机械原理课程设计-麦秸秆打包机

机械原理课程设计机械原理课程设计 设计计算说明书设计计算说明书 设计题目 设计题目 麦秸打包机设计麦秸打包机设计 设设 计计 者 者 学学 号 号 专业班级 专业班级 机械工程机械工程 班班 指导教师 指导教师 完成日期 完成日期 20162016 年年 月月 日日 天津理工大学机械工程学院天津理工大学机械工程学院 目目 录录 一 设计题目一 设计题目 1 1 设计目的 1 1 2 设计题目 1 1 3 设计条件及设计要求 2 1 4 设计任务 2 二 执行机构运动方案设计二 执行机构运动方案设计 2 1 功能分解与工艺动作分解 2 2 方案选择与分析 2 3 执行机构设计 2 4 执行机构运动分析 2 5 机械系统方案设计运动简图 三 传动三 传动系统方案系统方案设计设计 3 1 传动方案设计 3 2 电动机的选择 3 3 传动装置的总传动比和各级传动比分配 3 4 传动装置的运动和动力参数计算 四 设计小结四 设计小结 五 参考文献五 参考文献 0 一一 设计题目设计题目 1 11 1 设计目的设计目的 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 数据诸方面的能力 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 机械原理课程设计是根据使用要求对机械的工作原理 结构 运动方式 力和能量的传递方式 各个构件的尺寸等进行构思 分析和计算 是机械产品 设计的第一步 是决定机械产品性能的最主要环节 整个过程蕴涵着创新和发 明 为了综合运用机械原理课程的理论知识 分析和解决与本课程有关的实际 问题 使所学知识进一步巩固和加深 我们参加了此次的机械原理课程设计 1 21 2 设计题目设计题目 麦麦秸秸打打包包机机机机构构及及 传传动动装装 置置设设计计 该麦秸打包机工艺动作如图所示 使人工将麦秸挑到料仓上方 撞板 B 上下运动 不一定是直线运动 将麦 秸喂入料仓 滑块 A 在导轨上水平往 复运动 将麦秸向料仓前部推挤 每 隔一定时间往料仓中放入一块木板 木版的两面都切出两道水平凹槽 这样 麦秸将被分隔在两块木版之间并被挤 压成长方形 从料仓侧面留出的空隙中将两根弯成 型的铁丝穿过两块木版凹 槽留出的空洞 在料仓的另一侧将铁丝绞接起来 麦秸即被打包 随后则被推 出料仓 1 打包机由电动机驱动 经传动装置减速 再通过适当的机构实现滑块和撞 板的运动 传动装置方案采用 带传动 二级圆柱斜齿轮减速器 1 31 3 设计条件及设计要求设计条件及设计要求 执行构件的位置和运动尺寸如图所示 当滑块处于极限位置 A1 和 A2 时 撞板分别处于极限位置 B1 和 B2 依靠重力将麦秸喂入料仓 一个工作循环所 需的时间 T 秒 打包机机构的输入轴转矩为 M 其余尺寸见下表 方案号T s M Nm l1 mm l2 mm l3 mm l4 mm l5 mm l6 mm 1 1 00440300400250800200600 说明和要求 1 工作条件 一班制 田间作业 每年使用二个月 2 使用年限 六年 3 生产批量 小批量试生产 十台 4 工作周期 T 的允许误差为 3 之内 1 41 4 设计任务设计任务 1 执行机构设计及分析 1 执行机构的选型及其组合 2 拟定执行机构方案 并画出机械传动系统方案示意图 3 画出执行机构的运动循环图 4 执行机构尺寸设计 画出总体机构方案图 确定其基本参数 标明 主要尺寸 5 画出执行机构运动简图 6 对执行机构进行运动分析 2 传动装置设计 1 选择电动机 2 计算总传动比 并分配传动比 3 计算各轴的运动和动力参数 3 撰写课程设计说明书 2 二 执行机构运动方案设计二 执行机构运动方案设计 2 12 1 功能分解与工艺动作分解功能分解与工艺动作分解 1 功能分解 为了实现打包机打包的总功能 将功能分解为 滑块的左右运动和撞 板的上下运动 2 工艺动作过程 要实现上述分功能 有下列工艺动作过程 1 滑块向前移动 将草杆向右推 2 滑块快速向左移动同时撞板向下运动 将草杆打包 3 当撞板向下移动到最大位移处时 滑块也将再次准备向右移动 至此 此机构完成了一个运动循环 2 22 2 方案选择与分析方案选择与分析 1 1 概念设计概念设计 根据以上功能分析 应用概念设计的方法 经过机构系统搜索 可得 形 态学矩阵 的组合分类表 如表 1 所示 表表 1 1 组合分类表组合分类表 滑块左右移动曲柄导杆机构曲柄滑块机构组合机构连杆机构 撞板上下移动曲柄导杆机构曲柄滑块机构组合机构连杆机构 因滑块左右移动与撞板上下移动可用同一机构完成 故可满足冲床总功能 的机械系统运动方案有 N 个 即 N 2 X 2 X 2 X 2 个 16 个 运用确定机械 系统运动方案的原则与方法 来进行方案分析与讨论 2 2 方案选择方案选择 1 1 滑块水平运动的机构滑块水平运动的机构方案选择方案选择 滑块左右运动的要求 主动件作回转或摆动运动 从动件 执行构件 作直 线左右往复运动 行程中有等速运动段 称工作段 机构有较好的动力特性 根据功能要求 考虑功能参数 如生产率 生产阻力 行程和行程速比系数等 及约束条件 可以构思出如下能满足从动件 执行构件 作直线左右往复运动的 一系列运动方案 3 滑块左右运动方案 1 三角正弦机构 滑块左右运动方案 2 槽轮滑块机构 4 滑块左右运动方案 3 六连杆机构 滑块左右运动方案 4 连杆复合机构 5 滑块左右运动方案 5 导杆机构 滑块左右运动方案 6 连杆复合机构 6 滑块左右运动方案 8 内凸轮机构 滑块左右运动方案 7 齿轮 连杆组合机构 7 滑块左右运动方案 9 曲柄滑块机构 滑块左右运动方案 10 外凸轮机构 8 表表 2 2 上述满足上述满足执行构件执行构件水平运动各个水平运动各个机构运动方案定性分析机构运动方案定性分析 主 要 性 能 特 征 功 能功 能 质 量经 济 适 用 性 方 案 号 运动 变换 增 力 加压 时间 一级 传动 角 二 级 传 动 角 工作平 稳性 磨损 与变 形 效率 复 杂 性 加工 装配 难度 成 本 运 动 尺 寸 满足 无较短 较小 一般 一般 高 简单 易低 大 满足 无 较短小 较平稳剧烈 较高 较复 杂 易 一 般 小 满足无较短小 较 平稳一般较高一般易 一 般 较 大 满足 较 强 短 较大 大 一般 一般 高 较复 杂 较难 一 般 小 满足无长较小 一般有一般较高 较复 杂 较难 一 般 大 6 满足弱长大大一般一般高 较简 单 一般 一 般 大 7 满足弱长大 有冲击剧烈较高 较复 杂 难 较 高 大 8 满足 无长较小 有冲击剧烈较高 较复 杂 较难 一 般 大 9 满足无较短较小 较平稳低高简单易低小 10 满足 无长 较小 有冲击剧烈较高 较复 杂 较难 较 高 大 注注 加压时间是指在相同施压距离内 撞板向下移动所用的时间 越长 则越有利 一级传动角指连杆机构的传动角 二级传动角指六杆机构或连杆 复合机构中后一级机构的传动角 评价项目应因机构功能不同而有所不同 对以上方案初步分析如表 2 从表中的分析结果不难看出 方案 2 3 5 9 性能显较差 方案 1 4 6 7 8 10 有较好综合性能 9 其中 1 4 7 10 这四个方案可作为被选方案 待运动设计 运动分析和动力 分析后 通过定量评价选出最优方案 2 2 撞板下压机构方案选择撞板下压机构方案选择 撞板下压机构的运动要求 撞板下压机构的运动要求 主动件作回转或摆动运动 从动件 执行构件 作直线 或近似直线 上下 往复运动 行程中有等速运动段 称工作段 机构有较好的动力特性 根据功能要求 考虑功能参数 如生产率 生产阻力 行程和行程速比系 数等 及约束条件 可以构思出如下能满足从动件 执行构件 作直线上下往复 运动的一系列运动方案 执行构件铅垂运动机构方案 1 连杆复合机构 10 执行构件铅垂运动机构方案 2 凸轮机构 执行构件铅垂运动机构方案 3 连杆复合机构 11 执行构件铅垂运动机构方案 4 齿轮复合机构 执行构件铅垂运动机构方案 5 凸轮复合机构 12 执行构件铅垂运动机构方案 6 连杆复合机构 执行构件铅垂运动机构方案 7 凸轮连杆齿轮齿条复合机构 13 执行构件铅垂运动机构方案 8 凸轮机构 执行构件铅垂运动机构方案 9 齿轮齿条机构 14 执行构件铅垂运动机构方案 10 连杆复合机构 表表 2 2 上述满足上述满足执行构件执行构件铅垂运动各个铅垂运动各个机构运动方案定性分析机构运动方案定性分析 功能功 能 质 量经 济 适 用 性方 案 号 运动 变换 加压 时间 一级 传动 角 二级 传动 角 平稳 性 磨损 与变 形 运动 效率 复杂 性 加工 装配 难度 成本运动 尺寸 1 满足较短较大较大一般小较大一般一般一般较小 2 满足长较大 有冲 击 大较大一般较难较高大 3 满足较长较大较大一般小较大一般一般一般较大 4 满足较短较大 较好较大一般较复 杂 较难高较小 5 满足较长较大 有冲 击 大较大一般较难较高较大 6 满足较短较大较大一般小较大较难一般一般一般 15 7 满足较长较大较大一般大较大较难较难高小 8 满足较长较大 有冲 击 大较大一般一般较高大 9 满足较短较大 较好一般一般一般一般一般较小 10 满足较长较大较大一般小一般较复 杂 一般一般较大 注注 加压时间是指在相同施压距离内 撞板向下移动所用的时间 越长 则越有利 一级传动角指连杆机构的传动角 二级传动角指六杆机构或连杆 复合机构中后一级机构的传动角 评价项目应因机构功能不同而有所不同 对以上方案初步分析如表 3 从表中的分析结果不难看出 方案 2 4 5 7 的性显较差 方案 1 3 6 8 9 10 尚可行且有较好综合性能并 各自都有特点 这六个方案可作为被选方案 待运动设计 运动分析和动力分 析后 通过定量评价选出最优方案 3 3 执行机构运动方案的形成执行机构运动方案的形成 机器中各工作机构都可按前述方法构思出来 并进行评价 从中选出最佳 的方案 将这些机构有机地组合起来 形成一个运动和动作协调配合的机构系 统 为使各执行构件的运动 动作在时间上相互协调配合 各机构的原动件通 常由同一构件统一控制 在选择方案时还需要进行非机械行业的综合考虑 例如机械的市场创新性 市场前瞻性 再开发性等各种各样的因素 这样会大大提高机械的价值和生命 期 通过对上述方案的拼装和组合 和多方因素的考虑 由此可以设计出以下组合 方案以供选择 1 1 连杆组合机构连杆组合机构 方案说明 如图 1 所示 目前此方案综合性能不是很理想 传动性能较差 但 是可以将左右移动滑块上方的槽去掉 用一个杆连接直接连接另一个槽的滑块 可以大大改善此机构性能 16 图 1 连杆组合机构 运动说明 此机构左端的曲柄摇杆机构的摇杆为复合杆 在曲柄工作时摇杆将 动力输出给左右运动的滑块 滑块又将动力通过正弦机构传给上下运动的滑块 从而完成打包机所需要的运动 2 2 齿轮齿条组合机构齿轮齿条组合机构 方案说明 如图 1 所示 整个机构的动力传输由三个齿轮联合组成 齿轮传动 有着高稳定性 可以承受重载和高速载荷等优点 而且结构简单 加工方便易 于维护 整体方案相对节省空间 17 图 2 齿轮齿条组合机构 运动说明 主动曲柄转动 带动摇杆进行摆动 和摇杆同轴的齿轮使底部齿条 移动的同时再将运动传给下一级齿轮 而下一级齿轮的运动带动最右边的齿轮 开始转动 最右边的齿轮带动第二个齿条进行运动 3 3 齿轮连杆组合机构齿轮连杆组合机构 方案说明 此方案力学性能良好 滑块有急回运动 运动结构紧凑层次清晰 而且除了为打包机输出所需的两个运动之外 还可以输出一个上下摆动的运动 为日后的再开发提供了帮助 18 图 3 齿轮连杆机构 运动说明 主动杆带动复合杆摆动 复合杆上部用滑块连接齿轮 齿轮带动齿 条使撞板上下运动 复合杆下部拉动滑块做左右运动 4 4 凸轮连杆组合机构凸轮连杆组合机构 方案说明 此方案中由于主动件为凸轮使得此机构不能承受高速载荷 但在低 速状态下通过设计凸轮的形状的不同可以达到不同的运动效果 使得机构运动 规律比较灵活 图 4 凸轮连杆机构 19 运动说明 凸轮带动滚子从动件上下运动 连杆机构将运动分解成打包机所需 要的形式 4 4 机构组合方案的确定 机构组合方案的确定 根据所选方案是否能满足要求的性能指针 结构是否简单 紧凑 制造是否方 便 成本是否低等选择原则 经过前述方案评价 采用系统工程评价法进行分 析论证 列出下列表格 性能指针方案 1 方案 2 方案 3 方案 4 运动规律 急回平稳急回任意运 动 性 能 运动速度及精 度 一般一般较高一般 工作效率一般高较高一般工 作 性 能 使用空间较大较大一般较小 承载能力较大大较大较低 传力性能较大大一般一般 动 力 性 能 震动与噪声较大较大较大较小 加工难度易一般一般较难 维护难度较易较易一般较难 经 济 性 能耗大小一般一般一般一般 20 使用寿命较长较长较长一般 机构尺寸大大较大较小 机构重量轻重一般较重 结 构 复杂程度一般复杂一般简单 经过分析 发现方案 3 最满足设计任务的要求 并且综合性能良好 易于 再开发 所以将方案 3 作为执行机构的最终方案 2 32 3 执行机构设计执行机构设计 1 1 执行机构设计执行机构设计 执行机构分别为 齿轮 齿条撞板上下冲压机构 连杆推块左右冲压机构 撞板上下运动冲压机构的设计撞板上下运动冲压机构的设计 四杆机构的设计 曲柄导杆机构的设计 齿轮机构的设计 滑块左右运动冲压机构的设计滑块左右运动冲压机构的设计 曲柄滑块机构的设计 1 1 撞板上下运动冲压机构的设计撞板上下运动冲压机构的设计 四杆机构的设计 曲柄导杆机构的设计 齿轮机构的设计 三 传动三 传动系统方案系统方案设计设计 3 13 1 传动传动方案方案设计设计 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作功外 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 21 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 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 22 原始数据 原始数据 已知工作机 执行机构原动件 主轴 转速 nW 60 r min 转矩 Mb 440 N m 3 23 2 电动机的选择电动机的选择 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 a 工作轴输出功率 PW M 1000 KW nW 30 60 30 6 28 rad s PW M 1000 440 6 28 1000 2 7632 KW 注 工作轴 执行机构原动件轴 b 所需电动机的功率 Pd PW a a 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 96 0 993 0 972 0 99 0 868 Pd PW a 2 7632 0 868 3 1834 KW 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 3 5 则电动机转速可选范围为 23 nd i带 i齿2 nW 2 4 3 5 2 nW 18 100 nW 18 100 30 1080 6000 r min 符合这一转速范围的同步转速有 1000 r min 1500 r min 和 3000 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 三种传动比方案 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 1Y112M 24300028904596 33332 11 2Y112M 44150014404348316 3Y132M1 64100096073322 512 8 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 由表中四种方案 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 2 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 min 3 33 3 传动装置的总传动比和各级传动比分配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 nW 1440 60 24 2 分配各级传动比 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 24 2 8 8 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 24 动比 取 ig 1 3id i减 ig id 1 3i2d 8 5714 i2d 8 5714 1 3 6 5934 id 2 57 ig 1 3id 1 3 2 57 3 34 注 ig 高速级齿轮传动比 id 低速级齿轮传动比 3 43 4 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