滚筒式清洗机设计说明书

目 录

摘 要 ......................................................................... 1 关键字 ........................................................................ 1 引言. ......................................................................... 1

1 清洗机的概况及现状分析......................................................2

1.1概况...................................................................2 1.2现状分析...............................................................2 2 清洗机的结构及工作原理......................................................3

2.1结构...................................................................3 2.2工作原理...............................................................4 3 设计方案的确定 ............................................................. 4

3.1 原始资料、数据 ........................................................ 4 3.2任务...................................................................4 3.3 设计方案选择 .......................................................... 4 4 运动和动力参数的设计计算 ................................................... 6

4.1 物料在倾斜滚筒面上的运动及其运动轨迹 .................................. 6 4.2滚筒材料及驱动方式的选择...............................................9 4.3功率的计算及电动机的选择 .............................................. 10

4.3.1功率的计算 ...................................................... 10 4.3.2 电动机的选择 .................................................... 12 4.4 传动比及动力参数的计算 ............................................... 13

4.4.1 传动比的分配 .................................................... 13 4.4.2 传动装置的运动和动力参数的计算 .................................. 13

5 零部件的设计和标准件的选用 ................................................. 13

5.1 轴的设计计算 ......................................................... 14

5.1.1 初算轴的直径 .................................................... 14 5.1.2 初选轴的形式 .................................................... 14 5.1.3轴的结构的设计 .................................................. 14 5.1.4 轴的强度校核 .................................................... 15 5.1.5择轴和联轴器的键 ................................................ 17 5.2 滚筒结构的设计 ....................................................... 19 5.3 联轴器的计算及选择 ................................................... 20

5.3.1 联轴器的选用 .................................................... 20 5.3.2轴器的型号和主要尺寸 ............................................ 20 5.4 滚动轴承及轴承座的选择 ............................................... 21

5.4.1 类型选择 ........................................................ 21 5.4.2型号选择 ........................................................ 21 5.4.3 轴承的结构和定位方法 ............................................ 23 5.4.4滚动轴承润滑和密封 .............................................. 23 5.4.5滚动轴承座的选择及其配置 ........................................ 23 5.5 减速器的选择 ......................................................... 24 6 电气控制 ................................................................... 24 致谢.........................................................................26 参考文献 ..................................................................... 26

滚筒式清洗机设计

06机电技术教育（3）班：袁计划

指导老师：李立和

摘要 :本设计基于清洗机械的研究现状和发展状况，根据清洗机的类型、结构和工作原理，结合相关设计手册,通过对清洗机工艺参数及动力学参数的选择计算，电动机的选择，联轴器的选择，并专门设计了淤泥清理口，对方便清除水池里来自马铃薯身上的淤泥起到很大作用，以完成完善清洗机的总体设计。此外,还结合了电控知识设计出滚筒清洗机的电控原理图。 关键词 :滚筒式清洗机 滚筒 清洗机 减速器 电动机

引言

为适应我国农产品快速发展需要，农产品清洗设备在我国逐步发展起来.许多农作物由于生长过程中必然会带有泥土和农药，所以清洗农作物的大量劳动是影响我国农作物一个重要问题，如果采用大量人力的话必然导致劳动力资源的浪费，所以生产一种农作物清洗机械对提高生产力具有重要影响。

马铃薯是非谷类作物中重要的粮食作物之一。目前对马铃薯进行加工主要目的是加工淀粉。马铃薯淀粉，具有糊粘度高、弹性好、蛋白质含量较低、无刺激、颜色较白、不易凝胶和不易退化等特性，被广泛应用于食品、医药、纺织、造纸、饲料、铸造等众多工业领域。马铃薯淀粉加工业在我国具有广阔的前景。马铃薯淀粉的生产工艺流程如下：马铃薯一清洗一锉磨一浆渣分离一消泡一除砂一淀粉乳浆第一级洗涤提纯一淀粉乳浆第二级洗涤精制提纯一真空脱水一气流烘干一成品检验一称量包装。目前我国已经和正在引进的马铃薯淀粉加工成套设备有多条。我国的马铃薯资源极其丰富,世界各国栽培的很大一部分都起源于我国,因此我国是马铃薯生产的巨大基地,也是马铃薯贮藏保鲜技术开展的较早的国家之一。马铃薯是人民生活中不可缺少的副食品,也是重要的保健食品。 马铃薯中含有丰富的维生素,矿物质等，并且马铃薯还可以预防如多种疾病，而且随着人民生活水平的提高,人民对粮食食品所需量大大减少,而对水果蔬菜等副食品的所需量反而大大增加。于是近几年马铃薯种植业迅速发展,竞争也就相对加大了.现在我国已经加入了世界贸易组织,这对我国的马铃薯产业又是一大挑战，但激烈的竞争也给马铃薯产业注入了新的活力,现在市面上的果蔬产品,不论是品种的数量还是质量都有了很大提高。马铃薯是地下块茎，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，马铃薯表皮很薄，很容易受外力作用而破损，另外马铃薯对温度很敏感，温度过高过低都会影响日后淀粉的质量。基于以上原因，对马铃薯清洗的要求是很高的，清洗效果直接影响马铃薯淀粉的质量，如淀粉的白度和杂质的含量。清洗阶段是马铃薯预处理阶段的一部分，一般步骤如下：从地里新收获的马铃薯先通过干筛筛分，除去杂质及少量尺寸达不到要求的马铃薯，存放于日常存放地。马铃薯通过一定斜度的清洗沟槽流送，在清洗沟槽中马铃薯被水浸泡附着在表面的相当一部分大块泥土脱落，之后马铃薯被送人清洗机内，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

1

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，马铃薯的破损率较大。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，使马铃薯的破损率降低等。

1清洗机的概况及现状分析

1.1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。

清洗机的发展与清洗机电源的发展息息相关，而开关型电源发展又与电力电子开关器件的发展紧密相连。发展可以分为三个大的阶段；第一个阶段是采用电子管放大器；第二个阶段是采用晶体管模拟放大器；第三个阶段是采用晶体管数字(开关)放大器。

今后，清洗技术的发展将更加迅速普及，大批的大专院校、科研院所、专业公司的科技人员将加入清洗技术研究开发队伍，一些现在存在的行业技术问题得到解决，行业总体技术水平大幅度提高。新技术、新产品大量涌现，各种新颖的清洗设备进入市场和人们的日常生活。人们将不再只是依靠经验来清洗．各种实用化的计算机软件将问世；行业分工更加专业、细致，行业标准和技术规范得到推广普及，行业管理规范有序，清洗行业的前景无限美好。 1.2现状分析

按照清洗精度的要求不同，主要分为一般工业清洗，精密工业清洗和超精密工业清洗三大类。一般工业清洗包括车辆，轮船、飞机表面的清洗，一般只能去掉比较粗大的污垢；精密工业清洗包括各种产品加工生产过程中的清洗，各种材料及设备表面的清洗等，以能够去除微小的污垢粒子为特点；超精密清洗包括精密工业生产过程中对机械零件、电子元件，光学部件等的超精密清洗，以清除极微小污垢颗粒为目的。近年来，干式清洗发展迅速．如激光清洗、紫外线清洗、等离子清洗、干冰清洗、真空清洗等。在高,精，尖工业技术领域得到快速发展．尤其是碳氢真空清洗技术的引入已在形成现在精密五金零件的主要清洗趋势，是目前替代ODS最好工艺路线。中国清洗行业的现状我国到处都在建设新的工厂和生产线．正在逐步成为“世界加工厂”，巨大的市场需求，为工业清洗设备制造商和专业清洗剂

2

生产供应商提供了快速发展的良机。目前，各种清洗设备生产制造经营企业已达1000多家，其中，超声波清洗机生产企业已从20世纪90年代初的几家发展到现在的200多家，从而形成了一个巨大的产业．清洗行业概念的首次出现，是在1992年由原国家环保局{现国家环保总局}组织北京大学等单位编制，并得到国务院批准的<中国消耗臭氧层物质逐步淘汰国家方案>中，按照国务院的分工，清洗行业由原电子工业部(现信息产业部)负责。从1992年开始，一些从事清洗设备，清洗剂，清洗技术生产应用和研究的企事业单位和个人，开始发起筹备成立一个全国性的清洗行业组织。1994年5月1 7日，中国洗净工程技术合作协会正式得到国家批准，并在民政部登记注册。

2 清洗机的结构及工作原理

2.1结构

设计的马铃薯清洗机主要由滚筒、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）,通常称为滚筒式马铃薯清洗机或鼠笼式马铃薯清洗机。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,清洗滚筒由很多根直径8mm的圆钢绕滚筒直径方向焊接而成，滚筒式马铃薯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

3

2.2工作原理

滚筒式马铃薯清洗机的工作原理是马铃薯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马铃薯清洗机进料口,马铃薯经进料斗进入到旋转的滚筒内，滚筒在水池中旋转，利用马铃薯自身的重力的分力作为推进力，实现马铃薯的自动推进。马铃薯沿滚筒壁向前运动，在运动过程中马铃薯不断被水刷洗，马铃薯之间的摩擦、翻转间的刷洗，马铃薯与滚筒壁之间的磨擦，在共同作用下完成马铃薯表面的清洗过程。

3 设计方案的确定

3.1 原始资料、数据

⑴ 容重1.2吨/米3； ⑵ 工作方式:连续； ⑶ 物料名称:马铃薯； ⑷ 生产率2t/h。 3.2任务

（1）完成滚筒清洗机总体设计； （2）编写设计说明书； （3）绘制滚筒清洗机装配图； （4）绘制滚筒清洗机传动轴图纸； （5）绘制滚筒清洗机联轴器图纸； （6）设计滚筒清洗机电控原理图； （7）完成论文综述和英文资料翻译。 3.3 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，其夹角为90°，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

4

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-电动机 2-摩擦轮 3-轮圈

图2、方案二

1-电动机 2-摆线针轮减速器 3-联轴器 4-工作机

图4、方案三

5

4 运动和动力参数的设计计算

4.1 马铃薯在倾斜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，滚筒是倾斜成一定的角度。那么滚筒为何要设置一定的倾角呢？

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，马铃薯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。这与要求马铃薯从滚筒的一端向另一端移动并不相符合。因此，仅依靠马铃薯与滚筒壁接触的摩擦力来推进马铃薯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

当马铃薯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，但由于马铃薯之间的滑动很困难，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。但这种方式制造工艺比较复杂，成本较高，不易维修。

⑶ 滚筒与水平面成一定角度

这种方法是利用马铃薯自身的重力的分力 mgsin?作为推进力，实现马铃薯的自动推进。对于马铃薯来说，只要使滚筒倾斜一个很小的角度就可使其向前移动。这种方法易于实现，而且制造比较简单，实际意义更大。在本设计中将采用这种方法。

现在就倾斜的滚筒来分析马铃薯的受力，马铃薯的受力如下（图5）所示使马铃薯向前推进。

α 图5、 单个马铃薯颗粒存在的受力

物料受到自身重力G ，惯性离心力P ，摩擦力F ，滚筒对物料的法向反力N 的共同作用，在这种情况下，物料沿滚筒向下运动的条件是：

6

Pcosa?Gsina?(Gcosa?Psina)f0 (3—1)

mw2R(cosa?f0sina)?mg(f0cosa?sina) (3—2)

f0?tg? (3—3)

θ—马铃薯与滚筒的静摩擦角。

由上式可得滚筒内物料向下运动的最低速度与转速为：

Wx?nx?gtg(?－a) (3—4) R12?tg(?－a) (3—5) Rtg(?＋a) (3—6) R同理分析可推导出滚筒内物料向上运动的最低转速为： ns?12?马铃薯在倾斜滚筒内运动时，由于受到物料自身重力在滚筒倾斜方向下滑力的作用；物料在滚筒内受到一定大小的加速度，其运动轨迹不再是一个正圆，而是一条封闭的螺旋线。

′图6、物料在倾斜的滚筒内的运动

假使沿滚筒倾斜方向取x 轴，沿滚筒横向取y 轴。在 xo1y 坐标中，马铃薯颗粒M的运动的速度为：

x'?Vxsin??gtsina (3—7) y?Vrcos? (3—8)

因为 Vr?rr? ???t 故得：

x'?rr?sin?t?gtsina (3—9)

y?rr?cos?t (3—10)

t—马铃薯颗粒理论每旋转一周所用的时间，s；

两边积分得：

7

θ

x??rrcos?t?12gtsina?C1 (3—11) 2y?rrsin?t?C2 (3—12)

当t = 0 时，x = 0 、y = 0 求得C1 = rr 、C2 =0 。

代入(3—11)和(3—12)即得在xo1y坐标中马铃薯颗粒的相对运动轨迹方程式：

(3—13) 2?2 y?rrsin? (3—14) 根据(3—13)和(3—14)两式即可作出马铃薯颗粒在倾斜滚筒内的运动轨迹。

其轨迹如图7所示：

2?x?rr(1?cos?)?gsina

图7、物料颗粒在倾斜滚筒内的运动轨迹

所以得出物料为套圈状或螺旋状向前推进。由图6可知，物料在倾斜滚筒内每旋转一圈，物料沿滚筒倾斜方向前进的距离 S 为：

S?O1O2?O2O5 (3—15)

2??gsina2?2

?gt2sina

当???时， t????2n1

故 S?g(1/2n)2sina (3—16) 因此，物料在滚筒内的前进速度为：

V?gsina/2n2 (3—17)

由式(3—17)可知，物料在滚筒内的前进速度与滚筒倾角成正比，即滚筒倾斜角愈大，则物料前进速度愈大，与滚筒回转速度成反比，即速度越高，物料前进速度越慢。

对于大斜面滚筒，物料可能没有O2 到O3 ，因为物料的最大惯性力可能还小于摩擦力与重力分力之和，其临界条件为：

m?2R?mgtg?ac??? (3—18)

由此可得，临界倾斜角为：

ac?arctg(?2R/g)?? (3—19)

当滚筒倾斜角大于ac 时，物料在滚筒内的运动将不再是套圈形而是蛇形轨迹。这时，

8

物料在滚筒内的停留时间短，总行程小，翻滚效果也不好，不利于提高清洗效果，因此，滚筒倾角ac 不宜太大，一般为3度到5度最好，在此次设计中取滚筒的倾角为5度。 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：

R2?min=0.0707K?+C

?s式中：R——筒体半径，R=D/2=50cm

?s——筒体材料在操作温度下的屈服应力?s=2000kgf/cm3（温度为150℃时的?s）

K——抄板与筒体壁重量比的系数，对于举升式抄板，K=1.6 C——材料腐蚀欲度，C=0.3cm

902?min=0.0707?1.6?+0.3=0.76（cm）=7.6（mm）

2000表一、筒体厚度与直径的关系（统计值）

Table 1 ，Dryer and diameter of the cylinder (statistics） 筒体直径 D (m) 筒体厚度

<1 8 0.008

1.1~ 1.3 10 0.009~0.0077

1.3~2 12 0.0092~0.006

2~ 2.6 14 0.007~0.0054

2.6~ 3 16 0.0062~ 0.0053

3.3~ 3.6 18 0.006~0.005

3.3~ 4 20 0.006~0.005

?（mm） ?/D

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，设计的滚筒的内径为1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:

V?8R~9

14R r/min (3—20)

可得

V= 11.3～19.8 r/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，马铃薯有时会和中心轴及支撑臂发生碰撞，马铃薯重量及体积又不大 ，而且滚筒的转速和倾角都不是太大，故一般马铃薯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]：

N=其中：

M?n (3—23) 60?η 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。 由力矩计算公式得：

M=GD (3—24) 2 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 (3—25)

G3 —横向支撑臂的重量，N； G4 —纵向支撑臂的重量，N； G5 — 两端铁皮的重量，N。

G2??R2LY1Q (3—26)

R —滚筒内半径，m； L —滚筒长度，m； Y1—物料重度，N/m3；

Q —马铃薯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0.02。

从以上的计算中知道传动效率η为0.6~0.7。

10

在(3—24)中，由上述可知：

D = 1 m

G1?G3?G4?G5 (3—28)

G?G1?G2 (3—27)

G3?S?L?P?n?g

??r2?L?P?n?g (3—29) 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=π×62×10-6×2×7.85×103×9.8×8=139 N G4= S×L×P×n×g =73 N G5=S×d×P×g×n = 290 N 式中：

S—铁皮的表面积

d—铁皮材料的厚度 n—铁皮的数量 G2 =πR2LY1Q N =769.3 N

G = G1 +G2=G2+G3+G4+G5

= 1271.3 N

据 T?GD/2 (3得

T= 1271.3×1/2 = 635.65 N·m

Pw?Tn/9500?w (3将ηw的取值代入得：

Pw=1.26 kw

Pw—工作机的功率；

?w—工作机的效率，?w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1.26kw。

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η。11

—30) —31) 设η1 ，

η2 ，η3 ，η4 ，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：η1 =0.96 ， η2=0.98 . η3=0.97 . η4 =0.99 . 则传动装置的总效率为[10]：

22???1?2?3?4 (3—32)

= 0.96×0.982×0.97×0.992 = 0.88

Pd?Pw/? (3—33)

=1.26／0.88

= 1.43（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

Pd=1.43 kw ,所以我们可选择电动机功率为1.5 kw 。

Pd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Pd。由计算已知电动机所需功率为：

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3000min、1500min、1000min和750min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1000 r/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二中。

表二、电动机型号 (Table 2)，Motor model

12

rrrr

电动机型号 额定功率 （kW） 最大转矩 堵转转矩 满载转速（min） 额定转矩 质量 （kg） rY100L-6 1.5 2.0 2.0 940 2.0 33 电动机的结构简图如下(图8)所示

图8、电动机的结构简图 4.4 传动比及动力参数的计算 4.4.1 传动比的分配

因所选的是一级直联卧式摆线针轮减速器，其本身的传动比最大可达到87，而且其体积比较小，重量比较轻，传动效率良好,工作效率较其他较大。在使用过程中，由于减速器输出端通过联轴器直接与传动轴相连，所以噪音较小，所选型号为Z WD 1.5-5A-59。因为采用的是中间轴传动，减速器输出端通过联轴器直接与传动轴相连，所以不存在传动比的分配。

4.4.2 传动装置的运动和动力参数的计算

由上述理由，此处根据所选电动机的满载转速和减速器的传动比可以得出滚筒的工作转速。

由传动比公式[10]：

i?nmmw (3—34) 可得公式：

nw?nmi (3—35) 式中：

nm：电动机满载转速，rmin； nw：执行机构转速，rmin。 代入数据得：

13

nw?94059 ?16r/min

因为滚筒的转速比较低，一般低于30r/min，而计算所得的转速取为16rmin，是比较合适的。

5 零部件的设计和标准件的选用

5.1 轴的设计计算 5.1.1 初算轴的直径

联轴器和滚动轴承的型号是根据轴端直径确定的，而且轴的结构设计是在初步计算轴径的基础上进行的，故要初算轴径。 轴的直径可按扭转强度法进行估算，即[10]： 式中：

P—轴传递的功率，kw； n—轴的转速，r/min；

c—由轴的材料和受载情况确定的系数。

表三、各种材料系数c的取值范围

Table 3, various materials coefficient of c scope

轴的材料 c Q235 120 160—135 35 135—118 45 118—107 40Cr,35siMn 107—98 d≥c3p/n (3—36)

轴的材料一般为优质碳素钢。c 取值时应考虑轴上弯矩对轴强度的影响，当只受转矩或弯矩相对转矩较小时，c 取小值；当弯矩相对转矩较大时，c 取大值。由于滚筒的转速低转矩较大且弯矩小，故c 应取较小值，在这里我们取c 为108。 所以：

d=10831.10/18=41.8 mm

初算轴径还要考虑键槽对轴强度的削弱影响。当该轴段截面上有一个键槽时，d 应增大5% ；两个键槽时，d 应增大10% 。 在本轴的设计中，轴上有一个键槽。 所以：

d= 41.8×(1+5%)=43.89 mm

圆整取轴的直径为50mm。 5.1.2 初选轴的形式

从上面初算轴的最小直径为50mm，根据设计需要要设计成阶梯轴来放置轴承和联轴器。 5.1.3 轴的结构的设计

根据以上计算可知轴上所承受的最大转矩 TP =636N.m 根据工况的要求选择的是金属滑块联轴器。选择的材料为45号钢，45号钢经调质后，бb =637 Mpa , E =210Gpa。由以上

14

计算知轴径可为45mm，考虑装联轴器加键的影响，故取轴和联轴器相连部分的直径为50mm。我们知道轴上要安装滚动轴承，为便于轴承的装配，取装轴承处的直径为55mm。本设计滚动轴承中所选的型号为30311型，其宽度为29mm ,根据结构要求选用轴肩挡圈GB886-86 55×65，由于在入料口处需布置料斗，所以轴承应安装在料斗的外端，以免和料斗发生干涉，根据生产能力为2吨/小时，再加上入料中混有大量的水，所以料斗设置应足够的大，料口长为300mm, 在高度上为便于安装在机架上且不和主轴发生干涉，结构设置请参见装配图。

在滚筒内主轴上要焊接肋条，以支撑滚筒，所以在焊接处取主轴直径为60mm,在滚筒的尾端要支撑和安装联轴器和电动机。如果在入料口端安装驱动装置的话，这样就不好布置入料输送装置，而尾端则不会发生这些现象，因为尾端的出料口在机架的底部，所以应在尾端安装联轴器和电动机。

轴承在轴上的固定，由于轴承安装在轴承座内，轴承可以通过轴上设置台阶来固定，也可以通过台阶和止推环来固定，这样轴承在轴承座内就不会发生径向的游动，在本设计中选用台阶固定，因为这样容易密封而且所选的30000系列的圆锥滚子轴承有一定的径向补偿，因圆锥滚子轴承轴承成对使用这样就解决了转动轴轴向窜动的问题。动力通过联轴器传给工作机的主轴，联轴器和主轴是通过键槽来联结的。在联轴器的选用中，我们选用的是WH7型联轴器，轴孔直径为55mm。具体轴承的选用理由与相关校核过程会在后面滚动轴承的选择中加以详述。

因轴的校核需要有轴的预设长度，所以需要根据选用零件和滚筒设计的各个尺寸来确定轴的长度。下面是各个零件的所需长度和设计选用长度：

表四、轴的长度初选

Table 4, the length of the shaft

零件名称 滚筒长 联轴器 轴承与轴承座（一对） 总计 所需轴向长度（mm） 2000 84 180 2264 设计长度（mm） 2200 100 1800 2480 根据4.1.2和表四设计的轴的轮廓如下图9所示：

图9、滚筒中心轴

5.1.4 轴的强度校核

查资料选择轴的材料为:45号钢,正火,硬度170-217HB,抗拉强度бb=590Mpa，бs=295MPa.

15

因倾角为5°非常小，可以在轴的强度校核中以水平方式的轴作替代。

因本设计中轴为转轴，轴主要受转矩和弯矩，由于传动采用中间轴传动所以只在垂直方向有力的作用，水平方向没有受力。

轴的受力情况如图10(a)所示：

(a)(b)(c)(d) 图10、轴的校核 计算弯矩：

根据《材料力学》上的弯矩的公式其中：

F—所受的力，单位N； l—对应力臂，单位m。 由力矩平衡，可得A点的受力为： FRA?同理可得B点的受力为： FRB?由先前计算可知：

[11]

:

M?F?l (3—37)

F?lBC (3—38a) lF?lAC (3—38b) lC点的受力F?1271.3N，l?2300代入数据得， mm，lAC?1200mm，lBC?1100mm， FRA= 608 N FRB= 663.3 N 再代入公式(3—37)，得

M=729.6 N·m 轴的弯矩图见图8(b)所示。 计算转矩：

16

根据《材料力学》转矩公式[11]： Me?9549?其中：

Me—该点处的转矩，单位N·m；

P (3—39) nP—某点处的的功率，单位kw；

n—对应某点的转速，单位r/min。 根据所得数据功率为1.26kw，转速16r/min，将数据代入得，

TC?MeC= 635.65 N·m；

轴的扭矩图见图8(c)所示。

求当量弯矩图：

根据《机械设计》中的当量弯矩公式[10]：

M'?M2???T? (3—40)

2式中：

?—应力校正系数，对于不变的转矩，取?????1b?；对于脉动的转矩，取???1b??????1b?；对于对称循环的转矩，取?=1； ??0b?M—弯矩，单位N·m；

T—转矩，单位N·m。

本设计滚筒连续工作，滚筒中的马铃薯重量相对稳定，于是取公式??械设计》表16.3得，??75?0.28。 270???1b?，查《机???1b?则当量转矩?TC?0.28?635.65?178N·m。 以上数据代入(3—39)得，

MC?729.62?1782 ?742 N·m 当量弯矩图见图8(d)所示。

校核轴径dC?3MC'742?3?42.6mm?50mm，所以设计的轴符合要求。

0.1???1b?0.1?75'由图可知危险截面是C处。 根据材料力学上的公式[11]：

?max?T/Wt????

验算轴的强度是否符合要求。对于工作机轴：

?max?T/Wt

17

=752×16/[π(50×10-3)3] =61Mpa＜[τ]。

[τ]值查表得到45号钢的[τ]=370Mpa,故此轴满足要求。 5.1.5 选择轴和联轴器的键

尺寸根据轴径从相应标准中选取。键的长度按轮毂长度选取。根据工况条件，在轴和联轴器的联结时主要传递转矩且无轴向的窜动，所以选择此处选择半圆键联接即能满足要求。普通平键主要靠两侧面的挤压来传递转矩，平键连接具有结构简单，对中性良好，装拆方便，应用极其最广，并在市场中占据较大市场，它也适应于高速、高精度或承受循环、冲击载荷的场合。

普通平键按构造分，有圆头（A 型）、平头（B 型）及单圆头（C型）三种。单圆头（C型）常用于轴端与毂类零件的连接。由于联接为轴头开槽联接，与之适用应选用C型普通平键，国家标准代号为键16×80 GB 1096。联轴器的轮毂的长度为84mm ,从《机械传动装置设计手册》表18-4中，我们查得键的公称尺寸[10]：

b×h =16×10 b—键宽,单位mm h—键高,单位mm

C型平键示意图如下图11：

0.5×45°

图11、C型平键

键的材料采用抗拉强度不小于600Mpa 的钢，常用45号钢。

键槽表面的粗糙度：轴槽，键槽宽度b两侧的表面粗糙度参数Ra 值推荐1.6-3.2um。 平键连接传递转矩要求强度的校核，选择好的键，便是校核其强度是否满足实际工作的需要。一般在传动过程中受的是剪力，所以选择的键是否合适就是校核剪切应力是否满足要求。

根据《材料力学》中的剪切应力?的公式[11]： ?=式中： A：剪切面面积

18

Fs （3—41） A

Fs：所受剪力 又有公式：

Fs=式中：

T：键所受转矩 l ：力臂长度 代入数据得，

Fs=

Tl

（3—42）

752?103N

552=27.3?103N

代入公式（3—41）得，

27.3?103Pa ???6(40?16)?10 ?42.7?106Pa ?42.7MPa

查表得到45号钢的许用切应力[τ]=370Mpa，而?=42.7MPa＜[τ]，所以选择的键符合要求。

5.2 滚筒结构的设计

设计的马铃薯清洗机主要由滚筒、传动装置、机架、水箱池、电机、进出料斗、出泥斗等组成。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,清洗滚筒由很多根直径8mm的圆钢绕滚筒直径方向焊接而成，滚筒式马铃薯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。

从生产能力计算中我们得知所设计的滚筒的直径为1米、长度为2米，滚筒固定在滚筒支架上，滚筒支架为矩形钢焊接而成，刚性好。由于滚筒是中心轴驱动，那么滚筒和中心轴必须通过支撑杆连接起来，如支撑杆设置在两头，那么就会和出料口和进料口发生碰撞。而且由于滚筒的长度是2米，设置在两头会使中间部分负荷太重。

滚筒的肋条主要起到支撑的径向力的作用。滚筒是圆柱型，在滚筒的前后30cm处采用纵向肋条支撑。各处的联结方式主要采用焊接的方式。熔焊接头是由焊逢、熔合区、热影响区及邻近的母材组成。焊接接头是组成焊接结构的关键元件，它起着联结金属和传力的双重作用。焊逢可分为对焊焊逢和角接焊逢两种。接头的基本型式可分对接接头、搭接接头、丁字（十字）接头、角接接头和塞焊接头。在纵向肋条和轴的联结处采用丁字接头，它是将相互垂直的联接件用角焊缝连接起来，它能承受各方向的力和力矩。由于丁字接头过渡处有很

19

大的应力集中，所以在丁字接头必须开坡口或采用保熔焊法进行焊接。横向肋条和纵向肋条都焊在一个圆形的支架上，圆形肋条的截面直径为8mm，它主要起到连接过渡支承的作用，两端的铁皮也都是焊在其上的，纵横向肋条和圆形支架也采用丁字接头连接。铁皮和圆形支架采用角接头，它不需承载很大的力，焊接比较容易且经济省时。在箱体、进出料斗、出泥口的联结中也采用焊接的方式，其焊接方式主要采用角接头的形式，它们不需要承受很大的力。

滚筒结构图如下图12所示：

出泥口

图12、滚筒结构图

1-进料斗 2、4、21-螺拴 3-支撑架 5、22-螺母 6、23-弹簧垫圈 7、8-滚筒 9-圆钢筋 10-肋条 11-中心轴 12-轴承座 13-圆锥滚子轴承 14-密封圈 15-金属滑块联轴器 16-套筒 17-平键 18-摆线针轮减速器 19-电动机 20-支撑座 24-机架 25-出料斗 26-出泥口 5.3 联轴器的计算及选择 5.3.1 联轴器的选用

这里选择金属滑块联轴器。金属滑块联轴器是利用中间滑块，在其两侧半联轴器端面的相应径向槽内滑动，以实现两半联轴器的联接，并补偿两轴的相应位移。金属滑块联轴器适应于低速重载的场合。且金属滑块联轴器制造工艺成熟，加工成本低，考虑到经济性，这里选择金属滑块联轴器。

5.3.2 联轴器的型号和主要尺寸

从《机械传动装置设计手册》 的表16—24[12]金属滑块联轴器的主要尺寸和特性参数可以查得 ，所以应选WH7，轴孔直径为55mm。

如图11所示：

20

图13、金属滑块联轴器

5.4 滚动轴承及轴承座的选择 5.4.1 类型选择

轴承的选择要考虑一下几个因素[14]： （1）载荷的方向、大小和性质

向心轴承主要承受径向载荷，推力轴承主要承受轴向载荷。当滚动轴承同时承受径向和轴向载荷时，可选用角接触球轴承、圆锥滚子轴承；当轴向载荷较小时可选用深沟球轴承。角接触球轴承和圆锥滚子轴承需成对安装使用，一般滚子轴承比球轴承的承载能力大，且承受冲击载荷的能力强。

本设计中，主轴放置有一个5°的倾角中，载荷的方向同时来自轴向和径向两个方向，而且轴向载荷与径向载荷相比轴向载荷要远远大于径向载荷。 （2）转速

一般轴承的工作转速应低于极限转速nlim。深沟球轴承、角接触轴承和圆柱滚子轴承的极限转速较高，适用于高速运转场合。推力轴承的极限转速较低。

本设计工作转速只有16转/分钟，小于一般轴承的的极限转速。可用任一种轴承。 （3）支撑限位要求

固定支承限制两个方向的轴向位移，可选用能承受双向轴向载荷的轴承；单向限位支承可选用能承受单方向轴向载荷的轴承；游动支承轴向不限位，可选用内、外圈不可分离的向心支承。本设计需要限制单向轴向位移，防止轴向窜动。 （4）调心性能

当两个轴承座孔同轴度不能保证或轴的挠度较大时，应选用调心性能好的调心球轴承和调心滚子轴承。

本设计，因为应用的金属滑块联轴器，轴承座的同轴度可以保证。 （5）刚度要求

一般滚子轴承的刚度大，球轴承的的刚度小。角接触球轴承、圆锥滚子轴承采用预紧方法可以提高支承的刚度。 （6）其他要求

径向空间受限制的场合可选用滚针轴承或滚针和保持架组件；对轴承振动、噪声有要求的场合，可选用低噪音轴承；此外，还应考虑经济性和市场供应情况等。

21

根据上述各种因素综合考虑于是选择圆锥滚子轴承（30000型）。 5.4.2 型号选择

根据计算出的轴的尺寸为55mm，我们可从《机械传动装置设计手册》[12]的圆锥滚子轴承尺寸与性能参数表中选择；选择30311型号的圆锥滚子轴承。轮廓见下图14：

对于选用的轴承需要进行可靠度和疲劳寿命的校核。

根据《机械设计》可知，先计算当量动载荷，载荷分为轴向和径向，但此轴的倾斜角为5°，轴向力可以忽略不计，所以只受径向力，由前面设计可知径向力为1271.3N。

当量动载荷的公式[10]：

P?XFr?YFa （3—43）

式中：

P—当量动载荷，N

Fr—径向载荷，N；

Fa—轴向载荷，N；

X、Y—径向动载荷系数和轴向动载荷系数。

图14、圆锥滚子轴承

所以根据《机械设计》中表18.7可得本设计的当量动载荷的X和Y分别为1和0。 将数据代入得，

P?1?1271.3 ?1271.3N

所以圆锥滚子轴承的基本额定寿命计算根据公式：

?C? L10????106r （3—44）

?P?式中：

P—当量动载荷，N；

22

?

L10—基本额定寿命，常以106r为单位；

ε—寿命指数，球轴承??3，滚子轴承??103。 若轴承的工作转速为n r/min，可求出以小时为单位的基本额定寿命公式： L10h代入数据得，

?130000?.875?? L10h?1041?h

.3??127110316670?C?（3—45） ???h

n?P?? =5.21?109h

应取L10h?L'h。L'h为轴承的预期使用寿命。根据本设计滚筒筛为24小时连续使用的，不是满载荷使用，中断会引起比较严重的后果的机械，在表18.9[10]中查得预期寿命的推荐值为?100000h。故本设计选用轴承满足要求。由于在查圆锥滚子轴承的安装参数中有一个参数是阶梯轴的最小直径是65mm，而设计中阶梯轴只有60mm，所以为使安装的合理性和安全性，此处增加一个轴肩挡圈。查《机械设计课程设计手册》表5—1[10],可查到GB/T886—1986—55×65的轴肩挡圈。其轮廓图如下图15所示：

图15、轴肩挡圈

5.4.3 轴承的结构和定位方法

圆锥滚子轴承是由圆锥滚子，轴承外圈和轴承内圈组成。其固定方式是装在与机架相联接的轴承座内。

5.4.4 滚动轴承润滑和密封

由于本设备使用于马铃薯与水混合时的清洗过程，而且滚筒要连续工作不可能手工润滑虽然转速很低但长时间工作也会使内部温度升高，所以要选择耐水和耐热的油脂润滑。查《机械设计课程设计手册》表7—2知[10]，可选用的性能比较好的通用锂基润滑脂（GB/T 7324—1994）。由于工作机的转速低，所以温度在100°以下，所以根据《机械传动装置设计手册》表30—2得，轴承座的密封可采用垫密封的材料为天然橡胶的橡胶垫片[12]。 5.4.5 滚动轴承座的选择及其配置

由于选择的滚动轴承为圆锥滚子轴承，根据本设计的要求未找到适合的轴承座，于是在参照已有轴承座的基础上，稍作改动设计了一个轴承座。其轮廓见下图16、17。其详细尺寸设计请见轴承座零件图。

23

× 图16、轴承座

× 图17、轴承压盖

5.5 减速器的选择

在本设计选择减速器的类型时，首先根据传动装置总体配置的要求，结合减速器的效率、外廓尺寸或质量、制造及运转费用等指标进行综合的分析比较，以期获得最合理、效果最好的结果。

本设计因为是中心轴式的传动，省去了皮带轮等传动部件，所以选用摆线针轮减速器，根据前面计算可知选择功率1.5kw，综合分析选择传动比59的型号比较合适，满足设计要求。通过查阅《机械工程师手册》表19-114[13]选择型号为Z WD 1.5-5A-59的摆线针轮减速器。

其轮廓图如图18所示：

24

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/slf7.html