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黑龍江八一農(nóng)墾大學畢業(yè)論文（設(shè)計）
學士學位畢業(yè)設(shè)計
基于Solidworks土豆去皮機的三維設(shè)計
學生姓名：季伶俐
指導(dǎo)教師：劉天祥
所在學院：工程學院
專 業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化
中國·大慶
2009 年 6 月
III
摘要
本設(shè)計結(jié)合我國餐飲行業(yè)的發(fā)展趨勢，力求經(jīng)濟實用，為此設(shè)計的一款適用于中小型飯店和賓館等餐飲場所的土豆去皮機。其設(shè)計的重點主要在于圓盤尺寸的設(shè)計，去皮機整體功率的計算。通過功率和轉(zhuǎn)速的計算，選擇電動機型號，設(shè)計傳動齒輪結(jié)構(gòu)及尺寸，設(shè)計軸結(jié)構(gòu)及尺寸，以及校核各傳動部件的傳動比。最后進行整體裝配，并繪制出相應(yīng)的裝配圖。
關(guān)鍵詞：三維設(shè)計；摩擦；去皮機械
Abstract
This design combines the status food industry of china .It sought to economic and practical , designs a potato skinning machine which apply to small and medium-sized hotels or canteens and other places. Its main focus is the design of disk’s size, the power calculation of overall peeler, through it’s power and speed, the choice of motor model, the design of transmission gear’s structure and size. The last one is the design of appearance assembly unit and drawing corresponding assembly .
Key words: Three-dimensional design; Friction; Skins the machinery
目 錄
摘要 I
Abstract II
1 前言 1
1.1土豆去皮機的機理 2
1.2 SolidWorks軟件的特點、應(yīng)用與展望 2
1.2.1 Solidworks軟件的主要發(fā)展歷程 2
1.2.2 SolidWorks軟件的特點 2
1.2.3 Solidworks軟件的應(yīng)用 3
1.2.4發(fā)展前景 3
1.3使用Solidworks設(shè)計的優(yōu)勢 4
1.3.1易用和友好的界面 4
1.3.2 配置管理 4
1.3.3 裝配體設(shè)計建模 4
1.3.4工程圖 5
1.3.5零件建模 5
2 土豆去皮機機械設(shè)計 6
2.1 去皮機整體機構(gòu)的設(shè)計 6
2.1.1 去皮機材料的選擇 6
2.1.2 去皮機料筒的設(shè)計 6
2.1.3 去皮機支架的設(shè)計 7
2.2 圓盤的設(shè)計 7
2.2.1 圓盤上物料的受力分析 8
2.2.2 去皮機正常工作轉(zhuǎn)速的條件 9
2.2.3 去皮機功率的計算 10
2.2.4 電動機的選型 12
2.3 齒輪的設(shè)計和校核 13
2.3.1 選擇齒輪的材料和齒數(shù)及齒面接觸強度設(shè)計 13
2.3.2 按齒根彎曲強度設(shè)計 15
2.5 轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 18
2.5.1 初步估計軸徑 18
2.5.2 軸的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計 19
2.5.3 軸的強度校核 20
2.5.4 軸上軸承的選擇 23
2.5.5 軸上軸承的校核 24
結(jié) 論 28
參考文獻 29
致 謝 30
黑龍江八一農(nóng)墾大學畢業(yè)論文（設(shè)計）
1 前言
馬鈴薯是高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)作物，世界上共有140多個國家和地區(qū)栽培，主要分布在歐洲和亞洲，國外馬鈴薯主要用于精加工，我國豐富的馬鈴薯資源至今沒有很好的開發(fā)和利用，絕大部分只用作雜糧和飼料。每年的霉爛損失甚大，用于加工的尚不到5%，嚴重影響了廣大農(nóng)民種植馬鈴薯的積極性。
近年來，馬鈴薯在日常生活中所占的地位越來越明顯，因此得到了廣泛的種植和開發(fā)，對淀粉，以及薯類等深加工產(chǎn)品的需求量也越來越大，因此土豆去皮機的設(shè)計研發(fā)也變得越來越重要。在我國，尤其在國內(nèi)的中小型飯店和賓館等餐飲單位，在對馬鈴薯進行烹制前的處理過程中，并沒有采用高效的土豆去皮設(shè)備，而是仍然采用老套的人工去皮方法，甚至有些則不去皮而直接用于烹制，對顧客的飲食衛(wèi)生產(chǎn)生潛在隱患。為此，設(shè)計一款實用性較強且價格低廉的土豆去皮設(shè)備不僅可以提高土豆的去皮效率，而且還可以符合其相應(yīng)的衛(wèi)生條件。
SolidWorks95是SolidWorks公司在1995年推出的第一個基于Windows操作系統(tǒng)及特征建模的實體造型系統(tǒng)。SolidWorks軟件的最初目標是運行于Windows平臺上的主流只維設(shè)計產(chǎn)品，把功能強大的三維設(shè)計軟件放在每一位工程師的桌上。前一個目標可以說基本實現(xiàn)，現(xiàn)在SolidWorks軟件已經(jīng)成為PC級CAD軟件中最成功最具有代表性的一套中檔三維CAD軟件。
Solidworks是從技術(shù)、等多種角度,對批量生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品的功能、材料、構(gòu)造、形態(tài)、色彩、表面處理、裝飾等要素進行綜合性的設(shè)計,創(chuàng)造出能夠滿足人們不斷增長的物質(zhì)需求的新產(chǎn)品。工業(yè)設(shè)計在技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品成型以及商品的銷售、服務(wù)和企業(yè)形象的樹立過程中,都扮演著重要的角色,它是工業(yè)文明的靈魂,是現(xiàn)代科學技術(shù)與藝術(shù)的統(tǒng)一,也是與經(jīng)濟、文化的高度融合。隨著科學技術(shù)的高速發(fā)展，特別是信息時代的到來，市場對產(chǎn)品的性能、價格和交貨期的要求更加苛刻，要求產(chǎn)品的研發(fā)周期短、品種多樣化、趣味化、個性化、小批量。這些都要求制造企業(yè)能夠快速開發(fā)出高質(zhì)量的產(chǎn)品，以影響市場、響應(yīng)市場的需求、提高自身的競爭力。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計方法已經(jīng)不能滿足瞬息萬變的市場需求，而且此軟件易學易懂，便于學習。
從發(fā)展上講，從來沒有一種技術(shù)像計算機技術(shù)那樣對人類歷史產(chǎn)生如此深遠的影響，人類正步入數(shù)字化時代。進入21世紀,就意味著進入了經(jīng)濟全球化和知識經(jīng)濟時代。21世紀的競爭焦點是科學技術(shù)的競爭,作為從科學技術(shù)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的一個橋梁,工業(yè)設(shè)計在經(jīng)濟發(fā)展過程中越來越體現(xiàn)出其重要性。設(shè)計意味著一個產(chǎn)品市場占有率的大小，意味著一個組織競爭能力的強弱，一個國家生產(chǎn)力水平的高低。在經(jīng)濟發(fā)達國家，由于政府的關(guān)注與支持,其起到了增強產(chǎn)品銷售感染力和促進貿(mào)易發(fā)展的重要作用。
1.1土豆去皮機的機理
以電機為動力，通過齒輪帶動圓筒底部的磨盤旋轉(zhuǎn)。磨盤表面中間低、邊緣高，呈波浪形。塊莖加入圓筒內(nèi)，因離心力和相互碰撞作用，在圓筒內(nèi)上、下、左、右翻動，并不斷地滾動；在磨盤和筒壁共同作用下土豆塊莖被均勻地磨去外皮，實現(xiàn)土豆去皮的目的。去皮結(jié)束時加入清水，再打開側(cè)門，塊莖從側(cè)門排出，皮屑隨水流從磨盤的周圍間隙排出。該機為間歇生產(chǎn)。
1.2 SolidWorks軟件的特點、應(yīng)用與展望
1.2.1 Solidworks軟件的主要發(fā)展歷程
SolidWorks95是SolidWorks 公司在1995 年推出的第一個基于 Windows操作系統(tǒng)及特征建模的實體造型系統(tǒng)。
1997年推出的SolidWorks97支持lnternet技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，提供了VB, VC++和其他支持OLE的開發(fā)語言接口;并且以Windows為平臺，集成了Motion Works(動態(tài)仿真軟件).CosmosWorks(工程分析軟件).SurfCAM(數(shù)控加工軟件)以及SmarTeam(工程數(shù)據(jù)管理軟件)等。
2000年SolidWorks2000問世，在文件管理、大圖和工程繪圖的性能、大裝配處理的速度、使用方便性、復(fù)雜曲而造型以及繪圖效率等方而進行了較大的提高和改進。
2003年推出的SolidWorks2003為廣大用戶提供了史具實用性的平臺軟件及增值產(chǎn)品。短短幾年，己經(jīng)連續(xù)發(fā)行了幾個版本，在功能和技術(shù)上都有創(chuàng)新和提高，特別是剛剛推出的SolidWorks 2006，更是向人們展示了Windows原創(chuàng)CAD軟件在復(fù)雜模型設(shè)計和大規(guī)模產(chǎn)品裝配設(shè)計上的力量。
1.2.2 SolidWorks軟件的特點
(1)基于特征及參數(shù)化的造型
SolidWorks裝配體由零件組成，而零件由特征(例如凸臺、螺紋孔、筋板等)組成。這種特征造型方法，直觀地展示人們所熟悉的二維物體，體現(xiàn)設(shè)計者的設(shè)計意圖。
(2)巧妙地解決了多重關(guān)聯(lián)性
SolidWorks創(chuàng)作過程包含三維與二維交替的過程，因此完整的設(shè)計文件包括零件文件、裝配文件和二者的工程圖文件。SolidWorks軟件成功的處理了創(chuàng)作過程中存在多重關(guān)聯(lián)性，使得設(shè)計過程順暢、簡單及準確。
(3)易學易用
SolidWorks軟件易于使用者學習，便于使用者進行設(shè)計、制造和交流。熟悉Windows系統(tǒng)的人基本上都可以運用Solidworks軟件進行設(shè)計，而且軟件圖標的設(shè)計簡明了，幫助文件詳細，自帶教程豐富，又采用核心漢化，易學易懂。其他三維CAD軟件學習通常需要三個月，而Solidworks只需要2-3周。
1.2.3 Solidworks軟件的應(yīng)用
(1)在工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域
Solidworks豐富的功能和特點使其在引領(lǐng)新時尚的工業(yè)設(shè)計中日益重要。常用的工業(yè)設(shè)計(lndustrial Design)中的步驟總要分為機械造型設(shè)計和機械工程設(shè)計兩步:造型設(shè)計采用Photoshop 3Dmax ,maya等軟件完成，然后用機械設(shè)計軟件如AutoCAD ,Pro/E ,UG等出零件圖或裝配圖，由于兩類軟件存在中間轉(zhuǎn)換的問題，設(shè)計思路過程被割裂為二，對于產(chǎn)品設(shè)計理念的體現(xiàn)存在極大地缺陷。而應(yīng)用Solidworks軟件后，藝術(shù)造型設(shè)計和機械工程設(shè)計都可以在一個軟件中完成，有效地將設(shè)計思路合為一體。
(2)在機械設(shè)計領(lǐng)域
Solidworks軟件廣泛用于汽車、重工業(yè)、模具、離散制造、紡織機械等設(shè)計中。
(3)在教育領(lǐng)域
三維CAD教育己經(jīng)成為主流，Solidworks以其Windows界面、完全漢化、易學易用、開放性的功能特點將要成為教育領(lǐng)域中的首選CAD教學軟件。
1.2.4發(fā)展前景
當今世界科技產(chǎn)品趨向于功能強大、結(jié)構(gòu)緊湊且新穎獨特;市場競爭要求產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計周期短、上市快、成本低且性能優(yōu)良;生產(chǎn)制造全球化要求多方合作、協(xié)同管理且共享資源。因此，Solidworks軟件也必然適應(yīng)世界發(fā)展的需要，“不斷增強三維造型功能，不斷提高軟件的易用性，不斷擴展數(shù)據(jù)的交流”，向著智能化、協(xié)同化和虛擬現(xiàn)實化軟件方向發(fā)展。
(1)智能化
為了使設(shè)計者以最快的速度、參閱資料完成卓越的設(shè)計，Solidworks必須不斷的完善智能化的功能如智能裝配、改錯方案、智能提示、設(shè)計思路智能提示等。
(2)協(xié)同化
為了使設(shè)計者能夠多方合作、易地交流、協(xié)同一致地完成各種各樣的設(shè)計，Solidworks必須不斷地增強信急交流和協(xié)作平臺、豐富資源庫、完善產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫管理、提供更強大的輸入輸出接口等。
(3)虛擬現(xiàn)實化
2004年推出的SolidWorks2004，基于這個目標，增加了約250項新特性。這些新特性包括:革命性的焊件環(huán)境，模擬設(shè)計師工作的真實環(huán)境;新的內(nèi)存儲管理技術(shù)，能夠處理包含數(shù)千個零件的裝配件;新的凹模和凸模命令使得兩個主要模具零件設(shè)計自動化;過切分析在生產(chǎn)模具前自動檢測潛在的問題;新的表面合模命令能夠自動定位和封閉凹模和凸模;新的表而功能提供一系列預(yù)先設(shè)置的裝飾選項，使得拔模角度和倒角自動化;新的SolidWorks RealView特性，用戶現(xiàn)在能夠利用真實的材料和質(zhì)地在設(shè)計的不同階段創(chuàng)建類似真實效果的視圖等等。展望未來，Solidworks軟件必將在設(shè)計師和工程師的思想中不斷進步。
1.3使用Solidworks設(shè)計的優(yōu)勢
1.3.1易用和友好的界面
在整個產(chǎn)品設(shè)計的工作中，Solidworks能夠完全自動捕捉設(shè)計意圖，并引導(dǎo)設(shè)計修改，它用人們熟悉的Windows方式，工作中十分簡便，下拉菜單、鼠標點擊、剪切復(fù)制和拖動放置等是常用的操作。特征模板是一個可以隨時打開的設(shè)計信息庫，從而使標準零件和標準特征的引用變得異常輕松。尺寸、相互關(guān)系和幾何輪廓形狀可以隨時修改,設(shè)計數(shù)據(jù)也是完全編輯的。特征的換序利用拖動放置即可完成。特征樹中的回放指示條能逐步反推模型的生成過程。零部件與零部件之間和零部件與圖紙之間的相關(guān)性可以進行有選擇的更新。
1.3.2 配置管理
配置管理是Solidworks軟件體系中非常獨特的一部分，能夠在一個CAD文檔中通過對不同參數(shù)變換和組合，派生出不同的零件和裝配體，要生成一個配置，先指定名稱與屬性，然后再根據(jù)需要來修改模型以生成不同的設(shè)計變化，可以于動建立配置，或者使用系例零件設(shè)計表同時建立多個配置。
1.3.3 裝配體設(shè)計建模
在Solidworks的裝配設(shè)計中可以直接參照已有的零件生成新的零件。不論設(shè)計用"自頂而下”的方法，還是“自底而上”的方法進行設(shè)計，Solidworks都將以其易用的操作，大幅度地提高設(shè)計的效率。您可以自下而上設(shè)計一個裝配體，或自上而下進行設(shè)計，或兩種方法結(jié)合使用。
自下而上設(shè)計法是比較傳統(tǒng)的方法。在自下而上設(shè)計中，先生成零件并將之插入裝配體，然后根據(jù)設(shè)計要求配合零件。自下而上設(shè)計法的另一個優(yōu)點是因為零部件是獨立設(shè)計的，與自上而下設(shè)計法相比，它們的相互關(guān)系及重建行為更為簡單。使用自下而上設(shè)計法可以專注于中個零件的設(shè)計工作。當不需要建立控制零件大小和尺寸的參考關(guān)系時（相對于其它零件)，則此方法較為適用。
自上而下設(shè)計法從裝配體中開始設(shè)計工作，這是兩種設(shè)計方法的不同之處。可以使用一個零件的幾何體來幫助定義另一個零件，或生成組裝零件后才添加的加工特征?？梢詫⒉季植輬D作為設(shè)計的開端，定義固定的零件位置、基準面等，然后參考這些定義來設(shè)計零件。
例如，可以將一個零件插入到裝配體中，然后根據(jù)此零件生成一個夾具。使用自上而下設(shè)計法在關(guān)聯(lián)中生成夾具，這樣可參考模型的幾何體，通過與原零件建立幾何關(guān)系來控制夾具的尺寸。
1.3.4工程圖
Solidworks軟件可以為3D實體零件和裝配體創(chuàng)建2D工程圖。零件、裝配體和工程圖是互相鏈接的文件;對零件或裝配體所作的任何更改會導(dǎo)致工程圖文件的相應(yīng)變更;在安裝軟件時，可設(shè)定工程圖及模型間的中向鏈接關(guān)系，這可防止對模型尺寸的改變，從而防止在工程圖中對模型本身的更改。一般來說，工程圖包含幾個由模型建立的視圖，也可以由現(xiàn)有的視圖建立視圖。例如，剖面視圖是由現(xiàn)有的工程視圖所生成的。
1.3.5零件建模
3D零件是Solidworks機械設(shè)計軟件的基本組成部件。傳統(tǒng)的機械設(shè)計要求設(shè)計人員必須具有較強的三維空間想象能力和表達能力，他們必須在腦海里構(gòu)造零件的三位形狀，然后按照三視圖的投影規(guī)律，用二維工程圖將零件的三維形狀表達出來，這種設(shè)計方式工作量大，且缺乏直觀性。Solidworks采用三維模型進行產(chǎn)品設(shè)計，設(shè)計過程更加符合設(shè)計師的設(shè)計習慣和思維方法。由于Solidworks系統(tǒng)具有設(shè)計直觀效率高等特點，相信在不久的將來會完全取代二維CAD軟件。
2 土豆去皮機機械設(shè)計
土豆皮機是一種小型間歇式去皮設(shè)備，依靠旋轉(zhuǎn)的工作構(gòu)件驅(qū)動物料旋轉(zhuǎn)，使得物料在離心力的作用下，在機器內(nèi)上下翻轉(zhuǎn)并與機器構(gòu)件產(chǎn)生摩擦，從而使物料的皮層被擦離。下面介紹土豆去皮機整體機構(gòu)和各個零部件的設(shè)計。
2.1 去皮機整體機構(gòu)的設(shè)計
土豆去皮機的整體設(shè)計要求簡單，安全，實用，移動方便，盡量節(jié)省原材料。
該土豆去皮機使用機械摩擦去皮原理進行去皮，該機由機筒、機座、機架、電動機、圓盤、機蓋等部分組成。它以電機為動力，通過減速齒輪帶動機盤底部的圓盤旋轉(zhuǎn)。塊莖加入機筒內(nèi)，因其離心力和相互碰撞作用的作用下，在機筒內(nèi)上、下、左、右翻動，表面被圓盤均勻的磨擦。去皮過程中加入清水，磨擦掉的皮屑和水一起經(jīng)筒底的排水口排出，塊莖從側(cè)門自動卸出，該機為間歇生產(chǎn)。
2.1.1 去皮機材料的選擇
此去皮機的筒壁和機體是厚的鋼板，去皮機機架由熱扎等邊角鋼焊接組成，圓盤采用的45鋼，其中筒壁的內(nèi)側(cè)和圓盤的表面均鍍有金剛砂，以增大圓筒內(nèi)壁和圓盤的摩擦系數(shù)，增大摩擦力，有利于提高去皮機的摩擦效率。
2.1.2 去皮機料筒的設(shè)計
根據(jù)圓筒的工作原理，圓筒的設(shè)計重點主要是保證物料在圓筒內(nèi)運動的高度，不能發(fā)生物料在運動過程中跳出圓筒的情況，同時此高度也要保證物料在圓筒內(nèi)有充分的摩擦機會，增加筒內(nèi)土豆的摩擦效率，所以設(shè)計此圓筒的高度為，圓筒的內(nèi)徑為。圓筒的上面設(shè)計一開口，并有一向內(nèi)收的倒角，方便馬鈴薯的倒入。在圓筒的側(cè)壁上設(shè)計了一個抽動門，當去皮結(jié)束后，在電動機逐漸停止運轉(zhuǎn)的情況下打開門，去皮后的土豆由于離心力的作用下滾出。
另外，圓筒的下端要設(shè)計成圓環(huán)凹陷的形狀，由上方?jīng)_下的水夾雜馬鈴薯皮屑從圓盤邊緣留下，進入圓筒凹陷的底端，通過計算分析，設(shè)計凹陷處出水管的直徑為，保證沖刷下來的臟水可以有效地從排水口處排出，防止臟水濺入傳動軸，避免機器運轉(zhuǎn)時出現(xiàn)不必要故障。
2.1.3 去皮機支架的設(shè)計
土豆去皮機支架的設(shè)計主要是采用角鐵焊接成來支撐軸、圓盤、電動機的重力及運轉(zhuǎn)時土豆的重力，因此根據(jù)實際情況，固定支架的情況如總裝配圖所示。
2.2 圓盤的設(shè)計
圓盤的直徑大小取決于此去皮機的工作效率，由于此去皮機是專為賓館或中小型飯店設(shè)計，所以其生產(chǎn)能力設(shè)計為每次處理12kg馬鈴薯，每次耗時3min，其中裝料時間為30秒，擦皮時間為120s，卸料時間為30s，即每小時可以處理240kg的馬鈴薯［10］。
（1）土豆密度的測定
選取大小均勻適中的土豆樣品，甲和乙
由于
所以
（2）圓盤的尺寸
由于此剝皮機的生產(chǎn)效率為每次處理馬鈴薯，
所以
土豆平均高度
由于 所以
設(shè)圓筒的填充度為0.6，設(shè)計圓筒高度為，筒內(nèi)物料高度設(shè)為。
（3） 綜上所述：① 取圓盤半徑；
② 取物料與剝皮機的摩擦系數(shù)；
③ 圓筒內(nèi)物料的最大厚度為；
（4）由于考慮到土豆去皮機在圓盤轉(zhuǎn)動的過程中，能夠把土豆拋起，所以在去皮機圓盤設(shè)計上采用了圓盤表面為波紋形的突起，六個條形波紋突起呈均勻，發(fā)散分布。這樣可以在轉(zhuǎn)動時，使土豆有一個向上的分速度，從而把土豆拋向側(cè)壁，使土豆與側(cè)壁之間進行摩擦，從而達到去皮的目的。圓盤結(jié)構(gòu)圖見圖2-1所示。
圖 2-1 圓盤結(jié)構(gòu)圖
2.2.1 圓盤上物料的受力分析
物料在圓盤的旋轉(zhuǎn)式的受力情況見圖2-2所示。
圖 2-2 物料受力分析圖
（1） 設(shè)波紋角為 ，當圓盤轉(zhuǎn)動時，推動物料A運動，方向為垂直于波紋切線，設(shè)其速度為 V，V 可分解為 V水平 和 V垂直 兩個分速度。BC與圓盤平面平行，可以看作使圓盤的圓周速度，而 ，所以 （m/s）［10］
—角速度（1/s）
—圓盤半徑（cm）
因為 ，所以
又因為
所以 （m/s）
（2） 綜上：1.
2.
3.
2.2.2 去皮機正常工作轉(zhuǎn)速的條件
（1）物料在圓盤轉(zhuǎn)動時由于離心力和波紋角被圓盤拋起，該物料所具有垂直方向的動能為 ：
此動能應(yīng)該等于勢能：
，
（2） 為了正常運轉(zhuǎn)，拋高 h 一定要超過物料在圓桶內(nèi)的厚度，否則，最底層的物料就不能拋起與圓筒壁摩擦，所以
又因為
所以代入得
（3）為了正常運轉(zhuǎn)，僅把物料拋起還不行，還要保證物料能拋向側(cè)壁，拋向側(cè)壁的力靠離心力 C
（N）
此離心力應(yīng)能克服物料對波紋的摩擦力，才能使物料離開波紋拋向側(cè)壁，摩擦力為：
（N） —摩擦系數(shù)
使Ct，即
綜上： （2.1）
（2.2）
代入計算得：
在計算中，取其中較大的值為設(shè)計所選用的n值。所以，圓盤的轉(zhuǎn)速要達到以上才能使土豆去皮機正常工作。
2.2.3 去皮機功率的計算
（1）去皮機的功率消耗包括：
① 克服物料對圓盤的摩擦力所需的功率 N1；
② 克服物料對圓筒的摩擦力所需的功率 N2；
③ 圓盤拋起物料所做的功率 N3；
④ 傳動機構(gòu)因摩擦而消耗的功率 N4；
（2）下面對以上公式分別計算：
（W）
—處于圓筒內(nèi)物料的摩擦力矩（N·m）
—物料重力（N）
—摩擦系數(shù)（1.1～1.3）
—摩擦壁矩（m）
—物料圓盤的平均相對速度（1/s），采用最大角速度的。
所以
代入數(shù)據(jù)得： （W）
(W)
My—在離心力的作用下物料與側(cè)壁的瞬時摩擦力矩（N·m）
（N·m）
V—物料圓周速度（m/s）
—摩擦力矩（＝） （m）
（N·m）
所以
代入數(shù)據(jù)得： (W)
(W)
—圓盤表面波紋高度（m）
—波紋的數(shù)量
代入數(shù)據(jù)得： （W）
N4為傳動損失，可用傳動效率表示。（＝0.8）。則消耗的總功率為：
(W)
2.2.4 電動機的選型
根據(jù)土豆去皮機設(shè)計的額定功率697.1W，轉(zhuǎn)數(shù)230.5，及電動機電壓、尺寸的綜合考慮，所以選擇電動機的型號為-8/6，如表1所示[11]。
表 1 電動機配置表
型號
滿載時
質(zhì)量/
額定功率
轉(zhuǎn) 速
電流/
A（380）
效率/%
功率因數(shù)
最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩
kg
-8/6
0.75
750
2.92
70
0.65
1.8
35
中心高
外形尺寸
底腳安裝尺寸
底腳螺栓直徑
軸伸尺寸
鍵連接部分尺寸
100
圖2-3 電動機
2.3 齒輪的設(shè)計和校核
齒輪傳動是機械傳動中最重要的傳動之一，型式很多，應(yīng)用廣泛。齒輪傳動的主要特點有：
（1）效率高 在常用的機械傳動中，以齒輪傳動的效率最高。
（2）結(jié)構(gòu)緊湊 在同樣的使用條件下，齒輪傳動所需的空間尺寸一般較小。
（3）工作可靠、壽命長 設(shè)計制造正確合理、使用維護良好的齒輪傳動，工作十分可靠，壽命長達一、二十年，這也是其他機械傳動所不能比擬的。
（4）傳動比穩(wěn)定 傳動比穩(wěn)定往往是對傳動性能的基本要求。
2.3.1 選擇齒輪的材料和齒數(shù)及齒面接觸強度設(shè)計
（1）選擇齒輪的類型精度等級材料及齒數(shù)
① 該傳動方案，選用直齒圓柱齒輪傳動。
② 該土豆去皮機，速度不高，故選用8級精度。
③ 材料選擇。由機械設(shè)計手冊選擇小齒輪的材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為250HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為220HBS。
④ 選擇小齒輪的齒數(shù)為＝23,大齒輪的齒數(shù)＝u＝3.2×23＝74
（2）由設(shè)計計算公式進行試算，即
① 試選載荷系數(shù)=1.3
② 計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
③ 查機械設(shè)計手冊選取齒寬系數(shù)
④ 查機械設(shè)計手冊得材料的彈性影響系數(shù)
⑤ 查機械設(shè)計手冊，按齒面硬度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；
⑥查機械設(shè)計手冊計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
⑦ 查機械設(shè)計手冊得接觸疲勞壽命系數(shù)；
⑧ 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，由機械設(shè)計手冊得
（3）計算
① 試算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值：
=
② 計算圓周速度v
③ 計算齒寬
④ 計算齒寬與齒高之比
模數(shù)
齒高
⑤ 計算載荷系數(shù)
根據(jù)，8級精度，查機械設(shè)計手冊得動載荷系數(shù)；
直齒輪，假設(shè)。查機械設(shè)計手冊得；
由機械設(shè)計手冊查得使用系數(shù)；
由機械設(shè)計手冊查得8級精度、小齒輪相對支承非對稱布置時
將數(shù)據(jù)代入后得
由，，查機械設(shè)計手冊得；故載荷系數(shù)
⑥ 按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，查機械設(shè)計手冊得
⑦ 計算模數(shù)
2.3.2 按齒根彎曲強度設(shè)計
查機械設(shè)計手冊得彎曲強度的設(shè)計公式為：
（1）確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值
① 查機械設(shè)計手冊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；
② 查機械設(shè)計手冊得彎曲疲勞強度壽命系數(shù)，；
③ 計算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)，查機械設(shè)計手冊得
④ 計算載荷系數(shù)
⑤ 查取齒形系數(shù)
查機械設(shè)計手冊得 ；
⑥ 查取應(yīng)力校正系數(shù)
查機械設(shè)計手冊得 ；
⑦ 計算大小齒輪的并加以比較
大齒輪的數(shù)值大[14]。
（2）設(shè)計計算
對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑有關(guān)，可取由彎曲強度算得的模數(shù)≥1.37確定=2 ，按接觸強度算得的分度圓直徑，算出小齒輪齒數(shù)
大齒輪齒數(shù)
這樣設(shè)計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到了結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費[15]。
（3）計算分度圓直徑：
（4）計算中心距：
（5）計算齒輪寬度：
取 。
所以此齒輪傳動的設(shè)計合適。
2.4 鍵的選擇
（1）電動機軸鍵的選擇
① 選擇鍵聯(lián)接的類型和尺寸
一般8級以上的精度齒輪有定心精度要求，應(yīng)選用平鍵聯(lián)接。本設(shè)計選用圓頭普通平鍵。根據(jù)從機械設(shè)計手冊中查得，鍵的截面尺寸為：寬度，高度。由輪轂寬度并參考鍵的長度系列，取鍵長。
② 校核鍵聯(lián)接的強度
鍵、軸、輪轂的材料都是鋼，查機械設(shè)計手冊得許用擠壓應(yīng)力，取其平均值，。鍵的工作長度，鍵與輪轂鍵槽的接觸高度。
由式
可見該鍵聯(lián)接可以滿足需要。
（2）大齒輪上鍵的選擇
① 根據(jù)從機械設(shè)計手冊中查得，鍵的截面尺寸為：寬度，高度。由輪轂寬度并參考鍵的長度系列，取鍵長。
② 校核鍵聯(lián)接的強度
鍵、軸、輪轂的材料都是鋼，查機械設(shè)計手冊得許用擠壓應(yīng)力，取其平均值，。鍵的工作長度，鍵與輪轂鍵槽的接觸高度。
由式
同理可知軸上的兩處鍵選擇也滿足要求，能安全使用。
（3）圓盤和軸間鍵的選擇
① 根據(jù)從機械設(shè)計手冊中查得，鍵的截面尺寸為：寬度，高度。由輪轂寬度并參考鍵的長度系列，取鍵長。
② 校核鍵聯(lián)接的強度
鍵、軸、輪轂的材料都是鋼，查機械設(shè)計手冊得許用擠壓應(yīng)力，取其平均值，。鍵的工作長度，鍵與輪轂鍵槽的接觸高度。
由式
可見該鍵聯(lián)接可以滿足需要。
2.5 轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
該土豆去皮機的軸為轉(zhuǎn)軸，軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括軸的合理外形和全部結(jié)構(gòu)的尺寸。軸的結(jié)構(gòu)尺寸和形狀主要取決于下列因素，軸上零件的類型，布置和固定方式，載荷的性質(zhì)、大小、方向及分布情況，軸承的類型和尺寸，軸的毛坯、制造和裝配工藝要求等。軸上結(jié)構(gòu)應(yīng)便于軸上零件的定位、固定和裝拆，盡量減小應(yīng)力集中，應(yīng)使軸受力合理分布，有良好的工藝性。對于剛度要求大的軸，還應(yīng)從結(jié)構(gòu)上考慮減少軸的變形。
2.5.1 初步估計軸徑
該土豆去皮機中使用的軸為中等大小功率，轉(zhuǎn)速不高，且屬一般用途的軸，無特殊要求，軸材料選擇應(yīng)用廣泛且較經(jīng)濟的45鋼。
抗拉強度 ， 屈服點 ，
彎曲疲勞極限， 扭轉(zhuǎn)疲勞極限：，
許用靜應(yīng)力 ， 許用疲勞應(yīng)力，
查機械設(shè)計手冊的45鋼的及A值： 30～40
A 118～107
由于此土豆去皮機的傳動軸承受的轉(zhuǎn)矩大于彎矩，所以取 ，。
另外，此軸為實心軸，所以，傳動軸的軸徑計算公式為：
—軸傳動的額定功率（kW）
—軸的轉(zhuǎn)速（）
—按定的因數(shù)
代入計算得：
由于此軸上設(shè)置一個鍵槽，所以軸徑應(yīng)增大4%～5%，故，所以考慮軸的安全性，下面所設(shè)計軸的最小直徑為20。
2.5.2 軸的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計
（1）擬訂軸上零件的裝配方案
軸上零件的裝配方案對周的結(jié)構(gòu)形式起著至關(guān)重要的作用。此軸作為電動機的傳動軸，由于該土豆去皮機上的軸是垂直布置，設(shè)計的軸上的零件從上往下依次是軸端擋圈、圓盤、軸承端蓋、一對角接觸球軸承、軸承之間的套筒、軸承端蓋、彈性擋圈、齒輪、軸端擋圈。根據(jù)實際情況進行對比，得出軸的結(jié)構(gòu)如圖3所示，相比之下，此種結(jié)構(gòu)的軸比較簡單合理。
（2）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度
為了滿足圓盤的定位要求，軸右端第一軸段的直徑小于第二的軸的直徑，右側(cè)第一軸段設(shè)其為最小軸徑，由于右端用軸端定位擋圈點定位，按軸端直徑取擋圈直徑，軸端擋圈由螺栓固定在軸端上可以固定圓盤，使圓盤可以平穩(wěn)轉(zhuǎn)動從而達到土豆去皮加工的效果。圓盤與軸配合的長度為。
（3）初步選擇滾動軸承
考慮到圓盤的軸向定位及滾動軸承的裝卸，軸徑（與軸承相配的軸段）直徑應(yīng)比軸徑端直徑大左右，故確定軸右側(cè)第二軸段直徑為，再根據(jù)該土豆去皮機的軸是垂直布置，由受力情況選取角接觸球軸承—型滾動軸承，其內(nèi)徑為，外徑為，寬度為。左端軸承和右端軸承采用套筒進行軸向定位，兩軸承的定位靠兩端的軸承蓋和支架進行定位。故根據(jù)實際需要，取右二段軸段長度為。
（4）取安裝齒輪處的軸段直徑為，已知齒輪的寬度為，根據(jù)實際需要，取左面第一段軸段的長度為。
圖 2-4 軸結(jié)構(gòu)圖
2.5.3 軸的強度校核
1）計算齒輪受力
齒輪的分度圓直徑：
軸傳遞的轉(zhuǎn)矩：
齒輪的圓周力：
齒輪的徑向力：
齒輪的軸向力：
2）繪制軸的受力簡圖
首先畫軸的受力簡圖（a）。圓周力Ft﹑軸向力與軸的轉(zhuǎn)向和螺旋方向有關(guān)，應(yīng)根據(jù)實際工作情況決定，否則會得到錯誤結(jié)果，這里，假定軸的轉(zhuǎn)向享有細看為順時針，齒輪齒合點的位置在上方，則根據(jù)直齒圓柱齒輪傳動受力分析方法可知，各分力方向如圖所示。然后將軸上作用力分解為垂直面受力圖（b）和水平面受力圖（d）。分別求出垂直面上的支反力和水平面上的支反力。對于零件作用于軸上的分布力或轉(zhuǎn)矩可當作集中載荷作用于軸上零件的寬度中點。支反力的作用點隨軸承類型和布局方式的不同而異，近似計算時，一般選取軸寬度的中點。由于軸上的齒輪為直齒輪受力圖2-5所示，其中，。
受力圖如下：
圖 2-5 齒輪受力圖
（3）計算軸的支反力：
垂直面內(nèi)支反力：
水平面內(nèi)支反力：
軸是否滿足強度要求只需對危險剖面進行校核即可，軸的危險截面多發(fā)生在當量彎矩最大或當量彎矩較大，且軸的直徑較小處，下面計算A點的當量彎矩。根據(jù)此軸的受力分析可知，此軸在A點處的截面當量彎矩最大，所以只需校核A點處截面的抗彎強度即可。
（4）畫彎矩圖
A點垂直彎矩計算：
A點水平彎矩計算：
A點合成彎矩計算：
（5）計算當量彎矩
A點的當量彎矩計算：
（6）按彎曲合成強度校核計算
由彎矩圖可知在軸直徑24mm處彎矩最大，此處的抗彎截面系數(shù)
A點彎曲應(yīng)力：
由此可知軸的抗彎強度符合要求，該軸的設(shè)計合理，可以使用。
2.5.4 軸上軸承的選擇
該土豆去皮機上有傳動軸（軸的具體尺寸形狀以上已有說明），為了保證軸的平穩(wěn)運行，并考慮到軸是垂直布置并配有齒輪傳動，需要抵抗軸向載荷和一些徑向載荷，故選用滾動軸承中的角接觸球軸承—型滾動軸承。該軸承與滑動軸承相比具有摩擦阻力小，功率消耗少，起動容易等特點。
2.5.5 軸上軸承的校核
查機械設(shè)計手冊可知7205C軸承的。
（1） 求兩軸承受到的徑向載荷和
由于該一對軸承是垂直布置，為了方便看圖，把圖形設(shè)成水平放置，受力圖形如下：
圖 2-6 軸受力圖
由受力分析可知：
（2）求兩軸承的計算軸向力和
對于70000C型軸承，按機械手冊，軸承派生軸向力，其中，為判斷系數(shù)，其值由的大小來確定，但現(xiàn)軸承軸向力未知，故先初取，因此可估算
由于軸是垂直布置，齒輪是直齒輪沒有軸向載荷，故此時的重力就成了軸向載荷，在這里本設(shè)計主要考慮物料的重力，由于其他零部件的重力也要考慮，此時取總的重力G=2，進行近似計算。
由機械手冊可得，。再計算
兩次計算的值相差不大，因此確定，， ，。
（3）求軸承當量動載荷和
因為
又機械手冊可查得軸承徑向載荷系數(shù)和軸向載荷系數(shù)為
對軸承1 ，
對軸承2 ，
因軸承運轉(zhuǎn)中有中等沖擊載荷，由機械手冊查得載荷系數(shù)，取
則
（4）驗算軸承壽命
因為，所以按軸承1的受力大小驗算
結(jié) 論
圖紙的繪制采用CAXA軟件繪制，包括圓盤的整體圖，軸視圖，整體剖視圖。
還有Solidworks三維仿真模擬圖。
Solidworks使產(chǎn)品開發(fā)周期顯著縮短柔性加工提高，上市時間加快，可以快速響應(yīng)市場的變化。但CAD的技術(shù)尚不成熟，需進一步深入，提高人機系統(tǒng)的互動。互動模式的CAID將是設(shè)計的必然趨勢。在傳統(tǒng)交互手段的基礎(chǔ)上,研究新興技術(shù)支持下的人機交互技術(shù)，將使工業(yè)設(shè)計朝著多元化、優(yōu)化、一體化的方向發(fā)展,人機交互方式更加、創(chuàng)新設(shè)計的手段更為先進、有效。Solidworks技術(shù)的使用,將使機械設(shè)計的手段和思想發(fā)生質(zhì)的飛躍,更加符合發(fā)展的需要,通過對模擬現(xiàn)實技術(shù)在機械設(shè)計中軟件和硬件構(gòu)成的,可以說在機械設(shè)計中應(yīng)用模擬現(xiàn)實技術(shù)是可行且必要的。
通過以上零部件設(shè)計與選擇，本人設(shè)計出一款外型美觀大方，內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單緊湊，具有普遍應(yīng)用性的土豆去皮機械。該土豆去皮機操作簡單，安全系數(shù)較蒸汽去皮化學去皮和輻射去皮有很大的提高，在制造的經(jīng)濟費用上相比較低。該土豆去皮機有很大的適用性。
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致 謝
本設(shè)計說明書的撰寫是在劉天祥老師的悉心指導(dǎo)和嚴格要求下完成的，同時在撰寫過程中也得到了其他老師和同學的熱心幫助。在本次畢業(yè)設(shè)計過程中，既對所學過的知識有一個綜合的檢驗，又學到了其他相關(guān)專業(yè)的知識，對以后的工作有了很大的幫助。
另外，各位也感謝其他老師給予我很大幫助和指導(dǎo)，讓我在實踐中充分掌握了大量的專業(yè)知識和更好的學習方法。通過本次設(shè)計說明書的撰寫，端正了我嚴謹?shù)淖鍪聭B(tài)度，同時培養(yǎng)了我提高解決問題的能力和做事情端正的態(tài)度。
最后對指導(dǎo)老師以及其他老師的精心指導(dǎo)和大力支持表示誠摯的問候和衷心的感謝！
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