蚕豆脱壳机机械结构设计【含10张CAD图带开题报告】
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充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸I蚕豆脱壳机机械结构设计THE MECHANICAL STRUCTURE DESIGN OF THE VICIA PEA SHELLER摘要蚕豆富含丰富的蛋白质和淀粉以及多种微量元素,可以为人体提供大量能量和营养,是重要的食品经济农作物。蚕豆在我国有悠久的种植历史,具有抗旱,高产,适应力强等特点。在中国的传统美食里蚕豆因其独特的风味、口感和加工方法,被用来制作发酵的酱菜;膨化类的香酥蚕豆;凉粉、罐头、芽豆等。蚕豆的出口贸易需要对蚕豆进行深加工,如蛋白粉淀粉的制取,蚕豆膨化食品的加工,豆瓣酱的制作等可以大大提高蚕豆的经济价值。在提取蛋白、制作蚕豆淀粉和生产蚕豆的深加工产品时需要对蚕豆进行初步的加工。蚕豆的初加工包括蚕豆的脱壳、筛选、分级、轧碎和蒸炒等。因蚕豆的自身特点,对蚕豆的脱壳作为蚕豆初加工最难也是重要步骤之一,显得尤为重要。脱壳后的蚕豆更容易加工,方便蛋白的提取,提高了淀粉的质量和饼粕的质量,同时使蚕豆食品更加美观。最早的蚕豆脱壳只有手工剥壳,手工剥壳效率低,对手指伤害大,不利于蚕豆的筛选品质不一。蚕豆的机械脱壳效率高,减轻了农民的工作量也提高了农民的收入,因此蚕豆脱壳机的研发迫在眉睫。好的脱壳机不仅要证加工效率,良好的机器运转,蚕豆的脱壳率完整度还需要考虑脱壳机的成本。因此脱壳机的设计就尤为重要,有合理的设计才能生产出高质量的受欢迎的机器。关键词蚕豆脱壳机 ; 皮带传动 ; 反复脱壳充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸IIAbstractFaba bean is rich in protein and starch, and a variety of trace elements. It can provide a lot of energy and nutrition for the human body. It is an important food economic crop. Faba bean has a long history of planting in China. It has the characteristics of drought resistance, high yield and strong adaptability. In Chinas traditional food, broad beans are used to make fermented pickles for their unique flavour, taste and processing methods; the puffed crisp broad beans; the cold powder, the canned bean, and the bean sprouts.The export trade of broad bean needs deep processing of the broad bean, such as the preparation of protein starch, the processing of the expanded food of the broad bean, the production of the bean paste and so on, which can greatly improve the economic value of the broad bean. In the process of extracting protein, making broad bean starch and producing deep processed products of faba bean, we need to make preliminary processing of faba bean. The initial processing of faba bean includes bean hull shelling, screening, grading, crushing and steaming. Because of the characteristics of faba bean, the shelling of faba bean is one of the most difficult and important steps in the initial processing of faba bean, which is particularly important.The bean after shelling is easier to process, facilitate the extraction of protein, improve the quality of starch and the quality of cake, and make the faba bean food more beautiful. The husk of the first faba bean can only be shelled by hand, the efficiency of manual shelling is low, and the damage to fingers is large, which is not conducive to the different quality of Vicia faba. Faba bean has high efficiency of mechanical shelling, reduces the workload of farmers and raises the income of farmers. Therefore, the research and development of faba bean sheller is imminent.A good sheller not only requires processing efficiency, good machine operation, but also needs to consider the cost of shelling machine. Therefore, the design of sheller is particularly important, and reasonable design can produce high quality.A popular machine.Keywords vicia pea sheller belt drive repeated shelling充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸III目 录摘要 .IIIAbstract .IV1 绪论 .11.1 脱壳机的概念 .11.2 脱壳机的应用 .11.3 蚕豆脱壳机的现状与发展前景 .11.4 这是我国最早的几种蚕豆脱壳设备 .12 蚕豆脱壳机的结构及原理 .32.1 蚕豆脱壳机 .32.1.1 基本结构 .32.1.2 工作原理 .32.2 蚕豆脱壳机的特点 .43 结构参数的选择与计算 .53.1 结构参数的选择 .53.1.1 主要参数 .53.1.2 刮板的初步确定 .5313 刮板的功率计算 .5314 传动方案的拟定和确认 .6315 电动机的选择 .73.2 V 带传动的设计选用 .83.2.1 确定计算功率 .93.2.2 选择 V 带带型 .93.2.3 带轮基准直径的确定 .93.2.4 中心距离的计算和带的基准长度确定 .103.2.5 主动轮上包角的验算 .103.2.6V 带的根数计算 z .103.2.7 预紧力的计算 .113.2.8 轴上作用的压力计算 .113.3 轴参数的计算 .133.3.1 轴的最小直径的初步确定 .143.3.2 拟定轴上零件的装配方案 .143.3.3 轴的各段长度确定和定位 .143.3.4 轴的强度校核 .15充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸IV3.4 刮板结构 .173.5 栅笼的设计 .183.6 箱体 .183.7 壳仁分离装置 .183.8 机架 .194.脱壳机的三维视图 .20结论 .22致谢 .23参考文献 .24充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸11绪论1.1脱壳机的概念脱壳机是通过击打挤压等方式,使农作物外壳和仁分离的机器。外壳阻碍了人们对农作物的食用和加工,影响了食物的口感和营养。我国很早就利用舂,碾等对稻谷,高粱等农作物脱壳。为了高效方便的脱壳,人们发明了脱壳机。脱壳机的脱壳方式主要有击打,挤压,和混合式。1.2脱壳机的应用最早的脱壳机只是为了保证壳仁分离方便食用,只运用于少部分主要粮食农作物。随着时代的发展和人们生活水平的提高,高效率,方便快捷,仁的完整度高的脱壳设备越来越受欢迎。1.3蚕豆脱壳机的现状与发展前景早期的蚕豆脱壳设备,豆瓣的破坏率达到了 9%,甚至超过 l5%。生产出来的豆瓣仁无法进行更多的深加工,以及出口等,只能粉碎或者榨油。豆瓣仁的完整率是蚕豆脱壳机是否先进的重要条件之一,从 60 年代以来我国相继研发出了各式各样的蚕豆脱壳机,都主要以蚕豆间的相互挤压和摩擦揉搓为主,但都存在许多缺点,导致脱壳效率和壳仁分离均不理想。直到 90 年代在已有的脱壳机的基础上不断的优化加强,研发出了新的以撞击和挤压两种方式结合的脱壳机,同时加入了许多新的脱壳零件。加工效率,脱壳率和豆瓣完整度重要指标均有很大提高。1.4这是我国最早的几种蚕豆脱壳设备1.开式纹杆滚筒脱壳机,此脱壳机的主要部件是编织式凹版和金属滚筒搅拌杆。凹版主要是由丝网编制而成,搅拌杆件由带纹路的金属棒制成。其结构如图 1-1 所示图 1-1脱壳作业时,滚筒转动,蚕豆在滚筒和凹版之间反复的挤压和摩擦。经过脱壳之后的蚕豆的体积会变小,蚕豆和壳可以由编制网的孔洞落下。此脱壳机的脱壳环境没有密充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸2封,凹版具有一定的弹性,属于柔性力脱壳。优点是蚕豆仁的完整度高,脱壳率高。缺点是脱壳效率不高,部分小粒的蚕豆未经脱壳就会落下,脱壳后没有将壳仁分离需要二次分离。2.立式转子脱壳机,此脱壳机主要由封闭脱壳箱体,钢条制成的转子,编织平底漏筛构成。该脱壳部件如图 1-2 所示。图 1-2在脱壳箱体里面,由料斗进入的蚕豆会随着转子的转动相互揉搓和挤压,由此进行脱壳。此脱壳方式属于柔性力。实验结果是蚕豆仁完整度高,效率有所提高。缺点是传动结构复杂,不利于设备的维护和零件的安装替换,成本比较高。3.开式扁条滚筒脱壳机,此脱壳机主要由 3 根钢条的滚筒,脱壳箱体,编织丝制成的凹版构成。编织凹板式蚕豆脱壳机部件如图 1-3。图 1-3进行脱壳作业的时候蚕豆会随着滚筒的转动在滚筒和凹版之间形成一个活动层,在活动层里面蚕豆会相互挤压和摩擦,从而脱壳。因为不是金属部件的直接碰撞和挤压,充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸3此脱壳机属于柔性力。试验结果此脱壳机的脱壳率,蚕豆仁完整度和生产效率等各项指标均比较理想。2蚕豆脱壳机的结构及原理2.1 蚕豆脱壳机2.1.1基本结构此蚕豆脱壳机主要由机架、刮板、栅笼、壳仁分离装置、箱体、电动机、传动带、轴主要机构和一些辅助零件构成。其结构图如下图 2-1 蚕豆脱壳机的结构图2.1.2 工作原理蚕豆脱壳机以前也称为刀笼剥壳机,当蚕豆通过进料口进入脱壳机构之后,在刮板与笼栅的反复击打和挤压之下脱壳,具有结构简单,操作方便易懂的特点。进料口是可调节的窄口,可根据实际情况调节进料的速度和量。将蚕豆分流成薄流层进入脱壳箱与高速转动的刮板的击打和碰撞下外壳破碎,从而完成第一次脱壳。余下充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸4的没有碰撞到或者没有完全脱壳的蚕豆将会落到由圆钢棒排列成构成的栅格上,栅格的间距比较小不能容纳一个蚕豆,刮板与栅格的间隙也不能容纳一个完整的蚕豆果。落到栅格上的蚕豆将会再次受到刮板栅格的击打挤压,再次脱壳。脱壳后的蚕豆由栅格落下,风机的吹动下壳仁分离,蚕豆壳被风由左侧吹出,蚕豆仁由出料口落下。2.2蚕豆脱壳机的特点蚕豆的脱壳是由上到下的,按顺序会经过集料斗、脱壳箱体、半圆钢棒栅格、下箱出料口、分选口,蚕豆仁收集口,由此设计的思路和顺序就可以确定了。集料斗是可以调节进料速度的,可以根据实际的脱壳效果调节,避免脱壳不理想,栅格拥堵超负荷。进料口末端应当与刮板最大旋转外径保持安全距离,防止手指不慎伸入造成意外。传动装置采用带传动为载荷多变和过载时起到保护作用,其结构简单,方便替换维修。脱壳后的蚕豆是由下方落出的,由此栅格可以设计为半圆栅笼,固定在脱壳箱的下半方,刮板和栅笼在损坏后都可以进行更换。壳仁分离装置的风机是可以调节的,可以根据实际情况进行风量调节,防止风量过大仁被吹走和风量过小壳仁分离不理想。分离通道设计一定的角度,被吹动的仁可以再次落入集料斗。机架的设计应当有方便抬的把手,放置后平稳,尽量轻便。同时机架具有支承、定位、连接作用。充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸53 结构参数的选择与计算3.1 结构参数的选择3.1.1 主要参数脱壳机结构尺寸: 1230mm1180mm1600mm物料名称: 蚕豆进料量: 0.604kg/s物料含水量: 5 %蚕豆纯仁率: 69 %蚕豆仁产量: 0.417kg/s充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸63.1.2 刮板的初步确定图 3-1 蚕豆下落示意图进行脱壳时,蚕豆会从料斗进入脱壳箱,当蚕豆与刮板碰撞时需要满足击碎蚕豆壳而且不损坏蚕豆仁,根据资料当刮板与蚕豆的相对速度为 6m/s 时刚好,由此可以确定刮板的转速半径。蚕豆会落在 之间,计算时应当取用 这个最小半径设计计算2R/2R(3-nrv1)取半径 ,则50mn=46.r/in结论: ,2Rn=46.r/i313 刮板的功率计算根据公式 可计算出刮板所需的功率tQP刮板对蚕豆做功(3-pkE2):蚕豆的动能改变量k:蚕豆的势能改变量充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸7(3-22121mvEk3)(3-gRmhp4))(212gvQ120.3267.95.=71.2P wt W假设剥壳时,蚕豆与刮板相碰撞速度为 ,运动方向是向下。离开刮板的速1m/s度为 ,运动方向向左,相对位置高度为 。15m/st=0.64kg/1v25/s=.R210.3267.95.71( .) 2=wQvgRmW经过计算可以知道,剥壳需要的能量为蚕豆与刮板的碰撞和栅格挤压之和,P 的最大值也不会超过 500w。V 带的传动效率和滚动轴承的传动效率分别为 、 。电动机12到剥壳装置的总效率为 。(3-5)wdp=P= (3-6)12n:=0.951=0.9921=0.945=531.63wdp314 传动方案的拟定和确认此蚕豆脱壳机里工作轴的转动速度比较高,达到了 。因此可以有 32458.6n=/rmin种方案选择。方案一:V 带轮一级传动。方案二:链传动二级传动。方案三:齿轮啮合二级传动。充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸8方案对比及各方案的特点方案一:带传动的传动比在 2 至 4 之间,带传动可以将电动机与脱壳的基础分离,以此减轻了电动机的震动影响,带传动比较平稳,一级传动结构简单,成本低,安装维护方便,带轮零件普遍损坏后易替换。当出现过载或者刮板卡住的情况时,带轮上的皮带会打滑,保护了其他的零部件,防止零件的破坏和电动机烧坏。带传动环境要求低,适合多种环境的工作。方案二:链传动的优点是传动效率高,整体尺寸小。缺点是链容易磨损后发生跳齿的现象,运行的时候噪音大造成噪音污染,负载的载荷不能有太大变化,不适合高速运转和有急速反向的机器。方案三:齿轮传动的优点是,效率高,结构紧凑,工作可靠寿命长,传动比稳定。但是他的安装精度要求高,齿轮间啮合结构紧凑,成本较高。而且齿轮传动对环境的要求较高,如果有杂物进入齿轮会导致传动零件的损坏,影响传动效果。齿轮结构复杂,发生故障后难以维护和零件替换,发生过载情况不能保护其他零件。经过多方面的对比和参考,方案一的成本比较低,环境适应力好,满足多方面的需求,所以选择方案一作为蚕豆脱壳机的传动方案。315 电动机的选择工业上一般选用三相交流电源,无特别要求的时候一般选用三相异步电动机。最常用的是 Y 系列笼式三相交流异步电动机。Y 系列的电动机具有效率高,起动转矩大,工作可靠,噪声低,振动小,维护方便,使用普遍易替换,单价便宜的特点。无特殊要求和无腐蚀,易燃,易爆的环境都适用。在许多行业和机械都有运用如:如:金属切削机床,水泵,鼓风机,货物运输器械,农业装备机械,食品制作机械等。额定的使用电压是380V,频率为 50Hz,适合普通家庭的使用。需要经常启动,制动的和反转的机械,要求电动机具有较小的转动惯量和较强的载荷能力,则需要选用起重及冶金用的 YZ(笼型)系列或 YZR(绕线型)系列异步电动机。电动机的结构形式,按安装位置不同,有卧式和立式两类;防护方式不同,有开启式,防护式,封闭式和防爆式。可根据不同要求选择电动机。按照计算所给的功率和同步转速,适合的电机型号有 4 种分别为 Y90L-4 型 Y90S-4 , Y90L-6 ,和 Y100L-6 型可以选用。按照电动机的型号计算满负载的情况下电动机的转速与刮板的转速总传动比,列出四种电动机的参数和传动比:由电动机的满载转速 和工作机主动轴的转速 可确定传动装置应有的总传动比mnwn总传动比计算公式:i=nm/nw (3-7)充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸9传动装置总传动比是各级传动比的连乘积,即i=i1i2in (3-8)如果是多级传动装置,就要将总传动比分配到各级传动机构去。表 3-1 四种电动机的各项参数方案号电机的型号额定功率 kw 同步转速r/min满载转速r/min总传动比 i1 Y90L-4 1.5 1000 1400 3.025234Y90S-4Y90L-6Y100L-61.11.11.515001000100014009109403.0251.9842.049经过对比可以知道:3,4 方案的总传动比小,转速低,但是价格比较高,经过综合对比 1,2 方案相对便宜,Y90L-4 是长机座 Y90S-4 是短机座,所以方案 1 比较好。电动机的基本参数查机械设计得:外伸轴径的长度是 ,中心高度为24m,轴的外伸长度为 。=90mH50m3.2 V带传动的设计选用带传动一般有以下几种常用皮带:V 带,平带,多楔带。在相同的环境里,V 带产生的摩擦力最大,因此 V 带的传动能力最强。V 带的结构紧凑,广泛应用于各种机械传动。按高度和宽度尺寸的不同,V 带又分七种,不过目前应用最广泛各项最优的是普通 V 带。蚕豆脱壳机的功率较小采用小功率电机,大小带轮之间采用普通的 V 带。V 带有普通 V 带,联组 V 带,齿形 V 带,窄 V 带,宽 V 带,大楔角 V 带等多种类型。标准的普通 V 带都制成无接头的环形。帘布芯 V 带制造方便,绳芯 V 带韧性好,抗弯强度高,多用于转速较高,载荷不大和带轮较小的场合。普通 V 带的截型分为 Y、Z、A、B、C、D、E 七种。图 3-2 普通 V 带传动示意图设计的各项参数和基本条件电机型号:Y90L-4电机额定功率: 1.5KW充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸10轴的转速: 1n=40r/mi带动比: =3.025i每天运转时间应该为:t63105420=( ) =1.L,hL滚动轴承的使用寿命合格。3.4 刮板结构刮板的作用是与蚕豆碰撞和挤压,使蚕豆脱壳,是最重要机构之一。刮板的安装:为了更加牢固和稳定的安装刮板,同时方便拆卸,这里采用四钢板十字交叉固定在旋转筒架上。其结构如图 3-8 所示充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸18图 3-5 刮板装配图刮板的材料选取:刮板将与蚕豆进行挤压碰撞,因此材料需要一定得强度和韧性。考虑到成本等多方面因素,这里选择的材料是 45 号钢。特种加工,刮板表面进行渗碳1-1.5mm,热化学处理,防止空气中的水汽锈蚀,增加刮板的强度韧性。挂板的尺寸:长宽=500mm129mm,厚度 8mm,数量 4 块相同的钢板。刮板的固定:刮板外缘距旋转中心距离 250mm。固定刮板的筒架内径为 30mm,外径 120mm,刮板固定支架长度为 140mm,截面尺寸 40mm20mm,每块刮板由两根固定支架固定,两者间采用 M10 螺栓联接。3.5栅笼的设计半栅笼在机器中的作用是分离出未脱壳或者脱壳不彻底的蚕豆,使其进行再次的脱壳作业,脱壳成功的蚕豆会落下。其结构如图 3-9 所示。充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸19图 3-6栅条是利用两块墙板对两端进行固定的,墙板材料为 HT200,栅条材料为 20 号钢。栅条采用 10圆截面长条,长度为 538mm,因为会受到蚕豆的挤压需要增加韧性和强度,需要对钢条进行特种加工,要求热处理硬度 HRC56-62,渗碳 1-1.5mm。栅条在两头的箱体墙上有固定的凹槽,加紧栅笼。栅条间距为 10mm,可以使脱壳成功的蚕豆仁顺利通过,而未脱壳的不能通过。半栅笼的内径为 m516。装上栅条后还需对其进行紧固加紧。3.6 箱体箱体的材料选用常用的价格比较低的 HT200,使用铸造成型方便批量生产。因为轴系零件是脱壳机的核心部件,可能频繁的安装拆卸,部件的更换。因此将箱体做成剖分式,分为箱盖和箱座。紧固零件采用普通的螺栓连接,便于维护更替。定位零件使用圆锥销。3.7 壳仁分离装置脱壳后的蚕豆会壳仁混合落下,并且分离到两个通道里。另一个通道连接出料口在箱体下方,还有就是壳与仁的收集板,它同样也安装在箱体下方,稍重的仁会由此从上而下落入出料口。一个是连接鼓风机的通道,因为壳比较轻会被吹起与仁分离由此通道吹出。考虑到实际情况,风机设计为可调节,按情况调节风的大小,避免壳仁分离不均匀,或者风力过大将仁吹出。3.8 机架机架设计的要求:1、为了方便搬运使用和降低成本,机架的重量应当尽可能轻,采用中空结构。选用价格便宜的金属材料。充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸202、结构应使机架上的零部件安装、调整、修理和更换都方便采用标准的螺纹链接;3、抗振性好,安放稳定;4、耐腐蚀性、耐磨性好外壳进行喷漆处理。整个机架采用 L63636 角钢焊接而成。采用 4 脚机架,增加稳定。采用普通螺栓联接,方便拆卸和零件的更换。充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸214.脱壳机的三维视图脱壳轴小带轮大带轮箱盖箱座充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸22栅笼料斗刮板蚕豆脱壳机装配图充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸23结论此次的设计涉及面十分广阔,包括材料的选取,焊接技术,零件的配合,动力系统等等。设计主要针对了刮板的运动、V 带的传动机架的设计,其中零件大多采用45 号钢制作,机架考虑到成本等选择角钢。设计过程中主要进行了基本结构设计、参数的选择与计算、传动功率计算等。调整杆进料口用来调整排料口大小,轴承选用深沟球轴承 6205,鼓风机需要能调节风量的大小保证壳仁的分离。采用 V 带传送因其运行平稳,有缓冲吸震、维护方面等优点。刮板采用螺栓连接保证了刮板的牢固和可更换。栅格的加入保证了为脱壳的蚕豆可以继续反复脱壳,保证了脱壳率。此外,零件的替换,保修,安装等也需要考虑。连接部位的防护和紧固也要考虑。对于蚕豆脱壳机的设计说明,将我大学所学的知识进行了系统的联系,提高了我对知识的运用和连贯。在此次的设计里我还需要进行综合考虑,工作环境,成本,外观,市场需求等。当然此次设计只限于理论阶段,实际的运用可能仍然有许多不足需要改进。充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸24致谢在这里我首先要感谢毕设指导老师 3 个月的细心指导,不耐其烦的讲解和督促,我才能顺利的完成此次毕业设计。在 4 年的学习生活里,我学到了许多知识,同样也有许多的不足,是毕设指导老师的帮助下我才能将知识运用到实际的应用中去。同样我也要感谢学院的授课老师,在这 4 年的学习生活里,无私的倾囊相授,为我打下了知识的基础。毕业设计不仅仅对大家所学知识进行了一次检测,同样让我学会了学以致用。培养了我们自主学习和查找翻阅知识的能力。在以后的日子里,我将牢记教诲。更加努力将严谨细致的态度带到生活中去。充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸25参考文献1 周瑞宝 蚕豆加工技术 M 北京:化学工业出版社 2003.12 陈国定,吴立言,濮良贵,等机械设计M北京:高等教育出版社,20063 孟宪珍蚕豆脱壳机的设计和试验J国外农机。19804 尚书旗,刘曙光,王方燕蚕豆生产机械的应用现状与进展分析J蚕豆学报,2003,(增刊)5 张效鹏,张嘉玉蚕豆脱壳机的不同部件对蚕豆脱壳性能的影响J莱阳农学院学报,1990,7(1) 6 王延耀,张岩,尚书旗,等气爆式蚕豆脱壳性能的试验研究J农业工程学报,1998,14(1)7 王智才我国农机市场需求及发展前景J农机质量与监督,2002,(5)8 成大先 机械设计手册.第 3 卷 M 北京:化学工业出版社 2004.19 肖旭霖 食品机械与设备M 北京:科学出版社,200610 中国标准出版社第一编辑室 中国食品工业标准汇编M 北京:中国标准出版社,200411 芦书荣,张翠华,徐学忠,江晓明 机械设计课程设计M 成都:西南交通大学出版社 2014.212 濮良贵,纪名刚 机械设计M 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Shao Da Liu,Li Xue Zhu. Advanced Materials Research. 2011(197)15Optimizing the Performance of a Manually Operated Groundnut (Arachis hypogaea) DecorticatorJ. A. N. Gitau,P. Mboya,B. N. K. Njoroge,M. Mburu. Open Journal of Optimization. 2013(01)16The Computer Aided Design Intelligent Design System of Threshing Parts of Combined HarvesterJ. Fei Yu,Tian Yu Feng. Applied Mechanics and Materials. 2012(235) 可在网上 www.sciencedirect.com科学指导能源(2017)321Procedia 142 327第九应用能源国际会议,ICAE 2017,21-2017 年 8 月 24 日,英国加的夫风振式能量收割机(WIFEH)建筑一体化的研究Angelo I. Aquinoa,*, John Kaiser Calautitb, Ben Richard Hughesa英国谢菲尔德大学机械工程系英国诺丁汉大学建筑与建筑环境系摘要在这个现代时代,低能设备无处不在,尤其是在考虑它们在建筑环境中的应用时。本研究探讨了建筑整合与能源整合的可能性。 风力诱发颤振能收割机(WIFEH)的处理能力,这是一种微型发电机,旨在为低功率应用提供能源。本工作进行了实验研究。 f 风洞内的 WIFEH 模型和与 WIFEH 系统集成的建筑物的计算流体力学(CFD)模型研究。实验对不同风作用下的 WIFEH 进行了研究。 风洞风速在 2.3 至 10 米/秒之间变化,以测量设备的感应电压产生能力。的 wifeh 能够产生 3 伏的电压有效值、峰-峰值电压 当气流为 2.3 m/s时,寿命为 8.72 V,短路电流为 1mA.。随着风速增加到 5m/s,以及随后的膜片保留,rms 和峰值电压也随之增加。 短路电流也分别增加到 4.88 V、18.2 V 和 3.75 mA。仿真中采用坡屋顶式建筑模型,从文献中获得的 27间距。用于计算流体力学 将 WIFEH 集成到一座建筑中,由于该地区的流量最大化,建筑物屋顶的顶部产生了最高的功率输出。这个位置专业 介绍了 45进近角下最大功率输出,在装置位置为 6.2 m/s 的加速风作用下,估计产生了 62.4 mW 功率。的方法和结果 这项工作可有助于进一步研究世界城市发展综合方案在城市环境中的整合。2017 年作者。由 Elsevier 有限公司出版。由第九国际应用能源会议科学委员会负责的同行评审。关键词:气流;气动弹性颤振;建筑物;计算流体力学;模拟;风;风带1. 介绍目前,建筑占发达国家总能耗的 20-#number0#,超过了工业和运输部门的消费1。最重要的进步 发展风能1876-6102。2017 年作者。由 Elsevier 有限公司出版。由第九国际应用能源会议科学委员会负责的同行评审。10.1016/j.egypro.2017.12.05 一322 Angelo I.Aquino 等人 /能源程序 142(2017)321-327在建筑物中收获是显而易见的-使发电厂更接近电力用户。由于能源创造手段的共享和向公众传播,更高的能源效率 预计,随着对能源公司的依赖减少,碳足迹减少,经济得到全面刺激2。此外,分布式发电将成为一种新的发电方式。 减少电网的负荷,依赖柴油发电机(在停电时)和输电费用。一种新的和正在出现的替代通常涡轮机是风致颤振能收割机。在这个瞬息万变的世界里,低能发电设备越来越受到人们的关注。 离子由于其与自助式微型设备和无线传感器网络的潜在集成,特别是在城市环境中。这些微型发电机产生的功率足以 联合国发光二极管,独立无线传感器节点和小型液晶显示器3-5。与以涡轮为基础的发电机不同,WIFEH 是一种小型、轻便、经济的直接混合器。 不需要任何齿轮、转子或轴承的 Sion 能量收割机。风向张紧的薄膜或带周围流动,使薄膜颤振,启动连接的永磁体。 相对于一组线圈振动。这种运动导致电流在线圈中流动,从而产生电力6-8。2.文献综述与目标在低能风能治理方面,最开始的技术之一是被认为是“颤振型”能源收割机。这些装置可以代替传统的风涡轮机。 由于没有组件移动部件,ES 具有一定的优势,从而降低了生产成本,延长了系统寿命。同样重要的是要注意到基于颤振的风力机。 Gy 甚至可以设计成适应高度波动的风速和变化方向9。为了提高无线传感器网络(WSN)的使用寿命,人们对适合其规模的替代电源进行了不断的研究。WSN 技术 目前部署在毫瓦和微波功率范围10。对于小型能源收割机来说,这是一个吸引人和有利可图的利基,尤其是 w 型。 e 现被视为 WIFEH。该风力收割机利用气动弹性颤振将风能中的动能转化为电能。本文讨论了 WIFEH 能源治理潜力的评价问题。通过对收割机样机的试验研究,对其进行了评价。 内部风洞;和(Ii)通过 CFD 分析,有关外部条件和收割机位置对收割机发电能力的影响。实验分析将评估建造的 WIFEH 样机在不同风洞风速作用下的性能。cfd 分析将研究各种外部条件和设备位置对性能的影响。 世界卫生组织的成就。模拟将使用一个27 度高的山墙屋顶式建筑模型11。大气边界层(ABL)流将用于模拟入射风。3. WIFEH 样机风洞试验运行评价为了表征不同风速对收割机性能的影响,在风洞内搭建了样机并进行了试验。样机在风洞风洞中进行了测试。 W 速度,使测量 RMS 电压,峰值电压和短路电流产生的收割机响应于不同的风速。W 的示意图 ifeh 是图 1)而显示原型示意图在图 1 中描绘的定位是B)。在低速闭环风管风洞内,对单线圈、8 层 1.5 mm 厚、10 mm 直径磁铁的 WIFEH 原型进行了初步试验研究。 详见12。风洞有一个尺寸为 0.5、0.5 和 1 米的试验段(见图 2)。风洞中的流动在试验测试之前就有了特征。 e 试验段的不均匀性和湍流强度分别为 0.6%和 0.49%,符合推荐准则12。为了进行数据采集,该系统连接到位于风洞外的 Tektronix TBS1052B 数字存储示波器。风洞内的风速与风洞 m 的风速是不同的。 2.3 m/s 至最大值为(I)8m/s,不进行带重扣;(Ii)10m/s,带重新拉紧。应该注意的是重新调整,皮带的性能没有改善超过 8m/s。在不进行膜保留的情况下,观察到了自持续但不稳定的振荡,导致电压信号不正常。 headings 标题( heading 的名词复数 )Angelo I.Aquino 等人/能源程序142(2017)321-327 323 prototype500 mm1000 m洞试验段原型图 1。一个示意图)四(4 线圈安排)wifeh B)一 wifeh 风RetensionerFlutterFlutter membranea) Coil 500 mmb)FlutterMagnetmembrane WIFEH图 2。(一)的闭环风洞侧视图(B)wifeh 原型一个线圈配置显示颤振运动在 2.3 米/秒电压波形的相关属性,如最大值、峰峰值、均方根(RMS)的电压和频率可以在示波器的 7 英寸 WVGA TFT 彩色显示器即时观察。该仪器有 3%个垂直(电压)测量精度,允许用户看到所有信号的细节。测量了连续不间断生产的波形在示波器的液晶显示器显示和记录连接到示波器的 USB 存储设备。用于风洞试验的 wifeh 模型构建部分使用 3D 打印。铜线用于制造导电线圈铜漆包线40 号(标准线规)直径 0.125 毫米。圆形壳体三维使用 HP Designjet 3D 打印机打印。外壳外径为 54。阿曼达内径(孔直径为 12.5 毫米),20 毫米的间距和内外厚度为 12 毫米的绕组线圈。大约 2500 匝的线圈产生线圈。线圈的内阻测量为 1150 欧姆。相比之下,线圈用于设备中的传感器从 S. Frayne 了 38 AWG 搪瓷线约 25 欧姆 13 约 150 匝,电阻。交流电压波形产生的 wifeh 系统在受到一个恒定的 2.3 米/秒的气流是在图 3 所示,这是一个)形成了有规律的正弦波形。这第一次试验相当于风洞的初始和最小流速。测量为 3 V RMS 电压的均方根电压是可变电压源如 wifeh 有效值。最大电压读数为 3.84 V,峰值电压为 8.72 V。没有事先保留膜,风洞气流速度增加到 5 米/秒,观察和记录,如图 3 中 B 所示是再交流电压信号)。波形与前一种情况不一样,我们可以观察到锯齿波信号与锯齿波信号相似的更多转折点,信号的负峰值减小。5 米/秒风速记录有效值为 4.16 V,峰值至峰值18.4 V,最大值为 8.8 V。324 Angelo I. Aquino et al. / Energy Procedia 142 (2017) 321327该 wifeh 膜然后 retensioned 同时保持风洞气流速度为 5 米/秒的收割机系统当进行一个恒定的气流再次被记录的交流电压波形。再次观察到有小峰和主峰的正弦规律。这风条件下,微型发电机产生的电压 4.88 V 和 9.20 V,最大峰峰值是 18.2 V,如图 4 所示的一个)。图 3)的风致颤振能量采集器的开路电压(wifeh)无膜保留一个)在 2.3米/秒的流速 B)在 5 米/秒的流速4 的风致颤振能量收割机开路电压图 4(wifeh)膜保留 5 m/s 流速下1 米/秒的气流速度也有两例增加:(I)和(II)不带保留带保留,从 2.3 米/秒的开路电压和短路电流进行每个增量后用数字万用表,观察。可以说,在不带保留的最大开路电压和短路电流均为 6 米/秒的气流速度,超越有两变量显著下降。这是由于观察到,除了气流速度之外,与较低风速的情况相比,传送带开始表现出不太稳定的振荡。这种不稳定的颤振极大地影响了磁体线圈的相对动态定位,从而影响了导线圈的感应电压和电流。因此,气流速度和开路电压或短路电流之间的关系没有观察到是线性的(见图 5)。However, with retensioning of the belt the linear relationship between airflow and voltage / current resume. 这种趋势甚至持续到 10 米/秒的气流速度。图 5 电输出性能的无保留 wifeh 不同流速下:(一)开路电压短路电流(B)4.计算流体动力学(CFD)的 wifeh 融入建筑的分析该 wifeh 集成到一个系统建设为蓝本,通过 ANSYS Fluent CFD 模拟的气流模式,在建筑内部和周围的能量收割机速度大小和分布。这是为了使能源收割机在整个过程中的位置优化。各种建筑剖面。这项调查模拟了一个温和的微风,这是第 3 类在博福特风力规模。流采用标准 k- 湍流模型模拟,这是在建筑物周围风 11 流研究的一个行之有效的方法, 14 16 。图 6)显示一侧面横截面计算域内代表围绕建设综合 wifeh 气流分布的速度分布。图的左侧显示了米/秒气流速度的刻度。流体域中的等高线图是彩色编码的,与 CFD 彩色地图有关,范围从 0 到 5.9 米/秒。而在 wifeh 设备 R1 的速度分布的观点,R2 和 R3 上的图所示。结果表明,屋顶的形状和角度对 wifeh 的性能有显著的影响。在图中,很清楚的是,在屋顶背风处定位设备会导致由于这个地区风速低而产生的能量很少。然而,应该注意到,其他风向角的情况并非如此,例如,风向是相反的方向。因此,在建筑物安装设备时,位置测量、风评估和详细建模是非常重要的。在风速(嗯)4.7 米/秒和 0风向,R1 中的气流速度最高,而最低的是 4.5 米/ s 的 R2 观察 wifeh 位于屋顶的中央。图 6 B)显示一个视图截面计算域内代表围绕建设综合 wifeh 气流分布的速度分布。进场风廓线从该区域的右侧进入,气流在接近建筑物时减慢,并在拐角处加速。而在wifeh 设备 F1-F3 和 S1-S3 速度分布的观点是在图表顶部和右侧所示。在风速(嗯)4.7米/秒和 0风向,在 F1 和 F3 的气流速度最高,而最低的是 5.4m/s S2、F2 观察 wifeh位于气流回流区。图 7 比较了位于三个位置 F3、S3 和 R3 的设备在各种室外风速下的估计输出。在这三个地点中,在 30风向下,R3 的输出量最高,介于 2.5 到 15.2 V 之间,而F3 的输出量最低。Angelo I.Aquino 等人/能源程序 142(2017)321-327 325图 6。(a)建筑物 B 横断面侧面 视图的速度幅度轮廓)建筑物的横断面俯视图EstimatedPowerOutput(mW)3002001000 4R3S3F36810室外风速 (米 /秒 )图 7。各种室外风速的影响(嗯)对 F3 的位置 wifeh 估计输出,S3 和 R3326 Angelo I.Aquino 等人 /能源程序 142(2017)321-3275. 结束风致颤振能收割机具有成本低、模块化好等优点,在建筑环境中具有很高的应用价值。随着气流速度的增加,明渠的气流速度也随之增加- 由 WIFEH 产生的电路电压和短路电流。用数字示波器观测到正弦波电压信号,风洞风速为 2.3 m/s。 5 米/秒,皮带重新固定。5m/s 风量时,无带扣带时,波形变差。记录的有效电压分别为 3.0 V 和 4.88 V,最大值为 o。 F 分别为 3.84 V 和 9.20 V,风洞风速分别为 2.3 m/s 和 5m/s。在对 WIFEH 建筑位置的模拟方面,该建筑屋顶的顶点提供了最大的功率产量,该位置的产量最大,45 度的最高。 风相对于建筑物的接近。因此,WIFEH 装置的优化安装可以优先考虑建筑物的屋顶和后缘,以获得最高的 po。 可承受的发电,取决于风的条件,而不是前沿或表面中心。对 wifehs 数组可以为进一步扩大潜在的系统组装的可能性。结果说明使用详细的CFD 分析评价系统的意义 e 及其周围环境。详细的速度分布结果表明,CFD 能够评价建筑物周围设备的最佳定位。建模过程和 本工作提供的数据可供工程师和研究人员进一步研究 WIFEH 在城市环境中的整合。感谢我们要感谢英国文化协会(DOST-Newton 基金编号 209559487)为这项研究提供的资金。参考1 Prez-Lombard,L.,Ortiz,J.和 Pout,C.,“建筑物能耗信息回顾”,“能源与建筑”,第二卷。40,第 3 号,第 394-398 页,2008 年。2 Toja-Silva,F.,Lopez-Garcia,O.,Peralta,C.,Navarro,J.和Cruz,I.,“高层建筑建筑屋顶几何结构的经验启发式优化, 应用能源,第二卷。164,第 769-794 页,2016 年。3 胡永荣、张艺谋、徐、徐、林、L.、斯奈德、李玉良、王忠龙,“无线数据传输自力系统”,“纳米通讯”,第二卷。11,第 6 号,第 2572-2577 页,2011 年 6月4 朱,G,杨,R,王,S,和王,Z.,“基于横向 ZnO 纳米线阵列的柔性高输出纳米发电机”,纳米快报,第一卷。10,第 8 号,第 3151-3155 页,2010 年。5 胡永华、张艺谋、徐、徐、朱、G.、王振中等人,“合理单极组装高输出纳米发电机及其在驱动小型液晶显示器中的应用”,Nano Le;G.和Wang,Z.,“合理单极组装的高输出纳米发电机及其在驱动小型液晶显示器中的应用 泰特斯火山。10,第 12 号,第 50-25-5031 页,2010 年。6 阿基诺,A.I.,卡拉蒂特,J.K.和休斯,B.R.,“将航空弹性带与低能风能治理的建筑环境相结合”,第 209559487 期,p.。10.7 Aquino,A.I.,Calautit,J.K.和 Hughes,B.R.,“用于低能风能收集的气动弹性带的城市整合”,“能源学报”,第二卷。105,第 738 至 743 页,2017 年。8 Aquino,A.I.,Calautit,J.K.和 Hughes,B.R.,“风致颤振能收割机(WIFEH)与建筑环境整合的评估:实验和数值分析” S,“第 1-21 页。9 Arroyo,E.,Foong,S.和 Marchal,L.,“全方位风力飞扬式能量收割机的实验研究”,载于 ASME 2014 动态系统和控制会议,2014 年,p.。V003T53A002-V003T53 A002.10 Ramasur,D.和 Hancke,G.P.,“用于低功率无线传感器网络的风能收割机”,仪器和测量技术会议(I2MTC),2012 年 IEEE 国际,第 2623-2627 页, 二千零一十二11 Tominaga,Y.,Akabayashi,S.,Kitahara,T.和 Arinami,Y.,“不同屋顶高度的隔离山墙屋顶建筑周围的气流:风洞实验和 CFD 模拟”,“建筑与恩维”朗蒙特岛。84,第 204-213 页,2015 年。12 作者声明:“风工程和工业空气动力学杂志”,第一卷,第一卷。 125, pp. 180194, 2014.13 “(12)美国专利(45)专利日期:”,“第二卷。2,第 12 号,2009 年。14 Sofotasiou,P.,Calautit,J.K.,Hughes,B.R.和 OConnor,D.最佳环境条件的空间,“计算机与流体”,第一卷。127,第 146 至 160 页,2016 年。15 Shahzad,S.,Calautit,J.K.,Aquino,A.I.,纳斯尔,D.N.M.和Hughes,B.R.,“开放式工作场所的用户控制热椅子:CFD 和热舒适性能的现场研究,” 应用能源,2017 年。16 Kaiser,J.,Aquino,A.I.,Shahzad,S.,SNM,D.和 Richard,B.,“低能冷却风捕器的热舒适性和室内空气质量分析”,第二卷。0,第 3-8 页,2016 年。17 https:/www.sciencedirect.com/search?qs=Threshing%20machine&show=25&sortBy=relevanceAngelo I.Aquino 等人 /能源程序 142(2017)321-327 327
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