卧轴式振荡激振器的结构设计计算说明书

本科毕业设计（论文）题 目：卧轴式振荡激振器的结构设计院（系）：机电系专 业：机械设计制造及其自动化学生姓名：学 号：指导教师（签名）：主管院长（主任）（签名）：时 间： 年 月 日摘要在工程施工中，振荡压实设备得到了广泛的应用。针对已有的振荡压实设备存在效率低、压实效果欠佳、噪声与土体振动污染较严重等缺点这一现状。在本次设计中对一种新型的多功能振动振荡建筑夯进行了研究,其核心技术是机械式振动振荡发生器,由于振动子采用轴线双回式设计,既实现了机械振荡压实原理,又保留了振动压实的优点,可交替使用。该设备采用低频大振幅来适应土体自身的压实频率,引起共振,使夯的振幅再次扩大,使建筑夯的振动能量最大限度地被土体吸收,以此提高土壤的压实度。本文主要是针对振荡激振器的结构设计计算展开的,根据已知的设计参数进行各结构的设计，确定出最优方案，并论证结构可行性。再利用前面的计算结果进行偏心轴和齿轮的结构设计，再进行轴承的选择及校核，以及键的校核，最后综合,考虑整个系统及设计要求，对箱体等进行结构设计。计算说明依据传动系统的传动过程进行依次计算，在保证强度安全的前提下，对整机结构进行设计，对于某些不很重要的结构文中不做详细计算说明。本说明书以计算说明为主兼有文字论述，文中使用大量的强度计算方法及公式，以便保证言之有据，行之有理。关健词: 振动振荡建筑夯，振荡激振器，结构设计 AbstractIn the construction,the oscillation compaction equipment has been widely used.Oscillation compaction equipment for the existing low efficiency,poor compaction effect,noiseand vibration pollution of soil and other short comings of this situation is more serious.In this design a new type technology is oscillating mechanical vibrator double design,realized the principle of mechanical vibration compaction,but also retains the advantages of vibratory compaction,can be used interchangeably.The device uses low frequency and large amplitude to adapt to their own soil compaction frequency ,the amplitude of the ram expanded againrammed the building to maximize vibration energy absorbed by the soil,there by improving soil compaction.The design of the structure of the main launch for the exciter, according to known design parameters of the structural design, to determine the best plan, and demonstrate the feasibility of the structure. Re-use the results of the previous calculation of the structural design of shafts and gears, bearings further selection and verification, and the key check, and finally integrated, considering the whole system and design requirements, such as structural design of the rack. The whole working process, including the calculation in some books and corresponding technical drawings of two parts, calculation shows that transmission of the transmission process based on order of calculation. Ensuring the strength of the premise of security, on the whole structure design, for some not very important to the structure of this paper do not do detailed calculation. This manual calculation in both text-based discussion, the paper uses a lot of strength calculation methods and formulas to ensure a well-supported. Key Words:Tamper vibration oscillation architecture, Oscillating vibrator, Physical design目录1 绪论11.1课题的提出11.2振荡压实设备的发展史11.3振动振荡压实及振动振荡器工作原理21.3.1振动振荡压实原理21.3.2振动振荡器的工作原理21.4主要技术特点31.5选题的意义41.6课题主要工作41.7概念累计51.8小结62 传动装置的设计72.1 合理拟定传动方案72.2 齿轮间的传动比72.3计算传动装置的运动和动力参数82.4小结83 激振器箱体的结构设计83.1机体箱体构造83.2激振器箱体的有关尺寸93.3确定最终尺寸94 传动零件的设计104.1设计步骤104.2结构设计104.2.1带轮设计104.2.2大小伞齿轮的设计114.2.3轴设计174.2.4偏心块设计244.2.5轴承的设计254.2.6偏心块连接螺栓294.2.7键294.3小结305 箱体的设计325.1箱体的强度校核325.2箱体与底座连接与校核335.2.1确定螺栓的直径335.2.2螺栓的强度校核335.3小结356 结束语36附 录37致谢38参考文献39 第 40 页1 绪论1.1课题的提出 在土石方项目施工中,如何提高施工的效率和效果是各施工单位追求的目标,具体的讲就是如何加大填料铺层厚度,提高压实质量和生产率。要实现这一目标就必须施以切实可行的施工手段,其中包括:对压实土壤的理论研究和运用根据先进理论设计的土壤夯实机械。一般的平板式振动夯实机械因受小振幅振动原理的限制,施工中必须严格控制每铺层的厚度和作业速度,这势必影响生产率的提高。采用新的压实技术和机械是我们达到追求目标的最直接手段。近几年国外开始尝试一种新型的压实技术,突破传统压实方式,发挥夯击压实振幅大、能量大、影响力深、效果好的优势,对提高压实质量和生产率有着十分现实和重要的意义。我们从分析该压实技术特性入手,用理论推导和试验研究相结合的方法来探讨该夯实机械的特点。1.2振荡压实设备的发展史我国在土建施工中大量使用蛙式冲击夯,由于这种压实设备效率低、压实效果欠佳,_且噪声与土体振动污染较严重,所以国家机电部在1986年就曾下文要求废除蛙式冲击夯。国内厂家虽开发了振动平板夯,但由于品种单一,现有产品只适用于沥青路面的修补夯实工作,不能用于土基夯实,所以直到现在国内尚无替代蛙式冲击夯的技术与产品。国外小型压实机械以小型振动碾与振动平板夯居多,在小型建筑工程、基坑与沟槽夯实等场合,后者的应用更为广泛。规格、型号不同的几十种振动平板夯基本满足了施工的不同需求,但对于粘性土的夯实尚不能取得满意的效果。20世纪80年代起，德国HAMM公司、日本酒井公司等先后开发成功振荡压路机。他们的研究成果表明:与振动压实相比，振荡压实具有效率高、动力消耗小、噪声与振动污染程度低等优点，但压实深度稍感不足。1.3振动振荡压实及振动振荡器工作原理1.3.1振动振荡压实原理对被压实材料施加垂直方向激振力的压实称为振动压实（见图1-1.a），只施加水平方向激振力的压实称作振荡压实（见图1-1.b），而振动振荡压实则是两者兼有。 a 振动压实 b 振荡压实图1 -1 振动、振荡压实原理示意图振动压实是利用垂直方向的振动对土基连续地冲击，以达到压实目的，此时作用于土基的振动波以垂直方向为主。土基受压应力作用，沿剪切面破坏或滑移，互相填充和楔紧而密实。振荡压实依靠水平方向振动而形成一交变的激振力，通过钢轮或压板对土基施加水平方向的振动波。在水平激振力的作用下，土基产生交变剪应变；同时水平振动波可有效减少土基中的内摩阻力，降低土基的抗剪强度，使间隙加大、土颗粒下落，空气和水被排出，辅之以静压 （设备自重），从而使土基更容易密实。纯振荡由于水平振动波随土基深度的增加而衰减较快，故其深层压实效果不如振动压实；反之，纯振动压实也因缺少振荡的效应而难以达到高质量的表层压实效果。1.3.2振动振荡器的工作原理振动振荡压实技术的关键部件是振动振荡器（其示意图见图1-2）它主要由2个同轴相向旋转的偏心部件组成，当偏心矩等于（为偏心部件质量；为偏心距）时，振动振荡器只在一个平面内定向振动。图示状态时，只产生水平振动（即振荡状态）。 图1-2 振动振荡器振荡状态工作示意图单轴双回转振动振荡器主要由2个同轴相向旋转的不同形状偏心部件组成，通过4个圆弧斜齿轮组成的换向机构实现同一轴线、角速度相同、转向相反的旋转。其独特之处在于将内偏心轴与外偏心轴通过轴承安装在同一轴上，壳体、两偏心块的形状结构、支承点均对称于A-A平面,且偏心矩；当内外偏心轴反方向旋转时,离心力的合力处于一个平面上。只产生水平振动时，即振荡状态，若将振动振荡器旋转90安装，则只产生垂直振动（即振动状态）；而在090范围内任一角度，则既有水平振动又有垂直振动 （即振动振荡状态）；通过一操作手柄，可改变合力方向，即控制激振力在范围内任一平面位置可调，实现建筑夯的正反行走和振幅大小、速度快慢的调整，以及原地夯实等多项功能，操作简单、快捷。该结构不仅可实现振荡压实，又保留了振动压实的优点，从而实现纯振动、纯振荡和振动振荡3种压实状态。可根据不同压实材料或不同压实阶段，调整工作状态，以达到最佳压实效果。1.4主要技术特点振动振荡建筑夯实机具有明显的特点，与国内外同类产品技术比较见表1-1。 表1 -1 新型振动振荡建筑夯实机与同类产品技术的比较1.5选题的意义为提高小型压实机械的技术水平，开发出蛙式冲击夯的替代产品，攻克振动平板夯不适用于粘土夯实的难题。1.6课题主要工作卧轴式振荡激振器由电机通过皮带传动带动振动振荡器工作，振动振荡器为单轴双回转式。当防尘皮带轮轴带动外偏心轴旋转时，同时通过传动伞齿轮带动内偏心轴反方向旋转。这时，内偏心轴与外偏心轴上离心力的合力正好在一个平面的俩个方向上交替出现，及夯体处于振荡状态。本文的主要工作有:1.通过对振荡压实设备实际工作状况及工作机理的分析，了解振荡激振器整机模型，以及，对其进行结构分析，建立整机模型；2.文中详细说明了振荡激振器的总体设计方案；3.本文提出了该设备传动零件的设计方法和步骤，研究了一些动参数的计算及选择，给出了可供工程设计用的参数计算公式及选择方法，为整机的设计工作奠定了一定的基础。1.7概念累计1. 激振器的概念和分类激振器（vibration exciter）是附加在某些机械和设备上用以产生激励力的装置，是利用机械振动的重要部件。激振器能使被激物件获得一定形式和大小的振动量，从而对物体进行振动和强度试验，或对振动测试仪器和传感器进行校准。激振器还可作为激励部件组成振动机械，用以实现物料或物件的输送、筛分、密实、成型和土壤砂石的捣固等工作。按激励型式的不同，激振器分为惯性式电动式、电磁式、电液式、气动式和液压式等型式。激振器可产生单向的或多向的，简谐的或非简谐的激励力。2.振幅振幅大小是提高振动压实的关键。一般认为，提高转速就可以提高激振力，而提高激振力就又提高了压实度。通过实验我们发现，压实度的高低主要取决于振幅大小。测试表明，振动器的离心力与传递到土体的振动能量之间并不存在直接关系，而振幅是提高压实度的首要因素。美国建筑工业协会（CIMA）也得出了同样的结论。3. 振动由于垂直振动的作用，夯板使土壤中产生强大的冲击压力波，能量可达到建筑自重的十几倍或几十倍，使土壤得到很好的密实，而不完全是激振力。 4.振荡水平振荡作用使土壤内摩擦阻力减小,使土壤的抗剪强度降低,从而使抗压阻力逐渐变小。在重力(包括机械的重量和土壤的自重)作用下土壤易于压实。在振荡状态下,土壤颗粒之间的水平阻力减小,逐步增加颗粒之间的间隙,十分有利于土壤颗粒之间的下落或小颗粒落人大颗粒空隙之间,也有利于土壤中水和空气的排出。 5.共振土壤被密实到一定程度,就会逐渐变成一个弹性体,所以土壤相应的频率也随密实度的增加而变高。在这个土壤频率变高的过程中,其中必有一个频率与建筑夯振动频率接近或一样,因此夯体与土壤产生共振,建筑夯的振动能量和土壤自身及所吸收的能量同时被加大,共振体的振幅也被扩大,这样对土壤的压实大有好处。对多功能振动振荡建筑夯的研究在土体压实机理上提出了“振幅”的新论点,即把振幅的提高作为提高压实度的关键。大量工程试验结果表明,提高振动的转速、频率得到较高的激振力,实际上与传递到土体的振动能量之间不存在直接关系。只有在建筑夯振动频率与被压实土壤的固有频率接近或相同的条件下,夯体与土壤产生共振,再提高建筑夯的振幅,才能使建筑夯的振动能量最大限度地被土壤吸收,此时压实度将明显提高。 6.密实土壤机理1)传统的振动压实机械是将振动器所产生的高频小振幅振动传给土壤,使土壤颗粒发生接近自身固有频率的振动,靠自重相互靠近以促使土壤密实度增加;振动振荡压实是利用板面直接对土壤施加低频大振幅的冲击作用,瞬时释放出大的振动力和冲击能量,使土壤颗粒在水平方向和垂直方向产生大的运动加速度和位移,排出土体内的气体和液体,使密实度增加。2）一般的平板式振动夯实机产生激振力的振动器质量小,被压材料表面应力不大;振动振荡夯实机产生振动作用的质量大,是整个夯机,对土壤的应力变化速率大,可产生强制性的压缩作用,具有较好的夯击压实效果。1.8小结建筑业的巨大发展导致对压实机械的需求猛增,对技术性能也提出了更高要求。为此,本项目在开发多功能振动振荡建筑夯时特别注重技术创新,其创新点及对夯实机械领域技术进步的推动作用表现在以下几方面:l采用单轴双回式振子结构,使两个振动偏心块围绕一轴相反同步转动,两偏心块的合力完全集中在同一个切平面内两个相反的方向上,其它方向上合力为零。这种结构比双轴结构简单合理,激振力集中。2通过一操作手柄,可使在一个切平面内的激振力作360度旋转,从而实现振动振荡无级过渡、正反行走、原地夯实以及一定频率下振幅、速度可调等功能。3提出了“振幅”理论,把振幅大小作为提高压实度的关键。通过大量工程试验和理论分析,表明振动器的离心力(激振力)与传递到土体的振动能量之间没有直接关系,而振幅大小与压实度密切相关。2 传动装置的设计传动装置总体设计的目的是确定传动方案、计算传动装置的运动和动力参数，为计算传动准备条件。2.1 合理拟定传动方案机器一般由原动机、传动装置和工作机三部分组成，传动装置在原动机与工作机之间传递运动和动力，并藉以改变运动的形式、速度大小和转矩大小。传动装置一般包括传动件（齿轮传动、涡轮传动、带传动、链传动等）和支承件（轴、轴承、机体等）两部分。它的重量和成本在机器中占很大比重，其性能和质量对机器的工作影响也很大。因此合理设计传动方案具有总要意义。本次设计设定的原动机输出功率为7.5kw，带传动的承载能力较小，传递相同转矩时结构尺寸较其它传动形式大，但是传动平稳，能缓冲减振，而该激振器应避免有害振动，以减小对激振器本身所产生激振力的影响，所以电动机和主传动轴之间选择带传动，同时，考虑到激振器箱体较大，齿轮传动不宜采用机体内部浸油润滑，且本次设计的卧轴式振荡激振器为重型机械，对齿轮传动的维护维修不易，故齿轮传动采用箱体外布置，综合考虑，传动方案如下：1.齿轮传动形式为圆锥斜齿轮传动，圆锥斜齿轮一般只需计算轮齿的弯曲强度，考虑齿面磨损，锥齿轮传动一般用于低速，为使支撑结构简单，常采用斜齿。2.由于润滑和密封条件差，灰尘大，要注意材料配对，使轮齿具有较好的减摩和耐磨性能；大齿轮材料应考虑其毛培尺寸和制造方法。3.锥齿轮支承刚度较小，齿宽系数应取小一些，以减轻轮齿载荷集中。4.检查齿轮尺寸与传动装置和工作机是否相称。2.2 齿轮间的传动比参考振动机械的理论与动态设计方法，单轴双回转振荡激振器包括一个高速轴及另一个反向等速回转的低速轴，通过参照类似机械的设计经验，初步确定本次设计的V带传动传动比=2.8，两个偏心轴之间传动比=3.57。2.3计算传动装置的运动和动力参数为进行传动件的设计计算，要推算出各州的转速和转矩（或功率）。1.各轴转速初步选定外偏心轴的转速=514.9r/min,所以内偏心轴的转速，=144.06 r/min。2.各轴的输入功率设计时不考虑损失，故防尘皮带轮轴的输入功率为： 7.50.9937.4kw不考虑各轴之间的传动损耗，则内偏心轴的输入功率为26.9kw。2.4小结本章确定了整机的传动方案，采用两对相同的大小伞齿轮传动，并给出了合适的传动比i=3.57。初步计算出了所需的运动和动力参数如：=514.9 r/min；=144.06 r/min。设计时不考虑损失7.4kw，6.9kw。3 激振器箱体的结构设计3.1机体箱体构造激振器箱体是用以支持和固定轴系零件，箱体结构对振动振荡建筑夯的工作性能、加工工艺、材料消耗、重量及成本有影响，设计时要全面考虑。根据设计要求，设计结构简图如图3-1所示：图3-1 激振器外形简图3.2激振器箱体的有关尺寸机体材料多用铸铁（HT150或HT200）制造，但在重型机体中，为了提高机体强度，又有用铸钢铸造的。铸造机体重量大，适于成批生产。机体也可用钢板焊接而成，且焊接机体比铸造机体轻1/41/2，生产周期短，但焊接是容易产生热变形，故要求较高的技术，并应在焊接后退火处理。而本设计是有针对性的，不打算批量生产，而且箱体体积较大，不易铸造，所以选择用铸铁激振器箱体，借鉴减速器铸造箱体的尺寸经验公式，计算激振器箱体的有关尺寸。箱体壁厚：=10mm螺栓直径：d=8mm3.3确定最终尺寸确定激振器箱体的最终结构尺寸为长宽高：405290290mm， 4 传动零件的设计4.1设计步骤1. 方案设计通过查阅资料、调研、测绘等工作，利用经验及类比等方法，初步确定包括激振系统、振动框架、传动系统等的激振器的总体结构。2.结构设计根据确定的结构、参数等进行各个零部件的详细设计，包括零部件的刚度与强度分析、具体结构设计等，完成激振器的图纸设计。4.2结构设计4.2.1带轮设计计算功率：由表查得工况系统=1.4故=1.4*7.5=10.5;选择胶带型号：依=10.5KW，=514.9r/min由图确定型号，A型；确定带速/基准直径：由表得，取=75mm，考虑弹性滑动时带轮直径=（1-）=100mm。校核带速：v=/(60*1000)=3.14*125*1440/(60*1000)=4.71m/s25m/s带速合适；初选中心距：按0.7（）2（）,308d=10.28）故选取 d=8mm 的螺栓连接。4.2.7键 内偏心轴上相联处键的校核1.键的选择内偏心轴与锥齿轮的轴向定位采用圆头平键连接，由表6-1查得平键截面14X9 键槽用键槽铣刀加工，长为46mm。2.键的校核键，轴和轮毂的材料都是钢，由表6-2查得许用挤压应力 取其平均值，。键的工作长度 ， 键与轮毂槽的接触高度 则 ： 所以此键安全 防尘端盖轴上相联处键的校核3.键的选择带轮与防尘端盖轴的轴向定位采用头平键连接，由表6-1查得平键截面16X10 键槽用键槽铣刀加工，长为27mm。4键的校核 A锥齿轮与轴连接的键键，轴和轮毂的材料都是钢，由表6-2查得许用挤压应力 取其平均值，。键的工作长度 ， 键与轮毂槽的接触高度 则 ： 所以此键安全。 B斜齿轮与轴连接的键 同理与上得： 所以此键安全4.3小结在本章中，以前面的工作为基础，提出了振荡激振器的设计方法和步骤，重点计算了一些传动零件的选取与计算如下：大伞齿轮：模数m=2mm,齿数z=61，分度圆直径d=175mm；小伞齿轮：模数m=2mm,齿数z=21，分度圆直径d=72mm；装偏心块处轴的最小直径=47mm 。小偏心块参数：长：50mm； 宽：30 mm；高：55 mm ；质量：m80.03kg 。大偏心块参数： 长: 127 mm；宽60mm；高：160mm；质量：m=96.32kg 。轴承：1.6211型的深沟球轴承 2.30220型的圆锥滚子轴承 3.706AC型的角接触球轴承偏心块连接螺栓：公称直径 d=8 ,螺距 p=1.5 。键：1.普通平键：bhL =161027mm ，材料为 45 钢 。 2.圆头平键：bhL=16946mm，材料为45钢。 5 箱体的设计5.1箱体的强度校核箱体材料选为Q235钢，查机械设计手册表18-2-14，材料挤压许用应力为。箱体结构如图 5-1所示：图51 箱体主视图 已知小轴承对箱体的最大作用力为：Fr=153KN；作用面积： A=340114=38760mm；所以挤压应力为：=3.95MPa,即箱体合适。5.2箱体与底座连接与校核箱体与箱盖采用高强度螺栓连接如图5-2，螺栓数z=4,对称布置，连接形式如图5-2。图 5-2 螺栓连接 5.2.1确定螺栓的直径根据经验初选螺栓直径为M8（螺纹小径d=8.376mm），因为螺栓联接的处底板厚度为40mm，参照机械设计手册表5-1-84选择螺栓长度为l=60mm，螺栓材料为Q235、性能等级为4.6，由表5-8查的材料的屈服极限，由表5-10查的安全系数S=1.5，故螺栓的许用应力为。5.2.2螺栓的强度校核1.螺栓受力分析激振器只在水平方向振动，垂直方向的振动被抵消，即螺栓联接处只受到横向力作用，当偏心轴质心同时在最右边或最左边是，螺栓受的剪力最大，计算如下： F=2+2 （5-1）=296.3295(12) +280.0335(24)=512KN2横向力的作用下，底板联接结合面可能产生滑移，根据底板结合面不滑移条件 文献【6】 （5-2）显然，螺栓在垂直方向受的力，取防滑系数，则各螺栓所需要的预紧力为： =11475N 文献【6】 （5-3）由公式得： mm 文献【6】 （5-4） =8.1mm显然，初选螺栓符合要求。3.校核螺栓所需的预紧力是否合适参考式（5-2），对碳素钢螺栓，要求： 文献【6】 （5-5）已知=240Mpa，A=mm=84.5mm取预紧力下限即： 0.6=12168N要求的预紧力F=11475N，小于上值，故满足要求，即初选螺栓合适。有经验定螺栓与箱壁、边缘的距离如图7-6所示，C1=14mm，C2=14mm。螺栓分布如图5-3。图 5-3螺栓布置5.3小结本章简要介绍了箱体的选材（Q235），并校核了箱体的强度。确定了箱体与箱盖的连接，采用M8的螺栓连接，对称布置，一边2个，校核了螺栓连接强度，并给出了螺栓的布置方式。6 结束语本文主要设