椰子剝殼機畢業(yè)設計.doc

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本科生畢業(yè)設計 椰子剝殼機的設計 學 院： 機械與電氣工程學院 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 學 號： 學生姓名： 指導教師： 二 〇 一 三年 六 月 摘 要 椰子內含果肉和椰子水，具有豐富的油脂、蛋白質等營養(yǎng)物質，且椰衣可以加工成纖維墊、繩索等，具有很高的綜合應用價值。而剝殼是椰子加工的一個很重要的環(huán)節(jié)，所以本次設計是一種機械化程度較高的椰子剝殼機械，可提高椰子的剝殼生產效率。 本設計在查閱資料基礎上，通過對不同方案的選擇，確定剝殼的傳動系統(tǒng)方案，進行椰子剝殼機的設計。本設計通過對系統(tǒng)的齒輪、齒輥、軸、擋板、壓框裝置、進料裝置等的結構設計和配合設計，最終完成各個部件的配合組裝，通過solidworks三維軟件，進行裝配，并且以運動仿真的形式演示了本設計的工作過程；同時在AutoCAD的基礎上，對該系統(tǒng)的裝配圖和部分零件圖進行了繪制。 關鍵詞：椰子；剝殼； solidworks；motion運動仿真；Autocad  Ⅱ Design of the Husking Machine of coconut Abstract Coconut 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 錄 1．概述 1 2．系統(tǒng)傳動設計 1 2.1方案的選擇 1 2.2電動機選擇 4 3．椰子剝殼機的結構設計 4 3.1聯(lián)軸器的選擇 4 3.2齒輪傳動的設計與計算 5 3.3連接小齒輪軸的設計 7 3.4齒輥的設計 9 3.5進料裝置的設計 9 3.6擋板的設計 9 3.7壓框裝置的設計 9 4．運動仿真 11 4.1仿真的目的與意義 11 4.2仿真的研究 11 4.3仿真的局限難題 14 5．椰子剝殼機的裝配圖 14 結論及存在問題 15 參考文獻 17 致謝 18 Ⅲ 17 椰子剝殼機的設計 姓名： 學號： 班級： 1．概述 椰子是棕櫚科椰子屬的多年生熱帶木本油料作物,椰子樹的主要產物為椰果,其形狀近球形，由外果皮、中果皮、內果皮、種皮、種仁(胚乳)、胚、椰子水等部分構成。椰子的的外果皮和中果皮俗稱椰衣,一般占全果質量的33%~35%；內果皮俗稱椰殼，占全果質量的12%~15%，呈黑褐色，質地十分堅實,可制椰殼炭和椰殼粉;種仁供食用，故稱椰肉，占全果質量的28%~30%，為椰殼所包覆，富含油脂、蛋白質等營養(yǎng)成分。種仁與殼之間有一層緊附在椰肉上的褐色種皮，富含油脂,種皮占去衣椰子質量的3.6%~6.0%。椰子水占全果質量的22%~25%。椰子可供食用的部分為椰肉和椰子水，為全果質量的50%~55%[1]。 我國椰子加工主要集中在海南，有加工企業(yè)近300家，已經成為海南的重要產業(yè)。我國（南海）的椰子產品加工總體技術水平、科技含量、技術創(chuàng)新、生活規(guī)模、產品花色品種和質量等方面與菲律賓、馬來西亞和泰國的椰子主產國相比還有一些差距大部分企業(yè)規(guī)模小、技術含量薄弱，產品加工的機械化水平及精深加工程度還不夠，難以提高經濟效益和資源利用率[2]。 椰子具有很高的綜合應用價值，椰衣可加工成纖維墊、繩索等；椰子果肉營養(yǎng)豐富，即可生食，也可制成各種營養(yǎng)豐富的椰子類特色食品。在生產過程中，椰子剝殼是椰子加工中非常重要的工序，剝殼后的椰衣，椰子果（內含椰子水）才能進一步加工成相應的產品。在國內的椰子剝殼機研究起步比較早，市場上也有許多椰子剝殼機，但成熟的椰子剝殼機卻很少見。在國外，印度尼西亞有一種液壓式剝殼機，采用液壓的方式，模擬人工操作對椰子剝殼，該機減輕了工人的勞動強度，但產量低，產品質量差異也較大；另外還有一種旋切式椰子剝殼機，該機利用高速旋轉盤刀以切削方式破壞椰衣，殘余的果皮纖維再通過旋轉的網絲輪加以去除，但剝殼后椰衣纖維破壞嚴重，產品的經濟價值減少[3]。 基于對椰子幾何物理機械特性的研究，研制一種椰子剝殼機，可以滿足當前椰子加工中機械剝殼的應用需要，可對椰子產品加工生產帶來很大方便。設計的椰子剝殼機綜合性能優(yōu)，操作簡易，可靠性高，可基本實現(xiàn)機械加工剝殼，對椰子的生產加工帶來很大的便利。 該椰子剝殼機的主要技術參數如表1-1。 表1-1椰子剝殼機的技術參數 名稱 數值 壽命/年 10 每天工作/h 8 處理量/pcsh-1 500 電動機功率 /kw 3 2.傳動設計 2.1方案的選擇 初步有三種方案的選擇，如下圖2-1、2-2、2-3所示。 方案一中，系統(tǒng)原理如圖2-1，工作時將椰子7放在托盤6上，開動升降伺服電機1，經扭矩傳感器2驅動升降絲杠5旋轉，進而帶動升降螺母3、托盤支架4、托盤6上升，將椰子7抬起來，當椰子7碰到切割刀具8時，扭矩傳感器2的測量數值突然變大，這時控制升降伺服電機1繼續(xù)旋轉，將椰子7再抬高20mm左右，使切割刀具8扎入椰衣內，然后控制升降伺服電機1繼續(xù)旋轉，將椰子7繼續(xù)抬高，同時切割伺服電機13驅動切割絲杠12轉動，在切割絲杠12帶動下，使切割螺母14下降，帶動刀具支架11下降，使搖桿9繞鉸鏈10轉動，帶動切割刀具8向外展開，將椰衣剝開，隨后，升降伺服電機1、切割刀具8并攏，恢復到初始位置狀態(tài)[4]。 圖2-1 方案一 1.升降伺服電機 2.扭矩傳感器 3.升降螺母 4.托盤支架 5.升降絲杠 6.托盤 7.椰子 8.切割刀具 9.搖桿 10.鉸鏈 11.刀具支架 12.切割絲杠 13.切割伺服電機 14.切割螺母 方案二中，系統(tǒng)原理如圖2-2所示，起初投入的椰子5落在傾斜的剝殼頂板1上，由于刀片接觸支撐，然后左側豎直釘板沿X方向運動適當距離使刀片扎入椰子，右側傾斜釘板沿Y向運動使兩個釘板上的刀片滾切揉搓椰子，Y向移動超過普通椰子半周的適當距離。然后返回，并且右側傾斜頂板可以根據剝殼效果適當重復Y向的移動，期間扎入椰子的刀片便會入人工剝殼一樣把椰子椰衣撬開剝除[5]。 圖2-2 方案二 1. 釘板 2.彈簧 3.護板 4.刀片 5.椰子 6.活板 7.氣道 8.擋塊 方案三中，系統(tǒng)原理如2-3圖所示，剝殼裝置主要由減速電機1，聯(lián)軸器2，主動齒輪3，從動齒輪4，主動剝殼齒輥5，從動齒輥6，擋板7及剝殼機架8組成。減速電機通過聯(lián)軸器帶動主動齒輪轉動，從動齒輥通過一對圓柱型直齒輪進行傳動，從而使主、從動齒輥相向轉動。椰子從進料口進入剝殼通道，兩齒輥平行布置且相向轉動，齒輥表面上安有齒釘，椰子在齒輥的帶動下，邊轉邊前行，椰衣逐漸被齒釘所刺破，并從椰子內果上剝離，從而實現(xiàn)椰子剝殼[3]。 圖2-3 方案三 1.減速電機 2.聯(lián)軸器 3.主動齒輪 4.從動齒輪 5.主動齒輥 6.從動齒輥 7.擋板 8剝殼機架 結合三個方案，方案一的椰子要人工放入托盤上，效率較慢，且危險性較大，不優(yōu)先考慮；方案二中由于椰子的大小和硬度沒有標準，當釘板的力度一定時，會出現(xiàn)剝殼不足或過度剝殼的現(xiàn)象，故也不采取方案二；通過對比三種方案，方案三采用減速電機通過齒輪連接齒輥，讓椰子在齒輥上滾動進行剝殼，不會出現(xiàn)過度剝殼，且齒輥長度足夠長可滿足范圍內的椰子剝殼，在齒輥上方加入上料機構，可解決人工上料問題，安全可靠，綜合考慮，故選擇方案三。 2.2電動機選擇 由于椰子在滾動過程中主從齒輪帶動的齒輥相向運動且轉速不同，使椰子帶有旋轉運動，齒釘沿齒輥面縱向按90度右螺旋線布置，也會影響椰子的轉動和向前運動，故椰子的運動受力等比較復雜，不好分析，先試選電機。由于針擺式減速電機廣泛用于冶金、礦山、起重、運輸、水泥、建筑等行業(yè)，體積小且安全方便，足以滿足椰子剝殼的需要，故選用針擺式減速電機，查詢選擇電機型號為針擺式減速電機X4，該電機輸入功率為3kw，輸出轉速為88r/min。電機的型號選擇于參數如圖2-4 圖2-4 電機選擇參數圖表 3．椰子剝殼機的結構設計 3.1聯(lián)軸器的選擇 由選的擺線針輪減速電機型號知，電機輸入軸的直徑D=45mm；由于，查設計手冊，選聯(lián)軸器型號為： 該聯(lián)軸器傳遞的公稱力矩Ｔn=500 Nm ；取與軸配合的半聯(lián)軸器孔徑d1=45 mm；故軸連接小齒輪的軸為d=45 mm；半聯(lián)軸器長度L=84mm，與電機軸聯(lián)合部分長度L1=84 mm。 3.2齒輪傳動的設計與計算 由于工作環(huán)境沒特殊要求，故采用開式齒輪。開式齒輪傳動的潤滑方法一般是全損耗型的，而任何全損耗型潤滑系統(tǒng)，最終在其齒輪表面只有薄層覆蓋膜，它們常處在邊界潤滑條件下，因為當新油或脂補充到齒面時，由于齒面壓力作用而擠出，加上齒輪回轉時離心力等的綜合作用，只能在齒面上留下一層薄油膜，再加上考慮齒輪磨合作用，因此潤滑油必須具備高粘度或高稠度和較強的粘附性，以確保有一層連續(xù)的油膜保持在齒輪表面上。故采用脂潤滑。 所選的電機輸入功率為3kw，轉速為88r/min，傳動比為1.5，則 1） 選擇齒輪材料、熱處理方式和精度等級 考慮該減速電機功率較小，且載荷沖擊為輕微沖擊，故大、小齒輪均用45鋼表面淬火；平均齒面硬度為45 HRC；選用8級精度等級； 2） 按齒根彎曲疲勞強度初步計算齒輪參數，即按： （3-1） 式中各參數為： ① 試選載荷系數=1.6 ② 計算主動齒輪的轉矩： ； ③ 查表得齒寬系數 ，取0.7； ④ 取=30，則=1.530=45 ⑤ 查表得齒形系數=2.52，=2.35，應力校正系數=1.625，=1.68 ⑥ 許用彎曲應力按式： （3-2） ⑦ 計算 查圖得彎曲疲勞極限， 取=2.0，取安全系數=1.4。 主動齒輪與從動齒輪的應力循環(huán)次數分別為 查圖得彎曲疲勞壽命系數 由彎曲應力公式（2-2）得： 所以，= 代入數據，計算得： 3） 確定傳動尺寸 ① 計算圓周速度： 按照公式3-3計算 （3-3） 代人數據，解得： 故8級精度合用。 ② 計算載荷系數 查設計手冊得各系數選擇如下： 使用系數=1.25 齒間載荷分配系數=1.2； 齒向載荷分布系數=1.07； 由，8級精度查圖得動載系數=1.08； 則: = （3-4） 代人數據，解得：=1.251.081.21.07=1.7334 ③ 對進行修正。 (3-5) 代入數據，解得： ；考慮磨損的影響增大模數15%，則m=2.6087 x（1+15%）=3.0 ，取標準模數=3mm。 ④ 計算中心距。 (3-6) 代人數據，解得： ⑤ 計算分度圓直徑。 由公式 (3-7) 計算得： ⑥ 計算齒寬。 (3-8) 帶人數據，解得： 取，則: 由于開式齒輪傳動不會出現(xiàn)點濁，故無需驗算齒面接觸疲勞強度。 3.3連接小齒輪軸的設計 1） 選擇軸的材料 該軸無特殊要求，因而選用調質處理的45鋼；由《機械設計》表8-2知，， 2）求輸出軸的功率、轉速及扭矩： 若取每對齒輪的機械效率（包括軸承效率在內，且忽略聯(lián)軸器的機械效率）η=0.97，則按公式3-9計算 （3-9） 代入數據得 于是： （3-10） 代入數據，算得， 3）初步估算最小軸的軸徑 先按式 （3-11） 初步估算軸的最小直徑：由《機械設計》表8-4，當選45鋼時，取C=110，于是得： 考慮軸上開有鍵槽對軸強度的削弱，軸徑需增大5%，則： 4）徑向尺寸的確定 根據連接電機軸（齒輪）、軸承、與齒輥配合安裝尺寸要求將軸設計為3段，由以及聯(lián)軸器型號，確定各段軸直徑為：42mm、55mm、66mm，軸的設計如圖3-1所示。 5）軸向尺寸的確定 根據聯(lián)軸器配合軸段長度84、小齒輪厚度70、機架與軸承選擇、與齒輥配合長度依次確定每段長度為135mm、55mm、50mm，如圖3-1所示。軸上的平鍵，查設計手冊選擇鍵，鍵槽用鍵槽銑刀加工，長為70mm。 圖3-1 連接小齒輪軸設計圖 3.4齒輥的設計 齒輥是椰子剝殼機重要零部件，主要由左右軸頭、齒輥筒、齒釘、定位銷組成。左右軸頭前面已經設計好，而齒輥筒則如圖3-2所示，由內徑66mm，壁厚12mm的無縫鋼管制成。左右軸頭、齒輥、齒釘3個部分分別加工后，通過配合以及定位銷聯(lián)接，為了保證聯(lián)接強度，兩端軸頭與齒輥筒聯(lián)接處沿四周點焊。齒輥筒外表面的齒釘沿齒輥面縱向按90度四列右螺旋線布置，相鄰兩個齒間的轉角為9度，齒釘的材料為20鋼，滲碳淬火處理。 圖3-2 齒輥的設計 3.5進料裝置的設計 進料裝置設計為漏斗形狀，如圖2-7，。不用承受很大的力，故用厚度為8mm的鋼板制成，焊接在機架上固定住。在進料裝置底部安有彈性鋼片，用plc行程開關控制，當完成一個椰子剝殼，椰子滾到齒輥后部分，壓在行程開關時啟動彈性鋼片的控制，拉動彈性鋼片向側邊靠，進料口上方的椰子失去彈性鋼片的阻擋，掉落到齒輥上，開始剝殼。其中行程開關用點位控制，即每按一次就掉落一個椰子，可以實現(xiàn)進料。 進料裝置的尺寸如2-7所示。 圖3-3 進料裝置示意圖 3.6擋板的設計 由于椰子剝殼時，椰衣會從齒輥上掉下，但齒輥上的齒釘會帶著椰衣轉動，當積累到一定厚度的椰衣，不但會影響剝殼的效率，更可能會卡住齒輥，造成椰子剝殼機的損壞。為了解決這一問題，設計了擋板，在齒輥下方，擋板上方開有與齒釘位置相對應的凹槽，每當齒輥帶著椰衣轉動到擋板時，擋板就會擋住椰衣，留下齒輥從凹槽過去，被擋住的椰衣便受到重力掉落到機架中間的挖空處，最后實現(xiàn)刺破的椰衣的處理。擋板的結構示意圖如圖2-8： 圖3-4 擋板結構示意圖 擋板裝在機架的凹槽上，可以與機架電焊在一起；由于擋板不用主要是擋住被剝下的椰衣，故沒有特殊的要求，材料采用45鋼即可。 3.7壓框裝置的設計 椰子從進料口進入到齒輥間的剝殼通道時，由于椰子的外形多變，且在齒輥上滾動時會受到齒釘的作用力，可能會拋出去，必須通過壓框裝置將椰子固定在一定范圍內，保證椰衣能夠充分的被齒輥刺破，順利剝殼。剝殼裝置的示意圖如圖2-9 圖3-5 壓框裝置示意圖 由于沒有特殊要求，故壓框裝置用4mm厚鋼板制成，邊沿開有螺孔，采用M2.5螺釘配合，用螺絲固定在機架上。 4．運動仿真 4.1仿真的目的與意義 設計的椰子剝殼機，是由兩個大小齒輪帶動齒輥，椰子在上面滾動，齒輥上的齒釘刺破椰衣從而實現(xiàn)椰子的剝殼，其中椰子運動的不確定性和壓框裝置的作用都需要直觀的表現(xiàn)才能明了，但是條件有限，不能實際加工出椰子剝殼機，故使用solidworks的運動仿真。solidworks的仿真可以在加工前模擬出機構的運動，大大節(jié)省了時間與金錢，是一個很好的運用，用solidworks仿真可以很直觀的看到椰子剝殼機的工作全過程，方便我們了解其剝殼的工作過程。 4.2仿真的研究 由于本次設計用的三維軟件為solidworks，對其了解后，知道有運動仿真的一個功能，于是就學習了其仿真方面的知識。Solidworks的運動仿真在其運動算例的一個功能下，在建立了一個運動算例（如圖4-1）后，就會出現(xiàn)仿真的畫面，如圖4-2為仿真的界面。 圖4-1 運動算例的建立 圖4-2 運動仿真的界面 在運動算例建立后，里面有動畫和基本運動兩種運動算例。其中動畫是由鍵碼和馬達驅動，并由裝配配合功能生成的運動；而基本運動是在裝配體上模仿馬達、彈簧、碰撞、引力。但兩種運動算例都只是簡單的運動動畫，沒有大的物理仿真意義。在網上查找資料，知道solidworks里有個插件叫motion，是一個專門拿來精確仿真模擬并分析裝配體運動的功能件，并且還可以生成所分析零部件的數據圖表，更能直接明了的對裝配體的運動進行分析。 Motion插件的添加是在工具欄上的插件上，點入進去，里面有插件的選擇，如圖4-3，在SolidWorks Motion前面勾選和后面的啟動項勾選后，就可以在運動算例上使用motion仿真的功能了。 圖4-3 插件的選擇 在motion的仿真算例中，可以添加馬達、阻尼、力、約束、彈簧、引力、接觸等，建立各個零部件的約束關系，進行運動仿真。在此次運動仿真中，先在連接小齒輪的軸上添加一個旋轉馬達，選擇馬達的位置和方向，設定好轉速，如圖4-4所示。 圖4-4 馬達的選擇與設定 在設定好馬達后，添加引力，由于我們需要模擬重力的作用，所以添加引力為Y軸方向的引力，大小默認為系統(tǒng)的重力值；然后選擇接觸，然后把各個零部件、基臺與椰子等都選上，添加接觸效果。最后設置基臺、椰子、齒輥等零部件的材料，在每個零部件上單擊右鍵，可以選擇材料中的編輯材料進行設置材料的成分，如圖4-5，由于solidworks系統(tǒng)里有許多的材料選擇，不用再輸入材料，直接選擇，在這設計中，由于沒有椰子的材料，所以椰子用了軸木材料。在做好上述之后，點擊計算運動算例按鈕，開始計算仿真的數據，并且可以看到椰子從進料口進去在齒輥上運動的效果，由于壓框裝置會擋住實線，在這我們設置其透明度較高，這樣可以更直觀的看到椰子運動的全過程。 圖4-5 材料的選擇設置 在計算好運動算例后，點擊播放可以看到椰子剝殼的運動仿真效果，此外還有保存錄像的功能。仿真效果做到后，如果沒問題，可以保存動畫，如圖4-6，動畫可以保存為avi格式的，當正在模擬動畫保存時，可以滾動鼠標滾輪和移動視角，這樣保存的動畫也會根據你的視角變化而制成，更能從各個角度看到椰子運動仿真的效果。 圖4-6 動畫的保存 4.3仿真的局限難題 此次的仿真雖然能夠模擬椰子剝殼機的運動剝殼效果，但還是遇到一些難題與局限。首先是仿真剝殼的局限，由于椰子剝殼機是剝椰子外面的纖維椰衣，但是solidworks沒有這一類的材料仿真，不能看到把椰衣纖維剝殼的真實效果，這是最大的遺憾；其次是椰子剝殼仿真的進料問題，由于motion仿真不能像其動畫功能那樣可以為每個零部件獨立添加鍵碼幀數，不能仿真多個椰子順序剝殼的效果。此外，還有一些難題，比如說電腦的配置不夠，在計算仿真運動時，速度較慢，一次計算少則花費十分鐘，多則二十多分鐘，有時甚至出現(xiàn)solidworks軟件的癱瘓，這是探究仿真問題的一大難題。 5．椰子剝殼機的裝配圖 椰子剝殼機的裝配圖用cad繪制成，但由于除了進料裝置外，其他的都是斜著安裝在30度的基臺上的，故難以畫出，為此，采用斜視圖。如圖5-1，在垂直與斜面基臺上和沿著基臺斜面上分別畫兩個斜視圖，并且其中一個取軸的中間面剖開來畫，就能很清楚的表達和看到椰子剝殼機的全部裝配效果了。其兩個斜視圖分別如圖5-2、5-3。另外再把基臺和進料裝置采用正常畫法，畫出三視圖。 圖5-1 斜視圖畫裝配圖一 圖5-2 斜視圖畫裝配圖二 圖5-3 斜視圖畫裝配圖三 結論及存在問題 在老師的精心知道和自己的努力下，終于完成了椰子剝殼機的畢業(yè)設計任務。經過這次任務，我對椰子的利用以及椰子剝殼有了更深層的認識，同時也鞏固了我的專業(yè)知識，如機械設計、機械原理等，在把理論知識轉為實際，讓我不僅僅是停留在課本上，還延伸到了實際情況中，提高了我的分析問題及解決問題的能力?？梢哉f，椰子剝殼機的設計涉及了機械工程的相關知識點，是在系統(tǒng)地學習了相關基礎知識后的一次綜合實際應用，對提高我們的設計水平具有很重要的意義。 椰子剝殼機的設計的主要是進行傳動系統(tǒng)的設計，并且進行電機的選擇，齒輪傳動的設計、軸的設計和其他重要結構的設計，如壓框裝置、擋板、齒輥的設計，都需要考慮各個結構的配合，在設計完成后，繪制裝配圖，并且做出椰子剝殼的運動仿真。 椰子剝殼機有如下特點:設備占地面積小, 不受地區(qū)、場地限制, 只要有市電供給即可； 生產效率比起一些剝殼機來說相對較高, 并且設備的操作維護比較簡單；椰子剝殼機的安全性高（有壓框裝置），對工人的安全有較大的保障?？梢哉f，椰子剝殼機的綜合技術經濟指標具有較高的先進性。 本次畢業(yè)設計的系統(tǒng)內容主要參照所學的專業(yè)理論知識及機械設計手冊，并在老師的指導下完成，尚未經過實踐檢驗，因此設計結果有待在實踐中進一步完善；另一方面，由于電腦配置的原因，運動仿真沒有也沒有達到預期的效果。 參考文獻 [1] 李秀娟，李小慧，新鮮椰子的綜合利用[J]. 食品科技，1991，（1）：47-49. 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