机械专业课程设计.doc

铝水自动倾卸装置设计说明书学院：班级：姓名：学号： 指导老师：X X X前言在现代社会快速发展的时候，我们的科技工业也在飞速的发展，在许多工程中，我们都要遇到一些大型的，大重量的物件搬运工作和其它工作，在人工不能完成的情况下，我们人类开创了各种各样的工程机械，解决了大量的重大难题。作为新世纪的大学生，我们学工程的一代毕业生面临着许多新的挑战。我们只有通过不断的训练、不断的去经历机械设计中的困难，才能在新的科技指下，做出更完美的工程机械产品。目录（一）总的设计准备和计划.3一，设计的任务.3二，给定的主要参数.3三，设计的原理和主要思想3四，总的设计基本方案4（二）承载铝包，并使之上下移动的结构部分的设计4一，基本设计.4二，简要说明5三，基本尺寸及其分析和运动情况5四，受力分析及计算.5五，主梁的设计及校核7六，左边摆杆的设计及校核10(三)自动倾卸铝水装置部分的设计10一，基本设计.11二，长度尺寸分析及说明.11三，简单的分析计算.12四，倾卸机构的设计及校核.14（四）杆件之间的绞接设计和其它小部分设计。18一，铝包凸台的设计18二，销的设计19（五）液压系统的设计.20一，基本情况.20二，液压泵的选择21三，液压缸的设计.21（1）支撑液压缸的设计22（2）倾卸液压缸的设计.26（3）主要受力液压缸，即牵引部液压缸的校核27四，其它液压控制的选择.29（一）总的设计准备和计划一，设计的任务设计一个关于铝水自动倾卸的机械装置，它首先必须能够支撑一个很重的铝包，并且能够从其它机器上取下铝包，所以该装置还能载着铝包上下左右移动，由于机械是安装在一个普通的能移动的车上的，所以装置主要完成上下移动就可以了，在本次设计中，要求铝包能上下移动1.4m 左右，当然还要保证铝包内的铝水不倒出来，其次，还要完成一个至关重要的动作，就是必须能自动缓慢的倾倒铝水，最重要的是一定要把铝包里的铝水倾倒干净。二， 给定的主要参数铝包在装满铝水时，最大重量为16吨，铝包的具体尺寸如下图所示:三， 设计的原理和主要思想本次设计的所采用的最基本的原理就是四连杆机构的一些基本特性。充分利用四连杆机架的这些特殊性能，再以单活塞杆液压缸为传动装置，液压泵为动力最终完成要求的动作,达到设计的目的。四， 总的设计基本方案如下图所示： 简要说明:在设计时考虑为使铝包能够平动，还要让铝包上下移动1.4m 左右的竖直距离，所以选择用液压缸为立柱。（二）承载铝包，并使之上下移动的结构部分的设计一，基本设计为了保证铝包的平稳，设计一平行四连杆，保证铝包的平动，再通过一液压缸为动力装置，推动主梁上下移动。设计简图如下：二，简要说明图中两平行液压支撑杆的最大摆角为30度（方向向右），摆动的最高点在竖直方向。所以摆杆的最上端的两个极限位置的连线与水平方向成15度角，左边的摆杆在最低位置时，液压支撑杆偏右30度，所以左边的上下摆杆要承受拉力就可以了,在最低位时，摆杆处于水平。显然在整个运动过程中，左边的摆杆都只承受拉力，没有承受挤压力。三，基本尺寸及其分析和运动情况左边的摆杆长2m,两液压支撑杆的水平距离为1m,主梁总长4m,右边支出端长2m,在最低位置时，液压支撑杆偏右30度，总长为2m,所以铝包的高度为1.732m，当液压支撑杆不断伸长时，液压支撑杆也向左摆动，当液压支撑杆摆到竖直方向时，即铝包到达最高高度，这时左边的摆杆顺时针刚才转过60度。四，受力分析及计算情况一：当两液压支撑杆在竖直方向时，即铝包在最高位置时，液压支撑杆主要承受竖直方向上的力，而不承受水平方向上的力，所以，此时左边的摆杆在水平方向受力很微小，可以忽略不计，当然在竖直方向的力也可以忽略不计。以下是受力简图：F1F2G已知：铝包满载时，最重达16吨，由于是前后两根主梁承受铝包，所以每一根主梁受一半的力。即，G 9.8 78400 N所以列平衡方程式得：力的平衡：F1 G F2弯矩平衡：G 2 F1 1连立方程组解得：F1 156800 NF2 235200 N情况二：当两根摆杆运动到最大偏角时，即在右边偏竖直方向30度角时，液压支撑杆还是主要承受竖直方向的力，在水平方向上的力有摆杆承受。以下是受力简图：F1F2GF拉列平衡方程式:在竖直方向时，跟情况一相同，所以可以得知：F1y 156800F2y 235200根据几何知识可得：F1x F1y tan30 90500 NF2x F2y tan30 135800 N所以有：F1 191000 N F2 271600 N在水平方向时：F拉 F1x F2x解得：F拉 45300 N用Fd表示油缸受到最大的压力。在使铝包竖直方向上的移动时，液压缸的受力最大为情况二时的F2所以 Fd F2 271600 N五，主梁的设计及校核根据实际情况和主梁的受力情况确定主梁材料为45钢，调质处理。主梁有两根，各方面尺寸都一样，截面尺寸为高 h = 35cm,宽 b = 15cm。经过查表可知：需要的45钢的参数有s 355 Mpa, b 600 Mpa, b 60Mpa（1）抗弯矩校核绘制主梁的弯矩图：Mmax显然，最大弯矩处在与摆杆绞接的两旁。MmaxG 2 156800 N.m抗弯截面系数：W b*h/6 0.150.350.0030625 m所以当量弯曲应力： 156800 0.0030625 51200000 N/m 51.2 Mpa b60 Mpa弯曲应力强度符合要求。（2）抗压校核此外，主梁还受到挤压，最大挤压力在摆杆2的左方。F2x 135800 N 主梁截面面积：A b*h 0.150.35 0.0525 m F2xA 1358000.05252.6 Mpa显然，在主梁抗挤压强度要求也能达到要求。（3）稳定性校核主梁横截面的惯性矩是：b*h/120.150.35/125.3610m弹性模量度： E210 Gpa两绞接端的距离： 2 m临界压力：F277449144 N F2x所以杆的稳定性满足要求。六，左边摆杆的设计及校核首先，选择材料同主梁相同，为45钢，调质处理。重要参数前面已经说清楚，这里就不再做说明。横断面为直径d50mm 的圆杆。摆杆受到拉力作用。取安全系数S3所以许用拉应力b b/S6003200 Mpa摆杆受到的最大拉力在情况二时，F拉45300 N所以杆受到的拉应力为拉4F拉/（*d） 4453003.140.05 23.0810pa23.08Mpa b 200 Mpa 抗拉强度满足要求 (三)自动倾卸铝水装置部分的设计一，基本设计在铝包平动时，为要求铝包的倾卸装置不影响铝包的平衡性，所以该装置要求设计安装在主梁上，为了保证铝包内的铝水能够全部倒出，所以，只要铝包转动90度方可完成任务。用一根拉杆来拉铝包，使铝包转动，这样可以把铝包当成是一根曲柄或摇杆。设计一个四连杆机构组成的倾倒装置，并充分利用容易实现的液压缸为动力，使主摇杆转动，主摇杆拉动连杆，再通过连杆拉动曲柄，这里的曲柄就代表铝包了，铝包转动就实现了铝水的倾倒，当铝包转动90度时，任务即完成。 设计简图如下：二，长度尺寸分析及说明根据四连杆的基本知识，初步根据图设计尺寸为：以液压缸相连的摇杆长为2.5m，中间连杆长为2.5m，液压缸的一端接在主梁上距右端铝包的转动中心1m处，另一端连在摇杆上距摇杆转动中心1.45m处。曲柄的尺寸根据铝包的具体尺寸情况设计为1.163m，（这里需要说明一下的是:铝包的外面是没有的东西，要在下面缠一铁圈，以便安装抓附的环），这时曲柄正好在偏离竖直方向30度，所以，铁圈安装在距铝包的凸台下端竖直距离1m处，铝包的凸台前后各一个，其大小在后面设计。机架在主梁上，长为3.5m。这里需要注意的地方是，曲柄的转动不能出现死角或接近死角。经计算知: 当曲柄转动90度时，连杆与曲柄的夹角最大达到164度左右，小于180度，虽然已经很大了，但是连杆与曲柄的夹角越大了，铝包内的铝水越少，需要的力越小。所以尺寸设计完全符合要求。三，简单的分析计算随着铝包的转动，铝包的重量不断的变化，与竖直方向的夹角也在变化，所以连杆的拉力也在变化，从而摇杆上承受的力也在不断变化，所以动力液压缸的压力也是变化的，而且没有什么规律性可寻。 经过估计和推断，当铝包转动60度时，铝包内的铝水还比较多，而且铝包回到初位置的力臂也较大，从而此时要让铝包转动的力矩也是相对较大的，过了这一位置后，虽然铝包回到初位置的力臂也在增大，但是铝水倒出的速度也很大，减少的力矩远远超过增大的力矩。所以，受力分析可以在铝包转动60度位置进行，只要液压缸的力满足这个位置时，在安全系数取大一些时，其它位置就可以得到力的保证。当铝包转过60度时的位置简图：经过精确的画图，可以得到图中的尺寸，A83B56C118当转过60度时，设铝包除去倒掉的铝水总重为10吨，估计其重心在离转动中心的距离为0.8m，所以曲柄因自重而产生的转矩为：M100009.80.8 78400 Nm设连杆对铝包的拉力在连杆的方向上最小为F杆，所以：F杆1.163sin CMF杆78400sin1181.163 76349 N又设连杆对摇杆运动的反向转矩为M摇，所以: M摇F杆2.5sin56 M摇763942.5sin56 158334 Nm需要总的液压缸的推力最小为Fd1因此:Fd1sin831.45M摇解之得:Fd1110016 N四，倾卸机构的设计及校核在两根主梁上各有一根摇杆，各对应一个液压缸，它们的受力相同，运动动作也相同，摇杆的最顶端部位用一根水平杆连起来，这根水平杆一直处于水平方向，杆的中部与连杆相连，其实质为一个绞接部分，在主视图上为一个点，但是它是有1.6m长，该杆设计直径为5cm的45调质钢。还有，这个局部机构中，连杆较长，活动范围大，为了避免装置的不灵活性，而且在接到铝包上时，由于铝包的下方是一个半圆球，用连杆安装在上面，显得很笨拙，所以选用钢丝绳，它作为连杆也可以完成任务，绳的两边连接也很方便，不用加销一类的物件了。然后主要的受力件就是摇杆，其主要受转动中心绞结处的力、液压缸的推力及钢丝绳的拉力。材料选45钢，调质处理，承受的也弯矩较大。两根主梁上各一个液压缸，即每一个液压缸承受的压力为FdFd1/255008 N下面主要对摇杆进行受力分析：F1杆Fd1FjyFjx设钢丝绳的拉力在与摇杆之间的水平杆上能平均分配到摇杆上。所以:F1杆F杆238175 N前面已算出:Fd155008 N而:F1y杆F1杆sin5631649 NF1x杆F1杆cos5621347 NFd1xFd1cos83 6704 NFd1yFd1sin83 54598 N列平衡方程式:竖直方向:FjyF1y杆Fd1y水平方向:FjxFd1xF1x杆 解方程可得:Fjy22949 N Fjx14643 N因此:Fj 27223 N在此，杆件最重要的校核部分就是抗弯曲强度。因为液压缸的推力是跟负载一起变化的，所以此处按最大值计算。摇杆的弯矩图:最大弯矩在与液压缸绞接处的两边。M1F1y杆1.05 316491.0533231 Nm当量弯曲应力： 0.00055385 m截面尺寸选择长为200mm，宽为100mm的长方形。抗弯截面系数W0.102/60.000667 0.00055385 m弯曲应力强度满足要求。连接两摇杆间的水平杆的受力分析:F1杆F1杆F杆前面都已经算出:F1杆38175 NF176349N弯矩图:最大弯矩为:M2F1杆0.8381750.830540 Nm杆的抗弯截面系数：W*d/32 3.140.2327.8510 m所以当量弯曲应力： 30540 (7.8510) 38.9 10N/m 38.9 Mpa 60 Mpa弯曲应力强度符合要求。（四）杆件之间的绞接设计和其它小部分设计。一，铝包凸台的设计铝包是静放在两根主梁上的，所以铝包凸台主要是承受剪切的力，选择45钢，淬火并回火处理。这里重要的参数有:s 355 Mpa，选S3.55所以s/S 3553.55100 Mpa这里的工作剪力为 G 78400 N设铝包凸台的直径为Dn所以: 4G/(*Dn) 4784003.14Dn 999 mm根据实际工作情况,及铝包自身的大小,铝包凸台大小确定为: Dn50 mm所以是在主梁的右端合适的地方开一个直径为54 mm的半圆凹槽，圆中心深80 mm即可。凸台的长度比主梁宽稍大一点就可以了，此处选取长为18 mm。二，销的设计因为销是标准件，所以只用选择型号就可以了。在整个装置中，需要用到销的地方较多，有如下几个地方。移动铝包的结构部分中，主梁与左边摆杆的绞接部，一个销，左边摆杆与机架，一个销，两根液压支撑杆分别与机架和主梁，共四个销；倾卸铝水结构部中，摇杆与主梁摇杆和倾卸液压缸，两个销，倾卸液压缸与主梁，一个销，总共9个销，有两根主梁来支撑铝包，所以整个装置需要的销为18个。 全部选择材料为:45钢，调质处理，表面氧化处理的A型圆柱销。在所有销中，承受力最大的是牵引部中，与液压支撑杆2绞接部分的两个销。这里选取的销为:d50 mm, l200 mm查表可知销的参数s 355 Mpa取S 2所以 s/S3552177.5Mpa在所有的销中，受剪力最大的是装在液压支撑杆2上的两个销。其大小为F2 271600 N 4F2/(*d) 42716003.140.05 138.4Mpa 177.5Mpa满足剪切强度要。其次，与液压支撑杆1绞接部分的两个销受力稍小，F1191000 Mpa因为销并不是贵的零件，所以选相同的尺寸也没有什么关系，则强度也一定能满足要求。其余地方用的销中，受剪力最大的也不超过60KN，所以可以统一选用相同的，且较小的尺寸为: d30 mm, l200 mm 4F/(*d) 4600003.140.03 84.9 Mpa 177.5 Mpa满足剪切强度要。（五）液压系统的设计一，基本情况从前面的设计计算中，可以知道本装置一共需要6个液压缸，分为两种的情况，在使铝包移支的竖直支撑液压杆中有四个液压缸，需要的最大推力为271600 N，最短时长度要求为2 m，其最大的行程要求为1.464 m。在倾卸机构的两个液压缸中需要的最大推力为Fd 55008 N，工作时，其长度至少为1.5 m。其最大行程要求为1 m。此处，本次设计的机械装置是一个大载重量的机械，所以要求液压缸的运动速度比较低，铝包在满载时重达16吨，所以初步确定速在0.08m/s左右。二，液压泵的选择根据系统的工作情况来看，首先选择液压泵。我们都知道液压泵的主要性能参数有液压泵的压力、排量、流量、容积效率、功率、转速。泵的流量要大于系统工作的最大流量，为了延长使用寿命，各项参数的选用不能同时在最大。在各类液压泵的特性中，我们可知，外啮合的齿轮泵应用最为广泛，其价格也比较便宜，它的结构简单，体积小，重量轻，工艺性好，维护方便，使用寿命也长。虽然工作压力不高，但是可以采用端面补尝，在本装置的工作条件中比较合适，所以选用外啮合齿轮泵。外啮合齿轮泵的主要参数有:压力范围 :25.0MPa排量范围 :0.3650 (mL/r)转速范围 :3007000rmin-1最大功率 :120kW所以流量Q的范围：1.575800 mL/s三，液压缸的设计从基本情况可以看出，要求液压缸的推力比较大，所以选用工程液压缸。（1）支撑液压缸的设计竖直支撑液压杆中的四个液压缸，每个缸的推力要求最大是271600 N，行程1.5 m，根据其实际受力情况，这里选择的工程液压缸,其主要参数为:工作压力：P16 Mpa缸筒内径：D200 mm活塞杆直径：d110 mm最大行程：L1.5 m推力：F502.65 KN拉力：F拉256.35 KN速比：1.46这是一种单活塞液压缸：取容积效率0.95 输入的流量q2.5 L/s所以推动时的速度V1 75.64 mm/s80mm/s所以收缩时的速度V2V1/1.4651.7 mm/s当活塞全部外伸时，从活塞支撑面中点到导向套滑动面中点的距离称为最小导向长度，如果导向长度过小，将使液压缸的初始挠度增大，影响液压缸的稳定性。对于一般的液压缸，最小导向长度应满足如下要求：HL/20D/2175 mm （a） 液压缸缸体的设计缸筒的外径为:245 mm,材料选择45钢，并调质到241285 HB，为了防止腐蚀和提高寿命，缸体内镀以厚度为3040m的铬层，并加以抛光，一般要求液压缸缸筒的内表面尽量光滑。但并非粗糙度越低越好。当表面粗糙度过低时会造成完全密封，因此缸筒内表面粗糙度的要求不能形成表面油膜而变成干摩擦滑动，结果反而加剧了活塞和缸筒的磨损。选择Ra=0.25m。还有，缸筒必须保证必要的形位公差，这是为保证液压缸有较低的启动压力和在运动中不发生“别劲”现象，对缸筒的形位公差要有足够的注意。通常情况下，液压缸的缸筒应有专用的加工设备，以设备、夹具和工艺过程的正确性保证缸筒的形位公差。一般情况下：缸筒内径的圆度、圆柱度误差不能大于缸筒直径尺寸公差的一半缸筒轴线的直线度误差每500 mm长度上不大于0.03 mm，缸筒端面对缸筒轴线的圆跳动每100 mm不大于0.04 mm。由于设计中缸体带有耳环，耳环胡孔径的中心线对缸体内孔轴线的垂直度公差按9级精度选取。缸体端面的垂直度公差值按7级精度选取。耳环式液压缸的耳环孔对缸筒轴线的位置误差不大于0.03 mm。此外，液压缸的压强很大，而且缸筒比较长，当液压缸的长度特别大且工作压力较高时，应采用特殊的结构，以保证液压缸的变形不致过大。采用的具体方法是在液压缸缸筒的中部加装加强箍。（b）液压缸缸盖的设计选择45号锻钢为材料，导向孔的表面粗糙度Ra1.25m，缸盖与缸体的联接方式为内螺纹联接。（c）液压缸活塞的设计液压缸活塞选用材料为耐磨铸铁，活塞与活塞杆采用螺纹联接。活塞的宽度B（0.61.0）D，这里取B0.8*D 0.8200 160 mm（d）活塞杆的设计 由于稳定性的要求较高，所以杆的材料选择35CrMo钢，调质处理。端部选择单耳环的结构形式，耳环材料采用45钢，耳环的内径根据选用的销的尺寸来确定，外径根据受力情况选为：直径150 mm。活塞杆的形位公差，要求活塞杆的直线度公差要小于0.3 mm，。圆度等其它几何精度公差不大于外径公差的1/2 。与活塞内孔配合的轴径与外圆的同轴度公差不大于0.02 mm。（e）排气装置的设计为使液压缸运动稳定，在新装上液压缸之后，必须将缸内的空气排出，排气的方法之一是使液压缸反复运动，直到运动平稳。但更可靠的方法是在液压缸上设置排气塞(排气阀)，排气塞的位置一般放在液压缸的端部，双作用液压则应设置两个排气塞。排气塞的材料：3Cr13，选为：排气塞M12。（f）缓冲装置的设计缓冲装置的作用就是要在行程终点减低活塞杆的速度，以免引起冲击。当液压缸速度较低（小于100mm/s）时，缓冲装置已经失去意义。因此，低速液压缸不必采用缓冲装置，在这次设计中，液压缸的伸缩速度最大不超过80 mm/s，由于液压缸的运动速度很小，所以不需要采用缓冲装置。（g）导向套的设计由于液压缸在工作中的受力是很大的，也很复杂，活塞杆在运动时可能出现不稳定的情况，导向套可以加固活塞杆的稳定，导向套的长度 一般因液压缸的大小和活塞杆密封的种类和用途而异，但一般应在活塞杆直径的0.6倍以上，以保证活塞杆有足够的稳定度，根据经验公式有：导向套滑动面的长度：A（0.61.0）D这里取A0.8*D 0.8200 160 mm 从前面的设计中我们知道，液压缸缸盖与缸体之间的联结方式为内螺纹联结。所以缸盖与导向套成一体，这里就不用设计导向套了。（h）液压缸的密封设计由于液压缸的压强很大，所以选择O型圈密封，提高容积效率。液压缸的其它细节部分在设计图上有说明。（2）倾卸液压缸的设计倾卸机构中的两个液压缸，要求推力为55008 N，行程为1m，根据其实际受力情况，还有装置的工作条件，也选择工程液压缸，单活塞液压缸的主要参数为：工作压力：P16 Mpa缸筒内径：D80 mm活塞杆直径：d40 mm最大行程：L1 m推力：F80.42 KN拉力：F拉60.32 KN速比：1.33取容积效率0.95 输入的流量q0.5 L/s所以推动时的