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机械毕业设计论文
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机械毕业设计148铁水浇包倾转机构的设计,机械毕业设计论文
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1 目录 摘 要 2 第 1 章 铁水浇包倾转机构的总体设计 1.1 概述 3 1.2 倾转机构的结构 4 1.3 倾转机构的设计计算 6 第 2 章 倾转机构的具体设计 2.1 题目分析 15 2.2 确定传动比 16 2.3 齿轮传动的具体设计 17 2.4 蜗杆传动的具体设计 21 总结 23 致谢 24 参考文献 25 nts 2 摘 要： 设计铁水浇包倾转机构，首先根据设计要求明确倾转机构重要部件的尺寸。倾转机构速度较低，无论 是手动还是机动，通常采用两级减速，第一级传动可用螺旋传动或蜗杆传动，也可采用直齿轮传动。第二级则均采用蜗杆传动，从不同角度考虑几种方案，经过认真比较后，选择了其中的一种方案。即采用手动传动，第一级传动采用圆锥齿轮传动，第二级采用蜗杆传动。根据设计要求计算出倾转机构重要部件的尺寸，而后根据这些基本的尺寸在进行具体的设计，倾转机构实际是一种减速装置，而且能用较小的操作力获的较大的倾转力矩，性能良好的浇包倾转机构必须满足许多的要求。这与浇包倾转机构的设计合理与否有着极大的关系。第一级采用的圆锥齿轮传动，其锥齿轮锝 锥距和锥角是保证啮合的重要尺寸，其锥距应精确到 0.01mm；分锥角应精确到秒，顶锥角和背锥角应精确到分，为控制锥顶的位置，还应注出基准面到锥顶的距离，这一尺寸在轮齿加工调整和装配时都要用到，它影响到啮合的精度。蜗杆、蜗轮的精度等级应根据传动用途，使用条件、传动功率、圆周速度以及其它技术条件要求决定。 关键字： 圆锥直齿轮 蜗轮 蜗杆 nts 3 第一章 铁水浇包倾转机构的总体设计 1.1 概述 在诸如食品机械，化工机械和铸造机械中，常需应用倾转机构。 例如铸就设备中的铁水浇包倾转机构，就是用以控制浇包的一种传动装置。浇包是车间必不可少的浇注工具，浇包工作是否可靠，安全和灵活，与浇包倾转机构的设计合理与否有着极大的关系。 金属浇注的主要工具是浇包，浇包内盛有高温金属熔液，操作中有一定的危险性。要十分注意安全。浇包的转轴要有安全装置，以防意外倾斜。浇注时，铁水包盛满铁水后，重心要比转轴低 100毫米以上，容量大于 500公斤的浇包，必须装有转动机构并能自锁。浇包转动装置要设防护壳，以防飞溅金属进入而卡住。 要注意浇包的质量检查和试验。吊车式浇包至少每半 年检查与试验一次；手抬式浇包每两个月检查与试验一次。吊车式浇包须作外观检查与静力试验，重点部位是加固圈、吊包轴、拉杆、大架、吊环及倾转机构等，特别重要的部位须用放大镜仔细检查。检查前，要清除污垢、锈斑、油污。如发现零件有裂纹、裂口、弯曲、焊缝与螺栓联接不良、铆钉联接不可靠等，均须拆换或修理。浇包的静力试验方法，是将浇包吊至最小高度，试验负荷为该浇包最大工作负荷 125，持续 15 分钟；手提式浇包试验负荷等于其最大工作负荷的 150。经过检查、试验的浇包，如未发现其它缺陷及永久变形，即为合格。浇包使用前要先烘干 ，盛铁水的液面高度不超过浇包高度的八分之七。使用手抬式铁水包时，每人负载不超过 30 公为保证浇注时安全，主要通道要有 3 米宽，浇包要走环形路；火钳、铁棒、火钩和添加剂（硅角、铝、球化剂等）须预热；浇注前，必须检查压铁是否压牢，螺栓卡子是否卡紧；人工抬浇包步调要齐，配合一致，抬时浇口朝外；用吊车进行浇注，司机和吊车指挥员要遵守吊车移动信号，动作要平稳，吊运铁水浇包起吊高度高地面不大于 200毫米；浇注时，浇包尽量靠近口圈，防止铁水浇在压铁或地上；砂箱高度高于 0.7米时，应挖地坑；浇注大砂型，必须注意底部通气，喷出的 一氧化碳再引火烧掉；浇剩的金属液只准倒入锭模及砂型中；倒入前，锭模要预热到 150 200 ，砂坑要干燥。 性能良好的浇包倾转机构必须满足以下要求； 结构安全可靠，有足够的强度和刚度； 1） 操作轻巧灵活，使用方便（易于控制倾倒速度以保证浇注质量）； 2）设计成闭式传动装置。原因是铁水浇包的工作环境比较的恶劣（温度高，尘埃多，铁水废渣等杂质多），对倾转机构的正常工作影响较大之故。 3）应符合通常操作习惯，必须使 倾转机构的手轮转向与浇包倾转方向一致，以避免发生动作而造成生产或人生安全事故； 4）为防止操作中途停顿时浇包体内余留金属的重力引起浇包的倾转逆转事故，倾转机构必须具有自锁或设置制动装置； 5）倾转机构易于制造，便于安装，维修和保养。 nts 4 1.2 倾转机构的结构 为了保证浇注质量，必须控制速度，这就要求倾转机构的运行速度缓慢均匀。所以倾转机构实际上一种减速装置，而且能用较小的操作力获的较大的倾转机构。 倾转机构可以是手动式，也可以是机动式。一般来说，容量在 10 吨以下的中小型铁水浇包其倾转机构大多采用手动 式，而在 10 吨以上的浇包则多采用机动与手动结合的方式，但以机动为主，手动主要在检修或当系统发生故障时使用。 倾转机构的速度较低，无论手动或机动，通常采用两级减速传动，也有采用三级减速传动或行星减速传动。 1.手动倾转机构 如上所述，手动倾转机构多为两级减速装置。第一级传动可用螺旋圆柱齿轮传动或蜗杆传动见图 (1 A)，也可采用直齿圆锥齿轮传动（见图 1 B）。第二级均采用蜗杆传动。 A） 第一级采用螺旋圆柱 B）第一级采用圆锥齿轮 齿轮或蜗杆传动 传动 1蜗杆； 2蜗轮； 3手轮； 4浇包； 5圆锥齿轮； 6螺旋齿轮 图 1 1 浇包传动倾转机构的一般型式 第一级采用圆锥齿轮传动的优点是结构简单，齿面之间的摩擦小，传动效率高，安装调整比较方便，铁水浇包倾转机构中，手轮与主动小圆锥齿轮的轴固定在一起，蜗轮固装在浇包轴上，转动手轮时，通过圆锥齿轮和蜗杆传动使浇包回转，从而带动倾转（应与手轮方向一致）倒出铁水。为使结构简单和径向尺寸紧凑，蜗轮轴的两端支承采用滑动轴承，浇包轴籍浇包板与浇包焊在一起。 0.5 吨小型铁水浇包的倾转机构的机构图 （附图）。其结构特点是蜗轮轴为空心即轴套，通过轴套而与浇包轴联接，构成轴装式结构。这样，圆锥齿轮蜗杆传动减速装置就可作为一个独立的部件进行装拆，给维修带来方便。为了不使生产停顿、检修时可迅速更换一个相同的减速装置而使设备继续工作，从而提高nts 5 生产效率。 第一级采用螺旋圆柱齿轮传动，由于两轴交错，装手轮的小螺旋齿轮布置在大螺旋齿轮的下方，而使减速装置的尺寸比较的紧凑。但因螺旋尺寸传动的承载能力和效率均低，所以这种方案不如第一级采用圆锥齿轮传动的广泛。 2机动倾转机构 对于 10 吨以上的大 型浇包，应当采用机动倾转机构，以控制浇注速度和减轻劳动强度。此外，还可实现远距离操作以策安全。图 1 2 为机动及手动两用的倾转机构的简图，手动时用圆锥齿轮蜗杆两级减速传动；机动时用三级减速传动，即蜗杆圆锥齿轮蜗杆三级传动。机动抑或手动操作通过爪型离合器来控制。机动时，将操纵杆前推，爪型离合器向前接合，使圆锥齿轮的轴与第一级传动的蜗轮，手动时，将操纵杆后拉，离合器向后接合，使圆锥齿轮的轴与手轮连接。 1浇包轴； 2蜗杆； 3蜗轮； 4圆锥齿轮； 5圆锥齿轮； 6蜗杆； 7蜗轮； 8手动制动器； 9爪型离合器； 10操纵杆； 11手轮； 12电动制动器； 13电动机 图 1 2 机动倾转机构简图 nts 6 1.3 倾转机构的设计计算 1.倾转机构 浇包的最大力矩就是减速装置输出轴所需的扭矩。它包括倾转浇包体所需扭矩、浇注过程中倾倒浇包内金属（或其它流体）所需的扭矩和浇包轴处的摩擦力矩。其均值随浇包倾转角度的改变而改变。在此设计中倾转力矩作为原始数据浇包容量 0.5吨，其倾转力矩 0.15KN.m。 2.倾转机构减速装置的传动比 倾转机构传动比 的大小直接影响操作者的劳动强度、浇注速度和浇注质量。因此，确定传动比时必须作如下考虑。 1） 考虑操作力矩时的传动比 前面已指出，倾转机构既是一个减速机构，即操作者能用较小的操作力矩产生较大的倾转力矩。传动比越大，操作者就省力。如果浇包的最大倾转力矩为（ N.m） ,这时 （ 1 1） F.R （ 1 2） 式中： 倾转机构的总效率（ . . ），当采用自锁蜗杆时， 0.3 0.4，当采用非自锁时 0.7 0.9。 F操作者施加于手轮的最大圆周力，连续操作时可取（ 50 100） ,短时间歇操作可取 200N。 R手轮半径，米，可按表 1 1的推荐选用 将式（ 1 2）代入（ 1 1）中，得 考虑浇注速度和浇注质量时的传动比 当手轮转一定时，传动比越大，浇注速度就越慢，过低的浇注速度，除影响生产外，还会在铸件壁厚较薄情况下影响铸件的质量，由此可见传动比不能过大。一般满足 式中： G浇包内的金属容量， Kg 平均浇注速度， Kg/S，可根据铸件的工艺要求照表 1 2 选取 nts 7 1 1 浇包手轮半径推荐值 浇包容量 G, Kg 0.15 (0.75 1.0) (1.5 3) (4 8) (10 12) 手轮半径 R,m 0.2 025 0.35 0.4 0.5 1-2 铸件的平均浇注速 度 铸型中金属容量 Kg 平均浇注速度 Kg/S 铸型中金属容量 Kg 平均浇注速度 Kg/S 90 100 100 250 250 500 500 1000 6 8 8 12 14 20 20 25 1000 5000 5000 10000 10000 5000 25 50 50 80 80 140 注：浇注速度的较小值适用于厚壁件、大件或复杂的合金铸件、较大值适用于薄 壁件。铸型中最大容量即浇包容量 。 为兼顾上述要求，所选定的倾转机构的传动比 应满足下列条件式 : 在生产实践中，可能会遇到 的情况，这时，为保证 ，可考虑有两人同时操作 减速装置传动比的分配 对于手动倾转机构，一般采用两级减速 i 式中： i第一级齿轮传动的传动比，为使减速装置的结构紧凑，齿轮传动的传动比不宜过大，推荐 i 1 3 第二级蜗杆传动的传动比， 应使 80 1.倾转机构中减速传动零件的设计和蜗杆的设计计算 1）对于直齿圆锥齿轮和蜗杆传动 考虑到倾转机构的运动速度较低，工作环境比较恶劣和润滑条件差（图通常用脂润滑 ） 机其它一些原因 ,因此直齿圆锥 齿轮和蜗杆传动的失效形式主要是齿面严重的磨损，导致齿厚变薄，最后造成齿轮折断，所以对这两种传动，主要应保证轮齿的弯曲强度。必须注意，设计时应取小圆锥齿轮的齿数 20，nts 8 以保证尺寸一定时获得足够的模数。此外，考虑到倾转机构的工作安全，通常采用自锁蜗杆传动。 2） 对于螺旋圆柱齿轮传动 （ 1）螺旋齿轮的几何计算 在倾转机构中，通常采用 90度的螺旋齿轮传动，该传动从动轴的转向视主动轴的转向和轮齿的旋向，见图 1 3(A)左旋； 1 3(B)右旋 图 1 3(A)左旋 图 1 3(B)右旋 齿轮的主要参数的计算公式见表 1 3。单个螺旋齿轮的几何尺寸计算斜齿圆柱。 由于螺旋齿轮的传动比 i / ，故在传动 不变的情况下，可用改变螺旋角来改变齿轮的分度圆直径，以达到配凑中心的目的，而齿轮无需进行nts 9 变位。 对于轴交角 90的螺旋角转 动，根据表 1 3得 表 1-3 参数名称 代号 计算公式 说明 传动比 i i / ， 小齿轮齿数 大齿轮齿数 分度圆直径 d = = 发面模数 中心距 a a=1/2( )= ( ) 齿宽 b b 分度圆上的螺旋角 中 心 距 最 小 时 arc =90- 两轮分度圆直径相等时 arc =90- 中心距一定时 =90- 大小齿轮的旋向相同 齿顶圆直径 齿顶高系数，标准 1 应当指出，当 ， ， a和 已知时，由式（ 1-7）求解 十分麻烦。因此，nts 10 将 改写如下： (1-8) 式中 k = + (1-9) K、 i和 三者之间的数值关系列于表 1 4和图 1 9，它们分别适用于下面 两种情况 以确定 i），第一种情（原始数据与所查表 i值一致时） 这时根据原始参数 i和式 1 8求的 K值若中心距未给定，则应预定 值而由式 1 7求出初定中心距 ，在按式 1 8求的 值可查表到 的值，应当指出： A)若 K 值介于表中所列两行的数值之间，则用插入法求得精确的 值； B）若 K 值的 值有两个值即不同解时，则从工艺考虑取小的 值； C）若 K 值比在所查的表列的范围之内时，则表 明无解而应重新确定传动的参数后在求 值。 i i）第二种情况（原始数据与所查表 i值不一致时） 这时，应根据原始参数 i 和按式 1 8 求得的值 K 值查图确定 值的大致范围，接着按式 1 9 定出较小的的范围值，近而用内插入法求得精确的 值。 3）螺旋齿轮传动的强度的计算 根据啮合原理知道，螺旋齿轮传动为点触，而且齿面之间的滑动速度 V甚大，因此磨损剧烈，发热厉害，传动的承载力和效率均低。为使螺旋齿轮传动具有一定的使用寿命，必须采用耐磨性较高的 材料及其组合，并进行充分的润滑。但对此铁水浇包倾转机构来说，难以实现充分润滑，这使螺旋齿轮的承载能力更加受到影响，实践表明，在其它条件相同的情况下，螺旋齿轮传动的承载能力一般只有普通圆柱齿轮的百分之五十左右。 螺旋齿轮传动的主要失效形式是齿面磨损和齿面胶合。作强度计算时候，目前是齿面接触强度为依据，而在许用应力系数 中计入磨损与胶合的因素（对齿轮的弯曲强度计算一般不必进行），其齿面接触强度计算公式如下 nts 11 式中： 发面模数， m m 小齿轮所传递的扭矩， N.m。如果手轮装在小齿轮的轴上，则 也 就是操作力矩，即 ， N.m； 小齿轮分度圆上的螺旋角，初值时可预取 45度，按式 1 10 算得法面模数 后，再按前面所述的方法对 即进行精密的计算。 齿宽系数， b/ ，其中 b为齿宽， m m， 为小齿轮的分度圆的直 径。由于螺旋齿轮传动就是啮合，所以增大齿宽承载能力的有效措施，而且 齿轮越宽，加工也就更加的困难。因此，加工设计时 不宜取得过大，一般可取 0.2 0.6； 小齿轮的齿数，螺旋齿轮传动不产生根切的最小齿数较少，通取 12，这样，在一定的传动尺寸 下可获得较大的模数，有利于轮齿的弯曲强度； 螺旋齿轮传动的许用接触应力，其它与传动的材料组合及滑动速度 有关，按表 1 4 表 1 4 材料组合 滑动速度 ， m/s 主动轮 从动轮 1 2 3 4 5 6 8 10 淬火钢 淬火钢 钢 钢，铸铁 淬火钢 青铜 青铜 铸铁 6.0 3.4 2.5 1.8 5.0 2.7 2.0 1.5 4.0 2.2 1.6 1.2 3.5 1.9 1.4 0.8 3.0 1.6 1.2 2.5 1.4 1.0 2.0 1.2 0.8 1.7 1.0 注： 1;滑动速度（轴交角 90 度时） 式中： 小齿轮的分度圆直径， m m， 为小齿轮的转速， r/min 2表中的 值适用于连续传动，对间歇传动 值可增大百分之五十左右 4.倾转结构中轴与轴承的设计 1）轴 倾转结构中各轴的设计方法与“机械设计”教材所述相同，则视倾转机构的安装方式而定，若减速传动装置做成阻力部件至于蜗轮轴的结构，则蜗轮不是直接而是通过空心蜗轮即中间轴套 15与浇包连接。由于中间轴套 15的壁厚一般不nts 12 大（外经与内径之比值 1.5），故为保证不因切制内、外键槽而过分削弱强度，键槽尺寸应比常规选用的要减小一档。如果键联接的强度不够，则考虑采用双键。若减速装置不做成独立部件，则蜗轮直接安装在浇包轴上。浇包轴除支持浇包体外，还承受浇包内液体金属的重力，因此浇包轴受到弯矩和剪切 力的作用，按实践经验，计算弯曲强度和剪切强度。 计算弯曲强度时，浇包轴的危险剖面 A-A处的弯曲应力。 式中 M按作用于浇包轴上的最大弯矩考虑， M . = Qg , N.m W 危险剖面的抗弯剖面模量， W=0.1 , mm 考虑浇包轴在浇包轴板过渡的应力集中后，浇包轴的弯曲强度条件为 = 或 度计算于一般轴的设计相同 . 表 1 5 浇包容量G, Kg 0.5 1 2.0 5.0 10 15 20 空浇包体自重 ， Kg 120 250 500 1200 2800 4000 5000 2)轴承 倾转机构中各轴的支承，可以采用滚动，也可以采用滑动轴承。一般滚动轴承轻便灵减速装置的油箱密封欠佳，所以润滑油容易发生火警危险，所以润滑剂大多采用耐高温润滑脂。表 1 6列出几种常用润滑脂的性能和应用范围。 nts 13 表 1 6常用润滑脂的性能及用途 应用 范围 可用于工作温度高至120 135 摄氏度的机械，应避免水及湿气环境。 用于工作温度 145 摄氏度以下的各种摩擦副及滚动轴承 又称轴承润滑脂，工作温度可达 80 100摄氏度，广泛用于各种机械的滚动轴承润滑 复合 造基脂 复合钙基 润滑脂 醋酸及脂肪酸的复合钙基 +润滑脂 120135度 0.1 耐水、耐高温 又称高温润滑脂，能在120 135 摄氏度下使用，耐水性也较好 二硫化钼基 复合润滑脂 3 10二硫化钼+ 复合钙基润滑脂 180240度 摩擦系 数低，极低性能良好耐 150200 摄氏度高温度 用于重载、高温、潮湿条件下的矿山、化工机械 烃基脂 膨润土润滑脂 膨润土+ 石蜡润滑油 250度 耐高温，耐潮湿，极压性能好价廉。 用于重载、高温、潮湿条件下的矿山、化工机械 nts 14 2.1 题目分析 考虑到铁水浇包容量较小，手动倾转，拟采用两级减速装置，第一级直齿圆锥齿轮传动，第二级采用自锁蜗杆传动。 第一级采用圆锥齿轮传动的优点是结构简单，齿面之间的摩擦小，传动效率高，安装调整比较方便，铁水浇包倾转机构中，手轮与主动小圆锥齿轮的轴 固定在一起，蜗轮固装在浇包轴上，转动手轮时，通过圆锥齿轮和蜗杆传动使浇包回转，从而带动倾转（应与手轮方向一致）倒出铁水。为使结构简单和径向尺寸紧凑，蜗轮轴的两。但因螺旋尺寸传动的承载能力和效率均低，所以这种方案不如第一级采用圆锥齿轮传动的广泛 2.2 确定传动比 1从操作省力考虑 由原始由式得 62.5 兼顾两方面要求： 3传动比分配 取第一级齿轮传动比 i 1.3 则第二级蜗杆传动比： nts 15 38.5 2.3 齿轮传动的具体设计 第一级采用直齿圆锥齿轮传动（轴交角 90度时） 1）选择齿轮材料热处理 小齿轮选用 45 （ 2）确定齿数比 Z 取 19 则 .i 25 实际传动比 i(即齿数比 u) / 1.315 （ 3）确定齿形系数 /0.9 分度圆锥角 = = = 当量齿数 = / nts 16 = / 其 根据圆锥当量齿数 从由参考资料 1从图 3.7 26查得 齿形系数 =3.04 =2.77 计 手轮所需操作力矩 8.75N 故小齿轮所传递的扭矩 8.75N （ 7）计算齿轮模数 m 按设计公式计算： 19.31 =19.31 =2.48 取 标准模数 m 2.5mm 3）齿轮其它的主要尺寸 大端分度圆直径 m =47.5 m =62.5 锥距 R 1/2 齿宽 b=R R=11.77,取 b 12mm 4)弯曲强度校核计算 （ 1）确定许用弯曲应力 因齿轮的使用期限为 5 年，按每年 300 天计算，每天 16 小时 ，则齿轮的工作总时间为 t=5 300 16 小齿轮转速 nts 17 = 为手轮圆周转速，在正常的操作情况下不应大于 0.8m/s，按=0.8m/s计算，则： 38.2r/min 大齿轮转速 /i 29r/min 应力变化次数 60 t=5.5 /i=4.18 从由参考资料 1从图 3.7 30查得 通常，弯曲疲劳极限应力的循环基数 3 ，所以当应力的循环次数 N时，即认为 按无限寿命计算，这时 1 寿命系数： = =1 根据模数 m 2.5 从由参考资料 1查得 98.5N/ （ 2）计算齿轮圆周力 小圆平均分度圆直径 =(1-0.5 )d 40.375mm = =314.6N (3)确定载荷系数 从由参考资料 1得： 使用系数：载荷平稳， =1. 从由参考资料 1查得 动载系数：应平均速度 =0.08m/s, 取 1 nts 18 参考资料 1查得 载荷 2.4 蜗杆传动的具体设计 1选择蜗杆及蜗轮的材料 蜗杆选用 45号钢调质， HB 270；蜗轮选用铸铁 HT150，砂模铸
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