高效环保型混凝土小预制件自动生产设备设计.docx

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1、高效环保型混凝土小预制件自动生产设备设计甘镇瑜西南大学工程技术学院，重庆 400716摘要：针对混凝土小预制件生产中存在的人工劳动强度大、生产效率低、环境恶劣等问题，本文围绕高效环保型小预制件自动生产装备展开研究。对设备进行了整体方案设计，包含斜拉给料机构，平轨布料机构和振动成型机构。首先，对斜拉给料机构进行了设计计算，能高效快捷地装料卸料，并对其进行了有限元分析，确定了其设计的合理性。其次，对平轨布料机构进行了设计计算，确定了设计的合理性。最后，对振动成型机构进行了粗步规划与设计，设计研制一种振动平台，保证它能高效的振实混凝土，并具有升降和减震功能。关键词：高效环保；混凝土小预制件；斜拉给料

2、机构；平轨布料机构 Abstract：Aiming at the problems of high labor intensity, low production efficiency and bad environment in the production of small prefabricated concrete parts, this paper focuses on the research of high efficiency and environmental protection automatic production equipment for small prefab

3、ricated concrete parts. The overall design of the equipment is carried out, including the cable-stayed feeding mechanism, the flat rail feeding mechanism and the vibration shaping mechanism. Firstly, the cable-stayed feeding mechanism is designed and calculated, which can load and unload materials e

4、fficiently and quickly, and the finite element analysis is carried out to determine the rationality of its design. Secondly, the design calculation of the flat rail distribution mechanism is carried out, and the rationality of the design is determined. Finally, the vibration forming mechanism is rou

5、ghly planned and designed, and a vibration platform is designed and developed to ensure that it can vibrate concrete efficiently and has the function of lifting and reducing vibration.Key words：High efficiency and environmental protection; Small prefabricated concrete parts; Cable-stayed feeding mec

6、hanism; Flat rail feeding mechanismII0文献综述0.1混凝土小预制件生产设备现状国外关于水泥混凝土小预制件生产设备的研究已趋于成熟。Schwartz等1早在1987年便提出通过计算机和设备的新的和进一步的发展，结合一个创新的数字CAD/CAM系统，对预制混凝土进行计算机控制制造，并实现了大型预应力空心预制生产自动化生产；Heikkila等2在1994年提出了一种新的混凝土预制件制造系统，该系统侧重于保证生产预制件的生产质量，能够精确和高效地控制立面面板生产阶段的尺寸，也能完成预制件模具制造和生产各种控制测量的三维测量任务，同时具备可移动性、高效的测量方法和通

7、用的测量性能等优点；Nashwan等3运用遗传算法对定制预制混凝土产品特别设计和定制的建设项目进行了优化，考虑到定制的预制生产的特点与流水车间调度技术，有效的生产计划可以设置为解决这些问题制定，并对模具可用性、加工时间的变化以及多目标函数的加权进行了敏感性分析，所提出的模型预计将支持规划者安排经济和有效的生产计划。国内相关研究还较少，且还不成熟。江勇等4结合实际情况提出了一种小预制件数控生产线实施方案，通过传送带向出料口传送组合模具，并在混凝土搅拌机出口安装数控装置，能够精确测量一次浇筑所需混凝土的量，控制出料阀门就能实现向组合模具中给料，给料完成后传送到振动平台进行自动振捣、拆模、养生工序，

8、该方案从一定程度上来说能够大大节约生产力、提高生产效率，从具体实施来看部分结构有待简化，结构略显复杂不利于推广；武剑锋等5以铁路17标小型预制构件为背景，针对传统工艺在实际生产中的困难，提出了一种小型混凝土构件浇筑振捣一体平台的解决方案，通过一大容量出料斗给料，同时与其一体的振动台振动，其他工序仍然依靠人工作业，相比全人工作业而言，该方案能提高效率，但实际上，改善不大、生产现场差。0.2混凝土小预制件斜拉上料系统研究现状在混凝土小预制件自动生产装备中，斜拉上料系统是设备中的第一部分。斜拉上料系统的可靠性与工作效率将极大程度地影响到混凝土小预制件总生产设备的可靠性与效率，因而谨慎、仔细地完成此部

9、分的设计相当重要。混凝土小预制件斜拉上料系统的作用主要是：准确地从混凝土搅拌机中接收足够量的混凝土原料，再将原料整体拉动到接近下一系统的高度，通过卸料动作，精准地将混凝土导入下一系统的料斗内。市面上已有的混凝土小预制件生产设备中，所采用的斜拉上料系统从结构上与高炉炼铁采用的上料系统较接近。此种上料系统由高炉上料车、斜桥、料车卷扬机三部分组成，工作时料车在卷扬机的拉动下，沿着斜桥上升。斜桥有三段：料坑内直线段、斜桥直线段和炉顶卸料曲线段，利用炉顶的卸料曲线段，料车倾翻、完成卸料。对于此种上料系统，研究主要针对于使用数控程序自动化地完成料斗的倾翻动作。如鞠美霞等6对于PLC在上料系统中的应用进行了

10、探析，利用PLC的变成控制能力，实现上料系统的自动化；林刚等7提出了一种高炉上料自动控制系统和该系统所使用的控制方法，通过在适当的位置设置传感器，并结合使用PLC使系统能自动检测斗内原料、控制斗车上行距离、并实现料斗翻转。但很少有厂家对这种结构本身的不足进行改进与优化，因而此种结构在工作时不够稳定的一些情况一直未能得到解决，急需创新设计。0.3混凝土小预制件平轨给料系统研究现状目前，用于实现给料功能的机械装置有很多，但是能够用于水泥混凝土给料的装置还相对较少。盛金良等8研发出了一种发酵仓物料移动式给料机，包括螺旋给料机构、螺杆驱动装置、移动车架、导轨、平移驱动装置等，其螺旋给料机构安装在移动车

11、架上，移动车架可被驱动在导轨上平移，实现任意工位给料，可显著提高发酵仓物料的出料运输速率，并改善发酵现场卫生状况，同时大大减少了工人运送物料时的工作量，但结构不紧凑，重心离滚轮过高，导致移动时有较大冲击，物料大面积压在螺旋轴上，轴承容易抱死，螺旋轴采用一体式导致不便于修配，且不能够承受大的轴向载荷；耿朕胜9发明了一种移动式给料机及设有该给料机的磨矿系统，移动式给料机部分包括料斗、支撑机构、行走机构、轨道动力输送装置等，能有效避免物料冲击对给料机和系统的磨损，从而保证安全和提高了设备的工作效率，但移动给料机构过于简单，不便于实现自动化、不能承受较大的载荷。综上所述，本文将研究平轨布料阶段的生产设

12、备，即平轨布料机构。通过合理的设计计算在达到预期功能的同时，具备高效率、环保化、自动化的特点。0.4混凝土小预制件振动成型系统研究现状上世纪60年代初，航天技术702研究所为满足航天产品在振动方面研究的需要，就着手振动试验系统的开发，其中囊括推力小到10N大到100kN的振动台以及不同精度的振动测量仪器和传感器。迄今为止，702所推出的振动试验仪器不单在航天领域上大放异彩而且在其他行业也不可或缺，其研究的试验台也成为了一项重要民用设备。从激振方式上来将一般的振动试验平台分类可以分为这么三大类：机械式、电液式和电动式振动台，现在的研究领域甚至推向了电磁式振动台，可是技术还没有太成熟，成本比较高，

13、应用也不是特别广泛，往往适用于对所试验的产品精度要求特别高的场合。从激振方向上来划分振动平台，简单说就是工作面的运动轨迹来划分，就有单向（单自由度）、多向（多自由度）振动台系统。从功能上来划分振动平台，又可分为单一的正弦振动试验台、可实现正弦、随机、正弦和随机等振动、冲击试验的振动台系统。航天702所在上世界80年代末，首先提出采用有限元方法来计算电动振动台运动部件的共振频率，这样做不仅等得到准确的计算结果，而且能够很方便地优化运动部件的结构，大幅度提高了了振动台设计的可靠性。振动台主要有两种磁场产生方式，永磁型和励磁型。永磁型，是由永久磁钢来产生的稳定磁场。不过大体积的磁钢制造相对困难，所以

14、目前采用永磁型的都是一些较小的振动工作台。永磁型振动台应用较少，目前有航天702所推出的2202型振动台和B&K公司的4808型振动台才采用的这种方式。那么对于大型振动台，将直流电流通过励磁线圈来产生恒定磁场，这就是励磁型振动台。振动台除了可以根据通电导体在磁场受力作为激振源产生振动外，还有一种电动振动台是通过在平台上安装振动电机，振动电机产生激振力作为激振源来实现振动，而这种振动平台的核心部件就是安装在平台台面下方的振动的电机。众所周知，生活中需要利用振动完成工作需要的机械有很多，在传输、夯实、粉碎、送料等方面都有应用，这些振动机械中都有一个作为动力源的激振装置，传统的动力源也就是电机，电机

15、能提供动力，在电机的两侧安装偏心块这样偏心块回转产生的向心力就是所需要的激振力，电机和偏心块的组合就是一个激振器，振动机械装有这样的激振器就可以完成我们需要的工作。不管是在试验中使用到激振器还是生产中用到，过去在设计这种激振器时，都是采用在电机和偏心块组合，不过自从后来有了振动电机，改善了激振器的生产工艺，使之更加轻量化，结构更加简单。上世界80年代在国际市场上振动电机首次亮相，英国西蒙公司、瑞士布勒公司、德国磁电动机有限公司都陆续推出了相应的产品。我国的宝钢工程也有用到振动电机，在送料斗、装料机、松散机、传送装置等需要振动电机的地方，使用的产品都是来自日本安川商事株式会社。国家为了有自己的主

16、打产品，将振动电机的开发和研究列进“七五”计划。目前国内已经有成套的系列产品投入市场，更有几个大型厂家致力于振动电机的研发和投产，同时国家机电部和商业部在振动电机这一块有了相应的标准和推荐产品。1引言1.1研究背景及意义目前，我国绝大部分小型预制件生产企业仍然依靠人工作业（如图1-1所示），效率低、工人劳动强度大。另外，多采用室外就地生产，导致生产现场差，环境污染。随着城市建设进程迅猛，导致小预制件的需求日益剧增。随着中国社会人口老龄化，生产作业一线技术施工人员不足的矛盾越来越突出，建筑领域面临人工费的快速增长，一线施工人员严重不足的矛盾更加显著。如何提高小预制件的生产效率以及如何控制生产成本

17、是迫在眉睫的。实现混凝土小预制件的自动化、半自动化生产能够解决当前的问题。然而，现有的技术只能满足一些大型企业的预制件生产（如图1-2所示），针对小型企业设计的小型预制件生产设备还不成熟。另一方面，社会可持续发展的要求预示着“绿色设计”将成为21世纪工业设计的热点之一。为了减少环境问题，设计师要对产品进行环保性能的改进，工业产品的环保性能日益受到众多厂家的认同和重视。设计和制造决策的环境影响评估受到了广泛关注。研究人员不仅专注于工业废物最小化和过程或产品中的化学替代，还应关注产品设计决策在产品制造、使用和报废阶段对环境的影响。而针对混凝土小预制件生产设备的研究，考虑到节能环保的绿色设计已经势在

18、必行。在小预制件生产装备中，斜拉上料的作为第一环节，有着十分重要的使命，它决定着整个系统的生产节奏。其必须具备良好的使用性能，高效的完成工作内容，较长的使用寿命，恶劣环境下的工作能力。同时在小预制件生产装备中，斜拉给料，平轨布料，振动平台三者相互配合，才能有效地提高生产效率。整个装备，其必须具备良好的使用性能，能够高效的完成工作内容，并且还应具有较长的工作寿命，与适应恶劣工作环境的能力。同样重要的是，在绿色制造的概恋越来越重视的今天，在设计环节应更加重视环境的友好性，在满足使用要求的前提下，减少整个装备的能量攻击，提高能量使用效率，这也是设计中不可忽视的重要任务。带着创新设计的理念，符合“高效

19、”和“环保”两个概念的高效环保型混凝土小预制件自动生产装备才能真正符合现代社会的要求。图1-1 人工生产现场 Fig.1-1 Artificial production site图1-2 大预制件生产现场Fig.1-2 Production site of large prefabricated parts1.2课题来源1.3论文研究内容与组织结构本文重点研究斜拉给料机构的机械结构与部分平轨布料机构的机械结构，以及振动成型机构的初步建模。论文主要分为五章，各章节的主要内容如下：第一章，提出了研究水泥混凝土给料系统的背景、意义以及本文的主要内容。第二章，对整体装备进行方案设计。第三章，主要针对斜

20、拉给料机构进行结构建模与仿真分析。从总体实施方案出发，包含底座设计、料车设计，确定初始设计参数后，完成了机构材料的选型，以及料斗底座的重要零部的设计计算。最后，针对导轨，轴与轴承，运用Solidworks中的Simulation进行了校核。第四章，主要对平轨布料机构重要零部件进行设计计算。从总体实施方案出发，完成两个轴系结构的设计，确定初始设计参数后，完成了螺旋驱动装置、车轮、平轨移动机构驱动装置的选型，以及螺旋叶片、螺旋轴等的重要零部的设计计算。针对螺旋体及其关键零部件，进行了校核。第五章，对振动成型机构进行部分的机械机构建模。第六章，对本文研究内容进行总结和后续工作的思考。2整体方案设计高

21、效环保型混凝土小预制件自动生产装备主要完成工作内容如下：在斜拉给料机构的底端装载一定量的混合好的混凝土原料，然后将原料拉升到一定的高度，再精准地将原料卸载至平轨布料机构的漏斗中，由平轨布料机构运送混凝土至振动台面上的模具之中，由振动台振实混凝土，生成预制件。图2-1 主要研究内容示意图Fig.2-1 Main research content sketch2.1 斜拉给料机构设计上料机构组成：钢管组成的底座、料斗、料斗底座、卸料伸缩板、滑轨滑块、卷扬机。料斗与料斗底座的通过焊接进行连接，料斗底座上安置有滑轨滑块机构，料斗上升至一定高度，滑块被限制产生相对下滑，则卸料伸缩板打开完成卸料。底座的合

22、适位置安置有卷扬机，其钢绳通过料斗底座前段的滑轮，通过卷扬机的正转与反转实现料斗整体沿着底座的上行与下滑。2.2 平轨布料机构设计采用螺旋给料机构、高架轨道行走机构的组合设计。螺旋给料机构、高架平轨移动机构分别与大容量料斗焊接。各个主要机构可分开设计，组合简单、紧凑。高架平轨移动机构带动整机在高架平轨上移动，小预制件模具，置于振动台上。整机能够在任一模具上方停留，然后螺旋给料机构启动，向模具中卸载混凝土。同时，下方的振动台工作。当料斗中水泥混凝土耗尽后，整机可回到左侧上料区域，进行斜拉上料。如此循环工作，即可达到预期效果。2.3振动成型机构设计设计时采用振动电机作为振动源而不是采用传统的通过电

23、机带动机械结构来产生振动，利用振动电机可以有效迅速的改变所需振动频率，对不同工作情况下的生产要求都能很好的满足；振动电机在工作时产生的噪声相比机械结构的噪声要小，工作时机械结构的磨损情况小，所以选择振动电机优于选择传统的机械结构。在功能设计上，不仅要求可以稳定振实混凝土浆料，同时也需要有升降的功能。通过在台面下部安装振动电机来实现振实功能；用叉臂结构来实现升降功能，叉臂中间连接液压油缸及柱塞，由电机带动油泵配合调压阀来对叉臂结构的升降进行控制。在台面和叉臂之间安装减震弹簧，有效降低噪声和避免振动对叉臂产生的影响。实际中最为常见的三种电动式振动平台如图2-2所示：图2-2 三种常见振动台Figu

24、re 2-2 three common vibrator3斜拉给料机构设计斜拉上料系统主要完成工作内容如下：在装置的底端装载一定重量的混合好的混凝土原料，然后将原料拉升到一定的高度，再精准地将原料转移到下一系统的漏斗中，实现装置代替人工上料的工作。其工作过程简单分为三各部分，首先使料斗停留在轨道的最低端，混凝土原料从料斗口灌入料斗内。快装满后停止灌料，料斗在卷扬机钢丝绳的带动下上行到一定高度，卷扬机停歇，滑块相对下滑，卸料伸缩版打开，斗内原料卸出；卷扬机反转，伸长钢丝绳，料斗退回原位，卸料伸缩版回归关闭状态。开始准备下一周期的循环。如图3-1所示 图 3-1.a) 料斗处于原位 图 3-1.b

25、) 料斗上行至指定位置Fig.3-1.a) Hopper at original position Fig. 3-1.b) Hopper at working position图 3-1.c) 卸料伸缩版打开Fig. 3-1.c) Tip-over hopper3.1上料机构整体方案设计3.1.1 常用上料系统原理及特点分析目前实现混凝土小预制件制作的上料系统大多采用类似高炉上料系统的装置，其主要通过卷扬机拉动料斗上、下滑动，并通过直线上行的导轨和呈圆弧型的辅助导轨实现料斗的翻转。此种类型的上料系统，在高炉上料系统中已有悠久的使用历史，具有成本低、结构简单的优点；但不容否认的是，其在使用时仍有

26、一些局限与不足。本次设计如何改善现如今使用的液压倾斜卸料技术，克服了传统上料系统因利用轨道实现料车倾翻，容易出现轮胎负压而造成的不稳定现象；新考虑设计的结构中去除了液压卸料的机构，提高了稳定性，并且结构简单，操作难度小，在使用相同能量的同时，大大提高了一次送料的重量，有效增加了加工效率，可以体现出本次设计对于“高效”及“绿色”两大主题的追求。3.1.2 上料系统总体方案确定上料机构组成：钢管组成的底座（包括料斗的导轨）、料斗、卸料伸缩板、卷扬机。料斗与料斗底座通过焊接连接，料斗安置有滑轨，滑轨与卸料伸缩板通过钢丝绳连接，当料斗上升至一定高度时，滑轨上的滑块相对料斗下移，伸缩板打开，混凝土原料卸

27、出。底座的合适位置安置有卷扬机，其钢绳通过料斗前段的滚轮，通过卷扬机的正转与反转实现料斗整体沿着底座的上行与下滑。3.2底座设计及分析3.2.1底座设计1）底座斜轨倾斜角确定底座斜轨的倾斜角是底座的一个重要参数，倾斜角即为倾斜搭建在底座上的斜轨与水平地面的角度。一般不应小于45，以免使斜轨跨度过大而增加投资费用及占地面积；同时，一般不应超过60，否则驱使料斗上行所需的动力较大，料车行走也不稳定。故在此选择底座斜轨的倾斜角度。 2）底座材料选择由于热轧槽钢的结构简单、强度高、采购方便，故底座斜轨采用槽钢制成，并在导轨下方焊接厚度为20mm的加厚钢板，增加斜轨的强度，其余基底部分采用标准件方管即钢

28、板焊接而成。底座的材料选择情况如表3-1所示：表 3-1 底座选材Tab.3-1 Materials of the base名称材料型号斜轨Q235-B10#基底Q345-B10010063）底座尺寸设计底座的尺寸要考虑到系统整体的高度，与其他部分相配合适应。由此来确定底座主要尺寸。3.2.2底座导轨静力分析作为直接受到料斗压力的斜轨，单独提出，利用Solidworks自带的Simulation对其进行静力学的分析。在斜轨背面与基底相接触的四部分添加固定约束，对斜轨上部分加以重物及料斗总重的一半。划分生成网格，得到最终静力分析结果如图3-2、3-3所示：最大应力11.52Mpa，小于s=156

29、.667Mpa，强度要求得到满足；最大变形位移为0.3mm，变形量在工程允许的范围内，刚度要求得到满足。图 3-2 Mises应力Fig.3-2 Mises strain图 3-3 变形位移Fig.3-3 Deformation magnitude493.3料车设计与分析3.3.1料斗材料选择及外形设计1）料斗材料选择及外形设计表 3-2 料斗材料的选择Tab.3-2 Materials of the hopper结构材料钢板厚度料斗壁Q235-A钢板15mm卸料伸缩板Q235-A钢板5mm料斗总体结构如图3-4所示： 图 3-4 料斗Fig.3-4 Hopper2）料斗尺寸设计根据系统后部整

30、体的需要，以料斗一次运料能将近填满下一部分的接料斗为基本要求，料斗体积应在6.6108mm3左右。最终确定料斗总宽为810mm，总高为820mm，总长为1410mm。装配后，将料斗视为由一个三棱柱，计算得料斗的装载体积为 3）料斗质量确定利用SolidWorks软件，设定料斗的材料为Q235A后，自动算出料斗的理论质量为 取混凝土的密度为，可计算得料斗及斗内混凝土的总重量为： 式中：m料斗自重， 混凝土原料的密度，； V料斗的体积，可计算得 3.3.2 料斗静力强度分析料斗所用的材料相同，同一种材质（Q235A），用Simulation进行分析。Q235的许用应力s=156.667Mpa。考虑

31、极端情况，分别对料斗板和卸料伸缩板施加总值为斗内混凝土总重的平均压力，并对底板进行固定约束，采用Solid works中的Simulation对料斗整体进行网格划分，如图3-5所示。图3-5 网格划分Fig.3-5 Mesh Generation最终得到分析结果，如图3-6，3-7所示。保守估计受力情况，取斗内总质量完全分别作用在料斗侧面和卸料伸缩板上，最大Mises应力分别为29.51Mpa、25.01Mpa，均小于s=156.667Mpa，强度要求得到满足；最大变形位移分别为2.701mm、0.996mm，变形量在工程允许的范围内，说明料斗刚度要求得到满足。图 3-6 Mises应力Fig

32、.3-6 Mises strain图 3-7 变形位移Fig.3-7 Deformation magnitude3.4 料斗底座设计与分析3.4.1 料斗底座设计移动机构作为斜拉给料机构的运动装置，在正常工作中起着重要的作用。为达到节能绿色的设计预期目标，在保证正常工作的同时应使得结构轻便、简单；从制造成本上来考虑，应尽量采用已有零件进行装配设计。综合考虑，本次设计采用方案为高架轨道行走，可节省一定空间。采用轨道矿车轮可承受更大的轮压，与车体的连接采用已有的带座轴承，动力输入则依靠卷扬机带动上升。工作时，通过卷扬机的转向改变，便可实现车体的上下移动。由于本次设计针对是载重量偏大的机械机构，机构

33、在工作时有足够的摩擦力，从而不会产生打滑现象。料斗底座如图3-8所示，最前端安装有一滑轮，卷扬机的钢丝绳通过该滑轮，将料斗和料斗底座作为一个整体上拉；料斗周边部分与料斗底座采用焊接方式连接；料斗底座上还安装有滑轨装置，滑块与伸缩板通过钢丝绳连接；上升至一定高度时，滑块相对底座下滑，卸料伸缩板打开。1车轮；2带座轴承；3料斗底座；4滑轮装置；5轴；6导料板图3-8 平轨移动机构结构示意图Fig.3-8 The schematic diagram of the mechanism for the movement of a flat rail图3-9 单轮缘车轮结构示意图Fig.3-9 The s

34、chematic diagram of the single-wheel rim3.4.2 车轮的选用由于本次设计采用的是高架直轨道，因此车轮因选用车轮组。考虑到行走速度较慢，且行走轨迹只有斜直线，因此采用单轮缘车轮，结构如图3-9所示。为减少加工成本应尽量采用已有标准系列，查起重运输机械设计手册可知，本次设计采用直径D=250mm的车轮即可满足轮压要求，其他参数按照需要选择标注系列。最终选定的车轮代号为DL-250X100JB/T 6392.1。1）料斗底座质量确定以上已计算出料斗底座各组成部分的质量，如表3-3所示：表 3-3 料斗各部分质量Tab.3-3 Masses of hopper

35、s different parts名称质量/kg数量料斗底座1100.4421滑轨滑块5.5042导料板15.9631车轮整体部分137.1372滑轮安装部分14.4911料斗底座整体质量为3.4.3 轴与轴承校核计算在本次设计中，两车轴的设计计算相同，本文仅针对一根车轴进行设计计算，拟设计的车轴如图所示。表3-4给出了部分确定参数，以此为依据进行轴的设计。图中：d1、L1的取值与所选车轮和连接键有关，初选键，则确定d1=60mm，L1=94mm(较轮毂长略短)，从而可知d7=60mm、L7=94mm；轴承安装跨距拟定为1035mm，轴承型号为6314，可计得出d3= d5=70mm、L3=

36、L5=34mm、L4 =1035mm（图3-10中L4=1035mm）；d4为定位轴肩，需满足定位要求取d4=82mm，通过车轮跨距、轴承安装跨距可推算出L2= L6=151mm；综上所述，各轴端轴径、长度均确定，从动轴设计参数取值参考输入轴参数。图3-10 输入轴结构示意图Fig.3-10 The schematic diagram of the structure of the input axis表3-4 校核分析已知参数Tab.3-4 The known parameters table for reliability analysis名称参数备注车轮跨距1458mm轨道间距决定轴承安

37、装跨距1035mm可调整间距带座轴承6314主要承受径向载荷，选择深沟球轴承车轮轮毂长95mm毂孔直60mmDL-250X100JB/T 6392.11）车轴的校核先进行受力分析，料车与轨道不发生相对滑动，视为匀速运动，加速度为0；压力，查得=0.15，则滚动摩擦力。图3-11 车轴的载荷分析Fig.3-11 The load analysis of the car shaft如图3-11，给出了输入轴的载荷分析过程，根据水平方向上的受力特征可求解出 （3-1） （3-2）再考虑轴上附加的扭矩，整根轴上都受到扭矩。最后考虑水平方向与垂直方向上的弯矩合成， 由于两截面面积不同，无法直观比较何处应

38、力最大。因此需对两个截面的应力进行校核，一般采用式3-3进行校核。 （3-3）式中:计算应力值，MPa；弯矩值，；扭矩值，；抗弯截面系数，mm3；折合系数，脉动循环变应力下取值0.6；许用弯曲应力值，MPa，45钢调质时取值275MPa。表3-5中列出了校核计算的全部参数，可以得到三个截面的值为38.12MPa、84.4MPa、38.12MPa，均小于允许值275MPa，因此轴的设计满足要求。表3-5 校核结果Tab.3-5 The results of checking名称Name弯矩值扭矩值抗弯截面系数mm3计算值MPa许用值MPa截面11305906.5221777.53430038.1

39、2275截面24653022.255136.884.4截面31305906.53430038.122）轴承的校核由于轴承对称布置，故只需验算一端轴承即可。由之前的计算可知左端轴承受力：，则可得到。在工作过程中，轴承主要受径向载荷，轴向载荷可相对忽略不计，则当量动载荷P=fdFr (fd为冲击系数，取1.2)，计算得P=11040.84N。按照式4-12计算出。显然，满足一般检修最小周期，故轴承满足使用要求。 （3-4）式中：轴承寿命，h；转速，r/min，已知n=16 r/min；基本额定动载荷，N，查机械设计课程设计手册17得到6314轴承基本额定动载荷C0r=68kN；当量动载荷，N，已求

40、得P=11040.84N；指数，球轴承取3。3）键的校核对于普通平键，按照工作表面上的压力径向条件性的强度校核计算。假设载荷在键的工作表面上均匀分布，则应满足强度条件为 （3-5）式中：传递的扭矩，；键的高度，m； 键的工作长度，m，圆头平键；d轴径，mm；轴、键、轮毂中最弱材料的许用压力，MPa。表3-6 键连接校核结果Tab.3-6 The checking results of the key connection名称Name计算压力MPa许用值MPa备注Others键21.68115满足要求由表3-6可知，输入轴上两处键连接的最大应力分别为21.68MPa，均没有超过轻微冲击载荷下的许

41、用值115MPa，由此可判定键连接满足使用要求。3.5 本章小结本章主要完成了系统整体的结构设计，确定了料斗、料斗底座以及系统整体支架底座的形状及结构。根据材料的特点与性能，以及市面上相关材料销售的尺寸，确定了不同部件所使用的材料种类及规格。最后根据系统受力情况，以及不同部件的材料，对结构中危险部分进行了校核计算，确保了相关结构的可行性及安全性。对于其他构造部分，应用Solidworks自带的Simulation，进行了静力学的分析校核。4平轨布料机构设计4.1总体方案确定4.1.1地面行进与阀门出料式给料系统根据参考文献描述的移动给料机构，结合本次设计实际情况，提出一种简易移动式小预制件水泥

42、混凝土给料机作为本次设计的备选方案一。工作原理如图4-1所示，料斗中盛有水泥混凝土，出料控制阀打开时，可向正下方的小预制件模具中倾注水泥混凝土，同时振动台振动；平移机构可带动整机在生产线上平移，在指定工位上停留给料，物料耗尽后可在指定位置上料。综合分析，本方案能够实现预期能，结构较为简单紧凑，易于实现批量生产和推广应用，但出料不便于控制。1小预制件模具；2出料控制阀；3料斗；4平移机构；5振动平台图4-1 方案一结构示意图Fig.4-1 The schematic diagram of the first scheme4.1.2高架平轨与螺旋出料式给料系统备选方案二为自主设计方案，采用螺旋给料

43、机构、高架轨道行走机构的组合设计。如图4-2所示，螺旋给料机构、高架平轨移动机构分别与大容量料斗焊接。各个主要机构可分开设计，组合简单、紧凑。高架平轨移动机构带动整机在高架平轨上移动，小预制件模具，置于振动台上。整机能够在任一模具上方停留，然后螺旋给料机构启动，向模具中倾注混凝土或水泥。同时，下方的振动台工作。当料斗中水泥混凝土耗尽后，整机可回到左侧上料区域，进行斜拉上料。如此循环工作，即可达到预期效果。在实际生产中，可达到至少6倍于人工的浇注效率，且可以多班次、不停机工作。1大容量料斗；2高架平轨移动机构；3高架平轨；4螺旋给料机构；5小预制件模具；6振动平台图4-2 方案二结构示意图Fig

44、.4-2 The schematic diagram of the second scheme4.1.3方案分析与选定拟采用上述两种方案之一作为本次设计的蓝本。本文将从可行性、经济性两个角度对两方案进行评估，最终确定最佳方案。1）可行性分析方案一采用阀门式给料机构和四轮行走机构，由于水泥混凝土流动性差，显然阀门控制实现难度大；结构上，物料集中在整机上半部容易造成启动冲击、运行不平稳；整机刚性较差，载重量较小。因此，方案一可行性一般。方案二采用比较常见的轨道行走机构来实现平移运动，依靠螺旋给料机构来实现定点给料、出料，解决了水泥混凝土流动性差带来的问题；结构上，整机满载重心几乎与支持点位于同一平

45、面，解决了启动冲击等问题。因此，方案二可行性大。综上所述，方案二可行性大，且具有更大的料斗、更高的给料效率。2）经济性分析以上两种方案均能实现预期功能，给料机构与平移机构各不相同。在实际生产实践中，产品的经济性将会及大地影响生产。因此，对设计方案进行经济性评估具有重要意义。表4-1列出了两种方案预期生产成本：方案一结构较简单，几乎没有复杂零件，总零件数也较少，但设计到权利使用费；方案二零件多，需要大量外购零部件，用于设计、加工制造、外购零部件等方面的费用均高于方案一。综上所述，方案一预期成本48600元/件，方案二52500元/件，两方案总成本相差不大。表4-1 两种方案的成本估计Tab.4-

46、1 Cost estimation of two schemes单位：元/件方案名称设计费用权利费用外购费用加工制造费用其他总计方案一41002200081009400500048600方案二8500018200178008000525003）方案选定由上述分析可知：在可行性方面，方案二更好，而在经济性方面，方案一略优。因此，需要考虑到生产效益和可靠性等其他方面的因素。从生产效益上来看，均能实现自动化生产，达到至少6倍于人工生产的效率。从可靠性来看，方案一出料机构容易卡死，从而影响整机运行，故可靠性较低；方案二总结构设计上考虑到了修配的便利性，优化了易故障的部位，故可靠性较高。综合考虑，方案二具有较高的生产效率，且便于修配，可靠性好，具有良好的经济效益。因此，本次设计选定方案二作为设计蓝本。4.2螺旋给料机构4.2.1螺旋给料机构实施方案螺旋给料机构作为整机最重要的部分，整体结构设计需要重点考虑。本次设计采用如图4-3所示方案，驱动螺旋轴旋转，从而推动入口处的水泥混凝土移动到出料口。包含一对角接触球轴承，用于承载较大的轴向载荷。为尾端带座轴承（UCFU212带方形座顶丝外球面球轴承），具备调心功能，用于承受径向载荷。各个部分