电瓷帽坯件制作机执行机构与传动系统设计.doc

第三节 电瓷帽坯件制作机执行机构与传动系统设计一电瓷帽坯件机的用途及设计要求（一） 用途电瓷帽是变配电设备的一个重要零件，属系列产品，是易损件之一，其外形尺寸如图518所示。它由瓷土做成圆柱形状，并在上端挖有凹孔成“帽”；坯件晾干后再烧成瓷器。使用时将电瓷帽翻盖在金属导杆的顶（尾）端，将起到绝缘和安全保护作用。电瓷帽坯件机是制造电瓷帽坯件的一种专用机械设备。 图518 电瓷帽坯件（二） 设计要求 电瓷帽坯件机除要求按图518的尺寸制出电瓷帽坯件外，还要求： 1）每小时生产电瓷帽坯件约3000只，每天运转时数不少于8小时；2）结构简单，体积小，维护方便，成本低； 3）更换模套和冲头可生产小尺寸系列产品电瓷帽坯件，设备利用率高；4）使用期限约45年，68个月检修一次。二 总体方案设计（一） 工艺分析手工制“帽”的主要步骤如下：1）将瓷土适当加水拌匀（含水率约18%22%，凭经验鉴别，能用手握成团，落地就散即可）；2）将拌好的瓷土放入模中（图519a）；3）用冲头将瓷土冲压紧，冲头下部有一凸头，以便形成电瓷帽的凹孔 （图519b）；4）再将模子托起，推出电瓷帽坯件（519c）；图519 手工制造电瓷帽坯件的工艺流程这种制“帽”方法劳动强度大，效率低，“帽”的质量也难保证。如采用机器制“帽”，不仅工效高，质量和尺寸都能得到可靠保证，而且能够减轻或节省人工劳动。电瓷帽坯件机的工艺原理是冲压成型，其工艺流程框图见图520所示：（二） 对执行构件的运动要求（1）拌料、喂料、刮除余料 将瓷土在搅拌箱内充分拌匀，填入模孔后刮平。搅拌箱内的搅拌叉可同时起填料推杆和刮平板的作用，它在搅拌箱内做连续回转运动。（2）物料输送和各工序转移 转盘上的模孔数至少应有四个，其工艺只能分别为待料、填料、成型和冲出。转盘与模孔做间歇回转运动，由控制系统控制回转速度的快慢和停顿，实现物料输送和各工序之间的转移。图520 电瓷帽坯件机的工艺流程框图（3）电瓷帽坯件的成型和冲出 两冲头做直线往复运动，在模孔中将瓷土挤压成型和冲出电瓷帽坯件，成型冲头比冲出冲头的工作行程要长，其差值取决于电瓷帽坯件的尺寸、瓷土的土质和湿度，以及所选曲柄滑块机构的杆长关系等。 （4）协调配合关系 两冲头在模孔中运动时，转盘应静止；当两冲头脱离模孔后，转盘才可带动物料做工序转移，并且转盘的转速与搅拌转速要协调，以便填料。（三） 机构选型与传动方案设计1拟定机器运动原理图运动和动力由电动机经带传动传入，分两条传动路线传到执行机构，一路经齿轮机构、曲柄连杆机构传到滑杆，使滑杆做上下往复运动，以实现冲压和冲出电瓷帽坯件的动作；另一路通过其他齿轮传动，将运动传给转盘，以实现模孔的转位动作，同时搅拌和供给瓷土。电瓷帽坯件机的运动原理图如图521所示。2拟定传动方案及绘出机构运动简图拟定电瓷帽坯件机传动方案的关键在于如何使模 图521 电瓷帽坯件机的运动原理图孔的转位、定位与冲头上下移动的动作彼此协调配合。下面有两种方案可供选择：方案I的传动系统图如图522所示：图522 电瓷帽坯件机传动方案11电动机 2小带轮 3带 4大带轮 5齿轮z5 6曲柄 7锥齿轮z7 8锥齿轮z8 9搅拌叉 10搅拌箱 11齿轮z11 12、13连杆 14滑杆 15锥齿轮z15 16锥齿轮z16 17定位销 18齿轮z18 19牙嵌式离合器 20从动件滚子 21弹簧 22端面凸轮 23模孔转盘及转盘齿轮z23 24冲出冲头 25压紧冲头 方案I的传动路线如下： 图中端面凸轮22与轴V用导向键联接，牙嵌式离合器19的上部分a与凸轮固定联接，下部分b与齿轮18固定联接，并空套在轴V上。当端面凸轮在静止着的从动件滚子20的强制下，向上抬起，压缩弹簧21，则离合器a、b两部分处于脱开状态，齿轮18不转动；当凸轮继续转到凹面与滚子接触时，凸轮在弹簧作用下往下移动，使离合器a、b两部分啮合，这时齿轮18带动转盘23转动。当转盘转到另一工位时，凸轮的凸面又与滚子接触，此时离合器再次脱开，齿轮18又停止转动，转盘被定位销17锁住。在转盘停顿的时间内，压紧冲头25和冲出冲头进入模孔中，完成压紧和冲出一个电瓷帽坯件动作。如此反复运动，转盘旋转一周，制成6个电瓷帽坯件。方案II的传动系统图如图523所示。图523 电瓷帽坯件机传动方案II1电动机 2小带轮 3带 4大带轮 5齿轮z5 6齿轮z6 7锥齿轮z7 8锥齿轮z8 9齿轮z9 10搅拌叉 11搅拌箱 12模孔转盘及转盘齿轮z12 13曲柄 14连杆 15扭簧16冲头座 17调整螺钉座 18调整螺钉 19冲头方案II的传动路线如下：图中两个冲头固定在冲头座16上，冲头座空套在滑轴V上。曲柄13经连杆14带动冲头上下运动，完成压紧和冲出动作。当冲头进入模孔后，随转盘12一起转动；当冲头退出模孔后，由于扭力弹簧15的作用，冲头又迅速返回到原来的位置。调整螺钉座17固定在轴V上，调节螺钉座上的螺钉18，就可调整冲头角位移的起始位置，以便使冲头准确地进入模孔。方案I的机构比较复杂，转盘的间歇运动直接影响工效的提高。方案II的冲头座部分结构稍复杂，转盘与轴之间的磨损也较快，但其他方面都优于方案I。因压制电瓷帽坯件的压力较小，压紧和冲出机构可以设计得简单些，所以选用第II种方案作为设计方案。（四）总体布局如图524所示，电瓷帽坯件机总体布局的特点为：1. 搅拌箱处于整机的最高位置，便于直接将瓷土在填料推杆作用下，通过箱体底部的缺口自动填入下部转盘的模孔中。图524 电瓷帽坯件机总体布局图1电动机 2小带轮 3V带 4电动机支架 5大带轮 6电动机支架拉杆 7搅拌箱 8扭力弹簧 9冲头座 10冲出冲头及冲出杆 11模孔转盘及转盘齿轮z12 12滑动轴 13连杆 14偏心轮 15轴 16锥齿轮z8 17锥齿轮z7 18轴 19大齿轮z6 20轴 21小齿轮z5 22机架 23轴 24小齿轮z9 25搅拌叉 26压紧冲头及压紧杆2. 两冲头同一个曲柄滑块机构带动，并且带动两冲头的滑轴V（即曲柄滑块机构中的滑块）与转盘的回转轴合二为一，搅拌器的转轴与小齿轮z12的转轴共用轴IV，结构因此得到简化，传动紧凑，提高了传动精度。3. 搅拌箱下面的支撑体采用“双八字”型铸件，电动机处于机体的最低位置，有利于降低重心，稳定机身。4. 带轮和高速齿轮置于支撑体左侧，滑轴、冲头及转盘置于支撑体右侧，一方面高速传动部分便于集中安装防护罩，另一方面有利于整机的平衡，此外也有利于装配、检修及润滑。绘制工作循环图由于搅拌机构的运动是连续进行的，故主要考虑冲头和模孔转盘之间的运动关系。搅拌机构的转速不能太快，搅拌叉和小齿轮z9共轴，因而限制了转盘的角速度。为此，特将转盘上的模孔数定为六个。转盘转动600，则主执行机构完成一个运动循环，图5-25是电瓷帽坯件机直线型运动循环图，图5-26为圆环型工作循环图。 图525 电瓷帽坯件机直线型运动循环和圆环工作循环图图526 圆环工作循环图三技术设计（一）运动设计与动力计算1电动机功率的选择电瓷帽坯件机功率消耗主要有三部分：1）压制和冲出时做工，但主要消耗在第一工位。模孔转盘上均匀分布着6个模孔，据每小时生产定额，模孔转盘的转速为转盘每转一圈，冲头做上下6次往复运动。则曲柄的转速为设偏心轮偏心距（曲柄长）为80mm，则冲头最大位移速度为估计压紧冲头工作时所受平均压力F压紧=1000N。由运动循环图得知，冲头速度曲线上的点a对应于压紧冲头向下开始压紧瓷土的速度，该时曲柄相应的角位移为120，则有从而得到压紧冲头所耗功率为考虑冲出过程所耗功率，以及两冲头随模孔转盘一起转动时与模孔内壁间的上下摩擦所耗功率，取P冲出+ P摩擦 =0.1kW，所以P冲=P压紧+P冲出+P摩擦=（0.366+0.1）kW=0.46 kW2）模孔转盘转动时要克服滑轴与转盘间的滑动摩擦，以及带动两冲头转动时克服的扭转弹簧力，估计所耗功率为：P转盘=0.15kW3）因搅拌器转速较低，估计功率消耗为P搅=0.27kW总功率为P总=P冲+P转盘+P搅=（0.46+0.15+0.27）kW=0.88 kW估计传动系统总机械效率总为0.85，则电动机的功率至少为选出Y系列小型三相异步电动机，据标准JB3074-82Y系列（IP44）三相异步电动机技术条件，选用Y90S-4型，P电=1.1 Kw，其主要技术数据、外形和安装尺寸见表5-2。表5-2 电动机主要技术参数、外形和安装尺寸表型号额定功率/kw满载转速/rpm最大转矩额定转矩重量/kgY90S-41.114002.222外形尺寸L AB中心高/mmH安装尺寸/mmAB轴伸尺寸/mmmmDE平键尺寸/mmmmFG3102451909014010024508202确定各传动机构的传动比电瓷帽坯件机的传动路线分外传动路线和内传动路线两条（图5-23）： 1）外传动路线由电动机、经带传动、直齿圆柱齿轮5和6、到曲柄滑块（滑轴V）机构组成。因n电 =1400r/min, n偏 =50r/min,则外传动总传动比为： 考虑带传动比不宜太大，故传动比分配为，。 2）内传动路线由曲柄、圆锥齿轮7和8、直齿圆柱齿轮9及转盘齿轮12组成。当曲柄转6圈的同时，要求经内传动路线后使得转盘转1圈，其总传动比应为 若取，即小齿轮的转速和曲柄的速度一样。对于搅拌器兼刮板的转速没有严格要求，为简化机构，定为与小齿轮的转速相同，装在同一根轴上。3计算各轴的转速和功率 （1）各轴的转速（2）各轴的功率查机械设计手册，效率取，则 1）转盘所需功率（前面已经确定）2）轴IV所需功率3）轴III所需功率（设曲柄滑块机构效率）4）轴II所需功率5）轴I所需功率 （二）结构设计与强度校核1模孔转盘的结构和尺寸 转盘上有六个均匀分布的模空，据电瓷帽坯件的规格，现确定模孔的高度H=100mm，孔径d=60mm ,转盘的材料为铸铁HT250，由于强度低，孔与外缘之间的壁厚不易太薄，取10mm，孔与孔之间的壁厚取15mm，转盘的结构和尺寸见图527。2转盘齿轮的结构和尺寸图527 模孔转盘零件图（1）选择材料、热处理、精度等级及齿数 电瓷帽坯件机为一般机械，可选用常用材料及热处理。带动转盘的齿轮12与转盘做成一体，材料都是HT250，硬度值为170241HBS，取硬度值为220HBS；而与其啮合的小齿轮9采用45号钢，调质，硬度值为229286HBS，取硬度值为245HBS。两齿轮工作齿面硬度差为（245-220）=25，合适。选齿轮精度为8级精度（GB10095-88）。选，对传动比误差控制在小于3%范围内要求不高的开式传动，宜使两齿数互为质数，但考虑到电瓷帽坯件机转盘的转位与冲头的上下移动有严格的传动对应关系，故取（2）按齿根弯曲疲劳强度设计确定模数 齿根弯曲疲劳强度设计公式为对开式传动齿宽系数，取。取综合系数K=3，扭矩为查得齿型系数，；弯曲疲劳极限应力，。并比较取大值代入公式 考虑为补偿因磨损而造成的轮齿强度削弱，将按齿根弯曲疲劳强度计算所得模数加大20%左右，故取m=4mm。（3）结构及几何尺寸 由标准直齿圆柱齿轮几何尺寸公式得，圆整后取；小齿轮，应做成实心结构，其孔径由与其相配的轴的结构尺寸决定，上面决定的a=252mm对搅拌箱来说是合适的。齿轮的结构和尺寸见图518。3曲柄和滑动轴位移尺寸（1）曲柄长和连杆长度 由图528可见，滑动轴V上下往复移动的行程s要等于模孔的高度与冲出冲头在模孔外的一段距离之和，即，取e为曲柄长度（偏心距），l为连杆长度，如图5-28所示。图528 曲槽滑块机构运动简图由对心曲柄滑块机构存在条件得，一般要求最小传动角，考虑到滑动轴的支承部分较弱，传动力又较大，应将适当选得偏大些，取，则（2）具体结构 偏心轮用平健、止退垫圈、螺母固定在轴上。凡是用此方法固定都要求轴颈长度比轮毂孔长度短12mm。为了使螺母不与连杆相碰，将偏心轮设计出凹坑，将螺母置于凹坑中，凹坑直径可比止动垫圈直径大12mm。偏心轮不宜做得太厚，可在2025mm之间，如图529所示。为了增加与轴的配合部分长度，还必须设计一凸缘。偏心轮外缘与偏心销孔之间的壁厚定为15mm左右，因此可以算出偏心轮的外缘直径为210mm。其他结构尺寸见图521。连杆与偏心销的摩擦部分用铜套，铜套的厚度据经验一般取，铜套的长度，d为铜套内径（即偏心销的直径），设，则，取；，取。在决定铜套内径的公差时，要特别注意当铜套压入连杆孔时铜套内径的缩小，对薄壁铜套其收缩量约为铜套外径过盈量的0.80.9倍，因此在确定铜套尺寸时，要适当加大铜套的内径与轴配合的间隙。图529 曲柄滑块机构中的偏心轮结构图 图530 偏心轮零件图4锥齿轮的结构和尺寸（略）5带轮的结构和尺寸（略）6轴的结构设计以轴III为例说明电瓷帽坯件机轴的结构设计。由图5-23可见，轴III上装有一个直齿圆柱齿轮6，一个直齿圆锥齿轮7和一个偏心轮13，既承受弯矩，又承受扭矩，属转轴类型。（1）按扭转强度初步估计轴的最小直径 考虑键槽对轴强度的影响，取。选用45钢，正火硬度为170217HBS。（2）轴III的结构设计 轴III的结构图如图531所示。图531 轴III的结构图1圆螺母 2止动垫圈 3平键 4套筒 5滚动轴承 6转轴 7紧定螺钉 8平键 9锥齿轮 10滚动轴承 11套筒 12平键 13偏心轮 14圆螺母圆柱齿轮、偏心轮轴向定位的轴肩直径不能太小，故加用套筒帮助轴向承压，其轴端固定采用螺母和止动垫圈，圆锥齿轮用的轴环定位并承受轴向力，用紧定螺钉加以固定。圆柱齿轮、圆锥齿轮及偏心轮的周向定位用普通平键，其尺寸分别为、。两个滚动轴承采用角接触球轴承，其型号分别为7308AC、7307AC，反安装，双支点单向固定，其外形尺寸分别为和，速度因数，故采用脂润滑。（3）按弯扭合成强度校核轴的直径 齿轮6（图5-23）的尺寸和结构，以及强度计算与低速级转盘齿轮一样，其过程不再重复。现确定m=3，z6=120，不难得出圆锥齿轮所传递的扭矩由计算可得圆锥齿轮的有关数据1）做出轴III的空间受力简图。由图532a)看出，齿轮和曲柄销所受作用力的作用点全部位于垂直平面内，对偏心轮，由运动简图得知，当曲柄销处于最低位置时，获