机械原理课程设计-双杆搅拌机.doc

编号： 课程设计说明书 题 目： 双杆搅拌机双杆搅拌机 院 （系）： 机电与交通工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 学 号： 0800110305、0800110211、080010303、08001 10301、0800110302 指导教师： 职 称： 副教授 2011 年 1 月 16 日 桂林电子科技大学课程设计说明书第 i 页 共 ii 页 i 目 录 一 设计任务1 1.1 设计背景 1 1.2 设计题目 2 1.3 电动机选择 2 1.4 设计要求及原始数据 2 二 设计方案的评价及选择3 2.1 方案一3 2.2 方案二4 2.3 方案三4 2.4 方案四4 三 机构工作循环图5 四 各运动构件的设计与计算5 4.1 曲柄摇杆机构的尺寸计算5 4.2 曲柄摇杆机构的运动分析7 4.3 搅拌缸的设计9 4.4 不完全齿轮的设计与计算10 4.5 轮系的设计11 五 传动比计算13 5.1 料缸转速计算14 5.2 轮系传动比计算14 5.3 皮带转传动比计算14 5.4 蜗轮蜗杆传动比的计算15 5.5 半齿轮传动比的计算15 5.6 综合15 六 运动仿真16 七 设计小结16 八 参考文献17 桂林电子科技大学课程设计说明书第 1 页 共 17 页 1 一一 设计任务设计任务 1.11.1 设计背景设计背景 在我们的日常生活中，搅拌可以使两种或多种不同的物质在彼此之中互相分散，从 而达到均匀混合；也可以加速传热和传质过程。搅拌式反应器使用虽然历史悠久，应 用范围很广，但对搅拌操作的科学研究还很不够，搅拌操作看似简单，但实际上，它 所涉及的因素极为复杂，对于搅拌器形式的选择，从工艺角度观点以及力学角度观点 来说，都有值得研究的课题。 针对这个方面，我组经过详细讨论，研究设计了一种用于化学工业和食品工业的 饲料搅拌机。电动机通过减速装置带动容器绕垂直轴缓慢整周转动，同时，固连在容 器内拌勺点 e 沿图 1.1 虚线所示轨迹运动，将容器中拌料均匀搅动。对搅拌机构的选 择我们专门采用了这学期学习的四杆机构，利用了其比凸轮机构简单，运动方便合理 的特点，且连杆上某点的运动轨迹更为符合搅拌点的运动要求，拌勺的速度比较均匀， 在容器底部的轨迹有一段为近似直线。以下将会具体分析我们的方案。 1 2 567 8h 9 不 不 不 不 不 10 11 2 1 a d b e 5 6 7 8 不 不 不 不 不 9 10 11 1 2 a b c d e 17001000 3 4 c 900 500 图 1.1 系统整体结构图 桂林电子科技大学课程设计说明书第 2 页 共 17 页 2 1.21.2 设计题目设计题目 双杆搅拌器的设计 1.31.3 电动机选择电动机选择 由于本设计中的运动速度较慢，因此选用转速为 720r/min 的连续转动电动机 1.41.4 设计要求设计要求及原始数据及原始数据 原始数据原始数据: 1)齿轮： 皮带轮：r1=r3=84.375mm r2=r4=100mm 2)蜗杆：z1=6 模数 m=4 分度圆直径 d1=40mm 3)蜗轮：z2=48 模数 m=4 分度圆直径 d2=192mm 4)半齿轮：z=20 模数 m=4 分度圆直径 d=80mm 5)电动机转速：720r/min 6)曲柄摇杆轨迹图 方案号 电动机转速 r/min a1440 b960 c720 z1z2z3z4z5z6z7z8z9z10z11 齿轮齿数 1560208014144042156010 d1d2d3d4d5d6d7d8d9d10d11 分度圆直径/mm 602408032056561601686024040 模数 m=4 表 1.4.1 齿轮数据表 桂林电子科技大学课程设计说明书第 3 页 共 17 页 3 lablbclcdladppuivi 形状 10.51.310.891.3292.8-0.6 20.541.161.051.3272.2-0.6 30.40.91.51.288-0.2-0.6 40.61.240.961.2303.1-0.6 设计要求设计要求: (1)电动机通过减速装置设定合适的速度，带动容器绕垂直轴缓慢整周转动； (2)固连在容器内拌勺点 e 沿图 1.1 虚线所示轨迹运动，将容器中拌料均匀搅动。 搅拌缸的速度尽量慢，拌勺的速度尽量快； (3)设计传动系统并确定其传动比分配，绘制机器的机构运动方案简图和运动循环 图，并通过仿真确定其空间运动动态； (4) 设计组合机构实现运动要求，并对曲柄摇杆机构进行运动分析，列出详细的计 算的过程并绘制其运动轨迹； (5)其他类型机构的分析与对比，联系多方面因素最终挑选出最佳的搅拌方案。 二二 设计方案的评价及选择设计方案的评价及选择 2.12.1 方案一方案一：如图（2.1） 电动机齿轮传动凸轮机构对称凸轮（双摆动杆） 特点分析： 优点：结构紧凑，体积小，传动准确，力度大。 缺点：往复摆动滚子推杆盘形沟槽凸轮的设计非常困难 且成本较高。 图 2.1 方案一 表 1.4.2 轨迹表 桂林电子科技大学课程设计说明书第 4 页 共 17 页 4 2.22.2 方案二方案二：如图（2.2） 电动机链传动曲柄摇杆机构平 行四 边形机构（双摆动杆） 特点分析： 优点：设计简单，可远距离传送，成 本较低 结构简单。 缺点：搅拌面积小，可能出现搅拌不 均匀 2.32.3 方案三方案三：如图（2.3） 蜗轮蜗杆齿轮凸轮摆杆 特点分析： 优点：结构紧凑 缺点：弹簧紧固造成一定的能量流失，使用 时间有限，而蜗轮蜗杆机构和齿轮机构在设 计和制造方面存在相对的困难，且设计制造成本比较大。 2.42.4 方案四方案四：如图 （2.4） 皮带轮齿轮蜗轮蜗杆四杆 机构 特点分析 优点：搅拌均匀，系统传动精度 高 缺点：体积大 d e b 图 2.3 方案三 图 2.4 方案四 图 2.2 方案二 桂林电子科技大学课程设计说明书第 5 页 共 17 页 5 三三 机构工作循环图机构工作循环图 四四 各运各运动构件的动构件的 设计与计算设计与计算 4.14.1 曲柄摇杆机构的尺寸计算曲柄摇杆机构的尺寸计算 由于搅拌机连杆的工作点位需要有较大的运动范围，经讨论后我们决 定采用按预定的轨迹形状设计四杆机构，经过查阅四杆直向导向机构的 设计与轨迹图谱我们选取了如下四种方案，经讨论后确定“方案 1”为 杆长设置和描点轨迹。四种方案各杆的相对长度和描点位置列表 4.1 如下： lablbclcdladppuivi 形状 10.51.310.891.3292.8-0.6 20.541.161.051.3272.2-0.6 30.40.91.51.288-0.2-0.6 40.61.240.961.2303.1-0.6 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不不 不 不 不 540?720?360? 180?0? 图 3.1 机构循环图 桂林电子科技大学课程设计说明书第 6 页 共 17 页 6 其中，lab、lbc、lcd、lad分别是四杆相对长度，pp 代表在连杆点位分布 图中的连杆位号，u、v 分别表示相应连杆点位坐标（连杆 b 点为圆心，bc 所在直线为 u 轴） 。方案 1 经过同比例放大后可得各杆长度如下： 在 caxa 中模拟轨迹图形如下图 4.3 所示: lablbclcdladlce bc、ce夹角 225mm589.5mm400.5mm585mm722.85mm2193 a b d c b 1 b 2 b 3 b 4 b 5 b 6 b 7b 8 b 9 b 10 b 11 b 12 b 13 b 15 b 14 e 1 e 2 e 3 e 4 e 5 e 6 e 7 e 8 e 9 e 10 e 11 e 12 e 13 e 15 e 14 e 表 4.2 杆长数据表 表 4.1 四杆机构点位分布及轨迹 图 4.3 曲柄摇杆轨迹图 桂林电子科技大学课程设计说明书第 7 页 共 17 页 7 4.24.2 曲柄摇杆机构的运动分析曲柄摇杆机构的运动分析 已知：lab=225mm=l1；l2=lbc=589.5mm l3=lcd= 400.5mm；l4=lad=585mm 93.21 5 73.77 1 杆机构的封闭矢量位置方程式为： 0l -l -ll4321 其复数矢量形式为： 43 2 21 31 lelelel iii 由欧拉公式将式的实部虚部分离得： sincosiei 3342211 coscoscosllll 332211 sinsinsinlll 将两分式左端含的项移到等式右端，然后分别将两端平方并相加得： 1 化简整理得0cossin 33 cba 式中 131 sin2lla1213.254703 5 . 5892252 )cos(2 4113 lllb161.2418213 = 141 43-21cosl -l 2222 llllc185.6168951 图 4.2 曲柄摇杆速度加速度分 析图 桂林电子科技大学课程设计说明书第 8 页 共 17 页 8 由得)/()() 2 tan( 23 22 cbcbaa 4.878 3 由式算得46.17 2 对对 e 点进行速度分析点进行速度分析： 将式对时间 t 求导，得 31 331 2 222111 iii elielieli 即 31 33 2 2211 iii elelel 式为的复数表达式，将其实部虚部分离有 ccbb vvv 333222111 sinsinsinlll 333222111 coscoscoslll 其中srad n /57 . 1 60 2 1 1 解方程组得 srad /06 . 0 1 srad /836 . 0 3 对对 e 点进行加速度分析点进行加速度分析： 由式对时间的求导可得： （9） 33221 3 2 333312 2 22 2 22 2 111 iiiii elielieleliel i 式为的 = + = + + 复数矢量表达式，将其实部和需不 分离得： 33 2 333322222 2 21 2 11 cossinsincoscoslllll 33 2 333322222 2 21 2 11 sincoscossinsinlllll 联立方程组可解得 ： srad /5 . 0 2 srad /778 . 0 3 对于 e 点，设 e 点的位置如图所示 则 ballle 21 桂林电子科技大学课程设计说明书第 9 页 共 17 页 9 )90( 21 2 221 i iii l beaeelel e mmla55.670cos 4ce mminlb97.269s 4ce 将式对时间 t 求一次和二次倒数得 ve和 ae 的矢量表达式 )sincos(coscos )cossin(sinsinv 222222111 222222111e balli ball 代入已知数据得ive761.18137.310 所以smve/3107 . 0 )sincos()cossin(coscos 22 2 222222 2 211 2 1 baballae )cossin()sincos(sincos 22 2 222222 2 211 2 1 baballi 得 所以=119.37mm/=0.11937m/ = 115.79 + 29.01 e a 22 4.34.3 搅拌缸的设计搅拌缸的设计 1、四杆机构轨迹尺寸：宽度 dmax=455mm， 高度 hmax=602.85mm 2、初步拟定搅拌缸尺寸： 3、搅拌缸下料口设计： 搅拌缸高 搅拌缸 底面半径 搅拌缸容 积 下料口沟 槽宽 下料口沟 槽长 下料口沟 槽高 下料口面 积 0.5m0.45m0.53m30.3m0.3m 002m 0.114m2 桂林电子科技大学课程设计说明书第 10 页 共 17 页 10 图 4.3.1 下料口沟槽示意图 图 4.3.2 左右沟槽示意图（两者间隔 300mm） 左侧沟槽右侧沟槽 缸底 下料口位于缸底，沟槽内放置可推拉活动板厚度与沟槽高度相同（0.010.015 m） ，加料搅拌时，活动板闭和，搅拌均匀后，活动板抽出，下放置接料桶即可。 4.44.4 不完全齿轮的设计与计算不完全齿轮的设计与计算 不完全齿轮传动原理：在主动齿轮只做出一个或几个齿，根据运动时间和停歇时 间的要求在从动轮上作出与主动轮相啮合的轮齿。其余部分为锁止圆弧。当两轮齿进 入啮合时，与齿轮传动一样，无齿部分由锁止圆弧定位使从动轮静止。 特点：不完全齿轮机构结构简单、制造容易、工作可靠，从动轮运动时间和静止 时间可在较大范围内变化。但是从动轮在开始进入啮合与脱离啮合时有较大冲击，故 一般只用于低速，轻载场合。 在本设计中，经计算，不完全齿轮的转速为 7.5r/min，当其转过一圈时，齿轮 9 转过 4/3 圈，若定不完全齿轮的齿数为 z=40 齿，由于拌料行程只为整个工作行程的 1/2，所以把不完全齿轮有效齿数则为 20 齿,则齿轮 9 的齿数为 15。 具体计算如下： 选取齿轮标准模数为 4，分度圆压力角（） 、齿顶高系数（） 、顶隙系201 * ha 数都为标准值（） ，曲柄所在齿轮 z9=15,不完全齿轮 z=4025 . 0 * c 分度圆直径： mmmzd60154 99 mmmzd160404 齿顶高：mmmhhh aaa 441 * 9 齿根高： mmmchhh aff 5)( * 9 齿全高：mmmchhh a 9)2( * 9 齿顶圆直径： mmmhzd aa 68)2( * 99 mmmhzd aa 168)2( * 齿根圆直径： mmmchzd af 50)22( * 99 mmmchzd af 150)22( * 桂林电子科技大学课程设计说明书第 11 页 共 17 页 11 基圆直径： mmddb38.56cos 99 mmddb35.150cos 齿距：mmmp57.12 齿厚：mmms28 . 6 2/ 齿槽宽：mmme28 . 6 2/ 顶隙；mmmcc1 * 根据齿轮参数，就可得到如图所示的齿轮机构（图中未画出齿中的锁止圆弧）： 不完全齿轮a与曲柄所在齿轮b传动示意图（左图） ，不完全齿轮简图（右图） 说明：齿轮 a 有 20 齿，有 4 齿锁齿圆弧；齿轮 b 有 12 齿，有 3 齿锁齿圆弧。齿 轮 a 转过 4 齿，第 5 齿恰好转到锁齿圆弧，与 b 齿轮锁齿圆弧啮合，齿轮 b 转过 4/3 转，齿轮 b 的锁齿圆弧则与右图所示的锁齿圆弧啮合。 4.54.5 轮系的设计轮系的设计 该轮系为行星轮系 图 4.3 半齿轮示意图 桂林电子科技大学课程设计说明书第 12 页 共 17 页 12 567 8h 5678 齿数 14144042 模数m=4 57 = 5 7 = 5 7 = 40 14 1 + 变形得 5= 5 = 6 5 = 27 7 1= 27 7 58 = 5 8 = 8 5 = 42 14 所以 58= 5 8 = 81 对于齿轮 7 分度圆为 d7 = mz7= 2 40 = 80 节圆为 d7 = mz8= 2 42 = 84 啮合角为 则=26.5 变位系数为 = 2 2+ 3tan + 图 4.4 行星轮系 桂林电子科技大学课程设计说明书第 13 页 共 17 页 13 故 = 1.570 各齿轮分度圆和节圆分别为 齿轮 = 28mm = 5 = 5 = 2 14 5 齿轮 = 28mm = 6 = 6 = 2 14 6 齿轮 = 80mm 7 = 7 = 2 40 7 = cos cos d = cos 20。 cos 1.57。 80 = 84 齿轮 8 = 84mm= 8 = 8 = 2 42 8 行星齿轮系的均布安装条件为 4 5 = 1, 5+ 8 = 2 , 1,2为整数 7 5 = 54 8 5 = 56 取其公共因子为，即可以取，满足均布安装条件 五五 传动比计算传动比计算 .齿轮： 皮带轮：r1=r3=84.375mm r2=r4=100mm 蜗杆：z1=6 模数 m=4 分度圆直径 d1=40mm 蜗轮：z2=48 模数 m=4 分度圆直径 d2=192mm 半齿轮：z=20 模数 m=4 分度圆直径 d=80mm 电动机转速：720r/min 具体计算如下： z1z2z3z4z5z6z7z8z9z10z11 齿轮齿数 1560208014144042156010 d1d2d3d4d5d6d7d8d9d10d11 分度圆直径/mm 602408032056561601686024040 模数 m=4 桂林电子科技大学课程设计说明书第 14 页 共 17 页 14 5.15.1 料缸转速计算料缸转速计算 i14=z2z4/z1z3=16 齿轮 1 的转速与电动机的转速相等，为：720r/min 所以，齿轮 4 的转速为：45r/min 则，料缸的转速为：45r/min 5.25.2 轮系传动比计算轮系传动比计算 57 = 5 7 = 5 7 = 40 17 变形得： = 5= 5 4 = 1 + 6 5 = 27 7 5 h 7 27 58 = 5 = 8 5 = 42 14 所以 =81 58= 5 8 5.35.3 皮带转传动比计算皮带转传动比计算 1 3 = 84.375 100 = 0.84375 = 3 1 = 3 720 所以3 = 0.84375 720 = 607.5/ 则皮带转 3 的转速为 607.5 r/min 桂林电子科技大学课程设计说明书第 15 页 共 17 页 15 5.45.4 蜗轮蜗杆传动比的计算蜗轮蜗杆传动比的计算 12 = 2 1 = 48 6 = 8 5.55.5 半齿轮传动比的计算半齿轮传动比的计算 当半齿轮转过有齿的那半圈时，齿轮 9 转过： =圈 15 20 3 4 所以：就转过了圈 10 3 4 又知： =6 11 10= 60 10 所以：同时，齿轮 11 就转过 4/3 6 =8 圈 综上知：当半齿轮转过有齿的那半圈时，齿轮 11 转过 8 圈； 当半齿轮转过无齿的那半圈时，齿轮 11 不转动。 5.65.6 综合综合b,c 知：知： 半齿轮的转速为：607.5/81=7.5r/min 再根据 d,e 知： 涡轮转速：7.58/8=7.5r/min 因为涡轮做转圈停圈的间歇运动 所以其转过一圈所用的时间为：= 4s/r 25 . 7 60 s 则四杆机构，做搅拌一个周（4 秒）停 4 秒的间歇运动。另一四杆机构的传动同此四杆 机构。 综合为：两个四杆机构轮流搅拌，且每个机构搅拌一次时间为 4 秒。 桂林电子科技大学课程设计说明书第 16 页 共 17 页 16 六六 运动仿真运动仿真 见附件 七七 设计小结设计小结 机械原理课程设计总结机械原理课程设计总结 直到 1 月 16 日晚，我们为期 4 天连续不断的艰苦奋斗终于告一段落，随着我们 的“匀山”双杆搅拌机各个方面数据最终落实，说明书也逐渐整理妥当，