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附錄1
專題：水射流清洗技術(shù)的研究現(xiàn)狀
摘要 近年來水射流清洗技術(shù)已在眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，并且取得了顯著的成效。本文主要介紹了水射流清洗技術(shù)的工作原理、特點及其應(yīng)用現(xiàn)狀，并展望其發(fā)展前景和趨勢。
關(guān)鍵詞 水射流清洗技術(shù) 應(yīng)用現(xiàn)狀 發(fā)展趨勢
Abstract In resent years, water jet cleaning technology has obtained extensive application in many fields, and results of its application are notable. This paper mainly introduces operating principle feature and current situation of application of water jet cleaning technology, then, describes its development foreground and trend.
Key words water jet cleaning technology current situation of application
development trend
水射流清洗是一項不斷發(fā)展的清洗技術(shù)，傳統(tǒng)的水射流清洗是延用至今的低壓大流量水射流沖洗，那時水射流清洗作業(yè)又稱為“水力剝層”。而高壓水射流清洗技術(shù)是水射流清洗技術(shù)的最新發(fā)展。由于世界各國對環(huán)境保護日益重視，高壓水射流清洗技術(shù)以其廣泛的通用性和對環(huán)境無害性在清洗行業(yè)異軍突起，備受清洗行業(yè)的表睞，應(yīng)用日益廣泛。
1.高壓水射流清洗技術(shù)的工作原理和特點
高壓水射流清洗技術(shù)的工作原理是利用高壓水泵將普通水的壓力提高至40－250MPa，單槍流量約為20-39L/min，從噴嘴射出，形成超高壓水射流或磨料水射流，利用水射流的強大沖擊力、沖蝕力和剝離能力，快速地將涂層、結(jié)垢，鐵銹和油漆去除干凈。在清洗時，可采用純水射流清洗和磨料水射流清洗兩種方式。采用純水清洗時，水射流的壓力很高，可采用旋轉(zhuǎn)噴頭，清洗速度快，設(shè)備簡單。采用磨料水射流清洗時，水射流的壓力相對較小，磨料為便宜的石莫砂，操作相對復(fù)雜。水射流清洗技術(shù)是射流技術(shù)和清洗設(shè)備組合在一起而形成的。磨料水射流是磨料與高速流動的水或者與高壓水互相混合而形成的液固兩相介質(zhì)射流。磨料射流也稱為高效射流（也包括脈沖射流，空化射流等），分為后混合磨料射流，前混合磨料射流和外混合磨料射流。外混合磨料射流主要用于清洗。在清洗技術(shù)中實際應(yīng)用的水射流大致可以分為三種類型：連續(xù)射流、脈沖射流和空化射流。連續(xù)射流又根據(jù)其周圍介質(zhì)分為：淹沒射流和非淹沒射流，高壓水射流清洗使用非淹沒連續(xù)射流。水射流清洗的工作參數(shù)主要是射流的工作壓力和流量，其中，尤以壓力對水射流的影響顯著，只有當(dāng)水射流的工作壓力達到一定值時，才能對材料造成破壞。提高水射流的沖蝕和切割效果的有力措施是適當(dāng)?shù)靥岣吖ぷ鲏毫?，而要提高水射流的崩裂、剝離及沖運效果，則要在保證足夠壓力的情況下，增加射流的水流量。高壓水射流清洗裝置稱為高壓水射流清洗機主要由高壓柱塞泵、動力部分、噴嘴、高壓軟管及工作附件等組成。
2. 高壓水射流清洗的應(yīng)用現(xiàn)狀
高壓水射流清洗是物理清洗方法中的一項重要的新技術(shù)，物理清洗技術(shù)是世界清洗技術(shù)發(fā)展的方向，而化學(xué)清洗只能適用于有限的清洗對象。通過多年的研究與實踐，越來越多的用戶開始尋找和轉(zhuǎn)向物理清洗方法。與傳統(tǒng)的手工、機械方法清洗、化學(xué)方式清洗相比，高壓水射流清洗具有如下優(yōu)點：
1． 選擇合適的壓力等級，高壓水射流清洗不會損傷被清洗機體。
2． 清洗過后的零部件不需要進行潔凈處理。
3． 能夠清洗形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，能在空間狹窄、復(fù)雜環(huán)境、惡 劣有害的場合進行清洗。
4． 清洗效率高、質(zhì)量好，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，安全可靠。
5． 易于實現(xiàn)機械化、自動化、便于數(shù)字控制。
6． 高壓水射流清洗是用普通自來水于高速度下的沖刷清洗，所以它不污染，環(huán)境，不腐蝕設(shè)備，不會造成任何機械損傷，還可除去用化學(xué)清洗難溶或不能溶的特殊垢。
由于高壓水射流清洗是利用水射流的打擊力將附著物清除掉，在水中不需加入任何化學(xué)藥劑。因此高壓水射流清洗技術(shù)范圍非常廣泛，幾乎遍及國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，被清洗物的形狀、大小和性質(zhì)差異很大，清洗要求也各不相同。具體來說，在石油化工、電力、冶金等工業(yè)部門中得到廣泛的應(yīng)用，可用于清洗容器，也可用于清洗各種設(shè)備、管道、煤氣管線及換熱器，還可用于清洗船舶上積附的海洋生物和鐵銹、鋼鐵鑄件上的清砂等。
水射流技術(shù)的清洗對象主要有：換熱器，包括列管式換熱器、管程換熱器、螺旋板式換熱器、蒸發(fā)器等；管道，包括各種輸送物料管、廢水、廢渣排放管、管網(wǎng)及管式干燒器等；容器，包括反應(yīng)塔、缸、罐釜、沸騰槽、混合器、冷卻塔、槽車仍儲罐等，專業(yè)器材包括船舶、機場跑道、鉆桿、鉆具、機車、軋機和鋼鐵構(gòu)件及陽極板等；其它設(shè)備包括過濾機板框、柵格板、水泥地板、排風(fēng)機、送風(fēng)管及大型零部件等，被清洗的物料包括各種類型的結(jié)垢、結(jié)晶、板結(jié)、附著物、反應(yīng)成沉淀物料及涂料、油漆、油污等。近年來，高壓水射流清洗技術(shù)還要更深入、更廣泛的領(lǐng)域擴展、延伸。高壓水射流清洗火箭發(fā)動機，清洗飛機跑道、清洗50萬伏超高壓線路，清洗火炮筒壁等主面也都取得了一定進展。此處，高壓水射流技術(shù)非常適合核電站及核化條件清洗。對核電站的清洗，是保證核電站安全正常運行必不可少的重要工作。水射流清洗核電站技術(shù)優(yōu)于化學(xué)、機械等清洗方法，是目前最理想的清洗方法。在野戰(zhàn)條件下式軍事演習(xí)后對遭受核生化污染的人員、武器、技術(shù)裝備也可采用高壓水射流清洗。
3. 高壓水射流清洗技術(shù)的發(fā)展前景
采用先進的高壓水射流清洗技術(shù)，取代傳統(tǒng)落后的清洗方法，可大幅度地提高清洗質(zhì)量和清洗效率、降低成本、改善工作環(huán)境，避免污染。特別是近10年來，由于高壓往復(fù)式柱塞泵以及與配套的高壓軟管。高壓閥和旋轉(zhuǎn)接頭等輔助裝置的提高，性能的改善；國內(nèi)外一些高壓水射流清洗技術(shù)的研究成果已逐步形成商品，應(yīng)用的領(lǐng)域和范圍還在迅速擴大。
從整體上來說，水射流清洗產(chǎn)業(yè)的回化進程將加快，即向?qū)I(yè)化、社會化、系列化和高級化方向發(fā)展，全能化和全程化服務(wù)水平不斷提高【1】。在工業(yè)清洗行業(yè)中，高壓水射流清洗技術(shù)將占絕對優(yōu)勢，是我國工業(yè)清洗的必由之路【3】。在高壓水射流技術(shù)設(shè)備自身實現(xiàn)可靠運行的前提下，提高智能化水平。高壓水射流、機器人與遠程控制系統(tǒng)的結(jié)合，將是高壓水射流清洗技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。
參考文獻：
【1】 曹昊翔，張正學(xué).水射流清洗技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及其前景.長沙礦山研究建院50周年院慶論文集，2006.10
【2】 孫建勛，陳毅強，趙隕.高壓水射流清洗技術(shù).管道技術(shù)與設(shè)備，
2001.2
【3】 辛承梁.高壓水射流的清洗功能.化學(xué)清洗，1992.
附錄2
水射流的數(shù)值模擬
摘要
計算流體力學(xué)的方法已經(jīng)發(fā)展到找出在磨料－空氣－水噴射形成期間在管嘴處相遇的微粒和空氣的速度的分布情況。這項研究已進行了采用一種多相方法。磨粒被視為一個固體顆粒連續(xù)相。被用于抽取磨粒進入噴射裝置的空氣被視為一連續(xù)相，水被視為主要的連續(xù)相。基本方程離散為采用有限體積方法?；痉匠痰慕夥ㄊ遣捎孟嚅g滑移算法。基本方程近似使用湍流模型。當(dāng)空氣相集中于混合頻管的中心區(qū)域時，磨粒進入噴嘴和集中管，在這兩個地方微粒沿著無孔壁面分布、沿著管壁飄動。在集中管處，空氣相和水相的分布形式表明了一個可能的振動。采用不同的磨料進口角度和不同的磨料進口位置進行仿真模擬實驗。模擬的結(jié)果清楚地表明，磨料進口角度和位置對集中管出口處速度分布的影響。從模擬中發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的磨料進口角度取決于磨料在混合室中的位置。當(dāng)磨料進口位置靠近錐形部分，即混和空氣的較低部分時，較低的角度是有益的；當(dāng)磨料進口位置靠近開孔口（節(jié)流口）的，即混合空氣的較高部分時，較高的角度是優(yōu)秀的。在出口處的空氣、水和磨料的速度和體積分數(shù)與可得到的試驗數(shù)據(jù)進行比較。模擬的結(jié)果顯示出與試驗數(shù)據(jù)很好的一致性。
1.引言
速度分布在磨料水射流精密切割中是非常重要的參數(shù)。找到水和磨料的速度的實驗結(jié)果已經(jīng)采用不同的方法獲得。但是在實際情況下，磨料水射流包含三相的流動（水、空氣和固體）。大多數(shù)研究者已經(jīng)進行了磨料和水的實驗，由于在集中管的出口處的空氣速度是難以測量的。
Scharner et al 在1998年根據(jù)磨料的流動頻率計算出空氣的流動頻率。從他們的研究論文可以清楚地知道，混合室的幾何形狀對空氣流動頻率有很大的影響。Abduka和 Crofton在1998年指出，在混合室內(nèi)部的真空壓力隨著水壓力的增加而增加，而且也取決于孔口部位的直徑。Neusen et al 在1994年指出關(guān)于容積積位的磨料水射流是由大約4%至6%的水，0.2%至0.5%的磨料和93%至95%的空氣所組成。Tazibt et al在1996年指出磨粒吸收的空氣占磨料水射流多于百分之九十的體積，于是在磨料水射流中，空氣有很大的影響。有些作者已試圖模擬磨料水射流，但是他們僅考慮到兩相（水和固體）。JainYe在1996年也試圖模擬磨料水射流，他考慮到粒子運動和粒子運動的拉格朗日方程的軌線。他指出漸細的進口角度對在噴嘴出口的粒子聚集和運動的能量分布有著深遠的影響。J Ye和R Kovacevic在1999年也還模擬了水射流的兩相，在這兩個模擬中，他們采用了直接注射的磨粒水射流（磨粒射流）。在本篇文章中，鑒于傳統(tǒng)噴嘴三相射流的情況，我們已試著模擬磨料水射流。
用計算流體力學(xué)方法來分析磨料水射流對找出在磨料水射流形成期間存在的不同相的速度分布是十分有用的工具。軟件CFX-4被用于這些模擬。水和固體被認為是不可壓縮流，而空氣被認為是可壓縮流。
本文論述磨料水射流所模擬的存在于傳統(tǒng)噴射系統(tǒng)的三相和不同磨料進口角度及在混合室中的磨料進口位置。
2.數(shù)學(xué)模型
依據(jù)雷諾數(shù)，顯然磨料水射流是湍流。水通常是以高速通過節(jié)流口的，然而空氣和磨料是以相當(dāng)小的速度流動。從高速水到低速的磨粒有一個能量轉(zhuǎn)移，從而影響了工件。因此，磨料射流的沖擊性能是沖擊微粒的總質(zhì)量和他們在碰撞中的速度的一個參數(shù)。所有磨粒的平均速度是一個數(shù)量，這就必須決定提高截割頭設(shè)計。為了找出在噴嘴出口的速度分布采用模擬技術(shù)，水、空氣和固體系統(tǒng)需要被視為多相流。對穩(wěn)定狀態(tài)、湍流和關(guān)于熱傳遞也進行了模擬。在多相中水被視為主要相。模擬技術(shù)隨著湍流模型（湍流的動能和能量損耗）采用CFX-4軟件而得到改善。
2.1模擬方程
三相由希臘記號、和標記，它們分別代表水、空氣和固體，表示相的數(shù)目。每一相的體積分數(shù)被標記為。當(dāng)模擬仿真采用柱面坐標系進行時，變量由三個分量，像，所有的三相用歐拉方法。
由連續(xù)性方程：
-------------------------------------------------- （1）
由動量方程：
------------------------（2）
這里，
----------------------------------------------------------------------（3）
和
-----------------------------------------------------------------------（4）
及能量方程（不可壓縮流）
-----------------------------（5）
其中是焓（熱函），，于是，狀態(tài)代數(shù)方程和每相的分量方程如下：
---------------------------------------------------------------------（6）
----------------------------------------------------------------------（7）
考慮到體積分數(shù)總和是1：
普遍對流損耗方程是：
--------------（8）
術(shù)語描述在和之間范圍的相間轉(zhuǎn)換。
。于是，所有的相間的轉(zhuǎn)換術(shù)語的總和是0。
體積分數(shù)方程：
------------------------------------------------（9）
其中
體積分數(shù)的湍流擴散采用Eddy擴散假說來模擬。假設(shè)在一個湍流相中參數(shù)為k和的運輸方程將以同樣的形式作為相對標量的對流損耗方程。
--------（10）
--------（11）
源術(shù)語被視為同它們的單相相似一樣，于是
--------------------------------------------------------------（12）
-----------------------------------（13）
其中P是剪切應(yīng)力，并且G是由于內(nèi)部力而產(chǎn)生的。
常數(shù)被設(shè)置為。
由于空氣被視為可壓縮流，其密度將隨著壓力的變化而變化，理想氣體定律：
-----------------------------------------------------------------------（14）
其中
用代碼存儲和解決的壓力P實際上是不同于熱力壓力p和固定參考壓力 .
2.2幾何和參數(shù)
柱坐標系是用來創(chuàng)建常規(guī)霧沬噴射的幾何。示意圖顯示在圖1中，對于三相流（水，空氣和固體）來說，環(huán)境被認為是在大氣條件。由那個原因額外的阻塞被創(chuàng)建，被當(dāng)作大氣壓和100％空氣的壓力邊界。然而，水壓被視為276MPa，幾何尺寸和參數(shù)見表1。磨料進口角度和它的位置見圖2。
3．模擬仿真驗證
盡管模擬發(fā)展為三相，為了充分驗證理論結(jié)果，測量三相的速度是十分困難的。然而，在集中管出口處的速度分布已被Zoltani和Bicen在1990年所出版的一相流的實驗數(shù)據(jù)所證實。完全湍流，直徑25.4mm的兩相圓射流，20m/s的出口速度，包含1.5％的載荷密度的直徑為80μm的小珠在他們的測試中被檢驗。他們利用激光多普勒在出口少數(shù)幾個位置測量空氣和固體的速度，展現(xiàn)在圖3到圖5的結(jié)果表明，發(fā)展起來的數(shù)值模擬與實驗研究處于良好的量的一致性。
一些其它的實驗發(fā)現(xiàn)也被用來驗證模擬結(jié)果，這些實驗發(fā)現(xiàn)提供在出口處三相體積分數(shù)的測量法及提供對水、空氣和固體的分析。例如，Neusen et al在1991年使用X光掃描密度計來測量在出口處空氣、水和固體的體積分數(shù)。X光掃描器產(chǎn)生一束非常細的為0.125mm的X射線，它通過射流并且受包含在射流內(nèi)的物質(zhì)的相互作用而減弱。X－射線束的強度通過使用一個閃爍探測器而被測得。吸光系數(shù)接著被用來估計空氣、水和磨料的局部平均物質(zhì)體積分數(shù)。他們使用范圍從207到345MPa的壓力，和從0.34到0.57kg/min的磨料流動率來測量4mm投射距離的體積分數(shù)。源于模擬的體積分數(shù)與這些實驗結(jié)果進行比較。在集中管出口處即0mm投射距離處；從模擬中獲取體積分數(shù)。在集中管出口處水的模擬體積分數(shù)在靠近壁處是更高的。這可能導(dǎo)致射流裝置可能的閃爍現(xiàn)象。比較的體積分數(shù)結(jié)果顯示于圖6.7.8中。
4.磨料進口角度和它的位置的影響
模擬被發(fā)展為在混合室中不同的磨料進口角度和它的位置。集中管出口處的速度分布在本節(jié)中被介紹。出口處的射流速度被發(fā)現(xiàn)取決于在混合室中的混合過程及磨粒加速過程中所花費的時間，也有從水到磨粒的動量轉(zhuǎn)移。對于傳統(tǒng)的噴射系統(tǒng)，模擬條件在表1中被給出。
對于精密切割，靠近中心軸線的射流速度是重要的，而且靠近射流中心位置的速度應(yīng)該是最大速度。三個不同的磨料進口位置被使用為獲得最佳的進口位置（圖2）。磨料的中心距離距裝置的錐形部分是2.25mm。距混合室的較低部分分別為5.25mm和6.75mm的另外兩個磨料進口位置也被考慮。對于不同的磨料進口角度，空氣和固體將從在混合室、錐形部分和集中管中的不同位置彈回。表2說明了這些現(xiàn)象。
顯然，從表2中，如果進口角度在20.56°和55.56°之間，在距錐形部分為2.25mm的磨料進口位置，磨料將會擊中斜面。如果進口角度少于20.56°，那么它將擊中混合室。圖9表明了在集中管出口為不同磨料進口角度的水速。對于30°進口角度，水速被發(fā)現(xiàn)比沿半徑的其它水速要高。同樣，圖10和11顯示了不同的磨料進口角度的空氣和固體的速度。從圖9至圖11，顯然，對于30°磨料進口角度，由噴嘴的這種幾何輪廓射流速度才變成最大。但是如果幾何尺寸被改變，像混合室長度和直徑，錐形進口角度等，在最大射流速度，最佳磨料進口角度可能會改變。
在這里還應(yīng)該提到，對于30°磨料進口角度，沿半徑方向的不同相的速度是不準確的模式。這暗示著在混合室內(nèi)混合過程是不足夠得到在射流中心位置處的最大速度。圖12顯示了不同磨料進口角度的射流的平均速度。顯然，對于30°磨料進口角度（29°磨料進口角度也被使用為獲得一個精確的模式），射流的平均速度是最大的。圖13顯示了靠近中心軸線處水、空氣和固體的速度，并且能看出對于30°磨料進口角度，不同相的各自速度是最大的，而且遵循一個幾乎相似的模式。若是75°，三相的速度是相似的但不是最大。
下一步準備找出不同磨料進口角度對進口位置的影響。就圖12中所說明的結(jié)果而論，模擬技術(shù)被發(fā)展為不同的磨料進口角度（30°，45°和60°）和不同的進口位置。
新的磨料進口位置距錐形部分為6.75mm，模擬是采用為30°，45°和60°磨料進口角度進行的。一個附加的模擬被實施采用45°磨料進口角度，進口位置為5.25mm。對于精密切削，靠近射流中心區(qū)域射流速度應(yīng)該是最大。圖14至16展示了在沿著半徑方向為30°磨料進口角度和兩個不同的進口位置的出口平面處的速度分布。盡管為以前的進口位置，卻獲得了一個更好的結(jié)果。但是如果45°進口角度，對5.25mm的進口位置來說，更好的結(jié)果會被獲得。這些結(jié)果展示在圖17，18和19中。但是如果是60°的磨料進口角度（圖20，21和22），當(dāng)使用6.75mm的磨料進口位置，更好的結(jié)果會被找到。于是，顯然，對于靠近孔口或者混合室的較高面的進口位置，一個更高的角度是最佳磨料進口角度。對于磨料進口角度的較高位置，速度分布圖顯示了最大速度是在射流中心線的附近。
5.結(jié)論
如果磨料進口位置接近錐形部分即混合室的底部，當(dāng)考慮到射流的最大速度時，一個較低的角度將是最佳的磨料進口角度。
如果進口位置朝著孔口方向改變（即混合室的較高位置），一個較高的磨料進口角度將是最佳的。一個磨料進口角度的較高位置即靠近孔口速度分布圖，表明射流的最大速度是在中心軸線附近。這也在混合室中，混合過程是最佳的，于是射流的閃爍現(xiàn)象減至最低限度，因此精密射流切割能夠?qū)崿F(xiàn)。
6．致謝
編者們要感謝澳大利亞研究咨詢委員會支持本項工作（作品）。
7．參考文獻（略）
8．學(xué)術(shù)用語
B 內(nèi)部力 c相間術(shù)語 C常數(shù) D集中管直徑 F內(nèi)部相非阻力 G基于內(nèi)部力的產(chǎn)品 h熱力學(xué)焓 H總焓或狀態(tài)焓 k動能
相的總數(shù) p熱力學(xué)壓力 P壓力/剪切應(yīng)力 參考壓力
r半徑 R普遍氣體常數(shù) S源術(shù)語 t時間 T溫度 U速度 射流速度 W分子量 x出口距離 柱面坐標
錐形進口部分計算角度 磨料進口角度 物理性質(zhì) 密度 湍流普蘭特爾數(shù) 湍流動能損耗 導(dǎo)熱系數(shù) 分子黏度 湍流黏度 渦流渦流擴散系數(shù)
下標（腳碼、索引）
a空氣 P磨粒 w水 T湍流 、、相
符號
d阻力 h熱轉(zhuǎn)移 T張量
9.表格
表格1. 模擬條件
噴嘴尺寸
孔口直徑 0.33mm
混合室直徑 6mm
混合室長度， 12mm
錐形進口角度
集中管直徑， 1.27mm
集中管長度 75mm
磨料進口直徑 3mm
水的密度
空氣密度
磨料密度
磨料直徑
進口條件
水壓
氣壓
磨料質(zhì)量流動率
空氣流動率
磨料進口角度
表格2
距錐形管距離(mm)
角度范圍（空氣和磨料將擊中斜面）
角度范圍（空氣和磨料將通過集中管）
2.25
5.25
6.75
10.圖
圖1，磨料水射流噴嘴示意圖 圖2，混合室中的網(wǎng)格和板型
圖3，空氣速率 圖4，固體粒子速率
圖5，水的速率 圖6，水的體積分數(shù)
圖7，磨料的體積分數(shù) 圖8，空氣的體積分數(shù)
圖9，集中管出口處沿半徑方向的水速
圖10，集中管出口處沿半徑方向的空氣速度
圖11，集中管出口處沿半徑方向的固體速度
圖12，不同磨料進口角度的射流平均速度
圖13，不同磨料進口角度的射流中心線附近的相的速度
圖14，兩不同位置處磨料進口角度的水的速度
圖15，兩不同位置處磨料進口角度的空氣速度
圖16，兩不同位置處磨料進口角度的固體速度
圖17，三個不同位置處磨料進口角度的水的速度
圖18，三個不同位置處磨料進口角度的空氣速度
圖19，三個不同位置處磨料進口角度的固體速度
圖20，兩不同位置處磨料進口角度的水的速度
圖21，兩不同位置處磨料進口角度的空氣速度
圖22，兩不同位置處磨料進口角度的固體速度
附錄3
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湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)全日制普通本科生
畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書
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學(xué)生姓名
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學(xué)??? 號
年級專業(yè)及班級
指導(dǎo)教師及職稱
學(xué)??? 院
工學(xué)院?
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20?12?? 年??12?? 月??3?? 日
填 寫 說 明
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一、畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書是學(xué)校根據(jù)已經(jīng)確定的畢業(yè)論文（設(shè)計）題目下達給學(xué)生的一種教學(xué)文件，是學(xué)生在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下獨立從事畢業(yè)論文（設(shè)計）工作的依據(jù)。此表由指導(dǎo)教師填寫。
二、此任務(wù)書必需針對每一位學(xué)生，不能多人共用。
三、選題要恰當(dāng)，任務(wù)要明確，難度要適中，份量要合理，使每個學(xué)生在規(guī)定的時限內(nèi)，經(jīng)過自己的努力，可以完成任務(wù)書規(guī)定的設(shè)計研究內(nèi)容。
四、任務(wù)書一經(jīng)下達，不得隨意更改。
五、各欄填寫基本要求。
（一）畢業(yè)論文（設(shè)計）選題來源、選題性質(zhì)和完成形式：
請在合適的對應(yīng)選項前的“□”內(nèi)打“√”，科研課題請注明課題項目和名稱，項目指“國家青年基金”等。
（二）主要內(nèi)容和要求：
1．工程設(shè)計類選題
明確設(shè)計具體任務(wù)，設(shè)計原始條件及主要技術(shù)指標；設(shè)計方案的形成（比較與論證）；該生的側(cè)重點；應(yīng)完成的工作量，如圖紙、譯文及計算機應(yīng)用等要求。
2．實驗研究類選題
明確選題的來源，具體任務(wù)與目標，國內(nèi)外相關(guān)的研究現(xiàn)狀及其評述；該生的研究重點，研究的實驗內(nèi)容、實驗原理及實驗方案；計算機應(yīng)用及工作量要求，如論文、文獻綜述報告、譯文等。
3．文法經(jīng)管類論文
明確選題的任務(wù)、方向、研究范圍和目標；對相關(guān)的研究歷史和研究現(xiàn)狀簡要介紹，明確該生的研究重點；要求完成的工作量，如論文、文獻綜述報告、譯文等。
（三）主要中文參考資料與外文資料：
在確定了畢業(yè)論文（設(shè)計）題目和明確了要求后，指導(dǎo)教師應(yīng)給學(xué)生提供一些相關(guān)資料和相關(guān)信息，或劃定參考資料的范圍，指導(dǎo)學(xué)生收集反映當(dāng)前研究進展的近1－3年參考資料和文獻。外文資料是指導(dǎo)老師根據(jù)選題情況明確學(xué)生需要閱讀或翻譯成中文的外文文獻。
（四）畢業(yè)論文（設(shè)計）的進度安排：
1．設(shè)計類、實驗研究類課題
實習(xí)、調(diào)研、收集資料、方案制定約占總時間的20%；主體工作，包括設(shè)計、計算、繪制圖紙、實驗及結(jié)果分析等約占總時間的50%；撰寫初稿、修改、定稿約占總時間的30%。
2．文法經(jīng)管類論文
實習(xí)、調(diào)研、資料收集、歸檔整理、形成提綱約占總時間的60%；撰寫論文初稿，修改、定稿約占總時間的40%。
六、各欄填寫完整、字跡清楚。應(yīng)用黑色簽字筆填寫，也可使用打印稿，但簽名欄必須相應(yīng)責(zé)任人親筆簽名。
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畢業(yè)論文
（設(shè)計）題目
振動式紅薯清洗機設(shè)計?
選題來源
□結(jié)合科研課題?? 課題名稱：????????????????????????????????????????
□生產(chǎn)實際或社會實際?????????? ■其他???
選題性質(zhì)
□基礎(chǔ)研究????? ■應(yīng)用研究???? □其他
題目完成形式
□畢業(yè)論文????? ■畢業(yè)設(shè)計???? □提交作品，并撰寫論文
主要內(nèi)容和要求
主要內(nèi)容：
1.進行原理的分析及方案的比較?? ( 注意與滾筒式方案不同)
2.進行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.進行傳動部分設(shè)計
4.進行執(zhí)行部分設(shè)計
5.進行必要的設(shè)計計算（含動力參數(shù)、運動學(xué)分析、剛度計算、強度計算等）
要求：
1.完成至少3張Ａ０圖紙
2.完成約１.５萬字的設(shè)計說明書
3.查閱參考文獻２０篇以上
4.圖紙及說明書符合規(guī)范要求并提交電子檔
注：此表如不夠填寫，可另加附頁。
主要中文參考資料與外文資料
[1] 楊可楨,程光蘊.機械設(shè)計基礎(chǔ)第四版[M].高等教育出版社.1999.???????????
[2] 孫桓,陳作模.機械原理第7版[M].高等教育出版社.2006.????????????????
[3] 王昆,何小柏,汪信遠.機械設(shè)計課程設(shè)計[M].高等教育出版社.1996:117～196????????????
[4] 濮良貴，紀名剛.機械設(shè)計(第8版) [M].北京：機械工業(yè)出版社.2006,5:140～318???????????
[5] 黃平.常用機械零件及機構(gòu)圖冊[M] .上?？茖W(xué)技術(shù)出版社.1979.?????
[6] 孔凌嘉，張春林.機械基礎(chǔ)綜合課程設(shè)計[M].北京理工大學(xué)出版社.2004????????????
[7] 中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院.農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊.中國工業(yè)出版社.1971.
[9] 蔣秀珍.“機械學(xué)基礎(chǔ)”綜合訓(xùn)練圖冊[M].科學(xué)出版社.2002
[10] 史美堂.金屬材料[M].上?？茖W(xué)技術(shù)出版社.2003
[11] 陳侍良.農(nóng)產(chǎn)品加工機械與設(shè)備[M].北京:北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué)出版社.1998.
[12] 朱冬梅,胥北瀾主編.畫法幾何及機械制圖[M].高等教育出版社.1999
[13] Kelley Manufacture Co Peanut harvesting equipmentIN].1992．
[14] Busono S． Studies on the mechanical harvesting of peanuts，4：Peanut harvester improvement[N]，1990．
工作進度安排
起止日期
主要工作內(nèi)容
2013年1月07日前
下達任務(wù)書、查閱文獻、開題
2013年3月30日前
總體設(shè)計、零部件設(shè)計、準備中期檢查
2013年4月30日前
完成繪圖、編寫設(shè)計說明書、提交正稿
2013年5月06日前
修改、完善畢業(yè)設(shè)計、準備答辯
要求完成日期：20??? 年??? 月??? 日??????? 指導(dǎo)教師簽名：? ??????????????????????
審查日期：20??? 年??? 月??? 日??????????? 專業(yè)委員會主任簽名： ?????????????????
批準日期：20??? 年??? 月??? 日??????????? 學(xué)院指導(dǎo)委員會簽名（公章）：??????????
接受任務(wù)日期：20??? 年??? 月??? 日? ??????學(xué)生本人簽名：???????? ???????????????
注：簽名欄必須由相應(yīng)責(zé)任人親筆簽名。此表可從教務(wù)處網(wǎng)站下載中心下載。
湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)全日制普通本科生畢業(yè)論文（設(shè)計）
開題論證記錄
學(xué) 院： 工學(xué)院 記錄人：
學(xué)生姓名
學(xué) 號
年級專業(yè)及班級
2009級機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)（一）班
指導(dǎo)教師姓名
指導(dǎo)教師職稱
副教授
論文（設(shè)計）題目
振動式紅薯清洗機設(shè)計
論證小組質(zhì)疑：
1、前人做過哪些相關(guān)或者相近的研究？
2、機具主要結(jié)構(gòu)和工作原理是怎樣的？
3、準備采取哪些方法和步驟來完成你的畢業(yè)設(shè)計？
學(xué)生回答簡要記錄：
論證小組
成員簽名
論證地點： 論證日期：20 年 月 日
注：此表可從教務(wù)處網(wǎng)站下載中心下載。記錄、簽名欄必須用黑色筆手工填寫。
湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)全日制普通本科生畢業(yè)論文（設(shè)計）
中 期 檢 查 表
學(xué) 院： 工學(xué)院
學(xué)生姓名
學(xué) 號
年級專業(yè)及班級
2009級機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)（一）班
指導(dǎo)教師姓名
指導(dǎo)教師職稱
副教授
論文（設(shè)計）題目
振動式紅薯清洗機設(shè)計
畢業(yè)論文（設(shè)計）工作進度
已完成的主要內(nèi)容
尚需解決的主要問題
1、總體設(shè)計
2、零部件設(shè)計
3、進行必要的設(shè)計計算
1.完成至少3張Ａ０圖紙
2.完成約１.５萬字的設(shè)計說明書
3、技術(shù)參數(shù)的校核
指導(dǎo)教師意見
簽 名： 年 月 日
檢查小組意見
組長簽名： 年 月 日
注：1.此表可用黑色簽字筆填寫，也可打印，但意見欄必須相應(yīng)責(zé)任人親筆填寫。
2.此表可從教務(wù)處網(wǎng)站下載中心下載。
振動式紅薯清洗機設(shè)計
學(xué) 生：
指導(dǎo)老師：
（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長沙 410128）
摘 要：振動式紅薯清洗機的基本工作原理是利用篩箱的振動，使紅薯在其中不斷地碰撞和摩擦，同時用高壓水沖洗，以達到去泥沙和清洗的效果。本文包括原動部分，傳動部分，執(zhí)行部分以及各零部件的設(shè)計計算。本設(shè)計的主要特點是：結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)省投資，工作高效，能很好地實現(xiàn)紅薯清洗的機械化。
關(guān)鍵詞：傳動系統(tǒng)；連桿機構(gòu)；振動；噴淋
Design of vibrating sweet potato washing machine
Student:Hu Yongsheng
Tutor:Zhang Lan
(College of engineering,Hunan Agricultural University,Changsha,410128)
Abstract: In order to achieve to sediment and cleaning effect,basic working principle of vibrating sweet potato washing machine is the use of the vibration of the sieve box, making sweet potato in constant collision and friction, rinsing with high pressure water at the same time.In this paper, including the original part, transmission part, execute part and the design and calculation of components. The design of the main features are: simple structure, saving investment, working efficient, it can well realize sweet potato mechanization cleaning.
Key word: The transmission system; Linkage; Vibration;Spray
1 前言
紅薯含有豐富的淀粉、膳食纖維、胡蘿卜素、維生素A、維生素B、維生素C、維生素E以及鉀、鐵、銅、硒、鈣等10余種微量元素和亞油酸等，營養(yǎng)價值很高，被營養(yǎng)學(xué)家們稱為營養(yǎng)最均衡的保健食品。
但紅薯不可避免地與泥土相粘連。這些泥土、雜質(zhì)的存在,將會對產(chǎn)品的加工質(zhì)量帶來極為不利的影響，所以必須將這些泥沙、雜質(zhì)洗滌除去。
在設(shè)計清洗工藝及清洗設(shè)備時，主要從以下幾個方面進行考慮：
1. 可靠性 要求選用的清洗工藝及設(shè)備有穩(wěn)定的清洗質(zhì)量，能達到所要求的洗凈程度；
2. 對待清洗對象的影響 要求在清洗過程中對待清洗對象造成的損傷盡可能小，并且不能對待清洗對象產(chǎn)生新的二次污染；
3. 利于自然環(huán)境的保護 要求清洗工藝及設(shè)備能夠防止或盡可能減少清洗廢液、噪聲、廢氣等對自然環(huán)境造成的破壞；
4. 效率 要求清洗工藝及設(shè)備具有效率高、節(jié)約勞動力的特點。
2 方案比較
查閱相關(guān)資料，根據(jù)振動式紅薯清洗機的工況要求，有以下三種方案：
方案一：直接運用步進電動機和帶傳動來實現(xiàn)滑架的往復(fù)運動，通過步進電動機的正反轉(zhuǎn)程序控制往返運動，用單片機控制驅(qū)動電路來設(shè)置相關(guān)的運動參數(shù)。
方案二：運用步進電機和齒輪齒條來實現(xiàn)滑架的往返運動，通過步進電機的正反轉(zhuǎn)，齒條固定在滑架上，利用齒輪齒條間的傳動來實現(xiàn)往返運動。
方案三：運用普通電動機，帶傳動，連桿機構(gòu)。通過電動機可以獲得運動需要的動力，帶傳動提供相應(yīng)的速度，連桿機構(gòu)實現(xiàn)振動。
經(jīng)過對比，發(fā)現(xiàn)方案三是合理的，也是最有實際意義的，同時，經(jīng)濟性也能很好的實現(xiàn)，方案一中步進電機的功率和工況要求中的中度沖擊問題對步進電機的影響不能很好的解決，雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。而必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。方案二也存在類似的問題，而方案三都能很好的實現(xiàn)，而且普通電動機容易選擇，帶傳動和連桿機構(gòu)，結(jié)構(gòu)可靠，穩(wěn)定性高,可以允許有一定的沖擊，故此方案較合理。
在整個設(shè)計過程中，帶傳動部分和連桿機構(gòu)的設(shè)計和分析應(yīng)是本課題的重點，運用機械設(shè)計和機械原理的相關(guān)內(nèi)容來設(shè)計。
方案示意圖如下：
圖1 方案示意圖
Fig1 Solution diagram
3 執(zhí)行機構(gòu)
3.1 連桿機構(gòu)的特點
連桿機構(gòu)是一種應(yīng)用十分廣泛的機構(gòu)，機械手的傳動機構(gòu)，折疊傘的收放機構(gòu)以及人體假肢的設(shè)計等，都是連桿機構(gòu)。連桿機構(gòu)具有以下特點:
1)連桿機構(gòu)中的運動副一般均為低副，低副兩元素為面接觸，故在傳遞同樣載荷的條件下，兩元素間的壓強較小，可以承受較大的載荷。低副兩元素間便于潤滑，所以兩元素不易產(chǎn)生大的磨損。這些條件都能較好的滿足重型機械的要求。此外,低副兩元素的幾何形狀也比較簡單，便于制造。
2)在連桿機構(gòu)中，當(dāng)原動件以同樣的運動規(guī)律運動時，如果改變各構(gòu)件的相對長度關(guān)系，便可以使從動件得到不同的運動規(guī)律。
3)在連桿機構(gòu)中，連桿上各不同點的軌跡是各種不同形狀的曲線，稱為連桿曲線，而且隨著各構(gòu)件相對長短關(guān)系的改變，這些連桿曲線的形狀也將發(fā)生改變，從而可以得到各種不同形狀的曲線，我們可以利用這些曲線來滿足不同的軌跡要求。由于連桿機構(gòu)有了上述優(yōu)點，所以在各種機械和儀表中得到了廣泛的應(yīng)用。
4)此外，利用連桿機構(gòu)可以滿足各種運動規(guī)律和運動軌跡的設(shè)計要求，但要設(shè)計一種能夠準確實現(xiàn)這種要求的連桿機構(gòu)卻是十分困難的。而且在多數(shù)情況下一般只能近似地得以滿足。正因為如此，所以如何根據(jù)最優(yōu)化要求來設(shè)計四桿機構(gòu),使其能夠最佳地滿足設(shè)計要求，一直是連桿機構(gòu)研究的一個重要課題。近年來對平面連桿機構(gòu)的研究，不論從研究范圍上還是方法上都有很大的進展。從研究范圍來說，已不再局限于單自由度四連桿機構(gòu)的研究,也已注意到對多桿，多自由度平面連桿機構(gòu)的研究，并且已提出了一些有關(guān)這類機構(gòu)的分析與綜合的方法。
3.2 連桿機構(gòu)的選擇
另一方面,在設(shè)計要求上也不再局限于運動學(xué)要求的范圍內(nèi)，而且已注意到考慮機構(gòu)的動力特性。根據(jù)構(gòu)成連桿機構(gòu)的各構(gòu)件間的相對運動為平面運動還是空間運動，連桿機構(gòu)可分為平面連桿機構(gòu)和空間連桿機構(gòu)兩大類，在一般機械中采用的多數(shù)是平面連桿機構(gòu)
經(jīng)分析，參考方案中給出的工作機構(gòu)是鉸鏈四連桿機構(gòu)。
圖2 鉸鏈四桿機構(gòu)
Fig2 Enchain four rod organization
構(gòu)件之間都是用轉(zhuǎn)動副連接的四桿機構(gòu)，成為鉸鏈四桿機構(gòu)。如圖所示：其中，固定不動的桿4稱為機架，與機架相連的桿1和桿3稱為連架桿，而連接兩連架桿的桿2稱為連桿。連桿2通常做平面運動，而連架桿1和3則繞各自回轉(zhuǎn)中心A和D轉(zhuǎn)動。其中能做整周回轉(zhuǎn)運動的連架桿稱為曲柄，僅能在小于360的某一角度范圍內(nèi)往復(fù)擺動的連架桿稱為搖桿。
在鉸鏈四桿機構(gòu)中，按照連架桿是曲柄還是搖桿，將其分為三種基本形式：曲柄搖桿機構(gòu)；雙曲柄機構(gòu)和雙搖桿機構(gòu)。
1．）曲柄搖桿機構(gòu)
在鉸鏈四桿機構(gòu)中，若兩連架桿中，有一桿為曲柄，另一桿為搖桿。
2．）雙曲柄機構(gòu)
具有兩個曲柄的鉸鏈四桿機構(gòu)稱為雙曲柄機構(gòu)。雙曲柄機構(gòu)中，通常主動曲柄做等速運動，從動曲柄做變速轉(zhuǎn)動。
3．）雙搖桿機構(gòu)
若兩連桿均為搖桿，則成為雙搖桿機構(gòu)。
根據(jù)設(shè)計要求，機器工作時，振動箱支承擺桿CD繞垂面左右做對稱擺動。我們可以判斷連架桿CD為搖桿，連架桿AB可做整周回轉(zhuǎn)運動，因此它是曲柄。
綜上所述，選擇方案（1）中的曲柄搖桿機構(gòu)。
3.3 平面四桿機構(gòu)有曲柄的條件
1.）最短桿與最長桿的長度和應(yīng)小于或等于其他兩桿的長度和,此條件通常為桿長條件。
2.）組成該周轉(zhuǎn)副的兩桿中必有一桿為四桿中的最短桿。
上述條件表明:當(dāng)四桿機構(gòu)各桿的長度滿足桿長條件時,其最短桿參與構(gòu)成的轉(zhuǎn)動副都是周轉(zhuǎn)副。由此可知,上述四桿機構(gòu)中的轉(zhuǎn)動副亦為周轉(zhuǎn)副,而轉(zhuǎn)動副則只能的擺轉(zhuǎn)副。于是,四桿機構(gòu)有曲柄的條件是各桿的長度需要滿足桿長條件,且其最短桿為連架桿或機架。當(dāng)最短桿為連架桿時,該四桿機構(gòu)將成為曲柄搖桿機構(gòu)。
3.4 無急回特性桿長的設(shè)計
曲柄搖桿機構(gòu)在機械中應(yīng)用很廣泛，急回特性是曲柄搖桿機構(gòu)的重要特性之一。為縮短空行程時間，提高生產(chǎn)效率，通常要利用曲柄搖桿機構(gòu)的急回特性。事物也是一分為二的，急回特性雖然對搖桿去程為工作行程，回程為空行程的機械有利，但對搖桿去程和回程均為工作行程的機械卻有害。近年來出現(xiàn)了越來越多的搖桿去程和回程均是工作行程的機械，如風(fēng)扇的搖頭機構(gòu)，有株距要求的播種機，空調(diào)擺風(fēng)機構(gòu)，故對曲柄搖桿機構(gòu)的設(shè)計提出了新要求。
目前許多文獻介紹的用于設(shè)計具有給定急回特性的曲柄搖桿機構(gòu)的圖解法似乎也能用于無急回特性的曲柄搖桿設(shè)計，實際上不僅無急回特性時圖解法所用圓半徑趨于無限大而使圖解法失效，而且當(dāng)系數(shù)K較小時圖解法所用半徑變很大而使圖解法不好用。
查閱相關(guān)文獻[20]
曲柄搖桿機構(gòu)無急回特性的充分必要條件是曲柄與機架的長度平方和等于連桿與搖桿長度平方和。
而且無急回特性的曲柄搖桿機構(gòu)具備以下性質(zhì)：
第一，特殊位置上四桿兩兩正交，即無急回特性的曲柄搖桿機構(gòu)運行時，存在一個特殊位置：當(dāng)搖桿與連桿垂直時曲柄與機架亦必定垂直。
第二，機架是最長桿，若一個曲柄搖桿機構(gòu)的機架不是最長桿，則該機構(gòu)一定有急回特性；若機架是最長桿，則該機構(gòu)才有可能無急回特性。
第三，搖桿擺角僅與曲柄和搖桿長度比有關(guān)，
根據(jù)振動式紅薯清洗機的工作原理，即不需要曲柄搖桿機構(gòu)具有急回特性。按照上述理論以及參考相關(guān)資料[16]
已知搖桿往復(fù)運動次數(shù)約為4次/s，初定曲柄，連桿以及搖桿的長度分別為a=134mm,b=800mm,c=b=800mm，則可根據(jù)上述無急回特性的條件，計算得出機架桿長即d=1123mm
3.5 校核最小傳動角
在機構(gòu)運動過程中,傳動角的大小是變化的,為了保證機構(gòu)的傳動性能要求,設(shè)計時應(yīng)使≥40°傳遞力矩較大時，則應(yīng)使≥°；對于一些受力很小或不常使用的操縱機構(gòu)，則可允許傳動角小些，只要不發(fā)生自鎖即可。最小傳動角與機構(gòu)中的各桿的長度有關(guān)，按參考文獻[2]
（1）
≥40°
故滿足最小傳動角的要求。
所以：L=a=134mm,L=b=800mm,L=c=b=800mm,L=d=1123mm.
以上L為桿件AB的長度，L為桿件BC的長度，L為桿件CD的長度，L為桿件AD的長度。
3.6 桿件的設(shè)計
3.6.1 桿件材料的選擇
桿件是四連桿機構(gòu)，綜合性能要求比較高，根據(jù)經(jīng)驗選擇45鋼，有關(guān)的質(zhì)量系數(shù)見下表
表1 桿件材料的質(zhì)量系數(shù)
Table1 The quality of the bar material coefficient
材料
MPa
MPa
%
E
45
600
350
16
7.8
206
3.6.2 桿件截面直徑的確定
設(shè)計機構(gòu)往復(fù)次數(shù)為3.4/s，即曲柄的轉(zhuǎn)速為204r/min。取特殊位置的機構(gòu)進行分析，如下圖所示
桿AB繞A轉(zhuǎn)動，桿CD繞D擺動，桿BC作平面運動，選取適當(dāng)?shù)拈L度比例尺和速度比例尺作出相應(yīng)的桿件的速度平行四邊形如圖，有
方向如圖，按參考文獻[15]
對于平面運動的桿BC，可以點B為基點：
(2)
由此瞬時的幾何關(guān)系，可得
桿CD的角速度：
為點C相對于B的速度：
(3)
圖3 速度平行四邊形
Fig3 parallelogram of velocities
由參考資料[15]
桿件的轉(zhuǎn)動慣量
J=ml㎏·㎡ (4)
轉(zhuǎn)矩
(5)
再由參考資料[19]
(6)
其中圓桿：W=πd^3/32 (7)
由：
以及上述公式可得：
(8)
其中安全系數(shù)取1.1；由上式可求得各桿件的最小直徑如下：
AB桿：28mm；BC桿和CD桿均為：27mm,圓整后各桿直徑均取30mm。
3.6.3 穩(wěn)定性校核
當(dāng)作用在細長桿的軸向力到達或超過一定限度時，桿件可能突然彎曲，即產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。根據(jù)紅薯清洗機實際工作情況，當(dāng)機器工作時，CD桿受壓最大，所以對于搖桿CD，還應(yīng)對其進行穩(wěn)定性校核。
臨界載荷的計算
該連桿為兩端鉸支細長壓桿，由參考文獻[19]
可知其臨界載荷為
(9)
代入數(shù)據(jù)可計算得
臨界載荷與實際最大壓力之比，為壓桿的穩(wěn)定安全因數(shù)，根據(jù)振動式紅薯清洗機的實際工作需求，每次清洗紅薯質(zhì)量最大為40kg，即壓桿所受的最大壓力約為F=400N。
由
(10)
工況為一般中度沖擊條件，所以
所以搖桿CD滿足穩(wěn)定要求。
4 原動部分
參考《機械設(shè)計課程設(shè)計手冊》表13-1（常用原動機特點），分析比較各類原動機的特點，發(fā)現(xiàn)電動機功率較大，驅(qū)動效率高，調(diào)速性能好，對環(huán)境影響小，并且與被驅(qū)動的工作機械連接簡便，其種類和型號較多，可滿足不同類型機械的工作要求，因此選用電動機作為原動部分：
Y系列三相異步電動機是按照國際電工委員會（IEC）標準設(shè)計的，具有國際互換性的特點。其中，Y系列（IP44）電動機為一般用途全封閉自扇冷式籠型三相異步電動機，具有防止灰塵、鐵屑或其他雜物侵入電動機內(nèi)部的特點，B級絕緣，工作環(huán)境溫度不超過+40°，相對濕度不超過95％，海拔高度不超過1000m，額定電壓380V，頻率50Hz。適用于無特殊要求的機械上，如機床、泵、風(fēng)機、運輸機、攪拌機、農(nóng)業(yè)機械等。而且Y系列電動機具有高效、節(jié)能、性能好、振動小、噪音低、壽命長、可靠性高、維護方便、啟動轉(zhuǎn)巨大等優(yōu)點。
查閱相關(guān)資料，可知曲柄搖桿機構(gòu)桿件做功為
(11)
所以功率計算為
(12)
各桿件的功率分別為
所以曲柄搖桿機構(gòu)的總功率為1.13kW，查參考資料[18]
帶傳動的效率概值為0.92~0.97，取，計算得電動機所需最小功率為1.2kW。
再已知曲柄轉(zhuǎn)速為3.4r/s,即204r/min，查參考資料[18]
帶傳動的傳動比一般為，推薦值為，則電動機的轉(zhuǎn)速范圍為408~1020r/min。查參考資料[17]，選擇電動機型號為Y112M-6，具體參數(shù)如下表
表2 電動機的型號
Table 2 the side of the electrical machinery
電動機型號
額定功率/kW
滿載轉(zhuǎn)速/(r/min)
Y112M-6
2.2
940
5 傳動部分
5.1 傳動方案對比
一臺完整的機器，總是由原動部分，傳動部分，和執(zhí)行部分所組成，而傳動部分的功能是將原動機的動力或運動形式傳遞給執(zhí)行部分或轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機構(gòu)預(yù)期的動作。實踐證明，傳動部分的質(zhì)量和成本在整個機器中所占的比例很大，傳動方案的選擇及布局是否合理在很大程度上決定了機器的工作性能和運轉(zhuǎn)費用。因此，合理擬定與選擇傳動方案具有十分重要的意義。
合理的傳動方案，除應(yīng)滿足工作機的性能要求，使用條件和工作可靠外，還應(yīng)使結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、加工方便、成本低廉、傳動效率高及使用維護便利等。要同時滿足這許多要求，常常是困難的，實際上只能照顧重點要求。
綜合考慮紅薯清洗機的傳動比和效益問題，優(yōu)先選擇帶傳動：
帶傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、能緩沖吸振、可以在大的軸間距和多軸間傳遞動力，且其造價低廉、不需潤滑、維護容易等特點，在近代機械傳動中應(yīng)用十分廣泛。
主要類型與應(yīng)用
a.平型帶傳動——最簡單，適合于中心距a較大的情況
b. V 帶傳動——三角帶
c.多楔帶傳動——適于傳遞功率較大要求結(jié)構(gòu)緊湊場合
d.同步帶傳動——嚙合傳動，高速、高精度，適于高精度儀器裝置中帶比較薄，比較輕
圖4帶的類型
Fig 4 The type of belt
而其中的V帶傳動是靠V帶的兩側(cè)面與輪槽側(cè)面壓緊產(chǎn)生摩擦力進行動力傳遞的。與平帶傳動比較，V帶傳動的摩擦力大，因此可以傳遞較大功率。V帶較平帶結(jié)構(gòu)緊湊，而且V帶是無接頭的傳動帶，所以傳動較平穩(wěn)，是帶傳動中應(yīng)用最廣的一種傳動。故選用V帶。
5.2 V帶傳動的設(shè)計計算
5.2.1 確定計算功率
查參考文獻[18]P156表8-7得工作情況系數(shù)：=1.4
=P=1.4×2.2=3.08kW (13)
5.2.2 選擇V帶的帶型
根據(jù)計算功率和小帶輪轉(zhuǎn)速，由P157圖8-11選擇V帶的帶型為：A型
5.2.3 初選小帶輪的基準直徑
查參考文獻[18]P155表8-6得：=75㎜
根據(jù)≥查參考文獻[18]P157表8-8?。?112㎜
驗算帶速v：根據(jù)P150公式8-13得：
（14）
因為5m/s
5.2.9 計算壓軸力
壓軸力的最小值根據(jù)參考文獻[18]P159式8-28得：
=2z=8609N （21）
5.3 V帶輪的設(shè)計
5.3.1 確定小帶輪的材料
本設(shè)計中，小帶輪轉(zhuǎn)速要求不高，材料可采用HT200。
5.3.2 確定小帶輪結(jié)構(gòu)形式
由電動機型號，查參考文獻[18]P168表12-3可知，電動機外伸軸直徑d=28mm，長度為60mm。小帶輪直徑106mm采用腹板式，大帶輪直徑500mm則采用輪輻式。輪轂和輪輻的尺寸參見參考文獻[18]中P160圖8-14中的經(jīng)驗公式，小帶輪的具體尺寸參見零件圖。
5.4 V帶傳動的張緊
V帶傳動一段時間后，會因為帶的塑性變形和磨損而松弛。為了保證傳動正常工作，應(yīng)定期檢查帶的松弛程度，本方案中采用定期張緊裝置滑道式；
詳見裝配圖。
圖5 三角帶輪的結(jié)構(gòu)
Fig5 The structure of the triangle belt wheel
6 零部件的結(jié)構(gòu)和尺寸的確定
6.1 大帶輪軸的設(shè)計
6.1.1 軸的強度校核計算
當(dāng)軸的支承距離未定時，無法由強度確定軸徑，要用初步估算的辦法，即按純扭矩并降低許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力確定軸徑d，參考文獻[18]計算公式：
d≥A ㎜ （22）
式中： P----表示軸所傳遞的功率，KW；
n----表示軸的轉(zhuǎn)速，；
A----表示由軸的許用切應(yīng)力所確定的系數(shù)。
軸常用材料及A的關(guān)系見下表
表3 軸常用材料表
Table3 Axis table commonly used materials
材料
Q235
35
45
40Cr、35NiSn
A
160~135
135~118
118~107
107~98
求出大帶輪軸上的功率P，轉(zhuǎn)速n和轉(zhuǎn)矩T
查參考文獻[18]P141表2，取，則
（23）
（24）
（25）
根據(jù)上述公式，確定軸的最小直徑
選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，根據(jù)表3，取A=110，于是得：
考慮到鍵槽的影響，軸的最小直徑為24（1+0.15）=27.6mm，圓整后取30mm
6.1.2 擬定軸上零件的裝配方案
擬定軸上零件的裝配方案是進行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提，它決定著軸的基本形式。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計時,既要滿足強度的要求,又要保證軸上零件的定位,固定和裝配方便,并有良好的加工工藝性,所以軸的結(jié)構(gòu)一般都做成階梯形。
階梯軸的徑向尺寸的變化是根據(jù)軸上零件的受力情況，安裝，固定及對表面粗糙度，加工精度等要求而定的。階梯軸軸向尺寸則根據(jù)軸上零件的位置，配合長度及支撐結(jié)構(gòu)確定，根據(jù)振動式紅薯清洗機的實際工作情況，擬定大帶輪軸的裝配方案如下圖
圖6 軸上零件裝配方案
Fig6 Shaft assembly
6.1.3 根據(jù)軸向定位確定軸的各段直徑和長度
（1）為了滿足曲柄桿件的軸向定位要求，如上圖所示右端采用軸端擋圈定位，保證軸端擋圈直接壓在軸的斷面上，按軸端直徑取擋圈直徑D=40mm。
（2）初步選擇滾動軸承。
因軸承幾乎無軸向力，只需要考慮所受徑向力，參照軸的直徑和參考文獻[17]
由軸承產(chǎn)品目錄中選取6006 GB/T 276-1994，其尺寸為
（3）滾動軸承與曲柄桿件之間，以及滾動軸承與帶輪之間采用套筒定位，套筒厚度取4mm，長度取10mm；那么5段的軸的長度為78mm。
（4）取安裝帶輪的軸段4的直徑為36mm，帶輪左端采用軸肩定位，定位軸肩的高度h一般取為h=(0.07~0.1)d，所以左端軸肩直徑為42mm；帶輪右端采用套筒定位，套筒厚度選為4mm，長度為10mm，為了使套筒斷面可靠地壓緊帶輪，此軸段應(yīng)略短于輪轂寬度。在此，根據(jù)參考文獻[18]
可算得大帶輪的基本尺寸，如下：
(26)
(27)
所以軸端4長度取為46mm。
（5）軸的左端依次安裝軸承端蓋，滾動軸承。滾動軸承右端采用軸肩定位，同理軸肩高度取為3mm，軸段1的長度為15mm。
考慮到加工情況，軸段2,3 的長度均取為5mm。
至此，已初步確定了軸的各段直徑和長度。
（6）軸端倒角為1.6*45°，各軸肩的圓角半徑見零件圖。
6.2 軸的校核
軸在載荷作用下，將產(chǎn)生彎曲或扭轉(zhuǎn)變形。若變形量超過允許的限度，就會影響軸上零件的正常工作，甚至?xí)适C器應(yīng)有的工作性能。例如，安裝齒輪的軸，若彎曲剛度（或扭轉(zhuǎn)剛度）不足而導(dǎo)致?lián)隙然蛘吲まD(zhuǎn)角過大時，將會影響齒輪的正確嚙合，使齒輪沿著齒寬和齒高方向接觸不良，造成載荷在齒面上嚴重分布不均。同理。因此在設(shè)計時應(yīng)進行剛度的校核計算。
軸的彎曲剛度以撓度或偏轉(zhuǎn)角來度量；扭轉(zhuǎn)剛度以扭轉(zhuǎn)角來度量。軸的剛度校核計算通常是計算出軸在受載時的變形量，并控制其不大于允許值。
軸的彎曲剛度校核計算：
常見的軸大多數(shù)可視為簡支梁。若是光軸，可直接用材料力學(xué)中的公式計算其撓度或偏轉(zhuǎn)角；若是階梯軸，如果對計算精度要求不高，則可用當(dāng)量直徑法作近似計算。即把階梯軸看成是當(dāng)量直徑為的光軸，然后再按材料力學(xué)中的公式計算。當(dāng)量直徑（單位為mm）為
(28)
式中：—階梯軸第i段的長度
—階梯軸第i段的直徑
L—階梯軸的計算長度
Z—階梯軸計算長度內(nèi)的軸段數(shù)。
當(dāng)載荷作用于兩軸承之間時，L=l（l）為支撐跨距；
軸的彎曲剛度條件為
撓度：y<[y]
偏轉(zhuǎn)角：a<[a]
式中：[y]為軸的允許撓度，mm；[a]為軸的允許偏轉(zhuǎn)角，見參考資料
代入相關(guān)軸的數(shù)據(jù)：
由帶輪的傳動，作用在帶輪軸的壓力為F=4162.5N，
軸的受力簡圖如下
圖7 軸的受力簡圖
Fig7 Axial force diagram
根據(jù)軸的長度以及參考文獻[19]
公式：
端截面轉(zhuǎn)角 (29)
最大撓度 (30)
（設(shè)a>b，在處）
代入數(shù)據(jù)得，
經(jīng)校核，軸的設(shè)計符合要求。
6.3 軸承的校核
由于承受徑向力作用，且右邊軸承受力大于左邊軸承，所以僅校核右邊軸承，故
預(yù)期計算軸承壽命（按工作10年，年工作200天，4小時工作制），則有
軸承所需的基本額定動載荷：
(31)
查參考文獻[17]
6006型軸承的額定動載荷Cr=13.2KN，因此C
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