食品机械基础

第6章　食品机械基础

内容描述

本章主要介绍食品机械的基础知识，包括食品机械常用材料知识以及简单介绍了常用机械零件和传动知识。

学习目标

●了解食品机械材料性能的要求。

●了解食品机械材料的耐腐蚀抗磨表面处理。

●了解螺纹的主要参数和类型，螺纹联接、键联接、带传动和链传动的基本类型。

能力目标

●掌握食品机械常用材料的性能、特点和适用范围。

●掌握轴联接的类型、材料及结构。

●掌握滚动轴承的构造、类型、使用及维护。

●掌握链传动和带传动的类型及应用范围。

6.1　食品机械常用材料与腐蚀保护

6.1.1　食品机械用材料对材料性能的要求

在食品机械中，广泛使用金属和合金等材料，同时还利用木材、石材、金刚砂、陶瓷、搪瓷、玻璃、纺织品以及各种各样的有机合成材料。设备中与食物介质相接触的部分，一般要求对食品无害，不污染食品；不受或少受接触介质的破坏。以下从4方面介绍材料的性能。

1）机械性能

由于食品机械设备一般属于轻型机械设备，大多数零部件受力较小。但轻型机械设备要求尽量降低整机质量和体积，零部件的尺寸要尽量小，因此，对材料的机械性能要求除了强度、刚度和硬度以外，还有一些其他的要求。例如，在食品机械设备中处理大批量成件物品的机会较多，因此常遇到高速往复运动的构件，就要从疲劳强度来要求机件的性能。

食品机械设备中的一些零部件上通常要和大量的物料相接触，而接触时，物料的不同会对零部件有不同的损伤。例如，锤片与坚硬物料的高速度撞击，会造成强烈的磨损，因此，锤片对材料的耐磨性能要求很高；食品挤压机螺杆和套筒与物料相对运动的速度虽然不高，但工作压力高而且工作温度很高，因此，此类机械不仅要求较高的抗扭强度，而且还要有很高的耐磨强度和较高的抗蠕变的能力。

有的食品机械设备在高温下工作或是在低温下工作，这就必须考虑机械设备的材料在高温和低温下的机械性能是否符合生产的需要。

2）物理性能

材料的物理性能包括材料的相对密度、比热容、导热系数、软化温度、热膨胀性、热辐射波谱、磁性表面摩擦特性、抗黏着性等。食品机械设备性能常与材料的物理性能有关。例如，在不同的使用场合，要求材料有不同的物理性质，换热装置要求有较高的导热系数，保温材料则要求材料导热系数低，食品的成型装置要求有好的抗黏着性，以方便脱模。

3）耐腐蚀性能

食品机械设备接触的食品物料一般带有酸性或弱碱性，有些本身就是酸类或碱类，如醋酸、柠檬酸、乳酸、脂肪酸、纯碱、小苏打等，这些物料会腐蚀许多金属材料。有些物料本身虽然没有腐蚀性，但是在微生物繁殖时会产生带有腐蚀性的代谢物。

食品机械设备所用材料选择不当而遭受腐蚀，不仅容易造成机器本身的破坏，更重要的是会造成食品污染。有些金属离子溶进食品中，有损于人体健康和食品风味，或者破坏食品的营养。因此设计食品机械设备时，材料的耐腐蚀性对选择结构材料常起着决定作用。

机械设备的耐腐蚀程度取决于材料的化学性质和表面状态以及受力状态，物料介质的种类、浓度和温度等参数。食品机械材料的机械物理性能和化学性能有时会发生矛盾，很难做到十全十美，因此，可通过复合材料或表面涂层的方法来加以解决，以充分发挥不同材料的优点。

4）制造工艺性能

材料的制造工艺性能非常重要，否则设计出来的零件有时难以加工，有时甚至无法加工。例如，焊接件的材料要有好的可焊性和切削性能，表面要求硬度高的零件要有好的热处理性能，表面要求涂装的零件要有好的附着性能，需要切削的材料要有好的切削加工性能。

6.1.2　食品机械常用材料

1）金属材料及合金材料

（1）碳钢和铸铁材料

普通碳钢和铸铁耐腐蚀性都不好，容易生锈，不宜直接接触有腐蚀性的介质。但由于钢铁材料在耐磨、耐疲劳、耐冲击力等方面有其独特的优越性，因此，在食品机械与设备中大量应用，特别是在制粉、制面、膨化等机械中大量使用钢铁材料。钢铁材料主要用在机座、压轴以及要求耐振动、耐磨损的结构件上。球墨铸铁则用于综合性能要求较高的结构件上。此外，钢铁材料可通过表面处理的方法提高其耐腐蚀性。铁质本身对人体无害，但遇单宁等物质，会使食品变色，铁锈剥落于食品中会对人体造成损伤。

钢铁如作为与食品直接接触的构件，通常需要采用表面涂层，如镀锌的白铁皮，镀锡的马口铁。食品工业可用涂搪瓷的钢铁容器。搪瓷的原料有长石、石英砂、硼砂、碱、萤石以及其他成分。搪瓷对有机酸和无机酸都耐腐蚀，并且表面光滑，但搪瓷的致命缺点是在碰撞压力或温度的作用下，釉可能碎裂，有可能造成严重后果，因此，现在代替搪瓷材料的有各种无毒树脂涂料，其涂层耐腐蚀而不会产生碎片。

（2）有色金属

食品机械中主要的有色金属材料是铝合金、铜合金等。

铝合金具有耐腐蚀性和良好的导热性能、低温性能、加工性能以及密度小等优点。但有机酸等腐蚀性物质在一定条件下可造成对铝及合金的腐蚀。食品机械中铝及铝合金的腐蚀，一方面影响机械的使用寿命，另一方面因腐蚀物进入食品而有损人们的健康。

纯铜又称紫铜，具有热导率高的特点，是良好的导热材料，常被用于制造换热器等。其加工性能好，对许多食品介质具有高的耐腐蚀性能，能抗大气和淡水腐蚀，对中性溶液及流速不大的海水都具有抗腐蚀性能。对于一系列的有机化合物，如醋酸、柠檬酸、草酸和甲醇、乙醇等醇类，紫铜都有好的抗蚀稳定性。

但铜对于一些食物成分（如维生素C）有直接的破坏作用。另外铜与某些产品（如乳制品）直接接触会产生异味。因此，铜一般用于不直接接触食品物料的机械与设备。

（3）不锈钢

不锈钢也称不锈耐酸钢，是指在空气中或化学腐蚀介质中能够抵抗腐蚀的合金钢。不锈钢的基本成分为Fe-Cr合金和Fe-Cr-Ni合金，另外，还可添加其他合金元素，如锆、钛、锰、铌、钼、钨等。由于合金的成分不同，耐腐蚀性与耐高温性能也有所不同，Fe-Cr是不锈钢中最基本的成分，当钢中的铬含量超过12%时，就可抵抗介质中的腐蚀，但铬的含量一般不超过28%。

不锈钢具有耐腐蚀、不生锈、不变色和所附着食品容易去除以及良好的高、低温机械性能等优点，在食品机械中广泛应用于泵、阀、管、罐、锅、热交换器、真空容器等器具。不锈钢的耐腐蚀能力随其化学组成、加工状态、使用条件和环境介质类型而改变。

2）非金属材料

使用于食品机械设备上的非金属材料主要是塑料。常用的塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯塑料，以及含粉状和纤维填料的苯醛塑料、压层塑料、环氧树脂、聚酰胺、各种规格的泡沫塑料、聚碳酸酯塑料、氯化聚醚有机玻璃等。此外，还使用各种夭然和合成的橡胶。这些材料有许多优越的性能是不锈钢和其他金属所不具备的。其优点是：具有良好的化学稳定性和机械性能；相对密度比金属小得多；热熔性好；电阻极大；光学特性好，有些有一定透明度，表面光泽，并可加入各种色彩；吸振消音；加工性能好。

在食品机械上选用塑料和聚合物材料，应根据食品介质卫生检疫的要求和国家卫生检疫机关的有关规定，允许使用的材料才能选用。一般的，凡直接与食物接触的聚合物材料应该确保对人体绝对无毒无害，不能给食品带来不良气味，不能影响食品的味感，不能在食品介质中熔化或膨胀，更不能与食品产生化学反应。因而食品机械中不宜使用含水或含硬质单体的低分子聚合物，因为这类聚合物往往都有毒性。某些塑料在老化或高温下工作时，能够分解为可溶性单体扩散到食品内，使食品变质。

此外，木材曾经是食品机械中广泛使用的材料，它耐酸、加工性能好、轻便等，既可制造容器，也可作为各种机械的支撑结构。至今在西方酿酒业中仍作为贮酒容器（橡木桶）。但由于木、竹制品不易清洗消毒，而且硬度低，在很多场合已被不锈钢代替。

6.1.3　机械材料的耐腐蚀抗磨表面处理

1）食品中的腐蚀性物质

食品通常是酸性、中性或弱碱性，食品中的有机酸具有与强酸强碱不同的腐蚀特性，在特殊的环境中具有独特的腐蚀作用。

食品中的腐蚀性物质有醋酸、柠檬酸、苹果酸等低级脂肪酸，以及酒石酸、琥珀酸、乳酸、酪酸；食盐、无机盐类；部分食品添加剂；在制造过程中使用的腐蚀性物质。这些腐蚀性物质与食品加工机械零部件相互接触时，会造成零部件材料的腐蚀，并造成金属离子溶入食品中，可能会损害人的健康或破坏食品的风味。在腐蚀环境中，机械还会发生摩擦腐蚀。

2）机械材料表面处理

对于腐蚀的防护，通常对材料进行耐腐蚀抗磨的表面处理，即对金属或非金属的食品加工零部件进行喷涂和涂装以及电镀和刷镀等表面处理。

（1）喷涂、涂装、电镀、刷镀

喷涂主要指热喷涂，它将金属、塑料或陶瓷等粉末通过火焰，以半熔融状态被吸附到工件表面，形成具有耐腐蚀、耐磨等特性的涂层。食品机械大量地采用不锈钢，成本较高，故以一部分涂层材料代替。涂装是在金属表面用手工或简单器械涂上涂料，使之干燥硬化，形成连续的涂层与外界隔绝，以达到防腐蚀、装饰的目的。电镀和刷镀在食品机械的应用相对较少，但有发展的趋势。电镀和刷镀原理相似，只有在工艺和应用对象上有区别，电镀以制造为主，刷镀一般用来修复工件。

（2）对镀层的要求

①镀层的材料不能有毒，不能传给食品异味或影响食品的风味。

②为避免锈蚀和镀层的脱落，镀层不应具有多孔性。

③镀层应有较高的机械特性，并与基体牢固地结合。

④必须达到均匀的晶粒镀层和要求的镀层厚度。

⑤镀层应对食品介质、洗涤剂成分和大气的影响具有较高的化学稳定性以及良好的装饰和保护特性。

6.2　常用机械零件

6.2.1　螺纹及联接

1）概述

螺纹联接是利用带有螺纹的零件组成的一种可拆联接（拆开联接时，不需损坏任何一个零件）。它结构简单、装拆方便、联接可靠，加之螺纹联接件均已标准化，故应用非常广泛。

（1）螺纹及其主要参数

在内、外圆柱面上，按螺旋线运动的方式加工出一定形状的沟槽即形成了内、外螺纹。在螺纹上按螺旋线的数目，可将螺纹分为单线（见图6.1（a））、双线（见图6.1（b））、三线（见图6.1（c））及多线螺纹。

图6.1　螺纹的线数

按螺旋线的绕行方向可分为右旋（见图6.1（a））和左旋（见图6.1（b））螺纹。机械设备中一般采用右旋螺纹，有特殊要求的地方才采用左旋螺纹。旋向的判别方法如图6.2所示。

如图6.3所示，螺纹的主要参数有：大径d是国家标准规定的螺纹的公称直径（管螺纹除外），小径d1，中径d2（在轴向剖面内，牙厚等于牙间宽的圆柱直径），螺距p（相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离），导程Ph（同一螺旋线上相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离，Ph=np），螺纹升角λ（圆柱面上螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线平面间的夹角，称为升角。大径、中径、小径各圆柱面上的螺旋线升角都不相等，螺纹升角通常指的是中径上的升角），牙型角α（在轴向剖面内，螺纹牙两侧边的夹角）。

（2）螺纹的类型、特点及应用

根据螺纹轴向剖面内牙齿的形状，可将螺纹分为普通螺纹（见图6.4（a））、管螺纹（见图6.4（b））、矩形螺纹（见图6.4（c））、梯形螺纹（见图6.4（d））及锯齿形螺纹（见图6.4 （e））等。除矩形螺纹外，其余的螺纹均已标准化。除管螺纹常用英制外，其余螺纹均采用公制。

图6.2　螺纹旋向

图6.3　螺纹的主要参数

图6.4　螺纹的牙型

普通螺纹又称三角螺纹，牙型角α=60°，有粗牙和细牙螺纹之分，使用有区别，一般性联接中常使用粗牙螺纹。管螺纹的牙型角α=55°，内外螺纹旋合后无径向间隙，主要用于管件联接。矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹，主要用于传递运动。

2）螺纹联接的基本类型与螺纹联接件

（1）螺纹联接的基本类型

①螺栓联接。螺栓联接是利用螺栓穿过被联接件的孔并旋上螺母，将被联接件联接在一起的联接方式。这种联接构造简单、装拆方便，广泛用于被联接件不太厚的场合。螺栓联接可从被联接件的两边装配，有普通螺栓联接（见图6.5（a））和铰制孔用螺栓联接（见图6.5（b））两种，前者应用较为普遍，后者主要用于被联接件需要精确定位的场合。

图6.5　螺栓联接

②双头螺柱联接。双头螺柱的两端均有螺纹，联接时，一端拧入带有螺纹的被联接件的盲孔中，另一端穿过另一被联接件的通孔，并用螺母拧紧，从而将被联接件联接在一起，如图6.6（a）所示。拆卸时只需拧下螺母，螺栓仍留在孔中，故螺纹孔不易损坏，多用于经常拆装或结构上不能用螺栓联接的场合。

③螺钉联接。螺钉联接是将螺钉穿过一被联接件的通孔，而直接拧入另一被联接件的螺纹孔中，从而将被联接件联接在一起，如图6.6（b）所示。它的特点是不用螺母，联接结构最为简单，但不宜用于经常拆装的场合，否则会损坏被联接件上的螺纹孔。

④紧定螺钉联接。紧定螺钉联接是将螺钉拧入被联接件之一的螺纹孔中，并以其末端顶住另一被联接件的表面或顶入凹坑中，如图6.6（c）所示。主要用于固定两零件的相对位置，并传递不太大的力或转矩。

图6.6　双头螺柱联接、螺钉联接和紧定螺钉联接

（2）螺纹联接件

螺纹联接件主要有螺栓、双头螺柱、螺钉、螺母、垫圈等，它们都是标准件。国家标准规定其公称尺寸均为螺纹大径d，其形状和尺寸可从有关标准中查出。

螺栓和螺钉的头部结构主要有六角头、方头、内六角圆柱头、开槽沉头（有一字槽、十字槽），如图6.7所示。

图6.7　螺栓和螺钉的头部结构

螺母的结构主要有六角螺母、圆螺母、蝶形螺母及开槽螺母，如图6.8所示。垫圈主要有平垫圈和弹簧垫圈，如图6.9所示。

图6.8　螺母的结构

图6.9　垫圈

3）螺纹联接的预紧、防松与拆卸

（1）预紧

螺纹联接在装配过程中，一般都要将螺母拧紧，称为预紧。其目的是保证联接的可靠性和紧密性，以防受载后被联接件间出现缝隙或发生相对滑移。螺栓在受工作载荷前已受到由拧紧螺母而产生的力的作用，这种力称为预紧力。对一般的联接，用扳手凭感觉直接拧紧即可。对重要的联接就要控制预紧力，这时可用测力矩扳手和定力矩扳手拧紧，通过控制拧紧力矩，以达到控制预紧力大小的目的。

（2）防松

用于联接的螺纹多为普通螺纹，均有自锁的特性。因此拧紧螺母后，一般不会自行松退。但在受冲击、振动、变载荷作用或在工作温度变化较大的情况下，螺纹联接会出现自行逐渐松脱的现象。因此，在螺纹联接中要采取必要的防松措施，对重要的联接，防松显得更为重要。

防松的方法很多，但其实质都是阻止螺纹之间的相对转动。按其阻止相对转动的方式可分为摩擦力防松（用摩擦力阻止螺纹之间的相对转动）、机械防松（用止动零件来阻止其相对转动）和不可拆防松（利用粘、焊、铆和冲点等方法破坏螺旋副，使其不能相对转动）。摩擦力防松在载荷变动较大时，不十分可靠；机械防松最为可靠，在重要场合应用较普遍；不可拆防松只用于联接后不再拆卸的场合。

（3）拆卸

螺纹联接为可拆联接，对维护良好的螺纹联接，在拆卸时并不困难。但若维护不好，如螺纹联接件的外形受损、生锈腐蚀严重或者螺栓折断，则会使得拆卸十分困难。这时就应采取一定的措施。

①联接件形状完好，但已锈蚀。在锈蚀不太严重时，可将螺栓头或螺母沾浸煤油，使煤油浸入螺纹联接的缝隙中，既可使锈蚀松软，又可起润滑作用。在锈蚀严重时，可用手锤敲击螺栓头或螺母，使联接处受到振动，并配合浸润煤油进行拆卸。

②联接件形状已破坏。当螺栓头已断裂，而螺纹仍有一部分留在螺纹孔外边，可在顶部锯出一槽口，用螺丝刀旋动；也可把螺杆两侧锉平，用扳手转动；或者在顶部焊上一杆件或螺栓，以便于转动。当螺栓断在孔内时，可用比螺纹内径略小的钻头，把螺栓钻透，再用丝锥将残留部分攻去。当断在孔中的螺栓直径较大时，可在螺杆中心钻一个孔，在孔中插入取钉器将其旋出来。

6.2.2　键联接

键联接主要用于联接轴与轴上的齿轮、带轮、联轴器等机械零件，作周向固定并传递转矩与运动。键联接结构简单、工作可靠、装拆方便，应用广泛。

键联接按其结构形式的不同，主要有平键（包括普通平键、导向平键、滑键）联接、半圆键联接、楔键（包括普通楔键和钩头楔键）联接和切向键联接4种。下面仅就普通平键联接、半圆键联接、楔键联接及切向键联接作一介绍。

1）普通平键联接

根据键的端部形状不同，普通平键可分为圆头（A型）、方头（B型）和半圆头（C型）3种，如图6.10所示。圆头平键应用较多，半圆头平键主要用于轴的端部。普通平键联接的结构如图6.11（a）所示。工作时，靠两侧面的挤压作用来传递转矩，底面与轴上键槽底部接触，上表面与传动件轮毂之间有间隙。这种联接只能作周向固定，不能承受轴向力。普通平键定心好，应用最广。

图6.10　普通平键

图6.11　普通平键与半圆键联接

2）半圆键联接

半圆键联接也是靠键的侧面来传递转矩，键呈半圆形，可在轴上相应的半圆形键槽内摆动，以适应轮毂槽底部的倾斜，如图6.11（b）所示。

3）楔键联接

楔键联接根据楔键结构的不同，有普通楔键联接（见图6.12（a））和钩头楔键联接（见图6.12（b））两种。楔键的上下表面是工作面，键的上表面与轮毂的键槽底面均制成1∶100的斜度。

装配时将键楔紧，使键的上下两工作面分别与轮毂、轴的键槽工作面压紧，靠工作面的摩擦力传递转矩，键与键槽的侧面互不接触。

图6.12　楔键联接

楔键联接既可实现轴上零件的周向固定，又可实现零件的轴向固定。由于楔紧时会使轴上零件与轴的中心产生偏心与偏斜，故对中性较差。一般用于转速较低，对中性要求不高的场合。钩头楔键的钩头供拆卸用，用于不能从另一端将键打出的场合。在轴端使用楔键时，要注意加装防护罩，以防楔键随轴转动时因松动而被甩出伤人。

4）切向键联接

切向键联接的结构如图6.13所示。切向键由两个斜度为1∶100的楔键组成。装配后，两键的斜面互相贴合，共同楔紧在轴和轮毂之间。切向键的上下两平行面为工作面，工作时靠工作面的挤压来传递运动和转矩。一对切向键只能传递一个方向的转矩（见图6.13（a）），当要求传递双向转矩时，则应装两对互成120°～130°的切向键（见图6.13 （b））。

图6.13　切向键联接

切向键联接能传递较大的转矩，但键槽对轴的强度削弱较大，对中性也较差。故切向键联接一般用于载荷很大，对中性要求不严的重型机械中。

6.2.3　轴

轴是组成机器的重要零件之一，它用来支承作旋转运动的零件，如齿轮、带轮、联轴器等，使其旋转并传递运动和动力。

1）轴的类型

轴的类型很多，按轴线形状不同可分为直轴（见图6.14）、曲轴（见图6.15）和挠性钢丝轴（见图6.16）。曲轴主要用于旋转运动和直线往复运动相互转换的机械中，如内燃机等。挠性钢丝轴是由几层紧贴在一起的钢丝层构成的，可以把转矩和旋转运动灵活地传到任何位置。当受空间结构的限制，轴必须经转弯才能传递运动时，挠性钢丝轴就成了不可缺少的零件。在一般机械中广泛应用的是直轴。

直轴的截面多为圆形，并制成由两端向中间逐渐增大的阶梯形（称阶梯轴，见图6.14 （b）），以使各段轴强度接近，且使轴上零件定位可靠，装拆方便。对于轴上零件很少时，为便于加工，简化结构，多制成等直径的轴（称光轴，见图6.14（a））。对于需要减轻轴的质量或需要在轴中安装其他零件的场合，就制成空心轴（见图6.14（c））。

图6.14　直轴

图6.15　曲轴

图6.16　挠性钢丝轴

2）轴的结构

轴的结构主要与轴在机器中的安装位置和要求、轴上零件的布置和固定形式、轴的受力情况、所采用的轴承类型和尺寸、轴的加工和装配方式等因素有关，如图6.17所示。轴的结构应满足下列要求：轴上零件要便于定位、且定位要准确牢靠，轴要便于加工，轴上零件要易于装拆和调整等。

（1）轴的组成部分

按各轴段用途不同，可将轴段分成轴头、轴颈与轴身3部分。支承齿轮、带轮、联轴器等传动件，并与这些零件保持一定配合的轴段称为轴头，与轴承配合的轴段称为轴颈，联接轴头与轴颈的轴段称为轴身，如图6.17（a）所示。

图6.17　装配方式与轴的结构

（2）轴的径向尺寸与轴向尺寸

轴的各段直径是根据轴上所承受的载荷，并考虑轴上零件的安装和定位的要求，按中间粗两头细的原则来确定的。轴各段的长度是根据轴上零件的轴向长度（如轮毂长度、轴承宽度等），各零件之间的相互位置关系来确定。

此外，轴各段直径的具体尺寸要符合下列要求：

①与轴上零件相配合的直径，应采用国家标准规定的标准直径。

②与滚动轴承配合的直径，必须符合滚动轴承的内径系列。

③安装联轴器的轴径应与联轴器的孔径范围相适应。

④轴上的螺纹直径应符合外螺纹大径的标准系列。

⑤非配合直径，可用非标准值，但最好取整数。

⑥仅为了装配方便或区分不同加工表面时，其相邻轴段的轴径差应尽量小些。

轴各段的长度要符合下列要求：

①与滚动轴承内圈相配合的轴段不能过长，否则不利于装拆。

②与零件轮毂相配合的轴段的长度应比轮毂长度短2～3mm，以保证零件的轴向定位可靠。

③装有紧固件（如螺母、挡圈等）的轴段，其长度应保证紧固件有一定的调整间隙。

④轴上转动零件与固定件（如箱体等）之间应留有适当间隙，以免相碰。

（3）轴上零件的轴向定位与周向定位

轴上的每个零件都要有确定的工作位置。通过轴向定位，可使零件在轴上有确定、可靠的轴向位置，以防工作时零件沿轴向窜动。通过周向定位，主要是阻止零件相对于轴转动。

轴向定位的方法如下：

①轴肩和轴环定位。阶梯轴上截面的变化处称轴肩，因定位需要而设置的轴向尺寸很小的轴段称轴环（见图6.17）。轴肩和轴环定位，结构简单，应用最普遍。安装滚动轴承的轴肩高度要小于轴承内圈的高度，否则轴承无法拆卸。非定位轴肩的高度一般取1～2mm。

②轴套定位。利用轴套可同时解决两个间隔距离不大的零件的轴向定位，如图6.18 （a）所示；这种定位方法能承受较大的轴向力，且定位可靠，结构较简单，装拆方便。

③轴端挡圈与圆锥面定位。这种定位方法一般适用于轴端零件的定位，如图6.18（b）所示。

④圆螺母定位。细牙的双圆螺母（见图6.18（c））或圆螺母加上止动垫圈（见图6.18 （d））的定位方式，常用于零件之间距离较大，且轴上允许切制螺纹的轴段。

⑤弹性挡圈、紧定螺钉与锁紧挡圈定位。弹性挡圈、紧定螺钉、锁紧挡圈一般用于轴向力较小的场合，如图6.19所示。

图6.18　轴套、轴端挡圈与圆锥面、圆螺母定位方式

图6.19　弹性挡圈、紧定螺钉、锁紧挡圈定位方式

轴上零件的周向定位方法有键联接、花键联接、过盈配合、销联接等。其中，键联接应用最为普遍。

6.2.4　滚动轴承

轴承是支承轴的零件。根据轴承工作时摩擦的性质，可分为滑动轴承（轴承相对运动表面为滑动摩擦）和滚动轴承（轴承相对运动表面为滚动摩擦）。根据能承受的工作载荷的方向，可分为向心轴承（可承受径向力）、推力轴承（可承受轴向力）和向心推力轴承（可同时承受径向力和轴向力）。

滚动轴承是标准化、系列化产品，因易于购买、互换性好，在无特殊要求的情况下，广泛应用于各种机械中。

1）滚动轴承的构造

滚动轴承主要由外圈1、内圈2、滚动体3及保持架4组成，如图6.20所示。工作时，与轴承座孔相配合的外圈1，通常固定不动；与轴颈相配合的内圈2，通常随轴颈一起转动。滚动体3在内圈、外圈的滚道上滚动。保持架4将滚动体相互隔开，避免了滚动体的直接接触，并使滚动体均匀分布在滚道上。

2）滚动轴承的类型

滚动轴承分类的方法很多。按滚动轴承公称接触角（滚动体与套圈接触处的法线与轴承径向平面之间的夹角α称为公称接触角）的不同，可分为径向接触轴承（α=0°，能承受径向力）、轴向接触轴承（α=90°，能承受轴向力）和角接触轴承（0°＜α＜90°，能同时承受径向力和轴向力），如图6.21所示。按滚动体的形状可分为球轴承和滚子轴承（包括短圆柱滚子、圆锥滚子、球面滚子和滚针等），如图6.22所示。按滚动体的列数还可分为单列、双列轴承等。

图6.20　滚动轴承的结构

1—外圈；2—内圈；3—滚动体；4—保持架

图6.21　轴承的接触角

图6.22　滚动体种类

按照国家标准对轴承的承载方向、结构特点等规定，将滚动轴承主要分为8种基本类型。其中，深沟球轴承（主要能承受径向力，也可同时承受较小的轴向力）、圆柱滚子轴承（只能承受径向力）、角接触球轴承和圆锥滚子轴承（能同时承受径向力和轴向力）、推力球轴承（只能承受轴向力）最为常用。

3）滚动轴承的使用与维护

选用滚动轴承时，通常根据工作要求和轴承特点先选择轴承类型，再根据轴的直径和其他结构尺寸来确定轴承的尺寸，必要时还要进行轴承寿命的校核计算。

（1）轴承类型的选择

选择轴承的类型时，要根据不同的工作条件，结合轴承的结构与特点，并参考以下原则来进行：

①工作载荷的大小、方向和性质。轴承所受工作载荷的大小、方向和性质是选择轴承类型的主要依据。若只受径向力时，一般可选用向心轴承；只受轴向力时，可选用推力轴承。当受轴向力和径向力的联合作用时，一般选用角接触轴承；但当轴向力很小时，多用深沟球轴承；若径向力很小时，还可用推力轴承和向心轴承的组合结构。当工作载荷较大或受冲击载荷时，宜用滚子轴承。

②转速。轴承工作转速较高时，宜选用球轴承；转速较低时，可选用滚子轴承。

③调心性能。当两轴承座孔加工或安装误差较大、或者轴的刚性较差时，为防止轴承内外圈因倾斜角度较大而造成局部磨损，应选用调心轴承。

④经济性。普通结构的轴承比特殊结构的轴承价廉，球轴承比滚子轴承价廉，调心滚子轴承价格最贵，低精度的轴承比高精度的轴承价廉。在满足使用要求的前提下，尽量选用价格低廉的轴承。

（2）使用与维护

①要保证滚动轴承有良好的润滑条件，要使润滑剂清洁、充足，不可在无润滑剂的状态下工作。

②若发现运转不平稳时，要检查轴承间隙是否因磨损变大，并及时调整间隙。

③轴承磨损严重时，要及时更换相同代号的轴承。

④对重要机械设备或机器不便检修之处的轴承，要定期（如中修、大修等）更换相同代号的轴承，以防突然发现轴承损坏，因修理时间太长影响正常的生产工作。

6.3　带传动与链传动

6.3.1　带传动

带传动一般由固连于主动轴、从动轴上的主动带轮、从动带轮和张紧在两轮上的挠性带所组成。当驱动力矩使主动轮转动时，依靠带和带轮间的摩擦力作用，拖动从动轮一起转动，由此传递运动和动力，如图6.23所示。因此，带传动是以传动带为中间挠性元件的摩擦传动。

图6.23　带传动的组成

按照传动带的横截面形状的不同，可分为平带、三角带（V带）、圆带、多楔带、同步带等多种类型。目前，V带在各行业运用最广泛，以下重点讨论的是V带。

带传动的主要优点是：适用于中心距较大的传动；因为传动带有良好的弹性，故能缓和冲击，吸收振动；过载时，带和带轮间会出现打滑，可防止机器中其他零件损坏，起到过载保护作用；结构简单，制造、安装精度低，成本低廉。

带传动的主要缺点是：传动的外廓尺寸较大；带和带轮间需要较大的压力，因此对轴的压力较大，并且需要张紧装置；不能保证准确的传动比；带的寿命较短；传动效率较低。

通常带传动用于传递中、小功率场合。在多级传动系统中，常用于高速级。由于传动带与带轮间可能产生摩擦放电现象，因此带传动不宜用于易燃易爆等危险场合。应用最广的V带适宜的带速v=5～25m/s，因为当功率一定时，带速越低，带所受的拉力越大，所以提高带速可有效地提高带传动的工作能力。但带速过高时，带在单位时间的绕转次数增多，使带的寿命下降。另外带速过高会使带的离心力增大，带与带轮间的压力减小，导致带传动的工作能力下降。带传动的传动比i≤7，传动效率η≈0.94～0.97。

目前，平带的应用已大为减小。尽管如此，在高速情况下，为减小带的离心力，使传动平稳可靠且具有一定的寿命，仍多采用薄而轻的环形平带。

1）带及带轮

（1）V带的类型

V带分为普通V带、窄V带及大楔角V带等多种类型。其中，普通V带应用较广。下面主要介绍普通V带。

V带由包布、伸张层、强力层及压缩层4部分组成，如图6.24所示。包布是V带的保护层，由胶帆布制成。伸张层和压缩层由橡胶制成，分别承受带弯曲时的拉伸和压缩。强力层（抗拉体）是承受拉力的主体，有绳芯和帘布芯两种结构。绳芯V带结构柔软，抗弯强度较高；帘布结构V带抗拉强度较高。目前已采用尼龙、涤纶、玻璃纤维等化学纤维，代替棉帘布和棉线绳作为抗拉体，以提高带的承载能力。

图6.24　V带的结构

普通V带按截面尺寸分为7种截型，由小到大为Y，Z，A，B，C，D，E。节宽bp为带的节面（中性面）的宽度，与该宽度相应的带轮槽形轮廓的宽度称为轮槽基本宽度；轮槽基本宽度处的带轮直径称为基准直径，用dd表示；V带在规定拉力下，位于带轮基准直径上的V带的周线长度为基准长度，用Ld表示。V带是无接头的环形带，因此带的长度为主要参数之一，普通V 带的标记方法为

例如　按GB11544—89制造的基准长度为1600mm的A型普通V带标记为A-1600 GB11544—89。标记通常压印在带外表面上，供识别和选购。

（2）普通V带轮的结构

V带轮一般用灰铸铁HT150，HT200制造；高速带轮可用铸钢或钢板冲压后焊接；功率较小时，可采用铝合金或工程塑料。

带轮由轮缘、轮毂和轮辐3部分组成。轮体结构要求：结构合理、质量轻、质量分布均匀，轮槽两侧工作面光滑，以减轻带的磨损。如图6.25所示，dd≤（2.5～3）d（轴径）采用实心轮，dd≤300mm采用腹板式，dd-d1≥100mm时采用孔板式，dd＞300mm采用轮辐式。

注意：轮槽的楔角φ有32°，34°，36°，38°这4种。轮径dd越小，轮槽的楔角φ越小，因带弯曲时，外层宽度减小，内层宽度增大，故使带实际楔角减少。

（3）带传动的失效形式及设计准则

①失效形式

a.打滑。需要的有效拉力超过带与带轮提供的最大摩擦力时，即发生过载打滑。

b.疲劳损坏。带受变应力作用，易产生疲劳裂纹、脱层，直至断裂。

图6.25　V带轮结构

②设计准则

在传递规定功率时不打滑，同时具有足够的疲劳强度和一定的使用寿命。

2）带传动的张紧和维护

（1）带传动的张紧

传动带安装在带轮上要有一定的张紧力，带处于长期张紧状况下使用，会产生松弛，结果使带与带轮间正压力减小，传动能力下降。为保证带传动正常工作，必须有张紧装置，以调整带中张紧拉力的大小。张紧装置主要有以下3种：

①移动式定期张紧装置，如图6.26所示。

②摆动式定期张紧装置，如图6.27所示。

③张紧轮装置，如图6.28所示。

图6.26　移动式定期张紧装置

图6.27　摆动式定期张紧装置

图6.28　带传动的张紧轮装置

（2）带传动的维护

①安装带传动时，两轴必须平行，两带轮的轮槽必须对准。否则会加速带的磨损。

②带传动一般应加防护罩，以确保安全。

③需要更换V带时，同一组V带应同时更换，不能新旧并用，以免长短不一造成受力不均。

④V带不宜与酸碱或油接触；工作温度不宜超过60°。

6.3.2　链传动

1）链传动组成与特点

链传动是一种具有中间挠性件（链条）的啮合传动，它同时具有刚、柔特点，是一种应用十分广泛的机械传动形式。如图6.29所示，链传动由主动轮1、从动链轮2和中间挠性件（链条）3组成，通过链条的链节与链轮上的轮齿相啮合传递运动和动力。

图6.29　链传动

与带传动相比，链传动无弹性滑动和打滑现象，因而能保持平均传动比准确；链传动不需很大初拉力，故对轴的压力小；它可像带传动那样实现中心距较大的传动，而比齿轮传动轻便很多，但不能保持恒定的瞬时传动比；传动中有一定的动载荷和冲击，传动平稳性差；工作时有噪声，适应于低速传动。

链传动主要用于要求工作可靠，两轴相距较远，不宜采用齿轮传动，要求平均传动比准确但不要求瞬时传动比准确的场合。它可用于环境条件较恶劣的场合，广泛用于农业、矿山、冶金、运输机械以及机床和轻工机械中。

链传动适用的一般范围为传递功率p≤100kW，中心距a≤5～6m，传动比i≤8，链速v≤15m/s，传动效率为0.95～0.98。

2）链传动的类型

按用途的不同链条可分为传动链、起重链和曳引链。用于传递动力的传动链又有齿形链（见图6.30）和滚子链（见图6.31）两种。齿形链运转较平稳，噪声小，又称为无声链。它适用于高速（40m/s），运动精度较高的传动中，但缺点是制造成本高，质量大。在传动链中，常用的是套筒滚子链。套筒滚子链的结构简单，磨损较轻，应用较广。

图6.30　齿形链

图6.31　滚子链

1—内链板；2—外链板；3—套筒；4—销轴；5—滚子

3）链传动的失效形式

由于链条强度不如链轮高，因此，一般链传动的失效主要是链条的失效。常见的失效形式有以下5种：

（1）链板疲劳破坏

由于链条松边和紧边的拉力不等，在其反复作用下经过一定的循环次数，链板发生疲劳断裂。在正常的润滑条件下，一般是链板首先发生疲劳断裂，其疲劳强度成为限定链传动承载能力的主要因素。

（2）滚子和套筒的冲击疲劳破坏

链传动在反复启动、制动或反转时产生巨大的惯性冲击，会使滚子和套筒发生冲击疲劳破坏。

（3）链条铰链磨损

链的各元件在工作过程中都会有不同程度的磨损，但主要磨损发生在铰链的销轴与套筒的承压面上。磨损使链条的节距增加，容易产生跳齿和脱链。一般开式传动时极易产生磨损，降低链条寿命。

（4）链条铰链的胶合

当链轮转速达到一定值时，链节啮入时受到的冲击能量增大，工作表面的温度过高，销轴和套筒间的润滑油膜被破坏而产生胶合。胶合限制了链传动的极限转速。

（5）静力拉断

在低速（v＜0.6m/s）、重载或严重过载的场合，当载荷超过链条的静力强度时导致链条被拉断。

4）链传动的布置

链传动的布置对传动的工作状况和使用寿命有较大影响。通常情况下，链传动的两轴线应平行布置，两链轮的回转平面应在同一平面内，否则易引起脱链和不正常磨损。链条应使主动边（紧边）在上，从动边（松边）在下，以免松边垂度过大时链与轮齿相干涉或紧、松边相碰。如果两链轮中心的连线不能布置在水平面上，其与水平面的夹角应小于45°。应尽量避免中心线垂直布置，以防止下链轮啮合不良。

5）链传动的张紧

链传动需适当张紧，以免垂度过大而引起啮合不良。一般情况下链传动设计成中心距可调整的形式，通过调整中心距来张紧链轮：也可采用张紧轮（见图6.32），张紧轮应设在松边，靠近小链轮处。

图6.32　链传动的张紧形式

6）链传动的润滑

链传动的润滑是影响传动工作能力和寿命的重要因素之一，润滑良好可减少铰链磨损。润滑方式可根据链速和链节距的大小由如图6.33所示选择。具体的润滑装置如图6.34所示。润滑油应加于松边，以便润滑油渗入各运动接触面。润滑油一般可采用L-AN32，L-AN46，L-AN68油。

图6.33　推荐的润滑方式

图6.34　链传动的润滑装置

本章小结

食品机械用材料对材料性能的要求主要包括机械性能、物理性能、耐腐蚀性能和制造工艺性能。食品机械设备中最常用的材料就是各种各样的金属材料和合金材料。非金属材料主要是塑料。对于机械材料腐蚀的防护，通常对材料进行耐腐蚀抗磨的表面处理，即对金属或非金属的食品加工零部件进行喷涂和涂装以及电镀和刷镀等表面处理。

在食品机械中常用的机械零件主要包括螺纹及螺纹联接、键联接、轴联接及滚动轴承。在螺纹上按螺旋线的数目，可将螺纹分为单线、双线、三线及多线螺纹。按螺旋线的绕行方向可分为左旋和右旋螺纹。根据螺纹轴向剖面内牙齿的形状，可将螺纹分为普通螺纹、管螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹及锯齿形螺纹等。螺纹联接的基本类型主要包括螺栓联接、双头螺柱联接、螺钉联接、紧定螺钉联接。螺纹联接件主要有螺栓、双头螺柱、螺钉、螺母、垫圈等。键联接主要用于联接轴与轴上的齿轮、带轮、联轴器等机械零件，作周向固定并传递转矩与运动。键联接按其结构形式的不同，主要有平键联接、半圆键联接、楔键联接及切向键联接4种。轴是组成机器的重要零件之一，它用来支承作旋转运动的零件。轴按轴线形状不同可分为直轴、曲轴和挠性钢丝轴3种类型。轴承是支承轴的零件，根据轴承工作时摩擦的性质，可分为滑动轴承和滚动轴承。滚动轴承是标准化、系列化产品，广泛应用于各种机械中。带传动的类型和特点，链传动的类型和特点。V带的结构及型号、标志。带传递的圆周力与初拉力、摩擦系数、包角等因素有关。带传动中应力来源于拉力、离心力、弯曲。弹性滑动是带传动的属性，是不可避免的，能够与带的打滑相区分。

复习思考题

1.螺纹联接的基本类型是什么？螺纹联接件有哪些？

2.简述轴的类型和结构。

3.如何选用滚动轴承？

4.食品机械常用的材料有哪些？

5.如何在食品机械上选用塑料和聚合物材料？

6.带传动的特点有哪些？设计准则是什么？

7.带传动的弹性滑动和打滑是怎样产生的？它们对传动是如何影响的？是否可以避免？

8.V带传动张紧的目的是什么？常用的张紧方法有哪些？张紧轮应放在松边上还是紧边上？内张紧轮应靠近大带轮还是小带轮？外张紧轮又该怎么样布置？并分析两种张紧方式的利弊？

9.带传动的工作原理和链传动的工作原理有何不同？

10.链传动的润滑方式有哪些？