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摘 要
面筋脫水機(jī)是一種應(yīng)用比較廣泛的生產(chǎn)機(jī)械，但是當(dāng)前面筋脫水機(jī)存在諸多問題，如脫水效果差、生產(chǎn)成本高等。因此設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)自動脫水作業(yè)成為當(dāng)前的需求，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)在大量查閱面筋脫水機(jī)相關(guān)的參考文獻(xiàn)，對面筋脫水的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)，并最終確定采用螺旋式結(jié)構(gòu)方案，根據(jù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)方案對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)的設(shè)計(jì)計(jì)算，包括傳動系統(tǒng)、脫水部件以及其他相關(guān)零件，對螺旋直徑、螺距進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，對絞龍殼體、軸、支承件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證脫水機(jī)結(jié)構(gòu)合理可靠；結(jié)合相關(guān)強(qiáng)度計(jì)算和校核理論對相關(guān)零件進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算和強(qiáng)度校核，保證所設(shè)計(jì)的零件能夠滿足相應(yīng)的壽命和強(qiáng)度要求，包括主軸的設(shè)計(jì)計(jì)算、滾動軸承的選擇及壽命計(jì)算；同時查閱相關(guān)手冊，對面筋脫水機(jī)的使用相關(guān)事項(xiàng)進(jìn)行了簡要概述；最后，運(yùn)用CAD軟件完成了面筋脫水機(jī)裝備工程圖紙和相關(guān)零件圖紙的繪制。運(yùn)用三維軟件SolidWorks對面筋脫水機(jī)進(jìn)行了三維建模，包括面筋脫水機(jī)的主要零件，最終完成面筋脫水機(jī)的裝配模型的建立，并且使用ANSYS Workbench有限元分析軟件對主要零件進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。
關(guān)鍵詞：脫水機(jī)；螺旋式；脫水部件；SolidWorks；ANSYS
I
ABSTRACT
The gluten dewatering machine is a widely used production machine, but the current gluten dewatering machine has many problems, such as poor dewatering effect and high production cost. Therefore, designing a continuous automatic dewatering operation has become a current requirement. This graduated design consults a large number of references related to gluten dewatering machines, and correspondingly designs the structural scheme of gluten dewatering, and finally adopts a spiral structure scheme. According to the design of the structure, the design of the entire structure was calculated, including the transmission system, the dewatering components and other related parts. The spiral diameter and pitch were calculated and calculated. The structure of the auger shell, shaft and support was constructed. The design ensures that the structure of the dewatering machine is reasonable and reliable; the related parts are combined with the relevant strength calculation and verification theory to calculate the strength and check the strength to ensure that the designed parts can meet the corresponding life and strength requirements, including the design calculation of the main shaft, the rolling bearing The selection and life calculations; consult the relevant manuals at the same time, a brief overview of the use of gluten dewatering machine related issues; after the software AUTO CAD is used oppositely. completed drawing of gluten dewatering machine equipment engineering drawings and related parts drawings.and the use of three-dimensional software SolidWorks gluten dewatering machine for three-dimensional modeling, including the main parts of the gluten dewatering machine, and finally Completion of gluten dewatering machine assembly The establishment of the model, and completed the drawings of gluten dewatering equipment engineering drawings and related parts drawing.and the use of finite element analysis software ANSYS Workbench analysis the important parts static strength.
Key Words:Dewatering Machine; Screw Type;Dewatering Parts; SolidWorks;ANSYS
II
目錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 - 1 -
1.1 研究背景 - 1 -
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 - 1 -
1.3 面筋脫水機(jī)應(yīng)用場合 - 2 -
1.4 課題研究的意義 - 3 -
1.5 面筋脫水機(jī)結(jié)構(gòu)介紹 - 3 -
2 脫水部分設(shè)計(jì)計(jì)算 - 5 -
2.1 設(shè)計(jì)思想 - 5 -
2.2 螺旋直徑D計(jì)算 - 5 -
2.3 螺旋螺距計(jì)算 - 6 -
2.4 絞龍殼體的設(shè)計(jì) - 6 -
2.5 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) - 7 -
2.6 支承件的設(shè)計(jì) - 7 -
3 主要零件的計(jì)算 - 10 -
3.1 電動機(jī)的選擇 - 10 -
3.2 主軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 - 11 -
3.3 滾動軸承的選擇及校核計(jì)算 - 15 -
3.4 聯(lián)軸器的選擇 - 17 -
4 三維實(shí)體模型 - 19 -
4.1 面筋脫水機(jī)說明 - 19 -
4.2 絞龍及絞龍殼體實(shí)體模型 - 20 -
4.3 軸頭實(shí)體模型 - 21 -
4.4 左軸承座實(shí)體模型 - 22 -
4.5 底座模型 - 23 -
4.6 減速器及減速器支座模型 - 23 -
4.7 面筋脫水機(jī)模型 - 25 -
5 主要零件有限元分析 - 26 -
5.1 靜強(qiáng)度分析步驟 - 26 -
5.2 材料特性的定義 - 26 -
5.3 模型的導(dǎo)入 - 27 -
5.4 網(wǎng)格劃分 - 28 -
5.5 添加載荷約束 - 29 -
5.6計(jì)算結(jié)果分析 - 30 -
6 結(jié)論 - 32 -
參考文獻(xiàn) - 33 -
附錄1：外文翻譯 - 35 -
附錄2：外文原文 - 40-
致 謝 - 47-
面筋脫水機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1 緒論
1.1 研究背景
面筋脫水機(jī)是食品機(jī)械中行業(yè)中運(yùn)用較為普遍的機(jī)械類脫水裝置，其在淀粉等工藝中有著較為重要的地位，其性能的好壞直接影響到工藝成品的質(zhì)量，因此對面筋脫水機(jī)的工作性能提出了較高的要求。當(dāng)前面筋脫水機(jī)存在的主要問題包括：生產(chǎn)造價(jià)昂貴、脫水的效果不理想、耗水量較大等。
另一方面，隨著生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，脫水工藝也有了較大的改進(jìn)，在此情況下，對面筋脫水機(jī)提出了新的要求
在淀粉、谷朊粉等生產(chǎn)過程中，會用到各式各樣的加工設(shè)備，其中傳統(tǒng)的設(shè)備中包括間歇式面筋機(jī)、離心篩、沉淀池、三足式人工上卸料離心機(jī)、淀粉氣流烘干系統(tǒng)、谷朊粉烘干系統(tǒng)等設(shè)備。在機(jī)械行業(yè)飛快發(fā)展過程中，以上許多機(jī)器均已被排除市場，其中仍然在使用的設(shè)備僅剩有纖維分離和干燥設(shè)備。在越來越激烈的市場競爭中，和國內(nèi)外先進(jìn)的工藝設(shè)備相比，競爭力將會全方位落于下風(fēng)[1]。我國作為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大國，想要在小麥谷朊粉工業(yè)中得到長足進(jìn)步和占有一席之地，就必需痛定思痛，對工藝和設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)改造，以順應(yīng)發(fā)展潮流。工藝改造時先要進(jìn)行工藝路線的重新設(shè)計(jì)，討論方案的可行性，然后按照相應(yīng)的改造設(shè)計(jì)方案進(jìn)行設(shè)備的改進(jìn)。因此，各行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)代化程度直接取決于加工生產(chǎn)設(shè)備的現(xiàn)代化程度。
針對目前我國食品機(jī)械行業(yè)的迅猛發(fā)展，考慮到淀粉和谷朊粉加工設(shè)備的落后情況，我們提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)方案，即從國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)，結(jié)合實(shí)際情況，將過去落后的半機(jī)械化及開放式的傳統(tǒng)加工方法改進(jìn)為全自動化、封閉管道化的加工方法，從而實(shí)現(xiàn)加工過程中消耗低、成本低、效率高、投入低的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，達(dá)到低風(fēng)險(xiǎn)、高品質(zhì)、高回報(bào)的加工目標(biāo)。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
國內(nèi)在脫水設(shè)備上的研究發(fā)展落后于國外，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，脫水機(jī)的功能呈現(xiàn)多樣化，節(jié)能是一個大的潮流方向，同時在自動化方面，研究力度不斷加大，同時得到了一定的研究成果，實(shí)現(xiàn)了基本自動化，但是與國外還存在較大的差距；另一方面，在脫水效果方面，與國外差距還是較為明顯的。在加壓過濾設(shè)備方面，我國自主生產(chǎn)間歇操作的板框壓濾機(jī)、全自動或半自動的加壓板框壓濾機(jī)、加壓箱式過濾機(jī)及帶有壓棒膜的壓濾機(jī)等加壓過濾設(shè)備；在真空過濾設(shè)備方面，我國自主生產(chǎn)真空外濾面轉(zhuǎn)鼓過濾機(jī)、圓盤連續(xù)真空過濾機(jī)、真空碟片過濾機(jī)、真空內(nèi)濾面轉(zhuǎn)鼓過濾機(jī)、水平轉(zhuǎn)臺式連續(xù)真空過濾機(jī)、水平真空帶式過濾機(jī)等真空過濾設(shè)備[2]。目前，隨著國家實(shí)力提高，我國在過濾制造業(yè)方面有了很大的改進(jìn)，擁有了自主研發(fā)多功能復(fù)合過濾設(shè)備的能力。隨著市場對過濾技術(shù)要求不斷的提高，過濾設(shè)備也將面臨著改革，正朝著過濾效率離、濾液澄清且濾餅含水率低和更加經(jīng)濟(jì)性方向發(fā)展[3]。
1.2.2 國外研究現(xiàn)狀
二十世紀(jì)五十年代BF型真空室固定式水平帶型真空過濾機(jī)首次被薩拉公司研發(fā)成功，緊接著在六十年代由荷蘭帕尼維斯所研發(fā)的RT型真空移動式水平帶型真空過濾機(jī)問世，對當(dāng)時過濾機(jī)技術(shù)有了重大突破，減少了設(shè)備的占地面積。隨著市場的需求量加大，當(dāng)前設(shè)備不能滿足要求，在1953年日本栗田工業(yè)株式會社研制出自動化式板框型壓濾機(jī)，以及后續(xù)研制出連續(xù)壓濾式板框型壓濾機(jī)[3]。為了提高過濾面積，提高自動化程度，可由機(jī)器人操作的板框型壓濾機(jī)被俄羅在八十年代斯發(fā)問世。1963年由BHS公司首次研發(fā)出Bel型直角式水平帶型壓棒過濾機(jī)，其濾帶寬度6000mm，之后許多國家相繼對水平帶型壓棒過濾機(jī)法師研發(fā)。二十世紀(jì)六十年代，德國最先研制出螺旋擠壓過濾機(jī)，首次提出螺旋擠壓理論，后來螺旋擠壓技術(shù)被廣泛應(yīng)用，許多國家都開始制造螺旋擠壓過濾機(jī)，1990年美國Vincet公司在螺旋擠壓的基礎(chǔ)上研制出間斷式雙螺桿擠壓過濾面筋脫水機(jī)和低壓縮螺旋擠壓過濾機(jī)，螺旋擠壓過濾機(jī)具有耗能低，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，便于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。二十世紀(jì)八十年代初瑞士羅森蒙公司首創(chuàng)Nutre多功能型加壓過濾機(jī)，它結(jié)合了現(xiàn)代技術(shù)并進(jìn)行集成化，具有反應(yīng)、過濾和干燥一體化的特征，隨后意大利、日本、美國、俄羅斯、德國都研制出不同型號的多功能型加壓過濾機(jī)[22-23]。
1.3 面筋脫水機(jī)應(yīng)用場合
我國目前的食品加工，尤其是淀粉和谷朊粉的加工設(shè)備，多數(shù)只能通過從國外進(jìn)口，設(shè)備成本的巨大投入讓很多加工小型企業(yè)望而卻步，只能勉為其難使用效率底下的舊設(shè)備，如果不能正常實(shí)現(xiàn)淀粉與谷朊粉生產(chǎn)設(shè)備的現(xiàn)代化，將會造成大量的資金浪費(fèi)。面筋脫水機(jī)如圖1.1所示。
圖1.1 面筋脫水機(jī)
根據(jù)查閱與面筋脫水機(jī)相關(guān)的資料和文獻(xiàn)，以及根據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)廠家的設(shè)備對此設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)。小麥淀粉用處很廣，根據(jù)其特有性能，其在食品、輕工、造紙等諸多領(lǐng)域中有著較為廣泛的應(yīng)用。
我國是傳統(tǒng)食品大國，小麥年產(chǎn)量可以達(dá)到將近一億噸，但是，在這么久的發(fā)展中，小麥谷朊粉的生產(chǎn)始終沒能夠得到大多數(shù)廠家的重視，造成這種情況的原因主要可以概括為以下幾點(diǎn)：
（1）小麥在我國是較為常見的口糧，所以直接導(dǎo)致加工規(guī)模小、工藝落后；
（2）淀粉的黏度大，烘干困難，導(dǎo)致工業(yè)化進(jìn)程較難推動；
（3）小麥加工落后，導(dǎo)致污水處理困難，造成環(huán)境嚴(yán)重污染；
（4）谷朊粉為原料產(chǎn)品在市場上的需求量較小，導(dǎo)致加工設(shè)備落后，影響了谷朊粉的發(fā)展。
1.4 課題研究的意義
面筋脫水機(jī)，顧名思義用來對小麥加工過程中——谷朊粉的生產(chǎn)過程中濕面筋的脫水，與此同時，對于其它類型的粗纖維產(chǎn)品，同樣也可以進(jìn)行脫水工作。采用面筋脫水機(jī)可以使?jié)衩娼畛浞置撍?，處理。面筋首先?jīng)過的第一步充分的脫水處理后，再進(jìn)行干燥加工，最后得到的產(chǎn)品即所謂的進(jìn)谷朊粉，與此同時該設(shè)備還需要具有其它功能，就是對產(chǎn)生的淀粉殘水進(jìn)行回收、處理和再利用。根針對現(xiàn)狀，對國內(nèi)外較為先進(jìn)的設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)增加一個出水口是非常有必要的，經(jīng)過這樣的改造，可以使擠壓面筋后的淀粉殘水流出設(shè)備，使其得到充分回收，提高淀粉回收率。有效優(yōu)化生產(chǎn)環(huán)境，達(dá)到利益最大化。該設(shè)備同時在運(yùn)行過程中傳動平穩(wěn)，噪聲較小，在使用方面產(chǎn)品設(shè)備的定位準(zhǔn)確，設(shè)備外觀美觀大方，體積小，實(shí)用性強(qiáng)。
近年來，我國越來越重視糧食產(chǎn)業(yè)，制定了相應(yīng)的政策，所以市場對谷朊粉的需求越來越大，在大趨勢下，我國小麥加工產(chǎn)業(yè)得到飛速發(fā)展。尤其是國家大力支持新技術(shù)、新工藝的引進(jìn)政策，促進(jìn)了小麥的深加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，所以越來越多的相關(guān)企業(yè)像雨后春筍一般拔地而起，大大促進(jìn)了相關(guān)行業(yè)快速發(fā)展。
1.5 面筋脫水機(jī)結(jié)構(gòu)介紹
面筋脫水機(jī)的作用就是對面筋脫水，詳細(xì)來說就是將濕面筋送入脫水機(jī)，這部分功能是由高壓泵實(shí)現(xiàn)的，濕面筋在設(shè)備內(nèi)會受到軸向擠壓力和徑向擠壓力，主要是因?yàn)槊撍畽C(jī)內(nèi)部采用的變螺距結(jié)構(gòu)，經(jīng)過設(shè)備內(nèi)部的高壓擠壓，濕面筋中的水分通過底端處的網(wǎng)格通過擠壓被擠出來，同時面筋也經(jīng)此出來，落入網(wǎng)篩上的面筋順著網(wǎng)篩到達(dá)該設(shè)備的面筋出口；水也經(jīng)過出水口達(dá)到重新回收利用的目的。這就是所謂的濕面筋的脫水工藝。脫水所得的面筋還需進(jìn)行下一步的干燥處理。
我國目前的相關(guān)產(chǎn)品較為落后，只是簡單的通過篩網(wǎng)進(jìn)行脫水工序，但這樣的方式，并不能達(dá)到所想要的脫水效果，會對隨后的進(jìn)一步加工產(chǎn)生不良影響。另外一種脫水方式即螺旋擠壓式，使用絞龍推擠濕面筋。這種螺旋擠壓的方式，消耗資金較大，資源浪費(fèi)嚴(yán)重。
所以，綜合國內(nèi)外形勢，本設(shè)計(jì)決定采用變距絞龍式面筋脫水，即通過在殼體底端鉆孔的方式。如圖1.2所示為該設(shè)備的結(jié)構(gòu)參照示意圖，采用單軸形式。
圖1.2 面筋脫水機(jī)整體結(jié)構(gòu)
單軸面筋脫水機(jī)主要結(jié)構(gòu)主要有電動機(jī)、聯(lián)軸器、絞龍及其外殼、機(jī)架等部分組成的。
2 脫水部分設(shè)計(jì)計(jì)算
2.1 設(shè)計(jì)思想
通過查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)和設(shè)計(jì)手冊，初步確定選擇螺旋軸直徑d=(0.2～0.4)D，螺旋軸直徑取90mm；
確定螺旋轉(zhuǎn)速n：
n=Q47D2×sφ×γ0β4.1 (2.1)
γ0--輸送物料容重；
β0--修正系數(shù)；
S --螺距；
ψ--為裝滿系數(shù)；
螺旋輸送機(jī)的核心部件為螺旋軸，所以螺旋軸的計(jì)算在此次設(shè)計(jì)中也是重中之重，因?yàn)槁菪斔蜋C(jī)的尺寸設(shè)計(jì)一環(huán)扣一環(huán)，必須要等到螺旋軸的結(jié)構(gòu)尺寸選定之后才可以決定；還有輸送機(jī)功率得選擇也比較重要，所以還需要進(jìn)行電機(jī)功率和取料畚斗的相關(guān)計(jì)算。
2.2 螺旋直徑D計(jì)算
查閱相關(guān)資料《糧食輸送機(jī)械與運(yùn)用》，有4-25公式：
D≥Q47bAφγ0β0K1/2.5 （2.2）
Q取Q=200Kg/h；
式中：
A--物料特性系數(shù)；
K1--葉面影響系數(shù)；
查閱相關(guān)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)，可知：
ψ=0.20-0.35，A=40-50，取ψ=0.3；A=45；γ0=0.75t/m3；根據(jù)設(shè)備放置的現(xiàn)狀，取β0=0.7；查表取K1=1(滿面式)；b=s/D=0.8；
代入數(shù)據(jù)計(jì)算：D≥0.294m=294mm
查閱相關(guān)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)，取D=300mm。
轉(zhuǎn)速?。簄=100r/min。
用相關(guān)公式驗(yàn)算，A＝45
nman=AD1/4=187r/min （2.3）
由nman可以滿足。
ψ的驗(yàn)算。
根據(jù)相關(guān)公式將有關(guān)數(shù)據(jù)代入，得：
φ=Q47D2sinγ0β0K1=0.38 （2.4）
裝滿系數(shù)ψ=0.38屬于范圍(0.33～0.4)。
因此，該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理。
絞龍結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。
圖2.1 絞龍結(jié)構(gòu)
2.3 螺旋螺距計(jì)算
根據(jù)所查閱的相關(guān)資料可知，用螺旋結(jié)構(gòu)輸送干燥，粘度小的小顆粒和粉狀物料時，選擇使用的結(jié)構(gòu)為實(shí)體面形；輸送塊狀或粘度中等的物料時選擇帶式面形或采用葉片型結(jié)構(gòu)。物料運(yùn)輸過程中不只是單單的運(yùn)輸，同時設(shè)備還會進(jìn)行同步的混合、攪拌。
S=k1×D （2.5）
式中，S～螺距；
D～螺旋直徑；
K1～螺旋系數(shù)：k1=0.5～1；
螺距根據(jù)公式我們可以知道，其取值范圍在150-300mm之間，為了保證面筋脫水機(jī)的脫水效果，螺旋采用不等螺距，同時考慮到加工以及經(jīng)濟(jì)成本，將螺旋分成兩種不同的螺距，結(jié)合現(xiàn)有面筋脫水機(jī)的設(shè)計(jì)情況，設(shè)計(jì)的兩種螺距分別為200mm和250mm。
2.4 絞龍殼體的設(shè)計(jì)
絞龍殼體選用的材料為不銹鋼，它的功能是保證絞龍的順利工作。主要的連接方式為焊接，焊接后還要進(jìn)行焊縫的打磨工序，保證美觀。雖然不要求表面質(zhì)量很高，但是內(nèi)表面的質(zhì)量必須可以保證設(shè)備正常運(yùn)行。出料小孔設(shè)計(jì)在絞龍殼體的底部，其作用是通過小孔讓面筋與水同時擠壓出來。如圖2.2所示為絞龍殼體的結(jié)構(gòu)示意圖：
圖2.2 絞龍殼體結(jié)構(gòu)
2.5 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
軸的結(jié)構(gòu)形狀在設(shè)計(jì)時，需要考慮到相關(guān)的安裝、配合、固定等方面的需求，同時軸的設(shè)計(jì)還需要進(jìn)行材料選用、加工合理性、應(yīng)力計(jì)算等步驟。一般情況下，設(shè)計(jì)時采用階梯軸是較為常見的選法，實(shí)踐也表明階梯軸在該設(shè)計(jì)中較合適，因?yàn)殡A梯軸加工方便，強(qiáng)度合理，且具有安裝固定方便的優(yōu)勢。
如圖2.3所示為階梯軸結(jié)構(gòu)示意圖，根據(jù)進(jìn)行的受力分析可得出軸的直徑尺寸并確定軸承型號，該軸所選用的軸承為61815型、61820型深溝球軸承和51116型單向推力軸承。
圖2.3 主軸結(jié)構(gòu)
2.6 支承件的設(shè)計(jì)
支承件結(jié)構(gòu)主要包含的部分可以概括為：機(jī)身、橫梁、工作臺等必要部件，所以從此可以看出，支承件是機(jī)電設(shè)備的基本構(gòu)件中的核心部件。
支承件作為基本部件，應(yīng)該具有足夠的強(qiáng)度、韌性、穩(wěn)定性，對于沖擊要有很好的緩沖性能和既抗振性；根據(jù)這些具體要求，可知支承件需要有有良好的動態(tài)性能；同時，一個部件熱穩(wěn)定性的好壞，直接決定了機(jī)電裝備對工作精度的影響程度；構(gòu)件結(jié)構(gòu)工藝性的優(yōu)劣，可以有效減少支承件的內(nèi)應(yīng)力；除此之外，進(jìn)行設(shè)計(jì)時還應(yīng)考慮拆裝方便、操作簡單、排屑通暢等需求。支承件所占設(shè)備比重較大，可高達(dá)80%以上，同時該部件的性能對機(jī)電裝備的影響很大，所以支承件的設(shè)計(jì)也是重中之重。所以就要求在設(shè)計(jì)合理的條件下，盡量對支承件進(jìn)行減重，降低投入成本。
2.6.1 減速器支承結(jié)構(gòu)
如圖2.4所示為支承結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2.4 減速器支承結(jié)構(gòu)
支承結(jié)構(gòu)的上部尺寸是由減速器尺寸來決定的，下部尺寸則是靠參照底座尺寸來進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)的。
2.6.2 左端軸承座支承結(jié)構(gòu)
如圖2.5所示為左軸承座支承結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2.5 左軸承座支承結(jié)構(gòu)
左端軸承座支承用于支承左端軸承座，其上部尺寸根據(jù)軸承座來進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)，下部參照底座尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2.6.3 底座結(jié)構(gòu)
底座結(jié)構(gòu)如圖2.6所示。
圖2.6 底座結(jié)構(gòu)
底座結(jié)構(gòu)采用槽鋼和角鋼焊接而成，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度能夠得到保證，同時作為標(biāo)準(zhǔn)件，能夠直接使用，減少不必要的設(shè)計(jì)，降低設(shè)計(jì)和制造成本。
3 主要零件的計(jì)算
3.1 電動機(jī)的選擇
選擇電動機(jī)的時候，第一步首要考慮的是額定功率的大小，進(jìn)行選擇的電動機(jī)功率堅(jiān)決不能低于工作時要求的功率。電動機(jī)功率過小會導(dǎo)致設(shè)備不能進(jìn)行正常運(yùn)行，長期使用會產(chǎn)生發(fā)熱而使電機(jī)過早損壞；功率過大，會增加設(shè)備投入成本，造成資金和資源浪費(fèi)。
所需電動機(jī)功率為：
Pd=Pwη(kw) (3.1)
式中：——工作機(jī)所需輸出功率，kw
——工作機(jī)所需輸入功率，kw
——點(diǎn)效率
工作所需功率Pw可由如下公式計(jì)算。
Pw=FV1000ηw(kw) (3.2）
式中：——工作機(jī)中的阻力，N
V——工作機(jī)的線速度，m/s
——工作機(jī)的效率
由于濕面筋在脫水箱中不穩(wěn)定，因此受力也不穩(wěn)定，查閱文獻(xiàn)預(yù)估工作阻力F=500N。工作機(jī)效率η=0.85。
V=2πnr=2π×100×0.05=34.1m/s (3.3)
帶入式3.2解得Pw=10kw。
市場上的電機(jī)五花八門，三相異步電機(jī)是最喜歡選擇的電機(jī)，特別是Y系列，但是依據(jù)面筋脫水機(jī)的轉(zhuǎn)速要求n=100-120r/min以及P=10-20kw的真實(shí)的工作情況：由于正常工作中，存在許多不確定因素，例如脫水效率和主軸轉(zhuǎn)速等，因此選取電機(jī)時最好選用變速電機(jī)。
電機(jī)的基本參數(shù)如表3.1所示：
表3.1 電機(jī)的基本參數(shù)
型號
額定功率,
kW
調(diào)速范圍,
r/min
額定轉(zhuǎn)矩,
N．m
轉(zhuǎn)速變化率，δ%
重量，kg
YCT225-6B
15
760-76
103
<3%
248
3.2 主軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
軸可以說是一臺設(shè)備傳動機(jī)構(gòu)中的核心部件。它可以起到支撐作用，同時還可以傳遞扭矩，實(shí)現(xiàn)傳動所需要的最基本功能，同時它又和所配合的所有部件組成了軸系部件，而軸是所有配合的基準(zhǔn)參照。
脫水機(jī)主軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，主軸是主要承受扭矩的傳動軸，應(yīng)按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算。所以根據(jù)受力情況對軸的直徑進(jìn)行初步估算。
3.2.1 初步估算軸徑
軸的材料選用要符合性能要求，因此選擇的是經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊查得該材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)如表3.2所示。
表3.2 材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)
硬度
(HB)
抗拉強(qiáng)度極限
σb （MPa）
屈服點(diǎn)
σs
MPa
彎曲疲勞極限σ-1
MPa
扭轉(zhuǎn)疲勞極限τ-1
MPa
241-286
686
490
343
181
根據(jù)所查的公式進(jìn)行初步軸徑計(jì)算，考慮到軸的材料，軸的力學(xué)性能相關(guān)數(shù)據(jù)如表3.3所示。
表3.3 軸的相關(guān)數(shù)據(jù)
軸的材料
40Cr
[τ]/N·mm-2
40-52
A
95-100.7
因此，取，主軸轉(zhuǎn)速取n=100r/min，計(jì)算可得：
dmin=A3Pn （3.4）
帶入式3.4計(jì)算得出：dmin=52.6mm。
本設(shè)計(jì)該處選擇用空心軸傳動的方式，這種方式可以有效控制生產(chǎn)制造成本，會讓機(jī)器運(yùn)行起來更加輕便。內(nèi)、外徑比為1：1.25。查找機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊，得到如表3.4所示為空心軸的計(jì)算系數(shù)。
表3.4 空心軸計(jì)算系數(shù)β
軸內(nèi)徑/軸外徑
1/4
1/3
1/2
1/1.6
1/1.4
1/1.25
β
0.9961
0.9877
0.9375
0.847
0.73
0.59
對于空心軸傳遞功率，求其最小直徑dmin有特殊的計(jì)算方式，即式中加以計(jì)算系數(shù)β，對于空心軸，則
dmin=A3Pn(1-β4) （3.5）
式中，β=d1/d ，即空心軸的內(nèi)徑d1與外徑d之比[4]。
帶入式3.5計(jì)算結(jié)果得：d=62.7mm
按以上公式所計(jì)算的軸徑，沒有考慮軸上要開鍵槽會對軸的強(qiáng)度造成一定影響，同時軸得設(shè)計(jì)采用空心軸，所以適當(dāng)將軸徑增大20%，計(jì)算軸徑得：
d=75.24mm
故空心軸的直徑取內(nèi)直徑：80mm，外直徑：100mm。
3.2.2 軸上受力分析
軸上的轉(zhuǎn)矩T1
T1=9550000Pn （3.6）
P——軸傳遞的功率，P=15kW；
n——軸得轉(zhuǎn)速，n=100r/min；
帶入式3.6計(jì)算得：T1=1432.5KN·m
絞龍主軸葉片上會受到一定力，該力為圓周力，確定該力的依據(jù)是：
我們所說的濕面筋是一種固液混合物，從專業(yè)角度說，也可以將其看成假塑性流體，由于其為混合物，所以受的力很難分析、確定，所以查閱相關(guān)資料可得最大所受力約為。
主軸受力如圖3.1所示。
Fa
T1
圖3.1 主軸受力
3.2.3 主軸的強(qiáng)度計(jì)算及校核
（1）強(qiáng)度計(jì)算
根據(jù)前面得計(jì)算，取空心軸內(nèi)徑d1=80mm，d=100mm。
轉(zhuǎn)矩計(jì)算：T1=1423.5kN·m
扭矩如圖3.2所示。
圖3.2 扭矩
圓周力計(jì)算：
Ft1=2Td （3.7）
帶入式3.7計(jì)算得：Ft1=35.6N
主軸得受力情況主要是轉(zhuǎn)矩，因此需要對其扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算：
τ=T1Wt （3.8）
式中：τ——主軸切應(yīng)力；
Wt——抗扭截面系數(shù)，由于主軸是采用空心軸，故抗扭截面系數(shù)計(jì)算式為：
Wt=πd3161-β4 （3.9）
式中，β=d1/d=0.8
帶入式3.8、3.9計(jì)算得：τ=12.5MPa﹤[τ]
（2）強(qiáng)度校核
軸的材料為40Cr，根據(jù)表3.3主軸相關(guān)數(shù)據(jù)我們可以知道：材料的剪切強(qiáng)度為40-52MPa，查閱生產(chǎn)機(jī)械相關(guān)文獻(xiàn)可得安全因數(shù)為0.7，則許用切應(yīng)力[τ]=28Mpa,由上述計(jì)算的主軸切應(yīng)力為12.5MPa，其小于28MPa，所以，扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度符合要求。
3.2.4 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
主軸的結(jié)構(gòu)如圖3.3所示。
1、左端軸頭；2、主軸；3、絞龍；4、右端軸頭
圖3.3 主軸結(jié)構(gòu)
考慮到整體尺寸結(jié)構(gòu)過長，同時由于絞龍與軸的連接采用焊接，為了操作的方便性，將軸采用裝配式，將主軸結(jié)構(gòu)分成四個部分，即左端軸頭、主軸、絞龍、右端軸頭。左端軸頭和右端軸頭與主軸的連接也采用焊接連接，在保證結(jié)構(gòu)可靠性的同時，使得結(jié)構(gòu)更加簡單。
如圖3.4所示為絞龍主軸左端軸頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3.4 左端軸頭結(jié)構(gòu)
在左端軸頭結(jié)構(gòu)中，因?yàn)槁菪~片在旋轉(zhuǎn)工作過程中，存在軸向推力，故在左端軸頭部分留有止推軸承安裝位置，同時承載徑向載荷，在軸結(jié)構(gòu)部分需留有深溝球軸承安裝位置，軸承的小徑軸向固定采用軸肩+螺母固定，故在左端最小軸徑上開有螺紋。
如圖3.5所示為絞龍主軸右端軸頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3.5 右端軸頭結(jié)構(gòu)
右端軸頭為動力輸入端，從右至左軸結(jié)構(gòu)安裝為聯(lián)軸器、端蓋及伸出端、軸承螺母、軸承等各個部件。
3.3 滾動軸承的選擇及校核計(jì)算
3.3.1 止推球軸承的選擇
此處滾動軸承的校核主要是校核止推球軸承，根據(jù)上述主軸受力分析，主軸葉片的受力預(yù)估為500N，故止推球軸承的軸向受力為500N。
根據(jù)軸的尺寸選用止推球軸承代號為51116，現(xiàn)對該軸承進(jìn)行相關(guān)計(jì)算和校核，已確定所選軸承可以滿足設(shè)計(jì)要求。
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，知軸承51116的性能參數(shù)：
額定動載荷為：C=48.5KN，疲勞持久極限為：pu=13.2KN。
3.3.2 止推球軸承壽命校核
根據(jù)軸承壽命計(jì)算L-P方程：
Lh=CPε10660n （3.10）
式中：C——軸承的額定動載荷，N；
ε——計(jì)算系數(shù)，對于滾動球軸承取3；
P——軸承的當(dāng)量動載荷，N；
n——轉(zhuǎn)速，r/min。
極限轉(zhuǎn)速：；
本次設(shè)計(jì)所需要的是可以讓軸承連續(xù)使用工作時間240000h。
當(dāng)量動載荷：
P=fdXFr+YFa （3.11）
式中：Fr——徑向力，F(xiàn)r=0N；
Fa——軸向力，F(xiàn)a=500N；
fd——沖擊載荷系數(shù)，取fd=1.2。
X、Y——計(jì)算系數(shù)，X=0、Y=1。
帶入式3.12計(jì)算得當(dāng)量動載荷P=600N。
帶入式3.11求得止推球軸承的壽命為：Lh=8802787h>240000h
故止推球軸承的壽命是符合設(shè)計(jì)要求的。
3.3.3 深溝球軸承的選擇
該出的深溝球軸承主要起支撐作用，因此所受的軸向力Fa較小，主要受其徑向力Fr作用。根據(jù)軸承設(shè)計(jì)手冊式（7-2-1）[10]
C=fhfmfdfnfTP （3.12）
fh——壽命因數(shù)；
fn——速度因數(shù)；
fm——力矩載荷因數(shù)，力矩載荷較小時fm=1.5，力矩載荷較大時fm=2；
fd——沖擊載荷因數(shù)；
fT——溫度因數(shù)；
P——當(dāng)量動載荷，按軸承機(jī)械設(shè)計(jì)手冊式（7-2-2）計(jì)算，N；
查軸承機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表7-2-23~7-2-26[10] 得：fh=1.390，fn=4.436，fm=1，fd=1,fT=1
根據(jù)軸承機(jī)械設(shè)計(jì)手冊式（7-2-6） C0=S0P0
查軸承機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表7-2-29 P0=Fr=200kN S0=1
查軸承機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表7-2-31 [10] C0=1×200=200N
查軸承機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表7-2-66，61815型軸承，Cr=12500N,C0r=12800N，能滿足使用要求，故選61815型軸承。
3.3.4 深溝球軸承壽命校核
根據(jù)軸承壽命計(jì)算L-P方程：
Lh=CPε10660n （3.13）
式中：C——軸承的額定動載荷，N；
ε——計(jì)算系數(shù)，對于滾動球軸承取3；
P——軸承的當(dāng)量動載荷，N；
n——轉(zhuǎn)速，r/min。
本次設(shè)計(jì)所需要的是可以讓軸承連續(xù)使用工作時間240000h。
當(dāng)量動載荷：
P=fdXFr+YFa （3.14）
因?yàn)镕a/Fr≦e；
查機(jī)械設(shè)計(jì)書表13-5得：X、Y表示計(jì)算系數(shù)，X=0、Y=1。
式中：Fr——徑向力，F(xiàn)r=200N；
Fa——軸向力，F(xiàn)a=0N；
fd——沖擊載荷系數(shù)，取fd=1.2。
帶入式3.15計(jì)算得當(dāng)量動載荷P=240N。
帶入式3.14求得止推球軸承的壽命為：Lh=40690104h>240000h
故深溝球球軸承的壽命是符合設(shè)計(jì)要求的。
3.4 聯(lián)軸器的選擇
聯(lián)軸器是最常用的扭矩傳遞裝置，廣泛運(yùn)用在兩個軸之間的連接處。一般聯(lián)軸器的選用考慮的因素是多方面的，主要考慮的因素為轉(zhuǎn)矩、載荷、軸徑等。計(jì)算轉(zhuǎn)矩Tc由下式求出：
Tc=K×T=K×9550Pwn≤Tn （3.15）
式中：n——工作轉(zhuǎn)速，r/min;
T——理論轉(zhuǎn)矩，N·m
Pw——驅(qū)動功率，kW;
Tc——計(jì)算轉(zhuǎn)矩，N·m;
Tn——公稱轉(zhuǎn)矩，N·m;
K——工作情況系數(shù)
工作情況系數(shù)取,則：
帶入式3.16得Tc=1.2x9550x15/100=1719N·m
根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算和工作實(shí)際情況，選取型號為GB5014-85的聯(lián)軸器，該聯(lián)軸器為彈性柱銷聯(lián)軸器。如圖3.6所示為選取聯(lián)軸器的截面圖。
圖3.6聯(lián)軸器工程圖
采用國標(biāo)GB/T5014-1985的HL型彈性柱銷聯(lián)軸器，額定轉(zhuǎn)矩Tn(N.m)=6300，許用轉(zhuǎn)速[n]為2240(r/min)，軸孔直徑d1、d2、dz分別為80mm、85mm、90mm、95mm，軸孔長度為120mm，D=320；D0=250；D1=170；d3=40；l=112；S=4，轉(zhuǎn)動慣量J為41.1(kg.m2)。
標(biāo)記示例：HL7彈性柱銷聯(lián)軸器
主動端：Z型軸孔，C型鍵槽，dz=95，L1=120；
從動端：J型軸孔，B型鍵槽，d2=90，L=120；
95x120
HL7聯(lián)軸器----------- GB5014-85
JB90x120
故所選聯(lián)軸器滿足要求。
4 三維實(shí)體模型
4.1 面筋脫水機(jī)說明
4.1.1 設(shè)備概述
在國內(nèi)當(dāng)前投產(chǎn)的的脫水機(jī)設(shè)備，還是運(yùn)用的是人工投料（濕面筋）的傳統(tǒng)方式，費(fèi)時費(fèi)力、浪費(fèi)資源，主要原因是由于其工作方式為間歇式的；這種傳統(tǒng)的脫水方式，具有一定的工作周期，間隔周期之間的時間就會被浪費(fèi)；此外，該種傳統(tǒng)方式生產(chǎn)的產(chǎn)品衛(wèi)生安全性也會受到人們的質(zhì)疑，進(jìn)而影響其銷量；另外，面筋在輸送過程中由于其自身形式導(dǎo)致不能連續(xù)均勻地運(yùn)送，并且時?？赡艹霈F(xiàn)被擠壓排除的狀況。以上所述都會對設(shè)備脫水產(chǎn)生重大影響，從而影響到相關(guān)產(chǎn)品產(chǎn)量，會嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。
針對我國相關(guān)設(shè)備現(xiàn)狀及技術(shù)的缺陷，本設(shè)計(jì)為單軸變螺距式脫水機(jī)，這是一種新興脫水加工設(shè)備，可以達(dá)到連續(xù)加工的目的，這樣可以有效提高生產(chǎn)效率，省時省力，節(jié)約成本。單軸式變螺距結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)頗多，最顯著地及時脫水效率的提高，除此之外，我們?yōu)橹O(shè)計(jì)出由于高壓擠壓，會起到一個最好的濕面筋脫水效果，為緊接著的的干燥工序打下了一個良好基礎(chǔ)。同時，該設(shè)計(jì)使面筋脫水機(jī)的自動化程度有所提高，從而提高企業(yè)生產(chǎn)的整體效率。
根據(jù)上述的設(shè)計(jì)思想，脫水機(jī)最后確定的基本結(jié)構(gòu)形式為：變速電機(jī)、單軸變螺距式。其基本工作原理介紹如下：
該設(shè)備由調(diào)速電動機(jī)提供動力源，電動機(jī)可進(jìn)行反轉(zhuǎn)，防止面筋在絞龍殼體底部產(chǎn)生沉積。整機(jī)設(shè)備采用為臥式，聯(lián)軸器為動力傳輸?shù)慕橘|(zhì)，絞龍的回轉(zhuǎn)運(yùn)動由聯(lián)軸器間接提供。電動機(jī)的無級變速功能，使脫水效率和質(zhì)量大大提升。主軸采用空心結(jié)構(gòu)，減輕了設(shè)備重量及提高設(shè)備穩(wěn)定性。變距螺旋式攪拌軸葉片的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備一邊推動濕面筋的移動，另一邊實(shí)現(xiàn)濕面筋的脫水，起到一舉兩得的作用。設(shè)備觀察窗口的設(shè)置，可以實(shí)時監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行情況，避免不必要的工作事故。這樣，在濕面筋脫水生產(chǎn)過程中，我們的工作人員就可以很容易、方便的的觀察到濕面筋的脫水過程，通過電機(jī)的無級變速來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以選擇合適的轉(zhuǎn)速來獲取合適的脫水效果。整機(jī)的底座和支架采用角鋼和槽鋼的焊接結(jié)構(gòu)，以承受生產(chǎn)時產(chǎn)生的強(qiáng)大振動力。
4.1.2 設(shè)備使用注意事項(xiàng)
1、影響脫水效果的因素
影響面筋脫水機(jī)的脫水效果的因素有很多方面，要得到質(zhì)量較高、滿足加工要求的物料（濕面筋），必須進(jìn)行相應(yīng)方面的不斷試驗(yàn)、調(diào)整，以達(dá)到合適的工藝條件。想要做到滿足這一點(diǎn)，就必須對影響脫水效果的因素做更加全面的了解。影響脫水效果的主要因素有：
（1）小麥面粉的種類
（2）無極變速電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度
（3）濕面筋的投入速度
（4）濕面筋的含水量
（5）機(jī)械設(shè)備的安裝精度
2、脫水機(jī)操作方法
（1）開車前進(jìn)行全方位檢查，查看、清理設(shè)備內(nèi)異物，設(shè)備底端的面筋廢水出口是不是已經(jīng)提前進(jìn)入打開狀態(tài)，檢查防護(hù)裝置、電源是否安全。
（2）脫水機(jī)使用前進(jìn)行5分鐘左右的空轉(zhuǎn)熱機(jī)，檢查設(shè)備是否可以正常運(yùn)行，如正常，進(jìn)行投料工序。
（3）為減少絞龍葉片的負(fù)載和增加其壽命，隨著濕面筋加入緩緩啟動電機(jī)。
（4）脫水機(jī)連續(xù)工作時，不可突然停機(jī)，這樣會對設(shè)備造成不可修復(fù)影響，如要停機(jī)，就要停止投料，讓其繼續(xù)運(yùn)行10分鐘，使設(shè)備內(nèi)物料完全輸出。
（5）脫水后面筋應(yīng)盡快進(jìn)行干燥處理。
（6）在生產(chǎn)中，禁止把手伸入料桶內(nèi)，防止事故發(fā)生。
（7）電機(jī)的轉(zhuǎn)速選擇要找有經(jīng)驗(yàn)的員工來進(jìn)行把握。
（8）每班都要對脫水機(jī)進(jìn)行清理，最少一至二次。殘留的物料必須進(jìn)行相應(yīng)處理，不能再次進(jìn)入脫水機(jī)，以免對人體產(chǎn)生危害。
（9）脫水機(jī)進(jìn)行工作時要注意人身安全，檢查時，一定要先停機(jī)，再進(jìn)行相應(yīng)的檢查。
3、使用注意事項(xiàng)
（1）在設(shè)備啟動時，多觀察、多留意設(shè)備的實(shí)時運(yùn)行情況，如果發(fā)生異樣，要及時檢查，解決問題。
（2）及時對機(jī)器進(jìn)行檢查，特別是各連接緊固部位以及焊接處裂紋等。保證設(shè)備的安全性。
（3）注意及時更換潤滑油，保證設(shè)備使用壽命。
4.2 絞龍及絞龍殼體實(shí)體模型
絞龍機(jī)構(gòu)是整個面筋脫水機(jī)的核心部件，它在工作中起到運(yùn)輸和擠壓作用。絞龍葉片采用了變螺距結(jié)構(gòu)，在絞龍機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)過程中推擠物料前進(jìn)壓縮，變螺距的設(shè)計(jì)也使對濕面筋的擠壓力逐漸加強(qiáng)。濕面筋在擠壓過程中主要纏在主軸上，葉片受力較小，因此葉片設(shè)計(jì)較薄，同時為了節(jié)省材料和減輕脫水機(jī)的重量，主軸采用了空心軸的設(shè)計(jì)。如圖4.1所示為絞龍三維模型。
圖4.1 絞龍實(shí)體模型
絞龍殼體是與絞龍機(jī)構(gòu)相互配合使用，濕面筋從殼體上方進(jìn)料口投入，通過絞龍旋轉(zhuǎn)將物料運(yùn)輸?shù)綒んw底部，絞龍與殼體產(chǎn)生高度雙重壓縮比使?jié)衩娼蠲撍?。殼體底部設(shè)有直徑10mm的篩孔，面筋經(jīng)過擠壓與水一起從篩孔落入篩網(wǎng)中，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)脫水過程。絞龍殼體模型如圖4.2所示。
圖4.2 絞龍殼體模型
4.3 軸頭實(shí)體模型
左右主軸軸頭是與主軸配合使用，起到兩端支撐作用。主軸軸頭與空心主軸采用過盈配合并焊接在一起，來保證受到大的扭矩是不會發(fā)生相對位移。軸頭采用了階梯軸形式設(shè)計(jì)，最小直徑由空心主軸內(nèi)徑來定，左端軸頭上安裝推力軸承和深溝球軸承，右端軸承安裝深溝球軸承，并且右端開有鍵槽與聯(lián)軸器相連接。如圖4.3所示為軸頭實(shí)體模型示意圖。
圖4.3 軸頭實(shí)體模型
4.4 左軸承座實(shí)體模型
左軸承座主要是對左端主軸起到支撐和固定作用。左軸承座的內(nèi)徑大小由所選用的軸承外圈直徑來定，軸承座與軸承采用間隙配合，軸承座兩端采用軸承端蓋密封。軸承座上端開有小螺紋孔，加上油閥，用于定期補(bǔ)充潤滑油，軸承座下端開有四個螺栓孔，用螺栓使其固定在左端支撐架上。如圖4.4所示為左軸承座三維實(shí)體模型。
圖4.4 左軸承座實(shí)體模型
4.5 底座模型
脫水機(jī)底座是將所有脫水機(jī)零部件進(jìn)行裝配的重要部件，并起到支撐固定作用，由于面筋脫水機(jī)整體受力較小，運(yùn)行平穩(wěn)，因此底座采用板條焊接，減輕脫水機(jī)重量，并在脫水機(jī)側(cè)面增加一個玻璃窗口，能夠時刻觀察面筋的脫水效果。如圖4.5所示為脫水機(jī)底座三維模型。
圖4.5 底座模型
4.6 減速器及減速器支座模型
選用PL40行星減速器，其減速比i=4，該減速器具有體積小，傳動效率高，所承受扭矩大等優(yōu)點(diǎn)。使用減速器與電動機(jī)配合使用，使其從電動機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到一個理想轉(zhuǎn)速。減速機(jī)出來模型如圖4.6所示。
圖4.6 減速器模型
減速器支座上部設(shè)有四個口，用螺栓使其與減速器進(jìn)行固定，起到支撐固定作用，支座選用鋼板焊接，以簡稱面筋脫水機(jī)整體重量。如圖4.7所示為減速器支座三維模型示意圖。
圖4.7 減速器支座模型
4.7 面筋脫水機(jī)模型
如圖4.8所示為面筋脫水機(jī)三維模型示意圖。
圖4.8 面筋脫水機(jī)模型
5 主要零件有限元分析
面筋脫水機(jī)在工作時，面筋的投入量不是很大，并且面筋的質(zhì)量也不大，因此，脫水機(jī)工作時所受力相對較小，震動較小，運(yùn)行平穩(wěn)。脫水機(jī)工作時，絞龍旋轉(zhuǎn)將其面筋纏繞到主軸上，左端又受其軸向力作用，故對左端軸頭做靜強(qiáng)度分析。
5.1 靜強(qiáng)度分析步驟
通過使用Solidworks軟件繪制左端軸頭模型，然后將Soliworks建立的三維模型保存成stp文件，導(dǎo)入Ansys Workbench中。Workbench強(qiáng)度分析步驟如圖5.1所示。
圖5.1 靜強(qiáng)度分析步驟
第一步先進(jìn)行材料定義，然后把左端軸頭的Solidworks模型導(dǎo)入到Workbench軟件中，使用Model模塊進(jìn)行網(wǎng)格計(jì)算和劃分，之后定義左端軸頭所受約束條件和所受載荷，最后進(jìn)行計(jì)算和求解，得出結(jié)果并進(jìn)行分析。
5.2 材料特性的定義
通過雙擊Engineering Data進(jìn)入材料庫，選擇General Materials，然后在Material下為左端軸頭添加材料userAA。然后在材料屬性表中填入材料的密度、彈性模量、泊松比、屈服極限、抗拉強(qiáng)度等物理量。材料定義如圖5.2所示。
圖5.2 材料特性定義
完成材料的定義，回到初始界面，在導(dǎo)入Solidworks三維模型后雙擊Model進(jìn)入Mechanical界面，在Material模塊下，去查找自己定義的材料。
5.3 模型的導(dǎo)入
雙擊Geometry進(jìn)入材料導(dǎo)入界面，選擇Import External Geometry File進(jìn)行三維模型的導(dǎo)入。在Units菜單中將項(xiàng)目單位設(shè)為Metric(kg，mm，s，C，mA，mV）進(jìn)行單位統(tǒng)一，方便后續(xù)計(jì)算。如圖5.3所示。
圖5.3模型的導(dǎo)入
5.4 網(wǎng)格劃分
在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時要考慮分析的類型，在靜力分析時，只是是計(jì)算左端軸頭的結(jié)構(gòu)變形，所需劃分的網(wǎng)格數(shù)量可以減少一些[21]。當(dāng)然，網(wǎng)格數(shù)量越多，計(jì)算結(jié)果也將越精密，但考慮到電腦的自身影響，進(jìn)行計(jì)算精度和計(jì)算效率的比較之后選擇中等精度，選用自適應(yīng)分網(wǎng)的方法。圖5.4為左端軸頭網(wǎng)格劃分的結(jié)果。
圖5.4模型的網(wǎng)格劃分
5.5 添加載荷約束
在Ansys軟件中，對應(yīng)不一樣分析類型載荷也有不同種類。左端軸頭在實(shí)際工作中其主要受到扭矩作用，所以只考慮扭矩對軸頭的影響。選擇Static Structural，定義邊界條件，在Supports模塊中選擇Fixed Support中選擇軸頭的左右端面。軸頭左側(cè)固定，即在X、Y、Z方向上都添加約束，因?yàn)檩S頭的軸向力較小，所以軸向不發(fā)生變形，只發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，因此右側(cè)Y軸進(jìn)行約束，X、Z方向自由。并且在軸的右側(cè)第一個階梯側(cè)面添加扭矩。模型添加載荷約束如圖5.5所示。
圖5.5模型的載荷約束
5.6計(jì)算結(jié)果分析
通過圖5.6和圖5.7分析可得，軸頭的右端所受應(yīng)力比較大，變形量也是右端最大?？梢钥闯隽赜捎覀?cè)向左側(cè)傳遞，軸頭所受力與變形量也從右往左遞減，左側(cè)受力與變形量很小，最大變形量為0.045mm,在允許范圍內(nèi)。所用軸頭為實(shí)心的，所能承受的切應(yīng)力比較大，最大應(yīng)力為4MPa，小于許用應(yīng)力。從圖中計(jì)算結(jié)果可以看出變形量復(fù)合要求，故該軸頭滿足使用要求。
圖5.6 模型的變形圖
圖5.7 模型的應(yīng)力圖
6 結(jié)論
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題是面筋脫水機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在進(jìn)行脫水機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，通過查閱了大量的相關(guān)文獻(xiàn)，了解了國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，之間的差異，以及未來的發(fā)展趨勢，之后進(jìn)行了一系列的設(shè)計(jì)，完成了對面筋脫水機(jī)的主要工作部分進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)工作。
該設(shè)備采用臥式單螺旋軸擠壓脫水，物料由高壓泵輸送到進(jìn)料口，通過擠壓脫水，脫水面筋將從出料口排出，水從排水管流出進(jìn)入廢水回收裝置，凈化后將重新利用。本次設(shè)計(jì)首先對脫水的主要部件絞龍機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算，采用了變螺距絞龍機(jī)構(gòu)，使其在末端提供更大的轉(zhuǎn)矩，達(dá)到更好的脫水效果。之后對軸進(jìn)行了相關(guān)的設(shè)計(jì)，計(jì)算和校核，保證在滿足性能的基礎(chǔ)上達(dá)到減輕質(zhì)量、降低成本的效果。最后對標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行選型及支撐架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)及優(yōu)化。
本次面筋脫水機(jī)設(shè)計(jì)包括二維圖紙繪制、三維實(shí)體建模及ANSYS有限元分析。二維圖紙包含了主要零件圖、部裝圖及總裝配圖共17張圖紙。并使用SolidWorks軟件對脫水機(jī)所有零部件進(jìn)行了三維實(shí)體建模，并完成了總裝配體。使用ANSYS Workbench有限元分析軟件對主要零件進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。同時完成了設(shè)計(jì)說明書的編寫。
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