水轮机导水控止装置结构设计及加工工艺_毕业设计(论文).doc

兰州工业学院兰州工业学院 毕业设计 论文 毕业设计 论文 题目题目水轮机导水控止装置结构设计及加工工艺水轮机导水控止装置结构设计及加工工艺 系系 别别 机械工程系机械工程系 专专 业业 班班 级级 姓姓 名名 学学 号号 指导教师 职称 指导教师 职称 日日 期期 I 摘 要 该课题研究了水轮机发电机组的重要部套水轮机导水控止装置的结构设计及 加工工艺 应用传统设计方法 分析了各种导水控制装置的优缺点 确定出一 种合理的导水控制机械装置部分的设计方案 并通过力学性能核算 设计出该 部套的总装配图以及关键零部件 摆臂 转轴等 的结构的图纸 最后通过编 制加工工艺规程符合实际的加工要求 来初步验证此设计方案及加工工艺的可 行性 结果表明此机械式导水控制装置的结构及加工工艺研究可行 为水轮机发电 机组的整体的设计提供了有用的理论依据 关键词 水力发电 导水控制 摇臂 开角 II ABSTRACT This study investigated the water turbine generator set of important department set Guide water control device structure design and processing technology Application of traditional design and analyzes the various guide water control device of the advantages and disadvantages and indentifies a reasonable guide water control machinery parts of the design scheme and through the mechanics performance calculation design a set of he general assemble drawings and key components for example rocker arm shaft and so on Finlly through the preparation processing procedvre conforms to the actual processing requirements to verify the preliminary design scheme and the feasibility of the process The result show that the mechaniced transmission control unit structure and processing technology research feasible for turbine generator set the integra design of the provide beneficial theoretical basis Key words Hydroelectric power Guide water control rocker arm Open Angle III 目目 录录 摘 要 I ABSTRACT II 1绪 论 1 1 1 课题背景 1 1 2 水轮机导水机构的工作原理 2 1 2 1 水轮机导水机构的作用 2 1 2 2 水轮机导水机构的分类 2 1 2 3 径向式导水机构的几何参数 4 1 3 水轮机的工作原理 5 1 3 1 发电机原理 5 1 3 2 水轮发电机的基本工作原理 6 1 4 水轮机的分类 8 1 5 水轮机的主数要参 11 2 水轮机导水机构方案设计及校核 13 2 1 水轮机导水控制部分的基本参数 13 2 2 速机构中主要零件强度 刚度计算 13 2 2 1 操作力及力矩 13 2 2 2调速轴强度与刚度计算 14 2 2 3 键的强度校核计算 16 2 2 4 圆柱销的强度校核 17 3 机械装配图的设计和绘制 19 3 1 机械装配图设计概述 19 3 2 装配草图的设计和绘制 24 3 3 装配工作图的绘制和总成设计 27 3 4 装配图的设计与选取 29 3 5 水轮机导水控制部分原理图 29 4 零件工作图的设计和绘制 31 4 1 零件工作图设计概述 31 4 2 典型零件图的说明 33 5 零件的工艺规程 35 5 1 工艺规程 36 5 2 机械加工工艺流程 39 5 3 零件的机械加工工艺分析 41 5 3 1 机械加工工艺规程的制订原则 41 IV 5 3 2 制订机械加工工艺规程的内容和步骤 41 5 4 上轴头的机械加工工艺分析和典型零件的加工工艺路线 43 5 4 1 零件的分析 43 5 4 2 毛坯的确定 44 5 4 3 工艺规程设计 44 5 4 4 典型零件的加工工艺路线 46 结 论 49 致 谢 50 参考文献 51 V 兰州工业学院毕业设计 论文 1 1绪 论 1 1 课题背景 水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械 它属于流体机械中的 透平机械 早在公元前100年前后 中国就出现了水轮机的雏形 水轮 用于提灌和驱动粮食加工器械 现代水轮机则大多数安装在水电站内 用来驱动发电机发电 在水电站中 上游水库中的水经引水管引向水轮机 推 动水轮机转轮旋转 带动发电机发电 作完功的水则通过尾水管道排向下游 水头越高 流量越大 水轮机的输出功率也就越大 水轮机是一种将水能转换为机械能的动力机械 在大多数情况下 将这种机 械能通过发电机转换为电能 因此水轮机是为谁能利用和发电服务的 水是人类在生活和生产中能依赖的最重要的自然资源之一 我们的祖先很早 以前就和洪水开展了斗争并学会了利用水能 公园前二千多年的大禹治水 至 今还为人们所称颂 公元37年中国人发明了用水轮带动的鼓风设备 水排 公元260 270年中国人创造了水碾 公元220 300年间发明了用水轮带动的水磨 这些水力机械结构简单 制造容易 缺点是 笨重 出力小 效率低 真正大规模地对水力资源合理开发和利用 是在近代 工业发展和有关发电 航运等技术发展以后 水利资源的综合开发和利用 是指通过修建水利枢纽工程来进行对河流水力 资源在防洪 灌溉 航运 发电以及水产等发明的综合利用 我国的水电发展设备事业也是在新中国成立以后才有了蓬勃发展 1975年 我国还只能自行设计制造7 5万千瓦的新安江水电站 到现在我国已能自行设计 制造单机容量70万千瓦的混流式水轮机发电机组及单机容量17万千瓦的轴流转 桨式调节水轮发电机组 现在 我国的水力设备的设计 制造水平已达到世界 先进水平 我国设计 制造的水力发电设备远销到美国 加拿大 菲律宾 土 耳其 南斯拉夫 越南等国 受到了这些国家的欢迎 兰州工业学院毕业设计 论文 2 1 2 水轮机导水机构的工作原理 水轮机作为一种动力机械 必须保证水流进入转轮之前建立起转轮进口所需 的环量 在运行中水轮机必须能随时调节水流的流量以适应负荷的变化 在停 机时能截断水流进入转轮 因此 反击式水轮机在转轮之前设置了导水机构的 过流部件 导水机构在水轮机中起导向 和关闭机器的作用 导水机构是由均匀的轴对称地布置在转轮外圈的导叶组成 导叶一般为16 32个 视水轮机大小而定 导叶是活动的 可由传动机同时转动所有的导叶 以达到调节流量和停机的 作用 明槽式水轮机的导水机构 由于导叶的传动机构全处于水中 因此称为内调 节导水机构 蜗壳式水轮机 导叶轴伸出顶盖 因此传动机构在水轮机外部 称为外调节导水机构 1 2 1 水轮机导水机构的作用 反击式水轮机导水机构的作用主要有两个 其一 根据电力系统负荷的变化 调节水轮机流量 以适应系统对机组出力的要求 其二 形成和改变进入转轮的水流环量 以满足不同比转速水轮机对进入转轮前水流 环量的要求 1 2 2 水轮机导水机构的分类 图1 1 径向式导水机构 图 1 2 轴向式导水机构 图 1 3 斜向式导水机构 按水流流经导叶时与水轮机轴线的相对位置 导水机构一般可分为 径向式 兰州工业学院毕业设计 论文 3 导水机构 图1 1 该导水机构中水流方向与主轴垂直 轴向式导水机构 图1 2 则水流与主轴平行 斜向式导水机构 图1 3 水流与主轴斜交 径向式导水机构是以水流沿着垂直于水轮机轴线的平面径向流过导叶而得名 其导叶分布在与水轮机同心的圆柱面上 故亦称圆柱式导水机构 径向式导水机构由于结构简单 便于制造和安装 广泛应用于反击式的水轮 机的结构中 在轴向式导水机构中 水流沿着与水轮机同心的各圆柱面轴向地流过导叶 这种导水机构主要用于贯流式水轮机中 在斜向式导水机构中 水流沿着以水轮机轴为中心的圆锥面斜向流过导叶 由于导叶轴线均布在圆锥面上 故也称圆锥式导水机构 这种导水机构主要用 于灯泡贯流式和斜流式水轮机中 不论水轮机采用何种导水机构结构形式 它的结构性能均应满足下列要求 1 导水机构的传动机构应保证导叶最大开度值可靠 且应留有不小于5 的 裕量 2 导水机构中应设有安全保护装置 防止调节过程中导叶被硬物卡住时而引 起零件的破坏 3 当导叶失去控制时 结构上应有防止导叶任意转动的限位装置 4 导叶的轴承 连杆 转壁等转动的活接头以及摩擦面应润滑良好 5 导叶和顶盖 底环之间以及导叶之间应保证有良好的密封 使停机时的漏 水损失最小 6 结构上应便于安装时调整导叶的立面和端面间隙 7 结构应力求简单可靠和具有良好的工艺性 便于安装 维护和检修 8 导水机构的主要零件应有足够的强度和刚度 9 对于高水头电站或多泥沙河流的机组 导水机构的过流部分表面应有良 好的抗汽蚀和抗磨损的措施 兰州工业学院毕业设计 论文 4 1 2 3 径向式导水机构的几何参数 1 导叶开度 0 a 导叶开度 0 a 是表征水轮机在流量调节过程中导叶安放位置的一个参数 它 的大小等于导叶出口边与相邻导叶体之间的最短距离 当导叶处于径向位置时 为最大径向开度值 max0 a 最大径向开度是指导叶可能达到的最大开度 导叶机构在这种开度工作时水 力损失很大 导叶进口有很大的冲角形成脱流 同时 如果导叶在径向位置 则水流在转轮前就不形成环量 而根据水轮机基本方程式 产生机械能就需要 在转轮出口有负环量 这样 进入尾水管的能量大大增加 又会形成很大损失 因此实际上是不允许在这种导叶位置下运行的 但要有一个允许的最大开度 对中小型水轮机往往由于结构上的原因而加大值及减少导叶数 因而真机的 导水机构与模型已不保持几何相似关系了 此时 只有使真机的导水机构出水 角与模型的相等来获得导水机构出口水流的相似关系 2 导叶出水角 0 导叶出口边处骨线与圆周方向的夹角称为导叶出口角 d 由于导叶的叶片数多 叶栅可视为稠密叶栅 水流的出流方向就是导叶出口 角 称为导叶出水角 0 从流量调节方程式看出 它也是决定流过水轮机流量的一个重要参数 在开 度 0 相同的情况下 若出口角不同 则过流量各不相同 d 大者 11 Q 也大 而在 三者出口角 d 相同的情况下 尽管它们的开度各不相同 但过流量却很接近 由 此可见 决定流量变化及转轮前流态的参数不是开度 0 a 而是导叶出口角度 d 对某一固定形状的导叶 开度 0 和出口角 d 应是一一对应的关系 由于在测量 中量 0 值比较方便 故在实用中都以开度 0 来表示导水机构的工作参数 而且 在水轮机的综合特性曲线上也均作出的是等开度 0 线 3 导叶高度及最大开度 水轮机转轮的外部轮廓形状 包括转轮叶片进口高度和标称直径的比例关系 兰州工业学院毕业设计 论文 5 和比转速都有一定的关系 实际上从定性地分析来看 对直径一定的水轮机 比转速越高流量就越大 导叶应该做得高一些 否则就要增加开度 0 a 开度 0 a 过大导叶片将会接近于颈向开度 如前面所述这样将增加导叶及转轮内的流 动损失 反之 对低比转速水轮机 流量相对比较小 如果导叶过高 则对应 的开度将很小 水流从两片导叶之间的窄缝中流出 也会引起较大的损失 因 此 对应于某一比转速水轮机应有一个最佳的导叶高度和最佳出流角或开度 4 导叶数 0 Z 导叶轴线分布圆直径 0 D 及导叶弦长L 导叶数影响进入转轮水流的均匀度 数目多叶栅稠密度大出水流速分布均匀 而且单片导叶重量减轻 但是加工量增加 结构较复杂 故而 对大型水轮 机采用较多的导叶数 0 Z 较小的 0 D 及较小的弦长L 根据实践经验 相对值 30 1 13 1 10 DD 大的比值用于小型水轮机 对大型水轮机多采用 10 DD 1 16 但为了减少径向尺寸 可采用 10 D D 1 13 不过应以导叶在最大可能的开度 下不至于与转轮叶片相碰为限 近年来许多实践表明 某些低比转速混流式水轮机由于水头很高 H 150m 蜗壳和导叶内流速很大 随着导叶进口处径向尺寸的减小 流速更增加 这样 导叶表面的磨损将很严重 另外高水头水轮机转轮的进口边如距导叶出 口太近 导叶出来的不均匀水流可能使转轮产生振动 同时也影响机组效率 因此在材料强度允许的条件下 适当加大导叶分布圆直径以降低流经导叶的流 速 对增长机组的工作周期和提高工作稳定性能是有利的 当 0 Z 和 0 D 确定后 即可按导水机构能紧密关闭的原则 确定叶栅密度和翼弦长度L 1 3 水轮机的工作原理 1 3 1 发电机原理 一 发电机概述 发电机是将其他形式的能源转换成电能的机械设备 它由水轮机 汽轮机 柴油机或其他动力机械驱动 将水流 气流 燃料燃烧或原子核裂变产生的能 兰州工业学院毕业设计 论文 6 量转化为机械能传给发电机 再由发电机转换为电能 发电机在工农业生产 国防 科技及日常生活中有广泛的用途 发电机的形式很多 但其工作原理都基于电磁感应定律和电磁力定律 因此 其构造的一般原则是 用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁 路和电路 以产生电磁功率 达到能量转换的目的 发电机已实施出口产品质量许可制度 未取得出口质量许可证的产品不准出 口 二 发电机的分类可归纳如下 发电机分 直流发电机和交流发电机 交流发电机分 同步发电机和异步发电机 很少采用 交流发电机还可分为单相发电机与三相发电机 三 发电机结构及工作原理 发电机通常由定子 转子 端盖及轴承等部件构成 定子由定子铁芯 线包绕组 机座以及固定这些部分的其他结构件组成 转子由转子铁芯 或磁极 磁扼 绕组 护环 中心环 滑环 风扇及转轴 等部件组成 由轴承及端盖将发电机的定子 转子连接组装起来 使转子能在定子中旋转 做切割磁力线的运动 从而产生感应电势 通过接线端子引出 接在回路中 便产生了电流 1 3 2 水轮发电机的基本工作原理 水电厂的发电机都为同步电机 它能把原动机 水轮机 的机械能转变成电 能 通过输电线路等 设备 送往用户 我们知道 导线切割磁力线能产生感应电动势 将导线连成闭合回 路 就有电流通过 同步发电机就是利用电磁感应原理将机械能转变为电能的 导线放在空心圆桶铁心槽里 铁心时固定不动的 称为定子 磁力线是由磁 极产生的 磁极时转动的 称为转子 定子和转子是发电机最基本的部分 为 了得到三相交流电 沿定子铁芯内圆每相隔120度分别放三相绕组A X B Y C 兰州工业学院毕业设计 论文 7 Z 转子上有励磁绕组 又称转子绕组 通过电刷和滑环的滑动接触 将励磁 系统产生的直流电引入转子励磁绕组 产生 恒定的磁场当转子被原动机拖动旋转时 定子绕组不断切割磁力线 就在其中 感应出电动势 导线切割磁力线能产生感应电动势 将导线连成闭合回路 就 有电流通过 同步发电机就是利用电磁感应原理将机械能转变为电能的 导线 放在空心圆桶铁心槽里 铁心是固定不动的 称为定子 磁力线是由磁极产生 的 磁极是转动的 称为转子 定子和转子是发电机最基本的部分 为了得到 三相交流电 沿定子铁芯内圆每相隔120度分别放三相绕组A X B Y C Z 转子上有励磁绕组 又称转子绕组 通过电刷和滑环的滑动接触 将励磁 系统产生的直流电引入转子励磁绕组 产生恒定的磁场 当转子被原动机拖动 旋转时 定子绕组不断切割磁力线 就在其中感应出电动势将机械能转变成电 能的电机 通常由汽轮机 水轮机或内燃机驱动 小型发电机也有用风车或其他机械经齿轮或皮带驱动的 发电机分为直流发电机和交流发电机两大类 后者又可分为同步发电机和异 步发电机两种 现代发电站中最常用的是同步发电机 这种发电机的特点是由 直流电流励磁 既能提供有功功率 也能提供无功功率 可满足各种负载的需要 异步发电机由于没有独立的励磁绕组 其结构简单 操作方便 但是不能向 负载提供无功功率 而且还需要从所接电网中汲取滞后的磁化电流 因此异步 发电机运行时必须与其他同步电机并联 或者并接相当数量的电容器 这限制 了异步发电机的应用范围 只能较多地应用于小型自动化水电站 城市电车 电解 电化学等行业所用的直流电源 在20世纪50年代以前多采用直流发电机 但是直流发电机有换向器 结构复杂 制造费时 价格较贵 且易出故障 维护困难 效率也不如交流发电机 故大功率可控整流器问世以来 有利用交 流电源经半导体整流获得直流电以取代直流发电机的趋势 同步发电机按所用原动机的不同分为汽轮发电机 水轮发电机和柴油发电机 3种 它们结构上的共同点是除了小型电机有用永久磁铁产生磁场以外 一般的 磁场都是由通直流电的励磁线圈产生 而且励磁线圈放在转子上 电枢绕组放 兰州工业学院毕业设计 论文 8 在定子上 因为励磁线圈的电压较低 功率较小 又只有两个出线头 容易通 过滑环引出 而电枢绕组电压较高 功率又大 多用三相绕组 有3个或4个引出 头 放在定子上比较方便 发电机的电枢 定子 铁心用硅钢片叠成 以减少铁 耗 转子铁心由于通过的磁通不变 可以用整体的钢块制成 在大型电机中 由于转子承受着强大的离心力 制造转子的材料必须选用优质钢材 电能是现代社会最主要的能源之一 发电机是将其他形式的能源转换成电能 的机械设备 它由水轮机 汽轮机 柴油机或其他动力机械驱动 将水流 气 流 燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电机 再由发电机 转换为电能 发电机在工农业生产 国防 科技及日常生活中有广泛的用途 发电机的形式很多 但其工作原理都基于电磁感应定律和电磁力定律 因此 其构造的一般原则是 用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁 路和电路 以产生电磁功率 达到能量转换的目的 由水轮机驱动的发电机 由于水电站自然条件的不同 水轮发电机组的容量 和转速的变化范围很大 通常小型水轮发电机和冲击式水轮机驱动的高速水轮 发电机多采用卧式结构 而大 中型代速发电机多采用立式结构 由于水电站 多数处在远离城市的地方 通常需要经过较长输电线路向负载供电 因此 电 力系统对水轮发电机的运行稳定性提出了较高的要求 电机参数需要仔细选择 对转子的转动惯量要求较大 所以 水轮发电机的外型与汽轮发电机不同 它的转子直径大而长度短 水轮发电机组起动 并网所需时间较短 运行调度灵 活 它除了一般发电以外 特别适宜于作为调峰机组和事故备用机组 水轮发电 机组的最大容量已达70万千瓦 1 4 水轮机的分类 水轮机按能量转换特征分为两类 即反击式和冲击式 而每一类水轮机又根 据转轮区内水流的特征和转轮的结构特征又分为多种形式 一 根据水流能量转换特征 有反击式与冲击式 水轮机利用的能量为水流势能和水流动能的总和 Ep Ec 1 若Ep 0 Ec 1 这种利用水流动能的水轮机称为冲击式水轮机 兰州工业学院毕业设计 论文 9 若0 Ep 1 Ep Ev 1 这种同时利用水流动能和势能的水轮机称为反击式 水轮机 二 根据水流进出转轮的方向和转轮的结构特征分 水轮机按工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类 冲击式水轮 机的转轮受到水流的冲击而旋转 工作过程中水流的压力不变 主要是动能的 转换 反击式水轮机的转轮在水中受到水流的反作用力而旋转 工作过程中水 流的压力能和动能均有改变 但主要是压力能的转换 冲击式水轮机 冲击式水轮机按水流的流向可分为切击式 又称水斗式 和斜击式两类 斜 击式水 轮机的结构与水斗式水轮机基本相同 只是射流方向有一个倾角 只用于小 型机组 理论分析证明 当水斗节圆处的圆周速度约为射流速度的一半时 效率最高 这种水轮机在负荷发生变化时 转轮的进水速度方向不变 加之这类水轮机 都用于高水头电站 水头变化相对较小 速度变化不大 因而效率受负荷变化 的影响较小 效率曲线比较平缓 最高效率超过91 反击式水轮机 反击式水轮机可分为混流式 轴流式 斜流式和贯流式 在混流式水轮机中 水流径向进入导水机构 轴向流出转轮 在轴流式水轮机中 水流径向进入 导叶 轴向进入和流出转轮 在斜流式水轮机中 水流径向进入导叶而以倾斜 于主轴某一角度的方向流进转轮 或以倾斜于主轴的方向流进导叶和转轮 在 贯流式水轮机中 水流沿轴向流进导叶和转轮 轴流式 贯流式和斜流理图式水轮机按其结构还可分为定桨式和转桨式 定 桨式的转轮叶片是固定的 转桨式的转轮叶片可以在运行中绕叶片轴转动 以 适应水头和负荷的变化 各种类型的反击式水轮机都设有进水装置 大 中型立轴反击式水轮机的进 水装置一般由蜗壳 固定导叶和活动导叶组成 蜗壳的作用是把水流均匀分布 兰州工业学院毕业设计 论文 10 到转轮周围 当水头在40米以下时 水轮机的蜗壳常用钢筋混凝土在现场浇注 而成 水头高于40米时 则常采用拼焊或整铸的金属蜗壳 在反击式水轮机中 水流充满整个转轮流道 全部叶片同时受到水流的作用 所以在同样的水头下 转轮直径小于冲击式水轮机 它们的最高效率也高于 冲击式水轮机 但当负荷变化时 水轮机的效率受到不同程度的影响 反击式水轮机都设有尾水管 其作用是 回收转轮出口处水流的动能 把水 流排向下游 当转轮的安装位置高于下游水位时 将此位能转化为压力能予以 回收 对于低水头大流量的水轮机 转轮的出口动能相对较大 尾水管的回收 性能对水轮机的效率有显著影响 轴流式水轮机 适用于较低水头的电站 在相同水头下 其比转数较混流式水轮机为高 轴流定桨式水轮机的叶片固定在转轮体上 一般安装高度在3 50m 叶片安放角不能在运行中改变 结构简单 效率较低 适用于负荷变化 小或可以用调整机组运行台数来适应负荷变化的电站 轴流转桨式水轮机是奥地利工程师卡普兰在1920年发明的 故又称卡普兰 水轮机 一般安装高度在3 80m 其转轮叶片一般由装在转轮体内的油压接力器操作 可按水头和负荷变化 作相应转动 以保持活动导叶转角和叶片转角间的最优配合 从而提高平均效 率 这类水轮机的最高效率有的已超过94 典型例子就是葛洲坝 贯流式水轮机 贯流式水轮机的导叶和转轮间的水流基本上无变向流动 加上采用直锥形尾 水管 排流不必在尾水管中转弯 所以效率高 过流能力大 比转数高 特别 适用于水头为3 20米的低水头小型河床电站 这种水轮机装在潮汐电站内还可以实现双向发电 这种水轮机有多种结构 使用最多的是灯泡式水轮机 灯泡式机组的发电机装在水密的灯泡体内 其转轮既可以设计成定桨式 也 可以设计成转桨式 其中又可以细分为贯流式和半贯流式 世界上最大的灯泡 兰州工业学院毕业设计 论文 11 式水轮机 转桨式半贯流 装在美国的罗克岛第二电站 水头12 1米 转速为85 7 转 分 转轮直径为7 4米 单机功率为54兆瓦 于1978年投入运行 混流式水轮机 混流式的转轮一般用低碳钢或低合金钢铸件 或者采用铸焊结构 为提高抗 汽蚀和抗泥沙磨损性能 可在易气蚀部位堆焊不锈钢 或采用不锈钢叶片 有 时也可整个转轮采用不锈钢 采用铸焊结构能降低成本 并使流道尺寸更精确 流道表面更光滑 有利于提高水轮机的效率 还可以分别用不同材料制造叶 片 上冠和下环 典型例子是我国的刘家峡 斜流式水轮机 斜流式水轮机上 随着水头和负荷的变化 转轮体内的油压接力器操作叶片 绕其轴线相应转动 它的最高效率稍低于混流式水轮机 但平均效率大大高于 混流式水轮机 与轴流转桨水轮机相比 抗气蚀性能较好 飞逸转速较低 适 用于40 120米水头 由于斜流式水轮机结构复杂 造价高 一般只在不宜使用混流式或轴流式水 轮机 或不够理想时才采用 这种水轮机还可用作可逆式水泵水轮机 当它在 水泵工况启动时 转轮叶片可关闭成近于封闭的圆锥因而能减小电动机的启动 负荷 1 5 水轮机的主数要参 1 水头H 米 连续水流两断面间单位能量的差值称为水头 水头是水轮机的一个重要参数 它的大小直接影响着水轮机出力的大小和水轮机型式的选择 2 流量 单位时间内流经水轮机的水量 体积 称为水轮机的流量 用Q表示 通常 用立方米 秒为单位 3 出力 单位时间内流经水轮机的水流所具有的能量 称为通过水轮机的 水流的出 力 用Np表示 Np 9 81QH 千瓦 兰州工业学院毕业设计 论文 12 4 效率 水轮机的出力N通过水轮机水流的出力Np之比 称为水轮机的效率 用 表 示 显然效率是表面水轮机对水流能量的有效利用程度 是一个无量纲的物理 量 用百分数 表示 5 转速 水轮机主轴在单位时间内的旋转次数 称为水轮机的转速 用n表示 通常 采用 转 分 作单位 水轮机按工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类 冲击式水轮 机的转轮 受到水流的冲击而旋转 工作过程中水流的压力不变 主要是动能的转换 反击式水轮机的转轮在水中受到水流的反作用力而旋转 工作过程中水流的压 力能和动能均有改变 但主要是压力能的转换 兰州工业学院毕业设计 论文 13 2 水轮机导水机构方案设计及校核 2 1 水轮机导水控制部分的基本参数 表2 1 水轮机设备配套一览表 序号名 称数 据 1额定水头Hr m 24 5 2最大水头Hmax m 27 29 3最小水头Hmin m 22 33 4加权平均水头Ha m 23 02 5额定流量Qr m3 s 26 76 6额定转速n r min 300 7最大飞逸转速nR r min 758 7 8水轮机额定出力Nr Kw 6000 9水轮机允许吸出高度Hs m 1 5 10水轮机轴向推力P t 22 419 11水轮机总重量 t 33 4 12水轮机型号JP502 LJ 202 13调速器型号YWT 5000 14蝶阀型号2250KD741X 6vs 15机组台数3 2 2 速机构中主要零件强度 刚度计算 2 2 1 操作力及力矩 1 YWT 3000调速器接力器产生的作用力 兰州工业学院毕业设计 论文 14 2 H mc P dd P 4 22 1 kgfP cm kgf PP cmdd HH mm 193117 08 25 3 6 2 接力器额定工作油压 器推拉杆直径 套筒直径 小型为接力 2 作用于调速轴的力矩 2 2 1k MPR P 接力器产生的轴向作用力 P 19317 08kgf 调速器的拐臂作用半径 30 8cm 1 R 1 R 19317 08 30 8 594966kgf cm k M 3 作用于推拉杆上的力 忽略摩擦影响 1 作用于两个推拉杆上总力 2 R M p K c 作用于调速轴的力矩 594966kgf cm k M k M R2 摇臂作用半径 水机 R2 19 5cm kgfPC30511 08 2 作用于一个推拉杆上的力 kgfPC15255 5 2 1 2 2 2调速轴强度与刚度计算 1 中空轴管强度与刚度计算 1 强度计算 扭转应力 475 97 2 3 P W Mk p W 2 p I D 34 0 2 1 D 2 kgfcm 作用于调速轴上的力矩 594966kgf cm k M k M 轴身抗扭断面模数 p W D 轴的外径 D 25cm 兰州工业学院毕业设计 论文 15 d 空内轴的内径 d 22cm 许用应力 Q235 700 45钢 1000 2 kgfcm 2 kgfcm 强度满足 2 刚度计算 2 4 180 k p M GJ G 弹性剪切模数 对钢G 8 1 105 2 kgfcm 极惯性矩 p J 单位长度扭转角 对空心轴 0 1 254 1 0 6 15625 2 4 4 32 1 p D J 44 10 m 5 代入2 4式 得 0 27 m 允许扭转角 对精密机械制造 0 25 0 5 m 故刚度满足 2 1 对轴头为 170实心轴刚度计算 0 1 8352 1 4 32 p D J 4 D 44 10 m 0 504 m 2 6 180 k p M GJ 对某些扭转的容许扭转角则可放宽到2 故满足刚度要求 2 对轴身 220处强度校核 a 强度条件 兰州工业学院毕业设计 论文 16 扭转应力 p 抗扭断面模数 665 5 cm3 3 16 p D W b 刚度条件 极性惯矩 p J 7320 5 3 4 0 1 32 p D JD 44 10 m 0 575 m 180 k p M GJ 对某些扭转的容许扭转角则可放宽到2 故满足刚度要求 2 2 3 键的强度校核计算 根据设计内容的需要及要求 本次设计所使用的是平键联接 平键联接的主 要失效形式为组成键联接的轴或轮毂工作面部分的磨损 须按工作面上的压 强进行强度计算 条件为 2 7 4 t FT PP hldlh 式中 P 较弱材料的许用压强 见机械设计基础P88 T为轴传递的转矩 2 t T F d d为轴径 故挤压强度的条件为 4 t pp FT hlhld 式中 工作表面的挤压应力 Mpa p 键与轮毂的接触高度 h L 键的工作长度 联接中较弱材料的许用应力 见机械设计基础P88 p 代入公式 2 7 中 得 6 49 55 10 15 43 45250220 t p FXX hlXX 因此键为静联接 且载荷性质为冲击 其 50 p 兰州工业学院毕业设计 论文 17 故强度满足 2 2 4 圆柱销的强度校核 在销子的强度校核中 往往会涉及到关于剪切力和挤压力的校核计算 在工 程实际中 经常遇到剪切问题 剪切变形的主要受力特点是构件受到与其轴 线相垂直的大小相等 方向相反 作用线相距很近的一对外力的作用 构件 的变形主要表现为沿着与外力作用线平行的剪切面发生相对错动 工程中的一些联接件 如键 销钉 螺栓及铆钉等 都是主要承受剪切作用 的构件 而这些构件在承受剪切外 往往同时伴随着挤压 弯曲和拉伸等作用 当挤压力超过一定限度时 联接件或被联接件在 挤压面附近产生明显的塑性变形 称为挤压破坏 在有些情况下 构件在剪切 破坏之 前可能首先发生挤压破坏 所以需要建立挤压强度条件 图 2 1 水轮机导水机构圆柱销结构示意图 其中 圆柱销的剪切力计算为 2 8 2 4 F d Z 式中 F 横向力 N d 销的直径 mm 兰州工业学院毕业设计 论文 18 Z 销数 销的许用剪切力 Mpa 取80 Mpa 接着 圆柱销的挤压力计算为 2 9 4 yy T DdL 式中 T 转矩 L 销长 mm L 1 1 5 D 通过对设计中不同圆柱销的受力情况分析 进行以下的强度校核 1 摆臂处圆柱销的校核 代入公式 2 9 得 6 49 55 10 28 94 22040 150 yy XX XX 故其挤压强度满足要求 2 轴与轴间连接销的校核 代入公式 2 8 得 2 4 19317 08 48 06 3 14 162 X XX 故其剪切强度满足要求 3 推力支撑座中的定位销的校核 代入公式 2 8 得 6 29 55 10 14 47 22040 150 XX XX 故其剪切强度满足要求 兰州工业学院毕业设计 论文 19 3 机械装配图的设计和绘制 3 1 机械装配图设计概述 机械装配图表达各零部件之间的相互位置 尺寸关系和各零件的结构形状 是绘制零件工作图 进行机械组装和调试的技术依据 装配图设计是在总体方案 主要参数和尺寸等初步拟订的基础上设计具体的 结构 这时要综合考虑工作要求 强度 刚度 寿命 加工 装拆 调整 润 滑 检测 维修及经济等多方面的因素 采用 由主到次 由粗到细 边 绘图 边计算 边修改 的方法逐步完成 才能得到较好的结构 由于装配图 设计过程常较复杂 一般先用细线 轻线进行装配图草图设计 待检查修改完 后再进行装配工作图总成设计 装配图是生产过程中重要的技术文件 它最能反映出设计工程师的意图 且 可表达出机械或部件的工作原理 性能要求 零件之间的装配关系 零件的主 要结构形状 以及在装配 检验时所需要的尺寸数据和技术要求 设计工程师 在设计机器时 首先要绘制整个机器的装配图 然后再拆画零件图 此外 在 设计 装配 调整 检验和维修时都需要用到装配图 一 装配图基本知识 装配图是表达机器或部件的图样 主要表达其工作原理和装配关系 在机器 设计过程中 装配图的绘制位于零件图之前 并且装配图与零件图的表达内容 不同 它主要用于机器或部件的装配 调试 安装 维修等场合 也是生产中 的一种重要的技术文件 1 装配图的作用 在产品设计过程中 一般要根据设计的要求绘制装配图 用以表达机器或部 件的主要结构和工作原理 然后再根据装配图设计零件绘制各个零件图 在产 品制造中 装配图是制定装配工艺规程 进行装配和检验的技术依据 即根据 装配图把制成的零件装配成合格的部件或机器 在使用或维修机械设备时 也需要通过装配图来了解机器的性能 结构 传 兰州工业学院毕业设计 论文 20 动路线 工作原理 维护和使用方法 装配图直接反映设计者的技术思想 因 此 装配图也是进行技术交流的重要技术文件 2 装配图的内容 装配图主要表达机器或零件各部分之间的相对位置 装备关系 连接方式和 主要零件的结构形状等内容 用一组图形 包括剖视图 断面图等 表达机器 或部件的传动路线 工作原理 机构特点 零件之间的相对位置 装配关系 连接方式和主要零件的结构形状等 3 画正式装配图的注意事项 在设计过程中 草图完成后自己必须进行全面检查 还可请人提意见以求设 计得更好 4 检查的问题 1 对设计要求是否一一得以满足 2 构造上是否还有要修改之处 如螺纹类的结构是否正确 3 计算的结果是否与图纸一致 在实际设计时 在此基础上进行修改后 便可进行各零件设计 之后再根据 零件尺寸画装配图 这样就对零件的尺寸又进行了一次审查 此次课程设计不要求画出所有的零件图 因此可提前在此基础上画正式装配 图的细线底图 二 绘底图要求 细线底图即是装配图的前身 1 要求 1 图幅按标准取用 视图布置位置适当 2 结构合理 3 投影正确 表达清楚 合乎制图规则 4 规定要表示的可按草图要求绘制 2 注意事项 为了提高装配图的图面质量 兰州工业学院毕业设计 论文 21 1 图幅尺寸一定按标准选用 包括加长 加宽 2 用1 2画 图纸先用橡皮在边上擦一擦 用不起毛的面 3 利用草图的情况确定所需的图幅和安排的位置 还须留出标题栏和明细 表的位置 4 虚线尽量不画 要画时须一次用深线条画规矩 将来不再加深了 因它 属细线 不好加深 5 中心线也应一次画好不再加深 6 分规量尺寸时 尽量不要把图纸上扎小孔 有了小孔将来加粗后就会出 现斑点 使线条的浓度不均匀 三 装配图的要求 为了提高图面质量 除有认真细致的精神外 还须按步骤 按要求去做 一 加粗前的准备和检查 1 准备工作 1 先把多余的 过长的中心线 只需出轮廓线3 5毫米 擦去 2 把不规矩的细实线 包括中心线 中心线的圆心处不许是点 另 20以 下的圆只须用两细实线相交 及虚线擦去重画 因在原有的线上加深 易出现 双线 难看 3 把漏掉的线补上 2 进行检查 1 从投影关系检查 在图上按各零部件的投影来进行检查 从规定画法检 查 尤其是螺纹类的画法 可再复习一下机械制图的内容 2 从结构方面检查 即结构上易出错的 螺纹类 扳手空间不够 铸件上的螺栓孔无沉头座 螺纹终止线拧入螺孔 中 螺杆与螺孔配合及不配合的画法 弹簧垫圆开口方向及伸出螺栓部分太长 等 轴孔的关系 轴肩太高或过底 零件在轴上有过定位和装拆存在问题等 附件的位置 构造 兰州工业学院毕业设计 论文 22 铸件两面相交处应是圆角 经过检查后 把错处擦去更正 方可按制图加 粗顺序进行加粗 二 加粗的注意事项 1 选好线型 使图上的线性粗细分明和一致 要注意铅笔的硬度 2 加粗后应看不出线的接头和图形的误差 尤其是对称图形更要注意 对 称图形加粗了一边的线后 另一边按对称来画 例如螺栓与孔的画法是先画螺 栓后画孔 其孔与杆的间隙相当于留出一道细白线 且越细越好 更须两边对 称 又如齿轮啮合部分的画法是先画分度圆线 再画两轮的齿轮高 一是实线 一是虚线 两齿根 是实线 紧靠齿顶圆线 中间留一很窄的白线 越细 越好 即可 3 画剖面线要特别注意 它对画面的影响很大 应注意 1 剖面线的方向 一个零件的剖面线在该面上 不管在什么视图上 它的倾斜方向及密度都 应相同 相邻两零件的剖面线其倾斜方向相反 在不能用方向分开时才允许用不同 倾斜度和密度来区别 为此画剖面线时 a 应统一安排方向 b 画完一个零件的剖面线后再画另一零件的 各个视图上 在展开式减速器中 从一对齿轮的啮合处开始 沿各轴上向两侧零件方向发 展 这样就不会出现相邻零件有相同的剖面线 2 剖面线的密度 剖面线的密度要均匀 不要太密 一般两线的距离在3毫米左右 零件小的 密些 大的稀些 太密不但费时 更易显出不均匀性 3 剖面线的线型应细 画大面积剖面时应勤削磨铅笔 以保证粗细一致 4 画错的线应立即擦去 以避免擦去其它的线 三 图上的序号和序号引出线 序号位置及序号引出线 对图面清晰影响很大 要注意安排 兰州工业学院毕业设计 论文 23 1 序号 1 一种零件只有一个序号 零件的形状 尺寸 材料 热处理及表面处理等完全相同的方可算一种零件 2 序号所在处应在该零件特征性很强的视图上 即一见此视图就能认出它 是什么零件 3 序号编写应将标准件与非标准件分成两排编号 在标准件的序号前可加 B 非标准件的序号前可不加任何字母 4 写序号处 一般多用短粗划或细线圆 2 序号引出线的规定 1 细实线 所指零件处用一小圆点 2 引出线不许相交 3 引出线不要平行 更不要与图线平行 4 引出线通过图画越短越好 5 引出线允许在图样内折一次弯 6 紧固件只须用一根引出线 四 明细表的填写 1 序号 2 代号 标准件写国家标准的编号 非标准件写图号 图号 装配图可为 RSJ1 0700 JQ00 WJ00 零件图可为 RSJ1 070X JQ0X WJ0X 3 名称 标准件 包括尺寸规格 见手册上各标准件 示例 如螺栓 螺栓M10 50 非标准 即是零件名 4 数量 该零件的总数 5 材料 材料牌号如45 对 以下写法不对 45 45钢 钢45等 兰州工业学院毕业设计 论文 24 6 备注 如写齿轮的Z m 热处理方法等 五 装配图上的尺寸及技术要求 1 特征尺寸 齿轮的中心距 包括公差 轴中心高 2 配合尺寸及配合 凡是同一名义尺寸相接触的零件都有配合 零件图上各自都有公差 如装配 图上不注该两件的配合要求 总装时以装上为原则 因此对于重要的影响性能 的配合都应注出 在调速轴中注 齿轮的毂孔与轴 注分子 分母 轴承与轴 只注轴的公差 轴承与孔 只注孔的公差 轴外伸段轴头直径 注轴的公差 其余的公差配合可不注 3 安装尺寸 1 底板的尺寸 长 宽 厚 2 地脚螺栓孔 孔径 孔的位置尺寸及孔的定位尺寸 即孔与轴线及孔与 轴外段 3 轴外伸段轴头直径 包括公差符号 及长度 4 轴端的中心高度 前已注出 4 技术要求可不注 以后正式设计调速机构减速器时 可参照标准的技术 要求来注 3 2 装配草图的设计和绘制 一 装配草图设计的基本任务和准备工作 装配草图设计的基本任务是通过绘图考察初拟的运动参数 各传动件的结构 和尺寸是否协调 是否干涉 定出轴的结构 跨距和受力点的位置以计算轴和 轴承 确定出所有部件和零件的结构与尺寸 为零件工作图设计和装配图总成 设计提供必须的结构尺寸和依据 兰州工业学院毕业设计 论文 25 装配草图设计包括结构设计 绘图和计算 在其交替进行中常需修改某些零 件的结构和尺寸 所以绘制草图着笔要轻 线条要细 由主到次 由粗到细 按选定的图样比例进行 对于已标准化 或规格化 了的零件 如螺栓 螺母 滚 动轴承等 可先用示意法仅表示其外形轮廓尺寸 对一些倒圆 倒角等细部尺寸 以及剖面线均无需画出 装配草图设计的准备工作主要有两方面 1 由运动简图划分部件 明确各部件运动 动力和主要参数组成 由总体设 计 传动件设计可获得电动机的型号 额定功率 输出功率 满载转速 各轴 的转速 输入功率和转矩 2 考虑选择结构方案 运动简图通常仅表示机械传动系统和布局大意 进行装配草图设计时应进一 步考虑选择结构方案 二 部件装配草图的设计和绘制 在组成机械的各部件中应选择对机械总体关联和影响最大的部件先行设计 1 选择视图 图纸幅面 图样比例及布置图面位置 装配图所选视图应以能简明表达各零件的基本外形及其相互位置关系为原则 一般减速器选用正视图 俯视图和侧视图三个视图来表达 结构简单者也可 选用两个视图 必要时应加剖视图和局部向视图来表达 图纸幅面应符合标准规定 见设计手册 课程设计中建议采用A1或Ao号图 纸绘制装配图 在选择图样比例和布置图面之前 应根据传动件的中心距 顶圆直径及轮宽 等主要结构尺寸及参考相近似的装配图 估计出外廓尺寸 并考虑零件序号 尺寸标注 明细表 标题栏 技术特性表及技术要求的文字说明等所需田面空 间 选择图样比例 合理布置田面 通常将正视图和俯视图布置在图纸左侧 明细表 标题栏和技术特性布置在图纸右侧 图样比例须符合标准规定 为增 强设计的真实感 应优先采用l 1的图样比例 若视图相对图纸尺寸过大或过 小时 也可选用其他合适且常用的图样比例 视图 图纸幅面 图样比例的选 兰州工业学院毕业设计 论文 26 择和图面位置的布置 彼此密切相关 绘图时应全盘考虑 统筹兼顾 合理选 定 2 初估轴的外伸端直径 通过绘图进行轴和轴承部件结构的初步设计及轴上 零件作用力的位置 3 轴 轴承及键联接的校核计算 根据以上初绘草图阶段所定的轴的结构 支点和轴上零件的力作用点 分析 轴所受的力 按适当比例绘制弯矩图 扭矩图及当量弯矩图 并在其上标出特 征点的数值 同时在结构图上判定并标出轴的若干危险剖面 参照教材对各危 险剖面校核轴的强度 校核时若发现轴的强度不够 则应加大轴径 或修改轴 的结构参数 如加大圆角半径等 以降低应力及应力集中程度 若轴的强度富 裕 且其计算应力或安全系数与许用值相差不大 则以轴结构设计时确定的轴 径为准 一般不再修改 对于强度裕量过大的情况 也应在综合考虑刚度 结 构要求以及轴承和键联接等的工作能力后决定是否修改 以防顾此失彼 4 进一步绘图 进行传动件 固定装置 密封装置及附件的结构设计 上述设计的具体结构和尺寸关系可参阅其它书籍阐述与分析 学生应在融汇 贯通的基础上发挥创造性 独立进行本阶段的设计工作 并注意绘图时应先主 件后附件 先主体后局部 先轮廓后细部 同时在三个视图上交替进行 5 装配草图的检查和修正 上述工作完成之后 应对装配草图仔细检查 认真修正 检查次序亦如绘制 装配草图 由主到次 进行 检查的主要内