绕丝筛管缠绕机(论文+DWG图纸)机械设计带图纸文档
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辽宁工程技术大学毕业设计（论文）第1章 调查研究 明确设计任务第1节 对用户进行调查研究随着人类社会的进步与发展，科学技术也在随之不断的提高。从人类开始利用科技为自己服务到现在科技产物涉及到人类生活的每一个角落，都在说明科学技术业已成为人类不可忽略和不可分离的这一事实。科技的更新换代对人类生活影响很大，尤其是在交通上更加引起世人的主意。其中火车已经成为现代人主要的交通工具之一。在科学技术这一催化剂作用之下，火车也经历了从蒸汽机车到现在的内燃机车、电力机车的发展过程。现在还出现了更加快速的磁悬浮机车。那些高速的机车已经满足了人类对高效率、高速度的要求，但是现在由于人口问题，使得铁路客运压力很大，于是产生了一种双层火车。这种双层火车的运营在一定程度上缓解了客运量大的问题，但是由于我国在这项技术上发展的还是比较缓慢，因此在双层火车的运营过程中还是给列车员及旅客们带来了一些问题与麻烦。之所以把它称之为“双层火车”，顾名思义，就是它有上、下两层车厢。而正是由于这一特点，它也像楼房一样被人们安上“楼梯”。就是他这独一无二的楼梯式结构（如图11所示），制约了火车上的列车员们的售货。众所周知，在普通货车上，由于只有一层，所以各节车厢的地面都是在同一个水平面上，这样像一般的车都可以在这样的火车上行使，用来放货物，作为售货车。因此列车员不用费太大的力气就可以方便地为旅客们服务。而在双层火车上就不同了，正是由于它的双层结构和其独特楼梯式结构，使得在普通的火车上使用的售货车无法在双层火车各车厢及同一车厢上、下层之间自由的行驶。而且在上下楼梯时，售货车的车体还可能发生倾斜，使货物掉在地上，最重要的是它必须有两个人抬才能上下楼。这样普通的售货车就不能在双层火车上使用。通过对双层火车楼梯结构的勘查和对一些旅客及列车员的调查，我们了解到：虽然双层火车可以加大铁路的客运量，但是它独特的楼梯结构也给列车员及旅客带来了极大的不利。为了把一个售货车抬上二层，不得不用两个列车员，这样反而浪费人力和物力。所以大多数双层火车上不使用售货车，而是给每个售货员配上一个小篮子，用带子挂在脖子上，很像古代的茶馆内的“小贩”。由于篮子的容量很是有限，大大不如售货车，所以售货员一次所带的货物是很有限的，不能同时满足不同旅客的不同需要。为此售货员要为不同旅客的需要跑很多趟，特别是在乘客多的时候还可能忘记一些旅客所要的东西，这就大大地加强了售货员的劳动强度。因此有不少的售货员和乘客都抱怨此事。所以设计一种能在双层火车上使用的、可以自由上下楼梯的售货车事在不行。第2节 明确生产任务 绘制要求表通过对双层火车结构和普通火车上的售货车结构的勘查，我们对反馈意见加以总结，并且对售货车的设计要求作大体归纳。为了简明、明确地说明，绘制如下的要求表（表11）。表11双层列车售货车要求表铁路运输部门双层火车售货装置No.1时间要求或希望内 容负责人 实现日期2003.3.1要 求 希 望要 求1. 几何形体1） 移动方便，既能在车厢内地面上运动，又能上下楼梯。2） 形状随意，占用空间相对小，能自由的在车厢过道及楼梯上通过。1） 外形美观，色泽调和。2） 大小适当。2. 使用性能1） 操作简单，不用事先培训，看实物便知道怎样使用，2） 能盛放各类食品（罐装、瓶装及袋装的各种食品和饮料）及娱乐物品和报刊杂志等。陈令国 2003.6.11 续表铁路运输部门双层火车售货装置No.2时间要求或希望内 容负责人 实现日期2003.3.1希 望要 求希 望要 求要 求要 求要 求 方便装卸货物，便于寻找旅客所要的货物。3. 可靠性1） 整个装置的稳定性要好，无论是在平地上运动，还是上下楼梯，均不易发生倾倒。2） 强度、刚度好，不易发生变形。上下楼梯时，不会发生车体倾斜，避免货物掉落或车内物品倾倒，互相碰撞，使易碎物品破坏。4. 载重所载货物的总重量Q20kg5. 生态学1） 用人力驱动。2） 使用时噪声要小。6. 材料金属与非金属材料都可，重量轻，强度高，耐磨性好。7. 可维修性1） 机件有一定的使用寿命。2） 维修容易，更换方便，不需用 专门工具。陈令国 2003.6.11 续表铁路运输部门双层火车售货装置No.3时间要求或希望内 容负责人 实现日期2003.3.1要 求希 望要 求要 求3） 防锈性好。1） 产品投放市场后不久，便能有配件上市，以满足维修的需要。2） 零件种类少，通用性强。8. 加工1） 多用标准件。2） 工件简单。9. 成本 成本不能太高。10. 寿命 至少可使用23年。陈令国 2003.6.11楼梯结构图图11第2章 方案设计第1节 对设计任务进行抽象在第一章中所绘制的设计要求表的基础上，我们对设计任务已经有了一个初步的了解。为了设计出最优的产品，我们必须确定设计任务的核心，突出本质功能。而要做到这一点，就必须对设计任务进行抽象。抽象就是对设计任务的再认识，就是用高度概括的语言来陈述设计任务，忽略次要的甚至是不必要的表面限制的束缚，使设计能在大视角范围内求解。抽象一定要高度概括，且要以要求表为基础，进行多次陈述，逐步逼近设计任务的核心。现在对设计任务进行抽象。第一次陈述：设计既能在双层火车车厢内的地面上运动，又能在楼梯上下自由的售货装置；不易倾斜，使用方便，不必专门培训。第二次陈述：设计能在双层火车平地上和楼梯上自由、平稳的移动的售货装置；使用方便。第三次陈述：设计能在平地移动及能上下楼梯的一种平稳的售货装置。抽象的结果表明：能在平地和楼梯上行驶的平稳的售货装置使这个设计任务的最本质的功能。第2节 建立功能结构技术系统的功能是指其把输入量变成输出量的能力。与总系统相对应有总功能，与部分系统或子系统相对应，有部分功能。部分功能之间按照确定的关系相结合，才能产生总功能。我们把部分功能及其间的关系的总和称为功能结构。功能结构用功能结构图表示。利用建立技术系统功能结构，可以确定技术系统中零件间的最佳关系，这样有两点好处：一是便于在旧技术系统基础上开发新系统。二是有利于在设计过程中由功能结构反求技术系统，找到部分系统之间的边界，使部分系统之间关系清楚。现在我们就建立双层火车售货车的功能结构。设计任务的总功能如图21（a）所示。总功能是双层火车上的售货装置。材料流程中，售货员要卖的货物为输入，而乘客买走的货物为输出。能量流程中，主要是人力以及位能和摩擦功损失等。由抽象结果已经知道，设计任务的核心功能是“在平面及楼梯上行驶”和“平稳”。因此，把总功能分解为移动、定位和承载三个部分功能。这三个部分功能之间的关系如图21（b）所示。这是一种物理关系的功能结构。部分功能“移动”，是使该装置既能在平地上行驶，又能自由、方便地上下楼梯。部分功能“定位”，是保证能使该装置在平面及楼梯上行驶时基本保持水平，使装置平稳的行驶。部分功能“承载”，是指承受所要出售的货物。双层火车售货装置人力 位能、摩擦功 要出售的货物 旅客买的货物 （a） 要出售的货物移动 人力 承载 旅客买的货物 定位人力 位能、摩擦功(b)第3节 寻求原理解对于技术系统进行抽象的陈述，确定了设计任务最本质的功能。建立功能结构，就能找到部分功能之间的最有关系。如何实现所有部分功能以及部分功能之间的关系，就是求解问题。而所谓原理解，就是能实现某种功能的物理原理以及与之相应的原理结构图示。它是进行零件设计的基础。下面采用德尔裴法（Delphi）对设计任务进行求解。其步骤如下：第一步：小组中的每个人都用一张纸写出设计任务的若干个初步解（数量不限）。第二步：每个人在通读所有其它人写出的解之后，经过分析综合，一定有所启发，便可在另一张纸上在写出新的解。第三步：把每个人前后两次写出的解集中在一起，整理分类。经过整理，以下是最后筛选出来的几个方案。第一种方案：售货小车采用三个轮子，前面一个轮子是万向轮，用于控制方向。后面的两个轮子用一根轴连接，使车体保持平衡。为了使售货小车上下楼梯，在楼梯处车厢的顶棚安装两对吊钩，并且这两对吊钩可以在顶棚上的滑道内移动。就象是一个小型的龙门吊车。当售货小车要上或下楼梯时，先把小车吊起，使其在空中保持平稳，推动吊钩，使其在滑道内移动，这样就可以把小车吊上或吊下楼梯了。第二种方案：售货小车采用四个轮子移动，后两个轮子为万向轮，前面两个轮子用轴连接。楼梯采用过街天桥式结构，楼梯上有专门为售货小车上下楼用的斜面（如图22所示）。当售货小车上下楼时，为了不让车内货物倾倒，小车采用双层结构，内层箱体采用悬挂式结构，即内层箱体的两侧分别用两根钢丝绳悬挂于外层箱体内，两钢丝绳成内八字型。悬挂方式如图23所示。这样车无论是在上楼梯还是下楼梯时，由于内层箱体是悬挂在外层箱体内的，而重力总是垂直于水平面的，因此内层箱体也总是平行于水平面的，所以车内货物不会发生倾斜。图22图23第三种方案：售货小车采用四个轮子移动，后两个为万向轮，前面两个用轴连接。为了使小车上下楼梯，本方案采用抬起式，即在楼梯的两侧各有一个可升降的立柱，立柱可以沿楼梯的滑槽移动。当小车要上楼梯时，先把一横梁放于两立柱之上，再用吊钩把小车吊于横梁之上，此时同时升起两立柱，把小车抬起，推动两立柱，使其沿楼梯移动到上层，然后下降立柱，放下小车，这样小车就可以平稳的上楼了。下楼与上楼方法类似。楼梯结构简图如图24所示。图24第4节 对设计方案进行评价要对上节的三个方案做出最后的取舍，就要对上述方案进行技术经济评价。因此，这一步对于整个设计过程是最重要的环节。要从多方面对设计方案进行范围广泛的比较。这种评价过程分为如下诸步骤：建立目标系统和确定评价标准、确定重要性系数、按技术观点确定评价分数、技术经济评价等。2.4.1 评价目标系统，确定评价标准虽然评价的范围很广，但也不能面面俱到。只能就某些特定方面进行评价。这些评价的方面就被称为评价目标。评价目标是从要求表中的要求提炼而成的。把这些目标再归结为互不相关（或基本上互不相关）的几大类。由于此方案设计结构简单，所以只对单个目标进行评价，即对“移动中的稳定和可靠”这个目标进行技术经济评价。图25是该目标的评价目标系统。2.4.2 按重要性评价按重要性评价是在目标系统内进行的评价。是确定被选定的评价目标在一个目标系统内的地位重要性。评价目标的重要性用重要性系数（权重）来表示，取值为01。 每个评价目标的方框中有左右两个数字，左边的数字表示隶属于同一个上级目标的同级各目标之间的相对重要性系数，同级各目标相对重要性系数之和为1。右侧的数字表示每个评价目标在目标系统中所居重要程度，称为系统目标重要性系数，简称重要性系数。其值为该目标相关的上面逐级目标方框中左侧数字与该目标方框左侧数字之积。在技术经济评价过程中，要用到最低一级评价目标的重要性系数，称此值为评价标准重要性系数，用g表示。按上述方法给出反应目标重要性的01之间的相对重要性系数和重要性系数。这些数值由设计小组商量给定。把计算出的各级评价目标相对重要性系数和重要性系数填入图25中的各方框中。图252.4.3 按技术观点确定评价分数按技术观点确定评价分数，其本质是用同一个评价标准来衡量每一个设计方案，从技术的观点来确定优劣。评价形式是给出评价分数。分数越高的方案越好。评价分数用W表示。有两种谱带表示其取值范围。本设计采用04共5级的窄谱带。如表21所示。表21窄 谱 带分 数意 义0不能令人满意的1刚可忍受的2足够了3好4理想的2.4.4 技术经济评价计算与评价结果绘制评价计算表（如表22所示）。首先把评价标准、重要性系数以及三种方案按顺序填入表中，然后把评价分数亦填入表中。还要给出每个方案成本的估计值，并填入表中。最后经过计算，求出各方案的无权重总价GWj、有权重总价GWjgi、总技术价Wtj，总经济价Wwi以及总价Wj。计算结果填入表中。总价值用直线法计算。计算公式如下：第j个方案无权重总价GWj：GWj=Wji第j个方案有权重总价GWjgi：GWjgi=giWji第j个方案总技术价Wtj：Wtj=GWj/WmaxnWmax为最高评价分数4或10（宽谱带）第j个方案的总经济价Wwi：Wwi=H0/Hj=0.8Hmin/HjHj 第j个方案的估计成本H0 比较成本 H0=0.8 HminHmin 各方案中的最低估计成本值第j个方案的总价数Wj：按直线法 Wj=1/2（Wtj+Wwi）2.4.5 绘制价值强度图和价值断面图 根据计算结果，绘制出价值强度图（如图26）。 把有权重总价较高并且在价值强度图中位于右上角（方案2、3）的两个方案作为较好的方案，再借助于价值断面图（如图27）进行比较。比较结果表明方案3是最有前途的。表22评价标准重要性系数gi方案1方案2方案3W1iW1giW2iW2giW3iW3gi支撑可靠0.320.620.630.9不易损坏0.230.630.630.6定位部分的连接可靠0.1530.4530.4530.45不易倾倒0.240.820.440.8定位部分位置保持可靠0.1530.4530.4540.6求和1.0GW1=15GW1g=2.9GW2=13GW2g=2.5GW3=17GW3g=3.35总技术价Wt1=0.75Wt2=0.65Wt3=0.85制造成本（元）H1=600H2=500H3=550总经济价Ww1=0.667Ww2=0.8Ww3=0.727总价W1=0.709W2=0.725W3=0.789图26图27第3章 结构设计第1节 有关结构设计的一些说明3.1.1 设计阶段的任务方案设计阶段结束，设计任务处于这样的状态：总技术系统的原理解已经明确；经过把原理解具体化之后，一部分子系统可以设计草图表示，即其空间几何形体已有比较清晰的轮廓；总系统或子系统的部分技术参数的估计值也可以给出来。处于这种状态的技术系统显然不能进行加工制造，这是因为技术系统仅处于“功能模型”阶段，只有再给定大量信息，才能变成“信息模型”（如技术图纸等）。这信息模型被加工制造物化，才能成为可以实现所要求的总功能的物质形式。因此，结构设计阶段的主要任务是给定设计方案所必须的全部信息。它们是：零部件结构形状，几何尺寸和空间位置；材料；加工过程所要求的公差、光洁度、加工工艺等；安装、运输、操作方法以及技术规程等。3.1.2 结构设计阶段工作步骤 结构设计阶段的工作可分为6个阶段，即：(1) 粗略设计主要承受体的结构形状；(2) 寻求辅助功能；(3) 检查主、辅功能承受体相互影响及配合性；(4) 详细设计主、辅功能承受体；(5) 对设计进行补充和改进；(6) 进行技术经济评价。3.1.3 结构设计的合理确定方法 给出主辅功能承受体的材料后，就要确定结构形状。从工程设计的观点出发，认为任何构件形状都是由以下四个要素确定的： 构件表面形状； 表面形状相对位置； 表面数量； 表面尺寸。 可以通过形状要素变化法，即结构形状的合理确定方法能在比较短的时间内，得到功能相同的多种构件形状。可以通过构件表面形状变化、表面形状相对位置变化、表面数目变化和表面尺寸变化来实现。3.1.4 构设计中的原则结构设计中必须遵循的原则简而言之就是明晰、简单、安全。此外，在结构设计中还应遵守以下原理：(1) 力传导原理；(2) 任务分配原理；(3) 自助原理；(4) 稳定的工作原理；(5) 适应构件变化的合理设计原理。第2节 双层火车售货车的结构设计通过上一章的叙述和对三个方案的评价，我们知道方案3是最有前途的。下面就对方案3作具体的说明及结构设计。在结构设计前，我们首先要对双层火车的车厢作些说明。双层火车其独特的楼梯分为三个部分，中间的部分是通往二层的，在其两侧各有一段楼梯是下到一层的。在这三段楼梯的交汇处是一个平台，整个楼梯的结构如图11。当旅客一进入火车车厢就好像是在一个二层小楼的一楼半的楼道内，中间是上二层，两侧是下一层。中间的楼梯宽度是1080mm，两侧的楼梯宽度是790mm。并且中间的楼梯有6阶台阶，而两侧的各有4阶。所有的台阶尺寸都是一样的，即高度为180mm，水平长度为250mm。在车厢的里面，过道的宽度是700mm。方案3的主要功能是由楼梯两侧的两个可升降的立柱来实现的。通过它们的升与降及可沿楼梯墙壁上的滑道移动，使售货车可以平稳的上下楼梯。因此，方案3可分为以下两个部分来加以设计、说明。即售货车的结构设计和升降立柱及其附属结构设计。3.2.1 售货车的结构设计售货车主要是用来装载货物的，并且可以在火车车厢内的平地上移动，所以可以把它分为装载货物的箱体及车底盘两个部分来设计。3.2.1.1 售货车厢体设计箱体采用框架式结构，即箱体的四角框架用角铁焊接于车的底盘上，用薄铁皮薄包在框架箱体上。箱体的尺寸为长900mm，宽400mm，高700mm。 3.2.1.2 售货车底盘设计为了方便底盘的设计，我们先对售货车作必要的说明，给出一些数据。售货车的载重量为40kg，自身车重为25kg。售货车采用的是四轮移动，即前面的两个轮子用轴连接，且固定不动，后面的两个轮子选用万向轮，用于控制方向。3.2.1.2.1 万向轮的选择由上面的数据可知，一个万向轮的载重为车体加载货重的四分之一，又因为火车车厢的限制，所以轮子也不易太高。查机械设计手册有如下几种万向轮可供选择。如表31表31 螺栓式万向轮 轮子直径/mm轮子宽度/mm负荷高度/mm工作型号负荷/kg螺栓直径d/mm502075WL050204010632596WL0632565128025116WL080258012本设计选用型号为WL06325的螺栓式万向轮。其结构示意图如图31所示图313.2.1.2.2 轴及其上的零件设计售货车的前面两个轮子采用轴连接，且轴固定不动。轮子与轴之间用轴承连接。由于售货车的箱体宽为400mm，所以轴的长度定为300mm。为了使轴固定不动，我们采用两个轴套用键与轴连接，并且两轴套与车底盘用螺栓连接。轴套采用铸造，两轴套间的距离为160mm。对轴进行受力分析。由于此轴只承受车体及载重的一半，而且轴承载处可认为是受两个集中力，且大小都为四分之一的车总重。其受力分析图如图32所示。图32图中P1=P2=Y1=Y2=0.259.865=159.25kg。由此受力图求出轴的剪力和弯矩，并画出剪力图和弯矩图。设受力分析点与A点间的距离为x (mm)。求剪力：在AB段：Y=0 Q=Y1=159.25kg (0x70)在BC段：Y=0 Q=0 (70x230)在CD段：Y=0 Q=Y1P1P2=-159.25kg (230x300)求弯矩图：在AB段：m=0 M=Y1x (0x70)在BC段：m=0 M= Y1AB (70x230)在CD段：m=0 M= Y1(ABx) (230x300)由上述分析计算画出剪力图和弯矩图。如图33所示。图33由于此轴只承受弯矩，且两端用轴承支撑，因此可以用如下公式来计算固定心轴的最小直径。d =(32M/b)1/3=(10M/b)1/3其中 b许用应力。 M 弯矩。b=1.7-1； -1=（0.090.1）B 此轴材料选用45，其主要机械性能如下表32所示。材料牌号热处理毛坯直径/mm硬度/HBS抗拉强度极限 B弯曲疲劳极限 -145/Nmm-2正火100170217600275回火100300162217580270调质200217225650300由上表，我们选择正火的热处理工艺。因此由上面的公式得到轴的最小直径：d =(10M/b)1/3=(1011147.51.70.1600)1/3=10.3 mm知道了轴的最小直径，我们就可以选取轴承。本设计选用深沟球轴承，查机械手册选取如下轴承：轴承尺寸/mm轴承代号安装尺寸/mmdDBrsmin60000型daminDamaxrasmax1232100.6620117280.6轴与车体的连接是靠两个轴套来实现的，轴套与车体用螺栓连接，而为使轴固定不动，轴与轴套的连接采用键连接。我们把轴设计成光轴，由轴承的安装尺寸可知，轴的直径为17mm。查设计手册来选取键，本设计选用圆头普通平键（A型），其参数如下表：d键的公称尺寸键槽尺寸b(h9)h(h11)c或rL(h14)tt1b半径r公称公差公称公差1217550.250.410563.0+0.102.3+0.10公称尺寸同键0.160.25选取键的长度为20mm。轴套的结构如图34所示图34l 对轴进行校核此轴为心轴，且只承受弯矩，因此按弯曲强度进行校核，并且要对其作刚度校核。l 强度校核由前面的受力分析及剪力图和弯矩图可知，危险截面为集中力P1和P2所在处，而此两处所受的弯矩是一样的。对其中的一个截面进行强度校核，公式如下：=M/Wb其中 M危险截面处的弯矩， Nmm 。W危险截面处的抗弯截面模量，mm3 。b许用弯曲应力，N/mm2。对于固定心轴，在理论上弯曲应力是静应力，但考虑起动、停车等影响，按脉动循环应力处理，取b=0= 1.7-1；-1=（0.090.1）B ，其中B为材料的拉伸强度极限。在危险截面P1处所受的弯矩及此处的抗弯截面模量如下：M=11147.5 NmmW=d3/32bt(dt)2/2d=3.141733253(173)2217=395.86 mm3b=1.70.1600=102 N/mm2=M/W=11147.5395.86=28.16b=102 N/mm2其中b、t为键槽尺寸。根据上面的计算结果可知，该轴满足强度要求。l 刚度校核轴的弯曲刚度计算应该保证最大挠度y或偏转角不超过许用值，条件为：yy mm或 rady轴的许用挠度（0.00030.0005）L L轴的跨矩mm轴的许用偏转角，对深沟球轴承处取0.005由前面的受力分析以及材料力学的有关知识，我们可以用叠加法来求其挠度及偏转角。即受力图可用如下的两个图叠加来表示。由材料力学公式可知，合成后的最大挠度应该在轴的中点处，即：yc1=P2b2 (3L24b22) /48EIyc2=P1b1 (3L24b12) /48EI其中 E为杨式模量。45#的杨式模量为206103MpaI为惯矩。圆形截面的惯矩I=d4/64所以此轴的最大挠度为： ymax= yc1yc2=0.138 mm y=0.0005L=0.15 mm ymaxy但是，由于轴上有键槽，使的键槽处的截面也成为危险截面，为此要对键槽处的截面也进行校核。在此处也是看成为两个力的合成。而在键槽处的惯矩变为：I=d4/64bt(dt)2/4 式中 d为轴的直径17mm，b为键槽宽5mm，t为键槽深3mm。 yd1=P2a22b22/3EIL yd2=P1b1x (L2x2b2) /6EIL x为到原点的距离。在此处x=70 mm yd= yd1yd2=0.0670.05=0.117 mm ydy通过上面的分析与计算可知此轴满足刚度要求。3.2.2 升降立柱及其附属结构的设计方案3的主要功能是由升降立柱来实现的，而升降立柱主要是有千斤顶组成。所以升降立柱可以分为两部分来设计。上面的部分主要是由于罩住千斤顶，所以其结构设计成圆柱形的空筒。在圆筒下端有螺纹，用于和升降立柱的下部分连接。在圆筒的壁上开有像键槽一样的槽，用于给横梁的升降留空间。升降立柱的下半部分是用于安装千斤顶的，因此可以作成有一定高度的实心圆柱，在其上部有螺纹，与立柱上部分的螺纹配合连接。由于车厢楼梯的过道很窄，因此升降立柱的直径定为50mm，高度定为1500mm，为此千斤顶设计成为起重量为100kg，起重高度为200mm，最底高度为300mm，直径为35mm。立柱的外形结构如图35所示。图35对于用于悬挂售货小车的横梁，因为其不能被压弯，所以要对它进行强度和刚度校核。由于上下楼梯的宽度不同，所以要用两个不同长度的横梁，考虑到立柱和扶手的直径，把两个横梁的长度定为6
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