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自动售货机的设计[含CAD图纸和说明书等资料]

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内容简介:
35第一章 绪 论时间过的真快,大学生活即将结束。通过大学三年的学习生活,我在知识水平和实际工作能力方面都有很大的提高。这是在老师的殷切指导和无限关怀下才有的结果。没有老师传授知识的热忱,我们就无法更好的掌握和理解书本上的知识。在这里我要向诸位老师说一声:“老师,您辛苦了。”毕业设计是在完成全部基础课,专业课,课程设计和毕业实习后进行的,是为培养机械工程师的基本技能而安排的,是整个教学过程中最重要的教育环节,是对我们三年来所学过的知识的综合运用的全面考察和检测。毕业设计的目的是培养我们独立从事科学研究的方法,步骤和工作能力,进一步提高我们的设计水平,让我们将所学到的知识更加系统化,条理化。在本次设计中,由于本人的知识和设计水平有限,实际经验的缺乏,设计中难免有一些缺点,恳请诸位老师给予批评和指导。在设计中我经常想老师们请教问题,得到了老师的指导和帮助。得以完成毕业设计。忠心的感谢各位老师,这使我在理论和实践运用方面有所提高,也让我看到了自己的缺点和不足,我将引以为戒,力争在近乎的工作岗位上不断的完善知识结构,更好的完成本职工作为母校争光。第二章自动售货机的发展史及目标意义自动售货机发展简史自动售货机最早出现在二十世纪五、六十年代的西欧,当时在美国的地铁系统中,人们可以用1美分在自动售货机上买到一块口香糖。作为一种全新的零售方式,八十年代以来,自动售货机在美、日等发达国家得到了迅速地普及和发展:被广泛地布放于车站、油站、码头、机场、宾馆、写字楼、娱乐场所及大街小巷和公路旁。人们通过自动售货机可以买到食品、香烟、饮料、报纸、票、卡甚至鲜花和小宠物等物品。目前自动售货机是一种集声、光、机电一体化的高新智能化产品。它诞生的历史至今发展过程如下:诞生于公元前215年的古埃及神庙,用于分配圣水。1700年,英国酒馆里有了能用硬币购买的售烟盒。1706年,中国人造出使用硬币操作的自动售铅笔机。1905年,美国邮局开始使用邮票售卖机。20世纪20年代,商用的自动售烟机开始进入市场。1936年,NAMA(国际自动售货机协会)成立。1946年,发明出自动售咖啡机。1960年,纸币兑换机出现在银行柜台。1980年,电子组件装备自动售货机。1985年,信用/借计卡消费在自动售货机上实现。1993年,自动售货机机器数据无线传输实现。2000年,手机购物在自动售货机上实现。2.1自动售货机的发展现状 2.1.1 国外现发展状自动售货机商业起源于20世纪60年代,在美国、日本迅猛发展。20世纪80年代,开始在经济发达国家迅速普及,销售商品领域相应扩大。目前世界上已有近50个国家广泛普及。日本有近600万台自动售货机,平均23人拥有1台。美国有近700万台自动售货机,平均40人拥有1台。欧洲平均每60人拥有1台自动售货机。日本可口可乐公司已拥有近100万台自动售冷饮机,每台机器年售出上万罐饮料。日本可口可乐在自动售货机的销量占其总销量的70。全世界每年通过自动售货机销售商品的总额已近2000亿美元。2.1.2国内发展现状1993年,日本、美国、韩国的二手自动售货机进入中国,只能识别人民币硬币。 1995年,可口可乐、百事可乐开始小量布放使用硬币的自动售冷饮机。 1997年,南开戈德开发出“GD人民币智能识别系统”。 1998年,南开戈德自行研制成功“GD自动售货机”,成为我国第一家规模生产同时识别纸币硬币自动售货机的公司。 1998年,加拿大“科汇”公司在广州开始销售、摆放“Vendo”等进口机器。 1998年10月,南开戈德组建“天津戈德微超贸易有限公司”(现“天津戈德移动商务有限公司”前身),成为国内第一家规模经营自动售货机的单位。 20002001年,青岛“澳柯玛”、番禺“智强”、广州“金沙”、长沙“艾博” 等相继进入自动售货机行业。管理部门投入少,产出高能获得较高的经济效益,学生可以选购物美价廉的货品;管理部门无需为日常的管理投入大量人力、物力,节省了管理费用,通过查询功能可以快速的统计销售额,管理科学、方便。 自助式的智能消费提高了整个管理部门的档次,并为“校园一卡通”的实现奠定了基础,充分体现了文明、现代化的气息。 安全性:门锁与柜体、货仓同时连接,取物口采用翻板式结构,防止手臂伸入货仓。本机门逢、铰链、视窗、柜背板和柜底板等处都有防水结构,电源箱采用吊装,压缩机接线密封并可靠接地,安全性可靠。发展前景:自古以来,人类生产活动都是与技术关联在一起的。进入文明社会后,科学通过其应用转变为新技术,介入到人们的生产、经营活动之中。自动售货机是第二次世界大战以后迅速发展起来的一种零售业态,在二十世纪五十年代曾风靡美国和欧洲等一些国家;到了二十世纪八、九十年代,世界上一些发达国家的自动售货机发展已达到相当高的水平。这是科学技术运用于市场经济的重大成果,是社会经济发展的必然结果。自动售货机的起源和兴起自动售货机的起源比较早,早在古希腊时,科学家希罗设计了一种发放圣水的壶,当地居民投入一枚银币,就能从壶嘴中流出一股圣水,这种运用杠杆原理制作的圣壶可谓是自动售货机的鼻祖。在17世纪初的英国酒馆里,也出现了投币式的自动售货机,顾客往币孔中投入一便士,箱盖的锁就自动打开,顾客可取出烟斗用的烟丝。这种交易方式是建立在对客人十分信任的基础上的。1867年,德国的卡尔阿丹取得了自动售货机的专利,主要销售手帕、纸烟、点心等。英国的埃贝利设计的明信片售货机是最早取得商业成功的自动售货机。1886年,埃贝利在美国申请了专利。1888年美国开始使用自动售货机,并在短时期内迅速普及。1895年德国人开始研制自动售货机餐馆。到了二十世纪二十年代,自动售货机的功能已经比较完善了。虽然自动售货机的起源比较早,但是整个行业的勃兴还是在第二次世界大战以后。促使其兴起的缘由主要以下几个方面:(1)第二次世界大战以后,市场竞争日趋激烈,国际保护主义抬头,导致外销萎缩。制造厂商为了寻求产品出路,只能转向内销市场发展,因此扩大销售便成了增加商品行销的主要途径,而零售形式的更新也是吸引销售的重要因素。(2)在一些资本主义国家,第一产业和第二产业具有相当规模,劳动生产率空前提高,商品充足、质量保证,商品的包装和宣传也得到重视,这一切无不为商业流通领域的发展提供了强大的物质基础。(3)由于地窄人稠的城市集中化日益发展,造成店面紧张、店租高涨,传统的店面行销方式面临越来越大的挑战,促使了自动售货机的迅速发展。(4)社会经济的发展和生活水平的提高使消费者在消费形态上产生了新的要求,传统的零售业形式已不能完全满足人们的这种新要求,尤其是对个性化的消费趋势和对新产品的接受程度提高,而自动售货机正是具有这种满足购物者需求的特性。(5)自动售货机可使消费者以最简便、快捷的方式完成购物过程,社会的发展促使人们的生活节奏加快,人际关系疏远,而自动售货机能针对这一特点,使顾客在轻松、自由和没有防卫心理的气氛下购物。(6)零售业经过一定时期的不景气,企业期望改变经营方式,追求合理化的经营,包括积极更新经营面貌,参与新形态的经营方式等。总而言之,是经济的发展冲击了传统的市场零售方式,对自动售货机的发展起到了巨大的推进作用。自动售货机在部分发达国家的发展应用:(1)自动售货机在美国的发展大致经历了三次“革命”,第一次是四“C”(即咖啡、糕点、糖果、香烟)的零售自动化;第二次是食品供应的完全自动化;第三次是多种多样商品出售的自动化。从技术上来看,美国在二十世纪三十年代初就为自动售货机增设了冷藏设施,用以出售冰淇淋、瓶装饮料。到二十世纪五十年代,自动售货机被广泛应用于出售各种预先包装好的食品;以此代替和补充传统的食品供应方式;到了二十世纪八十年代,全美国有7000多家自动售货公司、600多万台自动售货机。目前,美国是世界上拥有自动售货机最多的国家。(2)加拿大的自动售货机在应用新技术方面比较领先,他们的自动售货机有相当一部分已摒弃投币的方式,而是应用一种具有先进信息功能的纽扣式触摸技术,只要将戴在手上的形似戒指或串在钥匙圈上的信息纽扣与售货机接触一下,交易信息就会准确无误的记录下来并及时发送到信息管理中心进行处理。(3)英国是开展自动售货服务最早的国家之一。英国的自动售货机是在1942年从食品行业开始的。1950年,食品杂货行业的500家采用自动售货方式,到1968年猛增到23000家,1988年与1968年相比又增加了45倍之多。经营商品的范围也从原来的饮料、食品等扩大到文化用品、唱片等行业。20世纪70年代,英国有40多万家香烟、饮料商店采用自动售货机售货并以此作为对企业经营的一种重要补充。1980年英国有这一类的商店达到50 万家,年销售额881亿英镑。到了销售吕种,开拓服务范围。至二十世纪八十年代初,法国的自动售货机已将近200万台,出售的商品种类特别多。尤其在四通八达的多层地铁的各个站点,自动售货机出售的商品多达数千种。(4)日本的自动售货机业态发展神速,自二十世纪五十年代后期引进自动售货机后,很快就受到广大消费者的青睐。为了适应自动售货机的需求,日本政府曾发行了大量的硬币,方便人们使用售货机。目前日本已拥有600 多万台自动售货机,平均每20人就有一台,是世界上人均拥有量最高的国家,这些机器每年创造着价值400 多亿英镑的利润,日本各大城市的街头巷尾遍布自动售货机,成为日本零售额收入的重要组成部分。自动售货机在我国的起步与发展:据初步统计,我国进入市场的自动售货机约三、四万台。1993年,由日本和韩国进口的能够接受人民币的自动售货机在我国的广东省和上海市开始出现,引起了过往行人的驻足观看,成为都市景观的一道亮丽风景线。人们感到新奇、方便,想喝什么饮料,想买什么小商品,不再是人与人一对一的你卖我买,只要投入适量的钱币,需要的东西就出来了。之后,自动售货机在我国东南沿海地区逐渐推广。目前,这类能够接受人民币硬币的自动售货机已经扩展到内地以及西部城市,从上海、北京、天津到武汉、沈阳、西安、昆明、乌鲁木齐等,出售的商品有饮料、报刊、糖果、小食品等等。作为国内最大的自动售货机生产厂商之一的天津市戈德微超贸易公司于1998年在天津市铺设100 多台自动售货机作为首批试点。不久,有相当一部分市民接受了这种售货方式,虽然初期赢利并没有想象中的那么乐观,但这种新的消费时尚已被市民所接受。戈德微超贸易公司于2000年内在天津市的主要繁华街道和车站、码头、学校、居民小区等人流集中的场所摆放了1000台左右的自动售货机,主要提供饮料、香烟、食品等,以满足市民的需求。经初步统计,在天津市一台自动售货机每天平均销售额为二百元,年销售额为七万多元。戈德微超贸易公司对自动售货机的网络化经营很有信心,他们称要争取自动售货机早日在街头“遍地开花”。在北京,自动售货机主要集中在机场、一部分大医院和高档写字楼里,虽然应用还不够普及,但北京市的相关部门认为,北京作为一个现代化的国际大都市,需要有先进的市容环境和国际化的规范服务,所以要在北京尽快的推进自动售货机业态发展。2000年起,北京的一些大学校园、大商场门口陆续新添了漂亮的自动售货机,引起了人们的关注和兴趣。北京市还计划将在城市的地铁站、公园、闹市、部分街道等地方安装自动售货机,目前已着手安装的准备工作。在上海,相对于超市、大卖场等来说,自动售货机的发展比较迟缓。九十年代以来,上海引进、推出了少量自动售货机,得到了一部分消费群体的认可。上海市区自动售货机的投放主要分布在机场、地铁车站、闹市、宾馆等场所,并以出售饮料为主。近年来的上海南京路步行街等场所矗立起的一批由天津戈德电子有限公司生产的自动售货机,它们无论在外观形态上还是在实际使用上,都比以前有很大的进步。当然,与世界上一些发达国家相比,上海的差距是太大了。从总体上来说,上海街头的自动售货机数量比较少,技术不够先进,能接受的人还不多,发展不尽如人意。这其中是由多方面的因素造成的。近年来,我国自动售货机的制造技术已有瞩目的发展。天津南开大学戈德电子有限公司近年来依托南开大学的科技优势,开发防伪识别技术、数码技术和软件技术,将识别纸币自动售货机作为研究方向,已成功解决了人民币纸币的防伪识别和认读难题,现已掌握自动售货机的关键技术,为自动售货机在中国的推广提供了良好的条件。目前,戈德电子有限公司生产的自动售货机在市场上的影响力正在迅速扩大,产品的质量不断提高,成本也不断的下降。另外,沈阳东宇自动售货设备有限公司生产的东宇牌自动售货机在质量、外观、功能上都比较先进,受到广大用户的好评。自动售货机在任何一个国家的发展与该国的经济必然有着密切的关联,相对来看,经济发达国家的自动售货机业态发展神速,而发展中国家或经济落后国家的自动售货机业态发展滞后。我国是一个改革开放的国家,尤其是在加入WTO 以后,我们的经济在各方面要与国际接轨。虽然目前我国的自动售货机业态还不发达,但随着流通领域日新月异的变革和人们消费观的进步,相信在不久的将来,自动售货机一定会在我国各大城市的大街小巷中“遍地开花”。2.3发展目标 随着社会的不断进步与发展,最终是要实现理想的社会主义,那么精神生活就一定要与物质生活同时进步,为此为了满足市民的要求,那么相应的公共设施就一定要跟得上社会的进步,在国外也同样,一种简单的售货机也代表着该国家的发展水平,它就是文明社会的一个简单的代名词,所以我们一定满足市民的物质文化要求,相应的在各个公共场合设立这种饮料售货机,自然提高了市民的消费水平,提高了市民的生活水平,最终的发展目标就是能在大家都需要的地方设立这种方便大家的售货机,让人们能随时方便的购买所需要的饮料。2.4技术参数技术参数 :产品名称 听装饮料自动售货机 放置环境 室内、外 机器内部温度 环境温度在-15到40时,机内温度为3到5 触电保护类型 I类 外观尺寸 18022*904*726mm(高*宽*深) 重量 机器净重约270Kg 地角螺丝调节量 20mm 电压 交流220V (+10% -15%) 频率 50Hz 额定电流 制冷时3.5A,加热时6.5A 货物容量 听装饮料:360听(直径66mm,长度123mm或直径66,长度90) 硬币器容量 约600枚 使用人民币 1元和5角硬币。第三章总体设计方案现有自动售货机机中易拉罐出罐机构主要有以下几中方式:(1)弹簧推动方式:此结构的特点是易拉罐置于螺旋式弹簧上,弹簧一端连接电机,电机转动一圈,弹簧推出一罐易拉罐。这种结构实现简单,但是每根弹簧能带动的数量有限,因此机器内货道数多,电机的功率增大,成本高,并且处于高层的易拉罐下落时容易破,而且会砸伤机器。(2)转盘方式:其结构是在大圆盘圆周边开有小槽,易拉罐位于槽内,电机带动转盘,转盘带动易拉罐沿转盘圆周运动,当易拉罐运动到指定位置时3便下落出货。这种结构主要的缺点是转盘圈内大量空间浪费,机器装罐量低,另外高层下落容易砸伤机器。(3)电磁铁吸合方式:这种结构利用三角形原理,三角形的第一边长度可以伸缩,第二边和第三边长度固定。电磁铁固定在第一边上,当吸合时,第一边伸长,而用于支撑易拉罐的二三边的交点高度就会降低,易拉罐便可以下落出罐;当电磁铁离合时,一边缩短,二三的交点会升高,支撑阻挡住其余住易拉罐不下落,这种结构对电磁铁的控制要精确,否则影响出罐质量,并且只适合垂直排货道内罐装数量不能太多。等等,所以我综合考虑后设计了一个利用电磁结构的售货机,它的综合性程度要比以上的都合理,简单,实用。下面我就分布先介绍一下各个部分的选择。3.1采用电磁控制为了避免结构设计的复杂,控制的驱动部分采用电磁控制。首先,当机柜通电时,两个电磁机构都不工作,当有收钱信号和选择信号时,该选择的储物槽侧面的电磁系统工作,底部的电磁系统不工作,那么侧面的挡物板卡住以上所有的货物,在经过信号接入,底部电磁控制开始工作,螺杆向牵引方向移动,翻板一侧没有支撑物,会随着饮料的自身重力下坠,推开翻板下落,然后翻板靠翻转弹簧的弹力返回原位置,这时信号再次接入,底部电磁机构停止工作,翻板再次可以继续承受重力,信号再次接入,侧面的电磁机构停止工作,上方饮料靠自身重力自然下坠。然后再重新开始。3.2采用双层结构设计采用双层结构设计是为了尽量的避免浪费空间,而增加存货量,所以采用同结构同原理的设计方法。每层储物槽都采用调距板来控制饮料的长短和活动空间,因该听装饮料的规格普遍有两种,一种是66123,另一种的是6690。而第一种是最普遍的,所以为了满足大部分的市场供应要求,把每格储物槽的长度设计为140,宽度为70,因为这个间距是可以调整的,所以也可以把长度缩短为100,宽度不变,这样也方便第二种饮料的安装。这个调距槽是随时可拆卸的,为了就是便于再向第二层里安装饮料,这样就不可以用手了,因为槽的宽度不够,手无法伸进去,所以用一种专业的抓手来安装饮料,不过这样会影响装饮料的速度,但为了空间和储货多两种想法考虑后,这种设计方案是可行的。设计时,只设计了九种选择按纽,因为听装饮料的样式不是很多,所以9种即可,设计为两层,所以设计为前后两层都放同一种饮料,控制部分可由单片机来完成,前一个出完后,后面的下次再出。第四章 机械结构的设计及计算4.1轴的设计及计算4.1.1轴的选用计算 轴是组成机械的一个重要零件。它支撑着其他转动件回转并传递转矩,同时它又通过轴承和机架连接。所有轴上零件都围绕轴心线作回转运动,形成了一个以轴为基准的组合体-轴系部件。所以,在轴的设计中,不能只考虑轴的本身,还必须和轴系,部件的整个结构密切联系起来。轴按受载情况分:a. 转轴 既支撑传动机件又传动动力,即承受弯矩和扭矩两种作用。b. 心轴 只起到支撑旋转机件作用而不传递动力,既只承受弯矩作用。心轴又可分为固定心轴(工作时轴不转动)和转动心轴(工作时转动)两种。c. 传动轴 主要传动动力,即主要承受扭矩作用。本设计中采用的是心轴。轴的结构设计轴的结构决定于受载情况,轴上零件的布置和固定方式,轴承的类型和尺寸、轴的毛坯、制造和装配工艺几安装、运输等条件。轴的结构应是尽量减少应力集中,受力合理,有良好的工艺性,并使轴上零件定位可靠,拆装方便。轴的材料选择45号钢,直径是10毫米。3.1.3轴的结构计算 心轴许用弯曲应力计算公式 -轴计算截面上的工作应力 MPa:d-轴的直径mm; M-轴计算截面上的合成弯矩 N。mm; T-轴计算截面上的合成弯矩 N。mm;-根据扭应力变化性质而定的校正系数该心轴在此设计中只需要计算剪切强度 破坏剪力 (1)将此破坏剪力除以剪切面积A,得到事件的剪切极限应力为 (2)将除以安全因素n,即得到许用切应力 (3)此时构件的工作最大载荷F为80牛,剪切面积为4所以根据公式(2)得出该心轴的的最大剪切应力为远远小于它的许用切应力所以该轴满足强度校核。轴的结构设计的任务,就是在满足强度、刚度和振动稳定性的基础上,根据轴上零件的定位要求及轴的加工、装配工艺性要求,合理地定出轴的结构形状和全部尺寸。1.轴结构的组成轴主要由轴颈、轴头、轴身三部分组成,轴上被支承部分叫做轴颈;安装轮毂部分叫做轴头;连接轴颈和轴头的部分叫轴身。2.零件在轴上的定位1)零件在轴上的轴向定位:零件在轴上的轴向定位方法,主要取决于它所受轴向力的大小。此外,还应考虑轴的制造及轴上零件装拆的难易程度、对轴强度的影响及工作可靠性等因素。常用轴向定位方法有:轴肩(或轴环)、套筒、圆螺母、挡圈、圆锥形轴头等2)轴上零件的周向固定常用的周向固定方法有键、花键、成形、弹性环、销和过盈配合等联接。4.1.2轴的分类1. 按照轴线形状分类:轴可分为直轴、曲轴和软轴(1)直轴:直轴按外形不同可分为光轴、阶梯轴及一些特殊用途的轴,如凸轮轴、花键轴齿轮轴及蜗杆轴等。(2)曲轴:曲轴是内燃机、曲柄压力机等机器上的专用零件,用以将往复运动转变为旋转运动,或作相反转变。(3)软轴:软轴主要用于两传动轴线不在同一直线或工作时彼此有相对运动的空间传动,也可用于受连续振动的场合,以缓和冲击。2.按照所受载荷性质分类:轴可分为心轴、转轴和传动轴。(1)心轴:通常指只承受弯矩而不承受转矩的轴。如自行车前、后轮轴,汽车轮轴。(2)转轴:既受弯矩又受转矩的轴。转轴在各种机器中最为常见。(3)传动轴:只受转矩不受弯矩或受很小弯矩的轴。车床上的光轴、连接汽车发动机输出轴和后桥的轴,均是传动轴。此设计轴为传动轴。4.1.3轴的材料和毛坯1.轴的材料:首先应有足够的强度,对应力集中敏感性低;还应满足刚度、耐磨性、耐腐蚀性及良好的加工性。常用的材料主要有碳钢、合金钢、球墨铸铁和高强度铸铁。选择轴的材料时,应考虑轴所受载荷的大小和性质、转速高低、周围环境、轴的形状和尺寸、生产批量、重要程度、材料机械性能及经济性等因素,选用时注意如下几点:(1) 碳钢有足够高的强度,对应力集中敏感性较低,便于进行各种热处理及机械加工,价格低、供应充足,故应用最广。一般机器中的轴,可用30、40、45、50等牌号的优质中碳钢制造,尤以45号钢经调质处理最常用。(2) 合金钢机械性能更高,常用于制造高速、重载的轴,或受力大而要求尺寸小、重量轻的轴。至于那些处于高温、低温或腐蚀介质中工作的轴,多数用合金钢制造。常用的合金钢有:12CrNi2、12CrNi3、20Cr、40Cr、38SiMnMo等。(3) 通过进行各种热处理、化学处理及表面强化处理,可以提高用碳钢或合金钢制造的轴的强度及耐磨性。特别是合金钢,只有进行热处理后才能充分显示其优越的机械性能。(4) 合金钢对应力集中的敏感性高,所以合金钢轴的结构形状必须合理,否则就失去用合金钢的意义。另外,在一般工作温度下,合金钢和碳钢的弹性模量十分接近,因此依靠选用合金钢来提高轴的刚度是不行的,此时应通过增大轴径等方式来解决。(5)球墨铸铁和高强度铸铁的机械强度比碳钢低,但因铸造工艺性好,易于得到较复 杂的外形,吸振性、耐磨性好,对应力集中敏感性低,价廉,故应用日趋增多。选得:轴为45钢4.1.4失效形式与设计准则1 轴的失效形式:主要有因疲劳强度不足而产生的疲劳簖裂、因静强度不足而产生的塑性变形或脆性簖裂、磨损、超过允许范围的变形和振动等。2.轴的设计应满足如下准则:(1)根据轴的工作条件、生产批量和经济性原则,选取适合的材料、毛坯形式及热处理方法。(2)根据轴的受力情况、轴上零件的安装位置、配合尺寸及定位方式、轴的加工方法等具体要求,确定轴的合理结构形状及尺寸,即进行轴的结构设计。(3)轴的强度计算或校核。对受力大的细长轴(如蜗杆轴)和对刚度要求高的轴,还要进行刚度计算。在对高速工作下的轴,因有共振危险,故应进行振动稳定性计算。4.2电磁铁应用设计计算方法电磁铁不仅是许多自动化电器元件的主体,就是在一般工业技术中也常用到。随着工农业生产和科学技术的蓬勃发展,生产过程的机械化、自动化使得电磁铁的应用范围日益扩大。电磁铁是一种通电后对铁磁物质产生吸力,把电磁能转变为机械能电器,许多自动化电器和自控遥控中操纵各种气阀、油阀的电磁阀都是以电磁机构为主而构成的。4.2.1电磁学基本原理 单位面积穿过磁力线条数称磁感应强度。用公式表示为: (1)式中 B-磁感应强度(高斯); -磁通(麦); S-截面积()磁通沿着磁路流通时主要经过导磁体和气隙两部分,磁通流过导磁体和气隙时要受到一定阻力,这种阻力称为磁阻,用符号表示为,磁阻倒数为磁导,用符号表示为G,两者关系为: G= (2)式中 G-磁导(亨);-磁阻(1/亨)磁路中的磁势定义为: (3)式中 I-电流(安培); W-匝数。式中的为单位换算进去的常数。磁阻的大小与磁路长度成正比,与磁路截面积成反比,两者关系表示为: (4)式中 L-磁路长度(厘米); -导磁系数(亨/厘米)。根据磁阻一磁导两者的关系这个式子为: 如果是恒定的空气气隙导磁系数那么磁导的表达式为: (5)式中中 -气隙中磁导(亨) -空气导磁系数,等于1.25亨/厘米;-气隙长度(厘米)。磁感应强度与磁场强度之间也有一定的表达式,他们之间用不同的材料的导磁系数联系,即: (6)式中 H-磁场强度(安匝/厘米)。将空气的导磁系数=1.25亨/厘米代入(6)式得到: B=1.25H (7)由此可以看出空气中的磁感强度是磁场的1.25倍。单位同前。 如果将(6)式中的表达式带入(4)可得到磁阻的另一表达:式: (8)_由于磁路与电路有它的相似性,所以用基尔霍夫第一定律,第二定律得出表达式为: (9) (10)式中符号代表总和的意思,磁压的方向与磁通一致时取正号反之取负号. 法拉第通过实验创造了感应电势的表达式:此表达式实际用起来很不方便由此可以化成实用的表达式: (11)其中 E-感应电势有效值(伏);-磁通最大值(麦);W-线圈匝数。感应电势的方向由楞次定律确定。即磁通增加电阻时阻碍磁通增加。磁通减少时不阻碍磁通减少。4.2.2电磁铁吸力计算当线圈通电是就产生一定大小的磁通,磁通的一部分经过电磁铁的铁心和衔铁而形成闭合回路。此时衔铁被磁化而产生电磁力。因为磁力线具有收缩能力,所以电磁力方向指向铁心。如果磁极端面上的磁通量的分布是均匀的并且电磁铁处在吸合位置或接近吸合位置时所产生的电磁力为: (12)式中 -气隙中磁通(麦) -气隙中磁感应强度; S-磁极端面初截面积。 在计算较大气隙所产生的吸力时,可以把上式加上一个休正系数,用来修正大气隙磁通不均匀分布所产生的误差。这时上式改写为: (13)式中 -修正系数,经验越为35 -气隙长度(厘米)。直流电磁铁吸力的计算电磁铁吸力计算可归纳为两大类:第一类已知电磁铁激磁安匝IW,根据磁路计算出响应的磁通,在代入吸力公式计算出吸力F;第二类已知吸力F大小,在通过吸力公式算出所需的磁通,然后由磁路计算出所需的磁势IW值。一般电磁铁若他的磁感应强度B不很高,磁路处在不饱和情况下,气隙很小时,则漏磁通是较小的,做磁路计算时可以忽略不计。如果气隙较大时,磁通值较大,这时考虑漏磁通影响。另外铁心磁阻也影响较大,计算吸力公式时也应考虑进去。因为本次设计力求结构简单方便,所以就采用直流电磁铁。4.3弹簧的选用设计及计算该设计中选用的压缩弹簧材料为Ni42CrTi 该材料的特点为耐腐蚀,弱磁性,高弹性,这在设计思路中其到了很好的效果。首先耐腐蚀,因为机柜中采用了制冷压缩机,而且里面装的都是饮料(液体),所以难免里面会有水蒸汽,如遇空气易产生腐蚀性的酸,该材料的这个特点正好避免的它易腐蚀性。其次显弱磁性,因设计中采用的是电磁控制,所以对一般的金属物质容易产生磁化,会对结构反映产生一定的滞慢动作,该材料显弱磁性,因此也避免了它的磁化而带来的负面效应。再次高弹性,因该材料的弹簧弹性高,对与应用压缩弹簧的结构中是最难得的,它的寿命也因此可以长久。所以我选用该材料做为弹簧的选用材料弹簧功用弹簧是通过其自身产生较大弹性变形进行工作的一种弹性元件。在各类机器中的应用十分广泛。其主要功用是:1)控制机械的运动,例如内燃机中控制气缸阀门启闭的弹簧、离合器中的控制弹簧;2)吸收振动和冲击能量,例如各种车辆中的减振弹簧及各种缓冲器的弹簧等;3)存储和释放能量,例如钟表弹簧、枪栓弹簧等;4)测量力的大小,例如弹簧秤和测力器中的弹簧等等。弹簧参数的计算弹簧总圈数与其工作圈数间的关系为:=25弹簧节距t一般按下式取:;t=d =1.2 (对拉伸弹簧);弹簧钢丝间距: = t-d ;弹簧的自由长度: H = (n+1)d +D1=25 弹簧螺旋升角: 通常取590。弹簧丝材料的长度:(对拉伸弹簧); 其中l为钩环尺寸。从受力分析可见,弹簧受到的应力主要为扭矩和横向力引起的剪应力,对于圆形弹簧丝系数Ks可以理解为切向力作用时对扭应力的修正系数,进一步考虑到弹簧丝曲率的影响,可得到扭应力:式中K为曲度系数。它考虑了弹簧丝曲率和切向力对扭应力的影响。一定条件下钢丝直径:=1.2圆柱弹簧受载后的轴向变形量式中n为弹簧的有效圈数;G为弹簧的切变模量。这样弹簧的圈数及刚度分别为:=20对于拉伸弹簧,n20时,一般圆整为整圈数,n20时,可圆整为1/2圈;对于压缩弹簧总圈数n的尾数宜取1/4、1/2或整圈数,常用1/2圈。为了保证弹簧具有稳定的性能,通常弹簧的有效圈数最少为2圈。C值大小对弹簧刚度影响很大。若其它条件相同时,C值愈小的弹簧,刚度愈大,弹簧也就愈硬;反之则愈软。不过,C值愈小的弹簧卷制愈困难,且在工作时会引起较大的切应力。此外,k值还和G、d、n有关,在调整弹簧刚度时,应综合考虑这些因素的影响。3.1压缩弹簧的计算 图3.1-1压缩和弹簧的结构和载荷-变形图分别见3.1-1d-弹簧丝直径 mmD、D1、D2-弹簧的外、内、中径 mmF1 F1F2-最大工作载荷N,一般要求由结构要求给定 Flim-工作极限载荷N,一类载荷弹簧Flim二类载荷弹簧三类载荷弹簧F0-拉伸弹簧的初拉力N,初拉力的大小取决于材料,材料的直径,旋绕比和加工方法。圆柱螺旋压缩弹簧的设计计算的基本公式有: (1) (2) (3)式中 -许用切应力 MPa -弹簧的工作载荷 N -工作载荷作用下的变形量 mm -弹簧刚度 N/mm -材料直径 mm D2-弹簧中径 mm C-旋入比, K-曲度系数, 由下式计算 n-弹簧的有效圈数G-切变模量 MPa实际计算中,弹簧的计算方法有很多,常用的有下述两种: A。公式计算法B。查表法压缩弹簧的几何尺寸计算名称代号单位计算公式和确定方法材料直径mm用公式(1)计算或查表30.2-8(机械设计手册)弹簧中径mm根据结构要求估计,在按表取值30.2-2(机械设计手册)弹簧内径mm=弹簧外径DmmD =有效圈数按公式(2)或公式(3)计算总圈数=+(22.5)冷卷=+(1.52)Y二型热卷节 距mm=(0.280.5)或查表30.2-8(机械设计手册)间 距=压缩弹簧高径比= 按公式验算自由高度或长度mm两圆磨平:=+1.5时,= =+2时,= =+2.5时,=工作高度或长度mm=,为工作时变量工作极限载荷下的高度或长度mm=,为工作极限载荷下的变形量压缩弹簧压并高度mm 两端磨平弹簧展开高度mm=螺旋角=对压缩弹簧,推荐单位重量QkgQ= 为密度弹簧的分类:类-受变载荷作用次数在次以上的弹簧.类-受变载荷作用次数在次及冲击弹簧.类-受变载荷作用次数在次以下的弹簧.其工作极限切应力为:类类1.26类1.12(1)根据该设计工作要求,该弹簧属于类弹簧,材料选用50CrVA,由表30.2-4查得:=441MPa. (2)求弹簧丝钢丝的直径按公式30.2-6 查图30.2-4得C=7 2.5(3)求有效圈数按公式(30.2-5) 按公式计算(30.2-5)取=6(4)计算其余尺寸参数总圈数 圈工作载荷下的变形量 =10压并载荷及压并变形量 根据弹簧应在全变形量的20%80%的条件,取=0.65,则其中表明 、均满足工作区要求的条件。 (5)验算1)稳定性验算高径比=2.5满足要求2)强度验算疲劳强度安全系数由式(30.2-10)由表30.2-11取N=,此时 当C=7时,=1.22满足条件3)共振验算按式(30.2-14)而 满足条件。4.4连接部分的设计螺纹连接设计 设计中螺纹连接的类型类型和构造主要尺寸关系特点和应用受拉螺栓联接 螺纹余留长度l1,受拉螺纹联接静载荷l1(0.30.5)d变载荷l10.75d冲击、弯曲载荷l1d受剪螺栓联接尽可能小,螺纹伸出长度a(0.20.3)d螺栓轴线到被联接件边缘的距离e=d+(36)mm 无需在被联接件上切制螺纹,使用不受被联接件材料限制,构造简单,装拆方便,应用最广,用于可制通孔的场合。紧定螺钉的联接d(0.20.3)da转矩大是取最大值,da为轴径。旋入被联接件之一的螺纹孔中,其末端顶住另一被联接件表面或顶入相应的坑中,以固定两个零件的相互位置,并可以传递不大的力或转矩。 1.螺纹连接设计螺纹连接根据载荷性质不同,其失效形式也不同:受静载荷螺栓的失效多为螺纹部分的塑性变形或螺栓被拉断;受变载荷螺栓的失效多为螺栓的疲劳断裂;对于受横向载荷的铰制孔用螺栓连接,其失效形式主要为螺栓杆剪断,栓杆或被连接件孔接触表面挤压破坏;如果螺纹精度低或连接时常装拆,很可能发生滑扣现象。螺栓与螺母的螺纹牙及其他各部分尺寸是根据等强度原则及使用经验规定的。采用标准件时,这些部分都不需要进行强度计算。所以,螺栓连接的计算主要是确定螺纹小径d1,然后按照标准选定螺纹公称直径(大径)d,以及螺母和垫圈等连接零件的尺寸。(1)受拉松螺栓连接强度计算松螺栓连接装配时不需要把螺母拧紧,在承受工作载荷前,除有关零件的自重(自重一般很小,强度计算时可略去。)外,连接并不受力。当螺栓承受轴向工作载荷 F (N)时,其强度条件为:或式中: d1螺纹小径,mm;松连接螺栓的许用拉应力,Mpa。(2) 提高螺栓连接强度的措施大多数情况下,受拉螺栓连接的强度决定于螺栓的强度。影响螺栓强度的因素很多,有材料、结构、尺寸参数、制造和装配工艺等等。下面介绍一些提高螺栓强度的常见措施:改善螺纹牙间的载荷分布采用普通螺母时,轴向载荷在旋合螺纹各圈间的分布是不均匀的,从螺母支承面算起,第一圈受载最大,以后各圈递减。理论分析和试验证明,旋合圈数越多,载荷分布不均的程度也越显著,到第810圈以后,螺纹几乎不受载荷。所以,采用圈数多的厚螺母,并不能提高连接强度。若采用悬置(受拉)螺母,则螺母锥形悬置段与螺栓杆均为拉伸变形,有助于减少螺母与栓杆的螺矩变化差,从而使载荷分布比较均匀。4.5焊接焊接是利用局部加热、加压使两个以上的金属件在连接处形成原子或分子间的结合而构成的不可拆连接。焊接具有强度高、紧密性好、工艺简单、操作方便、重量轻和劳动强度低等优点,广泛用于金属构架、壳体及机架等结构的制造。(1) 焊缝的式样及强度计算根据被焊件在空间的相互位置,焊接接头基本上可分为对接接头、搭接接头和正交接头(T型和L型)三种类型。现简述几种如下: 对接焊缝 对接焊缝主要用于对接接头以连接位于同一平面内的被焊件。对接焊缝受力较均匀。被焊件厚度不大时可不开坡口,厚度较大时,为了保证焊透,要预先做出各种形式的坡口,坡口的基本形式和尺寸可参见GB98588。对接焊缝承受拉力或压力时,其平均应力及强度条件为式中F为作用力;为焊缝长度;为被焊件厚度(不考虑焊缝的加厚);为焊缝拉或压许用应力。填角焊缝填角焊缝主要用于正交接头和搭接接头以联接位于不同平面内的被焊件填角焊缝在搭接接头中按布置方式与受力情况的不同,又可分为端焊缝、侧焊缝、斜焊缝和组合焊缝等形式。填角焊缝的剖面形状通常为等腰三角形,腰长(或称焊脚)K一般等于板厚。 填角焊缝的应力情况很复杂。不论是端焊缝或侧焊缝,通常都认为其失效形式是沿焊缝高度的计算截面被剪坏。焊缝高度h=Ksin45o=0.7K,计算截面的面积为0.7Kl。受拉力或压力F时角焊缝的应力及强度条件为 焊缝总长度。对端焊缝和侧焊缝,;对斜焊缝,为焊缝的斜向长度;对混合焊缝,为纵向、斜向和横向焊缝长度之和。焊缝许用切应力。4.6柜体传热分析:自动售货机柜体的总传热可以简化为单平壁层的形式 ,由于辐射换热可以忽略不计 ,所以分析柜体平壁层的传热时只考虑导热传热和对流传热. 以制冷时为例(下同) ,其传热过程可分为:第一 ,外界热流体到外壳表面的对流;第二 ,平壁层内部的导热;第三 ,内胆内表面到柜体内部冷流体的对流. 当系统处于稳定时 ,通过热流体(柜体周围空气) 、柜体平壁层、冷流体(柜体贮存室空气)的热量应是相等的 ,并设为Q ,其分析计算如下 : 1) 热流体对外壳外表面对流传热热量 ,根据牛顿冷却定理: Q = a1A ( T1 - T2) 2)柜体平壁层导热传热热量 ,根据上面的分析: Q = A ( T2 - T3)(5) 3)内胆内表面对柜体内冷流体对流传热热量 ,根据牛顿冷却定理: Q = a2A ( T3 - T4) (6) Q 分别表示不同传热方式所传热热量 ,但其大小应是相等的. 以上式中:1、S2 表示对应表面的对流传热系数; T1、T2、T3、T4 分别表示热流体各平壁面及冷流体的温度;表示柜体平壁层总厚;表示柜体平壁层 等效导热系数;A 表示柜体平壁层传热面积. 2 柜体冷负荷确定2. 1 柜体平壁层厚度的计算 引入柜体平壁层等效导热系数后 ,可以导出柜体平壁层厚度的计算公式1、2 根据设计选材不同可以查得, T1、T2、T3、T4 可根据所设计自动售货机的技术要求或自动货机的使用环境不同而确定. 从柜体的等效导热系数计算公式中可以看出, 由于柜体外壳及内胆相对绝热泡沫层厚度要小得多,所以在设计自动售货机时可以用绝热层的热导系数代替式中的值,而误差不是很大. . 2 自动售货机制冷系统负荷的确定由于自动售货机结构和所处环境的不同 ,计算时所考虑的损失因素也有所不同 ,一般情况下主要由以下几部分组成: 1) 柜体平壁层冷损失 2)冷桥损失 Q2 ,柜体结构不同 ,冷桥数量不同 ,冷桥损失也有差别 ,据经验可按柜体平壁层冷损失的10 %15 %计算. 3) 开门冷损失 Q3 ,影响因素也有很多 ,如门口大小 ,开门次数及开门时间等. 可根据经验公式计算在以上的分析计算时 ,由于还有没有考虑到的因素 ,所以计算出的总冷负荷 Q 再乘以一个适当的系数以便设计自动售货机时各参数更为可靠 ,使设计更切实际. 4.7机架的设计4.6.1机器中的部件或大部分部件否应有基坐支撑,各种传动部件也必须加以保护并与外界隔开,以免零件损伤或造成人身或设备的安全事故,所以也应有箱体或壳体加以保护并支撑各传动部件。机器中这样一种零件,它能支撑零件或部件并保持他们之间的联系,以及包容传动件的箱体等统称为机架零件,如机器中的箱体,仪器仪表的壳体,机床的机身,立柱,其他机器中的底座及发动机机壳等。1.机架的分类及特点(1)按照机架的制造方法及所用材料分类1)铸造机架 主要材料是铸铁,有时也用铸钢或铸铝合金。铸造机架形状可以比较复杂,铸造工艺较成熟,毛坯质量较好。2)焊接机架 由钢板和型钢或锻件和型钢组合焊接而成。重量轻,生产周期短,单件小批量生产中常用3)非金属机架 包括混凝土预应力机架,花岗岩机架及塑料机架。塑料机架的材料是工程塑料,重量轻,形状也可以较复杂,因加工时要用模具,所以只用于大批量生产的产品。(2)按照结构形式分类1)封闭式 这种机架的截面为封闭式简单几何图形,各种机器中的横梁,立柱及箱体,如机床的床身,立柱,齿轮传动箱的箱体,泵体及汽车车架等。2)半封闭式 也称为C型机架,各种型材组合连接而成的机身,如曲柄压力机的机身。3)敞开式 各种平板型机身,如机器或仪器的底座,机床的工作台等。(3)按照力学性能分类1)杆件结构机架 机架由杆件组成,杆件长度远远大于其他两个方向的尺寸,如网架,框架及大多数的梁柱状机架。2)板壳结构机架 由薄壁构件组成,薄壁厚度远远小一其他两个方向的尺寸,如大多数的平板型及箱壳型机架。3)实体结构机架 三个方向的尺寸属于同一数量级,少数平板型底座,箱体等。对于一具体机架,有时很难把它归于哪类结构,对具体的机架应按哪一种结构进行设计计算,这取决于计算工作量的大小和计算的精度要求,有的机架还可能要简化成几种结构的组合,用有限元法进行计算。2.机架设计的一般要求机架是承受较大载荷的基础零件,她的设计和制造质量对机器的正常工作和性能影响较大。机架设计的一般要求有:1)足够的强度和刚度,尤其是要有较好的刚度。如机床床身的变形直接影响到机床的加工精度,仪器仪表底座的变形影响其使用精度,轧钢板机的机架变形则影响到钢板厚度的均匀性等。保证机架强度和刚度的同时还应尽量减轻重量,减少材料及能源的消耗。2)较好的动刚度,如抗振性能,抗热变形能力及散热条件等。3)合理的结构工艺性,便于制造和加工,机架上部零件的安装,调整,维修等均要求方便。4)造型美观,经济性好。3.机架的常用材料及热处理方法机架的材料主要取决于使用要求和制造方法。多数机架结构较复杂,抗振阻尼又有一定要求,且多数为大批量生产,如机床的床身,立柱,横梁几齿轮减速箱的箱体等。一般采用铸铁,铸铁的铸造性能好,容易铸造出复杂的形状,吸振能力较强,机加工性能和经济性均较好,所以应用广泛。重型机架由于强度要求较高,常采用铸钢,如轧钢机机架,水压机横梁和中间底座等。铸钢的弹性摸量较大,强度较高,但钢水的流动性差,不宜用于形状复杂的机架。当机架需要减轻重量的时候,可用铸铝合金等轻金属制造,如汽车传动箱,高速柴油机机体等。单件和小批量生产的机架也可以采用焊接机架,焊接机架有制造周期短,重量较轻和成本低等多项优点。除上述金属机架外,还有非金属机架,如混凝土预应力机架,花岗岩机架和塑料机架等。4.机架的常用材料铸造机架的常用材料1)铸铁 铸铁是铸造机架的最好材料,
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