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1、机械设计学课件第五章第五章 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）内内部部空空间间：设设计计应应遵遵循循的的主主要要阶阶段段，其其任任务务是是使使设设计计要要求求转转化化为为“硬硬件件”以以满满足足需需求求，这这也也是是设设计计的的最最终终目目的的，故故称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）外外部部空空间间：所所列列举举的的问问题题为为对对设设计计的的各各种种要要求求
2、和和应应用用的的技技术方法，是设计的外围问题。术方法，是设计的外围问题。2021/9/231机械设计学课件2 2、设计含义：、设计含义：是是为为提提供供社社会会所所需需的的产产品品进进入入市市场场所所必必要要的的一一系系列列创创新新思思维维和和活活动动。最最后后以以技技术术文文件件的的形形式式，提提供供产产品制造依据的全过程工作。品制造依据的全过程工作。设设计计活活动动主主要要经经过过以以下下几几个个阶阶段段：了了解解市市场场需需求求、拟拟定定设设计计任任务务和和技技术术要要求求、功功能能原原理理设设计计、实实用用化化设设计、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
3、的核心即、产品设计的核心即核心技术核心技术(内部空间设计）：内部空间设计）：是是指指产产品品实实现现总总功功能能和和主主要要要要求求的的技技术术。对对不不同同的的机机械械其其核核心心技技术术是是不不相相同同的的。核核心心技技术术对对于于产产品品设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：2021/9/232机械设计学课件a)a)对对于于以以能能量量转转换换为为主主的的机机械械如如动动力力机机械械，其其主主要要性性能能指指标标是是热效率；热效率；b)b)对对于于轻轻工工机机械械，常常要要完完成成各各种种繁繁杂杂灵灵巧巧的的动动作作，其其机机构构设设计计问问题题比比较较突突出出，主
4、主要要性性能能指指标标是是生生产产率率、有有节节奏奏地地可可靠靠工工作作、自动化程度高；自动化程度高；c)c)重重型型机机械械特特点点是是巨巨型型、重重载载，其其承承载载能能力力、强强度度和和刚刚度度是是其其性能指标；性能指标；d)d)对对于于金金属属切切削削机机床床，主主要要性性能能指指标标是是生生产产率率、加加工工精精度度和和加加工范围；工范围；e)e)对对于于以以信信号号为为主主的的仪仪器器，主主要要性性能能指指标标是是灵灵敏敏度度、精精度度和和稳稳定性；定性；f)f)对对于于以以材材料料转转换换为为主主的的各各种种离离心心机机、筛筛选选机机和和过过滤滤器器的的主主要要性能指标是生产效率
5、和分离出物料的纯净度。性能指标是生产效率和分离出物料的纯净度。2021/9/233机械设计学课件4 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，在核心技术中也有关键技术问题。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，对于板例如，对于板(带带)轧钢机：可采用液压弯辊，利用液压缸的压轧钢机：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轧制条件变化迅速对轧辊施以附加力，在轧制过程中随时根据轧制条件变化迅速对轧
6、辊施以附加弯曲力、使产生附加弯曲变形。为了实现对板厚偏差和板型的弯曲力、使产生附加弯曲变形。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合理控制，在轧制过程中希望轧机当量刚度系数KK能够根据不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。核心同工艺要求随时调整，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。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、数据处理系统等组关键技术：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题的关键技术成的电液闭环控制系统则是解决核心技术问题的关键技
7、术(参见参见图图5252、图、图53)53)。2021/9/234机械设计学课件轧钢机主传动装置是由联轴器、减速机、齿轮座和接轴等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传给工作机座部件所组成，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。中的轧辊进行轧制。2021/9/235机械设计学课件2021/9/236机械设计学课件二、设计的外围问题 1、主要设计要求（1）功能要求 （2）适应性要求（3）性能要求（4）生产能力要求（5）可靠性要求（6）使用寿命要求（7）效率要求 （8）成本要求 （9）人机工程要求（10）安全性要求（11）包装、
8、运输要求 2、其它设计要求（1）强度、刚度要求 （2）制造工艺要求（3）零件加工技术要求 （4）工作循环图要求2021/9/237机械设计学课件 由销售反馈信息，进行市场分析，改进技术要求，再进行设由销售反馈信息，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代过程，使产品不断地计的循环，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种设计要求，是设计的依据和前提，发展。产品设计过程中的各种设计要求，是设计的依据和前提，它们就是设计的外围问题。它们就是设计的外围问题。2021/9/238机械设计学课件第二节第二节 实用化设计的任务和主要内容实用
9、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：实用化设计的前期工作：工作原理确定后首先要进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。
10、该阶段总的任务：该阶段总的任务：完成产品的总体设计、部件、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。2021/9/239机械设计学课件 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。在实用化设计阶段。工作既要具体化又要精细化，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
11、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。2021/9/2310机械设计学课件 3 3、实用化设计步骤一般为：、实用化设计步骤一般为：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、
12、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。2021/9/2311机械设计学课件第三节第三节 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 机机械械产产品品设设计计通通过过原原理理方方案案设设计计、结结构构设设计计，使使主主要要功功能能得得到到满满足足。但但是是，从从系系统统论论观观点点分分析析
13、，机机器器本本身身不不是是独独立立的的系系统统，它它不不能能孤孤立立存存在在。它它需需要要人人操操纵纵和和控控制制，需需要要人人装装配配和和安安装装。机机器器工工作作在在环环境境之之中中，环环境境对对它它有有约约束束，相相反反机机器器对对环环境境又又施施加加影影响响，并并受受到到有有关关规规范范和和法法律律限限制制，它它与与其其它它机机器器还还有有关关联联等等等等。这这些些问问题题有有些些在在结结构构设设计计中中考考虑虑到到了了，但但大大部部分分没没有有涉涉及及，需需要要在在总总体体设设计计中中，全全面面综综合合考考虑虑。与与此此同同时时，总总体体设设计计对对各各部部件件、零零件件设设计计要要
14、提提出出主主要要参参数数和和设设计计要要求求，以以保保证证各部件、零件在设计时满足总体设计各种约束条件。各部件、零件在设计时满足总体设计各种约束条件。2021/9/2312机械设计学课件总之：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。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，
15、以保证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、经济性能和美学性能的所有要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。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，总体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：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，应对不同类型）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具有先进性的的工艺方案进行分析比较，选择符合实际情况的具有先进性的工艺方案。工艺方案。2021/9/23
16、13机械设计学课件2 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，包括机器性能参数总体参数是表明机器技术性能的主要指标，包括机器性能参数和结构参数两方面：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、主要）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。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，如采煤机的性对具体机器而言，总体参数内容还更多些，如采煤机的性能参数除了上面所
17、指外，还包括采高、鼓深、滚筒直径、滚筒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。若机器性能参数和作业位置尺寸转速、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，则计算后取值一定要符合上级标准。性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，可采用计算法、类比法、相似设计法以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。及优化设计法等。2021/9/2314机械设计学课件 3)3)机械运动系统方案设计和确定机械运动简图。根据工艺动机械运动系统方案设计和确定机械运动简图。根据工艺动作过程
18、选用合适执行机构，完成各个基本运动。再用一定的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品的功能。机械运动方案就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。将机械运动方案中各个机构运动尺寸计是机械系统的综合。将机械运动方案中各个机构运动尺寸计算确定之后就得到机械运动简图。算确定之后就得到机械运动简图。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，并考虑安主要是确定各部件、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。全操作，整体造型等问题。5)5)机械驱动系统机械驱动系统(Drive
19、system)(Drive system)设计。根据所需的载荷，从设计。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作构件，然后按驱直接承载零件开始，选择或设计机器的工作构件，然后按驱动链的顺序向上，对机构和零件逐个进行设计、直到选择原动链的顺序向上，对机构和零件逐个进行设计、直到选择原动机。动机。2021/9/2315机械设计学课件 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，所有机构作用力和重力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。对某些机器如挖掘机，平衡问题实质的合力不超出规定范围。对某些机器如挖掘机，
20、平衡问题实质是确定平衡重的问题。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时是否发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工程机械尤其重要。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。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，应首先确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，然后再作动力源定动力源种类，是电动机还是柴油机或其它，然后再作动力源特性分析。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
21、作和控制系统设计。主要是操作和控制系统设计。2021/9/2316机械设计学课件9 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
22、1313）明确产品包装和运输要求）明确产品包装和运输要求2021/9/2317机械设计学课件第四节第四节 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案，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、产品质量、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列问生产率和成本。选择工艺方案时应综合考虑下列问题：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
23、应，经济上合理2021/9/2318机械设计学课件2021/9/2319机械设计学课件第五节第五节 整机总体参数确定整机总体参数确定总体参数的确定是产品总体设计的一个重要组成部分，它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。在总体设计过程中，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，据此进行各部件的技术设计，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数，但有时总体参数和技术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。设计需要交叉反复进行。在确定总体参数时
24、，必须正确处理相互制约的有关参数在确定总体参数时，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，机重是一个重要性间关系，例如在矿山工程机械产品中，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器强度、刚度。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、刚度必然导致机器笨重、经济性差。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协调，形成一个优化的整体。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下列条件：合理的总体参数应符合下列条件：2021/9/2320机械设计学课件1 1）先进
25、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、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、
26、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。2021/9/2321机械设计学课件一、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
27、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。2021/9/2322机械设计学课件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
28、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。2021/9/2323机械设计学课件机械的速度常由生产率确定，如带式连续输送机，带的运机械的速度常由生产率确定，如带式连续输送机，带的运动速度动速度v v可由下式确定：可由下式确定：其中：v带的运动速度 (m/s)Q带式输送机的理论生产率 (t/h)s被运物料
29、在输送带上的堆积面积(m2)散粒物料的堆积密度 (t/m3)c倾角系数，当水平时c=1，倾角为20时 c0.822021/9/2324机械设计学课件(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接作用的构件,力参数是其设计计算的依据，也是力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30000KN30000KN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
30、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
31、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。2021/9/2325机械设计学课件2021/9/2326机械设计学课件例例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(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
32、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。2021/9/2327机械设计学课件 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。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
33、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。2021/9/2328机械设计学课件举例举例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 ，系由一固定，系由一固定力力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，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：液压臂弯曲金属板。机器输
34、出的功率可表示为：2021/9/2329机械设计学课件举例举例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：2021/9/2330机械设计学课件 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
35、机重量、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
36、提供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：2021/9/2331机械设计学课件2021/9/2332机械设计学课件综合举例：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。2021/9/2333机械设计学课件2021/9/2334机械设计学课件2021/9/2335机械设计学课件2021/9/2336机械设计学课件2021/9/2337机械设计学课
37、件2021/9/2338机械设计学课件2021/9/2339机械设计学课件2021/9/2340机械设计学课件B B）结构及工作原理：）结构及工作原理：结结构构：图图5-25 5-25 所所示示，主主要要由由蟹蟹爪爪工工作作机机构构、转转载载机机构构、履履带带行行走走机机构构、电电动动机机及及控控制制各各部部运运动动的液压系统组成。的液压系统组成。工工作作原原理理：蟹蟹爪爪式式装装岩岩机机按按其其工工作作原原理理属属于于侧侧取取式式装装岩岩机机，其其工工作作机机构构为为一一对对耙耙爪爪，犹犹如如螃螃蟹蟹的的蟹蟹爪爪，故故称称蟹蟹爪爪式式装装岩岩机机。由由于于两两耙耙爪爪交交替替地地耙耙矿矿，其
38、其动动作作可可看看成成是是连连续续的的，故故在在装装岩岩机机的的高高度度和和宽宽度度不不很很大大的的条条件件下下有有较较高高的的生生产产率率。其其行行走走机机构构采采用用履履带带式式，有有较较高高的的机机动动性性。装装岩岩机机本本身身带带有有转转载载运运轮轮机机，可可与与大大容容量量的的矿矿车车配配合合，使使准准备备、调调车车等等辅辅助助性性作作业业时时间间减减小小，机机器器的的操操作作简简单方便。单方便。2021/9/2341机械设计学课件2021/9/2342机械设计学课件C 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
39、机。（2 2）按工作机构的结构可分为铲斗装载机、耙斗）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。常见的是前装载机、蟹爪装载机和立爪装载机。常见的是前三种。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。（4 4）按行走方式可分为轨轮式装载机、履带式装）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。载机、轮胎式装载机。2021/9/2343机械设计学课件D 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
40、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。2021/9/2344机械设计学课件E）总体参数计算如下：）总体参数计算如下：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、重量和功率装载机的总体性能参数主要包括生产率、重量和功率等。等。(1)(1)理论生产率理论生产率Q Q 理论生产
41、率是指装载机的设计生产能力，即耙爪满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，以每载情况下，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：小时装载物料体积计算，其表达式为：Q=60znVQ=60znV2021/9/2345机械设计学课件(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来确定，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，同时必须满足地面附着条件和作业、行走稳定性要求，否则机器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。行走时将产生打滑或倾翻
42、。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：走阻力，其表达式为：2021/9/2346机械设计学课件(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。2021/9/2347机械设计学课件4 4总体结
43、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
44、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。2021/9/2348机械设计学课件二、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
45、品设计中，利用经验系数然后求解总体参数。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：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。2021/9/2349机械设计学课件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参数，并依此动机功率和机重三者之一作为主参数，并
46、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。2021/9/2350机械设计学课件2021/9/2351机械设计学课件三、相似类比法三、相似类比法 采采用用相相似似类类比比法法确确定定总总体体参参数数时时，是是以以相相似似理理论论为为基基础础，选选用用国国内内外外先先进进名名牌牌产产品品为为典典型型样样机机，或或国国内内外外有有关关该该产产品品
47、的的设设计计标标准准，求求出出相相似似系系数数(级级差差系系数数)，然然后后再再确确定定其其它它主主要要参参数数。但但应应注注意意相相似似类类比比法法只只适适用用于于同同类类型型产产品品即即结结构构型型式式、工工作作对对象象、环境条件基本相同者。环境条件基本相同者。相相似似类类比比法法有有以以下下优优点点：如如果果样样机机的的性性能能参参数数和和结结构构参参数数是是优优选选的的，则则可可得得到到一一个个优优化化的的系系列列产产品品，它它简简化化了了设设计计计计算算，加加快快了了设设计计进进度度，可可以以迅迅速速研研制制出出新新产产品品。这这是是仿仿制制性性能能优优良良产产品品的的一一种种有有效
48、效方方法。法。2021/9/2352机械设计学课件 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，确定总体尺寸。体尺寸。第六节第六节 机
49、械总体布置设计机械总体布置设计2021/9/2353机械设计学课件 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
50、可靠；5 5、司机室的布置，要求操作安全、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。2021/9/2354机械设计学课件二、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、