挖掘机转轴孔磨损后维修机的设计

本科毕业设计（论文）通过答辩1引言本文主要阐述了挖掘机铲斗转轴上孔磨损后修复机的设计，本设计是在指导老师的帮助下，经过同学们集体努力完成的。我们在设计期间主要做了以下几项工作：1.调查研究一项重大的研究成果都要经历调查研究这一步，只有在调查中仔细分析，仔细研究，发现问题所在，才能设计出物美价廉的产品。所以我们在设计开始前在指导老师的带领下我们到挖掘机工作现场，询问师傅，共同讨论。2.查阅资料通过调查，我们到图书馆借来许多关于挖掘机铲斗转轴上孔磨损修复的资料，并且到网上搜集资料。3.分析计算从机器工作现场回来，我们一起把测量的数据进行整理，通过大量的计算，做出初步的机器形状、4.绘制图纸通过一系列的计算和核对，我们画出了机器的大体形状，然后将一些部分零件添加进去。最后将一些连接部分画全。5.核对检查将设计出的图纸的一些设计计算，核对一下机器某些部位是否符合实际生产的要求。6.纠正我们将自己设计的图纸交给老师，指导老师在一些细节方面为我们提供了许多有意的意见，我们及时改正。最后画出整体装配图。毕业设计在我们的共同努力下完成，虽然在某些方面可能还存在一些遗漏或缺点，但我们所做的论文仍具有一定的特色：1.内容绝对新颖，目前我国修复挖掘机铲斗转轴上的孔的机器还没有出现，我们在设计中绝无出现模仿别人的现象。2.贯彻“少而精“的的原则，尽量多用图、表来表达叙述性的内容，并力求以较少的篇幅重点突出地传递较多的信息。3.作为一名机械专业毕业生，我们在设计过程中，充分运用我们所学的知识包括各种应用软件。真正做到学有所用。4.论文讲解详细，包含许多专业知识，并且分章清楚。本论文的主要内容涉及：机械制造过程基础知识，机械加工工艺过程设计，机械装配工艺，切削与磨削加工原理，图纸的绘制等各方面的内容。本论文主要讲解了挖掘机铲斗转轴孔磨损后修复机的设计过程，设计过程包括许多小部件的设计计算，比如：镗杆的设计计算、镗刀的设计计算及带轮的设计计算等。由于我们水平的限制，论文中不妥之处在所难免，恳请批评指正。21 概 述11 修复机的用途111 修复机的用途挖掘机在频繁使用的时候，特别是在一些矿山，容易使孔和轴过度磨损，在它们之间往往还容易混进一些杂质，长此以往使孔和轴的间隙越来越大，最后导致挖掘机的铲臂在工作过程中摇晃的越来越严重，这样在一定程度上影响了挖掘机的工作效率。我们在调查中发现：大部分铲臂由于孔磨大了后都直接报废，这样是对资源的一种极大浪费。所以根据以上调查，我们设计了这种可以修复孔的机器，我们的方法是：在磨损的孔表面用焊接的方法补上一层焊，补焊的要求是必须使补后的孔径比原先的孔径小，且补的焊要均匀一致。然后用我们的修复机把多余的焊车去，从而达到和出厂时一样的尺寸。考虑到是在矿山，我们设计的这种机器不但简单省事，而且成本极低，也不会造成资源的浪费，更重要的是安全可靠，工作效率很高。所以从经济角度上看，我们设计的这款机器绝对具有很好的市场前景。下面是我们在设计过程中采集到的几张实物图片：本科毕业设计（论文）通过答辩34112 市场调查我们通过各方面的调查发现：在现在大部分的挖掘机铲斗上的孔磨大以后，都会把铲臂拿回去炼铁，重新铸造。但也有更为先进的方法，目前日本发明了一种带防止转轴跳动的可移动轴套的挖掘机，这种方法是通过多个轴向间距隔开的螺旋片。轴套的内径比螺旋片的回转直径稍大。在第一螺旋片松套在轴套内后，钻轴以钻土速度进入地基直到钻出的孔达到第一深度，此时固化液从钻轴的喷嘴中注射出，而轴套以与钻土速度相同的速度下移。随后，只有轴套在钻轴不运动时从第一深度上移到套住第一螺旋片上方的第二螺旋片。重复上述步骤使孔达到要求深度。下面是我们设计的产品的整体装配图图 11 整体装配图12 修复机的工作原理修复机在工作过程中大致可以分为定位、对刀、粗车、精车、检测五个不同的阶段，这主要由两个不同功能的电动机来实现完成的。121 定位修复机在工作前必须先将镗杆定好位，这样才能保证在切削过程中的稳定。如下图所示，在确定镗杆高度时，定位装置在镗杆的两端各置一个，通过调节其中的本科毕业设计（论文）通过答辩5图 12 定位装置示意图丝杠来调节镗杆的高度。固定装置的安装则采用焊接圆柱滑动轴承的形式，在镗杆上套上一个圆柱滑动轴承，轴承与镗杆采用间隙配合， （圆柱滑动轴承可以与镗刀相对移动） ，使镗杆与孔的轴线重合。然后用焊接的方法将圆柱滑动轴承焊接在需要修复的孔的外面，这样起到紧固的作用，同时减轻修复机在切削过程中产生的震动。切削加工完用锤头将焊接在铲斗转轴体的固定装置敲开。使用非常方便，而且可以重复使用。下面是固定装置的三维图。图 1-3 固定装置三位示图6122 对刀当变速电机启动时，通过带传动带动镗杆转动，此时启动步进电机，通过齿轮传动带动丝杠转动，丝杠转动又使套在丝杆上的套筒匀速向前运动，通过双列置推滚子轴承的连接达到使镗杆向前运动的效果，这样就可以进行对刀。通过移动两侧的对刀装置，当在孔内臂发现镗刀在各处都切削均匀时此时说明孔的轴线与镗杆的轴线在一条直线上，或基本在一条直线上。123 加工1231 粗车对刀结束后，启动变速电机，电机的转速为 600r|min。启动步进电机使镗杆转动的同时，向前慢速且匀速运动，这样就可以对孔进行粗镗。粗镗的主要作用是去除因补焊过程中在表面生成的余量层。使精镗顺利进行。1232 精车粗镗结束后，调节变速电动机的转速，此时转速为 800r|min。而步进电机的转速和原来一样保持不变，这样实现对孔的精镗。精镗的主要目的是提高加工精度。124 检测当对孔精加工完后要测量一下尺寸，如果发现尺寸和原来的相差太大时应重新对刀再车一遍。如果发现和原来的尺寸相差不大时，可以再精车一次即可，也不需重新对刀。1.3 修复机的种类修复机的主要作用是修复孔，而在挖掘机上孔的尺寸也各不相同,有时两孔之间的间距也不相同。我们设计的修复机主要是针对挖掘机铲斗转轴上的孔的修复，也可应用在我们生活中的很多方面。所以根据孔的孔径和两孔的孔距我们设计了三种不同的镗杆。131 普通型这种也是我们主要用来修复挖掘机铲斗转轴的，镗杆的尺寸为 250050.132 轻型这种主要是针对那种孔径比较小的，而孔又相对比较长的，镗杆的尺寸为200040.133 重型本科毕业设计（论文）通过答辩7这种主要是针对那种较粗孔，孔距又比较短的，镗杆的尺寸为 280060。 通过对镗杆长短和粗细的改变，能够使修复机的使用范围更加广泛。1.4 对修复机的要求和设计修复机主要参数的设计141 设计目的为了提高挖掘机的工作效率，降低修理成本，设计一种修复孔的新型机器是必不可少的。由于在矿山工作，挖掘机经常连续几十个小时工作，这必然使孔的磨损加快，而孔的磨损容易导致挖掘机铲臂乱晃，这必然降低挖掘机的工作效率，增加危险性。修复机的设计使用，能够使孔在很多的时间内得到修复，这样挖掘机可以高效的，稳定的工作，从而提高挖掘机的各种场合工作的效率。142 对修复机的要求（1）为了使修复机能够正常工作，必须保证有平正的空间在放置它，以便它能够沿着水平方向进行切削。（2）为了保证修复机能够平稳工作，支撑机构必须要牢固，以免在工作过程中晃动，影响加工精度。（3）镗杆要有足够的刚度和强度。（4）镗刀要有足够的硬度，保证切削过程顺利进行。（5）排屑效果要好，有效地排除在切削过程过程中产生的铁屑，不这样仅能够提高加工精度，而且能够散出产生的热量，从而提高刀具的使用寿命。（6）拆卸，结构要简单，连接元件要稳定可靠。（7）双列置推滚子轴承要有足够的刚度，这样能够承受足够大的轴向力。（8）丝杠上螺母的运动与镗杆的运动必须要平行。（9）固定装置的焊接、固定必须牢固，保证镗杆和孔之间的同轴度。（10）保证有足够的供电设备，在必要的时候修复机最好配上发电机，这样使修复机在工作时有保证。由于修复机需要用两台电机，所以供电设备是必不可少的。143 修复机主要参数的确定（1）镗杆尺寸的选定根据孔径大小以及两孔之间的距离以及受力来确定。（2）调速电机的选定根据切削过程中所需的镗杆转速确定。8（3）带轮的选定根据步进电机来确定（4）镗杆带轮的选定根据镗杆直径长度来确定（5）皮带的选定根据电机轮和镗杆带轮来确定。（6）步进电机的选定根据镗杆前进所需的移动速度。（7）固定装置的选定根据镗杆的直径大小，选择与镗杆有间隙配合的孔径，保证两者之间可以相对移动。（8）丝杠的选定根据与步进电机相连的带轮尺寸、受力情况。（9）镗刀的选定依据镗杆的直径以及孔的直径，镗刀可以调节长度，起到对刀的作用。（10）皮带轮的选定根据皮带的类型以及机器在工作过程中的受力情况确定，使皮带轮在工作过程中能够承受较大的力而不致破坏。本科毕业设计（论文）通过答辩92 带传动部分的设计计算2.1 带传动系统211 概述图 2-1 带传动装配图带传动是一种挠性传动。带传动的基本组成零件为带轮和传动带。正确选择带传动系统，对于保证修复机在工作过程中稳定、高效运行，充分发挥修复机的整体效应，是一个不可缺少的重要因素。带传动系统主要包括变速皮带、电机轮、钩头楔键、带轮。在具体选用带传动过程时，首先要选择一个合适的电动机。由于镗刀在切削过程中需要有精车和粗车两个过程，所以电机必须采用变速电机，这样才能达到在粗车时转速较慢而在精车时转速较快。根据普通车床电机，我们选择的变速电机功率为4.5KW。最快转速为每分钟 1200 转，最慢转速为每分钟 800 转。这样既能满足机器在工作过程中的功率，也能使机器稳定。带传动是一种挠性传动。带传动的基本组成零件为带轮和传动带。212 带传动的类型和选择按照工作原理的不同，带传动可分为摩擦性带传动和啮合型带传动。而根据带传动的横截面积形状的不同有可以分为平带传动、园带传动、V 带传动和多楔带传动。每种带都个有各的优点与缺点。10平带传动结构简单，传动效率高，带轮也容易制造，在传动中心距较大的情况下应用较多。圆带结构简单，其材料常为皮革、棉、麻、锦纶、聚氨酯等，多用于小功率传动。多楔带兼有平带柔性好喝 V 带摩擦力大的优点，并解决了多根 V 带长短不一而各带受力不均的问题。多用于传递功率较大同时要求结构紧凑的场合。V 带的横截面积呈等腰梯形，带轮上也做出相应的轮槽。传动时， V 带的两个侧面和轮槽接触。槽面摩擦可以提供更大的摩擦力。另外，V 带传动允许的传动比大，结构紧凑，大多数 V 带已经标准化。综上所述，我们选择 V 带传动来带动。 213 带传动的连接由于电机在运转过程中转速较快，必然使连在上面的带轮承受轴向作用力，所以我们采用变速电机的转轴与带轮通过钩头楔键连接的方式，这样保证电机在运转过程中带轮不会左右晃动，也就是发生轴向移动。2.2 带传动的受力分析221 带传动的受力分析变速电机带动带轮传动前，传动带以一定的初拉力 F0 张紧在带轮上。如下图所示图 2-2（a）不工作时带传动工作时，因为带和带轮间有一定的静摩擦力，所以使带一边拉紧，一边放松。紧边拉力为 F1，松边拉力为 F2。如果近似认为带的总长度不变，并且假设认为带为线弹性体，则有下列公式成立:F1-F0=F0F1受力分析如图本科毕业设计（论文）通过答辩11图 2-3（b）工作时如果取与带轮接触的传动带为分离体，则根据带传动上诸力对带轮中心的力矩平衡条件可得Ff =F1F2式中 Ff 为传动带工作面上的总摩擦力的大小。图 2-4（a）不工作时带传动的有效拉力为 Fe 等于传动带工作表面上的总的摩擦力 Ff，则有下面等式成立：Fe=Ff= F1F2则有效拉力与带传动所传递的功率 P 的关系为 ：P=Fev/1000式中的功率单位为 KW，有效拉力 Fe 的单位为 N，带传动的速度 v 为 m/s。在初拉力 F0，紧边力 F1，松边力 F2和有效圆周力 Fe 这 4 个力当中，其中有两个是12单独的。因此我们可得：F1= F0 + Fe/2F2= F0- Fe/2由此我们可知，在带速一定的条件下，带传动所传递的功率 P 决定了带传动应有的有效拉力 Fe，也就相应决定了传动带和带轮间应带至少具有的总摩擦力 Ff，以及为了获得这个总摩擦力 Ff，传动带应具有的最小的初拉力（F0）min。带轮的初拉力 F0必须大于带传动的正常工作所要求的最小的出拉力（F 0）min，否则主动带轮将带动不了从动带轮转动，容易出现打滑现象，这样我们的修复机就无法正常使用。但是，我们又必须牢记，过大的初拉力也是没有必要的。传动带的紧边拉力与松边拉力取决于带的初拉力和带传动的有效拉力。在带传动有效拉力给定的条件下，把传动带张的过紧，只会无谓的增大传动带的紧边拉力和松边拉力，从而是带传动因过度磨损而很快松弛。综上所述：为了保证带传动的正常工作，首先要确定满足传递功率要求的至少具有的总摩擦力和与之对应的最小初拉力。2.3 带传动的参数选择231 中心距 a中心距大可以增加带轮的包角，减少单位时间内带的循环次数，有利于提高带的寿命。但是中心距过大，则会加剧带的波动，降低带传动的平稳性，同时增大带传动的整体尺寸。中心距小，则有相反的利弊。一般选带传动的中心距为0.7（dd1+dd2） 02（dd1+dd2）a其中， 0为初选的带传动中心距，单位 mm.a232 传动比 i传动比大，会减小带轮的包角。当带轮的包角减小到一定程度时，带传动会打滑，从而无法传递规定的功率。因此，带传动的传动比一般为 7 推荐值为 =25ii233 带轮的基准直径在带传动需要传递的功率给定的条件下，减小带轮的直径，会增大带传动的有效拉力，从而导致 V 带根数的增加。这样不仅增大了带轮的宽度，而且增大了载荷在 v 带之间分配的不均匀性，另外，带轮直径的减小，增加了带的弯曲应力。 。为避免弯曲应力过大，小带轮的基准直径就不能过小。一般情况下，应保证 dd(dd)min。推荐的 V 带轮的本科毕业设计（论文）通过答辩13最小基准直径列于下面表格中。槽型 Y Z A B C D E(dd)min 20 50 75 125 200 335 500234 带速 v当带传动的功率一定时，提高带速，可以降低带传动的有效拉力，相应地减少带的根数或者 V 带的横截面积，总体上减少带传动的尺寸；但是，提高转速，也提高带速，也提高了 V 带的离心应力，增加了单位时间内带的循环次数，不利于提高带传动的疲劳强度和寿命。降低带速则有相反的效果。由此可见，带速不易过高或过低，一般推荐 v=525m/s，最高带速 vmax30m/s。2.4 带传动的设计计算241 已知条件和设计内容设计 V 带传动时的已知条件包括：带传动的工作条件；带传动位置与总体尺寸限制；所需传递的额定功率 P；小带轮转速 n1;大带轮转速 n2 或传动比 i。设计内容包括带的型号、确定基准长度、根数、中心距、带轮材料、基准直径以及结构尺寸、初拉力和压轴力、张紧装置等。242 设计步骤和方法（1） 确定计算功率计算功率 Pca 是根据传递的功率 P 和带的工作条件而确定的Pca=KaP式中 Pca：计算功率， KWKa：工作情况系数。P：所需传动的额定功率。根据工作情况系数表可知我们所需的 Ka 值为 1.1 所以可的 Pca 为 1.14.5=4.95 KW（2） 选择 V 带的带型根据计算功率 Pca 通过普通 V 带选型图我们选择 B 型带。（3） 确定带轮的基准直径 Dd 并演算带速根据 V 带的带型，参考 V 带轮的最小基准直径表我们确定小带轮的基准直径 Dd1 为112mm，大带轮的直径 Dd2 为 160mm。14（4） 演算带速 v带速不宜过低或过高，一般应使 v=525m/s，最高不超过 30m/s。 =(v1-v2)/v1 100或 v2=(1-)v1 为带轮线速度的相对变化量，我们用滑动率来评价。其中 v1=Dd1n1/60100V2=Dd2n2/60100式中，n1、n2 分别为主动轮和从动轮的的转速，r/min。由以上式子可得 Dd2n2=(1-)Dd1n1因而带传动的平均传动比为=n1/n2=Dd2/(1-) Dd1i在一般的带传动中，因活动率不大(12),故可以不予考虑，而取传动比为=n1/n2Dd2/Dd1i通过以上式子我们可以得到 v15m/s 在可使用范围之内。（5）计算大带轮的基准直径由 Dd2=iDd1 计算。在此我们插入普通 V 带轮的基准直径系列表带型 基准直径 ddY 20，22.4，25，28，31.5，40，45，50，56，63，71，80，90，100，112，125Z 50，56，63，71，75，80，90，100，112，118，125，132，140，150，160，180，200，224，250，280，315，355，400，500，630A 75，80，85，90，95，100，106，112，118，125，132，140，150，160，180，200，224，250，280，315，355，400，450，500，560，630，710，800本科毕业设计（论文）通过答辩15B 125，132，140，150，160，170，180，200，224，250，280，315，400，450，500，560，600，630，710，750，800，900，1000，1120C 200，212，224，236，280，300，315，355，400，450，500，560，600，630，710，750，800，900，1000，1120，1250，1400，1600，D 355，375，400，420，425，450，475，500，560，600，630，710，750，800，900，1000，1060，1120，1250，1400，1500，1600，1800，2000E 500，530，560，600，630，670，800，900，1000，1120，1250，1400，1500，1600，1800，2000，2240，2500243 确定中心距离,并选择 V 带的基准长度 Ld（1（ 根据带传动总体尺寸的限制条件或要求的中心距，结合初定中心距 0a（2（ 计算相应的带长 Ld。Ld。2a+3.14（Dd2-Dd1）+(Dd2-Dd1)/4a带的基准长度 Ld 由 V 带的基准长度系列及长度系数 KL表确定带长修正系数 KL基准长度Ld/mm Y Z A B C D E400 0.96 0.87450 1.00 0.87500 1.02 0.91560 0.94630 0.96 0.1710 0.99 0.83800 1.00 0.85900 1.03 0.87 0.821000 1.06 0.89 0.841120 1.08 0.91 0.86161250 1.11 0.93 0.881400 1.14 0.96 0.901600 1.16 0.99 0.92 0.831800 1.18 1.01 0.95 0.862000 1.03 0.98 0.881.06 1.00 0.911.09 1.03 0.931.11 1.05 0.951.13 1.07 0.97 0.861.17 1.09 0.99 0.891.19 1.13 1.02 0.911.15 1.04 0.93 0.901.18 1.07 0.96 0.92带入数值可得带长 Ld。4500mm244 计算中心距 及其变动范围a中心距越大带越容易颤动，而中心距越小带越容易疲劳，所以中心距的选择对于带传动来说是至关重要的。传动的实际中心距近似为 0+(Ld- Ld。)/2a考虑刀带轮的制造误差、带长误差、带的弹性以及因带的松弛而产生的补充张紧的要的变动范围常给出中心距min= -0.015 Ldamax= -0.03 Ld245 演算小带轮上的包角 1因为小带轮的包角小于大带轮的包角，小带轮上的总摩擦力相应地大于大带轮上的总摩擦力。因此，打滑只可能在小带轮上发生。为了提高带传动的工作能力，应使1180-（dd2-dd1）57.3/ 90a246 确定带的根数 z Z=Pca/Pr=KA/(P0+P0)KaKL本科毕业设计（论文）通过答辩17为了使各根 V 带受力均匀，带的根数不宜过多，一般应少于 10 根。否则，应选择横截面积较大的带型，亦减少带的根数。由此可的 Z2，所及我们用两根带。247 计算带传动的压轴力 FP为了设计带轮轴的轴承，需要计算带传动在轴上的压轴力 FPFP=2zF0sin(1/2)式中的 1 为小带轮的包角。下面我们给出测定初拉力所需要的垂直力 G带速 v/(m/s)带型 小带轮直径Dd1/mm 010 1020 2030Z 50100100577104.2668.53.55.55.57A 751401409.514142181212186.5101015B 12520020018.52828421522223312.5181827C 200400400365454853045457025383856D 35560060074108108162629494140507575108E 500800800145217217325124186186280100150150225下面是压轴力的计算示意图18图 2-5 计算示意图2.5 V 带轮的设计251 V 带轮的材料我们采用的材料为 HT150。252 V 带轮的结构形式我们采用 V 带轮实心式，即能保证能够承受一定的载荷，又能减少额外功率输出。253 V 带轮的技术要求1）V 带轮不允许有砂眼、裂缝、缩孔及气泡。2）V 铸造带轮在不提高内部应力的前提下，允许对轮缘、凸台、腹板的表面缺陷进行修复。3）转速高于极限转速的带轮要做静平衡，反之要做动平衡。2.6 V 带传动的张紧、安装和防护261 V 带传动的张紧本科毕业设计（论文）通过答辩19V 带传动运转一段时间以后，会因为带的塑性变形和磨损而松弛。为了保证带传动正常工作，我们在使用修复机时应定期的检查带的松弛程度，采用相应的补救措施。262 V 带传动的安装修复机的变速电机是固定不动的，在使用过程中一般把电机焊在牢固的铁架子上，将铁架子放在地面固定，确保在修复机使用过程中产生的振动最小。修复机在工作过程中镗杆会自动向外移动，这段距离比较小也就是我们所要修复的孔的长度。通过调查和测量，我们发现矿山使用的挖掘机铲斗转轴上的孔一般长度为 100mm，而两个带轮的距离为 2000mm。通过画图计算我们发现修复机在工作过程中，带偏移的角度还不到 3 度，所以我们可以忽略带的偏移。图 2-6 偏移角度示意图263 V 带传动的防护原则上讲，带传动应至于铁丝网或防护罩之内，使之不能外露，以免遭受风吹日晒，减少使用寿命。但我们所设计的修复机主要考虑到拆卸方便，可以在大多数情况下使用，所以并不需要加防护罩。203修 复 机 切 削 部 分 的 设 计 计 算3.1 切削部分的概况311 切削部分简介切削部分是修复机在工作过程中的中心环节，在工作过程中，通过镗杆的轴向转动和径向的移动，从而使镗刀切削焊层，最终达到修复的目的。312 切削部分的组成下面是我们所设计的图纸图 3-1 切削部分示意图通过上图我们可以看到切削部分主要由镗杆、镗刀以及固定装置组成，镗杆主要是传递动力，镗刀用于切削，而固定装置用于固定。三个部分通过与其他部分相互配合，实现切削运动。3.2 修复机镗杆的设计计算32.1 镗杆的选择 修复机在工作过程中，即支撑传动机件又传递动力，即承受弯矩和扭矩两种作用。所以在整个机器运转中起到至关重要的作用。我们所设计的修复机在工作过程中一边在本科毕业设计（论文）通过答辩21带传动的带动下转动，一边在进给运动的带动下向前运动。设计镗杆应考虑多方面的因素和和要求，其中我们主要是对镗杆的选材、结构、强度和刚度。对于高速轴还应考虑振动稳定型问题。在设计过程中考虑到镗杆的受力、强度、刚度、耐磨性等的要求，以及为实现这些要去而采用的热处理方式，同时考虑到制造工艺问题加以选用，力求经济合理。制造镗杆的材料很多，我们采用 45 号优质碳素机构钢，也就是常用的轴的材料。下面是 45 号钢的主要力学性能表：抗拉强度屈服点 弯曲疲劳极限扭转疲劳极限许用静应力许用疲劳应力材料牌号 热处理 毛坯直径 硬度MPa 不小于 MPa MPa正火 25 241 610 360 260 150 244 17320045正火回火100100300300500500750170217162217156217600180560540300290280270240235225215140135130125240238224216160184156180150173143165调质 200217255 650 360 270 155 260 180 180207备注：45 号钢应用最为广泛322 镗杆的尺寸设计镗杆在整个机器中与多个零件相连接，镗杆的尺寸决定了与它相连零件的尺寸，所以镗杆的尺寸设计是我们必须首先考虑的。通过对挖掘机铲斗转轴上孔的测量以及对修复机的整体装配情况，我们设计的镗杆的尺寸如下图：22图 3-2 镗杆尺寸示意图由于在实际的矿山生产中挖掘机的型号很多，所以我们在设计镗杆的尺寸时也根据不同的挖掘机型号设计了几种不同的镗杆，这样才能保证修复机能够修复不同的孔径。323 镗杆的装配镗杆是工作过程的中心，所以必然与多个部件相陪合，只有通过合理的配合才能保证镗杆正常运行，且不发生各种不必要发生的情况。（1）与带轮的装配如图：图 3-3 带轮与镗杆的装配示意图镗杆与带轮通过平键链接实现过盈配合，即保证能够承受一定的径向和径向力，而且便于拆卸。同时在带轮上安装一挡板，在挡板和镗杆的中心打上螺纹孔，用螺钉将二这连接，这样使整个连接更加紧固。而键的尺寸我们通过查阅机械制图可知，公称直径为 50 的轴，键的尺寸为 bh=1610。长度 L 的范围为 45180。（2）与圆锥双列滚动轴承的配合与圆锥双列滚动轴承的配合图如下：镗杆通过过盈配合与圆锥双列滚子轴承配合，这个配合是整个设计环节中最为关键的环节，通过圆锥双列滚子轴承，把进给运动传递给镗杆。同时并不影响镗杆做轴向转动。从整体装配图我们可以看出，双列圆锥滚子轴承在机器工作过程中承受很大的轴向力，所以我们在装配时必须考虑它的固定。在连接过程中，将两快垫板与双列圆锥滚子轴承的上下两端焊接，同时镗杆上加工出一小段轴肩，这样防止轴承向左做轴向移动。再用挡板把两块垫板连接在一起，分别用螺钉紧固。与此同时，镗杆的最左边加上弹性本科毕业设计（论文）通过答辩23挡圈。这样又能够防止轴承向右移动。图 3-4 轴承与镗杆装配示意图（3（ 与镗刀的配合图 3-5 镗杆与刀具的装配示意图由图可知：在镗杆的不同位置，分别挖两处凹坑，以便安装镗刀，同时在镗杆的另一侧打上螺纹孔，通过调节螺纹这使镗刀更为稳定的固定在镗杆上。（4（ 与圆柱滚子轴承的的配合（即与固定装置的配合）图 3-6 镗杆与固定装置装配示意图由图可知，镗刀与圆柱滚子轴承之间采用间隙配合。在工作过程中，为了保证镗杆不上下晃动，我们采用在镗杆上加圆柱滚子轴承的方法。同时在轴承的不同位置焊接上连接架。在机器运转前，将连接架焊接在所要修复的孔体上；而当结束时在将连接体敲下。同时还保证镗杆即能轴向转动，又能径向移动。（5（ 与调节装置的连接如下图 3-7 所示：24调节装置示意图由三维视图可知：镗杆在一侧与调节装置的连接即将镗杆放在调节装置上，因为调节装置上的半圆直径与镗杆的直径基本相识，同时半圆体下面有螺丝柱支撑，通过调节螺纹来调节镗杆的高度。这个调节装置主要调节镗杆的位置，以便实现对刀。当对好刀以后可以将调节装置拆下。3.3 镗刀的设计和计算331 镗刀的选定镗刀是修复机在工作过程中用于切削的部件，在切削过程中承受的力较大，所以镗刀必须保证一定的刚度，强度以及耐磨性等各方面要求。我们选用的是市场上比较普遍的微调刀具，材料是 Cr2 钢，也就是下图所示的刀具：图 3-8 镗刀尺寸示意图 3.3.1-1本科毕业设计（论文）通过答辩25这种刀具能够保证承受比较大的强度，拉力以及径向和轴向力，且耐磨度较好，最主要的是能够根据不同的尺寸进行调节，也就是我们所说的对刀。332 镗刀的工作原理镗 削 ： 镗 削 是 一 种 用 刀 具 扩 大 孔 或 其 它 圆 形 轮 廓 的 内 径 车 削 工 艺 ， 其 应 用 范 围 一般 从 半 粗 加 工 到 精 加 工 ， 所 用 刀 具 通 常 为 单 刃 镗 刀 （ 称 为 镗 杆 ） 。单 刃 微 调 精 镗 刀 ： 本 实 用 新 型 涉 及 一 种 孔 加 工 用 单 刃 微 调 精 镗 刀 ， 包 括 刀 体 和 刀 杆 ， 其特 征 在 于 ： 所 述 刀 体 内 置 有 滑 动 刀 夹 ， 滑 动 刀 夹 上 固 定 有 微 调 螺 母 ， 微 调 螺 杆 通 过 限 位螺 母 、 限 位 衬 套 和 刀 体 连 接 ， 所 述 微 调 螺 母 与 所 述 微 调 螺 杆 组 成 一 对 螺 纹 传 动 机 构 ， 所述 滑 动 刀 夹 端 部 置 有 刀 杆 ， 并 由 锁 紧 螺 钉 锁 紧 固 定 ， 刀 片 置 于 所 述 刀 杆 的 端 部 。 所 述 微调 螺 杆 的 一 端 设 置 有 刻 度 盘 ， 刻 度 盘 与 所 述 限 位 螺 母 之 间 安 装 有 蝶 形 弹 簧 。 与 现 有 的 微调 精 镗 刀 相 比 ， 本 实 用 新 型 结 构 紧 凑 ， 采 用 螺 纹 传 动 机 构 调 整 方 便 ， 镗 孔 范 围 可 从2mm 到 150mm， 刻 度 盘 每 旋 转 一 格 ， 精 度 为 0.01mm， 调 整 范 围 大 ， 调 整 精 度 高 。333 镗刀的位置根据孔的位置来确定镗刀的位置，下面是我们所测量的一种型号的挖掘机铲斗转轴上的孔的情况如下图所示：图 3-9 镗刀位置示意图由图我们可以看到在修复过程中镗刀要同时通过两个相同的孔，这就要求对两把镗刀进行定位，由图可知，由于两个孔之间的距离为 200mm，所以我们在设计过程中也让两把镗刀相距 200mm。并且镗刀与孔之间的距离为 40mm，镗刀的角度为与水平方向成 53度角。3.4 固定装置341 注意事项26当对好刀以后分别将两个圆柱滚子轴承套在镗杆上，应注意以下事项：1） 、在加工连接架的时候应保证每个连接架的大小尺寸相同。2） 、在焊接的时候，应保证每个连接架与圆柱滚子轴承的轴线所成的角度相同。3） 、选用的连接架材料必须有足够强的刚度和硬度，这样防止在敲击下来时发生弯曲变形。342 固定装置的作用机器在切削过程中，镗杆承受很大的轴向力和径向力。所以我们设计固定装置主要目的是减少震动，保证切削顺利进行。同时，采用连接支架的方式可以防止镗刀与之发生碰撞，更重要的是在对刀时可以目测到，测量时也比较方便。3.5 轴的强度和刚度计算351 轴的刚度计算1）按转矩估算轴的强度计算方法分为三种，以下我们是按照转矩估算。这种方法是根据轴所受的转矩来计算。如果轴上还作用较小的弯矩时，则用降低许用应力的方法加以考虑。用这种方法是为了初步确定轴径，在此基础上做轴的结构设计。对于一般的轴，也可作为最后计算结果。实心轴的直径计算公式如下：式中 d 为计算剖面处轴的直径（mm）T 为轴传递的额定转矩（Nmm）T=9550000P/nP 为轴传递的额定功率（kw）n 为轴的转速（r/mm）t为轴的许用转应力2）安全系数校核计算轴的安全系数校核计算包括两方面：疲劳强度安全系数校核和静强度安全系数校核。危险截面的位置应是计算弯矩较大，截面积较小，应力集中较严重的截面，也就是实际应力较大的截面。本科毕业设计（论文）通过答辩27判断依据为 SS。当该式不能满足时，应改进镗杆轴的结构一降低应力集中。轴的疲劳强度是根据长期作用在轴上的最大变载荷进行校核计算。计算公式如下：式中 St 为只考虑弯矩作用时的安全系数；S6为只考虑扭矩作用时的安全系数；S按疲劳强度计算的许用安全系数，见表如下：S 选择条件1.31.51.51.81.82.5载荷确定精确，材料性质较均匀载荷确定不够精确，材料性质不够均匀载荷确定不精确，材料性质均匀度较差3）轴静强度安全系数校核轴的静强度是根据轴的短时最大载荷（包括动载荷和冲击载荷）来计算的。校核的目的是保证轴对塑性变形的抵抗能力。危险截面安全系数的校核计算公式为:SS6为只考虑弯曲时的安全系数；SSt为只考虑扭转时的安全系数，352 轴的强度轴在载荷作用下，将产生弯曲或扭转变形。若变形量超过超过允许的限度，就会影响轴上零件的正常工作，甚至会破坏机器的工作性能。因此在设计镗杆时必须检验轴的变形量。1）轴的扭矩变形计算轴的扭矩变形，用每米轴长的扭转角 表示对于圆形实心轴的扭转角的简化计算公式如下28式中 T 为轴传递的转矩（Nmm）l 为轴受转矩作用的长度（mm）d 为轴的外直径（mm） 、G 为材料的切变模量（MPa）4 进给运动部分的设计计算4.1 进给运动部分概况411 进给运动部分的工作原理进给运动部分也是修复机的重要组成部分，它的工作原理是，通过步进电动机的转动带动齿轮传动，齿轮传动带动又带动丝杠传动，在丝杆上套上一个带有平台的套管，同时平台通过一调节装置与圆锥双列滚动轴承相连。在丝杠上必须安装一联轴器来保证丝杠上的平台做直线运动。当步进电机转动时，通过齿轮传动丝杠向前做匀速进给运动，从而带动平台做同样的运动，又通过圆锥双列滚动轴承，最终使镗杆做匀速进给运动，实现镗刀边转动边前进。步进电动机的转速很慢，而且可以改变转向，能够使镗杆在孔内左右移动，每完成一次切削运动，调节步进电机使镗刀回到原先位置，进行一次测量，然后调节镗刀，再做一次切削运动，最终使孔达到我们所需的尺寸。412 进给运动部分的组成和作用进给运动部分的主要作用是通过一系列的传动，最终实现镗杆上镗刀的匀速运动，下面是进给部分示意图：本科毕业设计（论文）通过答辩29图 4-1 进给部分示意图通过上图我们可知，进给运动部分大体分为丝杠传动部分、万向联轴器、步进电动机、 、两个带轮，皮带、挡板、双列圆锥滚子轴承以及连接圆锥双列滚子轴承与丝杠的连接体。4.2 步进电动机421 步进电动机的选择步进电机有步距角（涉及到相数） 、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。 （1）步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速） 。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有 0.36 度/0.72 度（五相电机） 、0.9 度/1.8 度（二、四相电机） 、1.5 度/3 度 。（2）静力矩的选择 步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的 2-3 倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸） 。30（3）电流的选择 静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压） 出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑我们选择反应式步进电机也是市场广泛使用的一种。4.3 双列圆锥滚子轴承431 双列圆锥滚子轴承双列圆锥滚子轴承的主要作用是起传动作用，我们的要求是一方面能使镗杆在轴承内部转动，一方面双列圆锥滚子轴承与丝杆通过连接装置相连。我们所选择的双列圆锥滚子轴承可以满足上述要求。下面是双列圆锥滚子轴承的示意图：径向当量动载荷当 Fa/Fre ，Pr=Fr + Y1Fa当 Fa/Fre ，Pr=0.67 Fr + Y2Fa径向当量静载荷： Por=Fr+YoFa图 4-2 双列圆锥滚子轴承式中 Fr、Fa 均指作用于轴承上的总载荷最小径向载荷 Fmin=0.02Cr下面我们列举了基本尺寸为 800mm 的双列圆锥滚子轴承的数据基本尺寸 安装尺寸 其他尺寸 基本额定载荷 重量d D B1 d2 D2 a2 Ra Rb C1 b1 Cr Cor W800 1060 270 838 1031 34.5 5 2.1 204 40 5020 15000 604本科毕业设计（论文）通过答辩314.4 万向联轴器441 联轴器的作用联轴器用来把两个轴连接在一起，机器运转时两轴不能分离；只有在机器停车并将连接拆开后，两轴才能分离。442 联轴器的选择选择一种合用的联轴器必须考虑以下几点：1）所需传递的转矩大小和性质以及对缓冲减震功能的要求。2）联轴器的工作转速高低和引起的离心力大小。对于高速传动轴，应选用平衡精度高的联轴器，3）两轴相对位移的大小和方向。在安装调整过程中，难以保持两轴严格精确对中，或工作过程中两轴将产生较大的附加位移时，应选用挠性联轴器。联轴器的可靠性和工作环境。4）联轴器的制作、安装、维护和成本。在满足使用性能的前提下，应选用装拆方便、维护简单、成本低的联轴器。我们选择十字轴式联轴器，如下图所示图 4-3 十字轴式联轴器这种联轴器结构紧凑，维护方便，对于修复机在矿山工作非常使用。另外，联轴器采用合金钢制造，有较高的耐磨性及较小的尺寸。4.5 丝杠451 丝杠的作用丝杠在修复机工作时主要起传递作用，丝杠的转动能够使套在它上面的套管与之发生相互作用。从而使套管向前运动。32452 丝杆的工作原理及设计计算丝杠的工作原理较为简单，下面我们画出它的示意图图 4-4 丝杠尺寸示意图丝杠螺纹长度 Ls：Ls=Lu+Le1+Le2 两固定支承距离 L1按样本查出螺母安装联接尺寸丝杠全长 L行程起点离固定支承距离 L0由工作图得Ls=1290L1=1350L=1410L0=30丝杠抗压刚度丝杠最小抗压刚度Ksmin=6.610=66丝杠最大抗压刚度Ksmax=6.610=66支承轴承组合刚度由表 13 两端固定支承Kb=2 KBOKb=750 N/m本科毕业设计（论文）通过答辩33确定精度 V300p ：任意 300mm 内的行程变动量对半闭环系统言，V300p0.8定位精度-定位精度为 20m/300V300p14.3m丝杠精度取为 3 级V300p=12m14.3(5) 确定滚珠丝杠副的规格代号已确定的型号：FFZD公称直径：40 导程：10螺纹长度：150mm丝杠全长：200mmP 类 3 级精度FFZD4010-3-P3 /141012904310nmax=1500 验算临界转速nc=f10nc:临界转速 =50 n/minf=21.9滚珠丝杠副最高转速 60 n/minnmax=1500r/min验证 6210070000 可行。4.6 连接装置461 连接装置的作用连接装置把双列圆锥滚子轴承和平台相连， ，这就要求连接装置必须具有足够的强度和硬度，能够承受比较大的径向力和轴向力。连接装置的示意图如下：34图 4-5 连接装置示意图462 连接装置的安装连接装置上面与双列圆锥滚子轴承的连接前面已经提过，而下面与套管的连接主要采用焊接的形式，这主要是保证它有足够的刚度。4.7 传动机构传动机构简介下面是传动机构简图：由图可知：转轴的两端固定在箱体上。在左端：在轴上加工上轴肩，防止圆锥滚子轴承发生向右的轴向移动。同时在轴伸出部分安装上止动垫圈，在轴的左侧加工上螺纹，用圆螺母固定，保证轴不向左发生轴向移动。另外，用挡板把两块箱体连接起来，再在挡板和箱体上上打上螺纹孔，用螺钉将这几部分紧紧固定。在丝杠传动时，轴承承受较大的轴向力，所以这些安装措施必不可少。 而在右端：用相同的方法防止轴承发生轴向移动，所不同的是，在左端轴没有穿过挡板，而在右端轴穿过挡板，轴与挡板采用间隙配合。图 4-6 传动机构示意图4.8 带传动本科毕业设计（论文）通过答辩35481 概述带传动的重要性我们刚一开始采用齿轮传动，可是后来经过设计计算，我们发现齿轮传动不适合进给部分。主要原因有以下几点：1）齿轮传动虽然传递效率高，但是它刚一启动时，震动太厉害，不利于整个机器的稳定性，刚一开始的震动很可能使丝杠进给运动与镗杆的进给运动的同轴度发生改变，容易增大加工误差。2）齿轮传动刚启动时比较慢，而这时镗杆已经开始转动，我们所设计的产品是要求性价比高，从能量角度来说不利于的资源的优化设计。3）带传动的定位要求较底而且固定方便，而齿轮传动的定位要求非常高，对轴的加工精度要求也很高。而且固定比较困难。4）带轮的加工精度要求不高，并且皮带便宜、使用方便，5）带传动使用方便，我们的装置要求拆装方便，带传动正好符合我们的要求。按我们的整体装配图，如果齿轮传动长期暴露在外面必然发生各种各样的失效。而带传动不会。482 带传动的选择前面所讲，采用 V 带传动，这里我们也采用 V 带传动。这里我们主要说一下 V 带的类型和结构。 标准普通 V 带是用多种材料制成的无接头环形带，其材料包括顶胶、抗拉体、底胶和包布。483V 带传动的装配V 带传动的形式采用下面的方式：图 4-7 V 带安装示意图36从上图可知，步进电机与带轮通过钩头楔键的方式，同时，在轴上加工上轴肩，这样保证，在传动过程中带轮不会发生轴向移动。而在上面的带轮，通过键连接与轴连接。在带轮上加工上螺纹孔，后面加上挡板，挡板上也加工上螺纹孔。通过螺钉连接将挡板与轴联为一体，这样保证轴不发生径向移动，同时不会发生轴向移动。484 带轮的设计计算确定计算功率计算功率 Pca 是根据传递的功率 P 和带的工作条件而确定的Pca=KaP式中 Pca：计算功率， KWKa：工作情况系数。P：所需传动的额定功率。根据工作情况系数表可知我们所需的 Ka 值为 1.1 所以可的 Pca 为 1.14.5=4.95 KW选择 V 带的带型根据计算功率 Pca 通过普通 V 带选型图我们选择 B 型带。确定带轮的基