毕业设计（论文）-小型物料搅拌机的设计

塔里木大学毕业设计PAGE5PAGE113届毕业设计小型物料搅拌机的设计设计说明书学生姓名学号所属学院专业班级指导教师日期塔里木大学教务处制前言搅拌可以使两种或多种不同的物质在彼此之中互相分散，从而达到均匀混合；也可以加速传热和传质过程。在工业生产中，搅拌操作时从化学工业开始的，围绕食品、纤维、造纸、石油、水处理等，作为工艺过程的一部分而被广泛应用[1-2]。物料搅拌机是一种带叶片的轴在圆筒或槽中旋转用以把物料和水混合并拌制成混合料的机械。主要由拌筒、加料和卸料机构、原动机、传动机构、机架[3]等组成。它在家庭中占有重要的地位。本课题采用双叶片旋转搅拌机对物料进行搅拌。本文体现的是小型物料搅拌机传动机构的分析设计，以及强度校核过程。最终用SolidWorks实现三维建模。课题的实施是为物料的搅拌提供了理论依据。关键词：传动系统；电动机；轴承；SolidWorks目录TOC\h\z\t"一级标题,1,二级标题,2"1绪论 11.1搅拌机的历史和发展阶段 11.2搅拌机的特点 21.3我国水泥搅拌机的现状及种类 32搅拌机主要部件设计 62.1电动机的选型 62.2传动比的分配 73连接部分以及其他零件设计 83.1主要部分连接固定设计 83.2卸料装置 103.3搅拌轴的设计及其结果验证 114三维建模 144.1三维造型软件SolidWorks简介 144.2物料搅拌机的三维建模 15总结 17致谢 18参考文献 191绪论1.1搅拌机的历史和发展阶段我国混凝土搅拌设备的生产从20世纪50年代开始。1952年，天津工程机械厂和上海建筑机械厂试制出我国第一代混凝土搅拌机，进料容量为400L和1000L。20世纪70年代未至80年代初，我国为适应建筑业商品混凝土大规模发展的需要，在引进国外样机的基础上，有关院所厂家陆续开发了新一代Jz型双锥自落式搅机[4]．D型单卧轴强制式搅拌机。其中，JS型双卧轴搅拌机在80年代初研制成功。80年代末，我国混凝土搅拌产品开发重点转向商品混凝土成套设备，研制出了10多种混凝土搅拌楼(站)。经过引进吸收、自主开发等几个阶段，到本世纪初，国内混凝土搅拌机技术得到长足发展，在产品规格和生产数量上，都达到了一定规模，出现了一批具有自主知识产权的新技术，逐步形成了一个具有一定规模和竞争能力的行业。2006年，我国生产装机容量0.5～6m3的搅拌站2100多台，已成为混凝土搅拌设备的生产大国[5-6]。19世纪40年代，在德、美、俄等国家出现了以蒸气机为动力源的自落式搅拌机，其搅拌腔由多面体状的木制筒构成，一直到19世纪80年代，才开始用铁或钢件代替木板，但形状仍然为多面体。1888年法国申请登记了第一个用于修筑战前公路的混凝土搅拌机专利。20世纪初，圆柱形的拌筒自落式搅拌机才开始普及。形状的改进避免了混凝土在拌筒内壁上的凝固沉积，提高了搅拌质量和效率。1903年德国在斯太尔伯格建造了世界上第一座水泥混凝土的预拌工厂。1908年，在美国出现了第一台内燃机驱动的搅拌机，随后电动机则成为主要动力源。从1913年，美国开始大量生产预拌混凝土，到1950年，亚洲大陆的日本开始用搅拌机生产预拌混凝土。在这期间，仍然以各种有叶片或无叶片的自落式搅拌机的发明与应用为主。自落式搅拌机依靠被拌筒提升到一定高度的物料的自落完成搅拌。工作时，随着拌筒的转动，物料被搅拌筒内壁固定的叶片提升到一定高度后，依靠自重下落。由于各物料颗粒下落的高度、时间、速度、落点和滚动距离不同，从而物料各颗粒相互穿插、渗透、扩散，最后达到均匀混合。自落式搅拌机结构简单，可靠性高，维护简单，功率消耗小，拌筒和叶片磨损轻，但搅拌强度不高，生产效率低，搅拌质量不易保证。此种搅拌机适于拌制普通塑性混凝土，广泛应用于中小型建筑工地。按拌筒形状和卸料方式的不同，有鼓筒式搅拌机、双锥反转出料搅拌机、双锥倾翻出料搅拌机和对开式搅拌机等，其中鼓筒式搅拌机技术性能落后，已于1987年被我国建设部列为淘汰产品。随着多种商品混凝土的广泛使用以及建筑规模的大型化、复杂化和高层化对混凝土质量、产量不断提出的更高要求，有力地促进了混凝土搅拌设备在使用性能和技术水平方面的提高与发展。各国研究人员开始从混凝土搅拌机的结构形式、传动方式、搅拌腔衬板材料以及搅拌生产工艺等方面进行改进和探索。20世纪40年代后期，德国ELBA公司最先发明了强制式搅拌机，和自落式搅拌机的工作原理不同，强制式搅拌机利用旋转的叶片强迫物料按预定轨迹产生剪切、挤压、翻滚和抛出等强制搅拌作用，使物料在剧烈的相对运动中得到匀质搅拌。强制式搅拌机工作原理如图1.2，与自落式搅拌机相比，强制式搅拌机搅拌作用强烈，搅拌质量好，搅拌效率高，但拌筒和叶片磨损大，功耗增大。此种搅拌机适于拌制干硬性、轻骨料混凝土以及特种混凝土和专用混凝土，多用于施工现场的混凝土搅拌站和预拌混凝土搅拌楼。根据构造特征不同，主要有立轴涡浆式搅拌机、立轴行星式搅拌机、立轴对流式搅拌机、单卧轴搅拌机和双卧轴搅拌机[7]等。图1.1自落式搅拌机工作原理示意图图1.2强制式搅拌机工作原理示图随着技术的发展，强制式搅拌机在德国的BHS公司和ELBA公司、美国的JOHNSON公司和REXWORKS公司、意大利的SICOMA公司和SIMEN公司、日本的日工株式会社和光洋株式会社等企业发展迅速，目前已形成系列产品。比如德国的EMC系列、EMS系列搅拌站和UBM系列、EMT系列搅拌楼，意大利的MAO系列搅拌站、MSO系列大型搅拌基地等。1.2搅拌机的特点搅拌机的重要性在于它对产品生产过程的效率和质量的影响，操作的好坏直接影响产品质量，从而影响生产和经济效益。我国早年的搅拌技术不如国外，效率、质量上不去，在国际市场竞争中处于劣势。近年来，我国经过引进、自主开发，到现在已经是搅拌设备的生产大国。椐粗略估计，2006年，我国生产装机容量0.5～6

m3的搅拌站2100多台。因此进行搅拌技术研究的任务很重要。[8-9]1.3我国水泥搅拌机的现状及种类我国水泥搅拌主要以锥形反转出料搅拌机和各类搅拌车为主，反转出料型是筒体两端都敞着，一端正转进料，搅拌也正转，一端反转出料，这是目前国内主要的自落式机型，经常能在小型建筑工地上见到。根据搅拌机旋转轴的定位方式不同，可以将间歇式搅拌机分为水平式、倾斜式（鼓筒式搅拌机）、垂直式（盘式或锅式搅拌机）[10-11]。随着科技水平的进步，发达国家看到了水泥搅拌机落后的现在，正在极力推进搅拌机产业变革，正极力研究新型搅拌机，比如高效搅拌机、新型立式可升降泥浆搅拌机、移动式自装料混凝土搅拌机等[12]。1.3.1间歇式搅拌机鼓筒式鼓筒式搅拌机拌筒截面见图1-3，搅拌叶片固定在可旋转的鼓筒内壁，鼓筒旋转的过程中提升物料，拌筒每转一转，被叶片提升到一定高度的物料将自落回拌筒底部，如此循环。主要有3类：非倾翻式鼓筒、反转式鼓筒、倾翻式鼓筒。非倾翻式鼓筒是固定的，骨料从投料端投入，从卸料端卸出，见图1-3。反转式搅拌机与非倾翻式搅拌机相似，不同之处是，反转式搅拌机的投料口与卸料口是统一的。反转式搅拌机一般用于搅拌小于1m3的混凝土；倾翻式鼓筒搅拌机的鼓筒倾角是可以变化的。搅拌过程中鼓筒轴线一般与水平线成15°倾角，而在卸料时鼓筒轴线向水平线负方向倾斜。倾翻式搅拌机是实验室和施工现场搅拌小批量（小于0.5m3）混凝土最常用的机型[13-14]。图1-3鼓筒式搅拌机盘式盘式搅拌机工作原理基本一致：物料在拌筒内受旋转叶片作用进行搅拌，刮料叶片将拌筒内壁上的粘料刮去。图1-4给出了不同形式叶片和拌筒的组合情况，一种情况是叶片旋转轴线与拌筒的轴线是重合的（单浆搅拌机)；另一种情况是搅拌机的叶片旋转轴线与拌筒的轴线有偏距(行星式搅拌机和逆流式搅拌机)，这时叶片既绕自身轴线旋转，同时又绕拌筒中心线旋转；还有一种情况是2根轴同步反向旋转(双轴搅拌机)，在靠近拌筒内壁附近的叶片与轴线成一定角度，作用是将拌筒内壁上粘结的物料刮去，并推向拌筒中心，以便与搅拌叶片产生冲击[15]。图1-4盘式的不同叶片组合1.3.2连续式搅拌机连续式搅拌机工作过程中骨料被持续加入拌筒以恒定速率进行搅拌、卸料。通常具有螺旋带状的搅拌叶片，鼓筒向下倾斜，朝向卸料端，搅拌时间取决于拌筒倾角（通常取15°）。适用于工作时间短、卸料时间长、施工现场偏远并且运输量较小的情况，主要用于低坍落度混凝土(如路面摊铺)[16-17]连续式搅拌机见图1-5。图1-5连续式搅拌机1.3.3立式中心搅拌机将搅拌装置安装在历史设备筒体的中心线上，驱动方式一般为皮带传动和齿轮传动，用普通电机直接联接，见图1-6。一般认为功率3.7kW一下为小型，5.5~22kW为中型。本次设计中所采用的电机功率为5.5kW，故为中型电机[18]。图1-6立式中心搅拌机2搅拌机主要部件设计2.1电动机的选型按工作条件和工作要求选用一般用途的Y系列三相异步电动机，它为卧式封闭结构[19-20]。计算电机所需功率：查手册第3页表1-7：－带传动效率：0.96－皮带轮的传动效率：0.993—叶片传动效率：0.96(1)搅拌轴的输出功率初选电动机为P=5kW(2)电动机的输出功率Pd传动装置的总效率则，Pd=Pw/η=4.57/0.9kW=5.2kW(3)电动机额定功率的选择由《机械设计课程设计》P272表22-1选取电动机额定功率PW=5.5kW(4)确定电机转速：取V带传动比i=24,皮带轮传动比i=840所以电动机转速的可选范围是：符合这一范围的转速有：750、1000、1500、3000根据电动机所需功率和转速查《机械设计课程设计》第272页表22-1有4种适用的电动机型号如下表：表3-15.5kW搅拌机的不同型号方案电动机型号额定功率kW同步转速r/min额定转速r/min重量Kg总传动比1Y132S1-25.5300029006496.72Y132S-45.51500144068483Y132M2-65.5100096084324Y160M2-85.575072011924综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量、和带传动、的传动比，可见第2种方案比较合适，因此选用电动机型号为Y132S-4。2.2传动比的分配电动机转速1440r/min，最终主轴转速30r/min，所以总的传动比r/min由于V带传动比i=24，所以取以上就是整个搅拌机传动比的分配。2.3计算传动装配的运动和动力参数(1)各轴转速假设电动机轴为0轴，皮带轮1轴，中间轴为2轴，输出轴为3轴，搅拌轴4轴。各轴转速为no=1440r/minn1=no/i1=1440/3=480r/minn2=n1/i2=480/4.7=102.1/minn3=n2/i3=102.1/3.4=30.02r/minn4=n3=30.02r/min(2)各轴输入转矩按电动机额定功率计算各轴输入功率即:P0=Pd=5.5kWP1=P0η1=5.50.99=5.45kWP2=5.450.97=5.28kWkWP4=P3=5.17kW各轴转矩：N·mN·mN·mN·mT4=T3=1664.6N·m运动和动力参数结果如下表：表3-2运动和动力参数表项目电动机轴中间轴输出轴搅拌轴转速r/min1440102.130.0230.02功率kW5.55.285.175.17转矩N·m36.5493.81644.61644.6传动比i33.41效率0.990.990.993连接部分以及其他零件设计3.1主要部分连接固定设计水泥搅拌机是一个装配体[21]，其主要由搅拌机机架、搅拌叶片、主轴、减速器、电动机、皮带轮。每个部分多是按照一定的要求连接固定的，最终达到整个搅拌机实现搅拌动作。所以只有合理的设计各部分的连接和固定才能实现搅拌动作。机械链接有两大类：一类是机器工作时，被连接的零件可以有相对运动的链接，称为机械链接，如机械原理课程中讨论的各种运动副；另一类则是在机器工作时，被连接的零件间不允许产生相对运动的链接，称为机械静链接。那么个部分怎么连接的呢，下面来依次分析。图3-1执行机构执行机构与皮带轮连接方便，搅拌轴与皮带轮之间采用键销连接[22]。（a）（b）图3-1皮带轮（a：大带轮b：小带轮）考虑到机架是不需要拆卸的，而且还需要很强的强度和刚度所以机架采用的是焊接，其他部分采用螺纹链接[22]。3.2卸料装置搅拌机的卸料装置主要采用的是手摇方式，通过手柄摇动使阀门打开如下图状态，然后使电动机反转把混泥土转出搅拌锅，从而实现卸料的过程，手柄与阀门之间采用螺母链接固定。图3-2卸料手柄图3-3卸料孔3.3搅拌轴的设计及其结果验证3.3.1搅拌轴外形结构装配方案设计轴的结构主要取决于以下因素：轴在机器中的安装位置和形式；轴上安装的零件的类型、尺寸、数量以及和轴链接的方法；载荷的性质、大小、方向、及分布情况；轴的加工工艺等；由于影响轴的结构因素较多，且其结构形式又要随其具体情况的不同而异，所以轴没有标准的结构形式。设计时，必须针对不同的情况进行具体的分析[23]。但是，不论何种具体条件，轴的结构多应该满足：轴地和装在轴上的零件要有准确的位置：轴上的零件应便于装拆和调整；轴应具有良好的制造工艺性等。图3-4搅拌轴根据传动简图，搅拌轴上装有轴承端盖，轴承透盖，，挡油环左轴承从左向右装入。轴与皮带轮之间采用键链接，所以在轴上挖键槽，同样轴上端也挖有键槽便于与搅拌钢管之间的固定，同时为了防止钢管上下跳动，轴上还有螺纹预紧。3.3.2搅拌轴的材料选择和结构设计由《机械设计》表10-1选择45号钢，调质处理，硬度217-255HBS,由《机械设计》表15-3查得45号钢取Ao=112,由P=P=5.17kW,n=n=30.02r/min式中：P--轴所传递的功率，kWn--轴的转速，r/minA--由轴的许用切应力所确定的系数得d≥34.6mm轴最小端安装皮带轮，查GB5014-85选用皮带轮轮，标准孔径d=35mm，即轴伸端直径d1=40mm。由《机械设计》表14-1查得K=1.7得T=2795968N.mm按照计算的转矩T应小于皮带轮公称转矩的条件，查标准GB/T5014--2003或手册，选用皮带轮转矩2800000N.mm皮带轮的孔径d=35mm，故取D1=35mm。为了满足皮带轮的轴向定位要求，第1轴端需制出轴肩，故取第2端的直径D2=40mm；左端用轴端挡圈定位，按轴端直径取挡圈直径D=45mm，皮带轮与轴配合的孔长度L=45mm，为了保证轴挡位圈只压在皮带轮上而不压在轴的端面上，故第一段的长度L1应比L稍短，取L1=42mm。右端带轮采用轴肩进行定向定位。由手册上查的30209型的定位轴肩高度h=2.5mm，因此取D4=50mm，考虑的搅拌机搅拌锅的高度以及上面盖板的厚度等，取L4=270mm。因为轴套的高度为15mm，直径为45mm，所以D5=45mm，L5=15mm。因为上轴承盖的高度为25mm，滚子轴承的高度为20mm，上盖板与轴承盖的距离为30mm，所以L6=75mm，直径等于轴承直径，所以D6=40mm。最后一段存在轴肩定向定位，由于轴肩定向高度2.5mm，所以取D7=35mm，3.3.3输出轴的强度校核⑴计算搅拌架受力转矩T4=9550*PⅣ/nⅣ=388.8N·m搅拌架切向力Ft1=2T1/d1=2388.8/6010-3N=1296N搅拌架径向力Fr1=Ft1tanα=1296tan20N=71.3N搅拌架轴向力Fx=Ft1tanβ=0⑵轴的受力简图[如图5(a)]⑶计算支承反力[如图5(b)及（d）]水平平面：Fh1=(Fd/2+65Fr)/125=37.1NFh2=Fr-Fh1=71.3-37.1=34.2N垂直平面：FvⅠ=FvⅡ=Ft1/2=1296/2=648N⑷绘制弯矩图水平平面弯矩图[如图5(c)]b截面Mhb1=65Fh1=2411.5N·mmMhb2=Mbh1-Fd/2=2411.5N·mm垂直平面弯矩图[如图5(e)]Mvb=65FvⅠ=65648=42120N·mm合成弯矩图[如图5(f)]Mb1=42188.9N·mmMb2=Mb1=42188.9N·mm⑸绘制转矩图[如图5(g)]T4=T3=388800N·mm⑹绘制当量弯矩图[如图5(h)]单向运转，转矩为脉动循环，α=0.6αT=0.6388800=233280N·mmb截面Mb1=237064N·mmMb2=237064N·mma截面和I截面Mea=Met=αT=0.6388800=233280N·mm⑺分别校核a和b截面da=34.87mmdb=35.06mm考虑键槽，da=105%34.87=36.6mm，db=105%35.06=36.8mm。实际直径为38mm和38mm，强度足够，设计无需修改。图3-5轴的强度校核4三维建模4.1三维造型软件SolidWorks简介SolidWords是世界上最成功的CAD/CAM软件之一。它是美国参数技术公司(ParametricTechnologyCorporation，简称PTC公司)的重要产品。它是同步工程(ConcurrentEngineering)观念的产物，为现今CAD/CAM的应用提供了优良的软件工作环境。所谓同步工程，其主要目的是以有系统的步骤来整合产品设计和相关的制造和支持程序，以大幅缩短产品的设计过程，降低生产、产品测试以及模型产品生产等成本。SolidWords的功能非常强大，为工业产品设计提供完整的解决方案，广泛用于造型设计、机械设计、模具设计、加工制造、机构分析、有限元分析及关系数据库管理等各个领域。主要包括三维实体造型、装配模拟、加工仿真、NC自动编程、有限元分析等功能模块，以实现面向制造设计DFM(DesignForManufacturing),面向装配设计DFA(DesignForAssembly)、反向设计ID(InverseDesign)、同步工程CE等先进的设计方法和模式[24-25]。4.2物料搅拌机的三维建模SolidWords的三维建模主要靠的是拉伸、旋转、扫描、孔特征、倒角、抽壳、筋板等工具，首先在草绘界面内绘制草图，再进行实体操作。物料搅拌机的三维建模主要绘制的是搅拌机机架的实体、电动机的三维实体、皮带轮的三维实体、搅拌叶片、以及一些小零件的三维实体。下面我来简单介绍下，机架首先得绘制一个圆再利用拉伸工具拉出一个圆柱再利用抽壳抽出上面的搅拌锅，再在上面绘制三个脚，最后再把铁架话上去。最终达到如图效果：如图4-1所示：图4-1机架绘制好各个小零件和小装配体，最后就是把各个按一定得要求装配起来，由于最终要达到运动仿真效果，所以实体装配之间要按需要采用一些特定的链接方式装配，比如销钉链接。最终达到如下效果：图4-2组装体效果图总结毕业设计是大学四年学习成果的一次大检验，经过毕业设计的洗礼使我在对自身专业知识和整体能力上有了清晰的了解和认识，在以后的工作中有了改正的目标和方向。经过两个月多的看书和学习，以及指导老师安静老师的指导，我的毕业设计小型物料搅拌机的设计，主要内容已经完成。通过这个设计，让我对搅拌机有了更深一层的了解。设计过程中要注意很多的问题，首先选用的材料要耐腐蚀，不变形等。然后是设计问题：明白了搅拌机的工作原理，就会自己设计出模型，这个过程可能很困难，但克服是必须的。要让各零件能稳定的装在一起，不出差错，必须要在设计零件的时候仔细的计算每一个数据，把误差减小到最低。作为一个没有实际经验的学生在设计过程中，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有安静老师的督促指导，以及其他老师和同学的帮助，是很难如期完成的。通过此次的毕业设计，我学到了很多知识，在设计过程中，通过查资料和搜集有关的文献，培养了自学能力和动手能力。在以往的传统的学习模式下，我们可能会记住很多的书本知识，但是通过毕业设计，我们学会了如何将学到的知识转化为自己的东西，学会了怎么更好的处理知识和实践相结合的问题。致谢本次设计是在我的导师安静老师的指导下完成的，从最初我对本次设计的不了解到能够整体把握再到比较顺利的完成本次设计，这一步一步的走来，其中都包含了安静老师耐心的指引和教导。通过本次设计，我从宏观上把握了小型物料搅拌机的设计，加深了以往学习的专业知识。同样在本次设计中安静老师始终践行着“授人以鱼，不如授之以渔”的原则，他经常教导我们遇到问题先自己解决，解决不了的再找老师一起讨论。这种学习模式的大大提高了学习的自主能动性。在此，我向安静老师表示我最诚挚的谢意。在设计的过程中，也得到了许多同学宝贵的建议，在此一并致以诚挚的谢意。最后，衷心的感谢机械电气化工程学院的每位老师，谢谢你们在学习上、生活中给予我的关心与支持。衷心祝愿塔里木大学的明天更加美好！更加辉煌！参考文献[1]盛春芳,吴斌兴.工程机械与维修[J].北京：工程机械，2005，（1）：17-18[2]XIONGHongbin，LIZhiyuan.《NoiseandVibrationControl》[J].2003，（4）：15-17[3]马娟,楚耀辉,石鑫,张彩虹.TMR饲养技术与配套机具[J].新疆农机化,2011,04:39-41.[4]