毕业设计（论文）-低噪声持久型云石机设计（全套图纸三维）.pdf

1 丽水学院丽水学院 毕业设计（论文）毕业设计（论文） （2016 届）届） 题题 目目 低噪声持久型云石机设计低噪声持久型云石机设计 指导教师指导教师 院院 别别 工学院工学院 班班 级级 机自机自 121 学学 号号 姓姓 名名 二一六 年 三月二十一日 丽水学院 2016 届学生毕业设计 1 低噪声持久型云石机设计低噪声持久型云石机设计 机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化 摘要 本选题的灵感是来自于市场上云石机存在明显不足之处，针对它们的缺点进行改造。此次的设计改造将使原 有的云石机提高效率，增长寿命，最重要的是消除它的大部分噪声。利用改变驱动方式，去除齿轮提高效率，消 除噪声，以及将碳刷电机改用无刷电机，增加电动机效率，提高寿命，降低噪声。新型云石机内部构造和传动原 理都很简单，内部就只有一个无刷电机，直接对刀片进行驱动。本课题的主要问题有无刷电机直驱所需要的扭矩 的计算以及电机的选用，去除齿轮传动后轴心位置如何向下移动使得刀片能够对一定厚度的石材进行切割。通过 SW 三维软件绘制三维图，对定子位置形状进行分析，确定改造方案，并绘制总装图和必要零部件。 关键词： 改造 传动方式 无刷电机 扭矩 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 Low noise of persistent marble machine design Abstract The inspiration of this paper is from the marble machine on the market exists obvious deficiency, for their shortcomings. The renovation design will make the original marble machine to improve efficiency, increase longevity, the most important is to eliminate the noise. Use change drive way, remove the gear to improve efficiency, eliminate noise, and will use brushless motor carbon brush motor, increase the efficiency of motor, increase longevity, reduce noise. New type of marble machine internal structure and transmission principle is very simple, within only a brushless motor, directly to drive the blades. This topic the main problem for motor direct driving the required torque calculation and the choice of motor, after removal of gear transmission axis position how to move down the blade can be used to cut stone with a certain thickness. Through SW 3 d software rendering 3 d map, the position of the stator shape were analyzed, and the retrofit scheme is determined, and draw the assembly diagram and the necessary components. 低噪声持久型云石机设计 1 2 Keywords: Transformation The transmission way brushless motor torque 丽水学院 2016 届学生毕业设计 1 目录目录 1 绪论 . 2 1.1 课题的来源及意义 . 2 1.2 云石机的发展 . 3 1.3 课题的主要内容 . 3 2.工作原理及分析 . 4 2.1 云石机的加工工艺要求 . 4 2.2 机构原理简图 . 5 2.3 机构原理分析 . 5 3.电机外形设计拟定与计算 . 6 3.1 方案设想 . 6 3.1-1 电动机功率和转速的选择 3.1-2 电机的选择 3.2 轴的计算 . 6 3.2-1 轴的整体设计 3.2-2 验算轴的最小直径 3.2-3 验算轴的扭矩 3.3 轴承的选择 . 6 3.3-1 轴承种类的选择 3.3-2 轴承的校核 4 外壳设计 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 5 三维建模及仿真 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 5.1 pro/E 软件介绍 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 5.2 三维建模 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.3 装配 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 5.4 运动仿真 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 总结 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 致谢 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 低噪声持久型云石机设计 1 2 1 绪论绪论 1.1 课题的来源及意义课题的来源及意义 通过对目前市场上的云石机观察发现它们存在不足之处， 因此有了设计改造的灵感。 云石机： 指石材切割机。它可以用来切割石料，瓷砖，木料等。不同的材料选择相适应的切割 片，选用灵活加工范围广，体积小携带方便。在大理石切割工厂，室内外装修，木材 切割上广受青睐。此外还能将其改造，使其成为专用的木材切割机、型材切割机等。 云石机是由机壳、传动装置、输出轴、密封装置、云石片、手柄、碳刷电机等构成。其 连接结构大致为，传动装置的一端与输出轴的一端相连，输出轴的另一端设置有云石片，输出轴 与机壳之间套设有密封装置，定子固定在机壳上，转子轴通过滚动装置设置在机壳上，转子轴与 传动装置的另一端相连，电路控制器设置在机壳上。 然而在目前中国的云石机发展出现的问题中，许多情况不容乐观，如噪声大、工作效率低、 寿命短、粉尘多环境污染严重、散热不便等等，安全性能也不是很高。 我认为目前市场上所使 用的这些云石机或因为其噪声对人的听觉会有损伤，其寿命问题造成经济上的损失，因此若是解 决其中这几个关键性问题，那么云石机的使用将会更加广泛。所以这次设计有以下意义。 1）了解云石机的结构、特点以及工作原理。 2）对云石机性能的提高有重大意义:尽可能好地满足工艺要求、便于操作。具有合理的强度 与刚度，使用可靠，好的经济性，重量轻，制造维修方便。 3）培养学生的自主设计能力 丽水学院 2016 届学生毕业设计 3 1.2 云石机的现状与发展云石机的现状与发展 市场上现有的云石机主要使用串激电机, 而串激电机在使用时噪音较大, 而且受本身结构 限制, 串激电机需要使用碳刷, 碳刷和滑环表面相接触, 由于弹簧压力作用和材料弹性变形的缘 故, 使直接接触部分互相嵌入。当相对滑动时, 因摩擦作用而形成磨损。还有就是这些云石机都 是利用齿轮传动的，传动方式为，电机带动齿轮，齿轮带动齿轮轴再带动云石片切割。这样的设 计存在以下缺点：噪声大，磨损快、寿命短，效率低等。当然也有比较先进的设计已经将碳刷电 机改成无刷电机解决了其中一部分问题。 有关于噪声的问题需要从根本上解决， 产生的原因主要有以下几方面： 机械零部件运动 、 机械零件之间直接接触 、机械零件之间力的传递 、机械零件与外围或内包介质的相互作用。 而云石机产生噪声的主要原因是，机械零件之间直接接触 如相互啮合的齿轮对齿面之间的接 触。在齿轮轮齿啮合时，由于冲击而使齿轮产生很大的加速度，并会引起周围介质扰动，由这 种扰动产生的声辐射，称为齿轮的加速度噪声；另一方面，在齿轮动态啮合力作用下，系统的 各零部件会产生振动，这主要是两相互作用的零件有着不可避免的一些缺陷，再加上机构本身 的固有振动的激励， 使零件产生噪声。当然噪声还有其他来源另一方面，碳刷电机的噪声也不 可忽略。 其次关于寿命问题，依靠碳刷工作的各种电机，由于碳刷颗粒粗硬, 或含有如金刚砂之类 的硬质颗粒, 则会使机械磨损大大增加。同时由于碳刷中含有少量的碳化铁、 碳化硅即金刚沙 灰粉, 以提高电刷的耐磨性能, 但也会使集电环表面拉成沟槽, 一旦形成沟糟对电机的危害极 大。而且碳刷要依靠弹力与滑环表面接触,如果压力过小碳刷和滑环表面接触不稳定, 容易引起 电弧, 使电器磨损增大 。因此当碳刷磨损到一定程度就应更换碳刷，否则将会使碳刷接触不良 危及电机安全。由于碳刷磨损的存在致使云石机的寿命缩减。还有就是用来传动的齿轮长期使 用也会发生磨损，当磨损到一定程度齿轮发生打滑那就很危险了。在这两方面的影响之下云石 机一般使用不了多久。 最后便是效率问题， 这个问题是综合前两方面的导致的， 首先如果碳刷是非金属导电材料, 电阻系数大,是铜的 400 倍。电阻产生的能耗高; 持续的滑动摩擦导电产生的接触电阻、 机械摩 擦热耗, 加上电刷的电阻能耗转化为高热易使弹簧失压及导线老化, 引起接触不良、 产生火花, 严重影响电机正常运行。然后就是齿轮传动以及齿轮之间摩擦需要消耗一部分能量,就这两方面 造成的效率损失将近 30%。 云石机的发展也就是针对以上问题的改进。 低噪声持久型云石机设计 1 4 首先便是将有刷电机改装成无刷电机无刷电机运用到云石机中可以有以下优点：噪音小， 无碳刷磨损，效率提高 30，机器寿命高，无刷电机工作电压为 30V，特别适应潮湿环境中使 用以及能使用湿片操作。 无刷电机的直驱。传统的云石机使用的碳刷电机由于扭矩的不足无法直接驱动刀片进行切 割。因此只能利用齿轮传动，这样做缺点是： 传动链长， 可控性差， 系统效率低、 功率因 数低、 维护费用高、 噪声大等 。 而无刷电机直接驱动刀片， 去掉了齿轮传动的机械装置， 简 化整个系统的结构， 缩短了传动链，大大提高了云石机的机械效率、 机械传动装置的可靠性 及运行效率， 同时降低了制造成本， 节约了资源，而且最关键的是将齿轮传动带来的噪声消 除了！ 1.3 课题的主要内容课题的主要内容 （一）研究的主要内容 1）目前市场上的云石机所存在的缺点和不足之处 2）产生这些弊端的原因涉及哪些方面 3）解决这些存在的弊端，提高一些不足之处的设计方法 2.工作原理及分析工作原理及分析 2.1 云石机的加工工艺要求云石机的加工工艺要求 一般情况下云石机除了切割瓷砖类规则的食材之外，在一些情况下需要切割一些形状不规则 的石块或者岩石等以保证不同的市场需要。 但多数情况是用于装潢中的瓷砖切割，因此除了切割范围广的要求外，噪声与粉尘这方面的 缺点也需要改善。 丽水学院 2016 届学生毕业设计 5 2.2 机构原理简图机构原理简图 2.3 机构原理分析机构原理分析 通过上述结构图可直观的看出刀片连接在电机的轴上电机通过直驱带动刀片旋转进行切割。 轴的末端有一个散热用的风扇通过过盈配合与轴配合， 向外抽风达到散热效果。 切割时开启机器， 随后将云石机平整的放在石材表面移动切割。在切割材料的过程中，要有水喷射到圆锯片上，来 降低切割过程中所产生的粉尘对人体的危害。切割时手要握紧手柄保证切割过程中整个设备不因 电机的震动而移动，同时也保证了切口的平整性。 低噪声持久型云石机设计 1 6 3.电机的设计拟定与计算电机的设计拟定与计算 3.1 电动机的选择电动机的选择 电动机选择内容应包括：电动机的类型、电压、转速、以及容量（功率）等、而且这些方面 的参数应综合考虑7 3.1-1 电动机功率和转速的选择电动机功率和转速的选择 由于很难找到电机选择的相关数据，如果通过计算来选择所需要电机的功率可行性不高，所 以可根据类比法来选择电机的额定功率。 上一代云石机通过齿轮传动，其切割转速功率与新型云石机相差无几可以通过上一代云石机 的相关数据来确定所选的电机。以下是一种云石机的部分数据： 表3-1 东成云石机 Z1E-FF-110 额定电压（V） 220 额定频率（Hz） 50 砂轮片最大直径（mm） 110 砂轮片孔径（mm） 30 额定输入功率（kw） 1.2 额定转速（r/min） 13000 净重（kg） 3.0 所以设计的新型云石机所切割的深度与上一代云石机的切割深度差不多，故可以依照该云石 机的额定功率和转速来定所选电机的功率，考虑到其他因素，可以选择比云石机大点的功率和转 速，可选择电机额定功率P额=1.5kw，额定转速15000r/min。 3.1-2 电机的选择电机的选择 查相关资料可知，由于所设计的切割机不要求调速、对启动性能没有过高的要求，而电动机 工作环境多粉尘且湿度较高，故选择封闭型、外壳防护的无刷电机。 丽水学院 2016 届学生毕业设计 7 3.2 轴的设计轴的设计 轴的设计应考虑很多方面的因素和要求，其中主要问题是轴的材料、结构、强度和刚度，对 于高速运转的轴还应考虑振动稳定性问题。11 图3-2 轴的设计图 3.2-1 轴的整体设计轴的整体设计 考虑到经济实用性，选择45钢来作为轴的材料。如图4- 2，左边最外面17部分用来固定圆锯 片，两个台阶前面17部分用来与轴承过盈配合，最末端8部分端用来与散热风扇过盈配合。 3.2-2 验算轴的最小直径验算轴的最小直径 因在该设计中轴的受力主要为扭转力，所以在校核时，主要考虑的是扭转强度。由查表得， 45钢的许用扭转应力T=30Mpa，轴的扭转强度条件为 3 9550000 0.2 TT T P T n Wd = （3- 1） 式中：T为扭转切应力，Mpa； T为轴所受的扭矩，Nmm； WT为轴的扭转截面系数，mm3 n为轴的转速，r/min； P为轴传递的功率，Kw; d为计算截面处轴的直径，mm； 由式（3- 1）可得轴的直径应该满足以下条件： 33 33 0 95500009550000 0.20.2 TT PPP dA nnn = （3- 2） 低噪声持久型云石机设计 1 8 轴上有两个深沟球轴承，查相关资料可知轴承的传动效率为0.99。 P=1.5x0.992=1.47Kw n=15000r/min T取较大值，A0取较小值的情况是：弯矩较小或只受扭矩作用、载荷较平稳、无轴向载 荷或只有较小的轴向载荷、减速器的低速轴、轴只做单向旋转。所设计的新型云石机的轴所受的 弯矩小载荷平稳，只做单向旋转且无轴向载荷，故可取T=45MPa，A0=103。由式（3- 2）得 3 0 8.08 P Amm n = 有图4- 2可知，轴最小的直径dmin=8mm4.78mm,所以轴的直径符合设计要求。 3.2- 3 验算轴的扭矩验算轴的扭矩 图3-2.3 轴的受力分析 （1）水平受力计算 图3-2.4 水平方向的受力分析 由式（4-2）可知 丽水学院 2016 届学生毕业设计 9 min ()182,200 tPt FFNFN=为了方便计算取 1 t 0:260600 BNH MFF= 2 0:2603200 CNHt MFF= 12 =46,246 NHNH FN FN=算得 为了画出 AC 段的弯矩图， 需要将 AC 段分成 AB 段和 BC 段用1表示 AB 段中任意 横截面到左端的距离，用2表示 BC 段中任意横截面到左端的距离 () 111 AB200 t M xF xx=段： ()()() 1 222 35046 320 NH BCM xFxx=段： 图4-6 水平弯矩图 当 12 60 xx=时有最大水平转矩 12 ( )()24000 H MM xM xN mm=+= (2)垂直方向的受力计算 图4-7 垂直方向的受力分析 由式（4-1）可知， 低噪声持久型云石机设计 1 10 0min ()92,=100N rr FFNF=为了计算方便可取 2 0:260600 BNVr MFF = = 1 2603200 CNVr MFF = = 有以上可得 12 123,23 NVNV FN FN= 为了画出AC段的弯矩图，需要将AC段分成AB段和BC段用x3表示AB段中任意横截面 到左端的距离，用x4表示BC段中任意横截面到左端的距离。 AB段弯矩方程： 333 ()100 r M xF xx= BC段的我就方程： 2 444 ()(320)23(320) NV M xFxx= 图4-8 垂直方向的弯矩图 34 60 xx=时有最大垂直转矩 34 ()()12000 V MM xM xN mm=+= （3）计算总弯矩 224 2.0 10 HV MMMN mm=+= （4）计算轴的扭矩 丽水学院 2016 届学生毕业设计 11 图4-9 扭矩图 1.35 955000095500004600 2800 P TN mm n = (4-5) (5)校核轴的强度 在 B 处弯矩最大，直径也比较小，所以在 B 处最容易收到破坏，计算应力 () 2 2 4 ca =+ （4-6） 此处的 取 0.6 对于直径为 d 的圆轴，弯曲应力为 M W =，扭转切应力为 2 T TT WW =，将 和 代入() 2 2 4 ca =+得到 () 2 222 1 4 2 ca MT MT WWW + =+= （4-7） 式中： ca 轴的计算应力，MPa； M轴所受的弯矩，N mm； T轴所受的扭矩，N mm； W轴的抗弯截面系数， 3 mm ； 1 对称循环变应力时轴的许用弯曲压力； 由资料可知 3 0.1Wd=，根据式（4-6） () 2 222 3 0.3 4600 413.12 20.1 25 ca MT WW + =+= 20000 由资料可知 45 钢的 1 =55 ca 所以轴的强度满足该课题的要求。 3.3 轴承的选择轴承的选择 轴承的选择主要是对轴承的类型、额定动载荷、基本额定动载荷、当量动载荷、 使用寿命的计算与校核 12。 低噪声持久型云石机设计 1 12 3.3- 1 轴承种类的选择轴承种类的选择 新型云石机的轴承放在云片的轴上，受到的力主要是径向力，同时也有较小的轴 向力，根据要求，可以选用单列深沟球轴承。 出于对轴和安装方便的考虑，初选型号16003的深沟球轴承，其相关参数如下： 图4-10 深沟球轴承 表4-3 16