树脂磨料双锅（上锅）逆流式混料机改进设计

机电工程学院毕 业 设 计 说 明 书设计题目: 树脂磨料双锅（上锅）逆流式混料机改进设计 学生姓名： 学 号： 专业班级： 指导教师： 2013 年 5 月 24 日目 次 1 双锅逆流混料机基本概述 11.1 混料机的简述及应用领域 11.2 混料机上锅的基本结构 12 电动机、减速器的选择 22.1 电动机的类型及结构选择 22.2 电动机的选择 32.3 减速器的设计 62.4 选定减速器 62.5 液压缸的选择 63 轴的选择 63.1 轴的概述和材料选择63.2 混料机上锅的轴应满足的基本要求 73.3 锅体翻转轴的设计 73.4 锅体翻转轴计算及其校核83.5 料叉支架轴的设计123.6 料叉支架轴计算和校核134 轴承的选择 164.1 轴承的校核 174.2 轴承的密封和润滑 185 键的选择 19设计总结20致谢21参考文献 2251 双锅混料机上锅的基本概述1.1 混料机的简述及应用领域双锅混料机由上锅和下锅两部分组成，部分原料经上锅混合后倒入下锅再加入所需混合的原料进行混合，最终得到产品加工需要的均匀原材料。混料锅正向转动，料叉逆向转动，两者速度不同且转向相反，从而将锅中材料均匀混合。混料机将各种原料均匀混合，适宜混合粉末状树脂材料。许多塑料和磨具制造厂使用双锅混料机进行原料混合。质量是企业生存的根基，原材料混合是产品加工的第一道工序，其混合是否均匀影响到成品的使用性能，因此很多厂家选择混合质量高的设备，双锅混料机达到了他们满意的要求。目前我国还出于经济建设时期，塑料和磨具产品的需求还很大，国家投入了大量资金进行产品开发，双锅混料机将有很大的应用空间。1.2 双锅逆流式混料机上锅的基本结构120L 双锅逆流式混料机上锅是由上锅支架部分、锅体支架部分、锅体部分、料叉部分、液压缸、电气控制等部分组成。1.2.1 上锅支架部分支架由多块大小不同的钢板焊接在一块，钢板焊接形成整体框架，主要起支撑作用，T 形梁增加整体的刚度，减少因受力而产生的变形。 1.2.2 锅体支架部分锅体支架也是由多块大小不同的钢板焊接在一块，形成锅体翻转架，沿锅体架主轴旋转，旋转角度 95 度。1.2.3 锅体部分锅体部分包括电动机、减速器、法兰、挡圈和锅体。锅体是圆桶形，上端开口，根据设计要求的 120L 产品混合，上锅只混合部分原料，设定锅体直径 900mm，深400mm，厚度 15mm。锅体由涡轮蜗杆减速器带动。1.2.4 料叉部分料叉部分由料叉棒、料叉座、减速器、电动机组成，还有一个固定的刮刀，刮去粘在锅上的混合料，解决了混合料粘锅的问题。料叉在涡轮蜗杆减速器的带动下逆时针转动，料叉顶端距锅底 5mm 以内防止混合料粘在锅底上。61.2.5 液压缸双锅混料机中用了三个液压缸，料叉架翻转液压缸和两个锅体翻转液压缸。当混合料混合完毕，料叉架翻转液压缸伸出，推动料叉架翻转，为锅体翻转提供空间，锅体翻转液压缸伸出，推动锅体翻转，将混合料倒到下锅中。2.5 电气控制系统当料叉或锅体翻转一定角度，自动控制系统自动停止其翻转。当料叉或锅体翻转返回时回到一定位置，自动控制系统令其停止。2 电动机、减速器的选择2.1 电动机类型和结构形式的选择步进电机和交流伺服电机性能比较：步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。一、控制精度不同 两相混合式步进电机步距角一般为 3.6、 1.8 ， 五相混合式步进电机步距角一般为 0.72、0.36。也有一些高性能的步进电机步距角更小。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证对于带 17 位编码器的电机而言，驱动器每接收 217=131072 个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为 360/131072=9.89 秒。是步距角为 1.8的步进电机的脉冲当量的 1/655。二、低频特性不同 步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能(FFT)，可检测出机械的共振点，便于系统调整。三、矩频特性不同 7步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在 300600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为 2000RPM 或 3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。 四、过载能力不同 步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。五、运行性能不同 步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环。六、速度响应性能不同 步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要 200400 毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下 MSMA 400W 交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速 3000RPM 仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。 综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。基于上述伺服电机和步进电机的比较，我们又考虑到本设备的具体要求选择三相交流异步电动机。工作环境中灰尘量较大，要求电动机具有防止灰尘及其它杂物侵入的特点，电动机的防护方式选用封闭式。电动机结果形式有卧式和立式两种，根据双锅逆流混料机的料叉架和锅底架的情况，选用立式的电动机。双锅逆流混料机对电动机的起动性能、调速性能及转差率均无特殊要求。经综合考虑，上锅料叉电动机和锅体电动机均选用封闭式 Y 系列三相异步电动机。2.2 电动机的选择 8选择电动机的额定功率要等于或稍大于工作要求的功率。容量小于工作要求则不能保证工作机正常工作，或使电动机长期过载发热而过早损坏；容量大，则增加成本，并且由于效率和功率因数低而造成浪费。所需电动机功率为：(kw) -wdpp-(1)式中： -工作机要求的电动机输出功率，kwdp-工作机所需输入功率，即主轴动力，kww-电动机与工作机之间传动装置的总传动效率加入原料后锅体转动所需功率 Pw=3.5 kw；搅拌时料叉所需功率 Pw=2.6kw= *12-(2)式中： -减速器传动效率；1-联轴器传动效率；2查表 2-4 可得：= 0.9；1= 0.99；2将参数代入公式（2）计算得：=0.9*0.99=0.891将计算结果代入式(1)可得：锅体电动机 =3.0 0.891=3.37（kw）d9料叉电动机 =2.5 0.891=2.8（kw）d根据混料机的工作要求和参考国内 外同类产品的技术标准，给定 120L 混料机的混料锅电动机的 n=1440r/min 和实际所需电机功率 P=3.37kw ，料叉电动机n=1440r/min 和实际所需使手机功率 P=2.8kw。选 Y 系列三相异步电机，考虑到功率损失和传动中的效率应该选大些功率的电机 所以选定锅体电机为：Y112M P=4kw n1=1440r/min料叉电动机 Y110L P=3kw n2=1440r/min电机的基本参数如表 2.1:型号额定功率（KW 满载转速（r/min）额定转矩Nm最大额定矩Nm质量kgY112M 4 1440 2.2 2.3 43Y110L 3 1440 2.2 2.3 38表 2.1其外型如图 2.1 所示：102.3 减速器的设计减 速 器 是 一 种 由 封 闭 在 刚 性 壳 体 内 的 齿 轮 传 动 、 蜗 杆 传 动 或 齿 轮 蜗 杆 传 动 所 组 成 的 独 立 部 件 ， 常 用 在 动 力 机 和 工 作 机 之 间 作 为 减 速 器 的 传动 装 置 ； 由 于 其 结 构 紧 凑 、 效 率 较 高 、 传 递 运 动 准 确 、 使 用 维 护 简 单 ， 可成 批 生 产 。根 据 双 锅 逆 流 混 料 机 结 构 的 需 要 ， 选 择 已 有 的 标 准 件 涡 轮 蜗 杆减 速 器 ， 由 于 它 具 有 以 下 特 点 ：蜗 轮 蜗 杆 传 动 的 两 轮 啮 合 齿 面 间 为 线 接 触 ， 能 获 得 比 交 错 轴 斜 齿 轮 机 构更 好 的 啮 合 效 果 ， 传 动 比 和 承 载 能 力 也 更 高 。蜗 轮 蜗 杆 传 动 是 一 种 螺 旋 式 传 动 ， 传 动 中 主 要 形 式 为 齿 啮 合 传 动 ， 因 此传 动 更 为 平 稳 、 振 动 小 、 噪 音 低 ， 适 合 需 要 稳 固 状 态 的 机 械 使 用 。蜗 轮 蜗 杆 传 动 机 构 比 其 他 传 动 机 构 突 出 的 优 点 在 于 其 自 锁 功 能 ， 蜗 轮 蜗杆 传 动 机 构 的 蜗 杆 导 程 角 小 于 啮 合 轮 齿 间 当 量 摩 擦 角 时 ， 蜗 轮 蜗 杆 传 动 机 构11就 会 反 向 自 锁 ， 这 时 只 能 是 蜗 杆 带 动 蜗 轮 ， 而 蜗 轮 无 法 带 动 蜗 杆 ， 即 可 实 现对 机 械 的 安 全 保 护 。2.4 选择减速器选择传动比，要满足设备要求。涡轮蜗杆传动比系列有：8,10，12.5,16,20,25,31.5，40，50，63,80查资料并计算得 120L 混料锅锅体与料叉速比为 5 比 4 时混合效果好锅体减速器传动比选 50 ， 得锅体转速 V=1440/50=28.8r/min料叉减速器传动比选 40 ， 即料叉转速 V=1440/40=36r/min2.5 液压缸的选择根据本设备的情况，料叉架液压缸伸出臂直径选 40mm，齿轮泵液体压力100Kg/cm2 ，锅体较重，伸出臂直径选 50mm，齿轮泵液体压力 100Kg/cm2。3 轴的选择3.1 轴的概述和材料的选择根据轴的受载情况，可分为：心轴（只受弯矩） 、转轴（同时承受弯矩和扭矩）和传动轴（主要承受扭矩，不承受或者承受较小的弯矩） 。根据结构形状，轴又可分为：光轴和阶梯轴；实心轴和空心轴；圆形截面轴和非圆形截面轴。轴的常用材料是优质中碳钢，其中以 45 钢最为常用。对于受载较小或者不甚重要的轴可采用 A3、A5 等普通的碳素钢；对于某些具有特殊要求的轴（例如花键轴、齿轮轴、装有滑动轴承的高速轴）可用合金钢。采用热处理（如调质、表面淬火、渗碳、渗氮等）和表面强化处理（如喷丸、滚压）可以提高轴的疲劳强度和耐磨性，渗氮和可以提高轴的耐蚀性。制造轴的毛坯一般用圆钢棒料或者锻坯。当毛坯的直径较小时或者阶梯轴的直径变化不大时，可用圆钢棒料制造。对于重要的， 大直径的或者阶梯轴变化较大的轴，常采用锻坯。对于形状复杂的轴，可采用铸造。基于此，我本次的设计是有六根轴即混料锅翻转轴、料叉架翻转轴、液压缸 1上下的心轴和液压缸 2 上下的心轴，按照轴的传动功率和所承受的载荷来讲，我选用 45 钢。123.2 混料机上锅的轴应满足的基本要求刚度：上锅轴部件的刚度是指其在外加载荷作用下抵抗变形的能力，通常以上锅的轴产生单位位移的弹性变形时，在位移方向上所施加的作用力来定义。混料机上锅轴主要承受径向力，轴向基本不受力，径向受力应低于轴所能承受的最大压力。 轴部件的刚度是综合刚度，轴的尺寸和形状、轴承的类型和数量、预紧和配置形式、轴部件的制造和装配质量等都影响混料机轴部件的刚度。3.3 锅体翻转轴计算及其校核一、锅体翻转轴的结构锅体翻转的结构根据设计要求,中间粗细一致，两端安装轴承，液压缸推动锅体架翻转，锅体架带动主轴沿主轴轴线旋转,旋转速度不高，轴的结构设计的相对简单。二、轴的材料与热处理设计要求承受载荷不是很大，在锅体翻转开始受一定的冲击载荷和振动载荷，故轴的材料为 45 钢加调质处理。三、锅体翻转轴的技术要求调质处理 HB=220-240；倒角为 ；0245未注尺寸偏差精度为 IT12。3.4 锅体翻转轴设计已知：简支轴，动力由轴的液压缸端输入，画出轴的结构草图并设计校核该轴13材料 45，轴径 d，取 A0=115， 30nPd由选定的液压缸知其 P 为 1.8，n 为 5r/minmnd6958.13=考虑到外界可能有的一些影响应增加轴径，取 d=80 。m（ ）画出轴的参考直径a（ ）结构设计过程b14（ ）完成结构草图c（ ）在液压缸作用时轴受力图d（ ）轴向受力e根据受力分析，轴几乎不受水平力，省略掉，所以轴向的受力为零。（ ）径向受力f15（ ）水平面弯矩图g同样原理，根据受力分析，轴不受轴向力，所以轴向弯矩图零。（ ）径向弯矩图h轴材料选用 45 钢调质， ， ，轴的计算步骤列于下650BMPa360sPa表。（1）支反力水平面支反力 得 ()0AF2RN得 BM1垂直面支反力 f2x510+f4x1170=f3x1020()A得 f4=2641N16660x400+f1x1020=f3x150()0BMF得 f1=-1893 力方向向上（2）用安全系数法校核该轴的强度判断危险截面 初步分析危险截面为液压缸顶端处轴材料选 45 钢调质， ， ，可得650BPa360sMPa，1.4.528b319B脉动循环疲劳极限 01.7.64bbPa6532M等效系数 10280.1846b109532.液压缸顶端对应的轴部分弯矩 1379.8IMNm弯曲应力幅 19.256IaWMPa弯曲平均应力 0m扭转切应力 3790.8.256Ta扭转切应力幅和平均切应力 .4amMP应力集中系数有效应力集中系数 用插值法查得 ，1.7k.31K表面状态系数 0.92尺寸系数 ，8.r17安全系数弯曲安全系数 1Nk12865.709bmS扭转安全系数 1127.8.3.405.28Nbarmrk复合安全系数 22657.1SS故该轴安全。3.5 料叉支架轴计算及其校核一、料叉轴的结构料叉支架轴的结构根据设计要求,中间粗细一致，两端安装轴承，液压缸推动料叉支架翻转，料叉支架带动主轴沿主轴轴线旋转,旋转速度不高，轴的结构设计的相对简单。二、轴的材料与热处理设计要求承受载荷不是很大，在料叉架翻转的开始受一定的冲击载荷和振动载荷，故轴的材料为 45 钢加调质处理。三、锅体翻转轴的技术要求调质处理 HB=220-240；倒角为 ；02453.6 料叉支架轴设计已知：简支轴，动力由轴的液压缸端输入， ，画出轴的结构草图并设计校核该轴，材料 45，轴径 d，取 A0=115， 30nPd由选定的液压缸知其 P 为 1.05，n 为 5r/min18mnPAd530.13考虑到外界可能有的一些影响应增加轴径，取 d=62 。m（ ）画出轴的参考直径a（b）完成结构草图19（c）在液压缸作用时轴受力图（d）轴向受力根据受力分析，轴几乎不受水平力，省略掉，所以轴向的受力为零。（e）径向受力20（f）水平面弯矩图同样原理，根据受力分析，轴不受轴向力，所以轴向弯矩图零。（g）径向弯矩图轴的计算步骤列于下表。（1）支反力水平面支反力 得 ()0AMF2RN得 B1垂直面支反力 Gx630+f3x1175=f2x630()A得 f3=1608.5N545x3000+f1x1175=f2x545()0BMF21得 f1=1591.5N（2）应力许用应力值 用插入法查得 ，012.5bMPa160bPa应力校正系数 106.9b（3）校核轴的强度我们只需看危险截面是否满足轴径条件，如果危险截面满足，那么别的轴径肯定满足； 由图可知轴的最大危险截面在液压缸顶端部分，所以只需校核危险截面即可。按第 3 强度理论校核，根据机械设计 （第八版）设计计算公式 15-5(1) 即可满足条件。)(12WtMca式中， -轴的计算应力，MP ；c aM-轴所受弯矩，N ；m.T-轴所受扭矩，N ；W-轴的抗弯截面系数， ；3其中，抗弯截面系数计算公式由机械设计 （第八版）表 15-4 查得。(2)1(.043dW将数值代入计算得 W=23832.8将上述计算数值代入式（1）计算得 MPaca51.428.23060所以轴的强度满足条件4 轴承的选择轴承是用来支承轴的部件，也用来支撑轴上有回转零件，滚动轴承的失效形式有：疲劳点蚀、塑性变形、磨损等。选用轴承时应考虑轴承所受负荷的大小、方向及性质；轴向固定型式；调心要22求，转速与工作环境；经济性和其它特殊要求。考虑到我们的设计的混料机上锅所传动的载荷比较小，转速较低，旋转精度要求也不高，所以我们选取一般的比较常用的轴承。最终我们所选用的轴承类型为：料叉翻转轴上的轴承 6011GB276-89 深沟球轴承，锅体支架翻转轴上的轴承为6016GB276-89 深沟球轴承，混料锅下部安装的推力轴承为 51220GB/T301-1995 标准上所限定的载荷要求，实际载荷小于许用载荷4.1 轴承的校核所选深沟球轴承型号为：6016GB276-89，常温下工作，试判断轴承是否合适。其计算系 e=0.22, =3.0, =4.5, =2.9,基本额定载荷 =200， =215kN,采用1Y20YrC0r脂润滑其极限转速为 2000r/min.滚动轴承预期使用寿命的推荐值：每天工作 8 小时的机械，满载荷使用，如机床、木材加工机械、工程机械、印刷机械、分离机、离心机等机械的预期使用寿命为 2000030000。本次混料机的使用寿命为25000h.。基本额定动载荷可按以下式子计算：C=0rC0hmdrntfPC其中：C基本额定动载荷计算值，N；23P当量动载荷，按式 计算， 为轴承所受径向载荷，rapXFYr轴向动载荷，X 为径向动载荷系数，Y 为轴向动载荷系数；寿命因数，按表 7-2-8 选取；hf速度因数，按表 7-2-9 选取；n力矩载荷因数，力矩较小时 =1.5,力矩较大时 =2;mf mf mf冲击载荷因数,按表 7-2-10 选取;d温度系数,按表 7-2-11 选取;Tf轴承尺寸及性能表中所列基本额定动载荷;0rC由表查得 =1.25, =0.355, =1.5, =1.5（中等冲击）, =1.0；hfnfmfdf Tf因为轴向载荷 =0，即 ，所以当量动载荷 即 ，aF/are10rPXYF1rP，为了计算轴承寿命时在相同条件下比较，需要讲实2.9567.3105.7PN际工作载荷转化为当量动载荷作用下，轴承受命与实际联合载荷下轴承寿命=268KN .2.1305.710.8205hmdntfC N0rC所以此轴承选的合适,能满足要求。料叉翻转轴上的轴承深沟球轴承，型号 6011GB276-89，用同样的方式验证得出结果能满足要求。4.2 轴承的润滑与密封润滑的作用是减少摩擦、降低温升和防止腐蚀。润滑不良会使轴承温升剧增，加速轴承的磨损，影响混料机 轴部件的正常工作。润滑剂的选用和润滑方式决定于轴承的类型、速度和工作负荷，良好的润滑可以降低轴承温度，延长寿命。滚动轴承可以用润滑脂或润滑油来润滑。速度较低时温升较低，可用脂润滑；速度较高时用油润滑较好。润滑脂的粘度大，不易流失，因此不需要经常更换，密封也较简单。但摩擦阻力大，机械效率低，流动性差，导热系数小。特别适用于锅体下端推力轴承，可防止漏油。润滑脂的使用期限长，如果轴承转速不超过样本所列的极限转速，则依次充填可使用 2000 h 以上。如转速较低则使用时间还可以更长。润滑脂填充量不宜24过多，尤其不能把轴承的空间填满，否则将引起过多的发热，并有可能使油脂溶化流出，效果就适得其反，通常填充量不宜超过轴承内部空间的 30。密封的作用主要是防止灰尘、屑末等进入轴承，以减少腐蚀和磨损；也可防止润滑油外漏，保护环境，避免污染。密封分为接触式密封和非接触式密封两类。前者有摩擦和磨损，发热严重，一般宜用于低速主轴。后者制成迷宫式和间隙式，发热很小，应用广泛。为保证密封作用，旋转部分与固定部分之间的间隙大小应加以限制。用脂润滑的轴承，密封主要是防止外界异物进入，可采用间隙式或迷宫式密封装置。为迷宫式密封，它是在组件的转动部分和固定部分之间作成复杂而曲折的通道。5 键的选取混料机上锅用到普通平键的地方有两处，料叉减速器与料叉架之间、锅底减速器与锅底法兰之间。单圆头普通平键键槽的剖面尺寸及公差，标准为摘自 GB 1096-79 单位 (mm)：料叉减速器与料叉架之间轴公称直径 d=50，锅底减速器与锅底法兰之间轴公称直径 d=55d50 58 mm键公称尺寸 bh=16x10mm键槽宽度公称尺寸 b=16键槽宽度极限偏差较松键联结轴 H9=+0.0430键槽宽度极限偏差较松键联结毂 D10=+0.120+0.050键槽宽度极限偏差一般键联结轴 N9=-0.000-0.043键槽宽度极限偏差一般键联结毂 Js9=0.0215键槽宽度极限偏差较紧键联结轴和毂 P9=-0.018-0.061键槽深度轴 t公称尺寸=6.0键槽深度轴 t极限偏差=+0.20键槽深度毂 t1公称尺寸=4.3键槽深度毂 t1极限偏差=+0.2025键槽半径 r最小=0.25键槽半径 r最大=0.40设计总结近一个学期的毕业设计将要结束了，这是我们在校期间的最后一次“练兵” ，为我们今后的工作开启了序幕。这是我们第一次进行这么系统的设计，虽然在这过程中遇得到了不少的困难，但最终的收获却是丰富的，对我们今后的学习和工作有非常最要的意义。我们的设计是