化纤长丝挤出机齿轮箱设计 精品.doc

化纤长丝挤出机齿轮箱设计0.引言：化纤长丝挤出机齿轮箱设计是立达纺织仪器有限公司TM-FE/NW的开发项目。主要用于解决目前挤出机减速机国产化问题。化纤长丝是无纺布的原材料，无纺布项目是立达计划在中国推广的一个重要项目。生产化纤长丝是通过挤出机生产的，挤出机的齿轮箱极为重要，它必须能够耐高温、耐冲击、而且还要承受巨大的轴向力。无纺布项目在国产化的过程的前期，批量很小，因为箱体大，不可能去开模具，所以现在不考滤铸造，要求箱体结构为钣金焊接结构。国外的瑞士的机械纺织品公司已成功的设计出了化纤长丝挤出机,它在利用直联齿轮驱动方式的条件下,齿轮箱的结构形式采用的是垂直布置,这样的效果在节省空间的情况的条件中可以有效的进行齿轮的维修和维护,利用二级平行轴的平稳传动的基础上可以有效地最大限度的发挥机械功能。水冷却器放在齿轮箱的顶部便于对其进行维护和保养。在自己设计的基础上我更多的是考虑使其设计结构简洁、合理、可靠；零件结构工艺性能良好。设计的路线严格遵循机械设计要求，首先对它的工作原理进行分析，再进行方案的认证，对其总体设计，主要零件参数的计算，润滑与冷却计算，利用CAD绘制零件图，最后编写设计说明书。预期目标是装配图一张，上下箱体各一张及所有非标准零件，设计说明书及英文翻译一份。1.方案选择1.1 箱体的结构箱体是减速机中所有零件的基座，是支承和固定轴系部件，保证零件的正确相对位置，并承受作用在减速器上载荷的重要零件。箱体一般还兼作润滑油的油箱，具有充分润滑和很好密封箱内零件的作用。1.1.1 整体型 这个结构紧凑，易于密封，但是轴承及轴承孔加工、安装比较困难，并且加工成本比较高，装拆、调整比较困难。整体型结构示意如下图1-1 1.1.2分体式结构简单，容易加工，但是密封状态不好。分体式的结构状态如下图：图1-2 1.1.3三体式这种结构对密封有好处，但是不容易加工和安装。图1- 3根据我们现有的加工技术，结构二比较能够接受。1.2冷却系统冷却系统按照设计要求冷却油是用油泵来输入，冷却器直接按装在齿轮箱的顶部。如图：图1- 41.3 减速器的润滑减速器的传动零件必须要有良好的润滑，以降低磨擦和发热，提高效率。根据齿轮箱的结构，油位高，可以采用飞溅润滑。2.齿轮箱的设计计算2.1 驱动电机的主要技术参数型号: 1LG4-220-4AA60供应商: SIEMENS.尺寸：200L.结构型号： IP55电源: AC功率: 37KW at 50HZ.电压: 400VD.电流: 56A.转矩: 240Nm at 50HZ 按照电动机的具体要求， 其结构简图如下：图 2-12.2 挤出机齿轮箱的要求此齿轮箱是用于65-30挤出机，输出轴的安装孔同样可以安装75-30螺杆。2.2.1 主要参数齿轮驱动型式： 直联齿轮箱的放置： 垂直齿轮传动型式： 平行轴、两级传动 齿轮：表面硬度 (HRC58-62) 、表面粗糙度 (Ra 1.6) 输入功率：37KW轮出转矩： 5410NM齿轮变速比： 14.470输入速度范围： 400-2400rpm输出轴转动方向（从流动方向看）：逆时针方向色彩：灰色RAL 7015（湿喷）2.2.2 挤出机的螺杆/加热元件的主要参数图2-22.2.2联轴器（电机与挤出机的联接）电机输出轴与齿轮箱的输入轴之间选用弹性联轴器联接。图2-3电机型号：AC SIEMENS 1LG4-220-4AA60 电机功率: 转速: 驱动惯量: 传动扭矩： 电机起始扭矩: 启动频率: 环境温度: 最大扭矩: 联轴节的选择: 扭矩： 选择 ROTEX-48 98 SHA冲击: 驱动惯性: 冲击系数: 启动频繁修正系数: 环境温度修正系数: 结论： 联轴器选用KTR ROTEX-48 98 SHA2.3齿轮箱的设计2.3.1 传动方式图2-4 挤出机结构图2.3.2 传动效率选择联轴器(电机 /齿轮箱)传动效率: =0.99齿轮传动效率 ： =0.99推力滚子轴承传动效率 ： =0.982.3.3 传动比的分配箱体的结构与传动比的分配合理分配关系很大，因此为了使齿轮箱结构紧凑，传动比分配如下：i=14.47i=3.4i=i/ i=14.47/3.4=4.26 传动比2.3.4齿轮的设计2.3.4.1 传动轴速度计算 2.3.4.2 各轴输入功率计算: 2.3.4.3 各轴输入转矩计算: 各轴功率、速度、力矩如下表： 轴N (rpm)1475421.4101.9P (Kw)36.635.534.5T (N.m)237804.53233.3 表格 2-12.3.4.4 挤出机齿轮箱要求各轴输出转矩： T= 5410 Nm (1)So T= T/ (i x x ) = 5410/4.26 X (0.99 x 0.98)=1309 Nm (2) T=T / ( i x x ) = 1309/(3.4 x 0.99 x0.98)=396.8 Nm (3) 2.3.4.5 由输出要求推算的转矩: ShaftT (Nm)396.813095410表格 2-2 比较以上两个表格，显然可以发现挤出机要求转矩大于电机输入转矩，所以以最大的转矩用于齿轮箱的计算。 2.3.5 齿轮箱尺寸估算2.3. 5.1 齿轮材料及热处理和精度的选择此齿轮箱用用挤出机，要求传递要求的很大的载荷，齿轮材料： 20CrMnTi,表面处理：表面渗碳并淬火，表面硬度： 58-62齿轮精度：6.2.3.5.2 高速级齿轮计算 , S=1.5,so =246.7 N/mm (4)so S=1.2, N/mm So =1200 N/mm (5)弯曲疲劳极限 许用弯曲应力齿面疲劳极限 许用齿面接触强度 弯曲疲劳强度计算Fatigue failure due to bending stress calculation载荷系数 K=1.2 齿宽系数 =0.4. 第一根轴的弯矩: T=396.8 Nm ( 由 等式(3) ) 齿轮螺旋角: =12 (斜齿轮通常为 =) 预设齿数： Z1电机与齿轮箱输入轴之间有联轴器联接，输入轴应该是电机输出轴0.8-1.2, 又因为第一根输入轴是齿轮轴，小齿轮的齿数不应低于17齿。所以预设: z=29, 则第二个齿轮齿数为: z= i x z=3.4 x 29 = 98.6 99So i= z / z = 99 / 29 齿形系数 Y=2.58，Y=2.2 (按螺旋角 及齿数 Z查得)因: =0.0089 且 故应将: , 代入 m mm 法面模数: m =2.18所以取 m=2.5中心距: a =163.6 mm取 a=165 mm.结则 =arccos=arccos=14.14齿宽 b=60mm, 为了保证齿轮装配后很好地接触，通常小齿轮的齿宽比大齿轮的齿宽大5-10 mm. 所以齿轮1的齿宽为：b=65 验算齿面接触强度：=305=305 =824.2 N/mm 1200 N/mm结果符合要求2.3.5.3 低速级齿轮计算： 低速级齿轮的材料、热处理及精度与高速级相同则, S=1.5,则 =246.7 N/mm 因 N/mm, S=1.2,则 =1200 N/mm 弯曲疲劳强度计算载荷系数 K=1.2 齿宽系数 =0.4.小齿轮的转矩： T=1309Nm初选螺旋角：斜齿轮通常= 则取 =12 初选齿轮齿数： Z=21,则 z= i x z= x 21 =2189则 i= z / z= 89 / 21 = 4.24误差范围： =( x -14.47) /14.47 = 0.014%5% 结果：符合要求。 齿形系数 Y=2.86，Y=2.23(按螺旋角 及齿数 Z查得) =0.0090 且 故应将 代入 m mm 法面模数 m 3.92 则 m=4齿轮3与齿轮4之间的中心距： a=224.9 mm则取 a = 225 mm.则 =arccos=arccos=12.1齿宽： b=80 mm, b=85 mm 齿面接触强度验算：=305=305 =1106 N/mm 1200 N/mm结论：符合要求。各齿轮参数汇总表： 序号内容符号齿轮 1齿轮 2齿轮3齿轮 41螺旋角2法面模数2.52.5443压力角4齿数Z299921895基圆直径 d74.77255.2385.91364.096齿顶圆直径79.77260.2393.91372.097齿根圆直径68.52248.9875.91354.098齿宽B656085809中心距a165225 表2-32.3.5 轴的设计按照扭转强度方法初步估算轴, 和 的直径1.估算轴 的直径= : 35-55 MPa（按照 20CrMnTi）WT: 轴的抗扭截面系数 WT=0.2d3则 d =33.4 mm由于这根轴有健槽，考虑健槽对轴强度的削弱，所以轴径增加7%. d 33.4(1+7%)=35.7 mm但因为在电机与输入轴之间是用联轴器联接的，所以输入轴与电机输出轴的尺寸必须接近两年，故选取d =50 mm。2. 估算轴的直径： = : 35-55 MPa（按照 20CrMnTi）WT：轴的抗扭截面系数WT=0.2d3则 d =54.7 mm由于这根轴有健槽，考虑健槽对轴强度的削弱，所以轴径增加7%. d 54.7(1+7%)=58.5 mm则 d =60 mm3. 因为轴是空心轴，材料是42CrMo. : 35-55 M Pa （按照 42CrMo） 则 WT=0.2d3(1-) 通常 =0.5-0.6 d =89.7 mm由于这根轴有健槽，考虑健槽对轴强度的削弱，所以轴径增加7%. d89.7(1+7%)=96.0 mm则选 d =100 mm.2.3.6 齿轮箱初绘装配图图2-52.3.7 受力分析 2.3.7.1 轴受力分析轴的两个轴承选择 ：型号： 22311EAE4给定的参数（按照NSK样本目录）： d = 55 D = 120 B=43 = 234 KN e = 0.34小齿轮1的受力分析圆周力： 径向力： 轴向力： = tan = 6.34 tan = 1.6 KN轴向弯矩Axial bending stress: = = = 59.82 NM水平反力Horizontal force: = = = 4.54 KN = = = 1.8 KN水平弯矩Horizontal bending moment: = 59 = 267.86 NM垂直反力Vertical force： = = = 1.42 KN 阵 = = = 0.96 KN垂直弯矩Vertical bending moment: = 59 = 83.78 NM = 59 + = 143.6 NM合力Resultant force: = = = 4.76 KN = = = 2.04 KN合成弯矩Resultant bending moment： = = = 280.66 KN = = = 303.92 KN图2-6力矩选择 = 150, = 90 = = = 0.6 T = = 0.6237 = 142.2 Mpa当量弯矩 = = = 314.63 KN = = = 335.54 KN轴校核： = = = 32.70 mm = = = 33.41 mm考虑到该轴由键槽，轴径增加7%. = (1+7%) = 35 mm d = (1+7%)= 35.75 mm d我们设计的轴大于这个结果，符合要求。滚子轴承的计算 XYXY10.67表2-4当量动载荷: = (X+) 因为 /T=5410/3233.3=1.67 因为是中等冲击，我们选择冲击系数： 则 = 14.33 KN = 10.82 KN轴承使用寿命修正公式 = 修正使用寿命，which at least 90% of the roller-bearings will last in h =轴承额定寿命 Life-Time, which at least 90% of the roller-bearings will last in h = 修正系数 1 = 修正系数2: 清洁度 = 修正系数 3：通常 0.95=1, =0.8轴承寿命计算公式:.h = 额定寿命C = 额定动负载N 或 KN, 查供应商手册。P = 当量动负载N 或 KN= 指数, 滚珠轴承是3，滚子轴承是 10/3；n = 转速 1/minThus: = 94864 h = 2420XX h 结论： 符合要求 (轴承寿命. 70550 hours)2.3.7.2 轴受力分析 被动齿轮2受力分析圆周力 径向力 轴向力 = tan = 6.34 tan = 1.6 KN主动轮3受力分析 轴 轴承选择型号： 22312EAE4 从NSK查得的参数如下： d = 60 D = 130 B=46 = 271 KN e = 0.34圆周力： 径向力： 轴向力: = tan = 6.34 tan = 4.02 KN水平反力: = （150.5+75.5）/211 = 11.22 KN = （60.5+135.5）/211 = 13.85 KN水平弯矩: = 60.5 = 11.2260.5 = 678.81 NM = 75.5 = 13.8575.5 = 1045.68 NM垂直反力: = （+-）/211 = ( +-)/211= 0.99 KN = （-）/211 = （-）/211 = -5.58 KN垂直弯矩: = 60.5 = 60.50.99 = 59.9 NM = = = 204.18 NM = - = 59.9-204.18 = 144.28 NM = 75.5 = 75.5(-5.58) = -421.29 NM = = = 171.23 NM = - = -421.29+171.23 = -250.06 NM合力: = = = 11.26 KN = = = 14.93 KN = = 4.02-1.6 = 2.42合成弯矩: = = = 681.45 KN = = = 693.97 KN = = =1127.36KN = = =1075.16KN 图2-7力矩 选择 = 150, = 90, = = = 0.6 T = = 0.6804.5 = 482.7 MPa当量弯矩: = = = 835.09 KN = = = 845.34 KN = = = 1226.35 KN = = = 1178.54 KN校核轴 = = = 45.46 mm = = = 51.46 mm因为该轴有键槽，所以轴径增加7%。 = (1+7%) = 48.6 mm d = (1+7%) = 55.06 mm d结论：符合要求轴承寿命的计算XYXY10.67表2-5 当量动负载: = (X+) = 20.93 KN = 25.7 KN滚子轴承指数: = 10/3 = 153215 h = 77284h结论：符合要求. (要求寿命: 70550 hours)2.3.7.3 轴 III受力分析轴 III轴承选择： 型号: 23022CDE4 and 23220CE4 查得 NSK手册的参数： A：dA = 110 DA = 180 BA=56, A =385 KN eA = 0.28 B：dA = 100 DA = 180 BA=60.3, A = 420 KN eB = 0.32 l1= 148 l2=85.15 l=233.15 (depend on sketch)被动轮4受力分析圆周力 径向力 轴向力 轴向弯矩: 水平反力： 水平弯矩： 垂直反力： 垂直弯矩： 合成弯矩： 图2-8按照轴的材料 (42CrMo): s0b =130MPa s-1b =75MPa 修正力矩系数: 危险截面弯矩： 轴 校核 因为该轴有键槽，所以轴径增加7%. 结论：轴径符合要求，安全。滚子轴承寿命计算指数 = 10/3轴承寿命修正系数 径向力： XA=0.67,YA=3.5 XB=0.67,YB=3.2当量径向载荷： 轴承寿命： 结论：符合要求 (轴承最少寿命： 70550 hours).因为挤出机螺杆有很大的轴向力，选用推力轴承供应商： NSK型号： Spherical roller thrust bearing DIN728额定基本载荷: min. 1100kN轴承寿命： min. 70550 hours依照设计要求，我们选用29424E 调心推力滚子轴承主要参数：D=120mm D=250mm T=78 mm, =1160 KN参数 大于额定基本负载，条符合要求。2.4 键的选用和校核 图2-8 Spring Norm-b x h x L-material2.4.1 轴键的选择轴径50，按照立达标准: N1121选用: 20259340 spring DIN 6885A-14x9x45-St. 强度校核剪切力: 强度条件: 属于普通冲击 结论：该键安全2.4.2 轴的键键的选择 轴直径 f60,根据立达标准： N1121 选用: 20XX690 spring DIN 6885A-18x11x62-St 60-2K强度校核 剪切强度要求: 抗挤压应力或压力强度条件： 属于普通冲击 结论：安全!2.4.3 轴 键的选择 轴的键是联接齿轮的，轴径 f110, 根据立达CAD information: N1121选用: spring DIN 6885A-28x16x110-St.强度校核 抗剪切强度条件: 抗挤压和压力强度条件： 属于普通冲击 结论：安全3.润滑与冷却3.1 润滑油的选择润滑油是按照齿轮圆周速度和滚动压力（现代机械设计手册）来选择的。 =小齿轮分度圆直径 =85.91=小齿轮的圆周力=18.73KN= 齿轮的工作宽度=85= 减速比，=4.26=节点区域系数=重合度系数 ，因此: 根据机械传动设计手册表格32.1.40, 润滑油的粘度在40,是 由于齿轮经过热处理，我们必须对粘度进行修正，所选用L-CKC220的润滑油 按照表格32.