数控蛇形管弯管机设计【7张CAD图纸和说明书】
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河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师：孙有亮 设计题目：蛇形管弯管机 设计人：刘海洋设计项目 计算与说明 结果13第 2 章总体设计2.1 引言第 2 章 总体设计2.1 引言管道弯曲段的加工工艺及设备，一直是国内外管件技术开发的重点。目前主要采用热压、压焊、中频推制和中频弯管四种工艺。前三种工艺的共同特点是生产率高，设备投资大，需制作模具，成本较高，适用于大批量的订货;中频弯管的主要特点是带有直管段，夸曲半径无级可调且不需模具，设备投资小，但生产率较低，适用于多规格小批量的订货。一般，对直径较小的中低压管件多采用弯头，而对大口径厚壁管多采用中频弯管。小半径弯管具有其它弯头工艺不可比拟的优越性。随着电站装机容量的不断增长，管道布置日趋魔大，对管道系统的质量、安全性等要求越来越高。如果采用R=(1.53.0)D。的小半径弯管，可使电站管系布置结构紧凑，减少管系占用空间，节约运输、安装和材料费用，并能通过优化设计，提高管道系统的运行质量。为了借鉴原有弯管机的结构技术，并在新型弯管机的研制方案中克服原有设备的缺陷，我们对该设备进行了仔细的研究，认为它主要存在以下问题：1. 自动化程度低，工作效率低下 用原有弯管机加工管坯时，整个弯管过程都是通过工作人员手动操作，至少需要四人协同工作，操作中一旦有人操作不当，就会造成废品，且人工进料，人工旋转管坯加工角度费时费力，工作效率低。2. 无加热系统，弯管弯曲精度低缺陷多由于管材直径较小，冷弯时弯曲应力较大。随着弯曲半径的减小，金属的变形增大，现有弯管机的出力河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师：孙有亮 设计题目：蛇形管弯管机 设计人：刘海洋设计项目 计算与说明 结果142.2 确定新型弯管机研制方案2.3 新型弯管机工作原理和技术参数和强度难以保证;更主要的是，若仍采用常规的弯管工艺，则将使小半径弯管外弧侧的壁厚减薄率和横截面的椭圆度超差，内弧侧易产生波浪折皱，严重影响弯管质量。3. 工作可靠性差，故障率高原有弯管机完全采用传统的继电器进行电气控制，长期而频繁切换的工作状态已经大大降低了控制系统的工作可靠性，在工作中会经常出现继电器接触不实、触点烧毁等事故，影响工厂的正常生产。2.2 确定新型弯管机研制方案由于所研制的弯管机主要用于锅炉设备中管坯加工，且经常加工管坏直径为 15-25 mm，管子弯曲半径小且变化范围大，虽然管子弯曲加工并非批量进行，但工作频率高，故需要弯曲的管子总量还是很大，故对弯管设备的自动化程度要求高。经过仔细分析和消化国内外在管材弯曲加工方面的新技术和新工艺，针对工厂原有弯管机存在的一系列问题，本着低投入高效益的原则，我们决定在原有弯管机的基础上加以改进，研制一台数控蛇形管弯管机，它的自动化程度要有所提高，可以自动进料，自动加热，自动进行弯管弯曲加工，鉴于上述特点，我们确定了新型弯管机的研制方案。2.3 新型弯管机工作原理和技术参数新型弯管机主要由机械系统、液压系统、中频加热系统和控制系统三大部分组成，其工作原理如图 21所示：弯管模 3 固定在主轴上并跟随主轴一起转动，管子通过夹紧模 2 固定在弯管模的夹槽上，1 为移动式导向压料滑槽，紧贴于管坯的弯曲外侧，当弯管模回转时，管子就被缠绕在弯管模的周向，从而得到所需的弯管半径。新型弯管机的主要参数见表 21：河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师：孙有亮 设计题目：蛇形管弯管机 设计人：刘海洋设计项目 计算与说明 结果152.4 机械系统设计2.4.1. 主传动机构表 21 新型弯管机的主要参数技术指标 数据弯管直径/mm 15 25弯曲半径/mm R40300弯管最大臂厚/mm 5最大弯曲角度/ 195进给/回程速度/r/min 3液压工作系统压力/Mpa 14MPa电机功率/KW 14进给精度/mm 1弯管速度/r/min 13弯曲角度精度/ 1弯管中心距地面高度/mm 10502.4 机械系统设计新型弯管机的机械系统主要由主传动机构、夹紧机构、压料机构、管坯进给机构、弯管模及床身等七部分组成。2.4.1 主传动机构根据弯管的原理并经过分析、比较，我们确定了如图 22 所示的主传动方案。弯管机的驱动力矩有双活塞液压缸来提供。河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师：孙有亮 设计题目：蛇形管弯管机 设计人：刘海洋设计项目 计算与说明 结果162.4.2夹紧机构图 22 主传动机构方案示意图1. 主传动油缸 2. 链条 3. 链轮 4.传感器 5.弯管模6.主传动轴由于所需的驱动力矩比较大且要达到弯曲精度，故采用承载能力高而冲击较小且传动精确的链条链轮主传动轴作为传动装置，弯管时，压力油进入主传动油缸左腔并推动油缸活塞带动链条移动，链条通过链轮带动主轴旋转，从而使弯管旋转，以达到缠绕弯管的目的。液压缸采用双作用等速等行程式液压缸，活塞两端杆径相等，活塞正反、向运动速度、行程和推力均相等。2.4.2 夹紧机构管材在弯曲模胎上缠绕弯曲时，驱动力是由弯管模型腔内壁和管坯外壁之间的摩擦力来提供。为了产生摩擦力，就必须由夹紧机构提供一个夹紧力来把管坯压紧在弯管模胎的型槽上。而且，这个夹紧力必须足够大并持续作用在管坯上才能保证弯管工作正常进行。下面我们提出以下几种夹紧机构设计方案：河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师：孙有亮 设计题目：蛇形管弯管机 设计人：刘海洋设计项目 计算与说明 结果17图 23 用油缸直接夹紧1.夹紧油缸 2.夹紧模 3.弯管模1. 用油缸直接夹紧 如图 23 所示，采用油缸直接夹紧，其优点是结构简单，易于实现；缺点是所需夹紧油缸的缸径很大。经初步估计，当液压系统的工作压力为 14Mpa 时，夹紧油缸的内径至少需要 140mm。缸径越大，油缸的价格越高，这就增加了弯管机的制造成本。同时，因为夹紧块与弯管模的管槽轴线必须在同一水平面上，而弯管模本身是高出床身上表面的，所以夹紧油缸必然暴露在机床表面，影响美观。2. 通过连杆增力机构来实现夹紧 为了减少夹紧油缸的尺寸，使夹紧装置结构紧凑，在夹紧油缸和夹紧模之间增加一套连杆增力机构。这样一来，夹紧油缸只需提供较小的推力就可以获得较大的夹紧力。下面是我们拟定的三种增力机构方案。河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师：孙有亮 设计题目：蛇形管弯管机 设计人：刘海洋设计项目 计算与说明 结果18L12Fjy3图 24 曲柄滑块增力机构1. 夹紧油缸 2. 夹紧模 3. 弯管模方案（1）：如图 24 所示采用曲柄滑块机构来增力。这时，夹紧力和油缸所提供的推力之间的关系为yjFl12（21）式中 油缸所提供的推力（N） ；jF夹紧机构所提供的夹紧力 （N） ；y夹紧油缸活塞中心与曲柄滑块机构固定1l支点的距离（m ） ；夹紧模管槽轴线与曲柄滑块机构固定支点2l的距离（m） 。由式（21）可见，采用了曲柄滑块机构以后，油缸的推力得到了线性放大，放大倍数为 。为了提21/l高放大倍数， 应尽量大而 应尽量小，这就使曲柄的1l2l刚度大为降低。通过计算，这种方案获得的放大系数最多为 1.4 倍，增力效果不明显。而且，夹紧油缸也是布河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师：孙有亮 设计题目：蛇形管弯管机 设计人：刘海洋设计项目 计算与说明 结果19置在床身上面，影响外观。图 25 斜楔增力机构1. 夹紧油缸 2. 斜楔 3. 弯管模 4. 夹紧模方案（2）：如图 25 所示，夹紧油缸提供的推力经斜楔 2 放大后，通过平行四杆机构来实现夹紧块的夹紧动作。这时夹紧力和油缸推力之间的关系为：ctgFyj（22）式中 斜楔的楔角（） 。由式（22）可见，夹紧力和斜楔角的余切值成正比关系， 值越小，则获得的夹紧力越大。采用这种方案，可获得较大的增力系数，夹紧机构的动作也很平稳。但为了保证斜楔的强度和刚度，楔角 不能小于 30。因此，夹紧力的放大倍数约为 1.7 倍。另外，平行四连杆机构的采用在使夹紧机构平稳动作的同时，也增加了机构的复杂程度和加工制造的难度，从而提高了弯管机的研制成本。方案（3）：采用如图 26 所示的四连杆机构升降河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师：孙有亮 设计题目：蛇形管弯管机 设计人：刘海洋设计项目 计算与说明 结果202.4.3压料机构2.4.4 管坯进给机构1.螺旋传动夹紧机构。此时，夹紧力和油缸推力的关系为：21tgFyj（23）式中 两摇臂之间的夹角（） 。图 26 四连杆增力机构1. 夹紧油缸 2. 夹紧模 3. 弯管模由式（23）可见，夹紧力的放大系数为。当 角超过 140以后， 值稍微增大一点/)(tg儿，夹紧力就急剧增大。上述三种方案比较而言，方案 3 的增力效果最显著。而且，这种机构结构紧凑，动作平稳可靠，制造工艺较简单。因为夹紧油缸布置在连杆下方，故整体造型比较美观。经过比较，我们决定采用方案 3。2.4.3 压料机构压料机构也可以采用油缸驱动连杆，进而带动压料模压紧管坯的结构形式。其连杆增力方式类似于夹紧机构，故压料机构的设计方案参考夹紧机构设计时的三种方案。同样，从增力效果、制造工艺、整体布局等方面河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师：孙有亮 设计题目：蛇形管弯管机 设计人：刘海洋设计项目 计算与说明 结果210.3p机构的选择2.步进电机的选择3.步距角的选择考虑，我们仍选择图 26 所示的四连杆增力机构。2.4.4 管坯进给机构设计要求：工作有效行程 1m，要求进给速度0.30.4m/s，运转平稳，低速不爬行，传动具有可逆性，进给精度为1mm。图 27 管坯进给机构原理图1. 丝杠螺母 2. 丝杠 3. 联轴器 4.步进电机 5.液压卡盘如图 27 所示，管坯自动进给是通过步进电机 4带动丝杠 2 及丝杠螺母 1 转动，而丝杠螺母与液压卡盘5 焊接成一体，液压卡盘随着丝杠螺母的移动而直线运到。液压卡盘卡紧管坯时，管坯就由步进电机的控制而自动向前进给。1. 螺旋传动机构的选择根据进给速度及进给精度查得丝杠参数如下表所示：表 22 丝杠主要参数导程 Ph（mm） 8钢球直径 Dw（mm） 4.763（ ）163圈数列数 2.51公称32螺纹升 433滚动轴承30204 GB/T297-93滚动轴承60004GB/T301-931000mm计l1046mm电动机型号为130BF001河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师：孙有亮 设计题目：蛇形管弯管机 设计人：刘海洋设计项目 计算与说明 结果222.KfMNcm0.423MNcm2.13Jkgcm4. 进给机构总转动惯量得计算5. 步进电机输出转矩的选择6加速度力矩7空载摩擦力矩Ca 22000直径d0（mm）角与承载能力（N） Coa 56350参考文献【4】上册 P4 94 表 4.314由于滚珠丝杠传动中既有轴向力，又有径向力，故采用以下轴承。所选支承轴承型号：滚动轴承 30204 GB/T297-93 滚动轴承 60004 GB/T276-93因为丝杠的计算长度为 1000mm，可得丝杠两端的计l支承距离 1146mm。l2步进电机的选择根据脉冲当量和最大静转矩初选电机当传动比 i=1 时，可用联轴器直接将电机与丝杠连接，这种结构有利于简化结构，提高精度。由公式i= （2-phb3604） 式中 b为步进电机步距角为滚珠丝杠导程、 为系统脉冲当量。hp选电动机型号为 130BF001，其步矩角 =b1.5故可用联轴器将电机与丝杠直接连接。3步距角的选择由公式 01.580.366bP PLi代 入 数 据 得4.进给机构总转动惯量得计算1） 机转子转动惯量查指导书表得207.cmkgJD2） 丝杠的转动惯量由指导书（2-5） 234108. cmkgLDwS .河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师：孙有亮 设计题目：蛇形管弯管机 设计人：刘海洋设计项目 计算与说明 结果23max1axjjM20FN12.50KgMNmax2axjjM68kacm8附加摩擦力矩9. 轴向摩擦阻力 F 折算到电机上的转矩得： 23448.10278.0ckgJS 3）平移构件折算后的转动惯量 GJ6 米管坯、液压卡盘和工作台质量总和， k50（2-222 .81.0).5( cmKgmJhG（）6）由于联轴器的转动惯量小故可忽略不计4）总转动惯量计算 213.8.024.170ckgJJGSD 5步进电机输出转矩的选择查指导书 步进电机启动转矩 与最大静转KM矩 的关系有 ： maxjM（2-70./maxjK7）6加速度力矩 （2-2max1062tnJKa8） cmNMrvnkaPb 68.10.63421. in/.9.02maxa7空载摩擦力矩（取传动系统总效率 ）.0cNiLGkf 2.18.432)6.50(20N3移 动 件步进电机满足要求所选步进电机满足要求河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师：孙有亮 设计题目：蛇形管弯管机 设计人：刘海洋设计项目 计算与说明 结果24cmNMkqj afKq 17.30./31.970./ .9426821max qyfkjyjf10.启动矩频特性校核11运行矩频特性校核NG46.2891032.108.7丝 杠 8附加摩擦力矩（2-cmNiFMh 423.0)9.1(8.04325. 209）为滚珠丝杠未预紧时的传动效率取0.0故电机空载启动力矩 2jN（步进电机最大静转矩 =9.31 ）maxj故所选步进电机 130BF001 的最大静转矩满足要求。9. 轴向摩擦阻力 F 折算到电机上的转矩 FM根据动摩擦力公式：N（210）式中 摩擦阻力 (N)；F滑槽摩擦因数，这里取 （参考文04.献【19】查得） ；径向载荷 (N)，这里取 N（6 米N5max管坯、液压卡盘和工作台重量总和）则带入数值得:N 2054.0F电机快步启动不丢步电机快速进给时不丢步河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师：孙有亮 设计题目：蛇形管弯管机 设计人：刘海洋设计项目 计算与说明 结果25max1010.4362kjpvf HZ10.36m3210m12滚珠丝杠副刚度验算故 cmNiFMh 185.3.01432所以运动部件正常工作时的总负载转矩（2-MFKafKg 496.1285.342.068.2011）故运动部件正常工作时需的最大静转距 2maxj此时取 0.5 代入式中得：,5.03/2maxKgjMcNj 496.8./.42ax（电机最大静转矩） m06531j m按步进电机最大静转矩选择要求 2ax1axax,jjj MM所以， 选择步进电机 130BF001 满足要求。10.启动矩频特性校核查指导书步进电机启动矩频特性曲线当启动力矩 时对应的允许启动频率0.93kqNm，而由表查得电机的启动频率Hzfyq80，保证了电机快速启动时不丢步。yqf11运行矩频特性校核快速进给运行矩频特性校核：快进力矩 cmNMkfKJ 905.1876.02.查指导书得，允许快进频率 kjfz电机的最高快进频率河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师：孙有亮 设计题目：蛇形管弯管机 设计人：刘海洋设计项目 计算与说明 结果26kjyjf故电机快速进给时不丢步。12滚珠丝杠副刚度验算1） 滚珠丝杠副轴向变形ldElFbjj20max1)(4（212）参考文献【17】P97 式（513）式中 最大轴向载荷 (N)；maxF丝杠计算长度 (mm)；jl丝杠两端支撑距离 (mm)；滚珠丝杠副的公称直径 (mm)；0d滚珠直径 (mm)；b丝杠材料的弹性模量；E对于钢， N/mm2。510.2E则带入数值得：mm.5251 6.34)0(.216342） 滚珠与螺纹滚道间的接触变形无预紧时： 22)(108.ZFdb（213）参考文献【17】P98 式（515）式中 轴向载荷 (N)；F滚珠直径 (mm)；bd工作螺母的滚珠数目，Z3104.2cmm m5.0所选丝杠刚度满足要求3105.9c河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师：孙有亮 设计题目：蛇形管弯管机 设计人：刘海洋设计项目 计算与说明 结果2713滚珠丝杠副稳定性验算14.滚珠丝杠副临界转速验算且有 ； 为 ，一圈的滚珠kjZi数， 为圈数， 为列数，外循环j，其中 为丝杠副的公称直径bd00（mm） 。则带入数值得：mm.322 10)5.0(1038. 3）支承滚珠丝杠的轴承轴向变形因采用推力球轴承作为丝杠支承，故由式（517）3204.ZdFQc（214）参考文献【17】P99 式（517）式中 轴承的轴向载荷（N） ；F轴承的滚动体数目；Z轴承的滚动体直径（mm） 。Qd则带入数值得：mm.332104.85.604.0c231（215）参考文献【17】P101 式（521）式中 滚珠丝杠副的传动精度（mm） ，这里为1mm；无预紧时，支承滚珠丝杠的轴承的轴3向接触变形量， 。c3462 sn所选丝杠有足够的稳定性河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师：孙有亮 设计题目：蛇形管弯管机 设计人：刘海洋设计项目 计算与说明 结果280.8cn15.联轴器的选择则带入数值得： m5.021054.348.12333故所选丝杠刚度满足要求。13滚珠丝杠副稳定性验算由滚珠丝杠的临界载荷计算公式240)(ldmFbc（216）参考文献【17】P102 式（522）式中 滚珠丝杠的公称直径（mm） ；0d滚珠直径（mm） ；b滚珠丝杠的支承系数（N/mm 2） ；可查参m考文献【17】P102 表 55 得 210 5m则带入数值得：N324510.9106)3(2cFscnF（217）参考文献【17】P102 式（523）式中 滚珠丝杠的临界载荷（N） ；cF滚珠丝杠承受的轴向压力（N） ；滚珠丝杠的稳定安全系数，一般取sn。45.2s所选丝杠满足要求TL3 联轴器14306ZCJBGB432384河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师：孙有亮 设计题目：蛇形管弯管机 设计人：刘海洋设计项目 计算与说明 结果292.4.4 弯管机构则带入数值得： 462015.93sn故所选丝杠有足够的稳定性。14.滚珠丝杠副临界转速验算由于滚珠丝杠转速100r/min，故要对其进行临界转速验算。对于钢制丝杠由式（525）（2-2160ldnc18）参考文献【17】P106 式（525）为了不发生共振现象，应使丝杠的转速满足下式：cn8.0（219）参考文献【17】P106 式（526）式中 丝杠的工作转速（r/min） ；n丝杠的支承距离（mm） ；l系数，其值与丝杠支承方式有关，这里1取 ；927.31丝杠小径， （mm） ，其1dRed201中 为圆弧偏心距，e（mm） ； 为滚珠)2(7.0bbd直径， ，这里06.Ldbmm，故取 mm， 为滚80L5bR道半径， （mm） ，bdR).4.(这里取 ， 。2701e河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师：孙有亮 设计题目：蛇形管弯管机 设计人：刘海洋设计项目 计算与说明 结果30则带入数值得：r/min.351010468.927.316cnr/min =0.83510=2808r/min.270cn.故所选丝杠满足要求。15.联轴器的选择根据所选伺服电机和滚珠丝杠副参考文献【18】P141 选择联轴器的型号如下：TL3 联轴器 GB43238414306ZCJB2.4.4 弯管机构弯管过程中随着蛇形管重量的增加，旋转力矩急剧上升，对旋转机构的要求也增高，因此取消管坯旋转机构，改用双弯管模旋转系统。如下图所示：弯管过程由主传动机构链轮带动弯管轴旋转，从而带动弯管模执行弯管任务。当向左弯管时，电磁机构控制左弯管模旋转轴于旋转支架结合，主轴向左旋转，从而带动右弯管模绕左弯管模旋转中心旋转，进行弯管；向右弯管时之行动作于上文相反。2.4.4.1 弯管机构主轴结构设计（1）拟定轴上零件装的配方案根据设计方案，现选下图为所示的装配方案河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师：孙有亮 设计题目：蛇形管弯管机 设计人：刘海洋设计项目 计算与说明 结果31（2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度1）为了满足轴的竖向定位，-段右侧需制出一轴肩，故取- 段的直径为 60mm； 段取直径为 50mm,长度为25mm；为使齿圈满足设计要求取段长为 22mm；- 左侧需制出一轴肩，故取-段直径为 55mm；根据结构固定需要现取段长度为 97mm；现取段取长度为 140mm，直径为50mm；段取直径为 40mm，长度为 80mm。2）初步选择轴承。、处轴径同取为 50mm，因轴承同时承受径向力和轴向力的作用，故选圆锥滚子轴承32210，dDt=50mm90mm24.75mm; 处选择深沟球轴承 6208 dDB=40mm80mm18mm;3)确定轴上倒角的尺寸参考表 15-2，取轴段倒角为 245。（3）求轴上的载荷首先根据轴的结构图做出轴的计算简图。确定轴承的支点位置时，应从手册中查取 a 值。对于 32210 型圆锥滚子轴承，由手册查的 a=21mm。对于深沟球轴承 6208 型，取支点为中心。从轴的结构图以及弯矩图中可以看到段截面为危险截面。现将计算出的段截面处的 、 及 M 的值列于下表。HV载荷 水平面 H 垂直面 V支反力 1230,16NNF1280,3NVNF河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师：孙有亮 设计题目：蛇形管弯管机 设计人：刘海洋设计项目 计算与说明 结果32弯矩 M 24376HNmA1240,VMNmA总弯矩 2122 8743760450A扭矩 T 9TNm（3）按弯矩合成应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面的强度。根据式（15-5）及上表中的数据，以及轴双向旋转，扭转应力为脉动循环变应力，取 =0.7，轴的计算应力2213ca223()8740.960.1MTWMPaP前已选定轴的材料为 45 钢，调质处理，由表 15-1 查得。因此 ，故安全。160Ma1ca（4）精确校核该轴的疲劳强度1) 判断危险截面截面 A,B 只受扭矩作用，虽然键槽、轴肩及过渡配合所引起的应力集中均将削弱轴的疲劳强度，但由于轴的最小直径是按扭转强度较为宽裕地确定的，所以截面 A,B 均无需校核。从应力集中对轴的疲劳强度的影响来看，截面和处过盈配合引起的应力集中最严重；从受载的情况来看，截面 C 上Mca1 最大。截面的应力集中的影响和截面的相近，但截面不受扭矩作用，同时轴径也较大，故不必作强度校核。截面C 上虽然 Mca1 最大，但应力集中不大（过盈配合及键槽引起的应力集中均在两端），而且这里轴的直径最大，故截面 C 也不必校核。截面和显然更不必校核。键槽的应力集中系数比过盈配合的小，因而该轴只需校核截面左右两侧即可。2) 截面左侧河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师：孙有亮 设计题目：蛇形管弯管机 设计人：刘海洋设计项目 计算与说明 结果33抗弯截面系数抗扭截面系数截面左侧的弯矩 M 为截面上的扭矩 T3 为T3=960000 Nmm截面上的弯曲应力截面上的扭转切应力轴的材料为 45 号钢，调质处理，由轴常用材料性能表查得 B=640MPa，-1275MPa，-1=155MPa截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数 及 按手册查取。因 ， ，经插值后可查得 ，又由手册可得轴的材料的敏性系数为 ，故有效应力集中系数为1.82河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师：孙有亮 设计题目：蛇形管弯管机 设计人：刘海洋设计项目 计算与说明 结果34由手册得尺寸系数 ；扭转尺寸系数 。轴按磨削加工，由手册得表面质量系数为轴未经表面强化处理，即 ，则按手册得综合系数为又由手册得材料特性系数=0.10.2, 取=0.1=0.050.1, 取=0.05于是，计算安全系数 Sca 值，按公式则得故可知其安全。河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师：孙有亮 设计题目：蛇形管弯管机 设计人：刘海洋设计项目 计算与说明 结果352.5 液压系统设计2.5.1换向回路3) 截面右侧抗弯截面系数 W 按表中的公式计算，抗扭截面系数 WT 为弯矩 M 及弯曲应力为扭矩 T3 及扭转切应力为T3=960000 Nmm过盈配合处的 k/ 值，由手册用插入法求出，并取k/=0.8k/，于是得，轴按磨削加工，由手册得表面质量系数为故得综合系数为河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师：孙有亮 设计题目：蛇形管弯管机 设计人：刘海洋设计项目 计算与说明 结果362.5.2调压回路 2.5.3调速回路2.5.4卸荷回路2.5.5锁紧回路 所以轴在截面右侧的安全系数为故该轴在截面右侧的强度也是足够的。本题因无大的瞬时过载及严重的应力循环不对称性，故可略去静强度校核。至此，轴的设计计算即告结束（当然，如有更高的要求时，还可作进一步的研究）。2.5 液压系统设计为使新型弯管机结构紧凑、工作平稳可靠、噪音小，我们决定采用全液压驱动方式。新型弯管机要求液压系统完成的主要动作有：（1） 驱动弯管模平稳回转，快速复位；（2） 驱动夹紧模夹紧管坯；（3） 驱动压料模压紧管坯；（4） 驱动旋转液压卡盘卡紧管坯；（5） 驱动进给液压卡盘卡紧管坯。因此，新型弯管机的液压系统应有五个支路构成，每一支路驱动一个液压缸动作。为了使弯管机机构动作准确、河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师：孙有亮 设计题目：蛇形管弯管机 设计人：刘海洋设计项目 计算与说明 结果37工作可靠、效率高，此液压系统应有以下几个回路组成：2.5.1 换向回路 由于新型弯管机各运动部件的运动部件的运动速度较低，质量较小，换向精度要求也不太高，故采用三位四通电磁阀来使液压缸换向。2.5.2 调压回路 新型弯管机弯曲不同规格的管坯时所需的驱动力矩不同，对应的液压系统工作压力也就不同。如果仅按弯曲最大规格的管子来调整系统工作压力，则在弯曲小管子时势必造成能源浪费。因此，决定采用三级调压回路。如图2-9 所示，将远程调压阀 3 和 4 通过三位四通电磁换向阀 2 与电磁溢流阀 1 的外控口相连，使系统有三种压力调定值：当电磁换向阀 2 处于中位时，系统压力由电磁溢流阀 1 调定，为 14Mpa；当电磁换向阀 2 处于左位时，系统压力由远程调压阀 3 调定，为 8Mpa；当电磁换向阀 2 处于右位时，系统压力由远程调压阀 4 调定，为5Mpa。2.5.3 调速回路 为了提高新型弯管机的工作效率，希望它既能以较低的速度平稳弯管，又能快速复位。考虑到液压系统功率不大但负载变化较大，运动平稳性要求也较高，决定采用双定量泵组合供油的容积调速回路来调节主驱动油缸的速度，如图 2-10 所示。另外，为了提高新型弯管机的弯曲加工精度，决定增设回油节流调速回路来调节弯管动作接近终了时弯管模在达到预定弯曲角度时能够准确停止。2.5.4 卸荷回路 河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师：孙有亮 设计题目：蛇形管弯管机 设计人：刘海洋设计项目 计算与说明 结果38调压回路中采用的电磁溢流阀 1 是一个由先导式溢流阀和电磁换向阀组合而成的复合阀。当电磁换向阀处于左位时，液压系统就处于卸荷状态。为使油路结构简单，不再另外采用卸荷回路。2.5.5 锁紧回路 为使新型弯管机的夹紧、压料、支撑等动作可靠，对应图 29 调压回路1. 电磁溢流阀 2. 电磁换向阀 3，4. 远程调压阀河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师：孙有亮 设计题目：蛇形管弯管机 设计人：刘海洋设计项目 计算与说明 结果392.6 中频加热系统设计图 210 调速回路液压缸的活塞应能准确的停止在要求的位置上。虽然换向回路中的三位司酮电磁换向阀处于中位时可将油路切断而使活塞停止在某个位置，但是由于滑阀式换向阀密封性能差，泄露较多，故不能活塞长期悬空不动，而要缓慢下滑。为了使活塞准确的锁紧在停止位置上，决定采用锁紧回路：在液压缸的进、回油路上都分别串接一个液控单向阀，将由缸两腔的油液封闭，如图 2-10 所示。由于液控单向阀的密封性能好，即使有什麽外力作用活塞也不至于移动，从而保证锁紧精度河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师：孙有亮 设计题目：蛇形管弯管机 设计人：刘海洋设计项目 计算与说明 结果40图 211 锁紧回路2.6 中频加热系统设计对于小半径弯管，受拉侧破裂和受压侧的塑性失稳是其主要的破坏形式，当受拉侧的最大拉力达到了材料的断裂强度极限时，就会出现破裂现象，而受压侧的压缩应力达到一定值时就会使管壁内侧失稳(类似压杆失稳)而出现波浪折皱，严重影响弯管的质量，同时因为小半径弯管时变形大，管壁厚度减薄率和增厚率也是影响弯管质量的重要因素。根据有关资料，在压缩弯管工艺中，变形区被加热到 900度以上的高温下进行变形，可以认为此时材料的应力硬化模数D 二 0，因而在整个横截面上的应力的绝对值都是氏(材料在某一温度下的屈服极限)，理论一上说达不到破坏极限可，因此热变形时受拉侧的破裂受到很大程度的控制。此外，中频加热弯管时，弯曲变形在加热变形阻抗小的局部区域发生，加热的宽度愈小，变形宽度愈窄，也就愈不易发生塑性失稳而导致压曲和折皱。反之，虽能增加弯管时的柔性，降低推力，但易使受压侧失稳，不仅产生波浪折皱，且使横截而的椭圆度增加，难以保证合格的弯管制品。根据塑性屈服的理论，当变形区加热宽度不超过 2t 时，不会发生内侧管壁的塑性失稳，同时，及时冷却己变形区，增加变形横截面的刚度，可以很好的防止椭圆度的增加，实际证明，只要合理的设计线圈，配备合适的加热冷却条件，控制弯管时速度的均匀一致，即可保证加热区的温度和宽度，从而避免受压失稳和椭圆度超差。河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师：孙有亮 设计题目：蛇形管弯管机 设计人：刘海洋设计项目 计算与说明 结果412.7 控制系统设计图 17 中频弯管原理图1. 管坯 2. 支撑滚轮 3. 感应圈 4. 夹头 5. 转臂实验表明，平面假设在一直到破坏的大变形条件下仍可近似的运用，而且当弯曲时甚至是在大变形下，横剖面的形状畸变也可略去，感应加热小半径弯管是一种塑性大变形弯曲，在 800-1000 的弯管温度下，可以近似看作纯塑性弯曲。1、弯管时温度弯管时，高频感应加热所达到的温度必须能满足被弯的管子在热塑性变形范围所需的温度.加热温度取决于被弯管子的材料与壁厚，其关系见表 1。(1)加热时间的影响因为 T=B/v(B 是单位时间内推管移动的距离，m，即线圈的宽度;二是弯管推进速度，m/s)，所以当中频线圈宽度一定时， v越快，管子在线圈中停留的时间就越短。因此，调整管子在中频线圈中停留的时间，也可满足弯管工艺对温度的要求。(2)磁阻损失的影响线圈与管子的间隙，一般认为越小越好，这样可减少空气磁阻，加热效率亦高。但由于管材的几何尺寸或外焊道都有制造公差，为保证加工过程不损坏昂贵的高频线圈，常用表 2 给出的间隙河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师：孙有亮 设计题目：蛇形管弯管机 设计人：刘海洋设计项目 计算与说明 结果42第 3 章 计算新型弯管机力能参数3.1 分析管材弯曲力矩3.2 分析管材弯曲变形区应力应变状范围。表 2 中频感应加热线圈与管子间隙值2、小半径弯管过程中的塑性失稳现象弯曲变形是在感应加热段变形阻抗小的局部区域发生的。因此，加热带宽度越小，其变形区域越窄，就不易产生塑性失稳而导致压曲和波浪折皱;加热带宽度越大，可增加弯管时的柔性，降低推力，但此时易使受压侧发生塑性失稳，导致产生波浪折皱，.且增加横截面的椭圆度，严重影响弯管质量。根据塑性曲屈理论，可以计算出加热带宽度小于两倍壁厚时，不会出现受压侧的塑性失稳现象。在实际弯管生产中，只要合理设计感应圈，配备合适的加热和冷却条件，控制弯管推进速度，即可保证加热区的温度和宽度。根据以上选取中频加热线圈长度为 50mm。管子随加热的移动，由热敏系统控制。2.7 控制系统设计新型弯管机的工作特点是加工时间短，加工频度高。因此，其电气控制系统必然出现频繁切换的工作状态。如果采用原来的完全由继电接触器组成的电气系统，在切换过程中容易出现继电器接触不实、出点粘连甚至烧毁等事故，影响生产的顺利进行。可编程控制器（Programmable Logic Controller简称 PLC）是随着计算机技术的发展而产生的一种新型工业控制装置。它既有计算机的可编程、可存储及运算速度快等特点，又具有大众化的与继电接触控制相类似的梯形图编程语言，还具有适合于恶劣场合的强可靠性及适应能力。另外，还具有编程方便、维修方便、可靠性高于继电器控制装置、体积小、成本可与继电器装置竞争、可扩展等优点，目前已经成为在工业现场应用最河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师：孙有亮 设计题目：蛇形管弯管机 设计人：刘海洋设计项目 计算与说明 结果43态3.2.1 应变中性层和应力中性层 为广泛的工业控制装置。为了提高新型弯管机的工作效率和可靠性，决定采用可编程控制器来对它的弯管加工过程加以控制。为了保证弯管机的正常工作，本系统除了控制钢管的加工过程，还应设有必要的断路、过载保护项目。为了确保操作人员和设备的安全，应使控制系统的程序带有自诊断功能。当加工过程中出现故障时，系统发出警报并停止加工，防止故障的进一步扩大。而且，必须在排除故障后系统才能重新启动。另外，系统还应设有急停按钮，一旦出现紧急事故，可以通过按下急停按钮来停止系统的进一步工作,从而提高系统的安全系数，确保工作人员的人身安全，避免设备的硬性损害。第 3 章 计算新型弯管机力能参数在新型弯管机的研制过程中，所有涉及到理论计算的问题（包括弯管机各力能参数的计算、各机构中用到的主要零件的尺寸确定及强度校核等）都是个人按照分工独立完成的，其中力能参数（包括弯管机的驱动力矩、夹紧机构的加紧力和压料机构的压料力）的确定是完成其他一切设计工作的前提条件。3.1 分析管材弯曲力矩管材弯曲力矩的计算是决定弯管机力能参数的基础。只有计算出管材的弯曲力矩后，才能确定弯管机所需的驱动力矩、液压系统工作压力、主传动机构各部件的结构尺寸、夹紧力大小以及弯管模半径等一系列参数。河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师：孙有亮 设计题目：蛇形管弯管机 设计人：刘海洋设计项目 计算与说明 结果443.2.2 弯曲变形区的应力应变状态 由于管材弯曲成形过程是一个包括几何非线性、材料非线性和接触非线性的复杂问题，弯曲时的力矩不仅取决于管材的材料性能、断面形状与尺寸以及弯曲半径等基本参数，同时也与弯曲方法、使用的模具结构等因素有很大的关系，因此要从理论上精确计算出管材的弯曲力矩是非常困难的。目前已有的计算弯曲力矩的公式都是对于板材而言，而管材的弯曲力矩一直没有一个确定的计算公式，大多是利用经验公式进行计算。我们通过对管材纯弯曲过程中的应力应变状态进行分析，根据塑性理论建立了管材均匀弯曲时所需弯矩的计算公式。3.2 分析管材弯曲变形区应力应变状态3.2.1 应变中性层和应力中性层 如图 3-1a 所示，管材在外力矩 作用下纯弯曲M时，弯曲变形区的外侧材料受到切向拉伸而伸长，内侧材料受到切向压缩而缩短。由于切向应力 和应变 沿管材断面的分布是连续的，故当弯曲过程结束，由拉伸区过渡到压缩区，在其交界处一定存在着一层纤维，它的长度等于管坯的原始长度，即该层纤维的应变 =0，此纤维层称为应变中性层，它在断面中的位置用曲率半径 表示。切向应力有弯曲外侧的拉应力转变为内侧的压应力时，断面也内一定存在着一层切向应力为零的纤维层，称为应力中性层，他在断面中的位置用曲率半径 表示。管坯在弹河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师：孙有亮 设计题目：蛇形管弯管机 设计人：刘海洋设计项目 计算与说明 结果453.2.3 弯曲变形区的应变和应力分布图 3-1 管材弯曲时的受力及其应力应变状态（a）受力状态 （b）应力应变状态性弯曲阶段，应力沿断面呈线性分布，应力与应变之间的关系遵循虎克定律，故应力中性层和应变中性层相互重合并通过断面重心。随着弯曲过程的进行，当弯曲变形程度超过材料的屈服极限后，变形性质由弹性变为塑性，故在弯曲过程中应力中性层和应变中性层不仅不相互重合，也不通过断面重心，而是随着曲率的增大逐渐向曲率中心方向移动，并且应力中性层的移动量大于应变中性层的移动量。不过，当弯曲变形程度较小时，中性层的移动量很小。魏建华分析和计算，在以后的推导中将其忽劣不计，而认为在弯曲过程中应力中性层和应变中性层相互重合并通过断面重心，弯曲后断面重心层的曲率半径用 表示。3.2.2 弯曲变形区的应力应变状态 图 3-1b 所示为管材弯曲变形区
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