本科毕业论文---椰子剥壳机的设计论文.doc

Foshan University本科生毕业设计 椰子剥壳机的设计学 院： 机械与电气工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： 学生姓名： 指导教师： 二 一 三年 六 月摘 要 椰子内含果肉和椰子水，具有丰富的油脂、蛋白质等营养物质，且椰衣可以加工成纤维垫、绳索等，具有很高的综合应用价值。而剥壳是椰子加工的一个很重要的环节，所以本次设计是一种机械化程度较高的椰子剥壳机械，可提高椰子的剥壳生产效率。 本设计在查阅资料基础上，通过对不同方案的选择，确定剥壳的传动系统方案，进行椰子剥壳机的设计。本设计通过对系统的齿轮、齿辊、轴、挡板、压框装置、进料装置等的结构设计和配合设计，最终完成各个部件的配合组装，通过solidworks三维软件，进行装配，并且以运动仿真的形式演示了本设计的工作过程；同时在AutoCAD的基础上，对该系统的装配图和部分零件图进行了绘制。关键词：椰子；剥壳； solidworks；motion运动仿真；AutocadDesign of the Husking Machine of coconutShen Hong-feiAbstractCoconut and coconut water contains pulp, with rich oil, protein and other nutrients, and can be processed into coconut fiber mat clothing, ropes, etc., with a high value of integrated applications. The peel is a coconut processing is a very important part, so the design is to design a high degree of mechanization coconut husking machines, coconut husking can improve production efficiency.The design on the basis of access to information, through the choice of different options to determine the peel of the driveline program for coconut sheller design. The design of the system through a gear, gear roller, shaft, baffles, pressure frame means, feed devices, structural design and with the design, the final completion of the various components with the assembly, through the three-dimensional software solidworks, for assembly, and with motion simulation demonstrates the form of the work of the design process; while in AutoCAD, based on the systems assembly drawing and parts diagrams for drawing.Key words:Coconut; Sheller; Solidworks; Motion simulation; Autocad 目 录1概述12系统传动设计1 2.1方案的选择1 2.2电动机选择43椰子剥壳机的结构设计4 3.1联轴器的选择43.2齿轮传动的设计与计算53.3连接小齿轮轴的设计73.4齿辊的设计93.5进料装置的设计93.6挡板的设计93.7压框装置的设计94运动仿真114.1仿真的目的与意义114.2仿真的研究114.3仿真的局限难题145椰子剥壳机的装配图14结论及存在问题15参考文献17致谢1817椰子剥壳机的设计姓名：沈鸿飞 学号： 2009914126 班级：09机械（1）班1概述椰子是棕榈科椰子属的多年生热带木本油料作物,椰子树的主要产物为椰果,其形状近球形，由外果皮、中果皮、内果皮、种皮、种仁(胚乳)、胚、椰子水等部分构成。椰子的的外果皮和中果皮俗称椰衣,一般占全果质量的33%35%；内果皮俗称椰壳，占全果质量的12%15%，呈黑褐色，质地十分坚实,可制椰壳炭和椰壳粉;种仁供食用，故称椰肉，占全果质量的28%30%，为椰壳所包覆，富含油脂、蛋白质等营养成分。种仁与壳之间有一层紧附在椰肉上的褐色种皮，富含油脂,种皮占去衣椰子质量的3.6%6.0%。椰子水占全果质量的22%25%。椰子可供食用的部分为椰肉和椰子水，为全果质量的50%55%1。 我国椰子加工主要集中在海南，有加工企业近300家，已经成为海南的重要产业。我国（南海）的椰子产品加工总体技术水平、科技含量、技术创新、生活规模、产品花色品种和质量等方面与菲律宾、马来西亚和泰国的椰子主产国相比还有一些差距大部分企业规模小、技术含量薄弱，产品加工的机械化水平及精深加工程度还不够，难以提高经济效益和资源利用率2。椰子具有很高的综合应用价值，椰衣可加工成纤维垫、绳索等；椰子果肉营养丰富，即可生食，也可制成各种营养丰富的椰子类特色食品。在生产过程中，椰子剥壳是椰子加工中非常重要的工序，剥壳后的椰衣，椰子果（内含椰子水）才能进一步加工成相应的产品。在国内的椰子剥壳机研究起步比较早，市场上也有许多椰子剥壳机，但成熟的椰子剥壳机却很少见。在国外，印度尼西亚有一种液压式剥壳机，采用液压的方式，模拟人工操作对椰子剥壳，该机减轻了工人的劳动强度，但产量低，产品质量差异也较大；另外还有一种旋切式椰子剥壳机，该机利用高速旋转盘刀以切削方式破坏椰衣，残余的果皮纤维再通过旋转的网丝轮加以去除，但剥壳后椰衣纤维破坏严重，产品的经济价值减少3。基于对椰子几何物理机械特性的研究，研制一种椰子剥壳机，可以满足当前椰子加工中机械剥壳的应用需要，可对椰子产品加工生产带来很大方便。设计的椰子剥壳机综合性能优，操作简易，可靠性高，可基本实现机械加工剥壳，对椰子的生产加工带来很大的便利。该椰子剥壳机的主要技术参数如表1-1。表1-1椰子剥壳机的技术参数名称数值寿命/年10每天工作/h8处理量/pcsh-1500电动机功率 /kw 32.传动设计2.1方案的选择初步有三种方案的选择，如下图2-1、2-2、2-3所示。方案一中，系统原理如图2-1，工作时将椰子7放在托盘6上，开动升降伺服电机1，经扭矩传感器2驱动升降丝杠5旋转，进而带动升降螺母3、托盘支架4、托盘6上升，将椰子7抬起来，当椰子7碰到切割刀具8时，扭矩传感器2的测量数值突然变大，这时控制升降伺服电机1继续旋转，将椰子7再抬高20mm左右，使切割刀具8扎入椰衣内，然后控制升降伺服电机1继续旋转，将椰子7继续抬高，同时切割伺服电机13驱动切割丝杠12转动，在切割丝杠12带动下，使切割螺母14下降，带动刀具支架11下降，使摇杆9绕铰链10转动，带动切割刀具8向外展开，将椰衣剥开，随后，升降伺服电机1、切割刀具8并拢，恢复到初始位置状态4。图2-1 方案一 1.升降伺服电机 2.扭矩传感器 3.升降螺母 4.托盘支架 5.升降丝杠 6.托盘 7.椰子 8.切割刀具 9.摇杆 10.铰链 11.刀具支架 12.切割丝杠 13.切割伺服电机 14.切割螺母方案二中，系统原理如图2-2所示，起初投入的椰子5落在倾斜的剥壳顶板1上，由于刀片接触支撑，然后左侧竖直钉板沿X方向运动适当距离使刀片扎入椰子，右侧倾斜钉板沿Y向运动使两个钉板上的刀片滚切揉搓椰子，Y向移动超过普通椰子半周的适当距离。然后返回，并且右侧倾斜顶板可以根据剥壳效果适当重复Y向的移动，期间扎入椰子的刀片便会入人工剥壳一样把椰子椰衣撬开剥除5。图2-2 方案二1. 钉板 2.弹簧 3.护板 4.刀片 5.椰子 6.活板 7.气道 8.挡块 方案三中，系统原理如2-3图所示，剥壳装置主要由减速电机1，联轴器2，主动齿轮3，从动齿轮4，主动剥壳齿辊5，从动齿辊6，挡板7及剥壳机架8组成。减速电机通过联轴器带动主动齿轮转动，从动齿辊通过一对圆柱型直齿轮进行传动，从而使主、从动齿辊相向转动。椰子从进料口进入剥壳通道，两齿辊平行布置且相向转动，齿辊表面上安有齿钉，椰子在齿辊的带动下，边转边前行，椰衣逐渐被齿钉所刺破，并从椰子内果上剥离，从而实现椰子剥壳3。图2-3 方案三 1.减速电机 2.联轴器 3.主动齿轮 4.从动齿轮 5.主动齿辊 6.从动齿辊 7.挡板 8剥壳机架结合三个方案，方案一的椰子要人工放入托盘上，效率较慢，且危险性较大，不优先考虑；方案二中由于椰子的大小和硬度没有标准，当钉板的力度一定时，会出现剥壳不足或过度剥壳的现象，故也不采取方案二；通过对比三种方案，方案三采用减速电机通过齿轮连接齿辊，让椰子在齿辊上滚动进行剥壳，不会出现过度剥壳，且齿辊长度足够长可满足范围内的椰子剥壳，在齿辊上方加入上料机构，可解决人工上料问题，安全可靠，综合考虑，故选择方案三。 2.2电动机选择由于椰子在滚动过程中主从齿轮带动的齿辊相向运动且转速不同，使椰子带有旋转运动，齿钉沿齿辊面纵向按90度右螺旋线布置，也会影响椰子的转动和向前运动，故椰子的运动受力等比较复杂，不好分析，先试选电机。由于针摆式减速电机广泛用于冶金、矿山、起重、运输、水泥、建筑等行业，体积小且安全方便，足以满足椰子剥壳的需要，故选用针摆式减速电机，查询选择电机型号为针摆式减速电机X4，该电机输入功率为3kw，输出转速为88r/min。电机的型号选择于参数如图2-4图2-4 电机选择参数图表3椰子剥壳机的结构设计3.1联轴器的选择由选的摆线针轮减速电机型号知，电机输入轴的直径D=45mm；由于，查设计手册，选联轴器型号为：该联轴器传递的公称力矩n=500 Nm ；取与轴配合的半联轴器孔径d1=45 mm；故轴连接小齿轮的轴为d=45 mm；半联轴器长度L=84mm，与电机轴联合部分长度L1=84 mm。3.2齿轮传动的设计与计算由于工作环境没特殊要求，故采用开式齿轮。开式齿轮传动的润滑方法一般是全损耗型的，而任何全损耗型润滑系统，最终在其齿轮表面只有薄层覆盖膜，它们常处在边界润滑条件下，因为当新油或脂补充到齿面时，由于齿面压力作用而挤出，加上齿轮回转时离心力等的综合作用，只能在齿面上留下一层薄油膜，再加上考虑齿轮磨合作用，因此润滑油必须具备高粘度或高稠度和较强的粘附性，以确保有一层连续的油膜保持在齿轮表面上。故采用脂润滑。 所选的电机输入功率为3kw，转速为88r/min，传动比为1.5，则1） 选择齿轮材料、热处理方式和精度等级考虑该减速电机功率较小，且载荷冲击为轻微冲击，故大、小齿轮均用45钢表面淬火；平均齿面硬度为45 HRC；选用8级精度等级；2） 按齿根弯曲疲劳强度初步计算齿轮参数，即按： （3-1） 式中各参数为： 试选载荷系数=1.6 计算主动齿轮的转矩： ； 查表得齿宽系数 ，取0.7； 取=30，则=1.530=45 查表得齿形系数=2.52，=2.35，应力校正系数=1.625，=1.68 许用弯曲应力按式： （3-2） 计算查图得弯曲疲劳极限， 取=2.0，取安全系数=1.4。主动齿轮与从动齿轮的应力循环次数分别为 查图得弯曲疲劳寿命系数由弯曲应力公式（2-2）得：所以，=代入数据，计算得：3） 确定传动尺寸 计算圆周速度： 按照公式3-3计算 （3-3） 代人数据，解得：故8级精度合用。 计算载荷系数查设计手册得各系数选择如下：使用系数=1.25齿间载荷分配系数=1.2；齿向载荷分布系数=1.07；由，8级精度查图得动载系数=1.08；则:= （3-4）代人数据，解得：=1.251.081.21.07=1.7334 对进行修正。 (3-5)代入数据，解得： ；考虑磨损的影响增大模数15%，则m=2.6087 x（1+15%）=3.0 ，取标准模数=3mm。 计算中心距。 (3-6)代人数据，解得： 计算分度圆直径。由公式 (3-7)计算得： 计算齿宽。 (3-8)带人数据，解得：取，则: 由于开式齿轮传动不会出现点浊，故无需验算齿面接触疲劳强度。3.3连接小齿轮轴的设计1） 选择轴的材料该轴无特殊要求，因而选用调质处理的45钢；由机械设计表8-2知，2）求输出轴的功率、转速及扭矩：若取每对齿轮的机械效率（包括轴承效率在内，且忽略联轴器的机械效率）=0.97，则按公式3-9计算 （3-9）代入数据得于是： （3-10） 代入数据，算得，3）初步估算最小轴的轴径先按式 （3-11）初步估算轴的最小直径：由机械设计表8-4，当选45钢时，取C=110，于是得：考虑轴上开有键槽对轴强度的削弱，轴径需增大5%，则：4）径向尺寸的确定 根据连接电机轴（齿轮）、轴承、与齿辊配合安装尺寸要求将轴设计为3段，由以及联轴器型号，确定各段轴直径为：42mm、55mm、66mm，轴的设计如图3-1所示。5）轴向尺寸的确定 根据联轴器配合轴段长度84、小齿轮厚度70、机架与轴承选择、与齿辊配合长度依次确定每段长度为135mm、55mm、50mm，如图3-1所示。轴上的平键，查设计手册选择键，键槽用键槽铣刀加工，长为70mm。图3-1 连接小齿轮轴设计图3.4齿辊的设计 齿辊是椰子剥壳机重要零部件，主要由左右轴头、齿辊筒、齿钉、定位销组成。左右轴头前面已经设计好，而齿辊筒则如图3-2所示，由内径66mm，壁厚12mm的无缝钢管制成。左右轴头、齿辊、齿钉3个部分分别加工后，通过配合以及定位销联接，为了保证联接强度，两端轴头与齿辊筒联接处沿四周点焊。齿辊筒外表面的齿钉沿齿辊面纵向按90度四列右螺旋线布置，相邻两个齿间的转角为9度，齿钉的材料为20钢，渗碳淬火处理。图3-2 齿辊的设计3.5进料装置的设计 进料装置设计为漏斗形状，如图2-7，。不用承受很大的力，故用厚度为8mm的钢板制成，焊接在机架上固定住。在进料装置底部安有弹性钢片，用plc行程开关控制，当完成一个椰子剥壳，椰子滚到齿辊后部分，压在行程开关时启动弹性钢片的控制，拉动弹性钢片向侧边靠，进料口上方的椰子失去弹性钢片的阻挡，掉落到齿辊上，开始剥壳。其中行程开关用点位控制，即每按一次就掉落一个椰子，可以实现进料。 进料装置的尺寸如2-7所示。图3-3 进料装置示意图3.6挡板的设计 由于椰子剥壳时，椰衣会从齿辊上掉下，但齿辊上的齿钉会带着椰衣转动，当积累到一定厚度的椰衣，不但会影响剥壳的效率，更可能会卡住齿辊，造成椰子剥壳机的损坏。为了解决这一问题，设计了挡板，在齿辊下方，挡板上方开有与齿钉位置相对应的凹槽，每当齿辊带着椰衣转动到挡板时，挡板就会挡住椰衣，留下齿辊从凹槽过去，被挡住的椰衣便受到重力掉落到机架中间的挖空处，最后实现刺破的椰衣的处理。挡板的结构示意图如图2-8：图3-4 挡板结构示意图 挡板装在机架的凹槽上，可以与机架电焊在一起；由于挡板不用主要是挡住被剥下的椰衣，故没有特殊的要求，材料采用45钢即可。3.7压框装置的设计 椰子从进料口进入到齿辊间的剥壳通道时，由于椰子的外形多变，且在齿辊上滚动时会受到齿钉的作用力，可能会抛出去，必须通过压框装置将椰子固定在一定范围内，保证椰衣能够充分的被齿辊刺破，顺利剥壳。剥壳装置的示意图如图2-9图3-5 压框装置示意图 由于没有特殊要求，故压框装置用4mm厚钢板制成，边沿开有螺孔，采用M2.5螺钉配合，用螺丝固定在机架上。4运动仿真 4.1仿真的目的与意义设计的椰子剥壳机，是由两个大小齿轮带动齿辊，椰子在上面滚动，齿辊上的齿钉刺破椰衣从而实现椰子的剥壳，其中椰子运动的不确定性和压框装置的作用都需要直观的表现才能明了，但是条件有限，不能实际加工出椰子剥壳机，故使用solidworks的运动仿真。solidworks的仿真可以在加工前模拟出机构的运动，大大节省了时间与金钱，是一个很好的运用，用solidworks仿真可以很直观的看到椰子剥壳机的工作全过程，方便我们了解其剥壳的工作过程。4.2仿真的研究 由于本次设计用的三维软件为solidworks，对其了解后，知道有运动仿真的一个功能，于是就学习了其仿真方面的知识。Solidworks的运动仿真在其运动算例的一个功能下，在建立了一个运动算例（如图4-1）后，就会出现仿真的画面，如图4-2为仿真的界面。图4-1 运动算例的建立图4-2 运动仿真的界面在运动算例建立后，里面有动画和基本运动两种运动算例。其中动画是由键码和马达驱动，并由装配配合功能生成的运动；而基本运动是在装配体上模仿马达、弹簧、碰撞、引力。但两种运动算例都只是简单的运动动画，没有大的物理仿真意义。在网上查找资料，知道solidworks里有个插件叫motion，是一个专门拿来精确仿真模拟并分析装配体运动的功能件，并且还可以生成所分析零部件的数据图表，更能直接明了的对装配体的运动进行分析。Motion插件的添加是在工具栏上的插件上，点入进去，里面有插件的选择，如图4-3，在SolidWorks Motion前面勾选和后面的启动项勾选后，就可以在运动算例上使用motion仿真的功能了。图4-3 插件的选择在motion的仿真算例中，可以添加马达、阻尼、力、约束、弹簧、引力、接触等，建立各个零部件的约束关系，进行运动仿真。在此次运动仿真中，先在连接小齿轮的轴上添加一个旋转马达，选择马达的位置和方向，设定好转速，如图4-4所示。图4-4 马达的选择与设定在设定好马达后，添加引力，由于我们需要模拟重力的作用，所以添加引力为Y轴方向的引力，大小默认为系统的重力值；然后选择接触，然后把各个零部件、基台与椰子等都选上，添加接触效果。最后设置基台、椰子、齿辊等零部件的材料，在每个零部件上单击右键，可以选择材料中的编辑材料进行设置材料的成分，如图4-5，由于solidworks系统里有许多的材料选择，不用再输入材料，直接选择，在这设计中，由于没有椰子的材料，所以椰子用了轴木材料。在做好上述之后，点击计算运动算例按钮，开始计算仿真的数据，并且可以看到椰子从进料口进去在齿辊上运动的效果，由于压框装置会挡住实线，在这我们设置其透明度较高，这样可以更直观的看到椰子运动的全过程。图4-5 材料的选择设置 在计算好运动算例后，点击播放可以看到椰子剥壳的运动仿真效果，此外还有保存录像的功能。仿真效果做到后，如果没问题，可以保存动画，如图4-6，动画可以保存为avi格式的，当正在模拟动画保存时，可以滚动鼠标滚轮和移动视角，这样保存的动画也会根据你的视角变化而制成，更能从各个角度看到椰子运动仿真的效果。图4-6 动画的保存4.3仿真的局限难题 此次的仿真虽然能够模拟椰子剥壳机的运动剥壳效果，但还是遇到一些难题与局限。首先是仿真剥壳的局限，由于椰子剥壳机是剥椰子外面的纤维椰衣，但是solidworks没有这一类的材料仿真，不能看到把椰衣纤维剥壳的真实效果，这是最大的遗憾；其次是椰子剥壳仿真的进料问题，由于motion仿真不能像其动画功能那样可以为每个零部件独立添加键码帧数，不能仿真多个椰子顺序剥壳的效果。此外，还有一些难题，比如说电脑的配置不够，在计算仿真运动时，速度较慢，一次计算少则花费十分钟，多则二十多分钟，有时甚至出现solidworks软件的瘫痪，这是探究仿真问题的一大难题。5椰子剥壳机的装配图 椰子剥壳机的装配图用cad绘制成，但由于除了进料装置外，其他的都是斜着安装在30度的基台上的，故难以画出，为此，采用斜视图。如图5-1，在垂直与斜面基台上和沿着基台斜面上分别画两个斜视图，并且其中一个取轴的中间面剖开来画，就能很清楚的表达和看到椰子剥壳机的全部装配效果了。其两个斜视图分别如图5-2、5-3。另外再把基台和进料装置采用正常画法，画出三视图。图5-1 斜视图画装配图一图5-2 斜视图画装配图二图5-3 斜视图画装配图三结论及存在问题在老师的精心知道和自己的努力下，终于完成了椰子剥壳机的毕业设计任务。经过这次任务，我对椰子的利用以及椰子剥壳有了更深层的认识，同时也巩固了我的专业知识，如机械设计、机械原理等，在把理论知识转为实际，让我不仅仅是停留在课本上，还延伸到了实际情况中，提高了我的分析问题及解决问题的能力。可以说，椰子剥壳机的设计涉及了机械工程的相关知识点，是在系统地学习了相关基础知识后的一次综合实际应用，对提高我们的设计水平具有很重要的意义。椰子剥壳机的设计的主要是进行传动系统的设计，并且进行电机的选择，齿轮传动的设计、轴的设计和其他重要结构的设计，如压框装置、挡板、齿辊的设计，都需要考虑各个结构的配合，在设计完成后，绘制装配图，并且做出椰子剥壳的运动仿真。椰子剥壳机有如下特点:设备占地面积小, 不受地区、场地限制, 只要有市电供给即可； 生产效率比起一些剥壳机来说相对较高, 并且设备的操作维护比较简单；椰子剥壳机的安全性高（有压框装置），对工人的安全有较大的保障。可以说，椰子剥壳机的综合技术经济指标具有较高的先进性。本次毕业设计的系统内容主要参照所学的专业理论知识及机械设计手册，并在老师的指导下完成，尚未经过实践检验，因此设计结果有待在实践中进一步完善；另一方面，由于电脑配置的原因，运动仿真没有也没有达到预期的效果。 参考文献1 李秀娟，李小慧，新鲜椰子的综合利用J. 食品科技，1991，（1）：47-49.2 夏秋瑜，李瑞，赵松林，张木炎，李新菊，椰子的综合利用及综合加工技术J. 中国热带农业，2007，（3）：37.3 王旺平，李诗龙，刘晓燕，椰子剥壳机的研制J. 农业技术，2011，（7）：179-1814 肖仁鹏，马鑫，刘四新，樊君庆，椰子自动剥衣机的设计J. 包装与机械，2012，1，（1）：142-143.5 张浩冬，张燕，梁栋，椰子滚切式剥衣机的设计J. 包装与机械，2013，1，（1）：167-1696 王为，汪建晓 机械设计M 华中科技大学出版社，20077 唐增宝 常建娥 机械设计 课程设计 M 华中科技大学出版社，2010致 谢在此次毕业设计中，有幸抽到 老师的一组，并且在华老师的悉心指导下，完成了我的毕业设计，在我的大学生涯上画上了完美的句号。在设计过程中，华老师给了我很多建议，大到传动系统的设计，小到挡板的问题，都有华老师的细心建议，在这设计中，倾注了华老师的许多心血。还记得好几个晚上，老师都加班为我们操心毕业设计，在办公室耐心的为各个人讲解设计问题，并且提出建议与思考问题，开阔了我们的思维方式。由衷感谢她在学业指导及各方面所给予我的关怀，以及从言传身教中学到的为人品质和道德情操。华蕊老师广博的学识、严谨的治学作风、诲人不倦的教育情怀和对事业的忠诚，将是我终身学习的榜样。最后，在此特向我的毕业设计导师华蕊老师致以衷心的感谢！