35吨混合式焊接滚轮架的设计

35 吨混合式焊接 滚轮架的设计 1 焊接滚轮架分析 程设计题目分析 焊接滚轮架是借助主动滚轮与焊件之间的摩接力带动焊接旋转的变位机械。焊接滚轮架主要用于筒形焊件的装配与焊接。焊接滚轮架按结构形式分为两类：第一类是长轴式滚轮架，第二类是组合式滚轮架。本次设计的就是组合式滚轮架，它的主动滚轮架，从动滚轮架，混合式滚轮架都是独 立的，使用时可根据焊件的重量和长度进行任意组合，其组合比例也不 是 1与 1的组合。因此，使用方便灵活，对焊件的适应性很强。本次课程设计即是组合式滚轮架，草图如下 图 1合滚轮架草图 定参数 吨位： 35T G=35 103 105N 焊接滚轮的圆周速度： V=660m/h 范围内无级可调。 中心角： 11045 主要计算结果及参数 2 方案的选择与确定 轮驱动方案的拟定 为使焊接滚轮架的滚轮间距调节方便可靠，组合便利，采用主动轮单独驱动的设计方案，即每个主动轮单独利用一台电动机和减速机构驱动。不过要注 意解决好各主动轮的同步问题，在选用电动机和减速机结构上要尽量选用特性一致且经过实测的使用。 动方案的确定 整 个传动过程实质上是一个减速过程 ， 且总的传动比比较大 ，可以采用 三 级减速： 一级皮带轮减速； 一级摆线针轮减速器减速 ；一级蜗轮蜗杆减速 。 传动方案简图如下图所示 图 2动方案简图 轮的直径的确定 由表 1可知本次设计的 34r=500件筒体直径 00000 当中心角的 130时支反力和圆周力急剧增大，相反，当 角太小时，滚轮架上的筒体焊件放置有可能不稳定。因此在实际应用中为使焊件在滚轮架上获得可靠的稳定性，并保证焊件可以平稳的转动 应小于 40 度我国制定的焊接滚轮架行业标准（ 33003规定中心角 应在 45度到 110度之间。 滚轮直径 500件筒体直径 5004000 滚轮的转 速： n=1000V/（ *（ 660） /（ 500） /60 =（ r/ 式中 V m/s 表 2焊接滚轮架技术参数 当工件直径为 500， 带入数据得 两滚轮间距为 工件直径为 4000， 带入数据得 两滚轮间距 因此两滚轮间距的调节范围选定为： 810730间 心系数的确定 中心角的使用下限，主要受焊件静载稳定性的制约，当 给定后 ，偏心距只有满足 滚轮的转速 n ：（ r/件才不致于从滚轮架上掉下而破坏其稳定性，则： =/2， 式中 D = 计算与校核 接滚轮架的设计计算 动圆周力和摩擦力的计算 图 31 焊件 2 主动滚轮 3 从动滚轮 图 3所示为焊件滚轮架及焊件的受力简图，图中 2为一列主动滚轮， 3为一列从动滚轮。当重量为 G、其偏心距 e=0的筒体焊件 1静置在主、从动滚轮座上时，则主、从动滚轮上的支反力相等，即 22)(22c o 式中 中心角； D 焊件直径； 滚轮直径； L 主、从动滚轮之间的横向距离； 当 即 110 时， 105/2/=105N =105N 当 即 45 时， 105/2/=105N 45 ( ) s i n 2 2 . 5 ( 5 0 0 4 0 0 0 ) 5 0 0 s i n 2 2 . 5 ( 3 8 2 . 6 8 1 7 2 2 . 0 7 5 )L D D 当焊件的偏向距不为零时，在主动滚轮圆周力 作用下，逆时针转动，则焊件是受力情况如图 2 所示。图中 焊件借助摩擦力带动从动滚轮转动时，滚轮作用到焊件上的反力。此时 2s i o i i nc o o ) 2s o o ) 1c o ss s (3) 1c o (4) 与主动滚轮轴搭配的轴承圆锥滚子轴承，故 f=轮采用组合轮（钢轮与橡胶轮相结合），故 =橡胶面和钢轮面各占一半， 故 取 = 初定滚轮轴径 0 ，取 b=102 1当45时 ： 105N f=u=定滚轮轴径 010 ( ) s i n 5 5 ( 5 0 0 4 0 0 0 ) 5 0 0 s i n 5 5 ( 8 1 9 . 1 5 3 6 8 6 . 1 8 )L D D 500 1 0 2 . 0 42 0 . 0 2 * 8 0 2 * 1 . 6 5f d r u s i n 21 ( )s i n c o s 1 )FG b =05300450 . 0 2 s i 4 3 * 1 0 * ( 0 . 0 2 ) 8 . 7 8 3 * 1 01 0 2 s i n 4 5 c o s 4 5 1N 100550 00s i nc o s 212 c o s s i n c o s s i 2 20 . 0 2 c o s 4 5 0 . 0 2 s i n 2 2 . 51 . 8 5 6 * 1 0 * (1 ) 1 . 7 9 6 * 1 045 1 0 2 c o s 2 2 . 5 s i n 2 2 . 5s i 20550 00s i c o s s i n c o s s i 2 20 . 0 2 0 . 0 2 s i n 2 2 . 51 . 8 5 6 * 1 0 * (1 ) 1 . 9 6 1 * 1 045 1 0 2 c o s 2 2 . 5 s i n 2 2 . 5s i 2 当110时 ： 45时， 783 103 103N 105N 105N 110时， 105 105N 05300s i i n c o s 1 )450 . 0 2 s i 4 3 * 1 0 * 1 . 9 2 3 * 1 01 0 2 s i n 4 5 c o s 4 5 105500s i )s i n c o s 1 )1100 . 0 2 s i 4 3 * 1 0 * ( 0 . 0 2 ) 0 . 0 9 9 * 1 01 0 2 s i n 1 1 0 c o s 1 1 0 1 05500s i i n c o s 1 )1100 . 0 2 s i 4 3 * 1 0 * 0 . 0 3 1 * 1 01 0 2 s i n 1 1 0 c o s 1 1 0 1 通过比较上述两组计算结果，可发现第 2 组的计 算结果较大，故后续计算应采用第 2 组的计算结果进行计算。 轮轴上的载荷的计算 由于同一列上的滚轮数量为 2，即 2以载荷作用不均匀系数 1 作用在一个主动滚轮上的载荷 作用在一个从动滚轮上的载荷 轮轴径大小的计算 设主动滚轮轴上两轴承中点间的距离 L=327在 1P 的作用下，主动滚轮轴的弯曲力矩 1*L/4=05 327/4=05N 于是独立驱动的主动滚轮，所以每一轮轴所承受的扭矩 105N 105N 21 105N n= 105N 00550 00s i nc o s 212 c o s s i n c o s s i 2 20 . 0 2 c o s 1 1 0 0 . 0 2 s i n 5 52 . 9 9 * 1 0 * (1 ) 3 . 0 5 9 * 1 0110 1 0 2 c o s 5 5 s i n 5 5s i 200 00s i c o s s i n c o s s i 2 20 . 0 2 0 . 0 2 s i n 5 52 . 9 9 * 1 0 * (1 ) 3 . 1 0 7 * 1 0110 1 0 2 c o s 5 5 s i n 5 5s i 22 2211 553 . 0 5 9 0 . 0 9 91 * 1 * 1 0 1 . 5 3 * 1 02 22 2222 553 . 1 0 7 0 . 0 3 12 * 1 * 1 0 1 . 5 5 4 * 1 02 221 1 15 2 2 5 5 ( ) 225 0 0 8 0 1 0 . 0 9 9 * 1 0 * ( 0 . 0 2 * 1 . 6 5 ) * 3 . 0 5 9 0 . 0 9 9 * 1 0 * 1 6 . 1 2 4 * 1 0 *2 2 2 f u F m m 221 1 15 2 2 5 5 ( ) 225 0 0 8 0 1 0 . 0 9 9 * 1 0 * ( 0 . 0 2 * 1 . 6 5 ) * 3 . 0 5 9 0 . 0 9 9 * 1 0 * 1 6 . 1 2 4 * 1 0 *2 2 2 f u F m m 所以主动滚轮所受的当量弯矩 2 2 2 2 5 51 2 5 . 0 7 8 1 6 . 1 2 4 * 1 0 1 2 6 . 1 1 3 * 1 0 *x d w M N m m 该主动滚轮轴采用 45钢制造， 查机械设计 b=590， 则 = b/90/2=295则 主动滚轮轴的计算直径 3 10 7 5 . 3 3m m因为 80rd d m m，所以试设计成功 。 为了维修的方便，及简化设计工作，从动滚轮的轴径也取同一数值，即 d、 =80 着力验算 为了保证焊件在主动滚轮 上不打滑，焊件在滚轮上的有效摩擦因数 f 应满足 11 在滚轮上的有效摩擦因数； 焊件在滚轮上的许用摩擦因数，采用钢轮时， .0取 因为 f=05/05=实际的附着力满足设计要求 接滚轮架的电动机驱动功率的确定及型号选择 接滚轮架的电动机驱动功率的确定 焊接滚轮架的电动机驱动功率 N=Mn*n/9550/=550/中 N 每个主动滚轮电动机的驱动功率（ 主动滚轮轴的传递扭矩（ N m）； n 主动滚轮的转速，即许用最高转速（ r/ 105N 动滚轮轴的计算直径 d= 传动机构的总效率，因为机构中有一级蜗轮蜗杆传动，故 = 动机型号的确定 上面计算的电动机功率为 根据目前厂家生产的 35电动机功率应进行放大。这是因为滚轮或工件不能做到绝对的平滑，尤其是许多筒状工件都有横向焊缝，当横向焊缝通过滚轮是会产生很大的附加力矩。 由于滚轮的转速很低，且减速机构只有三 级，所以不宜选用转速过大的电 动机， 考虑上诉因素功率应留足够余量才能使滚轮架稳定工作。另外 1990 年颁布了焊接滚轮架的行业标准（ 33003规定了不同吨位的焊接滚轮架的电动机最小功率： 表 3 电动机功率 表 3同吨位焊接滚轮架电动机最小功率 根据上诉情况电动机功率应放大 数倍，电动机 决定选用 功率： P= 转数： N=955 转 ， 型号： 流电动机作为该焊件滚轮架的驱动力源。 动比的分配及外购减速器型号的选择 总的传动 比 0 955 1 4 9 9 . 20 . 6 3 7ni n 整个传动过程，分三 级进行减速，传动比的分配如下： 第一级采用皮带 轮减速机进行减速，传动比为1 2i ，第二 级采用摆线针轮减速机进行减速，传动比为 5,所选的减速器型号 如下： 表 3 线针轮减速 器 的主要参数 输入转速 r/出功率 心高 入轴轴径 出轴轴径 55 25 22 30 第三 级采用蜗轮蜗杆减速，传动比为3 33i 。 电动机型号 : 定功率 P=定转速 55r/线针轮减速器型号： 3 因为1 2 3* * 2 * 2 3 * 3 3 1 5 1 8 1 4 9 9 . 2i i i 与相差不是很大，故 可以满足设计使用的要求。 轮架滚轮的设计 滚轮架的滚轮结构主 要有四种类型，其特点和使用范围见表 3 3轮结构的特点和适用范围 由于滚轮架的额定载荷是 35t，所以选用组合 轮结构。 图 3组合轮结构示意图 如图 3 4所示。滚轮直径为 500 240轮中间采用橡胶来增大摩擦力，作为驱动，宽 120边采用钢轮，作为承重，宽 60 动滚轮轴的设计与计算 主动滚 轮轴与轴承配合处的尺寸在前面已经计算： d=80里就不在重复计算，主动滚轮轴与蜗轮和圆螺母配合处的最小轴径计算 ： （该主动滚轮轴采用 45钢制造， b=590其许用 安全系数取 ，2 ， 则 = b/90/2=295 ；这就是说只要主动滚轮轴的最小轴径大于 可满足使用要求，该轴的其它尺寸根据经验设计，主动滚轮轴的尺寸 如下图所示： 图 3动滚轮轴的尺寸示意图 由于该轴在设计时是按强度进行设计的，这里可不必重新校核轴的强度了。由于轴承是标准件，在设计轴的同时，需根据与轴承配合的轴径（ d=80对应的轴承型号，选用圆锥滚子轴承，型号为：滚动轴承 30316297 1994。 杆轴的设计与计算 蜗杆与十字滑块联轴器配合处的轴径最小，为便于联轴器的安装，取蜗杆的最小轴径与摆线针轮减速器的输出轴径相等，即实际的最小轴径 0设计尺寸如下图所示： 图 3杆周的尺寸示意图 68m i n 10 3 7 . 9 5m m蜗杆轴的强度校核计算 ： 蜗杆材料为 45 钢，调质处理， 查机械设计 590M 安全系数取 2 ，则 = b/90/2=295杆最小轴径可根据蜗杆所受的扭矩进行校核计算，蜗轮的工作扭矩为 52 1 6 . 1 2 4 * 1 0 N m m ，蜗杆为单头，故 ，设蜗杆的工作扭矩为 1T ,则 5 5211 6 . 1 2 4 * 1 0 0 . 6 9 8 1 03 3 0 . 7 m 533m i 1 1 0 0 . 6 9 8 1 0 1 3 . 3 6 3 0 2 9 5Td m m m m 故，满足设计使用要求。 由于轴承为标准件，在设计轴径的同时，需根据轴径选择所需轴承的型号。这里由于所受轴向力向里，考虑到设计的经济性，这里决定选用圆锥滚子轴承；根据蜗杆轴与轴承配合处的轴径为d=45可确定出所需轴承的型号为：滚动轴承 30209 297 1994。 轮蜗杆传动的设计与计算 杆功率与材料的选择 蜗杆的输入功率 带轮 带轮 V 带传动的效率， 轮； 1 摆线针轮减速机的传动效率， ； 2 联轴器的传动效率， ； 蜗杆的转速 121955 2 0 . 7 6 / m i 3 蜗杆采用 45 钢，表面高频淬火，硬度为 4555轮齿圈材料采用 属模铸造，内圈采用 45 钢制成。 30mm 主要参数的计算 根据传动比3 33i ，查机械设计表 121 1Z，2 3 1 3 3 1 3 3Z i Z 采用蜗轮的工作转矩 查机械设计表 12基本许用接触应力 20 ，设计使用期限为 10 年（4000h），则应力循环 次数 53 9556 0 6 0 2 4 0 0 0 9 . 0 6 1 02 2 3 3 3hN n t 次寿命系数 7788 1 0Z = = = 1 . 3 5 1 , . 0 6 1 0 取 故许用应力 M P 202201 由于是钢蜗杆与铜蜗轮配对使用，故 160 确定中心距 a 2 6 . 3( ) ( 6 . 3 1 0 ) 1 3 622ma q Z m m 表 3轮及蜗杆的 主要 尺寸参数表 名称 符号 计算公式及结果 心距 a a=136 蜗杆轴向模数 m m=杆头数 1=1 蜗轮齿数 2=i 3 传动比 i i=33 蜗杆直径系数 q 10 齿顶高系数 1 蜗杆轴向齿距 x = m=杆导程 z = 杆轴截面齿廓压力角 =20间隙 C C=（ m，取 C=杆齿顶高 m= 1Z3 a= 1362 1 6 . 1 2 4 1 0 N m m 蜗杆齿根高 1*1 7 . 8h m c 蜗杆齿高 1h 1h = 1 1杆分度圆直径 1d 1 64d 蜗杆齿顶圆直径 1*11 2 7 6 . 6 , 7 7d h m d= 蜗杆齿根圆直径 1*11 2 2 4 8 . 3 , 5 0d h m c d= 蜗轮分度圆直径 2d 2d = 2Z *m= 08 传动设计与计算 电动机与摆线针轮减速器之间同 传动比 i=2。根据电动机额定功率 P=定转速 55r/计该 V 带传动。 V 带传动的设计计算过程如下 表 所示： 计算项目 设计计算依据 结果（长度单 位为 工况系数 查机械设计表 13算功率 c= V 带型号 查机械设计图 13 13用 Z 型 小轮直径 1d 查机械设计表 13推荐标准值 71 验算带速 60000/11 ，一般 525m/s 7m/s 大轮直径 2d 2112 / ，一般应取标准值 142 初定中心距0 7 ( 1 2 ) 2 ( 1 2 )d d a d d 290 初算带长()(2/)(20212210 c 918 确定带 长 机械设计表 13 13000 定中心距 a 2/)(0 330 15 a+60 验算包角 1 211 ()1 8 0 5 7 . 3 1 2 0 确定 V 带根数 z 0/ 4 确定初拉力 0 5 0 0 ( 2 . 5 ) / ( ) K K z v q v 轴的压力 02 s i n 2QF z F 带传动的张紧 定期张紧或采用自动张紧装置 表 3V 带设计主要参数 4 滚轮架零部件结构的设计与选择 承端盖的设计 如下图所示，根据轴承座孔（外圈）直径 170机械设计课程设计表 4 6 查得轴承端盖螺钉直径为 2钉数目为 4 个。如图 2 4 所示，由机械设计课程设计 可知， -(1015 得 580=D+ 00 e=（ 1 e=12 0+ 50 轴承端盖、轴承透盖都是按照此尺寸设计。 图 4 1 轴承端盖 及联轴器的选择 动滚轮轴上键的选择及型号确定 键的链接采用 普通平键联接 ， 这种键应用最广，普通平键 按照 键的端部形状分为：圆头、方头、和单圆头三种。 为了减小轴在加工过程中所引起的应力集中，这里决定选用 A 型键。根据与键配合的轴径 d=85轴长 L=236机械设计课程设计 滚轮配合处的键的型号为： 键2 2 2 2 0 / 1 0 9 6 2 0 0 3G B T；与蜗轮配合处的轴径 d=75长L=75机械设计课程设 计 可确定该处所用的键型号为：键 2 0 5 0 / 1 0 9 6 2 0 0 3G B T。 轮轴上键的选择及型号确定 蜗杆轴与十字滑块联轴器配合处需用一个键，为了减小轴在加工过程中所引起的应力集中，这里也选用 A 型键。根据与键配合的轴径 d=30轴长 L=60机械设计课程设计 可得该处所用的键的型号为：键 8 5 0 / 1 0 9 6 2 0 0 3G B T。 轴器的选择 蜗杆与摆线针轮减速器之间是通过联轴器来传动扭矩的， 可移式刚性联 轴 器可以通过两半联轴器间的相对运动来补偿被联接两轴的相对位移。 该焊接滚轮架传动特点要求所选用的联轴器具有较好的刚性，由表 4考虑到经济性，这里设计选用价格相对便宜而又具有较好刚性的十字滑块联轴器，联轴器的尺寸大小可根据摆线针轮减速器输出轴的轴径大小查机械设计课程设计进行确定。 名称 公称扭矩范围 轴径范围 最大转速范围 特点 应用条件 凸缘连轴器 1020000 10180 140013000 结构简单，成本低可传动较大扭距，但不等消除冲击。对所连两轴间的偏移缺乏补偿能力 经常用于荷载平稳有轻度冲击的条件下，链接低速和刚性不大的两轴。 性爪型联轴器 25600 1565 380010000 外形尺寸小，飞轮力矩小 用于小功率，高转速，没用急剧冲击载荷的情况下 十字滑块联轴器 12020000 15150 100250 结构紧凑，尺寸小，寿命长。但制造比较复杂 无较大冲 击，转速不高的，存在两轴径向相对位移时采用 架的设计 机架零件支撑着机器中的全部零件，保证组成机器的各零件处于正确的工作位置，承受各零件的作用力，并传递到基础上。 每台机器都有各自的特殊功能，因而，为满足这些特殊要求，机架零件具有各自的结构形状。常见的机架结构形状可以分为以下几类机座类，如各种机床的机身；底座类，如由电动机、减速器和卷筒组成的电动绞车的底座；箱体类，如速器的机体。 由于机架零件形状复杂，一般多采用铸件。铸铁因具有铸造性能好、价廉、吸收振 动 能力强及刚度高等特点， 在机架零件中应用最广。受载情况严重的机架零件，可用铸钢。 对于结构简单、生产批量不大的大中型机架，常用由型钢和钢板焊接成的焊接件。它质量小，生产工期短，不同部件可用不同牌号的钢材。焊接的机架零件质量比铸造的可减轻 40左右。为提高强度和刚度在接头处常焊以加强板和加强筋。为减少机械加工，应在机架上安装各部件的支承面处焊有钢板，以便区分加工面。焊后应热处理消除内应力。 由于结构简单，生产批量不大，所以 35 吨焊接滚轮架的机架部分采用工字钢和钢板焊接而成。 面粗糙度 在规定表面粗 糙 度参数的允许值时，应考虑如下原则： 1)在满足零件功能和外观要求的前提下，尽量取大的粗糙度参数值。 2)同一零件上，工作表面的粗糙度值应小于非工作表面。 3)摩擦表面的粗糙度值应小于非摩擦表面 ； 滚动摩擦表面的粗糙 度值应小于滑动摩擦表面；运动速度高、单位压力大的摩擦表面的粗糙度值应小于运动速度低、单位压力小的摩擦表面。 4)对承受变动载荷的零件表面，以及最容易产生应力集中的部位，例如零件的团角、沟槽处，粗糙度值应较小。 5)配合性质要求高的结合面、密封面以及要求联接可