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碰撞式核桃破殼機(jī)的設(shè)計(jì)
1核桃破殼技術(shù)現(xiàn)狀
國(guó)外早在 20 世紀(jì) 60 年代初,就著手研制堅(jiān)果破殼機(jī)具,至 80 年代初,美國(guó)、 意大利、法國(guó)等已相繼推出了各種堅(jiān)果破殼機(jī),如夏威夷果破殼機(jī)、杏仁破殼機(jī) 等。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展,堅(jiān)果破殼機(jī)具已日趨成熟,目前,正朝著機(jī)電一體化方向 發(fā)展。 我國(guó)在傳統(tǒng)脫殼設(shè)備的基礎(chǔ)上,盡管正在積極研制和開發(fā)各種類型脫殼機(jī)械, 但其發(fā)展相當(dāng)緩慢,同時(shí)成熟的機(jī)型及進(jìn)行批量生產(chǎn)的不多,遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于農(nóng)產(chǎn)品 深加工的需求。
目前開發(fā)出的絕大部分設(shè)備都是采用機(jī)械方式來(lái)脫殼。 常見(jiàn)的機(jī)械脫殼方法如下:
(1)撞擊法脫殼:撞擊法脫殼是物料籽粒高速運(yùn)動(dòng)時(shí)突然受阻而受到?jīng)_擊力, 使外殼破碎而實(shí)現(xiàn)脫殼。 物料由高速回轉(zhuǎn)甩料盤使籽粒產(chǎn)生一個(gè)較大的離心力撞擊壁面,只要撞擊力足夠大,籽粒外殼就會(huì)產(chǎn)生較大的變形,進(jìn)而形成裂縫。當(dāng)籽粒離開壁面時(shí),由于外殼和粒仁具有不同的彈性變形而產(chǎn)生不同的運(yùn)動(dòng)速度,籽 仁受到的彈性力較小,運(yùn)動(dòng)速度也不如外殼,阻止了外殼迅速向外移動(dòng)而使其在 裂縫處裂開,從而實(shí)現(xiàn)籽粒的脫殼。 撞擊脫殼法適合于仁殼間結(jié)合力小,仁殼間隙 較大且外殼較脆的籽粒。
(2)碾搓法脫殼:物料籽粒在固定磨片和運(yùn)動(dòng)著的磨片間受到強(qiáng)烈的碾搓作 用,使籽料的外殼被撕裂而實(shí)現(xiàn)脫殼。 籽粒經(jīng)進(jìn)料口進(jìn)入定磨片和動(dòng)磨的間隙中, 動(dòng)磨片轉(zhuǎn)動(dòng)的離心力使籽粒沿徑向向外運(yùn)動(dòng),也使籽粒與定磨間產(chǎn)生方向相反的 摩擦力;同時(shí),磨片上的牙齒不斷對(duì)外殼進(jìn)行切裂,在摩擦力與剪切力的共同作用 下使外殼產(chǎn)生裂紋直至破裂,并與籽仁脫離,達(dá)到脫殼的目的。
(3)剪切法脫殼:籽粒在固定刀架和轉(zhuǎn)鼓之間受到相對(duì)運(yùn)動(dòng)刀板的剪切力作 用,外殼被切裂并破開,實(shí)現(xiàn)外殼與籽仁的分離。刀板轉(zhuǎn)鼓和刀板座為主要工作部 件,在刀板轉(zhuǎn)鼓和刀板座上均裝有刀板,刀板座呈凹形且?guī)в姓{(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),可根據(jù)籽 粒堅(jiān)果的大小調(diào)節(jié)刀板座與刀板轉(zhuǎn)鼓之間的間隙。當(dāng)?shù)栋遛D(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)時(shí),與刀板之間產(chǎn)生剪切作用,使物料外殼破裂和脫落。
(4)擠壓法脫殼:擠壓法脫殼是靠一對(duì)直徑相同轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反,轉(zhuǎn)速相等的圓 柱輥,調(diào)整到適當(dāng)間隙,使籽粒通過(guò)間隙時(shí)受到輥的擠壓而破殼。在破殼的過(guò)程中 籽粒能否順利地進(jìn)入兩擠壓輥的間隙,取決于擠壓輥及與籽粒接觸的情況。要使 籽粒在兩擠壓輥間被擠壓破殼,籽粒首先必須被夾住,然后被卷入兩輥間隙被擠 壓破殼。兩擠壓輥間的間隙大小是影響籽粒破碎率和脫殼率高低的重要因素。
(5)搓撕法脫殼:搓撕法脫殼是利用相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的橡膠輥筒對(duì)籽粒進(jìn)行搓撕作 用而進(jìn)行脫殼。兩膠輥水平放置,分別以不同轉(zhuǎn)速相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),輥面之間存在一定的線速差,橡膠輥具有一定的彈性,其摩擦系數(shù)較大。籽粒進(jìn)入膠輥工作區(qū)時(shí),與兩 輥面相接觸,如果此時(shí)籽粒符合被輥?zhàn)訃氲臈l件,即嚙入角小于摩擦角,就能順 利進(jìn)入兩輥間。此時(shí)籽粒在被拉入輥間的同時(shí),受到兩個(gè)不同方向的摩擦力的撕 搓作用;另外,籽粒又受到兩輥面的法向擠壓力的作用,當(dāng)籽粒到達(dá)輥?zhàn)又行倪B線 附近時(shí)法向擠壓力最大,籽粒受壓產(chǎn)生彈性——塑性變形,此時(shí)籽粒的外殼也將 在擠壓作用下破裂,在上述相反方向撕搓力的作用下完成脫殼過(guò)程[1]。
新型脫殼方法
(1)微波法:原理主要是通過(guò)微波加熱籽粒內(nèi)部形成高壓水氣,當(dāng)高壓水氣對(duì) 果皮壓力大于果皮的拉伸極限應(yīng)力時(shí),果皮破裂,實(shí)現(xiàn)破殼。微波法破殼過(guò)程中, 堅(jiān)果果皮的致密結(jié)構(gòu)是其內(nèi)部形成高壓的重要保證;堅(jiān)果含的水分是內(nèi)部產(chǎn)生高 壓水氣的物質(zhì)基礎(chǔ);微波的加熱溫度則是導(dǎo)致產(chǎn)生高壓水氣的外部動(dòng)力。但是快 速加熱會(huì)造成產(chǎn)品的過(guò)渡膨脹甚至爆炸。
(2)高壓膨脹法:原理是使果實(shí)處于很高的壓力室中,讓果實(shí)在其中停留較長(zhǎng) 時(shí)間,以使籽粒內(nèi)外達(dá)到氣壓平衡,然后瞬間卸壓,內(nèi)外壓力平衡打破,殼體內(nèi)氣 體在高壓作用下產(chǎn)生較大的爆破力而沖破殼體,從而達(dá)到脫殼的目的。
(3)能量法:原理是讓堅(jiān)果進(jìn)入一個(gè)高壓高溫環(huán)境中經(jīng)受一定時(shí)間的高壓高 溫作用,使大量熱量聚集于堅(jiān)果殼內(nèi),隨后籽粒瞬間脫離高溫高壓環(huán)境,此時(shí),聚 集在堅(jiān)果殼與仁間的壓力瞬時(shí)爆破,實(shí)現(xiàn)脫殼的目的,此法適宜于加工熟食品。
(4)高真空度法:將堅(jiān)果放在真空爆殼機(jī)中,在真空條件下,將具有一定水分的堅(jiān)果加熱到一定溫度,在真空泵的抽吸下,堅(jiān)果吸熱使其外殼的水分不斷蒸發(fā) 而被去除,其韌性與強(qiáng)度降低,脆性大大增加;真空作用又使殼外壓力降低,殼內(nèi)部處于較高壓力狀態(tài)。在內(nèi)外壓力差的作用下,殼內(nèi)的壓力達(dá)到一定數(shù)值時(shí),就會(huì)使外殼爆裂,使外殼脫去。
(5)激光法:用激光逐個(gè)切割堅(jiān)果外殼。試驗(yàn)顯示,用這種方法幾乎能夠達(dá)到 100%的整仁率,但因其費(fèi)用昂貴、效率較低等原因,很難得到推廣。
(6)超聲波法:采用超聲波發(fā)生器產(chǎn)生大于 20kHz 的超聲波作用在堅(jiān)果籽粒 外表面上,經(jīng)沖擊、碰撞、摩擦等多種力綜合作用進(jìn)行破殼?？蓱?yīng)用于果皮結(jié)構(gòu) 不太堅(jiān)硬的堅(jiān)果。
(7)燃燒法:該法用液化氣火焰在高溫下將堅(jiān)果物料外殼燒掉,然后對(duì)未燒盡 的物料進(jìn)行擠壓刮皮,使仁、衣分離,將仁、衣一起進(jìn)入分離器,仁在此被分離出, 再將仁進(jìn)行清洗即可。這種方法脫殼率高,但燃燒溫度較難控制,很容易使物料熟化甚至焦化,這種脫殼工藝獨(dú)特,是國(guó)外技術(shù)專利,故整套設(shè)備價(jià)格昂貴。
(8)化學(xué)腐蝕法:化學(xué)脫殼主要是將待脫殼的堅(jiān)果浸入脫殼溶液中。 該溶液用來(lái)軟化物料外殼并溶去一部分外殼,然后取出果實(shí)再利用機(jī)械方式脫去外殼。這種方法需添加其它化學(xué)成分如堿、 酶等,這些添加物會(huì)使產(chǎn)品具有異味異質(zhì),影響 成品品質(zhì)風(fēng)味,但此方法整仁率較高。
(9)復(fù)合型:對(duì)一些堅(jiān)果使用一種方法不能達(dá)到很好的破殼效果時(shí),可利用幾 種破殼原理,合理地組合在一起,以克服和彌補(bǔ)單一脫殼法的不足,實(shí)現(xiàn)堅(jiān)果的高 效脫殼[2]。
在技術(shù)上還存在如下問(wèn)題:
a)脫殼率低,脫殼后的籽仁破碎率高,損失大。
b)機(jī)具性能不穩(wěn)定,適應(yīng)性差。
c)通用性差:多數(shù)脫殼機(jī)只適應(yīng)某一種籽粒的脫殼作業(yè),而不能夠通過(guò)更換主要 工作部件來(lái)適應(yīng)其他籽粒的脫殼,利用率低。
d)作業(yè)成本偏高:我國(guó)脫殼機(jī)械尚未形成規(guī)模和系列,多數(shù)是單機(jī)制造,制造的工藝水平較低,故制造成本偏高。
e)有些產(chǎn)品僅進(jìn)行了樣機(jī)試制或少量試生產(chǎn),未進(jìn)行大量生產(chǎn)性考核和示范應(yīng)用, 作業(yè)性能、可靠性、耐久性及商品性等方面還存在不少問(wèn)題[3]。
2核桃破殼機(jī)總體結(jié)構(gòu)
核桃破殼機(jī)主要組成部分：入料口、上機(jī)殼、滾筒、機(jī)架等部分組成。
整體組成如圖1所示：
圖1 破殼機(jī)結(jié)構(gòu)圖
入料口與核桃破殼機(jī)的上蓋部分相連，它是利用2mm厚的鋼板制成，入料部位與滾筒的凸筋部位相切，將從入料口進(jìn)入的核桃，下滑到凸筋部位，由凸筋拋出進(jìn)行撞擊。上機(jī)殼與入料口固定連接，采用焊接方式連接，所用材料為3mm厚鋼板，下部與15mm厚鋼板焊接，與機(jī)架通過(guò)螺栓固定連接。 滾筒部分主要是由滾筒、凸筋、圓板焊接而成。核桃在滾筒和凸筋之間被拋出，使其撞在輻條篩上，落到脫殼室咽喉處，由滾筒與輻條篩擠壓破碎，破碎的核桃掉入下部出口。輻條篩起碰撞擠壓作用，它是由一定數(shù)量的圓鋼焊接在上機(jī)殼兩側(cè)鋼板上，每?jī)筛鶊A鋼之間的縫隙可以將核桃卡住，然后快速旋轉(zhuǎn)的滾筒將被卡住的撞破的核桃擠碎。機(jī)架由角鋼和鋼板通過(guò)焊接方式連接為整體，與上機(jī)殼通過(guò)螺栓固定。
3核桃破殼機(jī)的設(shè)計(jì)
3.1電動(dòng)機(jī)的選擇
根據(jù)設(shè)計(jì)要求滾筒需用一定的速度將核桃拋出并撞裂，再進(jìn)行擠碎。
3.2電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速
根據(jù)資料得主軸的轉(zhuǎn)速在 300-700轉(zhuǎn)/分，按《機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)》推薦的傳動(dòng)比合理取值范圍，取V帶的傳動(dòng)比 2～4，即可滿足電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與主軸的轉(zhuǎn)速相匹配。
由《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》查出三種適宜的電動(dòng)機(jī)型號(hào)，因此有三種不同的傳動(dòng)比方案，如表3-1所示：
表3-1 電動(dòng)機(jī)的型號(hào)和技術(shù)參數(shù)及傳動(dòng)比
方案
電動(dòng)機(jī)型號(hào)
額定
功率P/kW
同步轉(zhuǎn)速
r/min
滿載
轉(zhuǎn)速
r/min
效率（%）
電動(dòng)機(jī)重量（KG）
功率因數(shù)
1
Y90S-2
1.5
3000
2840
78
22
0.85
2
Y90L-2
2.2
3000
2840
82
25
0.86
3
Y90L-4
1.5
1500
1400
79
27
0.79
綜臺(tái)考慮電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)裝置的尺寸、重量以及帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比，可知方案2比較適合。因此選定電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y90L-4。所選電動(dòng)機(jī)的額定功率 P＝1.5kw，滿載轉(zhuǎn)速 n=1400r／min，總傳動(dòng)比適中，傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)較緊湊。如表3-2所示：
表3-2 Y90L-2主要參數(shù)如下表
型 號(hào)
額定功率KW
轉(zhuǎn)速r/min
電流/A
效率（%）
功率因數(shù)
額定電流
額定轉(zhuǎn)矩
最大轉(zhuǎn)矩
Y90L-4
1.5
1400
3.65
79
0.79
6.5
2.2
2.2
表3-3 電動(dòng)機(jī)尺寸列表 （）
中心高
H
外形尺寸
底腳安裝尺寸
地腳螺栓孔直徑
軸伸尺寸
裝鍵部位尺寸
90
10
4帶及帶輪的設(shè)計(jì)
根據(jù)核桃破殼機(jī)的具體傳動(dòng)要求，可選取電動(dòng)機(jī)和主軸之間用V帶和帶輪的傳動(dòng)方式傳動(dòng)，因?yàn)樵谄茪C(jī)的工作過(guò)程中，傳動(dòng)件V帶是一個(gè)撓性件，它賦有彈性，能緩和沖擊，吸收震動(dòng)，因而使破殼機(jī)工作平穩(wěn)，噪音小等優(yōu)點(diǎn)[4]。
雖然在傳動(dòng)過(guò)程中V帶與帶輪之間存在著一些摩擦，導(dǎo)致兩者的相對(duì)滑動(dòng)，使傳動(dòng)比不精確但不會(huì)影響破殼機(jī)的傳動(dòng)，因?yàn)槠茪C(jī)不需要精確的傳動(dòng)比，只要傳動(dòng)比比較準(zhǔn)確就可以滿足要求，而且V帶的彈性滑動(dòng)對(duì)破殼機(jī)的一些重要部件是一種過(guò)載保護(hù)，不會(huì)造成機(jī)體部件的嚴(yán)重?fù)p壞，還有V帶及帶輪的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本底、容易維修和保養(yǎng)、便于安裝，所以，在電動(dòng)機(jī)與核桃破殼機(jī)之間選用V帶與帶輪的傳動(dòng)配合是很合理的。
選擇V帶和帶輪因當(dāng)從它的傳動(dòng)參數(shù)入手，來(lái)確定V帶的型號(hào)、長(zhǎng)度和根數(shù)，再來(lái)確定導(dǎo)輪的材料、結(jié)構(gòu)和尺寸（輪寬、直徑、槽數(shù)及槽的尺寸等），傳動(dòng)中心距（安裝尺寸），帶輪作用在軸的壓力（為設(shè)計(jì)軸承作好準(zhǔn)備）。
4.1 確定計(jì)算功率
（4-1）
其中：—工作情況系數(shù)
—電動(dòng)機(jī)的功率
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》一書中的表8-7 可知：=1
4.2 選擇V帶的型號(hào)
根據(jù)計(jì)算得知的功率和電動(dòng)機(jī)上帶輪（小帶輪）的轉(zhuǎn)速（與電動(dòng)機(jī)一樣的速度），查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》一書圖8-10，可以選擇V帶的型號(hào)為Z型。
4.3確定帶輪的基準(zhǔn)直徑
（1）初選主動(dòng)帶輪的基準(zhǔn)直徑：根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》一書，可選擇V帶的型號(hào)參考表8-6和表8-8，選取小帶輪直徑=71mm。
（2）計(jì)算V帶的速度V：
V帶在～的范圍內(nèi)，速度V符合要求。
取傳動(dòng)比為3轉(zhuǎn)速合適。
（3）計(jì)算從動(dòng)輪的直徑
根據(jù)表8-8取=224mm
實(shí)際傳動(dòng)比i=3.15
4.4 確定傳動(dòng)中心距a和帶長(zhǎng)L
取 （4-2）
即：
得：
?。?
帶長(zhǎng) （4-3）即：
得：
按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》一書中查表8-2，選擇想近的基本長(zhǎng)度可查得： 。
實(shí)際的中心距可按下列公式求得：
中心距范圍377.25 －433.50mm。
4.5 驗(yàn)算主動(dòng)輪上的包角
（4-4）
即：
求得 ： 滿足V帶傳動(dòng)的包角要求。
4.6 確定V帶的根數(shù)
V帶的根數(shù)由下列公式確定： （4-5）
其中 ： —單根普通V帶的許用功率值
—考慮包角不同大的影響系數(shù)，簡(jiǎn)稱包角系數(shù)
—V帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度系數(shù)，取。
—計(jì)入傳動(dòng)比的影響時(shí)，單根普通V帶所能傳遞的功率的增量。
由和查表8-4a得
由和i=3.15 查表8-4b
查表取值：
（4-5）
所以：
即： 取 根。
4.7 確定帶的初拉力
單根V帶適當(dāng)?shù)某趵?由下列公式求得
其中：—傳動(dòng)帶單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，
即：
4.8求V帶傳動(dòng)作用在軸上的壓力
為了設(shè)計(jì)安裝帶輪軸和軸承，比需確定V帶作用在軸上的壓力，它等于V帶兩邊的初拉力之和，忽略V帶兩邊的拉力差，則值可以近似由下式算出：
即：
5 V 帶帶輪的設(shè)計(jì)
5.1帶輪的材料選擇
因?yàn)閹л喌霓D(zhuǎn)速，即，轉(zhuǎn)速比較底，所以材料選定為灰鑄鐵，硬度為。
5.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
帶輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是根據(jù)帶輪的基準(zhǔn)直徑，選擇帶輪的結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)帶的型號(hào)來(lái)確定帶論輪槽的尺寸，設(shè)計(jì)如下：
主動(dòng)帶輪的結(jié)構(gòu)選擇 因?yàn)楦鶕?jù)主動(dòng)帶輪的基準(zhǔn)直徑尺寸，而與主動(dòng)帶輪配合的電動(dòng)機(jī)軸的直徑是，因此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，所以主動(dòng)帶輪采用實(shí)心式。
帶輪參數(shù)的選擇：
通過(guò)查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》一書，可以確定主動(dòng)帶輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)構(gòu)參數(shù)如下表，其他的相關(guān)尺寸可以根據(jù)相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算求得?！ ?
表5-1 帶輪的結(jié)構(gòu)參數(shù) 單位（mm）
槽型
e
Z
8.5
2
7
12±0.3
7
13
主動(dòng)帶輪的厚度可以由計(jì)算公式： （5-1）
即 ：
主動(dòng)帶輪的結(jié)構(gòu)如圖5-1：
圖5-1 主動(dòng)帶輪的結(jié)構(gòu)
5.3 從動(dòng)帶輪的設(shè)計(jì)
從動(dòng)帶輪的結(jié)果選擇 因?yàn)楦鶕?jù)主動(dòng)帶輪的基準(zhǔn)直徑和傳動(dòng)比來(lái)確定，即 ，，所以從動(dòng)帶輪采用腹板式。
從動(dòng)帶輪的參數(shù)選擇：
通過(guò)查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》一書，可查得帶輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)間表，其他一些相關(guān)尺寸可以根據(jù)相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算求得?！ ?
表5-2 帶輪的結(jié)構(gòu)參數(shù) 單位（mm）
槽型
e
Z
8.5
2
7
12±0.3
7
13
從動(dòng)帶輪的厚度可以由計(jì)算公式：
（5-2）
當(dāng)B＜1.5d是，L=B 求得
即 ：
從動(dòng)帶輪的結(jié)構(gòu)如圖5-2：
圖5-2 從動(dòng)帶輪的結(jié)構(gòu)
6傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)
傳動(dòng)軸是核桃破殼機(jī)的主要設(shè)計(jì)部件之一，它在核桃破殼機(jī)正常工作過(guò)程中，承擔(dān)主要轉(zhuǎn)矩、扭矩、彎矩和支撐傳動(dòng)軸上的回轉(zhuǎn)零件，核桃破殼是瞬時(shí)沖擊很大，而且沖擊次數(shù)很頻繁的工作環(huán)境，因此傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)是很關(guān)鍵的一個(gè)步驟[5]。它的主要公用是：一是支持軸上所安裝的回轉(zhuǎn)零件，使其有確定的工作位置；而是傳遞軸上的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。軸按照軸線形狀的不同，可以分為曲軸、直軸、軟軸和撓形軸等，根據(jù)核桃破殼機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和組成形狀及工作強(qiáng)度和環(huán)境的要求，核桃破殼機(jī)的主軸選用直軸形式傳遞，而且選用直軸中的階梯軸。此軸的設(shè)計(jì)如下：
根據(jù)軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度來(lái)初步計(jì)算確定其最小直徑，可利用經(jīng)驗(yàn)公式：
（6-1）
其中：—軸常用的幾種材料的的值
—主軸上的功率
—主軸上的轉(zhuǎn)速
軸上的材料由《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》一書中表18—1 可以查到，應(yīng)選取調(diào)質(zhì)處理的45號(hào)鋼，，書中表18—2取，于是得 ：
（6-2）
輸出軸上的最小直徑顯然是安裝帶輪的內(nèi)孔，必在軸上開有鍵槽，因此，為了開鍵槽又不消耗輸出軸的強(qiáng)度，可以使周的直徑增加7%以上，這樣增加輸出軸的尺寸，因而可以提高軸的工作強(qiáng)度。即：
主輸出軸的最小直徑是安裝帶輪處的直徑，為了使所選的軸直徑與帶輪相配合，故使輸出軸端的軸徑選為20。
在《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》一書。查表可以得知帶輪的厚度，則取輸出軸的次段軸徑為，其長(zhǎng)度為。
6.1根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度
為了滿足帶輪的軸向定位要求，Ⅰ—Ⅱ軸段右端需要制出一個(gè)軸肩，故取Ⅱ—Ⅲ段的軸直徑 ，輸出軸的徑向定位由普通平鍵來(lái)完成。
選用鍵的型號(hào)為普通平鍵為。鍵的型號(hào)可以通過(guò)查《機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)》一書取得。
6.2 初步選擇輸出軸系
由破殼機(jī)的結(jié)構(gòu)和相關(guān)尺寸可知所設(shè)計(jì)的軸上裝有帶輪和滾筒，其上的凸筋，但由于受力不大可以忽略它的受力。又根據(jù)，初步選取支撐的軸承為深溝球軸承，在《機(jī)械設(shè)實(shí)用冊(cè)》查得深溝球軸承的型號(hào)為6305，它的結(jié)構(gòu)尺寸為，選軸承座型號(hào)SN305，取Ⅲ—Ⅳ段與Ⅴ—Ⅵ段的直徑相等，即。
考慮到機(jī)體的制造誤差等原因造成的安裝錯(cuò)位或是借口不齊等，滾動(dòng)軸承應(yīng)在機(jī)體內(nèi)有一段移動(dòng)的位移，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可等位移量。
取安裝滾筒的軸Ⅳ—Ⅴ段的直徑為，軸承與軸肩用軸端擋圈固定，左、右兩端采用的軸承用軸承座固定軸承，配合為，其上滾筒，已知滾筒長(zhǎng)為。
軸的基本結(jié)構(gòu)如圖6-1：
圖6-1 軸的結(jié)構(gòu)
6.3確定輸出軸上的圓角半徑值
按前面所述的原則，求出軸肩處的圓角半徑的值，詳細(xì)見(jiàn)圖。
軸端倒角在軸的兩端均為，小軸肩為軸肩的作用是使階梯直軸在軸徑改變截面上減小應(yīng)力集中。
6.4 按彎扭合成條件校核軸的強(qiáng)度
進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大當(dāng)量彎矩的強(qiáng)度（既危險(xiǎn)截面c的強(qiáng)度）。
6.4.1 作軸的簡(jiǎn)圖
圖6-2 軸簡(jiǎn)圖
6.4.2 求輸出軸上的所受作用力的大小
根據(jù)公式： （6-3）
其中：—電動(dòng)機(jī)的額定功率
—主軸的轉(zhuǎn)速
即：
6.4.3滾筒上的合力
根據(jù)公式： （6-4）
其中 ：—輸出軸的軸心到凸筋的距離
即 ：
根據(jù)受力分析
即 ：
由于核桃破殼機(jī)的主軸軸向不受力。 則取
圓周力 徑向力 軸向力 的方向如圖6-3所示：
圖6-3 水平方向受力與彎矩
6.4.4軸上水平面內(nèi)所受支反力
根據(jù)公式： （6-5）
其中：—是輸出軸上Ⅲ—Ⅳ段的中心線到Ⅳ—Ⅴ段距左端三分之一處的距離
—是輸出軸上Ⅳ—Ⅴ段距左端三分之一處到右端Ⅴ—Ⅵ段中心線之間的距離
即 ：
根據(jù)公式： 求得
即 ：
6.4.5軸在垂直面內(nèi)所受的支反力
根據(jù)公式： （6-6）
即 ：
根據(jù)公式 ： （6-7）
即 ：
6.4.6 作彎矩圖
在水平面內(nèi)，軸上、、三點(diǎn)的彎矩為 ：
根據(jù)公式 ：
求得
即：
作水平面內(nèi)彎矩圖如圖1（b）所示
在垂直面內(nèi)，軸上、、三點(diǎn)的彎矩為 ：
根據(jù)公式 ：
求得
即 ：
根據(jù)公式 ： 求得
即 ：
作垂直面內(nèi)彎矩圖如圖6-4所示：
圖6-4 垂直方向受力和彎矩
合成的彎矩為 ：
作軸的合成彎矩圖如圖6-5所示。
圖6-5 總彎矩圖
6.4.7作扭矩圖
根據(jù)公式 ： （6-8）
即 ：
其中 ： —電動(dòng)機(jī)的額定功率
—主軸轉(zhuǎn)速
作軸的扭矩圖 6-6所示：
圖6-6 扭矩圖
6.5 校核軸的強(qiáng)度
進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大當(dāng)量彎矩的強(qiáng)度（既危險(xiǎn)截面c的強(qiáng)度）。由經(jīng)驗(yàn)公式及上面計(jì)算出的數(shù)值可得出。
公式 ： （6-9）
式中 ： —軸的抗彎拋面模量，
—軸的許用應(yīng)力，。
按軸實(shí)際所受彎曲應(yīng)力的循環(huán)特性，在、、中選取其相應(yīng)的數(shù)值，從《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》可以查出。
按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》書中查得，對(duì)于的碳鋼，承受對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力時(shí)的許用應(yīng)力。
其他截面雖然引起的應(yīng)力集中削弱疲勞強(qiáng)度，但由于最小直徑按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度較為寬裕確定的，所以無(wú)需校核。
7 滾筒的設(shè)計(jì)
滾筒是核桃破殼機(jī)的主要部件之一，它直接關(guān)系到核桃破殼機(jī)正常工作時(shí)整體的破殼效果情況。
滾筒主要由三部分組成：鋼管、鋼筋、連接圓板。三者固定為整體，采用焊接方式連接。
它的功能是采用滾筒上的凸筋，均勻快速的轉(zhuǎn)動(dòng)情況下，將進(jìn)入的核桃拋出，被拋出的核桃與輻條篩撞擊破裂，當(dāng)其進(jìn)入脫殼室咽喉出被凸筋與輻條篩擠壓破殼。
凸筋是數(shù)條鋼筋焊接在滾筒上的，圓筒用的是鋼管，圓筒兩端通過(guò)圓鋼板使?jié)L筒與軸通過(guò)焊接方式連接在一起，核桃破殼機(jī)的主要功能是碰撞擠壓破殼，而滾筒在工作中起到了重要作用，因此，滾筒是破殼機(jī)的設(shè)計(jì)的主要部件。
滾筒和輻條篩與核桃擠壓部分的硬度對(duì)破殼有影響，若硬度太低,滾筒及輻條篩容易磨損和產(chǎn)生變形,使用壽命縮短。若硬度太大,則彈性差,對(duì)核桃擠壓力大容易傷核桃仁,同時(shí)變形小,影響破殼。試驗(yàn)結(jié)果證明,采用HRC硬度為40~50的45鋼較合適。
圖7 滾筒
8圓盤的設(shè)計(jì)
圓盤是將滾筒與主軸固定的主要部件，它不僅起連接作用，而且還可以承擔(dān)滾筒和主軸傳遞的力矩和彎曲及扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，它位與滾筒的兩端，且采用焊接式連接，同時(shí)與主軸也要相對(duì)固定，采用焊接的連接方式，因此，圓盤的設(shè)計(jì)也是滾筒強(qiáng)度高低的要部件。由《機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)》一書，查得圓盤的材料采用剛度和強(qiáng)度較好多45鋼制成，其直徑，圓盤中心應(yīng)裝套在主軸的直徑上（），因此，圓盤的中心應(yīng)設(shè)定為的孔，以便安裝在軸上，圓盤的厚度選為。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖8所示：
圖8 連接圓板
9入料口及破殼機(jī)上蓋的設(shè)計(jì)
入料口是將核桃填入核桃破殼機(jī)機(jī)體內(nèi)的一個(gè)重要部分，它是核桃破殼機(jī)上的一個(gè)部件，它的作用在于通過(guò)入料口可以將核桃順利的填入機(jī)體內(nèi)，而且不會(huì)將核桃從入料口飛濺出來(lái)，造成人員傷害等事故發(fā)生，而且在填入的過(guò)程中或是填入后的工作過(guò)程中，破殼機(jī)機(jī)能安全的工作，因此，核桃破殼機(jī)的入料口的設(shè)計(jì)，即關(guān)系到核桃破殼機(jī)的工作質(zhì)量及安全[6]。
在設(shè)計(jì)核桃破殼機(jī)入料口時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮到設(shè)計(jì)不當(dāng)可能發(fā)生的危害，需要精心的設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)。因?yàn)樵趯⒑颂姨砣肫茪C(jī)時(shí)，電動(dòng)機(jī)在高速的旋轉(zhuǎn)，連同它的主軸一起旋轉(zhuǎn)，這種填料方式對(duì)主軸、對(duì)機(jī)體都有很大的副作用，有可能瞬時(shí)加大主軸的承擔(dān)負(fù)載，即同時(shí)加大主軸的彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力等，如果入料口的填料方式不利于主軸的工作，就會(huì)加大了滾筒上的凸筋的磨損和老化等。如果入料口的設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)造成主軸的瞬時(shí)被卡死，電動(dòng)機(jī)悶車等現(xiàn)象發(fā)生，這些現(xiàn)象對(duì)電動(dòng)機(jī)和核桃破殼機(jī)的主軸有及大的破壞性。核桃破殼機(jī)的入料口與破殼機(jī)的上蓋相連接為一體，即入料口安裝在核桃破殼機(jī)的上蓋上，兩者均采用2mm的薄鐵板制成，焊接連接，核桃破殼機(jī)的上蓋成方形。
上蓋上的入料口設(shè)計(jì)很重要。核桃破殼機(jī)的上蓋的兩端部位、入料口的兩側(cè)及中間部位，均采用鐵條加固，其連接的方式采用焊接，這樣可以提高核桃破殼機(jī)的上蓋的剛度，不宜變形，同樣也有支撐作用。破殼機(jī)的上蓋整體焊接兩個(gè)角鐵上，目的是便于與破殼機(jī)的下半部分安裝，將破殼機(jī)上蓋的緣地腳與角鐵焊接相連，角鐵采用的厚度為，長(zhǎng)度為810mm，起加固作用的鐵條同樣焊接在兩個(gè)角鐵上，以加堅(jiān)固。在核桃破殼機(jī)上蓋的兩端設(shè)有兩個(gè)半圓形狀的鐵板，其采用的材料是一樣的，目的一是保障工作人員的安全，因?yàn)樵谄茪C(jī)正常工作時(shí)，它的主軸高速旋轉(zhuǎn)，如果沒(méi)有兩打的鐵板擋住，有可能工作人員不甚將手或衣服絞進(jìn)破殼機(jī)中，造成人員傷亡等事故發(fā)生。二是阻擋破殼后的核桃飛濺，核桃被破殼機(jī)破殼后，由于主軸的高速旋轉(zhuǎn)擊打破殼下的核桃四處飛濺，致使核桃不能很好的收集起來(lái)，如果核桃破殼機(jī)上蓋的兩端沒(méi)有著兩快鐵板的攔擋，同時(shí)飛濺的核桃碎殼也給工作人員帶來(lái)危險(xiǎn)，因此核桃破殼機(jī)上蓋兩端的擋板設(shè)計(jì)是必要的，也是必須的[7]。而且，根據(jù)它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，擋板在核桃破殼機(jī)安裝中是縱向布置的，兩個(gè)擋板都應(yīng)該騎壓軸承座，即擋板的設(shè)計(jì)即要考慮到它與破殼機(jī)上蓋的連接又要考慮到它與軸承座的配合，而且，兩端開口，它與軸承相交處的形狀根據(jù)軸承來(lái)確定，其結(jié)構(gòu)如圖9所示：
圖9 上機(jī)殼
10機(jī)架的設(shè)計(jì)
機(jī)架是核桃破殼機(jī)的主要支撐部件，機(jī)架的堅(jiān)固是核桃破殼機(jī)的工作穩(wěn)定、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)的基礎(chǔ)，它是承擔(dān)所有來(lái)自軸及電動(dòng)機(jī)、滾筒的沖擊和應(yīng)力，因此機(jī)架無(wú)論是從結(jié)構(gòu)上還是從材料上，都應(yīng)該采用堅(jiān)固的穩(wěn)定的材料和樣式制成。
就此核桃破殼機(jī)來(lái)說(shuō)，它的沖擊載荷和內(nèi)部的應(yīng)力偏低，電動(dòng)機(jī)達(dá)到動(dòng)力偏小，以及所選用的機(jī)型比較輕便，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)》一書，查得的設(shè)計(jì)材料可采用角鐵支撐，角鐵支撐的好處在于：在角鐵材料本身所支撐的載荷范圍條件下，不會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)變形，雖然有較小的彈性變形，也不會(huì)影響破殼機(jī)機(jī)機(jī)體的堅(jiān)固、穩(wěn)定的效果，盡管在核桃破殼機(jī)正常工作的情況下，也不會(huì)影響核桃破殼機(jī)的整體效果[8]。選擇角鐵的厚度為。
在機(jī)架上有兩段橫梁，要求它的工作強(qiáng)度大，承載能力強(qiáng)，受沖擊載荷、彎矩、扭矩不會(huì)變形，因此這兩端橫梁選為角鐵的厚度為，這樣的材料來(lái)支撐核桃破殼機(jī)的主要載荷部分。核桃破殼機(jī)的機(jī)架上安裝有一出口，目的是當(dāng)破殼機(jī)將核桃破殼后，核桃從脫殼室中漏出，落到出出口上，核桃順著斜板下滑，從而滑出機(jī)體之外，達(dá)到將核桃破殼的完成，而隨時(shí)地將核桃排出機(jī)體之外，它的材料也同樣是選用2mm后的鐵板制成。
從機(jī)架的整體來(lái)看，機(jī)架的選料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、受力的部署及破殼核桃的排出，可以看出核桃破殼機(jī)的機(jī)架是滿足要求的，而且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖10所示：
圖10 機(jī)架
小 結(jié)
農(nóng)業(yè)機(jī)械化是發(fā)展的方向,是減輕勞動(dòng)者的強(qiáng)度,節(jié)省時(shí)間,提高效率的較好途徑.核桃破殼機(jī)是核桃破殼加工的機(jī)器,起主要功能是將核桃仁與核桃殼分開,達(dá)到核桃破殼的目的,此產(chǎn)品是一種先進(jìn)的機(jī)型,生產(chǎn)率較高,而且單位時(shí)間內(nèi)生成效率高,是現(xiàn)在市場(chǎng)上應(yīng)用前景很廣的產(chǎn)品,但是,此產(chǎn)品也有一些不足之處,比如它的破殼率,破殼效果等缺點(diǎn),但對(duì)于核桃破殼的效率確是得到了提高,其主要優(yōu)勢(shì)是效率高。因此,在今后還要對(duì)核桃破殼機(jī)的開發(fā),使核桃破殼機(jī)更加完善,效率高。
致 謝
經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)忙碌之后，設(shè)計(jì)最終完成，設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到許多的問(wèn)題，在眾多老師和同學(xué)的幫助下予以解決。首先要感謝張宏老師對(duì)我的指導(dǎo)和督促，在設(shè)計(jì)過(guò)程中張宏老師不僅給我指出了正確的設(shè)計(jì)方向，而且還使我加深了對(duì)知識(shí)的理解，同時(shí)也避免了在設(shè)計(jì)過(guò)程中走彎路，張宏老師的督促使我一直把畢業(yè)設(shè)計(jì)放在心里，保證按質(zhì)按量的完成；還要感謝同組同學(xué)，是大家相互幫助，相互交流，解決存在的一些問(wèn)題，使我能夠按時(shí)完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。
大學(xué)生活即將畫上句號(hào)，在這四年中我是充實(shí)的、快樂(lè)的，在這里感謝我的母?！锬敬髮W(xué)的辛勤培育，感謝學(xué)校給我提供了如此難得的學(xué)習(xí)環(huán)境和機(jī)會(huì)，使我學(xué)到了許多新的知識(shí)、知道了知識(shí)的可貴與獲取知識(shí)的辛勤。
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