基于CATIA軟件的茶葉分揀裝置的傳動機構設計及虛擬裝配

文/于鵬 高濤 李夢

茶葉的制作工序比較復雜且逐步趨向于多元化，由于茶葉種類比較繁多，因此不同茶葉在其制作工藝上有很大的差異。例如，紅茶和綠茶制作工藝明顯不同。但是總體來說，以下幾道工序是必須的，首先需要進行采摘，然后清洗曬干，茶葉中后多或少都有不良品，因此篩選這道工序就尤為重要。茶葉加工中，而在所有工序中分揀是一項費時費力且又非常關鍵的工序，以往生產中常用的傳統式分揀機構存在很多不足，分揀的效果均不甚理想，因此分揀工作主要還是依靠人工進行，這就造成勞動力成本的大幅度上升。分揀作業作為精制茶葉質量和成本控制的關鍵環節受到人們廣泛關注，茶葉色選機在這種情況下應運而生，它主要是通過茶葉顏色的不同對其中的不良品進行剔除篩選的機構。設計主要針對某型茶葉色選機茶葉分揀裝置的傳動進行機構設計并進行虛擬裝配。

1 總體設計方案

目前，通過電磁閥控制高壓噴嘴噴出高壓氣流，使不良品和合格品初始速度不同，從而剔去不良品，這是目前市場上主流的茶葉色選機采用的分揀機構。設計方案中采用在傳送帶一端安裝高壓噴嘴，這樣就可以避免在傳送過路線上設置分揀裝置。第一次粗分揀之后，合格品通過短滑槽進入第二次分揀的傳送帶，在第二條傳送出口位置進行分揀操作，達到精選要求。帶式輸送機是最為廣泛的搬運機械，輸送帶是封閉的，輸送帶作為牽引構件和承載構件的。主要通過摩擦力運動。由于平帶輸送容易造成茶葉灑落，為此可以采用凹槽型或者有擋邊的傳輸方式。

表1：電機軸及傳動軸主要傳動參數

表2：計算與校核后齒輪參數

2 主要傳動部件設計與虛擬裝配

2.1 傳動軸設計

設計過程中為了實現降本，電機的選擇至關重要，電機功率過大可能會造成能量的損失，電機功率過小可能造成其使用壽命下降。本設計中要求輸送帶的產能是20kg/h。首先輸送帶的設計長度定為2m，根據長度可以選擇電機型號為Y90L-6，同步轉速為1000r/min，額定功率為1.1kw，滿載轉速為910r/min。輸送帶的速度為0.3m/s。根據上述電機選擇計算及確定主要傳動軸參數如表1。

選軸的材料為45號鋼，采用調質處理。以1軸為例設計過程如下：

按扭轉強度法估算高速軸的直徑，查詢相關機械設計手冊，取常數C=110，軸的最小直徑滿足：

圖1：茶葉色選機傳動機構整體設計方案圖

圖2：傳動軸三維模型及設計校核力矩圖

根據公式（1），同時考慮輸出軸最小直徑太小，所以輸出軸設計成齒輪軸的形式。有前面的內容知道根據電機通過查表知道電動機軸的直徑D=24mm，同時考慮到半聯軸器的選擇所以選取D1=20mm。

最后依次計算各段直徑： D2此處為密封軸段，安裝軸承端蓋。根據聯軸器的軸向定位，D2 =23mm；D3此處主要是安裝滾動軸承的。初選D3=25mm；D4此處為過渡段，主要是滿足裝配要求，所以初選D4=30mm；D5此處為安裝齒輪出，所以D5 =齒輪的直徑；D6此處主要是安裝滾動軸承，所以D6 =25mm。各軸計算選取尺寸后進行校核，具體參見圖2力矩校核圖，設計符合要求。

圖3：茶葉色選機選用齒輪設計三維模型

圖4：茶葉色選機支架及托輥三維模型

圖5：茶葉色選機皮帶機清潔裝置設計三維圖

圖6：茶葉色選機整機裝配及干涉檢測圖

2.2 傳動齒輪設計

考慮到帶式輸送機為一般機械，且傳遞功率不大，轉速不高，故小齒輪采用45鋼調質處理，齒面硬度197～286HBS，平均硬度為250HBS,大齒輪選用45鋼正火處理，齒面硬度156～217HBS，平均硬度為200HBS。選用8級精度，選取公式（2）進行設計計算。

按齒面接觸疲勞強度初步計算齒輪參數因為是閉式軟齒面齒輪傳動，故先按齒面接觸疲勞強度進行設計，后用公式（3）、（4）校核計算。

2.3 其余部件設計

輸送帶式兩次分揀機構，所以輸送帶設計成為雙層的，支撐輸送帶的支架也為雙層的。支撐架是支架的組成部分，承受所有的載荷，所以對其性能要求比較高。為了節省材料，使結構簡單化，減輕整體質量，因此可以采用焊接件。此方法既滿足了經濟效益，又滿足剛度與強度要求，同時具備有很大的靈活性。支架的四個角采用膨脹螺栓與地面緊固，增加結構的穩定性以及可靠性。支撐腿和中間支棍支架可以采用焊接件，相對于整體實用鋼結構來說更省成本，又能滿足生產需求，設計圖圖4。

托輥是帶式輸送機最重要的組成部分，目前市場上托輥的種類比較多，數量大，托輥按其結構可以分為平行托輥、緩沖托輥、螺旋托輥、調心托輥和槽型托輥等；托輥在工業運輸中應用非常方便。托輥在輸送的過程中主要承受物體的重力以及輸送帶的漲緊力等其他作用力。這就使得在對托輥的設計時要充分考慮其受力情況，預留余量。滿足受力條件之后其他部分設計就相對簡單了。這里我們對托輥的設計提出以下幾點要求，首先是減少摩檫力，使托輥靈活轉動，這樣皮帶在運動過程中所受到的阻力就比較小，從而極大提高輸送效率。同時，要求托輥結構簡單，易于更換維修，經濟適用。

因為輸送帶自身的質量比較，承受交變彎曲載荷，故要求帶心夾層與橡膠層間要有較高的粘附強度，以防止層間剝離和撕開，同時具有較高的抗沖擊性能和抗機械損傷性能，及耐磨性。皮帶的兩邊要高出中間，形成凹槽形式。茶葉在進行分揀之前要進行清洗，晾干，所以在輸送帶上分揀時就有可能粘附在輸送帶上，同時茶葉碎末也會影響分揀精度，因此要對輸送帶進行清掃就顯得有必要了。在清掃部位下方需要增加一個裝碎渣的裝置，能夠達到理想的清潔效果。清掃頭類似于家用笤帚，而且可以通過調節螺母和開口墊片來調整清掃頭部與輸送帶之間的摩擦力以及清掃的部位。

2.4 虛擬裝配

零件裝配是基于設計要求中相對精確的位置關系。如孔和軸的同心配合，兩個零件之間相對位置距離關系等，這些都是利用CATIA裝配環境下不同的約束關系來實現的。通過裝配完成后可以清晰地獲得整體產品的尺寸：長度2900mm，寬度760mm，高度1450mm。

通過裝配模塊，設備以三維實體形態顯示整個設備的總體結構，同時為后續加工制造提供參考。最后對裝置整體進行干涉檢測，優化設備布局。如圖6所示。

3 總結

計算機輔助設計技術迅猛發展帶動傳統機械設計方法改變，特別是三維軟件的大規模普及有效地提高了設計人員的設計效率。CATIA三維軟件是當前應用于機械設計的主流軟件之一，具有造型設計、基礎零部件繪制、產品裝配與檢測、機構運動及力學性能分析等多方面的功能。基于該軟件對某型茶葉分揀裝置的傳動機構設計并進行了虛擬裝配，提高了設計效率。