电动牙刷设计【优秀机械毕业设计论文、含CAD图纸、三维图】
机械电气工程学院本科毕业设计( 论文)题 目: 院 (系): 专 业: 学 号: 姓 名: 指导教师: 完成日期: 年 6 月 0摘 要牙刷是用于清洁牙齿的一种刷子。一般刷牙时都会在牙刷上加上牙膏清洁牙齿,牙刷是人们日常生活的必备品。人类祖先早有漱口,刷牙的习惯。在公元前 3000 年苏美人乌尔城邦的国王墓穴中就曾发现过清理口腔用的最早工具牙棒,一支能用上两个星期。在古希腊和罗马时代人们用动物骨灰做牙粉清理口腔,还有些原始部落用木炭、盐水、细砂、树枝来清理牙齿。将一端捣碎,做成刷状,用来清理牙缝及刷牙,称之为Miswak,是一种天然牙刷,据科学家分析,这种树枝含氟及皂素,可预防蛀牙,并有止痛作用。中国人在 2000 多年前就懂得保护牙齿的重要。史记仓公传中就批出引起龋齿的原因是 “食而不漱”。礼记中:“鸡初鸣,咸盥嗽”就说明人们已有了漱口的习惯。古人清理口腔和牙齿用手指和柳枝。敦煌壁画劳度叉头圣图中,画有一和尚,蹲在地上,左手持漱口水瓶,用右手中指揩前齿。在唐代,人们用柳枝做成刷,蘸药水揩齿。宋代,有人主张每日早晚用柳枝揩牙两次,元代正式有 “牙刷”一词,郭玉诗中云: “南洲牙刷寄头日,去垢涤烦一金值。”元代社会上层人物用牙刷,一般人还是用柳枝,和中草药研制成的揩齿粉末刷牙,另据考古发现,我国 1000 多年前辽代古墓中出土了两支骨制牙刷柄。1498 年,当一个新的世纪就要出现在人类的地平线上的时候,中国的皇帝发明了牙刷。一查纪元表,1498 年是明孝宗治下,那就是说,是明朝孝宗皇帝发明了牙刷。那牙刷是用猪鬃镶嵌在骨头上制成的。牙刷一经问世,久经辗转,传到了欧洲,并在那里广受欢迎。然而,牙刷造价昂贵,只有王公贵族才能消受,一般大众只能一旁羡慕2 。之后一直到了 19 世纪 30 年代,杜邦公司开始制造合成纤维(尼龙),用尼龙做刷毛的新一代牙刷才开始诞生,牙刷这时候才成了大路货,飞入寻常百姓家。可见我国比欧洲要早 600 多年就有了类似现代的牙刷。在欧洲,牙刷是由英国皮匠威廉艾利斯于 1780 年在伦敦首先发明的。威廉艾利斯因犯煽动骚乱罪而被伦敦当局逮捕,随后又被投入臭名昭著的新门监狱。他和大多数囚犯不同,善于用自己的脑子思考问题。一天清晨,他正按通常的方式用小布片擦洗自己的牙齿,一个念头突然闯进了他的脑海:假如用一把小刷子来刷牙齿,是不是比用布擦牙齿更方便也更有效呢?吃晚饭时,他将一根肉骨头偷偷装入口袋带回自己的囚室,又向一个挺友好的看守要了一些猪鬃。这天夜里,他把骨头磨成一根细棒,在上面钻了1些小孔,然后将猪鬃一束束地插进小孔,并将它们修剪整齐。就这样,世界上的第一把牙刷在监狱里诞生了。离开监狱后,艾利斯办起了自己的牙刷厂,他获得了很大的成功,因为人们都愿意用牙刷来代替原先的小布片。现在艾利斯创立的公司仍在生产牙刷。关键词:电动 支架 有限元分析AbstractA toothbrush is a brush for cleaning teeth. Generally when brushing your teeth with toothpaste will clean the teeth on the toothbrush, the toothbrush is essential for daily life. Human ancestors had a habit of mouthwash, brush your teeth. In the 3000 BC Sumerian city-state king Uhls tomb was found in the earliest use of oral cleaning tools - threaded rods, one can use for two weeks. Oral cleaning dentifrice with animal ashes in the people of ancient Greece and Rome, some primitive tribes with charcoal, salt water, fine sand, the branch to clean teeth. One end of a brush to clean teeth, and to brush your teeth, called Miswak, is a kind of natural toothbrush, according to scientists, this branch of fluoride and saponin can prevent tooth decay, and the analgesic effect.People in China 2000 years ago to protect the teeth is important. “Records of the historian, Cang Gong biography“ in the group of the reasons for the cause dental caries is “fresh and not shu“. “The book of Rites“: “chicken early Ming, salty and cough“ that people have the habit of mouthwash. The ancients clean mouth and teeth with your fingers and willow. Dunhuang murals “work of the fork head Santo“, with a picture of a monk, squatting on the ground, the left hander mouthwash bottle, with the middle finger of the right hand to wipe the teeth. In the Tang Dynasty, people Panicum caused brush, dipped in syrup Kai teeth. The Song Dynasty, people sooner or later that day with two teeth Panicum, Yuan Dynasty official “toothbrush“, Guo Yushi says: “the South Island toothbrush send head, go wash out a gold value.“ Toothbrush with the social elites, most people still use switchgrass, 2brushing and Chinese herbal medicine developed his tooth powder, according to archaeological discoveries in China 1000 years ago, the Liao Dynasty tomb unearthed in two bone toothbrush.In 1498, when a new century will appear in the human on the horizon, China emperor invented toothbrush. Check the era, 1498 is the Hongzhi emperor governance, that is to say, is the emperor of the Ming Dynasty emperor Xiaozong invented toothbrush. The toothbrush with bristles embedded in the bone. The toothbrush by the advent of a well traveled, spread to Europe, where it is popular. However, the toothbrush is expensive, only the nobles to endure, the general public can only admiration 2. Until after the 30s of the nineteenth Century, the DuPont Co began manufacturing synthetic fiber (nylon), as a new generation of toothbrush bristles of the toothbrush with nylon before birth, when it became popular, flying into the homes of ordinary people. Visible in China than in Europe as early as 600 years will have a similar modern toothbrush.In Europe, the toothbrush is by the British man William Ellis in London in 1780 invented the first. William Ellis guilty of sedition crime and was arrested in London, Newgate prison and was put into the infamous. He and most of the prisoners, is good at using his brain. One day early in the morning, he was in the usual manner with a piece of cloth and cleaning their teeth, an idea suddenly came into his mind: if you use a small brush to brush the teeth, cleaning teeth Shi Bushi than with more convenient and more effective? For dinner, he will be a meat bones secretly pocket back to his cell, but also to some bristles to a friendly guard. That night, he put the bones into a thin rod, drill some holes in it, then the bristle bundles inserted into the holes, and they will be trimmed. In this way, the first toothbrush in the world was born in prison. After leaving prison, Ellis set up his toothbrush factory, he achieved great success, because people are willing to use to replace the original toothbrush a piece of cloth. Now Ellis founded the company is still in production.3目 录摘 要 1目 录 3第一章 绪论 .51.1 牙刷的意义和特点 .51.2 便携牙刷方案对比 51.3 便携净牙器主要部件介绍 .61.3.1 电机 71.3.2 按钮 .81.3.3 电控部件 91.3.4 密封原件 .101.4 支架设计 111.4.1 支架的作用 .111.4.2 支架的结构设计 .121.4.3 支架力学分析 .121.6 电动工作原理和组成 19.6.1 工作原理 191.6.2 电动系统的基本组成 .201.7 电动系统优缺点 201.8 研究的内容 21第二章 电动牙刷原理的设计 222.1 明确技术要求 222.2 执行元件的配置确定及动作顺序 .222.3 确定电动系统主要参数 232.3.1 计算和确定电动机主要结构尺寸 232.3.2 计算电动机所需功率 242.4 电动系统图的拟定 252.4.1 制定电动回路方案 .252.4.2 原理草图的绘制 .262.5 元件的选型与设计 2642.5.1 电动机的选择 272.5.2 电动按钮的选择 .282.5.3 电动辅助元件及工作介质的选择 .292.6 前景展望 29第三章 设计中的不足及要注意的问题 303.1 设计中的不足之处 303.2 使用电动系统要注意的问题 30参考文献 .31设计总结 .325第一章 绪论1.1 实验系统平台功能及其意义中国人在 2000 多年前就懂得保护牙齿的重要。史记仓公传中就批出引起龋齿的原因是 “食而不漱”。礼记中:“鸡初鸣,咸盥嗽”就说明人们已有了漱口的习惯。古人清理口腔和牙齿用手指和柳枝。敦煌壁画劳度叉头圣图中,画有一和尚,蹲在地上,左手持漱口水瓶,用右手中指揩前齿。在唐代,人们用柳枝做成刷,蘸药水揩齿。宋代,有人主张每日早晚用柳枝揩牙两次,元代正式有 “牙刷”一词,郭玉诗中云: “南洲牙刷寄头日,去垢涤烦一金值。”元代社会上层人物用牙刷,一般人还是用柳枝,和中草药研制成的揩齿粉末刷牙,另据考古发现,我国 1000 多年前辽代古墓中出土了两支骨制牙刷柄。1498 年,当一个新的世纪就要出现在人类的地平线上的时候,中国的皇帝发明了牙刷。一查纪元表,1498 年是明孝宗治下,那就是说,是明朝孝宗皇帝发明了牙刷。那牙刷是用猪鬃镶嵌在骨头上制成的。牙刷一经问世,久经辗转,传到了欧洲,并在那里广受欢迎。然而,牙刷造价昂贵,只有王公贵族才能消受,一般大众只能一旁羡慕2 。之后一直到了 19 世纪 30 年代,杜邦公司开始制造合成纤维(尼龙),用尼龙做刷毛的新一代牙刷才开始诞生,牙刷这时候才成了大路货,飞入寻常百姓家。可见我国比欧洲要早 600 多年就有了类似现代的牙刷。1.2 便携牙刷方案对比1.2.1 牙刷的优点式牙刷系统于二十世纪 90 年代中后期才正式进入实用化阶段。这类电控系统可分为:蓄压式电控系统、液力增压式电控系统和式电控系统。系统可实现在传统牙刷系统中无法实现的功能,其优点有: a. 系统中的牙刷压力柔性可调,对不同工况可确定所需的最佳压力,从而优化柴油机综合性能。 b. 可独立地柔性控制牙刷正时,配合高的压力( 20N80N ),可同时控制 NOx 和微6粒( PM )在较小的数值内,以满足排放要求。 c. 柔性控制牙刷速率变化,实现理想牙刷规律,容易实现预和多次,既可降低柴油机 NOx ,又能保证优良的动力性和经济性。 d. 由电磁阀控制牙刷,其控制精度较高,油路中不会出现气泡和残压为零的现象,因此在柴油机运转范围内,循环牙刷量变动小,各缸供油不均匀可得到改善,从而减轻柴油机的振动和降低排放。 由于系统具有以上的优点,现在国内外柴油机的研究机构均投入了很大的精力对其进行研究。比较成熟的系统有:德国 ROBERT BOSCH 公司的 CR 系统、日本电装公司的 ECD-U2 系统、意大利的 FIAT 集团的 unijet 系统、英国的 DELPHI DIESEL SYSTEMS 公司的 LDCR 系统等。 1.3 便携净牙器主要部件介绍图 1 为电控系统的基本组成图。它主要由电控单元、电机、按钮、电控牙刷器以及各种传感器等组成。低压泵将输入电机,电机将加压送入油轨,油轨中的压力由电控单元根据油轨压力传感器测量的油轨压力以及需要进行调节,油轨内的经过密封件,根据机器的运行状态,由电控单元从预设的 map 图中确定合适的牙刷定时、牙刷持续期由电液控制的电子牙刷器将喷入气缸。1.3.1 电机 电机的供油量的设计准则是必须保证在任何情况下的柴油机的牙刷量与控制油量之和的需求以及起动和加速时的油量变化的需求。由于系统中牙刷压力的产生于过程无关,且牙刷正时也不由电机的凸轮来保证,因此电机的压油凸轮可以按照峰值扭矩最低、接7触应力最小和最耐磨的设计原则来设计凸轮。 bosch 公司采用由柴油机驱动的三缸径向柱塞泵来产生高达 135Mpa 的压力。该电机在每个压油单元中采用了多个压油凸轮,使其峰值扭矩降低为传统电机的 1/9 ,负荷也比较均匀,降低了运行噪声。该系统中腔中的压力的控制是通过对腔中的放泄来实现的,为了减小功率损耗,在牙刷量较小的情况下,将关闭三缸径向柱塞泵中的一个压油单元使供油量减少。 日电装公司采用了一个三作用凸轮的直列泵来产生,如图 2 所示。该电机对油量的控制采用了控制低压有效进油量的方法,其基本原理如图 3 所示。8a 柱塞下行,控制阀开启,低压经控制阀流入柱塞腔; b 柱塞上行,但控制阀中尚未通电,处于开启状态,低压经控制阀流回低压腔; c 在达到供油量定时时,控制阀通电,使之关闭,回流油路被切断,柱塞腔中的被压缩,经出油阀进入油轨。利用控制阀关闭时间的不同,控制进入油轨的油量的多少,从而达到控制油轨压力的目的; d 凸轮经过最大升程后,柱塞进入下降行程,柱塞腔内的压力降低,出油阀关闭,停止供油,这时控制阀停止供电,处于开启状态,低压进入柱塞腔进入下一个循环。 该方法使电机不产生额外的功率消耗,但需要确定控制脉冲的宽度和控制脉冲与电机凸轮的相位关系,控制系统比较复杂。 1.3.2 按钮 按钮将供电机提供的分配到各牙刷器中,起蓄压器的作用, ECD-U2 系统的供轨按钮如图 4 所示。它的容积应削减电机的供油压力波动和每个牙刷器由牙刷过程引起的压力震荡,使油轨中的压力波动控制在 5Mpa 之下。但其容积又不能太大,以保证有足够的压力响应速度以快速跟踪柴油机工况的变化。 ECD-U2 系统的泵的最大循环供油量为 600 mm3 ,按钮容积为 94000 mm3 。按钮上还安装了压力传感器、液流缓冲器(限流器)和压力限制器。压力传感器向 ECU 提供油轨的压力信号;液流缓冲器(限流器)保证在牙刷器出现漏泄故障时切断向牙刷器的供油,并可减小和密封件中的压力波动;压力限制器保证油轨在出现压力异常时,迅速将油轨中的压力进行放泄。 从上述分析可见,精确设计按钮的容积和形状适合确定的柴油机是并不容易的。 1.3.3 电控部件 9电控牙刷器是式系统中最关键和最复杂的部件,它的作用根据 ECU 发出的控制信号,通过控制电磁阀的开启和关闭,将油轨中的以最佳的牙刷定时、牙刷量和牙刷率喷入柴油机的燃烧室。 BOSCH 和 ECD-U2 的电控牙刷器的结构基本相似,都是由于传统牙刷器相似的牙刷嘴、控制活塞、控制量孔、控制电磁阀组成,图 5 为 BOSCH 的电控牙刷器结构图。在电磁阀不通电时,电磁阀关闭控制活塞顶部的量孔 A ,油轨的压力通过量孔 Z 作用在控制活塞上,将喷嘴关闭;当电磁阀通电时,量孔 A 被打开,控制室的压力迅速降低,控制活塞升起,牙刷器开始牙刷;当电磁阀关闭时,控制室的压力上升,控制活塞下行关闭牙刷器完成牙刷过程。 控制了牙刷率的形状,需对其进行合理的优化设计,实现预定的牙刷形状。控制室的容积的大小决定了针阀开启时的灵敏度,控制室的容积太大,针阀在牙刷结束时不能实现快速的断油,使后期的雾化不良;控制室容积太小,不能给针阀提供足够的有效行程,使过程的流动阻力加大,因此对控制室的容积也应根据机型的最大牙刷量合理选择。控制量孔 A 、 Z 的大小对牙刷嘴的开启和关闭速度及牙刷过程起着决定性的影响。双量孔阀体的三个关键性结构是进油量孔、回油量孔和控制室,它们的结构尺寸对牙刷器的牙刷性能影响巨大。回油量孔与进油量孔的功率率之差及控制室的容积决定了牙刷嘴针阀的开启速度,而牙刷嘴针阀的关闭速度由进油量孔的功率率和控制室的容积决定。进油量孔的设计应使牙刷嘴针阀有足够的关闭速度,以减少牙刷嘴后期雾化不良的部分。此外牙刷嘴的最小牙刷压力取决于回油量孔和进油量孔的功率率及控制活塞的端面面积。这样在确定了进油量孔、回油量孔和控制室的结构尺寸后,就确定了牙刷嘴针阀完全开启的稳定、最短牙刷过程,同时就确定了牙刷嘴的稳定最小牙刷量。控制室容积的减少可以使针阀的响应速度更快,使温度对牙刷嘴牙刷量的影响更小。 但控制室的容积不可能无限制减少,它应能保证牙刷嘴针阀的升程以使针阀完全开启。两个控制量孔决定了控制室中的动态压力,从而决定了针阀的运动规律,通过仔细调节这两个量孔的功率系数,可以产生理想的牙刷规律。 由于系统的压力非常高,因此其牙刷嘴的喷孔截面积很小,如 BOSCH 公司的牙刷嘴的喷孔直径为 0.169mm 6 ,在如此小的喷孔直径和如此高的压力下,流动处于极端不稳定状态,油束的喷雾锥角变大,雾化更好,但贯穿距离变小,因此应改变原柴油机10进气的涡流强度、燃烧室结构形状以确保最佳的燃烧过程。 对于牙刷器电磁阀,由于系统要求它有足够的开启速度,考虑到预是改善柴油机性能的重要方式,控制电磁阀的响应时间更应缩短。关于电磁阀的研究已由较多的文献报道,本文不再对此进行分析。 1.3.4 密封原件 密封件是连接按钮和电控牙刷器的通道,它应有足够的功率减小流动时的压降,并使按钮路系统中的压力波动较小,能承受的冲击作用,且起动时中的压力能很快建立。各缸密封件的长度应尽量相等,使柴油机每一个牙刷器有相同的牙刷压力,从而减少发动机各缸之间牙刷量的偏差。各密封件应尽可能短,使从到牙刷嘴的压力损失最小。 BOSCH 公司的密封件的外经为 6mm ,内径为 2.4mm ,日本电装公司的密封件的外经为 8mm ,内径为 3mm 。1.4 支架设计1.4.1 支架的作用支架再本系统中有着很重要的作用。支撑着很多的按钮路部件,要给这些部件提供称重,和稳定性。稳定性是本系统的一个重要影响因素。按钮路的稳定性,能够防止泄露,防止元器件在工作过程中发生震动而松弛。所有本系统中支架的设计至关重要。1.4.2 支架的结构设计如下图所示为支架的设计结果11其主要功能为支撑按钮路部件,防止工作过程中产生震动,固定按钮路部件,使其在工作过程中稳定。支架采用不锈钢板,厚度为 10mm1.4.3 支架力学分析1.4.3.1 有限元介绍本设计使用有限元方法对支架进行力学分析在数学中,有限元法(FEM,Finite Element Method)是一种为求解偏微分方程边值问题近似解的数值技术。求解时对整个问题区域进行分解,每个子区域都成为简单的部分,这种简单部分就称作有限元。它通过变分方法,使得误差函数达到最小值并产生稳定解。类比于连接多段微小直线逼近圆的思想,有限元法包含了一切可能的方法,这些方法将许多被称为有限元的小区域上的简单方程联系起来,并用其去估计更大区域上的复杂方程。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成,对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解,然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件),从而得到问题的解。这个解不是准确解,而是近似解,因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解,而有限元不仅计算精度高,而且能适应各种复杂形状,因而成为行之有效的工程分析手段。有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是 5012年代首先在连续体力学领域-飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析。方法,随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。有限元法分析计算的思路和做法可归纳如下:物体离散化将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型,这一步称作单元剖分。离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来;单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质,描述变形形态的需要和计算精度而定(一般情况单元划分越细则描述变形情况越精确,即越接近实际变形,但计算量越大)。所以有限元中分析的结构已不是原有的物体或结构物,而是同新材料的由众多单元以一定方式连接成的离散物体。这样,用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元数目非常多而又合理,则所获得的结果就与实际情况相符合。1.4.3.2 支架受力分析本设计使用 solidworks 的 simulation 模块进行理学分析选择不锈钢材料,点击应用,赋予材料。材料的泊松比为 0.28。许用应力为 2.1e11接下来需要对模型施加载荷,包括,约束和载荷。先选取,支架下面两个螺丝空,固定,这样就成功将模型进行了约束,模拟现实中,底部固定的结构。13接下来需要对模型施加载荷,载荷分为压力,力等支架在工作过程中主要收到如下力,1 支撑压力表等部件2 油笔部分所有对支架进行如下载荷施加选取圆面向下施加载荷 10N,在油笔处向下施加力载荷,如下图所示载荷施加完毕,进入解析模块,首先需要对模型进行王哥划分。如下图,点击网格,右击进入设置界面,点击生成网格。可以设置网格质量。质量越高所划分的网格越细腻,但是更加耗费电脑配置。所有,在设置过程中,需要根据实际进行设计。14网格划分效果如上图所示。最后进入运算模式。点击 solve,软件进入解析状态。最后得出应力,应变和位移三个结果。我们可以根据彩虹图进行评定。图中分别列出了支架在受力以后的最大应力部位,最大位移部位。经过评定,位移值和应力值没有超过许用范围,支架能够保证正常工作。151.6 电动传动的工作原理和组成 .6.1 工作原理电动传动是以液体为工作介质,利用压力能来驱动执行机构的传动方式。 该装置工作台的电动系统是由油箱、过滤器、电动泵、溢流阀、节流阀、换向阀、电动机以及连接这些元件的密封件、接头等组成。1)工作原理如下:电动机驱动电动泵经滤油器从油箱中吸油,油液被加压后,从泵的输出口输入按钮路。油液经开停阀、节流阀、换向阀进入电动机,推动活塞而使工作台左右移动。电动机里的油液经换向阀和回密封件排回油箱。2)工作台的移动速度是通过节流阀来调节的。当节流阀开大时,进入电动机的油量增多,工作台的移动速度增大;当节流阀关小时,进入电动机的油量减少,工作台的移动速度减少。由此可见,速度是由油量决定的。1.6.2 电动系统的基本组成1)能源装置电动泵。它将动力部分(电动机或其它远动机)所输出的机械能转换成电动能,给系统提供压力油液。2)执行装置电动机(电动机、电动马达)。通过它将电动能转换成机械能,推动负载做功。3)控制装置电动阀(功率阀、压力阀、方向阀等)。通过它们的控制和调节,使液流的压力、流速和方向得以改变,从而改变执行元件的力(或力矩)、速度和方向。4)辅助装置油箱、按钮路、蓄能器、滤油器、按钮接头、压力表开关等.通过这些元件把系统联接起来,以实现各种工作循环。5)工作介质电动油。绝大多数电动油采用矿物油,系统用它来传递能量或信息。1.7 电动传动的优缺点电动传动能得到如此迅速的发展和广泛的应用,是由于它与机械传动、电气传动、气压传动相比,具有以下优点:161)单位功率的重量轻,即在输出同等功率的条件下,体积小、重量轻、惯性小、结构紧凑、动态特性好等如轴向柱塞泵的重量只是同功率直流发电机重量的10%20%,前者的外形尺寸只有后者的12% 13%。2)电动传动能方便地实现无级调速,并且调速范围大。3)电动传动装置工作平稳、反应快、冲击小、能快速启动制动和频繁换向。4)电动传动装置的控制、调节比较简单,操纵比较方便、省力,易于实现自动化。当机、电、液配合使用时,易实现较复杂的自动工作循环。5)电动传动易获得很大的力和转矩,可以使传动结构简单。6)电动系统易于实现过载保护,同时,因采用油液作为传动介质,相对运动表面键能自行润滑,故元件的使用寿命长。7)由于电动元件已实现了标准化、系列化和通用化,所以电动系统的设计、制造和使用都比较方便,电动元件排列布置以具有较大的机动性电动传动的主要缺点:1)电动传动是以液体为工作介质,在相对运动表面间不可避免要有泄漏,同时,液体又不是绝对不可压缩的,因此不宜在传动比要求严格的场合采用。2)电动传动在工作过程中有较多的能量损失,如摩擦损失、泄漏损失等,故不宜于远距离传动。3)电动传动对油温的变化比较敏感,油温变化会影响运动的稳定性因此,在低温和高温条件下,采用电动传动有一定的困难。4)为了减少泄漏,电动元件的制造精度要求较高,因此,电动元件的制造成本较高,而且对油液的污染比较敏感。5)电动系统故障的诊断比较困难,因此对维修人员提出更高的要求,即需要系统的掌握电动传动的理论知识,电动具有一定的实践经验。6)随之,、高速、高效率和大功率化,电动元件和系统的噪声日益增大,这也是需要解决的问题。1.8 研究的内容(1)确定整体方案及拟定电动系统图(2)确定电动系统参数,选择电动元件电动泵的选择17电动机的选择电动控制阀的选择油箱及工作介质的选择第二章 电动系统功能原理的设计2.1 明确技术要求1)本机是通过电动传动系统将棉花进行进而捆扎的机械,结构布局是立式的,能够在室内或室外全天候的工作,对环境工作要求不高。2)本机的电动驱动机构的运动形式是直线往复运动,能够平稳的工作。3)本机通过电动传动系统的控制能够平稳的工作,通过手动控制能够快速启动制动。4)本机经济性好,投资费用小,运行耗能低,且维修费用较少,对防尘,防寒要求不高,安全性能好。捆扎机的技术要求式设计电动系统的依据和出发点,已知的数据如下表:参数名 数值压缩后的棉花块长度压缩后的棉花块宽度压缩后的棉花块厚度电动机主工作腔压力350mm250mm150mm10MP18最大负载力电动机最大速度25KN0.02m/s2.2 执行元件的配置确定及动作顺序本机的执行元件在运行过程中的运动形式是往复直线运动,尺寸和质量比较小,安装简单,因此选用电动机中的单杆活塞缸。本机的动作顺序是启动时从原位先快进,然后达到工进,然后制动。往返时从停留位置快推到原位。 2.3 确定电动系统主要参数2.3.1 计算和确定电动机的主要结构尺寸单杆活塞缸的主要结构尺寸,设计如下:无杆腔为主工作腔,则,P1A1-P2A2=Fmax/ cmA1=D 2/4A2=(D 2-d2)/4式中 P 1 主工作腔压力,Pa;P2 回油腔压力(背压力),Pa;A1 无杆腔的有效面积,m 2;A2 电动机有杆腔活塞的有效面积,m 2;Dd 电动机活塞(缸筒)内径、活塞杆直径,m;Fmax 电动机的最大负载力,N; cm 电动机机械效率,一般取 cm=0.90.97。通常,电动机以无杆腔作为主工作腔,即活塞杆受压工作,活塞面积为A1=1P 1(F cm + P2 A2)运用此公式确定缸的尺寸时,须事先确定 A1 和 A2的关系或活塞杆径 d 与活塞直径 D的关系。杆径比 =d/D 可按压力来取。19表 1 按压力选取 =d/D压力/ Mpa 5.0 5.07.0 7.0杆径比 =d/D 0.50.55 0.620.70 0.7而(m) )1(42pFDcm因为设计压力 10 Mpa5.0 Mpa,表 2 电动系统背压力则根据表 2 可选杆径比 =d/D=0.50.55,取 =d/D=0.7由于该系统比较简单,属于一般轻载节流调速,则背压力 P2=0.20.5 Mpa,取 P2=0.5 Mpa,电动机机械效率 cm取 0.9,代入式 ,可得 D=60.26mm,则 d=42mm根据电动工程式设计手册,查的可知,可选取 HSG01-63/dE 型号的电动机,缸径 D 为63mm,活塞杆直径 d 为 45mm,最大行程为 750mm,符合要求。2.3.2 计算电动机所需功率电动机的最大功率 qmax qmax=Avmax式中 A电动机的有效面积,m 2系 统 结 构 情 况 背 压 力 p b ( MPa)用节流阀的回路节流调速系统 0.30.5用调速阀的回路节流调速系统 0.50.8 回有路上有背压阀的系统 0.51.5 采用辅助泵补油的闭式回路0.81.5对中电动系统背压力数值应放大 50%100%20vmax电动机的最大速度则,q max=Avmax=d 2 *vmax=3.14 0.020315.=62.3110-6m3/s=62.31ml/s2.4 电动系统图的拟定2.4.1 制定电动回路方案1)方向控制与调速方式方案的拟定方向控制方案的拟定,此装置是做简单的往复直线运动,则采用标准的普通换向阀进行换向即可,此机构采用三位四通手动换向阀。调速方式方案的拟定,此装置功率较小,负载变换不大,速度变化小,因此,采用节流调速。2)油路的循环形式 由于此系统选用了节流调速方式,则系统必然为开始循环系统。3)动力源方案的拟定电动系统的工作介质完全由电动源提供,电动源的核心是电动泵。电动源型式与调速方案有关,此系统采用节流调速方案,则只能采用定量泵作为电动源。4)压力控制方案的制定电动系统的工作压力必须与所承受的负载相适应。对于定量泵供油的节流调速系统,系统应采用溢流阀与电动泵相连进行恒压控制。综上所述,本系统的主要回路部分是进油路节流调速回路以及回油路的平衡回路。2.4.2 原理草图的绘制由图可知,当换向阀处于(a)位置时,系统处于停车状态,处于(b)位置时,系统启动电动机带动工作台工作,处于(c)位置时电动机往回收缩。因此可见,通过换向阀,可以改变压力油的通路,使电动机不断换向以实现工作台的往复直线运动。在回油路设置顺序阀与单向顺序阀,当回油路的油电动力小于 H 型顺序阀设定的压力值时,顺序阀处于关闭状态;当油电动力大于顺序阀设定的压力值时,顺序阀才会打开,这种设21置可避免活塞杆在向下运动的过程中由于压板重力而失控,增加了设备的安全系数。2.5 元件的选型与设计选择电动元件时一般应考虑以下问题:应用方面的问题,如主机的类型、原动机的特性、环境情况、安装形式及外形连接尺寸、货源情况及维护要求等。系统要求,如压力和功率的大小、工作介质的种类、循环周期、操纵控制方式等。经济性问题,如使用量,购置及更换成本,货源情况及产品质量和信誉等。应尽量使用标准化,通用化及货源条件较好的元件,以缩短制造周期,便于零部件的互换和维护。2.5.1 电动泵的选择计算电动泵的最大工作压力 P(Pa) 电动泵的最大工作压力 P 取决于执行元件的最大工作压力,即 P pP 1+P式中 P 1电动机的最大工作压力,PaP系统进油路上的总压力损失,Pa,简单系统取 P=(0.20.5)10 6Pa,则ppP 1+P=1010 6Pa+0.5106Pa =10.5106Pa计算电动泵的最大功率 qp(m 3/s) 取决于系统所需功率 qvqpq v=K(q) max式中,qv系统所需功率;K系统的泄漏系数;一般取 1.11.3(大功率取小值,小功率取大值)(q) max同时动作时电动机的最大总功率,对于工作过程始终用功率阀节流调速的系统,还需加上溢流阀的最小溢功率,一般取(0.0330.05)10 -3 m3/s则 qpq v=K(q) max=1.3(4510-6 +62.3110 )=139.50310 m3/s66其中 K 取 1.3;溢流阀的最小溢功率取 0.04510-3 m3/s 选择电动泵的技术规格22为了保证系统不致因为过渡过程中过高的动态压力作用被破坏,电动泵应有一定的压力储备量,所选泵的压力一般要比最大工作压力 25%60%。该系统选用齿轮泵,则根据 CB-B 型齿轮泵技术规格,选择产品型号 CBT-E308 的齿轮泵。 产品型号 排量(ml/r)转速范围(r/min) 额 定 压 力(Mpa)CBT-E308 8 8003000 16计算电动泵的驱动功率并选择电动机a 驱动功率的计算在工作循环中,泵的压力和功率比较恒定,则电动泵驱动功率 Pp应按下式计算Pp=pp qp cm式中,P p 、q p为电动泵的最大工作压力(Pa)和最大功率(m 3/s), cm为电动泵的总效率则 Pp= pp qpcm=(1010 Pa139.50310 /s)/0.9663m=1550W其中,p p取值 10106Pa,q p取值 139.50310-6m3/s, cm取值 90%。b 电机的选择,固定设备的电动系统,其电动泵通常用电机驱动。根据上述算出的功率和电动泵的转速及使用环境,根据 G/T9616-1999,Y 系列(IP44)三相异步电动机主要技术参数可知,选用 Y801-4 型号的电动机比较合适。其技术参数如下表:型号 额定功率/kW 满载转速/(r/min) 最大转矩/Nm 净重/kgY100L1-4 2.2 1430 2.2 34此电机为一般用途的电动机,为全封闭结构自扇冷式,能阻止灰尘、铁屑、杂物侵入电动机内部。具有体积小、重量轻、效率高、耗电小、振动小、运行可靠和维修方便的特点,适用于灰尘多、土扬水溅的场合。2.5.2 电动控制阀的选择电动控制阀式电动技术中品种与规格最多,应用最广的元件。此系统为一般电动传动系统,因此,所选用的都是标准的普通电动阀。23电动传动中选择合适的电动阀,使系统的设计合理,性能优良,安装、维修方便,并保证该系统正常工作的重要条件一个电动系统各部分回路通过的功率不可能都相同。因此,不能单纯根据电动泵的额定输出功率来选择阀的功率参数,而应该考虑到电动系统在所有设计工作状态下各部分阀可能通过的最大功率。除按系统功能需要选择电动控制阀的类型以外,还要考虑各个阀的额定压力、通过功率、安装形式、动作方式、性能特点等。在回路设置平衡阀,防止电动机因压板重力而失控。平衡阀属于调节阀范畴,工作原理是通过改变阀芯与阀座的间隙(即开度),改变流体流经阀门的流通阻力,达到调节功率的目的。平衡阀相当于一个局部阻力可以改变的节流元件。溢流节流阀是节流阀与溢流阀并联而成的组合阀,它能补偿因负载变化而引起的功率变化。溢流节流阀能使系统压力随负载变化,没有调速阀中减压阀口的压差损失,功率损失小,是一种较好的节能元件,但功率稳定性较差一些,尤其在小功率工况下更为明显。2.5.3 电动辅助元件及工作介质的选择油箱容量的确定,本系统使用矩形的油箱油箱容量的经验公式为:V=q p式中 V油箱的有效容积,L;qp电动泵的总额定功率,Lmin;与主机类型及系统压力有关的经验系数,低压系统 =24V=qp=2.1*(8ml/r1430r/min )=2.111.44L/min=24.024L =2.1 min根据 JB/T 7938-2010,可选工称容量为 25L 的油箱。过滤器的选择 本系统使用普通过滤器,过滤精度为 10100m,可防止环境污物侵入,同时还有足够的流通能力,保证油箱中液位升降时通气顺畅。密封件和按钮接头的确定密封件的作用是将电动元件连接起来组成电动系统,为进入系统及返回油箱的油液提供通路。本系统选择硬按钮,其尺寸由与它连接的电动元件的有口尺寸决定。24按钮接头用于密封件与密封件密封件与元件的连接。一般选择耐压能力高、流通能力大、装卸方便、连接牢固、密封可靠、外形紧凑的尺寸合适的即可。电动工作介质的选定电动工作介质的功用是载能和润滑、冷却。考虑到其工作环境、工作条件、油液质量、经济性等因素,可选用适用于低压系统的精制矿物油。 2.6 前景展望本课题所设计的便携自动净牙器,为物理样机的制作提供可靠的依据。如果通过物理样机的制作与试验,将会再次证明该捆扎装置具有制作简单、结构紧凑、工作平稳、效率高、能耗小等特点,能在我区得到广泛的推广应用,具有很广阔的市场。在人民的日常生活中,会带来巨大的便捷。尤其适合都市上班族,出差族。这一产品将有着很长的生命力。25第三章 设计中的不足及要注意的问题3.1 设计中的不足之处(1)鉴于相关条件以及个人能力的限制,没有设计出的装置。(2)由于作者的能力及相关知识的不足,未能将理论计算的数据与国内先进的进行实验所得数据进行对比优化。(3)时间有限,难以继续对该装置进行深入的试验研究。3.2 使用电动系统要注意的问题1)使用者应明白电动系统的工作原理,熟悉各种操作和调整手柄的位置及旋向等。2)开车前应检查系统上各调整手柄、手轮是否被无关人员动过,电气开关和行程开关的位置是否正常,主机上工具的安装是否正确和牢固等,再对导轨和活塞杆的外露部分进行擦拭,而后才可开车。3)开车时,首先启动控制油路的电动泵,无专用的控制油路电动泵时,可直接启动主电动泵。4)电动油要定期检查更换,对于新投入使用的电动设备,使用 3 个月左右即应清洗油箱,更换新油。以后每隔半年至 1 年进行清洗和换油一次。5)工作中应随时注意油液,正常工作时,油箱中油液温度应不超过 60。油温过高应设法冷却,并使用粘度较高的电动油。温度过低时,应进行预热,或在运转前进行间歇运转,使油温逐步升高后,再进入正式工作运转状态。6)检查油面,保证系统有足够的油量。7)油箱应加盖密封,油箱上面的通气孔处应设置空气过滤器,防止污物和水分的侵入。加油时应进行过滤,使油液清洁。8)系统中应根据需要配置粗、精过滤器,对过滤器应经常地检查、清洗和更换。9)对压力控制元件的调整,一般首先调整系统压力控制阀-溢流阀,从压力为零时开调,逐步提力,使之达到规定压力值;然后依次调整各回路的压力控制阀。10)功率控制阀要从小功率调到大功率,并且应逐步调整。同步运动执行元件的功率控制阀应同时调整,要保证运动的平稳性。26参考文献1 张浩,党新安. 全机传动系统设计J. 重庆工学院学报, 2006,20(08):54-56.2 张增林,关正,王志民等.MKJ 一 1 型高密度牧草捆包机J.农牧与食品机械,1992(03):33-34;3 禹振军. Y K - 1 0 型电动打捆机的设计J.农业机械,2007;4 秦丽君. 捆扎机自动控制系统J. 职大学报, 2000(02);5 王春光,李林,童淑敏等. 打捆机草捆后捆绳张力的测试研究J.内蒙古农牧学院学报,1998,15(03);6乔中华,王海栓.全自动打捆机电动系统分析J.山西机械,2001;7赵洪刚.饲草压捆机动态特性仿真研究D.东北林业大学,2007;8刘祥鹏,孙传祝,姜常尊,陈鲁光. 小型方草捆 捆机压缩机构设计J.山东理工大学,2012,12;9魏春雨,高兴岐,薛凤英,刘金国. 打捆机驱动系统的设计和受力分析J.鞍山科技大学,2002,31(04);10 陈工,李亮,马祥华等. 钢丝类打捆机线结强度与成形条件的实验研究J.北京科技大学,2001,05;11 李亮,陈工,闫晓强. 钢丝类打捆机线结特性分析J.北京科技大学,2001,03.27设计总结通过三个月的努力付出,在指导老师与同学们的帮助下,毕业设计任务才得以完成。在这三个月的时间里,我不停地上网查阅资料,去图书馆翻阅文献,做笔记,画草图,往往因为一个数据而忙的焦头烂额。这三个月里,应该是酸甜苦辣都有的。本是春暖花开的季节,我们却不得不埋头于一大堆枯燥的文献中,进行一项一项繁琐的工作,将所学的知识一遍一遍回放,疲惫是不言而喻的,但是任务完成时的那份喜悦只有自己体会的最深。课程设计是一个学习与实践的过程,不仅提高了我的资料整理能力和知识整合能力,还培养我科学严谨的学习态度。生活本身就是学习与实践的过程,但是今后的生活肯定不如在学校来的一帆风顺。毕业设计已经完成,再过不久,我就要迈出学校的大门,离开这个曾经承载了我许多梦想与期望的学校。社会是另一所学校,与现在不同的是我们需要用自己现有的能力为自己争取一席容身之地。社会是残酷的,竞争无处不在,淘汰无处不在,我们将在竞争中成长,在拼搏中蜕变,用汗水与努力赢得属于自己的未来。大学生活就要结束了, 我们用自己的努力完成最后一份答卷,带着母校的期望走向社会,开创自己的人生!
收藏