压面机机械结构设计.docx
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压面机机械结构设计
压面机机械结构设计
1绪论
1.1国食品机械的发展状况
中国的食品机械行业起步晚，总体水平相对于欧美等发达国家来说落后。
自主开发能力较弱，科研投入不足，行业多数企业不具备高水平的技术研发能力。
目前，中国很多先进的食品机械设备主要依靠国外进口，拥有自主知识产权的产品很少。
但近年来中国的食品机械发展的速度较快，目前已进入到产品结构调整、提高开发创新能力并与国际接轨的发展时期。
目前中国的食品机械行业还处于起步发展阶段，市场还处于不稳定时期。
我国食品机械的发展任重而道远、空间广阔，究其主要原因是我国人民消费的食品大多是来自农业的未加工食品，每年因缺乏必要的食品加工机械使食品资源不能直接加工、贮藏、保鲜而造成的损失高达几十亿元，未能深加工综合利用而造成的资源浪费损失更高，因此我国食品机械具有广阔的市场前景。
【】《中国食品机械行业发展任重而道远》2013-05-0713:
46来源：
中国三农网责编：
钱莹中国的食品机械行业要想取得快速发展，首先，企业要不断提升产品质量和水平，从制造向创造转型，逐步缩短与国际先进企业的差距。
其次，应不断规市场，建立和完善行业标准，让企业在一个标准化的市场中发展。
第三，企业应避免打价格战，要建立良性竞争的市场氛围。
第四，中国地大物博、人口众多，各地经济发展和生活方式不同，因此厂家要多方调查、要针对地区差别，经济承受能力等情况，积极开发适合各地不同用户需求的产品，满足消费者的需求。
第五，要加强市场推广和服务渠道，提升企业品牌知名度，团结一致，共同努力，这样才能确保食品机械行业能健康、良性地发展。
不难发现制约我国食品行业发展的关键因素：
国食品机械技术严重落后于国外先进技术企业，据统计，自食品机械发展以来，我国的食品机械企业针对高端技术设备均采取进口措施，仅仅是塑料薄膜双向拉伸设备生产线就高达1亿元，这对于国企业来说是比不小的开支。
企业大部分的开支如果用在进口设备费用上，便会严重制约我国食品机械企业的良性发展。
由国食品机械行业的发展来看，不难发现我国众多机械领域在发展中存在的弊端，国个企业人士很少会将人力、财力投入到新技术的开发上面，面对需要高端技术的产品，常常选择国外进口，以便更快的满足国客户的需要。
这样做所产生的弊端可以从国食品机械的发展来看，食品机械经过长时间的进步与发展，早已经成为国成熟的“老企业”，但是就是这样一个“老企业”并没有为新兴企业提供最完善的发展模式，反正常常作为反面教材，看出了国食品机械对于国外产品的技术依赖，很难在短时间持续稳定的独立发展下去。
同时，食品安全日益严峻，设备更新换代成为一个大的趋势，正因为如此，市场需求极大的促使中国食品机械制造业在今后相当长的一段时间将会保持高速增长，而且自动化程度越来越高，并带动自动化原件的飞速发展。
1.2国际食品机械发展趋势
纵观国际食品机械的发展趋势，新的食品机械相关技术标准，安全卫生要求进一步受到重视，以适应和满足食品加工对食品安全的要求；高新技术在食品机械中得到广泛应用，成为提高食品机械技术含量的重点容；技术创新力度进一步加强，成为新一轮食品机械技术跨越的重要措施和手段；技术壁垒的门槛越来越高，成为食品机械技术竞争的主要形式。
通过这些新的重大变化可以看出，国际食品机械经济效益的获取方式，不再是传统意义上的品种、数量、规模、性能等物化的有形资本，取而代之的是高新技术、技术标准、技术壁垒、技术创新、安全卫生等无形资本的巨大作用。
【】国际食品包装机械未来的发展趋势来源:
如今世界的食品机械的朝着以下几个方向发展：
（1）高新技术实用化。
当前，国外发达国家广泛采用高新技术应用到食品机械中，从而不断推出技术含量更高、更人性化的新设备、新产品，使设备性能大大提高。
因此，高新技术是食品机械上档次、上水平的重要组成部分，具有广泛的发展应用前景。
（2）技术标准趋同化。
为了国际间技术交流和贸易往来的一致性和协调性，世界各国的食品加工与食品机械技术标准纷纷向国际标准或欧盟标准靠拢，这是全球性食品机械领域规避技术壁垒的重要举措。
（3）质量控制全程化。
现代国际上通用的食品加工生产方式，是将质量保证的重点由传统对最终产品的检验转移到对加工工艺过程中的关键控制点进行管理，其目的在于：
一是减少加工作业过程的出现一系列错误，将食品加工过程中人为或设备的差错降低到最低限度；二是以防在不卫生条件、可能引起污染或品质劣化的环境下作业，避免因批量生产不合格产品所造成的损失。
因此，世界食品机械的技术发展主流之一，就是使食品加工技术适应质量安全的全程控制要求。
（4）设备高度效率化。
使生产线实现连续化生产、专业化作业、自动化调节、规模化经营等，可显着提高生产效率和经济效益。
目前，许多食品机械大型制造企业或跨国公司，大都发展生产线高度自动化、生产规模大型化的生产设备，以高效率生产赢得市场的竞争能力。
1.3课题研究的背景和意义
机械设计，是根据用户的使用要求对专用机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计算并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程，是多学科理论和实际知识的综合运用。
【1】机械设计是机械工程的重要组成部分，同时也是机械生产的第一步，是决定机械性能的最主要的因素。
机械结构设计的任务是在总体设计的基础上，根据所确定的原理方案，确定并绘出具体的结构图，以体现所要求的功能。
是将抽象的工作原理具体化为某类构件或零部件，具体容为在确定结构件的材料、形状、尺寸、公差、热处理方式和表面状况的同时，还须考虑其加工工艺、强度、刚度、精度以及与其它零件相互之间关系等问题，并且可以利用AutoCAD,Solidworks等软件绘制装配图，零件图或者进行建模，仿真。
所以，结构设计的直接产物虽是技术图纸，但结构设计工作不是简单的机械制图，图纸只是表达设计方案的语言，综合技术的具体化是结构设计的基本容。
机械结构设计的主要特点有：
（1）它是集思考、绘图、计算（有时进行必要的实验）于一体的设计过程，是机械设计中涉及的问题最多、最具体、工作量最大的工作阶段，对机械设计的成败起着举足轻重的作用。
（2）机械结构设计问题的多解性，即满足同一设计要求的机械结构并不是唯一的。
（3）机械结构设计阶段是一个很活跃的设计环节，常常需反复交叉的进行。
为此，在进行机械结构设计时，必须了解从机器的整体出发对机械结构的基本要求。
此课题主要运用Solidworks软件，通过对压面机的整体结构设计以及各部分的理论计算校核后，结合数据，利用该软件画出整体装配图以及零件图，以达到对压面机整体结构设计的目的。
此外，选用的压面机为家用的小型压面机。
1.4压面机的整体分析
1.4.1压面机的整体建模
通过Solidwoks软件对压面机的整体进行3D建模并进行虚拟装配。
1.4.2压面机的总体设计分析
Solidwoks是机械结构设计中常用的软件之一，通过运用该软件绘制装配图可以很好的对压面机进行总体分析，甚至可以进行建模仿真观察其运动性能状态。
1.5本章小结
本章介绍并讨论了食品机械的一些发展现状，以及说明了此课题研究的背景，意义和压面机的总体分析
2压面机的简介以及工作原理
2.1压面机的简介和发展现状
食品工业在国民经济中历来占有举足轻重的地位,是国民经济的支柱产业之一。
在食品工业中,为之提供加工设备的属食品机械工业,其在日常生活中占据重要地位,涉及到千家万户。
食品机械是社会上使用频率最高的机械设备之一,其各项使用指标及在、外在质量对人们日常生活都将产生重要影响。
随着食品工业的发展，食品机械在食品工业中的地位越来越重要。
【4】《我国食品机械行业》现代化的食品机械不仅可以生产出高附加值的产品，而且可以提高资源的利用率。
在当今信息时代,食品机械的设计开发手段也由原来的以凭借经验、手工绘制为主逐渐向利用计算机进行理性分析转变。
压面机，作为中国重要的食品机械之一，在行业中扮演着至关重要的角色。
压面机，顾名思义，是一种用于制作面条的机械，具体来说把面粉跟水搅拌均匀之后代替传统手工揉面的食品机械。
压面机是面条加工机械中的一种关键设备。
它的的功能是将和面机中混合均匀的面粉经过多次轧辊的轧压，碾压后制成一条质地均匀的面片，供下到工序切片。
【2】《压面机的改造及新用途的探索》在压面设备中连续压片机和复合压片机的压辊是关键部件，它对提高产品的产量和质量起至关重要的作用，它通过压辊对面团压力和摩擦力的综合作用对面片进行拉伸，挤压，使面片的空气排出进而使里面的组织结构更加致密均匀的融合在一起。
压面机的常用分类有两种，一种是工业用的大中型压面机，为面食加工行业大量生产所适用，功能上分为自动和半自动区别在于由传统的人工喂面，改为传送带自动送面，大大提高了压面机的安全性，同时也降低了工作人员的劳动强度。
这种压面机都是用电力带动机器工作。
另一种就是家用的小型压面机该机专为家庭用户研发，功能也很丰富，多速可选快慢调节，可压细面，宽面，馄饨皮，饺子皮，包子皮等等面食。
此次课题研究的是家用压面机。
在上世纪90年代，随着稻谷壳制一次性植物纤维绿色环保餐具的发展，压面机产生了新用途。
研究开发这种绿色环保餐具，其中一个关键工序是将配好粘结剂的稻谷壳粉轧制成质地均匀、结构紧密、表面光滑而有一定韧性的片材。
但由于稻谷壳粉与面粉在其物理和化学性能上相差很远，在轧制过程中由于轧辊问隙不均匀、变形、轧制压力增大等因素，造成片料厚度变化大、质地不均匀、结构紧密度不一致、表面光洁度不够等后果，严重影响产品的质量和设备的使用寿命．且生产效率低。
试验过程中，通过取得大量的实验数据．对压面机进行改造和创新设计，开发了一种全新的压面机，实现了绿色环保餐具的规模化、自动化生产。
【3】《压面机新用途的改进设置》该设备可用于塑料、食品、橡胶等行业。
另外，针对传统压面机笨重的结构，高昂的成本，所切面条种数的单一，以及现有的多用压面机的不合理结构，提出一种新型压面机。
图2.1压面机以及切刀规格
2.2压面机的工作原理
此课题所研究的为家用小型压面机，主要由机架，传动部分，输送压面部分，切面部分。
选用的电机为单相异步电机。
工作原理：
将定量面团放在下输送带上，开动机器，自动输送刀压辊间，面团在输送带和轧辊作用下自动完成喂入和压面过程。
压完后经上输送带自动传送到下输送带上，由于采用不同线速度，使面皮自动完成折叠和输送、喂入、转下道工序。
经过反复揉压达到理想压面效果。
在压面机有个可以取出的切刀，装上切面刀，根据需要调整切面刀上调节器，顺时针将调节器转到位切细面，逆时针转到位切粗面，最后将压好的面坯放面斗引入两面辊之间直至切面刀，即可切成粗或细面条。
图2.2家用压面机实物图
3结构设计
3.1Solidworks软件的介绍
Solidworks，AutoCAD,UG等软件是机械设计中常用的几款软件，而我在这次课题设计中使用的是Solidworks，Solidworks软件功能强大，组件繁多。
Solidworks功能强大、易学易用和技术创新是Solidworks的三大特点，使得Solidworks成为领先的、主流的三维CAD解决方案。
Solidworks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。
Solidworks不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。
对于熟悉微软的Windows系统的用户，基本上就可以用Solidworks来搞设计了。
Solidworks独有的拖拽功能使用户在比较短的时间完成大型装配设计。
Solidworks资源管理器是同Windows资源管理器一样的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。
[5]《Solidworks教程》
在此次设计中，使用Solidworks软件所要完成的工作是装配图设计和工程图的绘制。
在装配图设计方面，当生成新零件时，可以直接参考其他零件并保持这种参考关系。
在装配的环境里，可以方便地设计和修改零部件。
对于超过一万个零部件的大型装配体，Solidworks的性能得到极大的提高。
Solidworks可以动态地查看装配体的所有运动，并且可以对运动的零部件进行动态的干涉检查和间隙检测。
用智能零件技术自动完成重复设计。
智能零件技术是一种崭新的技术，用来完成诸如将一个标准的螺栓装入螺孔中，而同时按照正确的顺序完成垫片和螺母的装配。
而在工程图的绘制方面，Solidworks提供了生成完整的、车间认可的详细工程图的工具。
工程图是全相关的，当修改图纸时，三维模型、各个视图、装配体都会自动更新。
从三维模型中自动产生工程图，包括视图、尺寸和标注。
增强了的详图操作和剖视图，包括生成剖中剖视图、部件的图层支持、熟悉的二维草图功能、以及详图中的属性管理员。
所以，从软件的特性上看，选用Solidworks比较方便，而且功能上更为适合。
3.2压面机结构设计
3.2.1总体结构
家用压面机由于是小型食品机械，因此基本构造上并不复杂。
主要结构是由一个单相异步电机，机架，皮带传动部分，齿轮传动部分，传送盘，压辊，切刀以及一些常用的标准件。
整个传动部分的设计主要采用皮带轮和齿轮来传递动力，使压面机运作是能够更加顺畅和稳定，课题中涉及到带轮，齿轮，V型带以及轴承等主要零部件的设计。
带轮和齿轮的零部件布局如图2.
图3.1整体布局图
压面机的总体结构装配图如下：
图3.2Solidworks环境下压面机的装配图
3.2.2传动部分中V带传动的设计
图3.3皮带轮
V带传动是靠V带的两侧面与轮槽侧面压紧产生摩擦力进行动力传递的。
与平带传动比较，V带传动的摩擦力大，因此可以传递较大功率。
V带较平带结构紧凑，而且V带是无接头的传动带，所以传动较平稳。
V带轮的传动有两个不同大小的皮带，以及两条皮带轮组成。
小带轮与电机相接，大带轮则和齿轮、压辊相接。
电机的动力通过V带传动传递到齿轮，再传递到压辊。
3.2.3传动部分中的齿轮传动
图3.4齿轮传动
齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动。
按齿轮轴线的相对位置分平行轴圆柱齿轮传动、相交轴圆锥齿轮传动和交错轴螺旋齿轮传动。
具有结构紧凑、效率高、寿命长等特点齿轮传动类型有很多种，这里选用的是直齿轮传动。
电机动力通过V带传动后，进入齿轮传动中，再将动力传递给压辊。
3.2.4压面辊的设计
图5压面辊
压面辊的结构特点比较简单，有辊筒和一根通轴组成，轴固定，辊通跟这输送带一起转动。
两个压面辊一个随输送带主动转动，另一个从动，当面团从进料板进入两辊间隙时，两辊通过反向转动将面团压成面片。
压面辊的尺寸为，直径45mm,长度为100mm。
在从动辊的两边有紧机构，采用一根螺纹丝杆带动滑块移动，从而可以调节从动辊的位置。
3.2.5切面刀的设计
图6切面刀
切刀的结构也比较简单，主要是两圆丝刀组成，可以将从压面辊出来的满团进过两刀的间隙后切成面条，完成整道工序，面条的大小粗细可以通过调节切刀实现。
此外，整个切刀机构是可以拆出来的，便于清洁和维护。
3.2.6补充说明
传动部分为主要的设计部分，需要通过理论计算和强度校核来确定具体的大小尺寸，例如两皮带轮的直径大小，V型带的长度，两组啮合齿轮的各种参数等。
计算得出的数据用于后面绘制整体装配图和工程图。
此外，压辊作为压面机的另一个主要组成部分，也是总体结构设计的重点，其选用的规格，尺寸大小同样需要通过下面的计算设计来确定。
3.3总体尺寸确定
总体高度：
4、计算部分
4.1传动设计，选配电机
设计方案：
家用压面机的带传动。
工作条件：
适用于各种家庭环境，载荷平稳，环境清洁。
原始数据：
运输带工作速度：
V=1m/s。
4.1.1、电动机类型的选择
此次课题研究的是压面机，属于食品机械，根据【】简明机械设计手册，选用Y（IP44）封闭式三相笼型异步电动机。
此电机的结构特点为一般用途封闭自扇冷式，能防止灰尘，铁屑或其他杂物侵入电动机部，效率高，噪音低，振动小，体积小，重量轻，运行可靠，安装方便。
适用于灰尘多，土扬水溅的场合，如农用机械，搅拌机，碾米机等其他食品机械。
图4.1.1三相异步电动机模型
选择电动机时，应保证选择时
式中：
----电动机的额定功率，kw。
----工作机所需电动机功率，kw。
所需电动机功率由下式计算：
式中：
----工作机所需有效功率，由工作机的工艺阻力及运行参数确定。
----电动机到工作机的总效率。
kw
式中：
F----压面辊压面团的压力（根据网上数据以及经验估算）N。
v----工作机的线速度，m/s。
D----主动轮的直径，mm。
则：
kw
则根据【】简明机械设计手册表19-3，综合考虑电动机和传动装置尺寸、重量、带传动等因素，选择型号Y90L-4的电动机，额定功率为
kw，转速为1400r/min。
4.1.2、计算总传动比以及分配各级的传动比
1、总传动比：
i总=n电机n筒=1400/152.79=9.16（n筒=60×1000V/πD=60×1000×1/（125×π）=152.79r/min）
2、分配各级传动比：
取i齿轮=3.20
∵i总=i齿轮×i带
∴i带=i总/i齿轮=9.16/3.20=2.86
3、运动参数以及动力参数计算
①、计算各轴的转速（r/min）
N1=n电机=1400r/min，N2=n1/i带=1400/2.86=489.5r/min
N3=n2/i齿轮=489.5/3.20=152.97r/min
②、计算各轴的功率
P1=Pd=1.5kwP2=P1×η带=1.5×0.94=1.41kw
③、计算各轴的扭矩（N·m）
T1=9.55×10
P1/n1=9.55×10
×1.5/1400=10.23N·m
T2=9.55×10
P2/n2=9.55×10
×1.41/489.5=27.51N·m
4.2带轮传动计算
1、选择普通V带截型
查课本P218表13-8的工作情况系数表，取KA=1.0，PC=KAP=1.5kw。
2、选择V带型号
选普通V带根据PC=1.5kw，N1=1400r/min，由课本P214表13-3查得，选用A型V带。
图4.2v带型号表
3、大小带轮基准直径
由P219图13-15，小带轮的基准直径的围为112-140mm，由13-9，dmin应
不小
于112mm，取dmin=118mm，
由于dd2=（1-e）n1·dd1/n2（e为滑动率）
=（1-0.02）·1400·118/48
=330.73mm，取dd2=355mm
4、际从动轮的转速
n实=n1·dd1/dd2=1400×118/355=465.35r/min,
转速误差为：
︱n2-n实︱/n2=︱489.5-465.35︱/489.5=0.048＜0.05，在数据允许围。
5、带速V
V=π·dd1·n1/（60×1000）
=π×118×1400/60000
=8.65m/s在5-25m/s围，带速合适。
6、确定带长和中心距
初步选取中心距：
a0=1.5·（118+355）=709.5mm，取a0=710mm，符合0.7（dd1+dd2）≤a0≤2（dd1+dd2）
则带长为：
L0=2a0+1.57（dd1+dd2）+（dd1-dd2）
/4a0
=2×710+742.61+19.78
=2182.39根据表13-2，取Ld=2200mm
根据P220式（13-16）计算实际中心距
a≈a0+（Ld-L0）/2=710+（2200-2182.39）/2=718.8mm
7、验算小带轮包角
α1=180
-（355-118）×57.3
/718.8
=180
-18.9
=161.1
＞120
（适用）
8、确定带的根数
根据P214表（13-3）P0=1.61Kw
根据P216表（13-5）△P0=0.34Kw
根据P217表（13-7）Ka=0.95
根据P212表（13-2）KL=1.09
由P214式13-12，得
Z=PC/（P0+△P0）×Ka×KL
=1.5/（1.61+0.34）×0.95×1.06
=1.05
故取2根，与实际相符。
9、计算轴上压力
由课本P212表13-1查得q=0.1kg/m，由式13-17单根V带初拉力：
F0=500PC/ZV（2.5/Ka-1）+qV
=500×1.5/2×8.65×（2.5/0.95-1）+0.1×8.65
N
=34.05N
则作用在轴承上的压力FQ，由课本公式得:
FQ=2ZF0sinα1/2=2×2×34.05×sin161.1
/2=134.35N
4.3齿轮传动设计计算
1、选择齿轮材料及确定许用应力
齿轮采用软齿面，小齿轮选用40MnB调质，齿面硬度为240-286HBS，
σHlim1=700MPa，σFE1=600MPa,大齿轮选用45钢，调质，齿面硬度为220HBS，
σHlim2=600MPa,σFE2=480MPa，
由课本表11-1，SH=1.0,SF=1.25,ZH=2.5,ZE=189.8
[σH1]=σHlim1/SH=700/1.0MPa=700MPa
[σH2]=σHlim2/SH=600/1.0MPa=600MPa
[σFE1]=σFE1/SF=600/1.25MPa=480MPa
[σFE2]=σFE2/SF=480/1.25MPa=360MPa
2、按接触疲劳强度设计计算
齿轮按8级精度制造，取载荷系数K=1.2，齿宽系数ψd=0.8，
小齿轮上的转矩为：
T2=9.55×10
×P/n2=9.55×10
×1.41/489.5=2.75×10
（1）、取齿数Z1=21，则Z2=3.20×21≈67，实际传动比i=67/21=3.19,传动比误差i-i0/I=（3.20-3.19）/3.20=0.3%<2.5%,可用，齿数比u=i=3.19。
由d1=[
]
=[
]
=36.79mm
模数：
m=d1/Z1=36.79/21=1.75mm，去第一系列模数m=2
则齿轮的中心距a=2×（21+67）/2=176mm
取a=180mm，确定齿轮的分度圆直径：
d1=mZ1=42mm
d2=mZ2=134mm
确定齿轮宽度：
b=ψdd1=0.8×42=33.6mm取b2=35mm，b1=40mm
（2）、取齿数Z3=12,则Z4=12×3.20=38.4≈39，实际传动比：
i=39/12=3.25,传动误差，i-i0/I=|3.20-3.25|/3.20=1.5%<2.5%可用，齿数比：
u=i=3.25
由d1=[
]
=[
]
=36.73mm
模数：
m=d1/Z1=36.73/12=3.06mm取第一系列模数m=3
则齿轮的传动中心距：
a2=3×（12+39）/2=76.5mm，取a2=80
确定齿轮分度圆半径：
d3=mZ3=3×12=36mm
d4=mZ4=3×39=117mm
确定齿轮宽度：
b=ψdd1=0.8×36=28.8mm,取b4=30mm，b3=35mm
（3）、齿轮弯曲强度校核
齿轮按8级精度制造，取载荷系数K=1.2
齿形系数：
ZV1=Z1=21ZV2=Z2=67ZV3=Z3=12ZV4=Z4=39
齿形系数YFa和应力修正系数YSa
查图1
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