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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）
題目：20×2500板材剪床機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
（英文）：Design of mechanical structure and control system in20 x 2500 plate shears
院 別：
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20×2500板材剪床機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要
本次剪板機(jī)的畢業(yè)設(shè)計(jì)要求其最大剪裁鋼板厚度為20mm，剪裁寬度2500mm，每分鐘最多可以剪裁30次。由三相交流電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，經(jīng)過(guò)一級(jí)帶傳動(dòng)與二級(jí)齒輪傳動(dòng)減速。然后通過(guò)對(duì)心曲軸滑塊的運(yùn)動(dòng)形式把電動(dòng)機(jī)輸出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)刀架上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)板材進(jìn)行剪切工作。控制系統(tǒng)使用電氣元件控制。這種曲機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)柄滑塊式的的剪板機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易，維修方便。
關(guān)鍵詞：剪板機(jī)；曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；
20 x 2500 plate shears mechanical structure and control system design
ABSTRACT
The graduation design of the shearing machine demands of its, maximum cutting thickness of steel plate is 20 mm, the cutting width of 2500 mm, cutting up to 30 times per minute. Powered by a three-phase ac motor, and primary level belt transmission gears reduction gear. And then through the movement of ecg crank slider form the motor output rotary motion into reciprocating linear motion, so as to realize tool slide up and down reciprocating motion, to shear work sheet. Control system USES electrical components. The mechanical rotating handle the slider type of piece of shearing machine of simple structure, easy fabrication, convenient maintenance.
Key words: shearing machine; Slider-crank mechanism;
目錄
1緒論 1
1.1剪板機(jī)的簡(jiǎn)介與發(fā)展趨勢(shì) 1
1.2剪板機(jī)的分類 2
1.3剪板機(jī)的工作原理 2
2總體方案設(shè)計(jì) 4
2.1液壓傳動(dòng)方案 4
2.2機(jī)械傳動(dòng)方案 5
2.2.1凸輪機(jī)構(gòu)方案 5
2.2.2曲柄滑塊機(jī)構(gòu)方案 5
2.3設(shè)計(jì)的總體方案 6
3電動(dòng)機(jī)的選擇 8
3.1.電動(dòng)機(jī)的選型 8
3.2電動(dòng)機(jī)容量的選擇 8
3.3計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù) 10
4帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算 12
4.1帶的選型 12
4.2確定計(jì)算功率 12
4.3選擇V帶的型號(hào) 12
4.4確定帶輪基準(zhǔn)直徑 12
4.5確定中心距和帶輪的基準(zhǔn)長(zhǎng)度 13
4.6驗(yàn)算小帶輪的包角 14
4.7確定V帶根數(shù) 14
4.8求初拉力及帶輪軸上的壓力 15
4.9小輪帶的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 15
4.10大輪帶的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 17
5齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 19
5.1確定齒輪材料、精度等級(jí)及齒輪齒數(shù) 19
5.2確定設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 19
5.3按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 19
5.3.1確定式中內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 19
5.3.2設(shè)計(jì)計(jì)算 20
5.4幾何設(shè)計(jì)尺寸計(jì)算 21
5.5結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及繪制齒輪零件圖 21
5.5.1對(duì)小齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 22
5.5.2對(duì)大齒輪輪輻的設(shè)計(jì) 22
6高速軸的設(shè)計(jì) 25
6.1軸的材料選用 25
6.2軸徑的最小許用值 25
6.3確定軸結(jié)構(gòu) 26
6.3.1擬定軸上零件的裝配方案 26
6.3.2根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度 26
6.3.3確定軸上圓角和倒角尺寸 27
6.4軸的強(qiáng)度校核計(jì)算 27
6.5向心角接觸軸承的壽命計(jì)算 29
7曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 31
7.1曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 31
7.2曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律 31
7.2.1曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析 31
7.2.2曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的受力分析 33
7.3曲軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 34
7.3.1曲軸的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 34
7.3.2曲軸的強(qiáng)度計(jì)算 35
7.4連桿的設(shè)計(jì) 37
7.5曲軸連桿機(jī)構(gòu)中的滑動(dòng)軸承 38
8控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 40
20×2500板材剪床機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
8.1離合器的選用 40
8.2制動(dòng)器的選用 40
8.3離合器的操縱機(jī)構(gòu) 42
8.4電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)與制動(dòng) 43
8.5剪板機(jī)的電器控制原理 45
結(jié)論 47
參考文獻(xiàn) 48
致謝 49
1緒論
1.1剪板機(jī)的簡(jiǎn)介與發(fā)展趨勢(shì)
現(xiàn)代工業(yè)不可避免地都會(huì)用到金屬板材，經(jīng)常要在加工工藝中對(duì)金屬板材剪切成條料、塊料或帶料等等不同形狀不同尺寸的金屬。這些剪切的加工工藝就是用剪板機(jī)完成的。即使進(jìn)入了21世紀(jì)工業(yè)技術(shù)發(fā)展迅速，計(jì)算機(jī)、電力電子等技術(shù)發(fā)展迅猛的今天，裝備制造業(yè)也一直是現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的基礎(chǔ)，也一直在整個(gè)現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)中有舉足輕重的地位。在一些使用金屬比較多的生產(chǎn)部門中，就需要根據(jù)尺寸要求對(duì)金屬板材進(jìn)行剪切。剪板機(jī)不僅僅用于在裝備制造企業(yè)中，而且還是生產(chǎn)各種金屬板材的鋼鐵廠與配送企業(yè)的不可缺小的機(jī)械裝備中，所以金屬剪板機(jī)是整個(gè)現(xiàn)代工業(yè)的不可缺少的機(jī)械設(shè)備。
自從英國(guó)工程師史密斯發(fā)明人類歷史上的第一臺(tái)蒸汽錘[1]，開創(chuàng)了蒸汽動(dòng)力鍛壓機(jī)械時(shí)代，之后同樣是英國(guó)工程師布拉默發(fā)明了水壓機(jī)，到了十九世紀(jì)末，隨著電動(dòng)機(jī)的發(fā)展，出現(xiàn)以電為動(dòng)力的機(jī)械剪板機(jī)以及空氣錘，并獲得快速成長(zhǎng)。二十世紀(jì)初，鍛壓機(jī)械改變了從19世紀(jì)開始的向重型以及大型方向成長(zhǎng)的趨向，轉(zhuǎn)而向高速、高效、自動(dòng)、精密、專用、多品種出產(chǎn)等方向成長(zhǎng)[2,3]，于是出現(xiàn)了每分種行程2000次的剪板機(jī)，為普通剪板機(jī)的5—10倍的剪板機(jī)，所謂剪板機(jī)剪切次數(shù)一般是指每分鐘的行程次數(shù)。
自60年代以來(lái)，剪板機(jī)已經(jīng)有較大的成長(zhǎng)，其每分鐘行程次數(shù)已經(jīng)從幾百次成長(zhǎng)到3千次左右，其噸位已經(jīng)從十噸成長(zhǎng)到上百噸，現(xiàn)在剪板機(jī)主要用在電子、儀器儀表、輕工、汽車等行業(yè)中進(jìn)行特大批量的沖壓出產(chǎn)。近年來(lái)，生產(chǎn)的剪板機(jī)的效率在提高，剪切板料厚度也在增加，剪切精度也有很大的提高，發(fā)展并努力降低噪音，創(chuàng)新改善設(shè)備，在安全性、自動(dòng)化程度、勞動(dòng)條件方面有很大改善，特別是開始不斷地采用自動(dòng)化控制。
國(guó)內(nèi)外的情況進(jìn)行分析，可知剪扳機(jī)的發(fā)展會(huì)有以下幾種趨勢(shì)：
1．剪板機(jī)的可剪寬度在逐年增加，但機(jī)架凹口(喉口)深度在逐漸的減??；
2．必須提高剪切質(zhì)量和加工精度，以滿足市場(chǎng)需求；
3．必須提高和完善安全設(shè)施，還需提高生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度，增加經(jīng)濟(jì)效益，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；
4．液壓傳動(dòng)的剪板機(jī)及液壓與機(jī)械混合式傳動(dòng)的剪板機(jī)在逐漸增多；
5．用微機(jī)控制和數(shù)控型的的剪切機(jī)及其流水生產(chǎn)線得到迅速發(fā)展。
1.2剪板機(jī)的分類
剪板機(jī)可以按不同的分類方式進(jìn)行分類。剪板機(jī)可按其工藝用途與結(jié)構(gòu)類型分類，可分為平刃剪板機(jī)和斜刃剪板機(jī)，其中斜刃剪板機(jī)又可以分為閘式剪板機(jī)和擺式剪板機(jī)兩類，擺式剪板機(jī)又可以分為直剪式與直、斜剪兩用式。平刃剪板機(jī)采用平刃剪切方式，板料與上下刃口全長(zhǎng)接觸，剪切的板材質(zhì)量好比較平直，無(wú)扭曲變形，但是剪切力大，需要電動(dòng)機(jī)的輸出的功率大，剪切過(guò)程的振動(dòng)大。所以多用于小型剪板機(jī)和薄板下料。斜刃剪板機(jī)采用斜刃剪切方式，上刀刃采用漸入剪切的方式，故瞬間剪切尺寸小于板料寬度。斜刃剪切質(zhì)量不如平刃剪切，有扭曲變形，但是剪切力和所需電動(dòng)機(jī)的輸出的功率比平刃剪切要小，故多用于大中型的剪板機(jī)。
但是剪板機(jī)按傳動(dòng)方式不同，又可以分為液壓傳動(dòng)剪板機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)剪板機(jī)兩類。此外再根據(jù)剪板機(jī)的傳動(dòng)方式、結(jié)構(gòu)形式及使用性質(zhì)的不同等來(lái)分，又可以分為曲柄剪板機(jī)、螺旋剪板機(jī)、高速剪板機(jī)、高速?zèng)_裁剪板機(jī)、多工位自動(dòng)剪板機(jī)、沖壓液壓機(jī)、沖模回轉(zhuǎn)頭剪板機(jī)和電磁剪板機(jī)。按其工藝用途和結(jié)構(gòu)類型可分為：平刃剪板機(jī)、斜刃剪板機(jī)、多用途剪板機(jī)、專用剪板機(jī)和數(shù)控剪板機(jī)[4]。
1.3剪板機(jī)的工作原理
剪板機(jī)的剪切工作示意圖如圖1.1所示。板材在剪板機(jī)的上、下剪刀作用下受剪產(chǎn)生分離變形。剪板機(jī)剪切板材時(shí)，上剪刀片向下運(yùn)動(dòng)，下刀片固定不動(dòng)。開始剪切時(shí)，上剪刀刀刃壓入板料，產(chǎn)生一對(duì)剪力F及相應(yīng)的力矩Fd，迫使被剪板料轉(zhuǎn)動(dòng)。但在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中受到剪刀側(cè)面的阻擋，在剪刀的另一側(cè)面也產(chǎn)生一對(duì)側(cè)推力Ft及相應(yīng)的力矩FtC，其方向阻止板料的轉(zhuǎn)動(dòng)。開始剪切時(shí)，板料轉(zhuǎn)角隨壓入深度的增大而增大，而力矩FtC也隨之增大，故剪刀壓入一定深度后有Fd=FtC，這時(shí)被剪板料就不再轉(zhuǎn)動(dòng)，直至在剪力作用下被剪斷為止。這種剪切板料的設(shè)備稱為剪切機(jī)[5]。
剪板機(jī)是屬于直線剪切機(jī)類型，主要用于直線剪切各種厚度尺寸的金屬板材，其剪切要能滿足被剪板料剪切表面的直線性和平行度要求，并減少板材扭曲，以獲得高質(zhì)量的工件，主要廣泛用于軋鋼、治金工業(yè)、飛機(jī)、橋梁、壓力容器、農(nóng)業(yè)機(jī)械制造、汽車行業(yè)、造船、電器電氣工程設(shè)備、餐飲家具、醫(yī)療機(jī)械、儀表儀器等各個(gè)機(jī)械工業(yè)部門。
圖1.1剪板機(jī)的剪切過(guò)程示意圖[5]
2總體方案設(shè)計(jì)
剪板機(jī)主要通過(guò)刀片的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)板材的剪切，實(shí)現(xiàn)刀片的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)主要有機(jī)械傳動(dòng)和液壓傳動(dòng)這兩種方式。合理的傳動(dòng)方案既要滿足設(shè)計(jì)的剪板機(jī)的性能要求好，還要能夠適應(yīng)所需的工作條件，工作一定要可靠，另外剪板機(jī)的傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)也要盡量簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、加工方便、成本低廉、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、傳動(dòng)效率高和使用維修方便，要同時(shí)滿足上述的幾個(gè)要求是比較困難的，所以我們要通過(guò)下面的多種傳遞方案的分析，進(jìn)行比較，最終選擇出符合本次設(shè)計(jì)要求的最佳傳動(dòng)方案。
2.1液壓傳動(dòng)方案
剪板機(jī)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖如圖2.1所示，其原理：手動(dòng)換向閥6推向左位（即左位接入系統(tǒng)），此時(shí)活塞在壓力油的作用下向下運(yùn)動(dòng)，對(duì)板料進(jìn)行剪切加工，當(dāng)加工完成后，將閥6手柄推向右位（即右位接入系統(tǒng)），活塞向上運(yùn)動(dòng)，即刀片上抬，到了一定位置，將閥6手柄推入中位，這樣活塞就停留在此位置不動(dòng)。然后剪切第二次時(shí)，重復(fù)上述操作。手動(dòng)換向閥6也可改為電氣控制的換向閥，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連續(xù)剪切，提高效率。
圖2.1 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖
液壓傳動(dòng)式剪板機(jī)日益增多，其主要原因是剪切力在全行程中都能保持不變，可防止過(guò)載，工作安全，通用化程度高，質(zhì)量較輕，自動(dòng)化程度高，可以剪切板材的厚度也比較大。液壓傳動(dòng)式剪板機(jī)依靠液體作為系統(tǒng)介質(zhì)傳遞動(dòng)力的，剪切力大時(shí)，油壓也相應(yīng)的高，對(duì)液壓元件的精度、強(qiáng)度要求也高，制造成本也相應(yīng)的較高，而且液壓系統(tǒng)不可避免的存在，泄露問題，會(huì)造成污染，油溫的變化會(huì)引起油液粘度變化，影響液壓傳動(dòng)工作的平穩(wěn)性，所以適應(yīng)環(huán)境能力小。而且液壓傳動(dòng)的行程次數(shù)叫機(jī)械傳動(dòng)式剪板機(jī)的低，電動(dòng)機(jī)功率也較機(jī)械傳動(dòng)式剪板機(jī)高，維修不如機(jī)械傳動(dòng)式剪板機(jī)方便，因此此次設(shè)計(jì)不選用此方案。
2.2機(jī)械傳動(dòng)方案
2.2.1凸輪機(jī)構(gòu)方案
凸輪機(jī)構(gòu)的工作原理如圖2.2所示，凸輪的傳動(dòng)是由主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)的，當(dāng)凸輪在升程時(shí)就推動(dòng)滑塊(即刀片)進(jìn)行剪切板料；在回程時(shí)，滑塊則在彈簧力的作用下上慢慢升到初始(開始)位置，準(zhǔn)備下一個(gè)動(dòng)作循環(huán)。
凸輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)凸輪的輪廓曲線和機(jī)構(gòu)的尺寸，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。缺點(diǎn)是凸輪輪廓與推桿之間為點(diǎn)、線接觸，易磨損，因?yàn)槠涔ぷ鲏毫Σ荒芴螅敬卧O(shè)計(jì)的剪板機(jī)工作壓力較大，會(huì)嚴(yán)重磨損凸輪的輪廓及推桿，嚴(yán)重影響機(jī)器的穩(wěn)定性，所以該方案不予采用。
圖2.2 凸輪機(jī)構(gòu)的工作原理
2.2.2曲柄滑塊機(jī)構(gòu)方案
曲柄連桿機(jī)構(gòu)的工作原理如圖2.3所示,由主軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)連桿將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成使滑塊直線運(yùn)動(dòng)(上下往復(fù)運(yùn)動(dòng))，從而來(lái)實(shí)現(xiàn)剪切。
圖2.3 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的工作原理
該機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易、維修方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)，故采用此方案即曲柄滑塊機(jī)構(gòu)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)比較合適[6]。
2.3設(shè)計(jì)的總體方案
合理的傳動(dòng)方案既要滿足剪板機(jī)的性能技術(shù)要求，也要能適應(yīng)剪板機(jī)所處的工作環(huán)境的要求。而且剪板機(jī)的傳動(dòng)裝置盡量做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、成本低廉、工作可靠等要求。由于總體傳動(dòng)方案中可能會(huì)用到幾種傳動(dòng)形式的多級(jí)傳動(dòng)，所以在確定總體傳動(dòng)方案是要了解幾種傳動(dòng)形式的特點(diǎn)：
1．帶傳動(dòng)的承載能力小，在傳遞相同轉(zhuǎn)矩時(shí),較其它傳動(dòng)形而言，其所需結(jié)構(gòu)尺寸要大的多，但具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)平穩(wěn)，價(jià)格低廉,能吸振緩沖，傳動(dòng)效率高的特點(diǎn)，宜布置在高速級(jí)。
2．鏈傳動(dòng)只能實(shí)現(xiàn)平行軸間鏈輪的同向傳動(dòng)，磨損后易發(fā)生跳齒，不均勻有沖擊，不適用于高速級(jí)，應(yīng)布置于低速級(jí)。
3．開式直齒圓柱齒輪傳動(dòng)由于潤(rùn)滑后潤(rùn)滑液不易保存，也暴露在外面，這樣的話，它的工作環(huán)境與圓錐齒輪傳動(dòng)等其他傳動(dòng)相比則要差，由于潤(rùn)滑不好回造成磨損嚴(yán)重，壽命也較其他傳動(dòng)短，應(yīng)布置在低速級(jí)。
4．斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)適合用在速度高或傳動(dòng)平穩(wěn)的場(chǎng)合，因?yàn)槠鋫鲃?dòng)平穩(wěn)性和接觸疲勞強(qiáng)度比較的高。
5．圓錐齒輪傳動(dòng)的嚙合性較其他齒輪傳動(dòng)要好，能承受高負(fù)載，而且壽命長(zhǎng)，但由于它的加工比較困難，所以要限制齒數(shù)、模數(shù)和傳動(dòng)比，故在高速級(jí)的傳動(dòng)中運(yùn)用較多。
根據(jù)性能、工作條件、成本的各方面的因素，選擇帶傳動(dòng)和直齒圓柱齒輪進(jìn)行若干個(gè)減速級(jí)的傳動(dòng)。
優(yōu)點(diǎn)：采用V帶傳動(dòng)，傳動(dòng)效率較高；成本低廉，經(jīng)濟(jì)實(shí)用；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸緊湊傳動(dòng)平穩(wěn)，可承受較大的預(yù)緊力，具有過(guò)載保護(hù)；緩沖吸振等，還可減少帶傳動(dòng)的尺寸。
本次設(shè)計(jì)剪板機(jī)設(shè)計(jì)的總體方案為電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)一級(jí)帶輪減速及一級(jí)齒輪減速驅(qū)動(dòng)主軸上的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，使刀架上下運(yùn)動(dòng)，刀架上的刀片對(duì)板料進(jìn)行剪切。此次設(shè)計(jì)的傳動(dòng)系統(tǒng)圖如圖2.4所示。
1-壓料架 2-機(jī)身 3-下刀架 4-壓料腳
5-減速齒輪 6-曲柄機(jī)構(gòu) 7-制動(dòng)器 8-電動(dòng)機(jī)
9-V帶 10-離合器 11-上刀架
圖2.4 機(jī)械上傳動(dòng)式剪板機(jī)工作原理圖
電動(dòng)機(jī)8通過(guò)V帶9減速，通過(guò)離合器10和齒輪減速系統(tǒng)5驅(qū)動(dòng)偏心軸，然后通過(guò)連桿帶動(dòng)上刀架11，把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為刀架的上下往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，對(duì)板材進(jìn)行剪切工作。在刀架下行時(shí)，隨動(dòng)式彈簧壓料器在剪切之前壓緊板料[5]。
3電動(dòng)機(jī)的選擇
3.1.電動(dòng)機(jī)的選型
本次剪板機(jī)采用機(jī)械傳動(dòng)方案，用電動(dòng)機(jī)作為該剪板機(jī)的動(dòng)力原件。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)該根據(jù)載荷大小和啟動(dòng)性能、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)的頻率程度等條件來(lái)選擇。電動(dòng)機(jī)一般有直流與交流這兩種。如無(wú)特別需要，一般選用Y系列三相交流異步電動(dòng)機(jī)。Y系列電動(dòng)機(jī)為上世紀(jì)80年代的更新?lián)Q代產(chǎn)品，Y系列交流三相異步電動(dòng)機(jī)多為封閉式三相異步電動(dòng)機(jī),能防止灰塵、鐵屑或其它雜物侵入電機(jī)內(nèi)部，使電動(dòng)機(jī)有一個(gè)良好的運(yùn)行環(huán)境。Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)具有高效，節(jié)能，性能好，低噪音，體積小，振動(dòng)小，運(yùn)行安全可靠，安裝尺寸與功率等級(jí)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（IEC）。Y系列三相交流異步電動(dòng)機(jī)不僅使用于水泵、鼓風(fēng)機(jī)、金屬切削機(jī)床及運(yùn)輸機(jī)械等運(yùn)行環(huán)境良好的工作中,更使用于灰塵較多、水土飛濺的運(yùn)行環(huán)境中,如碾米機(jī),磨粉機(jī),脫殼機(jī)及其它農(nóng)業(yè)機(jī)械,礦山機(jī)械等。
根據(jù)剪板機(jī)的一般工作環(huán)境和設(shè)計(jì)要求，本次剪板機(jī)的設(shè)計(jì)選用選用三相籠型異步電動(dòng)機(jī)，Y系列，封閉式結(jié)構(gòu)，電壓380V，頻率50Hz。
3.2電動(dòng)機(jī)容量的選擇
選擇合適的電動(dòng)機(jī)的功率，對(duì)于剪板機(jī)的正常工作與經(jīng)濟(jì)性有重要的影響。容量過(guò)小的電動(dòng)機(jī)，不能保證電動(dòng)機(jī)的正常工作或容易發(fā)生電動(dòng)機(jī)過(guò)載而發(fā)生損壞。容量過(guò)大的電動(dòng)機(jī)，雖然能保證電動(dòng)機(jī)的正常工作，但是價(jià)格較高，而且經(jīng)常不能滿載工作，其效率和功率因數(shù)都較低,增加電能消耗而造成能源的浪費(fèi)，不符合經(jīng)濟(jì)性的要求！
本次剪板機(jī)的設(shè)計(jì)要求剪裁20mm厚的金屬板材，根據(jù)諾沙里公式[6]：
(3.1)
式中 ——剪切力，；
——被剪板料強(qiáng)度極限，實(shí)際中的板料；
——被剪板料延伸率，；
——被剪板料厚度，；
——上刀刃傾斜，；
——被剪部分彎曲力系數(shù)，；
——前刃側(cè)向間隙相對(duì)值， ；
——壓具影響系數(shù)，。
把已知數(shù)據(jù)代入式（3.1）
解得：
考慮到刃口鈍化系數(shù)后，實(shí)際的剪切力應(yīng)比理論剪切力大，則實(shí)際剪切力為:
刀架工作功率：
（3.2）
式中 ——剪切力,；
——刀架速度,。
把已知數(shù)據(jù)代入式（3.2）
解得：
傳動(dòng)裝置的總效率： （3.3）
查文獻(xiàn)資料[7]得式中、、、分別為聯(lián)軸器、滾動(dòng)軸承、圓柱齒輪傳動(dòng)和皮帶的效率。(?。?lián)軸器），（滾動(dòng)軸承），（齒輪精度為8級(jí)，不包括軸承效率），)則：
電動(dòng)機(jī)所需功率：
（3.4）
代入數(shù)據(jù)解得：
由于傳動(dòng)由皮帶和齒輪組成的。按推薦的傳動(dòng)副傳動(dòng)比較合理的范圍，取V帶傳動(dòng)比。二級(jí)圓柱齒輪減速器傳動(dòng)比，則總傳動(dòng)比合理范圍為 =16～160,=30r/min,則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可選范圍為：
查表19-3YZR系列冶金及起重用三相異步電動(dòng)機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)[7],選取YZR250M1-6型電動(dòng)機(jī)比較合適,其技術(shù)參數(shù)[7]如下:功率為37kW，滿載時(shí)的電流、轉(zhuǎn)速、效率分別為26.5A、960r/min、89%。其主要性能如下表3.1。
表3.1電動(dòng)機(jī)性能
型號(hào)
額定功率kW
YZR250M1-6
37
3.13
3.13
3.3計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)
總傳動(dòng)比
（3.5）
（3.6）
式中 ——V帶傳動(dòng)比,;
——圓柱齒輪傳動(dòng)比, 。
計(jì)算各軸轉(zhuǎn)速
（3.7）
（3.8）
則各軸的功率：
各軸轉(zhuǎn)矩 (3.9)
式中 ——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩,；
——電動(dòng)機(jī)功率,；
——滿載轉(zhuǎn)速, r/min 。
運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)計(jì)算結(jié)果整理于下表3.2：
表3.2各軸運(yùn)動(dòng)的參數(shù)
軸名
效率P()
轉(zhuǎn)矩T（）
轉(zhuǎn)速r/min
傳動(dòng)比
效率
輸出
輸出
電動(dòng)機(jī)軸
37
368.07
960
4
0.95
Ⅰ軸
34.45
1370.83
240
8
0.95
Ⅱ軸
32.4
10310
30
4帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算
4.1帶的選型
帶傳動(dòng)按照原理來(lái)可以分為摩擦傳動(dòng)與嚙合傳動(dòng)兩種，其中摩擦傳動(dòng)的帶傳動(dòng)依靠傳動(dòng)帶與帶輪的摩擦力實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，如平帶傳動(dòng)、V帶傳動(dòng)等。在同樣的張緊力的條件下，V帶輪傳動(dòng)能力允許的傳動(dòng)力比較大，而且V帶輪傳動(dòng)通常是多條帶并用，結(jié)構(gòu)較緊湊，造價(jià)便宜，傳動(dòng)平穩(wěn)以及緩沖吸振等優(yōu)點(diǎn)。因此，在很多機(jī)械中到用到V帶傳動(dòng)。
4.2確定計(jì)算功率
計(jì)算功率是根據(jù)傳遞的額定功率，并考慮到載荷性質(zhì)和每天運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)短的因素的影響而定的。
（4.1）
式中 ——電動(dòng)機(jī)功率，;
——工作情況系數(shù)。
查文獻(xiàn)資料[8]，金屬剪切機(jī)床的載荷變化小，一天工作時(shí)間10到16個(gè)小時(shí)，取。
代入數(shù)據(jù)得：。
4.3選擇V帶的型號(hào)
根據(jù)和主動(dòng)帶輪（小帶輪）轉(zhuǎn)速，由查文獻(xiàn)資料[8]中選定C型V帶。
4.4確定帶輪基準(zhǔn)直徑
根據(jù)文獻(xiàn)資料[8]中得出，小帶輪基準(zhǔn)直徑為。
驗(yàn)算小帶輪的帶速
一般應(yīng)使,對(duì)于普通V帶應(yīng)使，由于小帶輪的帶速為，所以小帶輪符合范圍。
計(jì)算大帶輪的基準(zhǔn)直徑
并按照V帶輪的基準(zhǔn)直徑系列進(jìn)行圓整,圓整后
4.5確定中心距和帶輪的基準(zhǔn)長(zhǎng)度
當(dāng)結(jié)構(gòu)上對(duì)中心距無(wú)一定要求,可下式初步中心距
（4.2）
代入,
初定取,然后由帶傳動(dòng)的幾何關(guān)系,可按下式計(jì)算所需帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度
(4.3)
代入數(shù)據(jù)得
根據(jù)查文獻(xiàn)資料[8]中，可以選取與之接近的基準(zhǔn)長(zhǎng)度，由于V帶的中心距一般是可以調(diào)整的,故采用下式進(jìn)行近似計(jì)算
（4.4）
代入數(shù)據(jù)得
考慮安裝調(diào)整和補(bǔ)償預(yù)緊力(如帶伸長(zhǎng)而松弛后的緊張)的需要，中心距的變化范圍為
4.6驗(yàn)算小帶輪的包角
根據(jù)對(duì)包角的要求，應(yīng)保證
（4.5）
代入數(shù)據(jù)得
則小帶輪上的包角滿足要求。
4.7確定V帶根數(shù)
（4.6）
式中 ——包角系數(shù)，查文獻(xiàn)資料[8]；
——長(zhǎng)修正系數(shù),查文獻(xiàn)資料[8]；
——單根V帶的基本額定功率；
——單根V帶額定功率的增量；
根據(jù)，，查文獻(xiàn)資料[8]，用內(nèi)插法得
由下式得功率增量為
（4.7）
式中 ——彎曲影響系數(shù)，查文獻(xiàn)資料[8]C型V帶；
——小帶輪轉(zhuǎn)速，；
——傳動(dòng)系數(shù)，查文獻(xiàn)資料[8]；
代入數(shù)據(jù)式（4.7)得
代入數(shù)據(jù)式(4.6)得
圓整得根，符合C型帶的最多使用根數(shù)。
4.8求初拉力及帶輪軸上的壓力
查文獻(xiàn)資料[8]得C型普通V帶的每米長(zhǎng)質(zhì)量考慮離心力不利的影響，和包角對(duì)所需預(yù)緊力的影響，單根V帶的預(yù)緊力為
（4.8）
代入數(shù)據(jù)式（4.8）得
為了設(shè)計(jì)安裝帶輪的軸和軸承，必須確定帶傳動(dòng)作用在帶輪軸上的力，此壓力稱為軸壓力。如果不考慮帶的兩邊的拉力差，則壓軸力可以近似的按帶的預(yù)緊力的合力來(lái)計(jì)算，即
（4.9）
式中： ——帶的根數(shù)；
——單根帶預(yù)緊力；
——主動(dòng)輪上的包角；
代入數(shù)據(jù)的
4.9小輪帶的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
帶輪材料常用灰鑄鐵、鋼、鋁合金和工程塑料的。其中灰鑄鐵應(yīng)用最為廣泛，由于帶速時(shí)，一般使用HT150。
由參考文獻(xiàn)[7]得：電機(jī)軸，電機(jī)軸伸出長(zhǎng)度為，且已知小帶輪的基準(zhǔn)直徑，
所以小帶輪采用腹板式結(jié)構(gòu)[9]。帶輪的基準(zhǔn)直徑為。
查文獻(xiàn)[8]得C型V帶帶輪的輪槽尺寸如下：
輪槽基準(zhǔn)寬度
基準(zhǔn)線上槽深
基準(zhǔn)線下槽深
槽間距
槽邊距
最小輪緣厚
輪槽角
輪槽結(jié)構(gòu)如圖4.1所示
圖4.1 輪槽結(jié)構(gòu)
帶輪寬：
帶輪外徑：=
輪緣外徑： ，取
輪轂長(zhǎng)度： 因?yàn)?
所以，取
，取
小帶輪的結(jié)構(gòu)如圖4.2
圖4.2 小帶輪結(jié)構(gòu)
4.10大輪帶的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
帶輪材料常用灰鑄鐵、鋼、鋁合金和工程塑料的。其中灰鑄鐵應(yīng)用最為廣泛，由于帶速時(shí)，一般使用HT150。
初選大帶輪的軸徑，已知大帶輪的基準(zhǔn)直徑，所以大帶輪選用輪輻式結(jié)構(gòu)。
輪槽尺寸同小帶輪。
輪緣及輪轂的尺寸：
帶輪寬：
帶輪外徑：
輪轂外徑：，取
輪轂長(zhǎng)度：因?yàn)?
所 ，取
(4.10)
式中： ——傳遞的功率，為；
——帶輪的轉(zhuǎn)速，為；
——輪輻數(shù)，取。
代入數(shù)據(jù)得 ==95.7mm
=0.8=0.8×95.7mm=76.56mm
=0.4=0.4×95.7mm=38.28mm
=0.8=0.8×38.28mm=30.62mm
=0.2=0.2×95.7mm=19.14mm
=0.2=0.2×76.56mm=15.31mm
大帶輪的結(jié)構(gòu)如圖4.3
圖4.3 大齒輪機(jī)構(gòu)
5齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
5.1確定齒輪材料、精度等級(jí)及齒輪齒數(shù)
根據(jù)設(shè)計(jì)的傳動(dòng)方案選擇斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)，查文獻(xiàn)資料[9]，由于機(jī)器工作時(shí)屬于中速中等沖擊，選取大小齒輪的材料均為45Cr（調(diào)質(zhì)處理），硬度為240~260HBS。因?yàn)槭瞧胀p速器，查文獻(xiàn)資料[9]選8級(jí)精度，要求齒面粗糙度。初選螺旋角。
5.2確定設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
由于該減速器為開式齒輪傳動(dòng)，按理應(yīng)根據(jù)保證齒面抗磨損機(jī)齒根抗折斷能力準(zhǔn)側(cè)進(jìn)行計(jì)算，但是現(xiàn)今理論對(duì)于齒面磨損能力的計(jì)算方式迄今尚不夠完善。故對(duì)于開式齒輪傳動(dòng)目前為按彎曲疲勞強(qiáng)度校核齒根的彎曲強(qiáng)度計(jì)算，再適當(dāng)增大模數(shù)。選小齒輪齒數(shù)為，大齒輪齒數(shù)。
5.3按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由齒根彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式：
(5.1)
5.3.1確定式中內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
載荷系數(shù)
(5.2)
載荷系數(shù)
根據(jù)縱向重合度，查資料[9]螺旋角影響系數(shù)
計(jì)算當(dāng)量齒數(shù)
查取齒形系數(shù)，得；。
查取應(yīng)力校正系數(shù)，得；。
彎曲疲勞強(qiáng)度
查文獻(xiàn)資料[9]小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限。大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限。
彎曲疲勞壽命系數(shù)
查得，。
計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù) 由 (5.3)
查取齒形系數(shù)，得；。
查取應(yīng)力校正系數(shù)，得；。
計(jì)算大、小齒輪的并加以比較
小齒輪的數(shù)值大
5.3.2設(shè)計(jì)計(jì)算
對(duì)比計(jì)算結(jié)果，可取由彎曲強(qiáng)度算得模數(shù)4.64并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)植。按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑，算出小齒輪齒數(shù)
小齒輪取大齒輪齒數(shù)
5.4幾何設(shè)計(jì)尺寸計(jì)算
計(jì)算中心距
將中心距圓整為。
按圓整后的中心距修正螺旋角
螺旋角改變不多，故上述參數(shù)不必修正。
計(jì)算大、小分度圓直徑
計(jì)算齒輪寬度
為防止大小齒輪因裝配誤差產(chǎn)生軸向錯(cuò)位時(shí)導(dǎo)致嚙合齒寬減小而增大大齒輪的工作載荷，常將小齒輪的齒寬在圓整數(shù)值的基礎(chǔ)上人為地加寬。
故取小齒輪的齒寬。
大齒輪的齒寬。
5.5結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及繪制齒輪零件圖
5.5.1對(duì)小齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)上面的計(jì)算得出齒輪尺寸值，見表5.1：
表5.1 圓柱齒輪幾何尺寸
名稱
代號(hào)
公式
小齒輪
大齒輪
法面模數(shù)
法面壓力角、端面壓力角
、
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
齒全高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
基圓直徑
法面齒距
基圓齒距
齒厚
頂隙
因?yàn)樾↓X輪的齒頂圓直徑 ，所以小齒輪可以做成實(shí)心結(jié)構(gòu)的齒輪[9]。小齒輪的結(jié)構(gòu)如圖5.1所示。
5.5.2對(duì)大齒輪輪輻的設(shè)計(jì)
由于大齒輪的齒頂圓直徑，所以選用輪輻截面為輪輻式結(jié)構(gòu)的齒輪[9]。輪輻數(shù)取
因?yàn)榇簖X輪的材料為鑄鐵，所以
取
取
取
取
取
取
取
取
大齒輪如圖5.2所
圖5.1 小齒輪的結(jié)構(gòu)
圖5.2 大齒輪的結(jié)構(gòu)
6高速軸的設(shè)計(jì)
6.1軸的材料選用
軸的材料首先應(yīng)該有足夠的強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)力集中敏感性低；還須要滿足剛度、耐磨性、耐腐性等要求，而且要求具有良好的加工性能，價(jià)格低廉。軸的常用材料主要是碳鋼和合金鋼，其中由于碳鋼比合金鋼廉價(jià)，對(duì)應(yīng)力集中的敏感性較低，同時(shí)也可以用熱處理或化學(xué)處理的辦法提高耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度。在載荷一定的情況下，好的材料能提高軸的工作性能及壽命，但同時(shí)要考慮到材料的經(jīng)濟(jì)性，故采用45號(hào)鋼，并做調(diào)質(zhì)處理。
6.2軸徑的最小許用值
軸在轉(zhuǎn)矩的作用下，產(chǎn)生切應(yīng)力。對(duì)于圓截面的實(shí)心軸，其抗扭強(qiáng)度條件為：
（6.1）
式中 ——軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩，；
——軸的抗扭截面系數(shù)，；
——傳遞的功率，為；
——帶輪的轉(zhuǎn)速，為；
、——軸的切應(yīng)力、許用應(yīng)力，45號(hào)鋼為；
——帶輪的轉(zhuǎn)速，。
軸的設(shè)計(jì)計(jì)算公式為
（6.2）
C值查文獻(xiàn)資料[8]得，代入數(shù)據(jù)得
考慮到軸的最小直徑處于安裝的皮帶大帶輪與小齒輪，會(huì)有鍵槽存在，故需將估計(jì)的軸直徑加大，取mm。查文獻(xiàn)資料[10]，取標(biāo)準(zhǔn)直徑。
6.3確定軸結(jié)構(gòu)
6.3.1擬定軸上零件的裝配方案
軸承、套筒、皮帶輪、軸端擋圈從左端向右依次安裝。軸承、套筒、齒輪、軸端擋圈依次從軸的右端向左安裝，軸承選擇型30222圓錐滾子軸承。傳動(dòng)軸的零件裝配及軸的機(jī)構(gòu)如圖6.1所示。
1.軸端擋圈 2.大帶輪 3.套筒 4.圓錐滾子軸承 5.小齒輪
圖6.1 傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)及裝配圖
6.3.2根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度
6.2直軸機(jī)構(gòu)圖
確定，，
6.3.3確定軸上圓角和倒角尺寸
取軸端倒角為，除下圖標(biāo)注外，各軸肩處的圓角半徑，均為R2。
6.4軸的強(qiáng)度校核計(jì)算
輸出軸上的功率P，轉(zhuǎn)速n和轉(zhuǎn)矩T
，，
小齒輪上所受的力、、，大齒輪與小齒輪相互作用，依據(jù)牛頓第三定律
，，，(d為小齒輪的分度圓直徑)
直軸受力分析如圖6.3
圖6.3 主軸的受力分析圖
最危險(xiǎn)截面，按第四強(qiáng)度理論校核
該軸的材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），差得，故設(shè)計(jì)的軸有足夠的強(qiáng)度。
6.5向心角接觸軸承的壽命計(jì)算
根據(jù)文獻(xiàn)資料[10]，向心角接觸軸承30220的尺寸為
由文獻(xiàn)資料[8]查得心角接觸軸承30220的內(nèi)部軸向力的計(jì)算公式為：
（6.3）
其中，由于、則、。
因?yàn)檫@對(duì)軸承反裝，,故軸承1為壓緊端，有：
由查資料[12]得30220軸承的，而
查得，;，；，取，則軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷為：
因?yàn)檫@兩個(gè)軸承的型號(hào)相同，所以其中當(dāng)量動(dòng)載荷大的軸承壽命短，因?yàn)?所以只需計(jì)算軸承2的壽命。
查資料[12]30220軸承。取，，則代入下式
（6.4）
得
由此可見軸承的壽命大于軸承的預(yù)期壽命，所以所選軸承型號(hào)合適。
7曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
7.1曲柄滑塊機(jī)構(gòu)
曲柄滑塊結(jié)構(gòu)如圖7.1所示：
圖7.1 曲柄滑塊結(jié)構(gòu)圖[11]
曲軸滑塊機(jī)構(gòu)由曲軸、上連桿、下連桿組成。曲軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)連桿作擺動(dòng)，從而帶動(dòng)上刀架在導(dǎo)軌中作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
7.2曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律
7.2.1曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析
曲柄滑塊機(jī)構(gòu)由連桿、曲柄和滑塊組成，如圖7.4所示。OA是曲柄，O點(diǎn)是曲柄的旋轉(zhuǎn)中心。AB為連桿，A點(diǎn)事曲柄和連桿的聯(lián)結(jié)點(diǎn)。B點(diǎn)為連桿與滑塊的聯(lián)結(jié)點(diǎn)。曲柄的長(zhǎng)度為，也稱為曲柄半徑，連桿長(zhǎng)度為。
該機(jī)構(gòu)中以O(shè)為中心，以一定的角速度繞O作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，則刀架(滑塊)以一定速度作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。刀架(滑塊)位移和轉(zhuǎn)角的關(guān)系可以根據(jù)幾何關(guān)系推導(dǎo)出：
(7.6)
又知
由以上兩式整理可得：
(7.7)
又由于稱為連桿系數(shù)，一般取值為：，
由二項(xiàng)式定理得
又有倍角關(guān)系知，將上式代入式(7.7)得，
(7.8)
式中： ——滑塊的位移(即刀架運(yùn)動(dòng)的從上下止點(diǎn)的距離)，；
——曲柄的轉(zhuǎn)角，從下止點(diǎn)開始算起，方向與曲柄轉(zhuǎn)向相反；
——曲柄長(zhǎng)，；
——連桿長(zhǎng)度(當(dāng)連桿的長(zhǎng)度可調(diào)時(shí)，取最短時(shí)的值)，。
對(duì)式兩邊時(shí)間求導(dǎo)，可推導(dǎo)出：
(7.9)
式中： ——滑塊的速度，；
——曲柄連桿的角速度，；
——曲柄半徑，；
——曲柄每分鐘轉(zhuǎn)速，。
圖7.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)關(guān)系計(jì)算簡(jiǎn)圖[5]
由計(jì)算可知，盡管曲柄做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，但滑塊在運(yùn)動(dòng)中各點(diǎn)的速度是不等的。當(dāng)滑塊運(yùn)動(dòng)到上止()點(diǎn)和下止點(diǎn)()的時(shí)候，其運(yùn)動(dòng)速度等于零，即。當(dāng)滑塊運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)()和()的時(shí)候，它的運(yùn)動(dòng)速度是最大的。
7.2.2曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的受力分析
如圖7.5所示，在的作用下曲柄首先承受扭矩的作用，同時(shí)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)各運(yùn)動(dòng)零件的摩擦力又使扭矩變大，對(duì)于單邊傳動(dòng)的曲軸滑塊機(jī)構(gòu)，曲軸上鎖承受的扭矩為：
圖7.3 曲柄受力簡(jiǎn)圖[11]
（7.10）
上式可寫成
（7.11）
式中： ——曲柄所受的扭矩，；
——工件變形抗力，；
——當(dāng)量力臂，；
——曲柄頸直徑，；
——支承頸直徑，；
——連桿球頭或連桿銷直徑，；
——摩擦因數(shù)，；
——連桿系數(shù)。
從上式可知，即使作用在連桿上的工件變形抗力不變，曲軸承受的扭矩或當(dāng)量力臂也是一個(gè)變量，它隨著曲軸轉(zhuǎn)角的增大而增大，在時(shí)為最小，在左右時(shí)為最大。
7.3曲軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
曲柄是剪板機(jī)機(jī)械的最重要零件，由于它受力復(fù)雜，故設(shè)計(jì)制造要求高。材料選用18CrMnMoB調(diào)質(zhì)鋼而且曲軸支承軸頸和曲柄頸需要精車或光磨。為了延長(zhǎng)曲軸壽命，在各軸頸特別是圓角處，最好用棍子輾壓強(qiáng)化。
7.3.1曲軸的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)曲軸時(shí)，先決定曲軸的有關(guān)尺寸，然后再進(jìn)行精確校驗(yàn)。
圖7.4曲軸的結(jié)構(gòu)[11]
支承頸直徑根據(jù)曲軸的有關(guān)尺寸根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[11]：
（7.12）
式中 ——剪板機(jī)公稱壓力,。
則
取，則曲柄頸直徑為。
則偏心距為，則取。
其他各部分尺寸見下表7.1
表7.1曲軸尺寸經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)
曲軸各部分尺寸名稱
代號(hào)
經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)
實(shí)際尺寸（mm）
曲柄頸直徑
132
支撐頸長(zhǎng)度
180
曲柄兩臂外側(cè)面向長(zhǎng)度
300
曲柄頸長(zhǎng)度
180
圓角半徑
9.6
曲柄臂寬度
180
曲柄臂寬度
87.5
偏心距
R
192
7.3.2曲軸的強(qiáng)度計(jì)算
曲軸除了承受扭矩的作用力外，還承受工件變形抗力給予的彎矩作，為圖7.3
將截面B-B、C-C為危險(xiǎn)截面，而且對(duì)載荷做了一些簡(jiǎn)化：1）大齒輪對(duì)曲軸的作用力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于連桿對(duì)曲軸的作用力，所以可忽略不計(jì)；2）連桿對(duì)曲軸的作用力近似看成公稱壓力Pg,并且看做Pg/2作用于連桿軸瓦兩側(cè)[11]。
則危險(xiǎn)截面C-C的彎矩為
（7.13）
危險(xiǎn)截面C-C的最大彎曲應(yīng)力：
(7.14)
式（7.13）和（7.14）中
——公稱壓力，；
——支撐頸長(zhǎng)度，；
——曲柄兩臂外側(cè)面向長(zhǎng)度，；
——曲柄頸直徑，；
——圓角半徑，；
、——軸的最大彎曲應(yīng)力、許用最大彎曲應(yīng)力，18CrMnMoB調(diào)質(zhì)鋼為；
——彎曲截面系數(shù)。
代入數(shù)據(jù)得
圖7.4 曲軸計(jì)算簡(jiǎn)圖（純彎梁法）[11]
理論上在曲柄頸上，除受彎矩作用外，尚受到扭矩的作用，本應(yīng)該按彎扭聯(lián)合作用計(jì)算。但實(shí)際上彎矩比扭矩要大得多，故可以忽略扭矩產(chǎn)生的應(yīng)力，因此對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)行程的剪板機(jī)，用式（7.3）計(jì)算危險(xiǎn)截面C-C的最大應(yīng)力是否滿足要求足夠準(zhǔn)確。
曲軸除了在曲柄頸的C-C截面上有可能破壞以外，在支承頸的B-B截面也要很大的機(jī)會(huì)破壞，故尚需要核算B-B截面的強(qiáng)度。但是與C-C截面恰恰相反的是，B-B截面上所受到的扭矩要比彎矩大得多，故可以忽略彎矩的影響，只計(jì)算B-B截面的扭矩：
(7.15)
危險(xiǎn)截面B-B的最大剪應(yīng)力：
(7.16)
式（7.4）和（7.5）中
——公稱壓力，N；
——支承頸直徑，；
——公稱當(dāng)量力臂，；
、——軸的最大剪應(yīng)力、許用最大剪應(yīng)力，18CrMnMoB調(diào)質(zhì)鋼為Pa；
——扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)。
代入數(shù)據(jù)得
7.4連桿的設(shè)計(jì)
由于采用曲柄滑塊形式如圖7.5所示，AB桿長(zhǎng)。機(jī)構(gòu)在時(shí)的傳動(dòng)角，為壓力角，同時(shí)為了保證曲柄滑塊的性能合理，要求 。
圖7.5 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)示意圖
由上圖可知：
因?yàn)?，所?
的最大值為1
,代入數(shù)據(jù)得
根據(jù)市場(chǎng)上出售的樣機(jī)，選。連桿材料用HT200，連桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)如圖7.6。尺寸確定：
,
圖7.6 連桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
7.5曲軸連桿機(jī)構(gòu)中的滑動(dòng)軸承
在剪板機(jī)中，曲柄連桿機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)速度較低，但載荷較大，因此必須檢驗(yàn)作用在滑動(dòng)軸承上的軸瓦上的壓強(qiáng)。
連桿大端軸承襯的壓強(qiáng)為：
曲軸兩端軸承襯的壓強(qiáng)為:
連桿小端軸承襯的壓強(qiáng)為：
三種軸承襯的材料均選ZQSn6-6-3。類型為剖分式曲軸滑動(dòng)軸承。
8控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在剪板機(jī)控制系統(tǒng)中，一般都裝有離合器和制動(dòng)器，用來(lái)控制工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和停止。剪板機(jī)常用的離合器可分為剛性離合器和摩擦離合器兩類；常用的制動(dòng)器有圓盤式制動(dòng)器、帶式制動(dòng)器和閘瓦式制動(dòng)器。
8.1離合器的選用
剪板機(jī)的離合器一般有剛性離合器和摩擦離合器兩種。剛性離合器通過(guò)鍵連接把主動(dòng)部分和從動(dòng)部分連接起來(lái)。根據(jù)鍵類型的不同，可分為轉(zhuǎn)鍵式、滑銷式、滾柱式和牙嵌式等幾種，本次設(shè)計(jì)采用雙轉(zhuǎn)鍵式離合器。轉(zhuǎn)鍵式離合器的一般結(jié)構(gòu)如圖8.1所示。中套4裝在大齒輪內(nèi)孔中部，用平鍵與大齒輪連接，跟隨大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。內(nèi)套2和外套6分別用平鍵與曲軸3連接。內(nèi)、外套的內(nèi)孔上各加工出兩個(gè)缺月形的槽，而曲軸的右端加工出兩個(gè)半月形的槽，兩者組成兩個(gè)圓孔，主鍵和副鍵便裝在這兩個(gè)圓孔中，并可在圓孔中轉(zhuǎn)動(dòng)。
半圓形轉(zhuǎn)鍵離合器，它的主動(dòng)部分包括大齒輪8、中套4和兩個(gè)滑動(dòng)軸承等；從動(dòng)部分包括曲軸3、內(nèi)套2和外套6等；接合件是兩個(gè)轉(zhuǎn)鍵（一個(gè)工作鍵也叫主鍵，一個(gè)副鍵）；操縱機(jī)構(gòu)由關(guān)閉器等組成
在離合器的操控機(jī)構(gòu)的作用下，離合器的工作鍵轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，使得中套上的半圓形槽和傳動(dòng)軸上的半圓形槽對(duì)正，此時(shí)離合器就嚙合了，這樣從動(dòng)軸會(huì)被大齒輪經(jīng)中套和工作鍵帶動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。操縱機(jī)構(gòu)上有復(fù)位彈簧，可以使離合器復(fù)位，這樣大齒輪就繞套筒轉(zhuǎn)動(dòng)(從動(dòng)軸就停轉(zhuǎn)動(dòng))，完成一個(gè)工作循環(huán)。
8.2制動(dòng)器的選用
制動(dòng)器都是通過(guò)摩擦作用來(lái)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)的，常用的制動(dòng)器有圓盤式制動(dòng)器、帶式制動(dòng)器和閘瓦式制動(dòng)器三種。本次設(shè)計(jì)采用帶式制動(dòng)器，常用的有偏心帶式制動(dòng)器、凸輪帶式制動(dòng)器和氣動(dòng)帶式制動(dòng)器。
本次設(shè)計(jì)采用凸輪帶式制動(dòng)器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖8.2所示，其中制動(dòng)彈簧5是用來(lái)控制制動(dòng)帶6的張緊，而凸輪l、杠桿4和滾輪用來(lái)控制其松開的，因此，在非制動(dòng)行程時(shí)，剪板機(jī)的制動(dòng)帶是松開的，而且這樣能量損耗也會(huì)比較小。制動(dòng)器改為凸輪帶式制動(dòng)器以后，能量損耗與壓力機(jī)電動(dòng)機(jī)功率之比變?yōu)?．67％，下降約50％。順便應(yīng)說(shuō)明—點(diǎn)，由于小型機(jī)一般沒有滑塊平衡裝置，因此，在壓力機(jī)空程向下時(shí)，為了防止連桿等零件的“超前”現(xiàn)象，應(yīng)提供一定的制動(dòng)力矩。故非制動(dòng)行程一般指回程。
1— 滑動(dòng)軸承 2—內(nèi)套 3—曲軸 4—中套 5—滑動(dòng)軸承 6—外套
7—端蓋 8—大帶輪 9—尾板 10—彈簧 11—平鍵 12—副鍵
13—工作鍵 14—拉板 15—副鍵板 16—工作鍵
圖8.1 轉(zhuǎn)鍵式離合器的一般結(jié)構(gòu)
1—凸輪 2—制動(dòng)輪 3—滾輪 4—杠桿 5—制動(dòng)彈簧 6—制動(dòng)帶
圖8.2 凸輪帶式制動(dòng)器[11]
8.3離合器的操縱機(jī)構(gòu)
圖8.3所示是電磁鐵控制的離合器操縱機(jī)構(gòu)示意圖，此操縱機(jī)構(gòu)可以使壓力機(jī)獲得單次行程和連續(xù)行程。
單次行程：預(yù)先將拉桿5上的圓孔與右邊的打棒3上的銷子11連接起來(lái)，形成單次行程工作狀態(tài)。工作時(shí)，電磁鐵6通電，銜鐵上吸，拉桿向下拉打棒；由于打棒的臺(tái)階面4壓在齒條12上面，由于齒條也跟著向下；齒條帶動(dòng)齒輪1和關(guān)閉器10轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，尾板與轉(zhuǎn)鍵在拉簧的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，離合器接合，曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，滑塊向下運(yùn)動(dòng)。在曲軸旋轉(zhuǎn)一周前，電磁鐵仍然處于通電狀態(tài)。但隨曲軸一起旋轉(zhuǎn)的凸塊2將撞開打棒；齒條與大棒脫離，并在下端彈簧的作用下向上運(yùn)動(dòng)，經(jīng)齒輪帶動(dòng)關(guān)閉器回到原位置，離合器脫開；曲軸在制動(dòng)器作用下停止轉(zhuǎn)動(dòng)，滑塊完成單次行程。若要再次進(jìn)行單次行程，則必須先使電磁鐵斷電，讓打棒在它下面的彈簧作用下復(fù)位，并重新壓住齒條，才能實(shí)現(xiàn)再次行程。綜上所述，這種機(jī)構(gòu)能夠防止由于操縱失誤而產(chǎn)生的連沖現(xiàn)象。
連續(xù)行程：先用銷子將拉桿5上的圓孔與左邊齒條12連接起來(lái)，形成連續(xù)行程工作狀態(tài)。工作時(shí)時(shí)電磁鐵通電，銜鐵上吸，拉桿向下拉齒條，于是經(jīng)齒輪帶動(dòng)關(guān)閉器轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，離合器結(jié)合，曲軸旋轉(zhuǎn)。此時(shí)凸塊和打棒已不起作用，如不使電磁鐵斷電，滑塊便作連續(xù)行程。要使離合器脫開和曲軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)，則必須斷開電磁鐵的電源，齒條才能在它下面彈簧的作用下向上移動(dòng)，經(jīng)齒輪使關(guān)閉器復(fù)位并擋住尾板。
1— 齒輪 2—凸輪 3—打棒 4—臺(tái)階面 5—拉桿 6—牽引電磁鐵
7—銜鐵 8—擺桿 9—機(jī)身 10—關(guān)閉器 11—銷子 12—齒條
圖8.3 電磁鐵控制的離合器操縱機(jī)構(gòu)示意圖
8.4電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)與制動(dòng)
鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)采用全壓直接啟動(dòng)時(shí)，控制線路簡(jiǎn)單，維護(hù)工作量較少。但是，并不是所有異步電動(dòng)機(jī)在任何情況都可以采用全壓。這是因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)的全壓?jiǎn)?dòng)電流一般可達(dá)額定電流的4到7陪。過(guò)大的啟動(dòng)電流會(huì)降低電動(dòng)機(jī)的壽命，致使變壓器二次電壓大幅度下降，減小電動(dòng)機(jī)本事的啟動(dòng)扭矩，甚至使電動(dòng)機(jī)根本無(wú)法啟動(dòng)，還要影響同一電網(wǎng)路中其它設(shè)備的正常工作。一般來(lái)說(shuō)，電動(dòng)機(jī)容量在10kW以下者，可直接啟動(dòng)。10kW以上的異步電動(dòng)機(jī)是采用降壓?jiǎn)?dòng)方式。
本設(shè)計(jì)采用降壓?jiǎn)?dòng)也稱為星形-三角形降壓?jiǎn)?dòng)，簡(jiǎn)稱星三角降壓?jiǎn)?dòng)。在啟動(dòng)時(shí)將電動(dòng)機(jī)定子繞組接成星形，每相繞組承受的電壓為電源的相電壓（220V),減小了啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的影響。而在其啟動(dòng)后期則按預(yù)先整定時(shí)間換接三角形接法，每相繞組承受的電壓為電源的線電壓（380V），電動(dòng)機(jī)進(jìn)入正常運(yùn)行。凡是正常運(yùn)行時(shí)定子繞組接成三角形的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，均可采用這種方式。
機(jī)械制動(dòng)是在電動(dòng)機(jī)斷電后利用機(jī)械裝置對(duì)其轉(zhuǎn)軸施加相反的作用力矩來(lái)進(jìn)行制動(dòng)。電磁抱閘就是常用方法之一，結(jié)構(gòu)上電磁抱閘由制動(dòng)電磁鐵和閘瓦制動(dòng)器組成。斷電制動(dòng)型電磁抱閘在電磁線圈斷電后，利用閘瓦對(duì)電動(dòng)機(jī)軸進(jìn)行制動(dòng)，電磁鐵線圈得電時(shí)，松開閘瓦，電動(dòng)機(jī)可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)。圖8.4為電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)與制動(dòng)的主電路。
圖8.4 電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)與制動(dòng)的主電路
圖8.5為電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)與制動(dòng)的控制線路。啟動(dòng)：按下啟動(dòng)按鈕SB2，接觸器KM