电动石磨仿真论文（毕业设计） - 图文

摘 要

二十世纪七十年代以前，传统石磨为人们做出了巨大的贡献。随着科技的发

展，电动石磨开始出现，提高了生产率。与此同时，更多的自动化设备也相继出现，例如豆浆机，在生产生活中给人们带来了方便。但是，从实验对比发现各种高速加工出来的农产品的营养成分远低于石磨低速研磨的营养成分，且石磨加工出来的产品口感更好。因此，随着人们生活水平的提高，石磨加工的产品将会日益受到消费者青睐。

传统石磨外形和原理都很简单，两块相对的圆形石磨在人力或畜力的驱动下作定向转动，将夹在其中的豆类等物碾碎得到需要的产品。此加工方法的优点是，石磨转速很低，能使豆类中蛋白质免受破坏；缺点是劳动强度大，不便于长时间加工。本文将参照传统石磨的原理作出设计，设计一款不同于市场上现有的半自动电动石磨。石磨主体可分为传动部分和工作部分，上半部分为工作部分，工作部分颠覆传统的单面接触加工，设计为两面接触加工，一个磨齿面粗加工，另一个磨齿面精加工，这样能实现石磨重量轻量化，加工效率提高和加工效果改善等效果；下半部分为传动部分，主要由电机和减速器实现减速并提供高扭矩。

应用solidworks对模型建模，分析、优化并仿真。对关键部分的零件进行有限元分析，验证设计的合理性，在最大程度上保证设计的可行性和合理性。

关键词：石磨 营养 半自动 仿真 有限元分析

I

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Abstract

Before the twentieth Century seventy's, the traditional stone made enormous contributions to the people.With the development of science and technology,Power stone began to appear,Improved productivity At the same time, More automation equipment appeared,For example Soybean Milk machine, in the production of life brings people a convenient. However, from the comparison nutrition high processed agricultural products is far lower than the nutritional components of low-speed grinding stone, and stone processing out products taste better. Therefore, with the improvement of people's living standard, stone processing products will be increasingly favored by consumers.

The traditional stone appearance and the principle is very simple, two oppositely circular stone in the human or animal driven directional rotation, will be caught in the crush the beans, get the product. Advantages of this processing method is, stone speed is very low, can make soy protein from damage; disadvantage is the high labor intensity, not easy to long time processing. This paper will be according to the principle of traditional stone make a design, design a different from the existing market semi automatic electric stone. Stone body can be divided into the transmission part and the part work, part work, part, part to subvert the traditional processing of the single contact, design for the two contact machining, a grinding surface rough machining, another grinding surface finish machining, which can realize the stone lighter weight, machining efficiency and machining effect improvement effect; the lower half part is the transmission part, mainly by the motor and reducer to realize deceleration and provide high torque.

Apply SolidWorks to the modeling, analysis, optimization and simulation. Finite element analysis of key parts, verify the rationality of the design, ensure the feasibility and rationality of the design to the maximum extent.

Key words: Stone Nutrition Semi-automatic Simulation Finite element

analysis

II

电动石磨仿真

目 录

摘要..............................................................................................................................Ⅰ

Abstract.....................................................................................................................Ⅱ

1 绪论............................................................................................................................1 1.1研究背景..............................................................................................................1 1.2制浆机械发展现状..............................................................................................2 1.2.1国外发展现状...............................................................................................2 1.2.2国内发展现状...............................................................................................2 1.3研究内容和技术路线..........................................................................................4

1.3.1研究内容.......................................................................................................4 1.3.2技术路线.......................................................................................................4 1.4小结......................................................................................................................5

2 传统石磨简析............................................................................................................6 2.1石磨的演变和分类..............................................................................................6 2.2传统石磨工作原理介绍......................................................................................7 2.3小结......................................................................................................................9

3 电动石磨设计方案..................................................................................................10 3.1石磨工作部分设计............................................................................................10 3.2石磨传动部分设计............................................................................................11 3.2.1低速电机传动方案.......................................................................................12 3.2.2带传动方案...................................................................................................12 3.2.3减速器传动方案...........................................................................................13

3.2.3.1齿轮减速器传动....................................................................................14

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3.2.3.2蜗杆减速器传动....................................................................................15 3.3小结....................................................................................................................16

4电动石磨零部件设计...............................................................................................17 4.1中磨石造型........................................................................................................17 4.2上下磨石造型....................................................................................................17 4.3工作部分其他主要零部件设计........................................................................18 4.4传动部分零部件设计及计算............................................................................20 4.4.1电机的选择.................................................................................................20

4.4.1.1型号的选择..............................................................................................21 4.4.1.2功率的选择..............................................................................................21 4.4.1.3转速的选择..............................................................................................21 4.4.2蜗杆减速器的选型.........................................................................................22 4.5小结........................................................................................................................24

5 电动石磨仿真......................................................................................................... 25 5.1电动石磨装配........................................................................................................25 5.2装配体材质添加....................................................................................................27 5.3电动石磨转速验证................................................................................................27 5.4传动轴有限元分析................................................................................................29 5.5小结........................................................................................................................30

6 总结与展望..............................................................................................................31

致谢..............................................................................................................................32 参考文献......................................................................................................................33

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1 绪论

1.1 研究背景

21世纪，全球人口继续增长，人们生活素质要求更高。本世纪的重点发展领域，仍然是“吃”的问题，“吃什么”、“怎么吃”，将是新世纪经济、社会与科学纵深发展的一个主题。我国的能源和资源有限，对生物资源的大量消耗并不适合我国国情。食品中最大的消费是主食消费，国际上发达国家食品加工的主体都是主食的加工，主食市场无疑是一个最稳定、最广大的市场。开发主食食品，除了吸收国外食品的精华和技术外，对我国传统食品进行全面系统地调查、整理、发掘和工业改造，是当前的重要课题。

根据中国营养学会制订、卫生部批准的《中国居民膳食指南》，每个标准人每日应摄入40g豆类及豆制品。中国居民素有食用豆制品的优良传统，只要开发出适销对路的大豆食品，城乡居民就乐于接受，也能吃得起。从发达国家实践看，动物性食物达到一定的饱和状态时，素食人数就会增加，而大豆食品是理想的主要素食食品之一。作为一个发展中国家，中国应当选择物美价廉的大豆食品，来改善居民的营养状况。从中国儿童青少年的身高看，总体要矮于日本。据北京医科大学儿童青少年卫生研究所分析报告，中国省会城市的儿童青少年平均身高比日本高，以10~14岁男女为例，分别高0.9cm和1.0cm，而中国较富裕农村分别比日本矮3.6cm和2.2cm，较贫困农村分别矮3.9cm和4.0cm，中小城市男生矮0.9cm，女生持平，这一问题已引起政府和社会的关注。儿童、青少年是大豆食品消费最大的人群，这方面的潜力很大。

豆类只是人们生活中代表性食品原料之一，除大米之外，玉米、小麦等都是人们的主要食品原料。盲目地将上述粮食转化为饲料，片面地追求农产品附加值，从能量转发角度讲，将加重资源的负担，农业甚至会成为耗能的产业，不利于人类可持续发展。随着豆浆机的问世，饮用豆浆变得非常方便，豆浆和牛奶的营养价值难分伯仲，相互补充，如果一天能摄入一定量的豆浆和牛奶对身体有很大的好处。但有实验数据表明石磨豆浆比机打豆浆营养高，口感好。且现在市面上出现的优质高档面粉均为石磨磨制。

综上所述，对传统东西的认识和升华关系着国计民生。提倡人们树立正确的营养观念，不被高档食品和礼仪食品宣传误导，养成不铺张浪费的习惯。鉴于此，

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良好的传统食品的口感是被消费者接纳的充分条件，设计一款电动石磨是一次简单的创新，有一定的现实意义。

1.2 制浆机械发展现状

石磨主要的作用体现在制浆上面，制浆的品质又决定了下游产品的质量，制浆机械显得尤为关键。在发达的工业化国家，制浆机械经过多年的发展已经朝着自动化、智能化的方向发展。另外，制浆机械可分为工用、商用、民用三大类。研究国内外制浆机械的技术应用和发展现状，可以取长补短，不断创新。 1.2.1 国外发展现状

世界上，食用、生产各种大豆及大豆制品的人群主要集中在亚洲，而在生产环节上，因为日本有其强大的工业基础，豆浆制备技术居于世界顶尖水平。并且由于历史上日本与我国在文化上频繁的交流，始创于我国的熟法制浆工艺现在也仅为日本所掌握，使用这种方法不只在生产中减少了滤浆次数，更使生产出的豆浆味道占有优势。在工业生产豆浆领域，日本大豆制浆由大豆浸泡、磨浆、煮浆、过滤四个环节组成，在浸泡时有自动浸泡槽，磨浆环节有大豆定量输送系统和全不锈钢系统，煮浆环节有超级蒸汽煮浆机，滤浆采用螺旋式分离过滤机，每个环节都已经实现了机械化，并且工作时各个环节紧密衔接，生产豆浆的效率和品质都非常高。

在家用豆浆机领域，由韩国生产的惠人原汁机小巧轻便，造型美观，功能强大，产品有多个系列，多种型号。不同于传统榨汁机采用旋刀切削粉碎，其核心工作部件是一个变螺距的螺旋推进器，在工作的时候依靠螺旋推进器和挤压棒的相互作用，是一种慢速挤压而非研磨的方式，低速榨汁，出浆量大，榨出的果汁、豆浆纯度高，不会氧化，不会分层，很少有泡沫，能最大限度地保留加工产品的营养，工作中噪声很低，清洁简便。 1.2.2 国内发展现状

用石磨磨豆浆是我国的原创，沿用至今已有2000多年的历史，发展到今天，出现了多种多样的加工工具，按照其应用范围的不同大体上分为工业、商用、民用三个系列。

工业用豆浆机：在邓小平同志提出了著名的“科学技术是第一生产力”的著

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名论断之后，随着科技的不断发展，尤其是进入80年代以来，工业用豆浆机，主要是能一次大量生产豆浆的设备有了长足的发展，例如钢磨，砂轮磨，从最初的渣浆混合式到后来的渣浆分离式。砂轮磨浆机以其体积小、效率高，节能，浆质好等显著优势，深受豆制品加工用户的普遍欢迎，社会需求量提高，从而带动了磨浆机产品的技术进步，企业生产规模开始向专业化，产业化方向发展。目前，具有代表性的是由河北沧州产的分离型DM一2105、125型分渣机，沈阳产FM一120、175型磨浆机。磨盘直径一般在100一2OOmm，生产率一般在35一300kg/h。 商用豆浆机是最新推出的专制浆设备，具有安全可靠、高效节能、高档次等特点，应用专业的“涡流磨粉碎”技术。商用豆浆机的出现整合了传统磨豆浆、打沫、煮浆、过滤等过程。尤其是商用豆浆的设计是全自动智能煮浆，大大提高了工作效率和制作标准优质的现磨豆浆。商用豆浆机适用于大型酒店，餐饮连锁，宾馆等场所制作特色豆浆产品。

在家用制浆机领域，有小家电形式的豆浆机及石磨两种形式。进入21世纪以来，豆浆机生产企业呈现出遍地开花的局面。九阳豆浆机以其先行者的优势占据了国内豆浆机市场大部分的销售份额，并且参与制定了多项豆浆机国家标准，还将豆浆机的工作对象扩大到五谷杂粮以及水果蔬菜的范围内。美的、格兰仕等家电企业也在国内市场中占有一席之地，另外还有飞利浦，苏泊尔等企业，也想在中国巨大的市场中分得一杯羹。上述公司的产品类型上大都具备轻便、实用、美观等优点。

20世纪70年代，山西省平陆县部官公社(后改为部官乡)机械厂利用当地的花岗岩资源，巧妙地将古老技术和现代化元素结合起来，创造出了用电动机驱动的石磨。石磨部分分为固定和转动两部分，成卧式结构，固定部分是在一块长方形石头的一个长侧面上开出一个与转动部分相吻合的二分之一圆柱槽，转动部分制成圆柱体，中间凿孔穿入传动轴，半圆石槽和转动圆柱相互接触区表面刻有类似古老石磨的花纹，加上相应的遮挡传动部分形成了古新结合的产物，曾风行一时。由电机带动的石磨解放了人力，并且用石磨加工出的产品特有一种香气和很好的口感，这是由金属加工出的产品所不具备的。现在山东章丘、邹平等很多地方将这种电动石磨的加工方式作为一种产业，开发出面粉石磨、豆浆石磨、香油石磨等多种形式的石磨，应用到现代生活的多个领域。

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1.3 研究内容和技术路线

论文的目标是设计一款电动石磨，能加工多种粮食，靠电机提供动力，具有

运输、安装、拆卸方便，易操作，易维护，易清洁，加工效果理想等多种优点。中间石磨的径向尺寸确定为300mm，加工效率达到3kg/h以上。 1.3.1研究内容

1.三层石磨结构确定。传统石磨为双层石磨结构，将双层石磨结构设计为三层石磨结构可以实现粗精加工分开，且不同粮食颗粒大小不同，三层石磨可以调整间隙。

2.加工部分尺寸确定。通过首先确定中间石磨的尺寸，再以此为基础确定加工部分包括的零件的尺寸，满足装配合理的要求。

3.加工部分零件设计。加工部分包括的零件主要有石磨，磨盘，承重板，支撑板等零件。石磨材质选择，选择适合用来加工粮食的石材，耐磨，对身体无害。石磨和磨盘均有磨纹，从力学角度设计合理的磨纹，保证效率和质量。

4.传动部分零件设计及选用。传动部分主要有电机和减速器联轴器等零件，需要根据工作转矩及已知尺寸空间合理布置传动方式，选用减速器，计算选择电机功率、转速等。

5.整机结构优化。利用三维软件验证设计是否存在干涉，仿真分析结构是否合理，零部件强度是否达到要求。 1.3.2 技术路线

图1 技术路线图

拟定技术路线，对开展后续工作有重要的意义，整个设计过程围绕图1所示路线进行。

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1.4 小结

本章介绍了选题的背景，分析了设计电动石磨的可行性。对国内外制浆机械的发展现状作了简单介绍，提及了传统石磨和电动石磨。初步确定并划分了研究内容，理清了设计思路。

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2 传统石磨简析

石磨作为一种历经千年的粮食加工工具，在部分地区仍能看到它的身影，在生产生活中发挥着重要的作用。设计电动石磨之前首先需要对传统石磨作深入分析，借鉴其加工原理，保留它独特的加工效果。

2.1 石磨的演变和分类

人们在使用工具解决生产生活问题的时候都是不断改进的，在传统石磨诞生之前还有多种其他的制作工具。粮食加工是指通过处理将原粮转化为半成品粮、成品粮，或者将半成品粮转化为成品粮的过程，可以分为干法、湿法两种。干法所制成品粮食如白米、面粉、玉米粉等，湿法所制成品多为浆类，油类。

石磨大概出现在我国春秋战国时期，当时出现了一种叫做“硙”的工具，流传有“公输班作硙”的说法，硙是磨的雏形，到汉代改称为磨。我国出土的秦朝栎阳石磨是现今保存最好的古代石磨。石磨是在一个相对闭合的空间内对粮食作物进行加工，改变了以往石盘、石碾等开放式加工的模式。利用石磨可以很方便的完成对谷物、小麦和高粱等粮食的去壳、去皮以及粉碎等操作。经过多年的演变，石磨出现了不同的形式，主要有图2.1.1，图2.1.2，图2.1.3所示的几种形式。图2.1.1所示石磨一人即可操作，操作者右手转动石磨，左手加料，这种石磨小巧，较费力，因而尺寸不宜过大。图2.2.2所示石磨需要一组共同作用的力偶，由两人各执磨棍一端，向相同方向转动，这种石磨尺寸可以略大。图2.2.3

图2.1.1 单人操作石磨 图2.1.2 二人操作石磨

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所示石磨从省力的角度考虑，工作方式类似一个曲柄摇杆机构，以人的手臂为原

图2.1.3 曲柄式石磨

动件，代替四杆机构中的摇杆，最后实现石磨的整圈运动，把以往手臂的整圈 运动变为类似摇杆的往复运动，缩短了手臂的工作行程。同时，可以利用其中的杠杆作用，在操作的过程中即使使用很小的力也能驱动笨重的石磨，石磨尺寸也可大可小，这样使得石磨的应用得到了推广。这种石磨在古时夫妻协作操作上体现了其优势，丈夫驱动石磨转动，妻子下料，这种形式的石磨及其操作方法在我国很多地区至今仍有保留。

2.2传统石磨工作原理介绍

食品的粉碎方式很多，不同的粉碎方式得到的物料粒度不同。粗破碎——物料被破碎到200～100mm;中破碎——物料被破碎到70～20mm；细破碎——物料被破碎到10～5mm；粗粉碎——将物料粉碎到5～0.7mm；细粉碎——将物料90%以上粉碎到能通过200目标准筛网；微粉碎——将物料90%以上粉碎到能通过325目标准筛网；超微粉碎——将全部物料粉碎到微米级的粒度。石磨湿法加工的豆浆要求达到细粉碎级别。

粉碎的方式主要归纳为图2.2.1所示几种。传统石磨的粉碎原理主要体现在

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（1）（3）（6）的综合作用下；剪切一般用在粉碎韧性物料，水果或肉类切片都

（1） （2） （3） （4） （5） （6）

（1）挤压 （2）折断 （3）剪切 （4）劈裂 （5）撞击 （6）研磨

图2.2.1 物料粉碎方式示意图

属于这一类，新形成的表面比较规则易于控制粒度的大小，研磨使物料与粗糙工作面之间在一定压力下相对运动而摩擦，使物料破坏，这是一种既有挤压又有剪切的复杂过程。

石磨加工面是非常讲究的，两块磨石相对的表面有磨纹，磨纹在历史上有过几次大的改变，迄今为止，保存最多的是八区斜线型磨纹，如图2.2.2所示为一 下磨石的上表面。从图中可以看到表面分8个区，磨纹相对中心圆周呈逆时针离散状散开。

图2.2.2 八区斜线型石磨

从图中透露出先人卓越的智慧，运用当今的理论知识可以对其进行数学分析，将图2.2.2简化为图2.2.3的形式。图中所示小圆形物体为大豆，箭头逆时针旋转方向为石磨旋转方向。大豆会受到上下石磨对其的摩擦力F，F有两个作用，一是通过剪切将大豆磨碎，二是沿磨纹方向的分力使磨碎的大豆颗粒沿着纹路的方向排出。石磨旋转的切线方向为石磨的线速度V，V在时刻发生改变，大

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图2.2.3 磨纹数学分析

豆的位置也在不断变化，磨纹与大豆所处磨纹对应出去的V的夹角为θ，

F推?F?cos?。当θ＝0时，F推＝F，此时磨纹延伸的方向与对应的V的方向

垂直，磨碎的大豆能顺利排出磨盘。假设石磨初始位置上下磨盘相互咬合，石磨转动时，磨纹就相互交错，交错状态下，磨的施力形式主要是剪切；当上磨盘转动1800后，磨纹又处于相互咬合的状态，咬合状态下，磨的施力形式主要是碾压。在交错及咬合的过程中，通过剪切、挤压、研磨的作用，即可将加工粮食。

从图2.1.1中可以看到，上磨盘凿有一个孔，该孔实际上为通孔，即下料孔，操作者在转动磨盘一周后稍作停顿，将粮食添加进去，如此反复进行。这就存在一个问题，一次下料有限，且下料易堵。在过去一直是没有解决的问题，现在在部分电动石磨上可以看到通过在下料口添加一个漏斗，在一定程度上有所改善。

在温度超过50℃后，蛋白质就会变性，传统石磨的低速运转，可以有效的将粮食中的营养物质分离出来，这也是其加工产品口感独特的重要原因。

2.3 小结

本章简要地从石磨的历史，外形，工作原理作了介绍，论述了其优缺点。传统石磨有做工精致、加工效果理想等优点，有下料不畅，石磨只能靠人力或畜力，生产效率低等缺点。对传统石磨的分析，是设计电动石磨的重要依据和参考。

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3 电动石磨设计方案

随着科技的进步，各种物美价廉的商品遍布市场，给人们的生产生活提供了方便。诸如豆浆机，榨汁机之类的商品走进了很大一部分家庭。都市生活的快节奏，似乎显得笨重的电动石磨已无用武之地。但是，近年来随着人们生活水平的提高，人们更关注口感及健康，石磨制品有了增多的苗头，石磨销量的增加将是必然。要使电动石磨大规模走进家庭，仍不太现实，若将石磨尺寸大幅减小，会很大程度上影响加工产品的品质。本次电动石磨设计主要针对商家、食堂等满足人口多的使用。

3.1 石磨工作部分设计

电动石磨可以分为上下两个部分，上部分为工作部分，下部分为动力传动部分。由第2章可知，传统石磨由上下两块磨石组成，结构的限制，使得在下料的过程中易出现下料不畅的情况，而且石磨间隙不能调整，对于不同颗粒大小的粮食都是一样加工，因而有时候会需要二次研磨方能达到理想效果。本次设计提出一种三层石磨结构，如图3.1.1所示。

1-底座； 2-调节螺钉； 3-上支架； 4-承重板； 5-连接板； 6-上磨石； 7-上磨石轴 8-花键； 9-中磨石； 10-下磨石； 11-轴承； 12-轴承轴； 13-下支架； 14-传动轴

图3.1 三层石磨结构图

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图3.1中6,9,10分别为上磨石，中磨石，下磨石，三块石头直接承担着加工粮食的任务。上磨石设计为锥形，其上部为球形的一部分，设计为球形可以方便下料，添加的粮食在微小的振动下即可自行下落，中间钻有一“T”形孔，该孔与对应的“T”形轴配合，限制上磨石的自由度；中磨石设计有与上磨石对应的锥形面，两个锥形接触面称为“第一加工面”；下磨石有与中磨石同等大小的圆形面，传统石磨的两个面为直接接触，此处两个面有微量间隙，该间隙即为针对不同粮食设计的间隙，此处的两圆形接触面称为“第二加工面”。“第一加工面”和“第二加工面”的作用分别是“粗磨”和“精磨”，粗加工面为楔形，上大下小逐渐过渡，这主要是因为粮食在加工过程中颗粒大小是一个渐变的过程。锥形面的设计，可以在同等质量的石磨下增加有效加工面积，保证加工效果。圆形面的设计，保留传统石磨的磨纹原理，在加工和排料上都有很大的优势。

图3.1中2,4,11,12分别为调节螺钉，承重板，轴承，轴承轴，这是为了调整精加工时候的间隙。承重板为两块半圆形板，与石磨卡紧，在动力作用下在轴承上做圆周运动；旋动调节螺钉，中磨石可以上下移动。粗加工时间隙的调整依靠5和7,5为连接板，7为“T”形轴，轴的小端有螺纹，与连接板的螺纹配合可以调节粗加工间隙。

图3.1中的3,13分别为上支架，下支架，为了拆卸方便，二者中间有螺纹孔，通过螺栓将其连接在一起。

三层石磨的结构设计可以解决传统石磨下料不畅和磨制不均的问题。石磨工作的动力要靠电力传动，图3.1中的14为传动轴，此轴与传动部分连接即可为石磨传递动力。

3.2 石磨传动部分设计

石磨的动力来源已知，为电力。但是，把原动机直接和工作机连接起来的情况是很少的。往往需在二者之间加入传递动力或改变运动状态的装置。石磨在低速状态下工作，一般速度为40-60r/min，速度低于40r/min，加工效率太低，速度高于60r/min，过高的转速对产品的品质影响非常大。而大部分电机，转速都达到几百转/分以上，因此需要减速。而且，石磨质量较大，需要提供较大的转矩才能让其转动，减速的同时可以增大转矩。机械传动按照传力方式分为摩擦传

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动和啮合传动，摩擦传动又分为摩擦轮传动和带传动，啮合传动分为齿轮、蜗杆及螺旋传动和同步带传动链传动。带传动和链传动在日常生活中最为常见，减速器传动在工业生产中很常见，下面就基于这些传动方式讨论设计方案。

3.2.1 低速电机传动方案

现在有一种齿轮减速电机，具有体积小，噪声低，免维护，外形美观等特点， 转速范围从几转/分到几千转/分，该系列电机是在电机内部同时将电磁驱动与减

速机构融为一体的高科技产品，转速低，扭矩大，无需再增加减速装置。将低速电机运用到石磨传动系统中的传动方案如图3.2.1所示。电机通过联轴器和传动轴连接，结构简单。此类传动方案在实际应用中并不多见，尤其是在类石磨这种需要高扭矩的场合，这种通过调整原动机的速度来达到这一 目的方案显得并不经济。所以不采用这种方

1-传动轴； 2-联轴器 案。

3-底座； 4-低速电机 图3.2.1 低速电机传动方案

3.2.2 带传动方案

带传动具有结构简单、传动平稳、能缓冲吸振、可以在大的轴间距和多轴间传递动力，且其造价低廉、不需润滑、维护容易等特点，在近代机械传动中应用十分广泛。摩擦型带传动能过载打滑、运转噪声低。若将带传动运用到石磨传动中，其布置可以有两种方式，如图3.2.2.1所示，8和2平行放置，电机为卧式安装，1和7竖直放置，这样安装的时候，电机传递给带轮的运动为竖直方向转动，而传动轴需要水平方向转动，因此在2和3上分别安装两个锥齿轮来达到换向的效果，锥齿轮多用来传递两相交轴之间的运动和动力，在一般机械中，锥齿轮两轴之间的夹角为90°。采用这种方案布置带轮，可以缩小机构占用体积，尽管如此，由于减速比很大，故大带轮的直径很大，且平带传动传动比多为3

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左右，因此该方案可行性不高。如图3.2.2.2所示为带传动的另一种方案，该方

1-大带轮； 2-带轮轴； 3-传动轴

4-锥齿轮； 5-底座； 6-皮带 1-小带轮； 2皮带； 3-底座 7-小带轮； 8-电机 4-大带轮； 5-传动轴； 6-电机 图3.2.2.1 带传动方案（一） 图3.2.2.2 带传动方案（二）

案直接将6和5平行安装，电机为立式安装，电机的运动传递到带轮上后就是水平转动，无需安装类似锥齿轮的换向机构，但是这种安装方式会导致机构安装占用体积过大，同样传动比的限制，该方案也不理想。

与带传动相似的还有链传动，链传动工作时噪声很大，且也多用于两轴相距较远的场合，因此综合考虑，也不采用链传动的方案。

3.2.3 减速器传动方案

减速机一般用于低转速大扭矩的传动设备，把电动机、内燃机或其它高速运转的动力通过减速机的输入轴上的齿数少的齿轮啮合输出轴上的大齿轮来达到减速的目的，普通的减速机也会有几对相同原理齿轮达到理想的减速效果，大小齿轮的齿数之比，就是传动比。减速器的种类很多，按照传动形式不同可分为齿轮减速器，蜗杆减速器和行星减速器。减速器已有标准系列产品，使用时只需结合所需传动功率、转速、传动比、工作条件和机器的总体布置等具体要求，从产

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品目录或有关手册中选择即可。行星减速器，尺寸小，重量轻，但制造精度要求较高，结构较复杂，在要求结构紧凑的动力传动中应用广泛。行星减速器的造价较高，因此本次就齿轮减速器和蜗杆减速器传动方案进行讨论。

3.2.3.1 齿轮减速器传动

齿轮减速器的特点是效率及可靠性高，工作寿命长，维护简便，因而应用范围很广。齿轮减速器按其减速齿轮的级数可分为单级、二级、三级和多级的；按其轴在空间的布置可分为立式和卧式。假设选用1500r/min的电机，石磨转速设定为50r/min，传动比则为30,单级圆柱齿轮减速器传动比i≤8～10，因此若选用齿轮减速器至少要选用二级圆柱齿轮减速器，减速比i＝8～60，能满足要求。传动方案示意图如图3.2.3.1所示。图中减速器为卧式安装，市面上大多数减速器都为卧式安装，图中参照图3.2.2.1添加了锥齿轮用作换向，6为电机，电机通过联轴器与减速器输入轴联接传递动力，输出轴与锥齿轮相连，这样实现了将水平方向的转动转化为竖直方向的转动。该方案理论上可行。

1-底座； 2-传动轴； 3-锥齿轮； 4-减速器； 5-联轴器； 6-电机

图3.2.3.1 圆柱齿轮减速器传动方案

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若考虑减速器立式安装，图3.2.3.1的传动方案可以简化为圆锥齿轮减速传动，即可省去减速器外部安装锥齿轮。同样圆锥齿轮减速器也有级数之类，采用二级圆柱圆锥齿轮减速器的话，可以保证传动比，将圆锥齿轮安排在高速级，以使圆锥齿轮尺寸不致太大，否则加工困难。此方案与圆柱齿轮减速器传动方案大同小异。

3.2.3.2 蜗杆减速器传动

蜗杆减速器的特点是在外廓尺寸不大的情况下，可以获得大的传动比，工

作平稳，噪声较小，但效率较低。应用最广的是单级蜗杆减速器。将蜗杆减速器用到石磨传动中方案如图3.2.3.2所示，图中左侧为蜗杆减速器的前视图示意图，

1-传动轴； 2-底座； 3-联轴器； 4-蜗杆减速器； 5-联轴器； 6-电机

图3.2.3.2 蜗杆减速器传动方案

蜗杆减速器卧式安装，蜗杆下置，输入轴与电机通过联轴器相连，输出轴与传动轴通过联轴器连接。蜗杆减速器本身传动比范围很大，单机蜗杆减速器i＝10～80，能满足电动石磨所需的传动比；且其结构紧凑，安装占用体积不大，而且不需要用额外的换向机构，采用蜗杆减速器传动不失为一种好的传动方案。

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3.3 小结

本章主要是确定电动石磨设计方案，将石磨分为工作部分设计和传动部分设计，工作部分设计成三层石磨结构，传动部分经过多种方案对比讨论，最后确定为蜗杆减速器传动。

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况下，电动机转速越低体积越大，价格也越高，且功率因数与效率较低；高转速电动机也有它的缺点，它的启动转矩较小而启动电流大，拖动低转速机械时传动不方便，同时转速高的电动机轴承易磨损。所以在农业生产上一般选用1500r/min的电动机，它的转速也比较高，但它适应性较强，功率因数也比较高。

因此，将电动石磨的电机确定为1500r/min。从表4-1中选取型号为YU8024的电机。

4.4.2 蜗杆减速器的选型

石磨传动，最关键的是扭矩的作用，因此，需要先计算出中石磨在转动过程中的扭矩。转动惯量描述的是一个物体对于旋转运动惯性的量度，其量值取决于物体的形状、质量分布及转轴的位置。中磨石是一个圆柱体在其中切除一个锥形之后得到的物体。转动惯量的公式为：

J＝?miri ?

2式中mi表示刚体某质点的质量，ri表示该质点到转轴的垂直距离，数学模型如图4.4.2所示。

图4.4.1 中磨石数学模型

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中磨石的材质暂未确定，为了便于查阅及计算，此处定义材质为二氧化硅，其密度?＝2648kg/m3，根据图4.4.1中的尺寸可以计算出磨石的体积

V＝8?10?3m3，易知石磨质量m＝22.49kg，因此可计算出J＝0.215kg?m2。

由公式M?J?,?为角加速度，可以求得转矩M。

在3.2中提到了石磨的转速范围在40-60r/min，因此将石磨额定转速定为50r/min，石磨从启动到达到额定转速50r/min约需0.1s的时间，因此

50r/min?2?60 ??0.1 ?16.6?/s2

M?J??0.215?16.6?3.14N?m＝11.21N?m ?

上面计算得到的M是在中磨石空转的理想状态下的转矩，中磨石在工作的过程中会受到上磨石中间的粮食带来的摩擦阻力，在此估算其所需转矩为

M1=4N?m。

此外，中磨石与下磨石在运动的过程中会产生滑动摩擦力，由滑动摩擦力的公式Ff??N，N?mg，u与磨纹表面状态有关，在此取u为0.5，带入数据得Ff为112.45N。

M2?Ff?r，r近似取180/2mm＝90mm，因此M2?112.45?0.09?10.12N?m。

因此中磨石工作时所需最小转矩

Mmin?M?M1?M2?25.33N?m ?

Mmin可以称为名义转矩，蜗杆减速器载荷较平稳，扭矩变化小，取工作情

况系数k=1.3，涡轮轴计算转矩：

T?kMmin?1.3?25.33?32.93N?m ④

可以根据T和传动比选择减速器。电机转速为1500r/min，中磨石工作转速为50r/min，传动比i＝30。

表4-2为图3.2.3.2所示蜗杆减速器的参数表，已知T?32.93N?m，i=30，

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所以选择型号为50的蜗杆减速器，同时可以看到入力轴功率为0.34kw。电机的功率可以以此为依据进行选择。

表4-2入力轴功率及出力轴力矩表

为了便于仿真，保留涡轮蜗杆的传动关系，参考市面上的WPO50的主要尺寸和参数将减速器造型如下：

图4.4.2 WPO50减速器造型

4.5 小结

本章对电动石磨各主要零部件进行了三维造型，基本上确定了各零部件的外形结构，通过计算及查表选择了电机和减速器，为后面的石磨仿真部分打下了基础。

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第五章 电动石磨仿真

本章将用solidworks三维软件对石磨的零部件进行装配并仿真，装配的时候假想各零部件为实物，按照实际装配的先后顺序和位置限制进行装配。装配中主要用到的有同心，重合，齿轮配合，锁定等配合关系。

5.1 电动石磨装配

装配后，整个电动石磨外形展现出来，从三个不同视角看到石磨如图5.1.1；图5.1.2；图5.1.3所示。结合第3章的方案分析，从图中可以直观地地了解电动石磨的工作情况，外形特点。装配体中大量调用了软件中自带的标准件，比如，螺栓，垫圈，轴承，键等。标准件的选用在仿真时可以节省工作时间，在实际生产中可以节省生产成本。

图5.1.1 电动石磨前视图

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图5.1.2 电动石磨左视图

图5.1.3 电动石磨俯视图

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5.2 装配体材质添加

石磨与粮食直接接触，由于其笨重和分布广泛的特性，一般就地取材可以节省物流成本。石磨的材料一般选择没有隐形裂纹的优质石材，加工石磨的原石有砂岩，花岗石，青石等等。砂石是一种亚光性石材，广泛用于建筑，建材等领，砂石自身不会产生因光反射而引起的污染，并且砂岩是零放射性石材，对人体无伤害，质地坚硬，耐磨损，是制作石磨的理想材料。

在整个装配体中，石磨和密封件为非金属，其余均为金属材料。零件材质的选择在仿真中也起着非常重要的作用，不同材质的物理特性不同，仿真得到的强度和变形也不同。由于非金属材料没有金属特性，在solidworks软件中不能对石材等非金属进行模拟计算，为了对其他零部件进行分析，将石磨的材质简化添加为灰铸铁。在本设计中，密封件对强度等方面的影响甚小，因此将密封件压缩。

传动轴和上磨石轴在加工过程中会与粮食长时间直接接触，因此这两部分的材质选用食品级不锈钢，轴承等需要润滑的地方选用食品级润滑油，避免产生污染。

对于主要受压应力的部件来说，铸铁的抗压能力很好，且价格较低，因此石磨支撑件均选用灰铸铁，比如支撑架，承重板，对其表面进行防锈处理。

标准件的材质通过查阅资料，选择合适的材料。其强度方面的校核参照其他类似产品的选取方式，保证应有的强度。

5.3 电动石磨转速验证

在仿真之前需要检测各零部件之间是否有干涉，如果有干涉需要对零部件的干涉进行 分析，保证其不影响正常的仿真，若没有干涉则可以进行下一步。从图5.3.1中可以看到经过多次修改后的石磨装配体已经没有干涉。

图5.3.1 干涉检查

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下面验证石磨从原动件电机处开始到工作部件中磨石的转速传动关系，首先在电机轴处添加一正向旋转马达，模拟电机工作，马达转速根据第4章的电机选型确定为1400r/min，马达添加过程如图5.3.2所示。

图5.3.2 添加正向马达

通过Motion分析，查看中磨石外表面的角速度，其速度图线如图5.3.3所示，从图中可以看到石磨角速度为290°/s，转化一下为48.33r/min。

传动比i?1400?28.97 ① 48.33由此可以看出石磨传动比趋于最初设计的30，且石磨转速也趋于最初设计的50r/min，转速在50左右的微小波动对粮食加工无任何影响。传动比的微小偏差一方面是因为之前设计的蜗杆减速器蜗杆涡轮传动比设计为29:1，另一方面由

①式和前面的速度转化导致。

图5.3.3 中磨石正向角速度

在中磨石实际工作中，由于其磨纹的分部，需要其逆时针转动，因而将电机

马达添加反向，添加过程如图5.3.3所示。

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图5.3.3 添加反向马达

与上文分析相似，添加反向马达之后中磨石的转速速度路线图如图5.3.4所示。

图5.3.4 中磨石反向角速度

从图5.3.4可以看到，中磨石角速度大小不变，仍为290r/min，方向反向了，与预期相符。在后面的仿真中将保持添加反向马达的形式。

5.4 传动轴有限元分析

有限元分析是用较简单的问题代替复杂的问题后再求解。它将求解域看成是由许多成为有限元的小的互连子域组成，对每一个单元假定一个合适的近似解，然后推导求解这个域总的满足条件，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解。由于对于结构复杂的零部件，用传统的微积分计算，不仅计算强度大，而且结果也不易让人信服。

Solidworks软件有一个自带的Simulation插件，专门用于有限元分析。在设计中，对石磨的转矩进行了大致推算，传动轴承担着驱动它转动的任务，且为自行设计的结构，为进行强度计算，因此对其进行有限元分析是很有必要的。

在有限元分析时，为了减小软件的运行压力，对本次电动石磨分析时，由于

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其为匀速运动，可以任意选择一个运动过程中的时间点，选择为2s时刻，将有限元计算好后的传动轴孤立出来，其应力图解，变形图解，安全系数图解分别如图5.4.1；图5.4.2所示。

图5.4.1 传动轴应力图 图5.4.2 传动轴应变图

从图5.4.1可以看到，传动轴应力集中的区域主要是在花键的部位，最大应力值为20N?m,与第4章的转矩计算选择减速器的值Mmin?25.33N?m，有一定悬殊，这主要是由于之前对中磨石头与上磨石之前的摩擦力进行的保守估算，估算结果有一定偏大，但材料、结构性能满足实际需要，由此展开的设计可以接受。

从图5.4.2可以看到传动轴自上而下的变形呈递减趋势，最初传动轴轴径的设计也刚好与这一变形趋势吻合，轴最上面变形最大，对应的轴径最大。该图可以很好地验证传动轴以阶梯轴设计的合理性。

5.5 小结

本章主要是对前面几章设计的方案、实物进行归纳，装配在一起，然后通过仿真验证传动过程中的减速比和有限元分析传动轴的强度。仿真的结果达到了预期的效果，电动石磨设计完成。

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6总结与展望

本次电动石磨仿真的题目灵感来自于此前自己的一次课程作业，利用solidworks进行的传统石磨仿真，勾起了儿时的记忆。石磨的转动与停止记录了历史的发展，科技的进步。眼下严峻的食品安全形势，不禁让人怀念和向往当初的传统生产生活方式，绿色，安全，环保。但历史的车轮总是不断向前转动的，电动石磨的仿真结合了传统文化与现代科技，向大家展示了一种人们已不太熟悉的粮食加工方式。论文主要进行了以下几方面的讨论：

（1）介绍了大豆等农作物的营养价值，呼吁人们树立正确的营养观念。 （2）对传统石磨进行了分析，细致地分析了其加工原理，取长补短，保留传统石磨不可取代的加工优势，并进行改进，创新设计了一种三层石磨加工结构。

（3）提出了可调节石磨间隙的控制方式，设计了电动石磨的传动方案。 （4）对石磨整体结构不断优化，改进，使石磨看上去外形美观。对设计的结构进行了仿真验证。

本次设计主要是机械式传动，其外形仍然显得较笨重，且为半自动石磨，在加工过程中仍需人工下料，对于电动石磨的普及有很大难度。构思之中的还有一种更为小巧的石磨方案，石磨仍然采用电力驱动，集加工，分离，烹饪于一体；采用全自动控制，利用液压传动，PLC控制；以一种娱乐休闲式的状态展现给消费者，让石磨以电子化操作方式呈现，便于人们接受。

由于时间和能力的限制，该方案未能得以展现。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/i0sx.html