机械毕业设计（论文）钢管打包捆成型装置设计【全套图纸】

1、第一章第一章 概述概述 1.11.1 包钢无缝厂简介包钢无缝厂简介 包钢无缝钢管厂是我国唯一采用400 自动轧管机组的大型无缝钢管重点 生产厂，设计能力为 30 万吨，1971 年投产以来，由于全厂推行质量认证体系， 不断进行技术改造，引进了大量的先进设备和先进技术改进了生产工艺，使产 品质量和产量明显提高，因此钢管产量已突破设计能力，目前稳定在 35 万吨左 右。 我厂产品规格180-426x6-40mm,品种有低中压锅炉管、高压锅炉管、 结构管、流体传输送管、液压支架管、石油套管等。我厂于 1996 年获得 iso9002-94 标准认证，1997 年获得美国 api 认证，2000 年获

2、得德国 tuy 认证， 具有较强的质量保证体系。 我厂主要采用的设备有：环形加热炉、二台穿孔机、 自动轧管机、二台均整机、步进式再加热炉、三辊定径机、矫直机、水压机、 样伤机等及套管加工车床及配套设备。 2001 年该厂结合引进德国技术装备，成功的实施400 机组大规模技术改 造，进一步提高了装备水平，实现了操作自动化,在线质量检测,自动更换顶头。 改造后场频质量和产量都跃上了新的档次,产品结构明显改善。已形成锅炉用管， 结构用管和石油套管等多条专用管材工艺线，可生产直径 177.8-426mm，壁厚 6-40mm 的 23 个品种，120 多个规格的无缝管材，并且具备生产大断面方矩形无 缝管

3、的能力，年产量稳定在 35 万 t 以上，2005 年新增 2 条线套管加工线，年 产 20 万 t 套管。问来生产能力达 100 万 t。 内蒙古包钢钢联股份有限公司无缝钢管厂，是我国生产无缝钢管，石油套 管的重要基地，只生产光管向生产精加工，管家公无缝钢管转变，建成无缝管 精整线和石油管加工生产线，n80q 钢级石油套管下井成功，标志着包钢 n80q 石油套管已具备了直销国内油田的全部准入条件。该厂下设有三个作业区： 400 作业区，180 作业区 管加工作业区。 180 作业区采用的是意大利 innse 公司引进的五机架 mini-mpm 机组，年 设计能力为 20 万吨，现在年产量已达

4、 30 万吨以上。该机组采用了二级自动化 控制系统，可实现工艺参数预设定，物料跟踪，生产监控等功能，设置了以在 线监测为手段的质量保证体系，该机组无论生产工艺，设备还是自动化等方面 均属九十年代国际先进水平。2004 年180 机组还配套新建了热处理生产线， 年处理量为 12 万吨，其中60.3-114.3mm 油管（包括加厚油管）3 万吨/年。 114.3-244.5mm 套管 9 万吨/年，同时还可以处理低合金钢，合金钢等其他品 种钢级，为用户提供了 n80,l80,c90,p110,q125 优质钢级。 无缝钢管厂作为国家重要的无缝管生产基地，主要产品有石油套管和油管， 高中低压锅炉管，

5、液压支架管，结构用无缝管，输送流体用管，管件用管等， 还可以根据用户协议要求提供60-426mm 范围内任何非标准规格的无缝管产品。 1.21.2 180180 无缝钢管工艺流程介绍无缝钢管工艺流程介绍 场内主要设备有管坯锯，加热炉，穿孔机，连轧机，矫直机等。其生产的 工艺流程为：管坯锯坯加热穿孔机连扎机脱管再加热炉 探伤矫直机管排锯冷床张减定径倒棱热处 理成品包装。 该厂管坯的尺寸主要有170 和270 两种，长度均在 3m 左右，其中在管 坯加热环节中最重要的是机械手，管坯进出环形加热炉都是靠机械手来完成的， 机械手是由 2 根长约 8m 粗 300mm 的空心钢管并排连接而成，前段个带有

6、一个 管坯，这种旋转运动是有液压系统来完成的，而机械手的前后，上下移动则是 靠电动下车来实现的。因此，该机构看起来很简单，但里面的结构却是十分复 杂。管坯出炉后就可以进行穿孔了，在穿孔是管坯在顶杆推动作用下向穿孔机 推进。穿孔机是180 机组主要设备之一，是轧制无缝管过程中的一道变形工 序，其主轴及传动轴安装在减速机与轧辊之间，带有两个万向节轴。主要作用 是将加热好的管坯进行初步打孔，打好孔的管坯才能进入轧机进行轧制。该厂 采用的是意大利 innse 公司引进的穿孔机此类型的穿孔机由 2 跟传动轴交叉连 接而成，其中在每一根轴上均有 2 个电机串联，然后经过减速机传到轧辊上， 并且 2 根传动

7、轴是交错设计的，此项巧妙的设计方法能使管坯在穿孔的同时还 自动的向前推进。经过穿孔的管坯就可以送到轧机中进行轧制了。采用五架连 轧机组，其中在竖直放置的轧机有 2 台，水平放置的轧机有 3 台，这样设计的 目的在于能提高轧管的工艺质量，而且还能提高生产率，每根钢管在经过五架 轧机后都已经不需要进行再轧制，只要经过一些工艺上的处理就能得到成品， 比以前的几次轧制在生产率上提高了很多，而且还很方便。加工好的钢管经打 包成捆运出车间。 1.31.3 无缝钢管发展中的新工艺无缝钢管发展中的新工艺 2121 世纪世界无缝钢管生产的三种新工艺世纪世界无缝钢管生产的三种新工艺 世界上最近十年才发展起来的 p

8、qf、cps 和 pam 轧管工艺，将成为 21 世纪 世界无缝钢管生产的三种新工艺。这三种新工艺的发展历程大体如下 (1)pqf 轧管工艺 意大利 innse 公司 palma 于 1993 年在香港国际会议上正式推出 pqf(premiumqualityfinishing)轧管工艺；2003 年 8 月世界上第一台 pqf 连轧 管机组在天津钢管公司投产。该台 pqf 连轧管机是由德国 smsmeersmsdemaginnse 公司与天津钢管公司共同设计。 (2)cps 轧管工艺 cps(conicalpiercerstretchreducing)轧管工艺，即二步轧管工艺，其设 想是省去轧

9、管工序，穿孔后毛管直接进张力减径机组；二是连铸空心坯，连铸 空心坯直接进轧管工序，省去穿孔工序，将传统三道工序变为二道工序。 cps 轧管机早在 1990 年就在南非 tosa 钢管厂投产，但 16 个月后宣告停产。 然而 2006 年秋由意大利 innse 在热轧生产线中间增加了四机架限动芯棒连轧机， 使其恢复正常生产，成品管规格范围也有所改变。从此之后 cps 轧管工艺才又 时“新”起来。 (3)pam 轧管工艺 pam(planetaryasselmill)轧管工艺,即把德国发明的“行星斜轧机”(psw) 与“阿塞尔轧机”(asselmill)结合起来的轧管工艺。 第一台 psw 轧管机

10、于 1982 年在德国 esw 厂投产，德国 wengenroth 博士从 研究三辊行星轧管工艺出发，1998 年在其论文中提出“行星阿塞尔轧机”的设 想，这种轧管工艺技术将在本世纪有可能取得极大的发展。 行星轧管机在钢管工业领域的发展应用已有 20 年的历史，但迄今只有德国 钢管厂采用这种轧管机生产钢管(smsmeer 在一篇文章中称它是生产铜管的设备。 笔者也曾经介绍过我国金龙铜管集团也用这种轧管机生产铜管的情况)。因此， 人们对能否成为一项常规性持怀疑态度。但德国 wengenroth 博士却提出了“行 星阿塞尔轧机”的设想，他在一篇论文中谈及德国三辊行星轧管工艺的前景时 认为对金属流动

11、阻力施加影响，是未来提高三辊行星轧管机能力的关键。施 加这种影响的措施就是在三辊行星轧管机后台输出端施以向前拉曳的作用力。 向前拉曳的作用力加大，在轧制过程行将结束时，可以不改变轧管孔型而完全 避免荒管出现尾三角，且不出现增厚的管端。这一措施可以使三辊行星轧管机 超越现存的工艺极限。 在该论文的最后部分，wengenroth 博士提出了“行星阿塞尔轧机”的概念 “首先要改变三辊轧管的运动方式，即“采用轧辊张角布置，使轧辊围绕穿孔 坯旋转，以取代穿孔坯在轧管时的旋转运动。轧出的荒管可以直接进张力减径 机，而不需要输出导卫装置，由张力减径机来施加向前拉曳力”，这就是“行 星阿塞尔轧机”的概念。当长

12、度为 8 米、s/d(壁厚/管径)为 0.25 时，荒管长度 可能超过 60 米，而成品管长度将达到数百米；三辊行星轧管机轧后不产生荒管 端部切损，也不需设置荒管加热炉，这是三辊轧管技术的新概念。一次轧出数 百米的成品管，可谓奇观，有人将其称之为“真正的连续轧管”。将阿塞尔轧 机与行星轧管机相结合，不仅仅是三辊轧管技术的新理念，也是一项创举，是 钢管生产工艺划时代的一项技术革命。 1.41.4 问题的提出及研究本课题的意义问题的提出及研究本课题的意义 钢管产品包装是钢管产品生产的继续，它是保护钢管产品在流通过程中质 量完好和数量完整的必要措施。大多数钢管产品如管线管、高压容器用管、液 压缸用管

13、、流体输送用管、气缸用管等，只有加以必要的包装，才算完成钢管 产品的生产，才能进入流通领域和进行销售，从而完成钢管产品的价值和使用 价值。良好的钢管产品包装有利于保护钢管产品、美化钢管产品、吸引顾客、 扩大消路和增加售价。因此，许多国家都把改进钢管产品包装作为加强对外竞 销的一个手段。从法律上看，合同中有关钢管产品包装的规定是产品说明的组 成部分。一方违反这方面的规定，另一方即有权拒收货物或要求损失赔偿。由 此可见，钢管产品的包装条款，是合同中的主要条款之一。 大约在 70 年以前，钢管产品的竞争主要靠商标，也就是说看一个公司的 牌子响亮不响亮;到上世纪 40 年代初，由于生产的发展，大量钢管

14、产品拥进 市场，这时一竞争主要靠文字说明;发展到 60 年代，钢管产品的竞争就靠产品 本身的质量和特色了。随着竞争的日趋激烈，在 70 年代到 80 年代初期出现了 以钢管产品包装定位为特点的包装即以争取消费者为目的去设计的钢管产品 包装。 中国的钢管产品正是由于钢管产品的包装质量原因在国际上曾留下了“一 等 产品，二等包装，三等价格”的名声，对中国钢管产品的出口及声誉都造成了 不 好的影响。因此，要扩大出口，就必须下决心在提高钢管产品质量的同时，认 真解决好钢份产品的外观质量和包装质量问题。 目前，国内的钢管打捆包装主要还是采用人工方式，与国外先进的打捆机 相比，还存左不少的缺点: 1)钢价

15、捆的成型没有在专门的成型机构中完成，钢管捆的外形不能得到保 证。这就很容易使捆扎钢管捆的各道包装带受力不均匀，导致包装带的破坏， 甚至造成翎 i 少捆的散捆。 2)打包过程没有专门的工具，不能保证每道包装带的受力基本相同，这也 同样不能保证包装质量。 3)不能适应于恶劣环境下的钢管包装，例如高温的线管，管线管的打捆包 装。 4)钢价捆打捆各过程都需要手动完成，自动化水平较低，已经严重地不能 满足现代化钢管企业生产的需要。 由于以上存在的缺点以及各种技术上的问题，国内到上个世纪 90 年代，才 有企业和技术人员对钢管打捆机进行了一些研制工作。 通过对钢管打捆机的研究，可以借鉴和学习国外先进的机械

16、设计技术，自 动控制技术，管理技术，减轻工人的劳动强度，提高工作效率，保证钢管捆的 包装质量;可以改变我国目前大量钢管打捆机依赖进口的局面，填补国内的这 一空白。 1.51.5 国内外钢管打捆机发展现状国内外钢管打捆机发展现状 目前世界上生产钢管打捆机的国家主要有:美国、日本、德国、意大利。 其中美国是研究钢管打捆机历史较长的国家，目前已经形成了独立完整的钢管 打捆机体系，其产品的品种和产量均居世界之首。其产品以高、精、尖产品居 多，日本紧随其后。由于近年来微电子、材料、制造等行业的迅猛发展，日本 引进、吸收和消化了美国的打捆机技术，并在打捆工具的制造方面独树一帜。 德国，意大利的打捆机也具有

17、自己的优势方面。 进入上世纪 8090 年代，各个发达国家为了维护本国的钢管打捆机市场和 扩大出口能力，积极采用其它领域的新技术(如微电子、激光、新材料等)， 开创了钢竹汀捆机研究发展的新局面。欧美国家的钢管打捆机研究，已不再太 注重产品的.显:种，而是注重在原有品种的基础上继续研究改进性能。 作为子川困机核心部分的打捆头，美国、日本、德国、意大利都具有自主 的 产品。 我国的包装机械起步于 20 世纪 70 年代。经过 30 年的发展，虽然已初步形 成门类比较齐全、产品比较配套的产业，但是我们应该清楚地看到我国在钢管 打捆机技术方面还是十分薄弱的。目前主要的钢管生产企业如上海宝钢、内蒙 古包

18、钢、天津无缝钢管公司等使用的钢管打捆机都还依赖进口。我国目前基本 上没有或者说没有专门对钢管打捆机进行研究与制造。综合分析我国钢管打捆 机的发展现状，阻碍其发展的主要原因在于: l)对寸丁捆机辅助机械的设计知识缺乏研究。打捆机的辅助机械是打捆机 至 关重要的部分，它设计的先进与否直接影响到打捆的进度和质量。 2)对打捆机的关键部件打捆头的机械设计知识缺乏研究。在这个方面同 时一也暴露出我国在材料、制造等多方面的欠缺与不足。国外同类包装机械工 具产品的寿命是国内的产品的 2 一 4 倍就是明显的例证。可见这方面的改进还 将 有赖于我国材料、制造等基础工业整体水平的提高。 3)主要控制部件与执行部

19、件微型机(plc)的稳定性、气动元件及各种执行 部件性能与可靠性还有待于提高。这部分元件目前国内的产品性能与国 外的产品性能还具有一定的差距。 1.61.6 钢管打捆机的相关技术钢管打捆机的相关技术 钢管打捆机系统是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、机 械传动与气动技术等多个学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。 一、机械技术 机械技术是钢管打捆机技术的基础，是连接整个打捆过程的桥梁，是打捆 机至关重要的部分。从打捆机所采用的机械技术就可以清楚的看到打捆机的先 进性如何。因此，需要更新机械设计概念，实现结构上、材料上、性能上的变 更，满足诚小体积、减轻重量、提高精度、提高刚性、

20、改善性能的要求。 经典的机械技术借助于计算机的辅助设计技术，以及在此基础上同时一采 用 人工督能(artificial eialxntelligenee)与专家系统(experrsystem)等，已经 形成新一代机械制造技术。 钢管扫捆机最关键的机械部分打捆头设计，尤其体现了机械技术的先进 性。 二、系统技术 系统技术就是以整体的概念组织应用各种相关技术。从全局的角度和系统 目标出发，将总体分解成相互有机联系的若干概念单元，以功能和单元为子系 统进行二次分解，生成功能更为单一的子系统功能和单元。这些子功能和单元 同样可以卯厂卖逐层分解，直到能够找出一个可实现的技术方案。深入了解系 统 内部结构

21、和相互关系，把握系统外部联系，对系统设计和产品开发十分重要。 接口技术是系统技术中的一个重要方面，它是实现系统各个部分有机连接 的保证。按日包括电气接口、机械接口、人一机接口。电气接口实现系统间电 信号的连按:机械接口则实现机械与机械部分、机械与电气装置部分的连接; 人一机接口提供人与系统间的交互界面。 三、目功控制技术 自动扛;制技术范围广泛，主要包括:基本控制理论;在此理论的指导下， 对具体控制装置或控制系统进行设计;设计后系统仿真、现场调试;最后使研 制的系统能一弓一靠的投入运行。由于系统控制对象种类繁多，所以控制技术 的内容及其丰富，例如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正

22、、 补偿、再现、检索等等。 由于微型计算机的广泛应用，自动控制技术越来越多的与计算机控制技术 联系在一起，成为检测系统中十分关键的技术。 四、传感及检测技术 传感器与检测装置是系统的感官器官，它与系统的输入输出相连，并将检 测到的信号输送到信息处理部分，传感器检测装置是实现自动化的关键环节， 它的功能越强，系统的自动化程度越高。随着自动化领域的不断扩展，需要测 量的参量日益增加，对传感器进一步提出数字化、智能化、标准化的紧迫要 求。 五、电、气、液传动技术 传动系统包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，由微型计算机通 过接口与这些传动装置相连接，控制它们的运动，带动工作机械作回转、直线 及

23、其它各种复杂的运动。传动系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部 件，对系统的动态性能、控制质量和功能具有决定性的影响。常见的系统驱动 执行部件有交流电机、步进电机、气缸等等。 气动技术是以压缩空气为介质来传动和控制机械的一门专门技术。由于它 具有节能、龙污染、高效、低成本、安全可靠、结构简单等优点，广泛应用于 各工业部门现在，气动技术与微电子、液压技术一样，都是实现生产过程自 动化最有效技术之一。 六、现场总线技术 现场总线是应用在生产现场、在微机和测量控制设备之间实现双向串行多 点数字通信的系统。现场总线最终实现的是管理的集中化和控制的完全分散 化。现场总线技术将专用的微处理器置入传统的测

24、量控制仪表，使它们各自都 具有了数字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线， 把多控制仪表连接成网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多 个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现 数据传输与信息的交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。 现场总线具有系统开放性、互操作性与互用性、现场设备的智能化与功能 自治性、系统结构的高度分散性、对一现场环境的适应性等技术特点。正是由 于 具有了以_泊勺特点，使用现场总线可以节省硬件数量与投资、节省安装费用、 节省维护升消，同时给了用户高度的系统集成权，也提高了系统的准确性和可 靠性。 目前世界上主要有 f

25、f(基金会现场总线)、lonworks、profibus、 can 等几种现场总线，它们已经逐步形成影响并在一特定的应用领域显示了自 己的优势。 基金会现场总线的主要技术包括 ff 通信协议，用于完成开放互连模型中 第 2 一 7 层 j 坦信协议的通讯站(communieationstack);用于描述设备特征、参 数、属性及操作接口的 ddl 设备描述语言、设备描述字典;用于实现测量、控 制、工程华洲专换等应用功能的功能块;实现系统组态、调度、管理等功能的系 统软件技术以及构建集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。 lonwworks 现场总线采用了 150/051 模型的全部七层通讯协

26、议，采用了面 向 对象的设计方法，以神经元芯片为核心、 ，通过网络变量把网络通信设计简化为 参数设置，上琴通信速率从 3oobps 至 1.smbps 不等，直接通信距离可达 2700m (7skbps，双绞线);支持双绞线、同轴电缆，光纤、射频、红外线、电力线 等多种通讯介质，并开发了相应的本质安全防爆产品。 profibus 是德国国家标准 din19245 和欧洲标准 en50170 的现场总线标 准。由 pl 之 ofibus 一 dp，profibus 一 fms，profibus 一 pa 组成了 profibus 系列。dp 型用于分散外设间的高速数据传输，适用于加工自动化领 域

27、。profibus 一 fms 适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等 领域。pro 厂 ibus 一 pa 是用于过程自动化的总线类型，它遵从 iec1158 一 2 标 准。 本系统将采用 profibus 一 dp 现场总线标准。 1.71.7 本课题的来源和目标本课题的来源和目标 鉴于钢管打捆机相关技术的分析，在消化和吸收德国西马特钢管打捆机技 术的基础土，根据国内的钢管生产企业的特点，研制开发钢管打捆机是可行 的。为此，浙大精益公司就钢管打捆机己和天津无缝钢管公司签定了合作协 议。根据协议规定，对方委托我们开发应用于无缝钢管打捆机。 我们开发钢管打捆机，希望实现钢管打捆机的

28、国产化，以填补国内这一空 白。因此，本文主要将进行以下几方面的工作: 1)通过对德国西马特公司的钢管打捆机采用的机械设计理论和方法的分 析，深入了解了一整套钢管打捆机的机械设计方法。 2)通过对德国西马特公司的钢管打捆机采用的自动控制理论和方法的分 析，深入了解了基于 profibus 一 dp 现场总线的打捆机控制系统设计技术。 3)通过对微型机在工控领域应用优点的分析，初步设计了钢管打捆机的硬 件和软件系统。 4)通过对钢管打捆机的工艺流程分析，初步设计了钢管打捆机的机械和电 气控制系统。 第二章第二章 钢管打捆机的总体方案设计钢管打捆机的总体方案设计 2.12.1 钢管打捆包装机械的性能

29、要求钢管打捆包装机械的性能要求 2.1.12.1.1 国家对钢管包装的要求国家对钢管包装的要求 依据中华人民共和国冶金部 1998 一 02 一 02 一批准: 1、钢管(钢管和焊接钢管)打捆包装的有关规定 根据钢管的验收、包装、标志和质量说明书 gb2102 一 88 规定: 一般钢管采用捆扎成扎包交货，每捆应是统一批号的钢管 每捆钢管不应超过 5oookg; 外径大于 159ll 的钢管或截面周长大于 8oomm 的异型钢管，可散装交 货; 经供需双方协议，每捆钢管的重量可以超过 8000kg，也可小包装交 货; 成捆钢管一端应放置整齐; 短尺寸钢管应单独包装交货; 定尺寸长度交货的钢管，

30、其搭交的非尺寸长度钢管，应单独交货; 成捆钢管应用钢带或钢丝捆扎牢固; 每捆钢管的捆扎道数应符合表 2.1; 钢管的捆扎包装形式有如图 2.1 所示的几种; 表 2.1 壁厚大于 1.smm 的冷拔或冷轧不锈钢管，应用不少于 2 层的麻袋或塑 料布紧密包奥，钢带或钢丝捆扎(经双方同意也可以裸体捆扎)。每捆最大重 量为 2000kg 钢管的捆扎包装件的形式有圆形、矩形、框架式和六角形四种.其中六角 形包装件比矩形包装形状稳定，比框架式包装经济、简便易行，比圆形包装件 外形整齐美观，堆放时受力面大，且便于计算，故在实际生产中，厂家多采用 六角形包装件，尤其优质产品要求用六角形包装件。 2、无缝钢管

31、厂对钢管打捆的具体要求 钢管外径:32.0-168.3mm 钢管脚厚:3.2-22.2mm 钢管定尺长度:6- 15m 管的理沦重量计算:wl= wp*l:其中 wl 一长度为 l 的(kg);wp 一平端钢管每 米重量(kg/m);l 一测量钢管的长度。通过钢管修正量(人工测量获得)修正长度 (m)。 最大钢管重量:95okg 钢管最高温度:80 打捆方式:手动助力式气动打捆机打捆 捆扎材料:钢带 每捆的最大捆径:85om 打捆形状:六角形 打捆迈数:钢管长度7m，最少捆 4 道 钢管长度10m，最少捆 5 道 钢管长度1om，最少捆 6 道 打捆周期:20-25 秒/道 生产力: 36t/

32、h 全年工作时间:6500 小时。(有效工作时间 5070 小时) 2.1.22.1.2 钢管打捆机的性能要求钢管打捆机的性能要求 钢管打捆机应以满足生产使用要求和保证生产率为前提，做到技术先进， 经济合理，运行可靠稳定。 一套好的钢管打捆机设备应具有: 1、良好的使用性能 l)所有的动作都要符合打捆的工艺要求; 2)运动平稳准确。具有足够的强度和刚度，能保证规定的运动精度; 3)可靠性高; 4)使明维修方便，操作简单安全。 2、合理的技术性能指标 l)经打捆后的钢管应能保证实现客户所提出的包装要求。例如在运输和 存储澳坍间不致于松散、受潮、变形和损坏; 2)具有一定的灵活性，能适应一定范围产

33、品规格、品种变化的要求; 3)具有合理的自动化程度。要根据需要和可能性来综合考虑，不能脱离 具体的条件盲目的追求先进性; 4)创彻标准化、通用化和系列化; 5)结构简单，制造容易，成本底; 6)生产效率高、能耗少; 7)节约材料。 3、其他 l)减轻劳动强度，改善劳动条件，不污染环境，讲究技术美学，创造文 明生产条件: 2)留仃发展的余地，需要改进时而不致造成全机废弃。 2.22.2 钢管打捆机系统的工艺流程分析钢管打捆机系统的工艺流程分析 钢管扫捆机的工艺流程实现可以有电磁吊式、机械式。通过对电磁吊式与 机械式的扫捆工艺的深入研究，我们得出不管哪种方式虽然工艺实现方式不同， 但其卜要的工作流

34、程都相类似，都是:首先是将钢管一根根的对齐，这部分我们 称之为进移管机:然后按成型需要分批计数后移到成型机构里进行钢管捆成型， 我们称之为移管成型机构;最后是将成型的钢管捆运输到打捆 工位进行打捆并输出，这部分我们称之为运输机构。鉴于委托单位的要求 以及我们研发便利条件等因素，我们参考了德国西马特的钢管打捆机的工艺流 程， 将打捆机分为步进移管机、水平移管机、托叉移动机构、六角成型机构、小车 运输机构。 2.32.3 传动方案选择传动方案选择 传动方案的选择对涉及的成败起到了关键性作用，这一阶段也充分体现了 设计工作有多样性的特点。 机械的功能分析，就是对设计任务书提出的机械功能中必须达到的要

35、求， 最低要求及对希望达到要求进行综合分析，记这些功能能否实现，多项功能间 有无矛盾，相互间能否替代等。最后确定出功能参数，作为进一步设计的依据。 确定出功能参数后，即可提出可能采用的方案。寻求方案时安原动部分， 传动部分及执行部分分别进行讨论。从电动机到工作机构部分的传动可以是某 一减速器（它与电动机和工作机构用连轴相连接） ；也可以是减速器加带传动 （链传动，开式齿轮传动等） 。 2.3.12.3.1 方案比较方案比较 方案一：电机v 带传动减速器主动滚筒输送链 图 2.2 1电动机 2输送带 3主动滚筒 4减速器 5v 带传送 方案二：电动机运输机主轴运输机主动星轮链轮 图 2.3 1电

36、动机 2传动系统 3运输机主动星轮 4运输机主轴 5传动链 方案三：电动机联轴器减速器联轴器链子提升装置 图 2.4 1提升装置 2链轮 3传动链 4减速器 5电动机 方案一中的带传动用于传递的功率不大，结构形式比其他传动形式大，但 传动平稳，能缓冲吸收冲击振动，由于摩擦产生静电，不适用于有瓦斯积灰尘 等危险场合。常用于高速及传动。由于打捆机的传动部分功率较大且传动不平 稳，所以方案已不适用。方案二是用于水平方向上的传动，而打捆机部分是垂 直传动，故不适用。方案三中的链传动与带传动无打滑现象，因而能保证准确 的平均传动比，传动效率较高，链条无张紧力所以作用在轴上的径向压力较小， 且链传动尺寸小

37、，结构紧凑，能工作在高温潮湿的环境中。因此方案三为最佳 方案。 第三章第三章 提升装置设计提升装置设计 3.13.1 选则电动机选则电动机 电动机的选择内容包括选择电动机的种类，电机的型式，电机的额定电压 转速和功率计算。标准电极的容量等，所选电机应符合工作要求。 电动机的容量主要由运行时发热条件的确定，再不变或变化很小的条件下， 长期连续运行的机械，只要其电机负荷不超过额定值，电机则不会过热，通常 不必校验发热和启动力矩。 已知参数：1.钢管规格 外径60-180mm;长度 6000-14630mm；厚度 2.5- 12mm; 2.生产能力 12 万吨/年; 捆形 六边形 3.最该温度 80

38、； 4链速 0.3m/s; 传动方案：1提升装置 2链轮 3链传动 4减速器 5电动机 3.1.13.1.1 提升装置受力分析提升装置受力分析 图 3.1 提升装置受力图 如图所示：钢管受到重力 g，拉力 f，支持力 n (3.1)其 n108.4044 m)10 2 16180 (m) 2 10180 (3.14m101200010mkg7800 ) 2 2d () 2 d gl(mgg 232 3 32 22 中：m，。kg7800 2 /10gsmmmdmmlmm180,12000,8 （3.2） ngn nngf gg 04.113237 2 1 52.5661860cos 48000

39、93.48691 2 3 52.5661860sin 52.5661818.40441414 max 3.1.23.1.2 电动机负载功率电动机负载功率 1 4 . 14 1000 3 . 0105 . 3 1000 4 kw fv pe （3.3） 式中 p匀速提升时所需的牵引功率； 所以电机所需的功率k 总 电 e p p 其中选联轴器的效率；链传动的效率9.90 1 ；5.90 2 选减速器的效率。.11k6.90 3 ，取得安全系数是考虑提升支架的重量； 。功率因素； 。，额定功率；额定转速； ，；型电动机，其同步转速表选 机械设计便览更具电机所需功率查表 电 总 89.5% 0.81

40、cos 15kw1460r/min 1500r/min4.-y160m 14.69.11 8.90 14.4 k p p 98 . 0 9.905.906.909.90 1321 e 1321 3.23.2 减速器的选择减速器的选择 3.2.13.2.1 常用减速器的选择常用减速器的选择 减速器是在原动机(一般为电动机)和工作机间的独立传动部件。一般以齿 轮，蜗杆传动等 传动件装在铸造或焊接的刚性箱体中而成，有些减速器与电动 机构成一个组合体，结构紧凑，使用方便。许多减速器我国已有国家标准，并 在专门的工厂批量生产，可以按样本选取。选择减速器一般考虑以下几个方面 的问题：根据传动类型，减速器可

41、分为齿轮，蜗杆，齿轮-蜗杆和行星减速器， 根据齿轮形状不同，减速器可分为圆柱，圆锥，圆锥-圆柱齿轮减速器；根据传 动的级数，减速器可分为单级，多级减速器；根据周在空间的位置，减速器可 分为卧式和立式减速器；根据传动的布置形式，减速器可分为展开式，分流式 和同轴式减速器。考虑不同工作环境还可分为在高温，低温，高速等条件下工 作的减速器。 3.2.23.2.2 减速器的计算减速器的计算 已知参数；电机；功率 p=15kw 转速 n1=1460r/min 求总传动比；i= （3.4）21 8.469 1460 n1 电机 n 3.2.33.2.3 选择减速器选择减速器 1）由传动比 i=21，选 z

42、l 型减速器； 2)由机械设计便览表 41-2 查取减速器效率；95 . 0 3 3）查机械设计便览表 41-5，由 i=21，p=15kw 查选 a=425；核算尖峰载荷， 查机械设计便览表 41-5，当 i=21，a=425，且为连续型，高速轴功率 p1=15kw 时，选用高速级齿轮精度为 8-8-7-dc，故选用代号为 zl425-10-ii 型 的减速器。 3.33.3 链的设计计算链的设计计算 已知参数：电动机功率./.3m0vkw15sp，链速 电 链传动的工作条件不同，其失效形式也不同。根据链速不同分为 v0.6m/s 的一般链传动，按功率曲线设计计算，当 v=0.6m/s 的低

43、速链传动， 安静强度设计计算。因为已知链的速度 v=0.3m/s0.6m/s，所以本设计中的链 传动设计计算应安静强度进行计算，当 v0.6m/ss 时，其主要失效形式是链的 静力拉断，故应进行强度校核。 3.3.13.3.1 选取链轮齿数选取链轮齿数 链轮齿数的多少对传动平稳性和使用寿命有很大的影响。小链轮的齿数少， 可以减小外廓尺寸，但齿数过少，会增加运动的不平稳性和动载荷；链轮在进 入和退出啮合时，链接间的相对转角增大；链传动的圆周力增大，从整体上加 速铰链和链轮的磨损。可见笑脸轮的齿数不宜太少，一般链轮的齿数。9 min z 但小链轮的齿数也不宜太大，在传动比给定时，小齿轮齿数增大，大

44、齿轮的齿 数也相应增大，其结果不仅增大了传动的总体尺寸，而且还容易发生跳链和脱 链，从另一方面限制了链条的使用寿命。假定链速，又下表选取小链轮齿数 z1 小链轮齿数 z1对链传动的平稳性和使用寿命有较大的影响。尺寸小可减小 外廓尺寸，但齿数过少，将会导致：传动的不均匀性和动载荷增大；链条 进入和退出啮合时，链节间的相对转角增大，是铰链的磨损加剧；链传递 的圆周力增大。 从而加速了链条和链轮的损坏。 所以当链速 v=0.3/s，取主动轮齿数 z1=17。 3.3.23.3.2 确定链的额定功率确定链的额定功率 由于连的传动启动属轻微冲击，查机械设计表 9-6 取 （3.5） kw72 . 6 6

45、.909.90 4 . 146.401 6 1 pk 6 1 p 0.46k139, 1 . 1 2 3 2 1z0 z 电机 ，则链的额定功率得查机械设计图 a a k k 3.3.33.3.3 选择链的型号，确定链节距和排数选择链的型号，确定链节距和排数 链的节距 p 越大，承载能力就越高，但总体尺寸增大，多边形效应显著， 振动 冲击和噪声也严重。为使结构紧凑和延长寿命，应选用较小节局的单排练， 但当速度高，功率大时，宜选用小节距的多排链。如果从经济上考虑，当中心 距小，传动比大时，应选用小节距的多排链；中心距大，传动比小时，应选大 节距的单排链。 综合考虑，初选链号；24a，双排链 p=

46、38.1 查机械设计手册带传动和链传动，图 14-2-2 可知，预使此链的额定功 率达到 。 ，每米质量，滚子外径，排距，滚子链的型号 可知；表设计手册第三卷故此链可用。查机械 节距 小链轮齿数 小链轮转速 链速，式中 ，根据 合，则小链轮链速必须符 双 单 m/.6kg5q mm3.222dmm4.445p.1mm38pa24 12138213 min/ r9.727 .13817 .30100060 pz v100060 n p z n , 14 100060 nzp v min/ r30n4.33 5.71 p 1t 0 0 v p 3.3.43.3.4 确定中心距和链节数确定中心距和链

47、节数 因为捆成型后形状为正六边形，技术要求每层厚度为 200-1030mm。 由下图正六边形特性可知； （3.6） mm adcfbf mmap 892 2 3 1030 2 3 2 3 1030 maxmaxmax max 图 3.2 正六边形 据此可知，提升支架在垂直方向在大活动距离不大于 892mm，而提升连接 头在斜向 120 度方向最大活动距离不得低于 1030mm，因而从动轮中心距 1030mm，考虑提升连接头不可以碰撞两链轮，故两从动轮中心距必须适当加大， 取提升支架在斜向 120 度方向的运行距离为 1170mm。 综合考虑机器的工作要求和场地条件，主动轮最好的布置位置为从动轮

48、 (1)的正下方。另外链传动必须安装张紧装置，所以主动链轮的位置相对于从动 链轮（2）须在铅垂方向要有适当的提高。综上所述，从动轮（1）的正下方与 主动链轮的中心距 a2=1040mm，下从动轮（2）较主动链轮低 h=230mm。考虑提 升牵引作用，则两从动链轮中心线需与水平方向成 120 度角。那么主动链轮与 下从动链轮（2）在水平方向的距离为： (3.7) .734 3 2301040 mml 则：主动链轮余下从动链轮的中心距： 。 (3.8)mma 2 . 769230734 22 3 两从动链轮的中心距为： 。 (3.9)mma1463 2 3 2301073 1 链节数为： 75.1

49、05 3 171717 1 . 38 76710401463 3 321321 zzz p a p a p a lp 为了增加链轮的啮合齿数，提高传动能力。应适当增加链节数，这样可以 在张紧装置的作用下使链轮啮合数增加，提高传动能力。取 lp=101。如下图 图 3.3 联传动简图 3.3.53.3.5 轴上力的计算轴上力的计算 作用轴上的力： 工作拉力： n (3.10)8333.3 0.3 6 15 1000 v 1000 额 p f 工作平稳： (3.11).21f（ 10000n8333.81.2f.31 ） 3.3.63.3.6 链传动的润滑，布置和张紧链传动的润滑，布置和张紧 链传

50、动的润滑：良好的润滑有利于减少铰链的磨损，提高传动效率，缓和 冲击从而延长链条的寿命。 润滑方式的选择：由于链条的运动是在空间的运动，不宜用润滑油润滑， 所以选用人工定期润滑。 链传动的步置：链传动的布置合理与否，对传动的工作性能和使用寿命有 很大影响，布置时，两链轮已处于同一平面内，两轴平行，一般应采用水平或 接近 水平布置，并使松边在下。 链传动的张紧：主要是为了避免链的垂度过大，啮合时链条上下颤动，同 时也可以增加啮合包角。 常用的张紧方法：（1）用调整中心距来进行张紧； （2）附加张紧装置。 综上所述设计中的链传动采用弹簧调节张紧。 3.3.73.3.7 设计结果设计结果 综上所述，链

51、条的设计结果为：滚子链型号：24a2110 gb124383 链轮齿数：17 321 zzz 中心距： mmmmaamma767,1040,1463 321 压轴力：nf10000 润滑方式：人工定期润滑 3.43.4 滚子链轮的设计选择滚子链轮的设计选择 滚子链轮的基本参数和主要尺寸： 基本参数：链条齿数：z=17； 配用链条：节距 p=38.1mm 排距 mmpt44.45 滚子外径 mmd23.22 1 主要设计尺寸：分度圆直径 d： 4 . 207 17 180 sin 1 . 38 180 sin z p d （3.12） 齿顶圆直径 86.22623.22 1 . 38) 17 6

52、 . 1 1 (4 .207) 6 . 1 1 ( 795.23223.22 1 . 3825 . 1 4 .20725 . 1 1min 1max dp z dd dpdd a a （3.13） 分度圆弦齿高 mm14h 94 . 7 48.14 a min max 取 mmh mmh a a 齿侧凸缘； g d mm8.4138 6.70h4.01 t 180 pcotd 2g （3.14） 取mm130dg 链轮转速 n 由min/ r270n 2 nv得及 3.53.5 主动链轮轴的计算主动链轮轴的计算 已知参数：电机功率为 15kw，转速为 1460r/min。 3.5.13.5.1

53、 选择轴的材料选择轴的材料 选择轴的材料，应考虑下列因素：轴的强度，刚度及耐磨性要求；热处理 方法；材料质量；材料加工工艺性；材料价格等。 由于碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热处理 或化学热处理的办法提高其耐磨性和疲劳强度，故采用碳钢制造轴有为广泛， 其中常用的为 45 号钢。 合金钢力学性能和淬火性能比碳素钢要好，但对应力集中比较敏感，且价 格较贵，多用于对强度和耐磨性要求较高的场合。40cr 经调制处理后，综合力 学性能很好，是轴最常用的合金钢。 该轴无特殊要求，因此选用调制处理的 45#，。mpa b 640 3.5.23.5.2 初步估算轴径初步估算轴径 对于机

54、器中的一般转轴，主要应满足强度和结构的要求；对于刚度要求的 轴（如机床主轴） ，主要应满足刚度要求；对于一些高速机械的轴（如高速磨床 主轴，汽轮机主轴等） ，要考虑满足振动稳定性的要求。 在转轴设计中，其特点是不能首先通过精确计算确定轴的截面尺寸。因为 转轴工作时，受弯矩和转矩联合作用，而弯矩又与轴上载荷的大小及轴上零件 相互位置有关，所以当周的结构尺寸未确定前，无法求出轴所受的弯矩，因此 转轴设计时，扭转强度或经验公式估算轴的直径，然后进行轴的结构设计，最 后进行轴的强度校核。 对于仅承受转矩或主要承受转矩的转动轴，常采用此方法进行设计计算， 对既承受弯矩又承受转矩作用的轴，在做轴的结构设计

55、前，常采用此法做轴的 最小直径估算，用降低许用应力的办法来补偿弯矩对轴强度的影响，对于 t 不太重要的轴，也可作为最后的强度计算。 轴的强度条件为 10 t 109550 3 t t w n p w t 式中：周所传递的转矩，nmm； t 轴的抗扭截面系数，mm ； t w 3 p轴所传递的功率，kw； n轴的转速，r/min； 轴的许用扭转切应力，mpa。 t 对实心轴，将中，可 w n p 109550 w t 516 t 3 t t 33 tt dd w 代入 得轴的直径 3 3 )109550( 5 n p c n p d t 式中：c由轴的材料和承载情况确定的系数； 按上式求得的直径

56、，应考虑到键槽会消弱轴的强度。因此，如轴上有一个 键槽，轴径应增大 5%，有两个增大 10%。 按扭转强度估算轴端处的最小轴径。取 c=120。 作用到轴上的功率： （3.15） kw8.96 9.905.909.9015 2 1 2 1 4112 电 pp 根据公式： （3.16）mm4.452 270 8.96 120 n p cd 3 3 2 2 min 由于安联轴器出有一个键槽，轴径应增加 5%，为使所选轴颈与联轴器孔相 适应，所以 （3.17）mmdd55%)51 ( minmin 3.5.33.5.3 轴的设计计算轴的设计计算 进行轴的结构设计，就是根据工作条件确定轴的结构外形和全

57、部结构尺寸， 在进行轴的结构设计时考虑的主要因素有：轴在机械中的安装位置及形式；轴 上安装的零件的类型，尺寸，数量以及和轴连接的方法；载荷的性质，大小， 方向及分布情况；轴的加工工艺等。由于影响轴的结构的因素较多，且其结构 形式又要随着具体情况的不同而异，所以轴没有标准的结构形式。设计时，必 须针对不同情况进行具体的分析。但是，无论何种具体条件，轴的结构都应满 足：轴和装载轴上的零件要有准确的工作位置；轴上的零件应便于拆装和调整； 周应具有良好的制造工艺性等。 轴的结构设计中主要结局下面几个主要问题： （1） 轴上零件的位置 轴上零件布置是否合理，关系到能否改善轴的结构合理性和装配工艺 性，有

58、时甚至关系到能否改善轴的受力情况，提高轴的强度等问题。因此， 拟定轴上零件的布置方案时进行轴的结构设计的前提。 链轮靠套筒定位，装拆，传力均较方便，两端轴承用统一尺寸，以便 于加工，安装和维修。 （2） 轴上零件的定位和固定 为了防止轴上零件受力时发生沿轴向的相对运动，轴上零件除了有特 殊的结构要求外（如游动或空转） ，一般都必须要求定位准确。可靠。常用 的周向定位方法有平键，花键，销，紧定螺钉以及过硬配合等，其中紧定 螺钉仅用于传力不大的零件。 链轮与轴，半万向联轴与轴的轴向定位均采用平键连接。根据轴的直 径有机械设计使用手册查的链轮，半万向接轴处的键面尺寸分别为 b*h=22mm*9mm，

59、配合均为 n9/js9，滚动轴承内圈与轴的配合采用基孔制， 轴的尺寸公差为 n9。 图 3.4 轴及轴上零件定位 （3） 直径和长度的确定 临界在轴上的布置方案确定后可初步估算轴所需的最小直径（通常是 min d 轴端段） ，近而初步确定阶梯轴各段的直径，长度和配合类型。轴径的初步估算 常用下列两种方法：转强度初步估算轴径；按经验公式估算轴径 估算出轴的最小直径后，按轴上零件的布置方案和布置要求，从轴端段起 逐一确定各段的直径。需要注意的是，当轴段有配合需求时，应尽量采用推荐 的标准直径。安装标准件（如滚动轴承，联轴器等）部位的轴径尺寸，应取为 相应的标准值。另外，为了使齿轮，轴承等有配合要求

60、的零件装拆方便，避免 配合表面刮伤，应在配合段前采用较小的直径，或在同一轴段的两个部位上采 用不同的配合公差值。 轴的各段长度主要是根据和零件与轴的配合部分的尺寸和相邻零件必要的 空隙来确定。为了保证轴上件轴向定位可靠，如齿轮，链轮，联轴器等轴上零 件相配合部分的轴段长度一般应比轮毂长度短 23mm。 确定各段轴径和长度，轴上零件较少，安装定为方便，该轴可设计为光轴。 轴长取决于零件的宽度及它们的相对位置，因此设计轴80，轴长为 600mm。 （4） 轴的结构工艺性 轴的结构工艺性是指轴的结构形式便于轴的加工和轴上零件的装配 并且要求生产率高，成本低。为了便于轴的装拆和去掉加工时的毛刺，轴 的