机械设计创新大赛论文.doc

报告(论文)题目：新型可调环保路面刷毛机 第 1 章 绪论 11.1 课题背景 11.2 新型可调环保路面刷毛机发展概况 11.3 研究的目的意义及其基本思路 11.3.1研究的目的意义 11.3.2基本思路 11.4 作品原理介绍 21.4.1该作品的科学性 21.4.2 先进性及独特之处 21.5机器的实际应用价值和现实意义21.5.1 实际应用价值 21.5.2 现实意义 21.6预期一天的工作量21.7当前国内外同类课题研究水平概述21.8机器的外观图3第 2 章 减速器的设计 42.1电动机的选择 4 2.1.1选择电动机的类型和结构形式 42.1.2 确定电动机的转速 42.2计算传动装置的总传动比，并分配各级的传动比52.3计算传动装置的动力参数和运动参数52.4确定齿轮的齿数模数62.5校核齿轮弯曲强度 72.6标准渐开线直齿圆柱齿轮几何尺寸的计算：（小齿轮） 92.7标准渐开线直齿圆柱齿轮几何尺寸的计算：（大齿轮） 102.8 轴的设计与校核 10第 3 章 轴承的校核 15第 4 章 润滑方式与密封的选择 174.1 轴承的润滑174.2 轴承的密封17第 5 章 从电动机到减速器，小齿轮轴链传动的静强度的计算 18第 6 章 滚筒的选择与校核 20参考文献 21摘 要 新型可调路面刷毛机是在高速公路桥面施工过程中，为保证桥面混凝土与沥青混凝土结合为一体，实现有效粘结而设计的对路面进行刷毛处理的机械。本文对新型可调路面刷毛机从机构设计、机械传动、机构间的受力分析等方面进行了详细的研究计算。首先，螺纹调节精确且具有固定支撑的作用、转动副中的低副和高副能产生确定运动，所以本机器采用螺纹调节与转到副机构。将机架做成一体，最终使整体调节方便可行。其次，为了保证传动的精确性采用链与齿轮相结合的传动方式，通过调节齿轮之间的传动比来改变转速。为合理利用功率而对该产品进行了设计和研究，在研究过程中给出了详细的计算过程和图纸的详细标注。从而选择出了恰当的齿轮、电机和减速器等。、再次，为了充分利用材料、延长寿命、降低成本。对轴的受力进行了较核和滚筒的选择。从而采用了恰当的轴颈和空心滚筒。根据以上的理论计算，对新型可调路面刷毛机的样机进行了加工实验，取得了比较满意的结果。关键词 刷毛机 机构 传动 校核 1.1 课题背景随着当今社会经济的飞速发展，人民生活水平的提高，道路建设显得尤为重要，其寿命更为不容忽视。为减小高速公路桥面的破坏，就要保证桥面混凝土与沥青混凝土结合为一体，实现有效粘结，因此桥面铺装施工完成后要对其顶面进行刷毛处理。传统的刷毛工艺是在施工过程中采用人工方式对混凝土连接层进行处理，但由于没有专用机械，致使工人劳动强度大、效率低、效果差，从而埋下质量隐患。为解决上述问题，本课题的研究势在必行。参考括号里的资料，加上环保内容（随着我国经济的发展，集装箱运输和跨省货物运输不断增加，公路交通量亦逐渐增加，公路对路面结构强度和使用性能提出了更高的要求。目前，在已经通车的高速公路上，桥面铺装面积所占比重大大高于一般公路。在公路桥梁使用过程中，发现桥面铺装易出现混凝土开裂松散、唧浆等病害，桥面破坏非常突出。桥面作为至关重要一环，其质量的好坏直接影响到整座桥梁的质量及使用效果，因而影响到高速公路的建设质量。因此，控制好桥面的质量，找出桥面破坏的主要原因并制定相应的对策，减少通车后桥面的返修率，是一个值得研究的课题。经分析，桥面混凝土与沥青混凝土结合不良是桥面破坏的主要原因之一。要保证桥面混凝土与沥青混凝土结合为一体，实现有效粘结，桥面混凝土铺装施工完成后，在混凝土初凝时，对其顶面必须进行刷毛处理，把混凝土表面浮浆刷掉，露出石子。桥面混凝土刷毛工作非常重要，若刷毛不好，将严重影响沥青混凝土与桥面混凝土的结合。传统的刷毛工艺是在施工过程中用普通的钢丝刷人工操作，重点是掌握刷毛时间，过早不均匀，容易刷掉石子，并且沾在刷子上不易操作，如果晚了刷不动。一般掌握在初凝后亦不沾刷子最好，必要时需集中人力搞突击战。另外，刷毛刷二遍最好，第一编纵向刷，第二遍横向刷，深度以露出石子23mm即可，刷后及时用扫帚把粉沫清扫出桥面范围。由于没有专用机械，致使工人劳动强度大、效率低、效果差，从而埋下质量隐患。为解决这些问题，研制滚地式刷毛机来完成人工无法大面积完成的工作，达到沥青混凝土与桥面混凝土有效粘结的施工要求，势在必行，该课题的研究具有重要的实际意义。）1.2 新型可调环保路面刷毛机发展概况 在当今社会道路建设中，在一些发达国家中采用的材料较好，因而无需再进行刷毛处理。而在一些发展中国家中，应用的材料达不到那种程度，仍需要进行刷毛处理，大多都是采用人工手持毛刷进行工作，劳动强度大且效率较低，浪费了大量的人力和财力，增加了道路建设的时间。该机器的使用回避了上述弊端。该项技术在全国几乎处于空白技术。（1.2.1 国内现状国内一般采用人工刷毛、冲毛或拉毛的处理方式。人工刷毛是在施工过程中用普通的钢丝刷人工操作，重点是掌握刷毛时间，过早不均匀，容易刷掉石子，并且沾在刷子上不易操作，如果晚了刷不动。一般掌握在初凝后亦不沾刷子最好，必要时需集中人力搞突击战。另外，刷毛刷二遍最好，第一编纵向刷，第二遍横向刷，深度以露出石子12mm即可，刷后及时用扫帚把粉沫清扫出桥面范围。由于没有专用机械，致使工人劳动强度大、效率低、效果差。冲毛工艺是在桥面铺装混凝土浇筑(布料、找平、震捣、收光)完成后喷洒一定浓度的表面缓凝剂，使砼混凝土在水化反应凝固的时候，表面一层因缓凝剂的作用不凝固，然后选择合适的时间用高压水枪将表面未凝固的水泥浆冲掉，露出石子。该工艺受缓凝剂浓度、冲毛水压、水枪形式、冲毛时间等因素的影响，很难达到理想效果。采用拉毛工艺，桥面混凝土表层存有浮浆，与沥青混凝土结合也不理想。加之长期在超载车辆碾压下，桥面混凝土浮浆便“未老先衰”，从而引起沥青混凝土的损坏。1.2.2 国外现状在澳大利亚、德国、比利时、法国、英国等国家已经开始使用露石混凝土路面取代传统水泥混凝土采用刷毛和划槽的表面处理方式。该路面由两层混凝土组成，上层厚度为4050mm，当底层混凝土浇注完30分钟后就开始浇注，这就保证了两层能够较好的结合成一个整体。）1.3 研究的目的意义及其基本思路1.3.1 研究的目的意义 利用当今先进的机械技术，用机械运动代替人工徒手劳动作业，节省人力，物力。从而提高工作效率。 （研究的目的：传统的刷毛工艺是在施工过程中用普通的钢丝刷人工操作，重点是掌握刷毛时间，过早不均匀，容易刷掉石子，并且沾在刷子上不易操作，如果晚了刷不动。一般掌握在初凝后亦不沾刷子最好，必要时需集中人力搞突击战。另外，刷毛刷两遍最好，第一编纵向刷，第二遍横向刷，深度以露出石子23mm即可，刷后及时用扫帚把粉沫清扫出桥面范围。由于没有专用机械，致使工人劳动强度大、效率低、效果差，从而埋下质量隐患。为解决这些问题，研制滚地式刷毛机来完成人工无法大面积完成的工作，达到沥青混凝土与桥面混凝土有效粘结的施工要求，势在必行。）1.3.2 基本思路将毛刷的水平运动演变成圆周运动，从而加大了工作面积，工作中合理利用机械产生的力，减小了机械的体积和重量，以防在工作中给未完全干燥的混凝土的面产生负面影响。毛刷离地面的高度可以自由调节，在不工作时提高滚筒离地面的高度，有利于不工作时该机器的移动。调节电机与滚筒的传动比，使滚筒的转速更加适应对地面的刷毛工作，合理选择电机，尽量节约该机器的成本。达到研究机器的根本目的。 调节机械简图如图1所示：图1 调节机械简图 自由度为：F=3n-2p-p=32-22-1=11.4 作品原理介绍1.4.1 该作品的科学性 总体的体积、结构间的稳定性、调节的可行性、滚筒的力学性能、滚筒的转速、电机大小、传动比、机器工作时的毛刷所受阻力等等方面做了全面的考虑。最终确定了各项参数：体积mm） 电动机输出功率:1.5KW总传动比：22.4 滚筒转速:127r/min动力市电:380V 毛刷阻力:1KN1.4.2先进性及独特之处整体调节：采用滚筒与机身整体调节，从而保证了机身的整体调节，保证该结构的不变性，使此调节不会对该机器带来什么损伤。滚筒高度调节采用转动副和螺纹调节，毛刷在工作过程中肯定有磨损，为了多次利用，降低成本，使滚筒能上下调节滚桶空心设计，为了降低机身的重量，提高滚筒的性能，而采用空心滚筒。1.5机器的实际应用价值和现实意义1.5.1实际应用价值取代人工拿钢丝刷进行施工，减轻劳动强度，很大程度上提高了工作效率，提高施工质量，从而延长了公路的使用寿命。1.5.2现实意义无论是从施工单位的经济效益方面考虑，还是从工期的长短，施工路面的质量，公路的使用寿命方面考虑，新型可调路面刷毛机的使用，会在道路铺设当中起到很重要的作用。（实际应用价值和现实意义：人工刷毛受工人手的力度、时间早晚和工作态度等问题的影响，导致刷毛效果不理想，经常需要返工，用路面刷毛机刷毛则避免了这些问题，裸露石子深度均匀，无需返工，工作过程不破坏砼粒料，并且实现了人工无法大面积完成的工作，大大地提高了施工效率，降低了劳动强度，从而为施工单位节省人力、财力并延长了公路的使用寿命。本课题是一项工程应用课题，具有一定的理论研究和实际应用价值，并可在生产实践中取得更好的经济效果。）1.6预期一天的工作量=459m (1-1)459m60%=275m275m相同宽度的路面约需要23人一天才能施工完毕不难发现使用新型可调路面刷毛机工作与单纯手工作业相比，工作效率得到了很大的提高。1.7当前国内外同类课题研究水平概述由于公路铺设施工单位对路面粗糙处理这一道工序的删除或重视度不高，造成对这方面课题研究也基本上被忽视，在国内同类课题研究的单位或个人很少，在河北省内基本处于空白状态。此内容可不要1.8 机器的外观设计 机器的外观如图2所示。图2 外观图第2章 减速器的设计2.1电动机的选择2.1.1选择电动机的类型和结构形式按工作条件和要求选择一般用途的3Y系列的三相异步电动机为卧式封闭结构。初选电动机的功率为1.5KW，滚筒所需功率为PW= (2-1)式中 =1kw，=0.96电动机的输出功率为= (2-2) 从电动机至滚筒之间的总效率为y Y= (2-3)查表得：=0.95=0.99=0.98 则 =0.95 0.98 0.99=0.833=1.50.832=1.25KW选择电动机额定功率 使=（11.3） 由电机标准中查表=1.5KW 2.1.2 确定电动机的转速工作机滚筒的转速为 = (2-4)=1.250.96=1.2m/s=127n/min按表推荐的链传动的合理范围取链的传动比=25 单级齿轮的传动比=35，总传动比的的合理范围为18144，故电动机的传动的可选范围为：=（18144）127r/min=228618288n/min,符合这一范围转速范围的同步转速只有3000r/min一种查表得出这种电动机的型号为Y90S-2，参数如表2-1所示：表2-1 电动机参数型号额定功率电动机同步转速电动机满载转速电动机质量Y90S-21.5kw3000n/min2840n/min22Kg2.2 计算传动装置的总传动比，并分配各级的传动比 传动装置的总传动比为：i=22.4 (2-5) 分配各级的传动比为 i= 初取i=3 则减速器的传动比为：i=7.47 按展开式布置：=1.3 可算出=2.4 则=3.122.3计算传动装置的动力参数和运动参数1.各轴转速：I轴 =946.7r/minII轴 =303.4r/min滚筒轴 =126.4r/min2.各轴功率I轴： =.=1.50.95=1.425KWII轴： =.=1.4250.990.98=1.38KW滚筒轴： =.=1.380.990.980.950.99=1.26KW3.计算各轴转矩I轴： =9550=9550=14.4n.mII轴： =9550=9550=43.4n.m滚筒轴： =9550=9550=95.2n.m 4. 将运动参数和动力参数的计算结果进行调整并列如表2-2所示表2-1 电动机参数参数电动机轴I轴II轴滚筒轴转速n/min2840946.7303.4126.4功率p/kw1.51.4251.381.26转矩T/n.m5.0414.443.495.22.4 确定齿轮的齿数模数 考虑到是普通的减速器，故采用软齿面齿轮传动装置，参照表选小齿轮材料为：45Cr 调质钢 250HBS 。 大齿轮材料为：42.SiMn 调质200HBS 齿轮的传动精度等级为8级。软齿面闭合传动方式应按齿面的接触强度计算求中心距a利用公式： a48.3 .(u+1) 3 (2-6) 修正系数a 查表的a=1 许用接触应力 接触疲劳极限应力 hlim hlim=690MPa hlim=660MPa 许用接触应力=0.9hlim=0.9690Mpa=621MPa=0.9hlim=0.9660Mpa=594MPa 因 取=594Mpa代人上式 小齿轮的转矩T T=9550103=43400n.mm齿宽系数 取=0.4 载荷系数k 取k=1.7 计算齿轮传动中心距a a(u+1)3=48.3 1(3.12+1) 3=109.7mm取标准模数m=2.5mm 则Z=26Z=62 主要传动尺寸： d=m=2.526=65 mm d=m=2.562=155 mma=(Z+Z)=110mmb=b=a=0.4110=44mmb= b+(510)= (4954)mm取b=49mm计算齿轮圆周速度： v=1.03m/s2.5 校核齿轮弯曲强度齿根弯曲强度校核公式： =Y (2-6)许用弯曲应力 弯曲疲劳极限应力Flim Flim=292MPa Flim=280MPa许用弯曲应力=1.4Flim=1.4290=406MPa=1.4Flim=1.4280=392Mpa校核复合齿数系数：Y Y=4.13 Y=3.98校核齿根弯曲应力： =Y=76.54Mpa 所以该齿轮适用。 =Y =76.54=73.76MPa 所以该齿轮同样适用。2.6 标准渐开线直齿圆柱齿轮几何尺寸的计算：（小齿轮）如表2-3所示表2-3 直齿圆柱齿轮几何参数名称符号计算公式模数mm=2.5mm齿数zz=26分度园压力角=20齿顶高hh=m=2.5mm工作高度hh=2h=5mm全齿高hh=h+c=5.625mm 顶系cc=0.25m=0.625mm分度圆直径dd=m=2.526=65mm齿轮圆直径dd=d+2h=70mm齿根圆直径dd=d.2(h-h+l)=63.75mm基圆直径dd=mcos=64.9mm分度圆齿距pp=m=7.85mm分度圆齿厚ss=m/2=3.925mm分度圆齿精度ee=m/2=3.925mm2.7标准渐开线直齿圆柱齿轮几何尺寸的计算：（大齿轮）如表2-4所示表2-4直齿圆柱齿轮几何参数名称符号计算公式模数mm=2.5mm齿数zz=62分度园压力角=20齿顶高hh=m=2.5mm工作高度hh=2h=5mm全齿高hh=h+c=5.625mm 顶系cc=0.25m=0.625mm分度圆直径dd=m=2.562=155mm齿轮圆直径dd=d+2h=160mm齿根圆直径dd=d.2(h-h+l)=148.750mm基圆直径dd=mcos=145.7mm分度圆齿距pp=m=7.85mm分度圆齿厚ss=m/2=3.925mm分度圆齿精度ee=m/2=3.925mm2.8 轴的设计与校核1.设计轴的基本直径选用45钢正火处理，估计直径d100mm查表得： =600Mpa 查表去c=118 dc=118=20mm 所求d应为受扭转段的直径即装链轮处的直径，原因该处有一键槽。故直径应大于3即d=1.0320=20.6mm 取标准直径d=25mm。2.轴的结构设计 (1) 初定各轴段直径如表2-5所示表2-5各段轴直径位置轴直径说明链接处25mm按传递扭矩设计基本直径油封处29mm为满足链轮的轴向固定要求而设一轴肩，轴肩高a=(0.070.1)d=1.752.5 取a=2轴承处35mm因承受径向力，故选用面接触为触，为使轴承从右端卸掉，轴承外径应大于油封直径。轴颈为35mm，初定轴承型号为7207AC，两端相同齿轮处37mm考虑齿轮从右端插入，故齿轮孔径应稍大于轴承直径。并取标准直径轴承处44mm齿轮右端用轴环定位，接齿轮处轴颈应为37mm，轴环高度为h=(0.070.1）d=2.593.7 取h=3左端轴承轴肩处40mm为便于拆卸轴肩高度不能过高.据7207C型轴承安装尺寸，取轴肩高度为2.5mm(2) 确定各轴段长度（由左向右）如表2-6所示表2-6各段轴长度链轮处48mm假设链轮毂宽度为50mm,为保证轴端圈能加紧链轮的轴端长度应略小于链轮毂宽度，取48mm油封处45mm此长度应包括两部分，取轴承盖外端面与链轮右端面的间距为25mm,取轴承有端面与轴承外端面的间距为20mm,故为45mm齿轮处68mm假设齿轮轮毂宽度为70mm,为保证套筒能压紧齿轮，此轴段长度应略小于轮毂宽度(3)其它尺寸 为方便加工,并按照7207AC型轴承的安装尺寸,轴上过渡圆角半径r=1mm. 轴端倒角为。 (4)传动零件的周向固定。 齿轮及链结处均用A型普通平键齿轮为A1050GB1096 链结处为A836GB1096。3. 轴的受力分析 (1)求轴传递的转距 T=9.55=9.5510=43400N.mm齿轮上的切向力：F=1336N 齿轮上的径向力：F= Ftan=1336tan20=486.3N(2)确定轴的跨距 由轴承手册查得7207C型轴承的a值为15.7mm,固左右轴承的 反力作用点至齿轮力作用点的间距皆为（0.570+20+5+17-15.7）=61.3mm。链轮力作用点与右端轴承的支反力作用点的间距为15.7+20+25+0.550=85.7mm4.按当量弯矩校核强度(1) 作轴的空间受力简图(2) 作水平受力图及弯矩图，假设链对轴的压轴力为500N F= F= M=F61.3=106.461.3=6522.3N.mmM=M=6522.3N.mmM=7.0085.7=42850N.mm(3)作垂直受力图及弯矩图F=F=668N M= F61.3=66861.3=40948.4N.mm(4)作合成弯矩M图M=41464.6N.mmM=41464.6N.mmM=42850N.mm(5)作合成转矩T图 T=43400N.mm(6)按当量变距校核该轴的强度由图可见截面B的弯矩，转矩皆为最大 且相对尺寸较小，故应当校核 截面B的当量弯矩为：M=50141.8N.mm查表得对于45钢 =600MP其55MPa=11.7Mpa 所以轴的强度足够。(7)受力图及弯矩图如图2-2所示： a b图2-2受力图及弯矩图第3章 轴承的校核预期寿命为2年；受中等冲击n=303.4;径向载荷F=1000N, F=2000N 外加轴向载荷F=880N。 1. 计算轴承的内部轴向力,由于轴承的型号为7207AC，查得7207AC型轴轴向的计算公式为F=0.68F 故得F=0.68F=0.681000=680N F=0.68F=0.682000=1360N 分别在图中载荷作用中心画出F,F指向图3-1所示： 图3-1 受力分析2.计算轴承的轴向载荷=880+1360=2240F 故F=F+F=880+1360=2240N F=F=1360N3. 计算轴承的径向当量，动载荷。 轴向的径向当量载荷P，由表查得70000AC型轴承的e=0.08 =e=0.08由表查得X=0.41 Y=0.87由于转动过程中受中等冲击,由表取f=1.5则可得P=f（XF+YF）=1.5（0.411000+0.872240）=3538.2 轴承2的径向当量动载荷=0.68=e 由表可得 X=1,Y=0 则可得P=f（XF+YF）=1.5（12000+01300）=3000N 两轴承型号相同而且PP,故应按P计算轴承寿命4. 校核轴承径向基本额定动载荷的计算值C为: C= (3-1)由(3-1)得载荷的计算值为3538.2=24063.2N 由轴承手册查得7207A轴承的基本额定动载荷3050024063.2，并且数值较接近。故该轴使用。第4章 润滑方式与密封的选择4.1 轴承的润滑当滚动轴承d值小于210mm/min时一般采用润滑脂润滑，为了防止箱内润滑油进入轴承，使轴承内润滑脂稀释而流出，通常在箱体轴承座内侧一端安装挡油环，轴承距内壁的距离为：1015mm.当传动零件的边缘圆周速度大于2-3m/s时可利用传动零件进行飞溅式润滑，轴承距内壁的距离为3-5mm由于传动零件的圆周速度小于2-3m/s，所以采用脂润滑更为合理。4.2轴承的密封 为了防止轴承内的润滑剂向外泄露以及外界的灰尘等杂质渗入，导致轴承磨损或腐蚀，应该设置密封装置。由于橡胶油封使用于脂润滑，圆周速度小于7m/s，所以采用橡