土豆清洗去皮机.docx
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土豆清洗去皮机
马铃薯去皮机设计
摘要:
本次设计的项目是马铃薯去皮机的设计。
在给定参数的前提下,主要完成了总体方案论证,去皮机筒设计,圆盘的设计,传动方案的论证以及电动机的选型,带传动设计等内容。
对轴承,轴承座的选用情况也做了详细的介绍。
最后,对电动机的控制以及擦皮机的维修保养等也作了一定程度上的叙述。
关键词:
马铃薯去皮机带传动控制电路
前言
随着我国马铃薯产量的的不断发展和壮大,马铃薯的加工数量也不断的发展起来了,马铃薯的产品也越来越多。
不论马铃薯最终做出什么样的成品,它的之前都会有清洗、去皮这两道工序。
去皮是一道必需的工艺,因为马铃薯皮会影响后来的成品的口感,所以在加工前,必须将其皮去除。
马铃薯去皮是所有马铃薯制品加工工艺过程的重要环节。
1.马铃薯去皮机的概述
1.1国内、外研究情况
马铃薯去皮是所有马铃薯制品加工工艺过程的重要环节,目前国内外马铃薯去皮的方法主要有:
人工去皮、机械去皮、化学去皮、辐射去皮和蒸汽去皮等。
目前,国内马铃薯去皮机形式主要有机械去皮,其中机械去皮的应用范围很广,种类最多,既有简易的手工去皮又有特种去皮机。
有毛刷清洗去皮机江苏科威机械有限公司生产的毛刷清洗去皮机,由北京市蔬菜食品机械厂生产的QJGL一2000型清洗去皮机,山东省诸城市开泰食品机械厂TPJ系列土豆清洗去皮机,由兴化市金宇机械厂生产的JY-T500型薯类磨皮清洗机,由肇庆市天发机械有限设计制作的TP-500型薯类脱皮机,上海奉贤食品饮料成套设备总厂的砂辊式马铃薯去皮机等等[1]。
1.2现状分析
目前,国内马铃薯去皮机主要是机械去皮的,机械去皮的方法的主要优点有以下方面:
1)降低了生产成本。
2)减少了环境污染。
由于不采用碱液,因而避免了废弃物污染3)操作简单,速度快,可一人操作,效率高4)皮屑可利用5)操作简单,,被去除的果皮含有淀粉和较多的纤维素,又是很好的动物饲料;缺点:
对马铃薯的外形有一定的要求,卵圆形牙眼浅,无伤痕。
其它去皮方式,如蒸汽去皮的优点:
1)生产成本降低2)环境污染减轻3)产品得率提高4)产品得率提高,去皮完整、均匀,且能较好保持马铃薯的理化性能,被去除的果皮含有淀粉和较多的纤维素,又是很好的动物饲料。
缺点:
如果蒸汽温度,和加热时间把握不当,出现了因蒸煮过度使表面熟化层过厚的现象等等[2]。
1.3今后的发展方向
1)降低了生产成本;
2)减少了环境污染;
3)操作简单,速度快,可一人操作,效率高;
4)皮屑可利用,被去除的果皮含有淀粉和较多的纤维素,又是很好的动物饲料;
5)可加工任意外形的马铃薯。
如凹凸表面,表面有损伤的等。
2.马铃薯去皮机总体设计
2.1马铃薯去皮机的构造及工作原理
去皮机是一种小型间歇式去皮机械。
擦皮机由工作圆筒4,旋转圆盘5,加料斗1,卸料口7,排污口8,传动装置6及电动机3等部分组成。
图1马铃薯去皮机
Figure1potatopeelingmachine
它以电机为原动力,通过减速装置带动机筒底部的砂盘旋转,依靠旋转的工作构件驱动原料进行旋转,使得物料在离心力作用下,在机筒内上、下、左、右翻动并与机器构件产生摩擦,物料表面被砂盘均匀地磨蚀,去皮结束时加人清水再打开侧门,块茎从侧门自动排出,皮屑随水流从砂盘的周围间晾排出。
工作圆筒内表面是粗糙的,圆盘表面呈波纹状,波纹角α=20°~30°,两者大多采用金刚砂黏结表面,均为擦皮工作表面。
圆盘波纹状表面除兼有擦皮功能外,主要用来抛起马铃薯,当马铃薯从加料斗落到旋转圆盘波纹状表面时,因离心力作用被抛至圆筒壁,与圆筒壁粗糙表面摩擦而达到去皮的目的[3]。
为了保证正常的工作效果,擦皮机在工作时,不仅要求马铃薯能够被完全抛起,在擦皮室内呈翻滚状态,不断改变与工作构件间的位置关系和方向关系,便于各种物料的不同部位的表面被均匀擦皮,并且要保证马铃薯能被抛至筒壁。
因此,必须保持足够高的圆盘转速,根据经验数据,摩擦圆盘线速度Vmax=5.67m/s时,对马铃薯的去皮效果最好,马铃薯果肉损失最少;同时擦皮机内马铃薯不得填充过多,一般选用物料料充填系数为0.50~0.65,依此进行生产能力计算[4]。
2.2马铃薯擦皮机的相关计算
2.2.1本设计的主要内容:
原始参数
1)称料名称:
马铃薯;
2)容重0.8吨/米3;
3)间歇生产;
4)处理能力200公斤/小时;
5)物料粒径<80㎜。
2.2.2生产能力的校核
生产能力
……………………………………………………
(1)
式中,
τ1—装料时间(秒),设计中取30秒
τ2—擦皮时间(秒),设计中取240秒
τ3—卸料时间(秒),设计中取90秒
D—圆筒内径(米),假设取0.4米
H—圆筒有效高度(米),假设取0.4米
ρ—物料的容积密度(接近容重,取200公斤/米3)
ψ—圆筒内物料充填系数(一般取0.50~0.65),设计中选0.52
则带入数据得
(公斤/小时)
=209>200(公斤/小时)
2.2.3擦皮机的主轴转速的理论计算
假设马铃薯为球形颗粒,且以单个马铃薯为研究对象,其质量为m,工作时它必须相对工作盘移动。
物料在转盘旋转时受力情况如图1所示。
图2物料受力分析图
Figure2Forcediagramofmaterials
设波纹角为
,物料的速度为v。
当转盘旋转时推动物料A运动,其运动方向垂直于波纹切线。
v可分解为V垂直和V水平,CB与转盘平面平行,可以看作是转盘的圆周速度ωR,故
式中ω为角速度1/s;
R为转盘半径(m)
根据动力学,物料从垂直方向抛起的动能为
此动能应等于物料抛起后的势能mhg。
为了正常运转,抛高h一定要超过物料在圆筒内的厚度,才能使最低层的物料抛起与筒壁进行摩擦,所以用
代替h,又因为
可得
化简得:
………………………………………………
(2)
α角一般取
[3]
为了正常运转,仅把物料抛起还不行,还要保证物料能抛向侧壁进行摩擦,抛向侧壁的力靠离心力C
(N)
此离心力应大于波纹对物料的摩擦力T,才能使物料抛向侧壁。
(N)f为摩擦系数
使C>T,则有
(
)…………………………………………(3)
取物料层厚度δ
(mm)
摩擦系数f为1.1~1.3,设计中取1.1,
波纹角
代入
(2),(3)得:
(
)
(
)
擦皮机圆盘的转速应在n1及n1中取最大者,n=268(
)[4]
验算圆盘转速n
(m/s)
=5.61 根据经验数据,摩擦圆盘线速度Vmax=5.67m/s时[5],对马铃薯的去皮效果最好,马铃薯果肉损失最少。 2.2.4擦皮机所消耗的功率的计算 马铃薯去皮机所消耗的总功率,可用下式进行粗略估算 (W) 式中 M为转盘转矩(N·m),η为传动效率; ………………………………………………………………(4) R为摩擦臂矩,R=0.4D(D为转盘直径) η=(0.75~0.85),设计中选0.80 假设马铃薯为球形颗粒,马铃薯粒径﹤80㎜,设计中取80mm,马铃薯密度ρ=1.0~1.2g/cm3,设计中取ρ=1.1g/cm3 则单个马铃薯的体积V1 (cm3) 单个马铃薯的质量m1 (g)=0.2498(kg) 一个圆筒内放入马铃薯的个数为N (个) 则马铃薯去皮机所消耗的总功率P为: (W) =6302.5W=6.302(KW) 3.传动方案的设计选用 3.1电动机的选用 3.1.1几种常见电动机的特点 Y系列是我国统一设计的一般用途全封闭自扇笼型三相异步电动机,防护等级为IP44。 Y系列电动机具有效率高、启动转矩大、噪声低,振动小,可靠性高等特点,适用于不含易燃,易爆或腐蚀性气体的一般场所和无特殊要求的机械,如: 金属切削机床、泵,风机、运输机械、农业机械、食品机械等。 它的额定电压380V,频率50Hz。 YCJ系列齿轮减速电动机由Y系列(IP44)电动机与齿轮减速器耦合而成,齿轮箱与电动机已成为一整体,可直接输出低转速大转矩。 适用于矿山、冶金、建材、化工、食品、造纸,农机等行业。 它的额定电压380V,频率50Hz。 YZR,YZ系列电动机具有较大的过载能力和较高的机械强度,适用于短时或断续运转,频繁启动,制动,有过载及有显著振动与冲击的设备。 专用于起重和冶金机械或类似的其他设备。 YZR系列为绕线型转子电动机;,YZ系列为笼型转子电动机。 它的额定电压380V,频率50Hz。 [6] 3.1.2电动机容量的选择 马铃薯去皮机所需要的功率P=6.302KW,因为设计传动中从电动机到圆筒有一对轴承,一个带传动 所以电动机到圆筒的传动总效率为 η0=η滚*η带 其中,η滚=0.98,η带=0.95 η0=η滚*η带=0.98*0.95=0.931 P1=P/η0=6.302/0.931=6.77KW 3.1.3电动机的选型 根据上述对几种常用电动机的分析,综合考虑到马铃薯去皮机属于无特殊要求,配用效率高、启动转矩大、噪声低,振动小的Y系列三相异步电动机就可以了。 同一功率的异步电动机有同步转速3000、1500、1000、750r/min等几种可供选择,通常选用同步转速为1500r/min或1000r/min的电动机。 根据去皮机所需要的功率P=6.3025kw来选型,由于考虑到电动机功率应当比计算的值大一些,查阅标准表7-2-2[6],查出有俩个适用的电机型号,因此有下面俩个传动方案。 表1电动机选型表 Table1MotorSelectionTable 方案 电动机 型号 额定功率KW 空载转速 r/mim 满载转速 r/mim 效率% 功率 因数 传动 比i 1 Y160M-4 7.5 1500 1440 87 0.85 5.37 2 Y160M-6 7.5 1000 970 86 0.78 3.62 普通V带传动比为2~4,链传动的传动比为2~6,齿轮的传动比为3~40,由上表可知,方案1的传动比为5.37,方案2的传动比为3.62,对比方案,为使结构紧凑,且的可以选择的传动方式多一些,综合考虑,选择方案2,所以本设计选用1000r/min的电动机,满载转速为970r/min,查阅标准表7-2-2,选取Y160M-6型电动机。 这种电动机的数据如下: 表2电动机主要性能参数 Table2Motorperformanceparametersofthemaintable 型号 额定功率kW 满载时 起动转矩 额定转矩 起动电流 额定电流 最大转矩 额定转矩 转速 r/min 电流 A 效率 % 功率因数 Y160M-6 7.5 970 17 86 0.78 2.0 6.5 2.0 表3电动机外形和安装尺寸 Table3Motorappearanceandinstallationdimension 中心高 H(mm) 外形尺寸 L×(AC/2+AD) 悬挂安装尺寸 A×B 轴伸尺寸 E 装键部位尺寸 F×D×G 160 605×(330/2+265) 254×210 112 12×42×37 图3电动机结构简图 Figure3Schematicdiagramofmotor 3.2传动方案的论证与设计 3.2.1传动方案的选择 去皮机转速n=268r/min,所选电动机的转速为1000r/min满载转速为970r/min,因此擦皮机的总传动比为i=970/268=3.62,因为普通V带传动比为2~4,链传动的传动比为2~6,圆柱齿轮的传动比为3~8可以有三种方案可以选择: a方案: 电动机——三角皮带轮——转盘; b方案: 电动机——链传动——转盘; c方案: 电动机——齿轮传动——转盘。 a方案采用的是带传动实现减速的目的,带传动的传动比为3~5左右,带传动便于将电动机和圆盘的基础分离,减轻振动的干扰,传动平稳,结构简单,成本低,安装维护方便,带损坏后容易更换。 过载时,带在带轮上打滑,可防止其他零件的损坏,起到安全保护的作用。 带传动对环境的要求比较低。 一般情况下,在带传动中只要不接触润滑油,都不会影响到其寿命。 b方案采用的是链传动实现减速的目的,与带传动相比无弹性滑动和打滑现象,平均传动比恒定,传动效率高,整体尺寸小,磨损后易发生跳齿,工作时有噪声,不宜用于载荷变化很大,高速和急速反向的场合。 c方案采用的是齿轮传动实现减速的目的,它的效率高,结构紧凑,工作可靠,寿命强,传动比稳定。 齿轮减速传动器能够实现单位时间内的精确的传动比,作为独立的传动装置,能达到3000kw。 但它的安装精度高,结构紧凑,制造成本大。 齿轮传动对环境的要求比较高,当啮合齿轮在啮合的过程中,有粒状物夹杂其中,会加快齿轮的磨损,进而导致齿轮寿命的减短。 以上这三种传动方案都能满足圆盘给料机的功能要求,但结构、性能、经济性和工作环境不同。 根据设计数据,擦皮机的容重0.8吨/米3,处理能力200公斤/小时,求出总传动比为3.63,综合考虑选择方案a较合适。 3.2.2安装形式选择 带传动具体安装形式有三种方案可以选择: 方案a: 卧式电动机——万向联轴器——带传动——转盘 方案b: 立式电动机(传动轴向上)——带传动——转盘 方案c: 立式电动机(传动轴向下)——带传动——转盘 a方案采用联轴器将电动机和主轴连接的,电动机是卧式的,中间需要万向联轴器实现90度的换向。 这个传动方案结构简单,工作不平稳。 b方案直接采用立式电动机,传动轴向上,用电动机的轴直接与小带轮连接,电动机的传动轴向上。 这个方案传动平稳,结构简单,成本低,安装维护方便。 图4安装方案图 Figure4installationprogrammap (1.电动机2.万向联轴器3.小带轮4.V带 5.大带轮6工作机筒) c方案直接采用立式电动机,传动轴向上,用电动机的轴直接与小带轮连接,电动机的传动轴向上。 这个方案传动平稳,结构简单,成本低,安装维护方便。 较方案b结构紧凑。 以上这三种传动方案都能满足圆盘给料机的功能要求,但结构、性能、经济性和工作环境不同。 根据设计数据,擦皮机的容重0.8吨/米3,处理能力200公斤/小时,求出总传动比为3.63,综合考虑选择方案c较合适,电动机基本结构形式采用B3,安装结构形式采用V5安装。 3.3V带的设计选用 带传动是由固联与主动轴上的带轮1、(主动轴)、固联与从动轴上的带轮3(从动轮)和紧套在两轮上的传动带2组成的(如下图)。 当原动机驱动主动轮运转时候,由于带和带轮间的摩擦,便拖动从动轮一起转动,并传递一定的动力。 带传动具有结构简单、传动平稳、造价低廉以及缓冲振动等特点。 图5带传动示意图 Diagram5taketospreadtomovediagram 带传动一般最常用的有几种皮带: 平带,V带,同步带。 多在相同张紧力和相同摩擦系数的条件下,V带产生的摩擦力要比平带的摩擦力要大,所以V带传动能力强,结构更紧凑,在机械传动中应用最广泛.V带按其宽度和高度相对尺寸的不同,又分为普通V带,窄V带,宽V带,汽车V带,齿形V带,大楔角V带等多种类型.目前,普通V带应用最广。 同步带相当于平带与多根V带的组合,兼有两者的优点,多用于结构要求紧凑的大功率传动中。 由于马铃薯去皮机采用小功率电机,综合考虑,大小带轮之间采用普通V带。 普通V带的截型分为Y、Z、A、B、C、D、E七种。 3.3.1V带的设计计算 1)确定计算功率 Pd=KA·P 查表6-1-11[6],按每天工作<10小时,载荷变动小,取KA=1.1 Pd=1.1×7.5=8.25kw 2)选带型 根据Pd=8.25kw和n=970r/min,查图6-1-3[6] 选B型带。 3)确定带的基准直径D1和D2 根据B型带截型参考表6-1-22和表6-1-23[6],选 D1=140mm Dmin=125mm 验算带速: (m/s) V在5~25m/s范围内,所以D1直径合适。 计算从动轮的直径: D2=iD1=3.62×140=506.8(mm) 查《简明机械设计手册》表6-1-22,V带轮的基准系列 圆整为D2=500mm 传动比 i= (r/min) 带速 (m/s) 与经验数据偏差较小,符合要求,可以采用。 4)确定中心距a和带的基准长度 初定中心距 取值范围 初定a0=600(mm) 计算基准长度 根据Ld0,查表6-1-19[6],取和Ld0相近的V带基准长度 Ld0=2240(mm) 实际轴间距 (mm) 5)验算包角 > 6)确定带的根数: Z 单根V带的基本额定功率P1 由D1=140mm和n1=970r/min,普通V带,查[6]表6-1-37,得 P1=2.13kw, kw 查表6-1-33[6],α1=145°时,Ka=0.91 查表6-1-19[6],Ld=2240mm,B带,取KL=1.00 (根) 7)确定单根V带的预紧力F0 查表6-1-34[6],B型带,m=0.17 =235.82N 8)计算作用在轴上的力FQ(或压轴力) N N 9)V带的安装要求 1)普通V带和窄V带不得混用; 2)各带轮轴线应相互平行,各带轮相对应的V形槽对称平面应重合,误差不得超过 20°; 3)带嵌入轮槽前,应先调小中心距,不得强行撬入; 4)中心距调定应使带的张紧适度,应控制好初张紧力; 10)V带传动的安装及张紧 图6V带的定期张紧装置 Figure6Vbelttensioningdeviceonaregularbasis V带的张紧方法有定期张紧和自动张紧两种方法。 所设计的传动V带用于电动机和圆筒之间的传动,结合马铃薯去皮机的具体工作情况(如传递的功率比较小),采用张紧轴的定期张紧的方法,通过电动机与支撑板之间的螺栓连接,可以临时调试v带的张紧程度。 如图8所示。 3.4V带轮的设计选用 对于V带轮的设计应满足的要求有: 质量小,结构工艺性好;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,以减少带的磨损;各槽的尺寸和角度应保持一定的精度,以使载荷分布较为均匀等。 3.4.1带轮的材料的选择 带轮的材料主要采用铸铁,常用的材料牌号为HT150或HT200;转速较高的宜采用铸钢;小功率的可采用铸铝或塑料。 对于本擦皮机我们选用V带轮的材料为: 铸铁HT150; 3.4.2带轮结构的确定 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。 带轮的结构设计,主要是根据带轮的基准直径选择结构形式; 根据V带轮的槽型和带轮的基准直径,查[6]表6-1-27 小带轮的基准直径D1=140mm,B型槽,做成实心轮; 大带轮的基准直径D1=500mm>300mm,B型槽,做成六椭圆辐轮结构; 根据带的截面类型确定轮槽的尺寸;确定了带轮的各部分尺寸后,即可以绘制出零件图,并按照工艺要求标注出相应的技术条件。 带轮一般放在轴的端部,可以先求出轴的最小直径: 轴的基本直径尺寸公式如下: P—驱动擦皮机所需要的功率,KW,P=6.3025KW; n—轴的转速,r/min,n=269r/min; A0,【τT】—与轴材料有关的系数,在此处轴的材料为45号钢 此次小型马铃薯擦皮机的轴一般选用45钢就能满足要求,45钢的 可以查下表: 表表5轴常用几种材料的及A0值 From5materialandA0ofshaft 轴的材料 Q235-A Q275、35 (1Cr18Ni9Ti) 45 40Cr、35SiMn 38SiMo、3Cr13 【τT】/MPa 15~25 20~35 25~45 35~55 A0 149~126 135~112 126~103 112~97 对于d≤100mm的轴,有一个键槽时候,轴径要增大5%—7%,有两个键槽时候应该增大10%—15%。 因为轴上有1处键槽,所以 mm…………………………………………………… 又由于擦皮机的主轴承受的是冲击动载荷,故在设计时,轴的最小处直径应比理论计算的要大一些,然后,再综合考虑,暂时选取dmin=48mm。 所以取d1=50mm。 大小带轮示意图如下图所示: 图7小带轮结构图 Thediagram9thesmallstructureofbeltwheel 图8大带轮结构图 Thediagram10thebigstructureofbeltwheel 3.4.2V带轮的设计要求 对于V带轮的设计应满足的要求有: 质量小,结构工艺性好;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,以减少带的磨损;各槽的尺寸和角度应保持一定的精度,以使载荷分布较为均匀等。 带轮的材料主要采用铸铁,常用的材料牌号为HT150或HT200;转速较高的宜采用铸钢;小功率的可采用铸铝或塑料。 对于本擦皮机我们选用V带轮的材料为: 铸铁HT150; 带轮的技术要求: 1)带轮各部位不允许有裂缝、砂眼、缩孔和气泡; 2)带轮轮槽工作面表面要光滑,轮槽棱边要倒圆或倒钝,以减少V带轮的磨损; 3)轮槽对称平面与带轮轴线垂直度允差±30°; 4)带轮轮毂孔公差为H7或H8,轮毂长度上偏差为IT14,下偏差为0; 5)设计带轮时,结构要便于制造,质量分布均匀。 当v>5m/s时要进行静平衡试验,当v>25m/s时则应进行动平衡试验。 3.4.3V带传动的键的选择 在本设计当中,选择圆头普通平键联接。 因为圆头普通平键(A型)宜放在轴在上指状铣刀铣出的键槽内,从而使键在键槽内轴向固定良好。 这种键用途广泛。 缺点是键的端部侧面与轮毂并不接触,不能参与传递转矩,因而键的圆头部分不能得到充分的利用,且轴上键槽端部的应力集中较大。 平头平键(B型)是放在用盘铣刀铣出的键槽内,因而避免的上述的缺点,但对尺寸较大的键,宜采用紧定螺钉固定在轴上的键槽中,以防松动。 单圆头平键(C型)则常用于轴端与毂类零件的连接。 考虑到结构的简单,安装方便和与同一个轴应采用的键应统一,本设计中加工的键槽用端铣刀加工的,故可选用A型键槽。 表4键的尺寸选择 Table4keysizes 6~8 >8 ~10 >10 ~12 >12 ~17 >17 ~22 >22 ~30 >30 ~38 >38 ~44 b×h 2×2 3×3 4×4 5×5 6×6 8×7 10×8 12×8 轴的直径 >44 ~50 >50 ~58 >58 ~65 >65 ~75 >75 ~85 >85 ~95 >95 ~110 >110 ~130 b×h 14
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