高效莲子磨皮机的设计文档格式.docx
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Abstract
Lotusisakindofgreenfoodwithhighnutritionalvalueandmedicinalvalue,beforeeatingthefirstgeneraltogoexceptepidermis.Chemicalandphysicalmethodsoftwokindsoflotusseedpeelingmethodsathomeandabroad,duetothechemicalmethodtoremovetheouterskinwillhavedrugresidues,harmfultohumanhealth,countrieshavebeenbanned,thephysicalmethodismoremechanicaldermabrasion,theproblemofpeelingisnotcomplete,LianRenlossetc..Tofindahigherefficiencyofpeeling,QieLianrenlosslesslotusseedpeelingmethod.Thispaperfromtheexistingrollergrindingprocess,toimproveonitsbasis,thedrumtypegrindingwheelofcoarseandfinegrindingprocess,thisprocessisdesignedtosolvethedrumtypegrindingwheelgrindingprocessintheseedprocessingpeelednotthoroughly,LianRenlossandotherissues,improvethegrindingefficiencyoflotusseed,reduceprocessinglosses,reducetheproductioncostlotusseeds,improveindustrialeconomicbenefit.Launchedaseriesofdesigntheory,thepapermainlycompletedthefollowingwork:
（1）thegrindingwheel,grindingtheory,thefeasibilityofdeterminingprocess;
（2）combinedwiththeexistinglotusrollergrindingprocess,putforwardtheimprovementscheme,comparativeanalysis,determinethedrumtypegrindingwheeldiameterFinegrindingprocess,completetheoverallstructureoflotusseedgrindingmachinedesignandpartsselectionofskin;
（3）UGNX8.0toestablishthemodelbasedontheassemblyofparts,virtualprototype.
Keywords:
lotusseedpeeling;
coarsegrindingwheelabrasivebeltgrinding;
epicyclicgeartrain;
目录
第一章绪论------------------------------------------------
1.1研究背景---------------------------------------------------
1.2国内外研究动态---------------------------------------------
1.2.1莲子加工研究现状--------------------------------------
1.2.2传统莲子去皮工艺方法----------------------------------
1.2.3莲子磨削去皮------------------------------------------
1.2.4粗精磨方案的引出--------------------------------------
1.3选题意义和研究内容----------------------------------------
1.3.1选题意义---------------------------------------------
1.3.2研究内容---------------------------------------------
第二章滚筒式粗精磨莲子磨皮机总体方案设计------------------
2.1现有莲子磨皮损耗分析--------------------------------------
2.1.1滚筒砂轮磨皮结构-------------------------------------
2.1.2莲子磨皮损耗问题-------------------------------------
2.2滚筒式粗精磨莲子磨皮方案的提出----------------------------
2.2.1滚筒式粗精磨莲子磨皮结构方案-------------------------
第三章滚筒式粗精磨莲子磨皮机详细设计----------------------
3.1磨皮机结构设计--------------------------------------------
3.1.1机体总体布局设计-------------------------------------
3.1.2时间定额与箱体总体尺寸设计---------------------------
3.2磨皮机主要部件的选择与设计--------------------------------
3.2.1砂轮的选择-------------------------------------------
3.2.2电机的选择-------------------------------------------
3.2.3传动轴的设计-----------------------------------------
3.2.42Z-X（A）行星轮选择----------------------------------
总结-----------------------------------------------------------------
致谢-----------------------------------------------------------------
参考文献-------------------------------------------------------------
附录A
第一章绪论
1.1研究背景
莲子是一种具有极高营养价值和药用价值的绿色食品，含有蛋白质、脂肪、磷、糖、铁、钙等营养成分，具有清心醒脾、滋补元气和健胃固精等功用[1][2]][3]。
随着社会的发展，人们的生活水平日渐提高，人们对莲子的需求量也日益增大。
其中尤为显著的属中国沿海餐饮行业，他们每年对莲子的需求量都特别大，多达数千吨；
国内某些食品企业对莲子的需求量也很大，例如食品饮料企业娃哈哈，它每年的莲子全国采购量就有一千吨左右[4]。
由此可以预料到，随着人们对莲子需求量的快速增长，莲子加工业承受着越来越大的压力，企业急需研究出高产量的莲子加工方法。
作为中国莲子之乡的湘潭县，从事莲子生产加工的企业有将近100家，从业人员有近几万人。
就目前来看，莲子加工大多数还停留在手工阶段、少数企业进入了半机械化阶段。
手工生产方式劳动强度大、生产效率低、且安全隐患多，同时生产成本高，很大程度上影响了莲子的产出，半机械化生产方式则存在莲子损耗过多的问题，影响莲子在市场上的竞争力。
莲子可分为新鲜莲子和干莲子两种。
如图1-1所示，干莲子是新鲜莲子风干后形成的坚果，呈灰褐色、棕褐色或黑褐色椭球状，主要由莲壳、莲皮、莲仁、莲芯组成[5][6]。
莲子外表皮，俗称莲衣，是莲子表面一层类似保护膜的红色纤维表皮，味苦而涩[7]。
图1-1莲子结构图
莲子的加工过程包括：
脱壳、去芯和去皮[8][9]。
去皮是莲子加工中的一个重要工序，如图1-2所示，左图为未去皮莲子，右图为已去皮白莲子。
莲子去皮分为鲜莲子去皮和干莲子去皮两种：
鲜莲子去皮是在莲子成熟后但是还没有风干的情况下，用手撕除莲子外表皮的去皮方式；
干莲去皮则是莲子成熟且风干后，使用物理方法或化学方法进行去皮的方式。
由于干莲子淀粉含量高、且相对于新鲜莲子更便于储藏，加工也更便捷，因此目前国内外莲子去皮主要针对干莲子去皮。
图1-2去芯莲子磨皮加工
1.2国内外研究动态
1.2.1莲子加工研究现状
中国，东亚和东南亚各国是世界上主要的莲子生产基地。
国外对莲子加工技术研究比较少见，他们绝大多数还处在手工加工莲子阶段。
从目前来看，从事莲子研究和加工的单位主要是国内高校和企业，其中深入研究莲子加工的高校有湘潭大学，而研究莲子加工的企业则多数为湖南的大中型的莲子加工企业。
高校对莲子的研究主要包括莲子的加工机械性能研究和干莲子的物理参数研究，企业对莲子的研究主要包括机加工干莲子的分级和脱壳、去芯和磨皮等。
对于莲子分级工序，华中农业大学杜铮等采用两杆并排安装，其中一根为有锥度的光杆机构，另一根为螺杆机构，研发了螺杆分级机构。
其工作过程为：
在螺杆上螺旋副的带动下，莲子随着螺杆与光杆运动，莲子受到自身重力的作用，配合螺杆和光杆之间的不同间隙，莲子会掉进不同的杆隙，从而实现不同大小莲子的分级，该机构可使莲子的分级更加的精细，产品分级更理想[10]；
浙江大学的郑传祥等对干莲子脱壳技术进行了研究，采用高速旋转的滚刀对干莲外壳进行挤压和切割，在滚刀离心力的带动下实现壳仁分离，并设计了一种效率高、适用性强的莲子脱壳机[11]。
湘潭大学的马秋成教授团队利用平面凸轮机构和特型滚子链的相关理论，解决了莲子自动定心摆正的问题，开发研制出了全自动莲子去芯机[12]；
湘潭县宏兴隆湘莲食杂有限公司的贺书红开发的莲子磨皮机，采用砂轮圆盘磨削去皮，解决了莲子批量，快速去皮的问题。
1.2.2传动莲子去皮工艺方法
莲子去皮工艺逐渐受到社会的关注，不少企业和商家不惜投入人力物力研究莲子去皮的加工方式。
目前市场上的莲子去皮工艺主要有两大类：
化学去皮和物理去皮两种方式。
化学去皮方法：
对莲子采用双氧水或氢氧化钠水进行浸泡，然后用硫磺熏白，荧光剂美化处理[13]，从而获得表皮光滑、圆润鲜白的莲子，达到莲子去皮的目的。
经过化学处理过的莲子表层光滑、外形美观，但从食品安全角度来说，这种去皮工艺不可取，因为化学液体对莲子本身会造成极大的腐蚀，降低了莲子的营养价值，同时残留的化学药物有毒[14]，间接危害以莲子为原料的深加工食品安全。
物理去皮方法：
采用物理机械对莲子进行旋转、摩擦去掉莲子表面的一层红色表皮，其优点是物理方法加工出来的莲子不会影响到莲子的营养价值，不会有因为药物残留而引发的食品安全，这种加工方法也是大家所能够接受的。
但物理机械方法加工的莲子的表面不如化学试剂去皮的美观，存在一些黑褐色的斑点，主要为莲仁莲芯端未完全去除的自然色。
1.2.3莲子磨削去皮
随着社会的发展，人们生活水平的提升，人们对生活质量的期望也越来越高，更多的人开始关注食品安全这个问题，全新的可替代化学去皮的加工方法亟待研发。
现阶段已有不少专家学者在这个领域做出了很多的研究，也开发出了很多物理加工方案，现在被人们所接受的莲子去皮加工方法主要采用辊筒磨削、碾磨等机械方法去掉莲子的表皮[15]，而砂轮磨削由于它的简易高效性，得到的应用最为广泛。
长江大学刘守祥、杨友平开发的莲籽莲仁去衣机构采用上砂轮圆盘，下砂轮圆盘，导槽结构，通过两个圆盘之间的相对转动来实现对莲子的磨皮，相比化学去皮该机构具有保持莲子不受污染的特点，但此机构噪音大、且灰尘多、工作环境恶劣，效率较低，由于是两圆盘挤压磨削，柔性不够，容易造成莲仁破碎[16]湖南粒粒珍湘莲有限公司的胡红辉发明的莲子磨皮机，采用三台电机带动三级磨粒滚筒[17]，由电磁阀控制莲子自动进料、出料，理论上具有高效简便，噪音低和自动化等特点，但结构复杂，制造成本较高，不容易推广，且对莲子打磨过程会存在莲仁崩碎现象，而且这类莲子磨皮加工方法只考虑莲仁的收集，而对莲皮往往是作为灰层来处理，殊不知莲皮也有很高的药用价值。
食品添加剂与配料北京高校工程研究中心的徐虹、朱雨薇在进行莲子红皮多糖提取工艺研究中发现，莲子磨皮加工中磨削掉的莲子皮粉可占到莲子的15%，并且经过检测，红皮粉中含糖量达9.90%[18][19]；
莲子磨皮作为莲子加工过程中的最后一个环节，磨皮质量直接影响到莲子的质量等级。
莲子加工技术日趋规模化、专业化、自动化，目前市场从事莲子磨皮加工技术大多还停留在半机械化阶段，但多数加工效果不太理想，存在莲仁高损耗的问题。
因此，研究高效率、低损耗的莲子磨皮的方法与设备，是当前莲子加工产业急需解决的问题之一。
1.2.4粗精磨方案的引出
虽然有莲子加工企业陆续开发了几种采用砂轮磨削的莲子磨皮机械，但在满足市场对莲子磨皮质量和效率的要求这方面都有缺陷。
莲子属于硬脆性材料，总体呈不规则椭球形状[20]，在自动化生产中，不管是脱壳、去芯还是磨皮，在获得加工好的白莲的同时，要确保莲仁的完整性，同时也要保持磨皮的充分性和较低的损耗性。
图1-3莲子磨皮机
如图1-3所示，为湘潭县宏兴隆湘莲食杂有限公司的贺书红开发的莲子磨皮机，该机构在机台上方安装有收集加工灰尘的存灰室，存灰室的上方直通磨皮室，磨皮室为顶部进料、侧边出皮、内壁为磨砂的圆筒形结构，磨皮室的底部安装有转动砂轮，砂轮外径边缘与磨皮室内壁之间留有漏除莲皮的间隙，砂轮由电机驱动转轴带动，可对不同大小的莲子磨皮加工，加工完后从进料口取出再从新进料，是一种半自动的加工机器[21]。
该设备具有加工效率高、去皮效果好等优点。
但其磨皮质量不稳定、磨皮过程中莲仁损耗大、资源浪费较严重。
在获得加工好的白莲的同时，既要确保莲仁的完整性，也要保持磨皮的充分性和较低的损耗性。
上述莲子磨皮机结构简单，操作简便，磨皮过程中不易造成莲子的破碎，但此机器在混合磨削过程中存在砂轮速度过高，离心力驱使莲子与磨砂滚筒内壁磨削时间过长，造成打磨过度，相应的其他没有与砂轮、磨砂滚筒接触的莲子却没有被打磨，只能在下一个某时段被打磨；
为保证充分磨白普遍存在莲子打磨过度的现象。
此方案在保持磨皮的充分性和较低的损耗性之间不可双得。
此机构磨皮不稳定的主要因素在于采用单筒式磨削，采用了单一的磨削方案，对于批量的莲子混合磨削过程中，在滚筒内势必存在莲子在同一时段，磨削不均匀的情况；
为保证莲子磨皮充分，就会出现部分莲子磨削过度的情况，造成莲仁的损耗，浪费资源。
为保证在莲子磨皮充分的前提下尽量降低莲仁损耗，在此提出粗磨，精磨相结合的磨削方案，此方案对于莲子的磨削加工分两步走，首先是对莲子进行粗磨加工，大致磨去莲子的外皮，但又不至于磨损到莲仁，之后对莲子进行精磨加工，完全去除莲子的外皮。
1.3选题意义和研究内容
1.3.1选题意义
在现有的莲子去皮加工方法和外圆磨削技术的相关研究理论基础上，本课题主要解决莲子加工过程中磨损过度的问题，以及实现加工过程的全自动化。
砂轮莲子磨皮机的设计改进研究，不仅可以提高莲子的磨削效率，减轻加工损耗，降低生产成本，提高莲子产业的经济效益，且由于机构的结构简单，机器制造成本低，在推广上也具有很大的优势，有助于我国特色农产品规模化生产的发展。
砂轮莲子磨皮机的设计改进研究能加强资源的利用率，利于环保，给企业带来巨大的经济价值，应用前景乐观。
目前对莲子磨皮加工研究的机构并不多，主要集中在相应主产区的高校和企业，但绝大多数也仅仅停留在一些专利申请上，且并没有发现在莲子磨皮加工领域有采用砂轮粗精磨磨削工艺的。
因此，本文研究内容是一个创新课题，具有重要意义。
1.3.2研究内容
为解决莲子磨皮加工过程中存在的磨削质量和加工效率等方面的问题，本论文拟对莲子砂轮磨皮开展以下几个方面的研究工作：
（1）莲子砂轮磨削理论探讨。
阐述砂轮磨削理论，确定加工工艺的可行性；
（2）结合现有莲子滚筒砂轮磨削工艺，提出了改进方案，对比分析，确定滚筒式砂轮粗精磨磨削工艺，完成莲子磨皮机总体结构设计和相关部件选型；
第二章滚筒式粗精磨莲子磨皮机总体方案设计
2.1现有莲子磨皮损耗分析
2.1.1滚筒砂轮磨皮机构
图2-1滚筒砂轮磨皮机构
滚筒式砂轮磨皮机凭借其简单的构造，高效的磨削率，在生产中应用最为广泛，如图2-1所示，为湖南湘潭县宏兴隆湘莲食杂有限公司的贺书红所研发应用的半自动磨皮设备。
该机构采用砂轮结构，而且磨砂滚筒的磨粒也类似于砂轮磨粒，虽说总体结构简单，但是在磨削过程中由于每次投料几公斤，且单一的磨削方案，对于批量的莲子混合磨削过程中，在滚筒内势必存在莲子在同一时段，磨削不均匀的情况；
为保证莲子磨皮充分，就会出现部分已磨白莲子磨削过度的情况，造成莲仁的损耗，浪费资源。
在混合磨削过程中存在砂轮速度不能适应同一时间点，莲子的不同磨削状况。
同时离心力驱使莲子与磨砂滚筒内壁磨削也存在同样的问题，从而造成已磨白莲子打磨过度，为保证充分磨白所有莲子，机器难以避免部分莲子打磨过度的现象。
2.1.2莲子磨皮损耗问题
湘潭大学徐油田同学做的关于滚筒砂轮磨白加工前后对比研究。
从研究我们可以发现，用砂轮对莲子进行单工序的去皮，平均每100kg的红莲子，在磨削加工后会损耗掉约15kg的莲子，这种资源浪费是极其严重的，为提高加工白莲子在市场上的竞争力，从莲仁磨损率上去做研究是极其可行的一种途径。
2.2滚筒式粗精磨莲子磨皮方案的提出
采用砂轮对莲子进行粗精磨分开加工，首先对莲子表皮进行粗磨磨削，控制速度与磨削时间，大致磨掉莲子外表皮，之后将粗磨过的莲子进行精磨磨白。
这种方案的好处在于能拉近在砂轮磨削过程中，不同莲子在同一时间点的磨削情况差异，使得在保证莲子全部磨白的前提下，同时减少了莲仁的损耗。
本文拟定设计改良现有滚筒式莲子磨皮机，节约资源，降低莲子生产损耗。
2.2.1滚筒式粗精磨莲子磨皮总体结构方案
考虑到要对莲子进行粗磨和精磨，且加工过程中，投料，送料，出料尽量简单，提出如下具体方案，如图2-1所示。
1-入料机构；
2-粗磨室；
3-莲子传送通道；
4-齿轮变速室；
5-精磨室；
6-出料口；
7-存灰室；
8-机架；
9-电动机；
图2-1
滚筒式粗精磨莲子磨皮机的主要结构由入料机构1，粗磨室2，莲子传送通道3，齿轮变速室4，精磨室5，出料口6，存灰室7，机架8，电动机9组成。
入料口由锥形漏斗，圆柱形村料筒，阻料伞组成，其中阻料伞由时间继电器控制，主要实现莲子的间断有序投料；
粗磨室由相对应的粗磨砂轮，和磨砂滚筒内壁组成，主要实现莲子的粗磨加工；
莲子传送通道起到连通粗磨室和精磨室的作用，由时间继电器控制，主要实现莲子在磨削一定时间后自动从粗磨室转入精磨室的动作；
齿轮变速箱由一个行星轮系构成，起到同轴变速；
精磨室构造与粗磨室构造大体相似，下接存灰室；
出料口由时间继电器控制。
机构的工作原理如下：
在进行莲子加工时，将莲子倒入锥形漏斗，阻料伞在时间继电器的控制下，有规律的上下运动，阻料伞上升时，阻料伞上圆盘和锥形漏斗之间打开缝隙，同时阻料伞下圆盘与存料口下端闭合，莲子在自身重力的作用下进入存料圆柱筒，阻料伞下降时，阻料伞上圆盘与锥形漏斗之间闭合，同时阻料伞下圆盘与存料口打开，莲子进入粗磨室；
粗磨室下底装有与粗磨相对应的砂轮，通过砂轮的旋转运动带动莲子的转动，在旋转离心力的作用下砂轮，磨砂内壁同时对莲子进行粗磨加工；
粗磨完成后，莲子传动通道在时间继电器的控制下自动打开，莲子通过传动通道进入精磨室，当粗磨室莲子全部转入精磨室后，莲子传动通道关闭，入料口在时间继电器的控制下将莲子从圆筒形存料筒内的莲子送入粗磨室，莲子在精磨室精磨完成后，出料口在时间继电器的控制下打开，已磨白莲子排出，磨白莲子全部排出后，出料口自动关闭，莲子传送通道在时间继电器的控制下打开，粗磨室莲子进入精磨室，实现连续循环。
这种方案使得莲子的加工就由原始的一道磨削去皮工序变成了粗精磨两道磨削去皮工序，减少了莲子的磨损量；
通过时间继电器控制进料口，传送通道，出料口，使得莲子的加工由原始的半手工办机械化加工转化为自动化加工，大大提高了生产效率。
第三章滚筒式粗精磨莲子磨皮机详细设计
3.1磨皮机结构设计
莲子磨皮方案确定后，可以基于大型3维绘图软件UGNX8.0对滚筒式粗精磨莲子磨皮机进行结构设计，建立各部件的模型，装配完成虚拟样机。
3.1.1机体总体布局设计
滚筒式粗精磨莲子磨皮机要解决莲子进料，打磨和出料的机械自动化，考虑到不改变机构原有的传动简易性，加工稳定性，用粗精磨双筒叠层式方案，如图3-1所示。
1-入料口；
3-传送通道；
4-变速箱；
8-电机；
9-机架；
图3-1滚筒式粗精磨莲子磨皮机
其主要结构包括入料口1，粗磨室2，传送通道3，变速箱4，精磨室5，出料口6，存灰室7，电机8，机架9等几部分。
为使结构简单和实现精磨砂轮盘的高速转动，将砂轮轴直接与电机输出轴相连，该结构电机输出直接传给砂轮轴，满足砂轮高速转动的需求，同时也减免了电机与砂轮轴之间的传动设计，优化了整体结构，降低制造成本，电机垂直安置于下
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