大型翻转提升机构的结构设计

哈尔滨理工大学学士学位论文 I 大型大型 H 钢翻转提升机构设计钢翻转提升机构设计 摘摘 要要 我国现如今的工业水平不断地发展 H 钢运用的领域越发广泛 在提 升和翻转那些笨重 体积很大零件不能只靠人力去完成 为了提高生产效 率需要设计出一种设备来解决此问题 在设计的同时需要考虑到传动装置 变松以及润滑等问题 本文首先对翻转机提升类型从其特点进行分析到选择 选择出链式翻 转机构和液压式提升装置 对 H 钢翻转工作进行分析 设计出符合要求的 元器件如轴 齿轮 皮带等 对部分件进行校核 为了元件相互协调配合 设备运行平稳 最后设计出液压与电气系统组合 从而形成一套完整的工 作体系从上升正反翻转 制动 下降 提升机构选择形式为液压式 优点是重量轻 容易实现调速 使用寿 命长 缺点是油液对密封装置要求比较严苛容易泄露 翻转机构使用链式 传动 优点是摩擦性好 成本低 缺点不耐冲击 质量大 关键词关键词 H 钢 翻转机构 提升机构 哈尔滨理工大学学士学位论文 II Design of Large Scale H Steel Lifting Mechanism Abstract China is now the level of industrial development H steel used more and more widely in the field lifting and turning of the heavy and large parts can not only rely on manpower to complete in order to improve the production efficiency we need to design a device to solve this problem At the same time the design should take into account the loose gear and lubrication problems Based on the analysis of the types of hoisting machine turn to choose from its features choose a chain turnover mechanism and a hydraulic lifting device for H steel turning work analysis designed to meet the requirements of the components such as shaft gear belt and so on to check the part as the components of coordination equipment running smoothly Finally the hydraulic and electrical system is combined to form a complete system of work from rising reverse braking and descending The selection of lifting mechanism is hydraulic with the advantages of light weight easy realization of speed control and long service life The disadvantage is that the oil on the sealing device requirements are more stringent easy to leak The turnover mechanism adopts chain type transmission and has the advantages of good friction and low cost Disadvantages no impact high quality Keywords H steel turnover mechanism lifting mechanism 哈尔滨理工大学学士学位论文 III 目目 录录 摘要 I Abstract II 第 1 章 绪论 1 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 2 国内外研究现状 1 1 2 1 国外发展现状 1 1 2 2 国内发展现状 2 1 3 本课题的研究内容 4 第 2 章 翻转提升机构的总体设计 5 2 1 翻转和提升机构采用形式的确定 5 2 1 1 翻转机构的确定 5 2 1 2 提升机构的确定 7 2 2 H 钢翻转的工作原理 9 2 3 大型 H 钢翻转提升机构的简图 9 2 4 本章小结 10 第 3 章 翻转提升机构的结构设计 11 3 1 链条及链轮的选择设计 11 3 1 1 链条的设计选择 11 3 1 2 链轮的设计选择 12 3 1 3 滑轮的设计选择 13 3 1 4 润滑油的选择 14 3 2 电机的选择 14 3 3 带传动及齿轮的设计及计算 15 3 3 1 皮带传动的设计 15 3 3 2 V 带轮的设计 17 3 3 3 皮带张紧装置的选择 19 3 4 轴的结构设计与校核 19 3 4 1 轴的设计计算 19 3 4 2 滚动轴承的校核 21 3 4 3 键的校核 22 3 5 本章小结 22 第 4 章 翻转提升机构的液压与电气的系统设计 23 4 1 机构液压系统的设计 23 哈尔滨理工大学学士学位论文 IV 4 1 1 液压缸的设计及计算 23 4 1 2 液压系统的原理及元件选择 27 4 2 机构电气控制系统设计 29 4 3 机构的系统工作过程 30 4 4 本章小结 31 第 5 章 三维模型的建立 32 5 1 建立零件 32 5 2 零件图的装配 32 5 3 三维模型 34 5 4 本章小结 34 结论 35 致谢 36 参考文献 37 附录 A 38 附录 B 45 哈尔滨理工大学学士学位论文 1 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 课题研究的背景课题研究的背景及意义及意义 现如今社会经济飞速发展 国家不断强调工业并大力投入工业设计发 展 建筑业与大型工业更是不断发展 像大型 H 钢这样的钢型会用到很多 所以有着大量的 注重钢材的可持续发展经济与节约使用是实现钢材向绿 色环保发展的必经之路 所以要大力推广与应用 放长远的眼光来看 H 钢 的需求必然很大 制造业是国家实现新工业文化的基础保证 大型工件的制造体现了国 家的工业文化水平 1 在生产与制造大型构件中 很多时候都需要大型翻 转机来改变工件的位置 这些年来由于板材的价格上涨也带来了很多利好 钢材的价格也在持 续上涨 同时 H 型钢的市场也逐渐回暖 国内与国外在 H 型钢的价格差 距逐渐变小 有利于国内钢材对外出口 例如现有的翻转机构来说 有 CL 型 U 型 和 L 型等翻转机 但是 他们都有的缺点就是 承载能力较低 并且翻转的自由度单一 翻转的角 度也很单一 不能同时满足生产环节中个工序的翻转要求 2 被运用到翻 转机构的场合 最常见的就是在焊接生产中 当 H 钢一面完成焊接后 这 是需要将工件翻转为了方便加工另一面 但是 H 钢重量很大 只靠人力将 其翻转是很困难的 这时就需要专用的翻转设备 在大量生产时 为了使 生产效率提高 就需要这样的机构 本次研究的课题大型 H 钢翻转提升 机 就是为这种场合下产生的设备 1 2 国内外研究现状国内外研究现状 1 2 1 国外发展现状国外发展现状 自 19 世纪初期 卢森堡建立了成世界第一个热轧 H 钢生产线 此后 H 型钢生产与设备都有了很大的发展 在 50 年代和 80 年代掀起两次发展 高潮 到了 80 年代末 世界 H 钢产能量可以达到 2000 万吨 占世界钢材 总产量的 3 6 现世界 H 型钢轧机有将近 100 套 存在 20 多个国家 下面以日本 H 型钢生产现状为重点 初步探讨国外 H 钢发展的现状 日本是二次世界大战后经济发展最快的国家之一 与经济发展同步的 H 型钢的发展过程是值得我国研究与借鉴的 到 1973 年日本钢的总产量就达到 1024 8 万吨 其中 H 钢产量为 哈尔滨理工大学学士学位论文 2 554 3 万吨 H 钢占了一半还多 H 型钢结构也因此得到了广泛的发展与 使用拿轻型 H 钢举例 在日本 轻型 H 钢主要用于低层或多层厂房 公 共建筑物等 这样制造可以效率 但是对材料精度和设备自动化也提出了 新要求 轻型 H 钢最适合建筑这样的工业化住宅 1992 年日本钢生产量为 1040 万吨 其中 H 钢占 57 8 产量为 600 8 万 占型材结构的一半以上 H 型钢运用的领域越来越广 甚至取 代了工字钢 使得工字钢产量降为 28 8 万 仅占 2 8 这也使 H 钢的质 量与技术水平得到快速发展 1972 1992 年日本累计生产 H 钢 9042 8 万吨 出口 2000 万吨 按日 本人口 11000 万计 累计人均消费为 640kg 人均年消耗 32kg 俄国与加拿大的矿产资源非常丰富 日本进口来源多从这两个国家 日本的企业用投资或者是买股份的形式这这两个国家拥有很多资源 这样 也可以弥补一些国家本身的不足 从而的到长远的发展 日本除了对这两个国家进行投资或者是买股权 还对很多国家分布全 球 参股 战略合作 合资等 这样能更好的分散风险 降低成本 可以 分享世界经济成长的果实 得到稳定发展 为了能更好的融入市场 日 本也调整了进出口结构 进口一些低档一般的原料 通过本国先进工业加 工水平进行加工 相当于从毛胚到成品的过程 出口世界各国 从而获得 非常丰厚的利润 就利用这样的产业链日本已经处在世界上游 加上前面 所说的对各国投资 战略合作等 达到利润最大化同时也可以打击对手的 目的 1 2 2 国内发展现状国内发展现状 我国 H 型钢的生产起步较晚 直到上世纪 90 年代马钢才能生产出 0 2m 以下的小型 H 型钢 由于生产力不强无法完成量化生产 直到 1998 年才完成这个目标 现在通过国家统计句数据来说明 04 到 14 年这 10 年 间钢铁的发展如图 1 1 图 1 1 2004 2014 年中国型钢产量走势图 在通过 04 年到 14 年这 10 年我国 H 型钢细分品中产量统计如表 1 1 哈尔滨理工大学学士学位论文 3 表 1 1 2004 2014 年我国 H 型钢主要细分品种统计 万吨 年份大型 H 型钢中小型 H 型钢钢型合计 2004 年638 33778 04016 3 2005 年747 82664 63412 3 2006 年917 22386 13303 3 2007 年1014 72839 53854 2 2008 年894 12953 83847 9 2009 年947 04118 95065 9 2010 年946 54251 95198 4 2011 年1103 84573 25676 9 2012 年1132 74702 15834 9 2013 年1274 95745 47020 3 2014 年1349 55620 06969 5 从总体这 10 年来看 虽然在偶然存在今年产量不如往年的现象 但是 总的产量还是在稳步提升的 对于品种分析可看出 每个时期对于 H 型钢 种类的需求也是不同的 都是在为市场做调整 总体来说 H 型钢的需求在 不断增加 马钢是我国第一个生产 H 型钢的企业 现加以介绍 马钢公司 H 型钢厂从国外公司引荐生产技术和设备 一期工程年生产 能力 60 万吨以生产 H 钢为主 在 H 型钢的生产中都是由计算机控制 计 算机控制系统有三级 一级为基础控制级 二级为过程控制级 三级为工 厂管理控制级 总体来说这是一条在我国也可以说是世界上都十分先进的 刚型生产线 它的建成也增强了我国生产 H 钢的技术水平 图 1 2 为马钢 生产的 H 型钢铁 图 1 2 马钢生产的 H 型钢材 就最近几年来说我国生产刚型的技术与水平离世界先进水平很接近甚 至可以说是能达到 对以后来说进步技术 设备提升已经不是主要目的 哈尔滨理工大学学士学位论文 4 主要是为了满足用户需求才是目的 目前我国刚型型材标准只能满足工业 生产 国外的标准也无法满足我国的标准生产 同时尺寸公差 钢铁化学 成分纯净度 表面质量等各个方面来说 我国与发达国家相比还是有一定 的差距 1 3 本课题的研究内容本课题的研究内容 大型 H 钢翻转提升机构 主要就是为了研究大型 H 钢的翻转与提升 装置两部分 主要内容有 1 查阅相关资料 了解大型 H 钢翻转提升机构国内外现状 特点 差距基本确定研究方法及研究思路 撰写开题报告 2 做出大型 H 钢翻转提升机构的总体方案 3 计算出大型 H 钢翻转提升机构的主要参数 4 完成大型 H 钢翻转提升传动系统 电气与液压设计 哈尔滨理工大学学士学位论文 5 第第 2 章章 翻转提升机构的总体设计翻转提升机构的总体设计 2 1 翻转和提升机构采用形式的确定翻转和提升机构采用形式的确定 2 1 1 翻转机构的确定翻转机构的确定 翻转机构的作用是将工件做沿着轴做翻转运动 使工件变换有利位置 更好地进行加工 5 现在翻转机构有很多类型可以参考 例有头尾架式 等 如表 2 1 所示翻转机构的种类 这些翻 框架式 链式 环式 推举式 转类型都可以使用在实际不同的生产中 但是在我国还没有对翻转机形式 制定标准 只有头尾架式有系列标准 表 2 1 翻转机构种类 形 式变位速度驱动方式工作特点 头尾架式可调机电 环形焊缝 运用于轴类和椭圆形焊件 旋转 变位 框架式恒定机电或液压 用于较长焊件 倾斜变位 链式恒定机电 用于自身刚度强的工件翻转变位 环式恒定机电 用于自身刚度强的工件翻转变位 在大型构 件的组对与焊接应用中较多 推举式恒定液压 用于倾斜变位 装配和焊接在同一工作台上 进行 由工作特点分析 对翻转种类的最后三种进行重点分析和选择 作为 大型 H 钢的翻转机构 现在分析这三种形式 选择出最合适的形式 如下图 2 1 为采用链式的翻转机构所示 1 链轮 2 链条 3 H 钢 4 支架 5 张紧轮 图 2 1 链式翻转机构 哈尔滨理工大学学士学位论文 6 链式翻转机构由图看出 其结构形式比较简单 因为 H 钢用链条的支 撑 其优点是价格便宜 来源广泛且已加工 利用链传动运行平稳 缺点 就是链条之间的焊接很麻烦费时间 对焊接和夹具的都是有要求的 环式翻转机构结构形式如下图 2 2 所示 与链式翻转相比环式翻转机 构得缺点就是在翻转同样的 H 型钢时 环式翻转机构的结构复杂 体积较 大 有点就是环式机构在翻转大型钢件的效率高 1 拖轮 2 支撑环 3 钝齿轮 4 驱动装备 图 2 2 环式翻转机构 推举式翻转机构结构如下图 2 3 所示 推举式翻转机构的优点就是 机构也比较简单 缺点是这种结构翻转的自由度单一 每次翻转都无法回 到原来的位置 需要人工操作复位 所以翻转效率比较低 1 翻转工作台 2 推拉式轴销 3 举升液压缸 图 2 3 推举式翻转机构 综合分析三种翻转机构的工作特点 最后选择用链式翻转 这样提升 机构选择的问题就解决了 链式翻转机构组成主要由等组成 链条 链轮 电动机 张紧轮 链条连接方式也是两种 有片式关节链和环形焊接链 与做对 焊接链 比第一种片式的运动平稳且可靠 缺点是片式关节链条的价格比较高 并 哈尔滨理工大学学士学位论文 7 且容易生锈和近灰 链条本身优点抗腐蚀性很强 摩擦性能好 且传动机 构尺寸较小 缺点就是链条之间相连的刚度强度很低 在有一定的冲击下 容易损坏 不适用于高速提升 由于翻转机本身在工作中有一定的冲击 考虑到安全和稳定的 最后选用片式关节链 2 1 2 提升机构的确定提升机构的确定 提升机构分两种 一种为机械式 另一种为液压式 1 机械式起升机构包括 1 绳索卷绕式起升机构 2 链条卷绕式起升机构 2 液压式起升机构 1 压缸起升机构 2 压马达升机构 2 1 2 1 机械式提升机构的应用机械式提升机构的应用 目下图 2 4 所示 新型地下垃圾桶就是典型的利用机械式提升机构作 为主要提升方式作出的产物 6 对于普通的垃圾桶来说 垃圾箱的制作存 在很多不足 一般垃圾都是在地边上堆积很占空间 尤其是对于夏天苍蝇 很多更是有异味 对于城市面貌更是大大减分 它的出现恰恰就是解决这 一问题的它解决了 它的优点就是节省空间且清理方便 成本低 可以减 轻工作人员的工作强度 7 该提升机构有附件 省力与减速机构 工作人员在清理垃圾时 摇动 手柄使链轮 1 转动 上升时利用棘轮转动 2 摩擦片不发生作用 下降时 2 摩擦片啮合 通过摩擦减小冲击 链轮 2 转动 链轮 2 再带动滚筒 5 转 动 转动将绳绞起来 拉底板 5 向上升起 垃圾桶放在底板上 底板上升 就可以把垃圾桶提升上去 a 新型地下垃圾桶主视图 b 新型地下垃圾桶左视图 1 2 链轮 3 滑轮组 4 滚筒 5 底板 图 2 4 地下垃圾桶提升机构主视图 哈尔滨理工大学学士学位论文 8 2 1 2 2 液压式提升机构的应用液压式提升机构的应用 平行四边形机构在各类液压升降设备被中广泛使用 因为其结构可以 放大工作 但是顶升的工作方式 如图 2 5 就是利用其结构的特性来设计 的液压式提升机构 1 提升机构 2 航标浮筒 3 清洗刷 1 1 号液压缸 2 2 号液压缸 3 提升滑块 图 2 5 长江航标浮筒清洗装置 图 2 6 机构运动简图 工作臂上有很多刷子 通过刷子的工作臂在轨道和自身摆动 上下运动 这样就可以清洗浮筒 工作臂的上下运动由机构来带动 如 液压缸的提升 图 2 6 机构运动简图可看出 工作臂连接在滑块 平面运动构型为四边形 可以稳定工作 装置由滑轮引导在轨道中上下升降 滑块在线上 垂直中心 运动 这样可以使两液压缸实现 机械同步 平行四边形提升机构优点就是 结构紧凑 液压提升机构多 构造简单 用此机构实现升降 1 两种提升机构的比较 机械式提升机构的执行构件通常选择 特点为提升范围 钢丝绳滑轮组 比大适用于大型钢件 缺点是提升结构复杂 也有齿轮齿条组合 但这种 组合只适用于提升小型钢件 液压式提升机采用的动力源是液压 用液压缸进行提升 其运行平稳 并且使用寿命很长 但是由于是液压式需要用到油液 油液容易随温度变 化并且如果密封不好还容易出现泄露等等一些问题 机械式提升机构的提升方式为 而液压式提升机构的提升方式 提拉式 为 都有优缺点当然还需根据工作环境及要求选取 从本次研究的 推举式 课题角度出发 考虑到液压式提升机构的装置重量和体积相对于机械式来 说更轻也更小 并且更耐冲击 结构也简单 前提是相同功率驱动 还是 选择液压式提升机构 哈尔滨理工大学学士学位论文 9 2 2 H 钢翻转的工作原理钢翻转的工作原理 工件在链条上最开始的状态如图 2 7 重心在 AB 中间 当链条转动 的时候 链条顺时针转 重心慢慢偏离 B 点 靠近 A 点 因为翻转钢件 与链条的接触点开始发生变化 B 点离开链条 向左翻转 1 链轮 2 链条 图 2 7 翻转过程 如图 2 8 a 重心 G 偏在 A 的右侧 如果翻转 H 型钢 就需要一个 滚转力使重心偏在 A 点的左侧 来使 H 钢继续翻转 如图 2 8 b 此时重心 G 在 A 的左侧 惯性使工件继续翻转 如果 想要停止翻转 需要一个阻止力需要大于惯性力 如果需继续翻转 需要 H 钢的惯性力大于阻力矩 这样使 H 钢的重心 G 逐渐偏向在 A 点的左侧 否则 H 钢翻转将停止转动 链条的摩擦力如果摩擦力足够大 就不换产生大话现象 也不会影响 H 钢的翻转 同时要求 H 钢有足够大的翻转速度来克服打滑现象 但是 H 钢与链条的摩擦离大小工作量很大而且很复杂 所以这里就不进行计算 了 a H 钢重心在右侧 b H 钢重心在左侧 图 2 8 H 钢翻转过程简图 2 3 大型大型 H 钢翻转提升机构的简图钢翻转提升机构的简图 可以翻转最大的 H 型钢尺寸的为 18m 6m 12m 最大能承受的重 量是吨 现设计大型 H 刚翻转提升机构的布置见图如下图 2 9 由于到 10 H 型钢重量非常重也非常大 单个机构是无法完成提升与翻转 需要两个 哈尔滨理工大学学士学位论文 10 或者两个以上工作台配合完成此过程 每一个工作台的尺是不同的其中 1 与 2 之间的长度为 4m 2 和 3 之间的长度为 7m 个设备间都设计有辊道 每个设备都是相同的只是间隔不同 都配有制动器来控制工作 1 号翻转架 2 号翻转架 3 号翻转架 4 辊道 图 2 9 大型 H 钢翻转提升机的布置 2 4 本章小结本章小结 本章翻转提升机构的总体设计就是为了解决翻转的形式与提升形式的 选择 通过对翻转机构形式的类型特点与应用的分析最终选择了链式提升 形式 提升形式选择为液压式 最后对翻转提升如何运动做以确定 做了 一下机构简图 做到了主体确定 哈尔滨理工大学学士学位论文 11 第第 3 章章 翻转提升机构的结构设计翻转提升机构的结构设计 3 1 链条及链轮的选择设计链条及链轮的选择设计 3 1 1 链条的设计选择链条的设计选择 1 链条的选择 如下图 3 1 翻转机构 翻转机构主要由 链条 张紧装置 通 链轮 过链条转动使 H 钢翻转 图 3 1 翻转结构简图 最开始定链条的转速为 每一个翻转架所承受力是 50kN 受 0 5m s 力分析如图 3 2 图 3 2 链条受力 50 1000 1050 arctg 计算拉力 F 见式 3 1 3 1 N34355 50sin 50000 2 1 sin2 1 G F 哈尔滨理工大学学士学位论文 12 链条拉力F为34355N 查手册 选择LH0866型 基本参 板式起重链条 数如下表3 1 表3 1 LH0866型板式起重链条参数 名称参数 相见节距P 12 7mm 板数的组合 6 6 最大拉伸载荷Q66 7kN 2 链条的长度 初步确定链条长度 mm6102 14501601 2 2 mm145010001050 mm160110001250 21 22 2 22 1 LLL L L 考虑到链轮部分的链条长度没有算入 所以取 L 为 6200mm 3 确定链条的节数 计算链条节数见式 3 2 3 2 节 2 488 7 12 6200 P L LP 取 Lp 490 节 式中 Lp 为链条的节数 L 为链条的长度 P 为链条的节距 3 1 2 链轮的设计选择链轮的设计选择 链轮采用整体式钢制小链轮 结构形式如图 3 3 a 链轮主视图 b 链轮左视图 图 3 3 链轮结构 参照下表 3 2 链轮基本参数 哈尔滨理工大学学士学位论文 13 表 3 2 链轮基本参数 名称 数值 mm 计算公式 配用链条节距 P12 7 配用链条的滚子外径 d15 12 查手册 配用链条的排距 Pt6 24Pt 3b0 分度圆直径 d68mm68 14 3141 605 0 n v d 齿数 z17 取 z 得 1705 15 arcsin 180 d p z 内径 dk35 齿顶圆直径 da77 mm385 74 6 1 1 mm755 7825 1 1min 1max dp z dd dpdd a a 齿根圆直径 df63 mm88 62 1 ddd f 分度圆旋齿高 ha5 mm79 3 5 0 mm975 5 5 0 8 0 625 0 1min 1max dph dp z h a a 轮毂厚度 h11 5mm31 1101 0 6 d d kh k 轮毂长度 l36mm 9 296 2 min hl 轮毂直径 dh58mm582 hdd kh 齿宽 bf3 7 mm7856 3 2 91 0 0 bbf 表中 v 为设计链速 n 为链轮转速 k 常数 50 d 100 时 k 取 4 8 b0为链板厚度查机械手册 取 2 08mm 3 1 3 滑轮的设计选择滑轮的设计选择 滑轮与轴相连接配合 同时滑轮又与链轮配合使其转动从而带动大型 H 钢进行翻转运动 所以滑轮的设计选择是很重要的 因为链条特殊的布置形式 要设计一个 这样可以将链条 滑轮拉紧 以防链条运动的时候 这样传动效率会提高很多 滑轮结构形式 发生接触 如下图 3 4 滑轮设计参数见表 3 3 哈尔滨理工大学学士学位论文 14 图 3 4 滑轮的结构 表 3 3 滑轮设计参数 名称数值 mm 计算公式 D80 轮槽直径 D1140mm5 635 min1 PD 轮缘直径 D2160mm41 157 211min2 dhDD 轮缘间宽 b30mm39 2905 1 min bb 滑轮宽 B50 表中 P 为链条的节距 P 取 12 7mm b 取 27 99mm b为链条的销轴长h1为链条的通道高度 h1 取 12 32mm d2为链条销轴直径 d2 取 5 09mm 3 1 4 润滑油的选择润滑油的选择 由于链条的布置形式 选择传动的形式为开式 手工润滑比 比较特殊 较困难 需将链条拆下 定期清洗 清洗的液体就是煤油 等链条的间隙 都被煤油充满后才能安装使用 使用润滑剂可以减少动力传到过程的动能损失 从而提升传动效率 润滑剂必须要有良好的渗透性 不光是润滑链条 还需要润滑轴与轴套 他们的间隙很小 还需要良好的粘附性 为了防止高速工作是润滑剂被甩 出 综上所述选择润滑油的牌号为昆仑的 L AN46 全损耗系统用油 因 为它的密封性也很好 也可作为封闭循环系统的润滑油 3 2 电机的选择电机的选择 由上一节受力分析得出链条的拉力为 F 为 34295N 得选择出电动机 哈尔滨理工大学学士学位论文 15 型号见式 3 3 3 3 1 71775kW 17177 5W 0 5 34355 FVP P电 kW3 2 8 09 0 71775 1 皮链 p 式中 链为链条传动效率 取 链 90 皮为皮带传动效率 取 皮 80 根据手册 选取电动机型号作为翻转机构的电动机 它的 YZ160L 8 额定功率为 7 5kW 这种电动机具有的有点就是启动电 转速为705r min 流小 可以频繁启动 转矩大 3 3 带传动及齿轮的设计及计算带传动及齿轮的设计及计算 3 3 1 皮带传动的设计皮带传动的设计 由电动机选择得出 窄 V 带传动 按照每天工 电动机功率P为2 3kW 作 10 小时 重 载启动且有载荷冲击 1 带型的选择 根据电动机的转速 705r min 查手册 选择V带形式为窄V带SPZ 2 确定计算功率 Pca 计算功率 Pca见式 3 4 Pca KAP 3 4 式中 Pca为计算功率 KA 为工作情况系数 查手册得 KA 1 4 P 为传递 的额定功率 3 22kW 2 3 1 4 caP 3 带轮的基准直径 1 初选小带轮基准直径dd1 根据 V 带选择 参考手册 选取小带轮准直径 dd1 63mm 则 da1 67mm 2 计算带速 计算带速见式 3 5 3 5 100060 11 1 nd v d 式中 v1为主动轮的圆周速度 n1为主动轮的转速 s m32 2 100060 7056314 3 1 v 3 计算从动轮基准直径dd2 设计传动比i 1 5 哈尔滨理工大学学士学位论文 16 mm3156355 12 dd dd 根据第 3 卷 选取从动轮基准直径 dd2 315mm da2 319mm 手册 4 确定中心距a和带的基准长度Ld 初定中心距a0 见式 3 6 3 6 21021 2 7 0 dddd ddadd 0 7 63 315 a0 2 63 315 264 6 a0 756 初选a0 550mm 基准长度见式 3 7 3 7 0 2 12 120 4 2 2 a dd ddaL dd ddd 5504 63315 31563 2 14 3 5502 2 1622 212mm 根据 选取基准长度Ld 1600mm见式 3 8 机械设计手册 3 8 mm513 2 1600212 1622 500 2 0 dd LL aa 这里还需要考虑补偿预紧力所以 mm561160003 0 51303 0 mm4891600015 0 513015 0 max min d d Laa Laa 5 验算主动轮上的包角 根据对包角的要求见式 3 9 3 9 120152 5 57 513 63315 180 90 120 5 57180 1 12 1 至少 a dd dd 包角满足要求 6 确定带的根数 计算带的根数见式 3 10 3 10 L ca KKP P z 0 式中 K 为包角系数 KL 为长度系数 P0 为单根V带的基本额定功率 根据 K 取0 92 KL 1 16 P0 0 68 机械设计手册 44 4 16 1 92 0 68 0 22 3 z 取z 5根 哈尔滨理工大学学士学位论文 17 7 确定带的预紧力 计算带的预紧力见式 3 11 3 11 1 5 2 500 9 0 2 0 mv Kzv P F ca 式中 m为V带单位长度质量 v为带速 z为带的根数 K 为包角系数 Pca为计算功率 查手册得m取0 07kg m N215 32 2 07 0 1 92 0 5 2 32 2 5 22 3 500 9 0 2 0 F 8 计算传动作用在轴上的力 计算传动作用在轴上的力见式 3 12 3 12 2 sin2 1 0 zFFP 式中 z为带的根数 F0为单根带的预紧力 为主动轮上的包角 1 N1999 2 152 sin21552 P F 3 3 2 V 带轮的设计带轮的设计 由上节V带轮的转速以及功率 可得出轮采用材料为 HT150铸造 先设计小V带轮 发动机带动小V带轮转动 从而带动皮带转动 皮 带将运动传递给大带轮 带动大带轮转动 这里先设计小V带轮 然后再 设计大V带轮 1 小带轮设计计算 因为内孔与外空的距离很小 查手册 直径且小于160mm 所以小带 轮采用的结构形式为实心式 因为小带轮基准直径dd 2 5d 结构形式如 图3 5所示 图3 5 小带轮结构 小带轮的结构参数如表3 4 哈尔滨理工大学学士学位论文 18 表 3 4 小带轮结构参数 参数数值 mm 计算公式 D32 d158d1 1 8 2 d Dd63 Da67 B64B 2f 4e L83L 1 5 2 d 36 式中 f 为第一槽对称面至端面距离 e 为槽间距 2 大带轮设计 大带轮采用的结构形式是 孔板式 轮槽工作面不能有砂眼 气孔 各轮槽间距的累积误差不得超过 0 8 结构形式如图3 5所示 图3 6 大带轮结构 大带轮的结构参数如表3 5 表3 5 大带轮结构参数 参数数值 mm 计算公式 D45 d190d1 1 8 2 d Dd315 Da319 B64B 2f 4e L64B 1 5d时 L B C11 1 7 1 4 B D1259 D0174 5D0 0 5 D1 d1 d050d0 0 2 0 3 D1 d1 36 式中 f 为第一槽对称面至端面距离 e 为槽间距 哈尔滨理工大学学士学位论文 19 3 3 3 皮带张紧装置的选择皮带张紧装置的选择 因为V带弹性很低且容易变形 运转一段时间后 在预紧力的作用下 就会产生塑性变形使V带松弛 这样预紧力降低 使传动效率降低 所以 需要一种装置 使皮带始终能处于一定的状态 这样的工作效率就会变得 很高 这种装置就是张紧装置如图3 7 图 3 7 摆架式张紧装置 常见的张紧装置的装置 有定式 自动式或者是采用张紧轮 在大型H钢的翻转提升设备采用摆架式张紧的装置 如图3 7 只要调 整电动机下方的螺母就能调节带的预紧力 3 4 轴的结构设计与校核轴的结构设计与校核 3 4 1 轴的设计计算轴的设计计算 系统中有一根 一根滑轮轴 一根 现在只对主动 主动轴空场链轮轴 轴进行计算 1 线求轴的输出功率 P轴 轴的转速 n 和轴的转矩 T 链条的传动效率 取 0 98 则 P轴 1 9992 0 98 2 04kW min r141 5 705 i n n 电 mN138 141 04 2 95509550 n p T 轴 2 初步确定轴的最小直径 选取轴的材料为 45 钢 根据 取 A0 112 计算 dmin 机械设计手册 见式 3 13 哈尔滨理工大学学士学位论文 20 3 13 mm27 141 04 2 1123 3 0min n P Ad 轴 轴的最小直径处为安装链轮处 此处有一个键槽 轴径应放大 6 即 取 mm62 2806 127 min dmm36 min d 3 轴的结构设计 1 拟定轴上零件的装配方案 装配方案如图 3 8 2 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径与长度 为了确保链轮的 处设有螺纹 处设轴肩 与 之间 轴向定位 的长度设定为 70mm 与 之间的长度为 50mm 因为轴承承受作用 滚动轴承选择深沟球轴承 参照工作要求 径向力 由 与 的距离为 50mm 选择轴承型号为 6410 该型号尺寸为 50 110 31 由于 与 处有端盖又因为厚度的原因 就取其长度为 51mm 设轴肩 与 的长度为 55mm 与 的长度为 550mm 与 之间的长度为 50mm 考虑这有安装有端盖 皮带轮以及轴承 所以取 与 之间的长度为 30mm 与 的长度 100mm 处设螺纹 与 M42 之间的长度为 50mm 轴的倒45 为 两个角取半径R2 图 3 8 主动轴的结构 带轮 链轮的周向定位 选择平键联接 查手册的 带轮 链轮与 轴的配合 H7 r6 轴的尺寸公差为 m6 4 分析轴的载荷分布与弯扭校核强度 1 由图 3 9 可以分析载荷分布 a a 处的载荷 哈尔滨理工大学学士学位论文 21 b b 处的载荷 c c 处的载荷 d d 处的载荷 图 3 9 轴的载荷分布 由上图看出 B 处在和最大 现在通过对 B 截面进行载荷计算如表 3 5 表 3 5 截面 B 处的载荷计算 载荷水平面 H垂直面 V 支反力FNH1 21608N FNH2 2409N FNV1 22435N FNV2 2565N 弯矩 MMH 1385NmMV 1475Nm 总弯矩 Nm202314751385 22 M 扭矩 TT 138Nm 2 按弯扭合成应力校核轴的强度 现只校核轴的危险截面 B 处的强度见式 3 14 3 14 p TM d 1 22 3 68 21 式中 d 为轴直径 M 为轴受的弯矩 T 为轴受的扭矩 为校正系数 双向旋转 取 1 1p 为轴许用的弯曲应力 查手册 查表得 1p 207MPa mm50mm 4 46 207 1382023 68 21 22 3 d 危险截面B处轴的强度满足要求 3 4 2 滚动轴承的校核滚动轴承的校核 计算额定动载荷与基本额定动载荷的大小见式 3 15 3 15 r Tn dmh CP ff fff C 式中 h f n f 为速度 C为基本额定动载荷 P为当量动载荷 为寿命因数 因数 ft为温度因数 fm为力矩载荷因数fm 1 5 2 fd为冲击载荷因数 哈尔滨理工大学学士学位论文 22 Cr 为轴承径向基本额定动载荷 因为轴承只承受径向力作用 所以取 P 和 Fr 都是 25KN 查手册得 fh 取 1 26 fn取 0 62 fd 取 1 2 ft取 1 0 KN 5 9125 162 0 2 15 126 1 C 查手册 Cr 取 92 2KN 所以 C Cr 选择型号 6410 符合要求 3 4 3 键的校核键的校核 轴上有两个键 链轮处的键所受力最大 故对此处进行校核 1 挤压强度校核 计算挤压校核见式 3 16 3 16 2 pp kld T 式中 T 为传递的转矩 k 为与轮毂键槽的接触高度 k 0 5h 0 5 8 4mm l 为的工作长度 圆头平键 l L b 28 10 18mm d 为轴直径 p 键连接的 许用挤压应力 MPa5 106 36184 101382 3 p 查手册 在有冲击载荷的情况下 p应小于120MPa 所以满足要求 2 键的剪切强度校核 计算键的剪切强度校核见式 3 17 3 17 p dbl T 2 式中 圆头平键l T为递的转矩 d为的直径 b为的宽度 l为的工作长度 是L和b相减为28 10 18mm MPa 6 42 181036 101382 3 查手册和表 有冲击载荷时 p 90MPa p 故满足要求 3 5 本章小结本章小结 本章主要对翻转和提升机构做出了具体设计 对传动系统 轴 链条 进行了设计与计算 并且也考虑到链条的润滑问题 小带轮采用实心形式 大带轮采用孔板式 为了解决 V 带变松的问题选择摆驾式张紧装置 同时 也对轴和键进行了校核 哈尔滨理工大学学士学位论文 23 第第 4 章章 翻转提升机构的液压与电气的系统设计翻转提升机构的液压与电气的系统设计 4 1 机构液压系统的设计机构液压系统的设计 4 1 1 液压缸的设计及计算液压缸的设计及计算 液压传动系统有很多优点 例如 体积小 质量轻容易实现自动化通 用化等 广泛用于工业领域 当前朝着与计算机 微电子技术的结合 实 现高集成化 低噪音的方向发展 液压传动通过液体压力能转换为机械能 从而驱动工作 实现直线往 复运动或者是摆动 液压缸的分类有很多种下面将其进行分类如表 4 1 这样能更好的对 其进行分析选择 表 4 1 液压缸分类及工作特点 液压缸分类液压缸的下级分类 工作特点 单活塞杆式单向液压驱动 返回行程是利用自重或负载将 活塞推回 栓塞式 适于做长行程液压缸 只能实现一个方向的运 动 柱塞回程要靠其它外力或柱塞的自重 必须 有足够的刚度 单作用 伸缩式 以短缸获得行程 用压力油从小到大逐节排出 靠外力由大到小 逐节缩回 单活塞杆式 单边有活塞杆 双向液压驱动 两向推力和速 度不等 双活塞杆式 双边有活塞杆 双向驱动 可实现等速往复运 动 双作用 伸缩式 活塞伸出的顺序式从大到小 空载缩回的顺序相 反 弹簧复位式单向液压驱动 由弹簧里复位 串联式 用于缸的直径受限制 而长度不受限制处 可 获得大得推力 增压式 大小油缸串联组成 由低压大缸驱动 使小刚 获得高压 组合式 齿条传动式 活塞往复运动 经齿条传动使与之啮合的齿轮 获得双向回转运动 哈尔滨理工大学学士学位论文 24 根基工作特点分析初步选择双作用单活塞杆液压缸 液压缸的结构形 式如图 4 1 接下来需要计算出缸筒的内径 图 4 1 液压缸结构形式 原始数据 H 钢重 10t 翻转架重 2t 单个的液压缸所承受的载荷为 10 2 2 4 1 75 t 查手册 择液压 行程L 800mm提升速度0 08m s 缸的工作压力为 2 5Mpa 1 计算液压缸的牵引力 F 计算液压缸的牵引力 F 见式 4 1 F F压 F密 F惯 F背 4 1 一般取 F密 0 01 0 1 F压 F密 0 1 17500 1750N F惯见式 4 2 F惯 4 2 tg vG 式中 G 为总重力 为度变化量 为间变化量 g 为力加速度 vt 取 0 01 0 5 秒 t F惯 1429N 1 08 9 08 0 17500 F背 0 F 17500 1750 1429 0 20679N 2 计算液压缸内径 活塞直径 计算液压缸内径见式 4 3 D 0 105m 105mm 4 3 PF 4 6 105 214 3 206794 查手册 D 为 125mm 3 活塞杆直径 在受压时 P 5MP 情况下 d 取 0 5 0 55 D d 125 0 5 62 5mm 查手册 d 63mm 4 缸筒长度 L 以及其它部位尺寸 缸筒长度 L 以及其它部位尺寸如图 4 2 哈尔滨理工大学学士学位论文 25 图 4 2 液压缸结构 最小导向长度 H 102 5mm 20 L 2 D 20 800 2 125 取 H 103mm 活塞宽度 B 0 6 1 0 D 取 B 0 8 125 100mm 导向套滑动面长度 A 当 D 80mm 时 A 0 6 1 0 d 取 A 0 6 62 5 37 5mm 隔套 C H 0 5 A B 103 0 5 100 37 5 34 25 mm 取 C 35mm 5 缸筒壁厚及其验算 1 查手册选取缸筒外径为 146mm 146 125 10 1mm 2 1 2 壁厚校核 0 081mm D 125 110 0 08 0 3 可用下列公式校核见式 4 4 D 4 4 max max 3 3 2P DP 式中 Pmax 1 5 2 5 3 75Mpa Pmax为最高工作压力 为许用应力 b n 一般取 3 5 5 为拉强度 安全系数 缸筒材料选为 35 号缸 b 540MPa n 取 4 540 4 135MPa 0 0017m 1 7mm max max 3 3 2P DP 75 3 31353 2 125 075 3 1 7mm 壁厚强度合格 哈尔滨理工大学学士学位论文 26 6 缸底 缸盖设计及计算 1 缸底采用焊接方式 如图 4 3 图 4 3 缸底连接方式 1 0 433D2 4 5 p 式中 D2为计算厚度处直径 取 D2 105mm 1 0 433 105 6 2mm 135 5 2 焊缝应力计算见式 4 6 MPa 4 6 n dD F b 6 2 1 2 1 10 4 式中 F 为缸内最大推力 D1为缸筒外径 d1为焊缝直径 为焊接效率 取 0 7 b为焊条材料的抗拉强度 n 为安全系数 取 n 4 13MPa 6 22 10 7 0136 0146 0 4 14 3 20143 MPa 135 n b 焊接强度可靠 2 缸盖采用外螺纹连接 如图4 4 图4 4 缸盖连接方式 螺纹处拉应力见式 4 7 N mm2 6 22 1 10 4 Dd KF 4 7 哈尔滨理工大学学士学位论文 27 螺纹处剪应力见式 4 8 N mm2 4 8 6 33 1 01 10 2 0 Dd KFdK 式中 K为螺纹系数 F为最大推力 D为内径 d0为纹外径 d1为纹底径 一般取1 25 1 5 选择K1 0 12 K1为纹摩擦因数一般取0 07 0 2 螺纹使用M140 4普通螺纹 查手册d1 135 670mm 12 45N mm2 22 12567 135 4 14 3 2014335 1 4 2 N mm2 33 12567 1352 0 1402014335 1 12 0 合成应力 n 14 42 N mm2 2222 2 4345 123 许用应力见式 4 9 p 4 9 0 n s 式中 s 为缸筒材料的屈服极限 35 缸为 320MPa n0为安全系数 取 n0 1 2 2 5 p 320 2 160MPa p n 螺纹强度满足要求 4 1 2 液压系统的原理及元件选择液压系统的原理及元件选择 1 液压系统的原理图 系统设计时共有 15 个液压缸 有 3 个液压缸作用是制动 其他分三组 翻转机构 每次由两组完成工作 由两位两通换向阀来完成翻转提升液压 缸的选择 液压系统