蜂窝煤成型机设计

5）机械运动方案应力求简单。
二、 工作原理和工艺动作分解
根据上述分析，冲压式蜂窝煤成型机要求完成的工艺动作有以下六个动作：
1）加料：这一动作可利用煤粉的重力打开料斗自动加料；
2）冲压成型：要求冲头上下往复运动，在冲头行程的二分之一进行冲压成
型；
3）脱模：要求脱模盘上下往复移动，将已冲压成型的煤饼压下去而脱离模
因此，连杆的长度为 L=R/L=150/0.175=955.41mm 取连杆的长度为 955.41mm
根据成型机的整体大概尺寸，初选定连杆的截面为半径为 15mm 的圆形 截面。
2）曲柄滑块机构的校核 连杆的受力校核 根据要求选择连杆的材料为 45#钢，其强度极限为 650MPa。 对连杆作受力分析，其受到拉力是工作头工作的时候，及工作行程的后
凸轮移动从动件机构。
方案Ⅱ：冲压机构为六杆冲压机构、模筒转盘为不完全齿轮机构、扫屑机构
为附加滑块摇杆机构。
两个方案的主要区别在于：
方案Ⅰ中采取的是曲柄滑块机构作为冲压机构，该结构的特点就是结构简单，
易于制造以及装配。但稍有不足的是其增力效果不太明显，而且保压时间不够长。
2
方案Ⅱ中采用的是六杆增力机构，该机构的显著特点便是有很好的增力效果，有 较长的保压时间，而且运动平稳，但其结构复杂，不易于设计与装配。
第一章前言
一、 冲压式蜂窝煤成型机的功能和设计要求
1、功能
冲压式蜂窝煤成型机是我国城镇蜂窝煤（通
常又称煤饼，在圆柱形饼状煤中冲出若干通孔）
生产厂的主要生产设备，它将煤粉加入转盘上的
模筒内，经冲头冲压成蜂窝煤。
为了实现蜂窝煤冲压成型，冲压式蜂窝煤成型机
必须完成以下几个动作：
1） 煤粉加料；
2） 冲头将蜂窝煤压制成型；
因为 5m/s<v<30m/s，故带速合适。 计算大带轮的直径 d2=id1=4.866×160=778.56 4）确定中心距 a 和基准长度 Ld
根据《机械设计手册（新版）》表 14.1-11 中的公式，有 0.7(d1+d2)≤a≤z(d1+d2) 即 656.992mm≤a≤1877.12mm 初取中心距 a0=800mm
方案Ⅰ的模筒转盘为槽轮机构，其特点是结构简单，但转动速度不是匀速的。 而方案Ⅱ的模筒转盘为不完全齿轮结构，该结构的特点便是运动相对平稳，速度 均匀。但模筒转盘转动时工作头并不工作，基本处于回程状态，此时对模筒转盘 的转动速度没有什么要求，故用槽轮机构便能满足需要。
方案Ⅰ中的扫屑机构是固定凸轮移动从动件机构，该机构的特点是结构非常 简单，易于设计。而方案Ⅱ中采用的是附加滑块摇杆机构。该机构相对于固定凸 轮移动从动件结构而言，运动平稳。但结构相对铰复杂，况且扫屑机构对运动的 要求不是太高，故用凸轮移动从动件机构便能满足要求。
以及图 14.1-4 选择 V 带型号为 B 型 V 带。 3）确定带轮的基准直径 dd 并验算带速 v。 (1)由《机械设计手册（新版）》表 14.1-18 以及表 14.1-19，取小带轮的基
准直径 d1=160mm (2)验算带速 v。
V= πdd1n1 =π´160 ´ 730 =6.11m/s 60 ´ 1000 60 ´ 1000
1)计算小齿轮分度圆直径 d1t 代入[ó]中较小的值
[ ] d1t
³3
2K t T1 ψdea
(u
± u
1)
ççèæ
ZEZ σH
H
ö2 ÷÷ ø
=
3
1.3 ´1.31´105 1
´
6 ´ çæ
189.8
2
ö ÷
5 è 531.25 ø
=69.57mm
2）计算圆周速度 u = p d1tn1 = 3.14 ´ 72 ´ 730 =2.65m/s
实际上冲头与脱模盘都与上下移动的滑梁 2 连成一体，当滑梁下冲时冲头将煤粉
压成蜂窝煤，脱模盘将已压成的蜂窝煤脱模。在滑梁上升过程中扫屑刷将刷除冲
头和脱模盘上粘附的煤粉。模筒转盘均布了模筒，转盘的间歇运动使加料后的模
筒进入加压位置、成型后的模筒进入脱模位置、空的模筒进入加料位置；
4）为改善蜂窝煤成型机的质量，希望在冲压后有一短暂的保压时间；
冲压式蜂窝煤成型机的冲压机构为主机构， 以它的主动件的零位角为横坐标的起点，纵坐 标表示各执行构件的位移起止位置。
图 2 表示冲压式蜂窝煤成型机三个执行机 构的运动循环图。冲头和脱模盘都由工作行程 和回程两部分组成。模筒转盘的工作行程在冲 头的回程后半段和工作行程的前半段完成，使 间歇转动在冲压以前完成。扫屑刷要求在冲头
五、 机械运动方案的选定和评价
根据表 1 所示的三个执行机构形态
学矩阵，可以求出冲压式蜂窝煤成型机
的机械运动方案数为：
N=3×2×3＝18
图3
现在，我们可以给定条件、各机构的相容性和尽量使机构简单等等要求来选择方
案。由此可选定两个结构比较简单的方案。
方案Ⅰ：冲压机构为曲柄滑块机构、模筒转盘为槽轮机构、扫屑机构为固定
i总＝
n电机 n 执行主轴
＝
730 30
＝24.333
机械传动系统的第一级采用带传动，其传动
比为 4.866，第二级采用齿轮传动，其传动
比为 5。
七、 画出机械运动方案简图
按已选定的三个执行机构的型式及机
械传动系统，画出冲压式蜂窝煤成型机的机
械运动示意图。其中三个执行机构部分也可
以称为机械运动方案示意简图。如图 4 所示，
7
取失效概率为 1%，安全系数 S=1
[ ] [ ] s H
=
1
KHN1·s lim1/S=0.9×600/1=540
MPa.
sH
=
2
s K S/ HN2 lim2
=0.95×
550=522.5 MPa
[σ
H
]
=
[s
H
]
1
+ 2
[s
H
]
2
= 540 + 522.5 =531.25 2
MPa
（2)计算
由[1]P191 机械设计表 10—1 选取：小齿轮材料为 40Cr， HB1 =280；
大齿轮材料为 45 号钢， HB2 ＝240。 HB1 — HB2 ＝40，合适。 （4）选取小齿轮齿数 z1＝25;大齿轮齿数 z2＝uz1=120 按齿面接触疲劳强度条件设计，然后校核齿根弯曲疲劳强度，最后作齿轮 的结构设计。 2．按齿面接触疲劳强度设计 由强度计算公式总表查得设计公式为
筒。一般可以将它与冲头固结在上下往复移动的滑梁上；
4）扫屑：要求在冲头、脱模盘向上移动过程中用扫屑刷将煤粉扫除；
5）模筒转模间歇运动：以完成冲压、脱模和加料三个工位的转换；
6）输送：将成型的煤饼脱模后落在输送带上送出成品，以便装箱待用。
以上六个动作，加料和输送的动作比较简单，暂时不予考虑，脱模和冲压可以用
其中包括了机械传动系统、三个执行机构的
组合。如果再加上加料机构和输送机构，那
就可以完整地表示整台机器的机械运动方
图4
案图。
有了机械运动方案图，就可以进行机构的运动尺寸设计计算和机器的总体设
计。
第二章 传动机构的设计与校核
3
本设计中的冲压式蜂窝煤成型机是一种简易的低功率的工作机器，其工作时 工作头所受的工作压力可以根据平时的手动的冲压式蜂窝煤成型机器参考确定。
=131N·m
由[1]P205 表 10—7 选取 f d=1（两支撑相对于小齿轮做非对称布置） 由[1]P201 表 10-6 查得材料的弹性影响系数为 ZE=189.8MPa 由[1]P209 图 10-21 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限为 s lim1=600MPa , s lim2=550 MPa。 图 10-19 查得接触疲劳强度 KHN1=0.90 KHN2=0.95 计算接触疲劳应力
4
取 V 带根数为 6
二、 曲柄滑块机构的设计与计算校核 1）曲柄滑块机构设计 本设计中要求冲压式蜂窝煤成型机的工作冲头的形成为 300mm。因此，
曲柄滑块的曲柄的回转半径应为 R=300/2=150mm 由于本设计中要求具有增力机构，所以要把连杆的长度取得尽量长，也
及曲柄滑块的连杆系数 λ=R/L（L 为连杆长度）要尽量小点。初取 λ=0.175， 这样就能保证成型机工作时曲柄已较小的转矩就能获得较大的工作压力，同时， 这样也能形成一定的保压时间，从而达到保压的目的。
一个机构完成。
因此，冲压式蜂窝煤成型机运动方案设计重点考虑冲压和脱模机构、扫屑机
构和模筒转盘间歇转动机构这三个机构的选型和设计问题。
1
三、 根据工艺动作顺序和协调要求拟定运动循环图 对于冲压式蜂窝煤成型机运动循环图主要
是确定冲压和脱模盘、扫屑刷、模筒转盘三个 执行构件的先后顺序、相位，以利对各执行机 构的设计、装配和调试。
π Ld=2a0+ (d1+d2)+
(d 2
-
)d1 2
=3193.11mm
2
4a0
由[1]P146 表 8-2 选带的基准长度 Ld=3150mm
5）验算小带轮上的包角α1 α1=180°-（d2-d1）57.3°/a=135.69°≥90° 6）确定 V 带根数 z 计算单根 V 带的额定功率 Pr 由 d1=160mm 和 n1=730r/min,查[1]P152 表 8-4a 经过插值得 Pr=2.159 则，V 带的根数 Z=Pca/Pr=13.2/2.159=6.11
回程后半段至工作行程的前半段完成扫屑运动。
图2
四、 执行机构的选型
根据冲头和脱模盘、模筒转盘、扫屑刷这三个执行构件动作要求和结构特点，
可以选择表 1 的常用机构，这一表格又称为执行机构的形态学矩阵。
表1
三执行机构的形态学矩阵
冲头和脱模盘机构 对心曲柄滑块机 偏置曲柄滑块机 六杆冲压机构
构
构
扫屑刷机构
综上分析，为了使机构的结构趋于简单化，易于设计制造化，况且本设计中 的成型机为简易的成型机设计，故可选择简单的构建。故选择方案Ⅰ，即冲压机 构为曲柄滑块机构，模筒转盘为槽轮机构，扫屑机构为凸轮移动从动件机构。
六、 机械传动系统的传动比和变速机构 根据选定的驱动电机转速和冲压式
蜂窝煤成型机的生产能力。它们的机械传动 系统的总传动比为：
平时的手动的冲压式蜂窝煤成型机器由单人操作，其工作力为人力所能达到 的，一般人的体重为 60Kg，而加在成型机上的力应和人的体重相当，大约为 50Kg， 即 500N。所以本设计中的冲压式成型机工作时所受到的工作阻力应比 500N 大， 本设计中取为 100Kg，即 1000N。
一、 带传动计算 1）确定计算功率 Pca 由[1]P156 表 8-7 查得工作情况系数 KA=1.2，故 Pca=KAP=1.2×11=13.2KW 2）选择带的型号 由 Pca 及主动轮转速 n1，由《机械设计手册（新版）》图 14.1-2，图 14.1-3
附加滑块摇杆机构
固定移动凸轮移动从动件机
构
模筒转盘间歇运动机 槽轮机构
不完全齿轮机构 凸轮式间歇运动机
构
构
图 3（a）表示附加滑块摇杆机构。
利用滑梁的上下移动使摇杆 OB 上的扫屑
刷扫除冲头和脱模盘底上的粉煤屑。图 3
（b）表示固定移动凸轮利用滑梁上下移
动使带有扫屑刷的移动从动件顶出而扫
除冲头和脱模盘底上的粉煤屑。
半段，其收受到的拉力 F 大约为工作阻力，及 F≈1000N。
s b =F/S S=πR2 =3.14×(15×10-3)2 =0.0007065m2
则 s b =F/S =1000/0.0007065 =1.41Mpa
故连杆的强度满足工作要求。
三、 齿轮的设计与校核
5
1. 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 （1）传动方案可选用斜齿圆柱齿轮传动。 （2）此冲压式蜂窝煤成型机是简易的轻载机器，速度不高，齿轮用 7 级精 度即可。 （3）所设计的齿轮可选用便于制造且价格便宜的材料
d 1t
³3
2K tT1 ψdea
(uwk.baidu.com
± u
1)
ççèæ
ZE
[σH ]
ö2 ÷÷ ø
（1)确定公式内的各计算数值 试选 Kt＝1．3 Tt 的计算
6
根据大齿轮上固定的曲柄可以求得大齿轮所受的最大转矩 Tt 根据几何分析可以知道 γ=90°-α-β sinα=50/150=1/3 可以求得α=19.4712° l=（1502-502）1/2=141.4 sinβ=l/L=141.4/955.41=0.148 可以求得β=8.511° 则 Tt=F·R·Sinγ=F·R·Sin(α+β)
3） 清除冲头和出煤盘的积屑的扫屑运
动；
4） 将在模筒内的冲压后的蜂窝煤脱模；
5） 将冲压成型的蜂窝煤输送装箱。
2、原始数据及设计要求
图1
1）蜂窝煤成型机的生产能力：30 次/min；
2）驱动电机：Y180L－8、功率 N＝11 kW、
转速 n＝730 r/min；
3）如图 1 所示位冲头 3、脱模盘 5、扫屑刷 4、模筒转盘 1 的相互位置情况。