给料装置传动系统的设计 毕业设计.doc

i 摘 要 给料装置自动化是随着现代信息技术与控制技术的进步而发展起来的，广 泛应用于机床、矿山、冶金等行业。从以前的手工给料，到半自动化，再到自 动化，甚至智能化，给料装备发展迅猛。 本课题所改进的给料装置是应用于铸造球墨铸铁管流水线上的孕育剂的给 料装置。不同直径的管道孕育剂的需要量不同，否则会影响铸管的抗腐蚀性能 和耐用程度。目前所使用的给料装置只能给 dn300mm 的管道定量加料，而 dn1000mm 的管道需要人工补料。 本设计完成了给料装置传动系统的设计与零件的校核；基于 ug 的三维设 计与表达；plc 的编程设计。通过本设计实现了自动控制进料量的孕育剂自动 给料装置。此装置只需要工人根据所生产的管道的直径选择选择相对应速度就 可以了，为管道质量提供了保障，同时节省了人力。 关键词：给料装置；改造设计；三维建模；强度校核 ii abstract with the development of information technology and automatic technology, the technology of automatic feeding becomes more and more mature. and now automatic feeding devices are generally used in the field of machine tools、mines and metallurgical industries. from the beginning of manual feeding to the semi-automatic feeding and automatic feeding, even artificial intelligence feeding, the feeding device really made great progress. the feeding device remade in this subject operates on the pipelining of casting nodular cast iron pipe. the pipes of different caliber demand different qualities of inoculants, or this will decrease the properties of anti- corrodibility and durable performance. at the moment, the feeding device working could provide accurate inoculants for the casting of pipes in dn 300 mm while the type of dn 1000 mm needs extra inoculants by hand labor. after the whole design, the design of drive system and the calculation of components have been finished. the three-dimensional design based on ug and the designs of plc program are also fulfilled. the design of automatic feeding device has been completed. according to the caliber of the pipe, the workers can choose the right speed so that the qualities of the pipes could be warrantable. keywords: feeding device; remaking; three-dimensional modeling; strength calculation i 目 录 摘 要.i abstractii 目 录.i 第 1 章 绪论.1 1.1 自动进料装置的发展过程及趋势1 1.2 课题的研究背景与意义1 1.3 课题主要内容2 第 2 章 给料装置3 2.1 给料装置的种类和特点3 2.2 工厂所用给料装置6 第 3 章 孕育剂给料装置建模.8 3.1 ug 特点8 3.2 螺旋轴建模9 3.3 部件建模13 第 4 章 主传动运动系统设计.17 4.1 电动机选择17 4.2 传动系统设计17 4.2.1 主轴等参数确定.17 4.2.2 传动轴轴颈估算.19 4.2.3 齿轮模数估算.21 4.3 皮带轮传动设计22 4.4 传动系统视图25 第 5 章 轴承与齿轮的强度校核.28 5.1 齿轮强度校核28 5.2 齿轮弯曲应力校核30 5.3 轴承寿命校核31 第 6 章 给料行程控制.35 6.1 omronc plc.35 6.1.1 plc 特点.35 6.1.2 指令介绍.36 6.2 孕育剂给料装置任务流程37 6.3 给料控制动作实现38 ii 结论.41 致谢.42 参考文献.43 附录 a44 附录 b.53 1 第 1 章 绪论 1.1 自动进料装置的发展过程及趋势 自动进料装置的水平是很大程度上依赖于机电一体化技术的高低，其过程 和发展趋势与机电一体化相似。上个世纪机 60 年代，人们用电子技术的成果来 完善机械产品的性能，这是出现了简单的半自动加料装置。机械与电子的最初 结合对经济的发展起到了积极的作用。7080 年代是机电技术蓬勃发展的时代， 大规模、超大规模集成电路和微型计算机的迅猛发展，为机电一体化的发展提 供了充分的物质基础。机电一体化技术和产品得到了极大发展。各国均开始对 机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持，自动进料装置得到了广泛推广 和使用。世界范围内，特别是日本，掀起了机电一体化的浪潮。 90 年代，自动进料装置在机床、金属冶金、矿山等行业的发挥着重要的作 用，大大提高了社会的生产效率，甚至出现了完全自动化的生产线。 其趋势： 1、智能化。现在，自动进料随着人工智能技术的发展朝着智能化方向迈进， 智能机器人能够根据环境作出判断，自主选择进料的方式等等。 2、精细化。精细及超精细加工的出现，对进料装置提出严格的要求。进料装 置在动作稳定性控制上更加的严格精细。 1.2 课题的研究背景与意义 管道广泛用于生活用水和工业用水，人们对其的要求也是越来越高。经久 耐用已经成为传统上的要求，现在人们更希望它能达到环保上的高标准，性能 上的高追求。在生产上，厂家则是希望在改善质量的同时能够提高生产效率， 以求利益的最大化。于是对于铸铁铁水的调质方面的要求也是越来越高。孕育 剂就是调质铁水的原料之一。孕育剂能够改善铸管的质量，提高其环保标准和 抗腐蚀的能力，因而被管道铸造厂家广泛使用。铸管的设备是金属水冷离心铸 造机。离心铸造机通过高速旋转，使铁水离心在外围管道模具上浇铸成型，在 2 管道模具的外面通过水冷却，降低温度。离心铸造机由于离心铸造机离心铸造 出的铸管温度高达 1000 摄氏度，在此环境下工人的生理功能受到严峻考验，更 不用提高效率，改进质量了。在铁水的离心铸造过程中，孕育剂被均匀加入就 成为摆在人们面前的难题了。公司使用的离心机孕育剂给料装置能够实现自动 加料，只需要工人控制机器设备就可以了，极大地满足了生产的需要。但是美 中不足的是由于管道的口径不一样，其所需的孕育剂的量有着不同。直径 dn1000m 的铸管所需要的孕育剂的量大约是直径 dn300mm 的一倍左右。单一 的进料量造成的后果是当工厂生产 dn1000mm 的铸管时，另外需要通过人工的 方式补料。人工补料不仅威胁到工人的人身安全，而且所补料的量仅仅是依靠 工人的经验和技术，这样大大限制了所生产的铸管的质量，为生产和发展埋下 了隐患。机电一体化的发展为解决这个难题提供了有效地技术支持。 1.3 课题主要内容 首先需要进行一系列的安全培训教程，树立安全第一的意识，然后了解工 厂的铸管工艺流程。之后熟悉原孕育剂给料装置的机构原理以及工作情况，提 出初步的改进构想，利用 ug 进行概念建模。联系生产应用再对改进的方案进 行进一步的修正和改良。最后将改进的方案通过 auto cad 表达出来，之后一 系列的校核。 3 第 2 章 给料装置 2.1 给料装置的种类和特点 给料机的组成部分，通常安装在料仓或卸料漏斗的下方，按生产流程的需 要均匀定量地向或其他装置给料，犹如调节流体流量的阀门。给料机是物料搬 运机械化和自动化系统中的辅助设备。按工作构件的运动方式，给料机可分为 3 种： 1、直线式，如带式给料机、板式给料机、刮板给料机; 2、回转式,如链式给料机、圆盘给料机、螺旋给料机和叶轮给料机； 3、往复式，如振动给料机、往复给料机。选用给料机时必须考虑下列因素： 给料量及其调节范围、给料量精确度、物料的特性、安装方式、外形尺寸、安 全可靠性、环境保护条件和自重等。 带式给料机 结构组成与基本相同。但带式给料机的上托辊间距较小，以承 受料仓内物料的压力。两边装有导料拦板，以防止撒料。带速一般小于 0.5 米 分。改变带速或出料口挡板的高度可调节给料量。带式给料机给料量大，结 构简单，适用于多种物料；但外形尺寸较大，给料的封闭性差，给料量精确度 不高，输送带易磨损，不宜用于粒度大、粉尘大、灼热的物料。 板式给料机 结构组成与基本相同。板速一般小于 0.1 米秒。改变板速或 出料口挡板的高度可调节给料量。这种给料机能承受物料的冲击，适用于磨琢 性大，堆积密度大的大块物料和高温物料；但结构复杂，自重大，给料量精确 度不高，不宜用于粉状物料。 刮板给料机 工作原理和牵引件都与相同。刮板给料机可实现封闭、多点给 料，适用于粉状或粒状、磨琢性和粘性都较小的物料。 链式给料机 闭合环链套挂在同一驱动轴的各链轮上，与料仓出口宽度相适 应，多条并排布置，形成一道链幕（图 2.1 链式给料机）靠链条的重量阻止物 料流出。当链轮带动链条时,物料以近于链条速度沿斜槽卸出 改变链轮转速可 调节给料量。链式给料机适用于大、中粒度的物料。它的结构简单、耗能少， 但料粒相差悬殊时容易漏料。 4 圆盘给料机 由可回转的圆盘、导料套筒和刮板等部分组成（图 2.2 圆盘给 料机） 。料仓内的物料通过导料套筒堆积在镶有耐磨衬板的圆盘上,圆盘转动,物 料被刮板刮出给料。调节刮板位置或导料套筒的高低可改变给料量。圆盘直径 一般在 3 米以下,转速不超过 10 转分。圆盘给料机运转平稳可靠，调节给料 量较方便，耗能少，但结构比较笨重，适用于粘性较小的粉粒状物料。 螺旋给料机 利用螺旋的旋转推动物料在输送槽内运动而给料 输送槽大多 为管状,有单管和双管两种。螺旋有等螺距和不等螺距、等直径和不等直径、单 头和双头等多种。 图 2.1 链式给料机 图 2.2 圆盘给料机 改变螺旋转速可调节给料量，给料量的精确度较高，并可实现密封给料。在中 使用时，可由低压区往高压区给料。螺旋给料机外形尺寸小，但机件磨损较严 重，易碾碎物料，适用于粘性和磨琢性较小的粉粒状物料。 图 2.3 叶轮给料机 叶轮给料机 由机壳和叶轮组成（图 2.3 叶轮给料机） 。机壳上、下端的进、 出料口分别与料仓、受料设备连接。叶轮绕水平轴线转动时物料落入叶轮的各 5 腔格之间，随叶轮旋转半周后卸入受料设备。均压管能使进入料区前的腔格泄 去高压，以免到料区时不能进料。改变叶轮转速可调节给料量。叶轮直径一般 在 500 毫米以下,转速不超过 45 转分。这种给料机结构比较简单,外形尺寸小， 自重轻，给料时密闭性好，适用于小粒度和粉状物料。 振动给料机 工作原理和结构组成与基本相同。使用较多的是电磁式振动给 料机(图 2.4 电磁式振动给料机) 和偏心块惯性式振动给料机（图 2.5 偏心块惯 性式振动给料机） 这种给料机通常通过弹簧悬挂在料仓下方。给料机的料槽可以水平布置， 也可以布 图 2.4 电磁式振动给料机 图 2.5 偏心块惯性振动机料机 置成角度不超过 10的下倾式。电磁式振动给料机：大多在状态下工作,振动频 率为 50 赫，振幅一般小于 2 毫米，结构较简单，安装方便，自重轻，容易调节 给料量，因此便于和电子秤等设备组成负反馈系统，实现给料量的自动精确控 制。这种给料机无回转部件,维护简单,耗电少,但功率因数较低。偏心块惯性式 振动给料机:大多在超共振状态下工作，振动频率为 25 赫，常采用偏心块直接 装在电动机上的惯性激振电动机。改变各偏心块的相对位置可调节给料量，但 在运行时给料量不能自动调整。特点是结构简单，使用可靠。 往复给料机 由固定机体和活动底板组成。机体与料仓相连，底板由曲柄连 杆机构带动作往复运动或摆动。当底板连同物料向前运动时，料仓内的物料随 之填满机体内的空间。当底板向后运动时，底板上的物料不能随之返回而受阻 卸出，实现给料。改变底板运动的幅度、频率和出料闸门的高度可调节给料量。 给料量一般在40吨时以内。这类给料机适用于中、小粒度物料，主要有槽式 和摆式两种。槽式给料机的底板是平的，工作时作往复运动。 6 2.2 工厂所用给料装置 首先在厂区 a 对钢铁原材料进行冶炼，然后将铁水用小型运载火车运至厂 区 b，在厂区 b 进行调质与铸造。铁水运至后，通过渠道流进铁包，用行车将 铁包悬吊至调质高炉，倒入高炉。熔炼及调质，将原料(废钢、铁水、回炉料等)加 入感应电炉，并对其成份进行调整，当成份满足工艺要求时，将调质后的铁水 加入球化剂进行球化处理，达到工艺要求。 球化。当铁水成份及温度满足工艺要求时，将球化剂加入铁水中，使铁水 中的片状石墨变成球状石墨，送至离心浇注工部进行浇注。 离心浇铸。将承口芯安装到离心机上，球化合格的铁水倒入定量包内，按 照工艺规定要求，设定孕育剂加入量、管模粉加入量，离心机的旋转速度、行 走速度及定量包的翻转速度，铁水随着定量包的翻转及离心机的行走浇注在旋 转的管模内，并凝固成管子，拔管钳将管子从模内拔出，并送至热处理工部。 热处理。经离心铸造生产出的管子在金相组织中有大量的渗碳体，因而使 管子的机械性能达不到 iso2531 标准规定的要求。为此需将管子进行退火处理， 以消除渗碳体，将其基本组织变成以铁素体为基本的球墨铸铁管，使其性能满 足 iso2531 标准规定的要求。 喷锌。为使球墨离心铸铁管耐腐蚀性更进一步增强，需在管子的外表面进 行喷锌处理。为保证喷锌的质量，应在热处理工序完成后，管体本身还有一定 温度时进行喷锌效果最佳。 整圆和打磨。为保证管子的表面质量及承口的安装尺寸，对管子的承口及 内壁需要进行打磨清理，以保证管子的安装和下道工序要求。 水压试验。为保证管子的出厂质量及管网使用时安装的可靠性，对管子要 逐根的按照 iso2531 中规定的标准进行水压试验检查。 内衬水泥及养生。为保证管子的输水卫生，防止管子内壁表面结垢而增大 输水阻力，降低管网使用寿命，输水管要有水泥内衬。砂浆内衬按 iso2531 和 iso4179 标准执行。水泥衬层后要经过养生，使内衬具有一定强度后方可送至 涂敷工序。 外涂、包装 。防止管子在地下被腐蚀，延长管网使用寿命，铸管的外表面 7 还要涂敷一层沥青漆，然后再包装入库， 螺旋给料装置能够较好的控制所加孕育剂的给料量。孕育剂加入料箱后， 经过漏斗引导后进入螺旋管内，然后再经过螺旋轴的旋转，运至下料口，延下 料管进入到高温铁水内。 但是此装置只有一种加料速度，不能满足多种给料量的生产需求。在生产 dn300mm 的管道时，能符合生产要求。当生产 dn1000mm 的管道时，需要工 人冒着风险在铁水流入渠道手工补料。这样不但影响管道的质量，而且有可能 伤害到作业工人的人身安全，给生产埋下隐患。 8 第 3 章 孕育剂给料装置建模 eds 公司的 unigraphics nx 是一个产品工程解决方案，它为用户的产品设 计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。unigraphics nx 针对用户的虚拟 产品设计和工艺设计的需求，提供了经过实践验证的解决方案。unigraphics nx 为设计师和工程师提供了一个产品开发的崭新模式，它不仅对几何的操纵，更 重要的是团队将能够根据工程需求进行产品开发。unigraphics nx 能够有效地 捕捉、利用和共享数字化工程完整过程的知识，事实证明为企业带来了战略性 的收益。 3.1 ug 特点 unigraphics cad/cam/cae 系统提供了一个基于过程的产品设计环境，使 产品开发从设计到加工真正实现了数据的无缝集成，从而优化了企业的产品设 计与制造。ug 面向过程驱动的技术是虚拟产品开发的关键技术,在面向过程驱 动技术的环境中，用户的全部产品以及精确的数据模型能够在产品开发全过程 的各个环节保持相关，从而有效地实现了并行工程。 该软件不仅具有强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配和产生工程图等设 计功能；而且，在设计过程中可进行有限元分析、机构运动分析、动力学分析 和仿真模拟，提高设计的可靠性；同时，可用建立的三维模型直接生成数控代 码，用于产品的加工，其后处理程序支持多种类型数控机床。另外它所提供的 二次开发语言 ug/open grip，ug/open api 简单易学，实现功能多，便于用户 开发专用 cad 系统。具体来说，该软件具有以下特点： 1、具有统一的数据库，真正实现了 cad/cae/cam 等各模块之间的无数 据交换的自由切换，可实施并行工程。 2、采用复合建模技术，可将实体建模、曲面建模、线框建模、显示几何建 模与参数化建模融为一体。 3、用基于特征（如孔、凸台、型胶、槽沟、倒角等）的建模和编辑方法作 为实体造型基础，形象直观，类似于工程师传统的设计办法，并能用参数驱动。 9 4、曲面设计采用非均匀有理 b 样条作基础，可用多种方法生成复杂的曲 面，特别适合于汽车外形设计、汽轮机叶片设计等复杂曲面造型。 5、出图功能强，可十分方便地从三维实体模型直接生成二维工程图。能按 iso 标准和国标标注尺寸、形位公差和汉字说明等。并能直接对实体做旋转剖、 阶梯剖和轴测图挖切生成各种剖视图，增强了绘制工程图的实用性。 6、以 para solid 为实体建模核心，实体造型功能处于领先地位。目前著名 cad/cae/cam 软件均以此作为实体造型基础。 7、提供了界面良好的二次开发工具 grip（graphical interactive programing）和 ufunc（user function） ，并能通过高级语言接口， 使 ug 的图形功能与高级语言的计算功能紧密结合起来。 8、具有良好的用户介面，绝大多数功能都可通过图标实现；进行对象操作 时，具有自动推理功能；同时，在每个操作步骤中，都有相应的提示信息，便 于用户做出正确的选择。 3.2 螺旋轴建模 螺旋轴是孕育剂给料装置的主要工作部件，图 3.1 为螺旋轴，其建模过程 如下： 图 3.1 螺旋轴 1、打开 ug nx4.0，单击“新建”按钮，打开“新建”对话框，选择文件 10 保存位置（非中文位置） ，输入文件名。文件名只能是英文和数字，不能是汉字。 2、单击按钮，选择“建模”选项，单击下拉选项键，选择“成 性特征” 中的“圆柱” “孔” “长方体” “凸垫” “圆台”等常用选项。 3、单击按钮，选择“直径，高度”项，以原点为起点，单击确定， 图 3.2 为画圆柱直径对话框， 图 3.2 画圆柱直径对话框 4、画轴的下一段，在“直径” “高度”框内分别输入 20mm 和 45mm，拔 模角内输入“0”后，点击已经画好的圆柱部分后，选择“点对点”对齐的选项 后，点击圆柱端面的圆弧，后选择“圆弧中点”的对齐方式，这样新的圆柱就 能和原来的中心对齐。图 3.3 为圆台填写对话框。 图 3.3 圆台填写对话框 5、依照上述步骤将剩余的几段轴画完，并对轴进行倒角。单击，出 现如下 3-4 对话框。设置倒角的距离，最后视图如下，倒好的圆柱如下图 3.5 为已经倒好圆角的多段轴承。 11 图 3.4 边倒圆填写对话框 图 3.5 成型多段轴 6、接着画一段螺旋轴，螺旋轴要求螺距是 32mm，倾斜角为 12 ，其剖视 图如下。按照剖视图的要求，进行计算并画草图，如图 3.6 螺旋轴剖视图。 图 3.6 螺旋轴剖视图 首先按照前述步骤画出圆柱，然后在 z-x 平面上画出草图，草图如下图 3.7 螺旋草图，确保草图所有的线段不是自相交，否则无法进行下一步。 12 图 3.7 螺旋草图 7、在“插入”菜单中，选择“曲线”中的“螺旋线” ，出现下图 3.8 所示 的螺旋线对话框，按照要求填入数值，单击“确定”后，根据系统的提示，选 择画好的螺旋线。 图 3.8 螺旋线对话框 8、按照系统的提示选择对应的线形后，单击 图标，如图 3.9 以 扫掠对话框所示，其中有很多数值都是默认的，不需要修改。然后选择“求差” 如图 3.10 布尔操作对话框所示。 13 图 3.9 以扫掠对话框 图 3.10 布尔操作对话框 9、单击“求差”后，等待一会螺旋轴成型，点击保存即可 3.3 部件建模 1、由于孕育剂是装在尼龙袋，为了减少来回装料次数，方便工作，所以在 14 给料箱中加了一段横向延长板体，用于孕育剂的存放，如下图 3.11 孕育剂给料 箱： 图 3.11 孕育剂给料箱 如此一来，成带的孕育剂就可以直接放在给料箱中，无要任何的其他措施。 2、为了减少成本，节省改造的支出，我们决定在设备给料部分使用焊接的 箱体，同时使用轴承箱来支撑轴承，大大方便了轴承的安装和以后的更换。图 3.12 为轴承箱与轴承装配位置图。 图 3.12 轴承箱与轴承装配位置图 3、从进料箱到螺旋轴的部分使用普通的锥形面料斗，如下图 3.13 所示。 15 图 3.13 锥面料斗与螺旋轴的装配视图 4、图 3.14 传动箱中主要传动部件。 图 3.14 传动箱主要传动部件 5、带轮与滑移齿轮。 16 图 3.15 带轮 图 3.16 滑移齿轮 以上的基于 ug 的建模设计，只是概念设计，应厂方的要求接下来的设计 用 autocad 的进行的。充分表达方案，下面的章节将对传动系统设计的细节展 开。 17 第 4 章 主传动运动系统设计 4.1 电动机选择 根据实际工作要求，旋转轴转速大约在 50 r/min75 r/min，扭矩 260 n.m。 根据扭矩与功率的换算公式： t=9550p/n （4.1） 得到 p=tn/9550 （4.2） 带入数值得到 p=2.04 kw 由于旋转轴的转速比较低，所需要的功率比较小，采用 y132s-8，其额定 功率 2.2kw，额定电流 5.8a，同步转速 750r/min，效率 81%，最大额定转矩 2.0n.m。 4.2 传动系统设计 4.2.1 主轴等参数确定 1、确定主轴的变速范围 rn : =75/50=1.5 （4.3） n r min max n n 式中为主轴的变速范围； n r 为主轴最大转速（r/min） ； max n 为主轴最小转速（r/min） 。 min n 2、确定主轴的计算转速 nc =nmin rn0.3 = 501.50.3 =56.5 r/min （4.4） 其中为计算转速（r/min） ； c n 圆整为 56 r/min。 18 3、确定主轴的恒功率变速范围 rnp rnp=nmax / nc = 75/ 56.5=1.33 （4.5） 恒功率变速范围。 np r 4、确定电动机所能确定的变速范围 rdp ： rdp = nmax /nc=75/750 = 0.1 （4.6） 式中为电动机的变速范围。 dp r 由于 rdp 1820；受结构限制的各齿轮（尤其是最小 min z 齿轮） ，应尽可能可靠地装到轴或进行套装；齿轮的齿槽到孔壁或键槽的厚度 a2m, 以保证有足够的强度，以避免出现变形或断裂现象；两轴最小中心距应 该取得适宜，若齿数和太小，则中心距过小，将导致两轴上轴承及其他结构的 距离过近或相碰。 6、确定齿轮齿数，取模数 m=3.5。同一变速组内，各对齿轮齿数计算公式： / = u （4.7） j z j z + = （4.8） j z j z z s 式中 分别代表齿轮副的主动与从动齿轮的齿数； j z j z u代表齿轮副的传动比； 齿轮副的齿数和。 z s 其中 i 轴对 ii 轴的齿轮齿数： 取= = 21 , min z 1 z 由 = 2，= 3 同时 += +, 1 u 2 u 1 z 2 z 3 z 4 z 得= 63，= 28，= 56。 2 z 3 z 4 z iii 轴与旋转轴是一体的，这样导致 ii 轴与 iii 轴的轴间距较大，为了使传 19 动顺利进行，使其齿轮都较大。 取= 45，= 90， 5 z 6 z 与 是通过键连接在一起的，在花键轴上来回移动，与和 相啮 2 z 4 z 1 z 3 z 合，不同的传动比控制转速的转换。 按照以上计算出来的齿轮齿数绘制传动系统图如图 4.1： 图 4.1 传动系统图 7、各轴计算转速的确定 主轴计算转速，min/56n v r 根据传动比的关系，得到各轴计算转速如下： i 轴的计算转速为： ，min/ r336n i ii 轴的计算转速为： 。min/ r112n ii 4.2.2 传动轴轴颈估算 根据传动轴传动功率的大小，用扭转刚度公式进行初步的计算 （mm） （4.9）4d j p ka n 式中 d受扭部分的最小直径（mm）,计算值应该圆整为标准直径系列； 20 k键槽系数， 按表 4-1 选取； a根据许用扭转角确定的系数，按表 4-1 选取； p电动机额定功率（kw） ； 从电动机到所计算的轴的机械效率； 被估算的传动轴的计算转速（r/min） 。 j n 表 4-1 扭转角系数与键槽系数 m/。 0.250.511.52 a130110928377 无键单键双键花键周内径 k 11.041.051.071.10.93 其中该传动轴每米长度允许的扭转角（deg/m） ， 一般传动轴 取=/m，要求较高的轴取= /m, 要求较低 5 . 0 1 25 . 0 5 . 0 的轴取=/m。 计算出的轴径要进行圆整，以便能够采用标准量具和刀 21 具。 由于各传动轴属于一般的传动轴，所以取= ，所对应的 a=92，电 m/1 动机的额定功率 p=2.2 kw。 1、i 轴：由于 i 轴上有一平键，所以取 k=1.05 =0.960.990.99=0.94 （4.10） 齿轮轴承带 1 式中为此件的传动效率。 i 且 ，由公式 4.9 得min/ r336n1 所以， 4 4 2.2 0.94 d0.93 9227.05 336 j p kamm n mm28di 21 式中 d为受扭部分的最小直径； k键槽系数，按表 4-1 选取； a根据许用扭转角确定的系数，按表 4-1 选取； p电动机的额定功率； 从电动机到所计算的轴的机械效率； 被估算的传动轴的计算转速（r/min） 。 j n 2、ii 轴：由于 ii 轴有一花键，所以取 k=0.93，由公式 4.10 得， 98.099.099.0* 齿轴承 ii 且 ，及公式 4.9min/r112nc 所以 4 4 ii 2.2 0.98 d0.93 9235.8 112 j p kamm n 即 mm36dii 3、iii 轴即主轴：轴上一个平键，所以取 k=1.05，由公式 4.10 98.099.099.0* 齿轴承 ii 且 ，及公式 4.9min/r56n iii 所以 4 4 iii 1 2.2 0.98 d1.05 9242.7 56 p kamm n 4.2.3 齿轮模数估算 初步计算齿轮模数时，按简化的接触疲劳强度公式进行计算。一般同一变 速组的的齿轮取同一模数，选择负荷最重的小齿轮进行计算。从等强度的观点 出发。可减小其他齿轮的宽度，使齿轮基本处于在最相近的接触应力或弯曲应 力状态下工作。这样一来，还可以缩短该传动的轴向尺寸。模数的估算公式 （4.11） 3 2 2 j 1 16300m jjm nuz pu 式中 按接触疲劳强度估算的齿轮模数（mm） ，应该圆整为标准值； j m p电动机额定功率（kw） ； 22 被估算齿轮的计算转速（r/min） ； j n u大齿轮与小齿轮齿数之比； z小齿轮齿数； 齿宽系数，b 为齿宽，m 为模数； m 106m/ m b 许用接触应力（） ，查表 4-2。 j a mp 表 4-2 许用接触用力 许用应力 机械性能 材料热处理 强度限 mp b 屈服限 mp s 硬度 接触应力 弯曲应力 w 45正火610360hc229750190 r 40c 调质1000800hb250280650275 根据表 4-2，选择 45 号钢（整体淬火） ，其接触应力, 取 mp1100 j 。8 m 第一对齿轮：由上知，; u=3min/ r336n121 1 z （4.12） 06 . 2 33611003218 2 . 213 16300 1 16300m 3 22 3 2 2 jjm j nuz pu 为了缩小箱体尺寸，取标准值。5 . 3m1 第二对齿轮：由公式得，min/ r112n245 5 z 88 . 1 33611003218 2 . 212 16300 1 16300m 3 22 3 2 2 jjm j nuz pu 缩小 ii 轴与 iii 轴的距离，是箱体占用较小的空间，取模数。5 . 3mm 12 23 4.3 皮带轮传动设计 带传动是由带和带轮组成的传递运动和动力的传动。根据工作原理可分为 两类：摩擦带传动和啮合带传动。根据传动带的横截面形状的不同，又可以分 为平带传动、圆带传动、v 带传动和多楔带传动。摩擦带传动是比较常见的传 动方式之一，常见的有平带传动和 v 带传动，啮合传动只有同步带一种。 v 带的横截面呈等腰梯形，带轮上也做出相应的轮槽。传动时，v 带的两 个侧面和轮槽接触。槽面摩擦可以提供更大的摩擦力。另外，v 带传动允许的 传动比大。结构紧凑，大多 v 带已经标准化。v 带的上述特点是他获得了广泛 的应用。 v 带的主要失效形式：带在带轮上打滑，不能传递动力；带由于疲劳产生 脱层、撕裂和拉断；带的工作面磨损。保证带在工作中不打滑的前提下，并具 有一定的疲劳强度和使用寿命是 v 带的设计依据，也是靠摩擦传动的其他带传 动的主要依据。 1、设计功率的确定：由表查的工况系数2 . 1 a k （4.13）kw64 . 2 2 . 22 . 1 d p a kp 式中为传递的功率（kw） ； d p 为工作系数，轻度震动取为 1.2。 a k 2、选定带型：根据和，参考资料的确定为 a 型。kw2 . 2 d pmin/ r750 1 n 3、根据转速图知，传动比为 u=0.4。 4、确定小带轮的基准直径：参考普通带轮和窄带轮直径系列（gb/t10412- 2002） 取。mm75d 1 d 5、确定大带轮的直径： （4.14）mm75.183%)21 (755 . 2)1 (d 2 n 1 n d 12 24 取标准值。mmd200 2 式中带的滑动率，；%2 小带轮的直径； 1 d 大带轮的直径； 2 d 小带轮转速； 1 n 大带轮的转速。 2 n 6、验算带速： （4.15）smsm nd v/94 . 2 / 100060 75075 100060 11 式中 v带的速度。 7、初定带轮轴的中心距： 0 a （4.16） )(2)(7 . 0 21021 ddadd 即： )75125(2)75125(7 . 0 0 a 4905.171 0 a 初取 。 mma300 0 8、确定带基准长度 （4.17） 0 4a 2 1 d 2 d 2 ) 2 d 1 (d 0 2a 0 d l mm995 3004 2 )75125( 2 )12575( 3002 选取基准长度mm。1000 0 d l 9、计算实际轴间 a： （4.18）mm ll aa dd 5 . 302 2 9951000 300 2 0 0 取 a=315mm 25 安装时所需要最小的轴间距： mm3001000015 . 0 315015 . 0 aamin d l mm330300100003 . 0 max a 10、验算包角： （4.19） 120160 3 . 57 300 75200 180 3 . 57 12 180 1 a dd a 所以小带轮包角合适。 11、单根 v 带的额定功率增量： 根据mm 和，根据国家标准 gb/t13575.1-1992 a75d1r/min750n1 型 v 带的额定功率查的 p =0.75kw。 1 12、计算带的根数：考虑到传动比的影响，额定功率的增量查的 ，kw1 . 0p （4.20） 07 . 4 86 . 0 98 . 0 ) 1 . 075 . 0 ( 2 . 2 )( 1 d lak kpp p z 取 z=5 根。 13、单根 v 带的预紧力 （4.21） n mv a k p f 5 . 117 2 94 . 2 17 . 0 ) 1 98 . 0 5 . 2 ( 594 . 2 2 . 2 500 2 ) 1 5 . 2 ( vx d 500 0 14、作用在轴上的力： （4.22） nzff1157sin5 5 . 1172sin2 2 160 2 0r 1 15、表 4-3 带轮的结构和尺寸： 表 4-3 带轮的结构和尺寸 项 目 基准宽 度 基准线上 槽深 基准线下 槽深 槽间距 第一槽对称 的面 至端面的距 离 槽间距 积累极限 偏差 带轮 宽 26 符 号 d b amin h fmin he min fb z 11.02.758.7 15 3 . 0 96 . 078 4.4 传动系统视图 经过上述计算后，齿轮的齿数、模数等都以确定。其传动视图如下图 4.2。 图 4.2 传动系统 对传动视图进行剖视，如图 4.3。 27 图 4.3 传动系统剖视图 要满足换速的要求，需要拨叉，而拨叉则按照一般的驱动要求，使用液压 驱动。下图 4.4 是液压驱动系统的剖视图。 图 4.4 液压驱动系统剖视图 螺旋轴及其轴承箱在上一章节曾提到，下图 4.5 是其具体的表述。 图 4.5 螺旋轴及其轴承箱 28 第 5 章 轴承与齿轮的强度校核 5.1 齿轮强度校核 验算变速箱中的齿轮强度，应当选择相同模数承受载荷最大的齿数最小的 齿轮，进行接触应力和弯曲应力验算。一般对高速传动的齿轮验算齿面接触应 力，对低速的齿轮传动验算齿根弯曲应力。对硬齿轮、软齿渗碳淬火的齿轮， 一定要验算齿根弯曲的应力。 接触应力的验算公式为 (mp ) （5.1） h p s k f k v k a k zh j ubn 1u m 3 102081 ）（ a 弯曲应力的验算公式： （5.2） j nb 2 m 5 10208 yz p s k h k v k a k f 式中 p齿轮的传递的功率（kw） ； 电动机的额定功率（kw） ； d p 从电动机到所计算的齿轮的机械效率； 齿轮的计算转速； j n m出算得齿轮模数； b齿宽（mm） ； z小齿轮齿数； u大齿轮与小齿轮的之比； k 寿命系数； s 29 工作期限系数 (5.3) t k 0 c 1 n60 m t t k t齿轮工作总时间（h） ； 齿轮的最低转速（r/min） ； 1 n 基准循环次数； 0 c m 疲劳曲线指数； 速度转化系数； n k 材料强化系数； p k 的极限值 见表 5-2，当时，则取； s k minmax,k k maxss kk maxss kk 当时，取； minss kk minss kk 工作情况系数，中等冲击运动取； a k 6 . 12 . 1 a k 动载荷系数； v k 齿向载荷分布系数； fh kk、 标准齿轮齿形系数； y 许用接触应力（） ； h mp 许用弯曲应力。 f mp 通过验算检验齿轮是否合格，不满足应力强度时，调整相应的参数。其中 p=2.2kw, ，m=3.5mm，b=65mm，z=21, u=0.4r/min336nj 由公式 5.3 得 0 c 1 n60 m t t k 来确定。 t k 由表得 5-1 得 m=3, =10 0 c 7 表 5-1 材料载荷系数 接触载荷弯曲载荷 传动件及材料热处理 m 0 c m 0 c 30 钢的齿轮、轴承环 正火、调质和整体淬硬3 10 7 62 10 6 （5.4）10000 2 20000 d s t t 所以 4 . 8 7 10 1000013060 3 t k 寿命系数 由公式得= a k p k n k t kk s 16 . 2 60 . 0 58 . 0 74 . 0 4 . 8 表 5-2 材料载荷极限值 接触载荷弯曲载荷 材料及热处理 maxs k mins k maxs k mins k 正火或调质0.60.270.80.46 整体淬硬1.750.270.90.46钢 渗碳或氮化1.90.270.850.72 由表 5-3 得 y=0.44。 表 5-3 标准齿形系数 zyzyzy 190.386200.39520.408 经差值计算后 z=21, y=0.401，由公式 5.1， mpa j mp p s k f k v k a k zh 3 1037 . 1 3 103 . 1 336654 . 0 2 . 23 . 104 . 1 2 . 12 . 1) 15 . 0( 5 . 321 3 102081 j ubn 1u m 3 102081 ）（ 5.2 齿轮弯曲应力校核 由公式 j nb 2 m 5 0208 yz p s k h k v k a k f （5.5） 其中： z=21，m=3.5，b=65，。min/336rnj 由公式 5.3 可求的 8 . 34 6 102 1000011260 6 0 c 1 n60 m t t k 31 其寿命系数 92.1775 . 0 78 . 0 88 . 0 8 . 34 ns k p kk t kk 则 9 . 24 33644 . 0 65 2 5 . 321 2 . 29 . 004 . 1 2 . 12 . 1 5 10208 j nb 2 m 5 10208 yz p s k h k v k a k f 所以 a mp ff 354 满足应力要求。 5.3 轴承寿命校核 轴承主要因为疲劳强度而破坏，所以应当进行疲劳强度计算。其额定寿命 的计算公式为： (h) t p l kk p k f c l ）（ n f n f 500 h （5.6） 或按计算负荷的计算公式进行计算： （n） cp l k p k f cf n f h f j （5.7） 式中 ；）额定寿命（h h l 计算动载荷（n） ； j c t工作期限（h） ，取 1000015000 h； c滚动齿轮的额定负载（n） ； 速度系数， ； n f i n3 100 n f （5.8） 寿命系数，对球轴承 ，对滚子轴承 ；33/10 工作情况系数，对轻度冲击和振动的设备，取=1.11.3； f f f f 32 寿命系数，等于轴承的工作期限； h f 500 h h f l 功率利用系数； p k 速度转化系数，取 0.98； n k 齿轮转化系数取 0.9； l k p当量动载荷。 校核 i 轴左端轴承轴承 7210c gb/t 2921994，=25.5kn, r c =15.2kn。轴承受力分析情况如图 5.1 所示： or c 图 5.1 受力分析图 由前所知带轮所穿送的扭矩是 t=57850 n.m （5.9）ntf 3 1075 . 2 42/578502 1 d/2 x 式中为所在轴段的直径； 1 d 为齿轮 i 方向所受力； i f nff100020tan 3 1075 . 2 n tan x y ntf1157100/578502 2 d/2 1 t nff421 n tan 1 t1