毕业设计（论文）离心、震荡机三维立体结构设计

南 京 理 工 大 学毕业设计说明书(论文)作 者:学 号：学院(系):机械工程学院专 业:机械工程及自动化题 目:离心、震荡机三维立体结构设计讲师指导者： 评阅者： 2010年 6月毕业设计说明书（论文）中文摘要通过对离心机和震荡机功能和结构的分析和研究制定了设备的总体设计方案。首先确定了用来实现离心功能的机构设计:根据方案要求选取了合适的电动机规格和型号，并且设计了电机到作业平台的传动轴，同时对与传动轴相关的联轴器、轴承的设计和选择。确定了震荡的实现方法。采用了一套垂直扰动机构，设计了一套压杆自动复位装置。设计过程中对整机的传动机构实施了参数计算、验算及校核，确保整机机械性能的可靠性，利用PRO/E软件CAXA软件进行结构设计，以使整个零部件在空间布置更趋合理，整机结构更趋紧凑和人性化。关键词 离心 震荡 结构设计 传动 毕业设计说明书（论文）外文摘要Title three-dimensinal Structrue Design of Centrifugal/concussion MachineAbstractThrough the centrifuge and shock machine functions and structure analysis and research of the equipment for overall design scheme. First identified used to realize the function of centrifugal mechanism design: according to the requirements of selecting the appropriate solutions, and motor design specifications and types of the motor shaft to work platform, and the shaft coupling and related design and selection of the bearing. Determine the realization method of the concussion. Using a set of vertical disturbance, a set of automatic reset device lever. The design process of the transmission mechanism implemented parameter calculation, calculation and check and ensure the reliability of the mechanical properties of the PRO/E, using CAXA software structure design software, in order to make the parts in the space is decorated more reasonable, the whole structure more tightening bad humanization.Keywords Centrifugal shock structure design 本科毕业设计说明书（论文） 第 页 共页目录目录11 引言111 离心震荡机简介11. 2 离心机的发展状况12 离心震荡机的技术领域32. 1 离心、震荡32. 2 离心32. 3 震动33 离心震荡机的总体设计53.1 设计方案的确定53.11 离心驱动方式的选择53.1.2 联轴器的选择53.1.3 主轴轴承的选择63.2 传动方案的确定83.3 垂直扰动机构方案的确定93.4 垂直扰动机构复位方案的确定94 主要零部件的设计与计算114.1 传动设计114.1.1 电动机的选择114.1.2 传动轴的设计与校核114.2离心特性计算174.3 复位弹簧的设计205 零部件的三维设计235.1 机架的设计235.2 试管架结构的设计245.3 试管套结构的设计255.4 弹簧减震片结构设计265.5 主轴壳体设计27 本科毕业设计说明书（论文） 第 页 共页5.6 震荡机构机架设计285.7 垂直扰动机构的设计295.8 离合器的设计315.9 整机的三维设计32 本科毕业设计说明书（论文） 第 36 页 共35页1 引言在现代工业中，离心分离技术已经越来越重要。这不仅由于离心机和其他机械相比，可得到含湿量低的固相和高纯度液相，而且可以减轻劳动强度，改善劳动条件，并且具有连续运转，自动控制，占地面积小等优点。震荡机在这方面更是如此，而且两者现结合起来的装备更是能在化学工业，医疗卫生，科学研究等诸多方面发挥巨大的作用，特别是随着环保、能源和生物医药工程的发展，更促使了我国离心分离技术的迅速发展。本说明书通过浅述离心震荡机再生产和生活中实际意义。明确了本课题的研究方法，即通过AutoCAD以及Pro/E对离心震荡机进行科学的三维设计。11 离心震荡机简介离心分离是通过离心机的高速运转，使离心加速度超过重力加速度的成千上万倍而使沉降速度增加，以加速药业中杂质沉淀并除去的一种方法。其原理是利用混合液密度差来分离料液，比较适合于分离含难于沉淀过滤的细微粒或絮状物的悬浮液。震荡是通过使试管来回摆动一定角度，从而使不同种类或不同密度的溶液充分混合，来实现化学反应或调配不同浓度或密度的溶液。原理比较简单【1】 。1. 2 离心机的发展状况随着离心机的构造和离心方法的不断改进，离心机也得到了很好的发展，构造的改进提高了转速，加快了共走时间，提高了工作效率。离心转子（转头）的种类不断改进和增加；控制的自动化程度不断提高；机体外型朝着美观、实用、小型化的方向发展；最大的进步是离心方法的不断丰富和发展；使离心机的应用范围不断的扩大。虽然离心机在构造和离心上都已经比较完善了，但对离心技术的要求，仍然好友很大的发展空间。(1)、可以进一步提高离心机转速，作为研究人体科学的基本实验，技术需求有超高转速的新型离心机问世，目前我国只生产6万转/分以下的离心机，发达国家的超高速离心机的转速最高为120000转/分。（2）、是改进速度控制方法，部分厂商已将变频电机和微型计算机控制引入了离心机的制造中，使转速和温度及正空度的控制达到了人机对话的实射检测工作状态，并具有超速、过流及超温报警功能2。（3）延长离心机的工作时间，在硬件构造上得到了可靠的保证，由连续工作几分钟达到了一般工作5小时，最长可达99小时【2】。（4），转头的改进。转头改进表现在种类和材质上，由于种类的不断增加，使转头的种类达10余种，可分别适合分离、提纯、制造和分析等多种场合，材质由高强铝合金发展成钛合金，玻璃钢等多种，使其耐用性和寿命大有提高。（5），是微机的应用。微机技术的应用使离心机的转速由数万提高到数十万，且能保持运转条件不变；较方便的实现程序控制，即可延时，游客分步操作；可对运行情况尽心检测、判断、储存、显示。模拟计算、打印等多功能的现代化管理，把离心机性能特点更加完善化【1】。2 离心震荡机的技术领域2. 1 离心、震荡采用传统的电机带动试管架旋转从而实现溶液的沉淀，震荡方式采用在数值方向上制作一个扰动机构，来使试管架小角度上下移动，从而实现溶液的混合。2. 2 离心离心机是利用离心力，分离液体与固体颗粒或液体与液体的混合物中各组分的机械。离心机主要用于将悬浮液中的固体颗粒与液体分开；或将乳浊液中两种密度不同，又互不相溶的液体分开(例如从牛奶中分离出奶油)；它也可用于排除湿固体中的液体，例如用洗衣机甩干湿衣服；特殊的超速管式分离机还可分离不同密度的气体混合物；利用不同密度或粒度的固体颗粒在液体中沉降速度不同的特点，有的沉降离心机还可对固体颗粒按密度或粒度进行分级【1】。2. 3 震动震动的实现必须使试管上下有一定角度的震动，这种震动可以由机械方法实现，也可以有电磁方式实现，用机械方式实现时，由于试管架是水平放置，静止时并且与水平方向有一定的角度向下倾斜，所以可以用一个竖直方向放置的打几块来敲击试管使试管上下摆动，也可以考虑使试管低速旋转，在试管旋转的轨迹上做一个斜面，试管经过斜面时会经过斜面有一个向上的摆动。用电磁方式实现时，可以考虑在试管转过的某块区域内上下放置两块电磁铁，通过控制电磁铁的通短，使试管上下摆动。通过比较，最后选择用第一种方式来实现。3 离心震荡机的总体设计3.1 设计方案的确定毕业设计设计任务书给定的设计要求：1）设计对象：离心、震荡机；2）设计对象的技术要求：功率：120W转速：0300r/min整机外观尺寸：500*500*500（mm）操作对象：普通试管（直径812mm，长度150mm）3.11 离心驱动方式的选择离心驱动方式可以由以下几种方式选择：在离心机的驱动技术上，国内与国外有较大的差异，同时进口设备又有多达56种不同的驱动方式。国内离心机驱动方式通常比较单一，采用最多的驱动方式为双电机结果，即一台电机（通常为变频电机）通过皮带直接驱动转鼓产生转动，另一台电机通过减速器（差速器）驱动螺旋。而进口设备中往往可提供除常用的双电机系统驱动方式外，还有多种驱动的选择。单电机驱动方式：即一台电机通过主皮带轮驱动转鼓，次级皮带驱动差速器的轴，从而产生差转速，调整速查时需要停机进行，属于简单驱动方式；或差速器输入轴固定，转鼓由单电机驱动；还有一种单电机驱动方式，如阿法拉伐（Alfa Laval）公司与国内少数厂家采用单电机驱动主转鼓产生转动，通过电磁涡流差速器产生差速，这是一种制动的驱动方式，类似于刹车装置，产生负差速，优点是控制方便、节约能源，缺点是推料扭矩小。还有一种常见驱动方式是采用液压驱动，即转鼓及螺旋分别由独立的液压驱动系统（或转鼓由变频电机直接驱动），具有其他驱动方式所不可比拟的优点：更大的驱动扭矩（通常可达几千几万Nm，是普通电机驱动的24倍）【5】。从结构形式的合理性、制造成本及清理效果等方面综合考虑，选择直流电机驱动方式3.1.2 联轴器的选择常用的精密的联轴器有：弹性联轴器，膜片联轴器，滑块联轴器，梅花联轴器，刚性联轴器。联轴器特点：1弹性联轴器(1)一体成型的金属弹性体；（2）零回转间隙、可同步运转；（3）弹性作用补偿径向、角向和轴向偏差；（4）高扭矩刚性和卓越的灵敏度；（5）顺时针和逆时针回转特性完全相同；（6）免维护、抗油和耐腐蚀性；（7）有铝合金和不锈钢材料供选择；（8）固定方式主要有顶丝和夹紧两种。2膜片联轴器（1）高韧性、高转矩、低惯性；（2）采用环形或方形弹性不锈钢片变形；（3）大扭矩承载，高扭矩刚性和卓越的灵敏性；（4）零回转间隙、顺时针和逆时针回转特性相同；（5）免维护、超强抗油和耐腐蚀性；（6）双不锈钢膜片可补偿径向、角向、轴向偏差，单膜片则不能补偿径向偏差。3、波纹联轴器（1）无齿隙、扭向刚性、连接可靠、耐腐蚀性、耐高温；（2）免维护、超强抗油，波纹管型结构补偿径向、角向和轴向偏差，偏差存在的情况下也可保持等速运动；（3）顺时针和逆时针回转特性完全相同；（4）波纹管材质有磷青铜和不锈钢供选择；（5）可适合于精度和稳定性要求较高的系统。4、滑块联轴器（1）无齿隙的连接，用于小扭矩的测量传动结构简单；（2）使用方便、容易安装、节省时间、尺寸范围广、转动惯量小，便于目测检查；（3）抗油腐蚀，可电气绝缘，可供不同材料的滑块弹性体选择；（4）轴套和中间件之间的滑动能容许大径向和角向偏差，中间件的特殊凸点设计产生支撑作用，容许较大的角度偏差，不产生弯曲力矩，轴心负载荷降至最低。6、刚性联轴器（1）重量轻，超低惯性和高灵敏度了（2）免维护，超强抗油和耐腐蚀性；（3）无法容许偏心，使用时应让轴尽量外漏；（4）主体材质可选铝合金或不锈钢；固定方式有夹紧、顶丝固定【1】。从结构的合理性、制造成本以及效果等方面综合考虑，选择第一种弹性联轴器。3.1.3 主轴轴承的选择（1）、深沟球轴承：深沟球轴承结构简单，使用方便，是生产批量最大，应用范围最广的一类轴承。它主要用一承受径向载荷，也可承受一定的轴向载荷。当轴承的径向游隙加大时，具有角接触轴承的功能，可承受较大的轴向载荷。与尺寸相同的其他类型轴承比较，此类轴承摩擦因数小，极限转速高。在转速较高不宜采用推理球轴承的情况下可用该类轴承承受纯轴向载荷。（2）、调心球轴承：调心球轴承有两列刚求，内圈有两条滚道，外圈滚道为内球面形，具有自动调心的性能。可以自动补偿由于轴的饶曲和壳体变形产生的同轴度误差，适用于支承座孔不能保证严格同轴度的部件中。该中轴承主要承受径向载荷，在承受径向载荷的同时，亦可承受少量的轴向载荷，通常不用于承受纯轴向载荷，如承受纯轴向载荷，只有一列刚球受力。（3）、角接触球轴承：角接触球轴承极限转速较高，可以同时承受经向载荷和轴向载荷，也可以承受纯轴向载荷，其轴向载荷能力由接触角决定，并随接触角增大而增大。单列角接触球轴承只能承受一个方向的轴向载荷，在承受经向载荷时，回引起附加轴向力，必须施向响应的反向载荷，因此，该种轴承一般都成对使用。双列角接触球轴承能承受教大的以经向载荷为主的经向，轴向双向联合载荷和力炬载荷，它能限制轴或双壳双向轴向位移，接触角为30度。成对安装角接触轴承能抽手以经向载荷为主的经向，轴向联合载荷，也可以承受纯经向载荷，串联配置只能承受单一方向轴向载荷，其它两种配置则可承受任一方向的轴向载荷。这种类型的轴承一般由生产厂商选配组合后成对提交用户，安装后有预压过盈，套圈和刚球处于轴向预加载荷状态，因而提高了整组轴承作为单个支承的支承刚度和旋转精度。（4）、圆柱滚子轴承圆柱：滚子轴承的滚子通常由一个轴承套圈的两个挡边引导，保持架.滚子和引导套圈组成一组合件，可与另一个轴承套圈分离，属于可分离轴承。此种轴承安装，拆卸比较方便，尤其是当要求内.外圈与轴.壳体都是过盈配合时更显示优点。此类轴承一般只用于承受径向载荷，只有内.外圈均带挡边的单列轴承可承受较小的定常轴向载荷或较大的间歇轴向载荷。与外形尺寸相同的深沟球轴承相比，此种轴承具有较大的径向载荷能力。但对于此类轴承配合的轴.壳体孔等相关零件的加工要求较高。（5）、调心滚子轴承：调心滚子轴承句有两列滚子，主要用于承受径向载荷，同时也能承受任一方向的轴向载荷。该种轴承径向载荷能力高，特别适用于重载或振动载荷下工作，但不能承受纯轴向载荷；调心性能良好，能补偿同轴承误差。（6）、圆锥滚子轴承：圆锥滚子轴承主要于承受以径向载荷为主的径向与轴向联合载荷，而大锥角圆锥滚子轴承可以用于承受以轴向载荷为主的径，轴向联合载荷。此种轴承为分离型轴承，其内圈（含圆锥滚子和保持架）和外圈可以分别安装。在安装和使用过程中可以调整轴承的经向游隙和轴向游隙，也可以预过盈安装。（7）、推力球轴承：力球轴承是一种分离型轴承，轴圈座圈可以和保持架刚球的组件分离。轴圈是与轴相配合的套圈，坐圈是与轴承座孔相配合的套圈，和轴之间有间隙。推力球轴承只能抽手轴向负荷，单向推力球轴承只能承受一个房间的轴向负荷，双向推力球轴承可以承受两个方向的轴向负荷。推力球承受不能限制轴的经向为移，极限转速很低。单向推力球轴承可以限制轴和壳体的一个方向的轴向位移，双向轴承可以限制两个方向的轴向位移。（8）、推力滚子轴承：力调心滚子轴承用于承受轴向载荷为主的轴.经向联合载荷，但经向载荷不得超过轴向载荷的55%。与其它推力滚子轴承相比，此种轴承摩擦因数较低，转速较高，并具有调心能力。（9）、滚针轴承：针轴承装有细而长的滚子（滚子长度为直径的310倍，直径一般不大于5mm），因此径向结构紧凑，其内径尺寸和载荷能力与其他类型轴承相同时，外径最小，特别适用与径向安装尺寸受限制的支承结构。根据使用场合不同，可选用无内圈的轴承或滚针和保持架组件，此时与轴承相配的轴颈表面和外壳孔表面直接作为轴承的内.外滚动表面，为保持载荷能力和运转性能与有套圈轴承相同，轴或外壳孔滚道表面的硬度.加工精度和表面和表面质量应与轴承套圈的滚道相仿。此种轴承仅能承受径向载荷1。综上所述，以及本设计的要求和目的，选择圆锥滚子轴承。3.2 传动方案的确定离心部分的传动方案如下：图3.1 离心传动结构示意图震动部分的传动方案如下：图3.2 震荡传动结构示意图3.3 垂直扰动机构方案的确定为实现震荡功能，本设计采用曲柄滑块机构带动一个垂直导杆，使垂直导杆实现往复的上下运动。具体的结构图如下图3.3垂直扰动机构设计图3.4 垂直扰动机构复位方案的确定离心、震荡机在完成震荡功能后，由于电机的停止位置是不确定的，所以如果垂直扰动机构的垂直导杆停留在下方，此时导杆就会影响试管从试管套中取出或者是插入，为了解决此问题，就应设计一种机构，其作用是当震荡完成时，此机构可以使垂直导杆自动回复到垂直导轨不能干涉到试管的放取的位置。本设计所用的机构设计图如下图3.4垂直导杆复位结构设计图当垂直导杆停留在不希望停留的位置时，可经过弹簧自动复位，但是曲柄摇杆机构的曲柄轴直接与电机相连，弹簧要想自动复位，需要克服很大的扭矩，所以考虑在电机轴和曲柄轴之间加装一离合器，此离合器共有两种状态，即闭合和分开状态，当离合器处在闭合状态时，离心震荡机处在震荡状态，当离合器处在打开状时，离心震荡机处在离心或停机状态。4 主要零部件的设计与计算4.1 传动设计在上一章中已经讨论过传动方案的设计。本章将传动部分的设计逐步实施。4.1.1 电动机的选择毕业设计设计任务书中已给定设计要求：1）设计对象：离心、震荡机；2）设计对象的技术要求：功率：120W转速：0300r/min整机外观尺寸：500*500*500（mm）操作对象：普通试管（直径812mm，长度150mm）由此选定电动机型号。此设计对电动机的要求不是太高，功率在中型偏下左右，并且要求能够无极变速，转动时要求要转动平稳，载荷平稳。查简明机械设计手册第640到667页：CYB系列永磁直流电机75CYB02电动机技术数据：得最大输出功率120W，额定电流0.09A，电流电阻402欧姆最大线性工作转速1000转/分。4.1.2 传动轴的设计与校核 主要设计与校核震荡部分的轴，由于离心部分试管架所连接的轴只受到扭矩的作用，所以比较容易设计与校核。而震荡部分的传动轴由于曲柄连杆机构的存在，所以即存在扭矩存在弯矩。（1）拟定轴上零件的装配方案。拟定轴上的零件的装配方案，就是预定出轴上主要零件的装配方向、顺序和相互关系，他是轴的结构设计的前提。它决定了轴的基本结构形式。本曲柄轴的基本结构形式如下图所示。图4.1曲柄轴的基本结构图（2）各轴段的直径和长度的确定零件的定位及装配方案确定好以后，轴的大体形状已基本确定。各轴段的直径与载荷有关。但初定轴径时，轴所收的具体载荷还不能确定，由于轴所受扭矩通常在轴的结构设计前已能求的，所以可根据轴所受扭矩估算轴所需直径。对于即受弯矩又受扭矩的轴，在轴的结构设计完成之前，通常不能确定支反力及弯矩的大小，这时只能近似的按扭转强度条件估算最小轴径，而用降低许用扭转剪应力的办法来补偿弯矩对轴的强度的影响1。轴受扭矩时的强度条件为 MPa （4.1）式中：轴的扭转剪切应力，MPa； T轴所受的扭矩，； 轴的抗扭截面模量，对于实心圆轴，； P轴所传递的功率，kW； n轴的转速，r/min； d轴的截面直径，mm； 许用扭转剪应力，MPa。由上式可推出轴的直径 （4.2）式中，为与材料和载荷情况有关的系数，其值可查机械设计手册：Q235-A20:158-135;45钢：135-106；40Cr、 35SiMn、42SiMn、38SiMnMo：106-97；1Cr18Ni9Ti：147-124式中P=120W；转速n200r/min。带入式4-2中可得d16应当指出，当轴上开有键槽时，应增大轴径以考虑键槽对轴的削弱 的影响，一般有一个键槽时轴径增大3，有两个键槽时增大7，然后 将轴径元整为标准直径。经元整后的轴径为17。即1段直径1=17，2=20，3=23。根据曲柄圆盘的后度为10可得L1=15，参考机械设计手册P505， 表15-25可得，小径为20的圆锥滚子轴承的型号为30204,其外形图及尺寸为：图4.2圆锥滚子轴承的外形图型号为30204的圆锥滚子轴承的尺寸为：d=20D=47T=15.25B=14=1 C=12 =12安装尺寸：=27 =26 =41 =43 =2 =3.5 =1由此可以确定L2=20；参考机械设计手册P581表17-17可得内径为20的牙嵌式离合器的基本参数。参考机械设计手册P181表7-2平键和键槽的剖面尺寸（GB/T 1095-2033）、普通平键的类型和尺寸（GB/T1096-2003）可得轴径d为 17-22mm的键和键槽的尺寸。键的公称标准尺寸：宽度b=6，高度h=6，C或r=0.25-0.4，长度L=14-70，此处选择键长度为10。键槽的公称标准尺寸：轴槽深t=3.5+0.10，毂槽深=2.8+0.10，半径r=0.16-0.25。参考机械设计手册P184表7-4可得导线平键的基本尺寸以及其上的螺栓孔的尺寸。由以上的牙嵌式离合器的长度以及导向键槽的基本尺寸可得L4=45。根据经验可选L3=12。（3）轴的强度计算作出曲柄摇杆机构的受力简图：图4.3曲柄摇杆机构的受力简图从图中可以看出曲柄轴所收的垂直于其的力R为一变力，并且此力R所产生的弯矩是一个大小和方向成周期性变化的弯矩，变化特性参数r=-1。计算扭矩T= （4.3）式中：P轴所传递的功率，kW； n轴的转速，r/min；计算可得T=48根据图4.3可以看出当曲柄运动到接近接近竖直方向时R最大此时R=430N.画出轴的受力简图图4.3轴的受力简图根据轴的受力简图简图可以计算出两个轴承反力R1和R2R1=2580NR2=700N作弯矩图图4.4弯矩图作扭矩图图4.5扭矩图作计算弯矩（当量弯矩）图图4.6计算弯矩图根据第三强度理论求出计算弯矩（当量弯矩），并作图（如上图），计算公式如下： （4.4）式中，是将扭矩折算为等效弯矩的折算系数，对于不同变化特性的扭矩，要取不同的值，对于对称变化的扭矩取=1,；对于脉动循环变化的扭矩，取0.6；对于不变的扭矩取0.3。可得 34.2校核轴的强度。在同一轴上各截面所受的载荷是不同的，设计计算时应针对某些危险截面（计算弯矩大而直径偏小的截面）进行强度计算 MPa （4.5）式中：W轴的抗弯截面模量，对于实心圆轴，可有设计公式 mm （4.6）轴的抗弯截面模量计算公式可查阅机械设计基础P456表11-4，危险截面处在L1段，L1段的抗弯模量W= （4.7）抗扭截面模量 （4.8） 可得W= 682.8 =1452.8 最后可得80MPa=250MPa，校验合格。4.2 离心特性计算 离心时被离心的物体所受重力场与离心力场。惯性离心力场与重力场比较重力场：立场强度：g方向：指向地心作用力：离心力场：立场强度：方向：沿旋转半径从中心指向外周作用力：本设计中离心部分的设计三维图如下图4.7离心部分三维结构图离心部分机构简图：图4.8离心部分机构简图图中的小方块代表了试管套和试管的组合体的质心，由于试管的规格不一，以及试管所装的溶液的重量不一，所以此组合体的质心不能确定，但是可以估算此质心的大体位置，由于试管所装的溶液的体积最多装试管体积的三分之一，所以取质心取在距离试管底的三分之一处，即L=120mm式中=180mm。R为试管架的半径，R=60mm设小方块的质量为m，试管与试管架主轴的夹角为 则小方块所受的离心力 （4.9）小方块所受重力G=mg （4.10）所以 （4.11）整理式（4-11）可得=2 （4.12） 可以看出是与相关的数值，的取值范围是0-5r/sec，可得的取值范围大约为0-。由于试管在静止时会停留在机架外套上边缘，此时的可以求出，静止时的离心结构尺寸图如下：图4.9静止时离心结构尺寸简图静止时的根据式4-11可以反推出的计算公式 （4.13） 代入数据可得rad/sec. 由此可以算出离心时电机的转速大于此转速时，才不会与机架发生干涉。4.3 复位弹簧的设计(1) 确定弹簧基本参数弹簧材料截面直径d=3mm弹簧中径D=10mm弹簧有效圈数n=8压缩弹簧自由高度30mm工作压力估算取F=100N(2) 计算弹簧载荷确定材料查机械零件设计手册第548页，表12-3得材料切应力公式： (4.14)式中：工作载荷（N）； 弹簧中径（mm）； 材料直径（mm）； 曲度系数； =1.14 旋绕比； MPa查机械零件设计手册第549页，表12-5，根据MPa，选择65Mn作为材料。(3) 完善弹簧参数查机械零件设计手册第549页，表12-4，硅锰钢切变模量G为MPa。弹簧变形量（最大）： mm (4.15)弹簧节距： mm (4.16)间距： mm (4.17)螺旋角： (4.18)取5材料展开长度： mm (4.19)式中：最大工作载荷作用下的弹簧变形量(mm)； 余隙，一般取（mm）； 切变模量（MPa）； 弹簧有效圈数；工作载荷（N）； 弹簧中径（mm）； 材料直径（mm）；5 零部件的三维设计5.1 机架的设计根据要求进行机架的设计。底座底座的设计方案如图5.1。底座是整个机构的构架，时整个机构的基础，需要有足够的承载面积，同时还要有足够的强度来承受整个机体的重量。利用Pro/E进行三维造型设计。图5.1底座结构设计图整个底座是用角钢拼接而成，上面加装一个平板，就构成了整个机构的承载面，角钢架拼接简单，并且强度高，性能好。（1）电机承载机箱 图5.2电机承载机箱结构设计图电机承载机箱箱体仍然用角钢拼接而成，上部加装平板，平板中间开孔、开槽与法兰式电机配合，所有连接处用螺栓连接。5.2 试管架结构的设计试管架是连接试管套的机构，其三维造型图如下：图5.3试管架结构设计图试管架的结构如上图所示，圆台上用铣床铣出一个圆柱形突起，上面再铣出8根长方形柱体，每个柱体上打出一个3mm的销孔，用来固定试管套。下面的轴与联轴器相连。5.3 试管套结构的设计 试管套是装试管装置，由于试管是玻璃制造的，所以不能承受高强度的冲击和振动，所以试管套的材质选择用铝，并且内层套上一层减震装置，可以选择用一层海绵或者橡胶。试管套的结构如下图：图5.4试管套结构设计图试管套端口两侧铣出两个平面，用来与试管架伸出的长方体柱体配合，并且这两个平面之间的距离应略小于两个长方形柱体之间的距离，这样可以使试管套在夹块中间自由摆动。两平面中间的长方形突起是用来连接减震偏的平台。5.4 弹簧减震片结构设计考虑到垂直扰动机构中的竖直打击块在于试管套发生碰撞时，由于试管套的壁厚比较薄，打击块直接碰撞到试管套套后，如果长时间如此的话，可能会使试管套变形，从而使试管的装夹出现困难。所以一定要设计一个减震装置，来保护试管套。减震装置的结构如下图：图5.5减震装置构设计图 减震片的平面与试管套的上平面用螺钉相连，当垂直敲击块打下来时，由于减震片存在，打几块不会直接敲击在试管套上，而是敲击在减震片上，减震片会产生一定变形量，从而能减轻冲击变形。5.5 主轴壳体设计 主轴的外壳体主要是用来固定主轴，以及与主轴所连接的轴承，三维设计图如下：图5.6主轴外壳设计图 由于试管套在开机或停机时与主轴外壳上边缘产生摩擦，所以把上边缘倒圆角，防止试管套被主轴外壳上边缘划伤。5.6 震荡机构机架设计震荡机构机架是用来承载整个震荡装置的载体，初步构想此机架放置在电机外壳上，三维设计图如下：图5.7震荡装置机架设计图由于此机架放置在电机机架上，所以机架的四个支柱在工作时不能被试管打到，所以要计算试管在离心时所能达到的最大直径，四个支柱所构成的矩形的对角线不能小于试管扫过的最大半径，否则将会出现危险。另一方面，还要保证试管在取放时可以自由的插入或拔出试管套，所以此支架要给用户留有足够大的操作空间，设计时在顶部无支撑区域留出足够大的空间以便用户能够方便的取出试管，并且边缘要倒圆角，防止手部在作业时被划伤。5.7 垂直扰动机构的设计本设计采用垂直扰动设计来实现离心震荡机的震荡功能，具体的三维设计图如下： 图5.8垂直扰动机构设计图此垂直扰动机构是由电机带动曲柄滑块机构运动，从而使垂直导杆上下往复运动，垂直导杆运动到下方时，会与试管套上的缓冲弹簧片发生碰撞，也就是图中最下面的黄色缓冲弹簧片。进而使试管上下摆动。同时由于竖直导杆长时间与机架上的导轨通道，也就是图中机架上突起的圆柱体不断发生摩擦，会使导杆的磨损相当严重，所以考虑在通道中增加一个铜制的套筒，也就是下图中所示的结构： 图5.9垂直导杆防磨损铜套设计图此结构如果磨损过度后，可以更换。5.8 离合器的设计本设计中的离合器是震荡功能中复位功能实现的重要一环，当离合器打开时电机轴即与曲柄摇杆机构中曲柄轴断开，竖直导杆上的弹簧就能自动复位，当离合器处于闭合状态时，电机主轴即与曲柄轴相连，从而就能实现震荡功能。离合器的三维设计图如下：图5.10离合器的三维设计图图中右边部分是可移动部分，与其相连的曲柄轴上安装有导向平键，平键与轴用螺钉相连，轴上相对分布两个滑行平键，另外曲柄轴上配合相对分布的圆锥滚子轴承，轴承外圈与机架相连。左边部分是不可移动部分，其与轴通过普通平键相连。右半边离合器可以通过拨叉由手动控制，当其处在右边时，两轴即分离，弹簧即可复位；当被拨于左边与左半部分联轴器相配合时，两轴即实现相连。5.9 整机的三维设计最终的整机Pro/E三维立体造型如下图所示：图5.11整机的三维设计图结 论通过对离心震荡机功能和结构的分析，制定了设备的总体设计方案。首先确定了电机与试管架支撑轴之间的连接，采用弹性联轴器，接着确定了试管架支撑轴用一个圆锥滚子轴承支持，原因由于试管架支承轴是竖直放置，轴向会承受工作平台很大的压力。本设计的难点是震荡功能的实现，现在市面上出售的离心机数量繁多，震荡机却是数量很少，而又要把立新结构和震荡结构组合在一起又是不容易的事情，在设计震荡机构时，通过指导老师的帮助以及自己的思考，构思了比较多的方案，最初，考虑到震荡一定要通过试管的上下震动来实现，所以考虑了机械方法，于是设计了在试管旋转轨迹上作出一个斜面，此斜面可以升降，当斜面升上时，试管经过斜面时会经过斜面有一个上下摆动。但是经过王飞雁老师指出，此设计会使试管套和试管架之间的连接销承受很大的扭矩，长时间的使用可能会使销发生疲劳断裂。所以果断的放弃了此方案。接着考虑用电磁的方法来实现，就是在试管转过的某区域内上下放置两块电磁铁，震荡时须使离心电机停机，通过控制电磁铁的通断，使试管上下摆动，电磁铁的作用区域不可能覆盖整个试管旋转区域，所以必须使电机停机后，试管挺立在其作用区域内，考虑到此功能难以实现，并且其造价比较高，所以最后否定了此方案。最终考虑出用现在设计说明书中的最终方案，此方案与前面两种方案相比，具有容易实现，造价低廉，安全可靠等诸多优点。但是由于时间的关系，以及本人能力有限，所以还有许多不足，以及可以改进的地方，比如离合器拨叉的设计，弹簧减震片的有限元另外还可以在外面加一个机壳，使外形更加美观等。致 谢在这里我要感谢我的导师王飞雁老师，是他让我了解到设计的真理，即：用最简单的设计达到最实用的效果！没有他的引导，我的毕业设计不可能那么顺利的完成，再次感谢王老师的教诲！在此我还要感谢我的同学，因为他们工作的帮助让我不至于和大家的进度相差太远。参 考 文 献1 崔泽实. 通用实验室离心机及其功能配置J. 医疗卫生装备, 2005,(09).2 宋宝玉. 简明机械设计手册. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社， 1998.3 赵风章,栗振宝. 超速离心技术的基本原理与应用J. 吉林大学学报(医学版), 1983,(06)4 机械设计手册联合编写组. 机械设计手册M. 第二版. 北京:化学工业出版社，19783 吴宗泽. 机械结构设计M. 北京:机械工业出版社，1988 4 单德杰. 浅谈化学实验中的离心技术J. 阜阳师范学院学报（自然科学版），1988（3）. 5 何学民. 浅谈超速离心技术在生物学中的应用J. 生物学通报, 1982,(06). 6 杨苏. 密度梯度离心技术的探讨J. 宁德师专学报(自然科学版), 1998,(04). 7 赵凤章. 密度梯度离心技术J. 吉林大学学报(医学版), 1987,(03). 8 刘春海,李跃辉,杨永华. 离心技术在中药研究中的应用J. 中成药, 2004,(01) 9 离心技术中几个符号的意义J. 生命的化学, 1983,(03).10 吴宗泽. 机械结构设计M. 北京:机械工业出版社，1988 11 王少怀. 机械设计师手册M. 北京: 电子工业出版社，2006，（8） 12 单德杰. 浅谈化学实验中的离心技术J. 阜阳师范学院学报（自然科学版），1988（3） 13 郑林庆. 摩擦学原理M. 北京: 高等教育出版社, 1994. 14 球宣怀. 机械设计M. 第四版. 北京: 高等教育出版社，1997.15 中华人民共和国国家标准. 滚动轴承代号方法（GB/T272-93）. 北京：中国标准出版社,1994.