蜂窝煤成型机Word文档格式.docx
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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。
机械原理课程设计是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个构件的尺寸等进行构思、分析和计算，是机械产品设计的第一步，是决定机械产品性能的最主要环节，整个过程蕴涵着创新和发明，可以提高我们的创新意识和能力。
为了综合运用机械原理课程的理论知识，分析和解决与本课程有关的实际问题，使所学知识进一步巩固和加深，我们参加了此次的机械原理课程设计。
1.2设计题目：
说明：
蜂窝煤成型机是我国城镇蜂窝煤生产厂的主要生产设备，它将煤粉加入工作盘上的模筒内，经冲头冲压成蜂窝煤。
（右图：
蜂窝煤成型机设计原理示意图）
1.2.1蜂窝煤成型机工作原理
滑梁作往复直线运动，带动冲头和卸煤杆完成压实成型和蜂窝煤脱模动作。
工作盘上有五个模孔，Ⅰ为上料工位，Ⅲ为冲压工位，Ⅳ为卸料工位，工作盘间歇转动，以完成上料、冲压、脱模的转换。
扫屑刷在冲头和卸煤杆退出工作盘后，在冲头和卸煤杆下扫过，以清除其上的积屑。
此外，还有型煤运出的输送带部分。
1.2.2原始数据
上料及输送机构较为简单，本题目主要考虑三个机构的设计：
1冲压和脱模机构②工作盘的间歇转动机构③扫屑机构
已知条件
方案
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
工作机输入功率（KW）
2.9
2.8
2.7
生产率
（块/min）
12
15
16
18
20
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%
1.2.3设计任务
1．执行部分机构设计
（1）分析冲头、工作盘和扫屑机构的方案
（2）拟定执行机构方案，画出总体机构方案示意图
（3）画出执行机构运动循环图
（4）执行机构尺寸设计，画出总体机构方案图，并标明主要尺寸
（5）画出执行机构运动简图
（6）对执行机构进行运动分析
2．传动装置设计
（1）选择电动机
（2）计算总传动比，并分配传动比
（3）计算各轴的运动和动力参数
3．编写课程设计说明书
二、执行部分机构运动方案设计
2.1功能分解与工艺动作分解
2．1．1功能分解
如图一所示为冲头、卸煤杆、扫屑刷、工作盘的相互位置情况。
实际上冲头与卸煤杆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，
卸煤杆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卸煤杆上粘附的煤粉。
工作盘盘上均布了模筒，转盘的间歇运动使加料后的模筒进入加压位置Ⅲ、成型后的模筒进入脱模位置Ⅳ、空的模筒进入加料位置Ⅰ；
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；
冲煤饼时冲头压力较大，最大可达20000N，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。
另外机械运动方案应力求简单。
2．1．2工艺动作过程分解
根据上述分析，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：
要求卸料盘上下往复移动，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、卸料盘向上移动过程中用扫屑刷将煤粉扫除；
5）工作盘间歇运动：
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，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。
2.2方案选择与分析
2.2.1.概念设计
根据以上功能分析，应用概念设计的方法，经过机构系统搜索，可得“形态学矩阵”的组合分类表，如表1所示。
表1组合分类表
冲压和脱模盘机构
对心曲柄滑块机构
带轮曲柄滑块机构
六杆冲压组合机构
偏心轮式肘节机构
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
齿轮机构
凸轮机构
模筒转盘间歇运动机构
槽轮机构
棘轮机构
不完全齿轮机构
凸轮式间歇运动机构
因冲压成型与脱模可用同一机构完成，故可满足冲床总功能的机械系统运动方案有N个，即N＝3×
4×
4个＝48个。
运用确定机械系统运动方案的原则与方法，来进行方案分析与讨论。
2.2.2.方案选择
1）冲压机构的方案选择
冲压机构的主要运动要求：
主动件作回转运动，从动件（执行构件，上模）作直线往复运动，行程中有等速运动段（称工作段），并具有急回特性，机构有较好的动力特性。
根据功能要求，考虑功能参数（如生产率、生产阻力、行程和行程速比系数等）及约束条件，可以构思出如下能满足从动件（执行构件，上模）作直线往复运动的一系列运动方案。
F=3n-2PL-PH=3×
4-2×
5-1=1F=3n-2PL-PH=3×
5-1=1
冲压机构运动方案1和2
F=3n-2PL-PH=3×
5-1=1F=3n-2PL-PH-虚约束=3×
5-2×
6-1-1=1
冲压机构运动方案3和4
6-2×
8-1=1F=3n-2PL-PH=3×
8-1=1
冲压机构运动方案5和6
8-1=1F=3n-2PL-PH-虚约束=3×
冲压机构运动方案7和8
5-1=1
冲压机构运动方案9和10
图3
冲压机构部分运动方案定性分析
方
案
号
主要性能特征
功能
功能质量
经济适用性
运动变换
增力
加压时间①
一级传动角②
二级传动角
工作平稳性
磨损与变形
效率
复杂性
加工装配难度
成本
运动尺寸
１
满足
无
较短
较小
---
一般
高
简单
易
低
最小
２
长
小
有冲击
剧烈
较高
较难
满足
较强
较长
较大
---
一般
较低
简单
易
低
较小
高
５
强
较长
较大
较简单
最大
６
较强
７
大
很大
８
强
较简单
弱
长
剧烈
较高
复杂
较难
注：
①加压时间是指在相同施压距离内，下压模移动所用的时间，越长则越有利。
②一级传动角指四杆机构的传动角；
二级传动角指六杆机构中后一级四杆机构的传动角。
③评价项目应因机构功能不同而有所不同。
对以上方案初步分析如上表。
从表中的分析结果不难看出，方案1、2、3、10的性能明显较差；
方案4尚可行，方案5、7、8有较好综合性能，且各有特点，这四个方案可作为被选方案，待运动设计，运动分析和动力分析后，通过定量评价选出最优方案。
2）扫屑机构的方案选择
图4送料机构运动方案
表3扫屑机构部分运动方案定性分析
方案号
功能
经济适用性
运动变换
间歇送进
工作平稳性
磨损与变形
效率
复杂性
加工装配难度
成本
运动尺寸
有
平稳
最简单
无
有冲击
最难
大
对以上方案初步分析如表3。
从表中的分析结果不难看出，方案1，2的性能较差；
方案3较好，而方案4可为最优方案。
3.执行机构运动方案的形成
机器中各工作机构都可按前述方法构思出来，并进行评价，从中选出最佳的方案。
将这些机构有机地组合起来，形成一个运动和动作协调配合的机构系统。
为使各执行构件的运动、动作在时间上相互协调配合，各机构的原动件通常由同一构件（分配轴）统一控制。
3）间歇运动机构
组成：
棘轮机构主要由棘轮、主动棘爪、止回棘爪和机架组成。
工作原理：
当主动摆杆逆时针摆动时，摆杆上铰接的主动棘爪插入棘轮的齿内，推动棘轮同向转动一定角度。
当主动摆杆顺时针摆动时，止回棘爪阻止棘轮反向转动，此时主动棘爪在棘轮的齿背上滑回原位，棘轮静止不动。
此机构将主动件的往复摆动转换为从动棘轮的单向间歇转动。
利用弹簧使棘爪紧压齿面，保证止回棘爪工作可靠。
槽轮机构由具有圆柱销的主动销轮、具有直槽的从动槽轮及机架组成。
从动槽轮实际上是由多个径向导槽所组成的构件，各个导槽依次间歇地工作。
由主动销轮利用圆柱销带动从动槽轮转动，完成间歇转动。
主动销轮顺时针作等速连续转动，当圆销未进入径向槽时，槽轮因内凹的锁止弧被销轮外凸的锁止弧锁住而静止；
圆销进入径向槽时，两弧脱开，槽轮在圆销的驱动下转动；
当圆销再次脱离径向槽时，槽轮另一圆弧又被锁住，从而实现了槽轮的单向间歇运动。
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。
当主动构件连续转动时，齿轮部分啮合得到间歇运动。
空间槽轮机构结构比较简单，设计和制造难度较小。
在蜗杆凸轮间歇运动机构中主动凸轮上有一条突脊犹如蜗杆，从动转盘的圆柱面上均匀分布有圆柱销就像蜗轮的齿。
当蜗杆凸轮转动时，将通过转盘上的圆柱销推动从动转盘作间歇运动。
间歇转动
小
难
我认为方案1、4最不理想，不适合本设计；
方案2、3简单实用建议使用。
2.4机械系统方案设计运动简图
①冲压头冲针
（设计图1）
利用冲针5和冲头4往复运动，将位于工作盘孔2中的混合料压实成型。
冲针5刚性固结于冲头，用以穿孔。
压板8以弹簧以弹簧7与滑块1相连，通过弹簧压缩时所产生的弹簧力将型煤压实。
为了提高生产率，将机器作成多工位的。
把上料、成型、卸煤等工序集中在一台机器上完成。
机器执行构件的运动图如设计图1。
滑块1上装有冲孔压实压头4和卸煤推杆5，
作往复运动；
工作盘上有五个模孔，Ⅰ为上料工位，Ⅲ为成型工位，；
Ⅳ为卸料工位，做间歇回转运动；
上料器3作连续运动；
将型煤运出的传送带做匀速直线运动；
冲头每次退出工作盘，扫煤杆在冲头下面扫过，作清除煤屑的运动。
n1=72r/min。
压缩比为2:
1，工作盘高H=2h=150mm。
为使工作盘转位速度不致过高，压头在工作盘和工作盘外的位移相等，即冲头的行程为H=2h=300mm。
工作盘转位时，压头必须在工作盘外，其运动参数n2=n1=72r/min。
其运动系数:
τ=160/360=0.444.
传送带速度保证前一块煤运走后，后一块煤才能卸落在传送带上。
设煤块间距为0.2m，传送带速度：
va=（n1×
0.2）/60=（72×
0.2）/60=0.24m/s
②滑块机构
由于滑块没有行程比系数要求，为使机构受力较好，采用对心的曲柄滑块机构作为主体机构，则曲柄长度：
r=H1/2=150mm
为了使机构力学性能较好，滑块运动速度波动较小，又考虑到机器的整体高度，一般取：
R=r/l=1/4~1/6，则两杆长度：
l=（4~6）r=（4~6）×
150=600~900（mm）
考虑到机器整体高度，取L=800mm，如右图，此时传动角最小，
Rmin=0.（另附手绘分析图）
主体曲柄滑块机构运动线图的设计和分析
方程：
l1+l2=x0
复数形式：
l1eiØ
1+l2eiØ
2=x0
1 l1cosØ
1+l2cosØ
2 l1sinØ
1+l2sinØ
2=0
可得：
X0=l1cosØ
对时间求导:
V0=-l1ω1sin（Ø
1-Ø
2）/cosØ
再对时间求导：
a0=-l1ω12cos（Ø
2）+l2ω22/cosØ
2
位移位移
加速度
③扫煤机构
为了清扫压头和推杆下面的煤屑，设计此扫煤机构，使压头离开工作台时，扫煤在压头下面往复扫过，又不能与其他构件相互碰撞。
扫煤杆的长度要保证能在压头下面扫过，由总体高度来考虑，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煤粉的活动范围。
则：
Hmax-Hmin≥Φ煤=75mm
凸轮转速与主体滑块机构的运动周期相互配合，由主体机构的转动比i=20，原动机的转速1440r/min，得：
n齿轮=n电/i=1440/20=72r/min（另附手绘分析图）
凸轮位移凸轮速度
凸轮加速度
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。
[注]：
根据设计要求，已知工作机（执行机构原动件）主轴：
转速：
nW=18（r/min）工作机输出功率：
P=2.8（Kw）
2.2.3.方案组合优化选择
故经过整合，可以得到
较为理想的执行机构方案，再经过优化分析选择，即可以得到最为理想的执行机构的方案如下：
方案一立体效果图
[方案分析]：
如方案一立体效果图所示，冲压机构采用的是曲柄滑块机构，视为最简单的冲压机构。
只不过采用此种机构增力较弱，使得机构对杆的要求提高。
适当选择连接件在齿轮上的位置就可以调节下压的尺寸。
间歇机构采用的是不完全齿轮机构,它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。
两轮轮缘上各有锁止弧（见具体不完全齿轮图），在从动轮停歇期间，用来防止从动轮游动，并起定位作用。
但不完全齿轮机构的结构参数设计复杂，并且加工困难，成本很高。
扫屑机构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。
方案二立体效果图
如方案二立体效果图所示，冲压机构采用的是曲柄滑块机构，视为最简单的冲压机构。
扫屑机构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，但是该结构没有间歇运动，对机架的要求较高，工作平稳性较差。
间歇机构采用的是槽轮机构槽轮机构由具有圆柱销的主动销轮、具有直槽的从动槽轮及机架组成。
按机构运动循环图可确定槽轮的槽数等其他结构参数。
方案三立体效果图
如方案三立体效果图所示，冲压机构采用的是曲柄滑块机构，视为最简单的冲压机构。
间歇机构采用的还是不完全齿轮机构,它是由普通齿轮机构转化而成的一种间歇运动机构。
扫屑机构为附加滑块摇杆机构，满足运动变化条件，且工作平稳，效率较高，相比较而言成本较低，运动尺寸较大。
方案四立体效果图
如方案四立体效果图所示，间歇机构采用的还是槽轮机构，槽轮机构能准确控制转角、工作可靠、机械效率高，工作平稳性较好.
冲压机构采用的是曲柄滑块机构，视为最简单的冲压机构。
适当选择连接件在齿轮上的位置就可以调节下压的尺寸，且对机架的设计和要求更简单化。
扫屑机构为附加滑块摇杆机构，满足运动变化条件，且工作平稳，效率较高，相比较而言成本较低，运动尺寸较大。
方案五立体效果图
如方案五立体效果图所示，我们可以看出冲压机构是这几个方案中最复杂也是增力最大的一个。
它是一个由凸轮—连杆机构组合而成的偏心轮式肘节机构依据滑块的运动要求，可确定固定凸轮的轮廓曲线。
但是不足的地方如方案三分析。
方案六立体效果图
如方案六立体效果图所示，我们可以看出冲压机构还是一个由凸轮—连杆机构组合而成的偏心轮式肘节机构，但结构较复杂，实现时的困难如方案三所述。
扫屑机构固定凸轮移动从动件机构；
间歇机构采用的是不完全齿轮机构。
综上所述，根据
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