薯类旋转重力式连续清洗机设计.docx
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薯类旋转重力式连续清洗机设计
摘要
薯类旋转重力式连续清洗机是借圆台滚筒的转动，以原料在其中不断的翻转，同时用水管喷射水来冲洗翻动的原料，然后利用重力来筛除泥沙的等小颗粒杂物，以达到清洗目的；污水和泥沙由滚筒的网孔经底部集水斗排除。
该机用于清洗薯类，本旋转重力式连续清洗机，是一种比较实用的食品初加工机械，它是由机械、电机、皮带传动系统、减速器、联轴器、轴承、螺旋式滚筒、冲洗水管、进出料机构组成。
电机、减速器固定在机架上，电机与减速机相连，减速机通过联轴器带动滚筒而使用滚筒转动，滚筒内部有螺旋导轨，在旋转的同时，通过旋转导轨实行原料的推进，
本设计以食品加工为背景，对此工况下所要求的薯类清洗机结构进行设计与计算，对整个装置中的传动系统进行了运动力学分析及结构设计，对其驱动装置做了深入设计，并着重对其主要零部件进行了具体设计，包括螺旋导轨，轴径进出料口，槽体，计算选型。
本新型薯类旋转重力式清洗机具有结构简单，能耗低，工作可靠，制造成本低的优点。
关键词：
清洗机，滚筒，螺旋导轨，槽体
TheDesignoftheSweetPotatoWashingMachine
Abstract:
Drumtypewashingmachineisacylinderbyrotation.inwhichtherawmaterialscontinuetoflip,whilehigh-pressure,WaterandsedimentfromthebottomofthedrumsetbyPeltonmeshdischarged.Washingmachineforsweetpotato.ThedrumWashingmachine,isarelativelyearlyuseoffoodprocessingmachinery,whichisfromtherack,motor,reducer,coupling,bearings,spiralrollers,washwater,blockplate,thematerialagencies.druminsidehaveaspiralGuidesintherotation,atthesametime,promotefooddischarge.
Thisdesignbyfoodprocessingasthebackground,inthisconditionrequiredbythepotatowashingmachinestructuredesignandcalculation,thedrivesystemintheentireunitmovementmechanicsanalysisandstructuredesignofthedrivetodothedetaildesign,andemphaticallyhascarriedonthedetaileddesign,tothemainpartsincludethescrewguiderail,trunnionfront-rearmouth,tub,thetypeselectioncalculation.
Thisnewtypeofdrumtypewashingmachinehasbenefitsofsimplestructure,lowenergyconsumption,reliable,lowmanufacturingcost
Keywords:
cylinderwasherrollerSpiralguideAgroove
目录
1绪论1
1.1引言1
1.2清洗机的概况及现状分析2
1.2.1概况2
1.2.2现状分析3
2清洗机的结构及工作原理3
2.1结构3
2.2工作原理3
3设计方案的确定4
3.1设计方案选择4
4运动和动力参数的设计计算5
4.1薯类在滚筒的运动及其运动轨迹5
4.2滚筒材料及驱动方式的选择6
4.2.1滚筒材料的选择6
4.2.2筒体最小壁厚计算6
4.2.3滚筒转动驱动方式的选择7
4.3功率的计算及电动机的选择7
4.3.1功率的计算7
4.3.2电动机的选择9
4.3.2.1电动机功率的选择9
4.3.2.2确定电动机的转速9
4.3.2.3电动机的型号的确定10
4.4传动比及动力参数的计算10
4.4.1传动比的分配10
4.4.2传动装置的运动和动力参数的计算10
5零部件的设计和标准件的选用11
5.1轴的设计计算11
5.1.1初算轴的直径11
5.1.2初选轴的形式11
5.1.3轴的结构的设计11
5.1.4轴的强度校核13
5.1.5选择轴和联轴器的键15
5.2滚筒结构的设计16
5.3联轴器的计算及选择17
5.3.1联轴器的选用17
5.3.2联轴器的型号和主要尺寸17
5.4滚动轴承及轴承座的选择18
5.4.1类型选择18
5.4.2型号选择18
5.4.3轴承的结构和定位方法20
5.4.4滚动轴承润滑和密封20
5.4.5滚动轴承座的选择及其配置20
5.5减速器的选择21
5.6物料的进出口设计22
6总结23
参考文献24
致谢25
1绪论
1.1引言
马铃薯原产于南美安第斯山地区，500年前被引入欧洲，400年前由荷兰人传入到中国东南沿海地区。
此后，马铃薯逐步从东南沿海地区扩展到全国各地，已成为中国第四大粮食作物。
马铃薯具有分布广、产量高（热带、亚热带地区一年可生产两季）、成熟早、用途多等特点。
中国马铃薯种植面积占世界总种植面积的25%，年产量有0.67亿，总产量约占世界的19%和亚洲的70%。
中国以成为世界上马铃薯生成第一大国。
目前我国年人均水平28kg，更低于阿根廷的52kg，美国的61kg,俄罗斯的121kg及波兰的136kg。
马铃薯的生产经济效益较高，马铃薯除了作为食物供人们食用和作为禽畜饲料外，因其含有丰富的淀粉，所以还是淀粉工业的重要原料。
薯类淀粉以其独有的特性在食品、轻工、医药等行业得到广泛的应用。
薯类淀粉的精深加工产品也将在更为广阔的领域和行业中发挥着重要的作用。
红薯又叫红苕、地瓜，因为具有保健养生作用而被誉为长寿食品，红薯有防癌抗癌，保心护肺等功效，其中薯类中的淀粉也有很多的特性。
（1）薯类淀粉具有高黏性,它比一般谷物类淀粉黏性高得多,这是由于薯类淀粉颗粒比其他的淀粉颗粒要大的缘故。
（2）薯类淀粉具有高聚合度,其直链淀粉的分子量要比其他淀粉高得多。
（3）薯类淀粉含有天然磷酸基团。
（4）薯类淀粉口味特别温和,基本无刺激,它不像玉米淀粉、小麦淀粉那样具有典型的谷物口味。
这主要原因是其蛋白质残留量低,通常低于0.05%~0.1%，因此对于口味极温和的水果罐头、膨化食品、风味食品、休闲食品、方便食品、香草布丁之类的食物也毫无掩饰作用。
薯类淀粉深加工产品的应用也有几方面
（1）变性淀粉，
（2）化工产品，（3）发酵及水解产品
据专家分析预测,在今后几年内我国马铃薯淀粉需求量将以每年平均16%的速度递增。
2003年国内马铃薯淀粉的年需求量约30万t,国内现有总产量为15万t,远远不能满足市场需求。
国内需求的优质马铃薯淀粉、变性淀粉的40%是靠从国外进口。
由此可见,在我国开发马铃薯深加工产业前景非常广阔[1]。
现在市面上的薯类产品,不论是品种的数量还是质量都有了很大提高。
薯类是地下块茎，收获时沾有泥土，其形状不规则，一般呈卵圆形，表面有很多小窝，薯类表皮很薄，很容易受外力作用而破损，另外薯类对温度很敏感，温度过高过低都会影响日后淀粉的质量。
基于以上原因，对薯类清洗的要求是很高的，清洗效果直接影响薯类淀粉的质量，如淀粉的白度和杂质的含量。
清洗阶段是薯类预处理阶段的一部分，一般步骤如下：
从地里新收获的薯类先通过干筛筛分，除去杂质及少量尺寸达不到要求的薯类，存放于日
常存放地。
薯类通过一定斜度的清洗沟槽流送，在清洗沟槽中薯类被水浸泡附着在表面的相当一部分大块泥土脱落，之后薯类被送人清洗机内，经过2次或3次清洗后，被送人下一道工序或通过倾斜式输送带输送到贮存料斗中备用。
国外引进成套设备中清洗工艺采用2台或3台板式清洗机串联。
板式清洗机主要的优点是，能满足设计要求，清洗效果较好，清洗后，可以进行连续生产；板式清洗机主要的缺点是，整台设备尺寸较大，结构较复杂，功率较大，耗水量较大，薯类的破损率较大。
对清洗机设计的重点就是在保证具有上述板式清洗机主要优点的前提下，能够使设备尺寸缩小，结构简单，耗水量少，使薯类的破损率降低等。
1.2清洗机的概况及现状分析
1.2.1概况
清洗是一种与人们生活实践关系十分密切的劳动，人类从远古时期就开始从事这种劳动。
由于传统清洗操作简单，或只是作为一道工序依附于生产过程中，没有引起广泛关注。
进入21世纪，人们生活已经从温饱阶段进入到舒适时代，对于清洗产品越来越多的需求，加速了新产品研发步伐；同时，制造业的高速发展，也促进了清洗设备、清洗剂等企业的快速进步。
民用、工业两大清洗领域巨大的市场需求，造就了中国清洗行业崭新的未来。
清洗可以从不同的角度进行分类，根据清洗范围的不同，目前通常将清洗分为民用清洗和工业清洗两类。
在日常生活中，与个人和家庭生活密切相关的洗涤，包括衣物清洗，人体皮肤，头发清洗，家庭用品，房屋的清洗等，通常称为民用清洗。
在工业生产劳动过程中涉及到的清洗都属于工业清洗的范畴。
食品工业。
纺织工业。
造纸工业。
印刷工业．石油加工业。
交通运输业，电力工业、金属加工业、机械工业．汽车制造，仪器仪表，电子工业、邮电通讯、家用电器、医疗仪器。
光学产品、军事装备，航空航天，原子能工业等都大量应用到清洗技术。
在我国，工业超声波在以往并没引起人们的特别关注，但随着人们生活水平的日益提高与工业的高速发展，尤其是市场竞争如此激烈的今天，产品的质量成为竞争的关键。
由于清洗质量对产品质量及出厂后产品的使用寿命与可靠性能等方面都有直接的影响，所以清洗也逐渐成为众多工业产品生产过程中一道十分重要的工序。
因此，有些以前在产品生产过程中不使用超声波清洗机的厂家，现在也认识到了超声波清洗的重要性，正尝试着引进超声波清洗机。
但由于调研不充分，有可能购买到使用含ODS（消耗臭氧层物质）清洗剂的超声波设备，对环境造成污染和危害[2]。
1.2.2现状分析
目前，淀粉生产向大型化，自动化、深度综合利用发展。
因此，淀粉机械为适应行业需要，实行标准化，系列化、通用化，提高产品质量和可靠性、补充开发新产品。
如离心机、气流干燥机和破碎机的自动控制，以保证产品质量和节能高产。
又如热流程闭环工艺，有利于改善卫生条件，提高产品收率和质量，薯类加工采用的全旋流器装置与工艺，每吨薯类淀粉节约用水20m3，淀粉提取率86%。
淀粉机械向高效率、工作可靠、节能、节材、降低成本方向发展[4]。
2清洗机的结构及工作原理
2.1结构
设计的薯类旋转重力式连续清洗机主要由滚筒、传动装置、喷淋、水箱池、电机、进出料斗、出泥斗等组成（如下图1）,电机固定在机架上，电动机与减速器直接联式，减速器采用的是摆线针轮减速器。
滚筒被两个支座支撑，滚筒的主轴通过金属滑块联轴器和减速器的输出轴相联。
滚筒的主轴与焊接在滚筒内口上的连接件相互固定在一起。
电机带动减速机,清洗滚筒是带有网面的内壁有螺旋导轨的圆柱形筒，滚筒被支座支撑。
滚筒式薯类清洗机的动力来自电动机，通过滚筒在水池中旋转，以达到清洗的目的。
在水池的底部设有淤泥清除口，此出泥口也具有聚集淤泥的作用，为清除淤泥带来很大方便。
图1滚筒清洗机结构图
2.2工作原理
薯类旋转重力式连续清洗机的工作原理是薯类在清洗沟槽中被水浸泡后，附着在表面的相当一部分大块泥土脱落，经传送带送入滚筒式薯类清洗机进料口,薯类经进料斗进入到旋转的滚筒内，滚筒在水池中旋转，利用带有网面的内壁有螺旋导轨的圆台形筒作为推进力，实现薯类的自动推进。
薯类沿滚筒壁向前运动，在运动过程中薯类不断被水刷洗，薯类之间的摩擦、翻转间的刷洗，薯类与滚筒壁之间的磨擦，在共同作用下完成薯类表面的清洗过程。
3设计方案的确定
3.1设计方案选择
以下是三种传动设计方案的论证过程。
方案一（见图2），首先通过皮带的一级减速，然后由两级圆柱齿轮减速器把速度降到工作机的转速要求。
在这一方案中转速能够比较容易降到工作机的要求，而且带传动具有一定的减振作用。
这是一种常见的传动方式。
但它也有一个突出的缺点，就是减速装置不易于安装和维护，而且减速器不易固定，且齿轮减速器尺寸较大，使的整机占用较大的工作空间。
方案二（见图3），摩擦轮装在一个长轴上滚筒两边，而且滚筒两边均有摩擦轮，并且相互对称，，长轴的一端与传动装置相连；另一端装有托轮，不与传动系统相连。
主动轴从传动系统中得到动力后带动其上的摩擦轮转动，摩擦轮紧贴滚圈3，滚圈3固接在转筒上，因此，摩擦轮与滚圈相互间产生的摩擦力驱动滚筒转动。
这种传动简单，运行平稳，但会出现滚筒与摩擦轮之间打滑的现象，运行情况很差。
方案三（见图4），电动机与减速器直接联式（电机直联式减速器），减速器采用的是摆线针轮减速器。
摆线针轮减速器的传动比较大（一级减速器的传动比即可达到80），省去了皮带传动，这样结构方案就得到了简化。
工作机的主轴通过金属滑块联轴器和减速器的输出轴相联。
金属滑块联轴器可以补偿轴一定的轴向、径向和角向偏移。
该方案的缺点是摆线针轮减速器价格比较昂贵，但摆线针轮减速器工艺性较好，其寿命较长。
综合考虑采用方案三。
1-电动机2-带传动3-减速器4-联轴器5-工作机
图2方案一
1-电机2-摩擦轮3-滚圈
图3方案二
1-电机2-减速器3-联轴器4-工作机
图4、方案三
4运动和动力参数的设计计算
4.1薯类在滚筒的运动及其运动轨迹
首先推导滚筒的转速时以假设滚筒水平放置来推导，在实际中，滚筒是带有网面的内壁有螺旋导轨的圆锥形筒的，我们知道由于滚筒的转动，物料在水平的滚筒上的相对运动轨迹是个正圆。
这时，薯类没受到其它向前推进力的作用，只能在面上周而复始地作圆周运动，不能由一端向另一端推进。
即使与滚筒壁接触的那部分物料也只能沿壁作逆向旋转。
这与要求薯类从滚筒的一端向另一端移动并不相符合。
因此，仅依靠薯类与滚筒壁接触的摩擦力来推进薯类移动的方法并不能完成清洗任务。
常用的物料的推进方法：
⑴利用物料的压力进行自身推进
当薯类连续不断的进入滚筒，在滚筒进口处将形成堆积高度。
在滚筒的回转运动中，借助物料的自身的落差，向出口处推进。
由于水的大量存在，水可以把物料向另一端起冲击的作用，但由于薯类之间的滑动很困难，这样便形成一端物料堆积严重，而另一端物料缺少的现象，从而起不到推进的效果。
这种方式一般应用在物料之间的摩擦特别小的情况。
⑵利用螺旋推进器进行物料的推进
这种方式既有较快的推进速度，又可促进物料的搅动。
既有一定的经济效率，可以更好地增加清洗时间。
薯类沿槽内推进，薯类沿螺旋导轨向前运动，清洗时间比较长，在运动过程中薯类不断被水刷洗，薯类之间的摩擦，翻转间的刷洗，薯类于槽内壁之间的摩擦，在共同作用下完成薯类表面的清洗过程，以达到清洗的目的。
我们选择这第二种方案
4.2滚筒材料及驱动方式的选择
4.2.1滚筒材料的选择
筒体部分的质量占到整机的70%～80%,因此筒体的材质和壁厚是决定设备制作成本的重要因素。
筒体的大小标准着规格和生产能力。
筒体应具有足够的刚度和强度。
在安装和运行中应保持规范化，这对减小运转阻力及功率消耗、减轻不均匀磨损、减少机械事故、保证长期安全高效运转、延长回转圆筒的寿命都十分重要，必须根据这一要求来设计筒体。
筒体的刚度主要是筒体截面在较大力作用下，抵抗径向变性的能力。
同体的强度问题表现为筒体在载荷作用下产生裂纹及变形。
筒体材料一般用A3钢、普通低合金钢，其中以16Mn用的较多；也可以用锅炉钢。
要求耐腐蚀时，用不锈钢。
本设计中筒体材料选用A3钢。
4.2.2筒体最小壁厚计算
1.筒体的最小壁厚按下式核算：
式中，R—筒体半径；
—筒体材料在操作温度下的屈服应力；K—举升式抄板与筒体壁重量比的系数，；C—材料腐蚀欲度。
将R=D/2=50cm，
=2000kgf/cm3（温度为150℃时的
），K=1.6，C=0.3cm代人公式
（1）得：
表1筒体厚度与直径的关系（统计值）
Table1Dryeranddiameterofthecylinder（statistics）
筒体直径
D（m）
<1
1.1~
1.3
1.3~2
2~
2.6
2.6~
3
3.3~
3.6
3.3~
4
筒体厚度
（mm）
8
10
12
14
16
18
20
/D
0.008
0.009~0.0077
0.0092~0.006
0.007~0.0054
0.0062~
0.0053
0.006~0.005
0.006~0.005
当工作条件较差时（如物料对筒体磨损严重），一般可增加2mm；长度较短时，可适当减薄；如果筒体只因刚度较差，其他都可以满足条件时，除增加壁厚外，还可以通过其他途径来增加筒体的刚度。
4.2.3滚筒转动驱动方式的选择
滚筒的最大生产能力为每小时2吨，设计的滚筒的大圈内径为1米，小圈内径0.66米，长度为2米，这在制造中也比较容易。
这里就可以计算出滚筒的大致转速范围了。
由滚筒的转速计算公式:
r/min
（2）
可得
=11.3～19.8r/min
所选滚筒驱动方式是采用中间轴式传动。
在滚筒的中心线上设有传动轴，用支承臂与滚筒相连，电动机通过减速器把动力传到中心轴，由中心轴带动滚筒转动。
这种传动方式比较简单。
由于所设计要求的滚筒长度不长，转动比较平稳。
但是，薯类有时会和中心轴及支撑臂发生碰撞，薯类重量及体积又不大，而且滚筒的转速和倾角都不是太大，故一般薯类颗粒不会对中心轴及支承臂造成太大的冲击力。
所以我们选择中心轴驱动的方式。
4.3功率的计算及电动机的选择
4.3.1功率的计算
下面来计算滚筒工作所需的功率[8]：
（3）
其中：
n—滚筒的转速，r/min,M—驱动滚筒转动所需的力矩，N·m,η—传动的效率。
由力矩计算公式[3]得：
（4）
其中D—滚筒直径，m；G—滚筒本身重量G1与滚筒内原料重量G2之和。
G1=G3+G4+G5（5）
G3—横向支撑臂的重量，N；G4—纵向支撑臂的重量，N；G5—圆筒螺旋导轨的重量，N。
（6）
R—滚筒内半径，m；L—滚筒长度，m；Y1—物料重度，N/m3；Q—薯类在滚筒中的充填系数。
（在理论上应按物料升角来计算物料在滚筒中的充填系数）物料的升角为35~45度，这样其滚筒的利用率应为1/6~1/9。
由于物料瞬间移动等因素的存在，物料充填系数比理论上要小的多。
一般取Q为0.01~0.1，在此我们选Q为0.018。
从以上的计算中知道传动效率η为0.6~0.7。
在（4）中，由上述可知：
D=1m
（7）
G1=G2+G3+G5（8）
（9）
S—支撑臂的截面积，m2；L—支撑臂的长度，m；P—材料的密度，kg/m3；n—所用材料的数量；r—支撑臂的截面半径，m；
所以G3=
×52×10-6×2×7.85×103×9.8×6=73N
G4=S×L×P×n×g
S—圆筒大径的面积；S`—圆筒小径的面积；L`—导轨的长度；ρ—导轨橡胶材料的密度
G2=R2LY
1QN=692.37N
G=G1+G2=G2+G3+G4+G5=1539.6N
据
（10）
得
=1539.6×1/2=769.79N·m
（11）
将
w的取值代入得：
=1.27kw
—工作机的功率；
—工作机的效率，
一般取0.9～0.97。
经过计算可得理论上工作机达到所需转速需要的最低功率为1.27kw。
下面计算电动机的所需功率Pd。
首先确定从电动机到工作机之间的总效率
。
设
1，
2，
3，
4，分别为，减速器，滑块联轴器，滚动轴承，滚筒的效率。
由《机械设计手册》表2—2查得：
1=0.96，
2=0.98.
3=0.97.
4=0.99.则传动装置的总效率为[10]：
（12）
=0.96×0.982×0.97×0.992
=0.88
（13）
=1.27／0.88=1.45（kw）
4.3.2电动机的选择
4.3.2.1电动机功率的选择
选择电动机包括选择电动机的类型、结构、功率、转速和型号。
在工业上一般采用三相交流电动机，Y系列三相交流异步电动机由于具有结构简单、价格低廉、维护方便等特点，故一般应优先考虑。
当转动惯量和启动力矩较小时，可选用Y系列三相交流异步电动机，在经常启动、制动和反转、间歇或短时工作的场合，要求电动机的转动惯量小和过载能力大，应选用YZ和YZR系列三相交流异步电动机，电动机的结构有开启式、防护式、封闭式、防爆式[7]。
在此可选用封闭式的电动机。
所以选用Y系列全封闭式笼型三相异步电动机。
选择原则：
功率选的过小，不能保证工作机的正常工作或使电动机长期过载而过早损坏；功率选的过大，则电动机价格高，且常不在满载下运行，功率因素很低，造成浪费.
对于长期连续工作负荷较稳定的负载机械，可根据电动机所需要的功率
来选择，选择时应使电动机的额定功率PN稍大于电动机的所需功率
。
由计算已知电动机所需功率为：
=1.45kw,所以我们可选择电动机功率为1.5kw。
4.3.2.2确定电动机的转速
同一功率的异步电动机的同步转速有3000r/min、1500r/min、1000r/min和750r/min四种。
一般来说，电动机的同步转速高，磁极对数少，轮廓尺寸小、价格低；反之，转速愈低，外轮廓尺寸愈大，价格愈高。
由于工作机滚筒的转速很低，所以不易选用高速电动机，一般应选择同步转速为1500或1000r/min的电动机。
4.3.2.3电动机的型号的确定
根据所要求的的转速和功率选择Y系列三相异步电动机，由«机械设计课程设计手册»查得可选用电动机Y100L-6，功率1.5kw，转速940r/min。
因为工作环境，如果不加防护，水有可能进入电动机中导致电机短路而烧坏，于是在设计中选择电机的防护等级为IP44。
现在将这种电动机的数据列于下表2中。
表2电动机型号
Table2Motormodel
电动机型号
额定功率
（kW）
最大转矩
堵转转矩
满载转速（r/min）
额定转矩
质量
（kg）
Y100L-6
1.5
2.0
2.0
940
2.0
33
4.4传动比及动力参数的计算
4.4.1传动比的分配
因所选
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