家用垃圾處理器設(shè)計含8張CAD圖
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第二章 生活垃圾處理器設(shè)計
2.1生活垃圾處理器的組成
本次設(shè)計的生活垃圾處理器有兩部分組成,一部分是不可回收垃圾的粉碎,另一部分是可回收垃圾的壓扁
不可回收垃圾的粉碎部分組要結(jié)構(gòu)有:驅(qū)動電機(jī)、聯(lián)軸器、中心軸、箱體、過濾板、刀具、墊圈、螺母、螺釘?shù)冉Y(jié)構(gòu)組成。另外還有一些傳感器,如:液位傳感器。
可回收垃圾的壓扁部分組要結(jié)構(gòu)有:驅(qū)動電機(jī)、帶輪、V帶、軸、支架、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、壓塊、垃圾簍、抽板等
2.2 電動機(jī)的選擇
驅(qū)動電機(jī)是食物垃圾處理器工作能量的提供源,也是關(guān)鍵部件之一,其性能直接影響著生活垃圾處理器質(zhì)量的好壞。在設(shè)計中,電動機(jī)運行特征為時間短,啟動頻繁,斷續(xù)工作。圖2-1為永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖。
我們選用永磁電機(jī),因為其定子為永磁鋼勵磁無需勵磁線圈,即省電又不發(fā)熱。磁路結(jié)構(gòu)經(jīng)精心選擇,使電機(jī)具有啟動轉(zhuǎn)矩大,過載能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、嘈聲低及轉(zhuǎn)動平衡等特點,電機(jī)設(shè)計時采用了一些特殊技術(shù)。但是本次設(shè)計所用的電機(jī)是自己設(shè)計制造的。
(1) 磁鋼徑向、軸向聚磁以加大極弧面來提高氣隙磁密,從而提高出力和快速響應(yīng)能力。
(2) 采用不均勻氣隙設(shè)計和磁鋼極尖削角來保證對負(fù)載電流引起的電樞反應(yīng)有良好的抑制作用,提高線性度并降低功耗。
(3) 利用電機(jī)槽和換向片及極弧寬度和齒槽的合理配合達(dá)到減小轉(zhuǎn)矩波動、嘈聲,保證平穩(wěn)運行要求。
(a)
(b)
圖2-1 永磁電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)和磁場分布
電動機(jī)種類的選擇
目前,電動機(jī)的種類繁多,價格、性能差別比較大,本著經(jīng)濟(jì)、實用的指導(dǎo)思想對電動機(jī)類型及型號進(jìn)行優(yōu)化選擇是十分重要的。選擇電動機(jī)種類應(yīng)在滿足生產(chǎn)機(jī)械對拖動性能的要求下,優(yōu)先選用結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護(hù)方便、價格便宜的電動機(jī)。電動機(jī)種類選擇時應(yīng)考慮的主要內(nèi)容有:
(1)電動機(jī)的機(jī)械特性應(yīng)與所拖動生產(chǎn)機(jī)械的機(jī)械特性相匹配;
(2)電動機(jī)的調(diào)速性能(調(diào)速范圍、調(diào)速的平滑性、經(jīng)濟(jì)性)應(yīng)該滿足生產(chǎn)機(jī)械的要求。對調(diào)速性能的要求在很大程度上決定了電動機(jī)的種類、調(diào)速方法以及相應(yīng)的控制方法;
(3)電動機(jī)的啟動性能應(yīng)滿足生產(chǎn)機(jī)械對電動機(jī)啟動性能的要求,電動機(jī)的啟動性能主要是啟動轉(zhuǎn)矩的大小,同時還應(yīng)注意電網(wǎng)容量對電動機(jī)啟動電流的限制;
(4)電源種類 在滿足性能的前提下應(yīng)優(yōu)先采用交流電動機(jī);
(5)經(jīng)濟(jì)性 一是電動機(jī)及其相關(guān)設(shè)備(如:啟動設(shè)備、調(diào)速設(shè)備等)的經(jīng)濟(jì)性;二是電動機(jī)拖動系統(tǒng)運行的經(jīng)濟(jì)性,主要是要效率高,節(jié)省電能。
根據(jù)機(jī)械的負(fù)載性質(zhì)和生產(chǎn)工藝對電動機(jī)的啟動、制動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求選擇電動機(jī)的類型。直流電動機(jī)可實現(xiàn)快速頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn);具有過載能力大、能承受頻繁的沖擊負(fù)載,優(yōu)良的調(diào)速性能,調(diào)速平滑、精確、方便和范圍廣等特點。
電動機(jī)的工作環(huán)境是由生產(chǎn)機(jī)械的工作環(huán)境決定的。在很多情況下,電動機(jī)工作場所的空氣中含有不同分量的灰塵和水分,有的還含有腐蝕性氣體甚至含有易燃易爆氣體;有的電動機(jī)則要在水中或其他液體中工作。灰塵會使電動機(jī)繞組黏結(jié)上污垢而妨礙散熱;水分、瓦斯、腐蝕性氣體等會使電動機(jī)的絕緣材料性能退化,甚至?xí)耆珕适Ы^緣能力;易燃、易爆氣體與電動機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的電火花接觸時將有發(fā)生燃燒、爆炸的危險。因此,為了保證電動機(jī)能夠在其工作環(huán)境中長期安全運行,必須根據(jù)實際環(huán)境條件合理地選擇電動機(jī)的防護(hù)方式。電動機(jī)的外殼防護(hù)方式有開啟式、防護(hù)式、封閉式和防爆式幾種。
設(shè)計中,食物垃圾處理器電動機(jī)的特征為頻繁短時運行、快速啟動,無調(diào)速要求。依據(jù)直流電動機(jī)具有的特點,設(shè)計選取電機(jī)類型為直流電動機(jī)。
在直流電動機(jī)中,有一種電機(jī)的磁極是用永磁材料(或加上鐵磁材料)提供電動機(jī)所需要的勵磁源,從而代替了電磁式直流電動機(jī)中的線圈式磁極。這種電機(jī)為永磁直流電動機(jī)。由于無需勵磁線圈,故省電且不發(fā)熱,磁路結(jié)構(gòu)精心設(shè)計,使電動機(jī)過載能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、噪聲低及轉(zhuǎn)速平穩(wěn)?;谏鲜鎏攸c,設(shè)計中選用永磁直流電動機(jī)。
永磁材料的種類很多,有鋁鎳鉆系列磁鋼、鐵氧體永磁、稀土永磁等。表征永磁材料性能的主要因素:矯頑力、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br、最大磁能面積以及磁穩(wěn)定性。選用永磁材料要求最大,溫度系數(shù)小,磁穩(wěn)定性高。永磁材料的磁穩(wěn)定性對于永磁直流電動機(jī)至關(guān)重要,若磁穩(wěn)定性差,則永磁直流電動機(jī)壽命短。
外界因素能引起磁性能不可逆變化,影響磁穩(wěn)定性的因素有:
① 內(nèi)因包括組織變化和磁后效。鋁鎳合金、鐵氧體、鐵鉻鉆等不會發(fā)生組織的變化。但鐵硼易氧化且產(chǎn)生組織的變化。各種永磁材料除各向異性外,都會產(chǎn)生磁后效,它們對時間的退磁率隨時間的對數(shù)變化。
② 外因包括溫度、干擾磁場、機(jī)械力、接觸強(qiáng)磁性物質(zhì)、高能粒子輻照等。使磁能變化。
a.由于溫度可引起永磁體的材質(zhì)和尺寸比的變化,因而在選用具有低溫退磁性質(zhì)的永磁體時,應(yīng)使永磁體在最低使用溫度下工作。在尺寸比相同的情況下,各種永磁體的退磁率隨外磁場增大而增加,隨矯頑力提高、尺寸比增大而變小,若工作點選在膝點之上,則受外磁場的影響很小。
b.機(jī)械振動和沖擊力引的退磁率一般不大,磁體尺寸越大、矯頑力越高。顯著的退磁一般發(fā)生在多次沖擊和較長時間振動的初期,以后趨于穩(wěn)定。
為使永磁材料在使用時磁性穩(wěn)定,對材料必須預(yù)先進(jìn)行穩(wěn)定化處理;高溫或低溫退磁,不同溫度范圍的溫度循環(huán)強(qiáng)制退磁、交流或直流退磁等。
選擇電動機(jī)時,應(yīng)在電動機(jī)能夠勝任生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載要求的前提下,最經(jīng)濟(jì)、最合理的選擇電動機(jī)的功率。若功率選得過大,設(shè)備投資過大,造成浪費,且電動機(jī)經(jīng)常欠載運行,效率較低;反之,若功率選得過小,電動機(jī)將過載運行,造成電動機(jī)的過早損壞。為此,選擇電動機(jī)容量應(yīng)進(jìn)行一些必要的分析和計算,具體可按以下三個步驟進(jìn)行:
① 計算負(fù)載功率
② 根據(jù)負(fù)載功率,預(yù)選電動機(jī)的額定功率,使,盡量接近
③ 校驗預(yù)選電動機(jī)的發(fā)熱、過載能力和啟動能力。校驗的方法較多,工作量很大,而且準(zhǔn)確度也很難把握。
在實際工作中常采用統(tǒng)計分析法和類比法。類比法就是在調(diào)查同類機(jī)械所采用電機(jī)容量的基礎(chǔ)上,對主要參數(shù)和工作條件進(jìn)行類比,從而確定電機(jī)所采用的容量。本次論文設(shè)計就采用此方法。
根據(jù)前面計算,粉碎刀盤在工作時,需克服的阻力為:
刀盤的線速度
負(fù)載功率:
電動機(jī)的額定功率,且留有余量取
按以上參數(shù)的選擇,我們最終選取電機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)如下:轉(zhuǎn)速:,功率:,電壓:,電流:,重量:。
這種永磁直流電動機(jī)采用鐵氧體永久磁鐵激磁,鐵氧體的化學(xué)組成用MonFe2O3。表示,其中M為Ba,Sr,Pb中的一種或兩種以上的二價金屬離子,,材料分為各向同性和各向異性兩類。它的矯頑力高,時效變化少,不含鎳、鉆等元素,價廉,原材料豐富。
永磁直流電動機(jī)設(shè)計時采用了一些特殊技術(shù):
① 磁鋼徑、軸向聚磁以加大極弧面來提高氣隙磁密,從而提高出力及快速響應(yīng)能力。
② 采用不均勻氣隙設(shè)計和磁鋼極尖削角來保證對負(fù)載電流引起的電樞反應(yīng)有良好的抑制作用,提高線性度并降低功耗。
③ 電機(jī)槽和換向片,極弧寬度和齒槽的合理配合以達(dá)到減小轉(zhuǎn)矩波動、噪聲,保證平穩(wěn)運行。
本此設(shè)計的電機(jī)體積小,重量輕,壽命長、噪聲低,有換向性能,零部件通用化程度強(qiáng)等特點,系封閉自冷式。而目前在市場上的同類產(chǎn)品都為國外進(jìn)口電動機(jī),不僅價格昂貴,而且零部件配套難,維修困難,給顧客的使用帶來不便。
2.3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的設(shè)計
2.3.1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)定義
曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演化形式,由若干剛性構(gòu)件用低副(回轉(zhuǎn)副、移動副)聯(lián)接而成的一種機(jī)構(gòu)。是由曲柄(或曲軸、偏心輪)、連桿、滑塊通過移動副和轉(zhuǎn)動副組成的機(jī)構(gòu)。
2.3.2曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的特性及應(yīng)用
常用于將曲柄的回轉(zhuǎn)運動變換為滑塊的往復(fù)直線運動;或者將滑塊的往復(fù)直線運動轉(zhuǎn)換為曲柄的回轉(zhuǎn)運動。對曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動特性分析是當(dāng)已知各構(gòu)件尺寸參數(shù)、位置參數(shù)和原動件運動規(guī)律時,研究機(jī)構(gòu)其余構(gòu)件上各點的軌跡、位移、速度、加速度等,從而評價機(jī)構(gòu)是否滿足工作性能要求,機(jī)構(gòu)是否發(fā)生運動干涉等。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)具有運動副為低副,各元件間為面接觸,構(gòu)成低副兩元件的幾何形狀比較簡單,加工方便,易于得到較高的制造精度等優(yōu)點,因而在包括煤礦機(jī)械在內(nèi)的各類機(jī)械中得到了廣泛的應(yīng)用,如自動送料機(jī)構(gòu)、沖床、內(nèi)燃機(jī)空氣壓縮機(jī)等。
2.3.3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的分類
根據(jù)結(jié)構(gòu)特點,將其分成三大類:對心曲柄滑塊、偏置曲柄滑塊、偏心輪機(jī)構(gòu)
圖2-2 對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)
圖2-3 偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)
圖2-4 偏心輪機(jī)構(gòu)
當(dāng)曲柄長度很小時,通常把曲柄做成偏心輪,這樣不僅增大了軸頸的尺寸,提高偏心軸的強(qiáng)度和剛度,而且當(dāng)軸頸位于中部時,還可以安裝整體式連桿,使得結(jié)構(gòu)簡化。因此偏心輪廣泛應(yīng)用于傳力較大的剪床、沖床、鄂式破碎機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等機(jī)械中[6]。
偏心輪機(jī)構(gòu)可以實現(xiàn)復(fù)雜的非線性傳動關(guān)系,且傳動平穩(wěn),結(jié)構(gòu)緊湊,動力平衡性好。將偏心輪與連桿等機(jī)構(gòu)組合應(yīng)用,可實現(xiàn)單純用連桿機(jī)構(gòu)難以得到的復(fù)雜的運動特性。是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是常用的機(jī)構(gòu)型式。生產(chǎn)實際中,如在滑塊往復(fù)行程中具有勻速運動段,并有急回特性,則一般將有利于生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)率的提高。沖壓機(jī)的沖頭(滑塊),如能以勻速沖壓工件成形、,則有益于沖壓件加工質(zhì)量的提高;牛頭刨床的刨刀(滑塊),如能以勻速刨削工件,則無疑會改善工件表面的加工質(zhì)量,并提高刨刀的切削壽命(因切削刀均勻)。但是,簡單的對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu),當(dāng)曲柄勻速回轉(zhuǎn)時,其滑塊是不具有急回特性和勻速運動段的;即便采用六桿以上的連桿機(jī)構(gòu),一般也只能實現(xiàn)近似的勻速運動?,F(xiàn)在采用偏心輪一曲柄滑塊機(jī)構(gòu),則能以緊湊的機(jī)構(gòu)型式實現(xiàn)上述運動特性[7]。
在海上能源綜合開發(fā)平臺上,采用這種偏心輪機(jī)構(gòu),通過滑塊聯(lián)動液壓缸,用于將海風(fēng)端水平軸旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成活塞往復(fù)運動的機(jī)械能,進(jìn)而轉(zhuǎn)化成液壓能。
圖2-5 工作原理圖
2.4曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計
2.4.1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)受力分析
圖2-6 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的受力分析示意圖
從曲柄r傳到連桿l上的力與滑塊發(fā)出的壓力之間,存在如下關(guān)系:
曲柄頸A處,沿半徑方向的力和的關(guān)系:
=
將上2式聯(lián)立,可得到:
=
曲柄頸沿r方向承受與力大小相等的壓力。曲柄頸沿圓周方向所受切線力與半徑r的乘積,就是轉(zhuǎn)矩T。
根據(jù)上圖可知:
將(1)、(4)式代入(5)式,則
從上式求出P。
一般曲柄連桿機(jī)構(gòu)l>4r,所以,可將l看成比r大很多,即l>>r ,這時,角趨近于零。則上式可以寫成:
按平面幾何圓部分的勾股定理,可以導(dǎo)出
將上式代入,則得:
2.4.2 曲柄滑塊的運動學(xué)特性
圖2-7 運動分析圖
取A點為坐標(biāo)原點,x軸水平向右。在任意瞬時t,機(jī)構(gòu)的位置如圖。
可以假設(shè)C點的矢徑為:
==+
C點的坐標(biāo)為其矢徑在坐標(biāo)軸上的投影:
根據(jù)圖形可知:
所以:
式中,是曲柄長與連桿長之比。將上式代入的表達(dá)式中,并考慮到,就得到了滑塊的運動方程:
若將此式對時間求導(dǎo)數(shù),其運算較繁瑣。在工程實際中,值通常不大(=1/4-1/6),故可在上式中將根式展開成的冪級數(shù)并略去起的各項而作近似計算:
則:
上式再對時間取導(dǎo)數(shù),便可以得到速度和加速度的表達(dá)式:
其中都是的周期函數(shù)。
在海上能源綜合開發(fā)平臺上, 在已知海風(fēng)端的輸入軸頸,材質(zhì),轉(zhuǎn)矩,通過上述原理設(shè)計出合理的曲柄滑塊機(jī)構(gòu),得出驅(qū)動液壓缸運動的滑塊的位移,速度,加速度,壓力,得到的結(jié)果便于液壓缸的傳動設(shè)計。
2.4.3 尺寸設(shè)計
圖2-7 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)
假定:
行程為S ,曲柄為L ,連桿為a
則由上面的分析結(jié)合圖2-7可知:
由于設(shè)計中S/2=260mm
則有:
L=150 mm a=250 mm
2.5 其它結(jié)構(gòu)
圖2-8 中心軸
圖2-9 壓塊
圖2-10 過濾板
圖2-11 切刀
圖2-12 抽板
圖2-13 連桿
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