牛用饮水器毕业设计(论文).doc

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3）其它
第1章 绪 论

1.1 课题研究的目的和意义
饮水器是现代人类智慧的高度集成和交融的产物，饮水器在人类创新思维的一次次闪光，发展一次次达到一个新的水平。饮水器涉及机械、铸造、陶瓷、水流压力系统等诸多学科领域，成为高科技中极为重要的组成部分。人类文明的发展、科技的进步已和饮水器的研究、应用产生了不可分的关系。饮水器已广泛地应用于畜牧业中。饮水器在现代畜牧业中应用得特别广泛，它是现代牧场的必需设备，即用即饮的饮水模式改变了传统的盛水模式，使牲畜更便捷、更卫生；使牲畜足量饮水、远离疾病；使牧场减少人员投入、降低成本。人类社会畜牧业的发展已离不开饮水器，而饮水器的进步又对畜牧业发展起着不可代替的作用。因此，设计饮水器有特别重要的意义。
1.2 饮水器的发展历史及现状
饮水器是畜牧业中饮水环节发展起来的一个饮水设备，是畜牧业中广为应用的一个设备。如今，饮水器流水平的高低已成为一个国家畜牧业发展水平的重要标志[3]。
随着社会发展与进步，饮水器也有了很大的发展，各种不同牲畜的饮水器不断的被人们设计出来。从最开始的畜牧的自由饮水，后来的槽式饮水，到现在各个不同的牲畜使用不同的饮水器。可以说饮水器的发展是飞快的。饮水器，在养殖业中一直存在着许多不同的饮水器，为了更适合畜牧的养殖，养殖业主们根据不同的畜牧对其进行不同得设计及制造。
我国的饮水器设计起步较晚，约于20世纪90年代末、21世纪初开始。以前，我们都是弄个装水的大缸，让牲畜喝水，在定时往里加水；后来我们把自来水管接到了接水大缸，进行远程控制；再后来，就有了饮水器，全自动控制。从而在本质上改变饮水模式，使牲畜更便捷、更卫生；使牲畜足量饮水、远离疾病；使牧场减少人员投入、降低成本。
1.3 饮水器的特点
饮水器有以下几个特点：
1、活水性
很多饮水器它都是和自来水管联系在一起的，在牲畜饮水时自己控制其饮水量，且时刻保持的所饮水都是干净水。
2、易消毒
因为它是与自来水管相连，在消毒方面我们可以直接在水的源头消毒，这样简单方便。
3、专一性
因为饮水器是根据一种畜牲的饮水习惯、嘴型设计的，所以它只能供一种牲畜使用。
1.4 饮水器的组成
作为一个设备，饮水器由三个零件组成，它由饮水碗，压板，水阀三部分组成。饮水碗体坚固耐用，搪瓷表面不宜结垢、易于清理，压板光洁防锈，厚度足够决不变形，水阀耐用防锈，不同孔径进水阀可依据牧场水压情况合理选购，

第2章 设计的前期准备
2.1 计划任务书
根据目前制造业发展趋势和畜牧业的需求来确定的题目，题目新颖、内容广泛、适用性强，跨学科，跨专业密切联系现代制造业自动化的建设问题。
2.1.1 产品设计的依据
本设计是在对上海特瑞机械设备有限公司的产品及养殖业中牛的生活习性，饮水习惯进行分析后。本设计过程中，按照其牛嘴大小，力道大小进行的改进设计，力求具备可能完善的性能，同时力求系列化、通用化、标准化，并使产品符合时代潮流：高性能、高自动化、控制灵活、低耗能、低成本[10]。
2.1.2 计划任务书的要求
随着人们生活水平的不断提高，乳制品越来越受到人们的青睐，同时人们乳制品的卫生正在提出新的要求，特别是三鹿事件后，人们对畜牧业的牲口卫生也提出了新的要求，本设计就是为了适应市场对该方面的需要而提出的。
本课题要求设计一款供牛饮水的饮水器，要求结构简单，使用方便。
在做本课题时，需要查阅机械制图、机械设计、模具设计等课程的学习，结合实际情况，进行自行设计。
2.2 设计前的资料准备
为了取得充分、完备的第一手资料，本设计在指导教师的指导下对上海特瑞机械设备有限公司的产品进行研究，对研究过程中遇到的问题仔细听取了指导教师的讲解。回来后，收集了上海特瑞机械设备有限公司的各系列产品的有关材料，通过分析其牛的习性和牛的饮水习惯及牛头力道大小，并根据其外形牛嘴特点，通过比较其结构的优缺点，根据当今对饮水器自动化的要求，结合自己所学的理论知识进行设计。
第3章 总体设计方案拟定
设计饮水器的第一步是进行总体方案设计，即在充分调查研究的基础上，进行可行性分析论证，确定饮水器的使用范围、使用方法、初选各部件的结构和总体布局等。这是饮水器设计的依据。因此，在拟定总体方案时，必须全面地考虑，使确定的方案既先进又经济效益高。
3.1 饮水碗
饮水碗是采用铸造碗体，搪瓷表面。铸铁碗体坚固耐用，搪瓷表面不宜结垢、易于清理。
铸造 铸造有可按铸型的材料分为砂型铸造和金属型铸造。铸造还可按金属液的浇注工艺分为重力铸造和压力铸造。重力铸造是指金属液在地球重力作用下注入铸型的工艺，也称浇铸。广义的重力铸造包括砂型浇铸、金属型浇铸、熔模铸造、消失模铸造，泥模铸造等；窄义的重力铸造专指金属型浇铸。压力铸造是指金属液在其他外力(不含重力)作用下注入铸型的工艺，按照压力的大小，又分为高压铸造(压铸)和低压铸造。
在被设计中，我们采用金属型铸造又称硬模铸造，它是将液体金属浇入金属铸型，以获得铸件的一种铸造方法。铸型是用金属制成，可以反复使用多次(几百次到几千次)。
3.1.1 金属型铸造工艺
1、金属型的预热未预热的金属型不能进行浇注。这是因为金属型导热性好，液体金属冷却决，流动性剧烈降低，容易使铸件出现冷隔、浇不足夹杂、气孔等缺陷。未预热的金属型在浇注时，铸型，将受到强烈的热击，应力倍增，使其极易破坏。因此，金属型在开始工作前，应该先预热，适宜的预热温度(即工作温度)，随合金的种类、铸件结构和大小而定，一般通过试验确定。一般情况下，金属型的预热温度不低于1500C.金属型的预热方法有：
(1)用喷灯或煤气火焰预热；
(2)采用电阻加热器；
(3)采用烘箱加热，其优点是温度均匀，但只适用于小件的金属型；
(4)先将金属型放在炉上烘烤，然后浇注液体金属将金属型烫热。这种方法，只适用于小型铸型，因它要浪费一些金属液，也会降低铸型寿命。
2、金属型的浇注
金属型的浇注温度，一般比砂型铸造时高。可根据合金种类、如化学成分、铸件大小和壁厚，通过试验确定。
由于金属型的激冷和不透气，浇注速度应做到先慢，后快，再慢。在浇注过程中应尽量保证液流平稳。
3、铸件的出型和抽芯时间如果金属型芯在铸件中停留的时间愈长，由于铸件收缩产生的抱紧型芯的力就愈大，因此需要的抽芯力也愈大。金属型芯在镜件中最适宜的停留时间，是当铸件冷却到塑性变形温度范围，并有足够的强度时，这时是抽芯最好的时机。铸件在金属型中停留的时间过长，型壁温度升高，需要更多的冷却时间，也会降低金属型的生产率。
4、金属型工作温度的调节要保证金属型铸件的质量稳定，生产正常，首先要使金属型在生产过程中温度变化恒定。所以每浇一次，就需要将金属型打开，停放一段时间，待冷至规定温度时再浇。如靠自然冷却，需要时间较长，会降低生产率，因此常用强制冷却的方法。冷却的方式一般有以下几种：
(1) 风冷：即在金属型外围吹风冷却，强化对流散热。风冷方式的金属型，虽然结构简单，容易制造，成本低，但冷却效果不十分理想。
(2) 间接水冷：在金属型背面或某一局部，镶铸水套，其冷却效果比风冷好，适于浇注铜件或可锻铸铁件。但对浇注薄壁灰铁铸件或球铁铸件，激烈冷却，会增加铸件的缺陷。
(3) 直接水冷：在金属型的背面或局部直接制出水套，在水套内通水进行冷却，这主要用于浇注钢件或其它合金铸件，铸型要求强烈冷却的部位。因其成本较高，只适用于大批量生产。
如果铸件壁厚薄悬殊，在采用金属型生产时，也常在金属型的一部分采用加温，另一部分采用冷却的方法来调节型壁的温度分布。
5、金属型的涂料在金属型铸造过程中，常需在金属型的工作表面喷刷涂料。涂料的作用是：调节铸件的冷却速度；保护金属型，防止高温金属液对型壁的冲蚀和热击；利用涂料层蓄气排气。
根据不同合金，涂料可能有多种配方，涂料基本由三类物质组成：
（1）.粉状耐火材料(如氧化锌，滑石粉，锆砂粉、硅藻土粉等)；
（2）.粘结剂(常用水玻璃，糖浆或纸浆废液等)；
（3）.溶剂(水)。具体配方可参考有关手册。
　涂料应符合下列技术要求：要有一定粘度，便于喷涂，在金属型表面上能形成均匀的薄层；涂料干后不发生龟裂或脱落，且易于清除；具有高的耐火度；高温时不会产生大量气体；不与合金发生化学反应(特殊要求者除外)等。
6、复砂金属型(铁模复砂)涂料虽然可以降低铸件在金属型中的冷却速度，但采用刷涂料的金属型生产球墨铸铁件(例如曲轴)，仍有一定困难，因为铸件的冷速仍然过大，铸件易出现白口。若采用砂型，铸件冷速虽低，但在热节处又易产生缩松或缩孔，在金属型表面复以4-8mm的砂层，就能铸出满意的球墨铸铁件。
复砂层有效地调节了铸件的冷却速度，一方面使铸铁体不出白口，另一方面又使冷速大于砂型铸造。金属型无溃散性，但很薄的复砂却能适当减少铸件的收缩阻力。此外金属型具有良好的刚性，有效地限制球铁石墨化膨胀，实现了无冒口铸造，消除疏松，提高了铸件的致密度。如金属型的复砂层为树脂砂，一般可用射砂工艺复砂，金属型的温度要求在180～200℃之间。复砂金属型可用于生产球铁，灰铁或铸钢件，其技术效果显著。
7、金属型的寿命提高金属型寿命的途径为：
(1).选用导热系数大，热膨胀系数小，而且强度较高的材料制造金属型；(2).合理的涂料工艺，严格遵守工艺规范；(3).金属型结构合理，制造毛坯过程中应注意消除残余应力；(4).金属型材料的晶粒要细小。
3.1.2 金属型铸件的工艺设计
根据金属型铸造工艺的一些特点，为了保证铸件质量，简化金属型结构，充分发挥它的技术经济效益，首先必须对铸件的结构进行分析，并制订合理的铸件工艺。
1、 铸件结构的工艺性分析金属型铸造结构工艺性的好坏，是保证铸件质量，发挥金属型铸造优点的先决条件。合理的铸造构应遵循下列原则：
（1）铸造结构不应阻碍出型，防碍收缩；
（2） 厚差不能太大，以免造成各部分温差悬殊，从而引起铸件缩裂和缩松；
（3）限制金属型铸件的最小壁厚。
另外，对铸件非加工面的精度和光洁度应要求适当。
2、铸件在金属型中的浇注位置铸件的浇注位置直接关系到型芯和分型面的数量、液体金属的导入位置，冒口的补缩效果，排气的通畅程度以及金属型的复杂程度等。选择浇注位置的原则如下：
（1）保证金属液在充型时流功平稳，排气方便，避免液流卷气和金属被氧化；
（2）有利于顺序凝固，补缩良好，以保证获得组织致密的铸件；
（3）型芯数目应尽量减少，安放方便、稳定、而且易于出型；
（4）有利于金属型结构简化，铸件出型方便等。
3、铸性分型面的选择分型面形式一般有垂直、水平和综合分类(垂直、水平混合分型或曲面分型)三种。选择分型面的原则如下：
（1）为简化金属型结构，提高稿件精度，对形状教简单的铸件最好都布置在半型内，或大部分布置在半型内；
（2）分型面数目应尽量少，保证铸件外形美观，铸件出型和下芯方便；
（3）选择的分型面应保证设置浇冒口方便，金属充型时流动平稳，有利于型腔里的气体排出；
（4）分型面不得选在加工基准面上；
（5）尽量避免曲面分型，减少拆卸件及活决数量。
4、浇铸系统设计根据金属型铸造的某些特点，在设计浇注系统时须注意以下几点：金属浇注速度大，超过砂型的约20%。其次，在液体金属充型时，型腔里的气体要能顺利排除，其流向应尽可能与液流方向一致，顺利的将气体挤向冒口或出气冒口；此外，应注意使液体金属在充型时流动平稳，不产生涡流，不冲击型壁或型芯，更不可产生飞溅。
金属型的浇注系统一般分为顶注式、底注式和侧注式三类。
（1）顶注式，其热分布较合理，有利于顺序凝固，可减少金属液的消耗，但金属液流动不平稳，易进法，铸件高时，易冲击型胶底部或型芯。若用于浇注铝合金件，一般只适用于铸件高度小于100毫米的简单件；
（2）底注式，金属液流动较平稳，有利于排气，但温度分布不合理，不利于铸件顺利凝固；
（3）侧注式，兼有上述两者的优点，金属液流动平稳，便于集渣，排气等，但金属液消耗大，浇口清理工作量大。
金属型浇注系统的结构与砂型铸造基本相似，但由于金属型壁不透气，导热能力强，因此要求浇注系统结构，能有利于降低金属液流速，流动平稳，减少其对型壁的冲刷。除应保证型腔内气体有充裕的时间排除外，还保证在充型过程中不得产生喷溅。
当用金属型浇注黑色金属时，由于铸件冷速大，液流的粘度急剧增加，因此多采用封闭式浇口，其各部分截面积比例为：F内：F横：F直＝1：1.15：1.25
5、冒口设计
金属型铸造的冒口和砂型铸造时具有同等的作用：即为补缩、集渣和排气。它的设计原则也与砂型用冒口相同。由于金属型冷却速度大，而冒口又常采用保温涂料或砂层，因此金属型的冒口尺寸可比砂型的冒口小。
6、金属型铸件的工艺参数由于金属型工艺的特点，其铸件的工艺参数与砂型铸件略有区别。金属型铸件的线收缩率不仅与合金的线收缩有关，还与铸件结构、铸件在金属型中收缩受阻的情况、铸件出型温度，金属型受热后的膨胀及尺寸变化等因素有关，其取值还要考虑在试浇过程中留有修改尺寸的余地。
3.1.3金属型的设计
铸件工艺图绘制之后，就可进行金属型设计。设计内容主要包括确定金属型的结构、尺寸、型芯、排气系统和顶杆机构等。
对设计的金属型应力求结构简单，加工方便，选材合理，安全可靠。.金属型的结构形式，金属型的结构形式金属型的结构取决于铸件形状、尺寸大小；分型面数量；合金种类和生产批量等条件。按分型面位置，金属型结构有以下几种形式：
（1）整体金属型，铸型无分型面，结构简单，但它只适用于形状简单，无分型面的铸件；
（2）水平分型金属型，它适用于薄壁轮状铸件。
1、垂直分型金属型，这类金属型便于开设浇冒口和排气系统，开合型方便，容易实现机械化生产；多用于生产简单的小铸件；4.综合分型金属型：它由两个或两个以上的分型面组成，甚至由活块组成，一般用于复杂铸件的生产。操作方便，生产中广泛采用。
2、金属型主体设计金属型主体系指构成型腔，用于形成铸件外形的部分。主体结构与铸件大小，其在型中的浇注位置，分型面以及合金的种类等有关。在设计时应力求使型腔的尺寸准确；便于开设浇注系统和排气系统，铸件出型方便，有足够的强度和刚度等。
3、金属型芯的设计根据铸件的复杂情况和合金的种类可采用不同材料的型芯。一般浇注薄壁复杂件或高熔点合金(如锈钢、铸铁)时，多采用砂芯，而在浇注低熔点合金(如铝、镁合金)时，大多采用金属芯。在同一铸件上也可砂芯和金属芯并用。
4、金属型的排气在设计金属型时就必须有排气设施，其排气的方式有以下几种：
（1）利用分型面或型腔零件的组合面的间隙进行排气。
（2）开排气槽。即在分型面或型腔零件的组合面上，芯座或顶杆表面上做排气槽。
（3）设排气孔。排气孔一般开设在金属型的最高处。
（4）排气塞是金属型常用的排气设施
5、顶出铸件机构设计金属型腔的凹凸部分，对铸件的收缩会有阻碍，铸件出型时就会有阻力，必须采用顶出机构，方可将铸件项出。在设计顶出机构时，须注意下面几点：防止顶伤铸件，即防止铸件被顶变形或在铸件表面顶出凹坑；防止顶杆卡死，首先是顶杆与顶杆孔的配合间隙要适当。如果间隙过大易钻入金属，过小则可能造成卡死的现象。根据经验最好采用D4／dC4级配合。
6、金属型的定位、导向及锁紧机构金属型合型时，要求两半型定位准确，、一般采用两种办法，即定位销定位和“止口”定位。对于上下分型，而分型面为圆形时，可采用“止口”定位，而对于矩形分型面大多采用定位销定位。定位销应设在分型面轮廓之内，当金属型本身尺寸较大，而自身的重量也较大时，要保证开合型定位方便，可采导向形式。
7、金属型材料的选择从金属型的破坏原因分析可以看到，制造金属型的材料，应满足下列要求：耐热性和导热性好，反复受热时不变形，不破坏；应具有一定的强度、韧性及耐磨性，机械加工性好。
铸铁是金属型最常用的材料。其加工性能好，价廉，一般工厂均能自制，并且它又耐热、耐磨，是一种较合适的金属型材料。只是在要求高时，才使用碳钢和低合金钢。
采用铝合金制造金属型，在国外已引起注意，铝型表面可进行阳极氧化处理，而获得一层由Al2O3及Al2O3·H2O组成的氧化膜，其熔点和硬度都较高，而且耐热、耐磨。据报导这种铝金属型，如采用水冷措施，它不仅可铸造铝件和铜件，同样也可用来浇注黑色金属铸件
3.1.4 搪瓷
搪瓷是将玻璃质瓷釉涂敷在金属基材表面,经过高温烧结,瓷釉与金属之间发生物理化学反应而牢固结合,在整体上有金属的力学强度,表面有玻璃的耐蚀、耐热、耐磨、易洁和装饰等特性的一种涂层材料。它主要用于钢板、铸铁、铝制品等表面，应用广泛。
1 瓷釉的基本成分
瓷釉是将一定组成的玻璃料熔块与添加物一起进行粉碎混合制成釉浆，然后涂烧在金属表面而形成的涂层。
2 搪瓷基材的表面清洁处理
金属坯体在搪瓷前必须碱洗、酸洗或喷砂，以去锈、脱脂并清洗干净。泵铸件一般采用喷丸→喷砂→低温干燥。
3 瓷釉的涂敷和搪瓷的烧成
瓷釉的涂敷方法 主要有手工涂搪、喷搪、浸搪、电泳涂搪、静电喷搪等多种。一般根据制品数量、质量要求、原材料、生产率等来合理选择涂敷方法。
3.1.5 搪瓷对饮水碗性能的影响
搪瓷涂层以其突出的玻璃特性和良好的物理机械性能，使其在饮水器行业的应用日趋广泛。
1.搪瓷技术的应用使铸铁碗对化学介质产生优良的耐蚀性，能耐多种无机
和有机酸、弱酸和有机溶剂，以及耐油、无毒、无污染、不挂料和电绝缘等优点，显著扩大了铸铁碗的适用领域。
2. 搪瓷技术的应用使饮水碗饮水部件更加光滑，从而降低液流的摩擦损失，使饮水器的使用寿命更长，更经济。
3.2 压板
压板采用不锈钢，因为不锈钢耐腐蚀，现代社会，重工业造成大气污染的区域。污染可能是由于燃油所形成的气体，例如硫和氮的氧化物，或者是化工厂或加工厂释放的其它气体。空气中悬游的颗粒，像钢铁生产过程中产生的灰尘或氧化铁的沉积也会使腐蚀增。不锈钢的耐腐蚀性取决于铬，但是因为铬是钢的组成部分之一，所以保护方法不尽相同。
在铬的添加量达到10．5％时，钢的耐大气腐蚀性能显著增加，但铬含量更高时，尽管仍可提高耐腐蚀性，但不明显。原因是用铬对钢进行合金化处理时，把表面氧化物的类型改变成了类似于纯铬金属上形成的表面氧化物。这种紧密粘附的富铬氧化物保护表面，防止进一步地氧化。这种氧化层极薄，透过它可以看到钢表面的自然光泽，使不锈钢具有独特的表面。而且，如果损坏了表层，所暴露出的钢表面会和大气反应进行自我修理，重新形成这种氧化物"钝化膜"，继续起保护作用。
自本世纪初发明不锈钢以来，不锈钢就把现代材料的形象和建筑应用中的卓越声誉集于一身，使其竞争对手羡慕不已。不锈钢不会产生腐蚀、点蚀、锈蚀或磨损。不锈钢还是建筑用金属材料中强度最高的材料之一。由于不锈钢具有良好的耐腐蚀性，所以它能使结构部件永久地保持工程设计的完整性。含铬不锈钢还集机械强度和高延伸性于一身，易于 制造，可满足建筑师和结构设计人员的需要。
因此，在本设计中我们采用不休钢制造压板，提高了饮水器的使用寿命，使产品更经济，更实惠。
3.3 水阀
利用牛头压压板的压力，弹簧弹力水的压力等力学特性设计机械的关联作用，实现自来水供水暂停全自动作用。
3.3.1 引言
畜牧业的饲养中，当自来水供水暂停时，容易出现下列两种情况：使用者打开水阀发现没水，未将水阀重新关好即离开；在使用时中途供水中断，使用者忘记关水阀即离开。此两种情况下，当供水恢复时，由于水阀处于开启状态，自来水会长时间外流造成浪费，甚至造成饲养房受淹，地面潮湿，容易产生病毒，给牲畜生病，在成经济上的损失，而且饲养也麻烦，耽误时间。
3.3.2 水阀的特点
水阀利用水压，牛的压力，弹簧弹力等力学特性，设计相关机械的关联作用，实现一种简单、可行的停水自锁机构。本阀采用普通水阀常用的陶瓷阀芯，经久耐用并易于更换。阀芯其他部件结构简单，造价低廉并方便拆换，整体可靠性高。
水阀主要由阀芯、水阀外壳、弹簧、密封圈等部件组成。
3.3.3 水阀的工作原理
饮水器如右图所示：
牛渴时，把嘴巴伸进饮水碗1中，嘴巴顶在压板2上，压板2压水阀阀芯4，阀芯4向左移动，带动密封圈6向左移动，打开了密封在阀外壳3中间孔，水从阀外壳中间孔流入饮水碗1中，牛饮水;牛喝完水后，嘴巴伸出饮水碗1，松开压板2，弹簧5弹回原来位置，带动阀芯4向右移动，阀芯4又带动密封圈6向右移动，密封圈密封阀外壳3的中间孔，水停止流动。
3.4 弹簧
3.4.1 弹簧设计基本公式
1 强度计算公式

　　 式中， K 为曲度系数， ；
F 为载荷；
C 为弹簧指数（亦称旋绕比）， C = D 2 / d ；
　　　　　 [τ] 为弹簧材料的许用扭转应力。由此可计算弹簧丝直径d。
2 刚度计算公式

　　　 式中， n 为弹簧的有效圈数；
G 为弹簧的切变模量；
λ 为弹簧变形量；
D 2 为弹簧圈中径；
　　　　　　 其它符号意义同前。
3 稳定性计算公式
　　 为了限制弹簧载荷 F 小于失稳时的临界载荷 F cr 。一般取 F = F cr /(2～2.5)，其中临界载荷可按下式计算
F cr = C B k H 0
　　 式中， C B 为不稳定系数
注： 1---两端固定； 2---一端固定； 3---两端自由转动
3.4.2 弹簧的参数及几何尺寸
1 弹簧的主要尺寸

（对压缩弹簧）
t=d （对拉伸弹簧）；
式中：λmax --- 弹簧的最大变形量；
Δ --- 最大变形时相邻两弹簧丝间的最小距离，一般不小于0.1d。
弹簧钢丝间距：
　　　　　δ=t-d ；
弹簧的自由长度：
　　　　　H=n·δ+(n0-0.5)d（两端并紧磨平）；
　　　　　H=n·δ+(n0+1)d（两端并紧，但不磨平）。
弹簧螺旋升角：
通常α取5～90 。
弹簧丝材料的长度：
（对压缩弹簧）；
（对拉伸弹簧）；
其中l为钩环尺寸。
3 弹簧的强度计算
（1）弹簧的受力

图示的压缩弹簧，当弹簧受轴向压力F时，在弹簧丝的任何横剖面上将作用着：扭矩T=FRcosα ，弯矩M=FRsinα，切向力Q=Fcosα和法向力N=Fsinα（式中R为弹簧的平均半径）。由于弹簧螺旋角α的值不大（对于压缩弹簧为6～90 ）,所以弯矩M和法向力N可以忽略不计。因此，在弹簧丝中起主要作用的外力将是扭矩T和切向力Q。α的值较小时，cosα≈ 1,可取T=FR和Q=F。这种简化对于计算的准确性影响不大。
当拉伸弹簧受轴向拉力F时，弹簧丝槽剖面上的受力情况和压缩弹簧相同，只是扭矩T和切向力Q均为相反的方向。所以上述两种弹簧的计算方法可以一并讲述。
（2）弹簧的强度
从受力分析可见，弹簧受到的应力主要为扭矩和横向力引起的剪应力，对于圆形弹簧丝
系数Ks可以理解为切向力作用时对扭应力的修正系数，进一步考虑到弹簧丝曲率的影响，可得到扭应力

式中K为曲度系数。它考虑了弹簧丝曲率和切向力对扭应力的影响。一定条件下钢丝直径

3.4.3 弹簧的刚度
弹簧刚度是指使弹簧产生单位变形的载荷，用C和CT分别表示拉（压）弹簧的刚度与扭转弹簧的刚度，其表达式如下
圆柱弹簧受载后的轴向变形量

式中n为弹簧的有效圈数；G为弹簧的切变模量。
这样弹簧的圈数及刚度分别为

对于拉伸弹簧，n1>20时，一般圆整为整圈数，n1<20时，可圆整为1/2圈；对于压缩弹簧总圈数n1的尾数宜取1/4、1/2或整圈数，常用1/2圈。为了保证弹簧具有稳定的性能，通常弹簧的有效圈数最少为2圈。C值大小对弹簧刚度影响很大。若其它条件相同时，C值愈小的弹簧，刚度愈大，弹簧也就愈硬；反之则愈软。不过，C值愈小的弹簧卷制愈困难，且在工作时会引起较大的切应力。此外，k值还和G、d、n有关，在调整弹簧刚度时，应综合考虑这些因素的影响。
3.4.4 稳定性计算
压缩弹簧的长度较大时，受载后容易发生图a)所示的失稳现象，所以还应进行稳定性的验算。

图a　　　　　　　　　　图b　　　　　　　　　图c
为了便于制造和避免失稳现象出现，通常建议弹簧的长径比b=H0/D2按下列情况取为：
弹簧两端均为回转端时，b≤2.6；
弹簧两端均为固定端时，b≤5.3 ；
弹簧两端一端固定而另一端回转时，b≤3.7。
如果b大于上述数值时，则必须进行稳定性计算，并限制弹簧载荷F小于失稳时的临界载荷Fcr。一般取F=Fcr/(2～2.5)，其中临界载荷可按下式计算：
Fcr=CBkH0
式中，CB为不稳定系数，由下图查取。
如果F>Fcr，应重新选择有关参数，改变b值，提高Fcr的大小，使其大于Fmax之值，以保证弹簧的稳定性。若受结构限制而不能改变参数时，就应该加装图b)、c)所示的导杆或导套，以免弹簧受载时产生侧向弯曲。

3.4.5 弹簧处理工艺
1
整定处理 
又称“立定处理”。将热处理后的压缩弹簧压缩到工作极限载荷下的高度或压并高度（拉伸弹簧拉伸到工作极限载荷下的长度，扭转弹簧扭转到工作极限扭转角），一次或多次短暂压缩（拉伸、扭转）以达到稳定弹簧几何尺寸为主要目的的一种工艺方法。
2
加温整定处理 
又称“加温立定处理”。在高于弹簧工作温度条件下的立定处理。
3
强压处理 
将压缩弹簧压缩至弹簧材料表层产生有益的与工作应力反向的残余应力，以达到提高弹簧承载能力和稳定几何尺寸的一种工艺方法。 
4
加温强压处理 
在高于弹簧工作条件下进行的强压处理 
5
强拉处理 
将拉伸弹簧拉伸至弹簧材料表面产生有益的与工作应力反向的残余应力，以提高弹簧承载能力和稳定其几何尺寸的一种工艺方法。 
6
加温强拉处理 
在高于弹簧工作温度条件下进行的强拉处理 
7
强扭处理 
将扭转弹簧扭转至弹簧材料表层产生有益的与工作应力反向的残余应力，以提高弹簧承载能力和稳定其几何尺寸的一种工艺方法。 
8
加温强扭处理 
高于弹簧工作温度条件下进行的强扭处理
3.4.6 弹簧特性曲线
1、定义：表征弹簧载荷F、T与其变形l之间关系的曲线，称为弹簧特性线。
2、 载荷与变形：对于受压或受拉的弹簧，载荷指压力或拉力，变形是指弹簧压缩量或伸长量；对于受扭转的弹簧，载荷是指扭矩，变形是指扭角。
3、 常见类型：按照结构型式不同，常见的弹簧特性曲线有如图所示的四种：

弹簧的特性曲线应绘制在弹簧的工作图上，作为检验与试验的依据之一。同时还可在设计弹簧时，利用特性曲线进行载荷与变形关系的分析。
弹簧刚度是指使弹簧产生单位变形的载荷，用C和CT分别表示拉（压）弹簧的刚度与扭转弹簧的刚度，其表达式如下：
对于拉压弹簧

对于扭转弹簧

其中：F --- 弹簧轴向拉（压）力；
λ --- 弹簧轴向伸长量或压缩量；
T --- 扭转弹簧的扭矩；
--- 扭转弹簧的扭转角。
3.4.7 弹簧刚度与弹簧特性的关系

图a）所示的直线型弹簧，其刚度为一常数。这种弹簧的特性曲线越陡，弹簧刚度相应愈大，即弹簧愈硬；反之则愈软。
图b）所示的弹簧特性曲线为刚度渐增型，即弹簧随变形量的增大其刚度越大，且在最大或冲击载荷作用时，仍具有较好的缓冲减振性能，故多使用弹簧特性曲线具有该型曲线的走向。
图c）所示弹簧特性曲线为刚度渐减型，即弹簧刚度随变形的增大而越小。为了在冲击动能一定时，获得较小冲击力，则应使用具有刚度渐减型特性
3.4.8 弹簧材料
为了保障弹簧能够可靠地工作，其材料除应满足具有较高的强度极限和屈服极限外，还必须具有较高的弹性极限、疲劳极限、冲击韧性、塑性和良好的热处理工艺性等。表20-2列出了几种主要弹簧材料及其使用性能。实践中应用最广泛的就是弹簧钢，其品种又有碳素弹簧钢、低锰弹簧钢、硅锰弹簧钢和铬钒钢等。图20-2给出了碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限。

类别
代号
Ⅰ类弹簧
Ⅱ类弹簧
钢丝
碳素弹簧钢丝
Ⅰ,Ⅱ,Ⅱa,Ⅲ
0.3σb
0.4σb
60Si2Mn 60Si2MnA
471
627
65Si2MnWA
60Si2CrVA
560
745
30W4Cr2VA
442
588
50CrVA
不锈钢
1Cr18Ni9Ti
324
432
4Cr13
442
588
Co40CrNiTiMo
500
666
青铜丝
Qsi-3
265
353
QSn4-3
Qbe2
353
442
切变模量G/GPa
弹性模量E/GPa

推荐硬度范围HRC
推荐使用温度°C
特性及用途
81.5～78.5
204～202
-
-40～120
强度高，性能好，适于做小弹簧
78.5
197
45～50
-40～200
弹性好，回火稳定，易脱碳，适于做受大载荷的弹簧
47～52
-40～250
强度好，耐高温，弹性好
43～47
-40～350
高温强度好，淬透性好。
45～50
-40～210
高疲劳强度，淬透性和回火稳定性好
71.5
193
-
-250～300
耐腐蚀，耐高温，适于做小弹簧
75.5
215
48～53
-40～300
耐腐蚀，耐高温，适于做大弹簧
76.5
197
=
-40～500
耐腐蚀，高强度，无磁，低后效，高弹性
40.2
93
HB90～120
-40～120
耐腐蚀，防磁好
39.2
42.2
129.5
37～40
耐腐蚀，防磁，导电性及弹性好
注：
① 按受力循环次数N不同，弹簧分为三类：Ⅰ类N>106；Ⅱ类N=103～105以受击载荷的场合；Ⅲ类N<103。
② 碳素弹簧钢丝按机械性能不同分Ⅰ、Ⅱ、Ⅱa、Ⅲ四组，Ⅰ组强度最高，依次为Ⅱ、Ⅱa、Ⅲ组。
③ 弹簧的工作极限应力tlim：Ⅰ类￡1.67[t]；Ⅱ类￡1.25[t]；Ⅲ类￡1.12[t]。
④ 轧制钢材的机械性能与钢丝相同。
⑤ 碳素钢丝的切变模量和弹性模量对0.5～4mm直径有效，>4mm取下限。
2 材料选择
弹簧材料选择必须充分考虑到弹簧的用途、重要程度与所受的载荷性质、大小、循环特性、工作温度、周围介质等使用条件，以及加工、热处理和经济性等因素，以便使选择结果与实际要求相吻合。钢是最常用的弹簧材料。当受力较小而又要求防腐蚀、防磁等特性时，可以采用有色金属。此外，还有用非金属材料制做的弹簧，如橡胶、塑料、软木及空气等。
3 弹簧制造
螺旋弹簧的制造工艺过程如下：
①绕制；
②钩环制造；
③端部的制作与精加工；
④热处理；
⑤工艺试验等，对于重要的弹簧还要进行强压处理。
弹簧的绕制方法分冷卷法与热卷法两种。
（1）冷卷法：簧丝直径d≤8mm的采用冷卷法绕制。冷态下卷绕的弹簧常用冷拉并经预先热处理的优质碳素弹簧钢丝，卷绕后一般不再进行淬火处理，只须低温回火以消除卷绕时的内应力。
（2）热卷法：簧丝直径较大（d>8mm）的弹簧则用热卷法绕制。在热态下卷制的弹簧，卷成后必须进行淬火、中温回火等处理。

对于重要的弹簧，还要进行工艺检验和冲击疲劳等试验。为提高弹簧的承载能力，可将弹簧在超过工作极限载荷下进行强压处理，以便在簧丝内产生塑性变形和有益的残余应力，由于残余应力的符号与工作应力相反，因而弹簧在工作时的最大应力（见图所示）比未经强压处理的弹簧小。

结 论
饮水器对畜牧业的作用越来越大，产生许多不同牲畜所用的饮水器。随着新工艺、新技术的不断出现、饮水器寿命和质量会不断延长和提高。
本文首先介绍了饮水器的一些具体情况，随着科技的发展和进步，畜牧业对饮水器的要求也是越来越高的要求，所以对使用寿命的要求也是提出了很高的要求，饮水器的使用寿命高就可以大大降低了产品的成本，经济效益明显提高。饮水器的应用大大的提高了饲养效率，减少了劳动力的损耗，使触目饲养更加经济。
这次毕业设计还是圆满地完成了预期的要求，同时既让我们对设计的整个过程有了一个系统的认识，又使我们对大学