机械毕业设计（论文）-游乐设施--华夏飞碟的行走装置的设计（全套图纸）.doc

中国地质大学长城学院2012届毕业设计 中国地质大学长城学院 本 科 毕 业 设 计题目 游乐设施行走装置的设计 系 别 工程技术系 专 业 机械设计制造及其自动化学生姓名 学 号 指导教师 职 称 助教 2012年 5 月 7 日摘 要本课题是关于游乐设施行走装置的设计，游乐设施是指用于经营目的，在封闭的区域内运行，承载游客游乐的载体。本设计包含有两种运动：行走装置摆动和旋转。往复摆动的传动路线是：直流电机皮带传动链传动驱动轮。行走装置旋转采用机械传动，传动路线是：直流电机带传动减速器齿轮回转支承装置行走装置。本文分两部分，设计说明书和设计计算书。设计说明书介绍了华夏飞碟行走装置的背景和发展趋势及设计依据和设计方案。设计计算书阐述了华夏飞碟运行驱动装置计算、主要受力零件强度计算、主要受力零件疲劳强度的校核等。关键词：行走装置； 运动； 受力； 计算全套图纸加153893706ABSTRACTThis topic is about the design of amusement facilities walk device, the ride that is used for business purposes, in a closed area operation, carrying visitors the carrier of amusement. This design includes two sports: walk swinging and rotating device. The transmission line is swung repeatedly: dc motor and transmission belt, and chain drive wheels. Walk the mechanical transmission device rotation, transmission line is: dc motor and reducer, gear and belt transmission and supporting device to turn walk device.This paper is divided into two parts, the design specification and design calculations. The design specification introduces huaxiafeidie walk device background and developing trend and design basis and design. Design calculations expounds huaxiafeidie operation drive calculation, the main stress parts strength calculation, the main stress parts of the fatigue strength check.Keywords: walk device; Exercise; Stress; calculation目 录1.绪论.11.1前言11.2设计目的11.3发展趋势及背景11.4设计依据.21.5设计方案.2 1.5.1运动方案及工作原理.2 1.5.2结构方案.32. 设计计算书52.1运行驱动装置计算52.1.1电机的选择52.1.2带传动52.1.3链传动62.2主要受力零件强度计算72.2.1轴72.2.2行走轮轴82.2.3侧轮轴102.2.4中间轴112.2.5销轴132.2.6框架与支架132.3主要受力零件疲劳强度的校核142.3.1轴142.3.2行走轮轴142.3.3侧轮轴142.3.4中间轴153.小结16参考文献17致谢18181绪论1.1前言这次设计是对大学所学课程的一次深入的综合性的连接，也是一次理论联系实际的训练。因此，它在我们的大学学习生活中占有十分重要的地位。就我个人而言，我希望能通过这次毕业设计对自己未来将从事的工作进行一次适应性训练，从中锻炼自己分析问题、解决问题的能力，初步掌握设计行走装置的基本原理和方法，拟订设计方案，完成行走机构的设计，为今后参加祖国的现代化建设打下一个良好的基础。由于能力所限，经验不足，设计中还有许多不足之处，恳请各位老师多加指教。1.2设计目的本课题是关于游乐设施行走装置的设计，游乐设施是指用于经营目的，在封闭的区域内运行，承载游客游乐的载体。随着科学的发展，社会的进步，现代游艺机和游乐设施充分运用了机械、电、光、声、水、力等先进技术。本课题的设计目的是了解和掌握游乐设施中行走装置的结构及其工作原理，对行走装置运动方案的设计,对主要零件轴、车轮、大小皮带轮进行结构设计，对其他零件进行结构和选型设计，对其关键部件进行强度计算分析和校核，行走装置的总体设计和行走装置零部件的设计计算。1.3发展趋势及背景我国游乐业起步较晚，20世纪80年代以前，现代大型游乐设施在我国几乎是一片空白。往前可追溯到1951年由北京机械厂设计制造，安装在北京中山公园的电动小乘椅，那可能是我国的第一台游艺机。20世纪80年代初，随着改革开放的深入，国民经济迅速发展，人们生活水平不断提高，人们对游乐活动的需求也越来越旺盛。在这种形势下，山东、江苏、浙江温州等地开创出各种户外游乐设施，在国家政策鼓励下，各个企业迅猛发展，产品远销国外，被称之为中国教玩具之都。随着游乐业的发展，我国的游乐设施无论从设计到制造水平都不断提高。品种也越来越多，从旋转类到滑行类，从有动力到无动力，从固定式到移动式，从地面到空中，从室内到室外，从以前的单一型向综合型都在转变。研发过程中存在的实际问题，根据行走装置乘坐人数、所在轨道长度和半径及转盘转速最大运行速度等 ，基于力学分析，对行走装置运动情况加以分析、深入研究。1.4设计依据法规和标准游乐设施安全技术监察规程（试行）GB8408-2000 游艺机和游乐设施安全GB18159-2000 滑行类游艺机通用技术条件GB50231-98 机械设备安装工程施工及验收通用规范机械设计手册主要技术参数整机技术参数乘坐人数： 22人轨道长度： 约31米轨道半径： 16米轨道最大高度： 7.5米轨距： 1.8米水平轮和轨道的水平控制间隙 510mm防脱轮和轨道的上下控制间隙 58mm转盘外缘直径： 6.22米转盘转速： 8转/分钟瞬时最大运行速度： 8米/秒（28.8km/h）上下微摆最大幅度： 0.32米上下微摆频率： 3次循环/分钟(次/20秒)飞碟沿轨道摆动驱动电机 Z4-180-11 37KW 直流电机转盘旋转驱动电机 Z4-132-11 11KW 直流电机用电功率： 约70千瓦电源要求： 三相交流380/220V5%；占地面积： 约29米10米整机使用寿命： 8年1.5设计方案1.5.1运动方案与工作原理华夏飞碟包含有两种运动：整体摆动和座舱旋转。 华夏飞碟是座舱整体沿圆弧形轨道做往复摆动。为了使结构紧凑，传动链短，拟采用自驱式，利用驱动轮和轨道的摩擦力来实现。与交流电机相比，直流电机有起动力矩大、机械特性好、调速方便、可频繁换向等优点。故选用直流电机作为动力源。往复摆动的传动路线（图1）是：直流电机皮带传动链传动驱动轮。图1：行走装置摆动路线座舱旋转采用机械传动，传动路线是：直流电机带传动减速器齿轮回转支承装置座舱。1.5.2结构方案该设备主要由以下几部分组成：轨道支架（图2） 由立柱、轨道等组成。立柱和立柱之间由连接结构连接，立柱上端有连接板和轨道相连，以支撑轨道。轨道共三条，中间为驱动用轨道，两侧为行走轨道。驱动轨道由轨道支撑管支撑，在驱动轨道上铺有花纹板以增大摩擦力。行走轨道两端设有防撞挡块，以保安全运行。行走装置（图3） 由底架、轮组等组成。底架主要有框架和套筒两部分，用螺栓连接在一起。在框架上安装有实现摆动的运行驱动装置。套筒上端和回转支承的内圈相连。轮组有行走轮和水平侧轮，水平侧轮用以导向。回转装置（图4） 由回转驱动装置和回转套筒两部分组成。回转套筒和回转支承的外圈连成一体。回转驱动装置减速器输出端的小齿轮和内齿圈啮合，以实现座舱的转动。平台 由平台支架和内连接架组成。平台上安装着座椅，在座椅上设置有扶手、保险压杠和安全带，可保障乘客安全。站台 为钢结构件。用做乘客上下。电气装置 用来控制设备的运行。图2：轨道支架图3：行走装置图4：回转装置2设计计算书 2.1运行驱动装置计算2.1.1电机的选择 电机选Z4-180-11 P=37KW，n=1500r/min2.1.2带传动输入功率 P=40kw，输入转速 n=1500r/min设计功率 Pd=kap=1.240=48kw根据(机械设计课本表8-7下同)Pd和n，普通V带选型图，选C型带（表8-4a）带轮的选择 小带轮d1=200mm，大带轮d2=400mm(图8-11)带速的计算 V=d1n/601000=15.7 m/s带长的选择 ： 初定中心距取a0=1600mm带的基准长度： Ld0=2 a0+（d1+ d2）/2+（d2d1）2/4 a0 =3200+942+6.25=4148.25mm根据普通V带的基准长度表选 Ld=4216mm（表8-2）实际中心距：a= a0+（Ld Ld0）/2=1633.7mm 取a=1603mmamin=a（2bd+0.009Ld）=1557.76mmamax=a+0.02Ld=1718.02mm小带轮的包角 =18057.3（d2 d1）/ a=172.8单根V带额定功率P1：由普通V带额定功率表查得P1=5.92kw(表8-4a) P=1.06 kw(表8-4b)V带根数 Z=Pd/（ P1+P）KKL=6.9式中 K包角修正系数，K=0.98(表8-5)KL带长修正系数，KL=1.02（表8-2）取Z=7根单根V带初张力：F0=500Pd（2.5/K1）/ZV+mv2 =50048（2.5/0.98-1）（715.7）+0.179.682 =412.65N作用在轴上的力：Fr=2 F0Zsin（/2）=5765NFrmax=3 F0Zsin（/2）=8647N2.1.3 链传动电机功率 P=40kw，带传动的效率为=0.96，传递的功率为P=400.96=38.4 kw电机转速 n=1500r/min，带的传动比为i=400/200=2输入的转速为n1=1500/2=750 r/min链轮齿数：Z1=17 Z2 =57链条的传动比为i=57/17=3.35设计功率 Pd=kap=1.538.4=57.6 kw（注：ka工况系数表9-6）特定条件下单排链传递的功率 Po= Pd/（kzkp）=57.6/（1.70.887）=38 kw式中 kz小链轮齿数系数，取0.887（图9-13）kp排数系数，取1.7（双排取1.7）据Po和n1选16A，节距P=25.4mm初定中心距ao=780mm以节距计的初定中心距aop=780/25.4=30.7链条节数 Lp=（Z1Z2）/22aopk/aop =（1757）/2230.740.53/30.7=99.7取链节数Lp=100链条长度L： L= LpP/1000=10025.4/1000=2.54m计算中心距ac=P（2LpZ1Z2）Ka=25.4（21001757）0.24476=783mm 实际中心距：a=aca=783（1.5663.132）取a=780mm链条速度v；v=znp/601000=1775025.4/601000=5.4m/s有效圆周力Ft=1000P/v=100038.4/5.4=7111N作用在轴上的力为F=1.21.57111=12800N2.2主要受力零件强度计算2.2.1轴图5：轴该轴按简支梁计算，所受载荷为： a) 轴上设备自重：p1=（18915.5110042894530）=7449.51kg7450kg（设备总重轨道支架重量站台重量4个轮组重量）b）乘员重： p2=7022=1540kgc）座舱摆动造成的离心力：p3=mV2/R=（7450+1540）82/16=35960kg 考虑满载情况，则该轴主要承受：设备自重、乘员重，设备和乘员在座舱摆动时产生的离心力。此时单轴受力为：P=（p1+p2+p3）/4=（7450154035960）/4=11237.5kg=110127.5N弯矩图、剪力图如下：弯矩：Mmax=Px/2=110127.526/2=1431657.5Nmm剪力：Q= =110127.5/2=55064N弯曲应力：bb= Kd( Mmax/W)式中 Kd动载系数，Kd=1.5；W抗弯截面模量，W=703/32=33674mm3bb=1.5(1431657.5/33674)=63.8N/mm2剪应力：= Kd(Q/A)=1.555064/(702/4)=21.5N/mm2 材料选用45钢调质，b=650 N/mm2，b=325 N/mm2 抗弯安全系数：n弯=650/63.8=10.25， 满足要求。抗剪安全系数：n剪=325/21.5=155， 满足要求2.2.2 行走轮轴图6：行走轮轴作用在轴上的载荷：F=P/2=110127.5N/2=55064N弯矩图、剪力图如下示：弯矩：Mmax=Fx/2=5506427/2=743364Nmm剪力：Q= R1=55064/2=27532N弯曲应力：bb= Kd( Mmax/W)式中 Kd动载系数，Kd=1.5W抗弯截面模量，W=d3/32W =3.14503/32=12272mm3bb=1.5(743364/12272)=90.86N/mm2剪应力：= Kd(Q/A)=1.5(275324/502)=21N/mm2 材料选用45钢调质，b=650 N/mm2，b=325 N/mm2 抗弯安全系数：n弯=650/90.86=7.155，满足要求。抗剪安全系数：n剪=325/21=15.55 满足要求。2.2.3 侧轮轴图7：侧轮轴该轴主要承受a)克服座舱旋转起动时产生的反作用扭矩力F1b)极端偏载情况下由11名乘客随座舱旋转造成的离心力F2回转支承上的扭矩T=9550Ni/（nK) (nm)N输入功率 kwn输入轴转速 r/minK工况系数 取1.0i总传动比 i=i1i2=593.333=197i1减速机传动比 i1=59i2摩擦轮传动比 i2=1000/300=3.333总机械效率 取0.8T=9550111801793/（125148021）0.8=6156Nm设侧轮的反作用力矩为TT=T=F1L L前后侧轮轴距; L=2.5m作用在轴上的反作用力为：F1=6156/2.5=2460N乘客旋转离心力f2=mV2/R=70(8/603.145)2/2.5=122.7kg=1202N11名乘客平均离心力按f=(2) /2f2=0.7071202=850NF2=11f=11850=9350N单个侧轮轴总受力F=（F1+F2）/2=(2460+9350)/2=5905N弯矩图、剪力图如下示：弯矩：Mmax=5905110=649550Nmm剪力：Q= 5905N弯曲应力：bb= KdMmax/W式中 Kd动载系数，Kd=1.5W抗弯截面模量，W=d3/32W =3.14523/32=13797mm3弯曲应力：bb=1.5649550/13797=70.6N/mm2剪应力：= KdQ /A=1.559054/(522)=4.17N/mm2 材料选用45钢调质，b=650 N/mm2，b=325 N/mm2 抗弯安全系数：n弯=650/70.6=9.25 满足要求。抗剪安全系数：n剪=325/4.17=785 满足要求。2.2.4中间轴图8：中间轴该轴主要承受由皮带和链条对其产生的径向力及所传递的扭矩。皮带对其产生的力F1=8647N链条作用在轴上的力为F2=12800N其扭矩为：T=955040400/（2001500）=509Nm弯矩图、剪力图及扭矩如下示：弯曲应力校核校核距右端支撑21.5mm处其弯矩为M=8647（17021.5）=1284080Nmm其剪力为： Q=8647N其扭矩为：T=509Nm弯曲应力：bb= MKd/W式中 Kd动载系数，Kd=2；W抗弯截面模量，W=d3/32W =3.14703/32=33683mm3弯曲应力：bb=12840802/33683=76.2N/mm2 扭转剪应力：n=TKd/ WnWn =2W=23.14703/32=67366mm3n=5090002/67366=15.1N/mm2合成应力为：合=（bb2+3n2）1/2=80.6 N/mm2材料选用45钢调质，b=650 N/mm2，抗弯安全系数：n弯=650/80.6=85，满足要求剪应力校核校核距左端支撑21.5mm处剪力： Q =12800N剪应力：=4Q/（D2）=4128002/（702）=6.7 材料选用45钢调质，b=325 N/mm2抗剪安全系数：n剪=325/6.7=48.55 满足要求。2.2.5销轴该轴按简支梁，所受载荷如下：设备质量包括有：上罩与座椅架 m上=520kg、 座椅 m椅=288.2kg 、 导电装置 m电=16kg 、 平台与栏杆 m平=2490.5kg 、 回转装置 m回=1270kg、上连接套筒 m筒=293kg 、压杠装置m压=660kg m=5537.7kg 取m=5538kg则设备自重：p1=5538kg=54272.4N乘员重： p2=7022=1540kg =15092N座舱摆动造成的离心力：p3=（1540+ 5538）82/16=28312kg=277457.6N考虑满载情况，则该轴主要承受的力有：设备自重、乘员重，设备和乘员在座舱摆动时产生的离心力。则该轴受力为：P=（p1+p2+p3）/4=（54272.415092277457.6）/4=346822N根据连接结构只需校核抗剪力即可剪力：Q= P/2=346822/2=173411N剪应力：= KdQ /A=1.51734114/(552)=109.5N/mm2式中 Kd动载系数，Kd=1.5材料选用42CrMo调质，b=648 N/mm2抗剪安全系数：n剪=648/109.5=5.925， 满足要求2.2.6框架与支架连接螺栓强度校核如前述该连接处受力为P=（p1+p2+p3）/4=（7450154035960）/4=11237.5kg=110127.5N作用单个螺栓上的载荷：F=P/2=110127.5N/2=55064N查表：GB70-85内六角螺栓12.9级 M27的保证载荷为445000N抗拉安全系数：n=445000/(KdF) 式中 Kd动载系数，Kd=1.5 n=342000/1.5/55064=5.45, 满足要求2.3主要受力零件疲劳强度的校核2.3.1轴该轴按有限寿命计算。其疲劳安全系数为：n=rN /（K/）max式中 rN有限寿命疲劳极限，rN=1（No/N）1/91持久极限，1=270 MPaNo循环基数，No =5106N疲劳应力循环次数，设每天工作4小时，每小时运行10次。该轴寿命为2年，则N=1043652=29200，取N=29200rN=270（5106/29200）1/9=478K有效应力集中系数，依D/d=80/70=1.14，r/d=1/70=0.014查表得K=2.5尺寸系数，查表得=0.77表面加工系数，=0.94max最大名义应力，max=95.3MPan=478/2.595.3/（0.770.94）=1.52.3.2行走轮轴该轴按有限寿命计算。其疲劳安全系数为：n=rN /（K/）max式中 rN有限寿命疲劳极限，rN=1（No/N）1/91持久极限，1=270 MPaNo循环基数，No =5106N疲劳应力循环次数，设每天工作4小时，每小时运行10次。该轴寿命为4年，则N=1043658=116800rN=270（5106/116800）1/9=409K有效应力集中系数，依D/d=60/50=1.2，r/d=1/50=0.02查表得K=2.33尺寸系数，查表得=0.83表面加工系数，=0.94max最大名义应力，max=85.6MPan=409/2.3385.6/（0.830.94）=1.62.3.3 侧轮轴该轴按有限寿命计算。其疲劳安全系数为：n=rN /（K/）max式中 rN有限寿命疲劳极限，rN=1（No/N）1/91持久极限，1=270 MPaNo循环基数，No =5106N疲劳应力循环次数，设每天工作4小时，每小时运行10次。该轴寿命为8年，则N=1043658=116800，取N=116800rN=270（5106/116800）1/9=409K有效应力集中系数，依D/d=60/52=1.15，r/d=1/52=0.019查表得K=2.38尺寸系数，查表得=0.78表面加工系数，=0.94max最大名义应力，max=52.7MPan=409/2.3852.7/（0.780.94）=2.42.3.4中间轴该轴按有限寿命计算。其疲劳安全系数为：n=rN /（K/）max式中 rN有限寿命疲劳极限，rN=1（No/N）1/91持久极限，1=270 MPaNo循环基数，No =5106N疲劳应力循环次数，设每天工作4小时，每小时运行10次。该轴寿命为8年，则N=1043658=116800，取N=116800rN=270（5106/116800）1/9=409K有效应力集中系数，依D/d=75/70=1.07，r/d=1/70=0.014查表得K=2.08尺寸系数，查表得=0.77表面加工系数，=0.94max最大名义应力，max=80.6MPan=409/2.0880.6/（0.770.94）=1.83小结我的毕业设计做的是游乐设施的行走装置，主要是传动装置的设计和主要受力零件的