軟磨料磨損試驗機三維設計

-III-學士學位畢業(yè)設計(論文)軟磨料磨損試驗機三維設計

摘要本文設計軟磨料磨損試驗機，從刀片的材料和材料加工工藝入手，對不同材料、不同結(jié)構(gòu)、不同加工工藝的刀片耐磨性進行研究。本文的目的就是為了在不同的轉(zhuǎn)速、不同的作用力和不同的磨料的作用下，進行磨料磨損的三維實驗，具體如下：在投料處設計上下兩個投料箱，上箱中間安有隔板可選用同種或不同種的軟磨料進行測試，下箱通過電機帶動攪拌棒進行混料，將傳動裝置設計成結(jié)構(gòu)簡單的帶輪傳動，通過帶輪將動力輸送給從動軸上的橡膠輪，軸的一端和中間用支架支撐，中間安裝圓錐滾子軸承和擋油環(huán)。通過氣壓系統(tǒng)完成被測材料的進給，并且可以通過手搖裝置實現(xiàn)更換被測材料，完成磨損測試試驗。關(guān)鍵詞：軟磨料；橡膠輪；刀片；磨損；試驗機

AbstractInthispaper,asoftabrasiveweartestingmachineisdesigned.Startingwiththematerialandmaterialprocessingtechnologyoftheblade,thewearresistanceofthebladewithdifferentmaterials,differentstructuresanddifferentprocessingtechnologyisstudied.Thepurposeofthispaperistocarryoutthree-dimensionalexperimentsofabrasivewearunderdifferentrotatingspeeds,differentforcesanddifferentabrasives.Thedetailsareasfollows:Theupperandlowerfeedingboxesaredesignedatthefeedingplace.Apartitionisinstalledinthemiddleoftheupperbox,andthesameordifferentkindsofsoftgrindingmaterialscanbeselectedfortesting.Thelowerboxdrivesthemixingrodtomixthematerialsthroughthemotor.Thetransmissiondeviceisdesignedasabeltpulleytransmissionwithsimplestructure.Thepoweristransmittedtotherubberwheelonthedrivenshaftthroughthebeltpulley.Oneendandthemiddleoftheshaftaresupportedbyasupport,andthetaperedrollerbearingandoilretainingringareinstalledinthemiddle.Thefeedingofthetestedmaterialiscompletedthroughthepneumaticsystem,andthetestedmaterialcanbereplacedthroughthemanualdevicetocompletetheweartest.Keywords:softabrasive;Rubberwheel;blade;Wear;testingmachine

目錄摘要 IAbstract II前言 IV第一章緒論 11.1磨料磨損的概述 11.2磨損試驗機的研究現(xiàn)狀 21.3磨料磨損試驗機發(fā)展前景 3第二章方案設計 52.1試驗機總體設計介紹 52.2選用電動機的選擇原則 62.3傳動機構(gòu)的選擇與計算 72.4V帶選擇以及計算 92.5帶輪結(jié)構(gòu)設計 142.6從動軸的設計 162.7聯(lián)軸器的選擇 172.8鍵的選擇 182.9滾動軸承的選擇、計算和校核 202.10蝸輪蝸桿的設計計算 22第三章氣壓系統(tǒng)設計 273.1氣壓傳動的發(fā)展和特點 273.2氣壓傳動的工作回路 27第四章有限元分析 304.1有限單元的分析方法 304.2關(guān)鍵部件的應力分析 30結(jié)論 32參考文獻 33致謝 34附錄 35前言磨損是一種最基本的失效形式，它是指零件的幾何形狀縮小，使其失去原來的設計功能，這就是所謂的故障。失效指的是完全失去原有的功能，性能下降，存在重大損害或潛在危險，持續(xù)使用將喪失可靠性和安全性。摩擦學中的磨料磨損是指物體表面與硬質(zhì)顆?；蛴操|(zhì)凸出物（包括硬金屬）相互摩擦引起表面材料損失的現(xiàn)象。磨料磨損是因為一個表面堅硬的突起部與另一個面接觸，或兩個磨面間有硬質(zhì)粒子，或該微粒嵌于兩個磨面的一面，當兩個面發(fā)生相對移動時，兩個面的某一面的物料會產(chǎn)生位移。關(guān)于磨料磨損分類，有四種分類方式：第一種，鑿削式磨料磨損，粗糙磨料在磨具上產(chǎn)生大量的微粒。當大量物料被運輸或粉碎時，這些磨損往往會產(chǎn)生高應力。如顎式破碎機中的齒板、輾輥。第二種，高應力碾碎式磨料磨損，磨料在兩個工作面之間相互擠壓、磨擦，將磨料磨碎為更小的碎塊，其整體負荷可能很低，但局部應力很大。例如磨棒、磨球、襯板、輥子等。第三種，低應力擦傷磨料磨損，疏松的研磨材料在表面上自由滑動，不會造成研磨材料的斷裂。如犁頭、料倉、漏斗、料車等犁地和運輸工序。第四種，沖擊磨料磨損，磨料（一般為塊狀）在物料的表面上垂直或傾斜，與沖刷磨損類似，但是局部應力更大。例如在破碎機上的一個滑道或一個錘頭。然而造成磨料磨損的影響因素中有金屬材料硬度，磨料的硬度，磨料顆粒的大小，金屬冷卻硬化及沖擊條件。目前社會工業(yè)生產(chǎn)正處于快速發(fā)展的時期，隨著冶金、電力以及工程機械等行業(yè)的發(fā)展，人們對磨損危害的認識有了相當?shù)奶岣?。?jù)估計，世界上的能源消耗中約有1/3～1/2是由于摩擦和磨損造成的，在普通的機器設備中，大約80%的部件會因為磨損而損壞。在使用機器設備時，會產(chǎn)生磨損，而磨料磨損是最普遍的一種，在生產(chǎn)生活中經(jīng)常發(fā)生磨損，根據(jù)統(tǒng)計，在全行業(yè)中，磨料磨損所導致的損耗約為50%。農(nóng)作物秸稈資源的開發(fā)和利用對于國家和人民很重要，在生產(chǎn)過程中，稻草會影響到機器的能源的消耗，這也會導致刀片的材料消耗，從而影響到稻草的品質(zhì)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，軟磨料與硬磨料的摩擦作用其實是相對的，其耐磨性能不僅由其本身的硬度決定，而且還與其硬度Hm與磨料硬度Ha之比有關(guān)，當Hm/Ha大于1.3時，通常將其稱為“軟磨料磨損”。磨料磨損對人類的生產(chǎn)、社會生活造成了很大的影響，甚至危及到了人類的生命和財產(chǎn)。因此研究軟磨料磨損機理，提高機械設備的使用壽命和性能，對軟磨料的磨損問題進行深入的研究，不僅有利于經(jīng)濟的發(fā)展，也有利于社會的生產(chǎn)和經(jīng)濟的發(fā)展。

第一章緒論1.1磨料磨損的概述摩擦學是一門綜合性的科學，包括摩擦學、材料學、材料力學、材料工程、工程化學等，摩擦學三大主題包括摩擦、磨損和潤滑。當前，進行磨料磨損試驗主要是為了了解被測材料在各種磨料情況下的磨料磨損情況，從而了解其特性。因此，對材料性質(zhì)的影響可以從磨料磨損試驗中得到。由于磨料的磨損是由多種因素引起的，其機理和現(xiàn)象也是各不相同，而試驗所用的機器種類也各不相同。在磨料磨損試驗中，要精確地記錄磨料磨損過程中的數(shù)據(jù)，磨料磨損的測量技術(shù)和資料分析是機械設備效率、機械設備與摩擦之間關(guān)系的重要因素，磨損會使機械的工作性能下降，使其可靠性下降，并使設備提前報廢。零件的磨損過程，大致可分為三個階段；主要分為跑合磨合階段、穩(wěn)定磨損階段和嚴重磨損階段。(1)在跑合磨損階段新的摩擦副在運轉(zhuǎn)早期，由于對偶面的表面粗糙度大、實際接觸面積小、接觸點數(shù)少、大部分接觸點面積大、接觸點粘附嚴重。在跑合磨損階段，為了避免摩擦副的損壞，通常采取空載和低速運行；為了減少跑動時間，也可以采用含添加劑和固體潤滑劑的潤滑材料，以便在高負荷和高速度下進行跑合。跑步結(jié)束后，要進行清洗，并更換新的潤滑油。(2)穩(wěn)定磨損階段在此階段，磨損速度較慢，磨損速率較大，屬于一般工作狀態(tài)，圖1-1中相應的橫坐標就是摩擦副的耐磨壽命。(3)劇烈磨損階段在長期穩(wěn)定磨損后，摩擦副之間的空隙和表面形態(tài)發(fā)生變化，并產(chǎn)生摩擦副的表面疲勞，使得摩擦副的磨損率急劇增加，從而降低機械效率，降低精度，產(chǎn)生異常振動和噪聲，摩擦副溫度迅速上升，最后造成摩擦副失效。在跑合和穩(wěn)定磨損階段，沒有發(fā)現(xiàn)有顯著的磨損。當表面超過了疲勞的限度，就會出現(xiàn)嚴重的磨損，而滾動軸承就是其中之一。跑合磨損階段的磨損速度比較快，進入穩(wěn)定磨損階段以后，在很長一段時期內(nèi)幾乎沒有磨損，沒有出現(xiàn)顯著的嚴重磨損。特別堅硬的物料（例如工具等）的磨損都是此類，一些摩擦副的磨損，從一開始就有了加速磨損，比如氣門的磨損。在穩(wěn)定磨損階段，摩擦狀況維持不變，這一階段表示部件的使用壽命。在長期的摩擦下，工件的表面會出現(xiàn)損傷，兩個相對移動的表面間隙增大，同時也會引起更大的動態(tài)負荷、噪聲和振動。在這樣的條件下，潤滑狀況不能很好的維持，摩擦副的溫度升高迅速，機械裝置的磨損率也隨之大幅提高。圖1-1材料的磨損與工作時間的曲線（磨損曲線）Fig.1-1curvebetweenmaterialwearandworkingtime(wearcurve)1.2磨損試驗機的研究現(xiàn)狀磨料磨損實驗旨在了解磨料的磨損現(xiàn)象和性質(zhì)，以準確地評估各種因素對磨料磨損特性的影響，以求出滿足使用需求的最佳磨具參數(shù)。磨料磨損實驗的研究范圍很廣，包括對磨損與潤滑的機制、影響因素、新的耐磨、減磨、摩擦材料、潤滑劑等。磨料磨損是一項非常復雜的工作，其磨損情況也不同，測試手段和設備多種多樣，因此，如何準確地獲得磨料磨損的參數(shù)是一個非常有意義的問題。磨料磨損試驗機是一種非常有用的測試裝置，它可以幫助研究和檢驗機械工程中的磨損問題及其影響因素。磨損試驗機是一種重要的工業(yè)設備，它的存在直接影響著企業(yè)的生產(chǎn)、科研工作。在實際應用中，磨損試驗機是保證各類機械、交通工具、船舶、建筑物等的合理設計和使用的關(guān)鍵。因此，在進行工程設計時，應依據(jù)其力學特性選擇適當?shù)牟牧?，以達到經(jīng)濟、安全、可靠的目的。否則，會造成資源的浪費，或引起重大的意外。國外的磨損測試設備、拉伸測試設備，可分為三大類：機械、液壓、電動三大類。另外，根據(jù)其它特性，也可劃分為高溫、低溫、大、小、自動化等。機械式磨料磨損試驗機中的加荷機構(gòu)、測力機構(gòu)通常都是由機械驅(qū)動機構(gòu)來完成。該試驗機的工作精度高，工作穩(wěn)定。但是，由于測力機構(gòu)具有很大的慣性，使得載荷的加載速率有一定的局限性。液壓磨損試驗機，采用液壓驅(qū)動進行載荷測試。與機械萬能試驗機相比，它具有負載均衡、負載均衡、加載速率可任意調(diào)整的特點。電子摩擦測試和電子拉伸測試設備是當今世界上最重要的兩種技術(shù)。它是一種新的磨料磨損測試設備，它把電子技術(shù)用于測試機械載荷和變形系統(tǒng)，并對其進行準確的測試和記錄。磨料磨損試驗機用于評定材料的磨損機理和測定材料的摩擦系數(shù)，并可模擬各種材料在干摩擦、濕摩擦、磨料磨損等不同工況下磨損試驗。1.3磨料磨損試驗機發(fā)展前景近十年來，由于對材料性能的本質(zhì)精確度越來越高，自動化技術(shù)、虛擬儀器等技術(shù)的飛速發(fā)展，使其在實際生產(chǎn)中得到了快速的發(fā)展。能運用電腦技術(shù)進行控制，測量，數(shù)據(jù)分析和研磨；因此，對磨損試驗機進行了測量與控制。磨料磨損試驗機是用于測量各種物料的性能指標的儀器，它用于各種物料的質(zhì)量檢驗、生產(chǎn)過程質(zhì)量控制、材料科學和教學實驗等方面的試驗。而在磨損試驗機上進行的拉伸、壓縮、彎曲和剪切試驗尤其普遍。如果對其指示、記錄系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行恰當?shù)募夹g(shù)改造，將會使儀器的技術(shù)性能和應用價值得到極大的提升，從而為材料的研究、質(zhì)量控制和實驗教學服務。常規(guī)磨料磨損試驗機采用液壓驅(qū)動，該試驗裝置有一定的缺陷。該系統(tǒng)通過油泵將燃油輸送到液壓油缸，并由流量調(diào)節(jié)閥來控制。油泵、測力油缸的液壓系統(tǒng)易出現(xiàn)故障，不僅會影響到測試設備的正常使用和測試質(zhì)量，還會增加維護工作的繁重；其油壓夾具的鉗口底座較為沉重，易受損傷；用擺式測力儀進行測試，結(jié)果表明，擺錘的慣性較大，對負載的測量精度較差，而且量程較窄。電子磨料磨損試驗機具有閉環(huán)的應力、應變和位移控制能力；實驗中不需要選定測量范圍，可以實現(xiàn)全流程的自動化控制；該系統(tǒng)具有很好的性能，可以直接將數(shù)據(jù)存儲在PC上，計算并輸入測試結(jié)果，并打印出實驗報告。通過計算機對整個測試流程進行控制，確保了測試的質(zhì)量。電子磨損試驗機是將現(xiàn)代電子技術(shù)和先進技術(shù)有機地結(jié)合起來的一種大型精密試驗設備，充分發(fā)揮了機器和電氣技術(shù)的各自優(yōu)勢，具有較高的技術(shù)含量和設計方法。應用分布式技術(shù)，充分發(fā)揮了計算機的功能，實現(xiàn)了多種功能的組合管理和控制，實現(xiàn)了多種功能的測試。雖然磨料磨損試驗機的發(fā)展現(xiàn)在有很大發(fā)展，但在某些領(lǐng)域仍有很大的進步空間。例如，飛機等航空航天的機械，它內(nèi)部機械零件經(jīng)常工作在高空甚至真空的環(huán)境中。其工作是處于極端的溫度條件，并且經(jīng)常高負荷的運行。如何在現(xiàn)實中模擬出這種惡劣的工作環(huán)境進行磨料磨損測試仍然是困難所在。國內(nèi)有幾臺磨料磨損試驗機，專門用于這種特殊的試驗，但還在摸索中，不能用于實際生產(chǎn)。我認為，今后的摩擦磨損試驗機將會在下列方面發(fā)展：(1)使用一種高效率的機器及電機。該高性能電機具有高速調(diào)整比、高穩(wěn)定、無級變速等特點，可優(yōu)化電機的機械結(jié)構(gòu)，降低磨損量，延長機器部件的使用壽命。機械設備的安全性、可靠性得到了提高。例如伺服電機、變頻電機。(2)應用于高精度的測量與控制系統(tǒng)及資料處理系統(tǒng)。采用各種高精度的傳感器及可編程控制器，實時、精確地獲取多個信號，并利用閉環(huán)反饋調(diào)整系統(tǒng)，可以動態(tài)地設置磨料磨損試驗機的運行方式和運行參數(shù)。(3)多元化的試驗體系。在今后的發(fā)展中，將會有各種各樣的多用途測試設備，用于測試各種金屬材料和非金屬材料（尼龍、塑料）在滑動、滾動、復合摩擦、間歇摩擦等情況下的摩擦特性，并可以對各種材料在不同摩擦情況下進行濕摩擦、干摩擦、磨料摩擦等進行測試，從而測量出各種材料的摩擦因數(shù)。同時實現(xiàn)多種信號的同時原位檢測如摩擦力、載荷力、在線磨損深度以及在線三維形貌（磨損深度、寬度、體積、粗糙度等）等。

第二章方案設計2.1試驗機總體設計介紹該軟磨料磨損試驗機主要是由主動部分和手動部分兩部分組成。如圖2-1所示，主動部分主要包括驅(qū)動電機，帶輪，傳送帶，傳動軸，聯(lián)軸器，支架，軸承，螺栓，氣缸，橡膠輪，滑臺等。手動部分主要包括手柄，蝸輪，蝸桿，螺母，圓盤等。在主動部分上電機軸的伸出端通過小帶輪帶動大帶輪中間用皮帶連接，大帶輪安裝在從動軸上，中間安裝橡膠輪，在一端和中間用支架支撐，軸承安裝在支架上，對從動軸起固定和支承作用；測試所需的軟磨料從上投料箱倒入，漏入下投料箱中，通過電機帶動攪拌棒對投入的軟磨料進行攪拌混合，可選用同種軟磨料或不同的軟磨料。通過氣缸的進給推動滑軌滑臺，滑臺上的轉(zhuǎn)臺通過手搖裝置帶動蝸輪蝸桿的轉(zhuǎn)動，帶動圓盤旋轉(zhuǎn)，平面圓盤旋轉(zhuǎn)帶動測試材料支架的旋轉(zhuǎn)。圖2-1軟磨料磨損試驗機總體結(jié)構(gòu)Fig.2-1overallstructureofsoftabrasiveweartestingmachine1-底座2-機架3、10-電機4-帶輪5-橡膠輪6-支架7-軸承8-上投料箱9-下投料箱11-聯(lián)軸器12-攪拌棒13-氣缸14-滑臺15-被測材料16-接料箱整體中的設計由三個部分組成。第一部分：選擇YD90S-4型電機，驅(qū)動普通V帶進行傳動。第二部分：小帶輪在電機的作用下進行旋轉(zhuǎn)，大帶輪在V帶驅(qū)動下作旋轉(zhuǎn)，再將旋轉(zhuǎn)運動傳至從動軸上的橡膠輪，由裝料箱注入軟磨料，通過電機帶動攪拌棒對投入的軟磨料進行攪拌混合，橡膠輪對被測金屬進行磨損試驗。第三部分：對進行磨料磨損試驗的物料，采用螺栓，壓板等進行緊固。本次設計的重點是對整體結(jié)構(gòu)進行分析，并根據(jù)力學原理、機械傳動等方面的知識，對整臺設備進行整體設計，繪制裝配圖、零件圖。最終達到了設計規(guī)范的整理和計算，并完成了整個設計。2.2選用電動機的選擇原則2.2.1選擇要求(1)根據(jù)機器負載和系統(tǒng)運行需要，選用與系統(tǒng)功能相適應的電機。這樣，就可以在生產(chǎn)過程中，達到一系列的機械系統(tǒng)需求。(2)保護機械周圍環(huán)境的電動機，滿足冷卻形式的需要。另外，電機的結(jié)構(gòu)也符合機器的安裝需求。(3)電動機在使用期間，發(fā)生故障時，易于維護，安全性能高。機器設備要考慮電機的替換，因此要盡可能地使用符合國家標準的電動機。2.2.2選擇電動機時的電氣機械性能電動機的選型應包括電動機的電氣、機械零件等。GB/T12497-2006《三相異步電動機經(jīng)濟運行》的具體電機選型方法：(1)在決定采用何種電機之前，必須了解機器的負載和特性。在不需要特別的啟動、制動和轉(zhuǎn)速調(diào)整的情況下，采用籠型異步電機。選用GB18613-2006系列電機，以實現(xiàn)節(jié)能。(2)在需要啟動、功率控制和轉(zhuǎn)速調(diào)整的情況下，所選擇的電機必須符合相應的阻轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩，選擇的電機必須與調(diào)速方式相適應。綜述，軟磨料磨損試驗機對電機性能的要求不高，并具有防水、耐腐蝕的特點；采用YD90S-4型無級變速電機，可快速適應測試需要的轉(zhuǎn)速。（圖2-2）圖2-2電動機尺寸圖Fig.2-2dimensiondiagramofmotor表2-1電動機尺寸明細表Table2-1listofmotordimensions中心高外形尺寸地腳螺栓安裝尺寸地腳螺栓孔直徑電動機軸伸出尺寸鍵尺寸電機功率HL×HDA×BKD×EF×GP90（mm）315×195（mm）140×100（mm）10(mm)24×50（mm）8×20（mm）0.85（kw）2.3傳動機構(gòu)的選擇與計算傳動系統(tǒng)主要的作用是將動力傳輸?shù)綇膭虞S上的橡膠輪，通過軟磨料的下落實現(xiàn)對所測試材料的磨損檢測。傳動系統(tǒng)一般有帶傳動，齒輪傳動，鏈傳動等。1）帶傳動有以下特點：(1)由于皮帶傳動是柔性傳動，其柔性、彈性好，能在減震等方面起到作用。(2)具有良好的傳動穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)更簡單、成本容易控制、維修方便快捷。(3)具有大的軸向負載。(4)當傳動帶受到張力時，會產(chǎn)生彈性變形，使皮帶和帶輪產(chǎn)生彈性滑動，其傳動比不穩(wěn)定。(5)體積太大、效率不高。(6)皮帶使用壽命短，必須頻繁更換。2）齒輪傳動有以下特點：(1)與其它傳輸模式相比，效率更高。(2)不能使結(jié)構(gòu)松動。(3)使用時間長、工作穩(wěn)定。(4)變速器的傳動比難以變化。(5)需要高精度的制造，而且還需要高的安裝費用。3）鏈傳動有以下特點：(1)具有高的傳動效率和精確的平均傳動比。(2)在軸向上沒有太大的徑向壓力。(3)鏈條由金屬制成，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的特點。(4)鏈傳動具有制造、安裝精度低、成本低等特點。(5)僅有同向驅(qū)動，且瞬時變速比不穩(wěn)定。表2-2傳動類型Table2-2transmissiontype通過比較上述各類傳動機構(gòu)的優(yōu)缺點，因電動機與從動軸之間的距離較遠以及防止磨損測試系統(tǒng)卡死會導致電機燒毀等原因，最終采用普通V帶傳動當帶輪1進行轉(zhuǎn)動時，根據(jù)帶輪與皮帶之間的摩擦機理或嚙合，由V型傳送帶2向驅(qū)動帶輪3傳送移動和功率。帶式輸送機因其結(jié)構(gòu)簡單，在當今各種機械上得到了廣泛應用，它的傳遞性能穩(wěn)定，成本低，具有減震等基本性能。（圖2-3）圖2-3帶傳動運動示意圖Fig.2-3schematicdiagramofbeltdrivemovement2.4V帶選擇以及計算電機的型號是YD90S-4，其額定速度n=1500轉(zhuǎn)/分鐘，效率n=0.74，電動機功率是Pd=0.81、確定計算功率Pca查表8-8得工作情況系數(shù)的數(shù)值KAPca=KA2、選擇V帶的帶型：根據(jù)Pca3、確定帶輪的基準直徑dd1）初選小帶輪的基準直徑dd1。根據(jù)機械設計書表8-7和表8-9，選取小帶輪的基準直徑dd1=7表2-3基準直徑dd1Table2-3datumdiameterdd12）驗算帶速v。按課本公式（8-13）驗算帶的速度V=πdd1因為5m/s<v<30m/s，故帶速適合。3）計算大帶輪的基準直徑。根據(jù)機械設計書公式（8-15a），計算大帶輪的基準直徑Dd2=i0根據(jù)機械設計書表8-9，取大帶輪的標準基準直徑：dd2=250mm。4、確定V帶的中心距a和基準長度Ld1）根據(jù)機械設計書式（8-20），初定中心距a00.7227.5?a0初定中心距a0=500mm2）根據(jù)設計書式（8-22），計算帶的基準長度。L=2×5=1356mm（2-5根據(jù)機械設計書表8-2，采用皮帶的基準長度數(shù)值為Ld=13303）按照公式算出實際中心距a的數(shù)值：a=≈490mm（2-6）4）中心距的變化范圍為：amin=a?0.015amax=a+0.03L由公式得出，皮帶輪中心距的數(shù)值變化范圍為470mm至530mm；5、檢驗小帶輪的包角數(shù)值。α=180°?=160°>120°6、計算帶的根數(shù)z。1）計算單根V帶的額定功率Pr由dd1=75mm和n=1500r/min，查表8-4，得P0=0.表2-4單根普通V帶額定功率Table2-4ratedpowerofsingleordinaryV-belt根據(jù)n=1500r/min，i=3和Z型帶，查表8-5得ΔP0=0.03表2-5單根普通V帶額定功率的增量Table2-5incrementofratedpowerofsingleordinaryV-belt查表8-6得Kα=0.95，查表8-2得KL=P=0.33+0.032）計算V帶的根數(shù)z。z=2.42(采用V帶根數(shù)為3根。7、計算一根V帶的初拉力F0根據(jù)機械設計書，表8-3查得Z型帶，單位長度質(zhì)量q=0.060kg/m，所以F=500×=45.25N(計算壓軸力FPF=267N(表2-6V帶主要尺寸Table2-6maindimensionsofV-belt帶型Z型根數(shù)3根小帶輪基準直徑d75mm大帶輪基準直徑d250mmV帶中心距a490mm帶基準長度L1330mm小帶輪包角α160°帶速5.89m/s單根V帶初拉力F45.25N壓軸力F267N 2.5帶輪結(jié)構(gòu)設計2.5.1小帶輪的結(jié)構(gòu)設計圖圖2-4小帶輪結(jié)構(gòu)圖Fig.2-4Smallpulleystructurediagram2.5.2小帶輪的主要尺寸計算表2-7小帶輪主要尺寸Table2-7maindimensionsofsmallpulley代號名稱計算公式代入數(shù)據(jù)尺寸取值內(nèi)孔直徑d電動機軸直徑DD=24mm24mm分度圓直徑d75mmdadd75+2×177mmd1(1.8~2)d(1.8~2)×2445mmB(z-1)×e+2×f(3-1)×12+2×738mmL(1.5~2)B(1.5~2)×3860mm2.5.3大帶輪的結(jié)構(gòu)圖圖2-5大帶輪結(jié)構(gòu)圖Fig.2-5structuraldiagramoflargepulley2.5.4大帶輪的主要尺寸計算表2-8大帶輪主要尺寸Table2-8maindimensionsoflargepulley代號名稱計算公式代入數(shù)據(jù)尺寸取值內(nèi)孔直徑d輸入軸最小直徑D=17mm17mm分度圓直徑d250mmdadd250+2×1252mmd1(1.8~2)d(1.8~2)×1732mmB(z-1)×e+2×f(3-1)×12+2×738mmL(1.5~2)d(1.5~2)×1734mmD00.5（D1+d1）0.5×（225+32）128mmd0（0.2~0.3）（D1-d1）（0.2~0.3）×（225-32）40mm2.6從動軸的設計2.6.1軸的用途及分類軸是組成機器的主要零件之一。所有用于旋轉(zhuǎn)的傳動部件都要裝在軸上，以便進行運動和傳輸。所以，軸的作用是支撐諸如齒輪等轉(zhuǎn)動部件，并傳輸運動和扭矩。根據(jù)承載力的不同，可將其分成三大類：轉(zhuǎn)軸、主軸、傳動軸。轉(zhuǎn)軸是同時承擔彎矩和扭矩的轉(zhuǎn)軸。這個軸適用于很多機械（例如減速齒輪的軸）。僅支承彎矩的軸是主軸。軸分為旋轉(zhuǎn)軸和靜止軸兩種類型（例如，自行車的前軸，鐵路車輛的軸）。主要承擔扭矩的軸叫做傳動軸（例如汽車的驅(qū)動軸）。2.6.2軸的主要設計內(nèi)容軸系的設計與其它部件一樣，主要是由兩個方向的軸系和工作能力的計算組成。在進行主軸結(jié)構(gòu)設計時，必須充分考慮到其結(jié)構(gòu)的合理性，否則將會對其裝配性、安全穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。若不能進行合理的結(jié)構(gòu)設計，將增加制造成本，增加裝配困難。因此，軸的結(jié)構(gòu)設計是整個設計過程中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。軸的工作特性包括：強度，剛度，振動，穩(wěn)定性等。在大多數(shù)情況下，軸的性能與其強度有關(guān)。通過對軸桿進行強度計算，能夠有效地防止其發(fā)生變形、斷裂。主要設計參數(shù)軟磨料磨損試驗機從動軸采用的是實心軸，材料為45號鋼，調(diào)質(zhì)處理。查機械設計手冊知；按許用應力計算公式為：d≥35Tτd為所計算剖面處軸的直徑（mm）；T為計算軸傳遞的額定轉(zhuǎn)矩（N*mm），T=9550000P/n；[τ]為該軸材料許用轉(zhuǎn)應力（MPa）；試驗機能夠加載的最大載荷為2000N。摩擦系數(shù)的取值為0.30。計算從動軸轉(zhuǎn)矩為T=（9550000*2000*5.89*0.3）/1500=22500（N*mm） (2-15)查機械設計書表15-3，45號鋼的τ的范圍是25到45MPa，取30MPa將數(shù)據(jù)帶入公式；d=35Tτ=35×22500所以從動軸的最小直徑為16mm，由于要開一個鍵槽，軸徑增大5%到7%，dmin=為滿足軸上零件的定位尺寸的需求，故軸的尺寸參數(shù)如下；（1）軸L12和軸L56安裝軸承及擋油環(huán)，考慮到鍵槽所受到的摩擦力矩，將主軸擴大到22mm。因軸承同時受到徑向力和軸向力的作用，選擇單列圓錐滾子軸承32022，其尺寸為d×D×T=22mm×44mm×15mm，軸承寬度B=15mm，還要考慮擋油環(huán)的寬度，所以D12=22mm，L12=30mm=L56。左端的滾動軸承采用軸肩進行軸向定位，查機械設計書表15-2得定位軸肩高度h=2mm，因此，D23=26mm。（2）軸L45要安裝橡膠輪，已知橡膠輪的寬度為55mm。為能可靠的壓緊橡膠輪，此軸段應略小于橡膠輪的寬度，選取L45=52mm,D45=28mm，橡膠輪與軸之間采用螺釘進行固定，左端采用軸肩定位，h=2，D34=32mm，軸環(huán)的寬度b≥1.4h，取L（3）軸L67要安裝V帶輪進行回轉(zhuǎn)運動的動力轉(zhuǎn)遞，選取L67=80mm，D67=17mm，帶輪與軸的周向定位采用平鍵連接，由表6-1查得平鍵截面b×h=5×5（4）其他軸端數(shù)據(jù)，L23=50mm，D56=22mm。圖2-6軸的安裝尺寸圖Fig.2-6installationdimensionofshaft2.7聯(lián)軸器的選擇聯(lián)軸器一種常見的機械傳動元件。主要用于將軸與軸相連接（或?qū)⑤S與其它旋轉(zhuǎn)構(gòu)件相聯(lián)結(jié)）用于傳遞功率和轉(zhuǎn)矩，它還可以作為一個安全的工具。按接頭對不同的相對位移是否存在補償?shù)怯?，將其劃分為兩大類：剛性耦合（不具有補償功能）和柔性耦合（具有補償功能）。撓性耦合可以分為兩類，即不含彈性的撓性耦合和帶彈性的撓性耦合。在本此軟磨料磨損試驗機中，選擇使用梅花彈性聯(lián)軸器（圖2-7）。特點：梅花彈性聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)尺寸小、重量輕、傳遞扭矩高；有效改善機械的運行質(zhì)量和穩(wěn)定性；當軸與軸安裝時出現(xiàn)偏差，彈性體的鼓形齒避免了應力集中；有效糾正軸向、徑向、和角向的安裝偏差。柔性部件的材料是高強度聚氨酯，該部件具有耐磨、耐腐蝕、承載能力強、使用壽命長和安全可靠的優(yōu)點，根據(jù)實際應用選擇合適的梅花彈性間隔體材料是這個聯(lián)軸器的一大優(yōu)勢，不同的硬度和溫度承受力，來滿足實際應用的性能標準。圖2-7梅花彈性聯(lián)軸器Fig.2-7Plumblossomflexiblecoupling2.8鍵的選擇2.8.1鍵的選擇原則鍵是一種可兼容的部件，用以實現(xiàn)軸套與輪轂間的圓周定位，從而實現(xiàn)扭矩的傳遞。在某些情況下，也可以為軸上部件的軸向定位和軸向位移提供引導。鍵的主要形式有四種：楔形鍵連接、平鍵連接、半圓鍵連接、切線連接，平鍵連接的結(jié)構(gòu)（圖2-8）。圖2-8普通平鍵連接Fig.2-8ordinaryflatkeyconnection鍵的兩邊都是工作面，在工作時，軸的側(cè)向和鍵槽會產(chǎn)生扭矩，軸上表面與軸凹槽底部表面之間會有一道裂縫。平鍵連接因其結(jié)構(gòu)簡單、便于拆裝、便于裝配、具有較好的中性特性而得到了廣泛的應用。該鍵不能承受軸向力，因而不能起到將部件緊固到軸上的作用。2.8.2帶輪的鍵選擇及校核大帶輪與從動軸，采用普通平鍵的尺寸數(shù)值為：b×h×l=5×5×28（mm），工作長度:l'=28-5=23mm，則鍵聯(lián)接所能傳輸?shù)霓D(zhuǎn)矩為：T=0.25=58.65N·m表2-9普通平鍵的主要尺寸（摘自GB/T1096-2003）Table2-9themaindimensionsofordinaryflatkeys(takenfromGB/T1096-2003)普通平鍵連接的強度條件為：σP=2000Tkld式中：T為傳遞的轉(zhuǎn)矩（T=Fy=Fd2k為鍵與輪轂鍵槽的接觸高度的數(shù)值，k=0.5h，h表達鍵的高度，mm；l為代表鍵工作長度，mm，圓頭平鍵l=L-b；d為安裝普通平鍵軸的直徑，mm；[σP]為鍵、軸、輪轂；采用三者中最弱的許用擠壓應力，MPa，取值為130MPa，見表2-10表2-10鍵連接的許用擠壓應力、許用壓力Table2-10allowableextrusionstressandallowablepressureofkeyconnection則大帶輪處鍵的強度為：σ==120MPa≤σP故鍵滿足強度要求。小帶輪處的選擇與校核；該處采用的普通平鍵尺寸數(shù)值為：b×h×l=8×7×32（mm），工作長度:l'=32-8=24mm，則鍵聯(lián)接所能傳遞的轉(zhuǎn)矩為：T=0.25hld=0.25×7×32×24×=161N·m則小帶輪處鍵的強度為：σ==119MPa≤σP故鍵滿足強度要求。2.9滾動軸承的選擇、計算和校核在當今社會，滾動軸承是一種廣泛使用的機械零件，它的內(nèi)外圈之間存在著一個滾動體，它依賴于各主要零件的滾動接觸來支持轉(zhuǎn)動零件。滾動軸承的特點是啟動力矩小，旋轉(zhuǎn)精度高，易于選擇。滾動軸承的構(gòu)造見圖2-9，它包括四個部件：內(nèi)環(huán)1，外環(huán)2，滾動體3，保持器4。一般采用內(nèi)環(huán)與軸頸安裝，外環(huán)與支座孔相匹配。內(nèi)環(huán)一般隨軸頸轉(zhuǎn)動，外環(huán)固定于支座孔，外環(huán)可作轉(zhuǎn)動，但內(nèi)環(huán)與軸頸不能轉(zhuǎn)動，或內(nèi)外環(huán)同時轉(zhuǎn)動。隨著內(nèi)環(huán)和外環(huán)的轉(zhuǎn)動，滾動件在內(nèi)環(huán)和外環(huán)的軌跡之間滾動。圖2-9滾動軸承Fig.2-9rollingbearing2.9.1軸承的選擇、計算及校核根據(jù)軸設計部分選定軸承，查手冊可知32022軸承，基本額定動載荷Cr=26KN軸承的選擇、計算及校核初步選擇滾動軸承。選取單列圓錐滾子軸承30202，其中其參數(shù)如下所示：d×D×T=22mm×44mm×15mm，e=0.40,Y=1.5，根據(jù)軸的校核部分計算可知FNV1=-1315.5N，F(xiàn)NV2Fr1=FFr2=FNV2則Fd1=Fr1Fd2=FrFd則Fa1=Fd1=492.75Fd則Fa2=Fd1+Fa=1095.25N則Fa1Fr1=492.751478.25=則PrPr1=Fr則Lh=10故合格 故所選軸承滿足壽命要求。2.10蝸輪蝸桿的設計計算蝸輪驅(qū)動是一種在兩個空間交錯的軸之間進行運動與動力的傳動裝置。1)采用單頭蝸桿，蝸桿轉(zhuǎn)動一次，蝸輪轉(zhuǎn)動一次，就可以達到大的傳動比。在動力驅(qū)動中，總的傳動比i為5-80；在分度和手工傳動中，最大的齒輪比為300；在僅傳遞的情況下，傳動比可以達到10000。因為其具有較大的傳動比和較小的部件，所以其結(jié)構(gòu)非常緊湊。2)在蝸輪驅(qū)動中，由于蝸輪齒輪是連續(xù)的，所以蝸輪與蝸輪的嚙合是逐步進行的，而且齒對的嚙合也比較多，所以沖擊負荷很小，傳動平穩(wěn)，噪音很小。3)蝸桿的螺旋線上升角度比嚙合表面等效摩擦角小時，就會產(chǎn)生自鎖現(xiàn)象。4)蝸輪傳動類似于螺旋齒輪，其嚙合部位存在相對滑動。在高速滑移和惡劣工況下，會出現(xiàn)更大的摩擦和磨損，導致過度加熱，導致潤滑狀況惡化。因而，摩擦力損耗大，效率低；在自動鎖定的情況下，其效率約為0.4。2.10.1蝸桿傳動的類型根據(jù)蝸桿形狀的不同，蝸桿傳動可以分為圓柱蝸桿傳動(圖2-10)、環(huán)面蝸桿傳動(圖2-11)和錐蝸桿傳動(圖2-12)等。在蝸桿驅(qū)動的設計中，要充分考慮不同的蝸桿驅(qū)動特性、不同的驅(qū)動方式、不同的工作環(huán)境以及不同的運行工況，從而達到不同的性能需求。圖2-10圓柱蝸桿傳動圖2-11環(huán)面蝸桿傳動圖2-12錐蝸桿傳動Fig.2-10cylindricalwormdriveFig.2-11toroidalwormdriveFig.2-12conicalwormdrive2.10.2蝸輪蝸桿的設計計算1.選擇材料設計手搖蝸桿，人手的搖臂速度大約是30rpm，傳動比為31，輸出功率160W，效率80%，由于蝸桿的傳動功率不大，速度小，故蝸桿的材料選用45鋼，齒面淬火，硬度為45-55HRC。蝸輪用鑄錫鋅鉛青銅ZCuSn5Pb5Zn5，金屬模鑄造。2.按齒面接觸疲勞強度進行設計根據(jù)閉式蝸桿傳動的設計準則，先按齒面接觸疲勞強度進行設計，再校核齒根彎曲疲勞強度。由機械設計書式（11-10）m2d≥KT1)確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩T按z1=1，效率η=0.8，則T=9.55×=9.55×=1.263×106N*mm2)確定載荷系數(shù)K因工作載荷較穩(wěn)定，故取載荷分布不均系數(shù)Kβ=1;由機械設計書表11-5選取使用系數(shù)KAK=1×1.15×1.05≈1.21(2-33)3）確定彈性影響系數(shù)Z因選用的是鑄錫鋅鉛青銅蝸輪與鋼蝸桿相配，故Z4）確定蝸輪齒數(shù)z2z2=z5）確定需用接觸應力σ根據(jù)蝸輪材料為鑄錫鋅鉛青銅ZCuSn5Pb5Zn5，金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度>45HRC，可從表11-7中查得蝸輪的基本許用應力σH，=應力循環(huán)次數(shù)N=60jn壽命系數(shù)KHN=8σH=K6)計算m2m2d1因z1=1，故從表11-2中取模數(shù)m=5mm，蝸桿分度圓直徑d1=90mm。3.蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸1）中心距a=d12）蝸桿軸向齒距pa=15.708mm;直徑系數(shù)q=18;齒頂圓直徑da1=100mm;齒根圓直徑df1=783）蝸輪蝸輪分度圓直徑d2=m蝸輪喉圓直徑da2=蝸輪齒根圓直徑df2=d蝸輪咽喉母圓半徑rg2=4.校核齒根彎曲疲勞強度σF=1.53KT當量齒數(shù)zv2=根據(jù)zv2=31.14，從圖11-17螺旋角系數(shù)Yβ=1?γ許用彎曲應力σF=σ從表11-8中查得由鑄錫鋅鉛青銅ZCuSn5Pb5Zn5制造的蝸輪的基本許用彎曲應力σ壽命系數(shù)KFN=9σF=32×1.177=37.664MPaσF=1.53×1.21×152800彎曲強度滿足。5.驗算效率ηη=0.95~0.96tanγ已知γ=3°10°47°=vs=π從表11-18中用插值法查得fv=0.0572、

第三章氣壓系統(tǒng)設計3.1氣壓傳動的發(fā)展和特點氣壓傳動以壓縮氣體為工作介質(zhì)，通過氣體的壓力來進行動力和信息的傳輸。該系統(tǒng)通過管路、控制閥將壓縮氣體傳輸至氣動執(zhí)行器，將壓縮氣體的壓力能轉(zhuǎn)化為機械能；該系統(tǒng)采用氣動邏輯器件或噴流器件來完成邏輯計算等功能。空氣動力系統(tǒng)包括氣源，氣動執(zhí)行元件，氣動控制閥，氣動輔助元件。氣壓致動器將氣壓能轉(zhuǎn)化為機械能，用于驅(qū)動汽缸、起動發(fā)動機等工作部件。氣壓控制閥用于調(diào)整氣流方向、壓力和流量，可將其分成方向、壓力和流量三大類。氣動輔助部件有：空氣凈化用的分水過濾器、提高空氣潤滑效果的噴嘴、消音器、管接頭等?？諝鈩恿ρb置中也有空氣感應器，用于感知和傳送各種資訊。3.1.1氣壓傳動的優(yōu)點(1)由于氣壓驅(qū)動的工作介質(zhì)為空氣，對環(huán)境沒有任何污染；(2)由于空氣驅(qū)動的工作介質(zhì)粘度較低，因此流體阻力較小，壓力損失較小，有利于氣體的集中供應和長距離運輸；(3)快速反應；(4)工作環(huán)境適應能力強，在使用合適的材料后，可在易燃、易爆、多塵埃、強磁、強輻射、強振動、強腐蝕等環(huán)境下工作；(5)造價低廉、使用安全、不會發(fā)生爆炸、觸電等事故，并能實現(xiàn)過載自動防護；(6)由于壓縮空氣的工作壓力小，所以對氣動部件材料的要求也比較低。3.2氣壓傳動的工作回路3.2.1工作回路結(jié)構(gòu)和工作原理由可調(diào)節(jié)氣壓缸與兩位五通換向閥串聯(lián)在一起，在空氣泵啟動后，空氣管道會自動排出