十噸臥式繞線機的畢業(yè)設(shè)計論文.doc

畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計計 題題 目目 10 噸臥式繞線機的設(shè)計 摘 要 臥式繞線機主要是用于電動機 電器繞組的制造 是電壓器制造企業(yè)的關(guān)鍵生 產(chǎn)設(shè)備之一 它可以解決繞組在繞制過程中對繞制速度 啟動特性 線圈恒張力控 制 實現(xiàn)排線架的運動速度與主軸的轉(zhuǎn)速按照一定的函數(shù)關(guān)系變化 實現(xiàn)同步控制 通過進行文獻檢索 企業(yè)的產(chǎn)品收集 對臥式繞線機的基本整體結(jié)構(gòu) 功能需要進 行總結(jié)分析 對國內(nèi)外的臥式繞線機的發(fā)展現(xiàn)狀進行了深入的了解 本文對臥式繞 線機的主要機械結(jié)構(gòu)進行了深入詳細(xì)的設(shè)計并進行了強度的校核 其中對主軸 蝸 桿 蝸輪減速器以及帶傳動 鏈傳動進行詳細(xì)的設(shè)計 同時 除了機械傳動的設(shè)計外 還另外對臥式繞線機的電氣控制系統(tǒng)硬件組成也進行了設(shè)計及 PLC 梯形圖的設(shè)計 通過對繞線機整機機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計 基本能夠達到預(yù) 期的設(shè)計要求 符合機械結(jié)構(gòu)的強度需要 實現(xiàn)了臥式繞線機的恒張力 自動排線 自動調(diào)速 排線的制動以及主軸制動的功能 關(guān)鍵詞 臥式繞線機 張力控制 同步控制 電氣控制 ABSTRACT Horizontal coiling machine is mainly used to manufacture electric motors and electrical appliances coiling It is one of the key production equipments for the voltage device manufacturing enterprises It can realize many characteristics around the winding such as the control of the coiling speed startup behavior and the control of coil constant tension so as to realize the change of the movement speed of the creelstand and spindle speed according to certain function relation achieving the ynchronous control Through the literature retrieval and enterprise product collection I make some analysis to the basic structure and function requires of the horizontal coiling machines In this paper I make a further detailed design to the horizontal coiling machine s main mechanical structure and check the intensity among of all such as the detailed design of the spindle worm worm gear reducer belt transmission and chain At the same time in addition to the mechanical transmission design outside also I have maked the detailed design for the electrical control system s hardware of the horizontal coiling machine and PLC ladder diagram Based on the mechanical structure s design of the winding machine and electrical control system s design I basicly can achieve the desired design requirements according with mechanical structural strength need realizing the functions of the control of the constant tension automatic coiling automatic speed the baking of the creelstand and the spindle in this horizontal coiling machine Key words horizontal coiling machine tension control synchronous control electrical control 目 錄 摘要 I ABSTRACT II 1 前 言 1 1 1 繞線機的簡介 1 1 1 1 自動繞線機 1 1 1 2 立式繞線機 1 1 1 3 臥式繞線機 1 1 2 國內(nèi)繞線機的現(xiàn)狀 2 1 3 臥式繞線機的設(shè)計內(nèi)容 2 1 3 1 臥式繞線機的基本結(jié)構(gòu) 2 1 3 2 臥式繞線機的設(shè)計方案 3 1 4 臥式繞線機的技術(shù)參數(shù) 4 2 前箱體的設(shè)計 5 2 1 確定主電機功率 5 2 1 1 空線圈啟動狀態(tài)下 5 2 2 1 線圈在滿圈狀態(tài)下 6 2 2 制動器的選擇 8 2 3 蝸桿 蝸輪減速器 9 2 3 1 蝸桿 蝸輪減速器的設(shè)計方 案 9 2 3 2 蝸桿 蝸輪減速器的設(shè)計計 算 9 2 3 3 蝸桿 蝸輪減速器的結(jié)構(gòu)尺寸 11 2 3 4 蝸輪齒根彎曲疲勞強度校核 11 2 4 帶傳動的設(shè)計 13 2 4 1 帶傳動的結(jié)構(gòu)尺寸 13 2 4 2 帶的選擇 14 2 4 3 帶的受力分析 15 2 4 4 帶輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計 15 2 5 鏈傳動的設(shè)計 16 2 5 1 鏈的尺寸設(shè)計 16 2 5 2 鏈的校核設(shè)計 17 2 5 3 鏈輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計 18 2 6 主軸的設(shè)計 20 2 6 1 主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 20 2 6 2 主軸的載荷分析 22 2 7 鏈輪主動軸 24 2 7 1 鏈輪主動軸的安裝結(jié)構(gòu) 24 2 7 2 鏈輪主動軸的尺寸設(shè)計 25 2 8 蝸桿軸 25 2 8 1 蝸桿軸的安裝結(jié)構(gòu) 25 2 8 2 蝸桿軸的尺寸設(shè)計 26 2 9 主動帶輪軸 電機軸 26 2 9 1 主動帶輪軸的結(jié)構(gòu) 26 2 9 2 主動帶輪軸的尺寸設(shè)計 26 3 后箱體 排線架的設(shè)計 28 3 1 后箱體主軸的設(shè)計 28 3 1 1 后箱體主軸的結(jié)構(gòu) 28 2 2 1 后箱體主軸的尺寸設(shè)計 28 3 2 后箱體微調(diào)軸 28 3 2 1 后箱體微調(diào)軸的結(jié)構(gòu) 28 3 2 2 后箱體微調(diào)軸的尺寸設(shè)計 29 3 3 后箱體粗調(diào) 29 3 3 1 蝸桿 蝸輪傳動 29 3 3 2 蝸桿軸的設(shè)計 30 3 4 排線架 30 3 4 1 滾珠絲杠 30 3 4 2 排線機構(gòu) 31 4 電氣控制系統(tǒng)及 PLC 的設(shè)計 33 4 1 繞線機的電氣控制原理 33 4 1 1 繞線機的控制系統(tǒng)硬件選擇 33 4 1 2 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計 34 4 2 PLC 程序編程 35 5 結(jié)論 37 參考文獻 38 致謝 39 附錄 40 1 前言 1 1 繞線機的簡介 變壓器繞線機主要是用于繞制變壓器線圈的專用設(shè)備 在變壓器的線圈生產(chǎn)過 程中 按照變壓器的線圈的電壓容量對繞線機設(shè)備進行分類 有繞制大型電力變壓 器線圈的立式繞線機和臥式繞線機 也有繞制配電變壓器高 低壓線圈的箔式線圈 繞線機和自動排線繞線機 目前繞線機已經(jīng)發(fā)展成為多種類的適應(yīng)多種線圈的繞線機 其中比較典型的有 自動排線繞線機 箔式線圈繞制機 立式繞線機 臥式繞線機 1 1 1 自動繞線機 自動排線繞線機是繞制配電變壓器高壓線圈的專用設(shè)備 采用這種設(shè)備繞制出 的線圈 結(jié)構(gòu)緊湊 體積小 強度高 為進一步提高生產(chǎn)效率 新型的繞線機主機 轉(zhuǎn)速由 300 rad min 提高到 500 rad min 同時配有端絕緣開卷機構(gòu) 導(dǎo)線張緊機構(gòu) 計算機可予置多種參數(shù) 可使線圈繞制一次完成 自動化程度大大提高 減輕了工 人的勞動強度 但是成本相應(yīng)地提高了 1 1 2 立式繞線機 變壓器的線圈要求在線圈繞制過程中軸向要壓緊 徑向要卷緊 采用立式繞線 機正好可以利用線圈的自重 軸向可以實現(xiàn)自然壓緊 徑向使用張緊裝置進行控制 張力大小 所以現(xiàn)在大型變壓器中高壓線圈的繞制普遍采用了立式繞線機 即使是 低壓螺旋式線圈也采用了立式繞線機生產(chǎn) 現(xiàn)在的立式繞線機也開始進一步向大型 化發(fā)展 原有的立式繞線機載重只有 20 t 現(xiàn)在已提高到 40 t 線圈直徑最大使用到 3500 mm 最大高度達到到 4000 mm 使用了氣囊板式張緊裝置 而且可以數(shù)字顯 示張力大小 張力控制更加準(zhǔn)確 穩(wěn)定可靠 為了提高所繞線圈的尺寸精度 控制 立式繞線機徑向跳動 增加了繞線模軸頭固定裝置 為了控制軸向跳動 使用了高 精度雙排輥式大型軸承 因此 使變壓器進一步降低損耗 減輕重量 降低成本有 了可能 1 1 3 臥式繞線機 從變壓器的線圈繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計來看 并不是所有線圈都能使用立式繞線機生產(chǎn) 如層式結(jié)構(gòu) 多螺旋結(jié)構(gòu)式線圈 如果這種線圈使用普通臥式繞線機繞制好后 軸 向不加任何壓力繞制 線段間隙就會很大 像一個壓簧 線圈經(jīng)壓緊后直徑變大 線圈和紙筒間將會產(chǎn)生間隙 會造成線圈軸向失穩(wěn) 遇有軸向電動力 線圈可能造 成損壞 因此 帶有軸向 徑向壓緊式臥式繞線機 在大型變壓器線圈生產(chǎn)中 得 到了廣泛使用 隨著變壓器性能要求越來越高 一般中小型變壓器的生產(chǎn) 也逐漸 開始使用壓緊式臥式繞線機 原來的壓緊機構(gòu)使用力矩電機或氣缸產(chǎn)生壓力 現(xiàn)已 通過伺服電機取代 為了控制繞制線圈尺寸公差 繞線機增加了光柵尺 實時地檢 測線圈尺寸 多軸式放線車上的各線盤放線張力可以實現(xiàn)獨立控制 根據(jù)繞制線圈 的長度 放線車隨動跟蹤 避免導(dǎo)線的扭曲變形產(chǎn)生新的應(yīng)力 從而降低繞組的蝸 流損耗 1 2 國內(nèi)繞線機的現(xiàn)狀 國產(chǎn)的繞線機總體來說較國際技術(shù)來講 無論是技術(shù)還是質(zhì)量或是性能上還與 發(fā)達國家有一定的差距的 國產(chǎn)的繞線機自動化水平低 控制手段落后是普遍存在 的問題 只能應(yīng)用于繞線要求相對不太高的場合 繞線機的高端設(shè)備都有日本 瑞 士 德國等進口設(shè)備占領(lǐng)市場 而國產(chǎn)設(shè)備只能在很小的市場份額里以低價來爭得 客戶 我國繞線機市場目前處于高速發(fā)展的時期 目前國內(nèi)的繞線機也向多種類的 適應(yīng)多種線圈的繞線機方向發(fā)展 其中包括自動排線繞線機 箔式線圈繞制機 立 式繞線機 臥式繞線機 近年來 國外開發(fā)研制了全自動繞線機 可以實現(xiàn)自動排線 自動張緊 提高 了繞線線圈的質(zhì)量 箔式繞線機以前主要用于繞制干式變壓器高壓線圈 今后會更 多應(yīng)用于繞制油浸式變壓器線圈 它具有效率高 繞制線圈的質(zhì)量好 特別是它具 有降低整臺變壓器的線圈消耗 提高線圈承受短路的應(yīng)力特點 1 3 臥式繞線機的設(shè)計內(nèi)容 臥式繞線機主要用于大容量干式變壓器線圈的生產(chǎn)制造 繞線模由主軸花盤與 尾座花盤水平支撐 繞線模由主軸驅(qū)動旋轉(zhuǎn) 線圈在一定張力作用下有規(guī)律地在繞 線模上繞線 繞線機采用三相交流異步電動機驅(qū)動 經(jīng)帶傳動傳遞動力 無自鎖的 蝸輪 蝸桿減速器減速 因電機需要正反轉(zhuǎn) 后 采用鏈傳動的方式將動力傳遞給主 軸 由主軸帶動繞線機構(gòu)繞制線圈 由于在繞制過程中 隨著線圈半徑越來越大 主軸的轉(zhuǎn)速也應(yīng)隨之變化 所以三相電機應(yīng)配有變頻器 實現(xiàn)電動機的無級變速 在從動帶輪軸之后安裝有磁粉制動器 其原理是采用導(dǎo)磁的磁粉為媒介 制動部件 與運動部件間隙中充填磁粉 借助于磁粉間的電磁吸引力形成的磁粉鏈同工作面間 的摩擦力產(chǎn)生制動的功能 1 3 1 臥式繞線機的基本結(jié)構(gòu) 臥式繞線機的組成包括主機 變頻調(diào)速系統(tǒng) 伺服控制系統(tǒng) 操作面板等 主 機包括床頭箱 排線架 放線架 尾座和底座等四部分組成 床頭箱里包含三相電 動機 蝸桿 蝸輪傳動裝置 帶輪傳動 鏈傳動 磁粉制動裝置 變頻器 箱體等 外面包含花盤 轉(zhuǎn)速表 變速裝置 開關(guān)等 尾座有花盤 頂尖 頂尖調(diào)整裝置 交流伺服電動機 尾座調(diào)節(jié)手柄 蝸桿 蝸輪機構(gòu) 齒輪齒條機構(gòu) 箱體等 排線架 包含滾筒 滾珠絲杠機構(gòu) 線圈張緊裝置等 臥式繞線機結(jié)構(gòu)簡圖如圖 1 1 圖 1 1 臥式繞線機結(jié)構(gòu)簡圖 1 轉(zhuǎn)速表 2 花盤 3 托輪 4 頂尖 5 鎖桿 6 頂尖調(diào)節(jié)手柄 7 尾座 8 底座 9 腳開關(guān) 10 開關(guān) 11 床頭箱 12 變速手柄 1 3 2 臥式繞線機的設(shè)計方案 在做設(shè)計準(zhǔn)備的過程中 查閱了相關(guān)書籍 期刊 中外文獻等材料 主要通過 在圖書館查閱相關(guān)書籍 期刊 中外文獻等 結(jié)合已有的關(guān)于繞線機的材料 對繞 線機的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計 結(jié)合國內(nèi)外關(guān)于臥式繞線機的材料 對臥式繞線機的結(jié)構(gòu)進 行設(shè)計 對控制系統(tǒng)進行優(yōu)化 設(shè)計初步采用三相交流電機帶動鏈輪傳動主軸旋轉(zhuǎn) 實現(xiàn)繞線功能 由交流伺服電機 滾珠絲杠帶動繞線機構(gòu) 對繞線過程實現(xiàn)控制 繞線機的組成包括主機 變頻調(diào)速系統(tǒng) 伺服控制系統(tǒng) 操作面板等 主機包 括床頭箱 尾座和底座三部分組成 床頭箱里包含電動機 齒輪傳動裝置 外面花 盤 轉(zhuǎn)速表 變速裝置 開關(guān)等 尾座由頂尖 頂尖調(diào)整裝置等 床頭除與床尾共 同支撐線圈外 主要用來提供扭矩及不同的轉(zhuǎn)速 臥式繞線機的結(jié)構(gòu)應(yīng)該能滿足的功能及要求為 平穩(wěn)啟動和勻速轉(zhuǎn)動 在 不同的轉(zhuǎn)速下 必要的間歇轉(zhuǎn)動 能夠提供足夠的轉(zhuǎn)矩 準(zhǔn)確地計數(shù) 可適應(yīng) 不同線槽的夾具安裝 有效即使制動 能夠排線 張緊 裝卸方便 便于操 作 在考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候還應(yīng)該注意到可靠性 人機關(guān)系 安全 檢修 美觀 經(jīng)濟價值等問題 設(shè)計過程中主要參數(shù)的確定包括主電機功率 制動器的選擇 帶傳動的設(shè)計 鏈傳動的設(shè)計 主電動機上蝸桿 蝸輪減速機構(gòu)設(shè)計 尾座用的蝸輪蝸桿減速機構(gòu) 電動機軸的結(jié)構(gòu)參數(shù) 主軸的結(jié)構(gòu)參數(shù) 排線用的交流伺服電動機 尾座套筒的移 動副 變頻器 鏈條的設(shè)計 齒輪齒條的選擇 滾動直線導(dǎo)軌 滾珠絲桿的設(shè)計 主軸上的軸承 主軸上的光電編碼器 PLC 編程等 1 繞線系統(tǒng)采用三相異步電機驅(qū)動 經(jīng)無自鎖的蝸桿 蝸輪減速器減速 因 電機需要正反轉(zhuǎn) 后 采用鏈傳動的方式等速傳遞給主軸 由主軸帶動繞線機構(gòu)繞 線 由于在繞制過程中 隨著線圈半徑越來越大 主軸的轉(zhuǎn)速也應(yīng)隨之變化 所以 三相電機應(yīng)配有變頻器 實現(xiàn)電動機的無級變速 在從動帶輪之后安有磁粉制動器 其原理是采用導(dǎo)磁的磁粉為媒介 制動部件與運動部件間隙中充填磁粉 借助于磁 粉間的電磁吸引力形成的磁粉鏈同工作面間的摩擦力產(chǎn)生制動功能 用磁粉制動器 可對電機進行有效的制動 2 尾箱由蝸輪 蝸桿減速機構(gòu)帶動齒輪齒條沿軸向移動 手動實現(xiàn)其控制 后軸的軸向進給也是通過手動控制 通過螺紋傳動實現(xiàn)軸套的伸縮 對繞線架的距 離進行微調(diào) 最大的微調(diào)距離可達 150 mm 3 對主軸 軸承 蝸輪 蝸桿等進行必要的機構(gòu)尺寸確定以及強度校合 使 其滿足工作要求 4 控制系統(tǒng)由 PLC 實現(xiàn) PLC 主要用來控制主軸的正反轉(zhuǎn) 主軸的轉(zhuǎn)速 旋轉(zhuǎn)的圈數(shù) 還有交流伺服電機帶動的排線機構(gòu)的進給速度 主軸的轉(zhuǎn)速由其末端 的光電編碼器檢測 信號傳給 PLC 由 PLC 控制變頻器的電流大小 根據(jù)實際的繞 線速度以及線圈的直徑來調(diào)節(jié)主軸的轉(zhuǎn)速 使他們的速度相匹配 因 PLC 含有計數(shù) 功能 所以可由 PLC 控制主軸旋轉(zhuǎn)的圈數(shù) PLC 控制的伺服電機及排線架要與交流 電機的轉(zhuǎn)速相適應(yīng) 以達到穩(wěn)速緊密繞線的目的 交流電機由磁粉制動器制動 也 由 PLC 在繞線完成后控制運行來制動電動機 主機速度控制的 PLC 設(shè)計 應(yīng)用 PLC 控制繞線機實現(xiàn)主軸的各種運動 可以 簡化控制線路 節(jié)省成本 提高工作效率 具體的 PLC 設(shè)計過程 確定 PLC 所 需 I O 點個數(shù) 用互程序存儲器容量的選擇 PLC 型號的選擇 PLC 的程序 設(shè)計 1 4 臥式繞線機的技術(shù)參數(shù) 中心高 1600 mm 花盤直徑 1200 mm 開四等分 T 形槽 床頭總盤與尾座頂尖距離 1 8 m 3 2 m 最大轉(zhuǎn)速 10 噸 主軸轉(zhuǎn)速 0 24 rpm 滿圈時 10 12 rpm 電機功率 11 kw 由張力機的張緊力確定出 起動 制動時間 三分之一圈 張緊力 1000 N 2 前箱體設(shè)計計算 2 1 確定主電機功率 2 1 1 空線圈啟動狀態(tài)下 電動機在啟動到額定轉(zhuǎn)速的過程中 主軸所受的力矩為 L M 2 LaF MMM 1 2 2 a dw MJ dt 式中 加速度產(chǎn)生的力矩 a M 張緊力產(chǎn)生的力矩 F M 繞線模轉(zhuǎn)動慣量 J 在 24 rpm 時 啟動時間按照三分之一圈計算 角加速度為 max n 2 max 1 1 2240 0 60 3 11 24 603 dw rad s dtt 3 繞線模的轉(zhuǎn)動慣量為 L J 2 4 232 11 2 100 4160 22 L Jm r 2 kg m 角加速度力矩為 a M 160 3 480 2 a MJ N m 5 張緊力矩為 F M 2 6 3 800 100010400 22 FL D MF N m 式中 線圈的張緊力 為恒定力 1000N L F D 空繞線模的直徑 為 800mm 主軸負(fù)載力矩為 L M 480400880 LaF MMM N m 負(fù)載功率為 2 7 1 2880 2242 16 60 tL PMn kW 式中 負(fù)載功率 單位為 Kw t P n 繞線模轉(zhuǎn)速 單位為 r min 由于由電機到主軸之間蝸輪蝸桿減速器 非自鎖 則 0 75 鏈傳動 1 0 95 帶傳動及其他機構(gòu) 0 98 2 3 電動機軸負(fù)載功率為 2 0 123 2 16 3 16 0 75 0 95 0 98 t P P kW 11 kW 8 2 1 2 線圈在滿圈狀態(tài)下 在繞線模滿圈時 若由于某種原因 繞線機停機 現(xiàn)在需要重新啟動 在此過 程中重新啟動繞線 主軸所受的力矩為 2 9 LaF MMM 2 10 a dw MJ dt 式中 加速度產(chǎn)生的力矩 a M 張緊力產(chǎn)生的力矩 F M 由于繞線過程中 隨著繞線模的線圈的繞制 轉(zhuǎn)速需要隨之降低 此時 n 取 11rpm 啟動時間按照三分之一圈計算 角加速度為 2 11 max 1 1 2120 0 60 0 69 11 12 603 dw dtt rads 線圈及繞線模轉(zhuǎn)動慣量為 2 12 22322 11 10 100 60 42600 22 L Jm Rr 2 kg m 2 13 26000 691794 a MJ N m 線圈對繞線模的張緊力矩為 2 14 3 1200 100010600 22 FL D MF N m 式中 滿載時 線圈對主軸的力矩 單位 N m F M 滿載時 線圈的直徑 為 1200mm D 主軸負(fù)載力矩為LaF MMM N m 主軸負(fù)載功率為 t P 2 15 1 223942123 26 60 tL PMn kW 式中 滿圈時 線對繞線模的力矩 L M 滿圈時 繞線模的轉(zhuǎn)速 n 考慮到由電機到主軸之間蝸輪蝸桿減速器 非自鎖 則 0 75 鏈傳動 1 0 95 帶傳動及其他機構(gòu) 0 98 2 3 電機軸負(fù)載功率為 11 2 16 0 120 3 26 4 67 0 750 950 98 t P P kW kW 選擇電機 11kW 可以滿足要求 查手冊選用電機 額定功率 11 kW 轉(zhuǎn)速 1460 rpm 1604YM 電機啟動后 主軸轉(zhuǎn)速為 24 rpm 穩(wěn)定運行后主軸為 12 rpm 由帶傳動 1 鏈傳動 1 取蝸桿 蝸輪傳動 41 1 i 3 i 2 i 則主軸 及蝸輪軸的轉(zhuǎn)速 t n 2 n 2 12 t nnrpm 蝸桿軸轉(zhuǎn)速為 1 480n rpm 2 2 制動器的選擇 在制動的過程中 存在張力力矩 減速力矩 制動力矩 F M a M z M 2 17zaF MMM N m 式中 制動過程中 減速度產(chǎn)生的力矩 a M 折算到蝸桿軸上 2 18 12 1194 40 8 400 750 95 z zm M M i N m 式中 主軸的制動力矩折合到蝸桿軸上的力矩 zm M 蝸桿軸和主軸之間的總傳動比 i 選用磁粉制動器 為自然冷卻式磁粉制動器空心軸型 ZX 2 5YA 2 3 蝸桿 渦輪減速器 2 3 1 蝸桿 蝸輪減速器的設(shè)計方案 由于隨著線圈的不斷繞制 線圈的質(zhì)量不斷增大 電動機的轉(zhuǎn)速也應(yīng)該不斷減 小 故選用 4 級調(diào)速 線圈滿圈時 質(zhì)量 m 10 噸 電機轉(zhuǎn)速為 480 rpm 線圈為 12 rpm 蝸桿 蝸輪兩軸交錯角 采用 ZI 漸近線蝸桿 90 考慮到傳動功率不大 速度只是中等 蝸桿用 45 鋼 因希望效率高些 耐磨性 好些 故蝸桿螺旋齒面要求淬火 硬度為 蝸輪用鑄錫磷青銅45HRC55HRC ZCuSn10P1 金屬模制造 僅齒圈用青銅制造 輪芯用灰鑄鐵 HT100 制造 2 3 2 蝸桿 蝸輪減速器的設(shè)計計算 按齒面接觸疲勞強度 傳動中心距為 2 19 2 3 2 E H Z Z aKT 式中 a 蝸桿 蝸輪中心距 K 載荷系數(shù) 接觸系數(shù)Z 彈性影響系數(shù) E Z 計算蝸桿功率 1 P 確定齒輪齒數(shù) 1 40 0 75 1 z 2 z 1 由 3 26 鏈傳動 0 95 則蝸輪軸功率為 t P kW 2 2 20 2 2 3 26 3 43 0 95 t P P kW 2 2 2 2 3 43 955095502733 12 P T N m 21 式中 主軸負(fù)載功率 t P 蝸桿軸力矩 2 T 由經(jīng)蝸桿 蝸輪傳動 0 75 則蝸桿功率為 2 P 2 2 1 1 3 43 4 57 0 75 P P kW 計算蝸桿載荷系數(shù)K 因工作載荷較穩(wěn)定時 故取載荷分布不均系數(shù) 1 由表 11 5 選 1 由K A K 轉(zhuǎn)速不高 沖擊不大 取 1 05 v K 2 22 1 1 1 051 05 Av KK K K 材料彈性影響系數(shù) E Z 因選用鑄錫磷青銅蝸輪和鋼蝸桿 160 E Z 1 2 MPa 計算應(yīng)力極限 H 先假設(shè)蝸桿分度圓直徑 和傳動中心距 a 的比值 0 36 從圖 11 18 可查得 1 d a 接觸系數(shù)為 2 85 Z 根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅 ZCuSn10P1 金屬模制造 蝸桿螺旋齒面硬度為 45HRC 從表 11 7 查得蝸輪的許用應(yīng)力 268 12000 h H MPa h L 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為 2 23 7 2 600 86 1 12 120000 86 10 h Njn L 壽命系數(shù)為 7 8 7 10 1 02 0 86 10 HN K 應(yīng)力極限為 2 24 1 02268273 1 HHNH K MPa 計算中心距 2 25 2 2 33 2 1602 85 1 052733000200 273 1 E H Z Z aKT mm 取 a 200 mm 因 取 q 10 40i 8 mmm 1 80dmm 則 查教材圖 11 18 1 80 0 4 200 d a 2 742 9Z 以上滿足條件 2 3 3 蝸桿 蝸輪的結(jié)構(gòu)尺寸 蝸桿結(jié)構(gòu)尺寸 查表得 1 80d 8m 2 41z 蝸桿軸向齒距 825 13 a Pm mm 直徑系數(shù) q 10 齒頂圓 11 2802 896 a ddm mm 齒根圓直徑 11 2 4802 4 860 8 f ddm mm 分度圓導(dǎo)程角 蝸桿軸向齒厚 11 1836 11 812 57 22 a Sm mm 蝸輪結(jié)構(gòu)尺寸 41 0 5 2 z 2 x mm 驗算傳動比 41 傳動比誤差為 在誤差允許范圍 2 1 z i z 4140 2 5 40 分度圓直徑 22 8 41328dmz mm 齒頂圓直徑 222 23282 8342 aa ddh mm 齒根圓直徑 222 23282 8308 8 fa ddh mm 2 3 4 蝸輪齒根彎曲疲勞強度校核 齒根圓彎曲疲勞強度條件 2 26 2 2 12 1 53 a FFF KT YY d d m 式中 蝸輪齒根彎曲應(yīng)力 MPa F 蝸輪齒形系數(shù) 由蝸輪的當(dāng)量齒數(shù)及蝸輪變形系數(shù) x2 查教材圖 11 2Fa Y 19 許用彎曲應(yīng)力 單位 MPa F 彎曲疲勞強度的重合度系數(shù) 取 0 667 Y Y 當(dāng)量齒數(shù)為 2 27 2 2 3 3 41 43 48 coscos111836 v z z 式中 分度圓導(dǎo)程角 由 查圖 11 19 得 2 0 5x 2 43 48 v z 2 2 87 Fa Y 2 10 9192 140 Y 28 應(yīng)力極限為 2 FFFN K 29 2 30 12 80 0680 06 41883 68Bzm mm 從教材表 11 8 查得鑄錫磷青銅 ZCuSn10P1 蝸輪的許用彎曲應(yīng)力為 56 F MPa 壽命系數(shù)為 6 9 7 10 0 787 0 86 10 FN K 0 7875644 09 FFFN K MPa 1 53 1 052733000 2 870 919254 80328 8 FF MPa 應(yīng)力滿足條件 從 GB T10089 1988 圓柱蝸桿 蝸輪傳動機構(gòu)減速器精度選 8 級 2 4 帶傳動的設(shè)計 2 4 1 帶傳動的結(jié)構(gòu)尺寸 計算功率為 Ca P 2 caA PK P 31 式中 工作情況系數(shù) A K P 所需傳遞的額定功率 單位 kW 查教材表 8 7 工作情況系數(shù) 1 1 A K 又由已經(jīng)條件得 0 4 67PP kW 0 492n rpm 1 1 4 675 14 CA P kW 帶型的選擇及轉(zhuǎn)速 查圖 8 11 普通 V 型帶選型圖 應(yīng)該選 B 型帶 取 取 1 125140 d d mm 1 132 d d mm 2 32 1 3 1 132492103 430 60 d vd nm sm s 由傳動比 i 1 則 2 132 d d mm 初定中心距 0 a 由得 2 1212 0 0 72 dddd ddadd 33 0 184 8528mmamm 取 0 300a mm 計算帶長 0 d L 2 36 012 0 223005001388 22 ddd Ladd mm 查表 8 2 取1400 d L mm 實際中心距 2 37 0 0 1400 1385 300307 5 22 dd LL aa mm 最小中心距為 2 38 min 0 015307 50 015 1400286 5 d aaL mm 最大中心距為 2 39 max 0 03307 50 03 1400349 5 d aaL mm 2 4 2 帶的選擇 小帶輪包角為 2 40 21 1 57 3 180180 dd dd a 帶的根數(shù)為 2 41 00 caA rL PK P z PPP K K 式中 包角修正系數(shù) K 帶長修正系數(shù) L K 查教材表 8 4a 得 0 1 02P kW 查教材表 8 4b 得 0 0P 查教材表 8 5 得 1K 查表 8 2 得 0 90 L K 1 02 0 900 918 r P kW 4 67 4 8 0 918 z 取 5z 2 4 3 帶的受力分析 單根 V 帶初拉力 F 最小初拉力為 0min F 2 42 2 0min 2 5 500 Ca v KP Fqv K z 查表 8 3 得 0 18qkg m 4 98v m s 4 67 Ca PkW 1K 5z 最小初拉力為 2 0min 2 515 14 5000 18 3 4229 5 3 4 FN 帶傳動作用在軸上的壓軸力為 P F 2 43 0 180 2sin25297 5 sin2975 22 P z FzFN 2 4 4 帶輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計 由帶輪的基本尺寸 帶輪結(jié)構(gòu)采用孔板式 由手冊查電機主軸尺寸為42d mm 1 1 81 8 4276dd mm 查表 8 10 得 取 取 14 d b mm14 a h mm12 f h mm34 19e mm12f mm 齒頂圓直徑 213224140 ada ddh mm132 d d mm 齒根圓直徑21322 12108 fdf ddh mm 帶輪寬度242 124 19100Bfe mm 11 10015 77 CB mm 取 1 96D mm 011 0 20 296764dDd mm 2 5 鏈傳動的設(shè)計 2 5 1 鏈的尺寸設(shè)計 采用滾子鏈傳動 雙排鏈 i 1 12 25zz 單排鏈的計算功率 2 44 2 Az Ca P K K PP K 式中 KA 工況系數(shù) 見教材表 9 6 KZ 主動鏈輪齒數(shù)系數(shù) 見圖 9 13 KP 多排鏈系數(shù) 雙排鏈時 KP 1 75 三排鏈時 KP 2 5 查表 9 6 得 1 0 A K 查圖 9 12 得 1 0 z K 雙排鏈時 1 75 P K 2 4 7P kW 1 0 1 3 431 96 1 75 Ca P kW 查圖 9 11 選用型號為 24A 的鏈條 查表 9 1 得節(jié)距為38 1 pmm 分度圓直徑為 2 38 1 304 180180 sinsin 25 p dmm z 45 初選中心距 0 3050 11431905 apmm 選 0 1200 amm 鏈節(jié)數(shù)為 0 P L 2 46 0 2 21 012 0 2 2 P zzazzp L pza 0 12002525 2088 38 12 P Lmm 取 0 88 P Lmm 最大中心距為 2 47 max112 2 p af pLzz 式中 中心距計算系數(shù) 查教材表 9 7 1 f 查表 9 7 得 1 0 25f max 0 25 38 12 8840 1295 a mm 2 5 2 鏈的校核設(shè)計 鏈輪的鏈速 2 48 1 1 60 1000 z n p v 式中 主動鏈輪轉(zhuǎn)速 單位為 rpm 1 n 1 1 25 1238 1 0 2 60 100060 1000 z n p vm s 1 1 max 25 24 38 1 0 24 60 100060 1000 z n p vm s 查圖 9 14 選用定期人工潤滑 鏈輪對軸的壓軸力 P F 2 49 PFPe FKF 式中 壓軸力系數(shù) 對水平傳動 1 15 對垂直傳動 1 05 FP F FP F FP F 有效圓周力 單位為 N e F 垂直布置傳動時 1 05 FP K 壓軸力為 1 05 2235023467 P FN 鏈輪材料選用 45 鋼 采用張緊輪進行張緊 2 5 3 鏈輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計 鏈輪的總體結(jié)構(gòu)選用雙排鏈輪 由于鏈輪的尺寸較小 采用整體式 由安裝軸的尺寸 分度圓的直徑77 k d mm 304dmm 齒頂圓直徑 a d 查表 9 1 滾子直徑為 內(nèi)鏈板高度為 1 22d mm 2 35h mm 齒頂圓直徑最小值為 2 50 min1 1 61 6 130438 1 122318 25 a ddpd z mm 齒頂圓直徑最大值為 2 51 max1 1 253041 25 38 122330 a ddpd mm 取 324mm 即 a d324 a d mm 齒根圓直徑 1 30422282 f ddd mm 齒高 a h 2 52 min1 0 50 538 1228 05 a hpd mm 2 max1 0 8 0 6250 5 0 8 38 1 0 625 38 1 0 5 22 25 14 0 a p hpd z mm 53 式中 滾子直徑 查教材表 9 1 1 d 鏈的節(jié)距 p 取 10 a h mm 凸緣直徑 g d 2 54 max2 180 cot1 040 76 180 38 1cot1 04 350 76 25 265 g dph z mm 式中 內(nèi)鏈板高度 查教材表 9 1 2 h 取 260 g d mm 輪轂厚度 2 55 77 0 016 40 01 30422 27 66 k d hKd 式中 輪轂直徑 k d K 常數(shù) 查手冊 軸向齒廓尺寸 齒側(cè)倒角 0 130 13 38 15 a bp mm 齒全寬 21 45 440 93 2669 6 ftf dpb mm 齒寬 1 0 93 2624 f b mm 輪轂直徑 且 則2 hk ddh hg dd 772 22 27121 54 h d mm 滿足 260 hg dd mm 輪轂長度 L 3 33 3 22 2773 5Lh mm 由 min 2 62 6 22 2757 9Lh mm 取 查手冊 選擇鍵 22 14 6380L mm 2 6 主軸的設(shè)計 2 6 1 主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 軸上零件的裝配 主軸結(jié)構(gòu)及其上的零件裝配結(jié)構(gòu)簡圖如圖 2 1 圖 2 1 主軸結(jié)構(gòu)及其上零件裝配圖 主軸轉(zhuǎn)矩 主軸負(fù)載功率為3 26 t PkW 負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 3 26 955095502594 4 12 t t t P T T N m 按扭轉(zhuǎn)強度條件設(shè)計 2 56 3 0 t t P dA n 式中 d 主軸最小直徑 單位 mm A0 查教材表 15 3 由表 15 3 軸的材料為選用 45 鋼 調(diào)質(zhì)處理 則取 112 0 A 3 min 73 26 11272 5 12 dmm 由軸的結(jié)構(gòu)圖知 最小直徑為連接光電編碼器 取為 74 即 取 min d mm 1 74d mm 1 40d mm 1 20L mm 查手冊表 5 6 得 選兩個圓螺母 D 75752M mm 2 75d mm 2 36L mm 之間的軸肩高度為取 1 5 所以 由鏈輪寬度 mm 3 77d mm80L 取 查手冊選鍵為 22 14 63 mm 3 77L mm 之間的軸肩起定位作用 取軸肩高度 h 為 0 08 0 08 77 6 16 3 d mm 取 43 289 32ddh mm 4 90d mm 由 取 4 1 41 4 6 168 6Lh 4 12L mm 之間為非定位軸肩 查手冊表 5 6 取圓螺母為 M95 2 取 5 95d mm 5 35L mm 初選滾動軸承 因軸承同時受有徑向力和軸向力的作用 所以選用單列圓錐 滾子軸承 使用反裝方式 查手冊 GB T297 1994 選用軸承 30310 取 6 100d mm27B mm 取 6 32L mm 之間軸肩起定位作用 取軸肩高度 h 為 0 08 0 08 100 8 mm 76 21002 8116ddh mm 取 7 117d mm 7 235L mm 之間軸肩起非定位作用 取為 120 選單列圓錐滾子軸承 8 d mm 32924 B 29 mm 8 36L mm 由軸的結(jié)構(gòu) 取 9 42L mm16a mm12b mm17c mm 98 1 16140dd mm 由繞線機花盤的結(jié)構(gòu)尺寸 取 10 220d mm 2 6 2 主軸的載荷分析 鏈輪的壓軸力為 主軸轉(zhuǎn)矩為23467 P FN 259 4 t TN m 軸上載荷圖 圖 2 2 軸上載荷圖 水平方向受力 N 12 0 NHNH FF 垂直方向受力 垂直方向載荷受力圖如圖 2 3 圖 2 3 垂直方向載荷圖 各個力的力臂為 32 145678 22 7729 12353223536 22 314 LB LLLLLL mm 31 2456 22 7727 123532 22 104 LB LLLL mm 312 270LLL mm 2 49 72 5 2 B LLa mm 由力矩平衡公式得 2 56 1134 1 2 PNV FLFLG L 式中 G 繞線模滿圈時所受的重力 單位為 N 滿圈質(zhì)量 m 10 噸 19080 2 N 1NV F 234673745000072 5 270 又由 21 1 2 NVPNV FFGF 23467 50000 19080 2 54386 8 N 2NV F 垂直方向的彎矩 垂直方向的彎矩圖如圖 2 4 圖 2 4 垂直方向的彎矩圖 最大彎矩值為 3 12 23467 104 102440 6 VP MFLN m 最大總彎矩 2440 6 N m 2440600 N mm 1V M 扭矩 25942594000 t TN mN mm 軸上零件的定位 左軸承的右邊采用軸肩定位 左邊采用套筒及雙圓螺母定位 右軸承的左邊采 用箱體定位 右邊采用軸肩定位固定 鏈輪的左邊采用雙圓螺母固定定位 右邊采用軸肩定位 與軸采用鍵連接 查 手冊中表 4 1 選擇鍵 22 14 63 按照彎矩合成應(yīng)力校核軸的強度 進行校核時 只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面 軸單項旋轉(zhuǎn) 扭轉(zhuǎn)切應(yīng) 力為脈動循環(huán)變應(yīng)力 取 0 6 軸的彎扭合成強度條件為 2 57 2 2 13 ca MT W 1 式中 軸的計算應(yīng)力 單位為 MPa ca 軸所受的彎矩 單位為 N mm 1 M T3 軸所受的扭矩 單位為 N mm W 軸的抗彎截面系數(shù) 單位為 mm3 21 75MPa ca 2 2 3 24406000 62594000 0 1 110 前面已經(jīng)選定軸的材料為 45 鋼 調(diào)質(zhì)處理 見表 15 1 查得 60MPa 1 故主軸安全 滿足工作要求 ca 1 2 7 鏈輪主動軸 2 7 1 鏈輪主動軸的安裝結(jié)構(gòu) 該鏈輪主動軸的動力由電動機經(jīng)過帶傳動 蝸桿蝸輪減速 傳遞動力到蝸輪 蝸輪安裝在鏈輪主動軸上 鏈輪主動軸的結(jié)構(gòu)簡圖如圖 2 5 所示 圖 2 5 鏈輪主動軸簡圖 2 7 2 鏈輪主動軸的尺寸設(shè)計 由于蝸輪軸的轉(zhuǎn)速比較小 所以只進行尺寸的確定 由前面主軸的設(shè)計知 77 mm 查手冊知 選鍵為 22 14 63 L1取 1 d 82 mm 選緊定螺釘為 M5 由于軸肩起定位作用 所以 h 0 08d1 0 08 77 6 16 mm 77 2 6 16 89 32 mm 21 2ddh 選擇軸承為圓錐滾子軸承 30218 取為 90 mm 取 88 mm 2 d 2 L 選擇 d3 95 mm 由 B0 75da1 0 75 96 72 mm 取 B 70 mm L3 65 mm 選擇平鍵 25 14 50 軸環(huán)左側(cè)起定位的作用 選擇 d4 d3 0 08d3 110 2 mm 選 d4 112 mm 由 L41 4h 1 4 8 5 12 mm 所以選 L4 16 mm 選 d5 109 mm L5 88 mm 選擇圓錐滾子軸承 30218 取 d6 90 mm L6 65 mm 2 8 蝸桿軸 2 8 1 蝸桿軸的安裝結(jié)構(gòu) 該軸由電機經(jīng)電機軸傳遞動力到蝸桿軸 蝸桿軸上安裝有從動帶輪 磁粉制動 器 蝸桿軸的結(jié)構(gòu)簡圖如圖 2 6 所示 圖 2 6 蝸桿軸結(jié)構(gòu)簡圖 2 8 2 蝸桿軸的尺寸設(shè)計 由于蝸桿的尺寸較小 所以將蝸桿在軸上直接加工 做成蝸桿軸 由電動機軸的直徑?jīng)Q定 取 42 mm 取 115 mm 選鍵為 12 8 95 1 d 1 d 1 L 由蝸桿分度圓的直徑為 80 mm 選擇 55 mm 8 0 06z2 4 d 3 d 5 d 4 L m 取 84 mm 4 L 由第 2 段右側(cè) 第 6 段左側(cè)起定位軸肩作用 選 45 mm 選單列圓 2 d 6 d 錐滾子軸承 30209 L2 20 mm L6 70 mm 由軸的總體尺寸 確定第 3 段和第 5 段軸部的長度為 55 mm 3 L 5 L 2 9 主動帶輪軸 電機軸 2 9 1 主動帶輪軸的結(jié)構(gòu) 三相異步電動機由電機軸傳遞動力到主動帶輪 由主動帶輪帶動從動帶輪 從 而傳遞動力到主軸 軸上零件的安裝簡圖如下 圖 2 7 帶輪主軸結(jié)構(gòu)簡圖 2 9 2 主動帶輪軸的尺寸設(shè)計 由電機主軸的功率為 4 67 kW 主軸轉(zhuǎn)矩為 91 N m 1 P 1 T 初步確定軸的最小直徑 min d 2 57 0 3 min0 0 P dA n 選軸的材料為 45 鋼 調(diào)質(zhì)處理 查教材表 15 3 取 A0 112 26 2 3 min 6 3 112 4 67 d mm 由于最小直徑在帶輪處 取 42 mm 取 125 mm 3 d 3 L 選平鍵為 12 8 90 選為 52 mm 取為 52 mm 2 d 2 L 選為 65 mm 選深溝球軸承為 66013 取 130 mm 1 d 1 L 由電機輸出軸的尺寸 取 42 mm 105 mm 選擇平鍵為 12 8 80 0 d 0 L 3 后箱體 排線架的設(shè)計 3 1 后箱體主軸的設(shè)計 3 1 1 后箱體主軸的結(jié)構(gòu) 后箱體主軸上安裝有兩個單列圓錐滾子軸承 尾座微調(diào)軸 前端安裝有花盤 結(jié)構(gòu)簡圖如下 圖 3 1 后尾箱主軸結(jié)構(gòu)簡圖 3 1 2 后箱體主軸的尺寸設(shè)計 后箱體主軸只受負(fù)載繞線模的重力作用 主要起支撐作用 不傳遞轉(zhuǎn)矩 而且 轉(zhuǎn)速一般很低 最多達到 24 rpm 所以只進行尺寸的確定 不進行校核 前箱體主軸的尺寸知 后箱體主軸前端尺寸結(jié)構(gòu) 選 140 mm L1 42 mm d0 220 mm 1 d 選擇軸承為單列圓錐滾子軸承為 32924 d2為 120 mm L2取 36 mm 第 2 段不起軸肩的作用 所以 d3取 117 mm L3取 420 mm L4在左側(cè)起軸肩定位作用 100 mm 選單列圓錐滾子軸承 4 d 3 1 16 d 30220 由軸承的寬度 選 62 mm 4 L 根據(jù)第 5 段軸肩部位 查手冊中的圓螺母尺寸 選用 95 mm 選用雙圓 5 d 螺母公稱直徑為 95 mm 選圓螺母為 M95 2 則取 mm 5 70L 3 2 后箱體微調(diào)軸 3 2 1 后箱體微調(diào)軸的結(jié)構(gòu) 由于微調(diào)軸只起微小調(diào)節(jié)后箱體主軸的的位置 不傳遞動力的 故只確定微調(diào) 軸的尺寸 軸上的結(jié)構(gòu)簡圖如下 圖 3 2 微調(diào)軸結(jié)構(gòu)簡圖 3 2 2 后箱體微調(diào)軸的尺寸設(shè)計 后尾座微調(diào)軸上安裝有外購件手柄 不傳遞動力 選螺紋公稱直徑為 42 mm 取 110 mm 1 d 1 L 第 2 段軸肩 取 30 mm 30 mm 2 L 2 d 取 40 mm 20 mm 3 d 3 L 選用雙單列圓錐滾子軸承 30207 50 mm 35 mm 4 L 4 d 第 5 段軸肩 取 32 mm 30 mm 5 d 5 L 第 6 段軸肩 取 27 mm 40 mm 選鍵為 8 7 20 6 d 6 L 3 3 后箱體粗調(diào) 3 3 1 蝸桿 蝸輪傳動 通過粗調(diào)手柄轉(zhuǎn)動蝸桿 傳遞運動到蝸輪 由蝸輪運動帶動齒輪轉(zhuǎn)動 通過齒 輪齒條傳動帶動后箱體做水平運動 從而調(diào)節(jié)繞線機的跨距 將繞線模支撐起來 由于蝸桿蝸輪機構(gòu)只傳遞運動 不傳遞動力 只在安裝繞線模的時候粗調(diào)前箱 體與后箱體之間的跨距才手動運動的 所以只確定蝸桿 蝸輪的尺寸 不進行強度校 核 蝸桿的材料選用 45 鋼 蝸輪選用灰鑄鐵 HT150 查教材表 11 2 選用蝸桿 蝸輪中心距為 80 mm 蝸桿齒數(shù)為 2 分度圓直 1 z 徑為 40 直徑系數(shù)為 q 10 模數(shù)為 m 4 導(dǎo)程角為18 36 1 d11 蝸輪齒數(shù)為 31 分度圓直徑為 m 4 31 124 mm 變?yōu)橄禂?shù)為 2 z 2 d 2 z 2 x 0 5 mm 3 3 2 蝸桿軸的設(shè)計 由于蝸桿的尺寸較小 所以將蝸桿和軸制作成一體 即為蝸桿軸 蝸桿軸只傳 動運動 不傳遞轉(zhuǎn)矩 故只進行尺寸結(jié)構(gòu)的設(shè)計 不進行載荷的校核分析 軸的材料選用 45 鋼 軸的結(jié)構(gòu)簡圖如下 圖 3