-
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
I
Abstract
This paper introduces a new type long
distance conveying device. With the previously
common
conveying means photograph is
compared, reciprocating long distance ( such as
1M, 2M ) then the crank
mechanism
cannot be achieved. In between the two shafts
mounted belt or chain as the transmission
mechanism, so the reciprocating
distance can design is quite large. In a belt or
chain is mounted on a drive
pin, and
the working table with sliding long Kong Xiang,
then it can drive the reciprocating movement of
long distance. The characteristic of
this system is not only the reciprocating distance
can be quite long, and
back ends of the
acceleration and deceleration is quite smooth, can
be used as driving motor stepless speed
variable motor.
The
organization has carried on the detailed design
and calculation, through the analysis of the
mechanism is feasible and reasonable to
select, after long distance conveying mechanism is
a new kind of
options.
Key
Words:
Long distance, conveying device,
the reciprocating motion, mechanism design
II
目
录
摘
要
..........................
..................................................
..
I
Abstract ..............
..................................................
...........
II
目
录
..........................
..................................................
III
第
1
章
绪论
.........................
................................................
5
1.1
课题研究的背景及意义
......
..................................................
5
1.2
本课题的研究内容
.....
..................................................
.....
6
第
2
章
长距离匀速往复运动机构总体方案
.
.......................................
........
7
2.1
设计方案分析与比较
.......
..................................................
.
7
2.2
设计方案确定
..........
..................................................
....
8
2.2.1
往复运动工作机构传动方式的确定
......
..................................
8
2.2.2
传动方式的选择
...........................................
.............
9
2.2.3
电动机起动方式的确定
.................................................
9
第
3
章
主要传动机构的设计计算
.
...........................................
...........
10
3.1
电机的选型
........
..................................................
.......
1
0
3.2
蜗轮蜗杆减速器的选型
...
..................................................
..
1
0
3.3
带传动计算
...........
..................................................
....
1
2
第
4
章
主轴组件要求与设计计算
.
...........................................
...........
14
4.1
主轴的基本要求
......
..................................................
.....
1
4
4.1.1
旋转精度
..............................................
...............
1
4
4.1.2
刚度
........
..................................................
......
1
4
4.1.3
抗振性
........................
......................................
1
5
4.1.4
温升和热变形
.....................
...................................
1
5
4.1.5
耐磨性
........................
......................................
1
5
4.2
主轴组件的布局
......
..................................................
.....
1
6
4.3
主轴结构的初步拟定
....
..................................................
...
1
8
4.4
主轴的材料与热处理
....
..................................................
...
1
8
4.5
主轴的技术要求
......
..................................................
.....
1
9
4.6
主轴直径的选择
......
..................................................
.....
1
9
4.7
主轴前后支承轴承的选择
..
..................................................
.
2
0
4.7.1
主轴前支承轴承的选择
................................................
2
0
4.7.2
主轴后支承轴承的选择
................................................
2
1
4.8
主轴前端悬伸量
......
..................................................
.....
2
1
III
4.9
主轴支承跨距
.......
..................................................
......
2
1
4.10
主轴结构图
.......
..................................................
.......
2
2
4.12
主轴组件的验算
.....
..................................................
.....
2
2
4.12.1
支承的简化
......................
...................................
2
2
4.12.2
主轴的挠度
............................................ ..............
2
3
4.12.3
主轴倾角
.....
..................................................
....
2
4
第
5
章
机架的设计
......................
............................................
27
5.1
机架的基本尺寸的确定
......
.................................................
2
7
5.2
架子材料的选择确定
.......
..................................................
2
7
5.3
主要梁的强度校核
........
..................................................
.
2
7
总结
.........................
..................................................
....
29
参考文献
....
..................................................
.....................
30
致
谢
..
..................................................
..........................
31
IV
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
< br> ,
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
5
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
< br>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<
/p>
,
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，<
/p>
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、
< br>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。
6
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，
< br>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<
/p>
结构紧凑，外形尺寸小，易于安装布置。如图：
7
<
/p>
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<
/p>
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（
< br>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
< br>
满载时
额定
型号
功率
KW
转速
r/mi
n
电
流
A
效
率
﹪
功率因数
cos
j
堵转
电流
堵转
最大
转动
转矩
转矩
惯量
躁
Kg.m
2
净
重
kg
额定
额定
额定
电流
转矩
转矩
声
同步转速
1500r/min
90S-4
1.1
1440
6.3
9
82
0.87
7.0
2.2
2.2
0.00
29
79
33
8
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。
9
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
< br>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。
<
/p>
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：
67 dB(A)
转速
1440 r/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、<
/p>
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<
/p>
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
1440
r/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<
/p>
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
< br>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，
< p>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，
10
< br>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
< p>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
。
11
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
：
<
/p>
（
1
）确定设计
V
带的功率
?
c
根据
V
带传动工作条件，查表
7-7
，可得工作情况系数
k
A
?
1
.
< br>2
?
c
?
?
A
?
?
1
.
2
?
1
.
1
?
1
.
3
kw
（
2
）选取
V
带型号
根据
?
c
,
n
Ⅰ
查图
7-10
可知，选用
A
型
V
带。<
/p>
（
3
）确定带
轮基准直径
d
d
1
、
d
d
2
由表
7-8
，根据
d
d
1
≥
d
min
，故选
d
d
1
=150mm
带轮Ⅱ的基准直径为：
d
d
2
?
n
Ⅰ
d
?
1
?
?
?
?
1
?
150
?
?
1
?
0
.<
/p>
02
?
?
150
mm
n
Ⅱ<
/p>
根据表
7-8
，选
d
d
2
?
1
50
mm
（
4
）验算带速
?
?
?
?
d
d
1
n
60
?
1000
?
3
.
14
?
160
?
960
?
7
.
03
m
s
60
?
1000
?
在
5-25
m
s
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
a
0
?
1000
mm
12
根据式（
7
—
12
）计算所需基准长度。<
/p>
L
0
?
2
a
0
?
?
2
?
d
d
1
?
d
d
2
?
?
?
d
d
2
?<
/p>
d
d
1
?
4
a
0
2
?
2069
.
6
mm
由表
7-2
，选取带的基准长度为
L
d
?
2050
mm
按式（
7
—
13
）计算实际中心距
a
?
a
0
?
L<
/p>
d
?
L
0
2050
?
2069
.
6
?
1000
?
?
990
.
2
mm
2
2
（
6
）验算主动轮上的包角
a
由式（
7
—
14
）得：
a
?
180
?
?
d
d
2
?
d
d
1
?
57
.
3
< br>?
?
137
.
< br>9
?
?
120
< br>?
a
故主动轮包角合适
（
7
）计算
V
带的根数
z
由式（
7
—
15
）得：
z
?
?
c
?
?
0
?
??
0
?
< br>k
a
k
L
由
n
?
960
r
m
in
，
d
d
1
=150mm
< br>，查表
7-3
，并根据内插法求得
?
0
?
1
.
63
kw
查
表
7-4
，
??
0
?
0
.
1
1
kw
，查表
7-5
< br>，
k
a
?
0
.
88
，查表
7-6
，
k
L
?
1
.
03
。
故：
z
?
1
.
1<
/p>
?
0
.
9
?
1
.
63
?
0
.
11
?
?
0
.
88
?
1
< br>.
03
故取
z=1
根。
（
8
）设计
V
带合适的初拉力
F<
/p>
o
500
?<
/p>
c
由
F
o
?
zv
?
2
.
5
?
2
?
?
k
?
< br>1
?
?
?
qv
?
a
?
查表
7-1
得
q
?
0
.
1
kg
m
F<
/p>
o
?
500
?<
/p>
6
.
6
?
2
.
5
?
?
?
?
1
?
?
0
.
1
?
7
.
03
2
?
177
.
77
N
5
?
7
.
03
?
0
.
88<
/p>
?
（
9
）计算作
用在带轴上的压力
F
Q
由式（
7
—
16
）得：
F
Q
?
2
zF
o
sin
a
137
.
9
?
?
2
?
5
?
177
.
77
?
sin
?
1653
.
3
N
2
2
13
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，<
/p>
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。
△r
△o
△a
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。
14
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