113 玻璃钢拉挤成型机——成型部设计
113 玻璃钢拉挤成型机成型部设计,玻璃钢,成型,设计
江西农业大学本科毕业论文答辩,题 目:玻璃钢拉挤成型机成型部设计学 院:工学院学 号:20050436姓 名:罗华专 业:机械设计制造及其自动化年 级:2005级2班指导老师:林金龙 2009.05,目 录,设计任务书成型部工作原理成型部的设计内容致谢,设计任务书,设计一台玻璃钢拉挤成型机,玻璃钢在引拔张力作用下连续成型,可充分发挥增强材料连续性和定向强度高的特点。要求所得产品质量高,劳动条件好,易实现自动化。根据参考有关书籍,我们设计生产的玻璃钢管主要技术参数如下: 外径 D=22mm; 内径 d=6mm; 螺距 p=10mm; 生产速率v=20m/h; 参与设计人员共四名,设计任务分为:总体设计、成型部设计、牵引部设计、电气控制部设计四部分内容。我主要负责成型部的设计。,成型部工作原理,玻璃钢拉挤成型机的成型部是整个机器设备的核心。它具有两个功能:定型功能和固化功能。我们将成型部分为送纱浸胶装置、预成型装置、成型装置和后固化装置四个部分。 送纱浸胶装置的作用是将无捻粗纱从纱架引入成型装置中,并将一部分粗纱浸胶。我们将无捻粗纱分成了三部分,一部分在胶槽中浸胶之后,被牵引进入预成型装置;第二部分则被直接引入到预成型装置中;第三部分无捻粗纱不经过预成型装置而被直接牵引至成型装置。拉挤成型工艺浸胶的形式主要有胶槽浸渍法和注入浸渍法,我们采用的是胶槽浸渍法,即将增强材料通过树脂槽浸胶,然后进入预成型装置。,预成型装置的作用是将浸有树脂的无捻粗纱和第二部分无捻粗纱混合在模具当中初步成型,并将多余的树脂挤去。我们设计的预成型装置由钢芯座、钢芯、前纤维梳板、刮胶板、加热座、铜管和后纤维梳板组成。加热座内部嵌入数根加热棒,其上有一温度传感器,温度由PLC控制。铜管安装在加热座上,它有两个作用:一是充当加热固化设备,从送纱浸胶装置中引入的无捻粗纱和树脂的混合体与铜管内壁直接接触,均匀受热而初步固化;二是作为定型装置,对玻璃纤维和树脂基体产生径向压力,初步对其进行拉挤成型。 成型装置的作用是将预成型的玻璃钢管进一步加热固化,并在玻璃钢管表面形成螺纹。成型装置分为预热压紧区、绕纹成型区和加热固化区三个部分。 预热压紧区由喂纱嘴、束纱管和加热座组成。从预成型装置出来的玻璃纤维和树脂的混合体已经初步具备了玻璃钢管的形状,通过喂纱嘴被牵引入束纱管。束纱管的内孔设计成花瓣状,即内孔沿着圆周开有多个型腔。,“花瓣”的直径(即内孔最大直径)为22mm。当预成型的玻璃钢管牵引入束纱管中时,其中的一部分树脂被挤压入束纱管内孔的型腔中,同时在定型时产生一定的压力,保证成型后的玻璃钢管密度,无气孔、不起层、无裂纹和其它缺陷。同时束纱管的截面钻有一圈的引纱孔,其作用是将第三部分的无捻粗纱引入绕纹成型区。加热座的作用主要是对这第三部分的无捻粗纱进行预热,将其加热使其软化,为其后的绕纹成型做准备。 绕纹成型区的主要结构是绕纹辊筒,它的主要作用是在玻璃钢管上产生螺纹。绕纹辊筒由绕线转板、辊筒齿轮、平衡飞轮和平衡转板组成。绕线转板将钢丝带引入绕在玻璃钢管上,辊筒齿轮带动整个绕纹辊筒旋转,钢丝带也不断地缠绕在玻璃钢管上,并且将从束纱管引入的第三部分无捻粗纱也紧紧地扎紧在玻璃钢管表面上,于此同时玻璃钢管连续地被牵引着向前移动,那么钢丝带相对于玻璃钢管做的是螺旋运动,从而在它上面形成螺纹。,我们设计在绕线转板上装有多个张紧滚轮、可调滚轮和减速滚轮,用来调节钢丝带的张紧力和缠绕速度。钢丝依此绕过各个滚轮,我们可以手动调节张紧轮来调节钢丝带的张紧度,也可以通过可调滚轮组来调节。可调滚轮的原理是通过安装在绕线转板侧面的张紧电机带动螺杆转动,从而驱动双滚轮部的调节横梁前后移动来调节钢丝的张紧。 固化区的结构是一组安装在绕线转板上的加热瓦(加热座),其作用是对玻璃钢管进行三次加热(固化成型)。 玻璃钢管经过成型装置要经过后固化装置进一步固化。后固化装置的作用是对玻璃钢管进行第四加热(保温),采用一组加热瓦加热。,成型部的设计内容,送丝装置的设计 本部分的设计包括前纤维梳板、后纤维梳板、刮胶板的设计。送纱过程的分析 从总装配图分析可知,从纱架牵引出来的无捻粗纱分为三部分进入成型部阶段。第一部分纱直接通过前纤维梳板、后纤维梳板进入束纱管。第二部分纱为不浸胶粗纱与第三部分浸胶粗纱一起通过前纤维梳板、刮胶板进入预成型装置。前纤维梳板的设计 根据以上对送纱过程的分析,送纱分为三部分,由总体设计中选定的粗纱型号以及最终产品的规格得出需粗纱的数量。,为了使无捻粗纱与浸润剂能够均匀相间,前纤维梳板的结构设计示意图如右下图:,前纤维梳板材料的选择 从设计的实际要求以及设计的经济方面考虑,采用具有如下性能的聚合塑料:质轻,比强度高。减摩,耐腐蚀性能好。优异的化学稳定性,一般对酸碱化学药品均有良好的耐腐蚀能力。优异的电绝缘性。,刮胶板与刮胶圈的设计 1)设计原理为了控制胶层的厚度及使胶均匀地分布在粗纱之间,刮胶板设计成由上盖与基座两部分组成,刮胶板与刮胶圈的装配尺寸通过配作孔实现,刮胶板与刮胶圈的具体结构与尺寸见各自的零件图BLG-002 ,BLG-002-01,BLG-002-02,BLG-002-03.2)刮胶板与刮胶圈材料的选择根据实际工作条件分析,可以选择铸铁作为刮胶板的材料。铸铁的特点为:力学性能低、耐磨性能好、生产简便、成本低廉且应用广泛。最终我选择ZT250。刮胶圈的材料为橡胶。 后纤维梳板的设计根据前面的送纱过程分析可知,仅有一部分无捻粗纱通过后纤维梳板,综合考虑后,为使粗纱分布均匀,设计结构示意图如下。,后纤维梳板的材料与前纤维梳板的相同。,浸胶装置的设计浸胶装置的设计原理 为使从纱架引过来的粗纱浸胶以及保证浸胶的程度,利用升降气缸组成一个气压手臂,通过它的升降来控制。其示意图如右图:,预成型装置的设计 预成型装置的设计包括钢芯的选择、钢芯座的设计、加热座I的设计。预成型原理分析 由刮胶板引进来的粗纱均匀的包裹在钢芯上,在牵引力的作用下进入预成型装置的加热座,通过加热使温度上升到粗纱软化的临界温度,使粗纱与浸润剂进一步融合使之初步成型,形成具有空心结构的玻璃纤维管,预成型的玻璃纤维管再经过内部结构为蝶形的束纱管使之玻璃纤维管的成分致密均匀。钢芯的选择 根据最终产品的要求及总体布局,选择的钢芯的规格为:62000mm,材料为45号钢。 钢芯的作用1)使玻璃纤维依附在钢芯上,经预加热后形成空心玻璃纤维管 。2)支撑作用,即为后续的钢丝缠绕成型部提供支撑作用。,钢芯座的设计 钢芯座的示意图如右图所示,该钢芯座的主要设计要点在于要牢固固定支撑钢芯以及要便于安装,其结构主要由上盖,基座组成,由钢芯的规格配作了一个6的通孔,并通过螺钉联接,将上盖与基座联接。,加热座I的设计1)加热原理及其作用 通过加热棒加热将热量均匀地传给铜管,从刮胶板引过来的玻璃纤维管紧贴在铜管内壁从而均匀受热,使之达到预成型的临界温度,从而使玻璃纤维软化,一次预成型。临界温度的控制由温度传感器感知通过PLC控制。,2) 铜管的选择由最终产品的要求及加热的过程的实际情况,铜管的尺寸定为:253650mm。3) 加热棒的选择及数量的确定根据总体设计及玻璃纤维软化的临界温度可知我选用如右图所示的加热棒: 其规格为: 功率为50瓦,数 量为12根。,4 )加热座的整体结构设计 为了使加热棒的安装方便及使预成型的玻璃纤维管均匀受热,应使加热棒均匀分布,由此加热座设计成由上盖与基座组成,根据已得到的第一次加热所需加热棒的数量和以上要求,初步设计加热座I的示意图如下:,加热棒对称均匀分布在加热座I的上盖与基座上,同样上盖与基座配制了25的孔便于安装铜管,加热座的具体尺寸如零件图BLG-005.,6 )传感器的选择为了能够及时控制加热温度,在加热座的上盖与基座上对称安装了4个传感器,如上图所示,来分别测量相邻加热棒的温度,以免玻璃纤维管因温度过高而熔化导致预成型失败。查相关资料可选择传感器类型如右图:,束纱管及喂纱嘴的设计1)束纱管及喂纱嘴的设计的设计原理 为了使预成型的玻璃纤维管的成分更加均匀致密,束纱管的截面形状设计成花瓣状,花瓣状的外径(即内孔的最大直径为22mm)当玻璃纤维管引入其中时,束纱管就像梳子一样将玻璃纤维管挤压从而使玻璃纤维管组织致密,无气孔,不起层,无裂纹和其他缺陷,同时在束纱管的外圆与花瓣形内孔之间钻有一圈引纱孔,其作用是将通过后纤维梳板的那部分纱引入成型部。,2)束纱管与喂纱嘴的结构设计 其中束纱管示意图如下:,加热座的设计 加热座II的主要作用在于使通过束纱管的那部分无捻粗纱预热,温度比加热座I温度低30左右。 加热棒的选择与数量的确定方法与确定加热座的加热棒一样,可根据临界温度及加热棒的参数可以计算出所需加热棒的数量为2。 传感器的选择与加热座中的传感器一样。 加热座的整体结构也采用上盖与基座构成,其具体的结构及尺寸如零件图BLG-007。,成型装置的设计,成型装置的设计主要包括传动方案的设计,绕纹辊筒的设计。3.1成型装置设计原理 在预成型部分形成的玻璃纤维管和通过束纱管那部分已经预热的粗纱被牵引到成型装置时,利用绕纹辊筒的周期性转动将钢丝与预加热的粗纱缠绕在不断向前牵引的已基本成型的玻璃纤维管上,并形成螺纹。,3.2传动方案的设计 在确定传动方案时我构思了两种方案如下:(1)电动机-蜗杆减速机-链传动-齿轮传动(2)新型低速电动机-联轴器-齿轮传动 对传动方案的分析: 方案采用蜗杆传动,传动比大,结构紧凑,传动平稳,噪声小,但是制造成本较高,且链传动时瞬时链速与瞬时传动比不是常数,因此传动平稳性差,工作中有一定得冲击和噪声。 方案采用联轴器联接电动机,结构简单,制造容易,不用润滑,弹性圈更换方便,具有一定的补偿量轴线相对偏移和减振、缓冲性能。适用于联接载荷平稳,需正反转或启动频繁的传动场合。 比较方案、我最终选择方案。,1)电动机的选择 查阅网上相关资料可以选用一种中低速大转矩电机,如右图:这种电机主要有如下特点: (1)低速大扭矩运转,省去减速机,直接驱动负载,简化结构、提高系统相应速度(2)负载特性优异,低速性能较好,启动转矩大,启动电流小、节省电能。(3)无刷结构可靠性高、防护性能好,适合有灰尘、泥泞场合。(4)在整个速度范围内电机均高效运行,比异步电机(只在额定点效率高)相比有质的提高。(5)电机采用插入式稀土磁钢,特别适合颠簸、反复启动、正反转运行的需要。(6)电机驱动器具有过电压、过电流、短路、缺相、超载等保护作用,系统具有电压、电流、转速、电机温度等参数选择显示。,2) 联轴器的选择为了缓和冲击和减轻振动,我选用弹性套柱销联轴器,此种联轴器具有一定的补偿两轴相对偏移和减振、缓冲性能,结构简单,适用于安装底座刚性好对中精度较高,冲击载荷不大,速度不高的场合。 求计算转矩 转矩由机械设计基础上表17-1查的工作机的工作情况系数=1.3 故计算转矩 确定型号 由机械设计手册选取弹性套柱销联轴器 TL7弹性套柱销联轴器主要技术参数如下: 许用转矩: 许用转速: (联轴器的材料为铁) (联轴器的材料为钢)轴孔直径: ,3)传动比的确定据生产速率 ,及产品的外形螺距 的要求可得到绕纹辊筒的转速为 ,由所选电动机的转速 ;传动比为 。4)齿轮的设计选择材料及确定许用应力小齿轮选用40Cr,调质处理,齿面硬度为260HBS(由机械设计基础表11-1)大齿轮选用45钢,调质处理,齿面硬度为220HBS(由机械设计基础表11-1)查机械设计基础图11-7c可得, 查机械设计基础表11-4可得,故,查机械设计基础图11-10c可得 查机械设计基础表11-4可得, , 故按齿面接触强度设计 设齿轮按8级精度制造,取载荷系数K=1.5(由机械设计基础课本表11-3)齿宽系数 .小齿轮上的转矩:计算中心距:小齿轮的齿数取:实际传动比为:模数: .,查机械设计基础表4-1,根据优先采用第一系列原则取确定中心距:齿宽: 取 取 ,(为了补偿安装误差,通常使小齿轮的齿距略大一些)。 经校核,该齿轮符合设计要求.综上所述,小齿轮的零件图如图BLG-008。从总体设计布局,设计大齿轮的结构示意图如下图。,5)齿轮轴的设计,轴的直径初步估算 设计轴时必需先对轴的直径进行必要的估算,只需按轴所受的转矩来进行计算,其所得的计算结果精度较低。只是一种的简单地估算轴直径的方法。当所计算的轴与其他标准件(如电动机)通过联轴器相连时,此时可以不必计算,直接按照电机的输出轴径或相连的联轴器的允许的直径系列来确定所计算轴的直径。根据上述方法,我直接根据与相连的联轴器的允许直径系列来确定轴的最小直径为 。轴结构的设计 根据设计要求,我采用阶梯轴,其示意图如下:,6 )轴材料的选择,轴的材料主要是碳钢和合金钢。钢轴的毛胚多数用轧制圆钢和锻件,有的则直接用圆钢。 由于比合金钢价廉,对应力集中地敏感性较低,同时也可以用热处理或化学处理的办法提高其耐磨性和抗疲劳强度,故采用碳钢制造轴尤为广泛,其中最常见的是45钢。 合金钢比碳钢具有更高的机械性能和更好的淬火性能。因此在传递大动力,并要求减小尺寸与质量,提高轴颈的耐磨性,以及处于高温或低温条件下工作的轴,常采用合金钢。 考虑到在本设计中轴的主要作用及设计成本,我采用45钢,调质处理。7)轴强度的校核(采用弯扭组合,第四强度理论校核),3.3绕纹辊筒的设计,本设计的绕纹辊筒主要由辊筒齿轮、平衡飞轮、辊筒拉杆、绕线转板、平衡转板,加热座组成,其装配示意图如下:,其主要的设计原理为:为了形成满足要求的螺距的玻璃钢管螺纹,辊筒作周期性转动,钢丝通过绕线转板上的张紧轮装置,调节钢丝的张紧程度以及钢丝的缠绕速度。其设计的要点在于要保证平衡飞轮与辊筒齿轮的同轴度。,1)绕线转板的设计,绕线转板主要由张紧轮部、双滚轮部、绕线板座、张紧导轨、张紧导轨组成,其装配示意图如下:,张紧滚轮的设计,张紧原理:如上图所示,钢丝依次通过固定张紧轮、张紧滚轮、可调滚轮组、减速滚轮,在整个装置绕丝工作之前,先将钢丝按上图装好,然后开动电机,通过螺旋传动,两个可调滚轮组在导轨上运动,实现张紧目的,左侧的张紧轮可以手动调节。张紧滚轮部的结构示意图如右图:主要由滚轮、滚子轴、轴承、滚轮壳、套筒、张紧座组成,其具体的尺寸及要求分别见零件图。,b双滚轮部的设计 双滚轮部的设计要点与思路基本与张紧滚轮部一致,其装配示意图如下:,即将两个张紧滚轮安装在一块调节横梁上,在工作时,低速电机通过螺旋传动,带动调节横梁在导轨上运动,从而实现张紧的目的。,c绕线板座的设计 为了有效合理地调节钢丝的张紧力,及据总体设计的布局合理分布张紧轮的位置,在绕线板座上开十七个通槽用于安装张紧滚轮,可调滚轮组,减速滚轮,结构示意图如下:,d张紧导轨的设计 如前面绕线转板的装配示意图所示,张紧滚轮,可调滚轮组要实现张紧,在绕线转板上共设计了四个单侧导轨,一个双侧导轨,其具体结构及尺寸分别见零件图BLG-008-07-2,BLG-008-07-4。,e)张紧电机的选择,本设计所用的张紧电机为YTC-25-4单级电子调速电机.主要参数如下: P=25W; n额 =1250r/min; T额=0.19Nm;示意图如右所示:,2)加热座III材料的选择及数量的确定,第三次成型加热的作用是对预成型的玻璃钢管进行固化成型加热,主要是要保持成型装置的温度在成型温度(170)范围内保温固化。我们设计采用一组加热器加热,加热时间设定在4min左右。此加热系统可看成是两个灰体表面组成的封闭系统的辐射换热。查阅加热瓦的相关型号,我们预先选择一种孔径为36mm的加热瓦。,参考相关资料选择铸铝加热器,铸铝电加热器是以管状电热元件为发热体,弯曲成各种造型后,进入模具以离心浇铸成各种形状:有圆型、哈夫型,内外风槽型、平板型、直角型、圆锥型、异型等。成型后经过精密加工,得到所需尺寸,它能和被加热体紧密咬合,起到升温快、加热均匀、导热性能好、寿命长等特点,有内外散热面。为了节约能源将外散热面增强保温装置可节电20%,将内散热面烧结红外线可节电20%,这样节约了能源对生产区也变成了清凉世界。该产品是目前国内外比较理想的加热器之一。所选的加热器的外形如右图: 根据总体设计计算所需功率以及加热的行程,定做的加热器的尺寸如零件图BLG-009-06.数量为10个。,3)电刷的设计,由于张紧电机和加热瓦都安装在辊筒上,为了能方便的给电机和加热瓦提供电源,采用电刷结构。电刷的作用就是接通有相对运动的两个物体之间的电流。电刷的形状各异,在电机上使用的多为长方形,安置在电刷架上。电刷和换向器或滑环之间有一定的压力,大型的电刷结构比较复杂,小型电刷就比较简单。电刷的电流导出也不一样,大型电刷上有导线,小型的经常由弹性导电片引出。电刷的材料大多由石墨制成,为了增加导电性,还有用含铜石墨制成,石墨有良好的导电性,质地软而且耐磨。我设计的电刷的结构示意图如右:,后固化装置的设计,1)后固化装置的设计原理成品经过成型装置后要经过后固化装置的进一步的固化,固化装置的温度和产品通过的时间对产品的质量影响很大,由于后固化的温度与第三次加热相当,因而也采用加热器加热。2)加热器IV的材料选择及数量的确定根据上述原理和总体设计得所需加热器的材料和规格都与加热器III一样。,致 谢,这次毕业设计能够顺利的完成,是与我的指导老师林金龙老师的悉心指导分不开的。从论文选题,结构的布局,数据的估值到论文的撰写无不凝聚着老师的心血。在老师的耐心的讲解和指导中,不仅使开阔了设计思路,领会到了许多设计的角度与思路,也掌握了一些设计的方法与技巧,而且与老师的交流中,老师严谨的治学态度,务实的作风,谦和的为人,让我学到了不少为人处事的真谛,我受益匪浅。在论文顺利完成之际,谨向我的指导老师致以崇高的敬意和衷心的感谢。当然,此次论文的完成,还与大学四年中对我悉心指导和帮助的任课老师和同学是分布开的,在此我也向你们深表谢意!同时也感谢本组成员江熹、杨艳艳、张宗来三位同学的帮助,是我们的团结协作才顺利的完成了此次毕业设计! 最后,还要感谢各位评委老师,你们辛苦了!谢谢!,
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