电磁帽坯件机课程设计说明书.doc

电瓷帽坯件机设计
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11

目 录
第1部分 设计前的调查—-—-———-———————--—---—--——-—-—-—----—----———2
1、 电瓷坯件机的用途及设计要求—-——---—————————-—-—---2
2、 总体设计方案————-———-—-—-———---———-——--—————----—----——-2
第2部分 技术设计-——--——-——------—————---—----—-—-—————-———--—-—--—9
1、运动设计与动力计算—------———-—————---—-——----———————-——-9
2、结构设计与强度校核--—--——-———----——-—---—--———----———--12
参考文献--——--——-—-——-——------—---———------—-———---——-———---——--—-——-—-25
第一部分 设计前的调查
一、电瓷帽坯件机的用途及设计要求：
1、用途分析:
电瓷帽是变配电设备中的一个重要零件，属系列产品,是易损件之一。图 1 是一种电瓷帽的外形和尺寸。它由土壤做成圆柱形状，并在上端挖有凹孔成帽；坯件凉干后配釉烧成瓷器。使用时将电瓷帽翻盖在金属导杆的顶端，起到绝缘和安全保护作用。电瓷帽坯件机是制造电瓷帽坯件的一种主要机械设备。
φ45
2、设计要求：
①电瓷坯件尺寸如右图所示
②生产量:3500只/小时 8小时/天
③机构简单,体积小，维护方便，成本低
④更换模套和冲头可生产小尺寸系列产品
⑤使用期限约4~5年,6～8个月检修一次
二、 总体方案设计:
1、工艺分析：
采用自动填料—-成型——冲出的过程，所有模具布置在一个圆形工作台上。料放置在工作台上方的搅拌箱内，工作台转动的同时料由搅拌箱填入模孔中，随工作台转动进入冲头下方，随冲头下落冲压成型。继续转动到冲出冲头下方从模具中冲出。继续转动，进入待料状态，为下一工作循环做准备。
2、对执行机构的运动要求:
(1) 拌料、喂料、刮除余料
将土壤在搅拌箱内充分拌匀，填入模孔后刮平。搅拌箱内的搅拌叉可同时起填料推杆和刮平板的作用,它在搅拌箱内作连续回转运动。
（2) 物料输送和各工序转移
转盘上的模孔数至少应有四个，现在取六个.其工艺职能分别为待料、填料、成型和冲出.转盘与模孔作间歇回转运动，由控制系统控制其回转速度的快慢和停顿，实现物料输送和各工序之间的转移
(3) 电瓷帽坯件的成型和冲出
两冲头作直线往复运动,在模孔中将土壤挤压成型和冲出电瓷帽坯件,成型冲头比冲出冲头的工作行程要长,其差值取决于电瓷帽坯件的尺寸、土壤的土质和湿度,以及所用执行机构的杆长关系等.
(4) 协调配合关系
两冲头在模孔中运动时，同时随转盘转动，离开模孔后靠滑杆上的扭力弹簧弹回复位。下一循环冲头下落后冲冲模应转到其下方。其协调靠转盘与带冲头的曲柄（偏心轮)的相对传动比控制。
3、机构选型与传动方案设计：
⑴拟定机器运动原理图
运动和动力由电动机经带传动传入,分两条传动路线传到执行机构，一路经齿轮机构、曲柄连杆机构传到滑杆，使滑杆做上下往复运动，以实现冲压和冲出电瓷帽坯件的动作;另一路通过其他齿轮传动，将运动传给转盘,以实现模孔的转位动作，同时搅拌和供给瓷土。电瓷帽坯件机的运动原理如下图所示.
电瓷帽坯件机的运动原理图
⑵定传动方案及绘出机构运动简图
拟定电瓷帽坯件机键在于如何使模孔的转位、定位与冲头上下移动的动作彼此协调配合。有以下两种传动方案可供选择.
方案一:
1— 电机 2—小带轮 3—带 4—大带轮 5—齿轮5 6—偏心轮 7—锥齿轮7 8—锥齿轮8 9—搅拌叉 10—搅拌箱 11—齿轮11 12 13—连杆 14—滑杆 15—锥齿轮15 16—锥齿轮 17—定位销 18—齿轮18 19—牙嵌式离合器 20-从动件滚子 21—弹簧 22—端面凸轮
采用离合器使轴的连续转动变成模孔转盘的间歇转动，停止运动时冲头向下,冲头上升时模孔转盘转动。达到彼此相互协调配合的效果.
方案二：
1—电机 2—小带轮 3-带 4—大带轮 5-齿轮 5 6-齿轮 6 7-锥齿轮 7 8—锥齿轮 8 9—齿轮 9 10-搅拌叉 11-搅拌箱 12—模孔转盘及转盘齿轮 12 13—偏心轮 14-连杆 16-冲头座 17—调整螺钉座 18—调整螺钉 19—冲头
冲头进入模孔后随模孔转动,冲压完成后离开模孔后靠装在冲头上的扭力弹簧弹回到进入模孔前的位置继续下一次冲压工作，靠带动冲头的曲柄与带动模孔转动的齿轮的传动比实现彼此相互协调配合的效果。
综合考虑以上两种传动方案，方案一:机构比较复杂，转盘的间歇运动直接影响工作效率；方案二：冲头部分较为复杂，转盘与轴之间的摩擦较大，但其他方面都优于方案一。因为压制电瓷帽坯件机的压力较小，压紧和冲出机构可以设计的简单,所以选择方案二作为设计方案。传动方案简图如上图所示：
4、总体布局：
电瓷帽坯件机总体布局的特点为：
①搅拌箱处于整机的最高位置,便于直接将瓷土在填料推杆作用下，通过箱体底部的缺口自动填入下部转盘的模孔中.
②两冲头同一个曲柄滑块机构带动，并且带动两冲头的滑轴V（即曲柄滑块机构中的滑块)与转盘的回转轴合二为一,搅拌器的转轴与小齿轮z12的转轴共用轴IV,结构因此得到简化，传动紧凑,提高了传动精度.
③搅拌箱下面的支撑体采用“双八字”型铸件，电动机处于机体的最低位置,有利于降低重心,稳定机身。
④带轮和高速齿轮置于支撑体左侧，滑轴、冲头及转盘置于支撑体右侧，一方面高速传动部分便于集中安装防护罩,另一方面有利于整机的平衡，此外也有利于装配、检修及润滑.
电瓷帽坯件机总体布局图
1—电动机  2—小带轮  3-V带  4-电动机支架  5—大带轮   6—电动机支架拉杆 7-搅拌箱  8-扭力弹簧  9—冲头座  10-冲出冲头及冲出杆  11—模孔转盘及转盘齿轮z12   12—滑动轴Ⅴ   13—连杆  14—偏心轮  15－轴Ⅲ 16—锥齿轮z8  17-锥齿轮z7   18—轴Ⅰ   19—大齿轮z6  20-轴Ⅱ  21－小齿轮z5  22-机架  23-轴Ⅳ  24－小齿轮z9  25-搅拌叉   26—压紧冲头及压紧杆
5、绘制工作循环图：
由于搅拌机构的运动时连续的，因此主要考虑冲头和模孔之间的相对运动关系。搅拌机构的转动速度不能太快，搅拌叉和小齿轮Z9共用一根轴，因而限制了转盘的角速度。因此将转盘上的模孔数定为六个.转盘转动60°，则主执行机构完成一个运动循环，即冲头完成一次冲压。电瓷帽坯件机运动循环简图如下图所示:
电瓷帽坯件机直线型运动循环图
第二部分 技术设计
一、运动设计与动力计算：
1、电动机功率的选择：
电瓷帽坯件机功率消耗主要有三部分:
① 压制和冲出坯件时所作的功—-主要为压紧时消耗功率模孔转盘的转速n转速（假定有六个模孔在转盘上)
n转盘r/min==9.72r/min
偏心轮转速为n偏=n转盘×6=9。72×6r/min=58。32r/min
设偏心轮偏心距e=60mm，则冲头最大位移速度V冲max为
V冲max=
估计压紧冲头工作时所受平均压力F压紧=1000N.由运动循环图得知,冲头速度曲线上的点a对应于压紧冲头向下开始压紧瓷土的速度，该时曲柄相应的角位移为120º，则有
V冲a=V冲max·sin120°m/s=0。317m/s
从而得到压紧冲头所消耗的功率为：
P压紧= （取0。32）
考虑冲出以及摩擦所消耗的功率取
P冲=P压紧+P冲出+P磨=（0.32+0.1)=0。42kw
② 模孔转盘转动时要克服滑轴与转盘间的滑动摩擦,以及带动两冲头转动时克服的扭转弹簧力，估计所耗功率为：
P转盘=0.15
③ 因搅拌器转速较低，估计功率消耗为 P搅=0。27
总功率为
P总=P冲+P转盘+P搅=（0.42+0.15+0.27）kW=0。84
估计传动系统总机械效率η总为0.85，则电动机的功率至少为
P电=
选出Y系列小型三相异步电动机，据标准JB3074—82《Y系列（IP44）三相异步电动机技术条件》，选用Y90S—4型，P电=1。1 Kw，其主要技术数据、外形和安装尺寸见下表.
 电动机主要技术参数、外形和安装尺寸表
型号
额定功率/kw
满载转速/rpm
最大转矩
额定转矩
重量/kg
Y90S—4
1.1
1400
2。2
22
外形尺寸
L ×A×B
中心高/mm
H
安装尺寸/mm
A×B
轴伸尺寸/mm×mm
D×E
平键尺寸/mm×mm
F×G
310×245×190
90
140×100
24×50
8×20
2、确定各传动机构的传动比：
电瓷帽坯件机的传动路线分外传动路线和内传动路线两条
① 外传动路线由电动机、经带传动、直齿圆柱齿轮5和6、到曲柄（即偏心轮）滑块（滑轴V）机构组成。因n电 =1400r/min, n偏 =58 r/min,则外传动总传动比为：
i外=i带·i5—6=24.83
考虑带传动比不宜太大，故传动比分配为i带=4，i5—6=6.2。
  ② 内传动路线由曲柄、圆锥齿轮7和8、直齿圆柱齿轮9及转盘齿轮12组成。当偏心轮转6圈的同时，要求经内传动路线传动后使得转盘转1圈，其总传动比应为
i内=i7—8·i9-12=6
现在取i7—8=1，i9-12=6，即小齿轮z9的转速和曲柄的速度一样。
对于搅拌器兼刮板的转速没有严格要求，为简化机构，定为与小齿轮z9的转速相同,装在同一根轴上.
3、计算各轴的转速和功率:
（1）各轴的转速：
nⅠ=n电=1400 r/min
nⅡ=r/min
nⅢ=r/min
nⅣ=r/min=r/min
n转盘= r/min
⑵各轴的功率：
查机械设计手册，效率取
1）转盘所需功率
（前面已经确定)
2）轴IV所需功率

3)轴III所需功率（设曲柄滑块机构效率）
PⅢ=
4）轴II所需功率
PⅡ=
5）轴I所需功率
PⅠ=
二、结构设计与强度校核：
1、锥齿轮的结构和尺寸：
⑴选择材料、热处理、精度等级及齿数
根据初步拟定的锥齿轮的传动比，由于电瓷帽坯件机属于一般电瓷机械,因此可以选用常用材料及热处理。锥齿轮7和锥齿轮8采用相同材料，采用45号钢,硬度值为229～286HBW，取硬度值为250HBW。调质处理。选择齿轮精度为8级精度(GB10095-88）
选 , 选择齿宽系数和精度等级
取齿宽系数
初估齿轮的平均圆周速度，参照表8-9，可选齿轮精度为8级精度。
⑵按齿根弯曲疲劳强度设计确定模数
由于两齿轮相同。
寿命系数：按无限寿命设计 。
极限应力
尺寸系数
安全系数
则需用弯曲应力
计算齿根弯曲应力
分度圆锥角
当量齿数
查设计手册：齿形系数
应力修正系数
查机械设计手册：使用系数,查表8—4得，
动载荷系数，查表
齿面载荷分布系数，
即：
齿数比
齿根弯曲应力，有：
考虑为补偿因磨损而造成的齿轮强度的削弱，将齿根弯曲疲劳强度计算所得的模数加大20%左右,因此取。
⑶主要几何尺寸的计算
大端分度圆直径
分锥角
锥距
齿宽
锥齿轮的尺寸及结构如下图所示:
2、带传动及带轮的结构和尺寸设计：
设计数据:V带传递功率，
小带轮转速，
大带轮转速，
每天工作不少于8小时。
⑴确定V带截型
工作情况系数，查表7—7取
计算功率
V带截型 根据和查设计手册,选用Z型V带
⑵确定V带轮基准直径
小带轮基准直径,有图7-12及表7-4
取，采用实心式
则 大带轮基准直径
，采用孔板式.
⑶验算带速 ：
⑷定中心距及V带基准长度和包角
初定中心距：由及、得
初步确定中心距为400mm。
计算V带基准长度：
取基准长度：
实际中心距：
验算小带轮包角:
(5）确定V带根数
单根V带基本额定功率：
单根V带额定功率增量：
小带轮包角修正系数:
带长修正系数：
V带根数: 取根。
i. 计算初拉力
V带单位长度质量，表7—1，。
单根V带的初拉力:
取
ii. 作用在轴上的载荷
带轮机构如下图所示。
3 轴Ⅲ的结构设计
3、齿轮5和齿轮6的设计：
（1） 选择材料、热处理、精度等级和齿数的确定
根据初步拟定的锥齿轮的传动比，由于电瓷帽坯件机属于常用机械，因此可以选用常用的材料及热处理方式.
齿轮5-6采用相同的材料——45钢，硬度—-小齿轮5确定为260HBS，大齿轮6确定为235HBS，均采用调质处理。
初选齿数：
齿宽系数 精度等级 8级
⑵ 按齿根弯曲疲劳强度设计确定模数
根据前面的计算可知：
扭矩:
查机械设计手册，可知:
齿形系数：
应力修正系数：
重合度系数：
弯曲疲劳极限应力:
并比较：
则：取较大者代入齿根弯曲疲劳强度的设计公式:
考虑为补偿因磨损而造成的齿轮强度的削弱，将齿根弯曲疲劳强度计算所得的模数加大20%左右,因此取
⑶主要几何尺寸的计算
由于,小齿轮 ，应做成实心式，其孔径由与其配合的轴II的结构尺寸确定;大齿轮 ，应做成轮辐式，其孔径由与其配合的轴III的结构尺寸确定
4、轴III结构设计及校核：
⑴ 扭转强度初步估算轴Ⅲ的最小直径
考虑键槽对轴的强度影响，取dⅢmin=35mm。选用45号钢，正火硬度为170～217HBS，取硬度为:200HBS
圆柱齿轮、偏心轮的轴向定位的轴肩直径不能太小，因此加用套筒帮助轴向承压，其轴端的固定采用螺母和止退垫圈，圆锥齿轮采用φ55mm的轴环定位并受轴向力，用紧定螺钉加以固定.圆柱齿轮、圆锥齿轮及偏心轮的轴向定位采用普通平键，其尺寸分别为 10×8×45 14×9×56 10×8×20
两个滚动轴承采用角接触球轴承，其型号选择为7308，7309，负安装双点单向固定，其外型尺寸分别为 。采用脂润滑。
按弯扭合成强度校核轴的直径
齿轮6的尺寸结构,以及强度计算前面已经计算过，其过程不在重复。
按前面的计算结果同理可以得到锥齿轮的有关数据
a) 做出轴Ⅲ的空间受力简图.
由总装配图看出，齿轮和曲柄销所受的作用点全部位于垂直平面内，对偏心轮，由运动循环图得知,当曲柄销处于最低位置时，获得最大值，考虑压紧和冲出联合作用取如下图a所示。因偏心轮安装位置与作用点之间的距离1很小，故可以忽略由产生的附加弯矩对轴强度的影响。
b) 做出垂直面受力图、弯矩图（如下图b）：
做出水平面受力图、弯矩图（如下图c）：
c) 求出合成弯矩,做出合成弯矩图(如下图d）：
d) 作出扭矩图(如下图e）：3N·mm
e) 求出当量弯矩图（取）
f) 校核轴的强度
查得
Ⅱ截面 mm
经与图所示尺寸比较，该截面的计算直径小于其结构设计确定的直径,符合要求。
(2)轴承寿命的核算
根据上图利用可得A、B两处滚动轴承的名义径向载荷：
取动载荷系数实际径向力即：
均采用单列角接触球轴承，负安装，A处是7308型,B处是7307型。派生轴向力，即：
根据外部轴向力的大小和方向（上图)，因为，所以轴承A被“放松”，轴承B被“压紧"，它们的名义轴向载荷和实际轴向载荷分别为:
查得两轴承额定静载荷分别为:
可以计算此值
利用插值法分别得到 。由于 ,所以当量动载荷： 取轴承寿命为16000小时,寿命系数，速度系数。由机械设计手册查得轴承额定动载荷分别为: 。则实际动载荷为：
因为， ,故校核结果符合要求。
⑶键的校核
圆柱齿轮、圆锥齿轮及偏心轮,它们各自传递的转矩分别为:
它们对应在三处传递转矩分别为：，，,三处轴的直径、键高及键长分别为:
根据键连接的挤压强度公式，它们各自的挤压应力为:
取，因此所选键均满足强度条件.
参考文献
《机械设计第四版》 机械工业出版社
《机械设计课程设计第四版》 机械工业出版社
《材料力学》 冶金工业出版社
《机械设计通用手册》 机械工业出版社