【正文】 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) —— 閘門(mén)啟閉機(jī) 1 目 錄 一、設(shè)計(jì)題目 2 二、系統(tǒng)總體方案確定 4 4 設(shè)計(jì) 5 三、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)分析 6 8 四、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析和傳動(dòng)件的工作能力計(jì)算 19 ，并分配各級(jí)傳動(dòng)比 20 20 22 齒輪的設(shè)計(jì)和計(jì)算 25 30 五 、減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 33 算 35 37 40 41 43 43 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) —— 閘門(mén)啟閉機(jī) 2 一、設(shè)計(jì)題目 設(shè)計(jì)題目 —— 閘門(mén)啟閉機(jī) 1. 機(jī)器的用途及功能要求 閘門(mén)是水工建筑的重要組成部分，其作用是封閉水工建筑物的孔口，并能夠按需要全部或部分開(kāi)放孔口，以便調(diào)節(jié)水位，泄放流量，放運(yùn)船只，排除沉沙、冰塊等漂浮物。人字閘門(mén)是一種在船閘上廣泛應(yīng)用的轉(zhuǎn)動(dòng)式平面閘門(mén)（如圖所示），由左右兩扇門(mén)葉組成。門(mén)葉支承在門(mén)軸柱底部的底樞上，門(mén)軸柱頂部設(shè)有頂樞以防門(mén)葉傾倒，底樞中心與頂樞中 心的連線即為門(mén)葉的轉(zhuǎn)動(dòng)軸。當(dāng)閘門(mén)全開(kāi)時(shí)，兩扇門(mén)葉分別隱靠在閘墻邊的門(mén)龕中（與船閘的橫軸線垂直）；閘門(mén)關(guān)閉時(shí)，兩扇門(mén)葉在水壓力作用下于接縫柱處互相擠緊，且分別與閘門(mén)的橫軸線成夾角θ。門(mén)葉的開(kāi)啟與關(guān)閉由啟閉機(jī)控制。 船閘人字閘門(mén)在靜水中啟閉。啟閉機(jī)一般由動(dòng)力裝置、傳動(dòng)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、制動(dòng)裝置以及控制系統(tǒng)等組成。一般情況下，啟閉機(jī)布置在閘墻頂部靠近門(mén)龕處，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)與門(mén)葉的頂部相聯(lián)結(jié)，啟閉力作用在門(mén)葉頂部。 人字閘門(mén) 2. 設(shè)計(jì)要求 和原始數(shù)據(jù) 設(shè)計(jì)原動(dòng)機(jī)為電動(dòng)機(jī)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為四桿機(jī)構(gòu)的人字閘門(mén)啟閉機(jī)。 ⑴ 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，便于維護(hù)和修理； ⑵ 在開(kāi)啟的初始階段和關(guān)閉的結(jié)束階段，閘門(mén)的速度應(yīng)接近于零； ⑶ 啟閉機(jī)要受力狀態(tài)良好，執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)滿足最小傳動(dòng)角γ min≥ 40176。； ⑷ 傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)要合理，體積大小應(yīng)適中； ⑸ 機(jī)器使用壽命 10 年（每年按 300 天計(jì)算），每日三班制工作，每小時(shí)開(kāi)啟次數(shù)不超過(guò) 2 次。機(jī)器工作時(shí)不逆轉(zhuǎn)，允許曲柄轉(zhuǎn)速有177。 5%的誤差，載荷基本平穩(wěn)，起動(dòng)載荷為名義載荷的 2 倍。 ⑹ 設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)如下： 方 案 號(hào) 4－ 1 4－ 2 4－ 3 4－ 4 4－ 5 4－ 6 門(mén)葉尺度 H179。 L (高179。寬 ) (m) 179。 179。 179。 179。 179。 179。 水位差Δ H (m) 門(mén)葉與橫軸線夾角θ176。 22 21 22 21 閘門(mén)開(kāi)啟總時(shí)間 t0 (秒 ) 30 25 21 19 17 15 3. 設(shè)計(jì)內(nèi)容 ⑴ 選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)的型式，計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度，確定構(gòu)件尺寸； ⑵ 確定總體設(shè)計(jì)方案，包括傳動(dòng)系統(tǒng)中各傳動(dòng)的類(lèi) 型、傳動(dòng)路線、總傳動(dòng)比及傳動(dòng)比分配； 水流方向門(mén)葉閘墻頂樞底樞門(mén)軸柱門(mén)龕啟閉機(jī)械啟閉機(jī)械接縫柱機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) —— 閘門(mén)啟閉機(jī) 3 ⑶ 用電算法作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析。取等步長(zhǎng)，計(jì)算閘門(mén)在開(kāi)啟過(guò)程中 10 個(gè)位置（包括起、終點(diǎn)）上的角位移、角速度和角加速度，以及閘門(mén)的平均角速度ω m、最大角速度ω max和最小角速度ω min； ⑷ 計(jì)算閘門(mén)的開(kāi)啟力矩（即載荷），選擇電動(dòng)機(jī)； ⑸ 對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)中各級(jí)傳動(dòng)進(jìn)行工作能力計(jì)算； ⑹ 進(jìn)行減速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 4. 提交的設(shè)計(jì)結(jié)果 ⑴ 啟閉機(jī)總體設(shè)計(jì)方案，包括完整的傳動(dòng)路線圖，按比例繪制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，要表達(dá)清楚各傳動(dòng)件及執(zhí)行機(jī)構(gòu)和原動(dòng)機(jī)的空間位置關(guān)系；（ 2 號(hào)圖紙） ⑵ 閘 門(mén)開(kāi)啟過(guò)程的角位移、角速度、角加速度線圖；（ 3 號(hào)圖紙） ⑶ 減速器裝配圖一張；（ 1： 1， 0 號(hào)圖紙） ⑷ 減速器零件工作圖若干張；（ 1： 1） ⑸ 設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)，內(nèi)容包括： * 設(shè)計(jì)題目、要求和原始數(shù)據(jù)； * 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)，包括數(shù)學(xué)模型、程序框圖及文本、計(jì)算過(guò)程和結(jié)果； * 原動(dòng)機(jī)選擇、傳動(dòng)比分配過(guò)程，各軸的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)計(jì)算過(guò)程和結(jié)果； * 各級(jí)傳動(dòng)工作能力計(jì)算過(guò)程； * 減速器中軸、軸承、鍵聯(lián)結(jié)、聯(lián)軸器的選擇及計(jì)算。 5. 有關(guān)計(jì)算公式 （ 1） 閘門(mén)開(kāi)啟總阻力矩 M M = M1+M2 () 式中， M1 為靜水壓力的阻力矩， M1= H179。 410 () M2 為風(fēng)壓阻力矩， M2=179。 410 () β — 閘門(mén)關(guān)閉時(shí)與閘墻的夾角（度）， β =90176。－θ （ 2） 電動(dòng)機(jī)功率 P = Mω / (1000η ) (kw) M — 閘門(mén)開(kāi)啟總阻力矩 () ω — 閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)的角速度（ 1/s） η — 啟閉機(jī)的總效率（其中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的效率取為 ） 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) —— 閘門(mén)啟閉機(jī) 4 計(jì)算過(guò)程與說(shuō)明 結(jié)果 二、系統(tǒng)總體方案確定 船閘人字閘門(mén)在靜水中啟閉。啟閉機(jī)一般由動(dòng)力裝置、傳動(dòng)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、制動(dòng)裝置以及控制系統(tǒng)等組成。一般情況下，啟閉機(jī)布置在閘墻頂部靠近門(mén)龕處，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)與門(mén)葉的頂部相聯(lián)結(jié)，啟閉力作用在門(mén)葉頂部。啟閉機(jī)要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，便于維護(hù)和修理；在開(kāi)啟的初始階段和關(guān)閉的結(jié)束階段，閘門(mén)的速 度應(yīng)接近于零；啟閉機(jī)要受力狀態(tài)良好；傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)要合理，體積大小應(yīng)適中。 擬執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、比較和分析 方案比較和分析如下 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) —— 閘門(mén)啟閉機(jī) 5 方案號(hào) 主 要 性 能 特 性 1 2 3 4 運(yùn)動(dòng)變換 滿足 滿足 滿足 滿足 急回特性 無(wú) 無(wú) 無(wú) 無(wú) 一級(jí)傳動(dòng)角 較大 較小 較大 小 二級(jí)傳動(dòng)角 大 工作平穩(wěn)性 平穩(wěn) 一般 一般 沖擊 磨損與變形 一般 強(qiáng) 一般 劇烈 效率 高 高 低 較高 復(fù)雜性 簡(jiǎn)單 一般 復(fù)雜 最 簡(jiǎn)單 加工裝配難度 易 易 較難 較難 成本 低 一般 高 一般 運(yùn)動(dòng)尺寸 小 小 大 大 由上表分析，并進(jìn)行綜合考慮 最終選取執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案 1 擬傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)、比較和分析 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) —— 閘門(mén)啟閉機(jī) 6 方案（ 1） 二級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛。承載能力和速度范圍大，傳動(dòng)比恒定、外廓尺寸小、工作可靠、效率高、壽命長(zhǎng)。制造安裝精度要求高、噪聲較大，齒輪相對(duì)于軸承為不對(duì)稱布置，因而沿齒向載荷分布不均，要求軸有較大剛度，成本較高。 方案（ 2） 帶傳動(dòng)與一級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)，帶傳動(dòng)承載能力較小，傳遞相同轉(zhuǎn)矩時(shí)結(jié)構(gòu)尺寸較其他傳動(dòng)形式大，但傳動(dòng)平穩(wěn)，能緩沖減震；一級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比小，效率較高，工藝簡(jiǎn)單，精度易于保證。 方案（ 3） 錐齒輪傳動(dòng)與一級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)組合，錐齒輪加工較困難，特別是大直徑、大模數(shù)的圓錐齒輪，所以只有在需改變軸的布置方向時(shí)采用，并盡量放在高速級(jí)和限制傳動(dòng)比。 方案（ 4）一級(jí)蝸桿傳動(dòng) 與開(kāi)式圓柱圓錐齒輪組合 ，一級(jí)蝸桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊，但效率較低，適用于載荷較小，間歇工作場(chǎng)合 ，開(kāi)始齒輪較閉式齒輪制造和安裝成本都低，且各級(jí)組合使 用可以得到很大傳動(dòng)比 。 最終選取執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案 根據(jù) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 實(shí)際工作情況，選取方案（ 4）作為最后傳動(dòng)方案。一級(jí)蝸桿減速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸緊湊 與開(kāi)式齒輪組合可以得到需要的傳動(dòng)比， 適合閘門(mén)啟閉機(jī)的工作情況。 三、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)分析 計(jì)算平面四桿機(jī)構(gòu)的極位夾角 ? 由設(shè)計(jì)題目工作要求，在開(kāi)啟的初始階段和關(guān)閉的結(jié)束階段，閘門(mén)的速度應(yīng)接近于零，因此可知極位夾角 ??0? 計(jì)算搖桿最大擺角 ? 執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，閘門(mén)作為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中的搖桿，已知門(mén)葉與橫軸線夾角 ??? 22? ，則搖桿最大擺角 ??? 682290 ???? 計(jì)算并設(shè)計(jì)各桿長(zhǎng)度 設(shè) ADCDBCAB LdLcLbLa ???? , 已知：閘門(mén)長(zhǎng)度的一半為搖桿的長(zhǎng)度， mLc ?? 許用壓力角 ? ? ??40? 由下圖可知當(dāng)極位夾角 ??0? 時(shí)，有以下幾何條件： 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) —— 閘門(mén)啟閉機(jī) 7 mca )34s i n( i n ????? ?? 2222 cbda ??? a、 c 已知，設(shè)計(jì)機(jī)架長(zhǎng)度 d 就能計(jì)算出連桿長(zhǎng)度 b，取 d=3 經(jīng)過(guò)計(jì)算，參數(shù)均滿足構(gòu)成曲柄的存在條件： a 為最小值；cbda ??? 。也滿足壓力角的要求， ??? 504090mi n ???? 。 a(m) b(m) c(m) d(m) 最小傳動(dòng)角min? 2 3 52 考慮最小傳動(dòng)角的大小，最終決定采用第三方案 ∴???????????????mdLmcLmbLmaLADCDBCAB3 計(jì)算曲柄的角速度 1? 由設(shè)計(jì)題目的已知條件，閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)間 st 190 ? 曲柄角速度 sr adtTw / 01 ???? ?? 計(jì)算曲柄的初位角 mc ? ? ? ??40? ma ? 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) —— 閘門(mén)啟閉機(jī) 8 如上圖，建立以 A 為原點(diǎn)， x 軸的正向與 AD 線一致的直角坐標(biāo)系。 在曲柄的上極限位置，根據(jù)余弦定理可以求得曲柄的初位角 10? ?)(2 )(a rc c os 22210 ?? ???? bad cbad? 對(duì)平面四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析 位移分析： 0, 321 iiii deADceDCbeBCaeAB ???? ??? 由封閉矢量多邊形 ABCD 可得 AB+BC=AD+DC 321 0 ??? iiii cedebeae ??? （ 1） 將式（ 1）的實(shí)部和虛部分別相等可得： 321 c o sc o sc o s ??