毕业设计（论文）-太阳能热水器内筒成桶机的设计.doc

毕毕 业业 设设 计计 题题 目目 太阳能热水器内筒成桶机的设计 学学 院院 机械工程学院 专专 业业 机械工程及自动化 班班 级级 机自 0704 学学 生生 孙宇 学学 号号 20070403159 指导教师指导教师 樊宁 二一 一 年 五 月 二十六 日 济南大学毕业设计 - I - 摘 要 在当今社会中，伴随着世界能源的紧张，太阳能行业越来越受到人们的关注。 太阳能是可以利用的大自然持续不断的能源。太阳能热水器可以利用太阳能能源， 在我们的生活中越来越常见。在太阳能热水器的生产中，成桶工序是一道很重要的 工序，它使端盖和内筒壁结合在一起，形成一个完整的内筒。太阳能内筒的结合质 量高低对太阳能热水器的使用有重大的影响。内筒的成型有滚压和焊接两种方式， 滚压成型的方式简单，省工时，环境干净，强度好，受到越来越多的厂家使用。 成桶机从开始第一代，经历了好几代，技术更高，制造难度和成本不断提高， 当前我国也能大批生产成桶机，但在数量上远远不能满足国内越来越多的太阳能行 业的需要，在技术上与国际先进水平也有差距。 为此，通过此次设计对成桶机进行改进，使之性能更高。在此次设计中，提高 了转速，节省了加工时间；安装上汽缸使机器沿轨道运动半自动化；通过对滚轮的 设计，提高了内筒壁与端盖的结合强度，提高内筒使用寿命 。 关键词：成桶机；内筒；滚轮；汽缸； 济南大学毕业设计 - II - ABSTRACT （Times New Roman 小四，1.25 倍行距） Key words：（Times New Roman 五号，加粗）electric power system；（Times New Roman 五号） （外文摘要要求用英文书写，内容应与中文摘要对应。阅后删除。 ） 济南大学毕业设计 - III - 目 录 摘要. .I ABSTRACT.II 1 前言 .1 1.1 （宋体小四）.1 1.2 .1 1.3 .2 1.3.1 .2 2 .3 2.1 .3 2.2 .4 2.2.1 .4 2.2.2 .5 2.5 .9 5 结论.20 参考文献.21 致谢.22 附录. . . . .23 济南大学毕业设计 - 1 - 1 前言 1.1 选题背景与意义 1.1.1 国内外研究现状 在当今社会中，太阳能热水器在我们的生活中越来越常见，越来越普通。在太 阳能热水器的生产中，成桶工序是一步很重要的工序，它使端盖和内筒壁结合在一 起，形成一个完整的内筒。太阳能内筒的结合质量高低（包括密封性，抗氧化性， 耐腐蚀性，疲劳强度等),对太阳能热水器的使用有重大的影响。内胆选用国标 304（食品专用）不锈钢板，确保任何水质环境和使用寿命超过 10 年。内筒的成型 有滚压和焊接两种方式，滚压成型的方式简单，成桶机一次成型，可节省工序，省 工时一半，减少太阳能热水器外壳划痕，环境干净，强度好，受到越来越多的厂家 使用。 目前，我国生产制造太阳能热水器的机械设备不全，身缠分散，尚没有规范化 的圈套生产设备，仅有的几家生产厂家，都不是大规模的生产，尤其是水箱成桶的 边接以及上盖，均采用雅虎焊接，其中不足之处是，手工操作的生产效率极低，水 箱的承压性能低，并且焊点脱焊漏水，严重的影响着水箱的使用寿命。 成桶机从开始第一代，经历了好几代，技术性不断提高，制造难度和成本不断 提高，成桶机的发展可以说从侧面反映了世界工业的发展进步，当前我国也能大批 生产成桶机，但在数量上远远不能满足国内越来越多的太阳能行业的需要，在质量 上与国际先进水平相差近 10 年。差距主要表现在：（1）国内产品多为手动进料， 自动化程度较低，成型精度不是特别高。 （2）成桶时转速比较慢，可以使转速提高， 节省加工时间。 （3）加工的强度不够大，有的内筒端口处容易开，造成漏水的现象。 1.1.2 选题的目的及意义 伴随着世界能源的紧张，太阳能行业越来越受到人们的关注。太阳能可以利用 大自然持续不断的能源。内筒是太阳能的重要部件，它的好坏直接关系到太阳能热 水器的使用寿命，使用质量，由于内筒长时间浸泡在水里，水的温度可以达到最高 90 摄氏度，因此对内筒的材料也有很高的要求，现在多选用国标 304 不锈钢板，耐 腐蚀性比较好，还可以确保水质。端盖和内筒的连接现在大多采用滚压成型的成桶 机，而不用高频焊接，一是因为滚压成型的质量比较好，耐腐蚀性比较高，提高太 阳能热水器的使用寿命。二是可以确保水的使用质量，现在太阳能热水器已经逐渐 济南大学毕业设计 - 2 - 向可饮用水的方向发展，水的质量要得到保证，焊接处对水质有影响，而滚压连接 对水没有任何影响。三是滚压成型操作简单，效率高，经济。因此，做出了太阳能 热水器内筒成桶机的设计。 1.2 本次设计任务 太阳能热水器内筒成筒是一步很重要的工序，此工序的好坏直接太阳能热水 器的使用情况，要求此工序操作简单，安全，高效。 1 主要用途： 使太阳能内筒与端盖成为一体，使之成为一个整体的筒。密封 性好，操作简单，无污染，强度高。 2 主要结构：机架，电动机及传动机构组成。机架的左、右两侧设有盘面彼此 相对且间距可调的两个圆盘，两个圆盘分别固定在两轴的轴端，两轴回转轴心重合， 两轴中有一个与主动轴相连，两轴分别固定在机架上设置的轴座上，两圆盘构成支 托桶体的支架。 3 主要原理：成桶机的动力设备是一个电机，电机通过皮带传递动力给齿轮， 通过齿轮改变转速，使凸台和凸圆产生相对速度，从而使滚压轮完成对内筒壁和端 盖滚压，完成此工序。 太阳能热水器内筒成桶机的设计参数如下： 电动机电压 380V 电流 12.5A 电机转速 1440r/min 滚压轮转速 240r/min 端盖直径 340400mm 加工加工长度 13m 太阳能热水器内筒成桶机设计主要内容： 1.内筒成桶机的传动方案设计。 2.电动机的选择。 3.传动系统机构件的选择及校核。 4.各轴的选择设计及校核。 5.结构的合理设计。 6.非标准件的选择使用及校核。 7.标准件的选择使用及校核。 济南大学毕业设计 - 3 - 2 方案的设计与论证 2.1 传动方案的初步设计 成桶机在工作时候，通过两个齿轮分别和凸轮，凸台连在一起，因为齿轮的转 速不同，从而使凸轮和凸台产生相对位移，是滚压轮向中心靠近，完成内筒的成筒。 初步选择皮带传动，带动齿轮转动。 2.1.1 几种传动方案的比较 (1). 齿轮传动：优点：瞬间传动比恒定且稳定性高,结构稳定可靠,噪音低,传 动功率大效率高。缺点:应用环境要求高,润滑条件要好,不适合灰尘较多以及距离较 远的两轴之间的传动,制造和安装精度高。 (2). 带传动：结构简单,适用于两轴中心距较大的传动场合； 传动平稳 无噪声,能缓冲、吸振； 过载时带将会在带轮上打滑 ,可防止薄弱零部件损坏 ,起 到安全保护作用； 不能保证精确的传动比，带轮材料一般是铸铁等。 (3). 链传动:和齿轮传动比较 ,它可以在两轴中心相距较远的情况下传递运 动和动力；能在低速、重载和高温条件下及灰土飞扬的不良环境中工作； 和带传动比较 ,它能保证准确的平均传动比 ,传递功率较大 ,且作用在轴和轴承上 的力较小；传递效率较高 ,一般可达 0.950.97；链条的铰链磨损后 ,使得 节距变大造成脱落现象。 (4). 圆柱齿轮传动： 能保证瞬时传动比恒定 ,平稳性较高 ,传递运动准确可 靠；传递的功率和速度范围较大； 结构紧凑、工作可靠 ,可实现较大的传动 比；传动效率高,使用寿命长。 (5). 带蜗轮蜗杆：该方案利用了蜗轮蜗杆传动能在空间形成任意方向传动，而 且传动比大的优势，使传动结构紧凑，减小了占用空间。 2.1.2 确定传动方案 首先满足机器的功能要求， 如所传递的功率大小、转速和运动形式，此外还 应满足工作可靠、传动效率高、结构简单、尺寸紧凑、工艺性好、使用维护方便。 根据内筒成桶机的工作环境及其自身的特点，结合现在制造技术的提高，选用 皮带齿轮传动方案，其运动简图如下: 济南大学毕业设计 - 4 - 图2.1 成桶机传动结构图 2.2 方案设计 通过功能分析，初步确定各个功能单元的结构及应用原理。成桶机由机架、电 动机、凸轮、轴、皮带及传动机构组成。电动机安装在机架下方，特点是在机架的 上方安装轴，轴的一端固定在支座上，另一端有支撑轮。在皮带轮上安装上小轴， 小轴上安装有滚压轮，滚压轮上有滚压槽，滚压轮有两种滚压轮共四个，机架的右 端安有支座，支座上装有套筒，套筒内有轴承和轴，通过之间的旋转，完成加工。 电机转动，通过皮带使动力传递到齿轮上。齿轮一共有四个齿轮（两对齿轮） ，其中 一个齿轮和圆盘的回转轴连在一起，在转动的时候保持同样的转速，凸轮围绕轴的 转速也和该齿轮的转速是相同的。再通过齿轮之间的啮合传动，改变了另一个齿轮 的转速，这个齿轮和凸台是一体的，把它们做成套筒状套在圆盘的回转轴上，因为 两个齿轮的转速不同，从而使凸轮和凸台产生相对速度，从而产生了相对位移。凸 轮沿着凸台外形轮廓而运动，再通过安装在转轴上的一根小转轴，从而使滚压轮逐 渐向圆盘的回转中心靠近，完成内筒的成桶。四个滚压轮（两对滚压轮）它们完成 加工时候的，运动顺序是不同的，不是同时向圆盘回转轴中心靠近，而是斜对的两 个是一对，它们是同时向中心靠近，然后另外两个再向轴中心靠近，它们在成桶中 的工序中的作用也不是相同的。圆盘旁侧设有滚压轮组件，它们有一道、二道滚压 轮组成，上有凹槽分别指向圆盘盘缘周面，一道、二道滚压轮配合工作并对桶体、 桶盖的折榫施以滚压，使其变形成层卷状扣接，它适于热水器桶体等的加工成形。 。 当完成内筒的成筒，用一个汽缸急停，成筒工序完成。 济南大学毕业设计 - 5 - 相比现有的技术，本实用新型成桶机具有以下优点： (1).机械话操作，工作效率很高，是一般手工焊接的 100150 倍。 (2).由于太阳能热水器内筒的成型用机械轧合，使用成桶机制造的太阳能热水器内 筒使用寿命长，承压能力强。 (3).采用了两对不同的滚压轮，滚压接边一次成型，接边坚固。 (4).结构设计科学合理生产成本低，比较好的用于工业化生产，生产成本低。 2.3 总体方案结构设计 成桶机由机架、电动机、凸轮、轴、皮带及传动机构组成。选择用皮带传动，结 构如下图所示： 济南大学毕业设计 - 6 - 3. .传动系统的总体设计 3.1 传动系统方案设计 通过上述的论证分析，选择皮带齿轮传动，以及从空间紧凑性方面考虑，选择 其传动顺序为： 电动机皮带齿轮轴 3.2 电动机的选择 （1）通常选用 Y 系列三相交流一步电动机。对于启动比较频繁、制动和反转 的场合（如起重机） ，则应该选用起重或冶金用 YZ 型（笼型）或 YZR 型（绕线型） 三相交流异步电动机。电动机结构形式有开启式、防护式、和防爆式等。电机安装 形式可根据防护要求选择。 （2）确定电动机的功率 标准电动机的容量一般以额定功率表示，对所选用电 动机的额定功率应不小于所需工作机要求的功率 Pd。工作机要求的电动机功率 Pd为 Pd=Pw/ (2-1) 式中 Pd工作机要求的电动机输出功率，单位为 kW Pw工作机所需输入功率，单位为 kW； 电动机至工作机之间传动装置的总效率。 总传动效率的计算： (2-2) 21 其中、分别为 v 带传动效率、圆柱齿轮传动效率。 1 2 查机械设计课程设计手册（表 17）得各部分的传动效率： （1）. v 带传动：=0.96 1 （2）.圆柱齿轮传动：=0.97 2 所以总传动比 =0.9312 21 因此 Pd=Pw/=5.1(kw) 济南大学毕业设计 - 7 - 所以所选电动机的功率：5.1kw （3）电动机转速的选择 按照工作机转速要求和传动机构的合理传动比范围,可以推算电动机转速的可选 范围。对于 Y 系列的电动机，通常多选用同步转速为 1500r/min 和 1000r/min 的电机， 如无特殊需要，不选低于 750r/min 的电动机。而太阳能热水器内筒成桶机为一般机 器，对电动机没有特殊要求，因此通过查设计手册选用同步转速为 1500r/min，额 定功率为 5.5kw,满载转速为 1440r/min,型号为 Y132S4 的电动机。参数如表 3.1 所示： 表 3.1 3.3 传动系统的传动比分配确定 已知电动机转速为 n1=1440r/min，工作机所要求的转速为 n2=240r/min，则总传 动比为 6。 传动比分配及选择原则为： （1）各级机构传动比应尽量在推荐的范围内选取。 （2）应使传动装置结构尺寸较小，重量较轻。 （3）应使各传动件尺寸协调，结构匀称合理，避免干涉碰撞。 一般普通 V 带传动的减速传动比推荐值是8(15)。 根据以上原则，带传动比选择 6。 3.4 传动轴的选择计算与校核 3.4.1 计算各轴的转速 n1=1400r/min = 2 n 1 1 n i 1440 240 / min 6 r 322 250 / minni nr 上式中，n1为电动机转速，为与凸轮相连的轴的转速，为与凸台相连的轴 2 n 3 n 型号功率(kw)电流(A)转速(r/min)效率(%) Y132S-45.512.5144080 济南大学毕业设计 - 8 - 的转速， 为普通 V 带的传动比，为齿轮的传动比。 1 i 2 i 3.4.2 轴的计算轴的计算 轴是机床的重要零件，奇其他零件都要装在轴上才能进行工作。因此，轴跟其 他零件设计一样，有结构设计和工作能力等内容。 轴的机构设计就是轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等要求，来确定轴 的结构形式和尺寸。轴的工作能力是指轴的强度、刚度和震动稳定性等方面内容。 多数情况下，轴的结构工作能力主要取决于轴的强度。因此，在设计计算中我们只 对轴的强度进行计算，防止其断裂或塑性变形。 11 5.5 0.965.28Ppkw 22 5.28 0.975.12Ppkw P 为电动机的输出功率，、为、轴的输入功率，、依次为电动机P 2 P 1 2 轴与轴、轴与轴间的传动效率。 5.5 9550955036.18 1440 d d d P TN M n 36.1860.96=208.4T d T 1 i 1 N M =208.41.040.97=209.4TT 2 i 2 N M 由式,可得 3 9550000 0.2 TT T P T N Wd 33 3 0 9550000 0.2 T PPP dA nn 空心轴 3 0 4 1 P dA n =，即空心轴的内径与外 d 之比。 1 d d 1 d 济南大学毕业设计 - 9 - 3 4 5.28 11038 240 1 0.82 dmm 所以空心轴的最小直径为 38mm，本设计中采用轴为 170mm,内径采用 140mm。 3.5 带传动的设计与计算 V 带传动是一种挠性传动。传动的基本组成零件为带轮和传动带。当主动带轮 转动时，利用带轮和传动带间的摩擦或啮合作用，将运动和动力通过传动带传递给 从动轮。带传动有结构简单、传动平稳、价格低廉和缓冲吸震等特点，在近代机械 中应用广泛。 3.5.1 V 带的选用安装及计算 标准普通 V 带式用多种材料制成的无接头环形带。这些材料包括顶胶 1、抗拉 体 2、底胶 3 和包布 4 组成方式如图 2.2 所示 图 2.2 普通 V 带的结构 根据抗拉体的不同，普通 V 带分为帘布芯和绳芯 V 带两种。本设计中选择普通 帘布芯 V 带。 已知条件：电动机功率：P=5.5kw，转速：n1=1440r/min，传动比 i=6。每天工 作 8 小时。处于传动系统的第一级。 （1）确定计算功率 由表 8-7 查得工作情况系数 KA=1.1，故 济南大学毕业设计 - 10 - Pca=KAP=1.1x5.5=6.05(kw) （2）选择 V 带的带型 根据 Pca、n1由机械设计课本图 8-10 选用 A 型 （3）确定带轮的基准直径 dd 并验算带速 v 1）初选小带轮的基准直径 dd1。由机械设计课本表 8-6 和表 8-8，取小带轮的基准 直径 dd1=112mm。 2)验算带速 v。 1 1 112 1440 8.44(/ ) 60 100060 1000 d d n vm s 因为5m/s9 5 11 0 28 16 28 0.01 8 0.06 1 28 0. 2 0 4.3 0. 2 0 0.40.6 0 - 0.04 3 0 -0.11 其选用标准键长 L=28mm,同时为了保证大皮带轮与轴配合油良好的对称性，故 选取齿轮与轴的配合为 H7/n6。 2.键联结强度的校核 键、轴和轮毂的材料都是钢，由机械设计查表 62 查取许用挤压应力 ，取其平均值，键的工作长度100 120 F Mpa110 F MPa110 F MPa l=L=28mm,键与轮毂键槽的接触高度 k=0.5h=0.5115.5mm 普通平键联接的强度 处条件为： 3 210 Fp T kld 把 k,l,d 代入得： 35 2102 6.445 10 139.5110 5.5 28 60 pp T MPa kld 所以联接得挤压强度不够，考虑到安全因此改用双键，相隔 180 度布置。双剑 得工作长度 l=1.528mm=42mm,所以由强度条件得 。 35 2102 6.445 10 93110 5.5 42 60 pp T MPaMPa kld 故合适。键的标记为 1811（GB/T1095-79） 。 2.键联接强度的校核 键、轴、齿轮的材料都是钢，由机械设计表 62 查得许用挤压应力 ，取其平均值。键的工作长度 l=L-b=28-100 120 F MPa110 F MPa 8=20mm.键与轮毂键槽得接触高度 k=0.5h=0.573.5 普通平键联接得强度条件为 3 210 pp T kld 济南大学毕业设计 - 21 - 把 k、l、d 代入上式得 34 2102 5.426 10 51.676 pp T kld 所以联接得挤压强度够用。 所以也满足要求。 5. 压紧气缸的选择计算 对箱体进行移动进行压力测试，测得拉力是 2450N。 要得到 2313N 恒定拉力，必须使用气缸，气缸具有一个优越的特性输出 力恒定，因此，采用气缸带动箱体的移动。 气缸的选择： 已知：气缸的实际负载 F1=2450N，查表可知负载率 =0.56。 气缸的理论输出力 F=F1/0.5=4900，又 26 1 10 4 FD F （5.1） 即 4900=3.1440.6 2 D 6 10 求得：D=0.102m=102mm 所以选择缸径 D=100mm 的气缸。 通过上网搜索，查询气缸的生产厂家，选用温州豪享莱贸易有限公司生产的气 缸, SC-10025，SC 表示标准复动型（拉杆式） ，缸径 100mm，行程 25mm。其外 形结构如图 5.1 所示，外形尺寸参照表 5.1。 济南大学毕业设计 - 22 - 图 5.1 气缸外形结构图 表 5.1 气缸外形尺寸参数表 6 6.凸台的选择 凸台的作用是让凸圆轮沿着凸台的外形轮廓进行移动，通过它的外形轮廓的差 距，达到所需要的移动要求。在本次设计中，选择凸圆轮的基圆半径为 120mm，凸 轮的轮廓线成对称分布，其中，有两个 1/4 圆为工作行程，另外两个 1/4 为工作行程， 起到过度的作用，工作行程移动的距离最高点离基圆的距离大约是 20mm，凸台的 外形轮廓如下图所示： 济南大学毕业设计 - 23 - 凸台的外形轮廓 济南大学毕业设计 - 24 - 结 论 通过接近两个月的课程设计，使我学到了很多有用的知识。通过本次设计，不 仅把这四年大学学到的理论知识和专业知识很好的运用在设计的过程中，而且培养 了自己认真思考的能力，在处理问题时有了行的思路和解决方法，并加强了和同学 之间探讨解决问题的能力。 我设计的机器是太阳能热水器内筒成桶机，它的主要作用是成桶的作用，就是 把内筒壁和端盖结合在一起，使之形成一个完整的筒，把水贮存在里面，内筒的质 量的好坏直接影响太阳能热水器的使用的寿命，因此，此工序是一道非常重要的工 序。本次设计，主要设计了皮带轮的传动和齿轮的传动，最终导致凸台和凸圆轮的 位移差使完成筒的加工任务。传动方案的设计任务是比较几种不同的传动方案，通 过分析比较，选择一种更合理的，效率更高的传动方案，节省了工时，最重要的是 节省了成本，节约了资源。整体的结构设计包括各轴的设计，各种滚压轮的设计， 气缸的使用，以及轴承、螺栓、螺母、支架、导轨、圆盘和套筒的设计用计算。本 次设计中对原先的机器有了较大的改进与提高。首先，把导轨的移动由以前的手工 移动改为了气缸带动机座的移动，通过这样的改进，节省了工时，提高了效率，更 保证了移动的准确度。其次，是通过对滚压轮的外形轮廓的设计，多种滚压槽的配 合使用，两对不同的滚压轮的同时使用，是筒的结合质量更高，更结实，保证了筒 的结合强度，保证了使用寿命。最后，通过提高了滚压轮围绕中心主轴的转速，加 快了加工时间，极大的提高了效率，这在现在竞争相当激烈的时代，是很重要的。 但是，此次设计中，使内筒的结合有滚压成型取代了焊接成型，这本身就是一次创 新。 通过本次设计，不仅锻炼了自己查阅资料的能力，让我熟悉有关技术政策，熟 练运用国家标准，规范手册，图册等工具书惊醒设计计算，数据处理，编写技术文 件的独立工作能力。还让我感觉到了团体的力量，遇到技术问题时，通过小组讨论、 分析、和指导，最终总能得到满意的结果。对我们目前所掌握的知识、实际实践经 验以及设计的时间，设计一台机器一个人不可能独立完成，需要我们彼此权利合作， 才能真正的发挥团体的力量。为以后走向社会打下了坚实的基础。 当然在设计中还有很多不足之处，请老师改正。 济南大学毕业设计 - 25 - 参 考 文 献 1张帆, 康永林, 杨柳青, 丁瑞华. 锥桶式流变成形机制备 A356 铝合金半固态浆 料的研究J. 特种铸造及有色合金, 2010(06)：1719 . 2林陈彪. 复合模具在钢桶生产中的应用J. 机电技术, 2007(03)：5862. 3练毅, 王平, 刘德仿, 廖萍. 外凸台内齿圈件双工序反挤压成形工艺研究J. 机械传动, 2010(07):6874. 4杜继涛. 防护罩六工序复合模具的设计J. 机械制造, 2003(02)：8792. 5饶辉. 一种复合模具的设计:机械工人J. 热加工, 1995(11)：5456. 6辛舟, 龚俊, 黄建龙, 李文辉. 多工序复杂复合模的工艺及结构设计J. 甘肃 工业大学学报, 2003(04)：6062. 7王伟达. CAD/CAM/CAE 应用于模具的设计与制造J. 机电一体化, 1999(01)： 2124.