四杆中频数控淬火机床的设计制造【7张CAD图纸+PDF图】
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0目录前言 11 绪论 21.1 淬火机床国内外发展状况21.2 四杆中频数控淬火机概述22 四杆中频淬火机床总体设计 42.1 机床动作流程 42.2 斜辊传输42.3 工件进给过程42.4 中频淬火过程42.5 机床电气、水循环和气动系统53上料传送装置的设计53.1上料传送装置料架的设计53.2 选取电动机103.3 选取减速器103.4 链轮的设计113.5 轴的设计273.6 滚动轴承的设计343.7 V型滚的设计 364 结论411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2AbstractChanged 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 process3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。41. 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5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25min，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 0.51.0或更小，淬火液槽亦相似，完善的淬火液槽内有磁性吸铁3m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，6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7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。83.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 works9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 SC8075-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。10 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 SC80150-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 state11123.2 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 0.821.6410001000wFvpkw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 0.95V型滚则传动总效率 =0.67720.75 0.96 0.99 0.95所需电动机功率 （3-1.642.4220.6772wrPPkw1） 查手册，可选 Y 系列三相异步电动机 Y100L2-4 型，额定功率：,转速：03PkW。1420 /minnr3.3 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。03PkW3PkW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 /minnr10.1 /minnr （3-1420140.59410.1nin电轴132）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、XLSD3.4 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 i8；中心距 a56m；传递功率 P100kW；圆周速度 v15m/s；传动效率=0.920.96。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 chain14图 3-8 传动链的类型Fig.3-8 The typies of transmission by chain1-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。15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/m08A12.7014.387.95138000.6010A15.87518.1110.16218001.0012A19.0522.7811.91211001.5016A25.4029.2915.88556002.6020A31.7535.7619.05867003.8024A38.1045.4422.231246005.6028A44.4548.8725.401690007.5032A50.8058.5528.5822240010.1040A63.5071.5539.6834700016.1048A76.2087.8347.6350040022.60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 chain2）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。16图 3-11 齿形链Fig.3-11 chain of gear shape3.4.2 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）ycFFFF1松边拉力为 （3-ycFFF24）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）vPF1000式中，P 为链传动传递的功率，KW；v 为链速，m/s。离心拉力为17 （N） （3-6）2qvFc式中，q 为每米链的质量，kg/m，见表 3-1。悬垂拉力为（N） （3-7）qgaKFyy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 . 12 . 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）PLZAKKKPKP 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 Kz。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 KATable 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zKTable 3-3 small chain wheel gear modulus Kz andzKz1910111213141517Kz0.4460.5000.5540.6090.6640.7190.7750.8310.887zK0.3260.3820.4410.5020.5660.6330.7010.84621z11921232527293135Kz1.001.111.231.341.461.581.701.93zK1.001.161.331.511.691.892.082.50图 3-16 链长系数Fig.3-14 The chain lengths modulus1链板疲劳； 2滚子套筒冲击疲劳表 3-4 多排链系数KPTable 3-4 most rows modulus KP排数123456KP11.72.53.34.04.63.4.4 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 z2120。表 3-5 小链轮齿数Table 3-5 number of small chain wheel gear链速 v /（m/s）0.63388z1151719212325因链节数常取偶数，故链轮齿数最好取奇数，以使磨损均匀。222）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=（3050）p，最大中心距 amax80p。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）apzzzzpaLp.2221221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）2122212128224zzzzLzzLpapp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 25mm。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 v0.6m/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） SFKFSAQ式中， S 为静强度计算的安全系数；23FQ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=48。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 v4m/s24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 v10m/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 612mm 为宜，适用于链速v=612m/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 1215mm（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v8m/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 chain3.4.7 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25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）129.300.920810.1nin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/zi1z2）求计算功率 PC由表 3-1 查得 KA=1.0，计算功率为kW （3-14）1.03.03.0cAPK P3）确定中心距 a0及链节数 Lp初定中心距，取pa)5030(0030ap由式（3-1）求 Lp0212210222apzzzzpaLp （3-15）22302523232584.00342230pppp取 Lp=824）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 （3-03.02.391.23 1.02 1czLpPPK K K16）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 Vm/s （3-1125 19.05 9.30.073860 100060 1000z pnv2617）6）确定链长 L 和中心距 a链长m （3-82 15.8751.562110001000PLpL18） 中心距2122212128224zzzzLzzLpapp2219.05252325232325828284222 =552.4167mm （3-19）7）求作用在轴上的力工作拉力 N310001000406500.0738PFv因载荷平稳，取 FQ=1.1F=1.140650=44715N8）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-182 GB1243.11983，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=123=232）求计算功率 PC由表 3-1 查得 KA=1.0，计算功率为kW （3-20）1.02.392.39cAPK P3）确定中心距 a0及链节数 Lp27初定中心距，取pa)5030(0045ap由式（3-1）求 Lp0212210222apzzzzpaLp （3-2245232323231132245pppp21）取 Lp=1104）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 （3-02.391.9051.23 1.02 1czLpPPK K K22）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 （3-1123 19.05 10.10.073860 100060 1000z pnv23）6）确定链长 L 和中心距 a链长 m （3-110 19.052.099510001000PLpL23）中心距28 2122212128224zzzzLzzLpapp 2219.05232323232323828284222=828.20mm （3-24）7）求作用在轴上的力工作拉力 N2.3910001000323850.0738PFv因载荷平稳，取 FQ=1.2F=1.132385=35624 N8）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-1110 GB1243.11983，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（GB12441985） ，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。29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(zpd25）齿顶圆直径 （3-180(0.54cot)adpz26）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（GB12441985） ，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）1119.05151.9948sin(180 /)sin(180 /25)pdz30 mm （3-2219.05139.9021sin(180 /)sin(180 /23)pdz28）齿顶圆直径： mm （3-11180180(0.54cot)19.05(0.54cot)161.083325adpz29） mm （3-22180180(0.54cot)19.05(0.54cot)148.886023adpz30）齿根圆直径： mm （3-f11d =d -dt =151.9948-11.91=140.084831） mm （3-32）f22d =d -dt =139.9021-11.91=127.99213.5 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） 69.55 10TTTTpTnWW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31为设计公式 （mm）式中，C是由轴 33362 . 01055. 9npCnpd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； TT轴所受的扭矩，Nmm； WT轴的抗扭截面系数，mm3； n轴的转速，rmin； 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： （3-33min11269.2751mmppdCnn34）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- bbe22435） 式中， b为危险截面上弯矩M产生的弯曲应力。2bTMWTTWW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- beTMWWTWM222212436）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32性不同的影响，对上式中的转矩T乘以折合系数，即 （3-beeTMdWM1223)(1 . 0137）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22TMMe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bb11脉动扭矩 bb01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22VHMMM出转矩T图；最后由公式绘出当量弯矩图。22TMMe1) 计算轴上转矩和齿轮作用力轴上传递扭矩：.mm32.39955095502259.910.1pTNn链轮作用在轴上的压力FQ=44715 N2) 选择轴的材料和热处理方式选择轴的材料为45，经调质处理, 其机械性能由表3-6查得：650MPa，=360MPa，=300MPa，155MPa；表3-8 轴的常用材料及其主要机械性能Table 3-8 axles usual materials and major mechanical performance333) 初选轴承因轴承只承受径向力的作用。故选用一对向心球轴承。根据工作要求及结构特性，由轴承产品目录中选取型号为6312的滚动轴承，其尺寸（内径外径宽度）为dDb=6013031。4) 按弯扭合成校核 画受力简图(如图（b）)画轴空间受力简图c，将轴上作用力分解为垂直面受力图c和水平受力图d。分别求出垂直面上的支反力和水平面上支反力。对于零件作用于轴上的分布载荷或转矩(因轴上零件如齿轮、联轴器等均有宽度)可当作集中力作用于轴上零件的宽度中点。对于支反力的位置，随轴承类型和布置方式不同而异，向心球轴承一般可近似认为支反力位于轴承宽度的中点。 计算作用于轴上的支反力F =44715 N，F =35624 N，G=11.61*9.8*3=341.334N12l1=228mm,l2=450,l3=97.3,l4=383.2，45水平面内支反力(图（d）)：34 （3-221112( 23)sin0sin0AhBrhAhBMRlFllFlFFRRF合38） 23301 N， -27307NVARVBR垂直面内支反力(图（c）)： （3-321141cos()0cos0AvBvAvBMRlFlGllFFGRR合39） 15576N，16384NHARHBR 计算轴的弯矩，并画弯、转矩图(图（e）、(图（f）)1、2截面水平面和垂直面弯矩为： N.mm112sin44715 sin(45 )2287208904VMFl N.mm22335624 97.33466200VMFl N.mm112cos44715 sin(45 )2287208904hMFl N.mm234()341.334 (97.3383.2)164010hMGll分别作出垂直面和水平面上的弯矩图f、g，并按计算合成弯矩(图（g）)。10193000 N.mm22111HVMMM3470100 N.mm22222HVMMM 作转矩图(图（h）)转矩按脉动循环变化计算, 取 , 则1355.9N.mm0.6 2259.9T 计算并画当量弯矩图(图（i）)1截面处当量弯矩为：22221()(10193000)(1359.9)10193078 N mmcaMMT 2 截面处当量弯矩为：3522222()(0)()3470100 N mmcaMMTM 确定危险截面并校核轴的强度一般而言，轴的强度是否满足要求只需对危险截面进行校核即可，而轴的危险截面多发生在当量弯矩最大或当量弯矩较大且轴的直径较小处。根据轴的结构尺寸和当量弯矩图可知，1截面处弯矩最大,属于危险截面；2截面处当量弯矩不大，也属于危险截面；1、2 截面处轴的抗弯截面系数21206mm33603232DW3轴的材料为 45，调质处理，Mpa，1194233p所以 21110193078480.6695/480.669522106caCcaCpCMN mmMpaW2213470100163.6376/163.637621206caBcapBMN mmMpaW 根据计算结果可知，截面 1 不满足强度要求，截面 2 不满足强度要求3.5.2 传动轴的设计与校核轴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 中频淬火机床传动轴传递功率 1.905kW,转数 10.1r/min解：传动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 bbe224式中， b为危险截面上弯矩 M 产生的弯曲应力。2bTMWTTWW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36 beTMWWTWM2222124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 beeTMdWM1223)(1 . 01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22TMMe的转矩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。对称扭矩1不变扭矩bb11脉动扭矩 bb01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，；绘出转矩 T 图；最后由公式绘出当量弯矩图。22VHMMM22TMMe1) 计算轴上转矩和齿轮作用力轴上传递扭矩：.mm1.905955095501801.310.1pTNn链轮作用在轴上的压力 FQ=35624 N2) 选择轴的材料和热处理方式 选择轴的材料为 45，经调质处理, 其机械性能由表 3 查得：650MPa，=360MPa，=300MPa，155MPa；3) 初选轴承因轴承只承受径向力的作用。故选用一对向心球轴承。根据工作要求及结构特性，由轴承产品目录中选取型号为 6312 的滚动轴承，其尺寸（内径外径宽度）为dDb=6013031。374) 按弯扭合成校核 画受力简图(如图（b）)画轴空间受力简图 c，将轴上作用力分解为垂直面受力图 c 和水平受力图 d。分别求出垂直面上的支反力和水平面上支反力。对于零件作用于轴上的分布载荷或转矩(因轴上零件如齿轮、联轴器等均有宽度)可当作集中力作用于轴上零件的宽度中点。对于支反力的位置，随轴承类型和布置方式不同而异，向心球轴承一般可近似认为支反力位于轴承宽度的中点。 计算作用于轴上的支反力F =F =35624 N（链轮轴向压力），三个斜辊重力 G=11.61*9.8*3=341.334N12l1=530.5mm,l2=450mm,l3=480.5mm,l4=88.1+11.94/2=94.07mm，l5=56mm水平面内支反力(图（d）)： （3-221412( 25)00AhBhAhBMRlFllF lFFRRF合40） 38637.79N， -38637.79NVARVBR垂直面内支反力(图（c）)： （3-2123()020AvBvAvBMRlGlGllFGRR合41） 379.260N，303.408NHARHBR 计算轴的弯矩，并画弯、转矩图(图（e）、(图（f）)所以 c-c 截面垂直面和水平面上所受最大弯矩为： N.mm11435624 94.073351149.68VMF l N.mm225( 25)/ 235624 56 (45056)/ 4501746684.302VMFllll N.mm11341.334 530.5181077.687hMG l N.mm23341.334 480.5164010.987hMG l分别作出垂直面和水平面上的弯矩图 f、g，并按计算合成弯矩(图（g）)。383356038.335 N.mm22111HVMMM1754367.59 N.mm22222HVMMM 作转矩图(图（h）)转矩按脉动循环变化计算, 取 , 则1080.78N.mm0.6 1801.3T 计算并画当量弯矩图(图（i）)1 截面处当量弯矩为：3356038.51 N.mm2222()(3356038.335)(1080.78)caCMMT 2 截面处当量弯矩为：1754367.59 N.mm2222()(0)()caBMMTM 确定危险截面并校核轴的强度一般而言，轴的强度是否满足要求只需对危险截面进行校核即可，而轴的危险截面多发生在当量弯矩最大或当量弯矩较大且轴的直径较小处。根据轴的结构尺寸和当量弯矩图可知，1 截面处弯矩最大,属于危险截面；2 截面处当量弯矩不大，也属于危险截面； 1、2 截面处轴的抗弯截面系数21206mm33603232DW3轴的材料为 45，调质处理，Mpa，1194233p所以211113356038.51158.26/158.2622106cacaCpMN mmMpaW222121754367.5982.73/82.7321206cacapMN mmMpaW 根据计算结果可知，各传动轴满足强度要求。3.6 滚动轴承的设计3.6.1 滚动轴承的选择中频淬火机床中的轴承主要承受径向力的作用，同时承受少量双向轴向负荷，可忽略不记。故选用深沟球轴承。该轴承的特点是主要承受径向负荷，工作时内外圈轴线允许偏差 816。摩擦阻力小，极限转速高，结构简单，价格便宜，应用广泛。但承受冲击载荷能力较差，适用于高速场合。在中频淬火机床中，根据工作要求及结构特性，由轴承产品目录中选39取型号为 6312 的深沟球轴承，其尺寸（内径外径宽度）为dDb=6013031,Cr=62.8kN， Cor=48.5kN。3.6.2 滚动轴承的寿命验算1）计算轴承的支反力1. 水平支反力 38637.79,38637.79VAVBRN RN 2. 垂直支反力 379.26,303.408HAHBRN RN合成支反力 R =A2238639.65VAHARRNR =B2238639VBHBRRN2)轴承的当量动载荷对于只承受纯径向载荷的圆柱滚子轴承，当量动载荷，当量静载荷，所以rrPForrPFrAorAAPPR38639.65NrBorBBPPR38639N3）轴承寿命 （3-42） 61060hCLnP式中：C额定动载荷，N； P当量动载荷，N；n轴承内外圈的相对转速，r/min；寿命指数，对球轴承，=3； 3663101062.8 107084.46( )6060 10.1 38639.65hACLhnP3663101062.8 107084.81( )6060 10.138639hBCLhnP4）滚动轴承的静载荷计算按静载荷选用轴承的公式为 （3-43）00rorS PC4030019319.8348.5 10rAorAS PNCN30911. 72，满足要求。0019319.5rBorBS PNC30911. 23.7 V 型滚的设计V 型滚是 ZZJS 四杆中频淬火机床（以下简称淬火机床）的主要传动部件之一。它属于摩擦传动，其结构简单，制造容易，运转平稳，过载可以打滑（可防止设备中重要零部件的损坏）。另外，在淬火机床中，抽油杆由两端的接箍和中间的细长杆组成，直径1942（mm），长度 6.14m，为稳定及提高抽油杆的感应淬火质量,采用抽油杆旋转感应淬火工艺。此工艺的要求是必须保证工件边前进边旋转，达到加热温度均匀。为此采用 V型滚进给，并且将 V 型滚轴与抽油杆进给方向调成一定角度，这样 V 型滚通过摩擦来带动抽油杆运动，可以满足机床传动机构的设计要求。在淬火机床中，为保证抽油杆的淬火质量，其进给速度和旋转速度必须满足淬火工艺要求。这两个参数是由 V 型滚传递的转矩及其与抽油杆的切点位置来决定的。因此精确计算 V型滚传递的转矩及其切点位置在此传动机构中具有重要意义。此外，V 型滚的主要失效形式是由于滑动导致滚面磨损，因此要对其进行受力分析。 3.7.1 对 V 型滚与抽油杆进行数学建模 1）确定 V 型滚与抽油杆的切点V 型滚传递的转矩同 V 型滚与抽油杆的切点有着密切的联系。所以首先确定 V 型滚与抽油杆的切点。 在淬火机床中，V 型滚的尺寸如图 3.21 所示，抽油杆以 22mm 为例。现建立直角坐标系：以 V 型滚端面的水平与竖直轴为 X 轴、Z 轴，以 V 型滚轴为 Y 轴，以 V 型滚最小半径圆的圆心为原点。其中设 V 型滚与抽油杆的切点之一 M 的坐标为（x,y）。174.8mm140oxZy118mm 1) 在切点 M 所在圆的竖直截面内，x 为该点的 X 轴坐标，h 为 Z 轴坐标，r 为该点所在MxhrXOY156.057mm 图 3-21 V 型滚整体图 Fig3-21 the section of V-roller41圆的半径，则：222hxr 2) 在切点 M 与 Y 轴所确定的截面内，y 为切点 M 的 Y 轴坐标，则：20tan59yr 3)在过切点 M 且与 X 轴垂直的截面内，有：2259xdtanydh4) 仍在过切点 M 且与 X 轴垂直的截面内，在图 3.25 中,R 为 V 型滚的最大半径,即87.4mm, 其中有: 224 .87xc )2/057.156/()(tandc . 综上所述,得到第一个等式:MYyZxdOCRYxdOhZyMOYry20图 3-2 M 点截面图 1Fig3-22 section 1of point M 图 3-3 M 点截面图 2Fig3-23 section 2of point M 图 3-4 M 点截面图 3Fig3-24 section 3of point M 图 3-5 M 点截面图 4Fig3-25 section 4of point M 422222222220285.78/ )594 .87(59)20tan59(xxyxxy -5)在过切点 M 且与 Y 轴夹 30角的截面内(如图 3.26),有: gab/ )(tan其中,在此截面与过切点 M 的竖直截面的俯视图内(如图 3.27),有: )60tan(0285.7830tanyxf 则: 224 .87fb 22)30tan(59yxa30 30cos/0285.78g 6)同样在过切点 M 且与 Y 轴夹 30角的截面内，抽油杆与V 型滚相切于 M、N 两点（如图 3.28），则：sin2 re7）在抽油杆与 V 型滚的俯视图内（如图 9），其中， 面是过切点 M 且与抽油杆相垂直的截面，e 是切点 M 到抽油杆中心面的距离，则： 30cos)60tan(xyebgafg78.0285mmmeO抽油杆V 型滚M60exy 图 3.26 M 点截面图 5Fig3-26 section 5of point M 图 3.27 M 点截面图 6Fig3-27section 6 of point M图 3.28 M 点截面图 7Fig3-28 section 7 of point M43从而， 1/1tan222er综上所述，得到第二个等式： - 1/1/ )(222ergab即：)30cos/0285.78/()30tan(5930tan)30285.78(4 .87(130cos)60tan/(11/1222222yxyxxy由、联立得方程组：2222222220285.78/ )594 .87(59)20tan59(xxyxxy)30cos/0285.78/()30tan(5930tan)30285.78(4 .87(130cos)60tan/(11/1222222yxyxxy 此方程组较为复杂，使用常规解法不能求解，因此选用数学迭代法，利用 Matlab 软件进行辅助计算。经求解,所得结果为 x=12.5mm,y=14.9mm。（2）V 型滚传递的转矩 在淬火机床中，电动机经减速器和链传动，将转矩传递给 V 型滚，使 V 型滚的转速为 10.1n/min，转矩为：vnvVnPT/9550210 式中，电动机的输出功率=3kw, 减速器的传动效率=0.75，传动链的传动效率0P1=0.97。23.7.2 计算工件的速度V 型滚再将此转矩传递给工件，使工件的进给速度和旋转速度分别为：1v2w图 3-29 V 型滚的俯视图Fig3-29 the figure of V-roller44 60cos221rnvv 32/60sin22rrnwv其中，是切点 M 所在圆的半径。经计算，=5.5866m/min, =0.509n/min.3r1v2w在淬火机床设计中，根据抽油杆的淬火工艺要求得，其进给速度必须满足，旋转速度必须满足。根据工厂要求的工作效率 ，其进给min/12. 61mv min/35. 02nw 速度必须保证每小时能够加工 60 根抽油杆，即本文设计的淬火机床已投入生产，在现场应用中测得如下数据：表 3-9： 测量参数Table 3-9 measured parameter次数测量参数 一二三平均值进给速度（）min/m5.565.645.525.573旋转速度（）min/n0.480.540.430.483由现场测得数据进一步检验了本文的设计满足设计要求，因此可得出，本文设计及计算出的理论值满足设计要求。454 结论1) 通过此次毕业设计，深入理解了机械系统设计的基本原理和方法，锻炼了理论联系实际的能力。2) 经检验,机床淬火处理的抽油杆淬硬区域范围、硬度、层深和金相组织均符合图纸技术要求,淬火质量达同类进口机床水平。3) 机床采用计算机数控技术,自动化程度高,操作方便,大大提高了生产效率,减轻了操作者劳动强度。4) 机床通用性强,只需更换感应器、调整程序即可对不同类型抽油杆实现感应淬火,并能完成其他相似产品的感应淬火工艺。5) 淬火机床与数控系统、水循环系统、电源以感应加热成套设备形式出现,配套性完整。6) 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。4647参考文献参考文献1 刘泽九主编. 滚动轴承应用手册M.机械工业出版社,19962 唐大放等主编，机械设计工程学M，中国矿业出版社，2001.9，1261443 蒋晓云,于红侠等.新型曲轴旋转淬火机床的设计研制及应用J.金属热处理,1999(1),49514 惠永明.轴类高频淬火机床的设计J.机械工程师，2000(4),21225 彭竹琴,张太超.从第八次全国热处理大会看我国热处理技术发展的热点J.热处理2004(2),22256 陈明龙.感应淬火机床冷却介质循环管路的设计J.机械工人(热加工),2000(10),34357 王守峰.中频淬火机床自动化改造J.热加工工艺,2001(3) ,73798 谭家骏，彭涛.感应热处理设计J.国外金属热处理.1994(3),51539 潘健生,李晓玲,张伟民.中国热处理和表面工程的现状与展望(英文)J.金属热处理.2005(1),1810 Fan D L. 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The 1st China Heat Treatment Week ,Dalian : Chinese Heat Treat2 ment Society ,2002 : III2122III17.14 刘白,汪大鹏,廖珍.双频感应淬火的计算与应用J.贵州工业大学学报(自然科学版).2001(4),566115 吴则中，田丰，李策，孙伟毅.18年来我国抽油杆的科技进步与研制成果J.石油机械.1999(11),434616 机械工业出版社编写组.机床设计手册M.北京:机械工业出版社，1986.1.1184119217 王爱玲.现代数控机床结构与设计M.北京：兵器工业出版社，1999.94818 张树森.机械制造工程学M.沈阳：东北大学出版社，2001.319 王洪欣，李木，刘秉忠机械设计工程学 M.徐州：中国矿业大学出版社，2001.1.172 19720 唐大放，冯晓宁，杨现卿.机械设计工程学 M.徐州：中国矿业大学出版社，2001.9.10914421 东北工学院机械零件设计手册编写组.机械零件设计手册（第二版）M.北京：冶金工业出版社,1986.1022 李晓豁，程卫东.专业英语M.北京:中国华侨出版社,1996.5.13816123 成大先等. 机械设计手册-4版-第一卷M. 北京:化学工业出版社, 2002.1,4-554-5624 樊东黎.先进热处理技术的发展和展望J.金属热处理,2004(1) ,616425 徐跃明,邵周俊,贾洪艳.欧洲热处理技术考察报告J.金属热处理,2004 (1),889449附录附录 A1机械元件的设计这篇文章，正如标题表明的，将不处理成套计算机的设计的更宽的方面，但是将试图解释基本原理要求组成机器的单独的要素的正确的设计。设计原则当然普遍。相同的理论或者方程式可以被用于一个非常小的部分，像在一台仪器里，或者对一个更大，但是相似的部分来说，曾在重型设备里使用的那样。然而，数学计算被认为是绝对和最后。 它们全部受影响必须一定被在工程做的各种各样假定的准确工作。 有时只有在一台机器里的部分被根据分析的计算设计。通常剩下部分的形式和大小然后根据实际的考虑被确定。另一方面，如果机器非常昂贵，或者如果重量是一个重要因素，例同在飞机里，那么设计计算可以完全适合几乎所有部分。设计计算的目的当然是试图预测压力或者在部分的变形，为了用将被它强加给建材的物理性能，像在实验室中确定的那样。一种设计尝试的方法用于相对简单和基本的试验的结果并且把它们全部用于所有的现代机械中遇到的错综复杂情况。 另外，它已充分证明这样的细节，像表面条件。热处理对机器零件的强度和使用寿命有被显著的影响。设计和起草的部门必须指定完全全部的这样的细节，因此运用必要密切的手段对最终产品予以控制。在迅速和准确的数字工作里，训练对设计者无价。设计者应该保持一个准确笔记本，让他知道经常必要工作他做过去哪个。画一个草图，仔细按比例描绘，也是一件必需品，并且为放下有关问题使用的数据的部分提供一个便利的地方。不言而喻，全部数据，方程式并且计算过程全被写下，以便被日后使用。2机床对加工精度的影响一台机床在机器加工过程里有下列功能：a) 工件和刀具以及确定它们的正确的位置。 b) 提供工作的运动(主要和辅助运动)并且在机器加工操作期间保持工件和工具的正确的有关的位置。 c) 为切削和腐蚀提供能量。加工精度通过考虑在被期望的(名义上)尺寸和特性和最终产品的之间的差别被评价。机器加工误差越小，精度越高。机床影响机器加工误差就越小。50a) 关于刀具在工件的安置误差。这部分误差可能在生产机床零件和主件的装配误差引起，也许通过在工件的位置误差和装夹误差有关的误差产生。简言之，称为机械精度上的几何学影响。b) 在工件的刀具和工件的运动在机器加工过程期间的误差，或者关于加工精度的动态的影响； c) 误差在机床零件和主件的替代内， 工件和刀具由于在机器加工过程里出现的力量，关于加工精度叫动态的影响。d) 工件和刀具由于热膨胀和由于在推动的机械作用的磨擦在机器加工过程内产生，而引起的热使工件、刀具之间产生位移误差。这叫为热变形误差对机械精度的影响。机床零部件和主件在加工精度上的影响，被认为是那些主件和零部件所作关于 工件和刀具的有关的位置有关。例如，在一台车床里这样的组件被认为：主轴箱部件溜板箱部件和尾座部件。实际上，其它装配间接影响工件和刀具的位置，它们的变形和替代可能也引起机器加工误差。因此，通常认为只有与工件和刀具和接触的这个部件的位移误差，才最后决定机床对加精度的影响。只要可能的话，在一台机床上任一位置的几何误差可以被直接测量。它们的评估取决于误差的绝对值的大小和对与规定尺寸的偏离方向。如当机床产生磨损时，误差值将减少，它所产生的误差被认为不那么有害。 总加工精度的几何学误差的重要性相对大。 这可能被证明加工后的产品测得误差同由几何偏差计算得出的误差进行比较就可以证明这一点。分析比较时，反复考虑几何误差、运动误差、动态误差和热变形误差。一些统计资料表明几何学误差在整个机械加工中，误差在 50%-75%的范围内变化。 因此一个结论，被得机床里的几何学误差应该被尽可能降低，但是仍在经济证明范围内。 就有运转运动的复杂的机床而论，机床的动态的准确至关重要。 这可能被观察什么时候齿轮，线和其他曲面机器加工。 一台机床的动态的准确起因于它的内部的动态的链配合的准确。 动态的误差被定义为使运动链首端件与实际的位置和位移的偏差决赛的偏差。 动态的误差的检查还没有成为一个广泛的惯例，不是建立它们的容许值的标准， 正像没有关于几何学误差的标准一样。 动态的准确的测量没传播的主要原因之一是相对错综复杂和昂贵的设备是必要的，以及费时的运动。对于复杂运动的机床系统，机床的运动精度是很重要的。在加工齿轮、螺纹、和其它曲面是被奉行。51机床的运动精度是由内外传递链的配合精度产生的。运动误差被定义为使运动链首端件与实际位置和位移的偏差。运动误差精度计算和测量，通过被称为位移测定仪的特殊器械来实现。检测运动误差呈现在实践中没有产生广泛确定它们允许值的标准。就像没有关于几何误差的标准。运动精度没有被传播的原因是运动精度需要很贵的设备和耗时的操作。3. 噪声控制噪声控制可分为三个阶段：包括设计思想、设计的安排、声学。后两种情况在大多数情况下不发生重叠或互相交插。设计思想为整个噪声控制问题确定约束条件，这个问题的定义常常是一般性慨念，它常起因于一些人或某些人群的报怨。此时，定义噪声源常常不需要声音的测量。在设计概念阶段至关重要的是来源影响的人口的正确的鉴定， 即得到的影响给它们途径， 已经鉴定被噪声源影响的人们背后，检查可接受噪音限制被强加给或者由那些个人接受是必要的。如果这些限制是那些，被现有的标准建立或者强加或者法律或者其它。从而使这个问题独特，例如的独特的条件，有一般象那样高环境噪音限制的人口在主要都市中心内存在哪个？在一种设计之前修理，作为设计概念的部分，对设计的约束必须被检查。 有法律限制吗？作那些问题因此那些暴露最大噪音适合建立时间段被被象那些联邦职业安全局和健康部门，有这样的法律颁布行动吗？因为联邦航空公司建立的那样的一个联邦政府机构的约束。最大的极限经常被用于限制像飞机噪音发射限制。操作和维修要求必须被严重地评论。比如说，对操作或者维修的保险开关，要求的内部部分的入口强加的限制条件。一定在设计阶段查看，尤其，在设计要被试图降低噪声的有关现有机器设备。如果，在设计被确定之后，与有经验的操作者的协商在这个阶段能节省很多潜在的重新设计要求。我们必须处理社会方面机器设备的大量噪声问题。我们应该考虑这里最经济设计的美观性问题。设计的最后，将提高问题的视觉参数吗？巨大的噪声设备常被看成是美丽风景的一个污点。使用巨大噪音控制装置经常由熟练用户的设计的工程师面对。它与发电厂是否接近于居住的地区有关。他们常常在在强冷却的冷却塔做出选择，它占地面积大，但高度很低。本来就很安静的自然风凉系统，它需要五万英尺高的结构。无解的社会含义应该针对全部组成部分以减小噪声源。在一定程度上无解的概念将会与强加在设计概念上的经济约束有关。52早在一个解决一个控制噪声源的问题方法的约束方面，经济限制条件必须被详细说明。噪音控制装置经常能非常昂贵。低频衰减多于处理高的频率声音。这费用必须权衡好处才可以被获得。乍一看来噪声控制花费的美元经常被认为不是生产的花销。例如，热量回收器不仅可以节省能源，而且在燃料里为它们自己支付的热回收消耗。但是，这些花费被权衡来尽可能节约储蓄适合丧失听力或者作为一种公众与邻居关系的补偿。它们呈现稍微令人担心的方面。什么时候有严厉的噪音问题危害它们雇员的公司面临每天被罚款 500 美元，或者是一被次命令关闭它的经营危胁。噪声控制的花费的范围大约在 50 000 美元左右。在 50 000 美元范围内的一台噪音控制装置变得在经济上可行。当噪音管理程序被在一台设备的设计阶段插入时或者在一座大楼或者在高速公路的设计过程中，它们能导致改变的材料的决定，处理，等等。实际上得看情况对生产者，拥有人或者普通民众所产生的言论。更短和更有效率的空气通路要求较少的材料(如此不那么昂贵)已经被使用。不同和更便宜的轴承全部是能导致更安静和同时不那么昂贵的最后产物的例子。据估计，那个工程或者咨询花销用于完成上述评估的设计，对上述评估的能增加像生产或者设计的百分之一中的十分之一花费一样的少。因此，认定全部噪音管理步骤和控制观点是一种噪声控制的领域的高消费。53附录 BDesign of Machine Elements and noise Control This article, as the title indicates, will not deal with the broader aspects of the design of complete machines, but will attempt to explain the fundamental principles required for the correct design of the separate elements which compose the machine. The principles of design are of course universal .The same theory or equations may be applied to a very small part, as in an instrument, or to a larger but similar part used in a piece of heavy equipment. In no case, however, should mathematical calculations be looked upon as absolute and final. They are all subject to the accuracy of the various assumptions which must necessarily be made in engineering work. Sometimes only a portion of the total number of parts in a machine are designed on the basis of analytic calculations . The form and size of the remaining parts are then usually determined by practical considerations. On the other hand, if the machine is very expensive , or if weight is a factor, as in airplanes, design computations may then be made for almost all the parts. The purpose of the design calculation is of course to attempt to predict the stress or deformation in the part in order that in may safely carry the loads which will be imposed upon it, and that it may last for the expected life of the machine. All calculations are, of course, dependent on the physical properties of the construction materials as determined by laboratory tests. A rational method of design attempts to take the results of relatively simple and fundamental tests and apply them to all the complicated and involved situations encountered in present-day machinery. In addict in, it has been amply proved that such details as surface condition, manufacturing tolerances, and heat treatment have a marked effect on the strength and useful life of a machine part .The design and drafting departments must specify completely all such particulars, and thus 54exercise the necessary close control over the finished product.Training in rapid and accurate numerical work is invaluable to the designer. The designer should keep an accurate notebook, as it is frequently necessary for him to refer to work which he has done in the past. A sketch, carefully drawn to scale, is also a necessity, and provides a convenient place for putting down a portion of the data used in connection with the problem. It goes without saying that all data, assumptions , equations, and calculations should be written down in full in order to be intelligible when referred to at a later date.Influence of Machine Tool on Machining Accuracy A machine tool has the following functions in the machining process:Clamping of the tool and workpiece and establishing their correct relative position.Supplying the working motions (primary and auxiliary motion)and maintaining the correct relative position of the workpiece and tool during the machining operation.Supplying the energy for cutting or erosion work.Machining accuracy is evaluated by considering the difference between the desired (nominal) dimensions and properties and those of the finished product. The smaller are the machining errors, the greater is the accuracy. The machine tool influences machining errors by:Errors in workpiece positioning in relation to the tool. This may be caused by errors in the production and assembly of machine tool parts and assemblies and by errors in the positioning and clamping of the workpiece and tool relative to the machine tool. It is called in short the geometric influence on machining accuracy；Errors in the working motions of the tool and workpiece during the machining process, or kinematic influence on machining accuracy;Errors in the displacement of machine tool parts and assemblies, workpiece and tool as a result of forces appearing in the machining process, called dynamic influence on machining accuracy.Errors in the displacement of machine tool parts and assemblies, workpiece and tool as a result of thermal expansion cause by heat generated in the machining process and as a result of friction in the driving mechanisms. This is called thermal influence on machining accuracy.55 Geometric errors on a machine tool should wherever possible be measured directly. Their evaluation depends on the absolute magnitude of the error and on the sense of deviation from nominal dimensions. Errors whose sense indicates that, as the wear sets in, they will decrease, are considered to be less harmful.The importance of geometric errors for total machining accuracy is relatively great. This can be demonstrated on the basis of a statistical comparison of errors measured on finished products with errors calculated from geometric deviations only. Some statistical reference denotes the share of geometric errors in total machining errors varies within a range of 50%75%.Thus a conclusion can be drawn that geometric errors in machine tools should be reduced as far as possible, but still within limits of an economically justified accuracy.In the case of machine tools with complex working motions, the kinematic accuracy of the machine tool is of great importance. This can be observed when machining gears, threads and other curved surfaces.The kinematic accuracy of a machine tool results from the accuracy of coupling of its internal kinematic chains. A kinematic error is defined by deviations of the final and initial link of a kinematic chain from nominal positions or displacements. Kinematic errors may be calculated or measured by means of special instruments called kinematic meters.Checking of kinematic errors has not yet become a widespread practice and ther are no standards establishing their permissible values, just as there are no standards concerning geometric errors. One of the main reasons why the measurement of kinematic accuracy has not spread is that relatively complicated and expensive equipment is necessary , together with time-consuming operations. The noise control problem can be broken down into three segments including the design concept , the design fix and the acoustic fix .The latter tow fixes will probably overlap in most cases and interact with each other while the design concept will set the constraints for the overall problem .The definition of the problem is usually general in mature and arises most often from a complaint of someone or some group segment of the population.Identifying the sources does not usually require sound measurements at this juncture 56although those measurements will be required prior to attempting those procedures indicated in the “Design Fix” column . Of great importance in the design concept stage is the correct identification of the population affected by the source , that is ,the receive and the path of propagation to them . Having identified the people affected by the noise source, it is necessary to examine the acce
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