【《某小型草皮铺设装置的系统设计分析案例》3500字】

某小型草皮铺设装置的系统设计分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u28556某小型草皮铺设装置的系统设计分析案例 184501.1Solidworkssimulation有限元分析模块简介 1225781.2升降装置的强度校核计算 234791.3底盘履带的强度校核计算 5254641.4升降平台装置中驱动电机的选型与计算 8109621.5丝杠的选型与计算 9143981.6联轴器的选型与计算 9271981.7空气压缩机的选型与计算 10305631.8传送带中电机的选型与计算 1142781.9主行走电动机的选型与计算 12本文中所设计的小型草皮铺设装置可采用可充电电池驱动，可根据实际情况选铅蓄电池或者锂电池，工作原理为：蓄电池——电流——电力调节器——电动机——动力传动系统——驱动行驶，具有噪音小以及零排放的特点。根据该小型草皮铺设装置在实际运用中的受力情况，选取受力最大、严重影响使用该装置安全的部件进行有限元分析，保证产品的安全性和可靠性。[19]选取盛放草皮的升降装置和承受整机负载的底盘进行有限元分析，因此借助应用广泛的主流软件Solidworks中捆绑的SolidWorksSimulation模块来进行有限元分析。1.1Solidworkssimulation有限元分析模块简介有限元分析法是一种计算数值的方法，可以用计算机来分析出一些复杂的机械结构，其分析效果较为显著。对一些机械结构进行有限元分析后，将可以得到一个转化的数学模型，从而通过数学建模的模型可以对有限元系统进行完整地解答，该解答以节点和单元来表示。对于一个完整的有限元分析的模型，其不仅包括节点和单元，而且还包括工程系统施加外力的负载和约束条件等。[20]从SolidWorks2009开始，其著名的FEA软件COSMOSWorks改名为SolidWorksSimulation。其为了体现设计仿真一体化的解决方案，在无缝集成界面做了创造性的改变，将仿真界面，仿真流程无缝融入到SolidWorks的设计过程中。[21]SolidWorksSimulation模块的仿真向导，包含以下顾问向导：算例顾问、性能顾问、约束和载荷顾问、连接顾问、结果顾问。该模块的主要分析功能有：系统及部件级分析以FEA为例，为了实现有价值的分析，设计的几何部件会需要不同的单元类型，例如实体、壳、梁、杆等进行离散。而且需要充分考虑装配体间的连接关系和接触关系。由于涉及到螺栓连接、销钉连接、弹簧、点焊以及轴承等非常复杂的连接关系，所以该模块中连接关系的处理尤其重要。b)多领域的全面分析任何一个产品设计不能仅考虑到静强度，而且必须考虑到多方面多领域的问题，比如静强度、动强度、模态、疲劳以及参数优化等。该模块展示了在统一界面下产品的多领域分析。c)面向设计者的多场耦合热-结构、流体-结构、多体动力学-结构等多场分析是目前分析中的一个重要发展方向，利用SolidWorksSimulation模块，可以解决非常复杂的工程问题。d)特殊行业及领域的需求面对很多行业有着很多的特殊需求，因此需要特殊的CAE模块。例如面对压力容器，需要符合ASME标准的压力容器校核工具；面对电子和消费品领域，需要解决跌落分析的能力。e)高级分析需求面对日益复杂的使用环境，必须考虑复合材料、材料非线性、高级机械振动、非线性动力学等高级分析的需求。[22]SolidWorksSimulation模块是一个与SolidWorks软件完全集成的设计分析系统。SolidWorksSimulation模块提供了单一屏幕解决方案来进行应力分析、频率分析、扭曲分析、热分析以及优化分析。SolidWorksSimulation模块凭借着快速解算器的强有力支持，使得用户能够使用个人计算机来快速解决大型问题。此外，SolidWorksSimulation模块提供了多种捆绑插件，可满足各种分析需要。[23]SolidWorksSimulation模块操作界面友好，可一步步指导指定夹具、载荷、材料，从而可以顺利进行随后的分析和查看结果。结果的准确度取决于夹具、载荷和材料属性，若要使结果有效，指定的材料属性必须准确描述零件材料，夹具与载荷，也必须准确地描述出零件的工作条件。[24]1.2升降装置的强度校核计算升降平台尺寸为350mm×285mm，行程为:460mm。三维模型如图3-1所示。图3-1升降平台装置的三维建模图该升降平台装置的材质选用为Q235A钢，用以Solidworks软件中的Simulation模块分析计算其最大载荷，将升降平台模型简化后如图3-2所示。图3-2升降平台装置模型简化图随后，为该升降平台装置设定求解条件，求解条件结果如图3-3所示。图3-3升降平台装置求解条件截图随后向该升降平台装置添加约束以及施加约束力。在四个铰接点施加固定约束，在升降面板上施加1500牛顿的垂直向下的约束力，如图3-4所示。图3-4向升降平台添加约束和施加约束力的效果图运算结果如图3-5所示。图3-5运算结果图从图上可知：该升降平台装置的最大应力为215MPa，虽接近材料屈服点，但安全系数过低，故取该升降平台的额定负载为100~120Kg。1.3底盘履带的强度校核计算底盘外形尺寸为900mm×547mm×197mm（长×宽×高），主体结构由Q235A钢板焊接而成；底盘上安装橡胶履带。利用Solidworks软件上捆绑的Simulation模块进行有限元分析，结果将会准确而又可靠。将底盘模型导入Solidworks软件，在Simulation模块的操作环境中，根据提示进行逐步操作，各阶段情形以下诸图所示。底盘模型导入如下图3-6所示。图3-6底盘模型导入图定义约束条件及施加外力操作如图3-7所示。图3-7定义约束条件及施加外力操作截图定义完毕之后图3-8所示。图3-8定义完毕效果图求解后所得结果如图3-9所示。图3-9分析求解结果由分析结果可得，底盘的额定负载为500Kg，最大应力为80MPa，其中的微小变形可忽略不计。1.4升降平台装置中驱动电机的选型与计算上述升降平台装置的总重量约12Kg，负载100Kg；电机驱动丝杠旋转，从而带动螺母沿着滑槽的方向移动，其运动示意图如图3-10所示。图3-10螺母沿滑槽方向运动示意图该滑槽长度为200mm，螺母移动速度为20mm/s，取螺母与钢的静摩擦系数f=0.15，系统机械效率为η=0.8，电机功率W=(M×g×f×V)/η，将数值代入，故电机功率为：（112×9.8×0.15×0.02）÷0.8=4.2W故选DC12V微型直流电机最为合适，该电机型号为ZGB37RG，功率为10W，输出轴直径6mm，转速600r/min，该型号电动机如图3-11所示。图3-11ZGB37RG型直流电机该型号电动机的产品参数见表1。表1ZGB37RG型直流电机的产品参数输出轴承形式径向力轴向力主轴最大承受压入力径向间隙轴向间隙含油油泵≤1kgf≤0.7kgf≤5kgf≤0.1mm≤0.5mm1.5丝杠的选型与计算梯形螺纹常用于各种机械传动中，传动较为平稳，易于进行加工。故丝杠中的螺纹选用梯形螺纹最合适。查GB/T5796.1-2005，选公称直径d=8mm，螺距P=1.5，小径d1=6.2mm；丝杠材质选定为45#钢，故丝杠所承受的扭矩公式为：T=9550×P÷N该式中，P为输入功率，单位为Kw；N为转速，单位为转/分，故该丝杠所承受的扭矩为：T=9550×P÷N=9550×10÷600÷1000=0.16N·m计算丝杠的扭转应力：τ=T/Wp（Wp为轴的抗扭刚度，Wp=π×d3/16），解得丝杠的扭转应力为：τ=T/Wp=109×16×0.16/(1.14×6.23)=1.53×109MPa查资料后得出45#钢许用扭转切应力[τ]=60MPa，即τ＜[τ]，故满足选型要求。1.6联轴器的选型与计算联轴器的额定扭矩1N·m＞丝杠所承受的扭矩0.16N·m，故联轴器选定为WQ-C19L19单膜片联轴器，型号如图3-12所示。图3-12WQ-C19L19型单膜片联轴器WQ-C19L19型单膜片联轴器的基本参数如表2所示。表2WQ-C19L19型联轴器的基本参数DLL1d1~d2W厚度W内孔中间片L2厚度中间片L2内孔紧固螺栓M紧固螺栓的中心到轴的距离紧固螺栓的拧紧力矩191993~828————M231续上节额定扭矩（N·m）最大扭矩（N·m）最高转速（rpm）静态扭矩刚性（N*m/rad）径向偏差（mm）角向偏差（*）轴向偏差（mm）重量（g）12100008800.041.5±0.18241.7空气压缩机的选型与计算气缸参数为：气缸外径/内径+行程＝93/80+180=0.357当气缸的伸缩杆完全伸出时，气缸筒的容积为V=（1000×π×402×180×10-9），得V=0.9升，取1升。为保证气动系统可以稳定工作，现配一个储气筒，容积1.5升，外形尺寸Φ75×385。故选用型号为TC-20B的微型空气压缩机最为合适，其基本参数见表3。表3TC-20B型微型空气压缩机基本参数工作电压（V）功率（W）产气量（升/分）额定压力（MPa）12172.50.5当储气筒压力达到0.5MPa时，空气压缩机将自动停机；当储气筒压力低于0.3MPa时，空气压缩机将自动开机。TC-20B型微型空气压缩机产品如图3-13所示。图3-13TC-20B型微型空气压缩机产品图1.8传送带中电机的选型与计算传送带的外形尺寸为600mm×280mm×145mm（长×宽×高），运行速度为0.03m/s；根据所建立的三维模型，传送带的总重量为60Kg，橡胶输送带重量30Kg；[25]查机械手册资料[26]，得出橡胶与钢的静摩擦系数f=0.8；机械效率η=0.8，取负载为10Kg。计算电机功率P：P=F×V=(30+10)×9.8×0.8×0.8×0.03=7.5W；P取10W。故为了确保铺设草皮时的定位精度，应选XD37GB555微型直流电动机，产品图如图3-14所示。3-14XD37GB555型微型直流电动机该微型直流电动机主要参数如表4所示。表4XD37GB555微型直流电动机主要参数名称电压（V）电流（A）重量功率（W）转速（r/min）整箱件数出轴直径（mm）是否调速是否正反直流减速电动机12/241300G1510~6001006可调速可正反转1.9主行走电动机的选型与计算整机外形尺寸1350mm×550mm×660mm（长×宽×高），整机工作时最大重量约280Kg；查机械设计课程设计手册得[27]，橡胶履带与地面静摩擦系数为f=0.35；本机最大行驶速度1.8Km/h，故解得计算电机功率为：P=F×V=280×9.8×0.35×1800÷3600=480W采用两个电机驱动，每个电机的功率为240W；驱动轮半径R=45mm，电机输出转速为