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搅拌设备使用历史悠久，应用范围广，大量应用于化工、石化、轻工、医药、食品、采矿、造纸、冶金等行业中。搅拌设备能够从多种不一样角度进行分类,如根据搅拌装置安装形式简单分为立式和卧式，其中卧式关键是指搅拌容器轴线和搅拌器回转轴线全部处于水平位置。

本课题在中国外搅拌器研究和发展基础上，设计了一个新带有搅拌和振动排料功效卧式搅拌器结构设计方案以进行用于食品工业面粉搅拌操作。该卧式搅拌器含有两条传动系统，第一条主传动系统采取V带和齿轮传动实现搅拌操作，第二条传动系统采取多楔带和凸轮组合传动实现搅拌箱体振动运动。

本文对卧式搅拌器基础结构、基础尺寸进行了具体设计，并利用PRO/ENGINEER对搅拌器结构进行三维建模和运动仿真，方便更直观地展现设计思想和进行结构分析；然后，对设计零件进行了分析校核，确保搅拌器可靠运行。

关键词：卧式搅拌器；混合设备；面粉加工；食品工业

　第1章　基础概念和理论基础 2

　1.1　课题研究意义 2

　1.2　搅拌器中国外发展现实状况 2

　1.3　卧式搅拌器发展趋势 6

　1.4　论文关键完成工作 6

　第2章　卧式搅拌器总体方案设计 8

　2.2　卧式搅拌器总体结构方案 8

　2.2.1　传动方法确定 8

　2.2.2　基础尺寸确实定 10

　2.3　搅拌器性能指标设定 11

　第3章　卧式搅拌器结构设计 13

　3.2　驱动元件选择和计算 13

　3.2.1　驱动元件选择标准 13

　3.2.2　主电机选择及电机参数确实定 14

　1、搅拌功率计算 14

　2、电动机额定功率计算 16

　3、电动机功率修正计算 17

　4、电动机选择 18

　3.2.3　副电机选择及电机参数确实定 18

　3.3　主传动系统结构设计 19

　3.3.1　基础结构确实定和选材 19

　3.3.2　带轮和齿轮具体设计 20

　1、带轮具体设计 20

　3.3.4　主传动系统支架设计及三维仿真 30

　3.4　摆动系统结构设计 31

　3.4.1　基础结构确实定和选材 31

　3.4.2　带轮齿轮和凸轮设计计算 31

　3.4.3　轴结构设计和摆动系统安装三维仿真 40

　第4章　安全性计算和校核 43

　附录1：外文资料 51

　附录2：外文资料翻译 57

搅拌机在化工、建筑、食品、环境保护等工业生产中应用极为广泛。从其操作作用来看，搅拌能够促进两种或两种以上物料相互分散，充足接触，进而达成密度场、浓度场、温度场均匀一致。　此次设计水泥搅拌关键考虑是机构传动设计，还有主轴、齿轮尺寸选择和强度校核，和电动机功率选择，传动比分配，各个零件之间链接和匹配，还有怎样上料卸料等。　毕业设计是一次综合性设计。设计中需要结合大学四年中所学相关课程知识，而且在课程设计基础上拓展开来，综合所学知识来考虑多种问题。首先能够分析课题最终想出方案实现传动和最终搅拌动作，然后使用CAD绘图绘制正确水泥搅拌机装配图、零件图，和使用Pro/E实现三维图造型和运动仿真，最终能过清楚表示自己设计意图。但因为专业知识缺乏，能力有限，要想设计一个复杂水泥搅拌难以实现，所以我设计搅拌机属于日常比较简单直立式小型搅拌机。假如在绘图和尺寸计算上有问题，期望老师给指出和指导。

第1章　基础概念和理论基础

理论上把任何状态（固态、液态、气态和半液态）下物料均匀掺和在一起操作称为混合，但习惯上常把固态物料之间掺和或固态物料加湿操作称为混合；而把固态、液态或气态物料和液态物料混合操作称为搅拌。

搅拌和混合操作是应用最广过程单元操作之一，大量应用于化工、石化、轻工、医药、食品、采矿、造纸、农药、涂料、冶金、废水处理等行业中。多年来，搅拌和混合技术发展很快、搅拌和混合设备正向着大型化、标准化、高效节能化、机电一体化、智能化和特殊化方向发展。在这种形式下，技术人员怎样借鉴已经有经验，掌握新改变情况，正确设计和选择不一样工艺条件下操作搅拌和混合设备，使其满足安全、可靠、高效和节能要求，就变得十分关键了。

搅拌混合设备是多种工业反应不可或缺关键工具。然而，因为搅拌目标多样性和混合反应复杂性，目前，搅拌混合技术还存在着部分问题。比如搅拌效率低，功耗大，铸造成本高，在自动化选型和设计问题上，长久以来一直依靠教授依据经验知识人工完成，智能化水平不高，设计周期较长，资金和人力物力消耗巨大，等等。所以研制新型搅拌装置和采取优异流场测量技术一直是搅拌过程所研究关键课题。

1.2　搅拌器中国外发展现实状况

在食品工业中，混合是指两种或两种以上不一样物料相互混合，成份浓度达成一定程度均匀性单元操作[2]。混合机应用于谷物混合、粉料混合、面粉中加辅料和添加剂、干制食品中加添加剂和调味粉及速溶饮品制造等操作中，目标是使两种或两种以上粉料颗粒经过流动作用，成为组分浓度均匀混合物。

多年来，伴随科学技术发展和相关理论完善和深入成熟，搅拌器设计和制造取得了飞速发展。不过，它也面临着必需满足合理利用资源、节能降耗和对环境保护要求严峻挑战。搅拌器在服从装置规模经济化和品种多样化同时，正日趋大型化。基于节能要求，开发出变频调速电机、小剪切阻力桨叶、以新型密封替换机械密封和填料密封，以磁力驱动替换机械驱动。基于降低产品总体成本、降低维修保养成本和提升设备品均维修间隔时间要求，大大提升设备运行寿命。基于满足卫生和降低清洗和杀菌成本要求，实现CIP（就地清洗）和SIP（就地杀菌），提升自动化水平，避免人和产品接触，降低人工操作和待机时间，大大提升产品卫生水平。这些全部是现代新型搅拌装置研究方向，其中有很多方面已经取得丰硕结果，有些方面还在深入研究当中[3]。

传统搅拌器密封装置基础有四种,填料密封、机械密封、液压密封和唇状密封。前两种密封同泵密封类似。液压密封最简单,在搅拌器中用得最少。唇状密封只适适用于低压、防尘、防蒸汽密封，这种密封结构也极少采取，最常见密封是前两种。其中机械密封成本较高,但泄漏率低；维修频度是填料密封二分之一到四分之一。

磁力驱动搅拌器特点是以静密封结构替换动密封,搅拌器和电极传动间采取磁力偶合器联结,不存在接触传输力矩,能根本处理机械密封和填料密封泄漏问题。中国,威海自控反应釜企业、开原化工机械磁力反应釜厂、温州中伟磁传密封设备厂等均生产磁力搅拌器。瑞典NA型磁力搅拌反应釜,搅拌器安装在反应釜底部,搅拌器和釜底齐平,易于拆卸,可靠、耐用和便于维修。磁力搅拌器缺点是对于部分粘稠液体或有大量固体参与或生成反应尚不能顺利使用,此时必需使用机械搅拌器作为驱动能源。

在新型搅拌桨叶开发方面，很多企业全部在主动开发含有适合于高黏度物料桨叶搅拌器,其中美国ROSS企业开发新型双行星式搅拌器是其中之一。同传统矩形长条形行星桨叶(见图1.1 a)不一样,新型高黏度搅拌桨叶(见图1.1 b)有一个正确空间角度，使桨叶转动轨迹不仅有力地推进高黏度物料向前运动,而且推进它向下运动,不产生爬升,而且比传统行星式垂直桨叶阻力要小得多。传统行星式垂直桨叶有两组,每组两片垂直扁长桨叶,当这两片桨叶在容器里面转动时,产生极大剪切阻力,功耗大增,电流

　　（a） 传统行星式桨叶　　　　　　　　　　（b） 新型HV桨叶

图1.1 新旧搅拌桨叶对比

猛升。这个问题一直是传统行星式垂直桨叶要害所在。新型HV桨叶因为是螺旋式设计,两组HV桨叶在交替转过一个截面时几乎是连续地在切断物料,负荷是连续地处于平衡状态,从而消亡了电流浪涌现象。德国INOTECH企业采取锥形搅拌原理搅拌头,既可搅拌低黏度,也可搅拌高黏度物料,其形状图1.2所表示。

图1.2 搅拌低粘度和高粘度物料慢速转动搅拌头

这种搅拌头显著优点是:以比较慢速度搅拌,但搅拌时间短,搅拌时不吸入空气,不起泡沫,无须加热,对物料动作是柔和,节省能量,一次完成,便于安装,既可用于搅拌化学品,也可用于搅拌食品。

在新型转子-定子搅拌技术方面进展也很快速，转子-定子搅拌技术可制造亚微米级多种乳化剂,美国ROSS和IKA企业生产这种搅拌器,其产量约比相同功率胶体磨或均质机大十倍。其原理是令转子在极高速度下转动,使转子尖端速度极大,因为转子和定子之间速度差,在转、定子间隙中产生极大剪切能和湍动能,可使物料在被搅拌同时,被破碎到亚微米级。

多功效化和搅拌过程自动化是二十一世纪提升搅拌产品质量、产量和满足环境保护要求主导方向,现在有以下多个发展趋势[4]:

（1）多轴搅拌机，它配置三套独立传动搅拌装置。一套是沿着搅拌容器周围慢速转动三翼锚式搅拌桨,使物料产生猛烈轴向和径向流动,促进物料良好混合和传热；第二套是定/转子式剪切装置和高速分散头。

（2）双行星搅拌器和变速驱动装置组合，这一构想使得即使在极低转速下也可取得极大扭矩。而低转速搅拌对于制造高性能硅胶、树脂、橡胶添加剂、牙科材料、金属和陶瓷粉等是很关键。

（3）行星桨叶和高速分散器组合，采取这种组合搅拌器,被处理物料黏度可高达120万厘泊。行星桨叶和分散头在围绕容器转动时各有自己转轴,行星桨叶将物料传送到分散头。高速分散头则对物料施加剪切力。

（4）自动卸料和交换搅拌容器，因为粘稠材料人工卸料很困难,很多厂家全部采取自动卸料方法。自动卸料系统大大降低了人工卸料停机时间。不仅大大提升了产量,消亡次品,还确保了产品质量一致性。因为操作人员和产品接触大大降低,产品不受污染安全性也大大提升了。

1.3　卧式搅拌器发展趋势

伴随近几年科学技术迅猛发展和相关理论深入完善，完全能够相信搅拌器设计和制造将会取得更大发展，其在社会生产中也会发挥越来越关键作用。而且搅拌器在服从装置规模经济化和品种多样化同时，未来新型产品也会越来越满足合理利用资源、节能降耗和对环境保护要求。

1.4　论文关键完成工作

卧式搅拌装置关键由三部分组成：主传动部分、搅拌叶片及摆动部分。主传动部分包含一个异步电机和减速系统。搅拌叶片为螺带式搅拌叶片，为是能让物料在搅拌过程中更高效率混合。摆动部分包含一个异步电机和摆动系统。本论文关键研究内容以下：

经过对中国外搅拌器发展现实状况研究，和对食品设备设计标准学习，在吸收宝贵经验同时也加入自己部分改善，制订自己设计方案。

（2）卧式搅拌器结构设计

有了总体设计方案，将搅拌器结构分成主传动系统、摆动系统、搅拌部分和机架四大部分，然后分别对这四部分进行具体设计，

当完成各部分零件设计后，还要进行安全性校核。本论文关键对处于最复杂受力状态下轴、轴承、键和电机进行了校核计算举例，其它各个零件校核计算并没有写到论文中。

（4）三维建模和运动仿真

对所设计搅拌器进行安全性校核计算后，发觉没有不符合要求零件，然后利用PRO/ENGINEER软件完成三维实体建模。建模目标便是让自己设计愈加直观，同时还很轻易检验各处结构是否存在干涉现象，再进行运动仿真，观察运动状态是否符合设计目标。

第2章　卧式搅拌器总体方案设计

食品机械和设备特点是食品原料、加工过程和食品成份方面特殊性反应。总体而言，食品加工机械和设备含有以下特点：机械可移动性；防水防腐蚀性；卫生要求高；自动化程度高低不一。

2.2　卧式搅拌器总体结构方案

卧式搅拌器搅拌容器轴线和搅拌器回转轴线全部处于水平位置；其结构简单，造价低廉，卸料、清洗、维修方便，可和其它设备完成连续生产，但占地面积通常较大。这类机器生产能力（一次调粉容量）范围大，通常在25～400kg/次左右。它是中国大量生产多种面食制品各食品厂应用最广泛一个加工设备。它特点是，结构简单，制造成本较低，卸料清洗方便等，所以在食品加工中，如面包，饼干，糕点及部分饮食行业面食生产中均得到了广泛应用。

2.2.1　传动方法确定

（1）搅拌机形式选择，本设计要求卧式搅拌，考虑搅拌形式和目标，采取容器固定式卧式搅拌机。

（2）传动方案确定，因对搅拌速度要求不高，市场上已经有成熟产品搅拌速度约为30~60r/min，过高转速并不会产生良好搅拌效果，相反还会造成能量浪费。不过即使转速低，开启转矩却很大，选择符合开启要求电机，电机转速约20XXr/min，所以传动系统要采取较大减速比，考虑机器尺寸和振动噪声要求，采取带传动和齿轮传动组合机构。初步设定减速机构示意图图2.1所表示。

1-小带轮　2-大带轮　3-搅拌轴　4-大齿轮　5小齿轮　6电机

图2.1 传动系统机构简图

（3）摆动机构确定，摆动运动实现有多个机构形式，四连杆机构运动冲击大，对杆强度要求高；凸轮经过优化运动轨迹则能够将运动冲击大幅度降低，所以决定采取摆动从动件凸轮机构。摆动机构简图图2.2所表示。

1-小带轮　2-大带轮　3-摆动臂　4-凸轮　5-大齿轮　6-小齿轮　7-电机

图2.2 摆动机构简图

2.2.2　基础尺寸确实定

本设计为小型搅拌机，依据其工作容量和操作人员最好操作位置，暂定搅拌机外形尺寸为mm，其中搅拌轴轴线高度600mm，搅拌容器下半部分为直径500mm半圆筒，上半部分为mm长方体，筒壁厚8mm，搅拌器叶片边缘和筒壁间隙2mm，为了实现愈加好搅拌效果，采取双螺带式搅拌器，搅拌轴直径30mm，长1000mm，大螺带直径480mm，带宽40mm，小螺带直径240mm，带宽30mm。还有设定进料方法和出料方法，容器桶上部设盖子装填物料，下部开口卸放物料，为使物料快速卸放，安装振动装置使容器桶绕其轴进行左右小幅高频振动，动力由另一个电机提供，将电机旋转运动转换成左右摆动。有了以上尺寸设定，合理布局电动机位置，传动装置布局，完成总体结构方案设计，绘制机构简图。总体机构简图图2.3所表示。当然这只是一个初步设计概念，在以后具体设计工作中可能会出现部分机构干涉现象，这时就需要对已定部分尺寸进行必需合适修改。

1-主电机　2-小带轮　3-大带轮　4-齿轮　5-搅拌容器　6-搅拌桨

7-凸轮　8-斜齿轮　9-带轮　10-副电机

图2.3 总体机构简图

2.3　搅拌器性能指标设定

搅拌器工作参数不仅反应其所能胜任工作，更关键是决定设计方向和部分设计参数选择范围。

对于主传动系统，设定正常工作转速60r/min，开启时加速时间4s，稳定运行时间5min，减速时间6s，停歇时间2min。

对于摆动系统，设定摆角幅度15°，摆动周期1s，运行时间1min，停歇时间6min。

搅拌容器为半圆柱形，尺寸图2.4所表示。容器固定型搅拌装置装料系数通常为0.5~0.6，本设计取0.58。

图2.4 搅拌容器外壳尺寸

本章经过分析研究食品工业机械设计制造要求，确定了用于面粉搅拌卧式搅拌机基础结构方案和基础结构尺寸，并对卧式搅拌机部分工作参数进行了简设定，为下一步具体计算做好准备。

第3章　卧式搅拌器结构设计

上一章对卧式搅拌器机械结构总体方案进行了分析论证，本章将基于上一章已确定基础结构和基础尺寸进行具体全方面设计工作，分别对每个部分进行具体分析设计，确定其具体结构，具体尺寸，绘制零件图，装配图，并用PRO/ENGINEER进行三维建模。其中关键进行凸轮机构仿真，检验凸轮机构能否正常工作，分析其受力冲击特征。

3.2　驱动元件选择和计算

3.2.1　驱动元件选择标准

搅拌设备搅拌轴通常由电动机驱动，电动机选择通常依据以下多个标准：

依据搅拌设备负载性质和工艺条件对电动机开启、制动、运转、调速等要求，选择电动机类型。

依据负载转矩、转速改变范围和开启频繁程度等要求，考虑电动机温升限制、过载能力和开启转矩，合理选择电动机容量，并确定冷却通风方法。

依据使用场所大环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯和腐蚀及易燃易爆气体等，考虑必需防护方法和电动机结构形式，确定电机防爆等级和防护等级。

依据搅拌设备最高转速和对电力传动调速系统过渡过程性能要求，和机械减速复杂程度，选择电动机额定转速。

除此之外，选择电机还必需符合节能要求，并综合考虑运行可靠性、供货情况、备品备件通用性、安装检修难易程度、产品价格、运行和维修费用等原因。

依据上述标准，综合考虑本设计工作条件要求，确定电机类型为异步电机，防护方法防尘、防水溅和防异物伸入。

3.2.2　主电机选择及电机参数确实定

在正常情况下，混合设备运转时所消耗功率包含以下几部分：

使容器内粉粒体运动消耗功率。

轴承、减速装置和传动装置摩擦消耗功率。

连续驱动容器本身或搅拌桨叶等回转消耗功率。

其它隶属装置，如控制器等消耗功率。

对于容器固定型混合设备，当这类混合设备螺带叶片或搅拌桨回转时，对于流动良好粉粒体，能够经过试验等到轴力矩。

　 K—试验系数，查表取K=45；

　 Dp—粒子直径，m，查表取m；

　 —表观密度，kg/m3，查表取kg/m3；

　 —内摩擦系数，查表取=1.19；

　 Z—接触螺带粉粒体层高度或长度，m，本设计Z=0.78m；

　 d—叶片外径，m，本设计d=0.48m；

　 s—螺带节距，m，本设计s=0.78m；

　 b—叶片宽度，m，本设计b=0.04m；

　 f—装料系数，本设计取值f=0.58。

参考已经有试验测出参数表格，选择机型为卧式螺带，则指数值以下：

对于本设计，物料设定为面粉和砂糖混合物，搅拌叶片和搅拌桶内壁间隙为2mm，依据查询资料，估算混合物料表观密度，粒子直径等参数，最终计算数值确定以下：

而对于小螺带，计算时只需将叶片外径d这一参数值替换为0.24即可，小螺带转矩

　　　　　　　　　　 （3.2）

　　　n—回转速度，r/s，本设计取值n=1r/s；

2、电动机额定功率计算

电动机额定功率是依据它发烧情况来选择，在许可范围内，电动机绝缘材料寿命为15~25年。假如超出了许可温度，电动机使用寿命就要缩短。而电动机发烧情况，又和负载大小及运行时间长短相关。

搅拌设备电动机功率必需同时满足搅拌器运转及传动装置和密封系统功率损耗要求，另外还需考虑在操作过程中出现不利条件造成功率过大等原因。

电动机额定功率可按下式确定：

　　　　　　　　　（3.3）

　　　PN—电动机功率，kW；

　　　P—搅拌器功率，kW，由前面计算P=0.852447kW；

　　 PS—轴封装置摩擦损失功率，kW；

　　 —传动装置机械效率。

轴封装置摩擦造成功率损失因密封系统机构而异，通常来说，填料密封功率损失大，机械密封功率损失相对较小。不过考虑到设计目标功效和成本有机结合，最终采取了填料密封，作为粗略估算，填料密封功率损失约为搅拌器功率5%~10%，此次计算取5.8%，即轴封摩擦损失功率为

传动机构效率是齿轮轴承带这些零部件效率乘积，开式圆柱齿轮传动效率取0.9，带传动效率取0.96，滚动轴承效率取0.99，所以

3、电动机功率修正计算

电动机用于海拔高度超出1000m或环境温度超出40℃、相对湿度超出95%时，均在订货时注明，并计算功率降低程度，这是因为海拔高度、温度和湿度全部会对电动机工作产生很大影响。本设计忽略海拔高度和湿度影响，只考虑环境温度造成影响，电机额定功率根据下式进行修订：

　　　　　　　　　　　　（3.4）

　—校正温度影响后电动机功率，kW；

　—电动机额定功率，kW，由前面计算PN=1.084kW；

　—温度校正系数，依据表格查询对应25℃时温度校正系数为1.1。

为确保系统满足开启要求和稳定运行要求，选择电机额定功率为1.5kW，具体参数以下表3.1所表示。

表3.1　交流异步电机部分技术参数

3.2.3　副电机选择及电机参数确实定

和前面计算主电机过程相同，首先设定工作条件：摆动系统摆动周期T=1s，摆动幅角，工作过程能够假设为整体箱体质量集中为一点摆动运动，该点距离回转中心距离L=R/2=0.125m，搅拌桶作为铸造件，设密度均匀，值为，而且作为粗略估算，将其外形假设为外部mm且内壁厚10mm长方体，所以，整个搅拌桶质量为

将全部质量集中到搅拌桶外壁某一点，那么摆动过程中转矩为

计算电机功率，其中效率包含带传动、齿轮传动、轴承和摆动臂和凸轮之间效率乘积，即

选择电机Y132M-8，额定功率3.0kW，具体参数以下表3.2所表示。

表3.2　交流异步电机部分技术参数

3.3　主传动系统结构设计

电动机已经初步选定，转速2840r/min，搅拌轴转速60r/min，传动比大约为48，考虑到电机和搅拌轴距离和整个搅拌机体积，采取一级带轮传动，传动比初定为3，两级传动比为4齿轮传动。下面将进行具体计算。

3.3.1　基础结构确实定和选材

对于传动比为3带传动，传动比不是很高，传输功率也不是很大，使用一般V带轮，材料HT200；齿轮传动比为4，材料40Cr[5]。

3.3.2　带轮和齿轮具体设计

为计算带传动结构参数，首先设定部分工作条件，本设计载荷变动微小，带负载开启，天天工作小于10小时。

（1）计算带轮计算功率[7]

　　　　　　　　　　（3.5）

　　—计算功率，kW；

　　—动载荷系数，查表选择1.1；

　　P—电机额定功率，kW。

（3）初选小带轮基准直径，因另外径，转速为=2840r/min，验算带速度

（4）确定带轮中心距和带基准长度

初定中心距　　　　　　　　　　　 （3.6）

初定　　　　　　　　　　　

（5）验算主动轮上包角

　　　　　　 （3.7）

　　　　　　　（3.8）

其中 v—带线速度取最大值，m/s，即大带轮上外缘点线速度10.55m/s；

q—传动带单位长度质量，kg/m，查表得数值0.06kg/m。

因为新带轮轻易松弛，所以对于非自动张紧带传动，安装新带时预紧力应为上述预紧力1.5倍。

（8）计算带传动作用在轴上力

（9）V带轮设计，相关V带轮形式：当带轮基准直径小于等于2.5倍轴径时，带轮通常采取实心式；当带轮基准直径小于等于300mm时能够采取腹板式；当带轮基准直径大于300mm时，能够采取轮辐式。

带轮槽型Z型，基准宽度，基准线上槽深，下槽深，槽间距，第一槽对称面至端面距离，最小轮缘厚，轮槽角小带轮34°，大带轮38°。

小带轮设计，小带轮轴径d=34mm，，采取实心式

以下图3.1和图3.2所表示为小带轮设计结构。

　　　图3.1 小带轮结构尺寸　　　　　　　　图3.2 小带轮三维仿真

大带轮设计，,因为其基准直径已经很大，为了降低质量，更关键是降低转动惯量，采取孔板式。

以下图3.3和图3.4所表示为大带轮设计结构。

　图3.3 大带轮结构尺寸　　　　　　　　图3.4 大带轮三维仿真

齿轮传动比分配为，齿轮材料锻钢，直齿圆柱齿轮，7级精度。传动系统输入功率

齿数比u=4，设定工作寿命，每十二个月工作300天，天天工作6小时。选择小齿轮材料40Cr（调质），硬度280HBS，大齿轮材料45钢（调质），硬度240HBS，二者材料硬度差40HBS。

初定小齿轮齿数Z1=24,大齿轮齿数。根据齿面接触强度设计齿轮。

　　　　　　　 （3.9）

查表[6]得接触疲惫寿命系数，KHN1=0.92，KHN2=0.95，取失效概率1%，安全系数S=1，计算接触许用应力

将上述两个数值中较小值带入公式中计算小齿轮分度圆直径

所以，齿宽比，计算载荷系数，依据v=1.596m/s，7级齿轮精度，查得动载荷系数Kv=1.03，假设，查表知，使用系数(轻微冲击)，所以

由，查弯曲强度计算齿向载荷分布系数图，得[7]，所以，载荷系数

按实际载荷系数校正分度圆直径

　　　　　　　（3.10）

计算弯曲许用应力，安全系数S=1.4，

查取齿形系数查取应力校正系数计算大小齿轮值，并比较大小。

大齿轮数值大，取用大齿轮数值，

取m=1.5mm，分度圆直径，齿数，大齿轮齿数。

齿轮几何尺寸及安装尺寸计算

取小齿轮宽，大齿轮宽。

符合前面假设，所以设计合理。小齿轮分度圆直径不大，采取齿轮轴形式，大齿轮采取轮毂式，小齿轮轴机构尺寸图3.5，大齿轮结构尺寸和三维仿真图3.6和图3.7。

　　 图3.6 大齿轮机构　　　　　　　　　　　　　 图3.7 大齿轮三维仿真

3.3.3　轴结构设计

经过以上计算，传动零件计算完成，现在进行传动系统中轴计算，轴最小直径由下述公式确定

　　　　　　　 （3.11）

A0和轴材料相关，而且已经有表格能够查询数值。

考虑到小带轮厚度大于驱动电机轴伸出长度，小带轮这里需要设计一根轴，材料定为45号钢，调质处理，查表可知A0取值范围在126~103，本设计取112，则小带轮轴最小直径

轴径最大值肯定会小于100mm，而且在一些截面上会有键槽，依据要求，最小轴径要增大5%~7%，即最小轴径在9.5~9.68mm之间，在设计时将轴最小直径设计为24mm，设计出安装带轮、联轴器和轴承所需要轴肩和键槽。

大带轮所用轴就是前面包含过齿轮轴，所以在这里不再赘述。大齿轮所用轴材料45号钢，调质处理，A0取最大值126，功率

转速，所以齿轮轴最小直径

截面会有一个键槽，最小轴径增大7%，，以此为依据设计轴结构。

3.3.4　主传动系统支架设计及三维仿真

经过以上计算，主传动系统关键零件设计完成，合理布局各传动件位置，然后设计减速系统支架，设计时除了要考虑安装方便是否外还要考虑铸造加工难易程度，最终经过仔细设计以后，再利用PRO/ENGINEER进行了整个传动系统组装仿真，这么能够更直观地表示出设计理念，而且也更轻易看出其中问题来。图3.8为传动系统三维结构外观图。

图3.8 传动系统三维结构仿真

3.4　摆动系统结构设计

摆动系统是用来实现搅拌桶摆动运动机构，当物料混合均匀后，搅拌运动停止，打开搅拌桶下面排料口，物料就会流出，不过因为搅拌叶片和搅拌桶壁间隙很小，物料在搅拌过程中受到力也比较复杂，很轻易产生积压作用，即物料在表观上展现部分块状，不能够凭借其本身重力落下来，此时就需要摆动系统使搅拌桶产生振动，将物料震下来。

3.4.1　基础结构确实定和选材

在这里，实现摆动运动机构很多，不过为了尽可能降低噪音，提升运行稳定性，在摆动部分决定采取摆动从动件凸轮机构，而电机转速通常全部偏高，需要用带轮进行减速，甚至需要用齿轮或涡轮蜗杆进行二级减速，前面计算已经选择了一个同时转速比较低电机了，不过其转速相对于本设计来说仍然很高，综合考虑电机安装方向和传动比分配，决定采取带轮斜齿轮凸轮机构，最终传动比，带轮传动比比较大，使用多楔带，带轮材料HT150，斜齿轮承受震动冲击，要采取硬度较大材料，使用40Cr，调质。

3.4.2　带轮齿轮和凸轮设计计算

小带轮直径初定60mm，电机输入功率为3kW，设定载荷变动较小，则查表得工况系数，确定计算功率

选择多楔带型号PL，参考已经有资料，确定小带轮有效直径，查表得有效线差，那么大带轮有效直径

初定中心距，由公式（3.6）

暂定中心距332mm，带有效长度

所以包角也符合设计要求。

带每楔传输基础额定功率，功率增量，查表得包角修正系数，带长修正系数，经过计算而且最终查表取整，多楔带楔数

带轮机构设计，小带轮总长度，取120mm，小带轮轮毂内径，外径；大带轮采取轮辐式机构，轮辐数目m=4，轮辐宽度

轴径定为d=45mm，厚度，大带轮结构尺寸和三维仿真图3.9和图3.10所表示。

图3.9 多楔带轮结构设计

图3.10 多楔带轮三维仿真

斜齿圆柱齿轮传动，齿数比，输入功率，小齿轮转速，转动要求平稳，7级精度，工作寿命，每十二个月工作300天，天天工作一小时。

首先选择齿轮材料，小齿轮40Cr，调质处理，硬度280HBS，大齿轮45钢，调质处理，硬度250HBS。初选小齿轮齿数，则大齿轮齿数。初选螺旋角=14°，

首先根据齿面接触强度设计，

　　　　 （3.12）

将上述参数带入分度圆计算公式，

齿轮非对称部署，查得计算公式

再根据齿根弯曲强度设计，设计公式为

　　　　　（3.13）

依据纵向重合度，从图中能够查得螺旋角影响系数

取弯曲疲惫安全系数S=1.4，查图得

比较发觉小齿轮数值大。将所得参数带入到设计公式中，得到

由此可知，两种设计方法均要求模数最少为1，为了提升齿轮承载能力，选择标准模数，中心距

将中心距圆整为193mm。

按圆整后中心距修正螺旋角

因值改变不多，故参数等无须修正。

计算大小齿轮分度圆直径

齿轮结构设计，对于大齿轮，因齿轮齿顶圆直径大于160mm，而又小于500mm，故以选择腹板式结构为宜。其它相关结构尺寸均根据前面主传动系统中直齿轮设计方法设计。

将齿轮设计好后，利用三维软件进行仿真。

ψ/rad为了使设计愈加简捷同时实现摆动功效，决定采取等宽六圆弧凸轮[8]。首先，设定工作条件，等幅摆动运动，幅度15°

图3.11 凸轮位移曲线

然而，在设计时不能直接应用此条曲线，因为在曲线拐点处，速度改变快，加速度很大，所以那些点处冲击也很大，会对凸轮机结组成极大损害，所以要对上述曲线进行修正[9]。修正方法即是将速度突变处全部用光滑曲线替换，最终得到修正曲线图3.12所表示。

图3.12 凸轮修正位移曲线

凸轮匀速运转，上述图线横坐标为凸轮转角，和时间是一一对应，设从动件静止时间是运动时间1/3。确定凸轮转角，由凸轮等宽条件公式

从动件冲程估算为，带入基圆半径范围公式中，得

3.4.3　轴结构设计和摆动系统安装三维仿真

轴设计计算和前面相同，也是首先依据传输功率计算轴最小直径，并以此为参考进行设计，在设计时考虑轴肩位置，齿轮、凸轮和轴承这些零件在轴上定位方法，将这些设计好后，再合理安排这些零件在空间布局，做到尽可能少占用空间，结构紧凑，不过也要同时注意不要产生干涉。

当设计好后，利用PRO/ENGINEER软件进行仿真，深入检验是否有不妥之处。以下图3.13是摆动系统三维仿真。

图3.13 摆动系统机构三维仿真

这部分仿真关键是为了检验凸轮能否正常工作，经过观察发觉凸轮能和摆动件良好接触，进行运动仿真时设定电机匀速转动，转速710r/min，测定凸轮机构从动件位移、速度和加速度曲线，测定曲线图图3.14所表示。图中第一条曲线是位移曲线，和自己最初设计曲线是一致，第二条曲线是速度曲线，有较大速度冲击，第三条曲线是加速度曲线，能够观察到有多个突变点，加速度冲击也比较大，不过经过选择合适材料配合会改善这种影响，凸轮采取HT200，退火处理，硬度180~250HBS，从动件材料45Mn2，这么材料配合使得凸轮有足够硬度，从动件有一定硬度也有一定韧性。

图3.14 凸轮从动件运动参数测定曲线

本章把卧式搅拌器设计进行模块化，并对各个模块进行了具体设计，绘制其零件图、装配图，并用PRO/ENGINEER对卧式搅拌器进行了三维建模，使设计更直观表现出来。更关键是将凸轮机构进行建模拟真，给定驱动电机运转参数，测量凸轮从动件运动曲线，得出结论：设计凸轮能正常工作，且满足最初运动轨迹要求，不过振动冲击有些大，凸轮要提升强度，摆动臂要采取韧性比很好材料，这么才能确保凸轮机构运行寿命。

第4章　安全性计算和校核

为了保障机械零件强度和刚度，使搅拌器运行时含有足够安全性和可靠性，需要对其关键部分零件进行校核。本章就轴，轴承等关键零件进行刚度，强度校核。

本设计中多处采取滚动轴承，且有些地方轴承转速很高，有些地方径向力很大，为了确保搅拌器能在要求工作寿命内正常工作,不能盲目进行安装使用,不然可能会出现部分意想不到事故和现象。所以,必需对轴承进行一系列校核和验算,具体验算内容以下。

对于小带轮轴处深沟球轴承，轴承轴向载荷，径向载荷

选择载荷系数，定为无冲击或轻载荷，1.0~1.2。

设轴承工作寿命和机器设定寿命相同，

轴承应有基础额定动载荷

而本设计选择轴承61907，其基础额定动载荷，符合要求。

对于其它轴承也采取类似方法校核，均能够正常工作。

本设计轴要么承受显著转矩，要么承受显著径向力，受力情况比较简单。当初设计轴时即使考虑到了在载荷影响下最小轴径，不过有些轴承受很大转矩，上面附加多种传动零件在运动中也会产生更大载荷影响，所以需要对轴强度进行校核。

下面以搅拌轴为例，进行扭转强度校核。

轴载荷分析图以下图4.1所表示。

图4.1 轴载荷分析图

由前面计算已经知道，搅拌半径，所以作用在搅拌叶片上力能够粗略计算为，

此力为Fa和Ft协力，螺带倾角30°，所以，

搅拌轴重量粗略估量为，那么

搅拌轴有效长度，所以上述载荷分析图中各个参数值计算以下，

　　　　　　　（4.1）

将参数带入上述校核公式（4.3）中，得到

本章对设计后电机开启转矩、轴承寿命和载荷、键受力参数和搅拌轴等轴类零件进行了具体计算，对部分初选关键零件进行了校核分析，充足确保卧式搅拌器可靠运行。

本课题结合现在中国外卧式搅拌器研究现实状况和发展方向，具体叙述了一个用于食品加工产业卧式搅拌器设计和开发过程。本文关键完成工作以下：

1．卧式搅拌器总体结构方案确实定。分析了卧式搅拌器特点，确定了设计基础结构，并依据工作参数确定部分必需设计基础尺寸。

2．驱动元件选择。经过计算选出满足搅拌器使用要求交流异步电动机，并具体列出其技术参数。

3．主传动系统具体设计。对搅拌器主运动进行分析计算，设计主传动系统各个零件，并利用PRO/ENGINEER进行三维建模。

4．摆动系统具体设计。对搅拌器摆动运动进行分析计算，设计摆动系统各个零件，并利用PRO/ENGINEER进行三维建模。

5．搅拌器其它关键零部件具体设计，如机架和外壳等，确定零件结构，绘制零件图和装配图，并利用PRO/ENGINEER进行三维建模。

6．零件强度和刚度计算和校核。对各个已设计零件进行强度和刚度计算，确保满足使用要求，使搅拌器含有足够可靠性。

[1] 陈志平，章序文，林兴华．搅拌和混合设备设计选择手册[M]．北京：化学工业出版社，工业装备和信息工程出版社，20XX：383．

[2] 许学勤，王海鸥．食品工厂机械和设备[M]．北京：中国轻工业出版社，20XX：164-181．

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[13] 顾维忆.卧式螺旋搅拌叶片螺旋角参数探讨[J].渔业机械仪器,):9-47.

本文是在尊敬XXX老师悉心指导下完成。

赵老师严谨治学态度、渊博学识、敏锐思维、认真学术作风和平易近人生活作风，使我在学习中获益匪浅，对我以后学习、工作和生活全部有了很好指导；赵老师在本课题设计研究、理论分析及论文组织等很多方面所给了殷切地指导和莫大帮助，这将使我受益终生。赵老师还对我毕业设计很多细节方面给了耐心指导和帮助，这是不可或缺，赵老师随和，认真深深地印在我心里。我在学习和毕业设计中每一点进步，无不凝聚着导师心血。

值此论文完成之际，谨向赵凌燕老师致以高尚敬意和真挚感谢！

我还要感谢本科期间老师们，是她们教导使我不停进步，让我在学习和以后工作中有了扎实基础。

我把这篇文章献给我父母，感谢她们对我一直如一支持和激励，和她们给我无私爱。

再次向全部帮助我老师、同学和好友致以衷心感谢！