机械原理课程设计（范例） 题目：冲压式蜂窝煤成型机
一、冲压式蜂窝煤成型机的功能和设计要求
1.功能
冲压式蜂窝煤成型机是中国城镇蜂窝煤生产厂的主要生产设备，这种设备具有结构合理、成型性能好、经久耐用、维修方便等优点而被广泛采用。
冲压式蜂窝煤成型机的功能是将粉煤加入转盘的模筒内，经冲头冲压成蜂窝煤。 为了实现将蜂窝煤压制成型，冲压式蜂窝煤成型机必须完成五个动作：
（1）粉煤加料；
（2）冲头将蜂窝煤压制成型；
（3）清除冲头和出煤盘积屑的扫屑运动；
（4）将在模筒内冲压后的蜂窝煤脱煤；
（5）将冲压成型的蜂窝煤输出。
2.设计要求和原始数据
（1）蜂窝煤成型机的生产能力：30次/min 。
（2）如图1所示，冲头、脱模盘、扫屑刷、模筒转盘的相互位置关系。实际上冲头与脱模盘都与上、下移动的滑梁连成一体，当滑梁下冲时冲头将粉煤冲压成蜂窝煤，脱煤盘将已压成的蜂窝煤脱模。在滑梁上升过程中扫屑刷将刷除冲头和脱模盘上粘着的粉煤。模筒转盘上均布了煤筒，转盘的间歇运动使加料后的模筒进入冲压位置，成型后的模筒进入脱模位置，空的模筒进入加料位置。
（3）为了改善蜂窝煤冲压成型的质量，希望冲压机构在冲压后有一保压时间。
（4）冲压式蜂窝煤成型机的滑梁行程mm s 300=，连杆系数157.0==L
R λ。 （5）驱动电机目前采用Y180L-8型，其功率N ＝11kW ，转速n ＝730 r/min 。
（6）机械运动方案应力求简单。
1.模筒转盘;
2.滑梁;
3.冲头;
4.扫屑刷;
5.脱模盘
图1 冲压式蜂窝煤成型机各部分位置示意
3.设计任务
（1）按工艺动作要求拟定运动循环图。
（2）进行冲压脱模机构、扫屑机构、模筒转盘间歇运动机构的选型。
（3）机械运动方案的评定和选择。
（4）按选定的电动机和执行机构运动参数拟定机械传动方案。
（5）画出机械运动方案示意图。
（6）选取其中两个传动机构或执行机构进行尺寸计算。
二、工作原理和工艺动作分解
根据上述分析，冲压式蜂窝煤成型机要求完成的工艺动作有以下六个动作。
（1）加料：这一动作可利用粉煤重力打开料斗自动加料。
（2）冲压成型：要求冲头上、下往复移动，在冲头行程的后1/2进行冲压成型。
（3）脱模：要求脱模盘上、下往复移动，将已冲压成型的煤饼压下去而脱离模筒。一般可将它与冲头一起固结在上、下往复移动的滑梁上。
（4）扫屑：要求在冲头、脱模盘向上移动过程中用扫屑刷将粉煤扫除。
（5）模筒转模间歇运动：以完成冲压、脱模、加料三个工位的转换。
（6）输送：将成型的煤饼脱模后落在输送带上送出成品，以便装箱待用。
以上六个动作，加料和输送的动作比较简单，暂时不予考虑，冲压和脱模可用一个机构来完成。因此，冲压式蜂窝煤成型机运动方案设计重点考虑冲压和脱模机构、扫屑机构和模筒转盘的间歇转动机构这三个机构的选型和设计问题。
三、根据工艺动作顺序和协调要求拟定运动循环图
对于冲压式蜂窝煤成型机构运出循环图主要是确定冲压和脱模盘、扫屑刷、模筒转盘三个执行构件的先后顺序、相位，以利于各执行机构的设计、装配和调试。
冲压式蜂窝煤成型机的冲压机构为主机构，以它的主动件的零位角为横坐标的起点，纵坐标表示各执行机构的位移起止位置。表1表示冲压式蜂窝煤成型机构三个执行机构的运动循环图。
表1冲压式蜂窝煤成型机运动循环图
冲头和脱模盘都由工作行程和回程两部分组成。模筒转盘的工作行程在冲头的回程后半段和工作行程的前半段完成，使间歇转动在冲压以前完成。扫屑刷要求在冲头回程后半段至工作行程前半段完成扫屑动作。
四、执行机构的选型
根据冲头和脱模盘、模筒转盘、扫屑刷这三个执行构件动作要求和结构特点，可以选择表2所列的常用机构，这一表格又可称为执行机构的形态学矩阵。
表2执行机构的形态学矩阵
图2表示附加滑块摇杆机构，利用滑梁的上、下移动使摇杆OB上的扫屑刷摆动扫除冲头和脱模盘底上的粉煤屑。
图2 冲压式蜂窝煤成型机执行机构运动形式1
图3表示固定移动凸轮利用滑梁上、下移动使带有扫屑刷的移动从动件顶出而扫除冲头和脱模盘底的粉煤屑。
图3 冲压式蜂窝煤成型机执行机构运动形式2
五、机械运动方案的选择和评定
根据表2的三个执行机构形态学矩阵，可以求出冲压式蜂窝煤成型机的机械运动方案数为
N＝3×2×3＝18
现在可以按给定条件、各机构的相容性和尽量使机构简单等要求来选择方案。在此
可选定两个结构比较简单的方案，如下所述。
方案一：冲压机构为对心曲柄滑块机构，模筒转盘机构为槽轮机构，扫屑机构为固定凸轮移动从动件机构。
方案二：冲压机构为偏置曲柄滑块机构，模筒转盘机构为不完全齿轮机构，扫屑机构为附加滑块摇杆机构。
两个方案可用模糊综合评价方法来进行评估优选，也可以按设计需求直接比较方案的优劣。例如，由于没有急回要求，冲压机构可以选为对心曲柄滑块机构；模筒转盘机构可以选为槽轮机构，因为槽轮机构结构简单，外形尺寸小，机械效率高，并能够较平稳、间歇地进行转位；扫屑机构可选为固定凸轮移动从动件机构，设计加工简单方便。最后，选取方案一为冲压式蜂窝煤成型机构的机械运动方案。
六、机械传动系统的速比和变速机构
根据选定的驱动电机的转速和冲压式蜂窝煤成型机的生产能力，可知其机械传动系统的总传动比为
机械传动系统的第一级采用带传动，其速比为 4.866；第二级采用直齿圆柱齿轮传动，其传动比为5。
七、画出机械运动方案示意图
按已选定的三个执行机构的形式及机械传动系统，画出冲压式蜂窝煤成型机的机械运动示意图，其中三个执行机构部分也可以称为机械运动方案简图。如图4所示，包括了机械传动系统、三个执行机构的组合。如果再加上加料机构和输送机构，就可以完整地表示整台机器的机械运动方案示意图。
图4 冲压式蜂窝煤成型机运动方案示意
有了机械运动方案示意图，就可以进行机构的尺寸设计计算以及机器的总体设计。
八、对机械传动系统和执行机构进行尺寸计算
为了实现具体的运动要求，必须对带传动、齿轮传动、曲柄滑块机构（冲压机构）、槽轮机构（模筒转盘间歇运动机构）和扫屑凸轮机构进行尺寸计算，必要时还要进行运动学、动力学计算。
1.带传动计算
（1）确定计算功率C P
取4.1 A K ，则
（2）选择带的型号。由C P 及主动轮转速1n ，由有关线图选择V 带型号为C 型V 带。
（3）确定带轮节圆直径1d 和2d 。取mm d 2001=，则
（4）确定中心距0a
即mm a mm 4.234824.8210≤≤。
（5）确定V 带根数z
2.齿轮传动计算
取齿轮的压力角o 20=α, 221=z ，110225222=?=?=i z ，按钢制齿轮进行强度计算，其模数mm m 5=。
则分度圆直径分别为
齿顶高为
齿根高为
齿全高
齿顶圆直径分别为
齿根圆直径分别为
齿厚为
齿槽宽为
标准中心距为
齿轮厚度按实际情况选取，其余尺寸按有关公式计算出。
3．曲柄滑块机构计算
已知冲压式蜂窝煤成型机的滑梁行程mm s 300=，连杆系数157.0==
L
R λ,则曲柄半径
连杆长度为
下面采用作图法求出曲柄滑块机构中滑梁（滑块）的速度和加速度。
取mm mm l /10=μ，曲柄逆时针旋转，当转角为45°时，按比例精确作曲柄滑块机构的运动简图，如图5所示。 图5 曲柄滑块机构运动简图
因为杆1（曲柄）的转速为30 r/min ，且方向为逆时针旋转，故杆1的角速度为
s rad n /14.360/3014.3260/211=??==πω，方向为逆时针旋转。
B 点的速度为
s m l V AB B /471.015.014.31=?=*=ω，方向为垂直于杆1且指向向上。 B 点的加速度为
2221/479.115.014.3s m l a AB B =?=*=ω，方向由B 指向A 。
下面求C 点的速度及加速度。
对于杆2， CB B C V V V +=
方向 C →A ⊥AB ↑ ⊥BC
大小 ？ 0.471 ?
取mm s m V /)/(01.0=μ，按比例精确作速度图，如图6所示。
图6 速度图
量取得
s m V C /37.001.037=?=。
s m V CB /34.001.034=?=。
因此，杆2的角速度和法向加速度分别为
s rad l V BC CB /356.0955
.034.02===ω，方向为顺时针方向。 2222/121.0955.0356.0s m l a BC n CB =?=?=ω，方向由C 指向B 。
对于杆2， τCB n CB B C a a a a ++=
方向 C →A B →A C →B ⊥BC ↑
大小 ？ 1.479 0.121 ？
取mm s m a /)/(01.02=μ，按比例精确作速度图，如图7所示。
图7 加速度图
量取得
2/05.101.0105s m a C =?=。
因此，当曲柄转角为45°时，滑块3的速度为0.37m/s ，加速度为1.05m/s 2。
4．槽轮机构计算
（1）槽数z 。按工位数要求选定为6。
（2）中心距a 。按结构情况确定mm a 300=。
（3）圆销半径r 。按结构情况确定mm r 30=。
（4）槽轮每次转位时主动件的转角?=-?=120)21(1802z
α。 （5）槽间角?=?=603602z
β。 （6）主动件圆销中心半径mm a R 150sin 1==β。
（7）1R 与a 的比值5.0sin 1===βλa
R 。 （8）槽轮外圆半径mm r a R 262)cos (222=+=β。
（9）槽轮槽深h
（10）运动系数),1(2
122为圆销数n n z z k ==-=。 5．扫屑凸轮机构计算
固定凸轮采用斜面形状，其上、下方向的长度应大于滑梁的行程s ，其左右方向的高度应能使扫屑刷活动范围扫除粉煤。具体按结构情况来设计，在此不再详细设计。