【《某水面垃圾清理装置的主传动部件的设计计算过程案例》6800字】

某水面垃圾清理装置的主传动部件的设计计算过程案例目录TOC\o"1-3"\h\u10901某水面垃圾清理装置的主传动部件的设计计算过程案例 1301991.1垃圾破碎装置部件设计 145411.1.1破碎原理方案介绍 1224891.1.2辊式破碎机参数计算 2162981.1.3齿轮参数估算 316611.1.4齿轮几何尺寸计算 4289631.1.5齿根弯曲疲劳强度 615391.2链传动的设计 8210801.3传动V带设计计算 9287131.4打捞装置轴的设计 11253971.4.1轴的最小直径设计 11260551.4.2轴承的选项与校核 12182751.5垃圾箱推拉气缸参数设计 14126161.5.1气缸的直径计算 14100831.5.2缸筒壁厚的设计 15189141.5.3耗气量的计算 151.1垃圾破碎装置部件设计1.1.1破碎原理方案介绍水面垃圾主要包括塑料、树枝、木头以及一些泡沫等物体，这里采用双辊破碎机[17]，其主要工作部件为两个平行安装的辊轴，棍轴上安装一定数量的齿环，其中辊轴由一对直齿圆柱齿轮提供扭矩，依靠电动机的功率，通过齿辊的旋转实现对水面垃圾的破碎。其原理如图3-1所示。在工作过程中，第一阶段当遇到大块的木头等垃圾时，辊齿结构[17]首先对它进行冲击剪切，将大尺寸的原木垃圾进行剪碎；其次较小的塑料、木块以及树枝等碎块能被辊齿咬入则进入第2阶段，依靠辊齿的螺旋挤压，当两齿包容的截面由大逐渐变到最小，粒度大的塑料、树枝、木头由于包容体积逐渐变小而被强行挤压剪碎，破碎后的垃圾从齿侧间隙进入到垃圾收集箱中。在传动过程中，驱动电机将动力输出后，需要经过减速机构的减速，将扭矩传递到直齿圆柱齿轮。齿轮装置作为设备的传动部件，其使用工况较为恶劣，一方面传动装置在传动过程中需要具有良好的润滑性；另一方面减速装置的受力较为复杂，不仅受到来自电动机输入的扭矩，还有内部齿轮之间的啮合，因此其结构强度需要耐久可靠，其铸造过程中不允许存在砂眼、缩孔、夹砂以及其他的铸造缺陷。所以在设计其传动尺寸时，需要综合结构特点、尺寸大小、装配精度以及经济效益进行合理拟定，下面对关键的齿轮进行参数设计与选型。图3-1破碎原理1.1.2辊式破碎机参数计算一般来说不同的转速其结构尺寸和功率消耗也不相同，根据被破碎垃圾的硬度和尺寸大小可知，当破碎软的或脆的物料时，转速应高些，而破碎硬物料时应低些。根据经验：N=120式中： N为辊子转速（r/min）； f为被破碎物料与辊皮之间的摩擦系数；为被破碎物料的容积重（Kg/mD为辊子直径；d为给料粒度；按照设计要求可知，摩擦系数取f=0.325，=1.35×n=62.06～217.22（r/min）本设计的辊子带沟槽，因此这里取n=64r/min。垃圾破碎装置的两辊子的间距[17]e、辊子圆周速度v、最大垃圾的宽度等于辊子长度L、最大垃圾的厚度等于辊子的间距e，考虑到垃圾破碎是间断的，同时卸出物料是松散的，则：Q=188LeDn式中：Q为生产率（t/h）；n为辊子转速（r/min）；为破碎产品的松散容重； L为辊子长度m；D为辊子直径m；为排料松散度系数，对于中硬度物料，=0.2～0.3；e为排料口宽度（m）。当破碎硬质物料时，在破碎力的作用下，后辊弹簧受压缩，使转辊之间距增大，通常间距约为增大1/4，故：Q=2351.1.3齿轮参数估算辊式垃圾破碎机[17]为一般重载工作机器，速度不高，故选用8级精度。齿轮作为最为普遍的传动部件，其受力较为复杂、且运行工况也较为恶劣，不仅要承受持续的交变应力，而且垃圾打捞工况的润滑条件不良时，齿轮啮合之间的摩擦磨损也愈加严重，即齿面的接触强度会明显下降，导致齿轮出现表面损伤。所以按齿面接触强度设计计算如下：d1t≥2.32公式3-3中试载荷系数Kt=1.3；齿宽系数d=1；ZE=189.8MPa1.计算应力循环次数NN查得：接触疲劳寿命系数KHN1=0.95接触疲劳许用应力H式中：S为安全系数取S=1，取失效概率为1%。所以由公式3-4计算得：最终得到小齿轮分度圆直径：d2.计算圆周速度VV1=πd1.计算齿宽bb=4.计算齿宽与齿高之比b/h模数m=d齿高h=2.25m=2.25×6.557=14.75mm(3-8)b/h=8.455.计算载荷系数根据V1=1.15m/s，8级精度，查得动载荷系数Kv=1.1；因为是直齿轮，假设KAFt/b<100N/mm，查得KHKF=1.2，使用系数K=KA6.按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径得d17.计算模数m=d1.1.4齿轮几何尺寸计算1）计算分度圆直径[18]d1=d12）计算中心距a13）计算齿轮宽度b=取B1=150mm4）齿数比u=Z5）齿顶高ha16）齿根高hf17）全齿高h18）齿顶圆直径da1da2=9）齿根圆直径df1df210）基圆直径db1db211）齿距p=πm=15.7mm(3-25)12）齿厚(s)=齿槽宽(e)s=e=πm13）验算FtKA满足要求，可以使用。注：第二根辊齿转速与第一根辊齿转速一致，因此选用与第一根齿轮相同的齿轮，只起传动作用。1.1.5齿根弯曲疲劳强度一般来说齿轮失效以齿轮损伤较为常见，影响齿轮损伤的因素众多，比如材质、设计、毛坯、机械加工、热处理、装配运行等等。此外齿轮副之间容易受到非正常的冲击，齿面接触应力容易失效，久而久之轻则齿轮表面出现了点蚀损伤[19]，重则齿轮根部折断。针对变速齿轮的强度失效，根据文献一方面是其在设计过程中本身存在一定的应力集中，以及在加工过程中表面存在细微的损伤；另一方面还与材料的热处理工艺有很大的关系，其中材料合金成分是较为重要的一个因素，因为不同的合金元素比例不同，其受力时的抗冲击韧性以及表面的耐磨性都不一样，其次是材料的热处理工艺，如齿轮的调质处理、激光淬火以及回火等。在对齿轮材料的选择原则中，一般为齿轮类型、材料以及精度。齿轮材料为20CrMnTi[19]，这主要是因为国内该材料的来源比较广泛，且使用了几十年，因此对其的力学性能如冲击韧性、疲劳极限以及塑形变形等有着大量的试验数据。其中在材料成分上Ti元素能够可以起到细化晶粒的作用，能够有效的改善齿轮的应力集中，但是其容易与N元素发生反应产生TiN，这种大颗粒会夹杂在材料中，对齿轮在交变循环中的疲劳寿命造成一定的影响，因此需要在后续的热处理中降低其影响程度。热处理采用渗碳、淬火以及低温回火，其表面硬度需要达到56～62HRC，且心部硬度在240～300HBS范围内。表3-1不同材料及热处理方法的齿轮性能及效益对比钢材C4542CrMo20CrMo42CrMo35CrMoV35CrMo20CrMo热处理正火调质渗碳淬火调质渗氮感应淬火渗碳淬火加工方法滚滚磨/滚剃磨磨中心（mm）830650585490470390质量（kg）850548603465262023901581安全系数1.31.31.31.31.41.6价格比（%）6.15.71.9786663从上表中可以看出采用20Cr-Mo其表面采用渗碳淬火，在后续进行磨削，其使用中的安全系数能够达到1.6，因此需要对齿轮的表面进行强化处理。齿根弯曲疲劳强度条件为F≤FP。（1）应力F式中：mn为法向模数；YFS为复合齿型系数；1）KF、 KF=KH=1.2；2）YFS 查得YFS1=4.39，YFS2=1.95，取较大值3）Y Y=Y所以由公式3-29可得F=87.4N/mm（2）许用弯曲应力 σFP=式中：σFE为齿轮弯曲疲劳强度，N/mm； YNT YδreelT YRrelT YX SFmin1）的确定查得==500N/mm2）的确定查得=0.95，=0.98，取较小值=0.953）、的确定查得=1；=14）的确定查得=15）的确定选取=1.25所以由公式3-30计算得：===380 N/mm(3-31)因为=87.4N/mm<，所以满足要求。1.2链传动的设计链传动轮的转速与转矩T2=9550Pn2=根据链传动比为1，查阅机械设计手册[20,21]知旋转主动轮齿数Z1=20，从动轮齿数Z2=20；根据垃圾斜面传输的长度，这里选择中心距L=1245mm。下面计算链轮的节距：链节数：L单排链额定功率：P0查阅链轮设计手册[20]，这里取=1，选用单排链，取Kl=1。根据查阅机械设计手册[20,21]取链号为24A，链节距P=38，当链的部件参数确定后，下面计算链轮传动过程中的中心距：中心距：a=a0由公式3-36计算得到中心距可调的距离为1245mm。下面核算链轮的转速：V=Z1当速度传动过程中维持在v=0.623m/s时，齿数Z1=20计算链传动的工作拉力FF=1000P作用在轴上的拉力FQ最终得到链条为，节距为38mm，A系列，单排为150节的滚子链，其中心距。1.3传动V带设计计算分支V带的转速与转矩计算：n3T3根据电动机的额定功率查阅机械设计手册[20,21]，这里选择V带的类型为A型号。下面对传动V带的小带轮的基准直径进行选择，查阅机械相关手册，这里选择dd1=75mm，大带轮dd2其中弹性滑动率=0.02，所以dd2带轮在动力传递过程中的实际传动比i=从动轮的实际转速n转速误差因此带速V由公式3-42计算得到：v=π由公式3-43计算初定两个轮之间的轴间距：0.7≤dd1计算得到196≤a0≤560，根据实际工况这里取由公式3-44计算所需V带基准长度：Ld0根据市面上的普通的V带型号，带轮分度圆直径选取L实际轴间距a计算：a=a0为了避免V带在传递过程中出现打滑，下面计算小带轮包角：1根据上面数据查阅机械设计手册[20,21]得到电动机传递过程中单根V带的基本额定功率=0.68KW；设计额定功率的增量。下面由公式3-47计算V带的根数Z：Z=P根据收集装置的动力和回收效率，这里Z=2根能够满足大部分垃圾的打捞需求。如图3-2所示。、图3-2链传动示意图当V带主要参数计算完成后，为了使避免动力传递过程中V带打滑引起传递功率出现波动，下面需要对V带进行预紧力的核算，一方面避免V带因为预紧力过大，导致张力处于满负载；另一方面避免预紧力太小引起打滑。下面对一根V带的预紧力F0进行计算：F0计算压轴力FQFQ=通过上述计算可知传递到前端打捞装置上的功率能够满足设计需求。1.4打捞装置轴的设计当V带型号确定后，本设计前端的打捞装置的动力由V带提供扭矩，打捞传送轴作为最重要的执行部件,通过锥齿轮副将动力转换90°来驱动打捞主轴旋转[21]，其中左侧换向后为顺时针工作，右边换向后为逆时针工作，从而驱动左右两边的四个叶片进行垃圾的打捞，所以其工作的可靠性和稳定性对其打捞效率有重要的影响。下面对打捞垃圾的回转主轴进行设计。1.4.1轴的最小直径设计垃圾打捞轴运动中两端固定在轴承座上，其结构特征主要由轴颈、轴肩、过渡段、退刀槽等组成，其设计的合理性对轴运行精度有着重要的影响，一方面需要满足结构功能性要求；另一方面还需要满足经济性，即尽可能的减小轴的尺寸，从而降低经济费用。其结构装置如图3-3所示。图3-3下打捞垃圾的回转主轴外形下面首先选择轴的材料。根据打捞轴在载荷上的工况进行分析，其主要依靠自身的旋转来进行打捞，因此不仅受到自身的转矩的作用，而且还承受来自水流的阻力造成的弯矩，其合力表现为弯扭复合，因此在设计过程中需要以材料力学的第三强度理论[22]进行设计。在材料的选择上，为了避免润滑不良造成的摩擦磨损，轴在加工过程中需要采用热处理来提高力学性能，根据当前的处理方式，常常采用渗碳或高频处理，一方面提高其冲击韧性；另一方面提高其表面耐磨性。这里选择45钢，接着求输出轴的功率P2、n及扭矩T,若取机械效率V=0.97则:P=1.5KW；n=28.6r/minP2=pT=T2下面初步估算打捞装置的最小轴径，取c=110，于是得：dmin=110×考虑到安全系数，这里选择的最小轴经为50mm，其他尺寸根据结构空间和经验系数进行合理选择。1.4.2轴承的选项与校核当打捞装置的轴的主要结构设计完成后，为了保证其传送过程中的可靠性和精度，需要对其他标准件进行选型和设计。一般来说打捞装置在工作过程中，传送轴绕其轴线旋转过程中，不同的转速驱动传送轴会使得轴承产生磨损，尤其是润滑情况不良的场合，因为摩擦磨损引起的温度上升容易使得轴承失效，从而导致打捞装置运动过程中卡涩或者停顿。因此需要根据实际工况对轴承进行设计与校核，查阅机械设计手册[22]，对轴承进行设计与校核：1）查表确定参数Cr、C0r根据V带传动的输入额定功率以及负载，选择深沟球轴承的型号为61803，查轴承手册知：基本额定动载荷Cr＝22.4kN，基本额定静载荷C0r＝17.6kN。2）计算当量动载荷PFa/C0r＝0.012，这里为了获得相关系数，采用内插法，得到判断系数e＝0.24；计算得到Fa/Fr＝0.23>e；查轴承设计手册，结合经验得到X＝0.53，Y＝2.1，查表得到fp＝1。根据公式3-53计算：P=fp得到P＝2380N3）计算轴承寿命Lh当计算得到上述参数后，为了获得轴承的寿命，是否能够与打捞装置的其他相关部件进行匹配，避免后期频繁的维修和保养，这里查轴承设计手册[22]针对垃圾打捞一个月内的打捞工况，选择温度系数ft＝1，根据轴承寿命公式得到61803型号深沟球轴承的理论寿命次数为：Lh根据打捞的运行工况，该轴承满足设计要求。当轴承型号确定下来后，考虑到轴承的装配精度，因此需要对其精度进行选型。由于打捞传送轴作为最重要的执行部件，在不间断的摩擦磨损下，温度会维持在一定的高度，因此需要在安装中对精度进行匹配，根据打捞装置在工作过程中的保养和润滑，考虑V带的轴承选取61803型号轴承[22]，采用6级制造精度，这样能够避免一定程度的摩擦磨损失效；在与水面接触的打捞轴轴承选择61905型号轴承[22]，采用的精度为7级。当轴承的型号选择完毕后，根据实际经验，为了降低打捞轴在打捞过程中受到外来杂物的影响，可对其轴向定位误差进行适当的调整，即对轴承、轴径之间的间隙进行过度配合。同时为了保持结构的紧凑，可在装配过程中对轴承的端面施加一定范围内的预紧力，依靠预计力保证轴承内圈、外圈以及保持架之间始终承受压应力，从而避免了传动轴的轴向蹿动。如表3-2所示：表3-2打捞轴两端轴承型号参数表位置精度轴承代号额定动载（KN）额定静载极限转速（r/min）V带一侧6级6180342.846.29500打捞轴侧7级6190644.148.495001.5垃圾箱推拉气缸参数设计1.5.1气缸的直径计算在对垃圾箱的推拉机构进行设计过程中，考虑采用气缸驱动，气缸的工作压力需要根据垃圾箱的尺寸和重量进行选择，其气缸工作压力一般在0.4MPa左右，理论的推力为600N时能够将垃圾箱推动到左船舱，下面进行气缸内径和活塞杆直径的确定[22]。表3-3气缸