自动流水线输送系统设计

1 第一章第一章 引言引言 1 11 1 课题提出背景课题提出背景 制造业历来是国民经济的重要组成部分为了提高制造业的技 术水平 制造业在其发展历程中一直在进行着不同水平 不同类 型的自动化 进人 8 十年代后 随着微电子技术和通信技术的吃 速发展 制造业自动化进人到一个新的姗代一基于计算机的集成 制造时代 并且正在向基于人工智能 人 机协调 人 自然协 调的生态工厂时代迈进 促使制造业自动化发展的 3 个技术因素 是 自动化单元技术 自动化的方法学或哲理 与制造业自动化有关 的基础技术 工业自动化技术是一种运用控制理论 仪器仪表 计算机和 其他信息技术 对工业生产过程实现检测 控制 优化 调度 管理和决策 达到增加产量 提高质量 降低消耗 确保安全等 目的综合性高技术 包括工业自动化软件 硬件和系统三大部分 工业自动化技术作为 20 世纪现代制造领域中最重要的技术之一 主要解决生产效率与一致性问题 无论高速大批量制造企业还是 追求灵活 柔性和定制化企业 都必须依靠自动化技术的应用 自动化系统本身并不直接创造效益 但它对企业生产过程起着明 显的提升作用 2 1 提高生产过程的安全性 2 提高生产效率 3 提高产品质量 4 减少生产过程的原材料 能源损耗 据国际权威咨询机构统计 对自动化系统投入和企业效益方面提 升产出比约 1 4 至 1 6 之间 特别在资金密集型企业中 自动化系统占设备总投资 10 以下 起 到 四两拨千金 的作用 传统的工业自动化系统即机电一体化系统主要是对设备和生产过 程的控制 即由机械本体 动力部分 测试传感部分 执行机构 驱动部分 控制及信号处理单元 接口等硬件元素 在软件程序 和电子电路逻辑的有目的的信息流引导下 相互协调 有机融合 和集成 形成物质和能量的有序规则运动 从而组成工业自动化 系统或产品 在工业自动化领域 传统的控制系统经历了继基地式气动仪表控 制系统 电动单元组合式模拟仪表控制系统 集中式数字控制系 统和集散式控制系统 DCS 的发展历程 近年来 随着控制技术 计算机 通信 网络等技术的发展 信 息交互沟通的领域正迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制 管理 各个层次 工业控制机系统一般是指对工业生产过程及其机电设 备 工艺装备进行测量与控制的自动化技术工具 包括自动测量仪 表 控制装置 的总称 今天 对自动化最简单的理解也转变为 3 用广义的机器 包括计算机 来部分代替或完全取代或超越人的 体力 1 21 2 课题的意义课题的意义 总的看来 自动化技术发展趋向是涵盖 精益 灵敏 等概 念在内的 广义的 基于计算机的集成制造 另一方面 从人 社会 自然这 3 个更大的范围来看 制造业自动化的发展趋向可概括为以 下 4 个方面 1 制造业的生产柔性将进一步提高当今世界变化中的市场要求 CIM 是柔性的 制造系统的柔性是衡量制造系统对变化中的市场 技术 及生产条件适应性的尺度 很显然 制造业的柔性是企业竞争 力的一个主要动力 制造柔性是由企业的长期 战略 考虑而产生的 一种生产 经营决策 因而 制造柔性就不仅是个技术问题 而且 也涉及到企业自身的具体情况和条件 以发展中的国家的企业而言 以首先提高人力资源和企业结构资源的柔性为佳 2 人工智能将发挥重要作用 形成基于知识的工厂 1988 年 美国制 造工程师协会 ASME 曾进行过一次调查 以了解 21 世纪中制造工程 师的环境和作用得出的结果是 在目前用于制造业的各种技术中 预 期最有发展前途 需用于工业中的一种技术类型是人工智能 预测 到 21 世纪初 人工智能在工厂中的应用规模将要比目前大 4 倍 4 3 人与机械的进一步协调 强调人在制造系统中的作用 现在已有越来越多的人认识到 高效益的企业的一个主要特征是 在设计和开发适用的软件时 将人的因素结合进去 以驱动现代的 CIM 系统 完全没有人参与的自动化是不现实的 在经济上是不合 算的 人的创造性 判断力和理解力是任何一种机器所无法替代的 4 4 人与环境的进一步协调 生态工厂的出现人与环境的进一步协调 生态工厂的出现 产业革命后的近代产业社会中工业生产领域生产的 人工物 是 人类生存所必须的 但工业废弃物和大量的能源消耗引起的生态环境 破坏也日益严重 引起各国的密切关注 节能和废弃物回收和再利 用 循环使用 已成为文明社会的共识 在这种全球性的保护生态环境 的大趋势下 有人提出了制造业的 生态工厂 E eofactory 的主 张 生态工厂的基本含义是 在力求降低能耗 资源投人的情况下 使产品在生产 消费过程中尽量不损害环境 并使最终的废弃物能 分解 还原 再生和循环利用 这就要求产品在开发和设计过程中 应具有 全球 环保意识 在材料 结构 工艺等方面作出最符合 生态环境要求 的决策 基于这样考虑 今后的制造企业自动化也必然人会向 生态 工厂 自动化方向发展 5 第二章第二章 自动化流水线自动化流水线 2 12 1 自动化流水线自动化流水线定义定义 自动化流水线生产是 生产组织的一种形式 把 生产过程划分 为在时间上相等或成倍比的若干工序 并将其分别固定于按 工艺 过程顺序排列的各工作地 劳动对象按一定的节拍或速度 顺次 流过各工作地进行加工 对不能或不便移动的操作对象 如建筑 物 大型船舶 大型机器及其部件 也可由执行各 工序的工人 按规定速度在劳动对象上顺序连续进行各工序加工 诞生于 第二 次工业革命时期 亨利 福特 Henry Ford 于 1913 年在密歇根州的 Highland Park 建立的生产系统 流水线生产通过一系列的生产方法 包括使用通用的设备 使生产线上的每项任务都有稳定的周期时间 并按照加工工序的 6 顺序 使产品能够迅速 平稳的由一个工位 流动 到下一个工 位 经由生产控制系统 使产品的生产率与最终装配线上的使用 率相符合 流水线生产进一步加大了工人的 劳动强度 它要求工人进行 高强度 高密度作业 因此它刚诞生时饱受争议 但时间证明 它是一种极其有效的生产组织 由于劳动单位不用移动 流水线生产有极高的效率 它使大 规模批量化生产成为可能 同时 因为生产单位只用对劳动对象 进行一部分操作 而无须像以前对劳动对象整体负责 因此使工 人技术进一步 专业化 公司制的建立和蒸汽机的推广使用 促生了流水线生产 而 它又与民族主义一起促生了法西斯主义 由于高生产速度 它还 加快了世界工业化的进程 生产流水线是在一定的线路上连续输送货物搬运机械 又称输送线 或者输送机 按照输送系列产品大体可以分为 皮带流水线 板链 线 倍数链线 插件线 网带线 悬挂线及滚筒流水线这七类流水 线 一般包括牵引件 承载构件 驱动装置 张紧装置 改向装置 和支承件等 流水线输送能力大 运距长 还可在输送过程中同时 完成若干工艺操作 所以应用十分广泛 2 22 2 自动化流水线生产的自动化流水线生产的基基本本原原理理 生产流水线的基本原理是把一个生产重复的过程分解为若干个 7 子过程 前一个子过程为下一个子过程创造执行条件 每一个过 程可以与其它子过程同时进行 简而言之 就是 功能分解 空 间上顺序依次进行 时间上重叠并行 2 2 3 3 自动化流水线自动化流水线的的计计算算方方法法 若在计算 n 个任务地执行时间时 将各个子功能段的实际执 行时间限制为周期时间 则称为各段均取周期法 计算公式 该方法中 计算公式为 T 总 n k 1 周期 其中 k 为总段数 n 为任务总数 各叠加段取最大值法 该方法中 计算公式为 T 总 t1 max t1 t2 max t1 t2 t3 max t1 t2 tk 1 max t1 t2 tk n k 1 max t2 t3 tk max t3 t4 tk max tk 1 tk tk 其中 k 为总段数 n 为任务总数 最省时法 该方法中 计算公式为 T 总 t1 t2 tk max t1 t2 t3 tk n 1 其中 k 为总段数 n 为任务总数 采取哪种方法 8 当各段执行时间不一样时 上述 3 种方法才存在区别 若各 段执行时间一样 三者无区别 第 2 3 种方式依各段时间取值 不一样而可能存在区别 2 2 4 4 自自动动化化流流水水线线的的特特征征及及优优缺缺点点 生产流水线的特征是每一道工序都有特定的人去完成 一步一 步地加工 每个人做一个特定的工作 图 1 1 生产流水线 优点是这样生产起来会比较快 因为每个人只需要做一 样事 对自己所做的事都非常熟悉 缺点是工作的人会很觉得很乏味 常用的生产流水线可分为以下几种 1 板链式装配流水线 特点 承载的产品比较重 和 生产线同步运行 可以实现产 品的爬坡 生产的节拍不是很快 以链板面作为承载 可以实现 产品的平稳输送 2 滚筒式流水线 9 特点 承载的产品类型广泛 所受限制少 与阻挡器配合使 用 可以实现产品的连续 节拍运行以及积放的功能 采用顶升 平移装置 可以实现产品的离线返修或检测而不影响整个流水线 的运行 3 皮带式流水线 特点 承载的产品比较轻 形状限制少 和生产线同步运行 可以实现产品的爬坡转向 以皮带作为载体和输送 可以实现产 品的平稳输送 噪音小 可以实现轻型物料或产品较长距离的输 送 4 差速输送流水线 特点 差速输送流水线采用倍速链牵引 工装板可以自由传 送 采用阻挡器定位使工件自由运动或停止 工件在两端可以自 动顶升 横移过渡 还可以在线可设旋转 专机 检测设备 机 械手等 10 第三章第三章 输送机简介输送机简介 3 13 1 输送机的定义输送机的定义 输送机 Conveyor 是在一定的线路上连续输送物料的 物料 搬运机械 又称连续输送机 输送机可进行水平 倾斜 图 3 1 输送机 和垂直输送 也可组成空间输送线路 输送线路一般是固定的 输送机输送能力大 运距长 还可在输送过程中同时完成若干工 11 艺操作 所以应用十分广泛 可以单台输送 也可多台组成或与其他 输送设备组成水平或 倾斜的输送系统 以满足不同布置形式的作业线需要 输送机械按运作方式可以分为 1 带式输送机 2 螺旋输 送机 3 斗式提升机 3 2 输输送送机机的的主主要要参参数数 一般根据物料搬运系统 的要求 物料装卸地点的各种条件 有 关的生产工艺过程和物料的特性等来确定各主要参数 输送能力 输送机的输送能力是指单位时间内输送的物料 量 在输送散状物料时 以每小时输送物料的质量或体积计算 在输送成件物品时 以每小时输送的件数计算 输送速度 提高输送速度可以提高输送能力 在以 输送带 作牵引件且输送长度较大时 输送速度日趋增大 但高速运转的 带式输送机需注意振动 噪声和启动 制动等问题 对于以 链条 作为牵引件的输送机 输送速度不宜过大 以防止增大 动力载荷 同时进行工艺操作的输送机 输送速度应按生产工艺要求确定 构件尺寸 输送机的构件尺寸包括输送带宽度 板条宽度 料斗容积 管道直径和容器大小等 这些构件尺寸都直接影响输 送机的输送能力 输送长度和倾角 输送线路长度和倾角大小直接影响输送 12 机的总阻力和所需要的功率 3 3 输输送送机机的的特特点点 方向易变 可灵活改变输送方向 最大时可达到180 度 输送机 每单元由 8 只辊筒组成 每一个单元都可独立使用 也可多个单元联接使用 安装方便 输送机伸缩自如 一个单元最长与最短状态之比可达到3 倍 输送机可灵活改变输送方向 最大时可以大于180 度 3 3 4 4输输送送机机的的发发展展历历史史 中国古代的高转筒车和提水的翻车 是现代斗式提升机和 刮 板输送机的雏形 17 世纪中 开始应用架 图 3 2 空索道输送散状物料 19 世纪中叶 各种现代结构的输送机相继 13 出现 1868 年 在英国出现了带式输送机 1887 年 在美国出现 了螺旋输送机 1905 年 在瑞士出现了钢带式输送机 1906 年 在英国和德国出现了惯性输送机 此后 输送机受到机械制造 电机 化工和冶金工业技术进步的影响 不断完善 逐步由完成 车间内部的输送 发展到完成在企业内部 企业之间甚至 城市之 间的物料搬运 成为物料搬运系统机械化和自动化不可缺少的组 成部分 3 3 5 5 输输送送机机的的分分类类 一 输送机一般按有无牵引件来进行分类 具有牵引件的输送机一般包括牵引件 承载构件 驱动装置 张紧装置 改向装置和支承件等 牵引件用以传递牵引力 可采 用输送带 牵引链或钢丝绳 承载构件用以承放物料 有料斗 托架或吊具等 驱动装置给输送机以动力 一般由电动机 减速 器和制动器 停止器 等组成 张紧装置一般有螺杆式和重锤式两 种 可使牵引件保持一定的 张力和垂度 以保证输送机正常运转 支承件用以承托牵引件或承载构件 可采用托辊 滚轮等 14 具有牵引件的输送机的结构特点是 被运送物料装在与牵引 件连结在一起的承载构件内 或直接装在牵引件 如输送带 上 牵引件绕过各滚筒或链轮首尾相连 形成包括运送物料的有载分 支和不运送物料的无载分支的闭合环路 利用牵引件的连续运动 输送物料 这类的输送机种类繁多 主要有带式输送机 板式输送机 小车式输送机 自动扶梯 自动人行道 刮板输送机 埋刮板输 送机 斗式输送机 斗式提升机 悬挂输送机和架空索道等 没有牵引件的输送机的结构组成各不相同 用来输送物料的 工作构件亦不相同 它们的结构特点是 利用工作构件的旋转运 动或往复运动 或利用介质在管道中的流动使物料向前输送 例 如 辊子输送机的工作构件为一系列辊子 辊子作旋转运动以输 送物料 螺旋输送机的工作构件为螺旋 螺旋在料槽中作旋转运 动以沿料槽推送物料 振动输送机的工作构件为料槽 料槽作往 复运动以输送置于其中的物料等 未来输送机的将向着大型化发展 扩大使用范围 物料自动 分拣 降低能量消耗 减少污染等方面发展 大型化包括大输送能力 大单机长度和大输送倾角等几个方 面 水力输送装置的长度已达 440 公里以上带式输送机的单机长 度已近 15 公里 并已出现由若干台组成联系甲乙两地的 带式 输送道 不少国家正在探索长距离 大运量连续输送物料的更完 善的输送机结构 扩大输送机的使用范围 是指发展能在高温 15 低温条件下有腐蚀性 放射性 易燃性物质的环境中工作的 以 及能输送炽热 易爆 易结团 粘性物料的输送机 发展趋向 输送机的发展趋向是 继续向大型化发展 大 型化包括大输送能力 大单机长度和大输送倾角等几个方面 水 力输送装置的长度已达 440 公里以上 带式输送机的单机长度已 近 15 公里 并已出现由若干台组成联系甲乙两地的 带式输送道 不少国家正在探索长距离 大运量连续输送物料的更完善的输 送机结构 扩大输送机的使用范围 发展能在高温 低温条件 下 有腐蚀性 放射性 易燃性物质的环境中工作的 以及能输 送炽热 易爆 易结团 粘性的物料的输送机 使输送机的构 造满足物料搬运系统自动化控制对单机提出的要求 如邮局所用 的自动分拣包裹的小车式输送机应能满足分拣动作的要求等 降低能量消耗以节约能源 已成为输送技术领域内科研工作的一 个重要方面 已将 1 吨物料输送 1 公里所消耗的能量作为输送机 选型的重要指标之一 减少各种输送机在作业时所产生的粉尘 噪声和排放的废气 二 输送机械按使用的用途分 类 1 散料输送机械 如 带式输送机 螺旋输送机 斗式提升机 大 倾角输送机等 1 带式输送机由 驱动装置拉紧装置输送带中部构架和托辊 组成输送带作为牵引和承载构件 借以连续输送散碎物料或成件 16 品 带式输送机是一种摩擦驱动以连续方式运输物料的机械 应 用它 可以将物料在一定的输送线上 从最初的供料点到最终的 卸料点间形成一种物料的输送流程 它既可以进行碎散物料的输 送 也可以进行成件物品的输送 除进行纯粹的物料输送外 还 可以与各工业企业生产流程中的工艺过程的要求相配合 形成有 节奏的流水作业运输线 所以带式输送机广泛应用于现代化的各 种工业企业中 在矿山的井下巷道 矿井地面运输系统 露天采矿场及 选矿 厂中 广泛应用带式输送机 它用于水平运输或倾斜运输 通用带式输送机由输送带 托辊 滚筒及驱动 制动 张紧 改向 装载 卸载 清扫等装置组成 输送带 常用的有橡胶带和塑料带两种 橡胶带适用于工作环境温 度 15 40 C 之间 物料温度不超过 50 C 向上输送散粒料的 倾角 12 24 对于大倾角输送可用花纹橡胶带 塑料带具有 耐油 酸 碱等优点 但对于气候的适应性差 易打滑和老化 带宽是带式输送机的主要技术参数 托辊 分单滚筒 胶带对滚筒的包角为 210 230 双滚筒 包角达 350 和多滚筒 用于大功率 等 有槽形托辊 平 形托辊 调心托辊 缓冲托辊 槽形托辊 由2 5 个辊子组成 17 支承承载分支 用以输送散粒物料 调心托辊用以调整带的横向 位置 避免跑偏 缓冲托辊装在受料处 以减小物料对带的冲击 滚筒 分驱动滚筒和改向滚筒 驱动滚筒是传递动力的主要部件 分单滚筒 胶带对滚筒的包角为 210 230 双滚筒 包角 达 350 和多滚筒 用于大功率 等 张紧装置 其作用是使输送带达到必要的张力 以免在驱动滚筒上打滑 并使输送带在托辊间的挠度保证在规定范围内 带式输送机的技术优势 首先是它运行可靠 在许多需要连续运行的重要的生产单位 如发电厂煤的输送 钢铁厂和水泥厂散状物料的输送 以及 港口 内船舶装卸等均采用带式输送机 如在这些场合停机 其损失是 巨大的 必要时 带式输送机可以一班接一班地连续工作 带式输送机动力消耗低 由于物料与输送带几乎无相对移动 不仅使运行阻力小 约为刮板输送机的 1 3 1 5 而且对货载 的磨损和破碎均小 生产率高 这些均有利于降低生产成本 带式输送机的输送线路适应性强又灵活 线路长度根据需要 而定 短则几米 长可达 10km 以上 可以安装在小型隧道内 也可以架设在地面交通混乱和危险地区的上空 根据工艺流程的要求 带式输送机能非常灵活地从一点或多 18 点受料 也可以向多点或几个区段卸料 当同时在几个点向输送 带上加料 如选煤厂煤仓下的输送机 或沿带式输送机长度方向上 的任一点通过均匀给料设备向输送带给料时 带式输送机就成为 一条主要输送干线 图 3 3 带式输送机可以在贮煤场料堆下面的巷道里取料 需要时 还能 把各堆不同的物料进行混合 物料可简单地从输送机头部卸出 也可通过犁式卸料器或移动卸料车在输送带长度方向的任一点卸 料 2 螺旋输送机俗称绞龙 适用于颗粒或粉状物料的水平输 送 倾斜输送 垂直输送等形式 输送距离根据畸形不同而不同 一般从 2 米到 70 米 输送原理 旋转的 螺旋叶片将物料推移而进行螺旋输送机输 送 使物料不与螺旋输送机叶片一起旋转的力是物料自身重量和 螺旋输送机机壳对物料的摩擦阻力 结构特点 螺旋输送机旋转轴上焊有螺旋叶片 叶片的面型 根据输送物料的不同有实体面型 带式面型 叶片面型等型式 19 螺旋输送机的螺旋轴在物料运动方向的终端有止推 轴承以随物料 给螺旋的轴向反力 在机长较长时 应加中间吊挂轴承 双螺旋输送机就是有两根分别焊有旋转叶片的旋转轴的螺旋 输送机 说白了 就是把两个螺旋输送机有机的结合在一起 组 成一台螺旋输送机 螺旋输送机旋转轴的旋向 决定了物料的输送方向 但一般 螺旋输送机在设计时都是按照单项输送来设计旋转叶片的 当反 向输送时 会大大降低输送机的使用寿命 3 斗式提升机 利用均匀固接于无端牵引构件上的一系列 料斗 竖向提升物料的连续输送机械 斗式提升机具有输送量大 提升高度高 运行平稳可靠 寿 命长显著优点 其主要性能及参数符合 JB3926 85 垂直斗 式提升机 该标准等效参照了国际标准和 国外先进标准 牵引 圆环链符合 MT36 80 矿用高强度圆环链 本提升机适于输 送粉状 粒状及小块状的无磨琢性及磨琢性小的物料 如 煤 水泥 石块 砂 粘土 矿石等 由于提升机的牵引机构是环行 链条 因此允许输送温度较高的材料 物料温度不超过 250 一般输送高度最高可达 40 米 20 第四章第四章 输送系统设计输送系统设计 4 14 1 输送系统总体设计输送系统总体设计 4 1 14 1 1 输送方案输送方案 1 设计要求 卷筒直径 D 300mm 带上物体重量 2000g 牵引力 F 3400N 线速度 V 0 75m s 连续单向运转 载荷平衡 空载启动 使用年限 10 年 批量生产 两班制工作 运输带的速度误差允许 5 2 电动机直接由联轴器与减速器连接 减速器由联轴器与卷筒 连接 3 减速器采用二级圆柱齿轮减速器 21 4 1 24 1 2 电动机的选择 电动机的选择 1 选择电动机的类型 按工作要求和条件 选用三相笼型异步电动机 封闭式结构 电压 380V Y 型 2 选择电动机的容量 由电动机至运输带的传动总效率为 4 2 3 4 2 2 1 a 分别是联轴器 轴承 齿轮传动和卷筒的传动效率 4321 分别取 0 99 0 98 0 97 0 96 1 2 3 4 8330960970980990 232 a 所以 KW VF d 06 3 83301000 75 03400 1000 KW VF w 55 2 1000 75 0 34 1000 3 确定电动机的转速 卷筒轴的工作转速为 min77 47 300 75 0100060100060 r D V n 按指导书表一 查二级圆柱齿轮减速器的传动比 故电动机转速的40 8 i 可选范围 符合这一范围的同min 8 191016 38277 47408 2 r nin d 步转速有 750 1000 1500r min 根据容量和转速 由指导书 P145 取电动机型号 Y132M1 6 4 1 34 1 3 确定传动装置的总传动比和分配传动比 确定传动装置的总传动比和分配传动比 电动机型号为 Y132M1 6 min960rnm 1 总传动比 10 20 77 47 960 n n i m a 2 分配传动装置传动比 由公式 求得 21 i iia 21 i 4 1 3 1 i 31 5 1 i79 3 2 i 4 1 44 1 4 计算传动装置的运动和动力参数 计算传动装置的运动和动力参数 1 计算各轴转速 22 轴 1 min960 1 rn 轴 2 min79 180min 31 5 960 1 1 2 rr i n n 轴 3 min77 47min 79 3 79 180 2 2 3 rr i n n 2 计算各轴输入功率 轴 1 KWKWPP d 03 3 99 0 06 3 11 轴 2 KWKWPP88 2 97 0 98 0 03 3 3212 轴 3 KWKWPP74 2 97 0 98 0 88 2 3223 卷筒轴 KWKWPP66 2 99 0 98 0 74 2 1234 3 计算各轴输入转矩 电动机输出转矩 mNmN n P T m d d 44 30 960 06 3 95509550 1 3 轴的输入转矩 轴 1 mNmNTT d 14 3099 044 30 11 轴 2 mNmNiTT 01 15931 5 97 0 98 0 14 30 13212 轴 3 mNmNiTT 18 54779 3 97 0 98 0 01 159 23223 卷筒轴输入转矩 mNmNTT 87 53099 0 98 0 18 547 1234 1 3 轴的输出转矩则分别为各轴的输入转矩乘轴承效率 0 98 运动和动力参数计算结果整理与下 效率 P KW 转矩 T mN 输入输出输入输出 转速 n r min 传动 比 i 效 率 电机轴3 0630 449601 00 99 轴 1 3 032 9930 1429 54960 5 310 95 轴 2 2 882 82159 01155 83180 79 轴 3 2 742 69547 18536 2447 77 3 790 95 23 卷筒轴 2 662 61530 87520 2547 77 1 00 97 4 24 2 传动零件的设计计算传动零件的设计计算 一 高速级减速齿轮设计 1 选定齿轮类型 精度等级 材料及齿数 1 选用斜齿圆柱齿轮传动 2 运输机为一般工作机器 速度不高 由有机设书表 10 8 知 选用 7 级精度 GB10095 88 3 材料选择 有机设书表 10 1 选择小齿轮材料为 40Cr 钢 调质 硬度为 280HBS 大齿轮材料为 45 钢 调质 硬度为 240HBS 二者材料硬度差为 40HBS 4 选小齿轮齿数为 大齿轮齿数23 1 Z12231 5 23 12 iZZ 5 初选螺旋角 14 2 按齿面接触强度设计 由设计计算公式 10 21 进行试算 即 3 2 1 1 12 H EH d t t ZZ u uTK d 1 确定公式内的各计算数值 1 试选载荷系数 6 1 t K 2 计算小齿轮传递的转矩 mmNT 33 1 1054 291098 0 14 30 3 由表 10 7 选取齿宽系数 1 d 4 由表 10 6 查得材料的弹性影响系数 2 1 8 189 MPaZE 5 由图 10 21d 按齿面硬度查得 小齿轮的接触疲劳强度极限 MPa H 600 1lim 大齿轮的接触疲劳强度极限 MPa H 550 2lim 6 由式 10 13 计算应力循环次数 hjLnN h 9 11 107648 2 1030082 19606060 hiNN 89 112 10982 4 31 5 107648 2 7 由图 10 19 查得接触疲劳寿命系数 93 0 1 HN K98 0 2 HN K 24 8 计算接触疲劳许用应力 取失效概率为 1 安全系数 S 1 得 S KK HHNHHN HH H 22 2lim21lim121 MPaMPa 5 548 12 55098 060093 0 9 由图 10 30 选取区域系数43 2 H Z 10 由图 10 26 查得 则 765 0 1 885 0 2 65 1 21 2 计算 1 试算小齿轮分度圆直径 代入数值 t d1 3 2 1 1 12 H EH d t t ZZ u uTK d mmmm 5 38 5 548 8 18943 2 31 5 131 5 65 1 1 1014 306 12 3 2 3 2 计算圆周速度 v smsm nd v t 93 1 60000 960 5 38 100060 11 3 计算尺宽 b mmmmdb td 5 38 5 381 1 4 计算尺宽与齿高比 b h 模数 mmmm z d m t nt 62 1 23 14cos 5 38cos 1 1 齿高 mmmmmh nt 645 3 62 1 25 2 25 2 56 10645 3 5 38 hb 5 计算纵向重合度 83 1 14tan231318 0 tan318 0 1 z d 6 计算载荷系数 根据 7 级精度 由图 10 8 机设书 查得动载系数smv 93 1 08 1 v K 由表 10 2 查得使用系数1 A K 因斜齿轮 假设 mmNbFK tA 100 由表 10 3 查得 4 1 FaHa KK 25 由表 10 4 插值查得 7 级精度 小齿轮相对支承非对称布置式 417 1 H K 由 b h 10 53 查图 10 13 得 故载荷系数417 1 H K325 1 F K 14 2 417 1 4 108 1 1 HHVA KKKKK 7 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径 由式 10 10a 得 mmmm K K dd t t 35 42 6 1 14 2 5 38 3 3 11 8 计算模数 m mmmm z d mn79 1 23 14cos35 42cos 1 1 3 按齿根弯曲强度设计 由式 10 17 得弯曲强度的设计公式为 3 2 1 2 1 cos2 F SaFa d n YY z YKT m 1 确定公式内各计算数值 1 计算载荷系数 2325 14 108 11 FFVA KKKKK 2 根据纵向重合度 从图 10 28 查得螺旋角影响系数 83 1 88 0 Y 3 计算当量齿数 20 25 14cos 23 cos 33 1 1 Z Zv67 133 14cos 122 cos 33 2 2 Z Zv 4 查取齿形系数 由表 10 5 查得 616 2 1 F Y153 2 2 F Y 5 查取应力较正系数 由表 10 5 查得 591 1 1 S Y817 1 2 S Y 6 由图 10 20c 查得 小齿轮的弯曲疲劳强度极限 MPa FE 500 1 大齿轮的弯曲疲劳强度极限 MPa FE 380 2 7 由图 10 18 取弯曲疲劳寿命系数 86 0 1 FN K91 0 2 FN K 8 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 26 MPaMPa S K FEFN F 14 307 4 1 50086 0 11 1 MPaMPa S K FEFN F 247 4 1 38091 0 22 2 9 计算大 小齿轮的并加以比较 F SaFaY Y 01355 0 14 307 591 1 616 2 1 11 F SaFaY Y 01584 0 247 817 1 153 2 2 22 F SaFa YY 大齿轮的数值大 2 设计计算 3 2 1 2 1 cos2 F SaFa d n YY z YKT m mmmm21 101584 0 65 1 231 14cos88 0 1054 2922 3 2 23 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 即模数与齿数的乘积 有关 可取由弯曲强度算得的模数 1 21mm 并就近圆整为标准值 mmm25 1 1 但为了同时满足接触疲劳强度 需按接触疲劳强度算得分度圆直径 来计算应有的齿数 于是有 mmd35 42 1 小齿轮齿数 取 86 32 25 1 14cos35 42cos 1 1 n m d z 33 1 z 大齿轮齿数 1753331 5 12 uzz 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 并做到结构紧凑 避免浪费 4 几何尺寸计算 1 计算中心距 mmmm mzz a02 134 14cos2 25 1 17533 cos2 121 1 将中心距圆整为 135mm 27 2 按圆整后的中心距修正螺旋角 63 15 1352 25 1 17533 2 arccos 121 a mzz 因 值改变不多 故 等不必修正 20 8 K H Z 3 计算大 小齿轮的分度圆直径 mmmm zz azmz d84 42 17533 3313522 cos 21 111 1 mmmm zz azmz d16 227 17533 17513522 cos 21 212 2 4 计算齿轮宽度 mmmmdb d 84 4284 421 1 取 mmB50 1 mmB45 2 5 验算 NN d T Ft 1 1379 84 42 10954 2 22 4 1 1 合适mmNmmNmmN b FK tA 100 19 32 84 42 1 13791 二 低速级减速齿轮设计 1 选定齿轮类型 精度等级 材料及齿数 1 选用斜齿圆柱齿轮传动 2 运输机为一般工作机器 速度不高 有机设书表 10 8 知 选用 7 级精度 GB10095 88 3 材料选择 由机设书表 10 1 选择小齿轮材料为 40Cr 钢 调质 硬度为 280HBS 大齿轮材料为 45 钢 调质 硬度为 240HBS 二者材料硬度差为 40HBS 4 选小齿轮齿数为 大齿轮齿数23Z3 789723i ZZ 234 5 初选螺旋角 14 2 按齿面接触强度设计 由设计计算公式 10 21 进行试算 即 3 2 2 3 12 H EH d t t ZZ u uTK d 1 确定公式内的各计算数值 28 1 试选载荷系数 61 Kt 2 计算小齿轮传递的转矩 mmNmmNT 33 2 1083 1551098 0 01 159 3 由表 10 7 选取齿宽系数 1 d 4 由表 10 6 查得材料的弹性影响系数 2 1 8 189 MPaZE 5 由图 10 21d 按齿面硬度查得 小齿轮的接触疲劳强度极限 MPa H 600 3lim 大齿轮的接触疲劳强度极限 MPa H 550 4lim 6 由式 10 13 计算应力循环次数 hNN 8 23 10982 4 hiNN 88 234 10315 1 79 3 10982 4 7 由图 10 19 查得接触疲劳寿命系数 93 0 3 HN K95 0 4 HN K 8 计算接触疲劳许用应力 取失效概率为 1 安全系数 S 1 得 S KK HHNHHN HH H 22 4lim43lim321 MPaMPa25 540 12 55095 060093 0 9 由图 10 30 选取区域系数 43 2 H Z 10 由图 10 26 查得 则 765 0 3 87 0 4 635 1 43 2 计算 1 试算小齿轮分度圆直径 代入数值 t d3 3 2 2 3 12 H EH d t t ZZ u uTK d mmmm49 65 25 540 8 189433 2 79 3 179 3 635 11 1083 1556 12 3 3 2 计算圆周速度 v smsm nd v t 62 0 60000 79 18049 65 100060 23 29 3 计算尺宽 b mmdb td 49 6549 651 3 4 计算尺宽与齿高比 b h 模数 mmmm z d m t nt 76 2 23 14cos49 65cos 3 3 齿高 mmmmmh nt 21 6 76 2 25 2 25 2 55 1021 6 49 65 hb 5 计算纵向重合度 83 1 14tan231318 0 tan318 0 3 z d 6 计算载荷系数 根据 7 级精度 由图 10 8 机设书 查得动载系数smv 62 0 02 1 v K 由表 10 2 查得使用系数15 A K 斜齿轮 假设mmNbFK tA 100 由表 10 3 查得4 1 FaHa KK 由表 10 4 查得 7 级精度 小齿轮相对支承非对称布置式 423 1 H K 由 b h 10 55 查图 10 13 得 故载荷系数423 1 H K335 1 F K 03 2 423 1 4 102 1 1 HHVA KKKKK 7 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径 由式 10 10a 得 mmmm K K dd t t 73 70 6 1 03 2 49 65 3 3 33 8 计算模数 m mmmm z d mn98 2 23 14cos73 70cos 3 3 3 按齿根弯曲强度设计 由式 10 17 得弯曲强度的设计公式为 3 2 3 2 2 cos2 F SaFa d n YY z YKT m 1 确定公式内的各计算数值 1 计算载荷系数 91 1335 14 102 11 FFVA KKKKK 2 根据纵向重合度 从图 10 28 查得螺旋角影响系数 83 1 88 0 Y 30 3 计算当量齿数 18 25 14cos 23 cos 33 3 3 Z Zv24 95 14cos 87 cos 33 4 4 Z Zv 4 查取齿形系数 由表 10 5 查得 616 2 3 F Y190 2 4 F Y 5 查取应力较正系数 由表 10 5 查得 591 1 3 S Y785 1 4 S Y 6 由图 10 20c 查得 小齿轮的弯曲疲劳强度极限 MPa FE 500 3 大齿轮的弯曲疲劳强度极限 MPa FE 380 4 7 由图 10 18 取弯曲疲劳寿命系数 91 0 3 FN K92 0 4 FN K 8 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 MPaMPa S K FEFN F 325 4 1 50091 0 33 3 MPaMPa S K FEFN F 71 249 4 1 38092 0 44 4 9 计算大 小齿轮的并加以比较 F SaFaY Y 014368 0 325 591 1 616 2 3 33 F SaFa YY 015655 0 71 249 785 1 190 2 4 44 F SaFa YY 大齿轮的数值大 2 设计计算 3 2 3 2 2 cos2 F SaFa d YY z YKT m mmmm07 2 015655 0 635 1 231 14cos88 01083 15591 1 2 3 2 23 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强度所决定的承载能力 31 而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力 仅与齿轮直径 即模数与齿数的乘积 有关 可取由弯曲强度算得的模数 2 07mm 并就近圆整为标准值 但mm m52 2 为了同时满足接触疲劳强度 需按接触疲劳强度算得分度圆直径 mmd73 70 3 来计算应有齿数 于是有 小齿轮齿数 取 4 27 52 14cos73 70cos 3 3 m d z n 27 3 z 大齿轮齿数 取 33 1022779 3 34 uzz102 4 z 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 并做到结构紧凑 避免浪费 4 几何尺寸计算 1 计算中心距 mmmm mzz a24 166 14cos2 5 2 10227 cos2 243 2 将中心距圆整为 166mm 2 按圆整后的中心距修正螺旋角 74 13 1662 5 2 10227 2 arccos 243 a mzz 因 值改变不多 故 等不必修正 20 8 K H Z 3 计算大 小齿轮的分度圆直径 mmmm zz azmz d49 69 10227 2716622 cos 43 323 3 mmmm zz azmz d51 262 10227 10216622 cos 43 424 4 4 计算齿轮宽度 取 mmmmdb d 49 6949 691 3 mmB75 1 mmB70 2 5 验算 NN d T Ft33 4406 73 70 1083 15522 3 3 2 合适mmNmmNmmN b FK tA 100 30 62 73 70 33 44061 第三部分 轴的设计 32 一 高速轴的设计 1 选择轴的材料 由于减速器传递的功率不大 其重量无特殊要求故选择和小齿轮一样的材料 40Cr 钢 调质处理 2 初步计算轴的最小直径 用初步估算的方法 即按纯扭矩并降低许用扭转切应力确定轴径 d 计算公 式 选用 40Cr 调质钢 查机设书 P370 表 15 3 得 3 0 n P Ad 106 0 A mm d55 15 960 033 106 3 在第一部分中已经选用的电机 Y132M1 6 D 38 查指导书 P128 选用联轴器 HL3 故 mmd30 min 3 轴的结构设计 1 拟定轴上零件的装配方案 经分析比较 选用如下方案 2 各轴的直径和长度 1 联轴器采用轴肩定位 半联轴器长度 半联轴器mmd30 1 mmL82 与轴配合的毂孔长度 为了保证轴肩对半联轴器的可靠定位 故选mmL60 1 择mmL58 1 2 初步确定滚动轴承 8 因齿轮为斜齿轮则轴承受径向力和轴向力作用 高速级转速较高 载荷 一般 故选用角接触球轴承 7007AC 故mmmmmmBDd156235 mmd35 3 mmL14 3 3 当直径变化处的端面是为了固定轴上零件或承受轴向力时 则相邻直径 变化要大些 故 mmd40 4 mmL106 4 4 当轴径变化仅为了装配方便或区别加工表面时 不承受轴向力也不固定 轴上零件的 则相邻直径变化较小 即 mmd32 2 mmL50 2 mmd35 6 mmL32 5 33 3 轴上零件的周向定位 半联轴器与轴的周向定位采用普通 C 型平键连接 mmLmmd58 30 11 查机设书 P106 表 6 1 选用键为 半联轴器与轴的配合为mmLhb50810 滚动轴承与轴的周向定位采用过度配合保证 选轴的直径尺寸公差 m6 6 7 k H 4 确定轴向圆角和倒角尺寸 参照机设书 P365 表 15 2 取轴端倒角 各轴肩出圆角半径见轴 456 1 的零件图 5 求轴上的载荷 小齿轮分度圆直径 mmd84 42 1 NN d T Ft08 1379 84 42 1054 2922 3 1 1 1 NN F F t r 23 521 63 15cos 20tan08 1379 cos 20tan 1 NNFF ta 82 38563 15tan08 1379tan 1 首先根据轴的结构图作出以下受力分析图 在确定轴承的支撑点位置时 应从手册中查取 a 的值 对于 7007AC 型角接触球轴承 由指导书 P122 页查得 a 20 1mm 因此 作为简支梁的轴的支承跨距为 mmll 8 163 9 36 9 126 32 根据轴的计算简图作出轴的弯矩图和扭矩图 从轴的结构图以及弯矩图可以看 出齿轮中心截面受弯矩较大 计算该截面出的力与矩 34 NN ll lF F t NH 67 310 9 36 9 126 9 3608 1379 32 31 1 NN ll lF F t NH 41 1068 9 369 126 9 12608 1379 32 21 2 mNmmNlFM NHH 42 39 9 12667 310 211 mNmmNlFM NHH 42 39 9 3641 1068 322 mNmmN DF M ae a 26 8 2 84 4282 385 2 35 NN ll MlF F ar NV 85 167 9 36 9 126 1026 8 9 3623 521 3 32 31 1 NN ll MlF F ar NV 38 353 9 36 9 126 1026 8 9 12623 521 3 32 21 2 mNmmNlFM NVV 3 21 9 12685 167 211 mNmmNlFM NVV 04 13 9 3638 353 322 mNmNMMM HV 81 4442 39 3 21 22 2 1 2 11 mNmNMMM HV 52 4142 3904 13 22 2 2 2 22 mNTT 54 29 1 载荷水平面 H垂直面 V 支持力 F NF NF NH NH 41 1068 67 310 2 1 NF NF NV NV 38 353 85 167 2 1 弯矩 M mNMH 42 39mNM mNM V V 04 13 3 21 2 1 总弯矩 mNM mNM 52 41 81 44 2 1 扭矩mNT 54 29 6 按弯矩合成应力校核轴的强度 进行校核时 通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面强度 根据 P373 式