柚子剥皮切片取核机的设计

IIIIII摘要人们的生活品质在不断的攀升，柚子这种水果也进入了千家万户，成为了人们日常食用的水果，延伸出来的水果深加工成为了现在水果消费市场的趋势，因此，研究一台柚子剥皮切片取核机很有意义。论文中介绍了柚子剥皮切片取核机的整体性设计，送入部分、离心分离机构、分块机构、皮带传送机构、离心分离机构、送出部分组成，送入部分是一个传送长带。离心分离装置是由抓紧装置、去顶部装置和果皮果肉分离刀具组成。在抓紧功能的实现中，是由电动机带动曲柄运动，同步运动轴带动抓紧装置主体部分上下移动，从而带动抓手的缩紧和松弛，主体部分往上移动时，抓手会放开，主体部分往下移动时，抓手会缩紧。在去除顶部部分中，运用到摇杆机构的往复运动从而使顶部完成切除。在果皮果肉分离刀具的运动中，由曲柄滑块机构实现。在设计当中各部分机构的连接紧凑，在将已经分块好的果皮果肉送入到离心分离机构中运用了带传动机构进行传输，最后运用Creo4.0建立三维模型进行仿真分析，实现整体机械的三维立体，了解各零部件间的装配情况和相互干涉情况。本设计加入了离心分离装置装置和离心分离装置，提高了剥皮和切片的成功率，提高了水果深加工的效率。关键词：柚子剥皮；切片机构；离心分离装置；仿真分析目录TOC\o"1-2"\h\u977第一章绪论 198121.1研究背景 138771.2国内外对柚子剥皮取核的发展现状和存在的问题 1112911.3柚子剥皮切片取核机主要研究内容 2137381.4柚子剥皮切片取核机拟解决的问题 49201.5本章总结 430257第二章柚子剥皮切片取核机方案拟定 5298642.1设计技术要求及工作原理 5297362.2规格参数和主要设计要求 5194342.3主要设计思路 6115372.4本章总结 720167第三章机器主要零部件的设计 8242813.1离心分离装置设计计算 8166313.2螺旋推杆机构的设计 8199173.3离心分离机构中的带轮的设计 938783.4U型固定支座的设计 10202823.5曲柄摇杆切刀的设计 1039893.6滑块的设计 12261023.8电机的主轴和联轴器的选择 1243323.9本章小结 1326735第四章关键零部件的设计与计算 14288374.1电动机的机型选用 1492014.2键连接的选择与计算 17321784.3槽轮机构的设计与计算 18202794.4二级直齿圆柱齿轮减速器的计算 19207984.5锥齿轮的计算和校核 22283064.6本章小结 2622222第五章三维建模 2777125.1选择Creo4.0进行的机构模型建立 27179285.2总体模型装配图 3068935.3本章总结 309176第六章总结 3127127参考文献 3219941致谢 34第一章绪论1.1研究背景柚子是较为常见的一种热带、亚热带水果，中国南方多地均有栽植，因为拥有比较高的食用品质和优质的口感，所以获得消费者的购买热潮[1]。我国是种植柚子的大国，北纬三十度以下的南方天气炎热，北回归线阳光充足，有较为显眼的季节转换，我国四川、福建、广东梅州、广西玉林等地有着得天独厚的自然环境条件，非常适合种植柚子，播植范围广范，产业开始急剧增长。如果只是单一地依靠卖柚子来增加收入，那得到的利润较低，而且对于消费者来说，价格也是很难让人接受，因为柚子身上有一层厚厚的皮，约占柚子总重量的1/4，并且在消费者认为，虽然知道柚子皮大有用处，但是大家都不太会利用他的价值，所以消费者只吃柚子的果肉，柚子皮会被丢弃，所以大家都觉的柚子价格太高，属于“贵族”水果。人民的个人消费能力的提高和对舌尖美味的追求使得大家对柚子营养价值的认识加深，而且市场上的柚子汁的价格是带皮柚子的几倍，所以对柚子进行深加工是很有必要的：一是像其他水果类食品进行深加工，利润很高；二是现在食品养生概念深入人心，柚子的全身上下都是宝包括果核，果肉，果皮，其市场价值不可估量，各种品种的柚子的果皮部位和果肉中含有充足的抗坏血酸、多酚酶，植物蛋白等成分，做成饮料或者乳制品，有利于广大农民群众获得更高的利润。柚子剥皮榨汁是柚子深加工的第一步，必须首先解决。在广西玉林等柚子种植地区，为了柚子的完整性和存储性，大多整只销售，利润低，食品工业利用程度低。所以研究一台柚子剥皮切片取核机很有意义。1.2国内外对柚子剥皮取核的发展现状和存在的问题在我国广东等等发达省市，柚子的加工绝大部分都经过机械化流水线生产[3]，包括采摘、清洗、分拣、包装等处理[4]，柚子果肉机械化加工[5]，通过剥皮机剥皮，从而鉴别甜度，在进入不同的区域进行包装。非发达省份的种植地区柚子工业化方面的生产程度较轻，在一些农家地方将柚子从果树上取下之后直接销售[6]。对地区特色农业产品产业生态链的形成造成不利影响。一些对柚子进行深加工的企业，一般都不会用机器进行加工，而是用手工，用水果刀将柚子果皮部分按十字切法将柚子的皮拨开，然后进行人工挑核，实现对柚子实现加工，这种加工方式比较传统，比较费时和造成较高的人工成本。人工剥皮方法：用水果刀将柚子额部顶端皮去除，将柚子划成4分，然后用手将其掰开。用手掰开之后将拇指放到果核中空部位，发力将其掰开里面的果囊，最后只用一撑就能打开。柚子的皮切开后尽量食用，未能食用部分要进行低温保存。机器剥皮方法一（半剖分离法）：用刀具将柚子从中间部分往横向旋转切开，将柚子皮分成两半，再将一个去核的工具从柚子中间插进去，带动柚子旋转，另外将一个V型的工具进入柚子皮刚切的缝中进入，移动V型块，柚子皮脱落，取核工具脱开，柚子皮和果核脱落，完成柚子剥皮和取核。机器剥皮方法二（十字分离法）：将柚子放进待加工圆筒里，抓紧装置和切片装置同时移动，配合完成了切除柚子皮顶部任务，将柚子皮的顶部去除之后，再进行去皮处理。市场上的柚子去皮切片取核机发展中存在以下的几个难点：去皮的动作复杂，因此机械结构复杂，对柚子的大小有要求，仅能加工在符合一定尺寸范围内的柚果。我国的柚子机器加工工艺尚未成熟，自动化水平较低，工艺水平不高，因此柚子加工的成本较高。柚子种植水平不高，范围不大，受众性不广，因此制造机器的成本巨大，一般的小型企业不愿意购买。1.3柚子剥皮切片取核机主要研究内容1柚子的尺寸：针对不同品种的柚子，我们通过收集各项数据并且总结计算，总结出各种柚子品种的共同特点和个异特点，设计一台较匹配市场较大的沙田柚、福建观溪蜜柚的柚子去皮切片取核机。2柚子皮的厚度：通过不断的农业培育，柚子的品种越来越多，果皮在各类别的品种之间有着不同的厚度，柚子皮的柔韧性都有很大的差距，对去皮机器的运动构造和去皮方式都具有深远影响。3柚子过囊的大小以及果囊瓣片之间的间隙：果囊的大小直接影响了机器的下刀力度，如果力度小了，则不能将其完全切成四份，所以离心分离装置的切入深度，挤压力度等需要慎重选择。关于柚子剥皮切片取核机的主要研究内容研究：1.柚子的大小与形状问题：由于根据生长环境地域、施种方式的不同，柚子的尺寸和形态也会有一些差异，为了保证柚子的高去皮率和去核率，抓紧装置部分采用了凸轮与弹簧构成的弹性抓紧装置和顶部去除部分同样采用了凸轮与弹簧构成的切除机构。2.柚子的分离：柚子的分离是实现机械功能的重要的一步，是用果皮果肉分离刀对柚子进行去皮，分离成四部分，对柚子进行皮肉分离。3.柚子的分块：柚子的分块是实现去皮的重要部分，是实现去皮取核的一个重要环节，是实现功能简便方法。4.果皮果肉果核离心分离机构：该机构为整个机器功能的重要功能，担负整个功能环节的关键机构，因此该机构的设计尺寸和设计结构要考虑到平稳性和紧凑性问题。5.选择设计的品种对象可以得出坪山柚、金香柚的果心不发达，果心空而大，因此较容易剥开。各种柚子品种的果皮厚度是有所不同的，有些会比较薄而有些会比较厚，果肉含量不一样。水果的形态也大相径庭，如在沙田柚品种中果的形态如同梨形或如羊额状，坪山柚和金香柚果形都呈现椭圆形，并且内部果心较小。由于沙田柚口感总体较好，柚子皮的厚度和果心的大小在所有的品种中中规中矩，因此，柚子可食用部分占比大于70%，市场广阔，所以本次设计是以沙田柚的规格来进行机械设计的。综合上面的研究内容，以及目前市场的需要，提高柚子产业的自动化生产和水果深层次加工，提升柚子产业的生产销售效益，本次选用沙田柚为柚子剥皮切片取核机研究对象，通过机械结构分析、计算、仿真，设计一款能够高效地剥皮取核的机器，从而使得生产和加工的工业成本下降，提升柚子深加工的流水效率，为本次机械设计的重要方向与目标。1.4柚子剥皮切片取核机拟解决的问题1离心分离装置、抓紧装置、传送装置、果皮果肉离心分离机构的设计要满足功能的要求。2解决果皮果肉离心分离机构的紧凑和传动稳定性的问题。3解决机架的设计布局问题。4利用Creo4.0或Pro/Engineer，进行机构建模仿真分析和动画演示。1.5本章总结本章通过对柚子的各品种的规格和市场因素的研究，综合选择出研究品种，分析实现功能所需要的机构尺寸要求和设计结构，综合确定和机器设计实现的总目的和总要求。

第二章柚子剥皮切片取核机方案拟定2.1设计技术要求及工作原理（1）柚子剥皮切片取核机的设计包括了送入部分，切除顶部部分、分离部分、离心分离机构部分，和切片分离部分，其中传输部分中配置了三个伺服电动机，每个电动机负责的功能部分不同：第一个电动机负责果子的抓紧，去顶部和用膨胀十字刀机构对柚子进行皮肉分离；第二个电机为传动带的传动和压轮的转动提供动力支持；第三个电动机需要有较高的传动速度，其结构要紧凑，配合要精确，运行要稳定，离心分离机构的工作原理就是利用高速旋转产生的离心力将分离的果皮和果核分离出去，进入分别的收集器里完成机器的功能实现。此次设计还运用了膨胀十字刀结构对柚子进行分离，膨胀刀的设计原理跟破开的竹筒的工作原理是一样的，是根据人们用竹子笼子对高处的果子采摘的生活经验去实现设计的。膨胀十字刀结构所采用的材料是弹性、韧性和抗腐蚀性能好的45钢，柚子剥皮切片取核机的总体结构图，如图2-1所示。图2-1柚子剥皮切片取核机结构简图1.电机12.减速器13.锥齿轮系14.滑块机构15.抓紧机构6.传送带7.电机28.减速器29.齿轮系210.支座11.转盘12.滑块机构213.连接杆14.果肉果皮分离一体刀15.推动叶片16.送料管道17.传动带218、19.离心分离机构20.从动带轮21.出料口22.皮带23.主动带轮24.旋转切片装置25.电机32.2规格参数和主要设计要求柚子剥皮切片取核机主要包括三部分的设计要求，第一个要求是曲柄滑块机构的运动与挡板运动之间配合的要求，第二个要求是曲柄滑块运动与切刀和抓紧装置之间的配合要求，第三个要求是离心分离机构的稳定运转要求，综合考虑设计参数要求如表2-1所示：表2-1整机的参数要求项目参数要求柚子切分合格率≧98%果皮果核分离合格率≧95%整机结构形式落地机架式整体实现功能将柚子果皮和果核分离，并且将果皮切片机械尺寸（长×宽×高）/mm1400×650×800机器效率1125kg/h2.3主要设计思路本设计主要内容如下：1.离心分离机构的设计方案一：采用膨胀果肉果皮分离刀分离法进行削皮果皮果肉分离部分又主要包含曲柄滑块机构和膨胀果肉果皮分离刀组成，这两个机构连接的是电机1，速度经过减速器之后变慢，稳定地执行机械运动，根据加工步骤，柚子放进加工送入装置之后按照循序首先抓紧装置会将柚子抓紧，之后去顶部装置会将柚子顶部的额去掉，之后会缩回去，当去除顶部装置回程之时，由曲柄滑块机构带动的膨胀果肉果皮分离刀慢慢下降，对柚子进行分离，当一体刀将柚子切成四份时（也就是滑块的推程达到最大值时），有急回功能的曲柄滑块能够很快的往反运动，曲柄滑块的推进和退出带动挡板的开启和关闭。方案二：采用旋转刮刀削皮的的方式进行削皮，该机器一般用在可以丢弃果皮的加工当中。方法三：采用往返挤压机构，用膨胀果肉果皮分离刀分离刀具按曲柄滑块往返运动对其进行分离，其构造简便，取材节约成本，作业产能好。综合考虑，方案一的实际效果比方案二好，符合经济性和合理性，其加工方法简单，加工准确，第三个方案又比第一个方案好，因此采用方案三。2.抓紧装置的设计抓紧装置主要包括了滑块机构、同步轴、切刀和抓紧机构构成，电动机1带动旋转轴旋转，传动轴连接曲柄，曲柄与滑块连接在一起，将曲柄的旋转运动变成上下的移动，带动上下移动的连杆移动，从而促使抓紧抓盘按照固定路径进行滑行，实现抓紧装置的抓紧功能，保证抓紧机构将柚子的腰部紧紧的压实之后切刀才可以进行推程切除顶部。3.传送装置的设计通过将柚子分成四份的步骤，曲柄滑块机构带动膨胀果肉果皮分离刀退上的同时，曲柄滑块连杆与挡板连杆相连接，当曲柄滑块带动连杆往上移动的时候，会使挡板退开，柚子掉下来会被分块机构横切成三分，通过电机2传动动力的传动皮带将分块好的柚子送入到离心分离机构。4.离心分离机构的设计离心分离机构负责将切块和分块后的柚子进行高速旋转，果核和果皮最终会通过分离机构中的间隙分离出去，果肉会顺着内螺旋引导，推到果肉出口收集器里，从而完成果肉果核和果皮之间的分离。5.齿轮传动的设计齿轮尺寸大小传动比和齿数模数根据实际需要进行设计，要求齿轮具有正确的啮合运动和准确的传动比，在工作性能和力学性能上根据实际需要来进行设计。7.驱动电机的设计电机的尺寸规格根据市场现有的产品同时结合机器的实际工作功能来进行选择，如执行两个带传动的电机不是机器里最重要的功能，切带传动的实现要求较低，因此在选择执行带传动部分的电机应选择质量好、功率和耗能较低的电机。8.支架的设计机架的设计按照结构紧凑，功能平稳，经济实惠，材料重量较轻，易于挪动和安置等设计要求进行设计。2.4本章总结本章主要阐述了柚子剥皮切片取核机的各部分的设计方案，阐述机械的工作原理和机构的简图，由此对机械的性能配置剖析，为接下来的计算和仿真打下了坚实的基础。

第三章机器主要零部件的设计3.1离心分离装置设计计算果肉分离果皮分离一体刀的整体规格设计如下表述：果肉分离果皮分离一体刀主要构成包括中心圆形部分，用来初步分离果核。以沙田柚为例，横径通常有100mm以上，果心簇拥约10mm的果核绕果心轴线环形分布在瓢囊里，柚子整只重800g-2500g因此要分离果核果皮的重点是应该要有较大的旋转速度和较大的电机功率，果皮的厚度大约是6-8mm，因此，分离间隙约为10mm，果核和果皮都可以通过分离间隙进入到收集区区域，离心分离器分离间隙距离入口77mm，宽约为10mm两个顶点之间的距离为165mm两间隙之间的最小距离约为15mm，总共有24个间隙口对称分布在两侧，间隙分离区总共长度为450mm，呈环形分布，间隙倾斜角度约为右倾80度。离心分离机构大圆筒直径为225mm，上下垂直空间距离38mm。间隙倾斜角度约为右倾80度时分离效果最好。因此通过柚子果皮的的大小尺寸，本次设计将分离滚筒长度设置为450mm，间隙长度为，间隙之间的距离为10-16mm一侧的直径为225mm，另一侧的直径为205mm，形成一个倾角，更加有益于将柚子皮往下面甩出，同时将离心分离机构转速设为400r/min。3.2螺旋推杆机构的设计螺旋推杆机构的设计：根据柚子果的大小、厚度，以及加工情况，将推动果片前进并进行分离工作，将推进功能的机构设置为螺旋推杆推动机构，螺旋推杆机构可以将法向的传动转化为横向的传动，通过齿轮将力从电动机平稳的传输到螺旋推杆推动机构中，螺旋推杆机构负责将进入到离心分离滚筒的柚子片进行匀速的往前方推动，不断地将柚子里的果核果皮从间隙的中间里分离出去，往前推动450mm之后，柚子片里的果核和果皮基本被分离出去，剩下的果肉则会继续呗螺旋推杆机构往前推动，当到达离心分离机构的出口时，螺旋推杆机构会将其推出去从而实现就整个分离的流程。因为要与旋转滚筒配合，因此，尺寸配合的要求较高。最右边是与齿轮配合的齿轮轴结构，齿轮与轴之间的连接是平键连接，由于用于配合齿轮的轴的半径为23.5mm，因此根据参考资料得出平键的主要尺寸表（GB/T1095,1906-2003）取得平键的宽和高是14×9。螺旋推杆机构伸出较长，因此设计需要将螺旋推杆机构拥有两处支撑部分，共同承担螺旋推杆机构所产生的里和转矩。中间的支撑部分的长度为42，螺旋推杆机构与机架之间是轴承连接。连接处之间的周向固定是平键连接，此处配合轴段的直径是φ30mm，长度是28mm，轴承的承受面积是7935mm。由于离心分离滚筒的工作区域的长度为450mm，且螺旋推杆机构的螺旋推杆部分需要留足够的的工作长度，因此预算螺旋的总长500mm。考虑到螺旋旋叶承受的力不大，主要起到推动作用，为了节省材料因此设计的叶片厚度为2.5mm，螺旋半径为R70.25mm，被分块后的柚子片的厚度约为30mm~40mm之间，设计螺旋的螺距为80mm，可使得螺旋叶片在同一位置上能够同时推动2~3片柚子片。螺旋推杆机构每转一圈，则推动柚子片前行80mm，离心分离机构旋转速度400r/min，螺旋推杆机构的旋转速度设置为10r/min，则通过计算得到螺旋推杆机构推动的速度为13mm/s。如图3-2所示，螺旋推杆机构的三维结构。图3-2螺旋推杆机构的三维结构3.3离心分离机构中的带轮的设计离心分离机构的主要作用是通过大功率的选中速度，使得分块后的柚子滚筒的旋转之中产生较大的离心力，使得柚子的果皮和果核在产生的离心力的作用下甩出去，从而达到分离的效果，在带传动中皮带的选用上，既要使得机器在运转的过程中能够传递较大的旋转运动，也要达到平稳而不打滑的效果，去分块后的柚子重约350g，在离心分离机构中的角速度为π/4，旋转半径为70.25mm，根据参考文献[7]得通过计算得到柚子分块后加入离心分离机构产生的离心力约为151.5N，在之前的计算分析中，离心分离机构的旋转速度是450r/min.在带传动的设计中，考虑到皮带的平稳性和打滑问题，因此选用具有较大的摩擦系数的皮带类型——V带。由于V带的横截截面为等腰梯状形态，其工作为与带轮相接处的两个斜工作面，在底部的部分不与带轮相接处，因此两个斜工作面是主要的受力工作面，查参考文献[12]得各种截形普通V带的基本参数和尺寸标准得ψ=40。查参考文献[12]，V带工作面的压力计算公式计算皮带两侧截面的受力为在该部分的设计中，考虑到V带需要用较高速度去带动其从动轮的旋转，因此V带传动主动轮的轮毂设计为实心轮毂。根据实际工作的需要和机器整体结构的平衡，在V带规格的选用上严格执行国家标注，查参考文献[12]中各种截形的普通V带轮轮缘的基本参数中选择C型截面，其截面类型的基本参数包括基准宽度bd=19，基线向上的轮槽高度hamin=4.8，基线向下轮槽高度hfmax=14.3，槽与槽之间的距离为e=25.5，轮缘的厚度为10mm，查参考文献[12]V带轮的基本直径选用中，按照设计中的实际需求选用V带轮分度圆直径132mm的带轮，由于带轮的直径较小，并且无需安装在高处，其轮毂无需开腹，选用实心轮毂。V带的基本参数中，顶宽b=22.0mm，节宽bp=19mm，高度h=14mm。3.4U型固定支座的设计由于离心分离机构的工作位置距离整体机架的下表面有一定的距离，根据设计的功能要求，滚筒的中心轴线距离机架大平台平面306mm，其离心分离机构中的滚筒半径为112.5mm，机构与平面之间的悬空的距离为187.5.要使得U型支架能够支撑离心分离滚筒，则需要有足够的支撑点，因此，使用轴承支架来支撑滚筒在固定位置，使得滚筒仅能拥有一个旋转的自由度，因此，要安装一个内径为205mm的轴承，查参考文献[12]，得出滚动轴承直径为205mm的代号查找公式A=D/5=205/5=41,其中D为滚动轴承的预选直径，A为计算出的轴承代号，通过计算得到轴承的代号为内径代号为41。因为轴承仍需担负径直方向的工作载荷，与此同时也需要担负轻微的对立双向载荷，且考虑到的轴承需要拥有较小的摩擦系数，能够适用于高速的旋转运动，符合经济实惠的要求，在众多类型的轴承中，深沟球滚动轴承既能够承受较大的径向载荷，并且能够在高速旋转的时候能够代替推力轴承去承受较大的径向力，且价格低廉，经济实惠，符合设计要求，因此选用深沟球轴承用于离心分离机构与U型机架的衔接。因此选用的轴承代号为61841.U型固定支架与底座平台机架之间的连接为螺钉连接，螺纹公称直径为M20，螺钉为标准件，参照国际标准ISO-4014-M20，在两个连接侧面分别装载两枚垫片，安装后由螺母进行紧固连接，螺纹孔的位置分别在距离左垂面17mm，法向垂面40mm。3.5曲柄摇杆切刀的设计3.5.1支座的设计平面曲柄摆杆机构主要用于推动装有刀片的装置进行前后的往复移动，从而达到对柚子分块的功能。教练与曲柄和摇杆之间的连接为销连接，保留一个平面旋转的自由度。因此，支座的设计主要要考虑到支座是否能够留有足够大的半径使得连杆能够形成曲柄运动，考虑到摇杆部分不需要做大幅度的摇摆，因此，做周转运动的连杆的长短能够直接决定曲柄半径的大小，从而影响摆杆的摆动幅度。通过计算，假设预留最大曲柄半径70，则设计支座的配合销的轴心距离支架大平面75mm。支座用于支撑曲柄连杆的旋转运动，实现的功能是对柚子进行分块，因此所以该支座无需接受很多的轴向力和径向力，设计时更多考虑的是其结构性和经济性，设计成A型支座比较节省材料与空间，并且设计简单，制造工艺简单。3.5.2曲柄的设计曲柄设计：曲柄的作用是通过曲柄的圆周运动推动摇杆进行预定幅度的前后摇摆，从而使分块装置前后移动，达到对柚子进行分块的目的。曲柄的安装极限长度不能大于支架平面到支座轴线的高度，即h<=80，考虑到曲柄半径的大小，因此实际上h<=75，设计行程速比系数K=1.23，查参考文献[13]极位夹角计算公式代入数值计算得因此曲柄在68°位置与连杆共线，得到摆杆最小角度，曲柄在176.56°与连杆共线，得到摆杆最大角度ψ=56°，其摆角大小为。查参考文献[13],摆杆长度为250mm。摆杆长度为250mm，曲柄的转动半径为70mm，因为曲柄要与连接轴来连接，故以39.5mm处为圆心，设置一直径φ=22mm的孔和直径为φ=22mm的半圆，所以曲柄转动部分的长度应为39.5+16=55.5mm,厚度设为26mm。经计算曲柄轴的直径为φ=30mm，长度设为100mm。3.5.3连接杆的设计连接杆的功用为连合四连杆机构中的曲柄和摇杆，用于曲柄和摇杆之间的运动传递。因为连接杆需要需要同时连接曲柄和摇杆，并且起到至关重要的作用。连接杆的两边都是一个直径为φ=100mm的穿透孔，考虑到要与曲柄和摆杆配合，查参考文献[15],其表面粗糙度设计为去表面获得的表面粗糙度Ra=1.6，摇杆的连接轴和曲柄连接轴的直径与连接杆的孔的直径相等，表面直径为φ=12mm，其表面粗糙度为去除表面加工的方法获得的表面粗糙度Ra=1.6，为减小其加工误差导致出现的装配误差，其两个圆孔和两个外圆的同轴度限制在φ=0.03mm以内，两个孔的中心轴线与连接圆柱的中心轴线的垂直度限制在φ=0.06mm以内，两个孔的中心轴线连接的长度是300mm。3.5.4摇杆的设计摇杆的设计：摇杆作为重要的受力部分和连接的重要部位[17]，部分地方要承受往复动作带来的磨损，所以选用的材料首先要求耐磨性好，其次是需要硬度高，并且要耐腐蚀，45#钢符合该条件，因此选用经过调质处理的45#钢。摇杆的作用是通过滑块和滑轨推动分块机构的往复运动，从而将柚子分成三个部分，达到分块的效果。经过之前曲柄的计算，曲柄在极位夹角位置时，摇杆的摆动幅度为ψ=56°，摆杆长度为250mm，分别连接两端的连杆和支座。摇杆的表面粗糙度的设计范围与曲柄轴的相似，使得两个连接孔表面粗糙度Ra=1.6。3.6滑块的设计滑块的设计：该机器中三个位置运用了滑块机构，分别是加紧机构中的曲柄带动联动轴的运动、加紧机构中加紧元件和联动轴运动、分块机构中摆杆往复摆动和分块装夹装置的往复运动，主要作用是从一个简单的重复运动形式转化为另一种简单的重复运动，第一个是将曲柄的运动转化成联动轴的重复上下移动，第二个是将联动轴的上下移动转换成加紧元件的松紧运动。因为滑块是比较精准的配合元件，对此，对滑块的形位公差要求和加工表面粗糙度要求相对较高，以曲柄联动轴之间的滑块元件为例，与曲柄连接的部分长为12mm，圆柱表面粗糙度为Ra=1.6，直径为的圆和直径为φ=17.7mm的圆的同轴度为φ=0.05mm。直径为φ=14mm的圆与两个滑动平面之间的对称度为0.08。3.8联轴器的选用依据联轴器的作用是将电机的主轴与工作连接轴进行连接。由前面计算可知，电动机的转轴的直径为φ=28mm，其旋转速度为650r/mm。1.名义转矩计算：查参考文献[19]得2.外力偶距计算：查参考文献[12]，工作机为皮带传动时，可知道工作实际状况系数KA=1.3，得出联轴器的外力偶距：3选择联轴器的型号：选择G15型联轴器，其参数由表3-1所示.表3-1联轴器参数表联轴器种类长度类别/mmYJG15250N.m80031502862--30、32、35、3882604011280其扭矩为250N.m，许用转速在无装壳的情况下为800r/min，在装壳的情况下为3150r/min[11]，通过核算旋转速度、公称直径等参数符合设计的所规定要求，为此论证可以选用本联轴器合适。3.9本章小结本章将柚子剥皮切片取核机的轴承、离心分离装置、螺旋推杆机构、离心分离机构中的带轮等机械机构元件都做了介绍，并计算了连接键和联轴器的可行性，验证了其类型的选用是否正确。并且，本章对带轮、U型机架的尺寸、形状都做了详细的介绍，做出了二维的图纸。为柚子剥皮切片取核机的整体机器设计做好了结构框架。

第四章重要部位的设计和计算4.1电动机的机型选用4.1.1电动机1的选用1.离心分离机构所需的有效转矩，通过前面的设计已经知道离心分离机构的规格为：φ225×270，所用旋转速度为n=400r/min，其最大承载重量为30kg。2.传动效率η的选择，根据参考文献[12]查得（4-1）式中，η1—V带传输的工作效率η2—滚动轴承的工作效率η3—齿轮副的传动效率查参考文献[14]得各参数值如表4-1所示表4-1各零部件工作效率取值对数η10.961η20.982η30.941代入式（4-1）计算得到计算得电动机1的工作功率Pd，查参考文献[14]得（4-2）式中，Pw—传递功率η—传动效率预设带传动机构所设置的转速为nw=400r/min，设电动机1的传递功率是10kW，代入式（4-2）得4.传动比的确定皮带轮的传动比为1:3,转速的取值为根据设计转速以及功率，查表4-2表4-2电动机部分型号参数11146015002.21197010002.2总传动比为5.根据预定传动比，方案一的电机类型更为合适，因此选择Y160M-4Y160M-4作为带动离心分离机构的电动机。6.离心分离机构传动部分各轴的转速：取V带的传动比为i0=2.3，齿轮传动比为i1=i/i0=3.65/2.3=1.58，查参考文献[14]得I轴II轴所以，两轴的旋转速度分别为7.输入功率，查参考文献[14]得I轴II轴各轴的转矩计算，查参考文献[19]得名义转矩I轴II轴4.1.2电动机2的选用设带传动机构的转速为n带=80r/min，电动机2的传递功率为7kW。1.带传动机构所需的有效功率，根据参考文献[12]查得（4-3）式中，查参考文献[14]得各参数值如表4-3所示表4-3各零部件工作效率取值对数η10.971η20.983η30.951η40.932通过代入公式计算得到将传递功率Pw和工作效率η代入公式得电动机2的工作功率Pd为2.皮带轮的传动比为1:2，其转速为3.根据设计转速以及功率要求，参考表4-4，选择电动机类型为Y132M-8.表4-4Y132M-8种类电动机的基本参数37107502.24.传动比的计算总传动比为取V带的传动比为i0=2.3，齿轮传动比为i1=i/i0=4/2.3=1.745.计算各轴的旋转速度I轴II轴因此，各轴的转速为6.计算两个输入轴的功率，查参考文献[19]得I轴II轴7.计算轴的转矩，查参考文献[19]得名义转矩I轴II轴各轴的转矩为TI=201.3N.m，TII=1.255×105N.mm4.2键连接的选择与计算齿轮和轴的连接:由上面的设计可知：连接轴1的轴的直径是28mm，对应其长度为50mm，选用的材料是45碳素钢，安装齿轮部分的轴段的直径为D=38mm。齿轮选择的材料为45碳素钢，由于该传动系统无需承受较大的冲击力，由参考文献[10]查得：取[σ]=30MPa，齿轮和齿轮轴之间中心对称度条件较高，因此选择A型普通圆头平键，根据参考文献[12]，选择公称尺寸为10×8的平键，键的连接极限偏差取正常配合的偏差尺寸。由表4-2，从键的长度系列中选择56mm作为长度。因此齿轮和轴配合的键选择规格为宽度b=10mm，高度h=8mm，长度L=25mm。强度校核：由前面的计算已知道[σ]=30MPa，输入连接轴1的传送功率是11.7kW，转速为400r/min.平键的工作长度为键与槽的工作高度为平键受压的压力计算，查参考文献[12]得由此可见，齿轮与传动转轴的平键接触能够符合所需的力学要求条件。所选键的类型为A型平键10×8×25GB/T1905,1096-20034.3槽轮机构的设计与计算槽轮机构：槽轮机构的作用是使定位扇叶进行有规律的间歇运动[18]。槽轮机构选用的是一般类型的外槽轮机构。1.基本参数设计根据工作运动要求，初步确定的槽轮的工作槽数为Z=4，主动轮中的拨动盘设计的销数为n=1，根据机构的限制和总体合理布局，选择，确定两个机构的两个圆心的连接长度为L=100mm，主动轮盘的圆心到拨销的距离为r=5mm。2.运动系数的计算根据机构运动的设计要求，槽轮每转动一次所需的时间为t1=1s，主动销轮每转一圈所需的时间为t2=4s，查参考文献[13]，通过计算可得运动系数σ=0.25。3.尺寸参数计算：查参考文献[13]得槽轮尺寸的计算公式，将初步设计的数值带入到公式中。（1）主动轮转角角度计算（2）从动轮转角角度（3）从动轮槽槽数（4）槽轮机构主动轮曲柄半径（4）槽轮机构凹弧直径（6）槽中心距由以上的计算可知，可以得到各个系数：运动系数σ=0.25，从动槽轮槽数Z=4，主动轮转角角度2ψ1=90，从动轮转角角度2ψ1=45。主动轮装配轴孔d1=d2=15。如图4-1所示，槽轮机构主动轮和从动轮装配图。4-1槽轮机构主动轮和从动轮装配图4.4两级直齿圆柱型齿轮减速器的计算根据机构运转的要求，设计为低速的齿轮传动，动力源为电机1，单方向传动，载荷受力平稳，转动比i=3，小轮的输入转速为330r/min，传动功率为P=11kW。4.4.1齿轮参数的选择和初步参数的选择确定1.齿轮的选择以及材料性能处理，查参考文献[21]，d得d1（小齿轮）：选用40号碳钢，对其做调质材料性能处理，使得材料性能为为285HBW，d2（大齿轮）：选用40号碳钢，对其做调质材料性能处理，使得材料性能为为276HBW。估算d1的直径为d1估=63mm，查参考文献[12]得ψd=0.5，则齿宽为计算齿轮圆周旋转速度，查参考文献[12]得（4-4）式中，d1估—小齿轮的估算直径n1—小齿轮的输入转速将参数代入式（4-4）得查参考文献[12]，。（4-5）式中，γ—小齿轮旋转整圈相方位所啮合次量n1—小齿轮输入转速th—设计使用年限将参数代入式（4-5）得d1的循环次数d2循环次数5.使用年限系数计算ZN，查参考文献[12]得：ZN1=1，ZN2=16.接触疲劳强度极限σHlim1，查参考文献[12]得MQ线σHlim1=570Mpa，σHlim2=585MPa7.安全系数SH，取SH=1.38.许用接触应力[σH]，查参考文献[12]得d1d24.4.21.计算各有关的参数值（1）计算小齿轮转矩T1，查参考文献[19]得（2）确定载荷系数K，查参考文献[12]，各对象参数取值如表4-5所示表4-5确定载荷系数K的各参数选择确定对象选择条件得出参数使用系数KA按照电动机驱动，运载平稳KA=1.25Kv=1.15齿轮非对称布置Kβ=1.05式中，KA—使用系数T1—小齿轮转矩b—小齿轮估算齿宽d1—小齿轮估算直径取Kα=1.2载荷系数K=KAKvKαKβ=1.25×1.15×1.2×1.05=1.74（3）选用弹性数值ZE=190MPa（4）选用节点范围数值得ZH=2.5（5）选用，查参考文献[12]得查参考文献[12]，得拟合度数值2.求所需小齿轮直径d1，查参考文献[12]得（4-6）将参数代入公式得d13.中心距α（1）模数m（2）中心距（3）分度圆的直径d1，d24.确定的齿宽b（1）大齿轮的齿宽（2）小齿轮的齿宽4.4.31.计算许用弯曲疲劳应力（1）各参数确定，查参考文献[12]，取值如表4-6所示表4-6弯曲疲劳应力计算中的各参数的确定确定对象条件参考得出参数YN1=1.7YN2=1.7σFlim1=155MPaσFlim2=145MPaYX1=1YX2=1SF=1.6（2）许用弯力系数[σF].由参考文献[12]得2.计算齿根弯曲应力（1）复合齿形数值YFs。查参考文献[12]，取YFs1=4.5，YFs2=3.95（2）拟合度数值Yε齿根弯曲应力。查参考文献[12]得（4-7）将参数代入式（4-7）得弯曲应力4.5圆锥齿轮的计算和校核在电机传动动力给皮带机构的传动系统中，设计闭式单级正交的直齿锥齿轮传动[24]，由上面计算已知，输出轴的转矩为TII=144N.m，输入高速旋转轴转速为n1=408r/min，传动比i=3，动力来源为电动机驱动，用于单向传动，运行载荷平稳，使用寿命为20年（按照一年工作日为250天，每天工作8小时）。4.5.11.锥齿轮的选择以及材料性能处理，查参考文献[12]表8-1里选取小齿轮：选用40号碳钢，对其做调质材料性能处理，使得材料性能为为285HBW，大齿轮：选用40号碳钢，对其做调质材料性能处理，使得材料性能为为276HBW。取齿轮宽度数值ψR=0.4[11]初估小齿轮直径d1估=110mm4.初步估算齿轮的平均圆周速度，将参数代入式（4-4）得查参考文献[12]，选择齿轮精度等级为8级5.计算许用接触应力将参数代入式（4-5）得小齿轮N1大齿轮（2）寿命系数计算ZN1，ZN2。按照20年寿命计算，ZN1=1，ZN2=1（3）接触疲劳极限σFlim1，σFlim2，查参考文献[12]MQ线得σHlim1=570Mpa，σHlim2=585MPa。（4）安全系数SH。查参考文献[12]，取SH=1.3,（5）许用接触应力。查参考文献[12]得4.5.21.计算小齿齿轮的转矩T1确定载荷系数K，各参数确定如表4-7所示表4-7确定载荷系数K的各参数选择确定对象选择条件得出参数KA=1KV=1.4Kβ=1.05因此，载荷系数K=KAKVKβ=1×1.4×1.05=1.47。3.选择弹性系数ZE，查找参考文献[12]得ZE=190MPa4.确定节点的区域系数ZH，查参考文献[12]得ZH=2.55.求锥齿轮中小齿轮的直径d1，查参考文献[12]得（4-8）将参数代入式（4-8）得6.验算平均圆周速度vm，将参数代入（4-4）得平均圆周速度vm与初估圆周速度v估基本接近。7.确定模数m.计算许用弯曲应力，各参数查参考文献[12]得数如表4-8所示表4-8锥齿轮弯曲疲劳应力计算中的各参数的确定确定对象条件参考得出参数YN1=1YN2=1σFlim1=280MPaσFlim2=215MPaYX1=1YX2=11.25许用弯曲应力[σF1]。查参考文献[12]2.计算齿根弯曲应力（1）计算复合齿轮形状系数锥角度数计算当量齿数复合齿形系数YFs查参考文献[12]得YFs1=3.98，YFs2=4.05（2）计算齿根弯曲应力。查参考文献[12]计算公式通过以上计算，齿根的弯曲疲劳强度符合设计要求4.5.41.大端分度圆直径2.锥角度数3.圆锥母线长度R4.齿宽e因此，齿宽为e=76mm4.6本章小结本章对电机工作选择、齿轮轴、减速机构、直齿轮进行了详细的计算，获得了可靠的机械性能数据并且对有误之处进行了校核，对机器的设计、零部件的装配提供了有力的数据支撑，对完成机械的设计具有非常大的帮助。

第五章三维建模随着社会的不断发展，科技不断进步，现在计算机辅助制造技术和计算机辅助设计逐渐渗透到机械设计制造中，对于机械设计来说，能够作出一个直观、可仿真的机器模型对机械的设计有莫大的帮助，本次设计使用美国PTC公司推出的Creo4.0进行建模仿真。5.1选择Creo4.0进行的机构模型建立5.1.1模型仿真工作分析运用creo4.0辅助制作机器零部件通过三维模型展示，可以直观了解设计的整体尺寸和感官，了解各个运动、配合之间的关系，了解运动的自由度。三维机构模型仿真建立的流程如图5-1所示。零件图形状零件图尺寸零件材料创建零件图模型零件图形状零件图尺寸零件材料创建零件图模型建立连接连接轴设置运动副伺服电机零件连接方式零件调整零件连接方式零件调整检查约束情况配置运动副创建装配模型创建装配模型质量和属性电动机参数给定质量和属性电动机参数给定重力设置给定条件参数机构运动结果机构运动结果图5-1三维机构模型仿真建立的流程5.1.2抓紧装置的三维机构模型建立如图5-2所示，抓紧装置的目的是将送入的柚子将其抓紧，然后进行分块，抓紧装置的动力由电动机给予，通过曲柄和滑块之后能够对连接杆进行上下的移动活动，连接杆的上下移动带动抓紧抓手的抓紧与放松。当曲柄进入下半圈之后，抓紧抓手松开。图5-2抓紧装置1-传送带；2-夹紧抓手；3-支撑骨架；4-销连接杆；5-滑块；6-连接杆；7-曲柄滑块5.1.3离心分离装置的三维建模如图5-3所示，离心分离机构利用高速旋转的皮带轮带动离心分离滚筒旋转，从而实现离心分离的功能，螺旋推杆机构推动其未被分离的果肉前进到出料口。螺旋推杆机构由齿轮带动。图5-3离心分离装置1:-U型支座；2-离心滚筒；3-螺旋推杆机构；4-皮带；5-皮带轮；6-齿轮系5.1.4四连杆机构分块装置的三维建模如图5-4所示，电机带动曲柄的旋转，从而使得摆杆做往复角度的摆动，滑动杆凹槽部分为垂直滑轨，从而使得摆杆只传递左右运动的力给滑动杆。滑动杆与底座的横向滑轨连接，使摆杆传递给滑动杆的力能够执行。使得滑动杆带动刀片左右移动。图5-4四连杆机构分块装置1-支座；2-摆杆；3-连接杆；4-同步杆；5-纵向滑轨；6-刀片；7-滑动杆；8-曲柄；9-横向滑杆5.1.5曲柄滑块机构分块装置的三维建模如图5-5所示，被切除头部的果子进入到螺旋线导轨，于间歇槽轮机构连接的推动叶片推动果子往螺旋线导轨前进，当叶片将柚子推到第二个位置时，果肉进入曲柄带动果肉分离果皮分离一体刀的上下移动，对其进行分离，分离后将会继续被推动叶片对到导料口，从而顺着管道掉进传送带。图5-5曲柄滑块机构分块装置螺旋线导向轨道；2-推动叶片；3-果肉分离果皮分离一体刀；4-曲柄滑块机构5.1.6槽轮机构叶片装置的三维建模如图5-6所示，动力源带动槽轮机构主动轮旋转，主动轮的拨销带动槽轮进行间歇运动，从而使得推动叶片有规律的旋转。图5-6槽轮机构叶片装置主动轮拨销；2-槽轮；3-推动叶片5.1.7往复运动切刀装置的三维建模如图2-7所示，电动机带动带动传动轴运动，将电动机的动力传给曲柄轴，曲柄轴通过连杆带动切刀在轨道上往复移动。由于摇杆机构做的是弧度运动，因此在竖杆上设计纵向滑轨，连接杆上安装滑块，使摆杆在摆动时能够抵消上下运动的力，仅保持一个往复横向运动的力，使得切刀能够往复运动。图5-7往复运动切刀装置减速器；2-锥齿轮；3-曲柄轴；4-连接杆5.1.8旋转切片装置三维建模如图5-8所示，是柚子剥皮切片取核机的切片装置，小型电机带动旋转切片刀旋转，旋转刀片旋转可以将落到待切区皮切成片状或条状。从而完成切片的步骤，果核由于果体的体积小，长度等尺寸不大，不容易被切到，即使被切到由于果核的表面液体黏滑，使得在剪切挤压时滑出挤压区域，从而完成切片取核的工作。图5-8旋转切片装置旋转切刀；2-电动机；3-支座5.1.9齿轮传动系统的三维建模如图5-9所示为螺旋推杆机构的齿轮传动系统，电动机将力传给传动轴，传动轴通过一定的传动比的齿轮将力传送到螺旋推杆，从而实现了螺旋推杆缓慢运动，推动果肉往下一个工作区域移动。齿轮系统包含了直齿与锥齿轮，图5-9齿轮传动系统的装配5.2总体模型装配图如图5-7所示，由各个零件按机构运动要求装配起来，得到机器的总体模型，通过运动仿真实现功能，实现机器的总体仿真。图5-7总体结构装配图5.3本章总结通过使用仿真建模软件Creo4.0建立零件模型，再将模型进行总装配，实现机械设计的模型可视化，提高了建立模型水平和三维空间能力。在总体机构仿真中起到了非常重要的作用。本设计的构成简单，零件可灵活更换和拆装，从而满足不同类型的柚子加工工序。在机械结构的卫生清洗方面，机械结构遵循非封闭式设计，从而使得机械结构的更换，清洗和消毒

总结柚子深加工对柚子农产品经济发展起到，提高农民的收益，降低劳动成本，提高生产效率。目前柚子的加工主要依靠工人动手操作，因此很难批量生产，通过本次课题研究，解决了柚子的自动化加工的初步问题，对于柚子深加工的标准化生产起到一定的帮助作用。柚子拥有许多矿物质和必要元素物质，通过初步加工，做成不同的好吃食物。柚子剥皮切片取核机设计的目的就是使得加工效益的最大化，是解决农产品销路很好的方法。本次课题主要研究完成了如下几个内容：1.对柚子的工业化加工循序进行研究，获得自己的加工方案，完成整体机型的机械原理构造的研究。柚子深加工研究对柚子农业生态产业链起着异其重要的作用，柚子剥皮切片取核机具有降低人工成本、提高工作效率，提高生产质量统一性的作用。机器选用了平常所用的基本传动模式，一些零件为国家标准件，降低了设计、加工、配合的成本。另外一些零部件所选用的为非国家标准件，在设计该类零件时也通常考虑的设计成本与加工成本，按照加工方便，易于安装，零件使用寿命长原则进行综合设计。2.使用计算机三维辅助设计出了柚子剥皮切片取核机的整机结构，组装出三维模型。3.运用已经学习过的机械设计，机械原理知识设计机械运动零部件配合，实现特定的机械功能，计算柚子剥皮切片取核机的各零部件的机械性能并且进行校核。