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XXX大學(xué)本科生畢業(yè)論文
臥式攪拌器結(jié)構(gòu)設(shè)計
院 (系)：機電工程學(xué)院
專 業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化
學(xué) 號：06071304
學(xué) 生 姓 名：XXX
指 導(dǎo) 教 師：XXX 講師
2010年6月
XXX工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文
摘 要
攪拌設(shè)備使用歷史悠久，應(yīng)用范圍廣，大量應(yīng)用于化工、石化、輕工、醫(yī)藥、食品、采礦、造紙、冶金等行業(yè)中。攪拌設(shè)備可以從各種不同角度進行分類,如按照攪拌裝置的安裝形式簡單分為立式和臥式，其中臥式主要是指攪拌容器軸線與攪拌器回轉(zhuǎn)軸線都處于水平位置。
本課題在國內(nèi)外攪拌器的研究與發(fā)展的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種新的帶有攪拌和振動排料功能的臥式攪拌器結(jié)構(gòu)設(shè)計方案以進行用于食品工業(yè)的面粉攪拌操作。該臥式攪拌器具有兩條傳動系統(tǒng)，第一條主傳動系統(tǒng)采用V帶和齒輪傳動實現(xiàn)攪拌操作，第二條傳動系統(tǒng)采用多楔帶和凸輪組合傳動實現(xiàn)攪拌箱體的振動運動。
本文對臥式攪拌器的基本結(jié)構(gòu)、基本尺寸進行了詳細設(shè)計，并利用PRO/ENGINEER對攪拌器結(jié)構(gòu)進行三維建模和運動仿真，以便更直觀地展現(xiàn)設(shè)計思想和進行結(jié)構(gòu)分析；然后，對設(shè)計零件進行了分析校核，保證攪拌器的可靠運行。
關(guān)鍵詞：臥式攪拌器；混合設(shè)備；面粉加工；食品工業(yè)
ABSTRACT
Mixing equipment has been used long time ago, and applied widely in the traditional processing industry such as chemical, petrochemical, light industry, medical industry, food, mining, papermaking, metallurgy and so on. Mixing equipment can be classified by many means. Horizontal type and vertical type can be classified according to the shaft seal's fixing method. Of the two type, the horizontal type means both the tank's axes and the shaft's spin axis are horizontal.
A new mixing equipment with the function of mixing and vibration. was designed in this paper on the basis of mixing equipment research home and abroad. It will be used in the flour mixing of food processing industry. This design has two transmission system. The one is comprised of belt pulley and gear to achieve the function of mixing, the other is comprised of belt pulley and cam to achieve the function of vibration.
The overall design of the mixing equipment's basic structure and its basic dimensions were presented, and in order to unfold the concept of design and analysis later, three-dimensional modeling was made by the software of PRO/ENGINEER, Then, the analysis examination to the design proposal was presented to guarantee mixing equipment's reliability.
Key words：horizontal mixer；mixing equipment；flour milling；food industry
目 錄
第1章 緒論 1
1.1 課題研究意義 1
1.2 攪拌器國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.3 臥式攪拌器發(fā)展趨勢 4
1.4 論文主要完成的工作 5
第2章 臥式攪拌器總體方案設(shè)計 6
2.1 引言 6
2.2 臥式攪拌器總體結(jié)構(gòu)方案 6
2.2.1 傳動方式確定 6
2.2.2 基本尺寸的確定 8
2.3 攪拌器性能指標(biāo)的設(shè)定 9
2.4 本章小結(jié) 9
第3章 臥式攪拌器結(jié)構(gòu)設(shè)計 10
3.1 引言 10
3.2 驅(qū)動元件的選擇與計算 10
3.2.1 驅(qū)動元件選擇原則 10
3.2.2 主電機的選擇及電機參數(shù)的確定 11
3.2.3 副電機的選擇及電機參數(shù)的確定 14
3.3 主傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 15
3.3.1 基本結(jié)構(gòu)的確定與選材 15
3.3.2 帶輪與齒輪的詳細設(shè)計 15
3.3.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 23
3.3.4 主傳動系統(tǒng)的支架設(shè)計及三維仿真 24
3.4 擺動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 25
3.4.1 基本結(jié)構(gòu)的確定與選材 25
3.4.2 帶輪齒輪與凸輪的設(shè)計計算 26
3.4.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計和擺動系統(tǒng)安裝的三維仿真 34
3.5 攪拌部分結(jié)構(gòu)設(shè)計 35
3.51 攪拌槳機構(gòu)設(shè)計 35
3.52 攪拌容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計 36
3.53 聯(lián)軸器的選用 37
3.54 止動扳手的機構(gòu)設(shè)計 38
3.6 本章小結(jié) 38
第4章 安全性計算與校核 40
4.1 引言 40
4.2 軸承的校核 40
4.3 軸的校核 41
4.4 鍵的校核 43
4.5 本章小結(jié) 44
結(jié) 論 45
參考文獻 46
致 謝 48
哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文
第1章 緒論
1.1 課題研究意義
理論上把任何狀態(tài)（固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)和半液態(tài)）下物料均勻摻和在一起的操作稱為混合，但習(xí)慣上常把固態(tài)物料之間摻和或者固態(tài)物料加濕的操作稱為混合；而把固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)物料與液態(tài)物料混合的操作稱為攪拌[1]。
攪拌與混合操作是應(yīng)用最廣的過程單元操作之一，大量應(yīng)用于化工、石化、輕工、醫(yī)藥、食品、采礦、造紙、農(nóng)藥、涂料、冶金、廢水處理等行業(yè)中。近年來，攪拌與混合技術(shù)發(fā)展很快、攪拌與混合設(shè)備正向著大型化、標(biāo)準(zhǔn)化、高效節(jié)能化、機電一體化、智能化和特殊化方向發(fā)展。在這種形式下，技術(shù)人員如何借鑒已有經(jīng)驗，掌握新的變化情況，正確設(shè)計與選用不同工藝條件下操作的攪拌與混合設(shè)備，使其滿足安全、可靠、高效和節(jié)能的要求，就變得十分重要了。
攪拌混合設(shè)備是各種工業(yè)反應(yīng)不可或缺的重要工具。然而，由于攪拌目的多樣性和混合反應(yīng)的復(fù)雜性，當(dāng)前，攪拌混合技術(shù)還存在著一些問題。例如攪拌效率低，功耗大，鑄造成本高，在自動化選型和設(shè)計問題上，長期以來一直依靠專家根據(jù)經(jīng)驗知識人工完成，智能化水平不高，設(shè)計周期較長，資金和人力物力消耗巨大，等等。因此研制新型攪拌裝置和采用先進流場測量技術(shù)一直是攪拌過程所研究的主要課題。
1.2 攪拌器國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
在食品工業(yè)中，混合是指兩種或兩種以上不同物料互相混合，成分濃度達到一定程度均勻性的單元操作[2]?；旌蠙C應(yīng)用于谷物混合、粉料混合、面粉中加輔料與添加劑、干制食品中加添加劑與調(diào)味粉及速溶飲品的制造等操作中，目的是使兩種或兩種以上的粉料顆粒通過流動作用，成為組分濃度均勻的混合物。
近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)理論的完善和進一步成熟，攪拌器的設(shè)計和制造獲得了飛速發(fā)展。但是，它也面臨著必需滿足合理利用資源、節(jié)能降耗和對環(huán)境保護要求的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。攪拌器在服從裝置規(guī)模經(jīng)濟化和品種多樣化的同時，正日趨大型化?；诠?jié)能要求，開發(fā)出變頻調(diào)速電機、小剪切阻力槳葉、以新型密封代替機械密封和填料密封，以磁力驅(qū)動代替機械驅(qū)動?；诮档彤a(chǎn)品總體成本、減少維修保養(yǎng)成本和提高設(shè)備品均維修間隔時間的要求，大大提高設(shè)備運行壽命。基于滿足衛(wèi)生和降低清洗和殺菌成本的要求，實現(xiàn)CIP（就地清洗）和SIP（就地殺菌），提高自動化水平，避免人與產(chǎn)品接觸，減少人工操作和待機時間，大大提高產(chǎn)品衛(wèi)生水平。這些都是現(xiàn)代新型攪拌裝置的研究方向，其中有許多方面已經(jīng)取得豐碩成果，有些方面還在進一步研究當(dāng)中[3]。
傳統(tǒng)的攪拌器密封裝置基本有四種,填料密封、機械密封、液壓密封和唇狀密封。前兩種密封同泵的密封類似。液壓密封最簡單,在攪拌器中用得最少。唇狀密封只適用于低壓、防塵、防蒸汽的密封，這種密封結(jié)構(gòu)也很少采用，最常用的密封是前兩種。其中機械密封成本較高,但泄漏率低；維修頻度是填料密封的二分之一到四分之一。
磁力驅(qū)動攪拌器的特點是以靜密封結(jié)構(gòu)取代動密封,攪拌器與電極傳動間采用磁力偶合器聯(lián)結(jié),不存在接觸傳遞力矩,能徹底解決機械密封與填料密封的泄漏問題。國內(nèi),威海自控反應(yīng)釜公司、開原化工機械磁力反應(yīng)釜廠、溫州中偉磁傳密封設(shè)備廠等均生產(chǎn)磁力攪拌器。瑞典NA型磁力攪拌反應(yīng)釜,攪拌器安裝在反應(yīng)釜底部,攪拌器與釜底齊平,易于拆卸,可靠、耐用和便于維修。磁力攪拌器的缺點是對于一些粘稠液體或有大量固體參加或生成的反應(yīng)尚不能順利使用,此時必須使用機械攪拌器作為驅(qū)動能源。
在新型攪拌槳葉的開發(fā)方面，很多公司都在積極開發(fā)具有適合于高黏度物料的槳葉的攪拌器,其中美國ROSS公司開發(fā)的新型雙行星式攪拌器是其中之一。同傳統(tǒng)的矩形長條形行星槳葉(見圖1.1 a)不同,新型的高黏度攪拌槳葉(見圖1.1 b)有一個精確的空間角度，使槳葉的轉(zhuǎn)動軌跡不但有力地推動高黏度物料向前運動,而且推動它向下運動,不產(chǎn)生爬升,而且比傳統(tǒng)的行星式垂直槳葉的阻力要小得多。傳統(tǒng)的行星式垂直槳葉有兩組,每組兩片垂直的扁長槳葉,當(dāng)這兩片槳葉在容器里面轉(zhuǎn)動時,產(chǎn)生極大剪切阻力,功耗大增,電流
（a） 傳統(tǒng)的行星式槳葉 （b） 新型HV槳葉
圖1.1 新舊攪拌槳葉對比
猛升。這個問題一直是傳統(tǒng)行星式垂直槳葉的要害所在。新型HV槳葉由于是螺旋式設(shè)計,兩組HV槳葉在交替轉(zhuǎn)過一個截面時幾乎是連續(xù)地在切斷物料,負荷是連續(xù)地處于平衡狀態(tài),從而消滅了電流的浪涌現(xiàn)象。德國INOTECH公司采用錐形攪拌原理的攪拌頭,既可攪拌低黏度,也可攪拌高黏度物料,其形狀如圖1.2所示。
圖1.2 攪拌低粘度和高粘度物料的慢速轉(zhuǎn)動的攪拌頭
這種攪拌頭的顯著優(yōu)點是:以比較慢的速度攪拌,但攪拌時間短,攪拌時不吸入空氣,不起泡沫,無須加熱,對物料的動作是柔和的,節(jié)省能量,一次完成,便于安裝,既可用于攪拌化學(xué)品,也可用于攪拌食品。
在新型轉(zhuǎn)子-定子攪拌技術(shù)方面進展也很迅速，轉(zhuǎn)子-定子攪拌技術(shù)可制造亞微米級的各種乳化劑,美國ROSS和IKA公司生產(chǎn)的這種攪拌器,其產(chǎn)量約比相同功率的膠體磨或均質(zhì)機大十倍。其原理是令轉(zhuǎn)子在極高速度下轉(zhuǎn)動,使轉(zhuǎn)子尖端速度極大,由于轉(zhuǎn)子和定子之間的速度差,在轉(zhuǎn)、定子間隙中產(chǎn)生極大的剪切能和湍動能,可使物料在被攪拌的同時,被破碎到亞微米級。
多功能化和攪拌過程的自動化是二十一世紀(jì)提高攪拌產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量和滿足環(huán)境保護要求的主導(dǎo)方向,目前有如下幾個發(fā)展趨勢[4]:
（1）多軸攪拌機，它配備三套獨立傳動的攪拌裝置。一套是沿著攪拌容器周邊慢速轉(zhuǎn)動的三翼錨式攪拌槳,使物料產(chǎn)生激烈的軸向和徑向流動,促使物料良好的混合和傳熱；第二套是定/轉(zhuǎn)子式剪切裝置和高速分散頭。
（2）雙行星攪拌器與變速驅(qū)動裝置的組合，這一構(gòu)想使得即使在極低轉(zhuǎn)速下也可獲得極大扭矩。而低轉(zhuǎn)速攪拌對于制造高性能的硅膠、樹脂、橡膠添加劑、牙科材料、金屬和陶瓷粉等是非常重要的。
（3）行星槳葉與高速分散器的組合，采用這種組合的攪拌器,被處理物料的黏度可高達120萬厘泊。行星槳葉和分散頭在環(huán)繞容器轉(zhuǎn)動時各有自己的轉(zhuǎn)軸,行星槳葉將物料傳送到分散頭。高速分散頭則對物料施加剪切力。
（4）自動卸料和互換攪拌容器，由于粘稠材料人工卸料很困難,很多廠家都采取自動卸料措施。自動卸料系統(tǒng)大大減少了人工卸料的停機時間。不但大大提高了產(chǎn)量,消滅次品,還保證了產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。由于操作人員與產(chǎn)品的接觸大大減少,產(chǎn)品不受污染的安全性也大大提高了。
1.3 臥式攪拌器發(fā)展趨勢
隨著近幾年科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展和相關(guān)理論的進一步完善，完全可以相信攪拌器的設(shè)計和制造將會取得更大發(fā)展，其在社會生產(chǎn)中也會發(fā)揮越來越重要的作用。并且攪拌器在服從裝置規(guī)模經(jīng)濟化和品種多樣化的同時，未來的新型產(chǎn)品也會越來越滿足合理利用資源、節(jié)能降耗和對環(huán)境保護的要求。
1.4 論文主要完成的工作
臥式攪拌裝置主要由三部分組成：主傳動部分、攪拌葉片及擺動部分。主傳動部分包括一個異步電機和減速系統(tǒng)。攪拌葉片為螺帶式攪拌葉片，為的是能讓物料在攪拌過程中更高效率的混合。擺動部分包括一個異步電機和擺動系統(tǒng)。本論文的主要研究內(nèi)容如下：
（1）總體方案設(shè)計
通過對國內(nèi)外的攪拌器發(fā)展現(xiàn)狀的研究，以及對食品設(shè)備設(shè)計原則的學(xué)習(xí)，在吸取寶貴經(jīng)驗的同時也加入自己的一些改進，制定自己的設(shè)計方案。
（2）臥式攪拌器的結(jié)構(gòu)設(shè)計
有了總體的設(shè)計方案，將攪拌器的結(jié)構(gòu)分成主傳動系統(tǒng)、擺動系統(tǒng)、攪拌部分和機架四大部分，然后分別對這四部分進行詳細設(shè)計，
（3）零件安全性校核
當(dāng)完成各部分的零件設(shè)計后，還要進行安全性校核。本論文主要對處于最復(fù)雜受力狀態(tài)下的軸、軸承、鍵以及電機進行了校核計算舉例，其他各個零件的校核計算并沒有寫到論文中。
（4）三維建模與運動仿真
對所設(shè)計的攪拌器進行安全性校核計算后，發(fā)現(xiàn)沒有不符合要求的零件，然后利用PRO/ENGINEER軟件完成三維實體建模。建模的目的便是讓自己的設(shè)計更加直觀，同時還很容易檢查各處結(jié)構(gòu)是否存在干涉現(xiàn)象，再進行運動仿真，觀察運動狀態(tài)是否符合設(shè)計目的。
第2章 臥式攪拌器總體方案設(shè)計
2.1 引言
食品機械與設(shè)備的特點是食品原料、加工過程和食品成分方面的特殊性的反映。總體而言，食品加工機械與設(shè)備具有以下特點：機械可移動性；防水防腐蝕性；衛(wèi)生要求高；自動化程度高低不一。
2.2 臥式攪拌器總體結(jié)構(gòu)方案
臥式攪拌器的攪拌容器軸線與攪拌器回轉(zhuǎn)軸線都處于水平位置；其結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，卸料、清洗、維修方便，可與其他設(shè)備完成連續(xù)生產(chǎn)，但占地面積一般較大。這類機器生產(chǎn)能力（一次調(diào)粉容量）范圍大，通常在25～400kg/次左右。它是國內(nèi)大量生產(chǎn)各種面食制品的各食品廠應(yīng)用最廣泛的一種加工設(shè)備。它的特點是，結(jié)構(gòu)簡單，制造成本較低，卸料清洗方便等，所以在食品加工中，如面包，餅干，糕點及一些飲食行業(yè)的面食生產(chǎn)中均得到了廣泛應(yīng)用。
2.2.1 傳動方式確定
（1）攪拌機形式選擇，本設(shè)計要求臥式攪拌，考慮攪拌形式與目的，采用容器固定式臥式攪拌機。
（2）傳動方案確定，因?qū)嚢杷俣纫蟛桓?，市場上已有的成熟產(chǎn)品攪拌速度約為30~60r/min，過高的轉(zhuǎn)速并不會產(chǎn)生良好的攪拌效果，相反還會造成能量的浪費。但是雖然轉(zhuǎn)速低，啟動轉(zhuǎn)矩卻很大，選用符合啟動要求的電機，電機轉(zhuǎn)速約2000r/min，因此傳動系統(tǒng)要采用較大減速比，考慮機器尺寸和振動噪聲要求，采用帶傳動和齒輪傳動組合機構(gòu)。初步設(shè)定的減速機構(gòu)示意圖如圖2.1所示。
2
3
6
4
5
1
1-小帶輪 2-大帶輪 3-攪拌軸 4-大齒輪 5小齒輪 6電機
圖2.1 傳動系統(tǒng)機構(gòu)簡圖
（3）擺動機構(gòu)確定，擺動運動的實現(xiàn)有多種機構(gòu)形式，四連桿機構(gòu)運動沖擊大，對桿的強度要求高；凸輪通過優(yōu)化運動軌跡則可以將運動沖擊大幅度降低，所以決定采用擺動從動件凸輪機構(gòu)。擺動機構(gòu)簡圖如圖2.2所示。
4
3
7
6
5
1
2
1-小帶輪 2-大帶輪 3-擺動臂 4-凸輪 5-大齒輪 6-小齒輪 7-電機
圖2.2 擺動機構(gòu)簡圖
2.2.2 基本尺寸的確定
本設(shè)計為小型攪拌機，根據(jù)其工作容量和操作人員的最佳操作位置，暫定攪拌機的外形尺寸為mm，其中攪拌軸軸線高度600mm，攪拌容器下半部分為直徑500mm的半圓筒，上半部分為mm的長方體，筒壁厚8mm，攪拌器葉片邊緣與筒壁間隙2mm，為了實現(xiàn)更好的攪拌效果，采用雙螺帶式攪拌器，攪拌軸直徑30mm，長1000mm，大螺帶直徑480mm，帶寬40mm，小螺帶直徑240mm，帶寬30mm。還有設(shè)定進料方式和出料方式，容器桶上部設(shè)蓋子裝填物料，下部開口卸放物料，為使物料快速卸放，安裝振動裝置使容器桶繞其軸進行左右小幅高頻振動，動力由另一個電機提供，將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成左右擺動。有了以上尺寸設(shè)定，合理布局電動機的位置，傳動裝置的布局，完成總體結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計，繪制機構(gòu)簡圖?？傮w機構(gòu)簡圖如圖2.3所示。當(dāng)然這只是一個初步的設(shè)計概念，在以后的具體設(shè)計工作中可能會出現(xiàn)部分機構(gòu)干涉現(xiàn)象，這時就需要對已定的一些尺寸進行必要的適當(dāng)?shù)男薷摹?
10
9
6
5
4
3
2
1
8
7
1-主電機 2-小帶輪 3-大帶輪 4-齒輪 5-攪拌容器 6-攪拌槳
7-凸輪 8-斜齒輪 9-帶輪 10-副電機
圖2.3 總體機構(gòu)簡圖
2.3 攪拌器性能指標(biāo)的設(shè)定
攪拌器工作參數(shù)不僅反映其所能勝任的工作，更重要的是決定設(shè)計方向和一些設(shè)計參數(shù)的選擇范圍。
對于主傳動系統(tǒng)，設(shè)定正常工作轉(zhuǎn)速60r/min，啟動時加速時間4s，穩(wěn)定運行時間5min，減速時間6s，停歇時間2min。
對于擺動系統(tǒng)，設(shè)定擺角幅度15°，擺動周期1s，運行時間1min，停歇時間6min。
攪拌容器為半圓柱形，尺寸如圖2.4所示。容器固定型攪拌裝置的裝料系數(shù)一般為0.5~0.6，本設(shè)計取0.58。
圖2.4 攪拌容器外殼尺寸
2.4 本章小結(jié)
本章通過分析研究食品工業(yè)機械的設(shè)計制造要求，確定了用于面粉攪拌的臥式攪拌機基本結(jié)構(gòu)方案和基本結(jié)構(gòu)尺寸，并對臥式攪拌機的部分工作參數(shù)進行了簡設(shè)定，為下一步的詳細計算做好準(zhǔn)備。
第3章 臥式攪拌器結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1 引言
上一章對臥式攪拌器的機械結(jié)構(gòu)總體方案進行了分析論證，本章將基于上一章已確定的基本結(jié)構(gòu)和基本尺寸進行詳細全面的設(shè)計工作，分別對每個部分進行詳細的分析設(shè)計，確定其具體結(jié)構(gòu)，詳細尺寸，繪制零件圖，裝配圖，并用PRO/ENGINEER進行三維建模。其中重點進行凸輪機構(gòu)的仿真，檢驗凸輪機構(gòu)能否正常工作，分析其受力沖擊特性。
3.2 驅(qū)動元件的選擇與計算
3.2.1 驅(qū)動元件選擇原則
攪拌設(shè)備的攪拌軸通常由電動機驅(qū)動，電動機選用一般依據(jù)以下幾個原則：
（1） 根據(jù)攪拌設(shè)備的負載性質(zhì)和工藝條件對電動機的啟動、制動、運轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求，選擇電動機類型。
（2） 根據(jù)負載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變化范圍和啟動頻繁程度等要求，考慮電動機的溫升限制、過載能力和啟動轉(zhuǎn)矩，合理選擇電動機容量，并確定冷卻通風(fēng)方式。
（3） 根據(jù)使用場所大的環(huán)境條件，如溫度、濕度、灰塵、雨水、瓦斯和腐蝕及易燃易爆氣體等，考慮必要的防護方式和電動機的結(jié)構(gòu)形式，確定電機的防爆等級和防護等級。
（4） 根據(jù)攪拌設(shè)備的最高轉(zhuǎn)速和對電力傳動調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程的性能要求，以及機械減速的復(fù)雜程度，選擇電動機的額定轉(zhuǎn)速。
除此之外，選擇電機還必須符合節(jié)能要求，并綜合考慮運行可靠性、供貨情況、備品備件通用性、安裝檢修難易程度、產(chǎn)品價格、運行和維修費用等因素。
根據(jù)上述原則，綜合考慮本設(shè)計的工作條件要求，確定電機類型為異步電機，防護方式防塵、防水濺以及防異物伸入。
3.2.2 主電機的選擇及電機參數(shù)的確定
1、攪拌功率的計算
在正常情況下，混合設(shè)備運轉(zhuǎn)時所消耗的功率包括以下幾部分：
（1） 使容器內(nèi)的粉粒體運動消耗的功率。
（2） 軸承、減速裝置和傳動裝置摩擦消耗的功率。
（3） 連續(xù)驅(qū)動容器本身或攪拌槳葉等回轉(zhuǎn)消耗的功率。
（4） 其他附屬裝置，如控制器等消耗的功率。
對于容器固定型混合設(shè)備，當(dāng)這類混合設(shè)備的螺帶葉片或攪拌槳回轉(zhuǎn)時，對于流動良好的粉粒體，可以通過實驗等到軸力矩。
（3.1）
式中
K—實驗系數(shù)，查表取K=45；
Dp—粒子直徑，m，查表取m；
—表觀密度，kg/m3，查表取kg/m3；
—內(nèi)摩擦系數(shù)，查表取=1.19；
Z—接觸螺帶的粉粒體層的高度或長度，m，本設(shè)計Z=0.78m；
d—葉片外徑，m，本設(shè)計d=0.48m；
s—螺帶節(jié)距，m，本設(shè)計s=0.78m；
b—葉片寬度，m，本設(shè)計b=0.04m；
f—裝料系數(shù)，本設(shè)計取值f=0.58。
參考已有實驗測出的參數(shù)表格，選擇機型為臥式螺帶，則指數(shù)值如下：
=0；=1.0；=1.2；=1.0；=3.3；=-0.3；=0.7；=1.2。
對于本設(shè)計，物料設(shè)定為面粉和砂糖的混合物，攪拌葉片與攪拌桶內(nèi)壁間隙為2mm，根據(jù)查詢的資料，估算混合物料的表觀密度，粒子直徑等參數(shù)，最后計算數(shù)值確定如下：
大螺帶轉(zhuǎn)矩
而對于小螺帶，計算時只需將葉片外徑d這一參數(shù)值替換為0.24即可，小螺帶轉(zhuǎn)矩
攪拌軸上總轉(zhuǎn)矩
攪拌軸功率
（3.2）
式中各參數(shù)
P—功率，W；
n—回轉(zhuǎn)速度，r/s，本設(shè)計取值n=1r/s；
T—軸力矩，。
所以攪拌軸功率
2、電動機額定功率的計算
電動機額定功率是根據(jù)它的發(fā)熱情況來選擇的，在允許范圍內(nèi)，電動機絕緣材料的壽命為15~25年。如果超過了容許溫度，電動機使用壽命就要縮短。而電動機的發(fā)熱情況，又與負載大小及運行時間長短有關(guān)。
攪拌設(shè)備的電動機功率必須同時滿足攪拌器運轉(zhuǎn)及傳動裝置和密封系統(tǒng)功率損耗的要求，此外還需考慮在操作過程中出現(xiàn)的不利條件造成功率過大等因素。
電動機額定功率可按下式確定：
（3.3）
式中各參數(shù)
PN—電動機功率，kW；
P—攪拌器功率，kW，由前面計算P=0.852447kW；
PS—軸封裝置的摩擦損失功率，kW；
—傳動裝置的機械效率。
軸封裝置摩擦造成的功率損失因密封系統(tǒng)的機構(gòu)而異，一般來說，填料密封功率損失大，機械密封的功率損失相對較小。但是考慮到設(shè)計的目標(biāo)功能與成本有機結(jié)合，最終采用了填料密封，作為粗略的估算，填料密封功率損失約為攪拌器功率的5%~10%，本次計算取5.8%，即軸封摩擦損失功率為
傳動機構(gòu)的效率是齒輪軸承帶這些零部件的效率乘積，開式圓柱齒輪傳動效率取0.9，帶傳動效率取0.96，滾動軸承效率取0.99，所以
電機額定效率
3、電動機功率的修正計算
電動機用于海拔高度超過1000m或環(huán)境溫度超過40℃、相對濕度超過95%時，均在訂貨時注明，并計算功率的降低程度，這是因為海拔高度、溫度和濕度都會對電動機的工作產(chǎn)生很大影響。本設(shè)計忽略海拔高度和濕度的影響，只考慮環(huán)境溫度造成的影響，電機額定功率按照下式進行修訂：
（3.4）
式中
—校正溫度影響后的電動機功率，kW；
—電動機額定功率，kW，由前面計算PN=1.084kW；
—溫度校正系數(shù)，根據(jù)表格查詢對應(yīng)25℃時的溫度校正系數(shù)為1.1。
所以電機額定功率
4、電動機的選擇
為保證系統(tǒng)滿足啟動要求和穩(wěn)定運行要求，選擇的電機額定功率為1.5kW，具體參數(shù)如下表3.1所示。
表3.1 交流異步電機的部分技術(shù)參數(shù)
名稱
額定功率
kW
額定電流
A
額定轉(zhuǎn)速
r/min
效率
%
質(zhì)量
kg
Y2-90S-2
2
3.4
2840
79
2.3
1.5
22
3.2.3 副電機的選擇及電機參數(shù)的確定
與前面計算主電機的過程相似，首先設(shè)定工作條件：擺動系統(tǒng)的擺動周期T=1s，擺動幅角，工作過程可以假設(shè)為整體箱體質(zhì)量集中為一點的擺動運動，該點距離回轉(zhuǎn)中心的距離L=R/2=0.125m，攪拌桶作為鑄造件，設(shè)密度均勻，值為，并且作為粗略估算，將其外形假設(shè)為外部mm且內(nèi)壁厚10mm的長方體，所以，整個攪拌桶質(zhì)量為
將所有質(zhì)量集中到攪拌桶外壁某一點，那么擺動過程中的轉(zhuǎn)矩為
擺動的等效角速度
擺動功率
計算電機功率，其中效率包括帶傳動、齒輪傳動、軸承以及擺動臂和凸輪之間的效率乘積，即
選擇電機Y132M-8，額定功率3.0kW，具體參數(shù)如下表3.2所示。
表3.2 交流異步電機的部分技術(shù)參數(shù)
名稱
額定功率
kW
額定電流
A
額定轉(zhuǎn)速
r/min
效率
%
質(zhì)量
kg
Y132M-8
3.0
7.72
710
82
2.0
1.2
79
3.3 主傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計
電動機已經(jīng)初步選定，轉(zhuǎn)速2840r/min，攪拌軸的轉(zhuǎn)速60r/min，傳動比大約為48，考慮到電機和攪拌軸的距離以及整個攪拌機的體積，采用一級帶輪傳動，傳動比初定為3，兩級傳動比為4的齒輪傳動。下面將進行詳細計算。
3.3.1 基本結(jié)構(gòu)的確定與選材
對于傳動比為3的帶傳動，傳動比不是很高，傳遞的功率也不是很大，使用普通V帶輪，材料HT200；齒輪傳動比為4，材料40Cr[5]。
3.3.2 帶輪與齒輪的詳細設(shè)計
1、帶輪的詳細設(shè)計
為計算帶傳動的結(jié)構(gòu)參數(shù)，首先設(shè)定一些工作條件，本設(shè)計載荷變動微小，帶負載啟動，每天工作小于10小時。
（1）計算帶輪的計算功率[7]
（3.5）
式中
—計算功率，kW；
—動載荷系數(shù)，查表選取1.1；
P—電機額定功率，kW。
所以
（2）選擇帶型，普通V帶Z型，節(jié)寬bp=8.5mm，頂寬b=10mm，高度h=6mm，截面積A=47mm2
（3）初選小帶輪的基準(zhǔn)直徑，因此外徑，轉(zhuǎn)速為=2840r/min，驗算帶的速度
其中的取值范圍是25~30m/s。
計算從動輪的基準(zhǔn)直徑
查表圓整后，外徑。
（4）確定帶輪的中心距和帶的基準(zhǔn)長度
初定中心距 （3.6）
初定
帶的基準(zhǔn)長度
取，實際中心距
中心距的變動范圍
（5）驗算主動輪上包角
包角滿足要求。
（6）確定V帶的根數(shù)
（3.7）
式中
所以，
（7）確定帶的預(yù)緊力。
單根V帶所需預(yù)緊力
（3.8）
其中 v—帶的線速度取最大值，m/s，即大帶輪上外緣點的線速度10.55m/s；
q—傳動帶單位長度質(zhì)量，kg/m，查表得數(shù)值0.06kg/m。
所以，
由于新帶輪容易松弛，所以對于非自動張緊的帶傳動，安裝新帶時的預(yù)緊力應(yīng)為上述預(yù)緊力的1.5倍。
（8）計算帶傳動作用在軸上的力
（9）V帶輪設(shè)計，關(guān)于V帶輪的形式：當(dāng)帶輪基準(zhǔn)直徑小于等于2.5倍的軸徑時，帶輪一般采用實心式；當(dāng)帶輪基準(zhǔn)直徑小于等于300mm時可以采用腹板式；當(dāng)帶輪基準(zhǔn)直徑大于300mm時，可以采用輪輻式。
帶輪槽型Z型，基準(zhǔn)寬度，基準(zhǔn)線上槽深，下槽深，槽間距，第一槽對稱面至端面的距離，最小輪緣厚，輪槽角小帶輪34°，大帶輪38°。
所以，帶輪寬
小帶輪設(shè)計，小帶輪軸徑d=34mm，，采用實心式
以下圖3.1和圖3.2所示為小帶輪的設(shè)計結(jié)構(gòu)。
圖3.1 小帶輪結(jié)構(gòu)尺寸 圖3.2 小帶輪三維仿真
大帶輪設(shè)計，,由于其基準(zhǔn)直徑已經(jīng)非常大，為了減少質(zhì)量，更重要的是降低轉(zhuǎn)動慣量，采用孔板式。
以下圖3.3和圖3.4所示為大帶輪的設(shè)計結(jié)構(gòu)。
圖3.3 大帶輪結(jié)構(gòu)尺寸 圖3.4 大帶輪三維仿真
2、齒輪的詳細設(shè)計
齒輪傳動比的分配為，齒輪材料鍛鋼，直齒圓柱齒輪，7級精度。傳動系統(tǒng)輸入功率
小齒輪轉(zhuǎn)速
齒數(shù)比u=4，設(shè)定工作壽命10年，每年工作300天，每天工作6小時。選擇小齒輪材料40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度280HBS，大齒輪材料45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度240HBS，二者材料硬度差40HBS。
初定小齒輪齒數(shù)Z1=24,大齒輪齒數(shù)。按照齒面接觸強度設(shè)計齒輪。
（3.9）
確定其中計算參數(shù)，
計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
查表[6]得接觸疲勞壽命系數(shù)，KHN1=0.92，KHN2=0.95，取失效概率1%，安全系數(shù)S=1，計算接觸許用應(yīng)力
將上述兩個數(shù)值中較小的值帶入公式中計算小齒輪分度圓直徑
計算圓周速度
計算齒寬
模數(shù)
齒高
因此，齒寬比，計算載荷系數(shù)，根據(jù)v=1.596m/s，7級齒輪精度，查得動載荷系數(shù)Kv=1.03，假設(shè)，查表知，使用系數(shù)(輕微沖擊)，因此
由，查彎曲強度計算的齒向載荷分布系數(shù)圖，得[7]，所以，載荷系數(shù)
按實際載荷系數(shù)校正分度圓直徑
計算模數(shù)
按齒根彎曲強度設(shè)計
（3.10）
確定式中各參數(shù)，
計算彎曲許用應(yīng)力，安全系數(shù)S=1.4，
計算載荷系數(shù)
查取齒形系數(shù)查取應(yīng)力校正系數(shù)計算大小齒輪的值，并比較大小。
大齒輪數(shù)值大，取用大齒輪的數(shù)值，
取m=1.5mm，分度圓直徑，齒數(shù)，大齒輪齒數(shù)。
齒輪幾何尺寸及安裝尺寸計算
分度圓直徑
中心距
齒輪寬
取小齒輪寬，大齒輪寬。
符合前面的假設(shè)，所以設(shè)計合理。小齒輪分度圓直徑不大，采用齒輪軸形式，大齒輪采用輪轂式，小齒輪軸機構(gòu)尺寸如圖3.5，大齒輪結(jié)構(gòu)尺寸和三維仿真如圖3.6和圖3.7。
圖3.5 齒輪軸結(jié)構(gòu)
圖3.6 大齒輪機構(gòu) 圖3.7 大齒輪三維仿真
3.3.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
通過以上計算，傳動零件計算完畢，現(xiàn)在進行傳動系統(tǒng)中軸的計算，軸的最小直徑由下述公式確定
（3.11）
A0與軸的材料有關(guān)，并且已有表格可以查詢數(shù)值。
考慮到小帶輪厚度大于驅(qū)動電機軸伸出的長度，小帶輪這里需要設(shè)計一根軸，材料定為45號鋼，調(diào)質(zhì)處理，查表可知A0的取值范圍在126~103，本設(shè)計取112，則小帶輪軸的最小直徑
軸徑最大值必然會小于100mm，而且在某些截面上會有鍵槽，根據(jù)規(guī)定，最小軸徑要增大5%~7%，即最小軸徑在9.5~9.68mm之間，在設(shè)計時將軸的最小直徑設(shè)計為24mm，設(shè)計出安裝帶輪、聯(lián)軸器以及軸承所需要的軸肩和鍵槽。
大帶輪所用的軸就是前面涉及過的齒輪軸，因此在這里不再贅述。大齒輪所用的軸材料45號鋼，調(diào)質(zhì)處理，A0取最大值126，功率
轉(zhuǎn)速，所以齒輪軸的最小直徑
截面會有一個鍵槽，最小軸徑增大7%，，以此為依據(jù)設(shè)計軸的結(jié)構(gòu)。
3.3.4 主傳動系統(tǒng)的支架設(shè)計及三維仿真
通過以上計算，主傳動系統(tǒng)的主要零件設(shè)計完畢，合理布局各傳動件的位置，然后設(shè)計減速系統(tǒng)的支架，設(shè)計時除了要考慮安裝方便與否外還要考慮鑄造加工的難易程度，最終經(jīng)過仔細的設(shè)計之后，再利用PRO/ENGINEER進行了整個傳動系統(tǒng)的組裝仿真，這樣可以更直觀地表達出設(shè)計理念，并且也更容易看出其中的問題來。圖3.8為傳動系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)外觀圖。
圖3.8 傳動系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)仿真
3.4 擺動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計
擺動系統(tǒng)是用來實現(xiàn)攪拌桶擺動運動的機構(gòu)，當(dāng)物料混合均勻后，攪拌運動停止，打開攪拌桶下面的排料口，物料就會流出，但是由于攪拌葉片與攪拌桶壁的間隙很小，物料在攪拌過程中受到的力也比較復(fù)雜，很容易產(chǎn)生積壓作用，即物料在表觀上呈現(xiàn)部分塊狀，不能夠憑借其自身重力落下來，此時就需要擺動系統(tǒng)使攪拌桶產(chǎn)生振動，將物料震下來。
3.4.1 基本結(jié)構(gòu)的確定與選材
在這里，實現(xiàn)擺動運動的機構(gòu)很多，但是為了盡量降低噪音，提高運行的穩(wěn)定性，在擺動部分決定采用擺動從動件凸輪機構(gòu)，而電機轉(zhuǎn)速一般都偏高，需要用帶輪進行減速，甚至需要用齒輪或渦輪蝸桿進行二級減速，前面的計算已經(jīng)選擇了一種同步轉(zhuǎn)速比較低的電機了，但是其轉(zhuǎn)速相對于本設(shè)計來說依然很高，綜合考慮電機的安裝方向和傳動比的分配，決定采用帶輪斜齒輪凸輪機構(gòu)，最終傳動比，帶輪傳動比比較大，使用多楔帶，帶輪材料HT150，斜齒輪承受震動沖擊，要采取硬度較大的材料，使用40Cr，調(diào)質(zhì)。
3.4.2 帶輪齒輪與凸輪的設(shè)計計算
1、 帶輪計算
小帶輪直徑初定60mm，電機輸入功率為3kW，設(shè)定載荷變動較小，則查表得工況系數(shù)，確定計算功率
選取多楔帶的型號PL，參考已有資料，確定小帶輪有效直徑，查表得有效線差，那么大帶輪的有效直徑
帶速
所以，帶速符合要求。
初定中心距，由公式（3.6）
暫定中心距332mm，帶的有效長度
查表取近似值Le0=1500mm。
實際中心距
小帶輪包角
所以包角也符合設(shè)計要求。
帶每楔傳遞的基本額定功率，功率增量，查表得包角修正系數(shù)，帶長修正系數(shù)，通過計算并且最終查表取整，多楔帶的楔數(shù)
有效圓周力
帶的緊邊拉力
帶的松邊拉力
作用在軸上的拉力
帶輪的機構(gòu)設(shè)計，小帶輪總長度，取120mm，小帶輪輪轂內(nèi)徑，外徑；大帶輪采用輪輻式機構(gòu)，輪輻數(shù)目m=4，輪輻寬度
軸徑定為d=45mm，厚度，大帶輪結(jié)構(gòu)尺寸和三維仿真如圖3.9和圖3.10所示。
圖3.9 多楔帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計
圖3.10 多楔帶輪三維仿真
2、 斜齒輪計算
斜齒圓柱齒輪傳動，齒數(shù)比，輸入功率，小齒輪轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)動要求平穩(wěn)，7級精度，工作壽命10年，每年工作300天，每天工作一小時。
首先選擇齒輪材料，小齒輪40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度280HBS，大齒輪45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度250HBS。初選小齒輪齒數(shù)，則大齒輪齒數(shù)。初選螺旋角=14°，
首先按照齒面接觸強度設(shè)計，
（3.12）
確定其中各參數(shù)
將上述參數(shù)帶入分度圓計算公式，
計算圓周速度
計算齒寬及模數(shù)
計算縱向重合度
下面計算載荷系數(shù)K
已知使用系數(shù)KA=1，根據(jù)v=0.47m/s，7級精度，查Kv=1.05。
齒輪非對稱布置，查得計算公式
校正分度圓直徑
計算模數(shù)
再按照齒根彎曲強度設(shè)計，設(shè)計公式為
（3.13）
確定其中的計算參數(shù)，
計算載荷系數(shù)，
根據(jù)縱向重合度，從圖中可以查得螺旋角影響系數(shù)
計算當(dāng)量齒數(shù)，
查取齒形系數(shù)，
查取應(yīng)力校正系數(shù)，
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，查圖得
，
計算
比較發(fā)現(xiàn)小齒輪的數(shù)值大。將所得的參數(shù)帶入到設(shè)計公式中，得到
由此可知，兩種設(shè)計方法均要求模數(shù)至少為1，為了提高齒輪承載能力，選用標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)，中心距
將中心距圓整為193mm。
按圓整后的中心距修正螺旋角
因值改變不多，故參數(shù)等不必修正。
計算大小齒輪分度圓直徑
計算齒輪寬度
取。
齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計，對于大齒輪，因齒輪齒頂圓直徑大于160mm，而又小于500mm，故以選用腹板式結(jié)構(gòu)為宜。其他有關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸均按照前面主傳動系統(tǒng)中直齒輪的設(shè)計方法設(shè)計。
將齒輪設(shè)計好后，利用三維軟件進行仿真。
3、 凸輪計算
ψ/rad
為了使設(shè)計更加簡捷同時實現(xiàn)擺動功能，決定采用等寬六圓弧凸輪[8]。首先，設(shè)定工作條件，等幅擺動運動，幅度15°，周期T=1s，位移曲線圖如圖3.11所示。
-π/12
π/12
t/s
1
0.5
圖3.11 凸輪位移曲線
然而，在設(shè)計時不能直接應(yīng)用此條曲線，因為在曲線的拐點處，速度變化快，加速度很大，因此那些點處的沖擊也非常大，會對凸輪機構(gòu)造成極大損害，所以要對上述曲線進行修正[9]。修正方法即是將速度突變處全部用光滑曲線替代，最后得到的修正曲線如圖3.12所示。
θ/deg
ψ/rad
Φ'
Φs
Φ
Φ's
π/12
圖3.12 凸輪修正位移曲線
凸輪勻速運轉(zhuǎn)，上述圖線橫坐標(biāo)為凸輪轉(zhuǎn)角，與時間是一一對應(yīng)的，設(shè)從動件靜止時間是運動時間的1/3。確定凸輪轉(zhuǎn)角，由凸輪等寬條件公式
（3.14）
解出最終結(jié)果，得。
由等寬條件公式知，。
從動件沖程估算為，帶入基圓半徑范圍公式中，得
取基圓半徑
計算偏心距
各段圓弧半徑計算
3.4.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計和擺動系統(tǒng)安裝的三維仿真
軸的設(shè)計計算與前面相同，也是首先根據(jù)傳遞功率計算軸的最小直徑，并以此為參考進行設(shè)計，在設(shè)計時考慮軸肩的位置，齒輪、凸輪以及軸承這些零件在軸上的定位方法，將這些設(shè)計好后，再合理安排這些零件在空間的布局，做到盡量少占用空間，結(jié)構(gòu)緊湊，但是也要同時注意不要產(chǎn)生干涉。
當(dāng)設(shè)計好后，利用PRO/ENGINEER軟件進行仿真，進一步檢查是否有不妥之處。以下圖3.13是擺動系統(tǒng)的三維仿真。
圖3.13 擺動系統(tǒng)機構(gòu)三維仿真
這部分仿真主要是為了檢驗凸輪能否正常工作，通過觀察發(fā)現(xiàn)凸輪能與擺動件良好接觸，進行運動仿真時設(shè)定電機勻速轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速710r/min，測定凸輪機構(gòu)從動件的位移、速度和加速度曲線，測定的曲線圖如圖3.14所示。圖中第一條曲線是位移曲線，和自己最初設(shè)計的曲線是一致的，第二條曲線是速度曲線，有較大的速度沖擊，第三條曲線是加速度曲線，可以觀察到有多個突變點，加速度沖擊也比較大，不過通過選取適當(dāng)?shù)牟牧吓浜蠒纳七@種影響，凸輪采用HT200，退火處理，硬度180~250HBS，從動件材料45Mn2，這樣的材料配合使得凸輪有足夠的硬度，從動件有一定的硬度也有一定的韌性。
圖3.14 凸輪從動件運動參數(shù)測定曲線
3.5 攪拌部分結(jié)構(gòu)設(shè)計
攪拌部分包括攪拌槳、攪拌容器以及附屬的止動扳手、聯(lián)軸器等零件。攪拌槳是機械攪拌設(shè)備的關(guān)鍵部件，攪拌操作涉及流體的流動、傳質(zhì)和傳熱，所進行的物理和化學(xué)過程對攪拌效果的要求也不同[10]；攪拌容器是物料攪拌操作的場所，設(shè)計時要求體積符合工作需要，但是質(zhì)量不能太大，否則會造成不必要的材料浪費和功率損失；止動扳手是用來限制攪拌容器運動的機構(gòu)；聯(lián)軸器是用來連接攪拌槳和傳動系統(tǒng)輸出軸的。以下為設(shè)計過程。
3.51 攪拌槳機構(gòu)設(shè)計
至今對攪拌器的研究還不夠，因而攪拌器的設(shè)計工作均帶有一定的經(jīng)驗性，從已有的產(chǎn)品選用或適當(dāng)改進。攪拌器的選用設(shè)計應(yīng)從以下幾方面考慮：
①有類似應(yīng)用，而且攪拌效果較滿意的可以選用相同攪拌器；
②生產(chǎn)過程對攪拌有嚴(yán)格要求又無類似攪拌器型式可以參考時，則應(yīng)對工藝、設(shè)備、攪拌要求、經(jīng)濟性等作全面評價，找出操作的主要控制因素，選擇合適的攪拌器型式；
③生產(chǎn)規(guī)模較大或新開發(fā)的攪拌設(shè)備，需進行一定的試驗研究，尋求最佳的攪拌器型式、尺寸及操作條件，并經(jīng)中試后才能應(yīng)用于工業(yè)裝置中[11]。
為了獲得較好的混合效果，本設(shè)計采用了雙螺帶式攪拌器，因為此種攪拌器有較好的循環(huán)性能，使得整個容器內(nèi)的混合效果比較好[12]。
攪拌槳的大螺帶槳葉半徑240mm，小螺帶槳葉半徑120mm，槳葉傾角27.36°，螺距240mm[13]，結(jié)構(gòu)設(shè)計如下圖3.15所示。
圖3.15 雙螺帶式攪拌槳結(jié)構(gòu)
中間的軸鑄造，軸上的支撐架焊接上去，螺帶為不銹鋼板彎曲后焊接到支架上，焊接后對接縫處進行處理，使表面盡可能光滑[14]。
3.52 攪拌容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計
攪拌容器作用是為物料攪拌提供合適的空間，攪拌容器的幾何尺寸主要指容器的容積V，筒體的高度H、內(nèi)徑D，以及壁厚等。前面在設(shè)定工作參數(shù)時已經(jīng)初步確定了容器的容積，在這里以前面的設(shè)定為基礎(chǔ)進行詳細的設(shè)計，由于攪拌槳運轉(zhuǎn)起來是一個圓柱形的工作空間，而且為了達到較好的攪拌效果，槳片與容器壁之間的距離又不能太大，一般是在2~5mm之間，本設(shè)計屬于中小型機械，取用2mm的間隙，容器底部因此大致為一個半圓柱形狀；為了裝料方便，容器上面采用揭蓋式結(jié)構(gòu)；為了出料方便省力，在容器底部設(shè)置出料口；為了減輕容器的重量同時還要保證必要的強度，取用10mm的壁厚[15]；容器采用鑄造的制造方式，最后表面鍍上防腐金屬材料[16]。
攪拌容器的裝配結(jié)構(gòu)仿真如圖3.16所示。
6
5
4
3
2
1
1-底蓋 2-容器 3-鎖 4-上蓋 5-轉(zhuǎn)軸 6-固定銷
圖3.16 攪拌容器結(jié)構(gòu)仿真
3.53 聯(lián)軸器的選用
本設(shè)計結(jié)構(gòu)需要使用兩個聯(lián)軸器。第一個是主傳動系統(tǒng)中電機與小帶輪之間，因為小帶輪相對電機軸伸出部分而言，比較長，所以小帶輪的軸和電機軸之間需要連接聯(lián)軸器，這里沒有什么特殊結(jié)構(gòu)上的要求，使用普通聯(lián)軸器即可；第二個聯(lián)軸器用在攪拌軸和主傳動系統(tǒng)之間，此處為了主傳動系統(tǒng)的拆裝方便以及系統(tǒng)內(nèi)各個零件的靈活拆裝，攪拌軸和主傳動系統(tǒng)之間有較大的距離，這么長的距離如果使用一根軸的話就要求加工和安裝精度很高，否則軸上就會產(chǎn)生很大的附加約束力，因此在此處將軸斷開，用一個彈性聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)，這樣對兩個軸的同軸度要求降低了，并且還有吸震作用，降低了傳動系統(tǒng)中齒輪受到的沖擊力[17]。
3.54 止動扳手的機構(gòu)設(shè)計
本設(shè)計的攪拌容器是可以擺動的，但是在攪拌運動進行時是不需要也不允許攪拌容器擺動的，因此需要設(shè)計一處止動裝置，使得攪拌器在運轉(zhuǎn)時，攪拌容器被固定，當(dāng)攪拌運動結(jié)束后，打開裝置，容器能夠恢復(fù)運動。
3
對于自動化程度沒有要求的設(shè)計產(chǎn)品，此功能可以簡單的由一個扳手實現(xiàn)，此結(jié)構(gòu)圖如下圖3.17所示。
4
5
6
2
1
1—攪拌桶 2—支架 3—扳手支座 4—彈簧 5—插銷 6—扳手
圖3.17 止動扳手結(jié)構(gòu)
圖中狀態(tài)攪拌容器沒有被卡住，可以擺動，當(dāng)扳手向右或左扳動時，扳手的轉(zhuǎn)軸與彈簧安裝底座的距離就會拉小，銷在彈簧力的作用下就會向左移動，深入到容器壁的孔中去，容器壁被卡住，當(dāng)扳手復(fù)位后，銷又伸出來，攪拌容器的運動又恢復(fù)正常。
3.6 本章小結(jié)
本章把臥式攪拌器的設(shè)計進行模塊化，并對各個模塊進行了詳細的設(shè)計，繪制其零件圖、裝配圖，并用PRO/ENGINEER對臥式攪拌器進行了三維建模，使設(shè)計更直觀的表現(xiàn)出來。更重要的是將凸輪機構(gòu)進行建模仿真，給定驅(qū)動電機的運轉(zhuǎn)參數(shù)，測量凸輪從動件的運動曲線，得出結(jié)論：設(shè)計的凸輪能正常工作，且滿足最初的運動軌跡要求，但是振動沖擊有些大，凸輪要提高強度，擺動臂要采用韌性比較好的材料，這樣才能保證凸輪機構(gòu)的運行壽命。
第4章 安全性計算與校核
4.1 引言
為了保障機械零件的強度和剛度，使攪拌器運行時具有足夠的安全性和可靠性，需要對其關(guān)鍵部分零件進行校核。本章就軸，軸承等關(guān)鍵零件進行剛度，強度校核。
4.2 軸承的校核
本設(shè)計中多處采用滾動軸承，且有些地方的軸承轉(zhuǎn)速很高，有些地方徑向力很大，為了保證攪拌器能在規(guī)定的工作壽命內(nèi)正常工作,不能盲目進行安裝使用,否則可能會出現(xiàn)一些意想不到的事故和現(xiàn)象。因此,必須對軸承進行一系列的校核和驗算,具體驗算內(nèi)容如下。
對于小帶輪軸處的深溝球軸承，軸承軸向載荷，徑向載荷
當(dāng)量動載荷
選擇載荷系數(shù)，定為無沖擊或輕載荷，1.0~1.2。
設(shè)軸承工作壽命與機器的設(shè)定壽命相同，
軸承應(yīng)有的基本額定動載荷
而本設(shè)計選用的軸承61907，其基本額定動載荷，符合要求。
對于其他的軸承也采用類似的方法校核，均可以正常工作。
4.3 軸的校核
本設(shè)計的軸要么承受明顯的轉(zhuǎn)矩，要么承受明顯的徑向力，受力情況比較簡單。當(dāng)時設(shè)計軸時雖然考慮到了在載荷影響下的最小軸徑，但是有些軸承受很大的轉(zhuǎn)矩，上面附加的各種傳動零件在運動中也會產(chǎn)生更大的載荷影響，因此需要對軸的強度進行校核。
下面以攪拌軸為例，進行扭轉(zhuǎn)強度校核。
軸的載荷分析圖如下圖4.1所示。
MH
FNH1
FNH2
Ft
FNV1
FNV2
FNH1
FNH2
G
Ft
Fa
MV2
MV1
F'NV1=Fa
FNV1
FNV2
Fa
Ma
T
M2
M1
圖4.1 軸的載荷分析圖
由前面的計算已經(jīng)知道，攪拌半徑，所以作用在攪拌葉片上的力可以粗略計算為，
此力為Fa和Ft的合力，螺帶傾角30°，所以，
攪拌軸重量粗略估計為，那么
攪拌軸有效長度，所以上述載荷分析圖中各個參數(shù)值計算如下，
軸的扭轉(zhuǎn)強度校核公式為
（4.1）
確定公式中各個參數(shù)，
將參數(shù)帶入上述校核公式（4.3）中，得到
所以，攪拌軸是安全的。
4.4 鍵的校核
本設(shè)計中在齒輪、帶輪以及凸輪中均使用了普通平鍵，有些部位傳遞的扭矩非常大，對于鍵的安全性需要校核。對于采用常見的材料組合和按照標(biāo)準(zhǔn)選取尺寸的普通平鍵聯(lián)結(jié)，其主要失效形式是工作面被壓潰，除非有嚴(yán)重的過載，一般不會出現(xiàn)鍵的剪斷。因此，只按照工作面上的擠壓力進行強度校核計算。
假定載荷在鍵的工作表面均勻分布，普通平鍵聯(lián)接的強度條件為
（4.2）
下面校核凸輪處的鍵，凸輪上面裝有兩個鍵，確定上述公式中的各參數(shù)，
通過計算和查資料得上述各參數(shù)值，
帶入以上數(shù)據(jù)得到
所以鍵的強度符合要求。
4.5 本章小結(jié)
本章對設(shè)計后的電機啟動轉(zhuǎn)矩、軸承壽命以及載荷、鍵受力參數(shù)以及攪拌軸等軸類零件進行了詳細的計算，對部分初選的關(guān)鍵零件進行了校核分析，充分保證臥式攪拌器的可靠運行。
結(jié) 論
本課題結(jié)合目前國內(nèi)外臥式攪拌器的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向，具體闡述了一種用于食品加工產(chǎn)業(yè)的臥式攪拌器的設(shè)計和開發(fā)過程。本文主要完成的工作如下：
1．臥式攪拌器總體結(jié)構(gòu)方案的確定。分析了臥式攪拌器的特點，確定了設(shè)計的基本結(jié)構(gòu)，并根據(jù)工作參數(shù)確定一些必要的設(shè)計基本尺寸。
2．驅(qū)動元件的選擇。通過計算選出滿足攪拌器使用要求的交流異步電動機，并詳細列出其技術(shù)參數(shù)。
3．主傳動系統(tǒng)的詳細設(shè)計。對攪拌器主運動進行分析計算，設(shè)計主傳動系統(tǒng)的各個零件，并利用PRO/ENGINEER進行三維建模。
4．?dāng)[動系統(tǒng)的詳細設(shè)計。對攪拌器的擺動運動進行分析計算，設(shè)計擺動系統(tǒng)的各個零件，并利用PRO/ENGINEER進行三維建模。
5．?dāng)嚢杵髌渌匾悴考脑敿氃O(shè)計，如機架和外殼等，確定零件結(jié)構(gòu)，繪制零件圖和裝配圖，并利用PRO/ENGINEER進行三維建模。
6．零件的強度和剛度計算與校核。對各個已設(shè)計零件進行強度和剛度計算，確保滿足使用要求，使攪拌器具有足夠的可靠性。
參考文獻
[1] 陳志平，章序文，林興華．?dāng)嚢枧c混合設(shè)備設(shè)計選用