【《某圆环打包机的结构设计》9800字】

某圆环打包机的结构设计摘要：本论文首先介绍了圆环打包机的国内外研究现状，然后对其结构进行了整体设计，该打包机由两个电机驱动两根不同的主动轴，一主动轴使圆环对象转动，另一主动轴通过带传动使7个圆轮旋转从使一个带有薄膜胶条的打包圆环穿过圆环对象，通过一定速度比使薄膜稳定的缠绕于圆环对象上，从而实现圆环打包功能。论文第三部分对关键零部件进行了设计校核，最后给出了总结和展望。关键词：圆环打包机；打包机械；带传动；打包圆环目录TOC\o"1-3"\h\u1绪论 11.1研究背景及意义 11.2国内外研究现状 11.2.1国内研究现状 21.2.2国外研究现状 21.3本文主要研究内容 32圆环打包机的总体设计 42.1圆环打包机主要组成和预期效果 42.2各结构设计思路 42.2.1包装底座 42.2.2打包圆环 52.2.3圆轮 52.2.4滚轴支架 62.2.5轴承端盖 62.2.6皮带轮保护轮罩 72.2.7盖板 72.3圆环打包机的总体方案 83设计计算 93.1圆环打包机的原始参数 93.2电动机的选择 93.2.1动力驱动电机 93.3带传动的设计 93.3.1带传动的类型 93.3.2V带的设计计算 93.4轴的尺寸确定和校核 123.4.1材料的选择以及热处理方法 123.4.2主轴的功率P2，转速n2和转矩T2计算 123.4.3初步计算传动轴的轴径 123.4.4轴的结构设计 133.4.4按弯扭合成强度条件计算校核传动轴 143.4.8轴的刚度校核计算 174总结与展望 19参考文献 201绪论1.1研究背景及意义我国国民经济的发展速度与制造业技术水平的高低有着十分密切的联系。一个国家若想实现经济快速、健康的发展，一个国家想要稳定和安全，一个国家要想实现现代化，都需要强大的制造业。自经济全球化以来，中国汽车市场对外开放，使国内汽车的销售量与汽车保有量不断攀升[1]，总所周知，轮胎对车辆的各种性能起着关键的作用，轮胎产品的各项性能，能否充分有效的进行体现，与轮胎的设计方法、制造精度和保存情况都有着紧密的关系。当前，我国以轮胎制造强国为目标，由于国内汽车保有量巨大，对各类汽车类型需求量极大，在国内外也先后拥有自主品牌的轮胎企业，但是生产的轮胎成品依旧存在许多质量问题,与国外也还有一定差距[2]。一种良好的轮胎保存技术对提高轮胎质量来说至关重要，而在轮胎保存过程，最主要的就是轮胎打包，最重要的设备便是轮胎打包机。为了提高轮胎打包精度，进而提高轮胎产品的质量，同时又可以针对不同的环形对象如水管进行打包，使打包对象多样化，简化打包过程，改革繁琐的打包过程，从而达到以机械取代人打包减少人工成本，缓减人们不必要的劳动，节约劳动成本，提高打包效率。针对以上目的，本文提出了“圆环打包机结构设计”这一课题。本课题的研究目的在于通过研究相关数据，运用所学的知识来设计一款实用、操作简单的圆环打包机。目前国内市场上圆环打包机较少，通过借鉴轮胎缠绕机的设计方法和思路，为设计圆环打包机提供一定的理论依据和分析。1.2国内外研究现状长期以来，轮胎或者其它圆环对象的打包是生产链中最耗时、最费力的一个环节，人工打包打包劳动强度大、费用高、打包质量不高。当前，运用胶布缠绕轮胎或者其它圆环对象是通用方法。国内外学者都是根据所提出的理论和所设计的机构来改进打包机，从而达到改善打包质量。随着科技的不断进步与发展，出现了一定高效的先进的打包理论和设计，这大大提高了轮胎或者其它圆环对象的打包效率，减轻了劳动强度，而且促进了轮胎和其他产业的发展。1.2.1国内研究现状2006年林远艳和陈乐庚在《自适应预测控制在轮胎胎面缠绕系统的应用》一文中针对自适应轮胎胎面缠绕控制系统中所需要使用的一些具有大滞后和模型缓慢时变的特点,提出了一种自适应预测控制的解决办法,有效弥补、消除了系统的大滞后和胶条速度波动的干扰作用[3]；2012年江瑞雪,申伟波和马忠可在《胎面缠绕智能压型和缠绕方式改进》一文中改进了胶条的挤出方式，解决了目前国产胎面缠绕电动机普遍存在的技术问题[4]；2016年付燕铭在《胎面缠绕机测控系统的研究》一文中研发一套缠绕机控制系统，从而满足工艺要求，生产出高规格的轮胎，但存在所设计的缠绕机测控系统自动化程度还不是很高的问题[5]；2016年CWang，LZhang，AWang和LFan在《ImprovementofRubberStripWidthMeasurementandControlSystemofTreadWindingMachine》一文中，对胎面缠绕机胶条宽度测控系统进行了改进，显著改善了胎面缠绕工艺[6]。2018年沈春锋，任洵涛，韩江，程楠楠和王亮在《纤维缠绕张力控制系统设计研究》一文中，针对纤维由于卷纱轮与送纱轮之间存在速度差发生形变产生张力，设计了一款张力控制系统，从而有效的缓冲了扰动对张力系统的影响[7]；2018年王宗环，杨洪彬，郑涛，赵启伟，徐超和汤环宇在《轿车轮胎新型2-1冠带条缠绕方式》一文中针对胶料流动而导致胎里不平的问题，提出新型2-1冠带条缠绕方式[8]；2020年张鹏在《基于B样条曲线的轮胎胎面缠绕仿真系统设计》一文中针对提高轮胎缠绕精度这一问题进行了深入研究，并基于自己掌握的轮胎胎面缠绕生产线与B样条曲线的基本知识，设计了基于B样条轮胎胎面缠绕仿真系统，提高了缠绕精度和胶条位置精度[9]；2020年吴少斌在《基于PLC的玻纤缠绕机自动化控制系统设计》一文中针对现有的单螺旋缠绕机连续纤维带拉伸变形问题，设计了双螺旋缠绕工艺及其连续缠绕工艺，并基于PLC设计了双螺旋纤维缠绕机电气控制系统，但并未实现自动化[10]。1.2.2国外研究现状1946年，美国率先提出纤维缠绕成型工艺；1947年，世界上第一台缠绕机由美国的Kellog公司研制成功；2000年，美国NoboruOkada申请了专利，提出绕带缠绕成型绿色轮胎的方法；国外的轮胎胎面缠绕技术经历了几十年的发展，其制造水平与生产的成品质量相对我国较高。就目前的世界轮胎行业发展情况来看，主要以美国NRM公司与意大利的MARANGONI公司为代表，它们的产品质量在国内外都有着极高的评价，其轮胎胎面缠绕生产线已经系列化。1.3本文主要研究内容本课题最主要内容是设计适用于圆环对象打包所用的圆形打包机，完成圆圆环打包机结构设计，并最终通过相关分析、计算和仿真其合理性，并为设计圆环打包机提出改进方案。主要研究内容为：研究圆环对象的打包缠绕方法，明确圆环对象打包缠绕的排布规律；推导圆环对象数学模型，确定其圆环打包的相关参数，为打包机控制系统提供控制参数；运用SOLIDWORKS软件进行三维建模；针对目前国内市场上圆环打包机较少的情况，通过借鉴轮胎缠绕机的设计方法和思路，为设计圆环打包机提供一定的理论依据和分析，从而确定圆环打包机的总体设计方案；对圆环打包机机的组成系统进行详细设计，针对关键零部件进行详细计算，并对零件进行校核，检验其合理性。2圆环打包机的总体设计2.1圆环打包机主要组成和预期效果本论文所设计了一种适用于圆环对象打包的圆环打包机，主要结构如下：含有一个包装底座，底座上装有两个电机，由两个电机驱动两根不同的主动轴，一根主动轴使圆环对象转动，另一根主动轴通过带传动使7个圆轮旋转从使一个带有薄膜胶条的打包圆环穿过圆环对象，通过一定速度比使薄膜稳定的缠绕于圆环对象上，从而达到圆环打包的目的。2.2各结构设计思路2.2.1包装底座包装底座顶部开有两个平行的槽，使两个轴承座于这两个槽内相对固定，从而固定一根主动轴，下槽旁开有一个矩形口，此矩形口是为了方便主动轴的带轮与电机的带轮配合，矩形口四周的四个螺纹孔，用于与皮带轮保护轮罩的定位与固定，矩形口的左侧上下共开六个螺纹孔与盖板上的六个螺纹孔相配合，便于拆装，矩形口右侧开的阶梯口是便于带有薄膜的打包圆环旋转缠绕打包，阶梯口的右侧的竖直板上开有七个圆孔是用于七根轴带动七个圆轮，七个圆轮正好可以夹持所设计的打包圆环，七个圆轮旁边的螺栓孔适用于固定所设计的轴承端盖，七个圆孔中间的矩形开口是用于圆环对象的放置与固定，矩形开口的左右八个螺纹孔是用于固定两个滚轴支架，两个滚轴支架中间也开有槽用于从动轴的滑动和固定，竖直挡板的右侧的底板用于放置第二个电机。图2-1包装底座2.2.2打包圆环打包圆环上方开有一个60°的竖直口，其口有两个原因，原因一：本论文所设计的圆环打包机适用的圆环对象可以从此竖直口放入；原因二：开边缘与圆心构成的度数为60°与夹持打包圆环的圆轮相配合，圆轮等角度分布，除去最上方的圆盘正好为7个，当所开的竖直口正对一个圆轮时，另外六个圆轮能将其夹持，使之不会脱离所规定的轨道；打包圆环上开有一轨道，与其配合的圆轮于此轨道中，七根主动轮带动七个圆轮旋转，圆轮通过摩擦力从而使打包圆环旋转；打包圆环一面的正东侧有一圆柱，其作用是放置缠绕打包用的薄膜胶条。图2-2打包圆环2.2.3圆轮圆轮开孔与轴配合，使主动轴带动其旋转，圆轮通过摩擦带动所夹持的打包圆环旋转，打包圆环轨道的高度要离其主动轴有一定距离，圆轮要有一定圆角，防止损伤打包圆环的轨道壁，造成不必要的磨损。图2-3圆轮2.2.4滚轴支架滚轴支架左端开有四个螺纹口，其与包装底座的的螺纹口相对应，螺纹口开口要考虑并计算其能否满足其自身的重力，拉伸应力，扭转应力，并且需要考虑安装螺栓时是否方便有效；滚轴支架右端开有直槽其作用是便于从动轴根据圆环打包机所针对圆环打包对象的大小尺寸来滑动，当确定适宜的位置时，此时需要固定，若未固定，则会因为圆环打包对象作用在从动轮上的力而滑动，从而导致圆环对象的脱离，甚至导致所设计的圆环打包机破坏并停止工作。图2-4滚轴支架2.2.5轴承端盖轴承端盖对轴承起轴向定位和防灰尘的作用，首先轴承对于运转环境是有要求的，轴承尤其害怕尘土或者石沙进入轴承内部，这将影响轴承的正常使用，此时加入轴承端盖能有效的阻隔尘土或者石沙，起到防灰尘的作用；因为本论文设计的轴较为特殊，所设计的轴承端盖内有距离轴承外径3mm的圆环，圆环顶于轴承外圈，轴承端盖上有四个螺纹孔，螺纹孔与箱体上的螺纹孔相对应，通过螺栓连接，达到轴向定位的作用。图2-5轴承端盖2.2.6皮带轮保护轮罩轮皮带在使用过程中若直接暴露在外面，会有异物进入皮带轮，从而影响皮带轮的工作，严重时甚至会损坏皮带轮和皮带。本机构所设计的皮带轮保护轮罩的目的是为了保护皮带轮和皮带，皮带轮保护轮罩的底部上开有四个螺纹孔，螺纹孔与箱体上的螺纹孔相对应，通过螺栓连接，固定于箱体上。图2-6皮带轮保护轮罩2.2.7盖板本论文所设计的盖板，其目的是防止异物进入箱体内安装的电机中，影响电机和皮带轮的工作，从而起到保护电机和带轮的作用；其次盖板上下共开有六个螺纹孔，螺纹孔与箱体上的螺纹孔相对应，通过螺栓连接，这样也方便拆装，便于箱体内部的电机的安装。图2-7盖板2.3圆环打包机的总体方案此课题所研究的为圆环打包机，通过包装底座，打包圆环，圆轮，部件一以及其他零件相互组装，对圆环对象进行打包的过程。工作原理：两个电机通过V带传动，带动两根主动轴，一根主动轴上套有圆筒，圆筒选用橡胶材质，通过摩擦带动圆环对象以较慢的速度旋转，圆环对象靠于被两滚轴支架夹持的从动轴上，从动轴上也装有橡胶材质套筒；另一根主动轴通过带传动，带动剩下的六根轴旋转，七根轴同方向旋转，带动七个圆轮旋转，圆轮与轴固定好，圆轮以等个角度分布，与打包圆环的轨道相配合，通过摩擦带动打包圆轮快速旋转，打包圆轮一次的圆柱放置缠绕打包用的薄膜胶条，通过计算设计达到打包速度快、打包质量好的目的。图2-8圆环打包机正视图图2-9圆环打包机背部图3设计计算3.1圆环打包机的原始参数汽车轮胎一般呈圆环状，直径为50cm，内圈直径20cm，打包圆环应尽量靠近轮胎或其他圆环对象的圆心，同时所设计的圆环打包机上的打包圆环内外圈不应触碰到轮胎或其他圆环对象的内径。根据生产需要，初步设定打包圆环1s转动2圈，轮胎或其他圆环对象15s左右转动一圈。经过估算圆轮480r/min，套筒60r/min。3.2电动机的选择3.3.1圆筒的电机选择根据查数据得轮胎重G=500N，橡胶与橡胶得摩擦系数为μ=0.50，假定轮胎得重力与轮胎对主动轴上得压力得夹角为45°，则摩擦力为f=T=9.55×得出P=0.039KW所以选择伟普调速电机P=60W，型号M560-502，经调速输出n1故所选电机的转速符合要求。3.3.2打包圆环的电机选择根据考虑电机所传动轴的需再进行传输，且存在传动效率，能量损失等，所以选择三相异步电机P2=0.75kW，型号YS7144，转速n1=1400r/min，扭矩3.3带传动的设计3.3.1带传动的类型本装置中采用到的带传动都选用V带传动。3.3.2V带的设计计算1）确定驱动圆环对象旋转的V带设计（1）确定V带的设计功率Pca设计功率：Pca=KAP式中KA−工作情况系数，如表3-18所示；P−传递的功率，单位为kW。根据载荷变化平稳和每天工作小时数≤10h，表8-8查得工作情况系数这里取KA=1.1P（2）选择V带型根据所计算的Pca=0.066kW和n1=68r/min，在8-11，选择带型为A型。根据表8-9，选取小带轮基准直径dd1=75mm。按式（8-13）验算带的速度v(3)计算大带轮的基准直径带传动的传动比不宜过大，取i=1，根据式i=d根据表8-9，取标准值d（4）确定V带的中心距a和基准长度L根据式（8-20）0.7dd1+dd2由式（8-22）计算带所需的基准长度L根据Ld0由表8-2由式（8-22）计算中心距a按式（8-24），amin=a−0.015ld和a（5）验算小带轮包角a（6）计算V带的根数z①单根v带的额定功率p由dd1=75mm和nn1=68根据计算所得的小带轮包角a1=180°查表8-6得Kp②计算V带的根数zz取1根。（7）计算单根V带的初拉力F由表8-3得A型带质量qF（8）计算压轴力FF选用1根A型普通V带，带基准长度为630mm，大小带轮的基准直径分别为dd1=75mm，dd2=7502）确定驱动圆轮旋转的V带设计（1）确定V带的设计功率Pca设计功率：Pca=K式中KA−工作情况系数，如表3-18所示；P−传递的功率，单位为kW。根据载荷变化平稳和每天工作小时数≤10h，表8-8查得工作情况系数这里取KP（2）选择带型根据Pca=0.825kW和n1=1400/min，在图8-11选择带型为Z型。根据表8-9，取小带轮基准直径按式（8-13）验算带的速度v（3）计算大带轮的基准直径根据需要确定传动比为i=3，根据i=d根据表8-9，取标准值d（4）确定V带的中心距a和基准长度Ld根据式（8-20）0.7dd1+d由式（8-22）计算带所需的基准长度L根据Ld0由表8-2由式（8-22）计算中心距a按式（8-24），amin=a−0.015ld和amax=a（5）验算小带轮包角a（6）计算带的根数z①单根v带的额定功率p由dd1=50mm和n1n1=1400r/min,根据小带轮包角a1≈161°查表8-6得包角修正系数Kp②计算V带的根数zz取4根。（7）计算单根V带的初拉力F由表8-3得Z型带质量q=0.060kg/mF（8）计算压轴力FF选用Z型普通V带4根，带基准长度920mm，带轮基准直径dd1=50mm，dd2=150mm3.4轴的尺寸确定和校核3.4.1材料的选择以及热处理方法由于此设计的主轴与皮带轮连接，由于此为圆环打包装置，故采用45号钢，调质，毛坯直径≤100mm，硬度HBS=170~217，表面处理：考虑到要防止氧化锈蚀或酸蚀，选择发蓝处理。3.4.2主轴的功率，转速和转矩计算若取带轮传动的效率（包括轴承效率在内）η=0.96，则主轴功率转速转矩3.4.3初步计算传动轴的轴径由于轴的支承距离未定，所以按纯扭矩并降低许用扭转切应力确定轴径设为d，即其计算公式为：d≥A式中P—传动轴所传递的功率，Kw；n—连接轴的转速，r/min；d—轴的直径，m；A—随材料的许用扭转剪应力而变的系数，其数值见表15-3；此设计取A=126。d≥1263本设计在最小轴段直径处开1个键槽，轴径应增大5%−7%；本论文设计选择7%，并将计算出来的轴径圆整。dmin查表GB2822-81取dmin3.4.4轴的结构设计1）拟定轴上零件的装配方案图3-1轴示意图2）确定轴的直径和各段长度根据前面计算，第I−II轴段将要安装带轮，带轮轮毂长27.5mm，根据d1=16mm查标准和设计手册，选普通平键，A型圆头键，b×h=5×5mm,键长L=16mm，lΙ−Π第Ⅱ−Ⅲ轴段将要安装带轮，已知带轮轮毂长51.5mm，查表选取标准轴径，lII−III=51.5mm，d2=32mm，根据d2=32mm查标准和设计手册，选普通平键，第III−IV轴段，为了下一轴承，此轴端将安装轴承端盖用于定位轴承，因此设计lIII−IV=20mm，第Ⅳ−Ⅴ轴段，考虑到轴承承受轴向力，选滚动球轴承，根据d4=40mm，选择深沟球轴承6008，其尺寸为d×D×B=40×68×15mm，查设计手册，轴承的安装尺寸d2≈46mm，D2≈62mm，故设第Ⅳ−Ⅴ轴段l第Ⅴ−Ⅵ轴段根据箱体厚度，设计lⅤ−Ⅵ=90mm，第Ⅵ−Ⅶ轴段，同样装有轴承，也选择深沟球轴承6008，其尺寸为d×D×B=40×68×15mm，查设计手册，轴承的安装尺寸d2≈46mm，D2≈62mm，故设第Ⅳ−Ⅴ第Ⅶ−Ⅷ轴段，为了上一轴承，此轴端将安装轴承端盖用于定位轴承，因此设计lⅦ−Ⅷ=20mm，第Ⅷ−Ⅸ轴段，设置阶梯轴段，设计lⅧ−Ⅸ=20mm，d8第Ⅸ−Ⅹ轴段将要安装圆轮，预计设计圆轮厚度为20mm，根据最小轴径16mm查标准和设计手册，选普通平键，A型圆头键，b×h=5×5mm,键长L=10mm，至此，已初步确定了轴的各段直径和长度，列此下表。表3-1各轴段的长度和直径轴段123456789长度l37mm51.5mm20mm13mm90mm13mm20mm20mm30mm直径d16mm32mm36mm40mm46mm40mm36mm30mm16mm3）轴上零件的固定a、轴上零件的轴向固定由于所设计圆环打包机的轴需要承受轴向力，且希望所设计的轴承定位可靠，因此采用轴肩和轴承端盖的方法来固定轴的轴向。b、轴上零件的周向固定本论文设计的轴与带轮与圆轮的周向定位均采用普通A型圆头平键链接。根据d1=16mm，d2=32mm，d9=116mm由查表6-1分别选键的尺寸b×h=5×5mm，L=16mm3.4.4按弯扭合成强度条件计算校核传动轴1）计算轴的支反力第一个带轮中心到第二个带轮中心距离:l第二个带轮中心到第一个轴承压力中心距离:l第一个轴承压力中心到第二个轴承压力中心距离:l第二个轴承压力中心到圆轮带轮中心距离:l(1)相关受力分析：转矩大带轮上在处置方向上受压轴力为：F查资料得小带轮上的压力为：F压V带与带轮的摩擦系数为μ=0.51圆轮承受的压力为打包圆环的重力：F压塑料与橡胶的摩擦系数为μ=0.5经设计：r带轮=25mm作用在小带轮上：转矩：T带轮=2×0.51×400×25=10200N▪mm，顺时针垂直方向的力：F作用在圆轮上：转矩：T垂直方向的力：在垂直方向上假定FRC所以根据轴上受力平衡，可列出以下方程：FplFpl2FRC=−559.01N作出剪力图，如图3―2所示。2）计算轴的弯矩，并做弯矩图AB：MBC：MMCD：MM作出弯矩图，如图3―2所示。3）作出扭矩图作用在带轮上：转矩：T=2×0.51×400×25=10200N▪m作用在圆轮上：转矩：T=0.5×100×50=2500N▪mm由上可得传动轴的扭矩图，如图3―2所示。图3-2轴受力及弯矩图4）校核轴的强度已知轴的弯矩和扭矩，对危险截面作弯扭合成强度校核计算。σca=σ2+4为了考虑弯曲应力与扭矩切应力循环特性不同的影响，引入折合系数ασca=σ2+4(ατ)2式中的弯曲应力为对称循环应力，扭转切应力为静应力，所以取α≈0.3。对于直径为d的圆轴，弯曲应力σ=M/W，扭转切应力τ=T/WT=T/2W，将σ和τσ其中，由于本轴上开有键槽，在近似计算时键槽可忽略，所以采用平均直径的圆截面进行计算截面系数W：W=0.1×静应力时，轴的许用弯曲应力[σ−1]σ=经计算所设计的轴符合要求。3.4.8轴的刚度校核计算1）轴的当量直径计算由于设计的轴为阶梯轴，阶梯轴的当量直径按下式计算：d式中：lidiL——阶梯轴的计算长度；z——阶梯轴计算长度内的轴段数。d2）轴的扭转刚度校核计算轴的扭转变形用每米长的扭转角ϕ来表示。阶梯轴扭转角ϕ[单位为(∘ϕ=5.73×1因为此前已经计算过当量直径dvϕ=式中T—轴所受的扭矩；G—轴的材料的剪切弹性模量，单位为MPa，钢材G=8.1×Ip—轴截面的极惯性矩，对于圆轴，IpTi,lz—阶梯轴受扭矩作用的轴段数。根据计算得：ϕ=5.73×1轴的扭转刚度条件为ϕ≤对于要求精密，稳定的传动，可取ϕ=0.25~0.5(∘)/m；此次设计取

4总结与展望本论文首先分析了制造业和轮胎及其他圆环对象的现状，通过分析得出一款良好、实用、操作简单的圆环打包机能简化打包过程，改革繁琐的打包过程，从而达到以机械取代人打包减少人工成本，缓减人们不必要的劳动，节约劳动成本，提高打包效率；其次分析了圆环打包机的国内外研究现状，在对比中明白目前我国圆环打包机设计较国外设计落后的情况。接着对圆环打包机结构进行了整体设计，该打包机由两个电机驱动两根不同的主动轴，一主动轴通过套筒的摩擦使圆环对象转动，另一主动轴通过带传动使7个圆轮旋转从使一个带有薄膜胶条的打包圆环穿过圆环对象，通过一定速度比使薄膜稳定的缠绕于圆环对象上，从而实现圆环打包功能；并用图文介绍了圆环打包机的关键零件及工作原理。然后进行了圆环打包机关键零部件的设计计算：1、给出圆环打包机的部分参数技术指标；2、选用型号为M560-502的伟普调速电