本科机械制造及其自动化毕业设计Word格式文档下载.doc

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3.2.5自动化盘式揉捻机步进电动机固定架设计 10

3.3自动化盘式揉捻机揉盘设计 11

3.4自动化盘式揉捻机揉桶设计 12

3.5自动化盘式揉捻机加压盖及其组件设计 12

第四章 自动化盘式揉捻机主要机械部件有限元分析 13

4.1Solidworks有限元分析简介 13

4.1.1有限单元法分析 13

4.1.2有限元法的分析过程 13

4.2有限元分析分析机械部件 17

4.2.1揉捻机支撑件有限元法分析 17

4.2.2揉盘有限元法分析 22

4.2.3加压盖有限元法分析 26

第五章 自动化盘式揉捻机主要机械部件结构分析校核 29

5.1传动比的分配 29

5.2三角带传动的计算 29

5.3键的选择及校核 33

5.3.1电动机端带轮处键的选择校核 33

5.3.2减速箱带轮处键的选择校核 33

5.4标准斜齿圆柱齿轮计算 34

5.5中间轴的设计及校核 38

5.6中间轴轴承的设计及校核 45

5.7步进电动机端的联轴器设计及校核 47

5.7.1滑块联轴器的介绍 47

5.7.2滑块联轴器的强度计算 47

参考文献 49

致谢 50

自动化盘式揉捻机设计

摘要

自动化盘式揉捻机以揉盘和揉桶为主要部件的间歇性揉捻机。

主要由揉桶、揉盘、曲柄回转机构和自动加压装置组成。

作业时，装有茶叶的揉桶在内凹并装有棱骨的揉盘内作平面回转运动，揉桶、揉盘的相对运动及自动加压装置力的作用使揉桶内的茶叶受到有规律的翻动和揉搓，叶细胞受损，茶汁挤出，条索卷紧，从而提高揉捻机的自动化程度、适应性、揉捻质量及稳定性。

揉捻是茶叶加工中的重要工序，通过揉捻，茶叶细胞组织部分破坏，内含成份适当转化与合成，使成品茶滋味更为醇和，香气更持久，冲泡浸出更均匀，外形更整齐。

因此，揉捻是茶叶品质特色形成的关键，在茶叶加工中具重要作用。

揉捻叶质量首先取决于鲜叶的物理性状（包括柔软性、韧性、可塑性及粘性和嫩度）,其次决定于揉撩机的性能。

而揉捻叶缩胞的破损率和成条率是衡量揉捻工艺性能的重要指标。

关键字：

自动化盘式揉捻机，揉桶，加压装置，自动化

Automationofteatwistingmachinetorubdiscplatedesign

Abstract

Automationofteatwistingmachinetorubdiscplateandkneadbarrelisthemajorpartsofintermittenttwistedmachine.Mainlybythekneadingdrums,rubbingplates,crankrotationbodycompositionandautomaticcompressiondevice.Operations,withteaandkneadingdrumsintheconcavediscwithinneredgeofbonerubbingaplaneturning,rubbingbarrel,rubbingplaterelativemotionandautomaticcompressiondeviceloadstobethererubbingthebarrelofteaflipandrubthelaw,leafcelldamage,teaoutof,thecableandtight,therebyenhancingthedegreeofautomation,rollingmachine,adaptability,qualityandstabilityofrolling.

Teatwistingistheimportantprocessintheteaprocessing,throughtheTeatwisting,partofteacellswillbedestroyed,thencontainingingredientswilltransformandsynthesize,aromalastinglongertime,theappearanceismoreorderly.Therefore,Teatwistingisthekeyprocedureintheformingofhighqualitytea.Teatwistingleafqualityfirstdependsonfreshleavesphysicalproperties（includingsoft,toughness,plasticityandstickyandtender）,nextdecidedtothefunctionoftheteatwistingmachine.AndthedamagerateoftwistedshrinkageleafcellsandtherateofarticleintoTea-likestripintheprocedureoftwistingisasignificantindex.

Keywords:

automateddiscrollingmachine,kneadingdrums,pressurizedequipment,automation

贵州大学本科毕业设计 第51页

第一章自动化盘式揉捻机介绍

1.1茶叶揉捻工艺简介

揉捻，是一种茶叶初制的塑型工序，主要是运用搓揉方法破坏茶叶的组织细胞，挤出茶汁，使叶片成条。

揉捻是初步做形，除了白茶类和绿、黄茶中有些不要揉捻外，一般在制茶过程中都有揉捻工序。

鲜叶直接揉捻是不能成条的，因为鲜叶的物理性能硬而脆。

另外，揉捻是力的作用，如果用力不当，也不能成条。

所以揉捻也可以说是一项综合了叶的物理性能和揉捻力大小的茶叶加工技术。

揉捻是茶叶加工中极为重要的一个过程，它的好坏决定成茶品质的优劣。

目前，茶叶加工中的揉捻原理基本相同，均是让杀青（或萎凋）叶团在由揉桶、压盖和揉盘组成的揉捻空间中，利用曲柄连杆机构带动揉桶在揉盘上做匀速平行圆周运动，茶叶受到揉桶、压盖、揉盘、棱骨及叶自身的多方向力的复合作用，沿各自叶片主脉揉搓成紧结同浑的条索状，同时将叶细胞破碎，从而完成揉捻过程。

1.2研究的目的与意义

本项目针对目前国内茶叶揉捻机的自动化程度低、适应性差、揉捻质量不稳定等问题，并结合我省绿茶品牌多而杂、规模小、品质差的现状，拟研发一种高适应性、低成本的集控式茶叶揉捻加工装备。

研究茶叶揉捻工艺，分析不同茶叶揉捻的工艺参数，探索工艺参数对揉捻品质的影响规律，在机械自动化控制方面的研发完成之后，反复通过生产实践加以验证并不断修正参数，使茶叶揉捻环节高适应性地进入茶叶自动化生产的过程中。

贵州省茶叶加工企业普遍存在规模小，机械化水平不高，加工工艺落后，加工过程规范化和标准化差等缺点，严重制约和影响了贵州茶产业的发展。

据统计，2007年，全省工商登记的茶叶加工企业300余家，注册商标146个。

茶叶加工企业中，省级农业产业化经营龙头企业12家，地（州、市）级龙头企业18家；

拥有自主进出口经营权的企业18家，通过ISO9000族质量管理体系和ISO14000环境管理体系认证的企业8家；

加工能力上千吨的企业7家，上百吨的企业18家。

因此发展贵州高适应性、自动化的茶叶加工技术和装备，对于规范贵州品牌茶叶揉捻工艺，打造贵州茶叶品牌，解决贵州“三农”问题具有十分重要的意义。

目前，具有一定自动化技术的茶叶揉捻机数量极少，且价格约为10万元，茶叶揉捻机成本过高。

本项目研制的高适应性自动茶叶揉捻装备采用集中控制系统，相对于一般的单机控制系统，每台可降低设备成本约1-2万元，如按照贵州省2000台揉捻机计算，可节省设备成本2000万元-4000万元。

另一方面，该项目的实施可以大幅度提高茶叶揉捻质量，提高名优茶的产能，品牌提升，提高产品附加值。

在上述研究工作的基础上，以我省名优绿茶品牌——“绿宝石”的揉捻加工为应用对象，建立高适应性茶叶揉捻加工示范基地，推动我省绿茶生产向优质、高效、低成本、名品牌方向发展，提升我省的绿茶产业的经济效益和社会效益。

茶叶产业在我省国民经济和社会发展中具有非常重要的地位，发展茶叶产业对于促进农业经济结构调整、生态建设和农业产业化经营，增加农民收入，推进社会主义新农村建设，具有十分重要的意义。

因此，本项目所致力推动的茶叶生产机械化、自动化、高适应性，符合国家及贵州省产业政策，符合我省国民经济和社会发展的需要，无疑具有重要的社会效益。

1.3国内外研究现状

20世纪50年代以来，尤其是进入80年代以来，我国的茶叶加工技术快速向着机械方向发展，各茶类的制茶机械相继研制与开发成功，并逐步应用于生产。

到目前为此，我国的大宗茶已有90％实现了机械化加工，名优茶也有50％以上的加工实现了机械化。

近年来，在制茶机械自动控制方面也有所突破，如以继电器为基础控制元件的自动控制技术在匀堆拼配设备中应用；

机电控制系统在揉捻机上的应用；

1987年通过部级鉴定的“计算机控制茶叶烘干机，及在乌龙茶做青工艺中的应用；

圆电脑控制型龙井茶炒制机的研制成功等。

最近几年，绿茶加工的鲜叶摊放、杀青、冷却和干燥等工序在一定程度上实现了连续化流水作业，唯有杀青后的揉捻间歇作业如何实现连续化仍在探索中。

浙江省和安徽省分别就揉捻机技术进行了攻关，取得了一些成果，但揉捻机的自动化及适应性水平却不甚理想，揉捻质量也不稳定，制约着茶叶加工机械化、连续化流水作业的发展。

我国制茶机械化作业的自动化和连续化程度仍然较低，与食品工业的机械化相比却存在着较大的差距。

食品工业生产技术的发展过程大体要经历五个阶段，即机械化阶段、初级自动化阶段、自动控制阶段、数据化阶段、高级自动化阶段（无人化阶段）。

目前国内食品加工技术已处于第四阶段，而我国的制茶技术总体上仍处于第一阶段，个别单机或生产线处于第二阶段，与国外相比尚存在巨大的差距。

目前，世界产茶发达国家茶叶机械化生产发展速度很快，尤其是日本、印度、斯里兰卡等国家。

国外茶叶加工已进人第三、第四阶段，如日本蒸青茶生产线和英国CTC生产线[2]。

本项目拟通过高校与茶叶装备制造企业和茶叶加工企业的强强联合攻关，针对目前国内茶叶揉捻机的自动化程度低、适应性差的问题，结合我省绿茶产业的现状，研发一种高适应性、低成本的茶叶揉捻加工装备。

该项目的实施将有助于推动我省绿茶加工向优质、高效、低成本、名品牌方向发展，从而提升我省的绿茶产业带技术经济效益（尤其是名优绿茶），并对我省茶叶机械化加工具有积极的示范作用。

第二章揉捻机自动化简要介绍及其总体方案设计

本着操作简便，安全可靠，生产效率高的目标，茶叶揉捻机控制部分应达到以下工作要求。

打开电源后，首先进行触摸屏操作，输入工作组、用户名与密码，验证无误后，才能进入茶叶揉捻机的控制系统，然后或更改生产参数，或进入监视界面。

按下开始按钮，茶叶揉捻机会进入自动运行状态，随后进入初始化状态，再进行故障自检，一切正常后，如果没有新的数据输入，系统会自动载入上次数据。

如果有新的数据输入，系统将采用新的数据进行揉捻。

揉捻结束后，出茶门自动打开，等待下茶。

按下复位按钮，系统会自动返回初始状态。

如果在揉捻过程当中，系统检测到异常现象，系统会报警。

在揉捻过程当中，允许随时暂停操作，并在转换到继续时，恢复所有数据。

运行当中的重要数据，在停电后能够得到保持，恢复供电后，也能继续工作。

在遇到非常严重的故障，按下急停按钮，系统会自动禁止所有输出，等待人工处理后，按下复位按钮，系统就可以恢复到初始状态。

如果在运行当中遇到问题，但是可以通过手动解决，那么，先可以按下暂停，然后再切换到手动状态，进行手动操作。

在遇到较大的故障后，系统仍然可以进行手动揉捻、压盖手动升降、出茶门手动开关、手动复位等日常操作。

2.1揉桶转速控制介绍

原6CR-55型茶叶揉捻机有一齿轮减速机构，输出转速为50士1r/min（见表2-1）。

这一转速是固定的，不能调整。

但是不同的茶种、茶质和杀青质量，需用不同的转速揉捻，虽然只是些微的变化，也体现茶叶加工的精细程度。

转速的控制由交流电机变频调速技术来实现。

变频调速技术是目前世界上技术先进、使用成熟、性能可靠的调速方式，它实现了电机转速连续无级调速。

这里的变频调速是开环控制，控制指令直接来自于上位机中输入的参数。

2.2压力控制介绍

压力控制是整个控制系统的关键所在，利用压盖的升降来控制桶内茶叶所受到的压力。

其控制框图如图2-1所示，它是一个开环控制。

控制对象

步进电机

PLC

图2-1压力控制

把加压型式由55型的双滑柱加压改为40-45型的单滑柱丝杆浮动加压（见图2一1、图2-3）。

滑柱是一根中空的钢管，对着压盖的一侧，开有一平行于钢管中心线的竖直长槽，竖直长槽的顶部又连着一段与水平方向成45。

角沿管壁开凿的斜槽，钢管中心是一根丝杆，可以带动加压臂上的螺母沿着竖直长槽上下移动，并沿着斜槽移离揉桶上方，便于上叶。

在滑柱的根部装有一个手轮，用来转动丝杆。

现在，在手轮的位置上装一个步进电机，改手轮转动为步进电机带动丝杆转动。

再在滑柱的顶部和根部分别装上一个行程开关控制加压臂的上下限和进行加压臂定位。

2.3揉捻过程控制介绍

过程控制其实就是时间控制。

可以把揉捻加工分为“轻一重一轻”三过程，也可以分为“轻一重一较重一轻”四过程，还可以制定别的工艺阶段。

总之，要根据各茶种的特征，叶质老嫩、匀度和杀青质量来制定。

每一过程的时间数值，按前面论述的揉捻加工工艺灵活掌握确定。

加工前，把每一过程的时间参数输入上位机中，再由上位机传输给PLC,PLC根据输入的时间参数控制主电机和压力系统的运行。

2.4自动化盘式揉捻机总体方案设计

改造后的6CR-55型自动化盘式揉捻机。

揉盘是一个由边缘向中间逐渐下凹的铸铁圆盘，通常做成花盘形，上铺铜板或不锈钢板，板上装有十几根月牙形棱骨，用于增加揉搓力。

揉盘由三个支座支承，其中一个支座分为上下两节，上面一节兼作减速箱。

三个支座同时也兼作机架，带动揉桶框架运转的三只曲臂就装在三个支座中的三根立轴上，其中一只为主动曲臂，揉盘的中心装有可供开启和关闭的出茶门。

揉盘的上面装置是揉桶，揉桶用铜板或不锈钢板卷制而成。

揉捻机以其揉筒外径厘米数作为型号标定依据，如6CR．55C型揉捻机，即揉桶外径为55cm的揉捻机，大宗茶加工常用的揉捻机型号有6CR．45型、6CR.55型和6CR．65型等。

揉桶是装载揉捻叶的容器，它固定于揉桶框架上，由曲臂带动运转。

揉桶上装有压盖，揉桶可由传动机构带动在揉盘上空作平面转动，并与揉盘互相配合，完成揉捻作业。

在副轴上装有压盖，该加压装置是在现有传统揉捻机的基础上对其进行基于PLC的自动化改造，利用步进电动机控制副轴中的丝杠传动机构，从而更精确控制压盖的上升与下降的距离。

在这方面的基础之上，编写WINCCFLEXIBLE组态程序，制定不同茶品的揉捻工艺（时间、压力、转速），利用西门子10寸的mp-227触摸屏实时记录实时数据，并对整个系统进行控制与监控。

从而实现揉捻时对揉捻叶的自动化加压。

茗茶加工主要有6CR．20、6CR．25、6CR．30和6CR．35等型号。

揉捻机的传动机构，是电动机通过皮带与皮带轮将动力传向减速箱，再由减速箱主轴带动主动曲臂旋转，从而使揉桶回转。

此外，揉捻机揉桶的旋转方向对于揉捻品质十分重要，自上向下看，应是顺时针转动，绝不允许反方向运行，否则将造成揉捻叶条索松散并造成跑茶。

揉捻机在作业时，在电动机和传动机构的带动下，由揉桶、压盖、揉盘组成的揉捻腔在揉盘上做水平旋转运动：

揉桶内的加工叶由于受到压盖压力、揉盘反作用力、棱骨揉搓力及揉桶侧压力作用。

被逐渐揉捻成条，并使部分叶细胞破碎而茶汁外溢，以达到揉捻目的。

本课题具体是用西门子S7-300PLC控制两台型号为6CR-55型盘式揉捻机，利用S7-300CPU的高速脉冲端口控制步进电机驱动器，从而控制步进电机。

PLC控制变频器从而控制交流异步电动机的速度，并可从变频器返回一个实际速度值便于对电机运行速度的监控。

在使用揉捻机集中控制系统的过程中，取得权限的用户可根据自己的实际情况对揉捻机各个工艺方案进行微调，大为增加了系统的适应性。

自动化盘式揉捻机总装立体图如图1.1所示：

图2.2

第三章自动化盘式揉捻机结构设计

3.1自动化盘式揉捻机结构

3.1.1自动化盘式揉捻机结构示意图

自动化盘式揉捻机总体主要结构示意图如图3.1所示：

图3.1

1-三相异步电动机、2-减速箱、3-步进电动机、4-步进电动机固定架5-副轴、6-悬臂、7-加压盖组件8-揉桶、9-揉桶固定架、10-曲臂、11-揉盘、12-出茶门组件、13-揉捻机支撑件

3.1.2自动化盘式揉捻机结构示意图

揉捻机主要参数如下表3.1所示：

揉桶（直径x高）

550x400

揉桶容叶量

30-40kg

曲臂中心距

200mm

配用电机

2.2kw

揉桶回转速度

46-48r/min

外形尺寸（长x宽x高）

1700x1650x1520mm

3.2自动化盘式揉捻机机架设计

自动化盘式揉捻机机架设计是指揉捻机各机械部分的结构设计，其中主要包括揉捻机腿部支撑件设计、转动曲臂设计、揉桶固定架设计、自动化加压装置副轴、步进电动机固定结构设计、异步电动机减速箱作为支撑件的简化设计。

3.2.1自动化盘式揉捻机腿部支撑件设计

盘式揉捻机由三根支柱组成支撑装置，其主要作用是对揉捻机的总体机构起到稳定支撑的作用，以协调和巩固揉捻机个装置间的运动作用，确保揉捻的顺利完成，为揉捻质量提供保障，并且还要考虑工作过程中加压盖工作时的外加压力，在材料选择上使用HT200即可，采用薄壁拔模特征，并用M16的螺栓与其他部件进行连接，其结构如图3.1所示：

图3.2

3.2.2自动化盘式揉捻机转动曲臂设计

揉捻机的曲柄装置，一台揉捻机上面装有大小各三个曲柄两种装置，分别与支柱和揉捻盘连接，其作用主要是传递由电动机输出的揉捻力，带动揉捻盘作三百六十度的回转运动，从而给揉捻桶中的茶叶一个转动的力，达到卷曲茶叶的作用，其材料选择为HT200的铸造件，并且两端轴承由于考虑受力不同的问题，所选择轴承均为角接触球轴承，但内径不同，分别为7006C和7007AC。

其固定螺栓选择M10x30，设计三维图如图3.2所示：

图3.3

3.2.3自动化盘式揉捻机揉桶固定架设计

揉桶固定架主要是用来固定揉桶，在其中一个臂上固定步进电动机及其自动化加压装置的副轴，并且在揉捻机工作时受到茶叶的反作用力，故在固定自动化加压装置的副轴处进行加厚，其材料选择为HT200，固定轴的固定螺栓选择M14，固定揉桶的半圆头螺栓选择M14，具体结构设计如图3.3所示：

图3.4

3.2.4自动化盘式揉捻机自动化加压装置副轴设计

揉捻机在经过自动化改造后，将在副轴顶端加装上一个传感器，来控制工作时加压盖对茶叶的压力，并将数据传递给步进电动机，副轴一侧开槽，将内部装有的丝杠的转动，变成直线移动输出，从而实现自动化控制。

其材料选择合金碳钢，但底端端盖用HT200与副轴做焊接，并用M12螺栓组与步进电动机减速箱连接，且两端轴承选择7006C的角接触球轴承，正装固定。

其具体结构如图3.4所示：

图3.5

3.2.5自动化盘式揉捻机步进电动机固定架设计

步进电动机固定架固定于揉桶固定架的一个臂上，并主要用来固定自动化加压装置的步进电动机，其材料选择为碳钢，并用M16螺栓组进行固定连接，其具体结构如图3.5所示：

图3.6

3.2.6异步电动机减速箱作为支撑件的简化设计

异步电动机减速箱作为揉盘的一个支撑支座，该支座分为上下两节，上面一节兼作减速箱，并用M16的螺栓与揉盘进行连接，其具体基本结构如图3.6所示：

图3.7

3.3自动化盘式揉捻机揉盘设计

揉盘是一个由边缘向中间逐渐下凹的铸铁圆盘，通常做成花盘形，上铺铜板或不锈钢板，板上装有12到20月牙形棱骨，用于增加揉搓力，本设计选择12根棱骨。

揉盘的中间装有可供开启和关闭的出茶门。

揉盘的上面装揉桶，揉桶上装有揉桶盖。

揉桶可由传动机构带动在揉盘上作平面转动，并与揉盘互相配合，完成揉捻作业，其具体结构如图3.7所示：

图3.8

3.4自动化盘式揉捻机揉桶设计

揉桶是装载揉捻叶的容器，它固定于揉桶固定架上，由曲臂带动运转。

揉桶上部的揉桶盖装有加压装置用于控制揉桶盖的上下位置，从而实现揉捻时对揉捻叶的加压。

其具体结构如图3.8所示：

图3.9

3.5自动化盘式揉捻机加压盖及其组件设计

如图3.10所示为茶叶揉捻机的加压装置组件，该装置是自动化茶叶揉捻机的核心部分，起主要作用是对茶叶施加一向下的压力，控制压力的大小。

它主要包括桶盖、悬梁、副轴、轴承、丝杠螺母、锥齿轮以及自动施加压力的步进电动机等部件。

其主要部分为进给部分，在步进电动机的带动下通过丝杆螺母调整悬臂的竖直位置进而来调整压力的大小，达到所需的不同大小的压力，保证茶叶揉捻质量。

图3.10

第四章自动化盘式揉捻机主要机械部件有限元分析

4.1Solidworks有限元分析简介

4.1.1有限单元法分析

有限单元法（finiteelementmethod,简称FEM）是求解数理方程的一种数值计算方法，是将弹性理论、计算数学和计算机软件结合在一起的一种数值分析技术，是解决工程实际问题的一种有力的数值计算工具。

由于这一方法灵活、快速和有效，其迅速发展成为求解各领域数理方程的一种通用计算方法。

目前，有限元法在许多科学技术领域和实际工程问题中都得到了广泛的应用，如机械制造、材料加工、航空航天、土木建筑、电子电气、国防军工、船舶、铁道、汽车和石化能源等，并得到了普遍重视。

4.1.2有限元法的分析过程

有限元分析计算的步骤可归纳如下：

1、结构的离散化

结构的离散化就是将分析的结构体划分为