高压均质机机械传动部分设计机械毕业论文

1、1 引言1.1 均质机的现状与发展 均质技术是一项应用相当广泛的细化分散技术，广泛应用于乳品、饮料、食品、化妆品和化工行业等。所谓均质，就是将液态物料中的固体颗粒打碎，使固体颗粒实现超细化，并形成均匀的悬浮乳化液的工艺过程。多年来均质技术一直未有重大的突破，应用最多、最广泛的仍然是高压均质技术，其原因是高压均质技术比较成熟物科经均质后，平均粒径一般可以达到lum以下，效果较好。均质机的作用主要有：提高产品的均匀度和稳定性、增加保质期、减少反应时间从而节省大量催化剂或添加剂、改变产品的稠度改善产品的口味和色泽等等，均质机广泛应用于食品、乳品、饮料、制药、精细化工和生物技术等领域的生产、科研和技术

2、开发。 随着我国国民经济的迅速发展和人民生活水平的不断提高，我国均质业得到了飞跃发展，已经成为我国国民经济的支柱产业。但是我国研制并生产均质机械比较落后，国外相比，起步晚、发展比较慢。至今，许多行业仍普遍采用传统的高压均质机。我国的均质机研制并生产是从50年代开始的，直到80年代才开始逐渐的生产均质机，而且大多是传统的高压均质设备。水平相对比较低，无论是材料选择，加上精度、使用寿命、规格品种、应用领域及能源消耗，都与国际先进水平有着不小的差距，这显示我国均质机产业的发展任重而道远。中、高压均质机，因加工工艺和材料等原因，在我国一直是空白。随着奶制品、饮料、化工、制药等行业新产品研制、生产的需要

3、,上海科技大学七十年代末在国内率先进行了高压均质机的研制工作，八十年代初研制成功。从此，我国均质机生产逐步步入了快速发展时期。国产低压、中压、高压各种规格的均质机相继投放市场，极大地满足了我国各行各业的生产需求。随着人们对均质乳化作用的不断认识和研究，均质技术得到了迅猛的发展，相应地出现了多种不形式的均质机，其中典型的有高低压均质机、离心式均质机、胶体磨、超声波均质机和剪切式均质机。它们已在食品、制药、化妆品等行业中得到广泛应用，不同形式均质机的使用范围有所不同，我们可以根据物料的浓度、粘度等特性的不同，选择相应的均质设备。离心式均质机、超声均质机由于其结构复杂、成本高、能耗大、维修不方便等缺

4、点，使得它们的应用有一定的局限性。近年来，高压均质机，以其独特的剪切分散机理和低成本、超细化、高质量、高效率等优点在众多的工业领域中得到普遍应用，并在某些领域逐渐地替代传统的均质机。基于此，有必要对均质技术投入更多的研究和探讨。1.2 高压均质机的工作原理及课题设计要求1.2.1 高压均质机的工作原理高压均质机以高压往复泵为动力传递及物料输送机构，将物料输送至工作阀（一级均质阀及二级乳化阀）部分。要处理物料在通过工作阀的过程中，在高压下产生强烈的剪切、撞击和空穴作用，从而使液态物质或以液体为载体的固体颗粒得到超微细化。如图1所示。图1 高压均质机的工作原理相对于离心式分散乳化设备（如胶体磨、高

5、剪切混合乳化机等），高压均质机的特点是：1) 细化作用更为强烈。这是因为工作阀的阀芯和阀座之间在初始位是紧密贴合的， 只是在工作时被料液强制挤出了一条狭缝；而离心式乳化设备的转定子之间为满足高速旋转并且不产生过多的热量，必然有较大的间隙（相对均质阀而言）；同时，由于均质机的传动机构是容积式往复泵，所以从理论上说，均质压力可以无限地提高，而压力越高，细化效果就越好。2) 均质机的细化作用主要是利用了物料间的相互作用，所以物料的发热量较小，因而能保持物料的性能基本不变。3) 均质机能定量输送物料，因为它依靠往复泵送料。4) 均质机耗能较大。 5) 均质机的易损使较多，维护工作量较大，特别在压力很高

6、的情况下。6) 均质机不适合于粘度很高的情况。1.2.2 本课题设计要求本课题要研究或解决的问题：在工业生产中，均质机占有很重要的地位，均质技术与人们生活息息相关。本次毕业设计主要是设计小型高压均质机中的传动部分及辅助部分，进行性能计算及结构设计。主要技术要求：1) 所设计的均质机能够完成对两种流体物料的均质与乳化。2) 额定压力为一级60mpa、二级20mpa3) 尺寸规格为1446×1220×1435mm4) 额定流量为2000l/h2 总体方案确定及工作原理2.1 方案确定 本课题主要设计的是小型高压均质机的传动及辅助部分。高压均质机的传动及辅助部分主要包括电动机、皮

7、带轮传动、减速器、曲轴、连杆及柱塞泵。主要通过曲轴连杆机构和变速箱将电机高速旋转运动变成低速往复直线运动，采用皮带轮变速。 变速后，使柱塞往复运动的速度控制在130170 rmin。这种速度下，机器运转稳定、噪声低，柱塞及其密封耐用性好。其中电动机可根据参数计算选择型号，皮带轮及减速器同样由计算得出。具体计算见第三章。工作过程可参见示意图2。4 3 2 1 1 泵体 2 柱塞 3 连杆 4 曲轴 图2 均质机的工作过程2.2 工作原理在图2 所示中，柱塞的一段伸入到泵体的泵腔内在传动机构的带动下柱塞在泵腔内往复运动。当柱塞向右移动时泵腔内形成低压，排料阀关闭进料阀打开，物料被吸入。当柱塞向左移

8、动时泵腔内形成高压进料阀关闭，排料阀打开，物料被排出。由于曲轴使连杆相位差为，它们并联在一起，使排出的流量基本平衡 柱塞随曲轴旋转作往复运动。在主泵体内通过进料阀、出料阀以及均质阀，完成进料一压缩一泄放一进料一压缩一泄放周而复始运行。对于每一个柱塞泵来说，进料和泄放都是间歇的。管道的液流必然是脉冲状态，即使是多柱塞合成的液流也成脉动状态。这个脉冲(动)频率会引起管道的振动如果柱塞运行速度130170 rmin，柱塞每一个行程周期仅0.360.46 s，进出料单向阀开启时间仅0.180.23 s。表明主泵体在短时间内完成进料、压缩和泄放全过程首先必须具备稳定进料速度和进料压力。实践中，选择合理均

9、质机的进、出料管径，输送泵和缓冲管，是十分必要的。 3 主要传动部件的设计计算与分析3.1 均质机的功率和电动机的选择3.1.1 均质机的有效功率 在单位时间内，均质机排除的液体由均质机所获得的能量成为均质机的有效功率，也就是均质机对排除的液体所做的有效功。均质机的有效功率可以根据全压力和实际流量进行计算。由于高压均质机的全压力和均质压力（即排除压力）基本接近，所以，一般均依照均质压力和实际流量按下式计算： 式中 均质机的有效功率，kw； 均质机的均质压力，pa； 均质机的实流量，m3/s。 将 =60103 pa、=2000 l/h 带入上式中得 =33.33 kw 3.1.2 均质机的输入

10、功率均质机的输入功率也就是均质机(高压泵）的轴功率是原动机（如电动机）传给均质机输入轴上的功率。当均质机与原动机直接连接时，均质机输入功率就等于原动机的输出功率。由于存在机械摩擦等损失，均质机的输入功率大于有效功率。输入功率可按下式计算： 式中 均质机的输入功率，kw； 均质机的有效功率，kw； 均质机的效率。均质机的效率的计算方法很难确定，只能用试验方法确定。在进行均质机设计时，通常要根据均质机的结构型式和参数以及加工质量等预先选取，一般=0.800.90。流量较大，压力较低，制造质量高，介质含气量较少时，可选较大值。反之则选较小值。根据此次课题的要求选=0.85。计算的=39.18kw3.

11、1.3 电动机功率及电动机的选择 上面所述均质机的效率只包括均质机输入轴后面机构的机械损失，并不包括电动机至输入轴之间传动机构的机械损失，所以，电动机的功率应按下式进行计算 =式中 电动机功率，kw； 均质机的有效功率，kw； 均质机的效率； 均质机输入轴前传动装置效率。 的取值可根据电动机至均质机输入轴采用的传动装置而定。直联时，=1；采用三角带传动时，=0.900.96；齿轮传动（闭式)时，=0.950.99；蜗轮传动时（闭式），=0.700.94。式中又称为均质的整机效率。对均质机整机效率要求见表1。表1 均质机整机效率均质机压力（mpa）20>2032>3250整机效率0.

12、840.830.80 计算查表机械传动和摩擦的效率概略值，确定各部分效率为：联轴器效率=0.99，滚动轴承传动效率（一对）=0.99，三角带传动效率=0.96，闭式齿轮传动效率=0.97 =2=0.90则 =43.53 kw 考虑到均质机的流量是脉动的，载荷也是脉动的，其瞬时功率和平均功率差别较大，而且不同类型的均质机，差别程度也不同，特别是单柱塞均质机，差别最大。此外，在柱塞密封处的机械摩擦损失等也很难精确确定，为使均质机在世纪运转中不致超载，在选择电动机时，应有一定的裕量，这一裕量称为储备系数,则实际选择的电动机功率为 =式中 实际选择的电动机功率，kw； 储备系数； 电动机（计算）功率，

13、kw。 储备系数可按表2选取。 表2 电动机功率储备系数电动机功率（kw）261020>2021.51.251.151.10由于=43.53kw，故选取=1.10则 =1.10×43.53=47.88 kw因为载荷平稳，电动机额定功率略大于即可。查手册选用型号为y315s-8的y系列三相异步电动机（见图3）。参数见表3。表3 电动机参数电动机型号额定功率 /kw满载转速/（r/min）同步转速750 r/min，8极y280s-8557401.62.0图3 三相异步电动机y280s-83.2 柱塞泵的工作原理及设计3.2.1 结构原理 往复式柱塞泵由液力端及传动端两部分组成。液

14、力端视均质聊也的过流部分，通常由缸体、柱塞及密封件、媳妇和排除阀组成；传动端是传递动力的部分，主要由机体、曲轴、连杆、润滑和冷却等部分组成。 柱塞泵的工作原理是当柱塞向右运动时（见图4），缸腔容积扩大而腔内压力降低形成低压，贮槽内的液体考压差而冲开吸入阀门而进缸体内达到完成吸入工作过程。柱塞向左运动时，由于缸体容积缩小而压缩液体，达到工作压力冲开排除阀完成排液过程。由于柱塞的往复运动是通过曲柄连杆机构实现的。因而柱塞泵的平均流量恒定，而瞬时流量成脉动变化；柱塞泵是容积泵，它的排出压力仅决定于管路的水力特性，与流量无关。在理论上，只要原动机有足够的功率，泵体强度足够时，高压泵的排出压力可不受限制

15、。柱塞图4 柱塞泵结构图3.2.2 柱塞泵的选取通常用泵在一转中的流量和平均流量之比表示流量的不均匀程度，称为不均匀度，以m表示。 =式中 = 3/s对单作用泵 = 3 /s所以 =对于双柱塞泵，柱塞的相位差为时，它的不均匀度为 =对于三柱塞泵，柱塞相位差互成时 =流量的不均匀度越大，其最大流量与平均流量的差越大，流量就越不均匀，泵的操作也就越不稳定。由以上不均匀度的计算表明，三柱塞泵流量最稳定，得到广泛应用。故选用三柱塞往复泵。图5为三柱塞往复泵的示意图。图5中，常见的三柱塞往复泵的柱塞泵是由3个工作室、3个柱塞、3个单向的进料阀和3个单向的出料阀等组成。3个工作室互不相连，但进料管和排料管

16、相通。在设计上曲轴使连杆相位差为120°，它们并联在一起，使排出的流量基本平衡。图5 三柱塞往复泵3.2.3 柱塞的设计柱塞的作用是使吸入过程中缸体内形成低压，而在排出过程中形成压力，将液体压出。柱塞在工作中不断地做往复运动，而且要传递产生压力的力，所以柱塞必须具有足够的刚度、强度，表面必须光洁、硬度高，以保证良好的耐磨性。当输送有腐蚀性的介质时，还必须有良好的耐蚀性。柱塞有实心和空心两种。直径在125mm以下时采用实心，直径在大于125mm时，为减轻重量，采用空心。 1) 柱塞与十字头的连接柱塞与十字头连接一般有平面、球面和螺纹等三种连接形式。一般平面连接是指柱塞一端面与十字头断面

17、平面接触，借助柱塞颈部处的两个半圆环用螺母压紧。这种连接，结构简单，多用于小型柱塞泵，但不能自动对中，若量连接断面任何一个与中心线垂直度不能保证，柱塞安装后就产生偏斜，运转时对密封产生偏磨，影响密封件寿命。球面连接是在柱塞和十字头之间装有垫块和球面垫。球面连接可实现自动对中，有利于改善密封性能，延长密封性能，延长密封使用寿命，但结构复杂，零件数量多，球面加工也困难。螺纹连接结构简单，加工容易，装拆方便。一般不能由螺纹办证对中性，需要另外的配合圆柱面来保证对中，加工时要保证螺纹和圆柱面的同轴度，且圆柱与十字头接触的端面应与中心线垂直。综上所述，选用螺纹连接。 2) 柱塞直径行程的初定 按照图6的

18、运动原理，初定柱塞直径为40mm,曲柄半径为50mm,故柱塞行程初定为100mm。所以在设计柱塞的长度时应大于100mm。图7为柱塞的示意图。柱塞曲柄图6 曲柄连杆示意图图7 柱塞 3) 柱塞稳定性校核校核柱塞稳定性时，计算长度取自与十字头连接的端面至柱塞导向套中点。把柱塞近似看做为等截面细长压杆，根据材料力学，压杆柔度为 = 式中 压杆长度系数，柱塞可取= ； 柱塞计算长度，cm； 截面最小惯性半径，cm，=； j 截面惯性矩，4，对圆截面：j=对圆形截面的柱塞来说 = 即 = mm = 1 cm； = 即 = =12.33 压杆柔度不同时，压杆稳定性校核公式见表4表4 压杆稳定性校核公式压

19、杆柔度范围 校核公式大柔度杆 >100中柔度压杆 40< <100小柔度杆 <40=表中符号意义： 安全系数； 最大柱塞力，n； 柱塞截面积，cm2 ； 柱塞计算长度，cm； 柱塞材料弹性模量，mpa； 材料允许抗拉应力，mpa； 压杆柔度； 截面惯性矩，cm4； 长度系数，这里 =； 与材料性能有关的系数，不同强度的钢材 值见表5； 许用安全系数，柱塞可取=58 。表5 柔度计算用系数 材料45钢589038.00熔钼钢1000054.00由于 =12.33 < 40 ，所以该柱塞杆为小柔度压杆，应按照公式= 进行稳定性校核。选用材料为 45 钢，所以通过查阅手

20、册得出 的范围为：216238 mpa。计算 ： = = cm2 = 12.56 cm2计算 ： = = 60 ×n = 75360 n所以将以上数据带入校核公式得 = < = 故该柱塞稳定。 4) 柱塞最小截面积压应力校核图8 柱塞由于连接的需要，柱塞的界面可能会不等，柱塞的压应力按最小截面进行校核： =式中 最小截面压应力，mpa； 最大柱塞力，n； 最小截面积，cm2； 许用应力，=； 安全系数，一般取 =。计算： = 75360 n 在图8中得柱塞的最小截面的直径=35 mm，所以 = = cm2= 9.6 cm2 查阅手册得 = mpa，取=，所以 =mpa = mp

21、a 故 = mpa < 所以柱塞的最小截面满足要求。5）柱塞密封柱塞密封式往复式柱塞泵中重要的易损见之一。柱塞密封的型式有接触型密封和间隙密封两种，接触型密封又可分为压紧式填料密封和自紧式密封两类。压紧式填料密封使用的填料通常是用玻璃纤维、石棉纤维、植物纤维或碳素纤维等编制而成，再填充或浸渍不同性质的润滑剂后压制成方形或矩形断面的带状品。由于依靠压紧力来防止泄漏，压紧式填料密封有着较大的磨损和机械损失，安装和维护也很麻烦，目前使用范围已日趋缩小。自紧式密封有着良好的密封性能，依靠液体的压力使密封圈唇部张开与柱塞表面和泵缸内壁紧密交界处面密封，当液体压力升高时，密封性能自动加强，压力降低时

22、，密封性能也随着下降。这种自动调节密封性能的特点可以减少摩擦和功率损失，所以在高压泵的均质机上得到了广泛的应用。自紧式密封又可分为v型、u型和y型等不同型式。 （1）v型密封的结构形式v型密封由v型密封圈、顶圈和底圈所组成，在顶圈前有柱塞导向套，在底圈后有压盖及其压紧螺母，v形圈的开口向着液压方向安装。当密封圈较多时，可在密封圈中加设液封环，液封环可储存液体，起润滑密封或冷却作用，又有助于v形圈均匀压紧。有时为了防止空气吸入液缸，也可以布置少量v形圈开口背向液压方向，以起到米鞥空气的作用。v形密封的顶圈和顶圈不一定是单独的，有时可把顶圈和导向套制成一体，把底圈和压盖也制成一体，这样可以减少密封

23、填料箱轴向尺寸。液封环有时也可以兼起顶、底圈的作用。由于设计和结构的不同，有时对密封圈补偿压紧力有困难，可以采用弹簧力自动补偿，弹簧力的大小则应依据v形圈直径大小而不同。v形密封圈大多用合成橡胶或多层涂胶织物（夹布橡胶制v形圈）压制而成。夹布及橡胶应根据输送介质和使用条件选择合适的材料。v形密封圈常把若干个重叠起来使用。压力越高，格式户越多，但摩擦力也于是大。当个数多于4时，摩擦力增加明显，一般应依照压力选择密封圈的个数。当工作压力不超过32mpa时，一般使用a型v形圈（d<50mm时）3个即可。 （2）u型和y型密封的结构形式 u型和y型密封在本质上没有多少区别。在形状和性能上也很接近

24、，因此通常可归并成一类，统称u型密封。u型密封圈的唇部内径比柱塞略小，而外径比填料箱内径略大，组装后考唇部接触形成密封。使用于高、中、低压条件下的u形密封圈的背部厚度是不同的。在压力低于30mpa时，一般只要用一个u形或y形密封圈即可，与v形密封相比，u形密封的摩擦力小，密封性能好，装拆也方便。用于往复式柱塞的u形密封。由于压力脉动和柱塞的往复运动，一般需加顶圈（支承环）来固定u形圈并使唇部张开与柱塞和箱体内壁接触。顶圈压入唇部的部分沿圆周开有若干个小孔，可使唇部在液压作用下张开均匀。（3）间隙密封 当泵的排出压力很高，填料或密封圈由于强度和刚度所限制，常采用金属间隙密封。最简单的间隙密封是用

25、柱塞和液缸体经精密配合，使间隙在0.0030.006mm，表面十分光洁，可密封压力达100mpa以上。 综上所述，结合各种密封型式的结构特点、性能特点及装配特点，本次设计采用u型密封。装配型式如图9所示。 顶圈密封圈套筒导向套 图9 u型密封装配示意图6) 柱塞导向套柱塞导向套常常安装在密封圈顶圈前面或和顶圈制成一体。导向套除了导向外，还可以支撑柱塞重量，减小对填料、密封圈的侧压力，以提高密封效果。柱塞和导向套是一对重要的摩擦副，其配合应依材料和输送介质的温度来选择，对于金属金属来说，一般可选择或。导向套的长度一般可取柱塞直径的0.52倍，压力较高，直径较大者可取大值，反之取小值。3.3 曲轴

26、的设计3.3.1 曲轴的运动分析采用三柱塞往复泵进行液体的传送，在运动的过程中同一时刻需保证三个柱塞处于不同的位置，三柱塞运动能产生总流量2000。由于曲轴连接三个柱塞，所以曲轴的运动是导致柱塞运动的主要因素。曲轴将电动机的高速旋转运动转变为柱塞的低速往复运动，所以在柱塞运动时要保证2000的流量，曲轴的转速设计是非常重要的一项参数。根据总流量的要求，可按下式计算曲轴的转速： =式中 曲轴的转速，； 柱塞的行程，； 柱塞的截面积，； 总流量，。其中 =0.1 m ，= 2000=0.033 = = cm2 = 12.56 cm2所以得 =88.46 3.3.2 曲轴的设计要求采用整体铸造曲轴的

27、加工性能好，金属切削量少，成本低，铸造曲轴可以获得较合理的结构形状，如椭圆形曲柄臂，桶形空心轴颈和卸载槽等，从而使应力分布均匀，对提高曲轴的疲劳强度有显著效果。铸造曲轴的应用正在不断扩大。曲轴的主要设计要求：1）足够的强度，主要是曲柄部分的弯曲疲劳强度、扭转疲劳强度以及功率输出端的静强度。要尽量减少应力集中并加强薄弱环节；2）足够的刚度，减少曲轴挠曲变形，以保证活塞连杆组和曲轴各轴承可靠工作，同时提高曲轴的自诊振频率，尽量避免在工作转速范围内发生共振；3）尽量轻的质量，对于不影响强度和刚度的部位，只要制造工艺允许并易于实现的，就应该去掉，这也是提高曲轴自振频率的措施；4）轴颈一轴承副具有足够的

28、承压面积和较高的耐磨性。油孔布置合理；5) 合理的曲柄排列，使其工作时惯性力和惯性力矩能得到较好的平衡。从而运转平稳；转矩均匀，轴系的扭振情况得以改善；6）合理配置平衡块，减轻主轴承负荷和振动；7）曲轴各部位形状的选择应考虑到制造和装拆，维修方便，这一点对大型曲轴尤其重要。3.3.3 曲轴的组成及设计 1）曲轴的组成曲轴一般由轴端、轴颈和曲柄臂三部分组成，曲轴内应开有油孔，作为润滑油的通道。 （1）曲轴的轴端轴心线与曲轴旋转中心同心的轴向端部称为轴端。轴端一般作为曲轴的输入（输出）端，与带轮、联轴器、飞轮和驱动机等联接。要求联接牢固可靠。 （2）曲轴的轴颈轴颈包括主轴颈、支撑轴颈和连杆轴颈。安

29、装滑动轴承的轴颈要有足够的承压面积和较高的耐磨性保证供油和散热。主轴颈与连杆轴颈重叠部分称为重合度，它对曲轴强度影响很大。重合度增加，曲轴刚性增加，截面变化缓和，应力集中现象改善，应尽量避免重合度等于或接近零。 （3）曲柄臂及曲拐曲轴上连接主轴颈和连杆轴颈或连接相邻连杆轴颈的部位叫做曲柄臂。曲柄臂与连杆轴颈的组合体称为曲拐。曲拐的结构对曲轴的疲劳强度有很大的影响。曲轴中空可减少不平衡回转质量，去除材质差的部分，改善应力分布的不均匀性，提高疲劳强度，锻造曲轴中孔由机械加工完成，一般为直筒形。铸造曲轴可制成合理而复杂的形状。曲柄臂的形状较好的是椭圆和圆形。椭圆材料利用最合理，疲劳强度高。但对自由锻

30、造曲轴，曲柄外形需要靠模加工。圆形结构简单，有利于曲轴平衡，加工制造方便。对于低速和小批量曲轴，曲柄臂在连杆轴颈处两侧棱角常削去，以减轻重量和回转惯量。同样原因，在曲柄臂背部做成斜角，过大的斜角会影响曲柄强度。 2） 曲轴的设计应用转矩法作轴径的估算，计算轴径公式： (1) 式中 轴的直径 mm； 轴所传递的功率 kw； 轴的转速 r/min； 计算常数，=； 许用扭转切应力，mpa，见表5。表5 轴常用的几种材料的及值轴的材料q235a、20q275、354540cr、35simn、38simnmo/mpa15 2520 3525 4535 5 5149 126135 112126 1031

31、12 97弯矩较小或只受扭矩作用、载荷较平稳、无轴向载荷或只有较小的轴向载荷、减速器的低速轴，轴只做单向旋转时取较大值，取较小值；反之，取较小值，取较大值。选用45号钢为轴的材料，该曲轴既受弯矩又受扭矩，所以取较小值，取较大值。即： =30mpa所以 =计算 为轴所传递的功率，电动机的功率在经过皮带轮传动、减速器和联轴器传递之后会有损失，故应按照下式进行计算 =式中 电动机的额定功率，kw； 均质机输入轴前传动装置效率。计算查表机械传动和摩擦的效率概略值，确定各部分效率为：联轴器效率=0.99，滚动轴承传动效率（一对）=0.99，三角带传动效率=0.96，闭式齿轮传动效率=0.97 =2=0.

32、90所以 = 33.3 kw将以上数据代入公式(1)中得 mm=84.4 mm所以设计曲轴如图10 图10 曲轴3.3.4 提高曲轴疲劳强度的措施曲轴的横断面沿着轴线方向急剧变化，因而应力分布极不均匀。应力集中较严重、疲劳破坏就很容易在应力集中区产生。因而在设计制造曲轴时，必须采用合适的措施。 1）设计措施 （1）加大过渡圆角 （2) 采用空心轴颈 若以提高曲轴弯曲强度为主要目标，则采用主轴颈为空心的结构即可。若同时减轻曲轴的质量和减小连杆轴颈的离心力，以降低主轴承载荷，宜采用全空心结构，并将连杆轴颈内孔向外侧偏离一段小距离，可取连杆轴颈直径的。这种偏心可进一步减小连杆轴颈的旋转质量，并使圆角

33、过渡部位的应力分布更加平坦。 （3）加大轴颈重合度增大轴颈重合度，可显著提高曲轴的疲劳强度，曲柄臂越薄越窄时，效果越明显。 2）工艺措施对于应力集中较严重的部位进行局部表面强化，可明显提高曲轴疲劳强度。常用曲轴强化法见表6。表6 曲轴的常用强化方法强化方法圆角滚压加工软氮化处理圆角中、高频淬火强化机理 由塑性加工硬化和剩余压应力，降低粗糙度并消除显微裂纹、针孔等缺陷 使碳、氮原子固溶于铁而产生固溶强化和产生是剩余压应力 马氏体转变硬化产生剩余压应力特点1. 冷加工，不需加热而节能2. 处理时间短3. 不能提高耐磨性1. 轴承滑动部位也可强化2. 可提高耐磨性3. 处理时间长1. 可以局部淬火，

34、轴承滑动部位也可强化2. 效果明显提高曲轴疲劳强度的效果钢曲轴20%70%珠光体球铁曲轴50%70%碳钢曲轴60%80%低合金金刚曲轴50%90%钢或球铁曲轴30%100%3.3.5 曲轴的受力分析为了简化计算，在分析、计算曲轴受力时通常通常做如下假设和处理： 1）把多支撑曲轴看做是以主轴承中心分开的分段简支梁（曲轴受力分析的分段法），并把曲轴是为绝对刚体。 2）轴颈上所受的里在轴颈的中点处。 3)不考虑回转惯性力。 4)因加工精度，装配质量以及因使用后磨损，热变形等造成的附加载荷不考虑。 5)轴颈和曲柄取各自的坐标系。 6)分段简支梁看成有a、b是三个支撑。计算支撑反力时，按两个支撑起作用计

35、算。即认为轴前端载荷由轴承a和轴承b支撑。按上述假设和处理得到的曲轴的计简图如图10所示。图中、为作用在连杆轴颈上的切向力；、为作用在连杆轴颈上的法向力；、分别为a、b两个主轴承处支反力沿坐标方向的分量。按照此计算简图推得的轴承支撑处的支反力计算式为: (1) (2) (3) (4)fbyfr"f'tfayfazft"fbzfr'ftftftft图10 曲轴的受力分析3.3.6 曲轴的强度计算曲轴多是疲劳破坏，因此应在通常易于发生疲劳裂纹处(如；连杆轴颈的圆角、油孔等）按疲劳强度校核计算。但是在低速曲轴的设计计算中，为了简化计算，有时也采用静强度校核的饭食，

36、将曲轴所受载荷看作应力幅度的呢个与自大应力的对称循环载荷，并略去应力集中系数和尺寸系数的影响，而代之以较大的安全系数，使复杂的疲劳强度校核计算具有静强度校核计算的简单形式。按静强度校核主要在轴颈与曲柄臂连接处，轴颈开油孔处的截面进行。对于活塞式压缩机和往复泵曲轴，应在下列工况下校核： 1) 输入转矩为最大时。 2) 综合活塞力绝对值最大时。轴颈和曲柄臂各截面的静强度校核按下式进行 (5)式中 曲轴材料弯曲疲劳极限，mpa； 危险点上的正应力，mpa； 危险点上的切应力，mpa； 许用安全系数，推荐。 在曲轴材料的组织均匀程度和力学性能稳定性较差，以及轴颈曲柄臂间过渡圆角较小和被校核截面处的表面

37、粗糙度较大时，安全系数应取较大值。 被校核截面危险点应力的计算，对轴颈为 对于曲柄臂，要校核曲柄臂截面短轴端点，按下式计算： 截面短轴端点应力 式中 抗扭截面系数，； 、 抗弯截面系数，； 截面积，；计算： 输入转矩 所以 分解力： 第一个轴颈在图示位置只受切向力，所以。 第二个轴颈在图示位置既受切向力又受法向力，所以将力分为切向力和法向力。经计算得，。 第三个轴颈在图示位置既受切向力又受法向力，所以将力分为切向力和法向力。经计算得，。 又，。将以上数据分别带入公式（1）、（2）、（3）、（4）中，计算得 ，计算危险截面1 所以 ，代入公式（6）中得 所以截面符合要求。 截面2、3、4、5和6

38、的校核方法同上，此处计算过程略。经计算得这五个截面均满足要求。3.4 减速器的选择齿轮减机器是把机械传动中的动力机（主动机）与工作机（从动机）联接起来，通过不同齿形和齿数的齿轮以不同级数传动，实现定传动比减速（或增速）的机械传动装置，减速时称减速器（增速时称为增速器）。 1) 减速器分类减速机是一种相对精密的机械，使用它的目的是降低转速，增加转矩。它的种类繁多，型号各异，不同种类有不同的用途。以下是常用的减速机分类：    (1) 摆线针轮减速机    (5) 三环减速机    (2) 硬齿面圆柱齿轮减速

39、器    (6) 起重机减速机  (3) 行星齿轮减速机    (7) 蜗杆减速机 (4) 软齿面减速机     (8) 无级变速器减速器的类别是根据所采用的齿轮齿形、齿廓曲线划分；减速器的品种是根据使用的需要而设计的不同结构的减速器；减速器的型式是在基本结构的基础上根据齿面硬度、传动级数、出轴型式、装配型式、安装型式、联接型式等因素而设计的不同特性的减速器。 2）速器载荷的分类与减速器联接的工作机载荷状态比较复杂，对减速器的影响很大，是减速器选用及计算的重要因素，减速器的载荷状态即工

40、作机（从动机）的载荷状态，通常分为三类：均匀载荷、中等冲击载荷及强冲击载荷。 3) 特点 硬齿面圆柱齿轮减速器的齿轮全部采用合金钢锻件，齿轮经渗碳淬火并磨齿、修缘，精度达到6级以上；箱体经精密镗孔，轴承诶加强型，从而使承载能力和寿命大大提高，比较软齿面减速器承载能力提高24倍以上，价格增加3倍左右。选用的减速器应该能将电动机传到皮带轮的速度减小为曲轴的转速，由于电动机的转速为750r/min,而曲轴的转速为88.46r/min,传动比=8.3，故可以选用传动比为5.6的zdy型单级圆柱圆柱齿轮减速器。查机械设计师手册得出当传动比=5.6时，同时满足转速750r/min和输入功率大于55kw的减

41、速器规格为中心距为160mm。故选取型号为zdy160的减速器。 3.5 联轴器的选择 联轴器（机械式联轴器的简称）是机械产品的传动装置中，轴系最常用的连接部件。主要分为刚性联轴器、挠性联轴器、安全联轴器，同时刚性联轴器又分为凸缘联轴器、径向键凸缘联轴器、套筒联轴器、夹壳联轴器、平行联轴器。刚性联轴器是由刚性传力件组成，连接件之间不能相对运动，因此不具有补偿两轴线相对位移的能力，只适宜用于倍联接两轴相对位移的场合。刚性联轴器无弹性元件，不具备减震和缓冲功能，一般只适宜于载荷平稳并无冲击振动的场合。根据设计要求及运用场合，决定采用刚性联轴器，并且为凸缘式联轴器。凸缘联轴器是利用螺栓连接两半联轴器

42、的凸缘以实现两轴连接的刚性联轴器，结构简单、制造方便、成本低、工作可靠，装拆和维护简便，可传递大转矩，需保证两轴具有较高的对中精度，一般常用于载荷平稳，高速或传动精度要求较高的传动轴系。凸缘联轴器不具备径向、轴向、角向的补偿性能。使用时如果不能保证被联接两轴的对中精度，将会降低传动精度、效率和联轴器的使用寿命，并引起震动和噪声。将要被联轴器连接的两个轴径分别为：90mm、80mm。所以按照大的轴径选择联轴器的型号。查机械设计师手册选取型号为yl13的凸缘联轴器，性能及尺寸参数见表7,示意图见图11。表7 yl13型凸缘联轴器性能和尺寸型号公称转 矩 tn/n·m许 用转 速n/r&#

43、183;min-1轴孔直径d(h7）轴孔长 度l待添加的隐藏文字内容3dd1螺 栓l0质 量m/kg转动惯 量i/kg·m2数量n直径m钢钢j型j型yl1325004300901972201856m1621935.580.646图11 yl13型凸缘联轴器3.6 v带的设计3.6.1 v带的计算 电动机的转速降到曲轴的转速的总传动比为 = 8.3，而减速器的传动比 =5.6，所以v带的传动比 =1.5。 1) 确定计算功率 式中 计算功率，kw； 工作情况系数； 所需传递的额定功率，如电动机的额定功率，kw。 查表8得； 故 2）选v带的型号根据，查出此坐标点位于d区，所以，选用d型

44、计算。表8 工作情况系数工 作 机原 动 机类类一天工作时间（h）载 荷变 动小液体搅拌机、通风机和鼓风机、离心式水泵和压缩机、轻负荷输送机1.01.11.21.11.21.3 3）确定带轮的基准直径，并验算带速 （1）初选小带轮的基准直径。考虑结构紧凑，由表查9得，取小带轮的基准直径 （2）验算带速 因为，所以带速合适。 （3）计算大带轮的基准直径 查表，圆整为表9 v带轮的最小基准直径型号yzabcde205075125200355500 4）确定v带的中心距和基准长度 （1）一般初选带传动的中心距为 取，满足 （2）计算带所需的基准长度 由表选带的基准长度 （3）计算实际中心距a考虑到带

45、轮的制造误差、带长误差、带的弹性以及因带的松弛而产生的补充张紧的需要，常给出中心距的变动范围所以中心距的变化范围为 。故选取中心距。 5）验算小带轮的包角，合适。 6）计算v带的根数 由和，查表插值计算 根据，和d型带，查表插值计算 插值计算 查表得 则 所以取4根。 7) 计算单根v带的初拉力的最小值 由表查得，故得单根v带的初拉力应使带的实际初拉力 8）计算作用在轴上的压力压轴力的最小值3.7 v带轮的设计3.7.1 v带轮的设计内容 根据带轮的基准直径和带轮转速等已知条件，确定带轮的材料，结构形式，轮槽、轮辐和轮毂的几何尺寸、公差和表面粗糙度以及相关技术要求。3.7.2 带轮的材料常用的

46、带轮材料为ht150或ht200。转速较高时可以采用铸钢或用钢板冲压后焊接而成。小功率时可以用铸铝或塑料。3.7.3 带轮的结构形式 v带轮由轮缘、轮辐和轮毂组成。 根据轮辐结构的不同，v带轮可以分为实心式、腹板式、孔板式、椭圆轮辐式。 v带轮的结构形式与基准直径有关。当带轮基准直径为(为安装带轮的轴的直径，mm）时，可采用实心式；当时，采用腹板式；当，同时时，可采用孔板式；当时，可采用轮辐式。 按照上述要求，同时安装带轮的轴的直径均大于，所以大、小带轮都选用轮辐式。同时按照手册要求，当大带轮的直径为并且为d型带时，该带轮应设计为六椭圆辐轮。小带轮的直径为，所以设计为四椭圆辐轮。由zdy160

47、型减速器轴伸直径，长度。故大带轮轴孔直径应取，毂长应小于。由y315s-8电动机可知，其轴伸直径，长度。故小带轮轴孔直径，毂长应小于。大带轮示意图见图13，小带轮示意图见图14。图13 大带轮图14 小带轮4 辅助件及其它设计4.1 连杆及其它连接件的设计曲轴通过连杆机构与柱塞连接在一起，通过连杆机构带动柱塞进行往复运动。所以连杆机构的设计也是一项非常重要的设计。本设计没有采用滑块，而是采用了圆柱销的连接，将连杆套在圆柱销上，曲轴运转时连杆会在圆柱销上进行转动。由于柱塞的尺寸有一定要求，所以在设计连杆机构时不能与之直接相连，可以通过连接件把二者连在一起。本次设计是设计了一个有内螺纹孔的滑块，同

48、时将柱塞杆的另一端做成为螺纹，这样可以把柱塞直接与滑块连接为一体。再将一个有螺纹的短杆与滑块连在一起，将圆柱销装进一个中空的滑块内，短杆在与这个中空的滑块进行过盈连接，这样连杆就和柱塞连在了一起，能达到要求的效果。为了减轻整体机构的重量，将连杆设计为中间空的结构。见连杆的示意图15。图15 连杆4.2 机架的设计焊接机架与铸造机架比较，具有强度高，刚度好，重量轻，周期短及施工简便等优点。焊接机架设计时应注意以下几点： 1）摆脱铸件结构的束缚，按焊接工艺特点设计焊接机架。 2）尽量减轻焊缝的载荷。 3）尽量避免焊缝密集，避免焊接应力集中。 4) 大型机架可分段焊接组装。即分段焊接，焊后分段消除内

49、应力，分段加工，然后用螺钉连接成整体，这样还可以减少焊接变形。故选用焊接机架。5 键与轴承的选择及校核5.1 键的选择及校核 根据工作状况，使用要求和结构设计中的键选择普通平键，选择键的尺寸长度根据轮毂长度选定，键长略短于轮毂长度，并取标准长度系列。 平键的失效形式主要有，键、轴、轮毂三者中较弱的工作面被压溃，键的剪断。因实际中键的剪断极为罕见，对于平键联接通常只进行挤压强度或耐磨性的计算，所以在重要的场合中才进行抗剪强度的校核验算。 假定压力沿键长和键高均匀分布，按平均挤压应力进行强度或耐磨性的条件校核。 t 传递的转矩，； d 轴的直径，； k 键与轮毂的接触高度，； l 键的接触长度，圆头平键，平头平键,这里l为间的公称长度，；b为键的宽度，mm； 键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用应力，mpa，见表10；表10 键连接的许用挤压应力、许用压力许用挤压应力、许用压力连接工作方式键或毂、轴的材料载 荷 性 质静载荷轻微冲击冲 击静连接钢1201501001206090 键的材料因压溃和磨损为键联接的主要失效形式，所以键的材料要有足够的硬度。一般采用抗拉强度不低于600mpa的钢制成。 1）曲轴键的选择及校核 （1）选择键连接的类型