吨超长拉拔机结构设计设计

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1、本科毕业设计（论文）10吨超长拉拔机结构设计XXX燕 山 大 学2013年 6月 本科毕业设计（论文）10吨超长拉拔机结构设计学 院： 机械工程学院 专 业： 机械装备 学生 姓名： XXX 学 号： 090101010047 指导 教师： XXX 答辩 日期： 2013.6.24 燕山大学毕业设计（论文）任务书学院： 机械工程学院 系级教学单位： 冶金机械系 学号090101010047学生姓名XXX专 业班 级机械装备1班题目题目名称10吨超长拉拔机结构设计题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）2.文管理类（ ）；

2、3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容1、 对所研究设备现有概况、存在问题、发展趋势进行全面分析综述。2、 对所研究设备动作原理进行完整论述，技术参数进行设计计算。3、 按给定设计参数进行拉拔机技术设计及施工设计。设计参数： 拔制力：10吨；拔制方式：空拔；拔制后钢管最长：63米冷拔润滑方式：压力油润滑；冷拔速度；12米/分；小车回程速度：60米/分；管材规格：32x3-25x3-19x3；材料：屈服强度205MPa、抗拉强度415MPa基本要求1、 完成理论计算；2、 完成7张A1图纸量，至少

3、一张A0装配图，其中一张手工图；3、 开题报告3千字以上，文献综述4千字以上；4、 翻译与课题有关的外文资料不少于3千汉字以上；5、 计算说明书2万字以上，参考文献15篇以上（其中学术期刊类参考文献不少于8篇，中文文献10篇以上，外文文献5篇以上）参考资料1、 专利文献2、 相关的国内外专业期刊、文集3、 互联网上搜索查询4、 专业书籍和机械设计手册周 次第 1 4周第5 8 周第9 10 周第11 15周第 16 17 周应完成的内容搜集资料，总体方案确定，撰写开题报告理论计算总装配图总装配图部件图中期考核报告部件图零件图撰写计算说明书完善设计准备答辩指导教师：XXX职称： 年 月 日系级教

4、学单位审批： 年 月 日摘要拉拔机是拉拔设备的一种，利用钢丝绳循环往复工作，实现工作设备的拉拔功能。为了进一步做好拉拔机的改进工作，本文设计了一种液压钢丝绳拉拔机。液压钢丝绳拉拔机主要有电动机、联轴器、变速器、卷筒、拉拔小车等组成，整个系统具有方便灵活，外形尺寸小，使用方便，价格较低等优点受到越来越多的欢迎。 文中首先对拉拔机运输的现状及其在国内外的发展情况和运输过程中的传动系统进行了简要说明，并且分析了拉拔的金属学和力学原理；其次详细地说明了该拉拔机的结构特点和整个拉拔系统传动结构的原理，并对该拉拔机中各部件进行设计、计算和校核，经校核计算得出各部件强度均满足要求等；同时最后对拉拔机的相关结

5、构进行了有限元分析与优化。关键词 拉拔力 金属学原理 传动系统 优化设计I 燕山大学本科生毕业设计（论文）AbstractDrawing machine is on of the drawing devices，which use wire cycle work，and work equipment drawing functions. In order to further improve the drawing machine improvements，this paper designed a hydraulic wire drawing machine.Hydraulic wire r

6、ope pulling machine main motor，coupling，gearbox，roll，pull trolleys and other components，the entire system has a convenient and flexible，small size，easy to use，low price，etc. are more and more popular. This paper first drawing machine transport situation and developments at home and abroad in the pro

7、cess of transmission and transport a brief description and analysis of the drawing of the metal and mechanical principles; followed by detailed description of the drawing machine structural features and the whole principle of drawing system transmission structure and the various components of the dr

8、awing machine design，calculation and verification，by checking the calculated intensity of the various components meet the requirements; while Finally drawing machine related to the finite element structural analysis and optimization.Keywords Machine drawing Principles of metal Transmission System Op

9、timization I 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 拉拔机的应用简介11.2.1 拉拔机的发展概况11.2.2 拉拔机应满足的生产工艺要求11.2.3 拉拔机功能与结构11.2.4 拉拔机分类21.2.5 拉拔机现状31.2.6 拉拔机的发展趋势31.2.7拉拔优缺点31.2.8 拉拔分类41.3 本章小结5第2章 拉拔原理与拉拔力的确定42.1 拉拔的基本原理42.1.1 拉拔的实质42.1.2 冷拔的金属学原理42.1.3 冷拔的力学原理42.2 拉拔力的计算72.2.1 空拔钢管拔制应力的计算72.2.2 计算拔制力的经验公式72.3 本章小

10、结8第3章 拉拔机简介103.1 拉拔机的基本结构构成103.2 拉拔机初步方案论证103.2.1设计路线123.3 管材拉拔时的润滑123.3.1管材拉拔用润滑剂123.4冷拔加工过程中常见的缺陷133.5影响钢管生产质量的因素143.5.1影响空拔时钢管产生纵裂的因素143.5.2防止空拔时钢管纵裂的方法143.5.3影响空拔时钢管产生横裂的因素153.5.4防止空拔时钢管横裂的方法153.6常见的影响钢管拔制力的因素及分析153.6.1模锥角对拔制力的影响153.6.2摩擦系数对拔制力的影响163.6.3壁厚对拔制力的影响173.6.4拔制速度对拔值力的影响173.6.5 拔制过程中拔制

11、力的变化情况183.7拉拔过程注意的问题193.8本章小结19第4章 系统动力学分析194.1拉拔原理示意图194.2 基本参数的确定204.2.1钢丝绳选择204.2.2拉拔钢丝绳直径的计算与选择204.2.3卷筒选择204.2.4选择电机214.3本章小结23第5章 拉拔机设计235.1设计总则235.2普通拉模设计计算235.3 C形支架255.3.1滑道设计255.3.2滚道的半径设计255.3.3夹扶钳设计265.3.4 C形架简单受力分析275.4 头座的设计285.4.1中间孔设计305.5张紧及配重装置305.5.1滑轮简单的受力分析315.6头座地脚螺栓的受力分析345.7拉

12、拔机主要部件的强度校核355.7.1小车挂钩校核355.7.2 卷筒轴受力分析355.7.2对卷筒轴进行受力分析375.7.3卷筒轴上轴承的寿命验算385.7.4卷筒轴上卷筒与大齿圈联接螺栓的强度验算385.8本章小结39第6章优化设计以及三维仿真406.1 ANSYS有限元分析软件概况406.2 拉拔管受力ansys分析406.3 C形架受力分析及改进426.3.1对C形架不同侧固定研究其变形情况426.4 头座的优化设计及改进436.5 三维仿真图456.5.1整个拉拔机示意图456.5.2 重要部件的三维图456.6本章小结46结论40参考文献41致谢43附录1 开题报告54附录2 文献

13、综述66附录3外文文献94III第1章 绪论 第1章 绪论1.1 课题背景冷拔是用热轧、焊管或冷轧后的各种长度不同的管材作为坯料，配合不同的芯棒 ，用拉拔机通过拔模在常温下产生塑性变形的冷加工无切削工艺，用以生产高精度、高质量、高强度的管材。现阶段，高精度薄壁管材在日常生活中的应用非常广泛，因此对于它的加工要求也非常的高。 1.2 拉拔机的应用简介 1.2.1 拉拔机的发展概况 拉拔机是进行管材拉拔的重要设备这一，它的作用是改变管的直径从而获得生产要求的管径。近几十年来，在研究许多新的拉拔方法的同时，开展了高速拉拔的研究，成功地制造了多模高速连续拉拔机、多线链式拉拔机和圆盘拉拔机。高速拉拔的研

14、究，成功地制造了多模高速连续拉拔机、多线链式拉拔机和圆盘拉拔机。高速拉线机的拉拔速度达到80m/s；圆盘拉拔机可生产4050mm以下的管材，最大圆盘直径为3m，拉拔速度可达25m/s，最大管长为6000m以上；多线链式拉拔机一般可自动供料、自动穿模、自动套芯杆、自动咬料和挂钩、管材自动下落以及自动调整中心。另外还有管棒材成品连续拉拔矫直机列，在该机列上实现了拉拔、矫直、抛光、切断、退火以及探伤等。1.2.2 拉拔机应满足的生产工艺要求 A、应具有足够的拉拔能力，以适应可能出现的最大阻力，但应该备有可靠的过载保护措施。 B、驱动系统应具有良好的调速性能，并能实现反转，钢丝绳的缠绕与放出应该实现同

15、步。 C、为了适应连续拉拔的工作条件，设备应具有足够的强度和刚度，并采用有效方法防止机体变形。1.2.3 拉拔机功能与结构拉拔机设计采用卷筒或夹钳拉拔缆绳方式来水平拖曳拔管，拉拔机一般包括驱动部分、工作装置、辅助装置等几部分。1、驱动部分：用于驱动拉拔机工作装置拉拔小车、释放钢丝绳绳，包含动力及传动装置与控制装置拉拔机可以采用多种驱动方式，包括电动机、蒸汽机、柴油发动机、汽油发动机、液压马达、气动马达等。无论采用何种驱动方式，在拉拔机的驱动部分设计中都应包含以下设计准则：无级均匀变速，调速范围宽广；在有负载情况下，良好的启动特性和低速特性，总效率高；双向旋转，并且容易改变旋转方向；维护保养相对

16、容易，对周围工作环境不敏感；制动系统工作可靠；设计紧凑，结构简单，安装布置容易，重量轻；在有负载情况下，能长时间安全带载静止而不至于损坏驱动系统。 对于小型拉拔机，为了保证结构紧凑，拉拔机驱动部分一般与拉拔机工作装置联接在一起，直接驱动工作装置；对于大型拉拔机或应用现场空间相对狭小的拉拔机，拉拔机驱动部分与拉拔机工作装置可以设计成独立放置，两者间通过液压管线、气动管线或电缆管线相联系，拉拔机的布置和操纵均很方便。 2、工作装置：在驱动部分作用下，通过滚筒回转或夹钳直线拉拔等方式拖曳或释放钢丝绳以完成对负载的收放控制，并含有对钢丝绳的容绳和排绳装置。3、辅助装置：辅助工作装置完成拉拔作业，包含滑

17、轮组、导向装置以及速度测量、长度距离测量、张力测量等装置部分；拉拔机可以使用钢丝绳、尼龙缆绳等多种材质缆绳。1.2.4 拉拔机分类联合拉拔机机：采用机电液一体化设计，通过人机交互式操作实现生产自动 化。 拉拔小车换手由凸轮及闭式液压回路控制，反应灵敏、可靠。连续式冷拔机 ：按照夹持制品的不同方式分为履带式和滑座式。链式拉拔机：指拔管时，夹住管头牵引钢管的拔制小车是由链轮、链条系统传动的拔管机。固定床身式液压冷拔机：属于传统的拔机，三个机座分别固定在地基上特殊冷拔机 ：主要是配合一些先进的工艺如超声波振动拔管工艺等来提高钢管表面质量，改善钢管机械性能1.2.5 拉拔机现状当前拉拔机存在的主要问题

18、：1、牵引速度，回绳速度慢由于搬运设备的需要，很有必要将牵引速度从目前的57m/min左右加以提高。同时，为了提高工作效率，还应设置快速回绳机构。本设计的快速回绳速度达到了每分钟5090米，节约了时间，提高了工作效率，也是可行且有实际意义的。2、牵引力小现在使用的拉拔机牵引力都有些小，因而将牵引力提高到10吨是有意义的。3、设计寿命短就目前拉管的的使用来看，有必要提高设计寿命，增加拉拔机的平均无故障时间，保证生产的正常进行，经多方比较，决定采用50000小时的设计寿命。1.2.6 拉拔机的发展趋势 目前国内外汽车行业使用的气缸用管已经开始大量采用高精度冷拔铝合金管。随着铝合金管在硬度、强度方面

19、的发展，高精度冷拔铝合金管将在更多领域内取代钢管。高精度冷拔管和铝合金管的生产企业，可审时度势进一步加大技术开发力度，开发适合生产高精度冷拔管的钢种和铝合金牌号，扩大成品交货状态，提供质量优异的产品，我国高精度冷拔管生产企业要在激烈的市场竞争中不断发展壮大。应不断的向国外先进企业学习，走集约化大规模生产力之路，努力提高产品质量和降低成本。1.2.7拉拔优缺点优点：（1）生产灵活性大，可拉拔各种圆形和异形断面的管捧型线丝材； （2）常温下拉拔过程中金属产生很大的加工硬化，因而制品机械性 能高、表面光洁、尺寸精确；（3）拉拔工艺、工具、设备较简单， 维护方便，操作容易，投资少，上马快。缺点：（1）

20、道次变形量与两次退火间的总变形量有限； （2）长度受限制。1.2.8 拉拔分类 按制品截面形状，可分为实心材拉拔和空心材拉拔。（1） 实心材拉拔：主要包括棒材、型材及线材的拉拔。（2） 空心材拉拔：主要包括圆管及异型管材的拉拔。对于空心 材拉拔有图示几种方法：1 空拉2 长芯杆拉拔3 固定芯头拉拔4 游动芯头拉拔5 顶管法6 扩径 图11 常见的拉拔方法1.3 本章小结 本章分析了拔机的功能、研究现状以及未来的发展，同时对不同类型的拉拔机进行了简单的比较，并且介绍了拉拔机的功能结构和优缺点，使得对本课题的研究有一个进一步的深入了解和后期的全面设计奠定了基础。3 第2章 拉拔原理与拉拔力的确定

21、第2章 拉拔原理与拉拔力的确定2.1 拉拔的基本原理 2.1.1 拉拔的实质拉拔：用外力作用于被拉金属的前端，将金属坯料从小于坯料断面的模 孔中拉出，使其断面减小而长度增加的方法。由于拉拔多在冷态下进行，因此也叫冷拔或冷拉。2.1.2 冷拔的金属学原理冷拔钢管工艺属于冷加工范畴，因为拔制时的温度远低于金属再结晶温度。由Baily Hirsch公式 ：流应变力Mpa ；无加工硬化时的流应变力 G：切变弹性模量 ：平均错位密度 ：常数，约为0.5 由公式可知金属的流变应力(即强度)与位错密度的平方根成正比，它反映了形变时加工硬化的实质，(加工硬化是指由塑性变形引起的强度升高，塑性降低的现象)。而冷

22、拔加工钢管正是发生了加工硬化，冷拔时金属发生塑性变形，晶体内部有多个滑移系启动、错位运动彼此拦截，许多位错被钉扎住，造成位错塞积，同时位错源停止动作。上述一系列过程导致了位错的可动性降低，晶体中的位错密度显著增加。当塑性变形进一步发生，应力增加并足以使钉扎的位错开始运动，螺位错交滑移，刃位错不能交滑移，这样发生位错交截，使不动割阶数增加。所以，通过冷拔加工金属内部位错密度增加、位错可动性降低，既难于产生位错又难于移动位错，因而金属材料硬度、强度提高。2.1.3 冷拔的力学原理 冷拔时钢管在力的作用下通过一定形状、尺寸的模具发生塑性变形。目前在生产中的拔制方法大致可分成三种：缩径拔管、减外壁管和

23、减内壁管拔管(如下图2-2所示) 从图2-2中可以看出，冷拔时钢管在拉拔力P，正压力N和摩擦力F的作用下发生相应的变形，大都经过缩径、减壁和定径三个阶段，而且变形区内部产生相应的应力，其中轴向为拉应力，径向和周向为压应力，拔管过程中金属处于一向拉应力和两向压应力状态(冷拔钢管变形过程中的基本力学特征)。拔制的最大主应力是拉应力，最小主应力是压应力，两者符号相反，根据塑性方程式 其中 最大主应力，Mpa 最小主应力，Mpa 中间主应力的影响系数，在11.5之间 单向拉仲时的屈服极限，Mpa 由上式可知变形过程中任一方间的主应力，其绝对值都不会大于，所以冷拔的变形抗力较低，同时应力状态中存在拉应力

24、，变形时金属塑性较差，对于低塑性的或因加工硬化而降低塑性的，拔制比较困难。 图 2-1 冷拔钢管的变形及受力情况图1外模 2钢管 3内模2.2 拉拔力的计算 2.2.1 空拔钢管拔制应力的计算 别尔林采用设轴间主应力的力方向和模孔轴线平行，在变形区中取长度为dx的环状单元体，列出单元体的力平衡微分方程式通过推导得出的拔制应力计算公式为2.2.2 计算拔制力的经验公式 无芯棒空拉薄壁管叶梅利亚年科阿里舍夫斯基公式 （1） （2） （3）（4）可得拉拔力 2.3 本章小结 本章较为详细地介绍了冷拔工艺特点、金属学原理及力学原理，同时也给出了应力计算公式，这些理论推一导出的应力计算公式可为实际生产和

25、验证有限元解提供依据，同时初步的计算出来此次设计所需的最大拉拔力。另外对拉拔的一些方法也做出了一个简单的概述。3 第3章 拉拔机简介 第3章 拉拔机简介3.1 拉拔机的基本结构构成 基本上由拉模、拉拔小车、钢丝绳、卷筒、C形架（C形架内装有轨道，用来支撑小车，C形架下部有滑料架）、张紧及配重装置、动力装置（包括拉拔和返回电机）等，另外除了拉拔机主题设备以外，一些矫直以及后处理装置在此不作研究。 3-1拉拔机图3.2 拉拔机初步方案论证 液压钢丝绳组合式拉拔机主要有主电机泵组、油箱、油缸、控制阀、机座、钢丝绳滑轮组、床身、拉拔小车、拉模座等组成。拉模座通过床身与机座连接， 拉模座上装有拉拔模具，

26、 拉拔小车安装在床身的导轨上， 两个拉拔油缸安装在机座上， 布置在床身两边， 与床身的导轨平行， 油缸杆前端与钢丝绳滑轮组相连， 油缸杆可沿着导轨的相反方向伸出， 钢丝绳一端与机座固定， 另一端通过滑轮组与拉拔小车连接。油泵、电机、油箱、阀等组合成整体部件安装在机座上。 液压钢丝绳组合式拉拔机取消了调速电机、减速机、主副连轴器、拉拔牵引链、传动链轮，以体积小、重量轻的液压系统代之， 因此整体重量大大减轻， 安装调试大为简便。液压钢丝绳组合式拉拔机的主油泵采用的是恒功率变量泵， 电机功率得到充分利用， 因此装机功率比同规格的链式拉拔机减小百分之二十以上。恒功率变量系统能根据拉拔荷载自动改变拉拔速

27、度， 荷载大时拉拔速度自动变小， 反之荷载小速度变大， 拉拔效率比链式拉拔机高出百分之十。 液压钢丝绳组合式拉拔机的液压系统，拉拔力可调，拉拔速度平稳，钢丝绳组具有吸振能力，能适应拉拔过程中咬入、拉拔、脱模的载荷变化。因此， 产品质量高于链式拉拔机。液压钢丝绳组合式拉拔机的拉拔长度是通过钢丝绳的倍率来实现的，油缸的行程仅为拉拔长度的几分之一，采用普通的单级油缸即能满足使用。因此，整体设备的价格远远低于目前使用的液压拉拔机。通过拉拔力、生产效率以及产品质量等相关比较，本设计选用液压钢丝绳组合式拉拔机。3.2.1设计路线（1） 进行简单的应力分析；（2） 由于选择无芯棒空拉薄壁管，根据相关公式计算

28、得出拉拔力（同时明白残余应力的产生以及消除方法）；（3） 设计拉模包括大小结构尺寸的设计，材料的选择（4） 拉拔小车的设计（5） 在对比链式拉拔机，联合拉拔机等几个拉拔机优缺点之后，本设计选择钢丝绳拉拔机（6） 拉拔机工作机座的设计润滑和密封 3.3 管材拉拔时的润滑3.3.1管材拉拔用润滑剂（1） 钢管拉拔的润滑：钢管的拉拔，一般先将坯管进行酸洗以除去氧化皮，然后经磷化一皂化表面预处理，所形成的润滑膜可满足拉拔工艺的要求。磷化一皂处理的质量，直接影响管材、模具寿命及生产率。特别对于高精度管材的拉拔，良好的润滑状态是保证生产顺利进行的重要因素。不锈钢管材拉拔的润滑，与棒材线材拉拔的润滑相类同。

29、（2）铝及铝合金管材拉拔的润滑：铝管拉拔一般使用高粘度油，有时根据制品的要求还要加入适量油性添加剂、极压添加剂和抗氧剂等。而铝管的光亮度与润滑油的粘度、拉拔速度和模具状况等因素有关。铝管拉拔也可使用石蜡润滑剂，把管坯浸入经溶剂稀释的石蜡溶液或乳化液中，然后进行拉拔。这样可连续三次拉拔而不必再涂润滑剂，而且拉制的铝管清洁，能保持良好的环境。铝管和硬铝管的重油以较普遍，不过，制品清洗较为困难，有待改善。（3）铜和铜合金管材拉拔的润滑：铜和铜合金管材拉拔，最早是使用一般全损耗系统用油来润滑，后来，为改善制品质量，逐渐采用植物油来代替部分全损耗系统用油。由于设备尚无完善的配套润滑系统，采用手工灌油、环

30、境比较脏，植物油对需退火处理的制品容易产生油斑。水基润滑剂在某些方面显示较多的优越性，以脂肪酸皂类为主要成分的水基润滑剂具有较好的综合性能，应用广泛。铜管的拉拔有直拉和盘拉，在直拉生产中，普遍使用水基乳化液。随着拉拔设备性能的提高和生产技术的发展，管材拉拔速度成成倍地增长，对润滑剂要求也越来越高。 无论是水基或是油基润滑剂应具备的基本性能：1）具有良好的润滑性能，以减少拉拔时的震纹、断头等不良影响，保证制品的高质量，提高生产率。2）不易产生油斑，保证铜管退火后的良好光亮度。3）不会使铜管变色，不产生难以清除的沉积物。4）对铜管的机械性能及表面质量均不能有不良影响。3.4冷拔加工过程中常见的缺陷

31、(1)竹节沿冷拔钢管纵向呈周期性粗细不均现象，形状类似竹节，产生原因主要是钢管表面涂层不均造成拉拔时润滑不良，摩擦系数发生变化。在生产中，摩擦系数的变化主要与钢管的预处理磷化液、皂化液有关，磷化液配比不当或操作时间温度不合适，均难以在钢管表面形成具有一定强度和良好塑性、吸附性能好的磷化膜，皂化时难以形成满足要求的坚固耐磨的润滑层，造成拉拔困难，形成竹节状态。 (2)抖纹 在拔制过程中，钢管和模具系统发生抖动，在钢管表面出现明暗交替的波浪形环痕而纵向壁厚波动，损坏模具并发出很大的声响。产生抖动 的原因在于内模拉杆系统是一个弹性振动系统，当内模在变形区处于稳定位置时，作用在内模上的总摩擦力与拉杆弹

32、性拉伸的反力相平衡。若在拔制过程中摩擦系数频繁变化，则平衡状态不断改变，拉杆的弹性变形量和内模位置随之不断改变，结果引起内模拉杆系统的强迫振动而产生抖动。内模拉杆过细过长，内模位置过前过后以及变形量过大，或液压系统出现问题等均可能发生抖纹缺陷。为防止抖纹产生，应提高预处理液的质量，正确调整模具的位置，避免使用过细过长的内模拉杆。 (3)椭圆 钢管的横截面呈椭圆。造成这种现象的原因是在拔制的过程中使用了模孔椭圆的模具。所以，要定期对模具进行检验，避免使用不合格模具。 3.5影响钢管生产质量的因素3.5.1影响空拔时钢管产生纵裂的因素1、配料的影响：在相同工艺下，配料中碳、磷、锡、铜、砷及合金自勺

33、一含量比正常水平偏高，会导致冷加性能变差，出现纵裂几率增大；2、工艺及生产操作不合理：空拔工序中一次减径量过大或空拔连拔时第二次减径量过大，热处理不及时，在运输、堆放时受到冲击等，这些都是空拔钢管产生纵裂的诱因。3、钢管外径与壁厚之比的影响：根据实际生产中对产品分析可知，钢管外径与壁厚之比越小，发生纵裂的儿率越大。4、润滑的影响：润滑的好坏，直接影到拔制力，在通常情况下，摩擦力占整个拔制力的40%-60%。如果润滑不好，摩擦力将急剧增加，加剧钢管轴向不均匀变形，导致纵裂。3.5.2防止空拔时钢管纵裂的方法针对以上影响因素，在生产中防止空拔时钢管纵裂的有效手段为：制定合理的空拔工艺；改进热处理工

34、艺；改进酸洗、润滑质量；合理选用外模入口锥角等措施。 3.5.3影响空拔时钢管产生横裂的因素危险截面发生在钢管的定径带处，由于钢管在截面上处于外拉内压的状态，当外层上的工作拉应力大于基本拉应力时，则促使外表面产生横裂纹缺陷，这是实际生产中钢管横向裂纹主要产生于外表面的原因，如果再加上钢管本身的塑性差!加工硬化程度大或钢管酸洗润滑不良及钢管表面有缺陷时，空拔钢管出现横裂的几率将明显增加。3.5.4防止空拔时钢管横裂的方法控制和减少钢管横裂缺陷的措施为：1、加强管料的质量控制，保证管料没有严重的夹杂!裂纹等缺陷，对管料进行必要的修磨。2、实施最佳的退火工艺，保证钢管获得最佳的退火质量和最小的氧化度

35、。3、加强酸洗润滑工序控制，通过控制酸洗池深度和兑水量，调节酸洗池酸液浓度，在酸洗过程中不断地翻转钢管，酸液浓度降低时应及时进行补充和调整，保证钢管质量。4、控制毛管壁厚，生产中加强毛管壁厚自检，增设毛管中间检查分选工序，毛管壁厚公差控制在士1%以内，对超厚毛管汇集后单独设计拔制工艺，适当增加拔制道次。3.6常见的影响钢管拔制力的因素及分析3.6.1模锥角对拔制力的影响与两个作用相反的因素有关，第一个因素为：增加，变形区长度减小，摩擦面减小，导致正压力及相应的摩擦力减小，拔制力降低；第二个因素为：增加，正压力水平方向分力增加，同时拔制时在入口处钢管附加弯曲变形的程度加大，导致拔制力增加。当比较

36、小时，第一因素所起的作用是主要的，增大到一定之后，第二因素起主要作用，试验表明，存在一个最佳角度范围，这时拔制力最小图3一2在其他几何尺寸、材料模型和载荷条件不变的情况下通过改变不同的外模锥角二建立分析模型后所得到的拔制力的基础上描绘的曲线，可以看到，模锥角在14时拔制力是最小的。 图32拔制力随模锥角的变化3.6.2摩擦系数对拔制力的影响图3一3是在其他几何尺寸、材料模型和载荷条件不变的情况下通过改变不同的摩擦系数刀建立分析模型后所得到的拔制力的基础上描绘的曲线，可以看出随着摩擦系数的增加，拔制力线性增大，有资料指出，空拔钢管用于克服摩擦所消耗的拔制力约为40%，因此在实际生产过程中有必要通

37、过提高模具内锥面的加工质量、采取可靠的润滑等措施，来减小摩擦系数，以降低拔制力。 图3-3拔制力随摩擦系数的变化3.6.3壁厚对拔制力的影响 图3-4拔制力随壁厚的变化 在其他几何尺寸、材料模型和载荷条件不变的情况下通过改变不同的壁厚S，建立分析模型后所得到的拔制力的基础上描绘的曲线，可以得到随着壁厚的增加，所克服钢管变形做功则相应增大，拔制力线性增大，这可为冷拔设备功率的计算提供较为可靠的依据。3.6.4拔制速度对拔值力的影响图3-5拔值力随拔制速度的变化 由图3一5中的速度与瞬态拔制力曲线可以看出，在钢管拉拔起始阶段拔制速度对瞬态拔制力影响非常明显，并随着拔制速度的增大瞬态拔制力迅速增大；

38、当钢管拉拔过程逐步处于稳态时，从图中拔制速度与稳态拔制力曲线可见，拔制速度对稳态拔制力影响并不明显，拔制力基本保持不变因而在实际生产中开拔时必须采用较-慢的拔制速度，可以有效避免过大的瞬态拔制力，防止拔断钢管，在拔制过程稳定后可以采用高速拔制来缩短拔管所需的时间，从而提高拔管机的生产率。3.6.5 拔制过程中拔制力的变化情况图3-6拔制过程中拔制力的变化情况 通过计算可得，拔制力随拔制过程的变化如图所示，我们将其分为三个阶段： 起始阶段：随着钢管逐渐与模具发件接触，拔制力逐渐增大，对应图中曲线开始时的拔制力(绝对值)随时间快速增大的区段； 流动阶段在钢管与模具基本上完全接触后，金属进入一种非稳

39、态的流动阶段，此时由于金属流动，拔制力迅速减小，同由于流动方向的不确定性拔制力快速变化，对应图中曲线的抖动区段； 稳定阶段：随着拔制过程的深入，金属的流动渐趋稳定，拔制力不再发生变化，对应图中曲线的平直区段。3.7拉拔过程注意的问题拉拔机启动时，拉拔力较大，随着速度的逐渐增加拉拔力迅速减小，在达到一定的转速后，拉拔力便只有微小增加。 原料拉拔时，本身会有一些缺陷，表面处理不完全等，这些都将影响拉拔机的稳定性。电机的转差率会由于负载的变化而变化。拉拔过程中最重要的被控量是钢丝绳的张力，要保证张力在某一范围内变化，才能可保证拉拔机的稳定运行。3.8本章小结本文根据实验计算结果将拔制力分为起始、流动

40、、稳定三个阶段,得出了拔制力与模锥角、壁厚和摩擦系数、拔制速度之间的关系，为空拔钢管优化设计提供有力的依据。通过对几种拉拔机的对比分析后选用液压钢丝绳拉拔机，并简单确定了设计路线。另外，对拔制过程中可能出现的问题缺陷以及拔制的润滑工艺做了比较深入的研究。由于冷拔管产品具有突出的优越性，冷拔产品产量越来越大，大有取代传统的切削加工趋势，所以，对冷拔产品的质量要求越来越高。这就要求在实际加工中加强对关键工序进行控制，以避免冷拔管在生产中产生缺陷。13 第4章 系统动力学分析 第4章 系统动力学分析4.1拉拔原理示意图 图4-1拉拔原理示意图传动路线：拉拔管时：拉拔电动机皮带减速器大卷筒拉拔小车回程

41、时：返回电机减速器小卷筒拉拔小车原理图简要说明：钢管通过拉模被拉拔小车夹紧后，在电动机的驱动下，通过皮带以及减速器，带动卷筒上的钢丝绳运转，对拉拔小车施加牵引力，小车向前行进的过程实现钢管的拉拔。4.2 基本参数的确定4.2.1钢丝绳选择（1） 钢丝绳表面状态代号：光面钢丝绳NAT（2） 结构代号：填充式钢丝绳FI（3） 629：外层股数X每个外层股中钢丝的数量及相应股的标记（4） IWS：金属丝股芯 10 NAT 629FI + IWS（金属绳芯填充钢丝绳）4.2.2拉拔钢丝绳直径的计算与选择1） 直径可由钢丝绳最大工作静拉力按下式确定 d：钢丝绳最小直径 C：选择系数， S：钢丝绳最大工作

42、静拉力 S = N ，牵引绳 n选n=5查手册取C=0.009取同理得返回钢丝绳的直径d=10mm4.2.3卷筒选择卷筒名义直径 ：与机构工作级别和钢丝绳结构有关的系数，按表选取=37，d=22mm=hd=814，取=828mm长度双联卷筒：卷筒有螺纹槽部分长度，取=1317mm：无绳槽的卷筒端部尺寸（按需确定） 取32.5mm：中间光滑部分长度，根据钢丝绳允许偏斜角度确定。 =83mm得卷筒轴校核（45钢）， 取4.2.4选择电机a) 确定负载类别：负载平稳，对启动制动无特殊要求的长期运行的机械b) 根据17-38YR系列（IP33)绕线转子三相异步电动机用途：适用于不含易燃易爆或者腐蚀性气

43、体的场所，如压缩机、卷扬机，拔丝机，传输带等Y系列三相异步电机定子绕组为接法，转子绕组为Y接法安装方式B3（R绕线转子）(4) 传动比计算a)皮带传动比：普通V带，C型皮带传动比 ：小带轮节圆直径：大带轮节圆直径：弹性滑动系数b)减速器传动比ZSY 355-80-4ZSY：三级减速器 Y：硬齿面355：低速级中心距：22100故电机转速根据额定功率以及同步转速选择电机型号：YR225M2-8，额定功率的大小为30KW，同步转速750r/min型号额定功率同步转速YR225M2-830kw750 r/min 传动装置的总效率 4234221hhhhh=式中 联轴器的效率； 轴承传动效率；齿轮啮合

44、传动效率； 卷筒传动效率。其中=0.99；=0.98；=0.97（精度等级为8级）；=0.96则总效率82.096.097.098.099.0242=4.3本章小结 本章主要分析了拉拔机的拉拔原理，进而对拉拔卷筒、钢丝绳以及电机做出计算选择，通过分析系统的动力，对拉拔机整个设计结构具有决定性的作用。19 第5章 拉拔机设计 第5章 拉拔机设计5.1设计总则1）拔管生产，安全第一。2）面向生产，力求实效，以满足用户最大实际需求。3）贯彻执行国家、部、专业的标准及有关规定。4）技术比较先进，并要求多用途。5.2普通拉模设计计算首先根据模孔纵断面的形状可将普通拉模分为弧线形模和锥形模，如图示， （a

45、)锥形模 (b)弧线形模润滑带 压缩带 工作带 出口带图51模孔的几何形状 弧线形模一般只用于细线的拉拔。拉拔管、棒型及粗线时，普遍采用锥形模。锥形模的模孔可分为四个带：润滑带、压缩带、工作带、出口带。1）润滑带（入口锥、润滑锥）的作用是在拉拔时事润滑剂容易进入模孔，减少拉拔过程中的摩擦，带走金属由于变形和摩擦产生的热量，还可以防止划伤坯料。设计计算管制品拉模的润滑锥常用一半径为4mm8mm的圆弧代替。本设计选用锥角=50，润滑锥的长度是制品直径的1.5倍。润滑锥选用R=6mm的圆弧。2）压缩带 又称变形带，坯料在该区发生塑性变形，并获得所要求的尺寸和形状。一般情况下，压缩带的长度对线材拉模不

46、小于定经带直径对于棒管材拉模压缩带长度=（0.70.8)。本设计取=0.83）工作带工作带的作用是使制品获得稳定而精确的形状与尺寸。工作带的合理形状是圆柱形，在确定工作带直径时应考虑制品的公差，弹性变形和模子的使用寿命，在设计模孔工作带直径时要进行计算，实际工作带的直径应比制品名义尺寸小。对于不同的制品，其工作带的长度有不同数值范围。图5-2 工作带长度与模孔直径关系线材棒材空拉管材4)出口带 出口带的作用是防止金属出模时被划伤和模子定径带出口端因受力而引起的剥落。出口锥角为3045。出口带的长度一般取（0.20.5）根据以上内容，本次设计选用锥形模，原料为外径32mm，厚度为2mm的T22钢

47、管，拟拉成内径25mm，壁厚为的管。因此，锥形模模孔四个带即润滑带，压缩带，定径带，出口带尺寸如下：在设计时选用的润滑带锥角值50，润滑锥的长度，润滑锥选用R=6mm的圆弧，压缩带长度取，模角为，定径带长度，出口带长度，出口锥角为455.3 C形支架图5-3 C形架5.3.1滑道设计 本设计中采用管径为32，由于管很长（达63米），故一次性拉拔完成后整体落料。采用如图所示的滑道，在整体拉拔后管沿着滚道滑下。5.3.2滚道的半径设计坡度不能太陡，否则下滑速度过快，造成管材的损坏，同时也不能太过于平缓，使管材不能顺利快速下滑，影响工作进度。同时考虑到C形架整体的稳定性，本设计中采用的管道尺寸及形状

48、如上图。基本尺寸见表6-1滑道大半径R1252mm滑道小半径r535mm滑道间距L195mm滑道下落点距地面高度232mm5.3.3夹扶钳设计由于本设计中拉拔管长度很长，达63米，故为了保证管在拉拔过程的连续性以及拉拔的质量，必须保证管在拉拔过程的高度一致性。同时也为了夹紧钢管不使其中途滑落，夹扶钳的设计是拉拔机设计的关键环节。图5-4夹扶钳在每个C形架上安装图示的夹扶钳。通过弹簧、电磁铁来实现夹臂钳的收放。1）原理说明利用夹钳臂夹紧时钳口的尼龙衬套固定拉管，保证拉拔的平稳性。当小车经过某个C形架时，电磁铁断电，在弹簧的作用力下夹钳臂被拉起，使拉拔小车顺利通过。考虑到拉拔空间以及夹扶力的大小，

49、夹钳臂的设计尺寸如下图所示2）本设计优化改进在通常的设计中，没有图中的压簧（结构25），这样在电磁铁通电的过程中，很可能由于吸附力的不够导致弹簧拉杆未能顺利向上运动，不能实现夹钳臂的夹持功能。而在本设计中添加了压簧这一结构，可以同时使电磁铁与拉杆上的吸头靠近，减少了电磁铁的行程，大大保证了电磁铁与吸头的顺利接触。5.3.4 C形架简单受力分析根据拉拔小车两轮之间的距离确定轨道之间的距离和高度。同时考虑夹扶钳以及小车车身的高度，确定C形架的内部空间。对C形架进行简单的受力分析，如图示。图5-5 C形架简单受力分析 5.4 头座的设计5.4.1中间孔设计根据拔模尺寸，另外预留液压管和电线，本设计采

50、用300mm的通孔，并在俩侧开有方孔，使得拉拔钢丝绳顺利通过。头座其他部分按照轨道以及C形架的结构对应设计，尺寸供作参考。5.5张紧及配重装置图5-6 张紧及配重由于本设计采用钢丝绳拉拔，拉拔过程中出现震动以及电机启动、制动过程中，会使钢丝绳产生张紧或者放松，故为了保证拉拔的连续平稳性，必须设置张紧装置。如图，钢丝绳通过滑轮缠绕，并且在配重的作用下实现张紧。5.5.1滑轮简单的受力分析在钢丝绳与滑轮接触的面上施加垂直于面的力，利用solidworks中的分析软件得出滑轮的受力变形图。图5-7图5-8图5-9通过以上分析，可知绳与滑轮接触的扇形区域内受力以及变形最大，故设计中应考虑加强此处的材料

51、强度。5.6头座地脚螺栓的受力分析如图，头座受力可简化为上图，易计算其力矩即知螺栓受倾覆力矩作用，螺栓所受最大工作载荷即有接合面右端满足接合面左端满足则由上式确定最大预紧力，从而确定选用螺栓直径。5.7拉拔机主要部件的强度校核 5.7.1小车挂钩校核 中性层到表面纤维距离 中性层到内纤维距离 A-A断面上的正压力 弯矩M 外纤维的应力 内纤维的应力 5.7.2 卷筒轴受力分析先对卷筒轴进行受力分析 将大齿轮、卷筒看作一个整体求轴承作用卷筒上的力。 经分析知当钢丝绳位于靠大齿轮一端时轴承、的受力最大将各力移至 卷筒轴心上卷筒受力简图、水平面及垂直面受力分别如图a、b、c所示。 5-10卷筒受力图

52、已知条件：拉拔力P=12447N 卷筒直径828mm T =12447414=5153kN69643N25348N1、 求水平面受力：由 即 2、求垂直面受力：（F点与C点重合） 得3、求合力：5.7.2对卷筒轴进行受力分析1、求水平面受力 2、求垂直面受力： 3、求合力：5.7.3卷筒轴上轴承的寿命验算卷筒轴上A、B两处均选用深沟球轴承63152Z型（GB/T276-1994）。由于A处轴承受力较大，故只需校核A处的轴承。由手册查得： 10000h由以上计算可知，轴承的寿命满足要求。5.7.4卷筒轴上卷筒与大齿圈联接螺栓的强度验算螺栓的校核公式为： 上式中：滚筒所受的额定扭矩，螺栓孔中心圆直

53、径，；螺栓数目，；螺栓孔直径，；螺栓材料的许用应力，查机械零件得，取： 由以上计算可知，螺栓的联接是安全的。5.8本章小结本章开始对拉拔机具体结构件进行了详细的分析计算，同时对一些重要的部分做了强度校核以及有限元分析。35 第6章 优化设计及三维仿真 第6章优化设计以及三维仿真6.1 ANSYS有限元分析软件概况 ANSYS有限元分析软件是一个利用计算机技术进行工程分析的大型通用软件，可运用于巨型计算机小型计算机工作站和IC机上。ANSYS程序能满足从汽车、电子到宇航、化学等大多数工业领域的有限元分析需要，其功能己被全世界公认，ANSYS软件在1995年成为分析设计领域中第一个，也是迄今为止唯一通过工509001质量认证的软件，是美国机械工程师协会(ASME)、美国核安全局(NQA)认证的标准软件之一。它允许在同一模型上进行各式各样的耦合计算。ANSYS/LS一DYNA的前后处理器是ANSYS/PRE一pOST，求解器LS一DYNA，是全世界最知名的有限元显式求解程序，LS一DYNj在1976年由美国劳伦斯，利沃莫尔国家实验室，J.O.Hallq博士主持开发，时间积分采用中心差分格式，当时主要用于求解三维非弹性结构在高速碰撞、爆炸冲击下-的大变形动力响应，1988年J.0.Hallq创建了利沃莫尔软