机械设计论文青毛豆剥壳机的设计.docx
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机械设计论文青毛豆剥壳机的设计
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AbstractIII
KeywordsIII
1前言1
1.1研究的目的和意义1
1.2青毛豆剥壳的研究现状1
1.3研究内容及方法1
1.3.1研究内容2
1.3.2研究方法2
2青毛豆的物理性能及参数2
3青毛豆剥壳方案及机构组成的确定3
3.1剥壳方案3
3.2机构组成3
4剥壳轧辊部分设计4
4.1剥壳轧辊与滚花的设计4
4.1.1青毛豆进入轧辊工作区受力分析4
4.1.2剥壳过程的分析5
4.2剥壳轧辊部分电机选择及动力传动设计6
4.2.1电机选定6
4.2.2V带轮的设计6
4.2.3轴的结构设计及计算7
4.2.4轴套的设计11
4.2.5斜齿轮的设计11
5轧辊间距调节机构设计12
6筛选机构运动分析及其设计13
6.1鱼鳞筛机构设计12
6.2.筛体运动分析及其设计13
6.2.1筛体的运动及分析13
6.2.2被筛物的运动及分析14
7结论与建议16
7.1主要结论16
7.2建议和存在的问题17
参考文献18
致谢19
青毛豆剥壳机的设计
摘要：
目前，青毛豆剥壳机采用剥壳方式，大多用单对轧辊对毛豆进行剥壳，并且剥壳效率低，且籽粒破碎率较大。
针对于此，本文设计了一种基于挤压剥壳原理，能调节多对轧辊转速、间距，并可对籽粒进行清选的青毛豆剥壳机。
此剥壳机的整体方案设计布置上采用三对轧辊剥壳机构，偏心振动机构驱动的鱼鳞振动筛和调节轧辊转速的无级变速装置，传动机构，电机和机架等组成。
本机以漏斗状输入物料的形式设计布置，机架支撑着可调节物料的喂料斗，主要承担青毛豆荚的送料功能，主电动机布置于无级变速装置的下部，传动机构在机架的两侧，其剥壳过程是通过可调节转速和间距的剥壳轧辊对毛豆进行剥壳，剥出籽粒沿轧辊滚落入鱼鳞振动筛完成清选的过程。
该剥壳机构的性能技术指标：
外形尺寸（长高）2257X1226X1211（mm）;轧辊数6只；轧
辊直径67.5mm;轧辊间隙0.7〜1.5mm;主电动机配套动力是1.1kW，生产效率200〜600kg/h。
其特点是：
剥壳部分采用可传动用钢管；剥壳双辊采用啮合齿轮同步等速驱动；双辊表面附着一层橡胶滚花；轧辊的间距通过蜗杆传动和丝杆传动装置来实现，能满足不同尺寸的毛豆荚对剥壳间隙的要求。
关键词：
青毛豆；剥壳；挤压；轧辊；鱼鳞筛；
DevelopmentofGreenSoybeanasheller
Abstract
Atpresent,greensoybeanexhaustedshellmachineselectstheexhaustedshellmethod,mostlyusesthelistaxisrollertocarryontheexhaustedshelltogreensoybean,andefficiencyofexhaustedshellislow,alsothebrokenrateisbigger.Inviewofthis,thisarticledesignedonekindbasedonextrudeingtheexhaustedshellprinciple,couldadjustrotationalspeedsoftheaxisroller,thespacing,andmightcarryongreensoybeanexhaustedshellmachinetothegrainwhichcanbeelected.
Thisexhaustedshellmachineoverallplandesignedarrangesthreepairsofaxisrollerexhaustedshellsorganizations,thebiasvibratorunitactuationscaleshakerandtheadjustmentrollerrotationalspeedsteplessspeed-changedevice,thetransmissionsystem,compositionandsoonelectricalmachineryandrack.Thismachinebythefunnelshapeinputmaterialformdesignarrangement,theracksupportsmayadjustthematerialtofeedingmouth,mainlyundertakesgreensoybeanfeedingfunction,themainmotorarrangementisinthesteplessspeed-changedevicelowerpart,thetransmissionsystemintheracktwosides,itsexhaustedshellprocessisthroughadjustingtherotationalspeedandthespacingofexhaustedshellrollertocarryontheexhaustedshelltogreensoybean,peelsthegraintorollalongtherollerfallstheprocesswhichthescaleshakercompletesclearelects.
Thisexhaustedshellorganizationperformancetechnicalspecification:
Theexternaldimensions（long*width*high）22571226Xl211（mm）;Rollerseveral6;Rollerdiameter67.5mm;Rollergap0.7~1.5mm;
Themainmotornecessarypoweris1.1KW,productionefficiency200~600kg/h.Itscharacteristicis:
Theexhaustedshellpartiallyusesmaypassonusesthesteelpipe;Theexhaustedshellaxisrollerusesthecountergearsynchronizationconstantspeedactuation;axisrollerthesurfaceisattachingarubberknurling;Therollerspacingrealizesthroughthewormdriveandtheleadscrewtransmissiondevice,cansatisfythedifferentsizethewoolbeanpodtotheexhaustedshellgaprequest.
Keywords
greensoybean;Exhaustedshell;Extrusion;Axisroller;Thescalesieves
1前言
毛豆的开发利用是一个新兴产业。
大豆是植物蛋白的主要来源,在我国淀粉营养供应有余、蛋白
质营养供应不足的情况下,发展大豆生产迫在眉睫。
但长期以来人们直接摄取大豆蛋白质营养不多,
仅是通过豆制品、豆奶等方式,约占大豆总产的30%,而70%的大豆子粒均用于榨油,其豆饼通过动物加以利用。
20世纪80年代以后,东南亚国家由于观念更新,率先通过直接食用毛豆来摄取蛋白质营养,相继受到许多地区人民的响应,目前发达国家对毛豆的需求量每年以15%的速度递增,次发达国家对
毛豆的需求量每年以105的速度递增。
在我国浙江、安徽、上海等省市,毛豆产业已成为一个重要的
新兴产业。
毛豆已成为南方各省夏秋两季的主要蔬菜,尤其是在经济发达地区大豆鲜食比重明显上升,
并由南方逐步向北方扩展,由城市向农村扩展,毛豆已被人们作为保健食品摆上了餐桌。
经试验，一台普通的毛豆剥壳机能剥青毛豆200kg/h，而人工剥壳最多4kg/h，机械化剥壳是手工剥壳效率的约
50倍（海门市农业机械化技术推广服务站，2005）。
但现今技术水平远不能适应当前加工需要，缺
乏长远竞争力。
要实现对青毛豆的大量加工，需要技术含量更高的一体化加工生产线。
1.1研究的目的和意义
市场经验表明，一个产业的发展和完善必须走产业化发展道路。
商品化大生产大流通的市场体系对产品的专业化、规模化要求较高，仅靠农民一家一户的小规模生产经营，很难在市场竞争中立足，必须积极创造条件发展规模种植、规模经营（陈仪，2002）。
剥壳作为青毛豆进行深加工的一个重要环节，目前毛豆的剥壳大多由人工完成。
随着青毛豆需求的日益增大，其工业化程度越来越高，手工剥壳难以满足其生产率的要求。
并且人工剥壳生产效率低、成本高，产品质量和卫生条件得不到保证，且相当伤手。
因此，研制开发一种新型、高效、适用青毛豆剥壳机械，不仅可以满足青毛豆剥壳机械化，把工人从繁重的劳动中解脱，对促进毛豆产业的规模化，机械化发展都具有很大的现实意义。
只进行单一剥壳功能的青毛豆剥壳机结构简单，价格便宜，而集剥壳、分离、清洗和分级功能为一体的豆类剥壳机械成为了发展趋势。
现今的青毛豆剥壳机械大多都采用单对的等辊径的轧辊进行剥壳，虽然剥壳设备对毛豆的破碎率都可以得到降低，但采用机械的方式将豆类荚壳剥离，剥壳后的豆粒存在破皮和损伤率仍然较高，只能用于榨油、食品加工和食用，而不能用于做种子，严重制约了其规模化和系列化，致使其技术水平远不能适应当前加工需要，缺乏长远竞争力。
采用对等径双轧辊剥壳机构剥壳率和破损率的影响因素很多，主要有轧辊间隙、豆荚喂入方向、
轧辊直径、双辊轴线平面倾角、轧辊转速等，而破损率随辊径减小、转速增高和倾角减小而减小。
即采用高的转速、小的辊径和倾角。
可以获得较低的破损率，辊径对破损串影响很显著，倾角显著，转速不显著，提高剥壳生产率，转速应取大值。
在轧辊间隙、豆荚喂入方向的影响因素已探明的情况下，在青毛豆的剥壳机的设计中通过对轧辊直径、双辊轴线平面倾角、轧辊转速设计，是可以提高青毛豆剥壳机的生产率的。
1.2青毛豆剥壳的研究现状
我国青毛豆剥壳技术研究起步较晚，但发展较快，而且吸收了国外先进技术的优点，结合自身
情况，研制出了以下一些机械青毛豆脱壳机。
何瑞银等分析了青毛豆剥壳机，他们通过研究认为，青毛豆剥壳机输送工作台做成V型倾斜导
向槽，可以自动完成青毛豆原料的定向分布和输送，减少了人工劳动量。
剥壳装置主要由夹持辊和剥壳轧辊两部分组成，轧辊表面做成网格状结构。
弹性夹持装置与可调间隙的轧辊共同完成了剥壳过程，剥壳原理巧妙地借助于两个工作部件的时速差,并在剥壳过程中借助于青毛豆荚自身壳体的保
护作用，降低了青毛豆表面的损伤率，减少了青毛豆由于表面的损伤而产生的褐变。
清选筛通过支架与输送装置的振动电机相连，自动完成豆荚与青豆的分离（何瑞银,2005）。
在轧辊间距的调整上，
因为其间距的调节范围较小，其采用的调整分体式滑动轴承座来位置来实现，不能较为精确的进行调整，而采用蜗轮、蜗杆和丝杆装置进行调节更有利于在小范围间距的调整。
陈新华等在适应不同成熟程度、不同饱满程度、不同个体大小的豆荚剥壳作业要求下，经多次试验、改进，形成了双轴辊剥壳机构，剥净率达到90%以上，籽粒破碎率为8%，机构的适应性、稳
定性、可靠性明显。
该机构的特点是：
剥壳双辊由啮合齿轮同步等速驱动；双辊表面滚花，夹持附着力强；轧辊间隙通过调整分体式滑动轴承座位置实现，满足了不同厚度毛豆荚对剥壳间隙的要求，减少了破碎率；在送料机构到剥壳轧辊间增设一组橡胶轴辊，起着稳定夹持、送料，加速、加力作用，便于两片荚壳的分离（陈新华,2005）。
因为轧辊线水平倾角对其剥壳效果影响不是显著，采用单对轧辊水平放置，其生产率对于较大规模的生产将得不到满足，因此，采用多对轧辊倾斜一定的倾角放置，既可更大的提高生产率，还可以通过人工调节满足各种生产规模的需要。
骆娅君等对青毛豆剥壳机质量影响因素进行了研究，通过对其工作原理的分析，得出该青毛豆剥壳机主要有一下特点：
一是振动式自动送料装置能可靠、自动地将清毛豆荚定向送入剥壳部件；二是弹性夹持装置与轧辊之间的空间组合和参数的合理配置使豆荚喂入科学、可靠；三是挤压剥壳轧辊间的间隙可调，以适应不同规格青毛豆荚的剥壳加工，减少毛豆籽粒的破碎率；四是联动式清选机构使加工的毛豆籽粒清洁度高，避免了二次清洗，节省了人工。
提出了青毛豆剥壳机剥壳性能的优劣关键在于结构配置和参数的选择，并得出了影响剥壳机性能的因素有三个方面，即轧辊直径、转速及轧辊间的间隙对剥壳性能的影响，剥壳轧辊和夹持轧辊之间的位置和转速对剥壳性能的影响和结构配置对剥壳清洁度的影响（骆娅君等,2006）。
王铮的新鲜豆类脱壳机的研究，介绍了新鲜豆类挤压剥壳原理。
即通过一对有一定间距的圆形橡胶轧辊，以不同的速度相对旋转，挤压撕剥豆荚，豆类受挤压脱出并落在轧辊一侧，外壳则通过轧辊间隙由另一侧脱出。
为了使更快破裂及豆粒顺利挤出，同时采用了二轧辊差速装置，使豆荚除受挤压外还受到剪切力作用，这样可使豆荚更快撕裂（王铮,1993）。
轧辊用不同的速度相对旋转，有
其局限性，虽然可以产生一定的剪切力，但用齿轮啮合等速驱动也可以达到相同的效果，同时采用等速驱动将使机构简单化，降低成本。
江文在每月纵横介绍了一种被研制的青毛豆剥壳机，它采用柔性夹持、差速破壳原理创新设计的夹持辊和剥壳辊等核心技术（江文,2005）。
1.3研究内容及方法
1.3.1研究内容
（1）对青毛豆剥壳的工作方式分析并确定剥壳机工作原理；
（2）剥壳机总体方案的确定与总体结构的设计；
（3）主要工作部件的设计，包括双轴辊剥壳机构、清选机构、传动系统和机架总成的设计等
（4）确定筛选部分、双辊剥壳部分中所配置的电机功率。
1.3.2研究方法通过类比的方法，比较分析国内外相关的青毛豆剥壳机械机以及其他相似作物的剥壳机械，结合青毛豆剥壳中的特殊性，确定剥壳机的设计方案及机构组成，而后具体完成剥壳部分、轧辊调速部分、清选部分的设计。
2青毛豆的物理性能及参数
青毛豆荚为扁长条状，中间厚，两头扁平，豆荚长度在40〜50mm,每荚含籽粒1〜4个，其中2〜
3粒的占85%以上，籽粒在壳内纵向排列，籽粒间有一定间隙，受外力挤压时会移动；豆荚外壳比较柔韧，两片荚壳结合力较紧，无一定的外力作用，籽粒不可能脱出；籽粒和荚壳的含水率较高，壳韧籽脆，籽粒易受伤
关于毛豆几何尺寸和基本力学性质，杭州地区产量高、品质好的当家品种大青豆给出数据如表2-1（卢盛超,1991）。
3青毛豆剥壳方案及机构组成的确定
青毛豆品种繁杂，形状较为规则，壳仁间隙小，在一定的角度上对毛豆用力是可以有效的剥壳的。
目前剥壳工艺通常为：
首先将毛豆分级，可分为饱满、干瘪两级；然后使毛豆保持一定的湿度，使毛豆壳变软，增大壳籽的润滑；而后挤压，剥壳、；最后是豆粒清选。
本设计亦参照此工艺进行。
3.1剥壳方案
机械剥壳常用方法有借助粗糙表面碾搓作用的碾搓剥壳，借助撞击作用的撞击剥壳，利用剪切作用的剪切剥壳和利用成对轧辊挤压作用的挤压剥壳。
鲜大豆粒相当娇嫩，表面极易损伤，不能采用常规的挤压，碾搓法剥壳。
据试验分析（卢盛超，1991），随着轧辊间隙的增大，剥壳率下降而破
损率增加，适当的间隙，即0.7〜1.5mm，破损率低于5%,符合质量要求，剥壳率达95%以上•所以鲜大豆荚的剥壳轧辊间要求为小间隙，其值以鲜大豆荚厚度的I/10〜1/5为宜•从剥壳效率及实现
工艺考虑，选择小间隙轧辊挤压的方案。
分析小间隙轧辊挤压的运动可知，影响双轧辊剥壳机构剥壳率和破损率的影响因素有：
轧辊间隙、豆荚喂入方向、轧辊直径、双辊轴线平面倾角、轧辊转速等。
由试验结果表明剥壳率很高，接近100%，可认为基本上不受三因素的影响，而破损率随辊径减小、转速增高和倾角减小而减小。
即
采用高的转速、小的辊径和倾角。
可以获得较低的破损率。
通过对已有的理论分析结果表明：
辊径对破损率影响很显著，倾角显著，转速不显著。
针对于这三方面对剥壳程度的不同影响，设计此剥壳机时把辊径控制在70mm以下，为了保持毛豆能够顺利的下滑，参考相关资料，选择轧辊轴线的平
面倾角为20°同时为了最大程度的提高剥壳效率，采用无级变速装置控制轧辊的转数。
表2-1大青毛豆鲜豆荚特性
名称
数值
长度（L）
56.985mm
宽度（B）
15.906mm
厚度（T）
5.785mm
弯曲半轻（r）
54.115mm
重心（C）距顶端
25.050mm
偏距（e）
3.4433mm
摩擦角（屮）
23°35'
摩擦系数（卩）
0.473
极限拉伸力（P）
38.024N
屈服极限（＜!
）
1.753N/mm2
极限弯曲力（W）
45.835N
极限挤压力（Q）
5.953N
3.2机构组成
由上述方案可将整个剥壳机设计成三部分机构，即:
传动系统和机架总成部分，轴辊剥壳部分,
清选部分。
从机械装配方面考虑，可将轴辊剥壳部分和传动系统部分设计成一体，清选系统部分为另一体，为了保持整个装置在剥壳过程中保持稳定，不发生因振动而影响了剥壳效率，将两部分固定于同一平台，。
设计剥壳机结构如图3-1所示：
图3-1脱壳机结构示意图
4轧辊剥壳部分设计
4.1剥壳轧辊与滚花的设计
对青毛豆因挤压作用而实现剥壳的主要部件为轧辊与滚花。
为探求合适的辊径，参考卢盛超的鲜大豆剥壳元件的试验研究，其在不考虑轧辊间隙、豆荚喂入方向、轧辊直径、轧辊轴线平面倾角、轧辊转速等因素间的交互作用的情况下，得出轧辊直径、轧辊轴线平面倾角、轧辊转速三者的最优组合分别为40°37.5mm和60r/min。
由于倾角对破损率影响不很显著，且倾角过小则豆荚喂入困难，
为了使毛豆在轧辊上充分的和轧辊接触，故取倾角为20°转速取60r/min〜40r/min，同时考虑到
在较大规模的剥壳需要和不同品质毛豆间对最优速度的不同，因此转速取在60r/min到460r/min之间;
轧辊间距根据毛豆的特性设计为可调在0.7mm之间1.5mm。
辊径根据所选的传动用电焊钢管及附着在
其上的橡胶可以达到67.5mm，虽然较最优组合中辊径大，但从已有的理论分析看出，此范围内不同辊径所造成的破损率相差不大，且较小的辊径会出现咬入困难的现象，同时考虑到安装轧辊上安装
齿轮，轴套和轧辊质量不能太大的需要，因此取这个值。
钢管数据如下表4-1：
表4-1钢管尺寸特性
外径（/mm）
壁厚（/mm）内
寸径及其允许偏差（/mm）
静扭矩破坏值（/N.m）
63.5
5
58.5±18
1570
4.1.1青毛豆进入轧辊工作区受力分析
图4-1毛豆进入胶辊工作区受力分析图
在两轧辊相对旋转、转速相同的条件下，青毛豆进入两辊之间被夹住时受到的正压力R与P2、
摩擦力F1与F2的作用，接触点A和A为起扎点，其与辊中心的连接构成角a1与a2,a1与比成为起
扎角。
此时R=P2,F1=F2,a=还，其受力图如图4-1。
p合二2psin:
甩=2Fcos=2fpcos
式中f、口一胶辊与清毛豆的摩擦系数及摩擦角。
要是青毛豆进入轧辊工作区，必须满足下列条件:
即
4.2.2剥壳过程的分析
F合一P合
®因为两轧辊的速度相等，则P=P2,F,=F2。
P与F2的合力为R,P2与F2的合力为R2。
R
R1X=R2y，二力方向相同，只能使青毛豆进入轧辊扎区，也
与R2分别沿x、y轴分解为Rx、Rly及R2x、R2y。
RX=R2y，两力方向相反，作用在同一直线,
使青毛豆受到挤压，但没有剥壳作用。
不能剥壳。
其受力图如图4-2所示。
式中Q=生产率（kg/h）
vcp—青毛豆的平均速度，vcp二V1£V2（v1、V2为剥壳两轧辊的线速度）B—轧辊长度（m）;
d1—青毛豆长度;
b1—青毛豆宽度;
；—青毛豆入辊的连续性系数，一般为0.5;
「一青毛豆入辊的充满系数，可取0.7〜0.8;
—剥壳率（%）;
3
物料密度（kg/m）；
剥壳轧辊设计成3组，为了增强夹持力每组轧辊上布满带一定斜度的滚花，滚花之间的距离为
1mm，每个滚花其沿轴线方向的为1.5mm,采用邵氏硬度为60〜65的橡胶包裹于钢管外层（查尔斯A
哈博，2004）,这样对青毛豆在剥壳过程中的夹持更有力，从而保证毛豆能被充分挤压剥壳；在分布上采用内凹的同向滚花，并且两轧辊上在夹持时滚花是相对应的，以保证青毛豆能进入轧辊工作区，
即，F合—P合。
为了最大程度的适应不同几何尺寸毛豆剥壳的需要，将剥壳轧辊间距设计为可调的。
通过蜗轮
和蜗杆装置调节和可调轧辊的轴承座相连的带细螺纹的长杆，同时调节三组轧辊各自的间距。
本设
计中调节轧辊间距装置采用双向调节，通过操作分布于轧辊两端的调节装置对剥壳间距进行调节。
4.2剥壳轧辊部分电机及动力传动设计
4.2.1电机选定
此设计主要针对于家庭用青毛豆剥壳机，根据剥壳机的电动机的功率分配比
的特点，结合电动机的工作特性，我们可以选择主电动机为额定转速2840r/min额定功率为1.5kW
的三相异步电动机，鱼鳞振动筛电动机为额定转速2825r/min额定功率为0.75kW的三相异步电动机。
4.2.2V带轮的设计
此部分的动力传动比为i=1，传送要求在此传动比情况下能平稳传动，且能满足一定的动载荷，
考虑带传动以标准化且具有结构简单、造价低廉以及缓冲吸振等特点，可以采用此种传动形式中的V
带传动。
V带设计如下：
（1）所传送的计算功率FCa=KAP，参考工作条件：
载荷变动较大，软起动，每天工作小时数为
10〜16h。
故工况系数Ka取1.4,传递的额定功率F即为所选电动机的额定功率1.1kW，于是
Pea=1.4M.1=1.5kW。
（2）根据计算功率Pea和小带轮转速n1（即为电动机额定转速2825rpm）选定带型为普通V带B
型。
（3）确定带轮的基准直径dd1和dd2。
1）初选小带轮的基准直径dd1为125mm。
兀n1dd1
2）验算带的速度v。
由V=-—=18.48m/s，对于普通V带5m/s<18.48m/s
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