毕业设计（论文）-弹簧式碎石机设计.doc

毕业设计开题报告 机械工程 系（院） 2 009 届题 目（中文） 弹簧式碎石机设计 （英文） spring-loaded ddesing lithotripter 课题类型 工程设计 课题来源 自选 学生姓名 专业班级 机制专升本（1） 指导教师 职 称 讲师 填写日期： 2009 年 3 月 14 日弹簧式碎石机设计专业班级： 学生姓名： 指导教师： 职称：讲师摘 要 砂型铸造课分为手工造型和机器造型。生产中应根据铸件的形状、尺寸、技术要求、生产批量、生产周期和生产条件等因素，合理的选择造型方法。这对保证铸件质量、提高生产率、降低生产成本是很重要的。碎石机是现实工程中用处很广的机械。小的方便可以用作医疗机械大的方便可以用在一些企业。全文大体可分为4个部分，第一部分提出要研究的问题，即教学研究用震压式造型机的设计，以及完成这个设计的指导思想；第二部分先简单介绍了震击压实原理，并给出了方案的总体设计，主要侧重于原理分析与方案比较；第三部分是弹簧式气动微震机构的详细设计，包括震击部分、压头部分和降噪措施，重点是震击部分的参数设计，并且在最后给出了相关微分方程进行数值模拟；最后一部分是分析和总结，提出了这个设计的创新、意义和局限性等。关键字：铸造设备 气动微震 震击参数 造型机spring-loaded desing lithotriptercasting is a production process which has many components of processes in close cooperation with each other .the molding process ,one of the most important process ,is the the central part, and the molding machine is the most important caning equipment. as the molding machine used for teaching, on the one hand, it allows students to understand the theory how the jolt-squeeze moulding machines work and the structure of the machine; on the other hand it can strengthen students manipulative ability and enrich students practical experience.there are five parts in the paper, preface, the first part, the second part, the third part and conclusion. the first part gives the problem and introduces the guiding ideology of the design. the second one shows the principle of jolting and compacting, and gives the overall design of the program, but this chapter focused mainly on the principle analysis and the scheme comparision. the third chapteris the detailed design of the apring-loaded pneumatic smallamplitude vibration mechanism, including the jarring part, the pressure head and the noise reduction measures, the key of the chapter is the parameter design of the jarring part, ine the end of this part, i have given numerical simulation by the relevant differential equations. the conclusion include the proposed innovation, significance and limitations, and so on.keyword: casting equipment；pneumatic smallamplitude vibration mechanism；jarring parameters；molding maching目 录第一章 绪论11.1 课题背景与来源11.2 设计目的、意义与要求11.3 国内外发展概况21.4 设计的指导思想3第二章 造型机总体设计32.1 震击机构的工作原理32.2 震击机构的各参数的影响要素62.3 两种微震机构的比较6第三章 造型机详细设计93.1设计气动微震造型机震击机构的计算计算公式93.1.1 震击机构设计的的基本参数式93.1.2关于司气参数的取值式123.1.3 有关震击弹簧的弹簧刚度c的取值公式133.1.4 压震频率n的计算式143.2 震击机构的设计143.2.1 设计的技术要求143.2.2 确定震击缸的几何尺寸143.3 压头部分的设计213.3.1 齿轮齿条的设计233.4起模机构的设计26第四章 造型机设计优化304.1 造型机的命名304.2微震机构的降噪措施304.2.1 微震机构工作噪声的发声原理304.3.气动微震机构的数值模拟334.3.1震铁运动的微分方程334.3.2 震击缸内气体压力变化率dp/dt344.4起模机构的改善36第五章 设计总结38致谢39参考文献40第一章 绪 论1.1 课题背景与来源砂型铸造是铸造生产中的一项极为重要的生产工艺。主要工序过程为制造模样、制备造型材料、造型、造芯、合箱、熔炼、浇注、落纱清理与检验等。 机器造型是现代铸造生产中的基本方式，它主要是对紧砂和起摸两工序的操作实现了机械化。震压式造型机是一种依靠震击紧实和低压压实砂型的造型机械,生产的砂型质量稳定并有较高的精度和刚度,尤其是采用气动微震式震击机构的震压造型机的型面利用率在75 %80 %左右,生产的砂型硬度(b 型硬度计) 可达7585 ,具有较高的造型速度和较低的劳动强度。因此,震压式造型机虽然存在着效率低、噪音大、操作工人劳动强度高、不能满足现代化生产发展的缺点,但该机经济效益高、投资少、上马快,而且结构简单、操作维修方便、灵活性大、适应性广,能满足绝大多数造型工艺的要求及各种批量的生产,在我国的中、小型铸造车间得到了广泛的应用。我国中小型铸造车间机械化造型，主要使用的是震击式和震压式造型机，如z145型震压式造型机多年前就已经在国内广泛使用，由于震击与震压式造型机噪音大， 生产率低等问题，国内大部分已采用微震压实造型机。气动微震机构因具有高效、节能、减震，以及可以实现压震，利用动压实力等特点，被广泛用于微震压实造型机和多触头高压造型机中。按照支撑结构不同，气动微震机构可以分为弹簧气动微震机构和气垫微震机构两大类。我在此选择的是弹簧式气动微震机构的设计，参照此类造型机的相关技术与标准，设计出实习用震压造型机。1.2 设计目的、意义与要求铸造机械（造型机）的设计是以砂型铸造为对象，根据机器的工作原理和铸造机械的基本理论，进行运动和动力分析，和工作参数的制定，以及制作出相关图纸。这要求我们掌握广泛而坚实的理论基础知识，培养鲜明的工程观点和富于进取的创新精神，积累生产和设计经验，提高分析问题和解决问题的能力。通过造型机的设计，可以使我们：1. 掌握从生产实际和工艺要求出发，制定设计方案、选择工作参数、进行分析和计算的一般设计方法。2. 学会运用已知的理论知识，研究和解决铸造机械中的有关问题。3. 了解铸造机械设计特点和发展动态，未进行有关铸造机械的开发性研究和试验工作，打下一定的基础。从我做毕业设计的角度来说，震压式造型已经是一门比较成熟的造型工艺，甚至现在都以不多见，通过对它的设计，既是对过去四年所学的巩固，需要综合应用到许多知识，也是对即将从事的设计工作的一个很好的演练。设计要达到的技术要求：1. 使用性要求。设计的机器要求根据要求和制定的工作参数，完成一定的运动，承受一定的载荷，达到一定的工作目的。在实习用震压造型机的设计中，工序的衔接不做过多要求。2. 可靠性要求。在预计的使用期限内机器不应破坏，不会因个别零件的损坏（可以及时更新）而影响整个机器的正常运转，也不会因振动而影响工作质量。这就要求机器的总体设计合理，设计的零件要有足够的强度、刚度和稳定性；对于易磨损的零件易于及时更换。1.3 国内外发展概况从二十世纪二十年代到五十年代左右，气动震压是造型机一直是铸造车间中最主要的造型设备，之后又出现了多触头高压造型机、射压造型机等现代化自动造型设备，特别是传统的砧座式震压机构被气动微震机构所取代，产生新型的气动微震压实造型机，原有的震压式造型机就处于被淘汰的地位。气动微震压实造型机的主要特点是压实的同时进行震击，因此可得到紧实度分布良好的砂型。另外气动微震压实造型机生产率高，振动较小，对基础要求低，噪音小等特点。从目前来看，国内外早己用气动微震压实造型机逐步代替震击式和震压式造型机。此间，国外铸造设备在机械设计、材料选用、制造精度以及控制系统方面与过去相比都有显著提高。由于吸取了组合机床设计的经验，使各类铸造设备在产品系列化、零部件通用化方面有了新的进展。这对于设计、制造和使用、维修都带来了很大的方便。比如，一条造型自动线可以按照使用工厂的具体要求，基本上由通用的部件组合为主、辅机并配成生产线。在控制系统中，普遍采用电气或电子控制，现在大部分都已采用电子计算机控制。我国的铸造机械水平总的来说还不高，与工业发达国家相比有明显的差距，主要表现在：1.品种少。2.专业厂制造水平低。3.设备结构落后，效率低，能耗高，可靠性差。4.计算机的应用。1.4 设计的指导思想气动微震造型机的主要工作部分可分为震压机构和压头机构。各种震压机的压头机构大同小异，而震压机构则千差万别。压头的机构的设计可在弹簧式气动微震造型机的基础上模仿和改进。震压机构则要通过性能分析进行参数设计。震击机构就其本质来说，是一个将压缩空气能转化为机械能的换能机构，因此，对震击机构性能的研究及其合理设计就不能脱离开表征震击机构换能过程的示功图的讨论。因此整个机构的设计可以大致分为几个个部分：1. 分析震击机构工作原理与示功图表示法。2. 设计和演算气动微震机构造型机震击机构的计算公式。提出气动微震机构设计的基本参数及值，规定了近似的示功图并按此示功图分析导出了各项参数的计算式。3. 根据要求制定设计方案，选择工作参数，进行分析和计算4. 机构的各种改进措施和环保措施。5. 绘出主要部件的装配图。第二章 造型机总体设计2.1 震击机构的工作原理震击机构按司气方式不同可分为活塞司气式和阀门司气式。活塞司气式震击机构是利用震击活塞直接开闭进、排气孔，以实现震击的。而阀门司气式则是利用阀门的工位控制进气和排气的。我们主要讨论的是活塞司气式。震击时，震击活塞线上升，然后下降与机座相碰撞，完成一个工作循环。此后反复进行同样的循环。与此同时，汽缸内的气体则经过进气、膨胀、排气、压缩到再度进气，完成一个循环。这个循环中，汽缸内的气体压力是不断变化的。可以利用示功图的方法来分析研究汽缸内气体变化和活塞形成变化的相互关系，这对分析认识气动震击机构的工作原理及其规律性是很有意义的。现以不断进气震击机构为例，介绍示功图的分析方法。图2-1表示不断进气震击机构的示功图。横坐标表示汽缸内的工作压力，纵坐标表示活塞形成。图2-1 不断进气震击机构示功图1. 进气阶段。震击汽缸进气时，压缩空气首先充满余隙空间，然后气压逐渐升高，到气体对于震击活塞总压力等于活塞升起部分总重与活塞所受摩擦阻力之和时，活塞将向上运动。其运动平衡条件为：式中：在点1处汽缸内的气体压力，绝对气压（公斤/）；f活塞面积（）；q升起部分总重，包括：有效符合（即砂箱、模板、余砂框和型砂等的重量）以及机器升起部分自重（即工作台、活塞的重量）（公斤）；r活塞与缸壁间的摩擦阻力（公斤）。由此可得，举升活塞所必须的最小气压：（表压力/）如图2-1，1点的纵坐标为，常称为余隙高度，即余隙空间的折算高度（厘米）随着压缩空气不断进入气缸，气压不断升高，活塞不断向上运动。由于其运动速度开始较慢，以后逐渐增大，因而缸内气压起初上升较快，后来较慢。所以线段1-2大致承抛物线关系变化。一般在正常情况下，为0.51个大气压（公斤/）。 如果在12段压力不是连续上升，而是出现先上升后又下降的跳动现象时，则反映进气孔断面小了，供气不足。这种情况会导致工作台升起高度减小，削弱紧实效果。2. 排气阶段。如图2-1，活塞上升到点2时，排气孔打开，排气。这时，虽然气孔还在进气，但由于排气孔面积比进气孔大35倍，所以气缸内的压力迅速降低。然而活塞并不立即下降，它由于运动的惯性还继续上升一段距离，直到其上升速度为零时才开始下降。这段行程称为惯性行程。一般。活塞在点3开始下降。此时，作用力为q，而向上的的阻力时活塞下方所受的空气压力（1）f及活塞与缸壁之间的摩擦阻力r。由此,于是，点3的压力为：（表压力，公斤/）如果排气孔面积足够大时，点3的压力为0.40.6表压力。活塞由于自重下落，到排气孔关闭为一个阶段。缸内压力继续下降，至点4时达到最低值。在不断进气震击机构中，点4的压力一般为0.20.5表压力。如果排气孔面积国小，也会出现压力跳动现象，即先下降后又升高。这必然影响活塞下降速度，减弱撞击力，从而影响紧实效果。3. 压缩阶段。图2-1中，在点4时，排气孔完全关闭。虽然进气孔在进气，活塞由于运动惯性较大，仍继续下降。因此使气缸内的空气被压缩。故4-1段为压缩行程。这段对活塞有缓冲作用，但减弱撞击力。所以，排气孔开设的位置很重要。在正常情况下，示功图在点1处时闭合的。2.2 震击机构的各参数的影响要素在对震击机构示功图分析的基础上，便不难讨论出一些主要因素如司气要素、管道压力和负荷对它的影响。增大进气行程时，惯性行程也会有所增大，从而震击高度s增大；另一方面，增大势必使排气压力趋向更低，因而使撞击能增加。减小，则效果相反。一般(0.120.2)s。增大余隙高度，则空气消耗量增加。所以设计时应使小一些。但过小，将使下降行程中的4-1段气压增加过多，因而减小，而增大。其结果时撞击能减小。实际上，对于活塞司气式的震击机构，取余隙高度为（0.71.0）s。对于各种震击造型机s为2580毫米，一般随砂箱大小不同而有所不同。管道压力的影响很明显。压力降低时，图上2点的压力下降，面积变小，进气能量小，震击高度和震击能量都会降低，甚至无法震击，所以管道压力过低时机器不能正常工作。一般讲，震击负荷、摩擦阻力对示功图的影响是：当增大时，面积减小，如同减小管道压力一样，使震击高度和震击能都降低。减小时，结果相反。震击活塞举升的全部负荷q是由工作台和活塞等的自重和包括模板、砂箱及型砂的重量在内的有效负荷所组成。如果增大有效负荷，哪么机器在单位时间内的震击次数和震击高度都会改变。此时震击高度将会逐渐减小，到某一极限负荷时接近于零，即台面几乎停止升起。2.3 两种微震机构的比较按支撑结构不同，气动微震机构可以分为弹簧微震机构和气垫微震机构，弹下表给出了二者性能的对比（表2-1）。表2-1 两种微震机构性能对比技术性能弹簧微震机构气垫微震机构刚度调节需更换弹簧调节气垫压力预压力调节范围调节范围小调节范围大震击力变化幅度基本不变可在较大范围内变化震击强度较强较弱震击频率较低较高对起模的影响起模时有浮动起模时无浮动维修工作比较容易密封件易损坏制造加工大弹簧制造困难对同心度要求较高对于气动微震机构震击效果的判别，广泛使用示功图分析法，即绘制微震机构一次震击循环的示功图，然后求出单位活塞面积的撞击比能e和撞击效果,其中e为单位活塞面积的反跳比能，t为一次震击循环时间。 图2-2是两种气动微震机构示功图：图2-2(a)弹簧微震机构图2-2(b)气垫微震机构图中各符号含义如图下：进气行程；膨胀行程；排气行或惯性行程；s 总行程。；工作台下缘与压实活塞上缘间的间隙；弹簧刚度；震击缸面积；震铁重力；r 摩擦阻力；气垫缸初始压力；震铁行程为s时的气垫缸压力；气垫缸面积。弹簧微震机构与气垫微震机构示功图各自特点：1. 阻力线的形状不同 砧坐式震击机构示功图上的阻力线时一条直线；弹簧微震机构的阻力线是一条向下倾斜的斜直线；气垫微震机构则是一指数曲线。2. 排气（惯性）行程的长度不同 砧坐式震击机构的排气行程较长。气动威震机构因震铁的运动受到一个随行程增加而逐渐增大的弹簧反力或者气垫反力的作用，排气行程明显缩短。也就是说，微震机构具有较高的震击频率。3. 阻力线的位置 砧坐式震击机构阻力线位置是固定不变的，仅与举升部分重量和摩擦阻力有关。微震机构阻力线的位置可在一定范围内变动，其起点的压力值不仅与举升部分重量和摩擦阻力有关，而且与间隙，弹簧刚度，气垫缸初始压力和面积有关。4. 不论是砧坐式示功图，还是微震机构示功图，各部分面积都满足下列关系： 两种微震机构的震击原理是类似，不同在于缓冲结构上。因此只需从实用性角度加以对比选择。介于气垫微震机构的震压机构比较复杂，同心度要求高，而且维护比较复杂。相比之下弹簧微震机构结构上相对简单，工作原理比较明了，维护工作比较容易，直接更换弹簧即可。作为教学实习用的造型机，弹簧微震机构更为合适。因而选择弹簧微震机构的设计。第三章 造型机详细设计3.1设计气动微震造型机震击机构的计算计算公式3.1.1 震击机构设计的的基本参数式气动微震造型机的震击机构是一个将压缩空气能转换为机械冲击能的换能机构。一台造型机的震击机构的紧实砂的效能，取决于下面两个方面因素（这两个方面因素的数值的最佳取值也就规定了震击机构设计的基本参数及），它们分别是：1. 震击机构的换能效率高效率的震击机构应该是在单位时间力能够提供最多的机械冲击能的机构。为实现这一极值条件的基本参数，其取值为： 式中：震击缸活塞面积（）； 震击缸内最大工作气压（以绝对气压表示）值（）； 压震状态时，震铁位置在撞击点上，震击弹簧（或气垫腔压力）对震铁的静支托力（即扣除了震铁重量后的弹簧反力）（kg）。2. 能有效的紧实型砂的机械冲击强度震击机构时依靠震击活塞的机械碰撞来紧实型砂或抖动型砂的，故为了达到预期的紧实或抖动要求，震击机构应有适当的碰击强度，根据碰撞原理，可引用基本参数如下： 式中：震击缸活塞面积（）； 震击活塞所承受的全部负重（kg）； 震铁的重量（kg）； a单位震击活塞面积在每一工作循环中所能提供的机械冲击能(kg-cm/),一般应由实测的示功图中分析求得。参照有良好震击效能的震击机构示功图规律，取（按不形成严重气垫的要求）；（按的取值求出）；（式中r系缸的摩擦阻力）。按近似理想的示功图图形计算，可以得到以下分析式； （3-3）； （3-4） （3-5）当,则 (3-6）式中：进气行程（cm）； 膨胀行程（cm）； 惯性行程（cm）； s=+总行程（cm）； 震击缸内最大工作气压（绝对气压）（kg/）； 震击缸内最小工作气压（绝对气压）（kg/）； e =（0.30.4）震铁撞击的反跳系数（一般在设计时可取，即e=0.316）； c震铁弹簧的弹簧刚度（或气垫的相对刚度）（kg/cm）。另外根据能量守恒原理，震铁的撞击速度为= （3-7）3.1.2关于司气参数的取值式司气参数的经验取值式有：； （3-8）； （3-9）； （3-10）根据能够获得近似的理想示功图的要求还可以列出计算司气参数的补充式子，这里不一一列出，只是给出其中的经验结论： (3-11) (3-12) (3-13) (3-14)式中：为两下标平均速度之比； 为震击缸进气口面积（）； 为震击缸排气口面积（）；以上（3-8）、（3-9）、（3-10）、（3-11）、（3-12）、（3-13）、（3-14）就是获得有有近似理想示功图的震击机构的全部司气参数、及、的计算公式。3.1.3 有关震击弹簧的弹簧刚度c的取值公式 （3-15） （3-16） （3-17） （3-18）将式（3-17）代入式（3-16），式（3-15）代入（3-18），联立之，可以求得c的表达式为： （3-19a）或 （3-19b）3.1.4 压震频率n的计算式设：震铁全行程运动的平均速度；t震铁的运动周期（秒）；n压震频率（次/分）；所以： （3-20）3.2 震击机构的设计3.2.1 设计的技术要求造型机设计的主参数是砂型的最大分型面尺寸,也可以看作是最大砂箱的内框尺寸。国产造型机的规格型号也是以此规定的。根据主参数，造型机的其它结构尺寸和工作参数便可相应地确定。砂箱尺寸:350*350*1503.2.2 确定震击缸的几何尺寸1.有效负重和举升重量有效负荷为震击机构所需要举升的重量，其中包括：砂箱 模板 型砂 辅助框（包括辅助框上的复位弹簧的恢复力）等的全部重量，即：有效负重=+砂箱厚度取20mm可铸铝合金密度为2.7g/砂箱密度为7.87.85g/，这里取7.8g/造型砂密度为0.81.3 g/，这里取1 g/紧实率为35左右，得出余砂箱高度h80.77mm，取整h80mm此时的紧实率*10034.78计算得 32.76kg 17.47kg 28.175kg而+=78.405kg, 取80kg举升重量:主要指工作台,活塞,导杆等有关部件的重量之和。可按经验公式估算： *式中：为自重系数，参照表1如下表1 自重系数选用表（kg）25000.80.70.60.50.4这里取为0.75,得=0.75*80kg=60kg+=140kg2.摩擦阻力摩擦阻力r的大小一般与机器的结构,加工精度,安装精度以及润滑等因素有关,有经验公式 r=0.05(+)=0.05*(80+60)kg=7kg3.震击缸尺寸根据震击活塞受力平衡可得: =(+r)=(0.270.46)( +) (厘米)k为裕量系数,取值一般在1.12.5取=5kg/考虑到影响摩擦阻力,储备系数的因素很多, 也可按震击缸气压没行计算,有如下经验公式: 取2.53 kg/, 小造型机取较大值,大造型机取较小值.这里取=2.857 kg/=0.35*(+) =得=80mm, 考虑到砂型的质量,机械加工的精度,材质的代用和压缩空气的工作压力等,为了达到高的比压和良好的微震效果,将增大至120 mm. =11309.74.震击活塞长度()活塞长度主要从导向的角度来考虑，应使工作平稳而不至卡死，一般根据经验公式 =(1.62.0) =1.77*120mm=212mm5.震铁重量震铁重量是震强度的重要影响因素。达到同样的紧实效果重震击比轻震击所需时间要短得多，或者说同样的震击时间重震要比轻震击紧实效果好得多震铁的重量按下式计算： =k(+)k为震击强度系数, 重震击：k0.51，适于高压造型机或大型造型机 中震击：k=0.20.5，一般用于中大型，或以压实为主的高压造型机 轻震击：k0.10.2，用于中小型造型机，或高压造型机中 最轻震击: k0时，sign(x)=1；当x0时，sign(x)=-1； 其余符号同前。震击缸内气体对震铁作用力p可由下式确定： (4-2)式中：p震击缸内绝对大气压； 标准大气压。式4-2中的p是一个随震铁运动而不断变化的量，为了计算p值，应首先找到它随时间变化的规律。4.3.2 震击缸内气体压力变化率dp/dt1. 进气行程（）。震击缸的气体容积 （4-3）根据质量流量定义得： （4-4）式中：进气时气体质量流量； 震击缸内气体密度。设气体状态变化为绝热过程，则 （4-5）将式（4-3）、(4-5)代入式（4-4）右侧，得 （4-6）还可以用下述公式计算，当时， （4-7）当时， （4-8）式中：震击活塞小气包内的绝对压力； 震击缸内气体绝对压力； 小气包内气体密度； 进气孔的流量系数； 进气孔总截面积； k绝热系数。2. 膨胀（压缩）阶段（）。 3. 排气阶段（）。当时， （4-9）当时， （4-10）式中：排气时气体质量流量； 排气孔总截面积； 排气孔的流量系数； 排气孔处气体密度； 排气孔处气体绝对压力，取一个大气压。取k=1.4，则，。将式（4-7）(4-10）代入式（4-4）的左侧，经整理，得出各个行程工作压力的微分方程式，列于表4-1中。利用下页方程表达式便可以对微震过程进行模拟，然后利用电算程序和计算机的快速运算，就可以确定微震机构的主要参数和最佳震击效果。由于本文前面已经详尽计算出各个参数，这里就不再做电算演算，只是为参数设计提供一个另