小直径钢管超声波探伤机构的设计（优秀含CAD及三维仿真）
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I 宁 毕业设计 (论文 ) 小直径钢管超声波探伤机构的设计 所在学院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导老师 年 月 日 I 摘 要 整机结构主要由电动机、机架、传动带、 减速机构、丝杠、卡盘 构成。由电动机产生动力通过带轮减速器将需要的动力传递到带轮上，带轮带动 减速装置 ， 减速装置将动力输出到卡盘和丝杠上面， 从而带动整机装置运动 本论文研究内容摘要： (1) 小直径钢管超声波探伤机构 总体结构设计。 (2) 小直径钢管超声波探伤机构 工作性能分析。 (3)电动机的选择。 (4)对 小直径钢管超声波探伤机构 的传动系统、执行部件及机架设计。 (5)对设计零件进行设计计算分析和校核。 (6)运用计算机辅助设计，对设计的零件进行三维建模。 (7)绘制整机装配图及重要部件装配图和设计零件的零件图。 关键词： 小直径钢管超声波探伤机构 ，结构设计 ，三维建模 he is of a by a to to to to of (1) of (2) of (3) of (4) (5) of (6) of 3D of (7) to of 3D 录 摘 要 . I . 录 . 1 章 绪论 . 1 第 2 章 传动方案的拟定 . 5 第 3 章 电机的选择及传动装置的运动和动力参数的计算 . 7 机类型和结构形式的选择 . 7 机选择 . 7 第 4 章 带轮的计算 . 9 传动设计 . 9 择带型 . 10 定带轮的基准直径并验证带速 . 10 定中心距离、带的基准长度并验算小轮包角 . 11 定带的根数 z . 12 定带轮的结构和尺寸 . 12 定带的张紧装置 . 12 第 5 章 传动零件的设计计算 . 15 轮的设计计算 . 15 速级齿轮的设计计算 . 18 第 6 章 丝杠传动机构机械结构设计 . 23 定脉冲当量 . 23 珠丝杠螺母副的计算和选型 . 23 度的选择 . 23 杠导程的确定 . 23 大工作载荷的计算 . 23 大动载荷的计算 . 24 珠丝杠螺母副的选型 . 25 滚珠丝杠副的支承方式 . 25 动效率的计算 . 25 度的验算 . 26 定性校核 . 27 界转速的验证 . 27 杠轴的校核 . 28 的校核 . 29 承的校核 . 29 第 7 章 轴的计算 . 31 第 8 章 滚动轴承的选择和计算 . 41 第 9 章 联轴器的选择和计算 . 44 结论 . 45 参考文献 . 46 致 谢 . 47 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 超声波探伤是无损检验技术的方法之一，对提高和保证产品产量起了重要作用。因此，无损检测技术在 我国的机构、冶金、化工、国防、交通运输等工矿企业中得到了广泛的应用。 超声波探伤已应用于检验 45、 95、 130 等粗糙表面的圆钢和成品薄臂钢管，并获得了显著效果。超声波探伤能将有缺陷的圆钢和钢管筛选出来，还可以根据探伤结果来判断缺陷的性质，从根本上改善和提高产品质量。现将使用脉冲反射式超声波水浸法探伤的原理、特征等做一下认证，并对设计，探伤技术等参数做介绍。对薄壁钢管的水浸法探伤于 1993 年开始研究于 1997 年正式投入产品的无损检测。 1 管道焊缝的特点 对于直径不大 ,长度较长的管道焊缝 ,只能在管外单面焊接。管 道焊缝的焊接工艺 ,要求对口的内圆直径一致。即使是同规格的管子 ,由于轧制时造成的椭圆度和厚薄不一致 ,也需加工出内坡口以利焊接。为便于超声波探伤 ,要求将内坡口加工得距焊缝根部有一定长度 ,一般不小于 25 采用单面焊接的第 1 道施焊打底很重要。因此处应力较高且与汽、水等易产生腐蚀的介质接触 ,如果此处有缺陷 ,易向焊缝内部发展延伸。 为使焊缝根部焊接平整 ,解决的方法之一是在管子里面衬垫圈 ,即所谓带垫圈焊缝。但这种焊缝钝边与垫圈接触的尖角易产生裂纹。目前 ,带垫圈焊缝结构已很少采用 ,只是发电厂老机组中尚有较多的这种焊缝 。 不带垫圈焊缝手工打底的缺点是根部不平整 , 易产生缺陷。采用常用的氩弧焊工艺打底时 ,若工艺掌握比较熟练 ,打底的焊缝根部较平整 ,缺陷较少。若工艺不当 ,特别是对高强度合金钢 ,根部也容易产生裂纹等缺陷。 2 管道焊缝探伤方法 焊缝探伤的基本方法有纵波探伤和横波探伤法 2 种。常使用的是横波探伤法 ,其原因是焊缝有一定增强量。表面凹凸不平 ,用纵波探伤法 (直探头 )探伤 ,探头难以放置 ,所以必须在焊缝两侧即母材上用斜角入射的方法进行探伤。另外 ,还有焊缝中危险性的缺陷大致垂直于焊缝表面 ,用斜角探伤容易发现。 在高合金钢管道焊缝中 ,会产生横向裂纹。检查这种缺陷可将焊缝加强面适当打磨平 , 2 用斜探头在焊缝加强面上顺焊缝方向探测 ,即焊缝上扫查。探头角度适当选小 ,以便声束能达到根部。但打磨加强面的工作量大 ,从补强的角度也不允许大量地打磨加强面 ,因此只能适当抽查。 探测焊缝上部缺陷一般都使用二次波。探测焊缝根部的缺陷 ,使用一次波或三次波。实践表明 ,一次波优于三次波 ,其优点在于 :声程短 ,因材质衰减的能量损失少 ,声束截面小 ,更便于发现根部缺陷及其定量 ,在管壁上无多次反射 ,避免了因管壁不光滑造成的反射声能损失。 探头扫查方式如图 1 所示 ,探头始终对着焊 缝 ,沿焊缝作锯齿形移动 ,并以 1015#的角度略微摆动探头 ,以便发现各种形状和方位的缺陷。锯齿形移动的间距不大于晶片宽度 ,探头垂直方向移动范围 ,一般是一个跨距左右。 在扫查过程中 ,对探头的压力要保持平稳 ,移动速度要保持均匀 ,以保证声耦合良好。 3 对探测面的要求 在探伤中探头要在探测面上左右前后移动 ,若探测面不平整 ,将直接影响到探伤结果 ,为此必须对探测面进行修整。 探测面的修整方法是先用砂轮机或砂轮碎片除掉附着的飞溅物和异物 ,若还不能消除再用锤子敲掉 ,然后用钢丝刷或布头擦亮。 探测面的粗糙度越低 ,声耦合条 件越好 ,判断准确性也越高 ,否则会给探伤带来困难。若频率越高 , 影响越显著。 两侧探伤面的修整宽度 B 满足 (见图 2) 第 1 章 绪论 3 4 管道焊缝探伤流程 要的准备工作 (1)了解所探管道的系统图、焊缝的结构形式及焊缝工艺。 (2)鉴定仪器的主要性能。 (3)测定探头的主要参数 ,包括探头前沿距离和折射角大小 ,必要时修磨探头透声楔块 ,使其达到要求的折射角。 (4)测绘定量曲线 (例如 线 ,距离 波高曲线 ,沟槽的深度 波高曲线等 ),如使用标尺面板 ,要预先绘制好。 (5)制作定位尺。 伤前的辅助工作 (1)打磨焊缝两侧的管面 ,每侧打磨宽度大于一个跨距。要求去掉明显的高低不平、焊渣和锈层。 (2)如果所用试块的接触面与管面粗糙度不一样 ,要测试补偿量。 (3)涂耦合剂。 4 (4)测量焊缝两侧紧靠焊缝的管壁厚度 ,其部位为每侧 4 点 ,每点相距 90#,两侧共 8 点。如有条件可增加测点。 伤步骤 (1)调整扫描速度和探伤灵敏度。 (2)初探。初探的扫查可分 3 步进行 : 探查根部缺陷 ; 探查焊缝根部和中部缺陷 ; 探查焊缝 上部缺陷。 在初探过程中若发现缺陷反射信号 ,则立即在管面上相应位置作出记号 ,以便细探。 (3)细探。对于初探所发现的缺陷 ,均要在探伤灵敏度下定量 ,长条形缺陷或根部缺陷要测长。仔细观察反射信号的波形和动态波形特征以及声程特点 ,联系探测部位和缺陷位置 ,综合判断缺陷的性质。 (4)记录。仪器的参数、测厚数据、焊口编号以及发现缺陷的有关数据要作好详细记录。 (5)分析整理记录数据 ,评定焊缝的质量并编写评语。 第 2 章 本章标题 5 第 2 章 传动方案的拟定 机器一般由原动机、传动机、工作机组成。传动装置在原动机和工作机之间传递运动和动力 ，并籍以改变运动的形式、速度大小和转矩大小。传动装置一般包括传动件（齿轮传动、带传动、链传动等）和支承件（轴、轴承和机体等）两部分。它的重量和成本在机器中占很大的比例，其性能和质量对机器的工作影响也很大。因此合理设计传动方案具有重要意义。 1 左下角为电机，电机连接着皮带轮，皮带轮连接着齿轮减速器。 最上面的是个滚珠丝杠 ， 中间的是主轴 ， 主运动一个是旋转，一个是进给 2 此处为主轴，需要个三爪卡盘或其他夹具固定住钢管，从而实现钢管的旋转。 此处为滚珠丝杠，丝杠上的螺母连接着超声波探头，可沿着钢管进行正反的 进给运动，管材长度 6 4 要求钢管每旋转一次，超声波探头进给一次，不能有漏检。 5 需通过相关参数选择合适的伺服电机。 第 4 章 本章标题 7 第 3 章 电机的选择及传动装置的运动和动力参数的计算 机类型和结构形式的选择 由于直流电机需要直流电源，结构较复杂，价格较高，维护比较不便，因此选择交流电动机。 机选择 本次设计为设计不变（或变化很小）下长期连续运行的机械，只有所选电机的额功率 于或稍大于所需的电动机工作功率 电动机在工作时就不会过热，通常就不必校验发热和启动力矩。 首先，一般应用建议选用 交流电机 。 第二，根据功率确定是采用 单相电机 还是 三相电机 。一般几个千瓦以上的都建议采用 三相电机 ， 三相电机 的转矩平稳性较好。再根据电网和实际功率选择电压等级和容量。 第三，根据你对电机转速的稳定性的要求，比如说，负载变化后，是否允许转速有少量的变化，如果 允许，建议选用 异步电机 ，否则，只能选用 同步电机 。 第四，根据转速范围选择 电机极对数 。 初步选择 8 第 4 章 本章标题 9 第 4 章 带轮的计算 传动设计 输出功率 P=9速 000r/500r/表 4 工作情况系数原动机 类 类 一天工作时间 /h 10 1016 16 10 1016 16 载荷 平稳 液体搅拌机；离心式水 泵；通风机和鼓风机（ ）；离心式压缩机；轻型运输机 荷 变动小 带式运输机（运送砂石、谷物），通风机（ ）；发电机；旋转式水泵；金属切削机床；剪床；压力机；印刷机；振动筛 荷 变动较大 螺旋式运输机；斗式上料机；往复式水泵和压缩机；锻锤；磨粉机；锯木机和木工机械；纺织机械 荷 变动很大 破碎机（旋转式、颚式等）；球磨机；棒磨机；起重机；挖掘机；橡胶辊压机 据 稳 ，两班工作制（ 16小时），查机械设计 ， 取 1 . 1 9 9 . 9 k e P k W 10 择带型 普通 械设计 3 11选取。 根据算出的 3000r/查图得： 0 100可知应选取 带。 定带轮的基准直径并验证带速 由机械设计 3 7查得，小带轮基准直径为 80 100取 075 295表 13 表 3 Y Z A B C D E 0 75 125 200 355 500 2121= 2 , = 9 0 2 = 1 8 0 m md 所 以 由机械设计 3得280 误差验算传动比：21= 2 . 0 2( 1 )d 误（ 为弹性滑动 率） 第 4 章 本章标题 11 误差111 0 0 % 1 . 5 8 % 5 %i 误 符合要求 带速 1 9 0 3 0 0 0v = 1 2 . 6 8 /6 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0 满足 5m/以宜选用 总之，小带轮选 带轮选择 带轮的材料：选用灰铸铁， 定带的张紧装置 选用结构简单，调整方便的定期调整中心距的张紧装置。 由机械设计 13 12 查得， A 型带的初拉力 面已得到 1a =z=8，则 1a 1 5 3 . 72 s i n = 2 8 1 3 3 . 4 6 s i n N = 2 0 7 9 . 2 8 z F 对带轮的主要要求是质量小且分布均匀、工艺性好、与带接触的工作表面加工精度要高，以减少带的磨损。转速高时要进行动平衡，对于铸造和焊接带轮的内应力要小 , 带轮由轮缘、腹板（轮辐）和轮毂三部分组成。带轮的外圈环形部分称为轮缘，轮缘是带轮的工作部分，用以安装传动带，制有梯形轮槽。由于普通 V 带两侧面间的第 4 章 本章标题 13 夹角是 40 ，为了适应 V 带在带轮上弯曲时截面变形而使楔角减小，故规定普通 为 32 、 34 、 36 、 38 （按带的型号及带轮直径确定），轮槽尺寸见表 7在轴上的筒形部 分称为轮毂，是带轮与轴的联接部分。中间部分称为轮幅（腹板），用来联接轮缘与轮毂成一整体。 表 普通 自 项目 符号 槽型 Y Z A B C D E 基准宽度 b p 基准线上槽深 h 基准线下槽深 h 槽间距 e 8 12 15 19 37 第一槽对称面至端面的距离 f 6 7 9 16 23 28 最小轮缘厚 5 6 10 12 15 带轮宽 B B =( z e + 2 f z 轮槽数 外径 d a 轮 槽 角 32 对应的基准直径 d d 60 - - - - - - 34 - 80 118 190 315 - - 14 36 60 - - - - 475 600 38 - 80 118 190 315 475 600 极限偏差 1 辐）结构的不同分为以下几种型式： （ 1） 实心带轮：用于尺寸较小的带轮 (3)，如图 7 （ 2） 腹板带轮：用于中小尺寸的带轮 ( 300 )，如图 7 （ 3） 孔板带轮：用于尺寸较大的带轮 (d) 100 )，如图 7 （ 4） 椭圆轮辐带轮：用于尺寸大的带轮 ( 500 )，如图 7 （ a） （ b） （ c） （ d） 图 7轮结构类型 根据设计结果，可以得出结论：小带轮选择实心带轮，如图（ a） ,大带轮选择腹板带轮如图（ b） 第 5 章 传动零件的设计计算 15 第 5 章 传动零件的设计计算 轮的设计计算 按设计计算公式 1 选择齿轮类型 、精度等级、材料及齿数。 1）根据传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动 。 2）运输机为一般工作机器，速度不高，选用 7级精度（ 3）材料选择 由表 (10择小齿轮材料为 40质），硬度为 280 齿轮材料为 45钢（调质），硬度为 240 者硬度差为 40 4）初选小齿轮的齿数1 24Z ，2 1 1 4 . 0 2 2 4 = 9 6 . 4 8Z i Z ，选2 97Z 2 按齿面接触强度设计 由设计公式 2131 2 12 . 3 2 ( )t Ht d ud u （注 :脚标 试算值 ,下同 .） （ 1）确定公式内各计算数值 1）试选载荷系数 2）计算小齿轮转矩 5 5 41119 5 . 5 1 0 9 5 . 5 1 0 6 . 3 3 6 4 . 2 0 2 1 01440 3）由表 10（非对称布置） 4）由表 10 21 8 9 p5）由图 10m 1 600；大齿轮的接触疲劳强度li m 2 5506）由式 109116 0 6 0 1 4 6 0 1 ( 2 8 3 0 0 8 ) 3 . 3 6 4 1 0hN n j l 812 6 . 4 6 9 1 05 . 2 （ 一齿面啮合次数； 工作寿命） 7）由图 10 9 3 , 0 . 9 6H N H 8）计算接触疲劳许 用应力 取失效概率为 1%，安全系数为 S=1，由式 10 16 1 l i m 112 l i m 22558528 （ 2）计算 1）试算小齿轮分度圆直径1入 H较小值 由计算式 2131 2 12 . 3 2 ( )t Ht d ud u 得， 1 ）计算圆周速度 11 3 . 6 5 5 76 0 1 0 0 0mV s 3）计算齿轮 b 1 1 4 8 . 5 1 4 8 . 5 1d m m m m 4)计算齿宽与齿高比 . 5 1 2 . 0 2 1 2 524z 齿轮高 *( 2 ) 2 . 0 2 1 2 5 2 . 2 5 4 . 5 4 7 8ah h c m m m 齿高比 4 8 . 5 1 1 0 . 6 74 . 5 4 7 85）计算载荷系数 K 根据 mV s ， 7 级精度， 由图 10得动载系数 由表 10 1由表 107级精度 ,小齿轮相对轴承为非对称布置 查得 由 1 . 4 , 1 0 . 6 7H bk h 查图 10 故载荷系数 A V H K K K =）按实际的载荷系数校正所算分度圆直径，由式（ 10 第 5 章 传动零件的设计计算 17 311 5 1 . 5 7t d m 7）计算模数115 1 . 5 7 2 . 1 4 924 3 按齿根弯曲强度设计 由式（ 10 13 212 F a s a （ 1）确 定计算参数 1)图 1000F E ，大齿轮弯曲疲劳 强度极限为2 380F E 2)由图 10120 . 9 0 , 0 . 9 2F N F 3)算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数 由公式 (10 111 3 1 4 . 2 9F N F 222 2 4 4 . 2 9F N F 4)算载荷系数 A V F K K K =1 1 . 1 2 1 1 . 3 4 1 . 5 0 5)取齿形系数，应力校正系数 由表 10 11222 . 6 5 , 1 . 5 82 . 1 6 , 1 . 8 1 6)比较大小齿轮 a 的大小 11 1 0 . 0 1 3 3 2F a S a 22 2 0 . 0 1 6 0 0F a S a 大齿轮的数值大 （ 2）设计计算 18 3 22 1 . 5 6 2 4 2 0 2 0 0 . 0 1 5 4 9 8 1 . 5 21 2 4m m m 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，终合考虑，满足两方面，对模数就近取整，则 m= 11 5 1 . 5 7 212 . 5dz m 大齿轮齿数21 4 . 0 2 8 4 . 4 取2 84z 4 几何尺寸计算 （ 1）计算中心距 12 2Z Z = 2)分度圆直径 11225 2 . 5210d z m m md z m m m （ 3） 算齿轮宽度 1 整后取 125550B 速级齿轮的设计计算 1 选择齿轮类型 、精度等级、材料及齿数。 1）根据传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动。 2）运输机为一般工作机器，速度不高，选用 7级精度（ 3）材料选择 由表 (10择小齿轮材料为 40面淬火），硬度为 48齿轮材料为 40质），硬度为 280 ）初选小齿轮齿数1 24Z ，213 72。 2 按齿面接触强度设计 按设计计算公式（ 10 2231 2 12 . 3 2 * * ( )t Ht d ud u （ 1）确定公式内各计算数值 第 5 章 传动零件的设计计算 19 1）试选 2）计算小齿轮转矩 55 52229 5 . 5 1 0 6 . 1 59 5 . 5 1 0 m 1 . 6 4 1 0 8 . 2 m N 3）由表 104）由表 10 21 8 9 p5）由图 10齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 900；大齿轮的接触疲劳强度li m 2 6506）由式 108116 0 6 0 2 8 1 1 ( 2 8 3 0 0 8 ) 6 . 4 7 1 0hN n j l 18 8226 . 4 7 1 0 1 . 6 2 1 04NN i 7）由图 10 9 6 , . 0 9 8H N H 8）计算接触疲劳许用应力 取失效概率为 1%，安全系数为 S=1，由式 10 1 l i m 112 l i m 220 . 9 6 9 0 0 8 6 40 . 9 8 6 5 0 6 3 7a a p M p M （ 2）计算 1）试算小齿轮分度圆直径1计算式 21 231 22 12 . 3 2 * ( )t Ht d i 得，1 ）计算圆周速度 22 6 7 . 5 8 3 5 8 . 2 1 . 2 6 76 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0mV s 3）计算齿轮 b 1 0 . 8 6 7 . 5 8 5 4 . 0 6 4d m m m m 4)计算齿宽与齿高比 . 0 6 4 2 . 2 5 2 624m 20 齿轮高 *( 2 ) 2 . 2 5 2 . 2 5 2 6 5 . 0 6 8 5h c m m m 齿高比 5 4 . 0 6 4 1 0 . 6 75 . 0 6 8 55）计算载荷系数 K 由 10，； 根据 mV s ， 7 级精度， 由图 10 因为是直齿轮 所以 1, 1； 由表 10级精度 ,小齿轮相对轴承为 非对称轴承时 . 由 查图 10 . 故载荷系数 1 1 . 0 3 1 1 . 4 2 6A V H K K K =）按实际的载荷系数校正所算分度圆直径，由式（ 10 3311 1 . 4 6 96 7 . 5 8 1 . 3d m =） 计算模数117 0 . 3 9 2 . 9 3 3 824dm m m m 按齿根弯曲强度设计 由式（ 10 13 212 F a s a （ 1）确定计算参数 1)图 10得小齿轮弯曲疲劳强度极限1 600F E ，大齿轮弯曲疲劳强度极限为2 500F E 2)10 8 3 , 0 . 8 7F N F 3)算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系 数 由公式 (10 第 5 章 传动零件的设计计算 21 111 0 . 8 3 6 0 0 3 5 5 . 71 . 4F N F EF a P M 222 0 . 8 7 5 0 0 3 1 0 . 71 . 4F N F EF a P M 4)算载荷系数 1 1 . 0 3 1 1 . 3 3A V F K K K =)取齿形系数，应力校正系数 由表 101222 . 6 5 , 1 . 5 82 . 1 9 2 , 1 . 7 8 6 6)较大小齿轮 a 的大小 11 1 2 . 6 5 1 . 5 8 0 . 0 1 1 73 5 5 . 7F a S a 22 2 2 . 1 2 9 1 . 7 8 6 0 . 0 1 2 63 1 0 . 7F a S a 大齿轮的数值大 （ 2）设计计算 53 22 1 . 3 3 9 1 . 6 4 1 0 0 . 0 1 2 6 2 . 2 8 50 . 8 2 4m m m 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，终合考虑，满足两方面，对模数就近取整，则 m=3 11 7 0 . 3 9 2 3 . 4 63dz m 取1 24z 大齿轮齿数213 7 2 4 几何尺寸计算 （ 1）计算中心距 12 7 2 2 1 6 1442 2Z Z ma m m m m (2)分度圆直径 112272216d z m m md z m m m 22 （ 3） 算齿轮宽度 1 0 . 8 7 2 5 7 . 6 6 0m m m m m m 圆整后取 1265 ,60B 所以，计算得齿轮的参数为： d m z a b *ah*c 高速级 大 210 4 5 1 0 小 1 50 低速级 大 216 3 72 144 65 小 72 24 60 23 第 6 章 丝杠传动机构机械结构 设 计 定脉冲当量 一个进给脉冲，使 丝杠传动机构 运动部件产生位移量，也称为 丝杠传动机构 的最小设定单位。脉冲当量是衡量 丝杠传动机构 加工精度的一个基本技术参数。根据 丝杠传动机构 精度要求确定脉冲当量 冲 。 珠丝杠螺母副的计算和选型 滚珠丝杠副的作用是将旋转运动转变为直线 运动，其螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放人适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动。螺母上设有返向器，与螺纹滚道构成滚珠的循环通道。为了在
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