屋顶除雪装置机构设计.doc
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1、本科论文目 录摘 要1 Abstract2 引 言3 1. 绪论41.1屋顶除雪装置总体概述41.2 国内外除雪机械现状和发展52.运输带的工作原理简述73 主要部件设计方案8 3.1 总体结构组成及其工作原理83.2主要部分技术参数设计103.3主要零部件的校核计算203.4直流驱动电机的选择224. 螺旋机构的设计23 4.1螺旋运输机构的设计234.2螺旋运输机构V带的设计244.3螺旋运输轴的设计校核255. 部分组件的三维造型设计275.1带挡圈单轴承型轴承座组件设计275.2扫雪轮的三维造型设计305.3钣金的三维设计32 结 论35致 谢37 参考文献38摘 要本文简要介绍了国内
2、外除雪设备的市场、分类和发展,基于我国屋顶的现状,以及我国除雪装置种类的空缺问题,设计出一套前方旋转扫地设备,中间螺旋带输送,后方设置简单收集箱来收集积雪的简易屋顶除雪装置,通过分析齿轮传动和带传动两个关键传动方式来确定其主要工作部件的尺寸,除雪装置通过电机给定动力带动两个二级齿轮从而带动带传动和车轮的转动,再传到车身前端的齿轮,同样通过齿轮传动来带动扫雪板的工作,与传统除雪设备进行比较,该设备体积小,传动简单,效率更高,针对屋顶积雪的性质进行设计并通过理论分析和计算,通过三维设计出该装置的三维零件,设计出合适的装配方案,为确定屋顶除雪装置的主要参数提供依据,最后对部分齿轮进行优化,找出最佳的
3、齿轮参数。为提高除雪效率,减少劳动量,保障人民的生命财产安全,使除雪工作更加简洁方便,进一步减轻设备重量和降低成本提供参考。关键词:螺旋除雪;屋顶除雪机;齿轮;带传动;优化设计 AbstractThis paper briefly introduces the domestic and international market, classification and development of snow removal equipment, based on the present situation of the roof and snow removal device types of
4、gap problem in China, design a set of forward rotation of the equipment, the middle screw belt conveyor, simple to set up behind the boxes to collect the simple roof of snow snow removal device, through the analysis of gear drive and belt transmission in two key ways to determine the size of its mai
5、n working parts, snow removal device through the motors to drive two secondary gear for a given power to drive the belt and wheel rotation, again to the front car body gear, also through the work gear transmission to drive the snow board,Comparing with traditional snow removal equipment, the equipme
6、nt is small in size, simple transmission, higher efficiency, on the nature of the roof snow design and through theoretical analysis and calculation, through the three dimensional design the 3 d parts of the device, design a suitable assembly plan, provide a basis for determining main parameters of r
7、oof snow removal device, the last part of the gear is optimized, find out the best parameters of gear.In order to improve the efficiency of snow removal, reduce the amount of labor, protect peoples life and property safety, make snow removal work more simple and convenient, further reduce the weight
8、 of equipment and reduce the cost of reference.Keywords:Spiral snow removal;Rooftop snow throwers;Gear;Belt drive;The optimization design引 言本次毕业设计的主要任务是屋顶除雪装置的外形以及其工作部件的机构设计。目前除雪机械的种类繁多,按其结构可分为以下几种:犁式除雪车、转子式除雪车、刷式除雪车、气流式除雪车。近年来,随着科学技术的快速发展,道路除雪的方法得到了很大的改善,机械除雪被应用的非常广泛,但是随着城市高楼大厦的增多,屋顶除雪技术也成了必须重视起来的安
9、全问题。相对于很多欧美国家来说,我国的屋顶除雪技术还不够完善,像一些欧洲国家,由于常年积雪,所以各方面的除雪技术都非常的成熟,随着气候的变化以及城市的发展,屋顶除雪技术也成了冬季保障人们生命财产安全的重要话题。故本次设计主要针对厚度不多于10cm且并无大面积冰面的积雪处理,通过该装置的前方星形旋转板将积雪扫入传送带,再由电机带动齿轮与皮带的配合,将积雪送入该装置后方的储雪盒中,从而达到清除表面积雪,防止温度回升后积雪成冰或从屋顶滑落而对行人造成的伤害。由于要普遍应用于我国住宅房屋,故整机体积不宜过大,要操作简单,低能耗,高效率,安全系数高,并符合我国国情。1. 绪论1.1屋顶除雪装置总体概述1
10、.1.1 屋顶除雪装置设计概述本课题主要是针对生活中的如下情形:外温,积雪深度,刚刚下过的雪,密度约为,根据我国北方房屋结构,屋顶大多为平面,低压直流电机输入的动力驱动扫雪,小型电机供电。针对平面屋顶,刚下过的雪,厚度不超过10cm来设计本装置。首先进行理论分析和计算,并进行三维建模和运动仿真。具体研究内容如下:(1) 旋转式除雪板的设计主要设计如何用齿轮与链传动机构来带动整个装置的工作,并设计出所需的齿轮尺寸,通过一系列的传动设计,带动除雪板的工作与转动。(2)螺旋运输机构的设计对整机的工作环境进行检测,并根据其承重与运动速度,规定架构轴的内径d,外径D,螺距S进行确定,并对轴的扭转强度进行
11、校核。(3)带有运输带收集箱结构的设计涉及了带传动的工作原理,并且根据承重需要,对该结构进行设计。1.1.2 屋顶除雪装置的特点(1)除雪方法简便,操作简捷。(2)重量较轻,体积较小,方便取用与储存。(3)除雪集雪一体机。(4)由于整机体积小,所以收集积雪的体积有限,所以需要更多的倾倒次数(5)使用结束应该将该装置擦干,防止生锈腐蚀等等损害装置寿命的情况发生,精心养护。1.2 国内外除雪机械现状和发展1.2.1国外除雪机的发展冬季除雪工作对人们生命安全的保障,提高人们的生活水平重要的意义,所以北欧一些降雪比较频繁的国家都很看重除雪装置的研发与普及,除雪技术也处于世界领先地位,也基本实现了除雪的
12、自动机械化。目前国际上除雪装置的品种、规格有很多,其中著名的除雪车生产厂家有美国的S&S公司、瑞士的MARCELBOSCHUNG公司、德国的VOLKSWAGEN和DAIMLERBE公司以及英国的sCHMIDT公司等1。按照工作原理,国外生产的除雪机主要非为抛投式和推移式两大类。国外的除雪方法相比与国内更多样,技术也更先进,由于国外建筑风格导致的屋顶结构与我国房屋的屋顶结构有所不同,所以屋顶除雪装置相对于国内有很大的区别,但国外屋顶除雪技术已经趋于成熟,以及智能化设备的引入,小型屋顶除雪装置已经做到了普及。由于这些除雪车结构复杂、售价较高且使用、维修成本大,所以在我国推广和普及困难。1.2.2国
13、内除雪机的发展我国除雪设备的研发与发展都比较落后,正处于发展的初期。目前,我国城市的除雪大多都是大型机械搭配人工进行除雪,屋顶的除雪技术依然没有很好的发展。但是,目前我国应用的大多数除雪设备,都是针对我国国情而进口的除雪机械1。因此,我国除雪机械水平有待提高,种类有待丰富,市场有待发展。纵观各类除雪机的发展,可以预见,今后屋顶除雪机的发展方向主要包括以下几个方面2:(1)高速,使用寿命长。高速是为了提高工作效率, 而提高工作效率又要针对具体工作环境而进行一系列的设计,使用寿命主要取决于机械的材料以及对应的工作环境等。(2)低功耗。节能减排是世界绿色发展的大目标,一切生产设计都要以这个目标为基准
14、,采用大功率低能耗的发动机也是设计的重点。(3)智能发展。人工智能在全球范围内的普及,也使我们的科技发展重心偏向于人工智能取代人的体力劳动。(4)可折叠性。由于是屋顶除雪装置,所以设计的总体积不宜过大而且要方便储存,故在外形的设计上要更加合适,不宜过大且便捷,方便储存(5)仿生原理的应用。好多机械产品经过仿生原理之后都实现了方便简捷的特点,所以屋顶除雪装置也应考虑到仿生原理的应用。2.运输带的工作原理简述示意图: 图1运输带工作示意图积雪经过螺旋除雪板的运输堆放到运输带上A处,如果堆放过高会使积雪从间隙中漏掉或者对下一板积雪进行堵塞从而影响除雪效率,因此需要运输带及时运走,通过电机带动齿轮的运
15、转进而带动带的匀速运动,使雪可以均匀分布在运输带上,稳定了工作空间,提高了工作效率。积雪通过进雪口处螺旋雪板的转动,运输到出雪口,随后落到传送带上,经传送带的传动最终到达储雪箱中,其中传送带的传动是通过二级齿轮传动来传递动力。3 主要部件设计方案3.1 总体结构组成及其工作原理3.1.1旋转除雪板的设计旋转式除雪板共由六个板组成,分别在每个从动轮的分支上,为了简化,现只画其中的一个。 图2旋转式除雪板的运动简图A、与支撑轴固连的中心轮 B、行星轮 C、从动轮 D、传动链3.1.2 传动规律设计3 活动构件的总数 低副总数 高副总数局部自由度虚约束代入数据得F=1,因此只需一个原动件,A轮作为原
16、动轮。3.1.3输入转速的确定扫雪数学模型如图4:图3确定最佳前进距离的函数模型设积雪的厚度约为10cm,圆(实线圆和虚线圆)的半径都是20cm,第一个除雪板铲雪(带点的阴影部分)的长度为17.32cm,设该装置一片除雪板工作后向前行驶距离X0(X00 17.32),这时候除雪板工作的区域为斜线阴影部分,实线圆的方程,虚线圆的方程为,则斜线阴影部分面积为:,现在求S(x0)的最大值。令=,得最大值点x0=17.32,即雪板每扫完一次雪,该设备应向前运动17.32cm。一般人走路的速度为v=1.5m/s,除雪机构共有六个扫雪板,则除雪机构前板每工作一周的距离L=617.32=103.92cm,即
17、L=103.92cm/r。所以前板输入的转速即六个板转速为n1=v/l=150/69.28=1.44r/s,取1=1.5r/s=90r/min。3.1.4锥齿轮转速的确定根据实际应用情况选择螺旋运输轴外径D=30cm,参考文献10可知轴径d=(0.2-0.35)D,螺距S=(0.8-1)D,因此取d=0.2D=6cm,由于雪和金属的摩擦系数较小,S可取大一些以提高运输效率,S=D=30cm。由上一步计算雪板转速为n=2.5r/s,而扫雪的横截面积(图2中点的阴影部分)A=122.87,初步设计扫雪长度为L=70cm,因此扫雪速度为v1=nAL=2.5122.87704=86009/s,每个螺旋
18、运输轴的运送速度v2必须大于v1/2=43004.5/s。螺旋运输轴的每个螺距空间可简化成空心圆柱模型如图: 图4空心圆柱模型则雪的体积V=20357.52,因此要求运输轴的转速n2必须大于v2/V=2.11r/s,取n2=2.5r/s,即n2=150r/min.为了节约空间,皮带的传动将用三个齿轮带动带的传动,一个齿轮连接轮子的运动,一个齿轮连接电机带动传动轴,一个齿轮连接传送带,这样既利用了各级齿轮的运动,又节约空间,又可以使整体装置看起来更简洁。3.1.5螺旋运输轴轴承的选择由于螺旋运输轴同时受到径向力和轴向力作用,内径d=60mm,为了减小径向尺寸,选择型号为70012C的角接触球轴承
19、。3.2主要部分技术参数设计3.2.1 万向节的强度校核计算(1)齿轮受力分析5 图5扫雪板齿轮受力分析故齿轮所受到的转矩应该是 (2)扫雪板两啮合齿轮设计6当工作齿轮啮合时所受切向力是一对作用力与反作用力,大小相等方向相反,设d2/d1=2,则二级齿轮所受到的转矩T1=T2/2=3.3285 N.m。根据此计算,输入齿轮所受的扭矩T1=3.3285 N.m,z2/z1=2,假设工作时间最长72000h,输入动力的电机是直流电动机,且输出的载荷很稳定,满足此计算要求的时候,齿轮的重量应尽可能的轻。设计步骤:根据外形设计选用直齿圆柱齿轮,根据齿轮精度表格中选取符合工作条件的精度,故选7级精度;小
20、齿轮材质为40Cr,经回火处理。齿面硬度为HB235-HB275。齿轮采用45钢,齿面硬度选用HB217-HB255。通过优化设计确定了齿数Z1、模数m和齿宽系数D;(1)确定设计变量和目标函数7设计其变量x=x1,x2,x3=m,z1,d。设小齿轮的分度圆直径为d1,大齿轮的分度圆直径为d2,小齿轮的宽度为b,因为齿轮重量要求尽可量的最小,也就是在相同条件下使重量最小,为了简便使齿轮宽度相同,因此可以建立目标函数:min ,其中d2=2d1,d1=mz1,d=b/d1。(2)确定约束条件模数在2x110之间;齿数20x230之间;齿宽系数0.8x31.4之间;即 -0 (3-1)接触疲劳强度
21、;K为载荷系数,, 为工作系数,传动电机轻微震动,取1.25;为动载荷系数,由上述选择传动杆4转速=150r/min,可知行星轮2的转速=300r/min,齿轮5和行星轮2相连的机构为平行四边形机构,因此=300r/min,取d1=0.04m,故v1=100.02=0.63m/s,取1.07;为载荷沿齿宽方向分配的不均匀系数,取1.12;为啮合齿对间载荷分配系数取1.1;因此=1.251.071.121.1=1.6478;T1为小齿轮所受的转矩,T1=3.3285N.m;查得材料的弹性系数应为=189.8;当标准直齿轮=20时,区域系数=2.5;小齿轮的接触疲劳强度极限应按照齿面硬度和热处理方
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