球径收卷机结构设计

球径收卷机结构设计摘 要本设计是针对球径收卷机进行设计的。在设计过程中，借鉴了国内一些现有机床的设计资料，结合被加工零件的结构特征，在常州中意牛仔布设备厂在现有的收卷机的基础上改进而成的。球径收卷机设计主要包括传动箱的设计和机床整体的设计。收卷机的传动部分采用闭式齿轮传动箱，机床设计为机械传动式。原来的机床采用的是双级 V 带传动，传动效率低、精度不高；改进后，不仅提高了传动效率，而且保证加工精度，同时也使得机床机构具有良好的结构工艺性。本次设计主要是将原来传动部分的减速装置改为传动箱传动装置，使得传动部分的性能得到了很大的改善。关键词: 球径收卷机 调速箱 效率 精度 工艺性2目录前言-5一总体设计方案-9二.机床总体设计方案-91机床配置形式-92机床传动方式设计-103电机确定设计-104计算传动箱总传动比及分配个级传动比-115计算传动装置的运动和动力参数-12三.传动箱的总体设计-141选择电动机-142齿轮的设计-153轴的校核-204皮带轮的设计与计算-24四.样机试验 -271样机试验要求-272样机试验结果-273进行精度测试-27五结论-28设计工作小结 -29参考文献-30球径收卷机结构设计前言收卷机最近几年取得了长足的进步，但是与发达国家相比，在产业结构、产品水平、开发能力、产业规模、制造技术水平、劳动生产率、国内外市场占有率等诸多方面尚存在不少差距。在收卷机方面，总体水平不高，国际竞争力不强，不能充分满足国内棉纺织业的需要。球径收卷机为用于收卷各种规格的布料而使卷筒复皮辊的轴芯,使表面接触完好，提高生产效率，是棉纺布料加工必备设备。中国今后要提高各种机器的质量、精度、生产效率，必须特别重视改进毛坯质量，提高加工工艺水平，加速各种收卷机的发展。建议应做好以下几个方面的工作： 加强管理技术、工人人才的培训与培养。有了精通业务的各种人才，才能把握全局，充分发挥个体、集体作用，使整个收卷机产业高速发展。 加强科研工作，认真分析国内外市场需求，加速开发创新。开展新工艺、新材料、新结构、新元件的开发创新工作，对国内外市场急需的各类收卷机努力开发满足需要。 加速产业化和专业化步伐。只有加速企业改制、4改组、改革步伐，加强夜压式收卷机和数控收卷机的专业化生产，才能提高生产效率，加速量大面广收卷机的开发生产。在收卷机的设计过程中，为了降低收卷机的制造成本，应尽可能地使用通用件和标准件。目前，我国设计制造的收卷机，其通用部件和标准件约占部件总数的 7080%，其它 20-30%是专用零部件。考虑到近年来，各种通用件和标准件都出台了新的标准及标注方法，为了方便以后收卷机的维修，整个收卷机的通用件和标准件配置，都采用了新标准。在对收卷机的传动箱设计之前，需对传动部分所要达到的要求进行分析，如各部件尺寸、材料、硬度及加工精度和表面粗糙度等内容。接下来是总体方案的设计，总体方案设计的具体工作是：确定传动部分的装置，对于传动部分常州中意牛仔布设备厂采用的是由电动机通过双级 V 代变速到下卷筒。这种传动装置结构简单，成本低，但是传动效率不高，传动精度低。因而，对其传动部分进行了必要的改进。收卷机的传动部分主要是起到减速的作用，最初我考虑采用了减速箱装置或者传动箱装置。由于减速箱采用的是部分式结构，整体结构比较复杂，那样铸造起来比较麻烦，而且采用减速箱必须采用检查盖等等零部件，这样生球径收卷机结构设计产成本就提高了，为降低生产成本并可使设计变得更加简洁明了，我觉得采用传动箱更加合适。传动箱的箱体部分采用的是整体式，整个箱体结构简单，铸造箱体时很简单，与减速箱相比在结构上要简单得多，而且不需要采用减速箱所采用的检查盖，检查传动内部结构时比减速箱方便得多。从外形上看也很美观。总的来说，传动箱比减速箱有很大的优越性。对于床身部分的设计采用原厂的机械传动式，这样便于使用者方便自如的操作机床的，操作人员只要用脚踏踏板就可以对卷筒是否工作进行控制。原厂在机床零件之间的磨损和润滑方面考虑了都不够以及传动方面都考虑得不够，我在设计过程中则比较着重考虑了这方面的问题。因而，我所设计的球径收卷机比原厂的机器无论是从结构还是性能上面都有很大的改进，而且工艺要求也有了很大的提高。本次毕业设计的课题是收卷机的设计。本课题来源于常州中意牛仔布设备厂。该厂生产的收卷机销路十分走俏，市场需求量大，畅销国内外市场，现在该厂迫切需要改变现有的生产条件，进行提高生产率、改善产品质量方面的技术改造，使产品的加工成本降低、合格率上升，在市场上具有较强的竞争能力，从而提高效益。本次设计主要是本次毕业设计的课题是球径收卷机的6设计，原来的机床采用的是双级 V 带传动，传动效率低、精度不高；改进后，不仅提高了传动效率，而且保证加工精度，同时也使得机床机构具有良好的工艺性。传动箱设计是球径收卷机设计中的一个重要传动部分，首先根据已知条件，确定传动箱的总的传动比，然后根据齿轮传动进行传动比分配，根据分配的传动比进行齿轮和轴的校核计算，从而最终确定齿轮和轴的大小，进一步进行传动箱的总体设计。设计的整个过程是艰辛的，在设计过程中必须要考虑到方方面面的问题。由于所学的知识只是一些最基本的机械常识，因此，在设计过程中，还要查阅大量的相关资料，以补充自己的不足之处。首先，要有丰富的实践经验。纵观整个机床设计，仅靠一些参考资料是远远不够的，这样设计出来的收卷机只是依葫芦画瓢，结构完美、外形美观，但实用性差。其次，运用三年来所学的专业知识，针对现实中遇到的实际情况，做到举一反三，触类旁通。整个设计过程不仅涉及到以前所学的知识，而且还涉及到一些新的理念，这就要求我们一边温习以前的知识，一边还要学习新的知识，可以说，整个设计过程就是我们复习和学习的过程，这不仅巩固了以前所学的东西，也拓宽了视野。最后，通过自身的努力，理论与实际联系，从合理性、经济性、工艺性、实用性及对被加工零件的具体要求对现有球径收卷机结构设计机床进行研究和分析，找出可以进行改进的地方，通过相互对比，确定一个新的、周全的设计方案，同时，在指导老师和同学的帮助下，最终完成了这一课题的设计。一、总体方案设计本设计主要是针对球径收卷机进行设计的。为确保设计的球径收卷机经济适用，需要深入常州中意牛仔布设备厂进行实际考察，与企业工程技术人员共同讨论、拟订球径收卷机总体设计方案。 首先进行机床传动部分的设计，确定采用传动箱装置。传动箱采用的是闭式齿轮传动，从而保证了传动效率和传动的平稳性。然后进行机床的总体设计，确定机床采用机械传动式传动。在设计过程中，应对设计所需的电机功率、传动效率和收卷速度进行科学阐述。球径收卷机的设计要满足加工需求，保证加工精度，传动平稳、工作可靠、结构简单、装卸方便，便于维修、调整，设计时尽可能选用通用部件。二、机床总体设计1.机床配置形式收卷机设计为立式。立式机床占地面积小，自由度大，操作方便，但机床重心高，振动大。总体结构示意图如下：82.机床的传动方式设计收卷机的传动方式一般分为机械传动式和液压传动式。液压传动式收卷机其传动方式是通过液压装置来实现对上卷筒的控制。液压传动最大的缺点就是操作人员在操作机床的过程需要不停的按动机床的开关控制按钮来实现对机床的上卷筒的工作控制。在夜压装置出现故障则需要专业人员进行维修，在维修方面很不方便。机械传动式是操作人员只需要通过脚踏踏板使得上卷筒向下施加压力从而进行工作，如果上卷筒不工作时，只需脚离开踏板就可以实行这样的控制了。机械传动传动式主要是通过四杆机构来实现的，其最大的优点就是结构简单，价格便宜，维修方便。机械传动式和液压传动式相比有很大的优越性，其生产成本低、操作方便、维修也很方便，当机器出现故障时不需要专业人员进行维修，一般操作人员就可以解决基本问题。目前国内大多数厂家生产的收卷机都采用的是机械传动式，这种传动方式很好控制操作，而且生产成本较液压传动式也很大的降低，对于一般的用户只需要采用机械传动式就可以。球径收卷机结构设计3. 电机确定的设计（1） 选择电动机的类型，根据要求卷筒压力 470N V=0.75M/S按已知工作要求和条件选用 Y 系列一般用途的全封闭自扇冷鼠笼型三相异步电动机。（2） 确定电动机功率工作装置所需的功率 按公式 2-2 计算wPKW 卷筒压力 Fn=470N wVFP10查丁氰摩擦系数手册 =0.8Fw 摩=Fn=4700.8=376N已知卷筒的直径 D=1100 r=0.04 Vw=0.75m/s 皮辊工作需要的（原机要求）Fn=470N T 摩= Fw 摩r=3760.04=150.04Nnw=V/2r=0.75/2*3.14*0.04=178 转/分钟工作装置的效率本设计考虑到卷筒及轴承的效率 ，94.0w代入上式得：KW375.094.13760wwVFP电动机的输出功率 按式 2-1 计算：0PKW0式中， 为电动机轴至下卷筒的的传动装置的总效率。由式 2-4， ；由表 2-4，取 V 带传动效brgc32率 ，角接触球轴承效率 ， 8 级精度齿轮传动96.0b 95.0效率 ，联轴器效率 ，则7g c.6.95.0.832故 KW4.0wP因载荷平稳，电动机的额定功率只需略大于 即可，按表 8-0P619 系列电动机技术数据选电动机的额定功率 为 0.55KW。 ，m10满载速度为 1390 转/分钟，同步转速为 1500 转/分钟。4.计算传动装置总的传动比和分配各级传动比 传动装置的总体设计包括确定传动方案、选择电动机的型号、合理分配各级传动比以及计算传动装置的运动和动力参数，为下一步计算各级传动提供条件。设计任务书拟订以后，应对传动方案进行分析，对方案合理提出自己的见解。合理的传动方案应该满足工作要求，具体有结构紧凑、便于加工、效率高、成本低、使用维护方面等特点 在分析传动方案时应注意常用机械传动方式的特点及在布局上的要求：（1） 带传动平稳性好，能缓冲吸振，但承载能力小，宜布置在高速级；（2） 链传动平稳性差，且有冲击振动，宜布置在低速级；（3） 蜗杆传动放在高速级时蜗杆材料应选用锡青铜，也可选用铝铁青铜；（4） 开式齿轮传动的润滑条件差，磨损严重，应布置在低速级；（5） 锥齿轮、斜齿轮宜放在高速级。常用的减速机构的类型和特点见表 2-1对初步选定传动方案，在设计的过程中还可能不断的修改的完善。表 2-1 减速器的主要类型及特点球径收卷机结构设计类型 特点一级圆柱齿轮减速器分类：水平轴、立轴传动比一般小于 5，使用直齿轮、斜齿轮或人字齿齿轮，传动功率可达上万千瓦，效率较高。工艺简单，精度易于保证，一般工厂均能制造，应用广泛。轴线可做水平布置、上下布置或铅垂布置二级原柱齿轮减速器分类：展开式、分流式和同轴式传动比一般为 840，使用斜齿、直齿或人字齿齿轮。结构简单，广泛应用。展开式由于齿轮相对轴承为不对称布置，因而沿齿向载荷分布不均，要求轴有较大的刚度。分流式则齿轮相对轴承对称布置，常用于较大功率、变场合场合。同轴式减速器长度方向上尺寸较小，但轴向尺寸较大，中间轴较长，刚度较低，两级大齿轮直径接近，有利于侵油润滑。轴线可以水平、上下或铅垂布置一级锥齿轮减速器分类：水平轴和立轴传动比一般小于 3，使用直齿、斜齿或曲齿齿轮一级蜗杆减速器 分类：蜗杆上置、蜗杆下置和立轴结构简单，尺寸紧凑，但效率低，适用于载荷较小、间隙工作的场合。蜗杆圆周速度 V 大于 45m/s 时采用立轴布置时密封要求较高设 、 、 和 分别为、轴和下卷筒的转速，InIIwnr/min ； 、 、 和分 别为、轴和下卷筒的输PIwP入功率，KW； 、 、 和 分别为、轴和下卷筒ITT的输入转矩，Nm。（1） 传动装置总传动比 8.71390wmni式中: 电动机转速工作轴的转速（2）分配传动装置各级传动比取第一级齿轮传动比为 =2.6，第二级传动比为1i36.28712i5.计算传动装置的运动和动力参数 12(1) 各轴转速轴 r/min1390wIn轴 r/min62.54.1imI轴 r/min17832inII下卷筒 r/minIw(2) 各轴的输入功率轴 KW41.095.8042.0 cIP轴 KW71gr轴 KW3.II下卷筒 KW40963.bIwP式中： 联轴器的传动效率c滚动轴承的传动效率r8 级精度齿轮传动效率g普通 V 带的传动效率b（3） 各轴输入转矩轴 Nm82.13904.590IInPT轴 Nm5.76.II轴 Nm92.018950IInT下卷筒 Nm7.34.wwP将以上算得的运动和动力参数列表如下：轴名参数 电动机轴 轴 轴 轴 卷筒转速 n(r/min) 1390 1390 534.62 178 178功率 P(KW) 0.42 0.41 0.4 0.39 0.37球径收卷机结构设计转矩 T(Nm) 2.89 2.82 7.15 20.92 20.07传动比 1 2.6 3 1效率 0.98 0.965 0.965 0.9556.脚踏踏板力的计算机床采用的传动方式为机械传动式，机械传动部分主要通过四杆机构来实现传动的。下面就工作人员操作机床时所需脚踏力进行科学计算。由于收卷机用于棉纺织业，其卷筒所需的压力 N 。470MaxF因此，将拉杆所需的拉力近似为 470N, 则 四杆机构的受力简图如下：脚 踏 力F拉 力 L123L4根据力臂平衡原理可有如下计算：F160=F100 F40=360FF=752N F=79N因而，脚踏踏板的最大压力为 79 牛。14三、传动箱的设计1选择电动机 电动机有交流和直流电动机之分，一般的工厂都采用三相交流电，因而多采用交流电动机。交流电动机又有异步电动机和同步电动机两类，异步电动机又分为笼型和绕线型两种，其中以普通笼型异步电动机应用最多。目前应用最广的是 Y 系列的自扇冷式笼型电动机，其结构简单、 启动性能好、工作可靠、价格低廉、维护方便，使用时不易燃、易爆、无腐蚀性气体、无特殊要求的场合，如运输机、机床、风机、农机、轻工机械等。在经常需要启动、制动和正反转的场合（如轻重机） ，则要求电动机的转动惯性小、过载能力大，应选用起重也冶金用的三相异步电动机 YZ 型（笼型）或YZR（绕线型） 。在连续运转的条件下，电动机发热部超过许可温升的最大功率称为额定功率。负荷达到额定功率时的电动机转速称为额定转速。三相交流异步电动机的铭牌上都标有额定功率和满载转速。为满足不同的输出轴的要求和安装需要，同一类型的电动机可制成几种安装结构型式，并以不同的机座号来区别。各型号电动机的技术数据，如额定功率、满载转速、启动转矩和额定转矩之比、最大转矩和额定转矩之比、外型安装尺寸等，可查询有关机械设计手册或电动机产品目录。球径收卷机结构设计收卷机的传动是由电动机通过传动箱进行减速，然后通过 V 带传动至下卷筒，由于上卷筒是通过下卷筒来实现运动的，其转速是相同的。在设计过程中只要保证下卷筒的转速就可以了。从而上卷筒的速度也就知道了。要计算卷筒的速度就必须首先算出传动箱的输出轴的转速，然后通过输出轴的转速就可以计算出下卷筒的速度。根据卷筒的速度和压力算出卷筒输出功率 P 出 。电动机的功率 P 电 =P 出 /。确定电动机的型号查手册得出电动机的功率、转速。本机床采用的电动机的型号为 Y801-4，功率为 0.55KW,转速为 1390 转/分钟。传动箱的总传动比 8.7i因而输出轴的转速为 转/分钟 1.390n2由于在设计过程中传动箱输出轴和皮带轮是同轴，因而皮带轮的转速和输出轴的转速相同为 178 转/分钟，在设计过程中，皮带轮均设计为一样大，所以整个 V 带传动并没有减速只是将速度传送至下卷筒，因此上下卷筒的速度均与皮带轮的转速相同为 178/分钟。 22齿轮的设计计算 （1）.高速级齿轮的设计计算1齿轮的材料、精度和齿数选择 因传递功率不大、转速不高材料按表 7-1 选取，都采用 45 钢，锻造毛坯，大齿轮正火处理，小齿轮调质，均采用软齿面。齿轮精度用 8 级，齿轮表面粗糙度为 。6.1aR软齿面闭式传动，失效形式为点蚀，考虑传动平稳性，齿16数宜取多些，取 ，则201z5206.2z(2)设计计算1.设计准则 按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。2.按齿面接触疲劳强度设计3121)(uKTZddHEt 式中： 节点区域系数材料系数EZ许用接触疲劳应力HNmm2801394.05.9105.9661 InPT根据4中图 7-6 选取材料的接触疲劳极限应力为：Mpa Mpa580lim1H560lim2H根据4中图 7-6 选取材料的弯曲疲劳极限应力为：Mpa Mpa23lim1F 1lim2F应力循环次数 N 由式 7-3 计算81 103.2)8306(960atn式中： 齿轮转速齿轮每转一转轮齿同侧齿面啮合次数齿轮传动的总工作时间，单位为 ht8812 1032.6.203iN根据4中图 7-8 查得接触疲劳寿命系数1NZ.2NZ根据4中图 7-9 查得弯曲疲劳寿命系数球径收卷机结构设计1NY12NY根据4中表 7-2 查的接触疲劳安全系数 ，弯曲疲1minHS劳安全系数 ，又 ，试选 4.minFS0.STtK根据式4中 7-1、7-2 求许用接触应力和弯曲应力：Mpa581min11NHZMpa72in22SMpa32814.01min11 NFTYMpa.2in22S将有关数值代入4中式 7-9，得3121)(uKTZddHEt 323180.579.08. = mm62.1则 m/s28.1036.10ndvtm/s5./8./1z查4中图 7-10 得 ；由表 7-3 得 ；由4中表9VK25.1AK7-4 查得 ；取 ，则05.143.05.21kKVA修正 15.8.6273.4tdmm0/158/1zm由4中表 7-6 查的标准模数 2m3.计算几何尺寸mm4021zdmm52m18mm72)50(2)(1zmamm4db取 2513校核齿根弯曲疲劳强度由4中图 7-8 查得 , 取2.41FSY0.42FSY7.Mpa1313211 708FSdFmZKT 合适212 6.724.FFSY2.低速级齿轮的设计计算1齿轮的材料、精度和齿数选择 因传递功率不大、转速不高材料按表 7-1 选取，都采用 45 钢，锻造毛坯，大齿轮正火处理，小齿轮调质，均采用软齿面。齿轮精度用 8 级，齿轮表面粗糙度为 。6.1aR软齿面闭式传动，失效形式为点蚀，考虑传动平稳性，齿数宜取多些，取 ，则251z7523z2设计计算（1） 设计准则 按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。（2） 按齿面接触疲劳强度设计 3121)(uKTZddHEt 式中： 节点区域系数材料系数E许用接触疲劳应力HNmm714562.5301.9105.961 InPT根据4中图 7-6 选取材料的接触疲劳极限应力为：Mpa Mpa8lim1H0lim2H球径收卷机结构设计根据4中图 7-6 选取材料的弯曲疲劳极限应力为：Mpa Mpa230lim1F210limF应力循环次数 N 由4中式 7-3 计算81 1032.)836(.546atn式中： 齿轮转速齿轮每转一转轮齿同侧齿面啮合次数齿轮传动的总工作时间，单位为 ht 8812 10.432.iN根据4中图 7-8 查得接触疲劳寿命系数1NZ.2NZ根据4中图 7-9 查得弯曲疲劳寿命系数1Y12Y根据4中表 7-2 查的接触疲劳安全系数 ，弯曲疲1minHS劳安全系数 ，又 ，试选 4.minFS0.STtK由4中式 7-1、7-2 求许用接触应力和弯曲应力：Mpa581min11NHZMpa72in22SMpa32814.01min11 NFTYMpa.2in22S将有关数值代入4中式 7-9，得3121)(uKTZddHEt 3231745.579.08. = mm1.24则 m/s67.0160.3.4601 ndvt201675.0/267.01/vz查4中图 7-10 得 ；由表 7-3 得 ；由表9VK25.1AK7-4 查得 ；取 ，则5.K431.05.12kVA修正 7.2.3.41tdmm.20/7/zm由4中表 7-6 查的标准模数 m(3) 计算几何尺寸mm5021zdmm72mmm10)()(21zamm4508.db取 mm2mm13校核齿根弯曲疲劳强度由4中图 7-8 查得 , 取2.41FSY0.42FSY7.Mpa1313211 2757FSdFmZKT 合适212 4.12.0. FFSY4.轴的校核 由于传动箱内部三根轴中轴的扭矩最大，而且三根轴中轴的最小直径比轴和轴的最小直径都要大，因而只需校核轴的强度，只要轴能够满足强度要求，其它轴均能满足要求。(1).选择轴的材料及热处理由于传动箱的传递的功率不大，对其重量和尺寸也无特殊的要求，故选择常用材料 45 钢，调制处理。球径收卷机结构设计(2).初估轴径按扭距初估轴的直径，查4中表 10-2，得 C=106117,考虑到轴仅受扭矩作用,取 C=106,则mnPCd6.13789.01633mi (3).结构设计轴的结构形式如下图所示：6543211.各轴段直径的确定 初估轴径后，就可按轴上零件的安装顺序，从 处开始逐段确定直径。第段和第段装mind角接触球轴承，轴段、直径的确定应既便于轴承的安装，又应符合轴承内径系列，即轴段、直径应与角接触球轴承型号的确定同时进行。本设计选用 36205 角接触球轴承GB/T-292-83。故取轴段、的直径为 d3=25mm 和 d6=25mm。轴段上的轴承用轴肩固定，由表 10-3 中公式计算得轴肩高度 h=1.191.7mm,考虑到轴段上有毡圈油封，因此，轴段的直径应与毡圈油封