機械原理課程設計蜂窩煤成型機

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一、沖壓式蜂窩煤成型機的功能和設計要求 1、蜂窩煤的用途 蜂窩煤主要用于家庭生火、取暖，用無煙煤制成的蜂窩狀的圓柱形煤球。由原煤、碳化鋸木屑、石灰、紅（黃）泥、木炭粉等混合物基料和由硝酸鹽、高錳酸鉀等組成的易燃助燃劑所組成。用上述材料制成直徑100mm的易燃蜂窩煤試燒，其著火快、火苗高達140mm以上，燃燒時間長達1小時，無煙無味，燃燒完全。 蜂窩煤原料廣泛、成本低廉、使用方便、制作簡單、達到省料省時節(jié)能節(jié)資的目的，有著很好的開發(fā)前景。 秸稈生產(chǎn)蜂窩煤技術(shù)：本品是以秸稈粉和劣質(zhì)煤相配合為基本原料，再添加脫硫劑消石灰，成形后再經(jīng)以石蠟和重油配制成的表面處理劑進行表面處理而制得 沖壓式蜂窩煤成型機是我國城鎮(zhèn)蜂窩煤（通常又稱煤餅，在圓柱形餅狀煤中沖出若干通孔）生產(chǎn)廠的主要生產(chǎn)設備，它將煤粉加入轉(zhuǎn)盤上的模筒內(nèi)，經(jīng)沖頭沖壓成蜂窩煤。 2、功能 沖壓式蜂窩煤成型機是我國城鎮(zhèn)蜂窩煤（通常又稱煤餅，在圓柱形餅狀煤中沖出若干通孔）生產(chǎn)廠的主要生產(chǎn)設備，它將煤粉加入轉(zhuǎn)盤上的模筒內(nèi)，經(jīng)沖頭沖壓成蜂窩煤。 為了實現(xiàn)蜂窩煤沖壓成型，沖壓式蜂窩煤成型機必須完成以下幾個動作： 煤粉加料； 沖頭將蜂窩煤壓制成型； 清除沖頭和出煤盤的積屑的掃屑運動； 將在模筒內(nèi)的沖壓后的蜂窩煤脫模； 將沖壓成型的蜂窩煤輸送裝箱。 3、原始數(shù)據(jù)及設計要求 1）蜂窩煤成型機的生產(chǎn)能力：30次/min； 2）驅(qū)動電機：Y180L－8、功率N＝11 kW、轉(zhuǎn)速n＝710 r/min； 3）如圖1所示位沖頭3、脫模盤5、掃屑刷4、模筒轉(zhuǎn)盤1的相互位置情況。實際上沖頭與脫模盤都與上下移動的滑梁2連成一體，當滑梁下沖時沖頭將煤粉壓成蜂窩煤，脫模盤將已壓成的蜂窩煤脫模。在滑梁上升過程中掃屑刷將刷除沖頭和脫模盤上粘附的煤粉。模筒轉(zhuǎn)盤上均布了模筒，轉(zhuǎn)盤的間歇運動使加料后的模筒進入加壓位置、成型后的模筒進入脫模位置、空的模筒進入加料位置； 4）為改善蜂窩煤成型機的質(zhì)量，希望在沖壓后有一短暫的保壓時間； 5）由于同時沖兩只煤餅時的沖頭壓力較大，最大可達100000N，其壓力變化近似認為在沖程的一半進入沖壓，壓力呈線性變化，由零值至最大值。因此，希望沖壓機構(gòu)具有增力功能，以減小機器的速度波動和減小原動機的功率。 6）機械運動方案應力求簡單。 二、工作原理和工藝動作分解 為實現(xiàn)蜂窩煤成型，該機器應該具有下列功能：輸入煤粉、煤粉成型、清除煤屑、型煤起模、輸出成品。 首先進行原理方案設計，蜂窩煤成型機的技術(shù)原理見下表。 功能 原理方案1 原理方案2 原理方案3 輸入煤粉 物理方法 機械加入 人工加入 煤粉成型 沖壓成型 擠出成型 ------------- 清除煤屑 機械清屑 風力清屑 人工清屑 型煤起模 機械起模 人工起模 ------------- 輸出成品 傳送帶運煤 人工搬運 ------------- 根據(jù)上述分析，沖壓式蜂窩煤成型機要求完成的工藝動作有以下五個動作： 1）加料：這一動作可利用煤粉的重力打開料斗自動加料； 2）沖壓成型：要求沖頭上下往復運動，在沖頭行程的二分之一進行沖壓成型； 3）掃屑：要求在沖頭、脫模盤向上移動過程中用掃屑刷將煤粉掃除； 4）脫模：要求脫模盤上下往復移動，將已沖壓成型的煤餅壓下去而脫離模筒。一般可以將它與沖頭固結(jié)在上下往復移動的滑梁上； 5）輸送：將成型的煤餅脫模后落在輸送帶上送出成品，以便裝箱待用。 以上五個動作，加料和輸送的動作比較簡單，暫時不予考慮，脫模和沖壓可以用一個機構(gòu)完成。但是應該注意的是，要考慮模筒轉(zhuǎn)模間歇運動即以完成沖壓、脫模和加料三個工位的轉(zhuǎn)換。因此，沖壓式蜂窩煤成型機運動方案設計重點考慮沖壓和脫模機構(gòu)、掃屑機構(gòu)和模筒轉(zhuǎn)盤間歇轉(zhuǎn)動機構(gòu)這三個機構(gòu)的選型和設計問題。 三、根據(jù)工藝動作順序和協(xié)調(diào)要求擬定運動循環(huán)圖 對于沖壓式蜂窩煤成型機運動循環(huán)圖主要是確定沖壓和脫模盤、掃屑刷、模筒轉(zhuǎn)盤三個執(zhí)行構(gòu)件的先后順序、相位，以利對各執(zhí)行機構(gòu)的設計、裝配和調(diào)試。 沖壓式蜂窩煤成型機的沖壓機構(gòu)為主機構(gòu)，以它的主動件的零位角為橫坐標的起點，縱坐標表示各執(zhí)行構(gòu)件的位移起止位置。 上圖表示沖壓式蜂窩煤成型機三個執(zhí)行機構(gòu)的運動循環(huán)圖。沖頭和脫模盤都由工作行程和回程兩部分組成。模筒轉(zhuǎn)盤的工作行程在沖頭的回程后半段和工作行程的前半段完成，使間歇轉(zhuǎn)動在沖壓以前完成。 掃屑刷要求在沖頭回程后半段至工作行程的前半段完成掃屑運動。 四、執(zhí)行機構(gòu)的選型 機構(gòu)選型應遵循以下原則： 表1 選用執(zhí)行機構(gòu)的原則與方法 機械運動方案的評價 　　對上述執(zhí)行機構(gòu)，做其形態(tài)學矩陣，可得到為數(shù)眾多的方案。 機械運動方案的擬定，最終要求通過分析比較提供最佳方案。一個方案的優(yōu)劣只有通過系統(tǒng)綜合評價來確定。從機構(gòu)和機械運動方案的選擇和評價要求看，主要應滿足五個方面的性能指標，具體見表2。 表2 機械運動方案的評價指標 性能指標 具體內(nèi)容 機構(gòu)的功能 1） 運動規(guī)律的型式；2）傳動精度高低 機構(gòu)工作性能 1） 應用范圍；2）可調(diào)性； 3）運轉(zhuǎn)速度；4）承載能力 機構(gòu)動力性能 1） 加速度峰值；2）噪聲；3）耐磨性；4）可靠性 經(jīng)濟性 1） 制造難易；2）制造誤差敏感度； 3）調(diào)整方便性；4）能耗大小 結(jié)構(gòu)緊湊 1）尺寸；2）重量；3）結(jié)構(gòu)復雜性 目前常用的評價方法很多，如系統(tǒng)工程評價法、模糊綜合評價法等。 根據(jù)沖頭和脫模盤、模筒轉(zhuǎn)盤、掃屑刷這三個執(zhí)行構(gòu)件動作要求和結(jié)構(gòu)特點，可以選擇表1的常用機構(gòu)，這一表格又稱為執(zhí)行機構(gòu)的形態(tài)學矩陣。 表1 三執(zhí)行機構(gòu)的形態(tài)學矩陣 沖頭和脫模盤機構(gòu) 對心曲柄滑塊機構(gòu) 偏置曲柄滑塊機構(gòu) 六桿沖壓機構(gòu) 掃屑刷機構(gòu) 附加滑塊搖桿機構(gòu) 固定移動凸輪移動從動件機構(gòu) 模筒轉(zhuǎn)盤間歇運動機構(gòu) 槽輪機構(gòu) 不完全齒輪機構(gòu) 凸輪式間歇運動機構(gòu) 沖壓式蜂窩煤成型機的機構(gòu)組合 沖壓機構(gòu) 曲柄滑快機構(gòu) 六桿增壓機構(gòu) 凸輪機構(gòu) 間歇轉(zhuǎn)動機構(gòu) 槽輪機構(gòu) 不完全齒輪機構(gòu) 凸輪式間歇機構(gòu) 掃屑機構(gòu) 連桿機構(gòu) 移動凸輪機構(gòu) 齒輪機構(gòu) 脫模機構(gòu) 單獨凸輪機構(gòu) 與沖壓機構(gòu)同體 傳動機構(gòu) 齒輪機構(gòu) 帶傳動機構(gòu) 帶傳動+齒輪機構(gòu) 根據(jù)表所示的三個執(zhí)行構(gòu)件的機構(gòu)形態(tài)矩陣，可以求出沖壓式蜂窩煤成型機的機械運動方案數(shù)為： N＝3333＝81 根據(jù)蜂窩煤成型機要求性能良好、結(jié)構(gòu)簡單、操作容易、經(jīng)久耐用、維修方便、成本低廉的特點，其機械系統(tǒng)由曲柄滑塊機構(gòu)（沖壓機構(gòu)）、槽輪機構(gòu)（分度機構(gòu)）、凸輪機構(gòu)（掃屑機構(gòu)）以及帶傳動+齒輪機構(gòu)組成（減速機構(gòu)）。 五、機械運動方案的選定和評價 圖3（a）表示附加滑塊搖桿機構(gòu)。利用滑梁的上下移動使搖桿OB上的掃屑刷掃除沖頭和脫模盤底上的粉煤屑。 圖3（b）表示固定移動凸輪利用滑梁上下移動使帶有掃屑刷的移動從動件頂出而掃除沖頭和脫模盤底上的粉煤屑。 現(xiàn)在，我們可以給定條件、各機構(gòu)的相容性和盡量使機構(gòu)簡單等等要求來選擇方案。由此可選定兩個結(jié)構(gòu)比較簡單的方案。 方案Ⅰ：沖壓機構(gòu)為對心曲柄滑塊機構(gòu)、模筒轉(zhuǎn)盤為槽輪機構(gòu)、掃屑機構(gòu)為固定凸輪移動從動件機構(gòu)。 方案Ⅱ：沖壓機構(gòu)為偏置曲柄滑塊機構(gòu)、模筒轉(zhuǎn)盤為不完全齒輪機構(gòu)、掃屑機構(gòu)為附加滑塊搖桿機構(gòu)。 兩個方案我們可以用模糊綜合評價方法來進行評估優(yōu)選，這里從略。最后選擇方案Ⅰ為沖壓式蜂窩煤成型機的機械運動方案。 六、機械傳動系統(tǒng)的傳動比和變速機構(gòu) 根據(jù)選定的驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速和沖壓式蜂窩煤成型機的生產(chǎn)能力。 七、畫出機械運動方案簡圖 按已選定的三個執(zhí)行機構(gòu)的型式及機械傳動系統(tǒng)，畫出沖壓式蜂窩煤成型機的機械運動示意圖。其中三個執(zhí)行機構(gòu)部分也可以稱為機械運動方案示意簡圖。 （藍色參考書115面7.4.4） 如果再加上加料機構(gòu)和輸送機構(gòu)，那就可以完整地表示整臺機器的機械運動方案圖。 有了機械運動方案圖，就可以進行機構(gòu)的運動尺寸設計計算和機器的總體設計。 八、對機械傳動系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)進行尺寸計算 為了實現(xiàn)具體的移動要求，必須對帶傳動、齒輪傳動、曲柄滑塊機構(gòu)（沖壓機構(gòu)）、槽輪機構(gòu)（模筒轉(zhuǎn)盤間歇運動機構(gòu)）和掃屑凸輪機構(gòu)進行運動學計算，必要時還要進行動力學計算。 1、帶傳動計算。 2、齒輪傳動計算 取Z1=22，Z2＝i22＝522＝110。按鋼制齒輪計算，取模數(shù)m=5mm.。則 d1＝Z1m＝110 mm. d2＝Z2m＝550 mm. 其余尺寸，按齒輪機構(gòu)相關(guān)計算表格求出。 3、曲柄滑塊機構(gòu)計算 已知沖壓式蜂窩煤成型機的滑梁行程s=300mm，曲柄與連桿長度比，即連桿系數(shù)為λ＝0.175，則曲柄半徑為： R=δ/2=150mm 連桿長度為：L=R/λ=955.41mm 因此，不難求出曲柄滑塊機構(gòu)中滑梁（滑塊）的速度和加速度變化。 4、槽輪機構(gòu)計算 1）槽數(shù)Z 按工位要求選定為6。 2）中心距α 按結(jié)構(gòu)情況確定α=300mm。 3）圓銷半徑r 按結(jié)構(gòu)情況確定r=30mm。 4）槽輪每次轉(zhuǎn)位時主動件的轉(zhuǎn)角2α 2α=180（1-2/z)=120 5）槽間角2β 2β= 360/z=60 6）主動件圓銷中心半徑R1 R1=αsinβ=150mm 7）R1與α的比值λ λ=R1/α 8）槽輪外圓半徑R2 9）槽輪槽深h 取h=80mm。 10）運動系數(shù)k k=(z-2)/2z=1/3(n=1,n為圓銷數(shù)） 5、掃屑凸輪機構(gòu)計算 固定凸輪采用斜面形狀，其上下方向的長度應大于滑梁的行程s，其左右方向的高度應能使掃屑刷滿足掃除粉煤的活動范圍。具體按結(jié)構(gòu)情況來設計。 九、注意事項 1） 機械傳動系統(tǒng)的速比和變速機構(gòu) 機械系統(tǒng)通常由原動機、傳動裝置、執(zhí)行機構(gòu)和控制操作部件組成。原動機是機械系統(tǒng)中的驅(qū)動部分，其類型及規(guī)格已選定，執(zhí)行機構(gòu)的機構(gòu)型式通過上述設計過程也已確定，此時應進行傳動系統(tǒng)的設計計算。傳動系統(tǒng)是把原動機和執(zhí)行機構(gòu)聯(lián)系起來的裝置，沖壓式蜂窩煤成型機中，傳動系統(tǒng)將驅(qū)動電機的運動并列傳遞到執(zhí)行機構(gòu)。 2） 機械傳動系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)的尺度計算 根據(jù)機械運動方案示意圖，對機械傳動系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)進行尺度計算。 3） 繪制機械運動方案圖 根據(jù)已選定的執(zhí)行機構(gòu)型式及傳動系統(tǒng)的類型，繪制沖壓式蜂窩煤成型機機械運動示意圖（草圖），然后繪制機構(gòu)運動循環(huán)圖，有關(guān)參數(shù)計算完畢后，選取適當?shù)谋壤L制機械運動方案。