沖壓式芡實去殼機的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

緒論芡實的種植面積雖然不小，但是其單產(chǎn)量很低，導(dǎo)致芡實的總體產(chǎn)量也比較低。雖然芡實的營養(yǎng)價值很高，但是弄出其果實比較難，因為芡實的外殼很硬，加上加工手段比較落后，交通運輸不方便，導(dǎo)致芡實的產(chǎn)量上不去。很多芡實種植者基本上都是自產(chǎn)自銷的狀態(tài)。數(shù)千年以來，芡實去殼的方法都是以手工去殼的比較多，現(xiàn)代技術(shù)設(shè)計的機械脫殼設(shè)備很少。芡實脫殼的方案有：化學(xué)法、生物化學(xué)法、能量法、真空法、激光切割法、火燒法、機械法。對于其他堅果吸納在至少有相應(yīng)的剝殼機器用于工業(yè)生產(chǎn)，而對于芡實剝殼機器的基本上還是比較少的，而且每個堅果類的機器，因為它們的外形都不一樣，所以機器也不能用同一機器，也就是沒有通用性。因此要設(shè)計一款芡實剝殼機器來應(yīng)對現(xiàn)在的芡實產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。芡實的外形可以看作為不規(guī)則的球體，通過芡實的外形分析及截面分析，大式可以得到其幾何特征：1）芡實沿厚度方向有凸起一個小部分，除了那個小部分其余芡實的厚度比較均勻；2）芡實的表面比較光滑，就是有些小部分會有小顆粒存在；3）芡實的內(nèi)部果仁與外面的芡實果殼有較小的間隙，還有一層薄薄的膜，但是間隙比較均勻；這種不規(guī)則的芡實加工起來不好定位，整體強度較低。芡實的外殼堅硬，里面的果仁強度比較低。而且干芡實果殼與果仁間存在間隙，濕芡實果殼與果仁間隙之間被一層膜填充，所以干芡實比濕芡實更易脫殼。對芡實果殼的基本物理特征的分析有助于芡實剝殼機的結(jié)構(gòu)設(shè)計，該文使用了有限元對芡實破殼力的分析。在這種情況下，設(shè)計出一臺機械式?jīng)_壓芡實剝殼機，有利于提高芡實的剝殼效率，減輕人類勞動力，擴大芡實的種植面積，提高芡實的產(chǎn)量。沖壓式芡實剝殼機的機構(gòu)簡單，工作原理較為明確。快速芡實剝殼，剝凈率可達(dá)98%以上，整仁率可達(dá)90%以上，根據(jù)自動化設(shè)計，芡實剝殼機比同類的設(shè)備速度更快，更為穩(wěn)定。快速分類裝置，脫粒機和仁殼分離裝置的開發(fā)與設(shè)計。適合家庭式加工作業(yè)，操作簡單，芡實的去殼速度大大提高了，解決了芡實的去殼難，去殼慢的問題，節(jié)省了大量的加工時間1.1研究的目的及意義先研究芡實的整體結(jié)構(gòu)，找出最佳的芡實剝殼的方向，然后設(shè)計出符合要求的機器。該機械一旦設(shè)計制造成功,將解決傳統(tǒng)生產(chǎn)效率過低的缺點,且能將芡實米較完整剝出,解放了農(nóng)民的勞動力,為芡實的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供了基礎(chǔ)保障。從大方面講就能帶動蘇州市的經(jīng)濟更快更好的發(fā)展。1.2芡實種植及其加工在國內(nèi)的現(xiàn)狀1.2.1芡實種植的前景芡實種植在中國歷史悠久，分布也比較廣泛，其主要的產(chǎn)值地區(qū)有：河北、河南、江西、廣西、四川、湖南、湖北、江蘇貴州以及沿海地區(qū)。芡實有南、北芡實之分。其中江蘇省的芡實種植區(qū)域最廣，主要分布在湖邊以及沿岸區(qū)域。芡實是一種水生草本植物，生產(chǎn)在湖泊中，適合生長在溫暖、濕潤、陽關(guān)充足、水位比較穩(wěn)定的淤泥池塘和湖邊。芡實的營養(yǎng)價值很高，少量的淀粉，少量的脂肪油，還富含鈣、磷、鐵、維生素C、蛋白質(zhì)、氨基酸等大量對人體十分有益的成分，更是被譽為“水中人參”。因此，芡實的營養(yǎng)價值很高、保健。芡實也是一種藥材，治遺精，淋濁，益腎玆陰，健碑止瀉。是一種長期可以服用的綠色產(chǎn)品。芡實還可以幫助腸胃的吸收，提高尿木糖的排泄以及提高血清胡蘿卜素的濃度。這樣可以大大減少癌癥的發(fā)病率。所以芡實的果仁作為藥物被我國藥店以及制藥大量使用。每年芡實用在制藥上大約占我國芡實總量的40%。芡實的經(jīng)濟價值很大程度上比一般的農(nóng)作物高很多。在同一的一塊地上，芡實每公頃可以產(chǎn)出約350kg的果仁，水稻在每公頃的產(chǎn)量為10500kg。芡實種植不需要施加肥料和藥物，水稻則需要農(nóng)藥和化肥。芡實的市場價大約每公斤為200元，而水稻的市場價大約只有2元。經(jīng)過比較可以知道每公頃芡實的收入約為70000元，水稻每公頃的收入為21000元。因此，大力發(fā)展芡實產(chǎn)業(yè)有助于當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的收入提高當(dāng)?shù)鼐用竦纳钏?，帶動?dāng)?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展。1.2.2芡實破殼加工的現(xiàn)狀現(xiàn)在芡實的剝殼方法可以分為：傳統(tǒng)剝殼法、機械剝殼法、化學(xué)法、生物化學(xué)法、能量法、真空法、激光切割法、火燒法、機械法。傳統(tǒng)芡實破殼的方法有三種：第一種是相對于嫩芡實的破殼，用手指甲將芡實的外殼剝開。第二種是相對于中芡實的破殼方法，用牙齒將芡實的外殼咬破取出芡實果仁。第三種是相對于老芡實的破殼方法，用如圖1.1（鐵剪的示意圖）將老芡實的外殼剪開。圖1.1鐵剪機械的加工方法有：擠壓式芡實剝殼、重?fù)羰杰蛯崉儦?、剪切式芡實剝殼、摩擦式芡實剝殼、輾搓式芡實剝殼。芡實果仁有外殼、假種皮、和果皮三層皮包裹著。由于芡實的外殼比較堅硬，果仁比較嫩，不易機械加工，這給芡實剝殼機的機械加工提高了難度。雖然現(xiàn)在國內(nèi)也出現(xiàn)了一些剝殼機，但是其脫殼率、整仁率以及機械的成本都不是很理想，很大程度上不能滿足芡實農(nóng)的需求。由于其加工方法是老套，勞動力強度非常大。芡實脫殼加工成謙米，到目前為止一直這種機器很少!仍然采用比較老化的人工剝殼。據(jù)保守估計,一個當(dāng)?shù)氐能蛯嵽r(nóng)民剝芡實果仁每天(10h計)僅能剝46個左右,變成干芡米就只有1.1-1.3kg,每687㎡剝果仁的用人要求可以達(dá)到31-35個;如果剝嫩雞頭米,一天只能被剝成果仁到2.0-2.5公斤，可以想見。因此，工人勞動強度大大限制芡農(nóng)業(yè)的進一步發(fā)展壯大的規(guī)模,一般自己種植然后自己剝殼的芡農(nóng)(夫妻)二人只能種植3335-4002㎡.看到這些情況,能不能設(shè)計出一種機械幫農(nóng)民朋友們從紛繁復(fù)雜的勞動中解脫出來?而且這種機械的剝殼效率要比傳統(tǒng)手工剝殼效率要有很大的提高?于是在老師的指導(dǎo)帶領(lǐng)下我們設(shè)計改進一種”沖壓”機械,原因是這種機器操作方便,自動化程度高,且工作效率滿足要求。1.3芡實剝殼機研究存在的問題及發(fā)展趨勢芡實剝殼效率低是芡實深加工所面臨的主要障礙,還有芡實剝殼機加工出來的芡實果仁的完整性和整仁率偏低是主要問題。要大規(guī)模生產(chǎn)這些產(chǎn)品,必須擺脫傳統(tǒng)手工剝殼的缺點,提高生產(chǎn)率。芡實剝殼機朝著機械化以及全自動化的方向發(fā)展，減少人工勞動力。這樣有助于芡實產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提高當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟收入。2芡實的破殼分析ANSYS作為全球知名的大型CAE分析軟件，ANSYS自20世紀(jì)70年代誕生以來，隨著世界信息技術(shù)和有限元理論的高速發(fā)展，在各個領(lǐng)域得到了高度的評價和廣泛的應(yīng)用。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，各種工程軟件也得到以廣泛應(yīng)用。ANSYS軟件以及成為主流的軟件，應(yīng)用很廣泛。2.1有限元分析的簡介ANSYS提供廣泛的工程仿真解決方案，這些方案可以對設(shè)計過程要求的任何場進行工程虛擬仿真。軟件主要包括3個部分：前處理模板，分析計算模塊和后處理模塊。2.2ANSYS的特色功能ANSYS的特色功能如下前后處理。1）雙向參數(shù)互動的CAD接口：2）智能網(wǎng)格生成器；3）各種結(jié)果的數(shù)據(jù)處理：各種結(jié)果的圖形及動畫顯示；全自動生成計算報告。結(jié)構(gòu)靜力分析（線性/非線性）1)非線性分析;幾何非線性分析能力；(大變形、大應(yīng)力、應(yīng)力強化、旋轉(zhuǎn)軟化、壓力載荷強化）；材料非線性（近70種非線性材料本構(gòu)模型，含彈塑性、超彈性、非性彈性、巖土和混凝土、膨脹材料、墊片材料、鑄鐵材料等）；單元（或稱邊界/狀態(tài))非線性；（5）動力學(xué)分析能力；屈曲分析（線性屈曲，非線性屈曲，圓對稱屈曲分析）；高級對稱分析（循環(huán)對稱模態(tài)分析、循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)靜力分析、軸對稱、平面對稱和反對稱）；斷裂力學(xué)分析（應(yīng)力強度因子、積分、裂紋尖端的能量釋放率）；通用疲勞分析；結(jié)構(gòu)熱分析。1）穩(wěn)態(tài)溫度場：包括熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射；瞬態(tài)溫度場：包括熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射和相變；管流熱耦合；支持復(fù)雜熱載荷和邊界條件；非線性特性（接觸傳熱、非線性材料）耦合場分析部分及其他功能。靜流體分析（流固耦合靜動力分析）。聲學(xué)分析（聲波在各種聲學(xué)介質(zhì)中的傳播、聲波的反射和吸收（遠(yuǎn)場）耦合場分析設(shè)計優(yōu)化：多種優(yōu)化算法、多種輔助工具。擴普優(yōu)化：擴普形狀優(yōu)化、擴普頻率優(yōu)化。概率設(shè)計系統(tǒng)（PDS)其他使用技術(shù)二次開發(fā)特征求解器：直接求解器、多種迭代求解器、特征值求解器。并行求解器。這一章通過proe建立芡實的三維模型，然后通過workbeach軟件對芡實加載方向進行應(yīng)力分析和應(yīng)變分析，從而得到最佳方向的擠壓方向，為機器的設(shè)計提供基礎(chǔ)。2.3芡實的建模對芡實整體進行受力分析：芡實的外形是不規(guī)則的；如圖2.1：圖2.1芡實外形圖芡實建模是利用CreoPro/E建模的，因為其建模能力強大，方便，其與ANSYSWorkbench14.0軟件的接口兼容性好，其機構(gòu)建模如圖2.2；圖2.2芡實建模2.4Wb創(chuàng)建幾何體Step1：直接利用Creo啟動Workbench14.0命令如圖2.3；圖2.3ANSYS14.0集成到CreoPro/EStep2：啟動Workbench并建立分析項目如圖2.4圖2.4創(chuàng)建分析項目BStep3：雙擊項目B中的B3Geometry，此時進入到DesignModeler界面，選擇單位Millimeter，單擊OK按鈕。此時設(shè)計樹中Import1前顯示，表示需要生成幾何體，此時圖形窗口中沒有圖形顯示，如圖2.5圖2.5生成前的DesignModeler界面Step4：單擊（生成）按鈕，即可顯示生成的幾何體，如圖2.6所示圖2.6生成后的DesignModeler界面Step5:單擊DesignModeler界面右上角的（關(guān)閉）按鈕，退出DesignModeler,返回到Workbench主要界面。2.5添加材料庫Step1：雙擊項目B中的B2EngineeringData項，進入圖2.7所示的材料參數(shù)設(shè)置界面，在該界面下即可進行材料參數(shù)設(shè)置。圖2.7材料參數(shù)設(shè)置界面Step2：在OutlineofschematicB2：EngineeringData中A3下的單擊灰色添加新的材料45號如圖2.8；圖2.8添加新的材料Step3：在Toolbox中進行材料屬性的添加定義，由（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)芡實物料特性的實驗分析）可知芡實材料為類比于木材，其屬性：彈性模量10MPa、泊松比為0.3、密度為2.23g/cm。別把Toolbox中的PhysicalProperties的鼠標(biāo)左鍵拉到新建材料屬性那進行密度設(shè)置。同樣在LinearElastic的進行同樣的設(shè)置，彈性模型和泊松比進行設(shè)置；如圖2.9所示圖2.9添加材料的屬性Step4單擊工具欄中的按鈕，返回到Workbench主界面材料庫添加完畢。2.6添加模型材料屬性Step1：選擇mechanical界面左側(cè)Outlines（分析樹）中Geometry選項下的solid，此時即可在Detailof“solid”參數(shù)列表中給模型添加材料，在其Material中的添加成如圖2.10所示圖2.10變更材料2.7劃分網(wǎng)格Step1：選擇mechanical界面左側(cè)Outline（分析樹）中的Mesh選項，此時可在Detailsof“Mesh”（參數(shù)列表）中修改網(wǎng)格參數(shù)，在sizing中ElementSize中設(shè)置為2.e-003m,在Mesh選項中點擊右鍵選擇insert選擇method中的Detailsof“HexDominantmethod”apply模型，如圖所示2.11所示圖2.11修改材料后的分析樹Step2：在outlines(分析樹）中的Mesh選項右擊，在彈出的快捷菜單中選擇命令此時會彈出圖2.12所示的進度條，表示網(wǎng)格正在劃分，當(dāng)網(wǎng)格劃分完成后，進度條自動消失，最終的網(wǎng)格效果如圖2.13所示圖2.12生成網(wǎng)格圖2.13網(wǎng)格效果2.8施加載荷與約束Step1：選擇Mechanical界面左側(cè)Outline(分析樹）中的“StaticStructural（B5)選項，此時會出現(xiàn)圖2.14所示的Environment工具欄。圖2.14Envionment菜單欄Step2：選擇environment工具欄中的supports（約束Fixedsupport（固定約束）命令，此時在分析樹中會出現(xiàn)FixedSupport選項，選中FixedSupport，選擇模板的地面進行固定約束在中，單擊Geometry選項下的apply按鈕，即可選中面上施加固定約束，如圖2.15所示。如圖2.15施加固定約束Step3：同步驟step1，選擇environment工具欄中的Loads（載荷）force（力）命令，此時在分析樹中出現(xiàn)force選項，選中force，在Detailsof“Force”（參數(shù)列表）面板中Geometry選擇apply按鈕，選擇需要施加力的面，在DefineBy欄中選擇Component選項，表示按坐標(biāo)的方式輸入數(shù)字，在YComponent欄輸入-98N。此時在Graph（圖表區(qū)）和TabularData（圖表數(shù)據(jù)）區(qū)分別顯示了載荷數(shù)值，保持其他選項默認(rèn)即可。如圖2.16所示圖2.16添加面載荷Step4：在Outlines（分析樹）中StaticStructural（B5)選項右擊，在彈出快捷的菜單中選擇命令此時會出現(xiàn)進度顯示條，表示正在求解當(dāng)求解完成后進度條自動消失，如圖2.17所示圖2.17求解2.9結(jié)果后處理Step1：選擇Mechanical界面左側(cè)Outline（分析樹）中Solution（B6）選項，此時會出現(xiàn)Solution工具欄。如圖2.18所示圖2.18solution工具欄Step2：選擇Solution工具欄中的Stress（應(yīng)力）Equivalent（Von-Mises）命令，此時分析樹中會出現(xiàn)Equivalentstress（等效應(yīng)力）選項，如圖2.19所示。圖2.19添加等效應(yīng)力2.10對芡實分別沿X軸、Y軸和Z軸施加等效應(yīng)力芡實模型建立坐標(biāo)系，如圖2.20所示；分別對芡實坐標(biāo)系的每個坐標(biāo)施加等效力，并分析出哪個方向的力最容易破殼。XYZXYZ圖2.20芡實坐標(biāo)系2.10.1沿X軸的方向施加力對芡實受力采用固定約束，將力施加到芡實X軸與果殼的交接處。根據(jù)之前可知，需要施加160N的力。圖2.21、圖2.22、圖2.23分別為芡實果殼的等效應(yīng)力、等效應(yīng)變以及總變形分布情況：圖2.21等效應(yīng)力分析云圖圖2.22等效應(yīng)變分析云圖圖2.23總變形分析云圖從圖片可以看出，沿X軸方向施加載荷時，芡實殼最容易破裂的地方，并且芡實殼的變形量比較大，這樣可以說明：芡實殼沿X軸施加載荷的效果比較好。2.10.2沿Y軸的方向施加力對芡實受力采用固定約束，將力施加到芡實X軸與果殼的交接處。根據(jù)之前可知，需要施加140N的力。圖2.24、圖2.25、圖2.26分別為芡實果殼的等效應(yīng)力、等效應(yīng)變以及總變形分布情況：圖2.24等效應(yīng)力分析云圖圖2.25等效應(yīng)變分析云圖圖2.26總變形分析云圖從圖片可以看出，沿Y軸方向施加載荷時芡實殼最容易破裂的地方，并且芡實殼的變形量比較大，這樣可以說明：芡實殼沿Y軸施加載荷的效果和沿X軸的效果差不多。2.10.3沿Z軸的方向施加力對芡實殼沿Z軸的方向施加集中力，采用固定約束。因為芡實沿Z軸方向的果殼相對比X、Y軸的果殼厚度大一點，所以需要施加的集中力為160N。圖2.27、圖2.28、圖2.29分別為芡實果殼的等效應(yīng)力、等效應(yīng)變以及總變形分布情況：圖2.27等效應(yīng)力分析云圖圖2.28等效應(yīng)力分析云圖圖2.29總變形分析云圖由上面的圖可以看出：沿Z軸方向施加集中力時，芡實的最大應(yīng)力和最大變形都出現(xiàn)在施加點，裂紋會沿施加力四周分布，并且從總變形云圖可以知道，芡實的變形比較明顯的地方出現(xiàn)在頂點位置，以致破裂，這樣不利于后期的取果仁。2.11結(jié)果分析從上面的分析可以看出，沿X軸施加載荷時，芡實外殼破裂的程度比較明顯，并且施加的載荷相對比較小。沿Y軸施加載荷時，芡實破裂的程度相對X軸來說較為不明顯，施加的載荷也相對大一點點。而沿Z軸方向施加載荷時，芡實的破裂程度較為不明顯，因為那個部分的殼相對厚一點，所以施加的載荷也比較大，破裂程度也只有一小部分，這樣同樣也不利于芡實外殼的破裂。所以沿X方向比較好。3對芡實X軸方向研究基于上面的芡實破殼力的分析，由于芡實的外殼比較堅硬，現(xiàn)沿X軸方向用人工剪切的方法，分別采用橫切和豎切的方法切割，切割圖形如圖3.1；對芡實進行切割一個小口再進行分析，看切割口的大小對芡實破殼的影響。由于芡實的大小較小，所以現(xiàn)在分別對芡實切割1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm進行芡實的有限元分析，找出一個破殼應(yīng)力最大的圖形。圖3.1芡實切割圖前面的步驟跟上面芡實外殼整體破殼力的分析一樣3.1劃分網(wǎng)格Step1：選擇mechanical界面左側(cè)Outline（分析樹）中的Mesh選項，此時可在Detailsof“Mesh”（參數(shù)列表）中修改網(wǎng)格參數(shù)，在sizing中ElementSize中設(shè)置為2.e-003m,在Mesh選項中點擊右鍵選擇insert選擇method中的Detailsof“HexDominantmethod”apply模型，如圖所示3.2所示圖3.2修改材料后的分析樹Step2：在outlines(分析樹）中的Mesh選項右擊，在彈出的快捷菜單中選擇命令此時會彈出圖3.3所示的進度條，表示網(wǎng)格正在劃分，當(dāng)網(wǎng)格劃分完成后，進度條自動消失，最終的網(wǎng)格效果如圖3.4所示圖3.3生成網(wǎng)格圖3.4網(wǎng)格效果3.2施加載荷與約束Step1：選擇Mechanical界面左側(cè)Outline(分析樹）中的“StaticStructural（B5)選項，此時會出現(xiàn)圖3.5所示的Environment工具欄。圖3.5Envionment菜單欄Step2：選擇environment工具欄中的supports（約束Fixedsupport（固定約束）命令，此時在分析樹中會出現(xiàn)FixedSupport選項，選中FixedSupport，選擇模板的地面進行固定約束在中，單擊Geometry選項下的apply按鈕，即可選中面上施加固定約束，如圖3.6所示。如圖3.6施加固定約束Step1：選擇Mechanical界面左側(cè)Outline（分析樹）中Solution（B6）選項，此時會出現(xiàn)Solution工具欄。如圖3.7所示圖3.7solution工具欄Step2：選擇Solution工具欄中的Stress（應(yīng)力）Equivalent（Von-Mises）命令，此時分析樹中會出現(xiàn)Equivalentstress（等效應(yīng)力）選項，如圖3.8所示。圖3.8添加等效應(yīng)力3.3.1沿X軸的方向施加力對芡實受力采用固定約束，將力施加到芡實X軸與果殼的交接處。根據(jù)之前可知，需要施加160N的力。得到其等效應(yīng)力圖，如圖3.9；圖3.9等效應(yīng)力圖3.3.2不同切割尺寸的等效應(yīng)力分布圖根據(jù)上面的求解步驟，分別將之前建好的芡實模型一一帶入求出，每個不同切割尺寸的等效應(yīng)力分布圖，如圖3.10至3.17；然后橫切和豎切每個不同切割尺寸芡實外殼的等效應(yīng)力分布圖，如圖3.18；圖3.10切口為1mm的等效應(yīng)力圖圖3.11切口為2mm的等效應(yīng)力圖圖3.12切口為3mm的等效應(yīng)力圖圖3.13切口為4mm的等效應(yīng)力圖圖3.14切口為5mm的等效應(yīng)力圖圖3.15切口為6mm的等效應(yīng)力圖圖3.16切口為7mm的等效應(yīng)力圖圖3.17切口為8mm的等效應(yīng)力圖圖3.18不同切割長度豎切（左）和橫切（右）的等效應(yīng)力分布圖3.3.3小結(jié)根據(jù)上面對芡實不同長度的切割等效應(yīng)力的分布圖可以得到，不同切割長度的等效應(yīng)力是不同的，而且呈不規(guī)則分布。因為豎切的話切口的直徑大于6的時候，觸碰到芡實外殼比較厚的地方，等效應(yīng)力發(fā)生突變，人工剪切的作用力要比較大，比較難以剪切，所以沒有分析的必要。而從橫切跟豎切的比較發(fā)現(xiàn)：當(dāng)人工對芡實進行橫向切割3mm的切口時，芡實外殼的等效應(yīng)力最大達(dá)到23.068Mpa。所以進行機器破殼時，可以人工對芡實切割一個切口為3mm的小口，這樣對芡實外殼的破壞程度最大，最容易使芡實的外殼破裂。4沖壓式芡實剝殼機的設(shè)計本芡實剝殼機剝殼功能的實現(xiàn)，采用的是沖壓型，下面就剝殼實現(xiàn)的方案：磨削、切削、切分和沖壓四種方案進行評定和選擇。方案1：磨削磨削多用于硬質(zhì)金屬，對有色金屬或非金屬材料通常不采用。且果殼硬而果殼軟，易破碎。就算是同一尺寸的磨削，由于厚度不均、卡死、彈性變形等因素，很難實現(xiàn)。方案2：切削切削是用兩把刀繞著芡實轉(zhuǎn)一周后,芡實外殼被切開。見圖4.1,保持器3和齒輪5和一個半環(huán)形夾具為過盈配合，形成一個組件，這個部件和固定桿間隙配合四組件之間可沿四個固定桿左右移動、旋轉(zhuǎn)。但是，這種方案最終還是被否決了，因為芡實的果肉相對外殼來說，非常柔軟，這樣的搓揉會使果肉破碎。方案3：切分圖4.1切分式避免了上述搓揉對果肉的破壞，但其中心定位與切分定位困難，且對各切分刀具和傳動機構(gòu)的相互協(xié)調(diào)性要求很高，很難達(dá)成高度的一致性。在具體的研究討論中發(fā)現(xiàn)各機構(gòu)的干涉性嚴(yán)重，最終該方案被拋棄。方案4：沖壓借鑒了傳統(tǒng)手工剝殼的特點，利用滾壓充分揉擠使附著在外客內(nèi)壁上的膜遭到破壞，然后利用沖壓的精確性，使外殼的上面大半部分殼脫去，又利用落水?dāng)嚢枋雇鈿さ南旅嫘“氩糠謿ひ裁撊?且芡米的密度大于水的密度而沉在水底,殼因為密度小于水，所以浮在水面。提高了果肉的整仁率的同時，又不影響芡實的品質(zhì),清潔了芡實的表面.4.1最佳集中力對數(shù)分析不同對數(shù)集中力作用于外殼的分布情況；如圖4.2：圖4.2集中力分布情況由胡克定律假設(shè)集中力P,壓縮變形量為δ，則位移也為δ。則：二對集中力下的位移為：三對集中力下的位移為：三對集中力下的位移為：由此可以看出在兩隊集中力作用下外殼的作用位移最大作用在外殼的力最大，也就是說外殼最容易破裂。通過以上分析，本芡實剝殼機采用上下作用的結(jié)構(gòu)有利于芡實外殼的破裂，機構(gòu)方案可行。4.2沖壓式芡實剝殼機的設(shè)計圖整體設(shè)計如圖4.3：圖4.3沖壓式芡實剝殼機的整體設(shè)計圖4.2.1芡實剝殼機的要求設(shè)計要求：沖壓式芡實剝殼機應(yīng)該滿足一下幾點要求：第一，操作簡便,結(jié)構(gòu)簡單,工作效率高,成本低。第二，機器要有足夠的強度，運行比較平穩(wěn)，噪音小。第三，體積小減少機器的成本，使用壽命長，偏于維護及保養(yǎng)。功能要求：沖壓式芡實剝殼機要能實現(xiàn)對芡實的剝殼，還要保持芡實剝殼能夠完全的去殼率以及整仁率要達(dá)到98%。4.3沖壓式芡實剝殼機的整體結(jié)構(gòu)及工作原理芡實剝殼機要實現(xiàn)剝殼要經(jīng)過：通過滾壓—篩選—輸送—自動上料—沖壓—半頂出—撥離—全頂出—落水—攪拌—果殼分離。按照機械設(shè)計手冊，可以將芡實剝殼機分為幾個模塊。整機機構(gòu)如圖4.4所示；主要有：進料桶、轉(zhuǎn)滾裝置、槽輪機構(gòu)、輸送管、電機、凸輪、帶刀凹模、校正件、沖壓頭等組成。電機通過皮帶帶動皮帶輪的轉(zhuǎn)動，皮帶輪連接在軸上通過齒輪分別帶動沖壓件的沖壓運動和槽輪的摘選工作及滾筒的滾動。芡實首先在滾筒里面滾壓，然后通過槽輪的篩選，自動上料。經(jīng)過沖壓件和帶刀凹模的共同作用實現(xiàn)芡實的果殼破裂。然后經(jīng)凸輪帶動頂針將芡實頂出。圖4.4沖壓式芡實剝殼機總結(jié)構(gòu)進料口2.滾壓裝置3.輸送管4.槽輪5.電機6.凸輪7.帶刀凹模8.校正裝置9.沖壓件技術(shù)動作過程的工作原理依賴于其功能，工作原理是用不同的工藝技術(shù)動作不同。對于芡實的剝殼來說，沖壓式的和切分式的芡實剝殼，其輔助工序可能相同，但其主要的工藝動作是截然不同的，一個是靠沖壓裁殼，另一個是靠切割切開后分離。4.4剝殼機的執(zhí)行動作機器的過程比較復(fù)雜，很難用一個簡單的機構(gòu)來實現(xiàn)。因此，從機械運動方案的設(shè)計需要的，我們把這個過程分為運動分解過程的幾個動作一定時間序列表達(dá)過程。這些機器的工藝動作，從機械設(shè)計的角度來看稱之為機械的執(zhí)行動作。簡稱為執(zhí)行動作。我把沖壓式芡實剝殼機的執(zhí)行動作分成以下幾個類別：序號執(zhí)行動作的類別具體說明采用機構(gòu)1連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動包括等速度運動、不等速旋轉(zhuǎn)運動傳動機構(gòu),滾壓機構(gòu),攪拌機構(gòu)2間歇旋轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)不同停歇要求的間歇旋轉(zhuǎn)運動送料撥盤3往復(fù)擺動實現(xiàn)不同擺角的往復(fù)擺動篩子4往復(fù)移動實現(xiàn)行程大小的往復(fù)移動沖壓機構(gòu),頂出,撥離芡米5剛體引導(dǎo)實現(xiàn)連桿型構(gòu)件的若干位置沖壓導(dǎo)筒、篩子導(dǎo)槽6預(yù)期運動軌跡實現(xiàn)連桿上某些點的給定軌跡輸送導(dǎo)管、預(yù)定位支架4.4.1執(zhí)行構(gòu)件和執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行構(gòu)件是完成機械中執(zhí)行動作的構(gòu)件。在芡實脫殼機，機制追隨者而不是跟隨執(zhí)行元件的，在至少一個。執(zhí)行構(gòu)件也稱為輸出構(gòu)件是實現(xiàn)預(yù)期執(zhí)行動作的從動件。在沖壓使殼肉分離的過程中，執(zhí)行動作同時由兩個執(zhí)行構(gòu)件——沖壓頭和帶刃凹模來完成。為了便于執(zhí)行動作的完成，執(zhí)行構(gòu)件做成凹模成為一種特殊的配置。。執(zhí)行機構(gòu)是一種能實現(xiàn)個體執(zhí)行構(gòu)件所需機構(gòu)。一般來說，通過執(zhí)行機構(gòu)完成執(zhí)行動作，該機蓋由身體的上部和下部半完成芡實脫殼，然后在水中攪拌達(dá)到芡實芡實的米飯和肉湯殼完全分離。4.5芡實剝殼機的部件設(shè)計沖壓式芡實剝殼機的功能是將芡實加入轉(zhuǎn)桶里，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)擠壓搓揉、篩選后，再經(jīng)沖頭沖壓實現(xiàn)芡實的殼與肉的分離。為了讓芡實的果仁和果殼分離，要經(jīng)過六個動作來完成：擠壓搓揉，使其肉和殼初步分離篩選，使芡實按照直徑大小分類芡實的自動上料、輸送沖壓芡實，使其肉和部分殼分離頂出,撥離芡米落水?dāng)嚢?使其肉和剩余殼分離撈出浮于水面的殼沖壓式芡實剝殼機的參數(shù)和設(shè)計要求：芡實剝殼機的生產(chǎn)能力：120次/分芡實的內(nèi)外徑：外徑：10-15㎜內(nèi)徑：7-12㎜芡實內(nèi)外直徑統(tǒng)計表1外：10-11內(nèi)：7-8外：12-13內(nèi)：9-10外：14-15內(nèi)：11-12其他總數(shù)內(nèi)徑912731333500外徑972671324芡實內(nèi)外徑直徑統(tǒng)計數(shù)量分布如圖4.5:圖進料筒和空心軸支撐的設(shè)計進料筒的設(shè)計：一臺機器能不能把物料送入機構(gòu)是非常重要的一個環(huán)節(jié)，如果無法把物料送入機構(gòu)，那這臺機器也就百搭了。由于滾壓裝置在不停的旋轉(zhuǎn)，使筒產(chǎn)生離心力的作用,處于滾筒中的芡實會處于滾筒的邊緣進行滾動,故將滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計為漏斗形底。這樣可以有效的讓芡實掉入口中。筒的下端口直徑為22mm設(shè)計如圖4.6；圖4.6滾筒支撐筒滾的設(shè)計：滾筒與空心軸支撐若為單個軸承,這樣會對大軸承產(chǎn)生較大傷害,且不穩(wěn)定,容易發(fā)生傾倒事故.故對支撐進行了改進,改為兩軸承支撐，兩軸支撐可以保持筒滾更加的平穩(wěn)，增加零部件的使用壽命，也使筒滾不易發(fā)生傾倒。設(shè)計如圖4.7。圖槽輪機構(gòu)的設(shè)計槽輪的機構(gòu)是由槽輪和圓柱銷組成的機構(gòu)，只有單向旋轉(zhuǎn)運動，槽輪的設(shè)計關(guān)乎芡實進料及沖壓的工作，本機器要求芡實只能當(dāng)個進料，太多芡實進入沖壓機構(gòu)的話會造成芡實不能完全剝殼以及飛濺，和把芡實果仁沖碎掉。所以槽輪的設(shè)計很重要。設(shè)計如圖4.9；設(shè)計為4個槽輪撥動,且省去撥桿,結(jié)構(gòu)簡單,運作方便,滿足4個凹刃模同步進行工作。圖4.9槽輪4.5.3沖壓結(jié)構(gòu)的設(shè)計實現(xiàn)機械功能的方法雖然都局限于機械學(xué)范疇，但是還是可以根據(jù)不同的情況來選擇不同工作原理，構(gòu)思各種動作形式?，F(xiàn)就本機的具體情況作如下分析：本芡實剝殼機采用的是沖壓模的設(shè)計原理如圖4.10所示，在常溫下，利用沖模在壓力機上對材料施加壓力，在沖頭和凹模刃口的共同作用下，實現(xiàn)芡實的去殼。由于沒有做進一步的實驗，下面就定性方面做如下分析：當(dāng)沖壓件下降，開始接觸芡實并下壓時，芡實與帶刀凹模的接觸圓周的芡實殼產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，使材料產(chǎn)生彈性壓縮、彎曲、拉伸等復(fù)雜的變形。板料略有擠入凹模擠入帶刀凹模的現(xiàn)象。隨著沖壓件繼續(xù)壓入，直到材料內(nèi)的應(yīng)力達(dá)到彈性極限。當(dāng)板料內(nèi)的應(yīng)力達(dá)到屈服點，芡實殼與凹模的接觸處產(chǎn)生塑性剪切變形。當(dāng)板料的應(yīng)力達(dá)到抗剪強度后，沖壓件再向下壓，則在芡實和凹模的刃口接觸處分別產(chǎn)生裂紋，裂紋逐漸擴大并向芡實的內(nèi)部延伸。當(dāng)裂紋上升至直徑處時，使得芡實的上半部分的殼脫離，剩下的部分嵌入帶刃口的凹模中。因為芡實果仁可以看似為圓球狀，芡實果仁的直徑范圍在5.66~11.23mm之間，芡實的外殼范圍在8.66~18.62mm。所以設(shè)計帶刀凹模的半徑為6mm。圖4.10沖壓機構(gòu)4.5.4凸輪的設(shè)計本設(shè)計中加入了凸輪裝置,可以使頂出桿在頂出芡實的過程中作四分之一周期的暫停,以方便撥動芡米的連桿進行撥動作業(yè).設(shè)計圖如4.11:圖4.11凸輪4.5.5電機的選擇驅(qū)動電機：考慮到制造和使用成本問題，采用防護式籠型感應(yīng)電動機Y系列，該種電機具有效率高，節(jié)能，高轉(zhuǎn)矩，噪聲低，振動小，安全可靠。電機功率估算：根據(jù)計算結(jié)果，選擇三相異步電機Y801，轉(zhuǎn)速1500r/min，功率0.55kw。4.6剝殼機的變速機構(gòu)和傳動速比根據(jù)選定的驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速和沖壓式芡實剝殼機的生產(chǎn)能力。它的機械傳動系統(tǒng)的總速比為：如圖4.12所示，第一級采用帶傳動速比為3；第二、三級采用兩個大小不同圓柱直齒輪傳動傳動比為；第四階段分別由正齒輪和斜齒輪傳動，傳動比為1。第五、六級分別由兩個錐齒輪傳動傳動比為4和帶輪傳動,傳動比是1。第七級由錐齒輪傳動,傳動比是1.圖4.12傳動比分布5設(shè)計芡實剝殼機的圓柱齒輪傳動5.1設(shè)計的要求和條件本設(shè)計是一個沖壓芡實脫殼機高速級齒輪。已知輸入功率，小齒輪轉(zhuǎn)速，齒數(shù)比，由電機驅(qū)動，設(shè)定工作壽命15年（設(shè)每年工作60天），沖壓式芡實剝殼機工作平穩(wěn)轉(zhuǎn)向不變。5.2選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)由于沒有承受軸向載荷就選用直齒圓柱齒輪傳動。芡實脫殼機一般農(nóng)業(yè)機械，速度不高，所以七精度的選擇（GB10095-88）。材料選擇。小齒輪為40Cr（調(diào)質(zhì)）材料，其硬度為280HBS，大齒輪為45鋼（調(diào)質(zhì)）材料，硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS（由機械設(shè)計手冊查得）。選小齒輪齒數(shù)和大齒輪齒數(shù)嚙合。5.3按齒面接觸強度設(shè)計由設(shè)計計算公式進行試算，即確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值試選載荷系數(shù)計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩選取齒寬系數(shù)為（由機械設(shè)計手冊查得）；材料的彈性影響系數(shù)（由機械設(shè)計手冊查得）；小齒輪的接觸疲勞強度極限；大齒輪的接觸疲勞強度極限（由機械設(shè)計手冊查得）；由式計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)接觸疲勞壽命系數(shù)；（由機械設(shè)計手冊查得）；計算接觸疲勞許用應(yīng)力取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，計算試算出小齒輪分度圓直徑并代入中取較小的值計算圓周速度計算齒寬求出齒輪寬與齒輪高之比b/h模數(shù)齒高計算載荷系數(shù)根據(jù)，7級精度，動載系數(shù)為（由機械設(shè)計手冊查得）;直齒輪，假設(shè)。由機械設(shè)計手冊查得；系數(shù)（由機械設(shè)計手冊查得）；查得精度為7級、支承非對稱布置的小齒輪，由，查得；故載荷系數(shù)根據(jù)實際負(fù)荷因子校正所計算的節(jié)徑，是：計算模數(shù)m5.4根據(jù)齒根彎曲的強度來設(shè)計由彎曲強度的設(shè)計公式確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限；大齒輪的彎曲疲勞強度極限；查得彎曲疲勞壽命系數(shù)；；計算彎曲疲勞許用應(yīng)力取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，得計算載荷系數(shù)查取齒形系數(shù)；。查取應(yīng)力校正系數(shù)；計算大、小齒輪的并加以比較設(shè)計計算根據(jù)計算結(jié)果，由由齒根彎曲強度計算的模數(shù)小于齒面接觸強度計算的模數(shù)m，為了可同時滿足接觸和彎曲的疲勞強度取，。5.5幾何尺寸計算計算分度圓直徑計算中心距計算齒輪寬度但考慮到本芡實剝殼機傳遞的功率較小，且計算時齒寬系數(shù)取的較大，故選；。5.6驗算，合適。6設(shè)備的可靠性與經(jīng)濟價值6.1機械設(shè)備的有效度對于可用的設(shè)備，因為失敗后可以修復(fù)，恢復(fù)正常運行。因此，從機器開始運行到機器發(fā)生故障即為可靠度；從維修的故障恢復(fù)到修復(fù)其正常運行階段；結(jié)合二者關(guān)系就是機械設(shè)備的有效度(有效利用率)。MTBF————平均故障間隔期(h)MTTR————平均維修時間設(shè)備10000小時的工作時間，有10故障的可能性，每個進程故障時間平均修復(fù)時間10H，400H。6.2投資回收期表6.1有關(guān)資料表（萬元）時間（年）12345678910投資20002000年凈收益500800100015001800180020002500累計凈收益-2000-4000-3500-2300-13002002000380058008300投資回收期：=年————關(guān)于行業(yè)投資回收期，機械的，滿足要求。7設(shè)計中存在的問題和的改進認(rèn)識7.1設(shè)計中可能隱藏的問題本芡實剝殼機由于時間緊迫，加上本人的設(shè)計經(jīng)驗不足，看上去十分的粗糙，有很多地方可以改進或優(yōu)化。本機的設(shè)計研究是建立在特定的情況下進行的，沒有普遍適用性。比如，我們統(tǒng)計了同一批芡實的相關(guān)數(shù)據(jù)，那么所研究的對象相對局限，所以在具體試用時，應(yīng)對應(yīng)實際情況做相應(yīng)的改進。7.2對改進的認(rèn)識在局限性方面，由于設(shè)計時已經(jīng)考慮到本芡實剝殼機的局限性，采用了互換性刀具。用戶可以對照自己需要選擇合適的刀具；在機構(gòu)方面，可以請相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗豐富的師傅幫忙做下優(yōu)化，使機器的結(jié)構(gòu)緊湊，運行穩(wěn)定。8芡實剝殼機的維護與結(jié)論8.1芡實剝殼機的維護為了讓芡實剝殼機能發(fā)揮最佳的效果，保證安全生產(chǎn)，延遲機器的使用壽命，必須對芡實剝殼機機進行細(xì)心的技術(shù)保養(yǎng)，以使在使用的過程中，保持完美的工作狀態(tài)，沒有技術(shù)的保養(yǎng)的機器不允許工作，防止對他人的傷害。（1）芡實剝殼機機的技術(shù)保養(yǎng)1)在使用芡實剝殼機之前，必須對機器上每個部件角落殘留的附著物進行徹底的清理，尤其是及時清理凹板上殘留的果殼。2）檢查皮帶的緊張情況。3）每次工作完成后，必須清理完箱體內(nèi)殘留的雜質(zhì)，防止滯留在箱體腐蝕。4)在使用之前對脫粒機需要潤滑的部位，進行添加潤滑劑。（2）芡實剝殼機的保管芡實剝殼機使用后的保管情況，直接影響機器的使用壽命以及使用效果和工作時質(zhì)量的好壞。因此必須嚴(yán)謹(jǐn)對芡實剝殼機的保養(yǎng)負(fù)責(zé)，在保管的期間，妥善保養(yǎng)芡實剝殼機，不因保養(yǎng)不當(dāng)而對剝殼機的性能降低，保證芡實剝殼機的完整性，尤其對重要零件防止丟失，預(yù)防芡實剝殼機整體變形、腐爛、銹蝕。芡實剝殼機使用后需要長期的保管，將其安放在環(huán)境比較干燥的地方，最好是有遮蓋的地方，或者使用防曬、防濕的帆布，把整臺機器包裝起來。芡實剝殼機在使用的前應(yīng)做好以下幾項工作：1)打開芡實剝殼機的上箱體，察看箱體內(nèi)的表面是否存在污垢或者塵土，發(fā)現(xiàn)應(yīng)及時清理箱體內(nèi)衛(wèi)生。2）嚴(yán)謹(jǐn)察看芡實剝殼機的每個部件的損耗情況，如有發(fā)現(xiàn)部分零件損耗嚴(yán)重，應(yīng)及時更換以保證正常運轉(zhuǎn)。3）芡實剝殼機在使用一段時間后出來吱吱聲，應(yīng)給脫粒機要求潤滑的地方進行潤滑，在空轉(zhuǎn)一段時間，以保證機器的正常運行。8.2結(jié)論這次畢業(yè)設(shè)計做的是沖壓式芡實剝殼機整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，主要是傳動機構(gòu)和剪切機構(gòu)的設(shè)計。芡實剝殼機有如下優(yōu)點：1）體積小該機器不僅可以在室外作業(yè)，也可以在廠房、車間以及大型實驗室進行作業(yè)，移動運輸和儲存都很方便。2）價格低整個結(jié)構(gòu)的組成都是使用價格比較低的材料構(gòu)成，在傳動系統(tǒng)中使用的是相對價格較低的帶傳動，維