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黄河科技学院毕业设计 (文献翻译 ) 第 1 页 三 自由度模块化 微 并联 机床 的开发 摘要 本文介绍了三自由度微型并联机械臂在微细加工和 微 装配中的准确定位问题，并介绍了其研究和发展。同时 对微 并联 机床 的结构特点和平移、旋转运动特性进行了评估。基于这些鉴定，设计制造了 三 自由度微型模块化并联 机床 。这种微并联 机床 的运行 和模拟原理与一个正常大小的 台 大致 相同。 该平台 整体 的体积大约为 300300300这种微并联 机床 的建造采用了模块化的设计方法。本文阐述 了这种三自由度微并联 机床 的校验结果。 关键词： 微并联机床，工作区模拟，模块化设计 1 引言 人们对于高品质产品，降低产品成本，缩短产品开发周期的需求日益增加，导致人们 急切 要求机械加工，特别是高速加工的多功能性和准确性方面能 得到更快速地提升。因此， 高速加工最 的新研究趋向于研究和发展全新类型的并联运动机床 。 并联机 床是一种闭环机制，其中一 个移动平台通过至少两个串行运动学链连接至基座。 传 统的 台（ 机械臂有 六 条可扩展的链，拥有非常严格的运动学结构。链的数目通常与自由度的数目相同。 每条腿与平台上的一个三自由度球状接头和基座上的一个两自由度通用接头相连。与串行运动学机械手相比， 高有效载荷和高刚性的特点，而其缺点是工作范围有限，运动学控制算法更为复杂。 此前，新加坡国立大学开发了一个传统的 个 六个线性驱动器组成，每个线性驱动器分别被六台步进电机独立驱动。它可以进行平移运动和精密工程应用，如精细 且 要求多自由度控制的运动。该平台已经过校准， 具有相当好的准确性和可重复性。不过，这个平台也有一些局限性，即 复杂的直接运动学解决方案， 运动定位和定向方面的一些问题，以及昂贵的高精度球形接头 。该校正在着手进一步的研究，准备设计和开发一种改进的 并联 机床 发展的新趋势是将自由度从六个减少至三个。减少自由度的并联 机床具有减小工作空间和降低成本的优势。然而，三自由度并联 机床 的刚性降低，自由 黄河科技学院毕业设计 (文献翻译 ) 第 2 页 度也有所减少。为了克服这些缺点，人们一直在积极研究少于六个自由度的并联 机床 。例如， 克拉维尔和斯特恩汉姆报告的四自由度高速 机床 ， 机床 。李和沙阿分析研究的三自由度并联 机床 。这两台 机床 具有相似的直接运动学解决方案，然而李和沙阿研究的机械 臂包含三个 球形接头 ， 机床 包含十二个 球形接头 。此外，李和沙阿研究的 机床 的定位和定向是复合的。一些三自由度并联 机床 架构，提供 绕一个固定点做定转角转动的平台，该平台可作为 导向设备，机器手手腕 定向设备使用。最近，蔡介绍了一种仅有转动副组成的平移平台。它执行纯粹的平移运动，并且有相近的直接运动学和反向运动学解决方案。 此外，多轴 机床 的使用 是 非常不合理的，它冗余的自由度导致一些轴没有得到充分的利用，同时也增加了它的复杂性和成本。纯粹的三自由度平移或旋转运动需要激活所有六条腿，这意味着能耗的增加。因此，在成本方面， 三 腿 三 自由度微并联 机床 是符合成本效益的，而且其简单的运动学机制使其更加易于控制。 本研究开发的微并联 机床 采用模块化的设计理念，增加了其灵活性和功能。近年来，模块化设计理念已经越来越多地被提出作为开发可重构和自我修复的 机床 系统的手段。为了优化 三 足 三 自由度微并联 机床 的性能和自我修复能力，要求操作系统采用模块化设计且拥有自我重构能力。 由许多自主单位或模块组成的模块化 机床可以被重新配置成许多新的设计。理想状态下，各模块应该是统一又相互独立的。该 机床 可以手动或自动的从一种配置更改成另一种配置。因此，模块化的 机床 可以被重新 配置或修改以适应新的环境。模块必须彼此互动和合作以实现自我配置。此外，模块化微并联 机床 可以通过拆除和更换故障模块实现自我修复。由于自重构模块化 机床 可以提供许多传统机械的功能，它们特别适合于各种任务，如精密工程业的高速加工。 2 背景 在这项研究中，微并联机床，即微并联 机床 的发展目标，是最大限度地减少系统的尺寸和增加系统的便携性，如便携式数控机床。考虑到要使微并联 机床 的尺寸最小化，平台的链接数从六个减少到三个。闭环并联机床的自由度数目检 验 使用式： 黄河科技学院毕业设计 (文献翻译 ) 第 3 页 其中 集合或机械装置的有效自由度。机械运功空间自由度， i 是链接的数量， j 是关节数， 第 i 个关节的自由度， 闲置或被动的自由度。 接头 的数目是 9（ 六 个万向 接头 和三个柱状 接头 ）。链接的数量是 8 个（每一个执行机构，末端效应器和基座各两个链接）。 接头 自由度的总和为 用式 ， 微并联机床的自由度可以做如下计算： F 6（ 8 9 1） 15 用蔡开发的系统枚举法，进行对各种系统配置的比较研究，以选择出一种符合要求的并联系统在本研究中使用。 本研究的目的是建立一个具有微米精度 的微型并联机床，该机床可承受高达 三公斤的有效载荷，并能用于微加工和微装配。因此必须选用高品质的元件已达到所需的精度。即使一台微并联机床以高精度，高刚度，高速度，高有效载荷著称，在选用其相关部件时仍应该十分小心，因为该平台是用来进行微加工，这需要比以前的开发平台具有更高的刚性。 因此，以先前开发的 基础， 我们将 大量的微并联机床设计以同比例的微观尺寸在 进行 仿真模拟，例如 六 足 三 足微并联机床和 六 足 P,其中 示一个具有链接的平台，其链接由棱柱 接头 ，万向 接头 和球形接头组成。这些平台的工作空间被仿真模拟以选择出最适合的设计，已达到研究目标。 此外， 我们还对工作空间和移动平台，移动平台半 径之间的关系进行了研究，以使微并联机床的工作空间得到优化。我们以执行器的行程为基础计算了该平台的的最大转角，并以此作为执行器选择的参考。 3 各种微并联机 床 的仿真 真模型 我们通过 目前已报道的各种微并联数控机床数学模型进行了研究。通过比较这些数学模型的工作空间以确定一种适合本研究的一种。我们通过 足的 三 足的微并联机床和 并联机床 进行了模拟测试。选择这些 机床 黄河科技学院毕业设计 (文献翻译 ) 第 4 页 的运动学模型进行测试的原因是因为它们有更高的有效载荷和较为简单的控制机构。所有三种模型如图一所示： 图 1 a 六足的 台， b 三足的 台 ,c 台 我们进行了一系列的模拟测试，以确定基座和平台、被动式球形 接头 的合适半径，达到 使 微并联机床的工作空间最优化的目的。在这些测试中某些参数保持不变，如链接的长度被设为 ，行程为 。万向节的倾角被设为 45 。 利用 行仿真模拟可以记录并比较每种 机床 所能到达的三维空间位置（如图 2 所示）。从图 2 可以看出， 六 足微并联机床的 工作 空间高度 较 高，而 三 足微并联 机床 的工作空间范围更广。 图 2 三 足（红色圆圈） 和六 足（蓝色十字）微并联机床工作空间比较 黄河科技学院毕业设计 (文献翻译 ) 第 5 页 真结果 在这些模拟中，并联机床基座的半径被设置为 。在仿真模拟测试中通过改变微并联机床移动平台的半径，得到了各种不同的工作空间，结果显示在表 1和图 3 中。从结果中得知，微并联机床的工作空间大小取决于它的移动平台的半径。 图 3 工作区体积与工作平台半径间的关系 因此，移动平台的半径越大，工作空间的范围就越大。然而， 可以预见的是当移动平台的半径和基座的半径相等时会出现潜在的问题。当两者相等时可能产生突变。微并联机床的刚度可能会减少，因为所有的关节都垂直向上运动，而且，移动平台和基座之间的张力也会随之降低。此外，微并联机床的高度也会受到移动平台的影响。由于链接的长度是固定的，链接只能倾斜到一定的角度 ，而这样会 减少平台的高度。 表 1不同工作平台半径间下的工作空间体积 微型工作平台的半径 ,r 工作空间体积 10 3平台半径和工作区大小之间的关系相反，当基座的半径增加时，工作区范围 黄河科技学院毕业设计 (文献翻译 ) 第 6 页 减小，这两者之间的关系如表 2 和图 4 的仿真结果所示。在这个模拟中，平台的半径 被 设为 。 通过对两个模拟结果的分析发现，当基座和平台的尺寸差别越大，工作空间的范围就越小。因此，建议在设计中将平台和基座的半径之比设为 1:2 以得到合适的工作空间。 图 4 工作区 体积 与基座半径间的关系 形接头倾斜角间关系的仿真结果 在这次研究中，我们设定平台半径为 ，基座半径为 ，通过 在20 到 45 范围内改变球形接头的活动角度，我们得到了工作空间 的仿真测试结果。从图 5 的仿真结果中我们可以看出，在球形关节从 20 变化至 45 时 ，平台的工作空间大幅增加。 通过安装一个 45 的球形关节，工作空间的体积可以从 10 4加至 当安装一个 45 的球形关节时工作空间的体积增加了 。 我们还进行了测试以得到当执行器达到最大行程时，所能得到的最大取向角。通过对不同执行器的不同行程进行模拟测试，我们分别得到了它们的旋转角度。从结果中得知，为了使移动平台得到 45 的旋转角，我们必须保证执行器的行程不少于 50 黄河科技学院毕业设计 (文献翻译 ) 第 7 页 表 2工作空间大小与基座半径之间的关系 基座半径 ,r 工作空间体积 10 3过研究 三 足 于本 项目 的可行性，我们发现 自由度的数量受制于活动关节的数目。因此，为了得到三个棱柱执行器， 三 足 须只能有 三 个自由度。根据式 1 中的 式 三 个棱柱执行器可以执行 三 自由度的运动。 然而，我们 需要采用以下措施提升腿的稳定性，使用万向 接头 代替球形 接头 ，或者在球形 接头 的中间部位安装一定的制约部件，如刚性链接。 从对并联 机床 的文献研究得知， 三 自由度微并联 机床 可分为三大类，即平面并联，球面并联和空间并联 机床 。在本文中，空间 机床 是研究重点，它们既可以执行平移运动，又能执行旋转运动。然而，虽然这两项运动的复合是可行的，但将会增加机构的复杂性。 三 自由度微并联 机床 具有吸引力的特征之一就是它们具有灵活的适应所需功能的能力。例如，通过耦合一个 三 足的导向装置和一个 三 足并联平移机械手，可以得到一个 六 自由度的微并联机床。 黄河科技学院毕业设计 (文献翻译 ) 第 8 页 图 5 被动关节角度为 20（圆形点）和 45（交叉点）时的工作区比较 因此，在本文中我们探讨了纯粹的并联机床和平移机床的发展。然而，我们在设计和制造方面侧重于 3联机床。一个混合的 3台安装有棱柱链接的并联机器手 ，且该机器手通过 万向 接头 连接在平台和基座上。 此外，还有一个被动链接通过球形 接头 被安装在平台的中心。这一装置的一个有趣的特 点 是，它复合了平移并联机床和旋转并联机床的运动。它在 Z 轴上更大的工作空间使它可以作为一种旋转机械装置使用。这台并联机床的特征是，当提供一些额外方向的运动时，它能扮演很有趣的角色，而且，如果将它安装在串行运动学数控机床上时，它具有很好的灵活性。 因此根据模拟的结果，我们构建了一个三自由度的 装置拥有一个行程为 50执行器，直径为 125平台和一个直径为 250基座，以此来 实现平台的工作空间和功能的要求。在下一节中我们为 发了数学模型，进行了工艺上的优化以最终确定平台的工作空间。 黄河科技学院毕业设计 (文献翻译 ) 第 9 页 参考文献 1. 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C. ,117576 of a as of 7, 8. 9 is up of It a of is as of of In a or an in 10. in of a 3KM is is of in of In as a to 11. of a 3of be a be or a be or to to a coto In KM of a of as in of of of of of on to of of of of to OF a is s e l 01)OF of or is OF of in l is of j is of OF of ith or of is of is of of 5. s OF of KM is 68 3: a 12, a of is to of to be in is to a KM a of of to be to a is as as of to be to be is a as to on P, on a P, 3KM P,US a of of to to of so of KM is is on of in it be as a of of of of to a KM A 6P, 3a KM of a to 1.A of to of as as In as of is m m. of is 45to of of D is as 2) 2, it be of of is of of KM m. By of of KM 3. of on of of is be a be if of is to of at of of KM of be In of is by of of is a be to a of to of of of is 4. In is 1 a 6b 3c 2 on of of of of a :2 is of of by m m 0 5. 5, of of 20 45a 45 of up 04m3,a 0 is to an to to to a 45 of be at 0 on of SP of it is of SP is by of by q. 1, OF of to be as by or by as a to in of 10,13, 3be In of is or of is be of is to to 4. As an by a 3KM a 3a 6KM be in of KM KM is of a KM A is a is to a is at of a of 3 of of P, r 040 60 75 of is it a KM a it as a of is it is to an of if it is to on of a 3a 50 mm mm a 250 mm of A of SP is in An to of of of 6. A at of a to i=1,2,3i=1,2,3 in of A at is to of zx yof i(i=1,2,3), to be as q. 138012012)of i, (i=1,2,3) to q. 138012012)SP is to be a 00 00 mm to be to of on of to 11. of of of r 085 05 4 of is as as of P. As 6, of q. 4.l!ii t!R !i; i 1.4)t! 5, 6, 7 as )k y )5)6)x )7)6)z 0xxk 8)By of be as q. 8. of on of of of of it is 13. a is =,Y=,Z= i+H=Mi,Zi(i=1,2,3) is on of , 120 40. i i=1,2,3 is q. 3. of 6 of 5 0(5 (22193i=1,2,3 q. 4. a on 9.: )00)8 9 P a 7 of of 10 0isin 单位代码 02 学 号 080105035 分 类 号 密 级 毕业设计 文献翻译 院（系）名称 工学院机械系 专业名称 机械设计制造及其自动化 学生姓名 赵子阳 指导教师 薛东彬 2012 年 3 月 10 日 黄河科技学院毕业设计 (文献综述 ) 第 1 页 摘 要 本文 简单介绍了石油牵引机的组成及工作原理，并涉及减速机的工作原理、种类、设计流程 。 简单说明了分动箱的工作原理。论述了各种机械传动系统及其优缺点。 通过这些资料的查阅对石油管道牵引机设计中所涉及的机械知识有了一定的了解，为设计做准备。 关键词 ： 牵引机，减速机， 传动系统 黄河科技学院毕业设计 (文献综述 ) 第 2 页 前 言 机械制造业是国民经济最重要的支柱之一，是国民经济的装备部，在国民经济的发展中起着十分重要的作用。据相关资料介绍，机械制造业是国民经济最重要的支柱产业之一，机械制造业提供的装备水平对国民经 济各部门的技术进步有着相当大的影响，其规模水平是衡量一个国家国民经济实力和科学技术水平的重要尺度。因而，我国十分重视机械制造业的发展，对机械制造业提出了更多的要求，使其能更好地为各行各业提供高质量的机械产品。世界各国都把发展机械制造业作为振兴和发展本国经济的战略重点之一。 我国十分重视机械制造业的发展。特别是改革开放以来，随着国民经济持续保持高速发展，各行各业都获得了空前的大发展，产品的多样化及对市场的快速反应成为企业能否在激烈的市场竞争中处于有利位置的必备能力。现在国家已经认识到了这一问题，因此，发出了要 建设创新型国家的号召。并采取了一系列的政策、措施鼓励技术创新，促进国家的技术进步，在机械制造业方面更是如此。 在牵引机行业，牵引机械是一种应用十分广泛的产品。为了不断扩大其应用范围，常常将其基架系统、传统系统、间隙调整系统、牵引系统进行优化改进，从而提高系统稳定性，并改善其质量及性能。 输油管牵引机就是作用于油田作业时对输油管的牵引，可以为连续输送油管时提供牵引力，它由主机部分、齿轮基座、减速机等部分组成。 考虑到现代动力机械行业的机械化程度的进一步加深，这类机械的需求量还会进一步扩大，如果能设计出一种功能更加 完善的新型机械，并且各功能互不干涉，不仅能节省材料消耗，降低生产成本，还能方便加工操作，提高工作效率，这不仅对许多中小企业单位有强大诱惑，而且对大型生产单位也有一定的吸引力。如何才能高质量的设计出来，占领这个制高点，就要求我们能很快地理解掌握同类的产品，消化吸收，再加以综合优化，才能完成。 黄河科技学院毕业设计 (文献综述 ) 第 3 页 1. 石油管道 牵引机简介 石油管道牵引机一般由以下几部分组成：电动机、减速机、分动箱、齿轮传动机构、滚筒夹紧装置、紧急刹车机。当输送石油管道上时，石油管道实现盘在管道盘上。输送时，输送人员将管道头从管道盘上拉出，并从牵引 机的入口进入，井上下两排滚筒的缝隙空间从另一端引出。牵引机工作时，有上下两组滚筒相对运动对石油管道产生适当的挤压力，由此产生牵引管道前进的牵引力将管道输送出牵引机出口，送入工作区域。 石油管道牵引机的传动示意图如下所示： 牵引机传动示意图 2. 减速 器 简介及工作原理 减速机是一种动力传达机构，利用齿轮的速度转换器，将电机（马达）的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩的机构。在目前用于传递动力与运动的机构中，减速机的应用范围相当广泛。几乎在各式机械的传动系统中都可以见到它的踪迹，从交通工具的船舶、汽车、机车， 建筑用的重型机具，机械工业所用的加工机具及自动化生产设备，到日常生活中常见的家电，钟表等等 小负荷，精确的角度传输都可以见到减速机的应用，且在工业应用上，减速机具有减速及增加转矩功能。因此广泛应用在速度与扭矩的转换设备。 减速机一般用于低转速大扭矩的传动设备，把电动机 文献综述 ) 第 4 页 力通过减速机的输入轴上的齿数少的齿轮啮合输出轴上的大齿轮来达到减速的目的，普通的减速机也会有几对相同原理齿轮达到理想的减速效果，大小 齿轮的齿数之比，就是传动比。 3. 减速机的分类 减速机是一种 相对精密的机械，使用它的目的是降低转速，增加转矩。它的种类繁多，型号各异，不同种类有不同的用途分类： 1、按照传动类型可分为齿轮减速器、蜗杆减速器和行星齿轮减速器； 2、按照传动级数不同可分为单级和多级减速器； 3、按照齿轮形状可分为圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器和圆锥圆柱齿轮减速器； 4、按照传动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式减速器。 常见减速机种类： 1、摆线减速机 2、硬齿面圆柱齿轮减速机 3、行星齿轮减速机 4、软齿面减速机 5、三环减速机 6、起重机减速机 7、蜗杆减速机 8、轴装式 硬齿面减速机9、无级变速机 蜗轮蜗杆减速机的主要特点是具有反向自锁功能，可以有较大的减速比，输入轴和输出轴不在同一轴线上，也不在 同一平面上。但是一般体积较大，传动效率不高，精度不高。谐波减速机的谐波传动是利用柔性元件可控的弹性变形来 传递运动和动力的，体积不大、精度很高，但缺点是柔轮寿命有限、不耐冲击，刚性与金属件相比较差。输入转速不能 太高。行星减速机其优点是结构比较紧凑，回程间隙小、精度较高，使用寿命很长，额定输出扭矩可以做的很大，但价格略贵。 4. 减速机的设计流程 一、设计的原始资料和数据 1、原动 机的类型、规格、转速、功率（或转矩）、启动特性、短时过载能力、转动惯量等。 2、工作机械的类型、规格、用途、转速、功率（或转矩）。工作制度：恒定载荷或黄河科技学院毕业设计 (文献综述 ) 第 5 页 变载荷，变载荷的载荷图；启、制动与短时过载转矩，启动频率；冲击和振动程度；旋转方向等。 3、原动机 作机与减速器的联接方式，轴伸是否有径向力及轴向力。 4、安装型式（减速器与原动机、工作机的相对位置、立式、卧式）。 5、传动比及其允许误差。 6、对尺寸及重量的要求。 7、对使用寿命、安全程度和可靠性的要求。 8、环境温度、灰尘浓度 、气流速度和酸碱度等环境条件；润滑与冷却条件（是否有循环水、润滑站） 。 以及对振动、噪声的限制。 9、对操作、控制的要求。 10、材料、毛坯、标准件来源和库存情况。 11、制造厂的制造能力。 12、对批量、成本和价格的要求。 13、交货期限。 上述前四条是必备条件，其他方面可按常规设计 。 二、选定减速机的类型和安装型式。 三、初定各项工艺方法及参数。 选定性能水平，初定齿轮及主要机件的材料、热处理工艺、精加工方法、润滑方式及润滑油品。 四、确定传动级数。 五、初定几何参数。 初算齿轮传动中心距（或节圆直径）、模数及其他几何参数。总传动比，确定传动的级数和各级的传动比。 六、整体方案设计。 确定减速机的结构、轴的尺寸、跨距及轴承型号等 。 七、校核。 校核齿轮、轴、键等负载件的强度，计算轴承寿命。 八、润滑冷却计算。 九、确定减速机的附件。 黄河科技学院毕业设计 (文献综述 ) 第 6 页 十、确定齿轮渗碳深度。 必要时还要进行齿形及齿向修形量等工艺数据的计算。 十一、绘制 图 纸 。 在设计中应贯彻国家和行业的有关标准。 5. 分动箱 分动 箱 是一齿轮传动系，其 作用是将原动机输出的动力分配到各个驱动轴，进行动力的分配传递。一种简单的分动系统示 意图如下： 分动箱传动原理 通过螺旋齿轮 2、 3 与主轴 1 上螺旋齿轮 4 的啮合达到将发动机输出的动力进行分配的效果。 6. 机械传动系统类型 齿轮传动 ： （ 1）分类：平面齿轮传动空间齿轮传动。 （ 2）特点：优点适用的圆周速度和功路率范围广。 传动比准确、稳定、效率高。 工作可靠性高、寿命长。 可实现平行轴、任意角相交轴和任意角交错轴之间的传动 缺点要求较高的制造和安装精度、成本较高。 不适宜远距离两轴之间的传动。 （ 3）渐开线标准齿轮基本尺寸的名称有齿顶圆齿根圆分度圆摸数压力角等。 涡轮涡杆传动 ： 适用于空间垂直而不相交的两轴间的运动和动力。 （ 1）特点：优点传动比大。 结构尺寸紧凑。 黄河科技学院毕业设计 (文献综述 ) 第 7 页 缺点轴向力大、易发热、效率低。 只能单向传动。 （ 2）涡轮涡杆传动的主要参数有：模数压力角蜗轮分度圆蜗杆分度圆导程蜗轮齿数蜗杆头数传动比等。 带传动 ： 包括主动轮 从动轮环形带适用于两轴平行回转方向相同的场合，称为开口运动，中心距和包角的概念。带的型式按横截面形状可分为平带、 V 带和特殊带三大类。 应用时重点是：传动比的计算带的应力分析计算单根 V 带的许用功率。 带传动的特点： 优点： 适用于两轴中心距较大的传动； 带具有良好的挠性，可缓和冲击，吸收振动； 过载时打滑防止损坏其他零部件； 结构简单、成本低廉。 缺点： 传动的外廓尺寸较大； 需张紧装置； 由于打滑，不能保证固定不变的传动比； 带的寿命较短； 传动效率较低。 链传动 ： 包括主动链 从动链环形链条。 链传动的传动比不大于 8，中心距不大于 5 6m，传递功率不大于 轮圆周速度不大于 15m s。 链传动与带传动相比的主要特点：没有弹性滑动和打滑，能保持准确的传动比；需要张紧力较小，作用在轴上的压力也较小；结构紧凑；能在温度较高、有油污等恶劣环境条件下工作。 黄河科技学院毕业设计 (文献综述 ) 第 8 页 链传动与齿轮传动相比，其主要特点：制造和安装精度要求较低；中心距较大时，其传动结构简单；瞬时链速和瞬时传动比不是常数，传动平稳性较差。 轮系 ： 由一系列齿轮组成的传动系统统称为轮系，广泛应用于各种机械设备中。 （ 1）轮系 分为定轴轮系和周转轮系两种类型。定轴轮系传动时，每个齿轮的几何轴线 都是固定的；周转轮系传动时至少有一个齿轮的几何轴线绕另一个齿轮的几何轴线转动。 （ 2）轮系中的输入轴与输出轴的角速 /考试大 /度之比称为轮系的传动比。定轴轮系的传动比在数值上等于组成该轮系的各对啮合齿轮传动比的连乘积，也等于各对啮合齿轮中所有从动齿轮齿数的乘积与所有主动齿轮齿数乘积之比。 （ 3）在周转轮系中，轴线位置变动的齿轮，即既作自转，又作公转的齿轮，称为行星轮 （ 4）周转轮系的传动比不能直接用求解定轴轮系传动比的方法来计算，必须利用相对 运动的原理，用相对速度法将周转轮系转化成假想的定轴轮系进行计算。 （ 5）轮系的主要特点：适用于相距较远的两轴之间的传动；可作为变速器实现变速传动；可获得较大的传动比；实现运动的合成与分解 。 黄河科技学院毕业设计 (文献综述 ) 第 9 页 参考文献 1 余载强，张国志 J林工学院 ,1997. 2 曹明忠 P利石油化工建设有限责任公司 ,2003. 3 吴棕泽 M机械工业出版社 ， 2002. 4 余载强 ,李佳奇 J. 辽林：辽林工学院 ,1999. 5 濮良贵 七版） M高等教育出版社 ,2003. 6 陈立德 C海交通大学 出版社 ,2002. 7 张世昌 M高等教育出版社 ,2002. 8 李云 C机械工业出版社 ,1992. 9 高忠民 M金盾出版社， 2005. 10 刘极峰 M高等教育出版社 ， 2004. 11 of 99 12 K I,2000,(4):3113 A to 999,9. 14 单位代码 02 学 号 080105035 分 类 号 密 级 毕业设计 文献综述 院（系）名称 工学院机械系 专业名称 机械设计制造及其自动化 学生姓名 赵子阳 指导教师 薛东彬 2012 年 3 月 10 日 石油管道牵引机传动系统设计 摘 要 石油开采过程中要对所使用的钢管进行检测和修复。检测时需将成卷的钢管由牵引输送机将其开卷 ,矫直并连续送入检测装置。本文介绍了一种采用多对辊子通过接触摩擦力实现钢管的定速输送的钢管牵引输送机。较详细的阐述了该机的结构和工作原理，辊子数量、辊径及传动系统参数的设计计算过程。 首先本文介绍了石油管道牵引机的工作原理和特点，并简单分析了牵引机的发展趋势和本设计的设计方案。 其次本文进行了减速机的选择，齿轮的设计计算，轴的设计和校核，轴承的校核设计，键的设计，箱体的设计，润 滑密封的选择工作。 关键词： 牵引输送机，工作原理，设计计算 of he is n of of a of by of it of of of of in to a of I of of of my I of of of 录 1 设计方案说明 . 1 备介绍 . 1 输油管牵引机的组成及工作原理 . 1 输送机的 发展趋势 . 2 设计要求 . 2 2 设计方案分析 . 4 3 设计计算 . 6 电动机的选择 . 6 减速机的选择 . 7 计算传动装置的运动和动力参数 . 7 齿轮的设计 . 8 齿轮传动的设计计算 . 8 初步设计齿轮传动的主要尺寸 . 8 设计计算 . 9 齿根弯曲疲劳强度设计 . 10 轴的设计 . 13 按弯曲扭转合成应力校核轴的强度 . 15 滚动轴承的校核设计 . 16 键的校核 . 17 箱体 结构的设计 . 18 润滑密封设计 . 20 设计总结 . 22 致谢 . 23 参考文献 . 24 1 设计方案说明 备介绍 在石油管道开采过程中，要用到长度达几千米的 2 英寸或 3 英寸钢管，在使用一段时间后要对该钢管进行蚀漏检测和修复。待检测的钢管被绕城卷（类似于电缆）以便于运输和检测。检测时要将成卷的钢管从管头处连续拉出，经过开卷、矫直、牵引输送入检测装置。在检测过程中牵引输送环节由牵引输送机完成，其作用是以一定的速度，一定的牵引力将钢管连续送入检测装置。 输油管牵引机的组成及工作原理 输油管牵引机由电机，减速部分，分动箱，辊筒，机架部分组成。当输送石油管道上时 ，石油管道实现盘在管道盘上。输送时，输送人员将管道头从管道盘上拉出，并从牵引机的入口进入，井上下两排滚筒的缝隙空间从另一端引出。牵引机工作时，有上下两组滚筒相对运动对石油管道产生适当的挤压力，由此产生牵引管道前进的牵引力将管道输送出牵引机出口，送入工作区域。 牵引机的结构简图如图 1:辊筒； 2：机架； 3：分动箱 4：联轴器； 5：减速机； 6：电动机 图 输送机的发展趋势 在牵引机行业，牵引机械是一种应用十分广泛的产品。为 了不断扩大其应用范围，常常将其基架系统、传统系统、间隙调整系统、牵引系统进行优化改进，从而提高系统稳定性，并改善其质量及性能。如何才能占领这个制高点，这要求我们能很快把握行业发展趋势，理解掌握同类的产品，消化吸收，再加以综合优化，才能完成优秀的设计。 1、 继续向大型化发展。大型化包括大输送能力、大单机长度和大输送倾角等几个方面。水力输送装置的长度已达 440 公里以上。带式输送机的单机长度已近 15 公里，并已出现由若干台组成联系甲乙两地的 带式输送道 。不少国家正在探索长距离、大运量连续输送物料的更完善的输送机 结构。 2、 扩大输送机的使用范围。发展能在高温、低温条件下、有腐蚀性、放射性、易燃性物质的环境中工作的，以及能输送炽热、易爆、易结团、粘性的物料的输送机。 3、 使输送机的构造满足物料搬运系统自动化控制对单机提出的要求。如邮局所用的自动分拣包裹的小车式输送机应能满足分拣动作的要求等。 4、 降低能量消耗以节约能源，已成为输送技术领域内科研工作的一个重要方面。已将 1 吨物料输送 1 公里所消耗的能量作为输送机选型的重要指标之一。 5、 减少各种输送机在作业时所产生的粉尘、噪声和排放的废气。 设计要求 本课题设计 牵引机的传动部分，给定的条件和要求如下： 1、管径 3 英寸； 2、传输速度 40m/3、牵引力 304、牵引机底座面到管中心高 9605、采用多辊筒对滚方式传动。 3 英寸钢管外径 D=小壁厚 文献知钢管许用切应力 =205 代入数据 D= 若选用一对辊子，牵引力 0个棍子牵引力 错误 !未找到引用源。 。辊子材料为 45 号优质碳素结构钢，钢材之间的摩擦系数为 错误 !未找到引用源。 。辊子对钢管的正压力为： 则 错误 !未找到引用源。 由此可得出选用一对辊子时油管会发生塑性变形，不能满足工作需求。 若选用两对辊子，单个辊子牵引力 错误 !未找到引用源。 。辊子对钢管正压力 则 错误 !未找到引用源。 由此可知选用两队辊子时可以满足工作需求，因此本设备采用两队辊子。 根据主机部分结构，轴承中心间距选为 l=400子弹性模量E=206子许用挠度 错误 !未找到引用源。 = 据挠度条件： 式中： 错误 !未找到引用源。 辊子最小轴径。 则： 已知 错误 !未找到引用源。 =l=400E=206错误 !未找到引用源。 。代入数据可得 错误 !未找到引用源。 。考虑到传动机构及轴与辊子的配合，轴的安装，选辊子的工作直径 错误 !未找到引用源。 为 135小轴径选 100 经论证得出总体设计方案为： 油管牵引机结构如图 示：分动箱齿轮布置采用一进四出的分动箱形式。 d=100 设计方案分析 主机部分采用两对辊筒牵引，所以分动箱是一进四出形式，齿轮组的结构如图 示。 图 3 设计计算 电动机的选择 传动装置的总效率 a 为联轴器的效率，2为减速机效率，3为轴承的效率，4为齿轮传动的效率，5为辊筒的效率。 电动机所需工作功率为： Pc/a 20/ 综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量、价格 和减速器的传动比， 选定型号为 4 的三相异步电动机，额定功率为 30载转速 1470r/步转速 1500r/ 辊子转速为： 已知传输速度 V=40m/子直径 d=135入上式可得辊子转速 n=误 !未找到引用源。 。 总传动比 I= a 表 动机参数 电动机型号 额定功率 动机转速 电动机质量 (额定转矩 传动装置的传动比 同步转速 满载转速 总传动比 0 1500 1470 270 减速机的选择 装置总传动比为 选择 圆柱齿轮减速器。减速器为 计算传动装置的运动和动力参数 1、 各轴转速 , , , , 2、 各轴功率 , , , , 3 、 各轴转矩 电动机轴 :550Pd/550 30/1470=错误 !未找到引用源。 所以 : 1119 5 5 0 1 6 8 8 . 0 2 3 7 2229 5 5 0 7 6 3 . 0 6 5 7 3339 5 5 0 1 6 2 1 . 0 0 8 8 4449 5 5 0 1 4 9 4 . 8 5 9 6 5559 5 5 0 1 4 3 5 . 5 1 5 2 齿轮的设计 齿轮传动的设计计算 齿轮材料及热处理 1、 材料：分动箱小齿轮选用 34调质，齿面硬度 305取小齿齿数 2 高速级大齿轮选用 45 钢正火处理，齿面硬度为大齿轮 190齿轮齿数 5 2 、 齿轮精度 按 10095 1998，选择 7 级 。 初步设计齿轮传动的主要尺寸 按齿面接触强度设计 2131 )(12 1、 确定各参数的值 : 选 ，查课本2150取区域系数 由课本214020 . 7 2 , 0 . 8 5，则 0 . 7 2 0 . 8 5 1 . 5 7 2、 由课本计算应力循环次数 1N=60014601（ 828016） =09 h 2N=08 h 3、 查课本得：1 2 4、 齿轮的疲劳强度极限 1 2 取失效概率为 1%,安全系数 S=1,应用得 : 1 l i m 11 7 3 4 . 1H N M P 2 l i m 22 5 2 7 . 5H N M P 许用接触应力 12 6 3 0 . 82 P a 5、 查课本得： 1 8 9 P a得 : 1d 设计计算 1、 小齿轮的分度圆直径1(12 =126、 计算圆周速度 v 11 1 . 2 8 5 /6 0 1 0 0 0m s 3、 计算齿宽 b 和模数26d m m 初选螺旋角 13 2 m ， 圆整取 3 4、 计算齿宽与高之比 /高 2 . 2 5 2 . 2 5 3 6 . 7 5nh m m m t 1261 s/ b=126mm / 1 2 6 / 6 . 7 5 1 8 . 6 7 5、 计算轴向重合度 1 t a n 1 . 4 6 8d z 6、 计算载荷系数 K 使用系数 1根据 v m s ,7 级精度 , 查课本由1920 动载系数 查课本得计算公式 : 查课本得 : 1 故载荷系数 : 1 . 1 2 1 . 2 1 . 4 1 7 1 . 9 0 4A V H K K K 7、 按实际载荷系数校正所算得的分度圆直径 1 1 2 6 d m m8、 计算模数8 6 m K= 齿根弯曲疲劳强度设计 1、 由弯曲强度的设计公式 )(c 小齿轮传递的转矩 m 确定齿数 z 因为是软齿面，故取 2， 5 2 、 计算当量齿数 z1/ 42/ 3 z2/ 85/ 3 、 初选齿宽系数d查得 1d 4、 初选螺旋角 初定螺旋角 13 5、 载荷系数 K 1 . 1 2 1 . 2 1 . 2 8 1 . 7 2A V F K K K 6、 查取齿形系数 齿形系数1 2 应力校正系数1 2 7 、 螺旋角系数 Y421 Z 422 Z 轴向重合度 s i n / 1 . 5 8 6 1 0 . 8 3120Y 8 、 计算大小齿轮的 全系数由表查得 查得弯曲疲劳强度极限：小齿轮1 500 P a ，大齿轮2 380 P a 查课本得弯曲疲劳寿命系数 :1 ，2 取弯曲疲劳安全系数 S= 1 8 3 1 P a ， 2 5 5 5 P a 111 1 2 2 8F a S 222 1 . 7 7 9 6 0F a S 大齿轮的数值大选用 . 9、 设计计算 计算模数 对比 计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数 1357整为标准模数 ,取 为了同时满足接触疲劳强度，需要按接触疲劳强度算得的分度圆直径 136计算应有的齿数 1c o s 1 31 3 6 4 0 . 8 33 . 0z 取 1 42z ， 那么 2 85z 几何尺寸计算： 12 1 9 0 . 52 c o s nz z ma m m 按圆整中心距修正螺旋角： 12a r c c o s 1 3 . 0 62 nz z m 因 值改变不多 ,故参数,K, 计算大 1 126d ， 2 255d 算齿轮宽度：2 130B ，1 136B mma= 126d 2 255d 轴的设计 主动轴的设计计算 ; 1 1 6 9P 1 9 5 . 4 9 3 / m i 1 6 8 8 . 0 2 3 7T N m1、 求作用在齿轮上的力 已知分动箱大齿轮的分度圆直径为 255d 而12 / 1 3 2 3 9 . 4 d Nt a n 4 8 1 8 . 7 N 2 、 初步确定轴的最小直径 初步估算轴的最小直径 ,选取轴的材料为 45 号钢 ,调质处理 ,根据课255d 本取0 115A mmo =65出轴的最小直径显然是安装联轴器处的直径 ,为了使所选的轴与联轴器吻合 ,故需同时选取联轴器的型号 .， 4.1 m 因为计算转矩小于联轴器公称转矩 ,所以选取 凸缘联轴器其公称转矩为 4000N m,半联轴器的孔径 100 、 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度如图 3 所示。 初步选择圆锥滚子轴承 故选用单列圆锥滚子轴承 . 参照工作要求并根据1 100d ,由轴承产品目录中初步选取圆锥滚子轴承 33024 型。 1 2 048 1 8 0图 锥滚子轴承 求轴上的载荷 首先根据结构图作出轴的计算简图 , 确定轴承的支点位置 ,查机械设计手册得 33024 型圆锥滚子轴承 ,计算轴的支承跨距 。 按弯曲扭转合成应力校核轴的强度 因轴材料为 45，调质处理，根据 =321 )( = 1 =270 1 ,此轴合理安全 190928F F 58920793222 6910N 2721303217622 63596 m 2108040527211 m m 1 7 3 8 m 2 7 4 7 m 1 6 5 6 1 4 9 2 0 1 2 5 6 1 1 6 56 02 4100120110155131120110100125 1 6 8 1 0 9 1 1 9 1 6 8 2 1 1 2 6 7 1 9 N * m 2 6 2 4 N *m 7 1 0 0 N * m 8 2 0 0 N *m 9 9 0 5 N * m 滚动轴承的校核设计 1 、 确定各轴承的预期寿命：齿轮的工作寿命为 8 年，大修年限 3 年，所以轴承的寿命为 35840h。 根据机械设计课程设计手册，将在轴的设计计算中的初选轴承数据如表 示。 表 承参数表 轴承 代号 尺 寸 /本额定载荷 /安装处 d D B 动载荷 静载荷 33024 120 180 48 165 188 主动轴 6211 55 100 21 间轴 2 、 确定轴承安装 方法：各个轴承均正装，可以避免因轴的轴向和径向膨胀大于外壳的热膨胀而导致的卡死现象。 3 、 轴承的校核计算 高速轴上轴承校核 选用 33024C 轴承，则有 769N 918N, 出 e=计算此轴承符合要求。 中间轴上轴承校核 选 6211 型轴承，查表得 计算此轴承符合要求。 的校核 1、 主动轴与联轴器连接键的选择类型与尺寸 应用单圆头普通平键， 45 钢。 联轴器连接轴直径 D=100，所以选建 100 28b ，1 16h ，1 100L 2、 中间轴与齿轮连接建的选择类型与尺寸 1 28b 应用单圆头普通平键 5 钢 轴直径 D=65 所以选建 100 20b ， 2 12h ， 2 100L 3、 主动轴与齿轮键联接的类型和尺寸 一般 7 级以上精度的尺寸的齿轮有定心精度要求，应用平键，45 钢。根据 1343 3 36b ， 3 20h ， 3 80L 1 16h 1 100L 2 20b 2 12h 2 100L 箱体结构的设计 分动箱的箱体采用铸造（ 成，采用剖分式结构 1 、 机体有足够的刚 度 在机体为加肋，外轮廓为长方形，增强了轴承座刚度 2 、 考虑到机体内零件的润滑，密封散热。 因其传动件速度小于 12m/s，故采用侵油润油，同时为了避免油搅得沉渣溅起，齿顶到油池底面的距离 H 为 20保证机盖与机座连接处密封，联接凸缘应有足够的宽度，联接表面应精创，其表面粗糙度为 3 、 机体结构有良好的工艺性 . 铸件壁厚为 8，圆角半径为 R=2。机体外型简单，拔模方便 . 4 、 对附件设计 A 视孔盖和窥视孔 在机盖顶部开有窥视孔，能看到 传动零件齿合区的位置，并有足够的空间，以便于能伸入进行操作 ，窥视孔有盖板，机体上开窥视孔与凸缘一块，有便于机械加工出支承盖板的表面并用垫片加强密封，盖板用铸铁制成，用 固 B 油螺塞： 放油孔位于油池最底处，并安排在分动箱不与其他部件靠近的一侧，以便放油，放油孔用螺塞堵住，因此油孔处的机体外壁应凸起一块，由机械加工成螺塞头部的支承面，并加封油圈加以密封。 C 油标： 油标位在便于观察分动箱油面及油面稳定之处。 油尺安置的部位不能太低，以防油进入油尺座孔而溢出 . D 通气孔： 由于齿轮运转时，机体内温度升高，气压增大，为便于排气，在机盖顶部的窥视孔改上安装 通气器，以便达到体内为压力平衡 . E 盖螺钉： 启盖螺钉上的螺纹长度要大于机盖联结凸缘的厚度。 钉杆端部要做成圆柱形，以免破坏螺