邓佳------毕业论文

1、武汉理工大学毕业设计（论文）摘 要本文简略说明了无缝钢管无损检测的方法，主要记录了此次设计无缝钢管探伤机驱动装置的设计过程，对今后设计类似驱动装置有一定的参考作用。本文清楚地说明了无缝钢管探伤机驱动装置的动力系统及流程，主要研究了从机架到轴承的设计选择过程。而且清楚地说明了各个零部件的选用原则和方法，对其中需要计算的部分有详细的公式给出。而且每个标准都是严格参照相关手册选择，有较高的参考价值。整个设计的重点在于选择托起无缝钢管的方案。本文创新选择只使用一个液压缸，利用杠杆机构来同时实现待检测无缝钢管和已检测无缝钢管的升起降落。理论上，该套设备能够满足无缝钢管从进料到检测到出料整个过程的各个要求

2、，各个参数都能与无缝钢管探伤机其他装置相匹配。关键词：无缝钢管；探伤机；驱动装置；AbstractThis article briefly describes methods of the nondestructive detecting of seamless steel pipes; it primarily records the design process of the driving machine of detecting equipment of seamless steel pipes. This article could be referred by those who

3、need to design equipments which are similar to this one.This article clearly illustrates the driving system and process of the nondestructive detecting of seamless steel pipes; it has a major study of the process of design and selection from the frame of the equipment to bearings. What's more, t

4、his paper clearly shows principles and methods of selecting components of the driving machine, in which, some parts which need to be calculated have been given detailed formulas. Each related standards had strictly selected from related manuals selection. In brief, this article has a high value of r

5、eference.The focus of the design lies in the selection of holding up seamless program. This article chooses to use a hydraulic cylinder instead of two, and it uses a linkage mechanism to make it possible of rising a detected seamless steel pipe be while landing a seamless steel pipe which is waiting

6、 for detection. In theory, this equipment can satisfy the various requirements throughout the process of feeding and detecting and unloading seamless steel pipes, each parameter can be matched with other machine of detecting equipment of seamless steel pipe.Key words: seamless steel pipe; driving ma

7、chine; detecting equipment1 绪论无缝钢管是一种具有中空断面且长度与周长之比较大的钢材。在当今工业技术中，无缝钢管在许多实际应用中发挥着重要的作用。它们主要用于输送液体,能够依照各种用途由各种各样的材料制成，而且尺寸也可以随意而定。无缝钢管作为基本结构元素在建筑、桥梁、汽车和航空工业中被广泛使用。由于有着很高的经济性和适用性，无缝钢管还广泛用于制造结构类机械零件，如石油钻杆、汽车传动轴、自行车架以及建筑施工中用的钢脚手架等。无缝钢管具有良好的周向均匀性，因此它还有很高的耐压和抗扭的性质。当今，无缝钢管的种类繁多，有用于一般结构和机械结构的结构用无缝钢管，有用于输送水、

8、油、气等流体的一般流体输送无缝钢管，有各种锅炉设备用的优质无缝钢管，有用于金刚石岩芯钻探的钻杆、岩心杆、套管和石油钻探两端内加厚或外加厚的无缝钢管。而且随着科技的日益进步和用户的需求各异，在过去的几十年里，新材料不断产生、尺寸和形状不断改进、生产流程优化和质量控制也日益精确。这就为生产符合各种要求的无缝钢管提供了材料和技术支持。生产工业无缝钢管的工艺流程如下:管坯检验剥皮检验加热穿孔酸洗修磨润滑风干焊头冷拔固溶处理酸洗酸洗钝化检验与此次设计题目相关的是上述流程的最后一道检验过程。无缝钢管由于在管坯的选用以及后续的各个加工制造过程（如上工艺流程）中受到各种复杂应力的作用,极易在钢管的表面及内部产

9、生微裂纹等缺陷。这些缺陷一旦未被发现 ,钢管的制造过程就无法优化，制造的钢管质量就无法保证，会在使用过程中出现这样那样的问题，而且在重要的应用中，如果不能保证无缝钢管的质量，有可能造成极大的损失。为确保无缝钢管产品的安全性，所有的出产产品都要进行探伤和生产检测,即无损检测。无损检测是指：在不损害被检对象的前提下，探测工件内部或外表面的缺陷(伤痕)的现代检验技术。无损检测的任务是，在所要求的材料中，用不损伤被检材料的前提下检测出材料的不均匀性或缺陷部位，并对检测结果作出评价，确定被检物件的可使用性。 用于无缝钢管生产中的无损探伤方法主要有：漏磁检测法、涡流检测法、超声检测法、射线检测法等。各种探

10、伤方法都有其一定的使用范围。随着对钢管质量要求的不断提高，有时需同时使用几种方法进行探伤，以对检验结果进行综合的分析、判断。对特定温度和压力要求的无缝钢管探伤方法不尽相同，对钢管要求越高，探伤的种类就应该使用得越多，其中使用较多的有涡流探伤和超声波探伤。涡流探伤对钢管近表面位置的点状型缺陷有较高的灵敏度：而超声波探伤对钢管内部的面积型缺陷有较高的灵敏度。两种探伤方法交替或是配合使用，无缝钢管的出厂质量将得到进一步的提高。对无缝钢管进行有效的无损检测,及时发现其内部和表面存在的缺陷,是延长无缝钢管使用寿命和提高产品质量必不可少的技术手段。对无缝钢管探伤的合理性和效率就会对生产的进度产生一定的影响

11、。而探伤时工件的驱动部分在无损检测里就成为了比较重要的部分，它的效率和寿命将极大影响探伤的效率。进而对整个无缝钢管探伤设备有着重大影响。所以，无缝钢管探伤机驱动部分的设计有很重要的意义。在此次无缝钢管探伤机驱动部分的设计中，应该完成这样一个任务：设计一套装置，能使一定形状大小的无缝钢管（直径从219mm到610mm，长12m）顺利到达无损检测的地方，检测完成之后，将无缝钢管运到另外的地方放置起来。2 机械传动总体方案的设计2.1 动力流程及循环目前国内无缝钢管探伤方式主要有两种：一种是无缝钢管整周回转，探头直线移动，在钢管上形成螺旋探伤线的方式；另外一种是钢管直线前进而探头高速旋转的方式。由于

12、各厂实际需要各异，无缝钢管的探伤方式和设备也不尽相同，这次的毕业设计我选择第一种探伤方式，即无缝钢管整周回转，探头直线移动的方式。为了实现无缝钢管的整周回转，在参考了各种传动方案后，我决定采用如图2-1所示的传动方案：图2-1 无缝钢管探伤机动力流程图将待检测的成品无缝钢管置于一个两侧由槽钢组成的斜度较小的进料支架上，让无缝钢管在重力作用下自行滚到让其做整周回转的托轮上。一个挡块在进料支架末端，用于控制无缝钢管的进料或等待状态。当钢管滚到托轮上时，由电机驱动的探头开始沿着旋转的钢管做无损检测，无损检测的轨迹为螺旋线，将覆盖无缝钢管的整个外表面，以起到无损检测的作用。检测完的钢管由液压缸托起至与

13、出料支架相同高度后再由重力作用使钢管自动滚落。 同时，连接在液压缸上的连杆使挡块下移，被挡块挡住的处于进料支架上的无缝钢管就可以自由滚落，当待检测无缝钢管滚到液压缸上时，液压缸活塞回缩，同时，挡块被杠杆机构带动上移，重新挡住后面的待检测无缝钢管，这就是一个动力循环。2.2 方案对比及选择2.2.1 托起无缝钢管的方案选择托起无缝钢管的方案可以分为两种：第一种，无缝钢管被固定在机架上的挡块挡在进料机架上，无缝钢管的进料出料各用一个液压缸，在出料液压缸托起无缝钢管高过了出料机架时，无缝钢管自行滚落，之后，进料液压缸把被挡住的无缝钢管抬起，在无缝钢管自滚的同时，液压缸活塞回缩，使待检测无缝钢管正好落

14、在两对滚的托辊之间，带动无缝钢管原地自转，以便检测。第二种，即为上述选用的一个液压缸的传动方案，在液压缸顶起已检测的无缝钢管的同时，带动杠杆机构将挡块拉下，使待检测无缝钢管滚下，并通过液压缸的速度调节使无缝钢管正好落到两托轮之间。之所以选择后者，是因为它经济实惠，省去了一个液压缸，而且略微缩短了检测一根无缝钢管的时间，而且由于液压缸的回程速度可调，所以这个方案完全有可能实现。不过这个方案相对于第一个方案也有缺陷，由于无缝钢管在进料机架上的纯滚动情况不一定很理想，导致液压缸活塞回缩时速度不太好控制，工作时可能会出现一定的问题。2.2.2 各种杠杆机构的选择为了实现在液压缸活塞上移同时带动挡块下移

15、，必须使用杠杆机构，其中简单清晰的就是四杆机构。除了在图纸上表示出来的杠杆机构外，我还设计了不同焊接点的另外一个杠杆机构，以及一套滑轮和钢索组成的有杠杆作用的机构。综合各方面因素，我选择了连杆机构，具体见工程图。3 驱动电机的选用3.1 无缝钢管重量的计算查普通无缝钢管尺寸规格（GB/T 17395-1998）可知，外径为610mm的无缝钢管壁厚有65mm，40mm，20mm三种。计算重量时，选取壁厚最大的计算，壁厚65mm的无缝钢管单位长度的重量W=873.63kg。所以，12m长的无缝钢管重量：经过5套机架支承后，无缝钢管重量为：3.2 无缝钢管在托轮上的受力分析及计算由于无缝钢管在两托轮

16、之间，它的受力分析图如下图3-1所示：图3-1 无缝钢管受力分析图受力分析得： 其中：解得： 查得钢和橡胶的摩擦系数：托轮切线方向上受力： 托轮半径： 托轮受到转矩： 无缝钢管的转速约为：3.3 驱动电机功率的计算电机功率为： 由于存在着各种功率损耗，电机的功率计算为：最后为了安全起见，电机功率选为4KW。3.4 驱动电机的选型根据以上计算，查手册，选取驱动电机型号为：4 链传动的设计计算4.1 选择链传动的原因链传动兼有齿轮传动和带传动的特点。与齿轮传动比较，链传动较易安装，成本低廉；远距离传动（中心距最大可达十多米）时，其结构要比齿轮传动轻便得多。与带传动比较，链传动的平均传动比准确；传动

17、效率高；需要的张紧力小，压轴力也小；结构尺寸紧凑；能在低速重载下较好地工作；能适应较恶劣环境如油污多尘和高温等场合。由于上述链传动存在着诸多优点，以及考虑到本次设计的驱动装置要求无缝钢管在两托轮上的滚动尽量匀速，以方便探伤机的工作准确、顺利，而且又用不到带传动的过载保护的性能，而直接连接齿轮、锥齿轮又不太可能。所以，在电机输出的第一级，布置链传动。4.2 选择滚子链的原因首先，按用途不同链可分为传动链、起重链、和拽引链三种。由于此次选择链传动的原因就是传递动力，所以选择传动链。其次，传动链按结构的不同又可分为传动用短节距精密滚子链（简称滚子链）和齿形链。由于齿形链的齿形及啮合特点，其传动较平衡

18、，承受冲击性能好，轮齿受力均匀，噪音较小，故又称无声链。它允许较高的链速，特殊设计的齿形链传动最高链速可达40m/s。但它结构比滚子链复杂、价格较高、重量较大，所以目前应用较少。4.3 滚子链传动的设计计算链传动的工作条件不同，其失效形式也不相同。根据链速不同分为两种情况：当v>0.6m/s的一般链传动，按功率曲线设计计算；当v<0.6m/s的低速链传动，按静强度设计计算。根据驱动电机的输出速度和托轮的预期大致转速范围，可以选择大、小链轮的齿数，分别为：由于链节距的大小直接决定了链的尺寸、重量和承载能力，而且也影响链传动的运动不均匀性。在保证链传动有足够的承载能力的情况下，为了减小

19、振动、冲击和噪声，设计时应尽量选用较小的链节距。静强度的计算式为：其中：n代表链的排数，由于是双排链，所以：链传动工作情况系数：选择链号为10A的的滚子链，它的单排极限拉伸载荷为：链的总拉力为：其中：该型号滚子链的质量为：垂度系数为：重力加速度：中心距：综上，静强度：链节数：圆整为：所以选择的滚子链型号为：10A2122 GB/T 1243.119834.4 链传动的润滑布置和张紧4.4.1 链传动的润滑良好的润滑有利于减少铰链磨损，提高传动效率，缓和冲击从而延长链条寿命。通常根据链速和链节距按照机械设计手册上推荐润滑方式的图来选取润滑方式。所以，对于这套链传动装置，选用人工定期润滑较合适。4

20、.4.2 链传动的布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较大的影响。布置时，两链轮应处于同一平面内，两轴平行，一般应采用水平或接近水平布置，并使松边在下。对于这套链传动装置，大链轮的位置较高，电机和小链轮的位置较低，只能采用倾斜的传动方式。4.4.3 链传动的张紧链传动的张紧的目的主要是为了避免链的垂度过大，啮合时链条上下颤抖，同时也可以增加啮合包角。常用的张紧方法有：（a） 靠调整中心距张紧；（b） 附加张紧装置。当中心距不可调时，可安装张紧轮。张紧轮一般压在松边靠近小轮外侧处。张紧轮可以是链轮，也可以是无齿的辊轮，其大小应与小链轮接近。在此套链传动装置中，电机垫板所在的槽钢

21、开了可供电机左右移动的槽。所以，只需要调整中心距就可以达到张紧的目的。5 托轮主动轴的设计选用5.1 轴材料的选择该轴无特殊要求，因而选用调质处理的45钢。5.2 轴径的初步设计按照扭转强度估算输入端联接大链轮处的最小轴径。其中，由于转速较低，转矩对轴影响较小，所以取：。主动轴的功率为：其中，联轴器的效率：链传动效率：托轮主动轴转速：其中：分别为小大链轮齿数。根据轴径的初选公式：由于轴上有两个键槽，故轴径增大10%，可得：由于轴最细处较短，将轴最小径圆整为：5.3 轴的结构设计5.3.1 轴的轴向周向定位托轮的一端靠轴肩定位，另外一端靠紧定螺钉与锁紧挡圈定位，拆装、传力均较方便。两端轴承用同一

22、尺寸，以便于加工安装和维修。轴承一端靠轴肩定位，另外一端靠轴承座定位。托轮、大链轮的周向定位均采用平键联接。根据有关设计手册查得轴承内圈和轴颈的配合为Js6/H5，轴承外圈和轴承座的配合为H6/Js5，托轮和轴的配合为H7/r6。装配方案图如下图5-1所示：图5-1 轴上零件装配方案5.3.2 确定轴的各段轴径和长度最右端为最细处，轴径为60mm。两处装轴承轴段的轴径为70mm，长度为75mm。定位两处轴承的轴径为80mm，长度为50mm。安装托轮的轴段轴径为85mm，长度为240mm。定位托轮的左端的轴肩轴径为110mm，长度为25mm。整个轴总长为600mm。如图5-2 ：图5-2 轴的结

23、构设计5.3.3 考虑轴的结构工艺性考虑轴的结构工艺性，在轴的左端和右端均支成倒角；两端装轴承处为磨削加工，留有砂轮越程槽；为便于加工，托轮、大链轮处的键槽布置在同一母线上。5.4 轴的强度验算先作出轴的受力计算简图如图 所示，取集中载荷作用于托轮及轴承的中点。5.4.1 托轮上的作用力(如图5-3a所示)无缝钢管和托轮接触的法面上：轴受到的转矩：5.4.2 轴承上的支反力无缝钢管和托轮接触的法面上：5.4.3 画弯矩图(如图5-3b所示)截面C上的弯矩为：5.4.4 画转矩图(如图5-3c所示)5.4.5 画计算弯矩图(如图5-3d所示)因单向回转，视转矩为脉动循环，则截面C处的当量弯矩为：

24、5.4.6 按弯扭合成应力校核轴的强度截面C当量弯矩最大，故截面C为可能危险截面。查相关手册得：。截面D处虽仅受转矩，但其直径最小，则该截面也为可能危险截面。所以，该轴的强度足够。图5-3 轴的强度计算6 键连接的选择6.1 托轮与轴间键的选择托轮所在轴段的轴径为85mm，长度为240mm。查有关手册，根据GB/T 10962003，可以选择键宽b=22，键高h=14的圆头普通平键，标记为： GB/T 109620036.2 电机与小链轮间键的选择电机经过减速器伸出轴段的轴径为55mm，长度为80mm。查有关手册，根据GB/T 10962003，可以选择键宽b=16，键高h=10的圆头普通平键

25、，标记为： GB/T 109620036.3 托轮主动轴与大链轮间键的选择托轮主动轴与大链轮联接轴段的轴径为60mm，长度为80mm。查有关手册，根据GB/T 10962003，可以选择键宽b=18，键高h=11的圆头普通平键，标记为： GB/T 109620037 滚动轴承的选择及计算7.1 滚动轴承的选择滚动轴承是一种精密的机械支承元件，轴承用户深切希望装在主机上的轴承能够在预定的使用期内不致损坏并保持其动态性能，但客观事实有时并非尽如人意，突发的轴承失效事故会给用户造成重大损失。通过大量的滚动轴承失效分析研究表明，轴承短寿或过早的丧失精度，有的是由于材料缺陷或制造不当所致，但在相当大的程

26、度上是由于没有严格按照轴承使用要求进行安装、维护，或者是轴承选型不当或实际载荷超过轴承本身的额定载荷等原因造成轴承的非正常损坏，例如，轴承零件的疲劳剥落在很大程度上就是因为润滑油中混有杂质引起的。可见，要想实现滚动轴承具有更长的寿命和精度保持期，除要求轴承制造厂家提高产品质量外，轴承用户也必须用科学的方法和程序使用轴承，否则，再好的轴承也会在恶劣的随意的使用条件下夭折。能否正确选用滚动轴承，对主机能否获得良好的工作性能，延长使用寿命；对企业能否缩短维修时间，减少维修费用，提高机器的运转率，都有着十分重要的作用。因此，不论是设计制造单位，还是维修使用单位，在选择滚动轴承时都必须高度重视。此次毕业

27、设计轴承支撑着托轮和无缝钢管，在无缝钢管初始滚动时，可能由于某些原因，产生一定的轴向力，而后，基本上都是径向力。因而，在选用轴承时，为了能够抵消一定的轴向力，又为了能够较好地承重，选择在两端分别安装成对的圆锥滚子轴承。能够较好的满足这个工作环境下的要求，因为，它的特性为：能承受较大的径向载荷和单向的轴向载荷，极限转速较低；内外圈可分离，故轴承游隙可在安装的时候调整；它通常成对使用，对称安装；而且它适用与转速不太高，轴的刚性较好的场合。综上，选用成对使用，对称安装的圆锥滚子轴承，其型号为：31314J2/QCL7CDF7.2 滚动轴承的寿命计算滚动轴承寿命计算的目的是防止轴承在预期工作时间内产生

28、疲劳点蚀破坏。所谓轴承的寿命，是指轴承中任一滚动体或内、外圈滚道上出现疲劳点蚀前所经历的总转数或一定转速下工作的小时数。  影响轴承疲劳寿命的因素非常多，无法全部加以估计或通过标准试验条件而加以消除，这造成轴承实际疲劳寿命有很大的离散性，因此轴承疲劳寿命的表达参数为额定寿命L10,在ISO推荐标准R281中对L10的涵义明确规定如下： “数量上足够多的相同的一批轴承，其额定寿命L10用转数（或在转速不变时用小时数来表示，该批轴承中有90%在疲劳剥落发生前能达到或超过此转数（或小时数）”。轴承寿命计算的基本公式为：其中：基本径向额定动载荷为：=272000N轴承的转

29、速为： 当量动载荷为：寿命指数为：综上，对于一般的每天工作8小时的机器，预期寿命十分满足要求。8 液压缸的选用由于无缝钢管长度为12m，由5套液压缸提供顶起力，所以，每个液压缸承重：所以选用HSG型工程用液压缸，其型号为：上述型号从左到右的字符说明如下：HSG：工程双作用单活塞杆液压缸代号；K：端盖联接方式代号，为内卡键联接；50/32：缸径/杆径；B：活塞杆形式代号，为整体式；E：压力等级，为10MPa；E：安装方式代号，为耳环型；：缓冲代号，阀缓冲。9 机架的布置组合9.1 机架布置的注意事项机架是承受较大载荷的基础零件，它的设计和制造质量对机器的正常工作和性能影响较大，机架设计的一般要求

30、有：足够的强度和刚度，尤其是要有较好的刚度；较好的动刚度，如抗振性能，抗热变形能力，及散热条件等；合理得结构工艺性，便于制造和加工，机架上零部件的安装，调整，维修等均方便要求；造型美观，经济性好。机架通常要满足刚度、抗振性、热稳定性及内应力等方面的要求。机架的功用决定了刚度是其最重要的指标之一，如果它的受力变形过大，就无法保持相关零件之间的位置和运动的准确关系。机架的抗振性是指其抵抗受迫振动和自激振动的能力，若支撑件发生振动，必然影响到其上安装的零件的正常工作。此次毕业设计涉及到无缝钢管探伤机驱动装置的机架应该选用型钢，将它们焊接起来以组建机架。对比焊接机架与铸造机架，焊接起来的机架具有强度高

31、，刚度好，重量轻，生产周期短及施工简便等优点。铸铁机架由于技术上的限制，铸件壁厚不能相差过大。而为了取出芯砂、设计时只能用“开口”式结构，影响刚度；焊接机架结构设计灵活、壁厚可以相差很大，并且可根据工况需要不同部位选用不同性能的材料。 9.2 进料出料机架的布置组合进料出料机架是为了支承无缝钢管，选用槽钢组合而成。首先在地面上固定直立槽钢，直立槽钢的底部由螺栓固定在地脚垫板上，然后在直立槽钢上近水平地焊接槽钢。这样就组合起来一个较常用的，而且强度比较可靠的机架。为了使无缝钢管能顺利滚落，进料出料机架设置与水平面成5度角。进料出料槽钢均选用槽钢型号为：12.6，具体高度尺寸见工程图。9.3 托轮

32、支撑机架的布置组合托轮支撑机架是为了支承两托轮以及在托轮上面做整周回转的无缝钢管。首先在垫板上焊接固定直立槽钢，再将同型号槽钢焊接在直立槽钢上，然后在水平的槽钢上十字焊接固定两槽钢，用以支承两托轮。垫板与地角垫板之间先装配上螺栓，为了方便把调整两托轮的水平，在垫板中心安装一个调节螺栓，装配时利用垫板上的调整螺栓调平托轮支撑架，将螺栓拉升与垫板焊牢，最后用螺母锁紧，此机架安装组合完成。为了提高两托辊在托着无缝钢管旋转时的稳定性，托轮支撑机架均选用槽钢型号为：14b，具体高度尺寸见工程图。9.4 液压缸用槽钢的选用为了使液压缸在托起已检测的无缝钢管时十分平稳，又考虑到水平槽钢上有2个直径为50mm

33、的通孔，故也选用型号为14b的槽钢。先用两槽钢直立焊接固定在垫板上，然后在两直立槽钢上焊接固定上一根槽钢。结束语此次毕业设计的题目是：无缝钢管探伤机驱动装置。经过整个设计过程，我对整个驱动无缝钢管的过程有了详细深入的了解。无缝钢管停止在进料机架上，被挡块挡住，当前一个无缝钢管被检测完后，随着液压缸顶起已检测的液压缸，挡住待检测无缝钢管的挡块被一个连杆机构带动下拉，被挡块挡住的处于进料支架上的待检测的无缝钢管就可以自由滚落，当待检测无缝钢管滚到液压缸上时，液压缸活塞回缩，同时，挡块被杠杆机构带动上移，重新挡住后面的待检测无缝钢管。此套设备在有些方面还有待继续研究完善。如：无缝钢管在进料机架上的滚动速度是否合适；待检测无缝钢管滚落下来和液压缸回程的配合情况，是否能使无缝钢管较好平稳地落到两托轮之间；我自己设计的连杆机构是否有不得当之处等。此次毕业设计带给我的收获还是很多的，在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次