基于温湿度控制的板栗剥壳机机械系统设计含6张CAD图
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目录1绪论71.1研究背景71.2 研究意义71.3 国内研究概况81.3.1 北京农业机械板栗剥壳机81.3.2 江苏大学板栗去壳装置81.3.3 韩国板栗剥壳机械装置91.4 存在问题及对比101.4.1 存在主要问题及其分析101.4.2存在问题及机械设计分析102 板栗的物理学研究122.1板栗样本的物理学研究加关系122.2 板栗的物理学特征122.3板栗的重量测定142.4 板栗的含水率测定162.5根据板栗物理特性分析183 板栗剥壳机的设计193.1 板栗剥壳机的整体性设计193.2 板栗剥壳机的局部设计及选择213.2.1加热圈的选取213.2.2 门的开关装置设计213.2.3 温度传感器的选择223.2.4 烘干装置的选取223.2.5 进料口的设计233.3 电机的选择243.3.1 选择电动机类型253.3.2 确定电机工作时的功率263.3.3 确定电动机的转速263.4 刀具的设计263.5 机械废料收集装置的设计283.6 电器控制系统的设计293.6.1电器控制系统293.6.2 电器控制系统的主要步骤30总 结32参考文献33致 谢341绪论1.1研究背景20世纪60年代初,在世界范围内就已经开始有人着手研制板栗去壳装置,至90年代初,美国,德国,法国等地都拥有了自己的板栗去壳装置,经过30多年的发展,板栗去壳技术已日臻成熟,目前正向着机电自动化的方向发展。然而,我国板栗去壳技术的发展却远远落后于其他国家的发展,由于一些制造和应用机器均存在一些尚未解决的问题,使得它们难以发展和使用,大部分机械去壳装置都存在各种各样的问题,主要包括以下几个方面:(1) 剥壳率较低。不少剥壳机械装置剥壳率严重不达标, 有些厂家生产的剥壳机效率甚至低于50%,这也是最需要改进的地方。(2) 损失率高。由于机器设计中存在的各种漏洞,以及不合理处碎壳贴附在果肉表面难以剔除,通过调查发现目前有些机械装置的果仁损失率甚至高达40%左右。(3) 通用性差。一些板栗剥壳机械装置仅能用于单一品种板栗的去壳,对于其它品种的板栗, 不能实现一机多用,成本略微偏高,我国板栗去壳装置尚未形成较大规模, 多数均为小作坊使用, 设计制造的工艺水平普遍较低, 成本也相对比较高。在我国,市场上还没有完全适合于家庭型的板栗剥壳机械装置。国外有多种去壳方法,例如火烧脱壳法,但是温度难以控制,极易造成浪费。其他如:蒸汽脱壳法、机械脱壳法、真空爆壳法和微波去壳法等,但都难以奏效。对于家庭来说,这些方法都不能有效且安全地加工出完整的栗仁,既不容易实现也不太安全。所以,针对适用于家庭使用的板栗剥壳法依旧要依据机械设计机械脱壳。1.2 研究意义目前,由于还没有找到更好更合理的方式进行家庭板栗脱壳工作,人们在对生板栗或者炒熟的板栗剥壳的过程中容易出现被板栗外壳刮伤,现已知工业上有多种方法,比如火烧脱壳法、蒸汽脱壳法、机械脱壳法、真空爆壳法和微波去壳法等等。但是对于家庭来说,这些方法都不能更有效且更安全地得到完整的栗仁,而适用于家庭用的板栗剥壳法要依据物理原理机械脱壳;本课题主要以研究家庭型板栗剥壳器为前提,本着以最大化的节省材料、成本低、安全简便、效率高的原则,着眼于板栗去壳机的设计与研究,要考虑安全、效率,能耗等问题,使去壳效率达到理想最大化。1.3 国内研究概况1.3.1 北京农业机械板栗剥壳机如图1.1所示为北京农业机械研究所设计的板栗剥壳机结构示意图。整个装置的工作原理是:首先将板栗放入剥壳装置之中,板栗经过漏斗落向凹版与石磙缝处,再经调解机构旋转使石磙与板栗充分接触,已达到挤压效果,最终在石磙和凹版的作用下,板栗达到脱壳目的,但是通过调查发现:板栗实际破壳率仅为50%-60%之间,果肉损伤率高达40%-50%之间,若要使用该机械装置进行板栗剥壳试验,则必需对板栗的大小进行分类。结合装置的破壳率并不高,机械产生的废料也不没有集中收集并处理,不宜推广家庭使用。1、调节机构 2、凸版 3、石磙 4、入料斗 5、样品图1.1 板栗去壳整体示意图1.3.2 江苏大学板栗去壳装置图示1.2为江苏大学设计出的板栗剥壳机械装置2 3,本设计的工作原理是利用漏斗将干燥的板栗放入其中,然后经过喂入辊将板栗送到剥壳滚筒凹版下面。凹版可以保护板栗,使其不被揉搓力而破坏,剥壳滚筒上面安装很多锯齿状圆形刀片,待板栗进入工作区以后。剥壳滚筒在电机的带动下高速旋转,利用横向和纵向的揉搓力充分与板栗接触,从而实现板栗果肉的分离,通过调查取样发现该板栗剥壳机脱壳率仅为60%-70%左右,板栗果肉损伤率控制在20%-30%之间,通过最大努力降低损伤率,避免资源浪费。但由于脱壳率不高,机械产生的废料也不没有集中收集并处理,因此不宜推广家庭使用。1、入料斗 2、喂入磙 3、去壳滚筒 4、凹版 4、发电机图1.2 板栗剥壳整体示意图1.3.3 韩国板栗剥壳机械装置图示图1.3由查询外文文献了解到为韩国公开发明的一种板栗剥壳机,该机械装置首先将板栗放入进料斗中,然后板栗从进料口进入与圆盘锯齿刀具充分接触,待电机启动后,转筒就会高速运转带动刀片切割板栗外壳,被切割的板栗反复与锯齿刀片接触,再经过板栗之间的反复摩擦,最终板栗与废壳将从3b出口出来。通过查找相关文献后我们发现:此板栗剥壳机破壳率较高,果肉损伤率也较低,但机械装置体积过大,机器产生的废料也不能很好地处理,适合小作坊使用,家庭使用相对比较麻烦,综合工作原理和各方面进行考虑,该款机械装置并不适宜家庭使用。1、 橡胶刀盘套1s、转筒 1c、圆盘齿刀 1t、刀盘齿刃1n、轴承盖1p、大皮带轮 1x、中心辊子2、外套筒 2a,剥壳腔右侧挡板 2b、剥壳腔左侧挡板2g、板栗拨杆2m、摩擦装置 2p、摩擦接触件 2r、轴承3、机架 3a、进料口 3b、出料口3h、进料斗3r、轴承 4、辊子电机 4p、套筒电机图1.3 板栗机械装置整体示意图1.4 存在问题及对比1.4.1 存在主要问题及其分析分析以上国内外的板栗脱壳装置不难发现,各个装置都有其好的优点,同时也存在不足,分别从剥壳率和果肉损伤率以下两个指标进行分析,如表1.1所示。表1.1 几种板栗剥壳机的分析对比机械装置物理参数北京农业机械板栗剥壳机江苏理工大学板栗剥壳机韩国板栗剥壳机机械效率高高中等去壳率50%-60%60%-70%80%-90%果肉损伤率40%-50%40%-50%10%-20%适合环境农业小作坊小作坊说明:图表中机械效率是基于一定的前提下测得的数据,中等则代表机械效率低于70%,高则代表高于80%。破壳率和损伤率是基于试验中按照每次100个正常实验板栗得出的数据。通过图表分析知:在机械效率相对比较高的情况下,剥壳机的破壳率仅能保持在50%-60%左右,果肉损伤率也很高。可以说明机械装置如果一味的追求效率最终会导致破壳率降低,反而控制效率在70%-80%之间,破壳率和损伤率都能得到很好的结果,另外,机器的大小和体积都未能达到家庭使用标准,基于上述情况,设计出一款具有高效率,通用性强,剥壳率高和较低果肉损伤率的板栗剥壳机就显得尤为重要。1.4.2存在问题及机械设计分析 由以上例子可发现,在设计板栗剥壳机时,并不能一味的对表皮破坏的方式进行改变,这样会使破损率大大增加。因此对比以上方案,根据本次设计思路,对整体设计方案进行改变,由板栗内部入手,并与传统工艺相结合。通过观察我们不难发现,以上实验中,板栗皆为干燥状态,且板栗壳与板栗内皮相贴,因此在脱壳使,很容易将板栗损坏。经实地考察,多数厂家并不希望皮与板栗相贴切,因此,本设计优先将皮与栗子分开,后进行脱壳。2 板栗的物理学研究2.1板栗样本的物理学研究加关系为了早日设计出板栗剥壳机样机,针对家庭为目标,现在以山东省威安县板栗为研究对象。通过调查取样5的方法将一批板栗收集并加以分析,利用数学模型的方法将板栗逐一分析,从初步的数学模型中得出板栗物理特性以及相关规律,为使板栗剥壳装置的关键部件设计和实验研究提供了重要的技术支持,为研究方向提供了关键思路,取样时,主要以正常成熟且半个月以内的板栗为实验对象,通过随机抽样以避免数据统计不正确,待取样完毕后立即整理出样品,利用数学模型的方法将板栗逐个进行分析,从初步的板栗模型中得出板栗物理特性等规律。图2.1 板栗样本模型示意图如图2.1所示为板栗外壳为椭球形,在各类板栗中还有宽楔形,偏斜状等,边缘有锯齿或者齿端有芒,下面被白色且较长的单毛6,叶柄短,干燥的板栗外壳一般呈椭球状;湿润的板栗一般难以脱壳,工业上一般先把板栗烘干,在进行脱壳实验。因此,确定水分的含量实验对于板栗研究是非常必要的。2.2 板栗的物理学特征 通过板栗的物理特性,为研究板栗去壳装置提供了重要理论依据,本小节将采取随机取样的方法对板栗的长度,宽度,高度,含水率进行收集和统计,并对此实验进行分析说明。从威安县将一批成熟后半个月以内的板栗进行收集,然后从中随机取样100个完整板栗。将随机取样的板栗进行测量,测量工具为游标卡尺,直尺,等工具。板栗的长度和宽度,高度记载如下表2.1所示。 表2.1 样本板栗的长度,宽度,高度测量统计表长度/mm 样品占比/%宽度/mm 样品占比/%高度/mm 样品占比/%18.0 018.0,20.0) 617.0 517.0,18.0) 636.0 2平均值 26.8821.0,22.0) 622.0,23.0) 423.0,24.0) 1124.0,25.0) 2125.0,26.0) 1226 7平均值 22.1617.0,18.0) 1118.0,19.0) 1519.0,20.0) 820.0,21.0) 921.0,22.0) 1122 8平均值 17.82标准差 3.23标准值 1.05标准值 0.85上表2.1所示所取样本板栗的长度分布在区间18.0,36.0)之间,其中平均值为26.88mm,其中分布在26.0,28.0)占总样本的9%;所取样本板栗的宽度分布在区间17.0,26.0)之间,其中平均值为22.16mm,其中宽度分布在区间22.0,26.0)的板栗占样品总数48%;板栗的高度分布在区间13.0,22.0)之间,其中平均值为17.82mm,其中宽度分布在13.0,22.0)的样本数占样本总数的86%。图2.2 样品板栗长度分布直方图图2.3 样品板栗宽度分布直方图图2.4 样品板栗高度分布直方图如上图所示2.2,2.3,2.4为样品板栗长度分布直方图,从图表中可以得出样本板栗长度分布区间范围,其中分布在区间22.0,24.0)和区间28.0,30.0)的样本居多,其中平均值为26.88mm;上表所示3.3为样品板栗宽度分布直方图,其中分布在区间24.0,25.0)的样本明显高于其他区间,其中样本板栗的平均值为22.16mm,总体样本符合正态曲线分布规律;上表所示2.4为样品板栗高度分布直方图,其中分布在区间17.0,18.0)和18.0,19.0)和的样本明显高于其他区间,其中平均值17.82mm。2.3板栗的重量测定将取样的板栗利用天平逐一测定重量,再将样品外壳去除测定果肉质量,记录如下表2.2和图2.5所示。表2.2 样本板栗的质量,去壳果肉质量测量统计表质量/g 样品占比/%果肉/g 样品占比/%18.0 618.0,20.0) 436.0 15平均值 26.5417.0,18.0) 1118.0,19.0) 1519.0,20.0) 820.0,21.0) 921.0,22.0) 1122 8平均值 17.82标准差 4.05标准值 0.85图2.5 样本板栗的总质量分布曲线图此图表是基于100个正常板栗分分三次测量所取值,如上表所示所取样本板栗的质量分布在区间18.0,36.0)之间,其中平均值为26.54g,其中分布在26.0,28.0)占总样本的9%。标准差为4.05。所取样本板栗果肉分布在区间13.0,22.0)之间,其中平均值为17.82g,标准差为0.85。样品板栗的质量和果肉质其中分布区间 13.0,22.0)的样本数占样本总数的86%。根据表2.2中的数据,将样本数据予以分布曲线图呈现,如下图2.6所示。图2.6 样本板栗果肉的质量分布曲线图从曲线图可以清晰的看出样本板栗的总质量和果肉质量的分布范围,为接下来板栗剥壳机装置的设计提供了理论依据,也为研究数据提供了清晰的保障。2.4 板栗的含水率测定板栗的含水量7(Moisture content,简称MC)也就是表示为板栗中水的质量与板栗总质量之比的百分比。板栗中的含水量直接影响着后期板栗的脱壳,所以研究板栗的含水量至关重要,为了保证实验数据的准确性,我们将样品中的板栗分为随机的分为三组,并将分组好的板栗编组为1,2,3查阅文献得知板栗的含水率计算方法如下所示4(2.1); X= 100% (2.1)式中: X板栗的含水率;m1干燥前盘子与板栗总质量;m2干燥后盘子与板果总质量;m3盘子的质量;利用图式烤箱,如图3.7所示,将分组好的板栗首先测出并记录出板栗的总质量,接下来,将栗子和栗子板放入烤箱中,并将温度调节至120C,每隔一个小时拿出并记录总质量,当测定前后两组质量差在2.0 g之间时,说明实验结果在正常误差范围内并且可以继续下去。图2.7 家用式烤箱板栗的含水率实验结果如下表2.3 所示,再基于六组随机取样的板栗前提下,从结果我们可以看出,五组板栗的含水率平均值为23.25%,表明六组样本板栗中平均含水量约占总质量的五分之一。表2.3 样本板栗的含水率实验结果组别含水率/%121.3222.5324.6423.6523.8623.7查看有关文献得知:正常坚果类果实的含水率约为自身总质量的20.0%至25.0%左右,该实验数据均在正常范围内,说明该样本板栗均满足试验的相关条件,为下面的板栗脱壳试验提供了重要研究方向,在实际生活中,板栗含水率的大小主要取决于堆挤时间的长短和气候条件,利用这一思路,为后面的研究提供了重要思路和方向。通过对板栗的几何尺寸,板栗重量,板栗含水量等参数的详细统计分析:在基于100个正常成熟后的板栗采集样本中,板栗长度分布在区间18.0,36.0)之间,其中平均值为26.88mm,方差为3.23。样本板栗的宽度集中分布在26.0,28.0)。其中平均值为22.16mm,方差为1.05。所取样本板栗的高度集中分布在区间13.0,22.0)之间,其中平均值为17.82mm,方差为0.85。样本板栗的几何尺寸符合正态分布规律。 板栗的质量分布在区间18.0,36.0)之间,其中平均值为26.54g,其中分布在26.0,28.0)占总样本的9%。标准差为4.05。样本板栗的质量分布在区间18.0,36.0)之间,其中平均值为26.54g,其中分布在26.0,28.0)占总样本的9%。标准差为4.05。所取样本板栗果肉分布在区间13.0,22.0)之间,其中平均值为17.82g,标准差为0.85。样品板栗的质量和果肉质其中分布区间 13.0,22.0)的样本数占样本总数的86%。板栗的含水率实验结果显示,再基于三组随机取样的板栗前提下,从结果我们可以得出,三组板栗的含水率平均值为23.0%。根据板栗的几何形状,板栗重量,板栗含水量等参数,进行了详细的统计分析,得出板栗的物理特性等规律,为关键部件的设计和实验研究提供了有力的技术支持。2.5根据板栗物理特性分析通过对板栗样本的分析后,不难发现板栗的含水率平均为23.0%,且大小形状并不统一,根据测试当水温与95,并将板栗煮5分钟后,放入清水冷却5分钟,皮与果仁分离效果最好。且由于大小不一,因此我们在设计时,应当避免使用传统挤压方式进行脱壳。此时将板栗热风吹1分钟左右,表壳较脆,容易击碎,且板栗肉含水率平均值为28.0%,此时如采用较钝刀具,最易击碎外壳,且对果肉损伤最小。3 板栗剥壳机的设计3.1 板栗剥壳机的整体性设计根据前面我们对样品板栗的物理学分析,针对板栗的大小,形状和质量,剥壳机的设计的必须满足以下几个条件。(1) 栗子的入口必须能够同时满足不同类型的栗子,并且必须尽可能地储存以达到一定的效率,产生的废料可以集中收集和使用。(2) 机械装置应保证操作人员的安全,安全系数应符合国际安全系数标准,并应进行电路保护工作以确保安全。(3) 在整个机械设计过程中,该装置的主要机械机构包括驱动器的设计和驱动器的设计,进料口设计,废料收集设计,电器控制设计8等在设计满足相关要求的板栗剥壳装置以后,必须尽可能多的进行试验,以测定相关数据是否达标,并预先准备好相关预案。我们运用之前学习的有关工具将机械装置的设计步骤路线设计如图3.1所示,在整个设计过程中我们始终保持着以理论为指导思想,以家庭为研究对象,设计出节省材料、成本低廉、安全简易、通用性强,效率高的板栗剥壳机械装置为最终目标。图3.1 板栗剥壳机的设计步骤根据前面对板栗剥壳机理论的构想和实际对机械装置的估算,对整体样机设计如图3.2所示,该样机包括进料口,刀盘切割装置,自动控制装置,电机设计装置,整体箱架,散热装置,废料收集等装置。依据该结构,完成对机体一些列的设计。1、 热风处理箱 2、板栗工作套筒 3、控制开关 4、PLC控制枢纽5、机盖出料口7、锁紧扣8、套筒盖9、入料口图3.2整机结构示意图如图3.2为整体结构CAD图示,首先板栗进入装置第一层利用电磁加热板烧开水并煮热,将板栗首次加热,然后板栗进入第二层装置再放进凉水,这样可以加速让壳和皮分离,机械装置内置温度传感器可以提前预知温度,完成前面的这些预先过程后;马上进入剥壳筒,当机械装置插上电源,这时连接在电动机上端的刀片会跟着电动机的运转而转动,这时从顶部的漏斗处投放板栗,落入套筒内,与装有齿状刀片的圆盘接触和摩擦,板栗果仁会与板栗壳分离,而巨大的离心力会使碎片状的板栗壳沿切线方向从侧面飞出,留下的板栗肉因为自身重力大,保留在了套筒内部,当位于齿状刀片的下部套筒的外部的风鸣器响起后,打开套筒侧面的门,这时板栗果仁会由于惯性的作用而飞向出口,板栗废料也由于自身的质量轻便而从另外出口飘落出来,利用PLC技术可以有效控制剥壳时间,在选择板栗剥壳机的传动路线时,考虑到机械效率和传动比等一些列问题,最后采用如下图3.3所示的单传动路线,这样能够最大限度的保证输送的样本板栗得到最大的去壳和较高的机械效率。图3.3 传动路线图3.2 板栗剥壳机的局部设计及选择3.2.1加热圈的选取 加热圈在本次设计中,放于门下,外直径80mm,厚度5mm,首先板栗进入装置第一层,利用电热圈加热盘将水加热,使板栗得到加热,当水温度达95左右,持续5分钟,由温度传感器控制。达到要求后,进入第二层,此时将注水进入装置,由温度传感器感应,此时温度维持在24左右,这样能够有效的将板栗壳与板栗仁分开,如下图3.4所示为电磁加热板。3.4 电热圈加热盘3.2.2 门的开关装置设计机械装置的预操作箱在三个级别上具有门打开和关闭装置,包括门板和设置在门板上的传动装置。第二盒固定地连接到传动装置的下端的内壁。第二腔在第二机壳中设置有第三腔,该第三腔具有向下的开口。第一腔的底部的内壁与上下延伸的第二传动轴可旋转地连接。其操作便捷,传动高,且双重安全验证,提高的安全系数和空间利用率,如下图3.5所示为门的结构示意图。3.5 门的结构计算门开关传动轴的强度并校核强度计算公式为: 其中,根据实际情况取=0.60=49.86Mpa前面已经选定的材料为45钢,调质处理,所以选取强度许允值为:=60Mpa由计算结果可知:所以最危险的截面仍然在安全范围之内,所以该门的开关装置是安全的。3.2.3 温度传感器的选择温度传感器由两端焊接在一起的不同材料的两条金属线组成。然后测量未加热部分的环境温度,即可准确知道加热点的温度。由于它必须具有两种不同的材料导体,因此称为热电偶。不同材料制成的热电偶在不同温度范围内使用,其灵敏度也不同。热电偶的灵敏度是指当加热点温度变化1C时输出电势差的变化。对于大多数金属材料所支持的热电偶,该值约为5至40C。设备可以提前预测温度。从而有效的判断温度的,如下图3.5所示为温度传感器。3.6 温度传感器3.2.4 烘干装置的选取最后进入第三层再用热风吹样本板栗,经过前三个预先过程以后,此时的板栗能够顺利进入到第二阶段的板栗筒进行齿状刀片脱壳。烘干机功率选取2000w即可,如下图3.7位烘干机装配图。 3.7 烘干机3.2.5 进料口的设计如图3.8和图3.9所示为板栗剥壳机的进料口装置,进料口的设计材料一般选用灰铸铁10HT200,这样能够保证承受足够多的板栗。考虑到家庭的需求,设计大小和尺寸严格按照家庭使用为标准。图3.8 进料口三视图 图3.9 进料口的三维设计通过上一章我们了解到所研究样本板栗的平均质量为26.54g,理论上100颗样本板栗的总质量为2.654kg。设进料口的总承受体积为V料口,每次加工单个样本板栗的平均质量为m1 ,加工板栗的总质量记为m总 , 进料口的上端边长记为d1,下端边长记为d2 ,每次试验所放入进料口的样本板栗总体积记为V试验。由于板栗的体积近似可以看作球体,进料装置可以近似看作正方体,总体积计算方法由查找相关文献得知(3.1,3.2)。 (3.1) V试验= (3.2) 说明:V料口;表示进料口的最大体积;S上;表示进料口上端正方形的面积;S下;表示进料口下端正方形的面积;h;表示进料口的两端垂直高度;d1;表示进料口的上端边长;d2;表示进料口下端端面边长;m总;表示每次加工板栗的总质量;m1;表示加工板栗单个平均质量;V1;表示样品板栗的平均体积;d;表示样品板栗平均半径;由上式可以知,我们可以知道,在基于正常误差范围内,我们设计取d1为200mm,d2为160mm,h取120mm,通过理论计算V料口为9.8,V试验为5.7。满足V料口略大于V试验。我们将样本板栗分别编组记为1,2,3组,再分别置于进料装置中,分别将三组的情况记录下来,通过理论的计算再加上实际的实验结果论证,得知进料口的设计是合理的。3.3 电机的选择在选择电机时要考虑的第一件事就是功率选择11,为了正确选择发动机输出功率,必须经过以下公式计算或比较(3.3)。 (3.3)其中p是计算出的力,测量单位是千瓦,f是所需的张力,单位是N,v是工作机的线速度m / s。也。最常见的是使用类比来选择发动机功率。所谓的模拟方法是比较类似生产机器中使用的发动机的功率。一种特定的方法是找出此设备或其他相邻设备中的类似生产机器消耗了多少能量,然后使用类似面团的动力发动机。试运行的目的是确认所选发动机对应于生产机器;测试方法是让电动机为相关设备供电。如果测得的电动机电流超过指示的额定电流超过40。这说明电机输出太低,需要用更高的输出更换发动机,这个时候,需要考虑扭矩发动机输出的公式(3.4)。 (3.4) 式中:P:功率,单位是kw;N:电机的额定转速,单位是r/min;T:转矩,单位是Nm;下表3.1为不同型号的发电机的拉力力矩情况,从中能够看出,随着拉力的增大,力矩也在进一步增大,根据电动机在匀速转动时的转矩,以电动机的最大转矩为标准。表3.1 发动机输出扭矩力矩号数/号0.40.60.81.01.52.0直径/mm0.100.120.140.160.200.23拉力/Kg4.85.66.88.39.912.7力矩0.000650.00250.00290.00330.0 0410.00473.3.1 选择电动机类型根据电动机在恒定速度下的转矩,以电动机的最大转矩为标准,选取2.0系列三相异步电动机系列直流微型电动机,如图3.10所示。图3.10 2.0系列笼型三相异步电动机3.3.2 确定电机工作时的功率电机正常工作时所需要的功率PW(3.5)。= (3.5)式中,取。电动机的输出功率P0(4.6):= (3.6)其中,齿轮传动效率,联轴器的效率,滚动轴承效率,所以:得: (3.7)选取电动机的额定功率,使,查机械设计手册得电动机的额定功率为:。3.3.3 确定电动机的转速滚筒的转速为(4.8): (3.8)取V带传动比,双级圆柱齿轮传动比,总传动比为:电动机可选择的转速为:所以电动机选择为:2.0系列笼型三相异步电动机。3.4 刀具的设计下图3.11为板栗剥壳机械装置的核心工作部件所示,由于机械在生产过程中使用的刀具通常用于切割金属材料,样本板栗从进料口进入板栗的工作区域内,刀头和电机使用固定螺钉相互连接,这样能够最大保证刀盘高速运转过程中不会因松动而造成影响,刀盘上设计有三个互成120的齿状切刀12,齿状切刀的安装高度与刀具的转速有着密切关系,电机带动刀盘产生旋转运动,这时连接在电动机上端的刀片会跟着电动机的运转而转动,这时开始从顶部的漏斗处投放板栗,落入套筒内,与装有齿状切刀的圆盘接触和摩擦,样本板栗在刀具上做不规则的运动,旋转的刀片与样本板栗的运动形成一定的速度差,各个板栗间相互挤压和碰撞,反复的运动,这时的板栗果仁会与板栗壳分离,而巨大的离心力会使碎片状的板栗壳沿切线方向从侧面飞出,最终实现板栗壳与果仁的分离,图3.12为刀盘的结构示意图。1、 刀盘定位紧固螺钉 2、刀位孔 3、圆弧形刀具4、连接套简定位紧固螺钉 5、刀盘 6、刀片支撑 7、连接套筒图3.11刀盘的结构示意图图3.12 刀盘的结构示意图工具孔的直径为54mm,两端圆弧的高度为2mm,圆弧的直径为25mm,工具孔的宽度为14mm,工具中心孔与中心之间的距离光盘的直径为72mm,刀片空之间的夹角为120,查阅机械设计教材等文献得知(4.9)。 (4.9) 式中:Ra;从栗子与刀片接触的点到刀头与刀片接触的中心的距离。值是0.031,以m为单位; ;刀盘材料的密度,单位g/cm; r;刀盘定为中心圆孔的半径,拟定0.0125,单位m;h;刀盘的厚度,拟定0.003,单位m;m;刀盘质量,单位kg;N;一电动机所需转速,单位r/min;选择设计参数后,电动机最小转速经计算得1350r/min,由圆轴扭转时抗扭截面最大扭转切应力许用应力公式(4.10): (4.10)式中:MAX:扭转最大切应力,单位为Mpa;TMAX:刀盘运动所受的最大扭矩,单位为Nm;Wt:抗扭截面系数,单位为Mpa;Ip:横截面对转轴圆心O点的极惯性矩,单位为m4;:刀盘材料的密度,单位10*kg/m;D:计算紧固螺钉轴线所在位置的刀盘直径,单位为m;d:定位中心圆刀盘直径,单位为m;n:电动机输出转速,单位为r/min;根据上面公式计算得到其大小为45.09N,刀片剥壳力的力学性能满足其设计条件。3.5 机械废料收集装置的设计(1) 通过前面的设计,我们知道在板栗机械装置工作时,会产生大量的板栗壳废料,这些废料如果不集中处理,会大量夹杂在板栗果肉中间,然后一起随着板栗果肉出来,剩余少部分会遗留在机械装置里面,长期下来,会影响机械装置的运行情况,针对此情况,可以采用将一个小型鼓风机13置于板栗工作区域,待机械装置开始工作的时候,开启鼓风机,壳便从预先设置好的收集口飞出去,鼓风机是一种紧凑型高压鼓风机,结构紧凑,随着叶轮旋转,如图3.13所示;图3.13 小型鼓风机从图3.11废料收集装置示意图可以清晰的看出来,待机械装置开始工作的时候,开启鼓风机,板栗与飞速刀片的接触会将板栗打碎,此时,废壳集中在栗子去皮盒中。将打开一个小型鼓风机,当叶轮快速旋转时,风向由于离心力而使气体向前和向后移动,从而形成一系列螺旋运动。机械装置工作的时候可以使板栗壳从图中所示的废料收集装置位置飞出来,收集的废料可以集中处理,从而大大减少了废料造成的影响。3.6 电器控制系统的设计3.6.1电器控制系统运用在板栗剥壳装置中能够大大缩减由于时间上控制不精确而造成的工作时间浪费,与计算机控制系统相比,PLC电气控制系统的最大优势是实时性和高可靠性,由于控制器是采用自动控制串接为基础,信号处理的时间间隔非常短暂,速度较快,正常处理时间可以精确到10ms到20ms之间;同时PLC系统采用独有的抗干扰技术,具有很强的抗干扰能力,使用起来方便快捷,相比较电源控制下的机械系统,可编程逻辑控制系统(PLC)14有比较大的优势性可言;图3.14 PLC终端整体示意图3.6.2 电器控制系统的主要步骤电器控制系统的主要分为以下几个步骤,其中图3.15为PLC控制器总梯形图,设定控制时间后,M35的一组常开触点闭合,辅助继电器M54线圈电气闭合,与输出继电器Y21串联连接的常开触点闭合,从而输出继电器SB1通电并自动锁定并打开电灯开关。当需要手动控制时,只要按下按钮SB,SB2就会闭合,输出继电器SB3就会上电并自锁,并且开关会断开。当达到控制时间时,继电器SQ1的线圈被电闭合后,会产生一个扫描周期的脉冲信号,从而使与输出继电器SQ2的线圈串联的常开触点快速断开,输出继电器Y21打开,灯熄灭。当您需要手动关闭电灯时,只需按下按钮SB,然后SB3闭合,辅助继电器通电,并且串联到输出继电器的常开触点快速断开,从而输出继电器SB2断电。图3.15 PLC控制器总梯形图如图3.16为 PLC终端示意图,首先制定被控对象的的分析和描述,得到系统方案论证,根据电器元件和机械设备的总体分布情况,制定系统的总体设计方案如下所示。(1) 设计硬件设计和软件设计,根据组件布局和电气原理绘制接线图,然后检查和测试相关系统是否正确。(2) 根据机械装置的自身相关情况,绘制电气原理的相关组线图,适当根据各线路图的反馈情况予以记载和改善,进一步细致化,使整个系统更加完善化。(3) 现场安装并测试电器设备是否符合相关标准,通过一定的测试和分析,达到目标要求,从而对设计编写说明书等相关说明。相关步骤图如图3.15所示,从图中我们可以清晰的看出设计的关键步骤情况,设计时根据先关的步骤一步一步的进行调试,最终能够达到预期的效果。图3.16 PLC终端示意图 图3.17 设计主要步骤总 结本课题以研究家庭板栗剥壳机为契机,本着以最大化的节省材料、成本控制最低、使用安全简便、剥壳效率高的原则,致力于板栗剥壳机的设计与研制,力求设计一种能够满足不同栗子尺寸和不同成熟度的机械脱壳设备,同时节省加工成本,同时还必须考虑安全性,效率,能耗等问题,使去壳效率达到理想最大化,以满足不同家庭的需求,论文完成的工作如下:(1) 课题研究背景调查;先以调查国内外板栗剥壳机研究现状为契机,通过具体分析国内外该机械装置的成果和效应,对比分析了一些关键技术的利与弊,为本课题的设计提供了理论性的方案选择和设计依据。(2) 调查统计板栗样本;以威安县板栗为研究对象。通过调查取样的方式收集一批板栗样本,通过对板栗几何形状,板栗重量,水分含量等参数的详细分析,得出了板栗物理特性规律和其他规律,为今后的设计和实验研究提供了重要的性能基础。(3) 板栗剥壳机初步设计;首先板栗进入装置第一层利用电磁加热板烧开水并煮热,将板栗首次加热,然后板栗进入第二层装置再放进凉水,这样可以加速让壳和皮分离,机械装置内置温度传感器可以提前预知温度,完成前面的这些预先过程后;马上进入剥壳筒,当机械装置插上电源,电动机开始运转,这时连接在电动机上端的刀片会跟着电动机的运转而转动,这时开始从顶部的漏斗处投放板栗,落入套筒内,与装有齿状刀片的圆盘接触和摩擦,这时的板栗果仁会与板栗壳分离,而巨大的离心力会使碎片状的板栗壳沿切线方向从侧面飞出,从而实现了果壳的分离的效果。(4) 机械装置的模拟性试验;根据脱壳率和果肉破损率指标进行统计比较和分析,以得到高剥皮率和低破损率的最佳实验性能参数,进而优化栗子脱壳机的性能。机器性能得到优化。由于研究能力有限,板栗剥壳机的结构优化和等一些关键性因素还有待进一步提升。未来希望可以更好的学习有关的知识,将板栗剥壳机与智能化控制方向结合,使板栗剥壳机朝着更好的方向迈进一步。参考文献1崔建云.食品加工机械与设备M.北京:中国轻工业出版社,2014.2张文波.新型板栗脱壳技术与机械研究D.杭州:浙江大学出版社,2012.3杨雪银.基于有限元方法的板栗破壳机理的研究:D.武汉:华中农业大学出版社,2015.4张梦阳.文献研究与理论观照M.上海:中国现代文学研究丛刊,2015.4.3.5陈东.调查取样方法改进意见综述M.江西:江西植保出版社,2009.4.2.6发宋光.板栗资源的深加工开M.上海:粮食与食品工业出版社,2011.9.15.7马晓春,梁芳.木材含水分检测方法概述M.浙江:计量与测试技术出版社,2010,(04).82-848濮良贵,纪名刚.机械设计(第8版)M.北京:高等教育出版社,2016.9张文斌.自动板栗脱壳机的设计M.江苏:农机化研究出版社 ,2015.8.1.10方健.铸铁/碳钢的复合铸造结合界面的温度场模拟及组织性能研究M.江苏:江苏理工出版社,2015.5.16.11石年勋.各类离心机电机功率选择分析探讨M.浙江:化工装备技术出版社,2014.10.05.12龚双龙.陈立华,严晓丹.一种由废料二次利用组合成的刀具设计M.杭州:杭氧科技,2015.6.30.13王娅娜.刘燕云.鼓风机在不同工艺单元中的选型与应用D.湖北:给水排水出版社2012.09.23.14谢小东.可编程逻辑和关键技术研究M.安徽:电子科技大学出版社,2011.10.01.15张萌.基于产品族的机械产品模块化配置设计关键技术研究M.北京:国防科学技术大学出版社,2013.4.1.16张广.对“实验误差允许范围”的理解D.杭州:物理出版社,1998.11.15.17张荣荣.板栗揉搓式破壳机理的试验研究及有限元分析M.武汉:华中农业大学 出版社,2017.6.1.18N.CockCan.abatteryoffunctionalandsensorytestscorroboratethesensorineuralcomplaintsofsubjectsworkingwithvibratingtoolsj.InternationalArchivesofOccupationalandEnvironmentalHealth,2000.06.15致 谢不积跬步无以至千里,本课程设计能够顺利完成,得益于指导老师韩莹老师,本论文是在韩老师悉心的指导下完成的,韩老师拥有丰富的学术经验和严谨的治学态度,在课程设计题目制定时,她首先肯定了我的研究课题,同时给了极大的勇气,帮我具体的分析利弊使我最终选取板栗剥壳机设计这个课题,使我在研究时有了具体方向。当论文开题后时,具体的设计不是很清楚,在老师的帮助下,我的设计有了明确的方向,初稿完成后,老师仔细检查了我的写作并指出了我的问题,为接下来的改进提供了方向,在此十分感谢老师的细心指导,才能让我顺利完成毕业论文的写作。感谢机电工程学院的全体领导和老师,在他们认真的教导下,我学到了很多专业性知识,为论文的写作奠定了坚实的基础;感谢参与本论文的批阅,和对本论文提出宝贵意见的老师和领导。35
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