油冷式电动滚筒设计.doc

目 录摘要1Abstract1绪论2第一章 查阅相关资料3第二章 装置整体方案设计4第三章 传动方案设计5第四章 分配传动比5 一、电动机选择5 二、确定传动装置的总传动比5第五章 传动机构结构设计6 一、高速级齿轮传动的几何计算6 二、低速级齿轮传动的几何计算15 三、齿轮轴的设计计算26 四、齿轮轴上的轴承设计计算30 五、法兰轴的设计计算32 六、法兰轴上的轴承设计计算36 七、弹性挡圈的选用38 八、吊环的选用及几何参数39 九、键的选用及几何参数40 十、螺栓的计算40第六章 滚筒其它结构设计41 一、滚筒设计41 二、端盖设计42总结45致谢46参考文献47附录48油冷式电动滚筒设计摘 要带式输送机是最重要的现代散状物料输送设备，它广泛的应用电力、粮食、冶金、化工、煤炭、矿山、港口、建材等领域。驱动滚筒是带式输送机的心脏，其性能直接影响到带式输送机工作的可靠性与整体性能。电动滚筒是驱动滚筒其中的一种形式，它具有结构紧凑、传动效率高、噪声低、使用寿命长、运转平稳、工作可靠、密封性好、占据空间位置少以及安装维修方便等优点，因此研究电动滚筒具有非常重要的意义。在该篇论文主要包括电动滚筒的整体方案设计、传动方案设计，以及主要零部件轴、齿轮、轴承等的设计及计算。关键词 带式输送机；电动滚筒； 设计Oil-cool design electric drumAbstractBelt conveyor is the most important modern bulk material handling equipment.Its wider use of electricity,food,metallurgical,chemical,coal,mining,ports,building materials and other fields.Drum-driven belt conveyors is the heart of its direct impact on the performance of the work of the belt conveyor to the overall reliability and performance.Electric drum-driven drum which is a form,it has a compact,high transmission efficiency,low noise,long life,smooth operation,reliable,tightness,and occupy less space location of maintenance and installation of the advantages of convenience,Research electric drum has very important significance.In the papers,including electric drum major of the overall programme design,transmission design,and the main shaft parts,gears,bearings,such as the design and calculation.Key words: belt conveyor;electric drum;design绪 论经过大学四年的时间，我们先后学习了公共文化、设计基础和零件设计等课程，比较系统地学习了所需的专业知识，已初步掌握本专业的各类专门技能，根据教学目标和教学计划要求，我们进行了这次毕业设计课程。毕业设计时教学计划中最后一个综合性实践环节，时学生在教师的指导下，独立从事设计工作的又一次尝试，其基本目的时培养学生综合运用所学的基础理论、专业知识、基本技能研究和处理问题的能力。时我们对所学知识进行系统化、综合化运用、总结和深化的过程。设计题目选油冷式电动滚筒设计，因为在当今社会中电动滚筒有着非常重要的意义。带式输送机是最重要的现代散状物料输送设备，它广泛的应用电力、粮食、冶金、化工、煤炭、矿山、港口、建材等领域。近年来，带式输送机因为它所拥有的输送料类广泛、 输送能力范围宽、输送路线的适应性强以及灵活的装卸料和可靠性强费用低的特点，已经在某些领域逐渐开始取代汽车、机车运输。成为散料运输的主要装备，在社会经济结构中扮演越来越重要的角色。特别是电动滚筒驱动的带式输送机在粮库的散料输送过程中更加有无可比拟的优势和发展潜力因此我们开拓思维、努力创新并结合自己原有的知识和现有的资料对其进行创新完善。在此过程中检验自己的创新能力使其应用的范围更加广泛,在国民经济的各个领域起到更加重要的作用。 以电动滚筒作为驱动装置的带式输送机有着极其重要的意义。因其拥有结构紧凑、传动效率高、噪声低、使用寿命长、运转稳定、工作可靠性和密封性好、占据空间小等特点，并能适应在各种恶劣工作环境下工作包括潮湿、泥泞、粉尘多等。因此国内外将带式输送机（电动滚筒驱动）广泛应用于采矿、粮食、冶金等各个生产领域，思维的不断开阔、制造技术的不断提高和制造材料的不断改进，带式输送机将以前所未有的速度发展。保障散料输送工作高效、安全、可靠的运转，并将在社会和经济发展领域继续起到更加重要的意义。 这次毕业设计的任务是设计一个滚筒驱动器，包括减速器、零件及滚筒外观的设计，给定该滚筒驱动器的大致尺寸从而计算滚筒内部具体的尺寸，即电动滚筒受到空间的限制，这是这次设计主要的考查之处。 由于我的经验有限，所以在设计中难免出现错误，恳请老师批评改正。油冷式电动滚筒设计第一章 查阅相关资料经过查阅相关资料，滚筒的大致尺寸如下： 图1 滚筒外观尺寸其它原始数据：适用胶带速度 滚筒直径 胶带运行速度 电机功率 电机转速 电机型号 第二章 装置整体方案设计图（2）为油冷式电动滚筒装置图。图中1接线盒；2支座；3端盖；4滚筒；5、11法兰轴；6电机；7、8齿轮；9齿轮轴；10内齿轮。第三章 传动方案设计 图（3）为传动装置减速器的简图 图3 传动装置传动顺序为外啮合小齿轮外啮合大齿轮内啮合小齿轮内齿轮滚筒第四章 分配传动比 一 电动机选择 按工作条件和要求，选用三相型异步电动机，封闭式结构，电压，型，电机型号。 二 确定传动装置的总传动比 滚筒轴工作转速为 式中胶带运行速度， ； D滚筒直径，。由选定电动机满载转速和工作机主动轴转速，可得传动装置总传动比为 式中、分别为高速级和低速级的传动比。故 由于滚筒内部结构受空间的限制，经过查阅资料，直径的滚筒内减速器齿轮中心距为，因此综合考虑取高速级和低速级的传动比分别为，。第五章 传动机构结构设计一 高速级齿轮传动的几何计算小齿轮用，调质处理，硬度，平均取为；大齿轮用钢，调质处理，硬度，平均取为。计算步骤如下: 表1 高速级齿轮的校核计算计算项目计算内容计算结果齿面接触疲劳强度计算1.初步计算转矩 式中电机功率， 高速轴转速， 齿宽系数由机械设计表，取接触疲劳极限由机械设计图初步计算的许用接触应力 值由机械设计表，取初步计算小齿轮直径直径 取初步齿宽=2.校核计算圆周速度 精度等级由机械设计表选级精度齿数和模数初取齿数 取 ，则， 使用系数由机械设计表动载系数由机械设计图齿间载荷分配系数由机械设计表，先求 由此得齿向载荷分布系数由机械设计表 载荷系数 弹性系数由机械设计表节点区域系数由机械设计图接触最小安全系数由机械设计表总工作时间应力循环次数接触寿命系数由机械设计图许用接触应力 验算 计算结果表明，接触疲劳强度较为合适，齿轮尺寸无需调整。3.确定传动主要尺寸实际分度圆直径中心距齿宽为了便于装配和调整，根据和求出齿宽后，将小齿轮宽度再加大取齿根弯曲疲劳强度验算重合度系数齿间载荷分布系数由机械设计表齿向载荷分布系数由机械设计图载荷系数 齿形系数由机械设计图应力修正系数由机械设计图弯曲疲劳极限由机械设计图弯曲最小安全系数由机械设计表应力循环次数弯曲寿命系数由机械设计图尺寸系数由机械设计图许用弯曲应力 验算 传动无严重过载，故不作静强度校核齿轮图形及其几何参数如下： 图4 外啮合小齿轮表2 外啮合小齿轮的基本尺寸齿轮项目名称几何参数齿形角齿顶高系数顶隙系数齿根圆半径系数分度圆螺旋角齿宽齿顶高齿顶圆直径齿根高齿高基圆直径精度等级齿圈径向跳动公差查互换性与技术测量表得公法线长度变动公差查互换性与技术测量表得齿形公差查互换性与技术测量表得基节极限偏差查互换性与技术测量表得齿向公差查互换性与技术测量表得公法线长度，其计算过程如下： 查互换性与技术测量表得式中齿距极限偏差齿厚上偏差齿厚下偏差公法线平均长度上偏差公法线平均长度下偏差跨齿数 图5 外啮合大齿轮 表3 外啮合大齿轮基本尺寸齿轮项目名称几何参数齿形角齿顶高系数顶隙系数齿根圆半径系数分度圆螺旋角齿宽齿顶高齿顶圆直径齿根高齿高基圆直径精度等级齿圈径向跳动公差查互换性与技术测量表得公法线长度变动公差查互换性与技术测量表得齿形公差查互换性与技术测量表得基节极限偏差查互换性与技术测量表得齿向公差查互换性与技术测量表得公法线长度，其计算过程如下： 查互换性与技术测量表得式中齿距极限偏差齿厚上偏差齿厚下偏差公法线平均长度上偏差公法线平均长度下偏差跨齿数二 低速级齿轮传动的几何计算小齿轮用，调质处理，硬度，平均取为；大齿轮用钢，调质处理，硬度，平均取为。计算步骤如下: 表4低速级齿轮传动的校核计算计算项目计算内容计算结果齿面接触疲劳强度计算1.初步计算转速转矩 式中传动效率齿宽系数由机械设计表，取接触疲劳极限由机械设计图初步计算的许用接触应力 值由机械设计表，取初步计算小齿轮直径直径 取初步齿宽=2.校核计算圆周速度 精度等级由机械设计表选级精度齿数和模数初取齿数取，则，；使用系数由机械设计表动载系数由机械设计图齿间载荷分配系数由机械设计表，先求 由机械设计表齿向载荷分布系数由机械设计表 载荷系数 弹性系数由机械设计表节点区域系数由机械设计图接触最小安全系数由机械设计表总工作时间应力循环次数接触寿命系数由机械设计图许用接触应力 验算 计算结果表明，接触疲劳强度较为合适，齿轮尺寸无需调整。3.确定传动主要尺寸实际分度圆直径中心距齿宽为了便于装配和调整，根据和求出齿宽后，将小齿轮宽度再加大取齿根弯曲疲劳强度验算重合度系数齿间载荷分布系数由机械设计表齿向载荷分布系数由机械设计图载荷系数 齿形系数由机械设计图应力修正系数由机械设计图弯曲疲劳极限由机械设计图弯曲最小安全系数由机械设计表应力循环次数弯曲寿命系数由机械设计图尺寸系数由机械设计图许用弯曲应力 验算 传动无严重过载，故不作静强度校核齿轮图形及其几何参数如下：锻造小齿轮结构适用于内啮合小齿轮，适用于的齿轮。当时，齿轮与轴做成一体；当时，齿轮与轴分开制造。若内啮合小齿轮与轴分开制造，则齿轮轴直径选为，键槽尺寸，齿轮分度圆直径为，齿根圆直径为。如图（6）所示，式中为轴的直径，故，所以齿轮与轴做成一体。图6 图7 齿轮轴表5 外齿轮几何参数齿轮项目名称几何参数齿形角齿顶高系数顶隙系数齿根圆半径系数分度圆螺旋角齿宽齿顶高 齿顶圆直径齿根高齿高基圆直径精度等级齿圈径向跳动公差查互换性与技术测量表得公法线长度变动公差查互换性与技术测量表得齿形公差查互换性与技术测量表得基节极限偏差查互换性与技术测量表得齿向公差查互换性与技术测量表得公法线长度，其计算过程如下： 查互换性与技术测量表得式中齿距极限偏差齿厚上偏差齿厚下偏差公法线平均长度上偏差公法线平均长度下偏差跨齿数表6 内齿轮几何参数齿轮项目名称几何参数齿形角齿顶高系数顶隙系数齿根圆半径系数分度圆螺旋角齿宽齿顶高 齿顶圆直径齿根高齿高基圆直径精度等级齿圈径向跳动公差查互换性与技术测量表得公法线长度变动公差查互换性与技术测量表得齿形公差查互换性与技术测量表得基节极限偏差查互换性与技术测量表得齿向公差查互换性与技术测量表得公法线长度，其计算过程如下： 查互换性与技术测量表得式中齿距极限偏差齿厚上偏差齿厚下偏差公法线平均长度上偏差公法线平均长度下偏差跨齿数图8 内齿轮三 齿轮轴的设计计算 图9 齿轮轴轴的材料为，轴速为。设计过程如下：表7齿轮轴的计算计算项目计算内容计算结果计算齿轮受力估算轴径由机械设计表得，故 外啮合大齿轮圆周力径向力法向力内啮合小齿轮圆周力径向力法向力 画齿轮轴受力图计算支撑反力水平面反力 垂直面反力水平面受力图垂直面受力图画轴弯矩图水平面弯矩图垂直面弯矩图合成弯矩图合成弯矩画轴转矩图轴受转矩转矩图许用应力许用应力值用插入法由机械设计表查得：；应力校正系数 画当量弯矩图当量转矩，见转矩图当量弯矩在轴齿轮中间截面处 当量弯矩图校核轴径齿根圆直径 轴径 四 齿轮轴上轴承的设计计算根据轴径，分别选用内径和的深沟球轴承。其尺寸和主要参数如下：表8 轴承参数轴承代号基本尺寸基本额定载荷极限转速脂 图10 轴承示意图 表9 轴承计算寿命计算、值由机械设计表得冲击载荷系数考虑中等冲击，由机械设计表得当量动载荷 轴承寿命因，只计算轴承的寿命 静载荷计算、由机械设计表当量静载荷取大者则取大者则安全系数正常使用球轴承，由机械设计表计算额定静载荷（,只计算轴承）轴承许用转速验算载荷系数由机械设计图由机械设计图载荷分布系数，由机械设计图，由机械设计图许用转速均大于工作转速结论：所选轴承满足寿命、静载荷与许用转速的要求，且各项指标潜力都很大。五 法兰轴的设计计算图11右法兰轴为了便于计算分析，可以把整个滚筒的法兰周电机轴简化为如图（12） 图12表10 法兰轴的计算计算项目计算内容计算结果计算滚筒受力滚筒所受皮带的拉力计算牵引力式中电机功率； 胶带运行速度摩擦条件 式中输送带在分离点张力 驱动滚筒与输送带间的摩擦系数 驱动滚筒的围包角 摩擦力备用系数 其数值为均为已知则式中输送带在相遇点张力滚筒所受拉力为了便于计算，中包括滚筒的重力等其它力轴受力的平移简化图计算支撑反力水平面反力 垂直面反力 水平面受力图垂直面受力图画弯矩图水平面弯矩图垂直面弯矩图合成弯矩图合成弯矩画轴转矩图轴受转矩转矩图许用应力许用应力值用插入法由机械设计表查得：；应力校正系数 画当量弯矩图当量转矩，见转矩图当量弯矩在轴两端轴承中间截面处 当量弯矩图校核轴径轴径 5359753597六 法兰轴上的轴承设计 轴承结构尺寸见图（10） 表11 轴承参数轴承代号基本尺寸基本额定载荷极限转速脂 表12轴承计算寿命计算、值由机械设计表得冲击载荷系数考虑中等冲击，由机械设计表得当量动载荷 由于两个轴承对称布置，为了便于分析近似认为轴承寿命 静载荷计算、由机械设计表当量静载荷取大者则安全系数正常使用球轴承，由机械设计表计算额定静载荷轴承许用转速验算载荷系数由机械设计图载荷分布系数，由机械设计图许用转速大于工作转速结论：所选轴承满足寿命、静载荷与许用转速的要求，且各项指标潜力都很大。七 弹性挡圈的选用 挡圈几何参数如下： 图14 孔用弹性挡圈A型 表13 孔用挡圈参数孔径/mm D/mm S/mm b/mm d1/mm 8590.52.56.8 3 8085.52.56.5 3 图15 轴用弹性挡圈A型 表14 轴用挡圈参数轴径/mmd/mmS/mmb/mmd1/mm7065.52.56.323八 吊环的选用及几何参数 图16 吊环螺钉A型 表15 吊环参数/mmD1/mmd2/mmd4/mml/mmb/mm204041.4723519九 键的选用及几何参数 图17 键(一) 外啮合大齿轮所选用的键 （二） 外啮合小齿轮所选用的键（三） 法兰轴在支座处所选用的键 表16 键的参数d/mmb/mmh/mmt/mmt1/mmL/mm1285.03.3选用L=40874.03.3选用L=3020127.54.9选用L=60十 螺母的计算当用受拉螺栓联接时，需要的螺栓预紧力:式中考虑摩擦传力的可靠系数， 接合面摩擦系数，当接合面干燥时，；当接合面有油时， 、各螺栓中心至底板旋转中心的距离故式中接合面数目 屈服极限 安全系数，螺栓性能等级选用级故，式中材料最小拉伸强度极限故，=端盖与滚筒联接选用M8螺栓，6个均布；内齿轮选用M8螺栓，6个均布；电机与法兰轴联接选用M8，共10个。第六章 滚筒其它结构设计一 滚筒设计 滚筒材料选用Q235钢板卷起焊接而成。两根钢条分别焊在滚筒两端，在滚筒内部均布六个刮油板，与滚筒焊接联接。如图：图18焊接滚筒二 端盖设计端盖材料为HT200。 图19 大端盖 图20 左小端盖 图21 右小端盖总 结随着毕业日子的到来，毕业设计也接近了尾声。经过努力我的毕业设计终于完成了。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次设计发现自己的看法有点太片面。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来只是还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，通过这次毕业设计，我才明白学习时一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己只是和综合素质。在这半学期里，我们不断学习、不断积累并且不断的提高，在马素平老师的悉心指导下，我们从最初的开题报告开始做起，进行设计方案的确定；之后尺寸拟定、结构设计计算、工程制图、论文整理。这次的毕业设计，是对我这四年来所学的专业知识是否踏实的检验，让我对这四年中所学知识进行了综合，也让我温习了一些已经快要淡忘的专业知识，并且还学到了一些实际工程经验。这次的油冷式电动滚筒设计中重点在于滚筒要受到空间的限制，但在空间的范围内还要满足滚筒的性能要求，比如减速器的传动比、轴承的寿命等，这就给设计制定了一定的难度，但是在设计中不能盲目，应该以资料为基础在加以自己的创新想法。毕业设计收获很多，比如学会了查找相关资料相关标准，分析数据，提高了自己的绘图能力，懂得了许多经验公式的获得是前人不懈努力的结果。同时，仍有很多课题需要后辈去努力去完善。在这次毕业设计也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听ti不同的看法对我们更好的理解知识。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的影响。但是毕业设计也暴露处自己专业基础的很多不足之处，比如缺乏综合应用专业知识的能力，对材料的不了解，等等。这次实践是对自己大学四年所学的一次大检阅，使我明白自己知识还很浅薄，虽然马上要毕业了，但是自己的求学之路还很长，以后更应该在工作中学习，努力使自己成为一个对社会有所贡献的人。虽然设计中难免会出现错误，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。致 谢作者在设计（论文）期间都是在马素平老师全面、具体指导下完成进行的。马老师渊博的学识、敏锐的思维、民主而严谨的作风使学生受益非浅，并终生难忘。感谢刘英林教授等在毕业设计工作中给予的帮助。感谢我的学友和朋友对我的关心和帮助。参考文献1 廖念钊主编.互换性与技术测量（第四版）.北京：中国计量出版社，20062 东南大学机械学学科组 郑文纬、吴克坚主编.机械原理（第七版）.北京：高等教育出版社3 陈昭怡、吴桂英主编.材料力学.北京：中国建设工业出版社，20054 邱宣怀主编.机械设计（第四版）.北京：高等教育出版社5 王明珠主编.工程制图学及计算机绘图.北京：国防工业出版社6 谢锡纯、李晓豁主编.矿山机械与设备.中国矿业大学出版社7 成大先主编.机械设计手册（第三版）.化学工业出版社8 东北工学院机械零件设计手册编写组编.机械零件设计手册.冶金工业出版社附 录Kinetostatic analysis of a roller drive Kuen-Bao Sheu, , a, Chih-Wei Chienb, Shen-Tarng Chioub and Ta-Shi Laia a Department of Vehicle Engineering, National Huwei Institute of Technology, Huwei, Yuenlin 63208, Taiwan b Department of Mechanical Engineering, National Cheng Kung University, Tainan 70101, Taiwan Received 15 April 2003; Revised 8 March 2004; accepted 23 March 2004. Available online 13 May 2004. Abstract A roller drive has a topological structure similar to an epicyclic gearing, where both the planet gear and the ring gear have rollers as their teeth. The roller drive thus has the advantages of easy manufacture and low cost. In this paper, the kinematic model based on the vector loop approach is developed, and models for analyzing the kinetostatics and mechanical efficiency of roller drives considering friction are proposed. By using these models, the velocity, acceleration, normal forces acting on the conjugated pairs and efficiency of roller drives can be obtained. An example is given, and experimental testing is applied to verify the analysis results. The results show that the roller drive has a speed fluctuation that corresponds with the number of ring gear rollers, and the magnitudes of the forces vary periodically with the crank angular displacement; hence, the roller drive has an input torque ripple. It is also found that the roller drive has high efficiency under the operation of high speed. Moreover, the influence of the geometric parameters on efficiency and speed fluctuation of the roller drives is discussed. Author Keywords: Roller drives; Kinematics; Kinetostatics; Efficiency Article Outline 1. Introduction 2. Kinematic analysis 2.1. Angular velocity and acceleration analysis 2.2. Relative speed of the conjugated pairs 3. Kinetostatic analysis 3.1. Force acting on the crank 3.2. Force acting on the planet gear 3.3. Force acting on the disc plate 3.4. Nonlinear equations 3.5. Frictional powers and efficiency analysis 4. Analysis examples and test 4.1. Angular velocity and acceleration 4.2. Forces and efficiency 4.3. Influence of the geometric parameters 4.4. Test 5. Conclusions Acknowledgements References 1. Introduction Epicyclic gearings are widely used in industry for the purposes of speed and torque conversion such as planetary gear speed reducers, harmonic drives, and cycloid drives 1, 2, 3 and 4. Compactness, large speed reduction ratio, and high efficiency are the advantages of this type of reducers. Such mechanisms must be manufactured to exact standards to offer high performance levels. A roller drive with the advantages of easy manufacture and low cost has been created 5 and 6. The topological structure of a typical single-stage roller drive is shown in Fig. 1. A crank, which is eccentrically mounted on the planet gear set serves as the input. A ring gear that has cylindrical rollers as its teeth is mounted on the housing; and a planet gear that has cylindrical rollers as its teeth engages with the ring gear. A constant velocity joint consisting of a set of pins attached to a disc plate and mated with an equal number of holes in the planet gear is used for converting the rotary motion to the output shaft. Display Full Size version of this image (11K) Fig. 1. Topological structure of the roller drive. In the past, the kinematic analysis of the planetary gear trains has been the subject of a number of studies 7, 8, 9, 10, 11, 12 and 13. Blanche and Yang 14 developed an analytical model of the cycloid drives with machining tolerances and investigated the effects of machining tolerances on backlash and torque ripple; and they 15 also presented a computer-aided analysis procedure to verify the performance of cycloid drives. In addition, Romiti et al. 16 performed the kinematic analysis of a novel gearless articulated speed reducer with machining tolerances. Moreover, kinetostatic analysis of the planetary gear trains has been performed by many investigators 17, 18, 19 and 20. Malhotra and Parameswaran 21 presented a procedure to calculate the forces on various elements of the cycloid drives. However, there have been only a few studies on the roller drives. Yan and Lai 22 described the characteristics of roller drives, and by using the basic efficiency of the mesh pair to derive the formulas for the mechanical efficiency of roller drives. In this work, firstly, the mathematical model for analyzing the kinematics is introduced; secondly, models for kinetostatics and mechanical efficiency of roller drives considering friction are developed. The forces on various elements of the roller drive as well as the mechanical efficiency are then presented. Finally, an experimental testing is used to verify the analysis results. 2. Kinematic analysis The following is a discussion of the angular velocity and acceleratio