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1、0基于 Pro/E 螺旋榨汁机的设计（河北科技师范学院 机械电子系）摘要：Pro/ENGINEER Wildfire 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；螺旋前言前言传统的通用机械产品的设计是首先将产品
2、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
3、/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
4、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。 螺旋式连续榨汁机三维结构图如图 2。 1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
5、 1.2 工作原理2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
6、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31.4.1 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/m
7、in。 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：v =1.08m/s060nt 6005. 0130螺旋式连续榨汁机的生产能力公式如下：G=3600F v (kg/h) 001式中:：G生产率,本设计取 G=1000kg/h；F 螺杆螺旋送料的断面面积(m2)；0 物料容积密度，本设计取 =400kg/m ；113充填系数,本设计取 =0.2。 将参数代入得：1000=3600F 1.084000.20解得：F 0.0321(m )02根据螺杆螺旋送料的断面面积计算公式：F = 04)(d2 12 0d式中：d 螺杆螺旋送料的
8、断面大径(m)；0d 螺杆螺旋送料的断面小径(m)；本设计根据强度计算得 d =0.09m；11将有关数据代入得，则可求得：d 0.2213m0取螺杆螺旋送料的断面大径 d =0.24 m。01.5 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 P ：14P = (1+2+3+Z)（W）14)(d2 12 0dmax60psn=0.0321101083. 060005. 01306=2891.5W式中：相邻螺距大小之差，m；sZ螺距数目；物料所受的最大压力，取 0.83MPa；
9、maxp螺旋外径，m；0d螺旋内径，m。1d设使物料移动所消耗的功率为 P ：2P =mv= (W)2t12 22v tm式中： m物料的质量 kg；t物料运动时间 s。 而 =G (生产能力)tmv=60ns所以：P =(W)226021nsG720022sGn= 720005. 0130100022=60.5w 则消耗的功率为：P= (W)21pp 5=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：、分别为带传动、齿轮传动的轴承、齿轮传动、联轴12345器、螺杆轴的轴承的效率。取0.96、0.99、0.
10、97、0.97、0.98、则：12345543210.960.99 0.97 0.970.98330.812 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：P = P= (W)d21pp =81. 05 .605 .2891=3657.1w 2.2 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 i24，减速器的传动比 i412.5，则合理总传动比的范围为 i8 50，故电动机转速的可选范围为：(8-50)130=1040-6500 r/min符合这一范围
11、的同步转速有 1500 rmin，3000rmin 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6额定 功率电动机转速传动装置的传动比方案电动机 型号 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4kw，满载转速=1440rmin，总传动比适中，传动装置结构较紧凑。edP
12、mn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 AB地脚螺栓 空直径K轴伸尺寸DE装键部 位尺寸FGD1124003052651801401228608363 计算总传动比和分配传动比由选定电动机的满载转速和工作机主动轴的转速，可得传动装置的总mnwn传动比为：i=wm nn08.1113014407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
13、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=514.31n1inm 8 . 2 1440minr=128.621 2inn 43 .514minr式中：为电动机的满载转速，单位为；，分别为减速器输入轴和mnminr1n2n榨汁机螺旋轴的转速，单位为；为电动机至减速器输入轴的传动比；minr1i为减速器的传动比。2
14、i4.2 各轴的输入功率=1PedP01=40.96=3.84kW=2PedP12=3.840.95=3.65 kW式中：为电动机的输出功率，单位为 kW；、分别为减速器输入轴和榨汁edP1P2P机螺旋轴的输入功率，单位为 kW；、分别为电动机轴与减速器输入轴、减0112速器输入轴与榨汁机螺旋轴间的传动效率。 4.3 各轴转矩8=1TedT011i=26.52.80.96=71.3 Nm=2T1T122i=71.340.95 =271.0 Nm式中：、分别为减速器输入轴和榨汁机螺旋轴的输入转距，单位为 Nm；1T2T为电动机铀的输出转矩，单位为 Nm。edT的计算公式为：edT=9550 ed
15、Tmed nP=955014404=26.5 Nm 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/( Nm)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3 caP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： =1.2 PKPAcakw8 . 44 9工作情况系数 取=1.2。AKAK5.2 选择 V 带的型号3 根据计算功率和小带轮转速，得 A，B 型均可，选择 A 型普通 V 带。caP1n5.3 确定带轮基准直径和1D2D5.3.1 初选主动轮的基准直径3 根据所选 V 带型号参考，选取，1Dmin1DD 选。mmD10015.3.2 验算带的速度 VsmnD23. 51000601000100 100060V115.3.3 计算从动轮直径 2DmmiDD2801008 . 2125.4 确定传动的中心距 a 和带长dL初定中心距，由
