齿轮轴的设计及加工工艺

浙江科技学院

本科毕业设计

(2013届)

题目螺旋输送机驱动轴设计及制造学院机械与汽车工程学院

专业材料成型与控制工程

班级材料092

学号109012050

学生姓名杨鹏飞

指导教师奚基学

完成日期2013年5 月14 号

螺旋输送机驱动轴设计及制造

学生姓名：杨鹏飞指导教师：奚基学

浙江科技学院机械学院

摘要

随着工业生产的发展，螺旋输送机的应用越来越广泛，但由于具体工作环境的不同，技术参数的不同，对螺旋输送机的一些组成设备要求也不一样。本文通过对螺旋输送机的结构，发展历程的分析，然后就对螺旋输送机性能影响较大的部分，即驱动轴作了详细的设计说明，并对轴的加工工艺做了分析。最终设计出了一种主要用于输螺旋输送机驱动端的驱动轴

关键词：螺旋输送机驱动轴加工工艺

浙江科技学院毕业设计

II II

Design of Screw Conveyor Live Axle and Product

Student: Yang Pengfei Advisor: Dr. Xi Jixue

School of Mechanical and Automotive Engineering

Zhejiang University of Science and Technology

Abstract

With the development of the industry, the flexible screw conveyors are used more and more widespread, but because the concrete working conditions are different, so the leak-proof requests of spiral conveyer are different too. Through different plan contrast, This article has chosen one kind of perfect plan considering the efficiency, structure compact and the usable angle embarked. Then explaned two major parts- the reducting gear and the screw shaft detailedly that h ave large affects on the flexible screw conveyer’ performance,and has given the brief explanation to the flexible screw conveyer’s seal and lubrication. At last ,a high quality flexible screw conveyor was desiganed out,which is primarily used to transport the cement, seal completely , work safely, have high efficiency and long work life, and can proceeds the cement during the course of transporting.

Key words: Screw Conveyor Live Axle Processing technic

目录

摘要 .............................................................. I Abstract ............................................................ III 目录 ............................................................ III 第一章引言 (1)

1.1毕业设计内容 (1)

1.1.1 毕业设计的目的 (1)

1.1.2 毕业设计的任务 (1)

1.2 螺旋输送机概述 (1)

1.3 螺旋输送机的应用范围 (2)

1.4 螺旋输送机主要特点 (3)

1.5 螺旋输送机工作原理 (3)

1.6 螺旋输送机整机布置形式 (3)

1.7 螺旋输送机的发展历史及展望 (4)

1.7.1 螺旋输送机的发展历史 (4)

1.7.2螺旋输送机的发展展望 (4)

第二章螺旋输送机的基本参数计算 (6)

2.1输送机的螺旋直径和螺旋轴的转速 (6)

2.2 螺旋输送机的功率计算 (7)

2.3 螺旋输送机的长度和标准螺旋节的长度 (8)

第三章驱动轴的设计 (9)

3.1 驱动轴的基本尺寸计算 (9)

3.1.1 轴的材料的选择 (9)

3.1.2驱动端轴的最小直径的确定 (9)

3.1.3 驱动轴的结构设计 (9)

3.2齿轮受力计算 (9)

3.3轴承反向力的计算 (10)

3.4 弯矩，扭矩，当量弯矩计算 (10)

3.5 精确校核轴的疲劳强度 (11)

第四章驱动轴的制造 (14)

4.1 轴的材料 (14)

4.2 轴的加工工艺 (14)

4.2.1 毛坯的加工 (14)

4.2.2轴的机加工与热处理 (18)

总结 (19)

参考文献 (20)

致谢 (21)

第一章引言

1.1毕业设计内容

1.1.1 毕业设计的目的

通过本次毕业设计，我们能够达到一些目的:

1)培养我们综合运用和巩固扩展所学知识，提高理论联系实际的能力；

2)培养我们搜集、阅读、分析和运用各种资料，手册等科技文献的能力；

3)使我们更加熟练的运用AUTOCAD、Word等计算机办公软件，提高计算机辅助

设计的能力；

4)训练和提高机械设计的基本理论和技能；

5)培养独立思考，独立工作的能力

1.1.2 毕业设计的任务

1)设计条件

ρ；

运输物料为干燥矿渣，密度3

Kg

=

1000m

/

运输量为h

60；

T/

运输长度20m。

2)设计内容

a)设计方案的选择与计算

b)总体结构的设计，成套图纸及说明书

3)设计关键

a)分析联系输送机的工作原理

b)根据输送要求选择合适类型的轴尺寸

c)保证设计的驱动轴能够满足工作要求

1.2 螺旋输送机概述

螺旋输送机俗称绞龙，GX型系列螺旋输送机是一种利用螺旋叶片的旋转，推动物料沿着料槽运送的输送设备，在建筑工地，储粮仓库，制造车间等，并在倾角β＜20 °的情况下，输送粉状，颗粒状和小块物料，使螺旋输送机对提高生产工作效率得到了很大体现，本次设计旨在对螺旋输送机进行创新设计，进一步提高它的实用性。

螺旋输送机是一种常用的不具有挠性牵引构件的连续输送机械，利用工作构件即螺旋的旋转运动，使物料向前运送，是现代化生产和物流运输不可缺少的重要机械设备之一。螺旋输送机在国民经济的各个部门中得到了相当广泛的应用，主要是用来运送大宗散货物料，如煤、矿石、粮食、砂、化肥等。在粮食、轻纺织业、化工业、食品等工业部门，采用螺旋输送机往往不单纯是输送物料，同时还拌随进行某些工艺处理等。螺旋输送机的种类较多、结构差异大、设计参数多，并且各参数之间相互联系和制约，使得设计和选择复杂、难度大，尤其是一些主要参数，如果选择和组合不当，将会严重影响螺旋输送机哦生产效率和工作性能。

螺旋输送机主要分水平和垂直螺旋输送机，可分别沿水平、倾斜或垂直方向上输送物料，这两种机型也是最常用的。螺旋输送机根据结构可分为双螺旋输送机和单螺旋输送机，后者使用较多。螺旋输送机的安装方式有固定式和移动式两种，大部分螺旋输送机采用固定式。

煤炭工业中的螺旋输送机主要用于原煤的输送，一般采用实体螺旋叶片、无吊挂轴承、等螺距的单头普通螺旋输送机。其结构由一根装有螺旋叶片的转轴和料槽组成。转轴通过轴承安装在料槽两端轴承座上，转轴一端的轴头与驱动装置相联。料槽顶面和槽底开有进、出料口。其工作原理是：物料从进料口加入，当装轴转动时，物料受到螺旋叶片推力的作用，该推力的径向分力和叶片对物料的摩擦力，有可能带有物料绕轴转动，但由于物料本身的重力和料槽对物料的摩擦力的缘故，才不与螺旋叶片一起旋转，而在叶片法向推力的轴向分力作用下，沿着斜槽轴向移动。

GX型螺旋输送机是按照JB/T679-95《螺旋输送机》标准设计制造，GX型螺旋输送机的螺旋直径有mm

150，共有7种规格。在物料温度小于200℃，工作环境温度在

~

mm600

-20℃至+50℃之间时，输送长度可达50m,个别情况可达70m。螺旋机驱动端轴承、尾部轴承置于料槽壳体外部减少了灰尘对轴承的影响，提高了螺旋机关键件的适用寿命。中间吊挂轴承采用滑动轴承，并设防尘密封装置，密封件用尼龙或塑料，因而密封性能好，耐磨性强，阻力小，寿命长。滑动轴承的轴瓦有粉末冶金、尼龙和巴氏合金，可根据不同需要选用，进出料口的灵活布置使其适应性更强，得到用户认可。

1.3 螺旋输送机的应用范围

GX型螺旋输送机广泛应用在各种工业部门，如建材、冶金、化工、电力、煤炭、轻工、粮食及食品行业，适用于水平或者20 °倾角的，如水泥、矿渣、粮食、化肥、灰渣、砂子、焦炭等。

GX 型螺旋机对输送物料的要求，物料温度不得超过200℃，螺旋机不宜输送易变质的、粘性大的、易结块的物料。因为这些物料在输送时会粘结在一起，并随之旋转而不向前移动，或者在吊轴承处物料积塞而使机器不能正常工作，因此对于输送距离短，输送量不大，无磨琢性或磨琢性小，无粘结性或粘接性小，不怕破碎而又要求密闭输送的粉状和小块状的物料，采用螺旋输送机是很适宜的。

1.4 螺旋输送机主要特点

1. 结构简单、造价便宜；

2. 维修容易、操作安全；

3. 外形尺寸矮小，布置紧凑，便于多点装料与卸料；

4. 槽体密闭，物料损耗少；

5. 可输送较高温度的物料。

1.5 螺旋输送机工作原理

物料从进料口加入，装螺旋轴转动时，物料受到螺旋叶片法向推力作用。该推力的径向分力和叶片对物料的摩擦力，有可能带着物料绕轴转动，但由于物料本身的重力和料槽对物料的摩擦力的缘故，才不与螺旋叶片一起旋转，而在叶片法向推力的轴向分力的作用下，沿着料槽轴向前移动。

1.6 螺旋输送机整机布置形式

一台螺旋输送机通常由驱动装置、头节、若干标准中间节、选配中间节、尾节、进料口、出料口等组成，除头节和选配中间节外，各节螺旋机及机壳均有互换性。

螺旋机本体由头节、中间节、尾节三种组成。一般情况下，出厂总装时将中间节按长度长短依次排列，最长的中间节靠近头节，相同的中间节挨在一起。

在头节内装有止推轴承承受轴向力，在中间节装有中间吊挂轴承支承螺旋轴。螺旋面

的形式有实体螺旋制法）（S 和带式螺旋制法）（D 两种。各螺旋轴之间采用法兰式联接，保

证了连接轴的互换性，便于维修。

进料口是方形进料口，出料口有方形卸料口、手推式卸料口及齿条式卸料口。布置进出料口应注意保证料口至端部的距离，同时避免料口与吊轴承加油杯，机壳联接法兰，底座等相碰。

驱动装置有由电动机和减速器组成。按其装配方式的不同，它分为右装和左装两种。

图1-1 螺旋输送机简图

1.7 螺旋输送机的发展历史及展望

1.7.1 螺旋输送机的发展历史

螺旋输送机的发展，分为有轴螺旋输送机和无轴螺旋输送机两种型式的发展过程。有轴螺旋输送机由螺杆，U型料槽，盖板，进，出料口和驱动装置组成，一般还有水平式，倾斜式和垂直式三种:而无轴旋输送机则采用螺杆改为无轴螺旋，并在U型槽内装置有可换衬体，结构简单，物料由进料口输入经螺旋推动后由出料口输出，整个传输过程可在一个密封的槽中进行。一般来讲，我们平常所指的螺旋输送机都指有轴型式的螺旋输送机。而对许多输送比较困难的物料，人们一直在寻求一种可靠的输送方法，而无轴螺旋输送机则是一种较好的解决方法。

GX型螺旋输送机是出现较早的一种螺旋输送机，也是我国最早定型生产的通用性生产设备。它以输送粉状、粒状、小块状物料为主，不适宜输送易变质的，粘性的易结块的物料和大块的物料，因为这些物料容易粘在螺旋上而随之旋转，或在吊轴承处产生堵料现象，给物料输送过程带来很大的不便。GX型螺旋输送机的优点主要是节能、降耗显著，其头部、尾部轴承移至壳体外，具有防尘密封性好，噪声低，适应性强，操作维修方便，进、出料口位置布置灵活等;缺点是动力消耗大，机件磨损快，物料在运输时粉碎严重。

1.7.2螺旋输送机的发展展望

纵观螺旋输送机的发展历程，可以预见未来的发展方向主要有以下几方面:

1.大运量、高速度、长使用寿命。高速度即意味着高生产率，减少单位时间生产成本.磨损是限制螺旋输送机寿命的主要原因，减少物料与螺旋之间的摩擦系数，增加螺旋轴的耐磨性，改善物料的性能，可以较大程度提高输送机的使用寿命。

2.低能源消耗及降低能量消耗.螺旋输送机的能源绝大部分都消耗在摩擦损失上。因此降低能源消耗是研究和设计螺旋输送机急待解决的难题和发展方向。

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3.智能化发展。未来的螺旋输送机应与电脑密切联系，适合程序控制、智能操作。物料的装卸、机器安装与维护都应能实现智能化管理。

4.空间可弯曲输送。为了克服水平和垂直螺旋输送机由于构造上的限制而只能直线输送物料的不足，近年来出现了可弯曲螺旋输送机，弹簧输送机等。另外其他各种输送机也应为了实现空间、可弯曲输送研制新的机型。

5.组合复合化输送，向着大型化发展。使用螺旋输送机，结合各种连续输送机械，来完成复杂的物料输送。大型化包括大输送能力、单机长度和大输送倾角等几个方面。

6.扩大使用范围。目前，螺旋输送机的使用范围受到限制，要扩大其使用范围，研究能在高温、低温条件下有腐蚀性、放射性、易燃性物质的环境中工作的，以及能输送炽热、易爆、易结团、粘性物料的螺旋输送机。

7.环保意识设计，减少污染，实现绿色设计的目标。传统的连续运输机械是敞开状态下输送物料的，在输送粉状、颗粒状物料时，物料散落飞扬，严重影响周围的环境，特别是在输送水泥、化肥、矿石、煤炭、谷物等粉末易飞扬物料时尤显严重。为了解决这个问题，人们应当提前研制多种形式的环保型输送机，而螺旋输送机对于解决这个难题，无疑具有很大的优势和发展空间。

8.结合本文的研究工作，在螺旋输送机的优化工作和研究方面，一下几方面需要展开进一步的研究工作：

1).螺旋输送机的常规设计研究较多，对于螺旋输送机的优化研究成果还不多，以后的研究工作，结合较新的优化算法，可以向多目标优化设计发展方向，与把螺旋输送机的生产率与功率消耗两个结合起来考虑，作螺旋输送机总体的分析和优化研究；

2).对于物料输送，还可以研究各种新型的螺旋输送机，如采用具有弯曲母线螺旋面的螺旋输送机进去物料输送就有很多优点，是一个较理想的课题。还有，螺旋输送机的变螺距、变直径研究，也是一个很好的发展和研究方向。

第二章 螺旋输送机的基本参数计算

2.1输送机的螺旋直径和螺旋轴的转速

1) 螺旋直径的确定 按公式5.2C Q K D ?γ=，得螺旋直径

式中 D ——螺旋叶片直径（米）；

Q ——物料的输送量（吨/时）；

γ——物料的堆积比重（吨/米3）；

?——水平输送时物料在输送机内的填充系数；

K ——表示物料综合特性的经验系数；

C ——倾斜向上输送时输送量的校正系数；

查表可得输送矿渣时:K =0.0415；?=0.4；γ=1； A =75；

C =0.8； 原始数据h T Q /60=,

5.2C Q K D ?γ==0.04155.28.014.060???=0.336m

将螺旋直径圆整为标准螺旋直径，D =0.400m 。

2) 螺旋轴转速的确定

a) 按公式D A

n ≤带入螺旋直径，得螺旋轴转数： D A n ≤=4.075

=119min /r

把n D ，带入公式 n Cs D Q

γ?247=，校核填充系数：

n Cs D Q

γ?247==1196.08.04.08.04.04760

2??????=0.4365

此时?=0.4365<0.35～0.45，取螺旋机的转数为n=120r/min ； 再次校核填充系数n Cs D Q γ?247==120

6.08.04.08.04.047602??????=0.4329∈(0.35～0.45),所以螺旋机的转数确定为n=120r/min

b) 螺旋叶片螺距：S=0.8D=0.8×400=320mm.

输送机载荷的横断面面积:F=4D C 2

π?=4

4.014.38.04329.02???=0.0435 2m

物料在输送时的运移速度:v =

60ns =60

32.0120?=0.64m/s 故:所选螺旋轴叶片直径D=400mm,螺旋轴转速n=120r/min

2.2 螺旋输送机的功率计算

1) 螺旋输送机的功率计算

螺旋轴克服阻力所需功率:N 0=

()H ±367

0L w Q 在公式中

N 0——螺旋轴所需之功率（千瓦）；

k ——功率备用系数；

Q ——生产率（吨/时）； ω0——物料总阻力系数；

L---输送机水平投影长度（米）

H---输送机垂直投影长度(米)

功率备用系数k ，考虑在低生产率时螺旋自重对功率的影响较大，以及为了计入空转时的损失，一般取k =1.2～1.4；

此时螺旋输送机倾斜向上输送，取“+”；

式中ω0=1.2，取k =1.3。

带入公式计算得：N 0= ()

o o 20sin10cos10202.136760+???=4.430KW 按公式得驱动装置功率：N = k η0

N =1.3*94

.0430.4=6.123KW

校验转速比： n N 0=120

43.4=0.037 查表可知当D =400mm 时，??

????n N =0.25。由于0.037<0.25，故是安全的。 另外根据驱动装置功率，传动比等据机械运输手册表12-2-13查的减速机的低速轴上齿轮参数为：齿数z=58，模数m=3，分度圆螺旋角β=11°17'3"

2.3 螺旋输送机的长度和标准螺旋节的长度

原始数据要求螺旋机全长为20米，根据《化工起重运输手册;螺旋输送机与斗式提升机》表1-10头节长3米,接着是3米、3米、3米、3米、2米长的中间节，尾节长3米，进料口下端直接焊牢在开孔的平盖板上，上端的为带孔法兰，可与各种给料设备连接使用。

第三章 驱动轴的设计

3.1 驱动轴的基本尺寸计算

3.1.1 轴的材料的选择

由于减速器的功率不大，没有特殊要求，所以选择最常用的45号刚并做调质处理。由文献机械设计表12-1查得抗拉强度σB =650MPa 。

3.1.2驱动端轴的最小直径的确定

求出轴上功率P.转速n 和转矩T ，有之前计算得:p=4.43kw.n=120r/min

T=9.55?106n

p =9.55×106?4.43/120=3.53×105mm N ?

1) 初步确定轴的最小直径.

选取轴的材料为45钢,调质处理.查机械设计表12-2，取C=118于是得

min d =n P C 3

=118?3120

43.4=39.29mm. 计算所得是最小轴径，因为该段有键槽，应加大并圆整，取d=40mm

3.1.3 驱动轴的结构设计

（1）根据要求确定轴的各段直径和长度。

根据估算所得直径，轮毂宽及安装情况等条件，轴的结构尺寸可进行草图设计，如图3-1所示，轴的输出端用TL7型（GB/T4325-2002）弹性套柱销联轴器，孔径40mm ，孔长84mm ，轴肩高4mm 作定位用。齿轮两侧对称安装一对7210（GB/T292-1994）角接触球轴承，其宽度为20mm 。左轴承用套筒定位，右轴承用轴肩定位，根据轴承对安装尺寸的要求，轴肩高为3.5mm 。轴与齿轮，轴与联轴器均选用平键联接。根据减速器的内壁到齿轮和轴承端面的距离及轴承盖、联轴器装拆需要，基相关经验数据，将轴的结果尺寸初步定取如图3-1所示，

3.2齿轮受力计算

齿轮分度圆直径： d=mm z 43.177"

3'1711cos 583cos m =??=β 齿轮所受转矩：T=9.55mm N P .75.487288120

123.61055.9n 1066

=??=?

齿轮作用力

圆周力 N d T F t 549243.17775.48728822=?==

径向力 N F F n r 2040"3'1711cos 20tan 5492cos tan =???==βα 轴向力 N F F t a 1092tan ==β

轴受力的大小基方向如图3-2b 所示。

3.3轴承反向力的计算

水平面 N F F R r IH 8.1776128

204064715.881092128642d a =?+?=+*= N R F R IH r IIH 2.263=-=

垂直面 N F R R t IIV IV 27462/54922/====

3.4 弯矩，扭矩，当量弯矩计算

1.水平面弯矩，如图3-1d

截面b ： m m 2.1137158.17766464'b ?=?==N R M IH H

mm N d F M M H H .42.168382

43.17710922.1137152'"a b b =?-=-=

2.垂直面弯矩，如图3-1f

mm N R M IV bV .17574427466464'=?==

3.合成弯矩，如图3-1g

mm N M M M bV bH b .209325''22=+=

mm N M M M bV bH b .8.176548""22=+=

4.扭矩，如图3-1h

由之前计算得T=487288.75N.mm

又根据，a 650MP B =σ由表12-3查得[σ-1]b=55MPa 和[0σ]b =95MPa,所以：

58.095

55==α mm 5.28262775.48728858.0。N T =?=α

5.当量弯矩 ，如图3-1i

对于截面b ：

mm .351703''22b be N T M M =+

=）（α m m .8.176548""b be N M M ==

对于截面a 和I

mm N T M M I .5.282627e ae ===α

6分别计算轴截面a 和b 处的直径。

mm M b 2.37]1[1.0d 3ae a =-=

σ mm M d b

be b 98.39]1[1.0'3=-=σ 两截面虽然会被键槽削弱，但结构设计所确定的直径分别已经达到40mm 和52mm ，所以，强度足够。如果所选的轴承和键联接等经过计算，确认强度和寿命能满足，则以上轴的结构就是正确的，可以选用。

3.5 精确校核轴的疲劳强度

查机械设计表12-1可得弯曲疲劳极限和剪切疲劳极限分别是：

a 1551-a 2751-MP MP ==τσ，

分别计算弯曲应力和扭转应力：

a 17.155214.320932532d '32'3

3b b a MP M W M =??===πσ 0m =σ

MPa d T W T T 83.852

14.375.4872888822/33a =??====πττ MPa m 83.82==τ

τ

轴的弯曲等效系数2.0=σψ，轴的剪切等效系数1.0=τψ。查表12-4可得键槽处的弯曲、扭转有效应力集中系数为54.1k 76.1k ==τσ，。

查表12-7得到，弯曲、扭剪时轴的绝对尺寸系数为76.081.0==τσεε，.查表12-8可得轴的表面质量系数95.0=β。按无限寿命考虑，取寿命系数K N =1;调质处理45号钢，轴材质均匀、载荷与应力计算无误，取[S]=1.5.将上诉数据带入机械设计公式12-5得：

93.7=σS

86.7=τS

58.5=S 大于[S]

因此轴截面有足够的疲劳强度，是安全的。

图 3-1轴的设计图纸与受力分析

a 轴的设计图纸 b轴的受力分析 d轴的水平弯矩图 f 轴的垂直面弯矩图g 合成弯矩图 h 扭矩图 i 当量弯矩

第四章驱动轴的制造

4.1 轴的材料

轴常用碳素钢和合金钢制造。碳素钢比合金钢廉价，对应力集中敏感性较低，应用更广泛。

常用作轴的材料的碳素钢有35、45、和50等优质中碳钢，其中尤以45号钢的应用更广泛。为保证机械性能一般应进行调质或正火处理。轴也可以用普通的碳素钢Q235等制作，但是这种钢不适合进行热处理，所以只限于用在不重要或者载荷较小的地方。

合金钢有较高的机械强度，可淬性比较好，但对于应力集中比较敏感，价格高。重载荷或者重要的轴，要求尺寸小，重量轻的轴，要求耐磨性以及在高温等特殊环境下工作的轴，常用合金钢。常用的合金钢有20Cr、40Cr、40MnB等。另外，热处理对合金钢影响较少，所以为提高轴的刚度而采用合金钢是不能凑效的。

轴的毛坯一般采用轧制圆钢或铸件。尺寸偏大形状复杂时，也可以采用铸钢或者球墨铸铁。铸钢的品质不易保证，容易出现缩孔等缺陷。球墨铸铁有成本低，吸振性、耐磨性好以及对应力集中不敏感的优点。但是球墨铸铁的质量需要很好的铸造工艺来保证。

因此我选用的材料是45号钢来制造这个轴。并且是调质处理以达到需要的力学性能。

4.2 轴的加工工艺

4.2.1 毛坯的加工

由于轴的受力较为复杂、载荷较大，所以选用力学性能和质量高的锻造方法来生产毛坯。无论是手工自由锻、锤上自由锻以及水压机上的自由锻，其工艺过程都是由一些锻造工序所组成。所谓工序是指一个在工作地点对一个工件所连续完成的那部分工艺过程。根据变形的性质和程度不同，自由锻工序可分为：基本工序，如镦粗、拔长、冲孔、扩孔、芯轴拔长、切割、弯曲、扭转、错移、锻接等，其中镦粗、拔长和冲孔三个工序应用最多；辅助工序，如切肩、压痕等；精整工序，如平整、整形等三类。

1）工艺分析

根据零件图中显示，轴的最大直径是60mm，最大长度是285mm，由于由于阶梯轴的结构简单在综合考虑过其经济性、工艺性和使用性后，将其设计为直径60的一