毕业设计（论文）-纸张耐折度测定仪设计.docx

本科学生毕业论文论文题目：纸张耐折度测定仪设计学 院：机电工程学院年 级：2015级专 业：机械设计制造及其自动化姓 名：学 号：指导教师： 2019年 5 月 10 日摘要纸张耐折度是纸张性能的一项重要指标。纸张耐折度测定仪是为了测量纸张的耐折度而设计的测定仪器。为了更好的利用纸张，我们需要对纸张的性能进行衡量，而纸张的耐折度就是一个十分中要的衡量标准。比如，用于包装的纸制品（牛皮纸等）对于耐折度的需求就很高。相反在生活中常用的比如卫生纸，手纸等纸制品就不需要很高的耐折度。我们可以通过测量纸张的耐折度来衡量纸张的性能。所以纸张耐折度测定仪在纸张生产过程中具有十分重要的作用。所有厂商都需要通过这种测定仪来检验纸张性能是否合格。此种测定仪在造纸行业中应用极广。本次设计的耐折度测定仪，主要应用于小型企业或工厂。关键词纸张；耐折度；测定全套图纸加扣 3012250582Abstract Paper folding resistance is an important indicator of paper performance. The paper folding tester is a measuring instrument designed to measure the folding resistance of paper. In order to make better use of paper, we need to measure the performance of the paper, and the folding resistance of the paper is a very important measure. For example, paper products for packaging (kraft paper, etc.) have a high demand for folding resistance. On the contrary, paper products such as toilet paper and toilet paper, which are commonly used in daily life, do not require high folding resistance. We can measure the papers performance by measuring the papers folding resistance. Therefore, the paper folding tester plays an important role in the paper production process. All manufacturers need to use this tester to check the papers performance.Such analyzers are extremely widely used in the paper industry. The designed folding resistance tester is mainly used in small enterprises or factories.Key wordsPaperfolding; Endurance; DeterminationIII目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 概述11.2发展现状21.3设计应解决的主要问题2第二章 运动机构设计32.1 曲柄滑块机构32.1.1 杆长计算32.1.2 曲柄设计42.1.3 连杆设计42.2连杆与齿条的连接设计52.3齿轮及齿条设计6第三章 传动机构设计83.1 电机选择83.2 减速机构设计83.2.1蜗轮蜗杆减速器的选择93.2.2单级齿轮减速设计93.3 传动轴设计123.3.1轴结构设计123.2.2轴强度校核13第四章 夹紧机构设计164.1 折叠头设计164.2上方夹紧装置设计174.2.1夹紧装置设计174.2.2配重装置设计18第五章 总体结构设计195.1 总体结构的三维模型设计195.2 绘制二维工程图205.2.1 绘制正视图205.2.2 绘制左视图215.2.3 绘制俯视图22结论23参考文献24致谢25纸张耐折度测定仪设计第一章 绪论1.1 概述纸张在日常生活中随处可见，是不可缺少的生活用品。不同的耐折度要求对应着不同的纸张类型。一般来说，耐折度要求越高，纸张质量越好。有些生活中常用的纸张用品不要求很高的耐折度，但类似纸币这种重要纸张则有很高的耐折度要求。因此，测定纸张的耐折度就成了每一个造纸厂商都所必需的一项检测步骤。耐折度是纸张的乃折叠疲劳强度指标，是纸张的基本机械性质之一，用来表示纸张抵抗往复折叠的能力。纸张的耐折度是测量纸张受一定力的拉伸后，再经来回折叠而使其断裂所需的折叠次数，以往复折叠的双折次数或按以10为底色的双折次数对数值表示。纸张耐折度测定仪作为测量纸张性能的重要仪器之一，是每个纸张厂商不可或缺的测定仪器之一，应用十分广泛。ISO5626规定了四种纸与纸板耐折度仪器，即肖伯尔(Schopper)式仪器（图1-1）、洛玛吉(Lhomgy)式仪器、克勒莫林(Kohler Molin)式仪器和MIT式仪器（图1-2），而我国国家标准中选择肖伯尔式仪器和MIT式仪器为纸与纸板耐折度测定仪的标准检测仪，另外，BZD式烟草薄片耐折仪为烟草行业专用仪器。图1-2 MIT式仪器图1-1 肖伯尔式仪器其中肖伯尔式仪器的试样折叠角度为180MIT式仪器的试样折叠角度为135左右。本次设计针对的是中小型企业工厂，要求仪器体积小，结构简单，方便操作目的故采取MIT式的思路进行设计工作。其主要技术参数如下1、 测量范围：1mm。2、 折叠头圆弧半径：R0.38mm。3、 折叠头缝口宽度：0-0.25;0. 25-0.50.5-0.75;0.75-1.00mm。4、 折叠角度：135。5、 折叠速度：175次/分。6、 工作条件：室温10C，工作台稳固、台面平整、无振动。1.2发展现状根据“十二五”规划，中国纸检测仪器行业将在未来五年内瞄准中高端产品市场，大力加强其设计，制造和质量检测能力，使其稳定性和国产产品的可靠性将大大提高。国国内纸张检测设备行业一直应用于冶金，火电等行业的传统服务市场。随着市场需求的快速变化，越来越多的新兴产业开始出现，物联网，智能电网等新技术发展迅速，对食品药品安全的需求也备受关注。国家提出综合利用能源和环境保护。更严格的要求和不断变化的经济发展环境为纸张测试仪器行业提供了广阔的市场和新的发展机遇。随着经济和技术的发展，对自动化控制和检测技术的要求越来越高，涌现了大量自动控制和检测的新技术和新产品，无线传感器网络和无线，如功能安全技术和安全仪表系统，仪表和高端产品等技术。据统计每年从国外进口的先进仪器设备价值近六千亿人民币，其中具有高端技术的或涉及国家安全的仪器设备禁止进入中国大陆。这种局面迫使国内的纸张检测仪器企业必须改变原来的研发模式，向研发生产高端分析仪器的方向发展。1.3设计应解决的主要问题1.运动机构MIT式测定仪的主要运动为折叠头的往复旋转运动，要求角度为1355。每分钟的折叠次数在175次左右。2.夹紧机构要求尽可能简单并且能够方便的为试样添加指定的预紧力。3.减速器减速器应尽量紧凑以使仪器整体体积减小。第二章 运动机构设计折叠头的旋转运动可以通过齿轮与齿条实现，齿条做直线往复运动，齿轮便会进行往复的旋转运动。而齿条的直线往复运动（短行程）可通过多种方式实现。例如曲柄滑块传动；曲柄摇杆传动；凸轮传动；磁力丝杠螺母传动；往复螺旋槽圆柱凸轮传动等。因为折叠头的旋转速度较高，所以齿条的速度也较高。且本次设计要求结构尽量简单，故选择了曲柄滑块机构带动齿条做直线往复运动，从而带动齿轮做往复的旋转运动。曲柄滑块传动有着压强小，承载能力大，结构简单的优点，适用于载荷较大，速度较高的场合。但同时也有着难以平衡，震动和噪声较大的缺点。2.1 曲柄滑块机构图2-1 曲柄滑块原理曲柄滑块的原理图如图2-1所示，因为要求折叠块的旋转速度相等，所以对应滑块的工作行程与回程的速度应相等。即形成速比系数K=1，所以选择采用无偏距e对心曲柄滑块机构（slider-crank mechanism）2.1.1 杆长计算暂定齿轮分度圆半径为19mm;则l=2r=119.32mms=119.321353602=59.66mm;a=s2=44.7mm;所以杆1长度为44.7mm.杆2长度取80mm.2.1.2 曲柄设计图2-2 偏心轮二维图这里用偏心轮实现曲柄的功能，如图2-2所示。图2-3连杆二维图2.1.3 连杆设计连杆的设计如图2-3所示。连杆中心距为80mm。2.2连杆与齿条的连接设计连杆与齿条通过铰接相连，并在连杆小端加入滚针轴承使传动更平稳。铰接件的设计如图2-4所示。通过螺纹与齿条连接，螺孔之上留有一定位销孔用来定位。图2-4 铰接件二维图因此处连接的轴向载荷很小可忽略不计，故此处可以使用销轴。选择GB/ 882 520 B型销轴。如图2-5所示。图2-5 铰接三维图2.3齿轮及齿条设计因此仪器为测量仪器，载荷较小。故齿轮和齿条的设计均采用经验设计的方法。1） 因轴向的力很小所以选用直齿圆柱齿轮。2） 精度等级选用6级精度。3） 材料选择40Cr(调质)，硬度为280HBS；4） 模数选择为1。5） 齿数为38。6） 齿宽的计算：b=dd （2-1）其中d查表取0.4b=0.438=15.2mm图2-6 齿轮二维图取b=15mm。如图2-6齿条的长度大于前文计算的行程s。由前文计算s=59.66mm，为留出足够余量，故暂定齿条长度为120mm。齿宽与齿轮一致为15mm。为了与铰接件连接还需在齿条侧面钻一M5螺纹孔和一M3定位销孔。曲柄滑块运动机构的主要设计已经完成，三维图如图2-7所示。图2-7 曲柄滑块三维图第三章 传动机构设计3.1 电机选择因为本仪器的载荷要求很小，所以可以选择一小功率电动机。经查阅资料选择YS系列（IP44）三相异步电动机，具体型号为YS-451-2。性能及尺寸如图3-1和表1所示。此电机体积小，可以满足仪器关于体积的要求，同时功率及转速也能满足要求。表1 YS-451-2电机参数额定功率（W）额定转矩（Nm）转速(r/min)2502.42800图3-1 电机外形图3.2 减速机构设计由于电机的转速与折叠快要求的速度相差过大，故减速机构分成两部分。首先由一蜗轮蜗杆减速器进行一级减速。选择涡轮蜗杆减速器是因为其能将传动轴旋转90度，进一步使整体结构紧凑。并且蜗轮蜗杆减速器能在小体积下拥有更大的传动比，适合本次设计的要求。但光凭蜗轮蜗杆减速器并不能是转速达到要求，所以还需要一个单级齿轮减速。这一级减速并不要求很大的传动比，只要让转速达到制定要求即可。3.2.1蜗轮蜗杆减速器的选择图3-2 减速机外形图经查阅资料选择NRV30-30-DZ1型号蜗杆减速机。传动比为30。此减速器可多面安装，机型小巧，结构紧凑，体积小，重量轻，节省安装空间。如图3-2所示。3.2.2单级齿轮减速设计1.1）材料选择。小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS,大齿轮材料为45钢（调质）硬度为240HBS。2）选小齿轮齿数为20，大齿轮齿数为201.15=232.按齿面接触强度设计由设计计算公式进行试算，即d2.323KTdu1u2EH2 （3-2）(1)确定公式内的各计算值1） 试选载荷系数Kt=1.32） 计算小齿轮传递的扭矩。T1=95.5105P1n1=95.51052.410-3280030Nmm=245.57Nmm3)由表1选取齿宽系数d=0.4。4）由表2查得材料的弹性影响系数ZE=189.8MPa12。5）由图3按吃面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限Hlim1=600MPa;大齿轮的接触疲劳强度极限Hlim2=550MPa。6）由图4取接触疲劳寿命系数KHN1=0.90;KHN2=0.95。7）计算接触疲劳许用应力。取失效概率为1%，安全系数S=1，H1=KHN1lim1S=0.9600MPa=540MPaH2=KHN2lim2S=0.95550MPa=522.5MPa(2)计算1）计算小齿轮分度圆直径d1t,代入H中较小的值。d1t2.323KTT1du+1uZEH2=2.3231.3245.5714.23.2189.8522.52mm=8.838mm2)计算圆周速度v。v=d1tn1601000=8.83893.3601000m/s=0.043m/s3)计算齿宽b。b=dd1t=0.48.838mm=3.535mm4)计算载荷系数。根据v=0.043m/s,7级精度，由图5查得动载系数Kv=1.12;直齿轮，KH=KF=1;由表6查得使用系数KA=1;由表7用插值法查得7级精度，小齿轮悬臂布置时KH=1.423。查图8得KF=1.35;故载荷系数K=KAKvKHKF=11.1211.423=1.5945）按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，d1=d1t3KKt=8.83831.5941.3=9.459mm6)计算模数m。m=d1z1=9.45920mm=0.473mm3.按齿根弯曲强度设计弯曲公式计算公式为m32KT1dz12(YFaYSaF) (3-3)(1) 确定公式内的各计算数值1） 由图9查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限FE1=500MPa;大齿轮的弯曲强度极限FE2=380MPa；2） 由图10取弯曲疲劳寿命系数KFN1=0.85，KFN2=0.88；3） 计算弯曲疲劳许用应力。取弯曲疲劳安全系数S=1.4,得F1=KFN1FE1S=0.855001.4MPa=303.57MPaF2=KFN2FE2S=0.883801.4MPa=238.86MPa4)计算载荷系数K。K=KAKvKFKF=11.1211.35=1.5125)查取齿形系数。由表11查得YFa1=2.65; YFa2=2.226。6)查取应力校正系数。由表12查得YSa1=1.58; YSa2=1.764。7)计算大，小齿轮的YFaYSaF并加以比较。YFaYSaF1=2.651.58303.57=0.01379YFaYSaF2=2.2261.764238.86=0.01644大齿轮的数值大。（2）设计计算m321.5129.94810412420.01644mm=2.05mm对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要由弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取弯曲强度算得的模数2.05并就近圆整为标准值m=2.5mm，由小齿轮齿数算出分度圆直径d1=mz1=202.5=50mm; d2=mz2=232.5=57.5。图3-1-2减速齿轮三维示意图这样计算出的齿轮参数，既满足了齿面解除疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并能做到机构紧凑，避免浪费。3.3 传动轴设计3.3.1轴结构设计图3-3 传动轴的二维图传动轴的设计如图3-3所示。传动轴输出侧连接偏心轮带动连杆运动，但也因连杆的运动方式导致不能再这一侧设置轴端支撑，这一侧只能做成悬臂结构。为了使结构稳定，设计方便，这里使用了JB/T 5303-2002带高中心立式座顶丝外球面轴承作为轴的支撑。这里蜗杆减速器因为两个减速齿轮的直径都不大，所以减速机离轴的距离很近，所以另一轴端用GB/T 7810-2017带方形座轴承固定在后背板上。以此来保证偏心轮和减速齿轮的运转稳定。轴的三位装配图如图3-4所示。图3-4 传动机构三维示意图3.2.2轴强度校核先求出输出轴上的功率P3,转速n3和转矩T3 若取每级齿轮传动的效率（包括轴承效率在内）h=0.97，则P3=Ph2=160.972W=15.054W又n3=n11i=81.16r/min于是T3=9550000P3n3=955000015.05410-381.16Nmm=1771.386Nmm再求作用在齿轮上的力已知低速级大齿轮的分度圆直径为d2=57.5mm而 Ft=2T3d2=21771.38657.5N=61.6N Fr=tanncos=61.6tan20cos0N=22.42NFa=Fttan=8.94N初步确定轴的最小直径选取轴的材料为45钢，调质处理。根据表查得，取A0=112，于是得dmin=A03P3n3=11230.01505481.16mm=6.387mm求轴上载荷，根据轴的结构，做出轴的计算简图。从手册中查取a值，再根据轴的计算简图做出轴的弯矩图和扭矩图。其中L1=22.2mm;L2=20.25mm;L3=89.15mm。表2截面C弯矩扭矩计算从轴的结构图以及弯矩图中可以看出截面C是轴的危险截面。所以计算出截面C处的MH,MV及M的值列于下表载荷水平面H垂直面V支反力FFNH1=32.215N, FNH2=29.385NFNV1=11.7N,FNV2=10.7N弯矩MMH=245.7NmmMV1=102.5NmmMH=-6.84Nmm总弯矩M1=245.72+102.52=266.22NmmM2=245.72+6.842=245.79Nmm扭矩TT3=1771.386Nmm这里只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面C）的强度。根据上表数据，以及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取=0.6，轴的计算应力ca=M12+(T3)2W=266.222+(0.61771.386)20.1703MPa=0.3194MPa前已选定轴的材料为45钢，调质处理，由表查得-1=60MPa。因此ca-1，故安全。图3-5 弯矩扭矩图第四章 夹紧机构设计4.1 折叠头设计图4-2 折叠头结构图图4-1 折叠头三维图折叠头设计如图4-1所示。二维结构图如图4-2所示。折叠头由两部分组成。折叠头的圆弧半径按照设计要求为0.38mm，直径为40mm。设计一独立夹紧块通过销定位，在销上面钻一M3螺纹孔，通过拧紧螺栓来使夹紧块和折叠头紧密贴合夹紧加紧试样。轴部分采用三级阶梯设计，分别连接齿轮，两个滚动轴承。轴端使用锁紧挡圈固定。因为此轴也是悬臂支撑，所以设计两个相同的滚动轴承在图4-3 折叠头的支撑中间进行支撑。如图4-3所示。4.2上方夹紧装置设计试样上端的夹紧装置除夹紧功能外还要求能为试样添加预紧力，所以此处分为两部分来设计。4.2.1夹紧装置设计图4-4 夹紧装置三维图夹紧装置的设计如图4-4所示，通过一螺栓推动两个夹紧块夹紧。同时两边用两个圆柱销作为定位。上方与配重机构通过铰接连接。本仪器的试样一般为长10公分，宽1公分的纸张，体积很小。这种夹紧装置工艺简单，体积小巧，同时又能满足要求。4.2.2配重装置设计配重装置通过加减配种块的方式实现，用定滑轮改变力的方向，使之沿试样竖直向上。同时还要保证夹紧装置只有一个竖直方向的自由度，防止试样偏移或扭转影响实验结果。并且需要有限位功能。具体方案设计如图4-5所示。图4-5 夹紧装置正面三维图第五章 总体结构设计5.1 总体结构的三维模型设计这里图5-1 整体三维示意图使用SolidWorks 2018软件进行整体的三维建模。整体仪器的内部三维示意图如图5-1所示。可以清楚的看到从电机到偏心轮再到折叠块的整个传动机构的布置。此图隐去了仪器的右侧面板及后面板。5.2 绘制二维工程图二维工程图是将三维模型投影得来，将三维模型放到二维平面上来观察，可以更加细致的观察各个零件的尺寸。观察每个零件的具体装配信息。5.2.1 绘制正视图图5-2 正视图正视图可以清楚的看到仪器前面板各零件的布局及其位置。如图5-2所示。5.2.2 绘制左视图图5-3 剖视图如图5-3所示。左视图可以清楚的看见仪器内部各个零件的位置。图5-3 左视图5.2.3 绘制俯视图图5-4 俯视图如图5-4所示。俯视图中可映出看到传动系统，曲柄滑块系统的布置。以及两