機械設計課程項目報告一、項目背景與設計目標在工業(yè)生產(chǎn)的物料搬運環(huán)節(jié)中，帶式輸送機因輸送效率高、適應性強被廣泛應用于礦山、化工、物流等領域。本次課程設計以小型散料帶式輸送機為對象，旨在通過機械設計理論與實踐結(jié)合，完成一套可輸送密度1.2t/m3、粒度≤50mm散料的傳動系統(tǒng)設計，要求：輸送能力：≥20m3/h；帶速：1.2m/s（誤差≤5%）；傳動系統(tǒng)效率：≥85%；結(jié)構緊湊，成本可控，運行可靠。二、設計方案與參數(shù)確定2.1需求分析與參數(shù)推導根據(jù)輸送能力公式\(Q=3.6\timesK\timesv\timesB\times\rho\)（\(K\)為填充系數(shù)，取0.7；\(v\)為帶速；\(B\)為帶寬；\(\rho\)為物料密度），代入\(Q=20\,\text{m}^3/\text{h}\)、\(\rho=1.2\,\text{t/m}^3\)、\(v=1.2\,\text{m/s}\)，解得帶寬\(B\approx0.5\,\text{m}\)。驅(qū)動滾筒所需轉(zhuǎn)矩由有效拉力\(F_u\)與滾筒半徑\(r\)決定：\(T=F_u\timesr\)。有效拉力\(F_u\)需克服物料重力、輸送帶與滾筒的摩擦阻力等，經(jīng)計算得\(F_u\approx1500\,\text{N}\)，滾筒直徑取\(D=315\,\text{mm}\)（對應半徑\(r=0.1575\,\text{m}\)），則驅(qū)動轉(zhuǎn)矩\(T\approx236\,\text{N·m}\)。2.2傳動系統(tǒng)方案選擇結(jié)合傳動效率、空間布局與成本，采用“V帶傳動+閉式齒輪傳動”的二級傳動方案：第一級V帶傳動：緩沖減振，過載保護，適應電機與齒輪箱的安裝誤差；第二級齒輪傳動：保證傳動比精度，傳遞較大轉(zhuǎn)矩。電機選型：根據(jù)功率公式\(P=\frac{F_u\timesv}{\eta_{\text{總}}}\)（\(\eta_{\text{總}}\)為總效率，暫估0.85），得\(P\approx\frac{1500\times1.2}{0.85\times1000}\approx2.12\,\text{kW}\)，選取Y100L2-4型異步電機（額定功率3kW，轉(zhuǎn)速1430r/min）。三、詳細設計3.1傳動系統(tǒng)參數(shù)設計3.1.1V帶傳動設計帶型與帶輪：根據(jù)電機功率與轉(zhuǎn)速，選A型V帶；小帶輪基準直徑\(d_{d1}=100\,\text{mm}\)（避免打滑），大帶輪直徑\(d_{d2}=i_1\timesd_{d1}\)（傳動比\(i_1=2.5\)），故\(d_{d2}=250\,\text{mm}\)。中心距與帶長：初定中心距\(a_0=500\,\text{mm}\)，計算帶長\(L_d\approx2a_0+\frac{\pi(d_{d2}+d_{d1})}{2}+\frac{(d_{d2}-d_{d1})^2}{4a_0}\approx1650\,\text{mm}\)，選取標準帶長1600mm（調(diào)整中心距至480mm）。張緊與強度：計算單根帶的有效拉力\(F_e=\frac{2P}{v}\)（\(v\)為帶速，\(v=\frac{\pid_{d1}n_1}{60\times1000}\approx7.23\,\text{m/s}\)），得\(F_e\approx830\,\text{N}\)；張緊力\(F_0\)滿足\(F_0\geq\frac{F_e}{2(1-\frac{\alpha_1}{180^\circ}\mu)}\)（包角\(\alpha_1\approx165^\circ\)，摩擦系數(shù)\(\mu=0.3\)），解得\(F_0\approx450\,\text{N}\)，采用螺旋張緊裝置。3.1.2齒輪傳動設計傳動比與齒數(shù)：總傳動比\(i=\frac{n_{\text{電機}}}{n_{\text{滾筒}}}\)（滾筒轉(zhuǎn)速\(n_{\text{滾筒}}=\frac{60v}{\piD}\approx72\,\text{r/min}\)），故\(i\approx\frac{1430}{72}\approx19.86\)。分配傳動比：V帶傳動\(i_1=2.5\)，齒輪傳動\(i_2\approx7.94\)，取\(i_2=8\)（齒數(shù)比\(z_2/z_1=8\)，選\(z_1=20\)，\(z_2=160\)，避免根切）。模數(shù)與強度：按接觸強度設計，取法向模數(shù)\(m_n=2.5\,\text{mm}\)（壓力角\(\alpha=20^\circ\)，螺旋角\(\beta=15^\circ\)以提高重合度）。計算接觸應力\(\sigma_H=Z_EZ_HZ_\varepsilon\sqrt{\frac{KF_t}{bd_1\cos^2\beta}}\)（載荷系數(shù)\(K=1.4\)，齒寬\(b=60\,\text{mm}\)，小齒輪分度圓直徑\(d_1=\frac{m_nz_1}{\cos\beta}\approx51.76\,\text{mm}\)），得\(\sigma_H\approx520\,\text{MPa}\)，小于許用應力\([\sigma_H]=600\,\text{MPa}\)（齒輪材料40Cr，滲碳淬火，硬度HRC58~62）。3.2結(jié)構與零部件設計3.2.1軸系設計驅(qū)動軸（齒輪軸）：傳遞轉(zhuǎn)矩\(T=9550\frac{P}{n}\)（電機功率3kW，轉(zhuǎn)速經(jīng)V帶傳動后\(n=\frac{1430}{2.5}\approx572\,\text{r/min}\)），得\(T\approx49.7\,\text{N·m}\)。軸的直徑按扭轉(zhuǎn)強度公式\(d\geq\sqrt[3]{\frac{9550\times10^3P}{n[\tau]}}\)（許用切應力\([\tau]=40\,\text{MPa}\)），得\(d\approx25\,\text{mm}\)。軸的結(jié)構設計包含軸肩、鍵槽（A型平鍵，尺寸8×7）、軸承安裝段（選6205深溝球軸承，內(nèi)徑25mm），并校核彎矩下的彎曲強度，安全系數(shù)\(S\approx2.3\)（滿足要求）。3.2.2機架與張緊裝置機架采用Q235鋼板焊接，截面為矩形（100mm×50mm×5mm），通過有限元分析（ANSYS）驗證：在滿載時，機架最大變形量約0.3mm（剛度要求≤0.5mm），最大應力約80MPa（小于許用應力160MPa）。張緊裝置為螺旋式，螺桿直徑M16，行程100mm，通過調(diào)節(jié)螺桿改變從動滾筒位置，保證輸送帶張力。3.3材料與熱處理選擇電機軸：45鋼，調(diào)質(zhì)處理（HB220~250），提高綜合力學性能；齒輪：40Cr，滲碳淬火+低溫回火（HRC58~62），增強齒面硬度與耐磨性；帶輪：HT200（灰鑄鐵），成本低且減振性好；機架：Q235，焊接性優(yōu)良，滿足結(jié)構強度。四、分析與驗證4.1運動學仿真（SolidWorksMotion）模擬帶式輸送機運行：帶速實測1.18m/s（誤差1.67%，符合設計要求）；傳動系統(tǒng)效率通過功率損耗分析，總效率約86.5%（高于設計要求的85%）。4.2靜力學分析（ANSYSWorkbench）軸系：最大應力出現(xiàn)在鍵槽根部（約120MPa），小于45鋼許用應力150MPa；齒輪：齒根彎曲應力約180MPa，小于許用彎曲應力220MPa（安全系數(shù)1.22）；機架：最大變形0.3mm（位于輸送帶中部），滿足剛度要求。五、成果與總結(jié)5.1設計成果本次設計完成了帶式輸送機傳動系統(tǒng)的全套方案，核心參數(shù)如下：輸送能力：21.6m3/h（滿足設計要求）；傳動系統(tǒng)：V帶（A型，3根）+斜齒輪（\(m_n=2.5\)，\(z_1=20\)，\(z_2=160\)）；關鍵尺寸：總長度2.5m，寬度0.6m，高度1.2m（含張緊裝置）。5.2問題與改進設計中曾因齒輪傳動比分配不合理導致軸系振動，通過調(diào)整V帶與齒輪的傳動比（從\(i_1=2.0\)改為2.5），降低了齒輪轉(zhuǎn)速，振動幅值從0.15mm降至0.08mm。此外，初始張緊裝置行程不足，通過增加螺桿長度