自動(dòng)墻壁清洗機(jī)設(shè)計(jì),自動(dòng)墻壁清洗機(jī)設(shè)計(jì),自動(dòng),墻壁,清洗,設(shè)計(jì) 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 題 目： 自動(dòng)墻壁清洗機(jī)設(shè)計(jì) 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)及制造自動(dòng)化 學(xué) 號(hào)： 2006183838 姓 名： 沈超 指導(dǎo)教師： 楊世平 完成日期： 2010-6-1 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）評(píng)閱表 學(xué)號(hào) 2006183838 姓名 沈超 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)及制造自動(dòng)化 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目： 自動(dòng)墻壁清洗機(jī)設(shè)計(jì) 評(píng)價(jià)項(xiàng)目 評(píng) 價(jià) 內(nèi) 容 選題 1.是否符合培養(yǎng)目標(biāo)，體現(xiàn)學(xué)科、專業(yè)特點(diǎn)和教學(xué)計(jì)劃的基本要求，達(dá)到綜合訓(xùn)練的目的； 2.難度、份量是否適當(dāng)； 3.是否與生產(chǎn)、科研、社會(huì)等實(shí)際相結(jié)合。 能力 1.是否有查閱文獻(xiàn)、綜合歸納資料的能力； 2.是否有綜合運(yùn)用知識(shí)的能力； 3.是否具備研究方案的設(shè)計(jì)能力、研究方法和手段的運(yùn)用能力； 4.是否具備一定的外文與計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力； 5.工科是否有經(jīng)濟(jì)分析能力。 論文 （設(shè)計(jì)）質(zhì)量 1.立論是否正確，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴(yán)謹(jǐn)合理；實(shí)驗(yàn)是否正確，設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析處理是否科學(xué)；技術(shù)用語(yǔ)是否準(zhǔn)確，符號(hào)是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范； 2.文字是否通順，有無(wú)觀點(diǎn)提煉，綜合概括能力如何； 3.有無(wú)理論價(jià)值或?qū)嶋H應(yīng)用價(jià)值，有無(wú)創(chuàng)新之處。 綜 合 評(píng) 價(jià) 評(píng)閱人： 2010年5月 日 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 目錄 1引言 1 1.1清洗建筑表面的意義 1 1.2目的和現(xiàn)實(shí)意義 1 1.3研究現(xiàn)狀 2 2 方案評(píng)價(jià)與選擇 3 2.1高樓外墻清潔機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作 3 2.1.1設(shè)置于頂樓的支撐突梁 3 2.1.2支撐纜繩 4 2.1.3乘載用掛籠 4 2.1.4動(dòng)作馬達(dá) 4 2.1.5升降結(jié)構(gòu) 5 2.1.6清洗刷 5 2.2方案評(píng)價(jià)與選擇 5 3 運(yùn)動(dòng)學(xué)及結(jié)構(gòu)方案的確定 6 3.1運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)選定 6 3.2計(jì)算總傳動(dòng)比和分配各級(jí)傳動(dòng)比 8 3.3計(jì)算傳動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù) 8 4 傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算 10 4.1 第一級(jí)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算 10 4.1.1.初步計(jì)算 10 4.1.2校核計(jì)算 10 4.2第二級(jí)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算 14 4.2.1.初步計(jì)算 14 4.2.2校核計(jì)算 14 4.2.3確定傳動(dòng)主要尺寸 16 4.3 畫(huà)簡(jiǎn)圖 18 4.3.1 初估軸徑 18 4.3.2 初選聯(lián)軸器 19 4.3.3 初選軸承 19 5軸的校核計(jì)算 20 5.1高速軸受力分析 20 5.2中間軸校核計(jì)算 20 6高速軸軸承驗(yàn)算 28 致 謝 30 參考文獻(xiàn) 31 30 1引言 1.1 清洗建筑表面的意義 隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展進(jìn)步，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市建筑更加規(guī)范，完美。千姿百態(tài)的各式建筑，尤其是高層建筑外墻都用各種建筑材料進(jìn)行裝飾，如粘帖各色墻磚，瓷磚，馬賽克，或涂上涂料，但是，自然界的風(fēng)吹雨打，日光輻射，塵埃污染，以及一些人為或偶然事故等原因，一段時(shí)間過(guò)后，建筑表面都將不同程度地變得污濁灰暗，破舊不堪，在環(huán)境差的地區(qū)，污染或損壞還相當(dāng)嚴(yán)重。建筑表面就像人身上的外衣，要保持清潔，就需要經(jīng)常清洗，整理。為此，世界發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，對(duì)保持建筑表面的清潔非常重視，并以法律的形式明確規(guī)定，每年必須定期清洗，否則將受到處罰。近年來(lái)，我國(guó)各級(jí)政府部門的環(huán)境保護(hù)意識(shí)已發(fā)生了很大改變，國(guó)內(nèi)一些大，中城市，特別是旅游，開(kāi)放城市，旅游景點(diǎn)，為保持建筑表面清潔，也制定出臺(tái)了相應(yīng)的法規(guī)，全國(guó)范圍的衛(wèi)生評(píng)比活動(dòng)，把保持建筑表面清潔列為考核的重要指標(biāo)之一，其中高層建筑的外墻，醒目，突出，自然也就成為檢查的重中之重。 有信息表明，十·五期間國(guó)家用于環(huán)境保護(hù)的投資將由九·五期間國(guó)民生產(chǎn)總值的1.5%翻倍增加至4%，同時(shí)還伴隨以產(chǎn)業(yè)政策的優(yōu)惠。所以，隨著我國(guó)改革開(kāi)放的不斷深入，政府，公民的環(huán)保意識(shí)的不斷加強(qiáng)，建筑表面清潔問(wèn)題必將引起各方面的高度重視，建筑清洗行業(yè)必然具有廣泛的發(fā)展前景，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益. 建筑表面清洗主要包括外墻清洗和中央空調(diào)風(fēng)管的清洗，目前外墻清洗是采用傳統(tǒng)的“蜘蛛人”清洗，這是以犧牲生命為代價(jià)的非人工作，部分城市頒布了建筑表面清洗條例； 由于非典事件，公共衛(wèi)生得到了高度的重視，特別是中央空調(diào)風(fēng)管的清洗，最近有關(guān)中央空調(diào)的清洗條例很快出臺(tái)；因此對(duì)于建筑表面清洗提供一個(gè)完備的解決方案，必然打破一個(gè)傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)格局，改變了人們的工作方式，用機(jī)器人清洗代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工清洗或無(wú)法清洗，是必然的發(fā)展趨勢(shì)。 1.2 目的和現(xiàn)實(shí)意義 洗墻機(jī)的功能主要在于清洗大樓窗戶、外墻等外部結(jié)構(gòu)，然而礙于在清洗大樓時(shí)清洗后廢水的處理，清洗的效果、效率等等，目前市面上尚無(wú)自動(dòng)的大樓洗墻機(jī)。 改革開(kāi)放以來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，高層式建筑如雨后春筍般的拔地而起。高樓外墻的外觀保養(yǎng)和清潔成為樓宇管理不可缺少的一部份。有需求就由市場(chǎng)，高樓外墻的清潔必將成為一種經(jīng)濟(jì)效益高，前景廣闊的行業(yè)。在中國(guó)，這種行業(yè)正在逐漸興趣。我國(guó)高墻清潔主要采取兩種形式。 1.3研究現(xiàn)狀 綜觀目前市面上可見(jiàn)的洗墻機(jī)，清洗方式主要還是以人工清洗為主，所以都是以掛籠垂降，再以人工方式清洗墻面；然而垂掛以及掛籠的升降方式便較具變化。傳統(tǒng)的是人手清潔，用繩把人系住和定位，逐層清潔。這種方式人在半空吊來(lái)吊去的（好象攀崖運(yùn)動(dòng)員下山時(shí)那樣），勞動(dòng)強(qiáng)度高，效率低，因?yàn)橹黧w是人，所以帶有一定的危險(xiǎn)性。 現(xiàn)代的機(jī)器人清潔，現(xiàn)代科技的發(fā)展，機(jī)器人代替人手工作是必然的趨勢(shì)，在國(guó)外和我國(guó)的一些清潔公司已經(jīng)采用了機(jī)器人來(lái)進(jìn)行高樓外墻的清潔工作，但是這些機(jī)器人構(gòu)造復(fù)雜，操作復(fù)雜，功能繁多（有些功能是很少用到或在某些場(chǎng)合不會(huì)用到），造成成本高（如果是一些由人工智能的機(jī)器人就更加不用說(shuō)了）和資源浪費(fèi)的現(xiàn)象。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)操作簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的高樓外墻清潔機(jī)器。 2方案評(píng)價(jià)與選擇 2.1高樓外墻清潔機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作 現(xiàn)代高樓外墻自動(dòng)清洗機(jī)的結(jié)構(gòu)主要分為下面幾種: 2.1.1設(shè)置于頂樓的支撐突梁 以下為一些常見(jiàn)的支撐突梁： （1）固定式如圖2.1所示： （A）F型突梁 (B) L型突梁 圖2.1 固定式突梁 (2)活動(dòng)式： 設(shè)有活動(dòng)滑軌,如圖2.2為一種滑軌： 圖2.2 滑軌 滑軌式的作動(dòng)情形如圖2.3所示： 圖2.3 滑軌式的作動(dòng)情形 滑軌有多種形式如圖2.4所示： A.水平式滑軌 B.自走平臺(tái) C.垂直式滑軌 圖2.4 多種形式的滑軌 直接將大型起降車設(shè)置于頂樓，方便隨時(shí)清洗，亦有助施工維修，但成本高昂且占空間。 2.1.2支撐纜繩 纜繩能承受高度張力，目前專用纜繩就可達(dá)到需求。 2.1.3乘載用掛籠 小型掛籠如圖2.5所示： 圖2.5 小型掛籠 中型掛籠如圖2.6所示： 圖2.6 中型掛籠 2.1.4 動(dòng)作馬達(dá) 對(duì)于馬達(dá)，一般來(lái)說(shuō)有以下要求： A.高扭力、低轉(zhuǎn)速。 B.斷電自動(dòng)煞車。 C.機(jī)械煞車裝置。 D.靜定功能。 2.1.5升降結(jié)構(gòu) 對(duì)于升降的結(jié)構(gòu)，目前計(jì)劃主要依現(xiàn)有一般市面上可見(jiàn)的機(jī)構(gòu)加以改良，作為自動(dòng)洗墻機(jī)的作動(dòng)裝置，裝在樓頂?shù)牟竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)卷桶控制鋼絲繩的收放，使的刷子部分的執(zhí)行機(jī)構(gòu)能在高墻上縱向移動(dòng)。在這里,選擇卷?yè)P(yáng)機(jī)類似的機(jī)構(gòu),加以改進(jìn)。 2.1.6清洗刷 考慮到刷子受到的摩擦力很小 ，刷子的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力由小電機(jī)提供，如圖所示 刷子部分采用紅外線測(cè)距。當(dāng)墻上的玻璃窗等與墻的豎直距離不等時(shí)，刷子不能很好的清洗玻璃等凹或凸出來(lái)的部分。所以從機(jī)器采用紅外線測(cè)距， 使刷子能更好的工作，即使有突出的墻沿，也可以通過(guò)機(jī)器自己調(diào)節(jié)(線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)和彈簧力來(lái)調(diào)節(jié)) 刷子由一個(gè)獨(dú)立的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)。 為了使機(jī)器在刷子往返運(yùn)動(dòng)中，不會(huì)使機(jī)構(gòu)左右搖擺，所以采用一些輔助機(jī)構(gòu)來(lái)減少左右搖擺，如圖所示，采用末端加有一個(gè)輪，此輪與墻接觸。當(dāng)機(jī)器向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，輪與墻之間是滾動(dòng)摩擦，使機(jī)器向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以使機(jī)器與墻之間保持一定的距離，從而不會(huì)撞到墻或者玻璃，當(dāng)墻左右搖晃時(shí)，這時(shí)，輪與墻之間產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，對(duì)機(jī)器左右搖擺有一定的抑制作用。 還有一些輔助機(jī)構(gòu)使得清潔機(jī)在墻上工作更加平穩(wěn)。 2.2方案評(píng)價(jià)與選擇 根據(jù)任務(wù)書(shū)的要求，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，投資小，成本低，安全可靠，工作效率高，故選用，水平式滑軌，支撐纜繩，小型掛籠，升降機(jī)構(gòu)采用類似卷?yè)P(yáng)機(jī)機(jī)構(gòu)，工作部，利用工作電動(dòng)，經(jīng)減速器減速，帶動(dòng)清洗刷轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)清洗功能。 3運(yùn)動(dòng)學(xué)及結(jié)構(gòu)方案的確定 根據(jù)任務(wù)書(shū)要求，一小時(shí)可以清洗墻面600-800平方米，考慮到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，直接單向進(jìn)給，故只考慮升降，而且要達(dá)到600-800平方米，所以要選用大型號(hào)的清洗刷。其結(jié)構(gòu)如圖3.1所示： 圖3.1 清洗刷結(jié)構(gòu)圖 3.1運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)選定 初選卷?yè)P(yáng)機(jī)，根據(jù)GB/T 1995-2002，選用雙卷快速快溜放卷?yè)P(yáng)機(jī)，額定速度為20m/min-25min，額定載荷為25KN。 根據(jù)初選的卷?yè)P(yáng)機(jī)，則定清洗刷直徑應(yīng)500mm。 清洗刷與墻面的摩擦力 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得工程塑料的動(dòng)摩擦因數(shù)在之間，因?yàn)?，清洗刷基本上靠自?dòng)壓在墻面上，又要考慮到清洗干凈，故選用動(dòng)摩擦因數(shù)較大的工程塑料，選定其動(dòng)摩擦因數(shù)為，估算清洗裝置，故 工作機(jī)所需輸入功率： 各部件的傳動(dòng)效率： 工作機(jī)的效率： 傳動(dòng)裝置中各部分的效率,查機(jī)械手冊(cè)得 8級(jí)精度的一般齒輪傳動(dòng)效率： 彈性聯(lián)軸器傳動(dòng)效率： 齒式聯(lián)軸器傳動(dòng)效率： 球軸承傳動(dòng)效率： 滾子軸承： 電動(dòng)機(jī)至工作機(jī)之間傳動(dòng)裝置的總效率： 所需電動(dòng)機(jī)功率 由 ,得 查表13-2,得圓柱齒輪傳動(dòng)單級(jí)傳動(dòng)比常值為3～5,故電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的可選范圍: 對(duì)Y系列電動(dòng)機(jī)通常多選用同步轉(zhuǎn)速為1000r/min或1500r/min的電動(dòng)機(jī),故選用同步轉(zhuǎn)速為1500r/min。 選用Y100L2-4,額定功率3KW,滿載轉(zhuǎn)速1430r/min,電動(dòng)機(jī)極數(shù)為4，軸伸尺寸。其具體參數(shù)如下： 型號(hào): Y100L2-4 額定功率/kW: 3.0 鐵心長(zhǎng)度/mm: 135 氣隙長(zhǎng)度/mm: 0.3 定子外徑/mm: 155 定子內(nèi)徑/mm: 98 定子線規(guī)nc-dc: 1-1.18 每槽線數(shù): 31 并聯(lián)支路數(shù): 1 繞組型式: 單層交叉 節(jié)距: 1～9/2～10/18～11 槽數(shù)Z1/Z2: 36/32 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/(kg·m^2): 0.0067 質(zhì)量/kg: 38 3.2 計(jì)算總傳動(dòng)比和分配各級(jí)傳動(dòng)比 傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比要求為 式中： —電動(dòng)機(jī)滿載轉(zhuǎn)速,r/min. 一般推薦展開(kāi)式二級(jí)圓柱齒輪減速器高速級(jí)傳動(dòng)比,取。 3.3 計(jì)算傳動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù) 該傳動(dòng)裝置從電動(dòng)機(jī)到工作機(jī)有三軸,依次為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ軸,則: 3.3.1 各軸轉(zhuǎn)速 式中: —為電動(dòng)機(jī)滿載轉(zhuǎn)速,r/min； 、、—分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ軸轉(zhuǎn)速,r/min;Ⅰ為高速軸,Ⅲ為低速軸. 3.3.2 各軸功率 式中: Pd —為電動(dòng)機(jī)輸出功率,KW; PⅠ、PⅡ、PⅢ —分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ軸輸入功率,KW； 3.3.3 各軸轉(zhuǎn)矩 4 傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算 4.1 第一級(jí)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算 因傳動(dòng)無(wú)嚴(yán)格限制,生產(chǎn)批量小,故小齒輪用40Cr,調(diào)質(zhì)處理,硬度241HB～286HB,平均取為260HB;大齒輪用45鋼,調(diào)質(zhì)處理,硬度為229HB～286HB,平均取為240HB.齒輪采用非對(duì)稱支承結(jié)構(gòu)安裝。計(jì)算步驟如下: 齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算 4.1.1 初步計(jì)算 轉(zhuǎn)矩T1 , 齒寬系數(shù) ,由表12.13,取 Ad值,由表12.16,估計(jì),取 接觸疲勞極限,由圖12.17c,得 初步計(jì)算的許用接觸應(yīng)力: 傳動(dòng)比i, 初步計(jì)算小齒輪直徑d1 ,,取 初步齒寬b , 4.1.2 校核計(jì)算 圓周速度, 精度等級(jí) 由表12.6，選用8級(jí) 齒數(shù)Z1、模數(shù)和螺旋角: ，取Z2=105 ,由表12.3,取 (和估計(jì)值接近) 使用系數(shù)KA 由表12.9,, 動(dòng)載系數(shù)Kv,由圖12.9, 齒間載荷分配系數(shù) 由此得 齒向載荷分布系數(shù),由表12.11, 載荷系數(shù), 彈性系數(shù),由表12.12, 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù),由圖12.16, 重合度系數(shù) ,由式12.31,因故 螺旋角系數(shù), 接觸最小安全系數(shù),由表12.14,得(一般可靠) 總工作時(shí)間, 應(yīng)力循環(huán)次數(shù): 接觸壽命系數(shù),由圖12.18, , 許用接觸應(yīng)力: 驗(yàn)算 計(jì)算結(jié)果表明,接觸疲勞強(qiáng)度較為合適,齒輪尺寸無(wú)須調(diào)整。 4.1.3 確定傳動(dòng)主要尺寸 中心距 實(shí)際分度圓直徑, 齒寬, 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算 齒形系數(shù): 由圖12.21, , 應(yīng)力修正系數(shù) ,由圖12.22,, 重合度系數(shù) , 螺旋角系數(shù), (當(dāng).) ,故 齒間載荷分配系數(shù) , 前已求得,故 齒向載荷分配系數(shù) ,由圖12.14, , 載荷系數(shù), 彎曲疲勞極限,由圖12.23c,, 彎曲最小安全系數(shù),由表12.14, 應(yīng)力循環(huán)次數(shù), 彎曲壽命系數(shù),由圖12.24, , 尺寸系數(shù),由圖12.25, 許用彎曲應(yīng)力 驗(yàn)算 傳動(dòng)無(wú)嚴(yán)重過(guò)載,故不做靜強(qiáng)度校核。 4.2 第二級(jí)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算 因傳動(dòng)無(wú)嚴(yán)格限制,生產(chǎn)批量小,故小齒輪用40Cr,調(diào)質(zhì)處理,硬度取為280HB;大齒輪用45鋼,調(diào)質(zhì)處理,硬度取為260HB。齒輪采用非對(duì)稱支承結(jié)構(gòu).計(jì)算步驟如下: 齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算 4.2.1 初步計(jì)算 轉(zhuǎn)矩T2 , 齒寬系數(shù) ,由表12.13,取 Ad值,由表12.16,估計(jì),取 接觸疲勞極限,由圖12.17c,得 初步計(jì)算的許用接觸應(yīng)力: 傳動(dòng)比, 初步計(jì)算小齒輪直徑 , 初步齒寬b , 4.2.2 校核計(jì)算 圓周速度, 精度等級(jí) 選用8級(jí) 齒數(shù)、模數(shù)和螺旋角: ,由表12.3,取 (和估計(jì)值接近) 使用系數(shù)KA ,表12.9,, 動(dòng)載系數(shù),由圖12.9, 齒間載荷分配系數(shù) 由此得 齒向載荷分布系數(shù),由表12.11, 載荷系數(shù), 彈性系數(shù),由表12.12, 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù),由圖12.16, 重合度系數(shù) ,由式12.31,因,故 螺旋角系數(shù), 接觸最小安全系數(shù),由表12.14,得(一般可靠) 總工作時(shí)間, 應(yīng)力循環(huán)次數(shù): 接觸壽命系數(shù),由圖12.18, , 許用接觸應(yīng)力 驗(yàn)算 計(jì)算結(jié)果表明,接觸疲勞強(qiáng)度較為合適,齒輪尺寸無(wú)須調(diào)整. 4.2.3 確定傳動(dòng)主要尺寸 中心距 實(shí)際分度圓直徑 齒寬 ,取 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算 齒形系數(shù): 由圖12.21, , 應(yīng)力修正系數(shù) ,由圖12.22,, 重合度系數(shù)， 螺旋角系數(shù), (當(dāng).) ，故 齒間載荷分配系數(shù), 前已求得,故 齒向載荷分配系數(shù),由圖12.14,, 載荷系數(shù), 彎曲疲勞極限,由圖12.23c, , 彎曲最小安全系數(shù),由表12.14, 應(yīng)力循環(huán)次數(shù),, 彎曲壽命系數(shù),由圖12.24, , 尺寸系數(shù),由圖12.25, 許用彎曲應(yīng)力 驗(yàn)算 傳動(dòng)無(wú)嚴(yán)重過(guò)載,故不做靜強(qiáng)度校核。 表1 傳動(dòng)零件設(shè)計(jì)計(jì)算小結(jié) 名稱 材料 硬度 齒數(shù) 齒寬 mn β 分度圓直徑 齒輪Ⅰ 40Cr 260HB 22 55mm 2 12°6′5′′ 45.000mm 齒輪Ⅱ 45 240HB 105 45mm 2 12°6′5′′ 215.190 mm 齒輪Ⅲ 40Cr 280HB 28 82 mm 2.5 13°32′10′′ 72.000mm 齒輪Ⅳ 45 260HB 96 72mm 2.5 13°32′10′′ 254.952 mm 4.3 畫(huà)簡(jiǎn)圖 142 58 71 70.5 57.5 71 128 圖4.1 簡(jiǎn)圖 4.3.1 初估軸徑 在畫(huà)裝配草圖前需初估軸徑,從而提高設(shè)計(jì)效率,減少重復(fù)設(shè)計(jì)的工作量,并盡可能的降低生產(chǎn)成本。三根軸都選用40Cr材料。 由<<機(jī)械設(shè)計(jì)>>式16.2,得各軸的最小直徑分別為: 式中: C為軸強(qiáng)度計(jì)算系數(shù),40Cr所對(duì)應(yīng)的系數(shù)為102 考慮到實(shí)際情況,可將這三軸的最小軸徑定為25mm,50mm和35mm。 4.3.2 初選聯(lián)軸器 聯(lián)軸器除聯(lián)接兩軸并傳遞轉(zhuǎn)矩外,有些還具有補(bǔ)償兩軸因制造和安裝誤差而造成的軸線偏移的功能,以及具有緩沖、吸振、安全保護(hù)等功能。電動(dòng)機(jī)軸和減速器高速軸聯(lián)接用的聯(lián)軸器,由于軸的轉(zhuǎn)速較高,為減小啟動(dòng)載荷,緩和沖擊,應(yīng)選用具有較小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和具有彈性的聯(lián)軸器,該設(shè)計(jì)選用彈性柱銷聯(lián)軸器。減速器低速軸與工作機(jī)聯(lián)接用的聯(lián)軸器,由于軸的轉(zhuǎn)速較低,不必要求具有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,但傳遞轉(zhuǎn)矩較大,又因減速器與工作機(jī)不在同一底座上,要求具有較大的軸線偏移補(bǔ)償,因此選用鼓形齒式聯(lián)軸器。根據(jù)上述分析并考慮到實(shí)際情況,聯(lián)軸器選擇如下: 電動(dòng)機(jī)軸和減速器高速軸聯(lián)接用的聯(lián)軸器選用LT4聯(lián)軸器 。 4.3.3 初選軸承 軸承是支承軸頸的部件。由于該傳動(dòng)裝置采用兩對(duì)斜齒輪傳動(dòng)，經(jīng)比較選擇，采用兩對(duì)角接觸球軸承和深溝球軸承。從高速軸到低速軸，選用的軸承分別為7307C、30210、30210，均為成組使用，面對(duì)面安裝。 5軸的校核計(jì)算 5.1高速軸受力分析 高速軸受力情況如下： 圖5.1 高速軸受力情況 水平受力分析: 對(duì)點(diǎn)取矩,則有 對(duì)點(diǎn)取矩,則有 垂直面受力分析: 對(duì)點(diǎn)取矩,則有: 對(duì)點(diǎn)取矩,則有: 5.2 中間軸校核計(jì)算 中間軸結(jié)構(gòu)和受力分析圖如下: 中間軸材料選用40Cr調(diào)質(zhì), 。軸的彎曲應(yīng)力校核步驟如下: 計(jì)算齒輪受力 齒輪Ⅱ所受的力(): 圓周力 徑向力 軸向力 轉(zhuǎn)矩 齒輪Ⅲ所受的力:( ) 圓周力 徑向力 軸向力 計(jì)算支承反力 水平面反力 垂直面反力 水平面受力圖,如f圖所示 垂直面受力圖,如h圖所示 畫(huà)軸彎矩圖 水平面彎矩圖,如g圖所示，圖 垂直面彎矩圖,如i圖所示，圖 合成彎矩圖,如j圖所示，合成彎矩 畫(huà)軸轉(zhuǎn)矩圖 軸受轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)矩圖, 當(dāng)量轉(zhuǎn)矩圖，如圖k所示 許用應(yīng)力 用插入法由表16.3,查得 應(yīng)力校正系數(shù) 畫(huà)當(dāng)量彎矩圖 當(dāng)量彎矩: 在齒輪Ⅲ中間處 在齒輪Ⅱ(軸頭)中間處 當(dāng)量彎矩圖,見(jiàn)圖l 校核軸徑 齒根圓直徑 軸徑 經(jīng)檢驗(yàn)軸所用尺寸合格。 中間軸安全系數(shù)校核計(jì)算如下： 以齒輪Ⅲ端面處危險(xiǎn)截面為例進(jìn)行安全系數(shù)校核。 對(duì)稱循環(huán)疲勞極限 脈動(dòng)循環(huán)疲勞極限 等效系數(shù) 截面3-3上的應(yīng)力 水平面彎矩 垂直面彎矩 合成彎矩 彎曲應(yīng)力幅 彎曲平均應(yīng)力 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力幅和平均切應(yīng)力 應(yīng)力集中系數(shù) 有效應(yīng)力集中系數(shù) 因在此截面處，有軸徑變化，過(guò)渡圓角半徑r=1mm，由和，從附錄表1中查出。 表面狀態(tài)系數(shù) 由附錄5查出 尺寸系數(shù) 由附錄6查出 安全系數(shù) 彎曲安全系數(shù) 設(shè)為無(wú)限壽命，，由式16.5得 扭轉(zhuǎn)安全系數(shù) 復(fù)合安全系數(shù) 經(jīng)檢驗(yàn)軸所用尺寸合格。 軸承驗(yàn)算 6高速軸軸承驗(yàn)算 查手冊(cè) 7307c軸承主要性能參數(shù)如下： 壽命計(jì)算 左邊軸承徑向力 右邊軸承徑向力 軸向力 ，方向向左 附加軸向力 查表18.4，可得 ， 因，故左邊軸承被壓緊 軸承軸向力 X,Y值 ，故 ，故 沖擊載荷系數(shù) 考慮中等沖擊查表18..8得 當(dāng)量動(dòng)載荷 軸承壽命 因，只計(jì)算軸承1的壽命 故高速級(jí)軸承滿足壽命要求。 靜載荷計(jì)算 X0、Y0 查表18.12，得， 當(dāng)量靜載荷 安全系數(shù)S0 正常使用角接觸球軸承，查表18.14，得 計(jì)算額定靜載荷 (因) 許用轉(zhuǎn)速驗(yàn)算 載荷系數(shù) 載荷分布系數(shù) 許用轉(zhuǎn)速N 均大于工作轉(zhuǎn)速1430r/min。 經(jīng)檢驗(yàn)該軸承合格。 致 謝 本論文是在楊世平老師的悉心指導(dǎo)和熱情關(guān)懷下完成的。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，不僅在學(xué)業(yè)上得到了老師細(xì)致、耐心的教導(dǎo)和講解，使自己鞏固、完善了所學(xué)知識(shí)，并且治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、塌實(shí)沉穩(wěn)的學(xué)風(fēng)給人以深厚影響，在我的學(xué)習(xí)、待物中產(chǎn)生了積極作用，也使得本次設(shè)計(jì)能夠順利完成。 再此衷心感謝在這過(guò)程中幫助及指導(dǎo)過(guò)我的老師和同學(xué)，讓我開(kāi)闊了眼界，增加了學(xué)識(shí)。 參考文獻(xiàn) [1] 吳彥農(nóng).康志軍.Solidworks2003實(shí)踐教程. 淮陰：淮陰工學(xué)院，2003 [2] 葉偉昌. 機(jī)械工程及自動(dòng)化簡(jiǎn)明手冊(cè)（上冊(cè)）. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001 [3] 徐錦康. 機(jī)械設(shè)計(jì). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001 [4] 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第四版 第4卷）. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002 [5] 葛常清. 機(jī)械制圖（第二版）. 北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2000 [6] 朱? 敬. 孫明，邵謙謙.AutoCAD2005.電子工業(yè)出版社，2004 [7] 董玉平. 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ).機(jī)械工業(yè)出版社，2001 [8] 曾正明. 機(jī)械工程材料手冊(cè). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003 [9]周昌治. 楊忠鑒，趙之淵，陳廣凌. 機(jī)械制造工藝學(xué). 重慶：重慶大學(xué)出版社，199910 曲寶章. 黃光燁. 機(jī)械加工工藝基礎(chǔ). 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2002 [11] 張福潤(rùn). 徐鴻本，劉延林. 機(jī)械制造基礎(chǔ)（第二版）. 武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002 [12] 徐錦康. 機(jī)械設(shè)計(jì). 北京：高等教育出版社，2004 [13]寧汝新. 趙汝嘉. CAD/CAM技術(shù). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003 [14] 司徒忠. 李璨. 機(jī)械工程專業(yè)英語(yǔ). 武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2001 [15]牛又奇. 孫建國(guó). 新編Visual Basic程序設(shè)計(jì)教程. 蘇州：蘇州大學(xué)出版社，2001 [16] 甘登岱. AutoCAD2000.航空工業(yè)出版社，2000 [17] 夸克工作室.SolidWorks2001.科學(xué)出版社，2003 [18] 吳權(quán)威. 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This paper mainly introduces operating principle feature and current situation of application of water jet cleaning technology, then, describes its development foreground and trend. Key words water jet cleaning technology current situation of application development trend 水射流清洗是一項(xiàng)不斷發(fā)展的清洗技術(shù)，傳統(tǒng)的水射流清洗是延用至今的低壓大流量水射流沖洗，那時(shí)水射流清洗作業(yè)又稱為“水力剝層”。而高壓水射流清洗技術(shù)是水射流清洗技術(shù)的最新發(fā)展。由于世界各國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)日益重視，高壓水射流清洗技術(shù)以其廣泛的通用性和對(duì)環(huán)境無(wú)害性在清洗行業(yè)異軍突起，備受清洗行業(yè)的表睞，應(yīng)用日益廣泛。 1.高壓水射流清洗技術(shù)的工作原理和特點(diǎn) 高壓水射流清洗技術(shù)的工作原理是利用高壓水泵將普通水的壓力提高至40－250MPa，單槍流量約為20-39L/min，從噴嘴射出，形成超高壓水射流或磨料水射流，利用水射流的強(qiáng)大沖擊力、沖蝕力和剝離能力，快速地將涂層、結(jié)垢，鐵銹和油漆去除干凈。在清洗時(shí)，可采用純水射流清洗和磨料水射流清洗兩種方式。采用純水清洗時(shí)，水射流的壓力很高，可采用旋轉(zhuǎn)噴頭，清洗速度快，設(shè)備簡(jiǎn)單。采用磨料水射流清洗時(shí)，水射流的壓力相對(duì)較小，磨料為便宜的石莫砂，操作相對(duì)復(fù)雜。水射流清洗技術(shù)是射流技術(shù)和清洗設(shè)備組合在一起而形成的。磨料水射流是磨料與高速流動(dòng)的水或者與高壓水互相混合而形成的液固兩相介質(zhì)射流。磨料射流也稱為高效射流（也包括脈沖射流，空化射流等），分為后混合磨料射流，前混合磨料射流和外混合磨料射流。外混合磨料射流主要用于清洗。在清洗技術(shù)中實(shí)際應(yīng)用的水射流大致可以分為三種類型：連續(xù)射流、脈沖射流和空化射流。連續(xù)射流又根據(jù)其周圍介質(zhì)分為：淹沒(méi)射流和非淹沒(méi)射流，高壓水射流清洗使用非淹沒(méi)連續(xù)射流。水射流清洗的工作參數(shù)主要是射流的工作壓力和流量，其中，尤以壓力對(duì)水射流的影響顯著，只有當(dāng)水射流的工作壓力達(dá)到一定值時(shí)，才能對(duì)材料造成破壞。提高水射流的沖蝕和切割效果的有力措施是適當(dāng)?shù)靥岣吖ぷ鲏毫?，而要提高水射流的崩裂、剝離及沖運(yùn)效果，則要在保證足夠壓力的情況下，增加射流的水流量。高壓水射流清洗裝置稱為高壓水射流清洗機(jī)主要由高壓柱塞泵、動(dòng)力部分、噴嘴、高壓軟管及工作附件等組成。 2. 高壓水射流清洗的應(yīng)用現(xiàn)狀 高壓水射流清洗是物理清洗方法中的一項(xiàng)重要的新技術(shù)，物理清洗技術(shù)是世界清洗技術(shù)發(fā)展的方向，而化學(xué)清洗只能適用于有限的清洗對(duì)象。通過(guò)多年的研究與實(shí)踐，越來(lái)越多的用戶開(kāi)始尋找和轉(zhuǎn)向物理清洗方法。與傳統(tǒng)的手工、機(jī)械方法清洗、化學(xué)方式清洗相比，高壓水射流清洗具有如下優(yōu)點(diǎn)： 1． 選擇合適的壓力等級(jí)，高壓水射流清洗不會(huì)損傷被清洗機(jī)體。 2． 清洗過(guò)后的零部件不需要進(jìn)行潔凈處理。 3． 能夠清洗形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，能在空間狹窄、復(fù)雜環(huán)境、惡 劣有害的場(chǎng)合進(jìn)行清洗。 4． 清洗效率高、質(zhì)量好，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，安全可靠。 5． 易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化、便于數(shù)字控制。 6． 高壓水射流清洗是用普通自來(lái)水于高速度下的沖刷清洗，所以它不污染，環(huán)境，不腐蝕設(shè)備，不會(huì)造成任何機(jī)械損傷，還可除去用化學(xué)清洗難溶或不能溶的特殊垢。 由于高壓水射流清洗是利用水射流的打擊力將附著物清除掉，在水中不需加入任何化學(xué)藥劑。因此高壓水射流清洗技術(shù)范圍非常廣泛，幾乎遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，被清洗物的形狀、大小和性質(zhì)差異很大，清洗要求也各不相同。具體來(lái)說(shuō)，在石油化工、電力、冶金等工業(yè)部門中得到廣泛的應(yīng)用，可用于清洗容器，也可用于清洗各種設(shè)備、管道、煤氣管線及換熱器，還可用于清洗船舶上積附的海洋生物和鐵銹、鋼鐵鑄件上的清砂等。 水射流技術(shù)的清洗對(duì)象主要有：換熱器，包括列管式換熱器、管程換熱器、螺旋板式換熱器、蒸發(fā)器等；管道，包括各種輸送物料管、廢水、廢渣排放管、管網(wǎng)及管式干燒器等；容器，包括反應(yīng)塔、缸、罐釜、沸騰槽、混合器、冷卻塔、槽車仍儲(chǔ)罐等，專業(yè)器材包括船舶、機(jī)場(chǎng)跑道、鉆桿、鉆具、機(jī)車、軋機(jī)和鋼鐵構(gòu)件及陽(yáng)極板等；其它設(shè)備包括過(guò)濾機(jī)板框、柵格板、水泥地板、排風(fēng)機(jī)、送風(fēng)管及大型零部件等，被清洗的物料包括各種類型的結(jié)垢、結(jié)晶、板結(jié)、附著物、反應(yīng)成沉淀物料及涂料、油漆、油污等。近年來(lái)，高壓水射流清洗技術(shù)還要更深入、更廣泛的領(lǐng)域擴(kuò)展、延伸。高壓水射流清洗火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，清洗飛機(jī)跑道、清洗50萬(wàn)伏超高壓線路，清洗火炮筒壁等主面也都取得了一定進(jìn)展。此處，高壓水射流技術(shù)非常適合核電站及核化條件清洗。對(duì)核電站的清洗，是保證核電站安全正常運(yùn)行必不可少的重要工作。水射流清洗核電站技術(shù)優(yōu)于化學(xué)、機(jī)械等清洗方法，是目前最理想的清洗方法。在野戰(zhàn)條件下式軍事演習(xí)后對(duì)遭受核生化污染的人員、武器、技術(shù)裝備也可采用高壓水射流清洗。 3. 高壓水射流清洗技術(shù)的發(fā)展前景 采用先進(jìn)的高壓水射流清洗技術(shù)，取代傳統(tǒng)落后的清洗方法，可大幅度地提高清洗質(zhì)量和清洗效率、降低成本、改善工作環(huán)境，避免污染。特別是近10年來(lái)，由于高壓往復(fù)式柱塞泵以及與配套的高壓軟管。高壓閥和旋轉(zhuǎn)接頭等輔助裝置的提高，性能的改善；國(guó)內(nèi)外一些高壓水射流清洗技術(shù)的研究成果已逐步形成商品，應(yīng)用的領(lǐng)域和范圍還在迅速擴(kuò)大。 從整體上來(lái)說(shuō)，水射流清洗產(chǎn)業(yè)的回化進(jìn)程將加快，即向?qū)I(yè)化、社會(huì)化、系列化和高級(jí)化方向發(fā)展，全能化和全程化服務(wù)水平不斷提高【1】。在工業(yè)清洗行業(yè)中，高壓水射流清洗技術(shù)將占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，是我國(guó)工業(yè)清洗的必由之路【3】。在高壓水射流技術(shù)設(shè)備自身實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行的前提下，提高智能化水平。高壓水射流、機(jī)器人與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的結(jié)合，將是高壓水射流清洗技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。 參考文獻(xiàn)： 【1】 曹昊翔，張正學(xué).水射流清洗技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及其前景.長(zhǎng)沙礦山研究建院50周年院慶論文集，2006.10 【2】 孫建勛，陳毅強(qiáng)，趙隕.高壓水射流清洗技術(shù).管道技術(shù)與設(shè)備， 2001.2 【3】 辛承梁.高壓水射流的清洗功能.化學(xué)清洗，1992. 附錄2 水射流的數(shù)值模擬 摘要 計(jì)算流體力學(xué)的方法已經(jīng)發(fā)展到找出在磨料－空氣－水噴射形成期間在管嘴處相遇的微粒和空氣的速度的分布情況。這項(xiàng)研究已進(jìn)行了采用一種多相方法。磨粒被視為一個(gè)固體顆粒連續(xù)相。被用于抽取磨粒進(jìn)入噴射裝置的空氣被視為一連續(xù)相，水被視為主要的連續(xù)相?；痉匠屉x散為采用有限體積方法?；痉匠痰慕夥ㄊ遣捎孟嚅g滑移算法?；痉匠探剖褂猛牧髂Ｐ汀．?dāng)空氣相集中于混合頻管的中心區(qū)域時(shí)，磨粒進(jìn)入噴嘴和集中管，在這兩個(gè)地方微粒沿著無(wú)孔壁面分布、沿著管壁飄動(dòng)。在集中管處，空氣相和水相的分布形式表明了一個(gè)可能的振動(dòng)。采用不同的磨料進(jìn)口角度和不同的磨料進(jìn)口位置進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn)。模擬的結(jié)果清楚地表明，磨料進(jìn)口角度和位置對(duì)集中管出口處速度分布的影響。從模擬中發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的磨料進(jìn)口角度取決于磨料在混合室中的位置。當(dāng)磨料進(jìn)口位置靠近錐形部分，即混和空氣的較低部分時(shí)，較低的角度是有益的；當(dāng)磨料進(jìn)口位置靠近開(kāi)孔口（節(jié)流口）的，即混合空氣的較高部分時(shí)，較高的角度是優(yōu)秀的。在出口處的空氣、水和磨料的速度和體積分?jǐn)?shù)與可得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。模擬的結(jié)果顯示出與試驗(yàn)數(shù)據(jù)很好的一致性。 1.引言 速度分布在磨料水射流精密切割中是非常重要的參數(shù)。找到水和磨料的速度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)采用不同的方法獲得。但是在實(shí)際情況下，磨料水射流包含三相的流動(dòng)（水、空氣和固體）。大多數(shù)研究者已經(jīng)進(jìn)行了磨料和水的實(shí)驗(yàn)，由于在集中管的出口處的空氣速度是難以測(cè)量的。 Scharner et al 在1998年根據(jù)磨料的流動(dòng)頻率計(jì)算出空氣的流動(dòng)頻率。從他們的研究論文可以清楚地知道，混合室的幾何形狀對(duì)空氣流動(dòng)頻率有很大的影響。Abduka和 Crofton在1998年指出，在混合室內(nèi)部的真空壓力隨著水壓力的增加而增加，而且也取決于孔口部位的直徑。Neusen et al 在1994年指出關(guān)于容積積位的磨料水射流是由大約4%至6%的水，0.2%至0.5%的磨料和93%至95%的空氣所組成。Tazibt et al在1996年指出磨粒吸收的空氣占磨料水射流多于百分之九十的體積，于是在磨料水射流中，空氣有很大的影響。有些作者已試圖模擬磨料水射流，但是他們僅考慮到兩相（水和固體）。JainYe在1996年也試圖模擬磨料水射流，他考慮到粒子運(yùn)動(dòng)和粒子運(yùn)動(dòng)的拉格朗日方程的軌線。他指出漸細(xì)的進(jìn)口角度對(duì)在噴嘴出口的粒子聚集和運(yùn)動(dòng)的能量分布有著深遠(yuǎn)的影響。J Ye和R Kovacevic在1999年也還模擬了水射流的兩相，在這兩個(gè)模擬中，他們采用了直接注射的磨粒水射流（磨粒射流）。在本篇文章中，鑒于傳統(tǒng)噴嘴三相射流的情況，我們已試著模擬磨料水射流。 用計(jì)算流體力學(xué)方法來(lái)分析磨料水射流對(duì)找出在磨料水射流形成期間存在的不同相的速度分布是十分有用的工具。軟件CFX-4被用于這些模擬。水和固體被認(rèn)為是不可壓縮流，而空氣被認(rèn)為是可壓縮流。 本文論述磨料水射流所模擬的存在于傳統(tǒng)噴射系統(tǒng)的三相和不同磨料進(jìn)口角度及在混合室中的磨料進(jìn)口位置。 2.數(shù)學(xué)模型 依據(jù)雷諾數(shù)，顯然磨料水射流是湍流。水通常是以高速通過(guò)節(jié)流口的，然而空氣和磨料是以相當(dāng)小的速度流動(dòng)。從高速水到低速的磨粒有一個(gè)能量轉(zhuǎn)移，從而影響了工件。因此，磨料射流的沖擊性能是沖擊微粒的總質(zhì)量和他們?cè)谂鲎仓械乃俣鹊囊粋€(gè)參數(shù)。所有磨粒的平均速度是一個(gè)數(shù)量，這就必須決定提高截割頭設(shè)計(jì)。為了找出在噴嘴出口的速度分布采用模擬技術(shù)，水、空氣和固體系統(tǒng)需要被視為多相流。對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)、湍流和關(guān)于熱傳遞也進(jìn)行了模擬。在多相中水被視為主要相。模擬技術(shù)隨著湍流模型（湍流的動(dòng)能和能量損耗）采用CFX-4軟件而得到改善。 2.1模擬方程 三相由希臘記號(hào)、和標(biāo)記，它們分別代表水、空氣和固體，表示相的數(shù)目。每一相的體積分?jǐn)?shù)被標(biāo)記為。當(dāng)模擬仿真采用柱面坐標(biāo)系進(jìn)行時(shí)，變量由三個(gè)分量，像，所有的三相用歐拉方法。 由連續(xù)性方程： -------------------------------------------------- （1） 由動(dòng)量方程： ------------------------（2） 這里， ----------------------------------------------------------------------（3） 和 -----------------------------------------------------------------------（4） 及能量方程（不可壓縮流） -----------------------------（5） 其中是焓（熱函），，于是，狀態(tài)代數(shù)方程和每相的分量方程如下： ---------------------------------------------------------------------（6） ----------------------------------------------------------------------（7） 考慮到體積分?jǐn)?shù)總和是1： 普遍對(duì)流損耗方程是： --------------（8） 術(shù)語(yǔ)描述在和之間范圍的相間轉(zhuǎn)換。 。于是，所有的相間的轉(zhuǎn)換術(shù)語(yǔ)的總和是0。 體積分?jǐn)?shù)方程： ------------------------------------------------（9） 其中 體積分?jǐn)?shù)的湍流擴(kuò)散采用Eddy擴(kuò)散假說(shuō)來(lái)模擬。假設(shè)在一個(gè)湍流相中參數(shù)為k和的運(yùn)輸方程將以同樣的形式作為相對(duì)標(biāo)量的對(duì)流損耗方程。 --------（10） --------（11） 源術(shù)語(yǔ)被視為同它們的單相相似一樣，于是 --------------------------------------------------------------（12） -----------------------------------（13） 其中P是剪切應(yīng)力，并且G是由于內(nèi)部力而產(chǎn)生的。 常數(shù)被設(shè)置為。 由于空氣被視為可壓縮流，其密度將隨著壓力的變化而變化，理想氣體定律： -----------------------------------------------------------------------（14） 其中 用代碼存儲(chǔ)和解決的壓力P實(shí)際上是不同于熱力壓力p和固定參考?jí)毫?. 2.2幾何和參數(shù) 柱坐標(biāo)系是用來(lái)創(chuàng)建常規(guī)霧沬噴射的幾何。示意圖顯示在圖1中，對(duì)于三相流（水，空氣和固體）來(lái)說(shuō)，環(huán)境被認(rèn)為是在大氣條件。由那個(gè)原因額外的阻塞被創(chuàng)建，被當(dāng)作大氣壓和100％空氣的壓力邊界。然而，水壓被視為276MPa，幾何尺寸和參數(shù)見(jiàn)表1。磨料進(jìn)口角度和它的位置見(jiàn)圖2。 3．模擬仿真驗(yàn)證 盡管模擬發(fā)展為三相，為了充分驗(yàn)證理論結(jié)果，測(cè)量三相的速度是十分困難的。然而，在集中管出口處的速度分布已被Zoltani和Bicen在1990年所出版的一相流的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所證實(shí)。完全湍流，直徑25.4mm的兩相圓射流，20m/s的出口速度，包含1.5％的載荷密度的直徑為80μm的小珠在他們的測(cè)試中被檢驗(yàn)。他們利用激光多普勒在出口少數(shù)幾個(gè)位置測(cè)量空氣和固體的速度，展現(xiàn)在圖3到圖5的結(jié)果表明，發(fā)展起來(lái)的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究處于良好的量的一致性。 一些其它的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)也被用來(lái)驗(yàn)證模擬結(jié)果，這些實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)提供在出口處三相體積分?jǐn)?shù)的測(cè)量法及提供對(duì)水、空氣和固體的分析。例如，Neusen et al在1991年使用X光掃描密度計(jì)來(lái)測(cè)量在出口處空氣、水和固體的體積分?jǐn)?shù)。X光掃描器產(chǎn)生一束非常細(xì)的為0.125mm的X射線，它通過(guò)射流并且受包含在射流內(nèi)的物質(zhì)的相互作用而減弱。X－射線束的強(qiáng)度通過(guò)使用一個(gè)閃爍探測(cè)器而被測(cè)得。吸光系數(shù)接著被用來(lái)估計(jì)空氣、水和磨料的局部平均物質(zhì)體積分?jǐn)?shù)。他們使用范圍從207到345MPa的壓力，和從0.34到0.57kg/min的磨料流動(dòng)率來(lái)測(cè)量4mm投射距離的體積分?jǐn)?shù)。源于模擬的體積分?jǐn)?shù)與這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。在集中管出口處即0mm投射距離處；從模擬中獲取體積分?jǐn)?shù)。在集中管出口處水的模擬體積分?jǐn)?shù)在靠近壁處是更高的。這可能導(dǎo)致射流裝置可能的閃爍現(xiàn)象。比較的體積分?jǐn)?shù)結(jié)果顯示于圖6.7.8中。 4.磨料進(jìn)口角度和它的位置的影響 模擬被發(fā)展為在混合室中不同的磨料進(jìn)口角度和它的位置。集中管出口處的速度分布在本節(jié)中被介紹。出口處的射流速度被發(fā)現(xiàn)取決于在混合室中的混合過(guò)程及磨粒加速過(guò)程中所花費(fèi)的時(shí)間，也有從水到磨粒的動(dòng)量轉(zhuǎn)移。對(duì)于傳統(tǒng)的噴射系統(tǒng)，模擬條件在表1中被給出。 對(duì)于精密切割，靠近中心軸線的射流速度是重要的，而且靠近射流中心位置的速度應(yīng)該是最大速度。三個(gè)不同的磨料進(jìn)口位置被使用為獲得最佳的進(jìn)口位置（圖2）。磨料的中心距離距裝置的錐形部分是2.25mm。距混合室的較低部分分別為5.25mm和6.75mm的另外兩個(gè)磨料進(jìn)口位置也被考慮。對(duì)于不同的磨料進(jìn)口角度，空氣和固體將從在混合室、錐形部分和集中管中的不同位置彈回。表2說(shuō)明了這些現(xiàn)象。 顯然，從表2中，如果進(jìn)口角度在20.56°和55.56°之間，在距錐形部分為2.25mm的磨料進(jìn)口位置，磨料將會(huì)擊中斜面。如果進(jìn)口角度少于20.56°，那么它將擊中混合室。圖9表明了在集中管出口為不同磨料進(jìn)口角度的水速。對(duì)于30°進(jìn)口角度，水速被發(fā)現(xiàn)比沿半徑的其它水速要高。同樣，圖10和11顯示了不同的磨料進(jìn)口角度的空氣和固體的速度。從圖9至圖11，顯然，對(duì)于30°磨料進(jìn)口角度，由噴嘴的這種幾何輪廓射流速度才變成最大。但是如果幾何尺寸被改變，像混合室長(zhǎng)度和直徑，錐形進(jìn)口角度等，在最大射流速度，最佳磨料進(jìn)口角度可能會(huì)改變。 在這里還應(yīng)該提到，對(duì)于30°磨料進(jìn)口角度，沿半徑方向的不同相的速度是不準(zhǔn)確的模式。這暗示著在混合室內(nèi)混合過(guò)程是不足夠得到在射流中心位置處的最大速度。圖12顯示了不同磨料進(jìn)口角度的射流的平均速度。顯然，對(duì)于30°磨料進(jìn)口角度（29°磨料進(jìn)口角度也被使用為獲得一個(gè)精確的模式），射流的平均速度是最大的。圖13顯示了靠近中心軸線處水、空氣和固體的速度，并且能看出對(duì)于30°磨料進(jìn)口角度，不同相的各自速度是最大的，而且遵循一個(gè)幾乎相似的模式。若是75°，三相的速度是相似的但不是最大。 下一步準(zhǔn)備找出不同磨料進(jìn)口角度對(duì)進(jìn)口位置的影響。就圖12中所說(shuō)明的結(jié)果而論，模擬技術(shù)被發(fā)展為不同的磨料進(jìn)口角度（30°，45°和60°）和不同的進(jìn)口位置。 新的磨料進(jìn)口位置距錐形部分為6.75mm，模擬是采用為30°，45°和60°磨料進(jìn)口角度進(jìn)行的。一個(gè)附加的模擬被實(shí)施采用45°磨料進(jìn)口角度，進(jìn)口位置為5.25mm。對(duì)于精密切削，靠近射流中心區(qū)域射流速度應(yīng)該是最大。圖14至16展示了在沿著半徑方向?yàn)?0°磨料進(jìn)口角度和兩個(gè)不同的進(jìn)口位置的出口平面處的速度分布。盡管為以前的進(jìn)口位置，卻獲得了一個(gè)更好的結(jié)果。但是如果45°進(jìn)口角度，對(duì)5.25mm的進(jìn)口位置來(lái)說(shuō)，更好的結(jié)果會(huì)被獲得。這些結(jié)果展示在圖17，18和19中。但是如果是60°的磨料進(jìn)口角度（圖20，21和22），當(dāng)使用6.75mm的磨料進(jìn)口位置，更好的結(jié)果會(huì)被找到。于是，顯然，對(duì)于靠近孔口或者混合室的較高面的進(jìn)口位置，一個(gè)更高的角度是最佳磨料進(jìn)口角度。對(duì)于磨料進(jìn)口角度的較高位置，速度分布圖顯示了最大速度是在射流中心線的附近。 5.結(jié)論 如果磨料進(jìn)口位置接近錐形部分即混合室的底部，當(dāng)考慮到射流的最大速度時(shí)，一個(gè)較低的角度將是最佳的磨料進(jìn)口角度。 如果進(jìn)口位置朝著孔口方向改變（即混合室的較高位置），一個(gè)較高的磨料進(jìn)口角度將是最佳的。一個(gè)磨料進(jìn)口角度的較高位置即靠近孔口速度分布圖，表明射流的最大速度是在中心軸線附近。這也在混合室中，混合過(guò)程是最佳的，于是射流的閃爍現(xiàn)象減至最低限度，因此精密射流切割能夠?qū)崿F(xiàn)。 6．致謝 編者們要感謝澳大利亞研究咨詢委員會(huì)支持本項(xiàng)工作（作品）。 7．參考文獻(xiàn)（略） 8．學(xué)術(shù)用語(yǔ) B 內(nèi)部力 c相間術(shù)語(yǔ) C常數(shù) D集中管直徑 F內(nèi)部相非阻力 G基于內(nèi)部力的產(chǎn)品 h熱力學(xué)焓 H總焓或狀態(tài)焓 k動(dòng)能 相的總數(shù) p熱力學(xué)壓力 P壓力/剪切應(yīng)力 參考?jí)毫? r半徑 R普遍氣體常數(shù) S源術(shù)語(yǔ) t時(shí)間 T溫度 U速度 射流速度 W分子量 x出口距離 柱面坐標(biāo) 錐形進(jìn)口部分計(jì)算角度 磨料進(jìn)口角度 物理性質(zhì) 密度 湍流普蘭特爾數(shù) 湍流動(dòng)能損耗 導(dǎo)熱系數(shù) 分子黏度 湍流黏度 渦流渦流擴(kuò)散系數(shù) 下標(biāo)（腳碼、索引） a空氣 P磨粒 w水 T湍流 、、相 符號(hào) d阻力 h熱轉(zhuǎn)移 T張量 9.表格 表格1. 模擬條件 噴嘴尺寸 孔口直徑 0.33mm 混合室直徑 6mm 混合室長(zhǎng)度， 12mm 錐形進(jìn)口角度 集中管直徑， 1.27mm 集中管長(zhǎng)度 75mm 磨料進(jìn)口直徑 3mm 水的密度 空氣密度 磨料密度 磨料直徑 進(jìn)口條件 水壓 氣壓 磨料質(zhì)量流動(dòng)率 空氣流動(dòng)率 磨料進(jìn)口角度 表格2 距錐形管距離(mm) 角度范圍（空氣和磨料將擊中斜面） 角度范圍（空氣和磨料將通過(guò)集中管） 2.25 5.25 6.75 10.圖 圖1，磨料水射流噴嘴示意圖 圖2，混合室中的網(wǎng)格和板型 圖3，空氣速率 圖4，固體粒子速率 圖5，水的速率 圖6，水的體積分?jǐn)?shù) 圖7，磨料的體積分?jǐn)?shù) 圖8，空氣的體積分?jǐn)?shù) 圖9，集中管出口處沿半徑方向的水速 圖10，集中管出口處沿半徑方向的空氣速度 圖11，集中管出口處沿半徑方向的固體速度 圖12，不同磨料進(jìn)口角度的射流平均速度 圖13，不同磨料進(jìn)口角度的射流中心線附近的相的速度 圖14，兩不同位置處磨料進(jìn)口角度的水的速度 圖15，兩不同位置處磨料進(jìn)口角度的空氣速度 圖16，兩不同位置處磨料進(jìn)口角度的固體速度 圖17，三個(gè)不同位置處磨料進(jìn)口角度的水的速度 圖18，三個(gè)不同位置處磨料進(jìn)口角度的空氣速度 圖19，三個(gè)不同位置處磨料進(jìn)口角度的固體速度 圖20，兩不同位置處磨料進(jìn)口角度的水的速度 圖21，兩不同位置處磨料進(jìn)口角度的空氣速度 圖22，兩不同位置處磨料進(jìn)口角度的固體速度 附錄3