开放式秸秆成型机的设计.doc

摘 要随着能源消耗的增加，世界能源消耗日益紧张。为了缓解能源危机，可再生能源越来越受到了各国政府的重视，我国对于可再生能源也相当的重视。在可再生能源中，生物质能源有着非常重要的位置。生物质能源种类繁多，主要包括农业废弃物及农林产品加工废弃物、薪柴、城镇生活垃圾等几个方面。生物质能以其可再生、资源丰富、对生态环境友好而逐渐成为一种重要的新能源。中国是农业大国，丰富的秸秆资源的合理利用尤为重要。生物质能源中秸秆有固化、液化和气化等利用方式。利用生物质成型机对秸秆进行固化成型发展的相当迅速。本论文经过分析以前各种成型机械的优点及不足之处，并根据生物质成型的合适条件，依据成型理论并参考机械设计手册设计出了新型的成型机械。该成型机械的设计主要是机械设计。机械设计由方案拟定、电机选择、带传动设计、齿轮传动设计及联轴器的选择等几部分组成。通过本论文的设计计算，为以后类似机械的设计提供参考。关键词:能源；生物质；成型机械；秸秆AbstractWith the increasing of the energy resources consumption, the energy resources in the world are used increasingly nervously. In order to relieve the energy resources crisis, every country pays more and more attention to the renewable energy, our country also emphasizes it very much.To the renewable energy, the biomass energy is becoming important. The biomass energy source is various, mainly includes the agricultural reject and the farming and forestry product processing reject, the firewood, the cities home scrap and so onThe biomass energy becomes one kind of important new energy gradually to the ecological environment by its renewable, the fruitful in resources, friendly. Because China is a large agricultural nation presently. It is becoming more and more important to use the massive straw resources. The method using the straw has many ways such as the solidification, the liquefying and gasification. The development of carrying on the solidification using the biomass briquetting machine to take shape the straw is quite rapid.The paper analyzes each kind of the existed biomass briquetting machines the merits and the deficiencies, and find the appropriate condition, then design a kind of new biomass briquetting machine by the theory using the machine design handbook .The paper mainly includes the machine design . The machine design is composed by the choice for the plan, the choice of motor, the design of belt transmission, the gear drive design, the choice of coupling. Through present papers design and calculation, provides the reference for the later similar machinerys design.Key words: Energy; Biomass; Briquetting Machine; straw目 录1 前言11.1能源概论11.2世界能源状况11.2.1储量状况11.2.2消费状况11.3中国的能源状况11.4.1生物化学转化21.4.2热化学转化21.4.3生物质成型燃料31.5 国内外生物质成型设备31.5.1研究开发态势31.5.2常用生物质成型设备31.6本课题的提出、目的及意义41.6.1生物质块燃料可应用的范围41.6.2课题提出41.6.3课题的目的和意义5 秸秆成形机理52.1秸秆的化学成分52.2秸秆成形机理5 开放式秸秆成型机的设计63.1设计构思63.2 机械传动装置的总体设计73.2. 1拟定传动方案73.2.2开放式秸秆成型机的组成结构及工作过程73.3设计参数83.4 有关参数的选择和计算83.4.1成型套内径及长度83.4.2平模的设计83.4.3辊子参数83.4.4电动机的选择93.4.5带轮传动的设计113.4.6齿轮传动的设计133.4.7轴的设计及联轴器的选择174 结束语21致谢21参考文献221 前言1.1能源概论人类社会的发展经历了三个能源阶段，即柴草时期，煤炭时期和石油时期。从柴草为主的能源时期，到十八世纪以前的数千年中，生产力的发展很低。到了十八世纪，煤的开采，蒸汽机的利用，开辟了资本主义的第一次产业革命。十九世纪七十年代电能的利用，实现了资本主义的工业化，人类才有了现代的物质文明。到了二十世纪五十年代，以石油为主的能源来临了，不少国家依靠石油实现了现代化。原子能及新能源的利用则使人类进入了高科技时代。1.2世界能源状况关于世界能源状况主要从两方面来看1:1.2.1储量状况到2001年末，世界石油的剩余开采储量为143.0109t，其中中东地区为93.4109t,约占世界总量的2/3。而天然气剩余可采储量155.081012m3，主要分布在前苏联和中东地区，剩余可开采量分别为56.141012m，和55.911012m3，这两个地区的储量占世界总量的70%以上。世界煤炭的剩余可采储量984453106t，主要分布在亚太、北美和前苏联地区，分别为297124,257783, 229975106t，这三个地区的可采储量约占世界总量的12.7%。1.2.2消费状况2001末，世界石油消费总量为3510.6106t，北美、亚太和欧洲是主要的消费区，他们的消费量约占世界总量的80%。世界天然气的消费量为2404.910 9m3，其中北美、前苏联和欧洲是主要的消费区。这三个地区的天然气消耗量占世界总量的70%。世界煤炭消费量为 2255.1106t，亚太地区煤炭消费量名列世界第一，占世界总量的45.3%。1.3中国的能源状况我国的能源主要以煤炭为主，占整个能源消耗的75%，石油占17.1%，天然气占2.2%，水电5.7%，煤炭的消耗过高。据专家预测，到本世纪中叶我国全面达到小康水平时，一次能源的消费量将达到40多亿吨标准煤。然而，我国人均能源资源严重不足，人均石油储量不到界平均水平的1/10。按照目前的开采速度.我国的石油最多能用20多年。我国人均煤炭储量也不到世界平均值的一半2。由世界能源储量和消费状况，我们可以清楚的认识到能源特别是不可再生能源会越来越少。但是随着世界经济的飞速发展，尤其是工业的迅猛发展，对于能源的需求就变的更加的迫切。那么如何来解决由此带来的矛盾呢?可再生能源的发展，将会解决这一矛盾。生物质能是可再生能源的一种，下面看一下可再生能源中生物质能的利用方式。1.4生物质能的利用方式1.4.1生物化学转化生物化学转化包括发酵(产生乙醇)和厌氧性消化(产生沼气)3。(1)发酵乙醇可以从含有糖、淀粉和纤维素的生物质制取。最主要的原料是甘蔗、小麦、谷类、甜菜、洋姜、木柴。乙醇的生产过程称为发酵，其流程为先将生物质碾碎，通过催化酶作用将淀粉转化为糖，然后用发酵剂将糖转化为乙醇，再通过蒸馏除去水分和其他一些杂质，得到最后浓缩的乙醇。其残留物可作为锅炉燃料或者是气化原料。(2)厌氧性消化厌氧性消化是指在隔绝氧气的情况下，通过细菌作用进行生物质的分解。这个过程也是一个发酵过程，产生CH4和C02气体混合物。垃圾填埋场经过特殊设计，可有利于厌氧消化。在填埋垃圾之前，可预先铺设收集气体的管道，使气体产量得以优。这样即可以得到沼气作为能源使用，还可以避免沼气逸入大气而加剧大气温室效应。1.4.2热化学转化热化学转化的技术路线很多，与其他技术相比，具有功耗少、转化率高、转化强度高、较易实现工业化等优点。生物质热化学转化包括直接燃烧、气化、热解、液化。气化和液化技术是生物质热化学利用的主要形式4：(1)直接燃烧将生物质作为燃料在高温下直接燃烧，是最简单的热化学转化工艺。利用不同的设备(例如窑炉、锅炉、蒸汽透平、涡轮发电机等)将储存在生物质中的化学能转化为热能、机械能或电能。(2)气化气化是通过生物质在高温(800-900 )下部分氧化生成C0、H2、CH4等可燃气体及C02的混合物的过程。产品气可直接用于燃烧或者作为燃气透平的燃料，也可用作化工原料。(3)热解热解是将生物质转化为有用燃料的热化学过程。所谓热解产物，是指生物质在隔绝空气条件下加热，或者在少量空气存在的条件下部分燃烧产生富含碳氢化合物的混合物、含油液体混合物和含碳的固体残留物。通过热解及其相关技术，可产生焦炭、合成气和H2等多种燃料。(4)液化生物质液化是在低温及高的气体压力下将生物质转化为稳定的液态碳氢化合物。通过直接液化和间接液化将生物质转化成液体燃料。1.4.3生物质成型燃料生物质(秸杆)成型技术是指在一定的温度和压力作用下，将各类生物质废弃物通过一定的机械方式使其原有分散的低密度变为高密度的成型燃料的高新技术。生物质成型燃料可用于各种配套的燃烧设备如:生物质炉灶、生物质锅炉及农村的炉灶5。1.5 国内外生物质成型设备1.5.1研究开发态势日本在20世纪50年代，研制出棒状燃料成型机及相关的燃烧设备;美国在1976年开发了生物质颗粒及成型燃烧设备;西欧一些国家(荷兰、瑞典、比利时、芬兰、丹麦等)在20世纪70年代已有了冲压式成型机、颗粒成型机及配套的燃烧设备;亚洲一些国家(泰国、印度、韩国、菲律宾等)在20世纪80年代己建了不少生物质固化、碳化专业生产厂，并研制出相关的燃烧设备6。我国从20世纪80年代引进开发了螺旋推进式秸秆成型机，近几年形成了一定的生产规模。例如，陕西省武功县轻工机械厂研制的螺旋推进式秸秆成型机，辽宁省能源研究所研制的颗粒成型机，南京林产化工研究所研制的多功能成型机，河南农业大学机电工程学院研制的活塞式液压成型机，在国内都已形成了产业化7。但国产成型加工设备在引进及设计制造过程中，都不同程度地存在着技术及工艺方面的问题，这就有待于去深入研究探索、试验、开发。1.5.2常用生物质成型设备目前，国内外最常见的成型设备是螺旋挤压式成型机、活塞冲压式成型机。在我国，最常用的是螺旋挤压式成型，活塞冲压式成型也有人研究，但多处于研究开发阶段8。1.螺旋挤压式成型机螺旋挤压式成型机利用螺杆挤压生物质，靠外部加热，维持成型温度150300使木质素、纤维素等软化，挤压成生物质压块。为避免成型过程中原料水份的快速汽化造成成型块的开裂和“放炮”现象发生，一般将原料的含水率控制在812%之间，成型压力的大小随原料和所要求成型块密度的不同而异，一般在490012740Pa之间，成型燃料形状通常为直径5060mm的空心燃料棒。螺旋挤压式成型机开发应用最早, 当前应用最为普遍。这类成型机运行平稳、生产连续性好，主要问题是螺杆磨损严重、使用寿命短以及单位产品能耗高。2.活塞冲压式成型机活塞冲压式成型机的成型是靠活塞的往复运动实现的。驱动力不同分为机械式和液压式两种。机械式冲压成型机是利用飞轮储存的能量。柄连杆机构，动冲压活塞，松散的生物质冲压成生物质压块。液压式冲压成型机是利用液压油缸所提供的压力，动冲压活塞使生物质冲压成型。冲压式成型机通常用于生产实心燃料棒或燃料块，得的产品是压缩块其密度介于0.81.1t/m3之间。其中液压式冲压成型机对原料的含水率要求不高，许原料含水率高达20%左右。活塞冲压式成型机通常不用电加热，型物密度稍低，易松散，螺旋挤压式成型机相比，显改善了成型部件磨损严重的问题,但由于存在较大的振动负荷，以机器运行稳定性差，噪音较大，润滑油污染也较严重。1.6本课题的提出、目的及意义1.6.1生物质块燃料可应用的范围(1)农村炊用目前我国农村农户的炉灶燃用薪柴和农作物秸杆时的热效率约为15%左右;如使用生物质压块燃料，炉灶的热效率可提高到20%左右。如果改进现有农户的炉灶以适应使用生物质压块燃料、则热效率可达30%以上9。 (2)代替木炭一般在用木柴生产木炭的过程中，大约要损失50%左右的能量，浪费较严重。生物质压块燃料由于其外形尺寸可以由压缩成型机模具调节，压块的质地很密实，在燃烧过程中和中型煤一样，不易散裂，能造成与木炭相似的燃烧效果，在一定场合可取代木炭10。(3)工业原料生物质压块燃料压制成型后，放入炭化炉中，经过一定的工艺流程脱烟碳化，可获得优质的人工炭，作为工业用料11。1.6.2课题提出能源供应和环境保护是经济持续发展的基本条件，如何才能使二者相互协调发展？21世纪将靠什么能源?生物质能源是其选择之一。本论文研究的是生物质能源加工设备之一的成型机。相对于上面所提到的生物质成型机，我们采用不同于其机械结构的开放式秸秆成型机，即使用辊子和平模对生物质进行加压，使生物质从平模的锥形孔中挤压出去，形成成品棒料，在生活及工厂中应用。吸收己有生物质成型机的优点，并尽可能的克服其不足之处，使生物质能更好的、效率更高的达到成型的效果。1.6.3课题的目的和意义成型机造价低，生产效率较高，预计可达0. 5t/h，能够达到农村采暖需要。生物质压块的密度要求大，同时提高生产效率，尽可能的降低能量的消耗，以便生物质压块在一定程度和一定范围内作为煤的替代能源得到推广和应用。在部分缓解能源危机的同时，避免生态环境受到秸杆焚烧等不合理用能的破坏。通过分析，发现问题为以后改进设计提供参考和依据。 秸秆成形机理2.1秸秆的化学成分不管任何植物材料其主要化学组份均为纤维素、半纤维素、木质素三种。纤维素是植物中的主要成份，纤维素在270开始分解，热降解的程度与温度高低、作用时间长短及介质中的水分和氧气含量均有密切关系，受热时间愈长降解愈严重。半纤维素是由多聚糖组成，在贮存过程中易水解，转变成木质素。多聚戊糖水解时生成五碳糖，多聚戊搪和多聚已糖是胶体物质，在水中加热具有胶合剂作用。半纤维素100以上部分单糖开始分解，170熔解。木质素属非晶体，木质素是由苯丙烷结构单体构成的，共有三种基本结构(非缩合型结构)，即愈创木基结构、紫丁香基结构和对梭苯基结构。它们是具有三度空间结构的天然高分子化合物，赋于植物体高的硬度和刚度。它在水中以及通常有机溶剂中大部分不溶解。在加热到100时开始软化，160开始熔解，转变为胶体物质，具有粘结剂的功能(王民，1993)。2.2秸秆成形机理由于植物生理方面的原因造成秸秆的质地疏松。各种农作物秸秆之所以能够在不加粘结剂的情况下热压成型，主要是由于木质素的存在。根据这一特性，开放式秸秆成型机利用压辊的挤压，使蓬松的秸秆组织压紧，同时，借助挤压产生的热量使它们粘接在一起，形成块状物。模辊间的成型机理如下（见图1）：供料区内的物料在重力作用下紧贴在平模上，当辊子向前滚动，物料进入变形压紧区，这时因受到挤压，原料粒子不断进入粒子间的空隙内，间隙中的空气被排出，粒子间的相互位置不断更新，粒子间所有较大的空隙逐渐都被能进入的粒子占据。随着辊子继续滚动，被压实的原料进入挤压成型区，部分楔形区、模孔的锥孔部分和前半部分都属于挤压成型区，该区内，压力继续增加，粒子本身发生变形和塑性流动，在垂直于最大主应力的方向被延展，并继续充填周围较小的空隙，由于辊子和物料间的摩擦作用加剧而产生大量热量，导致原料中含有的木质素软化，粘合力增加，软化的木质素和生 物质中固有的纤维素联合作用，使生物质逐渐成形，这时部分残余应力贮存于成型块内部，粒子结合牢固但不甚稳定。成型块在挤压作用下进入模孔的保型段，在该段不利于形状保持的残余应力被消除，颗粒被定型。图1 颗粒成型机理示意图 开放式秸秆成型机的设计机械部分通常由原动机、传动装置、控制装置和工作装置四部分组成。在进行机械部分设计之前，我们必须搞清楚，我们所设计机械的目的是干什么的。那么，由第一部分中本课题的目的和意义可知，该机器的主要作用是用来加工粉碎的秸杆的，将通过机器将粉碎秸杆加工成具有一定密度的压块，从而实现将分散的生物质能转化为有一定的密度的燃料，为农村生活用能及其它用能提供燃料。3.1设计构思先从如何实现设计目的，即从工作装置切入。开放式秸秆成型机的工作装置是由辊子和平模组成，即通过压辊连续不断地滚过均匀铺在平模上的秸秆颗粒，将秸秆颗粒挤压进入模孔，秸秆颗粒在模孔中经历成型、保型等过程，一定时间后以圆柱状态被挤出，旋转的切刀将物料切断，形成压块。在压辊的数目方面，可采用4个或6个压辊，这样可以提高工作效率。3.2 机械传动装置的总体设计3.2. 1拟定传动方案一个好的传动方案，除了首先应满足机器的功能要求外，还应当工作可靠、结构简单、尺寸紧凑、传动效率高、成本低廉以及使用维护方便。多级传动在布置时一般将传动能力较小的带传动及其它摩擦传动宜布置在高速级，这样有利于发挥其传动平稳、缓冲吸振、减小噪声的特点。根据这些特点，初步设计的思路是：首先通过带传动将电机的动力传递给齿轮1，齿轮1再与齿轮2啮合，齿轮2将动力传递给工作装置部分，由工作装置对工作对象进行作用，来实现我们所设计机械的最终目的。在带轮传动部分，电机端连接小带轮，齿轮1端连接大带轮，一级实现降速；同时，齿轮2齿数大于齿轮1齿数，实现二级降速。最终，使压辊得到适当的转速，进行加工。3.2.2开放式秸秆成型机的组成结构及工作过程根据传动方案，确定电动机、皮带轮、大小齿轮、平模及辊子在机器中各自的位置，如图2所示：图2成型机主要部件结构示意图工作原理如简图2所示：电动机通过皮带轮传动和齿轮传动驱动主轴，主轴带动辊子，辊子绕主轴公转的同时也绕辊子轴自转。加工颗粒时，生物质原料被送入平模机的喂料室，在分料器和刮板的共同作用下均匀地铺在平模上，主轴带动的辊子连续不断地滚过料层，将物料挤压进入模孔，物料在模孔中经历成型、保型等过程，一定时间后以圆柱状态被挤出，旋转的切刀将物料切断，形成颗粒，由扫料板将颗粒送出。3.3设计参数影响生物质压缩成型的主要因素有：原料种类、含水率、粒度、成型压力、加热温度及成型过程的滞留时间等，根据实际情况，其参数选择如下：原料粒度 8mm左右原料含水率 820%原料密度 0.060.15g/cm3原料滚压厚度 50mm成型棒料密度 0.81.2 g/cm3辊子转速 75r/min3.4 有关参数的选择和计算3.4.1成型套内径及长度考虑到生产率成型压力及加料方便等因素，成型套筒内径取40mm，既套筒锥形部分的小端的直径。取套筒锥形部分的大端直径为60mm，大小端距离为15mm。同时，套筒两端都开成锥形，这样可以在一端磨损后，翻过来使用，增加其使用寿命。由于原料成型过程中，经过成型和保型两个过程。因此，成型套必须有一定的厚度，取成型套圆柱部分长度为50mm。3.4.2平模的设计平模直径为1000 mm，在平模半径为50450mm的圆环上开均匀的成型模。根据成型套长度的要求，取平模厚度为80mm。工作特性、经济性等因素，平模材料选用铸铁。3.4.3辊子参数辊子材料 铸铁 7.3g/cm3 辊子直径 600mm辊子长度 400mm根据参数要求，辊子转速为 75r/min辊子数目 4单个辊子质量 825.192kg 辊子受力分析： 棒料面积 A=D2/4=1256mm2 辊子对原料施加最大力 F=mg=825.19210=8251.92N成型压力 P=F/A=8251.92/1256=6.57MPa 辊子与秸秆的摩擦系数 u=0.2 辊子所受阻力 F= u F=1650.384N3.4.4电动机的选择（1）选用电动机的类型12按已知的工作要求和条件，选用Y型全封闭笼型三相异步电动机。（2）选择电动机的功率工作机构所需电动机的输出功率 Pd =Pw/Pw -工作机构所需输入功率，既辊子转动所需功率，Kw-电动机至工作机构之间的总效率 Pw=Fv/1000w 或 Pw=Tn/9550w F-工作机构的工作阻力，NV-工作机构的线速度，m/sT-工作机构的阻力矩，Nm n-工作机构的转速，r/min w -工作机构的效率阻力矩T的计算 力臂取250mm，即取在辊子轴线的中点截面处，则T=2Fr=21650.3840.25=825.192Nm电动机至辊子之间的总效率为w =12345w带传动效率1 0.96 齿轮传动效率2 0.97齿轮传动的轴承效率3 0.99联轴器效率4 0.99辊子轴承效率5 0.98滚压效率w 0.95 w0.960.970.990.990.980.950.85所以 Pd Pw/ Tn/9550w825.19260/95500.856.10kw(3)确定电动机的转速由已知参数知，辊子的工作转速nw为75r/min。 表3常用机械传动的单级传动比的推荐值13类型平带传动V带传动圆柱齿轮传动圆锥齿轮传动蜗杆传动链传动推荐值2-42-43-6直齿2-410-402-5最大值5710直齿6807由表3，按推荐的合理传动比范围，取V带的传动比i1=24, 单级齿轮传动比i2=35，则合理传动比的范围i=620，故电动机转速的可选范围为 nd=inw=(620)75=（4501500）r/min符合这一范围的同步转速有750 r/min、1000 r/min、 1500 r/min，再根据计算出的功率，由符表2.1查出有2种使用的电动机型号，其技术参数及传动比的比较情况见表4：表4可选电机参数电机型号额定功率kW同步转速r/min满载转速r/min总传动比Y160L-87.575072010Y160M-67.5100097013.33Y132M-47.51500144020综合考虑电动机和传动装置的尺寸、质量以及带传动和齿轮传动的传动比，比较三个方案，选用Y160M-6电动机，其主要参数如表5：表5Y160M-6电动机主要参数中心高H外形尺寸轴伸尺寸DE装键部位尺寸级数1606004203854211012376（4）计算总传动比并分配传动比电动机选定后，根据电动机的满载转速nm和辊子的转速nw，既可求得传动装置的总传动比为i0=nm /nw 。在多级传动中，传动装置的总传动比 是各级传动装置串联传动比的连乘积，应为： i0= i1i2已知选定电动机的满载转速为1000r/min,故 i0=nm /nw =1000/75=13.33为使V带传动外廓尺寸不致过大， 传动比取i1 = 3，则 i2 = i0 / i1 = 13.33/3=4.44 即齿轮传动的传动比。（5）各轴的转速及功率 各轴的转速 轴 n= nm / i1=970/3=323.33(r/min) 轴 n= n/ i2 = 323.33/4.44=72.82(r/min) 轴 n= n轴即为工作机构的辊子轴，n= nw 各轴的输入功率 轴 P= Pd 01=6.10.96=5.856(kW)轴 P= P12= 5.8560.970.990.99=5.57(kW)轴 P= P22=5.570.990.98=5.40(kW) 即辊子轴的输入功率。 各轴的转矩 电动机轴 Nm=60.07(Nm ) 轴 T1=9550 Nm=172.97(Nm)轴 T2=9550 Nm=730.48(Nm)轴 T3=9550 Nm=752.77(Nm)3.4.5带轮传动的设计根据上面的计算知道，V带传动的传动比为3。普通V带传动设计计算，此部分计算所涉及的表、图均源自参考书目，在此直接引用不再附带14。计算项目计算内容计算结果定V带型号和带轮直径工作情况系数查表8-7 KA=1. 1计算功率Pc= KA X6.1 Pc= 6.71KW选带型号 由图8-11 A型小带轮直径由表8-6和表8-8 取D1=100mm大带轮直径D2= i1 D1 D2=300mm计算带长求Dm Dm=(D1+D2)/2 Dm=200mm求 =(D1D2)/2 =100mm初定中心距 a0=500mm带长 L=Dm+2a+ 2/a L=1648mm基准长度 由表8-2 Ld=1600mm求中心距和包角中心距 a=476mm中心距的变动范围 452524mm小轮包角 a1=180一60 a1=154.79120 求带根数 带速 V=5.08m/s带根数 由表8-4a Po=0.965KW 由表8-5 Ka=0.93由表8-2 KL=0.99 由表8-4b P0=0. 11 Z=6.16取Z=7求轴上载荷张紧力 F0=500由表8-3查得 q=0.l0kg/m F0=131.24N轴上载荷FQ = 2Z F0sin FQ=1793.26N利用以上计算的结果，使用机械设计手册，我们选用的带轮参数如下15:1）材料选择。由于是一般机器，且带轮转速较低，带轮材料可选为HT200。2）带轮的结构形式。带轮由三部分组成：轮缘，轮辐和轮毂。根据上边的计算知：皮带采用A型带，由表6.2-15查得带轮的基本参数如下：基准宽度bd 11.0mm基准线上槽深hamin 2.75mm基准线下槽深hfmin 8.7mm槽间距e 15mm第一槽对称面至端面的距离f 10mm最小轮缘厚度 6mm带轮宽B B=(z-1)e+2f=(7-1)15+210=110mm外径da da=d+2ha =100+22.75=105.5mm轮槽角 38 小带轮的直径为100mm,由表6.2-16查得，带轮的结构形式采用腹板式，辐板厚度s取为20mm。3.4.6齿轮传动的设计根据前面设计思路的简图，及设计思路中的机器的工作过程，我们知道，齿轮传动是连接工作装置和动力源的非常重要的组成部分。它将动力传递给从动齿轮，以此来实现挤压成型的目的。设计的齿轮传的传动比为4.44，而齿轮转速为323.33r/min。此部分计算所涉及的表、图均源自参考书目，在此直接引用不在附带16。(1)选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1）按图2所示的传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动。2）材料及热处理。由101选得，小齿轮的材料为40Cr，并经调质及表面淬火，硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS，二者硬度差为40 HBS。3）成型机为一般工作机器，故精度等级选7级精度（GB 10095-88）。4）选小齿轮齿数 Z1=2，大齿轮齿数 Z2=4.4424=106.56，取Z2=107。(2)按齿面接触强度设计由设计计算公式（10-9a）进行试算，即 1)确定公式中的各计算数值。试选载荷系数Kt=1.3。计算小齿轮传递的转矩。172965.08(Nmm)由表10-7选取齿宽系数1。由表10-6查得材料的弹性影响系数ZE=189.8。由图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限=600MPa；大齿轮的接触疲劳强度极限接触疲劳强度极限550 MPa。由式10-13计算应力循环次数。N1=60n1jLh=60323.331(3002815)= 1.40109 N2=1.40109/4.44=3.15108由图10-19取接触疲劳寿命系数KHN1=0.90；KHN2=0.95。计算接触疲劳许用应力。取失效概率为1%，安全系数S=1，由式（10-12）得2）计算计算小齿轮分度圆直径d1t,代入中较小的值。 =76.85(mm) 计算圆周速度v。 (m/s) 计算齿宽b。 (m/s) 计算齿宽与齿高之比b/h。模数 (m/s)齿高 h=2.25mt=2.253.2mm=7.2(mm) 计算载荷系数。根据v=1.32m/s, 7级精度，由图10-8查得动载系数Kv=1.08；直齿轮，KHa=KFa=1;由表10-2查得使用系数KA=1;由表10-4用插值法查得7级精度、小齿轮相对支承对称布置，=1.332。由b/h=10.67，=1.332查图10-13得=1.28；故载荷系数 =11.0811.332=1.439按实际载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式（10-10a）得 =76.85=79.47(mm)计算模数m。 (mm)(3)按齿根弯曲强度设计由式（10-5）得弯曲强度的设计公式为 1)确定公式内的各计算数值由图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限=500MPa；大齿轮的弯曲疲劳强度极限=380MPa；由图10-18取弯曲疲劳寿命系数KFN1=0.85，KFN2=0.88；计算弯曲疲劳许用应力。取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由式（10-12）得 =303.57(MPa)=238.86(MPa)计算载荷系数。=11.0811.28=1.3824查取齿形系数。由表10-5查得 YFa1=2.65；YFa2=2.1744查取应力校正系数。由表10-5查得 YSa1=1.58；YSa2=1.7956计算大小齿轮的并加以比较。0.01330.0163大齿轮的数值大。2）设计计算 2.38(mm)对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲疲劳强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，可取由弯曲疲劳强度算得的模数2.38，并就近圆整为标准值m=2.5 mm，按接触强度计算的分度圆直径d1=79.47mm,算出小齿轮齿数 Z1=31.79 取32， Z2=4.4432=142.08 取142。这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到机构紧凑，避免浪费。(4)几何尺寸计算1)计算分度圆直径d1=Z12.5mm=322.5=80(mm) d2=Z22.5mm=1422.5=355(mm)2)计算中心距 a=217.5(mm)3)计算齿轮宽度 b=180=80(mm)取B2=80mm B1=85mm 传动无严重过载，故不作静载荷校核。经过计算，我们可以按照上面对于齿轮传动中齿轮的材料、大小、加工精度等来加工齿轮，以便组装完整的机器。之所以对于齿轮传动设计部分如此详细，是因为这部分是机械设计部分最重要的部分之一，直接关系到机器能否正常的工作。3.4.7轴的设计及联轴器的选择（1）电机轴的强度校核。电机轴主要受到扭转力作用，仅进行扭转强度的校核。轴的扭转强度条件为15： 式中： -扭转切应力，MPa； T-轴所受的扭矩，Nmm -轴的抗扭截面系数，mm3 n-轴的转速，r/min P-轴传递的功率，kW d-计算截面处轴的直径，mm -许用扭转切应力，MPa由表15-3，取=30MPa由上式可得轴的直径 =21.55(mm)由电机参数知，d=42mm，大于21.55mm，符合要求。（2）大齿轮轴的设计。1）选择轴的材料、确定许用应力轴的材料：因无特殊要求，故选用45号钢，调质处理。由表13-1，查得=650MPa，=360MPa，300MPa，=55MPa。许用应力：=220MPa，=60MPa2）轴的受力分析大齿轮的直径 d2=536mm轴传递功率 P=5.57kW轴的转矩 T2=730.48 Nm齿轮圆周力 =2725.67N齿轮径向力 =tan=2725.67tan20=991.95N（3）初估轴的最小直径、选联轴器初估轴颈：与联轴器孔配合的轴伸直径d-为轴段的最小直径。由表13-2查得45号钢的材料系数C=107-118。按式（13-1）计算轴伸直径d-=C=(107-118)=45.3750.032(mm)考虑轴伸上键槽削弱，轴需增大5%，则d-=47.6452.53mm,故取d-=50mm。联轴器的计算转矩，查表14-1，取KA=1.3，则 =1.3730.48 Nm=949.624(Nm)选配联轴器：按轴伸直径d-及计算转矩Tca查手册，选用弹性套柱销联轴器，型号LT9，其公称转矩为1000Nmm,联轴器孔径d2=50mm，符合要求。半联轴器长度L=112mm，半联轴器与轴配合的毂孔长度L1=84mm 12。(4）轴的结构设计1)拟定轴上零件的装配方案。根据拟定的传动方案知，大齿轮通过轴将运动传递到轴，轴和轴由联轴器联结。通过轴承将轴固定在箱体上，大齿轮相对于轴承对称布置。大齿轮的圆周固定利用键联结，轴向固定通过轴肩来定位。图3 轴上零件装配方案同样，联轴器的周向定位利用键联结，轴向固定通过轴肩来定位。具体装配方案如图3所示。2)根据轴向固定及定位要求，确定轴的各段直径的长度，见下表：轴段长度轴段直径及长颈（mm）说明外伸段-d-=50轴段-直径与联轴器孔（50）配合，故取直径为50mm。L-=82轴段-与联轴器孔的配合长度L1=84mm,为保证轴端挡圈压紧联轴器，轴段-长度略小于配合长度，故取82mm。轴承压盖段-d-=55为保证联轴器右端用轴肩定位，故取直径为55mm。L-=45轴段-的长度由轴承端盖宽度及其固定螺钉的装拆空间决定，这里取45mm。装轴承段-、-d-=d-=60这两段的轴颈由滚动轴承内圈直径决定。根据圆柱齿轮受力及d-=60mm,初选6012型深沟球轴承，其基本尺寸dDB=609518mm。L-=18轴段-长度即轴承宽度B=18。L-=43轴段-长度由滚动轴承B=18,轴承与箱边距离s=5-10,箱边与齿轮距离a=15-20轴肩圆角半径R3等尺寸决定，及L-=B+s+a+R3=18+6+16+3=43mm。装齿轮段-d-=65考虑齿轮装拆方便，应使d-d-=60,故取d=65。L-=78轴段-长度由齿轮轮毂的宽度b2=80mm决定。为保证轴套盒齿轮左端靠紧定位，轴段-略小于轮毂宽度，故取78mm。轴环段-d-=85因齿轮右端用轴肩定位，根据d-=65，按设计手册推荐环高度h=(0.07d+3)-(0.1d+5)=(0.0765+3)-(0.165+5)=7.55-11.5取h=10mm,故轴环直径d-= d-+2h=85mm。L-=15轴环的最小宽度取为轴肩高的1.4倍，即L-=1.41.0=14mm,故取为15mm。自由端-d-=68考虑右轴承用轴肩定位，根据轴承型号6012，查轴承样本得轴肩安装处尺寸，故取da=67mm,故取d-da=68mm。L-=8由于齿轮是对称布置，故齿轮的端面至左右轴承距离应相等。由上面的设计知，齿轮左端至左齿轮的距离为23mm。轴环的长度为15mm，所以自由段的长度L-=2315=8mm。3)