新疆薄皮核桃定位加紧方法的探讨与夹具设计.doc

1、1新疆薄皮核桃定位夹紧方法的探讨和夹具设计设计说明书新疆薄皮核桃定位加紧方法的探讨与夹具设计前言制造业中广泛应用的夹具，是产品制造各工艺阶段中十分重要的工艺装备之一，生产中所使用夹具的质量、工作效率，及夹具使用的可靠性，都对产品的加工质量及生产效率有着决定性的影响。研究此课题主要在于规避当前定位加紧方法中造成的定位不准确，如：对于不同大小的核桃，有的核桃夹紧了，有的没夹紧，更甚至有的核桃被夹碎了；通用性差；作业成本高；性能不稳定；自动化程度低；无计划、无步骤。在此基础上，寻找一种简单实用、低成本、高效率，使用方便的定位夹紧方法。其次，根据确定的加紧方法设计出最佳的夹具。2目录前言 .21.绪

2、论 .51.1 课题提出的背景 .51.2 研究目的及意义 .52.核桃的基本性能 .52.1 核桃的分类 .52.1.1 划分 .52.1.2 外形 .52.1.3 品种群 .52.1.4 品种 .52.2 薄皮核桃的测定和分析 .62.2.1 三维尺寸 .62.2.2 薄皮核桃的厚度 .72.2.3 压碎薄皮核桃仁所需的挤压变形量 .72.3 薄皮核桃机械特性的测定和分析 .72.3.1 静刚度 .73 薄皮核桃的力学分析 .73.1 核桃壳在一对法向力作用下的内力 .73.1.1 远离集中力作用点区域的薄膜力 .83.1.2 力作用点附近区域的内力 .93.1.3 结论 .103.2 均

3、匀薄核桃壳在一对法向集中力作用下的位移 .103.2.1 远离集中力作用点区域的位移 .103.2.2 法向位移 W 的相对比值 .124 国内外研究现状及分析 .124.1 国内现状分析 .124.2 国外现状分析 .124.2.1 定位加紧不精确 .124.2.2 通用性差 .124.2.3 装置性能不稳定，适应性差 .124.2.4 作业成本高 .125 任务要求及实现预期目标的可行性分析 .125.1 任务要求 .125.2 可行性分析 .1336 重点研究的、关键的问题及解决的思路 .136.1 问题 .136.2 解决思路 .137 薄皮核桃的方案拟定 .137.1 方案一 .13

4、7.1.1 工作原理 .137.2 方案二 .147.2.1 工作原理 .147.3 方案三 .157.3.1 工作原理 .157.4 方案四 .167.4.1 工作原理 .168 夹具类型的确定 .189 薄皮核桃的结构设计 .189.1 导轨 .189.2 挤压版 .189.3 固定板 .199.4 V 型块夹具 .199.5 小链轮 .209.6 夹具 .2010 主要零部件的计算 .2110.1 挤压板强度校核计算 .2110.2 电动机的选择 .2210.2.1 根据所给的功率及同步转速，可选用的电机型号有两种 .2210.2.2 其主要外形安装尺寸如图 101.2210.3 确定传

5、动链 .2210.3.1 确定链条节距 p.2210.3.2 确定链长 L 及中心距 .2310.3.3 验证链速 .2310.4 链轮主要尺寸 .23小 结 .24致 谢 .25参考文献 .264塔里木大学毕业设计51.绪 论1.1 课题提出的背景核桃又名胡桃，在国际市场上它与扁桃、腰果、榛子一起，并列为世界四大干果。它的足迹几乎遍及世界各地，主要分布在美洲、欧洲和亚洲很多地方。其产量除美国外，即推中国。核桃在国外，人称“大力士食品” 、 “营养丰富的坚果” 、 “益智果” ；在国内享有“万岁子” 、 “长寿果” 、“养人之宝”的美称。其卓著的健脑效果和丰富的营养价值，已经为越来越多的人所推

6、崇。核桃的药用价值很高，中医应用广泛。祖国医学认为核桃性温、味甘、无毒，有健胃、补血、润肺、养神等功效。 神农本草经将核桃列为久服轻身益气、延年益寿的上品。唐代孟诜著食疗本草中记述，吃核桃仁可以开胃，通润血脉，使骨肉细腻。宋代刘翰等著开宝本草中记述，核桃仁“食之令肥健，润肌，黑须发，多食利小水，去五痔。 ”明代李时珍著本草纲目记述，核桃仁有“补气养血，润燥化痰，益命门，处三焦，温肺润肠，治虚寒喘咳，腰脚重疼，心腹疝痛，血痢肠风”等功效。我国的核桃栽培面积约 130 万 hm2 以上,主要种植区域在西南和西北。我国核桃总产量约 31万吨,全国人均占有 0. 24kg。这与国际上一些国家相比相差甚

7、远,如美国人均占有核桃 1.5kg,是我国的 6 倍。针对核桃加工存在的问题和市场的需求,确定核桃加工工艺,除脱青皮、分级、清洗、脱水、烘干、去壳、仁壳分离与包装外,还可进一步深加工。在加工中,存在的问题是核桃脱壳比较困难,主要由人工完成。人工剥壳难以满足生产发展的要求,故研制高效剥壳机已成当务之急，然而，核桃的定位夹紧夹具是其必经之路。1.2 研究目的及意义为了了使坚果食品增值，近年来各国都在加工制造成品方面想办法。目前整体核桃仁在国际市场上的价格是带壳核桃的几十倍，且核桃带壳保存容易霉烂。因此，寻求效率高.质量好的脱壳方法，是发展的必然。我国核桃资源丰富，1993 年全国产量达到 21.3

8、 万吨，如何有效去壳，对满足人们生活需要和换取外汇都有着重要的意义。坚果类定位夹紧问题的研究，如苏联专利破裂松果的仿佛，日本专利定位夹紧栗壳的方法，我国对薄皮核桃壳定位夹紧机理的研究，在理论和实践方面都做了有益的探讨，但均未解决好核桃定位夹紧的问题。在我国，如陕西、山西的核桃剥壳机，性能不甚好，我国出口的核桃仁全都是手工砸取，劳动生产率低，且菌感染指数高于国际食品卫生法规定的标准，影响了桃仁的品质。在国内的市场销售，对人民的健康不利。2.核桃的基本性能2.1 核桃的分类2.1.1 划分形态特征和生态类型具有统一性的品种群称为类群。我国核桃品种分为核桃类群和铁核桃累群。通常称前者为北方核桃，后者

9、为南方核桃。2.1.2 外形各品种群的核桃外表近似球形。壳表面沿纵径方向分布着长条沟纹，结合线下半部平，上半部微隆起，约 12mm。2.1.3 品种群核桃壳厚薄，含仁率高低相近似的一些品种称为品种群。我国核桃品种基本上可划为四个种群。2.1.4 品种品种的命名主要是依据坚果大小形状、核桃壳表面特性、产品地等。下表列出了两种核桃品种群的划分标准。表 2-1 核桃品种群的划分标准品种群 核桃壳厚度 含仁率 横隔壁 内褶壁 取出仁薄壳核桃 11.5 5060 呈膜质 退化 半仁厚壳核桃 2.1 41 呈膜质 发达 碎仁注解：1、横隔膜是指分隔开两半仁的十字架式的薄膜2、内褶壁式指凹凸不平的内壁塔里木

10、大学毕业设计6从表中可见，薄壳核桃品种群易于用机械定位夹紧，且核仁比较完整。2.2 薄皮核桃的测定和分析2.2.1 三维尺寸用游标卡尺测量出 100 个薄皮核桃的三维尺寸，统计处理后得出均值、方差等见表 2-2，直方图如图 2-1，对三维尺寸进行方差分析见表 2-3 图 2-1 薄皮核桃的三维尺寸图 2-1 三维尺寸 表 2-2 薄皮核桃的三维尺寸统计表位置 均差 均方差 变异系数 近似球体直径 球度纵径 32.33 2.64 8.1% 31.86 0.979横径 31.82 2.64 8.3%棱径 31.24 2.35 7.5%表 2-3 薄皮核桃三维尺寸方差分析方差来源 平方和 自由度 均

11、方 F 值 临界值位置之间 8419 2 4210 640 691误差 1952 297 657总和 2036 299 681对测量结果进行分析，可得出如下结论：（1）绝大多数薄皮核桃的三维尺寸都在 2737 之间，其数量占总薄皮核桃量的 95%左右。（2） 薄皮核桃的三维尺寸存在纵径、横径、棱径，但在 =0.001 水平下三维尺寸有高度显著变化，可近似简化为球。塔里木大学毕业设计7（3）薄皮核桃外形近似为球，近似程度用球度来表示，球度的定义为球度=DEC（2-1）式中，DE-是与物体体积相同的球体直径DC-最小外接球体直径。假定薄皮核桃的体积等于截距为 A、B、C 的三维尺寸椭球的体积，外接

12、球的直径是椭球的最大截距 A，则球度表达式为：球度= = 几何平均直径/最大直径=近似球体直径/最大直径1/2BC2.2.2 薄皮核桃的厚度对于整个薄皮核桃，除了结合线上的壳厚度较大以外，其它各个位置的壳厚基本上是一样的。为说明问题，对于每个薄皮核桃，我们测量了四个位置的壳厚，即顶端 1、底部 2、结合线附近 3及最凸处 4，随机测量了 200 个薄皮核桃，故样本 N=200，对测量值进行统计处理，结果见表 2-4。对表 2-4 进行方差分析，当显著性水平 =0.10 时，不同位置间的壳厚差异不是显著的，表 2-4 薄皮核桃壳厚内容 均值 均方差 变异系数最小间隙 067 0385 575%最

13、大间隙 186 0546 296%图 2-72.2.3 压碎薄皮核桃仁所需的挤压变形量随机地取出 200 个薄皮核桃，砸取出两个完整的半仁，再随机地取出 100 个半仁，半仁竖直地放置在单轴压力测定仪的上下平台之间，测定仁上出现裂纹所需的挤压变形量，挤压时由于仁中间部位弯距大，因而仁都在中间位置出现裂纹。手摇转速为 1 转/秒。对挤压变形量进行统计处理，结果见表 2-5。因此，当仁上承受的挤压变形量大于 0.71 时，仁将破碎。表 2-5 仁破裂时的挤压变形量均值 均方差 变异系数072 0124 142%2.3 薄皮核桃机械特性的测定和分析2.3.1 静刚度为了测定薄皮核桃的静刚度，只需测出

14、薄皮核桃在一定压力下的变形即可，为此，我们用单轴压力测定仪。上平台与钢环连接成一体，当摇动手柄使下平台上升挤压薄皮核桃时钢环受到压缩，压缩量由千分表读出，换算成相应的压力 P，薄皮核桃壳的压缩变形量 决定于摇动圈数N，而 与 N 的关系为 =0.2N-C，在挤压破裂之前，压力和压缩变形基本上保持线性关系，即K=p/，K 称为压缩刚度，相同的 K，意味着力学性质基本相同。为了说明问题，挤压方向选取四个水平，即横径、纵径、棱径和任意方向，静刚度 K 的方差、均值和变异系数见表，当显著性水平 =0.11 时，不同位置间的静刚度差异不是显著的，因此，可以认为薄皮核桃壳的静刚度是均匀的，静刚度为 24。

15、3 薄皮核桃的力学分析3.1 核桃壳在一对法向力作用下的内力图 3-1 表示一对法向集中力 P 作用在均匀薄核桃壳上，核桃壳的每一个微小截面上都存在着两类内力，即薄膜力 N ，N ，弯曲力矩 M ，M 及横向剪力 Q 。它们的正方向示于图 3-2 中。塔里木大学毕业设计8图 3-1 一对法向力作用在核桃壳上图 3-2 两类内力示意图当均匀薄核桃壳受到一对法向集中力作用时，在远离集中力作用点的区域中主要存在的是薄膜力，弯曲力矩很小，可不加考虑。但在集中力作用点附近区域弯曲力矩很大，不能忽略。因此，整个核桃壳分两个区域计算内力，对于远离集中力作用点的区域采用无矩理论计算薄膜力N ，N 。在集中力作

16、用点附近区域采用弯矩理论计算内力 N ，N ，M ，M ，Q 。3.1.1 远离集中力作用点区域的薄膜力取出球心角为 的圆截面及顶部。在圆截面上的内力 N 可由静力平衡关系得。在圆截面上的内力总和为 2 20SinridrNSin（3-1）应等于外力 P，即 2pi所以 NrSin（3-2）根据无矩理论可得 ,0N因此 2prSin（3-3）任意边上，下极点的圆截面上的薄膜力 N 与球心角 的关系曲线。当 = 时，即最大2塔里木大学毕业设计9圆截面上的 。当 =0 时，即集中力作用处的 N，N 均趋于无穷大，这与实2pNr际是不相符的，这是因为没有考虑弯矩作用的缘故，这也说明了无矩理论在集中力

17、处是不适用的。3.1.2 力作用点附近区域的内力根据弯矩理论的基本方程可推出2211pluNKerl（3-4） 221lirKerirl （3-5）12pMKeruei（3-6） i（3-7）22pluQKereil（3-8）式中 ， ， ， 都是零阶汤姆生函数，无为复杂的无穷级数展开式。这erii些函数的展开式及其导数的递推关系：l222314ruh式中 ，h 分别为壳的柏松比和厚度因为薄皮核桃壳是脆性材料，几乎没有塑性变形， 值接近于零，故可认为 =0，于是式（3-3）（3-5）可简化为221plNKer（3-9）221lir（3-10）2pMKei（3-11）1i（3-12)塔里木大学毕

18、业设计102plQKer（3-13）3h（3-14）因此，当均匀薄壳的 r,h 给定时，在集中力附近区域内任一角的圆截面上的内力就可以算出。那当然准确地求出这些内力值是比较复杂的。下面讨论集中处的内力值。当 =0 时，由式（3-8）可得 =0，零阶汤姆生函数的数值为0Ker0Ker4ii2018er 2018er0Ki0Ki因此，在集中力处的内力为 38pNhMQ(3-15)3.1.3 结论（1）对整个核桃壳而言，内力 N ，N 在集中力处最大，在最大圆截面上最小，两者相差的倍数 K 为 23388rphh根据前文中对薄皮核桃的物理特性的设定结果表明，取 r=15.93，h=1.564 代入式中，可得K=13.586。因此，当均匀薄核桃壳受一对法向集中作用时，破裂裂纹将首先出现在集中处。（2）作用在核桃壳上的外力越大，核桃壳越容易发生破裂。（3）不同厚度的均匀薄核桃壳受相同的外力作用时，薄壳所产生的内力要比厚壳大，因此，薄壳比厚壳容易发生破裂。3.2 均匀薄核桃壳在一对法向集中力作用下的位移与内力计算一样，整个核桃壳上的位移也分为两个区域加以计算。3.2.1 远离集中力作用点区域的位移根据无矩理论推出经线方向位移 U 和法线方向位移 W 的基本公式。由于是轴对称变形，故在核桃壳纬线方向上的位移 V 为零。prch（3-16）1uwr（3-17）式中 2prEh（3-18）