文/于鵬 高濤 李夢

茶葉的制作工序比較復(fù)雜且逐步趨向于多元化，由于茶葉種類比較繁多，因此不同茶葉在其制作工藝上有很大的差異。例如，紅茶和綠茶制作工藝明顯不同。但是總體來說，以下幾道工序是必須的，首先需要進(jìn)行采摘，然后清洗曬干，茶葉中后多或少都有不良品，因此篩選這道工序就尤為重要。茶葉加工中，而在所有工序中分揀是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力且又非常關(guān)鍵的工序，以往生產(chǎn)中常用的傳統(tǒng)式分揀機(jī)構(gòu)存在很多不足，分揀的效果均不甚理想，因此分揀工作主要還是依靠人工進(jìn)行，這就造成勞動(dòng)力成本的大幅度上升。分揀作業(yè)作為精制茶葉質(zhì)量和成本控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)受到人們廣泛關(guān)注，茶葉色選機(jī)在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生，它主要是通過茶葉顏色的不同對其中的不良品進(jìn)行剔除篩選的機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)主要針對某型茶葉色選機(jī)茶葉分揀裝置的傳動(dòng)進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)并進(jìn)行虛擬裝配。

1 總體設(shè)計(jì)方案

目前，通過電磁閥控制高壓噴嘴噴出高壓氣流，使不良品和合格品初始速度不同，從而剔去不良品，這是目前市場上主流的茶葉色選機(jī)采用的分揀機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)方案中采用在傳送帶一端安裝高壓噴嘴，這樣就可以避免在傳送過路線上設(shè)置分揀裝置。第一次粗分揀之后，合格品通過短滑槽進(jìn)入第二次分揀的傳送帶，在第二條傳送出口位置進(jìn)行分揀操作，達(dá)到精選要求。帶式輸送機(jī)是最為廣泛的搬運(yùn)機(jī)械，輸送帶是封閉的，輸送帶作為牽引構(gòu)件和承載構(gòu)件的。主要通過摩擦力運(yùn)動(dòng)。由于平帶輸送容易造成茶葉灑落，為此可以采用凹槽型或者有擋邊的傳輸方式。

表1：電機(jī)軸及傳動(dòng)軸主要傳動(dòng)參數(shù)

表2：計(jì)算與校核后齒輪參數(shù)

2 主要傳動(dòng)部件設(shè)計(jì)與虛擬裝配

2.1 傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)過程中為了實(shí)現(xiàn)降本，電機(jī)的選擇至關(guān)重要，電機(jī)功率過大可能會(huì)造成能量的損失，電機(jī)功率過小可能造成其使用壽命下降。本設(shè)計(jì)中要求輸送帶的產(chǎn)能是20kg/h。首先輸送帶的設(shè)計(jì)長度定為2m，根據(jù)長度可以選擇電機(jī)型號為Y90L-6，同步轉(zhuǎn)速為1000r/min，額定功率為1.1kw，滿載轉(zhuǎn)速為910r/min。輸送帶的速度為0.3m/s。根據(jù)上述電機(jī)選擇計(jì)算及確定主要傳動(dòng)軸參數(shù)如表1。

選軸的材料為45號鋼，采用調(diào)質(zhì)處理。以1軸為例設(shè)計(jì)過程如下：

按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度法估算高速軸的直徑，查詢相關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，取常數(shù)C=110，軸的最小直徑滿足：

圖1：茶葉色選機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì)方案圖

圖2：傳動(dòng)軸三維模型及設(shè)計(jì)校核力矩圖

根據(jù)公式（1），同時(shí)考慮輸出軸最小直徑太小，所以輸出軸設(shè)計(jì)成齒輪軸的形式。有前面的內(nèi)容知道根據(jù)電機(jī)通過查表知道電動(dòng)機(jī)軸的直徑D=24mm，同時(shí)考慮到半聯(lián)軸器的選擇所以選取D1=20mm。

最后依次計(jì)算各段直徑： D2此處為密封軸段，安裝軸承端蓋。根據(jù)聯(lián)軸器的軸向定位，D2 =23mm；D3此處主要是安裝滾動(dòng)軸承的。初選D3=25mm；D4此處為過渡段，主要是滿足裝配要求，所以初選D4=30mm；D5此處為安裝齒輪出，所以D5 =齒輪的直徑；D6此處主要是安裝滾動(dòng)軸承，所以D6 =25mm。各軸計(jì)算選取尺寸后進(jìn)行校核，具體參見圖2力矩校核圖，設(shè)計(jì)符合要求。

圖3：茶葉色選機(jī)選用齒輪設(shè)計(jì)三維模型

圖4：茶葉色選機(jī)支架及托輥三維模型

圖5：茶葉色選機(jī)皮帶機(jī)清潔裝置設(shè)計(jì)三維圖

圖6：茶葉色選機(jī)整機(jī)裝配及干涉檢測圖

2.2 傳動(dòng)齒輪設(shè)計(jì)

考慮到帶式輸送機(jī)為一般機(jī)械，且傳遞功率不大，轉(zhuǎn)速不高，故小齒輪采用45鋼調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度197～286HBS，平均硬度為250HBS,大齒輪選用45鋼正火處理，齒面硬度156～217HBS，平均硬度為200HBS。選用8級精度，選取公式（2）進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

按齒面接觸疲勞強(qiáng)度初步計(jì)算齒輪參數(shù)因?yàn)槭情]式軟齒面齒輪傳動(dòng)，故先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，后用公式（3）、（4）校核計(jì)算。

2.3 其余部件設(shè)計(jì)

輸送帶式兩次分揀機(jī)構(gòu)，所以輸送帶設(shè)計(jì)成為雙層的，支撐輸送帶的支架也為雙層的。支撐架是支架的組成部分，承受所有的載荷，所以對其性能要求比較高。為了節(jié)省材料，使結(jié)構(gòu)簡單化，減輕整體質(zhì)量，因此可以采用焊接件。此方法既滿足了經(jīng)濟(jì)效益，又滿足剛度與強(qiáng)度要求，同時(shí)具備有很大的靈活性。支架的四個(gè)角采用膨脹螺栓與地面緊固，增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及可靠性。支撐腿和中間支棍支架可以采用焊接件，相對于整體實(shí)用鋼結(jié)構(gòu)來說更省成本，又能滿足生產(chǎn)需求，設(shè)計(jì)圖圖4。

托輥是帶式輸送機(jī)最重要的組成部分，目前市場上托輥的種類比較多，數(shù)量大，托輥按其結(jié)構(gòu)可以分為平行托輥、緩沖托輥、螺旋托輥、調(diào)心托輥和槽型托輥等；托輥在工業(yè)運(yùn)輸中應(yīng)用非常方便。托輥在輸送的過程中主要承受物體的重力以及輸送帶的漲緊力等其他作用力。這就使得在對托輥的設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮其受力情況，預(yù)留余量。滿足受力條件之后其他部分設(shè)計(jì)就相對簡單了。這里我們對托輥的設(shè)計(jì)提出以下幾點(diǎn)要求，首先是減少摩檫力，使托輥靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣皮帶在運(yùn)動(dòng)過程中所受到的阻力就比較小，從而極大提高輸送效率。同時(shí)，要求托輥結(jié)構(gòu)簡單，易于更換維修，經(jīng)濟(jì)適用。

因?yàn)檩斔蛶ё陨淼馁|(zhì)量比較，承受交變彎曲載荷，故要求帶心夾層與橡膠層間要有較高的粘附強(qiáng)度，以防止層間剝離和撕開，同時(shí)具有較高的抗沖擊性能和抗機(jī)械損傷性能，及耐磨性。皮帶的兩邊要高出中間，形成凹槽形式。茶葉在進(jìn)行分揀之前要進(jìn)行清洗，晾干，所以在輸送帶上分揀時(shí)就有可能粘附在輸送帶上，同時(shí)茶葉碎末也會(huì)影響分揀精度，因此要對輸送帶進(jìn)行清掃就顯得有必要了。在清掃部位下方需要增加一個(gè)裝碎渣的裝置，能夠達(dá)到理想的清潔效果。清掃頭類似于家用笤帚，而且可以通過調(diào)節(jié)螺母和開口墊片來調(diào)整清掃頭部與輸送帶之間的摩擦力以及清掃的部位。

2.4 虛擬裝配

零件裝配是基于設(shè)計(jì)要求中相對精確的位置關(guān)系。如孔和軸的同心配合，兩個(gè)零件之間相對位置距離關(guān)系等，這些都是利用CATIA裝配環(huán)境下不同的約束關(guān)系來實(shí)現(xiàn)的。通過裝配完成后可以清晰地獲得整體產(chǎn)品的尺寸：長度2900mm，寬度760mm，高度1450mm。

通過裝配模塊，設(shè)備以三維實(shí)體形態(tài)顯示整個(gè)設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)，同時(shí)為后續(xù)加工制造提供參考。最后對裝置整體進(jìn)行干涉檢測，優(yōu)化設(shè)備布局。如圖6所示。

3 總結(jié)

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)迅猛發(fā)展帶動(dòng)傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方法改變，特別是三維軟件的大規(guī)模普及有效地提高了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)效率。CATIA三維軟件是當(dāng)前應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)的主流軟件之一，具有造型設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)零部件繪制、產(chǎn)品裝配與檢測、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)及力學(xué)性能分析等多方面的功能?；谠撥浖δ承筒枞~分揀裝置的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)并進(jìn)行了虛擬裝配，提高了設(shè)計(jì)效率。