机械设计课程设计-带式输送机传动装置

引言带式输送机作为一种高效、连续的物料输送设备，广泛应用于矿山、冶金、化工、港口、粮食等诸多行业。其传动装置是带式输送机的核心组成部分，犹如人体的“肌肉与骨骼”，为整个输送系统提供稳定可靠的动力。本次课程设计旨在通过对带式输送机传动装置的系统设计与计算，巩固和深化机械设计课程所学的理论知识，培养工程实践能力和创新思维，为未来从事相关领域的工程设计工作奠定坚实基础。本设计将遵循机械设计的一般流程，从原始数据分析入手，经过方案拟定、参数计算、零部件选型与校核等环节，最终完成一套结构合理、性能可靠、经济可行的传动装置设计方案。一、原始数据与工作条件分析在进行任何设计之前，透彻理解设计任务的原始数据和工作条件是首要前提，这直接决定了设计的方向和可行性。1.1原始数据本次设计的带式输送机，其主要原始数据包括：*输送带额定速度：（此处省略具体数值，设计时需根据实际给定值）m/s；*输送物料：（例如：散状煤、矿石等，需明确其堆积密度、粒度等特性）；*输送带宽度：（此处省略具体数值）mm；*提升高度：（此处省略具体数值）m；*驱动滚筒直径：（此处省略具体数值）mm。1.2工作条件*工作制度：连续工作制，每日工作小时数（例如：8小时或24小时），年工作天数，预期使用寿命（例如：5年）。*工作环境：室内或室外，常温、多尘或潮湿环境（根据具体情况描述，这对电机选型、零部件材料及防护等级有重要影响）。*载荷性质：中等冲击载荷，平稳或稍有波动。*安装条件：水平或倾斜安装（倾斜角度需明确），传动装置布置空间限制等。二、传动方案拟定带式输送机的传动装置通常由原动机、传动部件（如减速器、联轴器、带传动或链传动等）和工作机（驱动滚筒）三部分组成。根据带式输送机的工作特性和原始数据，我们首先进行传动方案的初步构思与比选。2.1常见传动方案1.方案一：电动机+联轴器+减速器+联轴器+驱动滚筒*特点：结构紧凑，传动效率较高，适用于电机与滚筒距离较近的场合。减速器可选用标准系列产品，简化设计。2.方案二：电动机+带传动+减速器+联轴器+驱动滚筒*特点：带传动具有缓冲吸振、过载保护的优点，可实现较大中心距传动，能有效隔离电机与工作机之间的振动。但带传动存在弹性滑动，传动比不如齿轮传动精确，效率略低。3.方案三：电动机+链传动+减速器+联轴器+驱动滚筒*特点：链传动能在低速、重载和恶劣环境下工作，传动比准确。但运转时冲击、振动和噪声较大，安装精度要求较高。2.2方案选择与论证综合考虑带式输送机的工作平稳性要求、传动效率、安装维护便利性、成本以及原始数据中的速度和功率范围，本次设计拟采用方案一：电动机+弹性套柱销联轴器+二级圆柱齿轮减速器+弹性柱销联轴器+驱动滚筒。选择理由如下：*二级圆柱齿轮减速器能提供较大的传动比，满足带式输送机低速运行的要求，且结构成熟，标准化程度高，易于采购和维护。*采用联轴器直接连接，结构紧凑，传动效率高。*弹性联轴器的选用可以补偿一定的安装误差，并吸收部分振动和冲击，保护电机和减速器。*对于本设计的功率和速度范围，齿轮传动的效率和可靠性均能满足要求。三、电动机的选择电动机是传动装置的动力来源，其选择是否恰当直接影响整个传动系统的性能和经济性。电动机的选择主要包括确定其类型、结构形式、额定功率和转速。3.1电动机类型与结构形式的选择根据工作条件（如室内常温、多尘），选用三相异步电动机。其结构简单、运行可靠、价格低廉、维护方便，能满足大多数工业驱动要求。结构形式选择卧式安装（B3型），若环境多尘，防护等级选用IP44或以上。3.2电动机额定功率的计算电动机所需输出功率应能克服输送机运行时的各种阻力，并考虑一定的安全系数和传动装置的功率损耗。1.驱动滚筒轴功率P_滚筒计算：这是计算的基础，需根据输送带的运行阻力（包括主要阻力、附加阻力、倾斜阻力、特种阻力等）进行详细计算。公式为：P_滚筒=(F_总阻力×v)/1000其中，F_总阻力为输送带运行总阻力（N），v为输送带速度（m/s）。（具体阻力计算需参照带式输送机设计规范，涉及物料重量、输送带自重、摩擦系数等参数。）2.电动机所需功率P_电计算：P_电=P_滚筒/(η_总)其中，η_总为传动装置的总效率，即从电动机到驱动滚筒之间所有传动环节效率的乘积。对于方案一，η_总=η_联轴器1×η_减速器×η_联轴器2。各部分效率参考值：弹性联轴器η≈0.99~0.995；二级圆柱齿轮减速器η≈0.94~0.96（满载时）。3.电动机额定功率P_N的确定：考虑到载荷波动、启动过载以及一定的裕量，电动机额定功率应大于P_电。通常引入一个安全系数K（一般取1.1~1.3）：P_N≥K×P_电根据计算得到的P_N，查阅电动机产品目录，选择标准额定功率的电动机。3.3电动机转速的选择三相异步电动机的同步转速有若干标准系列（如750r/min,1000r/min,1500r/min,3000r/min等）。在功率一定的情况下，转速越高，电动机体积越小、重量越轻、价格越低。但转速越高，所需传动比就越大，可能导致减速器结构尺寸增大。因此，需综合考虑。初步估算总传动比i_总=n_电/n_滚筒其中，n_滚筒=(60×v)/(π×D_滚筒)（r/min），D_滚筒为驱动滚筒直径（m）。根据计算出的i_总，结合常用二级圆柱齿轮减速器的传动比范围（一般为8~40），选择合适转速的电动机，使减速器的传动比在合理范围内。综合考虑功率和转速，选定电动机型号，并记录其额定功率、满载转速n_N、额定电流、堵转转矩倍数、最大转矩倍数等参数。四、传动装置总传动比的计算与分配4.1总传动比i_总计算i_总=n_电/n_滚筒其中，n_电为选定电动机的满载转速（r/min），n_滚筒为驱动滚筒的转速（r/min）。4.2传动比分配对于“电动机-联轴器-二级圆柱齿轮减速器-联轴器-驱动滚筒”的传动方案，总传动比即为减速器的传动比i_减=i_总。二级圆柱齿轮减速器的传动比分配原则：1.使各级齿轮的接触强度和弯曲强度大致相等，避免某一级齿轮过载；2.使各级齿轮尺寸协调，结构匀称，避免出现小齿轮过小或大齿轮过大的情况；3.使高速级和低速级的大齿轮浸油深度合理。通常，对于二级圆柱齿轮减速器，高速级传动比i₁与低速级传动比i₂的分配关系可参考：i₁=(1.2~1.5)×i₂或i₁=√(i_减)×(0.8~1.0)。初步可取i₁/i₂≈1.3~1.4。设i_减=i₁×i₂，联立上述关系，即可初步确定i₁和i₂。后续在齿轮设计时，可根据实际情况进行微调，使齿数为整数且满足齿轮不根切等条件。五、传动装置的运动参数与动力参数计算根据选定的电动机转速和分配的传动比，计算传动装置中各轴的转速、输入功率和转矩。为方便起见，将各轴从高速到低速依次命名为：*高速轴（Ⅰ轴）：减速器的输入轴（与电动机相连）*中间轴（Ⅱ轴）：减速器的中间轴*低速轴（Ⅲ轴）：减速器的输出轴（与驱动滚筒相连）5.1各轴转速n（r/min）n_Ⅰ=n_电(电动机满载转速)n_Ⅱ=n_Ⅰ/i₁n_Ⅲ=n_Ⅱ/i₂=n_Ⅰ/(i₁i₂)=n_滚筒5.2各轴输入功率P（kW）功率从高速轴到低速轴传递过程中，因轴承、齿轮啮合等存在功率损耗。P_Ⅰ=P_N×η_联轴器1P_Ⅱ=P_Ⅰ×η_轴承1×η_齿轮1P_Ⅲ=P_Ⅱ×η_轴承2×η_齿轮2=P_滚筒其中，η_轴承为每对滚动轴承的效率（≈0.99），η_齿轮为每级齿轮传动的效率（开式≈0.94~0.96，闭式≈0.96~0.98）。5.3各轴输入转矩T（N·m）T=9550×P/nT_Ⅰ=9550×P_Ⅰ/n_ⅠT_Ⅱ=9550×P_Ⅱ/n_ⅡT_Ⅲ=9550×P_Ⅲ/n_Ⅲ将以上计算结果整理成表格，清晰明了。六、减速器齿轮的设计计算齿轮是减速器的核心零件，其设计质量直接影响减速器的承载能力、使用寿命和工作可靠性。以二级圆柱齿轮减速器为例，分别对高速级齿轮（齿轮1、2）和低速级齿轮（齿轮3、4）进行设计。6.1材料选择与热处理考虑到减速器传递功率和承受转矩的大小，以及齿轮的工作条件（闭式、润滑良好）：*小齿轮：因其齿根弯曲应力较大，且转速较高，选用45号钢，进行调质处理，硬度220~250HBS。（或选用合金结构钢如20CrMnTi渗碳淬火，硬度58~62HRC，适用于载荷较大的场合）。*大齿轮：与小齿轮配对，选用45号钢，进行正火处理，硬度180~220HBS。选择原则：使大小齿轮材料硬度有一定差值（30~50HBS），以提高抗胶合能力和耐磨性。6.2高速级齿轮（齿轮1、2）设计计算1.选定齿轮类型、精度等级、齿数：*类型：直齿圆柱齿轮（结构简单、制造方便；若要求传动平稳性高，可选用斜齿圆柱齿轮）。*精度等级：考虑到传递功率不大、转速不太高，选用8级精度（GB/T____.____）。*齿数：小齿轮齿数z₁，为避免根切，一般取z_min=17。取z₁=（例如：20~25），则大齿轮齿数z₂=i₁×z₁，取整数。*模数m：按齿根弯曲疲劳强度或齿面接触疲劳强度设计确定，取标准值。2.按齿面接触疲劳强度设计：计算公式（简化）：d_1t≥K_H×√[(2×T₁×u±1)/(u×σ_Hlim²×Z_H²×Z_E²×Z_ε²))]其中，K_H为载荷系数（考虑使用系数、动载系数、齿间载荷分配系数、齿向载荷分布系数），T₁为小齿轮传递的转矩，u为齿数比（u=z₂/z₁），σ_Hlim为材料的接触疲劳极限，Z_H、Z_E、Z_ε为分别为节点区域系数、弹性系数、重合度系数。根据计算结果，确定小齿轮分度圆直径d₁，并初定模数m=d₁/z₁，取标准模数。3.按齿根弯曲疲劳强度校核：计算公式（简化）：σ_F=K_F×T₁×Y_FS/(b×