节图2-3方案一输送机构方案二：本方案的输送机构由输送带、电机、机架等所组成，其简图如图2-4。通过电机带动输送带转动，以此带动输送带将橙子输送到橙子筛分机构处。图2-3方案二输送机构方案对比：方案一：此方案的输送机构两侧有挡板，同时对橙子的输送方向是斜向上的，可使输送橙子不会造成一次性输送太多，造成后续筛分机构筛选难度提升。同时还有上料斗，也将橙子倒入该处，然后随托辊慢慢输送橙子入筛分机构，输送速率均衡。方案二：此方案的输送机构是水平输送，输送时可能会造成橙子堆积且随意滚动，对后续筛分机构较为麻烦，其对橙子的输送不如方案一均衡。综上所述，通过对两种输送机构方案的对比，决定采用方案一的输送机构作为本设计的橙子滚筒式分级机的输送机构。2.3筛分机构方案确定筛分机构的作用是根据尺寸大小对橙子进行筛分及分类，以此实现本设计的需求。方案一：此方案的筛分机构由电机、链轮、链条、滚筒、摩擦轮、托盘、机架和分类桶所组成，采用四个滚筒将橙子筛分为五种不同尺寸规格，而每个滚筒上的孔洞大小均不同。由电机通过链轮链条带动滚筒滚动，将有输送机构所输送的橙子根据不同尺寸大小筛分为五种规格，而后再送入不同分类桶内。每个托盘还设有活板门结构，当托盘内的橙子达到一定数量，人工可以拔开活板门，使托盘内的橙子进入到分类桶内。图2-4方案一筛分机构方案二：此方案的筛分机构由电机、滑道、滚筒、摩擦轮和分类桶等所组成，其结构简图如图2-5所示。由输送机构所输送的橙子经由滑道进入滚筒内，经由滚筒筛分为不同尺寸规格的橙子。滚筒为斜向安装，从左往右其孔洞大小逐渐增大，以此满足对橙子进行筛分的作用。图2-5方案二筛分机构方案对比：方案一：此方案的筛分机构可以更为准备的根据橙子的尺寸大小对橙子进行分类筛选，且不同规格的滚筒可分别进行加工，以此提高加工效率。而当某个滚筒损坏时，只需重新加工某一个滚筒即可，而无需对所有滚筒均进行加工，以此可以降低对橙子滚筒式分级机的维修成本及提高维修效率等。方案二：此方案的筛分机构的滚筒倾斜摆放，所以橙子进入滚筒后除了输送机构提供的速度外还有重力提供的加速度，因此橙子在进入滚筒后可能出现其速度过快而导致尺寸较小的橙子在后续位置才被筛选出来，造成对橙子其分类筛选的准确性不足等。同时，当滚筒损坏时，由于滚筒为一体加工成型，故需对整个滚筒进行更换，因此整体维修成本较高，且维修效率不够高。综上所述，根据对两个筛分机构的对比，选用方案一的筛分机构作为本设计的橙子筛分机构。

3选型设计计算3.1输送机构设计输送机构是对橙子进行输送的机构，为了使后续对橙子的筛分机构高度合适，而使上料口的高度适合工人上料，同时对橙子输送数量均匀，不会出现一次性输送过多橙子导致后续筛分机构难以较好筛分橙子的现象，故本设计对橙子的输送机构其安装为倾斜安装，沿斜向上方向输送橙子。3.1.1托辊选型本设计采用的托辊其作用是对橙子进行输送，其原理是通过相邻两根托辊的间隙来对橙子进行输送。查阅资料[3]，设计托辊的间距需为：S≥其中k为橙子物料系数，由资料[3]可取为1.1。则本设计的托辊其间距需为：S≥则本设计的托辊间距为75mm，符合对托辊的设计要求。考虑实际中工人上料位置的宽度大小，取托辊长度为550mm。3.1.1输送电机初步计算由已经参数，橙子单个重量为0.2kg，筛分机构每分钟筛选橙子300个，则输送机构每分钟需输送300个橙子进入筛分机构内。设平均同一排相邻两个托辊可输送3个橙子，而相邻两个托辊的间距为75mm，取安全系数为2，则输送机构每分钟输送橙子的距离为：s=2×300/3×75mm=15m则输送机构输送橙子的速度为：v=s/t=15m/60s=0.25m/s则输送机构运载橙子的能力为：Q=0.2kg×300/min=60kg/min=3600/h本设计的输送机构链轮齿数均为21齿，节距p=25.4，传动比为1，则链轮的分度圆直径为：D=则链轮周长为：C=πD=3.14×170.5mm=535.64mm故为了达到输送机构输送橙子的速度，链轮转速需为：n则减速电机的功率为：P其中，L——输送机构长度，根据本设计，为1160mm，即为1.16m；f——托辊摩擦系数，当托辊输送橙子时，查阅资料，取托辊摩擦系数为0.02；W——输送机构的单位重量（kg/m），分析已建模的三维模型，估测其值为15kg/m；h——在竖直方向上，输送机构对橙子的抬升高度，由于本设计的输送机构为斜向布置，通过测量本设计的三维模型，其值为102mm，即为0.102m；则减速电机带动输送机构所需的功率为：P由于本设计的橙子滚筒式分级机采用一个减速电机同时带动输送机构和筛分机构，因此仍需计算减速电机带动筛分机构的所需功率，才能最终综合对减速电机进行型号选取，故此为减速电机的初步选型计算。3.1.2链轮校核本设计的链轮用于将电机的功率传递至滚筒的转轴处，以此带动输送机构运行。由上述对减速电机的初步计算可知，本设计初步定两个链轮的传动比为1，齿数均为21，节距为25.4，直径为170.5mm，即半径为85.25mm。由已知参数知橙子重为0.2kg，输送机构承载橙子300个，则输送机构承载橙子的重量为：m1g=300×0.2×10N=600N则减速电机带动链轮所需的转矩为：T1=m1gr=600×85.25N·mm=51150N·mm=51.15N·m由上述对减速电机的初步计算，减速电机需提供给输送机构的功率为1.31kw，链轮转速为28r/min。则链轮所受的圆周力为：F链轮所受的约束反力为：F1=F2=2m0g=1200N由设计的链轮轴其长度为L=838mm，链轮约束点到链轮轴端点距离为L1=160mm，则链轮的弯矩为：M1=F1×（L-2L1）-Ft1×L1=1200×（0.838-2×0.16）-300×0.16=573.6N·m查阅资料[3]知链轮强度为60MPa，则对链轮进行强度校核为：σ因此本设计所采用的链轮强度足够，满足本次设计所需的安全强度要求。3.1.3输送机构轴承校核由于输送机构是对橙子进行斜向上输送，根据分析输送机构整体对轴承的受力，轴承主要承受径向力而不受轴向力，因此根据轴承设计手册，径向动载系数和轴向动载系数分别为X=1，Y=0，输送机构的轴承其当量动载荷为：P=XFr+YFa=XF1+YFt1=1×1200N+0×300N=1200N由设计条件，预计橙子滚筒式分级机每天两班倒，一年工作300天，可使用8年，则输送机构轴承寿命预估为：Lh=8×2×8×300=38400h由链轮转速为114r/min，则输送机构轴承的基本额定载荷值为：C=查阅资料[1]，根据本设计的输送机构轴直径为35mm，选取型号为6007的深沟球轴承作为本设计的输送机构的轴承型号，其Cr=73.2kN，则校核输送机构轴承为：L根据对输送机构轴承的校核，本次所选用的输送机构轴承符合设计要求。如下图3-1是深沟球轴承的三维模型，采用SolidWorks进行建模，通过使用迈迪工具箱选取对应深沟球轴承的型号并进行调用，最终完成对输送机构的深沟球轴承的三维建模。图3-1深沟球轴承3.2筛分机构设计3.2.1滚筒设计本设计的四个滚筒直径相同，均为250mm，每个滚筒上的小圆孔孔径大小均相同，由输送机构出口后开始至最后区域，四个滚筒的安装顺序根据其上小圆孔孔径最小的开始往后排序。由于本设计的橙子滚筒式分级机是将橙子按照尺寸大小筛分为五个类型的橙子，故本设计的橙子滚筒式分级机将橙子按照大小分别筛分为尺寸55mm及以下、55~65mm、65~75mm、75~85mm、85mm及以上这五种尺寸规格。因此四个滚筒上的小圆孔孔径分别设计为55mm、65mm、75mm和85mm，当橙子通过四个滚筒仍未被筛选，则会倒入最后一个分类桶内。要实现对根据尺寸大小对橙子进筛分分类的目的，需要确保橙子可以较好的进入滚筒的分级孔上，如图3-2对橙子滚筒式分级机的滚筒进行分析，因此橙子进入分级孔上需要确保橙子的重心垂线在滚筒分级孔与橙子接触点P的左侧位置，由此分析可知，当尺寸最大的橙子进入第一个滚筒的分级孔时，其难度最大，故需确保第一个滚筒能够实现将最大尺寸的橙子带入到后一级。图3-2橙子进入滚筒分级孔分析图由图3-2，其中h为滚筒中心到橙子与滚筒接触点P的竖直高度，则有：∝h=其中，φ——第一个滚筒的分级孔直径（m），其值为55mm，即为0.055m；R——第一个滚筒的半径（m），其值为125mm，即为0.125mm；r——最大橙子的半径（m），根据实际生活，取0.1m；由上述公式可知，当h越大时，越容易将橙子带入到后一级滚筒处，则：∝h==本设计的滚筒式分级机其h为65mm＞60mm，则本设计符合使用要求。3.2.2减速电机选型由本设计的滚筒筛分机构如图3-3可知，四个滚筒每排的分级孔数量分别为5个、5个、4个和4个，而每个滚筒一次性最多可三排分级孔同时带动橙子，故滚筒筛分机构整体一次性最多可带动54个橙子。图3-3滚筒筛分机构由已知条件橙子重量为0.2kg，则滚筒筛分机构一次性带动橙子的总重量为：m2g=0.2×54×10N=108N考虑传动损坏及使用安全，综合取安全系数k=2，则减速电机需为滚筒筛分机构提供的转矩为：T2=km2gR=2×108×0.125N·m=27N·m由上述对减速电机的初步计算可知，T1=12.6N·m，n=114r/min，P1=1.31kw，则减速电机需为滚筒筛分机构提供的功率为：P则橙子滚筒式分级机的减速电机需要的总功率为：P=P1+P2=1.31kw+0.078kw=1.388kw由上述对减速电机的选型计算，选取橙子滚筒式分级机其减速电机型号为r37~167_37的迈传的齿轮减速电机，其功率为1.5kw，外形如图3-4。图3-4r37~167_37迈传齿轮减速电机3.2.3筛分机构轴承校核通过分析橙子筛分机构整体对轴承的受力，轴承主要承受径向力而不受轴向力，因此根据轴承设计手册，径向动载系数和轴向动载系数分别为X=1，Y=0，通过分析本设计橙子筛分机构的重量预估为20kg，则橙子筛分机构的轴承其当量动载荷为：P=XFr+YFa=1×（0.2×18+20）×10=236N由设计条件，预计橙子滚筒式分级机每天两班倒，一年工作300天，可使用8年，则橙子筛分机构轴承寿命预估为：Lh=8×2×8×300=38400h由链轮转速为114r/min，则橙子筛分机构轴承的基本额定载荷值为：C=查阅资料[2]，根据本设计的橙子筛分机构轴直径为35mm，选取型号为6007的深沟球轴承作为本设计的橙子筛分机构的轴承型号，其Cr=73.2kN，则校核橙子筛分机构的轴承为：L根据对橙子筛分机构轴承的校核，本次所选用的橙子筛分机构轴承符合设计要求。如下图3-4是深沟球轴承的三维模型，采用SolidWorks进行建模，通过使用迈迪工具箱选取对应深沟球轴承的型号并进行调用，最终完成对橙子筛分机构的深沟球轴承的三维建模。图3-4深沟球轴承3.2.4筛分机构轴设计校核由上述对减速电机的选型计算可知，筛分机构其轴的转速为n=114r/min，本次对第一级传动轴进行校核。由于减速电机是将对筛分机构的转矩通过链轮传递给第一级传动轴，再由第一级传动轴将功率依次传递给后三级传动轴，故第一级传动轴的输入功率为：P=P2=0.078kw链轮的直径为：D=选取第一级传动轴的材质为45钢，经过调质处理，由对轴的设计手册，取A0=112，则第一级传动轴其最小直径为：d结合链轮大小及其孔内径，本设计的第一级传动轴其轴径选取为25mm，由上述对链轮的计算，其弯矩等于第一级传动轴的弯矩，即M=573.6N·m，而第一级传动轴的转矩为电机所传递的转矩为T=T2=27N·m。由于轴的截面为圆形，故抗弯截面系数为：W则本设计的第一级传动轴其强度为：σ查阅资料，45钢其强度为360Mpa，而4.74Mpa<360Mpa，则本设计的第一级传动轴符合使用要求。3.2.5第一级传动轴处键校核（1）链轮处键通过上述对第一级传动轴的校核计算，在链轮处的键其类型为GB/T1096键A型b×h×l=8×7×18，此处键的接触长度l’=18-8mm=10mm，则此处键传递的最大转矩为：T=由于减速电机传递给第一级传动轴的转矩T2=9N·m，故此处采用的键满足本设计的使用要求。（2）滚筒处键由于第一级滚筒一次性最多可有三排分级孔同时带动橙子，则共有15个橙子，而每个橙子重量为0.2kg，第一级滚筒其半径为125mm，则此处所需提供的转矩为：T3=Fr=0.2×15×10×0.125N·m=3.75N·m而此处采用的键其类型为GB/T1096键A型b×h×l=8×7×32，此处键的接触长度l’=32-8mm=24mm，则此处键传递的最大转矩为：T=而T>T3=3.75N·m，则滚筒处采用的键满足设计要求。4结论经由本次对橙子滚筒式分级机的设计、查阅资料及思考如何优化等，在此过程中，我不断反思，尽自己能力对橙子滚筒式分级机进行优化，同时也反思了自己原本对机械不端正的态度，发现自己的缺陷，不断改进提高。在本次对橙子滚筒式分级机的设计中，我取得了以下结果：（1）对不同机构方案进行对比，选取出最优于本设计的方案，以此完成对橙子滚筒式分级机的设计。（2）在设计输送机构时，考虑到了输送机构倾斜布置和水平布置对后续橙子筛分的影响，最终对比并选取倾斜布置作为本设计的输送机构方案。（3）在设计滚筒时，考虑了多个不同分级孔的滚筒和一整个大型滚筒之间的差异，对比相互之间的优劣，最终选取了四个不同分级孔滚筒作为本次设计的筛分机构，同时采用摩擦轮进行带动。（4）采用SolidWorks将本设计的各机构方案进行建模，以此更为直观的了解之间对各个机构的设计，化方案为具体模型，使我更为直观的判断设计是否合理。致谢伴随对橙子滚筒式分级机的设计完成，实为感慨，因为这也意味着我即将毕业，即将告别现在的校园生活，踏入未知的社会生活。在对橙子滚筒式分级机进行设计的过程中，我遇到了不少障碍，一度不知该如何下手，曾极为迷茫。在此感谢我的指导导师耐心的指导