曲柄滑塊機(jī)構(gòu)課程設(shè)計(jì)-煤巖截割實(shí)驗(yàn)臺(tái)刀架移動(dòng)裝置詳解

遼寧工程技術(shù)大學(xué)課程設(shè)計(jì)題目：煤巖截割實(shí)驗(yàn)臺(tái)刀架水平移動(dòng)

裝置設(shè)計(jì)班 級(jí)： 機(jī)械09-4班姓 名： 王星博指導(dǎo)教師： 康曉敏完成日期： 2013.1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)課程設(shè)計(jì) 煤巖截割實(shí)驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介對(duì)于煤巖截割實(shí)驗(yàn)臺(tái)的工作，首先要知道有關(guān)煤巖的部分性質(zhì)。煤巖的物理性質(zhì)主要是指容重、濕度、松散性、孔隙性、導(dǎo)電性和熱脹性以及穩(wěn)定性等，煤巖的機(jī)械性質(zhì)是指煤巖體受到機(jī)械施加的外力時(shí)所表現(xiàn)的性質(zhì)。在破碎煤巖時(shí)，可借助于煤巖的機(jī)械性質(zhì)選擇對(duì)煤巖體作用力的形式、破巖工具的種類和形狀等。煤巖的機(jī)械性質(zhì)主要指標(biāo)有強(qiáng)度、硬度、接觸強(qiáng)度、彈塑性和脆性、堅(jiān)硬度、截割阻抗、摩擦與磨蝕性等。切削破巖機(jī)理：采掘機(jī)械，如滾筒采煤機(jī)、刨煤機(jī)、部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)等都是用刀具截割破碎煤巖切削破落煤巖的過程，流行的機(jī)理學(xué)說主要有楔裂說、剪裂說、密實(shí)核說、斷裂力學(xué)說和剪切變形說等。壓實(shí)核形成的原因是截齒排屑時(shí)，前刃面上的摩擦力大于排屑力，阻礙排屑而形成壓實(shí)核。若使壓實(shí)核的體積最小，可視破煤過程是最優(yōu)的。截齒的形狀：若壓實(shí)核的體積與同時(shí)被破碎的體積之比達(dá)到最小，破碎過程也是最優(yōu)的，低速?gòu)?qiáng)力截割，采下大塊煤。目前，國(guó)內(nèi)采煤機(jī)滾筒大多靠經(jīng)驗(yàn)、類比進(jìn)行設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)方法容易導(dǎo)致2個(gè)極端：設(shè)計(jì)強(qiáng)度過大，會(huì)引起其他相關(guān)部件體積增大，使得整機(jī)龐大，造成資源浪費(fèi)；設(shè)計(jì)強(qiáng)度不夠，使整臺(tái)機(jī)器容易損壞。從設(shè)計(jì)角度考慮，滾筒所受載荷是設(shè)計(jì)的依據(jù)，根據(jù)載荷大小選定滾筒驅(qū)動(dòng)功率，進(jìn)而確定采煤機(jī)其他參數(shù)。但是，采煤機(jī)滾筒截割過程極其復(fù)雜，工作環(huán)境相當(dāng)惡劣，并限于測(cè)試儀器的防爆要求，采煤機(jī)滾筒載荷的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定始終是一個(gè)難以解決的問題；而進(jìn)行地面的整機(jī)試驗(yàn)，所用采煤機(jī)、假煤壁及配套設(shè)備要花費(fèi)大量資金，進(jìn)行一次試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，且建造試驗(yàn)場(chǎng)所要占用大量場(chǎng)地，因而對(duì)于一般科研單位難度很大。為開展煤巖截割理論、滾筒截割性能、載荷特性的研究，筆者研制了截割試驗(yàn)臺(tái)。截割試驗(yàn)臺(tái)包括主傳動(dòng)、輔助傳動(dòng)和測(cè)試系統(tǒng)部分,采用滾筒旋轉(zhuǎn)、煤壁移動(dòng)的方式來模擬井下采煤機(jī)工作過程。2選題分析目的實(shí)現(xiàn)煤巖截割實(shí)驗(yàn)臺(tái)刀架的水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而使刀架可以在不同的水平位置對(duì)煤巖進(jìn)行截割。設(shè)計(jì)一裝置，將其與實(shí)驗(yàn)臺(tái)機(jī)架和刀架相連，通過驅(qū)動(dòng)，使刀架在水平位置上往復(fù)運(yùn)動(dòng)。預(yù)期實(shí)現(xiàn)功能動(dòng)力部分選擇圓周運(yùn)動(dòng)，則裝置應(yīng)符合圓周變直線的運(yùn)動(dòng)方式，從而可以在輸入端輸入圓周運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)刀架的水平直線運(yùn)動(dòng)。由于刀架需要在水平位置的任一位置截割，所以裝置應(yīng)滿足刀架的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。3實(shí)現(xiàn)的原理與方案方案選定為實(shí)現(xiàn)圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，可考慮如下幾種機(jī)構(gòu)：a齒輪-齒條運(yùn)動(dòng)利用輪齒之間的嚙合，在齒輪上輸入動(dòng)力，而使齒條進(jìn)行水平運(yùn)動(dòng)，調(diào)整齒輪旋轉(zhuǎn)方向，而實(shí)現(xiàn)齒條的運(yùn)動(dòng)方向b液壓傳動(dòng)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)由油泵和相關(guān)液壓元件，利用液體壓力能傳遞給油缸，通過雙作用液壓缸活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)刀架的水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)。c連桿機(jī)構(gòu)連桿機(jī)構(gòu)中的曲柄-滑塊機(jī)構(gòu)當(dāng)買足桿長(zhǎng)條件是，可通過曲柄的圓周運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)滑塊的水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)。除此之外，還可以用絲杠，電磁裝置等實(shí)現(xiàn)這一運(yùn)動(dòng)。在綜合考慮刀架質(zhì)量，刀架與導(dǎo)軌之間摩擦力以及實(shí)驗(yàn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)，選擇曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)刀架的水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)部分理想中采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，但由于電機(jī)轉(zhuǎn)速過快，若采用則還需要配套的減速機(jī)構(gòu)，增加成本，并且工作力不大，因此采用手動(dòng)驅(qū)動(dòng)完全可以滿足運(yùn)動(dòng)需要，通過在曲柄部分設(shè)計(jì)一個(gè)手柄，則可以實(shí)現(xiàn)裝置輸入端的手動(dòng)控制。機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)平面四連桿機(jī)構(gòu)當(dāng)滿足一定的桿長(zhǎng)條件時(shí)，便是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。如下圖所示圖3-3-1圖示為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)滑塊行程的兩個(gè)極點(diǎn)位置，設(shè)曲柄長(zhǎng)為a,連桿長(zhǎng)為b偏距為e,行程為s則當(dāng)a+e<b時(shí)，圖示四連桿構(gòu)成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。連桿機(jī)構(gòu)影響其運(yùn)動(dòng)性能的關(guān)鍵參數(shù)是傳動(dòng)角，輸出端受力方向與其速度方向的夾角為壓力角，壓力角的余角即為傳動(dòng)角，傳動(dòng)角越大，則連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能越好。所以應(yīng)使機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的最小傳動(dòng)角盡可能地取大。對(duì)于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來講，最小傳動(dòng)角取在曲柄與滑塊速度方向垂直的時(shí)候，傳動(dòng)角取得最小值，則可按最小傳動(dòng)角的最大值maxy條件設(shè)計(jì)偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。其狀態(tài)如下圖所示：圖3-3-2設(shè)支點(diǎn)為A,曲柄與連桿較接點(diǎn)位B,連桿與滑塊交接點(diǎn)為Co則A,B為轉(zhuǎn)動(dòng)副，C為轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副，即該圖示四連桿有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，和一個(gè)移動(dòng)副。根據(jù)需要設(shè)計(jì)成偏置結(jié)構(gòu)，擬定實(shí)驗(yàn)臺(tái)水平行程為1米，則通過《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)機(jī)構(gòu)》圖19-2-7,按最小傳動(dòng)角的最大取值設(shè)計(jì)偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)線圖查得：TOC\o"1-5"\h\za/ s = 0.4 6 5b/ s = 1 . 1 5 0e/ s = 0 . 3 7 8從而計(jì)算得出：a=465cmb=l150cm,e=378cm,最小傳動(dòng)角為43度。4運(yùn)動(dòng)分析與力學(xué)計(jì)算4.1整體分析如下圖所示為曲柄滑塊運(yùn)動(dòng)的一般位置。圖4-1-1當(dāng)人進(jìn)行手動(dòng)控制時(shí)，輸入端的角速度通過機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為輸出端的直線速度。1)由于實(shí)現(xiàn)的是刀架的水平位置改變，沒有速度要求，所以慢速即可?；瑝K輸出端所需的速度完全可以由人在輸入端控制。)刀架質(zhì)量較輕，且材料之間摩擦力較小，主動(dòng)力可由人力完成，人用手逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄對(duì)機(jī)構(gòu)輸入動(dòng)力。水平移動(dòng)式主要克服刀架與導(dǎo)軌之間的摩擦阻力，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表得摩擦系數(shù)為0.05。摩擦力f=umg=0.05*3000=150N。速度分析設(shè)x為滑塊從極遠(yuǎn)點(diǎn)向回移動(dòng)的距離，則由圖3-3-2和圖4-1-1分析可得：x=(ab)cos-acos：-bcos：兩個(gè)夾角和偏距滿足如下關(guān)系式：asinr；bsin:=ee-asin：=sin:二b由此得到兩個(gè)角度的關(guān)系，從而可得到關(guān)于X和a的函數(shù)式：=x=(ab)cos-a1-sin2--b.1-sin2:=(a+b)cos150-aS-sin口-bJ1-(e-asin")2bx的函數(shù)式對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，可得出速度的函數(shù)式，根據(jù)高等數(shù)學(xué)相關(guān)

知識(shí)得出下式:知識(shí)得出下式:-e-asin：dxdxd：a2sin：dxdxd：a2sin：cos： f dtd：dtb1-sin2：)'i2e-asin：)'i2e-asin：2[1一(b)從而的出曲柄輸入端角速度⑴和刀架水平運(yùn)動(dòng)速度v的關(guān)系式:,.a(e-sin二)cos二、二(asin )i1(…二)2當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行到圖3-3-2所示位置時(shí)，傳動(dòng)角取最小值,輸入端角速度最大⑴=v/a取刀架水平移動(dòng)速度v=1cm/s則⑴=0.02rad/s。人以0.02rad/s的角速度緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄，即可實(shí)現(xiàn)刀架的水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)。力學(xué)分析取曲柄和連桿夾角為8,a,B分別為曲柄與水平機(jī)架的夾角，連桿與水平機(jī)架的夾角。則B+(90-a)+8=908=a-0曲柄受力分析：曲柄所受阻力為工作阻力通過滑塊和連桿由曲柄-連桿較接點(diǎn)傳遞，將交接點(diǎn)對(duì)支點(diǎn)取矩，則曲柄彎矩可由下式確定：M=(f/cosB)*asin(a-0)由材料力學(xué)相關(guān)公式可得處抗彎截面系數(shù)，其值可由桿件寬h,桿件高b來確定：W=(b*h*h)16應(yīng)力(T=M/W桿件選用35號(hào)鋼，查表得(rB=540MPa6s=320MPa則由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表1-3得需用安全系數(shù)：[S]=1.4+[(0.593-0.55)*(1.8-1.4)]/(0.7-0.55)=1.51則需用應(yīng)力：[(T]=320/[S]=320/1.51=212MPa根據(jù)機(jī)構(gòu)整體布局和受力特點(diǎn)，初定桿寬h1=62mm桿高b1=12mm則根據(jù)公式，抗彎截面系數(shù)W=12*60*60/6=8533當(dāng)機(jī)構(gòu)處于最小壓力角位置，即圖3-3-2位置時(shí)，a=270B=90-ymin=47則sin(a-B)=sin223=0.68所以彎矩M1=150*0.456*0.68/cos47=69.8N.M(T=M1/W1=0.00818MPa<[b]滿足強(qiáng)度要求。桿件受集中載荷產(chǎn)生彎矩，不受扭矩作用，則由以上分析計(jì)算結(jié)果可得其彎矩圖：圖4-3-1曲柄彎矩圖同理可由經(jīng)驗(yàn)定連桿寬62mm高27mm5零件和連接的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)與設(shè)計(jì)裝置的整體結(jié)構(gòu)工作力較小，支點(diǎn)部分用一支座代替，其尺寸不必太大：底為一長(zhǎng)方體，長(zhǎng)162mm,寬36mm高50mm上方為一圓柱形較接口,外輪廓為一直徑為62mm的半圓柱筒與一長(zhǎng)62mm寬36mm高31mm的長(zhǎng)方體結(jié)合，中間開一直徑20mm的圓柱較接口。長(zhǎng)方體底的兩邊開有螺孔。具體尺寸詳見表4-5-1。支點(diǎn)與一長(zhǎng)方體底座用螺釘連接。底座長(zhǎng)558mm高75mm寬372mm=底座四角打有螺孔，具體尺寸見表5-5-1.支點(diǎn)與曲柄較接，曲柄可自由轉(zhuǎn)動(dòng)。曲柄另一端為手柄，操縱人員可通過轉(zhuǎn)動(dòng)手柄實(shí)現(xiàn)刀架的水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)。曲柄與連桿較接，連桿與滑塊相連，連接處為較接，滑塊為一長(zhǎng)方體，中間橫向開有軸孔，供銷軸穿過。四角開有螺孔，與刀架螺釘連接相關(guān)尺寸詳見表5-5-1和裝配圖紙。桿件結(jié)構(gòu)選擇對(duì)構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，如構(gòu)件兩轉(zhuǎn)動(dòng)副間距較大，則一般做成桿狀。根據(jù)需要，可做成具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的雙副桿，有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的三副桿。對(duì)桿件結(jié)構(gòu)的構(gòu)件應(yīng)盡量做成直桿，然而，有時(shí)由于某些特殊要求，如要求構(gòu)件與機(jī)器其他部件在運(yùn)動(dòng)中互不干涉，即不發(fā)生碰撞，也可將桿件做成彎桿等特殊形式。三副桿上三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副相對(duì)位置的布置方案有許多種，應(yīng)考慮構(gòu)件功用及其在機(jī)構(gòu)中承受載荷方式選擇一種有利的方案。當(dāng)連接的運(yùn)動(dòng)副中心構(gòu)成銳角三角形時(shí)，三副桿比較常用。當(dāng)連接的運(yùn)動(dòng)副中心構(gòu)成銳角三角形時(shí)，選用三角形桿件較好。如果三轉(zhuǎn)動(dòng)副中心間距AB=BC時(shí)，可以將中間轉(zhuǎn)動(dòng)副做成一個(gè)類似輪轂的結(jié)構(gòu)形式。通過實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)以及功能要求，我選擇具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的雙副桿件，這種桿件加工較容易，成本低廉，在人力操縱下，具備一定的強(qiáng)度可以保證裝置的可靠性。桿狀結(jié)構(gòu)的構(gòu)件根據(jù)它所受載荷與功能的差異有不同的橫截面，根據(jù)不同需要，其橫截面可做成矩形截面，圓柱形截面，工字形，U形，T形以及折邊形等。在許多情況下，構(gòu)件截面相對(duì)于截載荷來說尺寸是偏大的，這是為了減少變形，使構(gòu)件有足夠的剛度和一定的抗振能力，為了提高板材制成的構(gòu)件的抗彎剛度，可制成板材這邊結(jié)構(gòu)?？紤]到工作力較小，為降低加工難度，在這里我采用矩形截面。轉(zhuǎn)動(dòng)副整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，分別在支點(diǎn)與曲柄連接處，曲柄與連桿連接處和連桿與滑塊連接處。轉(zhuǎn)動(dòng)副可用滑動(dòng)軸承式轉(zhuǎn)動(dòng)副，滾動(dòng)軸承式轉(zhuǎn)動(dòng)副兩種?；瑒?dòng)軸承式轉(zhuǎn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，徑向尺寸較小，減振能力較強(qiáng)，但滑動(dòng)表面摩擦較大，所以在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)需要考慮潤(rùn)滑和摩擦。當(dāng)載荷較大時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)副的滑動(dòng)摩擦便面相對(duì)速度較高或運(yùn)動(dòng)換向時(shí)會(huì)導(dǎo)致磨損加劇，為了減少摩擦磨損，可以采用相關(guān)減磨材料，或者將轉(zhuǎn)動(dòng)副元素采用不同硬度相配。滾動(dòng)軸承式轉(zhuǎn)動(dòng)副摩擦較小，換向靈活，維護(hù)方便。其主要缺點(diǎn)是對(duì)振動(dòng)敏感，且容易產(chǎn)生噪聲，運(yùn)動(dòng)副徑向尺寸較大。綜合桿件運(yùn)動(dòng)與受力情況，在這里我選擇滾動(dòng)軸承式轉(zhuǎn)動(dòng)副，連桿軸孔內(nèi)裝有滾動(dòng)軸承，并與銷軸1組成組成轉(zhuǎn)動(dòng)副，而銷軸1與連桿周連成一個(gè)剛體，在連桿外側(cè)用螺母固定，銷軸外頭打上螺紋與螺母配合，另一端固定軸承的軸向，采用兩層軸肩，內(nèi)層對(duì)軸承起軸向固定，外層遮蓋軸承滾珠。因此曲柄與連桿構(gòu)成了滾動(dòng)軸承式較接轉(zhuǎn)動(dòng)副。由于滾動(dòng)軸承是標(biāo)準(zhǔn)件，因此與其內(nèi)圈配合零件表面的要求與采用滑動(dòng)軸承式轉(zhuǎn)動(dòng)副接口有較大的差別。與滾動(dòng)軸承內(nèi)圈配合的零件表面應(yīng)該采用基孔制，與其外圈配合的零件表面則采用基軸制。一般采用較高精度的過渡配合即可。a）支點(diǎn)-曲柄：支座孔與銷軸采用過渡配合，伸出頭用螺母緊固，使得支座與銷軸固定連接，另一邊裝上一組軸承軸向靠銷軸軸肩固定，外部與曲軸固定,使得曲軸可以繞曲軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)。b）曲柄-連桿：其結(jié)構(gòu)類似支點(diǎn)-曲柄連接，曲柄需要繞銷軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)，所以在曲柄位置的銷軸上安裝一組配套軸承。而連桿則與銷軸固定連接，伸出頭依然靠螺母固定。c）連桿-滑塊：連桿需要繞銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)，則滾動(dòng)軸承需要安裝在與連桿連接的軸段上。由于連桿軸向尺寸過大，所以這里，我采用兩組軸承用接的方式，中間由一軸套固定，滑塊則與銷軸固定連接，銷軸的另一端靠螺母來周定。移動(dòng)副該裝置的移動(dòng)副本應(yīng)出現(xiàn)在滑塊與道軌連接部分，但考慮到煤巖截割實(shí)驗(yàn)臺(tái)刀架自身便存在滑道，所以該裝置就不另外設(shè)計(jì)移動(dòng)副了，而是將滑塊靠螺栓與刀架固定，使滑塊與刀架整體構(gòu)成一個(gè)“大滑塊”,靠連桿直接推動(dòng)刀架實(shí)現(xiàn)水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

裝置部分參數(shù)表長(zhǎng)寬高孔徑1孔徑2曲柄465mm62mm12mm42mm42mm連桿1150mm62mm27mm20mm42mm標(biāo)準(zhǔn)件螺釘1螺釘2螺釘3螺母軸承墊圈代號(hào)GB/T5783-2000GB/T5783-2000GB/T5783-2000GB/T6170-2000GB/T276-1994GB/T97.1-20002零件銷軸1銷軸2銷軸3軸套1軸套2軸向尺寸62mm231mm72mm3mm705mm徑向尺寸20mm20mm20mm26mm26mm長(zhǎng)寬高滑塊360mm180mm120mm底座558mm372mm75mm表5-5-1總結(jié)為了實(shí)現(xiàn)煤巖截割實(shí)驗(yàn)臺(tái)刀架的水平移動(dòng)，我選擇設(shè)計(jì)如上所述的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，四連桿機(jī)構(gòu)以其顯著的優(yōu)點(diǎn)，制造簡(jiǎn)單，使用方便，工作摩擦阻力較小，并且在特殊用