电磁帽设计

计算与说明结果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。

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。

图1一种电瓷帽的外形和尺寸电瓷帽坯件机是制造电瓷帽坯件的一种主要机械设备。

其设计要求为：1）生产率约3500只/小时；2）结构简单，体积小，维护方便，成本低；3）更换模头和冲头后可生产小尺寸电瓷帽坯件系列产品，设备利用率高。

二．总体方案设计1.工艺分析手工制帽的主要步骤如下：(1) 将土壤适当加水拌匀（含水率18%~22%，凭经验鉴别，能用手握成团，落地就散即可）；(2) 将拌好的土壤放入模中（图2a）；(3) 用冲头将土壤冲压紧，冲头下部有一凸头，以便形成电瓷帽的凹孔（图2b）；(4) 再将模子托起，冲出电瓷帽坯件（图2c）。

计算与分析结果图2手工制造电瓷帽坯件的工艺流程这种制帽方法劳动强度大、效率低，帽的质量难以保证。

如采用机器制帽，不仅工效高，质量和尺寸都能得到保证，而且能减轻或节省人工劳动。

电瓷帽坯件机的工艺原理是冲压成型，工艺方法和路线是半自动圆弧型，其工艺流程框图见图3。

图3电瓷帽坯件机的工艺流程框图图4电瓷帽坯件机执行系统的工作原理2.执行系统的工作原理和运动要求电瓷帽坯件机执行系统的工作原理见例1 图4。

运动和动力由电机经传动系统传到执行系统，执行系统有三部分组成：一是实现搅拌箱内土壤搅拌的搅拌叉（执行构件）；二是带动模孔转位的转盘（执行构件）；三是实现冲压和冲出电瓷帽坯件的曲柄滑块机构（执行机构）。

执行系统的运动要求如下：(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。

计算与说明结果(2) 物料输送和各工序转移转盘上的模孔数至少应有4个，现在取6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，转盘应静止；当两冲头脱离模孔后，转盘才可带动物料作工序转移，并且转盘的转速与搅拌转速要协调，以便填料。

3、机构选型与传动方案设计方案1：采用离合器使用轴的连续转动变成模孔转盘间歇转动，停止运动时冲头冲下，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2：冲头进入模孔随模孔转动，冲压完成后离开模孔后靠装在冲头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传动比实现彼此相互协调配合的效果。

综上考虑以上两种方案，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比较大，但其他方面都优于方案一。

因为压制电瓷坯件机的压力比较小，压紧冲出机构可以设计的简单，所以选择方案二作为设计方案。

传动方案简图如下图所示1—电机2—小带轮3—带4—大带轮5—小齿轮6—大齿轮7—锥齿轮8—锥齿轮9—齿轮10—搅拌叉11—搅拌箱12—模孔转盘及转盘齿轮13—偏心轮14—连杆16—冲头座17—调整螺钉座计算与说明结果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，便于直接将土壤在填料推杆作用下，通过箱体底部的缺孔自动填入下部转盘的模孔中。

2）两冲头由一个曲柄滑块机构带动，并且带动冲头回转合二为一，搅拌器的转轴与小齿轮Z9的转轴共轴Ⅳ，结构因此得到简图简化，使传动链紧凑，提高传动精度。

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

4）带轮和高速齿轮至于支撑体左侧，一方面是高速传动部分便于集中安装保护罩；另一方面有利于整机的平衡，此处有利于装配，检修和润滑。

总体布局图如下：1—电机2—小带轮3—V 带4—电机支架5—电动机支承架拉杆6—大带轮7—搅拌箱计算与说明结果8—扭转弹簧9—冲头座10—冲出冲头及冲出杆11—模孔转盘齿轮12 12—滑动轴V 13—连杆14—偏心轮15—轴III 16—锥齿轮8 17—锥齿轮7 18—轴I 19—轴II 20—大齿轮21—小齿轮 5 22—机架23—小齿轮9（齿轮轴IV）24—搅拌叉25—冲出冲头及冲出杆5、绘制工作循环图由于搅拌机构的运动是连续的，因此主要考虑冲头和模孔之间的运动相对运动的关系。

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，因而限制转盘的角度。

因此转盘上的模孔数定为6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：计算与说明结果计算与说明结果第二部分 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的功率消耗主要有三部分。

1) 压紧呵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 转盘（假定有6个模孔在转盘上）min 72.9min606350060rrn =⨯=⨯=转盘模孔数每小时生产定额转盘转盘每转一圈，冲头做上下6次往复运动，偏心轮转速为n 偏min58min672.96n rrn =⨯=⨯=转盘偏设偏心轮偏心距e=80mm ，则冲头最大位移速度V 冲max 为sm n 455.0100060802V max =⨯⨯⨯=偏冲π估计压紧冲头工作时所受平均压力F 压紧 = 1000N 。

由运动循环图得知，冲头速度曲线上的a 点对应于压紧冲头向下开始压紧土壤的速度，该偏心轮相应的角位移为︒120，则有s m s m V V 394.0120sin 455.0120sin max a =︒⨯=︒⨯=冲冲从而得到压紧冲头所消耗功率为kw kw p 394.01000394.010001000V p a =⨯==冲压紧压紧考虑冲出过程所耗功率，以及两冲头随模孔转盘一起转动时与模孔内壁间的上下摩擦所耗功率， 取w 11.0k p p =+摩擦冲出kw p p p p 504.0kw .11094.30=+=++=）（磨冲出压紧冲2) 转盘转动时要克服滑轴Ⅴ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kw p 5.10=转盘。

因搅拌器转速较低，估计所消耗功率为kw p 72.0=搅拌总功率为：kw p p p p 924.0kw 0.27.150.5040=++=++=）（搅拌转盘冲总计 算 与 说 明 结 果估计传动系统总机械效率为.850=总η，则电机的功率至少应kw p p 5.01==总总电η选用Y 系列小型三相异步电机，根据《Y 系列（IP44）三相异步电动机技术条件》选用Y90s-4型，其功率为kw p .11=电其主要技术数据、外形尺寸及安装尺寸见下表：型号额定功率 kw 满载转速m in r最大转矩 额定转矩 重量KgY90s-4 1.1 1400 2.1 22 外形尺寸 mm mm mm ⨯⨯HD AD AB L +⨯⨯)2(中心高 mm H安装尺寸 mmB A ⨯ 轴伸尺寸 mmE D ⨯ 平键尺寸 mm mm ⨯ GF ⨯190245310⨯⨯ 90100140⨯ 5024⨯208⨯2. 确定各传动机构的传动比电瓷帽坯件机的传动路线分为外传动路线和内传动路线两条1) 外传动路线由电机、带传动、直齿圆柱齿轮5和6、曲柄（偏心轮13）滑块（滑轴Ⅴ）机构组成。

因为min r 1400=电n ，min 58r n =偏 则外传动链总传动比为2465==∙=-偏；电带外n n i i i考虑带传动的传动比不宜太大，故传动比分配为i 带 = 3 ，865=-i 。

2) 内传动路线由偏心轮13、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圈时，要求转盘转一圈，其总传动比为612987=∙=--i i i 内现在取187=-i ，6129=-i ，即小齿轮9的转速与偏心轮13的转速相同。

对搅拌叉兼刮板10的转速没有严格要求，为简化机构，定其转速与与齿轮9相同，装在同一根轴上。

计 算 与 说 明 结 果3. 计算各轴的转速和功率1) 各轴的转速m in 1440r n n ==I 电min 480r i n n ==带电Ⅱmin 6065r i n n ==-ⅡⅢ min 6087r i n n ==-ⅢⅣ min 5129r i n n ==-Ⅳ转盘 2) 各轴的功率查机械设计手册，效率6.90=带η，6.90=直齿η，5.90=锥齿η，9.90=滚η，.90=偏ηa) 转盘所需功率5kw 1.0=转盘p （前面确定）b) 轴Ⅳ所需功率kw kw p p p 431.09.907.209.906.905.10=+⨯=+=）（滚搅滚直齿转盘Ⅳηηηc) 轴Ⅲ所需的功率）（偏滚冲滚直齿ⅣⅢ.909.90504.09.905.90431.0⨯+⨯=+=ηηηηp p p =Ⅲp 0.996kwd) 轴Ⅱ所需的功率kw kw p p 48.019.906.90996.0=⨯==滚直齿ⅢⅡηηe) 轴Ⅰ所需的功率kw kw p p 917.0196.0048.1===带ⅡⅠη故所选电机型号满足工作要求计 算 与 说 明结 果二．机构设计与强度校核1.模孔转盘的结构设计转盘上有6个均匀布置的模孔，根据电瓷帽坯件的高度尺寸，现在确定模孔的高度mm=孔径mmH100=。

转盘材料为HT250，由于d35强度较低，孔与外圆之间的壁厚不宜太薄取10mm，孔与孔之间的壁厚取15mm，转盘尺寸见下图计算与说明结果2. 转盘齿轮的结构与尺寸1) 选择材料、热处理、精度等及齿数电瓷帽坯件机属于一般电瓷机械，可选用常用材料及热处理。

带动转盘的齿轮12与转盘做成一体，材料都是HT250，硬度值为170~241HBW ，取硬度为220HBW ，而与其配合的小齿轮9采用45号钢，调质处理，硬度值为229~286HBW ，取硬度值为245HBS ，两齿轮的工作齿面硬度之差为25HBW ，合适。

选择齿轮精度为8级精度（GB10095-88）选择209=Z ，对传动比误差控制在小于3%范围内，要求不高的开式传动，但考虑到电瓷帽坯件机的转盘转位与冲头的上下移动有严格的传动配合关系。

因此120206129912=⨯=∙=-Z Z Z2) 按齿根弯曲疲劳强度设计确定模数齿根弯曲疲劳强度设计公式为:32991.12Flind FaZ Y KT m σφ≥对开式传动齿宽系数6.0~03=d φ取5.0=d φ 综合载荷系数3=K ，则扭矩为：计 算 与 说 明 结 果m N m N n P T ∙=∙⨯⨯==87.2796.06015.0955095509直齿Ⅳ转盘η查得齿形系数8.29=Fa Y ，16.212=Fa Y弯曲疲劳极限应力MPa F 2209lim =σ，MPa F 8012lim =σ 并比较012727.02208.29lim 9==F Fa Y σ027.08016.212lim 12==F F Y σ 取两者较大值代入计算公式：71.2805.02016.287.2731.121.12323299=⨯⨯⨯⨯=≥Flin d Fa Z Y KT m σφ 考虑为补偿因磨损而造成的齿轮强度削弱，将按齿根弯曲疲劳强度计算所得的模数加大20%左右，因此取4=m齿轮9与齿轮12的相关尺寸 分度圆直径 mm Z m d 8020499=⨯=∙=mm Z m d 48012041212=⨯=∙=齿顶圆直径 mm Z m d a 88)220(4)2(99=+⨯=+∙=mm Z m d a 488)2120(4)2(1212=+⨯=+∙=齿根圆直径mm Z m d f 70)5.220(4)5.2(99=-⨯=-∙= mm Z m d f 470)5.2120(4)5.2(1212=-⨯=-∙=齿宽mm d b d 40805.09=⨯=∙=φ圆整后取mm b 4012=mm b b 455129=+=中心距mm mm Z Z m a 2802)(129=+=计 算 与 说 明 结 果压力角︒=20α齿顶高 1294a a a h m m h h ===∙=*（1=*a h ）齿根高 129525.1)(f f a f h h m m c h h ====+=**（1=*a h25.0=*c ）全齿高925.2129==+==m h h h h f a 小齿轮mm d 1609≤，应做成实心结构，其孔径由与其相配合的轴的结构尺寸确定。