1WX-90型植樹挖穴機設計【田間拖拉式 植樹挖坑機】[含CAD高清圖紙和文檔所見所得]

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畢業(yè)設計任務書 課題：1WX-90型植樹挖穴機設計 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 學 生 姓 名 沈 劍 班 級 BD機制061 學 號 0620110140 指 導 教 師 曹 兆 熊 專 業(yè) 系 主 任 吳 祥 發(fā) 放 日 期 2009年3月1日 一、設計內容 設計一臺植樹挖穴機，與黃海金馬-50型拖拉機相匹配，用于植樹造林。 主要設計內容： 1．總體設計 1）設計總體方案。通過市場調研,對國內現有幾種機型進行對比分析，選擇適合 于我省使用的機型作為參考，改進其不足。 2）繪制挖穴機總圖； 2．零部件設計 (a) 根據挖坑機總圖，設計齒輪箱等傳動機構；(b) 繪制傳動軸、齒輪、齒輪箱 體、鉆頭等零件圖，(c) 有關計算、校核等。 二、設計依據 1、 相配套的江蘇-50型四輪拖拉機主要技術數據 ①力輸出軸轉速:720r/min; 540 r/min ②動力輸出軸離地高度:645mm 2、LY/T1491-1999,懸掛式挖穴機 技術條件[S]. 3、挖穴機技術參數 ①挖穴直徑:70cm ②挖穴深度：70cm ③鉆頭轉速：150～250r/min ④鉆頭形式：采用雙螺旋葉片結構； ⑤工作效率：60～90坑塘/小時 ⑥按5年壽命，每年工作800小時計。 三、設計要求 1、挖穴機與拖拉機采用三點懸掛聯接，作業(yè)時萬向傳動軸偏置角度不得大于15°， 田間移位或運輸前必須先切斷動力，將螺旋鉆頭提升至最大高度，此時鉆頭 頂尖離地高度應大于300mm。 2、螺旋葉片的轉速過高，會將泥土拋得很遠，造成填坑缺土。轉速過低，則造成 工作效率不高。因此在設計時，要充分調研和實踐，確定合適的轉速， 3. 為保證工作性能，設計時應充分考慮其穩(wěn)定性，避免受力不均勻而造成抖動； 4、結構簡單可靠，盡量使用標準件、通用件，以降低制造成本。 5．設計圖樣總量為折合成A0幅面在3張以上；應用計算機軟件繪圖；裝配圖需提供 一張手工草圖； 6．畢業(yè)設計說明書按相關要求編寫； 7．查閱文獻資料10篇以上，并有不少于3000漢字的外文資料翻譯； 8．到相關單位進行畢業(yè)實習，撰寫不少于3000字實習報告； 9．撰寫開題報告。 四、畢業(yè)設計物化成果的具體內容及要求 1．畢業(yè)設計說明書要求： 按教務處畢業(yè)設計（論文）格式規(guī)范統(tǒng)一編排、打印，字數不少于1萬字。 2．設計圖紙要求： 1）總裝圖 1 張 2）田間作業(yè)狀態(tài)圖 1 張 3）傳動部件圖 1 張 4）主要零件圖 若干張 3．外文資料翻譯（英譯中）要求 1）外文翻譯材料中文字不少于3000字； 2）內容必須與畢業(yè)設計課題相關； 3）所選外文資料應是近10年的文章，并標明文章出處。 五、畢業(yè)設計（論文）進度計劃 起訖日期 工作內容 備 注 2月26日～2月28日 布置任務 3月1日～3月14日 調查研究，畢業(yè)實習 3月15日～3月31日 方案論證，總體設計 4月1日～4月14日 技術設計（部件設計） 4月14日～5月14日 工作設計（零件設計） 5月15日～5月31日 撰寫畢業(yè)設計說明書 6月1日～6月2日 畢業(yè)設計預答辯 6月3日～6月9日 修改資料 6月10日～6月11日 評閱材料 6月12日～6月13日 畢業(yè)答辯 6月14日～6月15日 材料整理裝袋 六. 主要參考文獻： 1、所學課本，包括機械設計、機械設計基礎課程設計、工程圖學、互換性與測量技 術等； 2、機械設計手冊聯合編寫組. 機械設計手冊（上、中冊）. 北京：化學工業(yè)出版社， 1988. 3、東北工學院機械零件設計手冊編寫組. 機械零件設計手冊（上、中冊）. 北京：冶 金工業(yè)出版社出版，1985 4、胡家秀主編.機械零件設計實用手冊.北京：機械工業(yè)出版社，1999．10 5、李益民主編.機械制造工藝設計手冊.北京：機械工業(yè)出版社，1995．10 6、LY/T1491-1999,懸掛式挖穴機 技術條件[S]. 7、LY/T1492-1999,懸掛式挖穴機 試驗方法[S]. 七、其他 八、專業(yè)系審查意見 系主任： 年 月 日 九、機械工程學院意見 院長： 年 月 日 5 機械工程學院畢業(yè)設計（論文）選題申報表 指導教師 職稱 高工 所在專業(yè)（系） 機械設計制造及其自動化 課 題 名 稱 1WX-90型植樹挖穴機設計 課?? 題?? 來?? 源 課?? 題?? 性 質 題目類別 科研 課題 生產 實際 課程或實驗室建設 其它 技術 研究 工程 設計 軟件 開發(fā) 理論 研究 其它 畢業(yè) 設計 畢業(yè) 論文 √ √ √ 適用專業(yè) 機械設計制造及其自動化 選題理由 1. 為了維護生態(tài)平衡,減少水土流失，國家高度重視并大力號召退耕還林。 近年來，在我國西部地區(qū)采取了行政補貼等措施，促使森林再現，減少了水土流失。我省近年來也開始大量植樹造林，特別是在沿海地區(qū)，每年呈遞增趨勢。設計植樹挖穴機是為了實現植樹造林機械化，減輕植樹人員的勞動強度。 2. 本課題來源于生產實際，具有較好的應用價值。通過本課題的設計，有利于對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和基本技能的訓練。 3. 本課題難度和份量適當，學生在規(guī)定期限內通過努力能夠實現其目標。 主要內容 1．調研、收集相關資料，研究國內外各種旋耕機械的現狀與動態(tài)，結合實際情況，擬定結構方案。 2．設計的主要內容： ① 設計螺旋葉片結構以便旋轉挖坑； ② 設計最佳入土角、最佳轉速，使之能耗最低，工效最高； ③ 設計合理的傳動機構，避免重心偏后造成操作困難; 3. 主要性能指標：挖坑直徑70mm,挖坑深度70mm。 4．編制設計計算說明書等文件。 成果要求 □實習報告：????????????3千 字以上 □開題報告：????????????按要求填寫 □譯??? 文：????????????3千個漢字以上? □說 明 書：????? 1萬 字以上 □圖??? 紙：?????? 合0號?3?張以上 □其??? 它： 專業(yè)系審查意見： 專業(yè)系主任（簽名）： 學院審批意見： 院 長（簽名）： 年 第 期 農 業(yè) 機 械 化 與 電 氣 化 一 一 環(huán) 萬 自 型 若 翔 靄 玩 王 合 朝 陽 市 農 機 科 研 所 , 遼 寧 朝 陽 朝 陽 市 農 機 科 研 所 研 究 設 計 的 型 植 樹 挖 坑 機 , 是 利 用 機 械 作 業(yè) 來 解 決 繁 重 的 人 工 挖 坑 植 樹 , 其 工 作 效 率 是 人 工 的 幾 十 倍 , 既 減 輕 了 勞 動 強 度 , 又 顯 著 地 提 高 了 經 濟 效 益 , 具 有 很 廣 泛 的 應 用 前 途 。 現 就 其 工 作 原 理 、 主 要 工 作 部 件 的 選 擇 、 主 要 技 術 參 數 、 特 點 和 使 用 中 的 注 意 事 項 及 生 產 試 驗 情 況 介 紹 如 下 主 要 結 構 及 工 作 原 理 該 機 由 懸 掛 架 、 變 速 箱 、 傳 動 軸 、 鉆 頭 等 組 成 。 可 換 挖 坑 鉆 頭 有 兩 種 , 直 徑 分 別 為 和 。 工 作 時 , 挖 坑 機 三 點 全 懸 掛 于 拖 拉 機 上 , 拖 拉 機 動 力 通 過 動 力 輔 出 軸 用 萬 向 節(jié) 和 傳 動 軸 帶 動 齒 輪 、 主 軸 及 鉆 頭 等 工 作 部 件 轉 動 , 利 用 液 壓 裝 置 控 制 機 具 升 降 , 靠 自 重 人 土 進 行 挖 坑 作 業(yè) , 如 圖 。 圖 螺 旋 鉆 頭 的 結 構 一 方 軸 套 一 鉆 軸 一 螺 旋 片 一 刀 座 一 鉆 尖 一 刀 片 鉆 軸 采 用 無 縫 鋼 管 制 成 。 上 端 焊 接 方 軸 套 , 通 過 它 與 變 速 箱 上 的 主 軸 聯 接 。 下 端 焊 接 鉆 尖 座 , 供 安 裝 鉆 尖 用 。 螺 旋 片 用 厚 的 鋼 板 制 成 , 主 要 起 升 土 作 用 。 螺 旋 片 圖 型 植 樹 挖 坑 機 結 構 圖 卜 傳 動 軸 一 懸 掛 架 一 變 速 箱 一 鉆 頭 主 要 工 作 部 件 的 選 擇 鉆 頭 采 用 空 心 軸 螺 旋 焊 合 , 下 部 裝 有 可 更 換 刀 片 及 鉆 尖 結 構 , 如 圖 。 焊 合 部 門 焊 合 部 分 包 括 方 軸 套 、 鉆 軸 、 螺 旋 片 、 刀 座 等 。 一 一 農 業(yè) 機 械 化 與 電 氣 化 年 第 期 私幾設甲年獄戈 了人 八 一 圖 鉆 尖 圖 刀 片 下 端 的 后 部 焊 接 刀 座 , 供 安 裝 刀 片 用 。 螺 旋 頭 數 為 個 。 鉆 尖 鉆 尖 由 圓 盤 和 扭 翼 焊 合 而 成 , 用 螺 栓 固 定 在 鉆 軸 下 端 。 鉆 頭 靠 鉆 尖 定 心 , 并 切 除 中 心 部 分 的 土 壤 。 鉆 尖 采 用 扭 翼 三 角 形 , 如 圖 。 刀 片 刀 片 是 挖 坑 機 的 主 要 切 土 零 件 。 它 是 易 磨 損 件 。 因 為 離 鉆 軸 越 遠 , 線 速 度 越 高 , 工 作 行 程 越 長 。 為 了 延 長 刀 片 的 使 用 壽 命 , 刀 片 形 式 采 用 鑿 形 , 如 圖 。 刀 片 材 料 選 擇 厚 度 為 的 鋼 板 制 造 。 刃 角 為 , 刀 刃 厚 度 為 。 刃 部 淬 火 硬 度 為 一 。 刀 片 用 沉 頭 一 方 頸 螺 釘 安 裝 在 刀 座 士 。 刀 片 與 螺 旋 面 接 合 處 應 平 整 、 , 不 允 許 刀 片 低 于 螺 旋 面 。 主 要 技 術 參 數 配 套 動 力 名 一 馬 力 拖 拉 機 長 寬 高 直 徑 探 度 或 火 幾 出 土 率 鉆 頭 直 徑 或 鉆 頭 長 度 一 或 鉆 頭 轉 數 運 輸 間 隙 工 作 效 率 坑 一 整 機 重 量 特 點 和 使 用 中 的 注 意 事 項 特 點 型 植 樹 挖 坑 機 為 一 拖 拉 機 配 套 , 用 于 砂 土 、 黃 土 、 黑 土 、 紅 粘 土 等 無 大 塊 石 頭 和 樹 根 的 多 種 土 壤 的 平 地 或 山 地 坡 度 在 以 下 種 植 果 樹 、 楊 樹 、 松 樹 等 樹 木 的 挖 坑 作 用 。 使 用 中 的 注 意 事 項 初 次 使 用 時 變 速 箱 內 應 加 注 齒 輪 油 , 其 油 面 高 度 應 不 低 于 小 齒 輪 直 徑 的 , 并 且 每 工 作 巧 檢 查 次 變 速 箱 的 油 量 萬 向 節(jié) 應 注 黃 油 。 作 業(yè) 過 程 中 限 定 拖 拉 機 駕 駛 員 人 操 作 , 變 速 箱 上 不 準 站 人 , 以 保 證 作 業(yè) 安 全 刀 片 螺 栓 應 隨 時 檢 查 緊 固 , 鉆 頭 達 到 作 業(yè) 深 度 后 , 應 控 制 鉆 頭 慢 慢 升 起 , 以 利 于 螺 旋 片 將 坑 內 的 余 土 逐 漸 地 排 出 坑 外 。 拖 拉 機 懸 掛 挖 坑 機 長 距 離 行 走 時 , 應 將 機 具 升 到 最 大 高 度 , 鎖 住 油 缸 , 慢 速 行 駛 , 以 免 挖 坑 機 與 地 面 硬 揚 相 碰 損 壞 機 具 。 生 產 試 驗 從 年 月 到 年 月 共 研 制 樣 機 臺 , 在 朝 陽 縣 的 王 營 子 鄉(xiāng) 。 十 二 臺 鄉(xiāng) , 建 平 縣 農 機 推 廣 站 , 盤 錦 市 農 機 推 廣 站 , 河 北 省 滄 州 市 林 業(yè) 局 等 地 區(qū) 累 計 進 行 了 約 獷 地 萬 個 坑 的 試 驗 。 其 機 具 作 業(yè) 性 能 良 好 , 能 夠 滿 足 植 樹 造 林 的 技 術 要 求 , 深 受 林 業(yè) 部 門 和 農 民 的 歡 迎 。 該 機 適 應 性 好 , 結 構 緊 湊 , 體 積 小 , 生 產 效 率 高 , 使 用 可 靠 , 調 整 維 修 方 便 , 主 要 性 能 指 標 和 作 業(yè) 質 量 均 達 到 設 計 要 求 , 很 適 合 植 樹 造 林 的 需 要 , 具 有 良 好 的 推 廣 價 值 。 一 一 ? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第 卷 第 期 年 月 森 林 工 程 側 吸 汀 , 一 類 挖 坑 機 械 鉆 頭 橫 向 振 動 系 統(tǒng) 的 最 優(yōu) 控 制 問 題 孟 慶 華 ‘ , , 于 建 國 “ , 鮑 春 雨 ‘ 天 津 體 育 學 院 , 天 津 東 北 林 業(yè) 大 學 , 哈 爾 濱 摘 要 建 立 了 一 類 挖 坑 機 械 鉆 頭 橫 向 振 動 系 統(tǒng) 的 數 學 模 型 , 并 以 阻 尼 函 數 作 為 拉 制 變 童 , 研 究 了 該 系 統(tǒng) 的 最 優(yōu) 控 制 問 題 , 得 出 兩 個 定 理 。 關 鍵 詞 挖 坑 機 械 橫 向 振 動 數 學 模 型 最 優(yōu) 控 制 中 圖 分 類 號 夕 文 獻 標 識 碼 文 章 編 號 一 一 叨 一 川 功 眾 毋 飛 呢 婦 , ’ , 田 七 , 邵 幻 斗 , , 氏 。 扣 鄧 司 別 , 萬 介 卿 , 祖 司 司 訪 哪 助 司 眼 呢 拍 面 , 叩 哪 的 、 長 《 川 既 瀏 叩 統(tǒng)‘系男 引 言 當 前 , 利 用 數 學 模 型 動 態(tài) 地 研 究 機 械 振 動 系 統(tǒng) 的 設 計 與 控 制 問 題 是 很 有 應 用 意 義 的 , 文 獻 〔 」 中 借 助 泛 函 分 析 和 算 子 半 群 理 論 研 究 了 彈 性 機 器 人 系 統(tǒng) , 并 證 明 了 描 述 該 系 統(tǒng) 的 發(fā) 展 方 程 在 一 定 條 件 下 存 在 唯 一 解 。 本 文 在 文 獻 〔 〕 基 礎 上 , 討 論 了 一 類 挖 坑 機 械 鉆 頭 橫 向 振 動 系 統(tǒng) 的 動 力 學 模 型 , 并 通 過 把 阻 尼 函 數 當 作 控 制 變 量 , 利 用 空 間 幾 何 性 質 證 明 了 動 力 學 方 程 支 配 的 挖 坑 機 械 鉆 頭 橫 向 振 動 系 統(tǒng) 存 在 唯 一 最 優(yōu) 控 制 元 。 鉆 頭 橫 向 振 動 系 統(tǒng) 數 學 模 型 基 本 假 設 鉆 頭 與 土 壤 相 互 作 用 的 橫 向 分 力 分 解 為 、 。 在 研 究 橫 向 振 動 時 , 不 考 慮 縱 向 和 扭 轉 振 動 影 響 。 不 考 慮 鉆 軸 產 生 彎 曲 的 影 響 。 鉆 頭 橫 向 振 動 分 解 為 水 平 面 上 、 兩 個 方 向 分 量 來 研 究 。 數 學 模 型 式 中 , 為 鉆 頭 質 量 , , 為 、 兩 方 向 阻 尼 系 數 函 數 瓦 , , 為 、 兩 方 向 側 向 剛 度 , , 為 、 兩 方 向 鉆 頭 與 土 壤 之 間 作 用 力 。 令 〔 , , 〔 二 , 無 , 丁 , · 卜 洲 , · 卜 噴 川 耐 可 以 寫 成 下 述 方 程 玄 , 玄 耐 二 全 , 夕 氣 歲 人 夕 夕 , 法 , 夕 二 其 中 , 藝 主 , 夕 , 藝 全 , 夕 , 「 , 夕 狀 態(tài) 空 間 設 , 取 阮 場 空 間 丫 , , , 為 控 制 空 間 , 記 嘰 呀 · , 簇 鎮(zhèn) 稱 認 己 為 系 統(tǒng) 方 程 的 允 許 控 制 集 。 任 取 任 比 代 人 方 程 求 得 解 記 為 , 。 這 里 , 任 , , 且 各 分 量 為 一 階 可 微 函 數 。 在 實 際 模 擬 試 驗 中 測 得 需 達 到 的 穩(wěn) 定 狀 態(tài) 量 為 ’ , 系 統(tǒng) 的 最 優(yōu) 控 制 問 題 是 尋 求 二 收 稿 日 期 一 一 第 一 作 者 簡 介 孟 慶 華 一 , 女 , 黑 龍 江 省 雞 西 人 , 博 士 研 究 生 講 師 , 研 究 方 向 系 統(tǒng) 穩(wěn) 定 性 和 數 學 建 模 及 系 統(tǒng) 仿 真 。 呱 , , 使 得 。 其 中 指 標 函 數 定 義 如 下 運 以 七 叭 司 之 、 ‘ ‘ ” 一 , 一 ‘ ? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 森 林 工 程 第 卷 叫 系 統(tǒng) 方 程 的 最 優(yōu) 控 制 元 , · 為 中 的 歐 氏 范 數 。 證 明 定 理 設 如 系 統(tǒng) 方 程 式 給 出 , 則 是 〔 不 以 上 的 嚴 格 凸 函 數 。 證 明 對 任 意 的 , 呱 , 半 , 久 , 有 , ,二 一 , 一 ,, 才 , 一 一 , 一 ’ ’ 、 量 記 從 二 , 十 , 則 由 式 知 , 對 任 意 任 從 號 易 知 從 亦 弱 收 斂 于 。 , 由 解 對 控 制 參 數 的 連 續(xù) 依 賴 性 與 式 知 為 關 于 的 連 續(xù) 泛 函 , 從 而 對 上 述 。 , 存 在 占 , 當 。 一 】 占 時 , 有 又 、 。 、 一 ‘ 一 。 冬 ‘ 一 入 。 一 ’ 對 上 述 占 , 由 引 理 知 , 存 在 幾 , 廣,‘ 一一 鎮(zhèn) “ , 圖 從 一 , 使 得 ‘ ‘ ” ‘ ’ ‘ “ 一 “ , 一 ‘ 習 幾 從 一 。 占 “ 由 , 式 , 并 注 意 到 的 凸 性 , 我 們 得 。 。 。 一 。 。 一 習 從 習 。 從 幾 義 一 , 一 ￡一 鎮(zhèn) 萬 , 一 久 引 理 〕 一 叮 二 自 反 空 間 的 單 位 閉 球 是 弱 自 列 緊 的 。 引 理 川 設 為 線 性 賦 范 空 間 , , 仁 弱 收 斂 于 , 則 對 任 意 。 , 存 在 “ ‘ ‘ , , , 一 , ‘哥 “ , 二 ‘ , 使 得 藝 “ 磯 號 二 號 客 。 一 。 哥 ‘ 、 廠 。 毛 “ 。 定 理 對 于 穩(wěn) 定 狀 態(tài) 量 ’ , 存 在 唯 一 的 呀 由 , 使 得 。 。 “ 任 與 證 明 由 式 易 知 心 是 自 反 空 間 的 有 界 閉 凸 集 , 若 , 是 以 心 中 式 的 極 小 化 序 列 , 即 由 。 的 任 意 性 , 得 。 , 由 的 嚴 格 凸 性 知 。 是 唯 一 的 。 結 論 通 過 以 上 證 明 可 以 得 出 , 當 阻 尼 函 數 作 為 控 制 變 量 時 , 挖 坑 機 械 鉆 頭 橫 向 振 動 系 統(tǒng) 存 在 最 優(yōu) 控 制 元 , 這 對 挖 坑 機 械 工 作 效 率 的 提 高 具 有 指 導 意 義 和 應 用 價 值 , 由 于 影 響 鉆 頭 動 力 學 性 能 的 因 素 十 分 復 雜 , 有 些 問 題 目 前 還 難 以 掌 握 。 因 此 , 本 文 在 分 析 中 仍 然 是 在 一 定 的 假 設 條 件 基 礎 上 下 進 行 的 , 還 有 待 于 今 后 進 一 步 的 研 究 。 參 考 文 獻 】 黑 。 一 “ 卿 一 由 引 理 可 知 從 , 中 可 選 出 弱 收 斂 的 子 列 仁 , , 設 其 弱 收 斂 。 任 嘰 , 即 黑 、 。 。 弱 收 斂 , 由 式 對 任 意 。 , 存 在 任 , 當 時 , 有 〔 王 輝 一 類 機 器 人 系 統(tǒng) 的 最 優(yōu) 控 制 , 數 學 的 實 踐 與 認 識 〔 〕 , 一 〔 」 王 麗 潔 , 何 雷 一 類 彈 性 振 動 系 統(tǒng) 的 控 制 問 題 , 數 學 的 實 踐 與 認 識 〕 , 一 〔 孟 慶 華 , 王 輝 受 霉 素 影 響 的 單 群 系 統(tǒng) 的 最 優(yōu) 控 制 問 題 哈 爾 濱 理 工 大 學 學 報 〔 」 即 , 一 【 張 恭 慶 , 林 源 渠 泛 函 分 析 講 義 上 冊 〔 北 京 大 學 出 版 社 , 責 任 編 輯 肖 生 靈 〕 ? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 受 扭 鋼 絲 軟 軸 的 強 度 及 剛 度 計 算 X 何 天 淳 1 , 姚 文 斌 2 (1. 昆 明 理 工 大 學 ,云 南 昆 明 650093 ; 2. 昆 明 理 工 大 學 建 筑 工 程 學 院 ,云 南 昆 明 650093) 摘 要 : 將 鋼 絲 軟 軸 看 作 由 許 多 直 徑 不 同 的 螺 旋 鋼 絲 疊 套 在 一 起 組 成 的 彈 簧 鋼 絲 簇 . 再 將 螺 旋 鋼 絲 簡 化 為 受 力 矩 作 用 的 曲 桿 ,根 據 曲 桿 理 論 ,導 出 了 單 層 扭 轉 螺 旋 彈 簧 鋼 絲 的 應 力 及 變 形 公 式 . 文 中 探 討 了 為 保 證 鋼 絲 軟 軸 的 正 常 工 作 ,并 同 時 發(fā) 揮 各 層 螺 旋 彈 簧 鋼 絲 的 作 用 ,各 層 鋼 絲 幾 何 參 數 應 滿 足 的 條 件 ,并 最 終 獲 得 了 鋼 絲 軟 軸 的 應 力 和 變 形 公 式 . 關 鍵 詞 : 鋼 絲 軟 軸 ;彈 簧 ;強 度 ;剛 度 ;應 力 ;變 形 中 圖 分 類 號 :O346 文 獻 標 識 碼 :A 文 章 編 號 :1007 - 855X(2000) 04 - 050 - 06 0 引 言 鋼 絲 軟 軸 由 于 其 具 有 良 好 的 撓 性 及 抗 沖 擊 性 ,因 而 被 廣 泛 應 用 于 可 移 式 機 械 化 工 具 、 混 凝 土 振 動 器 、 砂 輪 機 、 醫(yī) 療 器 械 以 及 里 程 表 、 遙 控 儀 等 傳 動 中 . 鋼 絲 軟 軸 通 常 是 由 二 組 或 多 組 不 同 直 徑 的 鋼 絲 分 層 纏 繞 而 成 (如 圖 1) . 卷 繞 時 ,把 幾 根 鋼 絲 并 排 地 緊 密 纏 繞 在 芯 桿 上 ,且 相 鄰 兩 層 鋼 絲 的 旋 向 相 反 . 繞 完 后 ,可 將 芯 桿 抽 出 ,也 可 保 留 . 最 外 層 鋼 絲 的 旋 向 為 左 旋 的 稱 為 左 旋 軟 軸 ,為 右 旋 的 稱 為 右 旋 軟 軸 . 在 傳 遞 動 力 (扭 矩 )時 ,其 轉 動 方 向 必 須 與 最 外 層 鋼 絲 的 旋 向 相 反 . 圖 1 鋼 絲 軟 軸 的 繞 制 長 期 以 來 ,鋼 絲 軟 軸 設 計 計 算 往 往 根 據 粗 略 的 經 驗 方 法 . 有 關 設 計 手 冊 均 未 給 出 軟 軸 鋼 絲 的 應 力 強 度 條 件 及 變 形 剛 度 條 件 ,至 于 軟 軸 各 層 鋼 絲 幾 何 參 數 之 間 的 關 系 及 結 構 的 優(yōu) 化 等 問 題 幾 乎 未 見 相 關 研 究 和 報 道 . 顯 然 ,研 究 受 扭 鋼 絲 軟 軸 的 應 力 和 變 形 ,將 是 鋼 絲 軟 軸 的 科 學 設 計 計 算 理 論 的 重 要 前 提 條 件 . 根 據 鋼 絲 軟 軸 的 結 構 特 點 ,筆 者 將 鋼 絲 軟 軸 看 成 是 由 兩 個 (或 多 個 ) 直 徑 不 同 的 圓 柱 螺 旋 鋼 絲 疊 套 在 一 起 組 合 而 成 的 彈 簧 鋼 絲 簇 ,且 近 似 認 為 各 層 螺 旋 鋼 絲 之 間 不 產 生 相 互 擠 壓 和 摩 擦 . 這 樣 受 扭 鋼 絲 軟 軸 的 計 算 問 題 實 質 上 就 簡 化 為 螺 旋 鋼 絲 受 扭 矩 作 用 下 的 強 度 、 剛 度 的 計 算 問 題 . 1 受 扭 圓 柱 螺 旋 鋼 絲 的 應 力 及 變 形 分 析 為 便 于 研 究 ,取 單 層 圓 柱 螺 旋 鋼 絲 分 析 ,將 螺 旋 彈 簧 鋼 絲 簡 化 為 受 力 矩 作 用 的 曲 桿 來 考 慮 . 1. 1 單 層 螺 旋 彈 簧 鋼 絲 應 力 及 變 形 的 近 似 計 算 圖 2 為 一 承 受 扭 矩 M 的 螺 旋 彈 簧 鋼 絲 . 取 鋼 絲 的 任 意 剖 面 B — B ,扭 矩 M 對 此 剖 面 作 用 的 載 荷 為 一 第 25 卷 第 4 期 昆 明 理 工 大 學 學 報 Vol. 25 No. 4 2000 年 8 月 Journal of Kunming Unversity of Science and Technology Aug. 2000 X 收 稿 日 期 :1999 - 09 - 25 第 一 作 者 簡 介 :何 天 淳 ,男 ,1953 年 9 月 生 ,博 士 后 ,教 授 ;主 要 研 究 方 向 :工 程 力 學 ,計 算 力 學 ,材 料 微 觀 機 理 研 究 ? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 引 起 彎 曲 應 力 的 力 矩 M cosα 及 一 引 起 扭 轉 剪 應 力 的 扭 矩 T = M sinα . 因 α 很 小 ,故 T 的 作 用 可 以 忽 略 不 計 . 而 M cosα ≈ M ,即 鋼 絲 剖 面 上 的 應 力 ,可 以 近 似 地 按 受 彎 矩 的 梁 來 計 算 ,其 最 大 彎 曲 應 力 及 變 形 為 : σ max = MW = 10. 2 Md3 (1) W — 圓 形 鋼 絲 抗 彎 載 面 模 量 , W = π d 3 32 ≈ 0. 1 d 3 . 扭 轉 鋼 絲 承 載 時 的 變 形 以 其 角 位 移 來 測 定 ,即 φ = 180 MD2 nEI (2) D2 — 螺 旋 彈 簧 中 徑 , n — 鋼 絲 圈 數 , I — 慣 性 矩 . 扭 轉 剛 度 為 : K = Mφ = EI180 D 2 n = Ed 4 3 670 D2 n (3) 圖 2 螺 旋 鋼 絲 的 受 力 圖 圖 3 受 彎 矩 作 用 的 曲 桿 1. 2 螺 旋 鋼 絲 的 精 確 計 算 理 論 1. l 的 計 算 結 果 未 考 慮 螺 旋 鋼 絲 的 升 角 和 曲 率 的 影 響 ,因 而 不 能 直 接 用 來 計 算 鋼 絲 的 應 力 和 變 形 . 為 獲 得 其 真 實 應 力 及 變 形 ,將 螺 旋 鋼 絲 視 為 小 變 形 曲 桿 ,如 圖 3 所 示 . 考 察 單 元 體 abcd ,從 純 彎 曲 的 曲 桿 中 取 出 相 鄰 截 面 則 ad 及 bc ,此 二 截 面 間 的 夾 角 為 dφ ,設 曲 桿 中 心 線 半 徑 為 r , 其 中 性 軸 半 徑 為 r0 ,那 么 ,距 中 性 層 為 y 的 任 一 纖 維 1 — 1 的 原 長 為 ( r0 - y) dφ ,于 是 1 — 1 纖 維 的 應 變 是 : ε = y △ (dφ )( r 0 - y) dφ (4) 忽 略 徑 向 應 變 ,即 認 為 各 纖 維 處 于 單 向 應 力 狀 態(tài) ,故 任 一 纖 維 層 的 應 力 為 : ·15·第 4 期 何 天 淳 ,姚 文 斌 : 受 扭 鋼 絲 軟 軸 的 強 度 及 剛 度 計 算 ? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. σ = Ey △ (dφ )( r 0 - y) dφ (5) 從 這 個 方 程 可 以 看 出 :纖 維 的 應 變 和 應 力 與 纖 維 至 中 性 層 的 距 離 y 成 雙 曲 線 關 系 . (5) 式 還 不 能 直 接 用 來 計 算 正 應 力 ,因 為 ( r0 - y) 和 △ (dφ ) / dφ 尚 未 確 定 . 考 慮 靜 力 學 條 件 ,有 : ∫ σ d A = E △ (dφ )dφ ∫ yd Ar0 - y = 0 (6) d A 一 單 元 面 積 . M =∫ σ yd A = E △ (dφ )dφ ∫ y 2d A r0 - y = E △ d A dφ ∫ yd A (7) 由 (7) 式 有 : E △ (dφ ) dφ = M Ae (8) 代 入 (5) 式 得 : σ = M yAe ( r 0 - y) (9) 對 于 圓 截 面 螺 旋 鋼 絲 ,最 大 應 力 出 現 在 r0 - y = r1 處 , 故 σ max = M ( r0 - r1)Aer 1 (10) 設 鋼 絲 截 面 直 徑 為 d ,則 由 (10) 式 得 : 圖 4 鋼 絲 截 面 圖 σ max = M ( d/ 2 - e)Ae ( r - d/ 2) (11) 上 式 中 e 值 待 定 ,為 求 e ,將 y = r0 - r1 代 入 方 程 (6) 則 ∫ r0 - r1r 1 d A = 0 (12) 由 (12) 式 得 : A =∫ r0r 0 - y d A (13) 由 圖 4 有 : y = d2 sinα - e , d y = d2 cosα dα , d A = d 2 2 cos 2α dα 代 入 (13) 式 得 : A =∫ π / 2 - π / 2 D2/ 2 - e D2 - dsinα d 2cos2α dα (14) 積 分 得 : A = π D2 - D22 - d2 D22 - e (15) 從 而 e = D24 - 14 D22 - d2 (16) 將 e 值 代 入 (11) 式 并 整 理 得 : σ max = 32 Mπ d3 · dD 2 · 2 dD 2 - 1 + 1 - dD 2 2 4 1 - dD 2 1 - 1 - d D2 2 (17) 令 λ = dD 2 ,由 (17) 式 得 : ·25· 昆 明 理 工 大 學 學 報 第 25 卷 ? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. σ max = 32 Mπ d3 · 2 + 2 1 - λ 2 - λ 4 (1 - λ ) (18) 因 λ = dD 2 ,當 d n D2 時 ,λ 較 小 ,略 去 高 階 微 量 ,則 1 - λ 2 = 1 - λ 2 2 代 入 (18) 式 得 σ max = 32 Mπ d3 · 4 - λ - λ 2 4 (1 - λ ) (19) 令 c = 1λ = D2d , 則 由 (19) 式 得 : σ max = K1 · 32 Mπ d3 (20) 這 里 , K1 = 4 c 2 - c - 1 4 c ( c - 1) 稱 為 修 正 系 數 , c 為 旋 繞 比 . 相 應 地 ,螺 旋 鋼 絲 的 變 形 為 : φ =∫ l 0 M EI ds (21) l 為 螺 旋 鋼 絲 全 長 , l = π D2 n. 故 φ = 64 MD2 nEd4 (rad) (22a) φ ° = 3 670 MD2 nEd4 (° ) (22b) 扭 轉 剛 度 為 : K = Mφ ° = Ed 4 3 670 D2 n (23) 2 鋼 絲 軟 軸 的 強 度 、 剛 度 計 算 如 前 所 述 ,將 鋼 絲 軟 軸 視 為 螺 旋 鋼 絲 彈 簧 簇 . 為 保 證 其 正 常 工 作 ,并 充 分 發(fā) 揮 各 層 螺 旋 鋼 絲 的 作 用 , 應 使 它 滿 足 以 下 幾 個 基 本 要 求 . (1) 各 層 鋼 絲 受 扭 矩 之 和 應 等 于 總 的 外 加 扭 矩 ,即 M = M 1 + M 2 + … + M i + … + M m = ∑ m i = 1 M i (24a) (2) 各 層 鋼 絲 端 部 的 扭 轉 變 形 角 應 相 等 φ ° 1 = φ ° 2 = … = φ ° i = … = φ ° m (24b) (3) 各 層 鋼 絲 的 應 力 應 相 等 σ 1 = σ 2 = … = σ i = … = σ m (24c) (4) 各 層 鋼 絲 的 并 緊 長 度 相 等 Hb = n1 d1 = n2 d2 = … = nm dm (24d) 根 據 以 上 關 系 ,可 計 算 出 組 合 螺 旋 鋼 絲 中 每 層 鋼 絲 所 受 的 扭 矩 ,然 后 再 進 行 各 層 鋼 絲 其 它 參 數 的 計 算 . 以 下 推 導 鋼 絲 軟 軸 的 應 力 及 變 形 . 設 鋼 絲 軟 軸 共 有 m 層 螺 旋 鋼 絲 ,第 i 層 鋼 絲 由 Zi 根 相 同 直 徑 的 鋼 絲 并 排 緊 密 纏 繞 而 成 . 將 (22a) 代 入 (24b) ,則 有 : 64 M 1 D21 n1 Ed41 = 64 M 2 D22 n2 Ed42 = … = 64 M mD2 m nm Ed4m = φ (25) M m 為 第 m 層 螺 旋 鋼 絲 每 根 鋼 絲 所 受 彎 矩 . 注 意 到 : Z1 n1 d1 = Z2 n2 d2 = … = Zm nm dm = Hb (25a) ·35·第 4 期 何 天 淳 ,姚 文 斌 : 受 扭 鋼 絲 軟 軸 的 強 度 及 剛 度 計 算 ? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 及 Z1 M 1 + Z2 M 2 + … + Zm M m = M (25b) 由 此 得 : M i = d 5 i ZiM D2 i ∑ m j = 1 Z2j d5j D2 j (25c) 從 而 得 第 i 層 螺 旋 鋼 絲 的 彎 曲 應 力 σ i = Ki 32 d 2 i Zi M π D2 i ∑ m j = 1 Z2j d5j D2 j (25d) 將 (25c) 代 入 (25) ,則 得 鋼 絲 軟 軸 端 部 的 扭 轉 角 為 : φ = 64 HbM E ∑ m j = 1 Z2j d5j Dj (25e) 鋼 絲 軟 軸 的 扭 轉 剛 度 為 : K = Mφ = E ∑ m j = 1 Z2j d5j D2 j 64 Hb (25f) 鋼 絲 軟 軸 的 強 度 、 剛 度 條 件 為 : max{σ 1 ,σ 2 , … ,σ m } ≤ [σ ] , 3 670 M E ∑ m j = 1 Z2j d5j D2 j ≤ [φ ° ] 這 里 [φ ° ] 為 軟 軸 單 位 長 度 的 許 用 扭 轉 角 . 如 鋼 絲 軟 軸 中 各 根 鋼 絲 滿 足 等 強 度 條 件 ,則 K1 32 M 1π d3 1 = K2 32 M 2π d3 2 = … = Km 32 M mπ d3 m = σ (26) (25) ÷ (26) 得 : 2π D21 n1 K1 d1 E = 2π D22 n2 K2 d2 E = … 2π D2 m nm Km dm E = φ σ (27) 故 d2i = 4ξ D2 i (28) 這 里 ,ξ = π Hbσ2 K i Zi Eφ . 若 Ki 變 化 不 大 ,即 K1 = K2 = … = Km = K ,則 ξ = π σ Hb2 Kφ Z i E (28) 式 表 明 ,為 滿 足 等 強 度 條 件 ,鋼 絲 軟 軸 中 各 鋼 絲 層 的 材 料 截 面 直 徑 與 其 對 應 的 中 徑 必 須 滿 足 拋 物 線 關 系 . 在 設 計 時 ,先 假 定 旋 繞 比 C ,然 后 按 下 式 計 算 軟 軸 中 各 層 鋼 絲 直 徑 : di = 2π Hb[σ ] CE[φ ] Z i Ki 再 計 算 其 它 幾 何 尺 寸 . 3 算 例 分 析 混 凝 土 振 動 器 鋼 絲 軟 軸 外 徑 D0 = 12. 3 mm ,該 軟 軸 由 四 層 相 同 材 料 的 細 鋼 絲 纏 繞 而 成 , E = 205 GPa ,各 層 纏 繞 的 鋼 絲 根 數 為 : Z1 = 3 , Z2 = 2 , Z3 = Z4 = 5 ,其 它 幾 何 參 數 為 : 軟 軸 取 樣 長 度 Hb = 120 ·45· 昆 明 理 工 大 學 學 報 第 25 卷 ? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. mm , d1 = 0. 8 mm , d2 = d3 = d4 = 1. 65 mm , D21 = 1. 6 mm , D22 = 4. 05 mm , D23 = 7. 35 mm , D24 = 10. 65 mm ,當 鋼 絲 軟 軸 在 扭 轉 試 驗 機 上 加 載 至 M = 6. 0 Nm 時 鋼 絲 軟 軸 開 始 屈 服 ,此 時 實 測 軟 軸 二 端 扭 轉 角 為 φ 測 = 145° . 由 (25d) 式 計 算 各 層 鋼 絲 的 彎 曲 應 力 為 :σ 1 = 1. 415 621 × 103 MPa ,σ 2 = 1. 410 925 × 103 MPa ,σ 3 = 1. 614 564 × 103 MPa ,σ 4 = 1. 048 897 × 103 MPa ,由 (25e) 式 算 出 的 扭 轉 角 為 φ = 152. 982 7° ,抗 扭 剛 度 K = 0. 269 294 4 Nm2 . 從 以 上 計 算 結 果 可 知 ,鋼 絲 軟 軸 第 三 層 彎 曲 應 力 最 大 ,第 一 層 、 第 二 層 次 之 ,第 四 層 彎 曲 應 力 最 小 . 扭 轉 破 壞 試 驗 結 果 表 明 :軟 輪 鋼 絲 首 先 從 第 三 層 破 壞 ,隨 后 因 承 載 能 力 下 降 ,第 二 層 ,第 一 層 鋼 絲 隨 之 斷 裂 . 經 測 定 直 徑 d = 1. 65 mm 的 鋼 絲 屈 服 強 度 σ s = 1. 50 × 103 MPa ,抗 拉 強 度 σ b = 1. 75 × 103 MPa ,而 直 徑 d = 0. 8 mm的 鋼 絲 屈 服 強 度 σ s = 1. 70 × 103 MPa ,抗 拉 強 度 σ b = 2. 01 × 103 MPa ,與 本 文 結 果 基 本 吻 合 . 此 外 ,軟 軸 屈 服 時 測 試 扭 轉 角 與 試 驗 角 也 能 吻 合 . 由 此 說 明 本 文 方 法 的 正 確 性 . 4 結 論 (1) 本 文 研 究 雖 未 考 慮 各 層 鋼 絲 之 間 的 相 互 摩 擦 和 擠 壓 ,但 計 算 結 果 與 實 測 結 果 基 本 符 合 ,能 滿 足 軟 軸 設 計 計 算 的 要 求 ; (2) 通 過 以 上 分 析 ,為 深 入 研 究 軟 軸 的 優(yōu) 化 設 計 及 其 它 力 學 參 數 (如 抗 彎 剛 度 、 抗 扭 剛 度 等 ) 奠 定 了 基 礎 ; (3) 本 文 結 果 只 適 用 于 線 彈 性 范 圍 ,軟 軸 的 大 變 形 及 塑 性 分 析 尚 待 研 究 . 參 考 文 獻 : [1 ] 蘇 翼 林 . 材 料 力 學 . 北 京 :高 等 教 育 出 版 社 ,1979. 215～ 220. [2 ] [美 ]A· M· 沃 爾 . 機 械 彈 簧 . 譚 惠 民 等 譯 . 北 京 :國 防 工 業(yè) 出 版 社 ,1981. 335～ 339. [3 ] 徐 灝 . 新 編 機 械 設 計 師 手 冊 . 北 京 :機 械 工 業(yè) 出 版 社 ,1995. 1280～ 1300. Calculation of Strength and Stiffness of Flexiable Shaft Subjected to a Twisting Moment HE Tian - chun1 , YAO Wen - bin2 (1. Kunming University of Science and Technology , Kunming 650093 ,China ; 2. The Faculty of Architectural Engineering , Kunming University of Science and Technology , Kunming 650093 ,China) Abstract : Flexiable wire shaft may be considered as helical wire cluster composed of a number of different di2 ameters cylinder helical wire. Then the belical wire may be considered essentially as a curved bar subjected to a bending moment . According to the results of curved bar theory ,the formula of stress and deformation of heli2 cal torsion steel wire of single layer are produced. To assure smoothly work of flexiable shaft and make good use of each layer steel wire , the satisfied conditions of geometry parameters are given. Finally , the formula of stress and deformation of flexiable are obtained. Key words :flexiable shaft ; helical wire ; strength ; stress ;deformation ·55·第 4 期 何 天 淳 ,姚 文 斌 : 受 扭 鋼 絲 軟 軸 的 強 度 及 剛 度 計 算