旋耕機刀片專用磨損試驗機的研究與設(shè)計（含CAD圖紙和說明書）

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UNIVERSITY 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 題目： 旋耕機刀片專用磨損試驗機的研究與設(shè)計 學 院：工學院 姓 名： 學 號： 專 業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化 年 級： 指導教師： 職 稱：教授 年 五 月 ii 摘要 隨著農(nóng)業(yè)發(fā)展，旋耕機的研究與生產(chǎn)也越來越廣泛。各種用途的旋耕機都相繼面世。旋耕機的用途的不同自然是有他們的主要工作部位決定的，因此旋耕機刀片的研究就尤為重要重要，各種各樣的道具有外型不一也有同一系列不同材料的刀具。對于一臺旋耕機而言或者說對于生產(chǎn)而言選取一款最適合的刀具是重中之重。所以相應(yīng)的對比刀具的性能才是選擇的關(guān)鍵。通過我對市場的有關(guān)方面的調(diào)查和了解發(fā)現(xiàn)，先進社會并沒有相關(guān)的對比刀具性能的機器，這對于需要選用刀具的單位或者個人而言，沒有明確的信息供他們合理的選著。針對現(xiàn)狀我設(shè)計了一臺旋耕機刀片專用磨損試驗機供對比刀具性能實用。 我所設(shè)計的旋耕機刀片專用磨損試驗機的工作原理是利用電動機提供動力帶動鏈接轉(zhuǎn)軸的帶輪傳動，使軸高速轉(zhuǎn)動，從而使得軸上的刀具與磨料高速摩擦，通過對比一段時間的后刀具的磨損情況來對比刀具的耐磨性。 本設(shè)計的主要特點在于所設(shè)計的機構(gòu)非常簡單，實用性較強，生產(chǎn)此磨損試驗機難度很小。而且此機械工作原理以及操作簡單，其所用的材料普通，所以本機的制造成本不僅很低而且適用性很強，并且對于使用者基本上沒有技術(shù)要求。本設(shè)計利用Auto CAD軟件繪制相關(guān)的圖紙，并用Pro/ Engineer軟件進行實體建模。 關(guān)鍵詞：磨損機、旋耕機刀片、磨料 Abstract Agricultural development, the the rotavator the research and production is also more extensive. The various uses of rotary tiller have been published. The rotavator the use of different natural is their main work site decision, rotary tiller blade is particularly important to a wide variety of Tao has a shape different tool of the same series of different materials. For a rotavator or select a most suitable tool is the most important in terms of production. So the key to the performance of the comparison tool is selected. By the market parties to investigate and understand advanced social comparison tool performance machine for the unit or individual of the need to use the tool, there is no clear message for their election. For the status quo, I designed a rotary tiller blades wear testing machine for comparison tool performance and practical. I designed the rotary tiller blade for wear testing machine works by the use of electric motor drive link shaft pulley transmission, axis high-speed rotation, so that the axis of the tool and the abrasive high-speed friction, by comparing the period of time the wear of the tool to compare the wear resistance of the tool. The main features of this design is that the institutional design is very simple, practical strong, difficult to produce this wear test machine is very small. And mechanical work as well as simple operation, and its use of ordinary materials, the manufacturing cost of the machine is not only low but also the applicability of a strong and virtually no technical requirements for the utility. The design using Auto CAD software to draw the relevant drawings and Solid Modeling with Pro / Engineer software. Key words: wear machine, rotary tiller blade, abrasive 目錄 1 緒論 1 1.1 引言 1 1.2 適用范圍及特點 1 2 設(shè)計方案的確定和關(guān)鍵技術(shù)的解決方法 2 2.1 總體結(jié)構(gòu)與主要工作部分 2 2.1.1 機架 2 2.1.2 外形 2 2.1.3 與機架有關(guān)的部分 3 2.2 傳動系統(tǒng) 3 2.2.1 V帶輪傳動 3 2.2.2 軸的設(shè)計 4 2.2.3 傳動系統(tǒng)示意圖 4 3 本機工作原理與操作方法 6 3.1 工作原理 6 3.2 操作方法 6 4 本機的結(jié)構(gòu)特點與先進性 7 5 本機的特征 8 6 計算部分 9 6.1 動力計算、選配電機 9 6.2 V帶輪傳動設(shè)計及計算 9 6.3 軸的分析 11 6.3.1 軸的選材 11 6.3.2 軸的校核 12 6.4 軸承的選用與校核 17 參考文獻： 19 致謝 20 1 緒論 1.1 引言 自古以來，有很多人試圖以機械力代替人力和畜力進行耕作。但直到19世紀歐洲進入蒸汽機時代后，才使動力型農(nóng)業(yè)機械的誕生成為可能。19世紀30年代，已有人開始研究用蒸汽車輛牽引農(nóng)機具進行田間作業(yè)。但當時所能造出的蒸汽機牽引車輛（即蒸汽拖拉機的前身）猶如一個水火車頭，它即使不陷在田里，也會把土壓得很實，根本無法耕種，此后人們一直改進創(chuàng)新一直到1920年以后旋耕機才正式走進勞動人名的生活。 目前，隨著農(nóng)業(yè)機械化的飛速發(fā)展，我國農(nóng)村耕地基本上采用旋耕機。當前，我國農(nóng)村所使用的旋耕機有各種各樣的的旋耕機，主要區(qū)別還是在于他們的刀具不同，而且同一外形的刀具也有很多不同的生產(chǎn)廠家制造，所以他們的各種性能也會不同。因此為了研究各種刀具的性能我針對這一情況設(shè)計出了一款中小型旋耕機刀具專用磨損試驗機。本設(shè)計的主要特點在于所設(shè)計的機構(gòu)非常簡單，實用性較強，生產(chǎn)此磨損試驗機難度很小。而且此機械工作原理以及操作簡單，其所用的材料普通，所以本機的制造成本不僅很低而且適用性很強，并且對于實用者基本上沒有技術(shù)要求。 1.2 適用范圍及特點 本產(chǎn)品適用于研究同一系列不同型號的旋耕機刀具性能對比試驗，其工作效率高，生產(chǎn)成本低廉，結(jié)構(gòu)簡單，便于操作。用戶可以自行更換部分簡單的零部件。 2 設(shè)計方案的確定和關(guān)鍵技術(shù)的解決方法 2.1 總體結(jié)構(gòu)與主要工作部分 2.1.1 機架 目前國內(nèi)外機械的機架一般有兩大類，分別是整理鑄造和焊接式機架。 整體鑄造機架：其整體性和剛性好，節(jié)省切削加工工時，而且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，可以說百年不壞。但是，機架鑄造困難，而且鑄造技術(shù)要求高，成本高。 焊接式機架：其生產(chǎn)周期短， 重量輕，成品率高。但是， 焊接技術(shù)要求高， 焊接后產(chǎn)生變形及應(yīng)力及中， 必須進行熱處理以消除應(yīng)力及中。 綜合上面兩種機架的優(yōu)缺點以及該磨損試驗機的工作要求，因此本實驗采用焊接式機架。 機架的材料：機架的材料應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)、工藝、成本、生產(chǎn)批量和生產(chǎn)周期等要求正確選擇，常用的有： (1) 鑄鐵：容易鑄成復雜的機械零件；價格較便宜；鑄鐵的內(nèi)摩擦大，有很好的抗震性。其缺點是單件成本較高；鑄件易產(chǎn)生廢品；質(zhì)量不易控制；鑄件的加工余量大，機械加工費用大。 常用的灰口鑄鐵有兩種：HT200適用于外形簡單，單位壓力較大的導軌或彎曲應(yīng)力較大的床身等；HT150流動性較好，但機械性能稍差，適用于機型復雜而載荷不大的機座。若灰口鑄鐵無法滿足耐磨性要求，應(yīng)采用耐磨性鑄鐵。 （2）鋼：用剛才焊接成機架。鋼的彈性模量比鑄鐵大，焊接機架的壁厚較薄其重量比同樣剛度的機座約輕20%—50%；在單件小批量生產(chǎn)的情況下，生產(chǎn)周期較短，所需設(shè)備簡單；焊接機架的缺點是鋼的抗震性較差，在結(jié)構(gòu)上需采取防震措施；鉗工工作量較大；成批生產(chǎn)時成本較高。 綜上：選用HT200的灰口鑄鐵滿足該機器的機架要求。 2.1.2 外形 機座的典型結(jié)構(gòu)主要有三種： 1 方形截面機座 結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，箱體內(nèi)有較大的空間安放其他的部件；但剛度稍差，宜用于載荷較小的場合。所以機座應(yīng)選擇合適的壁厚、筋板和形狀，以保證在重力、慣性力和外力的作用下，有足夠的剛度。 2 圓形截面機座 結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，易于制造和造型設(shè)計，有較好的承載能力。 3 鑄鐵板裝配式機座 鑄鐵板裝配機構(gòu)，適用于局部性狀復雜的場合，它具有生產(chǎn)周期短、成本低以及簡化木模形狀和制造工藝等優(yōu)點。但剛度較整體箱體機座的差，且加工和裝配工作量大。 考慮上訴原因，本機使用的是密封的工作環(huán)境，即把軸與磨料放于一個橫向鐵桶中，使工作部分完全密封。 它的優(yōu)點在避免了工作時磨料的飛濺以及保護了軸長期處于外部壞境而產(chǎn)生的負面影響。而且該機器操作簡單方便，更加加強的該機器的適用性。 2.1.3 與機架有關(guān)的部分 該機器除去機架部分外還有一根軸鐵桶以及磨料。在機架底部會有兩個圓弧型凹槽，該凹槽半徑與鐵通外半徑相同，很好的起到了支撐作用。工作時磨料是位于鐵桶內(nèi)，軸是直接穿過鐵桶的兩端與位于桶外面的軸承鏈接。軸承安裝的兩邊的支架上。 2.2 傳動系統(tǒng) 2.2.1 V帶輪傳動 V帶輪是通過電動機帶動的，而V帶輪帶動軸轉(zhuǎn)動，由旋耕機工作數(shù)據(jù)可知軸的轉(zhuǎn)速為270r/min，但是此實驗需要快速得出結(jié)果，故使該機器軸的轉(zhuǎn)速為旋耕機正常工作時轉(zhuǎn)速的2.5倍到3倍，即775～810r/min。這個設(shè)計轉(zhuǎn)速不僅加快刀具磨損可以得到實驗結(jié)果，同時也不至于轉(zhuǎn)速度太快而造成各種不利影響。由小型旋耕機的功率大至可以推斷此機器功率大至介于3.0～5.5kw，初步選取的電動機轉(zhuǎn)速為1500r/min。因此可以確定傳動比大至為1.85～1.94，具體參數(shù)后面會詳細計算確定。 2.2.2 軸的設(shè)計 本實驗的傳動軸采用的結(jié)構(gòu)與旋耕機的刀軸結(jié)構(gòu)類似。即在圓柱的外表面焊接刀座，兩端接軸承。這樣就合理的解決了刀具的安裝問題。為減輕質(zhì)量軸的中心可采用通孔，再保證的正常工作的情況下盡量減輕軸的質(zhì)量，這樣也可以減少能量的損耗。 2.2.3 傳動系統(tǒng)示意圖 此機器的傳動原理就是靠電動機帶動V帶輪，從而使得軸轉(zhuǎn)動，傳動示意圖如下： 3 本機工作原理與操作方法 3.1 工作原理 本機的工作原理是V帶輪快速帶動轉(zhuǎn)軸，使得軸做快速的回轉(zhuǎn)運動，軸上的刀具下半部分侵入磨料的當中，因此使得刀具與磨料發(fā)生摩擦，通過較長一段時間的摩擦看最后各個刀具的磨損量，從而得到自己需要的數(shù)據(jù)。本實驗的磨料選擇細沙，他可以通過可開口的鐵桶放入，實驗前后可對細沙更換。軸上的刀具裝在一個支架上面，做其他實驗時更換不同的到的刀片就可。 3.2 操作方法 設(shè)備安裝好后，檢查一下各部件是否穩(wěn)定。先把不同廠家的刀具的安裝在軸的刀架上面，利用螺釘螺母把刀具緊固，然后通過鐵桶的開口部分注入細沙，使得細沙均勻分布，細沙的深度需滿足刀具的下半部分可以完全侵入，完成此工作后把鐵桶開口部分關(guān)閉。確認無誤后啟動電動機，當機器工作時觀察一段時間，看看是否正常工作，如果工作出現(xiàn)問題應(yīng)立即關(guān)閉電動機從新檢查各部位是否出現(xiàn)問題，從而改正。機器正常工作后，操作人員可設(shè)置一個工作時間，等到時間之后再把電機關(guān)閉即可。 4 本機的結(jié)構(gòu)特點與先進性 本機器是綜合各方面因素才設(shè)計的，目前社會上還沒有出現(xiàn)過旋耕機刀片專用的磨損試驗機，此設(shè)計可以說是一個創(chuàng)新，是史無前例的。本機機架部分外形適用簡單，即使安裝各配件后整理仍然簡單，而且各部位涉及的零件都可以直接選用標準件，有事的生產(chǎn)的成本的大大的降低了。綜上：本機的結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，實用性強，裝、拆、檢修方便，而且各個結(jié)構(gòu)的尺寸都比較小，生產(chǎn)此機器的成本低。并且此機器是旋耕機刀片專用磨損試驗機，針對性強，為各個廠家選擇最合適的旋耕機刀片具有歷史性的意義。 5 本機的特征 綜上所述，本機具有以下特征： 1、傳動簡單，中途損耗小誤差?。? 2、電動機的功率較小，節(jié)省工作能耗； 3、軸傳動采用V帶輪傳動； 4、工作部位采用整體外殼結(jié)構(gòu)，密閉性好，噪音小； 5、本機的結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，實用性強，裝、拆、檢修方便； 整理機型如下圖： 6 計算部分 6.1 動力計算、選配電機 由經(jīng)驗可知，該實驗可選取電動機：型號－61－4 同步轉(zhuǎn)速1500r/min 滿載時1460r/min 質(zhì)量164kg 功率13kw 功率因數(shù)0.88 6.2 V帶輪傳動設(shè)計及計算 V帶輪傳動工作時，帶的兩側(cè)面是工作面。由于拉力是變化的，同時引起帶寬尺寸的改變，從而使帶沿輪槽做徑向移動。在從動輪上，帶由松變緊，拉力逐漸增大，帶向槽內(nèi)運動，主動輪則相反。因此，V帶輪傳動有周向滑動和徑向滑動同時存在，相應(yīng)的都有周向和徑向的摩擦力的存在。 定V帶輪型號和帶輪直徑 工作情況系數(shù) 由表11.5 計算功率 （式11.19） 選帶型號 由圖11.15 B 型 小帶輪直徑 由表11.6 取大帶輪直徑 （式11.15） （設(shè)） 取mm 大帶輪轉(zhuǎn)速 計算帶長 求 求 初取中心距 mm 帶長 （式11.2） 基準長度 由圖11.4 中心距和包角 求中心距 （式11.3） + 683mm 小輪包角 （式11.4） 求帶根數(shù) 帶速 傳動比 i i 帶根數(shù) 由表11.9 由表11.7 由表11.12 由表11.11 取z=3 求軸上載荷 張緊力 （式11.21） =500329.7 (由表11.4 q) 軸上載荷 （式11.23） 帶輪的結(jié)構(gòu)如下圖： 6.3 軸的分析 6.3.1 軸的選材 軸是機械中重要的零件之一，主要用于傳動零件傳動運動和動力。工作時主要受交變彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的復合作用，有時也受拉壓應(yīng)力；軸與軸上零件有相對運動，相互間存在摩擦和磨損；軸在高速運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生振動，是軸承受沖擊載荷；多數(shù)軸在工作工程中，常常要承受一定的過載載荷。 長期交變載荷作用易導致疲勞斷裂（包括扭轉(zhuǎn)疲勞和彎曲疲勞斷裂）；承受大載荷和沖擊載荷會引起過量變形、斷裂；長期承受較大的摩擦，軸頸及花鍵表面易出現(xiàn)過量磨損。 良好的力學綜合性能，以防過載斷裂、沖擊斷裂；高疲勞強度，降低應(yīng)力集中敏感性，以防疲勞斷裂；足夠的剛度，以防工作過程中，軸發(fā)生過量彈性變形而降低加工精度；表面要有高硬度、高耐磨性，以防磨損失效；特殊性要求-----如高溫中工作的軸，抗蠕變形能要好；在腐蝕性工作介質(zhì)的軸，要求耐腐蝕性能好等。 由以上原因，我所選取的軸使用的材料為合金鋼。 合金鋼 6.3.2 軸的校核 軸的外形以及尺寸大至如下： 圖中用于標注的虛線與軸中心線的交點為軸承、刀具以及V帶輪等部件的中心點。下面的計算所用的距離均以各個部件的中心點為準。 由經(jīng)驗可知，旋耕機刀片磨損過程中所損耗的能量占總能量的，在前面我們已經(jīng)計算出V帶輪作用在軸上的載荷為，下面我們算出刀具所受到的力。計算如下： （為刀具進入磨料部分的中點的速度） (為軸的角速度，r為軸的中心到刀具入料部分中點的距離，取) （n為V帶輪轉(zhuǎn)速800r/min） 代入數(shù)據(jù)得： 當帶輪的中心線垂直時，軸所受的力為最大，下面的計算即為該狀況下軸的受力情況已經(jīng)載荷的計算和校核。 通過受力分析，繪制軸的彎扭矩圖，對危險界面進行校核。簡化軸上載荷如圖： 軸的總長度為1045mm，合金鋼的密度為 軸的體積為 則軸的總重量 m= 代入數(shù)據(jù)得： 在YOZ平面內(nèi)，左右軸承的力設(shè)為，通過兩軸承的位置我們可以繪制YOZ平面的力學模型關(guān)系，位置和方向如圖所示： 則有以下數(shù)學關(guān)系： 求得： 則與圖示方向相反，與圖示方向相同 在XOZ平面內(nèi)，左右軸承的力設(shè)為，通過兩軸承的位置我們可以繪制XOZ平面的力學模型關(guān)系，位置和方向如圖所示： 則有以下數(shù)學關(guān)系： (前面已算得) 求得： 則說明的實際方向與圖示方向相反。 由上面所有數(shù)據(jù)可畫出如下所示彎矩圖，扭矩圖： 由彎矩圖、扭矩圖可知A點為危險截面。對A點進行校核計算： 因為此轉(zhuǎn)矩為脈動轉(zhuǎn)矩，取 代入數(shù)據(jù)得 代入數(shù)據(jù)可得： 對于A點則有： （A處直徑） 代入數(shù)據(jù)可得： 因為 滿足強度要求。 所有軸承選用上述的合金鋼符合要求。 6.4 軸承的選用與校核 考慮到軸的直徑為50mm，并且中間鐵桶由支架支撐，對軸承沒有力的作用，選用單列向心球軸承，型號為0000，輕（2）窄系列210型。其參數(shù)為： 額定動負荷 額定靜負荷 （1）計算軸承的當量載荷P： 由式：知，對不受軸向載荷的球軸承， ； 由前面計算已知： ； ； 得 （2）校核計算 軸承的計算額定功率載荷，它與所選用的軸承型號的基本額定載荷值必須滿足下式的要求： ； 為壽命指數(shù)，球軸承； 為軸承的預期使用壽命，查表； 解得： 綜上：軸承滿足使用要求，選用合理。 參考文獻： [1] 趙衛(wèi)軍，任金泉.機械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計[M].北京.科學出版社，2011.（11） [2] 鄭文緯，吳克堅.機械原理[M].第七版.北京：高等教育出版社，1997.7 [3] 陳香久，陳一飛.小型電動機原理使用維修400問[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1998:110（帶輪選擇） [4] 孔凌嘉.簡明機械設(shè)計手冊[M].北京：北京理工大學出版社，2008.2 [5] 邱宣懷，郭可謙，吳宗澤，等.機械設(shè)計[M].第四版.北京：高等教育出版社，1997：118 [6] 中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院.實用機械設(shè)計手冊（上）[M].北京：中國農(nóng)業(yè)機械出版社，1985.7 [7] 劉自然，李東梁，武文斌.輥式磨粉機磨輥的受力計算和強度分析[J].糧食與飼料工業(yè)報，2009，NO.12 [8] 辛長平.簡明電動機技術(shù)手冊[M].沈陽：遼寧科學技術(shù)出版社，2010.2 [9] 卜嚴.機械傳動裝置設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998.12 [10] 上海電器科學研究院[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.1 [11] 成大先.機械設(shè)計手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，1998 [12] 劉鴻文.材料力學[M].第四版.北京：高等教育出版社，2004.1 [13] 中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院.實用機械設(shè)計手冊（上）[M].北京：中國農(nóng)業(yè)機械出版社，1985.7 [14] 蔣曉、沈培玉、苗青.AutoCAD2008中文版機械設(shè)計標準實例教程.北京：清華大學出版社.2008. 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