矿用U型钢修复机整体设计
68页 17000字数+说明书+中期报告+开题报告+10张CAD图纸
中期报告.doc
主辊A2.dwg
主辊A2.exb
减速器A0.dwg
副辊A2.dwg
副辊A2.exb
大齿轮A2.dwg
大齿轮A2.exb
总装配图A0.dwg
总装配图A0.exb
摆动梁A0.dwg
摆动梁A0.exb
矿用U型钢修复机整体设计开题报告.doc
矿用U型钢修复机整体设计说明书.doc
轴2A2.dwg
轴2A2.exb
轴3A2.dwg
轴3A2.exb
轴一A2.dwg
轴一A2.exb
锥齿轮A2画.dwg
摘 要
本设计是关于矿用U型钢支架滚压成型修复机的设计，通过对比各种滚弯成型原理，最终确定利用侧辊摆动式四辊滚弯成型原理，主要对主副辊及减速器部分进行了较为详细的设计计算。
首先对各种滚弯成型原理进行了分析比较，选定类型，然后对各辊（主要是主副辊）进行分析设计。侧辊摆动式四辊滚弯成型原理是由主副辊对滚，为滚弯U型钢提供动力，能够连续滚弯，经济高效。
设计中的减速器是三级展开式圆柱齿轮减速器。齿轮材料为40Cr（调质），校核齿轮、轴、键、轴承确保实际可行。
关键词：U型钢 四辊 修复机 减速器 齿轮
ABSTRACT
This design is about the machine that stents roll forming repair U shaped steel. After comparing various principles, I finally determination using the side roller swing four roll bending forming principle. In the design， I did a detailed calculation for the roller gears.
First of all，I compared various principles of roll bending and selected the types, then I design the mainly analyzes main and vice roller. Side roller swing four rolls bending forming principle by lord to roll. Vice roller to roll bending U sections provide motivation for continuous rolling, curved, economic efficiency.
The last part of the paper is about decelerator which is choosing triple expanding column gear construction. The material of gear is 40Cr（hardening）.The gears，axes，bearings are checked， so to confirm this design this design is practical.
Key words：U shaped steel Four rolls Repair machine Decelerator Gear
目 录
绪 论- 1 -
1.1 概述- 1 -
1.2 卷板机的原理- 2 -
1.2.1 卷板机的运动形式- 2 -
1.2.2 弯曲成形的加工方式- 3 -
1.3 卷板机的发展趋势- 4 -
第二章 方案的论证及确定- 6 -
2.1 方案的论证- 6 -
2.1.1 方案1 双辊卷板机- 6 -
2.1.2 方案2 三辊卷板机- 7 -
2.1.3 方案3 四棍卷板机- 8 -
2.2 方案的确定- 9 -
2.3 本章小结- 9 -
第三章 侧辊摆动方案的确定- 10 -
3.1 u型钢滚弯加工的步骤和过程- 10 -
3.2 主传动方案的机构设计- 11 -
3.2.1 主传动达到的技术指标- 11 -
3.2.2 主传动设计方案- 11 -
3.3 控制系统方案选择- 12 -
3.4 液压系统的传动原理- 12 -
3.5 本章小结- 12 -
第四章 传动设计- 13 -
4.1 传动方案分析- 13 -
4.1.1 齿轮传动- 13 -
4.1.2 皮带传动- 14 -
4.2 传动系统的确定- 15 -
4.3 本章小结- 15 -
第五章 动力设计- 15 -
5.1 主传动系统液压马达的选择- 15 -
5.1.1 主副辊参数的选择计算- 15 -
5.1.2 液压马达的功率确定- 16 -
第六章 减速器设计- 23 -
6.1 传动方案拟定- 23 -
6.2 减速器总传动比及其分配- 23 -
6.2.1 总传动比- 23 -
6.2.2 传动比的分配- 24 -
6.3 各轴参数计算- 25 -
6.3.1 各轴转速计算- 25 -
6.3.2 各轴扭矩计算- 25 -
6.3.3 各轴功率计算- 25 -
6.4 齿轮传动设计- 26 -
6.4.1 一级变速齿轮设计- 26 -
6.4.2 二级变速齿轮设计- 31 -
6.4.3 三级变速齿轮设计- 34 -
6.4.4 齿轮设计结果汇总- 38 -
6.5 轴的设计校核- 39 -
6.5.1 轴的结构设计- 39 -
6.6 轴承的选型- 41 -
6.7 键的选型及校核- 41 -
6.8 减速器的结构设计和齿轮、轴承的润滑- 43 -
6.8.1 箱体参数- 43 -
6.8.2 齿轮、轴承的润滑- 44 -
第七章 液压系统设计- 45 -
7.1 液压系统工作要求- 45 -
7.2 液压系统设计参数- 45 -
7.3 液压执行元件载荷分析- 45 -
7.3.1 各液压缸载荷计算- 45 -
7.3.2 液压马达参数- 47 -
7.4 液压系统主要参数计算- 47 -
7.4.1 初选系统工作压力- 47 -
7.4.2 计算液压缸的主要机构尺寸- 47 -
7.4.3 计算液压马达排量- 48 -
7.5 计算液压执行元件的实际最大工作压力- 49 -
7.7制定系统方案及拟定液压系统图- 49 -
7.7.1制定系统方案- 49 -
7.7.2 系统所需回路分析- 49 -
7.7.3 拟定液压系统图- 52 -
7.8 液压元件的选择- 52 -
7.8.1 液压泵的选择- 52 -
7.8.2 电动机功率的确定- 53 -
7.8.3 液压马达的选择- 54 -
7.8.4 液压阀的选择- 54 -
7.8.5 液压管道内径计算- 55 -
7.8.6 确定油箱有效容积- 56 -
7.9 液压系统性能验算- 56 -
7.9.1 液压系统压力损失：- 56 -
7.9.2 液压系统发热温升计算- 58 -
结 论- 59 -
参考文献- 60 -
致 谢- 61 -
附录：- 62 -
1.1 概述
机械加工行业在我国有着举足轻重的地位，它是国家的国民经济命脉。作为整个工业的基础和重要组成部分的机械制造业，任务就是为国民经济的各个行业提供现金的机械装备和零件。他的规模和水平是反映国家的经济实力和科学技术水平的重要标志，因此非常值得重视和研究。
矿用u型钢成型修复机是将矿用钢材弯曲成u形的机械设备，根据三点成员的原理，利用工件相对位置变化和旋转运动使钢材产生连续的塑性变形，以获得预订形状的工件。
矿用u型钢成型修复机作为一个特殊的机器，在矿山机械加工中占有重要的地位。凡是矿井都必不可使的要用到矿用u型钢，而矿用u型钢起支撑作用，又非常容易变形，所以矿用u型钢成型修复机将成为矿山机械的一颗新星。
矿用u型钢成型修复机成型原理同卷板机，以下分析原理类比卷板机做详细介绍。
卷板机在国外一般以工作辊的配置方式来划分。国内普遍以工作辊数量及调整形式等为标准实行混合分类，一般分为：
三辊卷板机：包括对称式三辊卷板机、非对称式三辊卷板机、水平下调式三辊卷板机、倾斜下调式三辊卷板机、弧形下调式三辊卷板机和垂直下调式三辊卷板机等。
四棍卷板机：分为侧滚倾斜调整式四棍卷板机和侧滚圆弧调整式四棍卷板机。
特殊用途卷板机：有立式卷板机、船用卷板机、双辊卷板机、椎体卷板机、多滚卷板机和多用途卷板机等。
卷板机采用机械传动已有几十年的历史，由于结构简单，性能可靠，造价低廉，至今在中小型卷板机中仍然广泛应用，在低速大扭矩的卷板机上，因传动系统体积庞大，电动机功率大，启动时电网波动也较大，所以原来越多地采用液压传动。近年来，有以液压马达作为源控制工作辊移动但主驱动仍为机械传动的机液混合传动的卷板机，也有同事采用液压马达作为工作辊旋转动力源的全液压式卷板机。
卷板机的工作能力是指板材在冷态下，按照规定的屈服极限卷制最大板材厚度与宽度是最小卷筒直径的能力，国内外采用冷卷方法较多。冷卷精度较高，操作工艺简便，成本低廉，但对板材的质量要求较高（如不允许有缺口，裂纹等缺陷），金相组织一致性要好。当卷制班后较大或弯曲半径较小并未超过设备工作能力时，在设备允许的前提下课采用热卷的方法，有些不允许冷卷的板材，热卷刚性太差，则采用温卷的方法。
1.2 卷板机的原理
1.2.1 卷板机的运动形式
卷板机的运动形式可以分为主运动和辅运动两种形式的运动。主运动是指构成卷板机的上辊和下辊加工板材的旋转，弯折等运动，主运动完成卷板机的加工任务。辅运动是卷板机在卷板过程中的装料，下料及上辊的升降，翘起以及倒头架的翻转等形式的运动。
图1-1 三辊卷板机工作原理图
由图1-1：主运动指上辊绕O1，下辊分别绕O2，O3做顺时针或逆时针旋转。辅运动指上辊的上升或下降运动，以及上辊在O1垂直平面的上翘、翻边运动等。
该机构形式为三辊对称式，上辊在两下滚中央对称位置做垂直升降运动，通过丝杆丝母蜗杆传动而获得，两下滚做旋转运动，通过减速机的输出齿轮与下辊齿轮啮合，为卷制板材提供扭矩。
1.2.2 弯曲成形的加工方式
在钢结构制作中弯制成犁的加工主要是卷板(滚圆)、弯曲(煨弯)、折边和模具压制等几种加工方法。弯制成型的加工工序是由热加工或冷加工来完成的。
滚圆是在外力的作用下，使钢板的外层纤维伸长，内层纤维缩短而产生弯曲变形(中层纤维不变)。当圆筒半径较大时，口J在常温状态下卷圆，如半径较小和钢板较厚时，应将钢板加热后卷圆。在常温状态下进行滚圆钢板的方法有：机械滚圆、胎模压制和手工制作三种加工方法。机械滚圆是在卷板机(又叫滚板机、轧圆机)上进行的。
在卷板机上进行板材的弯曲是通过上滚轴向下移动时所产生的压力来达到的。它们滚圆工作原理如图1-2所示
图1-2滚圆机原理图
图1-3钢板预弯示意图
1.3 卷板机的发展趋势
加入WTO后我国卷板机工业正在步入一个高速发展的快道，并成为国民经济的重要产业，对国民经济的贡献和提高人民生活质量的作用也越来越大。预计“十五”期末中国的卷板机总需求量为600万辆，相关装备的需求预计超过1000亿元。到20lO年，中国的卷板机生产量和消费量可能位居世界第二位，仅次于美国。而其在装备工业上的投入力度将会大大加强，市场的竞争也愈演愈烈，产品的更换也要求卷板机装备工业不断在技术和工艺上取得更大的优势：
1．从国家计委立项的情况看，卷板机工业1000万以上投入的项目达近百项；
2．卷板机工业已建项目的二期改造也将会产生一个很大的用户群；
3．由于卷板机的高利润，促使各地政府都纷纷投资(国家投资、外资和民间资本)卷板机制造。
其次，跨国公司都开始将最新的车型投放到中国市场，并计划在中国加大投资力度，扩大产能，以争取中国更大的市场份额。民营企业的崛起以及机制的敏锐使其成为卷板机工业的新宠，民营企业已开始成为卷板机装备市场一个新的亮点。
卷板机制造业作为机床模具产业最大的买方市场，其中进口设备70％用于卷板机．同时也带动了焊接、涂装、检测、材料应用等各个行业的快速发展。卷板机制造业的技术革命，将引起装备市场的结构变化：数控技术推动了卷板机制造企业的历史性的革命，数控机床有着高精度、高效率、高可靠性的特点，引进数控设备在增强企业的应变能力、提高产品质量等方面起到了很好的作用，促进了我国机械工业的发展。因此，至20lO年，卷板机工业对制造装备的需求与现在比将增长12％左右，据预测，卷板机制造业：对数控机床需求将增长26％；对压铸设备的需求将增长16％；对纤维复合材料压制设备的需求增长1 5％；对工作压力较高的挤或冲压设备需求增长12％；对液压成形设备需求增长8％；对模具的需求增长36％；对加工中心需求增长6％；对硬车削和硬铣削机床的需求增长18％；对切割机床的需求增长30％；对精密加工设备的需求增长34％；对特利一及专用加工设备需求增长23％；对机器人和制造自动化装置的需求增长13％；对焊接系统设备增长36％；对涂装设备的需求增长8％，对质检验与测试设备的需求增长1 6％。
在今后的工业生产中，卷板机会一直得到很好的利用。它能节约大量的人力物力用以弯曲钢板。可以说是不可缺少的高效机械。时代在发展，科技在进步，国民经济的高速发展将对这个机械品种提出越来越高的要求，将促使这个设计行业的迅速发展。第三章 侧辊摆动方案的确定
采用侧辊摆动式滚弯原理加工u型钢拱形支架，在一次滚弯过程中完成u型钢滚弯的全过程。结合侧辊摆动式4辊滚弯原理应用的特点，在原理实现上。为便于实现传动和易于控制，机构设计采用主副辊与侧辊分开操作相对独立的系统，主传动系统主要实现主副辊的回转运动，控制系统主要完成与主副辊运动相匹配的侧辊位置的调节，因为根据以上研究，侧辊摆动幅度不大，便于实现摆动制。本章重点研究以下几个方面的问题：确定u型钢滚弯加工的步骤和过程，根据成型过程确定各机构的运动形式。确定主传动系统设计方案．确定控制系统方案。根据主传动和控制系统传动特点，确定液压传动方案。
3.1 u型钢滚弯加工的步骤和过程
要实现u型钢支架的连续弯曲成型，在一次滚压过程中三次使用三辊滚弯原理，其中采用两次不对称式三辊滚弯和一次对称式三辊滚弯，两次不对称式三辊滚弯消除两端直线段．中间采用对称式三辊滚弯。其成型过程需分三步完成： 第一步，进料及弯曲第一段u型钢从左侧进入滚压成型机后，由主副辊带动入料进行滚压，此时为非对称的三辊滚弯，其目的是完成所需曲率半径以及前端直头的过渡(一般成型后u形钢支架梁两端直线长度≤80mm)。这时参与工作的辊轮为主副辊及左侧辊，u型钢支架曲率半径的大小决定了左侧辊的位置。第二步，摆动成型过程(即第二段弯曲)当第一段弯曲成型后，支架头部接触右侧辊并使其转动后，摆动梁开始慢慢摆动，此时由非对称的三辊滚弯逐步向对称的三辊滚弯过渡．完成第二段圆弧的弯曲过程，这段过程消耗功率小，参与工作的辊轮为主、副及左、右侧辊．左、右侧辊的位置决定了u型钢支架曲率半径大小。第三步，出料及第三段弯曲当摆动粱摆动到右侧规定位置后，左侧辊退出工作，而右侧辊位置需要前进，补足由于u型钢弯曲后的进给量，保证第三段圆弧形成，此时为非对称三辊滚弯，其目的是完成所需曲率半径以及后端直头的过渡，这时参与工作的辊轮为主副辊及右侧辊，需根据u型钢支架曲率半径大小调整右侧辊的位置。
侧辊摆动式4辊滚弯原理．把u型钢两端头直线段弯曲在一次连续辊弯过程中实现．主副辊回转运动使滚弯的速度可调节，侧辊的运动轨迹和运动方式直接影响成型过程。因此，需要根据成型曲率大小确定侧辊的具体运动形式。
3.2 主传动方案的机构设计
主传动系统主要实现主副辊回转运动，主副辊回转运动可以实现滚弯速度的调节，即主副辊的转速可调节。同时在滚弯过程中主副辊扭矩使u型钢产生塑性变形。根据主传动所要达到的技术指标，确定主传动方案以及主要部件的设计。
3.2.1 主传动达到的技术指标
要使研制的u型钢支架滚压成型机，在性能参数、成本价格、体积重量方面在国内处于领先地位，其主要技术参数应确定为：
(1)生产能力：60吨／班左右：
(2)进给速度：0-10m／min；
(3)型钢规格：18U、25U、29U、36U：
(4)最大弯曲性能：
最大截面模量: 132.1；
材料强度极限:850；
材料强度极:650；
最小曲率半径:1000mm。
3.2.2 主传动设计方案
实际生产需要满足弯曲速度10m／min，即线速度Vmax=10 m／min，根据主副辊轮的半径可以确定角速度，通过对滚压不同规格U型钢的受力分析I，主辊最大转矩为3270。
经过计算，主传动系统所需最大功率为45KW．因为滚弯过程中要求满足无级变速，故主传动系统采用机械液压传动．电液控制，操纵控制方便，价格适中。
在传动系统中有三个设计方案可供选择：机械传动方案、低速马达液压传动方案、中速马达液压传动方案。由于要实现无级调速，并达到滚压速度10m／rain，根据计算，采用1000r/nm电机，则减速箱传动比要为：200。要实现．45KW功率，传动比为200的减速箱体积很大，成本高，且不易变速。机械传动不适合。由于低速马达价格高，供货也有问题，最后决定采用中速马达液压和机械传动相结合的传动方案，通过中速液压马达，再经过齿轮减速箱，传动比降低为40，选用液压马达的转速范围为3—320r／min，其额定的有效转矩可达到．4000N．m．体积减小，既实现了无绒调速又降低了制造成本。
3.3 控制系统方案选择
由主副辊运动组成的主传动系统通过液压与机械结合实现．在主传动系统采用液压传动的同时，控制系统用油缸作为执行机构，运用液压控制实现侧辊的进给和摆动。
主、副辊的转速通过液压系统实现无级变速，同时，与主传动系统对应的控制系统速度也采用液压无级变速，以实现辊弯速度的匹配。调节侧辊位置的目的两个方面：一是调节与主辊的距离，二是实现绕主辊的转动。进给辊即侧辊进给采用左、右侧缸推进的方式．侧辊的摆动采用油缸的进给实现。
3.4 液压系统的传动原理
从u型钢滚弩工艺看，液压系统是实现滚弯过程重要的一环，应根据主机用途、操作过程、工作特点及性能指标，明确液压系统必须完成的动作、运动形式-执行元件的载荷特性、形成和速度的要求。根据上述要求制定液压系统如图3．1：
液压马达的正反转带动主副辊的正反转，调节液压马达的速度可以调节滚弯速度。油缸l和油缸2可以调节左右侧辊的进培速度和进给量，油缸3可以调节左右侧辊的摆动角度及速度。
3.5 本章小结
通过对侧辊摆动滚弯成型过程的研究，在机构上采用主副辊运动与侧辊运动分开的传动方案，利用液压马达、油缸作为执行元件，在机构设计上更加合理，易于实现大扭矩和无级调速的要求。
参考文献
【1】姜汉军.U型钢拱形支架滚压成型.选自《煤矿自动化》1997年第4期
【2】苏联莫施宁.卷板机（第一版）.机械工业出版社.1970
【3】王一飞.侧辊摆动式四辊滚弯机优化设计与半数值计算.江苏大学硕士论文
【4】孔凌嘉.张春林.机械基础综合课程设计.北京理工大学出版社.2004
【5】濮良贵.纪明刚.机械设计.高等教育出版社
【6】孙桓.陈作模机械原理. 高等教育出版社
【7】刘鸿文.材料力学.高等教育出版社
【8】数字化手册编委会.机械设计手册2008软件版.化学工业出版社
【9】矿山巷道支护热轧U型钢.国家标准化管理委员会.GB/T4697-2008
【10】赵铁.唐道旭等.矿用U型钢支架滚压成型修复机.2008
川公网安备: 51019002004831号