机械产品的实用化设计

1、1机械产品的实用化设计机械产品的实用化设计第一节第一节 产品设计核心产品设计核心和外围问题和外围问题一、产品设计的核心一、产品设计的核心1 1、设计理解为一个、设计理解为一个“空间空间”：整个设计整个设计“空间空间”分为两部分：分为两部分：1 1）内部空间：设计应遵循的主）内部空间：设计应遵循的主要阶段，其任务是使设计要求要阶段，其任务是使设计要求转化为转化为“硬件硬件”以满足需求，以满足需求，这也是设计的最终目的，故称这也是设计的最终目的，故称内部空间为设计核心工作。内部空间为设计核心工作。2 2）外部空间：所列举的问题为）外部空间：所列举的问题为对设计的各种要求和应用的技对设计的各种要求和

2、应用的技术方法，是设计的外围问题。术方法，是设计的外围问题。22 2、设计含义：、设计含义： 是为提供社会所需的产品进入市场所必要的一系是为提供社会所需的产品进入市场所必要的一系列创新思维和活动。最后以技术文件的形式，提供产列创新思维和活动。最后以技术文件的形式，提供产品制造依据的全过程工作。品制造依据的全过程工作。 设计活动主要经过以下几个阶段：了解市场需求、设计活动主要经过以下几个阶段：了解市场需求、拟定设计任务和技术要求、功能原理设计、实用化设拟定设计任务和技术要求、功能原理设计、实用化设计、商品化设计、制造和销售。计、商品化设计、制造和销售。3 3、产品设计的核心即核心技术、产品设计的

3、核心即核心技术( (内部空间设计）内部空间设计）： 是指产品实现总功能和主要要求的技术。对不同是指产品实现总功能和主要要求的技术。对不同的机械其核心技术是不相同的。核心技术对于产品设的机械其核心技术是不相同的。核心技术对于产品设计主要体现为产品的性能指标：计主要体现为产品的性能指标：3a)a)对于以能量转换为主的机械如动力机械，其主要性对于以能量转换为主的机械如动力机械，其主要性能指标是热效率；能指标是热效率；b)b)对于轻工机械，常要完成各种繁杂灵巧的动作，其对于轻工机械，常要完成各种繁杂灵巧的动作，其机构设计问题比较突出，主要性能指标是生产率、有机构设计问题比较突出，主要性能指标是生产率、

4、有节奏地可靠工作、自动化程度高；节奏地可靠工作、自动化程度高；c)c)重型机械特点是巨型、重载，其承载能力、强度和重型机械特点是巨型、重载，其承载能力、强度和刚度是其性能指标；刚度是其性能指标；d)d)对于金属切削机床，主要性能指标是生产率、加工对于金属切削机床，主要性能指标是生产率、加工精度和加工范围；精度和加工范围；e)e)对于以信号为主的仪器，主要性能指标是灵敏度、对于以信号为主的仪器，主要性能指标是灵敏度、精度和稳定性；精度和稳定性；f)f)对于以材料转换为主的各种离心机、筛选机和过滤对于以材料转换为主的各种离心机、筛选机和过滤器的主要性能指标是生产效率和分离出物料的纯净度。器的主要性

5、能指标是生产效率和分离出物料的纯净度。44 4、关键技术和核心技术是两个不同的概念：、关键技术和核心技术是两个不同的概念：关键技术是实现某种功能过程中需要解决的技术难题。关键技术是实现某种功能过程中需要解决的技术难题。它与核心技术是两个不同的概念，在核心技术中也有它与核心技术是两个不同的概念，在核心技术中也有关键技术问题。例如，对于板关键技术问题。例如，对于板( (带带) )轧钢机：可采用液轧钢机：可采用液压弯辊，利用液压缸的压力，在轧制过程中随时根据压弯辊，利用液压缸的压力，在轧制过程中随时根据轧制条件变化迅速对轧辊施以附加弯曲力、使产生附轧制条件变化迅速对轧辊施以附加弯曲力、使产生附加弯曲

6、变形。为了实现对板厚偏差和板型的合理控制，加弯曲变形。为了实现对板厚偏差和板型的合理控制，在轧制过程中希望轧机当量刚度系数在轧制过程中希望轧机当量刚度系数kk能够根据不同能够根据不同工艺要求随时调整，一般是采用液压压下系统来实现。工艺要求随时调整，一般是采用液压压下系统来实现。核心技术问题：液压弯辊和液压压下。核心技术问题：液压弯辊和液压压下。关键技术：其中厚度、压力、位置传感器、数据处理关键技术：其中厚度、压力、位置传感器、数据处理系统等组成的电液闭环控制系统则是解决核心技术问系统等组成的电液闭环控制系统则是解决核心技术问题的关键技术题的关键技术( (参见图参见图5 52 2、图、图5 53

7、)3)。5轧钢机主传动装置是由联轴器、减速机、齿轮座和轧钢机主传动装置是由联轴器、减速机、齿轮座和接轴等部件所组成，作用是将电动机的运动和力矩接轴等部件所组成，作用是将电动机的运动和力矩传给工作机座中的轧辊进行轧制。传给工作机座中的轧辊进行轧制。67 二、设计的外围问题二、设计的外围问题由销售反馈信息，进行市场分析，改进技术要求，由销售反馈信息，进行市场分析，改进技术要求，再进行设计的循环，是一个相互作用不断完善的迭再进行设计的循环，是一个相互作用不断完善的迭代过程，使产品不断地发展。产品设计过程中的各代过程，使产品不断地发展。产品设计过程中的各种设计要求，是设计的种设计要求，是设计的依据和前

8、提，它们就是依据和前提，它们就是设计的外围问题。设计的外围问题。（参见图（参见图5 54)4)8第二节第二节 实用化设计的任务和主要内容实用化设计的任务和主要内容1 1、实用化设计：、实用化设计： 实用化设计是在功能原理设计成熟的基础上，实用化设计是在功能原理设计成熟的基础上，把原理方案结构化、实体化，使原理构思转化为具把原理方案结构化、实体化，使原理构思转化为具有实用水平的实体机械达到实用的要求。有实用水平的实体机械达到实用的要求。实用化设计的前期工作：工作原理确定后首先要进实用化设计的前期工作：工作原理确定后首先要进行工艺动作构思和分解，初步拟定各执行构件的动行工艺动作构思和分解，初步拟定

9、各执行构件的动作和各动作的相互协调关系，即进行机械运动方案作和各动作的相互协调关系，即进行机械运动方案设计和机械简图设计。设计和机械简图设计。 该阶段总的任务：完成产品的总体设计、部件、该阶段总的任务：完成产品的总体设计、部件、零件设计、完成交付制造的和施工的图样资料，同零件设计、完成交付制造的和施工的图样资料，同时编制全套技术文件。时编制全套技术文件。9 2 2、具体工作：、具体工作： 如果说功能原理设计是产品创新和保证质量的如果说功能原理设计是产品创新和保证质量的关键，则实用化设计就是得到高质量产品的保证。关键，则实用化设计就是得到高质量产品的保证。在实用化设计阶段。工作既要具体化又要精细

10、化，在实用化设计阶段。工作既要具体化又要精细化，要处理大量的结构设计等方面的问题，主要有：要处理大量的结构设计等方面的问题，主要有： 零部件的形状、装配关系、材料选择、尺寸大小、零部件的形状、装配关系、材料选择、尺寸大小、加工要求、表面处理、总体布置、安装等。这些问加工要求、表面处理、总体布置、安装等。这些问题处理合理与否，对产品功能、性能指标和技术经题处理合理与否，对产品功能、性能指标和技术经济指标，对机器的强度、刚度、寿命、对靠性、振济指标，对机器的强度、刚度、寿命、对靠性、振动、噪声等有着直接的影响。动、噪声等有着直接的影响。10 3 3、实用化设计步骤一般为：、实用化设计步骤一般为：

11、1 1）绘制总体布置和总装草图；）绘制总体布置和总装草图； 2 2）由总装草图画出部件、零件草图；）由总装草图画出部件、零件草图； 3 3）经审核再由零件工作图、部件装配图画出）经审核再由零件工作图、部件装配图画出总装图和总图；总装图和总图； 4 4）最后编制技术文件如设计说明书、使用说）最后编制技术文件如设计说明书、使用说明书、标准件、外购件明细表等等。明书、标准件、外购件明细表等等。11第三节第三节 总体设计的基本任务和内容总体设计的基本任务和内容 一、总体设计的基本任务一、总体设计的基本任务 机械产品设计通过原理方案设计、结构设计，使机械产品设计通过原理方案设计、结构设计，使主要功能得到

12、满足。但是，从系统论观点分析，机器主要功能得到满足。但是，从系统论观点分析，机器本身不是独立的系统，它不能孤立存在。它需要人操本身不是独立的系统，它不能孤立存在。它需要人操纵和控制，需要人装配和安装。机器工作在环境之中，纵和控制，需要人装配和安装。机器工作在环境之中，环境对它有约束，相反机器对环境又施加影响，并受环境对它有约束，相反机器对环境又施加影响，并受到有关规范和法律限制，它与其它机器还有关联等等。到有关规范和法律限制，它与其它机器还有关联等等。这些问题有些在结构设计中考虑到了，但大部分没有这些问题有些在结构设计中考虑到了，但大部分没有涉及，需要在总体设计中，全面综合考虑。与此同时，涉及

13、，需要在总体设计中，全面综合考虑。与此同时，总体设计对各部件、零件设计要提出主要参数和设计总体设计对各部件、零件设计要提出主要参数和设计要求，以保证各部件、零件在设计时满足总体设计各要求，以保证各部件、零件在设计时满足总体设计各种约束条件。种约束条件。12总之：总体设计是产品设计的中心环节，它对机械产品总之：总体设计是产品设计的中心环节，它对机械产品的技术性能、经济指标和外观具有决定意义。的技术性能、经济指标和外观具有决定意义。总体设计的任务：总体设计的任务： (1)(1)完善和扩大方案设计和结构设计内容完善和扩大方案设计和结构设计内容 (2)(2)使各部件、零件得到合理的组合；使各部件、零件

14、得到合理的组合； (3)(3)综合人一机器一环境三者关系，使之协调和适应，综合人一机器一环境三者关系，使之协调和适应，以保证全面满足机械产品的技术性能、经济性能和美学以保证全面满足机械产品的技术性能、经济性能和美学性能的所有要求。性能的所有要求。二、总体设计的内容二、总体设计的内容各种具体机器总体设计内容虽然有所不同，但纵观全局各种具体机器总体设计内容虽然有所不同，但纵观全局，总体设计内容包括：，总体设计内容包括：1 1）工艺方案的确定。在进行机械总体设计时，应对不）工艺方案的确定。在进行机械总体设计时，应对不同类型的工艺方案进行分析比较，选择符合实际情况的同类型的工艺方案进行分析比较，选择符

15、合实际情况的具有先进性的工艺方案。具有先进性的工艺方案。132 2）确定机器的总体参数）确定机器的总体参数总体参数是表明机器技术性能的主要指标，包括机器性总体参数是表明机器技术性能的主要指标，包括机器性能参数和结构参数两方面：能参数和结构参数两方面：（1 1）性能参数是指生产率、功率和重量等；）性能参数是指生产率、功率和重量等；（2 2）结构参数是指主要结构尺寸，它由整机外形尺寸、）结构参数是指主要结构尺寸，它由整机外形尺寸、主要部件的外形尺寸及工作机构作业位置尺寸等组成。主要部件的外形尺寸及工作机构作业位置尺寸等组成。 对具体机器而言，总体参数内容还更多些，如采煤对具体机器而言，总体参数内容

16、还更多些，如采煤机的性能参数除了上面所指外，还包括采高、鼓深、滚机的性能参数除了上面所指外，还包括采高、鼓深、滚筒直径、滚筒转速、牵引力和牵引速度等。若机器性能筒直径、滚筒转速、牵引力和牵引速度等。若机器性能参数和作业位置尺寸有国家或部级标准时，则计算后取参数和作业位置尺寸有国家或部级标准时，则计算后取值一定要符合上级标准。性能和结构参数的确定，可采值一定要符合上级标准。性能和结构参数的确定，可采用计算法、类比法、相似设计法以及优化设计法等。用计算法、类比法、相似设计法以及优化设计法等。14 3) 3)机械运动系统方案设计和确定机械运动简图。根机械运动系统方案设计和确定机械运动简图。根据工艺动

17、作过程选用合适执行机构，完成各个基本据工艺动作过程选用合适执行机构，完成各个基本运动。再用一定的组合方式构成机械系统来实现产运动。再用一定的组合方式构成机械系统来实现产品的功能。机械运动方案就是机械系统的综合。将品的功能。机械运动方案就是机械系统的综合。将机械运动方案中各个机构运动尺寸计算确定之后就机械运动方案中各个机构运动尺寸计算确定之后就得到机械运动简图。得到机械运动简图。4 4）总体布置设计）总体布置设计 主要是确定各部件、零件的相互位置和联接方式，主要是确定各部件、零件的相互位置和联接方式，并考虑安全操作，整体造型等问题。并考虑安全操作，整体造型等问题。 5)5)机械驱动系统机械驱动系

18、统(drive system)(drive system)设计。根据所需的设计。根据所需的载荷，从直接承载零件开始，选择或设计机器的工载荷，从直接承载零件开始，选择或设计机器的工作构件，然后按驱动链的顺序向上，对机构和零件作构件，然后按驱动链的顺序向上，对机构和零件逐个进行设计、直到选择原动机。逐个进行设计、直到选择原动机。15 6 6）计算整机的平衡和稳定）计算整机的平衡和稳定 平衡是指整机处于不同工作状态时，所有机构作用平衡是指整机处于不同工作状态时，所有机构作用力和重力的合力不超出规定范围。对某些机器如挖掘力和重力的合力不超出规定范围。对某些机器如挖掘机，平衡问题实质是确定平衡重的问题。

19、机，平衡问题实质是确定平衡重的问题。 稳定性是指整机的平衡，是研究机器在工作和行定稳定性是指整机的平衡，是研究机器在工作和行定时是否发生倾翻的可能性。这一点对地面行走机器和时是否发生倾翻的可能性。这一点对地面行走机器和工程机械尤其重要。工程机械尤其重要。7 7）动力源特性分析）动力源特性分析 若设计任务书没有对原动机种类作出明确规定时，若设计任务书没有对原动机种类作出明确规定时，应首先确定动力源种类，是电动机还是柴油机或其它应首先确定动力源种类，是电动机还是柴油机或其它，然后再作动力源特性分析。，然后再作动力源特性分析。8 8）人一机一环境系统设计）人一机一环境系统设计 主要是操作和控制系统设

20、计。主要是操作和控制系统设计。169 9）附属装置设计）附属装置设计 为增加机器功能，扩大机器使用范围或减少环境为增加机器功能，扩大机器使用范围或减少环境对人机影响而设计附属装置，如井下巷道掘进机增对人机影响而设计附属装置，如井下巷道掘进机增加打铆杆孔的装置，采煤机、掘进机的高压水喷雾加打铆杆孔的装置，采煤机、掘进机的高压水喷雾灭尘装置灭尘装置1010）机器造型设计）机器造型设计对机器外形、色彩进行艺术设计，对机器外形、色彩进行艺术设计，1111）产品故障分析和对策）产品故障分析和对策1212）明确易损件、外购件、标准件）明确易损件、外购件、标准件1313）明确产品包装和运输要求）明确产品包装

21、和运输要求17第四节第四节 确定工艺方案确定工艺方案 为了实现同一工艺目的，可以采用不同的工艺方为了实现同一工艺目的，可以采用不同的工艺方案，各方案决定了设备不同的结构、性能、产品质案，各方案决定了设备不同的结构、性能、产品质量、生产率和成本。选择工艺方案时应综合考虑下量、生产率和成本。选择工艺方案时应综合考虑下列问题：列问题：1)1)工艺方案的先进性工艺方案的先进性2)2)合理的运动规律合理的运动规律3)3)工艺方案实现的可能性和稳定性工艺方案实现的可能性和稳定性4)4)与生产率要求相适应，经济上合理与生产率要求相适应，经济上合理18第五节第五节 整机总体参数确定整机总体参数确定 总体参数的

22、确定是产品总体设计的一个重要组成总体参数的确定是产品总体设计的一个重要组成部分，它与机器各部件性能、结构有密切关系。在总部分，它与机器各部件性能、结构有密切关系。在总体设计过程中，必须首先初步确定总体参数，据此进体设计过程中，必须首先初步确定总体参数，据此进行各部件的技术设计，最后准确计算出机器的总体参行各部件的技术设计，最后准确计算出机器的总体参数，但有时总体参数和技术设计需要交叉反复进行。数，但有时总体参数和技术设计需要交叉反复进行。 在确定总体参数时，必须正确处理相互制约的有关在确定总体参数时，必须正确处理相互制约的有关参数间关系，例如在矿山工程机械产品中，机重是一参数间关系，例如在矿山

23、工程机械产品中，机重是一个重要性能指标过份减轻机重，势必影响采掘力和机个重要性能指标过份减轻机重，势必影响采掘力和机器强度、刚度。反之，过份考虑强度、刚度必然导致器强度、刚度。反之，过份考虑强度、刚度必然导致机器笨重、经济性差。因此，各参数间要互相匹配和机器笨重、经济性差。因此，各参数间要互相匹配和协调，形成一个优化的整体。合理的总体参数应符合协调，形成一个优化的整体。合理的总体参数应符合下列条件：下列条件：191 1）先进性）先进性与国内外同类产品比较，其主要技与国内外同类产品比较，其主要技术经济指标和工作性能优先；术经济指标和工作性能优先；2 2）实用性）实用性满足实际使用要求，可靠度高、

24、维满足实际使用要求，可靠度高、维修方便、使用寿命长；修方便、使用寿命长；3 3）经济性）经济性充分利用发动机功率、节约能源、充分利用发动机功率、节约能源、原材料消耗少，在满足功能的情况下，体积小、重原材料消耗少，在满足功能的情况下，体积小、重量轻、价格便宜。量轻、价格便宜。总体参数包含：总体参数包含：生产率生产率q q、功率参数、功率参数、重量参数、重量参数、总体结构参数。总体结构参数。总体参数的初步确定，可采用理论计算法、经验公总体参数的初步确定，可采用理论计算法、经验公式法和相似类比法。式法和相似类比法。20一、理论计算法一、理论计算法 根据拟定的产品原理方案，在理论分析与试验数据根据拟定

25、的产品原理方案，在理论分析与试验数据基础上进行分析计算，确定总体参数。基础上进行分析计算，确定总体参数。 1机械设备的理论生产率机械设备的理论生产率q 机械设备的理论生产率是指设计生产能力。在单位机械设备的理论生产率是指设计生产能力。在单位时间内完成的产品数量，就是机械设备的生产率。加时间内完成的产品数量，就是机械设备的生产率。加工一个工件或装配一个组件所需的循环时间工一个工件或装配一个组件所需的循环时间t为：为：t=tg+tft为在设备上加工一个工件的循环时间或称工作为在设备上加工一个工件的循环时间或称工作周期时间；周期时间；tg 工作时间，即直接用在加工或装配一个工件的工作时间，即直接用在

26、加工或装配一个工件的时间；时间；tf辅助工作时间，即在一个循环内除去辅助工作时间，即在一个循环内除去tg 所消耗所消耗的时间，如上下料、间歇等所消耗的时间。的时间，如上下料、间歇等所消耗的时间。21设备的生产率设备的生产率q q为：为：2 2、功率参数、功率参数( (包括运动参数、力能参数包括运动参数、力能参数) )（1)1)运动参数运动参数 机械的运动参数有移动速度、加机械的运动参数有移动速度、加速度和调速范围等，主要取决于工艺要求：速度和调速范围等，主要取决于工艺要求： 一般情况是希望速度尽可能地高，但却因受一般情况是希望速度尽可能地高，但却因受到惯性、振动、定位精度、结构、制造和装配水到

27、惯性、振动、定位精度、结构、制造和装配水平，以及新技术应用程度等的影响和限制。平，以及新技术应用程度等的影响和限制。22机械的速度常由生产率确定，如带式连续输送机，机械的速度常由生产率确定，如带式连续输送机，带的运动速度带的运动速度v v可由下式确定：可由下式确定：23(2)(2)力能参数力能参数 包括承载力包括承载力( (如成型力、破碎力、运如成型力、破碎力、运行阻力、挖掘力行阻力、挖掘力) )和原动机功率。工作装置是载荷直和原动机功率。工作装置是载荷直接作用的构件力参数是其设计计算的依据，也是力接作用的构件力参数是其设计计算的依据，也是力学性能的主要标志，如学性能的主要标志，如30000k

28、n30000kn水压机。水压机。 1)1)机器的作用力机器的作用力( (承载力承载力) ) 大部分材料输送操作，大部分材料输送操作，机器载荷由加速工件的惯性力载荷、移动工件的摩擦机器载荷由加速工件的惯性力载荷、移动工件的摩擦力载荷或材料提升的重力载荷组合而成。而对成型机力载荷或材料提升的重力载荷组合而成。而对成型机械、加工机械主要需求的力是用于材料成型或切削加械、加工机械主要需求的力是用于材料成型或切削加工，下面举例介绍金属成型所需的力。工，下面举例介绍金属成型所需的力。例例1 1：图：图5 56 6表示三种常用于材料弯曲的形式：折边、表示三种常用于材料弯曲的形式：折边、弯弯v v形和弯形和弯

29、u u形。要使金属成形必须施加压力到其塑性形。要使金属成形必须施加压力到其塑性区，假设所有的应变硬化材料均能完全地弯曲，则弯区，假设所有的应变硬化材料均能完全地弯曲，则弯曲力通常以材料的极限抗拉强度的经验公式来计算。曲力通常以材料的极限抗拉强度的经验公式来计算。2425例例2 2：设计剪切机时，需要计算最大剪切力设计剪切机时，需要计算最大剪切力f fmaxmax。剪切机的公称剪切力是根据剪切机的公称剪切力是根据f fmax max 确定的。最大剪确定的。最大剪切力切力f fmaxmax 为为: : f fmaxmax kkmax max a a a a被剪切轧件横断面面积被剪切轧件横断面面积(

30、mm(mm2 2) )；maxmax 被剪切轧件金属在剪切温度下的最大被剪切轧件金属在剪切温度下的最大剪切应力剪切应力(mpa/mm(mpa/mm2 2) )； k k 考虑由于刀刃磨钝、刀片间隙增大而考虑由于刀刃磨钝、刀片间隙增大而使剪切力提高的系数。使剪切力提高的系数。26 2) 2)原动机功率原动机功率 反映了机械的动力级别，它与反映了机械的动力级别，它与其它参数有函数关系，常是机械分级的标志。也其它参数有函数关系，常是机械分级的标志。也是机械中各零、部件的尺寸是机械中各零、部件的尺寸( (如轴和丝杠的直径、如轴和丝杠的直径、齿轮的模数等齿轮的模数等) )设计计算的依据。设计计算的依据。

31、 机器需要的输出功率等于机器工作的动力加机器需要的输出功率等于机器工作的动力加上所损耗的动力。大部分机器载荷是力上所损耗的动力。大部分机器载荷是力( (扭矩扭矩) )以以某速度作用一段距离某速度作用一段距离( (角度角度) )。如果使用重量大、。如果使用重量大、速度高的工作头，则在载荷中要考虑惯性分量的速度高的工作头，则在载荷中要考虑惯性分量的作用。作用。27举例举例1 1：如图：如图5 57 7所示为机器之输出功率所示为机器之输出功率p pmaxmax ，系，系由一固定力由一固定力f f在在t t时间内作用一段线性距离时间内作用一段线性距离x x，此种运动如同一个液压臂弯曲金属板。机器输出的

32、此种运动如同一个液压臂弯曲金属板。机器输出的功率可表示为：功率可表示为：28举例举例2 2： 图图5 58 8表示固定扭矩表示固定扭矩t t在瞬间在瞬间t t作用一个角作用一个角度度时机器之输出功率时机器之输出功率pmaxpmax。此种功率发生在工具。此种功率发生在工具机的铣刀切削情况，通常我们考虑机器在刀具轴的输机的铣刀切削情况，通常我们考虑机器在刀具轴的输出为扭矩，它可用刀具的切削力与力臂来表示。此种出为扭矩，它可用刀具的切削力与力臂来表示。此种机器的输出功率机器的输出功率pmaxpmax为：为：29 3 3重量参数重量参数 重量参数包括整机重量、各主要部件重量、重心重量参数包括整机重量、

33、各主要部件重量、重心位置等。它反映了整机的品质，如自重与载重之比，位置等。它反映了整机的品质，如自重与载重之比，生产能力与机重之比等。重心位置反映了机器的稳生产能力与机重之比等。重心位置反映了机器的稳定性及车轮轮压分布等问题。定性及车轮轮压分布等问题。 对于定行机械如履带式装载机的重量，主要根对于定行机械如履带式装载机的重量，主要根据作业时所需的牵引力来确定，同时必须满足地面据作业时所需的牵引力来确定，同时必须满足地面附着条件和作业、行走稳定性要求，否则机器行走附着条件和作业、行走稳定性要求，否则机器行走时将产生打滑或倾翻。时将产生打滑或倾翻。 机器提供的最大牵引力必须克服工作阻力和总机器提供

34、的最大牵引力必须克服工作阻力和总的行走阻力，其表达式为：的行走阻力，其表达式为：3031综合举例：综合举例：下面以矿用蟹爪式装载机为例加以说明。下面以矿用蟹爪式装载机为例加以说明。a）组成：蟹爪式装载机由铲板装载部、刮板）组成：蟹爪式装载机由铲板装载部、刮板运输部、履带行走三部分组成，见图运输部、履带行走三部分组成，见图51蟹爪蟹爪式装裁机。式装裁机。3233343536373839b b）结构及工作原理：）结构及工作原理：结构：图结构：图5-25 5-25 所示，主要由蟹爪工作机构、转所示，主要由蟹爪工作机构、转载机构、履带行走机构、电动机及控制各部运动载机构、履带行走机构、电动机及控制各部

35、运动的液压系统组成。的液压系统组成。工作原理：蟹爪式装岩机按其工作原理属于侧取工作原理：蟹爪式装岩机按其工作原理属于侧取式装岩机，其工作机构为一对耙爪，犹如螃蟹的式装岩机，其工作机构为一对耙爪，犹如螃蟹的蟹爪，故称蟹爪式装岩机。由于两耙爪交替地耙蟹爪，故称蟹爪式装岩机。由于两耙爪交替地耙矿，其动作可看成是连续的，故在装岩机的高度矿，其动作可看成是连续的，故在装岩机的高度和宽度不很大的条件下有较高的生产率。其行走和宽度不很大的条件下有较高的生产率。其行走机构采用履带式，有较高的机动性。装岩机本身机构采用履带式，有较高的机动性。装岩机本身带有转载运轮机，可与大容量的矿车配合，使准带有转载运轮机，可

36、与大容量的矿车配合，使准备、调车等辅助性作业时间减小，机器的操作简备、调车等辅助性作业时间减小，机器的操作简单方便。单方便。4041c c）装载机的种类：）装载机的种类：（1 1）按所装物料的性质分为装煤机和装岩机。）按所装物料的性质分为装煤机和装岩机。（2 2）按工作机构的结构可分为铲斗装载机、耙）按工作机构的结构可分为铲斗装载机、耙斗装载机、蟹爪装载机和立爪装载机。常见的是斗装载机、蟹爪装载机和立爪装载机。常见的是前三种。前三种。（3 3）按所用动力分为电动装载机、气动装载机）按所用动力分为电动装载机、气动装载机、液动装载机。目前我国多用电动装载机。、液动装载机。目前我国多用电动装载机。（

37、4 4）按行走方式可分为轨轮式装载机、履带式）按行走方式可分为轨轮式装载机、履带式装载机、轮胎式装载机。装载机、轮胎式装载机。 42d d）蟹爪装载机）蟹爪装载机 主要优点是连续装载，生产率高，工作高度很主要优点是连续装载，生产率高，工作高度很低，适合在较矮的巷道中使用。早期生产的蟹爪装低，适合在较矮的巷道中使用。早期生产的蟹爪装载机，因结构和材质的原因只能用于装煤或软岩。载机，因结构和材质的原因只能用于装煤或软岩。近年来由于采用了合理的结构和优质材料，蟹爪装近年来由于采用了合理的结构和优质材料，蟹爪装载机亦可装中硬以上的岩石。载机亦可装中硬以上的岩石。43e）总体参数计算如下：）总体参数计算

38、如下：1 1）总体性能参数）总体性能参数装载机的总体性能参数主要包括生产率、重量和功装载机的总体性能参数主要包括生产率、重量和功率等。率等。(1)(1)理论生产率理论生产率q q 理论生产率是指装载机的设计生产能力，即耙爪理论生产率是指装载机的设计生产能力，即耙爪满载情况下，将物料从铲板上装入运输机的能力，满载情况下，将物料从铲板上装入运输机的能力，以每小时装载物料体积计算，其表达式为：以每小时装载物料体积计算，其表达式为：q=60znvq=60znv44(2)(2)机器重量机器重量 蟹爪式装载机的重量，主要根据作业时所需的牵引力蟹爪式装载机的重量，主要根据作业时所需的牵引力来确定，同时必须满

39、足地面附着条件和作业、行走稳定来确定，同时必须满足地面附着条件和作业、行走稳定性要求，否则机器行走时将产生打滑或倾翻。性要求，否则机器行走时将产生打滑或倾翻。 机器提供的最大牵引力必须克服铲板与蟹爪插入阻力机器提供的最大牵引力必须克服铲板与蟹爪插入阻力和总的行走阻力，其表达式为：和总的行走阻力，其表达式为：kr45(3)(3)原动机功率原动机功率 装载机的总功率由装载机的总功率由蟹蟹爪机构功率爪机构功率p1p1、运输机构功、运输机构功率率p2p2、行走机构功率、行走机构功率p3p3和液压功率和液压功率p4p4组成，即组成，即p p p1+p2+p3+p4 p1+p2+p3+p4 各部分功率计算

40、由相应的力、速度、效率等因素各部分功率计算由相应的力、速度、效率等因素决定。决定。464 4总体结构参数总体结构参数 总体结构参数包括主要结构尺寸和作业位置尺寸。总体结构参数包括主要结构尺寸和作业位置尺寸。主要结构尺寸是由整机外形尺寸和主要组成部分的外主要结构尺寸是由整机外形尺寸和主要组成部分的外形尺寸综合而成。作业位置尺寸是机器在作业过程中形尺寸综合而成。作业位置尺寸是机器在作业过程中为了适应工作条件要求所需尺寸。例如，矿用为了适应工作条件要求所需尺寸。例如，矿用蟹蟹爪式爪式装载机总体尺寸，要考虑机器工作条件装载机总体尺寸，要考虑机器工作条件( (巷道尺寸、巷道尺寸、配套车辆尺寸等配套车辆尺

41、寸等) )。 总体参数确定，除上面一般理论分分析计算外，还总体参数确定，除上面一般理论分分析计算外，还有参数优化计算。例如蟹瓜式装载机总体参数优化：有参数优化计算。例如蟹瓜式装载机总体参数优化： 在满足生产率、工作条件、物料块度等要求的前提下，在满足生产率、工作条件、物料块度等要求的前提下，建立目标函数，使总功率消耗最小。也就是建立性能建立目标函数，使总功率消耗最小。也就是建立性能参数和结构参数与功率消耗之间的函数关系，以便求参数和结构参数与功率消耗之间的函数关系，以便求解出消耗功率最小的总体参数。解出消耗功率最小的总体参数。47二、经验公式法二、经验公式法 对同类产品参数按概率统计，归纳得出

42、经验公式，对同类产品参数按概率统计，归纳得出经验公式，然后求解总体参数。在新产品设计中，利用经验系然后求解总体参数。在新产品设计中，利用经验系数来确定总体参数，有如下优点：数来确定总体参数，有如下优点：便于比较现有产品的各种参数，从而提出最优数据；便于比较现有产品的各种参数，从而提出最优数据；有利于老产品更新换代和发展新系列；有利于老产品更新换代和发展新系列；为计算机辅助设计创造条件。为计算机辅助设计创造条件。48下面以液压挖掘机为例，说明经验公式法。下面以液压挖掘机为例，说明经验公式法。 液压挖掘机的经验设计，一般以斗容量、发液压挖掘机的经验设计，一般以斗容量、发动机功率和机重三者之一作为主

43、参数，并依此动机功率和机重三者之一作为主参数，并依此决定其它参数。国内外学者都习惯以机重决定其它参数。国内外学者都习惯以机重g g为主为主参数。通过对国内外百余种液压挖掘机的机重参数。通过对国内外百余种液压挖掘机的机重统计分析提出了液压挖掘机各种参数的经验公统计分析提出了液压挖掘机各种参数的经验公式，其中式，其中k k值为经验系数。值为经验系数。4950三、相似类比法三、相似类比法 采用相似类比法确定总体参数时，是以相似理论采用相似类比法确定总体参数时，是以相似理论为基础，选用国内外先进名牌产品为典型样机，或为基础，选用国内外先进名牌产品为典型样机，或国内外有关该产品的设计标准，求出相似系数国

44、内外有关该产品的设计标准，求出相似系数( (级差级差系数系数) )，然后再确定其它主要参数。但应注意相似类，然后再确定其它主要参数。但应注意相似类比法只适用于同类型产品即结构型式、工作对象、比法只适用于同类型产品即结构型式、工作对象、环境条件基本相同者。环境条件基本相同者。 相似类比法有以下优点：如果样机的性能参数和相似类比法有以下优点：如果样机的性能参数和结构参数是优选的，则可得到一个优化的系列产品，结构参数是优选的，则可得到一个优化的系列产品，它简化了设计计算，加快了设计进度，可以迅速研它简化了设计计算，加快了设计进度，可以迅速研制出新产品。这是仿制性能优良产品的一种有效方制出新产品。这是

45、仿制性能优良产品的一种有效方法。法。51第六节第六节 机械总体布置设计机械总体布置设计 机器的总体布置，关系到整机的性能、质量和机器的总体布置，关系到整机的性能、质量和整机的合理性。也关系到操作方便、工作安全和整机的合理性。也关系到操作方便、工作安全和工作效率。因此，总体布置是总体设计中极为重工作效率。因此，总体布置是总体设计中极为重要的内容。要的内容。 总体布置的任务是合理布置各部件、零件在整总体布置的任务是合理布置各部件、零件在整机上的位置，按照简单、合理和安全的原则，使机上的位置，按照简单、合理和安全的原则，使其实现工作要求；确定机器的重心坐标，确定总其实现工作要求；确定机器的重心坐标，

46、确定总体尺寸。体尺寸。52 一、总体布置的基本要求一、总体布置的基本要求 1 1保证产品整机的平衡和稳定性能；保证产品整机的平衡和稳定性能； 2 2在满足强度、刚度要求的前提下，尽量做到结构紧凑、在满足强度、刚度要求的前提下，尽量做到结构紧凑、外形尺寸小、重量轻；外形尺寸小、重量轻； 3 3动力传递路线力求简短、直接，做到传动效率高；动力传递路线力求简短、直接，做到传动效率高； 4 4各部件或零件在装配和使用中，其位置调整、拆装和各部件或零件在装配和使用中，其位置调整、拆装和维修等，力求简单、方便、互锁，保护要安全可靠；维修等，力求简单、方便、互锁，保护要安全可靠； 5 5、司机室的布置，要求

47、操作安全、方便、司机视野开阔、司机室的布置，要求操作安全、方便、司机视野开阔、空气净化、温度宜人，空气净化、温度宜人， 6 6电气线路、气路、液压管路的布置，要整齐、清楚、电气线路、气路、液压管路的布置，要整齐、清楚、醒目，醒目， 7 7机器外形平整、美观、大方、紧凑、色泽调和。机器外形平整、美观、大方、紧凑、色泽调和。53二、总体布置型式二、总体布置型式 总体布置视其机器用途不同，布置型式是多种总体布置视其机器用途不同，布置型式是多种多样的。但从众多的型式中进行分析和研究，根据多样的。但从众多的型式中进行分析和研究，根据顺序、位置、数量、形状、大小等五要素综合考虑，顺序、位置、数量、形状、大

48、小等五要素综合考虑，总体布置的型式大致分为如下几类：总体布置的型式大致分为如下几类： (1)(1)按照发动机与机架的相对位置，如大客车发动按照发动机与机架的相对位置，如大客车发动机可分为前置式、中置式、后置式和偏置式；机可分为前置式、中置式、后置式和偏置式； (2)(2)按照主要作业装置轴线方向，如矿用钻机有水按照主要作业装置轴线方向，如矿用钻机有水平式、垂直式和倾斜式平式、垂直式和倾斜式 (3)(3)按照机器主轴的运动轨迹，可分为回转式、直按照机器主轴的运动轨迹，可分为回转式、直线式和振动式；线式和振动式；54 (4) (4)按机架型式，可分为整体式、剖分式和组合式；按机架型式，可分为整体式

49、、剖分式和组合式； (5)(5)按动力传递路线，可分为开式、闭式；按动力传递路线，可分为开式、闭式； (6)(6)按工作机构布置方向，可分为平面和空间式；按工作机构布置方向，可分为平面和空间式； (7)(7)按照传动方式，可分为单发动机传动、多发动按照传动方式，可分为单发动机传动、多发动机传动。机传动。 55三、机械化生产线的布置三、机械化生产线的布置 机械化生产线机械化生产线( (参见图参见图5 59)9)是按产品工艺过是按产品工艺过程，把主要机械设备和辅助设备用运输和中间程，把主要机械设备和辅助设备用运输和中间存贮设备等连接起来，组成独立控制和连续生存贮设备等连接起来，组成独立控制和连续生

50、产的系统。产的系统。56机械化生产线由机械设备组成，根据其在生产上的机械化生产线由机械设备组成，根据其在生产上的作用及工作特点，机械设备归纳起来可分为下列几作用及工作特点，机械设备归纳起来可分为下列几种类型：种类型：57 在机械化工艺流程中，存在各种分散的作业，需在机械化工艺流程中，存在各种分散的作业，需要解决协调联接的问题。一般说来，机械是以循要解决协调联接的问题。一般说来，机械是以循环的移动作业动作来处理工件的，可以采用连续环的移动作业动作来处理工件的，可以采用连续工艺方法进行作业，如连续轧制、连续浇铸、化工艺方法进行作业，如连续轧制、连续浇铸、化工过程等工过程等( (参见图参见图5 51

51、0)10)。58作业动作是在工件连续作业动作是在工件连续运行中进行的，如飞剪、运行中进行的，如飞剪、飞锯等，参见图飞锯等，参见图5 51111。59 过程：当钢筋通过平移式下切刀台进入承料架并触动定长过程：当钢筋通过平移式下切刀台进入承料架并触动定长开关后，电磁铁带动转键离合器使飞轮轴与曲柄轴联接，曲开关后，电磁铁带动转键离合器使飞轮轴与曲柄轴联接，曲柄上的连杆推动平移式下切刀台在四连杆机构的作用下前进。柄上的连杆推动平移式下切刀台在四连杆机构的作用下前进。摆动式上切刀片的一端固定在机架上，另一端刃口紧贴在平摆动式上切刀片的一端固定在机架上，另一端刃口紧贴在平移式下切刀台的刃口处，当平移式下切

52、刀台沿圆弧轨迹运动移式下切刀台的刃口处，当平移式下切刀台沿圆弧轨迹运动时，两刀片刃口相对运动，切断钢筋，曲柄使刀台复位，等时，两刀片刃口相对运动，切断钢筋，曲柄使刀台复位，等待下一次剪切。待下一次剪切。 分析：该机构设计巧妙，通过四连杆机构可使下切刀台自分析：该机构设计巧妙，通过四连杆机构可使下切刀台自身平行地且绕摆杆做摆动，是一种飞剪。身平行地且绕摆杆做摆动，是一种飞剪。上下移动式剪切：上下移动式剪切：该系统主要由承料架、定长该系统主要由承料架、定长开关，电磁铁，转键离合器，开关，电磁铁，转键离合器，曲柄连杆，平移式下切刀台，曲柄连杆，平移式下切刀台，摆动式上切刀片，制动器等组摆动式上切刀片

53、，制动器等组成，如右图：成，如右图：60在机械加工、装配作业和在机械加工、装配作业和手工操作等很多生产流程手工操作等很多生产流程中，大多是断续的工艺方中，大多是断续的工艺方法，流程是间歇的因此法，流程是间歇的因此在移动停止时需要定位及在移动停止时需要定位及吸收惯性动能，则可用步吸收惯性动能，则可用步进运动机构进运动机构( (见图见图5 5l2)l2)。61 移动作业移动作业 (transfer operation)(transfer operation)是使工件向处是使工件向处理方向移进。因而，附带而来的是工件的抓取、理方向移进。因而，附带而来的是工件的抓取、定位、向下一道工序的送进等。定位、

54、向下一道工序的送进等。移动方式：移动方式：1 1）有直进式）有直进式(line)(line)：处理大工件的重型机处理大工件的重型机械和加工种类少的作械和加工种类少的作业机械大多采用直进业机械大多采用直进式。如轧制生产线、式。如轧制生产线、轻工生产线等。轻工生产线等。( (见图见图5 513)13)622 2）旋转式）旋转式(rotary)(rotary)：小件的机械可采用旋转式：小件的机械可采用旋转式( (见图见图5 514)14)。63 二、生产作业机械的总体布置二、生产作业机械的总体布置 总体布置的任务是合理布置各部件，零件在整机上总体布置的任务是合理布置各部件，零件在整机上的位置，按照简

55、单、合理和安全的原则，使其实现工的位置，按照简单、合理和安全的原则，使其实现工作要求，确定机器重心坐标、确定总体尺寸。作要求，确定机器重心坐标、确定总体尺寸。 生产作业机械：是指完成作业操作的单体机械。生产作业机械：是指完成作业操作的单体机械。作业操作：是指包括滚轧、挤压、拉拔、剪切、弯曲、作业操作：是指包括滚轧、挤压、拉拔、剪切、弯曲、包装等多种生产作业。包装等多种生产作业。如果称实际作业的部件为工作头如果称实际作业的部件为工作头( (工作构件工作构件) )，那么作，那么作业进行的场所就是工位是工件停止时接受作业的位业进行的场所就是工位是工件停止时接受作业的位置。如多工位自动机置。如多工位自

56、动机( (见图见图5 51515、图、图5 51616）。另外）。另外移动式的生产作业机械如挖掘机、装载机等可完成多移动式的生产作业机械如挖掘机、装载机等可完成多种作业，但工位是不确定的，没有工位的概念，而有种作业，但工位是不确定的，没有工位的概念，而有不同的工序。不同的工序。6465五、布置型式举例五、布置型式举例 示例示例1 1：图：图5 52 2是悬臂式掘进机，主要用于巷道掘是悬臂式掘进机，主要用于巷道掘进，是一种采掘、装载、运输、除尘联合作业的掘进进，是一种采掘、装载、运输、除尘联合作业的掘进设备。该设备机型种类很多，但在总体布置上有如下设备。该设备机型种类很多，但在总体布置上有如下共

57、同特点：共同特点：(1)(1)切割机构由悬臂和回转台组成，位于机器前上部，切割机构由悬臂和回转台组成，位于机器前上部，作业时悬臂能上下、左右回转；作业时悬臂能上下、左右回转；(2)(2)装载铲板是在机器下部前方，后接中间刮板运输装载铲板是在机器下部前方，后接中间刮板运输机，两者组成装运机构，贯穿掘进机的纵向轴线；机，两者组成装运机构，贯穿掘进机的纵向轴线；(3)(3)考虑掘进机的横向稳定平衡，主要部件按掘进机考虑掘进机的横向稳定平衡，主要部件按掘进机纵向平面对称布置，如电控箱、液压装置分别装在运纵向平面对称布置，如电控箱、液压装置分别装在运输机两侧；输机两侧；66(4)(4)为保证作业的稳定性

58、，履带位于机器的下部中为保证作业的稳定性，履带位于机器的下部中间，前有落地铲板，后有稳定器支撑，整个机器的间，前有落地铲板，后有稳定器支撑，整个机器的重心在履带接地面积的形心面积范围内；重心在履带接地面积的形心面积范围内；(5)(5)为了保护司机安全，同时又便于观察、操作，为了保护司机安全，同时又便于观察、操作，将司机位置布置在机器后部左例或右侧，这与地面将司机位置布置在机器后部左例或右侧，这与地面挖掘机明显不同；挖掘机明显不同；(6)(6)由于掘进机是地下巷道作业，所以整个机器呈由于掘进机是地下巷道作业，所以整个机器呈长条形，而且机身越矮越稳定长条形，而且机身越矮越稳定6768示例示例2 2

59、：图：图5 53 3是车床布置型式：是车床布置型式：图图(a)(a)是卧式水平布置，用于车削轴类或盘形零件，是卧式水平布置，用于车削轴类或盘形零件，如普通车床；如普通车床；图图(b)(b)是落地式布置，用于大直径盘形或环形零件加是落地式布置，用于大直径盘形或环形零件加工；工；图图(c)(c)是单柱立式布置，用于加工短、粗、重量大的是单柱立式布置，用于加工短、粗、重量大的盘形零件；盘形零件；图图(d)(d)是双柱立式布置，用于加工长、宽尺寸都较大是双柱立式布置，用于加工长、宽尺寸都较大的零件。的零件。 这些不同的布置型式都是由于加工对象不同而决这些不同的布置型式都是由于加工对象不同而决定的。由此

60、可知：工件的重量和大小是影响机械系定的。由此可知：工件的重量和大小是影响机械系统总体布置及外观造型设计的重要间索。统总体布置及外观造型设计的重要间索。6970示例示例3 3：铣床的总体布置：图：铣床的总体布置：图2 21919中列出了四种不同的中列出了四种不同的铣床布置型式，它们的特点是：铣床布置型式，它们的特点是：1 1）图）图2-19a2-19a：升降台卧式铣床，铣刀只作回转运动，工：升降台卧式铣床，铣刀只作回转运动，工件的三个方向移动分别由工作台、滑鞍和升降台完成。件的三个方向移动分别由工作台、滑鞍和升降台完成。一般用于加工较小的工件；一般用于加工较小的工件；2 2）图）图2 219b1