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1 小型焊接滚轮架的工程设计毕业论文小型焊接滚轮架的工程设计毕业论文 第一章第一章 方案的选择和确定方案的选择和确定 1 1 滚轮架简介滚轮架简介 随着焊接生产技术的高速发展 对焊接生产的机械化和自动化提出了越来越高 的要求 焊接机械设备的需求量也越来越大 焊接滚轮架设备正是为满足市场需要 而设计生产的 它是借助焊件与主动滚轮间的摩擦力来带动圆筒形焊件旋转的机械 装置 主要用于圆筒形焊件的焊接与装配 焊接滚轮架是借助主动滚轮与工件之间的摩擦力带动筒形工件旋转的焊接变位 机械 它主要应用于筒形工件的纵向焊缝 环向焊缝的装配和焊接作业 也可以在焊接 滚轮架上进行修整 割孔及探伤等作业 滚轮架是容器生产中最常用的一种工艺装备 焊接滚轮架按结构形式分为两类 第一类是长轴式滚轮架 主动滚轮装置一根有 电动机驱动 从动轮装在另一公共轴 滚轮中心距一般是可调节 适用于焊接薄壁 长度大的筒形工件 第二类是组合式滚轮架 主动滚轮架与从动滚轮架各自独立 可根据工件的长度任意组合 使用方便 灵活 适应性强 是目前应用最广一种的 滚轮架 1 2 滚轮架结构特点滚轮架结构特点 1 可根据焊件的重量 长度任意组合 使用方便 灵活 2 在规定的范围内自动调节滚轮中心距 适用不同直径的焊件 圆筒体焊件放 置平稳 3 采用可控硅供电直流电动机驱动 无级调速 焊速范围大 速度稳定 4 适用性强 使用广泛 5 采用组合式滚轮 钢轮外包橡胶 传动平稳 摩擦力大 寿命长 6 对工件轮压小 可避免工作表面产生冷作硬化 1 3 焊接滚轮架的设计焊接滚轮架的设计 焊接滚轮架是借助主动滚轮与焊件之间的摩接力带动焊接旋转的变位机械 焊 接滚轮架主要用于筒形焊件的装配与焊接 若对主 从动滚轮的高度作适当调整 2 也可进行锥体 分段不等径回转体的装配与焊接 对于一些非圆长形焊件 若将其 装卡在特制的环形卡箍内 也可在焊接滚轮架上进行装焊作业 为了焊接不同直径 的焊件 焊接滚轮架的滚轮间距应能调节 调节方式有两种 一种是自调式的 一 种是非自调式的 如图 1 1 1 2 图 1 1 自调式焊接滚轮架 图 1 2 非自调式焊接滚轮架 焊接滚轮架按结构形式分为两类 第一类是长轴式滚轮架 如图 1 3 滚轮沿两平行轴排列 与驱动装置相连的 一排为主动滚轮 另一排为从动滚轮 长轴式滚轮多是用户根据焊件特点自行设计 制造的 市场可采用的定型产品很少 3 图 1 3 长轴式滚轮架 第二类是组合式滚轮架 如图 1 4 它的主动滚轮架 从动滚轮架 混合式滚 轮架都是独立的 使用时可根据焊件的重量和长度进行任意组合 其组合比例也不 仅是 1 与 1 的组合 因此 使用方便灵活 对焊件的适应性很强 是目前应用最广 泛的结构形式 图 1 4 组合式滚轮架 1 4 组合式滚轮架特点组合式滚轮架特点 1 主从动滚轮架各自独立 可根据焊件的重量 长度任意组合 使用方便灵活 滚轮架靠滚轮对的自由摆动或靠丝杠的调节作用在规定范围内调节滚轮中心距 适 用不同直径的焊件 圆筒体焊件放置平稳 4 2 可无级调速 焊速范围大 速度稳定 3 为了便于调节滚轮架之间的距离 以适应不同长度焊件的装焊要求 有的滚 轮架上还安有机动或飞机动行走机构 沿轨道行走 调节相互之间的距离 焊接滚轮架多采用直流电动机驱动 降压调速 这种方式沿用已久 技术很 成熟 电动机的机械特性较硬 启动力矩较大 是目前滚轮架使用最广的拖动调速 方式 缺点是电动机结构复杂 调速范围较窄 一般恒转矩的调速范围为 1 10 左 右低速时的速度不够稳定 有爬行现象 也有滚轮架是采用交流异步电动机拖动 变频调速 近几年随着晶体管变频器性能的完善以及价格的下降 采用交流电动机驱动 变频调速的滚轮架也日趋增多 其优点是调速范围宽 可达 1 20 转动平滑性好 低速特性硬 缺点是低速段过载倍数降低较大 变频电源的价格也较高 但随着电 动机额定功率的增加 价格上升则相对平缓 所以在重型焊接滚轮架上 采用交流 异步电动机拖动和变频调速较为适合 本次设计的焊接滚轮架吨为 4 吨 采用直流 电动机 为是焊接滚轮架的滚轮间距离调节更为方便 机动性更强 组合更加便利 采 用单独驱动的焊接滚轮架日益增多 但是每一主动滚轮均由一台电动机驱动时 应 解决好个滚轮之间的同步问题 由于制造工艺 材料性能等因素的影响 其额定转 速实际上并不一致 因此 要把实测数据较为接近的一组电动机做为焊接滚轮架的 拖动电动机 另外 对重型焊接滚轮架 还应考虑以测速发电机为核心的速度反馈 装置来保证各滚轮转速的同步 焊接滚轮架的金属滚轮多采用铸铁和合金球磨铸铁制作 其表面热处理硬度约 为 50HRC 滚轮直径多在 200 700mm 之间 国外滚轮架品种很多 系列较全 承载量 1 1500t 使用焊件直径 1 8m 的标准 组合式滚轮架 即两个主动轮座与两个从动轮座的组合 均成系列供应 其滚轮线 速度多在 6 90m h 之间无极可调有的还有防止焊件轴向窜动的功能 我国已有不少厂家生产焊接滚轮架 最大承载量已达 400t 适用焊件直径可达 6m 滚轮线速度多在 6 60m h 之间无级调速 防轴向窜动的滚轮架已有生产 但 性能质量尚待提高 我国在 1990 年颁布了焊接滚轮架的行业标准 ZBJ T33003 1990 中规定 主 动滚轮的圆周速度应在 6 60m h 范围内无级可调 速度波动量按不同的焊接工艺要 5 求 要低于 5 10 滚轮转速应稳定 均匀 不允许有爬行现象 按 GB150 规 定制造的筒体类工件在防轴向窜动滚轮架上进行焊接时 在整个焊接过程中允许工 件的轴向窜动量为 3mm 传动机构中涡轮副齿轮副等传动零件 应符合国标中的 8 级精度等级 1 5 结构设计结构设计 结合所设计壳体的实际尺寸 工装采用非自调式滚轮架 非自调式焊接滚轮架是利用主动滚轮与焊件之间的摩擦力带动焊件旋转的一种 焊接变位机械 可根据工件直径大小不同 移动滚轮组 调节滚轮中心距 非自调 式焊接滚轮架结构形式如图 1 5 所示 图 1 5 非自调式滚轮架 1 底座 2 滚轮架 3 蜗杆减速器 4 电动机 5 联轴器 6 无级变速器 7 滚轮调节装置 1 6 关于滚轮架轴向窜动的问题关于滚轮架轴向窜动的问题 如果滚轮和焊件都是理想的圆柱体 且各滚轮尺寸一致 并且其转动轴线都在 同一水平面内并与焊件轴线平行时 放在滚轮架上的焊件是不会产生轴向窜动的 这是理想情况 但实际上是不可能做到的 尤其是焊件就不可能做到理想中的圆柱 体 多次试验证明将主 从滚轮架在水平和轴向上的位置找好 固定下来 下次再 用时仍会窜动 即便是同一个焊件 此时调整后已不再窜动 但换个方向旋转或将 6 该焊件吊起移动位置后再放到滚轮架上 该焊件又会窜动了 更不用说换另外一个 焊件了 国内一些工厂采用在焊件端头硬顶的办法 这种办法对设备和焊件都有损害 实属无奈 国外制作的防窜滚轮架 虽能满足要求 可惜价格较昂贵 理论和实践都证明 影响焊件做轴向窜动的主要原因是滚轮各轴线与焊件轴线 的平行度 因此 在制造和使用焊接滚轮架时 首先要尽量做到 主 从滚轮架 都位于同一中心线上 各滚轮的轴线都在一个水平面内且相互平行 滚轮间距 相等 实际上 焊件在滚轮架上的轴向窜动 其焊件本身是在作螺旋运动 如能采取措施 把焊件的左旋及时地改为右旋或将右旋改为左旋 直至焊件不再作螺旋运动为止 9 目前 已有三种执行机构可完成此任务 1 顶升式执行机构 从动滚轮架的一侧滚轮可以做升降运动 使焊件轴线发 生偏移 同时也使焊件自重产生的轴向分量发生变化 这种调节方式其优点是调节 灵敏度较高 缺点是制造成本高 体积大 2 偏移式执行机构 从动滚轮架的两侧滚轮沿其垂直中心线可做同向偏移 以此改变滚轮与焊件的轴向摩擦分力 这种调节方式其优点是灵敏度高 但最大的 缺点是对滚轮的磨损太大 3 平移式执行机构 从动滚轮架的两侧滚轮可以同时垂直于焊件轴心线做水 平移动 从而达到调节焊件轴心线以及调节滚轮轴线夹角的目的 这种调节方式其 优点是稳定性好 制造成本低 结构简单 不占用额外的安装空间 1 7 传动方案设计传动方案设计 确定焊接滚轮架方案时 其合理性和经济性是主要考虑的因素 当焊件的焊接 方法及工艺确定后 所选夹具结构 首先要能保证焊接工艺的实施 同时 焊件结 构尺寸以及组成焊件坯料的制作工艺和制造精度 则是确定夹具定位方法 定位基 准和夹紧机构方案的重要依据 除此之外 还应考虑经济上的因素 使夹具的制造 使用费用最低而取得的经济效益最大 由于上述各因素都不是孤立存在的 它们之 间往往有联系又有制约 所以在确定夹具方案时要对上述各因素进行综合分析 只 有通盘考虑 才能制定出最佳的设计方案具体确定设计方案时 应联系以下几个方 面进行考虑 1 焊件的整体尺寸和制造精度以及组成焊件的各个坯件的形状 尺寸和精度 7 其中 形状和尺寸是确定夹具设计方案 夹紧机构类型和结构形式的主要依据 并 且直接影响其几何尺寸的大小 制造精度是选择定位器结构形式和定位器配置方案 以及确定定位器本身制造精度和安装精度的主要依据 2 装焊工艺对夹具的要求 例如与装配工艺有关的定位基面装配次序 夹紧方 向对夹具结构提出的要求 再如 不同的焊接方扫对夹具提出的要求 像埋弧焊 可能要求在夹具上设置焊剂垫 电渣焊要求夹具保证能在垂直位置上施焊 电阻焊 要求夹具本身就是电极之一等 3 装 焊作业能否在同一夹具上完成 或是需要单独设计装固夹具和焊接夹具 焊接滚轮架是采用摩擦接合的机械传动 主要用来焊接圆形工件的环形焊缝 本设计选用的是非自调式焊接滚轮架 其传动系统如图 1 6 所示 图 1 6 传动系统示意图 1 电动机 2 无级变速器 3 标准蜗杆减速器 4 蜗杆减速器 5 滚轮 8 第二章第二章 焊接滚轮架的计算焊接滚轮架的计算 2 1 焊接滚轮架主要技术参数焊接滚轮架主要技术参数 额定载重量 4t 工件直径 250 1600mm 滚轮直径 450mm 滚轮宽度 170mm 滚轮圆周速度 6 60m h 2 2 计算总传动效率计算总传动效率 查 机械设计手册 上册得 蜗轮蜗杆传动效率 1 0 72 轴承传动效率 2 0 99 联轴器效率 3 0 99 总传动效率 总 无极 12 26 33 代入数值得 0 9 0 722 0 996 0 993 0 41 总 2 3 无极变速器的选择无极变速器的选择 为适应不同焊接速度的要求 主动滚轮要经常变更转速 在电动机与蜗杆减速 器之间 常采用一级无极变速器 当输入轴转速 n1一定时 输出轴最快转速 n2max与最慢转速 n2min之比 即变速 范围 R 且 R imax imin 一般设计为对称调速 即升速比与降速比相等 选用调速范 围 4 1 即 R 4 升速比 imax i 2 降速比 imin 1 i 1 0 5 2 4 减速器的选择减速器的选择 蜗杆减速器按蜗杆外形结构分为圆柱蜗杆减速器 环面蜗杆减速器 锥蜗杆减 9 速器三大类 本次采用圆弧圆柱蜗杆减速器 蜗杆传动是传递交错轴之间的动力常用的交错 角 90 它具有单级转动比大工作平稳 振动小 噪音低及可做成自锁形式等特 点 圆弧蜗杆传动除具有普通蜗杆传动的优点外 还有以下特点 齿形优良 蜗杆 涡轮齿面为凹凸共轭啮合 当量曲率小 齿面间润滑油膜容易形成 齿面接触应力 低具有良好的强度和润滑集合条件 接触线及形状分布合理 蜗杆和涡轮啮合时瞬 间接触线相对滑动方向形成的夹角近于直角 减速器选用标准件 其型号的选定是根据传动比和中心距综合考虑选定的 中 心距不能超过滚轮安装的高度 即滚轮中心轴离地面的距离 选定中心距为 100 再根据工作条件 工作荷载平稳无冲击 每日工作 8 小时 每小时启动 10 次 启动转矩为输出转矩的 2 5 倍 4 根据 机械传动装置选用手册 与滚轮相连的减速器选择型号 CWU 100 30 JB T7935 95 外形尺寸 查看了 机械传动装置选用手册 表 3 1 1 是蜗杆在涡轮之下的圆柱蜗杆减速器 与电动机相连的减速器选择型号 SCWO 100 25 JB T7935 95 外形尺 寸参看 机械传动装置选用手册 表 3 1 11 是蜗杆在涡轮之上的圆柱蜗杆减速器 减速器第一次使用时当运转 150 300h 后需更换润滑油 在以后的使用中应定期 检查油的质量 对于混入杂质或变质的油需及时更换 一般情况下 对于长期连续 工作的减速器 每 500 1000h 必须换油一次 应加入与原来牌号相同的油 不得不 同品牌混用 牌号相同而粘度不同的油允许混合使用 工作中 当发现油温温升超过 80 度或油池温度超过 100 度及产生不正常噪音时 应停止使用 检查原因 减速器应定期检修如发现胶合或显著磨损 必须采取有效措施予以制止或排除 备件必须按标准制造 2 5 连轴器的选择连轴器的选择 联轴器的类型很多 根据其是否包含弹件元件 可以划分为刚性联轴器和弹性 联轴器两大类 刚性联轴器根据正常工作时是否允许两个半联轴器轴线产生相对位 10 移又分为固定式刚性联袖器和可移式刚性联袖器 固定式刚性联轴器 要求被联接 两轴轴线严格对中 因为它不能补偿两轴的相对位移 其常用类型有夹壳联轴器和 凸缘联轴器等 可移式刚性联轴器可以通过两半联轴器间的相对运动来补偿被联接 两轴的相对位移 其常用类型有十字滑块联轴器 齿轮联轴器和万向联轴器等 弹性联轴器包含有弹性元件 不仅具有吸收振动和缓解冲击的能力 而且能够 通过弹性元件助变形来补偿两轴的相对位移 其常用类型有 弹性套柱销联轴器 弹性柱销联轴器和轮胎式联轴器等 4 根据以上特点 与电动机相连的联轴器采用 NZ 挠性爪型联轴器 再根据轴径大小查 机械设计与 制造简明手册 选用代号为 Q ZB110 2 00 型号 NZ2 两个 与滚轮相连的联轴器采用凸缘连轴器再根据轴径大小查 机械设计与制造简明手 册 选用 YL8 型 一个 两蜗杆减速器之间采用十字滑块联轴器 根据轴径大小查 机械设计与制造简明 手册 选用 JB ZQ4384 86 KL 型 十字滑块联轴器 两个 表 2 1 联轴器选择 名称公称扭矩 范围 轴径范 围 最大转速范 围 特点应用条件 凸缘 连轴 器 10 2000010 1801400 13000 结构简单 成本低 可传动较大扭距 但不等消除冲击 对所连两轴间的偏 移缺乏补偿能力 经常用于荷载平 稳有轻度冲击的 条件下 链接低 速和刚性不大的 两轴 NZ 挠 性爪 型联 轴器 25 60015 653800 10000 外形尺寸小 飞轮 力矩小 用于小功率 高 转速 没用急剧 冲击载荷的情况 下 十字 滑块 联轴 器 120 2000015 150100 250 结构紧凑 尺寸小 寿命长 但制造比 较复杂 无较大冲击 转 速不高的 存在 两轴径向相对位 移时采用 11 2 6 滚轮架滚轮的设计 图附录滚轮架滚轮的设计 图附录 1 滚轮架的滚轮结构主要有四种类型 其特点和使用范围见表 2 2 表 2 2 滚轮形式选择 类型 特点 使用范围 钢轮承载能力强 制造简单一般用于重型焊件和需预热处理的焊件 以及额定在和大于 60t 的滚轮架 胶轮钢轮外包橡胶 摩擦力大 传 动平稳但橡胶易压坏 一般用于 10t 以下的焊件和有色金属容器 组合轮钢轮与橡胶轮相结合 承载能 力比橡胶轮高 传动平稳 一般多用于 10 60t 的焊件 履带轮大面积履带和焊件接触 有利 于防止薄壁工件的变形 传动 平稳但结构较复杂 用于轻型 薄壁大直径的焊件及有色金 属容器 由于滚轮架的额定载荷是 4t 所以选用胶轮结构 橡胶轮缘的滚轮常因结构不合 理 或橡胶质量不佳或挂胶工艺不完善 使用不久就会发生挤裂 脱胶而破坏 为 此 设计滚轮时 常常在橡胶轮缘两侧开出 15 度的倒角 以留出承载后橡胶变形的 空间 避免挤裂 另外 常在橡胶轮辋与金属的结合部 将金属轮面开出多道沟槽 以增加橡胶与金属的接触面积 强化结合牢度 避免脱胶 至于橡胶成分和挂胶工 艺 在美国是一项专利 国内兰州石油化工机器厂 将国产橡胶轮缘的坦克支重轮 用在焊接滚轮架上 取得了很好的效果 使滚轮寿命延长了许多 如图附录 1 所示 滚轮直径为 250mm 宽 150mm 滚轮边缘采用橡胶来增大摩擦力 12 2 7 轴的结构设计 图附录轴的结构设计 图附录 2 轴主要是用来支承转动的机械零件 如齿轮 带轮等 并传递运动和动力 根 据轴所受载荷的不同 可分为心轴 传动轴和转轴三种 只承受弯距作用的轴称为心轴 心轴可以是转动的 如火车的轮轴 也可以是 固定的 如自行车的轮轴 传动轴是只传递转矩的轴 如联接汽车变速箱与后桥的 轴 既承受弯矩又传递转矩的轴称为转轴 转轴是机器中最常见的轴 如齿轮减速 箱中的轴均是转轴 此次设计的轴为转轴 即承受弯矩又传递转矩 轴在工作时常受到变应力的作用 其失效形式多为疲劳断裂 因此轴的材料首 先应具有一定的疲劳强度 同时还应满足工艺性和经济性方面的要求 铀的常用材 料主要是碳素钢和合金钢 碳素钢分普通碳素钢和优质碳素钢 常用的有 35 40 45 50 号优质碳素钢 其中以 45 号钢应用最普遍 与合金钢相比 碳素 钢价廉 对应力集中的敏感性小 并且经过正火或调质等热处理后 其综合机械性 能都会有很大改善相提高 本次设计的轴采用 45 号碳素钢 并进行调质处理 轴的结构设计就是要确定轴的合理外形和全部结构尺寸 影响轴结构的因素很 多 如轴上载荷的大小 分布及性质 轴上零件的数目 类型 布置及固定方式 轴的加工和装配方法等 所以在设计时 要根据具体的工作情况 综合考虑各种影 响因素 经济合理地确定轴的结构 如图附录 2 所示 这次设计的轴分三段 中间段与滚轮通过键链接在一起 左 右段各安装一个滚动轴承 同时左段还与联轴器通过键链接在一起 中间轴段轴径尺寸为 50mm 与滚轮的间隙配合采用的优先配合 中段轴长 7 6 H g 150mm 左段轴长 138mm 右段轴长 58mm 2 8 轴承的选用轴承的选用 轴承分为滚动轴承 滑动轴承两类 12 滑动轴承工作时 轴与轴承之间存在滑动摩擦 其缺点是摩擦损耗较大 使用 维护也较复杂 而滑动轴承的优点是 1 结构简单 制造 装拆方便 2 具有良好的耐冲击性和良好的吸振性能 3 承载能力大 使用寿命长 因此滑动轴承在高速 精密机构和低速重载 床 冲压机械和农业机械中如高 13 速精密机 冲压机械和农业机械中应用较多 图 2 1 滚动轴承 滚动轴承是依靠主要元件间的滚动接触来支承转动零件的 其基本结构如图 2 1 所示 它一般是由内圈 1 外圈 2 滚动体 3 和保持架 4 等组成 内圈安装在轴颈上 并一起转动 外圈安装在轴承座上 滚动轴承的内 外圈上加工有滚道 当内 外 圈相对转动时 滚动体即在内 外因的滚道中滚动 常用的滚动体有球 圆柱滚子 滚针 圆锥滚子 球面滚子 非对称球面滚子等 保持架用于将滚动体彼此分开 以免它们之间相互接触产生摩擦 与滑动轴承相比 滚动轴承具有摩擦阻力小 功耗少 启动灵活 互换性好等 优点 因而获得了广泛的应用 其缺点是抗冲击能力差 转速过高时易出现噪音等 滚动轴承已标准化 并由专业厂家生产 此次设计的 4 吨焊接滚轮架 根据轴径 50mm 选用圆柱滚子轴承 型号 2309 2 9 轴承端盖的设计 图附录轴承端盖的设计 图附录 3 首先 根据轴承座孔 外圈 直径 100mm 由 机械设计课程设计 表 4 6 查 得轴承端盖螺钉直径为 d3 10mm 螺钉数目为 4 个 如图附录 3 所示 由 机械设计课程设计 表 4 7 可知 D4 D 10 15mm 得 D4 85mm D0 D 2 5D3 D0 125 e 1 2d3 e 12 D2 D0 2 5D3 D2 150 轴承端盖 轴承透盖都是按照此尺寸设计 14 2 10 丝杆的设计 图附录丝杆的设计 图附录 4 所谓丝杠传动就是由丝杠副联接相邻构件而组成的传动机构 在机械传动中 丝杠副是较常用的机构之一 丝杠传动 或称螺旋传动 可以把旋转运动变成直线运动 也可以把直线运动 变成旋转运动 丝杠传动即可以传递能量或动力 也可以用来传递运动或用来调整 零件的相互位置 因此 在机床 起重设备 锻压机械 测量仪器 船舶等传动机 构中都广泛的应用了丝杠副 最常见的丝杠副为滑动丝杠副和滚珠丝杠副两种 滑动丝杠副有以下特点 1 结构简单 制造容易 由于滑动丝杠副为一般的丝杠 螺母所组成故其结构简单 制造容易 2 减速传动比大 由于当丝杠转过一圈时 螺母只移动一个导程 而导程可以做的很小 因此可 以做到很大的减速比 3 运转平稳 由于丝杠与螺母的啮合是连续的而且同时啮合的圈数较多 所以 其运转平稳 无噪声 但低速或微调时可能出现爬行 滑动丝杠副的材料 由于以上原因 本次设计采用滑动丝杠来调节滚轮之间的中心距以适应不同直 径的筒体工件的焊接要求 根据丝杠副工作时的受力特点 丝杠和螺母的材料应具有足够的强度 耐磨性 和良好切削加工性能 对于精密传动的丝扛 还要求在热处理后有较好的尺寸稳定 件 一般的滑动丝杠选用 35 45 50 号等中碳钢并经调质处理 此次设计采用经调 质处理的 45 号中碳钢做为丝杠的材料 如图附录 4 所示 螺母的螺纹分两段设计 左段螺纹左旋 右段螺纹右旋 这 样才可以保证调节滚轮间距的功能 对螺纹的技术要求是 初车螺纹后 时效处理 一个螺距误差不大于 0 025 螺距最大积累误差 在 25 时 不大于 0 035 在130 时支反力和圆周力急剧增大 相反 当角太小时 滚轮架上的筒体焊件放置有可能不稳定 因此在实际应用中为使焊 件在滚轮架上获得可靠的稳定性 并保证焊件可以平稳的转动应小于 40 度我国制 定的焊接滚轮架行业标准 ZBJ T33003 1990 中规定中心角应在 45 度到 110 度 之间 表 2 3 滚轮直径选择 22 由中心角应在 45 度到 110 度之间 工件直径在 250mm 1600mm 之间 经过 三角函数的关系得出 当工件直径为 250mm 时 两滚轮间距在 191 34mm 409mm 之间适合 当工件直径为 1600mm 时 两滚轮间距在 706mm 1514mm 之间适合 因此两滚轮间距的调节范围选定为 255mm 800mm 之间 在计算是选取角的最大允许值 110 2 17 滚轮轴上的载荷与驱动功率的计算滚轮轴上的载荷与驱动功率的计算 当已知滚轮架上的驱动圆周力和支反力后 每个滚轮和轴径上的计算载荷为 23 2 8 P p f K i FF P 2 1 2 1 1 2 9 P p f K i FF P 2 2 2 2 2 式中 作用在一个主动轮上的载荷 P1 作用在一个从动轮上的载荷 P2 同一列上的滚轮座数量 ip 载荷作用不均匀系数 当 2 时 1 当 时 KpipKpip 3 1 2 1 3 Kp 17905 P1P2 对独立驱动的主动滚轮 每一轮轴的扭矩 2 10 22 n111 M 22 rrP f p DdK FfFF i 式中 轮轴的扭矩 n M 滚轮切向摩擦力 1 F 滚轮直径 r D 滚轮与滚轮轴摩擦因数f 9950 n M n N 主动滚轮上的支反力 1f F 荷载作用不均匀系数 当 2 是 p K p i1 p K 同一列上滚轮座数量 p i 经计算 mN Mn 43 163 焊接滚轮架的电动机驱动功率 24 9950 n M n N 总 式中 N 每个主动滚轮电动机驱动功率 n M 主动滚轮轴的传递转矩 N m n 主动滚轮的转速 即许用最高转速 r min 传动机构总效率 其中 由于我国在 1990 年颁布了焊接滚轮架的行业标准 ZBJ T33003 1990 中规定 主动滚轮的圆周速度应在 6 60m h 范围内无级可调 主动滚轮按最大线速 度进行计算 主动滚轮转速 2 11 60m h n 60 R 式中 n 主动滚轮的转速 R 滚轮直径 60m h n 60 R R h m n 60 60 经计算 n 3 24 r min 所以KWN18 0 2 18 附着力的验算附着力的验算 为了保证焊件在主动滚轮上不打滑 焊件在滚轮上的附着力应满足 3 1 1 F F K f f 式中 焊件在滚轮上的附着系数 即滑动摩擦因数 对于橡胶轮 0 3 0 4 6 8 F F K f f 1 1 3 2 19 轴承寿命计算轴承寿命计算 轴承预期寿命的选择如表 2 4 所示 25 表 2 4 轴承预期寿命参考 使用场合 10h L 不常使用的设备 500 短期或间断使用的机械 中断不致引起严重 后果 4000 8000 间断使用机械 中断会引起严重后果 8000 14000 每天 8 小时工作的机械和不经常满载工作的 机械 14000 30000 24 小时连续工作的机械 50000 60000 因为是 4T 焊接滚轮架 设滚轮架上工件为 4T 进行计算 当量动载荷 2 12 P PKXRYA 式中 P 当量载荷 动载荷系数 查 机械设计基础 表 14 9 可知 平稳或有轻微冲 P K 击时 为 1 0 1 2 选择 1 2 进行设计 P K P K R 径向荷载 A 轴向荷载 X 径向荷载系数 查 机械设计基础 表 14 10 可知 X 1 Y 轴向荷载系数 因为采用的是圆柱滚子轴承 轴向力为 0 NXRP KP 26 44328 7 36523 1 轴承寿命为 2 13 6 10 10 60 h C L nP 26 式中 以小时计算的轴承基本额定寿命 10h L n 轴承转速 根据公式 3 6 n 1 27 C 基本额定动载荷 查 机械设计课程设计 表 8 142 知 C 64 9kN P 当量动载荷 寿命指数 对滚子轴承 10 3 经计算 52437h 14000 30000h 10h L 每六年需更换 2 20 轴承的强度计算轴承的强度计算 为限制滚动轴承在静载荷或冲击载荷作用下产生过大的塑性变形 应进行静强 度计算 2 14 000 pX RY A 式中 R A 轴承所受的径向载荷和轴向载荷 X0 Y0 计算当量静载荷时的径向载荷系数和轴向载荷系数 查 机械设计课程设计 表 14 10 知 X0 1 Y0 0 经计算 P0 35785 3N 当量静载荷应满足 2 15 0 0 0 C p S 式中 P0 当量静载荷 C0 基本额定静载荷 查简明机械设计手册表 15 20 知 C0 42770N S0 静载荷安全系数 查机械设计基础表 14 12 知 S0 0 9 经计算 36524 8 P0 35785 3 轴承强度满足要求 0 0 C S 8 36524 27 2 21 电动机的选型电动机的选型 为了满足工艺过程的要求 一般生产机械的运动速度比较低 而电动机多 数具有较高的速度 因此电动机不能与生产机械直接连接 而需要在两者之间 加装减速传动机构 上面 2 17 计算出的电动机功率为 0 18kw 但根据目前厂家 生产的 4000kg 滚轮架的实际产品 电动机功率应进行放大 这是因为滚轮或工 件不能做到绝对的平滑 尤其是许多筒状工件都有横向焊缝 当横向焊缝通过 滚轮是会产生很大的附加力矩 考虑上诉因素功率应留足够余量才能使滚轮架 稳定工作 另外 1990 年颁布了焊接滚轮架的行业标准 ZBJ T33003 1990 中 规定了不同吨位的焊接滚轮架的电动机最小功率见表 2 5 表 2 5 电动机功率 根据上诉情况电动机功率应放大数倍 电动机功率选定为 型号 JO2 214 功率 P 1 1KW 转速 N 1500r min 根据公式 2 16 793 n n 滚轮 电 i 式中 i 传动比 电动机转速 n电 主动滚轮转速 n滚轮 根据总传动比 i 793 决定选用两台蜗杆减速器进行减速 传动比分别选用 28 30 25 2 22 普通圆柱蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算普通圆柱蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算 2 22 1 模数模数 m 和压力角和压力角 a 蜗杆和蜗轮啮合时 在中间平面上 蜗杆的轴向模数 压力角与蜗轮的端 面模数 压力角相等 即 ZA 蜗杆的轴向压力角 a 为标准4 21 m ta mm 值 其余三种 ZN ZI ZK 蜗杆的法向压力角 a 一为标准值 蜗杆轴向压力角 与法向压力角的关系为 2 17 Y a a n tan tan tan 0 式中 Y 为导程角 2 22 1 蜗杆的分度圆直径蜗杆的分度圆直径d1 在蜗杆传动中 为了保证蜗杆与配对蜗轮的正确啮合 常用与蜗杆具有同 样尺寸的蜗轮滚刀来加工与其配对的蜗轮 这样 只要有一种尺寸的蜗杆 就 得有一种对应的蜗轮滚刀 对于同一模数 可以有很多不同直径的蜗杆 因而 对每一模数就要配备很多蜗轮滚刀 显然 这样很不经济 为了限制蜗轮的数 目及便于滚刀的标准化 就对每一标准 模数规定了一定数量的蜗杆分度圆直 径 dl 而把比值 q 称为蜗杆的直径系数 d 与 q 已有标准值 常用的标准模数 m 和蜗杆分度圆直径 d1 及直径系数 q 见 机械设计 西北工业大学机械原理 及机械零件教研室 表 1 l 2 如果采用非标准滚刀或飞刀切制蜗轮 dl 与 q 值 可不受标准的限制 2 22 3 蜗杆头数蜗杆头数Z1 蜗杆头数 z1 可根据要求的传动比和效率来选定 单头蜗杆传动的传动比可 以较大 但效率较低 如果要提高效率 应增加蜗杆的头数 但蜗杆的头数过 多 又会给加工带来困难 所以 通常蜗杆头数取为 l 2 4 6 2 22 4 导程角导程角 Y 蜗杆的直径系数和蜗杆头数选定之后 蜗杆分度圆梓上的导程角也就确定 了 2 q m z d z d p z d p a1 1 1 1 1 1 2 tan 18 式中 p 为蜗杆轴向齿距 29 2 22 5 传动比传动比 i 和齿数比和齿数比 u 传动比 i 2 n1n2 19 式中 分别为蜗杆和蜗轮的转速 单位为 r min n1n2 齿数比 u Z2 Z1 式中 z2 为蜗轮的齿数为 1 7 当蜗杆为主动时 i n1 n2 z2 z1 u 50 2 22 6 蜗轮齿数蜗轮齿数z2 蜗轮齿数 z 主要是根据传动比来确定 应注意 为了避免滚刀切制蜗轮 时产生根切与干涉 理论上应使 Z2min 17 但当 z2 小于 26 时 啮合区要显 著减小 将影响传动的平稳性 而在 z2 30 时 则可始终保持有两对以上的齿 啮合 所以通常规定 z2 28 对于动力传动 一般 z2 80 这是因为当蜗轮直 径一定时 z2 越大 模数越小 将使轮齿的弯曲强度削弱 当不变时 蜗轮的 尺寸将要增大 使相啮合的蜗杆支承间距加长 这将降低蜗杆的弯曲刚度 容 易产生挠曲 而影响正常工作 根据蜗轮减速器所分配的传动比 i 50 查表 11 1 得 zl l z2 50 2 22 7 蜗杆传动的标准中心距蜗杆传动的标准中心距 a 1 根据 GB T 10085 1988 的推荐 采用渐开线蜗杆 z1 这种蜗杆的端面齿 廓为渐开线 所以它相当于一个少齿数 齿数等于蜗杆头数 大螺旋角的渐开线圆 柱斜齿轮 这种蜗杆可以在专用机床上加工 2 根据库存材料的情况 并考虑到蜗杆传动传递的功率不大 速度只是中速 故蜗杆选用 45 号钢 因传递效率高 耐磨性好些 故蜗杆螺旋面要求淬火 硬度 为 45 55t IRC 蜗轮用铸锡磷青铜 ZCuSnl0Pl 金属模铸造 为了节约贵重的有 色金属 仅齿圈用青铜制造 而轮芯用灰铸铁 IT200 制造 在校核齿根弯曲疲劳强 度 有公式 按 z l 估取效率 rl 0 7 则 3 确定载荷系数 K 因工作载荷较稳定 故取载荷分布不均系数 K B l 由表 11 5 选取工作情况系数 30 鼬 1 转速不高 冲击不大 由图 10 8 可取动载系数 KFl 0l 机械设计 则 K K B KA KV 1 01 l 1 0l 4 确定弹性影响系数 Ze 因选用的是铸锡磷青铜蜗轮和钢蜗杆相配 查表 10 6 故 z 160MPa 5 确定接触系数面 先假设蜗杆分度圆直径 dl 和传动中心距的比值 d1 a 0 35 从 机械设计 图 11 18 中可奋得 Z 2 9 6 确定许用接触应力 根据蜗轮材料为铸锡磷青铜 ZCuSnl0Pl 金属模制造 蜗杆硬度 45HRC 可从 机械设汁 表 1l 一 7 中查得蜗轮的基本许用应力 本蜗轮减速器的寿命要求为 L 12000h 应力循环次数 N 60 l 30 12000 2 16 1000000 寿命系数 2 20 则 o H KHN 0H 0 9082 269 243 7 计算中心距 取 a 122mm 因 i 50 故从 机械设计 表 1 1 2 中取模数 m 4 q l 1 故蜗杆的分度圆直 径 d J mq 4 1 l 44mm 这时 d1 a 44 122 0 36 从图 11 18 中可查得接触 系数 zp 2 87 P 因此上述计算可用 31 2 23 轴的校核轴的校核 1 根据对轴的校核知 轴承径向载荷尺 R 0 5Fr 0 5 l 2 l 6 6 60 8 3N 轴承轴向载荷 A 3342 5N 轴承的转速 n l 500r min 装轴承处的轴向直径为 35mm 根据载荷情况取轴承预期计算寿命 h 12000h 选定向心推力球轴承 36307 查 机械设计手册 Cr 33KN 查 机械设计 表 13 5 及 13 6 得 P 608 3 1 2 3342 5 4619 3N 2 L P C Lh e r r h n 5 3 10 366 10 101010 17 3 5 4619 33 150060 60 21 所以安全 2 轴承的润滑 润滑对轴承具有重要的意义 轴承中的润滑剂不仅可以降低摩擦阻力 还可 以起着散热 减小接触应力 吸收振动 防止锈蚀等作用 根据 30 1500 4 5 mm r min 16 mm r min dn10 4 10 4 所以采用脂润滑 由于润滑脂是一种粘稠凝胶状材料 故润滑膜强度高 能 承受较大的载荷 不易流失 容易封闭 一次加脂可以维持相当长的一段时间 滚动轴承的装脂量一般为轴承内部空间容积的 1 3 2 3 2 24 焊接滚轮架的底架设计焊接滚轮架的底架设计 我设计的是焊接滚轮架 它是由主动滚轮架和从动滚轮架的组合 所以其中 的工作台底架就是用来支撑主动滚轮和从动滚轮的 滚轮底座选用槽钢焊接而成 再在槽钢焊接的 Z625 5600 的框架内焊两支撑 架 45 号钢板 在钢板中间焊有加强筋板 从而增强刚度 在支撑板上的轴承左右的轴承座 加工至尺寸后以定心轴定心组焊 以保证 它与滚轮的同轴度及与支架的垂直度 机架组焊后不得有平面翘曲 扭曲 对角 线尺寸超差等现象 以免影响焊接滚轮架安装精度 所有焊缝均满焊 主动滚轮架不仅对焊接起支撑作用 而且在主动滚轮座上装有直流电机驱动 装置 采用无级调速 带动滚轮转动 以达到焊件的转动 从动滚轮架仅对工件 32 起支撑作用 在焊件转动的情况下 依靠摩擦阻力从动轮也相应地转动 从而达 到沿圆周环焊的目的 焊接工件时 为了保证主动滚轮架和从动滚轮架的中心线在同一条直线上 工厂一般设有钢轨 把两滚轮座放置在同一条钢轨上 即可以保证同线 以达到 焊接精度的要求 设计感想设计感想 本次设计是我们学完大学四年所有的专业课之后所进行的一次综合性很强的 设计 所有它就是我们在毕业前将自己的所学向老师所做的全面汇报 我所设计 的是小型焊接滚轮架 滚轮架是一种专用的焊接辅助设备 由一个主动滚轮架和 一个从动滚轮架组成 与操作机 埋弧焊配套使用 进行对筒形工件的环缝焊接 主动滚轮座上装有直流电机驱动装置 驱动滚轮带动工件进行旋转 而简形工件 则以摩擦力的形式带动从动滚轮旋转 以达到环形焊接的目的 而从动轮本身只 起支撑工件的作用 生产中 当工件在主动滚轮的驱动下以焊速旋转进行环缝焊 时 由于工件几何形状不规矩 安放位置不好 以及主 从动轮相互位置误差的 影响 工件在旋转过程中往往沿轴向发生窜动 这在窄间隙埋弧焊以及带极堆焊 等高效焊接中是不允许发生的 为了保证工件旋转时的位置精度 在 80 年代初期 出现了防工件轴向窜动的焊接滚轮架 但我国对这类滚轮架还处于研究阶段 我 国现在已经加入了 WTO 我国在机械方面必须要有所成就 本焊接滚轮架具有结构简单 操作简易 运转稳定 并且可以根据焊件的特点任意组 合等优点 便于维护和保养 使用寿命长 33 致谢致谢 在本次毕业设计期间 我得到了陈启东导师的耐心指导 在此向陈老师表 示衷心的感谢 此外 感谢在大学四年间教过我的老师 感谢他们传授给我知识 感谢大 学期间给我知识的所有老师 还要感谢与我做同一课题的吉祥同学 与我一起探讨问题 分享资料 感 谢所有关心 支持和鼓励我的同学们 34 参考文献参考文献 1 王传妹 滚轮式焊接架的设计及校验 常熟专用汽车制造厂 专用汽车 200l 3 2 陈焕明 焊接工装设计 航空工业出版社 2006 3 甘肃工业大学 王政 焊接工装夹具及变位机械 机械工业出版社 2001 4 甘肃工业大学焊接教研室编 焊接机械装备图册 机械工业出版社 1986 5 孙桓 陈作模 机械原理 第六版 高等教育出版社 2001 6 张健文 液压气压附件及管路系统设计 西北工业大学出版社 1993 7 刘艳革 焊接用自调式滚轮架设计 化工机械 第 2 期 P103 1998 8 陈秀宁主编 机械设计基础 第二版 杭州 浙江大学出版社 1999 9 王政主编 焊接工装夹具及变位机械 性能 设计 选用 机械工业出版社 2001 10 何镜民 公差配合使用指南 北京 机械工业出版社 1990 11 罗圣国 机械设计课程设计手册 清华大学吴宗泽 北京科技大学 12 江焕中 焊接方法与设备 机械工业出版社 13 杨峰 Pro E 曲面设计技巧与实例 北京 中国铁道出版社 2002 14 林清安 Pro E 2001 零件设计与工程图 北京 35 外文资料翻译译文外文资料翻译译文 如何延长轴承寿命 摘要 自然界苛刻的工作条件会导致轴承的失效 但是如果遵循一些简单 的规则 轴承正常运转的机会是能够被提高的 在轴承的使用过程当中 过分 的忽视会导致轴承的过热现象 也可能使轴承不能够再被使用 甚至完全的破 坏 但是一个被损坏的轴承 会留下它为什么被损坏的线索 通过一些细致的 侦察工作 我们可以采取行动来避免轴承的再次失效 关键词 轴承 失效 寿命 导致轴承失效的原因很多 但常见的是不正确的使用 污染 润滑剂使用 不当 装卸或搬运时的损伤及安装误差等 诊断失效的原因并不困难 因为根 据轴承上留下的痕迹可以确定轴承失效的原因 然而 当事后的调查分析提供出宝贵的信息时 最好首先通过正确地选定 轴承来完全避免失效的发生 为了做到这一点 再考察一下制造厂商的尺寸定 位指南和所选轴承的使用特点是非常重要的 1 轴承失效的原因 在球轴承的失效中约有 40 是由灰尘 脏物 碎屑的污染以及腐蚀造成的 污染通常是由不正确的使用和不良的使用环境造成的 它还会引起扭矩和噪声 的问题 由环境和污染所产生的轴承失效是可以预防的 而且通过简单的肉眼 观察是可以确定产生这类失效的原因 通过失效后的分析可以得知对已经失效的或将要失效的轴承应该在哪些方 面进行查看 弄清诸如剥蚀和疲劳破坏一类失效的机理 有助于消除问题的根 源 只要使用和安装合理 轴承的剥蚀是容易避免的 剥蚀的特征是在轴承圈 36 滚道上留有由冲击载荷或不正确的安装产生的压痕 剥蚀通常是在载荷超过材 料屈服极限时发生的 如果安装不正确从而使某一载荷横穿轴承圈也会产生剥 蚀 轴承圈上的压坑还会产生噪声 振动和附加扭矩 类似的一种缺陷是当轴承不旋转时由于滚珠在轴承圈间振动而产生的椭圆 形压痕 这种破坏称为低荷振蚀 这种破坏在运输中的设备和不工作时仍振动 的设备中都会产生 此外 低荷振蚀产生的碎屑的作用就象磨粒一样 会进一 步损害轴承 与剥蚀不同 低荷振蚀的特征通常是由于微振磨损腐蚀在润滑剂 中会产生淡红色 消除振动源并保持良好的轴承润滑可以防止低荷振蚀 给设备加隔离垫或 对底座进行隔离可以减轻环境的振动 另外在轴承上加一个较小的预载荷不仅 有助于滚珠和轴承圈保持紧密的接触 并且对防止在设备运输中产生的低荷振 蚀也有帮助 造成轴承卡住的原因是缺少内隙 润滑不当和载荷过大 在卡住之前 过 大的摩擦和热量使轴承钢软化 过热的轴承通常会改变颜色 一般会变成蓝黑 色或淡黄色 摩擦还会使保持架受力 这会破坏支承架 并加速轴承的失效 材料过早出现疲劳破坏是由重载后过大的预载引起的 如果这些条件不可 避免 就应仔细计算轴承寿命 以制定一个维护计划 另一个解决办法是更换材料 若标准的轴承材料不能保证足够的轴承寿命 就应当采用特殊的材料 另外 如果这个问题是由于载荷过大造成的 就应该 采用抗载能力更强或其他结构的轴承 蠕动不象过早疲劳那样普遍 轴承的蠕动是由于轴和内圈之间的间隙过大 造成的 蠕动的害处很大 它不仅损害轴承 也破坏其他零件 蠕动的明显特征是划痕 擦痕或轴与内圈的颜色变化 为了防止蠕动 应 该先用肉眼检查一下轴承箱件和轴的配件 蠕动与安装不正有关 如果轴承圈不正或翘起 滚珠将沿着一个非圆周轨 道运动 这个问题是由于安装不正确或公差不正确或轴承安装现场的垂直度不 够造成的 如果偏斜超过 0 25 轴承就会过早地失效 检查润滑剂的污染比检查装配不正或蠕动要困难得多 污染的特征是使轴 承过早的出现磨损 润滑剂中的固体杂质就象磨粒一样 如果滚珠和保持架之 37 间润滑不良也会磨损并削弱保持架 在这种情况下 润滑对于完全加工形式的 保持架来说是至关重要的 相比之下 带状或冠状保持架能较容易地使润滑剂 到达全部表面 锈是湿气污染的一种形式 它的出现常常表明材料选择不当 如果某一材 料经检验适合工作要求 那么防止生锈的最简单的方法是给轴承包装起来 直 到安装使用时才打开包装 2 避免失效的方法 解决轴承失效问题的最好办法就是避免失效发生 这可以在选用过程中通 过考虑关键性能特征来实现 这些特征包括噪声 起动和运转扭矩 刚性 非 重复性振摆以及径向和轴向间隙 扭矩要求是由润滑剂 保持架 轴承圈质量 弯曲部分的圆度和表面加工 质量 以及是否使用密封或遮护装置来决定 润滑剂的粘度必须认真加以选择 因为不适宜的润滑剂会产生过大的扭矩 这在小型轴承中尤其如此 另外 不 同的润滑剂的噪声特性也不一样 举例来说 润滑脂产生的噪声比润滑油大一 些 因此 要根据不同的用途来选用润滑剂 在轴承转动过程中 如果内圈和外圈之间存在一个随机的偏心距 就会产 生与凸轮运动非常相似的非重复性振摆 NRR 保持架的尺寸误差和轴承圈与 滚珠的偏心都会引起 NRR 和重复性振摆不同的是 NRR 是没有办法进行补偿的 在工业中一般是根据具体的应用来选择不同类型和精度等级的轴承 例如 当要求振摆最小时 轴承的非重复性振摆不能超过 0 3 微米 同样 机床主轴 只能容许最小的振摆 以保证切削精度 因此在机床的应用中应该使用非重复 性振摆较小的轴承 在许多工业产品中 污染是不可避免的 因此常用密封或遮护装置来保护 轴承 使其免受灰尘或脏物的侵蚀 但是 由于轴承内外圈的运动 使轴承的 密封不可能达到完美的程度 因此润滑油的泄漏和污染始终是一个未能解