曲柄滑块机构课程设计煤岩截割实验台刀架移动装置

辽宁工程技术大学课程设计PAGE13辽宁工程技术大学课程设计题目：煤岩截割实验台刀架水平移动装置设计班级：机械09-4班姓名：王星博指导教师：康晓敏完成日期：2013.1.辽宁工程技术大学课程设计PAGE设计任务书设计内容了解煤岩的截割过程，根据煤岩截割实验台的工作原理，设计刀架水平移动装置二、上交材料三、进度安排(参考)四、指导教师评语成绩：指导教师日期

摘要本次课程设计，是要求我通过设计一水品移动装置，实现煤岩截割实验台刀架的水品往复运动。其中动力部分定为圆周运动考虑将圆周运动转化为水平运动的机构，有齿轮齿条，丝杠，四连杆，液压缸等方案可供选择。分析已有数据，可知刀架质量较轻，水平移动速度较低，产生的工作阻力可看作全部是摩擦阻力，从而不考虑惯性力的作用，在这里，我选用四连杆机构，通过实验台结构，将装置定为偏置曲柄滑块机构，刀架在水平移动时摩擦阻力较小，从而可由人手动操纵。通过杆长条件查表计算得出曲柄与连杆的长度以及偏距等数据，按符合弯曲强度设计出截面形状和大小。最后按实验台工作要求安排其整体构架。经校核，该装置满足强度要求，可以完成工作。

目录TOC\o"1-2"\h\z\u1选题分析 11.1目的 11.2预期实现功能 12实现的原理与方案 12.1方案选定 12.2驱动部分 12.3机构结构设计 23运动分析与力学计算 33.1整体分析 33.2速度分析 43.3力学分析 64零件和连接的相关结构参数与设计 74.1装置的整体结构 74.2杆件结构选择 74.3转动副 8参考文献 11辽宁工程技术大学课程设计PAGE01煤岩截割实验台简介对于煤岩截割实验台的工作，首先要知道有关煤岩的部分性质。煤岩的物理性质主要是指容重、湿度、松散性、孔隙性、导电性和热胀性以及稳定性等，煤岩的机械性质是指煤岩体受到机械施加的外力时所表现的性质。在破碎煤岩时，可借助于煤岩的机械性质选择对煤岩体作用力的形式、破岩工具的种类和形状等。煤岩的机械性质主要指标有强度、硬度、接触强度、弹塑性和脆性、坚硬度、截割阻抗、摩擦与磨蚀性等。切削破岩机理：采掘机械，如滚筒采煤机、刨煤机、部分断面掘进机等都是用刀具截割破碎煤岩切削破落煤岩的过程，流行的机理学说主要有楔裂说、剪裂说、密实核说、断裂力学说和剪切变形说等。压实核形成的原因是截齿排屑时，前刃面上的摩擦力大于排屑力，阻碍排屑而形成压实核。若使压实核的体积最小，可视破煤过程是最优的。截齿的形状：若压实核的体积与同时被破碎的体积之比达到最小，破碎过程也是最优的，低速强力截割，采下大块煤。目前,国内采煤机滚筒大多靠经验、类比进行设计,此设计方法容易导致2个极端:设计强度过大,会引起其他相关部件体积增大,使得整机庞大,造成资源浪费;设计强度不够,使整台机器容易损坏。从设计角度考虑,滚筒所受载荷是设计的依据,根据载荷大小选定滚筒驱动功率,进而确定采煤机其他参数。但是,采煤机滚筒截割过程极其复杂,工作环境相当恶劣,并限于测试仪器的防爆要求,采煤机滚筒载荷的现场测定始终是一个难以解决的问题;而进行地面的整机试验,所用采煤机、假煤壁及配套设备要花费大量资金,进行一次试验周期较长,且建造试验场所要占用大量场地,因而对于一般科研单位难度很大。为开展煤岩截割理论、滚筒截割性能、载荷特性的研究,笔者研制了截割试验台。截割试验台包括主传动、辅助传动和测试系统部分,采用滚筒旋转、煤壁移动的方式来模拟井下采煤机工作过程。2选题分析2.1目的实现煤岩截割实验台刀架的水平往复运动，从而使刀架可以在不同的水平位置对煤岩进行截割。设计一装置，将其与实验台机架和刀架相连，通过驱动，使刀架在水平位置上往复运动。2.2预期实现功能动力部分选择圆周运动，则装置应符合圆周变直线的运动方式，从而可以在输入端输入圆周运动而实现刀架的水平直线运动。由于刀架需要在水平位置的任一位置截割，所以装置应满足刀架的往复运动。3实现的原理与方案3.1方案选定为实现圆周运动转化为直线运动，可考虑如下几种机构：a齿轮-齿条运动利用轮齿之间的啮合，在齿轮上输入动力，而使齿条进行水平运动，调整齿轮旋转方向，而实现齿条的运动方向。b液压传动将电机的旋转运动经由油泵和相关液压元件，利用液体压力能传递给油缸，通过双作用液压缸活塞的往复运动实现刀架的水平往复运动。c连杆机构连杆机构中的曲柄-滑块机构当买足杆长条件是，可通过曲柄的圆周运动实现滑块的水平往复运动。除此之外，还可以用丝杠，电磁装置等实现这一运动。在综合考虑刀架质量，刀架与导轨之间摩擦力以及实验台整体结构，选择曲柄滑块机构来实现刀架的水平往复运动。3.2驱动部分理想中采用电机驱动，但由于电机转速过快，若采用则还需要配套的减速机构，增加成本，并且工作力不大，因此采用手动驱动完全可以满足运动需要，通过在曲柄部分设计一个手柄，则可以实现装置输入端的手动控制。3.3机构结构设计平面四连杆机构当满足一定的杆长条件时，便是曲柄滑块机构。如下图所示图3-3-1图示为曲柄滑块机构滑块行程的两个极点位置，设曲柄长为a，连杆长为b偏距为e，行程为s则当a+e<b时，图示四连杆构成曲柄滑块机构。连杆机构影响其运动性能的关键参数是传动角，输出端受力方向与其速度方向的夹角为压力角，压力角的余角即为传动角，传动角越大，则连杆机构的运动性能越好。所以应使机构运转过程中的最小传动角尽可能地取大。对于曲柄滑块机构来讲，最小传动角取在曲柄与滑块速度方向垂直的时候，传动角取得最小值，则可按最小传动角的最大值ｍａｘｙ条件设计偏置曲柄滑块机构。其状态如下图所示：图3-3-2设支点为A，曲柄与连杆铰接点位B，连杆与滑块交接点为C。则A,B为转动副，C为转动副和移动副，即该图示四连杆有三个转动副，和一个移动副。根据需要设计成偏置结构，拟定实验台水平行程为１米，则通过《机械设计手册机构》图１９-２-７，按最小传动角的最大取值设计偏置曲柄滑块机构线图查得：ａ/ｓ＝０.４６５ｂ/ｓ＝１.１５０ｅ/ｓ＝０.３７８从而计算得出：ａ＝４６５ｃｍｂ＝１１５０ｃｍ，ｅ＝３７８ｃｍ，最小传动角为４３度。4运动分析与力学计算4.1整体分析如下图所示为曲柄滑块运动的一般位置。图4-1-1当人进行手动控制时，输入端的角速度通过机构转化为输出端的直线速度。１）由于实现的是刀架的水平位置改变，没有速度要求，所以慢速即可。滑块输出端所需的速度完全可以由人在输入端控制。２）刀架质量较轻，且材料之间摩擦力较小，主动力可由人力完成，人用手逆时针转动曲柄对机构输入动力。水平移动式主要克服刀架与导轨之间的摩擦阻力，由《机械设计》表得摩擦系数为０.０５。摩擦力ｆ＝ｕｍｇ＝０.０５*３０００＝１５０Ｎ。4.2速度分析设x为滑块从极远点向回移动的距离，则由图3-3-2和图4-1-1分析可得：两个夹角和偏距满足如下关系式：由此得到两个角度的关系，从而可得到关于x和α的函数式：x的函数式对时间t求导，可得出速度的函数式，根据高等数学相关知识得出下式：从而的出曲柄输入端角速度ω和刀架水平运动速度v的关系式：当机构运行到图3-3-2所示位置时，传动角取最小值，输入端角速度最大ω＝ｖ/ａ取刀架水平移动速度ｖ＝１ｃｍ/ｓ则ω＝０.０２ｒａｄ/ｓ。人以０.０２ｒａｄ/ｓ的角速度缓慢转动曲柄，即可实现刀架的水平往复运动。4.3力学分析取曲柄和连杆夹角为θ，α，β分别为曲柄与水平机架的夹角，连杆与水平机架的夹角。则β+（90-α）+θ=90θ=α-β曲柄受力分析：曲柄所受阻力为工作阻力通过滑块和连杆由曲柄-连杆铰接点传递，将交接点对支点取矩，则曲柄弯矩可由下式确定：M=（f/cosβ）*asin（α-β）由材料力学相关公式可得处抗弯截面系数，其值可由杆件宽h，杆件高b来确定：W=（b*h*h）/6应力σ=M/W杆件选用35号钢，查表得σB=540MPaσs=320MPa则由《机械设计》表1-3得需用安全系数:[S]=1.4+[(0.593-0.55)*(1.8-1.4)]/(0.7-0.55)=1.51则需用应力：[σ]=320/[S]=320/1.51=212MPa根据机构整体布局和受力特点，初定杆宽h1=62mm杆高b1=12mm则根据公式，抗弯截面系数W=12*60*60/6=8533当机构处于最小压力角位置，即图3-3-2位置时，α=270β=90-γmin=47则sin（α-β）=sin223=0.68所以弯矩M1=150*0.456*0.68/cos47=69.8N.Mσ=M1/W1=0.00818MPa<[σ]满足强度要求。杆件受集中载荷产生弯矩，不受扭矩作用，则由以上分析计算结果可得其弯矩图：图4-3-1曲柄弯矩图同理可由经验定连杆宽62mm高27mm5零件和连接的相关结构参数与设计5.1装置的整体结构工作力较小，支点部分用一支座代替，其尺寸不必太大：底为一长方体，长162mm，宽36mm，高50mm。上方为一圆柱形铰接口，外轮廓为一直径为62mm的半圆柱筒与一长62mm宽36mm高31mm的长方体结合，中间开一直径20mm的圆柱铰接口。长方体底的两边开有螺孔。具体尺寸详见表4-5-1。支点与一长方体底座用螺钉连接。底座长558mm高75mm宽372mm。底座四角打有螺孔，具体尺寸见表5-5-1.支点与曲柄铰接，曲柄可自由转动。曲柄另一端为手柄，操纵人员可通过转动手柄实现刀架的水平往复运动。曲柄与连杆铰接，连杆与滑块相连，连接处为铰接，滑块为一长方体，中间横向开有轴孔，供销轴穿过。四角开有螺孔，与刀架螺钉连接相关尺寸详见表5-5-1和装配图纸。5.2杆件结构选择对构件进行结构设计时，如构件两转动副间距较大，则一般做成杆状。根据需要，可做成具有两个转动副的双副杆，有三个转动副的三副杆。对杆件结构的构件应尽量做成直杆，然而，有时由于某些特殊要求，如要求构件与机器其他部件在运动中互不干涉，即不发生碰撞，也可将杆件做成弯杆等特殊形式。三副杆上三个转动副相对位置的布置方案有许多种，应考虑构件功用及其在机构中承受载荷方式选择一种有利的方案。当连接的运动副中心构成锐角三角形时，三副杆比较常用。当连接的运动副中心构成锐角三角形时，选用三角形杆件较好。如果三转动副中心间距AB=BC时，可以将中间转动副做成一个类似轮毂的结构形式。通过实验台结构以及功能要求，我选择具有两个转动副的双副杆件，这种杆件加工较容易，成本低廉，在人力操纵下，具备一定的强度可以保证装置的可靠性。杆状结构的构件根据它所受载荷与功能的差异有不同的横截面，根据不同需要，其横截面可做成矩形截面，圆柱形截面，工字形，U形，T形以及折边形等。在许多情况下，构件截面相对于截载荷来说尺寸是偏大的，这是为了减少变形，使构件有足够的刚度和一定的抗振能力，为了提高板材制成的构件的抗弯刚度，可制成板材这边结构。考虑到工作力较小，为降低加工难度，在这里我采用矩形截面。5.3转动副整个传动机构有三个转动副，分别在支点与曲柄连接处，曲柄与连杆连接处和连杆与滑块连接处。转动副可用滑动轴承式转动副，滚动轴承式转动副两种。滑动轴承式转动副结构简单，径向尺寸较小，减振能力较强，但滑动表面摩擦较大，所以在设计计算时需要考虑润滑和摩擦。当载荷较大时，转动副的滑动摩擦便面相对速度较高或运动换向时会导致磨损加剧，为了减少摩擦磨损，可以采用相关减磨材料，或者将转动副元素采用不同硬度相配。滚动轴承式转动副摩擦较小，换向灵活，维护方便。其主要缺点是对振动敏感，且容易产生噪声，运动副径向尺寸较大。综合杆件运动与受力情况，在这里我选择滚动轴承式转动副，连杆轴孔内装有滚动轴承，并与销轴1组成组成转动副，而销轴1与连杆固连成一个刚体，在连杆外侧用螺母固定，销轴外头打上螺纹与螺母配合，另一端固定轴承的轴向，采用两层轴肩，内层对轴承起轴向固定，外层遮盖轴承滚珠。因此曲柄与连杆构成了滚动轴承式铰接转动副。由于滚动轴承是标准件，因此与其内圈配合零件表面的要求与采用滑动轴承式转动副接口有较大的差别。与滚动轴承内圈配合的零件表面应该采用基孔制，与其外圈配合的零件表面则采用基轴制。一般采用较高精度的过渡配合即可。a）支点-曲柄：支座孔与销轴采用过渡配合，伸出头用螺母紧固，使得支座与销轴固定连接，另一边装上一组轴承轴向靠销轴轴肩固定，外部与曲轴固定，使得曲轴可以绕曲轴自由转动。b）曲柄-连杆：其结构类似支点-曲柄连接，曲柄需要绕销轴自由转动，所以在曲柄位置的销轴上安装一组配套轴承。而连杆则与销轴固定连接，伸出头依然靠螺母固定。c）连杆-滑块：连杆需要绕销轴转动，则滚动轴承需要安装在与连杆连接的轴段上。由于连杆轴向尺寸过大，所以这里，我采用两组轴承串接的方式，中间由一轴套固定，滑块则与销轴固定连接，销轴的另一端靠螺母来固定。5.4移动副该装置的移动副本应出现在滑块与道轨连接部分，但考虑到煤岩截割实验台刀架自身便存在滑道，所以该装置就不另外设计移动副了，而是将滑块靠螺栓与刀架固定，使滑块与刀架整体构成一个“大滑块”，靠连杆直接推动刀架实现水平往复运动。5.5装置部分参数表长宽高孔径1孔径2曲柄465mm62mm12mm42mm42mm连杆1150mm62mm27mm20mm42mm标准件螺钉1螺钉2螺钉3螺母轴承垫圈代号GB/T5783-2000GB/T5783-2000GB/T5783-2000GB/T6170-2000GB/T276-1994GB/T97.1-20002零件销轴1销轴2销轴3轴套1轴套2轴向尺寸62mm231mm72mm3mm705mm径向尺寸20mm20mm20mm26mm26mm