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设计说明书

石河子大学

毕业论设计

葡萄籽皮分离机的设计

学生姓名：

田宇

指导教师：

朱荣光

学院：

机械电气工程学院

专业：

机械设计制造及其自动化

年级：

07级2班

2011年5月

摘要

葡萄是世界上的重要水果之一，产量仅次于柑橘类位居第二位。

葡萄是一种栽培价值很高的果树，其果实营养价值极高，鲜果含糖10％～30％，且含有多种对人体有益的矿物质和维生素，除生食、制干外，还是酿酒工业的重要原料。

根据联合国粮农组织（FAO）的统计资料，2004年世界葡萄生产面积为7，674，237公顷，总产量为65，486，235吨，其栽培面积和产量居世界水果生产前两位。

近20年来，我国的葡萄生产取得了飞速的发展，根据农业部统计资料，1993—2003年我国葡萄产量年平均增长38．2万吨，年增长率12．5％。

尽管如此，我国葡萄的种植面积和产量占世界葡萄种植面积和产量的比重还很小，人均占有的葡萄量更少。

葡萄性喜干燥、温暖的气候，在我国主要栽培在年降雨量600ml以北的地区，在南方多湿生态条件下极易遭受病虫危害，因此，长期以来我国的葡萄生产主要集中在新疆、山东河北、京津、辽宁、山西、吉林和河南等地，南方一些省市仅有零星栽培。

根据新疆葡萄资源丰富特点、葡萄种植户的要求和生产葡萄饮料企业的需要,设计葡萄籽皮分离机,本机可连续完成除梗、破碎、榨汁、分离四道工序，而且具有出汁率高、质量好、成本低等优点

本课题的内容主要是解决葡萄取籽的问题

关键词：

葡萄；籽皮分离；传动

ABSTRACT

Summary:

Grapeisoneoftheworld'smajorfruit,secondonlytocitrusproductioninsecondplace.Grapeisafruittreeplantinghigh-value,highnutritionalvalueofitsfruit,freshfruitsugarcontentof10%to30%,andcontainsavarietyofbeneficialmineralsandvitamins,inadditiontorawfood,driedoutside,orwineimportantindustrialrawmaterial.AccordingtoFAO（FAO）statistics,in2004theworld'sgrapeproductionareaof7,674,237hectares,thetotalproductionof65,486,235tons,anditscultivationareaandproductionoftoptwointheworldfruitproduction.

GrapeproductioninChinahaslongbeenconcentratedinXinjiang,Shandong,Hebei,BeijingandTianjin,Liaoning,Shanxi,JilinandHenanandotherplaces,onlysporadiccultivationinsomesouthernprovinces.

Xinjiangisrichinresourcesaccordingtothecharacteristicsofgrape,grapegrowersproducegrapesbeveragerequirementsandbusinessneeds,grapeseedskinseparatordesign,themachinecanbeconsecutivelybroken,isolated,juicethreeprocesses,andhashighjuice,goodqualitylowcost.

Thetopicsmainlytoaddressthefunctionsofgrapeseedstotake.

Keywords：

grape；SeedPaperseparation；Transmission

目录

1．前言（5）

2．项目的意义及前景分析（5）

2.1项目的意义（5）

2.2国内外研究现状和发展趋势（6）

2.3重点研究问题（6）

2.4实现预期目标的可行性分析（6）

3．总体方案的设计（7）

3.1整体方案的设计（7）

3.2设计原则（7）

3.3研究内容及工作原理（8）

4．主要部件技术参数的设计计算（10）

5.强度计算与校核（14）

5.1轴疲劳强度的校核（14）

5.2主轴疲劳强度的计算（15）

5.3轴刚度的校核（15）

6.技术性的小结（16）

7.设计心得（16）

8.致谢（17）

9.参考文献（17）

1．前言

葡萄是我国水果生产的重要品种，改革开放和农村产业结构的调整促进了葡萄产业的发展，特别是近十年，葡萄种植面积和产量一直呈上升趋势。

据农业部资料统计，2002年全国葡萄栽培面积392.4千公顷（588.6万亩），产量448万吨，种植面积据世界第六位，产量据世界第五位，已在世界葡萄产业中占有一席之地。

新疆是我国葡萄种植集中地之一，也是我国葡萄种植面积最大、产量最高，品种最多的地区。

据统计，新疆年产葡萄60万吨左右，葡萄种植面积超过60万亩，占全生态环境，振兴新疆经济，促进新疆农牧民脱贫致富奔小康有着极其重要的现实意义。

但是我们发现，虽然葡萄的种植面积一直在增加，葡萄产业在不断发展，而葡萄机械化却裹足不前。

作为葡萄生产理想的操作方式——机械化，这一在国外经济发达国家已基本上实现了全程机械化的作业方式，在我国还刚刚起步。

在鲜食葡萄的产业领域，几乎很少实现机械化。

调查发现，现在的葡萄多用于做果汁饮品，一个很重要的副产品—葡萄籽没被很好的运用，我设计的葡萄籽皮分离机的主要作用是把葡萄充分利用，使其发挥其更大的作用。

2.项目的意义及前景分析

2.1项目的意义

葡萄在世界果树生产中占据重要位置，其栽培面积和产量曾长期位居世界水果生产首位，近年来让位于柑橘，退居第二。

在我国，葡萄也是重要的果树树种，但与国际上葡萄产业发达国家比较，其产业水平较低，存在较大差距。

就世界而言，20%的葡萄用于鲜食。

我国则以鲜食为主，占80%以上。

鲜食葡萄生产是我国葡萄产业的主体。

  最近几年，我国鲜食葡萄栽培面积最大年增近208hm2左右。

尽管如此，我国每年还从智利、美国大量进口红地球鲜果以满足国内市场需求，说明我国鲜食葡萄产业还有很大的发展空间。

2.1葡萄籽的特点及功效

特点：

价格低；能量高；具有保健作用；无毒副作用，尽可放心使用。

葡萄籽功效：

人体的青春在很大程度上取决于结构组织的柔韧性，这是身体各部位自然连接网络是否有弹性的保证，而葡萄籽提取物的抗氧化作用能够保护结构组织不被自由基破坏，起到延缓衰老的作用。

卡斯琳葡萄籽OPC精华提取物是迄今发现的植物来源的最高效的抗氧化剂之一，体内和体外试验表明，葡萄籽提取物的抗氧化效果，是维生素C和维生素E的30-50倍。

葡萄籽提取物是天然的阳光遮盖物，能阻挡紫外线侵害皮肤，还能够修复受伤胶原蛋白和弹性纤维。

葡萄籽提取物具有收敛作用，收紧皮肤，防止皮肤皱纹的提早出现，长期使用能使皮肤光滑，富有弹性，具有美容养颜的作用。

新疆是我国葡萄生产的主要产地之一,近几年来,随着我区农业产业结构的调整,葡萄种植业得到了迅速发展。

因此,葡萄产品的深加工也日益引起人们的重视,为了促进和发展这一新兴的行业,葡萄籽皮分离机的设计很有必要。

葡萄籽皮分离机的开发利用对于葡萄综合加工、减少浪费、提高资源利用率具有重要意义。

2.2国内外研究现状和发展趋势

就目前来讲，在国内葡萄主要是用来制造葡萄酒及其附属产品，而对葡萄籽及葡萄梗的利用微乎其微，尤其是对葡萄梗的利用几乎没有。

全球正在向绿色农业和绿色工业发展，原则上尽量把原料充分利用，于是关于葡萄籽和葡萄梗的开发利用也提上日程，前景无限。

对葡萄产品的开发不仅把葡萄果肉全部利用，而且把其他副产品也全部利用。

所以研究一个葡萄籽皮分离机很有必要。

2.3重点研究问题

本课题的重点研究第一个问题是将带梗的葡萄通过除梗滚筒除梗；第二个问题是葡萄粒通过压辊破碎，混合物在出汁筛筒中随叶片作用的搓擦，挤压等作用，果粒、果肉、果汁从筛孔中排出收集，果皮、葡萄籽和最后未出尽的梗推入水箱；第三个问题是在水箱中用晒网分离出葡萄籽。

2.4.实现预期目标的可行性分析

本课题的最终目的是实现小型葡萄籽皮分离机能单独作业。

该籽皮分离机主要部件有入料斗、压辊、除梗筛筒、刮板、破碎相、出汁筒、水箱、搅拌轴等，还有与之配套的零部件如：

机架、连接装置等。

3.设计总体方案

3.1整体方案的设计

3.1.1设计结构简图

1.入料斗2.除梗螺旋3.电动机4.压辊5.机架6.除梗滚筒7.入料槽8.出汁滚筒9.刮板10.出汁槽11.搅拌轴12。

筛网13.水箱

3.1.2主要技术参数

生产率（kg/h）:

300

配套动力（kW）:

2.2～3

工作电源（V/Hz）:

AC380/50

外形尺寸（mm）:

2430×1200×4630

3.2.设计原则

（1）实现一小型的分离任务，并且根据新疆葡萄的特点，葡萄直径15—25mm；

（2齿轮机构和带轮机构的设计应满足传动比和应力要求；

（3）保证分离机具的稳定性，达到安全作业的要求；

（4）整机机动性好、操控性好，尽量减少辅助人工劳动强度；

（5）整机设计简洁实用，能保证整体强度，又便于加工制造，具备较高的性价比。

3.3研究内容及工作原理

最主要的工作原理是通过葡萄籽的密度小于水的密度，而葡萄皮的密度大于水，通过它们的密度差从而达到分离。

工作流程：

先把带梗的葡萄放入料斗，通过料斗中螺旋片推入除梗滚筒，葡萄粒从滚筒孔洞掉入被滚筒外部的螺旋推入破碎相，梗在除梗螺旋的作用下被摘除并从出口排出，葡萄粒经过破碎后进入出汁滚筒，通过刮板挤压，汁液和果肉流入出汁口，葡萄籽皮和未除尽的梗进入水箱，在水箱由搅拌轴搅拌通过筛网筛出葡萄籽，最后收集葡萄籽，达到分离的目的。

图3.1

图1是除梗螺旋，转动时左半部分把葡萄推入除梗滚筒，除梗螺旋利于重力与滚筒上的孔洞旋转除梗

图3.2

图2是一组压辊，它的主要作用是把葡萄压碎，压辊采用高弹性食品级无毒橡胶制造，对果核有保护作用，不会击破果核而影响葡萄汁质量。

图3.3

图3是刮板装置，刮板参数主要包括刮板转速、刮板与轴的夹角,刮板转速和夹角直接影响生产效率。

刮板参数直接影响最终生产率和分离质量,根据生产率和经验,设计刮板转速为60r/min,夹角为20°刮板参数的最佳值将由后续的试验来确定。

图3.4

图4是搅拌装置，由搅拌轴、筛网、水箱构成，筛网与水箱可分离，水箱底部是一斜面，方便最后收集葡萄籽。

执行系统主要是除梗滚筒中的除梗螺旋，破碎相中的压辊，出汁滚筒中的刮板，以及水箱中的搅拌轴。

该葡萄籽皮分离机传动系统由皮带轮和传动轴组成，电机转动，带动皮带轮转动，通过皮带轮的变速，将电机730r/min的转速降到120r/min,而后皮带轮带动齿轮转动，齿轮再以120r/min的转速带动带齿辊转动，其他各轴通过皮带轮调整合适转速最终使该机器的各部件起作用。

4.关键部件的设计选择

4.1.电动机的选择

籽皮分离机最大功率的确定根据公式：

p=Tn/9550.（kw）。

可以算出轴的计算功率Pa。

其中T—为轴的工作转矩；n—为工作轴的转速。

最大计算功率根据公式：

P=Tn/9550（kw）。

根据工作负载的大小和性质、速度以及工作环境来选择电动机的类型、结构型式、功率转速，确定电动机的型号。

根据籽皮破碎机结构特点，传动装置的体积、重量小；所以速度不要太高，所以电动机的功率为10kw。

因此确定电动机转速时要综合考虑，分析电动机及传动装置的性能，尺寸、重量和价格因素，通常选用同步电动机。

4.1.1电机的工作效率的确定

电机所需功率按式：

pd=pw/ηa（kw）。

Pw=FV/1000（kw）所以pd=FV/ηa1000（KW）由电动机至链轮的传动总效率为：

按设计要求可以知道从电动机到工作轴的传动总效率ηa=η1·η2·η3，其中η1—为带的传动效率、η2—为轴承的传动效率、η3—为链的传动效率。

根据机械设计手册查出η1=0.96，η2=0.98，η3=0.98。

所以可知ηa=η1·η2

·η3

=0.96×0.98

×0.98

=0.85。

取传送带传动的传动比i=2.4；籽皮分离机机的转速不因太高，故选电动机转速为730r/min，因此选定电动机型号为JS128—8。

4.2.皮带轮的设计

4.2.1皮带轮材料的选择

带轮是带传动中的重要零件，它必须满足下列要求：

质量分布均匀；安装时对中性好，转速高时要经过动平衡；铸造和焊接时的内应力小；轮槽工作面要精细加工（表面粗糙度一般为Ra=3.2）,以减轻带的磨损；各槽尺寸和角度应保持一定的精度，以使载荷分布较为均匀等。

带轮材料主要采用铸铁，常用材料的牌号为HT150或HT200；转速较高时宜采用铸钢（或用钢板冲击后焊接而成）；小功率时可用铸铝或塑料。

4.2.2皮带轮尺寸设计

已知P=110kw转速n=730r/min，传动比i=6。

（1）确定计算功率

由表查得工作情况系数ka=1.3故

kw=14kw

（2）选择传送带的带型

根据

、n选用E型带。

（3）确定带轮的基准直径

并验算带速V

a.初选小带轮的基准直径dd1。

取小带轮的基准直径dd1=50mm

b.验算带速v得

v=

m/s

因为5m/s

c.计算大带轮的基准直径

mm

d.计算实际中心距

mm

4.3轴的选择

4.3.1材料

选用45号钢调质处理，硬度为220HBS，查课本表15-3取

、

。

4.3.2各轴段直径的确定

根据课本式15-3得：

整个机器中除梗轴

，刮板轴

，搅拌轴

受力不大，转速较低各轴直径略大于最小值即可

面连接轴承，查手册选轴承1870，于是取

为传动轴，取

；

4.3.3轴上零件的周向定位

轴、齿轮和大带轮的周向定位采用平键连接，查课本表6-1查得平键2截面

，

平键3截面

，键槽用键槽铣刀加工，平键长为45mm，同时为了保证齿轮和轴配合由良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为

；滚动轴承和轴的周向定位是采用过渡配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差为m6。

4.3.4轴承寿命校核

轴承寿命可由式

进行校核，由于轴承主要承受径向载荷的作用，所以

，查课本表取

取

按最不利考虑，则有：

则

因此所该轴承符合要求

4.4滚筒组件

滚筒组件主要是实现籽皮的有效分离,是主要分离部件之一。

滚筒上孔的大小决定了该滚筒组件的应用范围。

孔径的大小由分离物料中各成分的尺寸和形状决定,要求能够把两种尺寸不同的物料分开,以达到分离的目的。

本文研究了葡萄酱副产物中各组成成分尺寸的差异,尤其对籽各方向的尺寸进行测量,得到外形尺寸长×宽×厚为:

（10～25）mm×（10～25）mm×（10～25）mm。

根据测量结果及各级滚筒的作用,确定了该分离机各级滚筒上筛孔的直径为:

除梗滚筒25mm，出汁滚筒3mm，筛网4mm

由于滚筒需长时间在水中工作,铁制滚筒容易生锈,且铁锈的密度也大于水的密度,当铁锈尺寸与葡萄籽相近时将无法分离,后续的精选也很难将两者分开。

因此,采用不锈钢作为滚筒的材料,以减少杂质的引入

4.5刮板组件

刮板组件是籽皮分离机的主要运动部件,其作用主要是,依靠其本身的连续回转运动对滚筒内部物料产生一定的挤压力和离心力,使尺寸小于筛孔直径的原料能够顺利通过筛孔,到达下一级,不能通过筛孔的大尺寸物料能够顺利到达出渣口或出籽口处,并在离心力的作用下排出滚筒。

根据设计要求,通过对虚拟样机附加载

图4.1

荷,获得了刮板上某点的运动轨迹。

由图可见,刮板运动曲线光滑,承受载荷均匀,加载后刮板组件的工作正常,性能稳定,基本满足设计要求。

设计中刮板与中间轴具有一定的角度,以使内部的物料受到一指向出渣口的分力,便于尺寸大于筛孔的物料排出,同时使物料不至于全部堵塞在滚筒的进料口附近。

m—物料质量；f—物料与刮板的摩擦系数；r—物料的回转半径；

θ—刮板与水平面的夹角；ω—刮板的角速度；n—刮板的转速。

由于物料和刮板之间有一层薄水层，使物料与刮板之间的摩擦变成湿摩擦，摩擦系数大大减小。

忽略摩擦产生的影响，假设仅有重力提供向心力，所以

此瞬时产生的加速度为

由于存在离心力的作用，物料在刮板上做向离滚筒壁面的加速运动，未到出料口，物料无法离滚筒，致使物料堆积到刮板与滚筒壁面结合处这就更加便于物料迅速排出滚筒。

4.6水箱

水箱的作用主要是提供分离介质,使分离滚筒能够获得一定深度的吃水量。

水箱尺寸主要考虑了与之配合的筛网的外部尺寸,以及筛网的吃水深度等因素,为使水箱尺寸设计得更合理。

水箱底部是一个斜面，放水时可使葡萄籽顺水从出籽口排出。

水箱底带有车轮可单独拉出。

4.7传动机构

传动机构是整机的重要组成部分之一,它反映了整机的运行状态和动力分配情况。

传动机构采用带传动,利用张紧在带轮上的传动带与带轮的摩擦来传递运动和动力,以便于分布和布局。

4.8.分离滚筒主要参数的确定

葡萄籽皮分离机的核心是分离系统，而分离滚筒是分离系统的关键组件，分离滚筒的参数直接影响整机的分离效果。

分离滚筒的主要影响因素包括分离滚筒外形尺寸、滚筒上孔径尺寸及配置、出料口位置及尺寸、喂料口位置等。

4.9.分离滚筒的外形尺寸

葡萄籽皮分离机根据物料在水中的特性差异分离葡萄籽和皮。

滚筒需长时间在汁液中工作，铁制滚筒经过长时间的浸泡容易产生铁锈。

铁锈的密度大于水的密度，当尺寸与葡萄籽相近时将无法分离，后续的精选设备也不易将两者分开，造成种子的含杂率升高。

因此，分离滚筒采用不锈钢板焊接而成以减少不必要的杂质引入。

分离滚筒的直径为350mm，长为1540mm。

五.强度计算与校核

5.1轴疲劳强度的校核

齿面接触疲劳强度校核公式

Mpa

设计公式

mm

5.2主轴疲劳强度的计算

按弯扭合成进行强度条件验算

一般的转轴强度用这种方法验算。

计算步骤如下：

（1）轴的弯矩与扭矩分析

（2）按弯扭合成进行强度条件验算

一般的转轴强度用这种方法验算。

计算步骤如下：

（1）轴的弯矩与扭矩分析

（2）校核轴的强度轴的弯扭合成强度条件为：

式中[σ-1]为对称循环变应力时轴的许用弯曲应力（可查表选取）；

a为考虑弯曲应力和扭转切应力循环特性不同时的折合系数。

（3）按疲劳强度条件进行校核

在已知轴的外形、尺寸及载荷的情况下，可对轴的疲劳强度进行校核，轴的疲劳强度条件为:

（4）按静强度条件进行校核

对于瞬时过载很大，或应力循环的不对称性较为严重的轴，应当进行静强度条件校核。

轴的静强度条件为：

5.3轴刚度的校核

轴的弯曲刚度校核计算

轴的弯曲刚度以挠度y和偏转角θ来度量。

对于光轴，可直接用材料力学中的公式计算其挠度或偏转角。

对于阶梯轴，可将其转化为当量直径的光轴后计算其挠度或偏转角轴的弯曲刚度条件为挠度y≤[y]偏转角θ≤[θ][y]和[θ]分别为轴的许用挠度及许用偏转角

六、技术性的小结

葡萄籽皮分离机是以加工葡萄，分离并获得葡萄汁、葡萄籽和葡萄皮的设备，可以应用于葡萄酒酿制，果汁制造以及葡萄籽获得。

葡萄籽皮分离机在设计过程中除主要考虑了设备运转稳定性、可靠性和主要参数可调节性外，还考虑了喂料机构、皮带的布局、电机走线位置、使用的方便等细小问题，整体布局较为合理。

七、设计心得

通过近两个月学习和工作中的实践，以及指导老师的精心指导，终于完成了葡萄籽皮分离机的设计。

当初选这个题目是因为学院有一台番茄籽皮分离机，觉得都是籽皮分离机应该差不多，照着设计就好了。

但自己真正开始设计时就发现分离不同的果实籽皮考虑到它的大小、用途、效益最大化等设计出来的机器还是有很大不同的，番茄籽和葡萄籽物理性质不一样，用途也不一样，葡萄还有梗，如果只是单纯的分离葡萄籽皮直接打碎用筛子在水里一筛就可以把籽皮分离出来而且分离率很高，这样一来直接设计一个打碎装置再加一个振动筛水箱就好了，但考虑到充分利用原料，葡萄果肉和汁液可以做果汁或葡萄酒，葡萄籽可以做保健品，葡萄皮和梗做肥料，而且葡萄汁果肉中不能有梗和果皮否则在葡萄酒的发酵过程中会影响味道从而影响效益，要充分利用那就要都分离出来，所以要先除梗再破碎而后出汁最后分离籽皮。

设计开始觉得挺容易，但越到后面越发现漏洞越多和设计的困难，首先就是结构尺寸的不合理，这让后面的设计更加复杂，然后是设计方案的复杂，三次分离和一次破碎，最少有四根轴，两个齿轮，八个轴承，六组皮带轮还有若干端盖,螺栓,轴承等，尺寸计算强度校核比较多，机架结构复杂，关键是一步步的分离效果和轴的受力不好确定。

经过两个月的努力，葡萄籽皮分离机设计出来了，但还有很多漏洞，一些部件的尺寸还是没定下来，具体的生产效率也不能确定，这些都是设计存在的不足。

总的来说，通过这次设计，我体验了自己设计机械的过程，发现了自己在学习方面的不足，培养了自己独立思考的能力，学会了使用一些设计软件，在指导老师的帮助下，巩固了我在学校时的所学内容，让我学会了做事要认真思考每一个细节，每一个步骤的态度，这对我以后的工作将会有很大的帮助。

这次毕业设计将我以前在学校的理论知识用到了实践中，是我在大学中的生活和学习的一次检阅，虽然这可能是我第一次也是最后一次做机械设计，但这次我从这次设计中学到的道理和做事的态度会让我终身受用，感谢所有给予我帮助，教导我的老师们。

八、致谢

在设计过程中，院里给我们提供很大的帮助，可以让我们在设计室设计，特别是指导教师朱荣光老师，给予我极大的帮助，在设计过程中朱老师提出了许多启发性、预料性和指导性建议，包括搜集资料，设计方案的提出，设计过程中的指导，设计结果的审核等，在此对院里所有教导过，帮助过我的老师致以衷心的感谢。

九、参考文献

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