水果分选机设计.docx

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水果分选机设计

摘要…………………………………………………………………………………………1

关键词………………………………………………………………………………………1

1前言………………………………………………………………………………………2

2总体方案的拟定…………………………………………………………………………3

2.1原理分析…………………………………………………………………………3

2.2总体结构设计……………………………………………………………………5

2.3各执行机构主要参数的计算…………………………………………………6

2.4传动装置的运动和动力参数的计算…………………………………………13

3主要零件的选择和设计………………………………………………………………15

3.1皮带传动的设计计算…………………………………………………………15

3.2直齿圆柱齿轮的设计计算……………………………………………………17

3.3滚子链传动的设计计算………………………………………………………20

3.4轴的设计计算…………………………………………………………………21

3.4.1高速轴的设计计算……………………………………………………21

3.4.2低速轴的设计计算……………………………………………………24

3.5轴承的校核……………………………………………………………………27

3.6键的设计计算与校核…………………………………………………………27

3.7润滑与密封……………………………………………………………………28

3.8主要缺点和有待进一步改进的地方…………………………………………29

4结束语…………………………………………………………………………………29

参考文献………………………………………………………………………………31

致谢……………………………………………………………………………………32

水果分选机的设计

摘要：

本文分析了中国国内外水果分级分选机的研究和发展现状，对未来进行了展望，设计出了一种新型水果分级分选机构。

该水果分级分选机是由分级滚筒、传动机构和电动机组成。

采用电动机提供动力，通过带轮传动机构，将运动和动力传送到直齿圆柱齿轮减速器，然后再通过链轮传动机构，将所需的运动和动力传送至分级滚筒上，从而实现水果的分选。

整个机构简单且易于操作，便于维护，提高了生产效率，降低了劳动强度，为实现水果加工机械化与规模化提供了前提。

关键词：

水果；形状；分选机构；分级滚筒；

Thedesignoffruitsortingmachine

Abstract:

ThispaperanalyzesthepresentsituationoftheChinesedomesticandforeignfruitsortingmachineresearchanddevelopment,onthefutureprospects,wedesignanewtypeoffruitsortingmechanism.Thefruitsortingmachineiscomposedofgradingcylinder,transmissionmechanismandamotor.Thepowerprovidedbyamotor,throughabeltpulleytransmissionmechanism,themovementandpoweristransmittedtothestraighttoothcylindricalgearreducer,andthenthroughthechainwheeltransmissionmechanism,therequiredmovementandpoweristransmittedtotheclassificationonthedrum,therebywecanrealizetheseparationoffruit.Theentiremechanismissimpleandeasytooperate,easytomaintain,improveproductionefficiency,reducelaborintensity,whichhelptoachievethefruitprocessingmechanizationandscaleandtoprovidethepremise.

KeyWords:

fruit;shape;thegradingmechanism;gradingcylinder

1前言

1.1选题研究意义

水果分选是水果进入流通领域的一个重要环节，直接关系到水果生产的效益。

在市场经济高度发达的今天，异地销售、大宗农产品交易和农产品国际贸易等均离不开标准化。

而水果分选就是实现苹果商品标准化的最基础的一步。

我国是水果生产大国，但绝大部分苹果来源于农村集体和个体种植户，其品质差别很大，加上采摘及运输过程中不同程度的损伤等影响，给水果的分选工作带来一定的困难。

目前苹果分选工作多由人工完成，缺点是劳动强度大，生产率低且分选精度不稳定。

采用微机控制的机电一体化设备来代替人工作业，可以实现苹果分选的自动化，有效地提高分选效率和分选精度。

因此，研究开发水果采后的自动化处理设备，对苹果进行分级筛选然后销售或加工。

1.2国内外水果机械化发展概况

我国是世界水果生产消费大国，但还不是水果加工强国。

水果的品质还难以完全满足国内外消费者的要求，水果市场主要还在国内。

随着我国加入WTO，水果生产销售面临着激烈的全球市场竞争，因此必须尽快提升我国水果种植和加工的水平，缩短与国外的差距。

近几十年来，我国的水果加工水平提高缓慢，主要是我国的水果机械加工技术水平落后造成的。

20世纪50年代以前，我国几乎没有食品机械工业，更不用说水果加工。

水果的生产加工主要以手工操作为主，基本属于传统作坊生产方式。

仅在沿海一些大城市有少量工业化生产方式的水果加工厂，所用设备几乎是国外设备。

进入20世纪50～70年代，水果加工业及水果机械行业得到一定的发展，全国各地新建了一大批水果加工工厂。

但这样依然没有从根本上改变水果加工落后的面貌，这些加工厂尚处于半机械半手工的生产方式，机械加工仅用于一些主要的工序中，而其他生产工序仍沿用传统的手工操作方式。

到了20世纪80年代以后，水果工业发展迅速。

这得益于80年代以后的改革开放政策。

随着外资的引入，出现很多独资、合资等形式的外商水果加工企业。

这些企业在将先进的水果生产技术引进国内的同时，也将大量先进的水果机械带入国内。

再加上社会对水果加工质量、品种、数量要求的不断提高，极大地推进了我国水果工业以及水果机械制造业的发展。

通过消化吸收国外先进的水果机械技术，使我国的水果机械工业的发展水平得到很大提高。

20世纪80年代中期，我国水果工业实现了机械化和自动化。

进入20世纪90年代以后，又进行了新一轮的技术改造工程。

在这一轮的技术改造工程中，许多水果加工厂对设备进行了更新换代，或直接引进全套的国外先进设备，或采用国内厂家消化吸收生产出的新型机械设备。

经过两轮的技术改造工程，极大推进了我国水果机械工业的发展，水果机械工业现已形成门类齐全、品种配套的产业，已经为机械工业中的重要产业之一。

1.3国内水果机械化未来发展方向

水果在中国食品产业占有重要地位，随着社会发展和进步，水果不但是人们生活的必需品，而且对经济起了很好的作用，而水果分选机是水果生产中的一种主要机械。

21世纪，中国将实现水果生产和加工全程机械化，以满足水果生产规模化、经营产业化、水果产品多元化、水果质量无公害化的要求。

水果机械将集机、电、液于一体，向智能化、自动化跨越。

1.4目前国内常见的水果分选机主要有以下几种类型

目前我国水果业生产上使用的分选机类型很多，大小不一。

根据水果检测指标的不同，水果分选机大致可以分为大小分选机、重量分选机、外观品质分选机和内部品质分选机。

本课题主要研究的是大小分选机，而根据其结构和工作原理的不同，大小分选机可分为筛子分选机、回转带分选机、辊轴分选机、滚筒式分选机。

2总体方案的拟定

2.1原理分析

分选机上的分级装置的孔眼的大小和形状必须根椐水果的大小、形状和产品工艺要求确定。

特别注意分级级数的设计计算，提高分选质量，以保证后序工序的顺利进行。

水果分选机是由分选机构、传动机构和电动机组成。

水果分选时将水果运送至进料斗，然后流入到分级滚筒或摆动筛中，使水果在滚筒里滚转和移动或在摆动筛中作相对运动，并在此过程中通过相应的孔流出，以达到分级目的。

2.1.1方案选择

为了实现预定的功用，有两套方案可以实现：

（参见图1、图2）

方案一采用摆动筛式进行水果的分选

图1方案一示意图

Fig1Thefigureofprogram1

方案二采用滚筒式进行水果分选

图2方案二示意图

Fig2Thefigureofprogram2

2.1.2方案的比较

方案一采用摆动筛式来进行水果的分选，其机械振动装置由皮带传动使偏心轮回转，偏心轮带动曲柄连杆机构实现机体的直线往返式摆动。

摆动筛分选机的优点为：

结构简单，制造、安装容易；筛面调整方便，利用率高；以直线往复摆动为主。

振动为辅，对物料损伤少；适用多物料及同一物料多种不同规格的分级。

缺点为：

动力平衡困难，噪音大，清洗不方便等。

方案二采用滚筒式来进行水果的分选，其滚筒由摩擦轮带动，物料通过料斗流入到滚筒时，在其间滚转和移动，并在此过程中通过相应的孔流出，以达到分级目的。

滚动式分选机的优点为：

结构简单，分级效率高，工作平稳，不存在动力不平衡现象。

缺点为：

机器占地面积大，筛面利用率低；由于筛孔调整困难，对原料的适应性差。

本课题研究的主要目的是实现水果生产的规模化和机械化，而且主要针对单一物料进行分级，对水果的损伤情况不做过多要求，故采用方案二比较合理。

2.2总体结构设计

2.2.1总体结构

总体结构分为以下主要部分（如图3所示）：

进料斗、滚筒、收集料斗、机架、传动装置、摩擦轮等。

图3水果分选机结构图

Fig3Theprinciplefigureofthestructureofthefruitsorter

2.2.2传动路线

水果分选机的传动路线如图4所示，该机构是通过电动机驱动皮带传动，将运动和动力直齿圆柱齿轮减速器，通过减速器减速后，再由链轮传动机构将运动和动力传递给摩擦轮，在摩擦轮的带动下，以实现对水果的分级。

1.电机2.皮带轮3.摩擦轮4.摩擦轮轴5.单级直齿圆柱齿轮减速器6.链传动

图4水果分选机的传动路线

Fig4Thetransmissionrouteofthefruitsorter

2.3各执行机构主要参数的计算

2.3.1滚筒设计

考虑到水果大小形状的差异，将滚筒的分级情况定为6级。

在实际分级中，可以将相邻的两级料斗合为一级，以满足不同分级的需要。

现在设计采用5节筛筒，6级分级。

2.3.2滚筒孔眼总数的确定

生产能力G可由下式计算：

G＝3600zλm／1000×1000（2-1）

式中：

z为滚筒上的孔眼总数；G为生产能力；λ为在同一秒内从筛孔掉下物料的系数，因分选机型和物料性质不同而异，滚筒式可取1．0％～2．5％；m为物料的平均质量。

根据设计要求给定的参数G=12t/h，m=400g，λ=2.0％

可求出z=1000×1000G／3600λm=1000×1000×12／3600×0.02×400=417（个）

2.3.3滚筒直径D、长度L以及各级排数P和各排孔数Z的确定

在生产能力已知的情况下，通过式（2-1）求取的Z为滚筒上所需的孔数。

但由于各级筛孔孔径不同而滚筒直径相同，所以这个总孔数不能平均分配在各级中，而应根据工艺的要求分成不同直径的若干级别，再依级数设每级排数以确定同一级每排筛孔数。

若把滚筒展开成平面，则其关系为

每级孔数=排数×每排孔数

每级长度=（每级筛孔直径×每排孔数）＋（筛孔间隙×各排孔数）

则滚筒的圆周长度=（排数×各级孔径）＋（排数×孔径）

理论上，每级的孔数之和等于总孔数Z，每级长度之和是所设计的滚筒长度，但这样设计计算各级滚筒的直径各不相同，无法连接在一起。

因此一般取滚筒中直径较大的一级作为整个滚筒的直径。

初步确定滚筒直径和长度后，用D:

L=1:

4～6进行校核，若不在此范围内，就应重新调整每级排数或孔数，直至达到此比例范围内为止。

一般若L﹥6D，则可适当增加排数，减少每排孔数；若L﹤6D，则应增加每排孔数，减少排数。

现在由分选所需水果的需求，对筛筒孔径作如下估计：

表1筛孔孔径的参数

Table2theparameterofscreensize

筛孔

孔径长×宽（mm）

孔隙（mm）

粒径分布比例系数ai

轴向分布比例系数bi

第一级

80×40

15

1/8

1/2

第二级

85×45

20

1/2

1/4

第三级

90×50

25

1/4

1/8

第四级

95×55

30

1/8

1/8

第五级

100×60

35

1/8

1/8

2.3.4各级筛孔数的计算

（1）各级筛孔的孔数

Z1=aibiZ。

（2-2）

式中：

Z1—每个筛孔的个数，个；

ai—原料粒径分布比例系数；

bi—原料沿滚筒轴向分布比例系数；

Z。

—基准孔数，个。

（2）基准孔数为

Z。

=Z/∑aibi（2-3）

则Z。

=417/（1/8×1/2＋1/2×1/4＋1/4×1/8＋1/8×1/8＋1/8×1/8）=1668（个）

则，可求

Z1=aibiZ。

=1/8×1/2×1668=104

Z2=aibiZ。

=1/2×1/4×1668=209

Z3=aibiZ。

=1/4×1/8×1668=52

Z4=aibiZ。

=1/8×1/8×1668=26

Z5=aibiZ。

=1/8×1/8×1668=26

（3）筛孔排数与每排孔数的计算

已知u=L/D（2-4）

式中：

u—长度与直径之比；

L—滚筒的长度，m；

D—滚筒的直径，m。

又知滚筒的长度可表示为

L=∑Li=1/P0∑Zi/Ci（di＋ei）（2-5）

式中：

P0—基准排数，通常以第一级为基准；

di—各级筛孔的直径，m；

ei—个级筛孔的孔径，m；

Ci—筛孔的直径及间隙对排数的影响比例系数。

又知CI=P1／P0（2-6）

式中：

P1—各级筛孔的排数

因Si=di＋ei

故Pi=2πD/

Si

则将这些转换式对L=∑Li=1/P0∑Zi/Ci（di＋ei）进行化简，得

L=2πD/

Si〔Z1（d1＋e1）2＋Z2（d2＋e2）2＋Z3（d3＋e3）2＋Z4（d4＋e4）2＋Z5（d5＋e5）2〕

又估计u=L/D=4则D=1/4L

则L2=2

/π〔104×（0.080＋0.015）2＋209×（0.085＋0.020）2＋52×（0.090＋0.025）2＋26×（0.095＋0.030）2＋26×（0.100＋0.035）2〕

解得L=2.3m

则D=1/4L=0.575m

则由Pi=2πD/

Si，得

P1=2π×0.575/

（0.080＋0.015）=23

P2=2π×0.575/

（0.085＋0.020）=20

P3=2π×0.575/

（0.090＋0.025）=18

P4=2π×0.575/

（0.095＋0.030）=17

P5=2π×0.575/

（0.100＋0.035）=15

由此可得各级滚筒每排孔数：

由ZPi=Zi/Pi可得

ZP1=Z1/P1=104／23=5

ZP2=Z2/P2=209／20=10

ZP3=Z3/P3=52／18=3

ZP4=Z4/P4=26／17=2

ZP5=Z5/P5=26／15=2

经圆整后，各级滚筒每排的孔数为：

ZP1=4ZP2=7ZP3=3ZP4=3ZP5=2

（4）滚筒直径的确定

各级滚筒的周长为

li=

/2（di＋ei）Pi（2-7）

l1=√3/2（d1＋e1）P1=

/2（0.080＋0.015）×23=1.892m

l2=√3/2（d2＋e2）P2=

/2（0.085＋0.020）×20=1.819m

l3=√3/2（d3＋e3）P3=

/2（0.090＋0.025）×18=1.793m

l4=√3/2（d4＋e4）P4=

/2（0.095＋0.030）×17=1.840m

l5=√3/2（d5＋e5）P5=

/2（0.100＋0.035）×15=1.754m

各级计算周长中，最长的作为整个滚筒的周长，则l=1.892m。

（5）筛孔间隙修正

因为各级计算周长与确定的滚筒轴长l存在差值，则按下式修正：

ei=2l/

Pi－di（2-8）

则e1=2×1.892/

×23－0.080=0.015

e2=2×1.892/

×20－0.085=0.024

e3=2×1.892/

×18－0.090=0.031

e4=2×1.892/

×17－0.095=0.034

e5=2×1.892/

×15－0.100=0.046

（6）滚筒直径

D=l/π（2-9）

则D=1.892/π=0.60m

（7）长径比验算

总长度的确定，应将各级的一侧边缘尺寸fi计入，因此

L=∑Li＋∑fi（2-10）

又知fi=Si／2=1/2（di＋ei）（2-11）

则滚筒的长度为

L=∑ZPi（di＋ei）＋1/2∑（di＋ei）（2-12）

则L=∑ZPi（di＋ei）＋1/2∑（di＋ei）（2-13）

L=〔4×（0.080＋0.015）＋7×（0.085＋0.020）＋3×（0.090＋0.025）＋3×（0.095＋0.030）＋2×（0.100＋0.035）〕＋1/2〔（0.080＋0.015）＋（0.085＋0.020）＋（0.090＋0.025）＋（0.095＋0.030）＋（0.100＋0.035）〕=2.393m

将计算出的滚筒长度和直径代入长径比公式中进行验算，若不超过规定长度比的5％，则可确定长度和直径；否则要重新进行校正。

由计算知D=0.60mL=2.393m

则u=L/D=2.393/0.60=3.99

规定的u=L/D=4则相差值为4-3.99=0.01＜5％，符合要求。

故可确定滚筒D=0.60mL=2.393m

2.3.5转速n及水平倾角a的确定

滚筒的转速影响分级效率及生产能力，而滚筒的转速取决于直径。

滚筒一般呈倾斜放置，则通常转速可由以下公式确定：

n=12～14/√R（2-14）

则由前面滚筒尺寸参数计算中，知D=0.60m，根据公式可得本设计中的转速范围

n=12～14/√R=12～14/√0.60=15～18r/min

又考虑滚筒的转速一般为10～15r/min，一般不超过30r/min。

在结合实际生产需求，最终确定滚筒的转速n=18r/min。

由上式可知，n与√R成反比，即滚筒直径越大，其转速越小。

而滚筒的倾角a与滚筒的长度有关，一般约为3o～5o，长的滚筒取小值，短的取大值。

本设计中滚筒的长度为L=2.393m，结合实际生产的需要，取a=4o。

2.3.6滚轮和摩擦轮

滚轮和摩擦轮工作时，滚圈的动力是由摩擦轮与之摩擦所产生的，她们是一对相对运动的部件。

通常为了维修及更换零件的方便，在设计上，摩擦轮所选择的材料要比滚圈耐磨性差，以便把磨损落在摩擦轮上。

摩擦轮和滚圈的结构如图5所示。

滚圈的常用材料为Q235、Q255、40号碳素钢。

摩擦轮的材料常为HT250、HT200等。

这里取滚圈的材料为Q235，摩擦轮的材料为HT200。

摩擦轮的宽度b一般比滚圈宽度B大30～40mm，以补偿筒体热胀冷缩和轴向窜动的需要，经计算摩擦轮外径为d=375mm，宽度为90mm（由与滚圈宽60mm关系式计算得出）。

1.滚筒2.摩擦轮3.滚圈

图5摩擦轮与滚圈

Fig5Thefrictionwheelandtherollingring

2.3.7功率计算

对于摩擦轮传动式，其功率可用下式计算：

P=Rn（m1＋13m2）g/60η（2-15）

式中：

P—滚筒转动所需要的电动机功率，W；

R—滚筒内半径，m；

n—滚筒转速，r/min；

m1—滚筒本身质量，kg；

m2—滚筒内原料质量，kg；

η—传动效率，一般取0.6～0.7。

本设计中取η=0.6。

m2=πR2Lr1Φ（2-16）

式中：

L—滚筒的长度，m；

r1—物料的密度，kg/m3；

Φ—物料在滚筒中的填充系数，一般为0.05～0.10。

在本设计中，所涉及的滚筒用来筛选水果，按其平均质量和半径，估算出物料密度1.2×103kg/m3，填充系数选取Φ=0.07，则

m2=πR2Lr1Φ=3.14×﹙（0.60-0.002×2）/2﹚2×2.393×1.2×103×0.07=56kg

将以上结果代入滚筒转动时所需的电动机功率P的计算公式中：

P=Rn（m1＋13m2）g/60η

=﹙（0.60-0.002×2）/2﹚×18×（62＋13×56）×9.81/60×0.6=1155W

2.3.8筛孔的设计

筛孔是分选机械的主要工作部分，其优劣程度直接影响分级效果。

筛孔有正方形、矩形、正三角形等排列。

经计算，正三角形排列筛面的有效系数比正方形排列增加16％，如图6所示，其有效筛面面积更大，故在设计中采取正三角形排列。

图6正三角形排列

Fig6Theequilateraltrianglearrangement

2.3.9选择电动机

（1）选择电动机类型和结构形式

生产单位一般用三相交流电源，如无特殊要求（如在较大范围内平稳地调速，经常起动和反转等），通常都采用三相交流异步电动机。

我国已制订统一标准的Y系列是一般用途的全封闭自扇冷鼠笼型三相异步电动机，适用于不易燃、不易爆、无腐蚀性气体和无特殊要求的机械，如金属切削机床、风机、输送机、搅拌机、农业机械和食品机械等。

由于Y系列电动机还具有较好的起动性能，因此也适用于某些对起动转矩有较高要求的机械（如压缩机等）。

在经常起动，制动和反转的场合，要求电动机转动惯量小和过载能力大，此时宜选用起重及冶金用的YZ型或YZR型三相异步电动机。

三相交流异步电动机根据其额定功率（指连续运转下电机发热不超过许可温升的最大功率，其数值标在电动机铭牌上）和满载转速（指负荷相当于额定功率时的电动机转速，当负荷减小时，电机实际转速略有升高，但不会超过同步转速——磁场转速）的不同，具有系列型号。

为适应不同的安装需要，同一类型的电动机结