毕业设计（论文）-贝壳粗磨试验机设计.doc

2015 届本科生毕业 设计 贝壳粗磨试验机设计 Design of the shell rough grinding experimental machine 学生姓名学号 所在学院工程学院班级机制 1113 所在专业机械设计制造及其自动化 申请学位 指导教师职称 副指导教师职称 答辩时间2015 年 6 月 04 日 目 录 目目 录录 设计总说明 .I INTRODUCTION.II 1绪论.1 1.1课题的背景、来源和意义.1 1.2课题的设计内容.2 2贝壳粗磨机的设计方案.2 3贝壳粗磨机的结构设计.2 3.1砂轮轴电动机和导轮电动机的选择.2 3.1.1选择电动机的类型.2 3.1.2确定电机的型号.2 3.1.2.1确定砂轮轴电机的型号.2 3.1.2.2确定导轮电机的型号.3 3.1.3传动装置的设计和动力参数的计算.4 3.2砂轮轴齿轮传动的设计.5 3.2.1齿轮设计.5 3.2.2齿面接触疲劳强度校核.5 3.2.3齿根弯曲疲劳强度校核.7 3.3砂轮轴的设计.8 3.3.1轴的材料选择与最小直径的估算.8 3.3.2轴的结构设计与轴承、键的选择.8 3.3.3砂轮轴的强度校核.9 3.4滚动轴承的选择及强度校核.11 3.5键连接的选择及校核计算.12 3.6丝杠的设计和滑动导轨的选择.12 鸣鸣 谢谢.13 参考文献参考文献.14 设计总说明 I 设计总说明 本设计为贝壳粗磨试验机，粗磨的原料是被切割成条状的贝壳，最终产品为贝壳 马赛克，粗磨只是将贝壳加工成贝壳马赛克的其中一个工序。本试验机采用圆筒金刚 石砂轮，同时用一个橡胶导轮将贝壳条带进砂轮进行磨削，同时要实现导轮转速可调 以及导轮跟砂轮之间的间隙可调，以达到试验目的。主要设计内容有设计方案的确定、 贝壳试验机的结构设计，包括电机的选择、齿轮传动的设计、砂轮轴的设计和滚动轴 承的选择等。 关键词：贝壳；粗磨；试验机 ABSTRACT II INTRODUCTION This design is the shell rough grinding test machine，the raw material of rough grinding is the shell which is cut into a striprough grinding is just a process of processing shells into shell mosaic，the final product is shell mosaicThe testing machine with cylinder diamond grinding wheel，and a rubber roller shell strip belt into the wheel for grinding, and the wheel speed can be adjustable gap between the tune and the guide wheel to wheel，in order to achieve the purpose of experiment. The main design content of the design, the structure of the design of the shell test machine， including the choice of the motor,，gear transmission design,，wheel axis design and rolling bearing selection，etc. KEYWORDS: SHELL；COARSE GRINDING；TESTING MACHINE 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 1 贝壳粗磨试验机设计 机械设计制造及其自动化，201111411321，苏猛 指导教师：鄢奉林 毕业设计说明书 1绪论 1.1课题的背景、来源和意义 在各种新型建筑材料兴起的今天，各种材料花样层出不穷，不仅色彩斑斓，外观 美观，而且性能也越来越好。但是人类总是不满足于现状，他们不断追求，从建筑材 料的原料、外观和性能等方面不断的发现和创新，这就使建筑材料越来越多样化。而 贝壳马赛克就是在不断创新过程中的一个产物。 贝壳马赛克，顾名思义，就是马赛克一种。何为马赛克？这里马赛克并不是一种 图像处理手段，而是一种建筑上，用于拼接成各种各样美丽炫酷图案的小瓷砖，又称 锦砖或纸皮砖。普通的马赛克是通过胚料半干压成型，窑内焙烧而成。而贝壳马赛克 原料是天然的贝壳，只要对贝壳进行适当加工，就能得到美观的贝壳马赛克。贝壳作 为一种数量很大的海洋产物，在国外，用贝壳作为原料加工成的贝壳马赛克非常受欢 迎，无论被用在墙外或者室内，都非常美观而可靠，而且性能良好，比普通的马赛克 有过之而无不及。 ，而在我们国内，大部分贝壳都被加工成装饰品或者收藏品，被加工 成贝壳马赛克则因为加工工艺的原因，使价格偏高，从而使贝壳马赛克不能普遍被人 接受。 贝壳马赛克的加工过程其实并不是很复杂，只是现在国内还没有很多完善的加工 设备，使贝壳马赛克的产量和质量都没有达到预期。如果能够设计出完善的加工设备， 我相信贝壳马赛克一定会成为一种性价比非常高的建筑材料，从而被人们喜欢而流行 于国内。这样也能够充分的发挥出贝壳的用途，而不是仅仅用来做装饰品。 本课题贝壳粗磨试验机设计就是对贝壳粗磨这一工序所需机床的设计，本课 题意在设计一台贝壳粗磨试验机，用于试验贝壳粗磨方案的可行性以及加工参数的合 理性。 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 2 1.2课题的设计内容 本课题来源于社会实际，在对贝壳进行粗磨这一工序之前，贝壳已经被切条，所 以粗磨的原料是 2、3cm 左右的贝壳条，而且贝壳条是有弧度的，要对其进行加工， 不能用普通的磨床。 本课题设计一种贝壳粗磨试验机，用于贝壳粗磨试验。具体设计内容为：贝壳粗 磨原理研究，贝壳粗磨系统结构设计，控制与辅助系统设计，实现贝壳粗磨，磨削参 数可调，而且粗磨机结构可靠，操作方便，成本低。 2贝壳粗磨机的设计方案 试验机采用圆筒金刚石砂轮，同轴两端双工位设计，驱动砂轮轴的电机转速 1440r/min，通过齿轮与砂轮轴连接，使其转动。同时在砂轮平行的位置设计一个塑胶 导轮，导轮用可调速电机驱动，实现导轮的可调速，而且导轮电机安装在装有丝杠的 平台上，实现纵向移动，从而实现磨削厚度的可调。 3贝壳粗磨机的结构设计 3.1砂轮轴电动机和导轮电动机的选择 3.1.1选择电动机的类型 驱动砂轮轴的电机选用三相笼型异步电动机，封闭式结构，电压 380V，Y 型。因 为要实现导轮可调速，所以带动橡胶导轮的电机选用 YCT 系列电磁调速电动机。 3.1.2确定电机的型号 3.1.2.1确定砂轮轴电机的型号 参考市面上砂轮粗磨机，电机转速选择。因为贝壳主要成分是碳酸钙，min1440r 根据石材切割所用电动机功率最低为 1.5KW，为了确保能磨掉粘附在贝壳条上的各种物 质，驱动砂轮的电机功率选择为 4KW,所以电机型号选择为 Y112M-4，各参数如表 3-1： 表 3-1 电动机型号额定功率/KW满载转速 /（r/min） 堵转转矩 额定转矩 堵转转矩 额定转矩 同步转速 1500r/min,4 极 Y112M-4414402.22.2 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 3 实物如图 3-1： 图 3-1 安装尺寸如图 3-2 和表 3-2： 图 3-2 表 3-2 机座带底角、端盖无凸缘 Y 系列电动机的安装尺寸(mm) 3.1.2.2确定导轮电机的型号 导轮仅仅为了带动贝壳条进入砂轮进行磨削，所以驱动导轮旋转的电机功率不需 要很大，故选用 YCT 系列电磁调速电机型号为，参数为，4B-YCT112KWP75 . 0 转速范围 ，。参数如下：min1251230rkg55m 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 4 表 3-3 安装尺寸如下： 图 3-3 表 3-4YCT112-4B 安装尺寸（mm） 3.1.3传动装置的设计和动力参数的计算 因为我所设计的粗磨机为一根轴两端作为双工位工作，故电机与砂轮轴之间连接 采用齿轮连接，传动比,传动效率。1i97 . 0 砂轮轴输入功率： 式 3-1KWKWPP m 88.397.04 1 砂轮轴输入转矩： 式 3-2mNmNnPT m 73.251440/88 . 3 9550/9550 11 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 5 3.2砂轮轴齿轮传动的设计 3.2.1齿轮设计 (1)首先确定齿轮的齿形，我这里选择用直齿圆柱齿轮传动。 (2)电机齿轮材料选择为调质处理的 40Cr，其硬度为，砂轮轴齿轮材料选280HBS 择为调质处理的 45 号钢，硬度为，二者材料硬度差为。240HBS40HBS (3)设计机床是粗磨机，要求精度不高，故选用 8 级精度。 (4)根据所选电动机安装尺寸，为防止电动机边缘与砂轮轴发生干涉，故初取两齿 轮中心距为 180，因为传动比为，所以取电机齿轮分度圆直径，两齿轮1i180 1 d 模数取，电机齿轮齿数，两齿轮齿数互为质数，所以取砂轮2m 90 2 180 1 1 m d z 轴齿轮齿数为，故，所以实际中心距为：911 12 zz182 2 d 。 式 3-3 181 2 912902 2 21 mzmz a (5)因为此设计机床传动功率不大，齿宽系数最小可取到 0.2， 即取，则2 . 0 d 电机齿轮宽，取，考虑不可避免的安装误差，mmmmdb d 361802 . 0 11 mmb45 1 取砂轮轴齿轮齿宽。mmb40 2 (6)压力角为。 20 3.2.2齿面接触疲劳强度校核 根据齿轮硬度和材料查得电机轴齿轮的弯曲疲劳强度极限，砂轮MPa H 600 1lim 轴齿轮的弯曲疲劳强度极限。MPa H 550 2lim 假设粗磨机工作寿命 12 年，每年工作 290 天，单班制，所以应力循环次数为： 式 3-4 9 11 1041 . 2 )122908(114406060 h jLnN 式 3-5 根据循环次数查得接触疲劳强度寿命系数，。 94 . 0 1 HN K97 . 0 2 HN K 9 9 1 2 1038. 2 90/91 1041. 2 u N N 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 6 取安全系数为 S=1,得接触疲劳许用应力： 式 3-6MPaMPa S K HHN H 56460094 . 0 1lim1 1 式 3-7MPaMPa S K HHN H 53455097 . 0 2lim2 2 取较小值MPa HH 534 2 用计算齿轮接触疲劳应力，圆周速度： ZZZ i i d Tk EH d H H 3 3 1 1 12 式 3-8smsm nd v/56.13/ 100060 1440180 100060 1 计算实际载荷系数 HHVAH KKKKK 查机械设计手册得使用系数。25. 1 A K 根据、8 级精度，查得动载系数。smv/56.1329 . 1 V K 齿轮圆周力， 式 3-9NNdTFt89.285180/10573 . 2 2/2 4 111 式 3-10mmNmmNmmNbFK tA /100/94. 7/45/89.28525 . 1 / 11 查得齿间载荷分配系数。2 . 1 H K 插值法计得 8 级精度、电机齿轮悬臂布置时，齿向载荷分布系数223. 1 H K 由此得到实际载荷系数 式 3-1137 . 2 223 . 1 2 . 129 . 1 25 . 1 HHVAH KKKKK 查得区域系数，弹性影响系数为，接触疲劳强度用重合5 . 2 H Z 2/1 8 . 189 MpaZE 度系数通过计算得到： 式 3-12181.23)1290/(20cos90arccos)2/(cosarccos * 111aa hzz 式 3-13149.23)1291/(20cos91arccos)2/(cosarccos * 222aa hzz 式 3-14 841 . 1 2/)20tan149.23(tan91)20tan181.23(tan90 2/)tan(tan)tan(tan 2211 aa zz 所以 式 3-15848 . 0 3 841 . 1 4 3 4 Z 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 7 72.221848 . 0 8 . 1895 . 2 1 11 18025 . 0 10573 . 2 37 . 2 212 3 3 4 3 3 1 1 HEH d H H MpaZZZ i i d Tk 式 3-16 所以齿面接触疲劳强度满足要求,同时也减少了齿面接触应力。 3.2.3齿根弯曲疲劳强度校核 由图查得电机轴齿轮的弯曲疲劳强度的极限为，砂轮轴齿轮的弯MPa F 500 1lim 曲疲劳强度的极限为，同时根据应力循环次数查得弯曲疲劳寿命系数MPa F 380 2lim ，取弯曲疲劳安全系数，计算弯曲疲劳应力：91. 0 1 FN K95 . 0 2 FN K4 . 1S 式 3-17MPa S K FFN F 325 4 . 1 50091 . 0 1lim1 1 式 3-18MPa S K FFN F 86.257 4 . 1 38095 . 0 2lim2 2 其他参数的计算： 因为、8 级精度，查得动载系数。smv/56.1329 . 1 V K 齿轮圆周力 式 3-NNdTFt89.285180/10573 . 2 2/2 4 111 19 所以 式 3-20mmNmmNmmNbFK tA /100/94 . 7 /45/89.28525 . 1 / 11 查得齿间载荷分配系数。2 . 1 F K 插值法计算当精度为 8 级精度、电机齿轮为悬臂布置时， 。223. 1 F K 得。 式 3-37 . 2 223 . 1 2 . 129 . 1 25 . 1 FFVAF KKKKK 21 查得齿形系数，应力修正系数 。21 . 2 1 Fa Y21. 2 2 F Y78 . 1 1 Sa Y78 . 1 2 S Y 重合度系数 式 3-22657 . 0 841 . 1 75 . 0 25. 0 75 . 0 25. 0 Y 查得齿形系数，应力修正系数 。21 . 2 1 Fa Y21. 2 2 F Y78 . 1 1 Sa Y78 . 1 2 S Y 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 8 弯曲疲劳应力： 1 23 4 2 1 3 111 1 46.19 90225. 0 657. 078 . 1 21 . 2 10573 . 2 37. 222 F d SaFaF F Mpa zm YYYTK 式 3-23 2 23 4 2 1 3 111 2 03.19 91225. 0 657 . 0 78 . 1 21. 210573 . 2 37 . 2 22 F d SaFaF F Mpa zm YYYTK 式 3-24 齿根弯曲疲劳强度满足要求。 3.3砂轮轴的设计 3.3.1轴的材料选择与最小直径的估算 砂轮轴采用 45 号钢，调质处理，取，要对轴的直径进行设计，需要知道112 0 A 轴在扭矩强度允许下的最小直径，用公式计算最小轴径，砂轮轴最小直径 3 0min n P Ad 的确定： 式 3-25mmmm n P Ad 6 . 15 1440 88. 3 112 33 1 0min 3.3.2轴的结构设计与轴承、键的选择 图 3-4 直径与长度确定、键的选择： （1） 、初步确定滚动轴承 因齿轮为直齿齿轮轴承受径向力作用，故选择深沟球轴承，取，故选用mmd35 3 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 9 深沟球轴承 6207,。 mmmmmmBDd177235 （2） 、各轴段的直径的确定 安装砂轮轴径取，砂轮轴向固定，故过渡段轴肩取mmdd25 91 滚动轴承轴段，根据滚动轴承轴向定位要求，取轴肩段mmdd30 82 mmdd35 73 ，齿轮轴段，齿轮左端通过轴肩来定位，轴肩高度 h=(2 至 3)R,mmd42 4 mmd40 6 查得轴径为 40 时,R=2,故取轴肩高度 h=5，故。因为设计砂轮电动机为内置mmd50 5 在粗磨机床内的，根据电机尺寸，取过渡低速级小齿轮轴段 。 mmd45 4 （3） 、各轴段长度的确定 安装砂轮轴段长度取，过渡段，左端轴承由轴肩固定，mmll80 91 mmll50 82 故左端轴承段，轴环，取，因为砂轮轴齿轮轮毂mmBl17 3 74 . 1 5 hlmml10 5 宽度，为了使齿轮安装可靠，安装齿轮的轴的长度应比轮毂宽度略小，所mmB40 2 以取安装齿轮的轴长度，所选滚动轴承宽度为 17mm，滚动轴承到箱体内壁取36 6 l 8mm，取齿轮到箱内壁距离 16mm，齿轮宽超出轴 4mm，所以 。根据发电机安装尺寸，得。mmmml45416817 7 mml360 4 （4） 、砂轮轴与齿轮键连接选择 砂轮轴装有一个齿轮，轴径为,选用 A 型圆头平键,查机械设计手册 ，mmd40 键的截面尺寸为，齿轮宽度，轴长 36mm，所以键长取mmmmhb812mmb40 2 28，即。标记为 GB/T 1096 。28812 键28812 键 （5） 、砂轮与轴键连接选择 与砂轮连接段轴径为 25mm，选用 A 型圆头平键，查得键的截面尺寸为 ，轴长为 80mm，所以取键长为 70mm。mmmmhb78 3.3.3砂轮轴的强度校核 （1）砂轮轴上的功率，转矩min/4401n,3.88 21 rkwP转速mmNT73.25 1 （2）求作用在齿轮轮上的力： 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 10 式 3-26、式 3-27 NNFF NN d T F ntr t 10420tan286tan 286 182 1073.25322 3 2 1 即圆周力为 286N，径向力为 104N，没有轴向力。 （3）中间轴的受力分析 图 3-5 作轴受力简图如图 3-5，因为滚动轴承 6207 负荷作用中心为轴承中心，到轴承外 端面距离为轴承宽度的一半即 8.5mm，再根据其他尺寸数值得齿轮作用力作用点 B 到左 边支撑点 A 距离,到右边支撑点 B 距离，所以支承跨距 AC 距mmAB 5 . 398mBC 5 . 52 离为。mmBCABAC451 图 3-6 作水平受力图、弯矩图 如图 3-6 式 3-28NN AC BCF FNHA33 451 5 . 52286 t 式 3-29NFFF NHANHC 253 t 式 3-30mNmmNABFM NHAH 15.13 5 . 39833 图 3-7 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 11 作垂直面受力图、弯矩图 如图 3-7 式 3-31NN AC BCF FM r NVAC 12 451 5 .52104 , 0 所以 故 式 3-32NFFF NVArNVC 92 式 3-33mNmmNABFM NVAVB 782. 4. 5 . 39812 1 式 3-34mNmmNBCFM NVCVB 830 . 4 5 . 5292 2 图 3-8 作总弯矩图 如图 3-8 式 3-35mNMMM VBH 993.13 2 1 2 1 式 3-36mN009.14 2 2 2 2 VBH MMM 图 3-9 画扭矩图 如图 3-9 m73.25 1 NT （4）校核轴的强度 校核轴的强度，只需要校核危险截面的应力是否超过许用应力，危险截面判定 为齿轮剖面，原因是齿轮剖面有弯矩、转矩和键槽引起的应力集中。进行校核时，需 要校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面强度，因为轴单向旋转，所以扭转切应力是脉 动循环变应力，故取=0.6,轴的计算应力： 式 3-37MPaMP W TM ca 26 . 3 a 6400 1073.256 . 01014009)( 2323 2 1 2 2 ）（）（ 根据选定轴的材料，查机械设计手册得，因此，故安全。MPa60 1 1 ca 3.4滚动轴承的选择及强度校核 选择深沟球轴承 6207，查得，预期寿命：KNCr 5 . 25KNC 2 . 15 0 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 12 ，左端轴承所受径向力hLh27840122908 式 3-38NFFF NVANHA 11.351233 2222 1r 右端轴承所受径向力 。 式 3-39NFFF NVCNHC 21.26992253 2222 r2 因为贝壳粗磨机为电动机驱动，故有有轻微冲击，所以取，深沟球轴承1 . 1 d f 只受径向载荷，所以 ， 式 3-NFfP rd 62.3811.351 . 1 11 NFfP rd 13.29621.2691 . 1 22 40 因为，所以取验算寿命，因为所用轴承为球轴承，所以，则 12 PP 2 P3 式 3- 6 3 36 2 6 110 1039 . 7 13.296 10 5 . 25 144060 10 )( 60 10 h r h Lh p C n L 41 所以轴上两个轴承满足要求。 3.5键连接的选择及校核计算 轴与齿轮连接选用 A 型圆头平键,标记为：，轴与砂轮28812 1096 GB/T键 连接选用 A 型圆头平键,标记为：7078 1096 GB/T键 连接轴和齿轮的键强度校核: 式 3-MPa hld T 1 . 20 40)1228(8