刮板式小型核桃剥壳机

刮板式小型核桃剥壳机总体结构设计因为破壳的主要是由刮板和栅壁间的作用，为了实现核桃的破壳以及后续壳仁分离，小型核桃剥壳机的设计基本确定，具体如下：如图2.3刮板式小型核桃剥壳机主要结构由入料口（1）、多个刮板（2）、出壳口（3）、出料口（4）、电机(5)、传动轴（6）、栅壁（7）、风机(8)、收料桶(9)等构成。首先，核桃入料口采用向内收窄的方式安装在加工桶上方。核桃通过倒入入料口后进入加工区域，也就是加工桶。（1）核桃加工区域：该加工区域为封闭状态，内部主要由刮板和栅壁构成，多个刮板连接在对应连接杠处，而这些连接杠一端连接在加工区域中间的转动轴上，刮板主要作用就是当核桃进入加工区域时，高速旋转的刮板对核桃进行击打破壳。由于加工区域下半部分为半圆形栅壁，其设计目的第一是防止没有被刮板完全击打的核桃落入下一个工序，第二是在刮板继续击打核桃的同时栅壁也和刮板对核桃进行挤压破壳，没有完全破壳的核桃也在此处进行二次剥壳。（2）壳仁分离区域：核桃壳和果仁经过加工桶下方落入到壳仁分离区域。这一部分结构主要由核桃仁出料口、核桃壳收集口、进风口组成。核桃仁出料口直接与加工桶垂直互通，出料口形状为V型收窄；而核桃壳收集口与核桃仁出料口由斜面连接，这样就算核桃仁不慎被吹入核桃壳收集处也能再次回到下方核桃仁收集箱；出风口一端连接风机另一端连接壳仁分离通道，由于被破碎的核桃壳和得到的核桃仁重量相差比较大，通过强风可以将核桃仁与核桃壳进行有效分离。（3）传动装置区域：主要由电机驱动该剥壳机的工作，在连接刮板的传动轴出设一皮带轮，同时在电机连接处设一皮带轮，两者通过皮带进行连接。电机工作时带动传动轴的皮带轮运作，从而使刮板旋转进行剥壳工作。图2.3刮板式小型核桃剥壳机简图入料口（1）、刮板（2）、出壳口（3）、出料口（4）、电机（5）、传动轴（6）、栅壁（7）、风机（8）、收料桶（9）2.3刮板式小型核桃剥壳机的工作原理从上文可知刮板式小型核桃剥壳机主要分为核桃加工区域、壳仁分离区域、传动装置区域，如图2.3，刮板式小型核桃剥壳机的主要工作原理如下：将需要待加工的核桃倒入V型入料口，之后核桃顺着V型入料口进入核桃加工区域。核桃进入加工区域后直接被由传动装置带动的多个刮板进行击打破壳，多数被破壳的核桃仁以及核桃壳顺着栅壁的间隙落入下一工序，少数没有被破壳的核桃会在半圆形栅壁隔断无法进入下一工序直至被刮板挤压破壳再进入下一工序。之后完成剥壳的核桃分为核桃仁和核桃壳的碎屑，由于重量差距较大，垂直落入壳仁分离区域后，核桃碎屑会随着壳仁分离通道一端风机的强风作用被吹入核桃壳收集口，虽然核桃壳收集口倾斜面朝向果仁出料口，但在强风作用下绝大部分的核桃壳碎屑都能完全被分离；核桃仁从加工区域直接落入核桃仁收料口，考虑可能存在比较轻的核桃被强风吹入核桃壳收集处，这也是为何将核桃壳收集口处设计成倾斜面，这样较轻核桃仁可以利用自身重量重新落入收料箱。在机架底部防止驱动装置电机，电机工作带动较小皮带轮同时在皮带的作用下带动刮板传动轴连接的大皮带轮，从而完成该核桃剥壳机的自动化剥壳工作。主要部件设计以及计算该小型核桃剥壳机结构设计能否成功完成核桃的剥壳工作，具体还需要可靠的计算证明。刮板式小型核桃剥壳机的主要部件：破壳机构（刮板）、传动机构（轴、电机、皮带轮、V带）、其他结构（栅壁），以上为主要部件需要去计算的部分，该部分的计算对于小型核桃剥壳机能否正常作业格外重要。3.1传动机构的设计以及参数计算传动机构主要与小型核桃剥壳机的工作效率以及运作有关，主要由刮板、轴、带轮、V带、电机组成。3.1.1刮板的参数确定刮板是在小型核桃剥壳机工作时直接击打核桃的部件，因此需要对刮板的个数、转速、所需要的功率进行计算。刮板在击打核桃时确保在破壳的同时不会将内部的核桃仁击碎，该机构采用三个刮板的设计，因此在确保不会击碎核桃仁的前提下对刮板的参数进行计算：1.刮板半径以及转速计算由于上述要求，核桃在与刮板以4-5m/s的速度碰撞时可有效破壳且不会破坏内部核桃仁。刮板与连接杠连接后为一个整体，半径记为R；而刮板的半径可为整体的一半记为R/2，取整体R=300㎜。由圆周远动公式（式3.1）将R=300mm代入得n=v∗60∗1000/3.14∗2∗r=5∗60∗1000/3.14∗2∗300=159.23r/min故得n=159.23r/min；R=300mm图3.1刮板图2.刮板所需功率的计算为了计算刮板的功率，可以使用功率计算公式P=Q/t（式3.2）其中Q是指刮板对核桃做功功率，而刮板对核桃做的功功率P是刮板对核桃的动能Ek以及刮板和核桃的势能E则P=而刮板的动能EK而刮板对核桃的势能Ep综上可得Q=又由（式3.2）可得P=Q/t=1/2t设计整个刮板的重量为4Kg，其初速度v1=1m/s方向向左;运作速度v2P=Q/t=1/2t又因为刮板与和核桃同栅壁进行挤压和碰撞时也会产生能量，最终总能量不会超过600w，然后确认从所需电机的功率Pd，为了确定电机功率得先去确认电机到执行机构的总效率η，相对应设计选用的滚动轴承和V带的效率分别为η1和则η=因为最终总能量不会超过600w，则有Pd=Pw3.1.2传动方案的设计由于刮板转速为159.23r/min，可以得知刮板式小型核桃剥壳机转速相对较大，可以采用两种传动方案分别是一级V带传动和两级混合传动，本课题采用一级V带传动，这样可以使得使用该设计的小型核桃剥壳机结构相对简易，方便日常使用以及维护。3.2电动机的选择由于所需电动机额定功率Pm大于Pd,又因为Pd=Pw表3.1电动机的数据方案电动机型号额定功率(kw)满载转速(r/min)同步转速(r/min)1Y90S-60.7591010002Y90L-61.19101000根据上表所示，本设计采用方案2。采用型号为Y90L-6的三相异步电动机，该电动机有着效率高、噪声小、重量轻和体积小的特点如图3.1。图3.1Y90L-6电动机实物所以根据该电动机可计算出总传动比:i=n故i=nm/nw=910/159.23r/min=5.71（其中轴的转速：由公式3.6可得n轴的输入功率：P2得P轴的转矩:T2得T23.3皮带以及皮带轮的设计与计算3.3.1V带轮的参数计算由上文所选的电机型号为Y90L-6，从该型号的电机参数以及得知如表3.1，额定功率为1.1kw；同步转速为1000r/min；满载转速为910r/min；传动比为5.71。1.计算功率P查表得工作系数Ka=1.1，由2.选择V带型号V带的型号主要根据设计功率Pc以及小带轮转速n1进行选型，而由上述可知Pc=1.12kw图3.2普通V带选项图3.确定带轮的基准直径d1和由于所选的V带型号为A型，根据A型V带可以选择主动轮（小带轮）的基准直径如表3.2。表3.2V带轮的最小直径型号YZSPZASPABSPBCSPCDEd2050637590125140200224355500故由上表可知小带轮的基准直径d1=75mm，由公式故大带轮的基准直径为d24.验算V带的速度V由V带传递的功率，且带速越高，圆周力越小且V带的根数越小。如果带速过于太大，则在一定的时间带轮的转动次数越大使得皮带的寿命会受到一定程度的磨损。一般带速取在5m/s−25m/s之间，故如果计算得到的速度在这个区间之间则没有问题，带速的计算公式如下：V=V带速度为3.14∗75∗910/60∗1000=3.57m/s，且小于25m/s5.计算V带的基准长度L0以及中心距首先先初步估计中心距，由公式a0得a0=1.5(75+428.25)=754mm取700mm，且估算的值处于L0得L0=2194.5mm，由于选用的为A型V带故选用标准基准长度根据所选的标准基准长度L0a=故得a=700+(2240−2194.5)/2=723mm。6.计算小带轮的包角α有计算小带轮的包角公式α1得α17.求V带的根数z由求V带根数公式z=P根据小带轮的直径为d1=75mm和电机转速n1i=d得i=428.25/（1−0.02）∗75=5.82查表得∆P=0.11kw。再有包角为152.03°和V带基准长度为2240mm选得8.计算单根V带拉力F0以及压轴力由于A型号V带的单位长度质量为q=0.105kg/m，所以计算单根V带拉力为F0得F0Fp=2z3.3.2V带轮的设计与计算1.带轮的材料选择一般带轮的材料都选为HT150或者HT200，当带轮的转速太大的时候一般选用铸钢或者钢板冲压焊接的带轮，当带轮转速比较慢时一般选用铸铝或者塑料。本设计选用的为HT150的带轮材料[22]。2.带轮结构的设计一般的带轮都由轮缘、轮辐、轮毂组成，又由于轮辐的结构不同，可以将带轮分为4种分别为实心式、腹板式、孔板式和椭圆轮辐式，又因为V带的结构还与基准直径相关[22]，小带轮基准直径dd3.V带轮的轮槽由于V带轮的轮槽和V带的型号有关，且本设计V带的型号为A型。表3.3带轮轮槽尺寸参数尺寸类型小带轮大带轮槽型AAd75428基准宽度b11.011.0基准线上槽深ℎ2.752.75基准线下槽深ℎ8.78.7槽间距e(mm)15±0.315±0.3第一槽对称面至端面距离f99轮缘厚δ12124.V带轮的技术要求由于V带轮的技术要求一般较高，由铸造、烧结的V带轮在轮缘、轮辐、轮毂、腹板一般都不允许有砂眼、裂缝、缩孔或者气泡。如果在铸造带轮不改变内部应力的情况下可以对带轮的表面进行修补[22]。5.V带传动的维护V带在经过长时间的工作肯定在有一定程度上的磨损，其V带上的张力也一定程度上也会有减弱，故在小型核桃剥壳机长期运作的情况下需要定期去检查V带的磨损情况，预防V带在长期工作下因过度磨损断裂的情况。所以也要求定期更换新V带来保证小型核桃剥壳机的正常运作[22]。3.4主轴的设计以及参数计算主轴在小型核桃剥壳机起着重要的作用，主要带动刮板对核桃进行剥壳工作。而在设计轴的时候主要需要考虑一些因素，首先需要合适的材料然后还需要根据实际的装配情况来设计轴的形状。由上文可得主轴转速n1=159.23r/min，主轴的输入功率Px1.选择主轴的材料轴的主要材料是碳钢和合金钢，由于碳钢的性价比比较高，故一般就选用45钢为轴的材料。它的主要性能参数如下表3.4。表3.445钢的材料参数毛胚直径（硬度HBS抗拉强度极限σ屈服强度极限σ弯曲疲劳极限σ剪切疲劳极限τ许用弯曲应力[≤200217~255640355275155602.估算最小轴径由于选用的材料为45钢根据表3.5得A0dmin得最小轴径dmin3.主轴的结构设计首先确定各个轴段的直径和长度以及轴上面的零件装配设计和定位。由于轴上需要安装刮板，轴承以及V带轮。第一步先确定各个轴段的长度，V带轮安装在轴的第一段位置上，为了满足轴向定位，往轴的第一段右方做一段轴肩取d2=29mm。V带轮和轴配合的毂孔为35mm，为了确保轴端的挡圈只能压在半联轴器上而不会压在轴的端面上，所以取第一段的长度l1第二段装配的是轴承端盖，轴承端盖的总厚为20mm，又因为轴承端盖外端与V带轮的距离为40mm所以取l2主轴的第三段装配的是轴承，选用深沟球轴承6206该轴承的主要参数如下表3.5，故取d3=30mm；可以取刮板距离箱体为20主轴的第四段主要是装配刮板，则取该轴段的直径为d4=60mm，取长度为主轴第五段也是装配深沟球轴承，故可以得d5=30mm，表3.5深沟球轴承6206的参数深沟球轴承6206基本尺寸/(mm)安装尺寸/(mm)极限转速/(r∗dDBrdDr脂润滑油润滑306216136561850011000图3.3主轴简图4.主轴强度校核由于主轴的主要工作区域为第四轴段，也就是刮板的装配区。主要载荷分析如图3.4，由于计算得轴的转矩T=86.36Nm，轴段的直径为d4圆周力：Ft径向力：Fr轴向力：Fa由于AB=190.50mm，水平面支撑反力：RH1RH2垂直面支撑反力：RV1RV2水平面弯矩：MH垂直面弯矩：MV由上文计算得出的水平面弯矩和垂直面弯矩可以得出总弯矩：M=M扭矩：a∗T=0.6∗86.36=51.82Nmm当量弯矩：Me=M则可以校核轴的强度：σe故综上轴的设计符合要求，载荷分析如图3.4。图3.