窨井盖铣刨机—课程设计.doc

太原科技大学课程设计说明书
目录
摘要 2
一、窨井盖铣刨机目标参数初步确定 3
1.1确定窨井盖铣刨机的尺寸 3
1.2铣刀的受力分析以及初步确定 4
1.3发动机转矩的计算及分析 6
二、窨井盖铣刨机各连接部件的确定 8
2.1液压马达的固定 8
2.2液压马达与定位轴的连接 9
2.3稳定器与铣刀的连接 9
2.4工作装置位置的确定与车身的连接 12
三、窨井盖铣刨机的装配 14
3.1铣刨机工件的选型与确定 14
3.2装配所有工件并进行三维建模 14
四、窨井盖铣刨机的使用方法介绍 16
设计总结 17
参考文献 18

摘要
窨井盖的自然沉降，造成噪音防盗甚至是车祸等严重问题，一直是困扰城市一个老毛病。但是目前国内大多数城市对此现象都不是十分重视。经过本小组成员查资料，根据2009年统计，全国共有约300000万个窨井。由于材质的不同，井盖和周围接触面的破损基数不同，导致在一定周期内必须进行修复工作窨盖井盖维护是市政工程中最基本、最重要的内容之一。然而国内大部分的窨井盖都是双层铸铁井盖，修补井盖周边的路面复杂而繁琐，使用现有的施工方式非常耗时，为了不影响道路交通，施工只能在夜间进行。因此，如何高效地开展大规模的井盖修复工作，是全国范围内的市政单位共同面对的严峻挑战。
通过我们小组在网上搜寻资料，我们发现了德国工人在更换窨井盖的工作工程中，即高效，又严谨。仅仅几个工人，在很短的时间内就把一个突出路面的老化的窨井盖更换成了新的，而且新的窨井盖几乎与路面水平，大大的减少了老化的窨井盖对司机的潜在威胁。通过这个视频，使我们对如何快速高效的完成新老窨井盖的更换，并且保证路面的水平产生了兴趣。然而，通过研究查阅资料我们发现，窨井盖的更换工艺基本上世界各大城市并不会有比较大的差异，唯一能够影响工人效率的就是如何快速高效的切开井盖周围的沥青路面，取出窨井盖的井盖与井座两部分。德国人先进的更换窨井盖的技术以及工人们严谨的手法，着实的震撼了同学们，仅是简简单单的立式铣刀安装在平衡台上,架上刀具，通过液压马达传递动力，既方便、有可靠、噪声小、而且没有安全隐患。这种创新的思路以及对于各种传统机械机构的灵活运用，值得我们学习。
在此，要介绍的是一款车载的高效的井盖铣刨机。按照传统的维修方式，需要工人三天的工作，才能完成。而这种高效的井盖铣刨机，可以帮助工人在铣刨路面、取出埋在沥青路面下的井座大大节省时间。
关键词：窨井盖、窨井盖铣刨机、液压马达

第一部分 窨井盖铣刨机目标参数初步确定
1.1 确定窨井盖铣刨机的尺寸
经过本小组成员亲身考察，以及上网查阅资料测得国内大部分窨井盖尺寸都分为3种规格--600mm、700mm、800mm。都为井盖的外直径，加上井盖底座尺寸大约为--650mm、750mm、850mm。而在切削的时候，由于要完好的取出井盖以及井盖底座，所以初步设计窨井盖铣刨机的切削半径为，经过讨论，将该窨井盖铣刨机的工作台再工作时可有两个档位可以选择，分别为；。
根据切削半径，初步选取稳定器直径。经验证，该规格的铣刨机可以适应国内大部分的窨井盖周围沥青路面的一次性完整切割。稳定器的三维图如图1-1所示。

图1-1 稳定器的三维图形
在窨井盖铣刨机切削工作过程中，为了保证切削沥青路面工作平稳，且可以快速方便换挡切削，需在与液压马达连接的定位轴上再安装一个正六边盘形的稳定器，用于在切削时固定刀具，以及方便刀具快速的切换档位。稳定器设置为上下双层，由4跟圆柱支撑便于夹放固定刀具并且可以设置档位。稳定器的上下两部分分别与液压马达定位轴、切削保护罩连接在一起。保护罩用于在切削时防止碎石屑乱飞造成伤害。稳定器与保护罩的材质经过初步选择确定为灰铸铁。考虑到经济性，保护罩可以选用为普通铁皮。
1.2 铣刀的受力分析以及初步确定
通过网上查得，沥青路面可以承受的最大压力为2107 Pa，铣刀通过旋转切割路面，所以应选择立式锯片铣刀（用于加工深槽和切断工件，其圆周上有较多的刀齿。为了减少铣切时的摩擦，刀齿两侧有15′~1°的副偏角。此外,还有键槽铣刀、燕尾槽铣刀、T形槽铣刀和各种成形铣刀等）。由于该铣刀用于纵向旋转切割路面，即铣刀即可以垂直切入地面，又可以在旋转过程中划开沥青路面，所以初步选择铣刀种类应该为立式斜齿锯片铣刀，主偏角为45°的铣刀其径向切削力和轴向大致是相等的，所以产生的压力比较均衡，由于窨井盖铣刨机在铣削时，路面直接作为铣削的机床，因此几乎没有对刀具及机床的要求，所以，直接选取立式锯片铣刀，铣刀三维图如图1-2所示。

图1-2 铣刀的三维图形
由于铣刀的工作对象是强度相对比较低的沥青路面，所以铣刀的材质选为硬质合金。初步选取在平衡台上安装6把立式锯片铣刀，方便铣削。
1.2.1 铣刀垂直地面刀刃的受力分析
对铣刀进行受力分析，由于有两个档位所以在此只选取大档即的档位进行受力分析，受力分析如图1-3所示。

图1-3 切削工作时受力分析
通过查阅资料可知铣刀接触面对沥青路面的接触作用力大约为F=20MPa；测量每个铣刀刀刃纵向与地面的接触面积大约为S=0.0001m2. ，根据压强公式：
（1-1）
式中 P-铣刀对路面的压强，单位Pa；
F-铣刀接触面对沥青路面的接触作用力；
S-铣刀与路面的接触面积。
代入式（1-1）得：

所以，铣刨机在铣刨路面的过程中稳定器只需给铣刀提供200N的轴向进给力，既可以使旋转的铣刀完成纵向垂直地面的切割。
1.2.2 铣刀刀刃横向受力分析
通过测量与估算在铣刨机工作过程中，每个铣刀水平切削沥青路面时，与路面的接触面积大约为=0.0005m2 。若要铣刀能够切开沥青路面，通过公式算得每个铣刀在工作时应产生的切削力为：

所以，铣刨机在工作过程中，根据受力平衡，每个铣刀在切削时所受的横向摩擦力大约为 。所以平衡台在旋转时，所产生的摩擦力为。
1.3 液压马达转矩的计算及分析
根据转矩公式：
（1-2）
式中 T-定位轴所受的转矩（N·m）；
F-切削时刀刃所受到的总摩擦力（N）；
R-大档的切削半径R2 （m）。
代入公式（1-2）求出转矩；

当液压马达额定转速和其相应转速确定后，可通过下式确定发动机的额定功率。
（1-3）
式中 T-液压马达最大功率时转矩（N·m）；
-转矩适应性系数；
-液压马达最大功率（KW）;
-最大功率时的转速（r/min）。
参考网上的视频，我们需要的液压马达发动机的额定转速为n=400r/min。转矩适应性系数标志着当发动机阻力增加时，发动机外特性曲线自动增加转矩的能力，可参考同类液压马达数值选取，由于在此发动机功率较小，转速较低，所以选取=1；代入公式（1-3），估算出发动机的额定功率为：

所以考虑到实用性选取液压马达额定功率范围为65Kw--70Kw，额定转矩Tmax=1800N·m，转速大概在400r/min左右。再考虑到用于此处的液压马达的特性；能在整个速度范围内平滑运转，可以在大的速度范围内稳定的工作扭矩能够产生高起始扭矩，背压高，不需泄油管路(耐高压的轴封)，可以在极端工作条件下使用且寿命延长，坚固和紧凑的设计，高径向承受能力，在开式和闭式液压系统中都可应用，适合多种不同的液压流体等。
通过上网查阅选取液压马达型号为：萨澳-丹佛斯TMT液压马达。
马达规格(根据排量)每转从到速度从最小型号的最高速度到最大型号的最高速度。最大工作扭矩从13N·m 到2700 N·m。最大输出功率从2.0kW到70kW。
表1-1 萨澳-丹佛斯TMT液压马达具体参数
TMT
排量
压力降
持续/间隙/峰值
流量
（持续）
最大输出
（间隙）
单位

bar
L/min
Kw
数据
15、25-38、43
250/350/400
125
70
通过网上的实物图，我们根据该小功率液压马达的尺寸参数画出其三维图如图1-4所示。

图1.4 TMT液压马达三维图形

第二部分 窨井盖铣刨机各连接部件的确定
2.1 液压马达的固定
首先，我们应考虑如何把液压马达固定在工作臂上，然后我们还应该考虑到液压马达在工作臂上应有一定的行程以提供刀具的进给量。经过小组的讨论，我们决定为发动机设计一个有一定导轨行程的底座，如图2-1所示，使液压马达固定在工作臂上，然后连接安装丝杠，为铣刨机提供垂直向下的进给力。

图2-1 带导轨的液压马达底座三维图形
因为铣刨机在工作时，能够在沥青路面上切开足够的深度，所以为了能直接达到窨井盖内层井架的深度，所以丝杠应提供足够的进给量。初步估算丝杠需提供的进给量为30cm。
通过查询，我们选择了导程为36cm的HIWIN滚珠丝杠。滚珠丝杠在使用上有很多的优点，举凡高效率、可逆性、零背隙、高刚性，导程精度高及其他多项优点，与传统螺杆相比较，滚珠丝杠在螺杆与螺帽间，加入钢珠。将传统螺杆的滑动摩擦传动以钢珠滚动运动取代。以大大降低摩擦损耗，有助于维持高效率及高精度。滚珠丝杠的各项特性及优点为；1.高效率及可逆性；由于滚珠丝杠（滚珠螺杆）螺杆轴及螺帽均是点接触之滚动运动，所以其效率可高达90%以上。因此其传动扭矩仅只有传统导螺杆的1/3，滚珠螺杆的机械效率远高于传统导螺杆。滚珠丝杠在牙型表面采以超精密加工，以降低珠槽与钢珠间的接触摩擦，又钢珠与珠槽间为点接触之滚动运动，有低摩擦力及高运转效率的优点。故可降低马达驱动力要求，既降低了成本，而且非常适合低功率的液压马达。
2.2 液压马达与定位轴的连接
由于定位轴要承受来自液压马达的转矩，且需要将转矩传递给稳定器，所以在连接与选材时应满足以下条件：液压马达与螺杆同轴定位连接装置，包括安装座和联轴器，所述的联轴器一端为液压马达端，另一端为螺杆端，所述的液压马达端与安装座内腔壁适配，其特征是所述的联轴器和安装座内腔壁之间设有单列推力球轴承和单列圆锥滚子轴承，使得螺杆注射运动时，所述的单列推力球轴承承受径向力；螺杆松退运动时，单列圆锥滚子轴承承受径向力。使用本结构的连接装置，能够保证液压马达与螺杆装配同轴，解决旋转摩擦、偏心的问题，并且更换结构简单、方便。
由于轴销在使用中，需要一直装夹工件，所以要求定位销轴应具有较好的耐磨性，因此，应选用较好的材料T10A或选用20号钢表渗碳淬火。且定位销技术要求应满足：1、尖角倒钝；2、对轴销进行防锈处理；3、热处理55-60HRC；4、材料T10A。
由于该窨井盖铣刨机适用于车载，动力来源与汽车，且搭载在汽车之上，所以考虑到一般中小型货车离地高度大约为2.5m，根据液压马达尺寸，立式铣刀的长度，选取定位轴的长度为80-150cm。在此由于是小型的铣刨机，所以选取定位轴的长度L=100cm。
根据经济型考虑轴销的材料一般都是用最便宜，最容易得到的材料，比如Q235。虽然铝合金也可以，但铝的E值只有钢的1/3左右，受力大时，变形也较大。而且铝合金的造价较昂贵。
2.3 稳定器与铣刀的连接
在此处连接，由于把稳定器设计成了正六边形，且可以有两个档安放刀具，为了能够快速的安装拆卸刀具且在切削工作时刀具能够得到良好的固定，我们在稳定器与铣刀连接中添加了刀架，刀架与刀具各钻出3个孔，能够与稳定器底边用螺栓连接在一起。刀架的三维图形如图2-2所示。

图2-2刀架的三维图形
为了在此处实现刀具的自动换挡，在刀架和稳定器之间可安装压自动往复液压油缸。如果采用液压驱动往复泵，有如下优点：
(1)使往复泵的活塞匀速运动，排出的液体压力、流量相对稳定；
(2)很容易实现长冲程、低冲次，降低泵元件的疲劳，延长泵的使用寿命；
(3)很容易实现无级调逮；
(4)可将单台泵的功率做得很大。
采用液压驱动往复泵的一个关键问题是如何可靠的实现液压油缸的自动往复。自动往复液压油缸结构如图2-3所示。

1-控制口；2、3-进、出油口；4-柱塞
图2-3自动往复液压油缸结构
图2-3为液压缸结构图，活塞的无杆腔侧有柱塞4，缸底上有与柱塞相配合的柱塞孔。当柱塞运动到缸底时，柱塞进入柱塞孔，封闭b腔油，此腔油有唯一的出口——控制口1。2、3为进、出油口。

1、4-单向阀；2、3-二位四通液控换向阀；5、6-液压缸
图2-4自动往复液压油缸系统原理图
系统原理图巾，单向阀5、6和二位四通液控换向阀7、8和两个液压缸9、10组成双缸单作用系统，两液压缸的有杆腔油口3相连，形成封闭腔。在如图所示状态下，一路压力油通过二位四通换向闽8进入液压缸9，推动液压缸9的活塞运动完成往复泵的排液，挤压有杆腔的油液推动液压缸10的活塞活动完成往复泵的吸液，同时通过控制口1作用到二位四通换向阀7的控制口，对二位四通换向阀7锁定；一路压力油通过二位四通换向阀7对二位四通换向阀8锁定。当液压缸10的活塞运动到底部，柱塞进入柱塞孔时，封闭一腔油，由于柱塞的截面积很小，产生高于系统压力的油压，作用于二位四通换向阀7的另一控制口，推动二位四通换向阀7换向，从而使二位四通换向阀8换向，液压缸9、10向相反的方向运动，整个系统完成换向。如此循环往复。
2.4 工作装置位置的确定与车身的连接
此处可根据液压挖掘机工作装置进行设计，初步设计由动臂机构，斗杆机构，工作装置组成。根据查阅所得数据可画出工作装置组成如图2-5所示。

图2-5 工作装置组成图
根据其特征简化后如图2-6所示。

1.工作装置 2.连杆 3.斗杆 4.动臂 5.工作装置液压缸 6.斗杆液压缸 7.动臂液压缸
图2-6 工作装置结构简画图
可见其工作装置经上图简化后实质是一组平面连杆机构，自由度是3，及工作装置的位置由动臂液压缸长度，斗杆液压缸长度，和工作装置液压缸长度决定，当其中任意长度为一确定的数值时工作装置的位置也就能够确定。
动臂液压缸装在动臂的前下方，动臂的下支撑点设在转台回转中心之前并稍高于转台平面。具体结构如图2-7所示。

1-动臂；2-动臂液压缸
图2-7 动臂液压缸的布置
斗杆液压缸与动臂的铰点设在动臂箱体的中间，液压缸活塞杆的端部与斗杆的铰点设在斗杆箱体的中间。具体结构如图2-8所示。

1-动臂；2-动臂液压缸；3-动臂；4-斗杆
图2-8 斗杆液压缸的布置

第三部分 窨井盖铣刨机的装配
3.1铣刨机工件的选型与确定
通过三维建模，以及所有参数的汇总，我们选取了最合适的零件尺寸用于装配。零件尺寸汇总见表3.1。
表3.1各零件参数汇总
零件名称
零件参数1
零件参数2
TMT液压马达
额定功率65kw
转速400r/min
定位轴
长度L=100cm
承受转矩1800N·m
HIWIN滚珠丝杠
进给量约为0.25mm/r
最大进给量（导程）36cm
稳定器
直径D=300mm
结构为双层正六边形
刀架
用于固定刀具

铣刀
最大铣削半径R2 =500mm
最大铣削深度30cm
3.2 装配所有工件并进行三维建模
3.2.1 CATIA介绍及主要特性
此次课程设计，我们小组用的三维画图软件为CATIA。CATIA可以用来进行三维机械设计、机械制造和工程分析等，它具有统一的用户界面、数据管理和应用程序接口，吸收并综合了其他优秀三维软件的特点。CATIA系列产品已经在七大应用领域里成为最先进的3D设计和模拟软件之一，广泛应用于汽车制造、航空航天、船舶制造、厂房设计、电力与电子、消费品和通用机械制造等。目前是世界上最常用的产品开发系统。
CATIA主要由以下特性：（1）CATIA具有在整个产品周期内的方便的修改能力，尤其是后期修改性。无论是实体建模还是曲面造型，由于CATIA提供了智能化的树结构，用户可方便快捷的对产品进行重复修改，即使是在设计的最后阶段需要做重大的修改，或者是对原有方案的更新换代，对于CATIA来说，都是非常容易的事。（2）CATIA所有模块具有全相关性，且各个模块基于统一的数据平台，因此CATIA的各个模块存在着真正的全相关性，三维模型的修改，能完全体实现二维，模拟分析，模具和数控加工的程序中。并行工程的设计环境使得设计周期大大缩短。（3）CATIA 提供的多模型链接的工作环境及混合建模方式，使得并行工程设计模式已不再是新鲜的概念，总体设计部门只要将基本的结构尺寸发放出去，各分系统的人员便可开始工作，既可协同工作，又不互相牵连；由于模型之间的互相联结性，使得上游设计结果可做为下游的参考，同时，上游对设计的修改能直接影响到下游工作的刷新。实现真正的并行工程设计环境。（4）CATIA覆盖了产品开发的整个过程在CATIA建模技术中变量和参数化混合建模：在设计时，设计者不必考虑如何参数化设计目标，CATIA提供了变量驱动及后参数化能力。几何和智能工程混合建模：对于我们这些大学生，可以将我们学习的多年的经验积累到CATIA的知识库中，锻炼我们学生的动手能力。
3.2.2对所有工件进行装配
通过利用CATIA软件，我们可以轻松地对所有零部件进行汇总，装配。装配总图如图3-1所示。

图3-1 窨井盖铣刨机总体装配三维图
第四部分 窨井盖铣刨机的使用方法介绍
1、先确定需要修复的路面以及是否需要更换窨井盖，明确了修复工作后，准备好设计的专用机械以及各种辅助配件，前往工作地点。到达指定工作地点后，观察路面周边情况，选择合适地点后，停好专用车辆，将装有工作壁一端靠近需要施工的窨井盖上方。
2、 协同工作人员用便携工具将需要更换的窨井盖掀起并拿走，将专为窨井盖口设计的卡钳装上，并且转动手把，直到卡钳三爪将窨井壁牢牢钳住。
3、 将提前准备好的特用提杆装配在所设计工作装置的中间位置，并且固定好，然后不断移动工程机械的大臂以及小臂，直到特用提杆下端能与卡钳中心槽配合，在细微调整动壁，观察提杆与窨井壁的相对位置，直到完全垂直。
4、 将准备好的保护罩装在工作装置上，以防施工时高速旋转的道具将石子与杂物打飞出去，伤着行人与工作人员。
5、 启动道具连接的六个液压缸，通过调整流量，达到调整工作装置的直径，调整完毕后，锁住液压缸，这时打开工作设施上的液压马达，道具开始旋转，根据路面的具体情况，调整液压马达的转速，寻找最合适的切削速度。
6、 将施工深度输入步进电机的控制单元，细心观察工作情况，确保铣刀工作深度能完全将道路与衔接处，这样才能将铣刨下来的废除地面材料与路面完全分离。
7、 铣刨工作完成之后，将液压马达以及步进电机的动力切断，确保提杆装置上下端都与工作装置安全正确的连接后，提起动壁，这时施工装置和特用提杆会与卡钳配合，将铣刨下来的圆筒形慢慢提起，当确保铣刨的圆筒形废路面材料低端高于周围路面时，在水平方向移动工作装置，将废除的铣刨材料提运到一边。
8、 工作人员将卡钳卸下，废弃的路面材料也将卸下，再将特用提拉杆卸下，清理道具，以及黏有粘土的工作装置即可。
9、 换上提前准备好的新窨井以及过滤网，将周围的路面补平，然后盖上窨井盖，利用小型压力设备，将路面夯结实，确定水平后，清理周围路面，工作结束。

设计总结
为了更好的完成此次设计，我们小组同学进行了认真的实践考察，并仔细查阅资料。这次毕业设计让我更加熟悉了从理论到实践的跨越。首先，我们对路面的井盖进行了认真的测量，研究。在通过网上视频学习了井盖的铣刨过程。在这段时间里受益非浅。经过几天的认真分析和查有关资料，随着对零件图的全面理解，设计工作也全面展开，在本次设计过程中我也大量查阅了 与此次设计的有关课程书然后设计出了大体的方案。
设计中我们认真的学习，查阅资料，克服了受力分析，机器构造，画图等等这些困难。本文对机器工作原理，构成，及其配置做了明确的分析。并且总结了其优缺点。在各系统的阐述过程中，对必要的选型计算做了分析，提出了比较合理的计算公式，并对公式各参数做了详细的说明，可供其他同类产品设计时参考。
通过一段时间的学习和查阅资料，我们发现：
1.目前中国对于铣刨机的研究比较少，远远不如国外发展的快。很多技术的核心还掌握在外国。
2.我们需要在发动机上面多做研究，提高效率。
3.跟踪外国先进技术，认真学习、研究。
通过此次毕业设计，也使我们对CAD、CATIA等软件有了进一步加强、了解，并使我们能更好掌握其特性。通过毕业设计和毕业实习过程中学会调查研究，收集技术资料的方法，并能较熟悉的运用和查找有关的工具书、手册、图表资料的技术参考书。此次毕业设计是我们所许的理论知识和实践知识的一次实地验证，培养我们综合运用已学理论知识和技能、分析问题、解决问题的能力。
课程设计是对我们大四学生的一次综合考验，是对我们四年学习任务的考察，在毕业设计的过程中，我们不但可以跟老师学习新的知识，拓展我们的视野，还能对以前学到的知识进行巩固、复习。
在此次设计过程中，老师给了我们很大的帮助，他严谨、一丝不苟的工作作风是我们应该认真学习的榜样，在此，衷心的向老师表示感谢，感谢老师抽出时间来对我们进行指导。还有同一小组同学的认真努力，共同奉献。通过课程设计，我们明白了学术的一丝不苟，在今后的学习工作中，给了我们很大的启发，一定会踏实、严谨的做好每一件事。

参考文献
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