02-設計計算說明書格式

PAGEPAGE4XX型XX機設計計算說明書北京XX200X年X月

第一章設計任務1.1目的及意義1.2應用范圍1.3基本參數及性能指標要求1、基本參數-產量：120kg/h～240kg/h（顆粒產品最大直徑23mm）-整機質量：≤600kg-適合于電動機及柴油機兩種動力輸入，且便于移動轉移。2、性能指標-能耗指標：-噪聲：≤93dB（A）1.4設計計劃及進度安排2007年6月～2007年12月：收集資料，知識產權咨詢及專利申報；2008年1月～2008年6月：設備方案論證、控制方案及樣機設計；2008年7月～2008年8月：配套技術研究及關鍵部件試制；2008年9月～2008年11月：樣機試制、樣機試驗、調試；2008年12月：樣機試驗、總結。第二章總體設計2.1技術要求及設計思想其特點是：2.2確定技術參數及工作原理2.2.1設備結構組成2.2.2技術參數確定第三章結構設計3.1如：壓縮成型系統設計3.1.1系統受力分析壓縮成型系統主要有主軸、環模和壓輥組成。顆粒在壓模與壓輥之間的擠壓下完成，其擠壓過程見下圖；圖3-1壓模與壓輥受力分析1.壓模2.壓孔3.壓輥根據物料在擠壓過程中所處的狀態不同，可將其分為三個區段:供料區、壓緊區和擠壓區。供料區：在此區,物料除受離心力外，基本上不受外力作用，處于自然狀態。壓緊區：隨著模、輥的旋轉，物料受模、輥的擠壓作用，物料之間產生相對移動，空隙逐漸減小。在模、輥鍥形夾持下，物料向前移動速度加快，即壓力逐漸加大，物料之間也產生一定的連接和變形，密度增大到接近1.0g/cm3.擠壓區:在此區,擠壓力急劇增大，物料間進一步靠緊和鑲嵌，物料間的接觸面積增大和聯結增強。當擠壓力增加到能夠克服模孔對料粒的摩擦力時，具有一定密度和聯結力的物料被擠進模孔，經過模孔一段長度的飽壓形成顆粒。這一區段物料將產生彈性、塑性組合變形。壓出之后的物料密度可達0.8g/cm3～1.4g/cm3。為使物料在模、輥轉動作用下壓制成顆粒，必須具備兩個條件：一是模、輥要把物料攫入變形區，二是壓輥對物料的擠壓力大于模孔內物料對料柱的摩擦阻力。在物料壓粒過程中，物料被模、輥攫入主要靠模、輥表面與物料的摩擦。為了便于研究，將變形區內靠近攫入弧的一小段粉料做為脫離體來分析受力狀態。如下圖：圖3-2變形區一小段脫離體的受力分析引壓輥表面A點的切線和壓模內表面A1點的切線交于C點，∠ACA1=α-β，稱為攫取角。從圖3-1可知，對物料作用有兩個力，壓輥壓力P和環模內表面的反力R，阻礙物體進入變形區的力為Psin(α-β)攫取物料的力為Fcos(α-β)+T=FPcos(α-β)+f1R欲使物料被攫入變形區而不被滑出，則必須滿足f1R+FPcos(α-β)≥Psin(α-β)（3-1）式中，f1=tgφ1壓模與物料間的摩擦系數f=tgφ帶槽溝壓輥與物料間的摩擦系數α物料對壓輥的包角β與壓輥壓模有關的角而R=Pcos(α-β)+fPsin(α-β)若f1=f整理后得到攫入條件（3-2）從（3-1）式可以看出，攫取角α-β與摩擦系數f成正比。物料的成分不同，摩摖系數也不同，因此其攫取角也不同。模孔中的物料在軸向壓應力為，則根據沿孔向無變形和廣義胡克定律可求的物料徑向壓應力（3-3）式中，——模孔內物料徑向應力——物料的泊松比從上式可知，作用于物料在軸向壓應力為作用于物料徑向壓應力的倍。對任何物料＜0.5，故＞。壓模模孔除承受徑向壓力外，同時還承受由徑向壓力而產生的切向摩擦力F（F=fP，f摩擦系數，P為徑向壓力）。沿模孔取出一段物料進行分析，如下圖圖3—3模孔受力分析綜上所述，可得：1、增大摩擦系數f，減小模孔半徑r0，衰減速度加快，意味著物料在模孔內的飽壓過程縮短，物料成型性變差。反之，減少摩擦系數f，增大模孔半徑r0，衰減速度減慢，表明物料在模孔內的飽壓過程延長。由此得出：設計壓模時模孔r0不應過小，同時將模孔加工光滑，以減小摩擦系數f，提高成型性能。2、影響物料壓制過程的不只是摩摖系數f，反映物料縱橫向變形的物料泊松比也是一個重要的特性參數。3、壓模厚度H不是隨便選定的尺寸，其大小直接受模孔半徑r0所要求的顆粒密度以及物料特性的制約。試驗表明，隨著模孔深度（即壓模厚度H）增大，顆粒產量明顯降低，耗能增加，顆粒硬度提高，因為隨著模孔深度加大而摩擦面成正比增加。為了獲取較好制粒性能，使產量和質量處于最佳狀態，對每種物料都有比較適宜的長徑比（模孔深度H與孔徑d的比值）。因此，根據玉米秸稈的特性和需要的加工產品的要求密度。經過大量的實驗，確定模孔直徑d=23mm，模孔深度H=83mm。3.1.2環模的設計環模是成型系統的主要部件，其質量對產量和顆粒質量有很大影響。環模的設計圖如下：圖3—4溝槽式環模設計圖1、環模直徑和環模有效壓制寬度以及壓輥直徑的確定a、環模直徑和有效寬度是環模的主要參數首先根據國內外壓縮成型制粒機參數及優先數列確定環模直徑為510mm;參考飼料加工機械顆粒成型機以及目前市場上使用的秸稈壓塊機的功耗，確定成型工段相對功率為12kW；根據等有效壓制面積等功率之比值(一般14cm2/kW～22cm2/kW),確定環模有效寬度23mm(有效寬度是指環模中間與壓輥接觸部分)。b、壓輥直徑的確定它是通過環模和壓輥之間相互的擠壓力，克服物料通過模孔的阻力，從而達到制粒的目的。相同環模下，壓輥直徑越大，環模和壓輥之間型成的三角擠壓范圍越大，越利于擠壓作用。根據經驗確定壓輥外徑與壓模內徑比為0.475,再經過多次試驗圓整后確定壓輥直徑為110mm。2、與環模孔相關的各參數的確定與作用a、環模壓縮比I=L/d，它是反映顆粒擠壓強度的一個指標。壓縮比越大，擠出的顆粒越結實。所以環模模孔d確定，即在環模壓縮比I一定的條件下，環模的有效厚度L=I*d就確定了。b、環模工作面積S=π*D*H（3-4）環模制粒機的設計功率和環模工作面積成正比，因此功率一定的制粒機，一般環模直徑D和環模有效寬度H成反比，由于本機器的產量要求，為保證環模出料均勻，選擇環模有效寬度為23mm，環模內徑為344mm。c、環模開孔率ψ=S1/S（3-5）式中S1為所有孔的總面積，S1=,n為模孔的個數，r0為模孔的半徑。S為環模工作面積本設計采用的單排溝槽式模孔的直徑為23mm，均部圓周41個。溝槽的寬度為23mm。由上面的公式可得到環模開孔率約為71%。d、粗糙度粗糙度也是衡量環模質量的重要指標。在同樣的壓縮比下，粗糙度越大，顆粒擠出阻力越大，出料越困難，過大的粗糙度也影響顆粒表面的質量。但過低的粗糙度又會增加成本，在多次試驗后最終確定粗糙度值為3.2μm。3.1.3主軸的設計根據軸的載荷情況可分為轉軸、心軸、傳動軸三類。轉軸承受彎矩和轉矩；心軸只承受彎矩，不傳遞轉矩；傳動軸主要承受轉矩，不承受或只承受較小彎矩。由設計知主軸主要傳遞轉矩，為典型的傳動軸。1、選擇軸的材料軸的材料主要采用碳素鋼和合金鋼。碳素鋼比合金鋼價廉，對應力集中的敏感性較小，所以應用較為廣泛。45號鋼等優質中碳鋼是直軸最常用的材料。由于該軸主要承受轉矩，查手冊知選用45號鋼。2、計算軸徑該軸用圓鋼車制。因為傳遞轉矩主要靠軸的近表面材料，所以空心軸比實心軸在材料的利用上較為經濟，但加工費用較高。所以本軸仍采用實心軸。按扭轉強度計算只需知道轉矩大小，方法簡單。已知該軸主要是傳遞轉矩，可以只按軸所受的轉矩進行計算。扭轉強度條件為：（3-6）式中：T――――軸傳遞的轉矩，N?mm，；WT――――軸的抗扭界面系數，mm3；P――――軸傳遞的功率，kW；12kWn――――軸的轉速，r/min；63.5r/min[]―――軸材料的許用切應力，MPa。對實心軸，，則主軸軸徑選擇的計算公式為：（3-7）上式中：d――――軸的直徑，mm；T――――軸傳遞的轉矩，N?mm，；P――――軸傳遞的功率，kW；n――――軸的轉速，r/min；A――――系數,；由各部分所承受的載荷確定各部分的尺寸。其中軸的輸出功率一端驅動壓輥轉動，另一端驅動環模轉動，其中驅動壓輥轉動消耗的功率較大為PmPm=Pⅹ1/3=4kW（3-8）電動機轉速n1=960r/min。減速器減速比i=15.1則傳動軸的轉速為，（3-9）則主軸徑為：（3-10）3、主軸的總體結構設計由設計條件得知，該軸主要是傳遞轉矩。其詳細的設計結構如圖3-10所示。最小軸徑為安裝聯軸器處的直徑，結合聯軸器的軸徑選此軸為40mm，結合軸各段的作用選擇各段的尺寸。安裝齒輪段的軸徑為50mm，長度為25mm。參考軸承的規格確定軸承段的軸徑為45mm，長度為68mm。軸承右端有軸肩故其軸徑為50mm，長度為50mm。齒輪左端有軸肩定位故其軸徑為50mm，長度為50mm。中間軸徑為47.5mm，長度為70mm。圖3-10主軸設計圖3.1.4壓縮成型系統的校核壓縮成型系統的校核主要為模孔強度的校核和主軸的校核。1、模孔強度的校核由圖3—3模孔受力分析知作用于物料在軸向壓應力模孔徑向壓應力模孔切向摩擦力均按指數規律沿模孔長度變化。在壓模內表面處達到最大值，以后逐漸衰減，到模孔末端達到最小值。所以只要滿足物料作用于內表面的軸向壓應力和徑向壓應力小于材料的許用應力即可。經過試驗所選模孔壁厚t滿足要求。2、主軸的校核主軸的校核首先判斷危險截面，通過分析軸各段的受力以及自身的尺寸情況知中間段軸徑為47.5mm段為危險截面，故只需校核此截面。主軸用45鋼，由于彎矩相對轉矩較小（只受自重的彎矩），且載荷平穩，故取[]=45MPa。軸傳遞的轉矩P1――――軸傳遞給壓輥的功率，kW；n1――――壓輥軸的轉速，r/min；軸的抗扭界面系數截面上的扭轉切應力為[]―――軸材料的許用切應力，45MPa。所以軸的尺寸和材料滿足設計的要求。粉碎系統設計粉碎機產量計算及基本參數確定粉碎機產量按照設計任務書，設備成品顆粒（顆粒產品最大直徑23mm）產量最大為240kg/h，因此，粉碎機的產量應不小于300kg/h。顆粒成品的直徑為23mm，參考相關文獻，原料的粉碎粒度應為成品直徑的0.5倍–0.8倍。考慮到田間作業，原料的均勻性非常差，秸稈根部與頂部的水份含量在收獲后的不同時間段差別非常大。這會對原料的成型造成影響，因此，原料的粉碎粒度應減小，以減小由于水份含量不均對于成型的影響。因此，我們取原料粉碎粒度小于成品顆粒直徑的0.5倍，即小于12mm。粉碎機的動力消耗，參考JB/T9822–2008飼草粉碎機技術條件，在飼草含水率小于15%，篩孔直徑為3mm時，每千瓦小時的生產率應該大于等于40kg；以及JB/T7144.1–1993青飼料切碎機技術條件，青貯玉米含水率大于或等于65%時，其單位長度千瓦小時產量應大于80kg。由于我們的設備工作時，原料的含水量在15%-25%。參考以上標準，我們的原料粉碎后平均粒徑在12mm左右，千瓦小時的粉碎產量應不低于100kg。因此，每小時粉碎量為300kg時，可以確定粉碎機的動力消耗在4kW·h左右。粉碎機確定根據以上標準及計算，選定由遼寧省鳳城市鳳志機械廠生產的93ZP-1.0型多功能粉碎機，僅選其工作部分，不包括動力。其粉碎機的主要工作性能及技術指標如下： 產品型號：93ZP-1.0型 產品名稱：多功能粉碎機 主軸轉速：800r/min 生產能力：≥300kg/h 適用動力：4kW 該機型適用于農作物秸稈、草類等的粉碎加工。農作物秸稈的鍘切采用軸向喂料，物料由風力輸送至貯料斗。調質與輸送系統設計調質料斗設計調質料斗的主要作用有兩個，一是對于水份含量過于低的物料再加入適量的水份后進行攪拌，二是向壓縮環模中輸送物料，以保證環模中物料的數量與質量。為了能使物料的水份含量能保持在一定范圍內，在物料的水份含量不足時，可以人工向物料中加入一定的水份，然后經過輸送螺旋適當的攪拌送入壓膜室。輸送系統設計輸送系統輸送量的計算，由于受設備空間所限，首先確定螺旋長度與直徑，然后根據產量確定節距及螺旋葉片的傾角。其喂料量計算公式及基本參數如下：Q=47D2φsnγC(t/h)式中：D–螺旋直徑：0.247mφ–充滿系數：0.25s–螺旋節距：0.09mn–螺旋轉速：63.5r/minγ–物料容重：0.08t/m3C–傾斜輸送修正系數：1Q–產量(t/h)帶入以上數據，考慮到物料容重與水份含量有關，經計算調制輸送器的輸送量為：Q=328(t/h)因此，調質輸送機每小時的產量328公斤，能夠滿足設計要求的每小時240公斤的最大產量要求。第四章動力傳動系統設計4.1總動力的確定傳動系統如下圖。4.2主軸與總動力軸傳動設計4.3變速箱設計1、變速箱傳動設計2、齒輪參數及傳動比計算變速箱齒輪參數計算表名稱符號單位Z1Z2Z3Z4Z5Z6齒數Z204022794556模數M443333壓力角α°20°20°20°20°20°20°分度圓直徑dmm8016066237135168齒頂高hamm443333齒根高hfmm553.753.753.753.75齒頂圓直徑damm8816872243141174齒根圓直徑dfmm7015058.5229.5127.5160.5基圓直徑dbmm75.17169.1462.02222.71126.86157.87周節pmm12.5612.569.429.429.429.42齒厚smm6.286.284.714.714.714.71標準中心距Aamm120120151.5151.5151.5151.51）環模速度及傳動比計算環模傳動比環模速度n=960xi=150r/min2）壓輥傳動比計算壓模傳動比壓模轉速n=960xi=63.5r/min根據以上計算，確定環模的轉速為150r/min，