基于ProE的小型葡萄除梗破碎机的设计.docx

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1、基 于Pro / E 的 小 型 葡 萄 除 梗 破 碎 机 的 设 计张 建 才 a , 石磊 b, 陈 立 东 b , 张亮 b, 尹 建 奎 b(河 北 科 技 师 范 学 院 a. 食 品 工 程 系 ; b. 机 械 电 子 系 , 河 北 昌 黎0 6 6 6 0 0 )摘要 : 在 确 定 葡 萄 除 梗 破 碎 机 的 总 体 结 构 和 功 能 要 求 的 基 础 上 , 利 用 逆 向 设 计 思 路 与 PRO / E 的 三 维 造 型 对 葡萄 除 梗 破 碎 机 进 行 模 型 设 计 ; 对 各 种 零 件 进 行 模 拟 装 配 及 运 动 分 析 , 检 查

2、机 械 各 构 件 运 动 是 否 发 生 干 涉 ; 再 运 用P ro /M echan ica 模 块 进 行 有 限 元 分 析 , 对 传 动 机 构 进 行 力 学 计 算 。通 过 模 仿 真 实 环 境 下 的 工 作 , 发 现 并 改 正 设 计 上 的 问 题 , 最 终 完 成 了 葡 萄 除 梗 破 碎 机 的 设 计 与 制 造 。关键词 : 葡萄除梗破碎机 ;中图分类号 : S 22 6P r o/ E ; 运动分析 ; 有限元分析文献标识码 : A文章编号 : 10 03 - 18 8X ( 2 00 8 ) 0 8 - 00 97 - 0 3葡萄由喂料斗 喂入

3、 , 落 入 两 破 碎 压 辊 之 间 , 葡 萄 颗 粒在辊齿的挤压 下被 破 碎 , 并 同 果 梗 一 起 进 入 筛 筒 ; 除 梗螺旋叶片呈 间断 排 列 , 与 齿 轮 的 转 动 方 向 相 反 , 这 样果梗被摘除 , 并 从 果 梗 出 口 排 除 ; 果 肉 与 果 浆 从 筛 孔中排出 ,并落入下部排料器中 ,再经输浆出口排出 。0 引言随着国内经济的持续增长 ,人们对酒类的消费习惯已经潜 移 默 化 地 改 变 , 葡 萄 酒 逐 渐 走 上 大 众 的 餐 桌 。葡萄酒消费 的 增 长 也 带 动 葡 萄 酒 设 备 需 求 的 增 长 ,对葡萄酒设备的工艺提出了更

4、高的要求 。一穗葡 萄浆果包括果梗和果粒两部分 , 在葡萄酒酿造的过程 中 ,要对葡萄进行破碎和除梗 。葡萄破碎的目的是使 葡萄果粒破裂 而 释 放 出 果 汁 。对 解 百 纳 干 红 葡 萄 酒 加工而言 ,一 般要 求 尽 量 高 的 果 粒 破 碎 率 和 除 梗 率 。 其中 ,如保留部 分葡 萄 梗 会 增 强 酒 的 色 度 、高 分 子 量 多酚以及丹宁物质的含量 ,可使葡萄酒具有复杂性和 品种特性 ,有利于葡萄酒风味的形成 1 。为了满足中 小型葡萄酒生产企业对小型葡萄除梗破碎机的要求 ,在各种食品机械法规的规定下 , 结合当今葡萄酒除梗 破碎机的发展状 况 , 同 时 考

5、虑 到 经 济 实 用 问 题 , 对 小 型葡萄除梗破碎机进行设计 。1. 机体 2. 传动装置 3. 破碎辊 4. 喂料斗5. 除梗装置 6. 果梗出口 7. 输浆出口 图 1 葡萄除梗破碎机三维模型图1 葡萄除梗破碎机整体结构设计1. 1 葡萄除梗破碎机的结构小型葡萄除梗破碎机由机体 、传动装置 、破碎辊 、1. 3 葡萄除梗破碎机的性能参数葡萄除梗破碎机的生产能力为 1. 5 2 t / h , 电机 总功率为 2. 2 kW , 输浆 出 口 为 150 mm , 果 梗 出 口 为300 mm。喂料斗 、除梗装 置 、果 梗 出 口 和 输 浆 出 口 等组成 ,如图 1 所示 。

6、1. 2 葡萄除梗破碎机的工作原理7 个 部 分2 葡萄除梗破碎机运动分析小型葡萄除梗破碎机采用一对压辊对向旋转 ,实现葡萄的破碎 , 主 动 压 辊 和 从 动 压 辊 安 装 在 机 壳 内 ,依靠齿轮传动实现主从动压辊的连续对滚 。工作时 ,M echan ism 是 P ro / E 的 机 构 模 块 , 具 有 很 强 的 机构仿真功能 。通过软件对设计模型进行仿真和分析 , 能够模拟真实环境中传动装置的工作状况 ,并对其进 行分析和判断 ,以尽早发现设计缺陷和潜在的失败可能 ,提前进行改善 和 修 正 , 从 而 减 少 后 期 修 改 而 付 出收稿日期 : 2007 - 10

7、 - 27作者简介 : 张建才 ( 1979 - ) , 男 , 山西广灵人 , 助教 , ( E - m a il) w ine - grad 163. com.972 0 0 8 年 8 月农 机 化 研 究第 8 期的代价 ,缩短设计周期 2 。打开葡萄除梗破碎机传动机构的装配图 ,点击主 菜单中的应用程序 ( P)菜单 ,并选择该菜单项中的“机 构 ”项 ,进入机 构运 动仿 真 模块 。对各 个运 动 副 进 行 定义 (如图 2 所示 ) ,对各个运动件设定 6 个连接和 5 个齿轮副 ,并设定驱动电机及驱动参数 , 使驱动电机 齿轮以 1. 57 rad / s的速 度 匀速 转

8、动 。接着 新 建 运 动 定义 (A na lysisD efin ition01 ) ,在运动学选项输入长度和帧频 ,设定时间为 60 s,帧频为 10 ,最小间隔为 0. 1 ,帧 数为 601。点击运行按钮 ,进行运动仿真分析 ,完成后 点击播放按钮 , 即以 动 画 来 表 现 机 构 的 运 动 过 程 , 如 图 3 所示 。图 4 传动齿轮模型图定义约束及载荷约束和载荷都是在 P ro /M echan ica 里用来仿 真实3. 2物的重要依据 。“约束 ”是针对实际的情况 ,对结构的点 、线 、面的 自 由 度 做 一 约 束 。模 型 简 化 过 程 利 用 了 圆周对称

9、性 ,因此要对齿轮模型的两剪切侧面施加圆 周约束 。此外 , 齿轮绕对称轴旋转 , 具有绕 Z 轴 的旋 转自由度 。由于圆周对称性 ,只能由沿 X 轴和 Z 轴的 平动自由度 ,不能有环向的平动自由度 。对轮齿后表 面施加约束 ,如图 5 所示 。图 2 传动机构运动分析示意图图 5 轮齿约束和载荷图对轮齿添加载荷 ,选择取齿轮在分度圆处的啮合 线作为齿轮受力的作用线 ,定义在轮齿所承受的载荷 , 如图 5所示 。该轮齿所承受的载荷为 : Fx = 620. 7 N , Fz = - 1 705N。3. 3 定义材料特征定义材料特征要尽量符合实际材料的性能 ,使其 分析结果能够 近 似 于

10、真 实 状 况 。传 动 齿 轮 采 用 的 是45 钢 ,并调质处理 ,其材料特征定义如下 :图 3 传动机构的运动示意图通过 M achan ism 模块对葡萄除梗破碎机进行运动 仿真 ,可以看出 : 该机 构 能 够 按 照 最 初 设 计 的 要 求 工 作 ,并且各个机构之间没有发生运动干涉的现象 。传动齿轮的有限元分析3传动齿轮在 工 作 过 程 中 要 承 受 来 自 物 料 的 交 变载荷 ,其力学性能和机械性能直接影响葡萄除梗破碎 机的工作可靠性 。由机械常识可知 ,齿轮传动的失效 主要是轮齿的失效 ,例如轮齿的齿根部位折断 。齿轮 为圆周对称构件 , 为 简 化 模 型 和

11、 提 高 分 析 效 率 , 在 对 传动齿轮进行受力分析时 ,可以只研究该齿轮上的单 个轮齿 ,据此对传动齿轮进行有限元分析 3 。3. 1 实体建模在结构设 计 中 , 根 据 整 个 设 计 要 求 , 采 用 P ro / E 的三维建模技术 ,根据与其配合的其它零部件的结构 尺寸 ,建立传动齿轮的三维模型图 ,如图 4 所示 。- 3质量密度 / kgmm: 7. 82 E - 06杨氏模量 /M Pa:泊松比 : 0. 27 拉伸强度 /M Pa: 疲劳强度系数 : 剪切模量 /M Pa:2 E + 005275. 81. 00. 81 E + 005表面特性 : po lishe

12、d3. 4 网格划分为了获得良好的网格质量和足够的分析精度 ,同98 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2 0 0 8 年 8 月农 机 化 研 究第 8 期时又满足普通设计快速划分网格的应用要求 , 选用节点四面体单元进行网格划分 ,如图 6 所示 。4手册可以看出 ,最大应力小于所选齿轮材料许用应力( 380 M Pa ) 要求 , 最 大变 形 量为 0. 001 4 mm , 符合设 计要求 ,且有足够的强度储备 。4结论1 ) 使用 P ro / E软件

13、对葡萄除梗破碎机进行设计 ,其三维造型 、运动仿真和有限元分析的设计理念及方法可以大大减 少工 作 量 , 提 高 工 作 效 率 ; 通 过 机 械 仿 真 ,对各种零件进 行 装 配 后 模 拟 机 械 的 运 动 , 从 而 检 查机械的运动是否达到设计要求 ,各种构件是否发生 干涉 ,将在整机设计中可能存在的问题消除在萌芽状 态 ;通过使用有限元分析模块对传动装置进行静力分 析计算 ,及时调整和优化模型结构 ,通过分析比较 ,为 确定最终方案带来了很大的便利 。2 ) 经过对样机的试制 、装配和调试表明 , 该葡萄 除梗破碎机能 够很 好 地满 足 葡 萄 酒 加 工 过 程 中 葡

14、萄 除梗破碎的要求 ,且具有以下特点 : 一是体积小 ,质量 轻 ,便于控制 ,价格低廉 ; 二是结构简单 ,易操作 ,工人 劳动强度低 ;三是果梗残留率为 5 % 10 % ,适合酿造 解百纳干红葡萄酒 ,葡萄酒结构感最优 。图 6 网格示意图3. 5 传动装置的应力分析求解为操纵杆定义了约束和载荷后 ,再对齿轮进行分 析 。静态分析将 根 据 模 型 中 指 定 的 约 束 和 载 荷 来 计算模型中的变形 、应力和应变 。静态分析会告诉设计者模型是否可以承受得住指定的载荷条件 、零件所能 承受的 临 界 点 在 何 处 以 及 变 形 的 位 移 量 是 多 少 1 。 分析云图见图 7

15、 和图 8 所示 。参考文献 : 1 张 莉 ,刘树文 ,王 华 . 葡萄果梗在红葡萄酒 酿造中的应用 J . 中外葡萄与葡萄酒 , 2003 ( 5 ) : 14 - 16.魏阳 , 王 书 义 . 基 于 P ro / E 的 机 械 系 统 运 动 仿 真 分 析 J . 现代机械 , 2004 ( 5) : 55 - 56.鲍伟鸽 ,佟 宇 . 基于 P ro / EW ildfire的渐开线齿轮的参数 化建模方法和有限元分析 J . 现代制造工程 , 2006 ( 11 ) :53 - 55.祝 凌 云 , 李斌 . P ro / Enginee r运 动 仿 真 和 有 限 元 分

16、 析M . 北京 :人民邮电出版社 , 2004.图 7 模型的应力变化云图 2 3 图 8 模型的变形云图由分析云图 可 得 出 : 在 静 载 工 况 下 , 齿 轮 啮 合 线 处承受的最大应力为 190. 9 M Pa。查阅相关机械设计 4 D esign of Grape Sta lk D iv isionZHAN G J ian - ca ia , SH I L e ib , CH EN L i -and Crusher Ba sed on Pro / Edongb , ZHAN G L iangb , Y IN J ian - ku ib( H ebe i No rm a l U

17、 n ive rsity of Sc ience and Techno logy, a. D ep a rtm en t of Food Enginee ring; b. D ep a rtm en t of M ach ine ryand E lec tron ic s, Changli 066600 , Ch ina)A b stra c t: IB a sed on de te rm in ing the ove ra ll struc tu re and func tiona l requ irem en ts of grap e sta lk d ivision and c ru s

18、he r, u se reve rse de sign idea s, P ro / E 3D mode ling to de sign mode l of grap e sta lk d ivision and c ru she r; sim u la ted va riou s p a rts a s2 sem b ly and mo tion sim u la tion, checked the m echan ica l componen ts of the camp a ign whe the r the in te rfe rence occu rred; then u se P

19、ro /M echan ica fo r fin ite e lem en t ana lysis to do m echan ica l ca lcu la tion fo r tran sm ission m echan ism. Th rough im i2 ta ted rea l environm en t to find and co rrec t the de sign p rob lem s, even tua lly fu lfilled the grap e sta lk d ivision and c ru she r de2 sign and m anufac tu re.Key word s: grap e sta lk d ivision and c ru she r; P ro / E; mo tion ana lysis; fin ite e lem en t ana lysis99 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.