机械设计制造及其自动化专业毕业论文卧式钢筋切断机的设计

Abstract Steel cutting machine is a tool used to shear rebars, it is widely used in housing construction, bridges, subways, railways, power plants, large-scale water conservancy projects, this machine is designed for architectural .It is driven by a motor through V pulley, then through two cylindrical gear and reduce the rotation speed.there is a link on the Crankshaft ,the link drive the sider and the moving blade do linear motion. The movable blade and the fixed blade then cutting rebars as the scissors.This semi-automatic horizontal steel cutting machine have three-state deceleration. first is a V pulley, and then after two straight tooth gear . The device used in the V-belt , because it has a lot of features .such as simple structure, transmission smoothly, low prices and Reduce vibration. In addition, Install tensioner pulley can prevent the belt produce Plastic deformation。Then use two pairs of gears to reduce the speed of axis. In a typical mechanical transmission，gear transmission has the highest efficiency, and it needs smaller space.there are some other advantages,such as reliable,long life,transmission ratio stable。Keywords Cut construction steel gears crankshaft目 录卧式钢筋切断机的设计11 前言12 整体设计思路及方案12.1 设计思路22.2 整体方案确定23 电机选择33.1 切断钢筋所需切断力43.2 功率计算44 传动机构设计54.1 基本传动数据计算54.1.1 传动比的计算54.1.2 计算机构各轴的运动及动力参数64.2 普通v带传动设计74.2.1 带型的确定74.2.2 确定带轮的基准直径dd并验算带速v和减速器输入轴的转速误差74.2.3 确定V带的中心距a和基准长度Ld84.3 齿轮传动设计94.3.1 高速级齿轮传动设计94.3.2 低速级齿轮传动设计134.4 轴的设计与校核164.4.1 一轴的设计与校核174.4.2 曲轴的设计与校核214.5 键的选择与校核254.5.1 键的选择254.5.2键的挤压强度校核254.6 轴承的选择与校核264.6.1 初选轴承型号264.6.2轴承寿命计算265 钢筋切断机的摩擦、磨损和润滑286 结束语29致 谢30参考文献31卧式钢筋切断机的设计1 前言钢筋切断机是一种剪切钢筋所使用的一种工具，它广泛的应用于房屋建筑，桥梁，地铁，铁路，发电厂，大型水利工程，钢筋切断机是钢材加工的必备设备之一，钢筋切断机比其他切断设备具有重量轻，能耗低，运行可靠，效率高等众多优点，因此近年来钢筋切断机被广泛应用于社会建设的各个领域，在建筑钢筋加工和炼钢钢厂起到一个非常重要的作用。钢筋切断机分为好几种，有卧式钢筋切断机，立式钢筋切断机，电动液压式钢筋切断机，手动液压钢筋切断机，他们各有各的优缺点。并分别用在不同的地方。在国内由于切断机技术投入不足、易于仿造、利润不高等其他原因，所以大部分厂家在几十年来都基本没有变化，发展缓慢，与国外同行相比在受力，寿命，效率方面有巨大的差距。现在建筑机械市场的竞争是越来越激烈，若想尽快缩短与国外先进企业的差距，那么必须加强企业的经营管理，提高企业的积极性，重视最新的科学技术、努力搞好新产品的研究与开发，并且逐步去提高生产出的产品质量和产品售后服务水平，使企业的产品不断地满足用户的需求，只有这样，我过的钢筋切断机的发展才能与世界先进水平靠近，才能成为这个行业的佼佼者。2 整体设计思路及方案2.1 设计思路此设计中的卧式钢筋切割机，选定切断速度为每分钟15次，切断钢筋的直径为14mm，其工作原理为，由电动机驱动，通过V带轮、圆柱齿轮减速带动偏心轴旋转。在偏心轴上装有连杆，连杆带动滑块和动刀片在机座的滑到中作往复运动，并和固定在机座上的定刀片选用合金钢并经热处理制成，一般前角度为3，后角度为12。一般定刀片和动刀片之间的间隔为0.51mm。在刀口两侧机座上装有两个挡料架，以减少钢筋的摆动现象。如图1：1- 电机 2-小带轮 3-大带轮 4-一轴连轴齿轮 5-二轴大齿轮 6-二轴连轴齿轮 7-曲轴大齿轮 8-曲轴 9-连杆 10-活动刀座 11-固定刀座 12-飞轮 13-二轴 14-一轴图1整体方案示意图2.2 整体方案确定卧式钢筋切断机的传动装置主要为三级减速，首先是一个V带传动减速，然后经过两级直齿齿轮减速。装置中使用V型皮带传动，因为带传动具有结构简单、传动平稳、价格低廉和缓冲吸震等特点。另外在松边内侧靠近大带轮出安装张紧轮，防止带的塑形变形和磨损而松弛。然后，采用两级直齿圆柱齿轮减速，因为在常见的机械传动中，以齿轮的传动的效率最高、齿轮传动所需的空间尺寸一般较小、其工作可靠、寿命长、传动比稳定等优点。由于电动机及其齿轮作的是回转运动,而钢筋切断机的切刀需要的是直线往复运动，而若想实现运动的转变，根据所学机械原理中的基本机构，可采用曲柄滑块机构,直动滚子推杆盘形凸轮机构,齿轮齿条等机构，考虑其各个机构的优缺点，采用曲柄滑块机构。曲柄滑块机构的曲柄结构类型主要分为曲轴式、曲拐式、和偏心轮式。曲轴式：曲轴半径是固定的，曲轴行程不可调节。曲拐式：行程可以调节，但悬臂结构使受力结构变差。偏心轮式：受力状况较好，刚度较大，适用于中、大型压力机。综合考虑各个机构的优缺点，采用曲轴式较好。同时，在曲轴处安装一飞轮，用于储存惯性能，对机械进行周期性速度波动调节，使切断过程顺利进行。由于钢筋切断机的工作环境，采用全开式壳体，这种传动有它的缺点，如外界杂物极易侵入、润滑不良、工作条件不好、齿轮易于磨损等。但这种结构却有利于散热，便于润滑，更重要的是它制作简单，价格便宜。从整体上来说，卧式钢筋切断机占地范围较大，但相对的高度较小。3 电机选择根据电机的工作环境选择电动机类型，Y系列三相异步电动机具有高效、节能、性能好、振动小、噪声低、寿命长、可靠性高、维护方便、启动转矩大等优点。因而采用Y系列的电动机。并且采用卧式安装。3.1 切断钢筋所需切断力切断钢筋的条件为，剪应力应不小于所切钢筋材料的许应剪应力。即为： 本切断机主要用于切断普通热轧钢筋，其屈服强度为b=400MPa。剪切过程可分为两步，即刀片压入钢筋（包括弹性压入和塑性压入）和钢筋滑移直至断裂。由公式得=KKu( 1+)b式中试件断裂时的平均延伸率 被剪钢件的强度极限带入数据得：取最大值此钢筋切断机所切钢筋的直径最大为14mm，即为：mm。则切断机的最小剪切力为：3.2 功率计算刀的运动行程既不能太大又不能太小，太大的话会增大整体的尺寸，提高制作成本，不经济，太小又不能满足切割机的条件。因此，根据实际的工作经验，选取活动刀的运动行程为40mm。因此可得曲轴的偏心距离也为20mm。则切断处的功率P： 由常用机械传动、轴承、联轴器、和传动滚筒效率的概率值表得，V带传动的效率为= 0.940.97； 开式圆柱齿轮齿轮传动的效率为= 0.960.99； 滚动轴承的传动效率为= 0.940.98； 连杆传动的效率为= 0.810.88；滑动轴承的效率为由以上可知总的最小的传动效率为: = 0.940.960.980.81=0.72由此可知所选电机功率最小应为 查手册并根据电机的工作环境和性质选取电机为：Y系列封闭式三相异步电动机，代号为Y112M-6，输出功率为2.2kw，输出速度为960 r/min。4 传动机构设计4.1 基本传动数据计算4.1.1 传动比的计算由电动机的满载转速nm和工作机所需转速nw可以确定传动装置应有的总传动比为 传动装置总传动比是各级传动比的连乘积，即为 上式中i0、i1分别为v带传动与两级直齿圆柱齿轮减速器的传动比，在整体设计方面，不能把V带传动的传动比设计的太大，这样的话会使V带传动的带轮尺寸增大，另外为了便于分配传动比。初步选取取i0 =2，则两级直齿圆柱齿轮的传动比为 c) 分配两级圆柱直齿齿轮的各级传动比根据手册上可查得，可以取得各级传动比为，取 i11=6.4，则i22=32i11=5。（为便于书写取i1=i11，i2=i22）4.1.2 计算机构各轴的运动及动力参数a) 计算各轴的转速各轴的转速 轴 轴 轴 b) 计算各轴的输入功率各轴的输入功率 轴 轴 轴 c) 计算各轴的输入转矩输出转矩电动机 轴 轴 轴 4.2 普通v带传动设计4.2.1 带型的确定设计普通V带传动所需的已知条件主要有：原动机种类和所需传递的功率；主动轮和从动轮的转速（或传动比）；工作条件及对外廓尺寸、传动位置的要求等。V带传动的功率为电动机额定功率2.2kw，小带轮的转速为960r/min，大带轮的转速为480r/min。查表可知，工作情况系数KA=1.5 ，计算功率Pca=1.52.2=3.3kw。根据Pca=3.3kw、n1=960r/min，查表。选取A型V带。4.2.2 确定带轮的基准直径dd并验算带速v和减速器输入轴的转速误差初选小带轮的基准直径dd1。查表取小带轮的基准直径dd1=100mm。带速为因为5m/sv30m/s，古带速合适。计算大带轮的基准直径dd2=idd1=1002=200mm得减速器的输入轴转速误差, 合格。4.2.3 确定V带的中心距a和基准长度Ld（1）根据 0.7(d1+d2)a02(d1+d2) 即 0.7(100+200)a02(100+200) 得 210a0600 初定中心矩 a0=400mm（2）计算带所需的基准长度： 查表选取带的基准长度为Ld=1250mm（3）计算实际中心矩a： 因此中心距的变化范围为367.25423.5mm（4）验算小带轮包角： ，合格(5)计算带的根数计算单根V带的额定功率Pr由dd1=100mm、n1=960m/s和A型V带，查表得P0=0.97kw。根据n1=960m/s，i=2和A型V带，查表得P0=0.11kw 由小带轮包角=，查表得ka=0.965，由基准长度Ld=1250mm得 k1=0.93 则 取Z=4根（6） 张紧力 （17）查表 q=0.10kg/m （7）计算压轴力Fp 压轴力的最小值为 （18）（8）带轮结构设计带轮材料采用，其结构设计可参考下表图2 带轮的结构与尺寸图4.3 齿轮传动设计4.3.1 高速级齿轮传动设计a) 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1) 选材料 小齿轮：40Cr钢，调制处理，平均取齿面硬度为280HBS 大齿轮：45钢，调制处理，平均取齿面硬度为240HBS。两者材料硬度差为40HBS。选小齿轮齿数为20，大齿轮齿数为206.4=128。b）按齿根弯曲强度设计 齿根弯曲强度设计的公式为1） 确定公式内的各计算数值。1 试选载荷系数Kt=1.3.2 计算小齿轮传递的扭矩。3 查表得，选取齿宽系数d=0.6。4 查表得，材料的弹性影响系数5 由表查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限，大齿轮的弯曲疲劳强度极限。6 总工作时间th，假设该切断机的寿命为10年，每年工作300天，每天工作8个小时，则：。应力循环次数 N1、N2 7 取弯曲疲劳寿命系数,8 计算弯曲疲劳许用应力。取弯曲疲劳安全系数S=1.4，则9 查取齿形系数。YFa1=2.56 YFa2=2.1510 查取应力校正系数。由表得Ysa1=1.62 Ysa2=1.8211 计算大小齿轮的并加以比较。大齿轮的数值大。2） 设计计算。1 计算分度圆直径。2 计算圆周速度。3 计算齿宽b。4 计算齿宽与齿高之比。齿高5 计算载荷系数。查表取使用系数为KA=1.85查表选取动载系数KV=1.10确定齿间载荷分布系数KHa=1、KFa=1 。查表得齿轮解除疲劳强度计算用齿向载荷分配系数KHB=1.219。齿轮弯曲疲劳强度计算用的齿向载荷分配系数KFB=1.15，故载荷系数6 按实际的载荷系数校正所算得的模数。考虑齿面磨损的影响，应将求出的模数加大10%20%，则m=2.682.88mm取圆柱齿轮模数的标准值m=3mm。3） 几何尺寸计算1 计算分度圆直径。mmmm2 计算齿顶圆直径。3 计算齿根圆直径。4 计算中心距。5 计算齿宽宽度。取B1=36mm，B2=40mm。4.3.2 低速级齿轮传动设计a) 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1) 选材料 小齿轮：40Cr钢，调制处理，平均取齿面硬度为280HBS 大齿轮：45钢，调制处理，平均取齿面硬度为240HBS。两者材料硬度差为40HBS2) 选小齿轮齿数为28，大齿轮齿数为285=140。a) 选材料、确定初步参数1) 选材料 小齿轮：40Cr钢调制，平均取齿面硬度为280HBS 大齿轮：45钢调制，平均取齿面硬度为260HBS2) 初选齿数 取小齿轮的齿数为28，则大齿轮的齿数为285=140b）按齿根弯曲强度设计 齿根弯曲强度设计的公式为1） 确定公式内的各计算数值。1 试选载荷系数Kt=1.3。2 计算小齿轮传递的扭矩。3 查表得，选取齿宽系数。4 查表得，材料的弹性影响系数。5 由表查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限，大齿轮的弯曲疲劳强度极限。6 总工作时间th，假设该切断机的寿命为10年，每年工作300天，每天工作8个小时，则：。应力循环次数 N1、N2 7 取弯曲疲劳寿命系数,。8 计算弯曲疲劳许用应力。取弯曲疲劳安全系数S=1.5，则9 查取齿形系数。YFa1=2.56 YFa2=2.15。10 查取应力校正系数。由表得Ysa1=1.62 Ysa2=1.82。11 计算大小齿轮的并加以比较。大齿轮的数值大。2） 设计计算。1 计算分度圆直径。2 计算圆周速度。3 计算齿宽b。4 计算齿宽与齿高之比。齿高5 计算载荷系数。查表取使用系数为KA=1.85查表选取动载系数KV=1.10确定齿间载荷分布系数KHa=1、KFa=1 。查表得齿轮解除疲劳强度计算用齿向载荷分配系数KHB=1.219。齿轮弯曲疲劳强度计算用的齿向载荷分配系数KFB=1.15，故载荷系数6 按实际的载荷系数校正所算得的模数。考虑齿面磨损的影响，应将求出的模数应大些，则取圆柱齿轮模数的标准值m=3mm。3） 几何尺寸计算1 计算分度圆直径。mmmm2 计算齿顶圆直径。3 计算齿根圆直径。4 计算中心距。5 计算齿宽宽度。取B1=56mm，B2=60mm。4.4 轴的设计与校核4.4.1 一轴的设计与校核在设计中一轴选取45钢调质，硬度230HBS，强度极限=640MPa,屈服极限=355MPa，弯曲疲劳极限=275MPa，剪切疲劳极限=155MPa，对称循环变应力时的许用应力=60MPa。轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理的确定轴的结构形式和尺寸。为了提高轴的强度，常常有以下几种方法，合理的布置轴上零件以减小轴的载荷，改进轴上零件的结构以减小轴的载荷，改进轴的结构以减小应力集中的影响，改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度。对于一般的轴，通常只需用弯扭合成强度条件进行校核。一轴的结构设计如下图所示 轴的刚度计算a) 按当量弯矩法校核1) 设计轴系结构，确定轴的受力简图、弯矩图、合成弯矩图、转矩图和当量弯矩图。 图3 轴的受力转矩弯矩图2) 求作用在轴上的力如表1，作图如图3-c表1 作用在轴上的力垂直面（Fv）水平面（F）轴承齿轮轴承带轮3） 求作用在轴上的弯矩如表2，作出弯矩图如图3-d、3-e表2 作用在轴上的弯矩垂直面（MV）水平面（Mh）截面N.mm合成弯矩截面合成弯矩4）作出转弯矩图如图3-f5）作出当量弯矩图如图3-g，并确定可能的危险截面、如图3-a。并算出危险截面的弯矩如表3。表3截面的弯矩截面截面6）确定许用应力已知轴材料为45钢调质，查表得。用插入法查表得，。7）校核轴径如表4表4 验算轴径截面截面结论：按当量弯矩法校核，轴的强度足够。b) 轴的刚度计算 所以轴的刚度合适。4.4.2 曲轴的设计与校核在设计中曲轴选取45钢调质，硬度230HBS，强度极限=640MPa,屈服极限=355MPa，弯曲疲劳极限=275MPa，剪切疲劳极限=155MPa，对称循环变应力时的许用应力=60MPa。轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理的确定轴的结构形式和尺寸。为了提高轴的强度，常常有以下几种方法，合理的布置轴上零件以减小轴的载荷，改进轴上零件的结构以减小轴的载荷，改进轴的结构以减小应力集中的影响，改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度。对于一般的轴，通常只需用弯扭合成强度条件进行校核。 曲轴的结构设计如下图所示轴的刚度计算a) 按当量弯矩法去校核设计轴系结构，确定轴的受力简图、弯矩图、合成弯矩图、转矩图、当量弯矩图。1） 轴的受力简图如图图4 轴的受力弯矩转矩图求作用在轴上的力如表5，并作图如图4-c表5 作用在轴上的力垂直面（Fv）水平面（Fh）轴承1齿轮轴承2曲轴3）计算出弯矩如表6，并作图如图4-d、e表6 轴上的弯矩垂直面（Mv）水平面（Mh）截面N.mm合成弯矩截面合成弯矩4）作出转弯矩图如图4-f5）作出当量弯矩图如图4-g，并确定可能的危险截面、和的弯矩表7危险截面的弯矩截面截面6）确定许用应力已知轴材料为45钢调质，查表得=650MPa。用插入法查表得，。7）校核轴径如表8表8 校核轴径截面截面结论：按当量弯矩法校核得，轴的强度满足要求。 8) 轴的刚度计算 得轴的刚度符合设计条件。4.5 键的选择与校核4.5.1 键的选择 键的选择包括类型选择和尺寸选择两个方面，键的类型应该根据键连接的结果特点、使用要求和工作条件来选择；键的尺寸则按照符合标准规格和强度要求来选定。间的主要尺寸为其截面尺寸（一般以键宽b键高h表示）与长度L。键的截面尺寸bh按照轴的直径d由标准选定。键的长度L一般可按轮毂的长度而定，即键长等于或略短于轮毂的长度；。选择时还应考虑传递转拒的大小，联接的对中性要求，以及键在轴上的位置等。故根据以上所提出的以及该机工作时的要求，故选用A型普通平键。由设计手册查得：选择键的键宽 b=16mm，键高h=10mm，键长 L=30mm。4.5.2键的挤压强度校核平键连接传递转矩时，其主要失效形式是工作面的压溃。因此，通常只按工作面上的挤压应力进行强度校核计算。工程设计中，假定压力沿键长和键高均匀分布，可按平均挤压应力进行挤压强度或耐磨性的条件计算，即：静联接 式中 传递的转矩 ， 轴的直径， 键与轮毂的接触高度，(mm)，一般取 键的接触长度(mm)。圆头平键 许用挤压应力键的工作长度 挤压面高度 转矩 许用挤压应力，查表， 则 挤压应力 得键的设计合理。4.6 轴承的选择与校核滚动轴承是又专业工厂生产的标准件。滚动轴承的类型、尺寸和公差等级均已制订有国家标准，在机械设计中只需根据工作条件选择合适的轴承类型、尺寸和公差等级等，并进行轴承的组合结构设计。4.6.1 初选轴承型