616 螺旋壓力機設計【CAD圖+說明書+PPT+中英文翻譯】

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Widely used in metal forging, sizing processing, etc. This paper mainly introduces the general situation of the development of the electric screw press and working principle, and compared with other types of screw press, showed the electric screw press the advantages of simple structure, convenient operation. The electric screw press has a simple structure, convenient operation; High precision, good in usability, good reliability, etc. In this paper, through to this design adopts the working principle of the switched reluctance motor is introduced and the performance analysis, highlight to liquidate the superiority of the design of the electric screw press. After the material and the performance of the helical gear, and the final choice of prime mover types, design conforms to the workshop for pressure correction and demolition of the electric screw press, its easy operation, simple structure, meet the design requirements. KEYWORDS：Switch reluctance motor, transmission device, pressure calibration and installation 目錄 第一章 緒論 4 1.1 螺旋壓力機概述 4 1.2 螺旋壓機的發(fā)展史 4 1.3 螺旋壓力機的特點 4 1.4 螺旋壓力機發(fā)展趨向 5 1.5 本設計的主要內(nèi)容和步驟 6 第二章 螺旋壓力機驅動類型選擇 7 2.1 摩擦螺旋壓力機 7 2.2 液壓螺旋壓力機 8 2.3 離合器式螺旋壓力機 8 2.4 電動螺旋壓力機 9 2.4.1 電動螺旋壓力機的分類 9 2.4.2 電動螺旋壓力機的特點 10 2.5 性能分析 10 第三章 螺旋傳動主要參數(shù)計算 12 3.1 螺旋傳動的應用和類型 12 3.2 螺旋傳動的設計 13 3.3 設計計算步驟: 15 3.3.1 螺旋機構耐磨性的計算 15 3.3.2 螺母螺紋牙的計算 18 3.3.3 螺桿強度的校核 21 3.3.4 螺桿穩(wěn)定性的校核 22 3.3.5 自鎖性的校核 24 第四章 開關磁阻電動機 25 4.1 開關磁阻電動機簡述 25 4.2 開關磁阻電動機機結構特點 25 4.3 電動機功率計算 26 4.4 開關磁阻電動機發(fā)展前景 27 第五章 電動螺旋壓力機結構設計 28 5.1 電動螺旋壓力機工作原理 28 5.2 螺桿的設計 29 5.3 螺母的設計 30 5.4 機身設計 30 第六章 全文總結 32 參考文獻 33 致 謝 34 畢業(yè)設計小結 35 41 第一章 緒論 1.1 螺旋壓力機概述 螺旋壓力機（Screw Press），是指通過使一組以上的外螺栓與內(nèi)螺栓在框架內(nèi)旋轉產(chǎn)生加壓力形式的壓力機械的總稱。螺旋壓力機起源于公元15世紀的德國，有個叫約翰·唐地貝格的人發(fā)明了一種活字印刷機，涂上油墨的活字板通過螺旋裝置被壓摁在紙上。這種機器被當作榨葡萄和橄欖油的木制螺栓壓榨機來使用，可以說是所有壓力機械的起源。它采用的是逐步花時間壓縮的施加靜壓方式。在歐洲的博物館中，同樣陳列有通過靜壓進行熱鍛造的螺旋壓力機。據(jù)推測是在中世紀，用于制造城市及教會的鋼制門窗及五金部件的。 1.2 螺旋壓機的發(fā)展史 最早用于現(xiàn)代工業(yè)化大生產(chǎn)的螺旋壓力機靠摩擦盤傳遞動力，簡稱摩擦壓力機，它在19世紀初開始使用，1877年德國公布了摩擦壓力機的首個專利。由于結構簡單，工作可靠，摩擦壓力機至今仍在廣泛應用。其最大的缺點是摩擦傳動效率低，約為50%--55%，其總效率僅為20%至25%。近百年來，人們一直在尋求改進的方法，主要目標是:①提高傳動效率，降低能耗;②加大設備噸位，提高工作能力;③提高打擊能量的控制精度和操作的自動化程度。20世紀是螺旋壓力機大發(fā)展的時期，20年代，人們開始研制液壓螺旋壓力機，40年代末期投入工業(yè)應用。30年代，前蘇聯(lián)開始電動螺旋壓力機研制，50年代末期德國開始生產(chǎn)，到70年代末，德國辛佩坎公司研制成功離合器式螺旋壓力機。20世紀末期，日本Enomoto公司開發(fā)研制成功伺服驅動電動螺旋壓力機。進入21世紀，螺旋壓力機這一古老的成形設備仍在蓬勃發(fā)展，已經(jīng)形成品種多樣，規(guī)格齊全，自動化程度高的特色，為人類文明的發(fā)展繼續(xù)作出貢獻。 1.3 螺旋壓力機的特點 螺旋壓力機在鍛壓生產(chǎn)中的應用已有近二百年的歷史。這種古老的鍛壓設備，結構經(jīng)不斷改進，使用性能日益完善，獲得越來越廣泛的應用，特別是近二十年來發(fā)展很快。螺旋壓力機能夠得到發(fā)展，主要由于具有以下特點:①工藝適應性好，萬能性強。②下死點不固定，機器受力件的彈性變形不會影響工件精度;導向精度好。由于可以裝頂出器，鍛件拔模斜度小，因此最適用于作精鍛。③模具安裝和調整方便，模具材料消耗低。④機器結構簡單，成本低，基建投資費用少，動力消耗和維修費用低。⑤有較高的生產(chǎn)率。⑥勞動條件好，對環(huán)境危害小。 螺旋壓力機不足之處是:行程次數(shù)低，模鍛時制坯不便，往往要配備制還設備，承受偏載能力較差，生產(chǎn)率較低。 1.4 螺旋壓力機發(fā)展趨向 1. 基本參數(shù)系列化 目前很多國家或公司都制訂了螺旋壓力機的系列參數(shù)標準。一般情況按系列生產(chǎn)，但也為滿足用戶要求，提供變型或專用產(chǎn)品。西德是世界上制造螺旋壓力機品種數(shù)量最多的國家，其驅動型式多樣，性能結構先進，工藝用途廣泛我國目前已制訂了雙盤摩擦壓力機參數(shù)標準J B 25.E 7-79和液動螺旋壓力機參數(shù)標準JB2474-790。 2.螺旋壓力機大型化 隨著航空、交通和電力等工業(yè)的發(fā)展，需要大型螺旋壓力機。目前常用規(guī)格為40008000噸。我國正在研制40006300噸液動螺旋壓力機。 3.擴大工藝用途 工業(yè)的發(fā)展，需要研制技術經(jīng)濟指標高，工藝用途廣泛的螺旋壓力機。國外除通用型外，還按照體積模鍛、精鍛、壓印和拉伸等不同工藝，發(fā)展各種類型的機器。目前我國產(chǎn)品系列單一，與工業(yè)發(fā)展不適應。需盡快發(fā)展餐具、醫(yī)療器具和壓制耐火材料生產(chǎn)所急需的品種系列。 4.加快滑塊行程次數(shù)，提高打擊速度 近代化工業(yè)生產(chǎn)要求螺旋壓力機加快行程次數(shù)，提高打擊速度。所得效果為:生產(chǎn)率提高，可與其他鍛壓設備配套組織機械化及自動化生產(chǎn)，模鍛充填效果好，模具壽命提高，大噸位設備減輕機重顯著。 5.機械化與自動化 近年來在螺旋壓力機上裝設了更換模具機構，實現(xiàn)了自動化操縱，打擊力能自動控制，模具的自動冷卻、潤滑及清除氧化皮等。在一些中小件的大批量生產(chǎn)過程中，螺旋壓力機也能夠排入一線中參加自動化生產(chǎn)。隨著科技發(fā)展，變頻技術和電子數(shù)控技術的不斷提高，電動螺旋壓力機的開發(fā)創(chuàng)新、生產(chǎn)制造已全面展開，電動螺旋壓力機已成為目前最具生命力的螺旋壓力機產(chǎn)品。 進一步提高螺旋壓力機的自動化程度，使打擊力、速度、位置等參數(shù)的控制更加準確、方便、將是螺旋壓力機今后繼續(xù)發(fā)展的方向。 1.5 本設計的主要內(nèi)容和步驟 本設計介紹了螺旋壓力機的發(fā)展狀況，經(jīng)過與摩擦螺旋壓力機、離合器式螺旋壓力機、液壓式螺旋壓力機進行對比，突出體現(xiàn)了電動螺旋壓力機獨特的性能優(yōu)勢和結構特點。主要思路如下： 1. 通過對幾種典型的螺旋壓力機的對比，確定螺旋壓力機的驅動類型為電動機驅動； 2. 電動螺旋壓力機螺旋傳動類型的選擇及傳動裝置的計算； 3. 本設計所采用的開關磁阻電動機的概述及功率選擇； 4. 電動螺旋壓力機的結構設計。 第二章 螺旋壓力機驅動類型選擇 螺旋壓力機是最古老的成形設備之一，具有十分悠久的發(fā)展歷史。很久以前，歐洲就有木制螺旋壓力機，用以壓制葡萄汁和橄欖油。15世紀德國人Johann Gensleisch （1400--1468)在木制螺旋壓力機的基礎上制成了螺旋印刷機，它可以說是螺旋壓力機和其他機械壓力機的老祖宗。16世紀初，意大利人采用螺旋壓力機壓制金屬藝術品和硬幣。直到19世紀中葉才出現(xiàn)了由蒸氣驅動的機械壓力機。下面這里介紹幾種典型的螺旋壓力機。 2.1 摩擦螺旋壓力機 摩擦壓力機是現(xiàn)代工業(yè)最早出現(xiàn)的螺旋壓力機，它具有結構簡單，價格低廉的優(yōu)點，迄今已有近二百年的歷史并仍在廣泛使用。除了在鍛壓行業(yè)外亦用于建材行業(yè)。摩擦壓力機的主要問題是電機需帶動摩擦盤始終高速旋轉，而飛輪在一個循環(huán)中還需改變旋轉方向，在換向時飛輪和摩擦盤產(chǎn)生嚴重打滑。這不但降 低了傳動效率，也加劇了摩擦帶的磨損。為解決這一問題，上世紀就有人進行了改進，先后開發(fā)了三盤式和雙電機獨立驅動的摩擦壓力機。由于摩擦盤和飛輪間相對滑動速度得以降低，設備性能得到一定改善。但是由于增加了結構和操作的復雜性，從而增加了制造和維修費用，未能得到廣泛應用。 壓力機效率低，打擊力控制不精確，不適于大噸位。但由于造價方面的優(yōu)勢，中小噸位，尤其小噸位螺旋壓力機目前仍以摩擦壓力機為主。目前，這類螺旋壓力機的發(fā)展主要方向有:①提高控制水平。一些先進的摩擦壓力機甚至裝有碼盤檢測飛輪速度。②提高自動化程度。 摩擦壓力機雖然能耗高，控制精度不高，但具有結構簡單，價格低廉的優(yōu)點，在我國應用十分廣泛，而且仍具有很大的市場。但從節(jié)能考慮，其發(fā)展應得到一定控制，尤其應當限制大噸位的摩擦壓力機的發(fā)展。 2.2 液壓螺旋壓力機 與摩擦傳動相比，液壓傳動有更高的效率。油泵的總效率在70%--80%左右，而柱塞泵更可達到90%以上，還可利用蓄能器儲存減速制動時的能量。 液壓螺旋壓力機按驅動方式有兩種：液壓缸驅動(推缸式)和液壓馬達驅動(副螺桿式)。液壓螺旋壓力機的效率大大提高，其加速傳動效率可達60%--70%。此外，系統(tǒng)工作壽命大大提高， 液壓螺旋壓力機性能優(yōu)于摩擦壓力機，但是存在以下問題： 1　 液壓系統(tǒng)復雜，管道敷設工作量大，液壓泄漏對環(huán)境有污染； 2　 維修技術水平要求高，一般鍛造工廠維修困難； 3　 價格遠高于摩擦壓力機且結構復雜，維修成本也更高些。 2.3 離合器式螺旋壓力機 具有很大慣性飛輪的頻繁正反轉是螺旋壓力機效率不高的主要原因，因為在加速減速及制動過程中會消耗大量能量。如果能像曲柄壓力機一樣，飛輪無需換向，效率就可以大大提高了。離合器式螺旋壓力機中（圖2.1），在飛輪與螺桿之間靠離合器來連接，與曲柄壓力機相似。飛輪在工作過程中始終向一個方向旋轉，無須停止和反向，其尺寸和轉動慣量可遠大于普通摩擦壓力機。當需打擊時，離合器結合，由于離合器靠螺桿一邊的部件轉動慣量極小(只有飛輪的10% }，在極短的時間(約全程的5% )即可達到額定速度。成形過程中，和曲柄壓力機類似，靠飛輪減速釋放能量，直至離合器打滑，然后離合器迅速脫開，油缸推動滑塊—螺桿快速上升返同原位，打擊力和能量由離合器控制。一般當飛輪減速達12.5%即可達到最大打擊力。 離合器式螺旋壓力機具有效率高、打擊能量大、控制精度高等一系列優(yōu)點，是當前螺旋壓力機尤其是大噸位螺旋壓力機的發(fā)展方向，但還是存在以下問題： 1　 機器結構十分復雜，既有機械離合器傳動，又有用于滑塊回程的液壓傳動。 2　 常用的滑塊回程方式是采用液壓缸推動滑塊，同時使螺桿作反向運動。在鍛擊和回程時，主螺桿和螺母的螺牙為同一受力面，潤滑液不易補充，導致螺母螺牙容易損壞。 圖2.1 離合器式螺旋壓力機結構原理圖 2.4 電動螺旋壓力機 2.4.1 電動螺旋壓力機的分類 由于電動螺旋壓力機具有結構簡單，機械部分制造容易，傳動鏈短，傳動效率較高，機械部分零件損耗少等優(yōu)點故不斷得到發(fā)展?，F(xiàn)有交流伺服驅動電動螺旋壓力機，楔型電動螺旋壓力機，多擊式電動螺旋壓力機等型式。按照電機的驅動方式，電動螺旋壓力機分為直接用電動機驅動和電動機傳動機構驅動兩大類。 （一）、電動機直接傳動式 這種電動螺旋壓力機無單獨的電動機，定子固定在壓力機機架的頂部，電動機的轉子就是壓力機的飛輪或飛輪的一部分，利用定子的旋轉磁場，在轉子（飛輪）外緣表面產(chǎn)生感應電動勢和電流，由此產(chǎn)生電磁力矩，驅動飛輪、螺桿轉動。定子與飛輪間有空氣間隙，主要傳動部件之間是無接觸傳遞能量，所以稱為無接觸式傳動。 （二）、電動機機械傳動式 特殊電動機的功率大于 500kw時，結構龐大，造價高，當電動螺旋壓力機公稱壓力大于40MN后，采用電機---齒輪傳動，由一臺或幾臺異步電動機通過小齒輪帶動有大齒圈的飛輪旋轉，飛輪只起傳動和蓄能作用，飛輪和螺桿只作旋轉運動，通過裝在滑塊上的螺母，使滑塊作上下直線運動。 電動機直接驅動多用于小型的螺旋壓力機，它具有結構簡單，體積小，效率高等優(yōu)點。本論文所研究的螺旋壓力機為小型的的螺旋壓力機，由于適用范圍有限，所以采用電動機直接驅動飛輪的傳動方式。 2.4.2 電動螺旋壓力機的特點 （一）優(yōu)點 1）傳動方式簡單，除PZS系列以外，直接傳動的電動螺旋壓力機定子和轉子（帶飛輪）之間不直接接觸，無機械磨損，因此，檢修工作量（包括備件的更換量）很小，節(jié)約勞動力和維修費用。 2）便于電控，力能參數(shù)調節(jié)方便可靠，動作平穩(wěn)，傳動噪聲很小。 3）傳動鏈短，部件少，結構簡單，設備體積小，外形美觀，一般無傳動部件暴露于機器外因此，在電力充分、工資高的國家頗受歡迎。 （二）缺點 最大缺點是每次行程要換向旋轉而起動兩次，下行程時電機轉速由零增加到儲能結束時電機轉速，回程逆轉，又要從零增，每啟動一次，均產(chǎn)生啟動能量耗損。 2.5 性能分析 電動螺旋壓力機是利用沖擊力使工件變形的設備，工藝適用性極強，既能用于板料的冷態(tài)沖壓、壓印、校平、彎曲等，又能用于精鍛、精整，既能適用于不銹鋼復底鍋壓力焊接工藝，又能適用于曲軸、鈦合金葉片及其它葉片的精密鍛造。它操作便捷，運行安全，維修工作量小，生產(chǎn)率高，沒有摩擦粉屑的吸入，保障工人健康。打擊能量可準確設置，可根據(jù)成型精度調節(jié)能量、打擊力，以減少模具的機械應力和熱接觸時間，延長模具壽命。電動螺旋壓力機的價格一般約為相當能力的熱摸鍛壓力機的0.75倍，故有其良好的性能價格比。 電動螺旋壓力機與摩擦螺旋壓力機相比，不需要轉動的橫軸、摩擦盤、兩個支臂，與液壓螺旋壓力機相比，不需要復雜的、要求較高的液壓系統(tǒng)。因此，電動螺旋壓力機零部件少，結構簡單，設備體積小，動作平穩(wěn)，傳動噪聲很小，傳動鏈短，制造容易，重量輕，便于安裝，造價低，傳動方式簡單，檢修工作量很小，便于維護和修理，不需要中間傳動鏈，無復雜的液壓系統(tǒng)和電氣控制設備，摩擦螺旋壓力機上的摩擦材料易損件， 不存在摩擦傳動中的摩擦損耗和磨損問題，零件損耗小。 由于電力電子、電機、計算機控制技術的飛躍發(fā)展，為電動螺旋壓力機注入了新的活力，它不但可以使控制更加精確，而且可將離合器、制動器等耗能部件去除，進一步減少能耗，具有極大的發(fā)展前途，應予足夠地重視。進一步提高螺旋壓力機的自動化程度，使輸出力、速度、位置等參數(shù)的控制更加準確、方便、將是螺旋壓力機今后繼續(xù)發(fā)展的方向。 由于本次設計的螺旋壓力機主要用于主要用于機修車間壓力校正、壓力裝拆等，成本低，結構簡單。為了能更好的達到精度和節(jié)約成本，經(jīng)上述對比，電動螺旋壓力機是本次設計一個很好地選擇。 第三章 螺旋傳動主要參數(shù)計算 3.1 螺旋傳動的應用和類型 螺旋傳動是利用螺桿（絲杠）和螺母組成的螺旋副來實現(xiàn)傳動要求的。它主要用于將回轉運動轉變?yōu)橹本€運動，同時傳遞運動和動力。它具有結構緊湊、轉動均勻、準確、平穩(wěn)、易于自鎖等優(yōu)點，在工業(yè)中獲得了廣泛應用。 （1）按螺桿與螺母的相對運動方式，螺旋傳動可以有以下四種運動方式： ①螺母固定不動，如圖3.1 (a) 螺桿轉動并往復移動，這種結構以固定螺母為主要支承，結構簡單，但占據(jù)空間大。常用于螺旋壓力機、螺旋千斤頂?shù)取? ②螺母轉動，如圖3.1 (b) 螺桿做直線移動，螺桿應設防轉機構，螺母轉動要設置軸承均使結構復雜，且螺桿行程占據(jù)尺寸故應用較少。 ③螺母旋轉并沿直線移動，如圖3.1 (c) 由于螺桿固定不動，因而二端支承結構較簡單，但精度不高。 ④螺桿轉動，如圖3.1 (d) 螺母做直線運動，這種運動方式占據(jù)空間尺寸小，適用于長行程螺桿。螺桿兩端的軸承和螺母防轉機構使其結構較復雜。車床絲杠、刀架移動機構多采用這種運動方式。 (a) (b) (c) (d) 圖3.1 運動方式 本次設計的螺旋壓力機是運用了圖3.1（d）的運動方式，即螺桿固定不動。 （2）按照用途不同，螺旋傳動分為三種類型。 ①傳力螺旋以傳遞動力為主，要求以較小的轉矩產(chǎn)生較大的軸向推力，一般為間歇性工作，工作速度較低，通常要求具有自鎖能力。 ②傳導螺旋以傳遞運動為主，這類螺旋常在較長的時間內(nèi)連續(xù)工作且工作速度較高，傳動精度要求較高，下圖3.2為機床進給機構的螺旋。 圖3.2 傳導螺旋 ③調整螺旋用于調整并固定零件間的相對位置，一般不經(jīng)常轉動，要求能自鎖，有時也要求很高精度，如帶傳動張緊裝置、機床卡盤和精密儀表微調機構的螺旋等。 本次設計的螺旋壓力機就是運用了傳力螺旋這種傳動類型。 3.2 螺旋傳動的設計 在螺旋傳動中，結構最簡單應用最廣泛的是滑動螺旋，本節(jié)主要介紹這種螺旋傳動的設計?；瑒勇菪惫ぷ鲿r，主要承受轉矩和軸向拉力（或壓力）的作用，由于螺桿和螺母的旋合螺紋間存在著較大的相對滑動，因此，其主要失效形式是螺紋牙破損?；瑒勇菪幕境叽缤ǔ８鶕?jù)耐磨條件確定。對于傳力螺旋還應校核螺桿危險截面。 滑動螺旋的結構包括螺桿、螺母的結構形式及其固定和支承結構形式。螺旋傳動的工作剛度與精度等和支承結構有直接關系，當螺桿短而粗且垂直布置時，如起重及加壓裝置的傳力螺旋，可以采用螺母本身作為支承的結構。當螺桿細長且水平布置時，如機床的傳導螺旋（絲杠）等，應在螺桿兩端或中間附加支承，以提高螺桿工作剛度。 螺母結構有整體螺母、組合螺母和剖分螺母等形式。整體螺母結構簡單，但由磨損而產(chǎn)生的軸向間隙不能補償，只適合在精度要求較低的場合中使用。對于經(jīng)常雙向傳動的傳導螺旋，為了消除軸向間隙并補償旋合螺紋的磨損，通常采用組合螺母或剖分螺母結構。利用螺釘可使斜塊將其兩側的螺母擠緊，減小螺紋副的間隙，提高傳動精度。 傳動用螺桿的螺紋一般采用右旋結構，只有在特殊情況下采用左旋螺紋。 螺桿和螺母材料應具有較高的耐磨性、足夠的強度和良好的工藝性。 表3.1 螺桿與螺母常用的材料 螺紋副 材料 應用場合 螺桿 Q235 Q275 45 50 輕載、低速傳動。材料不熱處理 40Gr 65Mn 20GrMnTi 重載、較高速。材料需經(jīng)熱處理，以提高耐磨性 9Mn2V GrWMn 38GrMoAl 精密傳導螺旋傳動。材料需經(jīng)熱處理 螺母 ZcuSn10P1 ZcuSn5Pb5Zn5 一般傳動 ZcuAL10Fe3 ZcuZn25AL6Fe3Mn 重載、低速傳動。尺寸較小或輕載高速傳動，螺母可采用鋼或鑄鐵制造，內(nèi)空澆鑄巴士合金或青銅 3.3 設計計算步驟: 1.耐磨性計算 ： 滑動螺旋的磨損與螺紋工作面上的壓力、滑動速度、螺紋表面粗糙度以及潤滑狀態(tài)等因素有關。其中最主要的是螺紋工作面上的壓力，壓力越大螺旋副間越容易形成過度磨損。因此，滑動螺旋的耐磨性計算，主要是限制螺紋工作面上的壓力 p，使其小于材料的許用壓力 [p]。 2.螺桿的強度計算 ： 受力較大的螺桿需進行強度計算。螺桿工作時承受軸向壓力（或拉力）Q 和扭矩T的作用。螺桿危險截面上既有壓縮（或拉伸）應力；又有切應力。因此；核核螺桿強度時，應根據(jù)第四強度理論求出危險截面的計算應力 σ. 3.螺母螺紋牙的強度計算： 螺紋牙多發(fā)生剪切與彎曲破壞。由于一般情況下螺母材料的強度比螺桿低，因此只需校核螺母螺紋牙的強度。 4.螺母外徑與凸緣的強度計算： 在螺旋起重器螺母的設計計算中，除了進行耐磨性計算與螺紋牙的強度計算外，還要進行螺母下段與螺母凸緣的強度計算。如下圖所示的螺母結構形式，工作時，在螺母凸緣與底座的接觸面上產(chǎn)生擠壓應力，凸緣根部受到彎曲及剪切作用。螺母下段懸置，承受拉力和螺 紋牙上的摩擦力矩作用。 設懸置部分承受全部外載荷 Q，并將Q增加 20～30％來代替螺紋牙上摩擦力矩的作用。 5.螺桿的穩(wěn)定性計算： 對于長徑比大的受壓螺桿，當軸向壓力Q大于某一臨界值時，螺桿就會突然發(fā)生側向彎曲而喪失其穩(wěn)定性。因此，在正常情況下，螺桿承受的軸向力Q必須小于臨界載荷Q。 3.3.1 螺旋機構耐磨性的計算 耐磨性計算尚無完善的計算方法，目前是通過限制螺紋副接觸面上的壓強ｐ作為計算條件，其校核公式為： P＝≤[P] （式3.1） 式中，F(xiàn)為軸向工作載荷（N）；A為螺紋工作表面投影到垂直于軸向力的平面上的面積（mm2）；d2為螺紋中徑(mm)；P為螺距(mm)；h為螺紋工作高度(mm)，矩形與梯形螺紋的工作高度h=0.5P,鋸齒形螺紋高度h=0.75P；z=H/P為螺紋工作圈數(shù)，H為螺紋高度(mm)，[p]為許用壓強(MPa)。 表3.2 滑動螺旋傳動的許用壓強 螺紋副材料 滑動副速度/(m·min-1) 許用壓強/MPa 鋼對青銅 低速 <3.0 6~12 >15 18~25 11~18 7~10 1~2 鋼-耐磨鑄鐵 6~12 6~8 鋼-灰鑄鐵 <2.4 6~12 13~18 4~7 鋼-鋼 低速 7.5~13 淬火鋼-青銅 6~12 10~13 注：?<2.5或人力驅動時，[p]可提高20%；螺母為剖分式時，[p]應降低15%-20%。 為便于推導設計公式，令? =H/d2，代入整理后得螺紋中徑的設計公式為： d2≥ （式3.2） 對矩形、梯形螺紋，h=0.5P，則： d2≥0.8 （式3.3） 對鋸齒形螺紋，h=0.75P，則 d2≥0.65 （式3.4） ?值根據(jù)螺母的結構選取。對于整體式螺母，磨損后間隙不能調整，通常用于輕載或精度要求低的場合，為使受力分布均勻，螺紋工作圈數(shù)不宜過多，宜取?=1.2～2.5；對于剖分式螺母或螺母兼作支承而受力較大，可取?=2.5～3.5；傳動精度高或要求壽命長時，允許?=4。 根據(jù)公式計算出螺紋中徑 d2 后，按國家標準選取螺紋的公稱直徑d和螺距P。由于旋合各圈螺紋牙受力不均，故z不宜大于10。 本論文要求：設計小型的電動螺旋壓力機，主要用于機修車間壓力校正、壓力裝拆等。主要技術要求如下： 1） 最大輸出壓力為30kg。 2） 壓力機壓頭行程為350mm，運動速度為0.3m/min。 3） 壓力機內(nèi)可放置物體高度為400mm，直徑400mm。 考慮到轉速較低，單個作用面受力不大，螺桿材料常用Q235、Q275、40、45、55等。由上表3.1（螺桿與螺母常用的材料）選材料為45鋼，由手冊查σ=360Mpa；為了提高耐磨性，螺母選較軟的材料錫青銅為ZCuSn10P1。 按耐磨性條件確定螺桿中徑d2。求出d2后，按標準選取相應公稱直徑d2、螺距P及其它尺寸（圖3.3）。 根據(jù)規(guī)定，對于整體螺母，由于磨損后不能調整間隙，為使受力比較均勻，螺紋工作圈數(shù)不宜過多，故取φ=1.22.5，此處取φ=1.5。螺桿--螺母材料分別為鋼--青銅，滑動速度為低速，得許用壓力[P]為1825MPa。[P]取18MPa。（摩擦系數(shù)起動時取大值，校核是為安全起見，應以起動時為準，由f 值0.080.1，應取f =0.1）。 圖3.3 螺桿簡圖 （1）取 計算d2 d2==2.67㎜ (式3.5) 由于d2 10㎜，不便于設計。為了方便設計與計算，據(jù)GB/T 5796.3-2005，?。? d=30mm，D=31.00mm 由d2=D2=d－H1=d－0.5P 推得P=6.66mm，則P=6.00mm d1=23.00mm，D1=24.00mm d2=D2=d-0.5P=27.00mm 已知工作行程， 同時，取為， 3.3.2 螺母螺紋牙的計算 螺紋有矩形、梯形與鋸齒形，常用的是梯形螺紋。 梯形螺紋牙型為等腰梯形，牙形角α=30o，梯形螺紋的內(nèi)外螺紋以錐面貼緊不易松動。矩形螺紋牙根強度低，鋸齒形螺紋牙型為不等腰梯形，加工成本高。從實用性考慮，故選梯形螺紋，它的基本牙形按GB/T5796.1—2005的規(guī)定，如圖3.4所示。 圖3.4 螺桿和螺母的螺紋配合圖 螺紋牙多發(fā)生剪切與彎曲破壞。由于一般情況下螺母材料的強度比螺桿低，因此只需校核螺母螺紋牙的強度。假設載荷集中作用在螺紋中徑上，可將螺母螺紋牙視為大徑D處展開的懸臂梁，螺紋牙根部的彎曲強度校核公式為： = 3Fh/πDb2z≤[] （式3.6） 剪切強度校核公式為： τ=F/zπDb≤[τ] （式3.7） 式中D為螺母螺紋的大徑(mm)；b為螺母螺紋牙根部寬度(mm)；可由國家標準查得，也可取矩形螺紋b=0.5P，梯形螺紋b=0.65P，鋸齒形螺紋b=0.74P；[] 、[τ]分別為螺母螺紋牙的許用彎曲應力和許用切應力(MPa)。 表3.3 滑動螺旋副材料的許用應力 項 目 許用應力/ MPa 鋼制螺桿 [σ]=σS/3~5 σS為材料的屈服極限/ MPa 螺 母 材料 許用彎曲應力[σb] 許用切應力[τ] 青銅 4060 3040 耐磨鑄鐵 5060 40 鑄鐵 4555 40 鋼 （1.01.2）[σ] 0.6[σ] 注：靜載荷許用應力取大值。 若螺桿與螺母的材料相同，由于螺桿螺紋的小徑小于螺母螺紋的大徑D，故應校核螺桿螺紋牙的強度，這時公式中的D應改為。 (1) 計算螺母高度H： H===40㎜ （式3.8） (2）計算旋合圈數(shù)z： =6.7 取 （式3.9） 本設計采用鑄錫青銅材料,螺母的結構簡圖如圖3.5所示。 1. 根據(jù)其材料為青銅，則其許用應力，則：其擠壓許用應力為：，取其平均值為，拉伸許用應力為： ，取其值為。 圖3.5 螺母的結構簡圖 2、凸緣拉伸強度計算確定直徑 根據(jù)公式 得： 45.24㎜ （式3.10） 取凸緣的外直徑為46. 3、凸緣環(huán)面擠壓強度計算確定直徑 根據(jù)公式 得： ㎜ （式3.11） 可確定螺母的環(huán)面直徑為51㎜。 4、 凸緣根部彎曲強度計算確定凸緣厚度 根據(jù)公式 ， 得： 6.00㎜ （式3.12） （6）螺母螺紋牙強度校核： 由上表查得青銅螺母螺紋牙許用彎曲應力[σ]=4060MPa,許用剪切應力[τ]=3040MPa；梯形螺紋螺紋牙根寬度b=0.65p=0.65×6=3.9mm；梯形螺紋螺紋牙工作高度h=0.5p=0.5×6=3㎜。則： ①彎曲強度校核： =26.05MPa 合格； （式3.13） ②剪切強度校核： MPa 合格； （式3.14） 綜上，所選定的螺旋傳動桿材料和直徑，在假設的30KN的輸出壓力下，能達到螺桿和螺母的各項強度校核。所以設計題目所要求的30Kg的輸出壓力肯定在強度范圍之內(nèi)。 3.3.3 螺桿強度的校核 螺桿受軸向力F及轉矩T的作用，危險截面上受拉（壓）應力σ和扭轉切應力τ。根據(jù)第四強度理論，τ螺桿危險截面的強度校核公式為： = （式3.15） 式中d1為螺桿螺紋的小徑（mm）；[σ]為螺桿材料的許用應力（MPa），T為螺桿所受轉矩(N·m)T=； ①由上表查得螺桿許用應力 （式3.16） ②螺桿所受轉矩： 60889.03 （式3.17） ③螺桿強度校核： 74.46MPa≤120MPa 合格；（式3.18） 3.3.4 螺桿穩(wěn)定性的校核 對于長徑比大的受壓螺桿，當軸向力F超過某一臨界載荷FC時，螺桿可能會突然產(chǎn)生側向彎曲而喪失穩(wěn)定。因此，對細長螺紋應進行穩(wěn)定性校核。螺桿的穩(wěn)定性條件為： （式3.19） 式中S為穩(wěn)定性安全系數(shù)，對于傳力螺旋取S=3.5～5；對于傳導螺旋取S=2.5～4；對于精密螺桿或水平螺桿取S>4。 臨界載荷FC與螺桿的柔度γ及材料有關，根據(jù)γ=的大小選用不同的公式計算。 當γ≥85～90時，根據(jù)歐拉公式計算，即： （式3.20） 當γ<85～90時；對σb≥380MPa的碳素鋼（如Q235、Q275） =(304/1.12γ) （式3.21） 當γ<85～90時，對σb≥470MPa的優(yōu)質碳素鋼（如355、45） =(461/2.57γ) （式3.22） 已知：，并可查得：，螺桿危險截面的慣性矩：，，同時，，其中，為螺旋桿的揉度。經(jīng)計算得出：，則 ， （式3.23） 又螺桿的穩(wěn)定性安全系數(shù)為：3.5～5.0，則： （式3.24） 由上式可知，本設計滿足螺桿的穩(wěn)定性設計。 表3.4 長度系數(shù)μ的選擇 螺桿端部結構 μ 兩端固定 0.5 一端固定，一端不完全固定 0.6 一端固定，一端自由（如千斤頂） 2 一端固定，一端鉸支（如壓力機） 0.7 兩端鉸支（如傳導螺桿） 1 注：用下列辦法確定螺桿端部的支撐情況： 采用滑動支承時： lo為支承長度，do為支承孔直徑，lo/do<1.5鉸支；lo/do=1.5～3不完全固定；lo/do>3固定。 采用滾動支承時： 只有徑向約束時為鉸支；徑向和軸向都有約束為固定。 注：用下列辦法確定螺桿端部的支撐情況： 采用滑動支承時： lo為支承長度，do為支承孔直徑，lo/do<1.5鉸支；lo/do=1.5～3不完全固定；lo/do>3固定。 采用滾動支承時：只有徑向約束時為鉸支；徑向和軸向都有約束為固定。 3.3.5 自鎖性的校核 對于要求自鎖的螺旋傳動，應校核是否滿足自鎖條件，即： （式3.25） 式中，fV為螺紋副的當量摩擦系數(shù) 表3.5 螺旋傳動螺旋副的當量摩擦系數(shù)?ν（定期潤滑） 螺旋副材料 鋼和青銅 鋼和耐磨鐵 鋼和鑄鐵 鋼和鋼 淬火鋼和銅 ?ν 0.08～0.10 0.10～0.12 0.12～0.15 0.11～0.17 0.06～0.08 （4） 校核螺旋副自鎖性： 4.05° （式3.26） 由上表查得，滿足自鎖條件。 綜上，所選定的螺旋傳動桿材料和直徑，在假設的30KN的輸出壓力下，能達到螺桿和螺母的各項強度校核。所以設計題目所要求的30Kg的輸出壓力肯定在強度范圍之內(nèi)。 第四章 開關磁阻電動機 4.1 開關磁阻電動機簡述 開關磁阻電機是一種新型調速電機，調速系統(tǒng)兼具直流、交流兩類調速系統(tǒng)的優(yōu)點，是繼變頻調速系統(tǒng)、無刷直流電動機調速系統(tǒng)的最新一代無極調速系統(tǒng)。它的結構簡單堅固，調速范圍寬，調速性能優(yōu)異，且在整個調速范圍內(nèi)都具有較高效率，系統(tǒng)可靠性高。主要由開關磁阻電機、功率變換器、控制器與位置檢測器四部分組成。 　　近年來，開關磁阻電機的應用和發(fā)展取得了明顯的進步，已成功地應用于電動車驅動、通用工業(yè)、家用電器和紡織機械等各個領域，功率范圍從10W到5MW，最大速度高達100,000 r/min。 4.2 開關磁阻電動機機結構特點 在圖4.1 中，開關磁阻電動機的定子 轉子均由硅鋼片疊壓而成，轉子上既無繞組也無永磁體，定子極上繞有集中繞組，徑向相對的兩個繞組串聯(lián)構成一個兩極磁一相。開關磁阻電動機可設計成多種不同的相數(shù)以及極數(shù)結構，且定子、轉子的極數(shù)總是不相同，有多種不同的搭配，這種特殊的組合形式在螺旋壓力機上可得到充分的應用。 在圖4.1中， 電動螺旋壓力機的開關磁阻電動機工作過程是 以定子、轉子的相對位置作為起始位置，依次給D→a→b→c相繞組通電,轉子即會逆著勵磁順序以逆時針方向連續(xù)旋轉,反之, 依次給B→A→d→c相通電,則電動機會順時針旋?？梢?，開關磁阻電動機的轉向與相繞組的電流方向無關，而取決于相繞組通電的順序。通過控制與電動機每相繞組相串接的各組S1\S2的開關工作狀態(tài)，就可以改變電動機的轉向、轉矩、轉速。 圖4.1 開關磁阻電動機結構示意圖 電動螺旋壓力機由于采用先進的開關磁阻電動機關鍵技術,普通交流電動機空載時的功率因數(shù)為0.20.4，滿載時為0.80.9；而開關磁阻電動機的功率因數(shù)在空載和滿載時的功率因數(shù)均大于0.98,功率因數(shù)高。該種開關磁阻電動機，比鼠籠式交流異步電動機簡單，機械強度高，故障率低，有軟起動特性，無過沖起動電流, 無普通交流電動機起動電流大于額定電流5~7倍現(xiàn)象，而是起動電流平滑增加至所需的電流，起動沖電流小，避免了電動機起動時的峰值電流，保證了電溫升在允許范圍之內(nèi)，有效控制了電動機因頻繁啟停和換向運動所引起的發(fā)熱問題?？深l繁正、反轉，頻繁起動、停止，起動轉矩達到額定轉矩的l50%時，起動電流僅為額定電流的30%。 因此，起動轉矩高，起動電流低，過載能力強，當負載恢復正常時，轉速恢復到設定轉速。 4.3 電動機功率計算 由題目所給條件可知：最大輸出壓力為30kg。壓力機壓頭行程為350mm，運動速度為0.3m/min。由計算得螺母高度H=40㎜，旋合圈數(shù)z=7,螺桿直徑；則螺母從上止點運動到下止點的時間 （式4.1） 螺母從上止點運行到下止點所轉的圈數(shù) （式4.2） 所以轉速 （式4.3） 則工作機的輸入功率可近似的看作 （式4.4） 因為本次設計的螺旋壓力機最大輸出壓力為300N,并且在車間壓力校正和壓力裝拆瞬間，產(chǎn)生沖擊載荷，為了達到設計要求，查開關磁阻電動機相關資料，電動機功率，可滿足轉速和輸出壓力要求。 4.4 開關磁阻電動機發(fā)展前景 作為一種新型調速驅動系統(tǒng)，開關磁阻電機以其結構簡單、低成本、高效率、優(yōu)良的調速性能和靈活的可控性，愈來愈得到人們的認可和應用。目前已成功應用于在電動車用驅動系統(tǒng)、家用電器、工業(yè)應用、伺服系統(tǒng)、高速驅動、航空航天等眾多領域中，成為交流電機調速系統(tǒng)、直流電機調速系統(tǒng)和無刷直流電機調速系統(tǒng)的強有力競爭者。 開關磁阻調速電動機作為最新一代無級調速系統(tǒng)尚處于深化研究開發(fā)、不斷完善提高的階段，其應用領域也在不斷拓展之中。 第五章 電動螺旋壓力機結構設計 5.1 電動螺旋壓力機工作原理 電動螺旋壓力機是利用可逆式電動機不斷作正反方向的換向轉動，帶動飛輪和螺桿旋轉，使滑塊作上下運動。如圖5.1所示，電動螺旋壓力機包括機身9，安裝在機身9 上方的罩子4，固定在罩子4上的開關磁阻電動機3，由開關磁阻電動機3驅動的飛輪5，固定在飛輪5 上的螺桿6，由螺桿6 驅動的螺母7，固定在螺母7上的滑塊8，與滑塊8相連并固定在機身上的滑塊重量平衡裝置1，安裝在機身上用于制動飛輪的制動器2。在圖5.1中電動螺旋壓力機根據(jù)工藝需要可設置頂料器10。 開關磁阻電動機驅動飛輪旋轉，飛輪旋轉帶動螺桿旋轉，螺桿通過螺旋副驅動螺母向下運動從而帶動滑塊向下運動實現(xiàn)。打擊后飛輪系統(tǒng)的能量全部釋放完畢，然后電動機反轉。將滑塊提升到預定高度電動機斷電，制動器制動飛輪，使滑塊停在初始位置，完成一個工作循環(huán)。 圖5.1 電動螺旋壓力機結構示意圖 1. 滑塊重量平衡裝置 2.制動器 3.開關磁阻電動機 4.罩子 5.飛輪 6.螺桿 7.螺母 8.滑塊 9.機身 10.頂出器 5.2 螺桿的設計 上一章已經(jīng)計算出螺桿的長度直徑，對其材料選擇也做了說明。根據(jù)總體的設計要求和設計需要，繪制螺桿的零件圖如圖5.2所示： 圖5.2 螺桿零件圖 5.3 螺母的設計 第4章 我們已經(jīng)計算出了螺母的總體尺寸，對于其選材也做出了說明。根據(jù)計算結果，并結合實際設計要求，繪制螺母零件圖如圖5.3所示： 圖5.3 螺母零件圖 5.4 機身設計 由設計要求可知，螺旋壓力機壓頭行程為350㎜，壓力機內(nèi)可放置體高度為400mm，直徑400mm?？芍ぷ髋_尺寸和滑塊必須大于400㎜，所以工作臺尺寸選定為500㎜，滑塊尺寸為450㎜。以便工件在校正工程中能均勻受力，保證校正精度。 由于壓力機壓頭行程為350 ㎜，可放置物體高度為400毫米，所以壓力機滑塊上止點到下止點距離必須大于400㎜，選定上止點到下止點距離為500㎜。 第六章 全文總結 此次關于螺旋壓力機的畢業(yè)設計，通過查閱相關資料，了解了螺旋壓力機的發(fā)展史和今后的發(fā)展狀況，從古老的鍛壓設備到現(xiàn)在數(shù)控的鍛壓設備，螺旋壓力機的種類和性能越來越完善，也越來越先進。 由于科技的發(fā)展，越來越多的新科技被應用的鍛壓設備領域。螺旋壓力機也從機械傳動更新?lián)Q代到現(xiàn)在數(shù)控系統(tǒng)控制，大大提高了生產(chǎn)效率，保證了工藝精度。由于現(xiàn)在鍛壓工藝要求越來越高，對壓力機的要求也越來越高。 通過查閱相關資料和文獻，了解了電動螺旋壓力機的優(yōu)缺點。通過對畢業(yè)設計題目要求進行分析與計算，確定螺旋壓力機的傳動類型，熟悉并了解了本論文中所采用的開關磁阻電動機的工作原理。通過查閱相關的技術資料，確定了相應條件下的螺桿、螺母的材料，并由此計算出對螺桿、螺母相關技術數(shù)據(jù)，通過對螺桿、螺母強度及穩(wěn)定性的計算與校核，及此次設計中技術參數(shù)滿足，確定了開關磁阻電動機的功率大小。開關磁阻電動機通過一級減速器（標準件）驅動螺旋壓力機工作，達到設計要求的機修車間壓力校正、壓力裝拆等。 由于本論文題目中所給數(shù)據(jù)太小，計算后得出的螺桿相關數(shù)據(jù)不便于螺旋傳動裝置的設計，文中采用了類比的計算方法，通過選取比題目所給數(shù)據(jù)較大的輸出壓力及通過查閱機械設計手冊，采用常用的螺桿半徑，校核在此輸出壓力下若能滿足螺桿及螺母相關強度，那么必能滿足題目所給條件。 參考文獻 [1].機械原理與機械零件. 北京.高等教育出版社 王定國 [2].機械零件. 上海.等教育出版社 鄭志祥,劉天一 [3].機械零件. 北京.廣播電視大學出版社 吳宗澤 [4].非標準機械設備實際手冊. 北京.機械工業(yè)出版社 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