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1、 半自動蘋果套袋機設計 目 錄 中文摘要 1 英文摘要 2 1 緒 論 3 1.1 設計研究的意義 3 1.2 國內(nèi)外蘋果套袋機的研究現(xiàn)狀 3 1.3 設計研究的思路和方案 4 2 整機設計 5 2.1 設計分析 5 2.2 整體結(jié)構(gòu)設計 5 2.3 工作原理 7 3 結(jié)構(gòu)分析和設計 8 3.1 進網(wǎng)部分設計 8 3.2 包裝部分設計 9 3.2.1 圓盤設計 9 3.2.2 套袋裝置設計 10 3.2.3 間歇機構(gòu)設計 11 3.3 運輸部分設計 12 4 傳動裝置計算 13 4

2、.1 電動機選型計算 13 4.1.1 電機類型選擇 13 4.1.2 電機容量選擇 13 4.1.3 電機轉(zhuǎn)速選擇 14 4.1.4 電機型號選擇 14 4.2 傳動參數(shù)計算 14 4.2.1 總傳動比計算和分配 14 4.2.2 各軸參數(shù)計算 14 4.3 齒輪參數(shù)計算 15 4.3.1 傳動齒輪的設計計算 15 4.4 帶傳動參數(shù)計算 17 4.4.1 同步帶參數(shù)計算 17 4.5 軸的參數(shù)計算 19 4.5.1軸的最小直徑估算 19 4.5.2 軸的結(jié)構(gòu)設計與計算 20 4.5.3 軸的強度校核 22 結(jié) 論 23 謝 辭 24 參 考

3、文 獻 25 半自動蘋果套袋機設計 摘 要：為提高水果品質(zhì)，蘋果套袋技術被廣泛應用，在改善品質(zhì)的同時提升水果質(zhì)量。雖然蘋果營養(yǎng)價值高，但其自身脆嫩，保護組織差。容易受到機械損傷和不同程度的整體果實損壞，從而造成整體的腐爛。針對蘋果套袋問題，經(jīng)過對各種蘋果包裝袋的材料分析，對蘋果采用發(fā)泡網(wǎng)袋套袋后，能夠有效地減少破損率。設計一款能輔助果農(nóng)完成套袋作業(yè)的半自動蘋果套袋機，從而減少果農(nóng)的工作強度和勞動量；保證蘋果的銷售質(zhì)量，提高銷量，降低不必要的經(jīng)濟損失。基于設計要求，主要對機構(gòu)的構(gòu)型進行設計及分析，提出能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)套袋包裝功能的新機構(gòu)。對機器的每個結(jié)構(gòu)部件和傳動系統(tǒng)的進行結(jié)構(gòu)設計

4、并建立三維模型，驗證機構(gòu)的運動可行性、主要參數(shù)的計算。 關鍵詞： 蘋果；網(wǎng)袋套袋機；傳動系統(tǒng)；設計計算  Design of Semi-automatic Bagging Machine for Apple Abstract：In order to improve fruit quality, apple bagging technology is widely used to improve fruit value while increasing quality. Although apples have high nutritional value, they are crun

5、chy and tender, and their protection is poor. Vulnerable to mechanical damage and varying degrees of whole fruit damage, resulting in overall decay. Aiming at the problem of apple bagging, after analyzing the materials of various apple packaging bags, the use of foam net bagging for apples can effec

6、tively reduce the breakage rate. Design a semi-automatic apple bagging machine that can assist fruit farmers in bagging operations, thereby reducing the labor intensity and workload of fruit farmers; ensuring the quality of apple sales, increasing sales, and reducing unnecessary economic losses. Bas

7、ed on the design requirements, the structure of the mechanism is mainly designed and analyzed, and a new mechanism capable of realizing the function of continuous bagging is proposed. The structural design of the transmission system and the three-dimensional model are established for each structural

8、 part of the machine to verify the motion feasibility of the mechanism and the calculation of the main parameters. Keywords：Apple; Mesh bagging machine; Transmission system; Design calculation - 31 - 1 緒 論 1.1 設計研究的意義 我國的蘋果消費以新鮮食品為主，蘋果不但含有豐富的營養(yǎng)，而且能有助于消化。近幾年蘋果消費數(shù)據(jù)來看，消費增速有所放緩，鮮食消費的占比呈現(xiàn)穩(wěn)步增長的

9、態(tài)勢。隨著人們生活水平的提高，人們越來越重視水果的品質(zhì)，對健康衛(wèi)生無公害的水果需求量不斷地增長，我國的蘋果行業(yè)逐漸發(fā)展成為萬億級的產(chǎn)業(yè)，可以說是一個巨大的產(chǎn)業(yè)[[] 文亦驍,王志明,萬勇,何俊峰.水果套袋機發(fā)展研究綜述[J].中國農(nóng)機化學報,2017,38(06):104-108. ]。我國一直都是蘋果種植和蘋果消費大國，行業(yè)規(guī)模極為龐大，為GDP的增長做出了重大的貢獻。蘋果需求量增大的同時，其損耗率也是居高不下，主要損耗是在摘果，包裝和運輸?shù)认盗羞^程中[[] 田佳壯.圓形水果自動套網(wǎng)包裝機的設計研究[D].甘肅農(nóng)業(yè)大學,2018. ]。由于蘋果外表比較脆，在運輸中存在碰撞，擠壓等損傷，使

10、蘋果的表皮容易損壞從而造成整體的腐爛。腐爛的蘋果招來的細菌會加速周圍蘋果的腐爛，造成一些不必要的經(jīng)濟損失[[] 劉志強.全自動水果網(wǎng)套套裝機[P].CN203698700U,2014-01-22. ]。 通過實踐發(fā)現(xiàn)在蘋果上套裝發(fā)泡網(wǎng)袋能夠有效的減少蘋果的損傷率。由于發(fā)泡網(wǎng)本身擁有一定的彈性，并且能有效地對蘋果起到緩沖的作用，不僅重量輕，還降低了運輸?shù)某杀?。目前，我國的個體蘋果種植戶普遍采用手工套網(wǎng)袋包裝的方法，勞動強度大，工作速度慢且效率較低，造成蘋果的成本越來越高。現(xiàn)有的網(wǎng)袋套袋機能夠?qū)藴蚀笮〉奶O果進行套袋包裝，但機器造價成本高且自動化程度不高，只能將網(wǎng)袋分段套設在機器上進行套袋工作

11、，其效率較低。對于一些特殊大小的蘋果，容易產(chǎn)生蘋果與網(wǎng)袋的分離，效果不理想。因此，研究設計出一款套袋效率高，包裝效果好的半自動蘋果套袋機成了此次設計研究的目的和作用意義。 1.2 國內(nèi)外蘋果套袋機的研究現(xiàn)狀 國外對于水果套袋包裝方面的機械研究相比較快，機械設備大多針對圓球形水果和蔬菜等對象進行包裝，自動化程度比較高且速度快， 維修起來方便[[] 徐勤超,陳紅,潘海兵,李善軍.球形水果塑料發(fā)泡網(wǎng)套包裝機設計與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2019,35(19):56-61. ]。但國際上比較完善的、高效的包裝機器和設備研究的很少。較為早期的是日本岡山大學農(nóng)學院研制開發(fā)的棚架栽培下多功能葡萄收獲

12、機器人[[5] Kondo N,Monta M,Fujiura T. Fruit harvesting robots in Japan.[J]. Pubmed,1996,18(1-2). ]。日本通用包裝機械有限公司在2016年上海國際包裝展覽會上，提出了一種用于水果包裝的全自動旋轉(zhuǎn)套袋包裝機和一種立式320水果套網(wǎng)狀包裝機，并引起了國際和國內(nèi)機械專家的關注[[] Roberto Oberti,Massimo Marchi,Paolo Tirelli,Aldo Calcante,Marcello Iriti,Emanuele Tona,Marko Ho?evar,Joerg Baur,Jul

13、ian Pfaff,Christoph Schütz,Heinz Ulbrich. Selective spraying of grapevines for disease control using a modular agricultural robot[J]. Biosystems Engineering,2016,146. ]。兩臺包裝機都有先進的監(jiān)測系統(tǒng)的自動控制裝置，可以有效地控制和檢測機器的氣壓壓力、溫度控制、以及水果的套網(wǎng)狀態(tài)；并且還可以控制輸送裝置和切割裝置，以避免包裝材料和原料的浪費[[7] 張克平,田佳壯,李妙祺. 圓形水果自動化套網(wǎng)包裝機[P]. CN108

14、639423A,2018-10-12. ]。改善了水果的自動化套網(wǎng)包裝，有效地提高生產(chǎn)效率，并且整套設備僅需一人即可操作完成，減少工人的勞動力和勞動成本。技術方面的封鎖和進口設備的出售價較高，導致設備很難在市場上推廣，不適用于小型果商和個體蘋果種植農(nóng)戶。 盡管國內(nèi)有很大的蘋果需求量，但對蘋果套網(wǎng)袋包裝設備的研究還相對較晚，其技術含量正在逐步的提高，包裝效果也愈加顯著[[] 王勝會.水果套袋機器人的開發(fā)設計及研究[D].燕山大學,2016. ]。目前，國內(nèi)蘋果套網(wǎng)袋包裝方式有三種：手工包裝，半自動化包裝、機械手臂包裝。存在的問題：(1)純手工式套袋能地對各種形狀的蘋果進行塑料膜套袋和塑料發(fā)

15、泡網(wǎng)套袋。但效率過低，必須人工手動進行網(wǎng)袋的截取，然后手動對蘋果套袋。勞動強度大，網(wǎng)袋截取長度不一致，人工成本也隨之增加。 (2)半自動化的設備不能連續(xù)地進給網(wǎng)袋，只能將網(wǎng)袋分段套設在機器的撐筒上，然后再套在蘋果上，包裝效果不理想[[] 葛曉棠.半自動蘋果套袋機器人的研究[D].中國農(nóng)業(yè)大學,2005. ]。盡管機器完成了對蘋果的套網(wǎng)袋工作，但是由于蘋果的形狀各異，存在一些特殊尺寸的蘋果，導致蘋果與網(wǎng)袋容易分離，生產(chǎn)效率并未得到明顯提高。 (3)由于機械手臂的包裝技術尚未完全開發(fā)，在套網(wǎng)袋的過程中難以避免磕碰蘋果，對其造成意外損傷；另外由于機械手臂的造價成本高，因此大部分的個體果農(nóng)基本不會采

16、用。 1.3 設計研究的思路和方案 查閱并搜集與套袋機的相關資料，全面性的了解當下套袋機的發(fā)展趨勢，市場上的最新動態(tài)。掌握現(xiàn)已有套袋機的整體構(gòu)造和設計原理，工作原理。參考現(xiàn)有的套袋機研究設計案例，結(jié)合自己的設計想法進行認真的學習和思考。確認自己的設計的研究思路和方案，確定本次設計的大體思路后，按照任務設計書要求完成相對應的設計內(nèi)容。通過自己的研究學習進行相關設計及計算分析，確定最終的半自動蘋果套袋機的設計方案，對套袋機進行布局和設計重要的工作部件，使自己的設計滿足要求。設計過程中充分利用所學過的專業(yè)軟件（Auto CAD，Pro-E等）以及office辦公系列軟件。加強對建模軟件的學習，制

17、定出符合設計標準的模型，各結(jié)構(gòu)部分之間進行調(diào)試計算和優(yōu)化。對所設計的半自動蘋果套袋機進行不足之處的改進，使得設計更具有可行性，并制定出所需要的符合設計標準的零件圖，裝配圖，等圖紙。 2 整機設計 2.1 設計分析 半自動蘋果套袋機的用途是對蘋果進行發(fā)泡網(wǎng)袋的套袋，減少蘋果在輸送和最終銷售中產(chǎn)生的碰撞和損壞問題?？紤]到蘋果的形狀大小方面存在一定的差異，品種也有區(qū)別。就取標準蘋果的大?。ㄖ睆?0-80mm），重量（160-200g）作為參考來進行設計。 采用的發(fā)泡網(wǎng)相比常用來包裝的塑料袋和瓦楞紙具有彈性好，好的緩震效果，重量輕的優(yōu)點。套在撐網(wǎng)筒和套袋裝置上，不會輕易脫落，能夠完成對蘋果

18、的套袋工作。同時，發(fā)泡網(wǎng)熔點低，采用熱切刀進行切斷的速度很快，從而節(jié)約工作時間。確定半自動蘋果套袋機的用戶是小型果農(nóng)和個體種植果農(nóng)戶，在保證套袋機能夠正常完成工作且不影響效率的前提之下更容易上手，機器操作盡可能的簡單[[] 祁飛.水果套袋機設計[D].哈爾濱理工大學,2016. ]。 考慮到經(jīng)濟成本問題，根據(jù)各機構(gòu)需要的動力和蘋果的重量選用合適的電機驅(qū)動，結(jié)構(gòu)部件的選型和設計上盡量避免非標準件。半自動蘋果套袋機中各個構(gòu)件的構(gòu)成零件尺寸小，受力小，部分材料還可采用非金屬材料。在滿足工作需要的同時整機的體積小，造價成本低，性價比高。 2.2 整體結(jié)構(gòu)設計 半自動蘋果套袋機主要設計了進網(wǎng)部分

19、、包裝部分和運輸部分三個主要部分。進網(wǎng)部分主要包括撐網(wǎng)裝置和切斷裝置兩個裝置，來完成對包裝部分的套袋裝置進行套袋。包裝部分主要作用是把未套袋的套袋裝置轉(zhuǎn)動到進網(wǎng)部分進行套袋工作，同時轉(zhuǎn)動過程中將已經(jīng)套袋完成的套袋裝置轉(zhuǎn)動到運輸部分。運輸部分則是把蘋果輸送到包裝部分通過套袋裝置來完成對蘋果的套袋。 使用Soildworks建模軟件對整機進行建模，整機的主要結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-1(a) (b)所示，其中(1)運輸部分，(2)包裝部分，(3)套袋裝置，(4)撐網(wǎng)裝置，(5)進網(wǎng)部分。 （a） （b） 1.運輸部分2.包裝部分3.套袋裝置4.撐網(wǎng)裝置5.進網(wǎng)部分 圖21 結(jié)構(gòu)示意圖

20、 2.3 工作原理 半自動蘋果套袋機的整個工作過程：首先，通過進網(wǎng)部分的撐網(wǎng)裝置將發(fā)泡網(wǎng)撐開成設定的發(fā)泡網(wǎng)大小，并且先把發(fā)泡網(wǎng)套在包裝部分的套袋裝置上，同時切斷裝置利用熱切刀的熱切作用快速把發(fā)泡網(wǎng)切斷，先完成對套袋裝置的套袋。其次，包裝部分經(jīng)過旋轉(zhuǎn)軸上的球面槽輪機構(gòu)將未套上發(fā)泡網(wǎng)的套袋裝置轉(zhuǎn)動到進網(wǎng)部分進行裝套發(fā)泡網(wǎng)，把已經(jīng)套上發(fā)泡網(wǎng)的套袋裝置轉(zhuǎn)動到運輸部分準備進行對蘋果的套袋包裝。運輸部分把每個蘋果經(jīng)過傳送帶，依次輸送到包裝部分的套袋裝置所在的位置，蘋果從套袋裝置上的下果孔掉進已經(jīng)套上發(fā)泡網(wǎng)的套袋裝置中。利用蘋果自身的重力撐開套袋裝置上的爪子，并套上發(fā)泡網(wǎng)落到蘋果收集箱內(nèi)，這樣就完成了對

21、一個蘋果的套袋工作。整個過程中三個主要部分的運動同時進行，相互配合完成一個蘋果的套網(wǎng)袋工作，實現(xiàn)了對蘋果套袋工作的連續(xù)性。圖2-2為半自動蘋果套袋機在間歇時刻的工作原理圖。 圖22 工作原理圖 3 結(jié)構(gòu)分析和設計 3.1 進網(wǎng)部分設計 整個進網(wǎng)部分的主要是給包裝部分的套袋裝置進行連續(xù)性的套袋，通過撐網(wǎng)裝置的撐筒把發(fā)泡網(wǎng)撐開預先設定的尺寸大小。由于發(fā)泡網(wǎng)本身有很好的彈性，在撐開的時候能夠貼合在撐筒上，未撐開的部分會縮成正常狀態(tài)。撐網(wǎng)裝置的傳送帶和撐筒將發(fā)泡網(wǎng)夾在兩者之間，再通過連接撐網(wǎng)裝置的一對直齒齒輪嚙合轉(zhuǎn)動，利用傳送帶在傳送過程中與發(fā)泡網(wǎng)之間產(chǎn)生的摩擦力，將發(fā)泡網(wǎng)向上傳送預

22、先設定的高度并套在套袋裝置上。設定的高度足夠用來對一個標準大小蘋果進行套袋，且發(fā)泡網(wǎng)對套袋裝置只套上一半的高度，呈現(xiàn)出上半部分貼合狀態(tài)，下半部分正常狀態(tài)。切斷裝置的熱切刀從下面把發(fā)泡網(wǎng)切斷，從而完成進網(wǎng)部分的工作?？紤]到進網(wǎng)部分的工作連續(xù)性和穩(wěn)定性，兩個傳送帶的中心距為80mm，故采用一對傳動比（1:1），分度圓直徑d=80mm的直齒齒輪來實現(xiàn)。根據(jù)工作要求，進網(wǎng)部分的整體設計如圖3-1所示，主要是由支架1、切斷裝置2、撐網(wǎng)裝置（撐筒）3、撐網(wǎng)裝置（傳送帶）4和傳動齒輪5構(gòu)成。 1.支架 2.切斷裝置 3.撐網(wǎng)裝置（撐筒） 4.撐網(wǎng)裝置（傳送帶） 5.傳動齒輪 圖3-1 進網(wǎng)部分結(jié)構(gòu)

23、示意圖 3.2 包裝部分設計 包裝部分在整個半自動蘋果套袋機是非常重要的一部分，不僅要考慮到使用的方便，結(jié)構(gòu)的簡單，還要重點考慮和運輸部分，進網(wǎng)部分的配合關系。需要把進網(wǎng)部分套上發(fā)泡網(wǎng)的已套袋裝置轉(zhuǎn)動到運輸部分進行蘋果的套袋，同時還要把已經(jīng)給蘋果套袋后的未套袋裝置轉(zhuǎn)動到進網(wǎng)部分進行裝置套袋。當蘋果經(jīng)過運輸部分到達包裝部分的套袋裝置，經(jīng)過套袋裝置的下果孔落在套袋裝置的爪子上，利用蘋果自身的重力撐開爪子，進入已經(jīng)預先套上的發(fā)泡網(wǎng)，完成蘋果的套袋。整個包裝部分的工作過程，電動機經(jīng)過主動齒輪傳動和球面槽輪機構(gòu)來帶動圓盤的旋轉(zhuǎn)。球面槽輪機構(gòu)屬于間歇機構(gòu)，能夠給進網(wǎng)部分和運輸部分提供所需的工作時間，保

24、證了蘋果能夠在設定的時間內(nèi)完成套袋工作。 根據(jù)工作要求，包裝部分的整體設計如圖3-2所示，主要由傳動齒輪1、主動軸2、套袋裝置3、圓盤4、旋轉(zhuǎn)軸5和球面槽輪機構(gòu)6構(gòu)成。 1.傳動齒輪 2.主動軸 3.套袋裝置 4.圓盤 5.旋轉(zhuǎn)軸 6.球面槽輪機構(gòu) 圖3-2 包裝部分結(jié)構(gòu)示意圖 3.2.1 圓盤設計 包裝部分需要把未套袋裝置和已套袋裝置分別傳送到進網(wǎng)部分和運輸部分，考慮成本的問題，使用起更方便采用圓盤形狀的設計。同時為了提高套袋包裝的效率，圓盤上設計6個下果孔，每個孔的直徑根據(jù)之前提到的標準蘋果大小的直徑設計成?80mm，套袋裝置的圓心設定在一個?240mm的圓上，且均勻分布在

25、圓盤上，圓盤的最大直徑根據(jù)需要設計成?350mm。圓盤轉(zhuǎn)動一圈能夠完成6個標準大小蘋果的套袋包裝，圓盤和旋轉(zhuǎn)軸之間采用4個M5*16的內(nèi)六角圓柱螺釘固定，以防止旋轉(zhuǎn)軸在旋轉(zhuǎn)過程中與圓盤產(chǎn)生滑動現(xiàn)象。圓盤通過旋轉(zhuǎn)軸和球面槽輪機構(gòu)的連接進行旋轉(zhuǎn)，能夠準確到達指定的部分位置，根據(jù)工作要求利用三維建模軟件設計的圓盤如圖3-3所示。 圖3-3 圓盤設計圖 3.2.2 套袋裝置設計 為了使每個蘋果能夠直接經(jīng)過圓盤的下果孔，成功的進入到套袋裝置里完成套袋工作，并且防止蘋果下落速度過快而造成套袋工作的失敗。經(jīng)過對裝置材料的選取和設計，初步擬出兩種方案，這兩種方案均可以對蘋果完成套袋工作，現(xiàn)對兩種方

26、案進行分析： 方案一：每一個套袋裝置的設計主要由4個形狀大小一樣的爪子和1個固定環(huán)來構(gòu)成一個完整的套袋裝置，固定環(huán)與圓盤上的下果孔設計成同樣大小的尺寸，并通過4個M3*16的內(nèi)六角圓柱螺釘均勻的將其固定在圓盤上。固定環(huán)與每個爪子之間采用鉸鏈連接，鉸鏈也是均勻的分布固定在固定環(huán)上，保證了每個爪子能夠繞固定環(huán)的鉸鏈旋轉(zhuǎn)。 爪子表面設計成光滑的圓弧面，保證蘋果下落的過程蘋果表面不受損壞。背面設計了加強筋，爪齒可在與爪子的連接處旋轉(zhuǎn)，兩者之間通過皮筋來連接。當蘋果下落時，自身的重力足夠撐開爪子和皮筋的作用力進入到發(fā)泡網(wǎng)當中，套袋之后皮筋的收縮將爪子和爪齒復位成原來的狀態(tài)，實現(xiàn)套袋裝置的連續(xù)工作。

27、 根據(jù)工作要求，套袋裝置方案一的設計圖如圖3-4所示，爪子1、鉸鏈2、固定環(huán)3、皮筋4、皮筋5、爪齒6構(gòu)成。 1.爪子 2.鉸鏈 3.固定環(huán) 4.皮筋 5.皮筋 6.爪齒 圖3-4 套袋裝置方案一 方案二：在方案一的基礎上，將固定環(huán)和爪子設計成一體，為了確保蘋果能夠從爪子中順利掉落在發(fā)泡網(wǎng)中，爪子需要有一定的韌性。而且爪子厚度不宜過厚，過厚容易造成蘋果在下落過程中難以撐開爪子，導致蘋果卡在裝置里，無法完成套袋工作。因此對爪子的材料進行選取和運動過程分析，在蘋果下落過程中始終是和爪子內(nèi)部相切，當撐開爪子的時候，爪子會產(chǎn)生微量的變形，但其本身具有韌性，脫離爪子的時候能夠恢復原狀，為下次

28、工作做準備。選取厚度0.5mm的不銹鋼材料，內(nèi)部光滑圓弧面，保證蘋果的外表面不受損傷，同時方便蘋果完成套袋。工作過程如如圖3-5。 圖3-5 工作過程 根據(jù)工作要求，套袋裝置方案二的設計圖如圖3-6所示。 圖3-6 套袋裝置方案二 對比兩種方案，方案一的爪子是通過鉸鏈連接，靈活度高，蘋果在下落過程中，阻力偏低。通過皮筋對爪子進行復位，能有效減少緩沖力，但復位后爪子會產(chǎn)生一定的晃動，進行套發(fā)泡網(wǎng)時會產(chǎn)生影響。方案二爪子和固定環(huán)一同固定在圓盤上，本身有一定的韌性，足夠使蘋果撐開爪子并完成工作。同時爪子復位后沒太大的波動，對后續(xù)工作不會造成影響，故采用套袋裝置方案二。 3.2.

29、3 間歇機構(gòu)設計 傳動軸和旋轉(zhuǎn)軸的軸線是相互垂直關系，且旋轉(zhuǎn)軸需要的運動是間歇運動。初步采用平面間歇機構(gòu)需要增加一對換向的圓錐齒輪來實現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)過于復雜，占用一定的空間，所以把兩者結(jié)合一起設計成球面槽輪間歇機構(gòu)。球面槽輪間歇機構(gòu)的運動時間和間歇時間的比值永為1:1，可根據(jù)實際工作需要設計槽輪數(shù)，常用的槽輪數(shù)為四槽和六槽，故根據(jù)設計的要求將槽輪數(shù)設計成六槽[[] 西北工業(yè)大學機械原理與機械零件教研室.機械原理[M].北京:高等教育出版社,2013. ]。根據(jù)工作要求，球面槽輪間歇機構(gòu)的設計圖如3-5所示，銷軸1、轉(zhuǎn)臂2、球面槽輪3構(gòu)成。 當轉(zhuǎn)臂2繞著X軸轉(zhuǎn)動時，銷軸1在球面槽輪3的球面槽內(nèi)

30、轉(zhuǎn)動，進一步的帶動槽輪繞著Y轉(zhuǎn)動。銷軸轉(zhuǎn)離球面槽時，槽輪停止轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)間歇。轉(zhuǎn)臂上的圓柱面正好旋入球面槽，實現(xiàn)間歇時的定位。 銷軸軸線和轉(zhuǎn)臂的軸線夾角等于轉(zhuǎn)位角α，球半徑R可跟實際工作需要選定。動靜比Kd指的是槽輪運動時間和間歇時間之比，運動系數(shù)τ指的是一個循環(huán)過程中，槽輪運動時間和主動件運動時間之比。查《機械設計手冊》表11-6-8，將球面槽輪間歇機構(gòu)的數(shù)據(jù)參數(shù)整理如表3-1所示。 1.銷軸 2.轉(zhuǎn)臂 3.球面槽輪 圖3-5 球面槽輪機構(gòu)設計圖 表3-1 球面槽輪機構(gòu)參數(shù)表 參數(shù)名稱 參數(shù)數(shù)據(jù) 槽數(shù) z=6 轉(zhuǎn)位角 α=30° 動靜比 運動系數(shù) 球

31、面槽輪半徑 厚度 傳動比 k=1 τ=0.5 R=50mm 5mm 6:1 3.3 運輸部分設計 運輸部分初步設計采用帶傳動與運輸機的主動軸進行連接，根據(jù)設計要求，運輸帶上設計有11個擋板，以防止蘋果在運輸過程中與運輸帶摩擦力不夠下滑的現(xiàn)象。運輸速度和包裝時間經(jīng)過設計和時間的推算，把傳動比擬定為1:2，能夠有效地完成與其他兩個部分的配合。 4 傳動裝置計算 4.1 電動機選型計算 根據(jù)半自動蘋果套袋機的工作需要，其工作狀況是：單向運轉(zhuǎn)，滿載工作，單班制工作。進網(wǎng)部分，包裝部分和運輸部分的動力輸入均由電機提供，工作電機的選型合適與否決定了半自動蘋果套袋機的工作效率。

32、根據(jù)設計要求，主傳動軸的工作機阻力矩T=18.97N?M，轉(zhuǎn)速n=30r/min。 4.1.1 電機類型選擇 目前，常用電機的類型通常分成交流電機和直流電機兩種。在工業(yè)中應用最廣泛的是交流電機，如果沒有特殊要求的情況下，通常選用三相異步交流電動機。這種類型的電動機具有廣泛的應用范圍，并且具有很好的啟動性和較高的可調(diào)速范圍。工作時噪音小，效率高，設備維修方便等優(yōu)點[[] 秦大同,謝里陽.現(xiàn)代機械設計手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社,2007. ]。根據(jù)工作條件，Y系列，封閉式結(jié)構(gòu)的三相籠型異步電動機，能夠滿足工作的使用要求。 4.1.2 電機容量選擇 確定電機所需要的功率為：

33、 Pd=Pwη (4-1) Pw=Tn9550 (4-2) 電動機至工作機的傳動裝置的總效率為： η=η1η23η32η4η5 (4-3) 式中： η1為聯(lián)軸器的傳動效率，取 η1=0.99； η2為軸承的傳動效率，取 η2=0.98； η3為齒輪的傳動效率，取 η3=0.97； η4為同步齒形帶的傳動效率，取 η4=0.98； η5為減速器的傳動效率，取 η5=0.97； η=0.992×0.983×0.97×0.98×0.97=0.82 (4-4)

34、Pd=Tn9550?η=18.97×309550×0.82=71W 4.1.3 電機轉(zhuǎn)速選擇 根據(jù)主傳動軸的設計要求，其工作轉(zhuǎn)速n=30r/min，經(jīng)查《機械設計手冊》表15-1-5，二級減速器的傳動比i=8~40?？捎嬎愠鲭姍C的轉(zhuǎn)速選取范圍nd=i?n=240-1200rmin 查《機械設計手冊》表25-1-33可知，選取符合要求的電機轉(zhuǎn)速為750rmin。根據(jù)容量和轉(zhuǎn)速，可確定選取的電機為小功率電機。 4.1.4 電機型號選擇 結(jié)合電機的容量和轉(zhuǎn)速等情況，查《機械設計手冊》表25-1-33選定電機型號為Y2-801-8，其主要參數(shù)數(shù)據(jù)如表4-1所示： 表4-

35、1 電機參數(shù)表 型號 額定功率/W 同步轉(zhuǎn)速/(r/min) 額定電流/A 功率因數(shù)(cosφ) 效率 /% 最大轉(zhuǎn)矩 /（NM） Y2-801-8 0.18 750 0.88 0.61 51 1.9 4.2 傳動參數(shù)計算 4.2.1 總傳動比計算和分配 根據(jù)已知電機的轉(zhuǎn)速nm=750rmin，主傳動軸的轉(zhuǎn)速n1=30rmin，可求得總傳動比為： i=n1n2=75030=25 (4-5) 根據(jù)設計要求和計算，總傳動比i=25，二級減速器的傳動比i=8~40，滿足傳動要求。 4.2.2 各軸參數(shù)計算 電機經(jīng)過聯(lián)軸器和減速器，連接到主傳動軸I軸

36、，傳動比i1=25，傳動效率η1=0.992×0.97=0.95；進網(wǎng)部分所在的軸為II軸，傳動比 i2=13 ，傳動效率η2=0.97；包裝部分的旋轉(zhuǎn)軸為III軸，傳動比i3=6，傳動效率η3=0.93；運輸部分所在的軸為IV軸，傳動比i4=2，傳動效率η4=0.98×0.98=0.96。 ⑴ 各軸轉(zhuǎn)速： n0=nm=750rmin n1=nmi1=75025=30rmin n2=n1i2=3013=90rmin n3=n1i3=306=5rmin n4=n1i4=302=15rmin ⑵ 各軸功率： P1=Pdη1=0.18×0.95=0.17

37、1kw P2=P1η2=0.171×0.97=0.165kw P3=P1η3=0.171×0.93=0.159kw P4=P1η4=0.171×0.96=0.164kw ⑶ 由公式 Td=9550×Pdnm=9550×0.18750=2.292N?m (4-6) 各軸轉(zhuǎn)矩： Ti=Td?ii?ηi (4-7) T1=Td?i1?η1=2.292×25×0.95=54.435N?m T2=T1?i2?η2=54.435×13×0.97=17.6N?m T3=T1?i3?η3=54

38、.435×6×0.93=303.737N?m T4=T1?i4?η4=54.435×2×0.96=101.52N?m 4.3 齒輪參數(shù)計算 由于齒輪平穩(wěn)性好，傳遞運動準確，效率高等優(yōu)點[[] 濮良貴,陳國定.機械設計[M].北京:高等教育出版社,2013. ]。在設計方案中，根據(jù)傳動方式的需要，故采用了兩對直齒圓柱齒輪。一對傳動比1:3的直齒齒輪用于進網(wǎng)部分的傳遞運動，起傳動作用；另一對傳動比1:1的直齒齒輪用于進網(wǎng)部分的傳送，使兩條傳送帶轉(zhuǎn)向相反，起換向作用；對主傳動齒輪進行設計和計算。 4.3.1 傳動齒輪的設計計算 ⑴ 選定齒輪精度等級

39、、材料及齒數(shù) 根據(jù)傳動要求，查《機械設計手冊》表9-4，9-13擬選用8級精度，軟齒面齒輪設計此傳動。大、小齒輪的材料為45，并進行正火處理。齒面硬度為162~217HBS，取HBS=190。小齒輪的齒數(shù)為z1=34，則大齒輪的齒數(shù)為z2=102。 ⑵ 確定許用應力 許用彎曲應力： σF=σFlimSFlim (4-8) σFlim1=σFlim2=0.7?HBS+275=0.7×190+275=408Mpa 查《機械設計手冊》表14-1-106查取最小安全系數(shù)：SFlim=1.5 將數(shù)值代入(4-8)： σF1=σF2=σFlim1SFlim=272Mpa ⑶

40、 按齒輪彎曲強度設計模數(shù) 查《機械設計手冊》14-91： m≥32KT1?YFSφdz2?[σF]mm (4-9) 根據(jù)《機械設計手冊》14-91查取公式和計算： 載荷系數(shù) K=KAKVKβ=1.25×1.2×1.1=1.65 小齒輪齒數(shù) z1=34 復合齒廓系數(shù) YFS1=YFa1YSa1=4.05 大齒輪齒數(shù) z2=102 復合齒廓系數(shù) YFS2=YFa2YSa2=3.91 YFS1[σF1]=4.05272=0.0148 YFS2[σF2]=3.91272=0.0143 小齒輪轉(zhuǎn)矩 T1=9550P1n1=9550×0.1659

41、0=17.508N?m 查《機械設計手冊》表14-1-73，由于是非對稱布置，取φd=0.6 將上述數(shù)值代入式(4-9)中： m≥32KT1?YFSφdz2?[σF]=32×1.65×175080.6×342×0.0143=1.26mm 取標準模數(shù)：m=1.5mm ⑸ 確定齒輪的主要參數(shù)及幾何尺寸 d1=mz1=1.5×34=51mm d2=mz2=1.5×102=153mm b2=φd?d1=0.6×51=30.6mm b1=b2+5=30.6+5=35.6mm 取整b2=31mm，則b1=36mm

42、a=d1+d22=120mm ⑹ 驗算 根據(jù)《機械設計手冊》表14-1-107，齒根彎曲強度： σF1=2KT1bd1m?YFS1≤σF1 (4-10) σF1=2KT1bd1m?YFS1=2×1.65×17508×4.0520×51×1.5=152Mpa≤σF1 σF2=σF1YFS2YFS1≤σF2 (4-11) σF2=σF1YFS2YFS1=152×3.914.05=146Mpa≤σF2 齒根彎曲疲勞校核合格。 v=πd1n160×1000 (4-12) v=πd1n160×

43、;1000=π×51×9060×1000=0.24ms 根據(jù)《機械設計》表9-13，初步選擇的IT8級精度合適。 4.4 帶傳動參數(shù)計算 根據(jù)設計要求，運輸部分的傳動采用帶傳動。要求傳動準確，具有恒定的傳動比和平穩(wěn)性。經(jīng)過選取，擬取用同步齒形帶用來傳動，對帶傳動進行計算和選型。 4.4.1 同步帶參數(shù)計算 ⑴ 確定計算功率 Pd=KA?P (4-13) 查《機械設計手冊》表13-1-91得到工作情況系數(shù)KA=1.5。 Pd=KA?P=1.5×0.165=0.2475Kw ⑵ 小帶輪的計算和帶型選擇 根據(jù)Pd=0.2475Kw和小

44、帶輪轉(zhuǎn)速n1=30rmin。查《機械設計手冊》圖13-1-16選擇帶型8M的圓弧齒同步帶，節(jié)距Pb=8mm。 ⑶ 齒數(shù)z和節(jié)圓直徑選擇 根據(jù)帶型查《機械設計手冊》表13-1-116，確定小帶輪的最少齒數(shù)Z1min=22，取Z1=24，根據(jù)傳動比1:2，大帶輪齒數(shù)Z2=48。 小帶輪節(jié)圓直徑為 d1=z1pbπ=24×8π=61.12mm 大帶輪節(jié)圓直徑為 d2=z2pbπ=48×8π=122.23mm ⑷ 帶速v的確定 v=πdn60×1000≤vmax (4-14) v=πdn60×1000=π×61.12×3

45、060000=0.1ms≤vmax ⑸ 中心距a0的確定 初定中心距a0根據(jù)公式： 0.7d1+d2≤a0≤2d1+d2 (4-15) 即133mm≤a0≤381mm 初步擬定中心距a0=360mm ⑹ 節(jié)線長和齒數(shù)確定 Lp=2a0+π2d1+d2 (4-16) Lp=2a0+π2d1+d2=2×360+288.16=1008.16mm 根據(jù)《機械設計手冊》表13-1-113，查取標準值，取節(jié)線長LP=1040，齒數(shù)Zb=130，長度代號為1040。 則實際中心距 a=a0+LP-L02=376mm ⑺ 帶寬bs的確定 查《機械設計手冊》表13-1

46、-120可得，8M基本額定功率P0=0.22KW。 嚙合齒數(shù) zm=z12-pbz1z2-z12π2a (4-17) zm=z12-pbz1z2-z12π2a=12 因為12≤6，故嚙合齒數(shù)系數(shù)KZ=1，帶寬查《機械設計手冊》表13-1-115可得，bs=20mm。 ⑻ 力的計算和確定 緊邊張力 F1=1250Pdv=3062.5N 松邊張力 F2=250Pdv=612.5N 矢量相對修正系數(shù)KF=0.99 帶傳動的壓軸力Fp=KFF1+F2=3638.25N 根據(jù)上述查表選擇和計算：帶傳動采用8M的同步圓弧齒形帶。小齒輪的節(jié)圓直徑為61.12mm，齒數(shù)為24；大齒

47、輪的節(jié)圓直徑為122.3mm，齒數(shù)為48；節(jié)線長為1040mm，帶寬為20mm，中心距為376mm。 4.5 軸的參數(shù)計算 根據(jù)設計可知，主動軸在整個傳動部分中為各個部分提供運動，主動軸為轉(zhuǎn)軸。故通過對比和分析各種軸的性能，對主動軸的結(jié)構(gòu)進行初步設計。 4.5.1軸的最小直徑估算 根據(jù)查《機械設計手冊》式6-1-2，得出軸的直徑估算公式： d≥395500000.2τT×3pn=A3pn (4-19) 式中： A——傳動軸扭轉(zhuǎn)系數(shù)。 已知軸上的傳動功率為P=0.171KW，軸的轉(zhuǎn)速為30r/min。根據(jù)查《機械設計手冊》表6-1-12，軸的材料選取45鋼，并調(diào)質(zhì)處

48、理；查A值為105，代入到(4-19)，則軸的最小直徑為 d≥A3pn≥105×30.17130=18.1mm 考慮主動軸上開有鍵槽，故增大軸徑來防止鍵槽對軸強度的削弱。由于軸的最小直徑為18.1mm，需對軸徑增大10%~15%，初步設計主傳動軸的最小直徑dmin=20mm。將聯(lián)軸器安裝在主動軸的最小直徑處，為了使聯(lián)軸器能夠與最小直徑相匹配，對聯(lián)軸器的型號進行計算選取。 計算聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩Tca=KAT，由于轉(zhuǎn)矩變化較小，經(jīng)查表之后取KA=1.3，則： Tca=KAT=1.3×54435=70765.5N?mm 根據(jù)計算Tca的值應該小于聯(lián)軸器的公稱轉(zhuǎn)矩，根據(jù)查《機

49、械設計手冊》表6-3-14，選用GY3型凸緣聯(lián)軸器，其公稱轉(zhuǎn)矩為12000N?mm。 4.5.2 軸的結(jié)構(gòu)設計與計算 ⑴ 軸上零件的軸向定位 根據(jù)設計要求和軸向零件的定位要求，主動軸設計成階梯軸。其軸上配合的零件有，凸緣聯(lián)軸器、傳動大齒輪、傳動小帶輪。為了滿足聯(lián)軸器的軸向定位要求，需制出軸肩，其軸肩的直徑為25mm；大齒輪的軸向定位一端采用滾珠軸承組件，其內(nèi)徑為30mm；另一端制出軸環(huán)，軸環(huán)直徑為40mm；小帶輪的軸向定位一端制出軸環(huán)，軸環(huán)直徑為40mm，另一端同樣采用內(nèi)徑為30mm的滾珠軸承組件進行軸向的定位。 ⑵ 軸上零件的周向定位 聯(lián)軸器，齒輪和帶輪的周向定位均采用普通平鍵連接

50、。每個鍵槽均開設在同一基準面上，以方便鍵槽的加工。根據(jù)軸的各段直徑，查《機械設計手冊》表5-3-4可得： 安裝聯(lián)軸器處的平鍵為半圓頭普通平鍵，型號為：6×36 GB/T1096； 安裝齒輪處的平鍵為圓頭普通平鍵，型號為：10×25 GB/T1096； 安裝帶輪處的平鍵為圓頭普通平鍵，型號為：8×18 GB/T1096； 軸承組件的周向定位靠過渡配合來保證，此處選軸的直徑尺寸公差為j6。 根據(jù)之前計算得知主動軸的輸入功率p1=0.171kw，轉(zhuǎn)速n=30rmin，轉(zhuǎn)矩T=54.435N?m。從左往右依次為小帶輪和大齒輪，對軸的受力分析簡圖如圖4-1所示：

51、 圖4-1 軸的受力分析簡圖 Fτ1=2Td1=2×54.435×10361.12=1781.25N Fr1=Fτ1tanαcosβ=673.74N Fa1=Fτ1tanβ=503.7N Fτ2=2Td2=2×54.435×103153=711.57N Fr2=Fτ2tanαcosβ=269N Fa2=Fτ2tanβ=201.21N 軸兩端受力： F1=130Fτ1+30Fτ2155=1631.67N F2=130Fr1-30Fr2155=513N F3=25Fr1-125Fr2155=-108.29N F4=25Fτ1+12

52、5Fτ2155=870.82N 根據(jù)數(shù)據(jù)得到軸的載荷分析圖如4-2所示： 圖4-2 軸的載荷分析圖 根據(jù)數(shù)據(jù)得到軸的載荷參數(shù)數(shù)據(jù)如表4-2所示： 表4-2 載荷數(shù)據(jù)表 載荷 水平面H 垂直面V 支反力F F1=1631.67N； F4=870.82N F2=513N F3=-108.29N 彎矩M MH=40791.75N?mm MV=12825N?mm 總彎矩 M總=40791.752+128252=42760.7N?mm 轉(zhuǎn)矩T T=54435N?mm 4.5.3 軸的強度校核 按彎扭合成應力校核軸的強度 在對軸進行校核時，通常只校核軸上

53、承受最大的彎矩和扭矩的截面的強度。由圖4-2可知，危險截面是小帶輪所處的截面，查《機械設計手冊》式6-1-5及表6-1-21的數(shù)據(jù)，扭轉(zhuǎn)切應力為脈動循環(huán)的變應力，取α=0.6，可算軸的計算應力 σca=M總2+αT2W (4-20) σca=M總2+αT2W=42760.72+0.6×5443520.1×303=19.93Mpa 已選定軸的材料為45鋼，并調(diào)質(zhì)處理，根據(jù)《機械設計手冊》表6-1-1查得σ-1=60Mpa。故σca<σ-1，材料選擇合適，安全。 結(jié) 論 本課題通過分析國內(nèi)外套袋機的研究現(xiàn)狀和現(xiàn)有套袋機的操作方式、使用效率、自動化

54、程度以及套袋過程中存在問題，總結(jié)各種套袋方法的優(yōu)缺點和影響因素。對各個結(jié)構(gòu)部分提出能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)套袋功能的新機構(gòu)設計方案，對機構(gòu)的構(gòu)型進行分析，并完成整體方案設計。結(jié)合多門選修課程并查閱相關參考資料，設計一種能輔助果農(nóng)完成連續(xù)套袋工作的半自動蘋果套袋機。 通過對本次課題的設計，整體過程感受頗深并對本次設計進行總結(jié)。 首先，通過總結(jié)得到各種套袋方法的優(yōu)缺點，結(jié)合設計要求。對機構(gòu)的選型分析和創(chuàng)新設計，將其和常見機構(gòu)進行組合應用，提出了能夠連續(xù)套袋的套袋機和傳動系統(tǒng)的設計方案。并完成了傳動裝置的選型和設計，同時對間歇機構(gòu)、主軸、齒輪等重要的結(jié)構(gòu)零部件完成設計，以及部分零件的校核。 其次對該套袋機的整體分析和驗證，半自動蘋果套袋機已經(jīng)能夠達到最初的設計要求。在整體的結(jié)構(gòu)設計方面，整體體積小，結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)約成本。大部分零部件采用了標準件，互換性高，且拆裝方便。在實際工作過程中安全可靠，效率高，并且整體更趨向于自動化。 本次設計對所學的知識有了更深層次的理解和運用，對待設計的態(tài)度也更為嚴謹，深刻意識到自身所具備的專業(yè)知識和專業(yè)技能還不夠。涉及的知識更加廣闊的同時培養(yǎng)了自主學習的能力，也拓展了自身的專業(yè)知識面，提高了對專業(yè)軟件的運用。得到鍛煉的同時也得到了許多設計方面的寶貴經(jīng)驗，積累的無形財富也為接下來的學習和工作打下基礎。 謝 辭 參 考 文 獻