S114型辗轮式混砂机刮板优化设计

单位代码 密 级 公 开 学 号 学士学位论文 S114型碾轮式混砂机刮板优化设计 论文作者：指导教师： 学科专业： 提交论文日期：论文答辩日期：学位授予单位：中 国 重 庆 2015 年 12 月毕业设计说明书提交日期 2016.4.20 地址：机电学院目 录摘要iAbstractii1绪论1 1.1课题的来源与研究的目的和意义2 1.2本课题研究的内容32蹍轮式混砂机的总体设计4 2.1辗轮式混砂机主要结构及工作原理6 2.2辗轮式混砂机总体方案设计73机械传动机构的设计8 3.1齿轮传动设计计算9 3.1.1按接触疲劳强度设计计算9 3.1.2有关参数修正10 3.1.3弯曲疲劳强度校核计算10 3.2高速级直齿圆柱齿轮的设计11 3.2.1选择齿轮材料12 3.2.2按齿面接触疲劳强度计算13 3.2.3校核齿根弯曲疲劳强度14 3.3低速级斜齿圆柱齿轮的设计15 3.3.1齿轮材料的选择16 3.3.2确定公式中个参数值17 3.3.3设计计算17 3.3.4校核齿面接触疲劳强度18 3.3.5校核计算19 3.3.6计算齿轮传动几何尺寸19 3.3.7齿轮结构设计及绘制齿轮零件图204辗轮式混砂机刮板的设计21 4.1蹍轮式混砂机刮板的形状的确定22 4.2辗轮式混砂机刮板材料的确定23 4.3辗轮式混砂机刮板的创新设计24结 论25致 谢26参考资料27I 摘要:机械工业是一个国家的重要产业，机械工业的发展无时不刻都在影响着国家经济的发展，人类的进步离不开机械工业的发展。在全球经济发展的大环境下，中国各个行业被其他国家的先进技术影响的同时，越来越多的外国企业和品牌传播到中国已经成为现实。在新的市场需求的推动下，对辗轮式混砂机刮板进行改良和优化是当务之急。生产辗轮式混砂机刮板的企业，必须充分考虑到在辗轮式混砂机刮板运行中可能出现的问题，尽量使辗轮式混砂机刮板的使用寿命越来越长，从而来减少不必要的成本的浪费，国内辗轮式混砂机刮板的研发及制造要与全球号召的优质耐磨、成本低廉主题保持一致。本次设计在题目是辗轮式混砂机刮板的优化设计，目前，国内辗轮式混砂机刮板的研发也在向朝着结构多样化、功能复合化、成本低廉化的方向发展。 关键词：机械产品 ; 辗轮式混砂机 ; 刮板 ; 制造 ; 主题 Abstract:Machinery industry is an important industry of a country, the development of the machinery industry has been affecting the development of the national economy, humans progress can not be separated from the development of the mechanical industry. In the global economic development environment, Chinas various industries are affected by the advanced technology of other countries at the same time, more and more foreign enterprises and brand spread to China has become a reality. Under the impetus of new market demand, it is urgent to improve and optimize the scraper of wheel type sand mixing machine. Production wheel rolling mixed sand scraper machine enterprises must give full consideration to the mixed sand scraper conveyor running in the rolling wheel, try to make the wheel rolling type mixed sand scraper machine service life have become more and more long, to reduce the waste of unnecessary costs and domestic wheel rolling mixed sand scraper machine R & D and manufacturing to theme, and call for a global high-quality wear-resistant, low cost consistent.The design in the title is rolling wheel sand mixing machine optimization design, at present, the domestic rolling wheel sand mixing machine research and development of the structure is also diversified, functional complex, low cost direction.关键词：机械产品 辗轮式混砂机 刮板 制造 主题 Key words: mechanical products ; wheel type sand mixing machine ; manufacturing ; theme第一章 绪论机械工业是国民的工业部，混砂机是铸造车间手工或机械化造型线各类型(芯)砂混制的专用设备。亦可用于耐火材料、化工、玻璃、陶瓷等行业混合粉粒状物料。本次的设计来源于生产实际，为保证铸造车间混制型砂及型砂、化工、轻工、建筑材料等行业中混制粉粒状物料的要求，设计混砂机的传动部分，要求达到如下目的：（1）综合运用机械和电器知识；（2）齿轮传动的设计；（3）轴的设计与校核；（4）混砂机总体结构的设计分析与计算。根据国内制造水平，混砂机减速机多采用圆锥+二级渐开线圆柱齿轮软齿面减速机，也有采用行星和摆线针轮行星减速机。目前，德国、美国、瑞士、日本等国家从S1110到S1130型混砂机减速机均采用圆锥+二级渐开线圆柱齿轮硬齿面减速机。这种减速机体积小，寿命长，可满足混砂机传动装置的要求，但存在以下问题：(1)结构复杂；(2)造价高；(3)难于制造，安装、调试要求高；(4)由于减速机为立式，圆柱齿轮为水平放置，难于润滑，必须配备润滑系统，因此，运行维护不便。辗轮式混砂机主要由辗压机构、刮板、传动装置、辅助装置等组成，其中传动装置是混砂机的心脏，是其重要部份之一。传动装置由电机、联轴器和减速机组成，电机一般采用Y系列四级电机。而设计减速机时，必须充分考虑混砂机的工作条件，如砂处理工部灰尘多，减速机一般安装在混砂机底盘下面，安装位置小，维修困难大等。减速机设计是否合理，制造和安装是否达到技术要求，对混砂机的使用效果关系极大。因此在设计时，除了满足传动比及承载能力等要求外，要全面地考虑制造、安装、使用和维修问题，力求做到技术上先进，经济上合理。减速机作为混砂机的主要传动机构，其性能的好坏直接影响混砂机的效率、混砂质量及混砂机各项技术性能的发挥。设计的参考方案有： A混砂机采用双辗轮。双碾轮混砂机具有辗压、搓擦和搅拌作用，型砂质量好；具有中等碾压力、中等圆周线速度；每只碾轮的重量是一次加料量的0.40.8倍宽碾轮，增加了单位时间辗压和搓擦的面积(单位宽度面积上碾压力也进一步降低）；出砂门尺寸加大，快速卸砂；一般采用回转雾化喷水装置、弹簧加减压机构。减少了设备体积，提高了生产效率，具有噪声低使用寿命长安装简便维修方便等优点2。B采用辗轮+中等速度的转子。在辗轮混砂机的基础上将其中的一个辗轮改为转子，同时利用刮板和辗轮、刮板和高速旋转的固定转子的双重作用，对物料进行混合、剪切和搓擦作用，使型砂质量进一步提高，同时也有松散作用。但这种混砂机结构较复杂，制造、维护都不如辗轮混砂机简单。C采用转子混砂机。无辗轮，完全利用高速转子强化撮擦，有松砂功能，高速、高效、高性能，以适应各种高压高速造行线的生产。转子混砂机是依靠高速旋转的转子及低速刮板的共同作用，将粘土高速剪切、撮擦并均匀涂覆在粒砂表面，其成膜速度比辗轮混砂机快1倍以上。适用于粘土砂的混制，尤其适用于潮模单一砂，也可用于普通水玻璃背砂的混制。但因其造价高，应用受到一定的限制。依据经济实用的原则和适用的场合综合考虑，决定采取第一种设计方案，即采用双辗轮混砂机构，设计立式减速机构。 1.1课题的来源与研究的目的和意义 我国生产的辗轮式混砂机结构简陋，混砂效率始终不高，虽然经过几十年的发展，近期产品的质量较早期有所提高。但受国产配套件质量及设计水平等的影响，我国目前生产的辗轮式混砂机的总体水平与进口产品及港口用户的要求仍有较大差距，辗轮式混砂机的生产也是如此，为满足市场需求，开发出一种新型的辗轮式混砂机势在必行！ 相信此种辗轮式混砂机的出现将会大大提高混砂效率和质量，为企业的生产的年产能方面，以及经济效益方面能够带来显著的进步，同时也在某种程度上推进了机械工业的不断发展。 随着国际标准化（SIO）的实施，世界辗轮式混砂机以采用新材料、新技术、新工艺、新结构为基础,19世纪80年代，美国的HUGER公司将新开发的辗轮式混砂机成功投入市场，经过几年的运行，为该公司创造了不菲的利润。继美国HUGER公司之后，德国的DESTO公司也看到了混砂机的利润所在，投入了相当大的人力和精力来开发研制混砂机，并且与二十世纪中期投入到了北美等市场。当前，全世界各大机械人厂商为了提高产品的竞争力，都大力进行辗轮式混砂机的研发工作。现在国外等著名辗轮式混砂机的品牌中，都有辗轮式混砂机的销售，全世界辗轮式混砂机的应用越来越广泛。有一点值得注意的是，辗轮式混砂机的市场，由最初的日本，欧洲，已经渗透到北美市场。 目前国外特别是美国正在考虑发展辗轮式混砂机的功率最大化，产能最优化的问题。自“九五”期间辗轮式混砂机的开发和研制已经被列入美国的重大科技攻关计划，以跟踪世界技术的发展和开发适合美国机械工业发展的辗轮式混砂机。目前辗轮式混砂机容易出现故障的核心问题在于它的刮板的设计和材料的选取以及强度的校核部分，多年来，各大辗轮式混砂机生产企业都着重对辗轮式混砂机的刮板进行优化设计和改良，传统的辗轮式混砂机刮板的产品图如下图1、图2所示： 图1 图2 1.2本课题研究的内容 本次设计主要针对蹍轮式混砂机刮板进行设计，从蹍轮式混砂机的整体方案出发，然后具体细化出具体内部结构，其具体内部结构主要包括以下几个方面：（1）通过网络和图书馆查找各种关于蹍轮式混砂机的相关资料，对蹍轮式混砂机刮板进行方案的比较和预定。（2）分析蹍轮式混砂机刮板的结构与参数（3）确定设计总体方案（4）确定具体设计方案（5）蹍轮式混砂机图纸的绘制。（6）说明书的整理第二章 蹍轮式混砂机的总体设计 2.1辗轮式混砂机主要结构及工作原理该机由机体、传动机构、混辗机构三大部分组成。机盘由机盆、出砂门、手动杆等组成。围圈与底盆螺钉紧固在一起形成混制型砂的机盆。内圈圆角铁底板在磨损以后可拆开螺栓更换新的。混制好的型砂由此门卸出，它由手动杆来完成。电动机由刚性联轴器与减速器输入联接，经过三级变速由输出轴即主轴带动十字头做逆时针旋转。紧固在十字头上的曲臂、辗轮、内外刮砂板随同十字头一起回转而辗轮还同时绕辗轮轴自转。为三级传动的减速器，固定在混砂机底盘上。由电动机借助刚性联轴器带动两锥齿轮完成第一级传动，再通过齿轮轴齿轮和另一齿轮的啮合带动另外一对斜齿轮完成第三级传动。齿轮箱侧壁装有长形油标，用来观察注入减速箱内油面的高低。混辗机构装在传动机构的主轴上，在主轴上装置着该机构的十字头，在十字头两边装有两个曲臂拖动的两个辗轮，内外刮砂板也均装在十字头上。型砂的辗压、搓揉全靠此部分的重量给型砂以压力来完成的。辗轮借以辗轮轴联接在曲臂上，曲臂轴又将曲臂和十字头连接在一起，当十字头转动时带动辗轮一起绕主轴回转，由于和型砂的摩擦辗轮也做自转。曲臂可绕曲臂轴转动，以便辗轮可随砂层厚度的变化自由起落。辗轮与底板保持一定间隙，由调节螺栓来控制，以免辗碎型砂。刮砂板的作用是在混制型砂时，将型砂搅和并聚集在辗轮之下，卸料时将型砂刮至出砂门卸出，内刮砂板和外刮砂板由刮砂板臂紧固在十字头上。 2.2辗轮式混砂机总体方案设计本次设计的题目是S114型辗轮式混砂机刮板的优化设计，通过查找相关设计资料和对S114型辗轮式混砂机进行市场调研，确定了该S114型辗轮式混砂机的总体方案，具体方案图如下图所示：第三章 机械传动机构的设计 3.1 齿轮传动设计计算1初步计算（1）材料选择 因传动尺寸无严格限制，批量较小，故小齿轮用40Cr(调质），硬度241HB286HB，平均取为280HB，大齿轮用45钢（调质），硬度229HB286HB,平均取为240HB。选齿轮精度为7级。（2）节锥角的计算 （3.11） （3.12） （3.13）由文献2表可知， （3.14）式中，齿顶高系数，。取小齿轮齿数， （3.15） 取大齿轮齿数。（3）根据工作条件的要求，大端模数为 （3.16）（4）齿轮分度圆的直径 mm （3.17） mm （3.18）（5）锥距 mm （3.19） （6）齿轮齿顶、齿根圆直径由文献3表可知，齿顶高mm （3.20）齿顶圆直径mm （3.21）mm （3.22）齿根高mm （3.23） 齿轮基圆直径 mm （3.24） mm （3.25）（7）齿宽由文献2表可知， mm （3.26）（8）节圆周速度 m/s （3.27） 3.2 高速级直齿圆柱齿轮的设计 3.2.1 选择齿轮材料考虑到该减速器功率不大，故大小齿轮都选用45钢，调质处理，齿面硬度分别为220HBS、260HBS，属软齿面闭式传动，载荷平稳，齿轮速度不高，初选7级精度，小齿轮齿数，大齿轮齿数，取。按软齿面非对称安置查表6.5，取齿宽系数 3.2.2 按齿面接触疲劳强度计算 （5-5）A. 确定公式中各参数a. 载荷系数Kt 初选 Kt=1.5b. 小循环传递转矩 T1 T1=298.82103 c. 材料系数 ZE d. 小、大齿轮的接触疲劳强度极限Hlim1、Hlim2按齿面硬度，查得：， e. 应力循环次数f. 按接触疲劳寿命系数 KHN1、KHN2查得：KHN1=0.90，KHN2=0.95g. 确定许用接触应力 H1、H2取安全系数 SH=1B. 设计计算a. 试计算小齿轮分度圆直径 d1b. 计算圆周速度 vc. 计算载荷系数 K查得：使用系数KA=1，根据v=2.19 m/s,7级精度查得：动载荷系数Kv=1.05，查图得：K=1.15则d. 校正分度圆直径 d1C. 计算齿轮传动的几何尺寸a. 计算模数 按标准取模数m=4b. 两分度圆直径 d1、 d2c. 中心距 a d. 齿宽 be. 齿高 h 3.2.3 校核齿根弯曲疲劳强度 （4-6）A. 确定公式中各参数值a. 小、大齿轮的弯曲疲劳强度极限Flim1、Flim2查取 Flim1=240 Mpa Flim2=220 Mpab. 弯曲疲劳寿命系数 KFN1、KFN2取 KFN1=0.84 KFN2=0.89c. 许用弯曲应力 F1、F2取弯曲疲劳安全系数SF=1.4，应力修正系数YST=2.0,得d. 齿形系数YFa1、YFa2和应力修正系数YSa1、YSa2查得：YFa1=2.69 YFa2=2.16YSa1=1.575 YSa2=1.81f. 计算小、大齿轮的与，并加以比较，取其中大值代入公式计算：小齿轮的数值大，应按照大齿轮校核齿根弯曲疲劳强度。B. 校核计算F1=74.65F1弯曲疲劳强度足够。C小、大齿轮的结构设计及绘制齿轮零件图6，7，8，9大齿轮：齿顶圆直径大于500，故选用轮辐式结构，结构尺寸按推荐公式计算，大齿轮零件工作图见图6-3。图4-3 大齿轮 3.3 低速级斜齿圆柱齿轮的设计 3.3.1 齿轮材料的选择 考虑此减速器要求结构紧凑，故小、大齿轮均用40Cr调质处理后表面淬火。因载荷平稳、齿轮速度不高，故初选7级精度，闭式硬齿面齿轮传动，考虑传动平稳，齿数宜取多些，选Z1=25,Z2=3.2825=82。按硬齿面齿轮，非对称安装，选齿宽系数d=0.8；初选螺旋角，按齿根弯曲疲劳强度设计。 3.3.2 确定公式中个参数值 （4-7）A. 载荷系数 Kt 初选 Kt=1.5B. 小齿轮传递的转距 T1=1534.49103 C. 小、大齿轮的弯曲疲劳强度极限 Flim1、Flim2查图6.9得：Flim1=Flim2=380 D. 应力循环次数E. 弯曲疲劳寿命系数查得：KFN1=0.89 KFN2=0.92F. 计算许用弯曲应力取弯曲疲劳安全系数 SF=1.4，应力修正系数 YST=2，则G. 查取齿形系数和应力校核系数根据当量齿数由表查取齿形系数和应力校正系数YFa1=2.58 YSa1=1.598YFa2=2.205 YSa2=1.777H. 计算小、大齿轮的，并加以比较 故按小齿轮进行齿根弯曲疲劳强度设计I. 重合度系数Y及螺旋角系数Y取Y=0.7， Y=0.86 3.3.3 设计计算a. 试计算齿轮模数mnt b. 计算载荷系数查得KA=1，根据V=0.393 m/s,7级精度，查得：KV=1.07；斜齿轮传动取K=1.2；查得K=1.23,则载荷系数 3.3.4 校核齿面接触疲劳强度 m=3,Z1=41,Z2=74, 两齿轮材料均选用45,表面淬火，4855HRC。 查得：预期齿轮寿命5年，每天工作12小时，工作载荷为轻微冲击，则查机械设计基础图，得：(1)验算齿面接触疲劳强度载荷系数，取K=1.5 查得： 接触应力为：(2)验算齿根弯曲疲劳强度取 K=1.5查表：许用弯曲应力：弯曲疲劳强度的最小安全系数，取则：由上述计算可知，均满足要求。 3.3.6 计算齿轮传动几何尺寸a. 中心距a圆整为a=330 mmb. 螺旋角=c. 两分度圆直径 d1、d2d. 齿宽 b1、b2取3.3.7 齿轮结构设计及绘制齿轮零件图大齿轮：齿顶圆直径大于400 mm但小于1000 mm，故选用轮辐式结构，结构尺寸按荐用公式计算。图4-4 大齿轮第四章 辗轮式混砂机刮板的设计 4.1蹍轮式混砂机刮板的形状的确定 混砂机的碾盘底板、碾盘外圈均加防磨护板提高碾压、磨削物料效果和整机的使用寿命。碾轮在碾盘上的高度可以自动调节，当遇到难以碾碎的物料和过厚的料层时碾轮自动升起以保安全。用途：铸造车间混制型芯砂等，可用于玻璃、陶瓷、化工、建材、型等行业颗粒或粉状物料的混制。根据刮板的用途，我们确定优化设计后的刮板的产品零件图如下图所示：4.2辗轮式混砂机刮板材料的确定 辗轮式混砂机的刮板的作用是用来刮砂用的，由于长时期运作，其材料固有的耐磨性能就决定了该 辗轮式混砂机刮板的使用寿命和刮砂质量，故通过查询相关的材料力学方面的资料，选择20Cr作为该刮板的材料，然后通过调质处理来提高它的耐磨性能。4.3辗轮式混砂机刮板的创新设计 传统的刮板如文章上面的图片所示，本次设计的刮板采用的创新后的接头，通过螺栓使刮板固定在辗轮式混砂机的内部，这样的好处是一可以方便调整刮板的角度，二是当刮板到了一定的使用寿命需要更换的时候。只需要拧开螺丝就可以了，这样一来使得刮板的更换变得方便、快捷。结论 通过本次毕业设计，使我们充分把握的设计方法和步骤，不仅复习所学的知识，而且还获得新的经验与启示，在各种软件的使用找到的资料或图纸设计，会遇到不清楚的作业，老师和学生都能给予及时的指导，确保设计进度，本文所设计的是S114型辗轮式混砂机刮板的优化设计，通过初期的方案的制定，查资料和开始正式做毕设，让我系统地了解到了所学知识的重要性，从而让我更加深刻地体会到做一门学问不易，需要不断钻研，不断进取才可要做的好，总之，本设计完成了老师和同学的帮助下，在大学研究的最感谢帮助过我的老师和同学，是大家的帮助才使我的论文得以通过。参考资料：1 颉建新.采用平面二次包络环面蜗杆传动的S1120辗轮式混砂机J. 中国铸造装备与技术,2001,(1):44-46.2 徐锦康主编. 机械设计M.北京：高等教育出版社，2004、4.3 李柱国主编. 机械设计与理论M. 北京：科学出版社，2003（21世纪高等院校教材）.4 徐灏主编. 新编机械设计手册.下册M.北京：机械工业出版社，1995.5 岑军健主编.新编非标准设备设计手册.上册M.北京：国防工业出版社，1999，1. 6 成大先主编. 机械设计手册.单行本.减（变）速器电机与电器M. 北京：化学工业出版社，2004.7 王旭，王积森主编. 机械设计课程设计M. 北京工业出版，2003.8.8 徐灏主编. 新编机械设计手册.上册M. 北京:机械工业出版社,1995.9 周开勤主编. 机械零件手册（第5版）M.北京：高等教育出版社，2001（2002重印）.10 张国玲.混砂机弹簧加压机构的设计改进J.铸造（FOUNDRY），Vol.52，No.6， Jun.2003: 442-444.11 刘天平，王爱丽.选用S 114系列混砂机的体会J铸造工程(造型材料), 2005， 101(2): 38-39.12 宋伟，盛坚.112型混砂机主轴结构的改进J一重科技，2005，104（2）: 3-4.13 周松流，熊晗，陈红兵.TM160-45高速转子混砂机的应用J内燃机配件，2001(5):6-8.14 郑明忠，姜树斌进口混砂机用单螺杆偏心螺旋转子泵J中国铸造装备与技术，2000，3：40-41.致谢：在此论文完成之际，我的心里感到特别高兴和激动，在这里，我打心里向我的导师和同学们表示衷心的感谢！因为有了老师的谆谆教导，才让我学到了很多知识和做人的道理，由衷地感谢我亲爱的老师，您不仅在学术上对我精心指导，在生活上面也给予我无微不至的关怀支持和理解，在我的生命中给予的灵感，所以我才能顺利地完成大学阶段的学业，也学到了很多有用的知识，同时我的生活中的也有了一个明确的目标。知道想要什么，不再是过去的那个爱玩的我了。导师严谨的治学态度，创新的学术风格，认真负责，无私奉献，宽容豁达的教学态度都是我们应该学习和提倡的。通过近半年的设计计算，查找各类S114型辗轮式混砂机的相关资料，论文终于完成了，我感到非常兴奋和高兴。虽然它是不完美的，是不是最好的，但在我心中，它是我最珍惜的，因为我是怎么想的，这是我付出的汗水获得的成果，是我在大学四年的知识和反映。四年的学习和生活，不仅丰富了我的知识，而且锻炼了我的个人能力，更重要的是来自老师和同学的潜移默化让我学到很多有用的知识，在这里，谢谢老师以及所有关心我和帮助我的人，谢谢大家。另外也感谢我的父母，朋友和同学们的帮助。在做设计感觉受挫，枯燥与迷茫时，是他们在悉心的为我释放压力，鼓励我不要气馁，勇敢面对。每周一次和父母的通话，与朋友和同学的长谈后都使我精神放松，斗志倍增，以饱满的热情重新投入到工作中去，感谢他们，正是他们的不懈支持和充分理解才能使我顺利完成毕业设计。第 19 页 共 23 页