电动拧接箍机设计 毕业论文.doc

电动拧接箍机设计design of electric tightening machine摘 要通过对机械设计制造及其自动化专业知识学习，总结大学四年所学的知识，对工业机械手各部分机械结构和功能的论述和分析，以及实际操作中的应用情况，设计了一种使用电机驱动的拧接箍机。拧接箍机是对油管接箍的上扣、卸扣的专用设备，是油管修复和生产必不可少的专用设备。整体由主钳，背钳，导轮支架和床体构成。本设计中的电动拧接箍机以电力驱动取代传统的液压驱动，使用已经在行业中使用的开口型动力钳钳头卡紧机构1作为主钳的卡紧方式。背钳通过液压油缸进行卡紧，使用高度可调导轮支架进行辅助支撑。重点针对机床的驱动系统，传动系统以及主钳主夹部分进行了详细的设计。同时针对传动齿轮尺寸和驱动系统进行了分析和设计计算。通过对拧接箍机作业的工艺过程和控制要求的分析，设计了整台机床结构。首先，本文简要介绍了国内拧接箍机发展现状，与采用液压驱动相比，采用电驱动受温度影响较小，实用性更广，输出转矩范围更大，控制更加方便。其次，设计了机床传动系统，整体有圆锥齿轮组以及涡轮蜗杆组成，传递方便有效。并且对齿轮的尺寸进行了设计计算。最后，根据计算和拧接箍机作业工艺过程和要求，对机床进行整体设计。关键字：电动；拧接箍机；主钳；背钳；液压i abstractby studying on mechanical design manufacture and automation speciality knowledge, summary of four years at the university of knowledge, on the structure and function of parts industrial manipulator machinery exposition and analysis, as well as the practical application of, designed a tightening machine using motor-driven. tightening machine on the tubing coupling is chain, shackle of specialized equipment, is the essential special equipment for pipeline repair and production. overall by the main clamp, back-ups, stator bracket and bed body composition. in the design of electric tightening machine to electric drive replacing the traditional hydraulic-driven, use has been in the industry using the open type dynamic clamp clamp head tight bodies as the main clamp clamping. back-ups by clamping the hydraulic cylinders, auxiliary support using the height-adjustable guide wheel stand. focused on machine tools drive system, transmission system and parts of main clamp clips are designed in detail. for gear sizes and drive systems for both the analysis and design calculation. by screw coupling analysis of process and control requirements for the job, design structure of the entire machine. first, this article provides an overview of domestic tightening machine development, compared with the hydraulic drive, using smaller electric drive under the influence of temperature, availability more widespread, output torque of the wider, easier to control. second, the design of machine tools transmission system, composed of conical gear group as a whole, as well as turbo-worm, delivery convenient and effective. design and the dimensions of the gear has been calculated. finally, according to calculations and screw coupling operation process and requirements, to design the machine. keywords: electric; tightening machine; main clamp; back-ups; hydraulici 目 录摘 要iiabstractiii第1章 前言11.1 国内外现状11.2 课题研究的目的和意义11.3 接箍拧扣机发展现状6第2章 电动拧接箍机的工作原理8第3章电动拧接箍机总体设计83.1动力系统93.2 运动执行机构93.3 传动机构93.4 控制系统93.5 辅助系统10第4章 部件设计以及相关计算104.1 电机选择104.2齿轮设计和尺寸的确定104.3 涡轮蜗杆的设计计算134.4 轴的尺寸设计144.5 轴承选择15第5章 结论16参 考 文 献17致 谢18第1章 前言1.1 国内外现状目前，国内外已经开发了几种接箍拧接机。例如，德国meer公司开发的全液压接箍拧接机采用液压卡盘卡紧接箍，液压马达驱动直齿条机构卡紧管体其液压系统复杂，漏油严重，卡盘卡紧力与上扣扭矩依靠液压系统协调，对液压系统要求高，且扭矩测量采用的是通过测量液压马达的油压换算成扭矩，由于液压系统存在效率问题（一般为0.95左右），所以测出的扭矩不准确，误差超过3%（通过补偿后的值）。这种拧接机现在已经很少应用。美国pmc公司开发的接箍拧接机采用电驱动和液压卡胖，有7个卡抓，夹紧点数为14个，卡爪与接箍为面接触，夹紧力和扭矩由一套比例控制系统控制，能够有效的避免局部应力集中造成的粘扣和夹扁现象。但其装机功率高达200kw，而且价格昂贵，目前国内只有少数几个大型钢厂购买并使用。国内某厂开发的凸轮夹紧机构拧接机其夹紧机构的夹持范围大，在一定的管径范围内无需更换零件，但这种夹紧机构的最大缺点是，夹紧接箍或管体为线接触，且由于机构的限制，夹持点数仅为36个，这样在夹紧接箍或管体时，局部应力集中，容易使管体或接箍产生变形和粘扣；扭矩测量不准确，误差很大。这种拧接机正在逐步被淘汰2。 1.2 课题研究的目的和意义接箍拧扣机是对油管接箍的上扣、卸扣的专用设备，是油管修复和生产必不可少的专用设备。常规拧接箍机多为液压驱动，液压驱动与机械传动、电气传动相比有以下优点：1、液压传动的各种元件，可以根据需要方便、灵活地来布置。 2、重量轻、体积小、运动惯性小、反应速度快。 3、操纵控制方便，可实现大范围无级调速（调速范围达2000：1）。 4、可自动实现过载保护。 5、一般采用矿物油作为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命长。 6、很容易实现直线运动。 7、很容易实现机器的自动化，当采用电液联合控制后，不仅可实现更高程度的自动控制过程，而且可以实现遥控。但同时，液压驱动也具有明显的缺点：1、由于流体流动的阻力和泄露较大，所以效率较低。如果处理不当，泄露不仅污染场地，而且还可能引起火灾和爆炸事故。 2、由于工作性能易受到温度变化的影响，因此不宜在很高或很低的温度条件下工作。 3、液压元件的制造精度要求较高，因而价格较贵。 4、由于液体介质的泄露及可压缩性影响，不能得到严格的传动比5、液压传动出故障时不易找出原因；使用和维修要求有较高的技术水平。液压系统的三大顽疾：1、发热 由于传力介质（液压油）在流动过程中存在各部位流速的不同，导致液体内部存在一定的内摩擦，同时液体和管路内壁之间也存在摩擦，这些都是导致液压油温度升高的原因。温度升高将导致内外泄漏增大，降低其机械效率。同时由于较高的温度，液压油会发生膨胀，导致压缩性增大，使控制动作无法很好的传递。解决办法：发热是液压系统的固有特征，无法根除只能尽量减轻。使用质量好的液压油、液压管路的布置中应尽量避免弯头的出现、使用高质量的管路以及管接头、液压阀等。 2、振动 液压系统的振动也是其痼疾之一。由于液压油在管路中的高速流动而产生的冲击以及控制阀打开关闭过程中产生的冲击都是系统发生振动的原因。强的振动会导致系统控制动作发生错误，也会使系统中一些较为精密的仪器发生错误，导致系统故障。解决办法：液压管路应尽量固定，避免出现急弯。避免频繁改变液流方向，无法避免时应做好减振措施。整个液压系统应有良好的减振措施，同时还要避免外来振源对系统的影响。 3、泄漏 液压系统的泄漏分为内泄漏和外泄漏。内泄漏指泄漏过程发生在系统内部，例如液压缸活塞两边的泄漏、控制阀阀芯与阀体之间的泄漏等。内泄漏虽然不会产生液压油的损失，但是由于发生泄漏，既定的控制动作可能会受到影响，直至引起系统故障。外泄漏是指发生在系统和外部环境之间的泄漏。液压油直接泄漏到环境中，除了会影响系统的工作环境外，还会导致系统压力不够引发故障。泄漏到环境中的液压油还有发生火灾的危险。解决办法：采用质量较好的密封件，提高设备的加工精度。 液压冲击在液压系统中，由于某种原因引起液体压力在某一瞬间突然急剧上升，而形成很高的压力峰值，这种现象称为液压冲击。 1、产生液压冲击的原因 阀门突然关闭而产生液压冲击1（1）阀门突然关闭引起液压冲击 如图所示有一较大容腔（如液压缸、蓄能器等）和在另一端装有阀门k的管道相通。阀门开启时，管内液体流动。当阀门突然关闭时，从阀门处开始迅速将液体动能逐层转化为压力能，相应产生一从阀门向容腔推进的高压冲击波；此后又从容腔开始将液体压力能逐层转化为动能，液体反向流动；然后，再次将液体动能转化为压力能而形成一高压冲击波，如此反复地进行能量转化，在管道内形成压力震荡。由于液体内摩擦力和管道弹性变形等的影响，振荡过程会逐渐衰渐而趋于稳定。 （2）运动部件突然制动或换向时引起液压冲击 换向阀突然关闭液压缸的回油通道而使运动部件制动时，这一瞬间运动部件的动能会转化为封闭油液的压力能，压力急剧上升，出现液压冲击。 （3）某些液压元件动作失灵或不灵敏产生的液压冲击 当溢流阀在系统中做安全阀使用时，如果系统过载安全阀不能及时打开或根本打不开，也会导致系统管道压力急剧升高，产生液压冲击。 2、液压冲击的危害 （1）巨大的瞬时压力峰值使液压元件，尤其是液压密封件遭受破坏。 （2）系统产生强烈震动及噪声，并使油温升高。 （3）使压力控制元件（如压力继电器、顺序阀等）产生误动作，造成设备故障及事故。 3、减小液压冲击的措施 （1）延长阀门关闭和运动部件换向制动时间 当阀门关闭和运动部件换向制动时间大于0.3s时，液压冲击就大大减小。为控制液压冲击可采用换向时间可调的换向阀。如采用带阻尼的电液换向阀可通过调节阻尼以及控制通过先导阀的压力和流量来减缓主换向阀阀芯的换向（关闭）速度，液动换向阀也与此类似。 （2）限制管道内液体的流速和运动部件速度 机床液压系统，常常将管道内液体的流速限制在5.0m/s以下，运动部件速度一般小于10m/min等。 （3）适当加大管道内径或采用橡胶软管 可减小压力冲击波在管道中的传播速度，同时加大管道内径也可降低液体的流速，相应瞬时压力峰值也会减小。 （4）在液压冲击源附近设置蓄能器 使压力冲击波往复一次的时间短于阀门关闭时间，而减小液压冲击 空穴现象在液压系统中，如果某处压力低于油液工作温度下的空气分离压时，油液中的空气就会分离出来而形成大量气泡；当压力进一步降低到油液工作温度下的饱和蒸汽压力时，油液会迅速汽化而产生大量气泡。这些气泡混杂在油液中，产生空穴，使原来充满管道或液压元件中的油液成为不连续状态，这种现象一般称为空穴现象。 空穴现象一般发生在阀口和液压泵的进油口处。油液流过阀口的狭窄通道时，液流速度增大，压力大幅度下降，就可能出现空穴现象。液压泵的安装高度过高，吸油管道内径过小，吸油阻力太大，或液压泵转速过高，吸油不充足等，均可能产生空穴现象。 液压系统中出现空穴现象后，气泡随油液流到高压区时，在高压作用下气泡会迅速破裂，周围液体质点以高速来填补这一空穴，液体质点间高速碰撞而形成局部液压冲击，使局部的压力和温度均急剧升高，产生强烈的振动和噪声。 在气泡凝聚处附近的管壁和元件表面，因长期承受液压冲击及高温作用，以及油液中逸出气体的较强腐蚀作用，使管壁和元件表面金属颗粒被剥落，这种因空穴现象而产生的表面腐蚀称为气蚀。 为了防止产生空穴现象和气蚀，一般可采取下列措施： 1、减小流经小孔和间隙处的压力降，一般希望小孔和间隙前后的压力比p1/p23.5。 2、正确确定液压泵吸油管内径，对管内液体的流速加以限制，降低液压泵的吸油高度，尽量减小吸油管路中的压力损失，管接头良好密封，对于高压泵可采用辅助泵供油。 3、整个系统管路应尽可能直，避免急弯和局部窄缝等。 4、提高元件抗气蚀能力。而相对的电动装置的优点：1、适用性较强，不受环境温度影响2、输出转矩范围广3、控制方便，能自由地采用直流、交流、短波、脉冲等各种信号，适于放大、记忆、逻辑判断和计算等工作。本次设计的电动拧接箍机总体结构与工作原理 接箍拧扣机由主机、伺服电机动力源、操作台三大部分组成。111、主机 主机由平台、导轨、主钳、背钳、支承架等五大部分构成。支承架可在导轨上纵向移动，用于托住工作对象（上卸扣的油管）并将其送入背钳和主钳头中，根据不同规格的管径可转动手轮任意调整支承架的中心高度。 背钳，液压卡紧的开口钳，用于夹住管体，以限制管体的旋转；它适合不同杆径的油管，上、卸扣时，不需调整和更换任何零配件。可在导轨上纵向移动，以调节与主钳的距离，实现对不同长度的油管的上卸扣，拆装接箍。背钳上设有拉压式传感器，可准确的测量出上扣或下扣时的力，计算出扭矩。 主钳用于夹住杆箍，由伺服电机带减速器带动旋转，实现对螺纹联接件的上、卸扣。在主钳的转动轴上装有旋转编码器，通过高数技术模块采集脉冲信号，实现旋转圈数的测量 传动滚轮机构能使油管自动出入主钳和背钳。 卸料装置：能自动上卸料，将油管接箍上、卸工作完成后推出设备一旁，传送到下道工序。扭矩测量系统：扭矩测量采用背钳沿轨道滑动，尾部连接拉压传感器，用拉压传感器测出的力力臂即可计算出上、卸扣扭矩。 2、电机动力源 动力源由三项异步电动机，加速器等组成。3、操纵台 操纵台是本机操作控制中心。由箱体、操纵阀、压力表等构成。与使用常规的液压驱动相比采用电驱动的优点：调剂定位精度高、稳定性好、故障率低、寿命长，使用电动机，功率大、可靠性强，原理简单、使用方便。1.3 接箍拧扣机发展现状表1.1 2005-2009年液压拧扣机行业总资产发展情况分析2图1.1 液压拧扣机行业市场集中度分析2市场上常见的液压拧接箍机多有ynj系列、ynjx系类、nj系列、snk系列、xnj系列表1.2 国内的主要生产销售厂家有：厂家拧接箍机型号沈阳柯瑞机电设备有限公司葫芦岛市博禹石油钻采机械有限公司葫芦岛市连山区鑫鑫金属加工有限责任公司盐城德宇机械制造有限公司华工机械南阳市志成石油机械有限责任公司snk201/15、snk160/8ynjx-210/15、ynjx57050xnj-215/15nj20015、nj680ynj-160/8、ynj-206/15ynj160/8第2章 电动拧接箍机的工作原理本设计中的拧接箍机使用电机驱动，通过一对圆锥齿轮，和涡轮蜗杆进行减速传递运动和转矩。将运动传递到主卡具，开口齿轮转动带动导轮和行星轮转动，从而固定在行星轮上的蝶形颚片和外曲牙板转过一定角度，对接箍进行卡紧，达到设定扭矩之后rw型圆柱型扭力限制器断开，导轮、行星齿轮和蝶形颚片随着大齿轮一起转动，达到随行卡紧的目的。在达到工作扭矩停止工作时，由于外曲牙板的卡紧作用能够使扭矩平稳，不至于突然变化。图2.1扭矩随时间变化图背钳通过垂直放置的液压缸4，上下运动对有关进行锁紧，防止转动。通过水平放置的液压缸使背钳在拧接箍的过程中能够随着螺纹旋转而前进，工作结束后推动背钳回到初始位置进行下一工作循环。由于工作要求的油管过长，机床上使用一个导轮支架进行支撑，其余放在机床以外地面导轮支架支撑，不属于本设计之内。第3章电动拧接箍机总体设计设计要求：研究拧接箍机的技术原理，设计电动拧接箍机的结构方案，并进行相关的设计计算。基本要求：钢管长度：10-20米 钢管直径：140-340毫米 拧紧力矩：50knm 电驱动，自动工作循环接箍拧扣机整体分为动力系统，运动执行机构，传动机构，控制系统和辅助系统。3.1动力系统动力系统采用三相异步电动机，相比伺服电机有更大的输出功率，达到拧紧油管与接箍的要求，代替传统的液压驱动，适用性更广，受环境影响更小。3.2 运动执行机构(1)卡紧装置主钳：主钳采用目前已在工业上使用的开口型动力钳钳头卡紧机构，与三（四）爪卡盘10以及键连接齿轮传动相比，本设计中采用的卡紧方式卡紧牢靠，反映时间短，不伤害接箍表面，不使接箍表面因受力过大而变形。但本设计中的机床需要人工预拧使接箍与油管的中心轴线对其。背钳：背钳配有两个液压缸，垂直放置的液压缸驱动背钳上下开闭，以达到锁紧油管，防止其转动的作用。水平放置的液压缸使背钳在拧接箍过程中有行走功能操作方便简单。(2)液压装置液压系统为辅助系统，液压阀，液压缸，以及油路组成差动系统控制。液压缸采用双向作用液压缸，控制背钳左右行走以及上下锁定。3.3 传动机构传动系统由一对圆锥齿轮、涡轮蜗杆以及圆柱齿轮组成。结构方便简单，容易加工。3.4 控制系统控制系统主要是对扭矩的限制，采用两个rw型钢球式扭矩限制器，一个在开口钳与上机箱之间，另一个限制器置于电机与传动系统之间，使油管与接箍之间达到工作要求扭矩，分开电机与传动系统之间的传递。扭力测量机构和旋转圈数测量装置。3.5 辅助系统辅助系统主要是机床后端的导轮与支架结构，导轮在支架中能够做到上下可调与固定，以此来适应不同轴径油管的要求。导轨设置只需足够背钳行走即可。连接件均采用六角头螺栓以及内六角螺栓11第4章 部件设计以及相关计算4.1 电机选择p=nt/95500000 3 （4.1）p=10501000000/95500000p=52.4kw6式中：p为拧接箍工作功率 t为拧接箍拧紧力矩 n为接箍转速，设定n-10 r/min假定每一次传动损耗1%的功率，经三次传递，电机功率至少为p1=54kw。选择电机，y系列三相异步电动机，y250m-4，额定功率55kw，同步转速1500r/min，满载转速1480r/min。4.2齿轮设计和尺寸的确定图4.1 开口钳中的传动系统图4.2 蝶形颚片由蝶形颚片中的尺寸得到 lr+a+(400-340)/2 （4.2） lr+a+(400-140)/2 （4.3）l2=752+1502-2*75*150*cos45得出： l=110.5即 r+aa*(p/n)(1/3) （4.7）根据电机外伸段端尺寸以及扭力限制器尺寸，选择主轴轴径d=60mm。 rw型刚求实扭力限制器选择215型号。主卡平台与上机箱的连接轴使用1908x型扭力限制器，扭力限制为10nm转数n=10r/min。d取25mm。图2.4 rw型滚珠式扭力限制器7表4.1 rw型滚珠式扭力限制器规格型号 d d e(h6) k k1 h a2 a3 a b s1906 12-20 70 47 65 56 40 7 8 5 6 8m41908 15-25 85 62 80 71 48 8 11 7 7 8m5009 22-30 100 75 95 85 59 9 14 9 9 8m6011 28-40 115 90 110 100 64 10 16 10 10 8m6013 32-50 135 100 130 116 75 12 18 10 12 8m8215 40-65 166 130 166 150 115 16 21 12 15 8m10 4.5 轴承选择蜗杆轴两端轴承的选择：由于受到轴向力，选择代号为30211的圆锥滚子轴承5。图4.2圆锥滚子轴承涡轮轴两端轴承的选择：选择代号为6213的深沟球轴承。第5章 结论本课题从实际出发，改变了拧接箍机的驱动方式，采用适用性更广，受温度影响更小的电机驱动代替传统的液压驱动，避免了液压驱动带来的各种问题，如由于流体流动的阻力和泄露较大，所以效率较低。如果处理不当，泄露不仅污染场地，而且还可能引起火灾和爆炸事故。由于工作性能易受到温度变化的影响，因此不宜在很高或很低的温度条件下工作。液压元件的制造精度要求较高，因而价格较贵。由于液体介质的泄露及可压缩性影响，不能得到严格的传动比。液压传动出故障时不易找出原因；使用和维修要求有较高的技术水平等等。使用开口型动力钳钳头卡紧机构作为主钳的卡紧方式，替代传统的液压卡紧更加可靠方便，反映时间短，保证扭力不突变，减小对接箍的表面伤害。使用带有液压缸的背钳，对油管的卡紧牢靠，水平液压缸的使用，是背钳能够随着工作移动，工作后可退回至工作初始位置，减少了工人工作，提高效率。本设计所使用的传动，设计结构简单有效，传递过程中损失功率少，使功率得到充分利用。机床箱体采用铸件，空心结构，有凸台放置轴承座以及对涡轮蜗杆的支撑，对水平放置的液压缸进行放置8.对于辅助的液压系统，本设计中未过多提及，只需使用基本的差动系统对液压缸的油路进行控制即可，使液压缸在工作时能够有可靠的保证，完成背钳的正常卡紧。通过对拧接箍机的工作原理和工作方式的理解，设计出了电动拧接箍机。参 考 文 献1 傅永森. 一种开口型动力钳钳头卡紧机构p. 江苏：中华人民共和国国家知识产权局，2004.2 拧扣机行业2