武漢科技學院 2004屆畢業設計論文 1 1 設計總論 器的組成 一般來說，機器由原動部分、工作（執行）部分、傳動部分、控制系統及一些輔助裝置等組成。 1） 原動機 是驅動整個機器以完成預定功能的動力源。它把其它形式的能量轉換為機械能。原動機的動力輸出絕大多數呈旋轉運動的狀態，輸出一定的轉矩。 2） 執行部分 是用來完成機器預定功能的組成部分。一部機器可以只有一個執行部分，也可以把機器的功能分解成好幾個執行部分。 3） 傳動裝置 用來連接原動機部分和執行部分，它將原動機的運動形式、運動及動力參數轉變為執行部 分所需的運動形式、運動及動力參數。 機器的傳動部分大多數采用機械傳動系統，有時也采用液壓或電力傳動系統。機械傳動系統是絕大多數機器不可缺少的重要組成部分 。 械零件的設計準則 機械零件的設計具有眾多的約束條件，設計準則就是設計所應該滿足的約束條件。 1） 技術性能準則 技術性能包括產品功能、制造和運行狀況在內的一切性能，既指靜態性能，也指動態性能。例如，產品所能傳遞的功率、效率、使用壽命、強度、剛度、抗摩擦、磨損性能、振動穩定性、熱特性等。技術性能準則是指相關的技術性能必須達到規定的要求。 2） 標準化準 則 與機械產品設計有關的主要標準大致有： 概念標準化：設計過程中所涉及的名詞術語、符號、計量單位等應符合標準； 實物形態標準化：零部件、原材料、設備及能源等的結構形式、尺寸、性能等，都應按統一的規定選用。 方法標準化：操作方法、測量方法、試驗方法等都應按相應規定實施。 標準化準則就是在設計的全過程中的所有行為，都要滿足上述標準化的要求。 現已發布的與機械零件設計有關的標準，從運用范圍上來講，可以分為國家標準、行業標準和企業標準三個等級。從使用強制性來說，可分為必須執行 的和推薦使用的兩種。 3） 可靠性準則 可靠性：產品或零部件在規定的使用條件下，在預期的壽命內能完成規定功武漢科技學院 2004屆畢業設計論文 2 能的概率。可靠性準則就是指所設計的產品、部件或零件應能滿足規定的可靠性要求。 4） 安全性準則 機器的安全性包括： 零件安全性：指在規定外載荷和規定時間內零件不發生如斷裂、過度變形、過度磨損和不喪失穩定性等等 。 整機安全性：指機器保證在規定條件下不出故障，能正常實現總功能的要求。 工作安全性：指對操作人員的保護，保證人身安全和身心健康等等 。 環境安全性： 指對機器周圍的環境和人不造成污染和危害 。 2 電機的選型 按課題要求可知電機的類型： 機轉數 1400 由于變頻調速電機的電磁設計運用了靈活的 計軟件，電機的基頻設計點可以隨時進行調整，我們可以在計算機上精確的模擬電機在各基頻點上的工作特性，由此也就擴大了電機的恒轉矩調速范圍，根據電機的實際使用工況，我們可以在同一個機座號內把電機的功率做 得 更大，也可以在使用同一臺變頻器的基礎上將電機的輸出轉矩提 得 更高，以滿足在各種工況條件下將電機的設計制造在最佳狀態。變頻調速電機可以 另外選配附加的轉速編碼器，可實現高精度轉速、位置控制、快速動態特性響應的優點。也可配以電機專用的直流（或交流）制動器以實現電機快速、有效、安全、可靠的制動性能。由于變頻調速電機的基頻可調性設計，我們也可以制造出各種高速電機，在高速運行時保持恒轉矩的特性，在一定程度上替代了原來的中頻電機，而且價格低廉。 按工作要求和條件，選用 上海眾華特種電機有限公司 頻調速 交流電 機，封閉式結構，電壓 380V， 使用條件 : 海拔高度 h= 所以 d - =65 C 初步選擇滾動軸承。因軸承同時受有徑向力和軸向力的作用。 但主要是承受軸向力 故選用 深溝球 軸承。參照工作要求并根據 d - =65軸承產品目中初選 276溝球軸承 60000 型 02 系列中的深溝球軸承 6213，其尺寸為 31 2 065 ，故 5取 5， 右端滾動軸承采用套筒進行定位。由手冊上查到 6213 型軸承的定位高度 h=6此，取 0 D 軸承端蓋的總寬度為 20減速器及軸承端蓋的結構設計而定）。根據軸承端蓋的裝拆及便于對軸承添加潤滑脂的要求，取端蓋的外端面與半聯軸器右端面間的距離 L=30取 L - =90 E 根據設計要求，主動輥長度為 320取主動輥距內壁之距離 a=8確定滾動軸承位置時， 應距箱體內壁一段距離 s，取 s=10以， 30 至此，已初步確定了軸的各段直徑和長度 。 （ 3） 軸上零件的周向定位 齒輪、半聯軸器與軸的周向定位均采用平鍵聯接。按 冊查得平鍵截面 bh= 161 0(鍵槽用鍵槽銑刀加工，長為 50準鍵長見 武漢科技學院 2004屆畢業設計論文 16 同時為了保證齒輪輪轂與軸的配合為 H7/主動輥 與軸的聯接，選用平鍵為 22 14 320， 主動輥 與軸的配合為 H7/滾動軸承與軸的周向定位是借過渡配合來保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為 樣，半聯軸器與軸的聯接，選用平鍵為 16 10 100，半聯軸器與軸的配合為 H7/ （ 4）確定軸上圓角和倒角尺寸。 取軸端倒角為 245 ，各軸肩處的圓角半徑如圖 （軸 1） 。 軸的結構和裝配 5） 求軸上的載荷 首先根據軸的結構圖，作出軸的計算簡圖。在確定軸承的支點位置時，應從手冊中查取 于 6213 型 深溝球 軸承。由手冊中查得 a=由于輥筒的質量比較小，重量與其受力相比可以忽略。 根據軸的計算簡圖作出軸的彎矩、扭矩圖和計算彎矩圖。 如下圖： 武漢科技學院 2004屆畢業設計論文 17 G B C D 92 208 171 H G V 1 T 從軸的結構圖和計算彎矩圖中可以看出截面 C 處的計算彎矩最大，是軸的危險截面。現將計算出的截面 H、 M 的值列于表中。 注：在第 10部分，計算得輥筒的質量為 M=G=10=335N。 武漢科技學院 2004屆畢業設計論文 18 載 荷 垂直面 V 水平面 H 支反力 F 6 321 ， 彎矩 M H= 彎矩 5 7 2 7 1 4 8 6 0 1 22 扭矩 T T=907930N ） 按彎扭合成應力校核軸的強度 進行校核時，通常只校核軸上承受最大計算彎矩的截面（即危險截面 C）的強度。 因通常由彎矩所產生的彎曲應力是對稱循環的變應力，而扭矩所產生的扭轉切應力則常常不是對稱循環的變應力，故在求計算彎矩時，必須計及這種循環特性差異的影響。即當扭轉切應力為靜應力時，取 a扭轉切應力為脈動循環變應力時，取 a若扭轉切應力亦為對稱循環變應力時則取 a1 。 軸的計算應力 M P 4 8 3 6 93232 ）（ 前已選定軸的材料為 45 號鋼，由 機械設計 表 15得 60此 以按軸承 1的受力大小計算： h 6 9 3 64 0 0 0 060103616 按工作條件決定，軸承預期計算工作 8 年（設每年按 300 個工作日，二班制，每天工作 16 個小時），得： hL h 3 8 4 0 0163 0 08 比較得： L 故所選軸承可滿足壽命要求。 8 彈簧設計 據工作條件選擇材料并確定其許用應力 因彈簧在一般載荷條件下工作，可以按第 彈簧考慮。現選用 素彈簧鋼絲 D 級。先預設 D=40徑 02 。 并根據 00 取彈簧鋼絲直徑 d 為 由 機械設計第 16 章 表 16得B=1520根據表 15知 520 760 武漢科技學院 2004屆畢業設計論文 24 1） 根據強度條件計算彈簧鋼絲直徑 現選取 旋繞比 C=D/d=40/6=式（ 16 4）得 當壓縮變形量為 ，壓力 20；當壓縮量為 ，壓力 00N。 根據式（ 16 所得的尺寸符合工作條件的限制。 2） 根據剛度條件，計算彈簧圈數 n 由公式，得彈簧的剛度為 05 0 01212 由表 16 2 取 G=80000彈簧的圈數 n 為 8 0 0 0 08 3 43 4 取 n=8 此時彈簧的剛度為 / 3） 驗算極限工作載荷 取極限工作應力 ，則 極限工作載荷 7 i i m 4） 繪制工作圖 （如圖彈簧） 9 鍵的連接強度設計計算 軸器上的鍵 1) 選擇鍵聯接的類型和尺寸 由于聯軸器的精度角高，而且對中性好，應選用平鍵聯接。故選用圓頭普通平鍵（ 武漢科技學院 2004屆畢業設計論文 25 根據聯軸器 d=45機械設計第 6章表 6度 b=14度 h=9聯軸器寬度并參考鍵的長度系列，取 02=100 2) 校核鍵聯接的強度 鍵、軸和聯軸器的材料都是鋼，由機械設計第 6 章表 6 2查得許用擠壓應力 p =120 150的工作長度， l =006得鍵與輪鍵槽的的接觸高度 1 由公式（ 6得 72102 3131 P 合適。 鍵的標記為：鍵 10014 1096 1979。 輪上的鍵 1) 選擇鍵聯接的類型和尺寸 一般 8級以上精度的齒輪有定心精度要求，應選用平鍵聯接。故選用圓頭普通平鍵 （ 根據 d=58機械設計第 6 章表 6查得鍵的截面尺寸為：寬度b=16度 h=10齒輪度并參考鍵的長度系列，取 L=45 2) 校核鍵聯接的強度 鍵、軸和齒輪的材料都是鋼，由機械設計第 6章表 6 2查得許用擠壓應力 p =120 150的工作長度 2850 。鍵與輪鍵槽的的接觸高度 1 由公式（ 6得 458426 72102 313 P 合適。 鍵的標記為：鍵 5016 1096 1979。 動輥上的鍵 1) 選擇鍵聯接的類型和尺寸 一般 8級以上精度的齒輪有定心精度要求，應選用平鍵聯接。故選用圓頭普通平鍵（ 根據 d=80機械設計第 6 章表 6查得鍵的截面尺寸為：寬度武漢科技學院 2004屆畢業設計論文 26 b=22度 h=14齒輪度并參考鍵的長度系列，取 L=320 2) 校核鍵聯接的強度 鍵、軸和齒輪的材料都是鋼，由機械設計第 6 章表 6 2 查得許用擠壓應力 p =100 120的工作長度 9 8223 2 0 。鍵與輪鍵槽的的接觸高度 由公式（ 6得 87 72102313 P 合適。 鍵的標記為：鍵 32022 1096 1979。 10 輥筒的設計 由于為了減輕輥筒的重量，以至于在軸上承受太大的重量，因此對輥筒的結構，重量計算。 由機械設計手 冊 輥筒的結構圖如下 : 故，輥筒的質量為 4 2 33 11 機座的設計 座的常用材料 : 固定式機器，尤其是固定式重型機器，其機座和箱體的結構較為復雜，剛度要求也較高，因而通常都為鑄造。鑄造材料常用既便于施工而又價廉的鑄鐵（包武漢科技學院 2004屆畢業設計論文 27 括普通灰鑄鐵、球墨鑄鐵與變性灰鑄鐵等）；只有需要強度高、剛度大時才用鑄鋼；當減小質量具有很大的意義時（如 運行式機器的機座和箱體）才用 鋁合金等輕合金。 座設計概要 機座零件工作能力的主要指標是剛度，其次是強度和抗振性能；當同時用作滑道時，滑道部分還應具有足夠的耐磨性。此外，對具體的機械，還應滿足特殊的要求，并力求具有良好的工藝性。 機座結構形狀和尺寸大小，決定于安裝在它的內部或外部的零件和部件的形狀和尺寸及其相互配置、受力與運動情況等。設計時，應使所裝的零件和部件便于裝折與操作。 機座的一些結構尺寸，如壁厚、凸緣寬度、肋板厚度等，對機座的工作能力。材料消耗、質量和成本，均有重大的影響。但是由于這些部位形 狀的不規則和應力分布的復雜性，以前大多是按照經驗公式、經驗數據或比照現用的類似機件進行設計，而略去強度和剛度等的分析與校核。這對那些不太重要的場合雖是可行的，但卻帶有一定的盲目性（例如對減速器箱體的設計就是如此）。因而對重要的機座和箱體，考慮到上述設計方法不夠可靠，或者資料不夠成熟，還需用模型或實物進行實測試驗，以便按照測定的數據進一步修改結構及尺寸，從而彌補經驗設計的不足。但是，隨著科學技術和計算工具的發展，現在已有條件采用精確的計算方法（有限元法）來決定前述一些結構尺寸。 關于增強機座和箱體剛度 的辦法，除了前述選用完全封閉或僅一面敞開的空心矩形截面及采用斜肋板等較好的結構外，還可采取盡量減少與其它機件的聯接面數；使聯接面垂直于作用力；使相聯接的各機件間相互聯接牢固并靠緊；盡顯減小機座和箱體的內應力以及選用彈性模量較大的材料等一系列的措施。 設計機座和箱體時，為了機器裝配，調整、操縱、檢修及維護等的方便，應在適當的位置設有大小適宜的孔洞。金屬切削機床的機座還應具有便于迅速清除切屑或邊腳料的可能。 當機座和箱體的質量很大時，應設有便于起吊的裝置，如吊裝孔，吊鉤或吊環等。如需用繩索捆綁時 ，必須保證捆吊時具有足夠的剛度，并考慮在放置平穩后，繩索易于解下或抽出。 武漢科技學院 2004屆畢業設計論文 28 參考文獻 : 1 濮良貴，紀名剛 第七版 等教育出版社， 2001. 2 王先逵 北京：清華出版社 3 中國紡織大學工程圖學教研室 上海：上海科學技術出版社， 1997. 4 鄧星鐘，朱承高 武漢：華中科技大學出版社， 2001. 5 孫恒，陳作模 第六版 等教育出版社 2001. 6 廖念釗 北京：中國計量出版社， 2002. 7 張福潤，徐鴻本 第二版 中科技大學出版社， 2000. 8 孟少農 第四版 機械工業出版社 ,1986. 9 汪愷 北京 :機械工業出版社 ,1996. 武漢科技學院 2004屆畢業設計論文 29 附 錄 1 武漢科技學院 2004屆畢業設計論文 30 附 錄 2 機械設計第七版第 10章 表 10面材料及機械性能 材料牌號 熱處理方法 強度極限 B（ 屈服極限 S（ 硬度（ 齒芯部 齒面 250 300 350 常 化 500 600 580 320 650 350 45 580 290 調 質 700 380 45 650 360 301100 900 35750 450 38700 550 40700 500 45 調質后表面淬火 405040485520滲碳后淬火 650 400 300 5860201100 850 121100 850 320 201200 1100 350 35調質后氮化（氮化層厚 950 750 255321 850 381000 850 夾布膠帶 100 2535 武漢科技學院 2004屆畢業設計論文 31 表 10用系數 載荷狀態 工 作 機 器 原 動 機 電動機、均勻運轉的、蒸汽機、燃氣輪機 蒸汽機、燃氣輪機液壓裝置 多缸、內燃機 單缸、內燃機 均勻平穩 發電機、均勻傳送的帶式輸送機或板式輸送機、螺旋輸送機、輕型升降機、包裝機、機床進給機構、通風機、均勻密度材料攪拌機等 輕微沖擊 不均勻傳送的帶式輸送機或板式輸送機、機床的主傳動機構、重型升降機工業與礦用風機重 型離心機、變密度材料攪拌機等 中等沖擊 橡膠擠壓機、橡膠和塑料作間斷工作的攪拌機、輕型球磨機、木工機械、鋼坯初札機、提升裝置、單缸活塞泵等 嚴重沖擊 挖掘機、重型球磨機、橡膠揉合機、破碎機、重型給水泵、旋轉式鉆探裝置、壓磚機、帶材冷軋機、壓坯機等 或更大 表 10間載荷分配系數 b 100N/根據經驗在網紋區內取 圖 10 允許一定點蝕時的結構鋼；調質鋼；球墨鑄鐵（珠光體、貝氏體）；珠光體可鍛鑄鐵；滲碳淬火的滲碳鋼 2 結構鋼；調質鋼；滲碳淬火鋼；火焰或感應淬火的鋼、球墨鑄鐵；球墨鑄鐵（珠光體、貝氏體）；珠光體可鍛鑄鐵； 3 灰鑄鐵；球墨鑄鐵（鐵素體）；滲氮的滲氮鋼；調質鋼、滲碳鋼 4 氮碳共滲的調質鋼、滲碳鋼 武漢科技學院 2004屆畢業設計論文 35 圖 10機械設計第 15章 表 15軸的常用材料及其主要力學性能 材料牌號 熱處 理 毛坯直徑 （ 硬度 (抗拉強度極限 b 屈服強度極限 s 彎曲疲勞極限 切疲勞極限 用彎曲應力備注 軋或鍛后空冷 100 400420 225 170 105 40 用于不重要及受載荷不大的軸 100250 375390 215 45 正火 回火 10 170217 590 295 225 140 55 應用最廣泛 100300 162217 570 285 245 135 調質 200 217255 640 355 275 155 60 調質 100 100300 241286 735 685 540 490 355 355 200 185 70 用于載荷較大，而無很大沖擊的重要軸 武漢科技學院 2004屆畢業設計論文 36 400質 100 100300 270300 240270 900 785 735 570 430 370 260 210 75 用于很重要 的軸 38質 100 100300 229286 217269 735 685 590 540 365 345 210 195 70 用于重要的軸，性能近于 408質 60 60100 100160 293321 277302 241277 930 835 785 785 685 590 440 410 375 280 270 220 75 用于要求高耐磨性，高強度且熱處理（氮化）變形很小的軸 20碳 淬火 回火 60 滲碳 566240 390 305 160 60 用于要求強度及韌性均較高的軸 3質 100 241 835 635 395 230 75 用于腐蝕條 件下的軸 1火 100 192 530 195 190 115 45 用于高低溫及腐蝕條件下的軸 180 110 100200 490 190270 600 370 215 185 用于制造復雜外形的軸 245335 800 480 290 250 表 15軸常用幾種材料的 和 軸的材料 135 45 4050 12 20 12 25 20 30 30 40 40 52 160135 148 125 135118 118107 107 98 武漢科技學院 2004屆畢業設計