薄壁螺旋钢管成型机构设计

目 录1 前言11.1 课题来源及研究的目的和意义11.2 国内外发展概况21.3 设计任务22 方案的论证与选择32.1 带钢输入输出的基本原理32. 2 成形角调节机构选择32.3 成型器成型方式选择42.4 对外控式成型器的探讨53 薄壁螺旋钢管成型机构的详细设计63.1 带钢输入部分设计63.1.1 拆卷机设计63.1.2 收纸部分的设计143.1.3 递送部分的设计183.1.4 成型角调节部分的设计273.2 成型器部分设计293.2.1 基本原理的设计293.2.2 成型器结构设计324 控制部分的设计414.1 控制基本原理的设计414.1.1 管速的测量原理414.1.2 成型角和辊子位置调节的控制原理415 结束语43总 结44参考文献45谢 辞46薄壁螺旋钢管成型机构设计1. 前言1.1课题来源及研究目的和意义本课题的设计题目是薄壁螺旋钢管成型机设计，课题是老师自拟。螺旋钢管安全可靠、卫生环保、经济实用，管道的薄壁化以及新型可靠、简单方便的连接方法的开发成功，使其具有更多其他棺材不可替代的优点，工程中的应用也越来越多。通过对薄壁螺旋钢管成型机的设计，解决一些问题。从焊接工艺来讲,直缝焊管不可避免的会有很多的丁字焊缝，丁字焊缝处的焊接残余应力较大，增加了产生裂纹的可能性。而薄壁螺旋钢管成型机的设计，恰好解决了这个缺陷问题。从强度角度讲，直缝钢管在焊接后，其内应力沿焊缝分布，而螺旋钢管焊后的内应力沿轴向和径向均匀分布，可以更好地部分抵消所承受的压力。但是在本次的设计中，没有设计在完成螺旋钢管成型之后的后续切断结构。在这次毕业设计中，成型角的调节方式我选择齿轮齿条传动并采用前摆式的方式调节成型角。在成型器的成型方式选择时，我选择上卷成型；带钢由成型器下切线方向进入并向上旋转成型称为上卷成型，或称上旋；上旋设备简单、调整方便、内焊操作方便、产品规格范围广。并且加工螺旋钢管时选择外抱式成型。其稳定生产的原理是利用三辊弯板时钢带不充分的塑性变形以获得等于或者稍大于规定直径的管坯直径，再经过外抱辊对管坯的包拢作用而达到规定直径。通过对这些机构的选择，使得薄壁螺旋钢管成型机构的设计达到更优质，从而在作业时加工出更优质的薄壁螺旋钢管。1.1国内外研究现状据不完全统计，我国现有无缝管生产企业约240多家，无缝钢管机组约250多套，年产能力约450多万吨。从口径看，76的，占35%，6000N时可保证钢板的正常送进，则胶辊上的转矩应为 粗略设整个传动过程效率为，则需减速器输出转矩为所以电机和减速器的选择均能满足工作需要。 （2）根据机械设计11一书中滚子链传动来设计：传动系统由电机驱动，传动平稳，电机的调速范围为1250125 r/min,经减速器减速后，其速度为0.292.9r/min,取其中间值2r/min来确定设计参数。传动比选择：小齿轮的齿数根据表5-18推荐取18,大齿轮取18，则传动比i=1，双排链。修正功率： 其中：为工况系数，查表5-19，取=1.0为齿数系数，查表5-26，取=1.2由此，查图5-23（A）取链号为20A查表5-13，得20A型号的链子的参数如下：节距 P=31.75mm mm 滚子直径 mm 内链板高度 mm 内链板宽度 mm 抗拉载荷 KN确定中心距a及链节数初选 a=26p，则链节数为： 理论中心距 ： 取 实际中心距 确定润滑方式： 链速 查图5-24，确定采用滴油润滑。链轮的设计：查表5-17，链轮的材料为40Cr，经淬火、回火处理后，硬度达到4050HRC分度圆直径：齿顶圆直径： 取齿根圆直径：齿侧凸缘：取=147mm轴孔直径根据所选减速速器的型号取小链轮的直径齿槽的形状参数：（查表5-15）按最小齿槽形状计算：齿侧圆弧半径滚子定位圆弧半径滚子的定位角 链轮的轴向齿廓尺寸：（查表5-16）齿宽 ： 齿侧倒角： 齿侧半径：轮毂齿厚：取齿厚：轮毂长度：取轮毂长度：其详细尺寸的设计如表3：表 3 递送机构链轮参数-分度圆直径/mm齿顶圆直径/mm齿根圆直径/mm齿侧凸缘/mm/mm/mm链轮182.84200163.7914745.729.62-/齿宽/mm齿侧倒角/齿侧半径/mm轮毂厚度/mm轮毂长度/mm链轮13517.964.1331.752170（3）齿轮传动的设计：根据机械设计11第6章中直齿轮的设计方法进行设计： 由于两个胶辊的传递功率较大，且要求结构紧奏，使用寿命长，查表6-2，选两个齿轮的材料为40MnB，表面淬火处理，齿面硬度4855HRC，选择7级精度，闭齿硬齿面。传动比 按齿根弯曲疲劳强度计算：因为闭式硬齿面的齿轮传动，承载能力一般取决于弯曲强度，故先按弯曲强度设计，验算接触强度，由式（6-15）有 确定式中的各项数值载荷状态是均匀平稳的，查表6-3，取，初选载荷系数减速器的输入功率P=1.5KW,单级传动效率为95%，链传动效率为93%，则输出功率 转矩 由式（6-7） 由式（6-13） 由表6-6 选取 由图6-19，图6-20查得 由式（6-12）有由图6-21，查得 取由图6-22d ,按硬齿面硬度均值51HRC，在ML线上查得设计齿轮的模数：代入式6-15得修正：由图6-7查得 由图6-10查得 由图6-4查得 则 由表6-1，选取第一系列的标准模数齿轮的主要尺寸设计如下：分度圆直径 圆心距齿宽校核齿面接触疲劳强度： 由表6-5查得由表6-14查得由表6-15，按不允许出现点蚀，查得由图6-16e，按齿面硬度均值51HRC，在MQ和ML线的中间查出则将确定的各值代入接触强度的校核公式所以接触疲劳强度满足要求。具体尺寸的详细设计：齿顶圆直径：孔径取 轮毂直径腹板孔的圆心所在圆的直径腹板孔径精度的设计： 齿轮材料为40MnB,线膨胀系数；支架为铸铁，线膨胀系数为；齿轮的工作温度为；支架温度按室温。按选择的7级精度可知： 齿厚偏差计算：分度圆弦高公称值分度圆弦齿高公称值计算齿厚仿差：由式（6-35），由表6-9查得由式（6-34）查齿轮公差表，齿轮基节的极限偏差 由式（6-37）中心距极限偏差由式（6-33）齿厚上偏差 齿圈径向偏差 齿厚下偏差（4）轴承的选择：导向辊的载荷比较小，两侧的支撑轴承选择滚动轴承6002，其基本参数如下：额定载荷 动载荷 油润滑极限转速 n=2700r/min 内径 d=15mm 外径 D=32mm 宽 B=8mm查表7-25-21，选择凸缘式轴承盖，其基本尺寸如下：螺钉直径 mm 大径 mm 厚度 m=10mm递送辊的两个轴承只承受径向载荷，选择滚动轴承6013，其基本参数如下：额定载荷 动载荷 油润滑极限转速 n=7500r/min 内径 d=65mm 外径 D=100mm 宽 B=18mm防止钢带左右窜动的四个轴承选择滚动轴承6006，其基本参数如下：额定载荷 动载荷 油润滑极限转速 n=5500r/min 内径 d=65mm 外径 D=30mm 宽 B=55mm3.1.4 成型角调节部分的设计3.1.4.1 基本结构设计成型角度的调节是由电机通过一大减速比的减速器带动齿轮转动，而弧形齿条安装在主机架上，主机架下面安装了轮子，齿轮和弧形齿条啮合，可以使主机架绕着铰链转动，实现成型角的调节。如图10和图11所示。 图10 成型角调节机构俯视图 图11 成型器调节机构主视图3.1.4.2 基本参数计算(1)电机减速器的选择:在调节的过程中需要较大的功率，同时由于角度的调节的误差直接影响到了管径的误差，所以选取具有较大的减速比和功率的减速器，查手册确定选择型号为XWEDH2.2-106-1003的摆线式卧式电机直联型二级减速器，其详细的参数：输入功率2.2Kw 机器型号为X106 减速比为1003。电机选择YCT系列电磁调速型电机，型号为YCT160-4A，电机功率为2.2Kw，额定转矩为14.1Nm，调速范围为1250125 r/min,转速变化率为2.5%，电源为三相交流电，50Hz，380V，电机重100kg。(2)齿轮齿条传动设计齿轮齿条的材料选择40MnB，表面淬火，硬度4855RHC，选选择6级精度。传动比i=；（齿条按全齿轮来设计）按齿根的弯曲疲劳强度计算，详细的数据如表4：表4 成型角调节机构齿轮齿条参数分度圆直径齿顶圆直径齿根圆直径齿宽B/mm分度圆弦齿高公称值/分度圆弦齿厚公称值齿轮280308262.510514352198齿条536053885370.590齿轮中心距极限偏差单个齿距偏差齿距累积总偏差齿厚上偏差齿厚下偏差齿轮60124-250齿条80169-3123.2 成型器部分设计3.2.1 基本原理的设计根据设计参数该成型器输入钢板的板宽度为1000 mm,成型角为3560，如图12所示当a=35时，当a=60时，考虑到实际的生产，当成型角的变化范围为3560，管径的变化为390640mm，当管径为D=390mm时， ，辊长 D=640mm时， ，辊长 一般情况下，各排辊子的长度应在理论长度的基础上再加长200mm左右，以使其伸出咬合点，但也不宜过长，过长会影响微调，所以各排辊子的长度先假定为1930mm。成型器的基本结构是2号辊子固定，其它辊子根据管径的不同而做出相应的调整，如图12所示，假设图中辊子的直径均为a mm。 图 12辊子长度计算示意图成型器中各排成型辊子及支承辊子在轴向的具体位置如图13，由图可得如下结论： 当管径由dD（dD）时，5号辊子在竖直方向移动距离为。 当管径由dD（dD）时，4号和6号辊子在水平和竖直方向上移动距离相等，均为。 当管径由dD（dD）时，1号和3号辊子由下向上移动，移动距离为，而2号辊子位置保持不变。图13 成型器调节的基本原理图如图14所示为成型角为35时各排辊子的位置。如图15所示为60时各排辊子的位置。综合两种情况的极限位置，取成型角为35时的位置为极限位置。图14 成型角为35时图 15 成型角为60时3.2.2 成型器结构设计3.2.2.1 辊子的结构设计 如图16所示为一个辊子结构图，的辊子基本尺寸为：直径80mm，长100mm，辊子轴长130mm，轴端直径20mm，辊子与辊子轴实为一体，为了节省材料，减小自重，辊子设计为中空式，增加了支承辐子，使保证辊子有足够的刚度。支承轴承座设计为剖分式，这样便于辊子与轴承的安装和拆卸，两端采用深沟球轴承固定支承，外圈用轴承座固定，轴承内圈用辊子轴上的轴肩固定，外圈与轴承座在轴向有一小间隙约为，便于轴承的安装。轴承选择滚动轴承6004，其基本参数如下：额定载荷 动载荷 油润滑极限转速 n=2700r/min 内径 d=20mm 外径 D=42mm 宽 B=10mm图16 辊子结构图3.2.2.2 1号、3号辊子运动系统的设计如图17所示1号、3号辊子排的调节运动是一致的，它们在竖直方向上的移动通过丝杠螺母实现，螺母连接到一个轴套上，轴套与顶板上的滑筒为间隙配合，轴套与辊子支架连接，可以增加系统刚度。轴套可随着螺母在顶板的滑筒内上下滑动。如图18丝杠另一端的光轴上安装了推力球轴承和深沟球轴承。深沟球轴承的作用为径向定位并承受径向作用力，推力球轴承作用为轴向定位并承受轴向作用力 。图17号和号辊子调节机构主视图图18号和号辊子调节机构左视图步进电机安装在顶板上，通过联轴器、滑动轴承、直齿锥齿轮、轴将运动传到丝杠轴上，实现将电机转动转化为辊子在竖直方向的移动。因为这两排辊子比较长，每排辊子对称的安装了组丝杠调节机构，可以增加整体系统的刚度和调节稳定性。(1) 电机的选择由于步进电机的步距角不会因为温度、电流、电压等因素而波动，可以做到快速启动，反转和制动，可以开环控制，综合其优点，决定选择步进电机，丝杆所需转矩：考虑到锥齿轮的传递效率为0.8，滑动和滚动轴承的损失为0.2，则电机所需转矩至少应为：，管径偏差要求在0.5%以内，则1、3号辊子在竖直方向上的最小偏差为：传动环节的传动误差约为0.02mm，传动比为1，则步距角不能超过。综合考虑步距角等因素，选择电机110BYG007，相关的技术参数如下：相数5，额定电压为130V，静态电流为5A，步距角0.72，保持转矩6.8Nm,功率0.75KW，外形尺寸。（2）锥齿轮传动的设计：采用开式传动，参考表6-2，选取用45钢，齿面硬度220230HBC。因为传动精度会影响到管径的尺寸精度，故选择6级精度，传动比,齿宽系数，因为是悬臂布置，取 按齿根弯曲疲劳强度计算（具体步骤同递送机构的齿轮传动设计）最后得出锥齿轮的具体参数如表5表5 锥齿轮参数分度圆直径齿顶圆直径齿根圆直径齿宽B/mm锥距R/mm轮毂直径/mm锥齿轮9596.89793.3031867.17548 (3)联轴器的选择： 查课程设计手册表8-2，根据电机的转矩2.55Nm，选择YLD3型的联轴器，其详细的参数如下：公称转矩T=25Nm , 许用转速r=10000r/min，轴孔直径d=29mm (H7),质量1.99Kg ，转动惯量。（4）丝杆螺母传动的设计：根据机械设计手册10采用梯形螺纹，大径的小径处有相等的径向间隙，不易松动。螺距p=6mm，公称直径d=32mm。查表15.2-8得丝杆螺母的基本尺寸如下：中径为，螺母大径为，螺母小径为，丝杠小径为，螺距为，螺母旋合长度为。校核受力分析：丝杠螺母负责传递运动，完成辊子在竖直方向上的移动，轴向载荷主要为辊子及辊子支架的重量，粗略计算其重量为600N，由于每组辊子采用了两个丝杠螺母传动，所以每个丝杠螺母承受300N的轴向载荷。耐磨性校核：查表15.2-16知许用压强，满足耐磨性要求。螺杆强度校核：查表15.2-13知丝杠材料许用应力为，螺杆满足强度要求。螺母螺牙强度校核：剪切强度为，查表15.2-12知螺母材料的许用剪切应力为，螺母螺牙剪切满足强度的要求。弯曲强度校核：，查表15.2-17知螺母材料许用弯曲应力为，螺母螺牙弯曲满足强度的要求。自锁条件校核：螺纹升角为，查表15.2-4知当量摩擦系数为： ，则当量摩擦角为：，显然，满足自锁条件。经过校核结果表明所选择的丝杠螺母完全可以在该机构中安全使用。(4)轴承的选择 传动轴上的滑动轴承起支撑的作用，承受的载荷不大，可以选择正剖分式的滑动轴承。丝杆上起径向支撑作用的轴承选择滚动轴承6005，其基本参数如下：额定载荷 动载荷 外径 D=47mm 宽 B=12mm油润滑极限转速 n=1900r/min 内径 d=25mm 轴向支撑作用的轴承选择型号为推力轴承51205，其基本参数如下： 额定载荷： 动载荷 外径 D=47mm 高度T=12mm油润滑极限转速 n=4800r/min 内径 d=25mm 3.2.2.3 2号辊子设计如图19所示2号辊子支架采用中空型，可以提高支架的刚度，同时减轻了整个支承系统的自重，减小了因自重而产生的变形，提高了支承精度。辊子排为固定不动的成型辊子，而且被钢管包围着，只能从一端伸入，并将辊子支架固定在两个立柱上，为了提高辊子架的刚度同时考虑钢管对立柱空间的限制，将其中一个立柱设计在2号辊子中间位置，在立柱与辊子支架间设计了一个支承板，这个可以伸入钢管内与辊子支架连接，可以进一步提高系统的刚度。图19号辊子左视图3.2.2.4 4号、6号辊子运动系统的设计如图20所示4号，6号辊子运动时的特点是水平方向X和竖直方向Y移动相同的距离，仿照数控机床X、Y、Z三轴均采用电机带动丝杠螺母机构实现运动控制，在此X、Y轴也采用电机带动丝杠螺母机构实现运动控制。其中Y方向移动结构采用双矩形导轨形式，能解决辊子支架过长而刚度低的问题，同时结构自身也简单轻巧。丝杠螺母的设计校核与1号3号辊子的类似，螺距p=6mm，公称直径d=32mm。电机选择110BYG007的步进电机，相关的技术参数如下：相数5 额定电压为130V 静态电流为5A 步距角0.72保持转矩6.8Nm 功率0.75KW外形尺寸 图20号和号辊子调节机构图3.2.2.5 5号辊子运动系统的设计 如图21和图22所示5号辊子运动形式是只在竖直方向移动，也采用丝杠螺母机构来实现，但为了保证整个机构有足够的刚度，增加了较长的滑筒和滑套，滑筒与滑套为间隙配合，滑套与螺母连接，在滑筒内随着丝杠的转动而上下移动。电机通过蜗轮、蜗杆、联轴器将运动传递给丝杠。在丝杠轴的低端支承座上，安装了推力球轴承和深沟球轴承，深沟球轴承作用为径向定位并承受径向作用力推力，而球轴承作用为轴向定位并承受轴向作用力。 图21 号辊子调节机构主视图图22号辊子调节机构左视图(1)5号辊子所承受的载荷不大，选择110BYG007的步进电机，丝杆及丝杆轴上的轴承的选择同4、6号辊排。蜗杆轴端的轴承选择滚动轴承6005，其详细的参数为：额定载荷 动载荷 油润滑极限转速 n=1900r/min 内径 d=25mm 外径 D=47mm 宽 B=12mm（2）传动蜗轮蜗杆基本参数确定与校核：考虑到蜗杆传递的功率不大，速度也不高，蜗杆材料选择45号钢制造，并进行淬火调质处理，蜗轮轮缘选用铸造铝青铜材料。其基本参数：有自锁要求，所以取蜗杆头数为：，蜗轮齿数为：，根据GB10085-1988，查机械手册10，表4.5-10 要求取模数为m=5 mm，直径系数为q=10。则蜗杆相关尺寸参数如下：分度圆直径为： mm齿顶圆直径为： mm齿根圆直径为： mm轴向齿距为： mm导程角为：螺纹长度为： mm螺旋线导程为： mm蜗轮基本尺寸参数如下：分度圆直径为： mm外圆直径为： mm齿根圆直径为： mm齿顶圆直径为： mm齿根凹弧半径为： mm齿顶凹弧半径为： mm齿宽角为：中心距为： mm轮宽为： mm螺旋角为：，且旋向与导程角相同。 校核接触强度为：查表取蜗轮材料弹性系数为：根据工厂实际工作情况选择使用系数 ，动载因数 ，载荷分布因数 ，蜗轮轴所传递的转矩为： Nm,则查表知蜗轮材料的许用应力为：，所以接触强度满足要求。弯曲强度为：蜗轮轮齿的复合齿形因数为：导程角影响因数为：则查表知许用弯曲应力为：，所以弯曲强度满足要求。蜗杆轴挠度校核：蜗杆圆周力为： N蜗杆材料弹性模量为：蜗杆轴挠度计算式为：蜗杆中部截面的惯性矩为： 蜗杆径向力为： N蜗杆两端轴承间跨距为：L=275 mm，则 蜗杆轴许用挠度为：显然有，满足蜗杆轴挠度要求。4 控制部分的设计4.1 控制基本原理的设计在薄壁螺旋钢管机构运行的过程中需要测量管长和管速，需要提供切割小车控制装置控制参数。焊缝的间距应保持在0-0.5mm之间。且自动调整成型角度和成型器各排成型辊的位置。因为在机构运行过程中会产生振动，焊接会产生强光，所以选择PLC进行控制，可以有效的防止振动和强光的干扰。4.1.1 管速的测量原理在螺旋钢管的输出过程中，钢管有径向和周向两个速度。因此直接测量比较麻烦，而且测量精度也很低。通过对电机转速的测量间接的得出管子的速度，在递送机构中，采用了链传动，传动比比较稳定，同时采用YCT电机，具有自带的测速电机，在电机运转的同时又有速度自动反馈功能，可以得到稳定的转速。所以只需在钢管成型过程中设定电机的转速便可以得到稳定和管速13。钢管的焊接速度为，则电机的设定速度为，钢管的速度为。4.1.2 成型角和辊子位置调节的控制原理因为成型角的偏差和辊子的位置的误差将直接影响到管径大小的精度，所以要对成型角度和辊子位置进行检测，因此采用绝对式轴角编码器，型号为E1065-14，分辨率:80，最高允许转速:200r/s,电源电压:DC+12V5%,光源:LED, 输出信号:并行二进制代码(含电路信号处理单元)TTL电平,使用温度 -40+55，工作环境相对湿度 温度+35,相对湿度95% 。编码盘每转一圈可以输出个脉冲，即主机架每转一个角度可输出个脉冲信号，自动通过内部的转换器，将脉冲信号转换成数字信号给PLC，之后通过PLC内部的计数脉冲来控制成型角度。辊子的移动距离用脉冲数乘以螺纹的节距得到。具体的移动距离在成型辊的设计时有说明。 PLC对步进电机的控制用504MAE步进电机驱动器，其具体的参数如下：双极恒流斩波方式 交、直流供电，最高 50VDC、35VAC 最大驱动电流 4A/相 5 结束语 经过了两个多月的学习和工作，我终于完成了薄壁螺旋钢管成型机构的设计，这段时间以来考验了我是否真