1振動式紅薯清洗機(jī)設(shè)計(jì)學(xué) 生：胡勇勝指導(dǎo)老師：張 嵐（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長沙 410128）摘 要：振動式紅薯清洗機(jī)的基本工作原理是利用篩箱的振動，使紅薯在其中不斷地碰撞和摩擦，同時用高壓水沖洗，以達(dá)到去泥沙和清洗的效果。本文包括原動部分，傳動部分，執(zhí)行部分以及各零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算。本設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)省投資，工作高效，能很好地實(shí)現(xiàn)紅薯清洗的機(jī)械化。關(guān)鍵詞：傳動系統(tǒng)；連桿機(jī)構(gòu)；振動；噴淋Design of vibrating sweet potato washing machineStudent:Hu YongshengTutor:Zhang Lan(College of engineering,Hunan Agricultural University,Changsha,410128)Abstract: In order to achieve to sediment and cleaning effect,basic working principle of vibrating sweet potato washing machine is the use of the vibration of the sieve box, making sweet potato in constant collision and friction, rinsing with high pressure water at the same time.In this paper, including the original part, transmission part, execute part and the design and calculation of components. The design of the main features are: simple structure, saving investment, working efficient, it can well realize sweet potato mechanization cleaning.Key word: The transmission system; Linkage; Vibration;Spray1 前言紅薯含有豐富的淀粉、膳食纖維、胡蘿卜素、維生素 A、維生素 B、維生素 C、維生素 E 以及鉀、鐵、銅、硒、鈣等 10 余種微量元素和亞油酸等，營養(yǎng)價(jià)值很高，被營養(yǎng)學(xué)家們稱為營養(yǎng)最均衡的保健食品。2但紅薯不可避免地與泥土相粘連。這些泥土、雜質(zhì)的存在,將會對產(chǎn)品的加工質(zhì)量帶來極為不利的影響，所以必須將這些泥沙、雜質(zhì)洗滌除去。在設(shè)計(jì)清洗工藝及清洗設(shè)備時，主要從以下幾個方面進(jìn)行考慮：1. 可靠性 要求選用的清洗工藝及設(shè)備有穩(wěn)定的清洗質(zhì)量，能達(dá)到所要求的洗凈程度；2. 對待清洗對象的影響 要求在清洗過程中對待清洗對象造成的損傷盡可能小，并且不能對待清洗對象產(chǎn)生新的二次污染；3. 利于自然環(huán)境的保護(hù) 要求清洗工藝及設(shè)備能夠防止或盡可能減少清洗廢液、噪聲、廢氣等對自然環(huán)境造成的破壞；4. 效率 要求清洗工藝及設(shè)備具有效率高、節(jié)約勞動力的特點(diǎn)。2 方案比較查閱相關(guān)資料，根據(jù)振動式紅薯清洗機(jī)的工況要求，有以下三種方案：方案一：直接運(yùn)用步進(jìn)電動機(jī)和帶傳動來實(shí)現(xiàn)滑架的往復(fù)運(yùn)動，通過步進(jìn)電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)程序控制往返運(yùn)動，用單片機(jī)控制驅(qū)動電路來設(shè)置相關(guān)的運(yùn)動參數(shù)。方案二：運(yùn)用步進(jìn)電機(jī)和齒輪齒條來實(shí)現(xiàn)滑架的往返運(yùn)動，通過步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，齒條固定在滑架上，利用齒輪齒條間的傳動來實(shí)現(xiàn)往返運(yùn)動。方案三：運(yùn)用普通電動機(jī)，帶傳動，連桿機(jī)構(gòu)。通過電動機(jī)可以獲得運(yùn)動需要的動力，帶傳動提供相應(yīng)的速度，連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)振動。經(jīng)過對比，發(fā)現(xiàn)方案三是合理的，也是最有實(shí)際意義的，同時，經(jīng)濟(jì)性也能很好的實(shí)現(xiàn)，方案一中步進(jìn)電機(jī)的功率和工況要求中的中度沖擊問題對步進(jìn)電機(jī)的影響不能很好的解決，雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。而必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識。方案二也存在類似的問題，而方案三都能很好的實(shí)現(xiàn)，而且普通電動機(jī)容易選擇，帶傳動和連桿機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)可靠，穩(wěn)定性高,可以允許有一定的沖擊，故此方案較合理。在整個設(shè)計(jì)過程中，帶傳動部分和連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析應(yīng)是本課題的重點(diǎn)，運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械原理的相關(guān)內(nèi)容來設(shè)計(jì)。方案示意圖如下：3圖 1 方案示意圖Fig1 Solution diagram3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)3.1 連桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)連桿機(jī)構(gòu)是一種應(yīng)用十分廣泛的機(jī)構(gòu)，機(jī)械手的傳動機(jī)構(gòu)，折疊傘的收放機(jī)構(gòu)以及人體假肢的設(shè)計(jì)等，都是連桿機(jī)構(gòu)。連桿機(jī)構(gòu)具有以下特點(diǎn):1)連桿機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動副一般均為低副，低副兩元素為面接觸，故在傳遞同樣載荷的條件下，兩元素間的壓強(qiáng)較小，可以承受較大的載荷。低副兩元素間便于潤滑，所以兩元素不易產(chǎn)生大的磨損。這些條件都能較好的滿足重型機(jī)械的要求。此外,低副兩元素的幾何形狀也比較簡單，便于制造。2)在連桿機(jī)構(gòu)中，當(dāng)原動件以同樣的運(yùn)動規(guī)律運(yùn)動時，如果改變各構(gòu)件的相對長度關(guān)系，便可以使從動件得到不同的運(yùn)動規(guī)律。3)在連桿機(jī)構(gòu)中，連桿上各不同點(diǎn)的軌跡是各種不同形狀的曲線，稱為連桿曲線，而且隨著各構(gòu)件相對長短關(guān)系的改變，這些連桿曲線的形狀也將發(fā)生改變，從而可以得到各種不同形狀的曲線，我們可以利用這些曲線來滿足不同的軌跡要求。由于連桿機(jī)構(gòu)有了上述優(yōu)點(diǎn)，所以在各種機(jī)械和儀表中得到了廣泛的應(yīng)用。4)此外，利用連桿機(jī)構(gòu)可以滿足各種運(yùn)動規(guī)律和運(yùn)動軌跡的設(shè)計(jì)要求，但要設(shè)計(jì)一種能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)這種要求的連桿機(jī)構(gòu)卻是十分困難的。而且在多數(shù)情況下一般只能近似地得以滿足。正因?yàn)槿绱?，所以如何根?jù)最優(yōu)化要求來設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu),使其能夠最佳地滿足設(shè)計(jì)要求，一直是連桿機(jī)構(gòu)研究的一個重要課題。近年來對平面連桿機(jī)構(gòu)的研究，不論從研究范圍上還是方法上都有很大的進(jìn)展。從研究范圍來說，已不再局限于單自由度四連桿機(jī)構(gòu)的研究,也已注意到對多桿，多自由度平面連桿機(jī)構(gòu)的研究，4并且已提出了一些有關(guān)這類機(jī)構(gòu)的分析與綜合的方法。3.2 連桿機(jī)構(gòu)的選擇另一方面,在設(shè)計(jì)要求上也不再局限于運(yùn)動學(xué)要求的范圍內(nèi)，而且已注意到考慮機(jī)構(gòu)的動力特性。根據(jù)構(gòu)成連桿機(jī)構(gòu)的各構(gòu)件間的相對運(yùn)動為平面運(yùn)動還是空間運(yùn)動，連桿機(jī)構(gòu)可分為平面連桿機(jī)構(gòu)和空間連桿機(jī)構(gòu)兩大類，在一般機(jī)械中采用的多數(shù)是平面連桿機(jī)構(gòu)經(jīng)分析，參考方案中給出的工作機(jī)構(gòu)是鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)。圖 2 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)Fig2 Enchain four rod organization構(gòu)件之間都是用轉(zhuǎn)動副連接的四桿機(jī)構(gòu)，成為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。如圖所示：其中，固定不動的桿 4 稱為機(jī)架，與機(jī)架相連的桿 1 和桿 3 稱為連架桿，而連接兩連架桿的桿 2 稱為連桿。連桿 2 通常做平面運(yùn)動，而連架桿 1 和 3 則繞各自回轉(zhuǎn)中心 A 和 D 轉(zhuǎn)動。其中能做整周回轉(zhuǎn)運(yùn)動的連架桿稱為曲柄，僅能在小于 360 的某一角度范圍內(nèi)往復(fù)擺動的連架桿稱為搖桿。在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，按照連架桿是曲柄還是搖桿，將其分為三種基本形式：曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；雙曲柄機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu)。1． ）曲柄搖桿機(jī)構(gòu)在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，若兩連架桿中，有一桿為曲柄，另一桿為搖桿。2． ）雙曲柄機(jī)構(gòu)具有兩個曲柄的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)稱為雙曲柄機(jī)構(gòu)。雙曲柄機(jī)構(gòu)中，通常主動曲柄做等速運(yùn)動，從動曲柄做變速轉(zhuǎn)動。3． ）雙搖桿機(jī)構(gòu)若兩連桿均為搖桿，則成為雙搖桿機(jī)構(gòu)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)器工作時，振動箱支承擺桿 CD 繞垂面左右做對稱擺動。我們可以判斷連架桿 CD 為搖桿，連架桿 AB 可做整周回轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此它是曲柄。綜上所述，選擇方案（1）中的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。53.3 平面四桿機(jī)構(gòu)有曲柄的條件1.）最短桿與最長桿的長度和應(yīng)小于或等于其他兩桿的長度和,此條件通常為桿長條件。2.）組成該周轉(zhuǎn)副的兩桿中必有一桿為四桿中的最短桿。上述條件表明:當(dāng)四桿機(jī)構(gòu)各桿的長度滿足桿長條件時,其最短桿參與構(gòu)成的轉(zhuǎn)動副都是周轉(zhuǎn)副。由此可知,上述四桿機(jī)構(gòu)中的轉(zhuǎn)動副亦為周轉(zhuǎn)副,而轉(zhuǎn)動副則只能的擺轉(zhuǎn)副。于是,四桿機(jī)構(gòu)有曲柄的條件是各桿的長度需要滿足桿長條件,且其最短桿為連架桿或機(jī)架。當(dāng)最短桿為連架桿時,該四桿機(jī)構(gòu)將成為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。3.4 無急回特性桿長的設(shè)計(jì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)在機(jī)械中應(yīng)用很廣泛，急回特性是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的重要特性之一。為縮短空行程時間，提高生產(chǎn)效率，通常要利用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的急回特性。事物也是一分為二的，急回特性雖然對搖桿去程為工作行程，回程為空行程的機(jī)械有利，但對搖桿去程和回程均為工作行程的機(jī)械卻有害。近年來出現(xiàn)了越來越多的搖桿去程和回程均是工作行程的機(jī)械，如風(fēng)扇的搖頭機(jī)構(gòu)，有株距要求的播種機(jī)，空調(diào)擺風(fēng)機(jī)構(gòu)，故對曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了新要求。目前許多文獻(xiàn)介紹的用于設(shè)計(jì)具有給定急回特性的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的圖解法似乎也能用于無急回特性的曲柄搖桿設(shè)計(jì)，實(shí)際上不僅無急回特性時圖解法所用圓半徑趨于無限大而使圖解法失效，而且當(dāng)系數(shù) K 較小時圖解法所用半徑變很大而使圖解法不好用。查閱相關(guān)文獻(xiàn) [20]曲柄搖桿機(jī)構(gòu)無急回特性的充分必要條件是曲柄與機(jī)架的長度平方和等于連桿與搖桿長度平方和。而且無急回特性的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)具備以下性質(zhì)：第一，特殊位置上四桿兩兩正交，即無急回特性的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)行時，存在一個特殊位置：當(dāng)搖桿與連桿垂直時曲柄與機(jī)架亦必定垂直。第二，機(jī)架是最長桿，若一個曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的機(jī)架不是最長桿，則該機(jī)構(gòu)一定有急回特性；若機(jī)架是最長桿，則該機(jī)構(gòu)才有可能無急回特性。第三，搖桿擺角僅與曲柄和搖桿長度比有關(guān)，根據(jù)振動式紅薯清洗機(jī)的工作原理，即不需要曲柄搖桿機(jī)構(gòu)具有急回特性。按照上述理論以及參考相關(guān)資料 [16]已知搖桿往復(fù)運(yùn)動次數(shù)約為 4 次/s，初定曲柄，連桿以及搖桿的長度分別為6a=134mm,b=800mm,c=b=800mm，則可根據(jù)上述無急回特性的條件，計(jì)算得出機(jī)架桿長即 d=1123mm3.5 校核最小傳動角在機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中,傳動角的大小是變化的,為了保證機(jī)構(gòu)的傳動性能要求,設(shè)計(jì)時應(yīng)使 ≥40°傳遞力矩較大時，則應(yīng)使 ≥ °；對于一些受力很小或不常使min? min?50用的操縱機(jī)構(gòu)，則可允許傳動角小些，只要不發(fā)生自鎖即可。最小傳動角與機(jī)構(gòu)中的各桿的長度有關(guān)，按參考文獻(xiàn) [2]（1）22()arcosbdac????2280(134)r 81.80o???≥40°?故滿足最小傳動角的要求。所以：L =a=134mm,L =b=800mm,L =c=b=800mm,L =d=1123mm.ABBCCDAD以上 L 為桿件 AB 的長度，L 為桿件 BC 的長度，L 為桿件 CD 的長度，L 為CAD桿件 AD 的長度。3.6 桿件的設(shè)計(jì)3.6.1 桿件材料的選擇桿件是四連桿機(jī)構(gòu)，綜合性能要求比較高，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇 45 鋼，有關(guān)的質(zhì)量系數(shù)見下表表 1 桿件材料的質(zhì)量系數(shù)Table1 The quality of the bar material coefficient材料 MPaB? MPaS %5? ?3kgmEGPa45 600 350 16 7.8 2063.6.2 桿件截面直徑的確定設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)往復(fù)次數(shù)為 3.4/s，即曲柄的轉(zhuǎn)速為 204r/min。取特殊位置的機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，如下圖所示桿 AB 繞 A 轉(zhuǎn)動，桿 CD 繞 D 擺動，桿 BC 作平面運(yùn)動，選取適當(dāng)?shù)拈L度比例尺和速度比例尺作出相應(yīng)的桿件的速度平行四邊形如圖，有 134./0.45/BVlmrsms????方向如圖，按參考文獻(xiàn) [15]7對于平面運(yùn)動的桿 BC，可以點(diǎn) B 為基點(diǎn)：(2)CBV??由此瞬時的幾何關(guān)系，可得 C0.32/,=0.32/CBmss桿 CD 的角速度： CDV.=.5/130rsl??為點(diǎn) C 相對于 B 的速度：B(3)l?CBV0.32=.5/1rsl?圖 3 速度平行四邊形Fig3 parallelogram of velocities由參考資料 [15]桿件的轉(zhuǎn)動慣量J= ml ㎏·㎡ (4)12轉(zhuǎn)矩(5)M=J??再由參考資料 [19]8(6)maxaxMW??其中圓桿：W=πd^3/32 (7)由：以及上述公式可得：max[]?(8)32[]ld????其中安全系數(shù)取 1.1；由上式可求得各桿件的最小直徑如下：AB 桿：28mm；BC 桿和 CD 桿均為：27mm,圓整后各桿直徑均取 30mm。3.6.3 穩(wěn)定性校核當(dāng)作用在細(xì)長桿的軸向力到達(dá)或超過一定限度時，桿件可能突然彎曲，即產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。根據(jù)紅薯清洗機(jī)實(shí)際工作情況，當(dāng)機(jī)器工作時，CD 桿受壓最大，所以對于搖桿 CD，還應(yīng)對其進(jìn)行穩(wěn)定性校核。臨界載荷的計(jì)算該連桿為兩端鉸支細(xì)長壓桿，由參考文獻(xiàn) [19]可知其臨界載荷為(9)243426crEdPll???代入數(shù)據(jù)可計(jì)算得 3342.1406068cr N??臨界載荷與實(shí)際最大壓力之比，為壓桿的穩(wěn)定安全因數(shù)，根據(jù)振動式紅薯清洗機(jī)的實(shí)際工作需求，每次清洗紅薯質(zhì)量最大為 40kg，即壓桿所受的最大壓力約為F=400N。由(10)46201crFn?工況為一般中度沖擊條件，所以 4st取所以搖桿 CD 滿足穩(wěn)定要求。94 原動部分參考《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊》表 13-1（常用原動機(jī)特點(diǎn)） ，分析比較各類原動機(jī)的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)電動機(jī)功率較大，驅(qū)動效率高，調(diào)速性能好，對環(huán)境影響小，并且與被驅(qū)動的工作機(jī)械連接簡便，其種類和型號較多，可滿足不同類型機(jī)械的工作要求，因此選用電動機(jī)作為原動部分：Y 系列三相異步電動機(jī)是按照國際電工委員會（IEC）標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，具有國際互換性的特點(diǎn)。其中，Y 系列（IP44）電動機(jī)為一般用途全封閉自扇冷式籠型三相異步電動機(jī)，具有防止灰塵、鐵屑或其他雜物侵入電動機(jī)內(nèi)部的特點(diǎn)，B 級絕緣，工作環(huán)境溫度不超過+40°，相對濕度不超過 95％，海拔高度不超過 1000m，額定電壓 380V，頻率50Hz。適用于無特殊要求的機(jī)械上，如機(jī)床、泵、風(fēng)機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、攪拌機(jī)、農(nóng)業(yè)機(jī)械等。而且 Y 系列電動機(jī)具有高效、節(jié)能、性能好、振動小、噪音低、壽命長、可靠性高、維護(hù)方便、啟動轉(zhuǎn)巨大等優(yōu)點(diǎn)。查閱相關(guān)資料，可知曲柄搖桿機(jī)構(gòu)桿件做功為(11)1W=M2t?所以功率計(jì)算為(12)P?21J=Jml?再 由 ， 可 得各桿件的功率分別為 0.89,0.12ABBCDPkWPk??所以曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的總功率為 1.13kW，查參考資料 [18]帶傳動的效率概值為 0.92~0.97，取 ，計(jì)算得電動機(jī)所需最小功率為0.97??1.2kW。再已知曲柄轉(zhuǎn)速為 3.4r/s,即 204r/min，查參考資料 [18]帶傳動的傳動比一般為 ，推薦值為 ，則電動機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為7i?2~5i408~1020r/min。查參考資料 [17]，選擇電動機(jī)型號為 Y112M-6，具體參數(shù)如下表表 2 電動機(jī)的型號Table 2 the side of the electrical machinery電動機(jī)型號 額定功率/kW 滿載轉(zhuǎn)速/(r/min)10Y112M-6 2.2 9405 傳動部分 5.1 傳動方案對比一臺完整的機(jī)器，總是由原動部分，傳動部分，和執(zhí)行部分所組成，而傳動部分的功能是將原動機(jī)的動力或運(yùn)動形式傳遞給執(zhí)行部分或轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機(jī)構(gòu)預(yù)期的動作。實(shí)踐證明，傳動部分的質(zhì)量和成本在整個機(jī)器中所占的比例很大，傳動方案的選擇及布局是否合理在很大程度上決定了機(jī)器的工作性能和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用。因此，合理擬定與選擇傳動方案具有十分重要的意義。合理的傳動方案，除應(yīng)滿足工作機(jī)的性能要求，使用條件和工作可靠外，還應(yīng)使結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、加工方便、成本低廉、傳動效率高及使用維護(hù)便利等。要同時滿足這許多要求，常常是困難的，實(shí)際上只能照顧重點(diǎn)要求。綜合考慮紅薯清洗機(jī)的傳動比和效益問題，優(yōu)先選擇帶傳動：帶傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、能緩沖吸振、可以在大的軸間距和多軸間傳遞動力，且其造價(jià)低廉、不需潤滑、維護(hù)容易等特點(diǎn)，在近代機(jī)械傳動中應(yīng)用十分廣泛。主要類型與應(yīng)用a.平型帶傳動——最簡單，適合于中心距 a 較大的情況b. V 帶傳動——三角帶c.多楔帶傳動——適于傳遞功率較大要求結(jié)構(gòu)緊湊場合d.同步帶傳動——嚙合傳動，高速、高精度，適于高精度儀器裝置中帶比較薄，比較輕圖 4 帶的類型Fig 4 The type of belt而其中的 V 帶傳動是靠 V 帶的兩側(cè)面與輪槽側(cè)面壓緊產(chǎn)生摩擦力進(jìn)行動力傳遞的。與平帶傳動比較，V 帶傳動的摩擦力大，因此可以傳遞較大功率。V 帶較平帶結(jié)構(gòu)緊湊，而且 V 帶是無接頭的傳動帶，所以傳動較平穩(wěn)，是帶傳動中應(yīng)用最廣的一種11傳動。故選用 V 帶。5.2 V 帶傳動的設(shè)計(jì)計(jì)算5.2.1 確定計(jì)算功率查參考文獻(xiàn) [18]P156 表 8-7 得工作情況系數(shù)： =1.4AK= P=1.4×2.2=3.08kW (13)caPAK5.2.2 選擇 V 帶的帶型根據(jù)計(jì)算功率 和小帶輪轉(zhuǎn)速 ，由 P157 圖 8-11 選擇 V 帶的帶型為：A 型caP1n5.2.3 初選小帶輪的基準(zhǔn)直徑 d查參考文獻(xiàn) [18]P155 表 8-6 得： =75㎜min)(根據(jù) ≥ 查參考文獻(xiàn) [18]P157 表 8-8 ?。?=112㎜1dmin)( 1d驗(yàn)算帶速 v：根據(jù) P150 公式 8-13 得：13.40695.1/601d s????（14）因?yàn)?5m/s0Fmin)(5.2.9 計(jì)算壓軸力壓軸力的最小值根據(jù)參考文獻(xiàn) [18]P159 式 8-28 得：=2z =8609N （21）min)(pF2si10?5.3 V 帶輪的設(shè)計(jì)5.3.1 確定小帶輪的材料本設(shè)計(jì)中，小帶輪轉(zhuǎn)速要求不高，材料可采用HT200。5.3.2 確定小帶輪結(jié)構(gòu)形式由電動機(jī)型號，查參考文獻(xiàn) [18]P168 表 12-3 可知，電動機(jī)外伸軸直徑 d=28mm，長度為 60mm。小帶輪直徑 106mm 采用腹板式，大帶輪直徑 500mm 則采用輪輻式。輪轂和輪輻的尺寸參見參考文獻(xiàn) [18]中 P160 圖 8-14 中的經(jīng)驗(yàn)公式，小帶輪的具體尺寸參見零件圖。5.4 V帶傳動的張緊13V 帶傳動一段時間后，會因?yàn)閹У乃苄宰冃魏湍p而松弛。為了保證傳動正常工作，應(yīng)定期檢查帶的松弛程度，本方案中采用定期張緊裝置滑道式；詳見裝配圖。圖5 三角帶輪的結(jié)構(gòu)Fig5 The structure of the triangle belt wheel6 零部件的結(jié)構(gòu)和尺寸的確定6.1 大帶輪軸的設(shè)計(jì)6.1.1 軸的強(qiáng)度校核計(jì)算當(dāng)軸的支承距離未定時，無法由強(qiáng)度確定軸徑，要用初步估算的辦法，即按純扭矩并降低許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力確定軸徑 d，參考文獻(xiàn) [18]計(jì)算公式：d≥A ㎜ （22）3nP式中： P----表示軸所傳遞的功率，KW；n----表示軸的轉(zhuǎn)速， ；minrA----表示由軸的許用切應(yīng)力所確定的系數(shù)。軸常用材料及 A 的關(guān)系見下表表 3 軸常用材料表Table3 Axis table commonly used materials14材料 Q235 35 45 40Cr、 35NiSnA 160~135 135~118 118~107 107~98求出大帶輪軸上的功率 P，轉(zhuǎn)速 n 和轉(zhuǎn)矩 T查參考文獻(xiàn) [18]P141 表 2，取 ，則0.97??（23）02.97.134PkW???（24）14/min.6nri（25）21349500TN????根據(jù)上述公式，確定軸的最小直徑選取軸的材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理，根據(jù)表 3，取 A=110，于是得：33min2.140PAmd??考慮到鍵槽的影響，軸的最小直徑為 24（1+0.15）=27.6mm，圓整后取 30mm6.1.2 擬定軸上零件的裝配方案擬定軸上零件的裝配方案是進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提，它決定著軸的基本形式。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時,既要滿足強(qiáng)度的要求,又要保證軸上零件的定位,固定和裝配方便,并有良好的加工工藝性,所以軸的結(jié)構(gòu)一般都做成階梯形。階梯軸的徑向尺寸的變化是根據(jù)軸上零件的受力情況，安裝，固定及對表面粗糙度，加工精度等要求而定的。階梯軸軸向尺寸則根據(jù)軸上零件的位置，配合長度及支撐結(jié)構(gòu)確定，根據(jù)振動式紅薯清洗機(jī)的實(shí)際工作情況，擬定大帶輪軸的裝配方案如下圖15圖 6 軸上零件裝配方案Fig6 Shaft assembly6.1.3 根據(jù)軸向定位確定軸的各段直徑和長度（1）為了滿足曲柄桿件的軸向定位要求，如上圖所示右端采用軸端擋圈定位，保證軸端擋圈直接壓在軸的斷面上，按軸端直徑取擋圈直徑 D=40mm。（2）初步選擇滾動軸承。因軸承幾乎無軸向力，只需要考慮所受徑向力，參照軸的直徑和參考文獻(xiàn) [17]由軸承產(chǎn)品目錄中選取 6006 GB/T 276-1994，其尺寸為 3051dDB???（3）滾動軸承與曲柄桿件之間，以及滾動軸承與帶輪之間采用套筒定位，套筒厚度取 4mm，長度取 10mm；那么 5 段的軸的長度為 78mm。（4）取安裝帶輪的軸段 4 的直徑為 36mm，帶輪左端采用軸肩定位，定位軸肩的高度 h 一般取為 h=(0.07~0.1)d，所以左端軸肩直徑為 42mm；帶輪右端采用套筒定位，套筒厚度選為 4mm，長度為 10mm，為了使套筒斷面可靠地壓緊帶輪，此軸段應(yīng)略短于輪轂寬度。在此，根據(jù)參考文獻(xiàn) [18]可算得大帶輪的基本尺寸，如下： 136,27,50,6dadmm???48.5LB48ZaB?(26)331 21.90,.8320aPhhZn?(27)1 1.46,.8.bmbm??所以軸端 4 長度取為 46mm。16（5）軸的左端依次安裝軸承端蓋，滾動軸承。滾動軸承右端采用軸肩定位，同理軸肩高度取為 3mm，軸段 1 的長度為 15mm?？紤]到加工情況，軸段 2,3 的長度均取為 5mm。至此，已初步確定了軸的各段直徑和長度。（6）軸端倒角為 1.6*45°，各軸肩的圓角半徑見零件圖。6.2 軸的校核軸在載荷作用下，將產(chǎn)生彎曲或扭轉(zhuǎn)變形。若變形量超過允許的限度，就會影響軸上零件的正常工作，甚至?xí)适C(jī)器應(yīng)有的工作性能。例如，安裝齒輪的軸，若彎曲剛度（或扭轉(zhuǎn)剛度）不足而導(dǎo)致?lián)隙然蛘吲まD(zhuǎn)角過大時，將會影響齒輪的正確嚙合，使齒輪沿著齒寬和齒高方向接觸不良，造成載荷在齒面上嚴(yán)重分布不均。同理。因此在設(shè)計(jì)時應(yīng)進(jìn)行剛度的校核計(jì)算。軸的彎曲剛度以撓度或偏轉(zhuǎn)角來度量；扭轉(zhuǎn)剛度以扭轉(zhuǎn)角來度量。軸的剛度校核計(jì)算通常是計(jì)算出軸在受載時的變形量，并控制其不大于允許值。軸的彎曲剛度校核計(jì)算：常見的軸大多數(shù)可視為簡支梁。若是光軸，可直接用材料力學(xué)中的公式計(jì)算其撓度或偏轉(zhuǎn)角；若是階梯軸，如果對計(jì)算精度要求不高，則可用當(dāng)量直徑法作近似計(jì)算。即把階梯軸看成是當(dāng)量直徑為 的光軸，然后再按材料力學(xué)中的公式計(jì)算。當(dāng)量直徑 （單vd vd位為 mm）為(28)41vziLdl??式中： —階梯軸第 i 段的長度il—階梯軸第 i 段的直徑idL—階梯軸的計(jì)算長度Z—階梯軸計(jì)算長度內(nèi)的軸段數(shù)。當(dāng)載荷作用于兩軸承之間時，L=l（l）為支撐跨距；軸的彎曲剛度條件為撓度：yb，在 處）23lb?代入數(shù)據(jù)得 ，0.5[]0.5rad????0.175[](~.)ymyl??經(jīng)校核，軸的設(shè)計(jì)符合要求。6.3 軸承的校核由于承受徑向力作用，且右邊軸承受力大于左邊軸承，所以僅校核右邊軸承，故 2234.8PFVN???預(yù)期計(jì)算軸承壽命（按工作 10 年，年工作 200 天，4 小時工作制） ，則有100hLh?軸承所需的基本額定動載荷：18(31)1010336642.80. 123hnLCPN???查參考文獻(xiàn) [17]6006 型軸承的額定動載荷 Cr=13.2KN，因此 CCr，故安全。6.4 鍵的選擇和校核設(shè)計(jì)鍵聯(lián)接時，通常被聯(lián)接的材料，構(gòu)造和尺寸已初步?jīng)Q定，聯(lián)接的載荷也已求得。因此可以根據(jù)聯(lián)接的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使用要求和工作條件來選擇鍵的類型，再根據(jù)軸的直徑從標(biāo)準(zhǔn)中選出鍵的截面尺寸，并參考轂長選出鍵的長度，然后用校合公式進(jìn)行校合。選擇一般的普通平鍵(GB1096-2003)，根據(jù)擠壓強(qiáng)度或耐磨性條件計(jì)算,求得聯(lián)結(jié)所能傳遞的轉(zhuǎn)矩為見式T= (32)'1[]4phld?式中： h----表示鍵的高度；----表示鍵的接觸長度；'l----表示軸的直徑；d[ ]許用擠壓應(yīng)力見下表 5(單位 MPa)p?表 5 材料的許用擠壓應(yīng)力Table5 The material allowable compressive stress聯(lián)結(jié)的方式 材料 靜載荷 輕微沖擊載荷 沖擊載荷靜聯(lián)結(jié) 鍛鋼,鑄鋼 125-150 100-120 60-90各鍵的校核見下表 6表 6 鍵的校核Table6 Key of the check鍵名 h 鍵的高度 鍵的接觸'l長度軸的直徑d[ ]許用擠壓應(yīng)p?力T= '1[]4phld?小帶輪軸 1 7 28 28 100 137.2N·M大帶輪軸 2 8 20 36 100 144.0N·M連 桿 軸 3 7 20 30 100 105.0N·M經(jīng)校核，各鍵符合要求。6.5 滑動軸承19根據(jù)軸承中摩擦性質(zhì)的不同，可以把軸承分為滑動摩擦軸承和滾動摩擦軸承兩大類。滾動軸承由于摩擦系數(shù)小，起動阻力小，而且它已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，選用、潤滑、維護(hù)都很方便，因此在一些機(jī)械中應(yīng)用較廣。但由于滑動軸承本身具有的一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，是的它在某些不能、不便或使用滾動軸承沒有優(yōu)勢的場合，如在高速轉(zhuǎn)動、特大沖擊與振動、徑向尺寸受到限制或必須剖分安裝、以及需在水或腐蝕性介質(zhì)場合等，仍占有重要地位。本設(shè)計(jì)為振動式紅薯清洗機(jī)，而且屬于有水潮濕場合和振動場合，因此對于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中搖桿的底座選用滑動摩擦軸承。根據(jù)實(shí)際情況，查參考文獻(xiàn) [18]選用整體式徑向滑動軸承，這種軸承的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。具體尺寸和結(jié)構(gòu)參見零件圖。6.6 軸端擋圈為保證軸上零件的軸向定位，查參考文獻(xiàn) [18]，選擇軸端擋圈，軸端擋圈適用于固定軸端零件，可以承受較大的軸向力。軸端擋圈可采用單螺釘固定，為了防止軸端擋圈轉(zhuǎn)動造成螺釘松脫，可加圓柱銷鎖定軸端擋圈，也可以采用雙螺釘加止動墊片防松等固定方法。綜合比較，本設(shè)計(jì)采用雙螺釘加止動墊片的方案，參見裝配圖。6.7 支架穩(wěn)定性校核滾動軸承座支架采用熱軋等邊角鋼與底座焊接，角鋼號數(shù) 3.0，邊寬 b=30mm，長度為 l=712mm。當(dāng)作用在細(xì)長桿的軸向力到達(dá)或超過一定限度時，桿件可能突然彎曲，即產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。根據(jù)紅薯清洗機(jī)實(shí)際工作情況，當(dāng)機(jī)器工作時，會產(chǎn)生輕微振動，應(yīng)對支架桿進(jìn)行穩(wěn)定性校核。臨界載荷的計(jì)算該支架可以簡化成兩端固定端的壓桿，由參考文獻(xiàn) [19]可知其臨界載荷為(9)2()crEIpl??代入數(shù)據(jù)可計(jì)算得 23423.1406.81027697()crp N????20臨界載荷與實(shí)際最大壓力之比，為壓桿的穩(wěn)定安全因數(shù)，已知最大壓軸力為8609N由(10)2076948crFn?工況為一般中度沖擊條件，所以 4st取所以搖桿 CD 滿足穩(wěn)定要求。7 振動清洗箱考慮實(shí)際生產(chǎn)效率，查參考文獻(xiàn) [17]，清洗振動箱的四周采用 5mm 厚的冷軋鋼板焊接而成，其內(nèi)壁可固定毛刷，便于更干凈地清洗紅薯，底部則采用直徑 5.5mm 的熱軋圓鋼，與四壁呈柵欄式焊接，間距為 3cm，振動箱的尺寸為：603lhm???清洗振動箱的具體結(jié)構(gòu)參見零件圖。8 箱體機(jī)架的確定機(jī)座和箱體等零件，在一臺機(jī)器中很大程度上影響著機(jī)器中各部分的裝配精度，工作精度和抗振性能。所以正確選擇機(jī)座等零件的材料和正確設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)形式及尺寸，是減小機(jī)器質(zhì)量、節(jié)約金屬材料、提高工作精度、增強(qiáng)機(jī)器剛度及耐磨性等的重要途徑?？紤]到紅薯清洗機(jī)的實(shí)際工作情況，查參考文獻(xiàn) [17]，選用灰鑄鐵作為箱體的材料。灰鑄鐵牌號為 HT200（GB/T 9439-1988） 。為了加固箱體，可用地腳螺栓固定箱體四角；箱體的具體結(jié)構(gòu)和尺寸見零件圖。9 清洗噴頭紅薯在清洗振動箱中振動的同時，采用高壓水泵通過噴頭供水沖洗，根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)噴頭為圓弧面，上面均勻分布直徑為 5mm 的孔，具體結(jié)構(gòu)見裝配圖。10 出水槽為了節(jié)約材料，以及不需要考慮污水的再循環(huán)利用，所以采用塑料槽置于振動箱的下方直接將泥沙污水排出。11 潤滑由于轉(zhuǎn)速不是很高，且也不好設(shè)計(jì)油溝，所以采用脂潤滑，查參考文獻(xiàn) [17]，選用21鈣基潤滑脂代號 1 號，因其有較好的抗水性，適用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)等機(jī)械設(shè)備軸承的潤滑，特別是有水或潮濕的場合。12 結(jié)論民以食為天，隨著人們生活水平的提高，大家對食品的要求也越來越高，食品機(jī)械就是為了提高食品質(zhì)量安全程度而生的，所以現(xiàn)在越來越多的人們開始關(guān)注食品生產(chǎn)加工機(jī)械這一產(chǎn)業(yè)，面對其廣闊的市場，我們有必要進(jìn)行研究和發(fā)現(xiàn)。振動式紅薯清洗機(jī)就是在這個背景下產(chǎn)生的，作為一個大學(xué)生用時刻關(guān)注社會民生，努力學(xué)習(xí)開拓創(chuàng)新，將自己的所學(xué)應(yīng)用到生活中。在振動式紅薯清洗機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，我學(xué)到，一種生產(chǎn)方法工藝，可以根據(jù)原理通過改進(jìn)之后應(yīng)用到生產(chǎn)加工中。設(shè)計(jì)的時候，給我最深刻的感覺就是，一切機(jī)械都是由哪些基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)，如通過多種組合方式，從而形成各種各樣的機(jī)構(gòu)和機(jī)械，這些都是我在大二學(xué)的知識，我認(rèn)識到基礎(chǔ)的重要性，以后我要繼續(xù)學(xué)習(xí)并溫習(xí)以前的知識，不斷提高自己。 “紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行” ，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)對我來說是一次洗禮，四年的時間也不算短，一路走來覺得自己學(xué)到的東西很多，可以用起來才發(fā)現(xiàn)自己還有很多東西要學(xué)習(xí)，機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、加工工藝、技術(shù)要求、精度要求，各種零件，傳動方式等等，這些東西要想靈活運(yùn)用，就必須進(jìn)行實(shí)踐，因此這次設(shè)計(jì)就是一次大練兵，是我在溫習(xí)過去的知識的同時，發(fā)現(xiàn)了自己過去以往的知識，也加深了對所學(xué)知識的理解。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)與以往的每學(xué)期做的課程設(shè)計(jì)有很大不同，以往的課程設(shè)計(jì)所要完成的任務(wù)較少，用到的知識也是局限于當(dāng)學(xué)期剛剛學(xué)習(xí)的課程，屬于趁熱打鐵，而這次畢業(yè)設(shè)計(jì)是將過去幾年來學(xué)的東西進(jìn)行綜合應(yīng)用。以前的設(shè)計(jì)都是大家一起做一種東西，即使有所不同，也只是某些設(shè)計(jì)參數(shù)的不同，原理上都是一樣的本次設(shè)計(jì)則完全不同，每個人設(shè)計(jì)的都不一樣，甚至有些機(jī)械設(shè)備比較復(fù)雜的都需要幾個人共同完成，這就需要很好協(xié)作、討論，不然的話，就有可能每個人設(shè)計(jì)出來的東西裝配不到一塊去。這在以前從來沒有過，此次畢業(yè)設(shè)計(jì)用到了多方面的知識，并且根據(jù)課題的要求首先要確定整體方案，然后是如何具體實(shí)現(xiàn)，用什么方法實(shí)現(xiàn)，這就要求我們有設(shè)計(jì)一個課題的整體思路和解決問題、分析問題的能力，是對我們綜合實(shí)力的考察。通過這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我發(fā)現(xiàn)我自身的很多問題。首先就是基礎(chǔ)知識的掌握情況，在這次設(shè)計(jì)的過程中，我發(fā)現(xiàn)我對過去的知識有些都淡忘了，但通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)就像重新學(xué)習(xí)了一次大學(xué)課程，使我鞏固了以往的知識，又發(fā)現(xiàn)很多心知識。相信這次畢業(yè)設(shè)計(jì)對我今后的工作會有一定的幫助。所以，我很用心的把它完成了。在設(shè)計(jì)中體味艱辛，在艱辛中體味快樂。22參考文獻(xiàn)[1] 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