榨汁机的设计

榨汁机的设计基于 Pro/E 螺旋榨汁机的设计于俊波（河北科技师范学院 机械电子系）摘要：Pro/ENGINEER Wildfire 野火版2.0以其易学易用、功能强大和互连互通的特点， 推动了整个产品开发机构中个人效率和过程 效率的提高。它既能节省时间和成本，又能提高产品质量。基于 Pro/E 的强大功能， 本设计利用 Pro/E 完成了螺旋式连续榨汁机的 设计，螺旋式连续榨汁机以其结构简单、操作方便、榨汁效率高等 优点而得到广泛应用。 就目前来讲 ,螺旋式连续榨汁机主要应用在食 品方面 ,用于榨取苹果、梨、番茄、菠萝、桔子、胡萝卜等果蔬的汁 液。关键字： Pro/E ；榨汁机；螺旋、八 、前言传统的通用机械产品的设计是首先将产品以平面的形式表达出 来，然后进行反复校核和修改，最后由加工者把图样上的内容转化 为成形的产品，这样不仅设计周期长，成本高，而且当产品制造出 来后，经常会出现零部件之间相互干涉，无法安装和装配到位等重 大设计失误，如此反复修改也延长了产品投放市场的周期。鉴于通 用机械的使用范围广，设计行业多，这就对通用机械的可靠性、稳榨汁机的设计 定性和通用性提出了较高的要求。 目前世界上应用最为泛的高档三 维商业软件 Pro/E 就可以很好地解决这些问题。 Pro/E 直接采用三 维设计，使设计者能了解产品的每一个细节，并利用其参数化设计 的思想，使零件的设计、修改变得简单易行，同时还可以完成产品 的系列化设计。 另外利用 Pro/E 的分析功能，可以完成机构运动学、 动力学仿真和有限元分析。进入 21 世纪后，随着我国水果产量的大幅度提高和鲜销市场 的逐渐饱和，“卖果难”愈演愈烈。另外，由于我国经济实力的增 强与人民生活水平的提高，果汁加工业又进入一新的发展时期。榨 汁机是果品行业的重要组成部分。因此，对榨汁机设备的研究势在 必行。要求设计研究出结构简单、成本低、效率高的榨汁设备。基 于 Pro/E 的强大功能， 本设计利用 Pro/E 完成了螺旋式连续榨汁机 其结构简单、操作方便、榨汁效率高等优点的设计。1 总体方案设计1.1 整体布局设计本设计在布局上采用折叠式 ,即螺杆、减速器在一个水平面上 将电机置于另一个水平面上 （见图 1） 。这样布置 ,一是较大幅度减少 了整机长度 ,提高了设备刚度 ,节省了原材料 ,降低了成本 ;二是电机 与减速器之间采用三角带传动 ,起到了缓冲作用 ,可避免因原料带入榨汁机的设计异物造成螺杆堵转、引起瞬间负荷过大时，烧坏电机或损坏减速器等 故障的发生；三是由于电机位置较低、以与在电机与减速器之间采用 三角带传动，极大地降低了机械振动与噪声。基本结构螺旋式连续榨汁机基本结构如图1 0螺旋式连续榨汁机三维结构图如图 2 0图1螺旋式连续榨汁机结构简图1-电机 2-三角带3-减速器4-联轴器5-进料斗 6-螺杆7-筛筒 8-出料斗9-集液盘10-机架图2螺旋式连续榨汁机三维结构图1.2工作原理由图2可知：该机由机架、螺杆、筛筒、减速器、电机等组成。 电机1通过三角带2带动减速器3转动,减速器3通过联轴器4带 动螺杆6转动,物料由进料斗5喂入,在螺杆6的作用下,受到挤压, 物料中的水分通过筛筒 7流出，经集液盘9排出机外，物料在强大的 挤压作用下，汁液越来越少，最后经出料斗8排出。1.3螺杆部设计通常螺旋式连续榨汁机是靠螺杆在筛筒内旋转，对物料产生压力，从而使物料中的汁液被强制挤出。螺旋式连续榨汁机螺杆按不 同的分类方法有多种型式。如按螺杆螺纹直径分类有等径与变径之榨汁机的设计分，按螺杆螺距分类有等距与变距之分；按螺杆螺纹型式分有连续与断续之分等。针对本设计加工对象综合考虑，确定采用变径、断续、 变螺距螺杆。螺杆上的螺旋共分四段 （如图3）。第一段为喂料螺旋， 主要作用是输送物料；第二段是预压螺旋，主要作用是对物料进行 初步挤压，并幵始挤出水分；第三段、第四段是压榨螺旋，主要作 用是不断增加对物料的进一步挤压，使水果的果汁被强制挤出。特 别是第四段具有增压作用，进一步提高出汁率。图3螺旋轴1.4螺杆螺旋直径和螺距的设计螺杆螺旋结构简图如图4图4螺杆螺旋结构简图螺杆转速的确定由于本螺杆工作性质属于压榨范畴，故转速较低。参照榨油机、油料化机、食品榨汁机，决定选用n=130r/mi n 。142螺距的确定初选螺距，第一段t=50mm ，其他各段螺距依次递减。物料移动速度（m/s）计算:Vo二丛=1.08m/s60螺旋式连续榨汁机的生产能力公式如下:G=3600F 0V0 pi （kg/h）式中:G 生产率,本设计取 G=1000kg/h;F0 螺杆螺旋送料的断面面积（m2）;3 Pi 物料容积密度，本设计取p1 =400kg/m;一充填系数，本设计取=0.2。将参数代入得:1000=3600 XFq X1.08 X400 X0.2解得：F。F.0321（m 2）根据螺杆螺旋送料的断面面积计算公式：F0 =式中：d 0 螺杆螺旋送料的断面大径（m）；d !螺杆螺旋送料的断面小径（m）;本设计根据强度计算得d i=0.09m ;将有关数据代入得，则可求得：d 0 0.2213m取螺杆螺旋送料的断面大径d =0.24 m 。1.5功率计算9榨汁机的功率消耗包括两方面：压缩物料所消耗的功率；使物 料移动消耗的功率。在这里，把轴与轴承摩擦等所消耗的功率算入 机械效率中。设压缩物料所消耗的功率为 Pi :Pi=(1+2+3+ +Z) (W)=0.0321130 .5 0.83 106 1060=2891.5W式中：s相邻螺距大小之差,Z 螺距数目；0.83MPa ；Pmax 物料所受的最大压力，取do螺旋外径，m ;dl螺旋内径，m。设使物料移动所消耗的功率为P2 :2 1 P2=mv - = (W)式中：m物料的质量 kg ；t物料运动时间 s。 而m =G (生产能力)tnsv=-60所以：P2= = (W)=60.5w则消耗的功率为：P= (W)=3657.1w 式中： 传动效率。由电动机至工作机之的总效率 7 (包括工作机效率 )为：1 2 3 4 5式中： 1 、 2 、 3 、 4 、 5 分别为带传动、齿轮传动的轴承、齿 轮传动、联轴器、螺杆轴的轴承的效率。取 1 = 0.96、2 = 0.99、3 = 0.97、4 = 0.97、5 = 0.98、贝V：1234533=0.96 X0.99 X0.97 X0.97 X0.98=0.812选择电动机按已知的工作要求和条件，选用 Y 型全封闭鼠笼型三相异步电 动机7。2.1选择电动机功率榨汁机所需的电动机输出功率为：Pd= P= (W)=3657.1w2.2 确定电动机转速 6榨汁机的设计旋转轴的工作转速为：n=130r/mi n，按推荐的合理传动比范围，取带传动的传动i = 2 4，减速器的传动比i = 4 12.5，贝V合 理总传动比的范围为i = 8 50 ,故电动机转速的可选范围为：(8-50)130=1040-6500 r/mi n符合这一范围的同步转速有 1500 r/ min，3000r / min再根 据计算出的容量，查出有这几种适用的电动机型号见表1，其技术参数传动比的比较情况见下表。表1电动机型号和技术参数与传动比万案电动机型号额定功率电动机转速传动装置的传动比P/kW同步转速、卄-H、. 满载转速总传动比带减速箱1Y112M41500144011.082.842Y112M43000292022.42.88综台考虑电动机和传动装置的尺寸、重量以与带传动和减速器的传动比，可知方案2比较适合。因此选定电动机型号为 Y112M榨汁机的设计所选电动机的额定功率 Ped = 4kw，满载转速nm=1440r /min，总传动比适中，传动装置结构较紧凑。所选电动机的主要外形尺寸和安装尺寸如图5和下表2所示：图5电动机结构简图表2电动机的主要外形尺寸和安装尺寸中心高H外形尺寸L (AC/2+AD)HD底脚安装A B地脚螺栓空直 径K轴伸尺寸D E装键部位尺寸F GD112400305 265180 1401228 608 363计算总传动比和分配传动比由选定电动机的满载转速 nm和工作机主动轴的转速nw，可得传动装置的总传动比为:i=nm计算出总传动比后，应合理地分配各级传功比，限制传动件的圆周速度以减小动载荷，降低传动精度等级。分配各级传动比时考 虑到以下几点：各级传动的传动比应在推拌的范围内选取；应使传动装置的结构尺寸较小、重量较轻；应使各传动件的尺寸协调，结 构匀称、合理，避免互相干涉碰撞。故V带传功比取2.8，减速器传功比取4。4计算传动装置的运动和动力参数7进行传动件的设计计算，先推算出各轴的转速、功率和转矩 按内电动机至工作机之间运动传递的路线推算各轴的运动和动力 参数如表3。4.1各轴转速ni =ii凹514.32.8r min= 128.6 r min式中：nm为电动机的满载转速，单位为 r min ； m，压分别为减速 器输入轴和榨汁机螺旋轴的转速， 单位为r min ； i1为电动机至减速 器输入轴的传动比；i2为减速器的传动比。4.2 各轴的输入功率P1= Ped 01=4 0.96=3.84kWP2 = Pedi2=3.840.95=3.65 kW式中：Ped为电动机的输出功率，单位为 kW ； Pi、P2 分别为减速器输入轴和榨汁机螺旋轴的输入功率，单位为kW；01、12分别为电动机轴与减速器输入轴、减速器输入轴与榨汁机螺旋轴间的传动效率。4.3 各轴转矩Ti= Tedii0i=26.5 2.8 0.96=7i.3 NmT2 = Ti i2i2=7i.3 40.95=27i.0 Nm式中：Ti、T2分别为减速器输入轴和榨汁机螺旋轴的输入转距，单位为N m ; Ted为电动机铀的输出转矩，单位为 N mTed的计算公式为：Ted =9550 Pedn m4=9550 -1440=26.5 N m表3传动装置的运动和动力参数轴名参数电动机轴减速器螺旋轴转速n/(r/mi n)1440514.3128.6输入功率P/kW43.843.65输入转矩T/( N 26.571.3271.0m)传动比i2.84效率0.960.955设计V带5.1确定计算功率Pca 3因为工作机是螺旋榨汁机，故属于载荷变动较大的机械，原动机是交流电动机（普通转矩鼠笼式），工作时间小于10小时/天， 启动形式为软启动。故：Pca KAP =1.244.8kwKa 工作情况系数取Ka = 1.2 o5.2选择V带的型号3根据计算功率Pca和小带轮转速n!，得A，B型均可，选择A型 普通V带。5.3确定带轮基准直径 D!和D2初选主动轮的基准直径 D3】根据所选V带型- 号参考, 选取D1 Dmin，选 D1100mm。验算带的速度VV 皿100 10005.23m s60 1000 60 1000计算从动轮直径D2D2 iD12.8 100 280mm5.4确定传动的中心距a和带长Ld初定中心距，由0.7 D1 D2 a。2 D2 D?即：0.7 280 100 a。2 280 100即：266 a0 760，取 500mm。计算基准带长:Ld 2aoD1 D2D2 D1 24a280 100 2PK KlP0 K2.96根，取2 5001002801613.15mm24 500选取带的基准长度，查表3得：Ld 1633mm计算实际中心距，由公式:a 500 1633 16m5510mm2 2考虑安装调整和补偿初拉力的需要，中心距的变动范围为:amin a 0.015Ld 500 0.015 1633 475mmamax a 0.03Ld 500 0.03 1633 549mm5.5验算主动轮的包角a1根据公式与对包角的要求，应保证：a1 180 皆 60 18000 60 158 1205.6确定V带的根数Z4.8(1.37 0.93 0.960.12) 1.0Z=3根榨汁机的设计式中：Po 在包角=180度，特定长度，工作平稳情况下，单 根普通带的许用功率值；K 考虑包角不同时的影响系数，简称包角系数；Kl 考虑带的长度不同的影响系数，简称长度系数。查得：R=1.37 K =0.93 Kl=0.96式中：K材质系数；Po 计入传动比的影响时，单根V带所能传递的功率的增量。计算公式为：P 0.0001 Tn,0.0001 1.2 1000 0.12kw ；式中：T单根普通 V带所能传递的转矩的修正值;厲主动轮的转速。5.7确定带的初拉力F。单根V带的初拉力F。由下式确定:F。500忠 2.5VZ K2504 空 15.23 5 0.930.1 5.232 111N5.8求带传动作用在轴上的压力Q158Q 2 5 111 sin 1090N 2式中：Z带的根数；F。单跟带的初拉力；主动轮上的包角5.9 V带设计计算列表如表4表4 V带设计计算列表如下:设计计算项目结果说明工作情况系数kA1.2计算功率Pea4.8选取V带型号A小带轮直径Di100mm可选比表中大的值大带轮直径D2280mm验算V带的速度V5.23m/s初定中心距a。500mm参考实际机械结构确定初算V带所需的基准长1613.15m度Ldm选V带的基准长度Ld1633mm定V带公称长度Li1600mm定中心距a510mm包角i158120，合适包角系数ka0.93长度系数k l0.96材质系数k1化学线绳结构的胶带单根V带所能传递的功率P。0.995单根V带功率增量 P。0.12kw单根V带传递扭矩的修正值T1.2V带根数Z3根每米V带质量0.10kg/m单根V带的初拉力F。111N轴上的压力Q1090N计算结果汇总：V带规格：A型，长1600mmV带根数：3根中心距：510mm轴上压力：1090N6带轮的设计6.1材料带轮常用材料是铸铁，因为带速v v 25m /s，所以选用HTI506.2带轮的形式3榨汁机的设计带轮的结构由带轮直径大小而定，因带轮基准直径Dv(2.5-3)d(为轴的直径)，所以小带轮采用实心式；对于大带轮，因D=9.06MPa，故安全。榨汁机的设计筛筒部的筛筒 （如图 15 和图 16） 上有许多筛孔 ,被榨出的汁液就 是从这里流出的。筛孔的设计十分重要 ,它的主要参数包括 :筛孔大 小和分布密度。 为了确保被榨出的汁液能够与时从筛孔中流出,筛筒筛孔的孔隙率越大越好。 又由于筛筒要求承受螺旋挤压产生的强大 压力 ,所以孔隙率也不能太大。通常孔隙率选择原则有:筛筒刚度好时 ,选大些 ;筛筒刚度差时 ,选小些。筛孔大时 ,孔隙率取较大值 ;筛孔小 时,孔隙率取较小值。筛孔直径的选择 :一般来讲 ,筛孔直径越大 ,越有利于汁液的排出 ; 相反,筛孔直径越小 ,越不利于汁液的排出 ,过小时 ,就不能保证汁液 的排出。选择筛孔时 ,首先要考虑所加工物料的粒径大小 ,加工物料 的单个粒径大时 ,筛孔直径选择也要相应大些 ,以利于汁液排出。但 也不能过大 ,否则 ,可能会造成较大的料损 ;加工物料的粒径小时 ,筛 孔直径选择也要相应小些 ,但也不能太小 ,因为筛孔太小时 ,容易造成 堵塞 ,不能保证汁液顺利流出。目前 ,筛孔直径的选择方法主要有定 性选择法和经验选择法 ,般要经过两到三次试验确定。圆筒筛用 2mm 厚的 lGrl8Ni9Ti 不锈钢板冲直径为 2mm 孔制作， 孔间距离 2mm 。圆筒筛的内径为 240mm 。长为 570mm 。为了确保筛筒内 物料清理方便 ,筛筒设计成上下两半 ,中间用螺栓连接。图15 下半筛筒图16 上半筛筒10轴承端盖的设计810.1材料材料选用HT150。因凸缘式轴承端盖调整间隙比较方便，密封 性也好，故选用凸缘式结构。为了调整轴承间隙，在端盖与轴承座 之间放置由若干薄片组成的调整垫片，同时也起到密封的作用。轴 承端盖简图见图17,轴承端盖三维图见图 17 o10.2凸缘式轴承端盖各尺寸计算：Do二D+2.5d=120+2.512=150mmD1=D-(10-15)=120-(10-15)=105-110mm，取 D1=110mm oD2=D 0+2.5d=150+2.512=180mme=1.2d=12.5mmme=12.5mm ，取 m=28.5mm o图17 轴承端盖简图图18 轴承端盖三维图11螺旋轴组件的制作过程5:新建装配件，输入组件名称asm0002,单击确定，如图19 :丈唄_歸耘1口 WE12)捕AZb 対耶0 恒创虫圧用白牛心 L E(Zi= T-：OC：冒口凹嗚自xtto-L* A甘 a-ai S出 MEF- XHJU BC.- mn口吉旨4二；c c Q厂，购 n H茄占程丸恵It J!日詔描一卡图19 新建组件asm0002单击主窗口右侧增加组件的图标选取要装配的零件zhuzhou见图20。g Q JX榨汁机的设计图20选取零件zhuzhou单击组件放置对话框在缺省位置组装组件的图标，单击确定。见图21 0图21 固定零件zhuzhou新建四个基准面： DTM1 , DTM2 , DTM3 , DTM4。见图22 。世汀.:祕f*. M. 曲灿网伦m叶噪1稱亜舟肌叩予吳:初阵壶 b- as.e Mw:ippli 口 H番总4回玉豐-$3 91 4 f；起知幡M 40w J-S1图26 螺旋轴组件榨汁机的设计重复以上步骤，分别装配螺旋片 2，3 ，4。完成螺旋轴的装配， 如图 26 。12 致谢在设计过程中，指导教师肖念新对我进行了悉心指导和帮助， 并为我提供了大量的相关书籍和资料，对设计顺利的完成帮助很 大。在这里衷心感谢肖老师的指导。The design of spiral juice extractor on the based Pro/EYujunbo(Dpet.of Machinery and Electron,Hebei Noemal University of Science & Technology)Abstract : Pro/ENGINEER Wildfire prairie fire edition is 2. 0 easy to learn and use , not powerful to with characteristic of interconnection and interflow , promote whole product development personal efficiency and improvement, course of efficiency in the organization with it. It can not only can save the time and cost improve product quality but also. On the basis of the strong function of Pro/E , originally design the design utilizing Pro/E to finish the spiral type continuous juice extractor, the spiral type continuous juice extractor is of榨汁机的设计simple structure , easy to operate , presses the high advantage of juice efficiency but used widely with its . As to at present, the spiral type continuous juice extractor is used in food mainly, for squeezing the juices of such fruits and vegetables as the apple 、pear 、tomato 、pineapple 、orange 、 carrot etc.Keywords : Pro/E ;juice extractor ;spiral type参考文献 :1 刘长荣 肖念新 工程力学 M 中国农业科技出版社 2002.22 张裕中 食品加工技术装备 中国轻工业出版社 2000.33 刘长荣 郑玉才 机械设计基础（下） M 中国农业科技出版 社 2002.24 林清安 Pro/ENGINEER Wildfire 零件设计基础篇（上）M中 国铁道出版社 2004.5 林清安 Pro/ENGINEER Wildfire 零件设计基础篇（下）M中 国铁道出版社 2004.56 朱龙根 简明机械零件设计手册 机械工业出版社 M 1997.117 垄溎义 机械设计课程设计指导书 高等教育出版社 M 1982.9榨汁机的设计8 杨永才 机械设新标准手册计 M 北京科学技术出版社 M1993.8