简易管子除锈机设计
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河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师:孙有亮 设计题目:简易管子除锈机设计设计人:田敬东设计项目计算与说明结果11金属管子的应用12金属管子除锈机的作用及原理1.3传统管子除锈机的特点14本设计成果的特点第二章 总体设计21概述22总的设计原则23设计任务24设计目的25设计方案选择2.6主要参数的确定第三章 螺旋传动机构的设计计算3.1耐磨性计算3.2验算自锁3.3校核强度3.4螺杆的稳定性计算3.5轴承的选择第四章 蜗轮蜗杆的设计计算41蜗轮蜗杆的类型、特点4.2设计前分析:4.3设计计算4.4联轴器的选择第五章 带传动的设计计算5.1设计功率Pd5.2 选定带型5.3 传动比5.4 带轮直径5.5减速机的实际转速5.6带速5.7轴间距设计计算5.8小带轮包角5.9单根V带的额定功率5.11单根V带的预紧力5.12 带轮的结构尺寸第六章 主轴传动部分的设计计算6.1设计功率Pd6.2 选定带型6.3 传动比 6.4 带轮直径6.5减速机的实际转速6.6带速6.7轴间距设计计算6.8小带轮包角6.9单根V带的额定功率6.10确定V带的根数6.11单根V带的预紧力6.12 带轮的结构尺寸6.13主传动轴的设计计算 第七章 轴的选择和校核7.1蜗轮轴的设计计算第8章 传动、减速装置的润滑第9章 机架的分析与设计9.1机架的分类9.2 机架的设计准则9.3 机架设计的一般要求9.4 机架设计步骤9.5 机架结构的选择9.6 机架常用的材料第十章 其他机构的选择10.1导轨的选择10.2夹紧机构的选择第8章螺旋机构的设计第9章机架的分析与设计第1章 概述1.1金属管子的应用 随着国民经济的发展,钢材的应用越来越广泛,涉及到各个方面,各个行业。钢管是一种中空的长条钢材,大量用作输送流体的管道,如石油、天燃气、水、煤气、蒸气等,另外,在搞弯、抗扭强度相同时,重量较轻,所以也广泛用于制造机械零件和工程结构。也常用作生产各种常规武器、枪管、炮弹等。钢管的分类:钢管分无缝钢管和焊接钢管(有缝管)两大类。按断面形状又可分为圆管和异形管,广泛应用的是圆形钢管,但也有一些方形、矩形、半圆形、六角形、等边三角形、八角形等异形钢管。无缝钢管:无缝钢管是用钢锭或实心管坯经穿孔制成毛管,然后经热轧、冷轧或冷拨制成。无缝钢管的规格用外径*壁厚毫米数表示。无缝钢管分热轧和冷轧(拨)无缝钢管两类。热轧无缝钢管分一般钢管,低、中压锅炉钢管,高压锅炉钢管、合金钢管、不锈钢管、石油裂化管、地质钢管和其它钢管等。冷轧(拨)无缝钢管除分一般 钢管、低中压锅炉钢管、高压锅炉钢管、合金钢管、不锈钢管、石油裂化管、其它钢管外,还包括碳素薄壁钢管、合金薄壁钢管、不锈薄壁钢管、异型钢管。低中压锅炉用无缝钢管:用于制造各种低中压锅炉、过热蒸汽管、沸水管、水冷壁管及机车锅炉用过热蒸汽管、大烟管、小烟管和拱砖管等。用优质碳素结 构钢热轧或冷轧(拨)无缝钢管。主要用10、20号钢制造,除保证化学成分和机械性能外要做水压试验,卷边、扩口、压扁等试验。热轧以热轧状态交货、冷轧 (拨)以热处理状态交货。高压锅炉钢管:主要用来制造高压及其以上压力的蒸汽锅炉管道等用的优质碳素结构钢、合金结构钢和不锈耐热钢无缝钢管、这些锅炉管经常处于高温和高 压下工作、管子在高温烟气和水蒸汽的作用下还会发生氧化和腐蚀,因此要求钢管有高的持久强度、高的抗氧化性能,并具有良好的组织稳定性,采用钢号有:优质 碳素结构钢钢号有20G、20MnG、25MnG;合金结构钢钢号15MoG、20MoG、12CrMoG、15CrMoG、12Cr2MoG、 12CrMoVG、12Cr3MoVSiTiB等;有锈耐热钢常用1Cr18Ni9、1Cr18Ni11Nb高压锅炉管除保证化学成分和机械性能外,要逐 根做水压试验,要作扩口、压扁试验。钢管以热处理状态交货。此外,对成品钢管显微组织、晶粒度、脱碳层也有一定要求在机械制造业的实际生产中,经常会用到一些金属管子,而管子生锈便成了不可避免的问题,生锈的管子会使在生产中面临很多问题,比如管子的焊接、安装,甚至会影响到设备的工作,使得其工作效率降低,增大能耗,影响产品生产质量,甚至带来生产安全隐患。所以在管子使用之前对其表面进行除锈工作是很有必要的。管子除锈是管子使用前的一项重要工序,尤其是在钢管使用后非常有必要对管道进行除锈。这对钢管的使用寿命有着很重要的意义。12金属管子除锈机的作用及原理金属管子除锈机的作用: 在机械制造业的实际生产中,经常会用到一些金属管子,而管子生锈便成了不可避免的问题,生锈的管子会使在生产中面临很多问题,比如管子的焊接、安装,甚至会影响到设备的工作,使得其工作效率降低,增大能耗,影响产品生产质量,甚至带来生产安全隐患。所以在管子使用之前对其表面进行除锈工作是很有必要的。此时一台简易而又高效的管子除锈机便可解决这个问题。常见的金属管子除锈方法及其特点:(1)摩擦除锈及本次设计所采用的方法,成本低,操作简单,除锈效果因设备不同而差异较大,噪音和粉尘问题突出。(2)喷丸除锈,可以有效的清除金属表面的氧化皮,锈蚀,旧漆膜等杂质。(3)化学除锈,化学清洗虽然能使表面达到一定的清洁度和粗糙度,但其对环境的污染问题较为严重,影响工人健康。管子除锈机的基本结构和除锈原理:简易管子除锈机一般由机械动力头、机身、传动机构、工作装置等组成。除锈原理也较为简单,将管子固定在机身,通过动力机构带动其旋转,工作装置利用摩擦的原理即可对管子完成快速而简易的除锈。13传统管子除锈机的特点传统的除锈机,其体积大,不宜搬动,难以适应维修现场流动性大的需要。工作时震动大,噪音大,效率低,而且成本高,难以满足实际需要。 图1-1 传统管道除锈机14本设计成果的特点本设计中的简易管子除锈机的最大特点是成本低,体积小,结构简单,易操作,噪音小,工作稳定,效率高。主轴传动采用结构较为简单的皮带传动,可以大大减小本机体积。工作装置的进给采用丝杠传动,可以提高工作稳定性实现自动进给。丝杠传动原动力来自电机加皮带,结构简单,工作可靠。整机重量较轻,操作、搬运所需人力少,除锈速度快,功效大大提高,运行平稳、可靠,节能,能自动调节钢丝刷对管道的压力,减小了除锈机对管道的机械磨损,提高了除锈的质量。第二章 总体设计2.1 概述总体设计是机械设计中极为关键的环节,它是对所设计的机械的总的设想,总体设计的成败,关系到整部机械的经济技术指标,直接决定了机械设计的成败。总体设计指导机构设计和部件设计的进行,一般由主任工程师(或总工程师)主持进行。在接受设计任务以后,应进行深入细致的调查研究,收集国内外同类机械的有关资料,了解当前国内外除锈机的使用、生产、设计和科研情况,并进行分析和比较,制定总的设计原则,设计原则应当保证所设计机型符号有关的方针、政策,在满足使用要求的基础上,力求结构合理、技术先进、经济性好、质量轻、体积小、易操作、寿命长。2.2 总的设计原则:1.遵守“三化”:零件标准化、产品系列化、部件通用化。2.采用“四新”:新技术、新结构、新材料、新工艺。3.满足“三好”:好制造、好使用、好维修。制定总则之后,便可以编制设计任务书,在调研的基础上,运用所学知识,从优选择总体方案,以确保设计的成功。制定总则之后,便可以编制设计任务书,在调研的基础上,运用所学知识,从优选择总体方案,以确保设计的成功。 2.3 设计任务本毕业设计课题任务的内容:管子除锈机是用于金属管子除锈的专用设备。主要由机械动力头、机身、传动机构、工作装置等组成。本设计是在机械动力头的基础上,增加适当的零件,实现金属管子机械化除锈工作,达到成本较低、结构合理、劳动强度低、效率高的目的。2.4 设计目的1培养学生综合应用所学理论知识和技能,分析和解决机械工程实际问题的能力,熟悉生产技术工作的一般程序和方法。 2培养学生懂得工程技术工作所必须的全局观念、生产观念和经济观念,树立正确的设计思想和严肃认真的工作作风。 3培养学生调查研究,查阅技术言文献、资料、手册,进行工程计算、图样绘制及编写技术文件的能力。2.5 设计方案选择管子除锈机为机械加工的一种机器,除锈的目的是对已经使用后的钢管进行抛光,使其工作时不影响其性能,并能延长钢管的使用寿命。管子除锈机机为机械加工的一种机器,所除锈钢管最大直径为25mm。长度6m。丝杠进给速度为:1m/s1总体设计方案:本设计方案是:该机主要由机架、电动机、变速传动机构、主轴、钢丝刷、进刀机构、管子夹紧机构等组成。其结构简图为其结构为;1-皮带传动 2-丝杠 3-导轨 4-涡轮涡杆减速器 5-电机 6-末端加紧机构 7-钢丝刷 8-三爪卡盘其工作过程:三爪卡盘(8)将金属管子夹紧,再使用末端夹紧机构(6)将管子夹紧固定,开动电机,动力经三爪卡盘传递给金属管子,管子转动起来,电动机(5)通过皮带将动力传递给涡轮涡杆减速器(4),涡轮涡杆减速器再将动力传递给丝杠(2),钢丝刷(7)由于丝杠的转动而实现左右移动。钢丝刷是圆周布置的,可以对金属管子进行均匀的除锈。2各部分特点;图中两处使用皮带传动,皮带传动可用于两轴中间距较大的传动,还具有缓和冲击,吸收震动,噪音小,成本低,保养维修较方便,可过载保护等。但其传动比不准确,抗热性差,易衰老等。夹紧机构分为两部分,管子前端利用三爪卡盘夹紧,可自动定心,夹紧可靠,管子末端加紧采用活顶尖,其结构简单,也可以实现自动定心,使用非常方便。钢丝刷的运动轨迹靠导轨来实现,导轨是金属或其他材料制成的槽或脊,可承受,固定,引导移动装置或设备并减少其摩擦的一种装置。导轨表面上的纵向槽用于导引,固定机器部件,可实现直线往复运动,拥有比直线轴承更高的额定负载,同时可以承担一定的扭矩,可在高负载的情况下实现高精度的实现运动。钢丝刷的左右移动依靠涡轮涡杆减速器带动丝杠来实现: 蜗轮蜗杆传动蜗杆传动是由蜗杆、蜗轮组成的用以传递空间交错轴间的运动和动力的一种机械传动,通常交错角为90度。与齿轮传动相比较,蜗杆传动具有以下的特点: 单级传动比大,结构紧凑。在动力传动中,单级传动比i一般为880;只传递运动时(如在某些分度机构和仪表中),单级传动比i可达到1000。 因为蜗杆齿是连续不断的螺旋齿,它和蜗轮轮齿的啮合过程是连续的,而且同时啮合的齿对数较多,故传动平稳,噪音小。 当蜗杆的导程角r小于齿面间的当量摩擦角时,蜗杆传动可以实现自锁。 因为蜗杆与蜗轮齿面间相对滑动速度较大,摩擦损失较大,所以传动效率比较低,当蜗杆主动时,传递效率一般为0.70.9,而自锁蜗杆传动的效率0.5。 蜗轮常用贵重的减摩材料(如青铜)来制造,成本较高。2.6主要参数的确定除锈钢管直径范围;15mm25mm除锈钢管最长长度;6m工作装置进给速度;1m/min主轴转速;200r/min确定动力装置所需功率,选择电机:电动机的选用原则(1)与工作现场的能源条件相适应。室内工作或者近距离移动式的产品,应选用二次电动机。野外工作或者远距离移动式的产品应选用一次动力机(柴油机、汽油机、汽轮机等)(2)与工作终端机机械特性相匹配主要是指由动力机-传动装置-工作机构组成的系统在运行时实现以下三个目标;动力机和工作机处于最佳工况,动力机和工作机的工作地点稳定,动力机和传动装置符合工作机的起动、制动、调速等方面的要求。 (3)适应产品的工作制度(4)工作可靠、操作与维修简便(5)费用低廉,动力机满足产品工作现场的特殊要求,如防蚀、防水等。粗磨管子表面的横进给量; 金属机械加工工艺人员手册 (上海科学技术出版社)其d工作外径mm v工作转速r/min修正系数,可以选2.25和1.3 工作装置所需功率: =0.63KW传动中涉及带传动,蜗轮蜗杆传动,丝杠传动,考虑到轴承等的传动效率,依据机械设计课程设计中的表12-8可确定传动效率为0.3电动机输出功率:根据机械设实用手册 (化学工业出版社)表10-4-1选择电机型号为;Y100L1-4,功率为2.2KW 转速:1430r/min根据公式机械设实用手册 (化学工业出版社)可得;=第三章 螺旋传动机构的设计计算螺旋传动利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求主要用来把回转运动变为直线运动,同时传递动力。螺旋传动具有以下特点:在主动件上作用一较小力矩时,可使从动件得到很大的轴向力;螺杆旋一周,螺母只移动一个导程,可以得到大的减速比;传动均匀准确,可以得到较高的传动精度;传动易于实现反向自锁;传动平稳,结构简单。3.1耐磨性计算新编机械设计师手册(机械工业出版社)中查得螺杆选用材料:40号钢螺母 :铸铁滑动螺旋传动采用矩形螺纹3.1.1. 螺杆中径计算:F 轴向载荷A 螺纹的承压面积(指螺纹工作面表面投影 到垂直于轴向力的平面上的面积)d1 螺纹小径(单位为mm)d2 螺纹中径(单位为mm)d3 螺纹大径(单位为mm)h 螺纹工作高度(单位为mm)P 螺纹螺距(单位为mm)H 螺母高度(单位为mm)Z 螺纹工作圈数 = H/P滑动螺旋传动的失效形式多为螺纹牙磨损,因此,螺杆直径和螺母高度通常由耐磨性计算确定。传力较大时,应当检验螺杆危险截面的强度和螺牙的强度要求自锁时,应校和螺纹副自锁条件。要求运动精确时,还要校和螺杆刚度,此时,螺杆直径往往由刚度确定。对于长径比很大的受压螺杆,应校和其稳定性。考虑到螺感受力情况复杂并有刚度和稳定性问题,计算其螺纹部分的强度和刚度时截面积和惯性矩可按螺纹小径计算。新编机械设计师手册(机械工业出版社)中查得设计公式: 对于整体式螺母取0.8(设计按经验参考取值1.2)查表5-12机械设计(西北工业大学)P取值13MPa 考虑到使用中可能会出现丝杠不稳定现象,所以因加大直径,取d2=38mm由机械设计手册(化学工业出版社)查得:d1=31mm; d3=44mm 螺距P=12mm3.1.2.螺母高度:新编机械设计师手册(机械工业出版社)中查得 取45mm3.1.3.旋合圈数:新编机械设计师手册(机械工业出版社)中查得 合格 3.1.4.螺纹的工作高度:新编机械设计师手册(机械工业出版社)中查得 3.1.3.工作强度: 成功 3.2验算自锁 由于系单头螺纹,导程S=P=1.5mm,故螺纹升角为; 合格3.3校核强度由于螺母的材料一般比螺杆材料软,所以磨损主要发生在螺母的螺纹牙表面。滑动螺旋的磨损与螺纹牙工作面上的压强,滑动速度,螺纹牙表面粗糙度以及润滑状态等因素有关。其中最主要的是螺纹牙工作面上的压强,其他因素的影响尚无完善的计算方法。所以,耐磨性计算主要是限制螺纹牙工作面的压强不超过许用值3.3.1.螺杆强度的校核压力(或拉力)F和扭矩T的作用。螺杆危险截面既有压缩应力,又有切应力。因此校核螺杆强度时,应根据第四强度理论求出危险截面的计算应力Ca.由机械设计(西北工业大学)查得或式中:F 螺杆所受的轴向压力,单位为N。A 螺杆螺纹的危险截面面积;A=d12/4,单位为mm2。W 螺杆螺纹段的抗扭截面系数,W=d13/16=Ad1/4,单位为mm3。T 螺杆所受的扭矩, 单位为Nmm 。 螺杆材料的许用应力,单位为MPa 表5-1机械设计(西北工业大学)查得 由式5-48 由表5-12取 查机械工程材料手册(曹正明) 40钢bsHBS98MPa78 MPa70表3-1查表5-13机械设计(西北工业大学)=s/4=19.63成功。3.3.2.螺纹牙的强度计算螺纹牙多发生剪切和挤压破坏,一般螺母的材料强度低于螺杆,故只需校核螺母螺纹牙的强度。如图3-1所示,如果将一圈螺纹沿螺母的螺纹大径D(单位为)处展开,则可看作宽度为D的悬臂梁。假设螺母每圈螺纹所承受的平均压力为F/z,并作用在以螺纹中径D2(单位为)为直径的圆周上,则螺纹牙危险截面a-a的剪切强度条件为螺纹牙危险截面a-a的弯曲强度条件为 式中:b 螺纹牙根部的厚度,单位为,对于矩形螺纹,b=0.5P,对于梯形螺纹,b=0.65P,对于锯齿形螺纹,b=0.75P,P为螺距; 弯曲力臂,单位为(=(D-D2)/2; 螺母材料的许用切应力,单位为MPa;b 螺母材料的许用弯曲应力,单位为MPa; 螺杆剪切强度;螺杆弯曲强度: 螺母剪切强度螺母弯曲强度成功。螺纹牙简图3.4螺杆的稳定性计算对于长径比大的受压螺杆,当轴向力F大于某一临界值时,螺杆就会突然发生侧向弯曲而丧失其稳定性。因此,在正常情况下,螺杆承受的轴向力F必须小于临界载荷Fcr。根据螺杆的柔度值S的大小选用不同的公式计算,此处,为螺杆的长度系数; 为螺杆的工作长度,单位;螺杆两端支承时取两支点的距离作为工作长度 ,螺杆一端以螺母支承时以螺母中部到另一端支点的距离作为工作长度 ; 为螺杆危险截面的惯性半径,单位为; 若螺杆危险截面积; 则。设计螺杆螺纹段的长度 为3000;查表5-14机械设计(西北工业大学)取=0.50。则; 需要进行稳定性计算 合格3.5轴承的选择根据丝杠的直径,以及丝杠受力,选择圆锥滚子轴承,型号是:32007 丝杠承受的横向力为315N,承受的纵向力经估算为1060N,机械设计使用手册(化学工业出版社)查表6-1-54得:e=0.29,Y=2.1,查表6-1-20,X=0.67,Y=2.1当量动载荷:,载荷平稳,查表6-1-19得=1基本额定动载荷:轴承寿命:使用条件为每天8h工作的机械,但经常不是满负荷使用,如电机,一般齿轮装置、压碎机、起重机和一般机械中轴承使用寿命为1000025000小时。符合本设计的要求,所以满足工作条件。第四章 蜗轮蜗杆的设计计算41蜗轮蜗杆的类型、特点减速器是指原动机与工作机之间独立的闭式传动装置,用来降低转速并相应地增大转矩。减速器的种类很多,但几乎大部分的减速器已有标准系列产品,使用时只需结合所需传动功率、转速、传动比、工作条件和机器的总体布置等具体要求,从产品目录或有关手册中选择即可。只有在选不到所以满足工作条件的产品时,才自行设计制造。蜗杆传动属于空间啮合传动,用于传递两交错(既不平行又不相交)轴间的回转运动和动力。轴交角可为任意值,但在绝大多数情况下使用正交蜗杆副,即=90。它主要由蜗杆和蜗轮组成,蜗杆相当于一头或多头的等导程(或变导程)螺旋,蜗轮则为变态斜齿轮(或为直齿轮)。在蜗杆传动中,通常蜗杆为主动件,蜗轮为从动件。但有时为了增速如离心器中的蜗杆传动,蜗轮是主动件,而多头或人导程角的蜗杆则为从动件。根据蜗杆形状的不同,蜗杆传动可以分成三种类型:圆柱蜗杆传动,环面蜗杆传动和锥蜗杆传动。圆弧圆柱蜗杆减速器:CWU(蜗杆在下)、CWS(蜗杆在侧)、CWO(蜗杆在上)为单级圆弧圆柱蜗杆减速器,主要适用于冶金、矿山、起重、运输、化工建筑等各种机械设备的减速传动,蜗杆为圆环面包络圆柱蜗杆(ZC1蜗杆),C1齿形。标准减速器的工作条件;蜗杆转速不超过1500r/min;工作环境温度为-40 +40C;当工作环境温度低于0C时,起动前润滑油必须加热到0C以上,当工作环境温度高于40C时,必须采取冷却措施;蜗杆轴可正,反两向运转。与齿轮传动相比较,蜗杆传动具有以下的特点: 单级传动比大,结构紧凑。在动力传动中,单级传动比i一般为880;只传递运动时(如在某些分度机构和仪表中),单级传动比i可达到1000。 因为蜗杆齿是连续不断的螺旋齿,它和蜗轮轮齿的啮合过程是连续的,而且同时啮合的齿对数较多,故传动平稳,噪音小。 当蜗杆的导程角r小于齿面间的当量摩擦角时,蜗杆传动可以实现自锁。 因为蜗杆与蜗轮齿面间相对滑动速度较大,摩擦损失较大,所以传动效率比较低,当蜗杆主动时,传递效率一般为0.70.9,而自锁蜗杆传动的效率0.5。 蜗轮常用贵重的减摩材料(如青铜)来制造,成本较高。4.2设计前分析:由已确定的丝杠参数可以计算出总的传动比 蜗轮转速为;83.34r/min传动比为:10.25工作稳定,连续工作,润滑情况良好,工作温度3540 输入功率为:2.85KW 要求工作寿命12000小时4.3设计计算,参考机械设计使用手册(化学工业出版社)(1)选择蜗杆传动类型,精度等级由于传递的功率不大,速度也不高,故选用阿基米德蜗杆传动,精度8C GB 10089-88(2)选择材料考虑到蜗杆传动功率不大,速度较低,故蜗杆用45号钢,表面淬火,硬度为45-55HRC,考虑为连续工作,蜗轮轮缘采用铸锡磷青铜ZCuSn10PI,金属模铸造(3)初选几何参数由表8-4-4当i=10.25时,=4,=.i=41(4)确定许用接触应力由表8-4-9当蜗轮材料为铸青铜时, =.由表8-4-10查得=220Mpa由图8-4-9查得滑动速度4.5m/s采用浸油润滑,由图8-4-2查得=0.93根据图8-4-4的注中公式求得根据N由图8-4-4查得=0.77许用接触应力为=(5)计算蜗轮输出转矩 估算传动效率 N.m(6)求载荷系数K由表8-4-9知设时,=1,查表8-4-12,8级精度时,=1,由于是连续运转,由图8-4-5得=1,由表8-4-13查得=1.52,由表8-4-14查得=1.15,由表8-4-6查得=0.75所以(7)确定m和查表8-4-2,=,取()主要几何尺寸计算蜗杆分度圆直径蜗轮分度圆直径中心距(9)蜗杆分度圆柱上螺旋线升角(导程角)查表8-4-2得=(10)蜗杆节圆柱上螺旋线升角,=蜗杆轴面齿形角:,阿基米德螺线蜗杆,选(11)蜗杆(轮)法面齿形角,=(12)径向间隙(13)蜗杆,蜗轮齿顶高(14) 蜗杆,蜗轮齿根高(15) 蜗杆,蜗轮节圆直径(16) 蜗杆,蜗轮齿顶圆直径(17) 蜗杆,蜗轮齿根圆直径(18) 蜗杆周向齿距 =(19) 蜗杆沿分度圆柱上的轴向齿厚(20) 蜗杆沿分度圆柱上的轴向齿厚(21) 蜗杆分度圆法向弦齿高 (22) 蜗杆螺纹部分长度L,由表8-4-40 (23)蜗轮最大外圆直径(24)蜗轮轮缘宽度(25)蜗轮齿顶圆弧半径(26)蜗轮齿根圆弧半径(27)蜗轮齿面接触强度校核:由表8-4-9 由于几何参数已经给定,故K和可按以知的几何参数重新计算:由于与原假设的差不多,故仍取=根据由表8-4-15中用插值得,则蜗轮副啮合效率为:取轴承效率,搅油及溅油效率,所以蜗杆传动总效率为由此得:由于,由表8-4-9,取K1=1,则将此时的K与代入蜗轮齿面强度校核公式,并取,所以满足接触强度要求(28)散热计算:由公式8-4-9知传动中损耗功率为:由公式8-4-10和设计要求可导出下式,考虑到自然通风良好,取=则4.4联轴器的选择联轴器的计算转矩:根据机械设计实用手册(化学工业出版社)表7.2-1选择K=1.2 根据表7.1-6选择凸缘联轴器,型号为:YL7第五章 带传动的设计计算皮带传动可用于两轴中间距较大的传动,还具有缓和冲击,吸收震动,传动平稳,无需润滑,噪音小,成本低,保养维修较方便,可过载保护等。带传动的主要失效形式即为打滑和疲劳破坏。因此,带传动的设计准则应为:在保证带传动不打滑的条件下,具有一定的疲劳强度和寿命。查新遍机械设计师手册表4.1-2初拟选用普通V带传动。注:以下均为新遍机械设计师手表。已知:原动机Y100L2-4 传递功率为P=3KW转速n1=1430 r/min 传动比i为1.68 每天工作8h。5.1设计功率Pd由表4.1-9查得工况系数Ka=1.0Pd=2.21.0=2.2KW5.2 选定带型根据Pd=2.2KW和n1=1430r/min ,由图4.1-1选定A型普通V带。5.3 传动比 i为1.685.4 带轮直径小带轮基准直径 : 参考表4.1-14;表4.1-15和图4.1-1取大带轮基准直径: 由表4.1-14取132mm 弹性滑动率 ;通常=0.010.02。5.5减速机的实际转速 5.6带速 V VMIN=5 m/s(一般V 不得低于5 m/s)5.7轴间距设计计算取a0=420mm。所需基准长度: 查表4.1-6选取基准长度=1250。实际轴间距:安装时所需最小轴间距: mmbd 基准宽度,查表4.1-6取bd=11。安装时所需最大轴间距:(张紧或补偿伸长) 5.8小带轮包角:5.9单根V带的额定功率:根据=80和n1=1430r/min 由表4.1-12b查得A型带P1=0.8KW。P1: 考虑传动比的影响,额定功率的增量P1由表4.1-12b查得P1=0.12KW。5.10确定V带的根数: 式中 考虑包角不同时的影响系数,简称包角系数 考虑带的长度不同时的影响系数,简称长度数 单根V带的基本额定功率 计入传动比的影响时,单根V带额定功率的增量(因P0是按=180即dd1=dd2的条件计算的,而当传动比越大时,从动轮直径就比主动轮大,带绕上从动轮的弯曲应力就比绕上主动轮时的小,故其传动能力即有所提高)查表4.1-10 查得=0.99查表4.1-11 查得=0.93 取Z=3根。5.11单根V带的预紧力由表4.1-13查得m=0.11,所以:由于新带容易松弛,所以对非自动张紧的带传动,安装新带时的预紧力应为上述预紧力的1.5倍。5.12 带轮的结构尺寸 设计带轮时,应使其结构工艺性好,质量分布均匀,重量轻,并避免由于铸造产生过大的内应力。V25m/s 时尚需进行动平衡。本设计中V=5.98m/s,无须进行动平衡。 带轮材料常采用灰铸铁、钢、铝合金、或工程塑料等。其中灰铸铁应用最广,当V25m/s时用HT150或HT200,本设计中采用HT200。 带轮由轮缘、轮辐和轮毂三部分组成。轮辐部分有实心、辐板(或孔板)和椭圆形轮辐等三种形式。查表4.1-14得轮缘尺寸表4-1型号A基准宽度11基准线上槽深2.75基准线下槽深8.7槽间距 150.3槽边距 9最小轮缘厚度6带轮宽48小带轮外径85.5大带轮外径137.5轮槽角34偏差根据带轮的基准直径参照表4.1-17,决定小带轮、大带轮采用实心轮辐。根据电动机尺寸和蜗杆尺寸确定小带轮内径为28 mm,大带轮内径为60mm,键选用普通平键C型b=8,h=7,L=50。带轮轮槽工作表面粗糙度为Ra 3.2 m,轮缘和轴孔端面为Ra 6.3 - 12.5 m。轮槽棱边要到圆或到钝。A型带带轮轮槽间距的累计误差0.6,两槽的基准直径差0.4。(摘自GB/T 13575.1-92)第六章 主轴传动部分的设计计算前面几章已经设计完成了横向进给部分的设计计算,本章开始设计主轴传动部分.主轴传动部分的结构较为简单,由电动机驱动皮带,皮带直接驱动主轴旋转.因为主轴的旋转不是主要运动形式,所以对此部分的传动精度要求不高,设计中应保证主轴可以克服圆周旋转阻力以及200r/min的转速即可.初选电机: Y100L2-4,转速1430r/mim,额定转矩2.2除锈时摩头对钢管的压力为50N,其工作阻力矩最大为远远小于电动机的额定转矩,所以可以满足工作需要6.1设计功率Pd由表4.1-9查得工况系数Ka=1.0Pd=31.0=3KW6.2 选定带型根据Pd=3KW和n1=1430r/min ,由图4.1-1选定A型普通V带。6.3 传动比 i为7.156.4 带轮直径小带轮基准直径 : 参考表4.1-14;表4.1-15和图4.1-1取大带轮基准直径: 由表4.1-14取560mm 弹性滑动率 ;通常=0.010.02。6.5减速机的实际转速 6.6带速 V VMIN=5 m/s(一般V 不得低于5 m/s)6.7轴间距设计计算取a0=1000mm。所需基准长度: 查表4.1-6选取基准长度=3150。实际轴间距:安装时所需最小轴间距: mmbd 基准宽度,查表4.1-6取bd=11。安装时所需最大轴间距:(张紧或补偿伸长) 6.8小带轮包角:6.9单根V带的额定功率:根据=80和n1=1430r/min 由表4.1-12b查得A型带P1=0.8KW。P1: 考虑传动比的影响,额定功率的增量P1由表4.1-12b查得P1=0.15KW。6.10确定V带的根数: 式中 考虑包角不同时的影响系数,简称包角系数 考虑带的长度不同时的影响系数,简称长度数 单根V带的基本额定功率 计入传动比的影响时,单根V带额定功率的增量(因P0是按=180即dd1=dd2的条件计算的,而当传动比越大时,从动轮直径就比主动轮大,带绕上从动轮的弯曲应力就比绕上主动轮时的小,故其传动能力即有所提高)查表4.1-10 查得=0.93查表4.1-11 查得=1.13 取Z=3根。6.11单根V带的预紧力由表4.1-13查得m=0.11,所以:由于新带容易松弛,所以对非自动张紧的带传动,安装新带时的预紧力应为上述预紧力的1.5倍。6.12 带轮的结构尺寸 设计带轮时,应使其结构工艺性好,质量分布均匀,重量轻,并避免由于铸造产生过大的内应力。V25m/s 时尚需进行动平衡。本设计中V=5.98m/s,无须进行动平衡。 带轮材料常采用灰铸铁、钢、铝合金、或工程塑料等。其中灰铸铁应用最广,当V25m/s时用HT150或HT200,本设计中采用HT200。 带轮由轮缘、轮辐和轮毂三部分组成。轮辐部分有实心、辐板(或孔板)和椭圆形轮辐等三种形式。查表4.1-14得轮缘尺寸表4-1型号A基准宽度11基准线上槽深2.75基准线下槽深8.7槽间距 150.3槽边距 9最小轮缘厚度6带轮宽48小带轮外径85.5大带轮外径565.5轮槽角34偏差根据带轮的基准直径参照表4.1-17,决定小带轮、大带轮采用实心轮辐。根据电动机尺寸和主轴尺寸确定小带轮内径为28 mm,大带轮内径为30mm。带轮轮槽工作表面粗糙度为Ra 3.2 m,轮缘和轴孔端面为Ra 6.3 - 12.5 m。轮槽棱边要到圆或到钝。A型带带轮轮槽间距的累计误差0.6,两槽的基准直径差0.4。(摘自GB/T 13575.1-92)6.13主传动轴的设计计算6.13.1按转矩初步估算轴径 选择轴的材料为45钢,经调质处理,由表7.1-1查得材料机械性能数据为; 根据表7.1-7公式初步计算轴径,由于材料是45钢,由表7.1-8选取A=118,则:,选60外径6.13.2轴的结构设计轴的结构简图;根据轴的受力,选取30211型圆锥滚子滚动轴承,为了便于轴承的装配,选,轴承代号32912尺寸()d60D85T17B16C14rsmin1基本额定负荷(KN)最小负荷系数Cr28.8C0r31.5极限转速脂润滑4000油润滑50006.13.3轴的受力分析;轴传递的转矩轴的左端要承受皮带的压力878.3N,右端要承受三爪卡盘的自重,两处轴承要承受水平向上的支反力.而轴的轴向只承受一个315N轴向力,以及一个扭矩大小为625N.由于L1段轴受力最大,承受主要扭矩,所以其为危险截面,其他部分受力较小.所以按弯扭合成应力校核轴的强度:机械设计师(高等教育出版社)轴的计算应力,M轴所受的弯矩,T轴所受扭矩,W轴的抗弯截面系数,前面已经选定轴的材料为45钢,调质处理,由表15-1查得;,故安全6.13.4轴承寿命计算 轴上左端轴承受力较大,其受到的轴向力为=315N,经力矩平衡粗略计算其受到的径向力为=533N.依据机械设计使用手册(化学工业出版社)查表6-1-54得:e=0.38,Y=1.6,查表6-1-20,X=0.67,Y=1.6当量动载荷:,载荷平稳,查表6-1-19得=1基本额定动载荷:轴承寿命:使用条件为每天8h工作的机械,但经常不是满负荷使用,如电机,一般齿轮装置、压碎机、起重机和一般机械中轴承使用寿命为1000025000小时。符合本设计的要求,所以满足工作条件。 第七章 轴的选择和校核概述轴是组成机械的一个重要零件,它支撑着其他转动件回转并传递转矩,同时它又通过轴承和机架连结,所有轴上零件都围绕轴心线做回转运动,形成了一个以轴为基准的组合体-轴系部件.所以,在轴的设计中,不能只考虑轴本身,还必须和轴系零,部件的整个结构密切联系起来.设计轴时应考虑多方面因素和要求,其中主要问题是轴的选材,结构,强度和刚度,对于高速轴还应考虑震动稳定性问题轴按受载情况可以分为:转轴,心轴传动轴,按结构形状可以分为;光轴和阶梯轴,实心轴和空心轴常用的轴的设计程序是;1,根据机械传动方案的整体布局,拟订轴上零件的布置和装配方案,2,选择轴的合适材料3,初步估算轴的直径,4,进行轴系零,部件的结构设计5,进行强度计算6,进行刚度计算7,校核键的联接强度8,验算轴承9,根据计算结果修改设计10,绘制轴的零件工作图对于一些不太重要的轴,上述程序中的某些内容可以省略.根据新编机械设计师手册(机械工业出版社)7.1蜗轮轴的设计计算 7.1.2按转矩初步估算轴径 选择轴的材料为45钢,经调质处理,由表7.1-1查得材料机械性能数据为; 根据表7.1-7公式初步计算轴径,由于材料是45钢,由表7.1-8选取A=118,则:蜗轮轴上的功率为:蜗轮轴转速为:=蜗轮轴上转矩为:,选357.1.3轴的结构设计轴的结构简图;根据轴的受力,选取30208型圆锥滚子滚动轴承,为了便于轴承的装配,选, 轴承代号32908尺寸()d40D62T15B15C12rsmin0.6基本额定负荷(KN)最小负荷系数Cr17.8C0r15.8极限转速脂润滑5600油润滑70007.1.4轴的受力分析;轴传递的转矩轴所承受的轴向力轴所受圆周力:轴所受颈向力 7.1.5确定危险截面,求出受力大小,做弯矩图 载荷水平面H垂直面V支反力F弯矩M总弯矩扭矩T1581 哈尔滨技术学会日报(新系列) 发电站水煮容器中的弯曲管所用的有限元素和实验分析赖一楠 于浩楠 刘献礼 于延民(哈尔滨科学技术大学机械学院 力量工程系 中国哈尔滨 150080 邮箱 laiyinanhrbust.edu.cn)摘要:联合计算机模拟、理论上的分析和实验为发电站水煮容器中的弯曲管提供程序 FEM-数字模拟系统被建立体现在制造程序中扮演重要角色的寒冷的弯曲管,比如椭圆度,壁厚和设备的驱动力比. 实验在哈尔滨煮器工厂进行.FEM模型的参数能为弯曲管的程序模拟力量和质量叁数且错误是在5%以内,实验已经示范了达成这一个系统的结果以及更有用和更经济的超过试验的那些生产方法它大量使用计算机模拟减少生产费用,效果比许多实验要好主要文字: 冷的弯曲管;FEM;椭圆度;稀薄比;CLC数;TG386.43 文件密码A 文章地址1005-9113(2008)02-0198-04 弯曲管的方法已经广泛地被应用在煮器和压力船制造业的领域中汽车工业、航空,航空宇宙制造业,船舶制造业等等以上研究有显示弯曲过程的寒冷能提高其降低强度的20 一 30的力量以及收据控制的成熟技术使它自然成为使用弯区控制的寒冷工作母体然而,弯曲管的程序非常复杂,因此,计划的程序以分析的解决为基础传统的错误法方法不能够解决生产的需要以及可能引起在时间和财务上的浪费,随着计算机科学的发展和 FEM 方法我们大量地使用复杂的程序分析的通常软件是能实现的. 软件 ANSYS 用来模拟那寒冷的管弯曲程序弯曲模拟制度的圆形管被建造为了要预测被驱动力而且有效地形成质量高的设备,像椭圆度,墙壁的稀薄比我们也已经给实验的确认1 冷弯曲程序的摘要经常地有三管弯曲方法:推动方法,磨擦方法和绘图方法。绘图方法在图1中显示风扇形状的模子是通过十字架形状的钥匙替换和固定在设备上的, 固定的螺钳被螺丝固定在风扇形状的模子上而且通过螺丝钳连接可动装置然后管的末端旋转的限制位置和所有的其他模子的替换来实现寒冷管的弯曲。图1,管弯曲的过程质量是最重要的一项评估弯曲管的程序通常,非理想毁坏在弯曲之后发生了。 (如图2所示)图2,管弯曲的形状管的外侧面m-m面以为外部的拉力而变薄,此时管的内部侧壁n-n由于弯曲程序而根据压力变薄,R是设计弯曲半径,是被设计了的管的外部直径,这部分图表表示了这部分形状从圆形到椭圆型,以及墙壁的厚度的不均匀,A是椭圆部分的长轴,B是短轴,S是理想的墙壁厚度,而且S是最小量,S是最大值,椭圆度a=(AB)/X 椭圆比b=(SS1)/S,厚度比C=(S2S)/S 随着煮器的功能的提高,弯管接头的能否符合更高的要求以及设备是否在受驱动力下充分旋转是一个很重要的问题,我们尽可能的预测设备的驱动力来达到高质量和效率,我们可以制造更好的产品来获得更高的利益2 模拟系统的结构 冷弯曲过程是最复杂的包括大的塑性破坏,大的位移,非线形连接的分析,所以我们使用ANSYS软件和它的非线性分析方法建立一个圆形管道弯曲模拟系统来有效的预测驱动力和成型质量21预加工:模型 考虑模型的结构的对称、负荷和限制,我们建造分析模型减少了一半的计算时间而且APDL 参数设计语言用来输入尺寸和和材料的参数,确认哪个是可以再次使用的记录文件,几何学的模型如图3显示图3,管弯曲的几何学模型 在FEM模式下,PLANE42是用来描述管道的部分,VISCO107用来描述销售的塑料管道进行大量的破坏性分析,与管道比较,风扇形状的模子的破坏,固定的螺丝钳和可动加紧装置是比较小的可以忽略不计,所以我们拿硬的或者软的管子用ANSYS来分析连接模型,我们使用三个双向连接,扇型模子的表面是目标元素,TARGE170,管子的附加联络元素是CONTA173,表面的位置是TARGE170,模子表面的夹紧是TARGE170, 连接硬件可达到0.65在理论上0.01到100就可以得到很好的精密和很高的效率2.2 解决;应用负荷 在弯曲管的模拟程序中,大的非线性塑性破坏已经被N-R方法解决,而且多步骤的负荷控制大的破坏,有人预言,自动过程将被加速应用,飞行员也用来控制身体的运动,我们强迫管子的移动然后代替斜坡夹紧的模子,再旋转之后,一个卸货步骤被执行去掉夹紧和空隙2.3继续加工:得到结果 在计算合成之后,解决问题需要以下步骤:1) 动态的展示弯曲管的过程:由于这个功能,我们可以动态的展示管的弯曲过程,并且将其储存,我们可以只选择管子而不是模子以便更清楚的观察管子的破坏,2) 得到模子的作用反力,在POST26中解决模子的作用反力可以帮助我们得到模子的瞬间受力情况,推力大小,和移动加紧力的大小。3) 计算质量参数:薄的切片可以帮助我们得到部分的毁形状,在任何位置可以画出压紧力和变形,我们也可以使用几何方法检查来得到每个环节的数据,然后计算质量参数,比如墙壁厚度,椭圆比,变稀比,厚度比等等3 实验和模拟之间的比较为了实验FEM的模拟系统的精确程度,实验被安排在了哈尔滨煮沸工厂用两种管子来做:管 A:直径 168 毫米,墙壁的厚度30 毫米,弯曲半径 400 毫米,材料 20 G管 B:直径 141 毫米,墙壁的厚度25毫米,弯曲半径 350 毫米,材料 20 G31比较模子的作用力 来自模拟的管 A 和 B 的瞬间弯曲被显示在图4中图4,弯曲时刻的图表显示载入程序时间在2点,完成时间在6点,卸载程序时间从6点到7点,从每一条单一的曲线上我们能可以看到弯曲的时刻从一开始很快增加到一个很高的水平,然后弯曲的的增长开始变慢,这就使得主要的压力分界点集中在弯曲的初始阶段,而且这与(6)中的判断一致,每条曲线最大弯曲时刻出现在最大破坏处,这个结果与实验者的预测一致。这很清楚的表明管A比管B需要更高的驱动力,这个结果使我们可以更适当的来安排设备。3.2管弯曲质量的比较 模拟管A和管B的椭圆度在图5中显示图5,椭圆度的图表很明显是1800的弯曲管最大椭圆度不是我们通常想象的在90上,而且真正的连接位置对弯曲半径是一个扩充,模拟错误是在不同的模拟实验中占的百分比不同,表1显示了个部分的比较。 外部墙壁的变薄是最严重的缺点,通过模拟,我们可以预测变薄的位置,然后决定时候需要尽快改善,在图6中显示了整个管外部墙壁的变薄情况表1 实验和模拟的椭圆度的比较图6,变薄比的图表 从中我们可以看到管最初的弯曲部分已经在压力的作用下发生了大的塑性破坏。表2展示了模拟和实验之间变薄的对比情况表2,实验和模拟的变薄比的对比情况。 FEM参数的模型在这此建立,可以模拟管的弯曲力和质量参数误差在5内,考虑到获得数据和真正因素的冲击的简单方法,我们可以接受和使用它因为设备的表现和质量预测能获得比实验生产更高效的结果。4 管的弯曲上的进一步研究 FEM的数字模拟不仅能预测设备的功能和弯曲管的过程质量,而且可以也可以发现一些程序影响因素,这会帮助我们将程序做到最好来采取改善的措施,然后我们将讨论最佳的回转速度和背面的推力41 回转速度的冲击金属的塑性破坏一定伴随着速度的破坏,所以回转速度关系到管子的弯曲质量,我们将弯曲不同速度下的相同管子 :0.4 rads,1.0 rads 和 1.6rads 比较他们的椭圆度 其结果显示在图7中图7,不同回转速度下的椭圆比显然我们使用越高的速度,使管变形的时间就会越短,这样将不利于我们得到高质量的管,这就建议我们减慢速度会有益与质量,42 背部力量的冲击 在实际生产中,背部受力总是可以得到更好的质量,在这里来模拟,(如图8所示) 我们能见到在管的最后使用了大的推力,我们就会得到更高的质量,但是这个影响不是很显著,在模块化的模拟中我们已经忽略了可逆破坏结构的影响,如果这个结构被采取,正如当真正生产时,材料会流动到结构的缝隙中,这会非常有益于质量参数,除此之外,在推力被应用以后,回转的时间就会大大减小,那对大管的弯曲是很重要的。图8,不同推力下的椭圆比的比较5 结论 一个FEM数字模拟系统的建立可以展示冷管的弯曲,比如椭圆比,侧壁的变薄比和设备的驱动力,计算机将模拟计划和使计划被预测,与实际生产做比较,模拟的方法被证明比通过试验-生产的方法得到更高的效率和经济性。参考:(1) 罗模占驼罗(印度的一个神教,)松紧带-塑性破坏的力学基础预测在经过一个侧壁圆周的管的弯曲中,交易在印度的金属学会进行,2005,58 (2):461466(2) 自应力加工中的厚壁弯曲管,国际机械学会的记载2O04,46(11) 16751696(3) 贝克.海德。几何学在攀爬900的失败中具有影响力,用开始的状态给弯曲管增压了,国际压力管道,2005,82,(7):509-16(4) 赖一喃 张光欲 于好喃 。数字的模拟和旋转的弯曲管的最佳设计 提供了材料和技术。2008。10-12:172-176。(5) 魏施 弯曲管的做图制造技术的数字分析,力量工程学。2003,19(4):89-92(6) 胡中,对当地的用感应加热一个大的半径厚壁管的弯曲进行研究。中国机械工程。1998,9(3):19-22。接收 2006-05-07根据哈尔滨科学和技术局 (授权号 2007 RFXXGO26) 黑龙江省对外贸易部赞助(授权号11511069)
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