机械毕业设计（论文）-环形加热炉设计与仿真【全套图纸UG三维】

编编 号号 无锡太湖学院 毕毕业业设设计计（论论文文） 题目：题目： 环形加热炉的设计与仿真环形加热炉的设计与仿真 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业 学 号： 学生姓名： 指导教师： （职称：副教授 ） （职称： ） 2013 年 5 月 25 日 无锡太湖学院本科毕业设计（论文）无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）环形加热炉的 设计与仿真 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成 果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表 示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、 集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械 92 学 号： 0923052 作者姓名： II 2013 年 5 月 25 日 I 无无锡锡太太湖湖学学院院 信信 机机 系系 机机械械工工程程及及自自动动化化 专专业业 毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书 一、题目及专题：一、题目及专题： 1、题目 环形加热炉的设计与仿真 2、专题 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据 随着科学技术和经济的快速发展以及全球一体化进程的不断加 快，人们对钢铁制品的质量和需求量又上升到了一个更高的台阶在 各行各业中，人们没有间断过对钢管的使用，不管是建筑业中用于搭 建外架的钢管，还是各种汽车的框架结构，或者是在机械厂中用于支 撑的支撑架和体育器材里的安装部件，都出现了钢管的身影然而， 要使钢管成型就必须先对钢管坯进行加热，然后才能通过成型机械 使钢管成型由于钢管坯的加热不同于其它钢坯的加热，对加热的精 度要求很高，要求钢管坯的各部分受热均匀，这样才可以防止在打孔 和拉直过程中出现断裂、变形、钢管粗细分布不均匀等情况，所以不 能使用传统的推钢式加热炉对其进行加热，因为传统的推钢式加热 炉的加热不是很均匀，如果是两头喷火式的话那就是两头受热多，如 果中间喷火式的话那就是中间受热多，所以只能使用环形加热炉来 对其坯料来进行加热，因为环形加热炉可以对钢管坯的两头和中间 II 都进行均匀的加热，但是又因为环形加热炉是一个圆的封闭结构，不 能用推钢机将坯料从另一头推出去，所以传统的推钢式进出料机就 不适合在环形加热炉中使用，为了适应环形加热炉的进出料特点。 课题来源于企业需求，装取料设备是加热炉的一个重要组成部 分目前大量的从事各种工业炉窑的节能环保、专用设备、计算机控 制等技术的研究的企业都对装取料设备进行设计，希望设计出高效、 稳定、安全的装取料设备。 三、接受任务学生：三、接受任务学生： 机械 92 班班 姓名姓名 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 7 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六、设计（论文）指导（或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师指导教师 签名签名 签名签名 签名签名 教教研研室室主主任任 学科组组长研究所学科组组长研究所 所长所长 签名签名 系主任系主任 签名签名 2012 年年 11 月月 7 日日 III 摘摘 要要 进入新世纪后随着工业的高速发展，钢铁企业的生产能力得到了不断地提升，环形 加热炉技术也在不断的成熟，而传统的推钢式进出料机已经不适合在环形加热炉中使用， 为了适应环形加热炉的进出料特点，在此专门为加热炉量身定做了环形加热炉装取料机。 此机型包括了整体机架，小车，钳杆这三部分。运用夹紧气缸和升降气缸来实现钳杆对 钢料的夹取和升降运动，同时钳杆装载在小车上，小车可以在机架的导轨上进退运动。 小车是用电动机驱动的，当电动机运行时，带动安装在电动机上的齿轮转动，我们在右 横梁上装配了与小车齿轮可以啮合的齿条来实现小车在机架导轨上的运动。在实际情况 下充分根据环形加热炉的特点特地使用两台一样的装取料机分别安装在装料口和出料口。 两机同时进行装取料，极大地提高了加热钢料的效率，也更充分地发挥了环形加热炉的 高效率的特性，提高了整个厂区的工作效率和经济效益，与当前我国提出的高产、优质、 低耗的理念相吻合。 关键词：关键词：环形加热炉；装取料；有限元分析；高效 IV ABSTRACT In order to adapt to the rapid development in the new century, industrial steel enterprise production capacity has increased a lot then before, the annular heating furnace technology has been more mature, the traditional pushed steel type translation machine dose not suitable for using in the annular heating furnace any more. In order to adapt to the characteristics of the annular heating furnace a new type of feeding machine has been tailored specifically for the annular heating furnace is installed. The model of this machine includes the whole frame, car and clamp stem. Using clamping cylinder and the cylinder to lift the bar clamp on steel clip and lifting movement, and installed with the car pliers stem, can be translated on the rails in the frame. The car was droved by a electric motor, the electric motor was droved by the gears which installed in the motor. According to the characteristics of annular heating furnace, two feeding machines were installed respectively in the loading and discharging part. These two machines simultaneously outfit feeding, greatly improving the efficiency of heating steel, also improve the efficiency of the whole factory work efficiency and economic benefit and coincide with the current idea of high-yield, high-quality and low consumption. Keywords: annular heating furnace; Pack feeding; Finite element analysis; high Efficient V 目目 录录 摘 要.III ABSTRACTIV 1 绪论.1 1.1 课题来源及意义.1 1.2 环形加热炉的简单介绍.2 1.2.1 炉形结构:.2 1.2.2 装取料口距离计算:.3 1.3 装取料机的简单介绍.4 1.4 国内外的发展情况.5 2 装取料机的设计说明及工作原理.8 2.1 装取料机的设计说明及工作原理.9 3 装取料机的机械结构及设计计算.14 3.1 整体的设计.14 3.2 钳杆的结构设计及计算.14 3.2.1 钳杆的整体机构设计:.15 3.2.2 钳杆的长度:.15 3.2.3 钳杆的直径:.15 3.2.4 两气缸型号的确定:.15 3.2.5 钳杆校核16 3.2.6 齿轮校核:.18 3.3 小车的结构设计及计算.22 3.3.1 小车的整体设计:.22 3.3.2 车体的设计计算22 3.3.3 前轮的设计计算:.24 3.3.4 轮轴的设计及校核:.24 3.3.5 后轮的设计计算:.26 3.3.6 后下轮的设计计算:.26 3.4 整体机架结构的设计及计算.27 3.4.1 横梁的设计计算:.27 3.4.2 立柱的设计:.29 3.4.3 连接梁的设计:.30 4 合理性分析.32 4.1 钳杆的有限元分析.32 4.2 横梁工字钢的有限元分析.34 结论与展望.36 致谢.37 参考文献.38 VI 环形加热炉的设计与仿真 1 1 绪论绪论 1.11.1 课题来源及意义课题来源及意义 随着科学技术和经济的快速发展以及全球一体化进程的不断加快，人们对钢铁制品 的质量和需求量又上升到了一个更高的台阶。在各行各业中，人们没有间断过对钢管的 使用，不管是建筑业中用于搭建外架的钢管，还是各种汽车的框架结构，或者是在机械 厂中用于支撑的支撑架和体育器材里的安装部件，都出现了钢管的身影。然而，要使钢 管成型就必须先对钢管坯进行加热，然后才能通过成型机械使钢管成型。由于钢管坯的 加热不同于其它钢坯的加热，对加热的精度要求很高，要求钢管坯的各部分受热均匀， 这样才可以防止在打孔和拉直过程中出现断裂、变形、钢管粗细分布不均匀等情况，所 以不能使用传统的推钢式加热炉对其进行加热，因为传统的推钢式加热炉的加热不是很 均匀，如果是两头喷火式的话那就是两头受热多，如果中间喷火式的话那就是中间受热 多，所以只能使用环形加热炉来对其坯料来进行加热，因为环形加热炉可以对钢管坯的 两头和中间都进行均匀的加热，但是又因为环形加热炉是一个圆的封闭结构，不能用推 钢机将坯料从另一头推出去，所以传统的推钢式进出料机就不适合在环形加热炉中使用， 为了适应环形加热炉的进出料特点，这里就设计了专门为环形加热炉准备的进出料机 环形加热炉装取料机11。 （如图 1.1 示：） 课题来源于企业需求，装取料设备是加热炉的一个重要组成部分。目前大量的从事 各种工业炉窑的节能环保、专用设备、计算机控制等技术的研究的企业都对装取料设备 进行设计，希望设计出高效、稳定、安全的装取料设备，在这里通过该设计可以培养我 们独立进行科学研究和综合分析思考的能力。 图 1.1 装取料设备 无锡太湖学院学士学位论文 2 1.2 环形加热炉的简单介绍环形加热炉的简单介绍 进入新世纪，随着科学技术的持续发展，企业也得到了快速发展，钢管的生产能力 不断提升。所以以致加热炉的不断更新换代，取而代之的是新型的环形加热炉（如图 1.2） ，环形加热炉不仅能使加热钢料均匀受热而且节省能源，实现可持续发展2。 图 1.2 环形加热炉 图 1.3 示意图 1.2.1 炉形结构炉形结构 根据工艺要求，加热炉自装料端到出料端依次为预热段、一加热段、二加热段、三 加热段、四加热段、均热段，加热炉炉顶采用平直结构，在装出料位置设置三道水冷隔 墙。其中五个区段有供热，各段的供热可以单独调节，实现自动控制，烧嘴安装在内外 环侧墙和炉顶上，加热炉采用平焰烧嘴和侧向可调焰烧嘴1。采用自然排烟的方式。考虑 环形加热炉的设计与仿真 3 到经济，节能又能最大程度的提高炉子的有效利用率，各段角度分配见图 1.3。 1.2.2 装取料口距离计算装取料口距离计算 由于环形加热炉的大小视加热钢坯料件的大小而定，所以我们计算装取料口的距离 就得根据现场的情况来定。在这里我取最常见的一种加热炉的规格，也是应用最广的一 种型号的加热炉。待加热钢坯规格：直径 180mm350mm，长度 1.7m5.4m。环形 加热炉基本尺寸：炉中径 36000mm，炉腔宽度 6450mm，预热段炉膛高度 1250mm，第一、 二、三加热段炉膛高度 2000mm，第四加热段、均热段炉膛高度 1600mm，装取料夹角 14.4。 图 1.4 示意图 由上述我们可以画出示意图 1.4。 根据图 4 可计算：装取料口距离 L=2*18000sin7.2=4512.0mm 由计算结果可以得出，装料口和取料口的距离偏大，要是单独设计一台装取料机来 同时完成装料和取料的话，这样设计的整体机架就很大，而且占地大又费料，并且设计 的小车要进行偏转，进退等一系列动作，小车结构也相对比较复杂。最重要的是极大地 影响了工作效率，在取料的同时不能进行其他装料等工作，与先进高效的环形加热炉工 作效率不相匹配。在这里我们准备设计一款装取料机，它同时安装在装料口和取料口， 两台机的机械构造完全一样，这样在取料口取料的同时另一台机就可以在装料口装料， 工作效率大大的提高了。而且两台机同时工作，操作方便简单，不仅没有造成资源设备 不必要的浪费，而且从长远上考虑是一种提高整个厂区工作效率和经济效益的一种有效 办法。 1.3 装取料机的简单介绍装取料机的简单介绍 装取料机是专门为冶金锻造行业设计制造的设备。它具有操作简单、可靠性高的特 点，人性化的设计为操作者创造了一个舒适的工作环境，使繁重的工作变得简单轻松， 也为冶金行业的发展提供了物美价廉的配套设备。 装取料机的工作特点： 无锡太湖学院学士学位论文 4 (1) 装取料机是坯料装炉，出炉以及运料到锻压设备上的一种机械装置。它的结构形 式与锻压操作机相似，但是有它自己的工作特点； (2) 钳头可以有多种形式，甚至不必夹紧动作，只一叉子就可以有钳头的时候，其 钳头要小； (3) 钳杆可以不必旋转，基石有旋转也不必达到 360 度，转速也而可以慢一些； (4) 钳杆要深入炉膛装料和取料，因此，钳杆一般都比较长，为减少台架的旋转惯性， 有时候要做出可以伸缩的钳杆； (5) 除了钳杆的转速外，其他的动作均比锻造操作机要大些，速度要快些； (6) 由于没有锻造时候的冲击载荷，机件结构可以简单一些，轻巧一些。 为适应锻压行业生产工艺以及生产环境要求，对装取料机有以下几点要求： (1) 可以适应锻造高温和高粉尘的环境； (2) 实际安全系数高并且性能可靠； (3) 动作灵敏而且操作控制方便； (4) 适应于各类不同形状、规格的料件； (5)维护方便。 以上几点也是装取料机生产厂的设计原则。 经过几十年在实际应用中的不断的总结、修正，目前国内装取料机已经初步形成了 统一的成型产品，从形式上主要可以分为两大类：无轨装取料机和轨道装取料机国产 无轨装取料机目前以叉车改造形式为主，即以标准叉车为基体，去除前部料叉，安装装 取料机专用机械手及执行系统，使其能完成以下七个动作：整体行走、转弯、钳头夹紧、 钳头旋转、钳头摆动、钳头平行升降、钳头俯仰升降轨道式装取料机主要结构形式采 用整体走盘式，可以完成 7-8 种运动；大车固定在地面的轨道上行走；小车在其轨道上前 后行走，其整体形式类似于行车；小车面板上装有回转装置，机械手部分可随小车做回 转运动，俯仰运动，还可以做平移运动机械手随钳杆可以做前后收缩运动，加大机械 手的活动范围，使料件方便的送入加热炉和方便的从加热炉中取出；机械手的回转可以 方便的夹取各种姿态的料件；夹头夹持，可根据实际生产中料件形状方便的更换不同钳 口形式。 优点：具备以上的功能的装取料机，无论是有轨道装出料机还是无轨装取料机，可 完全满足目前锻压生产的需要，它能方便的将任意形状的工件由地面或料架子上取下， 迅速的放置在加热炉内任意位置，并能从加热炉内任意位置取出加热好的坯料。该机适 用性强，活动范围广，没有死角，一般目视到的工件皆可以单独取送，炉子有效空间利 用率高。在工作时可以做各种辅助工作。该装取料机与操作机配合使用效果更佳，它可 以方便的将从加热炉中取出的料件直接送到操作机钳口中，中间不需要任何过渡，大大 减少料件的运送时间，在提高生产效率的同时，还减少加热火次，降低能源消耗 ，提高 锻造质量和精度该机的配用不仅可提高生产效率，还大大节约了加热炉的维修费用。 没有装取料机的锻造车间，对料件的装出炉时，一般采用 4 5 人，通过行车辅助装出 料件，甚至采用撞铁的方式装料，对加热炉门及炉膛、炉壁的损坏很大，据统计，由于 没有装取料机，生产厂家对每台加热炉的年维修费用在几万元以上，同时，由于对加热 环形加热炉的设计与仿真 5 炉的维修造成停产，累计起来，两台加热炉每年的经济损失可以购买一台装取料机。若 配有装取料机之后 ，该装取料机在装出料件时可做到轻拿轻放，装出炉速度快，对加热 炉有很好的保护作用。同时，该机一人操作就能完成所有工艺要求，减少劳动力。综上 所述，装取料机在锻压生产中有以下优点： (1) 能降低生产成本 (包括人工、维修费用、能源费用 )； (2) 提高生产效率； (3) 提高产品质量； (4) 改善工人工作条件； (5) 安全生产。 当前锻压行业发展迅速，客户对锻件产品质量要求越来越高，而能源费用一再涨价 ，工人工作条件要求改善，劳动生产力价格不断升高在此种情况下，要赢得市场就需 要对生产过程采取机械化、自动化。从而降低产品成本大大提高劳动生产率。 本课题的装取料机又称装取料机械手，是由简单的机械手结构构成的，是根据环形 加热炉封闭圆不能将坯料推进推出的结构特点，只能运用的是将坯料拿进去拿出来的理 念而进行设计的，在冶金行业中，加热的装取是个难点，为了解决这个问题 ，改变现有 设备状况 ，特设计了该机械手，它的作用就是将钢料送入装料区，加热到所需温度。然 后取出进行锻造或二次及多次轧断使钢料成为所需的各种型材5。 由此可见装取料机主要由以下三部分组成： (1) 整体机架：主要用于装取料机的整体支撑和为机械手即钳杆的进退运动提供必要 的轨道； (2) 小车：主要用于带动机械手即钳杆前进和后退，其行程可以根据机械手装夹坯料 的规格的不同而进行调整，还有依靠装备在小车上的气缸控制机械臂抬起和下降； (3) 钳杆：主要用于装夹坯料，通过装配在钳杆上的夹紧气缸来控制夹钳的夹紧与松 开，通过装配在小车上的升降汽缸来控制钳杆的上升与下降，一次把坯料抬起放下。 1.4 国内外的发展情况国内外的发展情况 目前国内装取料机已经初步形成了统一的成型产品，从形式上主要可以分为两大类： 无轨装取料机和轨道装取料机。国产无轨装取料机目前以叉车改造形式为主，即以标准 叉车为基体，去除前部料叉，安装装取料机专用机械手及执行系统，使其能完成以下七 个动作：整体行走、转弯、钳头夹紧、钳头旋转、钳头摆动、钳头平行升降、钳头俯仰 升降。轨道式装取料机主要结构形式采用整体走盘式，可以完成 7-8 种运动；大车固定在 地面的轨道上行走；小车在其轨道上前后行走，其整体形式类似于行车；小车面板上装 有回转装置，机械手部分可随小车做回转运动，俯仰运动，还可以做平移运动。机械手 随钳杆可以做前后收缩运动，加大机械手的活的范围，使料件方便的送入加热炉和方便 的从加热炉中取出；机械手的回转可以方便的夹取各种姿态的料件；夹头夹持，可根据 实际生产中料件形状方便的更换不同钳口形式。 国内外的加热炉不仅在加热质量上更重要的是要求其生产环境要进行改善，因为在 传统的加热炉周围的环境是非常恶劣的，温度高，粉尘大。工作人员一般很难长时间在 那里进行操作，特别是炉口的装取料机的操作人员，一旦炉内压力没有控制好的话很可 无锡太湖学院学士学位论文 6 能引起炉火外窜，而使炉口温度急剧上升，可能还有烫伤操作人员的危险，但是又因为 当今国内外的技术力的限制，很难去完全控制住加热炉的炉压，所以装取料机的远程操 控和自动化控制便是当今发展的一个主要方向我在实习的时候去工厂参观，在我看到 的企业中，无论好坏的企业，均没有用电脑操作的装取料机，均是有人进行装取料的。 而环形炉进出料机利用的就是远程控制，通过电脑将程序写入 PLC 中，然后通过 PLC 控 制电路来实现对进出料的控制，这样的话，就只需要一个控制人员在一旁的控制室内对 装取料机进行远程控制，这样不仅可以使操作人员远离炉口从而改善工作环境，避免由 于不规范的操作而导致的人员伤亡，而且对操作工人的身体健康没有危害；并且从长远 利益来讲，这样也就等于降低了生产成本，节约了劳动力；提高了劳动生产率；况且， 远程自动化操作也是当今社会的一个发展趋势，即节省人力又节约时间，而且改善了工 作环境。在实际的运用中不断改进远程自动化操作的方式、方法，可以更好的推动远程 自动化生产的发展。无论是对于装出料机的设计还是在其他设计制造当中，都是有很大 的益处的，其前景是无限宽广的。 以下是 3 张国内的装出料机的图片，可以看出都是由人工来操作的，这与我在工厂看 到的是一样的。如图示 1.5、1.6、1.7 图 1.5 装出料机 环形加热炉的设计与仿真 7 图 1.6 装出料机 图 1.7 装出料机 无锡太湖学院学士学位论文 8 2 2 装取料机的设计说明及工作原理装取料机的设计说明及工作原理 2.12.1 装取料机的设计说明及工作原理装取料机的设计说明及工作原理 根据现场的情况，由于加热炉的炉门口下沿高度与钳杆夹料处高度一致，且炉门并不 是垂直于水平面的，而是与水平面成 88 度角的，所以为了避免在装料过程中发生坯料与 炉口相撞的情况，所以我们在设计钳杆装夹坯料时在钳杆的尾步连接了气动装置，这样 就可以实现钳杆的落下和抬起，当钳杆落下时，夹钳将坯料夹起，然后通过升降气缸的 运动使钳杆抬起，送入加热炉中，钳杆落下，夹钳松开，坯料被放置在指定的坯料加热 位置，最后，钳杆抬起，退出炉门回到初始位置，准备进行第二次装夹因为坯料在一 开始的时候是平放在放料处的，所以当钳杆降下，夹钳把坯料夹住，钳杆抬起时，在坯 料被提起的同时原本与水平面平行放置的坯料还会与水平面形成一个夹角，因为钳杆在 进出加热炉时与水平面是垂直的，所以这个夹角同时也就是钳杆落下的角度，为了保证 坯料在进出时，坯料的最上端低于炉口的上沿，胚料的最下端要高于炉口的下沿，且要 有足够的上下空间的剩余量，经过对钳杆长度拟定和对坯料长度的计算，取落下角度为 4 度夹角符合以上介绍的情况12。 虽然把角度再取大一点也是可以符合上述条件，但是为了避免做过多的无用功，从 合理的利用和节约能源的角度来考虑，选取 4 度角是比较合理的由于坯料被夹住抬起 时并不是与钳杆平行的，所以为了使夹钳能够完全的夹住坯料，在铸造夹钳的过程中， 夹钳的下沿也应被设计成与水平面成 4 度的角度，如图 2.1 所示，这样在装夹时，夹钳的 下沿就会与坯料平行，从而可以完整的将坯料夹住，使坯料被装夹的位置各部分受力均 匀，避免了一些由于受力不均匀而导致的坯料松动和滑脱问题，加大了夹钳的夹紧能力10。 夹钳的夹紧部分圆弧的半径则是根据可装夹的最大坯料的半径来定的，这台装取料机可 装夹的最大坯料的半径是 140.5mm，所以我们就把夹钳的夹紧部分的半径为 140.5mm而夹钳的厚度，我们以其能抓紧坯料，不使其摇晃为标准，初定为 400mm两夹钳分别焊接在两钳杆之上，如图 2.2。 1.钳杆 2.夹钳 3 坯料 图 2.1 结构图 环形加热炉的设计与仿真 9 1.气缸 2.右摆臂 3.左摆臂 4.钳杆 5.夹钳 图 2.2 夹钳 夹钳要装夹坯料就必须获得一个夹紧力，由这个夹紧力来夹紧坯料，提供这个夹紧 力的正是装配在钳杆上的夹紧气缸，气缸活塞杆的端头部分与气缸的另一端分别与左右 摆臂用轴进行连接，这样可以保证当活塞在进行往返运动时，左右摆臂可以根据各自的 连接轴绕轴做转动运动，左右摆臂的另一端焊接在钳杆上，当摆臂在做绕轴的转动运动 时，摆臂的另一端就会带动钳杆转动，由于夹钳是焊接在钳杆上的，所以当钳杆在转动 时，夹钳也就跟着张开和闭合，从而达到夹紧和松开的目的3。根据所需的夹紧力和要装 夹的胚料的最大和最小规格来选定夹紧气缸的规格，然后根据夹紧气缸的初始总长度、 行程，夹钳所需的最大张口和最小装夹坯料来进行摆臂的设计、安装和焊接。夹钳的最 大开口与最小开口，如图 2.3 所示。 一、松开 二、装夹最大胚料 三、装夹最小胚料 图 2.3 夹钳的状态 图示分别是夹钳在松开、装夹最大坯料、装夹最小坯料时气缸活塞杆的行程，在气 缸处于初始位置时要预先给夹钳空开足够的松开余量，便于以后装夹。 无锡太湖学院学士学位论文 10 带动钳杆做抬起、降下运动的是装配在钳杆末端的升降气缸，由气缸控制的钳杆位 置我们可以将其看成是一个点，当钳杆只有一个端点在运动时是不能带动另一个端点做 抬起、降下运动的，所以我们在钳杆上为其设置一个支点，让钳杆可以围绕这个支点做 转动，这样当钳杆的一头被抬起时，钳杆的另一头就会被降下，相反的如果一头被降下， 另一头就会被抬起为了让钳杆要跟着小车前进和后退，所以我们把升降气缸和支点都 装配在小车上，因为支点是装配在小车上的，所以钳杆是被支点在上面吊着的而不是在 下面顶着的，然后将升降气缸和支点的另一端与吊架连接，在连接过程中，由于钳杆要 围绕支点做转动，而且当气缸去顶拉钳杆时，钳杆也会产生倾斜，所以我们这里与吊架 连接采用的是轴连接，这样就不会对钳杆的转动产生影响。因为钳杆其本身还要做转动 运动，所以不能把吊架与钳杆直接用螺钉连接或焊接，我们这里采用双轴承座，先用双 轴承座将两钳杆固定后再把轴承座与吊板用螺钉进行连接，这样既可以不影响两钳杆自 身的转动，又可以使两钳杆始终保持平行状态。在钳杆与轴承座相配合的部分，钳杆的 外径要小于钳杆其它部分的外径，这样当将轴承座装配上去时，轴承座不仅只限制钳杆 前后，上下的自由度，并且连钳杆的左右自由度也限制住了，如图 2.4 所示。 1.与轴承座相配合的钳杆部分 2.其它钳杆部分 图 2.4 示意图 为了使两钳杆保持同步转动，不出现装夹中线偏移坯料中心线，我们在钳杆的末端 安装一对齿轮，使用齿轮传动保持两钳杆同时向相对方向转动，同时带动夹钳运动。 由于钳杆要在高温条件下连续进行工作，即使使用再好的耐热材料也是会由于温度 太高达到极限值而发生钳杆软化变形等一系列的问题，所以对钳杆的冷却在这里就非常 重要了，我们在这里采用的是水冷，就是利用冷水的流动来对钳杆进行冷却，由于钳杆 是空心的，我们在钳杆的中心部安装了水冷管，水冷管的设计是按照相类似产品的水冷 管设计来完成的，在钳杆后双轴承座左右，也就是与升降气缸相连接部分的钳杆左右分 别钻空，用来安装进出水管但是由于我的设计不包括这个部分，所以只是在这交代一 下。 小车的主要作用就是带动钳杆做进给运动，同时装配在小车上的升降气缸给钳杆提 环形加热炉的设计与仿真 11 供一个升降运动。由于升降气缸要带动钳杆做升降运动，所以升降气缸装配处的钢板受 力较大，我们采用了异型筋板来加强装配气缸处的钢板强度。小车的车体，大部分都是 由铸件直接焊接而成，当中的横梁部分所采用的是工字钢，通过计算，所选工字钢的强 度符合要求，且工字钢相对于其它形状的钢材的优势就是较节省成本的，车身的竖梁是 用钢板焊接而成的形状类似于工字钢的钢条所组成，在强度条件足够的情况下也节约了 成本，同时这样还可以减轻车身的负担，减轻其自身的重量。 我们为小车分别设计了前轮和后轮，这两对轮子的主要是起支撑车体和减小小车移 动时所产生的摩擦力的作用，在后轮下面我们还设计了一对后下轮，后下轮与机架导轨 的下沿接触，而后轮与机架导轨的上沿相接触，两对轮子分别将机架导轨夹在中间，从 而利用导轨来限制了小车的上下自由度，当然后下轮采用的还是滚动摩擦，目的还是为 了减小摩擦所带来的阻力，在车身的一旁，我们还设计了两对导向轮，两对导向轮分别 与导轨左右两端接触，将导轨夹在当中，自然是为了限制小车左右的自由度，让小车可 以沿着轨道进行直线运动，不会出现摇晃和偏出轨道等事故，采用轮子而非滑块自然也 是考虑到了摩擦力问题。如图 2.5 所示，小车的前轮和后轮分别通过各自的轴与小车装备 在一起，前轴和后轴用螺栓连接在小车车体的钢板上。而导向轮是直接通过筋板用螺栓 连接固定在小车车体上的。 1.导向轮 2.导轨 图 2.5 小车导轮导轨 为了防止因违规操作或小车减速过慢而导致的小车超过极限行程冲出机架，我们在 机架上安装了挡板，但是即使安装了挡板，也是经不住小车一次又一次的冲击的，所以 我们在小车的后下轮周围安装了由橡胶制成的缓冲器，如图 2.5，通过橡胶的张力伸缩性 来减缓小车对挡板和机架的冲击力，从而既保护了机架和挡板，使他们不会因为小车的 冲击而崩坏，也保护了小车，使小车在受到冲击时，有一个缓冲的过程，如图 2.6 所示7。 无锡太湖学院学士学位论文 12 1.缓冲器架 2.后缓冲器 3.前缓冲器 图 2.6 缓冲器 为了要让小车连接钳杆支点部，所以在小车前部用螺栓连接长筋板，使其与吊板相 连接，这样小车通过升降气缸、长筋板和两块吊板与钳杆连接，就可以带动钳杆做平动。 装取料装置的机架主要是由 2 根横梁，4 根连接梁和 6 根立柱装配而成的，其中 2 根 横梁是工字型钢板，在横梁上分别焊接两条导轨，导轨与小车的前轮和后轮直接接触， 在提供小车支撑点和运行方向的同时还与小车的导向轮相配合，限制了小车左右的自由 度。由于小车是用电动机驱动的，当电动机运行时，带动安装在电动机上的齿轮转动， 所以为了要使小车被齿轮驱动，我们在右横梁上装配了与小车齿轮可以啮合的齿条，齿 条是通过螺栓和销连接在右横梁上的，齿轮转动时，由于齿条是被固定的，所以与装配 了电动机的小车就被齿轮带动开始做进退运动。关于变速操作问题，装取料机的的小车 以及升降汽缸等相对要求速度高些，可以提高效率，但是为了加料的准确以及减少由于 速度大而带来的惯性，速度又不宜太高，所以装取料机的动作最好是变速操作，即慢慢 启动，快行，慢慢停止，至于怎么控制是用转换开关，控制电磁换向阀实现的，在这里 我不用做控制的部分，故不在叙述。由于右横梁在安装齿条时，会多出齿条与横梁相连 接的部分，而后下轮正好是与那部分钢板相连接的，但是由于左横梁没有安装齿条，所 以后下轮的左轮与左横梁就会空出那部分的余量，为了使小车在运行时保持平稳我们就 在左横梁上焊接一根钢条，来填补左横梁上的那个空余量，使小车的左下轮也可以和左 横梁相接触如图 2.7 所示。 环形加热炉的设计与仿真 13 1.左横梁 2.填充钢条 3.左下后轮 图 2.7 横梁 横梁上在小车行程的极限位置上焊接挡板两块，准备承受小车的冲击力，挡板用钢 板在后加固。 4 根连接梁的主要作用就上将两根横梁连接起来，提高机架整体的的强度，其中后上 连接梁是比较特殊的，主要是因为其位置的特殊性所造成的，因为后上连接梁被装配在 小车的缓冲器的同一个平面内，所以当小车后退时，小车缓冲器是有很大的可能与后上 连接梁相接触的，所以后上连接梁除了起到连接横梁和加固作用外，还起到一个后挡板 的作用，用来挡住缓冲器。所以我们在后上连接梁上焊接了两块钢板，以提高后上连接 梁自身的强度。 6 根立柱的作用自然就是支撑装取料机整体结构，承载小车、横梁以及钳杆和料。在 计算强度允许的前提下，我们考虑了材料的节约，所以我们使用两根槽钢当中用钢板焊 接在一起的结构来构成立柱，立柱的上下部分别在焊接带孔方型钢板，以便于立柱与横 梁和地面进行螺栓连接，周围再分别焊接钢板对连接板进行加固。 无锡太湖学院学士学位论文 14 3 3 装取料机的机械结构及设计计算装取料机的机械结构及设计计算 3.13.1 整体的设计整体的设计 通过对设计要求的认识，以及安装现场的位置要求，可以把整个机构分成三部分： 钳杆、小车、整体机架，大概的运动就是移动小车带动钳杆在机架上运动。机架由焊接构 件装配而成，并以其六根支柱支承在基础上。机架上部为焊接架结构，以增加桥架钢度， 桥架两个梁板上有小车前后轮导轨后轮设计了后下轮与机架导轨的下沿接触，而后轮 与机架导轨的上沿相接触，两对轮子分别将机架导轨夹在中间，从而利用导轨来限制了 小车的上下自由度。在车身的一旁，我们还设计了两对导向轮，两对导向轮分别与导轨 左右两端接触，将导轨夹在当中，自然是为了限制小车左右的自由度，让小车可以沿着 轨道进行直线运动。小车是用电动机驱动带动安装在电动机上的齿轮转动，所以为了要 使小车被齿轮驱动，我们在右横梁上装配了与小车齿轮可以啮合的齿条，齿条是通过螺 栓和销连接在右横梁上的，齿轮转动时，由于齿条是被固定的，所以与装配了电动机的 小车就被齿轮带动开始做进退运动。为了使小车停位准确并且小车停下时受到的冲击力， 架子上装有前后限程及缓冲装置，这个缓冲装置是由橡胶制成，它的限位由架子上的两 个连接梁决定。夹钳由一对夹钳秆、钳手开合装置及钳手摆动装置组成（即夹紧气缸） ， 钳杆被吊挂于行走小车下部的横梁上，两夹钳在杠杆式的夹钳开合装置推动下绕其支承 点转动，以闭合或松开钳口也可以随同横梁在升降气缸驱动下绕吊挂点转动以使钳杆 提升或放下13。因为钳头和坯料要进入炉子内部，所以做的不是很大，在加上他们频繁的 出入高温炉膛，夹持高温的坯料，温度升的非常快，即使有耐热钢制造，也应该考虑冷 却问题。否则容易变形损坏，即使使用再好的耐热材料也是会由于温度太高达到极限值 而发生钳杆软化变形等一系列的问题，所以对钳杆的冷却在这里就非常重要了，我们在 这里采用的是水冷，就是利用冷水的流动来对钳杆进行冷却，由于钳杆是空心的，我们 在钳杆的中心部安装了水冷管，水冷管的设计是按照相类似产品的水冷管设计来完成 的但是我的设计不做关于冷却的部分，所以在这里不在多叙述。 环形加热炉的设计与仿真 15 3.2 钳杆的结构设计及计算钳杆的结构设计及计算 钳杆在整个设备中虽然是送料动作的执行件，但同时也是被带动件，因为它是依靠 移动小车来实现其运动的。然而要想把整个机构设计出来，就必须从钳杆开始着手设计 计算。夹钳是由一对夹钳秆、钳手开合摆动装置组成夹钳杆被吊挂于下部的横梁上，两 夹钳在夹紧气缸装置推动下绕其支承点转动，以闭合或张开钳口，也可以随同横梁在升 降气缸使钳杆提升或放下。 3.2.1 钳杆的整体机构设计钳杆的整体机构设计 根据所要达到的设计要求，知道钳杆主要有以下几个运动： (1) 上下运动 因为要夹取物料，所以要有带动钳杆可以上下运动的机构，这时可以用一台升降气 缸来帮助其完成而气缸的型号要在整个钳杆设计好以后才可以确定。 (2) 夹取和松开物料运动 这个动作不好设计完成，因为就整个机构而言，并不是大批大量生产的，也不是要 求精密度很高的设备想到夹取自然会想到机械手，但一般的机械手的设计造价都很高， 而且多用在高精度的机器中，所以在这可以用简单的机械手因此可以想到将一个类似 于机械手的半圆状部件焊接在钳杆上，两根钳杆并排放置，再有一台夹紧气缸在完成夹 取和松开运动这样整个设计就很简化了，而且经济实用同时夹紧气缸的型号也要待 定。 (3) 与小车的连接 与小车的连接部分有两点，一是升降气缸处，升降气缸的上方要与小车相连，下方 则与钳杆相连二是为了平衡和支撑钳杆，设置一处钳杆与小车的相连处，此处相连处 在进行钳杆的校核时可看作支点。 3.2.2 钳杆的长度钳杆的长度 钳杆的长度的确定是根据安装现场以及环形加热炉炉体深度而定的，待加热的物料是 无锡太湖学院学士学位论文 16 管状坯料，直径是 180mm350mm，长度是 17005400mm，最大重量是 1500Kg。炉腔宽度是 6450mm，这样若送进炉体内的管坯与炉体内圈的距离留为 150mm，则伸进炉体的钳杆的长度最大是 6450-150-850=5450mm，设外面的架子离炉口 的距离是 300mm，钳杆与小车的两连接处的距离及钳杆两端的预留的长度总共设为 3000mm。 这样钳杆的总长 L=5450+300+3000=8750mm。 3.2.3 钳杆的直径钳杆的直径 由于此设备是往加热炉里送取料，而加热炉的温度可达到 1000 多摄氏度，所以伸进 炉体的钳杆必须要冷却，这里采用的是水冷，就是钳杆采用空心管，管里面可注入 水但由于我的设计要求没有这个部分，所以在我的设计过程中并没有体现这个，不过 在这要设计钳杆的直径就必须说明这点。 由待加热的管坯的直径决定钳手的形状及张开最大最小时的状况，这样也多少的给 钳杆的直径的确定带来的一些限制。若太小了，会使钳手承受不住管坯的重量，太大了， 又会浪费材料。而管壁的厚度也是从强度和节能方面考虑的，太厚或是太薄都将影响钳 杆的机能，所以综合各方面的因素可以设钳杆的外径为 245mm，内径为 200mm。 3.2.4 两气缸的型号的确定两气缸的型号的确定 在确定气缸型号之前，要先将钳杆的受力情况分析清楚 由钳杆的零件图可以知道钳杆受四个力，各个力之间的距离均是先假设的，受力图如图 3.1： 图 3.1 受力图 根据受力情况，可以查资料得到气缸的型号，但由于用的都是成品，在达到同样的工 作性能的前提下，从节省的角度考虑选用的气缸并不是国标的，而是私人公司生产的， 升降气缸型号为 QGB-KF400X130-中间耳轴，缸径为 400mm，杆径为 90mm，行程 130mm，工作压力 0.6Mpa夹紧气缸型号 QGB-KF250X235-尾部耳轴14，缸径为 140mm，杆径为 60mm，行程 235mm，工作压力 0.6Mpa。 3.2.5 钳杆校核钳杆校核 环形加热炉的设计与仿真 17 图 3.2 钳杆 1）选材 考虑到此材料要有较高的强度和足够的耐热度，故选 35 钢正火处理，由 MPa b 590 2）钳杆的结构设计 如上 3.2 图 3）钳杆的强度计算 钳杆的受力简图如下 3.3 图 图 3.3 受力图 弯矩简图如下 3.4 图： 图 3.4 弯矩图 所以强度校核 无锡太湖学院学士学位论文 18 MPa W M 49 2451 . 0 72152756 3 （3.1） 得MPa55 1 故强度足够 4）钳杆的疲劳强度校核 （1） 断危险截面 根据钳杆的受力情况可以判断出所受的弯矩最大的地方就是其危险截面。 （2） 计算弯曲应力 抗弯截面系数为 333 14706125mm2451 . 01 . 0dW （3.2） 截面左侧的弯矩 M 为 mm8N48882663.4 6530 21066530 72152756 M （3.3） 截面上的弯曲应力 48882663.48 3.30MPa 14706125 b M W （3.4） （3） 计算综合系数 钳杆的材料是 35 刚，正火处理，得，MPa b 590MPa255 1 应力系数：去应力集中系数及钳杆的材料的敏性系数。由公式得应力系数 q 725 . 1 ) 1(1 qk （3.5） 尺寸影响系数得 65 . 0 表面质量系数为 92 . 0 则得综合系数为 885 . 2 k k D （3.6） （4） 计算安全系数 材料特性系数=0.1 所以 5 . 111.27 )( 1 maD k S （3.7） 可知其安全。 同样的道理可知截面右侧的强度也安全。 3.2.6 齿轮校核齿轮校核 环形加热炉的设计与仿真 19 图 3.5 齿轮 图 3.6 齿轮 1）选定齿轮材料和热处理方式 两齿轮均用 45 钢调质处理，齿面硬度 240HBS 2)按齿面接触强度设计 3 2 1 1 1 32 . 2 H E d ZZ u uKT d （3.8） （1） 试选载荷系数 K=1.3 （2） 计算齿轮转距（由已知夹钳最大夹紧力为 29KN）故 1 T 无锡太湖学院学士学位论文 20 mm3552500N 5 . 12229000 1 FLT （3.9） （3） 确定齿宽系数 d =1.0 d （4） 确定材料弹性系数 E Z MPaZE 8 . 189 （5） 确定重合度系数 Z 试取，则3 . 1 95 . 0 3 3 . 14 3 4 Z （6） 确定齿数比 u 1u （7） 计算接触疲劳许用应力，初估齿轮分度圆直径 H 1 d 已知夹钳开闭所用时间为 6s，变化的角度是216 . 8 o 所以其转速 26 14 . 3 2 6 216 . 8 60 2 60 n （3.10） ， ，=1.0MPa H 590 1lim MPa H 410 2lim H S 则得 7 11 105 . 710300821266060 h ktnN （3.11） 7 7 1 2 105 . 7 1 105 . 7 u N N （3.12） ，即94 . 0 , 9 . 0 21 NN ZZ MPa S Z H NH H 5 . 384 11lim 1 （3.14） MPa S Z H NH H 4 . 120 22lim 2 （3.15） 代入较小值得 3 2 1 1 1 32 . 2 H E d ZZ u uKT d mm 5 . 281 4 . 120 95 . 0 8 . 189 1 11 1 35525003 . 1 32 . 2 3 2 环形加热炉的设计与仿真 21 （8） 确定齿轮和齿轮其他参数 现取 Z=30，m=,m 选标准值，取 m=10mm，则4 . 9/ 1 zd =mz=10 30=300mm 1 d （3.16） u=1,所以 =300mm 2 d 1 d 齿宽, mmdb d 3003000 . 1 1 （3.17） 所以取=300mm 2 d 1 d 3）验算轮齿弯曲强度 FSF d F YYY mz KT