蜂窝煤成型机设计

目 录一 设计题目 1.1 设计目的11.2 设计题目11.3 设计条件及设计要求2二 执行机构运动方案设计2.1 功能分解与工艺动作分解32.2 方案选择与分析32.3 执行机构的形成152.4 机构组合方案的确定172.5 执行机构尺寸设计182.6 运动循环图232.7 机械系统方案设计运动简图25三 传动系统方案设计3.1 传动方案设计263.2 电动机的选择273.3 传动装置的总传动比和各级传动比分配283.4 传动装置的运动和动力参数计算29四 设计小结31五 参考文献341一 设计题目1.1 设计目的机械原理课程设计是我们第一次较全面的机械设计的初步训练，是一个重要的实践性教学环节。设计的目的在于，进一步巩固并灵活运用所学相关知识；培养应用所学过的知识，独立解决工程实际问题的能力，使对机械系统运动方案设计(机构运动简图设计)有一个完整的概念，并培养具有初步的机构选型、组合和确定运动方案的能力，提高我们进行创造性设计、运算、绘图、表达、运用计算机和技术资料诸方面的能力，以及利用现代设计方法解决工程问题的能力，以得到一次较完整的设计方法的基本训练。1.2 设计题目：蜂窝煤成型机设计一蜂窝煤成型机冲压和脱模机构、工作盘的间歇转动机构以及扫屑机构。该成型机工艺动作如图所示 ： 滑 梁卸 煤 杆 工 作 盘扫 屑 刷冲 头图 1 蜂窝煤成型机设计原理示意图冲头与脱模盘都与上下移动的滑梁连成一体，当滑梁下冲时冲头将煤粉压成蜂窝煤，脱模盘将已压成的蜂窝煤脱模。在滑梁上升过程中扫屑刷将刷除冲头和脱模盘上粘附的煤粉。模筒转盘上均布了模筒，转盘的间歇运动使加料后的模筒进入加压位置、成型后的模筒进入脱模位置、空的模筒进入加料位置。2试设计能按上述要求运动的冲压和脱模机构、工作盘间歇转动机构以及扫屑机构。1.3 设计条件及设计要求工作机输入功率:2.8kw生产率:18 块/min型煤尺寸：h=100mm75mm粉煤高度与型煤高度之比（压缩比）：21，即工作盘高度 H=2h=150mm工作条件：载荷有轻微冲击，一班制使用期限：十年，大修期为三年生产批量：小批量生产（少于十台）转速允许误差：5%3二、执行机构运动方案设计 2.1 功能分解与工艺动作分解1)功能分解为了实现蜂窝煤成型机的总功能，将功能分解为：加料功能、冲压成型功能、脱模功能、扫屑功能、工作盘简间歇转动功能、输送功能。2)工艺动作过程根据上述分析，工艺动作有以下六个动作：（1）加料：这一动作可利用煤粉的重力打开料斗自动加料；（2）冲压成型：要求冲头上下往复运动，在冲头行程的二分之一进行冲压成型；（3）脱模：要求脱模盘上下往复移动，将已冲压成型的煤饼压下去而脱离模筒。一般可以将它与冲头固结在上下往复移动的滑梁上；（4）扫屑：要求在冲头、脱模盘向上移动过程中用扫屑刷将煤粉扫除；（5）工作盘间歇转动：以完成冲压、脱模和加料三个工位的转换；（6）输送：将成型的煤饼脱模后落在输送带上送出成品，以便装箱待用。以上六个动作，加料和输送的动作比较简单，暂时不予考虑，脱模和冲压可以用一个机构完成。2.2 方案选择与分析一、冲压和脱模机构(上下移动)方案 14方案 2方案 35方案 4方案 5方案 66方案 7方案 8方案 9方案 107方案 11方案 128方案 13方案 14方案 15方案 169方案 17方案 18方案 1910方案 20方案 1 至 9 为连杆机构；方案 10 至 12 为凸轮机构；方案 13 至 16 为齿轮齿条机构；方案 17 至 20 为组合机构。表 1 冲压机构部分运动方案定性分析连杆机构 凸轮机构 齿轮齿条机构运动速度 高 较高 高行程大小 取决于曲柄尺寸 小 可任意可调程度 可调 调节困难 可调动力性能 平衡困难 取决于凸轮形状 好简单性 不太简单 简单简单，但一般齿轮须摆动才能实现齿条往复移动机械效率 一般 一般 较高承载能力 高 较低 较高其他特性 有急回特性 可实现任意运动规律传动平稳结合表 1 可知，方案 1 为曲柄滑块机构，易加工且具增力作用；方案 6 至9 为六杆机构行程小；凸轮机构结构简单、紧凑，但易磨损且传力小；齿轮齿条机构传动准确、效率高、寿命长，但加工装配难；组合机构结构复杂。综上所述，初选方案 1，方案 9，方案 17。形态性 能特点11二、工作盘间歇运动机构方案 1 槽轮机构方案 2 外啮合棘轮机构12方案 3 摩擦式棘轮机构方案 4 外啮合不完全齿轮机构13方案 5 不完全齿轮齿条机构方案 6 圆柱凸轮间歇运动机构方案 1 结构简单，效率高，但转角不可太小，有冲击；方案 2、3 制造方便，转角准确，但易引起冲击磨损；方案 4、5 从动轮运动转角范围大但加工复杂，14会引起刚性冲击。方案 6 结构简单，运转可靠，但精度要求高，加工复杂，安装调整困难。综合考虑，初选方案 1，方案 4，方案 6。三、扫屑机构方案 1 附加滑块摇杆机构方案 2 固定凸轮移动滚子从动件机构15方案 3 固定凸轮移动滑块从动件机构方案 1 工作平稳，但尺寸较大；方案 2 运动性能较差，且易磨损；方案 3各方面性能较好。扫屑机构以上三方案性能相差不大，均可待选。2.3 执行运动机构的形成方案 I:冲压机构为偏置曲柄滑块机构模筒转盘为槽轮机构扫屑机构为导杆-滑块机构16适当选择冲压机构中 A 点轨迹和确定机构尺寸，可保证构件具有急回，运动和工作段近于匀速的特性，并可使机构工作段压力角尽可能小。根据工位要求确定槽轮相关参数，可满足工作盘间歇转动。导杆-滑块机构上下方向长度应大于滑梁行程，其左右高度应能使扫屑刷满足扫除粉煤活动范围。方案 II:冲压机构为六杆机构模筒转盘为不完全齿轮机构扫屑机构为固附加滑块摇杆机构六杆机构虽具有增力作用，但行程较小，需调整各杆尺寸才能满足滑梁行程要求。不完全齿轮机构是由普通齿轮机构转化而成的一种间歇运动机构。它与普通齿轮的不同之处是轮齿不布满整个圆周。不完全齿轮机构的主动轮上只有一个或几个轮齿，并根据运动时间与停歇时间的要求，在从动轮上有与主动轮轮齿相啮合的齿间。两轮轮缘上各有锁止弧(见方案 4 图)，在从动轮停歇期间，17用来防止从动轮游动，并起定位作用。附加滑块摇杆机构，满足运动变化条件，且工作平稳，效率较高，成本较低但运动尺寸较大。方案 III:冲压机构为凸轮-连杆机构模筒转盘为圆柱凸轮间歇运动机构扫屑机构为固定凸轮移动从动件机构凸轮-连杆机构结构与前两个方案相比较为复杂，且凸轮部分磨损较大，连杆部分为多杆，为满足行程要求需占较大尺寸。圆柱凸轮间歇运动机构精度要求高，安装调整均有较大难度。固定凸轮移动从动件机构对机架的要求较高，工作平稳性较差。且滚子磨损较大，寿命短。2.4 机构组合方案的确定18经过前述方案评价可知，方案 I 结构简单，性能可靠，成本低廉，经久耐用，维护容易，操作方便。所以确定该方案是上述三个方案中最为合理的方案。2.5 执行机构尺寸设计（1）偏置曲柄滑块机构计算已知滑梁行程 S=300mm ,行程速比系数 k=1.5(=180(k-1)/(k+1)= 180(1.5-1)/ (1.5+1)=36)。过 C1NC1C2。再过 C2 作C1C2M=90-=54,C1N 和 C2M 交于 P。最后以 C2P 为直径作圆，则此圆周上任意一点与 C1、C2 连线夹角均为 =36。在圆周上任取曲柄转动中心 A，由图可知，曲柄与连杆重叠共线和拉直共线的2 个位置 AC1 和 AC2。则: AC1=B1C1-AB1AC2=AB2+B2C2解得：AB1=（AC2-AC1）/2=C2E/2（线段 C2E 可由以 A 为圆心，AC1 为半径作弧与 AC2 交点 E 求得） 。经测量得：AB1=125mmAC1=295mme=140mm已知生产率为 18 块/min。因为曲柄旋转一周，滑块完成一个冲压运动周期，生产 1 块蜂窝煤。所以曲柄转速为 18r/min，即曲柄角速度为 1.884rad/s。19以上软件分析表明，所设计的偏置曲柄滑块机构最小传动角为 26（而为了保证良好的传力性能，通常应使最小传动角不小于 40） ，即压力角过大，又蜂窝煤成型机冲压机构对急回特性并无特殊要求，所以决定将该机构改为对心曲柄滑块机构。改（1）对心曲柄滑块机构计算因为 S=300mm，所以，曲柄长 AB=S/2=150mm。取最小传动角为 75，即最大压力角为 15图解法如下：20在水平线 MN 上任取一点 A。以 A 为圆心，150mm 为半径作圆，交 MN 于 B1、B2 两点。过 A 作 ABMN 交圆 A 于 B 点。作ABC=75，交 MN 于 C 点。测得 BC=580mm,即为连杆长。在 MN 上截取 B1C1=B2C2=BC,得滑块两极限位置 C1、C2。以下为对心曲柄滑块机构运动分析及动态仿真图：2122（2）槽轮机构计算槽数 z 按工位要求本应选为 5，但 z 增大，k 也随之增大，运动时间 tf 增加，不利于工作。所以为提高工作效率，希望减小 k,即减小 z(工位数不够，可在传动链中加入与间歇转动部分所需工位数相适应的减速齿轮来达到)，最终选定z=4（减速齿轮传动必 i=4/5） 。槽轮每次转位时主动件转角 2=180（z-2）/z= 180（4-2）/4=90槽间角 2= 360/z= 360/4=90动停比 k=td/tt=(z-2)/(z+2)= (4-2)/(4+2)=1/3圆销数 n=1由结构情况确定 中心距 a=300mm圆销半径 r=30mm所以，主动件圆销中心半径 R1=asin=300sin45212mmR1 与 a 的比值 =R1/a=212/3000.723槽轮外圆半径 R2= (acos) 2+r2 1/2= (300cos45) 2+302 1/2214mm槽轮槽深 ha(+cos-1)+r=300(0.7+cos45-1)+30152.1mm取 h=153mm(3)导杆-滑块机构计算依据滑块的行程要求以及冲压机构的尺寸限制，选取扫屑机构尺寸如下：导杆铅垂方向高度 H=375mm ，倾角 arctg(500/150) 73扫屑刷杆长 L=550mm2.6 根据工艺动作顺序和协调要求拟定运动循环图对于冲压式蜂窝煤成型机运动循环图主要是确定冲压和脱模盘、扫屑刷、模筒转盘三个执行构件的先后顺序、相位，以利对各执行机构的设计、装配和调试。冲压式蜂窝煤成型机的冲压机构为主机构，以它的主动件的零位角为横坐标的起点（即横坐标表示各执行构件位置），纵坐标表示各执行构件的位移起止位置。表 2 和图 2 均表示冲压式蜂窝煤成型机三个执行机构的运动循环过程。冲压过程分为冲程和回程。带有模孔的转盘工作行程在冲头程后半段和冲程前半段完成，使间歇转动在冲压之前完成。扫屑运动在冲头回程后半段和冲程前半段完成。24表 2 冲压式蜂窝煤成型机运动循环表主动件转角分配 0180 180360冲头和脱模盘机构 工作行程 回程主动件转角分配 090 90270 270360模筒转盘机构 工作行程 停止 工作行程扫屑刷机构 扫屑运动 回程 扫屑运动图 2 蜂窝煤成型机运动循环图252.7 机械系统方案设计运动简图电机驱动带轮机构，带轮机构驱动齿轮机构，齿轮机构分别驱动冲压曲柄滑块机构和分度槽轮机构，冲压机构的冲头驱动扫屑机构。26三、传动系统方案设计3.1 传动方案设计传动系统位于原动机和执行系统之间，将原动机的运动和动力传递给执行系统。除进行功率传递，使执行机构能克服阻力做功外，它还起着如下重要作用：实现增速、减速或变速传动；变换运动形式；进行运动的合成和分解；实现分路传动和较远距离传动。传动系统方案设计是机械系统方案设计的重要组成部分。当完成了执行系统的方案设计和原动机的预选型后，即可根据执行机构所需要的运动和动力条件及原动机的类型和性能参数，进行传动系统的方案设计。在保证实现机器的预期功能的条件下，传动环节应尽量简短，这样可使机构和零件数目少，满足结构简单，尺寸紧凑，降低制造和装配费用，提高机器的效率和传动精度。根据设计任务书中所规定的功能要求，执行系统对动力、传动比或速度变化的要求以及原动机的工作特性，选择合适的传动装置类型。根据空间位置、运动和动力传递路线及所选传动装置的传动特点和适用条件，合理拟定传动路线，安排各传动机构的先后顺序，完成从原动机到各执行机构之间的传动系统的总体布置方案。机械系统的组成为：原动机 传动系统(装置) 工作机（执行机构）原动机：Y 系列三相异步电动机；传动系统(机构)：常用的减速机构有齿轮传动、行星齿轮传动、蜗杆传动、皮带传动、链轮传动等，根据运动简图的整体布置和各类减速装置的传动特点，选用二级减速。第一级采用皮带减速，皮带传动为柔性传动，具有过载保护、27噪音低、且适用于中心距较大的场合；第二级采用齿轮减速，因斜齿轮较之直齿轮具有传动平稳，承载能力高等优点，故在减速器中采用斜齿轮传动。根据运动简图的整体布置确定皮带和齿轮传动的中心距，再根据中心距及机械原理和机械设计的有关知识确定皮带轮的直径和齿轮的齿数。故传动系统由“V 带传动+二级圆柱斜齿轮减速器”组成。原始数据：根据设计要求，已知工作机（执行机构原动件）主轴：工作机输出功率：Pw=2.8(Kw) 转速：nw = 18（r/min） 3.2 电动机的选择1）选择电动机类型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式笼型三相异步电动。2）选择电动机容量所需电动机的功率：P d= PW /aa-由电动机至 工作轴的传动总效率a = 带 轴承 3 齿轮 2 联 查表可得：对于 V 带传动: 带 =0.96 对于 8 级精度的一般齿轮传动： 齿轮=0.97对于一对滚动轴承： 轴承 =0.99对于弹性联轴器： 联轴器=0.99则 a = 带 轴承 3 齿轮 2 联=0.960.9930.9720.99= 0.868P d= PW /a=2.8/0.868=3.226 KW28查各种传动的合理传动比范围值得：V 带传动常用传动比范围为 i 带=2 4，单级圆柱齿轮传动比范围为 i 齿=35，则电动机转速可选范围为nd=i 带 i 齿 2nW=(24)( 35) 2 nW =（18 100 ）n W=(18100) 18=324 1800 r/min符合这一转速范围的同步转速有 750 r/min、1000 r/min、1500 r/min，根据容量和转速，由有关手册查出四种适用的电动机型号，因此有 3 种传动比方案。表 3电动机转速/ r/min 传动装置的传动比方案 电动机型号额定功率ped/kw 同步 满载电动机质量/kg 总传动比 V 带传动比 齿轮传动1 Y112M-4 4 1500 1440 43 48 3 162 Y132M1-6 4 1000 960 73 32 2.5 12.83 Y160M1-8 4 750 720 118 24 2.5 9.6对于电动机来说，在额定功率相同的情况下，额定转速越高的电动机尺寸越小，重量和价格也低，即高速电动机反而经济。若原动机的转速选得过高，势必增加传动系统的传动比，从而导致传动系统的结构复杂。由表 3 中 3 种方案，综合考虑电动机和传动装置的尺寸、结构和带传动及减速器的传动比，认为方案 1 的传动比较合适，所以选定电动机的型号为 Y112M-4。Y112M-4 电动机数据如下: 额定功率：4 Kw满载转速：n 满=1440 r/min同步转速：1500 r/min3.3 传动装置的总传动比和各级传动比分配1传动装置的总传动比 i 总= n 满/ n W =1440/18=802 分配各级传动比29根据机械设计课程设计表 2.2 选取，对于三角 v 带传动,为避免大带轮直径过大,取 i12=2.8；则减速器的总传动比为 i 减 =i 总 /2.8=80/2.8=28.5714对于两级圆柱斜齿轮减速器,按两个大齿轮具有相近的浸油深度分配传动比,取 ig=1.3idi 减 = igid = 1.3id 2=28.5714i2d =28.5714/1.3=21.9780id =4.688ig=1.3id=1.34.688=6.0944注：i g -高速级齿轮传动比；id 低速级齿轮传动比；3.4 传动装置的运动和动力参数计算计算各轴的转速：电机轴：n 电 = 1440 r/min轴 n = n 电 /i 带 =1440/2.8=514.29 r/min轴 n = n / ig=514.29/6.0944=84.387 r/min轴 n =n / id =84.387/4.688=18 r/min计算各轴的输入和输出功率：轴： 输入功率 Pi = Pd 带 =3.2260.96=3.097 kw输出功率 Po = 3.097 轴承 =3.0970.99=3.066 kw轴： 输入功率 Pi =3.066 齿轮 =3.0660.97=2.974 kw输出功率 Po = 2.974 轴承 =2.9740.99=2.944 kw轴 输入功率 Pi =2.944 齿轮 =2.9440.97=2.856 kw输出功率 Po = 2.856 轴承 =2.8560.99=2.827 kw计算各轴的输入和输出转矩：电动机的输出转矩 Td=9.55106Pd /n 电 =9.551063.226/1440=21.4103 Nmm轴： 输入转矩 Ti =9.55106Pi / n =9.551063.097/514.2930=57.5103 Nmm输出转矩 To =9.55106Po / n =9.551063.066/514.29=56.9103 Nmm轴： 输入转矩 Ti =9.55106Pi / n =9.551062.974/84.387=336.6103 Nmm输出转矩 To =9.55106Po / n =9.551062.944 /84.387=333.2103 Nmm轴 输入转矩 Ti =9.55106Pi / n =9.551062.856/18=1515.3103 Nmm输出转矩 To =9.55106P o/ n =9.551062.827/18=1499.9103 Nmm将运动和动力参数计算结果进行整理并列于表 4 如下：功率 p/kw 转矩 T ( Nmm)轴名输入 输出 输入 输出转速n/rmin-1传动比 i电机轴 3.226 21.41031440 2.8轴 3.097 3.066 57.5103 56.9103514.296.0944轴 2.974 2.944 336.6103333.210384.387轴 2.856 2.827 1515.31031499.9103184.68831四、设计小结这次机械原理课程设计，我拿到的题目是蜂窝煤成型机的设计。本次设计旨在培养我们进行机械系统运动方案创新设计能力和应用现代先进设计手段解决工程实际问题的能力。机械原理课程设计是我们机械类各专业学生在学习了机械原理课程后进行的一个重要的实践性教学环节，是为提高我们本科生机械系统运动方案设计、创新设计和解决工程实际问题能力服务的。其实就是要求我们运用机械原理课上所学过的各种机械机构的运动学和动力学原理，分析和解决实际生活中遇到的各种问题。拿到设计题目后，我就开始认真研读设计任务书，明确设计内容和要求，分析原始数据及工作条件；然后通过借阅（图书馆）、搜集（网络）查找有关信息、资料及手册；由于机械原理是上学期课程，我先复习了机械原理课程有关内容，其中包括：机构的组成和结构（自由度），连杆机构（急回，压力角，死点），凸轮机构，齿轮机构，间歇运动机构和组合机构。并自学了下32篇-机械系统方案设计的内容。熟悉了相关机构的设计方法，初步拟定了设计计划。因为是第一次独立进行课程设计，所以在设计过程中遇到了不少的问题，比如在选择机构时，各种构件都有哪些性能适用于我所做的机构；在确定机构尺寸时，型煤尺寸和粉煤高度与型煤高度之比该怎么使用；在进行传动系统动力学计算时，如何运用已知条件：生产率为 18 块/min针对这些问题，我通过请教老师，查阅资料，思考揣摩，得到了解决。例如李老师告诉我们在使用六杆机构时要注意其行程较小这一缺点；由于机械原理课本中没有涉及间歇运动机构具体的计算公式，我去图书馆借阅了间歇运动机构设计与应用创新等相关书籍，找到了相关公式；随着自己对蜂窝煤成型机工作原理的进一步理解，我知道了生产率可转化为转速当然遇到的问题还有很多，我基本上在设计和计算过程中通过学习和实践解决了，过程中和同学间讨论也帮助我学习了不少经验和知识。在机械原理课上所学的知识是比较理论化的，通过这些理论我了解了一些机构的运动方案与运动轨迹，至于这些构件、这些机构真正要派些什么用场，在我脑中的概念还是挺模糊的，但是在这次为完成课程设计的任务当中，我开始对传授机械原理这门课的真正意义所在有了初步了解。换句话说，因这次课程设计我把理论与实践运用结合了起来，达到了学以致用的目的。通过这次机械原理课程设计即蜂窝煤成型机的设计，我知道其实要做一项课程设计并不简单，要把它做好就更不易了，从中我也感到自己的知识面其实是很狭隘的。在理论知识的贯穿上和用理论解决实际问题的能力上也亟待提高，可以说这次的设计就像是一面镜子，照出了我的不足之处。但也因此而小小地33锻炼了一下自己，为以后的机械设计课程设计及大四的毕业设计做了一个准备。在为课程设计写说明书时，为了让说明书内容更充实，使自己的书面语言更趋向于专业化，我们组到图书馆去借了相关的书籍来翻阅。在查找资料、阅读资料的同时，我还知道了更多以前课本上没有学到过的知识，比方说当所选槽轮槽数与要求工位不一致时，可利用齿轮机构进行增速或减速。经过一个多月机械原理设计的学习及研究，我明白了许多在课堂上不懂的知识，也让我深刻体会到实践学习的重要性：实践是学习的目的，也是学习的方法。这次课程设计，使我有了很大的收获，锻炼了我解决实际问题的能力，使我学会了勇于创新，扩展思路的解决问题的方法，还加强了和同学之间的团队协作精神。每个人都会遇到不同的困难，而对一个又一个的困难大家一起努力共同克服。最终有了今天的成绩，令我们每一个人欣慰。同时，增进了同学间的友谊。通过本次机械原理课程设计，除了加深了对大二学