毕业论文设计滚筒式清洗机的设计

太原工业学院毕业设计诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名： 年 月 日太原工业学院毕业设计毕业设计任务书设计题目： 滚筒式清洗机的设计 系部： 机械工程系 专业：机械电子工程 学号： 112012135 学生： 指导教师（含职称）： （讲师） 1课题意义及目标学生应通过本次毕业设计，综合运用所学过的基础理论知识，深入了解滚筒式清洗机的工作原理和设计等方面的方法及设计思想等内容，为学生在毕业后从事工作打好基础。2主要内容（1）滚筒式清洗机总体结构方案和传动系统设计。 （2）进行结构分析和设计计算（3）绘制装配图和零件图3主要参考资料 1 孙桓,陈作模.机械原理M.北京:高等教育出版社.1996. 2 吴宗泽. 机械设计实用手册S.化学工业出版社.2003. 3 陈旭俊.工业清洗机及清洗技术M.化学工业出版社.2005.4进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1滚筒式清洗机的结构分析3月 3日3月23日2清洗机的总体设计3月24日4月13日3轴和主要部件设计计算4月14日5月 4日4绘制装配图和零件图5月 5日6月 1日5完成毕业论文及答辩工作6月 2日6月22日审核人： 年 月 日太原工业学院毕业设计滚筒式清洗机的设计摘要:本次设计是就当前的国内外清洗机的发展现状及其未来的发展趋势的前提下，结合自身在大学期间所学的关于机械方面的知识，并查阅相关的资料，首先通过确定清洗机所需要满足的生产条件和生产时的功率、效率等要求，确定出清洗机的主体部分滚筒的大小尺寸及材料的的选择，通过设计加肋条满足筒体的刚度和强度要求，然后通过比较论证几种常见的减速器装置，确定出适合本次设计的最佳选择。其次，通过计算筒体所需满足的转矩要求，初算出轴的直径，然后确定出本次设计合适的联轴器的型号，然后查阅资料确定出本次设计所需要的滚动轴承的型号，然后设计轴为阶梯轴，通过与其他元件的连接，确定出阶梯轴的尺寸大小。然后通过整体的分析确定整个清洗机的结构，通过与实际的工作情况相结合，最终确定方案。关键词:滚筒式清洗机 滚筒 清洗机 减速器 联轴器 轴The design of the drum washing machineAbstract: The advantages of this design is the current domestic and foreign development present situation and future trend of the development of the premise, combined with their own learned in college of mechanical knowledge, and access to relevant data, first through the determination of cleaning machines needed to meet the production conditions and production of power, efficiency requirements, such as the size of the main body of the washing machine drum and the selection of materials, through the design with rib, satisfy the requirement of the cylinder stiffness and strength, and then through comparison of several common reducer device, the best choice to determine the suitable for the design. Secondly, through the calculation of torque of cylinder needed to meet the requirements, work out at the beginning of shaft diameter, and then identify the appropriate coupling model design.Keywords: drum washing machine，drum，cleaning machine， reduce， coupling，shaft.1太原工业学院毕业设计目 录1 引言11.1现状21.2发展趋势22 滚筒式清洗机的主要结构和工作原理42.1结构42.2工作原理43 清洗机传动方式的确定53.1 清洗机工作需满足的条件53.2 设计方案选择54 马铃薯在滚筒内的运动轨迹及滚筒的倾斜角度计算94.1 马铃薯在清洗机内的运动轨迹94.2 滚筒筒体材料及滚筒转动方式的确定124.2.1 滚筒筒体材料的确定124.2.2滚筒筒体最小壁厚计算124.2.3 滚筒转轴运动方式的确定134.3 功率的计算134.4电动机的选择164.4.1电动机功率的选择164.4.2 确定电动机的转速164.4.3 电动机的型号的确定164.5传动比和清洗机的工作转速的计算164.5.1 传动比的分配164.5.2滚筒式清洗机的工作转速的确定175 清洗机轴的设计及校核和其他零件的的确定185.1 轴的设计计算185.1.1 初算轴的直径185.1.2 初选轴的形式195.1.3 轴结构的确定195.1.4 轴的强度校核205.1.5 键的选择235.2 清洗机整体的结构设计方案25III5.3 联轴器的类型及型号尺寸265.3.1 联轴器类型的确定265.3.2 联轴器型号和尺寸的选择265.4 确定滚动轴承和轴承座的设计方案275.4.1 滚动轴承类型确定275.4.2 滚动轴承型号的确定285.4.3 滚动轴承的结构及定位设计29参考文献31致谢32总结33331 引言 随着我国人民生活水平的提高，人们开始越来越注重对蔬菜水果的清洗质量，所以在我国为适应人们的需要清洗行业快速发展起来。许多农作物由于在生长过程中会受到各种农药和空气中的污染物污染而且在采摘过程中会带有泥土，所以清洗这些农作物的质量严重影响我国农产品的质量和产量，是一个非常急需解决的现实问题，如果采用大量人力去清洗这些农作物的话会浪费大量的人力物力，所以如果生产出一种可使用方便且效率高的清洗设备将对人们的生活带来极大便利。马铃薯是我国人民食用的重要的粮食作物之一。马铃薯主要是用来生产淀粉的。由于淀粉的巨大需求量，马铃薯在我国具有很大的市场。现在，我国已经从国外引进了多种马铃薯清洗设备流水线，但都存在一些不足。我国的马铃薯产量非常巨大而且种植条件非常适宜,同时我国也是国际上马铃薯生产的大国。马铃薯是我国人民日常食用量最大的农产品，我们几乎每天都在食用它。 马铃薯中有丰富的营养物资及人体所需的各种矿物质。随着绿色桌餐的流行，人们已经越来越注重食用绿色的蔬菜瓜果。所以马铃薯的需求量也不在加大，随着国外马铃薯也进入我国市场，马铃薯行业竞争压力与日俱增，但马铃薯的质量也得到了很大的提升。马铃薯是地下生长的实物，在采摘时其表面会附着有很多的泥土，因为马铃薯的外皮非常薄，所以很容易由于外力摩擦而损伤表皮。为了使马铃薯的质量得到保证必须对马铃薯进行严格的清洗加工。马铃薯的清洗一般有一下几个过程：农田里刚采摘的马铃薯，由于地下生长马铃薯的表面有很多潮湿的泥土，所以应该先通过晾干，然后除去其外部主要土粒，挑选出符合要求的马铃薯，然后进行下一步的加工或储藏起来。马铃薯通过微斜的浸在水中清洗沟槽输送，清洗水槽中的水使附着在马铃薯表面的一些大块泥土会被清洗掉入水槽中，接着马铃薯会被送入清洗机的滚筒内，经过清洗后的马铃薯会通过出料口然后由倾斜式输送带运送到相应的存放地点进行中存放。我国目前正在使用的清洗机有从国外引进的板式清洗机。板式清洗机主要的优点有：可以满足一定的清洗条件，清洗的效率高，同时可以24小时不间断的连续工作；但是板式清洗机也有一些不足，如：设备占用的空间大，给安装和搬运带来很多的不便，而且功率较高耗能非常严重，用水也特别大，对清洗马铃薯也有一定的损伤，所以要设计的清洗机必须节能环保，而且体积也非常小，便于日常的维护和搬运，同时尽可能使机构简单，这样就可以减少成本，同时对在清洗过程中的马铃薯也必须减少损伤率，从而清洗出合格的马铃薯。1.1现状 对农作物的清洗是与我们日常生活非常密切的劳动，我们每天食用的食品都必须经过清洗后我们才能食用，从很早以前我们就开始了这种食品的清洗劳动。但是过去的清洗操作简单，并且清洗的工作小，在很长时间内都没有吸引社会的关注。21世纪后，我国人民的生活从质量上说已经有了很大的提高，对各种产品的清洗要求越来越高，传统的清洗已经不能满足人们的要求，所以必须生产出满足人们清洗需求的清洗设备。清洗工作的分类可以从多个方面去分类，可以分为工业清洗和民用清洗两类。在我们生活中，和我们日常生活有关的清洗活动包括衣物清洗，水果蔬菜的清洗，人们日常的洗澡，拖家里的地板等，一般都称为民用清洗。在工业型企业里的清洗各种工业设备，矿产资源等都属于工业清洗。清洗的的动力源的发展直接带动清洗机的发展，为清洗的提供强大的动力保障可以使清洗的功率和功能更加快速发展。同时电子开关的发展又促进开关控制型清洗机的发展。从目前的情况来看，在以后的清洗技术发展中，清洗的这种应用将很快的会进入到社会的各个领域，大批的科院机构和院校将很快投入到清洗行业的研究中去，大量的专业型人才将会解决我们现在关于清洗技术的一些问题，清洗行业将会迅速发展起来。清洗技术的发展和应用，将会使我们的生活质量得到很大的提升，人们将利用越来越先进的科学技术对清洗过程进行管理和监控，随着清洗行业的发展和壮大，清洗行业的组织将会成立，对整个清洗行业进行监督和管理，清洗行业将会迎来灿烂的明天。1.2发展趋势 目前工业上的清洗分类为一般工业清洗，精密工业清洗和超精密工业清洗三大种类。通常的工业清洗是机械设备表面污垢的清洗，但是只能去掉大块的附着在表面污垢；精密工业清洗主要用于出去机器设备表面及内部的微小颗粒；超精密清洗主要用于清洗精密仪器的表面及内部，清除机械非常微小污垢颗粒。我国的清洗行业正在自主研发清洗技术及设备的基础上也积极的从国外引进先进的技术和设备，现在我国的清洗行业竞争也非常激烈，但正是如此，为清洗行业的企业提供了机遇与挑战，也促进了我国清洗行业的发展与完善，为我们提供了更好的清洗服务。目前，我国的清洗行业规模不断状大，清洗行业的企业已达2000多家，清洗行业已经成为我国的一个巨大产业。清洗行业由信息产业部负责管理和监督。随着国外的清洗行业巨头进入我国的清洗行业，我国的清洗行业将会迎来很大的挑战，但与此同时，这也促进了我国清洗行业的发展，随着清洗技术的普及与需求的越来越大，我国的清洗行业将迎来美好的明天。2 滚筒式清洗机的主要结构和工作原理2.1结构 马铃薯滚筒式清洗机结构主要由滚筒筒体、进水系统、进出料口、水池箱等主要部分组成。电动机机焊接在机架上，减速器与电动机通过联轴器直接相连，本次设计减速器选择是摆线针轮减速器。清洗机滚筒筒体由焊接在机架上的两支撑架固定，清洗机的中心转轴由金属滑块联轴器与摆线式针轮减速器连接。清洗机滚筒的中心轴与固定在滚筒端口上的圆钢筋肋条相互焊接固定。减速器被电动机带动转动,清洗滚筒由不绣钢板焊接成圆筒状并在边缘用圆钢筋沿直径的方向焊接固定而成，为了使圆筒不至于受力太大而出现变形。滚筒式马铃薯清洗机由电动机带动滚筒在水箱中旋转，利用水流使马铃薯得到清洗。水箱的底部采用设计有聚集淤泥的清除口的装置来清除，给清除水箱中的淤泥带来非常大的便利，同时为清洗过程中水的处理带来了很大的便利。 2.2工作原理 滚筒式马铃薯清洗机的工作原理：随着清洗水槽中的水的浸泡冲洗，马铃薯表面的一大部分大块泥土浸泡掉落水中，下一步马铃薯在传送带的输送下送入滚筒式马铃薯清洗机的进料口,马铃薯由进料口处滚动到在水箱中旋转的筒体内，依靠马铃薯重力的分力使马铃薯在滚筒内向前滚动。马铃薯在滚筒内沿滚筒内表面向前滚动，通过与滚筒壁，马铃薯之间的摩擦力，还有水的冲洗作用使马铃薯在向前滚动的过程中表面的污垢泥土得到充分的清洗。3 清洗机传动方式的确定3.1 清洗机工作需满足的条件 （1）容重：1.5吨/米3； （2）工作方案：24小时连续； （3）清洗品种：马铃薯； （4）生产效率：1t/h。3.2 设计方案选择 三种候选减速器的方案选择的论证。方案一:电动机带动皮带转动，依靠皮带的传动比使转速下降，在由圆柱斜齿轮减速器的减速作用将转动速度降到滚筒需要的合适转速内，这种方案可使电动机的转速能够很容易调到到滚筒工作时所需要的低转速，而且带传动具有减小设备振动的作用，同时可以对清洗机设备起到一定的保护作用，是一种较为使用广泛的传送方式。但是这种方式也有一个很大的缺点，就是这种传动方式在本次设计中减速装置不易于安装和维护，对使用会带来很多的不便，且皮带装置不太容易易与机架进行固定，同时圆柱斜齿轮减速器的体积较大，所以将会使得清洗机占用的空间大，所以不适合本次的设计。4-带传动 3-减速器 2-联轴器 1-工作机图3.1 方案一 方案二：摩擦轮贴在滚筒的两个边上，如图滚筒的两个侧面个有一个摩擦轮，两个摩擦轮关于滚筒成90度且相互对称，滚筒上装有一个摩擦圈，电动机带动一个摩擦轮转动，摩擦轮贴合摩擦滚圈3，滚圈3焊接在滚筒筒上，所以，摩擦轮与滚圈依靠它们之间摩擦产生的摩擦力来使滚筒进行转动。这种摩擦轮传动装置的结构简单，传动过程平稳，不过会偶尔出现摩擦轮与滚筒的贴合面之间出现打滑的情况，使滚筒的运行情况变得不稳定，所以不适合本次的设计。1-电动机 2-摩擦轮 3-轮圈图3.2 方案二方案三：电动机与减速器直接相连并带动转轴传动，减速器选择的是摆线针轮减速器。这种减速器的传动比较大（这种减速器传动比可达到80），没有皮带传送会出现的打滑现象，同时这种直接与电动机连接就会滚筒结构大大简化。清洗机筒体内的中心转轴由金属滑块联轴器与减速器的输出转轴联接来使其转动。金属滑块联轴器可以补偿轴一定的轴向、径向的长度偏移和较小的角度偏移。这种方案的减速装置成本较高，不过这种减速器的传动效果好，使用寿命较长，在整体考虑情况下采用方案三。1-电动机 2-摆线针轮减速器 3-联轴器 4-工作机图3.3 方案三4 马铃薯在滚筒内的运动轨迹及滚筒的倾斜角度计算4.1 马铃薯在清洗机内的运动轨迹 设计中应先确定滚筒的转动情况时，假定清洗机的筒体在转动时是水平放置的，但实际情况是，滚筒是有5度的倾斜角度的，因为由于滚筒随着转轴的转动而转动，如果没有倾斜角度，马铃薯的运动轨迹是个圆形。当是这种情况时，马铃薯是不能受到使其沿着滚筒内壁向前滚动的力的作用，所以只能不停的绕圆筒内壁做圆周运动，这是不能使马铃薯从滚筒一端向另一端进行前进的。这是不能使马铃薯从清洗机滚筒内向前运动到达出料口的，因此是不符合要求的。所以，如果滚筒没有倾斜角度是不能使马铃薯向前移动的，因此，滚筒必须要倾斜一个角度。常用的使马铃薯向前的推进方法： （1）当马铃薯从水洗沟槽中连续不断的进入滚筒时，会在清洗机滚筒的进料口处将堆积形成的马铃薯堆，在滚筒的连续运动过程中，依靠马铃薯堆的的高度落差，在从高处滑落至低处时重力产生的力向出口处推进。由于滚筒的大半个筒体是浸在水箱中的，水也可以把马铃薯向出料口冲击，但是由于马铃薯向前滚动仅依靠这些力是很困难，会出现进料口一端的马铃薯堆积严重，但清洗机滚筒的另一端的出料口马铃薯较少的现象，不能有效的的使马铃薯从滚筒的一端前进到另一端，使清洗机的效率变差，所以不适合本次的设计任务。 （2）利用螺旋推进器进行物料的推进这种推进既可以使马铃薯有较快的推进速度，同时可以促进马铃薯的的滚动从而使马铃薯得到充分的清洗，但这种推进器的结构比较复杂，成本非常高，不易日常的维护和维修，因此不适合本次的设计。 （3）滚筒与水平机架面成一定角度滚筒与清洗机的机架有一个角度时可利用马铃薯向前滚动时自身重力的分力作为推进力，是马铃薯能够自动的向前滚动。对于马铃薯来说，因为马铃薯之间的相对摩擦力较小，所以马铃薯自身重力的分力远大于这个相对摩擦力，马铃薯所受的合力是沿滚筒斜面向下的，所以马铃薯可以自动的向前滚动。这种方法非常简单，而且有效，而且易于安装和维护。因此这次的设计采用这种方式使马铃薯沿滚筒斜面滚动。现在计算滚筒倾斜的情况下马铃薯的受力情况，马铃薯受力的情况况如下图（4）所示，所受各力已经表示出，这个几个力的合力使马铃薯沿着滚筒方向前进到达出料口。 图4.1 单个马铃薯颗粒存在的受力 马铃薯受到重力 ，摩擦力，惯性离心力 及清洗机的筒体对马铃薯的支持力的作用，在这些力的作用下，马铃薯沿滚筒向下滚动的受力条件是： (4.1) （4.2） (4.3) 为马铃薯与滚筒的静摩擦角。 通过上面的计算公式可以得出滚筒内马铃薯向前滚动的最低速度大小与最低转速大小的值为： (4.4) (4.5) 在滚筒中的运动，马铃薯受到的合力是沿滚筒内表面向下的，所以马铃薯在向下滚动时会有一定大小的加速度，使马铃薯沿滚筒在做加速运动，同时还有沿滚筒内表面做相对于滚筒的圆周运动，这两个分运动的和运动的运行路径将不再是一个圆形，而是一个封闭的螺旋线的图形。轨迹如图（5）所示：图4.2 马铃薯在倾斜滚筒内的运动轨迹 所以可以看出马铃薯是沿螺旋状向前推进的。马铃薯沿滚筒内表面旋转一周时，马铃薯沿滚筒内表面轴向方向滚动的距离为： (4.6) 当时， 故 (4.7) 因此，马铃薯在滚筒内的滚动速度为： (4.8) 由上公式可以知道，马铃薯沿滚筒内表面的向前滚动的速度与滚筒的倾斜角度成正比。滚筒倾斜角越大，马铃薯向前滚动的速度越大。与滚筒旋转速度成反比，速度越高，马铃薯向前滚动的速度就越慢。对于斜面倾斜角度大的筒体，马铃薯所受的最大惯性力的值可能小于所受摩擦力与重力分力的和，此时马铃薯受到的力沿滚筒内表面向上，所马铃薯向前滚动的临界条件为： （4.9） 由此可得，临界倾斜角为： （4.10）当滚筒倾斜角大于ac 时，马铃薯在滚筒内的运动路径将是蛇形而不是螺旋线图形，它将不能沿整个滚筒内表面做圆周运动，物料在滚筒内的停留时间将短，马铃薯将不能有效的得到清洗，清洗的效果将变差，所以，筒体倾角 的值不能太大，但也不能太小，太小的话马铃薯向前的运动速度将会受到影响，所以本次设计的筒体倾斜的角度为5度。4.2 滚筒筒体材料及滚筒转动方式的确定4.2.1 滚筒筒体材料的确定 滚筒的筒体的体积和质量占整个滚筒式清洗机的65%75%, 所以筒体的材料和尺寸大小将是影响本次设计的主要因素。滚筒式清洗机的筒体大小将影响清洗机的产能和效率。筒体应该具有足够的刚度和强度及尽可能的在符合条件的情况下减小其质量从而减少其功耗损失。清洗机工作润滑条件的良好，这样可以使清洗在工作中减少功耗损失，减少摩擦对清洗机的破坏，同时可以使使用寿命增加。因此必须根据良好的工作条件来设计清洗机的筒体是非常有必要的。同时所选筒体材料必须要使筒体能够满足工作时的强度和刚度要求。基于以上的考虑查阅资料确定本次筒体材料选用A3钢。4.2.2滚筒筒体最小壁厚计算1.滚筒筒体的最小壁厚计算公式： (4.11)式中：R为筒体半径，R=D/2=50cm 为滚筒筒体材料在工作温度下的屈服应力（温度为150时的） K为钢板与筒体壁重量比的系数，K=1.6C为材料腐蚀欲度，C=0.3cm (4.12)表4.1 筒体厚度与直径的关系Table 4.1 ，Dryer and diameter of the cylinder (statistics）筒体直径D (m)11.11.31.3222.62.633.33.63.34筒体厚度（mm）8101214161820/D0.0080.0090.00770.00920.0060.0070.00540.00620.00530.0060.0050.0060.005当工作的条件非常差时，一般需要适当增加壁厚2mm。若刚度还不满足要求的，还可适当增加其厚度。4.2.3 滚筒转轴运动方式的确定本次滚筒式清洗机设计的清洗能力为，为符合清洗机的清洗能力设计滚筒筒体的内径为1米，长度为2米。 由滚筒的转速计算公式可以得出滚筒的转速: (4.13) 可得 = 11.319.8 (4.14)滚筒式清洗机的滚筒的转动方式为中间轴传动。4.3 功率的计算 滚筒式清洗机工作时的功率： (4.15) 其中： 为转速，； 为力矩，； 为传动的效率。由力矩计算公式得： (4.16) 为滚筒直径，； 为筒体重量与滚筒内马铃薯重量之和。 (4.17) 为横向肋条的重量，N； 为纵向肋条的重量，N； 为钢板的重量，N。 (4.18) 为滚筒筒体半径，m； 为滚筒筒体长度，m； 为马铃薯质量密度，N/m3； 为马铃薯在滚筒中的密度。 马铃薯在滚筒筒体内的分布密度与筒体的倾斜角度有一定的联系，但是由于水池中的水及马铃薯表面附着的泥土等因素的影响，密度会比理论上要小，所以查阅资料的为0.02。清洗机传动效率一般为。 由上述可知： (4.19) （4.20） 为钢架肋条的的横截面积，； 为钢架肋条的长度，； 为马铃薯的密度，； 为所用钢架肋条的数量； 为钢架肋条的截面半径，；所以 G5=6210-627.851039.88=139 N （4.21） G4=SLPng=73 N （4.22） G3=SdPgn=290 N （4.23）式中：S为铁皮的表面积 D为铁皮材料的厚度 N为铁皮的数量 =769.3 N (4.24） =1271.3 N (4.25）据 (4.26） 得 = 1271.31/2 = 635.65 Nm （4.27） (4.28) 将w的取值代入公式得： =1.26 kw (4.29)为工作机的功率；为工作机的效率，一般取0.90.97。 由上面的计算可知清洗机要达到满足工作要求时的转速需要的最低功率为kw。本次设计中电动机的功率。为电动机到滚筒的总效率。 分别用， ， ，表示减速器，滑块联轴器，滚动轴承，滚筒的效率。由机械设计手册表22查得： =0.96，=0.98，=0.97，=0.99。则由总效率的计算公式可得传动装置的总效率为： (4.30) =0.960.9820.970.992 =0.88 （4.31） =1.26/0.88 =1.43kw4.4电动机的选择 4.4.1电动机功率的选择 确定清洗机电动机的需要选择电动机种类、尺寸、效率、转速和型号等这几个方面。机械设备通常选择使用三相交流电动机，Y系列三相交流异步电动机价格便宜，结构简单等优点，所以应该首先考虑Y系列三相交流异步电动机。当所需转动惯量较小和启动时所需要力矩较小时，选用Y系列的三相交流异步电动机。但是需要经常启动和制动的场合下，可以选择使用或系列三相交流异步电动机。经过综合考虑这次设计选择采用Y系列三相异步电动机。 电动机的选择应该注意以下几点：电动机功率小的话，会使清洗机不能正常工作或长时间处于过载的情况下而损坏设备；功率选的太大的话，会造成很大的浪费。在经常连续工作而且工作载荷变化不大的条件下，是可以根据清洗机所需要实际的功率来选择电动机。不过必须满足电动机机的额定功率稍大于电动机的所需功率这个条件。根据计算可知电动机所需功率为： ,因此我们选择的电动机功率为。4.4.2 确定电动机的转速 Y系列全封闭式笼型三相异步电动机的同一功率的同步转速是不同的有3000、1500、1000和750。通常条件下，电动机的转速越高，体积尺寸越小、成本越低。因为此次设计的清洗机滚筒的转速很低，所以不适合选择转速较高的电动机，经考虑选择的电动机的转速为1500。4.4.3 电动机的型号的确定依据所选定的电动机运转速度和功率可知选择Y系列三相异步电动机，查机械设计课程设计手册可知选用电动机的型号为，功率，转速。4.5传动比和清洗机的工作转速的计算4.5.1 传动比的分配本次设计所选用的摆线针轮减速器，传动比很大，可达到87，而且占用空间小，工作效率高，非常适合本次的设计要求，在传动中通过联轴器直接与转动轴连接，产生的噪声小，效率高，查阅资料所选选型号为。本次设计中减速器直接与传动轴相连的，因此没有传动比的分配的问题。4.5.2滚筒式清洗机的工作转速的确定依据电动机的额定转速和减速器的传动比大小由公式可得出滚筒的工作转速。由传动比公式： (4.32) 可得公式： （4.33） 式中： 为电动机满载转速，； 为转动轴转速，。 代入数据得： （4.34） 本次设计中的清洗机的筒体转速比较低，通常情况是低于30的，由上面的计算可得到的工作机转速为，所以清洗机转速是符合要求的。5 清洗机轴的设计及校核和其他零件的的确定5.1 轴的设计计算5.1.1 初算轴的直径联轴器和滚动轴承的型号是根据传动轴的直径确定的，要确定轴采用何种的结构，必须首先经过初算得出轴的最小直径，然后在这个基础上对轴的结构进行设计。轴的直径估算，即： （5.1） 式中： 为转动传递的功率，； 为轴的转速，； 为材料系数。表5.1 各种材料系数c的取值范围Table 5.1 range of coefficient c of various materials轴的材料Q235354540Cr,35siMnc16013513511811810710798 轴所选的材料为45号钢。的取值范围必须根据轴上力的弯矩对轴强度的影响情况，当轴只受转矩或弯矩相对转矩较小甚至可以忽略时，取小值；若弯矩较大不可忽略时，取大值。由于滚筒的转速较低但由于筒体的质量体积较大所以转矩较大且弯矩小，所以应取小的c值，这次的设计取是108。所以： =46.14 （5.2） 对轴的直径进行估算时，因为键槽会影响轴的刚度和强度，所以应该考虑键槽对轴的强度和刚度影响。当该轴上有一个键槽时，轴的直径增大 ；轴上两个键槽，d 应增大 。在这次清洗机轴的直径计算中，因为轴上有一个键槽，所以半径应该增加。所以： d （5.3）圆整后转轴的直径。5.1.2 初选轴的形式 经过初算可得轴的初算最小直径为，本次设计中，轴需要与联轴器及滚动轴承进行连接，所以轴的结构应设计为阶梯轴形式。5.1.3 轴结构的确定上面的计算可知轴的最大转矩 ，本次设计选择使用金属滑块联轴器，因为其可以允许径向位移在0.04d以下和角位移30以下。轴的材料选泽用45号钢，45号钢经过处理后， , 。由计算可知轴的直径径为，因为轴与联轴器连接时会有一个键槽，所以设计轴和联轴器的连接处的直径为。但是要为在轴上安装滚动轴承提供方便，设计安装处的轴承的轴直径为。这次设计滚动轴承中所选的型号为圆锥滚子轴承，其宽度为 ,根据结构要求选用轴肩挡圈为，因为要固定进料口，因此必须要将滚动轴承安装在进料斗的上方，但距离不可以太小，这是为了防止马铃薯进入料斗时和轴承发生碰撞，为了满足清洗机的生产能力为，同时经清洗水槽浸泡的马铃薯中混有大量的水和泥垢，进料斗的尺寸必须要大，设计进料的长度为, 高度的选择应在便于安装的情况下尽量的不对轴的转动产生影响，具体结构设置可以看装配图。清洗机的滚筒筒体外表面与筒体侧面需要焊接肋条来保证筒体在转动时的强度和刚度，能够使滚筒正常的转动工作，焊接肋条的钢筋直径的为10mm，清洗机的中心转轴在筒体的最底端依靠联轴器和减速器相连，通过电动机带动筒体转动，它们都安装在机架上。如果安装在筒体前端，一方面因为进料口在机架的上端，不利于这些装置的安装，会对进料产生影响，但安装在末端的话，清洗机出料口在机架的下方，所以不会对清洗机的工作产生影响。轴上的轴承是需要固定的，滚动轴承是需要安放在滚动轴承座内的，通过在轴上设计轴肩来固定轴承的位置，通过设计轴上的轴承将会不会出现在轴上的运动，采用轴肩的结构进行固定，这种结构便于进行密封装置的安装，本次设计选用的的系列的圆锥滚子轴承是具有一定的径向位移补偿能力的，同时圆锥滚子轴承轴承是两个成对使用的，这样会使清洗机的转轴得到更好的轴向固定。联轴器与轴的固定是用普通平键来连接的，因为普通平键可以传递转矩。本次设计联轴器选用的型联轴器，轴孔的内直径为。下面对轴的结构进行校核，校核需对轴的结构尺寸进行估算，下表是轴的的轴的各部分设计尺寸和所需的实际尺寸。表5.2 轴的长度初选Table 5.2, the length of the shaft零件名称所需轴向长度（mm）设计长度（mm）滚筒长20002200联轴器85100轴承与轴承座（一对）180180总计226524805.1.4 轴的强度校核查参考资料选择轴的材料为45号钢,正火调制,硬度,抗拉强度，。清洗机筒体倾角5，角度非常小，可以勿略，在轴的校核中认为轴是平放的。由于清洗机的轴为转轴，同时受转矩弯矩的作用，但因为这次设计中轴的传动为中间轴传动，所以认为轴只受径向的垂直力，清洗机的转轴的受力如图6（a）所示，下图依次为（b）弯矩图，（c）扭矩图，（d）当量弯矩图图5.1 轴的校核计算轴所受弯矩：由弯矩计算公式: (5.4) 其中： 为轴所受的力，单位； 为该力所对应力臂的长度，单位。根据力矩平衡条件，可以计算A点的受力： （5.5） 同理可以计算B点的受力： （5.6） 由先前计算可知：C点的受力，将数据代入公式得， =608N （5.7） =63.3N （5.8）再代入公式，得 =729.6 Nm （5.9）轴的弯矩图如图6(b)所示。计算转矩：由材料力学转矩公式得： （5.10） 其中： 为对应点处所受力的转矩，单位； 为对应点处功率，单位kw； 为对应某点转速，单位。由上面的计算可得转轴的功率为，转速，将数据代入公式得，=； （5.11）轴的扭矩图如图6(c)所示。求轴当量弯矩：由机械设计书中当量弯矩公式可得： （5.12） 式中： 为应力校正系数，对于轴所受的转矩不变时，取；对于轴所受的转矩为脉动，取；本次设计中轴所受的转矩为对称循环时，查资料可知取=1；为弯矩，单位；为当量弯矩，单位； 为转矩，单位。因为本次设计中清洗机的工作方式是24小时连续工作的，由于马铃薯是由清洗水槽运送到进料口的，因为运送速度是不变的，所马铃薯在滚筒内的数量是相对稳定的，因此转轴所受转矩是不变的，于是取公式，查机械设计可知，。当量转矩。以上数据代入公式 （5.13）得 （5.14） =742 当量弯矩图如图6(d)所示。通过计算得校核得轴径，所以本次设计的轴符合工作要求。由轴的力矩图可知轴受力最大的截面是C处。由切应力计算公式： （5.15）可以校核轴的强度是否符合设计要求。校核轴的强度: （5.16）=。许用应力值查表得到45号钢的=,因此设计的轴是符合工作要求。5.1.5 键的选择 键的尺寸和型号必须根据轴的直径来确定。设计键长度应该根据轮毂的长度来确定。因为清洗机的工作情况可知，轴和联轴器的固定是用来主要传递转矩的，并且要求它们连接时不能有轴向的游动，为了能够很好的满足这些条件，本次设计选用普通平键。普通平键是依靠键的两个侧面通过承受挤压作用来传递转矩。普通平键又有多种的结构，键的形状有圆头、方头及一端圆头一端方头三种。单圆头使用于轴末端与其他零件的连接固定。由于本次设计联接为轴端处开槽联接，所以应选择一端圆头一端方头型普通平键作为联接，查阅资料可知本次设计选用的键国家标准代号为键。因为联轴器的轮毂长度为 ,由机械传动装置设计手册中表18-4可得出，键的尺寸如下： B为键宽,单位mmH为键高,单位mm：图5.2 键的结构 普通平键选用的材料应为抗拉强度大于的钢，通常选用的是号钢。普通平键进行传递转矩时，需要校核键的强度，因为键在传递转矩时，主要受到剪力作用，因此由材料力学中的公式： = （5.17） 式中： A ：剪切面的面积 ：所受剪力又有公式： = （5.18） 式中： ：键所受的转矩大小 ：力臂长度代入上面的数据得， = （5.19） =代入公式得， （5.20） 因为45号钢的许用切应力=370，而=，因此选择的键适合本次设计的强度要求。5.2 清洗机整体的结构设计方案马铃薯清洗机结构主要由滚筒、机架、传动装置、水箱池、进出料斗、电机、淤泥清除口、支撑装置等组成。电动机通过基座直接固定于机架上，减速器选择使用摆线针轮减速器，上面已经论证其合理性。清洗机的筒体被两个固定在机架上的方形的支架支撑固定，清洗机滚筒的主轴由金属滑块联轴器与减速器的输出轴进行连接。电动机带动减速器转动，然后由减速器带动滚筒转动,清洗机滚筒由4根直径为10mm的圆钢筋绕滚筒外表面的轴向方向进行加固，为了保证滚筒的刚度和强度符合要求，电动机带动清洗机的转轴转动，中心转轴带动筒体在水箱中旋转，水箱中流动的水冲洗浸泡马铃薯从而达到清洗马铃薯的目的。水箱的底部设有一个可以随时进行开关的开口，可以很方便的出去箱水中的淤泥，给清洗机的工作带来很大的便利。为了满足清洗机的工作要求，本次设计中确定滚筒筒体的直径为米、长度为米，滚筒由钢架固定在清洗机的机架上，钢架的形状为矩形，同时所使用的钢架刚度强度可以满足设计要求。清洗机的筒体由横向的钢筋条固定，主要为了承受滚筒所受的径向力的作用。连接处的固定用焊接的方式。焊头的结构是焊接的关键，焊接的处同时受到连接的力和传递转矩的力。清洗机的纵向支撑钢筋和轴的固定处采用的焊接接头为丁字接头，这种接头是专门用来焊接相互垂直的结构的，可以承受任何方向的力，非常适合本次的使用。因为丁字接头处的应力集中效果是会对焊接产生很大不良影响，所以必须采用熔焊的方式消除这种应力集中的影响。轴向支撑肋条和纵向支撑肋条都焊在一个圆形的支架上，肋条为直径10mm的钢筋，它主要起到连接和保证滚筒刚度和强度要求的作用，滚筒筒体的钢板和筒体端口的支撑架采用角接头的方式进行焊接，这是因为这些连接处承受的力较小，因此使用这种焊接是适合本次设计的。5.3 联轴器的类型及型号尺寸5.3.1 联轴器类型的确定本次设计选择金属滑块联轴器。金属滑块联轴器主要用于平行连接，它是由有凹槽的半联轴器和一个两面都有突出的方牙，通过这个凹凸处的连接构成一个动联接。这种联轴器经济实用。5.3.2 联轴器型号和尺寸的选择由机械传动装置设计手册 中的表16-24金属滑块联轴器的尺寸和特性参数中可查得 ，选择型号，轴孔直径为。图5.3 金属滑块联轴器5.4 确定滚动轴承和轴承座的设计方案5.4.1 滚动轴承类型确定轴承的选择需要考虑以下几个因素：（1）承受载荷的方向、大小和性质滚动轴承向心轴承主要受径向载荷，滚动轴承推力轴承一般承受轴向载荷。当径向载荷和轴向载荷同时作用于轴承时，可以选择使用角接触球轴承，当轴承承受径向载荷较大，可以选择使用深沟球轴承。但是要注意，这两种滚动轴承需要两个成对安装使用，滚子轴承可以承受更大的载荷。滚筒式清洗机的主轴放置的时有一个5度的倾角，因为此时轴承要同时承受轴向和径向两个方向的载荷，但是轴承所受的轴向载要远远大于与所受的径向载荷，所以轴承看作是只受轴向载荷。（2）转速滚动轴承的运转速速必须要低于滚动轴承的极限转速。角接触轴承和圆柱滚子轴承的极限转速很高，适合于高速