蜂窝煤成型机的课程设计.docx
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蜂窝煤成型机的课程设计
一设计目的和设计题目
1.1设计目的…………………………………………………………2
1.2设计题目：
蜂窝煤成型机………………………………………2
1.2.1蜂窝煤成型机功能……………………………………2
1.2.2工作原理……………………………………………………3
1.2.3原始数据……………………………………………………3
1.2.4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………………………………………4
2.1.1功能分解………………………………………………………4
2.1.2工艺动作过程分解…………………………………………5
2.2方案选择与分析…………………………………………………5
2.3机械系统方案设计运动简图……………………………………14
2.4执行机构设计……………………………………………………15
2.5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……………………………………………………17
3.2电动机的选择……………………………………………………18
3.3传动装置的总传动比和各级传动比分配………………………20
3.4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、组合和确定运动方案的能力，提高我们进行创造性设计、运算、绘图、表达、运用计算机和技术资料诸方面的能力，以及利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要求对机械的工作原理、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主要环节，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，我们参加了此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镇蜂窝煤生产厂的主要设备。
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成五个动作:
（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成压实成型和蜂窝煤脱模动作。
工作盘上有五个模孔，Ⅰ为上料工位，Ⅲ为冲压工位，Ⅳ为卸料工位，工作盘间歇转动，以完成上料、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，还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单,所在此主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）
253035
生产阻力（10万N）
0.911.1
3）型煤尺寸:
Φ×h=100mm×75mm；
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，并标明主要尺寸
（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，并分配传动比
（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
2．1．1功能分解
如图一所示为冲头、卸煤杆、扫屑刷、工作盘的相互位置情况。
实际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Ⅲ、成型后的模筒进入脱模位置Ⅳ、空的模筒进入加料位置Ⅰ；
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20000N，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。
另外机械运动方案应力求简单。
2．1．2工艺动作过程分解
根据上述分析，蜂窝煤成型机要求完成的工艺动作有以下六个动作：
1）加料：
这一动作可利用煤粉的重力打开料斗自动加料；
2）冲压成型：
要求冲头上下往复运动，在冲头行程的二分之一进行冲压成型；
3）脱模：
要求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：
要求在冲头、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：
以完成冲压、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单，暂时不予考虑，脱模和冲压可以用一个机构完成。
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，经过机构系统搜索，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成，故可满足冲床总功能的机械系统运动方案有N个，即N＝5×4×4个＝80个。
运用确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
１
满足
弱
较长
一般
一般
较高
简单
易
低
最小
2
满足
较强
短
一般
小
低
较简单
最难
较高
小
3
满足
较强
较长
一般
一般
高
较简单
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，结构简单，成本低，且结构尺寸小加工简单，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
简单
较难
低
较大
2
满足
无
较平稳
小
较高
简单
较难
低
一般
3
满足
有
平稳
小
较高
简单
困难
较高
较大
4
满足
无
平稳
小
低
较简单
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
简单
简单
较高
较大
2
满足
有
有冲击
小
较高
简单
简单
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
最简单
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λ＝0.2，则
曲柄半径为：
R=s/2=300/2=150mm
连杆长度为：
L=R/λ=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能够大于滑梁的行程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按工位要求选择
2.中心距L：
L=300mm按结构情况确定
3.从动轮运动角：
2β=2π/Z=72°
4．主动轮运动角:
2α=π-2β=108°
5.圆销中心轨迹半径：
R1=Lsinβ=176mm
6.拨销与轮槽底部的间隙e取3-6mm取e=5mm
7.滚子圆销半径r3：
r3=R1/6=29.33mm取r3=29mm
8.槽轮外径R2：
R2=
9.槽底半径Rd：
Rd=L-（R1+r3）-e=90mm
10.槽轮上槽口至槽底深h:
h=R1+R2-L+r3+e=154mm
11.拨盘销数m：
m≤2Z/（Z-2）=10/3取m=1
12.槽口壁厚b：
b≥（0.6-0.8）r3，但不小于3-5mm。
b≥17.4-23.2mm。
取b=20mm
13.锁止弧半径R0：
R0=R1-b-r3=127mm
14.主动轮转一周所需时间T：
T=3s
15.槽轮每次循环中运动的时间td：
td=（0.5-1/Z）T=（0.5-0.2）*3=0.9S
16.槽轮每次循环中停歇的时间tj：
tj=T-td=3-0.9=2.1s
17.锁止弧对应中心角V:
V=2π/m-2α=252°
18.动停比K:
K=td/tj=1-4/（Z+2）=1-4/（5+2）=3/7
19.动停系数τ：
τ=td/T=m（Z-2）/2Z=1（5-2）/2*5=3/10=0.3
2．5机构运动循环图
对于冲压式蜂窝煤成型机运动循环图主要是确定冲压和脱模盘、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，以它的主动件的零位角为横坐标的起点，纵坐标表示各执行构件的位移起止位置。
图2表示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成，使间歇转动在冲压以前完成。
扫屑刷要求在冲头回程后半段至工作行程的前半段完成扫屑运动。
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。
当完成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，满足结构简单，尺寸紧凑，降低制造和装配费用，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要求，执行系统对动力、传动比或速度变化的要求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适用条件，合理拟定传动路线，安排各传动机构的先后顺序，完成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、且适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确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确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]：
根据设计要求，已知工作机（执行机构原动件）主轴：
转速：
nW=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
按已知工作要求和条件选用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/ηa
ηa----由电动机至工作轴的传动总效率
ηa=η带×η轴承3×η齿轮2×η联
查表可得：
对于V带传动:
η带=0.96
对于8级精度的一般齿轮传动：
η齿轮=0.97
对于一对滚动轴承：
η轴承=0.99
对于弹性联轴器：
η联轴器=0.99
则ηa=η带×η轴承3×η齿轮2×η联
=0.96×0.993×0.972×0.99
=0.868
∴ Pd=PW/ηa=2.8/0.868=3.226KW
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=2～4，单级圆柱齿轮传动比范围为i齿=3～5，则电动机转速可选范围为
nd=i带×i齿2×nW
=（2～4）（3～5）2×nW
=（18～100）×nW
=（18～100）×12
=216～1200r/min
符合这一转速范围的同步转速有750r/min、1000r/min根据容量和转速，由有关手册查出两种适用的电动机型号，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
1
Y132M1-6
4
1000
960
73
2
Y160M1-8
4
750
720
118
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，势必增加传动系统的传动比，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：
4Kw
满载转速：
n满=1960r/min
同步转速：
1000r/min
3.3传动装置的总传动比和各级传动比分配
1．传动装置的总传动比
i总=n满/nW=960/12=80
2．分配各级传动比
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配传动比,取ig=1.3id
i减=ig×id=1.3i2d=20
i2d=18/1.3=15.38
id=3.9
ig=1.3id=1.3×3.9=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=960r/min
Ⅰ轴nⅠ=n电/i带=960/4.0=240r/min
Ⅱ轴nⅡ=nⅠ/ig=240/5.07=47.34r/min
Ⅲ轴nⅢ=nⅡ/id=47.34/3.9=12.14r/min
计算各轴的输入和输出功率：
Ⅰ轴：
输入功率PⅠ=Pdη带=3.226×0.96=3.09kw
输出功率PⅠ=3.09η轴承=3.09×0.99=3.06kw
Ⅱ轴：
输入功率PⅡ=3.06×η齿轮=3.06×0.97=2.97kw
输出功率PⅡ=2.97×η轴承=2.97×0.99=2.94kw
Ⅲ轴输入功率PⅢ=2.94×η齿轮=2.94×0.97=2.85kw
输出功率PⅢ=2.85×η轴承=2.85×0.99=2.82kw
计算各轴的输入和输出转矩：
电动机的输出转矩Td=9.55×106×Pd/n电=9.55×106×3.226/960
=32.09×103N·mm
Ⅰ轴：
输入转矩TⅠ=9.55×106×PⅠ/nⅠ=9.55×106×3.09/240
=123×103N·mm
输出转矩TⅠ=9.55×106×PⅠ/nⅠ=9.55×106×3.06/240
=122×103N·mm
Ⅱ轴：
输入转矩TⅡ=9.55×106×PⅡ/nⅡ=9.55×106×2.97/47.34
=599×103N·mm
输出转矩TⅡ=9.55×106×PⅡ/nⅡ=9.55×106×2.94/47.34
=593×103N·mm
Ⅲ轴输入转矩TⅢ=9.55×106×PⅢ/nⅢ=9.55×106×2.85/12.14
=2242×103N·mm
输出转矩TⅢ=9.55×106×PⅢ/nⅢ=9.55×106×2.82/12.14
=2218×103N·mm
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（N·mm）
转速n/r·min-1
传动比i
输入
输出
输入
输出
电机轴
—
3.226
—
32.09×103
960
4.0
Ⅰ轴
3.0
3.06
123×103
122×103
240
5.07
Ⅱ轴
2.97
2.94
599×103
593×103
47.34
3.9
Ⅲ轴
2.85
2.82
2242×103
2218×103
12.14
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。
它要求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遇到的各种问题。
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，明确设计内容和要求，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；当然因为《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。
因为这是我第一次独立进行课程设计，所以在设计过程中遇到了不少的问题，像关于传动系统动力学计算时遇到的，“工作机输入功率P=2.8KW是指什么功率？
怎么确定电动机型号？
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。
不过经过自己慢慢的钻研，我开始慢慢的喜欢上设计了，开始对自己有了信心。
很快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，是在电机输出功率经过带传动，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。
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