毕业设计(论文)-管道弯管段脉冲涡流检测探头设计与电磁场分析.doc

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1、提供全套毕业论文图纸，欢迎咨询xx大学毕业设计说明书题 目：管道弯管段脉冲涡流检测探头设计 与电磁场分析完成日期： 摘要 管道在石油、化工和电力等行业中广泛使用，由腐蚀或侵蚀引起的壁厚减薄对其运行的可靠性和安全性有着严重的威胁。为此，对其进行定期的无损检测是件极其重要而又有着深刻意义的事。脉冲涡流检测具有无须停机、安全性好、成本低等优点，有望在对其检测中成为一种比较好的方法之一。但现有的脉冲涡流检测探头多针对平板或直管进行设计，实际检测中管线的连接处还存在弯管段，且该位置是腐蚀的易发区。弯管段的曲面形状复杂，常规的检测探头在该段存在盲区或检测精度降低。因此，有必要针对弯管段这一特殊位置进行探头

2、的设计与电磁场分布研究。本设计围绕弯管段这一特殊位置，设计出适合管道弯管段的脉冲涡流检测探头和配套机构，并运用ANSYS软件分析出脉冲激励下新探头与管道的电磁场分布，解决常规探头检测弯管段时的盲区问题。关键词：无损检测，管道弯管段，壁厚减薄，脉冲涡流检测，解析模型，有限元分析Abstract Wall thinning caused by erosion or corrosion is most threatening to the reliability and safety of pipes which are commonly used in petroleum, chemical an

3、d power generation industries. Periodical nondestructive testing (NDT) is vital for continued safe operation. And this is a significant thing. Pulsed eddy current testing (PECT) has a powerful candidate to address this challenge, because it is an in-service safety and cost-effective method. But exis

4、ting pulsed eddy current testing probe mostly design for flat or straight pipe, the joint of pipeline is curved section in practical testing, and the location is prone to corrosion. Because of complex shape of bending section, the conventional detection probe has blind area or lower accuracy in the

5、segment. Therefore, it is necessary for the probe design of the special location and electromagnetic field distribution to study. This project designed pulsed eddy current testing probe and form a complete set of institutions around the bend pipe sections. Then it use ANSYS software to analysis the

6、new probe and pipeline under impulse excitation of electromagnetic field distribution, and solve the problem of conventional probe detection at bending section of blind area.Keyword: Nondestructive testing; Pipe bending section; Wall thinning; Pulsed eddy current testing; Analytical model; ANSYS目录第一

7、章 绪论11.1课题概述11.2脉冲涡流检测技术的国内外基本研究情况21.3论文主要内容的结构安排3第二章 3D打印机方案确定92.1 3D打印机设计关键92.2总体方案分析92.3主要特色及任务要求10第三章 机床折叠功能的实现103.1机架材料以及型号的选取113.2机床结构分析12第四章 电机驱动部分选型与计算134.1步进电机的选取134.2步进电机选型计算16第五章 齿轮的强度计算175.1齿轮的损坏原因及形式175.2齿轮的强度计算与校核17第六章 同步带的设计计算236.1同步带传动特点236.2同步环传动失效形式236.3同步带传动计算与选型24第七章 结语27参考文献28插图

8、清单图1-1 FDM工作原理图3图1-2桌面级3D打印机ReprapPro Mendel4图1-3 桌面级3D打印机Makerbot Replicator 25图1-4 Makerbot Replicator 2打印效果宣传图 6图1-5 桌面级3D打印机Ultimaker 7图1-6 Ultimaker打印效果7图1-7桌面级3D打印机UP 8图3-1 2020欧标铝型材模型图11图3-2 2020欧标铝型材结构参数图12图3-3 铝型材机架模型图12图3-4 Y床铝型材螺栓固定模型图13图4-1 步进电机与伺服电机对照表 15图5-1弯曲强度计算的齿向分布系数 21图6-1 工作情况系数表

9、 24图6-2同步带选型图 25图6-3小带轮最小齿数表25图6-4基准宽度同步带的许用工作压力和单位长度的质量26第一章 绪论1.1课题概述能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础，在国民经济中具有重要的战略地位。节能、改善环境、提高能源的利用率是一个趋势。在能源的传送过程中，管道是一个关键的基础设备，从而对管道的使用参数有着很高的要求。在实际的应用过程中，管线的连接处还存在弯管段。此处的钢管内壁是腐蚀的易发处，腐蚀机理与内部承载的介质有关，在管道内壁，本来就存在着流动加速腐蚀，而在弯管段，还存在液滴冲击腐蚀。当管壁减薄到一定程度时，会突然出现爆裂，其中包含的介质就会喷放出来，从而对外部环境造

10、成严重的破坏。2004年8月9日，日本关西电力公司福井县美滨核电站3号机组涡轮机房的二回路蒸汽管线因严重腐蚀穿孔，发生蒸汽泄漏事故，蒸汽厂房内工人严重灼烫伤，造成4人死亡，7人受伤。中国腐蚀与防护学会、中国石油学会和中国化工学会联合调查的数据表明，对于各个行业来说，腐蚀造成的损失平均占国民生产总值的3%，但对石油与石化行业尤其严重，约占产值的6%。因此，为保障设备运行的高可靠性开展管道的检测方法研究是非常有必要的。对于电站、石化厂中的管道，由于管线已经安装完成，不方便使用像利用管内机器人的方式进行检查，优先选用管外检测方式。在管外检测方式中，脉冲涡流检测（PECT）作为一种新兴起的方法，在其中

11、占有重要的先进地位。它具有检测速度快、人力耗费小、成本低、安全性高、稳定性好等特点。PECT技术起源于20世纪50年代Waidelich博士在美国阿贡国家实验室的研究工作，近年来由于老龄飞机结构检测的需求得到广泛的研究。当然PECT技术用于铁磁管道腐蚀检测现在也很火热。随着我国在能源、化工等基础建设方面不断加大投入，同时国家对于风险评估手段的引入与推广，也需要相应的在役检测技术来支撑。因此，PECT技术和检测设备应用前景广阔，市场空间巨大。但现有的脉冲涡流检测探头多针对平板或直管进行设计，实际检测中管线的连接处还存在弯管段，且该位置是腐蚀的易发区。弯管段的曲面形状复杂，常规的检测探头在该段存在

12、盲区或检测精度降低。因此，有必要针对弯管段这一特殊位置进行探头的设计与电磁场分布研究。设计出适合管道弯管段的脉冲涡流检测探头和配套机构，并运用ANSYS软件分析出脉冲激励下新探头与管道的电磁场分布，解决常规探头检测弯管段时的盲区问题。1.2 脉冲涡流检测技术的国内外基本研究情况（针对管道）目前，基于脉冲涡流的隔离层检测方法在日本被作为铁磁性管道的检测手段而处于研究当中，达到实用化阶段还需要一段时间。而在其它国家该方法作为保温层材料下的管道壁厚减薄的调查手段而在研究中，二十多年前美国 ARCO 公司最初在世界上首次研制成了现场试验用的仪器。同时，荷兰RTD公司生产了产品化的用于对管道腐蚀缺陷检测

13、的脉冲涡流INCOTEST 检测系统，该系统检测时针对不同的管径采用不同的传感器尺寸，实现了对不同管径下缺陷的有效检测。同时，该检测系统进行检测时不用去除管道的绝缘层和表面涂层。另外，该检测系统还应用于以下情况：绝缘层是湿的、不规则或不均匀；绝缘层内有加强的金属网；设备表面不洁净、有附着物、粗糙或有硬壳；设备处于运行状态等。在这些条件下，设备的应用均取得了良好的效果。2005年，中国特种设备检测研究院（CSEI）从RTD公司进口了一套INCOTEST系统，用于带保温层钢质压力容器和管道腐蚀检测。通过使用该设备，CSEI已成功检测了数十条带保温层的工业管道和100多台带保温层的压力容器，并发现了

14、一些严重腐蚀性缺陷。另外，CSEI与华中科技大学通过共同承担国家“十一五”科技攻关项目，已经成功开发了PECT系统样机。华中科技大学武新军教授等人根据脉冲涡流检测基本原理，研制出钢腐脉冲涡流检测系统。该系统可检测出120包覆层厚度下10的钢腐蚀变化。当包覆层外部为白铁皮保护层时，由于铁磁材料的涡流集肤效应，检测灵敏度会下降很多，而白铁皮保护层在我国应用很多，下一步的工作是研制针对白铁皮的传感器，提高检测精度，扩大脉冲涡流检测系统的适用范围。21.3论文主要内容的结构安排针对上述问题，本文对管道弯管段脉冲涡流检测理论与方法进行了系统研究，主要内容包括：脉冲涡流检测的基本原理、管道弯管段脉冲涡流检

15、测的理论模型、管道弯管段脉冲涡流探头及其配套机构的设计。全文结构安排如下:第一章为绪论。本章首先简单介绍了管道弯管段检测的研究背景。然后总结了下国内外脉冲涡流检测技术在管道方面的研究进展与现状。最后指出了全文的研究内容和总体框架。第二章建立了弯管脉冲涡流检测的理论模型。本章首先对脉冲涡流检测的原理进行了介绍。然后建立弯管检测的有限元模型，查看各时刻管壁中涡流的分布情况，以及接受线圈上任意一点的随时间变化的感应电压信号。第三章对弯管段脉冲涡流探头及配套机构进行了设计。首先对探头检测时的位置要求作了分析，然后针对要求做出方案，最后建立出三维装配图，画出工程图。第四章为结语。本章对全文进行了总结，并

16、指出今后可进一步对扶正机构的完善。第二章 3D打印机方案确定2.1 3D打印机设计关键ANSYS分析时GUI操作方式1. 指定工作文件名和分析标题FileChange JobnameFileChange Title最后都是单击“OK”确定。2.建立几何模型建立管道的横截面和旋转轴2.1建立圆面PreprocessorModelingCreateAreaCircleSolid Circle同样的方法，建立两圆面半径分别为0.0365m和0.0265m。2.2建立旋转轴上的两个关键点PreprocessorModelingCreateKeypointsIn Active CS在如上的对话框中依次键

17、入(0.073,0,0),(0.073,0.073,0)两个点，最后单击OK结束。2.3布尔运算建立出圆环面PreprocessorModelingOperateBooleansSubtractArea2.4建立管道模型利用Extrude命令来旋转和拉伸横截面得到管道的一半模型PreprocessorModelingOperateExtrudeAreasAbout Axis(By XYZ Offset)2.5建立激励线圈和接收线圈的模型在建立模型之前先要平移工作面WorkPlaneOffset WP by Increments，然后再在此工作平面做局部圆柱系WorkPlaneLocal Coo

18、rdinate SystemsCreate Local CSAt WP Origin。2.2总体方案分析2.2.1方案设计工作分配在有限的时间里，要将整体设计完成需要花费大量的时间与精力，故而工作进度的合理安排对于提高工作效率尤为重要，主要工作大致分以下几方面进行：1、搜集资料，熟悉并了解国内外桌面3D打印机的结构、组成及工作情况，分析其优劣，找出可以改进或需要改进的地方；并弄懂采用熔融沉积制造技术的3D打印机的工作原理、工作特性。 2、总体方案设计，包括方案的提出与确定，方案的实现，必要的设计计算以及必要的校核。 3、完成打印的装配图，及重要零件的零件图，并完成设计说明书等。 具体的进度安排

19、灵活运用工作时间。总体方案及功能的实现：1 、机床框架采用2020欧标铝型材，便于组装。2、 为了追赶桌面3D打印机方便、快速的潮流，同时也考虑到应用于办公环境的需求，设计最大打印尺寸为200*200*280（mm）。3、 因采用熔融沉积制造技术，与大多数桌面3D打印机不一样的是，喷头受水平分层数据控制在X-Z平面作联动扫描，工作台在Y轴方向运动，按照成形件的截面轮廓作填充轨迹运动，当一层成形完后，再做Z轴方向运动。4 、运动机构的驱动采用步进电机，步进电机每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性。5、 为了消除层层累加制造所产生的台阶

20、效应，提高打印精度，Z轴方向步进电机机床导轨应采用精度高的滚珠丝杆，然而，鉴于本方案中本款桌面3D打印机的市场定位，滚珠丝杆价格太贵，故采用价格便宜，耐用的T型丝杆。6、为了实现折叠功能，Y轴铝型材框架外部长度比Z轴铝型材短1mm。2.3主要特色及任务要求2.3.1主要特色基于桌面级的3D打印机现如今仍处于萌芽阶段，为了让3D打印走进人类生活，满足各种需求，打印机的视觉冲击无疑显得格外重要，毕竟，要想让人接受并使用，就必须让人产生浓厚的兴趣，而视觉效果首当其冲，故而，本设计采用机床折叠方案，极大缩小了机床存放和运输尺寸，具备很大的便携性，也具备很大的市场潜力。2.3.2任务要求鉴于时间的紧迫性

21、和自身能力的局限性，在完成总体设计任务的前提下，本方案设定预期目标如下：1、能用AutoCAD2013 建模；2、导出二维平面图，完成完整的打印装配图，及重要零件的CAD图。3、具备市场可执行力。第三章 机床折叠功能的实现3.1机架材料以及型号的选取桌面级3D打印机强调的是“桌面”二字，这就意味着打印机机身的整体尺寸必须符合办公环境的要求，也即尺寸不能过大，而且，随着世界潮流的发展，更多使用者更倾向于DIY模式，即自我组装模式，这就要求3D打印机容易组装，同时在此方案中，为了实现打印机便携，美观，折叠的功能，机架的选择尤为重要。基于以上要求以及本方案对于打印尺寸的界定，故选择2020欧标铝型材

22、作为机架选材。铝型材的使用范围极广泛，通用性强，它因环保、组装拆卸方便、节省时间和金钱的特点而闻名。其具备以下特点：1、铝型材品种多、规格全，适合各类型机械装置使用； 2、无须焊接过程、调整尺寸方便、更改结构容易； 3、尺寸公差要求高、表面光洁度要求高； 4、组装过程方便快捷，生产率高； 5、表面经阳极氧化处理，防腐蚀、美观大方，可提高产品附加价值。 市场上常见工业铝型材如下：图3-1P6-2020适用于轻型结构的框架组合，本方案中的桌面级3D打印机具备很高的便携性，故而机体重量不大，2020铝型材具体参数如下图：图3-23.2 机床结构分析本方案中，为实现折叠功能，设计整体机架如图所示，整个

23、Y床的铝型材外部长度要比Z轴铝型材内部高度小1mm。图3-3对于机床的稳固问题，本方案采用滚花高头螺栓以及和2020铝型材相配套的一字槽条配件结合来固定整个Y床，如图所示：图3-4 要实现折叠，只需将滚花高头螺栓拧松直至脱离Y床铝型材，然后将整个Y床移出Z轴铝型材框架向上折叠，使其嵌入Z轴铝型材，使用时将其取出，复拧上滚花高头螺栓即可。 第四章 电机驱动部分选型与计算4.1步进电机的选取首先，我们来比较一下步进电机和伺服电机，如下表：从表中可以看出，步进电机更适合本方案中小力矩，低速度，低价格的桌面级3D打印机。步进电机是直接将电脉冲转化为机械运动的装置，通过控制施加在电机线圈上的电脉冲顺序、

24、频率及数量，可以实现对步进电机的转向、速度以及旋转角度的控制。在不借助带位置感应的闭环反馈控制系统的情况下、使用步进电机与其配套的驱动器共同组成的控制简便、低成本的开环控制系统，就可以实现精确的位置以及速度控制。考虑到本方案中打印机需要正向/反向转动，而且要求位置急停和锁定功能以及在低转速条件下的精确位置控制功能，故而采用二相混合式步进电机。以1.8度两相步进电机为例：当两相绕组都通电励磁时，电机输出轴将静止并锁定位置。在额定电流下使电机保持锁定的最大力矩为保持力矩。如果其中一相绕组的电流发生了变向，则电机将顺着一个既定方向旋转一步（1.8度）。同理，如果是另外一项绕组的电流发生了变向，则电机

25、将顺着与前者相反的方向旋转一步（1.8度）。当通过线圈绕组的电流按顺序依次变向励磁时，则电机会顺着既定的方向实现连续旋转步进，运行精度非常高。对于1.8度两相步进电机旋转一周需200步。伺服电机步进电机控制精度不同交流伺服电机的控制精度是步距角为1.8的步进电机的脉冲当量的1/655两相混合式步进电机步距角一般为 1.8、0.9，五相混合式步进电机步距角一般为0.72 、0.36。低频特性不同交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整步进电机在低速时易出

26、现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。矩频特性不同交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300600RPM过载能力不同交流伺服电机具有较强的过载能力，具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的二到三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩步进电机一般不具有过载能力，在选型时为了克服这

27、种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象运行性能不同交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题速度响应性能不同交流伺服系统的加速性能较好，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200400毫

28、秒图4-14.2步进电机选型计算上述已初步确定采用二相步进电机驱动，下面对具体的电机型号进行选取计算，其中某些数据为大体估算值。1. 传动比计算 脉冲当量：一个指令脉冲使步进电机驱动拖动的移动距离s =0.01mm/p（输入一个指令脉冲工作台移动0.01毫米） 初选二相步进电机的步距角为1.8度，其每转的脉冲数：S=360/ （4-1） 步进电机与T型丝杆的传动比： i=L/ss =1.25 (4-2)T型丝杆导程2mm,节圆直径8mm。 在步进电机和T型丝杆之间加Z1=20，Z2=25模数m=2.5的一对齿轮。2. 计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量JtJt=J1+（1/i2)(J

29、2+Js）+W/g（S/2)2=0.043 g.cm.s2(4-3) J1、J2 -齿轮惯量(Kg.cm.s2) Js -丝杆惯量(Kg.cm.s2)3. 计算电机输出的总力矩M M=Ma+Mf+Mt=0.38 N.m（4-4） Ma=（Jm+Jt).n/T1.02102 （4-5） Mf=(u.W.s)/(2i)102 （4-6） Mt=(Pt.s)/(2i)102 （4-7） Ma -电机启动加速力矩（N.m) Jm、Jt-电机自身惯量与负载惯量(Kg.cm.s2) n-电机所需达到的转速（r/min） T-电机升速时间（s） Mf-导轨摩擦折算至电机的转矩（N.m) u-摩擦系数 -传递

30、效率根据负载转矩M=0.38 N.m和总转动惯量Jt=0.043 kg.cm.s2，选定步进电机型号为42BYG250B-0151两相混合式步进电机，其最大静扭矩为0.43N.m，转子转动惯量为57 g.cm.s2，符合要求。第五章 齿轮的强度计算5.1齿轮的损坏原因及形式齿轮传动形式很广，应用广泛，总体来说，齿轮传动具备如下主要特点：效率高，结构紧凑，工作可靠、寿命长，传动比稳定。齿轮的损坏形式分三种：轮齿折断、齿面疲劳剥落和移动换档齿轮端部破坏。轮齿折断分两种：一是轮齿受足够大的冲击载荷作用，造成轮齿弯曲折断；一是轮齿再重复载荷作用下齿根产生疲劳裂纹，裂纹扩展深度逐渐加大，然后出现弯曲折断

31、。齿轮工作时，一对相互啮合，齿面相互挤压，这时存在齿面细小裂缝中的润滑油油压升高，并导致裂缝扩展，然后齿面表层出现块状脱落形成齿面点蚀。他使齿形误差加大，产生动载荷，导致轮齿折断。3D打印机要求能够进行正反转运动，齿轮容易产生疲劳而出现弯曲或者折断现象。5.2 齿轮的强度校核与计算5.2.1选择齿轮类型、精度等级、材料及齿数 （1）3D打印机挤出部分要求齿轮在竖直方向转动，选用直齿圆柱齿轮传动。（2）3D打印机为一般工作机器，故选用7级精度（GB 1009588）。（3）材料选择。选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS，二者材料硬度

32、差为40HBS，取失效概率为1%，安全系数S=1。（4）选择小齿轮齿数为z=19，大齿轮齿数z=31。（5）选取螺旋角，初选螺旋角。5.2.2由齿面接触强度计算即 d （5-1）5.2.2.1确定公式内的各计算数值（1）试选K=1.6。（2）选取区域系数Z=2.22。（3）查表得=0.63，=0.66，则=+=0.63+0.66=1.29。（4）许用接触应力 =540MPa （5-2） 522.5MPa （5-3） =513.25MPa （5-4） 5.2.2.2计算（1）试计算小齿轮分度圆直径d，由计算公式得T=10Nmm （5-5）dmm=64mm （5-6）（2）计算齿宽b及模数mb=1

33、64=64mm m=3.77mm h=2.55m=2.25=7.58mm（3）计算纵向重合度=0.318=0.318119tan30（4）计算载荷系数K已知使用系数K=1,根据v=33.3m/s，7级精度，查得动载系数K=1.12，查得K=1.423，K=1.35,K=1。故载荷系数K=1=1.594（5）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，得d=d=64mm=68.48mm（6） 计算模数m=3.1mm5.2.3按齿根弯曲强度设计由式 m （5-7）5.2.3.1确定计算参数（1）计算载荷系数K=KKKK=11.1211.35=1.512。（2）查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限=500MPa

34、，大齿轮的弯曲强度极限=380MPa。（3）取弯曲疲劳寿命系数K=0.85,K=0.88。（4）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得 =305.57MPa （5-8） =238.86MPa （5-9）（5)查齿形系数查得Y=2.65,Y=2.226。（6）查取应力校正系数查得Y=1.58,Y=1.764。（7）计算大小齿轮的并加以比较=0.01379；=0.01644 大齿轮的数值大。5.2.3.2设计计算m=2.58mm （5-10）由弯曲强度算得的模数2.58并就近圆整为m=2.5mm，算出小齿轮齿数z=27，z=1.627=40。5.2.4几何尺寸计算（1）计算分度圆直径

35、d=zm=282.5=70mm；d=402.5=100mm（2）计算中心距a=85mm（3）计算齿轮宽度b=170=70mm3D打印机齿轮使用条件与其他产品相差不大，包括齿轮所用的材料、热处理方法、加工方法、精度等级等。因此，用于计算通用齿轮强度公式更为简化一些的计算公式来计算打印机齿轮，同样可以获得较为准确的结果。在这里所选择的齿轮材料为40Cr。5.2.5齿轮弯曲强度计算（1）直齿轮弯曲应力 （5-11）式中，-弯曲应力（MPa）；（N），F=，其中T为计算载荷（Nmm），d为节圆直径。 图5-1-应力集中系数，可近似取1.65； -摩擦力影响系数，主动齿轮取1.1，从动齿轮取0.9； b

36、-齿宽（mm），取20 t-端面齿距（mm）； y-齿形系数，如图5-1所示。 输出轴上的计算扭矩为：（5-12 =17010002.181.78 =659668Nm 故由 可以得出；再将所得出的数据代入式（5-11）可得 当计算载荷取作用到输出轴上的最大扭矩时，直齿轮的弯曲应力在400850MPa之间。5.2.6齿轮接触应力 （5-13）式中， -齿轮的接触应力（MPa）； F-齿面上的法向力（N），； -圆周力在（N）， ； -节点处的压力角（）；-齿轮螺旋角（）；E-齿轮材料的弹性模量（MPa），查资料可取；b-齿轮接触的实际宽度，20mm；-主、从动齿轮节点处的曲率半径（mm）；直齿轮

37、： （5-14） （5-15）其中，分别为主从动齿轮节圆半径（mm）。将作用在输出轴上的载荷作为计算载荷时，打印机齿轮的许用接触应力=1998.61 MPa，符合渗碳齿轮19002000 MPa区间，因此，所设计打印机齿轮的接触应力基本符合要求。第六章 同步带的设计计算6.1同步带传动特点带传动是一种挠性传动。同步带传动是由一根内表面设有等间距齿形的环行带及具有相应吻合的轮所组成。它综合了带传动、链传动以及齿轮传动各自的优点。同步带传动对轴作用力小，传动比精确，结构紧凑，耐油，耐磨性好，抗老化性能优越，对于本方案中低速运行的3D打印机来说实为不二选择。同步带传动运用越来越广泛，其特点如下：（1

38、）可用于长距离传动，中心距可达10m以上；（2）后期维护保养方便，不需润滑，维护费用较低；（3）传动效率比较高，可达0.98；（4）传动过程平稳，具有减振、缓冲能力，噪声低；（5）速比范围大，具有较大的功率传递范围，可达几瓦到几百千瓦；（6）传动很精确，工作时无滑动现象，具备恒定的传动比。同步带齿分梯形齿和弧齿两类，弧齿又有三种系列：圆弧齿(H系列又称HTD带)、平顶圆弧齿(S系列又称为STPD带)和凹顶抛物线齿（R系列)。梯形齿同步带分单面有齿和双面有齿两种，简称为单面带和双面带。双面带又按齿的排列方式分为对称齿型（代号DA)和交错齿型(代号DB。梯形齿同步带有两种尺寸制：节距制以及模数制。

39、我国现采用节距制。6.2同步带传动失效形式 同步带传动常见的失效形式有如下几种：（1）同步带的承载绳断裂破坏；（2）同步带的爬齿和跳齿；（3）带齿的剪切破坏；（4）带齿的磨损；（5）同步带带背的龟裂。通过对同步带传动失效形式的分析，可知带、轮的尺寸控制严格，如果同步带与带轮材料有较高的机械性能，制造工艺合理，安装调试也正确，那么许多失效形式均可以避免。因此，在正常的工作条件下，同步带传动的主要失效形式为如下三种：(1)同步带的承载绳疲劳拉断；(2)同步带的打滑和跳齿；(3)同步带带齿的磨损。6.3同步带传动计算与选型1、电机额定输出功率估算=7.16W2、确定计算功率 电动机每天使用24小时左

40、右，查表4-1得到工作情况系数=1.7。则计算功率为:12.17W3、小带轮转速计算4、选定同步带带型和节距 由同步带选型图6-1可以看出，由于在这次设计中功率转速都比较小，所以带的型号可以任意选取，现在选取H型带，节距图6-1图6-25、选取主动轮齿数 查表4-2知道小带轮最小齿数为14，现在选取小带轮齿数为41。6小带轮节圆直径确定=图6-37、大带轮相关数据确定 由于系统传动比为，所以大带轮相关参数数据与小带轮完全相同。齿数，节距8、带速v的确定9、初定周间间距根据公式得现在选取轴间间距为600mm。10、同步带带长及其齿数确定=() = =1720.67mm11、带轮啮合齿数计算由于在

41、本次设计中传动比为一，所以啮合齿数为带轮齿数的一半，即=20。12、基本额定功率的计算查基准同步带的许用工作压力和单位长度的质量表4-3可以知道=2100.85N，m=0.448kg/m。 所以同步带的基准额定功率为=0.21KW 图6-413、计算作用在轴上力=71.6N第七章 小结桌面级3D打印机随着技术的成熟已经渗透到人类日常生活，也许将来某一天还能成为生活必不可少的一部分，给人们带来新的体验。对于我们还没有踏出校门的学生来说，桌面级3D打印机的设计有助于提高我们的设计水平以及实践能力。对于本次设计，其特点是：步进电机低速运行，没有大型机床的噪声，容易操控；不管是电机还是丝杆，亦或是光轴

42、等，都充分参考了产品市场定价及规格，属于低成本制造，服务于大众，每个人都有能力购置这样一台3D打印机，市场潜力巨大；组装简便，此设计遵循DIY设计原则，符合广大DIY群体的需求，给制造商减去诸多负担，大大提高了生产率；零件构架不是很复杂，易于加工。当然，这次设计也有诸多不足之处，在产品选型方面，并没有严格按照计算所得来选择产品型号，而是在市场上寻找相似，功能可以相互替代的产品进行构建，所以，此方案可能更偏向于实际而非理论，故而缺乏一定的严谨性，在以后的学习和工作当中，我会继续研究桌面级3D打印机技术，力求将此方案设计的更加合理。一个学期紧张忙碌的毕业设计已经接近尾声，这次设计是对我大学四年来的学习的一次最综合的检验与考验，也是一次综合学习的过程。毕业设计不仅使我学习和巩固了专业课知识而且深刻了解了不少相关专业的知识，个人能力得到很大提高。同时也锻炼了与人协作的精神，为以后我踏入社会工作打下了良好的基础。参考文献1 刘