曲柄摇杆垃圾清理装置设计

曲柄摇杆垃圾清理装置 摘要本文主要对水面垃圾收集主体进行详细的设计、计算、校核、选型。分析了水面垃圾收集需要实现的功能要求，了解了同类水面垃圾收集船的工作原理，基本结构，系统组成及功能；研究了此水面垃圾收集装置的系统构成及功能，各零部件的的设计方法以及系统的实现方式。此垃圾收集装置是一种解决水面漂浮垃圾问题的一种新型机械设备，它有操作简便、安全可靠和造价低廉等特点，适合于城市河道、湖泊及风景区等水域环境推广使用。此设计主要针对的是城市和风景区河道、湖泊水域的水面垃圾收集。根据调查和分析，城市和风景区河道、湖泊水域的水面垃圾主要有烂蔬菜、塑料袋、软包装、饮料盒、塑料泡沫等。曲柄摇杆式自动液面捞渣机，其利用曲柄摇杆机构连杆上特殊点的运动轨迹，依靠小型电机驱动来实现液面悬浮物的自动化清理打捞。为湖泊、水道液面垃圾清理设计自动化机械设计主要包括了水面垃圾收集的结构，装配，选材，以及标准件的选择。本文对设计中，水面垃圾收集船结构图，装配图，零件图，都有详细的说明。关键词： 垃圾收集 漂浮物 环境保护Crank rocker garbage cleaning deviceIn this paper,This article mainly to garbage collection on the surface subject to detailed design, selection of calculation, check,. Analyzed the garbage collection need to implement the functional requirements of the water, to understand the working principle of the similar surface ship garbage collection, basic structure, system composition and the function; To study the surface structure and function of a garbage collection device of the system, the design method and the system of parts of the implementation of the way.The garbage collection device is a kind of solution to the problem of the water floating garbage a new type of mechanical equipment, it has the characteristics such as simple operation, safe and reliable and low cost, suitable for urban rivers and lakes and promote the use of scenic waters environment. This design mainly aims at is the city and scenic river courses and lakes garbage collection is the surface of the waters. According to the investigation and analysis, cities and scenic river courses and lakes water waste waters are rotten vegetables, plastic bags, flexible packaging, box, plastic foam, etc. Crank rocker arm type automatic liquid level in dregs machine, the use of the crank rocker mechanism connecting rod of the special points on the trajectory, rely on the small motor drive to achieve automatic cleaning liquid level suspension salvage. For lakes, waterways, liquid level rubbish design automation machineryDesign mainly includes the structure of the water collection, assembly, material selection, and the choice of standard parts. In this paper, the design of the surface ship garbage collection structure, assembly drawing, part drawing, there are detailed instructions.Keywords: garbage collection floater environmental protection目 录1 绪论11.1选题意义及背景11.2国内外垃圾的收集情况12. 曲柄摇杆式液面捞渣机机械结构设计22.1曲柄摇杆机构的分类22.2曲柄摇杆机构的应用22.3曲柄摇杆机构设计32.3.1 连杆位移32.3.2连杆小头的设计32.4连杆杆身的设计42.5曲柄的设计42.6曲柄强度计算52.6.1曲柄小头计算52.6.2曲柄杆身计算112.7电机的选择142.8 确定电动机型号142.9固定螺栓设计153.主要部件的校核173.1 花键轴的设计校核173.1.1轴的尺寸估算173.2 轴承的校核203.3键的选择和校核23总 结24参考文献25致 谢261 绪论1.1选题意义及背景名称：曲柄摇杆式自动液面捞渣机意义：根据曲柄摇杆机构中连杆上特殊点的运动轨迹，设计一种为湖泊、水道液面进行垃圾清理的自动化机械，该机械可以依靠小型电机驱动，实现对液面悬浮物的自动化清理打捞。1.2国内外垃圾的收集情况 随着社会的发展，人口的增加经济和城市建设的快速发展，江河湖泊污染情况日益严重，其中水面垃圾是江河湖泊的污染主体之一。来源各异的废弃物通过不同渠道进入水体，导致水源的漂浮物体越来越多，它们的集结造成水面污染，影响水环境和市容卫生。甚至影响航道。此外内陆水体的水面垃圾如果得不到及时清理，很容易汇入海洋引起水面垃圾的聚集，造成二次污染。为了解决水面垃圾的问题，目前很多地区还是采用人工打捞的传统方式为主，以杭州西湖景区为例，景区管理局就要定期叫工作人员进行手工打捞水面垃圾。这种方法的缺点是其生产效率低劳动强度大，工作环境恶劣。 此外，目前市场上也出现了一些机械智能的水面垃圾收集设备。由于水域不同垃圾种类不同及回收量的不同，形成了各种类型的水面垃圾收集船。例如zs-800型水面船舶机械，主要用于大范围大水面的收集，其结构复杂，体积庞大，价格昂贵，而且需要专业人士操作，从而不能被广泛低应用于城市河道和风景区水域的垃圾收集作业。2. 曲柄摇杆式液面捞渣机机械结构设计2.1曲柄摇杆机构的分类曲柄连杆机构有双曲柄、双摇杆、曲柄摇杆3种。1.可以做圆周运动的叫曲柄、只可以在小于360范围内摆动的叫摇杆。2.双曲柄就是曲柄带动曲柄转动，双摇杆就是摇杆带动摇杆摆动。3.曲柄摇杆机构，当曲柄为主动件时是曲柄做圆周运动带动摇杆做摆动，当摇杆为主动件时，是摇杆做摆动带动曲柄做圆周运动。2.2曲柄摇杆机构的应用有家用缝纫机，还有破碎机，剪刀机，搅拌机还有雷达天线等都是曲柄摇杆机构曲柄连杆机构是柴油机的主要运动件，包括：活塞连杆组和曲轴飞轮组。 活塞连杆组：活塞，活塞环，活塞销，连杆，连杆螺栓，连杆轴瓦等。 曲轴飞轮组：飞轮，飞轮壳。 活塞材料为铸造铝合金 连杆采用合金钢模锻成形等场合得到广泛应用。除了上面应用之外在工业上也得到广泛应用如：曲柄摇杆式自动液面捞渣机机械结构设计。曲柄摇杆式自动液面捞渣机，其利用曲柄摇杆机构连杆上特殊点的运动轨迹，依靠小型电机驱动来实现液面悬浮物的自动化清理打捞。为湖泊、水道液面垃圾清理设计自动化机械。机械结构原理如下：曲柄摇杆机构原理图2.3曲柄摇杆机构设计1.设计参数： M=0.5 N=1.25P=1.25Q=1 连杆做往复运动时，其速度和加速度是变化的。它的速度和加速度的数值以及变化规律对曲柄连杆机构以及发动机整体工作有很大影响，因此，研究曲柄连杆机构运动规律的主要任务就是研究活塞的运动规律。2.3.1连杆位移假设在某一时刻，曲柄转角为a ，并按顺时针方向旋转，连杆轴线在其运动平面内偏离气缸轴线的角度为b 。当a =0时，活塞销中心 A在最上面的位置 A1，此位置称为上止点。当a =180 时，A点在最下面的位置A2，此位置称为下止点。此时活塞的位移x为:x= A A 1 = A O - AO 1 =(r+l ) - (r cosa + l cosb )= (1 cos ) 1 (1 cos b)r - a + - （2.1）式中：l连杆比。连杆长度与结构参数（R为曲柄半径）有关，此次设计选取。2.3.2连杆小头的设计1.连杆衬套内径2.衬套厚度3. 小头内径4.小头宽度5.小头外径2.4连杆杆身的设计连杆杆身从弯曲刚度和锻造工艺性考虑，采用实心形截面。1.杆身截面高度2.杆身截面宽度3.杆身截面中间宽度为使连杆从小头到大头传力比较均匀，在杆身到小头和大头的过渡处用足够大的圆角半径。2.5曲柄的设计本次曲柄Q235焊接结构形式，切口角，曲柄长度1.251) 大头孔直径2) 大头宽度3) 连杆轴瓦厚度4) 连杆螺栓直径5) 连杆螺栓孔中心距螺栓孔外侧壁厚不小于2毫米，取3毫米，螺栓头支承面到杆身或大头盖的过渡采用尽可能大的圆角。6) 大头高度 取0.21 取0.50 7) 定位方式定位方式采用锯齿定位，齿形角为，齿距为2.6曲柄强度计算2.6.1曲柄小头计算（1） 由衬套过盈配合和受热膨胀产生的应力衬套最大装配过盈量衬套温度过盈量式中为连杆材料线膨胀系数，对于钢 为衬套材料线膨胀系数，对于青铜由总过盈量产生的径向均布压力式中为连杆材料的弹性模量，对于钢 为衬套材料的弹性模量，对于青铜 为泊桑比，小头外表面由引起的应力（2） 由惯性力拉伸引起的应力活塞组的最大惯性力式中为活塞组重量 为角速度固定角平均半径中心截面（）上的弯矩小中心截面（）上的法向力固定截面（）上的弯矩查表可知固定截面（）上的法向力壁厚截面积衬套截面积系数受拉时固定截面处外表面应力（3） 由最大压缩力引起的应力小头承受的最大压缩力辅助参数查表可得 受压时中央截面上的弯矩和法向力固定截面处（）的值查表得 受压时固定截面处（）的弯矩和法向力受压时固定截面处外表面应力（4） 小头安全系数材料的机械性能查表可得 45钢角系数在固定角截面的外表面处应力幅平均应力小头安全系数小头安全系数应不小于1.5，所以满足要求（5） 小头横向直径减小量小头平均直径小头截面的惯性矩横向直径减小量为保证活塞销和连杆衬套不致咬死，应使，实际计算结果，所以满足要求。2.6.2曲柄杆身计算（1）杆身中间截面处最大拉伸力和最大压缩力式中分别为活塞组重量和位于计算截面以上那一部分连杆重量。（2） 杆身中间截面处的应力和安全系数由最大拉伸力引起的拉伸应力式中为杆身中间截面积，计算约为：杆身中间截面的惯性矩由最大压缩力引起的合成应力式中为系数，对于各种钢材 杆身中间截面在摆动平面内的应力幅和平均应力在垂直于摆动平面内的应力幅和平均应力在摆动平面和垂直于摆动平面内的安全系数安全系数满足要求。（1） 连杆大头计算大头盖所受惯性力根据大头盖截面图（图1）计算重心坐标大头盖截面的惯性矩大头盖计算截面的抗弯断面模数轴瓦计算截面的惯性矩大头盖中央截面上的应力大头盖横向直径减小值经轴承选择，值小于轴承间隙的一半，所以满足要求。2.7电机的选择根据动力源和工作条件，选用交流电机，Y系列三相异步电动机。根据传输机构的布置以及最大回转直径，主传动采用普通电动机，外加变频器调速，调速范围：10/1400rmin-1，40/800rmin-1，20/1250rmin-1，并可无级调速，由工件的最大直径，及摩擦力预估工作机的功率。工作机有效功率为：P=FV=63KW由已知条件得电动机有效功率 ，式中为系统总的传动效率。电动机到传动机构总传动效率 式中： p为带的传动效率， f为闭式齿轮的传动效率， v为圆锥滚子轴承的传动效率， 为联轴器的传动效率， 为传动效率。2.8 确定电动机型号 根据已知条件加工的最大转速为：1250rmin式中为一轴的齿数，为小齿轮齿数 方案电动机型号额定功率（KW）同步转速（r/min）满载转速（r/min）总传动比1Y2-90S-83.71200100050选取电动机型号为Y2-90S-8，同步转速为1200 ,对应额定功率为3.7KW，外伸轴直径24mm2.9固定螺栓设计1. 固定螺栓的结构尺寸和材料选择根据旋转速度初选连杆螺纹直径根据选择螺栓，螺母，垫片标准件如下：螺栓 GB/T 5782 M14x80螺母 GB/T 6170 M14垫片 GB/T 848 14螺栓与螺母材料均采用40。2.螺栓装配预紧力和屈服强度校核（1）装配预紧力每个螺栓由惯性力引起的工作负荷式中为斜切口大头的切口角。发动机工作时连杆螺栓受到两种力的作用：预紧力和最大拉伸载荷，预紧力由两部分组成：一是保证连杆轴瓦过盈度所必须具有的预紧力；二是保证发动机工作时，连杆大头与大头盖之间的结合面不致因惯性力而分开所必须具有的预紧力。（2） 材料屈服强度校核确定后，校核螺栓材料是否屈服，应满足：式中为螺栓最小截面积，经计算 为材料的屈服极限，一般 为安全系数，一般为于是经计算 得，所以满足要求。3.主要部件的校核3.1 花键轴的设计校核 3.1.1轴的尺寸估算由机械零设计表选取轴的材料为45钢调质，其力学性能如下： 受转矩T的实心圆轴，其切应力： 写成轴的设计公式，轴的最小直径： mm式中：轴的抗截面系数， ； P轴传递的功率，kW； 轴的转速，； 许用切应力， ；C与轴材料有关的系数，可由下表查得；对与受弯矩较大的轴宜取较小的值。当轴上有键槽时，应适当增大轴径；单键增大3，双键增大7。表4-10 轴强度计算公式中的系数C轴的材料Q235,20Q235,Q275,3545,121520253035404552C16014813512511811210610298根据所选的材料45钢，查表可得，。花键轴的最高转速轴所传递的功率由公式： =0.44 轴的初步估算：为了满足输出轴与花键轴的配合，因此该轴的轴径不能太小。4.3.6.2 花键轴的校核由于花键轴的配合，在旋转时花键轴上受到扭矩作用。则输出的转矩为： 式中 b动片宽度； R回转缸内径； p1进油口压力； 机械效率，取=0.96； p2出油口压力，取p2=0.3MPa。故： 由弯矩所产生的弯曲应力应不超过许用弯曲应力，弯曲应力的计算公式： 回转缸扭转时的当量弯矩； 花键轴截面的抗弯截面系数。式中轴规格： （mm）又 回转产生的转矩；根据转矩性质而定的应力校正系数。对于不变的转矩，取；对于脉动的转矩，取；对于对称循环的转矩，取。假定回转缸转矩不变，选择轴的材料为45钢。通过查机械设计手册可得材料的相关力学性能， 所以 又， 因此轴的强度满足要求。但是轴也受到扭矩作用且在花键最小截面上产生最大剪应力： 其中 抗扭系数= 那么 =从计算结果看来轴的剪切应力满足设计要求。3.2 轴承的校核滚动轴承是现代机器中广泛应用的零件之一，它是依靠主要元件间的滚动接触来支承转动零件的。常用的滚动轴承绝大多数已经标准化，并由专业工厂大量制造即供应各种规格常用的轴承。滚动轴承的构成：包括：内圈、外圈、滚动体、保持架 内圈用来和轴颈装配，外圈用来和轴承座孔装配。通常是内圈随轴颈回转，外圈固定，但也可以用于外圈回转而内圈不动，或是内、外圈同时回转的场合。当内、外圈相对转动时，滚动体即在内、外圈的滚道内滚动。保持架的作用主要是均匀地隔开滚动体。 滚动体的基本类型有：钢球、圆柱滚子、圆锥滚子、滚针、鼓形滚子、不对称鼓形滚子。 与滑动轴承相比，滚动轴承具有旋转精度高、启动力矩小、是标准件、选用方便等特点。与滑动轴承相比，滚动轴承的优点：1、一般条件下，滚动轴承的效率和液体动力润滑轴承相当，但较混合润滑轴承要高一些；2、径向游隙比较小，向心角接触轴承可用预紧可用预紧力消除游 隙， 运转精度高；3、对于同尺寸的轴径，滚动轴承的宽度比滑动轴承小，可使机器的 轴向结构紧凑；4、大多数滚动轴承能同时受径向和轴向载荷，故轴承组合结构简单；5、消耗润滑剂少，便于密封，易于维护；6、不需要有用有色金属；7、标准化程度高，成批生产，成本低；与滑动轴承相比，滚动轴承的缺点：1、承受冲击载荷能力较差；2、高速重载载荷下轴承寿命较低；3、振动及噪声较大；4、径向尺寸比滑动轴承；能否正确选用滚动轴承，对主机能否获得良好的工作性能，延长使用寿命；对企业能否缩短维修时间，减少维修费用，提高机器的运转率，都有着十分重要的作用。因此，不论是设计制造单位，还是维修使用单位，在选择滚动轴承时都必须高度重视。一般来说，选择轴承的步骤可能概括为：1.根据轴承工作条件（包括载荷方向及载荷类型、转速、润滑方式、同轴度要求、定位或非定位、安装和维修环境、环境温度等），选择轴承基本类型、公差等级和游隙；2.根据轴承的工作条件和受力情况和寿命要求，通过计算确定轴承型号，或根据使用要求，选定轴承型号，再验算寿命；3.验算所选轴承的额定载荷和极限转速。选择轴承的主要考虑因素是极限转速、要求的确良寿命和载荷能力，其它的因素则有助于确定轴承类型、结构、尺寸及公差等级和游隙工求的最终方案。类型选择，各类滚动轴承具有不同的特性，适用于各种机械的不同使用情况。选择轴承类型时，通常应考虑下列因素。一般情况下：对承受推力载荷时选用推力轴承、角接触轴承，对高速应用场合通常使用球轴承，承受重的径向载荷时，则选用滚子轴承。总之，选用人员应从不同生产厂家、众多的轴承产品中，选用合适的类型。轴承所占机械的空间和位置在机械设计中，一般先确定轴的尺寸，然后，根据轴的尺寸选择滚动轴承。通常是小轴选用球轴承，大轴选用滚子轴承。但是，当轴承在机器的直径方向受到限制时，则选用滚针轴承、特轻和超轻系列的球或滚子轴承；当轴承在机器的轴向位置受到限制时，可选用窄的或特窄系列的球或滚子轴承。轴承所受载荷的大小、方向和性质载荷是选用轴承的最主要因素。滚子轴承用于承受较重的载荷，球轴承用于承受较轻的或中等载荷，渗碳钢制造或贝氏体淬火的轴承，可承受冲击与振动载荷。在载荷的作用方向方面，承受纯径向载荷时，可选用深沟球轴承、圆柱滚子轴承或滚针轴承。承受较小的纯轴向载荷时，可选用推力球轴承；承受较大的纯轴向载荷时，可选用推力滚子轴承。当轴承承受径向和轴向联合载荷时，一般选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承。对于悬臂支撑结构，常采用圆锥滚子轴承或角接触球轴承，且成对使用。滚动轴承类型选择应注意的问题: 1、考虑轴承的承受载荷情况方向：受径向力时，用向心轴承；受轴向力时，用推力轴承；径向力和周向力联合作用时，用向心推力轴承；大小：受到较大载荷时，可用滚子轴承，或尺寸系列较大的轴承；受到较小载荷时，可用球轴承，或尺寸系列较小的轴承2、考虑对轴承尺寸的限制当对轴承的径向尺寸严格限制时，可选用滚针轴承； 3、考虑轴承的转速一般来讲，球轴承比滚子轴承能适应更高的转速，轻系列的轴承比重系列的轴承能适应更高的转速；此外，各类推力轴承的极限转速很低，不易用于高转速的情况。4、考虑对轴承的调心性要求调心球轴承和调心滚子轴承均能满足一定的调心要求（即：轴心线与轴承座孔心线可适当偏转），而圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承、滚针轴承满足调心要求的能力几乎为零根据各个轴承的特点以及选用原则，可以肯定我们初步选定的型号6004深沟球轴承满足要求。由于轴1所承载的载荷最大，且轴1的转速最大，故轴1上的轴承最危险。若此轴承寿命满足要求，则其它轴承亦可满足要求。所选6004深沟球轴承的基本额定动载荷C为9.38kN假设链传动的效率为0.9。每天8小时以上经常运转或连续长时间运转，对于机床、振动筛、破碎机等轴承的预期寿命为20000-30000h,根据文献12表13-3取轴承的预期计算寿轴上轴承的校核 （1）求两个轴承受到的径向载荷由轴的校核过程可知（2）计算轴承的轴向力由于轴向力相当小，可知，查文献11表（GB/T281-1994）6-1-50有圆柱孔调心球轴承，查文献12表13-6取冲击载荷因数（3）计算轴承的寿命根据文献12式13-6所以所以轴承满足寿命要求，可知，其他轴承也满足寿命要求。3.3键的选择和校核（1）确定键的类型和尺寸由于是静连接，选用A型普通平键。由表9-14（GB/T1095-1979），查得当轴径时键