豆浆机产品设计及ProE环境下的参数化设计毕业论文

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1、豆浆机产品设计及ProE环境下的参数化设计毕业论文 毕业设计豆浆机产品设计及Pro/E环境下的参数化设计目 录中文摘要3英文摘要41 引言52 原理方案设计7 2.1系统工作原理7 2.2系统方案设计8 2.3设计方案选择93 结构设计10 3.1 总体结构设计.10 3.1.1 额定容量与壶身总体容量10 3.1.2 机头壶身组合方案11 3.1.3 整机布局12 3.2 粉碎系统设计.12 3.2.1 粉碎系统结构设计12 3.2.1.1 刀片结构设计.13 3.2.1.2 扰流挡板设计.20 3.2.2 粉碎功率计算21 3.2.3 电机的选择22 3.2.4 刀片材料选择与强度校核24

2、 3.2.4.1 刀片材料选择.24 3.2.4.2 刀片强度校核.25 3.2.5 刀轴结构设计与校核28 3.2.5.1 刀轴结构设计.28 3.2.5.2 刀轴强度校核.29 3.2.5.3 刀轴刚度校核.30 3.2.6 粉碎系统临界转数校核31 3.3 加热系统设计.33 3.3.1 加热方式选择.33 3.3.2 加热系统结构方案确定.33 3.3.3 发热管功率计算.34 3.3.4 发热管改进设计.35 3.4 关键零部件选型.36 3.4.1 防溢电极.36 3.4.2 温控器.36 3.4.3 温度保险丝.37 3.5 零部件装配关系确定.37 3.5.1 整机装配要求37

3、 3.5.2 零部件布局38 3.5.3 机头密封设计40 3.5.4 机头透气孔设计42 3.6 零部件材料选用及表面处理.434 产品三维实体造型44 4.1 零部件三维建模.44 4.2 产品三维虚拟装配.46 4.3 干涉检查.495 参数化设计51 5.1 标准零件库的建立.52 5.1.1 标准件库的建立方法53 5.1.2 标准件库的建立过程53 5.1.3 标准件库的调用.57 5.2 通用零件库的建立.57 5.2.1 通用件库的建立方法.58 5.2.2 通用件库的建立过程.59 5.2.3 通用件库的调用.62 5.3 组件的参数化设计 62 5.3.1 机头组件的参数化

4、.62 5.3.2 桶身组件的参数化.69 5.4 同外形不同规格产品快速复制演示.72结论74致谢75参考文献76附录1:产品总装图、零件图.附录2:产品规格书豆浆机产品设计及Pro/E环境下的参数化设计摘要:豆浆机是一种通过电机的高速旋转,带动刀片对黄豆、大米、五谷等食材进行强力的打击、搅拌、切割、加热,并辅以微电脑控制搅拌、加热的节奏,实现全自动化制取新鲜即饮的豆浆/米糊/浓汤等饮品的小型家用电器。本论文主要针对目前市场现有的豆浆机,对其进行原理分析,方案对比与选择,实现目标功能产品无网干豆豆浆机的设计。本论文在豆浆机产品设计中承担的主要工作是豆浆机的结构设计部分,针对产品总体结构、粉碎

5、系统、加热系统、密封透气等结构进行方案的设计分析与计算,并在Pro/E环境下完成产品总体结构的三维建模及虚拟装配。同时,利用Pro/E自带的Family Table和Pro/Program等二次开发工具对所设计的产品进行总体结构的参数化设计,实现相同外形不同规格豆浆机产品的快速复制与产品设计资料的快速获取。关键词:豆浆机结构设计 Pro/E 三维建模 参数化Abstract:Soymilk Maker is a minitype domestic appliance, which strike ,mixing, incise and heat the food such as soybean,

6、 rice and grains strongly through the blade driven by high speed electromotor, and control the rhythm of stirring and heating by microcomputer to get the fresh ready-to-drink soybean milk, rice-paste and pottage automatically. This thesis mainly aim at the Soymilk Makers which have been existed in t

7、he market, analyze the theory and precept of them , and choose a precept to achieve the design of the target function product?Soymilk Maker using dried beans without the mesh enclosure. The main work for the design of product in the paper is the structural design of the Soymilk Maker, analyze and ca

8、lculate the products total structure, smashing system, heating system, seal cower and its breather structure, gain the 3D models of the Soymilk Maker and achieve the Virtual Assembly of the whole product. At the same time, the paper take the parameterization design for the whole product by using the

9、 secondary development tools of Family Table and Pro/Program contained by Pro/E, and achieve the rapidly copy of the Soymilk Makers having the same appearance but the different standard and the rapidly gain of the design dataKeywords:Soymilk Maker structural design Pro/E 3D model parameterization引言1

10、.1 课题背景 现代社会高节奏的生活以及高强度的工作, 带给了现代人日益增长的高压力。随着社会的发展与进步,人们对自身的生活质量有了越来越高的要求。从21世纪开始,“便捷”与“健康”渐渐成了现代生活的潮流趋向。家用电器与人们的日常生活密切相关,因而家用电器是否具备便捷性与健康性,将会直接影响到人们的生活。豆浆作为中国传统饮品,具有极高的营养价值,其中含有多种优质蛋白、多种维生素、多种人体必须的氨基酸和微量元素等,是一种非常理想的适应现代人的健康食品。而豆浆机作为家用小型电器的代表,一直为给人们提供方便、快捷、营养、健康的豆浆饮品而服务。分析目前豆浆机市场,由于国内奶粉事件的影响,导致奶粉企业在

11、市场上集体遭受打击,消费者对奶粉企业的普遍不信任,饮食习惯由喝牛奶变为喝豆浆,进而引发对豆浆机的爆发性需求。由于市场需求量的突然扩增,市场潜力逐步的浮现,国内不少家电企业纷纷进军豆浆机市场,抢占市场份额,使得原本平静豆浆机行业竞争异常激烈。在如此激烈与残酷的市场上要想占有一席之地,就必须提高企业自身竞争力,而提升竞争力的最可靠途径就是做好产品技术的创新与研究,保证技术的领先性、产品的先进性。1.2 豆浆机历史与现状 1995年北京电视台购物栏目就出现了豆浆机的身影,但由于众多技术难题没有被攻克,豆浆机市场并未如愿发展起来。当豆浆机的缺陷是电机工作不稳定,不是打几次就坏,就是不按程序工作,返修率

12、非常高,而且豆浆一煮就糊,以致不少爱喝豆浆的人只好将其束之高阁。 经过十多年的发展,目前豆浆机的市场销量已经超过了800万台,并且仍以30%的增长率持续增长。十多年来,随着豆浆文化的不断深入,豆浆机产品的不断成熟,豆浆机经历了从“精密网罩”到“大网孔网罩”到“无网”到“无网干豆”到“无网干豆不锈钢”的一次次升级换代,实现了产品技术的一次次推旧呈新。 分析目前豆浆机市场现状,主要存在两大主流产品,一是以“五谷精磨”为主的九阳豆浆机,另一则是以“无网涡流”为主的美的豆浆机。九阳五谷精磨技术使用网罩式结构的“五谷精磨器”在大豆粉碎以及噪音控制方面独占优势,占据着70%的市场份额。美的无网涡流技术则采

13、用特殊结构刀片,舍弃了传统的网罩,简化了豆浆机的机身结构,凭借使用方便易清洗的优势占据了近30%的豆浆机市场。 但不论是五谷精磨还是无网涡流,市场现有的豆浆机仍存在着出浆率低、大豆蛋白溶出少、制出豆浆不香浓等功能性问题,以及机头易进水、釜底易糊底等结构性缺陷。针对这些问题,仍需投入大量的时间与精力去做技术上的解决与创新,从而更好地完善豆浆机产品设计,使其更好地适应市场需求,客户需要。1.3 设计的内容与方法 本文的设计内容是针对目前市场上已有的豆浆机,对其进行原理分析与方案的对比选择,在确定设计方案后对产品进行具体的结构设计,以实现目标产品?无网干豆豆浆机的设计。本论文主要承担豆浆机产品设计中

14、的结构设计部分,主要针对豆浆机的粉碎系统进行结构设计,对无网粉碎系统的刀片、扰流挡板、刀轴等进行结构分析,设计计算及校核,对现有加热系统进行初步设计与方案改进,对豆浆机实际生产中较易出现的机头进水等问题进行结构上的密封设计,并完成产品的零部件布局与整机结构设计。通过Pro/E对所设计的产品进行三维实体造型,在Pro/E下进行产品的虚拟装配与干涉检查等,以完善产品结构设计中的细节问题,形成产品三维设计资料。同时,本文还利用Pro/E自带的Family Table和Pro/Program等二次开发工具对所设计产品零部件进行参数化设计,提出豆浆机产品设计过程中常用的标准件、通用件库的建立方法与过程,

15、对产品整机进行参数化分析与设计,实现相同外形不同规格豆浆机产品的快速复制与产品设计资料的快速获取。1.4 课题的意义 豆浆机产品在技术上还有很多不成熟的地方,要想设计出适应市场需求、占有市场优势的豆浆机,就必须不断投入对豆浆机的技术研究与分析。该课题来源于美的精品电器事业部豆浆机公司,通过对公司豆浆机产品的分析以及公司产品技术的研究,设计出了一款满足市场需求,符合生产要求的豆浆机产品。 同时,由于豆浆机市场的逐渐成熟,企业的产品也已经趋于模块化、通用化、系列化,对产品设计的标准化要求也就日渐重要。对设计产品进行参数化设计,实现产品设计资料的快速生成与复制,不仅能够加快产品设计流程,缩短设计周期

16、,为企业节约不必要的时间跟人力成本,同时对企业的标准化管理,对企业竞争力的提升也作出了巨大的贡献。原理方案设计 分析传统豆浆的制作工艺流程与方法可知,传统豆浆的制作原理,主要分为三个步骤:磨、滤、煮,三个步骤依次进行。利用豆浆机制作豆浆,则需要在传统工艺的基础上做了一些改进,以实现全自动制作豆浆的过程。豆浆机制作豆浆包含三个步骤:磨、煮、滤,为实现机械功能改变三个步骤的顺序,先是磨与煮交替工作,最后再滤。系统工作原理 分析以上豆浆制作原理,确定所设计豆浆机工作原理,主要由粉碎原理及控制原理两部分组成。通过发热元件的加热及电机的高速搅打,使颗粒状的豆制品或其他食物粉碎,并混合形成即食型的液态或糊

17、状食品。在整个过程中加入防溢保护及防干烧等保护功能,以保证整个制浆(糊)过程的顺利完成,最终使食物达到预期的要求。2.1.1 粉碎原理 产品粉碎系统采用电机带动打浆刀在水与食物的混合物中高速旋转,使水与食物的混合物按照一定的规律多次经过刀片的原理,使水与食物的混合物多次与高速旋转的刀片碰撞后,最终被粉碎。图2.1 豆浆机粉碎原理2.1.2 控制原理 产品主要采用微电脑控制单元芯片MCU对制浆过程进行控制,电控板根据防溢棒所检测的信号和热敏电阻的温度信号,结合程序,指挥电机及发热盘工作的过程,如图2.2,其中防溢棒主要是以低电平为检测信号,即当有泡沫或有水将发热管的接地端与防溢棒接通时,低电平信

18、号将反馈给电控板IC,再由IC发出相应的指令来控制电机及发热盘的工作。 图2.2 豆浆机控制原理系统方案设计 根据以上原理,针对豆浆机粉碎系统设计出两套方案如下:图2.3 豆浆机设计方案 图中,方案一为开放式粉碎方案,通过特殊结构的粉碎刀片使加工物料形成有规律的旋转?涡流?转动?反弹?切割?循环的力学和流场效应进行物料的粉碎。方案二为封闭式粉碎方案,主要通过刀片与导流器配合,形成旋转?涡流?切割?碰撞?回流?循环的效应进行物料粉碎。设计方案选择 对比分析以上两种方案,有 表2.1 豆浆机产品方案对比导流器扰流挡板杯桶制造搅打液刀具噪音方案一无有较难不平稳两叶较大方案二有无容易平稳四叶较小电机功

19、率粉碎性能消泡性固形物清洗使用方案一较小分散较好容易提高较容易方便方案二较大集中较差较难提高较困难不方便 根据以上对比分析的结论,考虑到产品功能的实现,以及消费者对产品使用方便、容易清洗的期望等因素,本产品选择方案一,即采用不带导流器的开放式粉碎方案。3 结构设计3.1 总体结构设计3.1.1 额定容量与壶身总体容量 考虑到在正常工作条件下,为了既防止食物溢出,又能达到较高的加热效率,杯身容积设计时,应满足以下要求: 式中:?容积比; V0?壶身的总容积,L; Ve?标称容积,L。 对于隐藏式加热系列产品,由于底盘加热所产生的余热较大,食物容易溢出,所以原则上要求0.8L、1.0L的值2.9;

20、1.2L、1.3L、1.5L的值2.8。 根据产品规格要求,有Ve1.2L,选取容积比2.8,则有 2.8,得V02.81.2L3.36L取V03.36L。由有 取壶身内径A150mm,代入上式解得 190.23mm圆整后取h200mm。根据QMJD-J06.002-2009美的豆浆机公司企业标准,选取壶身规格及参数为表3.1 标准圆柱形不锈钢壶身规格标准圆柱形不锈钢壶身规格单位:mm类别不锈钢壶身代码标称容积(Ve)不锈钢壶身内径(A)外缘直径(B)不锈钢壶身深度单边斜度()总容积(Vo)总容积/标称容积优先等级双层D-L21.2L1501622000.83.362.83.1.2 壶身机头组

21、合方案 根据壶身所确定的规格尺寸,选择机头的规格为 表3.2 标准圆形机头规格标准圆形机头规格机头代码机头直径D(mm)优先等级L158 根据所选择的壶身和机头规格,确定豆浆机机头壶身组合方案。 表3.3 标准圆柱形机头壶身组合方案标准圆柱形机头壶身组合方案类别机头不锈钢壶身优先等级机头代码机头直径D不锈钢壶身代码不锈钢壶身内径(A/mm)外缘直径(D/mm)不锈钢壶身深度标称容积(Ve/L)总容积(Vo/L)总容积/标称容积双层L158S-L21501622001.23.362.8 3.1.3 整机布局 根据工业设计要求,对产品进行整机布局,本设计采用机头和桶身组合的立式结构,将粉碎系统的刀

22、片、电机放于机头组件,将加热系统放于桶身组件,电源放于桶身底部,上下组件通过上下连接器连接通电。电源下置,安全方便的同时也避免了传统的微动开关的复杂结构,结构简单安全性更高。 整机布局如下图所示。图3.1 产品整机布局3.2 粉碎系统设计3.2.1 粉碎系统结构设计 根据设计方案,产品的粉碎系统由刀片和扰流挡板组成,原理为刀片在电机的带动下高速旋转,由于刀片自身的结构使得杯中的水形成涡流,在涡流的作用下豆料与刀片充分接触,在经过不断地接触、撞击、剪切作用下,豆料被粉碎至所需要求。同时,由于离心力的作用水也做水平旋转,在与杯壁的筋碰撞后沿筋的切线方向向中间汇聚,从而达到充分研磨的效果。具体结构如

23、图3.2。 图3.2 豆浆机粉碎系统结构3.2.1.1刀片结构设计A.刀片方案的选择 传统豆浆一般是大豆经过浸泡后进行粉碎,而根据设计要求本产品的功能为干豆制浆,即对干豆直接进行粉碎,在打浆过程中大豆硬度相对较大,但具有一定的脆性,在制作豆浆时为了使大豆中的营养充分溶出,就必须使用特殊结构的刀具在高速旋转下将大豆在短时间内迅速打碎。刀具的结构对打碎程度和豆浆品质有很大的关系。 分析目前豆浆机所用刀片,主要有以下几种结构: 表3.4 豆浆机常用刀片分析叶片数结构结构分析双叶双叶平刃刀双叶刀目前基本有网无网豆浆机都在用,其刀开锋口在有网向机头方向使液体的流向,向上形成向上吸入。双叶锯齿刀双叶带锯齿

24、刀是在有网、无网豆浆机刀具,其刀锋口有向下和向上,向下使液体的流向向下形成向下向外再向上吸入中间,向上时是吸入后再由孔中喷出。三叶三叶平刃刀三叶刀目前基本有网无网豆浆机都在用,其刀开锋口在有网向机头方向使液体的流向,向上形成向上吸入。无网三叶刀锋口向下,三叶不在同一平面分别有向上和向下。三叶锯齿刀四叶四叶平刃刀目前基本用在有网豆浆机,其刀开锋口在向机头方向使液体的流向,向上形成向上吸入。四叶刀不在同一平面分别有两叶向上,另外两叶向下。四叶锯齿刀四叶有后角刀九阳四叶小刀,其直径在40mm刀锋是向上的它是用在有网和无网的。但是它是有后角的,有网无网刀锋均是向上,无网它在机头上有一个向下的弧面,用于

25、向下压液面使之不飞溅液体。 分析以上刀片及其结构,参照美的豆浆机公司现有产品所使用的刀片,本设计选用美的专利刀片双叶倒锯齿刀。其为双叶刀片,刀锋口向下,主要用于无网干豆豆浆机,使液体的流向向下形成向下向外再向上吸入中间。其刃口设有锯齿结构,刃口展开切削加长,粉碎效果较其他刀片好。B.刀片结构参数确定 刀片具体结构如下图所示:图3.3 刀片结构图 其中,D为刀片直径,d为轮毂直径,R为弧度曲率半径,为刀片厚度,为刀片安装角,为刀齿切向倾角,为刀齿轴向倾角(刀片前角), L为刀齿面长度。a.刀片运动过程中力学效应的分析 由于刀片具有倾角结构,因此在高速转动时,刀片产生切向力的同时还会产生轴向力,如

26、图3.4。对豆料在流场中的受力情况进行分析,以Fq 表示豆料所受到的切向力,以Fz 表示豆料所受到的轴向力,以Fd 表示豆料所受到的打击力,如图3.5所示。 图3.4 刀片受力示意图图3.5 豆料受力分析豆料的打击力按下式进行计算式中:P?粉碎功率,W; z?刀片叶片个数; N?刀片转速,r/min; R?刀片半径,m; ?刀片结构参数函数,f(d、n 、L 、)。则轴向力为 切向力为 b.刀片运动过程中流场效应分析 刀片各结构参数对粉碎过程中所形成的流场有很大的影响,在额定电压下,安装上刀片,让刀片在清水中旋转运动,用照相机拍照,然后测量刀片在清水中形成的涡流截面参数。提取出刀片运动过程形成

27、涡流截面的参数如下图所示。图3.6 流场涡流截面图 图中,D 表示所示涡流横截面的直径,h 1 表示液面凹陷的深度,h 3 表示整个涡流的高度,h 4 表示涡流底部距容器底部的距离。c.刀片结构对流场和受力的影响 为了确定刀片各结构参数对流场及物料受力情况的影响,选取一组不同结构参数的刀片进行上述实验,测量并计算出各刀片对流场和受力的影响。 表3.5 不同刀片结构参数序号直径/mm厚度/mm刀具倾角/刀齿倾角/-1751.210018182701.210018183751.2101018184751.210030185751.21601818表3.6 不同刀片结构参数影响序号D/mmh1/mm

28、h2/mmh3/mmh4/mm物料受力分析打击力Fd/N切向力Fq/N轴向力Fz/N160406285153.533.480.61255386083153.443.390.60363447090143.453.450465376880153.693.630.64559386077133.483.360.96 对以上实验数据进行分析,有如下结论:刀片直径直接影响流场的涡流直径,刀片直径越大,窝里直径越大;涡流高度取决于刀片安装角,当采用正负角时涡流高度较大,搅拌充分但搅拌页面较高,当采用一平一负角度时,液面较平稳,且负角越大涡流高度越小,液面越平稳;刀片直径越大,豆料受到的打击力越大;豆料打击力

29、的大小与刀齿倾角有关,刀齿倾角越大,豆料所受的打击力越大;刀片安装角影响刀片的轴向力,刀片安装角越大,轴向力越大,切向力越小。 d.根据以上分析结论,此外参照表3.7刀具结构参数和豆浆理化指标相关性分析,确定刀片各结构参数。表3.7 刀片结构参数和豆浆理化指标相关性分析 (1)片数z:该刀片为双叶刀片,叶片数为z2。(2)轮毂直径d:根据电机轴的装配要求,确定其轮毂直径d18mm。 (3)刀片外径D:根据上表分析,刀片外径与涡流直径、豆料打击力和豆渣硬度相关,查阅公司标准,刀片外径已形成50、63、65、70、75五种规格,结合不锈钢壶身内径A150mm,可取D(0.40.5)A(0.450.

30、5)15067.575mm,选取刀片外径D70mm。 (4)刀片安装角:根据上表分析可知,当角为正负角时,搅拌充分但搅拌液面较高,容易造成液滴飞溅。本设计采用一平一负的角结构,由以上结论可知,角与涡流高度、刀片轴向力和豆浆蛋白质的含量相关。角越大,涡流高度越小,搅拌液面越平稳,但刀片轴向力会增大,切向力减小,并且角与蛋白质含量成负相关,角的增大会直接导致豆浆蛋白质含量的减少,综合考虑以上因素,参照美的豆浆机公司打浆刀技术要求,选择0,?10。 (5)弧度曲率半径R:一般R0.5D,则R0.5D0.57035mm,取R35mm。 (6)刀片厚度:根据实验分析,刀片厚度对豆浆品质没有相关性,考虑刀

31、片强度要求,选择刀片厚度1.2mm。 (7)刀片前角:对刀片结构分析,刀片前角的作用是使液体的流向向下形成向下向外再向上吸入中间的作用。具体结构如图5.6所示。由以上实验结论可知,刀片前角与豆料打击力相关,与豆浆固形物和蛋白质含量成显著正相关,即刀片前角越大,豆料所受的打击力越大, 豆浆的固形物和蛋白质含量也越高, 但角过大会影响对物料的切向力,一般前角角度1620时效果最佳。取前角角度18,则刃面长度a/sin1.2/sin183.88,取a3.9mm。此外,刃口钝化直接影响打浆刀的使用寿命,刀口锋利是造成卷刃、缺口的直接原因。因此,在刀片的刃口处进行钝化以满足刀具刚度、强度要求。图3.7

32、刀片前角结构与尺寸 (8)刀片旋转角:为增加旋转涡流效应,在刀片结构上设置的旋转角度,旋转角一般取值为216,且规定旋转前进方向向下为正值,向上为负值。此处取2。图3.8 刀片旋转角结构 (9)刀片锯齿结构:为提高豆料粉碎效率,在刀刃上增加锯齿结构来加强刀片与豆料的撞击、剪切作用。因此,在刀片的刃口处设置均匀分布的五齿结构,如图3.9所示。 (10)刀齿面长度L:考虑刀片整体结构要求,选择刀齿面长度L6mm。 (11)刀齿切向倾角:选择刀齿切向倾角18。图3.9 刀片锯齿结构 整理刀片结构参数如下:表3.8 刀片结构参数表名称代号单位数值叶片数z2轮毂直径dmm18刀片外径Dmm70刀片安装角

33、10弧度曲率半径Rmm35刀片厚度mm1.2刀片前角18刀片旋转角2刀片齿数n5刀齿面长度Lmm6刀齿面宽度amm3.9刀齿切向倾角183.2.1.2扰流挡板设计 为配合搅打涡流,在上表面与旋转力相互作用使豆料随流体形成向中心汇聚的作用,在豆浆机的内壁上设置扰流挡板。 传统扰流挡板采用单筋结构,为加强扰流效果,通常筋的尺寸比较大,使得加工不易且外形不美观。同时,由于是单个筋体,扰流系统工作时受力不均匀,易产生震动,机体平衡性较差。 本豆浆机对传统单筋结构进行改进设计,采用四筋结构方案,四个筋体沿壶身90度对称分布,结构对称,受力均匀,整机提高稳定性,同时由于四筋的效率相当于单筋的四倍,因此在保

34、证扰流效率的前提下,四筋单个筋体的尺寸形状都可减小。参照公司经验其位置及尺寸设计要求为:离杯底部不大于13mm ; 筋的两端长度在85120mm ;筋的高度不低于6mm;两端的角度必须大于45;四条筋的筋条形状尺寸两斜面的夹角度在9010;夹角顶端倒圆角R1 。 选定挡板的尺寸和位置,具体结构如图3.10所示。 图3.10 扰流筋的位置及尺寸3.2.2 粉碎功率计算 确定豆浆机粉碎系统具体结构后,对豆浆机粉碎功率进行计算: KW式中:?粉碎功率准数; ?物料密度,Kg/; N?粉碎刀片转速,r/min; D?粉碎刀片直径,m; ?重力换算系数,m/。 是粉碎时的功率准数,是一无因次数,受刀片形

35、状和环境影响,是雷诺数Re的函数,根据经验值,取。由刀片旋转速度对豆料粉碎程度和豆浆品质影响的研究可知,刀片转速在7500?9500rpm时效果最佳,则预选刀片转速N9500r/min。刀片直径D70mm,物料密度取1.3Kg/,将N、D、值代入上式,有 则豆浆机的粉碎功率为3.2.3 电机的选择3.2.3.1 电机类型的选择 根据豆浆机的工作环境和电源条件,选用立式封闭型直流电动机,工作制为S3,寿命大于100小时。3.2.3.2 电机额定电压的选择 目前豆浆机电机一般采用直流电源,电机的额定电压与供电电压一致,选择其额定电压为220V。3.2.3.3 电机容量的选择 电机所需的工作功率为式

36、中:?工作效率。 电动机的容量应包括粉碎所需功率、粉碎机构的损失功率和油封的损失功率。除此之外, 还应考虑计算误差及可能因为操作条件变动引起的功率变化。通常, 粉碎所需功率只占全部驱动功率的60% 70%。因此,取工作效率则电机的额定功率则参照公司现用规格电机,选取电机额定功率3.2.3.4 电机转速的选择 豆浆机对粉碎刀片的转速要求为n7500?9500r/min,由粉碎系统的传动方案可知,刀片由电机直接驱动,其传动比 i1,则电机的转速要求为3.2.3.5 电机轴伸的选择 根据产品整机装配要求,参照豆浆机电动机轴伸规格,初步确定电机轴伸为L81mm。3.2.3.6 电机型号的确定 综合考虑

37、多方面因素,选择深圳市龙威实业生产的永磁直流电机,型号为LW120?220,则电动机的技术参数如表3.9所示,其主要外形尺寸见图3.11。表3.9 电动机主要技术参数型号额定电压V额定功率W空载转速RPM负载参数轴伸mm寿命H质量Kg转速RPM力矩mN?mLW120-22022012010500880070811000.5图3.11 LW120?220型电动机主要外形及尺寸3.2.4 刀片材料选择与强度校核3.2.4.1 刀片材料选择 豆浆机刀片为与食物直接接触部件,其材料选择应符合GB9684-88不锈钢食具容器卫生标准的要求,外观平整光滑,材料选用奥氏体型不锈钢(1Cr18Ni9Ti,0C

38、r19Ni9,1Cr18Ni9),理化指标为表3.10 豆浆机刀片理化指标 根据以上标准,选择刀片材料为0Cr19Ni9,即常说的SUS304钢。其材料成分为 表3.11 SUS304材料成分 成分材料CSiMnPSNiCrSUS3040.151.002.000.0450.036.0-8.016.0-18.0 材料性能要求为表3.12 SUS304材料性能材料牌号屈服强度/MPa抗拉强度/MPa伸长率%断面收缩率%SUS3042055024060 刀片表面硬度及热处理要求:刀具的刃口需钝化及表面震动抛光,刀具硬度应满足HRC3844,在正常工作状态下,连续完成800次干豆豆浆制作程序循环,试验

39、完成后刀片不能有卷刃、裂纹、断裂、缺口等缺陷。3.2.4.2 刀片强度校核根据以上设计确定的刀片结构及参数,对刀片进行强度校核。刀片离心力:式中:m?叶片质量,Kg; ?叶片重心距轴心距离,m; ?刀片角速度,rad/s。取Kg,由刀片外径D70mm,有 17.5mm,根据所选电机负载转速为8800rpm,有则有 942 0.1N刀片根部拉伸应力:式中:F?刀片根部横截面积,。由d18mm,1.2mm,18,可算得1.7604则502MPa故刀片满足抗拉强度要求。液体流动切向力:式中:?轴功率,KW; z?刀片叶数; ?刀片平均半径处的圆周速度,m/s。取轴功率为豆浆机粉碎功率,则W0.069

40、6KW,刀片平均半径出圆周速度m/s,则 120.69N轴向力式中:?刀片产生的静压值,Pa; L?刀片全长,m; t?刀片平均直径圆周上的节距,m。取0.04P00.041.0105Pa4000Pa,L0.035m,r223.1454.96mm0.05496m则 载荷: 则 弯矩: 式中:?刀片根部截面法向与圆周切线之间的夹角,90-; ?载荷力Ph与圆周切线之间的夹角。取90-90-1080,arctanarctan3.65则120.930.50.035cos(80+3.65)0.234N?mG 最大弯曲应力:式中:W?叶片根部截面系数,W。则W4.3210-9m2则H.刀片根部总应力:则

41、 5.68 10-3MPa+54.17MPa54.18MPa刀片总应力:式中:k?安全系数,通常k1.2?1.5。取k1.5,则1.554.1881.27MPa因为205MPa,故刀片满足强度要求。3.2.5 刀轴结构设计与校核3.2.5.1 刀轴结构设计 根据刀片安装方式和装配要求,设计出刀轴的结构如下图所示。图3.12 刀轴结构刀轴轴径可按下式进行确定:式中:TN?电机转矩,N?mm; TA?轴材料经验常数. 根据GB9684-88不锈钢食具容器卫生标准的要求,选择电机轴的材料为SUS304,即0Cr19Ni9。参照TA的选取参照表,选择该材料的经验常数TA400。将TN70N?mm,TA

42、400代入上式,则轴径 84.47mm 考虑到轴端的扁平结构,将轴径放大12%以确保轴的强度,则轴的最小直径可取d(1+12%)4.475mm,d1取d16.36mm。3.2.5.2 刀轴强度校核 根据以上设计,对刀轴进行强度校核。由于该轴仅受较小的弯矩,所以只按扭转强度进行校核。轴的扭转强度条件为式中:?扭转切应力,MPa; T?轴所受的扭矩,N?mm;?轴的抗扭截面系数,mm3; ?许用扭转切应力,MPa;轴端危险截面处轴的截面如下图所示,图3.13 危险截面处截面则该截面的抗扭截面系数由下式计算根据上图可知d5,b4,t1,则则故刀轴满足强度要求。3.2.5.3 刀轴刚度校核 由于刀轴的

43、弯曲变形很小,此处仅按扭转刚度进行轴的刚度校核。 轴的扭转刚度条件为 ?式中:T?轴所受的扭矩,N?mm; G?轴材料剪切弹性模量,MPa,对于钢材,G8.1104MPa; Ip?轴截面极惯性矩,mm4,d4/32。取d6.36,则 1636.17mm4则 0.03/m0.5-1/m故刀轴满足刚度要求。3.2.6 粉碎系统临界转数校核 豆浆机在运转中轴会由于偏心荷重引起振动, 振动频率如与搅拌机的回转数一致, 则会引起共振, 导致整机震动过大甚至设备破损。因此, 在设计时应避免这一现象的发生。固有振动频率通常与刀轴的轴径、长度、刀片重量和安装位置有关,刀轴的临界转数可按下式进行计算: 式中:

44、E?轴的弹性系数,MPa; ?空心轴内径外径比; ?粉碎器悬臂长,mm ?粉碎刀片直径,mm; a?支承间距,mm; ?S点所有相当质量的总和,Kg。对刀轴进行分析,该轴为悬臂轴,简化其模型如下图所示图3.14 悬臂刀轴简化模型其中,可按下式计算:对于悬臂轴, 其中, 因为叶片旋转角2,故90-90-288,则cos0.030,则,取则取E206MPa, 则危险转数范围为(0.751.2)(0.751.2)224631684726956r/min,实际转数为N8800r/min,不在危险转数范围之内,所以刀轴符合临界转数要求。3.3 加热系统设计3.3.1 加热方式选择 目前,应用于家用电器的

45、加热方式有很多,如电饭煲的电阻加热,电磁炉的涡流加热,微波炉的微波加热等,各种加热方式原理不同,各有优缺点,其结构、成本也不相同。 表3.13 豆浆机几种加热方式分析序号加热方式优点缺点1发热管结构简单,成本低热源暴露不安全,加热不均易糊管,外观冗余不易清洗2发热盘结构简单,加热充分易控制,热源隐藏安全性好,成本低容易糊底3蒸汽加热均匀杜绝糊底,有利于大豆蛋白醇化结构复杂,成本高,存在安全隐患4电磁效率高速度过快不易控制,结构复杂成本高5微波加热均匀,效率高结构复杂成本高,辐射泄漏不安全 分析比较以上家用电器常用加热方式,根据豆浆机的加热要求及成本要求,此处选择第二种加热方式,即发热盘加热。原

46、理为发热管为一电阻丝,在电流的作用下将电能转化为热能,并将产生的热量传递给被加热的食物,从而达到加热效果。3.3.2 加热系统结构方案确定 该豆浆机设计采用电阻加热的方式,同时根据总体方案布局,所设计豆浆机的加热方式应采用隐藏式加热,即底部发热盘加热。根据要求,确定加热系统的结构方案为发热管和铝板合并之后一起钎焊在壶身底部,基本结构如图3.15。 图3.15 发热盘结构3.3.3 发热管设计计算3.3.3.1加热器功率计算 经研究表明,要提高大豆蛋白的溶出率,磨浆温度不能太高。为保证蛋白含量,一般要求起始磨浆温度为6070,即要求豆浆机发热管根据要求在初始加热阶段在6min内将水由室温加热至7

47、0。 初始加热阶段,计算机器加热功率,暂不考虑热损失,粗算加热功率有 其中,式中:K?电加热功率系数,通常取k1.2;C1、C2?分别为容器和介质的比热,KJ/Kg;M1、M2?分别为容器和介质的质量,Kg;T?所需温度和初始温度之差,; t?初始温度加热到设定温度所需要的时间,h。取C10.12 KJ/Kg,C21 KJ/Kg,M17.9103(/40.1520.001+0.150.0010.2)0.88Kg,M21.2Kg,T70-2545,t6/600.1h有 (0.120.88+11.2)45/(8640.1) 0.68KW680W则 1.2680816W,最终选择加热器功率为800W

48、。3.3.3.2 发热管改进设计 传统的发热管采用的是马蹄形结构,经用户反馈调查和测试验证,这种结构存在糊底及桶底鼓起的比例很高,分析原因,主要为原有的马蹄形结构发热管的有效加热面积只有桶底面积的3/4,使得底部加热不均匀,桶底受热不均造成鼓裂现象。现对发热管进行改进设计,将原有马蹄形结构改为如下图所示的“O”形结构,改进后使得桶身底部360均匀加热避免受热不均。 图3.16 改进后发热管结构 对改进前后的发热管进行表面负荷计算,有式中:P?发热管的功率,W; S?铝管的表面积,。 改进前 改进后S22r12r42rr1, 根据设计机型的整体布局要求,所选的发热管半径为 r41.25mm,发热

49、管截面半径r14mm, 则改进前发热管表面负荷 改进后发热管表面负荷 显然有W2W1,改进后的发热管表面负荷小于改进前,则在功率保持不变的情况下发热管单位面积上的发热量减少,可有效地避免糊底现象的发生。3.4 关键零部件选型3.4.1 防溢电极的选择 由于磨浆刀片的高速搅打以及蛋白质在加热条件下的变性特质,制浆过程中会产生大量的泡沫,并且煮浆反应釜相当于一个封闭环境,随着温度的升高,豆浆会产生假沸现象并有可能溢出豆浆机反应釜。为保证豆浆机的防溢要求,豆浆机采用防溢电极进行控制。防溢电极主要是以低电平以及表面温度为检测信号,即当有泡沫或有水将发热管的接地端与防溢电极接通或是表面温度达到一定值时,防溢电极将温度或是低电平信号反馈给电控板IC,再由IC发出相应的指令来控制电机及发热盘的工作。根据制浆控制要求,选择KCJ-06R型防溢电极,其规格参数如下表所示。 表3.14 防溢电极规格型号 防溢电极型号 外形图示 规格尺寸 KCJ-06R外形尺寸:24*12*61长*宽*高 动作温度:753 通断温度:39 R25100K3.4.2 温控器的选择 豆浆机防干烧保护采用可恢复的双金属片温控器及温度保险丝双重保护。 当豆浆机处于干烧状态时,发热盘底盘温度快速升高,防干烧温控器中的双金属片分离,电路断开,发热元件停止加热,达到干烧保护作用。选择温控器型号为KSD1,其规格参数