于 鵬，高 濤，李 夢(mèng)

（安徽信息工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽蕪湖241000）

茶葉在我國(guó)有著廣泛的市場(chǎng)和龐大的消費(fèi)量，其不僅僅含有多種對(duì)人體健康有益的生化物質(zhì)，同時(shí)對(duì)于提高廣大茶農(nóng)收益有著重要的作用。但是當(dāng)前我國(guó)食品衛(wèi)生安全問(wèn)題日益突出，茶葉清潔化加工受到越來(lái)越多的關(guān)注[1]。長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)茶葉清潔化生產(chǎn)僅限于茶園限制使用農(nóng)藥等，在茶葉機(jī)械化加工中衛(wèi)生情況堪憂(yōu)[2]。特別是茶葉初級(jí)加工時(shí)，一般只是將未經(jīng)清潔化處理的鮮葉直接進(jìn)行加工，這導(dǎo)致茶葉殺菌清潔化處理不足[3]。目前超聲波清洗技術(shù)較為成熟，一方面該技術(shù)可以避免高光潔度物體的表面損傷和破壞，另一方面可除去附著在表面的微小的顆粒狀雜物。隨著超聲波清洗設(shè)備的逐步發(fā)展與應(yīng)用，將超聲波清洗技術(shù)引入傳統(tǒng)加工清洗行業(yè)已是勢(shì)在必行[4]，經(jīng)過(guò)不斷優(yōu)化與改進(jìn)的這種新式清洗設(shè)備將更為有效地解決傳統(tǒng)加工中的不足[5]。傳統(tǒng)的茶葉清洗方式耗費(fèi)大量人力物力，生產(chǎn)效率較低，且容易破壞鮮葉完整性[6,7]。本課題基于茶葉清潔化加工的實(shí)際需求，針對(duì)不同用戶(hù)需求，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)完成系列化的超聲波茶葉清洗機(jī)的設(shè)計(jì)工作。

1 總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)總體方案設(shè)計(jì)如圖1所示，具體工作過(guò)程如下：將茶葉放入茶葉上料帶式輸送裝置3，傳送帶由電機(jī)帶動(dòng)將茶葉落入漏網(wǎng)6中，氣缸4開(kāi)始上下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)氣缸下降時(shí)，漏網(wǎng)會(huì)在超聲波清洗機(jī)15中暫停一段時(shí)間，同時(shí)超聲波清洗機(jī)開(kāi)始工作，待茶葉清洗完畢，漏網(wǎng)6上升，兩側(cè)氣壓缸形成不一樣高度（左側(cè)高右側(cè)低），將茶葉滑入右側(cè)帶式輸送裝置7上，從而將茶葉運(yùn)出，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的自動(dòng)化加工。

圖1 茶葉清洗機(jī)機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì)方案圖

2 主要傳動(dòng)部件設(shè)計(jì)與裝配

2.1 電機(jī)選擇及傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)

電機(jī)的選擇是設(shè)計(jì)過(guò)程中一個(gè)首要考慮的因素，選擇合適功率的電機(jī)對(duì)于滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求節(jié)約能源有著重要的意義?；谝陨峡紤]，本設(shè)計(jì)中要求的生產(chǎn)指標(biāo)為100kg/h。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的范圍要求，可選用Y系列鼠籠三相異步電動(dòng)機(jī)。根據(jù)公式（1）及表1確定電機(jī)結(jié)構(gòu)為全封閉自扇冷式結(jié)構(gòu)，電壓為380V，額定功率15kW。即選電機(jī)的型號(hào)為：Y180M-6。輸送帶的速度為0.5m/s，具體電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1。

式中η1，η2，η3，η4，η5分別為在傳輸過(guò)程中帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)及軸承傳動(dòng)過(guò)程中的傳動(dòng)比。

表1 電機(jī)主要參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)需求，軸的材料選用為45號(hào)鋼。其中高速軸的設(shè)計(jì)如下：

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

根據(jù)公式（2），同時(shí)考慮輸出軸最小直徑較小，所以輸出軸設(shè)計(jì)成齒輪軸的形式，設(shè)計(jì)裝配如圖2所示。最后依次計(jì)算各段直徑：d1=48mm，d2=50mm，d3=55mm，d4=57mm，d5=55mm。

圖2 軸設(shè)計(jì)裝配圖

圖3 軸設(shè)計(jì)三維圖

各軸計(jì)算選取尺寸后進(jìn)行校核，則根據(jù)選取軸的尺寸數(shù)據(jù),結(jié)合公式（3）：

危險(xiǎn)截面的計(jì)算結(jié)果為27.9Mp，軸的材料為45鋼，調(diào)制處理，σ-1=60Mp，σca≤σ-1，故軸設(shè)計(jì)安全。

2.2 傳動(dòng)齒輪設(shè)計(jì)

考慮到帶式輸送機(jī)的工況，主要考慮兩方面的因素：根據(jù)本設(shè)計(jì)的傳動(dòng)方案，選用齒輪傳動(dòng)；而運(yùn)輸機(jī)為一般工作機(jī)，速度較低；所以按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)選取公式（4）進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，后用公式（5）校核計(jì)算，最終計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算與校核后齒輪參數(shù)

2.3 氣缸部件設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)傳動(dòng)過(guò)程中響應(yīng)的速度較慢，動(dòng)作執(zhí)行有延時(shí)現(xiàn)象。同時(shí)其在工作過(guò)程中存在液壓油泄露情況，這對(duì)于食品加工衛(wèi)生安全的要求十分不利。且液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本相對(duì)較高?；谝陨蠋c(diǎn)考慮，本設(shè)計(jì)采用氣壓傳動(dòng)設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)方案如圖4所示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，氣缸輸送具體參數(shù)如下：運(yùn)輸重量為10kg，生產(chǎn)產(chǎn)率為100kg/h，傾斜角度為10°～15°，定位方式為行程開(kāi)關(guān)或可調(diào)擋塊等，定位精度為±5mm。

圖4 茶葉清洗機(jī)及氣缸設(shè)計(jì)三維模型

根據(jù)驅(qū)動(dòng)力公式

設(shè)計(jì)氣缸材料為ZL3，活塞材料為45鋼，查詢(xún)手冊(cè)可知f=0.17。氣缸為廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)件，通過(guò)查詢(xún)廠商提供的技術(shù)資料選取符合本設(shè)計(jì)要求的具體型號(hào)。型號(hào)選擇完成后，后續(xù)需進(jìn)行相應(yīng)的校核計(jì)算?；诠剑?）綜合考慮安全因素，應(yīng)乘以安全系數(shù)K=1.2，則上料時(shí)：F1=1020×1.2=1224(N)；下料時(shí)：F2=765×1.2=918(N)。

雙作用氣缸的計(jì)算公式為式（7）、（8）

其中：F1和F2為伸出推力和壓入拉力，N；d為活塞直徑，mm；P為氣缸工作壓力，Pa。經(jīng)計(jì)算后取圓整后，取D=80mm。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,該活塞桿不能設(shè)計(jì)為實(shí)心桿，其中心必須留有空間。通過(guò)利用該空間使伸縮氣管可以安裝在其中。因此，活塞的內(nèi)部空間要盡可能地選取較大值，假設(shè)取d=75mm，dn=56mm。為保證設(shè)計(jì)準(zhǔn)確，必須進(jìn)行工況的校核，按縱向彎曲極限力計(jì)算，校核公式為

式中：L為活塞桿計(jì)算長(zhǎng)度，m；K為活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑，m，空心桿；f為材料強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值；A1為活塞桿橫截面面積，m2。

經(jīng)計(jì)算及校核可得：F1+Fz＜＜Fk。選取與設(shè)計(jì)值滿(mǎn)足工況的要求。

氣缸的壁厚設(shè)計(jì)公式為

式中PD為實(shí)驗(yàn)壓力，取PD=1.5P；材料為ZL3，則[σ]=3MPa，則：δ=10mm。根據(jù)缸徑計(jì)算公式

式中：P為氣缸的工作壓力，Pa，本氣缸選為0.6MP；η為氣缸總的機(jī)械效率，本氣缸估算為0.4；D為氣缸的內(nèi)徑，m。F1為氣缸的負(fù)載力，N，本氣缸負(fù)載較小取為10N。經(jīng)計(jì)算驗(yàn)證后，D=32mm，具體設(shè)計(jì)見(jiàn)圖5。

圖5 氣缸裝置設(shè)計(jì)三維圖

2.4 虛擬裝配

零件的裝配過(guò)程中不僅僅考慮設(shè)計(jì)過(guò)程的各種尺寸公差，還需要考慮裝配后產(chǎn)生的形狀公差。在滿(mǎn)足產(chǎn)品本身的裝配要求后，應(yīng)按照設(shè)備使用廠商的要求，合理布局各種操作工位，以使后續(xù)生產(chǎn)較為方便。在具體的零部件裝配中，如各種安裝孔和傳動(dòng)軸的配合，必須依據(jù)配合關(guān)系進(jìn)行裝配，同時(shí)應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求限定各部件之間的位置關(guān)系。裝配總裝設(shè)計(jì)見(jiàn)圖6。裝配完成后可以明確裝置的總體布局情況：設(shè)備總體長(zhǎng)度為5400mm，設(shè)備總體寬度為760mm，設(shè)備總體高度1050mm。

通過(guò)裝配模塊，設(shè)計(jì)產(chǎn)品以三維實(shí)體模型的形態(tài)展現(xiàn)整體設(shè)計(jì)效果，較為直觀地反應(yīng)出設(shè)計(jì)情況。裝配工作完成以后，還需進(jìn)行裝配后干涉檢測(cè)，具體裝配檢測(cè)圖見(jiàn)圖7。這不僅對(duì)該設(shè)計(jì)后續(xù)加工與生產(chǎn)提供基本參照，還對(duì)裝置整體進(jìn)行零部件干涉進(jìn)行修正，調(diào)整設(shè)備布局。根據(jù)優(yōu)化后的產(chǎn)品設(shè)備布局，完全滿(mǎn)足用戶(hù)使用要求，目前產(chǎn)品已正式投產(chǎn)。

圖6 清洗機(jī)總體裝配圖

圖7 茶葉清洗機(jī)整機(jī)裝配及干涉檢測(cè)圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于CATIA三維設(shè)計(jì)軟件，完成了茶葉無(wú)損傷清洗裝置的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)。同時(shí)根據(jù)茶葉清潔化加工的實(shí)際需求，針對(duì)不同用戶(hù)需求，有效地解決了企業(yè)產(chǎn)品模塊化和多樣性的要求，提高了設(shè)計(jì)的效率與準(zhǔn)確性，目前設(shè)計(jì)產(chǎn)品已應(yīng)用于企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)加工。未來(lái)，基于此設(shè)計(jì)技術(shù)將為更多的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)系列化及模塊化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。同時(shí)根據(jù)企業(yè)自身加工產(chǎn)量需求，可定制不同規(guī)格的設(shè)計(jì)產(chǎn)品。設(shè)計(jì)的過(guò)程中使用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，這比較有利于方便設(shè)計(jì)人員對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行及時(shí)的修改，以快速響應(yīng)客戶(hù)需求，進(jìn)而大大提高效率，滿(mǎn)足今后柔性化與多樣性的制造與加工需求。