硬脆材料水合抛光机的设计[含CAD图纸和文档资料全套]
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目 录摘 要1关键字1引言.11 水合机的概况及现状分析.2 1.1概况.2 1.2现状分析.2 2 水合机的结构及工作原理.3 2.1结构.3 2.2工作原理.4 3 设计方案的确定43.1 原始资料、数据43.2任务.43.3 设计方案选择44 运动和动力参数的设计计算64.1 物料在倾斜硬质材料面上的运动及其运动轨迹64.2硬质材料材料及驱动方式的选择.94.3功率的计算及电动机的选择104.3.1功率的计算104.3.2 电动机的选择124.4 传动比及动力参数的计算134.4.1 传动比的分配134.4.2 传动装置的运动和动力参数的计算135 零部件的设计和标准件的选用135.1 轴的设计计算145.1.1 初算轴的直径145.1.2 初选轴的形式145.1.3轴的结构的设计145.1.4 轴的强度校核155.1.5择轴和联轴器的键175.2 硬质材料结构的设计275.3 联轴器的计算及选择285.3.1 联轴器的选用285.3.2轴器的型号和主要尺寸285.4 滚动轴承及轴承座的选择295.4.1 类型选择295.4.2型号选择295.4.3 轴承的结构和定位方法315.4.4滚动轴承润滑和密封315.4.5滚动轴承座的选择及其配置315.5 减速器的选择326 电气控制33致谢.34参考文献35 摘要 : 轴是机械中非常重要的零件，用来支承回转运动零件，如带轮、齿轮、蜗轮等，同时实现同一轴上不同零件间的回转运动和动力的传递。轴的设计时应考虑多方面因素和要求，其中主要问题是轴的选材、结构、强度和刚度。其中对于轴的强度校核尤为重要，通过校核来确定轴的设计是否能达到使用要求，最终实现产品的完整设计。本文根据轴的受载及应力情况采取相应的计算方法，对于1、仅受扭矩的轴2、仅受弯矩的轴3、既承受弯矩又承受扭矩的轴三种受载情况的轴的强度校核进行了具体分析，并对如何精确计算轴的安全系数做了具体的简绍。校核结果如不满足承载要求时，则必须修改原结构设计结果，再重新校核。轴的强度校核方法可分为四种：1） 按扭矩估算2） 按弯矩估算3） 按弯扭合成力矩近视计算4） 精确计算（安全系数校核）关键词：安全系数；弯矩；扭矩 引言技术领域背景水合抛光是一种利用在工件表面产生水合反应，再利用抛光盘的摩擦力去除水合层而进行的高效、精密抛光方法。1水合机的概况及现状分析1.1概况水合是一种与人们生活实践关系十分密切的劳动，人类从远古时期就开始从事这种劳动。由于传统水合操作简单，或只是作为一道工序依附于生产过程中，没有引起广泛关注。进入21世纪，人们生活已经从温饱阶段进入到舒适时代，对于水合产品越来越多的需求，加速了新产品研发步伐；同时，制造业的高速发展，也促进了水合设备、水合剂等企业的快速进步。民用、工业两大水合领域巨大的市场需求，造就了中国水合行业崭新的未来。水合可以从不同的角度进行分类，根据水合范围的不同，目前通常将水合分为民用水合和工业水合两类。在日常生活中，与个人和家庭生活密切相关的洗涤，包括衣物水合，人体皮肤，头发水合，家庭用品，房屋的水合等，通常称为民用水合。在工业生产劳动过程中涉及到的水合都属于工业水合的范畴。食品工业。纺织工业。造纸工业。印刷工业石油加工业。交通运输业，电力工业、金属加工业、机械工业汽车制造，仪器仪表，电子工业、邮电通讯、家用电器、医疗仪器。光学产品、军事装备，航空航天，原子能工业等都大量应用到水合技术。今后，水合技术的发展将更加迅速普及，大批的大专院校、科研院所、专业公司的科技人员将加入水合技术研究开发队伍，一些现在存在的行业技术问题得到解决，行业总体技术水平大幅度提高。新技术、新产品大量涌现，各种新颖的水合设备进入市场和人们的日常生活。人们将不再只是依靠经验来水合各种实用化的计算机软件将问世；行业分工更加专业、细致，行业标准和技术规范得到推广普及，行业管理规范有序，水合行业的前景无限美好。1.2现状分析传统抛光机分为单面抛光机和双面抛光机，它们在加工过程中都属于常温常压下的开放式(不用密封)加工，在加工过程中含有磨料的抛光液从抛光盘上方不断注入盘面，实际上就是工件、磨料和抛光盘三者之间的切削。由于抛光头的运动方式不同单面抛光机又可分定偏心式、不定偏心式和摆动式；双面抛光机具有上抛光盘和下抛光盘两个盘面，分别对工件上下面进行抛光，工件由行星轮带动。前文所述几种对硬质材料等难加工材料抛光的方法大多用这两种抛光机进行加工。为了克服已有的各种抛光机在加工硬质材料时不能兼顾加工质量和加工精度、加工效率的不足，本发明提供一种在加工硬质材料时既具有良好的加工质量，又具有高的加工精度、加工效率的水合抛光机。2 水合机的结构及工作原理2.1结构一种水合抛光机，包括机座、主轴电机、主轴、抛光盘、真空吸盘和吸盘电机，所述主轴电机与主轴传动连接，所述主轴安装在机座内，所述主轴的上端与抛光盘传动连接，所述真空吸盘位于所述抛光盘的上方，所述真空吸盘与吸盘电机传动连接，所述水合抛光机还包括蒸汽发生器、输汽管和基盘，所述蒸汽发生器的出口连接所述输汽管，所述主轴内部设有通孔，所述输汽管白下而上贯串所述通孔，所述主轴的上端与所述基盘的中心固接，所述基盘上部与抛光盘固接，在所述基盘和抛光盘之间设有过渡空腔，所述输气管穿过所述基盘与所述过渡空腔连通，所述过渡空腔的底部设有排水管，所述抛光盘开有通孔。 作为优选的一种方案：在所述基盘上安装用于对水蒸气进行加热的温控系统。进一步，所述基盘的底部呈倾斜状，所述排水管安装在所述基盘的最低处。 更进一步，在所述通孔内设有保温石棉瓦，所述保温石棉瓦包覆在所述输汽管外。 所述蒸汽发生器包括水溶液储液罐、水蒸气发生装置和用于将水蒸气输出的泵，泵的输出端与所述输汽管连通。所述主轴电机的输出轴设有第带轮，所述第一皮带轮通过皮带与第二皮带轮传动连接，所述第二皮带轮安装在主轴的底端。 所述水合抛光机还包括机盖，所述机盖与机座固定密封连接。的技术构思为：综合利用机械抛光方法和化学抛光方法的优势，保持机械抛光的形状精度，求得化学抛光的无损伤加工面，基于这种思想，提供一种能够实现高亮度LED硬质材料晶圆的混合汽体化学液辅助高温水蒸汽状态下具有微量加工特性的水合抛光机。 蒸汽发生器的输出端通过输汽管向抛光盘提供化学辅助高温水蒸汽，抛光盘体有很多通孔，使高温水蒸汽可以从通孔中溢出与工件接触，从而提高加工效果，温控系统对水蒸汽进行加热，以避免水蒸汽冷凝成水。有益效果主要表现在：1、可以使硬质材料得到不错的表面粗糙度，硬质材料表面不会产生微小划痕或造成次表面损伤，可获得硬质材料的全局平面化；2、机器设备成本低，加工条件简单，可以获得较高的加工精度和加工效率，具有广泛的应用前景；3、与其他抛光设备相比，本发明抛光机工作时不会产生很大的噪音，抛光过程无毒、无害，无粉尘产生，可以达到亚纳米级绿色无污染抛光，且抛光状态稳定，抛光面上不残留抛光纹路；4、化学液辅助高温水蒸汽通过蒸汽发生汽输出，实现水蒸汽的自动、均匀地供给；5、当电机通过皮带轮和皮带带动主轴和抛光盘转动时，输汽管可直接通过主轴的中心孔向抛盘输送水蒸汽；6、基盘底部设为1：100的坡度，且在边缘设有一排水阀，可以使冷凝的水蒸汽从盘的边缘排出；7、输汽管上有固定支，固定支架可支撑输汽管并对其进行定位。 图1、硬质材料水合机结构图2.2工作原理 硬质材料水合机的工作原理是硬质材料在水合沟槽中被水浸泡后，附着在表面的相当一部分大块泥土脱落，经传送带送入硬质材料式硬质材料水合机进料口,硬质材料经进料斗进入到旋转的硬质材料内，在水池中旋转，利用硬质材料自身的重力的分力作为推进力，实现硬质材料的自动推进。硬质材料沿硬质材料壁向前运动，在运动过程中硬质材料不断被水刷洗，硬质材料之间的摩擦、翻转间的刷洗，硬质材料与硬质材料壁之间的磨擦，在共同作用下完成硬质材料表面的水合过程。3 设计方案的确定3.1 原始资料、数据 1、抛光机抛光盘的的直径约为250mm； 2、转速50500转/分； 3、工件的往复行程10mm 3.2 设计方案选择以下是三种传动设计方案的论证过程。方案一（见图2），首先通过皮带的一级减速，然后由两级圆柱齿轮减速器把速度降到工作机的转速要求。在这一方案中转速能够比较容易降到工作机的要求，而且带传动具有一定的减振作用。这是一种常见的传动方式。但它也有一个突出的缺点，就是减速装置不易于安装和维护，而且减速器不易固定，且齿轮减速器尺寸较大，使的整机占用较大的工作空间。 方案二（见图 3），摩擦轮装在一个长轴上硬质材料两边，而且硬质材料两边均有摩擦轮，并且相互对称，其夹角为90，长轴的一端与传动装置相连；另一端装有托轮，不与传动系统相连。主动轴从传动系统中得到动力后带动其上的摩擦轮转动，摩擦轮紧贴滚圈3，滚圈3固接在转筒上，因此，摩擦轮与滚圈相互间产生的摩擦力驱动硬质材料转动。这种传动简单，运行平稳，但会出现硬质材料与摩擦轮之间打滑的现象，运行情况很差。方案三（见图4），电动机与减速器直接联式（电机直联式减速器），减速器采用的是摆线针轮减速器。摆线针轮减速器的传动比较大（一级减速器的传动比即可达到80），省去了皮带传动，这样结构方案就得到了简化。工作机的主轴通过金属滑块联轴器和减速器的输出轴相联。金属滑块联轴器可以补偿轴一定的轴向、径向和角向偏移。该方案的缺点是摆线针轮减速器价格比较昂贵，但摆线针轮减速器工艺性较好，其寿命较长。综合考虑采用方案三。 1-电动机 2-带传动 3-减速器 4-联轴器 5-工作机 图2、方案一图2、方案二图4、方案三 4 运动和动力参数的设计计算4.1 硬质材料在倾斜硬质材料的运动及其运动轨迹首先推导硬质材料的转速时以假设硬质材料水平放置来推导，在实际中，硬质材料是倾斜成一定的角度。那么硬质材料为何要设置一定的倾角呢？我们知道由于硬质材料的转动，物料在水平的硬质材料上的相对运动轨迹是个正圆。这时，硬质材料没受到其它向前推进力的作用，只能在面上周而复始地作圆周运动，不能由一端向另一端推进。即使与硬质材料壁接触的那部分物料也只能沿壁作逆向旋转。这与要求硬质材料从硬质材料的一端向另一端移动并不相符合。因此，仅依靠硬质材料与硬质材料壁接触的摩擦力来推进硬质材料移动的方法并不能完成水合任务。常用的物料的推进方法： 利用物料的压力进行自身推进当硬质材料连续不断的进入硬质材料，在硬质材料进口处将形成堆积高度。在硬质材料的回转运动中，借助物料的自身的落差，向出口处推进。由于水的大量存在，水可以把物料向另一端起冲击的作用，但由于硬质材料之间的滑动很困难，这样便形成一端物料堆积严重，而另一端物料缺少的现象，从而起不到推进的效果。这种方式一般应用在物料之间的摩擦特别小的情况。 利用螺旋推进器进行物料的推进这种方式既有较快的推进速度，又可促进物料的搅动。但这种方式制造工艺比较复杂，成本较高，不易维修。 硬质材料与水平面成一定角度这种方法是利用硬质材料自身的重力的分力 作为推进力，实现硬质材料的自动推进。对于硬质材料来说，只要使硬质材料倾斜一个很小的角度就可使其向前移动。这种方法易于实现，而且制造比较简单，实际意义更大。在本设计中将采用这种方法。现在就倾斜的硬质材料来分析硬质材料的受力，硬质材料的受力如下（图5）所示使硬质材料向前推进。 图5、 单个硬质材料颗粒存在的受力物料受到自身重力G ，惯性离心力P ，摩擦力F ，硬质材料对物料的法向反力N 的共同作用，在这种情况下，物料沿硬质材料向下运动的条件是： (31) (32) (33)硬质材料与硬质材料的静摩擦角。由上式可得硬质材料内物料向下运动的最低速度与转速为： (34) (35)同理分析可推导出硬质材料内物料向上运动的最低转速为： (36)硬质材料在倾斜硬质材料内运动时，由于受到物料自身重力在硬质材料倾斜方向下滑力的作用；物料在硬质材料内受到一定大小的加速度，其运动轨迹不再是一个正圆，而是一条封闭的螺旋线。图6、物料在倾斜的硬质材料内的运动假使沿硬质材料倾斜方向取x 轴，沿硬质材料横向取y 轴。在 xo1y 坐标中，硬质材料颗粒M的运动的速度为： (37) (38)因为 故得： (39) (310)t硬质材料颗粒理论每旋转一周所用的时间，s；两边积分得： (311) (312)当t = 0 时，x = 0 、y = 0 求得C1 = rr 、C2 =0 。代入(311)和(312)即得在xo1y坐标中硬质材料颗粒的相对运动轨迹方程式： (313) (314)根据(313)和(314)两式即可作出硬质材料颗粒在倾斜硬质材料内的运动轨迹。其轨迹如图7所示： 图7、物料颗粒在倾斜硬质材料内的运动轨迹所以得出物料为套圈状或螺旋状向前推进。由图6可知，物料在倾斜硬质材料内每旋转一圈，物料沿硬质材料倾斜方向前进的距离 S 为： (315) 当时， 故 (316)因此，物料在硬质材料内的前进速度为： (317)由式(317)可知，物料在硬质材料内的前进速度与硬质材料倾角成正比，即硬质材料倾斜角愈大，则物料前进速度愈大，与硬质材料回转速度成反比，即速度越高，物料前进速度越慢。对于大斜面硬质材料，物料可能没有O2 到O3 ，因为物料的最大惯性力可能还小于摩擦力与重力分力之和，其临界条件为： (318)由此可得，临界倾斜角为： (319)当硬质材料倾斜角大于ac 时，物料在硬质材料内的运动将不再是套圈形而是蛇形轨迹。这时，物料在硬质材料内的停留时间短，总行程小，翻滚效果也不好，不利于提高水合效果，因此，硬质材料倾角ac 不宜太大，一般为3度到5度最好，在此次设计中取硬质材料的倾角为5度。4.2 硬质材料材料及驱动方式的选择4.2.1 硬质材料材料的选择筒体部分的质量占到整机的70%80%, 因此筒体的材质和壁厚是决定设备制作成本的重要因素。筒体的大小标准着规格和生产能力。筒体应具有足够的刚度和强度。在安装和运行中应保持规范化，这对减小运转阻力及功率消耗、减轻不均匀磨损、减少机械事故、保证长期安全高效运转、延长回转圆筒的寿命都十分重要，必须根据这一要求来设计筒体。筒体的刚度主要是筒体截面在较大力作用下，抵抗径向变性的能力。同体的强度问题表现为筒体在载荷作用下产生裂纹及变形。筒体材料一般用A3钢、普通低合金钢，其中以16Mn用的较多；也可以用锅炉钢。要求耐腐蚀时，用不锈钢。本设计中筒体材料选用A3钢。4.2.2筒体最小壁厚计算1.筒体的最小壁厚按下式核算：式中：R筒体半径，R=D/2=50cm 筒体材料在操作温度下的屈服应力（温度为150时的） K抄板与筒体壁重量比的系数，对于举升式抄板，K=1.6C材料腐蚀欲度，C=0.3cm表一、筒体厚度与直径的关系（统计值）Table 1 ，Dryer and diameter of the cylinder (statistics）筒体直径D (m)11.11.31.3222.62.633.33.63.34筒体厚度（mm）8101214161820/D0.0080.0090.00770.00920.0060.0070.00540.00620.00530.0060.0050.0060.005当工作条件较差时(如物料对筒体磨损严重)，一般可增加2mm；长度较短时，可适当减薄；如果筒体只因刚度较差，其他都可以满足条件时，除增加壁厚外，还可以通过其他途径来增加筒体的刚度。4.2.3 硬质材料转动驱动方式的选择 硬质材料的最大生产能力为每小时2吨，设计的硬质材料的内径为1米，长度为2米，这在制造中也比较容易。这里就可以计算出硬质材料的大致转速范围了。由硬质材料的转速计算公式: r/min (320)可得 = 11.319.8 r/min所选硬质材料驱动方式是采用中间轴式传动。在硬质材料的中心线上设有传动轴，用支承臂与硬质材料相连，电动机通过减速器把动力传到中心轴，由中心轴带动硬质材料转动。这种传动方式比较简单。由于所设计要求的硬质材料长度不长，转动比较平稳。但是，硬质材料有时会和中心轴及支撑臂发生碰撞，硬质材料重量及体积又不大 ，而且硬质材料的转速和倾角都不是太大，故一般硬质材料颗粒不会对中心轴及支承臂造成太大的冲击力。所以我们选择中心轴驱动的方式。4.3 功率的计算及电动机的选择4.3.1功率的计算下面来计算硬质材料工作所需的功率8： (323)其中： n硬质材料的转速，r/min； M驱动硬质材料转动所需的力矩，N.m； 传动的效率。 由力矩计算公式得： (324) D硬质材料直径，m； G硬质材料本身重量G1 与硬质材料内原料重量G2 之和。G1 =G3 +G4 +G5 (325) G3 横向支撑臂的重量，N； G4 纵向支撑臂的重量，N； G5 两端铁皮的重量，N。 (326) R 硬质材料内半径，m； L 硬质材料长度，m； Y1物料重度，N/m3； Q 硬质材料在硬质材料中的充填系数。（在理论上应按物料升角来计算物料在硬质材料中的充填系数）物料的升角为3545度，这样其硬质材料的利用率应为1/61/9。由于物料瞬间移动等因素的存在，物料充填系数比理论上要小的多。一般取Q为0.010.1，在此我们选Q为0.02。从以上的计算中知道传动效率为0.60.7。 在(324)中，由上述可知：D = 1 m (327) (328) (329) S 支撑臂的截面积，m2； L 支撑臂的长度，m； P 材料的密度，kg/m3； n 所用材料的数量； r 支撑臂的截面半径，m；所以 G3=6210-627.851039.88=139 N G4= SLPng =73 N G5=SdPgn = 290 N式中：S铁皮的表面积 d铁皮材料的厚度 n铁皮的数量 G2 =R2LY1Q N =769.3 N G = G1 +G2=G2+G3+G4+G5 = 1271.3 N据 (330)得 = 1271.31/2 = 635.65 Nm (331)将w的取值代入得： =1.26 kw工作机的功率；工作机的效率，一般取0.90.97。经过计算可得理论上工作机达到所需转速需要的最低功率为1.26kw。下面计算电动机的所需功率Pd 。首先确定从电动机到工作机之间的总效率。 设1 ，2 ，3 ，4 ，分别为，减速器，滑块联轴器，滚动轴承，硬质材料的效率。由机械设计手册表22查得：1 =0.96 ， 2=0.98 . 3=0.97 . 4 =0.99 . 则传动装置的总效率为10： (332) = 0.960.9820.970.992 = 0.88 (333) =1.260.88 = 1.43（kw） 4.3.2电动机的选择 4.3.2.1电动机功率的选择 选择电动机包括选择电动机的类型、结构、功率、转速和型号。在工业上一般采用三相交流电动机，Y系列三相交流异步电动机由于具有结构简单、价格低廉、维护方便等特点，故一般应优先考虑。当转动惯量和启动力矩较小时，可选用Y系列三相交流异步电动机，在经常启动、制动和反转、间歇或短时工作的场合，要求电动机的转动惯量小和过载能力大，应选用YZ和YZR系列三相交流异步电动机，电动机的结构有开启式、防护式、封闭式、防爆式7。在此可选用封闭式的电动机。 所以选用Y系列全封闭式笼型三相异步电动机。 选择原则：功率选的过小，不能保证工作机的正常工作或使电动机长期过载而过早损坏；功率选的过大，则电动机价格高，且常不在满载下运行，功率因素很低，造成浪费. 对于长期连续工作负荷较稳定的负载机械，可根据电动机所需要的功率来选择，选择时应使电动机的额定功率PN稍大于电动机的所需功率。由计算已知电动机所需功率为：=1.43 kw ,所以我们可选择电动机功率为1.5 kw 。4.3.2.2 确定电动机的转速 同一功率的异步电动机的同步转速有3000、1500、1000和750四种。一般来说，电动机的同步转速高，磁极对数少，轮廓尺寸小、价格低；反之，转速愈低，外轮廓尺寸愈大，价格愈高。由于工作机硬质材料的转速很低，所以不易选用高速电动机，一般应选择同步转速为100或750 r/min 的电动机。4.3.2.3 电动机的型号的确定根据所要求的的转速和功率选择Y系列三相异步电动机，由机械设计课程设计手册查得可选用电动机Y100L-6，功率1.5kw，转速750r/min。因为工作环境，如果不加防护，水有可能进入电动机中导致电机短路而烧坏，于是在设计中选择电机的防护等级为IP44。现在将这种电动机的数据列于下表二中。表二、电动机型号(Table 2)，Motor model 电动机型号额定功率（kW）最大转矩堵转转矩满载转速（）额定转矩质量（kg）Y100L-61.52.02.09402.033电动机的结构简图如下(图8)所示 图8、电动机的结构简图4.4 传动比及动力参数的计算4.4.1 传动比的分配因所选的是一级直联卧式摆线针轮减速器，其本身的传动比最大可达到87，而且其体积比较小，重量比较轻，传动效率良好,工作效率较其他较大。在使用过程中，由于减速器输出端通过联轴器直接与传动轴相连，所以噪音较小，所选型号为Z WD 1.5-5A-59。因为采用的是中间轴传动，减速器输出端通过联轴器直接与传动轴相连，所以不存在传动比的分配。4.4.2 传动装置的运动和动力参数的计算 由上述理由，此处根据所选电动机的满载转速和减速器的传动比可以得出硬质材料的工作转速。 由传动比公式10： (334) 可得公式： (335) 式中： ：电动机满载转速，； ：执行机构转速，。 代入数据得： 因为硬质材料的转速比较低，一般低于400，而计算所得的转速取为，是比较合适的。5 零部件的设计和标准件的选用5.1 轴的设计计算5.1.1 初算轴的直径 联轴器和滚动轴承的型号是根据轴端直径确定的，而且轴的结构设计是在初步计算轴径的基础上进行的，故要初算轴径。轴的直径可按扭转强度法进行估算，即10： (336) 式中： P轴传递的功率，kw； n轴的转速，r/min； c由轴的材料和受载情况确定的系数。表三、各种材料系数c的取值范围Table 3, various materials coefficient of c scope轴的材料Q235 120354540Cr,35siMnc16013513511811810710798轴的材料一般为优质碳素钢。c 取值时应考虑轴上弯矩对轴强度的影响，当只受转矩或弯矩相对转矩较小时，c 取小值；当弯矩相对转矩较大时，c 取大值。由于硬质材料的转速低转矩较大且弯矩小，故c 应取较小值，在这里我们取c 为108。所以： =41.8 mm 初算轴径还要考虑键槽对轴强度的削弱影响。当该轴段截面上有一个键槽时，d 应增大5% ；两个键槽时，d 应增大10% 。在本轴的设计中，轴上有一个键槽。 所以： = 41.8(1+5%)=43.89 mm 圆整取轴的直径为50mm。5.1.2 初选轴的形式从上面初算轴的最小直径为50mm，根据设计需要要设计成阶梯轴来放置轴承和联轴器。5.1.3 轴的结构的设计根据以上计算可知轴上所承受的最大转矩 TP =636N.m 根据工况的要求选择的是金属滑块联轴器。选择的材料为45号钢，45号钢经调质后，b =637 Mpa , E =210Gpa。由以上计算知轴径可为45mm，考虑装联轴器加键的影响，故取轴和联轴器相连部分的直径为50mm。我们知道轴上要安装滚动轴承，为便于轴承的装配，取装轴承处的直径为55mm。本设计滚动轴承中所选的型号为30311型，其宽度为29mm ,根据结构要求选用轴肩挡圈GB886-86 5565，由于在入料口处需布置料斗，所以轴承应安装在料斗的外端，以免和料斗发生干涉，根据生产能力为2吨/小时，再加上入料中混有大量的水，所以料斗设置应足够的大，料口长为300mm, 在高度上为便于安装在机架上且不和主轴发生干涉，结构设置请参见装配图。在硬质材料内主轴上要焊接肋条，以支撑硬质材料，所以在焊接处取主轴直径为60mm,在硬质材料的尾端要支撑和安装联轴器和电动机。如果在入料口端安装驱动装置的话，这样就不好布置入料输送装置，而尾端则不会发生这些现象，因为尾端的出料口在机架的底部，所以应在尾端安装联轴器和电动机。轴承在轴上的固定，由于轴承安装在轴承座内，轴承可以通过轴上设置台阶来固定，也可以通过台阶和止推环来固定，这样轴承在轴承座内就不会发生径向的游动，在本设计中选用台阶固定，因为这样容易密封而且所选的30000系列的圆锥滚子轴承有一定的径向补偿，因圆锥滚子轴承轴承成对使用这样就解决了转动轴轴向窜动的问题。动力通过联轴器传给工作机的主轴，联轴器和主轴是通过键槽来联结的。在联轴器的选用中，我们选用的是WH7型联轴器，轴孔直径为55mm。具体轴承的选用理由与相关校核过程会在后面滚动轴承的选择中加以详述。因轴的校核需要有轴的预设长度，所以需要根据选用零件和硬质材料设计的各个尺寸来确定轴的长度。下面是各个零件的所需长度和设计选用长度：表四、轴的长度初选Table 4, the length of the shaft零件名称所需轴向长度（mm）设计长度（mm）硬质材料长4545联轴器4550轴承与轴承座（一对）4444间距165178总计2264317 根据4.1.2和表四设计的轴的轮廓如下图9所示：图9、硬质材料中心轴5.1.4 轴的强度校核进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况，采取相应的计算方法，并恰当地选取其许用应力。对于传动轴应按扭转强度条件计算。对于心轴应按弯曲强度条件计算。对于转轴应按弯扭合成强度条件计算。2.3几种常用的计算方法：2.3.1按扭转强度条件计算：这种方法是根据轴所受的扭矩来计算轴的强度，对于轴上还作用较小的弯矩时，通常采用降低许用扭转切应力的办法予以考虑。通常在做轴的结构设计时，常采用这种方法估算轴径。实心轴的扭转强度条件为：由上式可得轴的直径为 为扭转切应力，MPa式中：T为轴多受的扭矩，Nmm为轴的抗扭截面系数，n为轴的转速，r/minP为轴传递的功率，KW d为计算截面处轴的直径，mm 为许用扭转切应力，MPa，轴的材料Q2352035451Cr18Ni9Ti40Cr,35SiMn,2Cr13,42SiMn12-2020-3030-4015-2540-52A160-135135-118118-107148-125100.7-98空心轴扭转强度条件为：其中 ，即空心轴的内径与外径d之比，通常取 =0.5-0.6这样求出的直径只能作为承受扭矩作用的轴段的最小直径。2.3.2按弯曲强度条件计算：由于考虑启动、停车等影响，弯矩在轴截面上锁引起的应力可视为脉动循环变应力。则 其中：M 为轴所受的弯矩，NmmW 为危险截面抗扭截面系数()具体数值查机械设计手册B19.3-1517. 为脉动循环应力时许用弯曲应力(MPa)具体数值查机械设计手册B19.1-12.3.3按弯扭合成强度条件计算由于前期轴的设计过程中，轴的主要结构尺寸轴上零件位置及外载荷和支反力的作用位置均已经确定，则轴上载荷可以求得，因而可按弯扭合成强度条件对轴进行强度校核计算。一般计算步骤如下：（1） 做出轴的计算简图：即力学模型 通常把轴当做置于铰链支座上的梁，支反力的作用点与轴承的类型及布置方式有关，现在例举如下几种情况：当,但不小于（0.250.35）L，对于心调轴承e=0.5L在此没有列出的轴承可以查阅机械设计手册得到。通过轴的主要结构尺寸轴上零件位置及外载荷和支反力的作用位置，计算出轴上各处的载荷。通过力的分解求出各个分力，完成轴的受力分析。（2）做出弯矩图在进行轴的校核过程中最大的难度就是求剪力和弯矩，画出剪力图和弯矩图，因此在此简单介绍下求剪力和弯矩的简便方法。横截面上的剪力在数值上等于此横截面的左侧或右侧梁段上所有竖向外力（包括斜向外力的竖向分力）的代数和 。外力正负号的规定与剪力正负号的规定相同。剪力符号：当截面上的剪力使考虑的脱离体有顺时针转动趋势时的剪力为正；反之为负。横截面上的弯矩在数值上等于此横截面的左侧或右侧梁段上的外力（包括外力偶）对该截面形心的力矩之代数和 。外力矩的正负号规定与弯矩的正负号规定相同。弯矩符号：当横截面上的弯矩使考虑的脱离体凹向上弯曲（下半部受拉，上半部受压）时，横截面上的弯矩为正；反之凹向下弯曲（上半部受拉，下半部受压）为负。不论在截面的左侧或右侧向上的外力均将引起正值的弯矩，而向下的外力则引起负值的弯矩。利用上述结论来计算某一截面上的内力是非常简便的，此时不需画脱离体的受力图和列平衡方程，只要梁上的外力已知，任一截面上的内力均可根据梁上的外力逐项写出。因此，这种求解内力的方法称为简便法。1、列剪力方程和弯矩方程 ，画剪力图和弯矩图梁的不同截面上的内力是不同的，即剪力和弯矩是随截面的位置而变化。 为了便于形象的看到内力的变化规律，通常是将剪力和弯矩沿梁长的变化情况用图形来表示剪力图和弯矩图。剪力图和弯矩图都是函数图形，其横坐标表示梁的截面位置，纵坐标表示相应的剪力和弯矩。剪力图和弯矩图的画法是：先列出剪力和弯矩随截面位置变化的函数式，再由函数式画出函数图形。剪力方程和弯矩方程 ：以梁的左端点为坐标原点，x 轴与梁的轴线重合, 找出横截面上剪力和弯矩与横截面位置的关系 , 这种关系称为剪力方程和弯矩方程。 Fs = Fs (x ) M = M（x）2、剪力图和弯矩图的绘制方向的判定：剪力 : 正值剪力画在x轴上侧，负值剪力画在x轴下侧。弯矩 : 正值弯矩画在x轴的下侧；负值弯矩画在x轴上侧。3、绘剪力图和弯矩图的基本方法：首先分别写出梁的剪力方程和弯矩方程，然后根据它们作图。4、作剪力图和弯矩图的几条规律取梁的左端点为坐标原点，x 轴向右为正；剪力图向上为正；弯矩图向下为正。以集中力、集中力偶作用处，分布荷载开始或结束处，及支座截面处为界点将梁分段。分段写出剪力方程和弯矩方程，然后绘出剪力图和弯矩图。梁上集中力作用处左、右两侧横截面上，剪力值（图）有突变，其突变值等于集中力的数值。在此处弯矩图则形成一个尖角。梁上集中力偶作用处左、右两侧横截面上的弯矩值也有突变，其突变值等于集中力偶矩的数值。但在此处剪力图没有变化。梁上的最大剪力发生在全梁或各梁段的边界截面处；梁上的最大弯矩发生在全梁或各梁段的边界截面，或 F= 0的截面处。5、求各分力的弯矩合成： 6、 轴的载荷分析图如下：（3）校核轴的强度通过以上计算得到得弯矩M和扭矩T后，可针对某些危险截面（即弯矩和扭矩大而轴径小可能断的截面）做弯扭合成强度的校核计算。按第三强度理论的计算应力公式：为对称循环变应力为扭转切应力为了考虑两者循环特性不同的影响，引入折合系数则 若扭转切应力为静应力时： 取=0.3 若扭转切应力为脉动循环应力时： 取=0.6若扭转切应力为对称循环应力时： 取=1.0对于直径为d的圆轴： 弯曲应力 扭转切应力代入与得：式中：为对称循环变应力的轴的许用弯曲应力 (MPa)，具体数值查机械设计手册B19.1-1 为轴的计算应力 MpaM 为轴所受的弯矩 NmmT 为轴所受的扭矩Nmm W 为轴的抗弯截面系数 ()具体数值查机械设计手册B19.3-15-172.3.4精确计算（安全系数校核计算） 安全系数校核计算分为按疲劳强度条件和按精强度条件进行精确计算。1.按疲劳强度条件进行精确计算 这种校核计算的实质在于确定变应力情况下轴的安全程度。在已知轴的外形、尺寸及载荷的基础上，即可通过分析确定出一个或多个危险截面（这时不仅要考虑弯曲应力和扭转切应力的大小，而且要考虑应力集中和绝对尺寸等因素影响的程度），按照公式求出计算安全系数并应使其稍大于或至少等于设计安全系数。公式如下：其中： 为只考虑弯矩作用时的安全系数 为只考虑扭矩作用时的安全系数 S为按疲劳强度计算的许用安全系数：见下表S选 取 条 件1.3-1.5载荷确定精确,材料性质均匀1.5-1.8载荷确定不够精确,材料性质不够均匀1.8-2.5载荷确定不精确,材料性质均度较差仅有法向应力时，应满足仅有扭转切应力时，应满足式中 对称循环应力下的材料弯曲疲劳极限(MPa)，具体数值查机械设计手册B19.1-1 对称循环应力下的材料扭转疲劳极限(MPa)，具体数值查机械设计手册B19.1-1为弯曲和扭转时的有效应力集中系数,具体数值查机械设计手册B19.3.5-7 为表面质量系数,具体数值查机械设计手册B19.3-8-10.为材料拉伸和扭转的平均应力折算系数,具体数值查机械设计手册B19.3-13.为弯曲应力的应力幅和平均应力(MPa)具体数值查机械设计手册B19.3-12为转应力的应力幅和平均应力(MPa)2.按静强度条件进行精确计算这种校核目的是评定轴对塑性变形的抵抗能力。根据轴材料的屈服强度和轴上作用的最大瞬时载荷，计算轴危险截面处的静强度安全系数。静强度校核时的强度条件是：式中： 为危险截面静强度的计算安全系数为按屈服强度的设计安全系数为1.2-1.4用于高塑性材料制成的刚轴为1.4-1.8，用于中等塑性材料制成的刚轴为1.8-2，用于低塑性材料制成的刚轴为2-3，用于铸造轴为只考虑弯矩和轴向力时的安全系数为只考虑扭矩时的安全系数式中为材料的抗弯和抗扭屈服极限，MPa为轴的危险截面上所受的最大弯矩和最大扭矩，Nmm为轴的危险截面上所受的最大的轴向力，N A 为轴的危险截面的面积，分别为危险截面的抗弯和抗扭截面系数,具体数值查机械设计手册B19.3-15-17.通过以上几种校核强度的方法完成轴的设计，如果校核结果如不满足承载要求时，则必须修改原结构设计结果，再重新校核。查资料选择轴的材料为:45号钢,正火,硬度170-217HB,抗拉强度b=590Mpa，s=295MPa.因倾角为5非常小，可以在轴的强度校核中以水平方式的轴作替代。因本设计中轴为转轴，轴主要受转矩和弯矩，由于传动采用中间轴传动所以只在垂直方向有力的作用，水平方向没有受力。轴的受力情况如图10(a)所示： 图10、轴的校核计算弯矩：根据材料力学上的弯矩的公式11: (337)其中： 所受的力，单位N； 对应力臂，单位m。由力矩平衡，可得A点的受力为： (338a)同理可得B点的受力为： (338b)由先前计算可知：C点的受力，代入数据得， = 305 N = 205 N再代入公式(337)，得 =334.Nm轴的弯矩图见图8(b)所示。计算转矩：根据材料力学转矩公式11： (339)其中： 该点处的转矩，单位Nm；某点处的的功率，单位kw； 对应某点的转速，单位r/min。根据所得数据功率为1.26kw，转速16r/min，将数据代入得，= 635.65 Nm；轴的扭矩图见图8(c)所示。求当量弯矩图：根据机械设计中的当量弯矩公式10： (340)式中：应力校正系数，对于不变的转矩，取；对于脉动的转矩，取；对于对称循环的转矩，取=1；弯矩，单位Nm； 转矩，单位Nm。本设计硬质材料连续工作，硬质材料中的硬质材料重量相对稳定，于是取公式，查机械设计表16.3得，。则当量转矩Nm。以上数据代入(339)得， 742 Nm当量弯矩图见图8(d)所示。校核轴径，所以设计的轴符合要求。由图可知危险截面是C处。根据材料力学上的公式11：验算轴的强度是否符合要求。对于工作机轴：=75216/(5010-3)3=61Mpa。值查表得到45号钢的=370Mpa,故此轴满足要求。5.1.5 选择轴和联轴器的键尺寸根据轴径从相应标准中选取。键的长度按轮毂长度选取。根据工况条件，在轴和联轴器的联结时主要传递转矩且无轴向的窜动，所以选择此处选择半圆键联接即能满足要求。普通平键主要靠两侧面的挤压来传递转矩，平键连接具有结构简单，对中性良好，装拆方便，应用极其最广，并在市场中占据较大市场，它也适应于高速、高精度或承受循环、冲击载荷的场合。普通平键按构造分，有圆头（A 型）、平头（B 型）及单圆头（C型）三种。单圆头（C型）常用于轴端与毂类零件的连接。由于联接为轴头开槽联接，与之适用应选用C型普通平键，国家标准代号为键1680 GB 1096。联轴器的轮毂的长度为84mm ,从机械传动装置设计手册表18-4中，我们查得键的公称尺寸10：bh =1610 b键宽,单位mmh键高,单位mmC型平键示意图如下图11：图11、C型平键键的材料采用抗拉强度不小于600Mpa 的钢，常用45号钢。键槽表面的粗糙度：轴槽，键槽宽度b两侧的表面粗糙度参数Ra 值推荐1.6-3.2um。平键连接传递转矩要求强度的校核，选择好的键，便是校核其强度是否满足实际工作的需要。一般在传动过程中受的是剪力，所以选择的键是否合适就是校核剪切应力是否满足要求。根据材料力学中的剪切应力的公式11： = （341）式中： A：剪切面面积 Fs：所受剪力又有公式： Fs= （342）式中： ：键所受转矩 ：力臂长度代入数据得， Fs= =代入公式（341）得， 查表得到45号钢的许用切应力=370Mpa，而=42.7MPa，所以选择的键符合要求。5.2 硬质材料结构的设计 设计的硬质材料水合机主要由硬质材料、传动装置、机架、水箱池、电机、进出料斗、出泥斗等组成。电机固定在机架上，电动机与减速器直接联式，减速器采用的是摆线针轮减速器。硬质材料被两个支座支撑，硬质材料的主轴通过金属滑块联轴器和减速器的输出轴相联。硬质材料的主轴与焊接在硬质材料内口上的连接件相互固定在一起。电机带动减速机,水合硬质材料由很多根直径8mm的圆钢绕硬质材料直径方向焊接而成，硬质材料式硬质材料水合机的动力来自电动机，通过硬质材料在水池中旋转，以达到水合的目的。在水池的底部设有淤泥清除口，此出泥口也具有聚集淤泥的作用，为清除淤泥带来很大方便。从生产能力计算中我们得知所设计的硬质材料的直径为1米、长度为2米，硬质材料固定在硬质材料支架上，硬质材料支架为矩形钢焊接而成，刚性好。由于硬质材料是中心轴驱动，那么硬质材料和中心轴必须通过支撑杆连接起来，如支撑杆设置在两头，那么就会和出料口和进料口发生碰撞。而且由于硬质材料的长度是2米，设置在两头会使中间部分负荷太重。硬质材料的肋条主要起到支撑的径向力的作用。硬质材料是圆柱型，在硬质材料的前后30cm处采用纵向肋条支撑。各处的联结方式主要采用焊接的方式。熔焊接头是由焊逢、熔合区、热影响区及邻近的母材组成。焊接接头是组成焊接结构的关键元件，它起着联结金属和传力的双重作用。焊逢可分为对焊焊逢和角接焊逢两种。接头的基本型式可分对接接头、搭接接头、丁字（十字）接头、角接接头和塞焊接头。在纵向肋条和轴的联结处采用丁字接头，它是将相互垂直的联接件用角焊缝连接起来，它能承受各方向的力和力矩。由于丁字接头过渡处有很大的应力集中，所以在丁字接头必须开坡口或采用保熔焊法进行焊接。横向肋条和纵向肋条都焊在一个圆形的支架上，圆形肋条的截面直径为8mm，它主要起到连接过渡支承的作用，两端的铁皮也都是焊在其上的，纵横向肋条和圆形支架也采用丁字接头连接。铁皮和圆形支架采用角接头，它不需承载很大的力，焊接比较容易且经济省时。在箱体、进出料斗、出泥口的联结中也采用焊接的方式，其焊接方式主要采用角接头的形式，它们不需要承受很大的力。1-进料斗 2、4、21-螺拴 3-支撑架 5、22-螺母 6、23-弹簧垫圈 7、8-硬质材料 9-圆钢筋 10-肋条 11-中心轴 12-轴承座 13-圆锥滚子轴承 14-密封圈 15-金属滑块联轴器 16-套筒 17-平键 18-摆线针轮减速器 19-电动机 20-支撑座 24-机架 25-出料斗 26-出泥口5.3 联轴器的计算及选择5.3.1 联轴器的选用这里选择金属滑块联轴器。金属滑块联轴器是利用中间滑块，在其两侧半联轴器端面的相应径向槽内滑动，以实现两半联轴器的联接，并补偿两轴的相应位移。金属滑块联轴器适应于低速重载的场合。且金属滑块联轴器制造工艺成熟，加工成本低，考虑到经济性，这里选择金属滑块联轴器。5.3.2 联轴器的型号和主要尺寸从机械传动装置设计手册 的表162412金属滑块联轴器的主要尺寸和特性参数可以查得 ，所以应选WH7，轴孔直径为55mm。如图11所示： 图13、金属滑块联轴器5.4 滚动轴承及轴承座的选择5.4.1 类型选择轴承的选择要考虑一下几个因素14：（1）载荷的方向、大小和性质向心轴承主要承受径向载荷，推力轴承主要承受轴向载荷。当滚动轴承同时承受径向和轴向载荷时，可选用角接触球轴承、圆锥滚子轴承；当轴向载荷较小时可选用深沟球轴承。角接触球轴承和圆锥滚子轴承需成对安装使用，一般滚子轴承比球轴承的承载能力大，且承受冲击载荷的能力强。本设计中，主轴放置有一个5的倾角中，载荷的方向同时来自轴向和径向两个方向，而且轴向载荷与径向载荷相比轴向载荷要远远大于径向载荷。 （2）转速一般轴承的工作转速应低于极限转速。深沟球轴承、角接触轴承和圆柱滚子轴承的极限转速较高，适用于高速运转场合。推力轴承的极限转速较低。本设计工作转速只有16转/分钟，小于一般轴承的的极限转速。可用任一种轴承。（3）支撑限位要求固定支承限制两个方向的轴向位移，可选用能承受双向轴向载荷的轴承；单向限位支承可选用能承受单方向轴向载荷的轴承；游动支承轴向不限位，可选用内、外圈不可分离的向心支承。本设计需要限制单向轴向位移，防止轴向窜动。（4）调心性能当两个轴承座孔同轴度不能保证或轴的挠度较大时，应选用调心性能好的调心球轴承和调心滚子轴承。本设计，因为应用的金属滑块联轴器，轴承座的同轴度可以保证。（5）刚度要求一般滚子轴承的刚度大，球轴承的的刚度小。角接触球轴承、圆锥滚子轴承采用预紧方法可以提高支承的刚度。（6）其他要求径向空间受限制的场合可选用滚针轴承或滚针和保持架组件；对轴承振动、噪声有要求的场合，可选用低噪音轴承；此外，还应考虑经济性和市场供应情况等。 根据上述各种因素综合考虑于是选择圆锥滚子轴承（30000型）。5.4.2 型号选择根据计算出的轴的尺寸为55mm，我们可从机械传动装置设计手册12的圆锥滚子轴承尺寸与性能参数表中选择；选择30311型号的圆锥滚子轴承。轮廓见下图14：对于选用的轴承需要进行可靠度和疲劳寿命的校核。根据机械设计可知，先计算当量动载荷，载荷分为轴向和径向，但此轴的倾斜角为5，轴向力可以忽略不计，所以只受径向力，由前面设计可知径向力为1271.3N。当量动载荷的公式10： （343）式中： 当量动载荷，N径向载荷，N； 轴向载荷，N； X、Y径向动载荷系数和轴向动载荷系数。 图14、圆锥滚子轴承所以根据机械设计中表18.7可得本设计的当量动载荷的X和Y分别为1和0。将数据代入得， 所以圆锥滚子轴承的基本额定寿命计算根据公式： （344）式中： 当量动载荷，N； 基本额定寿命，常以106r为单位； 寿命指数，球轴承，滚子轴承。若轴承的工作转速为 r/min，可求出以小时为单位的基本额定寿命公式： （345）代入数据得， =应取。为轴承的预期使用寿命。根据本设计硬质材料筛为24小时连续使用的，不是满载荷使用，中断会引起比较严重的后果的机械，在表18.910中查得预期寿命的推荐值为。故本设计选用轴承满足要求。由于在查圆锥滚子轴承的安装参数中有一个参数是阶梯轴的最小直径是65mm，而设计中阶梯轴只有60mm，所以为使安装的合理性和安全性，此处增加一个轴肩挡圈。查机械设计课程设计手册表5110,可查到GB/T88619865565的轴肩挡圈。其轮廓图如下图15所示： 图15、轴肩挡圈5.4.3 轴承的结构和定位方法 圆锥滚子轴承是由圆锥滚子，轴承外圈和轴承内圈组成。其固定方式是装在与机架相联接的轴承座内。5.4.4 滚动轴承润滑和密封由于本设备使用于硬质材料与水混合时的水合过程，而且硬质材料要连续工作不可能手工润滑虽然转速很低但长时间工作也会使内部温度升高，所以要选择耐水和耐热的油脂润滑。查机械设计课程设计手册表72知10，可选用的性能比较好的通用锂基润滑脂（GB/T 73241994）。由于工作机的转速低，所以温度在100以下，所以根据机械传动装置设计手册表302得，轴承座的密封可采用垫密封的材
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