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塑料颗粒混料机设计

  武汉理工大学硕士学位论文摘要 在物料制造业中,特别是注塑成型过程中,混料工序一般不会受到工作人 员的重视,工人或这技术人员仅将其认为是一个辅助工序,对塑料颗粒混料机 的性能也无所要求。随着工业发展,人们对产品质量要求也越来越高,而混料 的质量直接影响到产品的质量,因此才有了混料技术及其设备的研究和发展。 针对市场上混料机容量比较大,并且价格比较昂贵,为了节约成本,本文旨在 设计专门适用于该公司的混料机,从而提高产品质量和性能,使产品在汽车零 部件的大竞争市场上更加具有竞争力。其中,对于转轴的设计与强度校核是其 中的一个重要部分,对该设备的安全性以及稳定性有着决定性的作用。 本文通过对市场上销售的混料机的调研,掌握了一般混料机的工作原理,从而确定了滚筒的结构以及机械传动方案,对滚筒进行了结构以及连接上的改进, 使其加工更加容易。同时,通过合理布置工作轴上的零件,对其具体尺寸和结 构进行了合理性的设计。在SolidWorks软件中完成了该设备的虚拟装配图,验 证了所设计的尺寸并不会发生干涉。为了校核该工作轴的强度要求,使用了按 弯矩、转矩合成强度计算和按疲劳强度校核安全系数计算方法,对所设计的轴 进行了强度计算和疲劳强度计算,从而说明本次设计的准确性。 在理论计算轴的强度基础上,利用ANYSY软件,对该转轴进行了有限元分 析,其中包括了静力分析和模态分析。在静力分析结果中,可以得出轴的最大 变形量以及最大应力值,并且满足了强度要求。在模态分析结果中,可以得到 该设备的固有频率以及前4阶的振型图。在振幅很大的情况下,在不改变轴的 尺寸情况下,可以对轴进行进行热处理,从而增加其强度的要求。 通过对异步电动机的起动特性进行分析,设计了电机的系统控制电路,并 完成了电器元器件的选择。该电路可以实现电机的制动、正转和反转,并具有 短路保护、过载保护和零压保护功能。安装调试后,该设备已经在该公司正常 使用。 关键词:结构设计,强度校核,静力分析,模态分析,系统控制电路 Abstract Inmaterials manufacturingindustry,especially injectionmoulding,Mixingprocess alwaysignored,workersandtechnicians only lookitas allaided workingprocedure,andthey havenodemandonthe plasticparticlemixing machine.Withthe developmentof industrytheproductquality alsointheexaltation,themixingprocess hasadirectinfluenceonthe productqualitySO developmentofthe mixingtechnology andits equipmentappears.The mixing machine’S capacity ofthemarketis large,and its price high,inordertosave cost,thispaper aimstodesirea mixing machine applying tothe companyspecially. To improve performance,andtomakethe product more competitive inthemarketofauto part,In strengthcheckof therotorshaftis veryimportantpart,itplaysadecisiveroleinthe safetyand stability ofthe product. Accordingtothe survey ofthe mixing machineinthemarketthispaper masteredthe workingprinciple ofthecomlnon mixingmachine,and confirmedthe structureoftherollersandtheschemeofmechan/caldrive.It improved thestructures andthe links,and madethe processing moreeasier.Inthe meantime,through reasonablearrangement ofthe parts ofthe shaft,itdesigned rationalityofthe structureandthe size.It completed thevirtual assembly ofthe equipment solidworks,andcheckedthatthe designed sizeshadnointerference.Inordertocheck strengthofthe workingshaft,we calculatedthe safety factor according tothe combinationstrengthofthebending momentand torque andcheckedthe safety factor according tothe fatiguestrength.ne results proved veracityofthe design. Onthebasisabovethe也eoreticalcalculationofthe strength ofthe shaft,we madeafinite-element analysis oftherotorshaftinthe ANSYS,including thestatic force analysis andthemodel analysis.In theresultofthestaticforceanalysis,we knewthemaximumdeformationandthemaximum stress,and knewthatit satisfied strengthrequirement.Intheresultofthemodel analysis,we obtainedthenatural ljrequency andthefirstfourordermode shapes ofthe equipment.In thesituationof largeamplitude,heattreatmentCanbeusedtotheshaftwithno changes tothe sizeofit,andthisCanincreaseitsstrength. 武汉理工大学硕士学位论文According tothe analysis ofthestartingcharacteristicofthe asynchronous motorwedesigned thecontrolcircuitofthemotor system,and chosetheelectrical components.The circuitcanrealizethe braking andtheforwardandthereversalof hasthefunctionsoftheshort-circuitprotection andovercurrent protection andzero pressureprotection.After theinstallationandthe debugging,the equipment hasbeenused normally inthe company. Key words:structuredesire,strengthcheckstaticforce analysis,modelanalysis, system controlcircuit. HI 武汉理工大学硕士学位论文 1.1本文研究的目的 第1章绪论 在物料制造业中,特别是注塑成型工艺过程中,混料工序一般都不会受到 工作人员的重视,一般情况下,仅仅只将其作为辅助工序,因此对塑料颗粒混 料机的性能要求也不高【l】。随着工业的发展,产品的质量直接影响到企业的效 益,而混料的质量会直接影响它,因此,混料技术及其设备的研究才发展起来。 塑料在成型加工之前所需的原料,通常会需要将几种原料按一定比例混合。 例如在树脂中加入母料、不同种树脂的混合以及颜料等等,这就需要使用塑料 颗粒混料机,为了节约成本以及保证塑料颗粒能够混合均匀,设计一种专门为 该公司量身制作的混料机,从而使混料更趋近于自动化,节约更多劳动力。 1.2国内外的研究现状 最近几年,混料机的发展比较快,除了大型机之外,一般规格的混料机供 大于求,销量也很难维持顶峰期的1/3[21。但是,市场需求的那种科技含量较高 的混料机缺逐渐加强。主要表现为:在电子通讯、家电、汽车等行业,对自动 化要求程度高,更加需求自动程度较高的精密型混料机:在家电、汽车、建筑 等行业中,吸引力大,伴有空气辅助、水辅助装置的新型混料机,在目前也有 很大的市场,因为他们对产品外观要求更高,更加注重实用寿命;中空塑料机 目前发展也比加快,主要是在汽车领域或者其他工程应用一直困扰它们的难题 一塑料件在振动时产生的应力问题,在技术上,多种塑胶材料的结合以及中空 注塑技术则可以改善这个缺陷。 有关资料显示,到2015年,总产量将达到5000万吨以上。它的良好发展 前景,正在成为中国混料机机制造业高速发展的原动力,尤其是一些科技含量 高、性能好、价格相对适中的机型,预计都有很好的发展前景。 而随着国外技术进步及市场发展,中国混料机产业必须准确把握市场经济 的运行规律与特征,开发独到的技术和设备,适应特定市场的需要,用优质、 高效的设备来满足用户的需求。目前,低附加值通用产品已经出现结构性过剩, 低层次的价格恶性竞争,正在阻碍全行业的技术进步。近两年来,仅德国克劳 斯玛菲一家公司就与中国成交到货百条以上异型材生产线。未来,混料机和生 武汉理工大学硕士学位论文 产线市场将朝着技术含量高、价格低的方向发展。目前,国产混料机以锥型双 螺杆和单螺杆混料机为主,技术很成熟;市场销量也最大。但是,它们的通用 规格已供大于求,只会维持市场顶峰期的50%--60%。今后混料机的重点在于发 展平行异向双螺杆混料机,并朝着第六代、第七代和高速、大长径比方向发展【3】。 国内市场上主要销售的混料机的型式1如图1—1所示。在如图1.2所示的混 料机组成中,它是四轮直立式设计,体积小,移动也比较方便。为了降低噪音 和持久耐用,配用了摆线针轮减速电机,在简体的设计上都是采用的不锈钢冲 压成型的,桨叶随着电机的转动,使物料在桶内进行翻滚,从而可以在短时间 内均匀混料,效率比较高,可以在计时器上选择O~30min之间选择混料时间, 其结构简图如图所示。但是这种混料机一般混料至少在15kg以上,对公司来说 浪费了很多资源,同时价格也比较昂贵。 图1.1型式1混料机 武汉理工大学硕士学位论文图1.2型式I混料机的组成 跟上述厂家生产的混料机的原理基本上相同,型式2混料机如图1.3所示, 但是结构上比较大,通过电机带动皮带轮转动从而带动桨叶进行转动,从而达 到进行混料的目的。该混料机相比上一机器而言,电器控制更加精确,控制面 板比较人性化,对于工人来讲更易操作,效率更高。但是该机器并不是很灵活, 体积较大,其结构组成如图1.3所示。 图1-3型式2混料机 武汉理工大学硕士学位论文 科桶盖 轴承盖皮带轮 机座皮带调节螺丝 图1-4型式2混料机的组成排气管 电气控制箱散热孔 电机 电机轮 皮带 而国内有些厂商,在设计混料机时,仅仅只是靠滚筒的转动带动物料沿着 筒壁进行运动,从而达到混料的目的,如图1.5所示为型式3混料机。这种混料 机滚筒比较大,旋转轴跟滚筒是一体的。同时外面有防护措施进行保护操作人 员的安全。跟第二种混料机不同,在实现电机的减速时,主要通过了中间轮的 过渡来实现减速,从而使传动更加平稳。其结构组成如图1-6所示。 图1-5型式3混料机 武汉理丁大学硕士学位论文图1-6型式3混料机的组成 另外,还有如图1.7所示的型式4混料机,这种混料机可真空吸料和密封蝶 阀出料,可以实现无粉尘操作。筒体是由两个对称的简体组成,物料可做枞横 方向流动,混合均匀度很高,筒体采用不锈钢材料制造,清洁卫生,一般可以 用作药物的混料过程中。在电气控制方面,它可以实现定时操作和定点操作。 图1.7型式4混料机 通过对市场上销售的混料机的了解,一般混料的容量都比较大,所需电机 的功率比较大,因此价格方面也比较高。而公司的混料的容量约为5kg,因此市 场上的混料机并不适合该公司。需要设计一种结构简单、操作方便、混合质量 好的混料机,能更适合该公司的小型混料机。 武汉理工大学硕士学位论文 1.3本文研究的意义 上海浦成传感器有限公司可以自研开发、产业化生产系列汽车排放氧传感 器。自1986年9月周普成研制成功中国第一批150只汽车排放氧传感器至今、 已有16年研制历史。是世界上能够掌握从固体电解质材料到产成品全套汽车排 放氧传感器总承技术和工艺最早的4家企业之一。同时该公司也在自主研发速 度传感器、压力传感器、曲轴传感器等非氧传感器。这些非氧传感器与氧传感 器相比,并不是金属外壳,在芯片的封装过程中,需要注塑成型。在注塑成型 工艺过程中,若是原料是几种不同的塑料颗粒,则要求这些塑料颗粒混合非常 均匀。在该公司实习期间,通过了解与调查,注塑车间在注塑传感器外壳时, 混料基本上是人工操作,浪费了大量时间和劳动力,并且塑料颗粒混合的并不 是很均匀,因此设计一种适合于该公司并操作简单的混料机是非常有必要的。 ’该公司一般混料的塑料颗粒是5kg,相对来说重量比较小,市场上混料机一 般容量比较大,况且价格比较昂贵,为了节约成本,本论文旨在设计专门适合 于该公司的混料机,从而改善混料的均匀性,提高产品质量和性能,使产品在 汽车零部件的大竞争市场中更加具有竞争力。 1.4本文研究的主要内容 在塑料颗粒混料机的开发与设计过程中,本文的主要目标是能够设计可以 容纳5kg的塑料颗粒的滚筒结构,从而可以实现结构简单、混合质量更高。同 时,需合理设计出电机的控制系统电路,以实现不同转速,从而使操作更加方 便。在此,设计的主要任务是可以分为:塑料颗粒混料机的整体结构设计(其 中包括了塑料滚筒的结构设计、夹紧装置的选用)、旋转轴的结构设计(其中包 括了电机减速器的选用、联轴器的选用、轴承座的选择等等)、旋转轴的理论强 度校核、基于ANSYS下的转轴的强度校核、电机控制电路的设计。其主要流程 图妞图1.8所示. 武汉理工大学硕士学位论文设计并确定滚 筒的结构形式 安装 调试 确定电机及减 速机的型号 选择联轴 嚣、皮带轮 设计轴的相关尺寸并使用AYSYS强度校核 图1.8设计流程图 选择轴承、 轴承座 设计转动轴与 滚筒的连接 设计固定支架 及选择脚轮 课题所做的主要工作主要有以下几个方面: (1)设计一种可以容纳5kg的塑料颗粒的滚筒结构,可以实现结构简肇、 混合质量更高,包括密封以及固定形式。 (2)确定该设备的传动方案,并确定旋转轴上零件的布置以及定位,从而 确定该轴的尺寸。 (3)通过对轴的理论校核计算和有限元分析,保证轴的刚度和强度可以满足使用要求。同时,为了减小该设备的振动和噪声,还需对其进行模 态分析。 (4)设计合理的电机控制电路,可以实现不同转速,启动、急停、工作过 程的平稳性。 武汉理工大学硕士学位论文第2章混料机的结构设计 通过对市场上所销售的混料机的调研,它们一般价格都比较昂贵,且适合 于质量更大的物料进行混合。因此本次设计主要针对于本公司的生产需求。在 混料机的设计时,首先需要进行传动方案的确定,在对滚筒的结构设计完成后, 计算转矩,从而确定电机与减速机的型号。合理布置转动轴上的零件,确定轴 的各段轴径和长度,为其他零件的设计提供理论依据。在设计时,需要对各个 零件进行三维模型的建立,并完成虚拟装配,从而说明设计的尺寸并不会产生 干涉,以实现设计的合理性和精确性。 2.1传动方案的确定 合理的传动方案,首先应满足混料机的性能要求,其次还应满足工作可靠, 传动效率高、结构简单、结构紧凑、成本低廉、工艺性好、使用和维护方便等 要求H。在拟定传动方案时,我们可以从以下原则考虑: (1)采用尽可能短的传动链,从而降低成本、提高传动效率和传动精度。 (2)恰当选用原动机类型、运动参数和功率等。 ,(3)合理选择传动的类型及其组合方式,合理选择传动机构的顺序,从而 充分发挥各种传动类型的优势。(4)合理分配传动比。 (5)最重要的确保设备能够安全运转。 针对该塑料混料机的设计,本人设计出了两套传动方案,并进行了比较。 方案一:选择电动机作为原动机,为了降低旋转速度,通过皮带轮传动连 接旋转轴,带动物料滚筒的转动,从而实现混料,如图2.1所示。 图2.1方案一的传动方案图 在机械传动中,带传动是一种应用很广的挠性机械传动,它分为摩擦型带 传动和啮合型带传动两类,前者利用带与带轮之间的摩擦力进行传动,后者利 用带上凸轮与带轮齿槽的啮合进行传动【51.本文主要选用摩擦型V带传动。其 主要优点如下: (1)具有弹性,能缓冲减振,因此传动平稳,噪声小; (2)过载时,带轮会出现打滑,防止其他零件损坏; (3)适合两轴中心距较大的传动; (4)结构简单,制造和安装方便,成本低。 当然,有优点的同时也会有缺点: (1)由于弹性滑动和打滑,传动比会不稳定; (2)传动效率低; (3)带的寿命较短; (4)由于需要施加紧张力,轴和轴承受力较大;(5)外廓尺寸较大。 方案二:仍然选择电动机作为原动件,通过减速机实现电机的减速,使用 联轴器将减速机和轴进行相连。当电机工作时.会带动旋转轴的转动,滚筒也 进行转动,从而实现混料的需要,如图2.2所示。 武汉理工大学硕士学位论文图2.2方案二的传动方案图 现代通用减速机的发展趋势是朝着高性能、形式多样化、结构模块化发展, 本次设计选用的便是联体式减速机,它是由电动机与减速器相连而成的独立部 件,其结构紧凑,费用较分离式的便宜。联体式减速机有1—3级斜齿轮减速机、 螺旋锥齿轮减速机、斜齿轮.螺旋锥齿轮减速机、蜗杆减速机、斜齿轮—蜗杆减 速机、摆线针轮减速机等多种形式。由于本次设计的转速要求不是很高,选用l 级斜齿轮减速机。减速机与旋转轴的连接选用联轴器,联轴器的主要功用是传 递运动和转矩。同时它也可以用作安全保险装置。联轴器所连接的两轴,只能 在运动停止后经过装拆才能彼此结合或分开。 通过方案一和方案二的比较,方案一的传动方案效率低,皮带轮尺寸过大, 结构不是很紧凑。而方案二的传动方案结构比较简单,结构紧凑,传动效率较 高,更易安装拆卸,因此本次设计选用方案二作为该混料机的传动方案。 根据传动方案二,本文设计出的混料机的总图如图2.3所示: 10 图2-3混料机总图 l—.滚筒:卜滚筒盖:3-固定块;4一工作轴:5—轴承座: 洲轴器:7L支架:8_脚轮;删速机:lO一电机 ll 武汉理工大学硕士学位论文 2.2滚筒的结构设计 目前国内常见的混料机类型主要有:滚筒式、搅拌式和其他型。滚筒式的 主要有桶型、双锥型、V型。而搅拌式可以分为V型搅拌式和螺旋搅拌式。目 前比较发展成立体滚筒型一r“。 滚筒式混料机的滚筒的主要结构形式如图2—4、图2.5、图2-6所示,它们 的工作原理如下:工作时,物料会在筒内滑动和自由落体运动从而达到混料目 的。滚筒转动时,物料颗粒将会在筒内各径向平面做滑动和自由落体运动进行 混合。混料时,靠近筒壁处的物料会作轴向运动和径向运动混合的中心处会出 现死点。开始时,物料沿简壁上升,在倾斜面上做滑动,随着滚筒的转动,物 料上升一定高度落下,当转速升高时,由于离心力的作用,物料和滚筒会同步 运动,这样便起不了混料作用。一般转速在30.50转/分,物料在筒内简单机械 混合30.50跚分,由于轴向的混合位移很小,因此滚筒式混料机一般只适用于 粉状物料混合。 图2.4筒形滚筒式混料机示意简图图2.5双锥形滚筒式混料机示意简图 12 图2-6 V形滚筒式混料机示意简图 为了提高混料机的性能和混合质量,搅拌式混料机是在滚筒内加一套搅拌 装置以便于提高混料机的性能和效率。 (1)V型搅拌式混料机的工作原理,如图2.7所示:在V型滚筒式混料机 滚筒内加入装有搅拌棒的高速搅拌轴,在高速转动时,搅拌棒会打击物料颗粒, 当物料碰到筒壁后会反弹到各个方向,增加颗粒的轴向运动,另外加上滚筒的 转动,提高了混合的速度和质量,但是,由于搅拌棒的作用范围近似一个平面, 搅拌的有效混合空间不超过30%,一般滚筒转速30-50转,每分钟也只能混合 30-50次,混料效果并不佳。 图2.7 V形搅拌式混料机示意简图 (2)螺旋搅拌式混料机的工作原理,如图2.8所示:螺旋搅拌装置是装在 主轴上,螺旋搅拌装置会随着主轴的转动拨动物料作圆周运动,使物料颗粒沿 螺它的螺旋方向运动,产生了轴向运动。这种混料形式虽然好一点,但此类混 料机主轴转速一般限制在30-50转/分,速度低,效率低,在图2.8中可以很明 显看到在螺旋搅拌装置的两端会出现混料死点。 13 武汉理工大学硕士学位论文 图2.8螺旋搅拌式混料机示意简图而如图2-9所示的立体滚筒式混料机是属于滚筒式的,它主要是靠物料在滚 筒内的滑动和自由落体以实现混料的目的,而滚筒在三个空间轴都有转动,从 而使物料在三个空间中的自由度都会有运动,其机构传动图如图所示,这种混 料效果较好,但其速度不能过快,效率不高,混合密度差别比较大的塑料颗粒 时也需要很长时间。 图2-9立体滚筒式混料机示意简图 针对本次设计以及公司的需要,依然采用滚筒的型式,其结构形式如图2.9 所示。滚筒的结构采用‘叩’型的结构。这种结构可以保证混料均匀,同时跟‘V’ 型结构滚筒相比,转动轴与滚筒的连接通过两个固定块进行连接,中间使用键 配合,维修起来更方便,结构也更加稳固。同时采用的不锈钢管直接焊接而成, 加工也相对简单。 14 武汉理工人学硕J二学位论文 图2.10设计的混料机的结构简图根据公司的需要,一般需要混合5kg左右的塑料颗粒,因此选用9159x3mm 的不锈钢管焊接,下端不锈钢管的长为50cm,上端不锈钢管的长都为30cm。为 了保证滚筒的密封,使用螺钉将盖板与滚筒进行连接,装料与卸料也比较方便。 同时,为了让滚筒不会在转动轴上水平移动,滚筒上的孔径要比固定块上的孔 径大,其尺寸的设计需要在轴的外径确定后才能进行确定,这样才能使该结构 更加可靠。固定块与滚筒的连接使用M8的螺栓进行连接,滚筒和固定块的三维 造型分别如图2.11所示、如图2.12所示。具体零件图见附件。 图2.1l 滚筒的三维造型 武汉理工大学硕士学位论文 图2.12固定块的三维造型 2.3_电机与减速机的选择 原动机一般分为一次原动机和二次原动机。一般机械大部分都采用二次原 动机,其中以电动机应用最为广泛。选择电动机就是选择电动机的类型、结构 形式、功率、转速和具体型号。 2.3.1选择电动机的类型和结构形式 电动机的类型和结构型式是根据电源种类(直流或交流)、工作条件(环境、 温度、工作机的机械特性等)、工作制度(连续或间歇)及对启动、平稳性、载 荷大小、过载能力等方面的要求及其他条件来选用。 电动机分为交流和直流,工业上一般采用三相交流异步电动机。载荷平稳、 不调速、不长期工作的设备,可采用鼠笼型异步电动机,特点是结构简单、工 作可靠、维护容易、价格低廉,配用调速装置后可提高启动性能、加减速性能、 稳态性能和对电网的功率因数,如Y、YZ系列电动机。在此,本文选用Y系列 的电动机,完全可以满足混料机工作的需要。 2.3.2确定电动机的转速 同一功率的异步电动机有3000r/rain、1500r/rain、1000r/min、750r/rain等几 16 武汉理工大学硕士学位论文 种同步转速。一般来讲,电动机的同步转速越高,磁极对数越少,外廓尺寸越 小,价格越低:相反,转速越低,外廓尺寸越大,价格越贵。当工作机转速高 时,选用高速电动机较经济。但若工作机转速较低也选用高速电动机,则这时 总传动比增大,会导致传动装置的结构复杂,造价也高。本次设计要求旋转轴 的转速控制在20r/min-30r/min,本次设计选用1000r/min的电动机,通过减速机 的减速实现转速要求。 2.3.3确定电动机的功率和型号 电动机的功率选择是否恰当,对电动机的正常工作和经济性都有很大的影 响。在选择时,要确保电动机的额定功率Pe略大于电动机所需功率Pd即可。 工作所需的输入功率(1一般可以按照下述方法计算: R=Fv/1000 (2.1) 或己=Mto/1000,其中,F(N)、M(N.m)分NYg-r作机的驱动力、驱动力矩; (tad/s)分别为工作驱动机构件的速度和角速度。在该设计中,滚筒的旋转半径为400ram,当滚筒由垂直状态旋转到水平状态时,根据能力守恒定律得: j::'Kmgdr==eoMdO(2-2) 其中K为5kg物料的放大系数,适应不同质量物料的要求,在这里取1.5 带入式2.2有: 51.5100.4::/t"M’ M=19.11N.m(2-3) 由于轴与滚筒的连接并未在质心处,并且为了工作安全,将混料机的安全 系数【S】设为2.5,则: 只=【S]Mw/1000 17 武汉理工大学硕士学位论文 ,:[sW旦 60x1000:2.519.11—2x3.1—4x25 601000=0.125kW (2.5) 式2.5中n=25r/min,电动机所需功率为: (2.6)式2-6中,Tl为传动装置及工作机的总效率。 r/2r/ir/2…r/.r/w (2.7) 式2-7中,%、仉、…巩分别为传动装置中每对传动副或运动副(如联轴 器、齿轮传动、带传动、链传动和轴承等)的效率。这里: =0.980.99xO.98=0.95 (2.8) 其中m为减速机传动效率,叩z为联轴器的传动效率,r/3为滑动轴承的效率。 尼=己/rl=0.125/0.95 =0.132kW (2.9) 因此选用的电机额定功率必须大于0.132kW。查电动机选型表知,选用的电 机型号为YS7116-180W,B5型式无底座的电机,其转速为1000r/min,额定功 率为180W。 2.3.4减速机的选择 所谓减速机的主要作用是将电机的回转数减速到所要的回转数,并得到较 大转矩的机构。而本次的设计也需要用到减速机,来实现减速和提高输出转矩 的作用。 18 武汉理工大学硕士学位论文 由于电动机的型号本次设计已经确定,只需根据电机的输出功率进行选择 减速机的型号,然后进行装配。根据厂家提供的产品目录,选择电动机的型号 为WPDS,规格50,输入功率为O.18kw。由于电动机的转速为1000r/min,为了 达到工作转速25r/min的要求,减速比确定为1:40。其结构型式如图2.13所示。 图2.13减速机的实物图 查表知,输出轴的轴径为q)17mm,长度LS为40mm,键槽bxh=5x3mm。 这些参数为后续联轴器的选择提供了依据。 2.4旋转轴的结构设计 在本次设计中,轴是该设备中的主要支撑零件之一,主要用来传递传动和 动力的。进行轴的设计,就是根据工作条件,确定轴的结构外形和全部结构尺 寸[12】-【161。在进设计时应考虑的主要因素如下 (1)轴的结构形状可以满足使用要求,零件的位可靠,保证轴和轴上零件 有精确相对工作位置; (2)轴的结构应有利于提高轴的强度和刚度,受力情况应理,避免或减小 应力集中: (3)轴的加工及装配的工艺性好。 通常轴的设计步骤如下: (1)由机械传动方案的整体布局,确定轴上零件的布置和装配方案; (2)选择轴的材料: 19 武汉理工大学硕士学位论文 (3)初步计算轴的直径: (4)对轴进行结构设计; (5)校核轴的弯扭合成强度及轴上键连接强度,必要时,精确的进行疲劳 强度计算校核。 一(6)根据计算结果改进设计并绘制出轴的零件图。 2.4.1轴材料的选择 在选择轴的材料时,应虑轴的使用条件、强度、刚度、耐磨性及其他机械 性能的要求,采用的热处理方式并考虑制造加工工艺,在力求经济合理的情况下 设计计算来选择轴的材料。 本文选用调质处理的45钢。查表可知,抗拉强度极限8B=640MPa,抗拉屈 服极限5s=355MPa,弯曲疲劳极限8-iffi275MPa,剪切疲劳极限【.1ffil55MPa。许 用弯曲应力[6w]=100MPa、【6.1b]=60lV[Pa。 2.4.2初步估算轴径 本次设计可以通过扭转强度估算输出端联轴器处的最小轴径。轴的扭转强 度条件为: 9550x103二fr (2-10)式2.10中:叶为轴的扭转切应力;T为轴所传递的扭矩:晖为轴的抗扭界 面系数:P为轴所传递的功率;n为轴的转速;L勺J为轴的许用扭转切应力。 对实心圆轴来讲,将式2.1l: 职:硝3/16尘 (2.11)—带入式2.10中,可得轴的直径为: 趱网[r-lk 查表l可知:按45钢,取C=llO。武汉理工大学硕士学位论文 轴的材料Q235、20 35 45 40Cr、35SiMn 160-135135—118 118。107 107。98 输出轴的功率昱=曰轨,72,73(仇为减速机的效率,取O.98;啦为滚动轴承效 率,取0.98;rh为联轴器的效率,取0.99)=0.180.98x0.98x0.99=0.171kW。输 出轴的转速: /122^/p 1000/40=25r/min(2.13) 由于安装联轴器处设计了一个键槽,设计的轴径应增加5%;为使所选轴径与联轴器孔径相适应,需要选取联轴器。. 在联轴器的选择上,本次设计应根据机器的工作特点、性能要求(如缓冲 减震、补偿轴线位移、安全保护等),结合联轴器的性能选择合适的类型。一般 来说,对载荷平稳、同轴度好、无相对位移的可选用刚性联轴器;难以保持两 轴严格对中、有相对位移的应选用挠性联轴器;对于传递转矩较大的重型机械 (如起重机),可选用齿轮联轴器;对需有一定补偿量,单向转动而冲击载荷不 大的中低速传动的水平轴的连接,可选用滚子联轴器。在此,本文选用弹性套 柱销联轴器,其结构类似于凸缘联轴器,也依靠两个带凸缘的半联轴器分别与 主从动轴相连。连接两个半联轴器是带弹性套的柱销。 弹性套为橡胶制品,常做成蛹状结构以提高其弹性,由于弹性套是传力、 减振和补偿位移的元件,具有一定的抗压强度。使用的柱销是45钢材料,其圆 柱部分与弹性套配合,通过锥面与螺纹连接固定在一半联轴器凸缘周上。这种 联轴器制造容易、成本较低,装拆也比较方便,连接平稳,可以传递中小转矩。 通过查手册可得,取轴与联轴器连接的轴径为24ram。根据所选用的减速机,可 以得出联轴器的型号为: 死3婴GB/T4323—1984. 21 武汉理工大学硕士学位论文 2.4.3轴的结构设计 轴上零件布置是否合理,关系到轴的结构合理性和装配工艺性。因此,拟 定轴上零件的布置方案是进行轴的结构设计的前提。布置方案时应考虑安排动 力传递路线和预定出轴上主要零件的装配方向、相互关系和顺序。根据混料机 的简图确定轴上主要零件的布置图和轴的初步估算出定出的轴径,从而进行轴 的结构设计,如图2.14所示。 轴承 图2.14轴上零件的布置图—-(1)轴上零件的轴向定位 滚筒主要靠两个固定块进行定位,固定块的孔径比滚筒的孔径小,从而使 滚筒不会随意移动,实现滚筒的轴向定位。两边的轴承座使用同一尺寸,同时 在轴承座的一侧设计轴肩,以便于加工、安装和维修。如图2-15所示。 图2.15轴上零件的装配方案 武汉理工大学硕士学位论文 (2)轴上零件的周向定位 为了防止轴上零件工作时发生周向的相对运动,轴上零件除了有特殊的结 构要求外,都需要定位精确可靠,常用的周向定位方法主要有平键、花键、销、 紧定螺钉以及过盈配合等,在此固定块与轴、半联轴器与轴的轴向定位均采用 平键连接。根据轴的直径查看相关设计手册得,固定块、半联轴器的键截面尺 寸为bxh=lOmmx8mm和8mmx7mm。在滚动轴承的选择上,为了安装方便,本 文选取带有滚简轴承的轴承座。根据轴径Q30mm,确定轴承座的型号为UCP_206 的轴承座。其产品图如图2.16所示。 图2.16 UCP206轴承座的实物图 (3)确定各段轴径和长度 ID380 en图2.17转轴的尺寸设计 如图2.17所示,非定位的轴肩一般取1-2.5mm,根据固定块的孔径以及轴 承座的型号, 在轴径的确定上, 从联轴器向左取 23 武汉理工大学硕士学位论文 tp24mm——呻30mm——Q32m脏——叩35mIn_——‘p32mII卜——叩30mm。在轴的长度 的确定上,一般取决于轴上零件的宽度及它们的相对位置。选用UCP206型号的 轴承座,厚度B为38.1mm。由于该轴承与轴承座是一体的,因此,轴承座处轴 的长度为40mm。由滚筒的外径为159mm,为了防止其在轴上移动,轴的最大 端应该处于两个固定块之间,考虑到加工时的误差,本文取最大端tp35mm轴的 长度为160ram。由于该轴通过螺钉将轴承座固定在支架上,为了防止滚筒在转 动时,不会撞击到支架,q)32mm轴的两端长度均为280mm。半联轴器与轴的最 左端的配合长度为52mm,考虑装配误差,最小轴径924mm的长度为80mm。 (4)轴的结构工艺性设计 为了使轴的结构形式便于轴的加工以及轴上零件的装配,需对轴的结构工 艺设计。轴的左右两端均制成2x450倒角,从而便于轴的装拆和去掉加工时的毛 刺。为了加工的方便,滚筒、半联轴器出的键槽应布置在同一母线上。当然本 文在满足使用要求的前提下,尽可能将轴进行简化。 最终设计出的轴的零件图见附件。 2.5其他零件的结构设计 为了移动方便,本文采用40#角钢焊接制作成支架,同时配以有脚轮。如图 2.18所示。 图2.18混料机的支架 24 武汉理工大学硕士学位论文 支架的高度为500ram,长度为800mm,为了使结构更加美观以及结构稳定, 采用下宽上窄的形式,地端宽度为500mm,上端宽度为400mm。在支架的底端, 购买6寸大小的两对活动脚轮和两对固定脚轮,使该设备能够在车间内移动自 2.6小结通过对市场上所销售的混料机进行调研,以及它们的工作原理进行比较, 确定了该设备的传动方案以及滚筒的结构形式。根据经验公式以及公司的要求, 完成了滚筒、固定块、旋转轴、固定支架的设计,确定了所用减速机、电机、 联轴器、轴承座、脚轮的型号尺寸,特别是电机和轴的设计上,动力来源—— 电动机是本次设计的关键,电机型号的确定为以后零件型号、尺寸的选择上发 挥了功不可没的作用;在轴的设计上,利用经验公式,确定了最小轴径,合理 布置了轴上零件,并确定了零件的轴向定位和周向定位方法。因此通过 SolidWorks的三维建模可以得出其在SolidWorks软件中的虚拟装配图如图2.19 所示。在虚拟装配中,并没有尺寸干涉,从而说明该设计的合理性。 图2.19SolidWorks中混料机的虚拟装配图武汉理工大学硕士学位论文 第3章转轴的强度校核 在本次设计中,通过对该设备的零件进行设计后,可以看出该转轴既要承 受弯矩又要承受扭矩,在弯扭复合循环变应力工作状态下,它很容易会产生疲 劳损坏,因此需要采用合理的疲劳设计,从而提高产品质量,延长该设备的使 用寿命。目前轴的理论强度计算方法主要有三种方法【17]-[21】: 。(1)按扭转强度计算: (2)按弯矩、转矩合成强度计算: (3)按疲劳强度校核安全系数; 由于按扭转强度计算在设计轴的最小直径中已经介绍了,这里就不再详细 介绍。 3.1弯矩、转矩合成强度计算 在轴的结构设计完成后,确定轴的支承位置和轴所受载荷大小、方向、作 用点及载荷种类。对于同时受弯矩和转矩作用的轴,本设计可以针对某些危险 截面即计算弯矩大或截面直径相对较小或有应力集中的截面,可以按转矩和弯 矩的合成强度进行强度校核计算。 3.1.1弯转强度计算原理 根据第三强度理论,其强度条件为: (3-2)其中,W为轴的抗弯截面系数,W讯13/32 WT为轴的抗扭截面系数,WT=2W。 因此又可将其写成 武汉理工大学硕士学位论文其中,Mc"圻矛‘可称之为当量弯矩。考虑到这种应力循环特性差异的影 响,又可以将转矩T转化为相对于对称循环时的当量弯矩。于是可将式修正为 L—IpJ(3_4) 式3-4中,口为应力校正系数。轴受不变的转矩,取 承受对称循环变化的转矩时,取口=幽[o+bJ圳;承受对称循环变化的转矩时,取 承受脉动循环的转矩时,取口=铡地6。承受脉动循环的转矩时,取 hJ 由于作用在轴上的各载荷不在同一界面内时,本文将其分解到两个相互垂直的截面内,然后求出每个平面内的弯矩,根据合成矢量法求得合成弯矩。在 设计计算时,可以将轴视作置于铰链支座上的双支点梁,轴的支点间距比轴承 宽度大得多,支点便可以近似取为轴承宽度的中点. 3.1.2转轴的强度校核 做出轴的受力简图,设计中取集中载荷作用于滚筒及轴承座的中点,如图 武汉理工大学硕士学位论文 a)受力简图 b)水平面的受力和弯矩图 c)差直面的受力和弯矩图 径向力Fr2=mg=(15 581 1+5)10=221 38 (3.6)(3.7) 根据力的平衡原理,可以求出轴承的支反力,这里将其分解为水平和垂直 平面内的受力。 水平面支反力: 兄=尼;争=丁163.05=81.65 垂直面支反力: F..二瓦.=丛:—221—.38:0.6t.11069N 因此可以求出截面C处的弯矩,如下所示:水平面上的弯矩: (3.8) (3.9) Mcl=380FA103=-38081.65103-31.03N (3.10)垂直面上的弯矩: Mc2=380F—x103=380xii0.69x103--46.06N (3.11)因此合成驾矩为: Mc=Mcl2+Mc22=31.032+46.062-55 54N (3.12)因为该混料机是单向回转,设计中可以将转矩视为脉动循环,故取

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