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毕业设计论文香蕉剥皮机的研制
第一章绪论
1.1本课题的研究背景和意义
当今世界正处在一个大发展、大变革、大调整时期,而我国的装备制造业也正处于一个新发展、新变革、新调整时期。
随着科技的进步,我国逐渐进入工业化时代。
所谓工业化,主要是指工业在一国经济中的比重不断提高以至取代农业,成为经济主体的过程。
简单的说就是传统的农业社会向现代化工业社会转变的过程。
这一过程的特征主要是农业劳动力大量转向工业,农村人口大量向城镇转移,城镇人口超过农村人口。
工业化是现代化的基础和前提,高度发达的工业社会是现代化的重要标志。
中国实现工业化的任务,是第一个五年计划提出来的,从“一五”计划算起,我国为实现工业化已经奋斗了半个世纪,把一个落后的农业大国建设成为拥有独立的、比较完整的、并有一部分达到现代化水平的工业体系和国民经济体系。
但是,中国的工业化任务还没有完成,总体上看现在还处于工业化中期阶段。
突出表现在:
农业现代化和农村城镇化水平较低,农业劳动力和农村人口在全社会劳动力和总人口中分别占50%和62%左右;产业结构层次低,竞争力不强,工业特别是制造业的技术水平还不高,服务业的比重和水平同已经实现工业化的发达国家相比还有相当大的差距。
工业化的任务不完成,现代化就难以实现。
因此,继续完成工业化,仍然是我国现代化进程中重要而艰巨的历史任务[1]。
然而,近几十年来,我国社会生产模式已发生根深蒂固的变化,由劳动密集型产业逐渐过渡到技术密集型产业是我国历史发展的必然潮流,大范围的机器成产代替手工劳动的良好局面已然在我国悄然形成。
在日常生活的各个方面,我们不难发现,我们早已离不开机械。
我们吃的大米、穿的衣服、住的房子、行的汽车、用的电脑、电视、牙刷、脸盆等等,各个方面,都离不开背后工厂里机器的支持,而这其中很重要的部分就是农产品的加工,包括农业的机械化。
1978年以来,中国农业机械化进入了一个新的发展时期,正在形成一条适合于中国国情的农业机械化发展道路。
其基本点是:
①农业机械化以提高经济效益为前提,不仅重视增加产量和节省劳力,也重视为农民增加收入。
②根据国情、国力确定农业机械化的发展速度,与工业、能源、科技、资金和劳力安排等方面的状况相适应。
③在一个相当长的时期内,农业生产应实行人力、畜力、机力、电力相结合以及改良农具、半机械化机具和现代农业机器相结合。
④农业机械化为实现农业全面发展和农工商综合经营服务,其范围既包括种植业,也包括林、牧、副、渔各业,以及各业的产前(如种子加工、饲料调制)、产后(如农产品加工、冷藏、装仓、包装、运输)诸环节,还包括农村建设和农民生活等方面。
⑤农业机械化的作业项目不急于求全,要优先选择增产增收效果显著,能减轻农忙劳动紧张程度和劳动强度的环节;在地区上不强求一律,支持条件好的地方先走一步。
⑥农业机械化要与其他农业技术的政策相结合,既要为推广先进的现代农业技术服务,又要与继承优良传统技术相适应,从而创立中国自己的农业机器体系。
⑦农机产品以小型为主,大中小型相结合,以价廉、质优、耗能少、使用和修理方便为原则。
⑧重视农业电气化,特别重视农村小水电站的发展。
⑨妥善安排机械化过程中节约出来的劳动力的出路。
⑩农业机械的所有制与经营形式多样化,以适应实行联产承包制后农村经济的新形势。
农业机械除由集体、国家所有外,还可归农户个人所有。
在经营形式上可以家庭自营、农民合伙经营、农户承包经营,以及由国家或合作经销组织设立农机服务(队、站、公司)经营。
重视农业机械化的智力投资,培养出大批适应农业机械化发展需要的人材,等等[2]。
我国农业在集体化的基础上逐步实现机械化,是发展农业生产力的根本途径。
我国是世界上栽培香蕉的古老国家之一,目前国外主栽的香蕉品种大多由中国传去。
香蕉分布在东、西、南半球南北纬度30°以内的热带、亚热带地区。
世界上栽培香蕉的国家有130个,以中美洲产量最多,其次是亚洲。
中国香蕉主要分布在广东、广西、福建、台湾、云南和海南,贵州、四川、重庆也有少量栽培。
广东以湛江、茂名、中山、东莞、广州、潮州为主产区;广西以灵山、浦北、玉林、南宁、钦州为主产区,福建主要集中在漳浦、平和、南靖、长泰、诏安、华安、云霄、龙海、厦门、南安、莆田和仙游等县(市、区),台湾的香蕉以高雄、屏东为主栽区,其次是台中和台东等地[3]。
由此可见,我国有着丰富的香蕉资源,如果将这些香蕉资源经过深加工并且产业化加以利用,将会得到巨大的经济效益。
所以,对香蕉等农副产品加工机械的研究具有重大深远的意义。
1.2国内外研究现状
1.2.1国内发展香蕉剥皮机的瓶颈
目前我国对香蕉去皮以手工为主。
目前还没有物美价廉的香蕉剥皮机,大部分的香蕉加工企业仍然依靠手工去皮。
虽然我国对香蕉剥皮机的研制和开发几乎是空白,但这确实是我国的基本国情所决定的。
我国在相当长一段时期内,劳动力人口众多,劳动力资源相当丰富。
据统计,从1982年到2013年,劳动年龄人口规模扩大了3.39亿,年均净增加1094万人,年均增长率为1.46%。
然而,随着我国人口逐渐进入老龄化阶段,预计,到本世纪中叶,劳动年龄人口数量将减少到7.47亿,从2013到2050年,劳动年龄人口净减少1.85亿,年均递减500万人,年均增长率为-0.60%。
国家统计局局长马建堂曾经表示,据国家统计局人口专家预测,中国未来10年每年适龄劳动力资源都能稳定在9亿左右,在“十二五”期间,应该讲劳动力供应总体是充裕的。
但从2013年以后,我国的劳动力资源,会逐步下降。
2013—2020年下降比较缓慢,劳动力资源还有将近9亿,2020年以后下降得会比较快[4]。
可见,我国劳动力充裕是影响香蕉剥皮机发展的重要瓶颈,使用人工成本低廉,而使用机器剥皮的成本明显升高,这是我们不可否认的事实。
但是在2020年以后,随着我国劳动力人口的剧减,人工成本的增加,会在一定程度上刺激农业机械化的推广,这当然也包括香蕉等农产品剥皮机得研制和发展。
1.2.2国外香蕉剥皮机的发展
国际上有一些发达国家研制了香蕉剥皮机,意大利的贝尔杜其公司已经开发出香蕉剥皮机,但是价钱昂贵,企业难以承受。
由于香蕉弯曲的外形以及含有的各种营养成分,一般的切分设备不适宜香蕉的切片,美国科研人员对此有所研究,但处于实验室阶段[5]。
也就是说,对香蕉剥皮机的研究,目前依然很不成熟。
第二章香蕉剥皮机设计目标和总体方案的确定
2.1剥皮机设计要解决的问题
香蕉剥皮机的设计要解决如下问题:
(1)香蕉的分离问题。
香蕉分离目的是把集中到一起进入进料口的香蕉分离成单个香蕉,送入剥皮机内部加工,分离机工种类众多,其工作原理大致可分为键式分离装置,平台式分离装置和整体筛选箱式分离装置。
(2)香蕉的固定问题。
香蕉的固定目的是把单个香蕉固定到工作台面上以便剥皮部分进行剥皮,常用的固定方式有压送式,夹送式和几何槽式固定。
(3)香蕉的剥皮问题。
香蕉的剥皮目的是将香蕉皮与果肉进行分离,同时保证香蕉果肉的完整性和香蕉皮的易收集性。
2.2香蕉剥皮机总体方案的确定
2.2.1香蕉外形的测定
香蕉本身是一个不规则的形状,但是通过观察我们会发现,无论香蕉左弯还是右弯,我们将香蕉纵向放置,它的轮廓接近一个椭圆。
所以我们作如下实验,以测定该椭圆的平均几何指标。
首先,取一定数量的本地市面香蕉,对其对应的椭圆外形尺寸进行测量。
实验统计如图1所示。
表1香蕉外形椭圆测量统计
实验结论:
在保证香蕉纵向放置时,无论香蕉左弯还是右弯,平均轮廓是接近一长轴15cm短轴7cm的椭圆。
2.2.2香蕉固定装置的选择
常见剥皮机的固定装置有多种方法:
如带有压送器的压式固定,此外还有夹式固定和槽式固定。
但由于香蕉外形的不规则性和香蕉本身的易被破坏性,使用强度较大的力作用在香蕉上都是对香蕉剥皮的效果产生风险的,所以香蕉剥皮机的固定装置选择凹槽固定的方式。
2.2.3香蕉剥皮装置的选择
由于香蕉外形的不规则性和香蕉本身的易被破坏性,剥皮锟选择摩擦方式有利于降低对香蕉本身的破坏。
所以香蕉剥皮机剥皮装置选择履带式剥皮方式。
靠履带转动过程中与香蕉皮产生的摩擦作用使香蕉皮脱落,摩擦模块不要深入香蕉皮过多,同时不要过于尖锐,这样有利于香蕉果肉保存其完整性。
图1橡胶履带
2.2.4香蕉皮肉分离装置的选择
由于香蕉自身果肉和香蕉皮之间的润滑特性,皮肉分离装置选择打击香蕉根部的方式,通过凸轮机构的规律性敲打香蕉皮根部,使香蕉果肉顺利的与香蕉皮分离,并且滑出剩余部分的香蕉皮,进入设计好的果肉收集装置。
第三章香蕉剥皮机的机械结构设计
3.1香蕉剥皮机的结构
香蕉剥皮机的结构由电动机、进料口、香蕉分离装置、工作台、带传动机构、齿轮组合机构、剥皮锟、工作主轴、支架、香蕉固定装置、皮肉分离装置、香蕉皮收集装置、水箱、箱体、箱内固定挡板、出料口等组成,具体结构如图2所示。
图2香蕉剥皮机的结构简图
3.1香蕉剥皮机的工作原理
香蕉由人工喂入进料口,由于工作台工作原理限制,尽量将香蕉尾部面向箱体中部放置,否则会增加脱皮不彻底或香蕉果肉损伤较大的可能性。
香蕉由与进料口底部进入香蕉分离装置,香蕉分离装置按一定速率旋转,使香蕉依次落入,同时又可使香蕉一次落入旋转中的工作台,工作台可加一定高度的挡板,使香蕉更准确的落入固定香蕉的椭圆形凹槽。
随着工作台的旋转,香蕉最先进入剥皮过程,剥皮锟的工作原理是摩擦剥皮,它实际上是一个履带传动装置,履带外侧附有可增大摩擦力的小铁钉,随着工作台的横向旋转和履带的纵向摩擦,香蕉在经过履带底部的过程中,会产生自身翻转,这样香蕉的一周都会经过摩擦作用而退皮。
从剥皮装置出来后,香蕉皮所剩部分也就是面向工作台中心的香蕉皮最厚的根部和部分皮。
随着工作台的旋转,下一步,香蕉进入皮肉分离装置,皮肉分离装置实际上是一个凸轮机构,香蕉在椭圆凹槽转到凸轮机构下方时,其面向工作台中心部分的根部会受到来自凸轮机构下方一次速度较大的冲击,由于香蕉果肉的自身润滑特性加之水箱中流入的水的润滑,香蕉果肉就会在冲击后滑离工作台,滑入工作台下方的出料口。
剩余香蕉皮则会由下一步的香蕉皮收集装置收集,收集装置原理比较简单,它实际上是一个加了毛刷的挡板,挡板方向是横截工作台的圆形方向而不是穿过圆心方向,这样经过香蕉皮受力分析可得出香蕉皮会被收集到固定位置,也就是香蕉皮收集装置,这样,就完成了一个工作循环。
3.2香蕉剥皮机工艺流程
香蕉剥皮机的工艺流程图如图3所示。
图3香蕉剥皮机工艺流程图
3.3香蕉剥皮机主要工作部件的结构参数设计
3.3.1工作台的设计
工作台主要承重香蕉和凸轮机构的冲击,作用力不大,对材料的选择应本着经济性实用性原则。
工作台可选择材料Q235-A钢。
工作台是一个圆盘,半径50cm,厚度3cm。
3.3.2固定装置的设计
香蕉的平均轮廓是接近一个长轴15cm短轴7cm的椭圆,采取用尺寸略大于香蕉轮廓的椭圆凹槽承装这种固定方案。
椭圆尺寸:
长轴20cm,短轴10cm,深度1.5cm。
工作台上每个凹槽间夹角30°,共含有椭圆形凹槽12个,距离工作台中心10cm处平均分布直径为2cm的圆孔。
用以与工作台上下主轴轴用螺丝连接。
工作台和固定装置具体参数及结构如图4所示图5所示(注:
图4图5单位cm)。
图4工作台和固定装置图
图5工作台平面图
3.3.2剥皮机构的设计
剥皮锟香蕉剥皮机的关键机构,是决定着剥皮效果的决定性部分,剥皮机构是带传动机构,因对香蕉剥皮所需功率较小,所以采用平带传动。
带轮材料常采用灰铸铁、钢、铝合金、或工程塑料等。
其中灰铸铁应用最广。
所以,剥皮机构的带轮材料选择灰铸铁,带轮半径4cm,中心轴孔直径2cm,中心孔圆心距离工作台上表面6cm,带轮厚度2cm,为减少重量节约成本,在带轮上对称打直径2cm的圆孔,两带轮纵向间距27cm,横向间距与香蕉固定装置的椭圆凹槽相同,为10cm。
带轮总共五个,其中四个是剥皮带轮,一个距离香蕉分离机构最近的是动力传入带轮,五个带轮具体参数相同,平带采用普通橡胶为材料,橡胶厚度2mm。
考虑到香蕉皮的厚度,橡胶外侧附2.5mm-3.0mm小铁钉或小铁块。
是具体情况增加或减少数量。
带轮中心孔通过键与转轴装配,带轮两端通过转轴与两侧挡板固定。
剥皮机构结构简图如图6所示。
图6履带剥皮机构简图
履带剥皮机构平面图及其参数如图7所示(注:
图中单位cm)。
图7剥皮机构平面图
3.3.3香蕉分离机构的设计
香蕉分离机构是距离香蕉剥皮机进料口最近的机构。
它的功能是使香蕉依次进入剥皮机内部,并且准确落到工作台的椭圆凹槽内(如现实中由于震动等未知因素使香蕉落入工作台椭圆凹槽不够准确,可适当在剥皮机构工序前方设置挡板,使香蕉更准确的落入凹槽内部),香蕉分离机构是空心的圆柱体结构,圆柱体上下表面与转轴连接。
圆柱体轴线方向高度25cm,上下表面半径18cm。
圆柱体上下表面周线长度2πr=113.04cm
圆柱体侧面中间位置对称开有长方体漏料孔,其中考虑到香蕉的平均长度,经计算,选择长方体漏料最优长度18cm,宽度5cm(主视),共计10个孔。
这样每两孔间距大概与孔宽相适合。
分离机构的中心轴距离工作台24cm,最低点距离工作台台面6cm。
可保证香蕉的正常落下。
香蕉分离装置平面图如图8所示(注:
图中单位cm)。
图8香蕉分离装置示意图
3.3.4皮肉分离机构的设计
香蕉剥皮机的皮肉分离机构选择凸轮设计,凸轮以固定转速旋转,凸轮下方的击打模块以固定频率击打香蕉皮的根部,使香蕉果肉滑出椭圆形凹槽。
凸轮机构圆形转盘半径18cm,厚度5cm。
凸轮面在几何上是由椭圆和相切于椭圆的直线构成,凸轮突起部分最高点高于圆柱面3cm,凸轮中部分布6个减少重量的圆孔,孔径6cm。
凸轮机构强度和刚度要求较高,选择45号钢。
击打模块上方需加弹簧拉起,随着凸轮撞击击打模块,击打模块以固定频率打击椭圆形凹槽内部,击打模块由于形状不规则性,可在现实中视情况选择材料以及外形尺寸,其示意图已在总图中有所表示,这里不再分析。
凸轮结构图如图9图10所示。
(注:
图中单位为cm)
图9凸轮机构侧面图
图10凸轮机构剖视图
3.3.5香蕉皮分离机构的设计
香蕉分离机构采用灰铸铁材料的挡板,长度30cm,宽度10cm,厚度1cm。
通过螺孔装配在剥皮机右侧内挡板上,在分离挡板下方装有毛刷。
下面简单介绍香蕉皮分离机构原理以及受力分析,在工作台上的香蕉受到工作台对其施加的作用力F,方向沿圆的切线方向,同时香蕉在撞上挡板时受到垂直于挡板的压力N,两者作用力的合力为F1,方向背离载物台,加之水的润滑作用,香蕉皮与载物台的摩擦力较小,香蕉皮最终会在挡板边缘落下,进入香蕉皮收集装置,具体受力分析如图11所示。
图11挡板处香蕉皮受力分析图
3.3.5动力及传动系统的设计
电动机选择YS712-4型号,三相异步电动机,额定电压380V,额定电流1.12A,1000转/分。
传动系统由直齿轮和锥齿轮组成,其次还有轴支架和底座等。
齿轮和轴的材料选择45号钢。
电动机至主轴传动系统结构简图如下图12所示。
图12电机至主轴部分传动简图
第四章香蕉剥皮机机械结构的相关计算
4.1工作台及香蕉分离机构的计算
由于该香蕉剥皮机尚未进行产品测试,所以要从理论上设计香蕉剥皮速度必须要要讲究可靠性和安全性。
所以,理论上设定香蕉剥皮机对香蕉剥皮的速度是V=1个/秒=60个/min。
工作台凹形槽数量为n,这样工作台自转速度公式为
N=V/n
得出工作台转速应为5r/min。
要求工作台对香蕉的处理速度应与分离机构的供给速度一致,所以分离机构供给香蕉的速度也应为60个/min。
分离机构矩形口数量为10。
同样利用以上公式,算得分离机构及所连横轴的转速应为6r/min。
4.2凸轮机构的转速计算
凸轮机构圆盘半径18cm,突起部分高3cm。
共含有6个突起。
而工作台含有凹槽数为12,所以凸轮机构转速为工作台转速×2,为10r/min。
4.3各级齿轮齿数的计算
香蕉剥皮机共含有齿轮数为7个。
其中,直齿轮2个,锥齿轮5个。
如图13所示。
图13齿轮组合图
由工作台转速N=5r/min,可知,齿轮4与齿轮5之间的主轴转速为5r/min,要求齿轮6所对应的轴转速为6r/min。
齿轮5齿数设定为24齿锥齿轮,则齿轮6齿数则为12×5/6=10。
即齿轮6齿数为20齿锥齿轮。
凸轮机构共有6个突起,工作台凹槽数量是12个,要求其转速为工作台转速2倍。
所以齿轮7所对应的轴要求转速为10r/min。
得出齿轮7所含齿数为12。
保持齿轮5与齿轮6和齿轮7的齿数比例为6:
5:
3。
即可达到工作台中各个部件的吻合运行。
电动机转速为1000r/min,齿轮4齿数设计为200齿,齿轮3齿数为10齿,齿轮2齿数为100齿直齿轮,电动机所连齿轮齿轮1齿数为10齿,刚好达到转速要求。
第四章结论
香蕉剥皮机的研究是农业机械化发展的部分之一,它解决了香蕉的分离、固定、剥皮和皮肉分离的问题,为我们进行对香蕉这种质地较软并且形状不规则的农作物的机械加工提供了一个具体思路和方法。
难点在于香蕉的固定问题和剥皮以及果肉从香蕉皮中分离的问题,解决好这些问题,就会为香蕉剥皮机的研制铺平道路。
在选择对香蕉加工的工艺时,首先要考虑保持香蕉的果肉完整性。
其次要考虑剥皮机的能耗问题,效率问题和经济实用性问题。
从设计方案中优选出最佳剥皮方案,进行细化分析。
在结构设计方面,要考虑到尽量用简单的机械部件完成对香蕉的去皮工作,繁琐复杂的机械设备必然产生后期维护费用等后续问题。
但新型香蕉剥皮机尚属于理论的研究,缺少样品机的实验支持。
在生产实际中,参考新型香蕉剥皮机具体工作情况,对其个别零部件还有很大的改进空间。
在具体加工环节,论文所提出的比起专业的成熟的其他农产品剥皮机械的设计,还不够完善。
可以说,高效率高精细的香蕉剥皮机产业化及其廉价化还需要走很长的道路。
致谢
非常感谢李长友教授。
在做毕业设计的过程中,李老师给予了我莫大的帮忙和支持。
通过查找各种文献、论文资料等,对玉米等农作物剥皮机有了很深的了解,值此论文完成之际,再一次向尊敬的李老师表示衷心的感谢,并致以崇高的敬意。
由于自身基础的薄弱,在此毕业设计的过程中也遇到了很多的困难和瓶颈,感谢邱禹师兄、仲玲玲同学在我论文的写作过程中给予我的帮助。
并提出了许多宝贵的意见和建议,同时也感谢其他给予我帮忙的朋友、同学和老师。
我还要衷心的感谢我的父母、亲人,正是他们的支持才使我顺利地完成了这次的论文写作。
最后,对评审论文的各位专家、学者和老师表示衷心的感谢!
参考文献
佚名.2011.XX词条.XX百科
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TheResearchofSkinningBananaPeel'sMachine
JianOuyang
CollegeofEngineering,SouthChinaAgriculturalUniversityGuangzhou510642,China
Abstract:
Aimedatcurrentlydomesticandinternationalbananatopeelthedevelopmentprospectthatpresentconditionandbananaofmachinepeelmachinetocarryonastudy,peelthedevelopmentofequipmentstocarryonthoroughanalysistotheourcountryagriculturalproductandtallyupthebottleneckthatacheckandsupervisionourcountryagriculturalproductpeelsanequipmentsdevelopment.Atconcretemachinestructuredesign,useagreatdealofculturalheritage,dataandbookasareference,makeuseoffamiliarmachineorganization,designing1kindcanconsumelow,pollutesmall,efficiencythenewbananaofGaopeelmachine.Intheprocessofstudyingin,carriedonastatisticstothebananashapeanalysis,atthesametimealsotofixbananaequipofthechoicecarriedonagreatdealofexperiment.Thetotalstructure,workflowthatpeelsmachinetothenewbanana,worksize,sportparameterofprincipleandkeypartscarriedonmeticulousanalysis,carriedonaresearch,designtowardspeelingaworkflowprefaceandseparatedanequipmentstothebananaandpeeledtheorganization,fleshseparationorganizationtocarryononlytheinnovationdesignofway.Thethesiscarriedonananalysis,calculationtothesizechoice,materialchoiceofkeyparts.Reachtocarryonagreatdealofcalculationtowardsspreadingmotiveatthesametime,separatedorganizationtoadoptthemostinbriefthemosteffectiveinnovationresearch,analysisanddesigntothebananaskin,expecttousuallysupporttowaitadifficultproblemafterkeepingthemachineorganizationoftediouscomplicationsfromproducing.
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