滚珠分选机-机械设计及其自动化毕业论文

1 成人教育成人教育毕 业 论 文毕 业 论 文 论论 文文 题题 目 目 滚珠分选机滚珠分选机 专专 业业 名名 称 称 机械制造及其自动化机械制造及其自动化 学学 生生 姓姓 名 名 季芋成季芋成 孙煜孙煜 张丰张丰 指导教师姓名 指导教师姓名 张老师张老师 指导教师职称 指导教师职称 教授教授 院院 系系 点 点 2 江南大学成人教育江南大学成人教育 毕毕 业业 论论 文文 任任 务务 书书 一 论文题目 滚珠分选机一 论文题目 滚珠分选机 二 专业名称 机械设计制造及其自动化二 专业名称 机械设计制造及其自动化 三 班三 班 级 级 四 学生姓名 四 学生姓名 季芋成季芋成 孙煜孙煜 张丰张丰 五 指导老师 张老师五 指导老师 张老师 六 论文开始时间 六 论文开始时间 七 论文完成时间 七 论文完成时间 八 院 站 签名 八 院 站 签名 3 目 录 1 引言 5 2 概述 6 2 1 滚珠分选机的发展现状 6 2 2 滚珠分选机的基本类型及原理 6 3 系统总体方案设计 9 3 1 本次设计的构想 9 3 2 本次设计的依据和原则 10 3 3 本次设计的特点 11 4 输送螺杆的相关设计 11 4 1 输送螺杆的结构设计 11 4 2 输送螺杆的速度分析 16 4 3 输送螺杆的输送量计算 20 5 系统传动比的分配 21 5 1 传动装置的总传动比 21 5 2 传动装置各级传动比的分配 21 6 系统动力部分的设计 23 6 1 电动机的选用及功率计算 23 6 2 减速器的选用 26 6 3 轴承的选用及校核 28 6 4 V 带轮的设计与 V 带的选用 31 7 系统结构部分的设计 33 7 1 床身的结构设计 33 7 2 键的选用 34 7 3 进 出料口的位置 34 7 4 系统的技术要求和操作规范 35 4 8 主传动系统的润滑 37 参考文献 39 谢辞 40 5 1 1 引言引言 随着我国精密制造技术的不断发展 滚珠已广泛应用于滚动轴承 滚珠丝杆 等精密传动部件中 滚珠的生产也已经 实现了高精度 大批量的生产模式 但 是由于生产过程中存在的加工误差及各 项加工环节中产生的其它误差 即使在 使用同一批次生产出来的滚珠时 也需 要进行筛选 筛选出尺寸一致的滚珠以供使用 然而 在大多数情况下 这些筛选工 作都是由人工完成的 劳动强度太大 误差率较高 并且 随着我国民营制造业的蓬勃 发展 滚珠的生产已经基本转移到生产规模铰小 生产成本较低 生产灵活性较大的各 种小型机械制造企业 为了降低工人的劳动强度 提高滚珠的分选精度和分选效率 并考虑到这些小工厂 的生产条件简陋 厂房空间小 生产资料单一等特点 根据需要设计小体积 低功率 操作简单的电动滚珠分选机 主要是根据直径将滚珠进行分类存储 对这些小型机械制 造企业具有非常积极的意义 6 2 2 概述概述 2 2 1 1 滚珠分选机的发展现状滚珠分选机的发展现状 经过调研发现 现在市场上出现的分选技术 大致可以分为三类 1 空气分选法 利用平风或者旋风的风能使物料逐级分层 再收集到不同的装 置中 2 重力分选法 利用物料本身的重力使物料逐级分层 再收集到不同的装置中 现在常见的有干式重力分选法和湿式重力分选法两种 3 筛分法 筛分是将颗粒或粉体物料通过一层或几层带孔的筛面 使物料按宽 度或厚度分成若干个粒级的过程 每一层筛面都可以将物料分成筛下物 也称筛过物 和筛上物 也称筛余物 两部分 随着各种新科学 新技术的发展 还出现了利用光电传感器检测物料的尺寸 外形 等因素的光电式尺寸分选机 2 2 2 2 滚珠分选机的基本类型及原理滚珠分选机的基本类型及原理 考虑到滚珠的质量和外形等特点 以及小型机械制造企业的现有条件 市场上出现 的滚珠分选机械大多采用的是筛分原理 常见的筛面基本运动形式如图 1 1 所示 有静 止倾斜筛面 往复运动筛面 高速振动筛面 平面回转筛面和滚动旋转筛面等 图 1 1 筛面运动形式 经过多年的发展和改进 滚珠筛分机械逐渐形成了以下几种类型 1 溜槽 利用溜槽分选滚珠 是一种最简单的分选滚珠的办法 当滚珠沿溜槽向 7 下滚动时 完整的滚珠落得较远 磨损后不完整的滚珠下落较近 这样就可将不能再用 的碎球剔除 溜槽的角度 必须选择恰当 一般在 12 15 之间 过大或过小都会影响 分选效果 利用溜槽并不能将大小球完全分离 2 回转式滚珠分选机 主要利用转动筛和固定筛交叉程度不同所形成的出口大小 来分选滚珠 如转动筛和固定筛完全重合 出口开度最大 图 1 2 中 a 首尾交接时 出口闭合 图 1 2 中 b 分选时 先将出口调至最小 然后再逐步增大 图 1 2 卧式回转式滚珠分选机 这种分选机 可以将不同规格的滚珠完全分离 只是每次调节出口开度时都必须停 机调整 而且当机内大滚珠存有一定量的时候 必须将出口调至最大 卸出滚珠后 再 重新装球进行分选 如图 1 3 所示 依照不同孔径筛筒的排列 筛筒有并列式 串列式和同轴式三种结 构 图 1 3 筛筒排列形式 并列式组合将筛孔规格不同的几个筛筒按筛孔大小依次顺序排列 每段筛筒的长度 较大 筛理路程较长 滚珠有更多且同样多的机会被筛孔度量 为节省占地面积 筛筒 间可作垂直方向的排列 各段筛理能力均衡 适宜于粒径分布较为均匀的滚珠的筛分 8 串列式组合将筛筒分成多段 筛孔由小到大 各段长度较短 筛理路程短 滚珠不 能得到充分筛理 影响筛选效率 适宜于小颗粒含量较多的滚珠的筛分 同轴式组合将具有不同筛孔和筒径的筛筒由内向外排列 结构紧凑 但流量最大的 内筛筒直径最小 筛理能力低 而且同一粒度的颗粒因穿过上一级筛孔的位置不同而不 具有同样的筛理路程 故适宜于大颗粒较少滚珠的分选 有些机型采用棱柱面筛筒 与圆柱面筛筒相比 滚珠的流动状态更有利于筛理 但 结构略显复杂 且工作时平稳性较差 3 立式回转滚珠分选机 主要利用不同筛孔大小的几层筛板进行分选 这种分选 机具有结构紧凑 物料提升次数少 筛面利用率高和操作管理较方便等特点 只是筛板 的筛孔大小是固定的 在 分选多种规格滚珠时 需更换筛板 立式回转滚珠分选机结构如图 1 4 所示 利用大小滚珠自动分级的特性 使直径不同的滚珠在筛面上充分分层 并配备大小适当的筛孔 使底层小滚珠 及时分出 从而达到大小滚珠分离的目 的 立式回转滚珠分选机由进料装置 筛体 偏心回转机构和筛面角度调节机 构等部件组成 筛体的固定方式分支撑 式和悬吊式两类 图 1 4 立式回转滚珠分选机 4 分级漏板 分级漏板和立式回转分选机很相似 只是它固定不动 像溜槽一样 利用漏板所具有的斜度使漏板上的滚珠沿出球口卸出 分级漏板 容易制造 又不需要 动力 分级效果也好 5 振动筛 振动筛是应用最广泛的筛选设备 主要由进料装置 筛体 振动装置 和机架组成 进料装置由进料斗和流量控制活门构成 其作用是保证供料稳定并沿筛面均匀分 布 提高筛分效率 进料量可以调节 流量控制活门有喂料辊和压力门两种结构 喂料 辊进料装置喂料均匀 但结构复杂 一般在筛面较宽时才采用 压力门结构简单 操作 方便 筛选设备多采用重锤式压力门 筛体是振动筛的主要工作部件 它由筛框 筛面 筛面清理装置 吊杆 隔振机构 9 等组成 筛体内通常设多层筛面 因筛孔较小而易造成堵塞 为保证筛选效率 设置有 筛面清理装置 图示振动筛采用的是橡胶材质的振球 隔振装置用来降低筛体的振动 筛体的工作效率一般在超共振频率区 在启动或停 机过程中需要经过共振区 常用的隔振装置有弹簧式和橡胶缓冲器 这种振动筛的筛面作往复运动 因物料只是在筛面上滑动 故适宜于流动性较好的 散粒体物料的分选 通过以上的研究 我们发现 筛分机械主要由进料装置 筛体 收集装置和机架组 成 筛体是筛分机械的主要工作构件 筛体多为平面结构 少数为柱面 圆柱面或棱柱 面 结构 按照制造工艺不同 筛体有冲孔筛 编织筛 栅筛等多种类型 为保障筛分过程的正常进行 滚珠与筛面应保持足够的接触时间 以便于筛孔度量 滚珠 同时物料与筛面之间应形成相对运动 促使小于筛孔的滚珠穿过筛孔 滚珠在筛 面上最大可能移动距离 称为筛程 越长 筛分效率越高 滚珠沿筛面运动速度越快 越不易穿过筛孔 筛分效率越低 滚珠沿垂直于筛面的运动速度越大 小滚珠越易穿过 筛孔 但动力消耗也相应增大 3 3 系统总体方案设计系统总体方案设计 3 1 3 1 本次设计的构想本次设计的构想 在对任务书充分研究理解和对以上各种类型的滚珠分选机进行充分认识后 本次设 计提出了螺旋式滚珠分选机的构想 该类型滚珠分选机属于连续作业型 如图 2 1 所示 主要由螺杆 料斗 上盖 底座 传动装置 滚珠收集器及机架组成 滚珠分选机的主要部件为输送螺杆和四个与滚珠直径相匹配的分选槽 输送螺杆由 两端的轴承支承在底座上 作旋转运动 在螺杆的上方 设有上盖 在其下部 底座通 过螺栓与上盖联接 底座底部开有四条分选槽 10 1 上箱体 2 端盖 3 下箱体 4 收集器 5 支架 6 电机 7 减速器 8 皮带 9 带轮 10 螺杆 11 料斗 图 2 1 滚珠分选机 工作时 滚珠由料斗进入螺杆的螺旋槽 在螺杆的推动下沿溜槽滑动 当滚珠的直 径小于分选槽的宽度时 既从分选槽中落入收集器中 从而实现对直径为 5mm 8mm 10mm 12mm 的四类滚珠进行分选 分选速度可以通过调节螺杆的转速来设定 该分选设备设计合理 结构简单 可实现滚珠在固定速度下进行分选 由于机体下 部为密封体 作业时避免了灰尘飞扬 可显著地改善工人的作业环境 降低工人的劳动 强度 大大提高分选效率 同时也提高了分选质量 3 2 3 2 本次设计的依据和原则本次设计的依据和原则 为了保证设计出来的滚珠分选机能够完全满足任务书的要求 我们应该充分考虑该 设备所需要具备的测量范围 分组间隔 分组数 分选效率 分选精度等技术参数 螺旋输送器的结构尺寸是由所设计的滚珠分选机的分选精度和分选效率决定的 在 本次设计中 需要确定的结构尺寸主要有分选槽的宽度 螺旋轴直径 螺旋叶片直径 螺距及螺旋轴的转速等 这些主要尺寸的确定直接影响滚珠分选的精度和效率 正确地 确定这些主要参数是整个设计的起点 螺旋轴叶片直径越大或者螺距越大时 每个螺旋槽携带的滚珠就越多 惯性就越大 还有可能出现滚珠累积分层的现象 使得位于内层的滚珠得不到分选 从而降低了滚珠 分选的效率 且增大了滚珠的分选误差 11 螺旋轴叶片直径过小或节距过小时 螺杆的输送能力变小 分选效率降低 此外 节距过小 还会导致滚珠在输送过程中因受到挤压而产生变形 使螺杆对滚珠的适应性 变差 从而进一步降低了分选的效率和精度 因此 合理地确定螺旋叶片的直径和螺距 可以有效地提高滚珠分选机的分选效率 和分选精度 3 3 3 3 本次设计的特点本次设计的特点 本次设计充分考虑了现有分选机械的缺点与不足 控制了滚珠在分选机中运动路径 和运动速度 尽最大的可能保证了每一个滚珠都能最多次数地被分选槽度量 从而保证 了滚珠的分选精度和分选质量 该滚珠分选机还具有结构简单 横截面尺寸小 密封性好 工作可靠 制造成本低 单位功率较大 维修简便等优点 同时 采用螺杆作为滚珠的运载体 推动滚珠在筒体 内沿螺旋槽运动 大大缩短了分选槽的轴向尺寸 提高了空间利用率 4 4 输送螺杆的相关设计输送螺杆的相关设计 4 1 4 1 输送螺杆的结构设计输送螺杆的结构设计 螺杆是一种不具有挠性牵引性质的旋转机构 是现代化生产和物流运输不可缺少的 重要机械结构之一 它的广泛应用可以实现物料输送过程的机械化和自动化 提高劳动 生产率 4 1 1 4 1 1 输送螺杆的结构和特点输送螺杆的结构和特点 螺杆是常用的输送机构之一 具有如下特点 结构简单 造价便宜 维护容易 操 作安全 输送空间密闭 物料损耗少 外形尺寸矮小 布置紧凑 便于多点装料与卸料 等 适于输送各种松散的粉粒状 某些黏性不大和那些小块的物料 本次设计中 螺杆主要用于滚珠的排列和输送 其结构如图 3 1 所示 拟采用实体 螺旋叶片 等螺距的单头普通螺杆 螺杆通过轴承安装在底座两端轴承座上 螺杆一 端的轴头与驱动装置相联 在上盖和底座围成的圆筒内旋转 上盖顶部设有料斗和进料 口 底座底部设有分选槽和出料口 12 图 3 1 输送螺杆的结构 其工作原理是 滚珠从进料口加入 当转轴转动时 滚珠受到螺旋叶片法向推力的 作用 该推力的径向分力和叶片对滚珠的摩擦力 带着物料绕轴转动 但由于本身的重 力和料槽的摩擦力的作用 滚珠才不与螺旋叶片一起旋转 而是在叶片法向推力的轴向 分力的作用下 沿着分选槽轴向移动 4 1 2 4 1 2 输送螺杆的基本参数输送螺杆的基本参数 1 设计参数的选取 1 输送物料 滚珠 无磨琢性和腐蚀性 2 输送量 Q 正常工况设计要求 8000 kg d 最大输送量按 10000 kg d 设计 每 天操作时间按 8 h 计算时 输送量 Q 为 1250 kg h 3 物料的表观密度 为 7 9 t m 3 4 输送温度 常温 5 输送长度 650 mm 6 输送高度 160 mm 2 螺杆直径与转速的确定 本次设计拟采用普通单线螺纹螺杆 其螺纹牙型为等边三角形 牙型角60 该类型螺纹牙根部允许有较大的圆角 以减小应力集中 承受冲击 振动和变载荷的 性能较好 13 图 3 2 输送螺杆截面 通过以上分析 可得 14 54 sin15 x mm 3 1 tan15 14 18yx mm 3 2 螺旋轴直径的大小与螺距有关 因为两者共同决定了螺旋叶片的升角 也就决定了 滚珠的滑移方向及速度分布 所以应从考虑螺旋面与滚珠的摩擦关系以及速度各分量的 适当分布来确定最合理的轴径与螺距之间的关系 根据滚珠的运动分析 要保证滚珠在料槽中的轴向移动 螺旋轴径处的轴向速度 1 V 要大于 0 即螺旋轴的内升角 2 2 3 3 又因为tanf tan Sd 所以螺距与轴径之间关系必须满足的条件之一 是 f dS 3 4 实践证明 对大多数螺旋输送机 一般其螺旋体的结构均能满足第一个条件要求但 对螺旋体直径较小 例如 D 100mm 的螺旋输送机 其 2 不一定能满足第一个条件的要 14 求 因而在确定较小直径螺旋体的 S 和 d 时 必须进行这项验算工作 轴径与螺距的关系还应满足的第二个条件是 螺旋轴径处的轴向速度 1 V要大于圆周 速度 2 V 即 12 VV 由式 3 4 整理可得 1 1 f S d f 3 5 根据式 3 5 计算 当 f 取 0 3 S 0 8 1 D 时 0 47 0 59 dD 当 f 值增 加时 d D 值还要增加 也就是说 根据式 3 5 计算得出的轴径相当大 这势必降低 有效输送截面 为保证足够有效的输送截面从而保证输送能力 就得加大结构 使得输 送机结构粗大笨重 成本增加 所以 螺旋轴径与螺距的关系应是输送功能与结构的关 系 在满足输送要求的前提下尽可能使结构紧凑 由于螺旋输送机的填充系数较低 只 要保证靠近叶片外侧的物料就有较大的轴向速度 且轴向速度大于圆周速度即可 一般轴径的计算公式为 d 0 2 0 35 D 3 6 为了使滚珠在螺旋槽中移动时 呈单层排列 达到较好的输送密封度 应让螺旋槽 的深度尽量与滚珠的直径相匹配 故选取螺旋轴的直径为 100d mm 螺旋叶片的直 径为160D mm 螺旋叶片的直径通常制成标准系列 D 100 120 150 200 250 300 400 500 和 600mm 目前发展到 D 1000mm 最大可达 1250mm 为限制规格过多过乱 国际标准化 组织在系统研究 试验的基础上制订了标准草案 规定螺旋直径采用 R10 基本系列优先 数系 筒体内径应稍大于螺旋叶片直径 两者之间有一定间隙 此间隙应越小越好 因为 在输送过程中 滚珠可能从间隙穿过 这样就会降低分选精度 本次设计中筒体拟采用 铸造 筒体内径取 170D mm 即筒体与螺旋叶片的单边间隙为 5 mm 3 螺距 螺距不仅决定着螺旋的升角 还决定着在一定填充系数下滚珠运行的滑移面 所以 螺距的大小直接影响着物料输送过程 输送量 Q 和直径 D 一定时 螺距改变 滚珠运动 的滑移面随着改变 这将导致物料运动速度分布的变化 通常螺距应满足下列两个条件 即考虑螺旋面与滚珠的摩擦关系以及速度各分量间的适当分布关系两个条件 来确定最 合理的螺距尺寸 15 从图 2 可知 滚珠颗粒 M 所受螺旋面在轴向的作用力 t P为 cos cos t PPP 3 7 为使0 t P 必须满足 2 因为在 min 2rd 处的 最大 d 为螺旋轴直径 t P最小 所以许用螺距可由下式求得 maxmax tan 2 SdSdf 或 3 8 若令 1 kd D 则 max1 Sk D f 3 9 式中 f 滚珠与叶片间的摩擦系数 1 k 螺旋轴直径系数 1 k 0 3 0 6 另外 螺距的大小将影响速度各分量的分布 当螺距增加时 虽然轴向输送速度增 大 但是会出现圆周速度不恰当的分布情况 相反 当螺距较小时 速度各分量分布情 况较好 但是轴向输送速度却较小 当确定最大的许用螺距时 必须满足的第二个条件 是建立在使滚珠颗粒具有最合理的速度各分量间的关系的基础上 即应使滚珠颗粒具有 尽可能大的轴向输送速度 同时又使螺旋面上各点的轴向输送速度大于圆周速度 即 21 VV 由此可得 22 21 2 60 1 2 60 1 2 SnfSrSnfSr SrSr 3 10 整理得 2 tan 4 Sr 因此在2rD 处 在螺旋外径处 故可将上式写成 max 2tan 4 SD 3 11 所以螺距 S 应满足以下两个条件 max1 max 2tan 4 Sk D f SD 滚珠的摩擦系数同物料在料槽里的运动取向 运动速度 物料的尺寸 湿度以及螺 旋叶片材料及表面状态等有关 输送滚珠的摩擦系数可参考连续运输机设计手册 通常可按下式计算螺距 1 SK D 11 3 12 对于标准的输送螺杆 通常有 1 K 0 81 0 当倾斜布置或输送滚珠流动性较差时 1 0 8K 当水平布置时 1 K 0 81 0 为了便于滚珠灵活移动 及出料口的均匀布置 选取螺距为 60 mm 螺纹升角 16 2 arctan8 4 S d 4 2 4 2 输送螺杆的速度分析输送螺杆的速度分析 4 2 1 4 2 1 螺杆的受力和轴向速度分析螺杆的受力和轴向速度分析 在输送过程中 由于受旋转螺旋的影响 滚珠的运动并非是单纯的沿轴线作直线运 动 而是沿螺旋轴作一个复合的空间曲线运动 设螺杆为标准的等螺距 等直径 螺旋 面升角为 的单头螺旋 当螺旋面的升角 一定时 在展开状态时的螺旋线可以用一条 斜直线来表示 下面以距离螺旋轴线r处的滚珠颗粒 M 作为研究对象 进行运动分析 图 3 3 螺杆旋转时 螺旋面作用在滚珠颗粒M上的力为 P 由于滚珠与叶片的摩擦关系 P 力的方向与螺旋面的法线方向偏离了 角 角的大小由滚珠对螺旋 面的摩擦角 及螺旋面的表面粗糙程度决定 对于车削处的螺旋面 可忽略其表面粗糙 程度对 角的影响 即认为 P 力可分解为法向分力 P1和径向分力 P2 滚珠颗粒 M 在 P 力的作用下 在料槽中进行着一个复合运动 既沿轴向移动 又沿径向旋转 如图 3 4 所示 既有轴向速度 V1 又有圆周速度 V2 其合速度为 V 图 3 3 物料受力分析 图 3 4 滚珠运动速度分析 17 当螺旋体以角速度 绕轴回转时 距离螺旋叶片任意半径 r 处的 O 点滚珠颗粒 M 的 运动速度可由速度三角形求解 叶片上 O 点的线速度 V0就是滚珠颗粒 M 牵连运动的速 度 可用矢量 OA 表示 方向为沿 O 点回转的切线方向 滚珠颗粒 M 相对于螺旋面的 相对滑动速度 平行于 O 点的螺旋线切线方向 可用矢量 AB 表示 若不考虑叶片摩擦 则滚珠颗粒 M 绝对运动的速度 V0应是螺旋面上 O 点的法线方向 可用矢量 OB 表示 由 于滚珠与叶片有摩擦 滚珠颗粒 M 自 O 点的运动速度 V 的方向应与法线偏转摩擦角 对 V 进行分解 则可得到滚珠颗粒自 O 点移动的轴向速度 V1圆周速度 V2 其中 V1就是 料槽中滚珠的轴向输送速度 而 V2则是滚珠绕螺旋轴旋转的动力源 根据滚珠颗粒 M 运动速度图的分析 可得到滚珠轴向移动的速度为 1 cos VV 3 13 由于 1 cos n VV 0sinn VV 10 sin cos cos VV 3 14 而 0 2 60 2 tan60tan nSn S Vr 由于 2 cos1 1 2 tan 2SrSr 所以 3 13 式又可写成 1 2 1 2 60 1 2 SnfSr V Sr 3 15 同理可得圆周速度 2 2 2 60 1 2 SnfSr V Sr 3 16 式中 S 螺旋螺距 mm n 螺旋转速 r min f 滚珠与叶片间的摩擦系数 tanf 为叶片与滚珠的摩擦角 螺旋面升角 查表可得 滚珠与叶片间的摩擦系数 tanf 0 74 解之得 2 V 84 8 mm s 则联立 3 14 3 15 3 16 式解之得 18 n 100 r min 1 V 89 8 mm s 由式 3 14 及式 3 15 可得出滚珠在料槽内轴向移动速度 V1和圆周速度 V2随 半径 r 而变化的曲线图 图 4 由图 4 可见 V2在半径长度范围内是变化的 在螺旋轴 后随半径的增加而减小 因此 滚珠在螺旋内的移动过程中要产生相对滑动 V1在半径 长度范围内也变化 并随半径的增加而增加 可见 靠近螺旋轴的滚珠的 V2比外层的大 而 V1却比外层的要小 反之 靠近螺旋外侧的滚珠的 V1大 V2小 这将使内层滚珠较容 易随螺旋轴转动 因而产生一个附加的滚珠流 螺旋在一定的转数之前 这种附加的滚 珠流对物料运动的影响并不显著 但是 当超过一定的转数时 滚珠就会产生垂直于输 送方向的跳跃的翻滚 起搅拌而不起轴向的推进作用 这不仅会降低滚珠的输送效率 加速设备构件的磨损 而且会增大螺旋功率的消耗 因此 为了避免出现这种现象 螺 旋轴的旋转速度就不许得低于临界转速 图 3 5 螺旋叶片速度随半径变化曲线 4 2 2 4 2 2 螺旋轴转速螺旋轴转速 螺旋轴的转速对输送量有较大的影响 一般说来 螺旋轴转速加快 输送器的输送 19 量提高 转速过小则使输送器的输送量下降 但转速也不宜过高 转速超过一定的极限 值时 物料会因为离心力过大而向外抛 使滚珠在输送过程中所受的挤压力变大 所以 还需要对转速n进行一定的限制 不能超过该极限值 当位于螺旋外径处的物料颗粒不产生垂直于输送方向的径向运动时 则它所受惯性 离心力的最大值与其自身重力之间应有如下关系 2 max mrmg 3 17 即 max 2 60nrgr 解之得 max 105 7n r min 因此 螺旋输送机的螺旋转速应根据滚珠输送量 螺旋直径和滚珠的特性而定 在 满足输送量要求的前提下 螺旋转速不宜过高 更不允许超过它的临界转速 即 max nn 式中 n 螺旋的实际转速 r min 所以 本次设计中取 n 100 r min 4 3 4 3 输送螺杆的输送量计算输送螺杆的输送量计算 4 3 1 4 3 1 填充系数填充系数 滚珠在料槽中的填充系数对滚珠的输送和能量的消耗由很大影响 当填充系数较小 时 滚珠堆积高度较低 大部分滚珠靠近螺旋外侧 因而具有较高的轴向速度和较低的 圆周速度 滚珠在输送方向上的运动要比圆周方向显著得多 运动的滑移面几乎平行于 输送方向 这时垂直于输送方向的附加滚珠流减弱 能量消耗降低 相反 当填充系数 较高时 滚珠运动的滑移面很陡 其在圆周方向的运动将比输送方向的运动强 这将导 致输送速度的降低和附加能量的消耗 因而 填充系数适当取小值较有利 一般取 50 此外 倾斜角度的大小对填充系数也由一定的影响 各种物料的填充系数 值 可参考表 3 1 表 3 1 倾斜输送系数 20 4 3 2 4 3 2 倾斜角度倾斜角度 螺旋输送机的倾斜角度对于螺旋输送机输送过程的生产率和功率消耗都有影响 一 般它是以一个影响系数的形式来体现的 倾斜输送系数见表 1 螺旋输送机输送能力将随 着倾斜角度的增加而迅速降低 同时 螺旋输送机布置时倾斜角度也将影响物料的输送 效果 另外倾斜角度的大小还会影响填充系数 其对填充系数的影响如表 1 倾斜角度越 大 允许的填充系数越小 螺旋输送机的输送能力越低 因此 在满足使用条件的前提 下 螺旋输送机尽量避免倾斜布置 为了提高输送效率 倾斜角度也不宜太大 一般倾 斜角度10 20 若一级不能满足要求 可采用多级倾斜布置 以减少损耗 为了便于滚珠在圆筒中滑动 选取倾斜角度为 2 4 3 3 4 3 3 输送量输送量 输送量是衡量螺旋输送机能力的一个重要指标 一般根据生产需要给定 但它与其 他参数密切相关 在输送滚珠时 螺旋轴径所占据的界面虽然对输送能力有一定的影响 但对于整机而言所占比例不大 因此 螺旋输送机的滚珠输送量可粗略按下式计算 1 3600QFV 3 18 式中 Q 螺旋输送机输送量 t h F 料槽内滚珠层横截面积 m 2 2 4FD 其中 为填充系数 取 0 3 D为螺旋叶片直径 mm 滚珠的单位容积质量 t m 3 它同原料的种类 湿度 切料的长度以及净化方式 效果 等多种因素有关 其值可查阅相关的手册 倾斜输送系数 考虑到螺旋输送机倾 斜布置时对滚珠的输送效果的影响 倾斜输送系数见表 3 1 在实际工作中 通常不考虑滚珠轴向阻滞的影响 因此滚珠在料槽内的轴向移动速 度 1 60VSn 2 47QD S n 3 19 由上式可以看出 螺旋输送机的滚珠输送量与 D S n 有关 当滚珠 输送量 Q 确定后 可以调整螺旋外径 D 螺距 S 螺旋转速n和填充系数 四个参数来满 足 Q 的要求 求解上式得 Q 9 1 t h 21 5 5 系统传动比的分配系统传动比的分配 5 1 5 1 传动装置的总传动比传动装置的总传动比 传动装置的总传动比i 根据电动机的满载转速 m n和工作机所需转速 w n按下式计 算 i m n w n 970 100 9 7 4 1 5 25 2 传动装置各级传动比的分配传动装置各级传动比的分配 合理分配传动比 是传动装置设计中的一个重要问题 它将直接影响到传动装置的 外廓尺寸 重量 润滑以及减速器的中心距等很多方面 对标准减速器 各级传动比按 标准分配 总传动比i为各级传动比的连乘积 即 n iiii 21 4 2 在本次设计中 要求有过载保护 故考虑在传动系统中采用带传动 又要求电动机 轴与执行机构输入轴平行 且传动系统传动比较小 考虑采用单级圆柱齿轮传动 按表 推荐的传动比范围 带传动比24 b i 圆柱齿轮传动比35 g i 则传动系统总传动比的 范围 24 35 620 b g ii i 4 3 为了使带传动的外廓尺寸不致过大 在选取标准减速器时 拟选用传动比为4 g i 的 ZDY 型硬齿面圆柱齿轮减速器 故带传动比 9 7 2 425 4 b g i i i 综上所述 各级传动装置的运动和动力参数如下 1 各轴转速 减速器输出轴转速 1 970 242 5 4 m g n n i r min 4 4 螺旋轴转速 1 2 242 5 100 2 425 b n n i r min 4 5 22 2 各轴功率 电动机至螺旋轴的传动总效率包含减速器的效率和螺旋轴传动装置的效率两部分 减速器的效率包括两对滚子轴承的传动效率 一对圆柱齿轮的传动效率和一堆弹性 联轴器的传动效率 即 2 1123 4 6 2 0 990 980 97 0 92 螺旋轴传动装置的效率包括一级带传动效率 一对滚子轴承的传动效率 即 212 4 7 0 95 0 98 0 93 则 减速器输出轴功率 11 7 5 0 926 9 n PP kw 螺旋轴功率 212 6 9 0 936 4PP kw 3 各轴转矩 电动机轴转矩 0 7 5 9550955073 8 970 n m P T n N m 减速器输出轴转矩 1 1 1 6 9 95509550271 7 242 5 P T n N m 螺旋轴转矩 2 2 2 6 4 95509550611 2 100 P T n N m 6 6 系统动力部分的设计系统动力部分的设计 6 1 6 1 电动机的选用及功率计算电动机的选用及功率计算 电动机一般由专业工厂按标准系列成批大量生产 在机械设计中 根据工作载荷 大 小和性质 工作要求 转速高低 允许偏差和调速要求 启动和反转频繁程度 工作 环境 尘土 金属屑 油 水 高温等 安装要求尺寸 重量有无特殊限制等条件从 产品目录中选择电动机 23 选择电动机包括选择电动机类型 结构形式 功率 转速和型号 6 1 1 6 1 1 选择电动机的类型和结构形式选择电动机的类型和结构形式 电动机的类型和结构形式应根据电源种类 直流或交流 工作条件 环境 温度 等 工作时间的长短 连续或间隙 载荷的性质 大小 启动性能和过载情况等条件 来选择 在本次设计中 对电动机的调速要求不高 负载较平稳 能够长期稳定工作 启动 制动频率较少 自动转矩不大 安装方式为卧式 通过查阅 机械设计手册 可以发现 Y 系列三相交流异步电动机由于具有结构简单 价格低廉 维护方便 较好的起动性能 等优点 并且体积小 重量轻 外形美观 故可以按照工业上的一般标准采用具有封闭 自扇冷式防护结构的三相异步交流电动机 6 1 2 6 1 2 确定电动机的功率确定电动机的功率 电动机的额定功率选择是否合适 对电动机的正常工作和经济性都有影响 所选功 率小于工作要求时 不能保证工作机的正常工作 或使电动机长期过载 发热而过早损 坏 功率选得太大 则电动机价格高 能力又不能充分利用 且由于经常不在满载下运 行 电动机的效率和功率因数都较低 造成很大的浪费 电动机的额定功率是连续运转下电动机发热不超过许用温度的最大功率 电动机功 率的确定 主要与其载荷大小 工作时间长短 发热多少有关 对于长期连续工作 载 荷较稳定的机械 可根据电动机所需要的功率 d P来选择 而不必校验电动机的发热和启 动力矩 选择时 应使电动机的额定功率 e P稍大于电动机的所需功率 d P 即 e P d P 对于间歇工作的机械 e P可稍小于 d P 在本次设计中 电动机的功率包含传动功率 损耗功率和维持系统正常工作所需的 提供给输送螺杆的驱动功率 其中 主要是提供给输送螺杆的驱动功率 输送螺杆的驱动功率 是用于克服滚珠输送过程中的各种阻力消耗的能量 主要包 括以下几个部分 1 使被运滚珠提升高度 H 水平或倾斜 所需的能量 2 被运滚珠对圆筒壁和螺旋面的摩擦引起的能量消耗 3 滚珠内部颗粒间的相互摩擦引起的能量消耗 24 4 两端轴承处摩擦引起的能量损耗 5 皮带传递时损失的功率 6 减速器处消耗的功率 从另外的角度 也可以这样分 物料与料槽间摩擦消耗的功率 滚珠与螺旋叶片间 摩擦消耗的功率 轴承处摩擦消耗的功率 提升物料及物料颗粒间相互运动消耗的功率 传动系统消耗的功率 这样 螺旋输送机的电动机驱动功率 就由机构运动过程中所产生的阻力来决定 阻力主要由以下几个部分组成 1 滚珠与料槽之间的摩擦阻力 2 滚珠对螺旋的摩擦阻力 3 滚珠倾斜向上输送时的阻力 4 皮带出动时的摩擦阻力 5 物料被搅拌所产生的阻力 6 轴承的摩擦阻力 在计算功率的时候 为简便起见 可以总结螺旋输送机功率为以下几个主要部分 即总的轴功率P应包括物料运行需要功率 1 P 空载运转所需功率 2 P 以及由于倾斜引起 的附加功率 3 P三个部分 并且 1 367PQL 2 20PDL 3 sin 367PQH 123 367 20sin 367PPPPQLDLQH 5 1 式中 P 螺旋输送机的驱动功率 kw Q 输送量 t h L 输送距离 m H 倾斜高度 m D 螺旋外径 m 物料运行阻力系数 电动机驱动功率为 P N 5 2 式中 表示功率储备系数 一般取为 1 2 1 4 电动机传动效率 0 9 一般为了方便取 0 9 计算 对于本次设计的滚珠分选机 由于整个系统连续作业 且自动化程度很高 任何一 25 个部位发生故障都会影响整个系统的正常运转 因此 这种场合使用的输送机应有较大 的功率储备 电动机所需的功率按如下的方法计算 电机功率的确定 00 367 Nk QLH 5 3 1 3 7 5 367 1 2 4 460 686 0 160 13 或 kw 式中 N0为螺旋轴所需功率 KW k 为功率备用系数 取 1 3 Q 为输送量 t h 0 为物料总阻力系数 取 1 2 L 为输送器水平投影长度 取 4 46 m H 为输送器垂直 投影高度 取 0 686 m 额定功率 0 N N 5 4 式中 N 为驱动装置额定功率 kw 为驱动装置的总效率 一般取 0 920 96 传动装置的总效率 n 21 5 5 0 99 0 97 0 95 0 98 0 894 通过理论公式计算 参照工程设计经验并考虑系统运行时的功率损耗和 最终取电 动机的额定功率 N 为 7 5 kw 6 1 3 6 1 3 确定电动机的转速和型号确定电动机的转速和型号 电动机的满载转速是指负荷相当于额定功率时的电动机转速 同一功率的异步电动 机有同步转速 3000 1500 1000 750 min r等几种 一般来说 电动机的同步转速愈 高 磁极对数愈少 外廓尺寸愈小 价格愈低 反之 转速愈低 外廓尺寸愈大 价格 愈贵 当输出转速高时 选用高速电动机较经济 但若输出转速要求较低时也选用高速 电动机 则这时总传动比大 会导致传动装置结构复杂 造价较高 所以 在确定电动 机转速时 应全面分析 为使传动装置设计合理 可以根据工作转速要求和各传动副的合理传动比范伟推算 电动机转速的可选范围 即 26 123 dawnw nini i iin 5 6 式中 dn 为电动机可选转速范围 r min ai 为传动装置总传动比的合理范围 1 i 2 i 3 nii 为各级传动副传动比的合理范围 w n 为工作机的转速 r min 在一般机械中用得最多的是同步转速为 1500 或 1000 min r 的电动机 本设计要求 输出轴的转速为 100min r 所以选同步转速为 1000min r的 Y 系列电动机 所选电动 机的型号为 Y160M 6 其各项参数如下 额定功率 7 5 kw 满载转速 970 r min 6 2 6 2 减速器的选用减速器的选用 减速器是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置 用来降低转速以满足各种工 作机的需要 减速器的种类很多 按照传动形式的不同可分为齿轮减速器 蜗杆减速器 和行星减速器 按照传动的级数可分为单级和多级减速器 按照传动的布置形式又可以 分为展开式 分流式和同轴式减速器 减速器的选用主要考虑承载能力 而减速器的承载能力受机械强度和热平衡许用功 率两方面的限制 因此 减速器的选用必须通过以下两个步骤 1 选用减速器的公称输入功率 N P 应满足 12cASRN PPK K KP 5 7 式中 1c P 计算功率 kw 2 P 载荷功率 kw N P 减速器公称输入功率 见表 A K 工况系数 即使用系数 见表 S K 启动系数 见表 R K 可靠度系数 见表 2 校核热平衡许用功率 应满足 2212312tGG PP f f fPP 或 5 8 式中 2t P 计算热功率 kw 27 12GG PP 减速器热功率 无冷却装置为 1G P 有冷却装置为 2G P 123 fff 系数 本次设计中 采用了 V 带传动 为轻微冲击 查表得 A K 0 8 查表得启动系数 S K 和可靠度系数 R K S K 1 R K 1 按式计算 得出计算功率 1c P 12cASRN PPK K KP 5 9 为满足减速器的机械强度 要求 1cN PP 按 i 4 n1 970 r min 接近公称转矩 1000 r min 查 机械设计手册 初选减速 器型号为 ZDY80 校核热平衡许用功率 查表得 1 f 1 35 2 f 0 74 每天工作 8 小时 3 f 1 1 2 6 9 120 575 N PP 按式 计算 得出热平衡许用功率 2t P 2212312tGG PP f f fPP 或 5 10 查表 对于 ZDY80 型 满足以上各项要求 由于齿轮减速器的特点是效率及可靠性高 工作寿命长 维护简便 因而本次设计 拟采用 ZDY80 4 II 型圆柱齿轮减速器 因此选定 ZDY80 4 II 型减速器 其主要安装尺 寸如下 图 5 1 减速器安装尺寸 28 表 5 1 减速器安装尺寸 mm A B c H h n1 m1 m3 L1 L2 235 150 18 210 100 40 180 120 112 128 6 3 6 3 轴承的设计 选用及校核轴承的设计 选用及校核 轴承是现代机器中广泛应用的部件之一 根据轴承中摩擦性质的不同 可把轴承 分为滑动摩擦轴承 滑动轴承 和滚动摩擦轴承 滚动轴承 两大类 滚动轴承由于 摩擦系数小 起动阻力小 而且它已标准化 选用 润滑 维护都很方便 因此在一 般机器中应用较广 本次设计拟选用滚动轴承作为支撑部件 它是依靠主要元件间的滚动接触来支撑 转动零件的 6 3 1 6 3 1 轴承的选择和组合设计轴承的选择和组合设计 轴承的选定是在轴的结构设计基本确定后进行的 因此 轴承类型的初步选择是根 据轴颈尺寸和安装空间确定的 一般来说 轴颈尺寸较小时 选用各种球轴承 轴颈尺 寸较大时 选用各种滚子轴承 然后再根据设计所要求的轴承的承载能力 速度特性 运转精度等方面的因素最终确定轴承的具体型号 本次设计中的螺旋轴是滚珠分选机的主轴 主要承受的是轴自身的重力 外力作用 下的弯曲应力和不平衡作用力等径向作用力 而且 不需要很精确的轴向定位 工作温 度也不高 在这种工作条件下的轴的最佳支承是采用双支点各单向固定的支承 根据轴的强度计算可得 两轴的轴颈部位的直径为 80mm 为了克服在滚珠的输送过 程中螺旋轴受到的阻力 螺旋轴的小端选用型号为 6016 的深沟球轴承 大端选用型号 为 30216 的圆锥滚子轴承 为满足低噪声要求 除保证内外圈具有较高的形状精度和尺 寸精度外 还应选择合适的游隙数值 以使轴承在工作中接近零游隙状态 6 3 2 6 3 2 轴承的校核计算轴承的校核计算 1 危险轴承的确定 轴承的校核计算主要是校核轴承的使用寿命能否达到设计的要求 滚动轴承主要的 失效形式为滚动体或内外道上的点蚀破坏 通常在选择轴承时主要考虑的轴承的特性是 轴承的基本额定寿命 即按一组轴承中 10 的轴承发生点蚀破坏 或 90 的轴承部发生 点蚀破坏前的转数或工作小时数 和基本额定动载荷 所谓轴承的基本额定动载荷就是 29 使轴承的基本额定寿命恰好为 10 6转时 轴承所能承受的载荷值 综合各方面的因素考虑 最后确定需要进行校核计算的轴承对为轴 上的轴承对 2 轴承的校核计算过程 轴承对的受力情况如图 5 2 所示 图 5 2 输入轴轴承受力图 1 求两轴承受到的径向载荷 rA F和 rC F 将轴系部件受到的空间力系分解为水平平面 图 5 3 和垂直平面 图 5 4 的 两个平面力系 由力分析可知 图 5 3 输入轴水平平面受力图 图 5 4 输入轴垂直平面受力图 36384478 2 363 107 3 84 590 279279 rr rAV FF FN 5 11 107 3 590478 2219 1 rCVrrAVr FFFFN 5 12 84294 9 84 88 8 279279 t rAH F FN 5 13 294 9 88 8206 9 rCHtrAH FFFN 5 14 2222 59088 8596 6 rArAVrAH FFFN 5 15 2222 219 1206 9301 4 rCrCVrCH FFFN 5 16 2 计算两轴承的轴向力 aA F aC F 30 对于 6200 系列轴承 轴承派生轴向力 dr Fe F 其中e为轴承静载荷校核的判 断系数 其值由 0 a F C 的大小来确定 但现轴承轴向力 a F未知 先取0 15e 由此可 估算 0 150 15 596 689 5 dArA FFN 5 17 0 150 15 301 445 21 dCrC FFN 5 18 根据参考资料查得轴承的基本额定载荷 0 11500 r CN 而轴承在无外加轴向力 作用 因此有 89 5 aAdA FFN 45 21 aCdC FFN 则 0 89 5 0 00778 11500 aA r F C 5 19 0 45 21 0 00393 11500 aC r F C 5 20 根据参考资料 1 中的表 20 3 6 进行插值计算 得0 106 A e 0 053 C e 再计算 0 106 596 663 24 dAArA FeFN 5 21 0 053 301 415 97 dCCrC FeFN 5 22 同样有63 24 aAdA FFN 15 97 aBdB FFN 0 63 24 0 0055 11500 aA r F C 5 23 0 15 97 0 0014 11500 aC r F C 5 24 3 求轴承当量动载荷 由于轴承无外加轴向力作用 因而轴承的当量动载荷 Pa PfF P f为载荷系数 因轴承运转中有中等冲击载荷 查参考资料中表 20 3 9 得 1 2 1 8 P f 取1 5 P f 则有 1 5 63 2494 86 APaA PfFN 5 25 31 1 5 15 9723 96 CPaC PfFN 5 26 4 验证轴承寿命 因 AC PP 所以按轴承 A 受力大小验算 5 27 显然轴承满足设计的要求 6 4 V6 4 V 带轮的设计与带轮的设计与 V V 带的选用带的选用 带传动是一种挠性传动 带传动的基本组成零件为带轮 主动带轮和从动带轮 和 传动带 当主动轮转动时 利用带轮和传动带间的摩擦作用 将运动和动力通过传动带 传递给从动带轮 带传动具有结构简单 传动平稳 价格低廉和缓冲吸振等特点 在近 代机械中应用广泛 6 4 1 6 4 1 带传动的设计带传动的设计 根据本次设计的构想 为了尽量减少滚珠分选机所占的空间 也是由于减速器输出 的转速较高 且减速器的主轴与螺旋轴的中心距较大 传动系统中设计了带传动 而 V 带传动具有当量摩擦因数大 传动比大 结构紧凑 大多数 V 带已标准化等特点 因此 本次设计中的带传动拟采用 V 带传动 带传动的主要失效形式为打滑和疲劳破坏 因此 带传动的设计基准是 在保证不 打滑的条件下 带传动具有一定的疲劳强度和寿命 6 5 2 V6 5 2 V 带轮的设计带轮的设计 常用的带轮材料为 HT150 或 HT200 转速较高时可以采用铸钢或用钢板冲压后焊接 而成 小功率时可用铸铝或塑料 本次设计拟采用的带轮材料为 HT150 V 带轮由轮缘 轮辐和轮毂组成 根据轮辐形式的不同 V 带轮可以分为实心式 腹板式 孔板式和椭圆轮辐式 V 带轮的结构形式与基准直径相关 当带轮基准直径为2 5 d dd d 为安装带