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用于环形变压器的绕线机设计(机架部分) 毕业

发布日期 :2020-06-29 17:06

  编号:本科毕业论文(设计) 用于环形变压器的绕线机设计(机架部分) 指导教师完成日期 宁波大学机械工程与力学学院 宁波大学机械工程与力学学院本科毕业论文(设计) 我谨在此承诺:本人所写的毕业论文《用于环形变压器的绕线机设计(机架部分)》均系本人独立完成,没有抄袭行为,凡涉及其他 作者的观点和材料,均作了注释,若有不实,后果由本人承担。 承诺人(签名): 用于环形变压器的绕线机设计(机架部分)II 摘要:为了改进绕线机的结构性能和降低生产成本,本文研究绕线机的工作原理及生产过程,将绕线机分为绕线部分和机架部分。笔者主要设计机架部分,其主 要作用是支撑绕线部分,夹紧固定和低速转动环形变压器的铁芯,以及保护内部 结构。结合原有的设计理念,将其划分为三个部分:驱动部分、传动部分及固定 部分,驱动部分主要是电机先经过皮带再通过蜗轮蜗杆减速器传递转速,传动部 分主要是由一系列的齿轮传动来实现,固定部分则通过相同转向及转速的两个主 动橡胶滚轮和一个从动滚轮来对环形铁芯进行夹紧并带动其转动。在设计结构和 传动方式的过程中,同时对结构的强度及转矩进行计算校核。选材方面为降低成 本主要使用45 钢、灰口铸铁和HT150 等材料。机身骨架则采用焊接。设计中主 要使用了CAD 工程制图软件。 关键词:绕线机;机架部分;结构设计;夹紧及传动 宁波大学机械工程与力学学院本科毕业论文(设计) III Design windingmachine toroidaltransformer (stander part) Abstract:In order structuralperformance windingmachine reduceproduction costs, studyworking principle productionprocess windingmachine, windingmachine windingportion standerpart. standerparts:the main role windingpart clampfixed low-speedrotating toroidal transformer core, internalstructure. Combined originaldesign concept, structurecan threeparts: drivepart, transmission part fixedpart.The drive part go through wormgear reducer, transmission parts madeup makeachieve work.Thefixed part madeup twosame steering speedactive rubber roller followerwheel clamping ring core designingstructure transmissionmode, check structuralstrength torquecalculation. costs,choose 45steel graycast iron othercheap materials. Weld CADengineering drawing software mainlyused designprocess. Key words:winding machine;stander pats;structural design;clamping drive用于环形变压器的绕线机设计(机架部分) IV 2.1方案一 2.1.1驱动部分 2.1.2传动部分 2.1.3固定部分 2.2方案二 2.2.1驱动部分 2.2.2传动部分 2.2.3固定部分 2.3方案对比及选择图 3.1基本参数的设计 3.2电机选择 3.3驱动部分设计 103.4 齿轮传动设计 113.5 夹紧部分设计 134.1 驱动部分的零件设计及校核 134.1.1 皮带传动设计 134.1.2 蜗杆减速器设计 144.1.3 轴的设计计算 184.1.4 减速器滚动轴承的选择及校核 224.1.5 键连接的选择及校核 254.1.6 减速器的密封与润滑 264.2 传动部分的零件设计及校核 284.2.1 大齿轮传动的设计计算 284.2.2 小齿轮传动的设计计算 314.2.3 344.3 固定部分的零件设计及校核 374.3.1 蜗杆传动的设计计算 384.3.2 蜗杆轴的设计 404.3.3 螺杆的设计及校核 414.3.4 大滚轮箱体设计 445.1 方案评价与成本估算 445.2 产品的创新和存在的问题 44参考文献 46致谢 47宁波大学机械工程与力学学院本科毕业论文(设计) 引言环形变压器属于电子变压器的一种类型,作为电源变压器和隔离变压器主 要用途是在空调、VCD、DVD、音响、微波炉、功率放大器、程控交换机、UPS 等各类家电以及各种机械电子、医疗化工、邮电通讯、轻纺、科教等用各种电 源仪器、仪表设备装置的领域中广泛应用。自加入WTO 以来,环形变压器市 场的发展基本处于平稳状态,没有很大的变化。因为环形变压器产品属于以用 户要求定制生产为主和劳动密集型的产品,因此生产量大,品种规格繁多,自 动化、规模化大的生产模式不适合这个行业。同时要认识到国内的环形变压器 技术与国外先进国家相比,还存在一定的差距。更轻、更高效、密度更高是环 形变压器技术发展的最终目标。随着国际市场竞争的日趋激烈,国内环形变压 器产业必须进一步加强对科技研发的力度 但是近年来随着家用电器以及电子设备的不断发展,对低压电子变压器的需求量越来越大,而环形变压器凭借其高频、低损耗、小尺寸、低价位的特点 将占有大量市场。 目前生产环形变压器的主要设备是环形绕线机,也称磁环绕线机,就是用来 生产绕制环型电感的绕线机 全自动微型磁环绕线机限于所学知识和成本的考虑,本文主要针对半自动式环形绕线机进行设计, 而生产的环形变压器主要用于电动叉车的充电器中。 电动叉车凭借其操作控制简便,灵活外,相较于内燃叉车,低噪音,无尾 气排放的优势也已得到越来越多用户的认可。另外,电子控制技术的快速发展 使得电动叉车适用范围越广,解决物流的方案越来越多。所以电动叉车的市场 需求肯定会增长速度会越来越快,电动叉车市场份额也会越来越大的。根据中 国工业协会工业车辆分会的数据分析显示,我国2010 年已经达到52,874 与2008年相比较增长了近38% 设计一台半自动绕线机的机架,主要有三部分的任务:1.支撑轮,也叫导轮,不同的机头支撑轮的个数也不一样 2.夹具滚轮, 此部件的寿命与所绕制产品的 用于环形变压器的绕线机设计(机架部分) 线径、大小以及材质有关。3.皮带、边滑器等等其它消耗性部件。机架部分主要指夹具滚轮和其他次要部件,目标是在不妨碍并配合机头的绕线部分工作的 前提下,将环形铁芯固定在夹具上,并匀速的转动铁芯,机头牵引铜线高速穿 过铁芯内圆从而达到在铁芯上绕制的目的。如果有对变压比的要求,那么就可 以简单的通过调整夹具滚轮的转动速度和正反装来实现铁芯上铜线匝数的变 本次设计的任务主要是解决怎么驱动夹具滚轮的转动,怎么传递转速,怎么夹紧铁芯,所以可以将机架的设计分为驱动部分,传动部分和夹紧部分。 初步构思,驱动部分可以用电机来提供动力然后通过 型皮带来传递至减速器,电机则根据滚轮最终要求的转速和功率来进行选择,皮带的长度则由减速 器和电机的中心距来决定,同时还要设计减速器的类型来改变转矩的方向和保 证速度的精度。 传动部分可以用主轴带动齿轮,然后多个齿轮相互啮合来实现转矩的传递, 轴承是由受到的力和轴径来选择的,齿轮的数量和大小则由中心距和传动比来 决定。另外应考虑到制作的可行性,应尽量使结构紧凑,零件简单。传动部分 还需保证较高的稳定性、准确性以及合理性。 夹紧部分则手动旋转转轮通过螺母的移动来实现夹紧。夹紧的方式可以用转 动臂来贴紧,也可以用螺杆螺母的移动来实现。主要的夹具为橡胶滚轮,滚轮 通过传动部分由内部齿轮来转动,紧靠铁芯外圆,当滚轮转动的时候就可以保 证铁芯以同线速度转动了,从而配合绕线部分。滚轮的数量夹紧的方式是由夹 具和材料的可靠性来决定的。滚轮的高度是由绕线部分机头的高度来决定。另 外,在设计夹紧方式时应考虑到绕线机的铁芯是由人工来安装和卸载,方便工 人操作,节省时间。 以上三个部分设计基本能够满足绕线机机架生产工作的要求。此外除了对于 绕线机外廓机身主要还是依照成本和操作方便的要求来设计。 宁波大学机械工程与力学学院本科毕业论文(设计) 总体方案设计2.1 方案一 2.1.1 驱动部分 图1.1 驱动部分 如上图,驱动部分分为5 为电机来输出转矩和功率,电机输出轴键连接2 小皮带轮,2 通过3 皮带传动于4 大皮带轮进行一级减速,大皮带轮通 过键连接与5 涡轮蜗杆减速器蜗杆轴相连,进行传动比较大的二级减速,并且 改变其转矩方向,这里的蜗轮轴与传动部分相连,是驱动部分的最终输出端, 是传动部分的输入端。皮带选择v 带,主要作用为传动,传动比接近于1,电 机和减速器可以用螺栓被固定在在绕线机工作台底部,根据输出功率和转速的 要求的要求选择合适的电机,采用蜗轮蜗杆减速传动比大,冲击载荷小,传动 平稳,噪声低,并具有自锁性 采用此种设计结构,使得制造简单,电机和蜗轮蜗杆减速器及皮带都可以外购,并且传动比大,冲击载荷小,传动平稳,满足了工作的要求。缺点是: 效率低,功率过大时磨损严重,并且当载荷过大时,皮带可能会打滑,可靠性 2.1.2传动部分 图1.2 传动部分 如图所示:传动部分由多个齿轮组成,1 齿轮轴连接驱动部分,齿轮1 得转矩和功率,然后通过2、9齿轮传动给10、3 齿轮,10、3 齿轮的直径和1 轮相同,所以2、9齿轮只起到传动作用。接着10、3 齿轮轴传递转矩给4、11 齿轮,再通过3 个小齿轮的传动使16、8 夹具滚轮转动。大齿轮可以被安装在 工作台底部扁平箱体中,箱体用螺栓与工作台相连。11、4 轴由于两个滚轮的 重力受到较大的弯矩,因此设计有圆柱形箱体,来支撑固定装载小齿轮的上臂 箱体,圆柱箱体内安装轴承来承受加大的弯矩。小齿轮和大齿轮的直径和中心 距均由装载工件所需大小而确定,小齿轮直径为40~60mm,大齿轮直径为 100~150mm,橡胶滚轮直径为100~150mm,工作台尺寸大约为600mm。 传动部分的关键是工作时必须保证两滚轮在低速的情况下一致且稳定,采用 齿轮传动,传动稳定且精确,效率高,并且结构紧凑。缺点是零件多,制作复 杂,安装繁琐 2.1.3固定部分 固定部分主要的工作是利用三个滚轮夹紧工件,当左右滚轮低速转动的时 候就可以利用摩擦带动铁芯从而配合绕线机头完成工作。如图所示,1 为螺母 螺杆机构,螺母与大滚轮台面相连,此滚轮为从动轮,不自转,随着螺杆的手 动旋转,滚轮会随着台面前后移动,从而调整对4 工件的夹紧,且具有自锁性。 至于滚轮的大小,主要是对接触面积的考虑。另一方面,手动操作2 蜗杆蜗轮 宁波大学机械工程与力学学院本科毕业论文(设计) 结构,旋转蜗杆,因为蜗轮与安放小齿轮的短臂相连,因此短臂末端的滚轮以蜗轮圆心旋转,从而调整对工件的夹紧,且具有自锁性。2 蜗轮蜗杆结构中心 穿过传动部分的轴,因此滚轮的自转并不会影响。装载和卸载相同工件,都只 需依靠大滚轮的前后的移动来完成,ag8只为非同凡响左右两滚轮的位置不需要改变,节省时间。 三个滚轮按照上图安装,不仅能够达到夹紧并转动工件的要求,而且不会影响 绕线部分的工作,初定两个小滚轮直径为100mm,大滚轮直径为150mm,可装 载的工件外径范围:130mm~650mm。 图1.3 固定部分 图1.4 固定部分 此设计应用了蜗轮蜗杆传动和螺杆螺母传动,优点有:结构简单,转动平 稳,可靠性高,装卸简易,螺杆螺母成本低廉,加工容易。缺点有:蜗轮蜗杆 无法外购,加工难度大,安装复杂 2.2方案二 2.2.1 驱动部分 图2.1 驱动部分 如上图,驱动部分分为5 为电动机来输出转矩和功率,电机输出轴用联轴器与二级蜗轮蜗杆减速器的蜗杆2 相连,蜗杆与蜗轮3 进行一级减速,传 动比为,蜗轮3 的轴连接蜗杆4,蜗杆4 最后与蜗轮5 进行二级减速,蜗轮5 的轴输出转矩和功率。第一次减速的传动比选择为4,第二次减速的传动比选 择为10。总传动比为40。电机和减速器可以用螺栓被固定在在绕线机工作台底 部,根据输出功率和转速的要求的要求选择合适的电机,采用蜗轮蜗杆减速传 动比大,冲击载荷小,传动平稳,噪声低,并具有自锁性 采用此种设计结构,相比于皮带轮传动,精度更高,效率也更高电机和蜗轮蜗杆减速器都可以外购,并且传动比大,冲击载荷小,传动平稳,满足了工 作的要求。缺点是:功率过大时磨损严重,价格昂贵。 2.2.2 传动部分 宁波大学机械工程与力学学院本科毕业论文(设计) 图2.2传动部分 如图所示:传动部分选择大滚轮自转,小滚轮来从动。设计较为简单,齿 轴是驱动部分的输出轴。经过一级减速,传动比为2。轴3最后连接大滚 传动部分的关键是工作时必须保证滚轮在低速的情况下稳定,采用齿轮传动,传动稳定且精确,效率高,并且结构紧凑。缺点是无法移动大滚轮的位置。 2.2.3 固定部分 图2.3 固定部分 如上图所示:固定部分主要的工作是利用三个滚轮夹紧工件,当大滚轮低 速转动的时候就可以利用橡胶外皮的摩擦带动铁芯从而配合绕线机头完成绕 为小滚轮,左右各设一个,此滚轮为从动轮,不自转,2为装载螺母螺杆 机构的箱体,3 为螺母螺杆机构,随着螺杆的手动选择可以是小滚轮前后移动, 从而配合大滚轮对工件的夹紧。4 为大滚轮,自转,不移动。三个滚轮按照上 图安装,不仅能够达到夹紧并转动工件的要求,而且不会影响绕线部分的工作, 初定两个小滚轮直径为100mm,大滚轮直径为150mm,可装载的工件外径范围: 130mm~650mm。 此设计应用了螺杆螺母传动,优点有:结构简单,转动平稳,装卸简易, 螺杆螺母成本低廉,加工容易。缺点有:大滚轮不移动,夹紧效果不理想。 2.3 方案对比及选择图 用于环形变压器的绕线机设计(机架部分) 表2.1方案一和方案二 部分名称 采用结构 实现情况 加工工艺及成本 方案一 驱动部分 蜗轮蜗杆,皮带传动 结构简单, 传动平稳 效率低 加工易,成本高 传动部分 齿轮传动 结构简单, 传动平稳, 效率高 加工易,成本低 固定部分 蜗轮蜗杆,螺杆螺母 夹紧可靠, 范围大 加工难,成本高 方案二 驱动部分 蜗轮传动 结构复杂, 传动平稳, 效率低 加工难,成本高 传动部分 齿轮传动 结构简单, 传动平稳, 效率高 加工易,成本低 固定部分 螺杆螺母 夹紧范围 小,不可靠 加工易,成本高 夹紧的可靠性对于绕线质量至关重要,尽管方案二更加简单,但是只有一个 大滚轮来带动工件的旋转,可靠性没有方案一高,所以综合考虑各个部件的实 现情况及加工难度和成本,最终选择采用方案一。 宁波大学机械工程与力学学院本科毕业论文(设计) 各传动部分设计3.1 基本参数的设计 根据已投入生产的落地式环形绕线机确定机身基本尺寸为:长910mm,宽 715mm,高720mm,安装尺寸:小滚轮直径 100mm,最小中心距为 200mm, 旋转角度90,大滚轮行程110mm,最大可装载外径650mm,最小可装载外径 130mm。 3.2 电机选择 1)功率: 按照绕制最大外径650mm的工件来计算,平均完成单个工件的速度控制在 分钟~3分钟,那么工件旋转的角速度w 范围在2/s~3/s,那么假设w =0.975m/s,假设夹紧工件的力为100N,那么齿轮传动最终输出的功率 =0.97,轴承摩擦损失η 1.2=230W。2)转速 按照工件最大的线m/s,小滚轮的直径初定为100mm,那么小滚轮的角速度为w2=19.5/s,小齿轮的直径d1 为50mm,大齿轮的直径d2 110mm,d3为140mm,d3 只起到传动作用。蜗轮蜗杆减速器传动比i 初设为 80,皮带轮传动比忽略,传动过程中角速度未变, ,电动机的要求的最低转速为260r/min。表3.1 方案 电动机型号 满载转速r/min 额定功率kw YS71141400 0.25 YS71241400 0.37 YS63222800 0.25 根据以上选用的电动机类型,所需的额定功率及最大转速,选用 YS7114 三相异步电动机,主要性能如下表: 用于环形变压器的绕线 型号 额定功率kw 最大转矩/额定转矩N.m 满载转速r/min YS7114 0.25 2.4 1400 (因为大部分的齿轮直径都较小忽略转动惯量,工件和转动臂自重而对轴 形成的弯矩则大部分由绕线机机身承担,连接轴所受的力大部分仅自重)。 电机符合要求,有一定的欲量且具有优良的起动和运行性能,结构简单,且使用、维修方便 该电动机的的主要外型和安装尺寸如下表:表3.3 中心高H 外形尺寸 安装尺寸 螺栓孔直 轴伸尺寸装键部位 尺寸 80 255x145x180 112x90 143.3 驱动部分设计 图3.1 驱动部分设计 如上图所示:1 电动机键连接2 皮带轮,2 皮带轮和4 皮带轮由3 皮带相连, 为蜗轮蜗杆减速器。考虑到设计的各构件间的相互位置,可初步确定各组件的的尺寸:1.电动 宁波大学机械工程与力学学院本科毕业论文(设计) 11 机采用YS7114 三相异步电动机,机身直径145mm,输出轴长30mm,直径为 14mm,小皮带轮直径40mm,宽度初定为25mm,连接用A 键5x28。2.减速器 长宽高各为150mm、120mm和70mm,蜗轮直径96mm,螺杆长150mm,螺纹 长度为50mm,直径为18mm,齿数为1,传动比初定为80,大皮带轮直径56mm, 宽度初定25mm,连接用A 键5x20。3.皮带轮中心距156mm,带长450mm, 传动比初定为1.5,皮带采用V 型号。3.4 齿轮传动设计 图3.2 传动部分 传动部分结构简图如上所示: 为安装在绕线机工作台下层的齿轮,为达到左右滚轮转速相等,方向一致的目的,6 为连接5、7 的轴,将转速向上传递,再通过7 和其他小齿轮,最后 通过9 将滚轮带动。8 为固定小齿轮的轴。 结合实际情况,参考现有设计,确定部分零件尺寸如下:1.轴1 直径17mm, 直径18mm,轴肩直径24mm,长 60mm,共 直径18mm,轴肩直径24mm,长268mm,共2 个,齿轮3直径140mm,共2 个,齿轮5 和齿轮9 中心距 500mm。齿轮7 直径50mm,共8 3.5夹紧部分设计 用于环形变压器的绕线 固定部分结构简图如下所示:1 为工件,左右小滚轮和前侧大滚轮一起夹 紧工件,3 为托盘配合滚轮支撑工件,5 为蜗轮,6 为蜗杆,转动臂4 连接滚轮 和蜗轮与转动臂用长螺钉相连,转动臂内可以装载传动部分的小齿轮。蜗轮7 为大滚轮,8 为螺母。这样通过螺杆的转动可以使小滚轮和大滚轮对工件的夹 紧和卸载了。 图3.3 夹紧部分设计 结合实际工作条件,根据生产要求,确定部分零件尺寸如下:1.滚轮 径100mm,高84mm;滚轮7直径150mm,高120mm;小滚轮托盘直径130mm, 大滚轮托盘直径220mm;蜗轮直径64mm,螺杆直径16mm,螺杆长130mm, 传动比为10;大滚轮驱动螺母螺纹直径15mm,螺杆导程为110mm,因此取螺 杆螺纹长度为140mm,总长250mm;大滚轮直径27mm,长250mm;2.当转动 臂垂直于大滚轮箱体时,两滚轮中心距为 180mm;装载蜗轮 的箱体直径110mm,高 170mm;箱体 长、宽、高分别为190mm,110mm,200mm;蜗 枚6mm螺钉相连。宁波大学机械工程与力学学院本科毕业论文(设计) 13 零件设计及校核4.1 驱动部分的零件设计及校核 4.1.1 皮带传动设计 1.确定功率P ca YS7114 电机功率 P=250W,转速 =1400r/min,传动比i=1.4,每天工作 小时,由《机械设计》(下面统一简称为《机》)表8-7查得工作情况系数K 2.选择皮带的带型根据P ca 由《机》图8-10选用Y 3.确定带轮的基准直径dd1 并验算带速v 1)初选小带轮的基准直径d d1 。由《机》表8-6 和表8-8,取小带轮的基准直径 d1=40mm。 2)验算带速v。按《机》式(8-13)验算带的速度 3)计算大带轮的基准直径。根据《机》式(8-15a),计算大带轮的基准直径dd2 根据表8-8,不必圆整。4.确定基准长度L 带的中心距a1)根据《机》式(8-20)。初定中心距a =150mm。2)由《机》式(8-22)计算带所需的基准长度 由《机》表8-2选带的基准长度L =450mm。3)按《机》式(8-23)计算实际中心距a。 min=a-0.015L =143.82mm,amax =a+0.03L =164.07中心距的变化范围为143.82~164.07mm。 5.验算小带轮上的包角α 用于环形变压器的绕线

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