机械设计课程设计滚切式双边剪.docx
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机械设计课程设计滚切式双边剪
机械设计课程设计
说
明
书
设计题目:
滚切式双边剪
设计者:
学号:
专业班级:
机械工程及自动化
指导教师:
第一章设计目的和任务
一、设计目的
二、设计任务
第二章执行机构总体方案设计
一、功能分解与工艺动作分解
二、主要执行机构方案的设计
三、双边剪的传动原理简图
第三章执行机构的计算
第四章减速器的方案设计
一、分析和拟定减速器简图
二、确定电动机
三、各级传动比
四、计算各轴的转速
五、计算各轴的输入功率
六、计算各轴的输入扭矩
第五章齿轮的传动设计
一、高速级齿轮传动的设计
二、低速级齿轮传动的设计
第六章轴的设计计算
一、高速轴的设计
二、中速轴的设计
三、低速轴的设计
第七章轴承与键的选择和校核
一、高速轴轴承的选择与校核
二、高速轴上平键的选择与校核
第八章润滑与密封
一、齿轮的润滑
二、滚动轴承的润滑
三、密封方法的选取
第九章设计心得
第十章参考文献
第一章设计目的和任务
一、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、运用计算机和技术数据诸方面的能力,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。
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。
二、设计任务
1、设计题目:
滚切式双边剪
2、机器的用途
滚切式双边剪安装在中厚板轧钢厂的精整剪切线上,用来剪切经轧制、矫直、冷却、修磨后的单张钢板的两个纵向边部的同时,把切下来的边条横向剪切成一定长度的碎边小块并以收集。
碎边小块不经再次处理,可供装炉炼钢。
3、规格与性能
钢板厚度6~50mm
钢板宽度成品1500~3300mm来料1550~3350mm
钢板长度6000~42000mm
钢板重量来料max16t
钢板厚度=50mm时σb≤800Mpa
钢板厚度≤40mm时σb≤1200Mpa
纵向剪切弯曲度≤1.0mm/10m
宽度公差0~2mm
两刀切口错位≤0.4mm
剪切次数14~28次/min
剪切步长max1300mm
碎边宽度(单边)max150mmmin20mm
钢板剪切温度≤200℃以下
主刀片长度2200mm
主刀片开口度≈150mm
主刀剪切角α1≈4.5°α2≈6°
碎边刀剪切角α≈3°
主刀后退量2mm
主刀重叠量5mm
碎边刀重叠量max60mm
主刀片左右侧同步方式机械同步
剪切力2X6500KN
换刀时间≤30min
刀片侧隙调整范围0.4~4mm
移动剪横移距离max2000mm
移动剪横移速度0~100mm/s
夹送辊送板速度max2m/s
夹送辊加速度max2.5m/s2
夹送辊直径φ650mm
夹送辊开口度150mm
夹送辊左右侧同步方式机械同步
压料装置开口度150mm
主传动电机Z355-64台
换刀小车移动速度~0.25m/s电动
换刀旋转台转角180°手动
压板压力2×16t
剪刃材料H13
夹送辊液压缸压力4.5~12mm时4.5Mpa
13~40mm时7Mpa
41~50mm时9Mpa
对板形的要求
为了确保剪机运转时不出故障,板材的不平度不得大于下值:
板厚8mm时最大45mm
板厚40mm时最大30mm
板厚50mm时最大20mm
板材头部和尾部舌形或燕尾形结构不得大于250mm
4、工作原理:
滚切式双边剪的剪切机构见图1,其剪切过程如下:
(1)先开始切边,然后再碎边;
(2)切边进行到一定长度后,碎边剪切完成;
(3)碎边剪切结束后,切边再继续进行直至完成;
(4)剪切结束后,切边剪与碎边剪松开板材,板材向前进给。
滚切剪是装有半径为R的弧形上刀片的上刀架,在具有不同相位角和偏心半径的两个曲轴及连杆带动下,并在控制杆的约束下,上刀片沿一个水平基面实现理想的滚动运动中,将钢板的两边剪断。
该基面比水平的固定下刀片略低约5mm,基面与下刀片的高度差即是上下刀片的重叠量,剪切过程中该重叠量保持不变,可通过改变两个曲轴相位角来调整刀片的重叠量,以适应不同厚度钢板的剪切,对于双边剪,视其剪切断面质量,一般不予调整刀片的重叠量。
由连续运转(自控)或断续运转(手控)的主电机,同时带动第三根曲轴,连杆以及装有碎边上刀片的上刀架,并以精确规定的运动规律完成纵向切边和废边的横向剪切。
当切边刀片和碎边刀片抬离下刀片向上张开时,控制夹送辊及辊道,将钢板送进一个确定的剪切步长。
钢板停止运送之时,在三曲轴的带动下完成钢板的切边及废边剪切,这一动作连续不断重复进行,直至切完这一张钢板为止。
5、结构特征
一台滚切式双边剪是由一台固定剪和一台移动剪组成,这两台剪机相对地安装在同一底座上。
每台剪机都有切边的纵向剪刀和切废边的碎边剪刀,它们各自由主电机经过齿轮传动装置及三根平行的曲轴带动。
每台剪机的主要组成部分包括:
机架、传动装置、刀架及剪刃固定装置、剪刃间隙调整机构、剪刃后退机构、拨料器及压板装置、夹送辊、左右剪同步机构、移动剪横移装置、辊梁及碎边溜槽、快速换刀装置、板厚测量装置、稀油润滑系统、干油润滑系统、液压管路系统等。
第二章执行机构总体方案设计
一、功能分解与工艺动作分解
根据上述分析,滚切式双边剪要求完成的工艺动作有以下三个动作:
1.切边:
要求切边刀片上下往复运动,并且左右切入时间不相同,将钢板多余的边角剪切掉,然后再抬起来,以便夹送辊送料。
运动规律如下图;
2.碎边:
要求碎边刀片上下往复运动,将废边横向剪切,方便废边的处理;
3.送料:
当切边刀片和碎边刀片抬离下刀片向上张开时,同时控制夹送辊及辊道,将钢板送进一个确定的剪切步长。
1-曲轴;2-连杆;3-上刀架;
4-导向杆;5-下刀架;6-被剪切钢板
图2切刀运动轨迹图
以上三个动作中,送料的夹送辊与切边碎边的是电机分开的,不是我们需要重点关注的动作,所以暂不予以考虑。
因此,滚切式双边剪运动方案设计重点考虑切边和碎边的选型和设计问题。
二、主要执行机构方案的设计
1、切刀运动机构
切刀运动是一个类似的四连杆机构,A、C分别与两根曲轴相连,当曲轴转动时,带动AB杆和CD杆运动,从而实现切刀的运动。
图3切刀运动机构简图
2、曲轴运动机构
曲轴在电机的带动下实现自转,同时带动切刀的运动。
曲轴简图如下:
图4曲轴简图
3、切刀与曲轴的连接机构
通过前面的分析可知,切刀与曲轴是通过连杆相连的,并且通过曲轴的转动,带动四连杆机构的运动,同时实现切刀的运动。
当曲轴转动时,曲轴带动轮盘绕轴心做公转,同时带动连杆上下左右运动,两个连杆的上下左右运动,就能带动切刀上刀片的剪切运动。
其连接机构见图如下:
图5切刀与曲轴的连接机构
4、碎刀运动机构
碎刀刀片的运动路线只需要上下往返运动,且也是通过曲轴的运动来带动的,其联接方式同切刀,不同之处在于碎刀刀片的运动只需要上下往复运动,所以可以把碎刀刀片的运动机构可以看作一个曲柄滑块机构,简化如下:
图6碎刀运动机构简图
5、切刀与碎刀之间的运动机构
通过前面的分析,可以知道切刀与碎刀是同时工作的,都是与曲轴相连。
不过三根曲轴的偏心量不同,偏心按一定的相位差布置,如下图,三根曲轴分别与长度不同的三根连杆相连接。
人口曲轴1、2通过连杆,驱动主刀上剪床,上剪床安装有弧形刀刃的上刀,这使得钢板的剪切形式为滚切式。
曲轴3通过连杆驱动上碎边刀,曲轴的相位角使剪切顺序为先碎边、后剪切。
1、2、3-曲轴4、5、6-连杆7-切刀刀片8-碎刀刀片
图7剪切机构简图
6、曲轴之间的联接机构
通过前面的分析,我们知道切刀与碎刀的运动是通过三根曲轴来带动的,而曲轴之间是通过齿轮的啮合来实现同步的。
齿轮之间的啮合如下:
其中,齿轮A、B与切刀同曲轴,齿轮C与碎刀同曲轴。
齿轮A、B通过齿轮D啮合在一起,齿轮B与C直接啮合。
所以齿轮A、B转向相同,而齿轮C的转向与之相反,这样才能保证切刀与碎刀的正确运动。
图8齿轮啮合
三、双边剪的传动原理简图
根据前面的分析,可以粗略的画出双边剪的传动原理图。
由于双边剪两边的执行机构是对称的,所以在这里,只设计了一边的传动原理图,两边的同步传动只需要在中间加一根同步轴。
其单边传动原理图如下:
1-电机2-减速箱3、5、6、9-齿轮4-轴
7、11、13-曲轴8、12、14-连杆10-轴承
图9双边剪的传动原理简图
由上图可以看出,电机通过减速箱将速度传送到轴4上,然后轴4带动齿轮9转动,又由于齿轮3和齿轮4与齿轮9啮合,齿轮6与齿轮5啮合,所以齿轮9的转动又带动了齿轮3、5、6的转动,同时也带动了与之相连的三根曲轴的转动,又由于三根连杆与曲轴相连,所以也带动了连杆的运动,最后通过三根连杆的运动实现了切刀与碎刀的运动。
最后,综合以上的执行装置和传动原理的设计,可以整合出双边剪的机械原理图如下:
第三章执行机构的计算
一、主传动比的计算
因为规格里已经选择的主传动电机的型号为Z355-6,所以我们可以根据这个型号查到该电机为额定功率为253kw,最大转速为1000r/min的直流电机。
又根据规格可知双边剪的剪切次数为14~28次/min,剪切次数与钢板的厚度有入下关系:
板厚mm
剪切次数:
次/min
6~10
28
>10~20
24
>20~30
18
>30~40
16
>40~50
14
又查资料可知主传动件电机的转速为可调的,其转速与钢板厚度的关系如下:
板厚mm
主电机转数:
r/min
6~20
1000
>20~30
755
>30~40
670
>40~50
587
所以根据以上两个表格,我们可以算出双边剪的主传动比i≈42。
第四章减速器的方案设计
一、分析和拟定减速器简图
因为双边剪所承受的载荷非常的大,所以我们根据减速器的分类特点,初步选择结构紧凑,传动比大,传动平稳,效率高,能承受重载荷的分流式减速器,其结构简图如下:
图10减速器简图
两电动机通过联轴器将动力传入减速器,在再联轴器传送到外边的啮合齿轮,带动曲轴转动。
传动系统中采用两级分流式圆柱齿轮减速器,结构较复杂,高速级齿轮相对于轴承位置对称,沿齿宽载荷分布较均匀,高速级和低速级分别为斜齿圆柱齿轮和直齿圆柱齿轮传动。
二、确定电动机
由前面的规格及分析可知,主传动电机的型号为Z355-6,再查资料可知其具体参数如下:
额定功率
满载转速
三、各级传动比
由前面的计算可知总传动比
选取经过减速器之后的齿轮传动比为
查阅参考文献[1]《机械设计课程设计》中表2—3各级传动中分配各级传动比,取高速级的圆柱齿轮传动比
所以由
得
四、计算各轴的转速
电动机
高速轴1
中速轴2
低速轴3
工作机
五、计算各轴的输入功率
电动机
高速轴1
中速轴2
低速轴3
工作机
-滚动轴承(每对)传动效率取0.98
-圆柱直齿轮传动效率取0.95
-圆柱斜齿轮传动效率取0.96
-弹性联轴器效率取0.99
六、计算各轴的输入扭矩
电动机
高速轴1
中速轴2
低速轴3
工作机
将计算结果列表如下
表1轴的运动及动力参数
项目
电动机轴
高速级轴I
中间轴II
低速级轴III
工作机轴IV
转速()
1000
1000
184.5
48
48
功率()
253
250.5
235.6
219.3
212.8
扭矩矩()
2416
2392
12195
43906
42338
传动比
1
5.42
3.87
1
效率η
0.99
0.9408
0.931
0.9702
第五章齿轮的传动设计
主要查询资料由吴克坚、于晓红、钱瑞明主编:
机械设计,高等教育出版社
一、高速级齿轮传动的设计
1.选定齿轮材料、热处理及精度
(1)考虑此减速器的功率及现场安装的限制,并按上图所示传动方案,故选用软齿面渐开线斜齿圆柱轮
(2)材料选择
高速级齿轮的材料选择经过氮碳公渗的,齿面硬度为63HRC,齿芯硬度为229-363HBS,根据教材的图9.55和图9.58,选择合金钢渗碳淬火,取
(3)齿轮精度
按GB/T10095-1988,选用齿轮精度为6级。
2.初步设计齿轮传动的主要尺寸
(1)计算小齿轮传递扭矩
(2)确定齿数z
因为是硬齿面,故选取则大齿轮齿数
取
传动比误差
传动比误差满足要求
(3)初选螺旋角
(4)选取齿宽系数
因为是对称分布,由教材表9.16查得
(5)载荷系数K
使用系数可由教材表9.11查得
;
动载荷系数估计齿轮圆周速度,则由教材图9.44查得
;
齿向载荷分配系数预估齿宽b=120mm,由教材表9.13查得
,
初选b/h=8,再由图9.46查得;
齿间载荷系数由教材表9.12查得
载荷系数K。
(6)齿形系数和应力修正系数
当量齿数
由教材图9.53查得
由教材图9.54查得
(7)重合度系数
端面重合度近似为
因
则重合度系数为
(8)螺旋角系数
轴向重合度
(9)许用弯曲应力
安全系数由教材表9.15查得
小齿轮应力循环次数
大齿轮应力循环次数
由教材图9.59查得寿命系数
实验齿轮应力修正系数
由教材图9.60预取尺寸系数
许用弯曲应力
比较
取
(10)计算模数
按教材表9.3圆整模数,取
(11)初算主要尺寸
初算中心距
修正螺旋角
分度圆直径
齿宽
取
齿宽系数
(12)验算载荷系数K
圆周速度
由教材图9.44查得
按
;
又因为,由教材图9.46查得
。
又
和
则
故无须校核大小齿轮齿根弯曲疲劳强度。
3.校核齿面接触疲劳强度
(1)确定载荷系数
载荷系数
(2)确定各系数
材料弹性系数由教材表9.14查得
节点区域系数由教材图9.48查得
重合度系数由教材图9.49查得
螺旋角系数
(3)许用接触应力
实验齿轮的齿面接触疲劳强度
寿命系数由教材图9.56查得
工作硬化系数
尺寸系数由教材图9.57查得
安全系数由教材表9.15查得
则许用接触应力
取
(4)校核齿面接触强度
满足齿面接触强度。
二、低速级齿轮传动的设计
1.选定齿轮材料、热处理及精度
(1)按图1所示方案,低速级齿轮选用直齿圆柱齿轮传动。
(2)材料选择
因为双边剪承受的载荷特别大,所以低速级齿轮的材料也选择经过氮碳公渗的,齿面硬度为63HRC,齿芯硬度为229-363HBS,根据教材的图9.55和图9.58,选择合金钢渗碳淬火,取
(3)齿轮精度
按GB/T10095-1988,选用齿轮精度为7级。
2.初步设计齿轮传动的主要尺寸
计算小齿轮传递扭矩
确定齿数z
因为是硬齿面,故选取则大齿轮齿数
取
传动比误差
传动比误差满足要求
(3)选取齿宽系数
由教材表9.16查得
3.按齿面接触疲劳强度设计
按下式设计计算
确定公式内的各计算数值
(1)选择载荷系数K
使用系数可由教材表9.11查得
;
动载荷系数由教材图9.44查得
;
由教材表9.13查得
,
由教材表9.12查得
故可得
(2)材料弹性系数由教材表9.14查得
(3)节点区域系数由教材图9.48查得
(4)
(5)工作寿命
按300个工作日,一班制计算,每天工作8小时。
应力循环次数,由教材公式得
小齿轮应力循环次数
大齿轮应力循环次数
寿命系数
(6)许用接触应力
其中:
寿命系数由教材图9.56查得
工作硬化系数
尺寸系数由教材图9.57查得
安全系数由教材表9.15查得
(7)小齿轮参数
小齿轮分度圆直径
取
其中:
重合度系数取
齿轮模数
则大齿轮分度圆直径
两直齿轮中心距
(8)齿轮齿宽的计算
因为齿宽系数
所以大齿轮齿宽
取
(9)计算齿宽高比
齿高:
齿宽高比:
(10)验算载荷系数
圆周速度
由教材图9.44查得
又因为,由教材图9.46查得
。
又
、
则
4.校核齿面接触疲劳强度
(1)确定载荷系数
、
确定各系数
材料弹性系数由教材表9.14的
节点区域系数由教材图9.48得
从重合度系数由教材图9.49得
校核齿面接触强度
故齿面接触强度满足要求。
表2齿轮系数
齿宽
模数
齿数
分度圆直径
中心距
高速级小齿轮
105
6
21
129
414
高速级大齿轮
100
114
699
低速级小齿轮
172
11
19
209
511.5
低速级大齿轮
167
74
814
第六章轴的设计计算
轴的计算主要查询资料为教材由吴克坚、于晓红、钱瑞明主编:
机械设计,高等教育出版社
一、高速轴的设计
1、求输入轴上的功率、转速和转矩
由上面的分析可知
2、求作用在齿轮上的力
圆周力
径向力
轴向力
高速轴力的方向如下图所示:
图11高速轴上齿轮受力力
3、初步确定轴的最小直径。
先按照教材式(19.3),取
初步估算轴的最小直径。
选取轴的材料为38,经调质处理,硬度为。
由教材表19.1查得对称循环弯曲许用应力,查教材表19.3,选取系数,得:
因为轴端装联轴器需开键槽,会削弱轴的强度。
故将轴径增加,安全起见,取轴的直径为75mm。
该轴的最小直径为安装联轴器处的直径。
由高速轴小齿轮的直径可知该轴宜采用齿轮轴。
4、轴的结构设计
(1)拟定轴上零件的装配方案。
根据轴上的齿轮、轴承、轴承盖、半联轴器等零件的装配方向、顺序和相互关系,轴上零件的布置方案如下图:
123456789
图12高速轴
(2)轴上零件的定位轴的主要尺寸的确定
1)联轴器的选用和定位
由教材表18.1查取联轴器工作情况系数K=1.5,按公式(18.1)求计算转矩
根据值,查国标GB/T5015-1985,选用ZL5弹性柱销联轴器,J型轴孔,其孔径为45mm;联轴器的毂孔长度为107mm,与轴的配合段长度为按轴径选用平键截面尺寸,键长为95mm。
2)轴承、齿轮的定位及轴段主要尺寸
初步选择滚动轴承。
该传动方案没有轴向力,高速轴转速较高,载荷较大,根据式h=(0.07-0.1)d,且,所以取,再查GB/T276-1994初步取N317E圆柱滚子轴承,其尺寸为,与其配合轴段的轴径,取,两端采用轴套作轴向定位。
取齿轮段齿顶圆直径直径,轴段取齿轮宽,所以。
考虑到中速轴上低速级小齿轮的齿宽,预估,。
3)轴结构的工艺性
取轴端倒角,按规定确定各轴肩的圆角半径,轴承配合段留有砂轮越程槽,键槽位于同一轴线上。
5、按弯扭组合校核轴的强度
(1)由上面的分析可知
圆周力
径向力
轴向力
(2)计算轴上的支反力
水平面内的支反力
垂直面内的支反力
(3)计算轴的弯矩并画出弯矩图
计算右端齿轮的弯矩
弯矩图如下:
图13弯矩图
合成弯矩
合成弯矩图如下:
图4合成弯矩图
(4)校核轴的强度
由前面的分析可知,取,所以
所以满足强度要求。
二、中速轴的设计
1、求输入轴上的功率、转速和转矩
由上面的分析可知
2、求作用在齿轮上的力
斜齿轮圆周力
斜齿轮径向力
斜齿轮轴向力
直齿轮圆周力
直齿轮径向力
轴上力的方向如下图所示:
图15中速轴上齿轮受力图
3、初步确定轴的最小直径。
先按照教材式(19.3),取
初步估算轴的最小直径。
选取轴的材料为38,经调质处理,硬度为。
由教材表19.1查得对称循环弯曲许用应力,查教材表19.3,选取系数,得:
因为轴端装联轴器需开键槽,会削弱轴的强度。
故将轴径增加,安全起见,取轴的直径为125mm。
该轴的最小直径为安装轴承处的直径。
4、轴的结构设计
(1)拟定轴上零件的装配方案。
由前面的分析可知该轴也为齿轮轴。
根据轴上的齿轮、轴承、轴承盖等零件的装配方向、顺序和相互关系,轴上零件的布置方案如下图:
12345
图16中速轴
(2)轴上零件的定位轴的主要尺寸的确定
1)轴承、齿轮的定位及轴段主要尺寸
初步选择滚动轴承。
该传动方案没有轴向力,高速轴转速较高,载荷较大,且,再查资料,初步取30324圆锥滚子轴承,其尺寸为。
两端采用轴套作轴向定位。
又根据式h=(0.07-0.1)d,所以取高速大齿轮安装段直径,配合轴段长应比齿轮宽略短,取,按大齿轮轴径选用平键截面尺寸,键长为88mm。
由低速小齿轮齿根圆直径可取,由齿宽取。
一端采用轴圈轴向定位。
为便于安装,轴端采用锥面导向结构。
2)轴结构的工艺性
取轴端倒角,按规定确定各轴肩的圆角半径,轴承配合段留有砂轮越程槽,键槽位于同一轴线上。
中速轴的校核部分与高速轴类似,也是按弯扭组合校核轴的强度,且安全。
二、低速轴的设计
1、求输入轴上的功率、转速和转矩
由上面的分析可知
2、求作用在齿轮上的力
直齿轮圆周力
直齿轮径向力
3、初步确定轴的最小直径。
先按照教材式(19.3),取
初步估算轴的最小直径。
选取轴的材料为38,经调质处理,硬度为。
由教材表19.1查得对称循环弯曲许用应力,查教材表19.3,选取系数,得:
因为轴端装联轴器需开键槽,会削弱轴的强度。
故将轴径增加,安全起见,取轴的直径为188mm。
该轴的最小直径为安装联轴器处的直径。
4、轴的结构设计
(1)拟定轴上零件的装配方案。
根据轴上的齿轮、轴承、轴承盖、联轴器等零件的装配方向、顺序和相互关系,轴上零件的布置方案如下图:
12345678
图17低速轴
(2)轴上零件的定位轴的主要尺寸的确定
1)联轴器的选用和定位
由教材表18.1查取联轴器工作情况系数K=1.5,按公式(18.1)求计算转矩
根据值,查国标GB/T5015-1985,选用LX12弹性柱销联轴器,J型轴孔,其孔径为188mm;联轴器的
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