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1、济南大学毕业设计前言1选题背景和意义目前中国塑料管道生产能力达300万吨，主要有PVC、PE和PPR管道三大类，其中PVC管道是市场份额最大的塑料管道，占塑料管道近70%的份额。PVC管材生产线1600余条。年生产能力250万吨以上，2003年PVC管道（管件）年产量达120多万吨。在塑料管道中，PVC的份额为70%， PE占25%， PPR占4%， 其它占1%。 虽然PVC管道的快速发展吸引众多企业进入这个行业投资，但在国内生产众多厂家（2000多家）众，年产能力在1万吨的仅有70多家，年产3万吨以上的企业为20多家并拥有行业60%的产量。 整体而言，国内小口径、低附加值的管道企业多，大口径
2、、高技术含量的企业少。国内部分生产厂家的产能分别是：华亚塑胶：10万吨、河北宝硕：8万吨、国风集团：8万吨、中材管道：6.5万吨、浙江永高：4.5万吨、福建亚通：4万吨、湖北凯乐：4万吨、广东顾地：3万吨、沈阳久利：3万吨。19982003年PVC管道的产量。 PVC管材的迅速发展来自于诸多因素的推动。在全国新建、改建、扩建工程中，建筑排水管道70采用塑料管，建筑雨水排水管道50采用塑料管，城市排水管道20%采用塑料管，建筑给水、热水供应和供暖管道60%采用塑料管；城市供水管道（DN400 以下）50%采用塑料管，村镇供水管道60%采用塑料管； 城市燃起管道(中低压管)50%采用塑料管，建筑电
3、线穿线护套管80%采用塑料管。重大工程的投资又将有力拉动对PVC管道的需求。如“南水北调”、西部打开发振兴东北老工业基地。虽然PVC管道的快速发展吸引众多企业进入这个行业投资，但在国内生产众多厂家（2000多家）众，年产能力在1万吨的仅有70多家。因此市场上的产品性能有着很大的差别。以前的手动施压不够直观，误差大，而且效率低。所以为了减小误差，提高检测效率，规范市场提高产品质量PVC管材性能的检测尤为重要。2 方案论证机械部分采用单立柱结构，结构简单易于加工。执行原件选用用直流伺服电机精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位。伺服电动机输出力较小无法达到5000N的试验力，为了增大力矩实现50
4、00N试验力，同时能够控制一定的速度选用直齿圆柱齿轮减速器对电动机输出的力进行增大并降低输出转速。在减速器输出端连接滚珠丝杠，滚珠丝杠的高精度、可逆性和高效率特点既保证了将电机的回转运动转变成直线运动又确保了测试仪器的精密性。在减速器和滚珠丝杠间用同步带传动，保证准确的传动比的同时减少震动和冲击载荷的影响。测试头部分选用优质合金钢热处理，以减少探头的变形对实验数据的影响，同时也保证了测试头的耐用性。在这些部件的共同作用下测试机以一定的速度对管材施加一定的力，测试PVC管材的抗压性能。电气部分初步计划采用两路传感器器采集信号，一路检测力值由贴片式压力传感器采集受力大小转变成电信号，一路检测位移由
5、光电编码器传递。传感器采集到数字信号，直接输入至A/D转换器，转换成数字信号后由单片机进行处理，换算成实际力值和位移值后在液晶显示器上实时显示出来。同时由D/A转换器直接输出电压值，给相应的伺服控制器去控制直流伺服电机，通过同步带带动丝杠传动，直接传递给中横梁进行上下移动，对管材施加压力。整个试验过程结束后，按标准计算公式计算出强度值，判断合格与否，以备查询和打印结果。1 机械部分的设计1.1电机的选择1.1.1、 选择电机应综合考虑的问题（1） 根据机械的负载性质和生产工艺对电动机的启动、制动、正反转、调速等要求，选择电动机类型。（2） 负载转矩、速度变化范围和启动频繁程度等要求，考虑电动机
6、的温升限制、过载能力和启动转矩，选择电机功率，并确定冷却通风方式。所选电动机功率应留有余量，负荷率一般取0.80.9。过大的备用功率会使电机效率降低，对于感应电动机，其功率因数将变坏，并使按电动机最大转矩校验的强度和生产的机械造价提高。（3） 根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀和易燃气体等考虑必要的保护方式，选择电动机的结构型式。（4） 根据企业的电网电压标准和对功率因数的要求，确定电动机的电压等级和类型。（5） 根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程性能的要求，以及机械减速机构的复杂程度，选择电动机额定转速。除此之外，选择电动机还必须符合节能要求，考
7、虑运行可靠性、设备的供货情况、备品备件的通用性、安装检修的难易，以及产品价格、建设费用、运行和维修费用、生产过程中前后期电动机功率变化关系等各种因素。 此试验机根据设计要求选用伺服电机，以下是选择过程。1.1.2确定传动路线电机1.1.3各传动部分效率1同步带传动的效率，取0.96；2减速器的传动效率，取0.84；3丝杠传动的效率，取0.6；4轴承（滚动轴承）的效率，取0.98；1.1.4选用电机最小功率计算P=（W）1.1.5电机选择根据最小功率选择110SZ54型三相混合式步进电机，其技术参数为：转矩：908Nm；转速：3000r/min；额定电压：220V；电流：2A；额定功率：308W
8、；1.1.6确定传动比横梁最大移动速度200/min，丝杠导程L0=6mm，动力源采用步进电机。可计算出传动比i 传动比比较大，故采用减速器降速： 1.2丝杠的设计计算初步确定实验仪器最大载荷为5KN最大传动速度为200mm/ min，初选丝杠的最大直径d=36mm，最小直径d1=29mm，螺距P=6mm。由于最大传动速度为200mm/min，是低速传动，所以选定丝杠螺母副材料为中碳钢，牙型为等腰梯形，牙型角=30。内外螺纹以锥面贴紧不易松动。与矩形螺纹相比，传动效率略低，但工艺性好，牙根强度高，对中性好。梯形螺纹是最常用的传动螺纹。查表5-12滑动螺旋副材料的许用压力p及摩擦系数f得，许用压
9、力为7.5-13MPa取p=13MPa摩擦系数f为0.11-0.17取f=0.17.1.2.1丝杠耐磨性校核校核公式为： 式中F丝杠的轴向力（单位为N）; A丝杠工作面积（单位为）；d2丝杠螺纹中径（单位为mm）；h丝杠螺纹工作高度（单位为mm），h=6mm；P丝杠螺纹螺距（单位为mm），P=6mm；H丝杠螺母副高度（单位为mm），H=80mm；满足耐磨性条件。1.2.2自锁性校核满足自锁性。1.2.3丝杠螺纹的强度校核查表5-13得，滑动螺母副材料的许用应力=225Mpa.丝杠的强度计算公式为：式中：F丝杠所受的轴向压力（或拉力），单位为N；A丝杠的危险截面面积；，单位为；WT丝杠的抗扭截面
10、系数，单位为；d1丝杠小径，单位为mm；T丝杠所受的最大扭矩，单位为Nmm。满足强度要求。1.2.4丝杠螺母副纹牙的强度校核纹牙多发生剪切和挤压破坏，一般螺母材料强度低于螺杆，故只需校核螺母螺纹牙的强度，螺纹牙的危险截面在牙根部。螺纹牙的剪切强度校核公式为：螺纹牙的剪切强度校核公式为：式中：b丝杠螺母副螺纹牙根部的厚度，单位为mm，b=0.65P=3.9mm;l弯曲离臂，单位为mm，l=(D-D2)/2;滑动丝杠螺母副的许用剪切应力,单位为Mpa,查表5-13得，=0.6=135Mpa；滑动丝杠螺母副的许用弯曲应力，单位为Mpa，查表5-13得，b=225Mpa。1.2.4.1剪切强度校核满足
11、剪切强度要求。1.2.4.2弯曲强度校核满足弯曲强度要求。1.2.5键的选择选择圆头平键，即：键 5 x 22 GB 1096.1.2.5.1平键联接强度校核计算计算公式为： 式中：T传递的扭矩(T=F x y=F x d/2),单位为Nmm；k键与轮毂键槽的接触高度，k=0.5h，此处h为键的高度，单位为mm；l键的工作长度，单位为mm，圆头平键l=L-b=36-6=30mm，这里L为键的公称长度，单位为mm,b为键的宽度，单位为mm；d轴的直径，单位为mm；p键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用压力，单位为Mpa.查表6-2得，p=120Mpa。 满足键联接强度要求。1.2.6轴承选择采用推力
12、球轴承 36250 GB/T 292-84。1.2.7丝杠螺母副的选择整体螺母结构简单，但由磨损而产生的轴向间隙不能补偿，只适合在精度要求较低的螺旋中使用。对于经常双向传动的传导螺旋，为了消除轴向间隙和补偿旋合螺纹的的磨损，避免反向传导时的空行程，常采用组合螺母或剖分螺母，本试验系统要求精度比较高，且需要双向传导，所以丝杠螺母副采用剖分螺母。以上所查表均查自机械设计课本。1.3减速器的选择根据前面的计算知减速器的减速比为 i=30 根据 由减速比可知输出转速为r/min，有前面可知电机的最小功率为62.567kw，经过同步带后的功率为：即输入减速器的功率为：所以减速器输出转矩为：N/M选择减速
13、器是转矩必须大于0.024综合经济性，并考虑安全性，选择RV-40减速器如下图：RV-40减速器的参数1.4同步带传动设计计算为防止发生皮带打滑现象，本试验仪器的带传动采用同步带传动。从动带轮转速：n2=200/6 x 30=1000r/min,减速比i=1/3；主动带轮转速：= n2 /i=1000x3=3000r/min,电机转矩为：Tn=T x 1/30 x 1/3=16784.815 x 1/30 x 1/3=1830.942Nmm传递功率：P=Tn/9550=1830.942 x 3000 / 9550=578.192W1.4.1设计功率 Pc=KgP Kg工作情况系数，查机械设计手
14、册第二版上册表10-26可得KA=1.0 Pc=1.0578.192=578.192(W)1.4.2模数 m查机械设计手册第二版上册图10-10，确定同步带轮的模数为m=2。1.4.3同步带轮齿数 由前面的传动比计算已经确定Z1 =18, Z2 =541.4.4带轮节圆直径 d1=m Z1 =2 x 18=36mm，d2 =mZ2 =2 x 54=108mm1.4.5带速 1.4.6初定中心距要满足0.7(d1+d2) 2(d1+d2)0.7(d1+d2)=0.7(36+108)=100.8mm2(d1+d2)=2(36+108)=288mm初定=190（mm）1.4.7初定带的节线长度Lo及齿数 Lo=613.016mm 由机械设计手册第二版第上册表1024选取Lp=628.3mm Z b=1001.4.8实际中心距 中心距可调整mm1.4.9小带轮啮合齿数 1.4.10单位带宽的离心拉力，查机械设计手册第二版第上册表1029得，q=2.4kg/mm,所以，1.4.11带宽b 式中KZ小带轮啮合齿数系数，取KZ =1.00Ki传动比系数，查机械设计手册第二版第上册表1028得，Ki=0.90；Fp单位宽度的许用拉力，查机械设计手册第二版第上册表1029得，
