小型混料机的设计【倾斜式滚筒混料机】【固体粉末的搅拌混合】
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南京理工大学紫金学院毕业设计说明书(论文)作 者:徐友伟学 号:060104234系:机械工程系专 业:机械工程及自动化题 目:小型混料机的设计副教授胡小秋指导者: (姓 名) (专业技术职务)评阅者: 孙中圣 讲师 (姓 名) (专业技术职务) 2010 年 5 月毕业设计说明书(论文)中文摘要固体混合是工业生产过程中一种重要的单元操作,它广泛用于化工、医药、食品、饲料、塑料和建材等部门。随着固体混合技术的发展,各种不同类型的混合设备也在不断地创新。按对粉粒体作用力的方式分为容器回转型、容器固定型和复合型混合设备。介绍了容器回转型倾斜式混料机的工作原理和结构特点,在分析了混料机国内外发展现状的基础上,完成了混料机的总体设计。具体设计了传动装置,达到四级变速的混料要求,重点对轴、齿轮、轴承进行了详细设计。小型混料机具有高效、节能、低污染、操作简便等诸多优越性能,满足了生产需要。关键词 固体混合 混料机 结构特点 发展方向 毕业设计说明书(论文)外文摘要Title The design of small mixer AbstractThe solid mixture is an important unit operation in the processes of industrial production; it is widely used in chemical, pharmaceutical, food, plastics and building materials sectors. With the development of solid hybrid technology, different types of mixing equipment are also constantly innovating. By way of physical force to the powder, it can be divided into container back in transition, the container fixed and composite mixing equipment; The article introduced the principle and structure of the tilt container back in transition mixer. The design of the mixer is completed, based on the analysis of mixer current development status. Specific design is the transmission device with its mixing speed achieves to four, especially, the shafts, gears, bearings are designed in detail. Small mixer with high efficiency, energy saving, low pollution, easy operation and many other advantages can meet the production needs.Keywords solid mixture, mixer, structural characteristics, development 本科毕业设计说明书(论文) 第II页 共页目 次1 绪论11.1固体粒子混合11.1.1 固体粒子11.1.2 固体混合21.1.3 固体混合的影响因素 21.2 混合设备的分类31.2.1 容器回转型混合设备31.2.2 容器固定型混合设备41.2.3. 复合型混合设备42. 混料机的组成及各部分功能62.1 混料机的组成62.2 混料机的各部分功能73 .电动机的选用93.1 电动机选用原则93.2 电动机选择计算144.混料机传动装置的设计174.1减速器的设计174.1.1 确定传动装置总传动比和分配各级传动比174.1.2 传动装置的运动和动力参数174.1.3 传动零件的设计计算184.1.4 轴的结构设计计算及校核224.1.5 键联接的选择及计算294.1.6 滚动轴承的寿命校核294.2联轴器的选用304.3 变速装置的设计314.4传动齿轮箱的设计324.4.1 轴的设计324.4.2 齿轮的设计334.4.3 轴承的选用344.4.4 下箱体与上箱盖的设计355.混料滚筒的设计366.混料机机架设计37结论39致谢40参考文献41 本科毕业设计说明书(论文) 第 45 页 共 45 页1绪论1.1固体粒子混合1.1.1 固体粒子固体混合是工业生产过程中一种重要的单元操作,它广泛用于化工、医药、食品、饲料、塑料和建材等部门1。固体混合设备中所述及的固体是指粉粒体,而粉粒体可再细分为两种,一种是粒体(粒料),另一种是粉体。两者的区别如图1-1所示。图1-1 各种固体粒子的粒径范围和测量方法两者的粒径约为50为界,粒料上限为数毫米,而粒料与粉体的更本质的区别在于两种固体颗粒的力学行为的区别。粒料的力学行为主要受重力所控制。当粒子的粒径不断减小,则粒子之间的附着力所引起的作用逐渐增大,当粒径小至数十微米时,附着力与重力平衡。粒径进一步减小,附着力急剧增加,当粒径小至数微米时,重力的作用小到可以忽略,由附着力的作用会形成凝集体,即发生所谓逆粉碎现象,粒径大小对混合物性能的影响主要是通过两相的界面起作用的,过小的粒子(如在3以下)对混合物的力学性能不一定有好处。1.1.2 固体混合固体混合是指两种或两种以上不同性质的粉粒体,在干燥状态或加入少量液体的状态下,在外力作用下进行搅混,使之逐步达到均一分布的操作,是不均匀度不断减小的一种随机过程。其混合状态如图1-2。 (a)原状态 (b)理想完全状态 (C)随机完全状态图1-2 混合状态黑白格子各表示一种物料。图中的理想完全混合状态是难以达到的,实际混合过程总是无序、不规则排列,它所能达到的最佳程度称为随机完全混合。1.1.3 固体混合的影响因素与液体搅拌相比,固体混合不具有自身扩散的性质,因而必须施加外力才能强制流动。影响混合的因素,除混合设备和操作条件外,固体粉粒体的性质,包括粒子的粒度与粒度分布、粒子形状、表现密度、表面性质、静电荷、水分含量、休止角、流动性、凝聚性,对混合过程的影响极大,如图1-3所示。图中M为混合度,t为混合时间。图(a)所示的曲线为一条典型的正常曲线。在混合的初始阶段。混合度M增加甚快。呈直线上升,到后阶段,混合度的增加程度逐渐变得平缓,从图(b)可看出,因粉粒体的粒度差大,在混合过程中,混合程度不稳定,曲线经过一个峰值后反而下降了。混合后阶段,曲线下降的趋势逐渐趋于平坦,这与混合过程中,大颗粒较容易分离,而且小颗粒物料又较容易沉积在设备的下部有关。图(c)因粉粒体的密度差大,混合初期,混合度呈无规则曲线状上升,过了峰值反而逐渐下降。此曲线后阶段的走势与图(b)曲线有些类似,也是由物性差异较大所造成的。图(d)因混合过程中产生静电作用,混合的初始阶段,混合度上升的规律性很差,呈反复的波动状,到后阶段才稳定定下来,呈曲线状缓慢上升。(a)物性差小,混合良好 (b)粒度差大,混合不良 (c)密度差大,混合不良 (d)混合过程中发生静电的再混合图1-3 物性对混合过程的影响1.2 混合设备的分类固体混合设备可按不同的方法分类:l 按对粉粒体作用力的方式分为容器回转型、容器固定型(包括机械搅拌式、气流搅拌式、流体切割式)和复合型混合设备;l 按操作方式分为间歇式和连续式;l 按运动部件回转速度分为高速型和低速型。列出的各种混合设备的特性和适用范围,归纳起来可分为以下几大类。1.2.1 容器回转型混合设备 适用于物性差异小、流动性好的物料的混合,可以获得较高的混合精度;但对粒径比等物性差异大、流动性差的物料,采用该种型式大多数情况下不能得到良好的效果。 装料系数低,一般为0.30.4。 最佳回转速度,即处于最佳混合状态的速度一般为临界速度为50%80%;也可以用费劳德数是离心力与重力之比。当装料系数为0.3时,不同种类混合设备的值分别为:V型0.30.4,双重圆锥0.550.65,滚筒0.70.8,正立方体0.5。图1-4 容器回转型混合设备 设备容易清洗,适合于多品种小批量生产。 回转速度慢、适合于易磨损物料的混合。 容器回转空间大,但伴随回转容易引起负荷变动,因而需要设置 安全栅和牢固的基础。 进出口的定位较困难。1.2.2 容器固定型混合设备 机种多,不仅可满足各种物性粉粒体的混合,也可用于粉粒体中添加液体的混合。 因容器是固定的,混合设备与粉粒体进出料装置容易连接。 装料系数大,一般0.50.6。 设备清洗困难,适合于少品种大批量生产。 存在搅拌桨叶磨损和轴封部件粉尘等问题。1.2.3.复合型混合设备这类混合设备是在容器回转型的基础上,在容器内部增设了搅拌物料用的叶片,以增强物料的混合和分散作用,从而提高混合效果。如在常用的滚筒、V型、双重圆锥型等混合设备中,分别设置了特定的叶片,便构成了复合型混合设备。复合型混合设备的优缺点:适合粒径比等物性差异较大,流动性较差的物料,也适合于需添 加液体的混合。 装料系数中等,一般为0.40.5。 混合时间较短,生产效率高,混合精度较高。 因为有旋转叶轮工作,故清洗衣较容易。 容易造成物料的粉碎和磨损。 该设备运转时发热较大,不适合受热分解和热敏性物料。 存在搅拌叶片的磨损和粉尘进入轴封部件处而影响密封等问题。2. 混料机的组成及各部分功能2.1 混料机的组成本论文对小型混料机的设计要求是倾斜式滚筒混料机,目的是进行固体粉末的搅拌混合,而不具备液体混合的能力。为了符合设计要求,在参阅了相关资料中涉及的滚筒混料机的技术参数后,将该混料机的组成分为以下四部分:动力装置、传动装置、混合装置和混料机机架这四个部分。小型混料机电动机传动装置混料滚筒机架减速器传动齿轮配换齿轮传动一号(左)机架二号(右)机架 图2-1 混料机的组成混料设备的搅拌轴通常由电动机驱动,并且由于该混料机的使用场合是在实验室内,电力能源的获取是最简单易得的,故该小型混料机的动力源部分采用电动机驱动。当混料机由静止起动时,滚筒要克服自身的惯性,还要克服滚筒所推动的固体粉末的惯性以及传动装置等部件的惯性,这时滚筒与固体粉末的相对速度最大,滚筒所受阻力的作用面积也是最大,困此此所需的功率值必然较大,该最大功率即为混料机的启动功率。但试验测定表明,搅拌即在启动时,电动机启动电流的最高点持续时间一般仅为23秒,随后立即大幅度下降至接近正常动转电流,说明出现最大功率的时间极短,由于一般电动机都允许有启动过载量,即允许较大范围的启动电流。如380V三相交流异步电动机,在510秒的持续时间内,其启动电流一般允许达到额定电流的6.57倍;且电动机功率越小,则启动电流相对于额定电流的允许倍数越大。所以,只要选择合理的电动机,在启示录动时依靠转矩余量来加速搅拌即滚筒直达稳定工作转速,不会引起电动机过热或者不能启动的情况。混料机的传动装置包括减速装置,变速装置和滚筒驱动装置。减速装置即减速器,由于搅拌设备的转速一般都比较低,因而电动机绝大多数情况下都是与变速器组合在一起使用的,有时也采用变频直接调速。因此,选用电动机时,应特别考虑与变速器的匹配问题。变速装置照设计要求应该能达到四级变速的要求,在考虑了小型混料机的工作特性以及工作场所后,决定采且配换齿轮的变速方式。驱动装置采用齿轮来驱动混料滚筒的转动,鉴于齿轮传动的稳定性,决定采用开式齿轮传动来驱动混料滚筒。混合装置是一个直径300,长度500,壁厚5的圆柱型滚筒,滚筒的两端用支撑轴固定在机架上,混料滚筒的右侧焊接上轴承,该轴承上的齿轮与滚筒驱动装置的齿轮啮合,以达到使滚筒转动的目的。混料机的机架分成两个部分,两机架的立柱结构完全相同,区别是一侧的机架底座较大,这部分的底座上要安放电动机,减速器以及传动齿轮箱,且要保证电动机减速器以及传动齿轮箱的中心轴线位于同一水平面上,另一侧的机架只是负责混料滚筒的固定以及整个混料机系统的稳定。机架的两个部分的相对位置的固定采用连接杆来实现。2.2 混料机的各部分功能该小型搅拌的动力装置部分为电动机,电动机为整个小型混料机提供动力,电动机的功率经过联轴器传递到小型混料机的传动装置,经过减速器的减速,将电动机的高转速降低为比较低的转速,经过配换齿轮副的调整之后,由传动齿轮最终将功率传递到混料滚筒上面,带动混料滚筒的转动,以达到混合不同粉末的目的。减速器是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置,用来以满足工作需要。减速器的输入端轴通过连轴器与电动机的输出轴相连,由于电机的转速太高而扭矩较低,不能直接输出到混料滚筒段齿轮,必须经过减速器的减速,来降低转速和增大扭矩。有级(或分级)变速是指在一定的转速范围内,能够实现若干固定、不连续的转速(或速度)变化。其优点是工作可靠,传动比准确,采用多轴传动时变速范围大,其缺点是不能在运转中变速,不易选择最佳转速值。该小型混料机的变速装置为配换齿轮,变速时两齿轮位置互换或另装一对齿数比不同的齿轮,结构简单,不需要操纵机构或者互锁装置,轴向尺寸小,但是更换齿轮费时费力,悬臂安装受力条件差。适用于不经常变速且要求结构简单、紧凑的变速机构。传动齿轮是机器中应用最广泛的一类传动形式,它的功能是将机器中的原动机(如电动机、内燃机、汽轮机)的运动和动力向工作机(如水泵、抽油泵、鼓风机、起重机的钢缆转鼓、汽车的车轮、车床的卡盘)传递其所需要的运动和动力。而在仪器仪表中齿轮是以传递运动为主。齿轮传动和其他的传动形式相比具有传动功率范围宽、传动效率高、传动比准确、寿命长和结构紧凑等优点。图2-2 混料机装配示意图滚筒式混合设备的混料装置为一圆柱型混料滚筒,当驱动齿轮转动时,带动混料滚筒一起转动。初始位于滚筒底部的物料,由于物料间的黏结作用以及物料与侧壁间的摩擦力而随滚筒升起:又由于离心力的作用,物料向滚筒壁面靠近,并且物料之间以及物料与滚桶壁之间的作用力在增大。当物料上升到一定高度时,在重力作用下飞落到底部,如此反复进行循环混合。该小型混料机的机架分为两个部分。在无齿轮筒盖一侧的机架为一号机架,在有齿轮筒盖一侧的为二号机架。一号机架结构比较简单,主要功能仅为支撑滚筒,保持其稳定。二号机架结构略为复杂,除了与一号机架相同的结构功能外,还包括一个底座,用于安放电动机、减速器及传动齿轮箱,并保证这三个部件的中心高一致。3 .电动机的选用原动机的种类一般情况下均选用交流电动机。电动机为系列化产品。机械设计中仅需根据工作机的工作情况,合理选择电动机的类型、结构形式、容量和转速,提出具体的电动机型号2。3.1 电动机选用原则一、选择电动机的类型和结构形式如无特殊的需要,一般选用Y系列三相交流异步电动机。经常起动、制动和正反转动的,例如起动、提升设备,要求电动机具有较小的转动惯量和较大的过载能力,应选用冶金及起重用三相异步电动机,常用YZ型或YZR型。电动机的结构有防滴式、封闭自扇冷式和防爆式等,可根据防护要求选择。二、选择电动机的功率电动机的功率选择是否合适,对电动机的正常工作和经济性能都有影响。功率选的过小不能保证工作机的正常工作,或使电动机因超载而过早损坏,功率选的过大则电动机的价格高,能力又得不到充分发挥,而且由于电机经常不在满载下运转,其效率和功率因数都较低而造成能源的浪费3。对于载荷比较稳定、连续运转的机械,通常只需使电动机的额定功率Ped等于或稍大于所需电动机的工作功率Pd,即PedPd,而不必校验电动机的发热和起动转矩。所需电动机工作功率为: Pd= (3-1)式中 Pw-工作机所需功率,指输入工作机轴的功率,KW。 -由电动机至工作机的总效率。工作机所需功率 Pw由工作阻力和运动参数计算求得 Pw= (3-2)或 Pw= (3-3)其中: F-工作机的阻力,N V-工作机的线速度,m/s T-工作机的阻力矩,Nm nw-工作机转速,r/min w-工作机效率。总效率按下式计算: =123。n (3-4)其中:123。n分别为传动装置中每一传动副(齿轮、蜗杆、带、链)每对轴承或每个联轴器的效率,其数值可按表3-3-1选取。计算总效率时要注意以下几点:1.所取传动副效率是否已包括其轴承效率,如已包括,则不再计入轴承效率。2.同类型的几对传动副、轴承或联轴器,要分别考虑效率,例如有两级齿轮传动副时,效率为齿齿=齿2。3.轴承效率均指一对轴承而言。4.蜗杆传动效率与蜗杆头数及材料有关,应先初选头数,估计效率,待初步设计出蜗杆、蜗轮参数后,再计算效率并校核传动效率。5.当资料给出的效率数值为一范围时,一般可取中间值,如工作条件差、加工精度低、润滑脂润滑或维护部良时,则应取低值;反之可取高值。表3-1机械传动和轴承效率的概率值三、电动机转速的选择额定功率相同的同类型电动机,可能有不同的转速。如三相异步电动机就有四种常用的转速,即3000 r/min、1500 r/min、1000 r/min、750 r/min,低转速电动机的极数多,外廓尺寸及重量都较大,价格高,但可使传动装置总传动比及尺寸较小,高转速电动机则相反。因此确定电动机转速时,应进行分析比较,以确定合理的电动机转速。一般来说,如无特殊要求通常多选用同步转速为1500r/min或1000r/min的电动机。为使传动装置社的合理,可以根据工作机转速要求和各传动副的合理传动比范围推算电动机转速的可选范围,即 nd,=ianw=(i1i2in)nw (3-5)式中 nd, 电动机可选转速范围r/min ia 传动装置总传动比的合理范围 i1i2in各级传动副传动比的合理范围(见表3-2) nw工作机转速r/min表3-2 各类传动传动比的数值范围根据选定的电动机类型、结构、容量和转速,由标准中查出电动机型号、额定功率、满载转速、外形尺寸、电动机中心高、轴伸尺寸、键联接尺寸等,并将这些参数列表备用。四、传动装置传动比确定与分配原则传动装置的设计功率通常按实际需要的电动机工作效率Pd考虑,而转速则按电动机额定功率时的转速(满载转速)计算。根据电动机满载转速nm和工作机转速nw,可得到传动装置总传动比为 = (3-6)总传动比为各级传动比i1i2in的连乘积,即ia= i1i2in (3-7)合理分配总传动比,可使传动装置得到较小的外廓尺寸或叫较轻的重量,以实现降低成本和结构紧凑的目的,也可以使转动零件获得较低的园周速度以减少齿轮动载和降低传动精度等级的要求,还可以使齿轮有较好的润滑条件。但这几方面的要求不可能同时满足,因此在分配传动比时,主要考虑以下几点。(1)各级传动比都在各自的合理范围内,以保证符合各种传动形式的工作特点和结构紧凑。(2)分配各传动形式的传动比时,应注意各传动尺寸协调,结构均匀合理。例如,带传动的传动比过大,大带轮半径大于减速器输入中心高度(如图1)而与地基相碰(3)各传动件彼此不应该发生干涉碰撞现象。例如,在两级圆柱齿轮减速器中。若高速级传动比分配过大,则可能使高速级的大齿轮的轮缘与低速级的大齿轮相碰,如图3-1和图3-2所示。 图3-1 带轮过大与地基相碰 图3-2 高速级大齿轮与低速轴相碰(4)为使各级大齿轮浸油深度合理(低速级大齿轮浸油稍深),对各类减速器的传动比分配可参考下列几点。a) 展开式二级圆柱齿轮减速器,考虑润滑条件,应使两个大齿轮直径相近,低速级大齿轮略大些,按ia=(1.31.4)i2,对同轴线式则取i1i2=(i为减速器的总传动比)。这些关系只适应于两级齿轮的配对材料相同,齿宽系数选取同样数值的情况。b) 对于圆锥-圆柱齿轮减速器,可取圆锥齿轮传动比i10.25i,并使i13,最大允许i14.c) 蜗杆-齿轮减速器,可取齿轮传动比i2(0.030.06)id) 齿轮-蜗杆减速器,可取齿轮传动比i122.5。应该注意,以上传动比的分配只是理论计算值,是初步的。待各级传动零件的参数(如齿轮齿数、带轮直径等)确定后,应核算传动装置的实际传动比。对于一般机械,总传动比的实际值允许与设计要求的理论计算值有3%5%的误差。五、传动装置的运动和动力参数的计算为了进行传动件的设计计算,应将工作要求的功率或转矩推算到各轴上,分别求出个轴的转速功率和转矩。如将减速器、变速机构的各轴由高速至低速依次定为轴、轴、并设 io,i1,为相邻两轴的传动比;01,12为相邻两轴间的传动效率; P,P为各轴的输入功率KW; T,T为各轴的输入转矩Nmn,n为各轴的转速r/min;则可由电动机轴值至工作机轴方向依次推算,得到各轴的运动和动力参数。1、 各轴转速 n= (3-8) 式中 nm电动机的满载转速r/min Io电动机轴至轴的传动比。同理 n=r/min n= = r/min (3-9)其余类推。2、 各轴功率 P=Pd KW (3-10)式中 Pd电动机的实际输出功率 电动机轴与轴间的传动效率同理 P=P=Pd KW (3-11)其余类推。3、各轴转矩 T=Tdio N m (3-12)其中电动机轴的输出转矩Td为 Td=9550 (3-13)所以 T= Tdio=9550 io Nm T= Ti1 =9550 ioi1 Nm (3-14)其余类推。3.2 电动机选择计算1、确定电动机类型 按工作要求和条件,选用Y系列三相异步电动机。2、确定电动机容量 原始数据:(1)每次混料合计重不大于20kg.(2)混料滚筒转速10-60r/min。(3)滚筒(圆柱体)直径300mm,长度500mm,壁厚5mm。 计算出滚筒实际体积V实=V外-V内=(-)H=3.14(-)0.5=2.32。滚筒的质量m=V实=7.92.32=18.29(kg)。图3-3 混料机滚筒受力分析混料重量计为20kg,则滚筒质量(含料)共计38kg,=380cos10=374(N),=380cos80=66 (N)查表矿物油润滑金属表面的摩擦系数为0.150.3,取摩擦系数0.2,系数安全取2.5,则计算的轴承转动需要的牵引力是F=2.5=4650 N。轴承转速最大为50r/min,则线速度V=0.785m/s工作机所需功率Pw,按式计算: Pw= (3-15)工作机效率=,滚筒效率=0.95,滑动轴承效率=0.98,代人上式得: Pw=3.92kw电动机所需功率按下式公式计算 = (3-16)式中电动机至工作机的传动装置的总效率,由传动装置图可知 = (3-17)由表3-1,取弹性联轴器效率=0.994,闭式圆柱齿轮效率=0.97,开式圆柱齿轮效率=0.95, 滚动轴承(每对)效率=0.988 =0.9940.970.950.9883=0.91故 Pd=4.31 KW (3-18)电动机的额定功率略大于即可。由机械设计手册选择电动机额定功率为5.5KW3.选择电动机转速 滚筒轴工作转速为=50r/min。由表3-2推荐的传动副传动比合理范围,取一级圆柱齿轮减速器传动范围=(36),配换齿轮传动的传动比范围=(37)则传动装置总传动比的合理范围为:=(36)(37)=942 (3-19)电动机转速的可选范围为: =(942)50=4502100r/min (3-20)符号这一范围的常用同步转速有720、960、1440r/min。以三种方案作比较,结果如表3-3表3-3 电动机型号参数比较方案电动机型号额定功率(kw)电动机转速电动机重量(kg)传动装置的传动比同步满载总传动比开式齿轮传动比减速器传动比1Y160M2-85.5750720127112.84.028.212Y132M2-65.598096090704.017.373Y132S-45.51500144068564.014.0选电动机型号为Y132S-4,表3-4 Y132S-4电动机参数电动机型号额定功率(KW)满载时转速(r/min)电流效率功率因数Y132S-45.5144015.4870.852.22.24.混料机传动装置的设计4.1减速器的设计4.1.1确定传动装置总传动比和分配各级传动比传动装置总传动比=28.8 (4-1)分配传动装置各级传动比= (4-2)式中 、分别为一级圆柱齿轮减速器和开式圆柱齿轮的传动比为使开式圆柱齿轮传动中大齿轮分度圆直径大于滚筒直径,以免开式圆柱齿轮传动的小齿轮与滚筒发生干涉,取=5.0,减速器传动比为=5.76考虑到四级变速,变速箱的传递比分别是当转速=20min,传动比=5.76,=12.5当转速=30r/min,传动比=5.76,=8.3当转速=40min,传动比=5.76,=6.25当转速=50r/min,传动比=5.76,=5.04.1.2 传动装置的运动和动力参数1. 各轴由高速至低速依次设为轴、轴、轴(工作轴),输出转速是(计算转速=50r/min) 轴 n=1440r/min 轴 n=250r/min 轴 n=50r/min (4-3)2、输出功率 轴 P=4.310.994=4.27 kw 轴 P=4.270.970.988=4.09 kw轴 P=4.090.950.988=3.84 kw (4-4)3、各轴输出转矩电动机输出转矩=9550=9550=28.58 Nm 轴 T=28.580.9940.97=27.56 Nm 轴 T=27.560.970.9885.76=152.14 Nm 轴 T=152.140.950.9885=714 Nm (4-5)应注意的是:同一根轴上输出功率和输出转矩与其输入功率和转矩不同,一般相差一对轴承效率。将上述计算得到的运动和动力参数列表如下表:表4-1 电动机轴及各轴的运动和动力参数轴号功率P(kw)扭矩T(Nm)转速n(r/min)传动比效率电动机轴4.3128.5814401.00.994轴4.2727.5614405.760.97轴4.09152.142505.00.95轴3.84714504.1.3传动零件的设计计算圆柱齿轮传动的设计计算4已知输入功率Pd=4.31kw(略大于小齿轮的实际功率),小齿轮的转速为:n1=1440r/min,大齿轮的转速为n2=250r/min,传动比i=5.76,由电动机驱动,工作寿命(设每年工作300天,工作15年),单班制,工作时有轻微震动,在室外工作。1.选定齿轮的类型、精度等级、材料及齿数1) 按已知条件,选用直齿圆柱齿轮传动。2) 减速器的齿轮齿面采用硬齿面齿轮传动,由表9-1取大小齿轮的 材料,选用45Cr,调质后表面淬火,表面硬度HRC4855。3) 因表面淬火,齿轮变形小,不需磨削,故选用7级精度。4) 选用小齿轮的齿数=23,则 =1322. 按齿面接触疲劳强度设计根据设计计算公式进行试算,即 2.32 (4-6)(1)确定上式中各参数 1) 试选载荷系数Kt1.32) 小齿轮传递的扭矩=0.2756105 Nmm3) 查表,选齿宽系数=0.94) 查表,得弹性影响系数=189.85) 按齿面硬度中间值HRC52,查得大小齿轮的接触疲劳强度极限为 =1170MPa6) 重合度系数,端面重合度=1.88-3.32(+)cos= 1.88-3.32 (+)cos0=1.71 由式得=0.8747) 计算应力循环次数 N1=6014401(300158)=3.11109次8) N2=3.11109/3.2=0.97109次9) 查图得接触疲劳强度寿命系数 10) 计算接触疲劳许用应力:取安全系数S=1,则11) 12) (2)计算1)设计公式中代入中较小的值,得2.32 =2.32 =23.53 mm (4-7) 2)计算小齿轮分度圆圆周速度v 3)计算齿宽b b= 4)计算齿宽与齿高之比b/h 模数 齿高 5)计算载荷系数 查图,由v=3.15m/s,7级精度,得KV=1.17 查表,得,查表,得KA=1, 查表,得KH=1.63, 查表,得KF=1.53 载荷系数 6)按实际载荷系数修正 7)计算模数m (3).按齿根接触疲劳强度设计 设计公式为 (4-8) (1).确定设计公式中的参数 1)查图,得大、小齿轮的弯曲疲劳强度极限为 2)查图,得弯曲疲劳寿命系数 3)计算弯曲疲劳许用应力:取安全系数S=1.4,则 4)计算载荷系数K 5)查表,得齿形系数 6)查表,得应力校正系数 7)计算重合度系数 8)计算大、小齿轮的值 所以小齿轮弯曲强度较弱。(2)计算齿轮模数 设计公式中代人的较大值,得 (4-9) 由计算结果可看出,由齿面接触疲劳强度计算的模数m略小于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数,但由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力,而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力仅与齿轮直径有关,所以,可取由弯曲强度算得的模数1.72,并就近圆整为标准值m=1.5mm。因按接触强度算得的分度圆直径d1=24.09mm,这时需要修正齿数56 ,取 则 (4).几何尺寸计算(1)计算分度圆直径 (4-10) (2)计算中心距 (4-11) (3)计算齿轮宽度 取b2=22mm,b1=b2+5=27mm (4-12)(5).验算 ,合适。(4-13)4.1.4 轴的结构设计计算及校核已知求得7P=4.09 kw T=152.14 Nm n=250 r/mind2=mz2=138 mm Ft=2T/d2=2152.14/0.138=2204.93 NFr=Fttgn=2204.93tg20=802.53 N Fa=0 N选取轴的材料为45Cr。查表11-3,知A0=1001初步确定轴的最小直径d (4-14) 2. 轴的结构设计 1)拟定轴上零件的装配方案 图4-1 轴上零件的装配i. I-II段轴用于安装轴承30307,故取直径为35mm。ii. II-III段轴肩用于固定轴承,查手册得到直径为44m。iii. III-IV段为大齿轮,外径52mm。iv. IV-V段为轴肩,直径为57mm。v. V-VI段为轴肩,直径为50mm。vi. VI-VIII段安装套筒和轴承,直径为38mm、35mm。2)根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度I-II段轴承宽度为22.75mm,所以长度为22.75mm。II-III段轴肩考虑到齿轮和箱体的间隙12mm,轴承和箱体的间隙4mm,所以长度为16mm。III-IV段为大齿轮,长度为90mm。IV-V段轴,长度为20mm。V-VI段轴为83mm。VI-VIII长度为40mm、44mm。综上得出轴各段的直径和长度。1-2段:D-=35mm,L-=22.75mm 2-3段:D-=44mm,L-=16mm3-4段:D-=52mm,L-=90mm 4-5段:D-=57mm,L-=20mm5-6段:D-=50mm,L-=83mm 6-7段:D-=38mm,L-=40mm7-8段:D-=35mm,L-=44mm3. 轴上零件的周向定位:齿轮与轴的周向定位采用平键联接,查手册选平键bh=1610,键长36mm,配合为H7/K6,滚动轴承与轴通过过渡配合实现周向定位,轴径公差为K6。4 确定轴上圆角和倒角尺寸,取轴端倒角245根据轴的结构图作出轴的结构简图L1=80mm, L2=130mm, L3=44mm作为简支梁的轴的支持跨距L1+L2=210mm截面弯矩最大处是轴的危险截面8。图4-2 轴的受力求轴承支反力及弯矩水平支反力:水平面内轴的受力如图,由力的平衡条件得图4-3 轴承水平支反力 得 (4-15)垂直支反力:垂直面内轴的受力如图,由力的平衡条件得图4-4 轴承垂直支反力同理得 弯矩: (4-16)总弯矩: (4-17)扭矩: (4-18)计算弯矩:() (4-19)抗弯截面系数: (4-20)校核轴上承受最大计算弯矩的截面强度 (4-21)轴的材料是45Cr,B=785MPa,查表知-1b=70MPa。因此ca-1b,故轴安全。图4-5 轴的载荷分布图从应力集中对轴的疲劳强度的影响来看,截面和处过盈配合引起的应力集中最严重,但截面不受扭矩作用,轴径也大,不必校核。该轴只须校核截面左右两侧即可9。(1)截面左侧抗弯截面模量 抗扭截面模量 作用在截面左侧的弯矩M为 (4-22)作用在截面上的扭矩为 截面左侧的弯曲应力 截面左侧的扭转切应力 查表得截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数及查表选取。因,得 查图,可得轴的材料的敏感系数 所以有效应力集中系数 (a)弯曲 (b)扭转图4-6 有效应力集中系数由图得尺寸系数 轴按磨削加工,查图得表面质量系数为 轴未经表面强化处理,则综合系数值为 (4-23)查表得材料特性系数 计算安全系数 S=1.5 (4-24)所以其安全。(2)截面右侧抗弯截面模量 抗扭截面模量 作用在截面右侧的弯矩M为 (4-25) 作用在截面上的扭矩为 截面右侧的弯曲应力 截面右侧的扭转切应力 过盈配合产生的应力集中系数,查表可得 轴按磨削加工,查图得表面质量系数为 所以综合系数为 轴在截面右侧的安全系数为 S=1.5 (4-26)该轴在截面右侧强度足够,故安全。4.1.5 键联接的选择及计算由于键采用静联接,有轻微冲击。所以许用挤压应力为,所以上述键皆安全。表4-2 键联接的选择代号直径(mm)工作长度(mm)工作高度(mm)转矩(Nm)极限应力(MPa)高速轴66402034327.5627.94中间轴16105252504152.1441.2低速轴872828203571454.994.1.6 滚动轴承的寿命校核、轴均采用30307圆锥滚子轴承,校核计算:1) 求合成支反力 (4-27)2) 轴承的派生轴向力由轴承样本或设计手册查得30307轴承C=75.2KN,e=0.31,Y=1.9 (4-28)3) 实际轴向力由于,所以轴向力 4) 当量动载荷 (4-29)由于是一般载荷,轻微冲击,取载荷系数,则当量动载荷 (4-30)因,故应按计算轴承寿命。5) 轴承额定寿命计算常温下工作,温度系数得 (4-31) 4.2联轴器的选用减速器通常通过联轴器与电动机轴、工作机轴相联接。联轴器的选择包括联轴器类型和尺寸等的合理选择。联轴器类型应根据工作要求选定,具体原则如下。(1)联接电动机轴与减速器高速轴的联轴器,由于轴的转速较高,故一般应选用具有缓冲、吸振作用的弹性联轴器,如弹性套柱销联轴器、弹性柱销联轴器等。(2)减速器低速轴与工作机轴联接用的联轴器,由于转速较低,传递的力矩较大,且减速器轴与工作机轴之间往往有较大的轴线偏移,故常常选用刚性可移式联轴器,如滚子链联轴器、齿式联轴器等。(3)对于中小型减速器,其输出轴与工作机轴的轴线偏移不很大时,也可选用弹性柱销联轴器这类可移式联轴器。(4)所选联轴器孔径的范围应与被连接两轴的直径相适应。应注意减速器高速轴外伸端轴径与电动机的轴径不能相差很大,否则难以选择合适的联轴器。电动机选定后,其轴径是一定的,应注意调整高速轴外伸端的直径。由于弹性联轴器的诸多优点,所以考虑选用它。由于装置用于搅拌粉末,原动机为电动机,所以工作情况系数为,计算转矩为 (4-32)所以考虑选用弹性柱销联轴器TL4(GB4323-84),但由于联轴器一端与电动机相连,其孔径受电动机外伸轴径限制,所以选用TL5(GB4323-84)其主要参数如下:材料HT200公称转矩轴孔直径,轴孔长,装配尺寸半联轴器厚 (P521表5-6-4)(GB4323-84)4.3 变速装置的设计本课题小型混料机的设计由原动机经过减速器的减速再通过变速将动力传递给混料滚筒,刚开始打算采用滑移齿轮来实现四级变速的,但考虑到每对滑移齿轮上的齿轮数最好不超过3,否则在滑移时会引起滑移齿轮与固定齿轮的齿顶相碰,而设计要四级变速就必须把滑移齿轮块分成两组,即用两个双联滑移齿轮块,同时还必须使用两个能互锁的机构操纵,使其不能同时进入啮合。如果这样本设计的课程工作量就较大,于是放弃采用滑移齿轮的想法,进而打算采用塔轮变速传递机构,塔轮机构要进行皮带轮的设计且要保证两轴的中心距不变,皮带较长,尺寸大,变换时换移皮带不够方便,设计的整个装置变大,综合考虑最终选择配换齿轮来变速。这次设计小型混料机,要求混料机的滚筒转速可调,转速共分四级并呈几何级数布置,。由于滚筒的转速限制在10-60r/min,所以转速的选举被限制在一个更小的范围内,变速器的输出转速采用等比数列排列。标准公比是等比数列中任意相邻的两转速之比,为一常数成为转速数列的公比,即式中为最低转速(第1级转速)、第2级转速、最高转速(第Z级转速)。标准公比,即=1.06、1.12、1.26、1.41、1.58、1.78、2.00。可根据变速器的使用要求及结构复杂程度选取值,通常取=1.26,1.41。实际上也可使用非标准公比的。配换齿轮变速机构的特点:变速时两齿轮位置互换或另装一对不同齿数比的齿轮结构简单,工作稳定,不需要操纵机构或互锁装置,轴向尺寸小,但更换齿轮费时费力,悬壁安装时受力条件差。适合于不经常变换且要求结构简单、紧凑的变速机构中。本设计中配换齿轮的机构特点非常适合本次小型混料机的设计机构特点,所以决定小型混料机的变速机构采用配换齿轮变速机构,由于转速共分四级,所以总共需要四对配换齿轮以达到四级变速的目的。具体的配换齿轮参数如下表4-3 配换齿轮数据配换齿轮齿轮参数第一组配换齿轮第二组配换齿轮第三组配换齿轮第四组配换齿轮Z1(高速级)23626270Z2(低速级)131968880M(模数)1.51.51.51.5实现的滚筒转速r/min203040504.4传动齿轮箱的设计箱体采用剖分式,铸造而成。箱体用来支持和固定轴系零件,保证传动件啮合精度,良好润滑及密封。箱体要有足够的刚度,为了保证箱体的刚度,在轴的两个机架之间增加支撑肋保证箱体在安装基础上的稳定性,并尽可能减少箱体底座平面机械加工面积,箱体底座一般不采用完整的平面。4.4.1 轴的设计III轴1 作用在齿轮上的力FH1=FH2=4494/2=2247NFv1=Fv2=1685/2=842.5N (4-33)2 初步确定轴的最小直径 (4-34)3 轴的结构设计1) 轴上零件的装配方案图4-7 轴上零件的装配2) 据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度I-IIII-直径607075877970长度105113.758399.533.25求轴上的载荷Mm=316767NmmT=925200Nmm4. 弯扭校核 (4-35)4.4.2 齿轮的设计传动齿轮箱中齿轮的设计,是与混料滚筒的筒盖外齿轮啮合,从而带动混料滚筒的转动,齿轮的材料采用45钢,热处理工艺为调质,齿轮毛坯为铸造生产,具体参数如下10:齿数Z=70,齿轮模数m=1.5,齿轮沉头通孔的圆心半径=85mm齿轮下沉部分的内圆直径d1=50mm齿轮下沉部分的外圆直径d2=120mm 齿轮中心孔直径为d0=30mm齿轮厚度为t=25mm 图4-8 齿轮示意图通孔上的键槽型号与轴上键的型号相对应,具体尺寸符合GB/T1095-19794.4.3 轴承的选用根据轴的尺寸,选择轴承的基本尺寸d=70mm,由于轴承承受的载荷为径向载荷,受到的轴向载荷较小,所以选用深沟球轴承完全可以满足使用要求,由于滚动轴承的失效形式主要有疲劳点蚀、塑性变形、磨损,经过查阅机械设计手册,最终决定选用深沟球轴承6214,其计算所得的滚动轴承寿命完全小于轴承的基本额定寿命12,其具体尺寸如下表所示:表4-4 轴承基本数据基本尺寸安装尺寸基本额定载荷极限转速动载荷静载荷dDBminmaxmax脂润滑油润滑mmmmkNr/min7012524791161.560.845480060004.4.4 下箱体与上箱盖的设计 该箱体的功能要求比较简单,只是完成动力的传输,而且与混料滚筒的外齿轮啮合为开式齿轮传动,所以箱体的设计也力求简单易行。具体的箱体外形尺寸见传动齿轮箱装配图。5.混料滚筒的设计 混料滚筒即混料机的混料容器,包括筒体、外购件及内购件等,其作用是为物料混合提供合适的空间。滚筒的筒体大多是圆筒形的,两端端盖一般采用椭圆形封头,锥形封头或平盖,本设计采用平盖封头,并用螺母固定。根据工艺需要,容器上装有各种接管,以满足进料和出料的要求。混料容器通常是立式安置的,但也有时是卧式的,水平放置的滚筒式混合设备,其滚筒内的物料仅在垂直平面内回转,而在水平面很少产生物料间的位置更换,为弥补这类混合设备的不足,采用斜轴式安装形式,也就是将滚筒的轴线与水平旋转轴线成一定的角度,使得垂直方向运动的物料受到倾斜作用力而发生水平方向移动,即产生上、下、左、右的交叉混合,以提高混合效果13。斜轴式混合设备的倾斜角度设计为10。物料在滚
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