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振動(dòng)式紅薯清洗機(jī)設(shè)計(jì)
學(xué) 生：
指導(dǎo)老師：
（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長沙 410128）
摘 要：振動(dòng)式紅薯清洗機(jī)的基本工作原理是利用篩箱的振動(dòng)，使紅薯在其中不斷地碰撞和摩擦，同時(shí)用高壓水沖洗，以達(dá)到去泥沙和清洗的效果。本文包括原動(dòng)部分，傳動(dòng)部分，執(zhí)行部分以及各零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算。本設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)省投資，工作高效，能很好地實(shí)現(xiàn)紅薯清洗的機(jī)械化。
關(guān)鍵詞：傳動(dòng)系統(tǒng)；連桿機(jī)構(gòu)；振動(dòng)；噴淋
Design of vibrating sweet potato washing machine
Student:Hu Yongsheng
Tutor:Zhang Lan
(College of engineering,Hunan Agricultural University,Changsha,410128)
Abstract: In order to achieve to sediment and cleaning effect,basic working principle of vibrating sweet potato washing machine is the use of the vibration of the sieve box, making sweet potato in constant collision and friction, rinsing with high pressure water at the same time.In this paper, including the original part, transmission part, execute part and the design and calculation of components. The design of the main features are: simple structure, saving investment, working efficient, it can well realize sweet potato mechanization cleaning.
Key word: The transmission system; Linkage; Vibration;Spray
1 前言
紅薯含有豐富的淀粉、膳食纖維、胡蘿卜素、維生素A、維生素B、維生素C、維生素E以及鉀、鐵、銅、硒、鈣等10余種微量元素和亞油酸等，營養(yǎng)價(jià)值很高，被營養(yǎng)學(xué)家們稱為營養(yǎng)最均衡的保健食品。
但紅薯不可避免地與泥土相粘連。這些泥土、雜質(zhì)的存在,將會(huì)對(duì)產(chǎn)品的加工質(zhì)量帶來極為不利的影響，所以必須將這些泥沙、雜質(zhì)洗滌除去。
在設(shè)計(jì)清洗工藝及清洗設(shè)備時(shí)，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：
1. 可靠性 要求選用的清洗工藝及設(shè)備有穩(wěn)定的清洗質(zhì)量，能達(dá)到所要求的洗凈程度；
2. 對(duì)待清洗對(duì)象的影響 要求在清洗過程中對(duì)待清洗對(duì)象造成的損傷盡可能小，并且不能對(duì)待清洗對(duì)象產(chǎn)生新的二次污染；
3. 利于自然環(huán)境的保護(hù) 要求清洗工藝及設(shè)備能夠防止或盡可能減少清洗廢液、噪聲、廢氣等對(duì)自然環(huán)境造成的破壞；
4. 效率 要求清洗工藝及設(shè)備具有效率高、節(jié)約勞動(dòng)力的特點(diǎn)。
2 方案比較
查閱相關(guān)資料，根據(jù)振動(dòng)式紅薯清洗機(jī)的工況要求，有以下三種方案：
方案一：直接運(yùn)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和帶傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)滑架的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)程序控制往返運(yùn)動(dòng)，用單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路來設(shè)置相關(guān)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。
方案二：運(yùn)用步進(jìn)電機(jī)和齒輪齒條來實(shí)現(xiàn)滑架的往返運(yùn)動(dòng)，通過步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，齒條固定在滑架上，利用齒輪齒條間的傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)往返運(yùn)動(dòng)。
方案三：運(yùn)用普通電動(dòng)機(jī)，帶傳動(dòng)，連桿機(jī)構(gòu)。通過電動(dòng)機(jī)可以獲得運(yùn)動(dòng)需要的動(dòng)力，帶傳動(dòng)提供相應(yīng)的速度，連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)。
經(jīng)過對(duì)比，發(fā)現(xiàn)方案三是合理的，也是最有實(shí)際意義的，同時(shí)，經(jīng)濟(jì)性也能很好的實(shí)現(xiàn)，方案一中步進(jìn)電機(jī)的功率和工況要求中的中度沖擊問題對(duì)步進(jìn)電機(jī)的影響不能很好的解決，雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。而必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。方案二也存在類似的問題，而方案三都能很好的實(shí)現(xiàn)，而且普通電動(dòng)機(jī)容易選擇，帶傳動(dòng)和連桿機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)可靠，穩(wěn)定性高,可以允許有一定的沖擊，故此方案較合理。
在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，帶傳動(dòng)部分和連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析應(yīng)是本課題的重點(diǎn)，運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械原理的相關(guān)內(nèi)容來設(shè)計(jì)。
方案示意圖如下：
圖1 方案示意圖
Fig1 Solution diagram
3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)
3.1 連桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)
連桿機(jī)構(gòu)是一種應(yīng)用十分廣泛的機(jī)構(gòu)，機(jī)械手的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，折疊傘的收放機(jī)構(gòu)以及人體假肢的設(shè)計(jì)等，都是連桿機(jī)構(gòu)。連桿機(jī)構(gòu)具有以下特點(diǎn):
1)連桿機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)副一般均為低副，低副兩元素為面接觸，故在傳遞同樣載荷的條件下，兩元素間的壓強(qiáng)較小，可以承受較大的載荷。低副兩元素間便于潤滑，所以兩元素不易產(chǎn)生大的磨損。這些條件都能較好的滿足重型機(jī)械的要求。此外,低副兩元素的幾何形狀也比較簡(jiǎn)單，便于制造。
2)在連桿機(jī)構(gòu)中，當(dāng)原動(dòng)件以同樣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果改變各構(gòu)件的相對(duì)長度關(guān)系，便可以使從動(dòng)件得到不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
3)在連桿機(jī)構(gòu)中，連桿上各不同點(diǎn)的軌跡是各種不同形狀的曲線，稱為連桿曲線，而且隨著各構(gòu)件相對(duì)長短關(guān)系的改變，這些連桿曲線的形狀也將發(fā)生改變，從而可以得到各種不同形狀的曲線，我們可以利用這些曲線來滿足不同的軌跡要求。由于連桿機(jī)構(gòu)有了上述優(yōu)點(diǎn)，所以在各種機(jī)械和儀表中得到了廣泛的應(yīng)用。
4)此外，利用連桿機(jī)構(gòu)可以滿足各種運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)計(jì)要求，但要設(shè)計(jì)一種能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)這種要求的連桿機(jī)構(gòu)卻是十分困難的。而且在多數(shù)情況下一般只能近似地得以滿足。正因?yàn)槿绱耍匀绾胃鶕?jù)最優(yōu)化要求來設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu),使其能夠最佳地滿足設(shè)計(jì)要求，一直是連桿機(jī)構(gòu)研究的一個(gè)重要課題。近年來對(duì)平面連桿機(jī)構(gòu)的研究，不論從研究范圍上還是方法上都有很大的進(jìn)展。從研究范圍來說，已不再局限于單自由度四連桿機(jī)構(gòu)的研究,也已注意到對(duì)多桿，多自由度平面連桿機(jī)構(gòu)的研究，并且已提出了一些有關(guān)這類機(jī)構(gòu)的分析與綜合的方法。
3.2 連桿機(jī)構(gòu)的選擇
另一方面,在設(shè)計(jì)要求上也不再局限于運(yùn)動(dòng)學(xué)要求的范圍內(nèi)，而且已注意到考慮機(jī)構(gòu)的動(dòng)力特性。根據(jù)構(gòu)成連桿機(jī)構(gòu)的各構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為平面運(yùn)動(dòng)還是空間運(yùn)動(dòng)，連桿機(jī)構(gòu)可分為平面連桿機(jī)構(gòu)和空間連桿機(jī)構(gòu)兩大類，在一般機(jī)械中采用的多數(shù)是平面連桿機(jī)構(gòu)
經(jīng)分析，參考方案中給出的工作機(jī)構(gòu)是鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)。
圖2 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)
Fig2 Enchain four rod organization
構(gòu)件之間都是用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接的四桿機(jī)構(gòu)，成為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。如圖所示：其中，固定不動(dòng)的桿4稱為機(jī)架，與機(jī)架相連的桿1和桿3稱為連架桿，而連接兩連架桿的桿2稱為連桿。連桿2通常做平面運(yùn)動(dòng)，而連架桿1和3則繞各自回轉(zhuǎn)中心A和D轉(zhuǎn)動(dòng)。其中能做整周回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的連架桿稱為曲柄，僅能在小于360的某一角度范圍內(nèi)往復(fù)擺動(dòng)的連架桿稱為搖桿。
在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，按照連架桿是曲柄還是搖桿，將其分為三種基本形式：曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；雙曲柄機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu)。
1．）曲柄搖桿機(jī)構(gòu)
在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，若兩連架桿中，有一桿為曲柄，另一桿為搖桿。
2．）雙曲柄機(jī)構(gòu)
具有兩個(gè)曲柄的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)稱為雙曲柄機(jī)構(gòu)。雙曲柄機(jī)構(gòu)中，通常主動(dòng)曲柄做等速運(yùn)動(dòng)，從動(dòng)曲柄做變速轉(zhuǎn)動(dòng)。
3．）雙搖桿機(jī)構(gòu)
若兩連桿均為搖桿，則成為雙搖桿機(jī)構(gòu)。
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)器工作時(shí)，振動(dòng)箱支承擺桿CD繞垂面左右做對(duì)稱擺動(dòng)。我們可以判斷連架桿CD為搖桿，連架桿AB可做整周回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此它是曲柄。
綜上所述，選擇方案（1）中的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。
3.3 平面四桿機(jī)構(gòu)有曲柄的條件
1.）最短桿與最長桿的長度和應(yīng)小于或等于其他兩桿的長度和,此條件通常為桿長條件。
2.）組成該周轉(zhuǎn)副的兩桿中必有一桿為四桿中的最短桿。
上述條件表明:當(dāng)四桿機(jī)構(gòu)各桿的長度滿足桿長條件時(shí),其最短桿參與構(gòu)成的轉(zhuǎn)動(dòng)副都是周轉(zhuǎn)副。由此可知,上述四桿機(jī)構(gòu)中的轉(zhuǎn)動(dòng)副亦為周轉(zhuǎn)副,而轉(zhuǎn)動(dòng)副則只能的擺轉(zhuǎn)副。于是,四桿機(jī)構(gòu)有曲柄的條件是各桿的長度需要滿足桿長條件,且其最短桿為連架桿或機(jī)架。當(dāng)最短桿為連架桿時(shí),該四桿機(jī)構(gòu)將成為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。
3.4 無急回特性桿長的設(shè)計(jì)
曲柄搖桿機(jī)構(gòu)在機(jī)械中應(yīng)用很廣泛，急回特性是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的重要特性之一。為縮短空行程時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，通常要利用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的急回特性。事物也是一分為二的，急回特性雖然對(duì)搖桿去程為工作行程，回程為空行程的機(jī)械有利，但對(duì)搖桿去程和回程均為工作行程的機(jī)械卻有害。近年來出現(xiàn)了越來越多的搖桿去程和回程均是工作行程的機(jī)械，如風(fēng)扇的搖頭機(jī)構(gòu)，有株距要求的播種機(jī)，空調(diào)擺風(fēng)機(jī)構(gòu)，故對(duì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了新要求。
目前許多文獻(xiàn)介紹的用于設(shè)計(jì)具有給定急回特性的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的圖解法似乎也能用于無急回特性的曲柄搖桿設(shè)計(jì)，實(shí)際上不僅無急回特性時(shí)圖解法所用圓半徑趨于無限大而使圖解法失效，而且當(dāng)系數(shù)K較小時(shí)圖解法所用半徑變很大而使圖解法不好用。
查閱相關(guān)文獻(xiàn)[20]
曲柄搖桿機(jī)構(gòu)無急回特性的充分必要條件是曲柄與機(jī)架的長度平方和等于連桿與搖桿長度平方和。
而且無急回特性的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)具備以下性質(zhì)：
第一，特殊位置上四桿兩兩正交，即無急回特性的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)，存在一個(gè)特殊位置：當(dāng)搖桿與連桿垂直時(shí)曲柄與機(jī)架亦必定垂直。
第二，機(jī)架是最長桿，若一個(gè)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的機(jī)架不是最長桿，則該機(jī)構(gòu)一定有急回特性；若機(jī)架是最長桿，則該機(jī)構(gòu)才有可能無急回特性。
第三，搖桿擺角僅與曲柄和搖桿長度比有關(guān)，
根據(jù)振動(dòng)式紅薯清洗機(jī)的工作原理，即不需要曲柄搖桿機(jī)構(gòu)具有急回特性。按照上述理論以及參考相關(guān)資料[16]
已知搖桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)次數(shù)約為4次/s，初定曲柄，連桿以及搖桿的長度分別為a=134mm,b=800mm,c=b=800mm，則可根據(jù)上述無急回特性的條件，計(jì)算得出機(jī)架桿長即d=1123mm
3.5 校核最小傳動(dòng)角
在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中,傳動(dòng)角的大小是變化的,為了保證機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)性能要求,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使≥40°傳遞力矩較大時(shí)，則應(yīng)使≥°；對(duì)于一些受力很小或不常使用的操縱機(jī)構(gòu)，則可允許傳動(dòng)角小些，只要不發(fā)生自鎖即可。最小傳動(dòng)角與機(jī)構(gòu)中的各桿的長度有關(guān)，按參考文獻(xiàn)[2]
（1）
≥40°
故滿足最小傳動(dòng)角的要求。
所以：L=a=134mm,L=b=800mm,L=c=b=800mm,L=d=1123mm.
以上L為桿件AB的長度，L為桿件BC的長度，L為桿件CD的長度，L為桿件AD的長度。
3.6 桿件的設(shè)計(jì)
3.6.1 桿件材料的選擇
桿件是四連桿機(jī)構(gòu)，綜合性能要求比較高，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇45鋼，有關(guān)的質(zhì)量系數(shù)見下表
表1 桿件材料的質(zhì)量系數(shù)
Table1 The quality of the bar material coefficient
材料
MPa
MPa
%
E
45
600
350
16
7.8
206
3.6.2 桿件截面直徑的確定
設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)往復(fù)次數(shù)為3.4/s，即曲柄的轉(zhuǎn)速為204r/min。取特殊位置的機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，如下圖所示
桿AB繞A轉(zhuǎn)動(dòng)，桿CD繞D擺動(dòng)，桿BC作平面運(yùn)動(dòng)，選取適當(dāng)?shù)拈L度比例尺和速度比例尺作出相應(yīng)的桿件的速度平行四邊形如圖，有
方向如圖，按參考文獻(xiàn)[15]
對(duì)于平面運(yùn)動(dòng)的桿BC，可以點(diǎn)B為基點(diǎn)：
(2)
由此瞬時(shí)的幾何關(guān)系，可得
桿CD的角速度：
為點(diǎn)C相對(duì)于B的速度：
(3)
圖3 速度平行四邊形
Fig3 parallelogram of velocities
由參考資料[15]
桿件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
J=ml㎏·㎡ (4)
轉(zhuǎn)矩
(5)
再由參考資料[19]
(6)
其中圓桿：W=πd^3/32 (7)
由：
以及上述公式可得：
(8)
其中安全系數(shù)取1.1；由上式可求得各桿件的最小直徑如下：
AB桿：28mm；BC桿和CD桿均為：27mm,圓整后各桿直徑均取30mm。
3.6.3 穩(wěn)定性校核
當(dāng)作用在細(xì)長桿的軸向力到達(dá)或超過一定限度時(shí)，桿件可能突然彎曲，即產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。根據(jù)紅薯清洗機(jī)實(shí)際工作情況，當(dāng)機(jī)器工作時(shí)，CD桿受壓最大，所以對(duì)于搖桿CD，還應(yīng)對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性校核。
臨界載荷的計(jì)算
該連桿為兩端鉸支細(xì)長壓桿，由參考文獻(xiàn)[19]
可知其臨界載荷為
(9)
代入數(shù)據(jù)可計(jì)算得
臨界載荷與實(shí)際最大壓力之比，為壓桿的穩(wěn)定安全因數(shù)，根據(jù)振動(dòng)式紅薯清洗機(jī)的實(shí)際工作需求，每次清洗紅薯質(zhì)量最大為40kg，即壓桿所受的最大壓力約為F=400N。
由
(10)
工況為一般中度沖擊條件，所以
所以搖桿CD滿足穩(wěn)定要求。
4 原動(dòng)部分
參考《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》表13-1（常用原動(dòng)機(jī)特點(diǎn)），分析比較各類原動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)功率較大，驅(qū)動(dòng)效率高，調(diào)速性能好，對(duì)環(huán)境影響小，并且與被驅(qū)動(dòng)的工作機(jī)械連接簡(jiǎn)便，其種類和型號(hào)較多，可滿足不同類型機(jī)械的工作要求，因此選用電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)部分：
Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)是按照國際電工委員會(huì)（IEC）標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，具有國際互換性的特點(diǎn)。其中，Y系列（IP44）電動(dòng)機(jī)為一般用途全封閉自扇冷式籠型三相異步電動(dòng)機(jī)，具有防止灰塵、鐵屑或其他雜物侵入電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的特點(diǎn)，B級(jí)絕緣，工作環(huán)境溫度不超過+40°，相對(duì)濕度不超過95％，海拔高度不超過1000m，額定電壓380V，頻率50Hz。適用于無特殊要求的機(jī)械上，如機(jī)床、泵、風(fēng)機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、攪拌機(jī)、農(nóng)業(yè)機(jī)械等。而且Y系列電動(dòng)機(jī)具有高效、節(jié)能、性能好、振動(dòng)小、噪音低、壽命長、可靠性高、維護(hù)方便、啟動(dòng)轉(zhuǎn)巨大等優(yōu)點(diǎn)。
查閱相關(guān)資料，可知曲柄搖桿機(jī)構(gòu)桿件做功為
(11)
所以功率計(jì)算為
(12)
各桿件的功率分別為
所以曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的總功率為1.13kW，查參考資料[18]
帶傳動(dòng)的效率概值為0.92~0.97，取，計(jì)算得電動(dòng)機(jī)所需最小功率為1.2kW。
再已知曲柄轉(zhuǎn)速為3.4r/s,即204r/min，查參考資料[18]
帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比一般為，推薦值為，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為408~1020r/min。查參考資料[17]，選擇電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y112M-6，具體參數(shù)如下表
表2 電動(dòng)機(jī)的型號(hào)
Table 2 the side of the electrical machinery
電動(dòng)機(jī)型號(hào)
額定功率/kW
滿載轉(zhuǎn)速/(r/min)
Y112M-6
2.2
940
5 傳動(dòng)部分
5.1 傳動(dòng)方案對(duì)比
一臺(tái)完整的機(jī)器，總是由原動(dòng)部分，傳動(dòng)部分，和執(zhí)行部分所組成，而傳動(dòng)部分的功能是將原動(dòng)機(jī)的動(dòng)力或運(yùn)動(dòng)形式傳遞給執(zhí)行部分或轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機(jī)構(gòu)預(yù)期的動(dòng)作。實(shí)踐證明，傳動(dòng)部分的質(zhì)量和成本在整個(gè)機(jī)器中所占的比例很大，傳動(dòng)方案的選擇及布局是否合理在很大程度上決定了機(jī)器的工作性能和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用。因此，合理擬定與選擇傳動(dòng)方案具有十分重要的意義。
合理的傳動(dòng)方案，除應(yīng)滿足工作機(jī)的性能要求，使用條件和工作可靠外，還應(yīng)使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、加工方便、成本低廉、傳動(dòng)效率高及使用維護(hù)便利等。要同時(shí)滿足這許多要求，常常是困難的，實(shí)際上只能照顧重點(diǎn)要求。
綜合考慮紅薯清洗機(jī)的傳動(dòng)比和效益問題，優(yōu)先選擇帶傳動(dòng)：
帶傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)、能緩沖吸振、可以在大的軸間距和多軸間傳遞動(dòng)力，且其造價(jià)低廉、不需潤滑、維護(hù)容易等特點(diǎn)，在近代機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用十分廣泛。
主要類型與應(yīng)用
a.平型帶傳動(dòng)——最簡(jiǎn)單，適合于中心距a較大的情況
b. V 帶傳動(dòng)——三角帶
c.多楔帶傳動(dòng)——適于傳遞功率較大要求結(jié)構(gòu)緊湊場(chǎng)合
d.同步帶傳動(dòng)——嚙合傳動(dòng)，高速、高精度，適于高精度儀器裝置中帶比較薄，比較輕
圖4帶的類型
Fig 4 The type of belt
而其中的V帶傳動(dòng)是靠V帶的兩側(cè)面與輪槽側(cè)面壓緊產(chǎn)生摩擦力進(jìn)行動(dòng)力傳遞的。與平帶傳動(dòng)比較，V帶傳動(dòng)的摩擦力大，因此可以傳遞較大功率。V帶較平帶結(jié)構(gòu)緊湊，而且V帶是無接頭的傳動(dòng)帶，所以傳動(dòng)較平穩(wěn)，是帶傳動(dòng)中應(yīng)用最廣的一種傳動(dòng)。故選用V帶。
5.2 V帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
5.2.1 確定計(jì)算功率
查參考文獻(xiàn)[18]P156表8-7得工作情況系數(shù)：=1.4
=P=1.4×2.2=3.08kW (13)
5.2.2 選擇V帶的帶型
根據(jù)計(jì)算功率和小帶輪轉(zhuǎn)速，由P157圖8-11選擇V帶的帶型為：A型
5.2.3 初選小帶輪的基準(zhǔn)直徑
查參考文獻(xiàn)[18]P155表8-6得：=75㎜
根據(jù)≥查參考文獻(xiàn)[18]P157表8-8取：=112㎜
驗(yàn)算帶速v：根據(jù)P150公式8-13得：
（14）
因?yàn)?m/s
5.2.9 計(jì)算壓軸力
壓軸力的最小值根據(jù)參考文獻(xiàn)[18]P159式8-28得：
=2z=8609N （21）
5.3 V帶輪的設(shè)計(jì)
5.3.1 確定小帶輪的材料
本設(shè)計(jì)中，小帶輪轉(zhuǎn)速要求不高，材料可采用HT200。
5.3.2 確定小帶輪結(jié)構(gòu)形式
由電動(dòng)機(jī)型號(hào)，查參考文獻(xiàn)[18]P168表12-3可知，電動(dòng)機(jī)外伸軸直徑d=28mm，長度為60mm。小帶輪直徑106mm采用腹板式，大帶輪直徑500mm則采用輪輻式。輪轂和輪輻的尺寸參見參考文獻(xiàn)[18]中P160圖8-14中的經(jīng)驗(yàn)公式，小帶輪的具體尺寸參見零件圖。
5.4 V帶傳動(dòng)的張緊
V帶傳動(dòng)一段時(shí)間后，會(huì)因?yàn)閹У乃苄宰冃魏湍p而松弛。為了保證傳動(dòng)正常工作，應(yīng)定期檢查帶的松弛程度，本方案中采用定期張緊裝置滑道式；
詳見裝配圖。
圖5 三角帶輪的結(jié)構(gòu)
Fig5 The structure of the triangle belt wheel
6 零部件的結(jié)構(gòu)和尺寸的確定
6.1 大帶輪軸的設(shè)計(jì)
6.1.1 軸的強(qiáng)度校核計(jì)算
當(dāng)軸的支承距離未定時(shí)，無法由強(qiáng)度確定軸徑，要用初步估算的辦法，即按純扭矩并降低許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力確定軸徑d，參考文獻(xiàn)[18]計(jì)算公式：
d≥A ㎜ （22）
式中： P----表示軸所傳遞的功率，KW；
n----表示軸的轉(zhuǎn)速，；
A----表示由軸的許用切應(yīng)力所確定的系數(shù)。
軸常用材料及A的關(guān)系見下表
表3 軸常用材料表
Table3 Axis table commonly used materials
材料
Q235
35
45
40Cr、35NiSn
A
160~135
135~118
118~107
107~98
求出大帶輪軸上的功率P，轉(zhuǎn)速n和轉(zhuǎn)矩T
查參考文獻(xiàn)[18]P141表2，取，則
（23）
（24）
（25）
根據(jù)上述公式，確定軸的最小直徑
選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，根據(jù)表3，取A=110，于是得：
考慮到鍵槽的影響，軸的最小直徑為24（1+0.15）=27.6mm，圓整后取30mm
6.1.2 擬定軸上零件的裝配方案
擬定軸上零件的裝配方案是進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提，它決定著軸的基本形式。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),既要滿足強(qiáng)度的要求,又要保證軸上零件的定位,固定和裝配方便,并有良好的加工工藝性,所以軸的結(jié)構(gòu)一般都做成階梯形。
階梯軸的徑向尺寸的變化是根據(jù)軸上零件的受力情況，安裝，固定及對(duì)表面粗糙度，加工精度等要求而定的。階梯軸軸向尺寸則根據(jù)軸上零件的位置，配合長度及支撐結(jié)構(gòu)確定，根據(jù)振動(dòng)式紅薯清洗機(jī)的實(shí)際工作情況，擬定大帶輪軸的裝配方案如下圖
圖6 軸上零件裝配方案
Fig6 Shaft assembly
6.1.3 根據(jù)軸向定位確定軸的各段直徑和長度
（1）為了滿足曲柄桿件的軸向定位要求，如上圖所示右端采用軸端擋圈定位，保證軸端擋圈直接壓在軸的斷面上，按軸端直徑取擋圈直徑D=40mm。
（2）初步選擇滾動(dòng)軸承。
因軸承幾乎無軸向力，只需要考慮所受徑向力，參照軸的直徑和參考文獻(xiàn)[17]
由軸承產(chǎn)品目錄中選取6006 GB/T 276-1994，其尺寸為
（3）滾動(dòng)軸承與曲柄桿件之間，以及滾動(dòng)軸承與帶輪之間采用套筒定位，套筒厚度取4mm，長度取10mm；那么5段的軸的長度為78mm。
（4）取安裝帶輪的軸段4的直徑為36mm，帶輪左端采用軸肩定位，定位軸肩的高度h一般取為h=(0.07~0.1)d，所以左端軸肩直徑為42mm；帶輪右端采用套筒定位，套筒厚度選為4mm，長度為10mm，為了使套筒斷面可靠地壓緊帶輪，此軸段應(yīng)略短于輪轂寬度。在此，根據(jù)參考文獻(xiàn)[18]
可算得大帶輪的基本尺寸，如下：
(26)
(27)
所以軸端4長度取為46mm。
（5）軸的左端依次安裝軸承端蓋，滾動(dòng)軸承。滾動(dòng)軸承右端采用軸肩定位，同理軸肩高度取為3mm，軸段1的長度為15mm。
考慮到加工情況，軸段2,3 的長度均取為5mm。
至此，已初步確定了軸的各段直徑和長度。
（6）軸端倒角為1.6*45°，各軸肩的圓角半徑見零件圖。
6.2 軸的校核
軸在載荷作用下，將產(chǎn)生彎曲或扭轉(zhuǎn)變形。若變形量超過允許的限度，就會(huì)影響軸上零件的正常工作，甚至?xí)适C(jī)器應(yīng)有的工作性能。例如，安裝齒輪的軸，若彎曲剛度（或扭轉(zhuǎn)剛度）不足而導(dǎo)致?lián)隙然蛘吲まD(zhuǎn)角過大時(shí)，將會(huì)影響齒輪的正確嚙合，使齒輪沿著齒寬和齒高方向接觸不良，造成載荷在齒面上嚴(yán)重分布不均。同理。因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行剛度的校核計(jì)算。
軸的彎曲剛度以撓度或偏轉(zhuǎn)角來度量；扭轉(zhuǎn)剛度以扭轉(zhuǎn)角來度量。軸的剛度校核計(jì)算通常是計(jì)算出軸在受載時(shí)的變形量，并控制其不大于允許值。
軸的彎曲剛度校核計(jì)算：
常見的軸大多數(shù)可視為簡(jiǎn)支梁。若是光軸，可直接用材料力學(xué)中的公式計(jì)算其撓度或偏轉(zhuǎn)角；若是階梯軸，如果對(duì)計(jì)算精度要求不高，則可用當(dāng)量直徑法作近似計(jì)算。即把階梯軸看成是當(dāng)量直徑為的光軸，然后再按材料力學(xué)中的公式計(jì)算。當(dāng)量直徑（單位為mm）為
(28)
式中：—階梯軸第i段的長度
—階梯軸第i段的直徑
L—階梯軸的計(jì)算長度
Z—階梯軸計(jì)算長度內(nèi)的軸段數(shù)。
當(dāng)載荷作用于兩軸承之間時(shí)，L=l（l）為支撐跨距；
軸的彎曲剛度條件為
撓度：y<[y]
偏轉(zhuǎn)角：a<[a]
式中：[y]為軸的允許撓度，mm；[a]為軸的允許偏轉(zhuǎn)角，見參考資料
代入相關(guān)軸的數(shù)據(jù)：
由帶輪的傳動(dòng)，作用在帶輪軸的壓力為F=4162.5N，
軸的受力簡(jiǎn)圖如下
圖7 軸的受力簡(jiǎn)圖
Fig7 Axial force diagram
根據(jù)軸的長度以及參考文獻(xiàn)[19]
公式：
端截面轉(zhuǎn)角 (29)
最大撓度 (30)
（設(shè)a>b，在處）
代入數(shù)據(jù)得，
經(jīng)校核，軸的設(shè)計(jì)符合要求。
6.3 軸承的校核
由于承受徑向力作用，且右邊軸承受力大于左邊軸承，所以僅校核右邊軸承，故
預(yù)期計(jì)算軸承壽命（按工作10年，年工作200天，4小時(shí)工作制），則有
軸承所需的基本額定動(dòng)載荷：
(31)
查參考文獻(xiàn)[17]
6006型軸承的額定動(dòng)載荷Cr=13.2KN，因此C
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