《基于SolidWorks的皮带式运输机设计》8000字（论文）

ⅠⅠ基于SolidWorks的皮带式运输机设计目录TOC\o"1-3"\u摘要 Ⅰ关键词 Ⅰ1绪论 摘要：带式运输机在工业中占据很重要的地位，它载重量大、可转弯、可在各种工作环境中使用。因此我的课题是要对传统的带式运输机进行改进优化，使其结构更合理，承载能力更大，使用更加方便。本课题研究的是对粮食类带式运输机的改进优化。先进行结构设计，主要包含机架、托辊、辊筒、动力装置和输送带的设计。完成后，对照结果，进行相应的三维建模结构验证，保证设计合理。对带式运输机的改进优化将会使其操作更加便捷，作用范围更加广泛，同时工作效率也得到相应的提高。关键词：带式运输机改进优化结构设计三维建模1绪论1.1研究背景带式运输机是我们现代流水线作业中非常重要的一部分，它载重量大、可转弯、可运输温度高的货物，还可以在各种工作环境中使用。我国各行各业的发展，都离不开带式运输机，如开采、钢铁冶炼、食品加工等等。所以我的课题是要对传统的带式运输机进行改进优化，使带式运输机的结构更合理，承载能力更大，使用更加方便。1.2目前国内外研究现状本课题研究的输送机，其实他本质上也属于带式运输机的一种。所以我们分析国内外的发展情况，主要就是分析国内外带式运输机的发展情况。在国外工业革命时期，蒸汽机大量生产，这就需要开采大量的煤炭，英国首先对此展开了研究，他们利用皮带装置来运输煤炭，这也就是带式运输机，这一发明使得人们有了解决需求的方式，但早期的带式运输机是非常简陋的，而且能够运输的距离也是非常短暂的，更不用说那缓慢的速度了，所以，人们为了更加快速便捷的运输煤炭，有了更深的研究。现如今，带式运输机的类型层出不穷，有的能够实现大倾角的运输，有的能够实现长距离的运输，有的重型货物也能够顺利实现运输，还有拐弯运输装置等等。在国内，带式运输机的现代化装置是起步很晚的，在新中国成立前，我国使用的都是民国时期人们留下的老旧带式运输机，这种输送机是非常不便的。之后我国从苏联引进的带式运输机，但发现这种输送机也存在很大的问题，他所能运输的距离很短，材料的性能也不好，针对此问题，我国仿制并研究改进了带式运输机，有了钢绳芯的诞生，大大提高了输送机的输送能力，例如在以前，到矿山开采煤矿需要运输超过一公里的距离，使用矿车输送效率是很低的，但有了钢绳芯的发明，输送煤矿的效率得到了大幅度的提升，可以说钢绳芯的产生打开了带式运输机的一扇大门，为带式运输机的发展奠定了坚实的基础。改革开放之后，随着科技的速发展，国内企业在参考已有的技术之上，生产出了长距离、大载重的带式运输机，先后发明了自动控制技术、PLC技术控制并应用到了带式运输机上，这使得带式运输机机械化设备转变成了自动化设备。图1常见的带式运输机目前国内生产的带式运输机相比于国外来说，国外的装机容量比国内的装机容量要更大，国内的带式运输机在使用寿命和技术性能上也有着一定的差距，我国最大生产率运输物料一小时也不能超过3000吨。而国外最大功率装机容量的带式运输机及每小时运输能力可以超过5000吨。单凭这一数字上，就能看出国内外在同级设备上的差距。虽然如今我国与它们在技术与设备层次上还有一定的差距，但相信随着我国科学技术的迅猛发展这些差距会不断缩小。1.3本课题研究的主要内容本课题所研究的是对粮食类带式运输机的改进优化。在研究时参考查阅了许多关于带式运输机的资料，对现有类似的带式运输机的总体结构进行了改进优化，让带式运输机的总体结构更加紧凑合理。先进行结构设计，主要包括机架、托辊、辊筒、动力装置、辅助装置和输送带的设计。在设计完成以后，对照结果，进行相应的三维建模结构验证，保证设计合理。通过研究用于粮食运输过程中的带式运输机的工作效率有了较大程度的提高，操作更加简单，同时省去了不必要的人工成本。

2带式运输机的总体设计方案2.1设计基本要求本课题研究的是对粮食类带式运输机的改进优化设计，其主要结构设计包括机架、托辊、辊筒、动力装置、辅助装置和输送带等。要求输送带能够满足粮食输送的工作，同时具有过载保护和运输角度调节等多种功能。2.2各分部结构的设计方案2.2.1带式运输机总体结构的设计本课题在开始研究之前首先查阅了国内外相关课题研究成果，找到了大量的资料。然后参考目前已有的带式运输机，进行进一步的改进和优化，让其结构更加紧凑，安全性更高，运输效果更好。然后进行总体结构设计，下图为结构设计简图。图2-1总体结构简图2.2.2带式运输机传动系统的选择带式运输机的动力部分是本设计研究的重点，我们需要将电动机的动力经过传动系统和减速器，然后才能输送到主动滚筒上。机械传动系统的种类是很多的，最常用的传送方式有带、链和齿轮传动等，我们分别列举其特点，选出最适合本次课题的方式。在机械应用中很多都要用到齿轮，齿轮几乎成为机械的代名词，比如在国徽当中就是通过齿轮来代表工业。齿轮传动最大的特点就是可以传递较大的力，相比于带传动来说齿轮传动它的传动比较准确一些，因为齿轮传动没有过载打滑的情况发生，但是它的传动比也没有非常的准确，因为存在齿侧间隙。典型的齿轮传动应用场合有汽车变速箱、机床的主轴箱等，齿轮传动可以应用在转速不是非常高的场合，如果是转速特别高的场合，还是建议使用带传动[1]。但齿轮传动有一个优点它可以用在传动比很大的场合，比如某一级传动，想将转速提高很多，或者将转速降低很多，可以考虑使用齿轮传动。齿轮传动使用时间长了以后就会出现轮齿磨损严重，甚至有轮齿折断的危险，所以使用一定时间后要进行保养并及时润滑。链传动在机械应用中也是很常见的，尽管它和带传动尽管原理不一样，但它也是利用啮合来实现传动。所以他的传动比也要比带传动要准确一些，同时也没有过载保护的功能。链传动和齿轮传动具有一定的相似性，它也不能在转速较高的的情况下应用，但是当两轴的中心距较大时可以采用这种方式。假如此处采用齿轮传动方式的话，由于要增大两个传动轴之间的距离，就要将齿轮的尺寸做的很大，这样会增加用料成本，导致齿轮重量过重，传动机构体积过大，整体机身笨重。链传动在长时间使用以后，也会出现各种问题，比如传动噪声过大，就需要及时对链传动机构进行保养和润滑[1]。带传动在机械中的应用广泛程度可以说仅次于齿轮传动，它具有传动转速高和过载打滑的特点，所以常用于第一级传动。日常生活中的机械都是电机将动力输出后经过带传动减速，再传递给其他传动机构。根据以上的分析，加上粮食运输的要求，采用带传统是最为合适的。2.2.3带式运输机减速器的选择上面我们已经确定了带式运输机传动系统采用带传动，但光有带传统还不行，我们还需要有一个减速装置，也就是还需要配一个减速器。减速器的种类有很多，如何选择适用于本设计的减速器我们需要进行具体的分析。减速器在机械领域也是很常见的。日常生活中最常用的是齿轮减速器。它分为很多的种类，例如直齿轮和斜齿轮减速器。其优势是可以传递较大的力矩。蜗轮蜗杆减速器广泛应用于输送装置和起重设备当中，原因就在于该减速器减速效果特别明显，所谓减速效果明显也就是我们所说的传动比特别大，同时具有自锁功能。因为具有这些特点所以该减速器特别适合用在起重设备上。其材料一般采用非常耐磨的青铜材料制作。行星轮减速器的结构比较特殊，其结构相对比较紧凑，同时减速的效果也很明显。但是它没有自锁功能，所以它主要应用在结构紧凑，同时要求传动比较大的机械当中，其中应用的一个典型代表就是风力发电机。经过上面的分析，同时结合本设计实际工作的要求，最终决定采用齿轮减速器，齿轮的齿形为直齿圆柱齿轮。图2-2本设计的总体结构图

3带式运输机设计计算3.1机架的设计机架的作用是固定机械设备的各个组成零部件，同时承担机器本身的重量和工作时产生的所有受力。因为机器工作时，所受到的力最终还是会传导到机架上，因此其必须符合相应的强度和刚性方面的要求。对于一般的机器来说机架的重量占到总重量比重地很大一部分，为了避免设备过重，机架结构在满足受力的条件下应尽可能的做得轻便一些，进行一些轻量化的处理和优化设计。所以要求其必须满足相应的强度和刚性方面的要求，同时尽量轻便些。机架材料选择采用Q235型材焊接而成，这种材料在机械设备上往往被用来焊接作为设备的机架、底座以及承重结构件等。在工程建造上面，这种材料往往被用来制作承重钢结构，比如建筑的立柱，或者是屋顶的支撑梁等[2]。这种材料性价比比较高，综合强度比较好，同时容易焊接成型，价格比较便宜，在建筑工程和机械中的应用度比较高。所以本设计的机架就是采用这种材料制造而成。3.2运行阻力的计算根据公式：(3-1)(3-2)(3-3)式中：—重段运行阻力—空段运行阻力;—每米胶带上货载质量;——每米胶带的质量;多芯帆布胶带计算公式(3-4)式中：—胶带平均密度;—帆布层数；此处取;—一层帆布厚度,此处取;，—上、下胶厚度，此处取，;，—上、下托辊可转动部件每米的质量;——输送机长;——输送机安装倾角;，——槽型，平型托辊的阻力系数;——承载托辊转动部分重量;——回空段承载托辊转动部分重量;——承载托辊组间距，;此处取,;——回空段承载托辊组间距;其中：(3-5)(3-6)经最终计算得：3.3选择托辊及问题本次课题选用的是钢托辊，其制作材料通常为无缝钢管。根据带宽B的数值经相应资料查询，托辊直径选用。图3-1图3-1槽型缓冲托辊因为本次设计的运输机适用于粮食的输送，为了避免粮食的洒落，我们上侧选用槽型托辊，下方选用平行托辊。3.4滚筒强度校核1）滚筒的最小直径(3-7)2）最小滚筒直径还可用下列公式计算(3-8)式中：——芯层厚度;——系数，钢丝绳此处取：=145;其中按值为计算。3)验算滚筒的比压因为滚筒工作时所承受的比压是比较大的，所以将牵引力一分为二；总的牵引力(3-9)其分离点所承受的拉力由式(3-10)因，故未超出滚筒强度范围。3.5轴的强度校核轴对于大部分的机器来说都是至关重要的零件，因为轴一般要担负着传递动力和运动，同时承受轴上零件载荷的重任，所以轴的结构强度以及其合理性具有很高的要求。一般我们设计的轴都是转轴，他在工作中既要传递动力，也就是要传递扭矩，同时还要承受轴上面的弯矩。关于轴的材料，我们一般常用的是性价比比较高的材料，比如45#钢和40Gr等材料，这些材料的综合力学性能比较好，同时价格也不是很贵，可以说性价比是很高的。轴的毛坯在制造时一般采用锻造，至于是使用机械模锻还是手工自由锻，要根据加工批量和加工成本来确定。之所以轴的毛坯使用锻造不使用铸造，是因为锻造毛坯内部晶体排列会发生改变，提高轴的强度和韧性。就好像古代的剑必须要经过千锤万打之后才能够变成一把强度很高的宝剑。轴的毛坯锻造好以后，在进行机械加工前一般需要进行多道的热处理工序，开始加工前的热处理是为了让材料硬度降低便于机床切削，机加工完成以后的热处理一般是调制和高温淬火。另外有一些特殊要求的轴，还要进行表面处理，比如渗碳等工序。其最终目的就是为了提高轴的强度，让轴表面变得很硬，但是轴芯部分仍具有一定的韧性。这样做的目的是轴在工作过程中部分零件和轴面会产生接触磨损轴的表面，为了提高其耐磨性，轴的表面一定要硬。但有时轴也要承受一部分冲击载荷，所以说在原基础上还要具有一定的韧性，只有其表面硬轴芯韧，才能满足我们工作的要求。举一个不是很恰当的比方，就好像我们在烹饪过程中，外酥里嫩的口感才是最好的，同样的道理在机械加工中一样适用。因此本设计的轴采用满足以上几个条件的45#钢锻造毛坯，并进行后续加工处理[3]。采用钢,调质处理,机械性能为:抗拉强度,屈服点,弯曲疲劳极限,扭转疲劳极限,许用静应力,许用疲劳应力[3]。初选轴径，取。按疲劳强度安全系数校核（a）仅考虑弯矩作用时的安全系数(3-11)（b）仅考虑扭矩作用时的安全系数(3-12)式中：—弯曲时的有效应力集中系数;—扭转时的有效应力集中系数;—轴表面质量系数;—弯曲时的尺寸影响系数;—扭转时的尺寸影响系数;—材料拉伸的平均应力折算系数;—材料扭转的平均应力折算系数;—抗扭截面模数;—对称循环弯曲应力的应力幅;—脉动循环扭转应力的应力幅;—脉动循环扭转应力平均应力;最终得：仅考虑弯矩作用时的安全系数:仅考虑扭矩作用时的安全系数:安全系数(3-13)由强度校核条件得：(3-14)轴承的材料为钢。经过查询可知，若其许用剪切为到间，取；滚筒轴的许用安全系数,均满足设计要求[5]。3.6牵引力和电动机选择3.6.1传动滚筒牵引力(3-15)3.6.2电动机功率及选择(3-16)式中：—电动机功率;—胶带运行速度;—减速器机械效率,;—功率备用系数,;经过上述分析，同时结合本设计皮带输送机的实际工作要求，最终选用型电动机一台，并将其装到第一个传动滚筒上，型号参数如下：(参数为：功率,转速）。图2-2常见的Y系列异步电机3.7减速器的选择计算传动比(3-17)式中：——电动机额定转速;——滚筒速度;——滚筒半径;确定规格：采用合适的型减速器（），如下图所示。图3-3减速器的装配示意图3.8带式运输机的三维设计上面我们完成了带式运输机的主要结构尺寸的设计，为了验证结构设计的合理性，保证零部件装配以后不会出现干涉等问题，所以我们需要对它进行三维建模，以验证以上的结构设计是否合理。3.8.1三维建模发展及作用简介现实生活中，在全方面的理解和研究一件东西时，往往离不开画图，图的样式自然也是多种多样，但是画在纸上的是平面图，远没有立体图让人看的清晰直观，所以我们把画立体图称为三维建模。有了三维建模的方法，任何难以用平面图研究的东西也能画出立体图，对于人类来说，能全方位看到的事物最容易被了解。最初三维建模的方法被用于美国对飞机的研究中，将飞机整体用三维图表现出来时，可以360°无死角的分析飞机的机翼和机身。当时的美国在对于三维建模的方法只有在研究非常高端事物时才会被用到，像机械设备的设计研究也只使用到了平面图，画出的图纸一般非研究者无法看懂，在研究时更是困难重重，所以平面图的局限性非常大，在真正需要全方位研究和分析事物时根本无法发挥作用[5]。因此，三维建模对机械设备的设计发展提供了非常大的帮助。后来被应用在各个领域之中，不仅机械建筑方面被应用到，还有在我国的初高中数学课本中的几何知识的学习中也可以见到三维立体图，这足以证明三维建模对人类的生活和所有事物的研究与分析都是有利无害的。当美国的三维建模方法被我国应用后，一开始，没有三维建模任何基础情况下，只能人工绘画三维立体图，后来经研究发明了三维打印机，使其可以像实物一样用手触并分析，更加有利于研究者对事物对分析，但是由于三维打印机的发明是在三维建模的的基础上发展，而且一台三维打印机的成本非常高，中小型规模的研究室无法使用的起，只有很重要的研究室才能用的起这种昂贵的三维打印机，但是合理地使用三维建模方法会加快研究的速度，因此人们研发了一些三维建模软件。有了这些软件的出现之后，再也不用人工绘画三维立体图，也不需要购买昂贵的三维打印机，只需要在电脑上安装三维建模软件便可以的到要研究的事物的立体直观图，使用三维建模软件时，立体图上的东西可以被拉伸放大研究，能研究的东西也不被限制。总的来说，三维打印机和三维软件的发明都基于三维建模方法的使用，而且三维建模对机械研究都是非常有意义的。3.8.2传动系统的建模过程在本次设计过程中，带式运输机的建模主要分为了几个小的部分，首先电机的建模，然后是传统系统的建模，传动系统中主要是减速器的建模，我另外还有其他辅助部件的建模。总体来说，建模过程不算是非常复杂，因为有其中好多部件都是标准件，比如电动机轴承等，标准件不需要建模，直接从软件的标准件库中插入即可。另外齿轮和轴的设计都有专门的三维设计辅助工具，因此只要输入参数软件就能自动生成模型，所以总的来说建模是比较快速的。本设计之所以没有把完整的带式运输机都建模出来，是因为带式运输机的核心部件最有价值的部分就是它的传动系统，其中最难建模最需要设计的也是这部分，所以本设计主要是把完整的传动系统建模出来，也就是只建模到主动滚筒的部分。其余输送带以及托管这些都有标准件，所以也不需要建模。图3-4本设计的三维建模截图另外要熟练地使用三维建模软件是需要日积月累的学习的，和其他技能一样也是需要有反复练习熟能生巧的过程。掌握建模方法容易，但是要灵活熟练的运用好三维建模软件，还需要我们的刻苦练习。在装配的过程中，首先插入固定不动的零件，一般是机架底座之类，然后利相应的约束关系，即配合，将其他零部件与之进行配合，至于使用哪种约束关系需要根据所设计机器的真实零部件的具体装配情况而决定。一般用的最多的配合是重合和同心等命令，但也有一些比较复杂的约束关系。在进行带传动约束的时候，要利用装配体特征中的皮带链的命令来进行约束。齿轮传动、螺旋转动等配合关系的约束要利用机械约束关系当中对应的命令来进行约束，一般情况下为了让配合约束效果更贴近于实际配合效果，需要绘制辅助线来进行辅助配合约束，从而完成装配的全部工作[11]。图3-5本设计的三维建模截图最后为了进一步模拟机器在日常生活中的实际工作状态，可以进行运动仿真。运动仿真的必须在装配关系约束完成以后才能进行，运动仿真的最终目的，就是为了查看机器在实际工作时的真实情况，测评其结构设计的合理性，以及最终能否满足设计者的实际要求。在进行运动仿真时，需要设置马达，所谓马达就是运动部件的动力。当原动力部件进行运动时，其他与之配合的零部件会按照配合约束关系，做出相应的运动，这种运动一直会传递到末端执行零件，从而完成整个机器运动仿真过程的模拟[13]。所以在进行运动仿真之前必须要添加完所有的约束关系，并且确保约束关系不能出现过约束、欠约束和约束错误的情况。4结论本课题研究的是对粮食类带式运输机的改进优化。在研究时我查阅了许多关于带式运输机的资料，对现有类似的带式运输机的总体结构进行了改进优化，让带式运输机的总体结构更加紧凑，布局更加合理。先进行结构设计，主要包括机架、托辊、辊筒、动力装置、辅助装置和输送带的设计，在设计完成以后，再进行相应的图纸绘制