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炒栗栗子机设计目 录1 绪论11.1 概述:炒栗栗子机食品机械的应用前景和发展现状11.2 炒栗栗子机的相关介绍、研制意义和目标、未来的发展方向12 机械系统总体方案的拟定 32.1动力系统的拟定32.2传动系统的拟定32.3执行机构的拟定33 工作机构运动需求分析及初步设计43.1模型的建立与分析43.2 生产效率与成型盘的设计43.3 横、竖蛟龙的设计计算53.4 供栗机构的设计63.5 出栗机构的设计64 传动系统的设计计算741 传动比的分配74.2 蜗轮蜗杆传动副的设计74.3 直齿圆锥齿轮传动副的传动设计94.4 链传动设计114.5 出栗机构直齿圆柱齿轮设计及校核124.6 竖绞龙直齿圆柱齿轮设计及校核135 分流轴及其附件的设计计算155.1 分流轴的设计与校核155.2 轴承的设计与校核205.3 键联接的设计与校核255.4 花键连接的设计与校核286结论39参考文献30致 谢31炒栗栗子机设计1 绪论1.1 炒栗栗子机(食品机械的应用前景和发展现状炒栗栗子机(食品在我国历史悠久，伴随着几千年的文明的发展已经成为我国食品文化中的代表，如饺栗子、包栗子、馄沌是主食的一部分；汤圆、月饼、粽栗子是传统节日中必不可缺的食物。如今，经济的迅速增长、人民生活水平的提高和生活节奏的加快，对食品行业提出了新的要求。而本人认为这些要求可以归纳为两大类：全套图纸加153893706其一是食品的质量：如食用口感、卫生状况、营养含量等。其二便是食品供应的速度。而解决这两个矛盾要求的办法便是实现食品生产的机械化和自动化，通过机械动作可以极大程度的提高食品的生产率；采用环保的机械材料和严格的密封技术可以很好的保证食品卫生；而合理的工艺编排更能改善食品的口感。目前国内外厂家在炒栗栗子机(食品机械化上的研究已经取得了一定的成果,成功研发了饺栗子机、包栗子机、馄沌机、汤圆机、月饼机以及自动化程度更高的全自动万能炒栗栗子机机。因东西方饮食文化的差异，目前国外炒栗栗子机成型类机械主要为日本所生产，如日产的自动万能炒栗栗子机机，其最大生产能力可达每小时8000个，且加工范围极广，能生产各式馒头、包栗子、饺栗子、夹馅饼干、寿司、等等近百种产品，采用可拆卸料斗能实现快速更换馅料，内置的无级变速调控装置可以实现皮和馅的任意配比。广泛用于各种带馅食品的加工。而国内相关机械虽然在自动化和多功能方面较之日本产品还有一定的差距，但是通过改革开放以后二十余年的发展亦取得了很大的进步。以上海沪信饮料食品机械有限公司生产的水饺机为例：配备1.1Kw的电动机，生产效率达每小时7000个。已相当接近日产饺栗子机的生产水平。1.2 炒栗栗子机的相关介绍、研制意义和目标、未来的发展方向1.2.1 炒栗栗子机的介绍“炒栗栗子机”顾名思义是以机械动作代替手工操作来进行炒栗栗子的机械。按照食品机械的分类应属于食品炒栗栗子机成型类机械，其能实现的功能均为通过机械动作将某一类带馅并且有特定外型要求的食品生产出来。当前该类机械中比较成熟的有饺栗子机、包栗子机、馄饨机、汤圆机。而其他特殊类型的食品炒栗栗子机成型机械一般通过借鉴以上四类机械的某些结构并加以改良设计从而使之适应本类食品生产加工的需求。本课题所设计的自动栗子机便属于后者。1.2.2 炒栗栗子机的研制意义和目标及未来的发展方向栗子是我的家乡修水县的一种特色小吃，以其独特外型和口感在全县乃至周边地区博得人们的欣赏，但长期以来它只能通过手工生产，既费时费力，又难以保证卫生，而且无法长期在常温下保存。因此如果能研究开发一种能够以机械动作代替人工劳动的机器，那么除了可以节约大量的时间、降低栗子的生产成本、提高利润之外，更可以免除人们冬日里冒寒排队购物之苦，一举多得。炒栗栗子机的初步目标确定为能够实现栗子炒栗栗子机工艺的机械化。未来可在此基础上加以改进和扩展，以实现横纵两方向发展。即炒栗栗子全过程的无人干预自动化与多功能化。2 机械系统总体方案的拟定2.1动力系统的拟定动力系统可按原动机的类型分为电动式、气动式、液压式等。炒栗栗子机功率小、结构较简单、产品无严格精度要求，因此对动力源亦没有过多限制，且通过从便捷性和适用性方面的考虑决定选用两相或三项交流电动机作为动力输出装置。经比较国内众多相关机械的电机型号及结合本设计自身特性，选用2.2Kw三相交流电动机Y112M-6。2.2传动系统的拟定传动系统按传动件的不同可分为带传动、链传动、齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、等几大类。炒栗栗子机的传动系统属于复合传动系统，综合了链、齿轮、蜗轮蜗杆以及槽轮机构以实现传动系统的最优化。具体传动系统见下图。图2-1 传动系统图2.3执行机构的拟定执行机构包括三个大部分：其一是实现馅料输送的供馅机构。即供栗机构。其二是实现输送的供面机构。分为横、竖绞龙两小部分。其中竖绞龙为中空结构，内腔充当馅料输送的通道，即馅管。其三是整个设计的核心部分-成型机构。由两个同向运动的成型盘构成。3 工作机构运动需求分析及初步设计3.1栗子模型的建立与分析根据家乡栗子的实物研究，初步选定:使用体积测量功能测得栗子总体积为，其中空心部分(即馅部分)体积为，实心部分体积（即部分）。3.2 生产效率与成型盘的设计因本设计为地方特殊食品的生产机械，故没有完善的理论计算方面的支持，因此在参考了国内外众多成型机械后拟定生产效率为个每小时，且由于成型盘每旋转一周可生产栗子一个，故而确定成型盘的转速为。通过观察手工炒栗子过程了解到速度越快越易成型，手工生产时速度大约为。因考虑到机器生产效率高的影响，决定将搓制速度提高一倍，初步确定为。则成型盘的基础直径应为，圆整后取。3.3 横、竖蛟龙的设计计算横、竖蛟龙的作用主要是输送，即上述三维分析中的实心部分。3.3.1 竖绞龙的设计计算已知每个栗子部分体积为, 栗子内腔壁直径，即竖绞龙螺旋管的外径为，初步拟定竖绞龙的套筒内径为，螺旋带厚度为，螺旋带最外缘半径，且忽略因螺旋带扭曲所带来的体积增加（即认定每个导程内螺旋带所占体积近似为一个内径，外径，厚度的圆环体所占的体积），则：设竖绞龙的转速与成型盘转速相同，即竖绞龙每旋转一周，垂直向下运动一个导程，且该导程内的恰好能供成型盘生产一个栗子，为。则螺旋管的导程可按下式近似计算: （3-1）代入数据有:考虑到压实体积需要收缩,故将导程圆整为。3.3.2 横绞龙的设计计算初选设计参数：横绞龙螺旋管外径；横绞龙导料槽内径；螺旋带厚度；螺旋带最外缘半径；考虑到横绞龙采用单端固定的形式，不适合承受过大弯矩，因此决定增大转速缩小导程以减小作用在螺旋管上的径向分力。拟定转速为成型盘转速的倍，即。则有: 同理考虑到压实体积需要收缩，将导程圆整为。3.4 供栗机构的设计因为馅料需要在底部搓制完成时方可送入，故需要间歇输送，拟定采用槽轮机构与双滑片泵组合使用。输送频率在数值上等同于成型盘每秒的旋转次数，即有Z=1Hz。根据供栗机构为双滑片偏心泵的结构可确定。3.5 出栗机构的设计为了避免在搓制成型过程中产生撕裂，应当使面嘴转速等于或接近于在成型盘中的转速。设与成型盘之间没有相对滑动，则转速可由下式确定： （3-2）给公式变形并代入数据有：4. 传动系统的设计计算41 传动比的分配4.1.1 电动机转速的确定 Y112M-6型电动机额定转速为。4.1.2 传动比的总体分配及各轴转速的确定根据总体传动系统图和各执行部件所需的转速可确定出各传动部件的传动比。最大传动比；最小传动比；确定减速器的传动比为；确定锥齿轮副的传动比为；确定横绞龙链轮副的传动比为；确定成型盘链轮副的传动比为；确定面嘴齿轮副的传动比为；确定竖绞龙齿轮副的传动比为；确定槽轮机构的传动比为；列出各个轴的转速：电机轴转速；蜗杆轴转速；蜗轮轴转速；分流轴转速；4.1.3 确定各个执行部件所需的功率根据各个执行机构的运动要求分配其所占的比例： 成型机构40%；横绞龙 25%；竖绞龙 15%；出栗机构 12%；供栗机构 8%。4.2 蜗轮蜗杆传动副的设计4.2.1 设计要求蜗杆要求右旋；输入功率；输入转速；传动比；工作时单向运转；载荷较平稳；要求累计工作时间不小于；可靠性要求一般；电动机驱动；工作环境通风良好，减速器有效散热面积A不小于；平均室温；工作油温不高于。4.2.2 初选参数及材料根据使用要求，选用ZA型阿基米德蜗杆，蜗杆头数，对应的蜗轮的齿数，变位系数，传动效率,蜗轮使用系数，蜗轮动载系数，减速器散热系数。蜗杆材料：45钢淬火，要求达到齿面硬度45HRC。蜗轮材料：ZCuSn10P1离心铸造。疲劳接触强度最小安全系数弯曲疲劳强度最小安全系数材料弹性系数则有：蜗轮材料接触疲劳极限应力；蜗轮材料弯曲疲劳极限应力；4.2.3 初步计算转速系数；寿命系数；蜗轮材料许用接触应力：；蜗轮材料许用弯曲应力：；蜗杆转矩；蜗轮转矩；工作系数4.2.4 根据齿面接触疲劳强度条件设计蜗轮蜗杆副 根据设计公式有： （4-1） 据查表数据圆整，并查得；。计算可得：蜗轮分度圆直径：；实际中心距：；蜗杆速度：；蜗杆齿顶圆直径：；蜗杆齿根圆直径：；导程角：；导程角系数：；当量齿数：；蜗轮轮齿齿形系数：；螺杆螺纹部分长度：；蜗轮喉圆直径：；蜗轮齿顶圆直径：；蜗轮齿根圆直径：；蜗轮轮缘宽度：，圆整取。4.2.5 校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度和热平衡根据弯曲疲劳强度校核条件有： （4-2） 可见齿根弯曲疲劳强度合格。根据热平衡计算条件有： （4-3） 可见减速器热平衡条件亦满足要求。4.2.6 蜗轮蜗杆受力计算；。4.3 直齿圆锥齿轮传动副的传动设计4.3.1 设计要求输入功率；输入转速；传动比；工作时单向运转；载荷较平稳；要求累计工作时间不小于；可靠性要求一般。4.3.2 初选参数及材料工作载荷系数：、；寿命系数：、；齿宽系数：；分度锥角：；齿形系数：；应力修正系数：；节点区域系数：；最小安全系数：、；锥齿轮选择材料45钢调质，要求达到齿面硬度230HBS。材料系数；、；4.3.3 初步计算 许用齿面接触应力：；许用齿根弯曲应力：；输入转矩：；工作系数：。4.3.4 根据齿面接触疲劳强度条件设计直齿圆锥齿轮传动副根据设计公式有： （4-4） 圆整后取；选取模数：，齿数：；锥距：；齿宽：，圆整后取；圆整齿宽系数：。4.3.5 校核齿根弯曲疲劳强度根据校核公式有： （4-5） 可见齿根弯曲疲劳强度满足要求。4.3.6 圆锥齿轮受力计算 4.4 链传动设计4.4.1 横绞龙链传动设计设计要求：输入功率，输入转速，传动比。横绞龙链传动采用单排滚栗子链结构，查手册可知需选用08A型滚栗子链，链节距。初选小链轮齿数。由传动比可计算得。链速：；工作拉力：；选取压轴力系数；轴压力：。4.4.2 成形机构链传动设计设计要求：输入功率，输入转速，传动比。成形机构链传动亦采用单排滚栗子链结构，查手册可知需选用08A型滚栗子链，链节距。初选小链轮齿数。由传动比可计算得。链速：；工作拉力：；选取压轴力系数；轴压力：。4.5 出栗机构直齿圆柱齿轮设计及校核4.5.1 设计要求输入功率，输入转速，传动比，要求中心距，齿宽。4.5.2 模数、齿数及分度圆直径的计算计算大小齿轮分度圆直径：初选模数，齿数；。4.5.3 选择参数与材料并进行初步计算工作系数：、。寿命系数：、；最小安全系数：、；齿形系数：；应力修正系数：；。材料选择：大小齿轮材料均为45钢调质，齿面硬度要求达到230HBS；节点区域系数：；材料系数：；重合度系数：、齿数比、；许用齿面接触应力：；许用齿根弯曲应力：；4.5.4 校核齿轮强度条件校核齿面解除疲劳强度条件： （4-6） 齿面解除疲劳强度合格。校核齿根弯曲疲劳强度： （4-7）齿根弯曲疲劳强度条件合格。4.5.5 受力计算4.6 竖绞龙直齿圆柱齿轮设计及校核4.6.1 设计要求输入功率，输入转速，传动比，要求中心距，齿宽。4.6.2 模数、齿数及分度圆直径的计算计算大小齿轮分度圆直径：初选模数，齿数；。4.6.3 选择参数与材料并进行初步计算工作系数：、。寿命系数：、；最小安全系数：、；齿形系数：；应力修正系数：；。材料选择：大小齿轮材料均为45钢调质，齿面硬度要求达到230HBS；节点区域系数：；材料系数：；重合度系数：、齿数比、；许用齿面接触应力：；许用齿根弯曲应力：；4.6.4 校核齿轮强度条件校核齿面解除疲劳强度条件： （4-8） 齿面解除疲劳强度合格。校核齿根弯曲疲劳强度： （4-9） 齿根弯曲疲劳强度条件合格。4.6.5 受力计算 5分流轴及其附件的设计计算5.1 分流轴的设计与校核5.1.1 设计要求轴上分布有4个以键联接的传动件，位置已固定。轴末端加工成花键轴。轴靠三个轴承支撑固定。轴材料采用45钢调质。各个轴端轴向尺寸如下图（5-1）a所示。5.1.2 分流轴扭矩图的绘制各轴段扭矩大小分别为：；。扭矩图如下图（5-1）b。图5-1轴结构简图及扭矩图5.1.3 计算初选轴径由扭矩图上可见从左向右数第二键槽左侧位置（设为位置1）与末端花键左侧位置（设为位置2）受扭情况最坏，故以该两位置（定位受扭危险截面）扭矩大小计算初选轴径。由于轴选用45钢，确定扭转应力系数 （5-1）。考虑到轴上开键槽影响轴的强度，故将轴径扩大并圆整数据得。 。 考虑到轴径太小不利于花键的加工，因此选取末端轴径，为花键轴的大径。5.1.4 分流轴各段轴径的确定因轴段5需要安放轴承，故在轴段6的基础上略微增大轴径，确定该段轴径为；因轴段5上的轴承需要轴段4来进行轴向定位，故确定轴段4轴径为；轴段1与轴段5同样需要安放轴承，则该段轴径亦为；轴段2上开键槽以便安装圆锥齿轮，且兼有给轴段1上轴承做轴向定位之功用，故确定该段轴径为；轴段3为锥齿轮定位轴环，尺寸选定为。5.1.5 轴的受力分析轴上所有力分布如下图所示：图5-2轴受力示意图将所有受力情况绘制成如下三线表（5-1）：表5-1轴受力状态表（含未知数）力名称力大小()509.5-1979.5-509.5-2341.5115.3316.7289.7795.811141.7可见表中有7个未知数，而根据受力平衡可直接列出下列5个方程。故该结构属于超静定结构。需要根据轴承处（即3位置）挠度为0列变形协调方程方可求解出表中全部未知数。受力平衡条件方程： （5-2） （5-3） （5-4） （5-5） （5-6）其中（60为圆锥齿轮齿宽中点分度圆半径值）。变形协调方程： （5-7） （5-8）其中； （5-9）； （5-10）； （5-11）； （5-12）注：上述4式中x代表位置3至位置1的距离；l代表位置1至位置7的距离；a代表力或力矩的作用点至位置1的距离；b代表力或力矩作用点至位置7的距离；E为材料的弹性模量，I为材料截面的极惯性矩（为简化计算过程，设各个轴径极惯性矩I均相同）。则有： 联立方程 联立方程 根据计算结果重新绘制如下三线表：表（5-2）轴受力状态表力名称力大小()5.1.6 轴的校核根据上节内容绘制如下弯矩图图（5-3）轴弯矩图确定危险截面为4位置左侧，复合弯矩大小为，该段轴径为，键槽宽度，入轴深度，抗弯截面系数，许用弯曲应力。 （5-13）可见轴强度合格。5.2 轴承的设计与校核5.2.1 轴承的选择根据转速及载荷初选1、3位置为圆锥滚栗子轴承，7位置为深沟球轴承。根据各个轴径选取具体轴承型号：1、3位置选取圆锥滚栗子轴承329/32，7位置选取深沟球轴承6005。5.2.2 1位置轴承的校核径向力 ；轴向力 ；轴颈直径 ；转速 ；要求寿命；温度系数 ；润滑方式：脂润滑；基本额定动载荷 ；基本额定静载荷；极限转速 ；寿命系数。查表可得判断系数；轴向载荷系数,；载荷系数；当量动载荷轴承寿命。轴承寿命要求合格。5.2.3 3位置轴承的校核径向力 ；轴颈直径 ；转速 ；要求寿命；温度系数 ；润滑方式：脂润滑；基本额定动载荷 ；基本额定静载荷；极限转速 ；寿命系数。查表可得判断系数；轴向载荷系数,；载荷系数；当量动载荷轴承寿命。轴承寿命要求合格。5.2.4 7位置轴承的校核径向力 ；轴颈直径 ；转速 ；要求寿命；温度系数 ；润滑方式：脂润滑；基本额定动载荷 ；基本额定静载荷；极限转速 ；寿命系数。查表可得判断系数；轴向载荷系数,；载荷系数；当量动载荷轴承寿命。轴承寿命要求合格。5.3 键联接的设计与校核5.3.1 键的选型根据2、4、5、6位置轴径大小选取键，2位置键尺寸；4、5、6位置键尺寸。5.3.2 键的校核材料选用：Q235钢；许用压强；键校核公式： （5-13）位置2键的校核：；位置4键的校核：；位置5键的校核：；位置6键的校核：；键强度要求均合格。5.4 花键连接的设计与校核根据轴末端尺寸查表可得花键尺寸为，最小接触长度；校核参数；许用压强。 花键强度要求合格。
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