北航优秀机械设计说明书_加热炉装料机

.机械设计课程设计计算说明书设计题目：加热炉装料机设计 院 系：能源与动力工程学院设 计 者： 指导教师： 2014年6月3日前言加热炉装料机可用于向加热炉内送料。由电动机驱动，于室内工作。通过传动装置使装料机推杆往复运动，将物料送入加热炉内。设计一台由减速器与传动机构组成装料机，配以适当的电动机等零部件，实现自动送料过程。尽量实现占地面积小，工作平稳及急回特性明显等工作特征。.目录目录一、设计任务书11、设计题目12、设计要求13、技术数据14、设计任务2二、总体方案设计21、传动方案的拟定2（1）原动机2（2）传动机构2（3）执行机构32、执行机构设计4（1）设计计算过程4（3）推板设计73、电动机的选择7（1）电动机类型选择7（2）选择电动机功率74、传动系统运动和动力参数8三、传动零件设计101、蜗轮蜗杆的设计10最终结果:142、直齿圆柱齿轮的设计14最终结果：203、轴的设计和校核计算21（1）蜗杆轴21（2）蜗轮轴24（3）大齿轮轴274、轴承的设计和校核计算30（1）蜗杆轴轴承30（2）小齿轮轴32（3）大齿轮轴345、键连接设计计算35（1）蜗杆上联轴器轴键36（2）蜗杆轴键36（3）大齿轮轴键376、联轴器的选择37（1）输入轴37（2）输出轴38四、减速器箱体及附件的设计381、箱体设计382、润滑与密封391、齿轮、蜗杆及蜗轮的润滑392、滚动轴承的润滑393、油标及排油装置394、密封形式的选择395、技术要求40五、参考资料40一、设计任务书1、设计题目加热炉装料机2、设计要求（1）装料机用于向加热炉内送料，由电动机驱动，室内工作，通过传动装置使装料机推杆作往复移动，将物料送入加热炉内。（2）生产批量为5台。（3）动力源为三相交流电380/220V，电机单向转动，载荷较平稳。（4）使用期限为10年，每年工作300天，大修期为三年，双班制工作。（5）生产厂具有加工7、8级精度齿轮、蜗轮的能力。加热炉装料机设计参考图如图1电动机 2联轴器 3蜗杆副 4齿轮5连杆 6装料推板3、技术数据数据编号6推杆行程/mm250推杆所需推力/N7000推杆工作周期/s2.54、设计任务（1）完成加热炉装料机总体方案设计和论证，绘制总体原理方案图。（2）完成主要传动部分的结构设计。（3）完成装配图一张（用A0或A1图纸），零件图2张。（4）编写设计说明书1份。二、总体方案设计1、传动方案的拟定传动方案分为原动机、传动机构和执行结构（1）原动机设计要求：动力源为三相交流电380/220v，故原动机选用电动机。（2）传动机构由于输入轴与输出轴有相交，因此传动机构应选择锥齿轮或蜗轮蜗杆机构。方案一：二级圆锥圆柱齿轮减速器。方案二：齿轮蜗杆减速器。方案三：蜗杆齿轮减速器。方案三方案二方案一电动机输出转速较高，并且输出不稳定。总传动比较大，轴所受到的弯扭矩较大，所以初步决定采用方案三：二级蜗杆圆柱斜齿轮减速器，以实现在满足传动比要求的同时拥有较高的效率，和比较紧凑的结构，同时封闭的结构有利于在粉尘较大的环境下工作。根据设计，电动机通过联轴器，将功率传到蜗轮蜗杆机构中，再通过与蜗轮同轴的一个小齿轮，再与一个直齿圆柱齿轮相连，达到减速目的，最后通过输出轴与执行机构相连接。（3）执行机构执行机构由电动机驱动，原动件输出等速圆周运动。传动机构应有运动转换功能，将原动件的回转运动转变为推杆的直线往复运动，因此应有急回运动特性。同时要保证机构具有良好的传力特性，即压力角较小。方案一：用摆动导杆机构实现运动形式的转换功能。方案二：用偏置曲柄滑块机构实现运动形式的转换功能。方案三：用曲柄摇杆机构和摇杆滑块机构串联组合，实现运动形式的转换功能。方案三方案二方案一方案评价：方案一：结构简单、紧凑，尺寸适中，最小传动角适中，传力性能良好，且慢速行程为工作行程，快速行程为返回行程，机会性能好，工作效率高，寿命长。方案二：结构简单，但是不够紧凑，且最小传动角偏小，传力性能差。方案三：结构简单，可实现复杂轨迹，但极位夹角小。由于装料机轨迹简单，不需要较高精度，且单行程工作，考虑到工作效率问题，需要良好的急回特性。综上所述，方案一作为装料机执行机构的实施方案较为合适。2、执行机构设计（1）设计计算过程O1) 选定行程变化系数K=2，则极位夹角=180k-1k+1=60，取工作范围为15。a2) 取机架oo1=120mm，由几何关系得：oa=oo1cos60=60mmcO13) 由行程cc=250mm可得：bb=cc=250mm，摇杆o1a=bb=250mm。cbbO1相等4) 取滑轨位置距o1距离L=12(o1b+o1bcos15)，此时滑轨与摇杆轨迹相对位置为：相等L滑轨与摇杆顶端处于工作极限时距离相等，此时最大压力角最小。取L=12o1b+o1bcos15=245.74mm圆整为L=246mm。5) 最大压力角取25由4)可知摇杆o1b位于最高点时压力角最大此时sinmax=o1b-Lbc,bc=o1b-Lsinmax=40.225mm圆整为bc=40mm。此时最大压力角max=24.35。（2）机构简图及机构特性机架oo1=120mm曲柄oa=60mm摆杆o1b=250mm连杆bc=40mm导轨与o1距离L=246mm工作段行程250mm1)取行程速度变化系数K=2，则极位夹角=180k-1k+1=602)机构特性急回特性：行程速度变化系数K=2传力特性：最大压力角max=24.3530速度特性：由Vco1bo1aoawcos经matlab数值模拟，推板速度曲线为：由此可见推板在工作段速度平稳且回程速度快。受力特性：取与oo1偏角为15为有效工作行程，显然此时有效工作行程大于推杆行程的35%。受力分析：当=15时，压力角=arcsinL-o1bcos15bc=12.24F0=Fcos=7162.82NF0=F0cos-=7171.14Noo1sin=oasin=31.17 o1a=167.247mmF1 o1b=F2 o1aF2=10719.38NF3=F2cos=12527.98NM=F3oa=751.68Nm又经简易计算分析，推板受力与转角的关系为如图所示：故取M=751.68Nm时，在15内F均大于等于7000N，即为有效行程。（3）推板设计3、电动机的选择（1）电动机类型选择按工作条件和要求，选用Y系列三相异步电动机，电压380v。（2）选择电动机功率1）机械效率效率数量弹性联轴器10.991蜗轮蜗杆20.801油润滑8级精度圆柱齿轮30.971滚动轴承40.993总效率=12343=0.7452)功率Pw=Mw=1889.2WPd=Pw=2.54kW电动机额定功率略大于即可，因此选定电动机额定功率为3kW。3)确定转速nw=60T=24r/min蜗杆i1=1040圆柱齿轮i2=25i=20200nd=4804800r/min可取nd=1000r/min或nd=1500r/min重量/kg价格额定电流/AY132S-6664204447.2Y100L2-4357057406.8综合质量和价格等因素，取nd=1500r/min即取Y100L2-4电动机4、传动系统运动和动力参数（1） 总传动比：i=59.17（2） 分配传动比蜗轮蜗杆i1=20圆柱齿轮i2=2.96（3） 运动和动力参数计算0轴（电动机轴）P0=Pd=2.54kWn0=1420r/minT0=9550P0n0=17.08Nm1 z=4-31-+=0.77螺旋角系数 由2表2-7由2图2-6查2表2-8查2表2-9齿面接触应力计算许用接触应力总工作时间（单向运转取）接触寿命系数齿面工作硬化系数接触强度尺寸系数润滑油膜影响系数取为取最小安全系数许用接触应力:验算: 接触疲劳强度较为合适,齿轮尺寸无须调整5、确定主要传动尺寸=arccos(z1+z2)mn2a=132442mt=mncos=4.112148小齿轮直径大齿轮直径齿宽，zv1=z1cos3=29zv2=z2cos3=87zv2=87zv1=296、齿根弯曲疲劳强度验算计算尺根弯曲应力，bh=7.33由2图2-9、图2-20、图2-21， ， 齿根弯曲应力:计算许用弯曲应力试验齿轮的齿根弯曲疲劳极限 ，另外取确定尺寸系数=查最小安全系数弯曲疲劳强度验算= 合格7、静强度校核静强度校核,因传动无严重过载,故不作静强度校核最终结果：i=2.96,=0.97,n3=71rmin,n4=24rmin小齿轮大齿轮小齿轮大齿轮mn=4mm mt=4.112148mm8级精度z3=27z4=80闭式软齿面d3=111.028mmd4=328.972mm40Cr45钢b3=70mmb4=66mm调制调制=132443HB=241286HB=197255a=220mm n=20取平均HB=260取平均HB=226右旋左旋zv3=29zv4=873、轴的设计和校核计算（1）蜗杆轴计算项目计算内容计算结果1选择材料，热处理45钢,淬火,硬度为HRC=4550。2按扭转强度估算轴径查表得，当轴材料为45钢时可取C=112，根据与联轴器端连接的尺寸，按联轴器的标准系列，取弹性套柱销式联轴器LT6 Y型，其直径d=35mm，轴孔长度。d=35mm,L=80mm3初定轴的结构初定该轴为一端游动，一端固定4轴的空间受力输入轴转矩蜗杆受圆周力径向力轴向力5.求支反力，并绘出水平面和垂直面的弯矩图及合成弯矩图1）垂直面支反力FAy=Fr1l2+Fa1r1l1+l2=608.968347+1673.12540131+347 =1002NFBy=Fr1-FAy=-393N2）水平面支反力FAx=Ft1l2l1+l2=422.750347131+347=307NFBx=Ft1-FAx=116N3)弯矩计算Mxc=FAyl1=131262NmmMxc=FAyl1-Fa1r1=-136731NmmMyc=FAxl1=40217Nmm4）合成弯矩Mc=Mxc2+Myc2=137285NmmMc=Mxc2+Myc2=142522NmmFAy =1002NFBy=-393NFAx=307NFBx=116NMxc=131262NmmMxc=-136731NmmMyc=40217NmmMc=137285NmmMc=142522Nmm6、计算并绘制转矩图7、求当量弯矩, 转矩按脉动循环考虑，取危险截面处当量弯矩：合格（2）蜗轮轴计算项目计算内容计算结果1、选择材料、热处理45钢，正火，硬度HB=170-2172、按扭转强度初估轴径查表得，当轴材料为45钢时可取C=112，,取3、初定轴的结构初定该轴为两端固定，取轴承30207（一对）4、轴的空间受力分析涡轮受力与蜗杆受力大小相等，方向相反T2=267.2Nmm涡轮 轴向力 径向力 圆周力小齿轮 圆周力 径向力 轴向力5.求支反力，并绘出水平面和垂直面的弯矩图及合成弯矩图1）垂直面支反力FAy=Ft3l2+l3-Fr2l3-Fa2r2l1+l2+l3=3035NFBy=Ft3l1-Fr2l1+l2+Fa2r2l1+l2+l3=1178N2）水平面支反力FAx=-Fr3l2+l3+Ft2l3+Fa3r3l1+l2+l3=-468NFBx=Ft2l2+l3-Fr3l1-Fa3r3l1+l2+l3=337N3)弯矩计算Mxc=FAyl1=169960NmmMxD=FByl3=87172NmmMxD=FByl3-Fa2r2=16332NmmMyc=FAxl1=-26208NmmMyc=FAxl1-Fa3r3=-90026NmmMyD=FBxl3=24938Nmm4）合成弯矩Mc=Mxc2+Myc2=171969NmmMc=Mxc2+Myc2=192330NmmMD=MxD2+MyD2=90669NmmMD=MxD2+MyD2=29810NmmFAy =3035NFBy=1178NFAx=-468NFBx=337NMxc=169960NmmMxD=87172NmmMxD=16332NmmMyc=-26208NmmMyc=-90026NmmMyD=24938NmmMc=171969NmmMc=192330NmmMD=90669NmmMD=29810Nmm6、计算并绘制转矩图7、求当量弯矩 转矩按脉动循环考虑，取危险截面处当量弯矩：合格（3）大齿轮轴计算项目计算内容计算结果1、选择材料、热处理45钢，正火，硬度HB=170-2172、按扭转强度初估轴径查表得，当轴材料为45钢时可取C=112，,取3、初定轴的结构初定该轴为两端固定，取轴承30212（一对）4、轴的空间受力分析大齿轮轴 圆周力径向力轴向力5.求支反力，并绘出水平面和垂直面的弯矩图及合成弯矩图1）垂直面支反力FAy=Ft4l2l1+l2=3572NFBy=Ft4-FAy=1250N2）水平面支反力FAx=Ft4l2+Fa4r4l1+l2=2212NFBx=Fr4-FAx=-407N3)弯矩计算Myc=FAxl1=123872NmmMyc=FAxl1-Fa1r1=-65139NmmMxc=FAyl1=210112Nmm4）合成弯矩Mc=Mxc2+Myc2=243908NmmMc=Mxc2+Myc2=219978Nmm FAy =3572NFBy=1250NFAx=2212NFBx=-407NMyc=123872NmmMyc=-65139NmmMxc=210112NmmMc=243908NmmMc=219978Nmm 6、计算并绘制转矩图8、求当量弯矩,转矩按脉动循环考虑，取危险截面处当量弯矩：合格4、轴承的设计和校核计算滚动轴承寿命:（1）蜗杆轴轴承蜗杆轴采用一端固定一端游动的支撑方案，固定端采用两个圆锥滚子球轴承，以承受蜗杆轴向力，按轴径初选30208；游动端采用一个深沟球轴承，只承受径向力，按轴径初选6010。1)深沟球轴承6010（一个），其尺寸：D=80mm,d=50mm, B=16mm计算项目计算内容计算结果轴承主要性能参数查1表6-63得轴承6010主要性能参数如下：轴承受力情况Fr1=FAy12+FAx12=1008.69N球轴承不承担轴向力：Fa1=0Fr1=1008.69NFa1=0X、Y值X=1 Y=010冲击载荷系数查2表8-8当量动载荷1210N轴承寿命（球轴承）Lh=70546h58400h满足使用寿命要求载荷变化系数PCr=0.055f1=1载荷分布系数FaFr=0f2=1许用转速n=f1f2nlim=9000r/minn=9000r/min大于工作转速1420r/min结论：所选轴承能满足寿命、静载荷与许用转速的要求。2)圆锥滚子轴承30208（一对，且成对安装），其尺寸D=80mm,d=40mm,B=18mm计算项目计算内容计算结果轴承主要性能参数查1表6-67，轴承主要性能参数如下：； e =0.37成对安装：Cr=279Cr=108kNnlim=0.60.8nlim=37805040r/mine =0.37Cr=279Cr=108kNnlim=0.60.8nlim=37805040r/min轴承受力情况Fs=Fr2Y=128NFa=Fs+FA=1801NFs=128NFa=1801NX、Y值FaFr=4.39e X=0.67 Y=1.6X=0.67 Y=1.6冲击载荷系数查2表8-8当量动载荷轴承寿命（滚子轴承）寿命合格载荷变化系数 载荷分布系数对于圆锥滚子轴承 许用转速n=f1f2nlim=17012268r/minn=17012268r/min大于工作转速1420r/min满足要求结论：所选轴承能满足寿命、静载荷与许用转速的要求。（2）小齿轮轴采用两端固定的支撑方案。圆锥滚子轴承30207（一对），其尺寸D=72mm,d=35mm,B=17mm计算项目计算内容计算结果轴承主要性能参数查1表6-67，30207轴承主要性能参数如下：； e =0.37e =0.37轴承受力情况Fr1=FAy12+FAx12=2987NFr2=FAy22+FAx22=1333NFs1=Fr12Y=933NFs2=Fr22Y=417N FA= FA3- FA2=727NFr1=2987NFr2=1333NX、Y值e=0.37冲击载荷系数查2表8-8当量动载荷轴承寿命（滚子轴承）寿命合格载荷变化系数 载荷分布系数对于圆锥滚子轴承许用转速n=f1f2nlim=4690r/minn=4690r/min大于工作转速71r/min满足要求结论：所选轴承能满足寿命、静载荷与许用转速的要求。（3）大齿轮轴采用两端固定的支撑方案。圆锥滚子轴承30212（一对），其尺寸D=110mm,d=60mm,B=22mm计算项目计算内容计算结果轴承主要性能参数查1表6-67，30212轴承主要性能参数如下：； e =0.4 e =0.4轴承受力情况Fr1=FAy12+FAx12=4044NFr2=FAy22+FAx22=1487NFs1=Fr12Y=1348NFs2=Fr22Y=495.7N FA=1150NFr1=4044NFr2=1487NX、Y值e=0.4 冲击载荷系数查2表8-8当量动载荷轴承寿命（滚子轴承）寿命合格载荷变化系数 载荷分布系数对于圆锥滚子轴承许用转速n=f1f2nlim=2250r/minn=2250r/min大于工作转速24r/min满足要求结论：所选轴承能满足寿命、静载荷与许用转速的要求。5、键连接设计计算查1表6-57键的选择主要考虑所传递的扭矩的大小，轴上零件是否需要沿轴向移动，零件的对中要求等等。（1）蜗杆上联轴器轴键材料选45钢，则键的选择和参数选用普通平键圆头A型。根据轴径d=35mm,选平键剖面尺寸b=10mm,h=8mm,根据轮毂长80mm,选择标准键长L=70mm键108转矩接触长度=24mm校核强度故满足要求（2）蜗杆轴键材料选45钢，则1)小齿轮键键的选择和参数选用普通平键圆头A型。根据轴径d=42mm,选平键剖面尺寸b=12mm,h=8mm,根据轮毂长68mm,选择标准键长L=56mm键128转矩接触长度=44mm校核强度故满足要求2)蜗轮键键的选择和参数选用普通平键圆头A型。根据轴径d=42mm,选平键剖面尺寸b=12mm,h=8mm,根据轮毂长60mm,选择标准键长L=50mm键128转矩接触长度=38mm校核强度故满足要求（3）大齿轮轴键材料选45钢，则1)大齿轮键键的选择和参数选用普通平键圆头A型。根据轴径d=62mm,选平键剖面尺寸b=18mm,h=11mm,根据轮毂长74mm,选择标准键长L=63mm键1811转矩接触长度=45mm校核强度故满足要求2)联轴器键键的选择和参数选用普通平键圆头A型。根据轴径d=50mm,选平键剖面尺寸b=14mm,h=9mm,根据轮毂长112mm,选择标准键长L=100mm键149转矩接触长度=86mm校核强度故满足要求6、联轴器的选择查1表6-99（1）输入轴选择弹性套柱销式联轴器LT6 Y型，轴孔直径35mm，轴孔长度82mm（2）输出轴选择弹性套柱销式联轴器LT9 Y型，轴孔直径50mm，轴孔长度112mm四、减速器箱体及附件的设计1、箱体设计查1表3-1计算项目计算内容计算结果箱座厚度箱盖厚度箱座突缘厚度箱盖突缘厚度箱座底突缘厚度地角螺钉直径地角螺钉数目轴承旁连接螺钉直径机盖与机座连接螺栓直径轴承端盖螺钉直径窥视孔盖螺钉直径连接螺栓d2的间距定位销直径大齿轮顶圆与内机壁距离齿轮端面与内机壁距离轴承端盖外径轴承端盖突缘厚度机盖肋厚机座肋厚=0.04a+381=0.858b=1.5b1=1.51b2=2.5df=0.036a+12d1=0.75 dfd2=(0.50.6) dfd3=(0.40.5) dfd4=(0.30.4) dfl=(150200)mmd=(0.70.8)d211.22D2=1.25D+10t=(11.2)d3m1=0.851m=0.85取=12mm取1=10mmb=18mmb1=15mmb2=30mmdf=20mmn=4取d1=16mm取d2=12mm取d3=8mm取d4=8mm取d=8mm取1=10mm取2=12mm依轴承而定t=10mm取m1=8mm取m=10mm2、润滑与密封1、齿轮、蜗杆及蜗轮的润滑在减速器中，蜗杆相对滑动速度V=6.07m/s，采用浸油润滑，选用L-AN68。浸油深度一般要求浸没蜗杆螺纹高度，但不高于蜗杆轴承最低一个滚动体中心高。2、滚动轴承的润滑蜗杆轴上的一个深沟球轴承和一对圆锥滚子轴承均用L-AN68采用油润滑。其他两对轴承轮缘线速度均小于2m/s，所以应考虑使用油脂润滑，但应对轴承处dn值进行计算。dn值小于2105mmr/min时宜用油脂润滑；否则应设计辅助润滑装置。两对轴