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目 錄
摘 要 1
關鍵字 1
引言. 1
1 水合機的概況及現狀分析......................................................2
1.1概況...................................................................2
1.2現狀分析...............................................................2
2 水合機的結構及工作原理......................................................3
2.1結構...................................................................3
2.2工作原理...............................................................4
3 設計方案的確定 4
3.1 原始資料、數據 4
3.2任務...................................................................4
3.3 設計方案選擇 4
4 運動和動力參數的設計計算 6
4.1 物料在傾斜硬質材料面上的運動及其運動軌跡 6
4.2硬質材料材料及驅動方式的選擇...............................................9
4.3功率的計算及電動機的選擇 10
4.3.1功率的計算 10
4.3.2 電動機的選擇 12
4.4 傳動比及動力參數的計算 13
4.4.1 傳動比的分配 13
4.4.2 傳動裝置的運動和動力參數的計算 13
5 零部件的設計和標準件的選用 13
5.1 軸的設計計算 14
5.1.1 初算軸的直徑 14
5.1.2 初選軸的形式 14
5.1.3軸的結構的設計 14
5.1.4 軸的強度校核 15
5.1.5擇軸和聯軸器的鍵 17
5.2 硬質材料結構的設計 27
5.3 聯軸器的計算及選擇 28
5.3.1 聯軸器的選用 28
5.3.2軸器的型號和主要尺寸 28
5.4 滾動軸承及軸承座的選擇 29
5.4.1 類型選擇 29
5.4.2型號選擇 29
5.4.3 軸承的結構和定位方法 31
5.4.4滾動軸承潤滑和密封 31
5.4.5滾動軸承座的選擇及其配置 31
5.5 減速器的選擇 32
6 電氣控制 33
致謝.........................................................................34
參考文獻 35
摘要 : 軸是機械中非常重要的零件，用來支承回轉運動零件，如帶輪、齒輪、蝸輪等，同時實現同一軸上不同零件間的回轉運動和動力的傳遞。軸的設計時應考慮多方面因素和要求，其中主要問題是軸的選材、結構、強度和剛度。其中對于軸的強度校核尤為重要，通過校核來確定軸的設計是否能達到使用要求，最終實現產品的完整設計。
本文根據軸的受載及應力情況采取相應的計算方法，對于1、僅受扭矩的軸2、僅受彎矩的軸3、既承受彎矩又承受扭矩的軸三種受載情況的軸的強度校核進行了具體分析，并對如何精確計算軸的安全系數做了具體的簡紹。
校核結果如不滿足承載要求時，則必須修改原結構設計結果，再重新校核。
軸的強度校核方法可分為四種：
1） 按扭矩估算
2） 按彎矩估算
3） 按彎扭合成力矩近視計算
4） 精確計算（安全系數校核）
關鍵詞：安全系數；彎矩；扭矩
引言
技術領域
背景水合拋光是一種利用在工件表面產生水合反應，再利用拋光盤的摩擦力去除水合層而進行的高效、精密拋光方法。
1水合機的概況及現狀分析
1.1概況
水合是一種與人們生活實踐關系十分密切的勞動，人類從遠古時期就開始從事這種勞動。由于傳統(tǒng)水合操作簡單，或只是作為一道工序依附于生產過程中，沒有引起廣泛關注。進入21世紀，人們生活已經從溫飽階段進入到舒適時代，對于水合產品越來越多的需求，加速了新產品研發(fā)步伐；同時，制造業(yè)的高速發(fā)展，也促進了水合設備、水合劑等企業(yè)的快速進步。民用、工業(yè)兩大水合領域巨大的市場需求，造就了中國水合行業(yè)嶄新的未來。
水合可以從不同的角度進行分類，根據水合范圍的不同，目前通常將水合分為民用水合和工業(yè)水合兩類。在日常生活中，與個人和家庭生活密切相關的洗滌，包括衣物水合，人體皮膚，頭發(fā)水合，家庭用品，房屋的水合等，通常稱為民用水合。在工業(yè)生產勞動過程中涉及到的水合都屬于工業(yè)水合的范疇。食品工業(yè)。紡織工業(yè)。造紙工業(yè)。印刷工業(yè)．石油加工業(yè)。交通運輸業(yè)，電力工業(yè)、金屬加工業(yè)、機械工業(yè)．汽車制造，儀器儀表，電子工業(yè)、郵電通訊、家用電器、醫(yī)療儀器。光學產品、軍事裝備，航空航天，原子能工業(yè)等都大量應用到水合技術。
今后，水合技術的發(fā)展將更加迅速普及，大批的大專院校、科研院所、專業(yè)公司的科技人員將加入水合技術研究開發(fā)隊伍，一些現在存在的行業(yè)技術問題得到解決，行業(yè)總體技術水平大幅度提高。新技術、新產品大量涌現，各種新穎的水合設備進入市場和人們的日常生活。人們將不再只是依靠經驗來水合．各種實用化的計算機軟件將問世；行業(yè)分工更加專業(yè)、細致，行業(yè)標準和技術規(guī)范得到推廣普及，行業(yè)管理規(guī)范有序，水合行業(yè)的前景無限美好。
1.2現狀分析
傳統(tǒng)拋光機分為單面拋光機和雙面拋光機，它們在加工過程中都屬于常溫常壓下的開放式(不用密封)加工，在加工過程中含有磨料的拋光液從拋光盤上方不斷注入盤面，實際上就是工件、磨料和拋光盤三者之間的切削。由于拋光頭的運動方式不同單面拋光機又可分定偏心式、不定偏心式和擺動式；雙面拋光機具有上拋光盤和下拋光盤兩個盤面，分別對工件上下面進行拋光，工件由行星輪帶動。前文所述幾種對硬質材料等難加工材料拋光的方法大多用這兩種拋光機進行加工。
為了克服已有的各種拋光機在加工硬質材料時不能兼顧加工質量和加工精度、加工效率的不足，本發(fā)明提供一種在加工硬質材料時既具有良好的加工質量，又具有高的加工精度、加工效率的水合拋光機。
2 水合機的結構及工作原理
2.1結構
一種水合拋光機，包括機座、主軸電機、主軸、拋光盤、真空吸盤和吸盤電機，所述主軸電機與主軸傳動連接，所述主軸安裝在機座內，所述主軸的上端與拋光盤傳動連接，所述真空吸盤位于所述拋光盤的上方，所述真空吸盤與吸盤電機傳動連接，所述水合拋光機還包括蒸汽發(fā)生器、輸汽管和基盤，所述蒸汽發(fā)生器的出口連接所述輸汽管，所述主軸內部設有通孔，所述輸汽管白下而上貫串所述通孔，所述主軸的上端與所述基盤的中心固接，所述基盤上部與拋光盤固接，在所述基盤和拋光盤之間設有過渡空腔，所述輸氣管穿過所述基盤與所述過渡空腔連通，所述過渡空腔的底部設有排水管，所述拋光盤開有通孔。
作為優(yōu)選的一種方案：在所述基盤上安裝用于對水蒸氣進行加熱的溫控系統(tǒng)。進一步，所述基盤的底部呈傾斜狀，所述排水管安裝在所述基盤
的最低處。
更進一步，在所述通孔內設有保溫石棉瓦，所述保溫石棉瓦包覆在所述輸汽管外。
所述蒸汽發(fā)生器包括水溶液儲液罐、水蒸氣發(fā)生裝置和用于將水
蒸氣輸出的泵，泵的輸出端與所述輸汽管連通。所述主軸電機的輸出軸設有第～帶輪，所述第一皮帶輪通過皮帶
與第二皮帶輪傳動連接，所述第二皮帶輪安裝在主軸的底端。
所述水合拋光機還包括機蓋，所述機蓋與機座固定密封連接。的技術構思為：綜合利用機械拋光方法和化學拋光方法的優(yōu)勢，保持機械拋光的形狀精度，求得化學拋光的無損傷加工面，基于這種思想，提供一種能夠實現高亮度LED硬質材料晶圓的混合汽體化學液輔助高溫水蒸汽狀態(tài)下具有微量加工特性的水合拋光機。
蒸汽發(fā)生器的輸出端通過輸汽管向拋光盤提供化學輔助高溫水蒸汽，拋光盤體有很多通孔，使高溫水蒸汽可以從通孔中溢出與工件接觸，從而提高加工效果，溫控系統(tǒng)對水蒸汽進行加熱，以避免水蒸汽冷凝成水。
有益效果主要表現在：1、可以使硬質材料得到不錯的表面粗糙度，硬質材料表面不會產生微小劃痕或造成次表面損傷，可獲得硬質材料的全局平面化；2、機器設備成本低，加工條件簡單，可以獲得較高的加工精度和加工效率，具有廣泛的應用前景；3、與其他拋光設備相比，本發(fā)明拋光機工作時不會產生很大的噪音，拋光過程無毒、無害，無粉塵產生，可以達到亞納米級綠色無污染拋光，且拋光狀態(tài)穩(wěn)定，拋光面上不殘留拋光紋路；4、化學液輔助高溫水蒸汽通過蒸汽發(fā)生汽輸出，實現水蒸汽的自動、均勻地供給；5、當電機通過皮帶輪和皮帶帶動主軸和拋光盤轉動時，輸汽管可直接通過主軸的中心孔向拋盤輸送水蒸汽；6、基盤底部設為1：100的坡度，且在邊緣設有一排水閥，可以使冷凝的水蒸汽從盤的邊緣排出；7、輸汽管上有固定支，固定支架可支撐輸汽管并對其進行定位。
圖1、硬質材料水合機結構圖
2.2工作原理
硬質材料水合機的工作原理是硬質材料在水合溝槽中被水浸泡后，附著在表面的相當一部分大塊泥土脫落，經傳送帶送入硬質材料式硬質材料水合機進料口,硬質材料經進料斗進入到旋轉的硬質材料內，在水池中旋轉，利用硬質材料自身的重力的分力作為推進力，實現硬質材料的自動推進。硬質材料沿硬質材料壁向前運動，在運動過程中硬質材料不斷被水刷洗，硬質材料之間的摩擦、翻轉間的刷洗，硬質材料與硬質材料壁之間的磨擦，在共同作用下完成硬質材料表面的水合過程。
3 設計方案的確定
3.1 原始資料、數據
1、拋光機拋光盤的的直徑約為250mm；
2、轉速50~500轉/分；
3、工件的往復行程10mm
3.2 設計方案選擇
以下是三種傳動設計方案的論證過程。
方案一（見圖2），首先通過皮帶的一級減速，然后由兩級圓柱齒輪減速器把速度降到工作機的轉速要求。在這一方案中轉速能夠比較容易降到工作機的要求，而且?guī)鲃泳哂幸欢ǖ臏p振作用。這是一種常見的傳動方式。但它也有一個突出的缺點，就是減速裝置不易于安裝和維護，而且減速器不易固定，且齒輪減速器尺寸較大，使的整機占用較大的工作空間。
方案二（見圖 3），摩擦輪裝在一個長軸上硬質材料兩邊，而且硬質材料兩邊均有摩擦輪，并且相互對稱，其夾角為90°，長軸的一端與傳動裝置相連；另一端裝有托輪，不與傳動系統(tǒng)相連。主動軸從傳動系統(tǒng)中得到動力后帶動其上的摩擦輪轉動，摩擦輪緊貼滾圈3，滾圈3固接在轉筒上，因此，摩擦輪與滾圈相互間產生的摩擦力驅動硬質材料轉動。這種傳動簡單，運行平穩(wěn)，但會出現硬質材料與摩擦輪之間打滑的現象，運行情況很差。
方案三（見圖4），電動機與減速器直接聯式（電機直聯式減速器），減速器采用的是擺線針輪減速器。擺線針輪減速器的傳動比較大（一級減速器的傳動比即可達到80），省去了皮帶傳動，這樣結構方案就得到了簡化。工作機的主軸通過金屬滑塊聯軸器和減速器的輸出軸相聯。金屬滑塊聯軸器可以補償軸一定的軸向、徑向和角向偏移。該方案的缺點是擺線針輪減速器價格比較昂貴，但擺線針輪減速器工藝性較好，其壽命較長。綜合考慮采用方案三。
1-電動機 2-帶傳動 3-減速器 4-聯軸器 5-工作機
圖2、方案一
圖2、方案二
圖4、方案三
4 運動和動力參數的設計計算
4.1 硬質材料在傾斜硬質材料的運動及其運動軌跡
首先推導硬質材料的轉速時以假設硬質材料水平放置來推導，在實際中，硬質材料是傾斜成一定的角度。那么硬質材料為何要設置一定的傾角呢？
我們知道由于硬質材料的轉動，物料在水平的硬質材料上的相對運動軌跡是個正圓。這時，硬質材料沒受到其它向前推進力的作用，只能在面上周而復始地作圓周運動，不能由一端向另一端推進。即使與硬質材料壁接觸的那部分物料也只能沿壁作逆向旋轉。這與要求硬質材料從硬質材料的一端向另一端移動并不相符合。因此，僅依靠硬質材料與硬質材料壁接觸的摩擦力來推進硬質材料移動的方法并不能完成水合任務。
常用的物料的推進方法：
⑴ 利用物料的壓力進行自身推進
當硬質材料連續(xù)不斷的進入硬質材料，在硬質材料進口處將形成堆積高度。在硬質材料的回轉運動中，借助物料的自身的落差，向出口處推進。由于水的大量存在，水可以把物料向另一端起沖擊的作用，但由于硬質材料之間的滑動很困難，這樣便形成一端物料堆積嚴重，而另一端物料缺少的現象，從而起不到推進的效果。這種方式一般應用在物料之間的摩擦特別小的情況。
⑵ 利用螺旋推進器進行物料的推進
這種方式既有較快的推進速度，又可促進物料的攪動。但這種方式制造工藝比較復雜，成本較高，不易維修。
⑶ 硬質材料與水平面成一定角度
這種方法是利用硬質材料自身的重力的分力 作為推進力，實現硬質材料的自動推進。對于硬質材料來說，只要使硬質材料傾斜一個很小的角度就可使其向前移動。這種方法易于實現，而且制造比較簡單，實際意義更大。在本設計中將采用這種方法。
現在就傾斜的硬質材料來分析硬質材料的受力，硬質材料的受力如下（圖5）所示使硬質材料向前推進。
圖5、 單個硬質材料顆粒存在的受力
物料受到自身重力G ，慣性離心力P ，摩擦力F ，硬質材料對物料的法向反力N 的共同作用，在這種情況下，物料沿硬質材料向下運動的條件是：
(3—1)
(3—2)
(3—3)
θ—硬質材料與硬質材料的靜摩擦角。
由上式可得硬質材料內物料向下運動的最低速度與轉速為：
(3—4)
(3—5)
同理分析可推導出硬質材料內物料向上運動的最低轉速為：
(3—6)
硬質材料在傾斜硬質材料內運動時，由于受到物料自身重力在硬質材料傾斜方向下滑力的作用；物料在硬質材料內受到一定大小的加速度，其運動軌跡不再是一個正圓，而是一條封閉的螺旋線。
圖6、物料在傾斜的硬質材料內的運動
假使沿硬質材料傾斜方向取x 軸，沿硬質材料橫向取y 軸。在 xo1y 坐標中，硬質材料顆粒M的運動的速度為：
(3—7)
(3—8)
因為
故得：
(3—9)
(3—10)
t—硬質材料顆粒理論每旋轉一周所用的時間，s；
兩邊積分得：
(3—11)
(3—12)
當t = 0 時，x = 0 、y = 0 求得C1 = rr 、C2 =0 。
代入(3—11)和(3—12)即得在xo1y坐標中硬質材料顆粒的相對運動軌跡方程式：
(3—13)
(3—14)
根據(3—13)和(3—14)兩式即可作出硬質材料顆粒在傾斜硬質材料內的運動軌跡。
其軌跡如圖7所示：
圖7、物料顆粒在傾斜硬質材料內的運動軌跡
所以得出物料為套圈狀或螺旋狀向前推進。由圖6可知，物料在傾斜硬質材料內每旋轉一圈，物料沿硬質材料傾斜方向前進的距離 S 為：
(3—15)
當時，
故 (3—16)
因此，物料在硬質材料內的前進速度為：
(3—17)
由式(3—17)可知，物料在硬質材料內的前進速度與硬質材料傾角成正比，即硬質材料傾斜角愈大，則物料前進速度愈大，與硬質材料回轉速度成反比，即速度越高，物料前進速度越慢。
對于大斜面硬質材料，物料可能沒有O2 到O3 ，因為物料的最大慣性力可能還小于摩擦力與重力分力之和，其臨界條件為：
(3—18)
由此可得，臨界傾斜角為：
(3—19)
當硬質材料傾斜角大于ac 時，物料在硬質材料內的運動將不再是套圈形而是蛇形軌跡。這時，物料在硬質材料內的停留時間短，總行程小，翻滾效果也不好，不利于提高水合效果，因此，硬質材料傾角ac 不宜太大，一般為3度到5度最好，在此次設計中取硬質材料的傾角為5度。
4.2 硬質材料材料及驅動方式的選擇
4.2.1 硬質材料材料的選擇
筒體部分的質量占到整機的70%～80%, 因此筒體的材質和壁厚是決定設備制作成本的重要因素。筒體的大小標準著規(guī)格和生產能力。筒體應具有足夠的剛度和強度。在安裝和運行中應保持規(guī)范化，這對減小運轉阻力及功率消耗、減輕不均勻磨損、減少機械事故、保證長期安全高效運轉、延長回轉圓筒的壽命都十分重要，必須根據這一要求來設計筒體。筒體的剛度主要是筒體截面在較大力作用下，抵抗徑向變性的能力。同體的強度問題表現為筒體在載荷作用下產生裂紋及變形。筒體材料一般用A3鋼、普通低合金鋼，其中以16Mn用的較多；也可以用鍋爐鋼。要求耐腐蝕時，用不銹鋼。本設計中筒體材料選用A3鋼。
4.2.2筒體最小壁厚計算
1.筒體的最小壁厚按下式核算：
式中：R——筒體半徑，R=D/2=50cm
——筒體材料在操作溫度下的屈服應力（溫度為150℃時的）
K——抄板與筒體壁重量比的系數，對于舉升式抄板，K=1.6
C——材料腐蝕欲度，C=0.3cm
表一、筒體厚度與直徑的關系（統(tǒng)計值）
Table 1 ，Dryer and diameter of the cylinder (statistics）
筒體直徑
D (m)
<1
1.1~
1.3
1.3~2
2~
2.6
2.6~
3
3.3~
3.6
3.3~
4
筒體厚度
（mm）
8
10
12
14
16
18
20
/D
0.008
0.009~0.0077
0.0092~0.006
0.007~0.0054
0.0062~
0.0053
0.006~0.005
0.006~0.005
當工作條件較差時(如物料對筒體磨損嚴重)，一般可增加2mm；長度較短時，可適當減??；如果筒體只因剛度較差，其他都可以滿足條件時，除增加壁厚外，還可以通過其他途徑來增加筒體的剛度。
4.2.3 硬質材料轉動驅動方式的選擇
硬質材料的最大生產能力為每小時2噸，設計的硬質材料的內徑為1米，長度為2米，這在制造中也比較容易。這里就可以計算出硬質材料的大致轉速范圍了。
由硬質材料的轉速計算公式:
r/min (3—20)
可得
= 11.3～19.8 r/min
所選硬質材料驅動方式是采用中間軸式傳動。
在硬質材料的中心線上設有傳動軸，用支承臂與硬質材料相連，電動機通過減速器把動力傳到中心軸，由中心軸帶動硬質材料轉動。這種傳動方式比較簡單。由于所設計要求的硬質材料長度不長，轉動比較平穩(wěn)。但是，硬質材料有時會和中心軸及支撐臂發(fā)生碰撞，硬質材料重量及體積又不大 ，而且硬質材料的轉速和傾角都不是太大，故一般硬質材料顆粒不會對中心軸及支承臂造成太大的沖擊力。所以我們選擇中心軸驅動的方式。
4.3 功率的計算及電動機的選擇
4.3.1功率的計算
下面來計算硬質材料工作所需的功率[8]：
(3—23)
其中：
n—硬質材料的轉速，r/min；
M—驅動硬質材料轉動所需的力矩，N.m；
η—傳動的效率。
由力矩計算公式得：
(3—24)
D—硬質材料直徑，m；
G—硬質材料本身重量G1 與硬質材料內原料重量G2 之和。
G1 =G3 +G4 +G5 (3—25)
G3 —橫向支撐臂的重量，N；
G4 —縱向支撐臂的重量，N；
G5 — 兩端鐵皮的重量，N。
(3—26)
R —硬質材料內半徑，m；
L —硬質材料長度，m；
Y1—物料重度，N/m3；
Q —硬質材料在硬質材料中的充填系數。
（在理論上應按物料升角來計算物料在硬質材料中的充填系數）物料的升角為35~45度，這樣其硬質材料的利用率應為1/6~1/9。由于物料瞬間移動等因素的存在，物料充填系數比理論上要小的多。一般取Q為0.01~0.1，在此我們選Q為0.02。
從以上的計算中知道傳動效率η為0.6~0.7。
在(3—24)中，由上述可知：
D = 1 m
(3—27)
(3—28)
(3—29)
S —支撐臂的截面積，m2；
L —支撐臂的長度，m；
P —材料的密度，kg/m3；
n —所用材料的數量；
r —支撐臂的截面半徑，m；
所以
G3=×62×10-6×2×7.85×103×9.8×8=139 N
G4= S×L×P×n×g
=73 N
G5=S×d×P×g×n
= 290 N
式中：
S—鐵皮的表面積
d—鐵皮材料的厚度
n—鐵皮的數量
G2 =R2LY1Q N
=769.3 N
G = G1 +G2=G2+G3+G4+G5
= 1271.3 N
據 (3—30)
得
= 1271.3×1/2 = 635.65 N·m
(3—31)
將w的取值代入得：
=1.26 kw
—工作機的功率；
—工作機的效率，一般取0.9~0.97。
經過計算可得理論上工作機達到所需轉速需要的最低功率為1.26kw。
下面計算電動機的所需功率Pd 。首先確定從電動機到工作機之間的總效率。 設1 ，2 ，3 ，4 ，分別為，減速器，滑塊聯軸器，滾動軸承，硬質材料的效率。由《機械設計手冊》表2—2查得：1 =0.96 ， 2=0.98 . 3=0.97 . 4 =0.99 . 則傳動裝置的總效率為[10]：
(3—32)
= 0.96×0.982×0.97×0.992
= 0.88
(3—33)
=1.26／0.88
= 1.43（kw）
4.3.2電動機的選擇
4.3.2.1電動機功率的選擇
選擇電動機包括選擇電動機的類型、結構、功率、轉速和型號。在工業(yè)上一般采用三相交流電動機，Y系列三相交流異步電動機由于具有結構簡單、價格低廉、維護方便等特點，故一般應優(yōu)先考慮。當轉動慣量和啟動力矩較小時，可選用Y系列三相交流異步電動機，在經常啟動、制動和反轉、間歇或短時工作的場合，要求電動機的轉動慣量小和過載能力大，應選用YZ和YZR系列三相交流異步電動機，電動機的結構有開啟式、防護式、封閉式、防爆式[7]。在此可選用封閉式的電動機。
所以選用Y系列全封閉式籠型三相異步電動機。
選擇原則：功率選的過小，不能保證工作機的正常工作或使電動機長期過載而過早損壞；功率選的過大，則電動機價格高，且常不在滿載下運行，功率因素很低，造成浪費.
對于長期連續(xù)工作負荷較穩(wěn)定的負載機械，可根據電動機所需要的功率來選擇，選擇時應使電動機的額定功率PN稍大于電動機的所需功率。由計算已知電動機所需功率為：=1.43 kw ,所以我們可選擇電動機功率為1.5 kw 。
4.3.2.2 確定電動機的轉速
同一功率的異步電動機的同步轉速有3000、1500、1000和750四種。一般來說，電動機的同步轉速高，磁極對數少，輪廓尺寸小、價格低；反之，轉速愈低，外輪廓尺寸愈大，價格愈高。由于工作機硬質材料的轉速很低，所以不易選用高速電動機，一般應選擇同步轉速為100或750 r/min 的電動機。
4.3.2.3 電動機的型號的確定
根據所要求的的轉速和功率選擇Y系列三相異步電動機，由?機械設計課程設計手冊?查得可選用電動機Y100L-6，功率1.5kw，轉速750r/min。因為工作環(huán)境，如果不加防護，水有可能進入電動機中導致電機短路而燒壞，于是在設計中選擇電機的防護等級為IP44?，F在將這種電動機的數據列于下表二中。
表二、電動機型號
(Table 2)，Motor model
電動機型號
額定功率
（kW）
最大轉矩
堵轉轉矩
滿載轉速（）
額定轉矩
質量
（kg）
Y100L-6
1.5
2.0
2.0
940
2.0
33
電動機的結構簡圖如下(圖8)所示
圖8、電動機的結構簡圖
4.4 傳動比及動力參數的計算
4.4.1 傳動比的分配
因所選的是一級直聯臥式擺線針輪減速器，其本身的傳動比最大可達到87，而且其體積比較小，重量比較輕，傳動效率良好,工作效率較其他較大。在使用過程中，由于減速器輸出端通過聯軸器直接與傳動軸相連，所以噪音較小，所選型號為Z WD 1.5-5A-59。因為采用的是中間軸傳動，減速器輸出端通過聯軸器直接與傳動軸相連，所以不存在傳動比的分配。
4.4.2 傳動裝置的運動和動力參數的計算
由上述理由，此處根據所選電動機的滿載轉速和減速器的傳動比可以得出硬質材料的工作轉速。
由傳動比公式[10]：
(3—34)
可得公式：
(3—35)
式中：
：電動機滿載轉速，；
：執(zhí)行機構轉速，。
代入數據得：
因為硬質材料的轉速比較低，一般低于400，而計算所得的轉速取為，是比較合適的。
5 零部件的設計和標準件的選用
5.1 軸的設計計算
5.1.1 初算軸的直徑
聯軸器和滾動軸承的型號是根據軸端直徑確定的，而且軸的結構設計是在初步計算軸徑的基礎上進行的，故要初算軸徑。
軸的直徑可按扭轉強度法進行估算，即[10]：
(3—36)
式中：
P—軸傳遞的功率，kw；
n—軸的轉速，r/min；
c—由軸的材料和受載情況確定的系數。
表三、各種材料系數c的取值范圍
Table 3, various materials coefficient of c scope
軸的材料
Q235 120
35
45
40Cr,35siMn
c
160—135
135—118
118—107
107—98
軸的材料一般為優(yōu)質碳素鋼。c 取值時應考慮軸上彎矩對軸強度的影響，當只受轉矩或彎矩相對轉矩較小時，c 取小值；當彎矩相對轉矩較大時，c 取大值。由于硬質材料的轉速低轉矩較大且彎矩小，故c 應取較小值，在這里我們取c 為108。
所以：
=41.8 mm
初算軸徑還要考慮鍵槽對軸強度的削弱影響。當該軸段截面上有一個鍵槽時，d 應增大5% ；兩個鍵槽時，d 應增大10% 。
在本軸的設計中，軸上有一個鍵槽。
所以：
= 41.8×(1+5%)=43.89 mm
圓整取軸的直徑為50mm。
5.1.2 初選軸的形式
從上面初算軸的最小直徑為50mm，根據設計需要要設計成階梯軸來放置軸承和聯軸器。
5.1.3 軸的結構的設計
根據以上計算可知軸上所承受的最大轉矩 TP =636N.m 根據工況的要求選擇的是金屬滑塊聯軸器。選擇的材料為45號鋼，45號鋼經調質后，бb =637 Mpa , E =210Gpa。由以上計算知軸徑可為45mm，考慮裝聯軸器加鍵的影響，故取軸和聯軸器相連部分的直徑為50mm。我們知道軸上要安裝滾動軸承，為便于軸承的裝配，取裝軸承處的直徑為55mm。本設計滾動軸承中所選的型號為30311型，其寬度為29mm ,根據結構要求選用軸肩擋圈GB886-86 55×65，由于在入料口處需布置料斗，所以軸承應安裝在料斗的外端，以免和料斗發(fā)生干涉，根據生產能力為2噸/小時，再加上入料中混有大量的水，所以料斗設置應足夠的大，料口長為300mm, 在高度上為便于安裝在機架上且不和主軸發(fā)生干涉，結構設置請參見裝配圖。
在硬質材料內主軸上要焊接肋條，以支撐硬質材料，所以在焊接處取主軸直徑為60mm,在硬質材料的尾端要支撐和安裝聯軸器和電動機。如果在入料口端安裝驅動裝置的話，這樣就不好布置入料輸送裝置，而尾端則不會發(fā)生這些現象，因為尾端的出料口在機架的底部，所以應在尾端安裝聯軸器和電動機。
軸承在軸上的固定，由于軸承安裝在軸承座內，軸承可以通過軸上設置臺階來固定，也可以通過臺階和止推環(huán)來固定，這樣軸承在軸承座內就不會發(fā)生徑向的游動，在本設計中選用臺階固定，因為這樣容易密封而且所選的30000系列的圓錐滾子軸承有一定的徑向補償，因圓錐滾子軸承軸承成對使用這樣就解決了轉動軸軸向竄動的問題。動力通過聯軸器傳給工作機的主軸，聯軸器和主軸是通過鍵槽來聯結的。在聯軸器的選用中，我們選用的是WH7型聯軸器，軸孔直徑為55mm。具體軸承的選用理由與相關校核過程會在后面滾動軸承的選擇中加以詳述。
因軸的校核需要有軸的預設長度，所以需要根據選用零件和硬質材料設計的各個尺寸來確定軸的長度。下面是各個零件的所需長度和設計選用長度：
表四、軸的長度初選
Table 4, the length of the shaft
零件名稱
所需軸向長度（mm）
設計長度（mm）
硬質材料長
45
45
聯軸器
45
50
軸承與軸承座（一對）
44
44
間距
165
178
總計
2264
317
根據4.1.2和表四設計的軸的輪廓如下圖9所示：
圖9、硬質材料中心軸
5.1.4 軸的強度校核
進行軸的強度校核計算時，應根據軸的具體受載及應力情況，采取相應的計算方法，并恰當地選取其許用應力。
對于傳動軸應按扭轉強度條件計算。
對于心軸應按彎曲強度條件計算。
對于轉軸應按彎扭合成強度條件計算。
2.3幾種常用的計算方法：
2.3.1按扭轉強度條件計算：
這種方法是根據軸所受的扭矩來計算軸的強度，對于軸上還作用較小的彎矩時，通常采用降低許用扭轉切應力的辦法予以考慮。通常在做軸的結構設計時，常采用這種方法估算軸徑。
實心軸的扭轉強度條件為：
由上式可得軸的直徑為
為扭轉切應力，MPa
式中：
T為軸多受的扭矩，N·mm
為軸的抗扭截面系數，
n為軸的轉速，r/min
P為軸傳遞的功率，KW
d為計算截面處軸的直徑，mm
為許用扭轉切應力，MPa，
軸的材料
Q235
20
35
45
1Cr18Ni9Ti
40Cr,35SiMn,2Cr13,42SiMn
12-20
20-30
30-40
15-25
40-52
A
160-135
135-118
118-107
148-125
100.7-98
空心軸扭轉強度條件為：
其中 ，即空心軸的內徑與外徑d之比，通常取 =0.5-0.6
這樣求出的直徑只能作為承受扭矩作用的軸段的最小直徑。
2.3.2按彎曲強度條件計算：
由于考慮啟動、停車等影響，彎矩在軸截面上鎖引起的應力可視為脈動循環(huán)變應力。
則
其中：
M 為軸所受的彎矩，N·mm
W 為危險截面抗扭截面系數()具體數值查機械設計手冊B19.3-15~17.
為脈動循環(huán)應力時許用彎曲應力(MPa)具體數值查機械設計手冊B19.1-1
2.3.3按彎扭合成強度條件計算
由于前期軸的設計過程中，軸的主要結構尺寸軸上零件位置及外載荷和支反力的作用位置均已經確定，則軸上載荷可以求得，因而可按彎扭合成強度條件對軸進行強度校核計算。
一般計算步驟如下：
（1） 做出軸的計算簡圖：即力學模型
通常把軸當做置于鉸鏈支座上的梁，支反力的作用點與軸承的類型及布置方式有關，現在例舉如下幾種情況：
當,但不小于（0.25~0.35）L，對于心調軸承e=0.5L
在此沒有列出的軸承可以查閱機械設計手冊得到。通過軸的主要結構尺寸軸上零件位置及外載荷和支反力的作用位置，計算出軸上各處的載荷。通過力的分解求出各個分力，完成軸的受力分析。
（2）做出彎矩圖
在進行軸的校核過程中最大的難度就是求剪力和彎矩，畫出剪力圖和彎矩圖，因此在此簡單介紹下求剪力和彎矩的簡便方法。
橫截面上的剪力在數值上等于此橫截面的左側或右側梁段上所有豎向外力（包括斜向外力的豎向分力）的代數和 。外力正負號的規(guī)定與剪力正負號的規(guī)定相同。剪力符號：當截面上的剪力使考慮的脫離體有順時針轉動趨勢時的剪力為正；反之為負。
橫截面上的彎矩在數值上等于此橫截面的左側或右側梁段上的外力（包括外力偶）對該截面形心的力矩之代數和 。外力矩的正負號規(guī)定與彎矩的正負號規(guī)定相同。彎矩符號：當橫截面上的彎矩使考慮的脫離體凹向上彎曲（下半部受拉，上半部受壓）時，橫截面上的彎矩為正；反之凹向下彎曲（上半部受拉，下半部受壓）為負。
不論在截面的左側或右側向上的外力均將引起正值的彎矩，而向下的外力則引起負值的彎矩。
利用上述結論來計算某一截面上的內力是非常簡便的，此時不需畫脫離體的受力圖和列平衡方程，只要梁上的外力已知，任一截面上的內力均可根據梁上的外力逐項寫出。因此，這種求解內力的方法稱為簡便法。
1、列剪力方程和彎矩方程 ，畫剪力圖和彎矩圖
①梁的不同截面上的內力是不同的，即剪力和彎矩是隨截面的位置而變化。② 為了便于形象的看到內力的變化規(guī)律，通常是將剪力和彎矩沿梁長的變化情況用圖形來表示—剪力圖和彎矩圖。③剪力圖和彎矩圖都是函數圖形，其橫坐標表示梁的截面位置，縱坐標表示相應的剪力和彎矩。④剪力圖和彎矩圖的畫法是：先列出剪力和彎矩隨截面位置變化的函數式，再由函數式畫出函數圖形。
剪力方程和彎矩方程 ：以梁的左端點為坐標原點，x 軸與梁的軸線重合, 找出橫截面上剪力和彎矩與橫截面位置的關系 , 這種關系稱為剪力方程和彎矩方程。 Fs = Fs (x ) M = M（x）
2、剪力圖和彎矩圖的繪制方向的判定：
剪力 : 正值剪力畫在x軸上側，負值剪力畫在x軸下側。
彎矩 : 正值彎矩畫在x軸的下側；負值彎矩畫在x軸上側。
3、繪剪力圖和彎矩圖的基本方法：首先分別寫出梁的剪力方程和彎矩方程，然后根據它們作圖。
4、作剪力圖和彎矩圖的幾條規(guī)律
取梁的左端點為坐標原點，x 軸向右為正；剪力圖向上為正；彎矩圖向下為正。以集中力、集中力偶作用處，分布荷載開始或結束處，及支座截面處為界點將梁分段。分段寫出剪力方程和彎矩方程，然后繪出剪力圖和彎矩圖。
梁上集中力作用處左、右兩側橫截面上，剪力值（圖）有突變，其突變值等于集中力的數值。在此處彎矩圖則形成一個尖角。梁上集中力偶作用處左、右兩側橫截面上的彎矩值也有突變，其突變值等于集中力偶矩的數值。但在此處剪力圖沒有變化。
梁上的最大剪力發(fā)生在全梁或各梁段的邊界截面處；梁上的最大彎矩發(fā)生在全梁或各梁段的邊界截面，或 F= 0的截面處。
5、求各分力的彎矩合成：
6、 軸的載荷分析圖如下：
（3）校核軸的強度
通過以上計算得到得彎矩M和扭矩T后，可針對某些危險截面（即彎矩和扭矩大而軸徑小可能斷的截面）做彎扭合成強度的校核計算。
按第三強度理論的計算應力公式：
為對稱循環(huán)變應力
為扭轉切應力
為了考慮兩者循環(huán)特性不同的影響，引入折合系數α
則
若扭轉切應力為靜應力時： 取α=0.3
若扭轉切應力為脈動循環(huán)應力時： 取α=0.6
若扭轉切應力為對稱循環(huán)應力時： 取α=1.0
對于直徑為d的圓軸：
彎曲應力
扭轉切應力
代入與得：
式中：
為對稱循環(huán)變應力的軸的許用彎曲應力 (MPa)，具體數值查機械設計手冊B19.1-1
為軸的計算應力 Mpa
M 為軸所受的彎矩 N·mm
T 為軸所受的扭矩N·mm
W 為軸的抗彎截面系數 ()具體數值查機械設計手冊B19.3-15-17
2.3.4精確計算（安全系數校核計算）
安全系數校核計算分為按疲勞強度條件和按精強度條件進行精確計算。
1.按疲勞強度條件進行精確計算
這種校核計算的實質在于確定變應力情況下軸的安全程度。在已知軸的外形、尺寸及載荷的基礎上，即可通過分析確定出一個或多個危險截面（這時不僅要考慮彎曲應力和扭轉切應力的大小，而且要考慮應力集中和絕對尺寸等因素影響的程度），按照公式求出計算安全系數并應使其稍大于或至少等于設計安全系數。
公式如下：
其中：
為只考慮彎矩作用時的安全系數
為只考慮扭矩作用時的安全系數
[S]為按疲勞強度計算的許用安全系數：見下表
[S]
選 取 條 件
1.3-1.5
載荷確定精確,材料性質均勻
1.5-1.8
載荷確定不夠精確,材料性質不夠均勻
1.8-2.5
載荷確定不精確,材料性質均度較差
僅有法向應力時，應滿足
僅有扭轉切應力時，應滿足
式中
對稱循環(huán)應力下的材料彎曲疲勞極限(MPa)，具體數值查機械設計手冊B19.1-1
對稱循環(huán)應力下的材料扭轉疲勞極限(MPa)，具體數值查機械設計手冊B19.1-1
為彎曲和扭轉時的有效應力集中系數,具體數值查機械設計手冊B19.3.5-7
為表面質量系數,具體數值查機械設計手冊B19.3-8-10.
為材料拉伸和扭轉的平均應力折算系數,具體數值查機械設計手冊B19.3-13.
為彎曲應力的應力幅和平均應力(MPa)具體數值查機械設計手冊B19.3-12
為轉應力的應力幅和平均應力(MPa)
2.按靜強度條件進行精確計算
這種校核目的是評定軸對塑性變形的抵抗能力。根據軸材料的屈服強度和軸上作用的最大瞬時載荷，計算軸危險截面處的靜強度安全系數。
靜強度校核時的強度條件是：
式中：
為危險截面靜強度的計算安全系數
為按屈服強度的設計安全系數
為1.2-1.4用于高塑性材料制成的剛軸
為1.4-1.8，用于中等塑性材料制成的剛軸
為1.8-2，用于低塑性材料制成的剛軸
為2-3，用于鑄造軸
為只考慮彎矩和軸向力時的安全系數
為只考慮扭矩時的安全系數
式中
為材料的抗彎和抗扭屈服極限，MPa
為軸的危險截面上所受的最大彎矩和最大扭矩，N·mm
為軸的危險截面上所受的最大的軸向力，N
A 為軸的危險截面的面積，
分別為危險截面的抗彎和抗扭截面系數,具體數值查機械設計手冊B19.3-15-17.
通過以上幾種校核強度的方法完成軸的設計，如果校核結果如不滿足承載要求時，則必須修改原結構設計結果，再重新校核。
查資料選擇軸的材料為:45號鋼,正火,硬度170-217HB,抗拉強度бb=590Mpa，бs=295MPa.因傾角為5°非常小，可以在軸的強度校核中以水平方式的軸作替代。
因本設計中軸為轉軸，軸主要受轉矩和彎矩，由于傳動采用中間軸傳動所以只在垂直方向有力的作用，水平方向沒有受力。
軸的受力情況如圖10(a)所示：
圖10、軸的校核
計算彎矩：
根據《材料力學》上的彎矩的公式[11]:
(3—37)
其中：
—所受的力，單位N；
—對應力臂，單位m。
由力矩平衡，可得A點的受力為：
(3—38a)
同理可得B點的受力為：
(3—38b)
由先前計算可知：
C點的受力，代入數據得，
= 305 N
= 205 N
再代入公式(3—37)，得
=334.N·m
軸的彎矩圖見圖8(b)所示。
計算轉矩：
根據《材料力學》轉矩公式[11]：
(3—39)
其中：
—該點處的轉矩，單位N·m；
—某點處的的功率，單位kw；
—對應某點的轉速，單位r/min。
根據所得數據功率為1.26kw，轉速16r/min，將數據代入得，
= 635.65 N·m；
軸的扭矩圖見圖8(c)所示。
求當量彎矩圖：
根據《機