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湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
題 目： 橋式起重機(jī)設(shè)計(jì)
專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué) 號(hào)： 2007964231
姓 名： 羅廣
指導(dǎo)教師： 周里群（教授）
完成日期： 2011年6月3日
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書(shū)
論文（設(shè)計(jì)）題目： 抓斗橋式起重機(jī)設(shè)計(jì)
學(xué)號(hào)：2007964231 姓名：羅廣 專(zhuān)業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
指導(dǎo)教師： 周里群（教授）
一、主要內(nèi)容及基本要求
（1）設(shè)計(jì)一臺(tái)QZ型5t-20m-12m,A6級(jí)抓斗橋式起重機(jī)(駕操)
抓斗橋式起重機(jī)作業(yè)環(huán)境為室內(nèi)作業(yè)，電源為三相異步交流電，電壓為380V，頻率為50HZ。電壓波動(dòng)允許上限為+10%，下限(尖峰電流時(shí))為額定電壓的-10%。起重機(jī)內(nèi)部電壓損失為3%。環(huán)境溫度：-10℃+40℃，在24小時(shí)內(nèi)平均溫度不超過(guò)+35℃。
（2）、起重機(jī)基本參數(shù)
1、起重量：5t
2、跨度：20m
3、起升高度:12m
4、工作級(jí)別：A6
5、操縱方式：駕操
6、電源：380/50Hz
7、大車(chē)導(dǎo)電方式：安全滑觸線
8、起升、開(kāi)閉電機(jī)55kw,小車(chē)行走電機(jī)3.7Kw，大車(chē)行走電機(jī)11Kw兩臺(tái)
9、起升機(jī)構(gòu)配置超載限制器
10、電氣柜安裝在主傳動(dòng)側(cè)走臺(tái)上，加固走臺(tái)。小車(chē)電纜采用工字鋼和滑車(chē)拖纜傳導(dǎo)方式
11、大車(chē)緩沖器采用聚氨酯緩沖器，小車(chē)緩沖器須裝于主梁的上部
12、抓斗容積為3m3，型號(hào)為U50，保質(zhì)期半年
（3）、材料要求
1、主要板材質(zhì)：主梁、端梁用Q235-B鋼，其余用Q235-A。車(chē)輪采用ZG340-640,
踩面硬度≥HB330-380
2、結(jié)構(gòu)件涂?jī)蓪臃冷P漆、兩層面漆，涂裝要求按JB/T640.2-92標(biāo)準(zhǔn)
二、重點(diǎn)研究的問(wèn)題
起升機(jī)構(gòu)和小車(chē)設(shè)計(jì)
三、進(jìn)度安排
序號(hào)
各階段完成的內(nèi)容
完成時(shí)間
1
查閱資料、調(diào)研
第1,2周
2
小車(chē)起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算
第3-5周
3
小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算
第6-8周
4
大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算
第9-14周
5
寫(xiě)出說(shuō)明書(shū)
第15周
6
答辯
2010年6月
四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)
[1] 陳道南.起重運(yùn)輸機(jī)械[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2003
[2] 陳道南,盛漢中.起重機(jī)課程設(shè)計(jì)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2003
[3] 張質(zhì)文等.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1997
[3] 陳瑋璋.起重機(jī)機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)[M].北京:人民交通出版社,1985
[4] 徐學(xué)林.互換性與測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)[M].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)出版社,2009
[5] 許毓潮.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工藝簡(jiǎn)明手冊(cè)[M].北京:水利電力出版社,1983
[6] 黎明發(fā),張開(kāi)銀,黃莉.材料力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2007
[7] 王鷹.連續(xù)輸送機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1978
[8] 濮良貴,紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].第六版.北京:高等教育出版社,2003
[9] 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第四卷.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1994
[10] 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第一卷.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1994
[11] 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第五卷.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1994
[13] 任文光,張興輝.運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)選用手冊(cè)（上）[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1982
[14] 任文光,張興輝.運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)選用手冊(cè)（下）[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版,1982
[18] 孫玉丹.起重運(yùn)輸機(jī)械產(chǎn)品樣本.起重機(jī)械卷[M].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1965
第一章 前言
起重機(jī)械用來(lái)對(duì)物料作起重、運(yùn)輸、裝卸和安裝等作業(yè)的機(jī)械設(shè)備，它可以完成靠人力無(wú)法完成的物料搬運(yùn)工作，減輕人們的體力勞動(dòng)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，在工廠、礦山、車(chē)站、港口、建筑工地、倉(cāng)庫(kù)、水電站等多個(gè)領(lǐng)域部門(mén)中得到了廣泛的使用，隨著生產(chǎn)規(guī)模的日益擴(kuò)大，特別是現(xiàn)代化、專(zhuān)業(yè)化的要求，各種專(zhuān)門(mén)用途的起重機(jī)相繼產(chǎn)生，在許多重要的部門(mén)中，它不僅是生產(chǎn)過(guò)程中的輔助機(jī)械，而且已成為生產(chǎn)流水作業(yè)線上不可缺少的重要機(jī)械設(shè)備，它的發(fā)展對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)起著積極的促進(jìn)作用。起重機(jī)械是起升，搬運(yùn)物料及產(chǎn)品的機(jī)械工具。起重機(jī)械對(duì)于提高工程機(jī)械各生產(chǎn)部門(mén)的機(jī)械化，縮短生產(chǎn)周期和降低生產(chǎn)成本，起著非常重要的作用
在高層建筑、冶金、華工及電站等的建設(shè)施工中，需要吊裝和搬運(yùn)的工程量日益增多，其中不少組合件的吊裝和搬運(yùn)重量達(dá)幾百?lài)?。因此必須選用一些大型起重機(jī)進(jìn)行吊裝工作。通常采用的大型起重機(jī)有龍門(mén)起重機(jī)、門(mén)座式起重機(jī)、塔式起重機(jī)、履帶起重機(jī)、輪式起重機(jī)以及在廠房?jī)?nèi)裝置的橋式起重機(jī)等。
在道路，橋梁和水利電力等建設(shè)施工中，起重機(jī)的使用范圍更是極為廣泛。無(wú)論是裝卸設(shè)備器材，吊裝廠房構(gòu)件，安裝電站設(shè)備，吊運(yùn)澆注混凝土、模板，開(kāi)挖廢渣及其他建筑材料等，均須使用起重機(jī)械。尤其是水電工程施工，不但工程規(guī)模浩大，而且地理?xiàng)l件特殊，施工季節(jié)性強(qiáng)、工程本身又很復(fù)雜，需要吊裝搬運(yùn)的設(shè)備、建筑材料量大品種多，所需要的起重機(jī)數(shù)量和種類(lèi)就更多。在電站廠房及水工建筑物上也安裝各種類(lèi)型的起重機(jī)，供檢修機(jī)組、起閉雜們及起吊攔污柵之用。
在這些起重機(jī)中，橋式起重機(jī)是生產(chǎn)批量最大，材料消耗最多的一種。由于這種起重機(jī)行駛在高空，作業(yè)范圍能掃過(guò)整個(gè)廠房的建筑面積，因而受到用戶(hù)的歡迎，得到很大的發(fā)展。
起重機(jī)械用來(lái)對(duì)物料作起重、運(yùn)輸、裝卸和安裝等作業(yè)的機(jī)械設(shè)備，它可以完成靠人力無(wú)法完成的物料搬運(yùn)工作，減輕人們的體力勞動(dòng)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，在工廠、礦山、車(chē)站、港口、建筑工地、倉(cāng)庫(kù)、水電站等多個(gè)領(lǐng)域部門(mén)中得到了廣泛的使用，隨著生產(chǎn)規(guī)模的日益擴(kuò)大，特別是現(xiàn)代化、專(zhuān)業(yè)化的要求，各種專(zhuān)門(mén)用途的起重機(jī)相繼產(chǎn)生，在許多重要的部門(mén)中，它不僅是生產(chǎn)過(guò)程中的輔助機(jī)械，而且已成為生產(chǎn)流水作業(yè)線上不可缺少的重要機(jī)械設(shè)備，它的發(fā)展對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)起著積極的促進(jìn)作用。起重機(jī)械是起升，搬運(yùn)物料及產(chǎn)品的機(jī)械工具。
目前，在工程起重機(jī)械領(lǐng)域，歐洲、美國(guó)和日本處于領(lǐng)先地位。歐洲作為工程起重機(jī)的發(fā)源地，輪式起重機(jī)生產(chǎn)技術(shù)水平最高。該地區(qū)的工程起重機(jī)械業(yè)主要生產(chǎn)全地面起重機(jī)、履帶式起重機(jī)和緊湊型輪胎起重機(jī)，也生產(chǎn)少量汽車(chē)起重機(jī)。其中，全路面起重機(jī)、履帶起重機(jī)以中大噸位為主；緊湊型輪胎起重機(jī)則以小噸位為主；汽車(chē)起重機(jī)一般為通用底盤(pán)組裝全地面上車(chē)，即以改裝為主。其產(chǎn)品技術(shù)先進(jìn)、性能高、可靠性高，產(chǎn)品銷(xiāo)往全球。
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)步伐的加快，生產(chǎn)和生活各個(gè)領(lǐng)域的建設(shè)規(guī)模的逐年擴(kuò)大，也促進(jìn)了施工機(jī)械化程度的迅速提高。先進(jìn)的施工機(jī)械已成為加快施工速度，保證工程質(zhì)量和降低成本的物質(zhì)保證。起重機(jī)行業(yè)也因此得到了很大的發(fā)展。為促進(jìn)社會(huì)主義建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，充分發(fā)揮其中運(yùn)輸機(jī)械的作用是具有重要意義的。
箱形雙梁橋式起重機(jī)是由一個(gè)有兩根箱形主梁和兩根橫向端梁構(gòu)成的雙梁橋架,在橋架上運(yùn)行起重小車(chē),可起吊和水平搬運(yùn)各類(lèi)物體,它適用于機(jī)械加工和裝配車(chē)間料場(chǎng)等場(chǎng)合。橋架的結(jié)構(gòu)主要有箱形結(jié)構(gòu)，空腹桁架式結(jié)構(gòu)，偏軌空腹箱形結(jié)構(gòu)及箱形單主梁結(jié)構(gòu)等，5-80噸中小起重量系列起重機(jī)一般采用箱形結(jié)構(gòu)，且為保證起重機(jī)穩(wěn)定，我選擇箱形雙梁結(jié)構(gòu)作為橋架結(jié)構(gòu)。為了操縱和維護(hù)的需要，在傳動(dòng)側(cè)走臺(tái)的下面裝有司機(jī)室。司機(jī)室有敞開(kāi)式和封閉式兩種，一般工作環(huán)境的室內(nèi)采用敞開(kāi)式的司機(jī)室，在露天或高溫等惡劣環(huán)境中使用封閉式的司機(jī)室。
由于本人水平有限，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足，加上工作原因，時(shí)間比較倉(cāng)促，設(shè)計(jì)中肯定有錯(cuò)誤和欠妥之處，懇請(qǐng)各位老師多多批評(píng)指正。
第二章 抓斗橋式起重機(jī)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)
2.1設(shè)計(jì)參數(shù)
主要參數(shù)為：起重量：Q=5t；起升高度：H=12m；起升速度：=10m/min；小車(chē)運(yùn)行速度： =40m/min；大車(chē)運(yùn)行速度：75m/min，跨度：L=20m；起重機(jī)估計(jì)總重量：G=240N；小車(chē)估計(jì)自重：40KN；電源：三相交流電源，380V，50Hz
機(jī)構(gòu)接電持續(xù)率：JC=25%；工作級(jí)別：A5。
2.2工作條件
抓斗橋式起重機(jī)作業(yè)環(huán)境為室內(nèi)作業(yè)，電源為三相異步交流電，電壓為380V，頻率為50HZ。電壓波動(dòng)允許上限為+10%，下限(尖峰電流時(shí))為額定電壓的-10%。起重機(jī)內(nèi)部電壓損失為3%。環(huán)境溫度：-10℃+40℃，在24小時(shí)內(nèi)平均溫度不超過(guò)+35℃。
2.3設(shè)計(jì)原則
為保證起重機(jī)安全正常工作，起重機(jī)本身應(yīng)具備三個(gè)基本條件：
（1）金屬結(jié)構(gòu)和機(jī)械零部件應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度和抗彎曲能力；
（2）整機(jī)具備必要的抗傾覆穩(wěn)定性；
（3）原動(dòng)機(jī)具備滿(mǎn)足作業(yè)性能要求的功率，制動(dòng)裝置提供必要的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。
第三章 小車(chē)起升機(jī)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1起升機(jī)構(gòu)計(jì)算
3.1.1確定機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方案
起升機(jī)構(gòu)可采用的有開(kāi)式傳動(dòng)和閉式傳動(dòng)。
（1）閉式傳動(dòng)在電動(dòng)機(jī)和卷筒之間，大多數(shù)情況采用傳動(dòng)效率高的圓柱齒輪減速器，而蝸輪減速器由于傳動(dòng)效率低，除特殊環(huán)境采用外，一般較少應(yīng)用。
（2）開(kāi)式傳動(dòng)在電動(dòng)機(jī)和減速器之間，除減速器外還有開(kāi)式齒輪傳動(dòng)，這種構(gòu)造類(lèi)型適用于起升速度較低的情況，如我國(guó)生產(chǎn)的大型橋式起重機(jī)（Q≥80 t）的起升機(jī)構(gòu)多采用這種型式，由于開(kāi)式齒輪傳動(dòng)適用于圓周速度較低的情況，因此都將其放在靠近卷筒的最后一級(jí)傳動(dòng)中，以保證正常工作。根據(jù)起升重量Q=5 t<80 t，選用傳動(dòng)效率高的閉式傳動(dòng)。
此設(shè)計(jì)采用常用的開(kāi)式傳動(dòng)，傳動(dòng)方案如下圖：
`
圖3-1 傳動(dòng)方案
1 減速器 2制動(dòng)器 3、7 聯(lián)軸器 4 浮動(dòng)軸 5電動(dòng)機(jī) 6卷筒
3.1.2確定吊鉤和滑輪組
吊鉤分單鉤和雙鉤，一般場(chǎng)合采用單鉤，當(dāng)起升重量較大時(shí)宜用雙鉤，根據(jù)5 t起升重量選擇單鉤。吊鉤材質(zhì)以低碳合金鋼或碳素結(jié)構(gòu)鋼為主。查表選用G13，自重99 kg?；喗M分為單聯(lián)滑輪組和雙聯(lián)滑輪組。單聯(lián)滑輪組工作時(shí)，重物在垂直位移的同時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生水
平位移，將對(duì)卷筒支承造成附加載荷，而雙聯(lián)滑輪組在工作時(shí)重物無(wú)水平位移，當(dāng)兩邊鋼絲繩拉力有差別時(shí)，可以自動(dòng)均衡負(fù)載。故根據(jù)起升重量要求，選用雙聯(lián)滑輪組。
3.1.3鋼絲繩的計(jì)算
鋼絲繩是由0.2~0.4 mm的優(yōu)質(zhì)碳素鋼光鋼絲捻制而成，具有強(qiáng)度高，耐磨性好，撓性好，無(wú)方向性，彈性大，能承受沖擊。根據(jù)靜載荷使用計(jì)算法選擇鋼絲繩。若滑輪組采用滾動(dòng)軸承，當(dāng)滑輪組倍率時(shí)，查表得滑輪組效率。
鋼絲繩所受最大拉力：
式中 ----為吊鉤組重量；
a----滑輪組型式系數(shù)。單滑輪組a=1；雙滑輪組a=2。
查表，中級(jí)工作類(lèi)型（工作級(jí)別為）時(shí)，安全系數(shù)n=5.5。
鋼絲繩計(jì)算破斷力:
查表選用瓦林吞型天然纖維芯鋼絲繩，鋼絲繩公稱(chēng)抗拉強(qiáng)度1670MPa，光面鋼絲，右交互捻，直徑d=11mm，鋼絲繩最小破斷力，標(biāo)記如下：
3.1.4確定滑輪主要尺寸
滑輪的需用最小直徑：
D=d（e-1）=11（25-1）mm=264mm
式中 e----輪繩直徑比。查表取得e=25。
查表選用滑輪直徑D=315mm，取平衡輪直徑，查表選用。查表選用鋼絲繩直徑d=11mm，D=315，滑輪軸直徑D1=80mm的型滑輪標(biāo)記為：
ZB J80 006.8-87
查表選平衡輪d=11mm，D=225mm，滑輪軸直徑D2=45的F型滑輪標(biāo)記為：
ZB J80 006.8-87
3.1.5確定卷筒尺寸并驗(yàn)算其強(qiáng)度
卷筒直徑：
查表選用D=300mm，卷筒繩槽t=13mm，槽底半徑r=7mm。
卷筒尺寸：
取
式中 ----附加安全系數(shù)，取=3；
----卷槽不切槽部分長(zhǎng)度，取其等于吊鉤組滑輪的間距，即，實(shí)際長(zhǎng)度在繩偏角允許的范圍內(nèi)可以適當(dāng)增減；
----卷筒計(jì)算直徑
卷筒壁厚：
取
卷筒壁壓應(yīng)力計(jì)算：
選用灰鑄鐵HT300，最小抗拉強(qiáng)度，需用壓應(yīng)力：
，抗壓強(qiáng)度足夠。
卷筒拉應(yīng)力驗(yàn)算：由于D，尚應(yīng)校核由彎矩產(chǎn)生的拉應(yīng)力，卷筒彎矩圖示如下：
圖3-2卷筒彎矩圖
卷筒的最大彎矩發(fā)生在鋼絲繩位于卷筒中間時(shí)：
卷筒斷面系數(shù)：
式中 D----卷筒外徑，D=300mm；
----卷筒內(nèi)徑，。
于是
合成應(yīng)力:
卷筒強(qiáng)度驗(yàn)算通過(guò)。故選卷筒直徑D=300mm，長(zhǎng)度L=1500mm，卷筒槽底半徑r=7mm，槽距t=13，起升高度H=12m，倍率；靠近減速器一端的卷筒槽向?yàn)樽蟮腁型卷筒標(biāo)記為：
卷筒 J80 007.2-87
3.1.6選擇電動(dòng)機(jī)
計(jì)算靜功率：
式中 ----機(jī)構(gòu)總效率，一般=0.80.9，取=0.85
電動(dòng)機(jī)計(jì)算功率：
式中 系數(shù)由表查得，對(duì)于級(jí)機(jī)構(gòu)， 取=0.8
查表選擇YZR160L-6型電動(dòng)機(jī)，在工作制下，JC=25%時(shí)，額定功率=13KW，轉(zhuǎn)速912rpmin，飛輪矩。
3.1.7驗(yàn)算電動(dòng)機(jī)發(fā)熱條件
按等功率法，求JC=25%時(shí)所需的等效功率：
，發(fā)熱條件滿(mǎn)足。
式中 ----工作級(jí)別系數(shù)，查得，對(duì)于級(jí)， =0.75；
----系數(shù)，根據(jù)機(jī)構(gòu)的啟動(dòng)時(shí)間與平均工作時(shí)間的比值查得。一般此比值為0.10.2之間，取為0.1時(shí)，=0.87；
3.1.8選擇減速器
卷筒轉(zhuǎn)速：
減速器總傳動(dòng)比：
查表選用Ⅲ，當(dāng)工作類(lèi)型為中級(jí)時(shí)，許用功率，，輸入軸直徑，軸長(zhǎng)。
3.1.8驗(yàn)算起升速度和實(shí)際所需功率
實(shí)際起升速度：
誤差：
實(shí)際所需功率：
3.1.9校核減速器輸出軸強(qiáng)度
有公式得輸出軸最大徑向力：
式中 ----卷筒上卷繞鋼絲繩引起的載荷；
----卷筒及軸的自重，查表得。
----ZQ500減速器輸出軸端最大允許徑向載荷，由表查得；
所以
由公式的輸出軸最大扭矩：
式中 ----電動(dòng)機(jī)軸額定轉(zhuǎn)矩；
----當(dāng)JC=25%時(shí)電動(dòng)機(jī)最大力矩倍數(shù)，查表得；
----電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)效率；
----減速器輸出軸最大允許轉(zhuǎn)矩，查表得。
所以
由以上計(jì)算，所選減速器能滿(mǎn)足要求。
3.1.10選擇制動(dòng)器
所需制動(dòng)力矩：
式中 ----制動(dòng)安全系數(shù)，查表取=1.75；
查表選用制動(dòng)器，其制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，制動(dòng)輪直徑，制動(dòng)器質(zhì)量。
3.1.11選擇聯(lián)軸器
高速軸聯(lián)軸器計(jì)算轉(zhuǎn)矩，有公式：
式中 ----電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩；
n=1.5----聯(lián)軸器安全系數(shù)；
----剛性動(dòng)載系數(shù)，一般。
由表查得YZ R-160L-6電動(dòng)機(jī)軸端為圓形，D=48mm，。由表查得ZQ-500減速器的高速軸軸端為圓錐形，d=50mm，。
靠電動(dòng)機(jī)軸端聯(lián)軸器，由表帶制動(dòng)輪的半齒輪聯(lián)軸器，其圖號(hào)為S286，最大容許轉(zhuǎn)矩值，飛輪力矩，質(zhì)量。
高速浮動(dòng)軸兩端為圓柱形，。
靠減速器端聯(lián)軸器，由表選用帶制動(dòng)輪的半齒輪聯(lián)軸器，其圖號(hào)為S123，最大容許轉(zhuǎn)矩，飛輪力矩
質(zhì)量。
3.1.12驗(yàn)算啟動(dòng)時(shí)間
啟動(dòng)時(shí)間：
式中
靜阻力矩：
平均啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩：
所以
通常起升機(jī)構(gòu)啟動(dòng)時(shí)間為，此處，可在電氣設(shè)計(jì)時(shí)，增加啟動(dòng)電阻，延長(zhǎng)啟動(dòng)時(shí)間，故所選電動(dòng)機(jī)合適。
3.1.13驗(yàn)算制動(dòng)時(shí)間
制動(dòng)時(shí)間：
式中 ；
----制動(dòng)器最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，。
所以
由表查得許用減速度，，，故
故合適。
3.1.14高速浮動(dòng)軸的計(jì)算
（1）疲勞計(jì)算
起升機(jī)構(gòu)疲勞計(jì)算基本載荷
式中 ----動(dòng)載系數(shù)，
----起升載荷動(dòng)載系數(shù)（物品起升或者下降制動(dòng)的動(dòng)載效應(yīng)）
由前已選定軸徑d=45mm，因此扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：
軸的材料用45號(hào)鋼，，。
彎曲：
扭轉(zhuǎn)：，。
軸受脈動(dòng)循環(huán)的許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：
式中 ----考慮零件幾何形狀和零件表面狀況的應(yīng)力集中系數(shù)；
----與零件幾何形狀有關(guān)，對(duì)于零件表面有急劇過(guò)渡和開(kāi)有鍵槽及緊配合區(qū)段，，此處??；
----與零件表面加工粗糙度有關(guān)，對(duì)于粗糙度為3.2的，；對(duì)于12.5的，，此處取。
故
----考慮材料對(duì)應(yīng)力循環(huán)不對(duì)稱(chēng)的敏感系數(shù)，對(duì)于碳鋼及低合金鋼；
----安全系數(shù)，
所以
故 通過(guò)。
（2）強(qiáng)度驗(yàn)算
軸受到的最大轉(zhuǎn)矩：
最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：
許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力:
式中 ----安全系數(shù)，查表取得=1.5；
故通過(guò)。
高浮動(dòng)軸的構(gòu)造如下圖所示，中間軸徑，取
圖3-3 高浮動(dòng)軸
3.2小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)計(jì)算
3.2.1確定傳動(dòng)方案
具有四個(gè)車(chē)輪的其中半數(shù)為主動(dòng)車(chē)輪的小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)，有閉式傳動(dòng)和帶有開(kāi)式齒輪的傳動(dòng)兩種。由于開(kāi)式齒輪易磨損，因此現(xiàn)代起重機(jī)已很少采用。閉式齒輪傳動(dòng)的方案中，齒輪易于維修保養(yǎng)，齒輪傳動(dòng)構(gòu)成獨(dú)立的減速器部件，機(jī)構(gòu)的裝拆分組性好。
3.2.2選擇車(chē)輪與軌道并驗(yàn)算其強(qiáng)度
車(chē)輪最大輪壓：小車(chē)質(zhì)量，假定輪壓均勻分布
車(chē)輪最小輪壓：
選車(chē)輪：查表知，當(dāng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)速度時(shí)，，工作級(jí)別為中級(jí)時(shí)，車(chē)輪直徑，軌道類(lèi)型為，許用輪壓為，故選，能滿(mǎn)足要求。
強(qiáng)度驗(yàn)算：按車(chē)輪與軌道為線接觸及點(diǎn)接觸兩種情況驗(yàn)算車(chē)輪接觸強(qiáng)度。車(chē)輪踏面疲勞計(jì)算載荷：
車(chē)輪材料：ZG340-640，。
線接觸局部擠壓強(qiáng)度：
式中 ----許用線接觸應(yīng)力常數(shù)（），查表取；
-----車(chē)輪與軌道有效接觸長(zhǎng)度，對(duì)于軌道，=24.2；
----轉(zhuǎn)速系數(shù)；車(chē)輪轉(zhuǎn)速;
----工作級(jí)別系數(shù)；小車(chē)工作級(jí)別為級(jí)，;
，故通過(guò)。
點(diǎn)接觸局部擠壓強(qiáng)度：
式中 ----許用點(diǎn)接觸應(yīng)力常數(shù)（）；查表取=0.132；
----曲率半徑；車(chē)輪與軌道曲率半徑的較大值，車(chē)輪，軌道曲率半徑，故??；
----由（r取中較小值）比值所確定的系數(shù)，,查表并用插值法算得m=0.428；
，故通過(guò)。
根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，選定直徑的單緣車(chē)輪，標(biāo)記為：
車(chē)輪
3.2.3運(yùn)行阻力計(jì)算
摩擦阻力距：
查表，因?yàn)檐?chē)輪組的軸承型號(hào)為7512，據(jù)此選車(chē)輪組軸承亦為7512。軸承內(nèi)徑與外徑平均值。由表查得，滾動(dòng)軸承摩擦系數(shù)R=0.0003，軸承摩擦系數(shù)，附加力阻力系數(shù)，代入上式得滿(mǎn)載時(shí)運(yùn)行阻力矩：
運(yùn)行摩擦阻力：
空載時(shí)：
3.2.4選擇電動(dòng)機(jī)
電動(dòng)機(jī)靜功率:
式中 ----滿(mǎn)載時(shí)靜阻力；
=0.9----機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率；
m=1----驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)目。
初選電動(dòng)機(jī)功率
式中 ----電動(dòng)機(jī)功率增大系數(shù)，由表查得；
由表選用，工作制下，時(shí)，，電動(dòng)機(jī)質(zhì)量。
3.2.5驗(yàn)算電動(dòng)機(jī)發(fā)熱條件
等效功率：
式中 ----工作級(jí)別系數(shù)。當(dāng)時(shí)，。
----取，則
，故所選電動(dòng)機(jī)滿(mǎn)足發(fā)熱條件。
3.2.6選擇減速器
車(chē)輪轉(zhuǎn)速：
機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比：
查表選用型減速器，，質(zhì)量，(當(dāng)轉(zhuǎn)速為時(shí))，。
3.2.7驗(yàn)算運(yùn)行速度和實(shí)際所需功率
實(shí)際運(yùn)行速度：
誤差：
，合適。
實(shí)際所需電動(dòng)機(jī)等效功率：
，合適。
3.2.8驗(yàn)算起動(dòng)時(shí)間
式中
滿(mǎn)載運(yùn)行是折算到電動(dòng)機(jī)軸上的運(yùn)行僅阻力矩：
空載運(yùn)行時(shí)：
初步估算制動(dòng)輪和聯(lián)軸器的飛輪矩：
機(jī)構(gòu)總飛輪矩：
滿(mǎn)載起動(dòng)時(shí)間：
空載起動(dòng)時(shí)間：
由表查得，當(dāng)，推薦，，故所選電動(dòng)機(jī)可以滿(mǎn)足快速起動(dòng)的要求。
3.2.9按起動(dòng)工況校核減速器功率
式中 ----計(jì)算載荷；
----運(yùn)行機(jī)構(gòu)同一級(jí)傳動(dòng)的減速器個(gè)數(shù)；=1。
所選減速器的，故合適。
3.2.10驗(yàn)算起動(dòng)不打滑條件
因室內(nèi)使用，故不計(jì)分阻及坡度阻力力矩，只驗(yàn)算空載及滿(mǎn)載起動(dòng)時(shí)兩種工況?？蛰d起動(dòng)時(shí)，主動(dòng)車(chē)輪與軌道接觸處得圓周切向力：
車(chē)輪與軌道的粘著力：
，故不會(huì)打滑。
滿(mǎn)載起動(dòng)時(shí)，主動(dòng)車(chē)輪與軌道接觸處得圓周切向力：
車(chē)輪與軌道的粘著力：
，故滿(mǎn)載起動(dòng)時(shí)也不會(huì)打滑，因此所選電動(dòng)機(jī)合適。
3.2.11選擇制動(dòng)器
對(duì)于小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的制動(dòng)時(shí)間必須，取，因此，所需制動(dòng)轉(zhuǎn)矩：
查表選用型制動(dòng)器，其制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，所取制動(dòng)時(shí)間與起動(dòng)時(shí)間很接近，故可以滿(mǎn)足制動(dòng)不打滑條件。
3.2.12選擇高速軸聯(lián)軸器及制動(dòng)輪
高速軸聯(lián)軸器計(jì)算轉(zhuǎn)矩：
式中 ----電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩；
----聯(lián)軸器安全系數(shù)，對(duì)運(yùn)行機(jī)構(gòu)取=1.35；
----機(jī)構(gòu)剛性動(dòng)載系數(shù)；，取=1.8。
由表查得電動(dòng)機(jī)兩端伸出軸為圓柱形，。減速器高速軸端為圓柱形。故查表選用鼓形齒式聯(lián)軸器，主動(dòng)端A型鍵槽；從動(dòng)端A型鍵槽。標(biāo)記為：
聯(lián)軸器 ，其公稱(chēng)轉(zhuǎn)矩，飛輪矩，質(zhì)量。
高速軸端制動(dòng)輪：根據(jù)制動(dòng)器已選為，已知其制動(dòng)輪直徑，圓柱形軸孔，標(biāo)記為：
制動(dòng)輪 ，其飛輪矩，質(zhì)量。
以上聯(lián)軸器與制動(dòng)輪飛輪矩紙=之和：
，與原估計(jì)值基本相符，故以上計(jì)算不需要修改。
3.2.13選擇低速軸聯(lián)軸器
低速軸聯(lián)軸器計(jì)算轉(zhuǎn)矩，可由前節(jié)的求出：
由表查得減速器低速軸端為圓柱形。取浮動(dòng)軸裝聯(lián)軸器軸徑。由表選兩個(gè)鼓型齒式聯(lián)軸器，其主動(dòng)端：Y型軸孔，A型鍵槽，。從動(dòng)端：Y型軸孔，A型鍵槽，。標(biāo)記為：
聯(lián)軸器
前節(jié)已選定的車(chē)輪直徑，由表取車(chē)輪安裝軸直徑，同樣選兩個(gè)鼓型齒式聯(lián)軸器。其主動(dòng)軸端：Y型軸孔，A型鍵槽，。從動(dòng)端：Y型軸孔，A型鍵槽，。標(biāo)記為：
聯(lián)軸器 。
3.2.14驗(yàn)算低速浮動(dòng)軸強(qiáng)度
（1）疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算：運(yùn)行機(jī)構(gòu)疲勞計(jì)算基本載荷：
由前節(jié)已選定浮動(dòng)軸端直徑d=60mm，其扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：
浮動(dòng)軸的載荷變化為對(duì)稱(chēng)循環(huán)，材料仍然選用45鋼，由其起升機(jī)構(gòu)高速浮動(dòng)軸計(jì)算，得，，許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為：
式中 ----與起升機(jī)構(gòu)浮動(dòng)軸計(jì)算相同。
，故疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算通過(guò)。
（2）強(qiáng)度驗(yàn)算
運(yùn)行機(jī)構(gòu)工作最大載荷：
式中 ----考慮彈性振動(dòng)的力矩增大系數(shù)。對(duì)突然起動(dòng)的機(jī)構(gòu)，=1.5-1.7，此處取=1.6；
----剛性動(dòng)載系數(shù)，取。
最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：
，故強(qiáng)度驗(yàn)算通過(guò)。
低速浮動(dòng)軸中間直徑，取。如下圖：
圖3-4 低速浮動(dòng)軸
第四章 大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)計(jì)算
4.1確定傳動(dòng)方案
跨度20m為中等跨度,為減輕重量,決定用以下傳動(dòng)方案
圖4-1 傳動(dòng)方案
4.2選擇車(chē)輪與軌道，并驗(yàn)算其強(qiáng)度
如圖
圖4-2 車(chē)輪
計(jì)算大車(chē)車(chē)輪的最大輪壓和最小輪壓
圖4-3大車(chē)輪壓
滿(mǎn)載時(shí),最大輪壓:
=
=
空載時(shí),最小輪壓:
=
=
=51KN
車(chē)輪踏面疲勞計(jì)算載荷：
=
=78.83KN
車(chē)輪的材料采用ZG340-640(調(diào)質(zhì)),700Mpa,380Mpa,選擇車(chē)輪直徑。
查表選軌道型號(hào)為QU70。
按軌道與車(chē)輪為點(diǎn)接觸和線接觸兩種情況來(lái)驗(yàn)算車(chē)輪的接觸強(qiáng)度
點(diǎn)接觸局部擠壓強(qiáng)度驗(yàn)算:
式中： k2——許用點(diǎn)接觸應(yīng)力常數(shù)(N/mm),由文獻(xiàn)《起重運(yùn)輸機(jī)械》表5-2查得, k2=0.181；
R ——曲率半徑,由車(chē)輪和軌道兩者曲率半徑中取最大值。QU70曲率半徑為R=400mm；
m——由軌頂和車(chē)輪的曲率半徑之比(r/R)所確定的系數(shù),查得m=0.46；
——轉(zhuǎn)速系數(shù),車(chē)輪轉(zhuǎn)速時(shí),；
——工作級(jí)別系數(shù),查得,當(dāng)M級(jí)時(shí)c2=1
故驗(yàn)算通過(guò)。
（2）線接觸局部擠壓強(qiáng)度驗(yàn)算:
式中：k1——許用線接觸應(yīng)力常數(shù)(N/mm2),由[1]表5-2查得,k1=6.6；
l ——車(chē)輪與軌道的有效接觸長(zhǎng)度, Qu70軌道的l=70mm;
Dc——車(chē)輪直徑(mm);
c1,c2——同前
故驗(yàn)算通過(guò)。
4.3運(yùn)行阻力計(jì)算
摩擦總阻力距:
由文獻(xiàn)《機(jī)械工程手冊(cè)》查得=500mm車(chē)輪的軸承型號(hào)為7520,軸承內(nèi)徑和外徑的平均值為140mm；
由表查得:滾動(dòng)摩擦系數(shù)k=0.0006m；軸承摩擦系數(shù)；附加阻力系數(shù)。代入上式得：
當(dāng)滿(mǎn)載時(shí)的運(yùn)行阻力距
=
運(yùn)行摩擦阻力:
當(dāng)空載時(shí)
4.3選擇電動(dòng)機(jī)
電動(dòng)機(jī)靜功率:
式中: ——滿(mǎn)載運(yùn)行時(shí)的靜阻力；
m=2——驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)臺(tái)數(shù)；
=0.95——機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率
初選電動(dòng)機(jī)功率:
式中：kd——電動(dòng)機(jī)功率增大系數(shù)；
選用電動(dòng)機(jī)YZR132M2-6，當(dāng)在工作制下，JC=25%時(shí)，額定功率為4.0KW，額定轉(zhuǎn)速=900r/min，轉(zhuǎn)子飛輪矩為0.26kg.，電動(dòng)機(jī)質(zhì)量108kg。
4.4驗(yàn)算電動(dòng)機(jī)發(fā)熱條件
等效功率:
式中： k25——工作級(jí)別系數(shù),級(jí)， JC%=25%時(shí),k25=0.75
——由[1]按起重機(jī)工作場(chǎng)所得 tq/tg=0.2-0.3,取，查得 =1.3
由此可知, ,故初選電動(dòng)機(jī)發(fā)熱通過(guò)。
4.5選擇減速器
車(chē)輪轉(zhuǎn)速:
=
機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比:
選用兩臺(tái)減速器ZQ-350-Ⅴ-1/2Z，； [N]=9.2kw（當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速為1000r/min時(shí)）
可見(jiàn)Nj<[N]
4.6驗(yàn)算運(yùn)行速度和實(shí)際所需功率
實(shí)際運(yùn)行速度:
誤差:
實(shí)際所需電動(dòng)機(jī)靜功率:
由于 ,故所選電動(dòng)機(jī)和減速器均合適。
4.7驗(yàn)算啟動(dòng)時(shí)間
啟動(dòng)時(shí)間
式中：n1=900 r/min
m=2 (驅(qū)動(dòng)電機(jī)臺(tái)數(shù))
——JC25%時(shí)電動(dòng)機(jī)額定扭矩
滿(mǎn)載運(yùn)行時(shí)的靜阻力距:
空載運(yùn)行時(shí)的靜阻力距:
初步估算高速軸上聯(lián)軸器的飛輪距:
機(jī)構(gòu)總飛輪矩(高速軸)：
滿(mǎn)載啟動(dòng)時(shí)間：
=5.66s
空載啟動(dòng)時(shí)間:
=4.36s
大車(chē)啟動(dòng)時(shí)間在允許范圍(5～10s)之內(nèi)，空載時(shí)間縮短，故合適。
4.8啟動(dòng)工況下校核減速器功率
啟動(dòng)工況下減速器傳遞功率：
式中：
=
=9365N
——運(yùn)行機(jī)構(gòu)中同一級(jí)傳動(dòng)減速器的個(gè)數(shù)，＝2
因此，
所選減速器的，[N]JC25％＝9.2KW>, 所以合適。
4.9驗(yàn)算起動(dòng)不打滑條件
由于起重機(jī)是在室內(nèi)使用，故坡度阻力及風(fēng)阻力均不予考慮。
以下按三種工況進(jìn)行驗(yàn)算
（1）二臺(tái)電動(dòng)機(jī)空載時(shí)同時(shí)起動(dòng)：
式中： N——主動(dòng)輪輪壓和；
N——從動(dòng)輪輪壓和；
f = 0.2——室內(nèi)工作的粘著系數(shù)；
= 1.05~1.2——防止打滑的安全系數(shù)；
=2.98s
，故兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)不會(huì)打滑
（2）事故狀態(tài)：
當(dāng)只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置工作，而無(wú)載小車(chē)位于工作著的驅(qū)動(dòng)裝置這一邊時(shí)，則
式中： N ——工作的主動(dòng)輪輪壓
= 171000N ——非主動(dòng)輪輪壓之和；
—— 一臺(tái)電動(dòng)機(jī)工作時(shí)的空載起動(dòng)時(shí)間：
=14.02s
=2.43s
, 故不打滑
（3）事故狀態(tài)：
當(dāng)只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置工作，而無(wú)載小車(chē)遠(yuǎn)離工作著的驅(qū)動(dòng)裝置這一邊時(shí)，則
；
=14.02s，與第2種工況相同
=1.8s
,故也不會(huì)打滑
4.10選擇制動(dòng)器
由表，取制動(dòng)時(shí)間 5s
按空載計(jì)算制動(dòng)力矩：
式中：
N
—— 坡度阻力，查表取=0.002；
m = 2 制動(dòng)器臺(tái)數(shù)，兩套驅(qū)動(dòng)裝置工作
=27.58N·m
選用兩臺(tái)YWZ3B-200/25制動(dòng)器；查附其額定制動(dòng)力矩為112～225 ，為避免打滑，使用時(shí)需將其制動(dòng)力矩調(diào)至以下。
考慮到所取的制動(dòng)時(shí)間 ，在驗(yàn)算起動(dòng)不打滑條件時(shí)已知是足夠安全的。
4.11選擇聯(lián)軸器
根據(jù)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方案，每套機(jī)構(gòu)的高速軸采用浮動(dòng)軸
大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)高速軸上的計(jì)算扭矩：
式中： ——聯(lián)軸器的等效力矩：
——安全系數(shù)；
——等效系數(shù)，由表?。?；
查電動(dòng)機(jī)樣本，電動(dòng)機(jī)YZR132M2-6，軸端為圓柱形，d1=38mm;；查得ZQ350-20.49-1/2Z減速器高速軸端為圓錐形d=40mm,l=60mm, 故在靠電動(dòng)機(jī)端選兩個(gè)帶的制動(dòng)輪半齒輪聯(lián)軸器圖號(hào)S196（靠電動(dòng)機(jī)端為圓柱形，浮動(dòng)軸端直徑d=40mm）；其；㎏·㎡；重量G=15㎏。故在靠減速器端高速軸上的半齒輪聯(lián)軸器圖號(hào)為S193（靠減速器端為圓錐形，浮動(dòng)軸端直徑d=40mm）；其公稱(chēng)轉(zhuǎn)矩；㎏·㎡；重量G=8.36㎏。
高速軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)零件的飛輪矩之和為：
+=0.36+0.107=0.467㎏·㎡，與原估計(jì)基本相符，故有關(guān)計(jì)算則不需要重復(fù)。
由表查得ZQ350減速器低速軸端為圓柱形，d=55mm，l=85mm；
查表得，主動(dòng)車(chē)輪的伸出軸為圓柱形，d=75mm，l=105mm。低速軸轉(zhuǎn)矩：
式中：——傳動(dòng)系數(shù)；
——減速器傳動(dòng)比；
故低速軸上的聯(lián)軸器型號(hào)為CL4，齒式聯(lián)軸器，其公稱(chēng)轉(zhuǎn)矩，
軸孔直徑75mm，軸孔長(zhǎng)度107mm。
圖4-4 低速軸
4.12低速浮動(dòng)軸多點(diǎn)驗(yàn)算
（1）疲勞強(qiáng)度的驗(yàn)算
式中 ----等效系數(shù)，查表得=1.4；
由上節(jié)已取浮動(dòng)軸端直徑d=60mm，故其扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為：
由于浮動(dòng)載荷變化問(wèn)對(duì)稱(chēng)循環(huán)。因?yàn)楦?dòng)軸在運(yùn)行過(guò)程中正反轉(zhuǎn)扭矩相同，所以許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為：
式中 材料用45鋼。取，所以
----考慮零件幾何形狀和零件表面狀況的應(yīng)力集中系數(shù)；
----與零件幾何形狀有關(guān)，對(duì)于零件表面有急劇過(guò)渡和開(kāi)有鍵槽及緊配合區(qū)段，，此處取；
----與零件表面加工粗糙度有關(guān)，對(duì)于粗糙度為3.2的，；對(duì)于12.5的，，此處取。
故
----安全系數(shù)，
，故疲勞強(qiáng)度通過(guò)。
（2）靜強(qiáng)度驗(yàn)算
計(jì)算靜強(qiáng)度扭矩：
式中 ----動(dòng)力系數(shù)；查表取=2.5；
扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：
許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力：
，故靜強(qiáng)度驗(yàn)算通過(guò)。
高速軸所受扭矩比低速軸小，強(qiáng)度肯定可以滿(mǎn)足。
致謝
首先十分感謝指導(dǎo)老師周里群老師，在周老師的悉心指導(dǎo)和幫助下，學(xué)生順利完成了本次設(shè)計(jì)，并從中學(xué)到了很多有益的東西，不僅是新穎的設(shè)計(jì)思路和現(xiàn)場(chǎng)的加工經(jīng)驗(yàn)，還學(xué)到了做人做事的態(tài)度、為人處事的方法和走上工作崗位后需注意的問(wèn)題，這將會(huì)令學(xué)生受益終生。最后，我要對(duì)在本次設(shè)計(jì)完成過(guò)程中，給予我熱心幫助的毛照明，易維，楊鵬程等同學(xué)表示衷心的感謝！
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英文技術(shù)資料及中文翻譯
中文翻譯
機(jī)械設(shè)計(jì)及最優(yōu)設(shè)計(jì)
機(jī)械設(shè)計(jì)是一門(mén)通過(guò)設(shè)計(jì)新產(chǎn)品或者改進(jìn)老產(chǎn)品，滿(mǎn)足人類(lèi)需求的應(yīng)用技術(shù)科學(xué)。它涉及工程技術(shù)各個(gè)領(lǐng)域，主要研究產(chǎn)品的尺寸、形狀和詳細(xì)結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)思，還要研究產(chǎn)品在制造、銷(xiāo)售和使用等方面的問(wèn)題。
進(jìn)行各種機(jī)械設(shè)計(jì)工作的人員通常被稱(chēng)為設(shè)計(jì)人員或者設(shè)計(jì)工程師。機(jī)械設(shè)計(jì)是一門(mén)創(chuàng)造性的工作。設(shè)計(jì)工程師不僅在工作上面有創(chuàng)新性，還必須在機(jī)械制圖、運(yùn)動(dòng)學(xué)、運(yùn)力學(xué)、工程材料、材料力學(xué)和機(jī)械制造工藝等方面有深厚的基礎(chǔ)知識(shí)。
如前面所述，機(jī)械設(shè)計(jì)的目的是生產(chǎn)滿(mǎn)足人類(lèi)的需求的產(chǎn)品。發(fā)明、發(fā)現(xiàn)和科學(xué)知識(shí)本身并不一定能給人類(lèi)帶來(lái)好處，只有當(dāng)它們被用在產(chǎn)品上才能產(chǎn)生效益。因而，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到在一個(gè)特定產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，必須先確定人們是否需要這種產(chǎn)品。
應(yīng)當(dāng)把機(jī)械設(shè)計(jì)看成是設(shè)計(jì)人員運(yùn)用創(chuàng)造性的才能進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、系統(tǒng)分析和制訂產(chǎn)品的制造工藝的一個(gè)良機(jī)。掌握工程基礎(chǔ)知識(shí)要比熟記一些數(shù)據(jù)和公式更為重要。僅僅使用數(shù)據(jù)和公式是不足在一個(gè)好的設(shè)計(jì)中做出所需的全部決定的。另一方面，應(yīng)該認(rèn)真精確地進(jìn)行所有的運(yùn)算。例如，即使將一個(gè)小數(shù)點(diǎn)的位置放錯(cuò)，也會(huì)是正確的設(shè)計(jì)變成錯(cuò)誤的。
一個(gè)好的設(shè)計(jì)人員應(yīng)該勇于提出新的想法，而且愿意承擔(dān)一定的風(fēng)險(xiǎn)；但新的方法不使用時(shí)，就恢復(fù)采用原來(lái)的方法。因此，設(shè)計(jì)人員必須要有耐心，因?yàn)樗ㄙM(fèi)的時(shí)間和努力并不能保證帶來(lái)成功。一個(gè)全新的設(shè)計(jì)，要摒棄許多許多陳舊的的，為人們所熟知的方法。由于許多人易于墨守陳規(guī)，這樣做并不是件容易的事情。一位設(shè)計(jì)過(guò)程師應(yīng)該不斷地探索改進(jìn)現(xiàn)有產(chǎn)品的方法，在此過(guò)程中應(yīng)該認(rèn)真選擇原有的、經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)原理，將其與未經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的新觀念結(jié)合起來(lái)。
新設(shè)計(jì)本身會(huì)有許多缺陷和未能預(yù)料的問(wèn)題發(fā)生，只有當(dāng)這些缺陷和問(wèn)題被解決之后，才能體現(xiàn)出新產(chǎn)品的優(yōu)越性。因此，一個(gè)性能優(yōu)越的產(chǎn)品誕生的同時(shí)，也伴隨著較高的風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，如果設(shè)計(jì)本身不要求采用全新的方法，就沒(méi)必要僅僅為了變革的目的而采用新的方法。
在設(shè)計(jì)的在設(shè)計(jì)的初始階段，應(yīng)該允許設(shè)計(jì)人員充分發(fā)揮創(chuàng)造性，不受各種約束。即使產(chǎn)生了許多不切實(shí)際的想法，也會(huì)在設(shè)計(jì)的早期，即繪制圖紙之前被改正掉。只有這樣，才不致于堵塞創(chuàng)新的思路。通常，要提出幾套設(shè)計(jì)方案，然后加以比較。很有可能在最后選定的方案中，采用了某些未被接受的方案中的一些想法。
心理學(xué)家經(jīng)常談?wù)撊绾问谷藗冞m應(yīng)他們所操作的機(jī)器。設(shè)計(jì)人員的基本職責(zé)是努力使機(jī)器來(lái)適應(yīng)人們。這并不是一項(xiàng)容易的工作，因?yàn)閷?shí)際上并不存在著一個(gè)對(duì)所有人來(lái)說(shuō)都是最優(yōu)的操作范圍和操作過(guò)程。
另一個(gè)重要問(wèn)題，設(shè)計(jì)工程師必須能夠同其他有關(guān)人員進(jìn)行交流和磋商。在開(kāi)始階段，設(shè)計(jì)人員必須就初步設(shè)計(jì)同管理人員進(jìn)行交流和磋商，并得到批準(zhǔn)。這一般是通過(guò)口頭討論，草圖和文字材料進(jìn)行的。為了進(jìn)行有效的交流 ，需要解決下列問(wèn)題：
（1） 所設(shè)計(jì)的這個(gè)產(chǎn)品是否真正為人們所需要？
（2） 此產(chǎn)品與其他公司的現(xiàn)有同類(lèi)產(chǎn)品相比有無(wú)競(jìng)爭(zhēng)能力？
（3） 生產(chǎn)這種產(chǎn)品是否經(jīng)濟(jì)？
（4） 產(chǎn)品的維修是否方便？
（5） 產(chǎn)品有無(wú)銷(xiāo)路？是否可以盈利？
只有時(shí)間能對(duì)上述問(wèn)題給出正確答案。但是， 產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和銷(xiāo)售只能在對(duì)上述問(wèn)題的初步肯定答案的基礎(chǔ)上進(jìn)行。設(shè)計(jì)工程師還應(yīng)該通過(guò)零件圖和裝配圖，與制造部門(mén)一起對(duì)最終設(shè)計(jì)方案進(jìn)行磋商。
通常 ，在制造過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)某個(gè)問(wèn)題。可能會(huì)要求對(duì)某個(gè)零件尺寸或公差作一些更改，使零件的生產(chǎn)變得容易。但是，工程上的更改必須要經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)人員批準(zhǔn)，以保證不會(huì)損傷產(chǎn)品的功能。有時(shí)，在產(chǎn)品的裝配時(shí)或者裝箱外運(yùn)前的試驗(yàn)中才發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的某種缺陷。這些事例恰好說(shuō)明了設(shè)計(jì)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程?？偸谴嬖谥玫姆椒▉?lái)完成設(shè)計(jì)工作，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該不斷努力，尋找這些更好的方法。
近些年來(lái)，工程材料的選擇已經(jīng)顯得重要。此外，選擇過(guò)程應(yīng)該是一個(gè)對(duì)材料的連續(xù)不斷的重新評(píng)價(jià)過(guò)程。新材料不斷出現(xiàn)，而一些原有的材料的能夠獲得的數(shù)量可能會(huì)減少。環(huán)境污染、材料的回收利用、工人的健康及安全等方面經(jīng)常會(huì)對(duì)材料選擇附加新的限制條件。為了減輕重量或者節(jié)約能源，可能會(huì)要求使用不同的材料。來(lái)自國(guó)內(nèi)和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)、對(duì)產(chǎn)品維修保養(yǎng)方便性要求的提高和顧客的反饋等方面的壓力，都會(huì)促使人們對(duì)材料進(jìn)行重新評(píng)價(jià)。由于材料選用不當(dāng)造成的產(chǎn)品責(zé)任訴訟，已經(jīng)產(chǎn)生了深刻的影響。此外，材料與材料加工之間的相互依賴(lài)關(guān)系已經(jīng)被人們認(rèn)識(shí)得更清楚。因此，為了能在合理的成本和確保質(zhì)量的前提下獲得滿(mǎn)意的結(jié)果，設(shè)計(jì)工程師的制造工程師都必須認(rèn)真仔細(xì)地選擇、確定和使用材料。
制造任何產(chǎn)品的第一步工作都是設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)通?？梢苑譃閹讉€(gè)明確的階段：（a）初步設(shè)計(jì)；（b）功能設(shè)計(jì)；（c）生產(chǎn)設(shè)計(jì)。在初步設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)者著重考慮產(chǎn)品應(yīng)該具有的功能。通常要設(shè)想和考慮幾個(gè)方案，然后決定這種思想是否可行；如果可行，則應(yīng)該對(duì)其中一個(gè)或幾個(gè)方案作進(jìn)一步的改進(jìn)。在此階段，關(guān)于材料選擇唯一要考慮的問(wèn)題是：是否有性能符合要求的材料可供選擇；如果沒(méi)有的話(huà)，是否有較大的把握在成本和時(shí)間都允許的限度內(nèi)研制出一種新材料。
在功能設(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì)階段，要做出一個(gè)切實(shí)可行的設(shè)計(jì)。在這個(gè)階段要繪制出相當(dāng)完整的圖紙，選擇并確定各種零件的材料。通常要制造出樣機(jī)或者實(shí)物模型，并對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)，評(píng)價(jià)產(chǎn)品的功能、可靠性、外觀和維修保養(yǎng)性等。雖然這種試驗(yàn)可能會(huì)表明，在產(chǎn)品進(jìn)入到生產(chǎn)階段之前，應(yīng)該更換某些材料，但是，絕對(duì)不能將這一點(diǎn)作為不認(rèn)真選擇材料的借口。應(yīng)該結(jié)合產(chǎn)品的功能，認(rèn)真仔細(xì)地考慮產(chǎn)品的外觀、成本和可靠性。一個(gè)很有成就的公司在制造所有的樣機(jī)時(shí)，所選用的材料應(yīng)該和其生產(chǎn)中使用的材料相同，并盡可能使用同樣的制造技術(shù)。這樣對(duì)公司是很有好處的。功能完備的樣機(jī)如果不能根據(jù)預(yù)期的銷(xiāo)售量經(jīng)濟(jì)地制造出來(lái)，或者是樣機(jī)與正式生產(chǎn)的裝置在質(zhì)量和可靠性方面有很大不同，則這種樣機(jī)就沒(méi)有多大的價(jià)值。設(shè)計(jì)工程師最好能在這一階段完全完成材料的分析、選擇和確定工作，而不是將其留到生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段去做。因?yàn)?，在生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段材料的更換是由其他人進(jìn)行的，這些人對(duì)產(chǎn)品的所有功能的了解不如設(shè)計(jì)工程師。
在生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段中，與材料有關(guān)的主要問(wèn)題是應(yīng)該把材料完全確定下來(lái)，使它們與現(xiàn)有的設(shè)備相適應(yīng)，能夠利用現(xiàn)有設(shè)備經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行加工，而且材料的數(shù)量能夠比較容易保證供應(yīng)。
在制造過(guò)程中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)對(duì)使用中的材料做一些更改的情況。經(jīng)驗(yàn)表明，可采用某些便宜材料作為替代品。然而，在大多數(shù)情況下，在進(jìn)行生產(chǎn)以后改換材料要比在開(kāi)始生產(chǎn)前改換材料所花費(fèi)的代價(jià)要高。在設(shè)計(jì)階段做好材料選擇工作，可以避免多數(shù)這樣的情況。在生產(chǎn)制造開(kāi)始后出現(xiàn)了可供使用的新材料是更換材料的最常見(jiàn)的原因。當(dāng)然，這些新材料可能降低成本、改進(jìn)產(chǎn)品的性能。但是，必須對(duì)新材料進(jìn)行認(rèn)真的評(píng)價(jià)，以確保其所有性能都滿(mǎn)足要求。應(yīng)當(dāng)記住，新材料的性能和可靠性很少像現(xiàn)有材料那樣為人們所了解。大部分的產(chǎn)品失效和產(chǎn)品責(zé)任事故案件是由于在選用新材料作為替代材料之前，沒(méi)有真正了解它們的長(zhǎng)期使用性能而引起的。
產(chǎn)品的責(zé)任訴訟迫使設(shè)計(jì)人員和公司在選擇材料時(shí)，采用最好的程序。在材料過(guò)程中，五個(gè)最常見(jiàn)的問(wèn)題為：（a）不了解或者不會(huì)使用關(guān)于材料應(yīng)用方面的最新最好的信息資料；(b)未能預(yù)見(jiàn)和考慮擦黑年品可能的合理用途（如有可能，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)進(jìn)一步預(yù)測(cè)和考慮由于產(chǎn)品使用方法不當(dāng)造成的后果。在近年來(lái)的許多產(chǎn)品責(zé)任訴訟案件中，由于錯(cuò)誤地使用產(chǎn)品而受到傷害的原告控告生產(chǎn)廠家，并且贏得判決）；(c)所使用的材料的數(shù)據(jù)不全或是有些數(shù)據(jù)不確定，尤其是當(dāng)其長(zhǎng)期性能數(shù)據(jù)是如此的時(shí)候；(d)質(zhì)量控制方法不適當(dāng)和未經(jīng)驗(yàn)證；(e)由一些完全不稱(chēng)職的人員選擇材料。
通過(guò)對(duì)上述五個(gè)問(wèn)題的分析，可以得出這些問(wèn)題是沒(méi)有充分理由存在的結(jié)論。對(duì)這些問(wèn)題的研究分析可以為避免這些問(wèn)題的出現(xiàn)指明方向。盡管采用最好的材料選擇方法也不能避免發(fā)生產(chǎn)品責(zé)任訴訟，設(shè)計(jì)人員和工業(yè)界按照適當(dāng)?shù)某绦蜻M(jìn)行材料選擇，可以大大減少訴訟的數(shù)量。
從以上的討論可以看出，選擇材料的人們應(yīng)該對(duì)材料的性質(zhì)，特點(diǎn)和加工方法有一個(gè)全面而基本的了解。
當(dāng)加工鋁時(shí)，我們主要關(guān)心的是：鋁粘住加工切削邊緣的傾向；保證有好的碎片排屑形成切削邊緣；和保證工具有足夠的中心強(qiáng)度來(lái)承受切削力而不被破壞。
技術(shù)發(fā)展，比如：Makino MAG系列，已經(jīng)使工具商重新考慮任何工藝水平的機(jī)器技術(shù)。用正確的加工和編程思路是很重要的。
材料，涂料和幾何形狀是與減小我們所關(guān)注問(wèn)題相關(guān)系的工具設(shè)計(jì)的三個(gè)因素。如果這些因素不能一起很好的配合，成功的調(diào)整磨削是不可能的。為了成功進(jìn)行高速鋁加工，理解這三個(gè)因素是很必要的。
使組合邊緣最小化
當(dāng)加工鋁時(shí)，一個(gè)失敗的切削工具模式是，被加工的材料粘住工具切削邊緣。這種情況會(huì)很快削弱工具的切削能力。由粘著的鋁形成的組合邊緣會(huì)導(dǎo)致工具變鈍，以至不能切削材料。工具材料選擇和工具涂料選擇是被工具設(shè)計(jì)者用來(lái)減小組合邊緣出現(xiàn)的主要工藝。
亞微米微粒碳化物材料要求很高的鈷濃度來(lái)獲得良好的微粒結(jié)構(gòu)和材料強(qiáng)度屬性。隨著溫度的升高，鈷與鋁發(fā)生反應(yīng)，鈷使鋁與暴露的工具材料碳化物相粘合。一旦鋁開(kāi)始粘住工具，鋁會(huì)在快速的在工具上形成組合邊緣，使工具不可用。
在切削的進(jìn)程中，減小鋁粘合著的工具的暴露碳化物的秘訣就是找到正確的碳化物的平衡來(lái)提供足夠的材料強(qiáng)度。在加工鋁時(shí)，為了減小粘附，使用能提供足夠硬度的紋理粗糙的碳化物來(lái)獲得平衡，來(lái)使變鈍變慢。
工具涂料
當(dāng)嘗試減小組合邊緣時(shí)，第二個(gè)應(yīng)該考慮的工具設(shè)計(jì)因素是工具涂料。工具涂料的選擇包括：TiN, TiAIN, AITiN，鉻氮化物，鋯氮化物，鉆石和鉆石般的涂料（DLC）。擁有這么多的選擇，航空航天磨削商店需要知道在鋁的高速加工應(yīng)用中哪一種工作最有效。TiN, TiCN, TiAIN, 和 AITiN工具的PVD涂裝應(yīng)用進(jìn)程使這些選項(xiàng)不合適鋁的應(yīng)用。PVD涂裝進(jìn)程建立了兩個(gè)使鋁粘住工具的模式---表面的粗糙程度和鋁與工具涂料之間的化學(xué)反應(yīng)。PVD進(jìn)程形成了一個(gè)表面，這表面是比底層材料更粗糙的。由這個(gè)進(jìn)程形成的表面“凹凸”使工具中的鋁在凹處快速集結(jié)。由于涂料有金屬晶體和鐵晶體特征，PVD涂料是可以和鋁發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的。一種TiAIN涂料通常是包含鋁的，這鋁很容易和相同材料的切削表面粘合。表面粗糙度和化學(xué)反應(yīng)特性將會(huì)導(dǎo)致工具和工作片體粘在一起，以致形成組合表面。
OSG Tap and Die主導(dǎo)的試驗(yàn)中，人們發(fā)現(xiàn)在高速加工鋁時(shí)，一個(gè)沒(méi)有涂染過(guò)紋理粗糙的碳化物的工具的表面優(yōu)于用TiN, Ticn, TiAIN, 或者ALTiN涂染過(guò)的工具。這個(gè)試驗(yàn)不意味著所有工具涂料將減小工具的表現(xiàn)。鉆石和DLC涂料可生成一個(gè)非常光滑的化學(xué)惰性的表面。在切削鋁材料時(shí)，這些涂料很認(rèn)為是能非常有效的提高工具的壽命。
鉆石涂料被認(rèn)為是表現(xiàn)最佳的涂料，但這種涂料要一個(gè)很可觀的成本。對(duì)于表現(xiàn)價(jià)值，DLC涂料提供最佳成本，增加大約20%-25%的總工具成本，而壽命相對(duì)于未涂染過(guò)紋理粗糙的碳化物的工具來(lái)是，是增長(zhǎng)得很明顯的。
幾何形狀
高速鋁加工工具設(shè)計(jì)的拇指定律就是使微粒排屑空間最大化。這是因?yàn)殇X是一種非常柔軟的材料。Federate通常是可以增長(zhǎng)的，它生成更多更大的微粒。
Makino MAG-Series航空航天磨削機(jī)器，比如MAG4,要求額外關(guān)注工具幾何休和工具強(qiáng)度。擁有強(qiáng)大的80-hp的心軸的 MAG-Series機(jī)器將折斷工具如果他們不是用足夠的中心強(qiáng)度設(shè)計(jì)的。
總的來(lái)說(shuō)，鋒利的切削邊緣一直都可以用來(lái)避免鋁的延伸。一個(gè)鋒利的切削邊緣將形成高剪切和高表面清潔，形成一個(gè)更好的表面和使表面振動(dòng)最小化。結(jié)果是用優(yōu)良的紋理碳化物材料比紋理粗糙的碳化物材料更有可能獲得一個(gè)鋒利的切削邊緣。但由于鋁能粘住紋理好的材料，長(zhǎng)久保持這各邊緣是不太可能的。
粗略的折衷方案
紋理粗糙的材料是最好的折衷。那是一種很強(qiáng)大的材料，它能擁有一個(gè)可觀的切削邊緣。試驗(yàn)結(jié)果表明；在獲得長(zhǎng)的工具壽命的同時(shí)擁有好的表面的可以的。通過(guò)工具來(lái)進(jìn)行油霧冷卻是可以改進(jìn)切削邊緣的保持的。霧化逐漸使工具冷卻，消除溫度急增的問(wèn)題。
螺旋角度是一個(gè)額外的工具幾何考慮因素。傳統(tǒng)上來(lái)說(shuō)，當(dāng)加工鋁時(shí)，帶有高螺旋角度的工具已經(jīng)被運(yùn)用。高螺旋角度可以使微粒更快地從部分脫離，但卻增加力和熱，這是由切削運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的。一個(gè)高螺旋角被用在工具上，并且很大數(shù)量的凹槽可以使微粒排泄。
當(dāng)以非常高的速度加工鋁時(shí)，由增加的力形成的熱量可能會(huì)引起微粒與工具焊接在一起。此外，一個(gè)有很高螺旋角的切削表面將比低角度的更快產(chǎn)生微粒。僅僅利用兩個(gè)凹槽工具設(shè)計(jì)使低螺旋角和足夠微粒排泄區(qū)域成為可能。由OSG主導(dǎo)的延伸性試驗(yàn)中，當(dāng)發(fā)展新工具流水線時(shí)，這被證明是最成功的方法。
英文技術(shù)資料
Mechanical Design and Optimum Design
Mechanical design is the application of science and technology to devise new or improved products for the purpose of satisfying human needs. It is a vast field of engineering technology which not only concerns itself with the original conception of the product in terms of its size, shape and construction details, but also consideration the various factors involved in the manufacture and use of the product.
People who perform the various function of mechanical design are typically called designers, or design engineers. Mechanical design is basically a creative activity. However, in add