机械毕业设计（论文）-无缝厂加热炉出料机械手设计—机械部分【全套图纸】 .pdf

内蒙古科技大学 本科生毕业设计说明书 题 目：无缝厂加热炉出料机械手 设计机械部分 学生姓名： 学 号：0602115108 专 业：机械设计制造及其自动化 班 级：机 06-5 班 指导教师： 内蒙古科技大学毕业设计说明书 i 35m 环型加热炉出料机械手环型加热炉出料机械手 摘要摘要 本文主要针对无缝钢管厂35m 环型加热炉出料机械手进行设计。行走小车在机 架上做水平直线运动，并带动夹料杆至加热炉前，再通过升降驱动液压缸驱动同步摆 杆机构使夹料杆完成升降运动， 最后通过旋转用液压缸驱动夹料杆旋转完成夹料工作。 设计中包括以下内容：介绍机械手分类及主要技术指标，确定本设计任务中出料 机械手采用的方案；对出料机械手的参数进行设计计算；计算选择液压元件及缓冲元 件，以及对主要机械部件的强度校核。 关键词：关键词：环型加热炉；机械手；控制；吊挂摆动装置 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 内蒙古科技大学毕业设计说明书 ii 35m ring of steel furnace manipulator abstract this article will focus on the discharging manipulator design of 35m ring furnace in the seamless steel pipe plant.the walking trolley that does a straight line on the pedestal promotes the clip materials bar to the furnace,and then promotes it doing lifting exercise through synchronous pendulum body driven by the lifting driving hydraulic cylinder, and finally with a rotating hydraulic cylinder drives the clip materials bar to complete the clip materials work. design includes the following: includuction manipulator classification and the main technical indicators, deternination the design task with a steel manipulator; parameters design and calculated of the steel ,the choice of hydraulic components and buffer components ,as well as the strength check of the main mechanical components. keywords: ring-type furnace; manipulator; control; hanging swing mechanism 内蒙古科技大学毕业设计说明书 iii 目 录 摘要 . i abstract ii 第一章 绪 论 1 1.1 概述 . 1 1.2 机械手的组成及分类 . 1 1.2.1 机械手的组成 1 1.2.2 机械手的分类 3 1.3 机械手的主要技术指标 . 4 1.4 机械手的静力和动力分析 . 5 1.4.1 静力分析 5 1.4.2 动力分析 6 1.5 工业机械手的技术发展方向 . 6 第二章 环型加热炉及出料机械手 8 2.1 环型加热炉 . 8 2.1.1 环型加热炉的结构 8 2.1.2 环型加热炉的优缺点 9 2.1.3 环型加热炉的工作过程 10 2.2 出料机械手 . 10 2.3 设计专题部分 . 11 第三章 出料机械手的方案确定 12 3.1 可选方案 . 12 3.1.1 方案一 12 内蒙古科技大学毕业设计说明书 iv 3.1.2 方案二 13 3.1.3 方案三 15 3.2 技术经济评价法择优 . 15 3.2.1 技术评价 15 3.2.2 经济评价 16 3.2.3 技术经济综合评价 16 第四章 出钢机械手参数设计计算 18 4.1 机械手组成 . 18 4.2 出料机械手的循环动作 . 20 4.3 主要参数的设计计算 . 21 4.3.1 初定行程用时 21 4.3.2 旋转用液压缸负载压力 22 4.3.3 吊挂摆动装置液压缸负载压力计算. 23 4.3.4 同步摆杆机构尺寸计算 24 4.3.5 夹料杆升降驱动液压缸负载压力计算 . 25 4.3.6 车轮驱动力的计算 28 第五章 液压缸及减速缓冲元件的选用 31 5.1 液压马达选择 . 31 5.2 液压缸选择 . 31 5.2.1 夹钳启闭用液压缸的选择 31 5.2.2 升降驱动液压缸的选择 33 5.2.3 吊挂摆动液压缸的选择 33 5.3 减速器选择 . 34 内蒙古科技大学毕业设计说明书 v 5.4 缓冲装置简介及其选用 . 35 第六章 部分部件设计及其强度校核 37 6.1 夹料杆旋转啮合齿轮设计 . 37 6.2 夹料杆强度校核 . 42 结束语 48 参考文献 49 内蒙古科技大学毕业设计说明书 1 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 概述概述 工业机械手是近 30 年来发展起来的一种模仿人手动作， 并按设定的程序、 轨迹和 要求代替人手抓取、搬运工件或操持工具或进行操作的高科技自动化装置，在结构和 性能上兼有人和机器各自的优点，尤其是体现了人的智能性和适应性，能够提高劳动 生产率和自动化水平，能够减轻生产工人的繁重、重复的体力劳动，并且能在高温、 高压、低温、粉尘、有毒气体和放射性污染等环境中代替人工作。工业机械手在我国 工业生产中得到了广泛的应用，在促进生产过程自动化方面起了巨大作用。 机械手技术涉及力学、机械学、电气液压技术、自控技术、传感器技术和计算机 技术等领域，是一门跨学科的综合技术。而且机械手机构学乃是机器人的主要基础理 论和关键技术，也是现代机械原理研究的重要内容。 1.2 机械手的组成及分类机械手的组成及分类 1.2.1 机械手的组成机械手的组成 工业机械手的结构有简单的也有复杂的。但从结构形式分析，主要有执行机构、 驱动系统和控制系统所组成，各部分关系如图 1.1 所示，机械手的组成示意图如图 1.2 所示。 控制系统 驱动系统 位置检测装置 执行机构 工件 图 1.1 机械手组成 内蒙古科技大学毕业设计说明书 2 一、执行机构 执行机构由抓取部分（手部） 、腕部、臂部和行走机构等运动部件组成。 1. 手部 即直接与工 件接触的部分，一般是回转 型或平移型（多为回转型， 因其结构简单） 。 手爪多为两 指；根据需要分为外爪式或 内爪式两种；也可用负压式 或真空式的空气吸盘（它主 要用于吸取冷的，光滑表面 的零件或薄板零件）和电磁 吸盘。 2. 腕部 即连接手部 和手臂的部件，并可用来 调整被抓物体的方位（即 姿态） 。它可以有上下摆动、 左右摆动和绕自身轴线的回转三个运动。如有特殊要求(将轴类零件放在顶尖上，将筒 类、盘类零件卡在卡盘上等)，手腕还可以有一个小距离的横移。也有的工业机械手没 有腕部自由度。 3. 臂部 手臂是支承被抓物体、手部、腕部的重要部件。手臂的作用是带动手 指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到给定的位置。 4. 行走机构 有的工业机械手设有行走机构。 二、驱动机构 图 1.2 工业机械手组成示意图 1 一手指 2 一手部 3 一手腕回转液压缸 4 一导向杆 5手臂伸缩液压缸 6 一手臂回转液压缸 7 一手臂升降液压缸 8液压系统控制阀 9 一液压泵电动机 10液压泵 11 一油箱 内蒙古科技大学毕业设计说明书 3 有气动、液动、电动和机械式四种形式。气动式速度快，结构简单，成本低。采 用点位控制或机械挡块定位时，有较高的重复定位精度，但臂力一般在 300n 以下。 液动式的出力人，臂力可达 1000n 以上，且可用电液伺服机构，可实现连续控制，使 工业机械手的用途和通用性更广，定位精度一般在 1mm 范围内。目前常用的是气动 和液动驱动方式。电动式用于小型，机械式只用于动作简单的场合。 三、控制系统 有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位程序控制，也有采用 可编程序控制器控制、微型计算机数字控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程 序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。 四、基体(机身) 基体是整个机械手的基础。 1.2.2 机械手的分类机械手的分类 目前，我国对工业机械手尚无较为统一的分类标准。一般可按机械手的规格、功 能或用途等来分类。 一、按规格(所搬运的工件重量)分类 1)微型的搬运重量在 1kg 以下。 2)小型的搬运重量在 10kg 以下。 3)中型的搬运重量在 50kg 以下。 4)大型的搬运重量在 500kg 以上。 二、按功能分类 1简易型工业机械手 有固定程序和可变程序两种。固定程序由凸轮转鼓或挡 块转鼓控制，可变程序用插销板或转鼓控制来给定程序。近年来，普遍采用可编程序 控制器(pc)组成控制系统。 内蒙古科技大学毕业设计说明书 4 这种机械手多为气动或液动，结构简单，价格便宜，改变程序较容易。只适用于 程序较简单的点位控制，但作为一般单机服务的搬运作业已足够。所以，目前这种工 业机械手数量最多。 2记忆再现型工业机械手 这种工业机械手由人工通过示教装置领动一遍，由 记忆元件(如磁盘、磁带或存储器)把程序记录下来，以后机械手就自动按记忆的程序 重复进行循环动作。 这是采用较多的一种，多为电液伺服驱动。与前者比较，有较多的自由度，能进 行程序较复杂的作业，通用性较广。 3计算机数字控制的工业机械手 可通过更换穿孔带或其它记忆介质来改变工 业机械手的动作程序，还可以进行多机控制。计算机可以是可编程序控制器或微型计 算机。 4智能工业机械手(机器人) 由电子计算机通过各种传感元件等进行控制，具 有视觉、热觉、触觉、行走机构等。 三.按用途分类 1专用机械手 附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。 这种机械手工作对象不变，动作固定，结构简单，使用可靠，适用于成批、大量生产 的生产自动线或专机作为自动上、下料用。 2通用机械手 具有独立控制系统、程序可变、动作灵活多样的机械手。通用 机械手的工作范围大，定位精度高，通用性强，适用于工件经常变换的中、小批量自 动化生产。 1.3 机械手的主要技术指标机械手的主要技术指标 工业机械手的技术指标很多，下面主要介绍一些与机械手有关的技术指标。 内蒙古科技大学毕业设计说明书 5 自由度 即用来确定手部相对机座的位置和姿态的独立能变数的数目。 它等于机 械手独立驱动的关节数目。自由度是反映机械手的通用性和适应性的一项重要指标。 自由度越多，就更能接近人手的动作机能，通用性更好，但结构也更复杂。目前，一 般的通用工业机械手大多为 5 个自由度左右，但已能满足多种作业的要求。 工作空间 即机械手的工作范围， 通常以手腕中心点在机械手运动的所占有的体 积来表示。我们把机械手能对操作对象完成操作的那一部分空间称为看管区域或工作 区域。 灵活度 是指机械手末端执行器在工作时， 所能采取的姿态的多少。 若能从各个 方位抓取物体，则其灵活度最大；若只能从一个方位抓取物体，则其灵活度最小。 此外，用来表征工业机械手操作性能的技术指标还有负荷能力，快速动作特性， 重复定位精度及能量消耗等等。 1.4 机械手的静力和动力分析机械手的静力和动力分析 对机器的操作进行静力分析和动力分析是机械手操作机设计，以及其驱动装置和 控制系统设计的基础。 1.4.1 静力分析静力分析 机械手静力分析的目的是确定机械手在静力平衡状态下，各关节力与末端执行器 上外力、外力矩间的关系，为机械手的设计提供初步依据。 在机械手中，任取两杆 i 与 i+1，设作用在杆 i+1 上的力 fi+1和力矩 mi+1在坐标系 i+1 中表示为 fi+1(i+1)和 mi+1(i+1)；杆 i 上的重力 gi在机座坐标系 x0y0z0中表示为 gi(0)。 再设杆 i 上 si点和 oi点在坐标系 xiyizi中的位置矢量为 rsi和 ri+1。当不考虑摩擦时，将 这些力和力矩简化到坐标系 xiyizi中，可得: fi(i)= fi+1(i)+gi(i)=ri+1,ifi+1(i+1)+ri0gi(0) (11) 内蒙古科技大学毕业设计说明书 6 mi(i)=mi+1(i)+ri+1fi+1(i)+rsigi(i)=ri+1,imi+1(i+1)+ri+1ri+1,ifi+1(i+1)+rsiri0gi(0) (12) 式中 ri+1,i和 ri0为坐标旋转变的矩阵，恰在此时与运动分析为逆变换。上述两式为两 相邻杆间力的传递关系。 如设作用在机械手末端执行器上 p 点外力和外力矩为 fw(0)和 mw(0)，同时考虑各 杆自量的影响，则经逆推可求得关节点 oi上的力和力矩分别为： f0i(i) =ri0fw(0)+ = n ij j g )0( j0 r (13) m0i(i) =ri0mw(0)+rsjrj0gj(0) = n ij jsj g )0( j0 rr (14) 求出力 f0i(i) 和力矩 m0i(i) 在 xi和 zi 轴上的分量， 即得到关节力和关节力矩。 取其反 号值，即为使杆件保持静力平衡应由驱动机提供的关节驱动力或驱动力矩。 1.4.2 动力分析动力分析 当考虑惯性力的影响时，对机械手进行的力分析即为动力分析。与前面平面机构 力分析相似，机械手的动力分析可将惯性力视为一般外力加于产生惯性力的构件上， 而仍将机械手视为处于静力平衡状态，然后即可用前述机械手静力分析的方法进行力 的分析。 1.5 工业机械手的技术发展方向工业机械手的技术发展方向 国内外实际上使用的定位控制的机械手，没有“视觉”和“触角”反馈。目前， 世界各国正积极研制带有“视角”和“触角”的工业机械手，使它能对所抓取助工件 进行分辨，选取所需要的工件，并正确地夹持工件，进而精确地在机器中定位、定向。 为使机械手有“眼睛”去处理方位变化的工件和分辨形状不同的零件，它由视觉 传感器输入三个视图方向的视觉信息，通过计算机进行图形分辨，判别是否是所要抓 取的工件。 内蒙古科技大学毕业设计说明书 7 为防止握力过大引起物件损坏或握力过小引起物件滑落下来， 一般采用两种方法： 一是检测把握物体手臂的变形，以决定适当的握力；另一种是直接检测指部与物件的 滑动位移，来修正握力。 因此，这种机械手就具有以下几个方面的性能： 1)能准确地抓住方位变化的物体。 2)能判断对象的重量。 3)能自动避开障碍物。 4)抓空或抓力不足时能检测出来。 这种具有感知能力并能对感知的信息作出反应的工业机械手称为智能机械手，它 是有发展前途的。 现在，工业机械手的使用范围只限于在简单重复的操作方面节省人力，其效用是 代替人从事繁重的工作和危险的工作，在恶劣环境下尤其明显。至于在汽车工业和电 子工业之类的费工的工业部门，机械手的应用情况决不能说是很好的。虽然这些工业 部门工时不足的问题很尖锐，但采用机械手只限于一小部分工序。其原因之一是，工 业机械手的性能还不能满足这些部门的要求，适于机械手工作的范围很狭小。另外经 济性问题当然也很重要， 采用机械手来节约人力从经济上看不一定总是合算的。 然而， 利用机械手或类似机械设备节省人力和实现生产合理化的要求，今后还会持续增长， 只要技术方面和价格方面存在的问题获得解决，机械手的应用必将会飞跃发展。 内蒙古科技大学毕业设计说明书 8 第二章第二章 环型加热炉及出料机械手环型加热炉及出料机械手 2.1 环型加热炉环型加热炉 随着钢铁工业技术的发展，为适应高速、高精度连续轧机及快锻、精锻设备的要 求，环型加热炉得到了较快发展。环型加热炉是工业炉中炉型结构复杂、机械化程度 和装备水平较高的一种，一般适用于无缝钢管穿孔前的加热。根据加热管坯尺寸的不 同，环型加热炉的直径也有所不同，但基本结构均无很大的差异。环型加热炉适合于 加热异型钢坯，坯料间隔布置，三面受热，加热时间短，温度均匀；可根据要求改变 炉内布料、改变加热温度。环型加热炉适合大批量生产的要求，有利于实现机械化和 自动化。 2.1.1 环型加热炉的结构环型加热炉的结构 环型加热炉是借炉底的旋转，使放置在炉底上的管坯由装料口移到出料口的一种 炉型。炉子用侧进料、侧出料的方式，并且用侧烧嘴加热。环型加热炉由转动炉底和 固定炉墙、炉顶组成。整个环型加热炉看起来为一个立体圆环。沿炉子圆周方向可分 为几个段，如预热段、一加热段、二加热段、均热段、清渣段等。段与段之间用隔墙 隔开， 有些段采用水冷隔墙。 炉底和炉墙之间的环逢采用水封以防止热量和烟气散出。 清渣段：没有坯料，供清渣用。 预热段：不安烧嘴，只靠炉内烟气对管坯加热，起到节能降耗的作用。 一加热段：开始安装烧嘴，是供热的主要段，也是提高产量的主要段。 二加热段：是供热的主要段，也是提高质量的主要段。 均热段：在这段里最大限度地消除管坯表面和中心的温度差，提高管坯的加热质 量。 环型加热炉结构上没有明显的分段，主要靠烧嘴的配置和供热强度来控制温度制 内蒙古科技大学毕业设计说明书 9 度。各段的长度并不固定，例如炉子在低负荷下工作时，就可以关闭一部分加热段的 烧嘴，预热段就相对延长。 为了使炉子各段的温度更符合加热工艺的要求，环型加热炉都设有水冷梁支托的 吊挂式隔墙。隔墙的数目和位置不一定，一般设有三道隔墙：(1)在加热段和预热段之 间设一道隔墙， 减少加热段向预热段的热辐射； (2)在均热段和出料口之间设一道隔墙， 防止因出料口经常开启而降低均热段的温度，还防止均热段热气直接进入排烟道；(3) 在装料口与出料口之间也有一道隔墙(有时有两道)，以避免装料口吸入冷风，对出料 口的热管坯造成不良影响，也防止均热段热气短路，直接进入排烟道。隔墙距离炉底 的间隔高度，应保证加热最大直径的管坯时能自由通过，还考虑到氧化铁皮在炉底上 的堆积，故间隔高度一般约为 140mm。 环型加热炉一般由混合煤气、天然气等可燃气体供热，各段供热可以单独进行控 制。烧嘴均安装在内外环墙上。炉底一般由若干电机驱动，目前均实现变频调速控制。 另外，装料和卸料由电机或马达等驱动的小车完成。 2.1.2 环型加热炉的优缺点环型加热炉的优缺点 环型加热炉具有以下的优点： (1)炉子的转速和管坯之间的间隔距离可以准确地控制，各段的温度可以根据需要 通过调整供热量及利用中间烟道实行控制。炉子的产量、热工制度等都有较大的灵活 性。 (2)由于管坯之间有间隙，三面受热，温度均匀，没有水管黑印，加热质量好。 (3)可以加热推送式炉和步进式炉所不能加热的异型管坯。 (4)和斜底炉相比，加热圆坯时不需要翻料，沿炉长没有高度差，漏人的空气少， 甚至可以采取微正压操作，烧损率比推送式连续加热炉减少 1.52。 (5)炉子可以排空，避免停轧时管坯在炉内长期停留，便于更换管坯规格。 内蒙古科技大学毕业设计说明书 10 (6)由于几乎没有什么水冷件，热耗比较低。 环型加热炉的缺点： (1)机械设备复杂，占地面积大，投资费用高。 (2)管坯之间有间隙，炉底面积利用率低，炉底强度只及推送式炉的一半左右。 (3)装料门和出料门相距很近，送料与出料的区域很窄，操作不方便。 2.1.3 环型加热炉的工作过程环型加热炉的工作过程 环型加热炉的管坯料为圆柱状，一般沿径向布置。正常工作时炉底按一定速度旋 转，每转动一个料位便停一下，在停止转动的时间内完成向一个料位装料并从出料口 卸下一根坯料给轧钢机。然后，炉底继续旋转，如此连续不断地运行。在炉底旋转一 周后，坯料刚好经过预热段、一加热段、二加热段、均热段完成对坯料的均匀加热最 后被送出加热炉。而燃料和助燃空气则经各段烧嘴喷入炉膛燃烧，废气经烟道排除烟 囱。 2.2 出料机械手出料机械手 出料机械手是生产制造中的一个重要部分，针对加热炉有一个出料门和一个上料 门。有的加热炉仅有一个门，集出料和上料于一体。出料机械手位于出料门前侧或上 侧，将管坯夹取出炉的一个装置，然后将管坯放于炉前的轨道，传送至加工装置。 出料机械手是针对专项管坯加工设备进行的专门设计，应用到力学、热学、摩擦 学以及传感器等多方面的知识。本次设计是针对包钢集团无缝钢管厂小无缝的 35mm 加热炉进行的设计。出料机械手中用到的液压缸和传动部件用的是国内标准系 列产品。液压缸的选取全选自江苏无锡液压缸厂，控制精度难度中下级别，而对于天 津大无缝的出料机械手中所用到的是德国力士乐公司用到的液压缸，控制精度相对比 较高，其控制基于 st200plc 控制，在国内处于领先水平，但其设计也是针对加热 内蒙古科技大学毕业设计说明书 11 炉出料机进行的专项设计。 2.3 设计专题部分设计专题部分 本次设计是针对包钢集团无缝钢管厂35m 加热炉出料进行的专项设计。 35m 加热炉是包钢集团无缝钢管厂生产工艺流程中的一个重要设备，无缝钢管 厂主要生产工艺路线：管坯锯管坯加热穿孔机连轧机脱管机再加热炉定 径机冷床管排锯矫直机探伤倒棱热处理包装发行，管坯锯断以后，再 将断坯送入至加热炉，即装料，然后在加热炉里加热至合适温度，使得管坯在比较适 合穿孔的温度下出料，本次设计就是针对其出料结构进行的一个专项设计。 本次设计主要是根据设计给定的参数，利用我们所学专业知识以及制图知识，设 计出合理的夹料出料装置，完成主要部件框架的组合设计以及部分零件的强度校核， 最后对部分零件进行寿命预算，最后画出装配图及零件图。 内蒙古科技大学毕业设计说明书 12 第三章第三章 出料机械手的方案确定出料机械手的方案确定 3.1 可选方案可选方案 3.1.1 方案一方案一 出料机械手要想完成从加热炉中夹取出管坯的任务，必须存在水平面内的直线运 动、竖直面内的升降运动以及旋转运动，所以有必要设计一个支撑机械手完成上述动 作的机架。该机架设有一正对炉门并高于炉门的长直轨道来支撑行走小车。水平轨道 长度大于小车行程，约 46m（小车水平行程约 8.1m,回转加热炉直径为 35m,小车允许 运行的有效行程为 10m） 行走小车动力源选用一个电动机，经减速器减速后，输入到行走小车主动轮，从 而驱动行走小车完成水平面内直线运动的动作，在行走小车的终了轨道上设置一限动 横梁，并在小车减速器输出端设置一缓冲装置来保证行走小车停止时的迅速可靠。 行走小车夹料杆的升降运动主要是通过一个用电液伺服阀的同步回路（如图 3.1 所示）驱动两个液压缸同步伸缩以及滑轮同步机构（如图 3.2 所示）来实现的，两液 图 3.1 使用电液伺服阀的同步回路 1换向阀 2电液伺服阀 3、4位移传感器 5伺服放大器 6溢流阀 图 3.2 夹料杆旋转运动控制图 1滑轮 2径向距离控制用导圈 3夹料杆一 4夹料杆二 5液压缸 内蒙古科技大学毕业设计说明书 13 压缸分别与一滑轮同步机构相连来支承夹料杆前后两个支点使夹料杆做升降运动，液 压缸以及滑轮机构的同步性可保证夹料杆始终处于水平。 夹料杆的旋转运动是由一个液压缸配合夹料杆上中 间部位的两个特殊凸耳来实现的，通过液压缸的伸缩来 使两个夹料杆实现正反转（如图 3.3 所示） 。 该方案控制的夹料动作反应快速准确，特别是选用 的同步的回路同步精度很高，伺服阀与换向阀要求有相 同的流量，规格尺寸必须选择很大，价格也相当昂贵， 特别是行走下车车体上要同时固定五个大行程液压缸， 因此，行走小车在体积和材料刚度的选用方面都有特殊 的要求，但是其无论在效率还是在寿命方面的性能都比 较好。 3.1.2 方案二方案二 方案二与方案一驱动小车的动力源有所不同，小车水平驱动是靠一个液压马达驱 动减速器，经减速器调速后减速，输出到行走小车主动轮，驱动小车在水平轨道上前 进后退，此处选择液压马达驱动可使整个机构的动力源一致。 行走小车夹料杆的升降驱动是由一个液压缸和一个特殊的同步摆杆机构共同来控 制（如图 3.4 所示） ，a、b 和 c 三点均固定在车体上，该机构虽然可以实现夹料杆升 降方面的同步性，但是 d、e 两点做的是圆周运动，f 点也是圆周运动，也就是说，d、 e 两点在做上下运动时也要在水平方向上做前后运动， 因此就必须存在一个补偿运动， 所以对此还专门设计了一个吊挂摆动装置，来补偿其水平垂直方向的微动。吊挂摆动 装置的驱动也是靠一个重型液压缸来实现的。 图 3.3 夹料杆旋转运动控制图 内蒙古科技大学毕业设计说明书 14 图 3.4 同步摆杆机构 1液压缸 2 、4曲柄 3连杆 夹料杆的旋转运动是通过一个液压缸 配合夹料杆上的凸耳来实现的（如图 3.5 所示） ， 液压缸的伸缩运动和夹料杆上的特 殊凸耳共同作用驱动夹料杆反向旋转。吊 挂摆动装置在径向控制其径向距离和补偿 其水平方向的微动。 机架安置在环型加热炉前，夹料杆水 平前行时，就近似一个悬臂梁，这就要求 机架相对地基能过承受悬臂夹料杆倾反力 矩的影响，因此，其固定必须采用有效可 靠的措施。 该方案对于夹料杆运动控制较好，设备的制造，除液压马达和液压缸之外，都可 以从本厂直接获取坯料并进行加工。对于完成一些控制精度不高，生产效率一般的生 产厂区比较实效。 图 3.5 夹料杆旋转运动控制图 内蒙古科技大学毕业设计说明书 15 3.1.3 方案三方案三 该方案的设计与前两个方案不同的地方是行走小车运行于地面的水平轨道上。升 降驱动用方案一的链式同步液压缸回路实现，旋转运动也按方案一的方法控制。这种 方案省去了机架的材料和费用，但是它却占据了厂区大量的面积。一般来说厂区的面 积是比较有限的，该方案只适合于某些专门的加热炉出料而不从事其他流水作业的厂 区。 3.2 技术技术经济评价法择优经济评价法择优 技术经济评价法的依据是相对价：其中包括方案的技术价和经济价，该法被定 为德国工程师协会规范 vdi22225。 3.2.1 技术评价技术评价 通过技术分析验证所采用的技术原理的正确性，预测设计方案的性能，并确定详 细设计细节，技术评价通过方案的技术价 wt进行分析： wt= = n 1i maxii p/gp (31) 式中： pi第 i 个技术评价指标的评分值； gi第 i 个技术评价指标的加权系数； pmax最高分值（本次设计评价中的高分值选用五分制） 。 注：wt2， 而 2= o 92.12， 故取=13o。 当夹取270mm 坯料时，同理由几何关系可得摆角： oo 08 . 8 04 . 4 2 = 270mm 规格的坯料的最大重量： g=mg=20309.8=19894n 将 g 及的值代入式(41)得： f=141.2kn 即夹取270mm 坯料口所受压力为 141.2kn，钳口摆角取=17 o 。 设计中取数值较大的钳口摆角：=13 o ，钳口开启压力：f=141.2kn。 故液压缸的负载压力为： f旋= 325 461f =200.3kn 4.3.3 吊挂摆动装置液压缸负载压力计算吊挂摆动装置液压缸负载压力计算 行走小车底部设有同步摆杆机构，左边的曲柄与夹料杆相接，夹料杆的左端已经 固定了一个液压缸来控制钳口的开启，因此，吊挂摆动装置中液压缸的作用：一是维 持夹料杆旋转；二是保持夹料杆工作同步，故在吊挂摆动装置上使用的液压缸负载压 内蒙古科技大学毕业设计说明书 24 力就稍小于夹料杆夹钳开闭驱动液压缸的负载压力，其行程由行走小车下端尾部耳环 固定的间距和夹钳启闭液压缸行程计算，其选型可以在高压重型液压缸系列中选择稍 小于夹钳启闭液压缸一号即可。 4.3.4 同步摆杆机构尺寸计算同步摆杆机构尺寸计算 夹料杆在炉内升降行程为 350mm，炉外升降行程为 190mm，同步摆杆机构的两 个曲柄安装高度差为 160mm，由同步摆杆机构的相关知识，我们知道两曲柄接夹料杆 处运动轨迹是完全一样的。曲柄一中 a、b 和 c 三点在同一条直线上，可以将其简化 为杆件来进行计算，从而确定 a 点的上升下降高度，也就是升降驱动液压缸的工作行 程范围。 图 4.6 同步摆杆机构尺寸计算图 如图 4.6 所示，在图（a）中，由条件 ab=406mm，bc=580mm，de=bf=175mm 知： mm 5 . 297ae 406580 580 ae 175 ae bf = + = 故： ad=ae-de=297.5-175=122.5mm 图 （ b）为 夹料 杆在 炉内 下降 350mm 时， 曲柄一 的 位置 图， 其中 ： fb=bf+350=525mm，ba=406mm，cb=580mm，由图中几何关系知： mm 5 . 892ea 406580 580 ea 525 ea fb = + = = 图（a） 图（b） 内蒙古科技大学毕业设计说明书 25 故： mm5 .367fbeada= 综上可知：aa、两点在垂直方向上的高度差为mm245adda=。考虑到液 压缸在垂直面内的摆动和其他因素产生的冗余伸长的影响，将其圆整为 250mm。 4.3.5 夹料杆升降驱动液压缸负载压力计算夹料杆升降驱动液压缸负载压力计算 1、夹料杆下降时，同步摆杆机构所承受的载荷必须考虑到夹料杆重量、吊挂摆动 装置重量和夹料杆内部水的重量： g1=g夹+g吊+g水 (42) 因下降时刚开始进行水冷，夹料杆内部水的重量可以忽略，故： g1g夹+g吊 (43) 将m夹=4845kg，m吊=127kg 代入上式，得： g1=（4845+127）9.8=48.7kn 因为夹料杆在炉内下降时同步摆杆机构所承受的载荷要小于夹料杆夹取管坯上升 时同步摆杆机构所承受的载荷，所以我们可以根据上升时同步摆杆机构所承受的载荷 计算出升降液压缸负载压力。 2、 夹料杆在炉内上升时也必须考虑夹料杆重量、 吊挂摆动装置重量以及水冷时管 内水的重量和管坯重量，故： g2=g夹+g吊+g水+g管坯 (44) 其中：m夹=4845kg，m吊=127kg，m水=v水水，m管坯=2030kg 下面计算夹料杆内冷水的质量： 夹料杆内圆横截面面积： s=r2 (45) 内蒙古科技大学毕业设计说明书 26 = 2 ) 2 230299 (14 . 3 =44862.7mm2 单根无缝钢管长： l=7280mm 冷水的体积：v水=2sl=244862.77280 9 10=0.653 3 m 冷水的质量： m水= v水水=0.6531000kg=653kg 将各值代入式（44） ： g2=（m夹+m吊+m管+m水） g =（6845+127+2030+653）9.8 3 10 =88.2kn 确定同步摆杆机构下装整个设备的重量后， 还必须计算整个设备的重心水平坐标， 之后才能确定同步摆杆机构两曲柄分别所受载荷。 首先，根据夹料杆装配各零部件的位置以及重量确定夹料杆的重心，然后，再计 算夹料杆装配、吊挂摆动装置、管内冷却水和管坯的整体重心位置。 经过计算，可以求得夹料杆装配、吊挂摆动装置、冷却水和管坯各自的重心：x夹 =3751mm，x吊=3751mm，x水=3751mm，x管=3751mm（如图 4.7 所示） 。 图 4. 7 内蒙古科技大学毕业设计说明书 27 根据上图，同步摆杆机构下装设备的水平重心为： 管坯水吊夹 管坯管水水吊吊 夹 夹 总 mmmm mxmxmxm x x + + = 20306531274845 203075306534258127180048453751 + + = =4764mm 列平衡方程： 2gc gff=+=88.2kn 04764g1800f 2g = 解得： kn 4 . 233fkn 2 . 145f gc =， 3、同步摆杆机构中的连杆通过两个铰链与两个曲柄相连，为一二力杆。将同步摆 杆机构约束除去，用外力代替施力物体，对曲柄一、二和连杆进行受力分析，如下图 所示。 根据受力分析列平衡方程（其中 o 5=） ： 图 4.8 曲柄一受力分析图 图 4.9 曲柄二受力分析图 图 4.10 连杆受力分析图 内蒙古科技大学毕业设计说明书 28 曲柄一： fx=0， +cosff dbx =0 fy=0，0fffsinf acbyd =+ mb=0，fa387-fd295.3-fc552=0 曲柄二： fx=0， 0cosff fex = fy=0， 0fsinff gfey = me=0，ff295.3-fg552=0 连杆： fd ff= 其中： dd ff =， ff ff = 将 fc=kn 4 . 233ffkn 2 . 145f ggc =，代入上式，可得： fa=125.8kn 4.3.6 车轮驱动力的计算车轮驱动力的计算 车轮运行于钢质导轨上，其驱动力必须考虑到滚动摩阻，下面简要说明这种滚动 摩阻的形成原因及特性。 图 4. 11 设在水平面上有一滚子，半径为 r，重为 p，在其中心 o 加一水平力 f（如图 4.11 内蒙古科技大学毕业设计说明书 29 所示） 。当力 f 不大时，滚子仍将保持静止，由滚子的受力情况可知，滚子受到的力 有法向反力 fn，它与 p 等值反向，静滑动摩擦力，它与 f 等值反向（如图 4.12 示） 。 如果水平面对滚子的反力仅有 fn和 fs，则滚子不可能保持平衡。因为 fs不仅能阻止 滚子滚动，反而与力 f 组成一个力偶，使滚子发生滚动，但实际上当力 f 较小时，滚 子能够保持平衡，其原因是滚子和水平面并不是刚体，它们在力的作用下都会发生变 形，它们之间接触处并不是一个点，而是一段弧线，轮子在接触面上受力分布力作用， 当将这些力向 a 点简化时，可得到一个合力 fr（fr可分解为摩擦力 fs 和正压力 fn） 和一个力偶， 其力偶矩为 mf， 如图 4.12 所示， 这个矩为 mf的力偶称为滚动摩阻力偶， 它与力偶（f，fs）相平衡，方向与滚动的趋势方向相反。 与静滑动摩擦力相似，滚动摩阻力偶矩 mf也随着主动力的增大而增大当力 f 增 加到某个值时，滚子处于将滚未滚的临界平衡状态；这时，滚动摩阻力偶矩达到最大 值，称为最大滚动摩阻力偶矩，用 mmax表示。若力 f 再增大一点，轮子就会滚动。 由此可见，滚动摩阻力偶矩 mf的大小介于零与最大值之间，即， 0m mmax （46） 实验证明，最大滚动摩阻力偶矩 mmax与支承面的法向反力 fn的大小成正比，即 mmax=fn （47） 图 4. 12 滚动摩阻系数用实验测定，它与滚子和支承面的材料的硬度和温度有关，与滚子 内蒙古科技大学毕业设计说明书 30 的半径无关。表 41 是几种常见材料的滚动摩阻系数的值。 行走小车车轨支承力： p=g2+g车 g2=88.2kn g车=50179.8=49.2kn 故： p=88.2+49.2=137.4kn 据滚动摩阻定律： mmax=fn fn=88.2+49.2=137.4kn 查表 41 知：=0.5mm mmax=68.7nm 小车最大行程：l=（8100+2502）=8600mm 实际最大行程：l=8100mm 小车运行速度：=s/mm 6 . 1094 4 . 7 8100 = 根据缓冲计算摩擦力： = l 0 2 fdx 2 m e 车 =3007.6j f=kn 3 . 371 108100 6 . 3007 l e 3 = = 小车驱动功率：p=f=371.31094.6=406.4kw 表 41 滚动摩阻系数 材料名称 （mm） 材料名称 （mm） 铸铁与铸铁 钢质车轮与钢轨 木与钢 木与木 软木与软木 淬火钢珠与钢 0.5 0.5 0.30.4 0.50.8 1.5 0.01 软钢与钢 有滚珠轴承的料车与钢轨 无滚珠轴承的料车与钢轨 钢质车轮与木面 轮胎与路面 0.05 0.09 0.21 1.52.5 210 内蒙古科技大学毕业设计说明书 31 第五章第五章 液压缸及减速缓冲元件的选用液压缸及减速缓冲元件的选用 本次设计中液压马达和减速器均需设计，并按设计要求进行制造与装配，以保证 设备性能和控制精度，但液压马达和减速器的设计不是本次设计的重点，故只说明其 型号和功能参数。 5.1 液压液压马达马达选择选择 液压马达是把液压能转换为机械能的元件，输入压力和流量输出转矩和转速。液 压马达按结构可分为齿轮式、叶片式和柱塞式。 本次设计选用液压马达型号为 a2f200w2p2 注： a马达型号 2无连杆 f压力级 200工程排量 w 控制设计变量 2主体设计序号 p平键连接 2 装配形式 主要参数： 排量：200ml/r 最大工作压力：10mpa 最高转速：1700r/min 5.2 液压缸选择液压缸选择 5.2.1 夹钳启闭夹钳启闭用液压缸的选择用液压缸的选择 在 4.3.2 节中已经计算出液压缸最大负载工作压力：f旋=200.3kn。 查参考文献7表 251 和表 252，选择液压缸内径 d=80mm，活塞杆直径 d=56mm，满足要求。 因夹钳相对液压缸旋转角度为=6.46 o ，也就是说，夹钳启闭液压缸的行程为： l=2 360 6.46 d (51) 内蒙古科技大学毕业设计说明书 32 =23.14661 360 46 . 6 =74.45mm 查参考文献7表 253，从液压缸行程优先系列中选择其行程，取： l=85mm 故所选液压缸型号为 c25we80/5685 注： c差动缸 25最大工作压力 we尾部耳环式 80缸筒内径 56活塞杆直径 工作压力（取 10mpa） 主要参数： 面积比2 活塞面积50.26cm2 活塞杆面积24.63cm2 环型面积25.63 cm2 缓冲长度30 cm 介质为液压油，油口在上方，两端缓冲，国产密封件，外表果绿色，活塞杆材质 为 45 钢。 活塞杆强度校核计算： 因活塞杆在稳定工况下工作，只受轴向推力和拉力，可以近似用直杆承受负载的 简单强度计算公式计算： = 2 6 d 4 10p (52) 其中： 材料的许用应力单位 n/mm2，无缝钢管=100110 n/mm2； p活塞杆的作用力，单位：n； d活塞杆直径，单位：m； 内蒙古科技大学毕业设计说明书 33 =mm/n 3 . 81 )1056( 4 10 3 . 200 2 23 6 = ，强度合格。 5.2.2 升降驱升降驱动液压缸的选择动液压缸的选择 在 4.3.5 节中已经计算出升降驱动液压缸的最大负载压力： fmax=125.8kn 查参考文献7表 251 和表 252，选择液压缸内径 d=160mm，活塞杆直径 d=110mm，满足要求。 在 4.3.4 节中已经计算出升降驱动液压缸行程为 245mm。 查参考文献7表 253，从液压缸行程优先系列中选择其行程，取：l=250mm， 故所选液压缸型号：c25we160/110250 主要参数： 面积比2 活塞面积254.47cm2 活塞杆面积95.23cm2 环型面积106.03cm2 缓冲长度55cm 工作压力（取 10mpa） 因该活塞杆也在稳定工况下工作，只受轴向推力和拉力，故也可以近似用直杆承 受负载的简单强度计算公式计算： =mm/n 2 . 13 )10110( 4 1010 8 . 125 2 23 63 = (53) 强度合格。 5.2.3 吊挂摆动液压缸的选择吊挂摆动液压缸的选择 同理：选择吊挂摆动装置中所用液压缸，并作其强度校核，强度合格。 型号：c25we63/6360 主要参数： 面积比1 活塞面积31.17cm2 活塞杆面积15.90cm2 内蒙古科技大学毕业设计说明书 34 环型面积15.27cm2 缓冲长度20cm 负载压力：f1=194.6kn f2=110.8kn 工作压力： （取 10mpa） 5.3 减速器选择减速器选择 减速器是指原动机与工作机之间独立闭式传动装置，用于降低转速并相应地增大 转矩，在某些场合，也用作增速装置，称为增速器。 减速器按用途分为通用减速器和专用减速器两大类，依据齿轮轴线相对于机体的 位置固定与否，又可分为定轴齿轮减速器和行星齿轮减速器。定轴齿轮减速器有圆柱 齿轮减速器、圆锥齿轮加速器、圆锥圆柱齿轮减速器和蜗轮齿轮减速器等。行星齿轮 减速器包括渐开线行星齿轮减速器、渐开线差动齿轮减速器、摆线齿轮行星减速器、 谐波齿轮减速器以及联体式减速器等。减速器按传动级数，可分为单级和多级；按其 轴在空间的相互位置可分为卧式和立式等。 （注：本次设计根据设计需要选用专用减速器） 由计算知： 减速器输出轴所需转速： n=226.7r/min 减速器输出轴所需转矩： m=1048nm 传动比： n n i = (54) 则： i= 1700 226.7 =7.5 故选择单级圆柱齿轮减速器：jh13275 主要参数： 许用输出力矩：3150nm 输出齿轮：m=12,z=18,b=70mm 内蒙古科技大学毕业设计说明书 35 5.4 缓冲装置简介及其选用缓冲装置简介及其选用 机器在很大冲击载荷的作用下，将受到损坏甚至可能造成人身事故，减少机器产 生过大的冲击载荷的装置称为缓冲装置。 缓冲器所依据的工作原理是：当物体受到具有一定动能的另一物体冲击时，将对 受力物体做功，则物体的动能 e 应等于受力物体所做的功，由此可得出下面的计算式 e= = m x 0 2 fdx g2 w (55) 式中： w物体的重量，n； g物体的重力加速器，g=9800mm/s2； v物体的最大位移 mm/s； f物体的受力，n。 由上式可知，当受力物体的位移量最大时，则物体所受的力较小，根据这一原理 设计的缓冲器将大大减少机器的冲击载荷；同时，由于缓冲器利用弹性元件，流体和 气体等消耗的阻力功使具有蓄能和阻止能量传递的作用，从而达到缓冲的目的。 缓冲器的种类很多