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1、济南大学毕业设计第三章 主传动系统设计1 前言1.1 选题背景随着世界经济的发展，特别是建筑、家庭装修、包装业的发展，整个世界对木材的需求量越来越大，而木材的生长速度远远赶不上这一发展的要求。与此同时，新材料、新工艺、新技术、新的设计设计与理论方法的不断出现，木材作为被广泛使用的材料，越来越受到人们的重视，而木工设备也随之不断的发展。木材是家具和建材行业不可或缺的材料，但现实告诉我们，由于先前人们对资源的浪费，全球的原木资源正处在匮乏的阶段。所以，合理利用有限的资源，走可持续发展的道路迫在眉睫。要实现资源的有效利用，就要提高我们的技术和设备，实现木材加工的高效生产、低能耗、节约生产成本等。近些
2、年来，我国的木材设备虽然得到了高速发展，但是我们不得不面对现状：我国设备产品水品低、性能差、可靠性不高、不适应现代农林科技、家具业发展的需要；科技基础薄弱，自主开发能立差；私营小企业较多，仿制现象较严重，科技人员少，严重制约了木工企业的科技发展；企业装备陈旧，工艺落后，自动化程度低；产品设计只停留在以经验和模拟为主的传统设计，现代设计理论方法很少在设计中体现。而改变这一切的关键在于在木工设备中使用现代设计方法。减小木芯直径, 提高生产效率和单板质量一直是木单板加工行业追求的目标, 同时也是单板加工设备制造业努力的方向。在80年代初期, 芬兰、美国、意大利、加拿大、日本等国就开始了这方面的潜心研
3、究, 并先后在美国考埃公司、意大利克里蒙娜公司、芬兰劳特公司、日本名南公司相继推出了适用于小径木旋切的新设备和新工艺。这些公司新采取的关键措施大致是: 改进旋切机刀架结构及采用旋刀角度自动调整系统; 改进单板厚度控制系统,包括采用滚柱压尺和引入计算机控制; 改变旋切驱动形式, 采用外圆驱动, 辊筒驱动等。如芬兰劳特公司采取新的措施后, 已取得了令人满意的效果, 推出的新旋切机每分钟可旋8根木段, 木芯直径小到65mm, 旋切速度达到300m/min。目前，世界各国都在不断的引进、选用、开发新技术和新设备，努力改善对木材资源的合理利用，中国是资源大国，更要加强对资源的节约利用观念，使我国的加工水
4、平提高，这样不但能保护环境，降低木工机械的加工成本，节约成本，还能够把节约来的大量资金运用到技术开发和科研中去，使企业不断的达到世界领先水平。随着我国加入WTO ,国外的先进技术和设备会不断涌入，我国卡轴式旋切机与国外的差距越来越小。对我国而言,挑战与机会共存。目前，我国的旋切机已能满足现阶段大部分单板等材料的生产需要，一部分高档旋切机技术参数可达到：工作精度：单板厚2MM时，厚度公差0.05mm。机床精度：两卡轴轴线的同轴度 0.2/12501600；装压尺面与两卡轴公共轴线的平行度0.2/12501600。自动化程度：应用液压电子技术，易于操作，维修方便。工作安全可靠，连续2年无重大机械电
5、器故障。主轴转速200转/分。面对当前全球资源严重枯竭的现状，我们每一个人都有责任为我们的家园尽一份力量，我们要不断的努力，学习，研究，勇于创新，创造出更优秀的产品来造福人类。1.2 研究课题的必要性和意义我的设计题目是：液压夹紧卡轴箱旋切机设计。这个题目涉及到了我大学四年所学的所有专业知识，包含了齿轮、齿条、轴、轴承、箱体和导轨等很多方面的知识，我要设计的旋切机和传统旋切机不同，传统旋切机大多是无卡轴旋切机（辊子压紧）和机械夹紧旋切机。近年来,随着人民生活水平和生活质量的不断提高,对居住环境提出了更高的要求,促进了我国胶合板工业的发展。胶合板的产量和品种日益增多,需求量越来越大,因而为单板的
6、加工利用开拓了新的领域。我要设计的旋切机借用液压系统来设计卡轴箱，不仅具有摩擦力小、噪音小、耗电量小等优点，而且切削精度高，对木材的利用率也高。当前世界的木材处在极度短缺的阶段，充分利用每一段木材，都将对环境有着极大的意义。另外，我也喜欢这个课题，希望通过这次设计能够提升自己对所学知识的的利用能力。2 旋切机的工作原理与结构旋切机原理图如下：1.木段 2.压尺 3.旋刀 4.刀床 5.进给丝杠 6.手轮 7.刀床快速进给电机 8.锥齿轮副 9.进给丝杠 10.刀床 11.链传动 12.进给箱 13.液压缸 14.电动机 15.卡轴 16.液压泵整机的工作过程如上图所示: 当木段1被送到旋切机定
7、好中心后, 左、右卡轴15即可在液压缸13的作用下伸出并卡紧木段1, 进而在主电动机的驱动下由慢到快地带动木段1旋转, 带有旋刀3和压尺2的刀床4向木段1作进给运动，从而旋切出连续的单板。刀床4的进给丝杠5由右卡轴通过链传动11、进给箱12和两对锥齿轮8传动，单板的厚度决定于卡轴15每转的刀床进给量。改变进给箱12中齿轮传动的传动比，即可获得不同厚度的单板。为保证旋切过程中单板厚度均与一致，卡轴与刀床之间不应采用摩擦传动副，如皮带传动、摩擦轮传动等。现代化的旋切机其基本工作原理虽未改变，但在结构上进行了大量改进，从而提高旋切效率、改进旋切质量和提高出板率。新型旋切机的最高转速已提高到300rm
8、in，比老式旋切机转速约高10倍，并且实现了恒线速旋切。现在旋切一根径级约30cm的木段不到20秒钟，为了充分发挥高速旋切机的效率，还须相应地缩短木段定心、上木、换刀、后角调整、压榨力调整和单板厚度调节等等辅助时间。因此，新型旋切机大都配有各种型式的自动定心、上木机构，木芯和碎单板、小规格板运输装置，单板自动卷板或贮存装置以及整机实现半自动或自动化。新型旋切机普遍采用液压双卡轴和防止木芯弯曲的压辊装置，以减少旋切后木芯的直径，提高出板率。目前，木芯直径可旋至。在旋切用于层压胶合木的特厚单板的旋切机上已采用旋转的辊柱压尺代替传统的平压尺，可以降低旋切功率，防止单板开裂，提高旋切质量。由于厚单板旋
9、切时阻力矩较大，这种旋切机也有的采用一个或三个附加驱动辊子，既可防止木芯的弯曲，又增加驱动木段的力矩。对于旋切微薄单板的精密旋切机已用滚珠丝杆替代普遍的进刀丝杆，保证走刀精度。还有一种安装两把旋刀的旋切机，首先由底部的旋刀将木段旋圆，然后由主旋刀旋出单板带。采用两把旋刀可以减少主旋刀的油刀次数，还可避免由于主旋刀细小的崩刃而影响板面的质量。旋切机的其它改进，如喷气压尺，振动旋刀旋切以及机上加热软化木段进行旋切等等，尚处于试验性阶段。旋切机主要有：主传动系统、进给箱及传动系统、左右卡轴箱、刀床等，除此之外，现代旋切机还有：木段定心系统、上木机构、防弯（驱动）机构、卷板机构、木芯及碎单板输送机构等
10、。3 主传动系统设计被旋切的木段产生连续的旋转运动就是旋切机的主传动系统。它包括主卡轴箱、传动系统、进刀座、刀床以及进给箱。主传动系统一般包括离合器、主电动机、卡轴和中间传动机构的链轮或驱动齿轮，主传动系统可以说是旋切机的心脏部分，没有它的存在，旋切机也就不复存在了。随着旋切机的工作，木断会随之变细，直径变小，这时，如果旋切机只采用一种转速，那么切削的速度也就会随之发生变化。一旦旋切机的旋切速度下降，旋切机的生产效率将会随之下降，影响了经济效益。所以旋切的主传动系统的速度不应该是保持不变的，而是处在不断的变化当中，也就是说是一种变速传动。变速传动一般存在以下几种：异步电动机、多速异步电动机和齿
11、轮变速箱组合、整流子电动机、异步电动机和链式无级变速器、发电机一电动机组、液压无级调速、可控硅整流器直流电动机系统等，我们可以根据机床的具体需要来选择不同的变速传动系统。异步电动机的特点：转子绕组不需与其他电源相连，其定子电流直接取自交流电力系统；与其他电机相比，异步电动机的结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠性高，重量轻，成本低。以三相异步电动机为例，与同功率、同转速的直流电动机相比，前者重量只及后者的二分之一，成本仅为三分之一。异步电动机还容易按不同环境条件的要求，派生出各种系列产品。它还具有接近恒速的负载特性，能满足大多数工农业生产机械拖动的要求。其局限性是：它的转速与其旋转磁场的同
12、步转速有固定的转差率（见异步电机），因而调速性能较差，在要求有较宽广的平滑调速范围的使用场合（如传动轧机、卷扬机、大型机床等），不如直流电动机经济、方便。此外,异步电动机运行时,从电力系统吸取无功功率以励磁，这会导致电力系统的功率因数变坏。因此，在大功率、低转速场合（如拖动球磨机、压缩机等）不如用同步电动机合理。多速异步电动机是通过改变磁极对数来改变电动机转速的。常用的多速异步电动机主要有双速的、三速的和四速的。对电机来说，磁极对数越多，电动机的体积就越大，所以再多对数的异步电动机应用的就少之又少了。本次毕业设计，旋切机采用液压卡轴箱，也就是用液压系统来实现卡轴的夹紧、快进、慢进等功能。液压是
13、一项比较先进的技术，采用液压系统，使得卡轴的夹紧更加稳定。本机采用的传动系统方案图如下3-1：图3-1 传动系统方案3.1 主切削功率计算 由木材的切削原理我们知道，当旋切机工作时，木断做圆周旋转运动，那么我们可以把刀具的进给运动可以假想成刀具相对于木料做圆周旋切，切削功率可以表示为： （3-1） （3-2） 其中u-进给速度 -每齿进给量Z-齿数n-刀具或工件转速-每转进给量取mm，mm/齿；由式3-2得：Z=100mm。 （3-3）其中-切削功率 K-单位切削功 b-切削宽度 t-切削深度 u-进给速度 那么对于可以加工两种不同厚度的旋切机，可取t=1，t=3 ： 当 t=1 时，=0.7
14、95（kw） 当 t=3 时，=2.117（kw） 因为，所以 =2.117 kw。3.2 电动机容量的计算和电动机的选择 （3-4） 式中：-电动机输出功率 -工作机输入功率 -工作机至电动机传动系统效率。由图3-1的传动方案可得本次设计传动系统中共有： 8级直齿圆柱齿轮-6个V带型传动-1 对圆柱滚子轴承-6对 深沟球轴承-4对 （3-5）3.11（kw）由以上结果判断 ，可选Y132 M1-6型电动机。3.3 V带传动的计算根据传动方案图可选择带轮的传动比i6.4，那么（1）确定计算功率计算功率是根据传递功率p，并由载荷性质和每天运转时间长短等因素确定的。 （3-6） -计算功率 -传递
15、的额定功率-工作情况系数=1.23=3.6（kw）（2）选择带型根据计算功率和小带轮转速由图3-2（普通V带选型图）选定带型 图3-2 普通v带选型图由图可得带型为A型。（3）确定带轮的基准直径和起初选择小带轮直径：通过查机械设计手册的普通窄V带轮直径系列可选择带轮直径，为了提高V带寿命宜选较大直径，因此取=85mm。验算带的速度： （3-7）将数值代入公式3-7可计算出带轮最大速度：4.27 (m/s)满足 m/s。计算从动轮的基准直径 ，可得856.4544mm。（4）确定中心距a和带轮的基准长度如果中心距未给出，可根据传动的需要初定中心距 0.7()100N/mm 所以合适。4.3.2计
16、算卡轴箱和进给箱齿轮的尺寸参数（1）卡轴箱轴齿轮：32060（mm） 30mm（2）卡轴箱轴齿轮：350150（mm） 25mm（3）卡轴箱轴齿轮：3100300（mm） 20mm。（4）卡轴箱齿轮尺高：133（mm） （）（1+0.25）33.75（mm） 6.75（mm）4.4卡轴箱各轴轴径计算及校核4.4.1按扭转强度条件计算轴径只按轴所受的扭矩来计算轴的强度；如果受不大的弯矩，那么可以用减低许用扭转切应力的方法予以。轴的扭转强度条件为： （4-3）-扭转切应力， T-轴所受的扭矩， -轴的抗扭截面系数， -轴的转速， -轴传递的功率， -计算界面处轴的直径，-许用扭转切应力。（见下表4
17、-1） 表4-1 常用的轴材料的及值轴材料Q235A、20Q275、35 (1Cr18Ni9Ti) 4540Cr、35SiMn38SiMnMo,3Cr13/MPa 1525 2035 2545 3555 149126 135112 126103 11297注：表中值是考虑了弯矩的影响而降低了的许用扭转切应力。轴的直径： （4-4），查表选择合适值。取30，由式4-4带入数值可得：116.75，取118。 （mm） （mm） （mm）4.4.2旋切机卡轴的压杆稳定性的校核由于卡轴有轴套支撑，而且传动齿轮部分与两边的圆锥滚子轴承的间距很小，所以其所受弯矩很小，卡轴虽然主要受到扭矩的作用，但由于卡轴
18、较长，所以应对压杆稳定性进行校核。卡轴采用45#，220MPa，350，210Gpa， 9， 3MPa。油缸活塞直径92mm，活塞杆直径54mm，长度1000mm。采用欧拉公式计算临界应力： （4-5） （4-6）将数值代入式4-6，得：861， 不满足欧拉公式的使用条件，不能使用欧拉公式计算。 （4-7）将数值代入式4-7， ，因此该轴是中等柔度压杆，采用下式计算临界压力： （4-8）MPa,2.568MPa 将数值代入式4-8得： 461-2.56874270.97（MPa）所以 270.968620.576（kN）13.20 ，符合要求。济南大学毕业设计第五章 旋切机进给系统设计5旋切机
19、进给系统设计旋切机的进给机构包括进给箱和进刀座等。旋切机的进给运动和主运动常用一个或两个电动机驱动，进给运动和主运动之间必须保持严格的运动联系。因此，卡轴转速改变，要保证旋切单板的厚度不变，可使进给量保持不变。 图5-1 旋切机原理结构图5.1进给箱5.1.1进给箱原理旋切机所要旋切的单板厚度不一，旋切机的进给机构需要多种变速级数，目前的统计来看最多可达到60种。所以，旋切机的进给箱一般是由多个不同形式的变速机构组合起来的。变速机构主要形式有：离合器变速机构塔轮变速机构以及滑移齿轮块等。三种机构各有有个的优缺点，下面就简要介绍下三种机构的特点。塔轮变速机构作为基本变速组具有下面一些优点：它的齿
20、轮和传动轴数量少，相对简单，N种传动比的变速机构只需要N+2个齿轮，进给箱的尺寸紧凑；没有固定啮合的空转齿轮；对于相同的变速级数，塔轮变速机构变速用的操纵手柄比离合器变速机构少，相对滑移齿轮块变速机构也少很多，主、被动轴上的齿轮齿数之和无需为常数，因此齿轮齿数的选择很方便。但这种变速机构也存在着弊端：它手柄是靠较弱的定位销固定的，因此定位刚度差。滑移齿轮块和离合器变速机构，它们的操作比配换齿轮变速机构方便。因此，新型旋切机极少用配换齿轮变速机构作为倍增传动组。我在设计中采用了滑移齿轮的结构，进给箱的输入轴上装有滑键及双联滑移齿轮，通过移动滑移齿轮就可以改变旋切机的进给量，当主轴以30 转/分的速度旋转时，只要改变进给速度或进给量就可得到不同厚度的单板。5.4.2进给箱参数计算（1）进给箱轴设计：进给箱采用二级减速器形式，其内部有三根传动轴，其中进给箱轴1安装双联滑移齿轮，尺寸适当取的大一些。由于进给箱的功率小于卡轴箱，所以进给箱三根轴的尺寸要根据卡轴箱各轴尺寸适当减小，类比后选取合适的尺寸。（2）进给箱齿轮参数计算： 因为进给箱的功率小于卡轴箱，所以卡轴箱中转矩最大的齿轮取 3， 轴：取25，30；30mm，30mm；2.5，225375（mm） 30mm 33090（mm） 30mm轴：252.562.5 取63633189（mm） 30-525（mm）