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第3章部分零部件上的公差和配合……………………………………18
3.1配合的选择……………………………………………………18
3.1.1配合的类别的选择……………………………………18
3.1.2配合的种类的选择………………………………………18
3.2一般公差的选取…………………………………………………18
3.3形位公差…………………………………………………………19
3.3.1形位公差项目的选择……………………………………19
3.3.2公差原则的选择……………………………………………19
3.3.3形位公差值的选择或确定…………………………………19
结论……………………………………………………………………………21
第1章锤式破碎机的总体及主要参数设计
1.1型号为
锤式破碎机的总体方案设计
本次设计的是单转子、多排锤、不可逆式锤式破碎机,型号为pc-
800
00。
由机壳、转子、蓖条、打击板、锤头、支架、衬板等组成。
1.机壳由上机体、后上盖、左侧壁和右侧壁组成,各部分用螺栓连结成一体,上部开有进料口,内部镶有高锰钢衬板,磨损后可以更换,机壳和轴之间漏灰现象十分严重,为了防止漏灰,设有轴封。
机壳下部直接安放在混凝土基础上,并用地脚螺栓固定。
为了便于检修、调整和更换蓖条,下机体的前后两面都开有一个检修孔。
为了便于检修、更换锤头方便,两侧壁也对称的开有检修孔。
2.转子由主轴、圆盘、销轴等组成,圆盘上开有6个均匀分布的销孔,通过销轴将6
8个锤头悬挂起来。
为了防止圆盘和锤子的轴向窜动。
销轴两端用锁紧螺母固定。
转子支承在两个滚动轴承上。
此外,为了使转子在运动中储存一定的动能,避免破碎大块物料时,锤头的速度损失不致过大和减小电动机的尖峰负荷,在主轴的一端还装有一个飞轮。
3.主轴是支承转子的主要零件,冲击力由它来承受。
因此,要求其材质具有较高的韧性和强度。
通常断面为圆形,且有平键和其他零件连接。
4.打击板有两块,折线型。
一个可以调整,一个是固定的。
调整的一个靠的是安装在箱体上的螺杆装置。
5.锤头是主要的工作部件。
其质量、形状、和材质对破碎机的生产能力有很大的影响。
因此,根据不同的进料尺寸来选择适当的锤头质量。
要破碎中等硬度的物料,可以采用如图3-1所示的形状。
锤头用高碳钢铸造或锻造,也可用高锰钢铸造。
为了提高耐磨性,有的锤头表面涂上一层硬质合金,有的采用高铬铸铁。
6.蓖条的排列形式是与锤头的运动方向垂直的。
与转子的回转半径有一定的间隙的圆弧状,合格的产品通过蓖缝排出。
其断面形状为梯形,常用锰钢铸成。
蓖条多为一组尺寸相等的钢条。
安装时,插入蓖条架上的凹槽,两蓖条之间用垫片隔开。
截面形状用梯形。
7.蓖条和锤头间隙用凸轮装置调整(通过棘轮带动凸轮)。
8.给定的原始数据是:
(1)破碎能力为20到30吨。
(2)破碎机转子的转速在900和1100
之间
(3)破碎机的最大物料给料粒度为:
小于150
(4)破碎机的最大排料粒度不能超过:
10
(5)破碎机的物料容许湿度小于9%。
(6)破碎机的破碎程度为:
中、细。
(7)破碎机的应用场所是:
水泥厂、选煤厂、火力电厂等。
(8)破碎机的破碎对象是:
石灰石、煤块、焦碳、石膏等软物料
1.2该型号破碎机的工作参数设计计算
1.2.1转子转速的计算
锤式破碎机的转子转速按所需的圆周速度计算,锤头的圆周速度根据被破碎物料的性质、破碎产品的粒度、锤头的磨损等因素来确定。
按公式
来计算。
式中
──锤头的圆周速度(m/s)
──转子的直径(m)
一般中小型破碎机转速为750到1500
,圆周速度为25到70
,速度越高,产品的粒度越小。
锤头及衬板、蓖条的磨损越大。
功耗增加。
对机器零部件的加工、安装精度要求随之提高。
在满足其粒度要求的情况下,圆周速度应偏低选取。
1.2.2生产率的计算
生产率与锤式破碎机的规格、转速、排料蓖条间隙的宽度、给料粒度、给料状况以及物料性质等因素有关。
一般采用经验公式:
式中Q──生产率(
)
──物料的密度(
──经验系数
因为该型号的破碎机破碎的是中、硬物料。
取值在30到45之间。
1.2.3电机功率的计算
电机功率的消耗取决于物料的性质、给料的圆周速度。
破碎比和生产率。
目前,尚无一个完整的计算公式,一般根据实践经验和实验数据,根据经验公式进行计算:
系数
取值在0.1到0.15之间。
1.3该种破碎机的主要结构参数设计计算
1.3.1转子的直径与长度:
锤式破碎机的规格用转子的直径D和长度L来表示,所以转子的直径D=800mm,转子的长度L=800mm。
1.3.2给料口的宽度和长度:
锤式破碎机的给料口的长度与转子的相同。
其宽度B
2
。
1.3.3排料口的尺寸
该尺寸由蓖条间隙来控制,而蓖条间隙由产品的粒度的大小来决定。
对该破碎机来说,产品的平均粒度为间隙的1/5到1/3。
1.3.4锤头质量的计算:
因为铰接在转子上,所以正确选择锤头质量对破碎效率和能耗都有很大影响,如果锤头质量选得过小,则可能满足不了锤击一次就将物料破碎的要求。
若选得过大,无用功耗过大,离心力也大,对其他零件会有影响并易损坏。
根据动量定理计算锤头质量时,考虑到锤头打击物料后,必然会产生速度损失,若损失过大,就会使锤头绕本身的悬挂轴向后偏倒。
降低生产率和增加无用功的消耗。
为了使锤头打击物料后出现偏倒,能够通过离心力作用而在下一次破碎时物料很快恢复到正确工作位置。
所以,要求锤头打击物料后的速度损失不宜过大。
一般允许速度损失40%到60%(根据实践经验)即:
──锤头打击物料后的圆周线速度(m/s)
──锤头打击物料前的圆周线速度(m/s)
若锤头与物料为了弹性碰撞。
且设物料碰撞之前的运动速度为0,根据动量定理,可得:
(3-1)
由上式可知,
──锤头折算到打击中心处的质量(kg)
──最大物料块的质量(kg)
综上所述,
但是,
只是锤头的打击质量。
实际质量应根据打击质量的转动顺序和锤头的转动惯量求得,
──锤头打击中心到悬挂点的距离(m)
──锤头质心到悬挂点的距离(m)
锤式破碎机的主要结构设计
2.1锤头设计与计算
锤头是主要工作零件,其设计主要是指结构的设计。
因为锤头的形状、质量、材质与破碎机的生产能力有很大影响。
尤其形状对质量的分布、材料的充分利用有很大的影响。
关于锤头的结构设计及相关改进在专题中有较详细的论述。
总之,其形状、结构的设计,对于其工作能力,对整个机器的生产能力。
以及经济性等各方面有深远的影响。
锤头形状大体分轻型、中型、重型。
本型号的锤式破碎机主要是设计中型的锤头。
其形状如前面的图3-1所示。
并有相关的计算。
锤头材料的选择问题是很关键的问题。
材料的选择取决于工作零件的工作状况和要求。
因为破碎机要破碎的是石灰石等中等硬度的物料。
一般用高碳钢锻造或铸造,也可用高锰钢铸造。
为了提高其耐磨性,采用高锰低合金钢,有的在工作表面涂上一层硬质合金。
有的采用高铬铸铁,其耐磨性比高锰钢锤头提高数倍。
关于材料的选择问题,在专题部分:
提高锤头的耐磨性研究中,有专门的论述。
就不详细介绍了。
总之,锤头材料的选择,不仅关系到锤头的工作寿命,机器的生产能力、生产效率,还关系到各方面的经济性。
2.2圆盘的结构设计与计算
根据设计的要求,每根销轴上需要有8个锤子。
圆盘是用来悬挂锤头的,一共需有9个圆盘,最两侧的两个,共有的特点是,一侧设置了锁紧螺母,另一端用轴肩定位。
所用的螺母为GB-812-85,这样每个圆盘均匀分布6个圆孔,即可以通过六根销轴,用来悬挂锤头,锤头和院盘之间的间隙除了通过削轴连接,还有隔套隔开,为了保护圆盘的侧面,减少或尽量避免其侧面的磨损。
圆盘的大小取决于转子的直径,转子的直径的大小是圆盘的设计大小的依据。
因为,该型号的破碎机,光凭其型号就可以知道,转子的直径为800mm,所以,圆盘的大小的取值就有了一定的范围。
不妨取做560mm,圆孔沿径向的距离也是依据起承受载荷的能力和强度,尽可能取整数;
圆孔的大小和锤头的圆孔的大小近似相等即可。
圆盘是通过键与主轴相连接的,而随主轴高速回转的。
所以结构中一定有键槽,其厚度也是满足强度要求、工作状况的。
不宜过大。
圆盘之间也是通过主轴的轴套隔开(其作用是,在高速回转时,保证圆盘的运动平稳,并使其轴向定位)。
圆盘的结构,如图4-1所示。
2.3主轴的设计及强度计算
通常轴的设计包括两个部分,一个是结构设计,一个是工作能力计算。
后者主要是指强度计算。
主轴的结构设计根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造、工艺等方面的要求,合理确定出其结构和尺寸,轴的工作能力的计算不仅指轴的强度计算,还有刚度、稳定性等方面的计算,当然大多数情况下,只需要对轴的强度进行计算即可。
因为其工作能力一般主要取决于轴的强度。
此时只做强度
计算,以防止或检验断裂和塑性变形。
而对于刚度要求高的轴和受力大的细长轴,还应该进行刚度计算,防止产生过大的线性变形。
对于高速运转的轴,还应该进行振动稳定性计算。
以防止产生共振破坏。
因此,对该破碎机的主轴来说,只需进行强度计算。
2.3.1轴的材料的选择
轴的材料主要是碳素钢和合金钢。
钢轴的毛坯多数用轧制圆钢和锻件。
有的则直接用圆钢。
碳素钢比合金钢低廉,对应力集中的敏感性较低,同时也可以用热处理或化学热处理的方法提高其耐磨性和抗疲劳强度的。
故采用碳钢制造轴尤为广泛。
最常用的是45号钢。
2.3.2轴的最小直径和长度的估算
零件在轴上的安装和拆卸方案确定了之后,轴的形状便大体确定了,因为对该主轴来说,其安装顺序为:
先安装中间的转子部分,然后放置在箱体上,再安装轴承端盖,接着是轴承、外轴承座。
最后两端分别是带轮和飞轮。
各轴段的直径所需要的轴径与轴上的载荷的大小有关。
在初步确定其直径的同时,还通常不知道支反力的作用点,不能确定其弯矩的大小及分布情况。
因此还不能按轴上的所受的具体载荷及其引起的应力来确定主轴的直径。
但是,在对其进行结构设计之前,通常能求出主轴的扭矩。
所以,先按轴的扭矩初步估计所要的轴的直径。
并记此时所求出的最小直径为
然后再按照主轴的装配方案和定位要求,从
处逐一确定各轴段的直径的大小。
另外,有配合要求的轴段,应尽量采用标准直径,比如安装轴承的轴段,安装标准件的部位的轴段,都应取为相应的标准直径及所选的配合的公差。
确定主轴的各段的长度,尽可能使其结构紧凑,同时还要保证,转子以及带轮、飞轮、轴承所需要的装配和调整的空间,也就是说,所确定的轴的各段长度,必须考虑到各零件与主轴配合部分的轴向尺寸和相邻零件间必要的间隙。
前面已经通过设计计算,得到转子、飞轮、带轮的大体尺寸,所以轴的长度也可大致确定了。
其草图如下:
2.3.3结构设计的合理性检验
对于轴的结构必须满足:
.主轴和安装在主轴上的零件要有准确的工作位置;
.轴上的零件便于安装和拆卸、调整。
.轴应有良好的制造工艺性。
1.轴上零件的安放顺序如下:
飞轮、轴承、圆盘、轴套、轴承、带轮
因为主轴是阶梯轴,根据阶梯轴的特点,并且轴上零件的安装要求也不高,所以上面提到的第二条容易满足。
至于第三条:
轴的制造工艺性,主要是指便于加工和装配轴上的零件。
并且生产率高、成本低。
一般来说,结构越简单,工艺性越好。
所以应该尽量简化轴的结构。
为了便于装配零件并去掉毛刺,轴端应制出45度倒角。
在需要切制螺纹的轴段,应留有退刀槽。
起尺寸都可查有关的标准和手册。
若需要磨削加工的轴段,应留有砂轮和越程槽。
具体分析如下:
该主轴有3个轴段有键槽,为了减少装夹工件所需的时间,应在这些不同的轴段上开的键槽在轴的同一条母线上。
另外,还为了减少加工刀具的种类和提高劳动生产率,轴上直径近似的地方,圆角、倒角、键槽宽度、砂轮越程槽宽度,退刀槽宽度等尽可能采用相同的尺寸。
2.下面仍就轴上零件的定位问题,详细地阐述一下,一些轴向和周向定位零件的使用及特点。
先说轴上零件的轴向定位,就以此主轴为例,主要有轴肩、套筒、圆螺母、轴端挡圈、轴承端盖等,靠这些定位元件来保证的。
.轴肩主要分为两大类,定位轴肩和非定位轴肩。
在该主轴上,轴肩很多,这两大类都包括。
虽然利用轴肩定位是最方便可靠的方法,但是采用轴肩就必然导致一个问题,那就是不可避免的使轴径加大,而且轴肩处将因为截面突变而引起应力集中。
另外,轴肩也不利于加工。
所以,在考虑轴的设计时,尽量避免过多的轴肩定位。
而且,还有一点需要说明,轴肩多用于轴向力比较大的场合。
值得注意的是,定位每一个滚动轴承的轴肩,都有两处,且都是定位轴肩。
对这种定位轴肩来说,有一个要求:
轴肩的高度必须低于轴承内圈端面的高度,以便拆卸轴承。
轴肩的高度可查机械设计手册中的轴承安装尺寸。
还有,为了使零件能紧靠轴肩而得到准确可靠的定位,轴肩处的过渡圆角半径必须小于与之相配的零件毂孔的端部的圆角半径或倒角尺寸。
轴和零件上的倒角和圆角尺寸的常用规范可以查教材下册中的第651页的表。
非定位轴肩是为了加工和装配方便而设置的。
高度没有严格的规定,一般可取为1到2毫米。
.在该主轴上,还采用了套筒定位,这种定位方式的特点是,结构简单,定位可靠,轴上不需要开槽、钻孔和切制螺纹,不会影响到轴的疲劳强度。
所以,在两个零件之间,且间距不大时,可以采用这种定位。
同时,套筒定位还保证了两个圆盘,或者,圆盘和锤头(销轴套筒)之间的轴向定位。
当然,若两零件的间距太大,则不宜用套筒定位这种方式,因为,那样就会增大套筒质量以及材料用量。
另外,套筒与轴的配合比较松,如果轴的转速较高,也不宜采用套筒定位。
.在该主轴的轴端,以及销轴的轴端,都采用了圆螺母定位。
这种定位可以承受大的轴向力,但是,轴上的螺纹处将会有较大的应力集中,降低轴的疲劳强度,所以,一般用于固定轴端的零件。
就如上面所述,若两零件的间距太大,不宜用套筒定位这种方式的时候,就可以考虑采用圆螺母定位。
.在该主轴上,还采用了轴承端盖通过螺钉与其他部分连接。
而使滚动轴承的外圈得到轴向定位。
有时,整个轴的轴向定位也可以靠轴承端盖来实现。
再说轴向零件一般也常用到周向定位。
周向定位的目的是限制轴上零件与轴发生相对运动。
在该主轴上,有三处都采用的是平键连接,其他的常用周向定位元件有,花键、销、紧定螺钉和过盈配合等。
圆盘、飞轮、带轮都是用平键连接的。
其他的,如齿轮、半联轴器等与轴的周向定位也都采用这种连接方式。
按其直径,由手册查地平键剖面b×
h,键槽用键槽铣刀加工的。
轴的草图如图4-2所示。
2.3.4轴的弯扭合成强度计算
在初步完成轴的结构设计之后,对上面的草图略加修改,即可进行强度的校核计算了。
前面提到过,多数情况下,轴的工作能力一般主要取决于轴的强度。
此时只做强度计算,以防止或检验断裂和塑性变形。
在进行轴的强度校核计算时,应根据轴的具体载荷和应力情况,采用相应的计算方法,并恰当的选择其许用应力。
根据计算原则,对于传动轴(仅仅或主要承受扭矩)按照扭矩强度条件进行计算,对于心轴(只承受弯矩)应该按照弯曲疲劳强度进行计算,对于该主轴,既承受扭矩还承受弯矩,是一个转轴,所以必须进行弯扭合成强度条件进行计算,需要时还应该进行疲劳强度的精确校核。
先按照弯扭合成强度条件进行计算:
通过对该主轴的结构设计,轴的主要结构尺寸,轴上的零件的位置以及外载荷和支反力的作用位置已经确定。
轴上的载荷可以求得,因此可以按弯扭合成强度条件对该主轴进行强度的校核计算。
2.3.5轴的疲劳强度条件的校核计算:
1.对主轴进行疲劳强度计算,不妨设外力为单向不稳定变应力,则根据已经知道的条件和公式:
主轴的材料为45号钢。
经过调质后的性能为
,
=5×
现用此材料做试件,进行强度试验,以对称循环变应力
作用
次,
,作用
次。
根据这些条件,试计算该主轴在此条件下的计算安全系数。
若以后再以
的力,作用于主轴,还能循环多少次,可以保证主轴不出问题。
其实,这也等于估算主轴的使用寿命。
2.再介绍一下提高主轴的疲劳强度的途径:
在零件的设计阶段,除了采取提高其强度的一般措施之外,还可以通过以下一些设计措施来提高其疲劳强度:
尽可能的降低该主轴上的应力集中的影响。
这是提高其疲劳强度的首要措施和主要的途径。
而主轴的结构形状和尺寸的突变(比如轴肩)是应力集中的结构根源,因此,为了降低应力集中,应该尽量减小零件(即该主轴的)结构形状和尺寸的突变使其变化尽可能的平滑和均匀。
为此,要尽可能的增大过渡处的圆角半径;
同一段轴上相邻截面处的刚性变化应尽可能的小等等。
在不可避免的要产生较大的应力集中的结构处,可采用减荷槽来降低应力集中的影响。
选用疲劳强度高的材料和规定能够提高材料疲劳强度的热处理方法和强化工艺。
提高主轴的表面质量。
比如将处在应力较高区域的主轴表面加工得较为光洁。
或者,如果,有的轴段,工作在腐蚀性介质中,则要对该轴段规定适当的表面保护。
尽可能地减小或消除主轴表面可能发生的初始裂纹的尺寸,对于延长其疲劳寿命有着提高材料性能更为显著的作用。
因此,对于重要的轴段,在设计图纸上应规定出严格的检验方法和要求。
降温、减载荷,对于发热摩擦副的轴颈采取降温设计,也可显著提高其疲劳寿命。
因为主轴是一个转动件,所以,在低应力下运转一定周数后,再逐步提高到设计的应力水平。
2.4轴承的选择
因为轴承,尤其是常用的一些轴承,主要是指一些滚动轴承,绝大数都已标准化,因而,我们需要进行一部分设计内容,根据具体的工作条件,正确选择轴承的类型和尺寸。
另外是轴承组合的设计,它包括安装、调整、润滑、密封等一系列内容的设计。
2.4.1材料的选择
轴承的内圈、外圈、滚动体,一般是用轴承铬钢制造的,热处理后,其硬度一般不低于HRC60。
一般这些元件需要150度回火处理,所以其通常的工作温度不高于120度,此时,硬度不会下降。
2.4.2轴承类型的选择
轴承的类型有很多种,主要根据其承载情况和调心等要求,进行选择。
因为该型号的破碎机,其转子的转速在900到1100之间。
所以主轴上轴承的转速很高,负荷很大,且工作时间很长,最主要的是,经过很长时间工作后,会因为锤头的不均匀磨损而产生不平衡附加作用力(当锤头的不均匀磨损严重时,此力就成为总负荷中的主要部分)。
轴承间距大,轴会产生挠曲,此外,轴承的中心也难保证同心,因此选用调心滚子轴承。
图4-5
2.4.3轴承的游动和轴向位移
轴承在实际工作时,工作前后的温差大,为了适应轴和外壳不同热膨胀的影响,防止轴承卡死。
可以使一端的轴承轴向固定(比如用圆螺母)另一端使之可以轴向位移。
这样,轴承在内外圈的轴向相对位置有不大的变化时,仍然可以正常工作。
也可以使外圆与座孔配合较松,以保证外圆相对于座孔能做轴向窜动。
2.4.4轴承的安装和拆卸
为了便于轴承在主轴上的安装和拆卸,必须考虑到轴承座有剖分面,这样就不必考虑沿轴向安装和拆卸轴承部件,优先选用内外圈可分离的轴承了。
图4-6
2.5传动方式的选择与计算(V带传动计算)
该部分的设计主要体现在V带轮的设计上,带轮的结构型式,主要由带轮的基准直径选择。
其基准直径又与相连接的电动机的型号有关。
根据前面对电动机功率的计算,以及转速的要求,可以采用Y系列的三相异步电动机,其额定功率为45KW。
型号是Y225M-2。
满载转速2970r/min,额定转速3000r/min。
因为要求的大带轮的转速在900r/min到1100r/min之间,所以,当小带轮的直径依据电动机选择160mm时,这样大带轮的基准直径依据传动比,可以求出475左右,因为带轮的基准直径有标准系列,所以可取475mm。
2.6飞轮的设计与计算
飞轮的作用是,是转子在运动中储存一定的动能,避免破碎大块或较影的物料时,速度损失不致过大和减小电机的尖峰负荷。
其结构采用腹板式。
图4-7
其具体的尺寸可以采用常见的类型。
只要较好的实现其功能即可。
如图4-8。
2.7棘轮的选择
蓖条与锤头端部的间隙由两个装置来实现:
凸轮和弹簧,凸轮是用来增加这两者的间隙的。
操作是靠手柄来实现的。
而弹簧用来进行“微调”,当手柄操作不能达到满意的位置时,需要用弹簧进行再调整。
凸轮的运动是由棘轮来实现的,棘轮也因为已经基本标准化,所以,只需要根据具体的条件和要求,进行选择。
因为其尺寸的确定是比较自由的,所以,棘轮只需要根据凸轮的工作状况,实现其驱动功能即可。
另外,考虑经济性和可能性,稳定性,做合理的选择。
棘轮机构的结构简单,制造方便,运动可靠。
而且,棘轮轴每次转动角度的大小可以在较
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