蜂窝煤成型机的设计课程设计.doc

目 录一 设计目的和设计题目1.1 设计目的21.2 设计题目：蜂窝煤成型机21.2.1 蜂窝煤成型机功能 21.2.2工作原理 31.2.3原始数据 31.2.4设计任务 4二 执行机构运动方案设计2.1功能分解与工艺动作分解 42.1.1 功能分解 42.1.2工艺动作过程分解 52.2 方案选择与分析 52.3 机械系统方案设计运动简图142.4执行机构设计 152.5 机构运动循环图16三 传动系统方案设计3.1传动方案设计 173.2电动机的选择 183.3传动装置的总传动比和各级传动比分派 203.4传动装置的运动和动力参数设计计算 20四 设计小结22五 参考文献24一 设计目的和设计题目1.1设计目的机械原理课程设计是我们第一次较全面的机械设计的初步训练，是一个重要的实践性教学环节。设计的目的在于，进一步巩固并灵活运用所学相关知识；培养应用所学过的知识，独立解决工程实际问题的能力，使对机械系统运动方案设计(机构运动简图设计)有一个完整的概念，并培养具有初步的机构选型、组合和拟定运动方案的能力，提高我们进行发明性设计、运算、绘图、表达、运用计算机和技术资料诸方面的能力，以及运用现代设计方法解决工程问题的能力，以得到一次较完整的设计方法的基本训练。机械原理课程设计是根据使用规定对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个构件的尺寸等进行构思、分析和计算，是机械产品设计的第一步，是决定机械产品性能的最重要环节，整个过程蕴涵着创新和发明，可以提高我们的创新意识和能力。为了综合运用机械原理课程的理论知识，分析和解决与本课程有关的实际问题，使所学知识进一步巩固和加深，我们参与了本次的机械原理课程设计。1.2 设计题目：蜂窝煤成型机1.2.1 蜂窝煤成型机功能 冲压式蜂窝煤成型机是我国城乡蜂窝煤生产厂的重要设备。这种设备由于具有结构合理,质量可靠，成型性能好，经久耐用，维修方便等优点而被广泛使用。 冲压式蜂窝煤成型机的功能是将煤粉加入转盘的模桶内，经冲头冲压成蜂窝煤。为了实现蜂窝煤冲压成型，冲压式蜂窝煤必须完毕五个动作:(1)煤粉加料；（2）冲头将蜂窝煤压制成型；（3）清楚冲头和卸煤杆的扫屑运动；（4）将在模桶内冲压后的蜂窝煤脱模；（5）将冲压成型的蜂窝煤输出。 图一：蜂窝煤成型机设计原理示意图1.2.2 蜂窝煤成型机工作原理滑梁作往复直线运动，带动冲头和卸煤杆完毕压实成型和蜂窝煤脱模动作。工作盘上有五个模孔，为上料工位，为冲压工位，为卸料工位，工作盘间歇转动，以完毕上料、冲压、脱模的转换。扫屑刷在冲头和卸煤杆退出工作盘后，在冲头和卸煤杆下扫过，以清除其上的积屑。此外，尚有型煤运出的输送带部分。1.2.3 原始数据1）上料及输送机构较为简朴,所在此重要考虑三个机构的设计:冲压和脱模机构、工作盘的间歇转动机构、扫屑机构；2）基本参数生产能力（次/min ）25 30 35生产阻力（10万N）0.9 1 1.13）型煤尺寸: h=100mm75mm；4）粉煤高度与型煤高度之比(压缩比): 2:1,即工作盘高度H=2h=150mm；5）为了改善蜂窝煤冲压成型的质量，希望在冲压后有一短暂保压时间；6）由于冲头要产生较大压力，希望冲压机构具有增大有效力的作用。减少原动件的功率；7）工作条件:载荷有轻微冲击,一般制；8）使用期限:十年,大修期为三年；9）生产批量:小批量生产(少于十台)；10）动力来源:电力,三相交流(220V/380V)。1.2.4 设计任务1 执行部分机构设计（1） 分析冲头、工作盘和扫屑机构的方案（2） 拟定执行机构方案，画出总体机构方案示意图（3） 画出执行机构运动循环图（4） 执行机构尺寸设计，画出总体机构方案图，并标明重要尺寸（5） 画出执行机构运动简图（6） 对执行机构进行运动分析2 传动装置设计（1） 选择电动机（2） 计算总传动比，并分派传动比（3） 计算各轴的运动和动力参数3 编写课程设计说明书二、执行部分机构运动方案设计 2.1功能分解与工艺动作分解211 功能分解如图一所示为冲头、卸煤杆、扫屑刷、工作盘的互相位置情况。事实上冲头与卸煤杆都与上下移动的滑梁连成一体，当滑梁下冲时冲头将煤粉压成蜂窝煤，卸煤杆将已压成的蜂窝煤脱模。在滑梁上升过程中扫屑刷将刷除冲头和卸煤杆上粘附的煤粉。工作盘盘上均布了模筒，转盘的间歇运动使加料后的模筒进入加压位置、成型后的模筒进入脱模位置、空的模筒进入加料位置；为改善蜂窝煤成型机的质量，希望在冲压后有一短暂的保压时间；冲煤饼时冲头压力较大，最大可达20230N，其压力变化近似认为在冲程的一半进入冲压，压力呈线性变化，由零值至最大值。因此，希望冲压机构具有增力功能，以减小机器的速度波动和减小原动机的功率。此外机械运动方案应力求简朴。 212工艺动作过程分解 根据上述分析，蜂窝煤成型机规定完毕的工艺动作有以下六个动作：1）加料：这一动作可运用煤粉的重力打开料斗自动加料；2）冲压成型：规定冲头上下往复运动，在冲头行程的一半进行冲压成型； 3）脱模：规定卸料盘上下往复移动，将已冲压成型的煤饼压下去而脱离模筒。一般可以将它与冲头固结在上下往复移动的滑梁上；4）扫屑：规定在冲头、卸料盘向上移动过程中用扫屑刷将煤粉扫除；5）工作盘间歇运动：以完毕冲压、脱模和加料三个工位的转换；6）输送：将成型的煤饼脱模后落在输送带上送出成品，以便装箱待用。以上六个动作，加料和输送的动作比较简朴，暂时不予考虑，脱模和冲压可以用一个机构完毕。因此，蜂窝煤成型机运动方案设计重点考虑冲压和脱模机构、扫屑机构和模筒转盘间歇转动机构这三个机构的选型和设计问题。2.2 方案选择与分析根据以上功能分析，应用概念设计的方法，通过机构系统搜索，可得“形态学矩阵”的组合分类表，如表1所示。表1 组合分类表冲压和脱模盘机构对心曲柄滑块机构齿轮齿条机构盘型凸轮肘杆增力机构六杆冲压机构扫屑刷机构附加滑块摇杆机构固定移动凸轮移动从动件机构凸轮机构齿轮齿条机构模筒转盘间歇运动机构槽轮机构不完全齿轮机构圆柱凸轮式间歇运动机构棘轮机构因冲压成型与脱模可用同一机构完毕，故可满足冲床总功能的机械系统运动方案有N个，即N544个80个。运用拟定机械系统运动方案的原则与方法，来进行方案分析与讨论。方案一 ：对心曲柄滑块机构 方案二：齿轮齿条机构方案三：盘型凸轮 方案四：肘杆增力机构方案五：六杆冲压机构表2 冲压脱模机构部分运动方案定性分析方 案 号 主 要 性 能 特 征 功 能 功 能 质 量 经 济 适 用 性 运动变换 增力 加压时间 工作平稳性 磨损与变形 效率 复杂性 加工装配难度 成本 运动尺寸 满足 弱较长 一般 一般 较高 简朴 易 低 最小 2满足 较强短 一般 小 低较简朴 最难 较高 小3 满足 较强 较长 一般 一般 高 较简朴较困难较高 较大 4满足 很强 较长 一般 一般 很高 较困难 易 较高小5满足 弱较长一般一般高较困难易低小对以上方案初步分析如表2。从表中的分析结果不难看出方案2，成本较高且工作效率低，加工困难，所以，不予考虑。方案3，成本高且结构复杂，所以不予考虑。方案4，机构复杂运动尺寸大。方案5，结构较复杂。方案1，结构简朴，成本低，且结构尺寸小加工简朴，所以选择方案1为最佳方案。2) 扫屑刷机构的方案选择 方案一：附加滑块摇杆机构方案二：固定凸轮移动从动件机构方案三：凸轮机构方案四：齿轮齿条机构表3 扫屑刷机构部分运动方案定性分析方案号功 能经 济 适 用 性运动变换间歇送进工作平稳性磨损与变形效率复杂性加工装配难度成本运动尺寸1满足无平稳一般较高简朴较难低较大2满足无较平稳小较高简朴较难低一般3满足有平稳小较高简朴困难较高较大4满足无平稳小低较简朴最难较高最小对以上方案初步分析如上表3。从表中的分析结果不难看出，四个方案的性能相差不大，方案1、2、4的效率较高，方案3、4计算加工难度较大；方案1，2可为最优方案。3）模筒转盘间歇运动机构方案选择 方案一：槽轮机构 方案二：不完全齿轮机构 方案3：圆柱凸轮间歇式运动机构 方案4：棘轮机构 表4 间歇运动机构方案定性分析方案号功 能经 济 适 用 性运动变换间歇转动工作平稳性磨损与变形效率复杂性加工装配难度成本运动尺寸1满足有平稳小较高简朴简朴较高较大2满足有有冲击小较高简朴简朴高较大3满足有平稳较小高复杂难较高较大4满足有有冲击较大低最简朴难高较大 对以上方案初步分析如表4。从以上分析中不难看出，方案2，4有冲击。方案1，3运动平稳性较好，但方案3加工难度大，结构复杂，且成本较高，所以选择方案2为最佳方案。2.3 机械系统方案设计运动简图系统执行机构方案选择冲压脱模机构为对心曲柄滑块机构；扫屑机构为固定移动凸轮移动从动件机构；间歇运动机构为槽轮回转机构，通过直齿圆锥齿轮机构连接到减速箱上。2.4执行机构设计和计算1.执行机构设计计算1）冲压脱模机构（曲柄滑块机构）设计计算 已知冲压式蜂窝煤成型机的滑梁行程s =300mm；曲柄与连杆长度比，即连杆系数为0.2 ， 则曲柄半径为：R=s/2=300/2=150mm连杆长度为：L=R/=150/0.2=750mm 因此，不难求出曲柄滑块机构中滑梁（滑块）的速度和加速度变化，从而画出冲压脱模机构的位移时间关系图。2）扫屑机构设计计算固定凸轮采用斜面形状，其上下方向的长度又可以大于滑梁的行程S，即应大于300mm。 设定转盘半径：R=340mm。凸轮从动件行程应不小于转盘直径，即340mm。tana=340/300=17/15=1.13 固定凸轮斜面的斜度应1.13具体尺寸按结构情况设计。3）间歇机构（槽轮机构）设计计算1.槽数Z：Z=5 按工位规定选择2.中心距L： L=300mm 按结构情况拟定3.从动轮运动角：2=2/Z=724积极轮运动角: 2=-2=1085.圆销中心轨迹半径：R1=Lsin=176mm6.拨销与轮槽底部的间隙e取3-6mm 取e=5mm7.滚子圆销半径r3：r3=R1/6=29.33mm 取r3=29mm8.槽轮外径 R2：R2=9.槽底半径Rd：Rd=L-(R1+r3)-e=90mm10.槽轮上槽口至槽底深h: h=R1+R2-L+r3+e=154mm11.拨盘销数m：m2Z/(Z-2)=10/3 取m=112.槽口壁厚b： b（0.6-0.8）r3，但不小于3-5mm。b17.4-23.2mm。 取b=20mm13.锁止弧半径R0：R0=R1-b-r3=127mm14.积极轮转一周所需时间T：T=3s15.槽轮每次循环中运动的时间td：td=（0.5-1/Z）T=(0.5-0.2)*3=0.9S16. 槽轮每次循环中停歇的时间tj： tj=T-td=3-0.9=2.1s17.锁止弧相应中心角V: V=2/m-2=25218.动停比K: K=td/tj=1-4/(Z+2)=1-4/(5+2)=3/719.动停系数：=td/T=m(Z-2)/2Z=1(5-2)/2*5=3/10=0.325 机构运动循环图对于冲压式蜂窝煤成型机运动循环图重要是拟定冲压和脱模盘、扫屑刷、模筒转盘三个执行构件的先后顺序、相位，以利对各执行机构的设计、装配和调试。冲压式蜂窝煤成型机的冲压机构为主机构，以它的积极件的零位角为横坐标的起点，纵坐标表达各执行构件的位移起止位置。图2表达冲压式蜂窝煤成型机三个执行机构的运动循环图。冲头和脱模盘都由工作行程和回程两部分组成。模筒转盘的工作行程在冲头的回程后半段和工作行程的前半段完毕，使间歇转动在冲压以前完毕。扫屑刷规定在冲头回程后半段至工作行程的前半段完毕扫屑运动。三、传动系统方案设计3.1传动方案设计传动系统位于原动机和执行系统之间，将原动机的运动和动力传递给执行系统。除进行功率传递，使执行机构能克服阻力做功外，它还起着如下重要作用：实现增速、减速或变速传动；变换运动形式；进行运动的合成和分解；实现分路传动和较远距离传动。传动系统方案设计是机械系统方案设计的重要组成部分。当完毕了执行系统的方案设计和原动机的预选型后，即可根据执行机构所需要的运动和动力条件及原动机的类型和性能参数，进行传动系统的方案设计。在保证实现机器的预期功能的条件下，传动环节应尽量简短，这样可使机构和零件数目少，满足结构简朴，尺寸紧凑，减少制造和装配费用，提高机器的效率和传动精度。根据设计任务书中所规定的功能规定，执行系统对动力、传动比或速度变化的规定以及原动机的工作特性，选择合适的传动装置类型。根据空间位置、运动和动力传递路线及所选传动装置的传动特点和合用条件，合理拟定传动路线，安排各传动机构的先后顺序，完毕从原动机到各执行机构之间的传动系统的总体布置方案。机械系统的组成为：原动机 传动系统(装置) 工作机（执行机构）原动机：Y系列三相异步电动机；传动系统(机构)：常用的减速机构有齿轮传动、行星齿轮传动、蜗杆传动、皮带传动、链轮传动等，根据运动简图的整体布置和各类减速装置的传动特点，选用二级减速。第一级采用皮带减速，皮带传动为柔性传动，具有过载保护、噪音低、且合用于中心距较大的场合；第二级采用齿轮减速，因斜齿轮较之直齿轮具有传动平稳，承载能力高等优点，故在减速器中采用斜齿轮传动。根据运动简图的整体布置拟定皮带和齿轮传动的中心距，再根据中心距及机械原理和机械设计的有关知识拟定皮带轮的直径和齿轮的齿数。故传动系统由“V带传动+二级圆柱斜齿轮减速器”组成。注：根据设计规定，已知工作机（执行机构原动件）主轴：转速：n W = 12（r/min） 工作机输出功率：P=2.8 (Kw)3.2电动机的选择1） 选择电动机类型按已知工作规定和条件选用Y系列一般用途的全封闭自扇冷式笼型三相异步电动。2） 选择电动机容量所需电动机的功率：Pd= PW /aa-由电动机至工作轴的传动总效率a =带轴承3齿轮2联 查表可得：对于V带传动: 带 =0.96 对于8级精度的一般齿轮传动：齿轮=0.97对于一对滚动轴承：轴承 =0.99对于弹性联轴器：联轴器=0.99则 a =带轴承3齿轮2联=0.960.9930.9720.99= 0.868Pd= PW /a=2.8/0.868=3.226 KW查各种传动的合理传动比范围值得：V带传动常用传动比范围为 i带=24，单级圆柱齿轮传动比范围为i齿=35，则电动机转速可选范围为nd=i带 i齿2nW=(24)( 35)2 nW =（18 100 ）nW=(18100)12=2161200 r/min符合这一转速范围的同步转速有750 r/min、1000 r/min根据容量和转速，由有关手册查出两种合用的电动机型号，因此有两种传动比方案。方案电动机型号额定功率ped/kw电动机转速/ r/min电动机质量/kg同步满载1Y132M1-641000960732Y160M1-84750720118对于电动机来说，在额定功率相同的情况下，额定转速越高的电动机尺寸越小，重量和价格也低，即高速电动机反而经济。若原动机的转速选得过高，势必增长传动系统的传动比，从而导致传动系统的结构复杂。由表中三种方案，综合考虑电动机和传动装置的尺寸、结构和带传动及减速器的传动比，认为方案1的传动比较合适，所以选定电动机的型号为Y112M-4。Y112M-4电动机数据如下: 额定功率：4 Kw满载转速：n满=1960r/min同步转速：1000r/min3.3传动装置的总传动比和各级传动比分派1传动装置的总传动比i总= n满/ nW =960/12= 802 分派各级传动比第一级采用普通V带减速，其速比ib=4.0, 第二级采用两级圆柱斜齿轮减速器减速，则减速器的总传动比为 i减=i总/4.0 =80/4.0=20.对于两级圆柱斜齿轮减速器,按两个大齿轮具有相近的浸油深度分派传动比,取 ig=1.3idi减= igid = 1.3i2d =20i2d =18/1.3=15.38id =3.9ig=1.3id=1.33.9=5.07 注：ig -高速级齿轮传动比；id 低速级齿轮传动比；3.4传动装置的运动和动力参数计算计算各轴的转速：电机轴：n电= 960 r/min轴 n= n电/i带=960/4.0=240 r/min轴 n= n/ ig=240/5.07=47.34 r/min轴 n=n/ id =47.34/3.9=12.14 r/min 计算各轴的输入和输出功率：轴： 输入功率 P= Pd带=3.2260.96=3.09 kw 输出功率 P= 3.09轴承=3.090.99=3.06 kw轴： 输入功率 P=3.06齿轮=3.060.97=2.97 kw 输出功率 P= 2.97轴承=2.970.99=2.94 kw轴 输入功率 P=2.94齿轮=2.940.97=2.85 kw 输出功率 P= 2.85轴承=2.850.99=2.82 kw计算各轴的输入和输出转矩：电动机的输出转矩 Td=9.55106Pd /n电=9.551063.226/960=32.09103 Nmm轴： 输入转矩 T=9.55106P / n=9.551063.09/240=123103 Nmm 输出转矩 T=9.55106P / n=9.551063.06/240=122103 Nmm轴： 输入转矩 T=9.55106P / n=9.551062.97/47.34=599103 Nmm输出转矩 T=9.55106P / n=9.551062.94/47.34=593103 Nmm轴 输入转矩 T=9.55106P / n=9.551062.85/12.14=2242103 Nmm输出转矩 T=9.55106P / n=9.551062.82/12.14=2218103 Nmm式中：Pd为电动机输出功率将运动和动力参数计算结果进行整理并列于下表：轴名功率p/kw转矩T ( Nmm)转速n/rmin-1传动比i输入输出输入输出电机轴3.22632.091039604.0轴3.03.061231031221032405.07轴2.972.94599103593103 47.343.9轴2.852.822242103221810312.14四、设计小结这次机械原理课程设计，我拿到的题目是蜂窝煤成型机的设计。其实本次设计旨在培养我们进行机械系统运动方案创新设计能力和应用现代先进设计手段解决工程实际问题的能力。机械原理课程设计是我们机械类各专业学生在学习了机械原理课程后进行的一个重要的实践性教学环节，是为提高我们本科生机械系统运动方案设计、创新设计和解决工程实际问题能力服务的。它规定我们运用机械原理课上所学过的各种机械机构的动力学、运动学原理，分析和解决我们实际生活中碰到的各种问题。在拿到我的设计任务书之后，我就开始认真阅读和研究设计任务书，明确设计内容和规定，分析原始数据及工作条件；然后借阅（图书馆）、搜集（含网上搜集）有关设计信息、资料及机构设计手册；当然由于机械原理是上学期的课程，我又花了近一个星期的时间复习了机械原理课程有关内容，熟悉了有关机构的设计方法，初步拟定了设计计划，准备设计资料。由于这是我第一次独立进行课程设计，所以在设计过程中碰到了不少的问题，像关于传动系统动力学计算时碰到的，“工作机输入功率P=2.8KW是指什么功率？怎么拟定电动机型号？减速器的型号怎么去选取？”等等。面对这些机械原理课程中没有涉及到专业知识，我去了图书馆，在那里查找机械设计手册，发现自己知道的知识真的是太少了，手册里几乎有无穷无尽的专业知识，在图书馆一开始我都气馁了，甚至怀疑自己是不是真的适合学习机械类的专业。但是通过自己慢慢的钻研，我开始慢慢的喜欢上设计了，开始对自己有了信心。不久我弄明白了工作机的输入功率就是指原动机输入执行机构的功率，是在电机输出功率通过带传动，减速机构（设计中我采用了二级圆柱齿轮减速箱）后，考虑效率后输入执行系统的功率。这样一来我们就很好拟定电机的功率了从而选择根据功率和电机转速结合经济效益选择电机。在机械原理课上所学的知识是比较理论化的，通过这些理论我了解了一些机构的运动方案与运动轨迹，至于这些构件、这些机构真正要派些什么用场，在我脑中的概念还是挺模糊的，但是在这次为完毕课程设计的任务当中，我开始对传授机械原理这门课的真正意义所在有了初步了解。换句话说，因这次课程设计我把理论与实践运用结合了起来，达成了学以致用的目的。通过这次机械原理课程设计暨蜂窝煤成型机的设计，我知道其实要做一项课程设计并不简朴，要把它做好就更不易了，从中我也感到自己的知识面其实是很狭隘的。在理论知识的贯穿上和用理论解决实际问题的能力上也亟待提高，可以说这次的设计就像是一面镜子，照出了我的局限性之处。但也因此而小小地锻炼了一下自己，为以后的机械设计课程设计及大四的毕业设计做了一个准备。在为课程设计写说明书时，为了让说明书内容更充实，使自己的书面语言更趋向于专业化，我们组到图书馆去借了相关的书籍来翻阅。在查找资料、阅读资料的同时，我还知道了更多以前课本上没有学到过的知识，在此我要感谢图书馆的老师们，是他们让我查找专业性资料的时候给了我很大的帮助，并允许我在书库里自己认真准备本次机械原理课程设计。 在设计过程中我也发先自己知识的掌握不够彻底，有些东西只知道带公式，去不知道其真正的含义。就像算传动轴转速，第一遍带错了数据，导致我又算了一遍，当算第二遍的时候我才意识到，转送误差应当用在什么地方。近两个月的机械原理设计的学习及研究，我明白了许多在课堂上不懂的知识，也让我深刻体会到实践学习的重要性，实践是学习的目的，也是学习的方法，通过这次课程设计，使我有了很大的收获，锻炼了我解决实际问题的能力，使我学会了敢于创新，扩展思绪的解决问题的方法。总之，我通过本次机械原理课程设计不仅提高自己的设计能力，还在设计的基础上实践了我在CAD培训过程中学习的机械制图知识和大二期间学到的机械原理知识，当然这学期的机械设计知识在本次设计设计中也帮助自己不少。最后我要感谢我的指导老师王梅，是她指导和帮助了我完毕了本次设计，并在过程中给了我很多的学习资料。五、参考文献1 申永胜.机械原理教程.北京：清华大学出版社.19992 郑文纬，吴克坚主编.机械原理（第七版）.北京：高等教育出版社，19973 邹惠君.机构系统设计.上海：上海科学技术出版社，19964 王三民.机械原理与设计课程设计.北京：机械工业出版社.20235 孟宪源主编.现代机构手册.北京：机械工业出版社，19946 严家杰著.基本机构分析与综合.上海：复旦大学出版社，19897 华大年，唐之伟主编.机构分析与设计.北京：纺织工业出版社，19858 华大年，华志宏，吕静平.连杆机构设计.上海：上海科学技术出版社，19959 刘政昆.间歇运动机构.大连：大连理工大学出版社，199110 邹慧君等编译.凸轮机构的现代设计.上海：上海交通大学出版社，199111 邹慧君.机械运动方案设计手册.上海交通大学出版社12 王玉新主编.机构创新设计方法学.天津：天津大学出版社，199613 罗洪量主编.机械原理课程设计指导书.（第二版），北京：高等教育出版社，198614成大先主编.机械设计手册. 北京：化学工业出版社.199315苏C.H.柯热夫尼柯夫等著.孟宪源等译.机构设计手册.北京：机械工业出版社，197616杨黎明 杨志勤编著.机构选型与运动设计.北京：国防工业出版社.2023.6 17 张建国主编. 机械原理创新设计. 华中科技大学18邹慧君，殷鸿梁编著. 间歇运动机构设计与应用.机械工业出版社19邹慧君等主编. 机械原理课程设计手册。高等教育出版社