龙门式码坯机行走机构的设计计算与分析

学号_ 密级_ 本科毕业论文龙门式码坯机行走机构的设计计算与分析院（系）名 称： 专 业 名 称 ： 学 生 姓 名 ： 指 导 教 师 ： 二 年 月郑 重 声 明本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。本人签名： 日期： 摘 要随着社会和科技的进步，各高新技术企业也在逐步改善员工工作环境、提高企业的科技含量。在人力成本不断上升和科学技术发展的现状下，借助自动化设备代替人力工作的方式日益受到现代制砖企业的青睐。传统的制砖企业通过人力将成型的砖坯从切坯机搬运并码放到窑车上。因砖坯生产线刚生产出得砖坯湿度大、砖坯重，单位时间砖坯产量高，需要搬运并码放到位，导致工人劳动负荷大、砖坯码放质量不一、企业人力成本高。但是，现在制砖企业正逐步使用自动化设备去取代劳动力工作。为了解决人力成本的提高和劳动力的短缺为制砖企业带来的一系列问题。我们在项目方提供的资料和大量考察的基础上，以基于Pro/E的虚拟样机技术设计了龙门式码坯机。全自动码坯机是应用在砖坯生产线的砖坯码放设备。与人工码坯方式相比，具有生产效率高、砖坯码放质量好、程序可控等优点。本文主要陈述我在设计中所做的工作：在码坯机行走机构建模的基础上，针对行走机构和机架进行设计计算，关键零件的校核计算，对应工程图的绘制。关键词：龙门式码坯机；行走机构；主动轴 ABSTRACT Along with the society and the progress of science and technology, the high-tech enterprises are also gradually improve staff working environment, improve the content of science and technology. Under the present situation of rising labor costs and the development of science and technology, more and more modern brick-making enterprises replace human work using automation equipment.Brick of traditional enterprise in the shape of the tiles from the cutting machine handling and code into the kiln car through the human. Brick production line has just out of adobe,Adobe heavy humidity, Adobe high yield per unit time, The needs of handling and code in place, Lead to high labor intensity of the workers,not a brick laying quality,corporate human cost is high.But,Modern brick makingenterprises gradually use automation equipment to replace the labor work.In order to solve the rise of the manpower cost and the labor shortage which brings a series of problems to the brick-making enterprises.Based on the provided information,documents and lots of investigations,we adopted the Pro/E-based virtual prototyping technology to carry out the Gantry Type Setting Machine. The machine is used in the brick production line. Compared with the manual setting mode, it has the advantages of high production efficiency, good quality,brick laying program controllable.This paper stated what I have done：based on the Run Institution Model of Gantry Type Setting Machine, design and calculate of Run Institution and Frame, checking computation of important components, finishing corresponding 2D-drawings. Key words: Gantry Type Setting Machine； Run Institution； Driving Shaft目 录第1章 绪论11.1砖瓦行业的机械研究背景11.2 码坯机的国内外行业现状21.3本课题的内容和研究方法3第2章模型与机构设计62.1 整体模型62.1.1 龙门式码坯机的设计要求62.1.2 整体三位模型的初步建立62.2 行走机构的设计82.2.1 行走机构原理82.2.2 机架的设计与建模92.2.3 行走机构的建模12第3章关键零件的选型和设计计算143.1 基本参数的计算143.2 行走轮直径的确定143.2.1 行走轮设计要求153.2.2 行走轮直径的计算153.3 行走减速机的选型183.3.1 电动机的选择183.3.2 减速器的选择233.4 行走机构传动齿轮的计算与校核233.4.1 总传动比的计算和分配233.4.2 圆柱齿轮计算与校核243.5 主动轴的计算与校核333.6 轴承的选型与计算36第4章主动轴的ANSYS分析384.1 ANSYS软件的简介384.2 分析过程41第5章总结与结论475.1 设计总结475.2 结论47参考文献49致谢51II第1章 绪论1.1 砖瓦行业的机械研究背景改革开放以来，我国国民经济发生了重大变化，取得了辉煌的成就，同时中国砖瓦工业也发生了巨大变化，在国家产业政策的指导下，砖瓦行业是从一个手工作坊式和半机械化生产发展到现在有人工控制、自动化生产，从单一粘土实心砖产品发展到多品种、多功能、节能、节地、利废、环保的新型墙体材料，砖瓦产品结构进行了大调整，多孔砖、空心砖、空心砌块、墙体装饰板、清水墙装饰砖、地砖等等，满足了各类建筑的需求。30多年的发展，中国砖瓦工业已经成为国民经济建设中不可缺失的一个工业门类，在新世纪里将更加显现出新的活力。特别是在推动农村城市化、住宅产业化、建筑节能化、环境绿色化的发展进程中，在建设资源节约型、环境友好型、生活小康型社会和当前拉动内需的建设中发挥着重要的生力军作用。 砖瓦机械的总体水平也在快速提升，不仅满足国内城乡基本建设市场的需求，同时走出国门，服务于不同的国家和地区。砖瓦发展，装备是要素是基础，在每一个重大的发展阶段，砖瓦机械都起到了先行军的重要作用，推动着砖瓦行业的技术进步。砖瓦机械发展步伐加快，始于改革开放之初，随着我国国民经济建设的快速发展，城乡建设速度得到空前提升，为满足建筑市场需求，墙体屋面材料年产量快速递增。1978年我国年生产砖总量为960多亿块，10年之间迅猛发展，1988年达到6300亿块；2000年达7300亿块。砖产品年总量的增加，带动了砖瓦机械行业的快速发展。我国砖瓦机械设备的制造始于上世纪二十年代后期的上海市。1949年后，最初是建立在一些国有砖瓦厂自身机械检修的基础上，小规模生产砖瓦机械配件和设备，以普通型挤砖机为主，配有小型对辊机、单轴和双轴搅拌机、箱式给料机、手工切条机和切坯机等，基本满足了当时简单的砖瓦生产工艺的需要。70年代以后，随着砖瓦市场需求的不断扩大，某些地区的砖瓦机械制造开始从砖瓦厂分离出来，形成了专业化的砖瓦机械制造厂，大大增强了国内砖瓦机械制造的能力。1980年以后，各地对砖瓦机械的需求大增，砖瓦机械生产企业随之由原来的十几家增加到了几十家，而且规模扩大，企业职工人数从几百人到上千人不等。1990年我国开始了墙材革新与建筑节能工作，砖瓦机械开始了新一轮的技术创新。在引进消化的基础上，多种复杂原料的加工制备、真空挤出机、自动码坯机组等，为生产节能、节地、利废、环保新型墙材产品提供了先进设备，推动了砖瓦生产向机械化、自动化方向发展。目前我国现有砖瓦机械的生产厂家约200多家，在行业内影响较大的骨干企业有30多家。目前，我国砖瓦机械行业已形成一定规模，但是，高、中、低档次的企业和产品同时存在，形成较为激烈的市场竞争。现各类型砖瓦机械设备年生产能力可达上万台（套），并可根据不同原料、不同生产规模进行设备全线配套。砖瓦装备生产企业分布较广，一些大的省市基本上都有实力较强的砖瓦装备和配套产品生产企业，满足着不断变化的砖瓦市场需求。砖瓦机械的发展是随着我国经济建设的发展而发展，在科技不断创新的今天，砖瓦机械的技术水平必须考虑创新和提高，认真研究行业的进步发展。虽然目前我国砖瓦机械技术进步较快，但与国际发达国家所具有的技术水平还存有很大的差距，需要我们做出坚持不懈的努力。1.2 码坯机的国内外行业现状坯体被切制成型后，必然要码放到干燥车或者窑车上，然后将其送入干燥窑或者干燥洞进行脱水处理，这个码坯过程是砖厂不可缺少的一环。砖瓦的发展其中码坯经历了人工码坯、机械码坯、码坯机机器人码坯三个过程。人工码坯是有了制砖这个行业后最早的码坯方式，现在在我国很多地区仍然采用，方式就是码坯工通过手工操作将坯体码放到干燥车或者窑车上多用于小干燥车的两次码烧系统或小断面隧道窑（窑宽小于4.6m）的场合。人工码坯的优点是灵活，无论什么砖型，无论哪种码坯系统人工都可以采用最合适的码坯方式进行工作，对于砖型的变换基本上不受什么影响，但是人工码坯的缺点也是很让人无奈的：砖厂的产量受码坯人员数量的限制，采用人工码坯的生产线可以说年产量不决定于砖机，而是决定于码坯工的数量，人多可以选用大砖机，人少只能选用小砖机，对于年产6000万（标砖）的砖厂来说，至少需要配备10个人（单班），一旦有人员缺少，立即就会影响到生产线的产量。并且砖坯的质量受码坯人员体力的影响。随着科技的发展，码坯机越来越成为国内应用的比较广泛的码坯方式，也是自动化程度较高的码坯方式，其原理就是利用编制好的程序，通过码坯夹夹取坯体，根据码坯方阵的要求决定是否旋转，然后将坯体运到窑车的上方，落下码坯夹将坯体码放到窑车上。整个动作过程包括（码坯夹的升降，码坯夹的夹取，码坯夹的旋转，码坯夹的行走）全部采用机械传动。相比于人工码坯两者的优缺点是相互的，机械码坯的优点是：码坯机可以无休无止的工作，而且工作质量不会受到影响；码坯机的产量决定于码坯夹的数量，以现在生产线上常用的码坯机来说，每个码坯夹的产量是48块砖，能够实现年产量在2000万至2500万砖之间，使用6个码坯夹的码坯机其单机产量就能达到了1.2亿，这对于采用人工码坯的生产线几乎是不可能的；经过这么多年的发展，码坯机的技术已经比较成熟，对维修工的技术素质要求不高。近两年来，机器人开始应用在烧结砖的生产线上，机器人是自动化程度极高的仿真设备，以前，也只有在汽车食品等行业出现，如今出现在砖厂，可以说是制砖装备自动化程度的飞跃。但机器人码坯刚刚起步，技术需要进一步发展创新。目前，国内90%以上的砖厂仍在使用人工码坯，特别是采用二次码烧的砖厂 98%以上，在使用人工码坯，绝大部分原因是因为国内适合二次码烧的码坯机还很少。国外有价格比较昂贵的用于一次码烧的全自动码坯系统，价格在400万到1000万元人民币之间，而用于二次码烧的上下架系统就更加昂贵，大概在几千万元。虽然其性能较好，运行平稳噪声也低，但对于以赢利为目的的中小型砖厂来讲是可望而不可即的。国内也有几家生产全自动码坯系统的厂家，产品比较单一，针对的是一些中大型的砖厂，有的只能适用于一种砖型，也有的能适用于几种砖型，价格也在200万 到300万之间，国内也存在半自动的码坯设备，但有一定的风险。鉴于我国码坯机的状况我们课题组在导师的指导下，设计了龙门式码坯机。1.3 本课题的内容和研究方法本课题的设计是在对现有码坯机的机构分析基础上，为了更好、更大需求的满足生产，从而改进机构，确立新的设计方案，构建虚拟样机，指导企业生产出一种新型码坯机龙门式码坯机。我们采用了先进经济的虚拟样机设计方法。虚拟样机就是用来代替物理产品的计算机数字模型，它可以像真实的物理模型一样, 用来对所关心的产品的全寿命周期，如设计、制造、服务、循环利用等，进行展示、分析和测试。这种构造和使用虚拟样机的技术就叫虚拟样机技术。一个虚拟样机应该包括以下3种类型的模型: 一个三维实体模型、一个人产品的交互模型、与产品的测试相关的可视化模型。虚拟样机技术利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式探索虚拟物体功能，对产品进行几何、功能、制造等许多方面交互的建模与分析。它在CAD模型的基础上，把虚拟技术与仿真方法相结合，为产品的研发提供了一个全新的设计方法。本课题的设计中，我们采用了Pro/Engineer WildFire 5.0版和AutoCAD2010版三维软件。Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。 Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。Pro/E具有如下几个显著特征：1参数化设计相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。2基于特征建模Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。3单一数据库（全相关）Pro/E是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。第2章 模型与机构设计2.1 整体模型2.1.1 龙门式码坯机的设计要求码坯机主要由切坯机、分坯机、夹盘机构、行走机构、升降机构、旋转机构和电气系统等组成。码坯机的工作流程：切条机将坯切条，切坯机把切好的砖坯推到分坯机上后分坯，分坯完成后的砖坯送至码坯机夹盘机构正下方。当夹盘到达预定夹坯位置后，夹盘夹具工作，夹起砖坯，接着由升降机构上升至预定高度，行走机构驱动机体行走至窑车正上方，旋转装置完成转向90，然后升降机构下降至预定 放坯高度进行码坯，码坯机码放一层，旋转一层，形成十字交叉，经过上述动作循环，即可完成窑车的全部码坯过程。码好的砖夹砖架图2.1 码坯机的功能示意图2.1.2 整体三位模型的初步建立我们课题小组在实地考察和相关资料的基础上，采用Pro/E三维软件进行各个零件的1:1的实体建模，每个人先完成部件装配，再统一组装出整体模型，构建出虚拟样机。完成的整体模型如图2.1所示。经过20多年不断的创新和完善，Pro/E现在已经是三维建模软件领域的领头羊之一，特别是Pro/E 5.0，它的参数化设计和特征功能 Pro/Engineer是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。升降机构机架行走机构夹盘机构旋转机构在使用过程中，它的所有模块之间的相关性，使开发产品过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。Pro/E使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素，并且这些特征是一些普通的机械对象，可以按预先设置很容易的进行修改，特别适用于机械产品的设计。图2.2 整体三维模型通过上图可以看出，Pro/Engineer WildFire 5.0软件功能很强，满足本次设计的要求，可以很好的建立实体模型，还可以模拟龙门式码坯机的运行过程：当夹盘到达预定位置后，夹起砖坯，接着由升降机构上升至预定高度，行走机构驱动机体行走至窑车正上方，旋转装置完成转向90，然后升降机构下降至预定放坯高度进行码坯，码坯机码放一层，旋转一层。这给设计和分析带来了很大的方便，也很经济。我们课题组的设计主要包括：升降机构、旋转机构、行走机构、机架和夹盘机构的设计分析，各自功能作用如下说明：1. 升降机构：提升或放下夹盘机构和砖坯，起到拖出成型砖坯和码坯的作用；2. 旋转机构：在旋转电机的驱动下将夹盘机构旋转90，码坯机放一层，旋转一个90，使坯层间交错相间；3. 行走机构：在行走电机的驱动下，带动夹盘机构在预定位置间来回运动，保证砖坯码放于窑车；4. 机架：是整套设备的核心，用来承受设备各部件和砖坯的重量；5. 夹盘机构：用于将成型的砖坯方针按要求夹起。2.2 行走机构的设计2.2.1 行走机构原理本课题的行走机构属于固定轨迹的轮式运行机构，主要包括驱动机构和承载机构等部件。行走机构机构简图如图2.2所示：图2.3 行走机构简图1减速电机 2. 传动齿轮 3. 车架 4. 主动轴5. 车轮 6. 车架 7. 电机支架 8. 从动轴其基本行走原理是通过减速电机驱动主动行走轮组在钢轨上运动，以一定的速度安全可靠地完成龙门式码坯机沿轨道方向上的水平行走运动。其导向轮通过使码坯机水平运行时，能够沿着轨道行走不至于跑偏，起到导向的作用。2.2.2 机架的设计与建模1. 机架设计准则：机架的设计主要应保证刚度、强度及稳定性。1）刚度评定大多数机架工作能力的主要准则是刚度。在机床中刚度决定着机床生产效率和产品精度；在齿轮减速器中，箱体的刚度决定了齿轮的啮合情况和它的工作性能；薄板轧机的机架刚度直接影响钢板的质量和精度。2）强度强度是评定重载机架工作性能的基本准则。机架的强度应根据机器在运转过程中可能发生最大载荷或安全装置所能传递的最大载荷来校核其静强度。此外还要校核其疲劳强度。机架的强度和刚度都需要从静态和动态两方面来考虑。动刚度是衡量机架抗震能力的指标，而提高机架抗振能力应从提高机架构件的静刚度，控制固有频率，加大阻尼等方面着手。3）稳定性机架受压结构及受压弯结构都存在失稳问题。有些构件制成薄壁腹式也存在局部失稳。稳定性是保证机架正常工作的基本条件。必须加以校核。4）对于机床、仪器等精密机械还应考虑热变形。热变形将直接影响机架原有精度，从而使产品精度下降。2. 机架设计的一般要求：1）在满足强度和刚度的前提下，机架的重量应要求轻、成本低。2）抗振性好。3）噪声小。4）温度场分布合理，热变形对精度的影响小。5）结构设计合理，工艺性良好，便于铸造、焊接和机械加工。6）结构便于安装、调整及修理。7）导轨面受力合理、耐磨性良好。8）造型好。3. 机架形状、尺寸和材料的确定机架是整个设备的基础，支撑起全部，其安全系数必须要高，根据现行码坯机的考察，我们课题组设计的机架与现有码坯机的类似，采用梁柱式，由钢板焊接和螺栓连接成型。机架的尺寸不是完全确定的，可以根据厂房大小调整，但是应有其如下最小或边界尺寸：码坯位抓坯位图2.4 机架形状和尺寸图1）机架高度（1）Hi为升降机构的高度，Hj是满足码坯层数的夹砖架到地板的最小高度，其余部分的高度为确定值H0，因此总高H应满足：H Himin + Hj + H0这里Himin为升降架圆筒长的1/3；（2）S是夹砖架的最大行程，则机架高度还应满足：H S（3）运行中，应注意夹砖架的旋转过程应使升降架运行在“Himin Hi 8006.67.20.1810.245注： 1. b材料的抗拉强度，MPa2. 钢制车轮一般应经热处理，踏面硬度推荐为300380HB，淬火层深度为1520mm。在确定许用的k1、k2值时仍取材料未经热处理时的b。3. 当车轮材料采用球墨铸铁时，b500MPa的材料，k1、k2值按b=500MPa选取。表3.4 系数m值r/R1.00.90.80.70.60.50.40.3m0.3880.4000.4200.4400.4680.4900.5360.600注：1. r/R为其他值是，m值用内插值法计算。 2. r为两接触面曲率半径的小值。在实际生活中，码坯机行走机构的车轮常采用圆柱形的结构形式，与头部带曲率半径的轨道配套使用，该结构的接触形式为点接触，从理论分析来看，应按点接触计算。这对于新车轮、新轨道在最初使用阶段与实际情况是相符合的，但在行走机构运行过程中不可避免地会存在碰撞、发热、磨损等状况，随着使用时间的增长，轨道头部和车轮会出现不同程度的磨损，车轮与轨道之间的接触形式将逐步成为线接触。因此，考虑到实际使用情况，在此按线接触计算：由公式3.2可推出，车轮直径：（3.4）根据现有码坯机行走轮所用材料的考察，本次设计选用车轮的材料是ZG50MnMo，具有很高的强度和刚度，很好的耐磨性。从机械设计手册（第五版）第1卷第3篇中查的ZG50MnMo的抗拉强度b=500MPa，取k1=3.8；选择车轮直径为D=350mm，则转速n=91.0 r/min，取c1=0.84，行走机构工作级别为M5，则c2=1.00；因此由公式3.2可得：Pc = 3.8350800.811 N = 89376 N = 89.376 KN如图3.2所示，从机械设计手册（第五版）第2卷车轮的设计内容中查的材料为ZG50MnMo直径为350mm的车轮，P24号钢轨允许最大轮压:Pc= 88+8820% = 105.6 KNPcPc所以车轮直径满足要求，确定为D=350mm。图3.2 钢轨允许最大轮压注：1. 此表数值是按车轮材料ZG310570、320HB算出的；若车轮材料用ZG50MnMo，车轮轴用45钢、228255HB时，最大许用轮压可以提高20%。 2. Q/G为起重量与自重比。3.3 行走减速机的选型3.3.1 电动机的选择电动机是最常用的原动机，具有结构简单、工作可靠、控制简便和维护容易等优点。电动机的选择主要包括选择其类型和结构型式、容量(功率)和转速、确定具体型号。电动的选择顺序如图3.3所示：图3.3 电动机选择顺序图1. 电动机类型和结构的选择电动机已经系列化、标准化，在设计时应根据工作载荷(大小、持性和变化情况)、工作要求(转速高低、调速要求、起动和反转的频繁程度)、工作环境(尘上、油、高温及爆炸气体等)、安装要求及尺寸重量的持殊限制等条件进行选择。工业上广泛应用三相交流电动机，尤以三相鼠笼型异步电动机应用最多，其中Y系列一般用途的全封闭自扇冷鼠笼型异步电动机广泛应用于输送机、搅拌机等。煤矿井下及其他有易燃易爆气体的场合应选用防爆电功机，如YB系列电动机。本课题设计从企业厂房的布置环境考虑，一般为户内正常工作环境，有防护，码坯机行走机构负载平稳，对行走电动机启动、制动无特殊要求，长期运行，要正、反转。因此，选用一般用途的系列三相异步电动机，它为卧式封闭结构。2. 电动机的功率计算电动机的功率选择是否合适，对电动机的正常工作和经济性都有影响。功率选的过小，不能保证工作机的正常工作或使电动机长期过载而过早损坏；功率选的过大，则电动机价格高，且经常不在满载下运行，电动机效率和功率因数都较低，造成很大浪费。电动机功率的确定，主要与其载荷大小、工作时间长短、发热多少有关。对于长期连续工作、载荷较稳定的机械（如连续运输机、鼓风机等），可根据电动机所需的功率Pd来选择，而不必校验电动机的发热和启动力矩。选择时，应使电动机的额定功率Pe稍大于电动机的所需功率Pd，即Pe Pd。对于间歇工作的机械，Pe可稍小于Pd。电动机所需的功率计算方法：若已知工作机的阻力为F（N），工作速度为v（m/s），则工作机所需的有效功率为：（3.5）若已知工作机的转矩T（Nm）和转速n（r/min）时，则工作机所需的有效功率为：（3.6）电动机所需的输出功率：（3.7）式中：为传动装置的总效率（3.8）式中：1，2分别为传动装置中每对运动副或传动副（如联轴器、 齿轮传动、 带传动、链传动和轴承等）的效率。表3.5 机械传动和轴承等效率的概略值已知：作用在轨道上的最大重力G=N=（M1+M2）g=11864.39.8=116270.14 N；行走机构的最大速度vmax=1m/s，车轮最大转速n=91.0 r/min车轮受力分析如图3.4所示：图3.4 车轮受力分析示意图圆柱沿平面滚动时，滚动阻力矩为：（3.9） 式中：k为滚动摩擦因数，按表3.6选取表3.6 滚动摩擦因数每个车轮所受的滚动阻力为F1=116270.1440.06=1744.052N，因此主动轴所受阻力为F=F12=3488.1N，由公式3.5可得工作机构所需有效功率为：Pw =3.48 kW，传动装置的总效率为=0.980.980.980.98=0.92，所以电动机的输出功率由公式3.7可得：（3.10）查阅机械设计手册（第5版）第17篇电动机的技术数据，确定电动机的额定功率为 。3. 电动机转速额定功率相同的电动机有四种同步转速可供选用。电动机的转速越高，则磁极越少，尺寸及重量越小，价格也越低；但电动机的转速较高，也引起传动装置的尺寸和重量增大，使成本增加。因此，一般情况下，宜选用1000r/min、l 500 rmin较合适。传动装置的设计功率，对于专用装置，通常按电动机的实际输出功率Po来计算；对于通用传动装置，则按电动机的额定功率Pe来计算。而转速则按电动机额定功率时满载转速nm来计算。 根据电动机的额定功率， 可以选用四种，但根据实际应用和资料选用1000r/min、l 500 rmin的进行比较如表3.7表3.7 电动机比较方案电动机型号额定功率（kW）电动机转速（r/min）电动机质量（kg）同步满载1Y112M-4415001440432Y132M-64100096073 由表中数据可知两个方案均可行，但方案1的电动机质量较小，且价格较低。因此，采用方案1，选定电动机型号为Y112M-4。4. 电动机的技术数据和外形、安装尺寸表3.8 电动机技术数据型号额定功率(kw)同步转速(r/min)满载转速(r/min)堵转转矩额定转矩最大转矩额定转矩Y112M-44150014402.32.3HDEGKLFGD质量（kg）112286024124008743图3.5 电动机安装及外形尺寸3.3.2 减速器的选择根据已选好的行走电动机的型号，工作时间24h/日，载荷稳定，以及正、反转等的要求，选用摆线针轮减速机。摆线针轮减速机具有高速比和高效率；效率在90%以上，结构紧凑体积小；运转平稳噪声低，使用可靠、经久耐用寿命长，设计合理，维修方便；并允许正反向运转。按工作要求，按表3.9选择使用系数K=1.2:表3.9 使用系数K再按电机同步转速和额定功率，查阅机械设计手册（第5版）第16篇表16-2-138选择减速器型号：XWDY4-8115-8输出转速为188r/min，使用系数K=1.271.00满足。3.4 行走机构传动齿轮的计算与校核3.4.1 总传动比的计算和分配总传动比i，根据电动机的满载转速nm和工作机所需转速nw计算：（3.11）总传动比是各级传动比的连乘积。传动比的分配是个比较重要的问题，它将影响到传动装置的外廓尺寸、重量、润滑等许多问题。具体分配时应考虑下面的问题：各级传动的传动比最好在其范围内选取；应使各级传动的结构尺寸协调、匀称及利于安装，防止相互干涉，在有带传动的传动装置中，为防止大带轮和底架相碰，通常的办法是使带传动的传动比小于齿轮传动的传动比；应使传动装置的外廓尺寸尽可能紧凑；传动装置的精确传动比在传动件的参数(齿轮、带轮的直径)确定后计算出来，这时应验算工作装置的转速是否在允许的误差范围内，如误差较大，则应重新调整所分配的传动比。为了满足工作的需要，确保行走机构的最大运行速度，本次设计选择了传动比为8的减速器，因此根据圆柱齿轮的设计要求分配到减速机和主动轴间的齿轮传动装置的传动比的为2。3.4.2 圆柱齿轮计算与校核1. 齿轮传动的设计要求： (1)齿轮传动设计需要确定齿轮的材料、模数、齿数、分度圆螺旋角、旋向、变位系数、分度圆、顶圆和根圆、齿宽和中心距等。(2)选择材料时，应注意毛坯的制造方法。当齿轮直径d500 mm时，多采用锻造毛坯；当d500 mm时，多采用铸造毛坯。小齿轮根圆直径与轴颈接近时，多做成齿轮轴，材料应兼顾轴的要求。 (3)齿轮设计时，应注意在确定齿数Z1(Z2)、模数m(mn)和分度圆螺旋角时，不能孤立地一个一个决定，而应综合考虑。当齿轮传动中心距一定时，齿数多，模数小，既能增加重合度，改善传动平稳性，又能降低齿高减小滑动系数，减轻磨损和胶合。但齿数多，模数小，又会降低轮齿的弯曲强度。对于闭式齿轮传动，一般取Z120一40；对于动力齿轮传动，齿轮模数m一般不宜小于2mm；对于高速齿轮传动，大、小齿轮的齿数应互为质数。对于斜齿轮，分度因螺旋角不能太大或太小，一般取8一25；(4)要正确处理设计计算的尺少数据，应分别不同情况进行标准化、圆整或求出精确数值。例如，模数必须为标难值，中心距、齿宽应圆整；啮合几何尺寸(节圆、根圆、顶圆和螺旋角等)必须取精确的计算数值，一般精确到小数点后面两位；螺旋角应精确到秒。中心距与大、小齿轮节圆半径之和应相符；(5)齿轮的孔径和轮毅尺寸因与轴的结构尺寸有关，而暂不能确定，另一方面，轮辐、圆角和工艺斜度等结构尺寸可以在零件工作图的设计过程中在确定。2. 齿轮的设计准则所设计的齿轮传动在具体的工作情况下，必须具有足够的、相应的工作能力，以保证在整个工作寿命期间不致失效。通常按保证齿根弯曲疲劳强度和保证齿面接触疲劳强度两准则进行计算。由实践得知，在闭式齿轮传动中，通常以保证齿面接触疲劳强度为主。但对于齿面硬度很高、齿芯强度又很低的齿轮或材质较脆的齿轮，通常则以保证齿根弯曲疲劳强度为主。如果两齿轮均为硬齿面且齿面硬度一样高时，则视具体情况而定。开式（半开式）齿轮传动，按理应根据保证齿面抗磨损及齿根抗折断能力两准则计算，但齿面抗磨损能力的计算方法迄今尚不够完善，故对开式（半开式）齿轮传动，目前仅以保证齿根弯曲疲劳强度作为设计准则。为了延长开式（半开式）齿轮传动的寿命，可视具体需要而将所求得的模数适当增大。3. 齿轮的计算（1）选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数a) 传动装置预期使命8年，双班制，传动尺寸无严格限制，无严重过载，因此选用直齿圆柱齿轮。b) 码坯机为一般工作机器，速度不高，故采用7级精度（GB10095-88）标准齿轮传动。c）分配给行走齿轮传动的传动比为2，小齿轮用40Cr，采用锻件加工，锻打后调质处理取280HB。大齿轮也用40Cr，调质处理，硬度取为240HB。d) 选小齿轮齿数z1=24,大齿轮齿数z2=224=48。（2）按齿面接触疲劳强度设计按齿面接触强度设计时，公式：（3.12）确定公式内各计算数值a）试选载荷