学位论文-—核桃剥壳装置设计.doc

本科生毕业论文（设计） 题 目: 核桃剥壳装置设计 姓 名: 学 院: 工学院 专 业: 机械设计制造及其自动化 班 级: 机制93班 学 号: 33109301 指导教师: 职称: 讲师 2013 年 5月 15 日南京农业大学教务处制目 录摘要1关键词1Abstract1Key words1引言11研究目的及意义22核桃的分类221 类群2211 核桃类群2212 铁核桃类群222 品种群23国内外研究现状331 北京农业机械学院、襄樊农机化研究所研制的核桃剥壳机332 山西核桃剥壳机采用挤搓原理剥壳取仁333 外国主要的核桃剥壳机类型44核桃剥壳装置的机构原理441工作原理442剥壳机构传动原理图55核桃剥壳装置的设计与计算65.1主要部件的选择6511 电动机的选择6512 减速器的选择65.2主要部件的设计6521 凸轮的设计6522 V带传动的设计与参数选择9523锥齿轮的设计10524主传动轴的设计125.3其它一些零部件的选择155.3.1轴承与轴承座的选择155.3.2键、圆螺母、止动垫圈的选择156总结16致谢17参考文献18核桃剥壳装置设计机械设计制造及其自动化专业学生 指导教师 摘要：我国核桃栽培面积大，产量高，但是我国加工技术落后，没有成熟的核桃剥壳装置。针对上述问题，本文首先确定了核桃破壳取仁工艺，介绍了国内外核桃剥壳取仁方法及核桃剥壳装置，并设计了一种核桃剥壳机，对其结构、原理及最优设计参数做了介绍。该装置由凸轮、带传动装置、锥齿轮等装置组成。同时，本设计在AutoCAD的基础上，完成了核桃剥壳机的装配图和零件图的绘制。 关键词：核桃；剥壳；机械化Research Status of Cracking Machine for WalnutStudent majoring in Mechanical Design, Manufacturing & Automation Tutor Abstract：Walnut cultivation area is large in China and high output, but the processing technology is backward, there is no mature Cracking Machine for Walnut. In response to these problems, identified the Walnut Cracking technology from jen on Walnut Cracking from both at home and abroad and Cracking Machine for Walnut, and designed a Cracking machine for Walnut, its structure , the principle and the best design parameter is introduced. The device consists of cam, belt drive device and bevel gear device etc.Besides, it has finished the assembly drawing of the Walnut Cracking Machine and also parts drawings based on the AutoCAD. Key words: Walnut; Cracking; Mechanization 引言 我国的核桃栽培面积约130万hm2以上,主要种植区域在西南和西北。在国际市场上,核桃与杏仁、腰果、榛子一起并列为世界4大干果【1】。核桃果实内的核仁含有很高的营养价值，富含脂肪(70%以上)及蛋白质(20%)，是高热能营养食物，又是无胆固醇的绿色保健食品。此外，核桃仁还含有人体必需的多种氨基酸、微量元素和维生素，其中微量元素锌和锰，是脑垂体的重要组成部分，常食有益于脑的营养补充，同时对大脑神经很有益处，对神经衰弱，头昏健忘等症有辅助治疗作用【2】。核桃作为保健食品早已被国内外所认识。我国核桃总产量约31万吨,全国人均占有0. 24kg。这与国际上一些国家相比相差甚远,如美国人均占有核桃1. 5kg,是我国的6倍。核桃也是我国干果类传统出口商品之一, 加工和出口的季节性比较强。核桃取仁我国历来靠手工, 一人一天平均仅能砸30斤核桃, 取仁约12斤, 以天津口岸年出口核桃仁5000吨计,仅取仁一项需占用劳力80多万个劳动日, 而且, 加工和出口的时间正值三秋和农田基本建设大忙季节, 任务重, 时间紧, 形成与农业争劳力的局面, 所以, 实现核桃取仁机械化, 对解放劳动力, 支援农业生产有重要意义。核桃出口国家较多, 进口国家比较集中, 国际市场竞争十分激烈, 实现核桃加工机械化, 有利于我们抢时间, 争速度, 支援外贸。从经济上说, 国际市场核桃仁各质量等级的差价甚大。机械取仁有希望提高取仁质量,增加外汇, 同时, 大规模集中加工, 便于综合利用。核桃仁中约占5%的碎末可以集中榨油,大量的核桃壳是做活性炭的好原料。手工分散加工, 这些碎末和壳都浪费了。研制核桃取仁机的具体任务是寻找适当的、特别是保证取仁质量的破壳工艺方法,研究实现这一工艺方法所要求的机器。1 研究目的及意义为了了使坚果食品增值，近年来各国都在加工制造成品方面想办法。目前整体核桃仁在国际市场上的价格是带壳核桃的几十倍，且核桃带壳保存容易霉烂。因此，寻求效率高、质量好的脱壳方法，是发展的必然。我国核桃资源丰富，1993年全国产量达到21.3万吨，如何有效去壳，对满足人们生活需要和换取外汇都有着重要的意义。 坚果类破壳问题的研究，如苏联专利破裂松果的仿佛，日本专利破除栗壳的方法，我国对棉核桃壳剥取仁机理的研究，在理论和实践方面都做了有益的探讨，但均未解决好核桃去壳取仁的问题。在我国，如陕西、山西的核桃剥壳机，性能不甚好，我国出口的核桃仁全都是手工砸取，劳动生产率低，且菌感染指数高于国际食品卫生法规定的标准，影响了桃仁的品质，降低了换汇率。在国内的市场销售，对人民不利。针对核桃加工存在的问题和市场的需求,确定核桃加工工艺,除脱青皮、分级、清洗、脱水、烘干、去壳、仁壳分离与包装外,还可进一步深加工。在加工中,存在的问题是核桃脱壳比较困难,主要由人工完成。人工剥壳难以满足生产发展的要求,故研制高效剥壳机已成当务之急。因此，我选择本课题核桃剥壳装置设计，以实现具有较高工作效率及破壳率的核桃剥壳装置。2 核桃的分类 21 类群形态特征和生态类型具有统一性的品种群称为类群。我国核桃品种分为核桃类群和铁核桃累群。通常称前者为北方核桃，后者为南方核桃。211 核桃类群各品种群的核桃外表近似球形。壳表面沿纵径方向分布着长条沟纹，结合线下半部平，上半部微隆起，约12mm。212 铁核桃类群各品种群的核桃外表近似球形，壳表面分布较深的坑点，结合线宽而隆起约23mm。22 品种群核桃壳厚薄，含仁率高低相近似的一些品种称为品种群。我国核桃品种基本上可划为四个种群，划分标准见表1-1。品种的命各主要是依据坚果大小形状、核桃壳表面特性、产品地等。表1-1 核桃品种群的划分标准品种群核桃壳厚度含仁率横隔壁内褶壁取出仁纸皮核桃65退化退化全仁薄壳核桃11.55060呈膜质退化半仁中壳核桃1.62.04149呈膜质不发达1/4仁厚壳核桃2.141呈膜质发达碎仁 注：1、横隔膜是指分隔开两半仁的十字架式的薄膜。2、内褶壁式指凹凸不平的内壁。从表中可见，纸皮核桃、薄壳核桃和中壳核桃品种群易于用机械剥壳取仁剥壳比较完整。而厚壳核桃品种群难以剥壳取仁，起原因是横膈膜成故知，内褶壁发达，把仁夹嵌在壳里。人工取仁只能用锥子挑出桃仁，机械只能取碎仁。因此，根据核桃剥壳难易程度，可将各品种核桃分为两类：（1）绵核桃指核桃壳厚小于2mm，横膈膜退化或成膜质、革质，内褶壁退化或不发达，可取得1/4或半仁。它包括纸皮、薄壳和中壳核桃品种群。（2）夹核桃指核桃壳厚超过2mm，横膈膜呈骨质，内褶壁发达的厚壳核桃品种群。目前，绵核桃的总量占全部核桃的80%90%,随着无性繁殖的推广和品种的进一步改良，夹核桃的机械剥壳取仁。由于绵核桃品种很多，对于本课题不能全部都进行试验研究，只能选取若干种有代表性的绵核桃品种。本课题先用郧阳地区的核桃作为研究对象。3 国内外研究现状 31 北京农业机械学院、襄樊农机化研究所研制的核桃剥壳机【3】核桃剥壳机原理如图3-1。当绵核桃喂入到剥壳装置中，齿盘的旋转带动绵核桃边旋转边向里挤入。一间距的齿尖不断地沿着壳表面克压，使得裂纹不扩展。部分壳和仁掉离出来。最后壳基本上完全裂，碎壳和仁通过最小间隙向下掉出。 根据对绵核桃壳、仁挤压破裂的试验结果，对于绵核桃完全破裂所需的变形量一对力为4.017,二对力为2.271，三对力为2.854，一对滚动力为2.862，而壳与仁之间的间隙为0.671.86mm，仁不被挤破的挤压变形量为0.71.0 ，因此当挤压变形量大于1.372.86mm时，仁将破碎，当二对滚动力作用是挤压变形量小于1.638时，壳不能完全破裂。如按上面的方法取仁，必须将核桃分类，一般以中径分，每两毫米为一级，由于核桃不是球体，各方面尺寸有差异，即使是同一方向，同一级中大的有可能仁破，小的有可能不能完全破裂，影响剥壳质量和高路仁率。为了保证剥壳质量和高路仁率，我们采用了一种全新的结构。图3-1 北农机绵核桃剥壳取仁原理32 山西核桃剥壳机采用挤搓原理剥壳取仁挤搓原理剥壳取仁石磙半径120mm。凹板形状曲线由圆弧段和直线段联接而成，圆弧半径140mm。直线长度即工作行程为30mm。由于石硫以50r/min的转转动。凹板固定，核桃本身将产生转动。这样，核桃不是在一点而是在一条线或一个区域上受到挤搓作用，有利于壳的完全破裂。（如图3-2所示）1 调节机构 2 凹版 3 石磙 4 喂入斗 5 核桃图3-2 山西古县核桃剥壳机33 外国主要的核桃剥壳机类型Larry H. Hemry 研制的专利号为 6098530 机械式核桃剥壳机【4】。该机的主要结构由机架、料斗、可调节定位板、破碎装置、传动机构以及动力所组成。机械式核桃剥壳机通过调节可调节定位板和破碎装置间的间隙能够适应各类坚果的剥壳。Kenneth R. Evans 研制的专利号为 4201126 核桃剥壳机【5】。该机主要由喂料斗、输送装置、破壳装置和出料口等组成。工作时，由输送装置把待剥壳的核桃从料箱运送到剥壳装置，然后对其进行剥壳。4核桃剥壳装置的机构原理41工作原理我们采用两个斜V块，如图所示，大核桃搁在上，小核桃搁在下，一块板定距上下运动，保证挤压变形量不变；一块板左右运动，保证挤压后的核桃仁和壳落下，下面决定其参数。（如图4-1） 图4-1工作原理图42剥壳机构传动原理图在前面分析的基础上，提出了绵核桃剥壳取仁传动原理如图4所示。当绵核桃喂入到剥壳装置中，左V型板向上移动带动绵核桃边向上旋转，边向里挤入，一定间距的齿尖不断地沿着壳表面克压，使得裂纹不断扩展，部分壳和仁分离出来，最后壳基本上完全破裂，右V型板向右运动，壳、仁向下掉出。电机通过带传动带动减速器，再通过V带传动带动控制上下移动的凸轮以每分钟31转的速度旋转，同时通过一对锥齿轮带动控制左右移动的凸轮同步转动，最后再通过一对锥齿轮带动送料轮同步转动。在作了大量理论推导后，确定了剥壳机的一些结构及运动参数，作为设计核桃剥壳取仁机的已知条件：，生产率：40kg/h 电动机功率：1kw左右1、料斗 2、右V块 3、凸轮 4、带轮 5、锥齿轮6、减速器 7、电动机 8、凸轮 9、左V块图4-2剥壳机构传动原理图5 核桃剥壳装置的设计与计算5.1主要部件的选择511 电动机的选择由于核桃剥壳装置的生产率为40kg/h,所以选择功率小、转速低、体积小的电动机。查表12-1【6】，电动机选用Y90S-6型号，额定功率为0.75kw,满载转速为910r/min。该电动机额定电压380V，频率50HZ。512 减速器的选择由前面实验得核桃平均92个/kg，为达到设计要求的生产率,在并排两个V型块的条件下，每个V型块每小时应完成3680个。每个工作循环周期为1.96s两个凸轮转速也就是喂入槽轮轴转速31r/min减速器的传动比为i=910/31=29确定选择减速器【7】ZSY160-28（JB/T 8853-2001）。5.2主要部件的设计521 凸轮的设计为了保证左、右V型块和送料轮三者之间是严格的相对运动关系，达到预期设计效果，凸轮设计为传动系统的关键部分。1）推杆运动过程分析推杆运动过程由核桃剥壳的过程来确定，核桃剥壳分四个阶段：待料、破壳、落料和复位，由此确定推杆运动的四个阶段如下：推杆1不动（） 推杆2不动（） （待料）推杆1上移（） 推杆2左移（） （破壳）推杆1下移（） 推杆2右移（） （落料）推杆1不动（） 推杆2不动（） （复位）图5-1推杆示意图2） 左凸轮的设计（1） 推杆运动规律的分析计算对于对心平底盘形凸轮机构，凸轮的理论廓线即为实际廓线，其坐标方程【6】为： 、推程阶段（） 在推程阶段，已经确定为等速运动，因而在运动开始和终止的瞬时，因速度的突变产生很强的冲击力，有利于剥壳。已知条件：S=81.6mm, V= 0.78m/s 所以=S/V=0.0816/ 0.78=0.1s、回程阶段（） 为减少回程阶段对凸轮机构产生冲击 = 0.3 s、静止阶段（、）（2）用解析法设计凸轮的轮廓曲线确定凸轮机构为对心平底推杆盘形凸轮机构 A粗步确定凸轮的基圆半径 =60mm B理论轮廓线a.静止阶段： 此时，由097.35 ，r=60mm不变 由082.65，r=60mm不变b.推程阶段：由等速上升 S2=81.6mmc.回程阶段： 由等速下降 S3=81.6mmC画理论轮廓线如下图图5-2左凸轮理论轮廓线3)右凸轮的设计设计与左凸轮的类似，按上面的方法计算右凸轮理论轮廓线如下图图5-3右凸轮理论轮廓线522 V带传动的设计与参数选择1）确定计算功率Pca由表8-7【8】查得工作情况系数2）选择V带型号根据计算功率和小带轮转速,从图8-11【8】选定带型为普通V带Z型。3）确定带轮的基准直径并验算带速V（1）初选小带轮的基准直径根据V带的带型，参考表8-6【8】和表8-8【8】，应使，选取（2）验算带的速度V根据式（8-13）【8】计算带的速度, （3）计算大带轮的基准直径，根据表8-8【8】，圆整为4）确定中心距和V带基准长度（1）根据结构要求初定中心距。中心距小则结构紧凑，但使小带轮上包角减小，降低传动的工作能力，同时由于中心距小，V带的长度短，在一定速度下，单位时间内的应力循环次数增多而导致使用寿命的降低，所以中心距不宜取得太小。一般初选带传动的中心距为初定中心距（2）计算相应的带长：由表8-2【8】选带的基准长度(3)计算中心距a及其变动范围传动的实际中心距近似为 考虑到为安装V带而必须的调整余量，因此，最小中心距为考虑到为安装V带而必须的调整余量，因此，最小中心距为如V带的初拉力靠加大中心距获得，则实际中心距应能调大。又考虑到使用中的多次调整，最大中心距应为5）计算小带轮上的包角小带轮上的包角可按式 6）确定V带根数 由，查表8-4a【8】得根据，查表8-4b【8】得查表8-5【8】得，查表8-2【8】得于是 ，取4根。7）确定带的初拉力 适当的初拉力是保证带传动正常工作的重要因素之一。初拉力小，则摩擦力小，易出现打滑。反之，初拉力过大，会使V带的拉应力增加而降低寿命，并使轴和轴承的压力增大。对于非自动张紧的带传动，由于带的松驰作用，过高的初拉力也不易保持。由表8-3【7】得Z带型的单位长度质量,单根V带所需的最小初拉力为：应使带的实际初拉力8）计算带传动的压轴力9） V带传动的张紧、安装及维护胶带经过一段时间的工作后，其塑性变形和磨损会导致带松弛，张紧力减小，带的传动能力因之下降。因此传动机构必须具有将带再度张紧的装置，使带保持传动所需的张紧力，定期检查胶带，发现其中一根松弛或有损坏，就应该全部换上新带，不能新旧带并用。旧胶带如尚可使用，可测量其长度，先长度相同的旧带组合使用。严防胶带与矿物油、酸、碱等介质接触，以免变质；胶带不宜在阳光下暴晒。523锥齿轮的设计1）选择齿轮材料及精度齿轮材料选择30CrMnSi，调质处理。查得硬度为HBS=310360，齿轮精度为7级。2）按齿面接触疲劳强度设计（1）（2）初选（3)查图10-21【9】得，齿轮接触疲劳强度极限（4）应力循环系数（5）查表10-19【9】得（6）对接触疲劳强度计算，安全系数S=1（7）许用应力 （8）传动比i=u=1（9）（10）查表10-6【9】得：3）按齿面接触疲劳强度计算（1）（2）（3）查表得：由此得 （4）（5）齿数=18，取Z=41（6）模数 ,取标准模数m=3.5（7）分度圆直径4）按齿面接触疲劳强度校核经齿面接触疲劳强度校核，齿轮强度足够。5）齿轮主要参数（1）齿数 =18，取Z=41（2）模数 ,取标准模数m=3.5（3）分锥角 （4）当量齿数 ，取6）按齿根弯曲强度校核（1）查表10-5得，（2）（3）（4）（5）弯曲疲劳许用应力 对齿根弯曲疲劳强度，安全系数S=1.251.5,取S=1.4 查图10-18【9】得，；查图10-20c得， 经齿根弯曲疲劳强度校核，齿轮强度足够。7）齿轮主要几何尺寸（1）轴交角=90（2）齿顶高（3）齿根高（4）分度圆直径（5）齿顶圆直径（6）齿根圆直径（7）锥距（8）齿宽（9）齿根角（10）顶锥角（11）根锥角（12）分度圆齿厚524主传动轴的设计1）选择轴的材料由于该轴没有特殊要求，因而选用调质处理的45钢。2）求轴上的功率和转矩若取效率为，则3）初步确定轴的最小直径根据表15-3【9】，取，于是得,取4）轴的结构设计 下图给出了轴上主要零件的相互位置关系，轴两端用轴承固定，轴承装在轴承座上，还装有圆螺母，皮带轮，锥齿轮等，设计时选择合适的尺寸确定轴上主要零件的相互位置，根据要求确定了各轴段的直径和长度，如下图所示。图5-4轴上主要零件的相互位置关系图5-5轴上主要零件的相互位置关系i. 装凸轮段1-2，ii. 装轴承段2-3， iii. 装带轮段3-4， iv. 轴环段4-5，v. 自由段5-6，vi. 装轴承段6-7，vii. 装锥齿轮段7-8， 5）轴的强度校核（1）齿轮上作用力的大小齿轮的分度圆直径为d=143.5mm 则 圆周力 径向力 轴向力 （2）计算轴承的支反力a、水平面上支反力 b、垂直面上支反力 c、画弯矩图、水平面上的弯矩 、垂平面上的弯矩 、合成弯矩M(3）扭矩 (4）按弯扭合成应力校核轴的强度取危险截面C，因单向回转，可将扭矩视为脉动循环，取 故轴的强度足够。5.3其它一些零部件的选择5.3.1轴承与轴承座的选择轴承是用来支承轴及轴上零件，保持轴的旋转精度和减少转轴与支承之间的摩擦和磨损，滚动轴承的摩擦系数低，起动阻力小等，在一般的机器中获得了广泛应用。在这里选用滚动轴承7209C （GB/292-1994），该轴承的基本尺寸为：d=45mm,D=85mm ,B=19mm 将轴承放在轴承座里，利用两边支承固定一根轴，这里选用SN209(GB/T7813-1998)型剖分式滚动轴承座。5.3.2键、圆螺母、止动垫圈的选择1）键的型号轴上的零件与轴应有可靠的定位和固定，这样才能传递运动和动力。轴上的零件与轴的定位和固定分为轴向和周向两个方面：轴向的定位和固定常使用轴肩和套筒等；周向的定位和固定则常用键和花键以及其他的连接方式。普通平键靠侧面传递转矩，对中良好，装拆方便【10】。这里周向定位和固定选用普通平键，分别为GB/T 1096键12828，GB/T 1096键14940，GB/T 1096键12828。 2）圆螺母和止动垫圈的型号左凸轮的右边用套筒定位，左边用圆螺母定位，圆螺母用止动垫圈。这里选用了螺母 GB/T 812 M101和垫圈GB/T 858 106总结本文是围绕农用机械产品核桃剥壳装置的设计，实现了核桃剥壳的机械化。对于这一剥壳装置有以下的结论：1）通过对国内外核桃剥壳装置的研究，提出了本设计的核桃剥壳原理，并研制了V块装置，对核桃进行挤压，有利于裂纹的产生与扩展，提高剥壳性能。2）应用本机器后，可以减轻劳动者的工作强度、节省时间、提高生产效率和生产质量。本产品的工作效率比较高，在市场上具有很好的应用前景。3）本产品也存在一些不足之处，比如剥壳效果不够好、剥壳率低。因此，在今后还要对核桃剥壳装置进行研究和开发，使核桃剥壳装置更加完善，在保证工作效率的同时具有更高的剥壳率。致谢本论文的研究是在南京农业大学工学院机械工程系的朱顺先老师的精心指导下完成的。老师治学严谨、学识渊博，在本课题的研究过程中及时指点、耐心启发，使得自己在研究工作中能够及时纠正错误，找到最好的解决办法，得以顺利完成本文。通过这次论文设计提高了本人在理论和实践方面的能力。另外，老师严谨的治学态度和平易近人的待人方式给我留下了深刻的印象，这些将是我学生生涯中一笔不小的收获。在此，衷心感谢朱老师的指导和无微不至的关心。本论文中还引用了许多专著和论文的内容，在论文的参考文献中列出了部分专著和论文的作者和出处，在此深表谢意。同时也向所有关心和帮助过我的同学们表示感谢。感谢学校，特别是机械系的领导和带领我们的老师们，是你们给了我们这么好的一个机会。衷心感谢培育我多年的南京农业大学，衷心感谢各级领导和老师的辛勤培养和教育。我将更加努力去争取更好的成绩，在实际工作中做出更大的贡献! 我衷心希望我们南京农业大学的明天会更好。参考文献：1 伍季，章银良，付有利. 核桃的综合开发现状与利用前景J. 食品工业，2006，(4)：31-32.2 王乔，郑仲明，高新宇等. 核桃深加工产品的开发利用J. 技术探讨，2006，(8)：38-39.3 史建新. 新型核桃破壳机P. 中国专利 200720127082.1，2008-05-214 Larry H. Hemry. Mechanical nut crackerP. U.S.6098530，2000-08-08.5 Kenneth R. Evans. Nut cracking apparatus P. U.S. 4201126，1980-05-06.6 吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册.北京：高等教育出版社，2006.57机械设计手册编委会.机械设计手册：单行本.减速器和变速器.北京：机械工业出版社，20078 孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理. 北京：高等教育出版社，2006.59 濮良贵，纪名刚.机械设计. 北京：高等教育出版社，2006.510 郭镇邦.机械工业最新基础标准应用手册.机械工业出版社，1998.618