冲压式蜂窝煤成型机.docx

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冲压式蜂窝煤成型机

一设计题目

1.1设计目的…………………………………………………………1

1.2设计题目…………………………………………………………1

1.3设计条件及设计要求……………………………………………2

二执行机构运动方案设计

2.1功能分解与工艺动作分解………………………………………3

2.2方案选择与分析…………………………………………………3

2.3执行机构的形成…………………………………………………15

2.4机构组合方案的确定……………………………………………17

2.5执行机构尺寸设计………………………………………………18

2.6运动循环图………………………………………………………23

2.7机械系统方案设计运动简图……………………………………25

三传动系统方案设计

3.1传动方案设计……………………………………………………26

3.2电动机的选择……………………………………………………27

3.3传动装置的总传动比和各级传动比分配………………………28

3.4传动装置的运动和动力参数计算………………………………29

一设计题目

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。

1.2设计题目：

蜂窝煤成型机

设计一蜂窝煤成型机冲压和脱模机构、工作盘的间歇转动机构以及扫屑机构。

该成型机工艺动作如图所示：

图1蜂窝煤成型机设计原理示意图

冲头与脱模盘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，脱模盘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脱模盘上粘附的煤粉。

模筒转盘上均布了模筒，转盘的间歇运动使加料后的模筒进入加压位置、成型后的模筒进入脱模位置、空的模筒进入加料位置。

试设计能按上述要求运动的冲压和脱模机构、工作盘间歇转动机构以及扫屑机构。

1.3设计条件及设计要求

工作机输入功率:

2.8kw

生产率:

18块/min

型煤尺寸：

Φ×h=100mm×75mm

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

工作条件：

载荷有轻微冲击，一班制

使用期限：

十年，大修期为三年

生产批量：

小批量生产（少于十台）

转速允许误差：

±5%

二、执行机构运动方案设计

2.1功能分解与工艺动作分解

1）功能分解

为了实现蜂窝煤成型机的总功能，将功能分解为：

加料功能、冲压成型功能、脱模功能、扫屑功能、工作盘简间歇转动功能、输送功能。

2）工艺动作过程

根据上述分析，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：

要求脱模盘上下往复移动，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、脱模盘向上移动过程中用扫屑刷将煤粉扫除；

（5）工作盘间歇转动：

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。

2.2方案选择与分析

一、冲压和脱模机构（上下移动）

方案1

方案2

方案3

方案4

方案5

方案6

方案7

方案8

方案9

方案10

方案11

方案12

方案13

方案14

方案15

方案16

方案17

方案18

方案19

方案20

方案1至9为连杆机构；方案10至12为凸轮机构；方案13至16为齿轮齿条机构；方案17至20为组合机构。

表1冲压机构部分运动方案定性分析

连杆机构

凸轮机构

齿轮齿条机构

运动速度

高

较高

高

行程大小

取决于曲柄尺寸

小

可任意

可调程度

可调

调节困难

可调

动力性能

平衡困难

取决于凸轮形状

好

简单性

不太简单

简单

简单，但一般齿轮须摆动才能实现齿条往复移动

机械效率

一般

一般

较高

承载能力

高

较低

较高

其他特性

有急回特性

可实现任意运动规律

传动平稳

结合表1可知，方案1为曲柄滑块机构，易加工且具增力作用；方案6至9为六杆机构行程小；凸轮机构结构简单、紧凑，但易磨损且传力小；齿轮齿条机构传动准确、效率高、寿命长，但加工装配难；组合机构结构复杂。

综上所述，初选方案1，方案9，方案17。

二、工作盘间歇运动机构

方案1槽轮机构

方案2外啮合棘轮机构

方案3摩擦式棘轮机构

方案4外啮合不完全齿轮机构

方案5不完全齿轮齿条机构

方案6圆柱凸轮间歇运动机构

方案1结构简单，效率高，但转角不可太小，有冲击；方案2、3制造方便，转角准确，但易引起冲击磨损；方案4、5从动轮运动转角范围大但加工复杂，会引起刚性冲击。

方案6结构简单，运转可靠，但精度要求高，加工复杂，安装调整困难。

综合考虑，初选方案1，方案4，方案6。

三、扫屑机构

方案1附加滑块摇杆机构

方案2固定凸轮移动滚子从动件机构

方案3固定凸轮移动滑块从动件机构

方案1工作平稳，但尺寸较大；方案2运动性能较差，且易磨损；方案3各方面性能较好。

扫屑机构以上三方案性能相差不大，均可待选。

2.3执行运动机构的形成

方案I:

冲压机构为偏置曲柄滑块机构

模筒转盘为槽轮机构

扫屑机构为导杆-滑块机构

适当选择冲压机构中A点轨迹和确定机构尺寸，可保证构件具有急回，运动和工作段近于匀速的特性，并可使机构工作段压力角尽可能小。

根据工位要求确定槽轮相关参数，可满足工作盘间歇转动。

导杆-滑块机构上下方向长度应大于滑梁行程，其左右高度应能使扫屑刷满足扫除粉煤活动范围。

方案II:

冲压机构为六杆机构

模筒转盘为不完全齿轮机构

扫屑机构为固附加滑块摇杆机构

六杆机构虽具有增力作用，但行程较小，需调整各杆尺寸才能满足滑梁行程要求。

不完全齿轮机构是由普通齿轮机构转化而成的一种间歇运动机构。

它与普通齿轮的不同之处是轮齿不布满整个圆周。

不完全齿轮机构的主动轮上只有一个或几个轮齿，并根据运动时间与停歇时间的要求，在从动轮上有与主动轮轮齿相啮合的齿间。

两轮轮缘上各有锁止弧（见方案4图），在从动轮停歇期间，用来防止从动轮游动，并起定位作用。

附加滑块摇杆机构，满足运动变化条件，且工作平稳，效率较高，成本较低但运动尺寸较大。

方案III:

冲压机构为凸轮-连杆机构

模筒转盘为圆柱凸轮间歇运动机构

扫屑机构为固定凸轮移动从动件机构

凸轮-连杆机构结构与前两个方案相比较为复杂，且凸轮部分磨损较大，连杆部分为多杆，为满足行程要求需占较大尺寸。

圆柱凸轮间歇运动机构精度要求高，安装调整均有较大难度。

固定凸轮移动从动件机构对机架的要求较高，工作平稳性较差。

且滚子磨损较大，寿命短。

2.4机构组合方案的确定

经过前述方案评价可知，方案I结构简单，性能可靠，成本低廉，经久耐用，维护容易，操作方便。

所以确定该方案是上述三个方案中最为合理的方案。

2.5执行机构尺寸设计

（1）偏置曲柄滑块机构计算

已知滑梁行程S=300mm,行程速比系数k=1.5（θ=180°×（k-1）/（k+1）=180°×（1.5-1）/（1.5+1）=36°）。

过C1N⊥C1C2。

再过C2作∠C1C2M=90°-θ=54°,C1N和C2M交于P。

最后以C2P为直径作圆，则此圆周上任意一点与C1、C2连线夹角均为θ=36°。

在圆周上任取曲柄转动中心A，由图可知，曲柄与连杆重叠共线和拉直共线的2个位置AC1和AC2。

则:

AC1=B1C1-AB1

AC2=AB2+B2C2

解得：

AB=（AC2-AC1）/2=C2E/2（线段C2E可由以A为圆心，AC1为半径作弧与AC2交点E求得）。

经测量得：

AB=125mm

BC=295mm

e=140mm

已知生产率为18块/min。

因为曲柄旋转一周，滑块完成一个冲压运动周期，生产1块蜂窝煤。

所以曲柄转速为18r/min，即曲柄角速度为1.884rad/s。

以上软件分析表明，所设计的偏置曲柄滑块机构最小传动角为26°（而为了保证良好的传力性能，通常应使最小传动角不小于40°），即压力角过大，又蜂窝煤成型机冲压机构对急回特性并无特殊要求，所以决定将该机构改为对心曲柄滑块机构。

改

（1）对心曲柄滑块机构计算

因为S=300mm，

所以，曲柄长AB=S/2=150mm。

取最小传动角为75°，即最大压力角为15°

图解法如下：

在水平线MN上任取一点A。

以A为圆心，150mm为半径作圆，交MN于B1、B2两点。

过A作AB⊥MN交圆A于B点。

作∠ABC=75°，交MN于C点。

测得BC=580mm,即为连杆长。

在MN上截取B1C1=B2C2=BC,得滑块两极限位置C1、C2。

以下为对心曲柄滑块机构运动分析及动态仿真图：

（2）槽轮机构计算

槽数z按工位要求本应选为5，但z增大，k也随之增大，运动时间tf增加，不利于工作。

所以为提高工作效率，希望减小k,即减小z（工位数不够，可在传动链中加入与间歇转动部分所需工位数相适应的减速齿轮来达到），最终选定z=4（减速齿轮传动必i=4/5）。

槽轮每次转位时主动件转角 2α=180°×（z-2）/z=180°×（4-2）/4=90°

槽间角2β=360°/z=360°/4=90°

动停比k=td/tt=（z-2）/（z+2）=（4-2）/（4+2）=1/3

圆销数n=1

由结构情况确定中心距a=300mm

圆销半径r=30mm

所以，主动件圆销中心半径R1=asinβ=300×sin45°≈212mm

R1与a的比值λ=R1/a=212/300≈0.7

槽轮外圆半径R2=[（acosβ）2+r2]1/2=[（300cos45°）2+302]1/2≈214mm

槽轮槽深h≥a（λ+cosβ-1）+r=300×（0.7+cos45°-1）+30≈152.1mm

取h=153mm

（3）导杆-滑块机构计算

依据滑块的行程要求以及冲压机构的尺寸限制，选取扫屑机构尺寸如下：

导杆铅垂方向高度H=375mm，倾角arctg（500/150）≈73°

扫屑刷杆长L=550mm

2.6根据工艺动作顺序和协调要求拟定运动循环图

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（即横坐标表示各执行构件位置），纵坐标表示各执行构件的位移起止位置。

表2和图2均表示冲压式蜂窝煤成型机三个执行机构的运动循环过程。

冲压过程分为冲程和回程。

带有模孔的转盘工作行程在冲头程后半段和冲程前半段完成，使间歇转动在冲压之前完成。

扫屑运动在冲头回程后半段和冲程前半段完成。

表2冲压式蜂窝煤成型机运动循环表

主动件转角分配

0°－180°

180°－360°

冲头和脱模盘机构

工作行程

回程

主动件转角分配

0°－90°

90°－270°

270°－360°

模筒转盘机构

工作行程

停止

工作行程

扫屑刷机构

扫屑运动

回程

扫屑运动

图2蜂窝煤成型机运动循环图

2.7机械系统方案设计运动简图

电机驱动带轮机构，带轮机构驱动齿轮机构，齿轮机构分别驱动冲压曲柄滑块机构和分度槽轮机构，冲压机构的冲头驱动扫屑机构。

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。

原始数据：

根据设计要求，已知工作机（执行机构原动件）主轴：

工作机输出功率：

Pw=2.8（Kw）

转速：

nw=18（r/min）

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）×18

=324～1800r/min

符合这一转速范围的同步转速有750r/min、1000r/min、1500r/min，根据容量和转速，由有关手册查出四种适用的电动机型号，因此有3种传动比方案。

表3

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

传动装置的传动比

同步

满载

总传动比

V带传动比

齿轮传动

1

Y112M-4

4

1500

1440

43

48

3

16

2

Y132M1-6

4

1000

960

73

32

2.5

12.8

3

Y160M1-8

4

750

720

118

24

2.5

9.6

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3中3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=1440r/min

同步转速：

1500r/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=1440/18=80

2．分配各级传动比

根据《机械设计课程设计》表2.2选取，对于三角v带传动,为避免大带轮直径过大,取i12=2.8；

则减速器的总传动比为i减=i总/2.8=80/2.8=28.5714

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=1.3id2=28.5714

i2d=28.5714/1.3=21.9780

id=4.688

ig=1.3id=1.3×4.688=6.0944

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=1440r/min

Ⅰ轴nⅠ=n电/i带=1440/2.8=514.29r/min

Ⅱ轴nⅡ=nⅠ/ig=514.29/6.0944=84.387r/min

Ⅲ轴nⅢ=nⅡ/id=84.387/4.688=18r/min

计算各轴的输入和输出功率：

Ⅰ轴：

输入功率PⅠi=Pdη带=3.226×0.96=3.097kw

输出功率PⅠo=3.097η轴承=3.097×0.99=3.066kw

Ⅱ轴：

输入功率PⅡi=3.066×η齿轮=3.066×0.97=2.974kw

输出功率PⅡo=2.974×η轴承=2.974×0.99=2.944kw

Ⅲ轴输入功率PⅢi=2.944×η齿轮=2.944×0.97=2.856kw

输出功率PⅢo=2.856×η轴承=2.856×0.99=2.827kw

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=9.55×106×3.226/1440

=21.4×103N·mm

Ⅰ轴：

输入转矩TⅠi=9.55×106×PⅠi/nⅠ=9.55×106×3.097/514.29

=57.5×103N·mm

输出转矩TⅠo=9.55×106×PⅠo/nⅠ=9.55×106×3.066/514.29

=56.9×103N·mm

Ⅱ轴：

输入转矩TⅡi=9.55×106×PⅡi/nⅡ=9.55×106×2.974/84.387

=336.6×103N·mm

输出转矩TⅡo=9.55×106×PⅡo/nⅡ=9.55×106×2.944/84.387

=333.2×103N·mm

Ⅲ轴输入转矩TⅢi=9.55×106×PⅢi/nⅢ=9.55×106×2.856/18

=1515.3×103N·mm

输出转矩TⅢo=9.55×106×PⅢo/nⅢ=9.55×106×2.827/18

=1499.9×103N·mm

将运动和动力参数计算结果进行整理并列于表4如下：

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

—

21.4×103

1440

2.8

Ⅰ轴

3.097

3.066

57.5×103

56.9×103

514.29

6.0944

Ⅱ轴

2.974

2.944

336.6×103

333.2×103

84.387

4.688

Ⅲ轴

2.856

2.827

1515.3×103

1499.9×103

18