学术论文：【毕业论文】双室节能熔铝炉炉门机构设计论文

【毕业论文】双室节能熔铝炉炉门机构设计论文双室节能熔铝炉炉门机构设计-5-1前言1.1我国工业炉的现状众所周知，工业炉作为工业加热过程中重要的工艺装备，在我国的国民经济建设和开展中起着十分重要的作用。近20年来，我国从国外引进了不少先进的工业设备，其中包括真空炉100多台，可控气氛热处理机500多台套。通过采用进口先进的仪器、仪表和关键性的炉用元器件，使我国工业炉的生产制造水平有了明显的提高。我国自行研制的新型可控渗氮炉、高压气淬炉、预抽真空光亮退火炉、大型铝材热处理生产线、大型连续式气体渗氮炉等，其主要技术性能都已接近国外同类产品水平，由于价格廉价，替代了进口，为国家节省了外汇，同时还有局部上水平的电炉产品出口。无论工业炉的品种、数量、还是质量，我国工业炉行业的面貌今非昔比，日新月异。从工业炉的产量和拥有量来看，在世界上我国堪称“工业炉大国〞[1]。传统室式燃气锻造加热炉炉门口装置采用耐热铸铁铸造而成，因高温易变形、开裂，严重影响锻造加热炉的正常使用寿命。因此需要设计一种结构简单、容易制造、安装方便的炉门装置。与传统铸铁炉口装置相比，新炉门应具有无断裂，使用寿命长；炉子砌体耐冲撞；同时可以回收余热，到达节能效果。炉门由炉门、炉门导板、炉门压紧结构等局部组成。起到密封炉口、防止炉内热量散失和大量冷空气被吸入炉内的作用。设计炉门装置的根本要求是：关闭严密、结构强度高，变形小、热量散失少和使用寿命长。现有的中小型室式锻造加热炉的炉门和炉门导板多采用耐热铸铁铸造而成，内敷设耐火衬层，属非水冷结构。钢结构焊接水冷炉口装置整体采用14mm厚Q235钢板焊接而成，工作时，由于水封腔内通入冷却水，利用水循环带走炉口的大量热能，使加热炉炉口在高温环境时形成一个冷气氛，以此来保证炉口在高温下不变形，炉门和炉门导板、砌体间不留缝隙，使之能承受装取料时的机械冲撞，到达保护砌体及延长加热炉使用寿命的目的[2]。自20世纪中、后期开始，世界经济进入了高速开展的新时期，导致能源的需求量和消耗，从而产生了诸如人类实现持久生存和开展的“可持续开展〞的问题，这是人类社会开展观念的一个根本性转变。我国的能源资源丰富，地质贮存量居世界第3位，但能源的占有量却只有世界平均水平确实1/2，美国的1/10。在我国的能源资源构成中，煤与石油、天然气的比例是10：1，而世界上是1：4，相差多么悬殊。假设与兴旺国家相比较，产品单耗很高，差距很大。当今，日本、美国、德国的能源利用率分别高达57%、50%和40%，而我国只有32%不到。虽然我国的节能工作取得很大的成绩，然而由于工业技术水平比较落后，企业管理水平不高，我国单位国民生产总值的能耗甚至比印度还高出1倍多[3]。在市场经济社会里，能耗的上下直接反映在产品的本钱和价格上，直接影响企业产品营销的竞争力，甚至影响企业的生存和开展。尤其近代国际、国内竞争日趋剧烈，能源问题日趋严重，降低产品单耗，节约能源受到人们的关注。对大多数工业炉企业来讲，节能降耗，降低生产本钱，提高产品质量，已成为企业进步和技术创新的工作重点。目前我国还有不少企业由于各方面的原因，仍然在利用落后的工艺技术，使用着陈旧的设备进行生产，如大量的直燃式煤窑、老式的油窑及电窑等。这不仅造成企业本身的能源费用支出加大，产品质量得不到保证，而且对整个社会也造成资源的浪费和环境的污染[4]。英国工业与能源部对钢铁、有色金属、建材、化工等工业部门所作的调查估计，采用高效隔热保温材料，每年可降低能耗〔9~15〕×1012KJ。目前我国有10多万台各种工业炉窑，它的能耗约占全国年总能耗的25%。如果采用先进的隔热保温材料，那么必将节约大量能源。业已说明，节能降耗所取得的直接经济效益，不亚于常规能源的开发和利用。因此，锲而不舍地解决国家现可持续开展战略和能源政策的重要组成功局部。随着我国经济的快速开展，对能源的需求量也是越来越大，然而由于对能源的利用的利用率不高，导致环境的破坏，由此可见，经济的开展与资源环境的矛盾日趋锋利。工业化进程的不断加快，就会导致环境的进一步恶化。而石油化工行业能能耗大户，同时对能源的利用效果又很低下，因此控制好炼油行业的能耗对经济、能源和环境都有着极大的好处。炉在我国经济的开展中消耗掉大量的能源，据统计，工业炉消耗是一次性能源占到全国消耗的20％。而且，大多数炉都是燃煤为主。虽然近二十年来工业炉的技术有了较快的开展，但是，总的来说，对能源的利用总体水平不高，仅相当于兴旺国家六七十年代的水平，热效率平均不到30％，而国际上的热效率平均值为50％以上。由此可见，我国在工业炉的热效率方面仍然有相当大的潜力。我国工业炉量大、面广、种类繁多，并大多以火焰炉为主，按火焰炉所利用的燃料种类不同分为：燃煤工业炉、燃气工业炉和燃油工业炉。1.2.1几种工业炉的优缺点：1.2.1.1燃煤工业炉目前，我国中小企业大多采用直接燃煤方式为工业炉提供热源。按煤的燃烧方式不同可分为：层煤燃烧式工业炉、粉煤燃烧式工业炉及水煤浆燃烧式工业炉。层煤燃烧是我国大多数燃煤工业炉所采用的一种燃煤方式，包括原始的手烧煤以及下饲燃煤机、往复炉排、链条炉排等各种机械燃煤方式。粉煤燃烧的过程是在燃烧前将煤粉碎研磨至微粉级，并与空气混合，再将粉煤与空气的混合物经粉煤燃烧器喷入燃烧室燃烧。同样它也收到很大的制约，例如：为了减小煤粉的细度因此操作费用高，粉尘覆盖在工件外表而影响工件的加热和使用，易造成大气污染等问题。近几年开发应用的水煤浆燃煤技术，经过实际应用，也存在着雾化燃烧不易控制，排烟黑度及粉尘含量超标的实际问题。因此，煤直接燃烧的热效率都不高，而且容易造成排烟环保超标。1.2.1.2燃油工业炉工业炉常用的液体燃料，主要是石油加工的副产品重油。重油经过过滤、加热、加压之后，通过油烧嘴进入炉膛燃烧。现有一般工业炉燃烧重油，都是采用雾化燃烧法。按重油雾化方法的不同，可分为低压空气雾化燃烧、高压气体雾化燃烧和机械雾化燃烧。燃油工业炉相对于燃煤工业炉有着自身的优点：第一，重油的发热量高，能够保证高温工业炉的炉温要求，燃烧稳定平安，燃烧后无残渣。第二，燃烧装置可安在炉子的各个部位。因此易于实现不同的工艺温度要求。第三，调节范围大，有条件实现自动控制。但这种方式也存在缺陷，例如，它比燃煤本钱高出许多；配套油路系统复杂、噪音大：燃烧的稳定性比较差，容易造成不完全燃烧等。1.2.1.3燃气工业炉我国燃气工业炉的应用主要在大型钢铁企业中，采用的气体燃料主要是高炉煤气，焦炉煤气和发生炉煤气。燃气工业炉的特点有：(1)燃气能与空气充分混合，因此燃烧过程比较容易控制，炉内气温也比较容易调节，操作起来平安方便；(2)由于能与空气充分混合，因此燃烧的效率比较高，气体中含氢分子多，含碳量少，对环境的影响比较小；(3)这种炉的燃烧效率高，燃烧本钱比较低。这种炉使用时需要复杂的系统，巨大的投资，中小型企业就会无法承受；这种燃烧会产生大量的污水，处理又比较昂贵，容易造型水污染。前面我们介绍了工业炉的类型和它们的优缺点，接下来我们仔细分析下如果在操作过程中提高效率，到达节能的效果，同时对环境的影响又可以到达最小。工业炉的能耗受许多方面因素的影响，但是节能的主要措施一般都离不开优化设计、改进设备、回收余热利用、加强检测控制和生产管理等几方面。1.2.2如何节能1.2.2.1要选择适宜的炉型结构在目前的炉型结构来说，大局部都是上世纪五六十年代的结构形式，与现在的国际水平相差甚远，例如，大局部用锻造加热炉，大都烧煤，炉温波动比较大，加热质量比较差，效率也比较低。而且很多工业炉的工业化程度不高，手工操作居多，包括装料、加料、开关炉门等环节，因此，要尽快提高工业炉的机械化水平。在选择或者是对炉子结构进行设计时，应根据生产工艺要求，尽量选用新型节能炉子。选择适宜的炉型结构，提高机械化程度，对于降低能耗有着直接很重要的关系，目前通过炉型结构的设计来提高能耗的措施一般有以下几种：第一，采用圆形炉膛替代箱形炉膛，可强化炉膛对工件均匀传热的效果，减少炉壁散热量，使炉膛形成一个热交换系统，在加热元件、炉村和工件三者之间进行热交换。第二，在炉膛内安设风扇，加强炉内对流传热。第三，注意炉体密封，包括炉膛内各引出构件、炉壳、炉门等处的密封。第四，采用耐火浇注料整体浇注的加热炉，这种炉具有强度高、整体性、气密性好、寿命长等优点。第五，采用新型炉用材料，优化炉衬结构。第六，在炉围内壁涂高温高辐射涂料，强化炉内的辐射传热，有助于热能的充分利用，这也是近期较先进的节能方法。1.2.2.2提高热工检测与控制水平对燃料炉而言，各种热工参数的检测与控制是改善燃烧、降低能耗、保证工艺要求、提高产品质量和产量的重要措施。科学的计量与比照测试方法是节能的重要环节。目前企业中使用比较多的测试方法是热平衡测试。企业通过对工业炉的热工测定，能比较全面地了解工业炉的热工过程，然后通过分析、诊断加热炉缺乏的地方，找出其能耗高的原因，针对缺乏进行节能技术改造，来提高加热炉的热效率，降低能耗，并获得加热炉运行经济技术性能指标的各项参数，针对获得的各种参数认真分析工业炉的运行情况，实时调整炉工况，使其到达最正确的工作状态，从而找到节约能源的方法，来降低能耗。1.2.2.3改进燃烧装置和燃烧技术燃烧装置是炉子的心脏局部，它工作的好坏直接影响到能源消耗量的多少。目前，企业中比较普遍使用的燃烧器有：调焰烧嘴、平焰烧嘴、高速喷嘴、自身预热烧嘴、低氧化氮烧嘴等。一般来讲，正确使用先进的燃烧器，能降低能耗至少5％以上。另外，适宜的燃烧技术也是节能的关键所在，比方目前来讲，比较常用的节能技术有：高温空气燃烧技术，富氧燃烧技术、重油掺水乳化技术、高炉富氧喷粉煤技术、普通炉窑燃料入炉前的磁化处理技术等，目前企业中应用比较广泛的有；高温空气燃烧技术和富氧燃烧技术。这个高效燃烧技术的应用也是特高能源利用率的重要途径之一。1.2.2.4先进余热回收装置和技术的运用据测算，在工业炉的燃烧过程中，最后排放的烟气所带走的热量要占到燃烧炉总供热量的30％～70％，所以如果能尽量回收排放烟气中的热量也是节能的重要途径。目前，这种余热回收的途径有：(1)加装预热器，利用排放烟气的热量加热助燃空气和燃料。(2)装设余热锅炉，加热水供居民生活之用。目前市场上回收烟气余热的最有效和应用最广的是换热器。1.2.2.5能源的有效管理除了从技术和设备方面来提高效率之外，还能从管理上来降低能耗。在组织、生产、操作等方面入手，加强管理工作，发挥设备的最大能力，使设备高效运转。提高管理和操作水平，有效的降低能耗。节约能源。目前，全球经济、资源和环境一体化的趋势下，对能耗和环保的要求也逐渐提高，在工业炉加热技术及装置水平面临极大的挑战。工业炉的节能，应当抓技术创新，寻找、探索新的节能机理和途径，走出传统节能方法的老路，走科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少的可持续开展道路，这样才能使我国的工业炉设计在面临极大的挑战中立于不败之地。工业炉的炉门是唯一的送料口，在加热过程中炉门的密封可保证炉内温度的控制，防止能量的浪费，防止有害气体的散失对操作者造成的伤害。由于炉门经常处在高温下工作，所以需要操作机构来实现炉门的启闭动作。本文在考察各种工业加热炉炉门启闭方式的根底上，针对双室反射炉的特点采用简单的链传动机构实现炉门的启闭运动。本设计力争以较少的运动部件，较小的布局空间，简单的运动方式，到达炉门灵活自动启闭，并满足加热炉对炉门的特殊功用要求。1.3炉门压紧结构工业炉在工作时炉体内的温度很高，炉门口往往有跑火现象，因此炉门要有压紧装置。目前的炉门压紧机构有链条动力式、气缸压紧、弹簧压紧、30°斜轨道压紧、四连杆重力压紧等几种。几种机构简介如下:1.3.1链条动力式压紧炉门链条动力式炉门压紧机构是本院在消化吸收国外先进技术根底上,研制开发的一种新型炉门压紧结构。炉门链条式机械压紧机构布置在炉子前立柱的两侧,防止了炉内高温气体和台车出炉时高温炉料对链条式机械压紧机构直接辐射。炉门是用设在两侧支承轴架通过连结板与滚轮支承拉杆绞接,形成四连杆。炉子前立柱的两侧各有一条供滚轮上下移动的轨道,两侧的连接板各自与一条环行的链条连接。当减速机通过链轮、链条驱动环行链条时,炉门就随着滚轮沿垂直的滚轮轨道作上下移动。炉子前立柱的底部设置有炉门到关闭炉口位置的挡铁装置,炉门上也有相应的挡铁。1.3.2炉门气缸压紧机构炉门气缸压紧机构是用气缸驱动一套连杆机构压紧炉门。加热炉的气缸压紧机构一般将气缸布置在炉子前立柱的两侧,尽量防止炉内高温气体和台车出炉时高温炉料对气缸的直接辐射。炉门是通过其定位滚轮沿着轨道垂直升降。1.3.3炉门弹簧压紧机构炉门弹簧压紧机构是一种结构简单又运行平安可靠的机构。本院曾做过几十台用弹簧压紧的炉门,使用效果良好,但用于中温热处理炉居多。弹簧压紧炉门设计的关键是根据炉门的大小和重量确定炉门的压紧力,合理确定弹簧的有关参数(最小工作负荷、最大工作负荷和工作行程),然后通过优化设计确定弹簧的直径和长度。对此我们通过设计和现场调试实践等积累了一定的经验。对于台车式高温加热炉,我们结合齐齐哈尔某厂的实践,还要考虑由于台车从炉内拉出时,车上炽热物料对弹簧产生热辐射,使弹簧的弹性受到影响,减小了炉门的压紧力,造成炉门由于跑火而损坏。1.3.430°斜轨道压紧机构30°斜轨道压紧机构在国外多用于中温热处理炉。炉门两侧的定位滚轮是沿着立柱上一条固定的轨道上下移动,在炉门到达最低点位置处,轨道有一段能使滚轮向内产生水平位移的30°斜轨道。当炉门落到此处时,滚轮在30°斜轨道运行中在垂直向炉门框分力的作用下,炉门向炉门框平移并靠炉门的自重将炉门压紧。1.3.5四连杆炉门压紧机构是从国外引进的一种新型炉门压紧结构。本院在消化吸收的根底上,开发了这种炉门压紧结构。这种炉门压紧结构也是一种结构简单又运行平安可靠的机构。其工作原理是利用炉门自身的重力,利用四连杆机构将炉门压紧,炉门的压紧力可调整炉门压下时支点的位置,炉门在重力的带动下将炉门压紧。该机构原来用于中温炉,主要原因是支点处须用几个轴承,受轴承使用温度的影响,限制了该机构的使用。最近我们采用国内新开发的稀土陶瓷轴承,该轴承的使用温度可达400℃～5001.4炉门提升机构现有的炉门提升机构有三种：气动式、液压式、机械式。它们的各有优缺点，现分别介绍如下。1.4.1气动式炉门提升结构图1-1是气动炉门示意图。四个炉门封闭气缸C、D、E、F分别位于炉门两侧的上下，可使炉门前后移动，两个炉门开关气缸G、H位于上下两侧，可以开关炉门。[5]图1-1辐射炉示意图为设计方便先将系统简化，四个炉门封闭气缸因并联同步，用气缸Ａ表示，活塞杆伸出状态Ｃ１、Ｄ１、Ｅ１、Ｆ１、用Ａ１表示，对应的行程阀输出信号ｃ１、ｄ１、ｅ１、ｆ１用ａ１表示。两个炉门开关气缸并联同步，同样用气缸Ｂ表示输信号ｇ１、ｈ１用ｂ１表示。这样，就把整个系统简化为Ａ缸、Ｂ缸，行程信号ａ１、ｂ１和外加信号ａ０、ｂ０，其工作程序如图1-2所示。[6]图1-2工作程序根据工作程序作出Ｘ－Ｄ线图，如图1-3所示。图中“＃〞表示脉冲信号，“＊〞执行信号。对信号状态线进行分析发现，２、４组信号线比所控制的动作线长，说明信号与动作不协调，即动作状态要改变其控制信号不允许其改变。图中画“Ｗ〞线的线段是表示信号线比其所控制动作线长的那局部线段，即障碍段。设计时必须找出执行信号，使其把有障碍信号的障碍段去掉，变为无障碍信号再去控制住换向阀。[7] 图1-3Ｘ－Ｄ线图通常逻辑元件用标准底板连接，但由于这个系统较复杂、管路多，因此用标准底板安装不方便，可靠性差。我们把气控阀、电磁阀、逻辑元件都安装在一块钢板上，减小了体积，安装方便。另用两块有机玻璃铣出通道粘接在钢板上，虽然加大了设计难度，但是减少了管路，装拆方便，两块有机玻璃所铣的通道可以立体交叉，适合复杂的回路，同时也节省了许多管接头，大大提高了可靠性。由于系统工作环境恶劣，湿度大，炉门在二维空间运动，炉门体积很大，导轨不可能很精确，因此，用气动方式很不可靠。1.4.2液压式炉门提升在实施过程中,首先根据炉门的升降行程,选择液压缸,打好水泥底座,然后在水泥底座上安装固定液压缸的框架,把链条的一端连接在液压缸的缸杆上,如图1-4。[8]图1-4液压缸固定及与链条连接形式最终的液压缸带动炉门传动机构如图1-5所示,炉门升降靠液压缸的伸缩完成,液压缸上安装有位移传感器,实现炉门的关闭、半开、全开三种动作。升降机构改为液压系统后,其优点如下:1.炉门的升降由以前的主令控制改为液压缸的磁尺控制,保证了炉门的升降同步可靠性,精度大大提高。2.液压缸的设计取消了配重的使用,减少了配重对链轮及炉顶梁的冲击。3.由于液压缸的可靠性比电机高,减少了设备事故的时间。[9] 图1-5液压缸带动炉门传动示意图1.4.3机械传动炉门提升结构许多长板坯加热炉的炉门升降机构是一个典型板式链传动机图1-6为炉门传动装置示意图。通过电机带动减速机减速,再由链动链条,使钢结构炉门到达开关目的。其电机输出端有制动抱闸,炉门行走位置。炉门升降行程由主令电器控制,极限保护由接近控制。 图1-6炉门传动装置结构示意图1.5设计的目的和内容设计的目的：本设计主要是对熔铝炉炉门的提升和压紧机构的设计，炉门机构主要解决热量散失的问题。我们可以将理论与实际相结合，可以运用到机械制图，机械原理，机械设计，材料力学以及机械装备等许多根底和专业的课程，可以对我们四年来所学的知识进行全面的汇总，熟练掌握我们所学的技能。设计的内容：本设计主要是根据现代熔铝炉的需求所做的，其主要内容是熔铝炉炉门的提升和压紧。炉子主要从节能和预热等方面设计的。由于炉内的温度较高，故要对炉门进行压紧，而炉门有一定的重量，使用机械提升的方式，减少热量从炉门的散失。2炉门的结构计算炉门除了遮蔽炉门口的辐射外，还有保持炉膛密封的作用。这对可控气氛炉及化学热处理炉尤为重要。用于冲天炉的耐火材料能承受高温作用。还有炉渣，金属炉气的化学侵蚀。耐火材料还会在受热及冷却时发生膨胀或收缩，与之相应产生应力甚至裂缝。因此对于耐火材料的要求应是：耐热，乃极冷极热，致密，体积稳定并有一定的强度[10]。耐火材料选用浇注耐火材料，?铸铁及其熔化?：耐火度不小于1710°C，体积密度2.3g/cm3。根据一定炉门尺寸1190mm×700mm，初定炉门尺寸为1550mm×1060mm,耐火材料厚度取115mm，所以耐火材料体积为1550mm×1060mm×115mm=188945000mm3，耐火材料重量为炉门总重G1=〔434+237〕kg×9.8N/kg=6575N平衡锤G2=0.8G1=5260N提升力F1=0.4G1=2630N炉门具体结构如图2-1所示：炉门两侧各有两个伸出的短轴，作用是用来装炉门提升的滑轮。炉门上端由筑有两个吊耳用于连接上端滑轮。图2-1炉门结构3炉门压紧机构设计此次炉门采用手动压紧，炉门由框架和耐火材料组成。耐火材料可以沿垂直炉门方向移动。炉门框架由挡板和轨道固定如图3-1，通过转动手柄使耐火材料向炉门方向移动，以此压紧。结构如图3-1.图3-1压紧机构外形 图3-2炉门压紧机构为了便于操作，手柄长度尽可能长一些，长800mm。通过带螺纹的杆件和耐火材料相连接，转动手柄，使杆件作旋进运动，使得耐火材料压紧。4炉门提升机构设计炉门提升机构是工业炉的重要运动部件，对其结构设计，零件设计，强度校核，零件图和装配图的设计进行了分析[12]。4.1提升方式确实定通常炉门提升机构有如下三种提升方式:①环形超重链加链轮提升方式;②钢丝绳加滑轮方式;③钢丝绳提升轮方式。经综合分析选用第三种方案,即整个炉门提升机构由传动轴、支承架、电动卷扬机、提升轮、支承座及牵引钢丝绳和炉门等组成,炉门与提升轮及卷扬机分别用钢丝绳链接,实际上是一个简化了二卷筒结构[13]。提升动力采用交流电动卷扬机并由传动轴转递如图4-1所示;上述结构形式其使用性、通用性和经济性较好,结构稳定,被人们认可，因而被广泛使用。4.2重锤的悬挂方式平衡重锤常在炉门提升机构中被采用,以减少提升电动功率,节约能耗和增加门提升机构运动的平稳性[18]。重锤的悬挂方式通常有双边重锤方式和单边重锤方式;为了减轻设备的复杂性,使设备简单化和使用方便,本文采用单边重锤悬挂方式如图4-1所示。图4-1炉门提升机构1—电动卷扬机;5—炉门;6—重锤8—提升轮;13—支承座;14—传动轴;17—支承梁;18—钢丝绳;4.3炉体横梁设计横梁位于炉体正上方,起固定传动轴和提升炉门等的作用。支承架横梁跨度和承重较大,其长度由炉体宽度决定,其结构形式本文采用两支承点和三支承点方式,当炉体宽于1.5m时采用三支承形式,一般采用两支承点形式。采用承重能力强的16#槽钢作横梁,支柱用10#槽钢,其结构形式和受力状况见图4-2所示。由图中可知,左右两支承点一般落在钢支柱上,因而无需对两支承点横梁作过多计算,仅需对三支点横梁需作强度校核设计即可,且最大弯矩在横梁中心;横梁选取由计算最大弯矩决定,其最大弯矩Mmax可由(1)式计算:RA=RB=G/6Mmax=lRA/2=lG/12(1)式中:RA,RB—A,B点的支承力(Kg);l—横梁长(mm);G—炉门提升机构重量(Kg)考虑实际炉体尺寸=4300mm×3170mm炉口=1190mm×700mm离地高=1820mm,炉门横梁离地高度=3200炉门轨道与炉门口倾斜角度相同为3.17°，所以前腿长L1=同理，L2=2000mm/cos30°=2309，中间连杆长为L3=218.7+1154-43.7=1329mm架截面尺寸为L×b=150mm×150mm.图4-2支架梁受力分析4.4功率计算及电机的选择电机功率N=FV/6120η根据电机功率选电机型号Y132S1-24.5传动轴设计传动轴是炉门提升机构的最重要动力传递部件,其尺寸小承重大,承受着很大的弯曲应力、剪切应力及扭转应力的破坏,是机构损坏的危险点;因而是本设计的核心。具体设计方法是先对轴作受力分析,由计算最大弯曲应力和最大剪切应力来确定最小轴径,然后对轴进行弯曲强度、弯曲刚度、扭转强度、扭转刚度及疲劳强度等强度校核,以检验设计的合理性和准确性,最后确定最小轴径。根据工业炉常规炉门形式,采用轴联通的形式。传动轴除应满足强度要求外，还应满足刚度的要求，强度要求保证轴在反复载荷和扭载荷作用下不发生疲劳破坏。该传动系统精度要求较高，允许有较小变形。因此疲劳强度一般不是主要矛盾，除了载荷很大的情况外，可以不必验算轴的强度。刚度要求保证轴在载荷下不至发生过大的变形。因此，必须保证传动轴有足够的刚度[20]。4.传动轴直径的估算轴的扭转强度条件为：(4-1)由上式可得轴的最小轴径(4-2)n=1000r/minP=0。417KW查?简明机械设计手册?表14-13得取A=120所以初估最小轴经得：d=58.8mm4.初估其他轴段直径和长度为了满足滑轮的轴向定位要求，最小轴径段制出一轴肩故取第二轴段直径为75mm。同时选轴承和带轮，因中间轴承受有径向力的作用，所以，选用深沟球轴承，参照要求并根据中间最大轴径=100mm，由轴承产品目录中初步选用2根本游隙组，标准精度级的深沟球轴承6220.其尺寸为d×D×B=100mm×180mm×34mm。两边的支撑轴承同样选取深沟球轴承，参照要求并根据第三轴段直径=80mm，由轴承产品目录中初步选用0根本游隙组，标准精度级的深沟球轴承6016.其尺寸为d×D×B=80mm×125mm×图4-3传动轴结构安装绳轮处的轴段直径分别d1=60mm,d4=85m；右端滚动轴承用套筒和弹簧卡环定位，由手册上查的601型轴承的定位轴肩高度h=3mm因此，d4=安装带轮处的轴段直径为70、90mm,其左端与右端均用套筒定位，套筒由轴肩定位，查?机械设计?P156页。由于轴的总长大约在4000mm轴各段长度初估与电机有传动关系的轴段长60mm.与重物锤相连的轴段取60mm,中间装支撑座的轴段取105mm，两边装支撑座的轴段取50mm，中间的绳轮轴段1675炉门提升机构主要辅助零件的设计主要辅助零件包括四个提升轮和两至三个支承座等,其设计公式见下表。表4-1炉门提升机构主要辅助零件工程名称设计公式注释备注提升轮D轮=H/4×3.14L0=2.5D钢绳S=(0.6-1)D钢绳L0—轮槽宽;S,D—轮根和槽边厚;D钢绳—钢丝绳直径;H—支承座有效高度选用铸造件轮支承座H=D轮+2D钢绳+10S1=1.5SD轮,D钢绳分别为提升轮和钢丝绳的直径;S1—筋根宽;H—支撑座高度用作固定轴于横梁上,内嵌轴承,选用铸铁件套用上表公式得：D轮=245S=20+8+8=36mm,轮中心通孔大小分别是70mm，90mm。支撑座结构S1=20mmH=236mm该轴上轴上零件的周向定位：两端滑轮与轴的周向定位采用平键联接，按直径由手册查得平键截面l×h=22mm×9mm(GB/T1095-1979)键槽用键槽铣刀加工，长25mm〔标准键长见GB/T1096-1979〕,同时为了确保带轮与轴有良好的对中性，应选用带轮轮毂与轴的配合为H7/n6,同样，中间两个绳轮与轴的联接也选用键b×h×l=25mm×9mm4.6传动方式选择炉门提升机构功率传递采用链传动。〔1〕选择链轮的齿数因为传动比为1所以=19〔2〕计算功率由机械设计手册查得故=(4-3)〔3〕有链所需传递的功率公式：以及查机械设计表9-10知链轮齿数系数==1，==1.52,查表9-11得多排链系数.0故==1.97Kw根据链轮转速71r/min以及功率=1.97Kw，由图9-13选链号为16A的双排链。有机械设计表9-1查得链节距p=25.4mm.〔4〕确定链节数，链长L及中心距a把初定中心距a=3300(4-4)由于链节数最好为偶数，故取=280〔节〕=7.112m(4-5)=实际中心距a’=a-Δa=3380----13=取a’=3367〔5〕验算链速V=(4-6)〔6〕验算链轮的轮毂孔由机械手册可查得链轮毂的许用最大直径=84mm>50mm故适宜〔7〕作用在轴上的压轴力(4-7)有效圆周力按水平布置取压轴力系数故〔8〕链轮的参数选取[17,18]查机械设计手册知：滚子的最大外径=15.88mm，内链节内宽，内链板高度。①.分度圆直径d=p/sin〔180°/z〕=154.32mm(4-8)②.齿顶圆直径d=d+1.25p-=170.19mm(4-9)d=d+〔1-〕p–=161.701mm取d=166mm③.齿根圆直径d=d-=154.32-15.88=138.44mm(4-10)④.齿侧凸缘d⑤.链轮齿形链轮轴向齿廓及尺寸，应符合GB/T1244-1985。 查设计手册得双排链轮得齿宽=14.1mm倒角宽=0.13p=3.3mm双排链轮的总宽度为：=29.29+14.1=43.39mm------排距n--------排数b--------双排链轮的齿宽链轮的结构采用整体式,其结构如图4-4所示图4-4链轮的结构示意图⑥.链轮材料链轮的材料应能保证轮齿具有足够的耐磨度和强度。查?机械手册?，选Q235，焊接后退火，140HBS。4.7传动装置校核4.三支承点传动轴三支承点传动轴的结构形式和受力状况见图4-5所示。图4-5三支承点结构和受力分析1)弯曲应力分析由ΣR(y)=0.4G-RA+G/2-Rc+G/2-RB+0.8G=0和Σ得:Rc=l1G/(l1+l2);RA=0.4G+l2G/2(lRB=0.8G+l1G/2(l1+通常lA<lB,且RA<RB,那么Mmax=MB=018GlB(Nm),轴的最大正应力落在B支承点上;对园形截面其最大的正应力Rmax和最小的轴径dmin有:Rmax=MmaxWz=32MPd3≤[R]那么:d3min=332MmaxPRmax=312.8(á重锤+40)PRmax式中:Wz—横截面的抗弯截面模量(对园形截面取Pd3/32);[R]—材料的许用弯曲应力lB=(5重锤+40)/25重锤—重锤的直径(mm)2)剪切应力分析传动轴的扭转受力状况见图4所示,由图可知,由于各提升轮均为等径,且右提升轮悬挂重量0.8G的重锤,是危险点,那么最大扭转剪应力Smax亦落在B支承点上,并可由(3)式导出计算轴最小直径dmin的(4)式:Smax=Tmax/WT≤[S](3)d33min=312.8GRP[S]式中:Tmax—最大扭矩Tmax=0.8GR(N.m);R—提升轮的有效半径(mm);[S]—材料的许用扭转剪切应力(对塑料材料:[S]=(0.5-0.6)[R];对脆料材料:[S]=(0.8-1.0)[R])WT—抗扭截面模量,对于实心圆轴WT=Pd3/16综上所述,由对轴的弯曲应力和剪切应力分析分别求得两个最小轴直径d3min和d33min,取其最大者;为增大平安系数对轴径酌情增大10%～20那么:dA=dB=[1+(10-20)%]max{d3min,d33min,}式中:dA,dB轴两端最小直径(mm)3)强度校核确定最小直径dA、dB后,为了确保设计的准确性和平安性,必须对其分别作弯曲强度、弯曲刚度、扭转强度、扭转刚度和疲劳强度等项校核。(1)弯曲强度:轴弯曲时最大正应力应满足条件(6);Rmax=MmaxWz=2516GlBPd3B≤[R](6)(2)弯曲刚度校核:传动轴除满足强度要求外还应满足刚度条件(7);Smax=(QmaxSzmax)/Izb=Qmax/(3PdB4)≤[S](7)式中:Iz=Pd4/64—横截面对中性轴的惯性矩,Qmax—最大剪力(N);Szmax—中性轴侧截面积对中性轴的静矩(3)扭转强度校核:轴最大扭矩B处的最大扭转剪应力Smax应满足条件(8);Smax=Tmax/WT=12.8GRPd3≤[S](8)(4)扭转刚度校核:轴受扭转应力时除需要满足强度条件外,还应满足刚度条件,那么单位长度轴扭转角H(度/m)应满足条件(9);H=TmaxEGIP180P=4608GRPd3EG≤[H](9)式中:[H]—单位长度许用扭转角(度/m);EG—材料的剪切强度模量;IP—横截面对圆心的极惯性矩(5)疲劳强度校核(静态):所设计的轴应满足如下疲劳强度条件(10)S=SRSS/(S2+SS2)≥[Sp](10)其中:SR=Rs/Rmax=25.6GlB/(PdB3[RSS=Ss/Smax=0.8G/(32PdB4[S式中:S,[Sp]-分别为综合和许用平安系数;SR,SS—分别为只考虑弯曲作用,转矩作用的平安系数,Rs,Rmax—分别为实际和最大弯曲应力;Ss,Smax—分别为实际和最大剪切应力(a)轴结构及受力状况;(b)扭矩图截面A侧抗弯截面系数抗扭截面系数截面A侧的弯矩M为截面I上的扭矩=960000图4-6传动轴结构及扭转受力分析截面上的弯曲应力截面上的扭转切应力轴的材料为45钢，调质处理。查得截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数及查取。因，经插值后可查得轴的材料的敏性系数为故有效集中应力系数为尺寸系数扭转尺寸系数轴按磨削加工，得外表质量系数为轴未经外表强化处理，即，那么综合系数值为查得碳钢的特性系数，取，取于是，计算平安系数值，得>故可知其平安。截面I右侧抗弯截面系数抗扭截面系数弯矩M及弯曲应力为扭矩及扭转切应力为=960000过盈配合处的值，取，于是得轴按磨削加工，得外表质量系数为故得综合系数为所在轴在截面I右侧的平安系数为>故该轴在截面I右侧的强度也是足够的。4.在设计中我选用深沟球轴承，所选型号为：307，查设计手册知：307型轴承的C=27.0kN，C=17.56kN。Nmin=8000r/min(1〕求轴承承受的径向载荷根据上面计算轴的受力，轴承的径向载荷=1800N，轴向力Fa=700N(2)求轴承额定动载荷由式〔15-2〕得〔4-11〕对球轴承=3，〔4-12〕由〔4-13〕(3)按额定静载荷校核由式〔15-10〕〔4-14〕查表15-13，选取=1(4-15)由式查表15-18，时，代入上式满足(4)极限转速校核(4-16)查图15-6f1=1代入满足要求(5)验算轴承寿命〔4-17〕许用时间〔设计使用时间20年，两班制工作，每年工作300天〕故轴承是平安的。4.为了简化设计,采用过渡配合和平键联接固定提升轮于轴上,同时规定整轴联接统一规格,键的选择由最小端剪切应力和最大端轴直径确定,然后由公式(11)和(12)进行挤压强度和剪切强度校核。(a)键挤压强度校核Rjmax=2Tmax/dkl键=1.6GR/dkl键≤[R]j(11)(b)键剪切强度校核Smax=2Tmax/dbl键=1.6GR/dbl键≤[S](12)式中:Rjmax—键联接工作面最大挤压强度;[R]j—键的许用挤压应力(可查表得);d—轴最小直径(mm);l键—键的工作长度(mm);k,b—键与轮毂的接触高度和宽度(mm)键,轴的材料都是钢，由?机械设计手册?表6-2查得许用挤压应力100—120Mpa，取其平均值110Mpa。键的工作长度=L-b=32mm，键与轮彀槽的接触高度k=0.5h=7mm。普通平键的强度条件为〔4-19〕故键是平安的。结束语在本次设计中使我在大学四年中学到的知识有了系统的复习，也使得我的实际设计的能力得到了锻炼，通过本次设计也使我学到了很多新的东西，由于自己的经验缺乏，所以设计出来的炉门提升机构有很多缺乏之处，但对我来说是一个新的尝试。我在这几个月中的设计中，主要有以下几点体会。一、初步使我懂得了，做设计是怎么一回事，应从哪里入手，要找一些什么样的资料和参考书籍，还有就是多在社会中找到使用的，与此差不多的产品来研究它的工作方式，这样设计有什么好处和缺乏之处，应如何改正。进行大量的数据采集以后，进行分析，从生产加工的厂家的使用要求和现在社会的使用情况出发，选择最优的，最经济的设计方案。二、通过此次设计，使我具备了一定的独立设计的能力，能够使自己所学的专业知识，应用在实践中。此次设计，综合了指导老师和同学们的意见，实现了快进与快退，能够在很快的时间内夹紧。这对钳工用万向虎钳来说是一个大胆的改进和创新。可能我这次设计出来的不适用，但对我来说也是一个较大的进步，使我懂得了如何去思考和发现现有的产品的缺乏。三、通过设计锻炼了自己纵使思考问题的能力，并且培养了自己对设计的创新能力，同时也发现自己的缺乏之处，如对某些设计结构，和工作时有可能遇到的情况考虑不全面等。四、在设计过程中对于各门专业根底课的纵使应用不是很熟练，对于在设计中所遇到的问题不能全面独立自主的解决，这次在实际生产加工是不能胜任的等缺点。所以在以后的生活中必须加强专业知识和社会实践，