电瓷帽坯件机设计

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目 录

第1部分 设计前的调查--------------------------------------------2

1、 电瓷坯件机的用途及设计要求-----------------------2 2、 总体设计方案--------------------------------------------2 第2部分 技术设计--------------------------------------------------9

1、运动设计与动力计算--------------------------------------9 2、结构设计与强度校核-------------------------------------12 参考文献---------------------------------------------------------------25

第一部分 设计前的调查

一、电瓷帽坯件机的用途及设计要求:

1、用途分析:

电瓷帽是变配电设备中的一个重要零件，属系列产品，是易损件之一。图 1 是一种电瓷帽的外形和尺寸。它由土壤做成圆柱形状，并在上端挖有凹孔成帽；坯件凉干后配釉烧成瓷器。使用时将电瓷帽翻盖在金属导杆的顶端，起到绝缘和安全保护作用。电瓷帽坯件机是制造电瓷帽坯件的一种主要机械设备。

2、设计要求:

①电瓷坯件尺寸如右图所示 ②生产量：3500只/小时 8小时/天 ③机构简单，体积小，维护方便，成本低 ④更换模套和冲头可生产小尺寸系列产品 ⑤使用期限约4~5年，6~8个月检修一次 二、 总体方案设计：

1、工艺分析：

φ45

采用自动填料——成型——冲出的过程，所有模具布置在一个圆形工作台上。料放置在工作台上方的搅拌箱内，工作台转动

的同时料由搅拌箱填入模孔中，随工作台转动进入冲头下方，随冲头下落冲压成型。继续转动到冲出冲头下方从模具中冲出。继续转动，进入待料状态，为下一工作循环做准备。

2、对执行机构的运动要求:

(1) 拌料、喂料、刮除余料

将土壤在搅拌箱内充分拌匀，填入模孔后刮平。搅拌箱内的搅拌叉可同时起填料推杆和刮平板的作用，它在搅拌箱内作连续回转运动。

(2) 物料输送和各工序转移

转盘上的模孔数至少应有四个，现在取六个。其工艺职能分别为待料、填料、成型和冲出。转盘与模孔作间歇回转运动，由控制系统控制其回转速度的快慢和停顿，实现物料输送和各工序之间的转移 (3) 电瓷帽坯件的成型和冲出

两冲头作直线往复运动，在模孔中将土壤挤压成型和冲出电瓷帽坯件，成型冲头比冲出冲头的工作行程要长，其差值取决于电瓷帽坯件的尺寸、土壤的土质和湿度，以及所用执行机构的杆长关系等。

(4) 协调配合关系

两冲头在模孔中运动时，同时随转盘转动，离开模孔后靠滑杆上的扭力弹簧弹回复位。下一循环冲头下落后冲冲模

应转到其下方。其协调靠转盘与带冲头的曲柄（偏心轮）的相对传动比控制。

3、机构选型与传动方案设计:

⑴拟定机器运动原理图

运动和动力由电动机经带传动传入，分两条传动路线传到

执行机构，一路经齿轮机构、曲柄连杆机构传到滑杆，使滑杆做上下往复运动，以实现冲压和冲出电瓷帽坯件的动作；另一路通过其他齿轮传动，将运动传给转盘，以实现模孔的转位动作，同时搅拌和供给瓷土。电瓷帽坯件机的运动原理如下图所示。

电瓷帽坯件机的运动原理图

⑵定传动方案及绘出机构运动简图

拟定电瓷帽坯件机键在于如何使模孔的转位、定位与冲头上下移动的动作彼此协调配合。有以下两种传动方案可供选择。 方案一：

1— 电机 2—小带轮 3—带 4—大带轮 5—齿轮5 6—偏心轮 7—锥齿轮7 8—锥齿轮8 9—搅拌叉 10—搅拌箱 11—齿轮11 12 13—连杆 14—滑杆 15—锥齿轮15 16—锥齿轮 17—定位销 18—齿轮18 19—牙嵌式离合器 20—从动件滚子 21—弹簧 22—端面凸轮

采用离合器使轴的连续转动变成模孔转盘的间歇转动，停止运动时冲头向下，冲头上升时模孔转盘转动。

达到彼此相互协调

配合的效果。

方案二：

1—电机 2—小带轮 3—带 4—大带轮 5—齿轮 5 6—齿轮 6 7—锥齿轮 7 8—锥齿轮 8 9—齿轮 9 10—搅拌叉 11—搅拌箱 12—模孔转盘及转盘齿轮 12 13—偏心轮 14—连杆 16—冲头座 17—调整螺钉座 18—调整螺钉 19—冲头

冲头进入模孔后随模孔转动，冲压完成后离开模孔后靠装在冲头上的扭力弹簧弹回到进入模孔前的位置继续下一次冲压工作，靠带动冲头的曲柄与带动模孔转动的齿轮的传动比实现彼此相互协调配合的效果。

综合考虑以上两种传动方案，方案一：机构比较复杂，转盘

的间歇运动直接影响工作效率；方案二：冲头部分较为复杂，转

盘与轴之间的摩擦较大，但其他方面都优于方案一。因为压制电瓷帽坯件机的压力较小，压紧和冲出机构可以设计的简单，所以选择方案二作为设计方案。传动方案简图如上图所示：

4、总体布局:

电瓷帽坯件机总体布局的特点为：

①搅拌箱处于整机的最高位置，便于直接将瓷土在填料推杆作用下，通过箱体底部的缺口自动填入下部转盘的模孔中。 ②两冲头同一个曲柄滑块机构带动，并且带动两冲头的滑轴V（即曲柄滑块机构中的滑块）与转盘的回转轴合二为一，搅拌器的转轴与小齿轮z12的转轴共用轴IV，结构因此得到简化，传动紧凑，提高了传动精度。

③搅拌箱下面的支撑体采用“双八字”型铸件，电动机处于机体的最低位置，有利于降低重心，稳定机身。

④带轮和高速齿轮置于支撑体左侧，滑轴、冲头及转盘置于支撑体右侧，一方面高速传动部分便于集中安装防护罩，另一方面有利于整机的平衡，此外也有利于装配、检修及润滑。

电瓷帽坯件机总体布局图

1—电动机 2—小带轮 3—V带 4—电动机支架 5—大带轮 6—电动机支架拉杆 7—搅拌箱 8—扭力弹簧 9—冲头座 10—冲出冲头及冲出杆 11—模孔转盘及转盘齿轮z12 12—滑动轴Ⅴ 13—连杆 14—偏心轮 15－轴Ⅲ 16—锥齿轮z8 17—锥齿轮z7 18—轴Ⅰ 19—大齿轮z6 20—轴Ⅱ 21－小齿轮z5 22—机架 23—轴Ⅳ 24－小齿轮z9 25—搅拌叉 26—压紧冲头及压紧杆

5、绘制工作循环图:

由于搅拌机构的运动时连续的，因此主要考虑冲头和模孔之间的相对运动关系。搅拌机构的转动速度不能太快，搅拌叉和小齿轮Z9共用一根轴，因而限制了转盘的角速度。因此将转盘

上的模孔数定为六个。转盘转动60°，则主执行机构完成一个运动循环，即冲头完成一次冲压。电瓷帽坯件机运动循环简图如下图所示：

电瓷帽坯件机直线型运动循环图

第二部分 技术设计

一、运动设计与动力计算：

1、电动机功率的选择：

电瓷帽坯件机功率消耗主要有三部分：

① 压制和冲出坯件时所作的功——主要为压紧时消耗功率模孔转盘的转速n转速（假定有六个模孔在转盘上）

n转盘 每小时生产定额r/min=3500

转盘模孔数 60

6 60

r/min=9.72r/min

偏心轮转速为n偏=n转盘×6=9.72×6r/min=58.32r/min 设偏心轮偏心距e=60mm，则冲头最大位移速度V冲max为 V冲max=

2π 60 n偏

0.366m/s

60 100

压紧

估计压紧冲头工作时所受平均压力F=1000N。由运动循

环图得知，冲头速度曲线上的点a对应于压紧冲头向下开始压紧瓷土的速度，该时曲柄相应的角位移为120º，则有

V冲a=V冲max·sin120°m/s=0.317m/s 从而得到压紧冲头所消耗的功率为：

P压紧=

F压紧V冲a 1000 0.317

0.317kw （取10001000

0.32kw）

考虑冲出以及摩擦所消耗的功率取 P冲=P压紧+P冲出+P磨=（0.32+0.1）=0.42kw

② 模孔转盘转动时要克服滑轴与转盘间的滑动摩擦，以及带动两冲头转动时克服的扭转弹簧力，估计所耗功率为：

P转盘=0.15kw

③ 因搅拌器转速较低，估计功率消耗为 P搅=0.27kw

总功率为

P总=P冲+P转盘+P搅=（0.42+0.15+0.27）kW=0.84kw

估计传动系统总机械效率η总为0.85，则电动机的功率至少为

P电=

P总0.84

kw 0.988kw

η总0.85

选出Y系列小型三相异步电动机，据标准JB3074-82《Y系列（IP44）三相异步电动机技术条件》，选用Y90S-4型，P电=1.1 Kw，其主要技术数据、外形和安装尺寸见下表。

电动机主要技术参数、外形和安装尺寸表

2、确定各传动机构的传动比：

电瓷帽坯件机的传动路线分外传动路线和内传动路线两条 ① 外传动路线由电动机、经带传动、直齿圆柱齿轮5和6、到曲柄（即偏心轮）滑块（滑轴V）机构组成。因n电 =1400r/min, n偏 =58 r/min,则外传动总传动比为：

i外=i带·i5-6=

n电1400

24.83 n偏58

考虑带传动比不宜太大，故传动比分配为i带=4，i5-6=6.2。 ② 内传动路线由曲柄、圆锥齿轮7和8、直齿圆柱齿轮9及转盘齿轮12组成。当偏心轮转6圈的同时，要求经内传动路线传动后使得转盘转1圈，其总传动比应为

i内=i7-8·i9-12=6

现在取i7-8=1，i9-12=6，即小齿轮z9的转速和曲柄的速度一样。 对于搅拌器兼刮板的转速没有严格要求，为简化机构，定为与小齿轮z9的转速相同，装在同一根轴上。

3、计算各轴的转速和功率：

（1）各轴的转速：

nⅠ=n电=1400 r/min nⅡ=n带 1400r/min 350r/min

n电4

nⅢ=nⅡ 350r/min 58.3r/min

i5 66

nⅣ=nⅢ 58.3r/min=58.3r/min

i7 81

n转盘=nⅢ 58.3 9.72 r/min

i9 126

⑵各轴的功率：

查机械设计手册，效率取

滚 0.99 柱齿 0.95 锥赤 0.935 带 0.9551）转盘所需功率

P转盘 0.15kw

（前面已经确定）

2）轴IV所需功率

PIV

P转盘

柱齿 滚

P搅

滚

0.27 0.15

0.432kw0.95 0.990.99

3）轴III所需功率（设曲柄滑块机构效率 偏 0.9）

PⅣ

PⅢ=η锥齿η

滚

P冲

η偏η滚

0.4320.42

kw 0.938kw

0.935 0.990.9 0.99

4）轴II所需功率

PⅢ

PⅡ=η直齿η

滚

0.938

0.997kw

0.95 0.99

5）轴I所需功率 PⅠ=

PⅡ0.997 1.044kw n带0.955

二、结构设计与强度校核：

1、锥齿轮的结构和尺寸：

⑴选择材料、热处理、精度等级及齿数

根据初步拟定的锥齿轮的传动比i7 8

1，由于电瓷帽坯件机

属于一般电瓷机械，因此可以选用常用材料及热处理。锥齿轮7和锥齿轮8采用相同材料，采用45号钢，硬度值为229~286HBW，取硬度值为250HBW。调质处理。选择齿轮精度为8级精度（GB10095-88）

选 Z7 30，Z8 i7 8 30 30 选择齿宽系数 R和精度等级

取齿宽系数 R

0.3

初估齿轮的平均圆周速度vm估 0.36ms，参照表8-9，可选齿轮精度为8级精度。

⑵按齿根弯曲疲劳强度设计确定模数

由于两齿轮相同 F7 F8 。

寿命系数：按无限寿命设计 YN7 YN8 1。 极限应力 Flim7 Flim8 220MPa 尺寸系数 Yx Yx7 Yx8 1 安全系数SF

SF7 SF8 1.3

则需用弯曲应力 F

F7 F8 2 Flim7 YN7 Yx7

SF7

2 220 1 1

338.46MPa 1.3

计算齿根弯曲应力

分度圆锥角 7 8 arccotu arccot1 45

ZV7

Z730

42.42cos 72

当量齿数

查设计手册：齿形系数 YFa1 2.38 应力修正系数 YSa1 1.67

K KA KV K

查机械设计手册：使用系数，查表8-4得，KA 1.25

动载荷系数，查表Kv 1.17 齿面载荷分布系数，K 1.8 即：K KA KV K 1.25 1.17 1.8 2.63

T7 9.55 106

0.432

7.11 104N mm 58

齿数比 u 1

齿根弯曲应力，有： 7 7 7

4.71 KT1

R(1 0.5 R)Z

2

27

u 1

2

YFa1YSa2 338.46MPa

m 4.71 K YFa YSa T1

R(1 0.5 R)Z

2

2

27

u 1 7

22

3.35

m 4.71 2.63 7.11 104 2.38 1.670.3 (1 0.15) 30 2 338.46

考虑为补偿因磨损而造成的齿轮强度的削弱，将齿根弯曲疲劳强度计算所得的模数加大20%左右，因此取m 4.5。

⑶主要几何尺寸的计算

大端分度圆直径 d mz 4.5 30 135mm d7 d8 135mm

dm d(1 0.5 R) 121.5 (1 0.5 0.3) 103.27mm

分锥角 7 8 45 锥距

R

d135

u2 12 95.45mm 22

齿宽

b

RR 0.3 95.45 28.63mm

锥齿轮的尺寸及结构如下图所示：