公交车自动找零系统的机构设计

任务书设计题目：公交车自动找零系统的机构设计1设计的主要任务及目标（1）研究课题，查询资料，了解设计要求，拟定设计方案（2）对货币识别、计算、找零的设计（3）对其他模块的设计。如进钞、找零等（4）组装各个模块进行模拟操作2设计的基本要求和内容（1）查询文献，搜集相关资料了解自动找零系统的原理（2）掌握单片机的使用（3）了解各个模块的安装要求制定最优方案（4）结构实现方案,并对最优方案的结构参数进行了确定3主要参考文献1于炳亮.电机转速的测量方法研究J.山东科学.2005.12(3)，6-82康光华.电子技术基础M.北京：高等教育出版社，20053周荷琴等.微型计算机原理与接口技术M.中国科学技术大学出版社，20084周维.人工智能与机器人控制的探讨C.全国先进制造急速高层论坛论文集5赵松年.机电一体化机械系统设计M.北京：机械工业出版社，1997年：166-189.4进度安排序号设计（论文）各阶段名称起止日期1查找资料，完成设计任务书和开题报告3月3日3月23日2开题答辩3月24日4月20日3外文资料翻译，自动找零系统的设计4月21日4月25日4论文写作4月6日5月20日5准备答辩5月21日结束公交车自动找零系统的机构设计摘要文章介绍了一种基于单片机实现智能零钱兑换及找零装置的设计方案。该找零系统由电子找零机、投币机两部分组成，每部分均可单独使用。其中电子找零机由纸币识别系统和零钱兑换执行系统组成。可以实现公交车的电子收费。从一定意义上解决了公交车无法找零钱的大难题。该装置特别适用于一些经常需要兑换零钱和找零钱的场合，例如公汽站零钱兑换点、公交车上、超市等；该装置为这些场合提供了一种方便快捷的零钱兑换及找零方式，将为无人售票车的普及发挥重要作用。从整体上来看该系统不仅具有良好的稳定性，而且还有轻便、体积小、经济等优点。关键词：单片机，找零装置，机械装置，设计MechanismdesignofautomaticbuschangesystemAbstractThispassengerintroducesadesignschemeofadevicethatcanrealizeintellectualexchangingandmakingchangeonthebasisofMCU(MicroControlUnit).Thesystemismadeupbytwopartsoftheelectronmakingchangemachine,slotmachinetomakechange,andeverypartcanbeusedalone.Amongthemtheelectronmakingchangemachineismadeupbyarecognitionsystemofpapercurrencyandanexecutivesystemofexchangingchange.canrealizetheelectronicchargingofthebus.Thissystemhassolvedthegreatdifficultproblemthatthebuscannotmakechangefromcertainmeaning.Thisdeviceisespeciallysuitableforsomeoccasionsthatneedtoexchangeandmakechangefrequently,forexamplethebusstopswindowforexchangingchange,inabus,inasupermarketandsoon.Thisdevicehasofferedakindofconvenientandswiftwayforexchangingandmakingchangeintheseoccasions,anditwillplayanimportantroleforthepopularizationofthepay-to-driverbus.Fromthewholethissystemnotonlyhasgoodstability,butalsotherearesuchadvantagesaslight,small,economy,etc.Keyword:MCU,Changemodule，mechanicaldevice，Design目录1绪言.11.1选题背景.11.2课题研究的目的和意义.21.3国内外概况.21.4课题的主要研究工作.22系统的基本构成及工作原理.43功能总体概述.63.1具体功能介绍.64系统硬件结构.75机械部分的设计与论证.85.1纸币的夹紧机构.85.1.1凸轮的设计.95.1.2图解法设计凸轮轮廓.135.1.3电机的选用.185.2纸币的传送装置.185.2.1传送带设计.185.2.2驱动形式的确定.205.2.3输送带运行阻力.215.2.4输运带上各点张力的计算.275.2.5传动滚筒的选用与校核.285.2.6电动机功率的确定.305.2.7减速器选用.315.2.8电机的选用.325.3纸币入钱箱装置.335.3.1压钞板设计和钱币储存箱.335.4硬币找零装置.355.4.1硬币尺寸.365.4.2零币储存箱体设计.365.4.3找零盘设计.365.4.4底座及零钱出口设计.376零钱兑换机的工作方式及操作说明.396.1换零机的工作方式.396.2换零机的操作方式.397实验测试与仿真.418结论.45参考文献.46致谢.4801绪言本文阐述了智能公交车零钱兑换及找零系统的研究背景、现状以及发展方向和前景，明确指出了现阶段中零钱兑换所面临的问题。1.1选题背景众所周知，城市公交系统是一个城市的窗口，其工作的质量与效率会直接影响到人民群众的日常生活和工作。城市公交系统是我国大部分城市的主要交通方式，随着居民乘车次数和公交车辆的不断增加，现有的乘车收费方式越来越不能满足需要。随着科学技术的不断发展，人类文明也在不断的进步，以人为本是人类社会发展所必须遵守的科学发展观。目前，全国很多大城市各种收费和缴费机构都实现了无币化的电子货币交易；不任你是到商场购物，还是在餐厅用餐，您都可以不用现金买单，取而代之的是信用卡等付款方式。很多超级市场，公汽车上都集成了信用卡和IC卡收费系统1。这不仅象征着人类文明的进步，也确实给广大消费者和商家带来了很大的方便。但是，就中国大多数人的消费观念，利用现金交易仍然是大众消费的最主要形式。涉及到现金交易，找零钱是在所难免的事情了。因此，像一些涉及到要经常需要零钱的场所和地方，如公交车上，超市等一些公共场所就需要有一种方便快捷的找零方式。2004年10月22日武汉市就发生一起因一男乘客投币不足被揭穿后殴打女司机的事件；2004年8月3日郑州市公汽公司出台“多投币不找零”的政策，结果被人们称为“霸王合同”，引得人们怨声不断。当然，随着IC卡技术的成熟，利用IC卡作为电子车票也逐渐变成现实1，很多乘客乘车时或使用电子车票，或事先换好零钱。但综合考虑多方面因素，许多大城市流动人口众多，并多外来的打工人员，他们大部分都不可能拥有IC卡电子车票，除此之外谁都不能保证随时都有足够的零钱，毕竟公交车零钱兑换点有限，也许我们中很多人都有这样经历那就是：有时想换些零钱是多么的难啊。乘车时，乘客投币不足，司机不高兴，投多了乘客当然不乐意。问题的解决是要靠双方共同努力才能得到完美的解决。乘车时乘客应尽可能使用零钱，公汽公司尽可能增设方便快捷的零钱兑换装置和零钱兑换点。这样才能坚持“社会本位”，“以人为本”的科学发展观。虽然，这个产品最终必然会被淘汰，但就目前情况的考虑，它依然很有使用1的价值，所以我有了设计这个产品的念头。1.2课题研究的目的和意义该系统集成了纸币识别收取、IC卡的识别与收费以及硬币的找零和兑换等功能。该装置可以设置在公交车上、公交站点和乘客较集中的地方，也可以用在一些经常需要小额现金交易的场合。该装置为这些场合提供了一种快捷方便的电子收费、零钱兑换及找零的方式。当然该系统由于其使用的局限性，在找零钱时只能实现硬币的找零和兑换。在实现零钱兑换功能时，该系统的特点是能根据用户投入纸币的面额自动锁定并监视键盘，如果用户的输入和所投入纸币的面额相等则可以实现兑换，如果不相等则自动锁定键盘不于兑换，直到用户输入正确的信息。因此该系统可以放置在室外各公交车站和公交车上方便乘客兑换零钱。找零钱功能的实现原理和实现零钱兑换原理是相同的，这时找零钱的数额可以由人来操作，由于该系统的键盘操作界面简单明了体积小、机器动作快而且准确；因此，键盘完全可以由司机来操作，当乘客确实需要找零钱的时候，司机只需轻轻按几下键就可以实现，这样就避免了很多麻烦，也充分体现了“社会本位”，“以人为本”的科学发展观。至于集成IC卡收费系统和纸币识别系统是在产品真正投放市场后所必须考虑的，也是真正体现其实用价值所必须具备的功能。因此，从整体上看该产品具备电子收费、现金收费、硬币兑换等功能，具有一定的实用价值。1.3国内外概况在国内专门用于找零钱的装置在市面上已经有产品出现。由北京三银龙科贸有限公司和北京公交凯鸿科技有限责任公司共同引进开发的“可找零公交投币机”，全面的解决了公交车无法找零钱的大难题，填补了国内无人售票车自动投币无法实现找零的空白2。另外还有很多单位都在研究该装置。2003年8月12日楚天都市报记者从武汉市知识产权局获悉，一种新型智能投币箱可以解决公交车无法找零的问题；该投币箱已申请国家专利其产品也即将面世3。但是就目前的情况来看，在全国大部分主要城市都还没有用上该装置，零钱兑换和公交车找零问题仍然是困扰公交公司的大难题。而且零钱的兑换也一直是一些超市和零售商大伤脑筋的问题。因此，一种快捷方便的找零方式在目前来说是很有必要的，也是很有市场潜力的。21.4课题的主要研究工作在本文中主要的研究工作是设计出一种方便快捷的零钱兑换机。文中介绍的该系统主要包括两个部分：控制部分和机械部分。控制部分用于获取用户输入信息并将其处理，最后向执行部件发出执行的命令和执行的方式；机械部分是完成零钱兑换的执行部件，具体作用是在软件的控制下实现精确的出币。本文中就控制部分和机械部分的设计作了主要的分析和论证。32系统的基本构成及工作原理下图2.1为系统的结构框图从系统的总体框图可以看出，该系统分为：纸币识别系统、IC卡识别系统、零钱兑换和找零系统三个部分其中纸币识别以及IC卡识别系统采用现成的集成模注：其中虚线部分为文中具体实现的部分图2.1系统框图块，它们具体的实现方案不属于本文所讨论的范围；IC卡识别系统主要用途是实现公交车的电子收费，零钱兑换和找零系统的核心控制器件是89C51单片机，他的功能主要表现在以下几个方面（1）、读取键盘输入键值，监视并锁定键盘（2）、读取纸币识别系统送来的纸币面值信息（3）、送出所需要找零钱数额的显示信号（4）、缺币、少币检测（5）、控制电机动作，找出正确的硬币数当控制器接受到纸币识别系统送来的纸币信息后，将信息存入寄存器，然后在启动键盘扫描识别程序，将所识别到的键值存入内部寄存器并和纸币识别系统送来的纸币信息相比较，如果相符合则启动兑换程序，否则将不于兑换，然后重新扫描键盘直到用户输入正确的键值，从而实现零钱兑换及找零功能。实现纸币识别检测的方法很多，大部分实现的方法都是利用了高速数字信号处纸币识别系统IC卡识别系统显示部分键盘接口部分89C51控制器零钱兑换执行部分4理(DSP)技术与复杂可编程逻辑器件(CPLD)和线阵型图像传感器(CCD)相结合的方法4。这样的技术和产品有很多已经用于我们的现实生活中，而且这样的产品很多都以做成了集成模块，这就为开发智能找零机提供了方便和可能。53功能总体概述设备的设定基于50元（或20元）和10元纸币，兑换的金额为50元（或20元）和10元。兑换纸币:硬件:纸币识别器、纸币钞箱、纸币找零机功能：兑换，接收50、10、5元纸币，可兑换成一元硬币3.1具体功能介绍功能模块分为:参数设置、日志记录、统计报表、纸币接收、纸币发出、错误处理。参数设置：系统运行需要的参数，具体如下:钞箱放置的纸币面额钞箱内放置的纸币张数日志记录：接收纸币的金额、时间发出纸币的张数、时间统计报表：按时间统计设备接收纸币的记录按时间统计设备发出纸币的记录纸币接收：设置纸币识别器为接收纸币状态用户把纸币放入如钞口硬币发出:设置出币的个数出币错误处理：当出钞过程中出现卡币时，机器自动将卡币收回，并重新出一张，确保兑换的正确性。64系统硬件结构下图3.1为系统的主电路图，从系统的主电路图中可以知道，该系统大体上可以分为四个模块：单片机模块、键盘模块、显示器模块、步进电机控制驱动模块5。其中后三个模块通过与单片机模块相连接从而构成了一个功能完整的系统，实现了零钱兑换及找零机的基本硬件结构。下面我将从这四个模块具体介绍该系统的具体实现方案。图4.1系统主电路结构图75机械部分的设计与论证本例中如何实现币是该系统能否用之于实践中非常关键的部分，在有步进电机提供精确转动角度的前提条件下怎样设计出币装置是必须要考虑的问题。机械部分的设计也是该系统的独特之处和创新部分之一。下面我将从理论上将该机械装置的可行性加以论证。5.1纸币的夹紧机构夹紧机构模型如下图5.1夹紧机构CAD部分图8图5.2夹紧机构UG部分图5.1.1凸轮的设计（1）凸轮机构的应用内燃机配气机构凸轮机构自动车床上的走刀机构分度转位机构功用：通常用来将主动件（凸轮）的转动变为从动件的往复运动。（2）凸轮机构的分类按凸轮的形状分类1）盘形凸轮凸轮是具有变化向径并可以绕着固定轴线转动的盘。这是凸轮最基本的形式。92）移动凸轮可视为半径无穷大的盘形凸轮，它相对机架作直线运动。3）圆柱凸轮凸轮的轮廓曲线位于圆柱面上，可看作是将移动凸轮卷在圆柱上而得。按从动件的形式分类1）尖顶从动件从动件与凸轮是点接触，这种从动件结构简单，能与任意复杂的凸轮轮廓保持接触，实现复杂的运动规律，但磨损快，故只适于受力小、低速和传动精确的场合，如仪器仪表中的凸轮控制机构。2）滚子从动件从动件底部装有可自由转动的滚子，凸轮与从动件之间的摩擦为滚动摩擦，减小了摩擦磨损，应用较广。3）平底从动件从动件与凸轮之间为线接触，凸轮对从动件的力始终垂直于底面（不计磨擦时），接触处容易形成油膜，润滑状况好、传动效率高，但凸轮轮廓不能内凹，常用于高速场合。按锁合方式分：所谓的锁合是指保持从动件与凸轮之间的高副接触。力锁合凸轮机构依靠重力、弹簧力或其他外力来保证锁合，如内燃机配气凸轮机构。形锁合凸轮机构依靠凸轮和从动件几何形状来保证锁合。按从动件的运动形式和相对位置分类1）直动从动件作直线运动。2）摆动从动件往复摆动。为保证从动件与凸轮不脱离接触，可利用重力、弹簧力或依靠凸轮上的凹槽来实现。凸轮机构的特点1)优点：只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使推杆得到各种预期的运动规律，且机构简单紧凑。2)缺点：凸轮廓线与推杆之间为点、线接触，易磨损，所以凸轮机构多用在传10力不大的场合。（3）凸轮机构的基本参数名词：(以一对心移动尖顶从动杆盘形凸轮机构为例加以说明)基圆以凸轮的转动中心O为圆心，以凸轮的最小向径为半径r0所作的圆。r0称为凸轮的基圆半径。推程当凸轮以等角速度逆时针转动时，从动杆在凸轮廓线的推动下，将由最低位置被推到最高位置时，从动杆运动的这一过程。而相应的凸轮转角称为推程运动角。远休凸轮继续转动，从动杆将处于最高位置而静止不动时的这一过程。与之相应的凸轮转角s称为远休止角。回程凸轮继续转动，从动杆又由最高位置回到最低位置的这一过程。相应的凸轮转角称为回程运动角。近休当凸轮转过角s时，从动杆与凸轮廓线上向径最小的一段圆弧接触，而将处在最低位置静止不动的这一过程。s称为近休止角。行程从动杆在推程或回程中移动的距离h。位移线图描述位移s与凸轮转角之间关系的图形。以从动件的位移s为纵坐标，对应的凸轮转角或时间t（凸轮匀速转动时，转角与时间t成正比）为横坐标，绘出一个工作循环内的曲线称之。（4）从动件常用的运动规律从动件的运动规律是指其位移s、速度v和加速度a等随凸轮转角而变化的规律。等速运动规律等速运动规律：是指从动件在推程或回程的运动速度为常数的运动规律。凸轮以等角速度转动，从动件在推程中的行程为h。从动件作等速运动规律的运动线图如图所示。其位移曲线为斜直线，速度曲线为平直线，加速度曲线为零线。由图可见，从动件在推程始末两点、处，速度有突变，瞬时加速度理论上为无穷大，因而产生理论上亦为无穷大的惯性力。而实际上，由于构件材料的弹性变形，加速度和惯性力不至于达到无穷大，但仍会对机构造成强烈的冲击，这种冲击称为“刚性冲击”或“硬冲”。因此，单独采用这种运动规律时，只能用于凸轮转速很低以及轻载的场合。11a)b)图5.3等速运动规律线图等加速等减速运动规律a)b)图5.4等加速等减速运动规律线图1）、等加速等减速运动规律：从动件在一个行程h中，推程的前半段作等加速运动，后半段为等减速运动，其位移线图是由两条抛物线连接而成。2）、作图步骤：a.在横坐标上找出0/2的一点，将0/2分为若干等分（图中为四等分）得1、2、3、4各点，过这些点作横坐标轴的垂线；同时在纵坐标轴上将从动件推程之12半（h/2）分为相同的等分1、2、3、4；b.将原点与纵坐标上的等分点连接得O1、O2、O3、O4，与相应垂线分别交于1、2、3、4各点；c.将1、2、3、4点连成光滑曲线，便得到前半推程等加速位移曲线；d.后半推程的等减速运动的位移曲线，可以用同样的方法绘制。运动规律特点：由图可见，在推程的始末点和前、后半程的交接处，加速度有突变，因而惯性力也产生突变，但它们的大小及突变量均为有限值，由此将对机构造成有限大小的冲击，这种冲击称为“柔性冲击”或“软冲”。在高速情况下，柔性冲击仍会引起相当严重的振动、噪声和磨损，因此这种运动规律只适用于中速、中载的场合简谐运动规律（余弦加速度运动规律）1）简谐运动：当一质点在圆周上作匀速运动时，它在这个圆的直径上的投影所形成的运动。速度曲线为正弦曲线，加速度曲线为余弦曲线。2）作图步骤：a.在纵坐标轴上以从动件的行程h作为直径画半圆，将此半圆分成若干等分，得1、2、3、各点；b.将代表凸轮转角0的横坐标轴也分成相应等分，并作垂线11、22、33、；c.将圆周上的等分点投影到相应的垂直线上得1、2、3、；d.用光滑的曲线连接这些点，即得到从动件的位移线图。3）运动特点：由图可见，在推程始末点处仍有加速度的有限值的突变，即存在“软冲”，因此只适用于中、低速。但若从动件作无停歇的升降升型连续运动，则加连续的余弦曲线，消除了“软冲”，故可用于高速。5.1.2图解法设计凸轮轮廓(1)已知条件：若从动件的位移线图如图a所示，基圆半径为rb，凸轮以等角速度1逆时针转动，试绘制凸轮的轮廓曲线。(2)作图步骤：图5.5简谐运动规律线图13将位移线图分为若干等分（图a中推程180分成6等分，回程120分成四等分，近休止区间300360不需等分），各分点用数字标明（分点数越多，结果越精确），并作横坐标的垂线11、22、33、；取任一点O为圆心，rb为半径画基圆，在圆上任取点B为起点，将基圆圆周按-（顺时针）方向作等分（等分数与a图相应），得等分点B1，B2，B3、；连接OB、OB1、OB2、它们就是反转后各导路的位置，在OB1的延长线上取B1B1=11，在OB2的延长线上取B2B2=22，得尖顶各位置B1、B2、；用光滑曲线连接B1、B2、各点，即得所求的凸轮轮廓曲线。a)b)图5.6尖顶对心移动从动件盘形凸轮设计滚子从动件的凸轮轮廓设计就可以在上述尖顶从动件凸轮轮廓设计的基础上进行，步骤如下：把滚子从动件的圆心看作尖顶从动件的尖顶，按上述步骤作出一条轮廓曲线，此轮廓称为滚子从动件凸轮的理论轮廓，如图1.3所示。以理论轮廓线上各点为圆心，滚子半径rT为半径，画一系列的圆，其包络线就是所求滚子从动件盘形凸轮的实际轮廓。14图5.7滚子对心移动从动件盘形凸轮设计图5.8平底对心移动从动件盘形凸轮轮廓设计15图5.9凸轮根据设计要求设计。作为辅助机构。其特点是工作可靠、体积小、结构简单，多是适用于行程小、运动规律复杂。选择凸轮类型机械手凸轮有两段圆弧和两者之间的过渡圆弧曲线组成。常用的凸轮有：盘状、柱状、板状。在此选择盘状如图3所示，它是具有沿径向变化轮廓曲线的盘状零件。其特点是结构简单，体积小。2.凸轮材料选择凸轮和从动件的材料，应保证其工作表面有一定的耐磨性，并能承受较大的动载荷。所以一般较重要的凸轮材料多用优质碳素钢或合金结构钢制造。如45号钢、50号钢、20Cr钢或40Cr钢等。在此取20Cr钢.20Cr钢经表面渗碳后淬硬并回火，其硬度HRC=6062。在选择凸轮和从动杆时应考虑以下几点：满足工艺要求尽量提高机器的效率减少冲击振动，改善机器的工作性能凸轮轮廓曲线易于制造由r1到r2过渡为匀变速过渡其行程图、速度图及加速度图分别如图所示。as2-8.10V6016122/()()dxyry图5.10凸轮上的位移、速度及加速度图图5.10中a线19.5=4863max209（5-122/()()dyxrx1）（5.2）（5-2）其中（5-1(y/x)tg3）（5-211RXY4）解得673.02h5.05.h015.842h19.42731826735.1.3电机的选用常用的电动机有鼠笼式、绕线异步式。三相鼠笼式电动机具有结构简单、制造方便、运行可靠、价格低廉等一系列优点，但其最大缺点是不能经济的实现范围较宽的平滑调速，起动力矩不能控制，起动电流小。三相绕线型电动机具有较好的调速特性，在其转子回路中串接电阻，可以比较方便地解决输送机各传动滚筒间的功率平衡问题，不致使个别电机长时过载而烧坏；可以通过串接电阻起动以减小对电网的负荷冲击，且可实现软起动控制。但三相绕线型电动机在结构和控制上均比较复杂，如带电阻长时间运转会使电阻发热、效率17降低。5.2纸币的传送装置5.2.1传送带设计图5.11进钞机构CAD图图5.12运送带UG图原始数据：181）输送物料：人民币2）物料特性：单位重量：不计底部面积175160*70温度：常温3）工作环境：干燥，环境较清洁带宽的选择本装置输送的是形状规则的成品件，带宽应比物件的横向尺寸大185*10，物件在输送带上的单位面积压力应小于0.05kg/cm2。所以传送带1选择带宽为10mm，传送带2带宽为10mm，带速的选择带速选择原则：(1)输送量小、输送带较窄时，应选择较低的带速。(2)较短的水平输送机，应选择较低的带速；(3)环境卫生条件要求较高的，宜选用较低带速。(4)带速可取0.1m/s1m/s；或根据物料特性和工艺要求决定。由于本设计要求对产品进行分类，传送带启动停止及正反转转换的频率比较高，所以带速不宜过快，因此选择带速为0.1m/s选择传送带通用带式输送机所用的输送带有橡胶带和塑料带两种。本文选择橡胶带，橡胶带在实践中应用最广。其基本构造如图所示。它是由带芯和覆盖胶两部分组成。选用帆布层数z=3，选用棉帆布型号CC-56，其每层厚度0.5。上胶厚度1，下胶厚度1所以，传送带总厚度为d=5.5mm，其他参数如下表所示。根据国标GB-T4490-1994计算外周长：185*2+5.5=375.5mm内周长：185*2=370mm5.2.2驱动形式的确定电动机通过联轴器、减速器带动传动滚筒转动或其它驱动机构，借助于滚筒或其它驱动机构与输送带之间的摩擦力，使输送带运动。带式输送机的驱动方式按驱动装置的位置可分成单点驱动方式和多点驱动方式两种。19通用固定式输送带输送机多采用单点驱动方式，即驱动装置集中的安装在输送机长度上的某一个位置处，一般放在机头处。单点驱动方式按传动滚筒的数目分，可分为单滚筒驱动和双滚筒驱动。对每个滚筒的驱动又可分为单电机驱动和多电机驱动。单滚筒、单电机驱动方式最简单，在考虑驱动方式时应该是首选方式。对于长距离运输一般采用多点驱动方式。根据现场要求，由于运距不太长（小于1000m），因此初步选定采用单点驱动方式。由于是煤矿井下向上运输，为保证发生意外停机时，倾泻下来的物料不会堆积在输送带的驱动装置部分，必须要求驱动装置安装在机头部。另外由于本机要求运量不高，为节省投资，初选单电机驱动方式。但由于输送倾角较大，为保证必要的驱动力，初选双滚筒的驱动方式。5.2.3输送带运行阻力运行阻力分为直线段、曲线段及其它附加阻力，现分别叙述：（1）直线段运行阻力如图22所示，运行阻力包括两部分，一部分是摩擦阻力；一部分是由下滑力(自重分力)引起的阻力。由摩擦力引起的阻力总是为正，但由下滑力引起的阻力在此段输送带向上运行时为正，向下为负。图5.13运行阻力计算示意图承载段(或称为重段)运行阻力为下滑力阻力系数正压力zF20因为cos)(0gLqtz正压力in下滑力所以（5-5）gqLwqFztzsi)(cos)(00式中0,k/m;,k/m;tz物流每米质量输送带每米质量承载段托辊组每米转动部分质量（5-6）当承载段向上运行时，下滑力为正；向下运行时，下滑力为负。同样，输送带回空段阻力为（5-7）gLqwqFktksinco)(00式中（5-8）tktGl,g/m;tkq回空段托辊组每米转动部分质量当承载段向上运行时，回空段是向下运行的。此时，回空段向下滑力为负；反之，回空段的下滑力为正。托辊阻力系数主要由实验来确定，查表21可得。表5.1常用的托辊阻力系数工作条件平行托辊槽型托辊室内清洁、干燥、无磨损性尘土0.0180.02空气湿度、温度正常，有少量磨损性尘土0.0250.03室外工作，有大量磨损性尘土0.0350.04近年来，对于托辊阻力进行了许多理论与试验的研究工作。研究结果表明，托辊的运行阻力主要包括托辊的转动阻力及挤压阻力等。挤压阻力又包括物料碰击阻力，输送带反复弯曲阻力及压陷滚动阻力。托辊的转动阻力是由托辊轴承及其密封所产生的阻力，大小取决于托辊的结构。实验表明，转动阻力与挤压阻力相比，挤压阻力要比转动阻力大的多，而在挤压tztzGql21阻力中，压陷滚动阻力占比重最大，物料碰击阻力与反复弯曲阻力随着输送带张力增大而降低。（2）曲线段运行阻力1.改向滚筒上的阻力这种阻力由轴承摩擦阻力以及牵引机构绕入与绕出滚筒时的僵性阻力组成。轴承摩擦阻力克服轴承支撑面上的摩擦折算到滚筒圆周的力为（5-9）DdNFtt式中在计算正压力时，可近似认为绕入和绕出滚筒时，输送带张力均为S。（5-10）2sinSN于是有（5-11）iDdFtt式中,0.2.3,0.15;,cm;,.tdD改向滚筒与输送带间的摩擦系数滚动轴承取滑动轴承取改向滚筒轴承的直径改向滚筒直径僵性阻力在输送带绕入与绕出滚筒时所产生的僵性阻力为（5-12）SFt1式中,僵性系数对于输送带2.13cm.输送带厚度于是，克服以上两种阻力所需要的圆周力为（5-13）SDdSFtttt)2sin(10用表示分力点张力系数，则FC（5-14）FC改向滚筒与输送带的分离点的张力是相遇点张力的倍，即FC（5-S15）22其它阻力包括受料区物料与输送带间的惯性阻力、犁式卸料器摩擦阻力和baFbF力等.这些阻力在长距离运输机的阻力计算中可忽略。本设计中运输距离600m属rF于长距离范围，故其它阻力不再考虑。在讨论输送带的各段阻力计算方法后，需进一步确定输送带各点张力，输送带沿纵向长度方向上各点的张力是不同的，但不需要计算出各点的张力，只要计算一些特殊点的张力即可。最明显的是要找出最大与最小张力点，最小张力点必须要能保证输送带在两组托辊间的悬垂度不能太大，用最大张力点的张力来确定输送带的纵向拉伸强度。计算各点特殊点张力的方法叫做逐点计算法。如图23所示：（1）逐点计算法要点按输送带运行的方向定出一些特殊点，一般从主动滚筒的分离点开始，如图23中1点，即是传动滚筒与输送带的分离点，张力用S来表示，此时。1lS特殊点。特殊点是指各滚筒的分离点与相遇点，曲线段的进、出点，直线摩擦驱动的相遇点与分离点，装载位置的起点与终点等。图23中的1、2、3、4、5、6、7点，在这儿是以滚筒的相遇点和分离点来取的，其中2点处的滚筒，对输送带与滚筒的围包角较小，故可认为是一点，也就是说，在此，2点处滚筒对输送带的运行阻力可不计。要注意到的是，各点的序号是按输送带的运行方向依次来定的，此顺序不能打乱。在上述的规定下，就有后点(从顺序上来讲)的张力，等于其前一点的张力加上此两点间运行阻力的代数和，表达即（5-16）11iiiFS式中;,;,1NSi输送带的张力后一点输送带的张力可以是正也可以是负个代数值是要注意的是点间的运行阻力,:,1i11iiFF用式（212），可逐点写出各点的张力表达式23（5-17）765432127675431256245321342312)()(FCFSCFSSSFlyll由上式可知，最后可得到间的关系式，且均为未知数，再有一个关系式才y与能求解。按摩擦传动件找出的关系，1Sy与因为()yen所以（5-max1()ytSn18）在具体计算中要求yySax式中n摩擦力备用系数，一般n=1.151.2；输送带与传动滚筒的摩擦系数，按表23选取；输送带与两个滚筒的围包角之和。表5.2摩擦系数表接触面类型光面、潮湿光面、干燥胶面、潮湿胶面、干燥橡胶接触面0.20.250.350.4塑料接触面0.150.170.250.3联立式213与式214，可求出之值。同时可算出其它各点的张力，这1Sy与24些张力值可保证输送带工作时不打滑。用承载段与回空处各最小的张力点，验算此处张力是否满足悬垂度条件，如果不满足，就要用悬垂度条件重新确定最小张力点处的张力。再依次计算其它各点张力后，再用摩擦条件来验算，直到、两条件均满足为止。（2）输送带的悬垂度条件为保证输送带运转平稳和物流的稳定，承载段与回空段输送带的悬垂度的最大值均为托辊组间距的千分之二十五。承载段满足最大允许悬垂度的最小张力为20minmax()cos8tzzqlSg式中minaxtmaxtz,;0.25lztN承载段的最小张力输送带最大允许悬垂度把值代入上式，可求得:tmax（5-19）min05()cosztzSqgl同理，可求得回空段输送带的最小张力为（5-in0sktkl20）式中回空段两托辊间距，m。tkl由分离点起，依次将特殊点设为1，2，3，一直到相遇点为7点，如图21中所示。计算运行阻力时，首先，要初定输送带的种类和型号。在此，根据经验初定为钢丝绳芯输送带，选ST1600型的钢丝绳芯带。由于是大倾角运输，故选表面压花带。查运输机械设计选用手册（上）表17，可知：该型号的胶带纵向拉伸强度，输送带每米品质。xG=160N/m0q=2Kg/m（1）承载段运行阻力的计算由式21承载段运行阻力为：z0tz0F=(q+)Lcos+(q)Lsing25物流每米品质：207.8kg/3.6.Qqmv由运输机械设计选用手册（上）表242，选用上托辊型号为108，L315mm，轴承型号为4G205。由运输机械设计选用手册（上）表270查得单个上托辊转动部分质量kgqtz53.故可算得承载段托辊每米品质为kg/m3.5410.72tztql查表21，代入表达式得：z=0.zFzF(78+17)60.4cos21.2sin98129.N(2)回空段运行阻力的计算由式23得回空段运行阻力为：k0tk0F=(q+)Lcos-qing由运输机械设计选用手册（上）表250，选用下托辊型号为108，L950mm，轴承型号为4G205。由运输机械设计选用手册（上）表270查得单个下托辊转动部分质量kgqtk74.8故可算得回空段托辊每米品质为kg/m8.742.913tktql查表21，代入表达式得：z=0.35kF26236712236712.913580.cos217580sin219.84.6.i.0.90.35cos219.854.9kFkNFF6kN(3)确定最小张力点由以上计算可知，因回空段运行阻力为负值，所以最小张力点是图中第三点。5.2.4输运带上各点张力的计算（1）由悬垂条件确定4点的张力由式215，承载段最小张力应满足zmin0tzS=5(q+)glcos27.89.12cos31kN故4min.z（2）由逐点法计算各点张力因为，又根据表22，选故有43.01SkFC=1.054F231l2154z6Fy767.=.87kNC-49.3S5.0=5217k+8.=.39.4.38.96N（3）用摩擦条件验算传动滚筒分离点与相遇点张力的关系。27本设计初选包胶滚筒，滚筒与输运带的围包角为200，由表23，选摩擦系数=0.35，并取摩擦力备用系数n=1.2。由式214可算得允许的最大值为ySymax140.251852.7eny.k3.96kNS故摩擦条件满足要求5.2.5传动滚筒的选用与校核在带式输送机设计中，正确选择滚筒的直径具有重要意义，输送带的使用条件随着滚筒直径的增大而得到改善。但是，在其它相同的情况下，滚筒直径增大，将使它的重量、驱动装置减速器的减速比、减速器的重量和尺寸都相应增大。因此，滚筒的直径不应大于为确保输送带正常使用条件所需的数值。由此可见，传动滚筒的直径影响到输送机整个驱动装置的造价及重量。选择驱动滚筒的直径时，一般要考虑下列基本因素：（1）输送带的厚度以及与输送带厚度有关的绕过滚筒时产生的弯曲应力；（2）输送带所承受的包括拉应力和弯曲应力在内的总应力；（3）输送带与滚筒面之间的最大或平均单位压力以及相应单位牵引力（即通过滚筒面单位面积传递的牵引力）；（4）输送带承受弯曲载荷的循环次数与输送带的导绕方式及绕过滚筒的数目；5对传动滚筒来讲，设计主要考虑的因素是输送带在滚筒滑动弧表面上的平均压力（比压）和对输送带弯曲的影响。这两项在设计中，主要集中体现在对滚筒直径的确定上。28（1）考虑到比压与摩擦条件，传动滚筒的最小直径可由下式计算（5-10min2()ySWDBp21）式中0,;N输送机牵引力l,;,0.7a,;.ySBmpMPrad相遇点的张力分离点的张力输送带宽度；输送带允许的比压钢绳芯带为；围包角摩擦系数取0.25l138.96k5217kySNSB，0，则由式4131min()38.9652.17040yDp=177.59kN（2）（5-22）150Dd式中D传动滚筒直径，mm；D钢芯带的直径，mm。查运输机械设计选用手册（上）表17得，d5.0mm即150d.50m查运输机械设计选用手册（上）表239，可选用直径为D800mm的传动滚筒，轴承型号为3524。(3)验算滚筒的比压比压要按照相遇点滚筒承受的比压来算，因此滚筒所承受的比压较大。按最不利的情况来考虑，设总的牵引力由两滚筒均分，各传递一半牵引力。29总的牵引力07y1lkWS38.9652.74N故相遇点，其分离点所承受的拉力为7l86.7313.92S=5k由公式（5-1ycpSDB23）式中,;:,.cpaMPm输送带作用在滚筒滑动弧表面上的平均压力滚筒直径得aDBSpyc37.080159.6.13即cp故所设计的滚筒强度是足够的。不必再进行强度校核。5.2.6电动机功率的确定电动机的功率按下式计算（5-24）10)(0vSkvWPy式中30,k1.52;08.9k动力系数减速器效率故3v1038.9652.170.2.854ylSPkkw（）查运输机械设计选用手册（上）表277，可选用一台250kw的电动机5.2.7减速器选用由传动系统的工作环境和工作特点，可选用德国弗兰德集团生产的传动效率高、性能优越、适合狭小场合使用的FZG标准齿轮箱，并且采用卧式安装方式。已知原动机最大起动力矩TA1=90N.m；TA2=870N.m，n1=n2=1500r/min。工作机是带式输送机，其工作制：20h/day,每小时工作周期ED=100%,环境温度20c。1）、传动比的计算主减速器：is2=19.7,取iN=20由传动方案，可知辅助减速器通过超越离合器和主减速器的2、3级齿轮传动再与输送机的滚筒轴相连，所以is1=9.54152取iN=10is要求的速比iN额定速比2）、确定额定功率PN2P2f1f2=69.61.31=90.5(kw)PN1P1f1f2=8.841.31=11.5(kw)f1工作机系数，查表1，取f1=1.3f2原动机系数，查表2，取f2=1.0PN齿轮箱的额定功率从额定功率表中选择：31主减速器：类型B3，规格7，对应的PN2=161kw3.33P2PN23.3369.6=231.8161，满足要求辅助减速器：类型B2，规格1，对应的PN1=18kw3.33P2PN13.338.84=29.418，满足要求3）、检查起动扭矩PN2（kw）238705.68.959ATnfPN1（kw）131.9.2ff3峰值扭矩系数，查表3，f3=0.65PN2=161kw88.8kw;PN1=18kw9.2kw;满足要求4）、根据表中分别给出的B3、B2型齿轮箱参数，计算不带辅助装置的齿轮箱热容量主减速器：PG1=PG1f4f6f8f9=98.9111.00.77=76.2(kw)辅助减速器：PG1=PG1f4f6f8f9=22.2111.00.77=17.1(kw)PG1齿轮箱热容量，查表得主减速器的PG1=98.9kw；辅助减速器的PG1=22.2kwf4环境温度系数，查表4，f