四杆中频数控淬火机床的设计制造毕业论文.doc

目 录 前言 1 1 绪论 2 1 1 淬火机床国内外发展状况 2 1 2 四杆中频数控淬火机概述 2 2 四杆中频淬火机床总体设计 4 2 1 机床动作流程 4 2 2 斜辊传输 4 2 3 工件进给过程 4 2 4 中频淬火过程 4 2 5 机床电气 水循环和气动系统 5 3上料传送装置的设计 5 3 1上料传送装置料架的设计 5 3 2 选取电动机 10 3 3 选取减速器 10 3 4 链轮的设计 11 3 5 轴的设计 27 3 6 滚动轴承的设计 34 3 7 V型滚的设计 36 4 结论 41 四杆中频数控淬火机床总体及上料机构设计 2 致谢 42 参考文献 43 附录 A 译文 45 附 录 B 外文文献 摘要 通过这项研制工作改变了过去同类设备大多依赖进口的局面 可节约大量的购置资金和 维修费用 对提高国内抽油杆感应淬火水平具有很大意义 抽油杆是连接抽油机和抽油泵的传动装置 通过往复运动抽取石油 由于抽油杆自重 作用 上部抽油杆承受拉 拉循环载荷 引起表面裂痕扩展 导致疲劳断裂 从文献可知 材料通过热处理可提高疲劳寿命和强度 对于抽油杆 表面的残余压应力与疲劳寿命有 关 针对抽油杆的结构特点及热处理工艺的特殊性 研制了 ZZJS 四杆中频淬火机床 实 践证明 它具有如下优点 工件淬硬区层深和硬度分布均匀 淬火变形小 油孔开裂倾向小 能 大大减少微裂纹的产生 淬火过程中抽油杆弯曲变形较小 目前 四杆中频淬火机床在山 东滨州石油机械公司投入使用 已生产出合格产品 符合美国石油协会 API 标准 使用效果 良好 关键词 热处理设备 淬火机床 抽油杆 淬火过程 Abstract Changed the past similar equipment through this development work mostly to rely on the import the aspect May save the massive purchase fund and the maintenance cost To raises the domestic oil extraction rod induction hardening level to have the very big significance The oil extraction rod is connects the pumping unit and the oil pump transmission device Through reciprocal motion extraction petroleum As a result of oil extraction rod dead weight function Upside oil extraction rod withstanding pulls pulls the cyclic load Causes the surface crack expansion Causes the endurance failure May know from the literature The material may enhance the fatigue life and the intensity through the heat treatment May know from the literature The material may enhance the fatigue life and the intensity through the heat treatment In view of oil extraction rod unique feature and heat treatment craft particularity Has developed the ZZJS four pole intermediate frequency quenching engine bed The practice proved It has the following merit The work piece hard area level depth and degree of hardness distribution are even Quenching distorts slightly The oil hole dehiscence favors slightly Can reduce the micro crack greatly the production In the quenching process the oil extraction rod bending strain is small The product conforms to the American Petroleum Association API standard Key words Thermal treatment equipment Quench machine tools The oil extraction rod The quenching process 四杆中频数控淬火机床总体及上料机构设计 4 前言 目前 我国对数控淬火机床的需求在日益增加 数控淬火机床的性能也日趋完善 自动 化程度和生产率大大提高 从而取代了人的大部分体力劳动和脑力劳动 但同时也就使得数 控淬火机床在更高层次上依赖于人 从而构成技术密集型的人机系统 对于数控淬火机床来 说 人的主要工作不只是体力劳动 而且还包含了一定程度的脑力劳动 随着数控淬火机床 的发展 脑力劳动的负荷越来越大 对操作者的知识技能水平的要求也就更高了 但是 对 于操作者来说 体力劳动是依然存在的 这时人的主要体力作业集中在加工前的准备工作和 加工后的一些后续工作 从数控淬火机床的设计 制造 使用过程表明 数控淬火机床的工 作质量不但取决于机器本身的性能和质量 还取决于操作的劳动者 而操作者的劳动质量在 很大程度上又取决于该系统中人机系统的功能质量 人是生产的主体 满足了人的基本安全 需要 使人心情舒畅 才可能充分发挥人的主观能动性 调动人的积极态度 它对提高生产 效率有着重要的意义 1 绪论 1 1 淬火机床的国内外发展状况 1 感应淬火机床在国内普遍采用液压传动机构 也有的采用机械传动机构 机械传动机构 采用普通丝杆和齿轮传动结构进行传动 这些淬火机床传动速度不稳定 传动定位精度低 目 前 对感应热处理要求的提高 对淬火机床传动系统的要求也相应提高 液压系统传动的淬火机 床已逐步被淘汰 取而代之的淬火机床将采用变频调速电机 步进电机或伺服电机 通过滚珠丝 杆传动 这种淬火机床移动速度均匀 精确 托架重复定位精度高 可达 0 03mm 或 0 001mm 转台定位精度高 达到 0 01mm 若再采用步进链传动 托盘送料 机械手或机器人 送料及对感应淬火零件装卸料 就成为全自动化的专用机床 淬火变压器与感应器 X 轴向 上 下 移动应用微型计算机进行编程 Z 轴向 前后 移动同样也可进行编程 机床运行完全按照 计算机程序运行 是高度自动化的感应加热设备 2 感应加热淬火机床的控制 现在普遍采用 PLC 与 NC 控制 完全应用继电器进行控制的 淬火机床已逐步被淘汰 使用计算机进行控制的自动淬火机床也越来越普遍 淬火机床的工 作状态通常被显示在显示屏上 同时能自动进行故障报警或故障诊断 3 感应加热过程的能量监控系统和工件加热温度的监控精度大大提高 其重现性达 0 1 最近发展了感应器监控仪直接测量感应器上的输入能量 kW S 以取代设备的能量监控 4 在感应加热淬火过程应用脉动加热式能量分配器 进行曲轴连杆颈淬火时 给上死点和 下死点分配不同能量达到加热温度均匀的目的 5 在感应热处理过程中 感应电源根据振荡因素及时显示感应器阻抗值的变化 根据阻抗 值的变化及时调节电源振荡状态 保证零件感应加热在相对理想的状态下进行 AEC Elotherm 曲轴淬火机床有此装置 用以显示感应器阻抗 能显示数值变化 6 淬火机床附带测量及显示仪表 测量显示工件的淬火过程 在对滚珠丝杆感应淬火时 淬火机床能自动测量伸长量 如果伸长超差 淬火机床能自动降低功率以减少滚珠丝杆感应淬火 的伸长量 并在淬火过程中自动记录相关数据 感应淬火机床能够在曲轴淬火过程中应用安装 的曲轴弯曲变形测量仪测定曲轴的淬火弯曲量 并调整其参数对曲轴淬火弯曲情况进行修正 淬火机床附带的液体流量监控仪可直接显示淬火液的流量 能有效地监控淬火件质量 水电导 值指示器可以监控软水的质量 7 油烟吸抽 新型淬火机床上直接安装抽风设备 吸抽工件加热时产生的油烟 8 多轴化 为了适应小件提高产量 通用淬火机床出现多轴化 如 Welduction 公司最 四杆中频数控淬火机床总体及上料机构设计 6 近推出 2 轴 4 轴淬火机床 同时可处理多种 0 508m 20in 长以内 重 9 08kg 以下的工件 9 功能复合化与柔性化 在一台淬火机床进行淬火 随后用较低功率进行回火 二工序 在一台淬火机床上完成 英国 Etchells 机械制造有限责任公司生产的全自动抽油杆生产线 可生产符合 A P I 标准的 5 8 3 4 7 8 和 1 的抽油杆 长度可以是 25 30 米长 实现了包括锻 造 感应加热等一整套工序的集成 全自动生产 BJ 型轴类淬火机能自动编 14 种程序 自 动识别进机零件 Roborton Elotherm 最近推出了双主轴立式淬火机床 在一个紧凑的工艺单 元内进行工件的淬火与回火 能处理轮轴 三槽套及其他万向节件 转换工件只需 2 5min 用计算机编程 根据工件号在 2min 内调出有关工艺数据 10 一机多工位或一个电源带多台机床 摩擦片双工位淬火机床是高频自动切换的 摩 托车曲柄有三个淬火部位 电气兴业公司的产品是一个电源带三台淬火机床 国内产品是一 个超音频电源带一台具有三个淬火变压器的回转工作台淬火机 节省了占地面积与装卸工序 11 机电一体化的紧凑式淬火装置 以单个电源 淬火机床 附属装置组成成套装置在 我国是在 20 世纪 70 年代中期开始的 工业发达国家现在发展的是将电源与淬火机构组合在 一起的淬火机床 Inductoheat Co 公司的轮毂淬火机床 Welduction 的通用淬火机等均属此范畴 12 冷却水及淬火液循环装置 由于采用换热器降温 设备冷却水及淬火液槽容量普遍 减小 冷却水槽容量在 0 5 1 0或更小 淬火液槽亦相似 完善的淬火液槽内有磁性吸铁 3 m 屑装置及油分离器 对使用聚合物淬火液更为有利 1 2 四杆中频数控淬火机床概述 四杆中频淬火机床是对抽油杆 包括空心杆 进行淬火的专用设备 具有结构合理 性 能稳定 工效高 易于操作等特点 机床主要由上料装置 下料装置 中频淬火装置 冷却系统以及气动装置和控制装置组成 淬火过 程全部采用斜辊道进给 使工件边前进边旋转 保证加热温度均匀 在驱动装置的带动下 斜辊 输送抽油杆完成全部运动 上料与下料均有自动装置 可减轻工人劳动强度提高劳动生产率 此 自动装置由限位开关 气动装置及其控制以及机械部分组成 冷却水套采用均匀多孔喷口 使工作冷却速度快且硬度均匀 此系统是独立封闭式 前后斜辊道采用链式传动 分别由两 台调速电机驱动 保证整条传动线作匀速前进 电气控制是由中频电源柜 电气控制柜组成 用以完成整机动作的控制 2 四杆中频淬火机床总体设计 机械系统总体设计根据机器要求进行功能设计研究 总体设计包括确定工作部分的运动 和阻力 选择原动机的种类和功率 选择传动系统 机械系统的运动和动力计算 确定各级 传动比和各轴的转速 转矩和功率 总体设计时要考虑到机械的操作 维修 安装 外廓尺 寸等要求 确定机械系统各主要部件之间的相对位置关系及相对运动关系 人 机 环境之 间的合理关系 总体设计对机械系统的制造和使用都有很大的影响 为此 常需作出几个方 案加以分析 比较 通过优化求解得出最佳方案 机床主要由上料装置 下料装置 中频淬火装置 冷却系统以及气动装置和控制装置组 成 2 1 机床动作流程 工件从上料架 感应开关 翻料器 至上料装置的斜辊上 进给 中频淬火装置 冷却 水套 继续进给 至下料装置的斜辊上 碰撞到限位开关 翻料器 至下料架 2 2 斜辊传输 本机床采用斜辊传输 使工件边前进边旋转 保证加热温度均匀 工件的进给速度应满 足机床的额定工作效率 因此 在设计中必须保证工件的进给速度和自身旋转速度参数应与 中频淬火装置的各设计参数相匹配 工件的进给速度和自身旋转速度主要取决于斜辊的旋转 速度和工件与斜辊的切点位置 对于同一型号的工件 切点位置不同 其水平与竖直方向的 受力就不同 从而工件的进给速度和自身旋转速度就随之变化 因此 在设计中准确计算并把 握切点的位置至关重要 在本机床中 将斜辊轴与工件进给方向调为 60 度 满足所需工件的 进给速度和自身旋转速度的要求 2 3 工件进给过程 淬火机床在工件进给过程中 采用左右对称式 即以床身纵轴为对称轴 左右各安排两 杆进给 两杆一前一后错开进给 保证上下料及其它装置可同时满足两通道使用要求 2 4 中频淬火过程 抽油杆采用连续加热 喷水淬火的方式 为使抽油杆达到技术要求 很大程度上取决于 四杆中频数控淬火机床总体及上料机构设计 8 感应器的结构设计与制造 感应器的设计一般应考虑 1 使被加热零件的表面温度均匀 2 感应器损耗小 电效率高 这与感应器内面与工件的间隙有关 3 感应器冷却良好 感应器通过较大的中频电流所引起的发热量 必须用冷却水带走 4 感应器制造简单 操作方便 2 5 机床电气 水循环和气动系统 1 数控系统及配套电源 数控系统以可编程控制器 PLC 为核心 具有丰富故障诊断功能及过流 欠压 过热和 短路等各种保护功能 在抗电磁干扰方面采取了一系列有效措施 显示器汉字显示工况及报警 信息内容 系统配有合理的控制程序 操作方便 并可根据需要随时编程或修改工艺参数 以满 足不同类型抽油杆感应热处理机床配套使用可控硅中频电源 功率 250kW 频率 8kHz 2 水循环系统 机床水路分冷却水和淬火介质两路 冷却水路实现对电源 变压器 电容器和感应器的冷 却 淬火水路为工件加热提供淬火介质 两大水路均采用全封闭循环冷却方式 冷却水与淬火介 质分别与工厂供给的外循环硬水通过板式换热器进行换热冷却 并具有压力 温度检测功能 保 证水温恒定及水质稳定 为生产线调试淬火工艺提供可靠保证 3 气动系统 为了提高生产效率 减轻生产人员的劳动强度 机床上下料装置采用汽缸带动连杠实现上 下料动作 实现了上下料的全自动控制 3 上料传送装置的设计 3 1 上料传送装置料架的设计 为了提高生产效率 减轻生产人员的劳动强度 机床上下料装置采用汽缸带动连杠实现 上下料动作 实现了上下料的全自动控制 3 1 1 上料机构的动作步骤 如图 3 1 所示 图 3 1 上料机构 Fig 3 1 mechanical body for bringing works 四杆中频数控淬火机床总体及上料机构设计 10 图 3 2 摆臂机构 Fig 3 2 mechanical body for Swinging 动作 1 用机械手将抽油杆整齐的平铺在平面 1 上 使一根抽油杆滑落斜面 2 上 动作 2 控制系统将动作指令发给上料机构主汽缸 主汽缸活塞杆伸长 带动连杆旋转 通过固定在转轴上的四个翻料器将一根抽油杆翻过小挡板到斜面 3 上 抽油杆在重力作用下 沿斜面滑落到里面斜辊上 动作 3 控制系统发送脉冲给上料机构辅汽缸 汽缸活塞杆伸长带动连杆动作将摆臂支 起 如图 3 2 所示 动作 4 重复动作 1 抽油杆沿斜面 3 滑落到外面斜辊上 即此完成单面双辊道的上料操 作 对面亦然 由于上料运动的分时性 四杆分时上料 但结构上的对称性可保证两杆同时 上料 3 1 2 上料机构的动作原理 基于以上动作要求 上料机构采用汽缸连杆机构 主汽缸选用 SC80 75 CA 活塞直径 80mm 行程 75mm 如图 3 3 图 3 4 所示 当主汽缸活塞杆处于初始状态时 翻料器处 于水平状态 当主汽缸活塞杆处于最大行程时 翻料器与初始位置成 30 夹角 图 3 3 主汽缸活塞杆处于初始状态 图 3 4 主汽缸活塞杆处于极限状态 Fig 3 3 The cylinder piston rod in the initial state Fig 3 3 The cylinder piston rod in the Limit state 辅汽缸选用汽缸 SC80 150 CA 活塞直径 80mm 行程 150mm 如图 3 5 图 3 6 所 示 当主汽缸活塞杆处于初始状态时 翻料器处于水平线成 8 13 当主汽缸活塞杆处于最大 行程时 翻料器与初始位置成 22 夹角 图 3 5 辅汽缸活塞杆处于初始状态 图 3 6 辅汽缸活塞杆处于极限状态 Fig 3 5 Auxiliary cylinder piston rod in the initial state Fig 3 6 Auxiliary cylinder piston rod in the initial state 四杆中频数控淬火机床总体及上料机构设计 12 3 2 选取电动机选取电动机 3 2 1 选择电动机系列 按工作要求及工作条件选用三相异步电动机 封闭式结构 电压 380V Y 系列 3 2 2 选择电动机功率 V 型滚所需功率 2000 0 82 1 64 10001000 w Fv pkw 传动装置总效率 AAA 承减速器链滚 其中 减速器效率 0 75 链轮 链轮效率 0 96 链轮 轴承效率 0 99 轴承 V 型滚效率 0 95 V型滚 则传动总效率 0 67720 75 0 96 0 99 0 95 所需电动机功率 3 1 64 2 422 0 6772 w r P Pkw 1 查手册 可选 Y 系列三相异步电动机 Y100L2 4 型 额定功率 转速 0 3PkW 1420 minnr 3 3 选取减速器 3 3 1 选择减速器的功率 依据电动机额定功率 选用减速器的额定功率为 0 3PkW 3PkW 减 3 3 2 选择减速器的传动比 依据电动机输出转速 V 型滚轴的转速 得1420 minnr 10 1 minnr 3 1420 140 594 10 1 n i n 电 轴 四杆中频数控淬火机床总体及上料机构设计 14 2 通过查取减速器的型号 选用减速器的传动比为 152 较为接近 其差值由设计链轮时 的传动比进行调整 查手册 选用摆线针轮减速器 型号 XWED 3 0 74 187 其中减速器代号意义如下 摆线针轮代号 B 表示 B 系列标准 X 表示 X 系列标准 安装型式 W 表示卧式 L 表示立式 D 表示电机直连 E 表示两级减速 S 表示三级减 速 F 表示法兰卧式 X 系列型式有 XW XWD XL XLD XWE XWED XLE XLED XWS XWSD XLS XLSD 3 4 链轮的设计 3 4 1 链传动的特点和类型 链传动由装在平行轴上的链轮和跨绕在两链轮上的环形链条所组成 图 3 7 以链条作 中间挠性件 靠链条与链轮轮齿的啮合来传递运动和动力 链传动结构简单 耐用 维护容易 运用于中心距较大的场合 与带传动相比 链传动能保持准确的平均传动比 没有弹性滑动和打滑 需要的张紧力 小 能在温度较高 有油污等恶劣环境条件下工作 与齿轮传动相比 链传动的制造和安装精度要求较低 成本低廉 能实现远距离传动 但瞬时速度不均匀 瞬时传动比不恒定 传动中有一定的冲击和噪音 链传动的传动比 i 8 中心距 a 5 6m 传递功率 P 100kW 圆周速度 v 15m s 传 动效率 0 92 0 96 链传动广泛用于矿山机械 农业机械 石油机械 机床及摩托车中 按照链条的结构不同 传递动力用的链条主要有滚子链和齿形链两种 图 3 8 其中齿 形链结构复杂 价格较高 因此其应用不如滚子链广泛 图 3 7 链传动 Fig 3 7 Transmission by chain 图 3 8 传动链的类型 Fig 3 8 The typies of transmission by chain 1 内链板 2 外链板 3 销轴 4 套筒 5 滚子 1 Internal chain plates 2 External chain plates 3 pin 4 Sleeve 5 roller 1 滚子链传动的结构与选择 滚子链的结构如图 3 8a 所示 其内链板 1 和套筒 4 外链板 2 和销轴 3 分别用过盈配合 固联在一起 分别称为内 外链节 内 外链节构成铰链 滚子与套筒 套筒与销轴均为间 隙配合 当链条啮入和啮出时 内 外链节作相对转动 同时 滚子沿链轮轮齿滚动 可减 少链条与轮齿的磨损 为减轻链条的重量并使链板各横剖面的抗拉强度大致相等 内 外链板均制成 字 形 组成链条的各零件 由碳钢或合金钢制成 并进行热处理 以提高强度和耐磨性 滚子链相邻两滚子中心的距离称为链节距 用 p 表示 它是链条的主要参数 节距 p 越 大 链条各零件的尺寸越大 所能承受的载荷越大 滚子链可制成单排链和多排链 如双排链或三排链 排数越多 承载能力越大 由于制 造和装配精度 会使各排链受力不均匀 故一般不超过 3 排 滚子链已标准化 分为 A B 两个系列 常用的是 A 系列 表 3 1 列出了几种 A 系列滚 子链的主要参数 设计时 要根据载荷大小及工作条件等选用适当的链条型号 确定链传动 的几何尺寸及链轮的结构尺寸 四杆中频数控淬火机床总体及上料机构设计 16 表 3 1 A 系列滚子链的主要参数 Table 3 1 major parameter of roller chain A 链号 节距 p mm 排距 p1mm 滚子外径 d1mm 极限载荷 Q 单排 N 每米长质量 q 单排 kg m 08A12 7014 387 95138000 60 10A15 87518 1110 16218001 00 12A19 0522 7811 91211001 50 16A25 4029 2915 88556002 60 20A31 7535 7619 05867003 80 24A38 1045 4422 231246005 60 28A44 4548 8725 401690007 50 32A50 8058 5528 5822240010 10 40A63 5071 5539 6834700016 10 48A76 2087 8347 6350040022 60 滚子链的长度以链节数 Lp表示 链节数 Lp最好取偶数 以便链条联成环形时正好是内 外链板相接 接头处可用开口销或弹簧夹锁紧 图 3 9 若链节数为奇数时 则需采用过渡 链节 图 3 10 过渡链节的链板需单独制造 另外当链条受拉时 过渡链节还要承受附加 的弯曲载荷 使强度降低 通常应尽量避免 图 3 9 偶数链的链节过渡 图 3 10 奇数链的过渡链节 Fig 3 8 even numbers chain Fig 3 8 odd numbers chain 2 齿形链 齿形传动链是由一组齿形链板并列铰接而成 图 3 11 工作时 通过链片侧面的两直 边与链轮轮齿相啮合 齿形链具有传动平稳 噪音小 承受冲击性能好 工作可靠等优点 但结构复杂 重量较大 价格较高 齿形链多用于高速 链速 v 可达 40m s 或运动精度要 求较高的传动 图 3 11 齿形链 Fig 3 11 chain of gear shape 3 4 2 链传动的受力分析 链传动工作时 紧边和松边的拉力不相等 若不考虑动载荷 则紧边所受的拉力 F1为工 作拉力 F 离心拉力 Fc和悬垂拉力 Fy之和 图 3 12 3 3 yc FFFF 1 松边拉力为 3 yc FFF 2 4 图 3 12 作用在链上的力 Fig 3 12 The force on the chain 工作拉力为 N 3 5 v P F 1000 式中 P 为链传动传递的功率 KW v 为链速 m s 离心拉力为 四杆中频数控淬火机床总体及上料机构设计 18 N 3 6 2 qvFc 式中 q 为每米链的质量 kg m 见表 3 1 悬垂拉力为 N 3 7 qgaKF yy 式中 a 为链传动的中心距 m g 为重力加速度 g 9 81m s2 Ky为下垂度 y 0 02a 时 的垂度系数 Ky值与两链轮轴线所在平面与水平面的倾斜角 有关 垂直布置时 Ky 1 水平 布置时 Ky 7 对于倾斜布置的情况 30 时 Ky 6 60 时 Ky 4 75 时 Ky 2 5 链作用在轴上的压力 FQ可近似取为 3 FFQ 3 1 2 1 8 有冲击和振动时取大值 3 4 3 滚子链传动的设计 一 滚子链传动的失效形式 链传动的失效形式主要有以下几种 1 链板疲劳破坏 由于链条受变应力的作用 经过一定的循环次数后 链板会发生疲劳破坏 在正常润滑 条件下 疲劳强度是限定链传动承载能力的主要因素 2 滚子 套筒的冲击疲劳破坏 链节与链轮啮合时 滚子与链轮间会产生冲击 高速时冲击载荷较大 套筒与滚子表面 发生冲击疲劳破坏 3 销轴与套筒的胶合 当润滑不良或速度过高时 销轴与套筒的工作表面摩擦发热较大 而使两表面发生粘附 磨损 严重时则产生胶合 4 链条铰链磨损 链在工作过程中 销轴与套筒的工作表面会因相对滑动而磨损 导致链节的伸长 容易 引起跳齿和脱链 5 过载拉断 在低速 v7m s 而润滑又不当 时 则不宜用链传动 设计时 若实际选用参数与上述特定条件不同 则需要引入一系列相应的修正系数对图 中额定功率 P0进行修正 单排链传动的额定功率应按下式确定 3 9 PLZ A KKK PK P 0 式中 KA为工作情况系数 由表 3 2 确定 P0为单排链的额定功率 kW P 为链传动传递的功率 KW Kz为小链轮的齿数系数 由表 3 3 确定 当工作点落在图 3 14 的曲线顶点左侧时 属于 链板疲劳 查表中 Kz 当工作点落在图 3 14 的曲线右侧时 属于套筒 滚子冲击疲劳 查表中 K z KL为链长系数 图 3 16 图中曲线 1 为链板疲劳计算用 曲线 2 为套筒 滚子冲击疲 劳计算用 当失效形式无法预先估计时 取曲线中小值代入计算 Kp为多排链系数 表 3 4 表 3 2 工作情况系数 KA Table 3 2 working modulus KA 原动机 载荷性质 电动机或汽轮机内燃机 载荷平稳1 01 2 中等冲击1 31 4 较大冲击1 51 7 表 3 3 小链轮齿数系数Kz和 z K Table 3 3 small chain wheel gear modulus Kz and z K z1910111213141517 Kz0 4460 5000 5540 6090 6640 7190 775 0 831 0 887 z K0 3260 3820 4410 5020 5660 633 0 701 0 846 四杆中频数控淬火机床总体及上料机构设计 22 z11921232527293135 Kz1 001 111 231 341 461 581 701 93 z K 1 001 161 331 511 691 892 082 50 图 3 16 链长系数 Fig 3 14 The chain length s modulus 1 链板疲劳 2 滚子套筒冲击疲劳 表 3 4 多排链系数KP Table 3 4 most rows modulus KP 排数123456 KP11 72 53 34 04 6 3 4 4 滚子链传动参数的选择 1 链轮齿数 z1 z2 由链传动的运动特性得知 齿数越少 瞬时链速变化越大 而且链轮直径也较小 当传 递功率一定时 链和链轮轮齿的受力也会增加 为使传动平稳 小链轮齿数不宜过少 但如 齿数过多 又会造成链轮尺寸过大 而且 当链条磨损后 也容易从链轮上脱落 滚子链传 动的小链轮齿数 z1应根据链速 v 和传动比 i 由表 3 5 进行选取 然后按 z2 iz1 选取大链轮 的齿数 并控制 z2 120 表 3 5 小链轮齿数 Table 3 5 number of small chain wheel gear 链速 v m s 0 6 33 8 8 z1 15 17 19 21 23 25 因链节数常取偶数 故链轮齿数最好取奇数 以使磨损均匀 2 链的节距 p 链的节距 p 是决定链的工作能力 链及链轮尺寸的主要参数 正确选择 p 是链传动设计 时要解决的主要问题 链的节距越大 承载能力越高 但其运动不均匀性和冲击就越严重 因此 在满足传递功率的情况下 应尽可能选用较小的节距 高速重载时可选用小节距多排 链 3 传动比 i 传动比受链轮最小齿数和最大齿数的限制 且传动尺寸也不能过大 因此传动比一般不 大于 6 传动比过大时 小链轮上的包角 1将会太小 同时啮合的齿数也太少 将加速轮齿 的磨损 因此 通常要求包角 1不小于 120 4 中心距 a 和链节数 Lp 若链传动中心距过小 则小链轮上的包角也小 同时啮合的链轮齿数也减少 若中心距 过大 则易使链条抖动 一般可取中心距 a 30 50 p 最大中心距 amax 80p 链的长度以链节数 LP 节距 p 的倍数 来表示 与带传动相似 链节数 LP与中心距 a 之 间的关系为 3 10 a pzzzz p a Lp 22 2 1221 计算出的 Lp应圆整为整数 最好取为偶数 如已知 Lp时 也可由式 10 37 计算出实际中心距 a 即 3 11 2 12 2 2121 2 8 224 zzzz L zz L p a pp 为了便于链条的安装和调节链的张紧 通常中心距设计成可调的 若中心距不能调节而 又没有张紧装置时 应将计算的中心距减小 2 5mm 使链条有小的初垂度 以保持链传动的 张紧 3 4 5 低速链传动的设计 对于 v 0 6m s 的低速链传动 其失效形式主要是链条因过载被拉断 故应按抗拉静强度 条件进行计算 根据已知的传动条件 由图 10 26 初选链条型号 然后校核安全系数 S 3 12 S FK F S A Q 式中 S 为静强度计算的安全系数 四杆中频数控淬火机床总体及上料机构设计 24 FQ为链条的最低破坏载荷 由链号查表 3 1 KA为工作情况系数 由表 3 2 确定 S 为许用静强度安全系数 通常 S 4 8 3 4 6 链传动的布置和润滑 一 链传动的布置 在链传动中 两链轮的转动平面应在同一平面内 两轴线必须平行 最好成水平布置 图 3 17a 如需倾斜布置时 两链轮中心连线与水平线的夹角 应小于 45 图 3 17b 同 时链传动应使紧边 即主动边 在上 松边在下 以便链节和链轮轮齿可以顺利地进入和退 出啮合 如果松边在上 可能会因松边垂度过大而出现链条与轮齿的干扰 甚至会引起松边 与紧边的碰撞 图 3 17 链传动布置 Fig 3 17 fix up transmission chain 为防止链条垂度过大造成啮合不良和松边的颤动 需用张紧装置 如中心距可以调节时 可用调节中心距来控制张紧程度 如中心距不可调节时 可用张紧轮 张紧轮应安装在链条 松边靠近小链轮处 放在链条内 外侧均可 分别如图 10 29c d 所示 张紧轮可以是链轮 也可以是无齿的滚轮 其直径可比小链轮略小些 二 链传动的润滑 链传动良好的润滑将会减少磨损 缓和冲击 提高承载能力 延长使用寿命 因此链传 动应合理地确定润滑方式和润滑剂种类 常用的润滑方式有几种 1 人工定期润滑 用油壶或油刷给油 图 3 18a 每班注油一次 适用于链速 v 4m s 的不重要传动 2 滴油润滑 用油杯通过油管向松边的内 外链板间隙处滴油 用于链速 v 10m s 的 传动 图 3 18b 3 油浴润滑 链从密封的油池中通过 链条浸油深度以 6 12mm 为宜 适用于链速 v 6 12m s 的传动 图 3 18c 4 飞溅润滑 在密封容器中 用甩油盘将油甩起 经由壳体上的集油装置将油导流到链 上 甩油盘速度应大于 3m s 浸油深度一般为 12 15mm 图 3 18d 5 压力油循环润滑 用油泵将油喷到链上 喷口应设在链条进入啮合之处 适用于链速 v 8m s 的大功率传动 图 3 18e 链传动常用的润滑油有 L AN32 L AN46 L AN68 L AN100 等全损耗系统用油 温度低时 粘度宜低 功率大时 粘度宜 图 3 18 链传动润滑方法 Fig 3 18 The lubricated way of transmission chain 3 4 7 设计减速器与轴 的链传动 已知 减速器输出轴转速 n1 9 30r min 轴 n2 10 1r min 传递功率 P 3KW 两班制工 四杆中频数控淬火机床总体及上料机构设计 26 作 载荷平稳 并要求中心距 a 不大于 600mm 电动机可在滑轨上移动 解 1 选择链轮齿数 z1 z2 传动比 3 13 1 2 9 30 0 9208 10 1 n i n 按表 3 3 取小链轮齿数 z 23 大链轮齿数 z 23 0 9208 24 9783 取 25 212 zi 1 z 2 求计算功率 PC 由表 3 1 查得 KA 1 0 计算功率为 kW 3 14 1 03 03 0 cA PK P 3 确定中心距 a0及链节数 Lp 初定中心距 取pa 50 30 0 0 30ap 由式 3 1 求 Lp 0 2 12210 22 2 a pzzzz p a Lp 3 15 2 23025232325 84 0034 2230 pp pp 取 Lp 82 4 确定链条型号和节距 p 首先确定系数 Kz KL Kp 根据链速估计链传动可能产生链板疲劳破坏 由表 3 2 查得小链轮齿数系数 Kz 1 23 由 图 3 16 查得 KL 1 02 考虑传递功率不大 故选单排链 由表 3 3 查得 Kp 1 所能传递的额定功率 kW 3 0 3 0 2 39 1 23 1 02 1 c zLp P P K K K 16 由图 3 14 选择滚子链型号为 12A 链节距 p 19 05mm 由图证实工作点落在曲线顶点左 侧 主要失效形式为链板疲劳 前面假设成立 5 验算链速 V m s 3 11 25 19 05 9 3 0 0738 60 100060 1000 z pn v 17 6 确定链长 L 和中心距 a 链长 m 3 82 15 875 1 5621 10001000 P Lp L 18 中心距 2 12 2 2121 2 8 224 zzzz L zz L p a pp 22 19 05252325232325 82828 4222 552 4167mm 3 19 7 求作用在轴上的力 工作拉力 N 3 1000100040650 0 0738 P F v 因载荷平稳 取 FQ 1 1F 1 1 40650 44715N 8 选择润滑方式 根据链速 v 0 0738 m s 节距 p 19 05mm 按图 3 18 选择人工定期润滑 设计结果 滚子链型号 12A 1 82 GB1243 1 1983 链轮齿数 z1 25 z2 23 中心距 a 552 4167mm 压轴力 FQ 44715N 2 设计传动轴间的链传动 已知各传动轴为匀速转动 传递功率 P 2 39KW 两班制工作 载荷平稳 并要求中心 距 a 不大于 800mm 解 1 选择链轮齿数 z1 z2 传动比1i 因为链轮齿数 z1 23 链轮齿数 z2 iz1 1 23 23 2 求计算功率 PC 由表 3 1 查得 KA 1 0 计算功率为 kW 3 20 1 02 392 39 cA PK P 3 确定中心距 a0及链节数 Lp 四杆中频数控淬火机床总体及上料机构设计 28 初定中心距 取pa 50 30 0 0 45ap 由式 3 1 求 Lp 0 2 12210 22 2 a pzzzz p a Lp 3 2 24523232323 113 2245 pp pp 21 取 Lp 110 4 确定链条型号和节距 p 首先确定系数 Kz KL Kp 根据链速估计链传动可能产生链板疲劳破坏 由表 3 2 查得小链轮齿数系数 Kz 1 23 由 图 3 16 查得 KL 1 02 考虑传递功率不大 故选单排链 由表 3 3 查得 Kp 1 所能传递的额定功率 kW 3 0 2 39 1 905 1 23 1 02 1 c zLp P P K K K 22 由图 3 14 选择滚子链型号为 12A 链节距 p 19 05mm 由图证实工作点落在曲线顶点左 侧 主要失效形式为链板疲劳 前面假设成立 5 验算链速 V m s 3 11 23 19 05 10 1 0 0738 60 100060 1000 z pn v 23 6 确定链长 L 和中心距 a 链长 m 3 110 19 05 2 0995 10001000 P Lp L 23 中心距 2 12 2 2121 2 8 224 zzzz L zz L p a pp 22 19 05232323232323 82828 4222 828 20mm 3 24 7 求作用在轴上的力 工作拉力 N 2 39 1000100032385 0 0738 P F v 因载荷平稳 取 FQ 1 2F 1 1 32385 35624 N 8 选择润滑方式 根据链速 v 0 0738 m s 节距 p 19 05mm 按图 3 18 选择人工定期润滑 设计结果 滚子链型号 12A 1 110 GB1243 1 1983 链轮齿数 z1 23 z2 23 中心距 a 828 20mm 压轴力 FQ 35624 N 3 链轮结构设计 链轮有整体式 孔板式 组合式等结构形式 图 3 19 图 3 19 链轮的结构 Fig 3 19 structure of chain wheel 轮齿的齿形应保证链节能平稳地进入和退出啮合 受力良好 不易脱链 便于加工 滚子链链轮的齿形已标准化 GB1244 1985 有双圆弧齿形 图 3 20a 和三圆弧一直 线齿形 图 3 20b 两种 前者齿形简单 后者可用标准刀具加工 四杆中频数控淬火机床总体及上料机构设计 30 图 3 20 链轮的齿形 Fig 3 20 structure of gear shape 链轮上被链条节距等分的圆称为分度圆 其直径用 d 表示 则 3 180sin z p d 25 齿顶圆直径 3 180 0 54cot a dp z 26 齿根圆直径 df d dt 3 26 式中 dt为滚子外径 链轮的轮齿应有足够的接触强度和耐磨性 故齿面多经热处理 因小链轮的啮合次数比 大链轮多 所受冲击力也大 故所用材料一般优于大链轮 常用的链轮材料有碳素钢 如 Q235 Q275 45 ZG310 570 等 灰铸铁 如 HT200 等 重要的链轮可采用合金钢 ZZJS 四杆中频淬火机床链轮为整体式结构 材料选用 45 钢 齿型按 GB1244 1985 选双圆弧齿形 则减速机链轮与传动轴链轮的结构参数为 分度圆直径 mm 3 27 1 1 19 05 151 9948 sin 180 sin 180 25 p d z mm 3 2 2 19 05 139 9021 sin 180 sin 180 23 p d z 28 齿顶圆直径 mm 3 1 1 180180 0 54cot 19 05 0 54cot 161 0833 25 a dp z 29 mm 3 2 2 180180 0 54cot 19 05 0 54cot 148 8860 23 a dp z 30 齿根圆直径 mm 3 f11 d d dt 151 9948 11 91 140 0848 31 mm 3 32 f22 d d dt 139 9021 11 91 127 9921 3 5 轴的设计 3 5 1 半轴的设计与校核 半轴是与减速器相连接的第一根轴 它的强度计算应根据轴的承载情况 采用相应的计算 方法 轴的强度计算方法主要有三种方法 按扭转强度计算 按弯扭合成强度计算 安全系 数校核计算 以下为按三种计算方法对ZZJS中频淬火机床轴 进行强度校核 已知ZZJS中频淬火机床半轴 传递功率2 39kW 转数10 1r min 解 1 轴的扭转强度校核计算 实心圆轴的扭转强度计算公式为 3 33 6 9 55 10 T T TT p T n WW 对于既传递转矩又承受弯矩的轴 也可用上式初步估算轴的直径 但必须把轴的许用扭剪应 力 适当降低 见表16 2 以补偿弯矩对轴的影响 将降低后的许用应力代入上式 并改写 四杆中频数控淬火机床总体及上料机构设计 32 为设计公式 mm 式中 C是由轴 333 6 2 0 1055 9 n p C n p d 的材料和承载情况确定的常数 见表1 应用上式求出的d值作为轴最细处的直径 式中 扭转剪应力 MPa T T 轴所受的扭矩 N mm WT 轴的抗扭截面系数 mm3 n 轴的转速 r min P 轴传递的功率 Kw T 许用扭转剪应力 MPa 见表3 4 选取轴的材料为45钢 调质处理 取C 115 得 3 33 min 11269 2751mm pp dC nn 34 3 轴的弯扭合成强度校核计算 对于一般钢制的轴 可用材料力学第三强度理论求出危险截面的当量应力 e 其强度条件为 3 b b e 22 4 35 式中 b为危险截面上弯矩M产生的弯曲应力 2 b T M W TT WW 其中 W WT为轴的抗弯和抗扭截面系数 将 b和 值代入式 2 1 得 3 be TM WW T W M 22 22 1 2 4 36 由于一般转轴的 b为对称循环变应力 而 的循环特性往往与 b不同 为了考虑两者循环特 性不同的影响 对上式中的转矩T乘以折合系数 即 3 b e e TM dW M 1 22 3 1 0 1 37 式中 Me为当量弯矩 为根据转矩性质而定的校正系数 对不变的转 2 2 TMMe 矩 0 3 当转矩脉动变化时 0 6 对于频繁正反转的轴 可看为对称循环变应力 1 若转矩的变化规律不清楚 一般也按脉动循环处理 1b 0b 和 1b 分别为对称 循环 脉动循环及静应力状态下的许用弯曲应力 见表4 对称扭矩 1 不变扭矩 b b 1 1 脉动扭矩 b b 0 1 通常外载荷不是作用在同一平面内 这时应先将这些力分解到水平面和垂直面内 并求出各 面的支反力 再绘出水平面弯矩MH图 垂直面弯矩MV图和合成弯矩M图 绘 22 VH MMM 出转矩T图 最后由公式绘出当量弯矩图 2 2 TMMe 1 计算轴上转矩和齿轮作用力 轴 上传递扭矩 mm 3 2 39 955095502259 9 10 1 p TN n 链轮