双摇杆式结晶器振动装置的设计【说明书+CAD】
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湖 南 科 技 大 学英文文献翻译学 生 姓 名： 牛文建 学 院： 机电工程学院 专业及班级： 机械设计制造及其自动化（2）班 学 号： 103010201 指导教师： 马克新 2015 年 3 月 26 日VIBRATORY HAMMER EXCITERSAlthough there are many varitations in design and construction ,the vast majority of vibratory hammer are of the configuration like this .Briefly ,there are two main components of the system: the exciter , which produces the actual vibrating force ,and the power pack, which provides the usable energy for the motors on the hammer to spin the eccentrics. We first need to look at the exciter; it is divided into three parts; 1)Vibrator case :This contains the eccentric weights and does the actual vibration. Thus, these eccentrics must be somehow both driven and synchronized. The most common way to accomplish this is a gear system. The gears can actually function in various ways , depending upon how they are set up . Generally the eccentrics are mounted to the gear system , either partially or entirely; in either case the mounting is rigid. In some vibratory hammers, this rigidity is insured by insured by making the gear a one piece eccentric .Several types of gears have been used in vibratory hammer, including spur, helical ,and bevel. All types work best when the teeth are small but strong enough to transmit the power. Large teeth have two been used extensively in vibratory hammers over the years , but small ones are quieter , more efficient, and more reliable. Other schemes of synchronization are: a) there are no gears , and most of the time the amplitude of the system synchronizes their rotation ,each eccentric driven by its own motor , or b) the gears are synchronized by a chain and each eccentrics is driven individually . In any case , the dynamics forces generated by the eccentrics is transmitted to the case by the use of antifriction bearings , which also facilitate rotation. These can be cylindrical , spherical (“screen” bearings) ,or ball , but to work properly they must be sufficiently large for the load and adequately lubricated ,either by a pump system or well designed splash system . Geared eccentrics can be connected to the motor either by pinion, or through belts or chain drives. For the latter two the motor is mounted on the static weight ; a pinion drive require that the motor be mounted directly to the vibrator case .Pinions are used as torque converters, which make optimum used of motors at their preferred operating speeds. 2)Clamp: This connects the vibrator case to the pile and thus transmits the vibrators power from the vibrator case to the pile. Generally speaking , most clamps pinch the pile using a hydraulic cylinder and jaws , thus making a frictional connection . A few vibrators actually bolt or pin the pile to the vibrator case , as was done with the old Vulcan or MKT impact extractors . Some clamps (Foster) use some kind of leverage to enable the use of a small cylinder to generate a large force . For hydraulic clamps ,both lever and direct cylinder clamps are shown.3) Suspension: This is connected to the vibrator case by rubble or metal springs. In driving this provides additional weight to the system to force the pile into the ground without degrading the vibration of the system, although with most units additional bias weight can be attached to the suspension. In extraction the suspension system transmits static pull while dampening out vibration and thus protects the crane boom. For this to be effective the springs must be sufficiently soft and the bias weight sufficiently heavy to insure a suspension natural frequency that is much lower than the vibrators operating frequency. Occasionally additional static weight is helpful during and the weights which accomplish this (called “base weighst”) are attached to the suspension. Impact-Vibration Exciters Although impact vibration hammers share common constructional features with their vibratory relatives , there are important differences .In common with more conventional vibratory hammers, it contains counter rotating eccentrics which impart vertical vibrations ;however, these are contained in a head which is not rigidly connected to the pile but is free to some degree . This freedom enables the units to impact the pile at a rate higher than conventional impact hammers . The alternating force of the eccentrics takes the place of the air , steam ,diesel combustion or hydraulic fluid in 4 moving the head up and down like a ram, with impact at either the top , bottom,or both ends of its “stroke”. Although this can produce variations in the eccentric rotational speed of up to 40%(as opposed to the 50% or so normal for vibratory hammers), this variation generally does not impede the continuous , stable operation of the equipment. Some of the various parts of these hammer are dicussed below: Exciter/Head : The exciter of these machines is similar in general principle to strictly vibrating machines ,with eccentrics driven by motors. With impact vibration hammers ,the exciter has a constant source of amplitude within the springs ,and so the eccentrics are usually not synchronized with gears ,each one driven by a motor. Beaing life with these machine is critical ,and many of them must be used in the vibratory mode a good deal of their operation. Frame/Springs : Frame design of these machines is critical since the frame provides both the regulation of the machine and its connection to the pile. The regulating springs are generally coil springs . The machines vibration within the springs is regulated by both the springs rate and the pretensioning of the springs . The latter can be either fixed or regulated by hydraulic or electric means . Part of the machines force on the pile is also transmitted by the springs if the frame is clamped to the pile.Pile Connection: The most elementary of impact-vibration machines have no pile connection(or frame) at all and rest on the top like impact hammers .Although hydraulic clamps similar to ones in vibratory hammers can be used , other schemes to keep the frame on the pile include simply making the frame heavy than the upward springs force or bolting the machine to the pile. Power Packs for Vibratory and Impact-Vibration Equipment Turning to the power pack, a few vibrators , such as the bodine-guild resonant drivers ,some of the early Soviet vibrodrilling machines ,and some Japanese units ,drive rotating eccentrics straight from diesel or gasoline engines by mechanical couplings . However , most vibratory or impact-vibration hammers transmit energy from the prime mover to the eccentrics through either electric or hydraulic systems. Since construction site are usually remote , transportable power sources have been developed for vibratory hammers. These are referred to as power packs ( for hydraulic units) or generator sets ( for electric units) . These units are similar for both vibratory and impact-vibration equipments . Electrics system : these usually employ three-phase induction motors driven at a single frequency, which has encourage the development of many system to vary the eccentric moment and thus the driving force .In some case electric vibratory hammers can be driven from a nearby three-phase mains , obviating the need for a generator set. The hammers thus only requires a switchbox to control it . A separate , small power pack , driven with an electric motor , is required to operate the hydraulic clamp , if there is one . This can either be on the ground or mounted on the static overweight . Electric systems are less and less popular because of maintenance and reliability consideration. Hydraulic system: for a varity of reason hydraulic system have become dominant, and the major manufactures , such as Vulcan ,ICE ,and MKT, employ hydraulic drive almost exclusively. These system use a diesel engine to drive a hydraulic pump ,which In turn drives the motor on the exciter . A reservoir of varying size is used to store hydraulic fluid in case of leakage , fluid low , both in starting and stopping the 6 machine and during operation .Beyond these basic , these are specific differences between the various hydraulic power packs available; They are : 1) Pump Driven or Gearbox :the hydraulic pump is connected to the engine through a pump drive; sometimes this pump drive is a gearbox as well , acting as a speed changer to optimize the pump , while in others a direct drive is employed , eliminating gear losses. 2) Clamp Pumps :some units have separate pumps for the hydraulic clamp and some integrate these into the main power source .Impact-vibration hammers that do mot have a clamp on them do not have a clamp on them do not need a clamp circuit. 3) Variation of Frequency and Force :Both of these can be varied either by using varied displacement pumps in the power pack or by simply varying the engine speed. Variable disable displacement pumps can have very sophisticated flow control mechanisms. 4) Control Type : These units can employ air ,electric, or manual controls for the hydraulic circuitry .Manual controls are the simplest; however ,they confine the operate the machine . Remote controls allow more economical and there is better access to the parts for severice. 5) Enclosure : some power packs have a sheets metal enclosure and some do not . The principal advantage of an enclosed power pack is protection from weather and criminal activity . Enclosures are also helpful if they provide sound deadening , although many do not. Open power packs are more economical and there is better access to the parts of service. 6) Open and Close Loop Hydraulic System: Both appear on power pack in this application . Closed loop systems allow for better controlled starting , running ,and stopping of themechines , but have traditionally been more complicated, and the power packs less adaptable to other applications. In some cases, the crane hydraulic system can be employed to power the vibratory hammer. Although this eliminates the external power pack and diesel engine , all of the control and operating features of these integral power units are the same. 振动打桩机激振器虽然在设计和施工中有很多变化，但绝大多数的振动桩锤结构都像这样。简单的说，打桩机系统由两个核心组件构成：激振器产生激振力；电源箱提供能源使得位于振动桩锤上的马达带动偏心块旋转。 我们首先看一看激振器，它由三部分组成； 1）激振箱 ：包含偏心块，它能产生振动。因此这些偏心块一定是以某种方式被同步驱动。 最常被用来实现这种同步驱动的是齿轮系统。齿轮有多种运用方式，这取决于它们是怎样被安装的。通常齿轮系统被整体或局部的安装在激振器中，无论哪一种情况下，它都是被精确的安装。在某些振动桩锤中，齿轮配对加工以确保其精度。某些型号的齿轮被运用到振动桩锤中，包括直齿，园齿和圆锥持轮。这些齿轮齿形虽小但工作良好，强度足够传递动力。大型齿轮虽然多年来广泛的运用在振动桩锤中，但是小齿轮更轻巧、更有效也更可靠。 其他的同步方案中不存在齿轮系统，方案一：大多数的振动系统中每一个偏心块由独立的马达驱动，振幅随着旋转改变。方案二：由同步齿轮链条驱动，偏心块仍由独立的马达驱动。 无论在那种情况下，由偏心块产生的激振力由润滑轴承旋转传递到箱体内，这些轴承的滚珠可以是圆柱形、球形的，但是为良好工作，必须有足够的强度和充分的润滑，润滑是由液压系统或者是设计良好的油滴飞溅润滑来实现。 偏心块既不是通过齿轮也不是带和链传动连接到马达上的，后两者中马达是被静态安装的；齿轮传动需要马达直接被安装在激振器箱体上，齿轮被用作旋转转化原件以便充分利用马达工作转速。 2）压钳：用来连接激振器和桩锤，因此传递递激振器产生的激振力至桩锤。总的来说，大多数的压钳采用液压缸和下颚挤压桩锤而产生摩擦连接。实际上一些振动桩机采用螺栓或者螺钉将桩锤直接安装在激振器箱体上，正如一些老式的Vulcan 和MTK的冲击桩锤。一些压钳（福特斯）采用某种类型的杠杆以使缸体产生很大的挤压力，对于液压压板来说，通常采用杠杆和直压板。 3）悬架：悬架通过垫圈或金属弹簧安装在激振器箱体上，大多数的部件都可以增加偏心块重量，通过驱动这些额外增加系统重量而不减少系统的振动以使桩锤打入地面。在拔桩过程中，悬架传递静拉力而不损坏起重吊臂。为了确保悬架的振动频率低于激振器工作频率，弹簧和偏心块必须有足够弹性和重量。有时候，适当的增加悬架的重量有理由完成打桩过程。 冲击振动桩锤 尽管冲击振动打桩机和其它类型的打桩机一样都具有类似的结构，但是还是存在显著的区别。和传统的打桩桩锤相同，它包括旋转的偏心块来产生竖直方向上的激振力，但是，冲击桩锤的桩锤不是刚性的连接而是自由的还具有一定程度的自由度。这种自由连接的方式保证了冲击桩锤比传统桩锤上升的高度更高。偏心块产生可变换的激振力取代了压缩空气、柴油燃烧或者液压油驱动桩体上升或下降，在桩体上身到顶部和底部时都能产生冲击力。尽管偏心块旋转能产生高达40%的变速范围（相对于正常桩锤的50%），但是变速范围不影响设备的整体连续运行。 激振器/ 连接头：冲击桩锤的激振器与严格的振动打桩机激振器大体相似，其偏心块都是有马达驱动。随着冲击桩锤运动，激振器有连续的振幅，因此激振器不与齿轮同步驱动，每一个偏心块都由独立的马达带动。设备中齿轮的寿命是至关重要的，因此大部分的齿轮振动模式下才能正常运行。 箱体/弹簧：箱体的设计是机器中至关重要的一项，不仅提供机器的调节同时也连接桩锤。一般的调整弹簧是卷弹簧。机器的振动是由弹簧的弹性比和弹簧的预紧力调节的。 桩锤连接：冲击桩锤没有任何的桩锤连接装置因而就像停留在顶部的桩锤，尽管液压夹具在振动桩锤中能够被运用，其他方案中为了桩锤的箱体连接而箱体的重力大于向上的弹簧弹性力或者是直接采用螺栓连接。 振动桩锤和冲击桩锤的动力装置 提到动力装置，像一些苏联早期的振动打钻机和日本的柴油或汽油驱动偏心块竖直旋转的机械连接装置。但是，大多数的振动桩锤通过电子或液压系统将原始动力传递给偏心块。考虑到施工地点通常偏远，振动桩锤的便携式动力部分已经改良。它们是经常被提及的马达（液压装置）和电动机（电气装置）。这些装置在振动桩锤和冲击桩锤中类似。 电气系统：通常采用单频三相感应电机，它能够调整偏心块的运动进而调节激振力。在某些情况下，电气振动打桩机能够采用附近的三相输电总线驱动。因此桩锤仅仅需要一个转换开关就能控制。单独分开小型的电机驱动动力装置需要启动液压夹钳如果配备的话，它可以静态安装在地面或其它部位，由于保养和可靠性差，电气系统难受欢迎。 液压系统：有很多理由解释液压系统将成为主流，像Vulcan ,ICE ,and MKT都专门采用了液压装置。液压系统采用柴油电机驱动液压泵，液压泵驱动激振器上的马达。回油箱用来储存因在开机或关机中导致的液压油漏油和油路。除了这些基本的特点之外，一下还有显著的液压动力箱的特点： 1）液压泵/变速箱：液压泵通过液压马达与电机相连，有时候液压驱动也是变速箱，起着调节泵的转速的作用，有时候被直接运用到其它设备中以消除齿轮磨损。 2）液压压钳：有些设备能将液压泵与液夹钳分隔开，有的则将两者连接起来成为主要的动力部分。冲击桩锤没有液压夹钳，因此也不需要液压回路. 3）可便频率和力矩：这两者均可调节通过使用不同排量的液压泵或者独单的调节每个电机的转速，可变排量的液压泵由非常复杂的流量调节机制。 4）控制类型：液压回路的控制单元可以使用空气、电或者手动控制。手动控制是最简单的，但是这限制了设备的工作范围。远程控制提供了更多的弹性操作但是增加了成本也导致了更多的问题。 5）壳体：一些动力箱有薄板包裹，一些则没有。壳体的作用能保护动力箱不受空气影响和防止事故。不管配不配备隔音设备，壳体也是很有用的。开放式的动力箱更经济也便于拆装零件。 6）开放式和封闭式的液压回路系统：两者共同出现在动力箱上，闭合式的液压回路系统能更好的控制启动、运转和停止，但是与传统的控制相比越来越复杂，使得与其他元件的兼容性减低。 在某些情况下，液压起重系统能够被运用到振动桩锤的沉拔中。尽管减少了外部动力箱和柴油发动机，但是动力装置的所有控制和操作特点都是一样的。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 I 页双摇杆式结晶器振动装置的设计双摇杆式结晶器振动装置的设计摘要摘要结晶器振动装置是连铸机的重要设备之一，起主要作用是使内壁获得良好的润滑条件，减少摩擦力，防止钢水与内壁的粘结，同时还可以改善铸坯的表面质量。而且发生粘结是，振动能强制脱模，消除粘结。振动机构是使结晶器产生所需的振动，因此任何振动机构都必须满足两个基本条件：第一，使结晶器准确地沿着一定的轨迹振动。第二，使结晶器有一定的振动规律。本文详细地介绍了结晶器振动方式，并加以比较后，振动变化规律选择正弦振动方式。结晶器振动装置的结构，根据方案讨论提出采用双摇杆式结晶器振动装置。结果表明该振动方式能有效地防止因坯壳的粘结而造成的拉漏等事故，振动机构能准确实现圆弧轨迹，不产生过大的加速度，从而避免了冲击和摆动。此机构的振动参数有利于改善铸坯表面质量，形成表面光滑的铸坯，而且设备的制造，安装和维护方便，并且便于处理事故，使传动系统有足够的安全储备。关键词：连铸；结晶器；振动装置；正弦 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 II 页Double rocking lever type crystallizer shake-out equipment design Abstract Crystal vibrator is one of important equipment of continuous casting machine, play a major role is to get a good wall lubrication, reduce friction, prevent adhesion of molten steel in the inner wall, while also improving the billets surface quality. And when bonding occurs, the vibration can be forced stripping, erased. Vibration body is needed to mold the vibration generated, so any vibration institution must meet two basic conditions: first, to mold accurately track down some vibration. Second, make sure the laws of the mold according to the vibration. This article introduced in detail the crystallizer vibration way, after and compares, vibration change rule choice sinusoidal vibration way. The crystallizer shake-out equipments structure, according to the plan discussion proposed that uses the double rocking lever type crystallizer shake-out equipment design. The result indicated that this vibration way can prevent to pull effectively leaks and so on accidents which creates because of the semifinished product shells caking, the vibrator unit can realize the circular arc path accurately, does not have the oversized acceleration, thus has avoided the impact and swinging. This organizations vibration parameter is advantageous in the improvement casts the semifinished product surface quality, forms the surface smoothly to cast the semifinished product, moreover equipments manufacture, the installment and the maintenance are convenient, and is advantageous for the deal with accident, enables the transmission system to have the enough safety margin.Key words: Continuous casting; Crystallizer; Shake-out equipment; Sine 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 III页目 录摘要.IABSTRACT.II1绪论.11.1选题背景及目的.11.2国内外研究状况.11.2.150 年代工业应用时期.21.2.260 年代稳步发展时期.21.2.370 年代以后的迅猛发展时期.31.2.480 年代连铸完全成熟时期.41.3设计的内容.52总体方案设计选择.72.1结晶器振动装置的技术要求.72.2结晶器振动装置的类型和特点.82.2.1振动方式.82.2.2振动机构.103技术参数计算.133.1短臂四连杆机构原理.133.2弹簧的设计.16 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 IV 页3.3振幅的计算.174主传动装置设计.204.1电机的选择.204.2轴的设计.214.3联轴器的设计.274.4减速器的设计.305零部件的校核.315.1弹簧校核.315.2销轴的校核.335.3电机的校核.355.4轴的校核.366能源消耗与环保分析.40结束语.41致谢.42参考文献.43 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 0 页1 绪论1.1 选题背景及目的钢铁工业是我国的支柱产业之一，是国民经济健康发展的基础工业，钢铁产品运用于国民经济的各行各业，一个国家整体经济发展规模和速度与刚铁工业的的发展密不可分1。近些年来，随着我国钢铁工业结构的不断调整、产量的不断提高。使得连续铸造技术得到广泛的应用。 连续铸造需要用到许多传统铸造没有的设备。结晶器是连铸设备中最关键的部件，有人把结晶器称为是连铸机的心脏2。钢水在结晶器内冷却凝固成所需的断面形状和一定厚度的坯壳。当铸坯在被拉出结晶器时，由于纯在机械和热应力的作用，坯壳容易被拉漏、容易因为产生变形和裂纹而造成破坏。所以结晶器的性能对于连铸机的生产能力和铸坯质量的好坏都起着至关重要的作用。结晶器振动的目的是使防止初生坯壳与结晶器之间分离，防止粘结而被拉裂。结晶器的振动实际上起到强制脱模作用。由于振动的存在，使结晶器内壁获得了良好的润滑条件，既减少结晶器与铸坯间的摩擦力又能防止钢水与结晶器内壁发生粘结。一旦发生粘结时，振动就能强制脱模，消除粘结。如果在结晶器内部坯壳被拉断，振动还可使坏壳得到愈合。除此之外还可以改善铸坯的表面质量。实际运用中对结晶器振动的要求是：振动方式能有效地防止因坯壳与结晶器的粘结而造成拉漏事故;振动能够有利于改善铸坯表面质量，形成表面光滑平整的铸坯;振动机械的运动轨迹为真确的圆弧，振动过程中不产生过大的加速度以避免产生的冲击和摆动;设备的制造、安装和维护相对方便，便于处理事故，传动系统要有足够的安全储备。结晶器振动装置包括结晶振动方式结晶器振动装置的结构。 1.2 国内外研究状况连续浇注液体金属在 100 多年以前就已经被提出，但是由于当时技术条件的限制，G.E.塞勒斯（G.E.Sellers）(1840)、赖尼（J.Lainy）(1843)等人提出的设想在当时只能用于熔点比较低的有色金属，比如铅。1887 年德国人 R.M.戴伦（R.M.Daelen）最早提出了关于类似现代连铸设备的观点。在他们的铸造设备中已经包括有水冷的、上下口敞开的结晶器、二次冷却段、引锭杆、夹辊和铸坯切割装置等。我国的连铸开发相对于西方国家来说比较晚，1958 年第一台我国自主研发的立式 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 1 页连铸机在重钢三厂建成投产，6 年后在重钢三厂又建设了弧型板坯连铸机，以后相继在天津、上海、北京等地建设了一批连铸机。到 1980 年为止全国一共拥有 25 台连铸机，生产能力为年产 345 万 t。但是 1980 年实际仅生产铸坯不到 230 万 t，连铸比仅为 6.3%。从以上这些数据来看，我国的连铸发展比较缓慢，许多连铸机不但达不到生产能力，而且品种相对单一3 。 十九世纪 H.贝塞麦(H.Bessemer)提出了连续浇注液态金属的设想后。很多科学家对此项技术进行过研究。但是由于科学水平的限制，并未能够将此运用于工业生产。直到 1933 年，现代连铸的奠基人S.客汉斯(S.Junghans)提出并发展了结晶器振动装置，奠定了连铸技术在工业上运用的基础。从 20 世纪 30 年代开始，连铸技术已能够用于有色金属的生产。第二次世界大战以后，苏、美、英、奥等国相继开始进行连铸钢的研究。1950 年容汉斯和曼内斯曼(Mannesmann)公司合作，建成了世界上第一台能浇注 5t 钢水的连铸机。从第一台连铸机问世已经有 60 多年的历史了。在这过程中，世界范围内连铸技术的发展，大体上可分为“50 年代开始工业应用，60 年代稳步发展，70 年代迅猛发展，80 年代完全成熟” 。1.2.11.2.1 5050 年代工业应用时期年代工业应用时期 从 50 年代起，连铸技术开始运用于钢铁工业。这段时间连铸装备的水平普遍都很低，发展速度相对慢，铸机机型很单一多为立式单流，铸坯断面面积比较小而且主要为方坯。在此期间连铸规模也较小，盛钢桶容量一般为 10-20t。到 50 年代末，世界各地建成的连铸机总数还不到 30 台。连铸坯产量仅有 110t，连铸比约仅 0.34%。1952年容汉斯和曼内斯曼公司组建了连铸共同体；同时奥地利成立了以百录公司（BohlerA.G.）为中心的连铸利益共同体；1954 年，I.罗西（I.Rossi）在瑞士建立了康卡斯特（Coneast）连铸公司。上述这些专门从事连续铸造技术研发公司、集团的形成，推动了后来连铸技术的发展、应用。1.2.21.2.2 6060 年代稳步发展时期年代稳步发展时期 60 年代后，连铸进入了稳步发展时期。从机型上来说，60 年代初出现了立弯式连铸机。在 1963-1964 年期间，曼内斯曼公司相继建成了方坯、板坯弧形连铸机。这些机型不但应用操作简单而且能够生产工业上急需的厚板、热轧和冷轧带钢，因此很快就发展成为连铸技术的主要机型。这对连铸的发展、应用，起了很大的作用。从铸坯 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 2 页质量上来讲，在这个时期研制的保护渣浇注、浸入式水口和钢流保护等新技术，对连铸的发展有着不可磨灭的意义。除此之外由于氧气转炉应用钢铁生产，原有的模铸工艺已不能满足炼钢的需要，这对连铸的发展也起到了推动作用。从 1965 年开始，连铸技术的发展速度远高于之前。至 60 年代为止，全世界连铸机的数量已达到 200 余台，年生产铸坯能力达 4000 万吨以上。除此之外，在此期间还出现了许多新形式的铸机，如旋转式圆坯铸机、空心圆坯铸机和工字型断面铸机等。在英国的谢尔顿厂（Shelton Iron and steel）率先实现了全连铸。1.2.31.2.3 7070 年代以后的迅猛发展时期年代以后的迅猛发展时期70 年代以后，连铸进入迅猛发展时期。全世界的连铸机总数不断增加，年产量快速增长。各主要产钢国家近十余年来粗钢产量、连铸坯产量和连铸比的变化情况如图1-1 所示。图 1.1 世界各主要产钢国家近十余年来粗钢产量、连铸坯产量、和连铸比从 1970 年到 1990 年的十年间，连铸比由 4.4%上升到 64%，连铸坯年产量由2600 万吨升到 5.12 亿吨。连铸机数量由 70 年代初的 300 余台增加到 1400 余台。从表中我们可以看出从 70 年代初至今，世界粗钢年产量基本不变略有微小的波动，但是连铸坯产量得却持续增长，连铸比不断提高，在这期间节省了很多时间能源带来了巨大的经济效益。应当指出的是在几个产钢大国中，日本连铸发展速度最快。生产能力 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 3 页或技术水平都已经处于世界领先地位。在 1970 年日本的连铸比还不到 10%，但是到1985 年日本的连铸比已突破 90%。而工业发达的美国在 70 年代连铸发展任比较慢，连铸比在 20%以下，这是因为美国拥有较大的初轧开坯能力且不重视连铸技术的发展运用，建设连铸机较少。到 80 年代，美国人开始重视连铸发展，到 1990 年连铸比已达 67.10%。前苏联是研究、运用连铸较早的国家之一，而连铸比一直在 10%左右，这数据远远低于世界平均水平。这是因为它的炼钢设备以平炉为主，不适应连铸生产的特点，此外它的连铸机立式较多，生产能力低，也影响连铸的发展。1.2.41.2.4 8080 年代连铸完全成熟时期年代连铸完全成熟时期80 年代以后，连铸进入完全成熟的全盛时期。从世界范围来看连铸比以每年 4%的速度稳定增长。表 1.1 为 1981 年到 1990 年世界各国连铸比的增长情况。全世界连铸比由 1981 年的 33.8%上升到 1990 年的 64.1%，这个数据具有非常重要的意义。它意味着人类实现了由重要依靠传统铸造转变为依靠连铸技术的飞跃，连铸在浇钢领域开始占据主导地位。从表 1.1 可以看出，以日本为代表的一些发达工业国家，已接近或基本上实现了全铸化。以阿根廷、韩国为代表的以市场经济为主的国家，也都具有很高的连铸比。这一重大技术成就，不但改变了传统的钢铁的生产过程，而且对炼钢轧钢的生产体系，都将产生重大的影响4。表 1.1 1981-1990 年世界连铸比（不包括中国大陆）单位：%国家 年份1981198219831984198519861987198819891990比利时30.633.038.449.560.072.485.888.090.091.7丹麦95.896.897.499.5100.0100.0100.0100.0100.0100.0法国51.458.563.866.980.690.193.194.093.794.3前联邦德国53.551.971.878.979.584.588.088.589.891.3爱尔兰100.0100.0100.0100.0100.0100.0100.0100.0100.0100.0意大利50.858.568.273.378.684.189.992.994.194.8卢森堡7.019.424.126.228.334.637.534.233.534.1荷兰21.231.036.038.739.142.765.035.687.193.4葡萄牙38.246.542.539.742.844.246.046.951.454.6西班牙39.541.945.949.457.061.266.774.486.089.0英国31.839.046.652.054.860.564.970.580.283.6欧共体平均44.651.658.863.769.575.981.384.187.889.6奥地利62.477.387.689.693.494.695.795.595.795.9芬兰91.993.493.594.293.594.494.093.994.097.8 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 4 页挪威16.029.636.551.455.656.753.953.450.392.2瑞典66.876.079.779.680.681.883.683.082.385.8土耳其48.455.763.672.065.777.879.284.682.382.2南斯拉夫43.247.451.651.853.553.454.761.964.770.2欧共体以外西欧国家平均59.067.172.375.475.078.179.282.282.585.4西欧国家平均46.253.660.765.370.376.281.083.887.089.0加拿大32.232.837.438.443.645.849.069.376.176.7美国20.329.032.139.644.455.259.861.364.867.1日本70.778.786.389.191.192.793.393.192.593.9澳大利亚13.017.524.627.027.127.044.571.580.081.5南非55.251.260.061.564.763.963.969.673.473.7西方工业化国家平均44.454.960.064.568.773.977.280.082.984.6阿根廷49.251.848.647.462.564.965.368.274.078.2巴西36.441.144.341.343.746.145.549.053.958.5智利1.40.81.31.61.92.71.71.71.61.9墨西哥31.937.955.254.051.047.354.255.958.150.0委内瑞拉62.270.070.872.073.571.377.078.783.585.0韩国44.351.155.660.663.371.183.588.394.196.1中国台湾省58.580.984.782.883.688.380.693.693.196.1卡塔尔98.798.698.798.798.798.698.498.798.598.6市场经济国家地区平均44.154.359.563.367.171.975.378.281.284.2保加利亚0.00.07.010.09.313.612.415.515.515.4捷克和斯洛伐克1.52.55.17.37.78.28.58.79.211.5前东德15.817.218.125.533.736.537.539.641.041.1匈牙利35.433.539.346.646.652.155.963.255.655.0波兰3.84.34.010.110.310.611.011.17.77.0罗马尼亚20.722.426.030.229.931.932.431.534.235.5前苏联12.212.612.412.713.615.016.116.517.317.6东欧国家平均11.712.312.614.315.216.617.718.218.518.7世界平均33.339.643.046.949.752.455.258.561.264.11.3 设计的内容 结晶器振动装置按照其运动轨迹可以分为长臂式、复合差动式、导轨式和双摇杆式。按照其振动方式可以分为正弦振动、同步式和负滑脱式。本次设计通过技术参数的要求，结合具体实际，进行方案讨论，以确定机构方式，振动方式等内容。进一步进行电机的选择，对各零部件进行校核计算。具体步骤如下。（1）绪论； 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 5 页（2）设计方案的确定及论证；（3）术参数的设计计算；（4）电机性型号的选择；（5）主要零部件的设计及校核；（6）绘图（总装配图一张、部件装配图二张、零件图四张，折成 A0 共六张以上）；（7）编制、打印设计说明书； 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 6 页2 总体方案设计选择结晶器振动的是为了使铸坯在凝固过程中与铜板分离开，防止两者粘结而发生粘挂拉裂或拉漏事故而造成破坏，以保证拉坯顺利进行。钢液在结晶器中的凝固过程如图 2.1 所示。图 2.1a 表示坯壳在结晶器中的正常生长情况，如果不发生意外情况，铸坯就能够被连续而不间断地从结晶器中拉出。假如由于某种意外，比如润滑不良时，坯壳的上半部分就会粘结在结晶器壁面上，而且在某处（如 X 处）粘着力大于坯壳的拉强度，那么坯壳在拉坯力的作用下被拉断，被拉断的上半部分（如 A 处）又会紧紧的粘在结晶器壁上，而下段（如 B 段）继续向下运动，这时候钢水将会充填进 AB 之间，如图 2.1b 所示，就会形成一段新的坯壳，AB两段就联接起来。新形成的坯壳强度很低，钢坯再次被拉断。这样会造成钢坯连续地被拉断，连续地在断层上充填钢水，直至 B 段被拉出结晶器，便发生了如图 2.1c 所示的漏钢事故。为了避免上述缺点，结晶器振动技术就发展起来了。图 2.1 坯壳被拉断的过程 结晶器振动装置的技术要求1) 保证铸坯不与结晶器发生粘结现象，使铸坯形成良好的表面质量2) 振动机构应该有一个确定的运动轨迹，应不发生偏摆和晃动。3) 结晶器内的坯壳应与结晶器壁保持接触，不应产生过大的间隙。4) 为了避免产生冲击振动，振动速度变化缓慢，加速度不应过大。5) 发生故障时，必须有防止设备和电动机过载保护的安全措施。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 7 页2.2结晶器振动装置的类型和特点2.2.1振动方式结晶器振动按速度-时间特征可分为 3 种，如图 2.2 所示。1-同步振动；2-负滑振动；3-正弦振动；4-非正弦振动图 2.2 结晶器振动方式（波形） （1）同步式：如图 2.2 中曲线 1 所示，采用同步振动方式时，结晶器与铸坯保持同步下降，在此过程中拉裂的坯壳在下降阶段得到愈合，愈合时间约占振动周期的四分之三。同时同步振动降低了拉坯的阻力，降低了漏钢的风险，铸坯的表面质量得到提高，因此，同步振动在连铸技术开发初期得到了广泛的应用。同步振动主要特点是：结晶器在下降时与铸坯作同步运动，然后以三倍的拉坯速度上升，即： VV31(2.2.1) (2.2.2)VV 2式中， 分别为结晶器的上升和下降速度；21VV、 拉坯速度。V上升速度与下降速度之比 N 为 ： 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 8 页 (2.2.3)321VVN由于上升和下降都是等速运动，所以 (2.2.4)312121vvtt (2.2.5)1214tttT式中， 分别为结晶器上升和下降的时间;21,tt 振动周期。T一般通过采用凸轮机构来实现同步振动，其设备的加工、制造相对复杂。结晶器振动机构、拉坯机构之间必须进行严格的电气连锁来实现严格的同步；此外，结晶器在振动方向不同的速度转折处速度变化很快，此时机构会中产生了很大的冲击力，因而结晶器振动的平稳性受到影响，这些对于铸坯的表面质量和设备的正常使用都非常不利。 在当今工业生产中同步振动已不使用。 （2）负滑脱式：如图 2.2 中曲线 2 所示。负滑脱振动是在同步振动的基础上发展而来的，这种振动方式的下降速度大于拉坯速度，所以铸坯在向下振动时就会与结晶器壁产生滑动，因此称为负滑脱5。 结晶器的下降速度略大于拉坯速度，即： (2.2.6)1 (2VV式中， 负滑差率，表示结晶器下降速度与拉坯速度之间的滑差率 (2.2.7)%100*2VVV 负滑差 太大，容易在铸坯表面上产生振动痕迹。目前一般取： %105 上升速度和下降速度之比。1V2V35 . 2N优点是：结晶器下降时，坯壳中会产生压应力，有利于进断裂的坯壳压合，同时也有利于脱模。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 9 页1） 结晶器在振动速度的转折点处，速度变化比较缓慢，有利于提高运动的平稳性。结晶器在上升时，坯壳承受拉应力，下降时承受压应力，所以在确定振动参数的时候时，应使开始下降时的加速度稍微大些，开始上升时的加速度稍微取小些。2a1a比值。3212aak负滑脱振动，在下降时铸坯会受到一种压力，坯壳表面细小的横裂将被焊合。但是负滑振动形式也是由凸轮机构来实现运作，与同步振动相仿它在机械和电气使用效果上的弱点仍然存在，所以，负滑振动在当今工业生产中很少使用。 （3）正弦振动：正弦式振动是指结晶器的运动速度-时间是按正弦规律变化，见图 2.2 中曲线 3，它有如下几个特点：1)由于在正弦式运动中速度一直都是变化的，所以结晶器与铸坯之间不存在同步运动阶段，但会存在一小段负滑动阶段，着有利于坯壳的愈合;2)由于速度（）随时间是按正弦波形变化的，加速度（）随时间tsdd /tsdd22/是按余弦规律变化，减速度没有突变，所以过渡比较平稳，没有较大冲击；3)因为加速度较小，所以可提高振动频率，这利于提高脱模作用，消除粘结现象；4)通过偏心轮来实现正弦式振动，所以制造比较容易；5)结晶器和铸坯之间速度没有必然关系，所以当拉坯的速度变化不太大时，振动机构和拉坯机构之间的重要性也不大，这样可以简化电气系统。 正弦振动在目前连铸生产中应用最广泛。 （4）非正弦振动： 如图 2.2 中曲线 4 所示，采用非正弦振动方式，结晶器振动过程中，下降运动时间比上升运动短，所以正滑动时间较长，结晶器振动的速度与拉坯的速度之间速度差较小，使得钢水与结晶器铜板的摩擦有了较大的减轻；同时，采用非正弦振动能够使液态保护渣膜向出口方向扩展，有利于保护渣向结晶器与凝固坯壳之间的缝隙渗透，润滑效果得到改善，铸坯质量得到提高。所以，非正弦振动更适应于高拉速连铸过程。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 10 页2.2.2振动机构 装置的结构包括：实现结晶器运动轨迹（直线或弧线）的部分、实现结晶器振动的部分。按照结晶器运动轨迹（弧线）的可分为导轨式、长臂式、复合差动式、四偏心式、双摇杆式和四偏心式。小方坯连铸机采用的是双摇杆式振动机构，常装在内弧侧，大板坯连铸机采用双摇杆式振动机构则装在外弧侧。1） 导轨式振动机构导轨式振动机构的结晶器是通过弧形导轨和滑轮来使实现弧线运动的。因为振动行程很小，所以弧形导轨也可以用两段折线来代替，以简化加工。导轨能够直接固定在浇注平台的钢结构上，也可以固定在二次冷却装置的机架上，这样便于对弧。滑轮能够使用滑块来代替。通常把它们固定在结晶器的外壳上。这种机构结构比较简单，早期使用较多。2） 长臂式振动机构长臂式振动机构是通过采用一根长臂来实现弧线运动的，长臂的工作长度和圆弧半径 R 相等，一端连铸机的圆弧中心，为一支点，它是铰接在建筑结构上的。一端上装有结晶器，它可以绕支点自由作弧线摆动。长臂是通过振动机构来实现上下振动的。长臂式振动装置能准确地实现预定的弧线运动，结构也相对简单，但是这种振动机构不利于拆装二次冷却装置及拉坯矫直机，所以现已淘汰。3） 复合差动式振动机构复合差动式振动机构是我由国于 1964 年自主开发的一种弧形运动机构。在由弹簧支承的框架上固定一结晶器，采用凸轮机构、偏心轮强迫框架下降，靠弹簧的反弹使其上升。在振动框架的内、外弧侧面，都装有齿条，它们分别与节圆半径相等的小齿轮相啮合。装在小齿轮轴上的扇形齿轮有不同的节圆半径，外弧侧的节圆半径较小。当相互啮合的扇形齿轮及摆动时，就会使与其相连的两个小齿轮轴及产生不同的线速度。反映在振动框架两侧的齿条上，就会产生不同的上下运动的线速度，所以可使结晶器产生弧线运动。复合差动式机构有如下优点： a)其精度能长时间保持不变。运动轨迹准确。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 11 页b）机构相对简单，运动件及轴承数目少，易于维修。可以和结晶器、头段二冷夹辊预装在一起，便于在检修及处理漏钢时快速更换。c）结晶器上下运动产生的推力只作用于振动框架的外围，因而结晶器内阻力点的偏移不会使结晶器作不规则的运动。d) 由于弹簧的支承作用，不仅降低了拉破坯壳的危险，还能使齿轮与齿条等啮合件永不脱离接触，即便在接触处磨损的情况下也能保持保持良好的接触，避免产生冲击。4) 双摇杆式振动机构图 2.5 双摇杆式振动机构的基本原理图在某一瞬时,双摇杆机构中连杆 CD 的绕瞬时中心 O 点的做弧线运动，其圆弧半径为 OD。因此，只要恰当地选取双摇杆中各杆的尺寸，就能使 OD 正好等于连铸机的圆弧半径 R，使结晶器处在 CD 杆位置时，这样就能实现结晶器的弧线运动。由于圆弧半径相比结晶器振幅大很多，所以瞬心位置变化造成的运动误差在理论上很，可以忽略。5) 四偏心式振动机构西德曼内斯曼公司于 70 年代开发了四偏心轮机构、80 年代对这种机构不断的加以改进。利用偏心距不同的偏心轮及连杆机构来实现结晶器的弧线运动。利用两条板式弹簧使结晶器只作弧形摆动，而不能产生前后左右的位移。通过适当选择合适的弹簧长度，能够使的运动轨迹误差不大于 0.02mm。振动台架是钢结构件。结晶器及其冷却水管快速接头，振动机构及驱动系统及第一段二冷夹辊都装在这个振动台架上，可以整体吊运，更换时间不超过 1h。优点是偏心轮连杆产生的推力会作用于振动台的四角，因而结晶器不会因为结晶器内阻力作用点的偏移而产生不平稳的运动。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 12 页为了保证四个偏心轮的安装调整的方便和相位精度，可以在在传动系统中采用万向接轴、轴离合器、相位联轴器6。3 技术参数计算设计参数，振动负荷 56KN、振幅3mm、振动频率 30240 次/min。3.1 双摇杆机构原理连杆机构的共同特点是运动从原动件，经过一个不与机架直接相连的中间构件（连杆）的传递，传动到从动件，所以称之为连杆机构。连杆机构具有以下一些特点：连杆机构中的运动副一般为低副（所以又称为低副机构） 。一般为面接触，单位压力较小，承载能力较大，润滑条件好，摩损较小，便于加工制造。在连机构中，在原动件的运动规律一定的条件下，要想改变从动件运动规律，可以通过改变各构件的相对长度来实现。在连杆机构中，连杆上的各点的轨迹是形状不同的曲线（连杆曲线） ，随着各构件相对长度的改变其形状发生改变，所以连杆曲线的形式多种多样，可以可用来满足一些特定的需要。连杆机构还有一个很大的优点就是可以很方便地到改变运动的传递方向、扩大运动行程、实现增力和远距离传动等目的。 在四杆机构中中，能作整周回转的杆件且和机架相连的称为曲柄，只能在一定范围内摆动的杆件且和机架相连的称为摇杆。四杆机构可以分为如下几类：1)曲柄摇杆机构：四杆机构中一个连架杆为曲柄，另一个连杆为摇杆，则称为曲柄摇杆机构。2)双曲柄机构：四杆机构中两个连架杆都为曲柄时，称其为双曲柄机构。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 13 页3)双摇杆机构：四杆机构的两个连架杆都为摇杆时，称其为双摇杆机构。双摇杆机构又称为短臂四连杆机构。若两摇杆长度相等且均为最短杆，则构成等腰梯形机构。本次设计原理方案图如图 3.1 所示设计尺寸 OA=1500mm AB=850mm BC=543.01mm DA=667.28mm DC=850mm 。14图 3.1 四连杆机构首先判断四杆机构是否有曲柄，判断条件是其运动副中否有周转副存在，条件：1) 最长杆的长度+最短的杆长度其余两杆长度之和。2) 组成该周转副的两杆中有一杆为最短杆。上述条件称为杆长条件和周转副必有最短杆和邻杆组成的条件。上述条件说明，当四杆机构满足杆长条件时，有最短杆参加与构成的转动副必定是周转副，而其余的转动副则是摆转副。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 14 页图 3.2 四连杆机构图 3.2 中，此机构中，AD 为机架，AB、CD 两杆直接与机架相连称为连架杆，BC连接两连架杆称为连杆。图中 BC 为最短杆，AB、CD 为最长杆。判断连架杆中是否存在周转副：1) BC+ABAD+DC。2) 最短杆为 BC。所以，该机构中的 D、A 处为摆转副，B、C 处周转副。因为连架杆和机架之间不存在周转副，只存在摆转副，所以机构中不存在曲柄，只存在摇杆，所以该机构为双摇杆机构。摆动形式如图 3.3 所式 图 3.3 各点运动轨迹1) 其中 OAB 杆为一体杆，通过焊接连接成。OA 杆部分，以 A 为圆心，OA 为半径摆动。AB 部分，以 A 为圆心，AB 为半径摆动。DC 杆部分，以 D 为圆心，DC为半径摆动。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 15 页2) O 点振动时，将会带动 AB 杆的摆动。其中 AB 杆为主动，通过 BC 杆进行传递运动，从而带动 DC 杆的摆动。以达到运动目的。如图 3.4 a、b 所示，在 O 点处在上下限位置时，B、C 点的位置。a 下极限b 上极限图 3.4 运动极限位置3.2 弹簧的设计 选择用压缩弹簧来平衡振动负荷，以减轻电机的负担， 如结构图 3.5 所示，技术条件：1) 件 1、2 为装配时所用工具，先用 1 将弹簧 3 压缩到 350mm。2) 弹簧被压缩到 350mm 以后，再用 2 将该装置两端锁紧固定，并将件 1 拆下。3) 该装置装配在设备上的指定的位置后，调整垫片高度，使得将件 2 拆下后弹簧高度为 377mm。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 16 页图 3.5 弹簧剖面图 3.6 受力分析设计弹簧技术参数如图 3.6 所示：1) 弹簧总圈数：n18.52) 弹簧有效圈数：n63) 弹簧旋向：右旋 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 17 页4) 弹簧展开长度：L64455) 热处理后硬度：HRC48536) P114170N、Pn 15009N、PJ 27635N7) 弹簧材质：4Cr133.3 振幅的计算 由偏心轴的运动来带动 O 点的运动，双摇杆机构的运动方式再绕 O 点（图 3.7）的运动来实现。也就是说，主动件 OA 来控制振动幅度的大小，决定 OA 摆动幅度大小的，也就是偏心轴的偏心距。图 3.7 机构原理采用作图的方法来计算振幅，偏心距取 4.55mm。作图步骤（图 3.8）所示：1) 以 A 点为圆心，以 AO 为半径作圆 1。把 AO 向上偏移 4.55mm，交 AO 圆为O。2) 连接 A O两点，以 A 点为圆心，AB 长为半径作圆 2，以OAO的大小，顺时针旋转至 AB，交圆于 B点。3) 再以 B点为圆心，以 BC 段的长度为半径作圆 3。4) 以 D 为圆心，以 DC 段长度为半径作圆 4，交圆 3 于 C点。5) 图上 C 点和 C点之间的垂直距离称为上限振幅。因为本次四连机构的摇杆长度相等，为等腰梯形，且 BC 杆长度是固定。所以 B点和 C 点的振幅是相同。用同样的方法可以求出下限振幅（图 3.9）7。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 18 页图 3.8 运动分析图 3.9 运动分析 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 19 页4 主传动装置设计4.1 电机的选择根据工作负荷的大小、性质、根据工作电机的特性、工作环境等情况，来选择电机的种类、功率、转速，确定电动机的型号。4.1.1 选择电动机的种类根据所用电源种类（直流或交流） 、电机的工作条件（环境、温度、空间位置等）及电动机的负荷性质、大小、起动特性和过载情况来选择。因为一般生产单位均采用三相异步电源，所以无特殊要求时一般都采用三相交流电动机。其中三相异步电动机应用最为广泛，通常采用 Y 系列电动机。在经常起动、制动、正反转的情况下，要求电动机的转动惯量比较小和过载能力比较大。因此，一般都选用冶金、起重三相异步电动机。 （1）选择电动机的功率的大小电动机功率选择合适以否，对电动机的工作、经济性都有重大的影响。如果功率过小的话就不能保证工作机的正常工作，也可能使电动机因为超载而引起过早的损坏；如果功率选得过大的话，将会增加电动机的价格，电动机能力将得不到充分的发挥，电动机将经常不在满载的情况下运转，效率因数会很低，造成严重泿费。 （2）选择电动机的转速的大小在选择电动机时，除了选择合适的电动机系列及功率外，还需要需确定转速的大小。因为当电动机功率相同时，也可以有不同的转速。比如相同功率的三相异步电动机，有 3000r/min、1500r/min、1000r/min 及 750r/min 四种不同的转速。通常来说，战 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 20 页速较高的电动机磁极对数比较少，结构相对简单，外廓尺寸比较小，价格比较低廉。如果电动机的转速相对工作机的转速高很多是，必然会使传动比增大，导致传动装置比较复杂，外廓尺寸增大较大，导致制造成本提高，降低经济效益。而如果选用的转速过低电动机时，那么优缺点刚好和之前相反。所以，在确定电动机转速得时候，应该进行分析比较，权衡利弊优缺，选择最佳的方案。结晶器振动装置的振动频率为，实际的减速比为。min/24030r875. 48/39i所以需要选用的电机转速。min/1170875. 42401rinn所以选取的电动机的参数为：1) 电机型号： YTSP180M4/1MB32) 电机参数： 18.5KW、1500r/min、AC380V、50HZ3) 电机的特性： 独立风机、230W、AC380V 旋转编码器 TRDGK30RZ（德国 P+F）4.2 轴的设计 （1）轴的用途及分类轴类零件是组装机器的主要零部件之一。例如齿轮、蜗轮等回转运动的传动零件，都必须通过轴上才能够进行运动及动力的传递。所以轴的主要功用是回转零件用来传递运动、动力的载体。通常按照轴所承受载荷的类型的不同，将轴分为转轴、心轴和传动轴三类。1) 转轴：工作中既承受弯矩又承受扭矩的轴（图 4.1 中的轴） 。2) 心轴：只受弯矩而不承受扭矩的轴。心轴又可以分为转动心轴（图 4.2a） 、固定心轴（图 4.2b）两种。3) 传动轴：通常只承受扭矩而不承受弯矩的轴称为（图 4.3） 。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 21 页图 4.1 支承齿轮的转轴 图 4.3 传动轴a a 转动心轴 b b 固定心轴图 4.2 支承滑轮的心轴轴一般都是实心轴。只有在那些由于机器的特殊结构的要求而需在轴中装设其他零件的时候或者在减小轴的质量的时候将具有特别重大作用的场合时，才将轴制成空心的（图 4.4） 。一般空心轴的内径和外径的比值通常为 0.50.6，只有这样才能够保证轴的刚度和扭转的稳定性。图 4.4 空心轴 （2）轴的材料轴主要是由碳钢和合金钢制造而成的。钢轴的毛坯一般采用轧制圆钢和锻件制成， 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 22 页少数的时候则直接用圆钢制成。由于碳钢的价格比合金钢价廉很多，而且对应的力集中的敏感性比较低，同时也可以采热处理、化学热处理的办法来增强它的耐磨性、抗疲劳强度，所以采用碳钢制造的轴的应用最为普遍，其中最为常用的是 45 钢。比起碳钢合金钢具有更高的力学性能、更好的淬火性能。所以，在传递较大的动力，并且要求减小尺寸与质量的时候，这时候需要提高轴颈的耐磨性，或者是处于高温或低温条件下工作的轴，一般采用合金钢制作而成。必须指出的是：在一般的工作温度下（低于 200） ，各种碳钢和合金钢的弹性模数相差不是很大，所以在选择钢的种类、钢的热处理方法的时候，一般根据轴的强度和耐磨性，而不根据轴的弯曲、扭转刚度。但也应当注意的是，在已知的条件下，有时也可以选择强度比较低的钢材，可以通过适当增大轴的截面来提高轴的刚度和强度。各种热处理方法（如高频淬火、渗碳、氮化、氰化等） 、表面强化处理的方法（如喷丸、滚压等） ，这些都能明显提高轴的抗疲劳强度。高强度的铸铁、球墨铸铁的延展性比较好，容易做成复杂的形状，而且它们都具有价廉、良好的吸振性和耐磨性等优点，可以用来制造外形比较复杂的轴。根据表 4.1 中列出的轴的常用材料及其主要的力学性能，再结合本次的设计，材料选用的是 45 钢，热处理的方法选用调质处理，硬度为 HB225255。表 4.1 轴的常用材料及其主要力学性抗拉强度极限屈服强度极限弯曲疲劳极限剪切疲劳极限许用弯曲应力材料牌号热处理毛坯直径/mm硬度/HBSMpaQ235-A热轧或锻后10040042022517010540 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 23 页空冷100250375390215100170217590295255140正火回火1003001622175702852451355545调质2002172556403552751556010073554035520040Cr调质1003002412866854903351857010027030090073543026040CrNi调质1003002402707855703702107510022928673559036521038SiMnMo调质10030021726968554034519570602933219307854402806010027730283568541027038CrMoAIA调质10016024127778559037522075 （3）轴的结构设计轴的结构设计是指定出轴的合理外形、全部结构尺寸。轴的结构主要根据以下因素的确定：1) 在机器中的安装位置、安装形式； 2) 在轴上安装的其他零件的类型、尺寸、数量以及和轴的连接方法等；3) 轴所受载荷的性质、大小、方向及分布的情况；4) 轴的加工工艺、热处理方式等。 因为能够影响轴结构的因素很多，而且轴的结构形式又要根据具体情况做出调整，所以轴结构形式没有一个统一的标准。在设计时候，必须具体问题具体分析。但是，不论轴的结构怎么样，轴都要满足以下的条件：1) 轴和轴上的零件要有明确的工作位置;2) 轴上的零件应便于安装、装拆、调整：3) 轴应该便于制造便于安装。下面我们来分析轴在结构设计的时候必须要解决的几个重要的问题。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 24 页1）拟定轴上零件的装配方案拟定轴上零件的装配方案是首先需要考虑的问题，是进行轴的结构设计的依据，它基本决定了轴的形式。所谓的装配方案，指的就是定出轴上得主要零件得装配方向、装配顺序和它们之间的相互关系。再本次设计（图 4.5）中的装配方案具体是：偏心套体、止动垫圈、右端轴承、套筒、挡圈、半联轴器按顺序从轴的右端向轴的左端安装，轴的左端只装轴承和其端盖等。这样我们就对各轴段的粗细做了初步的安排。图 4.5 轴上零件装配的结构2）轴上零件的定位轴上零件除了有游动或空转的要求外，都必须进行轴向和周向得定位，这样才能防止轴上零件因为受力时发生沿轴向或周向的相对运动，这样才能保证其准确的工作位置。a) 零件的轴向定位：轴上零件定位一般是靠轴肩、套筒、轴端挡圈、轴承端盖和 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 25 页圆螺母来实现的。b) 轴的周向定位的目的是防止轴上零件与轴之间发生相对的转动。通常使用的周向定位的零件有键、花键、销、紧定螺钉和过盈配合等，其中紧定螺钉只用在传力不大的场合。3）各轴段的直径和长度的确定一旦零件在轴上的定位和装拆方案确定以后，轴的形状就大体可以确定出来。各轴段所需的直径大小与轴上所承受的载荷大小有关。在初步确定轴的直径的时候，我们通常还不明确支反力的作用点，不能准确的定出弯矩的大小和分布的情况，因此还不可以根据轴所承受的具体载荷及其引起的应力来确定轴的直径的大小。但是在进行轴的结构设计之前，我们通常经能够求出所受的扭矩大小。所以，我们可以根据轴所受的扭矩初步的估算轴所需要的直径大小。我们可以先将初步求出的直径作为承受扭矩的轴得最小直径 dmin，然后再根据轴上零件的装配方案和定位的具体要求，从 dmin处开始逐步的确定其他各段轴的直径大小。在有配合要求的轴段，我们应该尽量采用标准直径。安装标准件（如滚动轴承、联轴器、密封圈等）的时候，应该选择相应的标准值和所选配合的公差。在确定各轴段长度时候，应该尽可能使得结构更加的紧凑，但是必须保证零件所需的装配和调整的空间。根据各零件与轴配合部分的轴向尺寸和相邻零件间必要的空隙来确定轴上各段的长度。4） 提高轴的强度 为了提高轴的强度我们应当充分的考虑轴和轴上零件的结构、工艺以及轴上零件的安装布置。因为这些因素对对轴的强度有很大的影响，所以我们应该充分的考虑这些方面，这样能够提高轴的承载能力，同时还可以减小轴的尺寸和机器的质量，节约制造的成本。5）轴的结构工艺性轴的结构工艺性就是说轴的结构形式应当有利于加工和轴上的零件的装配，并且能够保证高的生产率，降低生产的成本。通常地讲，轴的结构越简单，工艺性就越好。所以，我们在满足使用要求的前提下，应该尽量简化轴的结构形式应。 （4）轴的设计步骤1) 计算输出轴上的功率、转速、转矩 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 26 页选取每级齿轮传动的效率为（包括轴承效率在内），那么97. 017.95kwkw97. 0182PP又因为 21nn mm307.69NmmN3981500i12) 初步确定轴的最小直径首先初步估算出轴的最小直径。选取轴的材料为 45 钢，进行调质处理。根据表4.2表 4.24.2 轴常用几种材料的轴的材料Q235A、20Q275、35(1Cr18Ni9Ti)4540Cr、35SiMn 38SiMnMo152520352545355514912613511212610311297计算得出mmnpAd43.4369.30795.1711233220min3) 再根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和轴的各段长度图 4.6 轴的结构 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 27 页4.3 联轴器的设计联轴器是机械传动中常用的零件。主要通过连轴器来实现轴与轴之间的连接，靠联轴器来传递运动与转矩，有时也把联轴器用作是安全装置。 （1）联轴器的分类1)刚性联轴器有套筒式、夹壳式、凸缘式等2)挠性联轴器有无弹性元件的和有弹性元件的两大类，无弹性元件的有十字滑块联轴器、滑块联轴器、十字轴式万向联轴器、齿式联轴、滚子链联轴器。有弹性元件有弹性套柱销联轴器、弹性柱销联轴器、梅花形弹性联轴器、轮胎式联轴器、膜片联轴器。 （2）联轴器的选择 为了选择一种适合的联轴器类型应该考虑以下几点：1）联轴器传递的转矩大小、性质和对缓冲减振等功能的要求。2）联轴器的工作时转速的大小和引起的离心力的大小。3）联轴器连接的两轴的相对位移的大小、方向。4）可靠性和工作环境5）制造、安装、维护和成本。 （3）选择联轴器具体类型机器在起动时的运载荷和在运转中都有可能出现的过载的情况，所以我们应该按按照轴上的最大转矩作为计算转矩。计算转矩根据下式进行计算caTTKTAca上式中，T 为公称转矩，单位为;为工作情况系数，详细数据见表 4.3mmN AK所示表 4.3 工作情况系数表 KAKA工 作 机原 动 机分类工作情况及举例电动机汽轮机四缸和四缸以上内燃机双缸内燃机单缸内燃机转矩变化很小，如发电机，小型通风1.31.51.82.2 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 28 页机、小型离心泵转矩变化小，如透平压缩机、朩工机床、运输机1.51.72.02.4转矩变化中等，如搅拌机、增压泵、有飞轮的压缩机、冲床1.71.92.22.6转矩变化和冲击载荷中等，如织布机、水泥搅拦机、拖拉机1.92.12.42.8转矩变化和冲击载荷大，如造纸机、挖掘机、起重机、碎石机2.32.52.83.2转矩变化大关有极强烈冲击载荷，如压延机、无飞轮的活塞泵、重型初轧机3.13.33.64.0 （4）对最大转速的进行校核被连接轴的转速 n 不应超过所选联轴器允许的最高转速 ，即 。maxnmaxnn （5）协调轴孔的直径大小在一般情况下，每种不同型号的联轴器所能够适用的轴的直径均在范围。给出轴的直径的最大和最小值，或者给出适用的直径尺寸系列，那么被连接的轴的直径应当在这个范围之内。通常情况下被连接的两根轴的直径的大小是不一样的，而且两个轴端的形状也有可能是不一样的，比如主动轴轴端的形状为圆柱形，所连接的从动轴轴端形状可以为圆锥形。 （6）进行校核计算1) 类型选择 为了来自于轴的隔离振动和冲击，通常选用弹性柱销联轴器。2) 进行载荷计算A 电机联轴器，功率，转速.kwP5 .18min/1500rn 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 29 页公称转矩 mmNmmNnPT3661078.11715005 .181055. 91055. 9 根据表 4.3 查得，故转矩为3 . 2AKmmNmmNTKTAca89.2071078.1173 . 23B 轴联轴器的功率，转速。kwP95.17min/69.307rn 公称转矩 mmNmmNnPT3661013.55769.30795.171055. 91055. 9 由表 4.3 查得，故转矩为3 . 2AKmmNmmNTKTAca40.12811013.5573 . 233) 联轴器的型号选择a) 可以从 GB5014-2003 中查得 HL3 型弹性套柱销联轴器的最大许用转矩为,许用的最大转速为,允许的轴径的范围为 3048mm。mmN 6305000 /minrb) 可以从 GB5014-2003 中查得 HL6 型弹性套柱销联轴器的最大许用的转矩为,许用的最大转速为,允许轴径的范围为 6085mmmmN 31502800 /minr4.4 减速器的设计减速器是安装在原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，减速机可以用来降低工作转速、增大工作时的转矩来满足各种工作机械的需要。减速器的种类可以分为：1) 按照减速机的传动的形式不同可以分为齿轮减速器，蜗杆减速器、行星减速器；2) 按照减速机的传动级数的不同可分为单级减速机、多级减速器；3) 按照减速机的传动的布置形式的不同可以分为展开式、分流式、同轴式减速器。现在的减速器的生产已有系列标准，在选用时只需要结合所需传动的功率、转速、传动比、工作条件和机器的总体布置等具体要求来选择合适的减速机。本次设计选用的减速机采用圆锥齿轮来传递，传动比为。875. 4i 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 30 页5 零部件的校核5.1 弹簧校核1.弹簧丝横截面上所受的应力图 5.1 应力图 在弹簧丝的任意横截面选取出它的上半部分，作为研究对象（如图 5.1b） 。我们可以认为弹簧受的总压力 F 和簧丝的横截面在同一平面内。为了使取出部分保持平衡， 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 31 页要求横截面上有一个在截面内的内力系。这个内力系可以通过简化得到一个通过截面形心的力和一个力偶矩。平衡方程为，SFT (5.1.1)2,FDTFFS在这里为为弹簧丝横截面上受到的剪力；为横截面上受到的扭矩。SFT和剪力对应的切应力，可以按实用计算方法，可以认为是均匀分布横截面上（图5.1c） (5.1.2)214dFAFs与扭矩 对应的切应力，认为与轴线为直线的圆轴相同（图 5.1d） ，其最大值为 (5.1.3)3max28dFDWTt在弹簧丝横截面上任意点所受的总应力，应该是剪切应力和扭转应力两种切应力的合力。在靠近轴线的内侧点处，总应力将会达到最大值 (5.1.4)max21max在考虑了弹簧簧丝存在曲率和截面上所受的应力为非均匀分布这两个因素后，根据修正公式计算最大切应力： (5.1.5)3max883615. 044143dFDkdFDccc上式中 (5.1.6)ccckdDc615. 04414,上式中 c 是弹簧指数，k 是曲度系数。表 5.1 中的值是根据（5.1.6）式计算得出的。弹簧簧丝的强度条件是： (5.1.7) max表 5.1 螺旋弹簧的曲度系数 kc44.555.566.577.588.599.5101214k1.41.31.31.21.21.21.21.21.11.11.11.11.11.11.1 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 32 页0518531087654202.弹簧的变形原始的数据： 弹簧的簧圈平均半径 R=120mm，簧丝横截面直径 d=30mm，有效圈数 n=6。查文献材料8得。弹簧工作时的总压缩变形量（包括预压变形GPaGMPAat5 .75,735量）：mm1 .3009 .239-540图 5.2 弹簧受力 (5.1.8)NmmpamnRGdF27635610120641030105 .75101 .300643439334 可以根据 R 和 d 计算出81030101202233mdRdDc可以由表 5.1 查出弹簧的曲度系数的值为，所以k1.1836max3338 27635120 2 1081.18728 1030 10NmFDkPadm max728MPa弹簧的强度满足要求。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 33 页5.2 销轴的校核轴选取 45 号钢，进行调质处理，屈服强度为,安全系数9。Mpas3605 . 2S许用切应力按下式确定： (5.2.1) 3601442.5sMPaS振动负荷 56Kn，振动台重量 5568Kg 。 (1) 轴（振动台）图 5.3 轴（振动台）如图 5.3 所示，这种连接是利用轴来承受剪切载荷 F。在连接接合面处承受剪切。因此，应该按照剪切强度条件来进行计算。挤压条件为： (5.2.2)NGFF2 .5528328 . 95568560028 . 91 (5.2.3) PaPadF6 . 3106 . 314. 042 .552834622 (2)轴（顶杆） 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 34 页根据弹簧力平衡振动负荷和振动台重量得出来顶杆处
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