毕业论文-硬脆材料水合抛光机的设计-文档精品

目目 录录 摘 要 . 1 关键字 1 引言. . 1 1 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 . 4 3.1 原始资料、数据 4 3.2 任务.4 3.3 设计方案选择 4 4 运动和动力参数的设计计算 . 6 4.1 物料在倾斜硬质材料面上的运动及其运动轨迹 6 4.2硬质材料材料及驱动方式的选 择.9 4.3 功率的计算及电动机的选择 10 4.3.1 功率的计算 10 4.3.2 电动机的选择 12 4.4 传动比及动力参数的计算 . 13 4.4.1 传动比的分配 13 4.4.2 传动装置的运动和动力参数的计算 13 5 零部件的设计和标准件的选用 . 13 5.1 轴的设计计算 . 14 5.1.1 初算轴的直径 14 5.1.2 初选轴的形式 14 5.1.3 轴的结构的设计 14 5.1.4 轴的强度校核 15 5.1.5 择轴和联轴器的键 17 5.2 硬质材料结构的设计 . 27 5.3 联轴器的计算及选择 . 28 5.3.1 联轴器的选用 28 5.3.2 轴器的型号和主要尺寸 28 5.4 滚动轴承及轴承座的选择 . 29 5.4.1 类型选择 29 5.4.2 型号选择 29 5.4.3 轴承的结构和定位方法 31 5.4.4 滚动轴承润滑和密封 31 5.4.5 滚动轴承座的选择及其配置 31 5.5 减速器的选择 . 32 6 电气控制 . 33 致谢.34 参考文献 . 35 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 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：关键词：安全系数；弯矩；扭矩 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 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。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 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。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 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 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 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 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 1-电动机 2-摩擦轮 3-轮圈 图 2、方案二 1-电动机 2-摆线针轮减速器 3-联轴器 4-工作机 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 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 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 sinmg 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： 0 )sincos(sincosfaPaGaGaP (31) )sincos()sin(cos 00 2 aafmgafaRmw (32) tgf 0 (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： )(atg R g Wx (34) R atg nx )( 2 1 (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： 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 R atg ns )( 2 1 (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： agtVx x sinsin (37) cos r Vy (38) 因为 rr rV t 故得： agttrx r sinsin (39) try r cos (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： 1 2 sin 2 1 cosCagttrx r (311) 2 sinCtry r (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： 2 2 2 sin)cos1 ( agrx r (313) sin r ry (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。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 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： 5221 OOOOS (315) 2 2 2 sin ag agt sin 2 当时， n t 2 1 故 angSsin)2/1 ( 2 (316) 因此，物料在硬质材料内的前进速度为： 2 2/sinnagV (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： c amgtgRm 2 (318) 由此可得，临界倾斜角为： )/( 2 gRarctgac (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 4.2.1 硬质材料硬质材料材料的选择材料的选择 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 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 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。 4.2.24.2.2 筒体最小壁厚计算筒体最小壁厚计算 1.筒体的最小壁厚按下式核算： 2 min s R =0.0707K+C 式中：R筒体半径，R=D/2=50cm s 筒体材料在操作温度下的屈服应力 3 s=2000kgf /cm （温度为 150时的 s ） K抄板与筒体壁重量比的系数，对于举升式抄板，K=1.6 C材料腐蚀欲度，C=0.3cm 2 min 90 =0.0707 1.6+0.3=0.76 cm =7.6mm 2000 （）（） 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) 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 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 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： 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 （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： 22 4+= ca 22 )(4 += ca W T 2 = W TM W T W M ca 22 22 )( ) 2 (4)( + =+= 22 V H MMM+= W M = 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 1 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 ca 为轴的计算应力 Mpa M 为轴所受的弯矩 Nmm T 为轴所受的扭矩 Nmm W 为轴的抗弯截面系数 ( 3 mm)具体数值查机械设计手册 B19.3-15-17 2.3.42.3.4 精确计算（安全系数校核计算）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： S为只考虑弯矩作用时的安全系数 S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 22 S SS SS S + = 1 S K S m + = 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 仅有扭转切应力时，应满足 式中 1 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 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 KK 、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. m 、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 m 、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 1 S K S m + = S SS SS S S SS SS S ca 22 + = ca S S S S S S S S S S S S S S S S 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 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, 3 mm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： (a) (b) (c) (d) 图 10、轴的校核 计算弯矩： ) max ( max A Fa W M S S S + = T S S W T S max = S 、 S amax F maxmax TM、 T WW、 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 根据材料力学上的弯矩的公式 11: lFM (337) 其中： F所受的力，单位 N； l对应力臂，单位 m。 由力矩平衡，可得 A 点的受力为： l lF F BC RA (338a) 同理可得 B 点的受力为： l lF F AC RB (338b) 由先前计算可知： C 点的受力NF3 .1271，mmlmmlmmlmml CdBCAC 178445045代入数据得， RA F= 305 N RB F= 205 N 再代入公式(337)，得 M=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： n P Me 9549 (339) 其中： Me该点处的转矩，单位 Nm； P某点处的的功率，单位 kw； n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， CC MeT= 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： 2 2 TMM (340) 式中： 应力校正系数，对于不变的转矩，取 b b 1 1 ；对于脉动的转矩，取 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 b b 0 1 ；对于对称循环的转矩，取=1； M弯矩，单位 Nm； T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 b b 1 1 ，查机械设计表 16.3 得，28. 0 270 75 。 则当量转矩17865.63528. 0 C TNm。 以上数据代入(339)得， 22 1786 .729 C M 742 Nm 当量弯矩图见图 8(d)所示。 校核轴径 mmmm M d b C C 506 .42 751 . 0 742 1 . 0 3 3 1 ，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： t WT / max 验算轴的强度是否符合要求。对于工作机轴： t WT / max =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 5.1.5 选择轴和联轴器的键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 mm h键高,单位 mm C 型平键示意图如下图 11： 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 0.545 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： = A Fs （341） 式中： A：剪切面面积 Fs：所受剪力 又有公式： Fs= l T （342） 式中： T：键所受转矩 l ：力臂长度 代入数据得， Fs=N 3 10 255 752 = N 3 103 .27 代入公式（341）得， Pa 6 3 10)1640( 103 .27 Pa 6 107 .42 MPa7 .42 查表得到 45 号钢的许用切应力 =370Mpa，而=42.7MPa ，所以选择的键符 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 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 5. .3 3. .1 1 联轴器的选用联轴器的选用 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。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 5 5. .3 3. .2 2 联轴器联轴器的型号和主要尺寸的型号和主要尺寸 从机械传动装置设计手册 的表 1624 12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 5. .4 4. .1 1 类型选择类型选择 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 lim n。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 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 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 5. .4 4. .2 2 型号选择型号选择 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： ar YFXFP （343） 式中： P当量动载荷，N r F径向载荷，N； a F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， 3 .12711P N3 .1271 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 所以圆锥滚子轴承的基本额定寿命计算根据公式： r P C L 6 10 10 （344） 式中： P当量动载荷，N； 10 L基本额定寿命，常以 10 6r 为单位； 寿命指数，球轴承3，滚子轴承310。 若轴承的工作转速为n r/min，可求出以小时为单位的基本额定寿命公式： h P C n L h 16670 10 （345） 代入数据得， hL h 3 10 10 3 .1271 130000 875.1041 =h 9 1021. 5 应取 h h LL 10 。hL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 18.9 10中查得预期寿命的 推荐值为h100000。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 51 10,可查到 GB/T886 19865565 的轴肩挡圈。其轮廓图如下图 15 所示： 图 15、轴肩挡圈 5 5. .4 4. .3 3 轴承的结构和定位方法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 5. .4 4. .4 4 滚动轴承润滑和密封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料为天然橡胶的橡胶垫片 12。 5 5. .4 4. .5 5 滚动轴承座的选择及其配置滚动轴承座的选择及其配置 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 由于选择的滚动轴承为圆锥滚子轴承，根据本设计的要求未找到适合的轴承座，于是在 参照已有轴承座的基础上，稍作改动设计了一个轴承座。其轮廓见下图 16、17。其详细尺 寸设计请见轴承座零件图。 图 16、轴承座 图 17、轴承压盖 5.5 减速器的选择 在本设计选择减速器的类型时， 首先根据传动装置总体配置的要求， 结合减速器的效率、 外廓尺寸或质量、制造及运转费用等指标进行综合的分析比较，以期获得最合理、效果最好 的结果。 本设计因为是中心轴式的传动，省去了皮带轮等传动部件，所以