（机械工程专业论文）塑料颗粒混料机的设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 在物料制造业中，特别是注塑成型过程中，混料工序一般不会受到工作人 员的重视，工人或这技术人员仅将其认为是一个辅助工序，对塑料颗粒混料机 的性能也无所要求。随着工业发展，人们对产品质量要求也越来越高，而混料 的质量直接影响到产品的质量，因此才有了混料技术及其设备的研究和发展。 针对市场上混料机容量比较大，并且价格比较昂贵，为了节约成本，本文旨在 设计专门适用于该公司的混料机，从而提高产品质量和性能，使产品在汽车零 部件的大竞争市场上更加具有竞争力。其中，对于转轴的设计与强度校核是其 中的一个重要部分，对该设备的安全性以及稳定性有着决定性的作用。 一 本文通过对市场上销售的混料机的调研，掌握了一般混料机的工作原理，从 而确定了滚筒的结构以及机械传动方案，对滚筒进行了结构以及连接上的改进， 使其加工更加容易。同时，通过合理布置工作轴上的零件，对其具体尺寸和结 构进行了合理性的设计。在s o l i d w o r k s 软件中完成了该设备的虚拟装配图，验 证了所设计的尺寸并不会发生干涉。为了校核该工作轴的强度要求，使用了按 弯矩、转矩合成强度计算和按疲劳强度校核安全系数计算方法，对所设计的轴 进行了强度计算和疲劳强度计算，从而说明本次设计的准确性。 在理论计算轴的强度基础上，利用a n y s y 软件，对该转轴进行了有限元分 析，其中包括了静力分析和模态分析。在静力分析结果中，可以得出轴的最大 变形量以及最大应力值，并且满足了强度要求。在模态分析结果中，可以得到 该设备的固有频率以及前4 阶的振型图。在振幅很大的情况下，在不改变轴的 尺寸情况下，可以对轴进行进行热处理，从而增加其强度的要求。 通过对异步电动机的起动特性进行分析，设计了电机的系统控制电路，并 完成了电器元器件的选择。该电路可以实现电机的制动、正转和反转，并具有 短路保护、过载保护和零压保护功能。安装调试后，该设备已经在该公司正常 使用。 关键词：结构设计，强度校核，静力分析，模态分析，系统控制电路 a b s t r a c t i nm a t e r i a l sm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y ，e s p e c i a l l yi nt h ep r o c e s so fi n j e c t i o n m o u l d i n g ，m i x i n gp r o c e s si sa l w a y si g n o r e d ，w o r k e r sa n dt e c h n i c i a n so n l yl o o ki t a s a l la i d e dw o r k i n gp r o c e d u r e ，a n dt h e yh a v en od e m a n do nt h ep l a s t i cp a r t i c l em i x i n g m a c h i n e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r y , t h ep r o d u c tq u a l i t yi sa l s oi nt h e e x a l t a t i o n ，t h em i x i n gp r o c e s sh a sad i r e c ti n f l u e n c eo nt h ep r o d u c tq u a l i t y , s ot h e s t u d ya n dd e v e l o p m e n to ft h em i x i n gt e c h n o l o g ya n di t se q u i p m e n ta p p e a r s t h e m i x i n gm a c h i n e sc a p a c i t yo ft h em a r k e ti sl a r g e ，a n di t sp r i c ei sh i g h ，i no r d e rt os a v e c o s t ，t h i sp a p e ra i m st od e s i r eam i x i n gm a c h i n ea p p l y i n gt ot h ec o m p a n ys p e c i a l l y t oi m p r o v et h ep r o d u c tq u a l i t ya n dp e r f o r m a n c e ，a n dt om a k et h ep r o d u c tm o r e c o m p e t i t i v ei nt h em a r k e to f a u t op a r t ，i nt h ep a p e r , t h ed e s i g na n ds t r e n g t hc h e c ko f t h er o t o rs h a f ti sav e r yi m p o r t a n tp a r t ，i tp l a y sad e c i s i v er o l ei nt h es a f e t ya n d s t a b i l i t yo f t h ep r o d u c t 一 a c c o r d i n gt o t h es u r v e yo ft h em i x i n gm a c h i n ei n t h em a r k e t , t h i sp a p e r m a s t e r e dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ec o m l n o nm i x i n gm a c h i n e ，a n dc o n f i r m e dt h e s t r u c t u r eo ft h er o l l e r sa n dt h es c h e m eo fm e c h a n c a ld r i v e i ti m p r o v e dt h es t r u c t u r e s a n dt h el i n k s ，a n dm a d et h ep r o c e s s i n gm o r ee a s i e r i nt h em e a n t i m e ，t h r o u g ht h e r e a s o n a b l ea r r a n g e m e n to ft h ep a r t so ft h es h a f t ，i td e s i g n e dt h er a t i o n a l i t yo ft h e s t r u c t u r ea n dt h es i z e i tc o m p l e t e dt h ev i r t u a la s s e m b l yo ft h ee q u i p m e n ti n s o l i d w o r k s ，a n dc h e c k e dt h a tt h ed e s i g n e ds i z e sh a dn oi n t e r f e r e n c e i no r d e rt oc h e c k t h es t r e n g t ho ft h ew o r k i n gs h a f t ，w ec a l c u l a t e dt h es a f e t yf a c t o ra c c o r d i n gt ot h e c o m b i n a t i o ns t r e n g t ho ft h eb e n d i n gm o m e n ta n dt o r q u ea n dc h e c k e dt h es a f e t yf a c t o r a c c o r d i n g t ot h ef a t i g u es t r e n g t h n er e s u l t sp r o v e dt h ev e r a c i t yo ft h ed e s i g n o nt h eb a s i sa b o v et h e 也e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no ft h es t r e n g t ho ft h es h a f t ，w e m a d eaf i n i t e - e l e m e n ta n a l y s i so ft h er o t o rs h a f ti nt h ea n s y s ，i n c l u d i n gt h es t a t i c f o r c ea n a l y s i sa n dt h em o d e la n a l y s i s i nt h er e s u l to ft h es t a t i cf o r c ea n a l y s i s ，w e k n e wt h em a x i m u md e f o r m a t i o na n dt h em a x i m u ms t r e s s ，a n dk n e wt h a ti ts a t i s f i e d t h es t r e n g t hr e q u i r e m e n t i nt h er e s u l to ft h em o d e la n a l y s i s ，w eo b t a i n e dt h en a t u r a l l j r e q u e n c ya n dt h ef i r s tf o u ro r d e rm o d es h a p e so f t h ee q u i p m e n t i nt h es i t u a t i o no f t h el a r g ea m p l i t u d e ，h e a tt r e a t m e n tc a nb eu s e dt ot h es h a f tw i t hn oc h a n g e st ot h e s i z eo fi t ，a n dt h i sc a ni n c r e a s ei t ss t r e n g t h n 武汉理工大学硕士学位论文 a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h es t a r t i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h ea s y n c h r o n o u s m o t o r , w ed e s i g n e dt h ec o n t r o lc i r c u i to ft h em o t o rs y s t e m ，a n dc h o s et h ee l e c t r i c a l c o m p o n e n t s t h ec i r c u i tc a nr e a l i z et h eb r a k i n ga n dt h ef o r w a r da n dt h er e v e r s a lo f t h em o t o r , a n di th a st h ef u n c t i o n so ft h es h o r t - c i r c u i tp r o t e c t i o na n do v e rc u r r e n t p r o t e c t i o na n dz e r op r e s s u r ep r o t e c t i o n a f t e rt h ei n s t a l l a t i o na n dt h ed e b u g g i n g ，t h e e q u i p m e n th a sb e e n u s e dn o r m a l l yi nt h ec o m p a n y k e yw o r d s ：s t r u c t u r ed e s i r e ，s t r e n g t hc h e c k , s t a t i cf o r c ea n a l y s i s ，m o d e la n a l y s i s ， s y s t e mc o n t r o lc i r c u i t h i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 本文研究的目的 第1 章绪论 在物料制造业中，特别是注塑成型工艺过程中，混料工序一般都不会受到 工作人员的重视，一般情况下，仅仅只将其作为辅助工序，因此对塑料颗粒混 料机的性能要求也不高【l 】。随着工业的发展，产品的质量直接影响到企业的效 益，而混料的质量会直接影响它，因此，混料技术及其设备的研究才发展起来。 塑料在成型加工之前所需的原料，通常会需要将几种原料按一定比例混合。 例如在树脂中加入母料、不同种树脂的混合以及颜料等等，这就需要使用塑料 颗粒混料机，为了节约成本以及保证塑料颗粒能够混合均匀，设计一种专门为 该公司量身制作的混料机，从而使混料更趋近于自动化，节约更多劳动力。 1 2 国内外的研究现状 最近几年，混料机的发展比较快，除了大型机之外，一般规格的混料机供 大于求，销量也很难维持顶峰期的1 3 2 1 。但是，市场需求的那种科技含量较高 的混料机缺逐渐加强。主要表现为：在电子通讯、家电、汽车等行业，对自动 化要求程度高，更加需求自动程度较高的精密型混料机：在家电、汽车、建筑 等行业中，吸引力大，伴有空气辅助、水辅助装置的新型混料机，在目前也有 很大的市场，因为他们对产品外观要求更高，更加注重实用寿命；中空塑料机 目前发展也比加快，主要是在汽车领域或者其他工程应用一直困扰它们的难题 一塑料件在振动时产生的应力问题，在技术上，多种塑胶材料的结合以及中空 注塑技术则可以改善这个缺陷。 有关资料显示，到2 0 1 5 年，总产量将达到5 0 0 0 万吨以上。它的良好发展 前景，正在成为中国混料机机制造业高速发展的原动力，尤其是一些科技含量 高、性能好、价格相对适中的机型，预计都有很好的发展前景。 而随着国外技术进步及市场发展，中国混料机产业必须准确把握市场经济 的运行规律与特征，开发独到的技术和设备，适应特定市场的需要，用优质、 高效的设备来满足用户的需求。目前，低附加值通用产品已经出现结构性过剩， 低层次的价格恶性竞争，正在阻碍全行业的技术进步。近两年来，仅德国克劳 斯玛菲一家公司就与中国成交到货百条以上异型材生产线。未来，混料机和生 武汉理工大学硕士学位论文 产线市场将朝着技术含量高、价格低的方向发展。目前，国产混料机以锥型双 螺杆和单螺杆混料机为主，技术很成熟；市场销量也最大。但是，它们的通用 规格已供大于求，只会维持市场顶峰期的5 0 - - 6 0 。今后混料机的重点在于发 展平行异向双螺杆混料机，并朝着第六代、第七代和高速、大长径比方向发展【3 】。 国内市场上主要销售的混料机的型式1 如图1 1 所示。在如图1 2 所示的混 料机组成中，它是四轮直立式设计，体积小，移动也比较方便。为了降低噪音 和持久耐用，配用了摆线针轮减速电机，在简体的设计上都是采用的不锈钢冲 压成型的，桨叶随着电机的转动，使物料在桶内进行翻滚，从而可以在短时间 内均匀混料，效率比较高，可以在计时器上选择o 3 0 m i n 之间选择混料时间， 其结构简图如图所示。但是这种混料机一般混料至少在1 5 k g 以上，对公司来说 浪费了很多资源，同时价格也比较昂贵。 图1 1 型式1 混料机 2 武汉理工大学硕士学位论文 图1 2 型式i 混料机的组成 跟上述厂家生产的混料机的原理基本上相同，型式2 混料机如图1 3 所示， 但是结构上比较大，通过电机带动皮带轮转动从而带动桨叶进行转动，从而达 到进行混料的目的。该混料机相比上一机器而言，电器控制更加精确，控制面 板比较人性化，对于工人来讲更易操作，效率更高。但是该机器并不是很灵活， 体积较大，其结构组成如图1 3 所示。 图1 - 3 型式2 混料机 武汉理工大学硕士学位论文 科桶盖 桶体 桨叶 出料口 轴承盖 皮带轮 一 _ 机座 皮带调节螺丝 口l ， 一 、 f 四蹁唾 jc 喜 - 口 心e h - 7黧；i 磐 、r 广 、k 母，窬_ 星 、： _ 卜一 ，o n - o 譬型鸶i 签i j 蠢i j 鼍i i i 董她 、 图1 - 4 型式2 混料机的组成 排气管 手扣 电气控制箱 散热孔 电机 电机轮 皮带 而国内有些厂商，在设计混料机时，仅仅只是靠滚筒的转动带动物料沿着 筒壁进行运动，从而达到混料的目的，如图1 5 所示为型式3 混料机。这种混料 机滚筒比较大，旋转轴跟滚筒是一体的。同时外面有防护措施进行保护操作人 员的安全。跟第二种混料机不同，在实现电机的减速时，主要通过了中间轮的 过渡来实现减速，从而使传动更加平稳。其结构组成如图1 - 6 所示。 图1 - 5 型式3 混料机 4 武汉理丁大学硕士学位论文 图1 - 6 型式3 混料机的组成 另外，还有如图1 7 所示的型式4 混料机，这种混料机可真空吸料和密封蝶 阀出料，可以实现无粉尘操作。筒体是由两个对称的简体组成，物料可做枞横 方向流动，混合均匀度很高，筒体采用不锈钢材料制造，清洁卫生，一般可以 用作药物的混料过程中。在电气控制方面，它可以实现定时操作和定点操作。 图1 7 型式4 混料机 通过对市场上销售的混料机的了解，一般混料的容量都比较大，所需电机 的功率比较大，因此价格方面也比较高。而公司的混料的容量约为5 k g ，因此市 场上的混料机并不适合该公司。需要设计一种结构简单、操作方便、混合质量 好的混料机，能更适合该公司的小型混料机。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 本文研究的意义 上海浦成传感器有限公司可以自研开发、产业化生产系列汽车排放氧传感 器。自1 9 8 6 年9 月周普成研制成功中国第一批1 5 0 只汽车排放氧传感器至今、 已有1 6 年研制历史。是世界上能够掌握从固体电解质材料到产成品全套汽车排 放氧传感器总承技术和工艺最早的4 家企业之一。同时该公司也在自主研发速 度传感器、压力传感器、曲轴传感器等非氧传感器。这些非氧传感器与氧传感 器相比，并不是金属外壳，在芯片的封装过程中，需要注塑成型。在注塑成型 工艺过程中，若是原料是几种不同的塑料颗粒，则要求这些塑料颗粒混合非常 均匀。在该公司实习期间，通过了解与调查，注塑车间在注塑传感器外壳时， 混料基本上是人工操作，浪费了大量时间和劳动力，并且塑料颗粒混合的并不 是很均匀，因此设计一种适合于该公司并操作简单的混料机是非常有必要的。 该公司一般混料的塑料颗粒是5 k g ，相对来说重量比较小，市场上混料机一 般容量比较大，况且价格比较昂贵，为了节约成本，本论文旨在设计专门适合 于该公司的混料机，从而改善混料的均匀性，提高产品质量和性能，使产品在 汽车零部件的大竞争市场中更加具有竞争力。 1 4 本文研究的主要内容 在塑料颗粒混料机的开发与设计过程中，本文的主要目标是能够设计可以 容纳5 k g 的塑料颗粒的滚筒结构，从而可以实现结构简单、混合质量更高。同 时，需合理设计出电机的控制系统电路，以实现不同转速，从而使操作更加方 便。在此，设计的主要任务是可以分为：塑料颗粒混料机的整体结构设计( 其 中包括了塑料滚筒的结构设计、夹紧装置的选用) 、旋转轴的结构设计( 其中包 括了电机减速器的选用、联轴器的选用、轴承座的选择等等) 、旋转轴的理论强 度校核、基于a n s y s 下的转轴的强度校核、电机控制电路的设计。其主要流程 图妞图1 8 所示 6 武汉理工大学硕士学位论文 设计并确定滚 筒的结构形式 安装 调试 确定电机及减 速机的型号 选择联轴 嚣、皮带轮 否 设计轴的相关尺寸并 使用a y s y s 强度校核 图1 8 设计流程图 选择轴承、 轴承座 设计转动轴与 滚筒的连接 设计固定支架 及选择脚轮 课题所做的主要工作主要有以下几个方面： ( 1 ) 设计一种可以容纳5 k g 的塑料颗粒的滚筒结构，可以实现结构简肇、 混合质量更高，包括密封以及固定形式。 ( 2 ) 确定该设备的传动方案，并确定旋转轴上零件的布置以及定位，从而 确定该轴的尺寸。 ( 3 ) 通过对轴的理论校核计算和有限元分析，保证轴的刚度和强度可以满 足使用要求。同时，为了减小该设备的振动和噪声，还需对其进行模 态分析。 ( 4 ) 设计合理的电机控制电路，可以实现不同转速，启动、急停、工作过 程的平稳性。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章混料机的结构设计 通过对市场上所销售的混料机的调研，它们一般价格都比较昂贵，且适合 于质量更大的物料进行混合。因此本次设计主要针对于本公司的生产需求。在 混料机的设计时，首先需要进行传动方案的确定，在对滚筒的结构设计完成后， 计算转矩，从而确定电机与减速机的型号。合理布置转动轴上的零件，确定轴 的各段轴径和长度，为其他零件的设计提供理论依据。在设计时，需要对各个 零件进行三维模型的建立，并完成虚拟装配，从而说明设计的尺寸并不会产生 干涉，以实现设计的合理性和精确性。 2 1 传动方案的确定 合理的传动方案，首先应满足混料机的性能要求，其次还应满足工作可靠， 传动效率高、结构简单、结构紧凑、成本低廉、工艺性好、使用和维护方便等 要求h 。在拟定传动方案时，我们可以从以下原则考虑： ( 1 ) 采用尽可能短的传动链，从而降低成本、提高传动效率和传动精度。 ( 2 ) 恰当选用原动机类型、运动参数和功率等。 ，( 3 ) 合理选择传动的类型及其组合方式，合理选择传动机构的顺序，从而 一 充分发挥各种传动类型的优势。 ( 4 ) 合理分配传动比。 ( 5 ) 最重要的确保设备能够安全运转。 针对该塑料混料机的设计，本人设计出了两套传动方案，并进行了比较。 方案一：选择电动机作为原动机，为了降低旋转速度，通过皮带轮传动连 接旋转轴，带动物料滚筒的转动，从而实现混料，如图2 1 所示。 3 图2 1方案一的传动方案图 在机械传动中，带传动是一种应用很广的挠性机械传动，它分为摩擦型带 传动和啮合型带传动两类，前者利用带与带轮之间的摩擦力进行传动，后者利 用带上凸轮与带轮齿槽的啮合进行传动【5 1 本文主要选用摩擦型v 带传动。其 主要优点如下： ( 1 ) 具有弹性，能缓冲减振，因此传动平稳，噪声小； ( 2 ) 过载时，带轮会出现打滑，防止其他零件损坏； ( 3 ) 适合两轴中心距较大的传动； ( 4 ) 结构简单，制造和安装方便，成本低。 当然，有优点的同时也会有缺点： ( 1 ) 由于弹性滑动和打滑，传动比会不稳定； ( 2 ) 传动效率低； ( 3 ) 带的寿命较短； ( 4 ) 由于需要施加紧张力，轴和轴承受力较大； ( 5 ) 外廓尺寸较大。 方案二：仍然选择电动机作为原动件，通过减速机实现电机的减速，使用 联轴器将减速机和轴进行相连。当电机工作时会带动旋转轴的转动，滚筒也 进行转动，从而实现混料的需要，如图2 2 所示。 9 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 方案二的传动方案图 现代通用减速机的发展趋势是朝着高性能、形式多样化、结构模块化发展， 本次设计选用的便是联体式减速机，它是由电动机与减速器相连而成的独立部 件，其结构紧凑，费用较分离式的便宜。联体式减速机有1 3 级斜齿轮减速机、 螺旋锥齿轮减速机、斜齿轮螺旋锥齿轮减速机、蜗杆减速机、斜齿轮蜗杆减 速机、摆线针轮减速机等多种形式。由于本次设计的转速要求不是很高，选用l 级斜齿轮减速机。减速机与旋转轴的连接选用联轴器，联轴器的主要功用是传 递运动和转矩。同时它也可以用作安全保险装置。联轴器所连接的两轴，只能 在运动停止后经过装拆才能彼此结合或分开。 通过方案一和方案二的比较，方案一的传动方案效率低，皮带轮尺寸过大， 结构不是很紧凑。而方案二的传动方案结构比较简单，结构紧凑，传动效率较 高，更易安装拆卸，因此本次设计选用方案二作为该混料机的传动方案。 根据传动方案二，本文设计出的混料机的总图如图2 3 所示： 1 0 图2 - 3 混料机总图 l 滚筒：卜滚筒盖：3 - 固定块；4 一工作轴：5 轴承座： 洲轴器：7 l 支架：8 _ 脚轮；删速机：l o 一电机 l l 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 滚筒的结构设计 目前国内常见的混料机类型主要有：滚筒式、搅拌式和其他型。滚筒式的 主要有桶型、双锥型、v 型。而搅拌式可以分为v 型搅拌式和螺旋搅拌式。目 前比较发展成立体滚筒型一r “。 滚筒式混料机的滚筒的主要结构形式如图2 4 、图2 5 、图2 - 6 所示，它们 的工作原理如下：工作时，物料会在筒内滑动和自由落体运动从而达到混料目 的。滚筒转动时，物料颗粒将会在筒内各径向平面做滑动和自由落体运动进行 混合。混料时，靠近筒壁处的物料会作轴向运动和径向运动混合的中心处会出 现死点。开始时，物料沿简壁上升，在倾斜面上做滑动，随着滚筒的转动，物 料上升一定高度落下，当转速升高时，由于离心力的作用，物料和滚筒会同步 运动，这样便起不了混料作用。一般转速在3 0 5 0 转分，物料在筒内简单机械 混合3 0 5 0 跚分，由于轴向的混合位移很小，因此滚筒式混料机一般只适用于 粉状物料混合。 l _ jl j 广广 图2 4 筒形滚筒式混料机示意简图 图2 5 双锥形滚筒式混料机示意简图 1 2 图2 - 6v 形滚筒式混料机示意简图 为了提高混料机的性能和混合质量，搅拌式混料机是在滚筒内加一套搅拌 装置以便于提高混料机的性能和效率。 ( 1 ) v 型搅拌式混料机的工作原理，如图2 7 所示：在v 型滚筒式混料机 滚筒内加入装有搅拌棒的高速搅拌轴，在高速转动时，搅拌棒会打击物料颗粒， 当物料碰到筒壁后会反弹到各个方向，增加颗粒的轴向运动，另外加上滚筒的 转动，提高了混合的速度和质量，但是，由于搅拌棒的作用范围近似一个平面， 搅拌的有效混合空间不超过3 0 ，一般滚筒转速3 0 - 5 0 转，每分钟也只能混合 3 0 - 5 0 次，混料效果并不佳。 图2 7v 形搅拌式混料机示意简图 ( 2 ) 螺旋搅拌式混料机的工作原理，如图2 8 所示：螺旋搅拌装置是装在 主轴上，螺旋搅拌装置会随着主轴的转动拨动物料作圆周运动，使物料颗粒沿 螺它的螺旋方向运动，产生了轴向运动。这种混料形式虽然好一点，但此类混 料机主轴转速一般限制在3 0 - 5 0 转分，速度低，效率低，在图2 8 中可以很明 显看到在螺旋搅拌装置的两端会出现混料死点。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 ii、厂li 厂 一 广 图2 8 螺旋搅拌式混料机示意简图 而如图2 - 9 所示的立体滚筒式混料机是属于滚筒式的，它主要是靠物料在滚 筒内的滑动和自由落体以实现混料的目的，而滚筒在三个空间轴都有转动，从 而使物料在三个空间中的自由度都会有运动，其机构传动图如图所示，这种混 料效果较好，但其速度不能过快，效率不高，混合密度差别比较大的塑料颗粒 时也需要很长时间。 图2 - 9 立体滚筒式混料机示意简图 针对本次设计以及公司的需要，依然采用滚筒的型式，其结构形式如图2 9 所示。滚筒的结构采用叩型的结构。这种结构可以保证混料均匀，同时跟v 型结构滚筒相比，转动轴与滚筒的连接通过两个固定块进行连接，中间使用键 配合，维修起来更方便，结构也更加稳固。同时采用的不锈钢管直接焊接而成， 加工也相对简单。 1 4 武汉理工人学硕j 二学位论文 l r l j 、 已l 1 蛐 滚 筒 图2 1 0 设计的混料机的结构简图 根据公司的需要，一般需要混合5 k g 左右的塑料颗粒，因此选用9 1 5 9 x 3 m m 的不锈钢管焊接，下端不锈钢管的长为5 0 c m ，上端不锈钢管的长都为3 0 c m 。为 了保证滚筒的密封，使用螺钉将盖板与滚筒进行连接，装料与卸料也比较方便。 同时，为了让滚筒不会在转动轴上水平移动，滚筒上的孔径要比固定块上的孔 径大，其尺寸的设计需要在轴的外径确定后才能进行确定，这样才能使该结构 更加可靠。固定块与滚筒的连接使用m 8 的螺栓进行连接，滚筒和固定块的三维 造型分别如图2 1 1 所示、如图2 1 2 所示。具体零件图见附件。 图2 1 l滚筒的三维造型 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 2 固定块的三维造型 2 3 _ 电机与减速机的选择 原动机一般分为一次原动机和二次原动机。一般机械大部分都采用二次原 动机，其中以电动机应用最为广泛。选择电动机就是选择电动机的类型、结构 形式、功率、转速和具体型号。 2 3 1 选择电动机的类型和结构形式 电动机的类型和结构型式是根据电源种类( 直流或交流) 、工作条件( 环境、 温度、工作机的机械特性等) 、工作制度( 连续或间歇) 及对启动、平稳性、载 荷大小、过载能力等方面的要求及其他条件来选用。 电动机分为交流和直流，工业上一般采用三相交流异步电动机。载荷平稳、 不调速、不长期工作的设备，可采用鼠笼型异步电动机，特点是结构简单、工 作可靠、维护容易、价格低廉，配用调速装置后可提高启动性能、加减速性能、 稳态性能和对电网的功率因数，如y 、y z 系列电动机。在此，本文选用y 系列 的电动机，完全可以满足混料机工作的需要。 2 3 2 确定电动机的转速 同一功率的异步电动机有3 0 0 0 r r a i n 、1 5 0 0 r r a i n 、1 0 0 0 r m i n 、7 5 0 r r a i n 等几 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 种同步转速。一般来讲，电动机的同步转速越高，磁极对数越少，外廓尺寸越 小，价格越低：相反，转速越低，外廓尺寸越大，价格越贵。当工作机转速高 时，选用高速电动机较经济。但若工作机转速较低也选用高速电动机，则这时 总传动比增大，会导致传动装置的结构复杂，造价也高。本次设计要求旋转轴 的转速控制在2 0 r m i n - 3 0 r m i n ，本次设计选用1 0 0 0 r m i n 的电动机，通过减速机 的减速实现转速要求。 2 3 3 确定电动机的功率和型号 电动机的功率选择是否恰当，对电动机的正常工作和经济性都有很大的影 响。在选择时，要确保电动机的额定功率p e 略大于电动机所需功率p d 即可。 工作所需的输入功率( 1 一般可以按照下述方法计算： r = f v 1 0 0 0 ( 2 1 ) 或己= m t o 1 0 0 0 ，其中，f ( n ) 、m ( n m ) 分n y g - r 作机的驱动力、驱动力矩； v ( m s ) 、 ( t a d s ) 分别为工作驱动机构件的速度和角速度。在该设计中，滚筒的旋 转半径为4 0 0 r a m ，当滚筒由垂直状态旋转到水平状态时，根据能力守恒定律得： j ： k m g d r = = e o , m d o ( 2 - 2 ) 其中k 为5 k g 物料的放大系数，适应不同质量物料的要求，在这里取1 5 带入式2 2 有： 5 1 5 1 0 0 4 ：t m z m = 1 9 1 1n m ( 2 - 3 ) 由于轴与滚筒的连接并未在质心处，并且为了工作安全，将混料机的安全 系数【s 】设为2 5 ，则： 只= 【s m w 1 0 0 0 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 ，： s w 旦 。 6 0 x 1 0 0 0 ：2 5 1 9 11 2 x 3 1 4 x 2 5 6 0 1 0 0 0 = 0 1 2 5 k w ( 2 5 ) 式2 5 中n = 2 5 r m i n ，电动机所需功率为： 只= 己叩 ( 2 6 ) 式2 - 6 中，t l 为传动装置及工作机的总效率。 r 2r i r 2 r r w ( 2 7 ) 式2 - 7 中，、仉、巩分别为传动装置中每对传动副或运动副( 如联轴 器、齿轮传动、带传动、链传动和轴承等) 的效率。这里： r 2 仇r 2 r 6 = 0 9 8 0 9 9 x o 9 8 = 0 9 5 ( 2 8 ) 其中m 为减速机传动效率，叩z 为联轴器的传动效率，r 3 为滑动轴承的效率。 故： 尼= 己r l = 0 1 2 5 0 9 5 = 0 1 3 2 k w ( 2 9 ) 因此选用的电机额定功率必须大于0 1 3 2 k w 。查电动机选型表知，选用的电 机型号为y s 7 1 1 6 - 1 8 0 w ，b 5 型式无底座的电机，其转速为1 0 0 0 r m i n ，额定功 率为1 8 0 w 。 2 3 4 减速机的选择 所谓减速机的主要作用是将电机的回转数减速到所要的回转数，并得到较 大转矩的机构。而本次的设计也需要用到减速机，来实现减速和提高输出转矩 的作用。 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 由于电动机的型号本次设计已经确定，只需根据电机的输出功率进行选择 减速机的型号，然后进行装配。根据厂家提供的产品目录，选择电动机的型号 为w p d s ，规格5 0 ，输入功率为o 1 8 k w 。由于电动机的转速为1 0 0 0 r m i n ，为了 达到工作转速2 5 r m i n 的要求，减速比确定为1 ：4 0 。其结构型式如图2 1 3 所示。 图2 1 3 减速机的实物图 查表知，输出轴的轴径为q ) 17 m m ，长度l s 为4 0 m m ，键槽b x h = 5 x 3 m m 。 这些参数为后续联轴器的选择提供了依据。 2 4 旋转轴的结构设计 在本次设计中，轴是该设备中的主要支撑零件之一，主要用来传递传动和 动力的。进行轴的设计，就是根据工作条件，确定轴的结构外形和全部结构尺 寸 1 2 】- 【16 1 。在进设计时应考虑的主要因素如下 ( 1 ) 轴的结构形状可以满足使用要求，零件的位可靠，保证轴和轴上零件 有精确相对工作位置； ( 2 ) 轴的结构应有利于提高轴的强度和刚度，受力情况应理，避免或减小 应力集中： ( 3 ) 轴的加工及装配的工艺性好。 通常轴的设计步骤如下： ( 1 ) 由机械传动方案的整体布局，确定轴上零件的布置和装配方案； ( 2 ) 选择轴的材料： 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 初步计算轴的直径： ( 4 ) 对轴进行结构设计； ( 5 ) 校核轴的弯扭合成强度及轴上键连接强度，必要时，精确的进行疲劳 强度计算校核。 一( 6 ) 根据计算结果改进设计并绘制出轴的零件图。 2 4 1 轴材料的选择 在选择轴的材料时，应虑轴的使用条件、强度、刚度、耐磨性及其他机械 性能的要求，采用的热处理方式并考虑制造加工工艺，在力求经济合理的情况下 设计计算来选择轴的材料。 本文选用调质处理的4 5 钢。查表可知，抗拉强度极限8 b = 6 4 0 m p a ，抗拉屈 服极限5 s = 3 5 5 m p a ，弯曲疲劳极限8 - i f f i 2 7 5 m p a ，剪切疲劳极限, 【1 f f i l 5 5 m p a 。许 用弯曲应力 6 w , = 10 0 m p a 、【6 1 b = 6 0 l v p a 。 2 4 2 初步估算轴径 本次设计可以通过扭转强度估算输出端联轴器处的最小轴径。轴的扭转强 度条件为： p 一 9 5 5 0 x 1 0 3 二 f r2 瓦t2 彳印 ( 2 - 1 0 ) 式2 1 0 中：叶为轴的扭转切应力；t 为轴所传递的扭矩：晖为轴的抗扭界 面系数：p 为轴所传递的功率；n 为轴的转速；l 勺j 为轴的许用扭转切应力。 对实心圆轴来讲，将式2 1 l ： 职：硝3 1 6 尘 。 5 ( 2 1 1 ) 带入式2 1 0 中，可得轴的直径为： 趱网r,-lk= c 污 协m 查表l 可知：按4 5 钢，取c = l l o 。 武汉理工大学硕士学位论文 表1 ：轴的几种材料的c 值 轴的材料 q 2 3 5 、2 0 3 54 5 4 0 c r 、3 5 s i m n c 值 1 6 0 - 1 3 5 1 3 5 1 1 81 1 8 。1 0 7 1 0 7 。9 8 输出轴的功率昱= 曰轨，7 2 ，7 3 ( 仇为减速机的效率，取o 9 8 ；啦为滚动轴承效 率，取0 9 8 ；r h 为联轴器的效率，取0 9 9 ) = 0 1 8 0 9 8 x 0 9 8 x 0 9 9 = 0 1 7 1 k w 。输 出轴的转速： 1 22 p 21 0 0 0 4 0 = 2 5 r m i n ( 2 1 3 ) 由式得， d m 2 c 倍= n 叫等础胁m 像 由于安装联轴器处设计了一个键槽，设计的轴径应增加5 ；为使所选轴径 与联轴器孔径相适应，需要选取联轴器。 在联轴器的选择上，本次设计应根据机器的工作特点、性能要求( 如缓冲 减震、补偿轴线位移、安全保护等) ，结合联轴器的性能选择合适的类型。一般 来说，对载荷平稳、同轴度好、无相对位移的可选用刚性联轴器；难以保持两 轴严格对中、有相对位移的应选用挠性联轴器；对于传递转矩较大的重型机械 ( 如起重机) ，可选用齿轮联轴器；对需有一定补偿量，单向转动而冲击载荷不 大的中低速传动的水平轴的连接，可选用滚子联轴器。在此，本文选用弹性套 柱销联轴器，其结构类似于凸缘联轴器，也依靠两个带凸缘的半联轴器分别与 主从动轴相连。连接两个半联轴器是带弹性套的柱销。 弹性套为橡胶制品，常做成蛹状结构以提高其弹性，由于弹性套是传力、 减振和补偿位移的元件，具有一定的抗压强度。使用的柱销是4 5 钢材料，其圆 柱部分与弹性套配合，通过锥面与螺纹连接固定在一半联轴器凸缘周上。这种 联轴器制造容易、成本较低，装拆也比较方便，连接平稳，可以传递中小转矩。 通过查手册可得，取轴与联轴器连接的轴径为2 4 r a m 。根据所选用的减速机，可 以得出联轴器的型号为： 死3 婴g b t 4 3 2 3 1 9 8 4 2 1 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 3 轴的结构设计 轴上零件布置是否合理，关系到轴的结构合理性和装配工艺性。因此，拟 定轴上零件的布置方案是进行轴的结构设计的前提。布置方案时应考虑安排动 力传递路线和预定出轴上主要零件的装配方向、相互关系和顺序。根据混料机 的简图确定轴上主要零件的布置图和轴的初步估算出定出的轴径，从而进行轴 的结构设计，如图2 1 4 所示。 轴承 联轴譬 图2 1 4 轴上零件的布置图 - ( 1 ) 轴上零件的轴向定位 滚筒主要靠两个固定块进行定位，固定块的孔径比滚筒的孔径小，从而使 滚筒不会随意移动，实现滚筒的轴向定位。两边的轴承座使用同一尺寸，同时 在轴承座的一侧设计轴肩，以便于加工、安装和维修。如图2 - 1 5 所示。 图2 1 5 轴上零件的装配方案 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 轴上零件的周向定位 为了防止轴上零件工作时发生周向的相对运动，轴上零件除了有特殊的结 构要求外，都需要定位精确可靠，常用的周向定位方法主要有平键、花键、销、 紧定螺钉以及过盈配合等，在此固定块与轴、半联轴器与轴的轴向定位均采用 平键连接。根据轴的直径查看相关设计手册得，固定块、半联轴器的键截面尺 寸为b x h = l o m m x 8 m m 和8 m m x 7 m m 。在滚动轴承的选择上，为了安装方便，本 文选取带有滚简轴承的轴承座。根据轴径q 3 0 m m ，确定轴承座的型号为u c p _ 2 0 6 的轴承座。其产品图如图2 1 6 所示。 图2 1 6u c p 2 0 6 轴承座的实物图 ( 3 ) 确定各段轴径和长度 褫飞；褫 匿 l 一 陔 一睦 酒 燃 ：么 l 尊 一i 一 屈 ，_ 、 h划【 l、0 d v 们n j 誊 f u n a l i 一暑 n n _ & b q u bb i d 3 8 0叶。 e n 图2 1 7 转轴的尺寸设计 如图2 1 7 所示，非定位的轴肩一般取1 - 2 5 m m ，根据固定块的孔径以及轴 承座的型号，在轴径的确定上，从联轴器向左取 2 3 武汉理工大学硕士学位论文 t p 2 4 m m 呻3 0 m m q 3 2 m 脏叩3 5 m i n _ p 3 2 m i i 卜叩3 0 m m 。在轴的长度 的确定上，一般取决于轴上零件的宽度及它们的相对位置。选用u c p 2 0 6 型号的 轴承座，厚度b 为3 8 1 m m 。由于该轴承与轴承座是一体的，因此，轴承座处轴 的长度为4 0 m m 。由滚筒的外径为1 5 9 m m ，为了防止其在轴上移动，轴的最大 端应该处于两个固定块之间，考虑到加工时的误差，本文取最大端t p 3 5 m m 轴的 长度为1 6 0 r a m 。由于该轴通过螺钉将轴承座固定在支架上，为了防止滚筒在转 动时，不会撞击到支架，q ) 3 2 m m 轴的两端长度均为2 8 0 m m 。半联轴器与轴的最 左端的配合长度为5 2 m m ，考虑装配误差，最小轴径9 2 4 m m 的长度为8 0 m m 。 ( 4 ) 轴的结构工艺性设计 为了使轴的结构形式便于轴的加工以及轴上零件的装配，需对轴的结构工 艺设计。轴的左右两端均制成2 x 4 5 0 倒角，从而便于轴的装拆和去掉加工时的毛 刺。为了加工的方便，滚筒、半联轴器出的键槽应布置在同一母线上。当然本 文在满足使用要求的前提下，尽可能将轴进行简化。 最终设计出的轴的零件图见附件。 2 5 其他零件的结构设计 为了移动方便，本文采用4 0 # 角钢焊接制作成支架，同时配以有脚轮。如图 2 1 8 所示。