长距离匀速往复运动机构设计.docx
《长距离匀速往复运动机构设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《长距离匀速往复运动机构设计.docx（31页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
长距离匀速往复运动机构设计
宁XX大学
毕业设计（论文）
长距离匀速往复运动机构设计
所在学院
专业
班级
姓名
学号
指导老师
年月日
摘要
本文介绍一种新型的长距离输送装置。
与以前常见的输送方式相比较，往复距离很长（比如1M，2M）那么曲柄机构就不能实现。
在两轴之间安装皮带或链条作为传动机构，那么往复距离就可以设计的相当的大。
在皮带或链条上安装一传动销，与工作台上的滑动长孔相配合，那么就可以带动工作台长距离往复运动。
此系统的特点是不但往复距离可以相当的长，并且往复两端的加速和减速是相当平稳的，至于驱动电机则可以使用无级变速电机。
本文对这种机构进行了详细的设计与计算，经过分析该机构是可行和合理的，对以后选择长距离输送机构有了新的一种选择方案。
关键词：
长距离，输送装置，往复运动，机构设计
Abstract
Thispaperintroducesanewtypelongdistanceconveyingdevice.Withthepreviouslycommonconveyingmeansphotographiscompared,reciprocatinglongdistance（suchas1M,2M）thenthecrankmechanismcannotbeachieved.Inbetweenthetwoshaftsmountedbeltorchainasthetransmissionmechanism,sothereciprocatingdistancecandesignisquitelarge.Inabeltorchainismountedonadrivepin,andtheworkingtablewithslidinglongKongXiang,thenitcandrivethereciprocatingmovementoflongdistance.Thecharacteristicofthissystemisnotonlythereciprocatingdistancecanbequitelong,andbackendsoftheaccelerationanddecelerationisquitesmooth,canbeusedasdrivingmotorsteplessspeedvariablemotor.
Theorganizationhascarriedonthedetaileddesignandcalculation,throughtheanalysisofthemechanismisfeasibleandreasonabletoselect,afterlongdistanceconveyingmechanismisanewkindofoptions.
KeyWords:
Longdistance,conveyingdevice,thereciprocatingmotion,mechanismdesign
第1章绪论
1.1课题研究的背景及意义
长距离带式输送机的驱动系统作为整机的枢纽,这就使得长距离带式输送机的胶带张力控制和带动力都是极为重要的。
因此,在提高输送机所用胶带性能的同时,长距离带式输送机的驱动系统必须能够满足各种综合动力的技术要求,以适应输送各种物料的需要。
1、驱动系统的技术要求
长距离带式输送机的驱动系统必须从加（减）速度、过载、负荷分配、输送带张力控制等方面有效地对输送机进行全程控制。
（1）加（减）速度控制
在小于最大设计载荷的任何载荷情况下,驱动系统都必须前后均匀地给输送带加（减）速,且加速段要长,以防止物料滑落、胶带在滚筒上打滑和过度张紧运动。
（2）过载控制
驱动系统应能防止输入功率和扭矩越过安全设施进入输送机,以免产生故障。
同时,还应具备随时排除输送机阻卡现象的功能。
（3）负荷分配
多机驱动情况下,载荷应根据设计规范合理地分配给各驱动装置,避免因导致个别或多个驱动装置过载而影响输送机各部件运行质量,造成不必要的运行故障。
（4）输送带张力控制
输送带的正确张力是保证输送机安全、可靠运行的首要条件之一。
但带式输送机起止瞬间形成的带张力会给输送机的运行和控制带来很大的不利影响,严重的破坏性张力波可能会使长距离带式输送机迅速减速乃至停机。
因此,驱动装置必须按要求控制住进入输送机的输送功率,使输送带随时保持良好的张力。
2、输送机驱动性能
驱动系统是输送机的关键设备,它的各部件都应具备最佳的可靠性,都必须严格按照标准和规范精心设计和制造。
在使用期间,要配备良好的监控设备,随时了解掌握输送机运行情况,避免突然事故和阻卡现象给输送机造成的损失,减少维修和停机次数,提高长距离带式输送机的使用效率。
3、最小电应力
对长距离带式输送机来说,如果所有电机同时启动,电源系统中的电压负荷急剧增大,导致电压下降,使电机启动时间延长乃至困难,对电机产生应力,因此,当在最小电压时,驱动系统也必须能使主要电机及时启动。
同时,电机每次启动时产生的极大电流会使电机温度增高,而电机启动所需时间越长,电流持续时间越长,温度也越高,电机的热化损坏也越快,从而使绝缘体的耐热性能下降,并最终在绝缘体内进行化学物质的变化,使绝缘体完全失去功能,最后毁坏电机。
因此,要尽量以最小电应力进入电机,且启动次数尽可能减少,启动时间尽可能缩短,使电机有良好的使用环境。
4、最小机械应力
由于驱动系统的载荷分配不均,特别是急速启动情况下,包括不可控制的启动情况,以及不能逆止输送机的情况,直接影响输送机的主要驱动装置及其他部件上的应力。
针对产生的原因,必须对长运距带式输送机的驱动系统进行恰当的设计,在恰当分配各驱动装置载荷的情况下,设立适长的启动斜面并采用S型启动斜面以减少输送带应力。
同时,实行软启动以对输入功率和扭矩进行最大程度的限制,提高输送机的安全性,而减少对输送带的要求因素,这样就有效地降低输送机的成本。
5、胶带强度要求
胶带要正常运行必须是封闭环路,将一个以上的胶带端部连接起来才能形成无极胶带同路,而接头强度只能达到该胶带强度的70%～90%。
因此,胶带的最薄弱处就是它的接头,所以如何确定接头的最佳连接方法就成为提高胶带实际强度的关建。
对胶带的安全性,现主要基于四项不同的设计规范,即运行张力、起动张力、胶带延伸性和寿命的递减、接头动态效能的损失。
对运行张力虽通常按最高张力条件确定,但由于造成接头疲劳的额定运行张力约占最高设计张力的80%,故很难达到;对起动张力是一种不常出现的周期性条件,可根据停机和启动的频率来确定是否应视为持续起作用的疲劳因素;对胶带延伸应力和性能退化应该视为一种持续负荷加到运行数值中,由于利用新技术,胶带接头间的动态强度达到了一个新水平,现在钢绳的耐用性倒成了限制接头高效能的因素,橡胶性能的改进使无沦何种强度的胶带均能获得效果良好的高效能接头。
基于上述问题，急需探索一种新的结构形式来代替当前的长距离匀速往复运动。
1.2本课题的研究内容
自动化控制技术被引入工业领域已经有一百多年的历史了，随着工业的迅猛发展自动化控制技术更加日新月异。
伴随着数学、控制理论计算机、电子器件的发展，出现了自动化控制技术系统，并作为一门应用科学已发展成熟，形成了自己的体系和一套行之有效的分析和设计方法。
随着我国国民经济的飞速发展，机械在品种`规模`设计与制造技术等方面也得到了迅速的发展和提高。
目前全国各地均建有机械制造厂，并逐步走向专业化生产，以能独立自主地进行从单机到成套设备乃至自动生产线的设计与制造。
皮带式输送机具有输送量大、结构简单、维修方便、部件标准化等优点，广泛应用于矿山、冶金、煤炭等行业，用来输送松散物料或成件物品，可由于长距离带式输送机总会产生各种问题。
谈到往复运动机构，人们首先想到的是曲柄机构，但是如果往复距离很长，比如1M，2M，那么曲柄机构就不能实现啦。
在两轴之间安装皮带或链条作为传动机构，那么往复距离就可以设计的相当的大。
在皮带或链条上安装一传动销，与工作台上的滑动长孔相配合，那么就可以带动工作台长距离往复运动。
此系统的特点是不但往复距离可以相当的长，并且往复两端的加速和减速是相当平稳的，至于驱动电机则可以使用无级变速电机。
第2章长距离匀速往复运动机构总体方案
2.1设计方案分析与比较
输送机的设计方案比较，主要是输送机中动力部分的设计比较。
方案一：
传动滚筒采用驱动装置，驱动装置主要是由安装在驱动装置架上的电动机、高速轴连器、减速器、低速轴连器组成，如下图：
从上图中我们可以看出这种结构比较复杂，结构也不够紧凑，而且在巷道中占有空间比较大。
方案二：
传动滚筒采用电动滚筒，电动滚筒是把电动机减速器装入滚筒内的传动滚筒，本身结构紧凑，外形尺寸小，易于安装布置。
如图：
方案三：
通过电机带动减速器，通过联轴器连接带轮，带轮带动带传动，皮带上安装有销钉带动上面的工作台移动。
经过比较，本课题采用第三种方案。
2.2设计方案确定
2.2.1往复运动工作机构传动方式的确定
对于仅有一两个简单往复动作的普通机械，可采用三相鼠笼式异步电动机拖动，经齿轮减速后用螺旋传动机构来传动。
如果机械设备具有多个往复运动工作机构，而且往复动作的调速性能和自动化程度有一定要求时，应采用电磁换向阀控制的液压传动或气压传动系统。
若往复运动的调速性能要求比较高，应采用电液比例控制系统来传动。
对于往复运动位移控制和速度控制要求比较高时，应采用步进电机、直流伺服电机或交流伺服电机家滚珠丝杠副来驱动和控制。
选择三相鼠笼式异步电动机拖动，Y系列电动机是笼型转子电动机，符合IEC标准和DIN42673标准。
本系列采用B级绝缘，外壳防护等级为封闭式（IP44）或防护式（IP23）。
Y系列电动机额定电压380V，额定频率50HZ，主要参数如表2.1，实物图如图2.2。
表2.1选定电机的型号参数
型号
额定
功率
KW
满载时
堵转
电流
堵转
转矩
最大转矩
转动惯量
Kg.m2
躁
声
净
重
kg
转速
r/min
电流A
效率﹪
功率因数
cos
额定
电流
额定
转矩
额定
转矩
同步转速1500r/min
90S-4
1.1
1440
6.39
82
0.87
7.0
2.2
2.2
0.0029
79
33
图2.2电机
2.2.2传动方式的选择
调速性质是指电动机的转矩、功率与其转速的关系。
负载特性是指机械设备的负载属于恒功率负载（即功率不随转速变化而变化）还是恒转矩负载，（即转矩不随转速变化而变化）。
设计任何一个电力拖动系统，必须使调速性质与负载特性相适应。
也就是说，恒功率负载必须采用恒功率调速性质的传动方式，而转矩负载则必须采用恒转矩调速性质的传动方式。
2.2.3电动机起动方式的确定
对于起动性能要求不高的机械设备，电动机的起动可根据其容量决定，当电动机总容量不超过供电变压器容量的20%时，一般采用直接起动。
当容量大于该值时，可采用星—三角形降压起动或在定子中串电阻降压起动、也可采用自耦变压器降压起动。
如果机械设备要求电动机软起动，应采用软起动器起动或变频器控制的加速起动。
第3章主要传动机构的设计计算
根据实际，工作台移动距离在1m到1.5m.
3.1电机的选型
参考市场上同类产品，考虑到本机器体积小，功率消耗不大。
只是旋转运动。
初步选择电动机为普通三相异步电动机Y90S-4型。
用于一般场合和无特殊要求
90S-4型三相异步电机
功率：
1.1KW
电压：
380V
电流：
2.7A
绝缘：
B
噪音：
67dB（A）
转速1440r/min
广泛适用于不含易燃、易爆或腐蚀性气体的一般场合和无特殊要求的机械设备上，如金属切削机床、泵、风机、运输机械、搅拌机、农业机械和食品机械等。
Y90S-4型三相异步电动机广泛适用于不含易燃、易爆或腐蚀性气体的一般场合和无特殊要求的机械设备上，如金属切削机床、泵、风机、运输机械、搅拌机、农业机械和食品机械等。
Y90S-4型三相异步电动机是全封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动机，电动机基本系列，符合IEC标准的有关规定。
Y90S-4型三相异步电动机具有高效、节能、起动转矩大、噪声低、震动小、可靠性高、使用维护方便等特点。
3.2蜗轮蜗杆减速器的选型
根据结构布置形式，需要选择输入轴与输出轴垂直的减速器，常见的有蜗轮蜗杆减速器和圆锥齿轮减速器，由于前节选择的电动机的转速1440r/min，转速比较高，而本设计的包边机要求的转速非常的低。
比较二种减速器可知，圆锥齿轮减速器的传动比一般小于或等于5（来自《机械设计课程设计手册》吴宗泽编写），而蜗轮蜗杆减速器的传动比在15-60之间。
显然在这选择蜗轮蜗杆减速器。
由于该课题对工作机的转速要求并没有特别严格的要求，我们取一般情况。
从市场类型选择一种减速器。
对于蜗轮蜗杆减速机的选型首先要考虑减速机本身的作用，其次是相对应使用设备上的尺寸大小，然后是蜗轮蜗杆减速机的速比，安装方式，装配形式。
最后还要注意相对应的电机功率，以及电机的使用环境。
1.蜗轮蜗杆减速机的简要介绍
蜗轮蜗杆减速机是减速机行业一个涵盖很广泛的术语名词；在减速机行业的发展中可以说，蜗轮蜗杆系列减速机的发展历程中是一主要的推动力。
蜗轮蜗杆减速机是一种为稳定、改变传动速度的传动设备，利用齿轮的不同速比，从而实现稳定传输、改变速度，调节电机和机床等设备的速度适合。
在目前的传动设备中，减速机的使用很广泛。
人们也许并不了解减速机，但是减速机早已经被使用在人们生活中的方方面面，交通工具上的汽车、轮渡、飞机；机械生产上的传动设备更少不了减速机的身影，人们日常生活中的家电、钟表、洗衣机等，这些机械设备的使用都少不了减速机的帮助。
2.蜗轮蜗杆减速机的作用：
（1）、减速机减速的同时提高输出扭矩，扭矩输出比例按电机输出乘减速比。
（2）、减速同时降低了负载的惯量，惯量的减少为减速比的平方。
蜗轮蜗杆减速机主要型号有WP系列蜗轮蜗杆减速机、WH系列蜗轮蜗杆减速机、CW系列蜗轮蜗杆减速机、RV系列蜗轮蜗杆减速机同时还包括C系列包络蜗轮蜗杆减速机、TP系列平面包络环面蜗杆减速机、ZC1型双级蜗杆及齿轮-蜗杆减速机等小系列减速机。
根据情况在这选择CWS63型号的减速器
3.3带传动计算
1）确定设计功率
公式：
（1）确定设计V带的功率
根据V带传动工作条件，查表7-7，可得工作情况系数
（2）选取V带型号
根据
查图7-10可知，选用A型V带。
（3）确定带轮基准直径
、
由表7-8，根据
≥
，故选
=150mm
带轮Ⅱ的基准直径为：
根据表7-8，选
（4）验算带速
在5-25
范围内，故带速合适。
（5）确定V带基准长度和传动中心距，初选中心距
根据式（7—12）计算所需基准长度。
由表7-2，选取带的基准长度为
按式（7—13）计算实际中心距
（6）验算主动轮上的包角
由式（7—14）得：
故主动轮包角合适
（7）计算V带的根数
由式（7—15）得：
由
，
=150mm，查表7-3，并根据内插法求得
查表7-4，
，查表7-5，
，查表7-6，
。
故：
故取z=1根。
（8）设计V带合适的初拉力
由
查表7-1得
（9）计算作用在带轴上的压力
由式（7—16）得：
第4章主轴组件要求与设计计算
主轴组件是机床的执行件，它的功用是支承并带动工件或刀具旋转，完成表面成形运动，同时还起传递运动和扭矩、承受切削力和驱动力等载荷的作用。
由于主轴组件的工作性能直接影响到机床的加工质量和生产率，因此它是机床中的一个关键组件。
主轴和一般传动轴的相同点是，两者都传递运动、扭矩并承受传动力，都要保证传动件和支承的正常工件条件，但主轴直接承受切削力，还要带动工件或刀具，实现表面成形运动，因此对主轴有较高的要求。
4.1主轴的基本要求
4.1.1旋转精度
主轴的旋转精度是指主轴在手动或低速、空载时，主轴前端定位面的径向跳动△r、端面跳动△a和轴向窜动值△o。
如图2-1所示：
图中实线表示理想的旋转轴线，虚线表示实际的旋转轴线。
当主轴以工作转速旋转时，主轴回转轴线在空间的漂移量即为运动精度。
主轴组件的旋转精度取决于部件中各主要件（如主轴、轴承及支承座孔等）的制造精度和装配、调整精度；运动精度还取决于主轴的转速、轴承的性能和润滑以及主轴部件的动态特性。
各类通用机床主轴部件的旋转精度已在机床精度标准中作了规定，专用机床主轴部件的旋转精度则根据工件精度要求确定。
图4-1主轴的旋转误差
4.1.2刚度
主轴组件的刚度K是指其在承受外载荷时抵抗变形的能力，如图4-2所示，即K=F/y（单位为N/
m），刚度的倒数y/F称为柔度。
主轴组件的刚度，是主轴、轴承和支承座的刚度的综合反映，它直接影响主轴组件的旋转精度。
显然，主轴组件的刚度越高，主轴受力后的变形就越小，如若刚度不足，在加工精度方面，主轴前端弹性变形直接影响着工件的精度；在传动质量方面，主轴的弯曲变形将恶化传动齿轮的啮合状况，并使轴承产生侧边压力，从而使这些零件的磨损加剧，寿命缩短；在工件平稳性方面，将使主轴在变化的切削力和传动力等作用下，产生过大的受迫振动，并容易引起切削自激振动，降低了工件的平稳性。
图4-2主轴组件静刚度
主轴组件的刚度是综合刚度，影响主轴组件刚度的因素很多，主要有：
主轴的结构尺寸、轴承的类型及其配置型式、轴承的间隙大小、传动件的布置方式、主轴组件的制造与装配质量等。
4.1.3抗振性
主轴组件的抗振性是指其抵抗受迫振动和自激振动而保持平稳运转的能力。
在切削过程中，主轴组件不仅受静载荷的作用，同时也受冲击载荷和交变载荷的作用，使主轴产生振动。
如果主轴组件的抗振性差，工作时容易产生振动，从而影响工件的表面质量，降低刀具的耐用度和主轴轴承的寿命，还会产生噪声影响工作环境。
随着机床向高精度、高效率方向发展，对抗振性要求越来越高。
评价主轴组件的抗振性，主要考虑其抵抗受迫振动和自激振动能力的大小。
4.1.4温升和热变形
主轴组件工作时因各种相对运动处的摩擦和搅油等而发热，产生了温升，温升使主轴组件的形状和位置发生畸变，称为热变形。
热变形应以主轴组件运转一定时间后各部分位置的变化来度量。
主轴组件温升和热变形，使机床各部件间相对位置精度遭到破坏，影响工件加工精度，高精度机床尤为严重；热变形造成主轴弯曲，使传动齿轮和轴承的工作状态变坏；热变形还使主轴和轴承，轴承与支承座之间已调整好的间隙和配合发生变化，影响轴承正常工作，间隙过小将加速齿轮和轴承等零件的磨损，严重时甚至会发生轴承抱轴现象。
影响主轴组件温升、热变形的主要因素有：
轴承的类型和布置方式，轴承间隙及预紧力的大小，润滑方式和散热条件等。
4.1.5耐磨性
主轴组件的耐磨性是指长期保持其原始精度的能力，即精度的保持性。
因此，主轴组件各个滑动表面，包括主轴端部定位面、锥孔，与滑动轴承配合的轴颈表面，移动式主轴套筒外圆表面等，都必须具有很高的硬度，以保证其耐磨性。
为了提高主轴组件的耐磨性，应该正确地选用主轴和滑动轴承的材料及热处理方法、润滑方式，合理调整轴承间隙，良好的润滑和可靠的密封。
4.2主轴组件的布局
主轴组件的设计，必须保证满足上述的基本要求，从而从全局出发，考虑主轴组件的布局。
机床主轴有前、后两个支承和前、中、后三个支承两种，以前者较多见。
两支承主轴轴承的配置型式，包括主轴轴承的选型、组合以及布置，主要根据对所设计主轴组件在转速、承载能力、刚度以及精度等方面的要求，并考虑轴承的供应、经济性等具体情况，加以确定。
在选择时，具体有以下要求：
（1）适应刚度和承载能力的要求
主轴轴承选型应满足所要求的刚度和承载能力。
径向载荷较大时，可选用滚子轴承；较小时，可选用球轴承。
双列滚动轴承的径向刚度和承载能力，比单列的大。
同一支承中采用多个轴承的支承刚度和承载能力，比采用单个轴承大。
一般来说，前支承的刚度，应比后支承的大。
因为前支承刚度对主轴组件刚度的影响要比后支承的大。
表4-1所示为滚动轴承和滑动轴承的比较。
表4-1滚动轴承和滑动轴承的比较
基本要求
滚动轴承
滑动轴承
动压轴承
静压轴承
旋转精度
精度一般或较差。
可在无隙或预加载荷下工作。
精度也可以很高，但制造困难
单油楔轴承一般，多油楔轴承较高
可以很高
刚度
仅与轴承型号有关，与转速、载荷无关，预紧后可提高一些
随转速和载荷升高而增大
与节流形式有关，与载荷转速无关
承载能力
一般为恒定值，高速时受材料疲劳强度限制
随转速增加而增加，高速时受温升限制
与油腔相对压差有关，不计动压效应时与速度无关
抗振性能
不好，阻尼系数D=0.029
较好，阻尼系数D=0.055
很好，阻尼系数D=0.4
速度性能
高速受疲劳强度和离心力限制，低中速性能较好
中高速性能较好。
低速时形不成油漠，无承载能力
适应于各种转速
摩擦功耗
一般较小，润滑调整不当时则较大f=0.002～0.008
较小f=0.001~0.08
本身功耗小，但有相当大的泵功耗f=0.0005～0.001
噪声
较大
无噪声
本身无噪声，泵有噪声
寿命
受疲劳强度限制
在不频繁启动时，寿命较长
本身寿命无限，但供油系统的寿命有限
（2）适应转速要求
由于结构和制造方面的原因，不同型号和规格的轴承所允许的最高转速是不同的。
轴承的规格越大，精度等级越低，允许的最高转速越低。
在承受径向载荷的轴承当中，圆柱滚子轴承的极限转速，比圆锥滚子轴承的高。
在承受轴向载荷的轴承当中，向心推力轴承的极限转速最高；推力球轴承的次之；圆锥滚子轴承的最低，但承载能力与上述次序相反。
因此，应综合考虑转速和承载能力两方面要求来选择轴承型式。
（3）适应精度的要求
起止推作用的轴承的布置有三种方式：
前端定位—止推轴承集中布置在前支承；后端定位—集中布置在后支承；两端定位—分别布置在前、后支承。
采用前端定位时，主轴受热变形向后延伸，不影响轴向定位精度，但前支承结构复杂，调整轴承间隙较不便，前支承处发热量较大；后端定位的特点与前述的相反；两端定位时，主轴受热伸长后，轴承轴向间隙的改变较大，若止推轴承布置在径向轴承内侧，主轴可能因热膨胀而弯曲。
（4）适应结构的要求
当要求主轴组件在性能上有较高的刚度和一定的承载能力，而在结构上径向尺寸要紧凑时，则可在一个支承（尤其是前支承）中配置两个或两个以上的轴承。
对于轴间距很小的多主轴机床，由于结构限制，宜采用滚针轴承来承受径向载荷，用推力球轴承来承受轴向载荷，并使两轴承错开排列。
（5）适应经济性要求
确定主轴轴承配置型式，除应考虑满足性能和结构方面要求外，还应作经济性分析，使经济效果好。
在中速和大载荷情况下，采用圆锥滚子轴承要比采用向心轴承和推力轴承组合配置型式成本低，因为前者节省了两个轴承，而且箱体
升级会员 