0407065張水明10噸臥式繞線機的設計

1、畢畢 業(yè)業(yè) 設設 計計 題題 目目 10 噸臥式繞線機的設計 學學 院院 機械工程學院 專專 業(yè)業(yè) 工業(yè)工程 班班 級級 工程 0702 班 學學 生生 張水明 學學 號號 20070407065 指導教師指導教師 楊可森 二一 一年 五 月 三十 日 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)的關鍵生 產設備之一。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速按照一定的函數(shù)關系變化，實現(xiàn)同步控制。 通過進行文獻檢索、企業(yè)的產品收集，對臥式繞線機的基本整體結構、功能需要進 行總結分析，對國內外的臥式繞線機的發(fā)展現(xiàn)狀進

2、行了深入的了解。本文對臥式繞 線機的主要機械結構進行了深入詳細的設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、鏈傳動進行詳細的設計。同時，除了機械傳動的設計外， 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計及 plc 梯形圖的設計。 通過對繞線機整機機械結構的設計以及電氣控制系統(tǒng)的設計，基本能夠達到預 期的設計要求，符合機械結構的強度需要，實現(xiàn)了臥式繞線機的恒張力、自動排線、 自動調速、排線的制動以及主軸制動的功能。 關鍵詞：臥式繞線機；張力控制；同步控制；電氣控制 abstract horizontal coiling machine is mainly used

3、 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 c

4、onstant 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 functio

5、n requires of the horizontal coiling machines. in this paper ,i make a further detailed design to the horizontal coiling machines 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

6、same time, in addition to the mechanical transmission design outside, also, i have maked the detailed design for the electrical control systems hardware of the horizontal coiling machine and plc ladder diagram. based on the mechanical structures design of the winding machine and electrical control s

7、ystems 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 machin

8、e. 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 國內繞線機的現(xiàn)狀.2 1.3 臥式繞線機的設計內容.2 1.3.1 臥式繞線機的基本結構.2 1.3.2 臥式繞線機的設計方案.3 1.4 臥式繞線機的技術參數(shù).4 2 前箱體的設計.5 2.1 確定主電機功率.

9、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-蝸輪減速器的設計方 案.9 2.3.2 蝸桿-蝸輪減速器的設計計 算.9 2.3.3 蝸桿-蝸輪減速器的結構尺寸.11 2.3.4 蝸輪齒根彎曲疲勞強度校核.11 2.4 帶傳動的設計.13 2.4.1 帶傳動的結構尺寸.13 2.4.2 帶的選擇.14 2.4.3 帶的受力分析.15 2.4.4 帶輪的結構設計.15 2.5 鏈傳動的設計.16 2.5.1 鏈的尺寸設計.16 2.5.2 鏈的校核設計.17 2.5.3 鏈輪的結構設計.18 2.6

10、 主軸的設計.20 2.6.1 主軸的結構設計.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構.24 2.7.2 鏈輪主動軸的尺寸設計.25 2.8 蝸桿軸.25 2.8.1 蝸桿軸的安裝結構.25 2.8.2 蝸桿軸的尺寸設計.26 2.9 主動帶輪軸-電機軸.26 2.9.1 主動帶輪軸的結構.26 2.9.2 主動帶輪軸的尺寸設計.26 3 后箱體、排線架的設計.28 3.1 后箱體主軸的設計.28 3.1.1 后箱體主軸的結構.28 2.2.1 后箱體主軸的尺寸設計.28 3.2 后箱體微調軸.28 3.2.1 后箱體微調軸的結構.2

11、8 3.2.2 后箱體微調軸的尺寸設計.29 3.3 后箱體粗調.29 3.3.1 蝸桿-蝸輪傳動.29 3.3.2 蝸桿軸的設計.30 3.4 排線架.30 3.4.1 滾珠絲杠.30 3.4.2 排線機構.31 4 電氣控制系統(tǒng)及 plc 的設計. .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)的設計.34 4.2 plc 程序編程.35 5 結論.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備，在變壓器的線圈生產過 程中，按照

12、變壓器的線圈的電壓容量對繞線機設備進行分類，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。 目前繞線機已經發(fā)展成為多種類的適應多種線圈的繞線機，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備。采用這種設備繞制出 的線圈，結構緊湊、體積小、強度高。為進一步提高生產效率，新型的繞線機主機 轉速由 300 rad/min 提高到 500 rad/min。同時配有端絕緣開卷機構、導線張緊機構， 計算機可予置多種參數(shù)，可使線圈繞制一

13、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。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，張力控制更加準確、穩(wěn)

14、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構設計來看，并不是所有線圈都能使用立式繞線機生產。 如層式結構、多螺旋結構式線圈。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。線圈經壓緊后直徑變大， 線圈和紙筒間將會產生間隙，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中，得 到了廣泛

15、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，也逐漸 開始使用壓緊式臥式繞線機。原來的壓緊機構使用力矩電機或氣缸產生壓力，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，避免導線的扭曲變形產生新的應力，從而降低繞組的蝸 流損耗。 1.2 國內繞線機的現(xiàn)狀 國產的繞線機總體來說較國際技術來講，無論是技術還是質量或是性能上還與 發(fā)達國家有一定的差距的。國產的繞線機自動化水平低、控制手段落后是普遍存在 的問題。只能應用于繞線要求相對不太高的場合，繞線機的高端設

16、備都有日本、瑞 士、德國等進口設備占領市場，而國產設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。目前國內的繞線機也向多種類的 適應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 多應用于繞制油浸式變壓器線圈。它具有效率高、繞制線圈的質量好，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力特點。 1.3 臥式繞線機的設計內容 臥式繞線機主要用于大容量干式變壓

17、器線圈的生產制造，繞線模由主軸花盤與 尾座花盤水平支撐，繞線模由主軸驅動旋轉，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動，經帶傳動傳遞動力、無自鎖的 蝸輪-蝸桿減速器減速（因電機需要正反轉）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， 主軸的轉速也應隨之變化，所以三相電機應配有變頻器，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 的摩擦力產生制動的功能。 1.3.1 臥式

18、繞線機的基本結構 臥式繞線機的組成包括主機、變頻調速系統(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、轉速表、變速裝置、開關等。尾座有花盤、頂尖、頂尖調整裝置、 交流伺服電動機、尾座調節(jié)手柄、蝸桿-蝸輪機構、齒輪齒條機構、箱體等。排線架 包含滾筒、滾珠絲杠機構、線圈張緊裝置等。 臥式繞線機結構簡圖如圖 1-1： 圖 1-1 臥式繞線機結構簡圖 1-轉速表 2-花盤 3-托輪 4-頂尖 5-鎖桿 6-頂尖調節(jié)手柄 7-尾座 8-底座 9-腳開關 1

19、0-開關 11-床頭箱 12-變速手柄 1.3.2 臥式繞線機的設計方案 在做設計準備的過程中，查閱了相關書籍、期刊、中外文獻等材料，主要通過 在圖書館查閱相關書籍、期刊、中外文獻等，結合已有的關于繞線機的材料，對繞 線機的結構進行設計。結合國內外關于臥式繞線機的材料，對臥式繞線機的結構進 行設計，對控制系統(tǒng)進行優(yōu)化。設計初步采用三相交流電機帶動鏈輪傳動主軸旋轉， 實現(xiàn)繞線功能；由交流伺服電機、滾珠絲杠帶動繞線機構，對繞線過程實現(xiàn)控制。 繞線機的組成包括主機、變頻調速系統(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、轉速表、變

20、速裝置、開關等。尾座由頂尖、頂尖調整裝置等。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速。 臥式繞線機的結構應該能滿足的功能及要求為：平穩(wěn)啟動和勻速轉動；在 不同的轉速下（必要的間歇轉動）能夠提供足夠的轉矩；準確地計數(shù)；可適應 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。 在考慮結構設計的時候還應該注意到可靠性、人機關系、安全、檢修、美觀、 經濟價值等問題。 設計過程中主要參數(shù)的確定包括主電機功率、制動器的選擇、帶傳動的設計、 鏈傳動的設計、主電動機上蝸桿-蝸輪減速機構設計、尾座用的蝸輪蝸桿減速機構、 電動機軸的結構參數(shù)、主軸的結構參數(shù)、排線用的交流伺

21、服電動機、尾座套筒的移 動副、變頻器、鏈條的設計、齒輪齒條的選擇、滾動直線導軌、滾珠絲桿的設計、 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動，經無自鎖的蝸桿-蝸輪減速器減速（因 電機需要正反轉）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繞 線。由于在繞制過程中，隨著線圈半徑越來越大，主軸的轉速也應隨之變化，所以 三相電機應配有變頻器，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生制動功能。用磁粉制動器 可對電

22、機進行有效的制動。 （2）尾箱由蝸輪、蝸桿減速機構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，最大的微調距離可達 150 mm。 （3）對主軸、軸承，蝸輪、蝸桿等進行必要的機構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、主軸的轉速、 旋轉的圈數(shù)，還有交流伺服電機帶動的排線機構的進給速度。主軸的轉速由其末端 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節(jié)主軸的轉速，使他們的速度相匹配。

23、因 plc 含有計數(shù) 功能，所以可由 plc 控制主軸旋轉的圈數(shù)；plc 控制的伺服電機及排線架要與交流 電機的轉速相適應，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 設計，應用 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 設計。 1.4 臥式繞線機的技術參數(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

24、頂尖距離：1.8 m-3.2 m； 最大轉速：10 噸； 主軸轉速：024 rpm . 滿圈時 1012 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，加速度產生的力矩； a m 張緊力產生的力矩； f m 繞線模轉動慣量。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

25、1 1 2240 0 60 3 11 24 603 dw rad s dtt : 3） 繞線模的轉動慣量為， 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 =1603=480 （2- a mjn 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。 主軸負載力矩為， l m 480400880 laf mmmn m 負載功率為， （2-7 1 2880 2242.16 60 tl

26、pmn:kw ） 式中，負載功率，單位為 kw； t p n繞線模轉速，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=0.98。 2 3 電動機軸負載功率為, （2- 0 123 2.16 3.16 0.75 0.95 0.98 t p p : : kw11 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，加速度產生的力矩； a m 張緊力產

27、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 線圈及繞線模轉動慣量為， （2-12 22322 11 10 100.60.42600 22 l jm rr 2 kg m: ） （2-13） 26000.691794 a mjn 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 nm

28、； f m 滿載時，線圈的直徑，為 1200mm。 d 主軸負載力矩為laf mmmn m: 主軸負載功率為 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=0.98。 2 3 電機軸負載功率為， 11 （2-16） 0 120 3.26 4.67 0.750.950.98 t p p : : kwkw 選擇電機 11kw 可以滿足要求。 查手冊選用電機，額定功率

29、11(kw)，轉速 1460(rpm)。1604ym 電機啟動后，主軸轉速為 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 及蝸輪軸的轉速， t n 2 n 2 12() t nnrpm 蝸桿軸轉速為 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 （2-17）zaf mmmn m 式中，制動過程中，減速度產生的力矩 a m 折算到蝸桿軸上 （2-18） 12 1194 40.8 400.750.95 z

30、 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-蝸輪減速器的設計方案 由于隨著線圈的不斷繞制，線圈的質量不斷增大，電動機的轉速也應該不斷減 小，故選用 4 級調速。 線圈滿圈時，質量 m=10(噸)，電機轉速為 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

31、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 pkw 2 （2-20） 2 2 3.26 3.43 0.95 t p p kw （2- 2 2 2 3.43 955095502733

32、 12 p t n m 21） 式中， 主軸負載功率； t p 蝸桿軸力矩。 2 t 由經蝸桿-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 計算應力極限 h 先假設蝸桿分度圓直徑 和傳動中心距 a 的比值 =0.36，從圖 11-18 可查得，

33、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 查得蝸輪的許用應力 =268 ，=12000(h) h mpa h l 應力循環(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 應力極限為 （2-24） 1.02268273.1 hhnh kmpa 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=2

34、00(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-蝸輪的結構尺寸 蝸桿結構尺寸 查表得， 1 80d 8m 2 41z 蝸桿軸向齒距 825.13 a pmmm 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 ddmmm 分度圓導程角，蝸桿軸向齒厚 11 1836 11 812.57 22 a smmm 蝸輪結構尺寸 =41，=-0.5 2 z 2 xmm 驗算傳動比=41，傳動比誤差

35、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 ddhmm 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，蝸輪齒根彎曲應力，mpa； f 蝸輪齒形系數(shù)，由蝸輪的當量齒數(shù)及蝸輪變形系數(shù) x2 查教材圖 11- 2fa y 19； 許用彎曲應力，單位 mpa; f 彎曲疲勞強度的重合度系數(shù)，取=0.667。.yy 當量齒數(shù)為，

36、 （2-27） 2 2 3 3 41 43.48 coscos111836 v z z 式中，分度圓導程角； 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） 應力極限為， （2- fffn k 29） （2-30 12 80.0680.06 41883.68bzmmm ） 從教材表 11-8 查得鑄錫磷青銅 zcusn10p1 蝸輪的許用彎曲應力為， 56() f mpa 壽命系數(shù)為， 6 9 7 10 0.787 0.86 10 fn k 0.7875644.09 fffn kmpa 1.53 1.052733

37、000 2.870.919254() 80328 8 ff mpa 應力滿足條件 從 gb/t10089-1988 圓柱蝸桿-蝸輪傳動機構減速器精度選 8 級。 2.4 帶傳動的設計 2.4.1 帶傳動的結構尺寸 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 又由已經條件得 ， 0 4.67ppkw 0 492n rpm 1.1 4.675.14 ca pkw 帶型的選擇及轉速 查圖 8-11，普通 v 型帶選型圖，應該選 b 型帶，取，取 1 125140 d dmm

38、1 132 d dmm （2-32） 1 3 1 132492103.430 60 d vd nm sm s 由傳動比 i=1，則 2 132 d dmm 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 0.01530

39、7.50.015 1400286.5 d aalmm 最大中心距為， （2-39） max 0.03307.50.03 1400349.5 d aalmm 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.

40、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 m4.98v m s4.67 ca pkw1k5z 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 帶輪的結構設計 由帶輪的基本尺寸，帶輪結構采用孔板式。 由手冊查電機主軸尺寸為

41、42d mm 1 1.81.8 4276ddmm 查表 8-10，得,取，取，14 d b mm14 a h mm12 f h mm3419e ，。mm12f mm 齒頂圓直徑，213224140 ada ddhmm132 d d mm 齒根圓直徑21322 12108 fdf ddh mm 帶輪寬度242 124 19100bfemm 11 10015 77 cbmm 取 1 96d mm 011 0.20.296764dddmm 2.5 鏈傳動的設計 2.5.1 鏈的尺寸設計 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

42、 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

43、 ()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 鏈的校核設計 鏈輪的鏈速 （2-48） 1 1 60 1000 z n p v 式中，主動鏈輪轉速，單位為 rpm。 1 n 1 1 25 1238.1 0.2() 6

44、0 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 鏈輪的結構設計 鏈輪的總體結構選用雙排鏈輪，由于鏈輪的尺寸較小，采用整體式

45、。 由安裝軸的尺寸，分度圓的直徑77 k d mm304dmm 齒頂圓直徑 a d 查表 9-1，滾子直徑為，內鏈板高度為 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 ddpdmm 取 324mm，即 a d324 a d mm 齒根圓直徑 1 30422282 f dddmm 齒高 a h （2-52） min1 0.50.538.1228.05 a hpdmm （2- max1 0.8

46、 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 齒側倒角 0.13

47、0.13 38.15 a bpmm 齒全寬 21 45.440.93 2669.6 ftf dpbmm 齒寬 1 0.93 2624 f bmm 輪轂直徑 ，且，則2 hk ddh hg dd772 22.27121.54 h d mm 滿足=260 hg ddmm 輪轂長度 l 3.33.3 22.2773.5lhmm 由 min 2.62.6 22.2757.9lhmm 取，查手冊，選擇鍵 22146380l mm 2.6 主軸的設計 2.6.1 主軸的結構設計 軸上零件的裝配 主軸結構及其上的零件裝配結構簡圖如圖 2-1： 圖 2-1 主軸結構及其上零件裝配圖 主軸轉矩 主軸負載功率為3

48、.26() t pkw 負載轉矩為 3.26 955095502594.4 12 t t t p t t n m 按扭轉強度條件設計 （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，調質處理，則取 112 0 a 3 min 73.26 11272.5 () 12 dmm 由軸的結構圖知，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

49、()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 221463()mm 3 77l ()mm -之間的軸肩起定位作用，取軸肩高度 h 為 0.08 =0.0877=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 m952，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

50、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 =0.08100=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 由軸的結構，取， 9 42l ()mm16a ()mm12b ()mm17c ()mm 98 1.16140dd()mm 由繞線機花盤的結構尺寸，取 1

51、0 220d()mm 2.6.2 主軸的載荷分析 鏈輪的壓軸力為，主軸轉矩為23467() p fn259.4() 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 270lllmm 2 49 72.5 2 b llamm 由力矩平衡公式得 （2-56） 113

52、4 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(nm)=2440600(nmm) 1v m 扭矩 25942594000 t tn mn mm 軸上零件

53、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 221463 按照彎矩合成應力校核軸的強度 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，扭轉切應 力為脈動循環(huán)變應力，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，軸的計算應力，單位為 mpa； ca 軸所受的彎矩，單位為 nmm； 1 m t3軸所受的扭矩，單位為 nmm； w軸的抗彎截面系數(shù)，單位為 mm3； =21.75m

54、pa ca 2 2 3 24406000.62594000 0.1 110 前面已經選定軸的材料為 45 鋼，調質處理，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構 該鏈輪主動軸的動力由電動機經過帶傳動、蝸桿蝸輪減速，傳遞動力到蝸輪， 蝸輪安裝在鏈輪主動軸上。 鏈輪主動軸的結構簡圖如圖 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計 由于蝸輪軸的轉速比較小，所以只進行尺寸的確定。 由前面主軸的設計知，=77(mm)，查手冊知，選鍵為 221463，l1取 1 d 82(mm)，選

55、緊定螺釘為 m5。 由于軸肩起定位作用，所以 h=0.08d1=0.0877=6.16(mm) =77+26.16=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=0.7596=72(mm)，取 b=70(mm) l3=65(mm)，選擇平鍵 251450 軸環(huán)左側起定位的作用，選擇 d4=d3+0.08d3=110.2(mm)，選 d4=112(mm) 由 l41.4h=1.48.5=12(mm)，所以選 l4=16(mm) 選 d5=109(mm)，l5=88(mm

56、) 選擇圓錐滾子軸承 30218，取 d6=90(mm)，l6=65(mm) 2.8 蝸桿軸 2.8.1 蝸桿軸的安裝結構 該軸由電機經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。 蝸桿軸的結構簡圖如圖 2-6 所示： 圖 2-6 蝸桿軸結構簡圖 2.8.2 蝸桿軸的尺寸設計 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。 由電動機軸的直徑決定，取=42(mm)，取 115(mm)，選鍵為 12895 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

57、 由第 2 段右側，第 6 段左側起定位軸肩作用，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 主動帶輪軸的結構 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 帶輪主軸結構簡圖 2.9.2 主動帶輪軸的尺寸設計 由電機主軸的功率為=4.67(kw)，主軸轉矩為=91(nm) 1 p 1 t 初步確定軸的最小直徑 min d （

58、2-57） 0 3 min0 0 p da n 選軸的材料為 45 鋼，調質處理； 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 12890 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 12880 0 d 0 l 3 后箱體、排線架的設計 3.1 后箱體主軸的設計 3.1.1 后箱體主軸的結

59、構 后箱體主軸上安裝有兩個單列圓錐滾子軸承、尾座微調軸，前端安裝有花盤。 結構簡圖如下： 圖 3-1 后尾箱主軸結構簡圖 3.1.2 后箱體主軸的尺寸設計 后箱體主軸只受負載繞線模的重力作用，主要起支撐作用，不傳遞轉矩，而且 轉速一般很低，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構， 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在左側起軸

60、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 m952，則取(mm)。 5 70l 3.2 后箱體微調軸 3.2.1 后箱體微調軸的結構 由于微調軸只起微小調節(jié)后箱體主軸的的位置，不傳遞動力的，故只確定微調 軸的尺寸。軸上的結構簡圖如下： 圖 3-2 微調軸結構簡圖 3.2.2 后箱體微調軸的尺寸設計 后尾座微調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 11