电动石磨仿真论文(毕业设计).doc

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1、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

2、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AbstractBefore the twentieth Century seventy

3、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 conveni

4、ent. 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 peoples living standard, stone processing products will be inc

5、reasingly 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

6、, 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

7、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 effic

8、iency 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 ratio

9、nality 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目 录摘要.Abstract.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.41.3.1研究内容.41.3.2技术路线.4 1.4小结.52 传统石磨简析.

10、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.93 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 3.2.3.2蜗杆减速器传动.15 3.3小结.164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.204.4.1.1型号的选择.214.4.1.2功率的选择.214.4.1

11、.3转速的选择.21 4.4.2蜗杆减速器的选型.224.5小结.245 电动石磨仿真. 255.1电动石磨装配.255.2装配体材质添加.275.3电动石磨转速验证.275.4传动轴有限元分析.295.5小结.306 总结与展望.31致谢.32参考文献.331 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

12、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

13、市的儿童青少年平均身高比日本高，以1014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

14、，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，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

15、、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

16、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

17、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35一3

18、00kg/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

19、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，

20、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。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

21、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

22、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。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。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

23、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” 图2.1.1 单人操作石磨 图2.1.2 二人操作石磨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

24、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200100mm;中破碎物料被破碎到7020mm；细破碎物料被破碎到105mm；粗粉碎将物料粉碎到50.7mm；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

25、统石磨的粉碎原理主要体现在（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

26、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，。当0时，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

27、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

28、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。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

29、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

30、轴； 13-下支架； 14-传动轴图3.1 三层石磨结构图图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”

31、，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

32、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

33、时可以增大转矩。机械传动按照传力方式分为摩擦传动和啮合传动，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