初稿-液压剪板机设计.doc

液压剪板机设计液压剪板机设计 1 摘要 近年来工业技术的高速发展 促使钢铁行业中剪板机的 应用非常广泛 本文通过分析现状和实地考察 选择了优势 比较大的闸式剪板机作为研究对象 设计了一种对称传动的 剪板机 冲剪力为 12 吨 滑块的行程为 22mm 每分钟剪切 10 次 由电动机提供动力 经过一级带传动和二级齿轮传动 减速 设计中采用的执行机构为对心曲柄滑块机构 这一机 构将剪板机传动系统的旋转运动转变为滑块的往复直线运动 实现对板料的剪切 曲柄滑块机构具有结构简单 加工容易 维修方便 经济实用的优点 在机械设备中应用广泛 在设 计过程中 通过对各种剪板机的性能 实用性 经济的对比 体现了闸式剪板机的优点 完成了传动机构的设计 剪切力 的计算 强度 刚度的校核 关键词关键词 运动仿真 曲柄滑块 剪板机 液压剪板机设计液压剪板机设计 2 Abstract The design of symmetric transmission shears shear to 10 tons the itinerary for the slider 22 mm per 30 minutes shear Powered by the motor through a belt drive and a slowdown Gear Design of the implementation agencies right mind crank slider This will shears transmission rotation slider into the reciprocating linear motion the realization of the right of sheet metal shear Crank slider is simple in structure easy processing easy to maintain and repair economic and practical advantages in machinery equipment widely used The design right through the plane crank slider mathematical modeling Turbor C programming input slider crank agencies that such remarks parameters and the parameters of the whole movement of the simulation process Key words Motion simulation Crank and slide block Cutting machine 液压剪板机设计液压剪板机设计 3 目录目录 摘要摘要 1 1 ABSTRACTABSTRACT 2 2 目录目录 3 3 第一章第一章 绪论绪论 4 4 1 1 课题背景和意义 4 1 2 剪板机的分类 5 1 3 国内外研究现状 7 1 4 本文研究内容 9 第二章第二章 总体方案设计总体方案设计 1111 2 1 剪切力的计算 11 2 2 液压传动方案原理 11 2 2 机械传动方案 13 2 4 总体方案图 14 第三章第三章 传动比的分配传动比的分配 1616 4 1 电动机类型的选择 16 4 2 电动机功率的计算 16 4 3 估算主轴转速 18 4 4 计算传动装置的运动和动力参数 19 第五章第五章 带传动的设计带传动的设计 2222 5 1 确定计算功率 22 5 2 带轮传动设计 22 5 3 带轮结构的设计 25 第六章第六章 轴的设计轴的设计 2929 6 1 轴的设计概述 29 液压剪板机设计液压剪板机设计 4 6 2 主动轴设计 29 6 2 从动轴的设计 33 第七章第七章 齿轮设计齿轮设计 3535 7 1 齿轮传动设计概述 35 7 2 按齿面接触强度设计 36 7 3 齿轮结构计算 37 7 4 按齿根弯曲强度设计 39 7 5 几何尺寸计算 40 7 5 验算 41 7 6 结构设计及绘制齿轮零件图 41 总结总结 4545 参考文献参考文献 4646 致谢致谢 4848 液压剪板机设计液压剪板机设计 5 第一章第一章 绪论绪论 1 11 1 课题背景和意义课题背景和意义 进入 21 世纪以来 工业技术飞速发展 装备制造业在整 个工业生产中占据了举足轻重的作用 装备制造业的发展离 不开相应的原材料加工机械设备 在使用金属板材较多的工 业部门 都需要根据尺寸要求对板材进行切断加工 剪板机 就成为各工业部门使用最为广泛的板料剪断设备 剪板机是随着工业自动化进程的深入而得到越来越广泛 的应用 近二十年来 国内的轧钢生产得到了长足的发展 由于市场对产品不断提出新的要求 生产厂对各种剪板机的 要求也在不断的变化 在钢板弹簧的生产工艺中 钢板剪切下料是关键工序之 一 因此 下料机是其重要的板簧设备 过去的下料设备一 般采用圆棒剪板机 机械鳄鱼剪床等 都是采用皮带轮 齿 轮传动 噪音大 占地面积大 节拍固定 灵活性差 因此 需要开发一种新形式的液压剪床 以适应国内外市场的需求 精密加工是现代机械加工发展的方向之一 它对毛坯的 体积 重量 误差 断面形状及其他几何参数提出越来越高 的要求 而现在的下料方法普遍存在能耗高 效率低 材料 消耗大和下料质量差等问题 板料高速剪板机是一种新型的 剪切下料设备 它采用液压系统驱动 实现高速剪切 板料 高速剪板机的液压系统 是保证板料高速剪板机实现动作循 环和决定其性能优劣的核心环节 板料高速剪板机要求液压 系统工作可靠 响应灵敏度高 具有广阔的市场前景 因此 针对旧式剪板机的上述缺点 展开对液压系统剪板机的研究 液压剪板机设计液压剪板机设计 6 是符合市场需要的 1 21 2 剪板机的分类剪板机的分类 随着科学技术的不断发展 剪板机的功能和精度也得到 了很大的提高 国外已经向着自动化 多功能化 智能化 节能化等方面发展 剪板机按工作方式来分大概可分为机械式和液压式 机 械式使用电动机带动刀架的运动从而完成剪板任务 液压式 剪板机采用液压油缸带动刀架运动 按照用途区分 剪板机目前主要有以下几种 1 平刃剪板机 剪切质量较好 扭曲变形小 但剪切力 大 耗能大 机械传动的较多 该剪板机上下两刃彼此平行 常用于轧钢厂热剪切初扎方坯和板坯 2 斜刃剪板机 分闸式剪板机和摆式剪板机 剪切质量 较前者差 有扭曲变形 但力能消耗较前者小 适用于中大 型剪板机 3 多用途剪板机 板料折弯剪板机 即在同一台机器上 可完成两种工艺 假期下部进行板料剪切 上部进行折弯 也有的机器前部进行剪切 后部进行板料折弯 4 专用剪板机 气动剪板机大多用在剪切线上速度快 剪切次数高 5 数控剪板机 直接对后挡料器进行位置编程 可进行 位置校正 具有多工步编程功能 可实现多步自动运行 完 成多工步零件一次性加工 提高生产效率 本文研究的对称传动剪板机是一种典型的对称传动的机 械 主要用于剪裁各种尺寸金属板材的直线边缘 该设备应 用广泛 具有结构简单 维修方便 经济实用的优点 本机器的工作原理 动力源电动机通过二级传动 一级 液压剪板机设计液压剪板机设计 7 带轮传动 一级齿轮传动 减速驱动执行机构 曲柄滑块机 构 该机构将电动机的旋转运动转化为往复的直线运动 在 此过程中 由切刀 固定在滑块上 来进行对板料的切削 剪板机的主要技术参数包括 可剪板厚 可剪板宽 剪 切角度以及行程次数等 机械式剪板机是利用电动机带动刀架往复运动实现剪切 工作 是一种发明和利用都比较早的机器 实用性比较好 其缺是噪音大 污染环境等 但仍然在中小型企业中使用广 泛 机械式剪板机采用抵抗键形式离合器结构和开式齿轮传 动 并采用较先进电器操作 噪音小 操作维护方便 采用 全钢行界结构 结构简单 操作简便 造型美观 能耗低 广泛应用于冶金 轻工 机械 五金 电机 电器 汽车维 修 五金制造及其他金属薄板加工行业 液压式剪板机利用小型电动机带动油泵 液压阀等液压 元件运动 从而带动刀架实现往复运动 又分为摆式和闸式 剪板机 摆式剪板机由于是圆弧运动 而圆弧刀片制作又相当困 难 一般是用刀片之后做垫铁补偿 所以得到的间隙并不精 确 剪出来的板料也不理想 因为是弧形运动 其刀片也不 能做成矩形 而应做成锐角 所以刀片的受力情况也不理想 刀片损伤也比较厉害 闸式剪板机采用框架结构采用全钢焊接 四角八面直角 导轨 精度高 刚性好 并采用液压预紧 液压系统采用二 通插装集成阀 整个系统采用 PLC 可编程控制 可配置行程 数显 光电保护装置及移动工作台 闸式剪板机具有上滑块 及下液压垫的双动功能 工作压力行程可在规定范围内按工 液压剪板机设计液压剪板机设计 8 艺要求调节 操作简便采用按钮集中控制 具有调整 手动 及半自动三种操作方式 液压式剪板机是一种技术型的剪板机 从研发到技术成 熟有一段过渡期 所以市场销售方面也是不断增长 相比机械式剪板机 液压式剪板机更容易实现自动化控 制 机械性能好 加工精度高 1 31 3 国内外研究现状国内外研究现状 技术工艺是衡量一个企业是否具有先进性 是否具备市 场竞争力 是否能不断领先于竞争者的重要指标依据 随着 国内液压剪板机市场的迅猛发展 与之相关的核心生产技术 应用与研发必将成为业内企业关注的焦点 了解国内外剪板 机生产核心技术的研发动向 工艺设备 技术应用及趋势 对于企业提升产品技术规格 提高市场竞争力十分关键 针对板料剪切生产线采用人工控制 定长过程耗时过多 钢板长度尺寸不一致 同时剪切过程总是简单的重复劳动 工人劳动强度大等问题 改为继电器接触器控制 但控制柜 接线复杂 使用维护不便 为了解决剪切过程中的板料定长 问题 减少加工工时 提高生产效率 同时为了提高生产的 自动化程度 并保证生产的稳定 国内研究学者丁时锋等人 对原系统进行了改造 设计了一种基于 PLC 的板料液压剪板 机系统 该系统工作性能稳定 完全解决了剪切过程中板料 的定长问题 提高了生产线的自动化程度 并切实提高了生 产线的生产效率 在棒料剪板机液压系统的研究方面 应用液压大系统建 模方法建立了数学模型 构建了仿真模型 对棒料高速剪板 机液压系统动态特性进行了建模与仿真研究 实践表明 采 用液气联合驱动 径向夹紧的棒料高速剪板机 生产效率高 液压剪板机设计液压剪板机设计 9 棒料剪切断面质量得到显著提高 仿真结果表明 液压系统 具有良好的动态特性 液压大系统建模方法与理论可广泛应 用于液压系统动态特性分析 为了解决精轧生产线取料问题 通过对剪切及剪应力的 分析 同时根据液压剪的工作原理 进行了 HC520 3 新型液 压剪主要几何尺寸及其结构参数的设计 实验结果证明 该 液压剪能快速剪切 20mm 以下的铬不锈钢以及合金钢等 不但保证了轧材的表面质量 还保护了设备 且经济效益显 著 液压剪板机构的设计有两种方案 一种是主剪切驱动缸 安置在机架的一侧 而且是只有一个主液压缸 当液压缸产 生向外的推力后 利用杠杆关系将推力进行放大 并转换成 向下的推力 然后推动上刀架向下运动进行剪切 美国的 PCO 中板厂就是采用的这种剪板机构 另一种是采用两个主 剪切驱动缸直接安装在机架的顶部 推动上刀架两端向下运 动进行剪切 第二种剪板机构是一种新型式 也是第一次采 用 两种方案都是可行的 但比较而言 采用第一种机构 其液压系统设计相对于第二种机构要小得多 而且单一的主 缸产生推力比起第二种方案需两缸同步产生的推力来讲 控 制要简单得多 需用的液压油量也相对较少 仅液压系统就 能省下不少的投资 另外 由于主缸放置在机架的侧面 避 免了向上热气流的直接烘烤 对主驱动缸的保护有一定的好 处 4 随着数控技术的发展和广泛应用于各类机床中 数控剪 板机也正飞速发展 其特点如下 1 数控剪板机精度高对加工对象的适应性强 适应模具 等产品单件生产的特点 为模具的制造提供了合适的加工方 液压剪板机设计液压剪板机设计 10 法 2 加工精度高 具有稳定的加工质量 3 可进行多坐标的联动 能加工形状复杂的零件 4 加工零件改变时 一般只需要更改数控程序 可节省 生产准备时间 5 机床本身的精度高 刚性大 可选择有利的加工用量 生产率高 一般为普通机床的 3 5 倍 6 机床自动化程度高 可以减轻劳动强度 7 有利于生产管理的现代化 数控机床使用数字信息与标 准代码处理 传递信息 使用了计算机控制方法 为计算机 辅助设计 制造及管理一体化奠定了基础 8 对操作人员的素质要求较高 对维修人员的技术要求 更高 9 可靠性高 1 41 4 本文研究内容本文研究内容 本文详细设计一种液压剪板机 其主机由送剪刀 压块 料机 料架 等组成 物料的压紧装置和剪切装置是由液压缸 来执行的 此机器用于剪切厚度为 1 5mm 宽度为 1100mm 的钢板 被剪切板料强度以 450 N mm2为准 如需剪切其它强度的板料 时 应相应减薄被剪板料的厚度 与同类产品比较 本机器采 用钢板焊接结构 液压传动 氮气缸回程 电气控制 工作平稳 可靠 机器体积小 重量轻 刚性好 操作方便等优点 液压剪板机 该系列机型适用于金属回收加工厂 报废 汽车拆解场 冶炼铸造行业 对各种形状的型钢 剪板机及各 种金属结构进行冷态剪断 加工成合格炉料 该系列产品特 点 液压剪板机设计液压剪板机设计 11 1 采用液压驱动 安全性能可靠 操作方便 2 工作刀口长度 400mm 600mm 700mm 800mm 1000mm 1200mm 剪切力从 63 吨至 400 吨八个等级 适合不同规模不同要求用户的选择 3 安装不须底脚螺丝 无电源的地方可用柴油机作动力 本文所设计的液压剪板机的主要技术参数如下 1 最大板厚 5mm 2 最大板宽 1100mm 3 剪切角度 3 4 行程次数 10 次 min 液压剪板机设计液压剪板机设计 12 第二章第二章 总体方案设计总体方案设计 2 12 1 剪切力的计算剪切力的计算 假设剪板机的剪切力分布是均匀分布的 则剪切力的公 式是 FsF 在使用计算中由于剪切应力分布是均匀的 所以有剪切 应力公司为 A Fs A 表示剪切面的面积 Fs 表示剪切面上剪切力 与剪 切力面相切 故为切应力 按照设计要求 剪切板厚度为 5mm 长度为 1100mm 剪 切面积为 A h L 5 1100 5500mm2 由经验值取 22Mpa 由公式可得 Fs A 22 5500 121000N 综合考虑 取剪切力 Fs 为 12 吨 2 22 2 液压传动方案原理液压传动方案原理 剪板机是利用刀片的往复直线运动来实现切断金属板料 的 能实现这个目的主要由液压传动和机械传动系统组成 剪板机液压传动系统原理图如图 2 1 所示 其原理 手 动换向阀 6 推向左位 即左位接入系统 此时活塞在压力油 的作用下向下运动 对板料进行剪切加工 当加工完成后 将阀 6 手柄推向右位 即右位接入系统 活塞向上运动 即 刀片上抬 到了一定位置 将阀 6 手柄推入中位 这样活塞 就停留在此位置不动 然后剪切第二次时 重复上述操作 液压剪板机设计液压剪板机设计 13 手动换向阀 6 也可改为电气控制的换向阀 从而实现自动连 续剪切 提高效率 油箱 粗过滤器 液压泵 4 溢流阀 5 调速阀 6 手动三位 四通换向阀 7 液压缸 8 滑块 图 2 1 液压传动系统原理图 液压剪板机采用液压传动 使机器工作时平稳 噪声小 安全可靠 可以进行单次连续剪切 剪板厚度也较机械传动 的厚 但是液压系统是利用液体作为中间介质来传递动力的 剪切力大时 油压也相应的高 对液压元件的精度 强度要 求也高 制造成本也相应的较高 而且液压系统不可避免的 存在 泄露问题 会造成污染 油温的变化会引起油液粘度 变化 影响液压传动工作的平稳性 所以适应环境能力小 另外 液压剪板机的维修也不方便 需要掌握一定的专业知 识 本系统的剪切动作由上刀架想下行程完成剪切工作 因 此可采用单作用单活塞缸 为确保剪切精度与稳定性 采用 两个单作用单活塞串联完成下压动作 两个单作用单活塞缸 作为本系统的主油缸 本系统需要具有对金属板的压紧功能 也就是本系统的 液压剪板机设计液压剪板机设计 14 压料装置 当主油缸克服回程支承力上刀架向下行程时 压 料装置及上刀架在瞬间获得顺序动作以压紧加工金属板 同时本系统必须具备卸荷功能 当上刀架主油缸完成剪 切目的至死点位置时 整个油路卸荷 同时 上刀架回程 压料装置随之复位 2 22 2 机械机械传动方案传动方案 机械传动是一种利用电动机作为主要动力装置 用机械 传动方法来达到传动的目的 为实现刀片的往复直线运动 可以考虑使用的机械传动机构有以下两种 一 凸轮机构 凸轮机构的工作原理如上图所示 主轴的转动带动凸轮 传动 凸轮升程时推动滑块 即刀片 作剪切动作 回程时 滑块在弹簧的作用下上升到开始位置 准备下一个动作循环 凸轮机构的优点是可以根据从动件的运动规律来选择机 构的尺寸和确定凸轮轮廓线 缺点是凸轮机构一般用于控制 液压剪板机设计液压剪板机设计 15 机构而不是用于执行机构 因为其工作压力不能太大 否则 会严重磨损凸轮的轮廓及推杆 导致该机构不能实现预期的 动作要求 不能保证机器的稳定性 因此该方案不予采用 2 曲柄滑块机构方案 曲柄滑块机构的工作原理下图所示 通过主轴转动带动 曲柄转动 曲柄通过连杆使滑块作上下往复运动 实现剪切 动作 该机构具有结构简单 加工容易 维修方便 经济实用 的优点 故采用此方案即曲柄滑块机构作为执行机构比较合 适 3 对于液压式剪板机 液压系统元件在市场上很容易直接 买到 不需要设计 可以带来很大的方便 从传动方面看 液压传动就只需要一个液压缸和液压马达就能完成传动需求 传动的跨度不会很大 而且它的传动很简单 从加工成本上 看 液压式剪板机的机架采用 Q235 焊接而成 是最为经济 的一种方法 Q235 钢材价格大约 5000 元每吨 因此可估算 出机械式剪板机的机架费用约为 1000 元 考虑液压系统中的 液压剪板机设计液压剪板机设计 16 的其他部件的费用 按经验 闸式剪板机的总费用为 4 万元 左右 2 42 4 总体方案图总体方案图 综合考虑 本次剪板机设计的总体传动方案为电动机经 过一级带轮减速及一级齿轮减速驱动主轴上的曲柄滑块机构 使滑块作往复运动 进行剪切动作 剪板机的剪切力是 12 吨 行程为 22mm 每分钟剪板 10 次 设计传动系统图如图 3 1 所示 图 3 1 系统传动简图 液压剪板机设计液压剪板机设计 17 第三章第三章 传动比的分配传动比的分配 4 14 1 电动机类型电动机类型的选择的选择 本次设计所选用的电动机的类型和机构形式应根据电源 种类 工作条件 载荷大小和性质变化 启动性能 制动 正反转的频率程度等条件来选择 电动机分交流电动机和直流电动机两种 由于生产单位 一般多采用三相交流电源 因此 无特殊要求时 均应采用三相 交流电动机 其中异步电动机是交流电动机的一种 它是把电 能转化为机械能的一种动力机械 一般以三相异步交流电动机 应用最广泛 Y 系列三相异步电动机为封闭式三相异步电动机 能防止 灰尘 铁屑或其它杂物侵入电机内部 效率高 耗能少 性 能好 噪音低 振动小 体积小 重量轻 运行可靠 维修 方便 不仅使用于水泵 鼓风机 金属切削机床及运输机械 更使用于灰尘较多 水土飞溅的地方 如碾米机 磨粉机 脱壳 机及其它农业机械 矿山机械等 根据工作环境和要求 选用 Y 系列三相异步电动机 4 24 2 电动机功率的电动机功率的计算计算 电动机的容量选择的是否合适 对电动机的正常工作和经 济性都有影响 容量选的过小 不能保证工作机的正常的工作 或使电动机因过载而过早的损坏 而容量选的过大 则电动机 的价格较高 能力又不能充分利用 而且由于电动机经常不满 载运行 其效率和功率因数都较低 增加电能消耗而造成能源 的浪费 该剪板机的剪切力为 12 吨 本设计中的刀架作直线运动 液压剪板机设计液压剪板机设计 18 刀架采用斜刃 对剪切力计算多采用前苏联学者诺沙里公式 4 1 P 10 1 1 6 0 1 g 0 6 2 b x x 2 xb xy tg Z t h 式中 剪切力 12 103 9 8 117600NPP 被剪板料强度极限 实际中的板料 500N mm b b 被剪板料延伸率 25 x x 被剪板料厚度h 上刀刃倾斜 2 被剪部分弯曲力系数 0 95ZZ 前刃侧向间隙相对值 0 083yy 压具影响系数 x 7 7x 把已知数据代入式 4 1 17 7 083 0 500 25 0 10 1 1 25 0 6 0 2 95 0 1 g2 0 25500 0 6 98000 2 2 tg t h 解得 5 2mmh 类比实习时工厂的样机 本设计中所剪切金属板料的最 大宽度不大 所需功率不大 因此选取电动机的功率为 5 5kW 本设计的剪板机的传动系统由皮带和齿轮组成 一般地 三角带传动比 2 4 一级圆柱齿轮减速器传动比 1 i 8 40 则总传动比合理范围为 16 160 则电动机转速 2 i 总 i 可选范围为 液压剪板机设计液压剪板机设计 19 16 160 480 4800r min d i 总 i w n w n 查表 19 1 Y 系列三相异步电动机的技术数据 6 选取 Y132 M2 6 型电动机比较合适 其技术参数如下 功率为 5 5kW 满载时的电流 转速 效率分别为 12 6A 960r min 85 3 4 34 3 估算主轴转速估算主轴转速 在金属板料生产过程中的剪切设备 剪切时 电动机经 常处于启动和制动状态 因此对电动机在调速方面有比较高 的要求 以保证系统的稳定性 曲柄滑块机构是曲柄剪板机的典型机构 这一机构将剪 板机传动系统的旋转运动转变为滑块的往复运动 实现剪切 工艺 同时 机构还具有力的放大作用 即工作载荷大于传 动系统输入的作用力 满足剪板机瞬时峰值力的要求 由于曲柄滑块机构需要承受 12 吨的冲压力 应选择刚度 较大的钢 选择 45 号钢 应力 238MPa 238MPa 1 y 142MPa 13 已知滑块的行程为 22mm 本次设计采用对心曲柄滑块机 构 如下图所示 所以曲柄长 2 22 2mm 11mm 机构 ABH 在图 8 1 所示位置时的传动角 90 为了保证曲柄滑 块的性能 40 min 液压剪板机设计液压剪板机设计 20 图 8 1 曲柄滑块机构示意图 由图 8 1 可知 AB sin BC sin BC cos 因为 40 所以 min min cos 40cos AB sinBC 40cos BC AB sin 40cos 的最大值为 1 sin 11 mm 14 36mmBCAB 40cosBC 40cos 类比工厂样机 选 400mm BC 由于滑块的行程为 22mm 行程次数为 10 次 min 因此 可以估算出主轴上所需要的转速 min 30 2 1022 2 r rr n 每分钟行程次数滑块行程 主 4 44 4 计算传动装置的运动和动力参数计算传动装置的运动和动力参数 一 分配传动比 液压剪板机设计液压剪板机设计 21 总传动比 4 d i32 30 960 主 n n m 2 d i 1 i 2 i 式中 三角带传动比 1 i 圆柱齿轮传动比 2 i 取 4 1 i 2 i8 4 32 二 计算各轴参数 1 计算各轴转速 r min 1 n240 4 960 1 i m n r min 2 n30 84 960 21 ii nm 2 计算各轴的功率 查 机械设计手册 得各部件传动效率为 圆柱齿轮 0 94 0 96 0 95 2 三角带传动 0 94 0 96 0 955 1 轴承 每对 0 97 0 99 0 98 3 则总传递效率为 总 1 2 2 3 2 98 0 955 0 95 0 87 0 5 15kW 1 P 01 d P 31 d P98 0955 05 5 2 P 0201 d P 2 321 d P 4 79kW 2 98 0 95 0 955 0 5 5 3 各轴转矩 液压剪板机设计液压剪板机设计 22 d T w d n P 9550 式中 电动机转矩 d T 电动机功率 d P 满载转速 6 w n N m N m d T w d n P 9550 960 5 5 9550 71 54 N m 轴1 T 010 iTd98 0955 0471 54 mN 81 204 轴2 T 020110 iiTd N m N m99 098 0955 08471 54 19 1510 液压剪板机设计液压剪板机设计 23 第五章第五章 带传动的设计带传动的设计 5 15 1 确定计算功率确定计算功率 带传动由主动带轮和从动带轮和紧套在两带轮上的环形 传动带组成 按照带传动的横截面形状可分为平带传动 V 带传动 圆带传动等类型 在同样的张紧力下 V 带传动较 平带传动能产生更大的摩擦力 V 带传动允许的传动比较大 结构简单较紧凑 造价低廉 传动平稳以及缓冲吸振等优点 V 带传动也是最常使用的一种传动类型 本设计中采用 V 带 传动 kW ca PPKA 6 65 52 1 式中 传动的额定功率 PkW 工作情况系数 A K 查 机械设计手册 由于剪板机在剪切时和不剪切时载 荷变动较大 软启动每天工作时间小于 10 小时 取 1 2 A K 根据 6 6kW 和主动带轮 小带轮 转速 ca P w nn 1 r min 查 机械设计手册 选定 A 型 V 带 960 5 5 2 2 带轮传动设计带轮传动设计 一 初选小带轮的基准直径 小带轮基准直径越小 V 带的弯曲应力越大 会降低 V 带的使用寿命 而带速降低 使带的传动能力降低 如小带 轮直径过大 则带传动的整体外廓尺寸增加 结构不紧凑 设计时应选择 机械设计手册 中推荐的最优基准直径系列 初选主动小带轮基准直径D 160mm 液压剪板机设计液压剪板机设计 24 二 验算带的速度 一般地 v 5 25m s 范围内 若 v 过大 则离心力大 减 小传动能力和带的使用寿命 若 v 过小 则传递的圆周力增 大 则所需要 V 带根数增多 增加了成本 m s m sV 100060 11 nD 100060 96016014 3 04 8 因此 带速在合理范围内 合适 三 计算从动轮的基准直径 4 160 640mm 2 D 11 Di 按照 V 带轮的基准直径系列进行圆整 圆整后 640mm 2 D 四 确定中心距 和带轮的基准长度 a V 带的中心距过大 则传动结构尺寸大 且 V 带容易颤动 中心 距过小 小带轮的包角减小 降低传动能力 且带短 使带的绕转次 数增加 减低带的寿命 V 带的中心距通常按下式选择 mmDDammDD1600 640160 2 2560 640160 7 0 7 0 21021 取 mm 0 a600 mm 根据带传动的几何关系 按下式计算所需带的基准长度 0 a600 d L d L 0 2a 2 1 D 2 D 0 2 12 4 a DD mm mm 6004 160640 160640 2 6002 2 2552 根据 V 带型号 圆整取 mm 由于 V 带的中心距 d L2700 一般是可以调整的 故采用下式进行近似计算 mm mm a 0 a 2 dd LL 2 25522700 800 874 液压剪板机设计液压剪板机设计 25 考虑安装调整和补偿预紧力 如带伸长而松弛后的紧张 的需要 中心距的变化范围为 mm mm min a d La015 0 2700015 0 874 5 833 mm mm max aa d L03 0 270003 0 874 5 914 五 验算主动轮上的包角 根据对包角的要求 一般要求 否则应采取加大中心 120 1 距或减小传动比以及加张紧轮等方式增大值 1 1 12060180 12 a DD 1 12014760 874 160640 180 故合适 六 确定带的根数 V 带的根数可由下式计算 5 3 l ca kkpp p Z 0 式中 包角系数 查得 0 91 k 长度系数 查得 1 13 l k 单根 V 带的基本额定功率 查得 0 94kW 0 p 单根 V 带额定功率的增量 查得 0 5kW 4 p 代入数据得 根Z 13 1 91 0 5 094 0 6 6 5 液压剪板机设计液压剪板机设计 26 七 确定带的预紧力 考虑离心力不利的影响 和包角对所需预紧力的影响 单根 V 带的预紧力为 0 F 2 1 5 2 500 q kZ pca 式中 V 带单位长度的质量 查得 0 10kg mqq N 0 F 2 04 8 10 0 1 91 0 5 2 04 8 5 6 6 500 9 149 由于新带容易松弛 所以对非自动张紧的带传动 安装 新带时的预紧力应为上述预紧力的 1 5 倍 八 计算带传动作用在轴上压轴力 为了设计安装带轮的轴和轴承 必须确定带传动作用在 轴上的力 如果不考虑带的两边的拉力差 则压轴力可以 p F 近似的按带的预紧力的合力来计算 即 0 F p F 0 2ZF 2 sin 1 式中 带的根数Z 单根带预紧力 0 F 主动轮上的包角 1 N 1437 3N p F 0 2ZF 2 sin 1 2 147 sin 9 14952 5 35 3 带轮结构的设计带轮结构的设计 一 小带轮的结构设计 1 带轮的制造多采用铸件 可选择材料牌号为 HT200 的 灰铸铁 液压剪板机设计液压剪板机设计 27 2 确定带轮的形式 由前述所选择的电动机 其电机轴 38mm 且已知小带D 轮的基准直径 160mm 2 5 2 5 38mm 95mm 由于内孔 1 DD 与外圆底距离为中等距离 宜采用腹板式结构 3 轮槽的尺寸 查 机械设计手册 得带轮的轮槽尺寸如下 轮槽基准宽度 11mm d b 基准线上槽深 2 75mm mina h 基准线下槽深 8 7mm minf h 槽间距 15 0 3mme 第一槽对称面至端面的距离 mmf 2 1 10 最小轮缘厚 6mm min 轮槽角 38 轮槽结构如图 5 1 所示 液压剪板机设计液压剪板机设计 28 图 5 1 轮槽结构 4 确定小带轮外形尺寸 带轮宽 5 1 15 2 10mm 80mm B feZ2 1 带轮外径 160 2 4mm 168mm 1a d a hD2 1 轮缘外径 1 8 2 1 8 2 1 d d 38mm 68 4 76 mm 取 70mm 1 d 轮毂长度 因为 80mm 1 5 1 5 38mm 57mm BD 所以 1 5 2 1 5 2 38mm 57 76 mm 取 1 L D 60mm 1 L 1 7 1 4 1 7 1 4 80mm 11 43 20 mm 取 CB 15mm 小带轮的结构如图 5 2 C 液压剪板机设计液压剪板机设计 29 图 5 2 小带轮结构 二 大带轮的结构设计 1 大带轮的材料也可选为铸铁 HT200 2 确定带轮的结构形式 初选大带轮的轴径 35mm 已知大带轮的基准直径d 640mm 300mm 内孔与外圆的尺寸相差很大 大带轮宜选D 用轮辐式结构 3 轮槽尺寸同小带轮 4 轮缘及轮毂的尺寸 带轮宽 5 1 15 2 10mm 80mmBfeZ2 1 带轮外径 640 2 4mm 648mm aa hDd2 22 轮毂外径 1 8 2 1 8 2 35mm 63 70 2 dd mm 取 70mm 2 d 轮毂长度 因为 80mm 1 5 1 5 35mm 52 5mmBd 所以 1 5 2 1 5 2 38mm 57 76 mm 取 2 LD 60mm 2 L 液压剪板机设计液压剪板机设计 30 5 5 1 h3290 a nz P 式中 传递的功率 为 5 15kWP 带轮的转速 为 240r minn 轮辐数 取 4 a Z mm 50 8mm 1 h3290 a nz P 3 4240 15 5 290 0 8 0 8 50 8mm 40 6mm 2 h 1 h 0 4 0 4 50 8mm 20 3mm 1 b 1 h 0 8 0 8 20 3mm 16 2mm 2 b 1 b 0 2 0 2 50 8mm 10 2mm 1 f 1 h 0 2 0 2 40 6mm 8 1mm 2 f 2 h 液压剪板机设计液压剪板机设计 31 第六章 轴的设计 6 16 1 轴的设计概述轴的设计概述 轴是穿在轴承 齿轮等零件中间的圆柱形零件 是支承 转动零件并与之一起回转运动以传递运动 扭矩或弯矩的机 械零件 是组成机器的主要零件之一 轴的材料主要是碳钢和合金钢 钢轴的毛坯多数用轧制 圆钢和锻件 有的则直接用圆钢 由于碳钢比合金钢廉价 对应力集中的敏感性较低 同时也可以用热处理或化学处理 的办法提高耐磨性和抗疲劳强度 在载荷一定的情况下 好 的材料能提高轴的工作性能及寿命 但同时要考虑到材料的 经济性 故采用 45 号钢 并做调质处理 查参考文献 8 得 103 126 取 116 60MPa 0 A 0 A 1 轴的失效形式 主要有断裂 磨损 超过允许范围的变 形和振动等 对于轴的设计应满足足够的强度 刚度 和振 动稳定性要求 通常 设计轴的一般步骤是 1 选择材料 2 按扭转强度估算轴的最小直径 3 设计轴的结构并画出结构草图以确定轴上零件的位置 和固定方式 4 按弯扭合成进行轴的强度校核 一般选择 2 3 个危险 截面进行校核 若强度不够 则必须重新修改轴的结构 6 26 2 主动轴设计主动轴设计 根据轴的设计步骤 选择主动轴的材料为 40Cr 合金钢 根据扭转强度条件计算公式 液压剪板机设计液压剪板机设计 32 116 62 94mmd3 1 1 0 n P A 3 30 79 4 在主动轴上 深沟球轴承 套筒和轴端挡圈从轴的左端 依次安装 深沟球轴承 套筒 齿轮 轴端挡圈从轴的右侧 依次安装 轴承选择 6014 型深沟球轴承 轴上的零件是以轴肩 套筒来保证的 为限制轴上零件 与轴发生相对转动 本次设计采用键来固定 根据以上计算及装配定位要求 绘制主轴上零件的装配 图及轴的结构图如下图所示 1 沉头螺钉 2 套筒 3 深沟球轴承 4 螺钉锁紧挡圈 5 偏心轮 6 大齿轮 7 轴端 挡圈 图 6 1 主轴的机构几装配图 下面对主动轴进行强度校核计算 已知轴上的功率 P 4 79kW 转速 n 30r min 和转矩 T 1510 19 N m 大齿轮与小齿轮相互作用 则大齿轮上所 受的力 依据牛顿第三定律 t F1 r F1 液压剪板机设计液压剪板机设计 33 t F1 传t F2 r F1 传r F2 2 204 81 100 10 3 N 4096 2N d 为小齿 传t F2dT 2 1 轮的分度圆直径 4096 2 tg20 N 1490 89N 传r F2 nt tgF 传2 所以 4096 2N 1490 89N t F1 r F1 轴上曲柄的作用力 由于制动带的作用 传到曲柄上的 转矩只有主轴的 1 3 作用在双曲柄的径向力 为 2 F 3 F 2 F 3 F 3 2 1510 19 3 0 11 2 N 2288 17N 2 Tr 主动轴的受力如图所示 由图根据物体的平衡条件可知 0 0 0 0 54321432232322 543214322 12321 121 LLLLFLLLRLLFLF LLLLFLLLR FRFFR FRR rV tH rVV tHH 已知 135mm 1180mm 135mm 50mm 2 L 3 L 4 L 5 L r F1 1490 89N 2288 17N 4096 2N 2 F 3 F t F1 解方程组得 141 25N 4237 45N 2339 58N 1H R 2H R 1V R 2V R 745 87N 液压剪板机设计液压剪板机设计 34 1H M 543254322 LLLLLLLLRH 4237 45 135 1180 135 50 135 1180 135 50 204810 08N mm 2339 58 135N mm 1V M 1V R 2 L 315843 3 N mm 2339 58 135 1180 2V M 32321 LFLLRV 2288 17 1180 N mm 376507 1 N mm 2339 58 135 118 3V M 43324321 4 LFLLFLLLRV 0 135 2288 17 1180 2288 17 135N mm 383447 45N mm 由图 3 5 可以看出 C 截面为最危险截面 按第四强度理 论 9 校核 22 75 0 1 TM W 2 2 3 3 75 0 32 TM d V 液压剪板机设计液压剪板机设计 35 图 6 2 主动轴的受力分析图 MPa 6223 33 1019 151075 0 1045 383447 1070 14 3 32 40 49MPa 1 60MPa 安全 6 26 2 从动轴的设计从动轴的设计 类比主轴 从动轴选用 45 号钢 调质处理 根据轴径 公式 116 mm 32 24mmd3 1 1 0 n P A 3 240 15 5 轴承 套筒 皮带轮 轴端挡圈从左端向右依次安装 轴承 套筒 齿轮 轴端挡圈依次从轴的右端向左安装 轴 液压剪板机设计液压剪板机设计 36 承选择 6007 型深钩球轴承 类似主动轴 从动轴的零件装配及轴的机构如图 6 3 所 示 1 轴端挡圈 2 大带轮 3 套筒 4 深沟球轴承 5 小齿轮 图 6 3 传动轴的结构及装配图 液压剪板机设计液压剪板机设计 37 第七章第七章 齿轮设计齿轮设计 7 17 1 齿轮传动设计概述齿轮传动设计概述 齿轮传动是机械传动中最重要最常用传动之一 效率高 机构紧凑 工作可靠 寿命长 传动比稳定 缺点是造价高 安 装精度高 易磨损 齿轮传动设计的一般步骤是 1 根据负载 以及运动状态 速度 是垂直运动还是水 平运动 来计算驱动功率 2 初步估定齿轮模数 必要时 后续进行齿轮强度校核 若在强度校核时 发现模数选得太小 就必须重新确定齿轮 模数 关于齿轮模数的选取 一般凭经验 或是参照类比 后期进行安全校核 3 进行初步的结构设计 确定总传动 以及确定传动级 数 几级传动 4 根据总传动比进行分配 计算出各级的分传动比 5 根据系统需要进行详细的传动结构设计 各个轴系的 详细设计 这样的设计一般还在总装图上进行 6 在结构设计的时候 若发现前期的参数不合理 包括 齿轮过大 相互有干涉 制造与安装困难等 就需要及时 的返回上面程序重新来过 7 画出关键轴系的简图 一般是重载轴 当然 各个轴 系都做一遍当然好 画出各个轴端的弯矩图 转矩图 从 而找出危险截面 并进行轴的强度校核 8 低速轴齿轮的强度校核 9 安全无问题后 拆分零件图 液压剪板机设计液压剪板机设计 38 根据前面所述 本设计中选择直齿圆柱齿轮传动 由于 机器工作时属于中等冲击 选取大小齿轮的材料均为铸钢 调质 齿面硬度 小齿轮 271 316HBS 大齿轮为 241 286HBS 取中间值 则大齿轮为 263 5HBS 小齿轮为 293 5HBS 因其表面经过调质处理 故选用 8 级精度 初选 小齿轮齿数为 Z1 20 大齿轮齿数 Z2 uZ1 8 20 160 7 27 2 按齿面接触强度设计按齿面接触强度设计 由 机械设计手册 公式进行试算 既 2 23 t d1 3 2 1 1 H E d t Z u uTk 确定公式内的各个计算数值 1 试选载荷系数 1 3 t k 2 计算小齿轮传递的转矩 95 5 105 N mm 2 049 105 N mm 1 T 1 1 n P 240 15 5 3 选取齿宽系数 0 6 d 4 材料的弹性影响系数 189 8MPa E Z 2 1 5 接触疲劳强度 按齿面硬度查得 4 大齿轮接触疲劳强度极限 液压剪板机设计液压剪板机设计 39 610MPa 小齿轮的接触疲劳强度极限 650MPa 2limH 1limH 6 计算应力循环次数 n njLN60 60 240 1 30 300 8 1 0368 109 n jLnN 11 60 0 1296 109 2 N 2 1 i N 8 100368 1 9 7 接触疲劳强度 查得 4 1 0 1 1 1HN K 2HN K 8 计算接触疲劳许用应力 取失效效率为 1 安全系数 1 有S 1 0 650 650MPa 1 H S K HHN1lim1 1 1 610 671MPa 2 H S K HHN2lim2 7 37 3 齿轮结构计算齿轮结构计算 1 小齿轮分度圆直径 将以上所有数据代入公式 7 1 有 d1t 2 23 3 2 1 1 H E d t Z u uTk 2 32 81 016mm 3 2 5 650 8 189 8 18 6 0 10049 2 3 1 2 计算圆周速度 液压剪板机设计液压剪板机设计 40 m s 1 018m sV 100060 11 nd t 100060 240016 81 3 计算齿宽 0 6 81 016 48 610mmb td d1 4 计算齿宽与齿高之比 b h 模数 4 051mm t m 1 1 z d t 20 016 81 齿高 2 25 2 25 4 051mm 8 041mmh t m 48 610 9 115 5 333hb 5 计算载荷系数 根据 1 081mm s 8 级精度 查得动载系数 1 1 直V V K 齿轮假设 100N mm 由表查得bFK TA 1 2 1 5 查得齿向载荷分配系数用内差法得 H K F K A K 1 23 并且 4 44 8 级精度 并调质处理 查得弯 H Khb 曲强度计算用的齿向载荷分布系数 1 16 故载荷系数 F K 1 5 1 1 1 2 1 23 2 4354K A K V K H K H K 6 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径 81 016 mm 99 87mm 1 d t d1 3 Kt K 3 3 1 4354 2 7 计算模数 液压剪板机设计液压剪板机设计 41 mm 4 99mmm 1 1 z d 20 87 99 7 47 4 按齿根弯曲强度设计按齿根弯曲强度设计 由齿根弯曲强度的设计公式 4 m 2 2 1 1 F SaFa d YY Z KT 确定公式内各计算数值 1 弯曲疲劳强度 查得 8 小齿轮的弯曲疲劳强度极限 426MPa 大齿轮 1FE 的弯曲疲劳强度极限 430MPa 2FE 2 弯曲疲劳寿命系数 查得 0 88 0 9 1FN K 2FN K 3 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数 1 4 由得S S KN lim 267 77Mpa S K FEFN F 11 1 4 1 42688 0 276 4Mpa S K FEFN F 22