离心式切片机的设计（含18张CAD图纸+说明书）

喜欢就充值下载吧。。资源目录里展示的文件全都有，，请放心下载，，有疑问咨询QQ:1064457796或者1304139763 ==================== 喜欢就充值下载吧。。资源目录里展示的文件全都有，，请放心下载，，有疑问咨询QQ:1064457796或者1304139763 ==================== 南华大学机械工程学院毕业设计（论文） 离心式切片机的设计 摘要：随着生活水平逐渐提高，人们对一些茎块作物的食用要求也越来越高。例如在加工土豆和一些薯类食品的时候，要将其切成片，因而离心式切片机应运而生。当食物的需求量比较大时，用手工进行切削工作量较大、效率低，且切出来的食物大小不一。对于一些食品深加工工厂来说，需要加工切成片的茎块状食品,切片机对工厂的重要性不言而喻，不仅提高了工厂的生产效率，而且还可严格控制食品的外观形状和大小。根据需求量的大小，改变离心式切片机的设计参数，可以设计出不同功率、不同形式的产品。本设计的切片机主要是针对中小型场合，例如加工作坊、食堂、家庭等，是针对一些茎块的形状而设计的，非常实用且效率较高。本设计按照切片的厚度和所要达到的生产效率，根据所产生的弯矩、扭矩对轴的作用，计算轴的大小及校核强度、刚度；根据受力的大小和方向合理选择轴承型号并计算轴承寿命；运用solidworks三维软件对机架进行了设计与受力分析，在保证强度要求前提下尽可能的优化结构，旨在设计和开发一种高效率、高质量的离心式切片机。 关键词: 离心式切片机；切片厚度；生产效率 A Design of Centrifugal Slice Machine Abstract: As the improvement of people's living standard, the edible equirement of the tuber crops becomes higher and higher. For example, people want to cut the food like to potatoes into pieces, the use of the centrifugal slice machine appears consequently. When the demand of the food is large, the workload is relatively heavy and the efficiency is quite low by hand cutting. In addition the sizes of the food is inhomogeneous. To some of the food processing plant, they need the processed sliced stem massive food , it goes without saying that slicer is very important on the plant, it not only improves the production efficiency of the plant, but also strictly controls the appearance of the shape and size of the food . According to the demand, products with various powers and styles can be figured out by adjusting the parameters of the centrifugal slice machine. This design is aimed at medium and small occasions such as processing workshops, canteen and families. This design is very practical and efficient especially for the tuber crops. The design is accordance with thickness of a slice and production efficiency to be achieved, based on the effect generated by the bending moment, torque on the shaft , calculates the size of shaft and checks the strength, stiffness. Based on the size and direction of the force, we have a reasonable choice of bearing mode and calculate the life of bearing. This design uses solidworks 3D software to design and analysis stress of the support, optimizes the structure as much as possible under the premise of ensuring the strength requirements , aims to design and develop a high efficiency, high-quality centrifugal slicer. Key words :Centrifugal Slice Machine; Slice Thickness ; Production Efficiency 目 录 1 绪 论 1 1.1 国外发展情况 2 1.2 国内发展概况 4 2 离心式切片机总体方案的确定 5 2.1 结构特点与工作原理 5 2. 2 机构的组成部分及特点 6 3 重要零部件的设计计算与校核 8 3.1 电动机的计算与选择 8 3.2 V带传动的设计计算 10 3.3 V带轮的设计 18 3.4 轴的设计与校核计算 21 3.5 轴承计算与校核 31 3.6 键的选择与校核 34 3.7 刀片的设计 37 3.8 入料斗及叶轮的设计 39 3.9 机架的设计 40 4 结 论 46 4.1 本设计的优点 46 4.2 存在的问题及改进的措施 46 参考文献 47 谢 辞 49 附 录 50 - ii - 南华大学机械工程学院毕业设计（论文） 1 绪 论 随着全球经济一体化的逐步深入和中国加入WTO，中国经济飞速发展人们的生活水平渐渐提高，对食物的种类和质量的要求程度也越来越高。 薯类作物是世界上仅次于小麦、水稻和玉米的第四种主要作物。薯类作物中的各种营养成分含量是一般蔬菜和粮食所不能比拟的，是一类营养成分非常全面的食物[1]。薯类作物分布在我国二十多个省、自治区种植，是我国主要粮食作物之一，其中马铃薯就是其中一种非常好的蔬菜作物。我国薯类作物种植面积达1.4亿亩，总产量达2 ~ 3千万吨，是世界上产薯最多的国家。 以马铃薯为原料可以开发出一系列的深加工产品。近年来，一些营养丰富、方便、美味的马铃薯食品受到广大消费者的喜爱，随着麦当劳、肯德基等洋快餐在我国的落户，有掀起了一股方便和休闲的马铃薯食品热潮。 薯类食品包括马铃薯、地瓜等加工食品。薯类经工业加工成薯条、薯片等可增值20～30倍，增值较大。行业人士分析认为——我国薯类生产落后，虽然我国地瓜的种植面积和产量均居世界首位，但地瓜的加工业却发展缓慢[2]。我国马铃薯生产主要依赖辽阔的土地优势，薯类产量占世界总产量的28%，居世界第1位。但其整体生产水平却远低于世界平均水平。薯类食品产销两旺我国一直是鲜薯产品的净出口国，但在薯类加工产品上却一直是进口国，而且总量在逐步增加。统计数据显示，我国每年需进口近1亿美元的薯类加工产品[3]。 油炸切片型马铃薯片和复合型马铃薯片是两种最为流行的马铃薯休闲食品。切片型马铃薯片有百事、上好佳、亲亲、百宜等十余家企业生产，年产能9万吨。复合型马铃薯片有百事、达利、海德等企业生产，年产能2万余吨，据估计全国马铃薯片产能为16万吨。据中国食品工业协会马铃薯食品专业委员会不完全统计，2006年北京辛普劳公司生产冷冻薯条3万吨，哈尔滨麦肯公司生产1.5万吨，山西旭美生产1.8万吨，总量近6.3万吨[4]。我国全年实际消费量近9万吨，不足部分由进口补充。 我国目前马铃薯全粉的生产企业约有11家，总产能6万吨。生产呈现产销两 第63页,共64页 旺，供不应求的态势。生产1吨全粉需要5吨鲜薯，5吨鲜薯的价格是5000元，但产出的1吨全粉价值是1～1.2万元，除去其中的加工成本，每生产1吨全粉利润在2500元左右，如果一家企业年产1万吨全粉，利润就达到2500万元，因而薯类食品加工的发展前景被众多行家一致看好[5]。 据介绍，薯类作物中的主力军马铃薯兼具粮食作物和经济作物的特点，是重要的粮菜饲兼用作物和工业原料，由于其高产稳产、适应性广、营养成分全和产业链长而受到世界各地的高度重视[6]。马铃薯的种薯、商品薯及各种加工产品、综合利用型产品和附加工型产品已成为全球经济贸易的重要组成部分，市场份额比例也越来越高。薯类作物是地下的根(或茎)显著膨大，且贮藏丰富的碳水化合物(主要是淀粉)，通过人工选择驯化栽培的植物群的总称，其种类繁多。在云南，除了目前种植的马铃薯、甘薯、木薯、芋头、魔芋、薯蓣、芭蕉芋等等之外，还有大量的薯类野生资源有待开发，薯类作物因此成为云南首选的能源作物[7]。 薯类作物的经济作用也在世界各国受到了重视，各种各样的薯类作物加工产品需求量越来越大，国际上对此的研究与研讨也越来越多。第12届热带薯类作物学会（ISTRC)国际研讨会于2000年9月10日在日本筑波科学城会议中心召开，该学会3年1次召开研讨会，这是首次在温带地区日本召开。这次会议由热带薯类作物学会发起，国际马铃薯中心（CIP)、国际植物遗传资源研究所（International Plant Genetic Resources Institute,IPGRI)、亚太粮食和肥料技术中心（Food and Fertilizer Technology Center,FFTC)等单位共同参与，日本公司和企业赞助。来自世界28个国家和地区的100多位从事甘薯、木薯、芋头等热带薯类作物研究的科学家参与了着此次会议[8]。 在2011年4月20日至2011年4月22日由农业部贸易促进中心主办，中国马铃薯专业委员会、甘薯专业委员会等单位协办的第二届中国国际薯业博览会上，内蒙古乌兰察布市代表团收获颇丰。此次博览会吸引了来自荷兰、德国、英国、美国、瑞士等11个国家的国际展商和来自北京、山西、内蒙古、甘肃、宁夏、广西等23 个省区市的国内展商，共计近200家薯类企业、科研单位参展，展出内容包括薯类育种及繁育、加工品、生产资料、设备和技术等[9]。乌兰察布市组织了8家当地马铃薯生产、加工领域的龙头企业，带来30多个品种的产品，汇集该市马铃薯生产、加工、销售等各个环节产品的精华，受到国内外客商的青睐，特别是雄鹰蔬菜加工有限公司展示的马铃薯土豆丝、土豆片的半成品和桶装的炸薯片等系列产品吸引了众多客商和市民，成为博览会上的一大亮点。 小土豆究竟有多大魔力？据了解，近年来，乌兰察布市市委、市政府认真贯彻温家宝总理关于西部地区“要把小土豆办成大产业”的指示精神，积极调整产业结构，把马铃薯产业作为全市农牧业发展的主导产业来培育，每年投入一定的政府专项资金用于良种繁育、喷灌设施、覆膜推广、精深加工等补贴。农民人均来自马铃薯产业的收入就有1500元左右，占到种植业收入的53%，占农民纯收入的20%~40%，马铃薯种植已经成为了乌兰察布市农民脱贫致富、建设新农村的支柱产业[10]。2009年3月，中国食品工业协会授予乌兰察布市“中国马铃薯之都”称号。难怪乌兰察布市分管农村工作的副市长赵锦接受采访时动情谈到：“你别看这土豆虽小，但切成片、切成丝、切成块，它的增值空间就能达到30%-40%！今后我们将从各个方面加大力度推动马铃薯产业发展，不仅要面向全国打好品牌，还要让它走向世界！” 面对以马铃薯为主的薯类作物经济效益和大号发展前景，随着现在的快餐业迅速崛起，对茎块的食物的需求越来越多，像土豆薯条、薯片等休闲食品的消费急剧增长。这给茎块食物的加工带来了勃勃生机与活力[11]。在茎块作物的加工过程中需要用机器进行加工,比如本设计的切片机等。按刀片安装形式的不同切片机可以分为盘刀式、滚刀式和离心式三种。 1.1 国外发展情况 国外的切片机技术始于六十年代， 到七十年代已经发展成熟，八十年代中期，大部分切片机都可以加工125 mm（5英寸）以上大直径单晶，像瑞士的迈尔-布格耶斯公司的卧式内圆切片机，切割棒料直径最大可以达到304.8 mm（12英寸）。八十年代中期后的一、两年，切片技术发展到了鼎盛时期，相当多的多功能全自动切片机相继商品化。在八十年代中期还有一种设计独特、完全与传统切片技术不同的切割器——线锯，它主要特点是刃口损失少、偏差小、表面平整度好、产量大、成本低[12]。从而诞生了世界上著名的切片机厂家，如瑞士Meyer-Burger AG公司的TS系列机，日本Tokyo Semitsu 株式会社的TSK（若干）系列机,日本Okamoto Machine 株式会社的ASM系列机，美国STC公司的STC系列机等。实质上，世界的切片机生产商基本形成两大强劲阵容，即西欧的TS系列和东亚的TSK（若干）系列，各有各的特点和优势。它们在世界半导体设备切片领域中，不分高低。TS-33备有Φ200 mm圆形工作台，可以安装单刀或多刀，以电液控制实现全自动操作；它适用于切削石英、铁氧体、光学玻璃和陶瓷等脆硬材料。TS-123是一种高精度外圆切片机，他结合了前面几种机型的有点，是为了电子行业的超精密元件加工而专门设计的，主轴转速可达一万转以上，适用于硬盘用磁头、半导体材料、陶瓷元件和维系镜头的加工。TSK系列的G-SL型是一种带有端面研磨的内圆切片机，它结合了S-LM-400系列机全部特点，可切割Φ150 mm和Φ200 mm片子，片子平整度达微米级。它采用的新型复位系统具有高复位效率，使用32位CPU（80386SX）新型高性能控制器。G-SL-500系列机的切片技术，开创了世界领先水平。STC-155、STC-200型卧式内圆切片机，采用液压传动、液压装刀、计算机控制、具有快速返回装置、戴那跟踪、以及片子自动回收系统（AWR）等；棒料可切削-7°~64°；真空卡盘可同时装卡两个工件。STC-200是在前者大的基础上改进的，主要用来切割区熔法（HB）拉制的化合物半导体材料，如GaAs、GaP、InP等，最大棒料可达200 mm；400 mm、550 mm、675 mm三种规格的内圆刀片可替换，采用气垫方式消除刀片变形，使片子平面度重复精度优于5 μm。 就切片机的结构而言，主轴以空气轴承或滚动轴承为支撑方式的卧式和立式两种，有内圆切片，也有外圆切片，有单刀切片，还有躲到切片，且以前者较为普遍。发展到现在，就切片机的功能而言，已经相当齐全，而且复合化，切片的方式也多种多样。近今年来，日本东京精密株式会社开发生产了片子组合加工系统，把单晶装片、切片、传片、拆除石墨支承片等多道工序集成，实现了片子加工过程全线自动化。 1.2 国内发展概况 我国的切片机技术始于七十年代初期，我国的切片机广泛应用于蔬菜、中药、冻肉等领域，其中土豆的应用尤为显著[13]。目前我国切片机的主要方式有以下几种： (1)直线往复式切片机。直线往复式切片机的结构比较简单，但效益较低。 因此它应用于对工作要求不高、效益较低的场合。 (2)圆盘旋转式切片。圆盘旋转式切片机的机构简单且有较高的生产效益，因此它广泛应用于各种场合。 (3)水枪式切片。水枪式切片机的耗水量大，只能切出平直的片，因此它的应用不是十分广泛。 (4)圆形（内圆切片、外圆切片）切片。圆形式切片机有很高的工作效率，但是结构复杂，设计较困难，因此它应用于工作效率要求相当高的专业领域。 我国的切片机的研究开发方面虽然已有30年的历史，近几年来切片机的研制发展也非常迅速，但是与发达国家相比目前仍然有一定的距离，研制的切片机没有得到大面积推广应用。在我国已有切片机的生产厂家如山东省大洋食品机械厂的大洋牌土豆切片机有400型、600型、江阴鑫达药化机械的中药切片机。辽宁省农业机械化研究所研制6P-400型切片机为辽宁省科委“出口干薯片加工工艺及成套设备的研制”课题的我国的关键设备[14]。过去国内各种切片机均采用卧式结构，生产效率低；该机采用立式转盘推动物料旋转，被固定刀切削成片，提高生产率3倍以上。同时合理配置刀架圈及旋转盘直径、转盘转速、刀片倾角等，使切片均匀、光滑、无横向裂纹、破碎低，减少淀粉的流失。目前我国已生产数台，推广至内蒙古自治区、辽宁省、吉林省等地。在其他种类的切片机方面也取得有较大性突破，如通化市农机工程研究设计院设计的6PSL-550型离心式人参切片机[15]。近年来，随着人参加工业的不断发展和人民生活水平的不断提高，开发出多种人参保健片新产品。例如红参片、鲜参片、活性参片和人参蜜饯片灯光，都是以大块人参为原料，切成薄片后，经特殊加工处理制成的。对人参切片的质量要求比较高，因而对此的研究也不断在进行[16]。6PSL-550型离心式人参切片机的研究成功和推广使用，使得人参切片的质量得到了一个大的飞跃。以及高效核桃仁切片机的设计在各个方面都有各自的创新特点，相比以前的设计产品都有较大的突破。 2 离心式切片机总体方案的确定 2.1 结构特点与工作原理 2.1.1 结构特点 根据本设计的要求及适用面来确定切片机的形式：本设计中采用离心式切片，离心式切片机的装料和卸料都比较容易，结构简单，操作和维修便易，而且离心式相对立式工作时产生的震动小，有益于机器的正常工作，是非常适合作坊使用。本设计的离心式切片机，主要是由电动机经V带降速并传递动力给旋转轴，从而使轴进行旋转运动并带动切片机叶轮旋转运动来切片。V带传动在转速较高的环境下，相比齿轮传动而言具有噪声较小、磨损小的特点。而相对于链传动而言，传动效率比链传动高。本设计在机架结构采用充分利用型材下料，利用角钢、槽钢等材料建立基体结构，在机体结构外面加以薄铁皮或较薄的钢板。相对于铸造结构的机架，具有经济性好、结构较轻的特点。除此之外，在整体性能及作用方面本机构主要有以下优点：①降低了人们的劳动强度，提高了工作效率，能达到500~1000 kg/h。②切片的厚度一致性高，损耗低③切削种类多，能对土豆、红薯、洋葱等进行切削④结构简单紧凑⑤进料卸料简单，方便。 按动力种类分，离心式切片机可分为机动和人力两类。机动的包括内燃机驱动和电机驱动。本设计选择效率较高的电机驱动为动力来源。 离心切片机由电动机、旋转叶轮、皮带传动装置和输入、输出物料装置等组成。其结构示意图如图2.1所示。 图2.1 离心式切片机结构简图 1-电动机 2-皮带机皮带轮 3-传动轴 4-叶轮及其叶片 2.1.2 工作原理及工作条件 离心式切片机采用电动机作为动力，通过皮带轮传动减速装置带动输出轴转动，轴的末端接一旋转叶轮，随着叶轮的转动把物料离心甩到叶轮边上，紧靠机壳内壁。物料由于叶轮上拨片的拨动和有离心力而做紧靠着圆形机壳内壁的旋转运动。而刀片是固定在机壳内壁上的，因此物料达到了与固定刀片做相对运动来达到切片的目的。切好的切片通过自身的重力在叶轮与机壳内壁间的空隙中落下，落到落料槽内，通过出料槽滑出切片机，落到外部放置装切片的容器内。切片的厚度由刀片与机壳内壁间的距离调节装置来控制，通过在刀片下增加（或减少）垫片来调节刀片与机壳内壁的距离。 工作条件：配套动力为1~1.5 kw；切片厚度为2~5 mm；叶轮转速为200~550 r/min；生产率为500~1000 kg/h 2. 2 机构的组成部分及特点 2.2.1 电动机 随着社会的发展和科技的进步，旧时代的燃油动力在很多场合已经被淘汰。燃油动力一般适合于功率非常大或转矩很大以及通电不方便的场合应用。使用电动机作为动力，具有占地面积小、效率高、零污染排放以及噪音小等优点。相对于燃油动力来说，室内使用的机器正好需要电动机的这些优点。考虑到电动机的通用性、经济性以及切片机的结构特点等，本设计选择电机为Y2-90L-4，其额定功率为1.5 kW, 额定电压为380V，同步转速为1400 r/min 。 2.2.2 带传动装置 切片机选择V带传动作为传动装置。 带传动是一种挠性传动。带传动的基本组成零件为带轮（主动带轮和从动带轮）和传动皮带。当主动带轮转动时，利用带轮和传动皮带之间的摩擦或啮合作用，将运动和动力通过传动带传递给从动带轮。带轮具有结构简单、传动平稳、价格低廉和缓冲吸振等特点，在近代机械中应用广泛。按照工作原理的不同，带传动可分为摩擦型带传动和啮合型传动[17]。 传动比大会减小带轮的包角。当带轮的包角减小到一定程度时，带传动就会打滑，从而无法传递规定的功率。因此，带传动的传动比一般为，推荐值，取。 2.2.3 轴、轴承 轴的材料为40Cr钢，由于轴线方向为竖直方向，故轴线方向上存在较大的受力，所以轴的固定选用能够承受较大轴向力的圆锥滚子轴承作为支撑，采用轴肩定位。 2.2.4 刀片 由于本设计将的产品为食品，需要考虑防锈的因素，而且刀片材料中要无毒无有害物质，故选用常用的食品加工刀片材料301不锈钢。 3 重要零部件的设计计算与校核 3.1 电动机的计算与选择 3.1.1 选择电动机应综合考虑的问题 ①　 根据机械的负载性质和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速以及工作环境等要求，选择电动机类型及安装方法。 ②　 根据负载转矩、速度变化范围和启动频繁程度等要求，并考虑电动机的温升限制、过载能力和启动转矩，选择电动机的功率，并确定冷却通风方式。所选电动机功率应大于或等用于计算所需的功率，按靠近的功率等级选择电动机，负荷率一般取0.8~0.9。过大的备用功率会使电动机效率降低，对于感应电动机，其功率因数将变坏，并且按电动机最大转矩校验强度的生产机械造价提高。 ③　 根据使用场合的环境条件，如受灰尘、雨水、温度、湿度、瓦斯以及腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护方式，选择电动机的结构型式。 ④　 根据企业的电网电压标准，确定电动机的电压等级和类型。 ⑤　 根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程性能的要求，以及机械减速结构的复杂程度，选择电动机额定转速。 除此之外，选择电动机还必须符合节能要求，考虑运行可靠性、设备的供货情况、备品备件的通用性。安装检修的难以，以及产品价格、建设费用、运行和维修费用、生产过程中前期与后期电动机功率变化欢喜等各种因素。 3.1.2 电动机转速的计算 生产效率Q为 500~1000 kg/h,取中间值Q=750 kg/h,配套动力：1~1.5 kw, 叶轮转速：200~550 r/min。 茎块一般为椭圆形，测定其长为65~80 mm, 宽为45~60 mm。由生产效率的公式 （3-1） 式中：B —— 刀片长度，mm； r —— 叶轮半径，mm； n —— 传动轴的转速，r/min； a —— 一般茎块的椭圆长，mm； t —— 切片厚度，mm； z —— 刀片片数。 可推算出转速的公式如下： （3-2） 初步选值，a =70 mm；Q=750 kg/h；t =3 mm；z =4；B=80；r =300 mm 将数据代入公式3-2得 3.1.3 电动机型号的选择 电动机额定转速时根据生产机械的要求而选定的。在确定电动机额定转速时，必须考虑机械减速机构的传动比值，两者相互配合，经过技术、经济全面比较才能确定。通常，电动机的转速不低于500r/min，因为当功率一定时，电动机的转速越低，其尺寸越大，价格越贵，而且效率也较低，如选用高速电动机，势必会加大机械减速机构的传动比，致使机械传动部分复杂起来。 本设计采用的是V带传动减速机构，由于V带动传的传动比为3，则由公式 （3-3） 式中： ——电动机转速 ——轴的转速 初步计算电动机的转速是。 综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量、价格和带传动、减速器的传动比，采用经济性较好、较通用的一般三相异步Y系列电动机。该系列电动机效率高、耗电少、性能好、噪声小、振动小、体积小、重量轻、运行可靠，维修方便。B级绝尘，结构为全封闭式，自扇冷式，能防止灰尘、铁屑、杂物侵入电动机内部。 由给定的工作条件可知配套功率为1~1.5 kW，又计算出电动机的转速为1312.5 r/min。查机械设计手册表[18]17-1-29，选择电动机型号为Y2-90L-4，其额定功率为1.5kW, 同步转速为1400 r/min，额定电压为380V,质量为27 kG。 因为，故由公式3-3可得 电动机外形及安装尺寸示意图如图3.1所示。 图3.1 电动机外形及安装图 查机械设计手册表17-1-30得Y2-90L-4电动机的安装尺寸如表3-1所示。 表3.1 电动机的安装尺寸(单位：mm) H A B C D E F×GD G AA AB AC AD BB 90 140 125 56 24 50 8×7 20 36 180 90 155 155 3.2 V带传动的设计计算 3.2.1 求计算功率 计算功率是根据传递功率和带的工作条件而确定的。 则由公式 ： （3-4） 式中： ——计算功率，kW; ——工作情况系数; ——所需传递的功率，kW。 查机械设计手册表13-1-17得 因为，则计算可得 3.2.2 选V带的型号 可用普通V带或窄V带，现选普通V带。 根据, ，查机械设计手册图13-1-1查得选用的V带为Z型。 3.2.3 确定带轮的基准直径并验算带速 初选小带轮直径 查机械设计手册中表13-1-10可得Z型带的直径范围为=50～71 mm。在带传动需要传递的功率给定的条件下，减小带轮的直径，会增大带传动的有效拉力，从而导致V带根数的增加。这样不仅增大了带轮的宽度，而且也增大了载荷在V带之间不均匀性。另外，带轮直径的减小，增加了带的弯曲应力。为了避免弯曲应力过大，小带轮的基准直径就不能过小。故根据机械设计手册表13-1-11直径系列中取小轮基准直径为= 71 mm。 验算带速 根据公式： （3-5） 因为 =1400 r/min,=71 mm，故代入数据计算可得 =5.21m/s 当带传动功率一定时，提高带速，可以降低带传动的有效拉力，相应的减少带的根数或者V带的横截面积，总体上减少带传动的尺寸。但是提高带速，也相应的提高了V带的离心应力，增加了单位时间内带的循环次数，不利于提高带传动的疲劳强度的寿命。降低带速则有相反的利弊。 因此带速一般不宜过低或过高，一般应使=5～25 m/s，最高带速＜30 m/s。因为=5.21 m/s，故符合要求。 计算大带轮的基准直径 由公式： （3-6） 因为=3，=71 mm故代入数据计算可得=3×71 mm=213 mm 根据机械设计手册表13-1-11圆整为=224 mm。 3.2.4 确定V带的中心距a和基准长度 初定中心距 根据公式 初选 =1.5×(71+224)=442.5mm 计算基准长度 根据公式 （3-7） 代入数据计算可得 =2×442.5+×（71+224）+ =1361.6 mm 查机械设计手册表13-1-5选取带的基准长度=1400 mm。 计算实际中心距 根据公式 （3-8） 由=442.5 mm，=1400 mm，=1361.6 mm 故代入公式3-8计算可得 =442.5+=481.7 mm 考虑到带轮的制造误差、带长误差、带的弹性以及因带的松弛而产生的补充张紧的需要，故中心距的变化范围为 3.2.5 验算小带轮上的包角 由于小带轮上的包角小雨大带轮上的包角，故小带轮上的总摩擦力相应的小于大带轮上的摩擦力。因此，打滑只可能在小带轮上发生。为了提高带传动的工作能力，应使。 根据公式 （3-9） 代入数据计算可得 ==180°-（224-71）×=161.8° 故符合要求。 3.2.6 计算带的根数z 为了使各根V带受力均匀，带的根数不宜过多，一般应少于10根。否则，应选择横截面积较大的带型，以减少带的根数。 计算单根V带的额定功率 根据公式 （3-10） 式中：——V带的基本额定功率，kW； ——V带的基本额定功率，kW； ——包角修正系数； ——带长修正系数。 查机械设计手册表13-1-19得 0.39 kW ,=0.03 kW， 查机械设计手册表13-1-22得=0.95， 查机械设计手册表13-1-23得=1.14, 代入公式3-10计算可得 =（0.39+0.03）×0.95×1.14=0.45kW 计算带的根数 根据公式 (3-11) 式中 ：——计算功率，kW; ——V带的额定功率，kW。 由3.2.1计算得知 =1.65 kW 由3.2.6计算得知 =0.45 kW 代入公式3-8计算可得==3.67，故带的根数取4根。 3.2.7 确定带的初拉力 带传动工作前，传动带以一定的初拉力(图3.2a）张紧在带轮上。 带传动工作时，因带和带轮间的静摩擦力作用使带一边拉紧，一边放松。紧边拉力为,松边拉力为（图3.2b）。如果仅是认为带的总长度保持不变，并且假设带为线弹性带，则有公式（8-1）成立。 -=- （3-12）或者 -=- （3-12a） （a)不工作时 （b）工作时 图3.2 带传动的工作原理图 如果取与带轮接触的传动带为分离体（图3.3），那么根据传动带上诸力对带轮中心的力矩平衡条件可得 =- （3-13） 式中，为传动带工作面上的总摩擦力大小。 图3.3 带与带轮的受力分析 带传动的有效拉力等于传动带工作表面上总摩擦力，于是 ==- （3-14） 有效拉力与传动带锁传递的功率P的关系为 P= （3-15） 式中：功率P的单位为kW，有效拉力的单位为N，传动带的速度v的单位为m/s。 在初拉力、紧边拉力、松边拉力和有效拉力这4个力中，只有两个是独立的。因此，由式（3-12）和式（3-14）可得 (3-16) 由式（3-15）可知，在带速一定的条件下，带传动所传递的功率P决定了带传动应有的有效拉力，也就相应的决定了传动带和带轮间应该至少具有的总摩擦力，以及为了获得这个总摩擦力，传动带应具有的最小初拉力。 带轮的初拉力必须大于带传动正常工作所要求的最小初拉力，否则主动带轮将带不动从动带轮，带传动将出现整体打滑。但过大的初拉力是没有必要的。因为从式（3-16）可见，传动带的紧边拉力与松边拉力取决于带的初拉力和带传动的有效拉力。在带传动的有效拉力给定的条件下，把传动带张的过紧，只会无谓的增大传动带的紧边拉力和松边拉力，从而使得传动带因过度磨损而很快松弛。 由此可见，为了保证带传动的正常工作，首先需要确定满足传动功率要求的至少具有的总摩擦力和与之相对应的最小初拉力。 考虑离心力和包角的影响，根据公式 （3-17） 式中：——单根V带所需的最少初拉力,kW; ——包角修正系数； ——带的根数； ——带的速度； ——带的单位长度质量。 查机械设计手册表13-1-22得，， 查机械设计手册表13-1-24得，， 又因为，，将数据代入公式（3-17）计算可得 ==66.2N 对于新安装V带，初拉力应为1.5；对于运转后的V带，初拉力应为1.3。 安装时，应保证初拉力大于上述值，但也不应过大。为了控制实际的大小，可以采用如图3.4所示的方法，即在V带与两带轮切点的跨度中点，施加一规定的、与带边垂直的力G（参考见机械设计表5-1），使带在每100mm上产生1.6mm的挠度即可。 3.4 初拉力的测定 表3.2 测定初拉力所需的垂直力G 带型 小带轮直径 带速v/(m/s) 50~100 50~100 50~100 Z 50~100 5~7 4.2~6 3.5~5.5 ＞100 7~10 6~8.5 5.5~7 A 75~140 9.5~14 8~12 6.5~10 ＞140 14~21 12~18 10~15 B 125~200 18.5~28 15~22 12.5~18 ＞200 28~42 22~33 18~27 C 50~100 36~54 30~45 25~38 ＞100 54~85 45~70 38~56 D 200~400 74~108 62~94 50~75 ＞400 108~162 94~140 75~108 E 500~800 145~217 124~186 100~150 ＞800 217~325 186~280 150~225 3.2.8 计算带传动的压轴力 为了设计带轮轴的轴承，需要计算带传动作用在轴上的压轴力（参见图3.5） 根据公式 (3-18) 其中为小带轮包角， 由上面计算可知：=4，=66.2N，=161.8°，代入公式（3-18）计算可得 =2×4×66.2×sin80.9°≈523N 图3.5 压轴力计算示意图 3.3 V带轮的设计 3.3.1 V带轮材料的选择 设计V带轮时应满足的要求是：质量小，结构工艺好，无过大的铸造内应力，质量分布均匀，转速高时要经过动平衡，轮槽工作面要精细加工（表面粗糙度一般为1.6或3.2，各槽的尺寸和角度应保持一定的精度，以使载荷分布较均匀。带轮的材料主要采用铸铁，常用的材料牌号为HT150或HT200，转速较高时采用铸钢，小功率采用时可采用铸铝或塑料。考虑本设计的功率情况和转速，本设计采用铸铁，材料牌号为HT150。 3.3.2 带轮的结构尺寸的设计 带轮结构形式的设计 铸铁制V带轮的典型结构有以下几种形式：1、实心式；2、腹板式；3、孔板式；4、椭圆轮辐式。 V带轮的轮槽与所选用的V带的型号相对应，此设计选的是Z带，查机械设计手册表13-1-10可得，Z型带轮对应的参数为： ；；；； ；； V带轮的结构形式与基准直径有关。当带轮基准直径为（d为安装带轮的轴的直径，mm）时可采用实心式；当时，可采用腹板式；当，同时时，可采用孔板式；当时可采用轮辐式。 由5.3中的计算已知、： 小带轮基准直径 根据电动机的型号，查机械设计手册表17-1-30，可得安装小带轮轴的直径为，故 但因为根据公式； 计算可得 所以小带轮选用实心式 大带轮基准直径， 根据公式；，计算可得 因为 dd≤300mm，且，所以大带轮选用孔板式 带轮尺寸的设计 小带轮的尺寸参数为： 查机械设计手册表13-1-11可得，； ，取； ； 取； 查机械设计手册表5-3-18可得，键槽尺寸大小为， 小带轮的结构图如图3.6所示。 图3.6 小V带轮结构图 大带轮的尺寸参数为： 取安装大带轮轴的直径为，又故 查机械设计手册表13-1-11可得： ； ，取； ，取； , 取； ； 取； ,取； ； ，取。圆整取 查机械设计手册表5-3-18可得，键槽尺寸大小为， 大带轮的结构图如图3.7所示。 图3.7 大V带轮结构图 3.3.3 V带轮的技术要求 铸造或焊接或烧结的带轮在边缘、腹板、轮辐及轮毂上不允许有沙眼、裂纹、缩孔及气泡。铸造带轮在不提高内部应力的前提下，允许对轮缘、凸台、腹板及轮毂的表面缺陷进行修补。转速高于极限转速的带轮要做静平衡实验，反之要做动平衡实验。 3.4 轴的设计与校核计算 由前面设计部分可知轴的传输功率为,转速 3.4.1 按扭转强度初步计算轴径 (1) 选用40Cr钢，调质处理。查《轴常用材料及其机械性能表》得知，拉伸强度极限；拉伸曲极限；弯曲疲劳极限；扭转疲劳极限 ；扭转强度极限。 (2) 计算轴的直径计算公式 （3-19） 式中：P——轴的传输功率； n——轴的转速； A——许用扭转应力有关的系数。 由上可知； 查机械设计手册表6-1-19可得， ；。 取， 将数据代入公式3-19计算可得 考虑轴端有键槽，取轴的最小直径为 3.4.2 拟定轴的机构 结构设计 考虑到轴上零件的固定及变于轴系零件的装拆，采用阶梯轴结构，各轴段的直径和长度等如下： 1) 根据结构布局，下端采用一个圆锥滚子轴承30208作支承，轴径大小为Φ40 mm，长度为18 mm。 2) 为了便于装拆轴承1和轴承2，在不损伤轴颈表面的情况下，取安装皮带轮的轴径为Φ30 mm，长度为28 mm。 3) 查机械设计手册表7-2-91可知，轴承30208的的安装固定轴肩直径为47 mm，又轴承直径为40 mm，故轴肩高为3.5 mm 4) 上端同样采用一个圆锥滚子轴承30208配合下端轴承使用，轴径Φ40 mm,长度18mm。 5) 刀盘输出轴径取值Φ20 mm,长度25 mm。 6) 其余各段根据安装结构适当合理给定（见图3.8）。轴的总长L=300 mm。 7) 轴两端取倒角为1×45°。 8) 皮带轮与轴用平键加间隙配合，采用A型平键，键槽宽度b=8 mm,槽深h=4 mm,槽长L=28 mm。 9) 刀盘与轴用平键加间隙配合，采用A型平键，键槽宽度b=8 mm,槽深h=4 mm,槽长L=28mm。 10) 左右轴承支反力作用点若按精确计算，应距离轴承外端面9mm。得支承跨距,皮带轮对支点A的跨距，叶轮对支点B的跨距。 图3.8 主轴结构示意图 绘制弯矩图及扭矩图 轴主要受两个方向的作用力，一是皮带传输功率时作用的压轴力在径向会产生弯矩，另一个是刀盘重力及刀盘产生的轴压力。 轴的受力示意图以及弯矩扭矩等载荷分析图如图3.9所示。 （a）示意图 （b）受力图 （c）弯矩图 （d) 扭矩图 图3.9 轴的载荷分析图 计算各支撑力和力矩的大小 由皮带轮的压轴力,图中各数据计算如下 支承点A的支反力 支承点B的支反力 A-A处轴的弯矩 剖面C-C处于剖面D-D处之间的扭矩为 3.4.3 校核轴的强度强度 根据轴的结构和弯矩图及扭矩图可见，剖面A-A处所受到的当量弯矩最大，剖面A-A处有过盈配合会引起应力集中，剖面C-C和剖面D-D间因为受到的扭矩，经过分析认为剖面C-C和剖面D-D的危险度较大，故而只对剖面C-C和剖面D-D做强度校核。 按第三强度理论，计算应力 （3-20） 通常由弯矩所产生的弯曲应力是对称循环变应力，而由扭矩所产生的扭转切应力则通常不是对称循环变应力。为了考虑两者循环特性不同的影响，引入折合系数，则计算应力为 （3-21） 式中的弯曲应力为对称循环变应力。当扭转切应力为静应力时，取；当扭转切应力为脉动循环变应力时，取；若扭转切应力亦为对称循环变应力时，则取。 对于直径为d的圆轴，弯曲应力为,扭转切应力为,将和 代入公式3-21中，则轴的弯扭合成强度条件为 （3-22） 式中：——轴的计算应力，MPa； M——轴所受的弯矩，； T——轴所受的扭矩，； W——轴的抗弯截面系数，； ——对称循环应力时轴的许用弯曲应力。 查机械设计表15-4可得，带键槽轴的抗弯截面系数W计算公式为 （3-23） 由上面部分可得知，，， 将数据代入公式3-23计算可得 又扭转切应力为脉动循环，故。 由3.4.2中计算可知、 将、、和代入公式3-22中计算可得 因为，故符合要求。 若轴为心轴时，只承受弯矩而不承受扭矩时，在应用公式3-22时，应取T=0。转动心轴的弯矩在轴截面上所引起的应力是对称循环应力。对于固定心轴，考虑启动、停车等的影响，弯矩在轴截面上所引起的应力可视为脉动循环应力，所以在应用公式时，固定心轴的许用应力为（脉动循环变应力时的许用弯曲应力），=1.7。 3.4.4 按疲劳强度条件进行精确校核 这种校核计算的实质在于确定变应力情况下轴的安全程度。在已知轴的外形、尺寸及载荷的基础上，即可通过分析确定出一个或几个危险截面（这是不仅要考虑弯曲应力和扭转切应力的大小，而且要考虑应力集中和绝对尺寸等因素影响的程度），按下面公式计算出安全系数并应使其稍大于或至少大于设计安全系数S,即 （3-24） 综合系数的计算 查机械设计附表3-2，由，，经直线插入，得因轴肩而形成的理论应力集中系数为， 查机械设计附图3-1得轴的材料敏感系数为，。 则按公式 （3-25） 将数据代入公式3-25计算可得 查机械设计附图3-2、3-3按毛坯尺寸，得尺寸系数，。 查机械设计附图3-4，由于轴采用精车加工，查得表面质量系数。 查机械设计附图3-5，由于轴表面未经过强化处理，则可知。 综合影响系数为 （3-26） 碳钢系数的特性系数取为， 安全系数的计算 由3.4.2和3.4.3计算可知、、 则根据公式3-27和3-28 弯曲应力幅 （3-27） 扭转应力幅 （3-28） 可以计算出弯曲应力幅和扭转应力幅 ， 根据零件的强度计算设计公式 （3-29） 只考虑正应力时的安全系数 只考虑正应力时的安全系数 综合考虑时 ≥[S]=1.3~1.5 故满足强度要求 3.4.5 轴的刚度校核计算 轴在载荷作用下，将会产生弯曲或扭转变形。若变形量查过允许的限度，就会影响轴上零件的正常工作，甚至会丧失机器应有的工作性能。例如，安装齿轮的轴，若弯曲刚度（或扭转刚度）不足而导致挠度（或扭转角）过大时，将会影响齿轮的正确啮合，使齿轮沿齿宽和齿高方向接触不良，造成载荷在齿面上严重分布不均匀。因此，在设计有刚度要求的轴时，必须进行刚度的校核计算。 轴的弯曲刚度校核计算 常见的轴大多视为简易梁。若为光轴，可直接用材料力学中的公式计算其挠度或偏转角；若为阶梯轴，如果对计算精度要求不高，则可用当量直径法做近似计算。即把阶梯轴看成是当量直径为的光轴，然后在按材料力学中的公式计算。当量直径计算公式（单位为mm)为 （3-30） 式中：——阶梯轴第段的长度，mm； ——阶梯轴第段的直径，mm； L——阶梯轴的计算长度，mm； Z——阶梯轴计算长度内的轴段数。 代入数据计算可得 由偏转角公式3-31 （3-31） 代入数据计算可得 式中： 　F——压轴力 　——支撑点之间距离， 　　　　——外伸端长度。 因为该处轴承为圆锥滚子轴承，查机械设计表15-