土豆切片机结构设计

土豆切片机结构设计摘 要土豆是人们食用的主要杂粮之一，在食用时，需要把土豆切片和切丝，市场上切片机种类很多，但是大多数都适用于大工厂和大作坊，对于小作坊或普通家庭的使用并不合适。本文所设计的土豆切片机是一种体积比较小、结构比较简单，适用于家庭、餐厅、小作坊的小型农产品切片机。本切片机具有很高的效率，不仅可以对土豆切片或者切丝，还可以用来对红薯进行切片。本设计的设计原理简单，利用用电动机提供动力，带轮传动，经过变速装置后，输出轴的末端连接旋转刀盘，旋转刀盘上固定有对称安装的两把刀具，放在盛料箱里面的土豆在推进装置的推进作用下，向旋转刀盘运动，土豆被切成片后从卸料箱流出。该方案结构简单，使用方便，减轻了很多人力。关键词：切片机；切片；设计；土豆AbstractPotatoes are one of the main crops. You need to slice the potatoes and shred when eating. There are many different types on the marke.t. However this slicer is more applicable to enterprises and workshops. It is not appropriate to household. Paper presents a family by automatic slicing machine, the machine is propelled by the cutter parts, potatoes and clamping part and adjust the thickness of potato chip device that consists of three parts.The design of my potato slicing machine is a smaller size and the structure is more simple than others. Potato slicing machine is fit for the family restaurant, small workshops. It can be respectively on potato, sweet potato to work. The design principle of the design is very simple, is to use the motor, belt pulley, after a transmission device, the end of the output shaft of the connecting rotating cutter, knife rotating disc is fixed symmetrically installed two knives, put in full box of potatoes in the propulsion system of promotion by, to the rotating knife disc movement, potatoes cut into slices, the outflow discharge box from the material. This scheme has the advantages of simple structure, convenient use, reduce a lot of manpower. Key Words: slicing machine;slice; design; potato目 录摘 要.2Abstract.3目 录.41. 绪 论51.1 课题来源及意义 51.2 国内切片机技术的发展概况 61.3 论文主要内容 .82. 土豆切片机总体方案设计92.1 结构特点与工作原理 .92.1.1 结构特点 92.1.2 工作原理及工作条件： 102.2 传动参数的计算 .102.3 动力参数计算 .102.4 电机的选择 .112.6 本章小结 .123. 土豆切片机传动系统设计133.1 V 带传动的设计 .133.2 带轮结构设计 143.2 主轴设计 144.基于 SolidWorks 软件的土豆切片机三维模型设计 184.1 SolidWorks 软件简介 .184.2 土豆切片机机架设计 .194.3 土豆切片机关键部件三维建模 .224.4 本章小结 .24总结.25致谢.26参考文献.271. 绪 论1.1 课题来源及意义毕业设计课题来源于农业生产。土豆等薯类作物在我国分布很广，有二十多个省、自治区种植，是我国主要粮食作物之一，马铃薯还是一种很好的蔬菜作物。我国薯类作物种植面积1.4亿亩左右，总产量达2 3千万吨，是世界上产薯最多的国家。马铃薯块茎含有大量的淀粉。淀粉是食用马铃薯的主要能量来源。一般早熟种马铃薯含有11% 14%的淀粉，中晚熟种含有14%20% 的淀粉，高淀粉品种的块茎可达25%以上。块茎还含有葡萄糖、果糖和蔗糖等。此外，马铃薯蛋白质营养价值高。马铃薯块茎含有2%左右的蛋白质，薯干中蛋白质含量为8%9%。其品质相当于鸡蛋的蛋白质，容易消化、吸收，优于其他作物的蛋白质。而且马铃薯的蛋白质含有18种氨基酸，包括人体不能合成的各种必需氨基酸。马铃薯块茎含有多种维生素和无机盐。食用马铃薯有益于健康与维生素的作用是分不开的。特别是维生素 C 可防止坏血病，刺激造血机能等。块茎中还含有维生素 A(胡萝卜素)、维生素 B1，(硫胺素)、维生素 B2(核黄素)、维生素 pp(烟酸)、维生素 E(生育酚)、维生素 B3(泛酸) 、维生素 B6(吡哆醇)、维生素 M(叶酸 )和生物素 H 等，对人体健康都是有益的。此外，块茎中的无机盐如钙、磷、铁、钾、钠、锌，锰等，也是对人的健康不可缺少的元素。马铃薯块茎水分多、脂肪少、单位体积的热量相当低，所含的维生素 C 是苹果的4倍左右，B 族维生素是苹果的4倍，各种矿物质是苹果的几倍至几十倍不等，马铃薯是降血压食物，膳食中某种营养多了或缺了可致病。同样道理，调整膳食，也就可以“吃”掉相应疾病。马铃薯具有抗衰老的功效。它含有丰富的维生素 B1、B2、B6和泛酸等 B 族维生素及大量的优质纤维素，还含有微量元素、氨基酸、蛋白质、脂肪和优质淀粉等营养元素。除此以外，马铃薯的块茎还含有禾谷类粮食中所没有的胡萝卜素和抗坏血酸。从营养角度来看，它比大米、面粉具有更多的优点，能供给人体大量的热能，可称为“十全十美的食物”。人如果只靠马铃薯和全脂牛奶就足以维持生命和健康。因为马铃薯的营养成分非常全面，营养结构也较合理，只是蛋白质、钙和维生素 A 的量稍低；而这正好用全脂牛奶来补充。马铃薯具有抗衰老的功效。它含有丰富的维生素 B1、B2、B6和泛酸等 B 族维生素及大量的优质纤维素，还含有微量元素、氨基酸、蛋白质、脂肪和优质淀粉等营养元素。马铃薯是碳水化合物，但是其含量仅是同等重量大米的1/4 左右。研究表明，马铃薯中的淀粉是一种抗性淀粉，具有缩小脂肪细胞的作用。马铃薯是非常好的高钾低钠食品，很适合水肿型肥胖者食用，加上其钾含量丰富，几乎是蔬菜中最高的，所以还具有瘦腿的功效。土豆是人们食用的主要杂粮之一，在食用时，需要把土豆切片和切丝，市场上切片机种类很多，但是大多数都适用于大工厂和大作坊，对于小作坊或普通家庭的使用并不合适。本文所设计的土豆切片机是一种体积比较小、结构比较简单，适用于家庭、餐厅、小作坊的小型农产品切片机。本切片机具有很高的效率，不仅可以对土豆切片或者切丝，还可以用来对红薯进行切片。本设计的设计原理简单，利用用电动机提供动力，带轮传动，经过变速装置后，输出轴的末端连接旋转刀盘，旋转刀盘上固定有对称安装的两把刀具，放在盛料箱里面的土豆在推进装置的推进作用下，向旋转刀盘运动，土豆被切成片后从卸料箱流出。该方案结构简单，使用方便，减轻了很多人力。 根茎类蔬菜在加工时，它切片、切丝是一道重要的工序，切菜机是重要的食品加工机械之一。目前的切菜机有很多种，多为一些大型设备，体积较大，价格昂贵，但是应用于根茎类蔬菜切削的机构类型区很少，主要应用在一些小型的食品加工厂体积小效率低不适用于在大型工厂里进行成批生产，因为我国的根茎类蔬菜种植多由农民个体种植而且还要进行清洗去蒂等工序很难进行批量生产。土豆切片机作为土豆加工领域的一种重要食品机械设备，其结构设计有重要的工程意义。1.2 国内切片机技术的发展概况我国的切片机技术始于七十年代初期，我国的切片机广泛应用于蔬菜、中药、冻肉等领域，其中离心式的应用尤为显著。目前我国切片机的主要方式有以下几种：(1)直线往复式切片机。直线往复式切片机的结构简单，但效益低。 因此它应用于工作要求不高、效益低的场合。(2)圆盘旋转式切片。圆盘旋转式切片机的机构简单也有较高的生产效益，因此它广泛应用于各种场合。(3)水枪式切片。水枪式切片机耗水量打， 只能切出平直的片， 因此它的应用不是十分广泛。(4)圆形（内圆切片的外圆切片）切片。圆形式切片机有很高的工作效率，但是结构复杂，设计较困难，因此它应用于工作效率要求相当高的专业领域。我国的切片的研究开发方面虽然已有30年的历史，近几年来切片机的研制发展也非常迅速，但是与发达国家相比目前仍然有一定的距离，研制的切片机没有得到大面积推广应用。虽然在我过已有切片机的生产厂家如山东省诸城市大洋食品机械厂的大洋牌土豆切片机有400型、600型、江阴鑫达药化机械的中药切片机等。但我国的切片机方面仍然没有根本性突破。我国研制的规格型号还不多，对于一些已经通过鉴定和推广使用的机型如：LC-301多功能自动切菜机，YQ-1000实用新型多功能切菜机，LG-550型多功能切菜机等这些大型机械基本都属于刀片旋转式的工作原理，主要用于其它一些材料的成批生产，很少用于家庭厨房及小量加工。国外一些技术先进的国家(如美国), 多功能切菜机已经实现了机械化。切菜机是由加工公司来完成, 切菜设备配套比较齐全,包括输送机、清选机、入料机、切片机等。切菜效率较高，比如著名的瑞士 Meyer-Burger AG 公司的 TS 系列机，日本的 Tokyo Semitsu 株式会社生产的 TSK(若干)系列机等已经实现了计算机控制的数控一体化。为了解决我国农村中的个体生产者和一些农户急需的一种造价低、操作轻便、小型的多功能切菜机，拟设计这种适合我国农村农户和个体生产者的小型的多功能切菜机，以适应我国现状。蔬菜切片机是食品机械设备的一种。食品机械与设备是把食品原料加工成食品或半成品的一类专业机械与设备。对于蔬菜切片机来说，即是把食品物料切割成厚度均匀一致的片状产品的机械。 国外的切片及技术始于20世纪60年代，到七十年代发展成熟，八十年代中期，大部分切片机都可以加工125mm 以上大直径单晶。例如：瑞士的迈尔公司的卧式内源切片及，切割棒料直径可以达到304.8mm。八十年代中期后的一两年内，切片及技术发展到了鼎盛时期，相当多的多功能全自动切片机相继商品化，从而诞生了世界上诸多注著名切片机，如瑞士的 Meyer-Burger AG 公司的 TS 系列机，日本 Tokyo Semites 株式会社的 TSK 若干系列机。发展到现在，就切片机的功能而言，已经相当的齐全，而且复合化，切片的方式也多种多样。我国的切片机技术始于20世纪70年代，我国的切片机广泛应用于蔬菜，中药，冻肉等领域，其中土豆的应用尤为显著。我国的切片及研究开发方面也有30多年的历史，近几年来切片机的研制发展也非常迅速，但是与发达国家相比目前仍有一定的差距，研制的切片及也没有得到大面积的应用，虽然在我国已有切片机的生产厂家如山东省诸城市大洋食品机械厂的大洋牌土豆切片机400型，600型等，但我国的切片机方面仍然没有根本性突破。近年来中国切片机机行业取得了很大的发展，但是行业发展中也存在一些问题，和国外相比仍有很大的差距。中国制造业由于缺乏核心技术，贴牌生产仍然是“中国制造”普遍的生存模式。很多高端产品表面上市中国生产，其实核心技术都来自国外。块根状蔬菜在我国分布很广，有20多个省、自治区种植，是我国主要的经济作物之一。例如，我国薯类作物种植面积大约1.4亿亩左右，总产量2至3千万吨。是世界上产薯最多的国家。随着社会经济发展的加速，人们生活节奏也相应加快，随之而来的快餐文化的迅猛发展，对茎块类食物的需求越来越多。像土豆薯条，薯片等休闲食品的消费急剧增长。这给茎块食物的加工带来了勃勃生机与活力。在茎块作物的加工过程中需要将其切成切片。因此，切片机应运而生。1.3 论文主要内容本文主要围绕土豆切片机的结构设计为中心，在基于土豆切片原理分析的基础上，提出土豆切片机结构设计的整体方案，选定方案后基于实用、够用的原则，从满足任务书中正常工程需求出发，进行结构设计、尺寸设计，整体装配设计。最后统筹整个设计，完成土豆切片机的总体设计。论文主要工作内容主要包括：根据土豆切片的基本原理，完成土豆切片机的方案设计； 1从满足任务书的工程需求出发，选定所需的土豆切片机实施方案，并进行关键尺 2寸的计算；根据方案的确定完成土豆切片机整体设计。基于SolidWorks2014 软件完成土豆切 3片机的三维实体实际，基CAD软件完成所有零部件及装配体的二维图定制。2. 土豆切片机总体方案设计2.1 结构特点与工作原理2.1.1 结构特点本设计主要针对一种转盘式土豆切片机，它包括料斗、转盘和刀片，所述的料斗底端通过螺纹连接件固定连接在转盘上，转盘上中心处设有一转轴，转轴一端设有手柄，转轴上发散状分布有多个刀片；料斗与转盘相邻的侧面开口并与转盘之间有容刀片通过的缝隙。提高了土豆切片的效率和均匀度，使用方便。图 2.1 土豆切片机原理图图 3-2 土豆切片机参考原理图2.1.2 工作原理及工作条件：土豆切片机采用电动机作为动力，其特征是，包括料斗、转盘和刀片，所述的料斗底端通过螺纹连接件固定连接在转盘上，转盘上中心处设有一转轴，转轴一端设有手柄，转轴上发散状分布有多个刀片；料斗与转盘相邻的侧面开口并与转盘之间有容刀片通过的缝隙。2.2 传动参数的计算在确定切削速度 v 时，既要保证土豆在放进箱体后，切片机能够正常作业，又要保证机组有较高的作业生产率，根据运动学基本原理，忽略土豆与料斗之间摩擦的情况下，传动比可按下式计算：（2.1）8.245.02365029-.824/11 HvrgDRid式中，刀具半径dRd切削机构直径r切削盘半径v切削速度H机器高度g重力加速度2.3 动力参数计算土豆体积较小，不需要过大的动力，所以两个切削部分所受力的大小为：（2.2）125FN转矩带动料盘进行机械运动，假定料盘所受的力全部来土豆。则：（2.3）348PvW轮转子转速：（2.4）640/minr带传动机械效率：（2.5）10.9主动轴承（球轴承）：（2.6）9.02从动轴承（球轴承）：（2.7）9.02传动系统总效率：（2.8）1230.89由于主轴上有两个切片转子和一个排料转子，假设每个转子上传递的功率均相同，则所需动力源的功率至少为：（2.9）3184PW轮2.4 电机的选择一般机械装置设计中，原动机多选用电动机。电动机输出连续转动，工作时经传动装置调整和转矩，可满足工作机的各种运动和动力要求。电动机工作环境为连续工作，变化很少，并且稳定的场合。从实用、够用的原则来选取功率为 1.5KW 的电机。生产效率为：（2.10）501/Qkgh取：（2.11）60/kgh配套动力：（2.12）1.5PKW转子转速：（2.13）205/minnr土豆一般为椭圆形，测定其长为：（2.14）508a宽为：（2.15）306bm由生产效率计算公式：（2.16）601BrnabtzQ得出（2.17）396/minr式中：B刀片长度；r 切刀半径；n 传动轴的转速；a， b 分别是土豆的椭圆的长和宽；T 为切片厚度；这里切片厚度为 2 mm.z 为刀片片数，刀片片数为 2.电动机的转速:（2.18）150/minnr由 V 带动传的传动比为 3.53，则电机的转速范围是（2.19）396.51320.7/innr由配套功率为 11.5 kw， 综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量、价格和带传动、减速器的传动比，选择电机为 Y90L-4，其额定功率为 1.5 kw， 同步转速为1500 r/min。2.6 本章小结本章结合土豆切片机的工作原理、结构特点，主要完成了土豆切片机的方案设计、动力参数及动力源的选择，为下一步进行传动系统设计做准备。3. 土豆切片机传动系统设计3.1 V 带传动的设计（1）选择 V 带的型号普通 V 带的型号根据传动设计功率和小带轮的转速选取，根据第二章的设计参数查机械设计手册应选用 B 型带。（2）确定带轮基准直径并验算带速由资料 GB/T13575.1-92 中选取：（3.1）140d则：（3.2）25d验算带速（3.3）18.6/5/0nvms带速在允许范围之内。（3）确定中心距及带的基准长度可设定中心距：（3.4）052a带长：（3.5）0120adLm实际的中心距：（3.6）00572dLa（4）确定 V 带的根数根数：（3.7）02.96dLAPZK取 Z=3 根3.2 带轮结构设计设计 V 带轮时应满足的要求是：质量小，结构工艺好，无过大的铸造内应力，质量分布均匀，转速高时要经过动平衡，轮槽工作面要精细加工（表面粗糙度一般为 3.2 以减少带摩擦，各槽的尺寸和角度应保持一定的精度，以使载荷分布较均匀。带轮的材料主要采用铸铁，常用的材料牌号为 HT200 或 HT250，转速较高时采用铸钢，小功率采用铸铝或塑料。考虑本设计的功率情况和转速，本设计采用铸铁，材料牌号为 HT250。铸铁制 V 带轮的典型结构有以下几种形式：实心式、腹板式、孔板式、椭圆轮辐式。V 带轮的结构形式与基准直径有关，根据带轮结构设计原则，本设计中，小带轮采用实心式，大带轮采用孔板式。3.3 主轴设计（1）选择主轴的材料及热处理方法该轴无特殊要求，选择 45 钢调质处理。（2）主轴尺寸设计安照主轴设计的合理性原则进行主轴的尺寸设计。图 3.1 主轴尺寸图（4）主轴强度校核绘制轴的受力图，如图 3.2，3.3。图 3.2 水平面受力图3）求水平面内的支反力及弯矩。求支反力（3.8）NFtHA8.415.97（3.9）tB 26求截面 C 处的弯矩（3.10）mNFMHAC 5.23908.57841.57图 3.3 水平面弯矩图图 3.4 垂直面受力图求支反力（3.11）NFFarVB 69.115.7（3.12）NFVBrVA 5.3169.1.80求截面 C 左侧的弯矩（3.13）mMVAC 25.18.5731.571求截面 C 右侧的弯矩（3.14）NFVBC 78.1095.69.15.72图 3.5 垂直面弯矩图合成弯矩求截面 C 左侧的弯矩（3.15）mNMVCH 2397)5.18(5.23902121求截面 C 右侧的弯矩（3.16）VCH 2678.1095.2398222图 3.6 合成弯矩图轴的强度校核校核危险截面 C 强度。由于轴的单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，轴的计算应力：（3.17）MPaWTMCca 38.5401.)796(27)(322 前已选定轴的材料为 45 钢，调质处理，并查得 = 60 MPa,故轴安全。4.基于 SolidWorks 软件的土豆切片机三维模型设计4.1 SolidWorks 软件简介SolidWorks 软件是美国 SolidWorks 公司开发的三维 CAD 软件。是世界上第一个基于Windows 开发的三维 CAD 系统，Solidworks 软件功能强大，组件繁多。 Solidworks 有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得 SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD 解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，而且对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。对于熟悉微软的 Windows 系统的用户，基本上就可以用 SolidWorks 来搞设计了。SolidWorks 独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。 SolidWorks 资源管理器是同 Windows 资源管理器一样的 CAD 文件管理器，用它可以方便地管理 CAD 文件。使用 SolidWorks，用户能在比较短的时间内完成更多的工作，能够更快地将高质量的产品投放市场。在目前市场上所见到的三维 CAD 解决方案中，SolidWorks 是设计过程比较简便而方便的软件之一。在强大的设计功能和易学易用的操作协同下，使用 SolidWorks，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。它采用了大家所熟悉的 Microsoft Windows 图形用户界面，在技术内核上基于先进的Parasolid 图形语言平台。SolidWorks 在国际上得到了广泛的应用，并以其功能强大，易学易用和技术创新三大特点而深受广大用户的喜爱。在众多的三维 CAD 软件中 SolidWorks提供了最优秀的中文支持，因此，SolidWorks 几乎是中国工程师步入三维 CAD 阶段的首选。SolidWorks 系统主要功能如下：(1)真正的全相关性，任何地方的修改都会自动反映到所有相关地方；(2)具有真正管理并发进程、实现并行工程的能力；(3)具有强大的装配功能，能够始终保持设计者的设计意图；(4)容易使用，可以极大地提高设计效率。用 SolidWorks 设计零件的基本流程如图 3.1 所示。进入零件设计模式建立基体特征添加特征和修改特征重绘特征完成设计合格否添加特征和修改特征合格不合格图:4.1 Solidworks 设计零件的基本流程图4.2 土豆切片机机架设计机架起到在机器中支承或容纳零、部件的作用，机架的设计主要应保证以下三点：1.足够的强度和刚度；2.形状简单，便于制造；3.便于在机架上安装附件等。绝定机架工作能力的主要准则是刚度。在土豆切片机的中刚度决定着切片机的生产效率和切削精度。强度是评定重载机架工作性能的基本准则。机架的强度应根据机器在运转过程中可能发生最大载荷或安全装置所能传递的最大载荷来校核其静强度。此外还要校核其疲劳强度。机架的强度和刚度都需要从静态和动态两方面来考虑。动刚度是衡量机架抗震能力的指标，而提高机架抗振能力应从提高机架构件的静刚度，控制固有频率，加大阻尼等方面着手。机架受压结构及受压弯结构都存在失稳问题。有些构件制成薄壁腹式也存在局部失稳。稳定性是保证机架正常工作的基本条件。必须加以校核。为了满足稳定切片和切削效率的要求，本设计的土豆切片机在功能上应该完成以下几点要求：1.在满足强度和刚度的前提下，机架的重量应要求轻、成本低。2.抗振性好。3 .噪声小。4.温度场分布合理，热变形对精度的影响小。5.结构设计合理，工艺性良好，便于铸造、焊接和机械加工。6.结构便于安装、调整及修理。7.导轨面受力合理、耐磨性良好。8.造型好。铸造机架常用材料：1.铸铁：铸铁流动性好，体收缩和线收缩小，容易获得形状复杂的铸件。铸铁的内摩擦大、阻尼作用强，故动态刚性好。另外还有切削性能好、价格便宜和易于大量生产等优点。铸铁主要 有灰铸铁、球墨铸铁。2.铸造碳钢铸钢的弹性模量大，强度也比铸铁高，故用于受力较大的机架。由于钢水流动性差，在铸型中凝固冷却时体收缩和线收缩都较大，故不宜设计复杂形状的铸件。3.铸造铝合金铝合金密度小、重量轻，通过热处理强化，具有足够高的强度、较好的塑性，良好的韧性。材料的选用，主要是根据机架的使用要求。本设计中的土豆切片机的形状较复杂。铸铁的铸造性能好、价廉和吸振能力强，应用也最广。焊接机架具有制造周期短、重量轻和成本低等优点。由于本设计的机架结构较为复杂，为了满足支撑其它各零件的要求，本土豆切片机机架各零件零件采用 HT200，整体选择焊接的方式。壁厚选择当机架零件的外廓尺寸一定时，因而在满足强度、刚度、振动稳定性等条件下，应尽量选用最小的壁厚。机体就是由机座和箱体焊接而成，材料为 HT250,箱体的安装传动轴的， 为了减少整个机体的重量，采用机座把箱体支撑起来， 再把箱体和箱盖相连接，使得整体结构更简单、合理、稳定，减少震动。机座的下面安装电机，比带轮设置在机体外面，这样方便调节比带轮的松紧，检查皮带的安装是否正确到位，综上所述土豆切片机总图如下图：图 4.2 土豆切片机总装图4.3 土豆切片机关键部件三维建模根据结构设计所确定的几何尺寸，利用 Solidworks 软件建立土豆切片机的各个部件三维实体模型，以及装配模型，如图 4.24.19 所示。图 4.3 后半壳体 图 4.4 前半壳体图 4.5 机带轮 图 4.6 定子衬套图 4.7 挡料环 图 4.8 切削转子图 4.9 主轴图 4.10 排料转子 图 4.11 主轴带轮图 4.12 土豆切片机装配体半剖视图4.4 本章小结本章主要工作内容包括：土豆切片机机架的设计、运用三维设计软件 SolidWorks 2014 进行土豆切片机所有零部件及装配体的三维建模。在三维模型的基础上运用SolidWorks 中由三维图转换为二维图 dwg 文件的工具自动生成工程图，在二维绘图软件CAD 中进行修改，最终完成土豆切片机所有零件图及装配图的制作。