机械设计课程设计闸门启闭机说明书

机械设计课程设计说明书——闸门启闭机-1-目录一、设计题目------------------------2二、系统总体方案确定1.人字闸门启闭机功能分析------------------42.执行机构设计-----------------------43.传动机构设计-----------------------5三、执行机构的尺寸设计和运动分析1.执行机构的尺寸设计-------------------62.执行机构的运动分析-------------------8四、传动机构的分析和传动件的工作能力计算1.电动机选择------------------------192.计算传动装置传动比，并分配各级传动比-----------203.计算传动装置的运动和动力参数---------------204.蜗轮蜗杆的设计和计算-------------------225.开式斜齿轮的设计和计算------------------256.开式锥齿轮的设计和计算------------------30五、减速器结构设计1.蜗杆轴的设计-----------------------332.蜗轮轴的设计和计算--------------------353.轴的校核和计算----------------------374.轴承的设计和计算---------------------405.键连接的设计和计算--------------------416.联轴器的选择-----------------------437.减速器的部分结构尺寸计算-----------------43机械设计课程设计说明书——闸门启闭机-2-一、设计题目设计题目——闸门启闭机1.机器的用途及功能要求闸门是水工建筑的重要组成部分，其作用是封闭水工建筑物的孔口，并能够按需要全部或部分开放孔口，以便调节水位，泄放流量，放运船只，排除沉沙、冰块等漂浮物。人字闸门是一种在船闸上广泛应用的转动式平面闸门（如图所示），由左右两扇门叶组成。门叶支承在门轴柱底部的底枢上，门轴柱顶部设有顶枢以防门叶倾倒，底枢中心与顶枢中心的连线即为门叶的转动轴。当闸门全开时，两扇门叶分别隐靠在闸墙边的门龛中（与船闸的横轴线垂直）；闸门关闭时，两扇门叶在水压力作用下于接缝柱处互相挤紧，且分别与闸门的横轴线成夹角θ。门叶的开启与关闭由启闭机控制。船闸人字闸门在静水中启闭。启闭机一般由动力装置、传动装置、执行机构、制动装置以及控制系统等组成。一般情况下，启闭机布置在闸墙顶部靠近门龛处，其执行机构与门叶的顶部相联结，启闭力作用在门叶顶部。人字闸门2.设计要求和原始数据设计原动机为电动机，执行机构为四杆机构的人字闸门启闭机。⑴结构简单可靠，便于维护和修理；⑵在开启的初始阶段和关闭的结束阶段，闸门的速度应接近于零；⑶启闭机要受力状态良好，执行机构应满足最小传动角γmin≥40°；⑷传动装置设计要合理，体积大小应适中；⑸机器使用寿命10年（每年按300天计算），每日三班制工作，每小时开启次数不超过2次。机器工作时不逆转，允许曲柄转速有±5%的误差，载荷基本平稳，起动载荷为名义载荷的2倍。⑹设计原始数据如下：方案号4－14－24－34－44－54－6门叶尺度H×L(高×宽)(m)6.7×4.04.9×3.05.9×3.65.7×3.54.5×2.84.7×2.9水位差ΔH(m)0.050.150.050.10.20.15门叶与横轴线夹角θ°22.52221222122.5闸门开启总时间t0(秒)3025211917153.设计内容⑴选择执行机构的型式，计算机构自由度，确定构件尺寸；⑵确定总体设计方案，包括传动系统中各传动的类型、传动路线、总传动比及传动比分配；水流方向门叶闸墙顶枢底枢门轴柱门龛启闭机械启闭机械接缝柱机械设计课程设计说明书——闸门启闭机-3-⑶用电算法作执行机构的运动分析。取等步长，计算闸门在开启过程中10个位置（包括起、终点）上的角位移、角速度和角加速度，以及闸门的平均角速度ωm、最大角速度ωmax和最小角速度ωmin；⑷计算闸门的开启力矩（即载荷），选择电动机；⑸对传动系统中各级传动进行工作能力计算；⑹进行减速器的结构设计。4.提交的设计结果⑴启闭机总体设计方案，包括完整的传动路线图，按比例绘制的执行机构运动简图，要表达清楚各传动件及执行机构和原动机的空间位置关系；（2号图纸）⑵闸门开启过程的角位移、角速度、角加速度线图；（3号图纸）⑶减速器装配图一张；（1：1，0号图纸）⑷减速器零件工作图若干张；（1：1）⑸设计计算说明书，内容包括：*设计题目、要求和原始数据；*执行机构的运动设计，包括数学模型、程序框图及文本、计算过程和结果；*原动机选择、传动比分配过程，各轴的运动和动力参数计算过程和结果；*各级传动工作能力计算过程；*减速器中轴、轴承、键联结、联轴器的选择及计算。5.有关计算公式（1）闸门开启总阻力矩MM=M1+M2(N.m)式中，M1为静水压力的阻力矩，M1=0.25HL2ΔH×410(N.m)M2为风压阻力矩，M2=0.01HL2sinβ×410(N.m)β—闸门关闭时与闸墙的夹角（度），β=90°－θ（2）电动机功率P=Mω/(1000η)(kw)M—闸门开启总阻力矩(N.m)ω—闸门开启时的角速度（1/s）η—启闭机的总效率（其中，执行机构的效率取为0.95）机械设计课程设计说明书——闸门启闭机-4-计算过程与说明结果二、系统总体方案确定1.人字闸门启闭机功能分析船闸人字闸门在静水中启闭。启闭机一般由动力装置、传动装置、执行机构、制动装置以及控制系统等组成。一般情况下，启闭机布置在闸墙顶部靠近门龛处，其执行机构与门叶的顶部相联结，启闭力作用在门叶顶部。启闭机要求结构简单可靠，便于维护和修理；在开启的初始阶段和关闭的结束阶段，闸门的速度应接近于零；启闭机要受力状态良好；传动装置设计要合理，体积大小应适中。2.执行机构设计2.1拟执行机构方案设计、比较和分析方案比较和分析如下机械设计课程设计说明书——闸门启闭机-5-方案号主要性能特性1234运动变换满足满足满足满足急回特性无无无无一级传动角较大较小较大小二级传动角------大---工作平稳性平稳一般一般冲击磨损与变形一般强一般剧烈效率高高低较高复杂性简单一般复杂最简单加工装配难度易易较难较难成本低一般高一般运动尺寸小小大大由上表分析，并进行综合考虑最终选取执行机构方案13.传动机构设计3.1拟传动方案的设计、比较和分析机械设计课程设计说明书——闸门启闭机-6-方案（1）二级圆柱齿轮传动，结构简单，应用广泛。承载能力和速度范围大，传动比恒定、外廓尺寸小、工作可靠、效率高、寿命长。制造安装精度要求高、噪声较大，齿轮相对于轴承为不对称布置，因而沿齿向载荷分布不均，要求轴有较大刚度，成本较高。方案（2）带传动与一级圆柱齿轮传动，带传动承载能力较小，传递相同转矩时结构尺寸较其他传动形式大，但传动平稳，能缓冲减震；一级圆柱齿轮传动，传动比小，效率较高，工艺简单，精度易于保证。方案（3）锥齿轮传动与一级圆柱齿轮传动组合，锥齿轮加工较困难，特别是大直径、大模数的圆锥齿轮，所以只有在需改变轴的布置方向时采用，并尽量放在高速级和限制传动比。方案（4）一级蜗杆传动与开式圆柱圆锥齿轮组合，一级蜗杆传动结构简单、尺寸紧凑，但效率较低，适用于载荷较小，间歇工作场合，开始齿轮较闭式齿轮制造和安装成本都低，且各级组合使用可以得到很大传动比。3.2最终选取执行机构方案根据执行机构实际工作情况，选取方案（4）作为最后传动方案。一级蜗杆减速器结构简单，尺寸紧凑与开式齿轮组合可以得到需要的传动比，适合闸门启闭机的工作情况。三、执行机构的尺寸设计和运动分析1.执行机构的尺寸设计1.1计算平面四杆机构的极位夹角由设计题目工作要求，在开启的初始阶段和关闭的结束阶段，闸门的速度应接近于零，因此可知极位夹角01.2计算摇杆最大摆角执行机构中，闸门作为曲柄摇杆机构中的摇杆，已知门叶与横轴线夹角22，则摇杆最大摆角6822901.3计算并设计各杆长度设ADCDBCABLdLcLbLa,,,已知：闸门长度的一半为摇杆的长度，mLc0.22许用压力角40由下图可知当极位夹角0时，有以下几何条件：机械设计课程设计说明书——闸门启闭机-7-mca1184.1)34sin(0.22sin2222cbdaa、c已知，设计机架长度d就能计算出连杆长度b，取d=3经过计算，参数均满足构成曲柄的存在条件：a为最小值；cbda。也满足压力角的要求，504090min。a(m)b(m)c(m)d(m)最小传动角min1.11842.50022352考虑最小传动角的大小，最终决定采用第三方案∴mdLmcLmbLmaLADCDBCAB30.25002.21184.12.执行机构的运动分析2.1计算曲柄的角速度1由设计题目的已知条件，闸门开启时间st190曲柄角速度sradtTw/165.01914.32012.2计算曲柄的初位角mc0.240ma1184.1机械设计课程设计说明书——闸门启闭机-8-如上图，建立以A为原点，x轴的正向与AD线一致的直角坐标系。在曲柄的上极限位置，根据余弦定理可以求得曲柄的初位角1055.33)(2)(arccos22210badcbad2.3对平面四杆机构进行运动分析位移分析：0,,,321iiiideADceDCbeBCaeAB由封闭矢量多边形ABCD可得AB+BC=AD+DC3210iiiicedebeae（1）将式（1）的实部和虚部分别相等可得：321coscoscoscdba（2）321sinsinsincba（3）令：c/cosdac2/)adca(C;cosadB;sinA1222211解得：CBCBAMAarctan22223（4）13132cosacoscdsinasincarctan（5）式（4）中的1M，表示给定1时，3可能有两个值，编程时在1的循环中，每次都由1M和1M算出两个3值T1和T2。mdmb35.2sradw/165.0155.3310机械设计课程设计说明书——闸门启闭机-9-将他们分别与前一步的3比较，哪个更接近，哪个就是合适的3，即如果3231TT，则令13T；否则，23T。速度分析：将式（1）对时间求导可得：)2(3)2(2)2(1321iiiecebea（6）将式（6）的实部和虚部分别相等可解得：132312)sin(b)sin(a（7）123213)sin(c)sin(a（8）加速度分析：将式（6）对时间再求导可得：)2(3)(23)2(2)(22)(2133221iiiiiececebebea（9）将式（9）的实部和虚部分别相等可解得：)sin()cos()cos(2323232231212bcba（10）)sin()cos()cos(2323232221213ccba（11）2.4电算法分析执行机构要求用电算法作执行机构的运动分析。取等步长30度，计算闸门在开启过程中12个位置（包括起、终点）上的角位移、角速度和角加速度，以及闸门的平均角速度ωm、最大角速度ωmax和最小角速度ωmin，绘出闸门开启过程的角位移、角速度、角加速度线图。程序框图机械设计课程设计说明书——闸门启闭机-10-一．取等步长30度，计算闸门在开启过程中12个位置（包括起、终点）上的角位移、角速度和角加速度程序和计算结果a=1.118