机械原理课程设计任务书.docx
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机械原理课程设计任务书
机械原理课程设计计算说明书
课程名称：
机械原理课程设计
设计课题：
蜂窝煤成型机
学生姓名：
专业班级：
指导教师：
成绩：
完成时间：
机械工程学院
《机械原理课程设计》
成绩评定表
项目名称
方案设计
机构设计与分析
图样与设计说明书
基本要求
1、设计方法正确；
2、拟定多套可行的方案并进行分析比较，选取最优方案。
1、设计方法正确；
2、能准确的选择执行机构与传动机构；
3、对机械传动系统和执行机构尺度计算正确；
4、对主体机构运动与力分析正确。
1、机械运动方案简图准确，图面美观整洁；
2、说明书应全面地体现整个设计过程，对方案进行全面分析论证，设计计算正确，并且编写规范。
项目分值
40
30
30
项目得分
成绩等级
指导教师签名
日期
注：
成绩分值与成绩等级的对应关系如下：
优秀：
90分以上（含90分）；良好：
80～90分（含80分）；
中等：
70～80分（含70分）；及格：
60～70分（含60分）；
不及格：
60分以下。
湖南文理学院机械工程学院机械设计教研室
《机械原理》课程设计任务书
学生姓名班级
一、设计题目
蜂窝煤成型机运动方案和主要机构设计。
二、工作原理及工艺动作过程
冲压式蜂窝煤成型机是我国城镇蜂窝煤（通常又称煤饼，在圆柱形饼状煤中冲出若干通孔）生产厂的主要生产设备，它将煤粉加入转盘上的模筒内，经冲头冲压成蜂窝煤。
为了实现蜂窝煤冲压成型，冲压式蜂窝煤成型机必须完成以下几个动作：
1）煤粉加料；
2）冲头将蜂窝煤压制成型；
3）清除冲头和出煤盘的积屑的扫屑运动；
4）将在模筒内的冲压后的蜂窝煤脱模；
5）将冲压成型的蜂窝煤输送装箱。
三、原始数据及设计要求
1）蜂窝煤成型机的生产能力：
次/min；
2）冲压成型时的生产阻力达到5000N；
3）为改善蜂窝煤成型机的质量，希望在冲压后有一短暂的保压时间；
4）由于冲头要产生较大压力，希望冲压机构具有增力功能，以增大有效力作用，减小原动机的功率。
四、设计方案提示
冲压式蜂窝煤成型机应考虑三个机构的选型和设计；冲压和脱模机构、扫屑机构和模筒转盘的间歇运动机构。
冲压和脱模机构可采用对心曲柄滑块机构、偏置曲柄滑块机构、六杆冲压机构；扫屑机构可采用附加滑块摇杆机构、固定移动凸轮－移动从动件机构；模筒转盘间歇运动机构可采用槽轮机构、不完全齿轮机构、凸轮式间歇运动机构。
为了减小机器的速度波动和选择较小功率的电机，可以附加飞轮。
五、设计任务
1）确定总功能，并进行功能分解。
2）按工艺动作要求拟定运动循环图；
3）进行冲压脱模机构、扫屑刷机构、模筒转盘间歇运动机构的选型；
4）机械运动方案的评定和选择；
5）进行飞轮设计；
6）按选定的电动机和执行机构运动参数拟定机械传动方案；
7）画出机械运动方案简图（A2图纸）；
8）对传动机构和执行机构进行运动尺寸计算。
9）提供设计总结说明书一份（不少于5000字）。
六、设计进度
设计任务
所需时间（天）
准备及熟悉题目
执行机构选型及评价
方案评价
传动系统设计
机械系统尺度计算
1
机械运动方案图绘制
机构运动与力分析
编写设计说明书
1
七、设计期限
1）设计开始日期：
2010年6月7日
2）设计完成日期：
2010年6月11日
绪论…………………………………………………………………（页码）
1.执行系统的方案设计……………………………………………………
工艺动作分解…………………………………………………………
工作循环图…………………………………………………………
执行机构的选择………………………………………………………
2.原动机的选择
3.传动系统的方案设计
传动系统的功能框图
形态学矩阵
传动系统方案示意图及评比
4.主要运动机构尺寸计算（列表）
传动机构的运动尺寸设计
主体机构的运动尺寸设计
扫煤机构的运动尺寸设计
工作盘转位机构的运动尺寸设计
5.机械运动简图
6.飞轮设计（列表计算）
7.主要机构的运动分析与力分析
8.设计自我评述
参考文献
附图（与说明书同装入一图纸袋中）附图为包含工作循环图的机械运动简图
机械原理课程设计的目的与任务
随着科学技术和工业生产的飞跃发展，国民经济各个部门迫切需要各种各样质量优、性能好效率高、能耗低、价格廉的机械产品。
其中，产品设计是决定产品性能、质量、水平、市场竞争能力和经济效益的重要环节。
产品的设计包括机械设备的功能分析、工作原理方案设计和机械运动方案设计等。
这些设计内容可作为机械原理课程设计的内容。
很明显，产品设计本身如果存在问题，常常属于根本性的问题，可能造成机械产品灾难性的失误。
因此，我们必须重视对学生进行机械原理设计能力的培养。
机械原理课程设计要求针对某种简单机械（它的工艺动作过程比较简单）进行运动方案设计，其中包括机器功能分析、工艺动作过程确定、执行机构选择、机械运动方案评定、机械尺度综合等等。
通过机械原理课程设计，可以进一步巩固、掌握并初步运用机械原理的知识和理论，使学生受到确定运动方案的初步训练，掌握运动方案和机构设计的思路和方法。
从而提高学生利用技术资料、运算和绘图的能力，增强学生运用计算机的能力，及早地树立工程设计的观点，激发创造精神，培养自学能力，独立工作能力和创造能力。
通过编写说明书，培养学生表达、归纳、总结和独立思考与分析的能力。
第一部分机械运动方案设计概述
1．机械的设计及其过程
机械的设计过程，一般情况下可以用图所示的框图表述。
首先拟定设计任务书即确定所设计机械的工艺目的和各种功能指标。
这是一项需要从技术、经济及国家有关产业政策等多方面研究论证的复杂任务。
根据设计任务书的要求可以开展以下的设计工作。
图机械的设计过程框图
工艺理论与方法的分析研究
工艺目的确定之后，应研究用什么样的方法去达到工艺目的。
例如设计一台破碎石料的机械，破碎石料是工艺目的。
石料可以被压碎、搓碎、击碎，在具体工艺指标下，用哪一种破碎方法最好这是值得研究的。
手工缝纫，穿针引线是用图（a）所示的结线方法把布料缝合起来的，但按照这种结线方法设计一台机械完成缝纫动作将是十分困难的。
缝纫机的发明正是因为首先研究出了新的结线方法如图（b）所示，而这种方法较易于用机械来实现。
图（a）图（b）
可见，实现一种工艺目的可有不同的方法，但从节省能量、提高工效和用机械方法是否易于实现角度分析，各种方法有很大差别，研究合理，可行的工艺方法，是机械设计过程中的重要问题。
工艺动作的确定
为了实现选定的工艺方法，机械所必需完成的动作就是工艺动作。
一台简单的机械可能只有一种工艺动作，例如简易冲床，只要冲头作往复直动即可，一台复杂的机械可能需要多种工艺动作，例如按图（b）所示结线方法设计的家用缝纫机，可能需要至少四种工艺动作：
①机针带着上线刺布作上下往复运动。
②为了使上线绕过底线，摆梭勾线往复摆动。
③挑线杆完成挑线动作。
④送布牙板完成步进式送布动作。
确定工艺动作时不但要注意到所要求的运动形式（如往复直动，平面复杂运动等）还应注意到所要求的运动规律，例如筛分机械中的筛筐，运动形式可能是往复直动，但如果运动规律（往复运动中速度和加速度的变化规律）不当，有可能出现物料与筛筐始终是一起运动的情况，这就达不到筛分的目的。
为了实现工艺方法，同时需要两个以上的工艺动作时，应安排好各个工艺动作之间的协调配合。
工艺动作确定之后，据被处理或加工的物料的机械物理性质，按工艺学的理论和方法可计算出工艺阻力，工艺阻力的大小和变化规律是进行受力分析和确定动力机容量的依据。
机械运动方案的设计
机械运动方案设计首先根据功能原理方案中提出的工艺动作过程及各个动作的运动规律要求，选择相应的机构形式，并按一定的顺序把他们组合成机械系统，这部分工作称为“型综合”，通常用机械运动示意图来表示。
然后进行机构“尺度综合”，按初步确定的机械运动方案，根据各执行构件运动规律要求进行各机构运动尺寸设计。
这一阶段工作的结果是机构运动简图。
1.4运动学分析
经过以上各阶段的工作，得到了以机构运动简图表示的机构，这个机构能否满足所提出的工艺动作要求这需要通过运动分析来验证。
机构的运动分析，就是令机构的主动件按给定的运动参数运动，求出从动件的运动参数和运动规律，根据运动分析的结果判定机构所能实现的运动与工艺动作的符合程度。
如果分析结果表明二者差别较大，即机构所能实现的运动变换不能满足工艺动作要求，则需要修改机构尺寸或者重新选择机构的类型。
运动分析还为以后的动力学分析打下基础。
在以计算机为手段的现代设计方法中，机构综合和分析工作常常是交织在一起的。
分析工作已成为设计工作中不可分割的一部分。
机构的各个零、部件结构尺寸的初步设计
在经过分析、验证了所选择的机构型式和尺寸参数能满足工艺动作要求的前提下，需要把机构简图转化为机械的结构草图。
也就是把在机构简图中用简单的线条所表示的构件，用简单的符号所表示的各个构件间的联接，转化为实现工作需要的结构形状，一般叫做零、部件的结构设计。
这里，要考虑的问题有材料的选择，零部件承载情况，加工、装配的可能性和方便性，以及保证他们正常工作所需要的调整、润滑措施等。
机械的受力分析
在机械的零、部件结构形状和尺寸初步确定了的前提下，就有可能估算出构件的动力学参数即质量、质心位置及转动惯量，利用运动分析结果就可以计算出在运转过程中构件的惯性力和惯性力偶。
然后可以进行包括载荷在内的受力分析。
经过受力分析不仅可以确定机械中各个零、部件在工作过程中所承受的载荷大小及其变化规律，为零、部件承载能力验算提供依据，还可以计算出为了驱动机械正常运转所需动力机的容量大小。
对于轻载、低速机械，受力分析时不一定计及惯性载荷，但在高速、重载机械设计中，惯性载荷可能占相当大的比重，是不容忽视的。
零、部件的承载能力验算
如果验算结果不满足工作要求，则应修改结构设计。
动力学分析与设计
对于大型、高速重载机械或精密机械，动力学研究十分重要的。
其内容包括：
机械在外力作用下的真实运动规律，怎样提高机械运转的平稳性如何避免和减轻机械运转过程中的震动等。
近年来，对于机构运转质量的要求不断提高，在一些高速、精密的机构设计中甚至要考虑到构件在运动过程中的弹性变形和振动。
动力学分析是在机械的结构设计基本完成和动力机已选定的前提下进行的。
根据动力学分析的结果可能会导致某些零、部件结构形状和尺寸的修改。
1.9完成机械的装配图和零件图
以上，就是对于图中各个环节的简要说明。
图中用双实线表示的框是主要依据机械原理的理论、方法解决问题的内容，有虚线的框其任务的完成也要借助于机械原理的知识，由此可以看出，机械原理的理论和方法在机械的设计过程中的地位和作用。
第二部分冲压式蜂窝煤成型机的运动方案设计浅析
一、冲压式蜂窝煤成型机的功能和设计要求
1、功能
冲压式蜂窝煤成型机是我国城镇蜂窝煤（通常又称煤饼，在圆柱形饼状煤中冲出若干通孔）生产厂的主要生产设备，它将煤粉加入转盘上的模筒内，经冲头冲压成蜂窝煤。
为了实现蜂窝煤冲压成型，冲压式蜂窝煤成型机必须完成以下几个动作：
1）煤粉加料；
2）冲头将蜂窝煤压制成型；
3）清除冲头和出煤盘的积屑的扫屑运动；
4）将在模筒内的冲压后的蜂窝煤脱模；
5）将冲压成型的蜂窝煤输送装箱。
2、原始数据及设计要求
1）蜂窝煤成型机的生产能力：
30次/min；
图1
2）如图1所示位冲头3、脱模盘5、扫屑刷4、模筒转盘1的相互位置情况。
实际上冲头与脱模盘都与上下移动的滑梁2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；
3）为改善蜂窝煤成型机的质量，希望在冲压后有一短暂的保压时间；
4）由于同时冲两只煤饼时的冲头压力较大，最大可达50000N，其压力变化近似认为在冲程的一半进入冲压，压力呈线性变化，由零值至最大值。
因此，希望冲压机构具有增力功能，以减小机器的速度波动和减小原动机的功率。
5）机械运动方案应力求简单。
二、工作原理和工艺动作分解
根据上述分析，冲压式蜂窝煤成型机要求完成的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）模筒转模间歇运动：
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。
因此，冲压式蜂窝煤成型机运动方案设计重点考虑冲压和脱模机构、扫屑机构和模筒转盘间歇转动机构这三个机构的选型和设计问题。
三、根据工艺动作顺序和协调要求拟定运动循环图
图2
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，纵坐标表示各执行构件的位移起止位置。
图2表示冲压式蜂窝煤成型机三个执行机构的运动循环图。
冲头和脱模盘都由工作行程和回程两部分组成。
模筒转盘的工作行程在冲头的回程后半段和工作行程的前半段完成，使间歇转动在冲压以前完成。
扫屑刷要求在冲头回程后半段至工作行程的前半段完成扫屑运动。
四、执行机构的选型
根据冲头和脱模盘、模筒转盘、扫屑刷这三个执行构件动作要求和结构特点，可以选择表1的常用机构，这一表格又称为执行机构的形态学矩阵。
表1三执行机构的形态学矩阵
冲头和脱模盘机构
对心曲柄滑块机构
偏置曲柄滑块机构
六杆冲压机构
扫屑刷机构
附加滑块摇杆机构
固定移动凸轮移动从动件机构
模筒转盘间歇运动机构
槽轮机构
不完全齿轮机构
凸轮式间歇运动机构
图3（a）表示附加滑块摇杆机构。
利用滑梁的上下移动使摇杆OB上的扫屑刷扫除冲头和脱模盘底上的粉煤屑。
图3（b）表示固定移动凸轮利用滑梁上下移动使带有扫屑刷的移动从动件顶出而扫除冲头和脱模盘底上的粉煤屑。
五、机械运动方案的选定和评价
图3
根据表1所示的三个执行机构形态学矩阵，可以求出冲压式蜂窝煤成型机的机械运动方案数为：
N=3×2×3＝18
现在，我们可以给定条件、各机构的相容性和尽量使机构简单等等要求来选择方案。
由此可选定两个结构比较简单的方案。
方案Ⅰ：
冲压机构为对心曲柄滑块机构、模筒转盘为槽轮机构、扫屑机构为固定凸轮移动从动件机构。
方案Ⅱ：
冲压机构为偏置曲柄滑块机构、模筒转盘为不完全齿轮机构、扫屑机构为附加滑块摇杆机构。
两个方案我们可以用模糊综合评价方法来进行评估优选，这里从略。
最后选择方案Ⅰ为冲压式蜂窝煤成型机的机械运动方案。
六、机械传动系统的传动比和变速机构
图4
根据选定的驱动电机转速和冲压式蜂窝煤成型机的生产能力。
它们的机械传动系统的总传动比为：
机械传动系统的第一级采用带传动，其传动比为，第二级采用齿轮传动，其传动比为5。
七、画出机械运动方案简图
按已选定的三个执行机构的型式及机械传动系统，画出冲压式蜂窝煤成型机的机械运动示意图。
其中三个执行机构部分也可以称为机械运动方案示意简图。
如图4所示，其中包括了机械传动系统、三个执行机构的组合。
如果再加上加料机构和输送机构，那就可以完整地表示整台机器的机械运动方案图。
有了机械运动方案图，就可以进行机构的运动尺寸设计计算和机器的总体设计。
八、对机械传动系统和执行机构进行尺寸计算
为了实现具体的移动要求，必须对带传动、齿轮传动、曲柄滑块机构（冲压机构）、槽轮机构（模筒转盘间歇运动机构）和扫屑凸轮机构进行运动学计算，必要时还要进行动力学计算。
1、带传动计算（略，机械设计中有专门讲解）。
2、齿轮传动计算
取Z1=22，Z2＝i×22＝5×22＝110。
按钢制齿轮计算，取模数m=5mm.。
则
d1＝Z1m＝110mm.
d2＝Z2m＝550mm.
其余尺寸，按齿轮机构相关计算表格求出。
3、曲柄滑块机构计算
已知冲压式蜂窝煤成型机的滑梁行程s=300mm，曲柄与连杆长度比，即连杆系数为λ＝，则曲柄半径为：
连杆长度为：
因此，不难求出曲柄滑块机构中滑梁（滑块）的速度和加速度变化。
4、槽轮机构计算
1）槽数
按工位要求选定为6。
2）中心距
按结构情况确定
。
3）圆销半径
按结构情况确定
。
4）槽轮每次转位时主动件的转角
5）槽间角
6）主动件圆销中心半径
7）
与
的比值
8）槽轮外圆半径
9）槽轮槽深
取
。
10）运动系数
（
）
5、扫屑凸轮机构计算
固定凸轮采用斜面形状，其上下方向的长度应大于滑梁的行程s，其左右方向的高度应能使扫屑刷满足扫除粉煤的活动范围。
具体按结构情况来设计。
九、冲压式蜂窝煤成型机的飞轮设计
由于希望冲压机构具有增力功能，以减小机器的速度波动和减小原动机的功率，因此必须进行飞轮设计，以便达到功能要求。
具体设计过程略。
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