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摘 要
面筋脫水機是一種應用比較廣泛的生產(chǎn)機械，但是當前面筋脫水機存在諸多問題，如脫水效果差、生產(chǎn)成本高等。因此設計一種能夠實現(xiàn)連續(xù)自動脫水作業(yè)成為當前的需求，本次畢業(yè)設計在大量查閱面筋脫水機相關的參考文獻，對面筋脫水的結構方案進行了相應的設計，并最終確定采用螺旋式結構方案，根據(jù)設計的結構方案對整體結構進行了相關的設計計算，包括傳動系統(tǒng)、脫水部件以及其他相關零件，對螺旋直徑、螺距進行了設計計算，對絞龍殼體、軸、支承件進行了結構設計，保證脫水機結構合理可靠；結合相關強度計算和校核理論對相關零件進行了強度計算和強度校核，保證所設計的零件能夠滿足相應的壽命和強度要求，包括主軸的設計計算、滾動軸承的選擇及壽命計算；同時查閱相關手冊，對面筋脫水機的使用相關事項進行了簡要概述；最后，運用CAD軟件完成了面筋脫水機裝備工程圖紙和相關零件圖紙的繪制。運用三維軟件SolidWorks對面筋脫水機進行了三維建模，包括面筋脫水機的主要零件，最終完成面筋脫水機的裝配模型的建立，并且使用ANSYS Workbench有限元分析軟件對主要零件進行靜強度分析。
關鍵詞：脫水機；螺旋式；脫水部件；SolidWorks；ANSYS
I
ABSTRACT
The gluten dewatering machine is a widely used production machine, but the current gluten dewatering machine has many problems, such as poor dewatering effect and high production cost. Therefore, designing a continuous automatic dewatering operation has become a current requirement. This graduated design consults a large number of references related to gluten dewatering machines, and correspondingly designs the structural scheme of gluten dewatering, and finally adopts a spiral structure scheme. According to the design of the structure, the design of the entire structure was calculated, including the transmission system, the dewatering components and other related parts. The spiral diameter and pitch were calculated and calculated. The structure of the auger shell, shaft and support was constructed. The design ensures that the structure of the dewatering machine is reasonable and reliable; the related parts are combined with the relevant strength calculation and verification theory to calculate the strength and check the strength to ensure that the designed parts can meet the corresponding life and strength requirements, including the design calculation of the main shaft, the rolling bearing The selection and life calculations; consult the relevant manuals at the same time, a brief overview of the use of gluten dewatering machine related issues; after the software AUTO CAD is used oppositely. completed drawing of gluten dewatering machine equipment engineering drawings and related parts drawings.and the use of three-dimensional software SolidWorks gluten dewatering machine for three-dimensional modeling, including the main parts of the gluten dewatering machine, and finally Completion of gluten dewatering machine assembly The establishment of the model, and completed the drawings of gluten dewatering equipment engineering drawings and related parts drawing.and the use of finite element analysis software ANSYS Workbench analysis the important parts static strength.
Key Words:Dewatering Machine; Screw Type;Dewatering Parts; SolidWorks;ANSYS
II
目錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 - 1 -
1.1 研究背景 - 1 -
1.2 國內外研究現(xiàn)狀 - 1 -
1.3 面筋脫水機應用場合 - 2 -
1.4 課題研究的意義 - 3 -
1.5 面筋脫水機結構介紹 - 3 -
2 脫水部分設計計算 - 5 -
2.1 設計思想 - 5 -
2.2 螺旋直徑D計算 - 5 -
2.3 螺旋螺距計算 - 6 -
2.4 絞龍殼體的設計 - 6 -
2.5 軸的結構設計 - 7 -
2.6 支承件的設計 - 7 -
3 主要零件的計算 - 10 -
3.1 電動機的選擇 - 10 -
3.2 主軸的設計計算 - 11 -
3.3 滾動軸承的選擇及校核計算 - 15 -
3.4 聯(lián)軸器的選擇 - 17 -
4 三維實體模型 - 19 -
4.1 面筋脫水機說明 - 19 -
4.2 絞龍及絞龍殼體實體模型 - 20 -
4.3 軸頭實體模型 - 21 -
4.4 左軸承座實體模型 - 22 -
4.5 底座模型 - 23 -
4.6 減速器及減速器支座模型 - 23 -
4.7 面筋脫水機模型 - 25 -
5 主要零件有限元分析 - 26 -
5.1 靜強度分析步驟 - 26 -
5.2 材料特性的定義 - 26 -
5.3 模型的導入 - 27 -
5.4 網(wǎng)格劃分 - 28 -
5.5 添加載荷約束 - 29 -
5.6計算結果分析 - 30 -
6 結論 - 32 -
參考文獻 - 33 -
附錄1：外文翻譯 - 35 -
附錄2：外文原文 - 40-
致 謝 - 47-
面筋脫水機結構設計
1 緒論
1.1 研究背景
面筋脫水機是食品機械中行業(yè)中運用較為普遍的機械類脫水裝置，其在淀粉等工藝中有著較為重要的地位，其性能的好壞直接影響到工藝成品的質量，因此對面筋脫水機的工作性能提出了較高的要求。當前面筋脫水機存在的主要問題包括：生產(chǎn)造價昂貴、脫水的效果不理想、耗水量較大等。
另一方面，隨著生產(chǎn)技術的進步，脫水工藝也有了較大的改進，在此情況下，對面筋脫水機提出了新的要求
在淀粉、谷朊粉等生產(chǎn)過程中，會用到各式各樣的加工設備，其中傳統(tǒng)的設備中包括間歇式面筋機、離心篩、沉淀池、三足式人工上卸料離心機、淀粉氣流烘干系統(tǒng)、谷朊粉烘干系統(tǒng)等設備。在機械行業(yè)飛快發(fā)展過程中，以上許多機器均已被排除市場，其中仍然在使用的設備僅剩有纖維分離和干燥設備。在越來越激烈的市場競爭中，和國內外先進的工藝設備相比，競爭力將會全方位落于下風[1]。我國作為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大國，想要在小麥谷朊粉工業(yè)中得到長足進步和占有一席之地，就必需痛定思痛，對工藝和設備進行相應改造，以順應發(fā)展潮流。工藝改造時先要進行工藝路線的重新設計，討論方案的可行性，然后按照相應的改造設計方案進行設備的改進。因此，各行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)代化程度直接取決于加工生產(chǎn)設備的現(xiàn)代化程度。
針對目前我國食品機械行業(yè)的迅猛發(fā)展，考慮到淀粉和谷朊粉加工設備的落后情況，我們提出了相應的設計改進方案，即從國內發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)，結合實際情況，將過去落后的半機械化及開放式的傳統(tǒng)加工方法改進為全自動化、封閉管道化的加工方法，從而實現(xiàn)加工過程中消耗低、成本低、效率高、投入低的經(jīng)濟目標，達到低風險、高品質、高回報的加工目標。
1.2 國內外研究現(xiàn)狀
1.2.1 國內研究現(xiàn)狀
國內在脫水設備上的研究發(fā)展落后于國外，隨著科學技術的進步，脫水機的功能呈現(xiàn)多樣化，節(jié)能是一個大的潮流方向，同時在自動化方面，研究力度不斷加大，同時得到了一定的研究成果，實現(xiàn)了基本自動化，但是與國外還存在較大的差距；另一方面，在脫水效果方面，與國外差距還是較為明顯的。在加壓過濾設備方面，我國自主生產(chǎn)間歇操作的板框壓濾機、全自動或半自動的加壓板框壓濾機、加壓箱式過濾機及帶有壓棒膜的壓濾機等加壓過濾設備；在真空過濾設備方面，我國自主生產(chǎn)真空外濾面轉鼓過濾機、圓盤連續(xù)真空過濾機、真空碟片過濾機、真空內濾面轉鼓過濾機、水平轉臺式連續(xù)真空過濾機、水平真空帶式過濾機等真空過濾設備[2]。目前，隨著國家實力提高，我國在過濾制造業(yè)方面有了很大的改進，擁有了自主研發(fā)多功能復合過濾設備的能力。隨著市場對過濾技術要求不斷的提高，過濾設備也將面臨著改革，正朝著過濾效率離、濾液澄清且濾餅含水率低和更加經(jīng)濟性方向發(fā)展[3]。
1.2.2 國外研究現(xiàn)狀
二十世紀五十年代BF型真空室固定式水平帶型真空過濾機首次被薩拉公司研發(fā)成功，緊接著在六十年代由荷蘭帕尼維斯所研發(fā)的RT型真空移動式水平帶型真空過濾機問世，對當時過濾機技術有了重大突破，減少了設備的占地面積。隨著市場的需求量加大，當前設備不能滿足要求，在1953年日本栗田工業(yè)株式會社研制出自動化式板框型壓濾機，以及后續(xù)研制出連續(xù)壓濾式板框型壓濾機[3]。為了提高過濾面積，提高自動化程度，可由機器人操作的板框型壓濾機被俄羅在八十年代斯發(fā)問世。1963年由BHS公司首次研發(fā)出Bel型直角式水平帶型壓棒過濾機，其濾帶寬度6000mm，之后許多國家相繼對水平帶型壓棒過濾機法師研發(fā)。二十世紀六十年代，德國最先研制出螺旋擠壓過濾機，首次提出螺旋擠壓理論，后來螺旋擠壓技術被廣泛應用，許多國家都開始制造螺旋擠壓過濾機，1990年美國Vincet公司在螺旋擠壓的基礎上研制出間斷式雙螺桿擠壓過濾面筋脫水機和低壓縮螺旋擠壓過濾機，螺旋擠壓過濾機具有耗能低，結構簡單緊湊，便于維護的優(yōu)點，廣泛應用于各個領域。二十世紀八十年代初瑞士羅森蒙公司首創(chuàng)Nutre多功能型加壓過濾機，它結合了現(xiàn)代技術并進行集成化，具有反應、過濾和干燥一體化的特征，隨后意大利、日本、美國、俄羅斯、德國都研制出不同型號的多功能型加壓過濾機[22-23]。
1.3 面筋脫水機應用場合
我國目前的食品加工，尤其是淀粉和谷朊粉的加工設備，多數(shù)只能通過從國外進口，設備成本的巨大投入讓很多加工小型企業(yè)望而卻步，只能勉為其難使用效率底下的舊設備，如果不能正常實現(xiàn)淀粉與谷朊粉生產(chǎn)設備的現(xiàn)代化，將會造成大量的資金浪費。面筋脫水機如圖1.1所示。
圖1.1 面筋脫水機
根據(jù)查閱與面筋脫水機相關的資料和文獻，以及根據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)廠家的設備對此設備進行設計。小麥淀粉用處很廣，根據(jù)其特有性能，其在食品、輕工、造紙等諸多領域中有著較為廣泛的應用。
我國是傳統(tǒng)食品大國，小麥年產(chǎn)量可以達到將近一億噸，但是，在這么久的發(fā)展中，小麥谷朊粉的生產(chǎn)始終沒能夠得到大多數(shù)廠家的重視，造成這種情況的原因主要可以概括為以下幾點：
（1）小麥在我國是較為常見的口糧，所以直接導致加工規(guī)模小、工藝落后；
（2）淀粉的黏度大，烘干困難，導致工業(yè)化進程較難推動；
（3）小麥加工落后，導致污水處理困難，造成環(huán)境嚴重污染；
（4）谷朊粉為原料產(chǎn)品在市場上的需求量較小，導致加工設備落后，影響了谷朊粉的發(fā)展。
1.4 課題研究的意義
面筋脫水機，顧名思義用來對小麥加工過程中——谷朊粉的生產(chǎn)過程中濕面筋的脫水，與此同時，對于其它類型的粗纖維產(chǎn)品，同樣也可以進行脫水工作。采用面筋脫水機可以使?jié)衩娼畛浞置撍?，處理。面筋首先?jīng)過的第一步充分的脫水處理后，再進行干燥加工，最后得到的產(chǎn)品即所謂的進谷朊粉，與此同時該設備還需要具有其它功能，就是對產(chǎn)生的淀粉殘水進行回收、處理和再利用。根針對現(xiàn)狀，對國內外較為先進的設備結構進行研究，發(fā)現(xiàn)增加一個出水口是非常有必要的，經(jīng)過這樣的改造，可以使擠壓面筋后的淀粉殘水流出設備，使其得到充分回收，提高淀粉回收率。有效優(yōu)化生產(chǎn)環(huán)境，達到利益最大化。該設備同時在運行過程中傳動平穩(wěn)，噪聲較小，在使用方面產(chǎn)品設備的定位準確，設備外觀美觀大方，體積小，實用性強。
近年來，我國越來越重視糧食產(chǎn)業(yè)，制定了相應的政策，所以市場對谷朊粉的需求越來越大，在大趨勢下，我國小麥加工產(chǎn)業(yè)得到飛速發(fā)展。尤其是國家大力支持新技術、新工藝的引進政策，促進了小麥的深加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，所以越來越多的相關企業(yè)像雨后春筍一般拔地而起，大大促進了相關行業(yè)快速發(fā)展。
1.5 面筋脫水機結構介紹
面筋脫水機的作用就是對面筋脫水，詳細來說就是將濕面筋送入脫水機，這部分功能是由高壓泵實現(xiàn)的，濕面筋在設備內會受到軸向擠壓力和徑向擠壓力，主要是因為脫水機內部采用的變螺距結構，經(jīng)過設備內部的高壓擠壓，濕面筋中的水分通過底端處的網(wǎng)格通過擠壓被擠出來，同時面筋也經(jīng)此出來，落入網(wǎng)篩上的面筋順著網(wǎng)篩到達該設備的面筋出口；水也經(jīng)過出水口達到重新回收利用的目的。這就是所謂的濕面筋的脫水工藝。脫水所得的面筋還需進行下一步的干燥處理。
我國目前的相關產(chǎn)品較為落后，只是簡單的通過篩網(wǎng)進行脫水工序，但這樣的方式，并不能達到所想要的脫水效果，會對隨后的進一步加工產(chǎn)生不良影響。另外一種脫水方式即螺旋擠壓式，使用絞龍推擠濕面筋。這種螺旋擠壓的方式，消耗資金較大，資源浪費嚴重。
所以，綜合國內外形勢，本設計決定采用變距絞龍式面筋脫水，即通過在殼體底端鉆孔的方式。如圖1.2所示為該設備的結構參照示意圖，采用單軸形式。
圖1.2 面筋脫水機整體結構
單軸面筋脫水機主要結構主要有電動機、聯(lián)軸器、絞龍及其外殼、機架等部分組成的。
2 脫水部分設計計算
2.1 設計思想
通過查閱相關參考文獻和設計手冊，初步確定選擇螺旋軸直徑d=(0.2～0.4)D，螺旋軸直徑取90mm；
確定螺旋轉速n：
n=Q47D2×sφ×γ0β4.1 (2.1)
γ0--輸送物料容重；
β0--修正系數(shù)；
S --螺距；
ψ--為裝滿系數(shù)；
螺旋輸送機的核心部件為螺旋軸，所以螺旋軸的計算在此次設計中也是重中之重，因為螺旋輸送機的尺寸設計一環(huán)扣一環(huán)，必須要等到螺旋軸的結構尺寸選定之后才可以決定；還有輸送機功率得選擇也比較重要，所以還需要進行電機功率和取料畚斗的相關計算。
2.2 螺旋直徑D計算
查閱相關資料《糧食輸送機械與運用》，有4-25公式：
D≥Q47bAφγ0β0K1/2.5 （2.2）
Q取Q=200Kg/h；
式中：
A--物料特性系數(shù)；
K1--葉面影響系數(shù)；
查閱相關設計文獻，可知：
ψ=0.20-0.35，A=40-50，取ψ=0.3；A=45；γ0=0.75t/m3；根據(jù)設備放置的現(xiàn)狀，取β0=0.7；查表取K1=1(滿面式)；b=s/D=0.8；
代入數(shù)據(jù)計算：D≥0.294m=294mm
查閱相關設計文獻，取D=300mm。
轉速?。簄=100r/min。
用相關公式驗算，A＝45
nman=AD1/4=187r/min （2.3）
由nman可以滿足。
ψ的驗算。
根據(jù)相關公式將有關數(shù)據(jù)代入，得：
φ=Q47D2sinγ0β0K1=0.38 （2.4）
裝滿系數(shù)ψ=0.38屬于范圍(0.33～0.4)。
因此，該設計結構合理。
絞龍結構如圖2.1所示。
圖2.1 絞龍結構
2.3 螺旋螺距計算
根據(jù)所查閱的相關資料可知，用螺旋結構輸送干燥，粘度小的小顆粒和粉狀物料時，選擇使用的結構為實體面形；輸送塊狀或粘度中等的物料時選擇帶式面形或采用葉片型結構。物料運輸過程中不只是單單的運輸，同時設備還會進行同步的混合、攪拌。
S=k1×D （2.5）
式中，S～螺距；
D～螺旋直徑；
K1～螺旋系數(shù)：k1=0.5～1；
螺距根據(jù)公式我們可以知道，其取值范圍在150-300mm之間，為了保證面筋脫水機的脫水效果，螺旋采用不等螺距，同時考慮到加工以及經(jīng)濟成本，將螺旋分成兩種不同的螺距，結合現(xiàn)有面筋脫水機的設計情況，設計的兩種螺距分別為200mm和250mm。
2.4 絞龍殼體的設計
絞龍殼體選用的材料為不銹鋼，它的功能是保證絞龍的順利工作。主要的連接方式為焊接，焊接后還要進行焊縫的打磨工序，保證美觀。雖然不要求表面質量很高，但是內表面的質量必須可以保證設備正常運行。出料小孔設計在絞龍殼體的底部，其作用是通過小孔讓面筋與水同時擠壓出來。如圖2.2所示為絞龍殼體的結構示意圖：
圖2.2 絞龍殼體結構
2.5 軸的結構設計
軸的結構形狀在設計時，需要考慮到相關的安裝、配合、固定等方面的需求，同時軸的設計還需要進行材料選用、加工合理性、應力計算等步驟。一般情況下，設計時采用階梯軸是較為常見的選法，實踐也表明階梯軸在該設計中較合適，因為階梯軸加工方便，強度合理，且具有安裝固定方便的優(yōu)勢。
如圖2.3所示為階梯軸結構示意圖，根據(jù)進行的受力分析可得出軸的直徑尺寸并確定軸承型號，該軸所選用的軸承為61815型、61820型深溝球軸承和51116型單向推力軸承。
圖2.3 主軸結構
2.6 支承件的設計
支承件結構主要包含的部分可以概括為：機身、橫梁、工作臺等必要部件，所以從此可以看出，支承件是機電設備的基本構件中的核心部件。
支承件作為基本部件，應該具有足夠的強度、韌性、穩(wěn)定性，對于沖擊要有很好的緩沖性能和既抗振性；根據(jù)這些具體要求，可知支承件需要有有良好的動態(tài)性能；同時，一個部件熱穩(wěn)定性的好壞，直接決定了機電裝備對工作精度的影響程度；構件結構工藝性的優(yōu)劣，可以有效減少支承件的內應力；除此之外，進行設計時還應考慮拆裝方便、操作簡單、排屑通暢等需求。支承件所占設備比重較大，可高達80%以上，同時該部件的性能對機電裝備的影響很大，所以支承件的設計也是重中之重。所以就要求在設計合理的條件下，盡量對支承件進行減重，降低投入成本。
2.6.1 減速器支承結構
如圖2.4所示為支承結構示意圖。
圖2.4 減速器支承結構
支承結構的上部尺寸是由減速器尺寸來決定的，下部尺寸則是靠參照底座尺寸來進行尺寸設計的。
2.6.2 左端軸承座支承結構
如圖2.5所示為左軸承座支承結構示意圖。
圖2.5 左軸承座支承結構
左端軸承座支承用于支承左端軸承座，其上部尺寸根據(jù)軸承座來進行相關的設計，下部參照底座尺寸進行設計。
2.6.3 底座結構
底座結構如圖2.6所示。
圖2.6 底座結構
底座結構采用槽鋼和角鋼焊接而成，結構強度和剛度能夠得到保證，同時作為標準件，能夠直接使用，減少不必要的設計，降低設計和制造成本。
3 主要零件的計算
3.1 電動機的選擇
選擇電動機的時候，第一步首要考慮的是額定功率的大小，進行選擇的電動機功率堅決不能低于工作時要求的功率。電動機功率過小會導致設備不能進行正常運行，長期使用會產(chǎn)生發(fā)熱而使電機過早損壞；功率過大，會增加設備投入成本，造成資金和資源浪費。
所需電動機功率為：
Pd=Pwη(kw) (3.1)
式中：——工作機所需輸出功率，kw
——工作機所需輸入功率，kw
——點效率
工作所需功率Pw可由如下公式計算。
Pw=FV1000ηw(kw) (3.2）
式中：——工作機中的阻力，N
V——工作機的線速度，m/s
——工作機的效率
由于濕面筋在脫水箱中不穩(wěn)定，因此受力也不穩(wěn)定，查閱文獻預估工作阻力F=500N。工作機效率η=0.85。
V=2πnr=2π×100×0.05=34.1m/s (3.3)
帶入式3.2解得Pw=10kw。
市場上的電機五花八門，三相異步電機是最喜歡選擇的電機，特別是Y系列，但是依據(jù)面筋脫水機的轉速要求n=100-120r/min以及P=10-20kw的真實的工作情況：由于正常工作中，存在許多不確定因素，例如脫水效率和主軸轉速等，因此選取電機時最好選用變速電機。
電機的基本參數(shù)如表3.1所示：
表3.1 電機的基本參數(shù)
型號
額定功率,
kW
調速范圍,
r/min
額定轉矩,
N．m
轉速變化率，δ%
重量，kg
YCT225-6B
15
760-76
103
<3%
248
3.2 主軸的設計計算
軸可以說是一臺設備傳動機構中的核心部件。它可以起到支撐作用，同時還可以傳遞扭矩，實現(xiàn)傳動所需要的最基本功能，同時它又和所配合的所有部件組成了軸系部件，而軸是所有配合的基準參照。
脫水機主軸在運轉過程中，主軸是主要承受扭矩的傳動軸，應按照扭轉強度條件計算。所以根據(jù)受力情況對軸的直徑進行初步估算。
3.2.1 初步估算軸徑
軸的材料選用要符合性能要求，因此選擇的是經(jīng)調質處理的，由機械設計手冊查得該材料的力學性能數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)如表3.2所示。
表3.2 材料力學性能數(shù)據(jù)
硬度
(HB)
抗拉強度極限
σb （MPa）
屈服點
σs
MPa
彎曲疲勞極限σ-1
MPa
扭轉疲勞極限τ-1
MPa
241-286
686
490
343
181
根據(jù)所查的公式進行初步軸徑計算，考慮到軸的材料，軸的力學性能相關數(shù)據(jù)如表3.3所示。
表3.3 軸的相關數(shù)據(jù)
軸的材料
40Cr
[τ]/N·mm-2
40-52
A
95-100.7
因此，取，主軸轉速取n=100r/min，計算可得：
dmin=A3Pn （3.4）
帶入式3.4計算得出：dmin=52.6mm。
本設計該處選擇用空心軸傳動的方式，這種方式可以有效控制生產(chǎn)制造成本，會讓機器運行起來更加輕便。內、外徑比為1：1.25。查找機械零件設計手冊，得到如表3.4所示為空心軸的計算系數(shù)。
表3.4 空心軸計算系數(shù)β
軸內徑/軸外徑
1/4
1/3
1/2
1/1.6
1/1.4
1/1.25
β
0.9961
0.9877
0.9375
0.847
0.73
0.59
對于空心軸傳遞功率，求其最小直徑dmin有特殊的計算方式，即式中加以計算系數(shù)β，對于空心軸，則
dmin=A3Pn(1-β4) （3.5）
式中，β=d1/d ，即空心軸的內徑d1與外徑d之比[4]。
帶入式3.5計算結果得：d=62.7mm
按以上公式所計算的軸徑，沒有考慮軸上要開鍵槽會對軸的強度造成一定影響，同時軸得設計采用空心軸，所以適當將軸徑增大20%，計算軸徑得：
d=75.24mm
故空心軸的直徑取內直徑：80mm，外直徑：100mm。
3.2.2 軸上受力分析
軸上的轉矩T1
T1=9550000Pn （3.6）
P——軸傳遞的功率，P=15kW；
n——軸得轉速，n=100r/min；
帶入式3.6計算得：T1=1432.5KN·m
絞龍主軸葉片上會受到一定力，該力為圓周力，確定該力的依據(jù)是：
我們所說的濕面筋是一種固液混合物，從專業(yè)角度說，也可以將其看成假塑性流體，由于其為混合物，所以受的力很難分析、確定，所以查閱相關資料可得最大所受力約為。
主軸受力如圖3.1所示。
Fa
T1
圖3.1 主軸受力
3.2.3 主軸的強度計算及校核
（1）強度計算
根據(jù)前面得計算，取空心軸內徑d1=80mm，d=100mm。
轉矩計算：T1=1423.5kN·m
扭矩如圖3.2所示。
圖3.2 扭矩
圓周力計算：
Ft1=2Td （3.7）
帶入式3.7計算得：Ft1=35.6N
主軸得受力情況主要是轉矩，因此需要對其扭轉切應力進行計算：
τ=T1Wt （3.8）
式中：τ——主軸切應力；
Wt——抗扭截面系數(shù)，由于主軸是采用空心軸，故抗扭截面系數(shù)計算式為：
Wt=πd3161-β4 （3.9）
式中，β=d1/d=0.8
帶入式3.8、3.9計算得：τ=12.5MPa﹤[τ]
（2）強度校核
軸的材料為40Cr，根據(jù)表3.3主軸相關數(shù)據(jù)我們可以知道：材料的剪切強度為40-52MPa，查閱生產(chǎn)機械相關文獻可得安全因數(shù)為0.7，則許用切應力[τ]=28Mpa,由上述計算的主軸切應力為12.5MPa，其小于28MPa，所以，扭轉強度符合要求。
3.2.4 軸的結構設計
主軸的結構如圖3.3所示。
1、左端軸頭；2、主軸；3、絞龍；4、右端軸頭
圖3.3 主軸結構
考慮到整體尺寸結構過長，同時由于絞龍與軸的連接采用焊接，為了操作的方便性，將軸采用裝配式，將主軸結構分成四個部分，即左端軸頭、主軸、絞龍、右端軸頭。左端軸頭和右端軸頭與主軸的連接也采用焊接連接，在保證結構可靠性的同時，使得結構更加簡單。
如圖3.4所示為絞龍主軸左端軸頭的結構示意圖。
圖3.4 左端軸頭結構
在左端軸頭結構中，因為螺旋葉片在旋轉工作過程中，存在軸向推力，故在左端軸頭部分留有止推軸承安裝位置，同時承載徑向載荷，在軸結構部分需留有深溝球軸承安裝位置，軸承的小徑軸向固定采用軸肩+螺母固定，故在左端最小軸徑上開有螺紋。
如圖3.5所示為絞龍主軸右端軸頭的結構示意圖。
圖3.5 右端軸頭結構
右端軸頭為動力輸入端，從右至左軸結構安裝為聯(lián)軸器、端蓋及伸出端、軸承螺母、軸承等各個部件。
3.3 滾動軸承的選擇及校核計算
3.3.1 止推球軸承的選擇
此處滾動軸承的校核主要是校核止推球軸承，根據(jù)上述主軸受力分析，主軸葉片的受力預估為500N，故止推球軸承的軸向受力為500N。
根據(jù)軸的尺寸選用止推球軸承代號為51116，現(xiàn)對該軸承進行相關計算和校核，已確定所選軸承可以滿足設計要求。
查機械設計手冊，知軸承51116的性能參數(shù)：
額定動載荷為：C=48.5KN，疲勞持久極限為：pu=13.2KN。
3.3.2 止推球軸承壽命校核
根據(jù)軸承壽命計算L-P方程：
Lh=CPε10660n （3.10）
式中：C——軸承的額定動載荷，N；
ε——計算系數(shù)，對于滾動球軸承取3；
P——軸承的當量動載荷，N；
n——轉速，r/min。
極限轉速：；
本次設計所需要的是可以讓軸承連續(xù)使用工作時間240000h。
當量動載荷：
P=fdXFr+YFa （3.11）
式中：Fr——徑向力，F(xiàn)r=0N；
Fa——軸向力，F(xiàn)a=500N；
fd——沖擊載荷系數(shù)，取fd=1.2。
X、Y——計算系數(shù)，X=0、Y=1。
帶入式3.12計算得當量動載荷P=600N。
帶入式3.11求得止推球軸承的壽命為：Lh=8802787h>240000h
故止推球軸承的壽命是符合設計要求的。
3.3.3 深溝球軸承的選擇
該出的深溝球軸承主要起支撐作用，因此所受的軸向力Fa較小，主要受其徑向力Fr作用。根據(jù)軸承設計手冊式（7-2-1）[10]
C=fhfmfdfnfTP （3.12）
fh——壽命因數(shù)；
fn——速度因數(shù)；
fm——力矩載荷因數(shù)，力矩載荷較小時fm=1.5，力矩載荷較大時fm=2；
fd——沖擊載荷因數(shù)；
fT——溫度因數(shù)；
P——當量動載荷，按軸承機械設計手冊式（7-2-2）計算，N；
查軸承機械設計手冊表7-2-23~7-2-26[10] 得：fh=1.390，fn=4.436，fm=1，fd=1,fT=1
根據(jù)軸承機械設計手冊式（7-2-6） C0=S0P0
查軸承機械設計手冊表7-2-29 P0=Fr=200kN S0=1
查軸承機械設計手冊表7-2-31 [10] C0=1×200=200N
查軸承機械設計手冊表7-2-66，61815型軸承，Cr=12500N,C0r=12800N，能滿足使用要求，故選61815型軸承。
3.3.4 深溝球軸承壽命校核
根據(jù)軸承壽命計算L-P方程：
Lh=CPε10660n （3.13）
式中：C——軸承的額定動載荷，N；
ε——計算系數(shù)，對于滾動球軸承取3；
P——軸承的當量動載荷，N；
n——轉速，r/min。
本次設計所需要的是可以讓軸承連續(xù)使用工作時間240000h。
當量動載荷：
P=fdXFr+YFa （3.14）
因為Fa/Fr≦e；
查機械設計書表13-5得：X、Y表示計算系數(shù)，X=0、Y=1。
式中：Fr——徑向力，F(xiàn)r=200N；
Fa——軸向力，F(xiàn)a=0N；
fd——沖擊載荷系數(shù)，取fd=1.2。
帶入式3.15計算得當量動載荷P=240N。
帶入式3.14求得止推球軸承的壽命為：Lh=40690104h>240000h
故深溝球球軸承的壽命是符合設計要求的。
3.4 聯(lián)軸器的選擇
聯(lián)軸器是最常用的扭矩傳遞裝置，廣泛運用在兩個軸之間的連接處。一般聯(lián)軸器的選用考慮的因素是多方面的，主要考慮的因素為轉矩、載荷、軸徑等。計算轉矩Tc由下式求出：
Tc=K×T=K×9550Pwn≤Tn （3.15）
式中：n——工作轉速，r/min;
T——理論轉矩，N·m
Pw——驅動功率，kW;
Tc——計算轉矩，N·m;
Tn——公稱轉矩，N·m;
K——工作情況系數(shù)
工作情況系數(shù)取,則：
帶入式3.16得Tc=1.2x9550x15/100=1719N·m
根據(jù)設計計算和工作實際情況，選取型號為GB5014-85的聯(lián)軸器，該聯(lián)軸器為彈性柱銷聯(lián)軸器。如圖3.6所示為選取聯(lián)軸器的截面圖。
圖3.6聯(lián)軸器工程圖
采用國標GB/T5014-1985的HL型彈性柱銷聯(lián)軸器，額定轉矩Tn(N.m)=6300，許用轉速[n]為2240(r/min)，軸孔直徑d1、d2、dz分別為80mm、85mm、90mm、95mm，軸孔長度為120mm，D=320；D0=250；D1=170；d3=40；l=112；S=4，轉動慣量J為41.1(kg.m2)。
標記示例：HL7彈性柱銷聯(lián)軸器
主動端：Z型軸孔，C型鍵槽，dz=95，L1=120；
從動端：J型軸孔，B型鍵槽，d2=90，L=120；
95x120
HL7聯(lián)軸器----------- GB5014-85
JB90x120
故所選聯(lián)軸器滿足要求。
4 三維實體模型
4.1 面筋脫水機說明
4.1.1 設備概述
在國內當前投產(chǎn)的的脫水機設備，還是運用的是人工投料（濕面筋）的傳統(tǒng)方式，費時費力、浪費資源，主要原因是由于其工作方式為間歇式的；這種傳統(tǒng)的脫水方式，具有一定的工作周期，間隔周期之間的時間就會被浪費；此外，該種傳統(tǒng)方式生產(chǎn)的產(chǎn)品衛(wèi)生安全性也會受到人們的質疑，進而影響其銷量；另外，面筋在輸送過程中由于其自身形式導致不能連續(xù)均勻地運送，并且時?？赡艹霈F(xiàn)被擠壓排除的狀況。以上所述都會對設備脫水產(chǎn)生重大影響，從而影響到相關產(chǎn)品產(chǎn)量，會嚴重影響生產(chǎn)效率。
針對我國相關設備現(xiàn)狀及技術的缺陷，本設計為單軸變螺距式脫水機，這是一種新興脫水加工設備，可以達到連續(xù)加工的目的，這樣可以有效提高生產(chǎn)效率，省時省力，節(jié)約成本。單軸式變螺距結構，優(yōu)點頗多，最顯著地及時脫水效率的提高，除此之外，我們?yōu)橹O計出由于高壓擠壓，會起到一個最好的濕面筋脫水效果，為緊接著的的干燥工序打下了一個良好基礎。同時，該設計使面筋脫水機的自動化程度有所提高，從而提高企業(yè)生產(chǎn)的整體效率。
根據(jù)上述的設計思想，脫水機最后確定的基本結構形式為：變速電機、單軸變螺距式。其基本工作原理介紹如下：
該設備由調速電動機提供動力源，電動機可進行反轉，防止面筋在絞龍殼體底部產(chǎn)生沉積。整機設備采用為臥式，聯(lián)軸器為動力傳輸?shù)慕橘|，絞龍的回轉運動由聯(lián)軸器間接提供。電動機的無級變速功能，使脫水效率和質量大大提升。主軸采用空心結構，減輕了設備重量及提高設備穩(wěn)定性。變距螺旋式攪拌軸葉片的設計，可以實現(xiàn)設備一邊推動濕面筋的移動，另一邊實現(xiàn)濕面筋的脫水，起到一舉兩得的作用。設備觀察窗口的設置，可以實時監(jiān)測設備的運行情況，避免不必要的工作事故。這樣，在濕面筋脫水生產(chǎn)過程中，我們的工作人員就可以很容易、方便的的觀察到濕面筋的脫水過程，通過電機的無級變速來調節(jié)電機的轉速，可以選擇合適的轉速來獲取合適的脫水效果。整機的底座和支架采用角鋼和槽鋼的焊接結構，以承受生產(chǎn)時產(chǎn)生的強大振動力。
4.1.2 設備使用注意事項
1、影響脫水效果的因素
影響面筋脫水機的脫水效果的因素有很多方面，要得到質量較高、滿足加工要求的物料（濕面筋），必須進行相應方面的不斷試驗、調整，以達到合適的工藝條件。想要做到滿足這一點，就必須對影響脫水效果的因素做更加全面的了解。影響脫水效果的主要因素有：
（1）小麥面粉的種類
（2）無極變速電動機的運轉速度
（3）濕面筋的投入速度
（4）濕面筋的含水量
（5）機械設備的安裝精度
2、脫水機操作方法
（1）開車前進行全方位檢查，查看、清理設備內異物，設備底端的面筋廢水出口是不是已經(jīng)提前進入打開狀態(tài)，檢查防護裝置、電源是否安全。
（2）脫水機使用前進行5分鐘左右的空轉熱機，檢查設備是否可以正常運行，如正常，進行投料工序。
（3）為減少絞龍葉片的負載和增加其壽命，隨著濕面筋加入緩緩啟動電機。
（4）脫水機連續(xù)工作時，不可突然停機，這樣會對設備造成不可修復影響，如要停機，就要停止投料，讓其繼續(xù)運行10分鐘，使設備內物料完全輸出。
（5）脫水后面筋應盡快進行干燥處理。
（6）在生產(chǎn)中，禁止把手伸入料桶內，防止事故發(fā)生。
（7）電機的轉速選擇要找有經(jīng)驗的員工來進行把握。
（8）每班都要對脫水機進行清理，最少一至二次。殘留的物料必須進行相應處理，不能再次進入脫水機，以免對人體產(chǎn)生危害。
（9）脫水機進行工作時要注意人身安全，檢查時，一定要先停機，再進行相應的檢查。
3、使用注意事項
（1）在設備啟動時，多觀察、多留意設備的實時運行情況，如果發(fā)生異樣，要及時檢查，解決問題。
（2）及時對機器進行檢查，特別是各連接緊固部位以及焊接處裂紋等。保證設備的安全性。
（3）注意及時更換潤滑油，保證設備使用壽命。
4.2 絞龍及絞龍殼體實體模型
絞龍機構是整個面筋脫水機的核心部件，它在工作中起到運輸和擠壓作用。絞龍葉片采用了變螺距結構，在絞龍機構旋轉過程中推擠物料前進壓縮，變螺距的設計也使對濕面筋的擠壓力逐漸加強。濕面筋在擠壓過程中主要纏在主軸上，葉片受力較小，因此葉片設計較薄，同時為了節(jié)省材料和減輕脫水機的重量，主軸采用了空心軸的設計。如圖4.1所示為絞龍三維模型。
圖4.1 絞龍實體模型
絞龍殼體是與絞龍機構相互配合使用，濕面筋從殼體上方進料口投入，通過絞龍旋轉將物料運輸?shù)綒んw底部，絞龍與殼體產(chǎn)生高度雙重壓縮比使?jié)衩娼蠲撍んw底部設有直徑10mm的篩孔，面筋經(jīng)過擠壓與水一起從篩孔落入篩網(wǎng)中，從而實現(xiàn)連續(xù)脫水過程。絞龍殼體模型如圖4.2所示。
圖4.2 絞龍殼體模型
4.3 軸頭實體模型
左右主軸軸頭是與主軸配合使用，起到兩端支撐作用。主軸軸頭與空心主軸采用過盈配合并焊接在一起，來保證受到大的扭矩是不會發(fā)生相對位移。軸頭采用了階梯軸形式設計，最小直徑由空心主軸內徑來定，左端軸頭上安裝推力軸承和深溝球軸承，右端軸承安裝深溝球軸承，并且右端開有鍵槽與聯(lián)軸器相連接。如圖4.3所示為軸頭實體模型示意圖。
圖4.3 軸頭實體模型
4.4 左軸承座實體模型
左軸承座主要是對左端主軸起到支撐和固定作用。左軸承座的內徑大小由所選用的軸承外圈直徑來定，軸承座與軸承采用間隙配合，軸承座兩端采用軸承端蓋密封。軸承座上端開有小螺紋孔，加上油閥，用于定期補充潤滑油，軸承座下端開有四個螺栓孔，用螺栓使其固定在左端支撐架上。如圖4.4所示為左軸承座三維實體模型。
圖4.4 左軸承座實體模型
4.5 底座模型
脫水機底座是將所有脫水機零部件進行裝配的重要部件，并起到支撐固定作用，由于面筋脫水機整體受力較小，運行平穩(wěn)，因此底座采用板條焊接，減輕脫水機重量，并在脫水機側面增加一個玻璃窗口，能夠時刻觀察面筋的脫水效果。如圖4.5所示為脫水機底座三維模型。
圖4.5 底座模型
4.6 減速器及減速器支座模型
選用PL40行星減速器，其減速比i=4，該減速器具有體積小，傳動效率高，所承受扭矩大等優(yōu)點。使用減速器與電動機配合使用，使其從電動機輸出的轉速調節(jié)到一個理想轉速。減速機出來模型如圖4.6所示。
圖4.6 減速器模型
減速器支座上部設有四個口，用螺栓使其與減速器進行固定，起到支撐固定作用，支座選用鋼板焊接，以簡稱面筋脫水機整體重量。如圖4.7所示為減速器支座三維模型示意圖。
圖4.7 減速器支座模型
4.7 面筋脫水機模型
如圖4.8所示為面筋脫水機三維模型示意圖。
圖4.8 面筋脫水機模型
5 主要零件有限元分析
面筋脫水機在工作時，面筋的投入量不是很大，并且面筋的質量也不大，因此，脫水機工作時所受力相對較小，震動較小，運行平穩(wěn)。脫水機工作時，絞龍旋轉將其面筋纏繞到主軸上，左端又受其軸向力作用，故對左端軸頭做靜強度分析。
5.1 靜強度分析步驟
通過使用Solidworks軟件繪制左端軸頭模型，然后將Soliworks建立的三維模型保存成stp文件，導入Ansys Workbench中。Workbench強度分析步驟如圖5.1所示。
圖5.1 靜強度分析步驟
第一步先進行材料定義，然后把左端軸頭的Solidworks模型導入到Workbench軟件中，使用Model模塊進行網(wǎng)格計算和劃分，之后定義左端軸頭所受約束條件和所受載荷，最后進行計算和求解，得出結果并進行分析。
5.2 材料特性的定義
通過雙擊Engineering Data進入材料庫，選擇General Materials，然后在Material下為左端軸頭添加材料userAA。然后在材料屬性表中填入材料的密度、彈性模量、泊松比、屈服極限、抗拉強度等物理量。材料定義如圖5.2所示。
圖5.2 材料特性定義
完成材料的定義，回到初始界面，在導入Solidworks三維模型后雙擊Model進入Mechanical界面，在Material模塊下，去查找自己定義的材料。
5.3 模型的導入
雙擊Geometry進入材料導入界面，選擇Import External Geometry File進行三維模型的導入。在Units菜單中將項目單位設為Metric(kg，mm，s，C，mA，mV）進行單位統(tǒng)一，方便后續(xù)計算。如圖5.3所示。
圖5.3模型的導入
5.4 網(wǎng)格劃分
在進行網(wǎng)格劃分時要考慮分析的類型，在靜力分析時，只是是計算左端軸頭的結構變形，所需劃分的網(wǎng)格數(shù)量可以減少一些[21]。當然，網(wǎng)格數(shù)量越多，計算結果也將越精密，但考慮到電腦的自身影響，進行計算精度和計算效率的比較之后選擇中等精度，選用自適應分網(wǎng)的方法。圖5.4為左端軸頭網(wǎng)格劃分的結果。
圖5.4模型的網(wǎng)格劃分
5.5 添加載荷約束
在Ansys軟件中，對應不一樣分析類型載荷也有不同種類。左端軸頭在實際工作中其主要受到扭矩作用，所以只考慮扭矩對軸頭的影響。選擇Static Structural，定義邊界條件，在Supports模塊中選擇Fixed Support中選擇軸頭的左右端面。軸頭左側固定，即在X、Y、Z方向上都添加約束，因為軸頭的軸向力較小，所以軸向不發(fā)生變形，只發(fā)生扭轉變形，因此右側Y軸進行約束，X、Z方向自由。并且在軸的右側第一個階梯側面添加扭矩。模型添加載荷約束如圖5.5所示。
圖5.5模型的載荷約束
5.6計算結果分析
通過圖5.6和圖5.7分析可得，軸頭的右端所受應力比較大，變形量也是右端最大。可以看出力矩由右側向左側傳遞，軸頭所受力與變形量也從右往左遞減，左側受力與變形量很小，最大變形量為0.045mm,在允許范圍內。所用軸頭為實心的，所能承受的切應力比較大，最大應力為4MPa，小于許用應力。從圖中計算結果可以看出變形量復合要求，故該軸頭滿足使用要求。
圖5.6 模型的變形圖
圖5.7 模型的應力圖
6 結論
本次畢業(yè)設計的課題是面筋脫水機結構設計，在進行脫水機結構設計之前，通過查閱了大量的相關文獻，了解了國內外發(fā)展狀況，之間的差異，以及未來的發(fā)展趨勢，之后進行了一系列的設計，完成了對面筋脫水機的主要工作部分進行了相關設計工作。
該設備采用臥式單螺旋軸擠壓脫水，物料由高壓泵輸送到進料口，通過擠壓脫水，脫水面筋將從出料口排出，水從排水管流出進入廢水回收裝置，凈化后將重新利用。本次設計首先對脫水的主要部件絞龍機構進行設計和計算，采用了變螺距絞龍機構，使其在末端提供更大的轉矩，達到更好的脫水效果。之后對軸進行了相關的設計，計算和校核，保證在滿足性能的基礎上達到減輕質量、降低成本的效果。最后對標準件進行選型及支撐架的結構進行設計及優(yōu)化。
本次面筋脫水機設計包括二維圖紙繪制、三維實體建模及ANSYS有限元分析。二維圖紙包含了主要零件圖、部裝圖及總裝配圖共17張圖紙。并使用SolidWorks軟件對脫水機所有零部件進行了三維實體建模，并完成了總裝配體。使用ANSYS Workbench有限元分析軟件對主要零件進行靜強度分析。同時完成了設計說明書的編寫。
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