《蓮藕切片機的結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動仿真研究8300字（論文）》

蓮藕切片機的結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動仿真研究摘要為了提高蓮藕切片的效率，本設(shè)計對蓮藕切片機構(gòu)型進行了重新設(shè)計，對蓮藕切片規(guī)程進行了設(shè)計優(yōu)化，提高設(shè)備運轉(zhuǎn)效率以提升經(jīng)濟效益。本設(shè)計參考了市面上現(xiàn)有各類切片機的構(gòu)型，根據(jù)蓮藕的形狀以及材料硬度進行了針對性優(yōu)化，并對其結(jié)構(gòu)進行改進。本次設(shè)計重點將對切片機的成型機構(gòu)以及動力系統(tǒng)進行優(yōu)化。最后將對設(shè)備整機結(jié)構(gòu)進行校核并分析計算，并通過運動仿真對其進行干涉分析，檢驗結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。本設(shè)計解決了以往人工切片過程中存在的藕片易粘連，效率低下等難題，具有較高經(jīng)濟價值與市場發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：蓮藕加工，切片，往復(fù)切片，自動化目錄TOC\o"1-3"\h\u303451緒論 為V帶基本額定功率。（3）經(jīng)驗算，帶根數(shù)符合設(shè)計工作要求。（4）計算帶傳動有效力根據(jù)已知帶傳動計算公式：（4）通過該公式對帶最大以及最小拉力進行設(shè)計計算。（5）計算帶傳動反力通過帶輪所受的力來對軸所受支撐反力進行估算，對帶傳動兩邊受力進行求解。為盡量精簡設(shè)計過程，此處計算忽略松緊邊之間的拉力差，并將軸壓力簡化計算：

（5）根據(jù)設(shè)計公式求得帶支撐力為：圖13蓮藕切片機帶輪受力結(jié)構(gòu)簡圖3.4.2帶輪設(shè)計（1）使用選型本次設(shè)計中帶輪所受作用力并不大，選擇滿足設(shè)計要求的材料即可，這里選用了鑄鐵，牌號為HT150，其具有足夠的強度承受運動時產(chǎn)生的作用力［３］。（2）帶輪結(jié)構(gòu)形式充分考慮到帶輪的工作情況，本設(shè)計根據(jù)電機輸出軸尺寸對帶輪進行考慮，為保證帶輪正常運轉(zhuǎn)，本設(shè)計采用腹板式構(gòu)型。其結(jié)構(gòu)簡圖如下圖14所示：圖14蓮藕切片機帶輪結(jié)構(gòu)圖3.5齒輪受力的計算校核3.5.1齒輪設(shè)計計算（1）齒輪的設(shè)計在對齒輪進行設(shè)計時需要對齒輪的各項參數(shù)繼續(xù)計算，主要流程如下：1通過設(shè)計工作零件相互配合，對工作齒輪進行選型，可知本設(shè)計采用直齒輪最適合工作情景，同時應(yīng)對零部件做好防護，避免受到意外磨損。2由于設(shè)備運動精度要求不高，故選用八級精度即可。3根據(jù)齒輪受力情況，選用40Gr（調(diào)質(zhì)）作為材料加工齒輪，強度與硬度均能滿足要求。4根據(jù)公式對齒數(shù)進行計算齒輪各結(jié)構(gòu)尺寸圖如下圖15所示：圖15齒輪各結(jié)構(gòu)尺寸（2）受力分析根據(jù)軸徑對齒輪受力進行分析（6）（3）計算尺寸對齒輪受力進型計算校核：（7）對齒輪應(yīng)力進行校核：（8）（4）齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)計算尺寸對齒輪的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計并繪圖，其二位結(jié)構(gòu)示意圖如下圖16所示圖16腹板式結(jié)構(gòu)齒輪接下來對齒輪各項參數(shù)進行設(shè)計，所選尺寸如下表1所示：表1齒輪傳動參數(shù) 名稱符號單位齒輪中心距amm260傳動比i1.2模數(shù)mmm4應(yīng)力角αo30齒數(shù)Z91最大直徑dmm290最小直徑damm288外徑dfmm269選材Bmm6240Cr加工工藝調(diào)質(zhì)齒面硬度HBS2803.5.2軸的設(shè)計與強度計算對軸進行設(shè)計時應(yīng)考慮到軸所受應(yīng)力以及軸上軸承的安裝位置，并根據(jù)主軸各截面受力情況來對軸截面進行分析?？紤]軸的設(shè)計，在判斷危險截面情況時采用計算公式算出設(shè)備工作時軸的受力最大情況發(fā)生在，在此處的軸截面受力達到最大，引起軸的受力形變也最大。電機軸帶動輸入軸進行轉(zhuǎn)動，動力通過帶輪被傳遞到切片裝置上，切片裝置主軸帶動刀片對蓮藕進行切片處理。接下來對各軸進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。（1）首先對工作主軸進行設(shè)計計算：根據(jù)安裝以及受力初選軸直徑為220mm對該軸進行受力計算，分別對其軸向力以及徑向力進行計算：軸向力計算公式：Ft=F*sina=310軸向力計算公式：Fr=F*L/a=400/31=103.3（2）對軸結(jié)構(gòu)進行設(shè)計根據(jù)按上述計算參數(shù)對軸尺寸進行計算，繪制出軸結(jié)構(gòu)圖，如下圖17所示：圖17工作主軸結(jié)構(gòu)簡圖對工作主軸進行受力校核，采用計算公式：對軸彎曲應(yīng)力進行校核:經(jīng)驗算，本設(shè)計軸的強度符合設(shè)計要求，滿足使用壽命。隨后本設(shè)計對軸的彎矩進行了計算分析，繪制出軸各截面所受彎矩如下圖18所示：圖18軸上各截面受力（3）軸承以及鍵槽選型根據(jù)軸以及機架設(shè)計，通過對軸承所受力的分析，這里選擇深溝球軸承作為使用型號。隨后對鍵槽進行設(shè)計，根據(jù)上述計算公式，鍵槽所受最大壓力為36N。根據(jù)受力類型以及軸上安裝尺寸，這里選擇平鍵作為鍵槽類型。計算尺寸如下：隨后對退料軸進行設(shè)計計算。因該軸與切片裝置軸所受力以及工作方式類似，因此這里參照切片裝置軸對其進行設(shè)計。根據(jù)尺寸計算繪制出軸結(jié)構(gòu)簡圖如下圖19所示;圖19退料軸簡圖對軸上各部位所受應(yīng)力進行校核：（9）隨后本設(shè)計同樣對軸的彎矩進行了計算分析，繪制出軸各截面所受彎矩如下圖20所示：圖20退料軸彎矩圖（4）精確校核軸的疲勞強度判斷危險截面從受力分析來判斷危險截面，根據(jù)受力情況判斷截面Ⅳ、Ⅴ處所受力最大，在此處所引起的應(yīng)力集中對軸的危害性最大。雖然從表面上看截面Ⅳ所受的力與截面Ⅴ的相近，但這兩個截面之間存在區(qū)別，截面Ⅴ只受單向力作用，并沒有被施加扭力，因此不要考慮扭矩的影響，并且由于此軸外徑相對較大受力更均勻，足夠承受軸上所受壓力。對于截面Ⅳ來說對該截面受力分析，由于存在鍵槽，軸本身的強度會被降低，且鍵槽也容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，這會加大軸的安全風(fēng)險，所以該截面需要被納入校核。只需對軸上危險截面進行校核即可檢驗是否符合工作要求。3.5.3滾動軸承的選擇及壽命校核本設(shè)計中軸承選型時，由于軸承受力主要集中在徑向方向，軸承選擇應(yīng)滿足徑向受力要求。根據(jù)需要選用單列深溝球軸承，深溝球軸承如下圖21所示：軸Ⅰ6009一對，軸Ⅱ6009一對(GB/T297-1994)圖21滾動軸承壽命計算：軸1（1）查表，可得深溝球軸承代號6009基本額定動負荷=17.0KN基本額定靜載荷=11.8KN（2）查得X=1Y=0（3）計算軸承反力及當(dāng)量動載荷：軸承在水平面內(nèi)所受得載荷F′r1H=F′r2H==1095N軸承在水平面內(nèi)所受得載荷F′r1v=F′r2v==529.5N所以軸承所受得總載荷（10）（4）設(shè)計軸承使用壽命為9年，二十四小時工作。軸承壽命計算公式如下所示：基本額定動載荷（11）軸承滿足設(shè)計使用要求，故該軸承選型合適。4切料結(jié)構(gòu)設(shè)計4.1切片裝置4.1.1工作原理該設(shè)備是通過切削裝置來完成切削的，該機構(gòu)通過曲柄滑塊原理實現(xiàn)循環(huán)往復(fù)的切削。采用電機驅(qū)動曲柄滑塊來實現(xiàn)刀具伸出退回。蓮藕放入導(dǎo)料筒后，由于自身重力的因素，物料在料筒中不斷下落，最終被擋板壓住，電機驅(qū)動曲柄滑塊機構(gòu)實現(xiàn)一個來回來對物料實現(xiàn)切割。該設(shè)計具有結(jié)構(gòu)緊湊成本低的優(yōu)點，能夠有效降低設(shè)計體積占用，提高設(shè)備利用率，并且降低成本。但該裝置也存在著一些設(shè)計缺陷，例如機械連接容易導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生振動、噪音等不良影響。因此針對該裝置還需進行一些后續(xù)改進設(shè)計，提高設(shè)備整體效率以及工作穩(wěn)定性。由于曲柄滑塊結(jié)構(gòu)在運動時不夠穩(wěn)定，可能會影響到設(shè)備運轉(zhuǎn)，故本設(shè)計添加了導(dǎo)軌機構(gòu)來保證整體設(shè)備運轉(zhuǎn)順滑。4.1.2刀具設(shè)計由于蓮藕本身較為水嫩，較脆弱，在切削過程中可能會破裂，故需要對刀具進行優(yōu)化設(shè)計以保證刀具能夠切削出滿足使用要求的蓮藕片，這可以從結(jié)構(gòu)設(shè)計上進行改進設(shè)計，添加額外刀片裝置。本次刀具選用45鋼作為原料進行加工。同時還設(shè)計了切片厚度調(diào)節(jié)機構(gòu)，可對切削出的蓮藕片厚度進行自主調(diào)節(jié)。該設(shè)計中機架設(shè)計為整體式，通過改變機架上工作臺的高度來對蓮藕片切削厚度進行調(diào)節(jié)。控制蓮藕片成品厚度可在3-10mm之間調(diào)節(jié)［９］。本設(shè)計中對刀片的厚度進行了設(shè)計，保證刀片切削下來的藕片符合使用要求。對其進行了三維模型繪制，其構(gòu)型圖如圖22所示：圖22刀片構(gòu)型圖4.2推料裝置根據(jù)力學(xué)分析計算，推料裝置中的推料板對藕片的推動作用可以有效減少藕片沾刀，且推料效果與刀具切削速度也有著一定程度的關(guān)聯(lián)。根據(jù)試驗表明，無推料裝置時刀具更容易產(chǎn)生沾刀，影響切削效率，并且在切削速度加快的情況下刀具沾刀的情況也會減少，因此，總的來說很有必要設(shè)計出推料裝置來減少沾刀概率。本設(shè)計中根據(jù)切刀的工作原理，跟隨切刀設(shè)計出原料處理裝置。在蓮藕完成切片處理之后就對蓮藕原料進行分割，力求避免蓮藕原料對切片的影響。此設(shè)計中對推料裝置的設(shè)計與切片裝置設(shè)計同理，所以根據(jù)切刀裝置的尺寸參數(shù)來對推料裝置進行設(shè)計，設(shè)計推料裝置長度與寬度尺寸分別為300mm、150mm，總體來看推料裝置的設(shè)計能夠有效減少沾刀。4.3落料裝置設(shè)計根據(jù)荷藕的幾何尺寸統(tǒng)計數(shù)據(jù)，直徑的尺寸分布范圍為30～100mm，藕節(jié)全長為130～270mm。為了滿足各種尺寸類型物料都能落入進料筒，本次設(shè)計采用了自適應(yīng)型落料筒，選用Q235作為材料來對料筒進行加工［５］。針對進料筒進行尺寸設(shè)計后對該部件進行了三維模型繪制，其結(jié)構(gòu)外形圖如下圖23所示：圖23進料筒4.4機架設(shè)計機架作為承載設(shè)備運行的主體結(jié)構(gòu)，需要承受設(shè)備運轉(zhuǎn)過程中的絕大部分受力，故要想保證設(shè)備穩(wěn)定運行，需要保證機架具有足夠強度的結(jié)構(gòu)設(shè)計。由于本次設(shè)計中該設(shè)備需要驅(qū)動刀具進行循環(huán)往復(fù)切削，對設(shè)備穩(wěn)定性以及強度要求較高，故需要對機架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，保證設(shè)備的穩(wěn)定工作。由于本設(shè)計整體結(jié)構(gòu)占地面積較小，機架可以適當(dāng)選擇相對緊湊的構(gòu)型，目前機架主要有三種加工工藝，各有優(yōu)缺點。其中整體鑄造成型的機架剛度以及強度特性較好，節(jié)省加工時間，同時鑄造成型的機架結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，有利于提高機器使用壽命。同時其也存在著一些缺點，例如成本較高、加工要求較高，不利于批量加工生產(chǎn)。裝配成型加工出的機架具有成本低，制造耗時短，易于批量生產(chǎn)的優(yōu)點，但是由于拼接裝配時會不可避免的存在間隙，存在機架易變形的缺點。焊接機架設(shè)計具有加工時間短造型要求低等優(yōu)點，更有利于設(shè)計一些造型不夠規(guī)格的產(chǎn)品，同時再加工完成后需要進行熱處理以消除應(yīng)力，能夠加工結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的工件。經(jīng)過設(shè)計計算，本設(shè)計對機架結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計優(yōu)化改進，力求提高設(shè)備工作壽命以及工作穩(wěn)定性，機架要具有結(jié)構(gòu)強度高，穩(wěn)定性高的優(yōu)點。結(jié)構(gòu)簡圖如下圖24所示：圖24機架結(jié)構(gòu)圖5結(jié)論本研究針對藕片切割過程設(shè)計了自動化蓮藕切割機，該設(shè)備能夠有效契合蓮藕的切片加工流程，有效提高了加工效率與加工質(zhì)量。同時本設(shè)計還針對機架固定進行設(shè)計優(yōu)化，有效減少了加工過程中的噪音污染，同時優(yōu)化了加工過程中刀片的原料殘留以及沾刀問題，為未來蓮藕切片機的發(fā)展優(yōu)化提供了參考方向。本次設(shè)計經(jīng)實驗證明，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后的蓮藕切片機能夠產(chǎn)生更高的經(jīng)濟效益，且各項參數(shù)相比市面上現(xiàn)有設(shè)備也有了很大提升。本設(shè)計具有噪音低及生產(chǎn)效率高、加工成品不易殘留、加工質(zhì)量較高等優(yōu)點。還對切片裝置、機架、傳動系統(tǒng)這些關(guān)鍵部件進行了受力分析與校核，確保設(shè)備能夠正常運行。本設(shè)計還對設(shè)備構(gòu)型進行了優(yōu)化設(shè)計，盡可能降低噪音與振動的危害，希望能夠為未來蓮藕切片機的設(shè)計與加工提供參考。最后通過對整體設(shè)計進行仿真優(yōu)化建模，本研究找到了設(shè)備最合理的工作參數(shù)，以保證系統(tǒng)在最大工作效率情況下進行工作，同時設(shè)計了最優(yōu)尺寸解析，保證整體設(shè)計結(jié)構(gòu)更緊湊，更省材料。為了提高蓮藕切片的效率，本設(shè)計對蓮藕切片機構(gòu)型進行了重新設(shè)計，對蓮藕切片規(guī)程進行了設(shè)計優(yōu)化，提高設(shè)備運轉(zhuǎn)效率，并通過運動仿真對其進行干涉分析，檢