多功能制茶机机械结构设计 30页

'多功能制茶机机械结构设计1绪论1.1综述1.1.1毕业设计的题目题目是：多功能制茶机机械结构设计1.1.2毕业设计的目的本次毕业设计的目的是培养我们综合运用学过的理论知识，从而进一步提高我们的分析问题和解决问题的能力，同时还可以巩固所学过的知识，熟练掌握学过的计算机辅助工具，例如：AutoCAD等制图软件。多功能制茶机机械结构的设计更是对我的一个巨大的挑战，同时这也是一个很好的机会，因为这个东西在专业课领域很少接触，可以通过本次的设计很好的锻炼一下自己，从而为以后的工作做一个很好的铺垫。1.2题目背景及研究意义茶叶是我国人民生活中最重要的、不可替代的传统饮品，同时也得到世界各国人民的喜爱和推崇。它富含人体所需要的多种维生素和营养元素，其保健作用得到医学和生物科学界以及普通百姓的一致认同。同时，茶叶的颜色、外形、香气和口味等感官效果也是评价茶叶品质的重要组成部分。因此，优质的茶叶原料还需要科学、合理的加工工艺及其加工设备来激活营养成份并保持和提高其品质。茶叶的加工工艺过程包括杀青、揉捻、干燥等工序。通过对不同品种的茶叶采用不同的工艺方法进行加工，使茶叶的色、香、味、形获得理想的效果，并保持其营养成分。这就需要提供与之相应的茶叶加工机械，即制茶机（炒茶机）。茶叶加工附加值高，所以制茶机械很有市场。2 现有制茶机多是单功能的，包括杀青机、揉捻机、烘干机等等。这些单功能茶叶机械已较完善，产品很多。但通过一台机械实现多项工艺流程的综合功能制茶机尚不多见。综合功能茶叶加工机械，可减轻劳动强度，降低加工工本，提高工作效率。既适应家庭作坊式生产，又适应工厂化生产，所以，市场前景看好。1.3国内外茶叶加工机械发展现状1.3.1国内茶叶加工机械发展现状中国在20世纪50年代初，创造了手摇杀青机、手推揉捻机、手拉百页烘干机等模拟传统手工工艺的半机械化制茶设备，1958年有浙江的科研、教学、贸易等部门联合研制成功“58型”杀青机、揉捻机等机种，由此，中国茶叶加工行业逐步走上了机械加工的道路，也为茶叶机械化发展奠定了基础。60年代后期开始，茶叶机械研究改变了以往单机孤立设计的方法，逐步转向了前后工序生产平衡的配套设计，这期间，名优茶的成套加工设备研究的比较少。70年代，为了提高茶叶的生产效率，连续化和系列化作业的茶叶加工机械成为主要研究方向，槽式连续杀青机在云南风庆开发成功。80年代，浙江和安徽的茶叶机械科研与生产单位，对炒青绿茶连续化生产成套设备作了重点研究，相继推出了6CL-110型、6CMCL-10型等炒青绿茶初制连续化生产线。90年代，在茶叶组合机械的基础上，类似的机炉一体化结构成为主要研究方向。茶叶机械从60年代的单动力、开式齿轮传动的型式发展到80年代中期自控技术、光电技术、静电技术和计算机控制技术等新技术在名优茶叶加工机械上得到应用，使以往间歇作业向连续作业转变。90年代初研制成功了热源装置与主体一体化的全金属滚筒式杀青机，产品由单机向成套设备发展，由单一产品向系列产品发展。从国内茶叶机械发展现状看，茶叶加工机械正向系列化、大型化、智能化方向发展，多功能制茶机的机械种类很少。1.3.2国外茶叶加工机械发展现状国外茶叶机械起步较早。1895年S.C.戴维逊设计了杀青滚筒，应用32-38℃的气流进行杀青。1908年，爪哇人博卡设计了一长型六面网笼软型杀青机器。1955年前后，出现了多种杀青机械，杀青洞道、托克莱伊连续杀青机、俄罗斯杀青机等。20世纪80年代，在日本出现了利用蒸青机进行杀青。近年来，日本、新加坡、印尼、俄罗斯等国家，将微波加热技术应用于茶叶杀青、烘干工序中，在微波加热过程中，微波直接作用于茶叶。2 揉捻机也相继出现。1930年，麦克尔彻创制了CTC机。1958年，出现了麦克蒂尔洛托凡连续揉茶机，以后相继发明了多种揉捻机，如锡兰连续茶叶加工机、托克莱伊连续揉捻机(TCR机)、巴博拉茶叶转子机（BLC机)、苏联连续揉捻机、托勒斯揉捻机等。近年出现了一批揉捻茶叶的新技术，在前苏联格鲁吉亚利用超声波发生器有效的破坏茶叶细胞壁已经实验成功，改变了原固体接触的揉捻方式，但这种技术能否应用于生产上以制造优质茶叶尚有待进一步研究。烘干机整体设计没有大的变化，现有的主要烘干机有热喂入式烘干机、双层烘干机和托克莱伊连续茶叶烘干机。近年设计了一些新型烘干机，如双座烘干机和自动或半自动循环式增压烘干机。在国外，茶叶加工机械的研究主要是大宗绿茶加工机械，茶叶加工机械功能单一，适合大规模生产，很少有多功能制茶机。1.4毕业设计（论文）的主要内容与要求1.4.1毕业设计的主要内容（1）了解茶叶加工机械技术发展现状及其未来发展趋势，掌握其基本构造和控制工作原理。（2）根据目前市场上成品制茶机，通过类比，设计出多功能制茶机的基本构造。（3）运用AUTOCAD绘图软件绘制出装配图及其零件图。（4）只需完成基本结构和加工功能即可。1.4.2毕业设计的要求（1）毕业论文字数不少于15000字；（2）图纸不少于3张A0（折合）；（3）外文翻译不少于3000字，参考中文文献不少于15篇，外文文献不少于3篇。2 2机械结构设计2.1本课题研究的主要内容（1）了解茶叶加工机械技术发展现状及其未来发展趋势，掌握其基本构造和控制工作原理。（2）根据目前市场上成品的单工艺或多工艺制茶机，设计出可以完成多项加工工艺的综合功能制茶机的基本构造。（3）运用AUTOCAD、绘图软件绘制出机器装配图及其主要零部件图。（4）制茶机技术指标：容量：每次250～350克鲜叶效率：0.7kg/h.（5）本系统为原型设计，因此，只需完成基本结构和加工功能即可。（6）撰写毕业论文。2.2拟采用的研究方案、研究方法或措施多功能制茶机不是几个零部件的简单拼凑，而是一个有机整体。各部件之间相互运动关系非常重要，是制茶机能否成功研制的关键所在，必须在分析多功能制茶机工作过程所要求动作的基础上得出制茶机工作原理，确定实现杀青、揉捻和炒干等加工工序的机构，并对机构进行分析。机械结构方案设计1、压头式茶炒制结构这种茶炒制机型的主要结构由炒叶锅、压头装置、炉灶和传动机构组成。炒叶锅和炉灶与一般炒制茶用的电炒锅相似，在其上部装置机架，用以装置传动机构和悬挂、吊装压头装置，传动机构带动压头旋转。压头直径约2 15cm，压头表面敷有弹性层，弹性层同样用无毒纤维材料上覆白色棉布制成，整个压头和传动机构可由操作者用手自由拉动，以改变其在锅内外的位置。使用该机，鲜叶最好先行杀青和理条，然后投人该机炒制。作业时炉灶对炒锅加热，用手操作压头机构使其对锅内的加工叶进行炒制，由于压头轴末端有一定弯曲，故压头的旋转可使加工叶在锅中一定区域内作圆周运动，从而达到理条目的。同时每隔适当时间用手操纵压头对茶叶加压，则茶条一边被压扁，一边被磨光，交替进行，直至完成茶的炒制。2、扁形茶炒制结构由锅体、炒板机构、调压机构、温控系统、传动系统及机架等组成。三心微凸炒制锅由锅面和侧板组成,锅面分切入段、加压段、减压段,每段均为圆弧面,每段圆弧面的圆弧半径各不相同,在减压段有一条向内凸筋,侧板固定在锅面两端并嵌入锅面内,工作时,由加热机构对炒制锅进行加热,同时炒板机构作逆时针旋转,锅体到预定温度时,鲜茶叶进入锅体,在旋转的炒板作用下,经过锅面的切入段、加压段、减压段进行反复炒制,由于每段圆弧面的圆弧半径各不相同,而炒板的回转中心固定不动,从而满足“轻—重—轻”的扁形茶炒制工艺,减压段的凸筋设计,使茶叶在炒制过程中翻转充分,提高炒制茶叶质量的稳定性。如下图所示：1—锅底;2—侧板;3—炒板机构;4—机架;5—加热机构;R1、R2、R3、R4—切入段、加压段、减压段及凸筋圆弧半径无级调压机构压力是扁形茶炒制的关键工作参数之一,茶叶炒制过程中需通过不断调整炒板与炒锅底面之间的间隙而进行控制。目前,单锅炒制机压力调整为杠杆档位式,并均分为数档。这种机构简单,调整精度受限。2 无级调压机构的功能由螺母在丝杆轴上移动完成,机构工作时,启动电机,电机轴通过键和连接套带动丝杆轴转动,丝杆轴转动使螺母在丝杆轴上移动,螺母的移动带动杠杆机构运动使炒锅绕铰链转动,炒锅的转动改变锅体底部与炒板之间的间隙,从而改变炒板对茶叶的压力。通过控制电机运行时间,扁形茶单锅炒制机具有了无级调压机构的功能,在茶叶炒制过程中,根据实际情况准确调整茶叶炒制所需要的压力,以达到提高茶叶炒制质量的目的。如下图所示：1—杠杆机构;2—顶杆导套;3—机架;4—炒锅;5—电机;6—键;7—轴承座;8—丝杆;9—螺母称量式茶叶投加装置称量式茶叶投加装置包括料斗、双滚筒机构、托盘机构、杠杆机构、翻盘机构和杠杆限位机构等。该装置工作时,动力输入,齿轮滚筒向内旋转,料斗内茶叶经两滚筒间隙落入托盘中,当托盘中茶叶重量达到设定值时,杠杆尾部抬起,红外线接通时,动力输入被切断,加料停止,电机启动,电机轴带动拨杆拨动托盘,托盘翻转时,托盘中茶叶落下。增设鲜茶叶的称量投加机构后,鲜叶投加时的投加量可以定量控制,使鲜叶投加均匀。如下图所示：1—支撑侧壁;2—料斗;3—滚筒机构;4—翻盘机构;5—杠杆机构;6—机架;7—托盘机构机械结构设计方案的选择：第一种炒茶机存在一些缺点：①人与机器不能分离,加压、进料均由人工操作完成,且一人一机,效率不高;②安全性较差,炒制过程中经常需要人工检查茶叶炒制情况,从而发生机器伤人事故;③由于人为控制,炒制的茶叶品质一致性和稳定性难以保证;④炒手抄茶时与炒锅间距固定,以使其对茶叶的压力恒定,需人工进行调节,存在不安全因素。第二种机械结构能很好的改善上述不足，并且能够实现一人多机的控制，提高制茶机的作业性能。2 机械方案的确定:设计茶炒制机要结构轻型，价格便宜，深受用户和消费者的喜爱。炒茶机要求具有杀青、理条、压扁、成型等功能，且料仓的速度可以在一定幅度内调节。由于料仓在热源上能往返运动，料仓的槽锅底部放置一木棒，在来回运动的过程中，茶叶便被炒杀后压扁成型。茶叶多用机在结构设计上要求料仓能够在机架上来回运动，并且在茶叶进行炒杀的不同阶段，料仓具有不同的速度，以利于茶叶被均匀杀透。在实现料仓的往返运动上，茶炒制机采用偏心轮传动机构。所谓偏心轮就是称量式茶叶投加装置称量式茶叶投加装置包括料斗、双滚筒机构、托盘装在轴上的轮形零件,轴孔偏向一边.轴旋转时,轮的外缘推动另一机件,产生往复运动。多用来带动机械的开关、活门等。偏心轮机构是由凸轮演化而成的。凸轮是指一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，一般为主动件，作等速回转运动或往复直线运动。与凸轮轮廓接触，并传递动力和实现预定的运动规律的构件，一般做往复直线运动或摆动，称为从动件。凸轮机构在应用中的基本特点在于能使从动件获得较复杂的运动规律。因为从动件的运动规律取决于凸轮轮廓曲线，所以在应用时，只要根据从动件的运动规律来设计凸轮的轮廓曲线就可以了。在改变料仓移动速度上，茶炒制机的电动机输出轴上安装一调速轮，用于调节偏心轮的转速大小。茶炒制机传动机构采用带传动形式，具有二级减速的作用。在组成茶叶机械的机构上，经常使用的有齿轮传动机构、链传动机构、带传动机构、连杆机构、螺旋机构等常用机构。由于一般茶叶机械的转速很低，每分钟只有几十转，而且常用的电动机每分钟约一千四百多转，因此茶叶机械中常用的变速机构的减速机构。常用的变速传动机构有：摩擦轮传动、带传动、齿轮传动及蜗杆传动机构等。其中摩擦传动、带传动是靠摩擦力来传动的，属于摩擦传动，而齿轮、蜗杆、链传动是靠轮齿啮合来传动的，属于啮合传动。制茶机采用带传动形式，因为：（1）制茶机要求结构轻型简便，带传动结构简单。（2）制茶机要求料仓能够在机架上来回运动，偏心轮可以实现这一要求。（3）制茶机要求料仓速度可以在一定范围内进行调节，调速轮可满足这一要求。2 （4）带传动运转平稳，缓冲吸震性能较好，传动中心距可以较大。2.2部分零件设计计算：2.2.1确定电动机的型号及安装尺寸多功能炒茶机要求料仓的速度可以在一定范围内进行调节，则在选择电动机容量时应以料仓最大速度来确定。在设计多功能炒茶机时要求偏心轮的转速为110～160转/分。2.2.1.1求料仓的速度偏心轮转动一周，料仓移动的距离为SS=2pR=2·3.14·88=552.64mm(2-1)偏心轮移动一周所需要的时间T(2-2)由(2-1)(2-2)两式得料仓的速度V2.2.1.2求连杆的拉力估计料仓的重量料仓四周用角钢（40×4）组成，查表知（40×4）的角钢理论重量为2.422kg/m经估算角钢的总长度为（850·2+650·2）mm则角钢的质量m1m1=(850+650)·2·2.422=7.75kg(2-3)料仓的槽锅由五片组成，每片约1kg，则槽锅的总质量为m2=5kg在槽锅中每个槽锅放有一木棒，每个木棒的质量为1kg，则木棒的总质量为m3=5kg当茶叶放入料仓时,茶叶的湿度很大，当茶叶放入时，初始质量估计有0.3kg，即m4=0.3kg所以料仓的总质量M2 M=m1+m2+m3+m4=7.75+5+5+0.3=18.05kg则压力N=G=Mg=180.5N(2-4)料仓与机架的接触为滚动接触，且是钢与钢的接触，查表得：m=0.15得摩擦力ff=Nm=180.5·0.15=27.075N(2-5)由于是偏心轮传动，则连接杆的拉力是一变量。当偏心轮的传动力变成推力时，可估计最大推力为90N.2.2.1.3初选电动机按工作条件和要求，选用单相电容异步电动机的电压为220V，JY型。2.2.1.4选择电动机的容量则得(2-6)其中F为料仓的最大工作阻力取Fmax=120N其中V为最大线速度，由于料仓的平均速度为1.01m/s~1.47m/s.可估计料仓的最大线速度V=2m/s。由电动机至料仓的转动效率为ηaηa=η12·η23(2-7)因为传动效率ηa为组成传动装置的各部分运动副效率之乘积。①同类型的几对传动副，轴承或联轴器要分别考虑效率。②轴承效率均指一对轴承而言。本设计中η1,η2分别为带传动，滚子轴承的传动效率取η1=0.96、η2=0.98则ηa=η12·η23=0.962·0.983=0.87(2-8)所以2 (2-9)取V带传动比为i=2~4,则总传动比为4~16，故电动机的转速可选范围Nd==640~2560r/min(2-10)最后确定电动机为下表：表2.1电动机型号及其参数电动机型号额定功率（W）满载时转速（r/min）电流（3800时A）JY713437014004.3由于料仓的速度较慢，所以电动机的转速较慢，为1400r/min，故选用单相电容异步电动机。2.2.2确定传动装置的总传动比和分配传动比由选定的电动机满载转速nm和工作机主动轴转速n，可得转动装置的总转动比为ia(2-11)总传动ia又为i1，i2的乘积即(2-12)分配传动比，即各级传动比如何取值是该设计中的重要问题。传动比分配的合理，可以使传动装置得到较小的外廓尺寸或较轻质量，以实现降低成本和结构紧凑的目的。考虑到i1是在一定范围内可以变化，又知V带传动时传动比为2~4之间，且V带传动的外廓尺寸不致过大。故取i2=3.57i1=2.45~3.562 2.2.3确定V带型号和带轮直径及中心距制茶机的转动装置为带转动，带转动主要靠带与带轮之间的摩擦力传动动力，因此，带传动的参数选取、工作能力和设计依据都与接触表面的摩擦有关。本机构的传动带为三角胶带B型带。三角胶带传动的主要参数①小带轮包角小带轮包角愈大，带和带轮接触弧愈长，其接触面间产生的摩擦力愈大，因此，带传动的承载能力也愈大。过小时，带容易在带轮上打滑。为了保证一定的工作能力，一般要求D2=iD1≥120º，包角的近似计算公式为(2-13)②带的速度V和传动比i带的速度一般控制在V=(5~25)m/s的范围内，最高不超过30m/s。当传递功率一定时，若速度过低，圆周力就增大，带的断截面尺寸和根数就要增加。带传动的传动比为使带传动的结构尺寸不致过大，包角不致过小，对三角胶带传动，一般取i≤7。本设计i1=2.45~3.56，i2=3.57。③带轮直径D1、D2若主动带轮直径为D1，则从动带轮直径为D2=iD1。显然，减小直径D1，就可以减小直径D2，从而减小传动的外廓尺寸。虽然对于B型带要求D1≥125mm，但考虑到炒茶机的机体大小，不应允许传动轮的外廓尺寸过大，所以出现直径60mm~95mm