榨汁机的设计

1基于Pro/E螺旋榨汁机的设计于俊波（河北科技师范学院机械电子系）摘要：Pro/ENGINEERWildfire野火版2.0以其易学易用、功能强大和互连互通的特点，推动了整个产品开发机构中个人效率和过程效率的提高。它既能节省时间和成本，又能提高产品质量。基于Pro/E的强大功能，本设计利用Pro/E完成了螺旋式连续榨汁机的设计，螺旋式连续榨汁机以其结构简单、操作方便、榨汁效率高等优点而得到广泛应用。就目前来讲,螺旋式连续榨汁机主要应用在食品方面,用于榨取苹果、梨、番茄、菠萝、桔子、胡萝卜等果蔬的汁液。关键字：Pro/E；榨汁机；螺旋前言传统的通用机械产品的设计是首先将产品以平面的形式表达出来，然后进行反复校核和修改，最后由加工者把图样上的内容转化为成形的产品，这样不仅设计周期长，成本高，而且当产品制造出来后，经常会出现零部件之间相互干涉，无法安装和装配到位等重大设计失误，如此反复修改也延长了产品投放市场的周期。鉴于通用机械的使用范围广，设计行业多，这就对通用机械的可靠性、稳定性和通用性提出了较高的要求。目前世界上应用最为泛的高档三维商业软件Pro/E就可以很好地解决这些问题。Pro/E直接采用三维设计，使设计者能了解产品的每一个细节，并利用其参数化设计的思想，使零件的设计、修改变得简单易行，同时还可以完成产品的系列化设计。另外利用Pro/E的分析功能，可以完成机构运动学、动力学仿真和有限元分析。进入21世纪后，随着我国水果产量的大幅度提高和鲜销市场的逐渐饱和，“卖果难”愈演愈烈。另外，由于我国经济实力的增强及人民生活水平的提高，果汁加工业又进入一新的发展时期。榨汁机是果品行业的重要组成部分。因此，对榨汁机设备的研究势在必行。要求设计研究出结构简单、成本低、效率高的榨汁设备。基于Pro/E的强大功能，本设计利用Pro/E完成了螺旋式连续榨汁机其结构简单、操作方便、榨汁效率高等优点的设计。1总体方案设计1.1整体布局设计本设计在布局上采用折叠式,即螺杆、减速器在一个水平面上,将电机置于另一个水平面上(见图1)。这样布置,一是较大幅度减少了整机长度,提高了设备刚度,节省了原材料,降低了成本;二是电机与减速器之间采用三角带传动,起到了缓冲作用,可避免因原料带入异物造成螺杆堵转、引起瞬间负荷过大时,烧坏电机或损坏减速器等故障的发生;三是由于电机位置较低、以及在电机与减速器之间采用三角带传动,极大地降低了机械振动与噪声。基本结构螺旋式连续榨汁机基本结构如图1。2螺旋式连续榨汁机三维结构图如图2。图1螺旋式连续榨汁机结构简图1-电机2-三角带3-减速器4-联轴器5-进料斗6-螺杆7-筛筒8-出料斗9-集液盘10-机架图2螺旋式连续榨汁机三维结构图31.2工作原理由图2可知：该机由机架、螺杆、筛筒、减速器、电机等组成。电机1通过三角带2带动减速器3转动,减速器3通过联轴器4带动螺杆6转动,物料由进料斗5喂入,在螺杆6的作用下,受到挤压,物料中的水分通过筛筒7流出,经集液盘9排出机外,物料在强大的挤压作用下,汁液越来越少,最后经出料斗8排出。1.3螺杆部设计通常螺旋式连续榨汁机是靠螺杆在筛筒内旋转,对物料产生压力，从而使物料中的汁液被强制挤出。螺旋式连续榨汁机螺杆按不同的分类方法有多种型式。如按螺杆螺纹直径分类有等径与变径之分，按螺杆螺距分类有等距与变距之分；按螺杆螺纹型式分有连续与断续之分等。针对本设计加工对象综合考虑,确定采用变径、断续、变螺距螺杆。螺杆上的螺旋共分四段(如图3)。第一段为喂料螺旋，主要作用是输送物料；第二段是预压螺旋，主要作用是对物料进行初步挤压，并开始挤出水分；第三段、第四段是压榨螺旋，主要作用是不断增加对物料的进一步挤压，使水果的果汁被强制挤出。特别是第四段具有增压作用,进一步提高出汁率。图3螺旋轴1.4螺杆螺旋直径和螺距的设计[2]螺杆螺旋结构简图如图4。图4螺杆螺旋结构简图41.4.1螺杆转速的确定由于本螺杆工作性质属于压榨范畴，故转速较低。参照榨油机、油料化机、食品榨汁机，决定选用n=130r/min。1.4.2螺距的确定初选螺距，第一段t=50mm，其他各段螺距依次递减。物料移动速度(m/s)计算：v0=60nt=6005.0130=1.08m/s螺旋式连续榨汁机的生产能力公式如下：G=3600F0v0ρ1Φ(kg/h)式中:：G—生产率,本设计取G=1000kg/h；F0—螺杆螺旋送料的断面面积(m2)；ρ1—物料容积密度，本设计取ρ1=400kg/m3；Φ—充填系数,本设计取Φ=0.2。将参数代入得：1000=3600×F0×1.08×400×0.2解得：F0≈0.0321(m2)根据螺杆螺旋送料的断面面积计算公式：F0=4)(d2120d式中：d0—螺杆螺旋送料的断面大径(m)；d1—螺杆螺旋送料的断面小径(m)；本设计根据强度计算得d1=0.09m；将有关数据代入得，则可求得：d0≈0.2213m取螺杆螺旋送料的断面大径d0=0.24m。1.5功率计算[9]榨汁机的功率消耗包括两方面：压缩物料所消耗的功率；使物料移动消耗的功率。在这里，把轴与轴承摩擦等所消耗的功率算入机械效率中。设压缩物料所消耗的功率为P1：5P1=4)(d2120dmax60psn(1+2+3+…+Z)（W）=0.0321101083.060005.01306=2891.5W式中：s——相邻螺距大小之差，m；Z——螺距数目；maxp——物料所受的最大压力，取0.83MPa；0d——螺旋外径，m；1d——螺旋内径，m。设使物料移动所消耗的功率为P2：P2=mvt12=22vtm(W)式中：m——物料的质量kg；t——物料运动时间s。而tm=G(生产能力)v=60ns所以：P2=26021nsG=720022sGn(W)=720005.0130100022=60.5w则消耗的功率为：P=21pp(W)6=81.05.605.2891=3657.1w式中：——传动效率。由电动机至工作机之的总效率[7](包括工作机效率)为：54321式中：1、2、3、4、5分别为带传动、齿轮传动的轴承、齿轮传动、联轴器、螺杆轴的轴承的效率。取1＝0.96、2＝0.99、3＝0.97、4＝0.97、5＝0.98、则：54321＝0.96×0.993×0.973×0.97×0.98＝0.812选择电动机按已知的工作要求和条件，选用Y型全封闭鼠笼型三相异步电动机[7]。2.1选择电动机功率榨汁机所需的电动机输出功率为：Pd=P=21pp(W)=81.05.605.2891=3657.1w2.2确定电动机转速[6]旋转轴的工作转速为：n=130r/min，按推荐的合理传动比范围，取带传动的传动i＝2—4，减速器的传动比i＝4—12.5，则合理总传动比的范围为i＝8—50，故电动机转速的可选范围为：(8-50)130=1040-6500r/min符合这一范围的同步转速有1500r／min，3000r／min再根据计算出的容量，查出有这几种适用的电动机型号见表1，其技术参数传动比的比较情况见下表。表1电动机型号和技术参数及传动比7方案电动机型号额定功率电动机转速传动装置的传动比P/kW同步转速满载转速总传动比带减速箱1Y112M41500144011.082.842Y112M43000292022.42.88综台考虑电动机和传动装置的尺寸、重量以及带传动和减速器的传动比，可知方案2比较适合。因此选定电动机型号为Y112M。所选电动机的额定功率edP＝4kw，满载转速mn=1440r／min，总传动比适中，传动装置结构较紧凑。所选电动机的主要外形尺寸和安装尺寸如图5和下表2所示：图5电动机结构简图表2电动机的主要外形尺寸和安装尺寸中心高H外形尺寸L(AC/2+AD)HD底脚安装AB地脚螺栓空直径K轴伸尺寸DE装键部位尺寸FGD1124003052651801401228608363计算总传动比和分配传动比由选定电动机的满载转速mn和工作机主动轴的转速wn，可得传动装置的总传动比为：i=wmnn=08.1113014408计算出总传动比后，应合理地分配各级传功比，限制传动件的圆周速度以减小动载荷，降低传动精度等级。分配各级传动比时考虑到以下几点：各级传动的传动比应在推拌的范围内选取；应使传动装置的结构尺寸较小、重量较轻；应使各传动件的尺寸协调，结构匀称、合理，避免互相干涉碰撞。故V带传功比取2.8，减速器传功比取4。4计算传动装置的运动和动力参数[7]进行传动件的设计计算，先推算出各轴的转速、功率和转矩。按内电动机至工作机之间运动传递的路线推算各轴的运动和动力参数如表3。4.1各轴转速1n=1inm=8.21440=514.3minr212inn=43.514128.6minr式中：mn为电动机的满载转速，单位为minr；1n，2n分别为减速器输入轴和榨汁机螺旋轴的转速，单位为minr；1i为电动机至减速器输入轴的传动比；2i为减速器的传动比。4.2各轴的输入功率1P=edP01=40.96=3.84kW2P=edP12=3.840.95=3.65kW式中：edP为电动机的输出功率，单位为kW；1P、2P分别为减速器输入轴和榨汁机螺旋轴的输入功率，单位为kW；01、12分别为电动机轴与减速器输入轴、减速器输入轴与榨汁机螺旋轴间的传动效率。4.3各轴转矩1T=edT011i9=26.52.80.96=71.3N·m2T=1T122i=71.340.95=271.0N·m式中：1T、2T分别为减速器输入轴和榨汁机螺旋轴的输入转距，单位为N·m；edT为电动机铀的输出转矩，单位为N·m。edT的计算公式为：edT=9550mednP=955014404=26.5N·m表3传动装置的运动和动力参数轴名参数电动机轴减速器螺旋轴转速n/(r/min)1440514.3128.6输入功率P/kW43.843.65输入转矩T/(N·m)26.571.3271.0传动比i2.84效率0.960.955设计V带5.1确定计算功率caP[3]因为工作机是螺旋榨汁机，故属于载荷变动较大的机械，原动机是交流电动机（普通转矩鼠笼式），工作时间小于10小时/天，启动形式为软启动。故：PKPAca=1.2kw8.44AK——工作情况系数取AK=1.2。5.2选择V带的型号[3]根据计算功率caP和小带轮转速1n，得A，B型均可，选择A型普通V带。105.3确定带轮基准直径1D和2D5.3.1初选主动轮的基准直径1D[3]根据所选V带型号参考，选取min1DD，选mmD1001。5.3.2验算带的速度VsmnD23.51000601000100100060V115.3.3计算从动轮直径2DmmiDD2801008.2125.4确定传动的中心距a和带长dL初定中心距，由2202127.0DDaDD即：10028021002807.00a即：7602660a，取500mm。计算基准带长：0212210422aDDDDaLdmm15.16135004100280280100250022选取带的基准长度，查表[3]得：mmLd1633计算实际中心距，由公式：mmLLaadd510215.161316335002'0考虑安装调整和补偿初拉力的需要，中心距的变动范围为：mmLaad4751633015.0500015.0minmmLaad549163303.050003.0max115.5验算主动轮的包角1a根据公式及对包角的要求，应保证：1201586050010028018060180121aDDa5.6确定