数控定尺飞锯机设计【含5张CAD图纸+文档全套资料】
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本 科 毕 业 设 计 第 46 页 共 47 页1 绪论11.1 飞锯机的研究现状21.2 课题研究的意义31.3 设计要求42 数控定尺飞锯机总体设计方案42.1 数控定尺飞锯机应实现的功能42.2 机械结构方面的比较选择52.3 数控定尺飞锯机的总体方案制定52.4 数控定尺飞锯机的总体方案设计73 数控定尺飞锯机结构方案设计83.1 数控定尺飞锯机的整体结构方案83.2 导轨的设计93.3 数控定尺飞锯机的行走小车的结构方案93.4 数控定尺飞锯机的床身的结构方案103.5 数控定尺飞锯机的主传动部分的主轴设计113.6 数控定尺飞锯机的主传动部分电机的选择194 锯切结构的设计与计算214.1 切削力、功率的计算224.2 电机的选择244.3 带传动形式的选择274.4 带传动设计284.5 主轴及轴承的设计与校核335 飞锯车运动分析355.1 飞锯车运动描述355.2 确定飞锯车各段运动曲线365.3 反向运行段395.4 计算K值406 提高定尺精度的几点措施42结论43参 考 文 献441 绪论本课题所研究的型材定长切割系统又被叫做飞锯机，它主要适用于连续生产线上板材或型材的切割。随着科学技术的发展，建筑业及冶金业对焊管和钢管需求量的增大，要求的精度和效率也日趋提高，在线定长切割系统就成为冶金企业连续轧制各种型材、管材等生产线上不可缺少的重要设备。它是在不影响轧制线正常生产的前提下，将连续延伸的型材、管材在线切割成为要求的长度，并要保证一定的定长精度【1】。1.1 飞锯机的研究现状飞锯机是当前冶金行业广泛应用的型材定长锯切加工设备，锯切后钢管的长度误差直接关系着成品质量。由于对锯切精度和速度要求越来越高，为了实现锯切的高精度和快速性，市场上已有研制成的飞锯机直流系统，其特点是功率大，速度快，精度高。飞锯机系统是由机械，电子和液压等多方面技术共同实现的。飞锯机是用电机拖动飞锯进行切割，具有控制简单、干扰信号少、定尺精度高、操作方便等特点，在我国得到了广泛的应用。我国过去飞锯机的拖动系统有两大类：采用直流电机控制的DDS系统；采用步进电机与数控阀相结合的拖动系统。伺服飞锯机是目前世界上最先进的飞锯机之一，电机功率的选择和计算与飞锯机的控制系统和运动方式有关【2】。目前，市场上生产和销售的飞锯机种类很多，PLC-DDC-D定尺飞锯，DYJ_97A_89低噪音滚压式飞锯，FJ114微机控制定尺飞锯，125全自动数控飞锯机，325全自动数控飞锯等。诸如以上所说的各类飞锯机都有其特点和不同程度的缺陷，尤其是精度差。在快速发展的今天，机械要求越来越精密化，已经很难满足现今的要求。微机定尺飞锯机解决了这一难题。它由计算机控制，可以达到相当高的精度。近几年，微机定尺飞锯机在高频焊管和冷弯钢生产线上得到了广泛的应用，而且越来越多的厂家对该技术已经认可。其工作原理大体类似于普通飞锯机：通过测速辊与钢管无滑移接触，将钢管的移动以脉冲的形式送入计算机，计算机经过运算，得出钢管的移动速度及即时长度，达到定长时，锯片与钢管等速运动，落锯切割，抬锯，回到原位，重复上一次动作【3】。飞锯机一般安装在连续焊管机组后面,将运行着的管材切成定尺长度。因此，飞锯机应有两方面的运动要求，即锯切运动和同步运动。锯切运动是使锯片旋转并切断钢管，同步运动是要保证飞锯机的锯切部分与运动着的钢管同步。也就是说在锯切过程中，锯片既要绕轴转动，又要与钢管以相同的速度移动，以保证锯片在与运动的钢管同步的情况下将其切断，从而得到定尺准确、切口平整的钢管。飞锯机的核心技术就是同步机构。目前，同步机构有直线往复运动和回转运动两大类。通常使用的是直线往复运动的同步机构，其结构是：锯切机构安装在小车上，由同步机构带动小车作往复运动，传动形式主要有气动传动和计算机控制的机械传动两种。气动传动的同步机构由于定尺精度低，同步性差，适应钢管运行速度低等不足而逐渐被淘汰。而机械传动的同步机构工作效率高，控制简便，性能稳定，故广泛应用，其中尤以齿轮齿条传动应用得最为广泛。齿轮齿条传动又分为固定齿轮齿条传动、固定齿轮浮动齿条传动和固定齿条浮动齿轮传动三种。第一种传动形式的缺陷是安装时齿侧间隙较难保证，床身上轨道的加工和安装误差容易导致齿的受力不均，造成局部磨损严重。长期运行导致轨道、车轮或齿轮齿条的磨损，甚至锯切时小车的弹跳等，都会破坏齿轮齿条的正常啮合关系。如齿轮齿条磨损严重，导致过大的齿侧间隙，小车往复运动时产生过大的冲击。轨道、车轮磨损导致齿侧间隙变小，从而破坏齿面的润滑，导致齿面过早失效。第二种传动形式因齿条与小车非钢性接触， 故锯切的振动不会波及到齿条，安装时齿侧间隙容易保证，轨道及车轮的磨损不影响正常啮合。但这种传动形式的缺陷是近3m 的齿条需有导向架68个，各导向架需独立地安装在床身上，故安装精度较难保证，小车的往复工作，使齿条与导向架间断接触，从而冲撞经常发生，加上冷却水及锯切屑的影响，导向架的导向部分频繁损坏，失去导向作用，从而影响正常工作。第三种综合了前面两种传动的优点，克服了它们的不足。实践证明，该机构工作性能优良，完全适应飞锯机的工作特点，是理想的飞锯同步传动机构4。经长期的生产实践和理论分析，对焊管定尺精度有较大影响的，还有以下几方面的原因：1、传感器检测不准确造成的定尺误差；2、机械传动系统的间隙误差；3、低惯量直流电机跟踪滞后与采样周期引起的调节误差；4、干扰信号引起的误差等。解决办法是：定期检查减速机齿轮间隙、传动轴的联接定位，改进齿条与车体的联接，调整齿条箱等，减小锯车自重，从而减小锯车惯量。在实际生产中，通过采取相应的措施予以解决5。1.2 课题研究的意义微机控制机械定尺飞锯机的问世虽然已经有很长的时间，并且虽然传统气动飞锯的定尺精度问题一直以来未能得到解决，但由于微机控制飞锯一般价格比较昂贵，维修保养价格高，而传统气动飞锯价格便宜，易于维修，所以传统气动飞锯仍然是很多焊管生产厂家特别是中小企业的首选。总之，微机控制机械定尺飞锯机在我国还未被广泛的应用，它还有广阔的发展空间，还有很长的一段路要走。所以微机控制定尺飞锯机的研究与进一步完善已成为当务之急，以促进我国焊管行业的发展。随着现代数字控制技术的发展，数字调速装置的应用越来越广泛，其技术成熟，可靠性高，抗干扰能力强，维护量小，能方便地与计算机联网通信。而管材等的切割也越来越频繁，并且对精度有越来越高的要求，使飞锯机的应用日趋广泛，切割精度要求也越来越高，因而微机定尺飞锯机有极其广阔的前景，对它的研究有极其重要的意义。此次设计所涉及的飞锯机用来切割最大直径325mm的焊管，主要用来横向随动定尺锯切不同直径（12 - 325）、不同速度下的直缝焊管。生产速度，100米/分，定尺范围，3-10米，定尺精度+5mm（该定尺精度已达国际标准），锯切频率10-15次/分，控制飞锯机的锯切行走机构（即飞锯车）的启动、加速、同步运行、锯切焊管、正向减速、反向加速、反向减速、制动、等待下一次切割。该系统运行中需要控制的参数有两个：一是位置，每次锯切时锯切点的偏差要小于5mm，锯切后飞锯车要返回原点，以减少累计误差；二是速度，要求锯切时飞锯车的运行速度严格与焊管的运行速度相同，即同步控制。采用何种运动模式在如此短的时间内完成这么多的动作，且达到所需定尺精度是问题的关键。1.3 设计要求a） 飞锯机的主要设计参数：锯切钢管直径：12 325 焊管最高速度：100米/分 锯切长度：3-10米连续可调 锯切次数：10 - 15次/分定尺精度：+5毫米b） 锯切部分与飞锯小车之间要刚性联接且稳定。c） 锯切小规格钢管时因钢管刚性差，易弯曲，从而影响定尺精度，需要加防弯压辊。d） 液压缸压力要稳定可靠，才能准确、协调完成飞锯机的各项动作，保证定尺精度的准确和生产的连续7。2 数控定尺飞锯机总体设计方案2.1 数控定尺飞锯机应实现的功能 数控定尺飞锯机适用于连续轧制各种管材、型材生产线，如焊管、钢筋、铝管、合金管的生产线。其显著特点是锯切效率高，可锯切的管类直径范围大，这得益于它的气压装置，体现了气压技术高压、高效、可控制性强的特点。其整体结构简单，工作性能可靠，应用广泛。 本机适用于型材行走速度为 100m/min，锯切型材径向尺寸范围为 12 325 ，锯切长度为 3m10m 的型材生产线，其设计使用锯切精度为5mm，锯切次数为 10 次/分15 次/分。目前国内型材生产线上型材的行走速度在 100m/min 以下，其径向尺寸大都在 12 325 之间，5mm 的锯切精度也符合国家标准，10 次/分15 次/分的锯切次数也能达到大多厂家的要求，尤其是大量的中小厂家5。2.2 机械结构方面的比较选择送料进给机构要实现的是直线运动，要实现直线运动可以采用螺旋传动、齿轮齿条、液压传动等。液压缸形式的传动反应较慢，传动速度慢，一般应用于传动较大较重的零件。滚珠螺旋传动结构复杂，制造困难，成本高。 而本课题要实现的是小距离，精确的直线运动，齿轮齿条传动的传动效率高、刚度好、精度保持性好，但价格在合理范围内。所以采用齿轮齿条传动是较理想的选择。主传动驱动采用三相异步电动机，变频器调速，不适用价格高、体积大的变速器了。变频调速具有调速时平滑性好，效率高，低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。调速范围较大，精度高，变频器体积小，便于安装、调试、维修简便的优点。丝杠驱动采用步进电机，步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率大小和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为步距角，转子的旋转是以固定的角度一步一步动作的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率变化来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。锯片有有齿和无齿锯片两种。两种锯片各有优缺点：无齿锯片切割较快，但韧性不好，切割时易崩裂，且磨损较严重，需经常更换，经济性不好。而有齿锯片韧性较好，但切割时的进给量较小。根据设计要求，切割零件为直径为24-58mm的钢管，所以锯片的形式采用单锯片的有齿锯片，就可以满足技术要求，且经济性较好。2.3 数控定尺飞锯机的总体方案制定 开始拟定的几套数控定尺飞锯机的总体方案： 方案一：当管材（或型材）运行接触到发讯开关时，发讯开关指令齿轮齿条牵引飞锯小车行走，助推气压缸同步助推，管材（或型材）与飞锯小车运行中达到同步，同时夹紧装置的气压缸动作钳口夹紧，夹紧装置的钳口同时也已经夹紧，之后管材运行距离达到锯切长度，接近开关指令锯切装置运作实现锯切。锯切完成后锯片抬起，同时指令夹紧气压缸抬起，完成定尺锯切的全部动作，锯切后的定尺管材离开飞锯沿辊道前进到下一步工序，同时飞锯小车在齿轮齿条牵引力作用下回复到原位，等待开始下一次锯切。 方案二：当管材（或型材）运行接触到发讯开关时，发讯开关指令齿轮齿条牵引飞锯小车行走，管材（或型材）与飞锯小车运行中达到同步，同时夹紧装置的气压缸动作钳口夹紧，之后管材运行距离达到锯切长度，接近开关指令锯切装置运作实现锯切。锯切完成后延时一小段时间，锯片抬起，同时指令夹紧气压缸抬起，完成定尺锯切的全部动作，锯切后的定尺管材离开飞锯沿辊道前进到下一步工序，同时飞锯小车在齿轮齿条牵引力作用下回复到原位，等待开始下一次锯切。 方案三：当管材（或型材）运行接触到发讯开关时，发讯开关指令夹紧装置的气压缸动作，同时齿轮齿条牵引飞锯小车行走，管材（或型材）与飞锯小车运行中达到同步，夹紧装置的钳口同时也已经夹紧，之后管材运行距离达到锯切长度，接近开关指令锯切装置运作实现锯切。锯切完成后延时一小段时间，锯片抬起，同时指令夹紧气压缸抬起，完成定尺锯切的全部动作，锯切后的定尺管材离开飞锯沿辊道前进到下一步工序，同时飞锯小车在齿轮齿条牵引力作用下回复到原位，等待开始下一次锯切。 方案四：当行进中的钢管端部靠近接近开关时，由可编程序控制器，发出夹紧命令，夹紧钢管后，锯切气压缸起动，进行锯切，抬锯，夹紧松开，锯车返回气压缸起动，锯车返回，等待下一次循环。 方案五：当行进中的钢管端部靠近接近开关时，由可编程序控制器，发出夹紧命令，夹紧钢管后，锯切气缸起动，进行锯切，经可编程控制器延时后，抬锯，夹紧松开，再经可编程序控制器延时后，锯车返回气缸起动，锯车返回，等待下一次循环。 上述五种方案的比较如下： 方案一中，“助推气压缸助推”这一步骤是多余的，因为拖动气缸可以完成推动行走小车跟踪到行进的管材，但是反方向复位时由于设计要求速度很大，拖动气缸达不到要求，所以“助推气压缸助推”这一步骤要设置在反方向复位时。另外，此方案中“锯切完成后锯片抬起，同时指令夹紧气压缸抬起”，没有“延时一小段时间”这一步骤，是一种设计缺陷，是不合理的。 方案二中，“锯切完成后延时一小段时间，锯片抬起”，在锯切完成之后，锯片抬起之前就延时了一小段时间，这是不符合实际情况的，属于不合理设计。 方案三中，“发讯开关指令夹紧装置的气压缸动作，同时行走气压缸牵引飞锯小车行走”，夹紧气压缸动作与行走气压缸同步，这是不合理的，这样影响了行走小车对管材（或型材）的跟踪，夹紧气压缸应在管材（或型材）与飞锯小车运行中达到同步是实施夹紧。 方案四和方案五是用可编程序控制器对系统进行控制，考虑到成本因素，我们选择用行程开关对系统进行控制，另外方案四中缺少延时的步骤。2.4 数控定尺飞锯机的总体方案设计 通过以上对这五种方案的分析比较，我们设计并完善了我们的数控定尺飞锯机的总体方案： 当管材（或型材）运行接触到发讯开关时，发讯开关指令齿轮齿条牵引飞锯小车行走，管材（或型材）与飞锯小车运行中达到同步，同时夹紧装置的气压缸动作钳口夹紧，管材（或型材）与飞锯小车运行中达到同步，夹紧装置的钳口同时也已经夹紧，之后管材运行距离达到锯切长度，接近开关指令锯切装置运作实现锯切。锯切完成后锯片抬起，同时指令夹紧气压缸抬起，完成定尺锯切的全部动作，锯切后的定尺管材离开飞锯沿辊道前进到下一步工序，同时飞锯小车在齿轮齿条牵引力作用、助推气压缸同步助推下回复到原位，等待开始下一次锯切6。正如图 1 所示：3 数控定尺飞锯机结构方案设计3.1 数控定尺飞锯机的整体结构方案 本次设计的数控定尺飞锯机主要有飞锯床身，主传动系统，行走小车，锯切系统，夹紧装置等几部分组成，其外形如图2所示：图2 飞锯机主体 数控定尺飞锯机总体上采用下部床身上部行走小车的布局，在床身上安装导轨，在行走小车下部安装四个支撑轮，这样床身就可以通过导轨支撑行走小车并使小车可以在床身上来回行走。主传动系统布置在床身中，与床身相连，齿轮齿条通过接合与行走小车拖动轴座相连，这样齿轮齿条就可以拖动行走小车完成由静止到跟踪行进的型材，再到复位的动作。锯切系统安装在行走小车的底盘之上，它们与小车一起运动，适时地完成锯切动作。夹紧装置也安装在行走小车的底盘之上，它也与小车一起运动，适时地完成夹紧动作。3.2 导轨的设计在其上端安装导轨，导轨再支撑行走小车，只不过这里的导轨设计形式比车床上的导轨简单的多，如图所示：这种设计非常简单，但是也非常的实用，简单的螺钉固定，起了很大的作用。如图 3 所示：图3 导轨与行走小车3.3 数控定尺飞锯机的行走小车的结构方案气动式定尺飞锯机的行走小车的结构形式如图 4 所示： 图4 行走小车结构示意图 数控尺飞锯机的行走小车的结构方案：用四个支撑轮将行走小车底盘支撑起来，在行走小车底盘下面焊接连接体，为了增加刚度焊接了两块支撑板，在行走小车底盘上面安装电机，夹紧装置，锯切系统，防护罩，管材的支撑辊以及拖链的连接板。行走小车底盘是一块长 1411mm， 900mm，宽厚 20mm 的 45 号钢板。防侧翻板儿是用螺栓将其联接在支撑轮座上的。在防侧翻板儿上用轴固定了一个小轴承，它钩住了导轨支撑板下侧，起到防止小车侧翻的作用。具体的安装位置参看行走小车装配图。3.4 数控定尺飞锯机的床身的结构方案 下部床身使整个设备的载体，起的是支撑作用。它的设计直接影响到操作者的工作，所以它的设计必须人性化，必须考虑操作者的身高等因素。考虑到中国人的平均身高，所以取床身身高为 675mm。 数控定尺飞锯床身的结构可以仿照普通车床的床身结构来布局，但是这里的床身是焊接的，而车床床身是铸造件。床身前后两侧支撑导轨，床身中部安装主传动系统。 （1）床身外侧的筋板是焊接在床身外侧的，这些筋板是为了提高床身侧部支撑刚度而设计的。 （2）床身顶部安装导轨的支撑板是用来安装导轨的，同时也可以提高床身纵向的刚度，并能保持导轨相对床身的平行度。飞锯床身上的导轨是由一个加工而来的，其传动精度相对车床导轨来说地的多，但是足以满足本机的要求。在两根导轨的四个端部，我们设计安装了四个挡块，并在挡块上安装上橡皮块儿，用以防止高速行进的行走小车在过位或失控时从床身上窜出来，不至于给操作者带来危险和损坏行走小车上的各部分装置。 （3）床身的吊装孔是为了方便安装整个飞锯设备而设计的，它是在床身前后两侧均部了四个150mm 的孔，在设备装卸、托运以及校正床身位置是可以用天车吊钩钩住这四个孔来操作。 （4）行程开关支座是焊接在床侧面筋板上的一块长 2000mm、宽 50mm、后 20mm的一块 45 号钢板，在这块上我们开了四个螺栓槽，可以将行程开关用螺栓固定在支座上，并且当要调整所锯切的管材的长度时，可以相应的调节行程开关连接螺栓在支座上的位置。 （5）考虑到飞锯工作过程中，床身承受很大的冲击力，为了使床身平稳的固定在地面上，我们设计使用 10 根地脚螺栓来固定床身，螺栓分布位置参看气动式定尺飞锯机总装图。 （6）考虑到管材是在用水冷却后行进到飞锯设备上而进行锯切的，因此，它往往带一部分水到飞锯设备上，多余的水往往会腐蚀床身，有时还影响设备的正常运作，故而要设计排水设施，在床身上设计了排水管711。3.5 数控定尺飞锯机的主传动部分的主轴设计飞锯机最关键的部分是和齿轮衔接主传动轴。主传动轴的受力简图如图5所示 图5 轴的受力简图主传动轴通过齿轮带动飞锯车座往复运动，由于存在变化的加速度，所以主传动轴的力矩是变化的。即驱动主传动轴的力矩为 （N.m） （3.1） 式中为动力矩，是由加速，减速引起的惯性力产生的力矩，为静力矩，是除惯性力以外其他力所产生的力矩。我们知道产生静力矩的力有两个，飞锯车车轮与轨道之间产生的滚动摩擦力和飞锯车车轮处的滚动轴承产生的摩擦力。 （N） （3.2） 式中w为飞锯车装配质量，包括飞锯车自重及飞锯车上所有零件的重量，为飞锯车车轮与轨道之间的滚动摩擦系数，D为飞锯车车轮直径，G为重力加速度。 （N） （3.3） 式中为滚动轴承的摩擦系数；d为安装滚动轴承处的轴径。 由此可得 （N.m） （3.4） 式中，D为齿轮的分度圆直径，为齿轮到飞锯车之间的效率。 （N.m） （3.5） 式中为齿轮轴的角加速度。 （3.6） 式中，a为飞锯车的加速度，为主传动轴的等效转动惯量。 有机械原理知识可知 （3.7） 式中，第一项为评议物体的转动惯量，第二项为齿轮（含安装齿轮轴）的转动惯量。 根据工作原理可知做评议运动的物体只有一个，即飞锯车，因此在式中n=1,、分别为飞锯车装配质量和飞锯车的运动速度。是主传动轴的角速度。将以上参数带到 （3.8） 得 （3.9） 式中，J为齿轮的转动惯量。 将以上参数编程序计算后，即可得到主传动轴的力矩变化曲线，见图6图6 主传动轴力矩参数曲线由图可见，主传动轴的最大力矩分别出现在正向运动段的追踪段、减速段和反向运动段的加速段、减速段（当以最快速返回时，反向同步段不存在）。在正向运动段的同步段，主传动轴的力矩最小，因为此时只有静力矩，没有动力矩，而静力矩在运动过程中始终存在。这与我们的理论推导是一致的。编程中，在得到力矩参数曲线的同时，也得到了力矩计算值，如325飞锯机最大力矩为1101N.m。由此可得到齿轮上所受到的圆周力和径向力分别为 （3.10） （3.11）本文针对飞锯机主传动轴进行了有限元计算。主传动轴的有限元计算包括静强度计算和疲劳计算。由于弯曲变形和扭转经计算后变形很小, 故不必考虑刚度的影响。由于轴的结构复杂, 采用材料力学的强度和疲劳计算方法较难考虑局部应力集中的影响, 本文采用大型多物理场分析软件ANSYS对主传动轴分别进行了静载强度计算和疲劳计算。根据主传动轴的零件图建立了传动轴的实体模型, 考虑到参数研究的需要, 建模时采用了ANSYS软件的APDL (ANSYS参数设计语言)语言建模。传动轴的有限元建模及网格划分如下图5所示。建模时要考虑轴的加载情况, 轴的材料为45号钢, 弹性模量E = 210 GPa, 泊松比 =0.3, 屈服应力r = 300MPa。图7网格划分静力载荷的计算参考图5, 由于主传动轴在运动中不断的正反转, 且加速度也是在正、负之间不断地交替变化, 在轴上施加载荷时要充分考虑到轴上扭矩转向和径向力方向的变化, 共四种工况: 正扭矩、径向力向下; 正扭矩、径向力向上; 负扭矩、径向力向下; 负扭矩、径向力向上。本文给出一种负扭矩、径向力向上的工况受力图, 如下图所示。图8 主传动轴负扭矩、径向力向上的受力工况在加载时, 考虑到轴的真实受力情况, 齿轮加在轴上的径向力作为面力加载到该轴段180的面上, 并将最大力矩转换到主传动轴上。针对受力情况, 静力计算的结果也有四种,四种工况计算的最大等效应力大致相同, 只是小数点后数据有所变化, 故这里给出一种计算结果, 即下图的等效应力计算结果。 由下图及计算结果可见, 在第2、5段轴(图8)键槽处有应力集中, 两段应力水平接近, 这是因为该轴以传动扭矩为主, 第2、5段轴承受同样的转矩, 第2段轴虽承受一定的弯矩, 但在设计时, 在满足安装、润滑等条件后, 使两个轴承间的距离尽量的小, 这会使F2 产生的弯矩减小, 从而使第2段轴的弯曲应力降低, 同时为了能够安装第2段轴的直径又必须大于第5段轴的直径, 这样使两段轴应力水平接近。对于飞锯机第2 段轴有最大应力, 第5 段轴应力次之, 其次为第4段轴, 在第1、3段轴应力水平较低, 轴截面变化处的应力集中较少。关键是疲劳计算。由图4可见, 在一次锯切中, 有两次对称循环, 飞锯机根据锯切焊管的直径不同, 锯切频率为10 15 次/min, 由此可见疲劳破坏是主传动轴的主要破坏形式。但使用分析软件ANSYS进行疲劳计算时,必须进行强度计算后, 方能进行疲劳计算。图9主传动轴负扭矩, 径向力向上的等效应力图 主传动轴的疲劳计算建立循环次数和交变应力强度对应关系表。根据循环次数和交变应力关系 式中, M 为指数, 对弯曲应力M = 9; 为循环次数, 对于45号钢 = 107 ; 为循环 时的疲劳极限; 45号钢对称循环时, r = - 1, 故= 300 N / ; 为循环N 次时的疲劳极限。 = 300 N / 是45号钢光滑小试件测定的材料的疲劳极限, 它没有考虑构件尺寸大小、应力集中、表面质量和安全系数的影响, 其中前三项影响参数在ANSYS进行疲劳计算时可以加入进去, 但安全系数没有考虑, 由参考文献 7 可知, 45号钢在进行一般计算时许用应力= 60 N /mm2 , 即安全系数为5。从工程应用的角度, 主传动轴是飞锯机的关键部件, 一旦主传动轴断裂, 后果难以估量, 同时还要考虑到冲击、安装误差等一系列不利因素的影响, 在工程实践中安全系数通常取到6 8。以8 计算, 建立的循环次数和交变应力强度对应关系是表1。 此表在进行疲劳计算时要输入到S - N Table中。疲劳计算。主传动轴在交变应力作用下要进行疲劳强度计算, 当交变应力形式不同时, 计算结果亦不同, 由于主传动轴特殊的运动状态和受力状态, 它的交变应力形式共分为六种: a正扭矩、径向力向下与正扭矩、径向力向上; b正扭矩、径向力向下与负扭矩、径向力向下; c正扭矩、径向力向下与负扭矩、径向力向上; d正扭矩、径向力向上与正扭矩、径向力向下; e正扭矩、径向力向上与负扭矩、径向力向上; f正扭矩、径向力向上与负扭矩、径向力向下。分析这六种工况, 第a、d种工况计算结果相同。第b、e种工况计算结果稍有差别由于有键槽的影响, 第b种工况受面力面积略小, 载荷稍大, 故只分析第b种工况即可。第c、f种工况计算结果基本相同, 由此可见, 在进行疲劳计算时, 我们只要分析前三种受力工况即可。图8给出了第a种受力工况, 篇幅有限不必一一列出。第a种受力工况的等效应力图如图9所示。图10主传动轴疲劳计算第一种受力工况( a) 正扭矩、径向力向下( b) 正扭矩、径向力向上图11第a种受力情况的等效应力图( a) 正扭矩、径向力向下( b) 正扭矩、径向力向上疲劳计算的节点选取了静力计算中最大应力的节点。经过疲劳计算, 原设计的三种工况条件下轴的疲劳强度都能满足要求, 使用寿命在107以上。由于静力计算中最大应力基本相同, 故疲劳强度也基本相同。分析主传动轴的有限元计算结果, 静应力水平较低, 这可从图9的等效应力图中看出。当增大的安全系数时, 使用寿命仍能在107 以上, 这说明交变应力水平也较低。两方面都说明主传动轴的结构尺寸偏大, 应对其进行缩小。本主传动轴系列结构是在参数化设计前提下进行优化设计。系列化产品的特征是在决定其基型以后的设计只是尺寸的修改。参数化设计是利用模块结构的相似性, 在模块基本结构不变的前提下, 改变模块的一组或几组几何尺寸, 从而快速产生另外一种或几种模块的设计方法。参数化设计贮存了设计的整个过程, 能够设计出一族,而不是单一的产品模型。本文利用APDL进行参数化设计, 利用APDL可以实现参数化建模、加载、定义边界条件、求解及后处理等操作。AP2DL提供了丰富的命令集, 如几何(点、线、面、体)的定义与操作、网格划分、定义边界条件、加载、逻辑控制命令、条件与循环命令、分析流程命令、数据文件读写等。利用APDL优化的过程为读取数据文件, 作为有限元模型的设计变量(参数) , 以此建立有限元模型, 以不同的目标函数进行结构优化计算, 结果输出, 将计算结果返回给用户, 可进一步对尺寸参数进行优化, 从而完成产品的优化设计。优化飞锯机主传动轴系列结构, 将轴的材料、弹性模量、泊松比、疲劳极限、精度等级设为常量, 主要优化尺寸参数(图8) 。当安装在轴上的齿轮、轴承、联轴器和轴承的润滑方式确定以后, 轴的轴向尺寸已基本确定, 无须优化。设计时应使两个轴承的距离尽量的小, 从而降低第二段轴的应力水平。在设计键槽尺寸时, 键槽的宽度和键槽与毂的接触高度根据轴的直径按照国标选取。键槽的长度应比毂略短, 在键的长度系列中选取一个即可, 也无须优化。这样只须确定直径尺寸系列。ANSYS只能单目标优化, 不能多目标优化, 因此以重量最小为目标进行优化。按照机械设计惯例, 首先从第五段轴优化, 设计变量为直径x, 约束条件为满足应力循环 ,目标函数为 （3.12）式中, L 为第五段轴的长度; 为轴的材料密度。在满足上述条件下, 重量y ( x)取最小值时的设计变量即为优化的直径值。从上面的分析中可知, 对于第一、四段轴最大应力低于第五段轴, 故第一、四段轴无需优化, 只需按结构设计。为了便于联轴器定位, 第一、四段轴径应略大于第五段轴径, 同时为了安装轴承, 第一、四段轴径必须是5的整数倍。第二段轴的优化目标与第五段轴的优化目标相同,优化后的结果必须大于第四段轴径, 以便于齿轮的安装。第三段轴因应力水平较低, 同样只需按结构设计, 它的直径必须大于第二段轴径, 以达到齿轮轴向固定的目的。主传动轴系列结构优化设计的步骤: (1) 初步设计主传动轴, 计算出主传动轴的转动惯量; (2) 将主传动轴的转动惯量和其它运动参数输入到程序中, 计算出主传动轴的转矩; (3) 计算出主传动轴的径向载荷; (4) 对主传动轴有限元计算静强度和疲劳强度, 确定优化目标, 由于过去采用经验计算, 轴的直径都偏大, 优化过程是将直径降低; (5) 优化主传动轴的第五段, 观察输出结果, 确定轴的第一、四段轴径。 (6) 选择、校核轴承和联轴器以确定第一、四、五段轴的长度(第二、三段轴的长度在初步设计主传动轴时, 已按结构确定, 无需重新确定) ; (7) 优化主传动轴的第二段, 观察输出结果, 如输出结果小于或等于第一段轴径, 应将此值加大, 以便于齿轮的安装;(8) 按结构设计轴的第三段;(9) 计算优化后的主传动轴转动惯量, 重新计算主传动轴的力矩和径向载荷。主传动轴的等效转动惯量Je 主要是飞锯车和齿轮7的转动惯量, 主传动轴的转动惯量影响很小, 所以对主传动轴的力矩和径向载荷影响很小, 在我们的计算中, 力矩变化不大于015% , 无需重新优化主传动轴。经过以上各步骤, 我们得到主传动轴系列结构的优化设计, 其中273、325、381主传动轴直径尺寸见表2。表2主传动轴优化前后比较从表2可以看出, 三种型号的主传动轴的各段直径都有减少, 减重都在20%以上, 其它型号的主传动轴的减重也在20% 30%。从以上可知： (1) 针对飞锯机运动方式不同主传动轴所承受载荷亦不同的特点, 本文对主传动轴进行了受力分析, 得到主传动轴的力矩变化曲线; (2) 对主传动轴进行了有限元分析, 计算结果表明: 由于轴的直径偏大, 静应力值和交变应力值都较小;(3) 设定了约速条件, 建立了目标涵数, 对主传动轴系列结构进行了优化设计, 结蛤表明:各型号的主传动轴的减重都在20% 30%【14-19】。3.6 数控定尺飞锯机的主传动部分电机的选择3.6.1 电动机类型的选择a）根据电动机的工作环境选择电动机类型1）安装方式的选择电动机安装方式有卧式和立式两种，卧式电动机的价格较立式的便宜，所以通常情况下多选用卧式电动机，一般只在为简化传动装置且必须垂直运转时才选用立式电动机。在此选用卧式电动机。2）防护形式的选择电动机防护形式有开启式、封闭式、防护式和防暴式四种。开启式电动机在定子两侧与端盖上有较大的通风口，散热条件好，价格便宜，但水气、尘埃等杂物容易进入，因此只在清洁、干燥环境下使用。封闭式电动机又可分为自扇冷式、他扇冷式和密闭式三种。前两种可在潮湿、多尘埃、有腐蚀性气体或易受风雨的环境中工作。第三种可浸入液体中使用。防护式电动机在机座下方开有通风口，散热较好，能防止水滴、铁屑等杂物从上方落入电动机，但不能防止尘埃和潮气入侵，所以适宜与较清洁干净的环境中。防暴式电动机适用于有爆炸危险的环境中，如油库、矿井中。本课题所设计的机械定尺切割机一般安装在焊管机组的后面，鉴于其生产环境，因此选择封闭式电动机。b）根据生产机械的负载性质选择电动机类型1)对于不要求调速、对启动性能亦无过高要求的生产机械，应优先考虑使用一般鼠笼式异步电动机。若要求启动转矩较大，则可选用高启动转矩的鼠笼式异步电动机。2)对于要求经常启、制动，且负载转矩较大、又有一定调速要求的生产机械，应考虑用线绕式异步电动机。3) 经常对于只需要几种速度，而不需要无级调速的生产机械，为了简化变速机构，可选用多变速异步电动机。4)对于要求恒速稳定运行的生产机械，且需要补偿电网功率因素的场合，应优先选用同步电动机。5)对于需要大的启动转矩，又要求恒功率调速的生产机械，常选用直流串励或复励电动机。6)对于要求大范围无级调速，且要求经常启动、制动、正反转的生产机械，则可选用带调速装置的直流电动机或鼠笼式异步电动机。电动机分为交流电动机和直流电动机两种。选用交流电动机。综上所述根据在满足生产机械对拖动系统静态和动态特性要求的前提下，力求结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉的原则下。选用封闭扇冷式Y系列异步电动机。3.6.2 电动机额定电压的选择电动机额定电压一般选择与供电电压一致。普通工厂的供电电压为380V或220V。选择电动机额定电压220V。3.6.3 电动机额定转速的选择容量相同的同类型电动机，有几种不同的转速系列可供选择，如三相异步电动机常用的有四种同步转速，即3000、1500、1000、750r/min（相应的电动机定子绕组的极对数为2、4、6、8）。低速电动机的极对数多，转矩也大，因此外廓尺寸及重量都较大，价格较高，但可以使传动装置总传动比减小，使传动装置的体积、重量较小；高速电动机则相反。因此确定电动机转速时要综合考虑，分析比较电动机及传动装置的性能，尺寸、重量和价格等因素。通常多选用同步转速1500和1000r/min的电动机（轴不需要逆转时常用前者），但由于此电机用于齿轮齿条主传动，从价格和性价方面可以选择3000r/min的电动机。3.6.4 电动机容量的选择电动机的选择主要是容量的选择，如果电动机的容量选小了，一方面不能充分发挥机械设备的能力，使生产效率降低，另一方面电动机经常在过载下运行，会使他过早损坏，同时还可能出现启动困难、经受不起冲击负载等故障。如果电动机容量选大了，则不仅使设备投资费用增加，而且由于电动机经常轻载下运行，运行效率和功率因数（对异步电动机而言）都会下降。 查产品目录且进行市场调研了解电机功率可选为22Kw。选取Y200L2-2型异步电动机【13】。Y200L2-2型异步电动机的外形及主要尺寸如下：4 锯切结构的设计与计算所谓锯切结构，就是执行锯切任务将焊管切断的装置。它包括动力源机构即电动机部分，锯切机构，传动机构及其它辅助机构。锯切方式一般有摆动式和直推式两种形式。两种形式各有特点，平推式产生的锯切力比较大，所以对电机的要求比较高。摆动式则对电机的要求较低，并且可以锯切的对象比平推式广泛，所以我们选择摆动式。锯切机构的基本组成包括：气缸，用于拉动锯臂作摆切动作；锯臂，支撑锯切主轴；主轴，连接带轮和锯片，用于传动；其他。锯臂一般有两种形式，直臂和V型臂。在此选择前者。4.1 切削力、功率的计算4.1.1 锯片的选择对于各规格焊管生产线上的切割机，国内现有的形式有三种15：（1）单锯片式。用一张锯片一次切断整根钢管。此锯片直径很大，如锯切508mm14mm圆管或400mm400mm16mm方矩形管，锯片直径需在1600mm以上，锯切功率需达250 kW。工作时噪音很大，且管子端口不好，毛刺大，又不好清除。（2）滚切式。其结构是通过一组刀片的径向旋转、挤压将钢管切断。虽然比大直径的锯片有一定的优越性，但仅适用于圆管，不能用于方矩形管和开口型材，并有收缩口等现象，而且在钢管钢级高、壁厚大时切断就非常困难。（3）双锯片平推式。这是国外20世纪50年代的淘汰产品，它不仅结构庞大，功率消耗大，致命的缺陷是切断面不平、错位，切削过程中易变形，导致管子的切口有阶梯，若是圆管还可在平头工序修正，若是方矩形管就很难处理了。其大体的结构示意如图12所示：图12 锯切示意图由于本次设计所要达的技术要求是锯切直径15-90mm的钢管。经过对比选择，决定采用唐山冶金锯片有限公司生产的硬质合金齿圆锯片。具体锯片参数如下：外径 ：450mm中心孔： 40mm圆盘厚度：3.5mm最高转速：5000r/min4.1.2 计算切削力、功率 由经验公式： 切削力 （4.1） 其中 B切刃接触面的周长，mm t被切材料厚度,mm 抗剪强度，MPa设：被切焊管直径为60mm，厚度为3mm，材料为Q235。又知道，锯片厚度为3.5mm。在上面的公式中B随着锯切深度的变化而变化，是变量，当锯齿切到焊管的直径时，B最大，约为锯片厚度2+焊管厚度4。被锯切焊管部位的温度愈高，其抗剪强度愈低（如下表1所示），从而锯切力就愈小。由于该锯切系统采用自然冷却方式，不能及时地将热量散去，且锯片的转速很高（据估算可达到5000r/min），所以在工作过程中焊管可以瞬间达到900度以上的高温，根据表1，此时抗剪强度为59Mpa6。 表3 钢材Q235在不同受热温度状态下的抗剪强度受热温度/C20500600700800900抗剪强度/MPa4414412351278859所以 =（3.52+34)3.559 =3923.5N产生的转矩 T= D/2 （4.2）其中， D锯片直径所以， T= 3923.50.45/2=882.7875 Nm所需功率为 P= （4.3） 其中 锯齿的线速度 又由公式 = （4.4）得， P= （4.5）代入数据可得 P=13.2 Kw即切削功率为13.2 Kw。4.2 电机的选择4.2.1 电动机类型的选择a）根据电动机的工作环境选择电动机类型1）安装方式的选择电动机安装方式有卧式和立式两种，卧式电动机的价格较立式的便宜，所以通常情况下多选用卧式电动机，一般只在为简化传动装置且必须垂直运转时才选用立式电动机。在此选用卧式电动机。2）防护形式的选择电动机防护形式有开启式、封闭式、防护式和防暴式四种。开启式电动机在定子两侧与端盖上有较大的通风口，散热条件好，价格便宜，但水气、尘埃等杂物容易进入，因此只在清洁、干燥环境下使用。封闭式电动机又可分为自扇冷式、他扇冷式和密闭式三种。前两种可在潮湿、多尘埃、有腐蚀性气体或易受风雨的环境中工作。第三种可浸入液体中使用。防护式电动机在机座下方开有通风口，散热较好，能防止水滴、铁屑等杂物从上方落入电动机，但不能防止尘埃和潮气入侵，所以适宜与较清洁干净的环境中。防暴式电动机适用于有爆炸危险的环境中，如油库、矿井中。本课题所设计的机械定尺切割机一般安装在焊管机组的后面，鉴于其生产环境，因此选择封闭式电动机。b）根据生产机械的负载性质选择电动机类型1)对于不要求调速、对启动性能亦无过高要求的生产机械，应优先考虑使用一般鼠笼式异步电动机。若要求启动转矩较大，则可选用高启动转矩的鼠笼式异步电动机。2)对于要求经常启、制动，且负载转矩较大、又有一定调速要求的生产机械，应考虑用线绕式异步电动机。3) 经常对于只需要几种速度，而不需要无级调速的生产机械，为了简化变速机构，可选用多变速异步电动机。4)对于要求恒速稳定运行的生产机械，且需要补偿电网功率因素的场合，应优先选用同步电动机。5)对于需要大的启动转矩，又要求恒功率调速的生产机械，常选用直流串励或复励电动机。6)对于要求大范围无级调速，且要求经常启动、制动、正反转的生产机械，则可选用带调速装置的直流电动机或鼠笼式异步电动机。电动机分为交流电动机和直流电动机两种。选用交流电动机。综上所述根据在满足生产机械对拖动系统静态和动态特性要求的前提下，力求结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉的原则下。选用封闭扇冷式Y系列异步电动机。4.2.2电动机额定电压的选择电动机额定电压一般选择与供电电压一致。普通工厂的供电电压为380V或220V。选择电动机额定电压220V。4.2.3电动机额定转速的选择容量相同的同类型电动机，有几种不同的转速系列可供选择，如三相异步电动机常用的有四种同步转速，即3000、1500、1000、750r/min（相应的电动机定子绕组的极对数为2、4、6、8）。低速电动机的极对数多，转矩也大，因此外廓尺寸及重量都较大，价格较高，但可以使传动装置总传动比减小，使传动装置的体积、重量较小；高速电动机则相反。因此确定电动机转速时要综合考虑，分析比较电动机及传动装置的性能，尺寸、重量和价格等因素。通常多选用同步转速1500和1000r/min的电动机（轴不需要逆转时常用前者），但由于此电机用于驱动切割，需高速运转，因此选用电动机的额定转速为3000r/min左右。4.2.4电动机容量的选择电动机的选择主要是容量的选择，如果电动机的容量选小了，一方面不能充分发挥机械设备的能力，使生产效率降低，另一方面电动机经常在过载下运行，会使他过早损坏，同时还可能出现启动困难、经受不起冲击负载等故障。如果电动机容量选大了，则不仅使设备投资费用增加，而且由于电动机经常轻载下运行，运行效率和功率因数（对异步电动机而言）都会下降。电动机所需工作功率按式 Pw=P/a （4.6）由电动机至锯片的传动总效率为 a=12 （4.7）其中1、2分别为带传动和轴承的传动效率， 1=0.96 2=0.98所以，代入数据可得 Pw=13.88KW查产品目录且进行市场调研选取Y160M2-2型异步电动机【13】。Y160M2-2型异步电动机的外形及主要尺寸如下： 图13 三相异步电动机其主要参数如下： 额定功率：15KW 同步转速：3000r/min满载时， 额定电流：29.4A 转速：2930 r/min 效率：88.2% 功率因数：0.88 重量：125kg4.3 带传动形式的选择电机与锯切主轴之间的传动形式我们选择带传动形式，但带传动又分多种形式，只有对他们进行比较才能做出比较合理的选择。带传动是由两个带轮和一根紧绕在两轮上的传动带组成，靠带与带轮接触面之间的摩擦力来传递运动和动力的一种挠性摩擦传动。带传动是利用张紧在带轮上的传动带与带轮的摩擦或啮合来传递运动和动力的。带传动通常是由主动轮1、从动轮2和张紧在两轮上的环形带3所组成。根据传动原理不同，带传动可分为摩擦传动型和啮合传动型两大类。图14 带轮摩擦传动型是利用传动带与带轮之间的摩擦力传递运动和动力。摩擦型带传动中，根据挠性带截面形状不同，可分为如下图四种： 图15 摩擦型带传动的几种类型a) 普通平带传动平带传动中带的截面形状为矩形，工作时带的内面是工作面，与圆柱形带轮工作面接触，属于平面摩擦传动b) V带传动V带传动中带的截面形状为等腰梯形。工作时带的两侧面是工作面，与带轮的环槽侧面接触，属于楔面摩擦传动。在相同的带张紧程度下，V带传动的摩擦力要比平带传动约大70%，其承载能力因而比平带传动高。在一般的机械传动中，V带传动现已取代了平带传动而成为常用的带传动装置。c) 多楔带传动多楔带传动中带的截面形状为多楔形，多楔带是以平带为基体、内表面具有若干等距纵向V形楔的环形传动带，其工作面为楔的侧面，它具有平带的柔软、V带摩擦力大的特点。d) 圆带传动圆带传动中带的截面形状为圆形，圆形带有圆皮带、圆绳带、圆锦纶带等，其传动能力小，主要用于v30m/s，高速轴转速n=10000-50000r/min的带传动属于高速带传动。高速带传动要求运转平稳、传动可靠并具有一定的寿命。高速带常采用重量轻、薄而均匀、挠曲性好的环形平带，过去多用丝织带和麻织带，近年来国内外普遍采用锦纶编织带、薄型锦纶片复合平带等。高速带轮要求质量轻，结构对称均匀、强度高、运转时空气阻力小。通常采用钢或铝合金制造，带轮各个面均应进行精加工，并进行动平衡。为了防止带从带轮上滑落，大、小带轮轮缘表面都应加工出凸度，制成鼓形面或双锥面。在轮缘表面常开环形槽，以防止在带与轮缘表面间形成空气层而降低摩擦系数，影响正常传动。通过以上的比较分析，并结合本次设计的情况，传动形式选择V带传动。4.4 带传动设计4.4.1 V带轮结构设计带轮材料常采用灰铸铁、钢、铝合金或工程塑料等。带轮由三部分组成：轮缘（用以安装传动带）；轮毂（用以安装在轴上）；轮辐或腹板（联接轮缘与轮毂）。轮缘结构尺寸机械设计手册带轮沟槽尺寸取定。V带带轮按轮辐结构不同划分为实心、腹板、孔板和椭圆轮辐四种结构型式：图16 V带轮样式当带轮直径ddd 时（d为轴径），可采用实心式。 当dd300 mm时，若d2-d1100 mm,采用孔板式。当dd300 mm时，应采用椭圆轮辐式。有经验公式可供带轮结构设计时参考。各种型号V带轮的轮缘宽B、轮毂孔径d和轮毂长L的尺寸，可查阅GB10412-89。最终设计成的带轮形状如下图17所示:图17 V带轮24.4.2 V带传动设计计算4.4.2.1 基本理论 选择V带型号V带有普通V带、窄V带、宽V带、大楔角V带等多种类型，其中普通V带应用最广，窄V带的使用也日见广泛。普通V带由顶胶、抗拉体（承载层）、底胶和包布组成。抗拉体由帘布或线绳组成，是承受负载拉力的主体。其上下的顶胶和底胶分别承受弯曲时的拉伸和压缩变形。线绳结构普通V带具有柔韧性好的特点，适用于带轮直径较小，转速较高的场合。窄V带采用合成纤维绳或钢丝绳作承载层，与普通V带相比，当高度相同时其宽度比普通V带小约30。窄V带传递功率的能力比普通V带大，允许速度和挠曲次数高，传动中心距小。适用于大功率且结构要求紧凑的传动。普通V带有Y、Z、A、B、C、D、E七种型号，窄V带有SPZ、SPA、SPB、SPC四种型号。V带都制成无接头的环形。V带的楔角都是，带弯曲时受拉部分在横向要收缩，受压部分在横向要伸长，因而楔角将减小。为保证带和带轮工作面能良好接触，除直径很大的带轮外，带轮沟槽的楔角都应适当减小。带的型号可根据计算功率PC和小带轮转速n1选取。 计算功率PC=KAP （4.8）式中 KA-工作情况系数 P-名义传动功率（kW）当工况位于两种型号相邻区域时，可分别选取这两种型号进行计算，最后进行分析比较，选用较好者。 确定带轮基准直径在V带轮上，与所配用V带的节面宽度bp 相对应的带轮直径称为基准直径dd。带轮愈小，传动尺寸结构越紧凑，但带的弯曲应力愈大，带容易疲劳断裂。为避免产生过大的弯曲应力，对各种型号的V带都规定了最小带轮基准直径ddmin。 设计小带轮基准直径时可参考相关手册选取，大带轮基准直径按公式计算，并圆整为标准尺寸。圆整后应检验传动比或从动轮转速 是否在允许的变化范围内。 验算带速带速太高，会因离心力太大而降低带和带轮间的正压力，从而降低摩擦力和传动的工作能力，同时也降低带的疲劳强度；带速太低，所需有效拉力F大，要求带的根数多。带速计算式为 （m/s） （4.9）式中 小带轮转速。 一般情况下，带速V在5-25m/s之间为宜，为充分发挥V带的传动能力，V带传动的最佳范围应为10-20m/s。 确定中心距a和带的基准长度Ld初定中心距带传动的中心距不宜过大，否则将由于载荷变化一起带的颤动。中心距也宜过小，因为：中心距愈小，带的长度愈短，在一定带速下单位时间内带的应力变化次数愈多，会加速带的疲劳损坏；当传动比i较大时，段的中心距将导致包角1过小。对于V带传动，中心距a一般可取0.7（dd1+dd2）=a0=2（dd1+dd2） （4.10）带长当a0确定后，根据开口带传动的几何关系可计算带的基准长度Ld0。 Ld0= （4.11）根据计算结果Ld0,查表选取接近的标准基准长度Ld。 确定带的初拉力初拉力的大小是保证带传动正常工作的重要因素。初拉力过小，摩擦力小，容易打滑；初拉力过大，带的寿命低，轴和轴承受力大。推荐单根V带张紧后的初拉力F0 为 （4.12） 计算带轮轴上所受的压力FQ为了设计带轮的轴和轴承，需求出传动作用在轴上的压力，该压力可以近似按下式计算： （4.13）式中 F0单根带的初拉力（N） Z带的根数； a1小带轮上的包角。4.4.2.2 具体计算过程a）计算设计功率Pc由机械零件设计手册表14.3查得工作情况系数 ，故Pc=KAP=1.415kw=21kwb）选择带型号根据Pc=21kw,n1=2930r/min，由手册初步选用A型带c）选取带轮基准直径,由表选取小带轮基准直径dd1=150mm，则（设滑动率，取传动比i=4/3）取直径系列值： d）验算带速V在(5-25m/s) 范围内，带速合适。e）确定中心a 和带的基准长度在 范围，初选中心距由带长查图选取A型带的标准基准长度可得实际中心距 （4.14）代入数据可得，=350mm取：=350mm f）验算小带轮包角包角合适。g）确定带的根数Z因，带速v=23m/s，传动比i=4/3由表14-13c，P1=3.65 kw P1=0.10 kw由表14-9， 由表14-11， 由公式得取Z=5根。h）确定初拉力由公式得单根普通V带的初拉力i）计算带轮轴所受压力由公式得综上，所选V带为A-1250。4.5 主轴及轴承的设计与校核4.5.1 轴的设计轴直径的设计式： 4.5.2 轴承的计算a) 初选轴承型号因为轴承之承受径向载荷，选用径向接触轴承中的深沟球轴承，深沟球轴承摩擦因数小，允许极限转速高，价格低廉，应用广泛。根据轴颈选用6206轴承，选用脂润滑方式，查GB/T276得轴承的性能参数为：C=25500，=15200，=8500。b) 寿命计算1）当量载荷 （4.15）由于轴承不受轴向载荷，所以轴承的轴向载荷=0，查表得X=1，Y=0，=1.3。故=1.3=1.3=1.3=1.31728计算结果表明，选用6206型深沟球轴承能满足要求。5 飞锯车运动分析飞锯车是飞锯机的行走机构，飞锯机主要用来横向随动定尺锯切不同口径、不同速度下的直缝焊管。目前在我国飞锯机的类型有伺服飞锯机、电液飞锯机和DDS飞锯机，其中伺服飞锯机锯切的焊管直径是12mm到325mm，锯切频率1015次/min，定尺精度感+5mm(注:这个精度小于国际上通用的BS138785标准，为0+6mm。更超过我国标准GB/T0912001为020mm)。伺服飞锯机是国产飞锯机锯切焊管直径最大的飞锯机，且定尺精度也是最高的。本文就是对伺服飞锯机的飞锯车进行运动分析。在一个锯切过程中，飞锯车都要经过启动、加速、同步运行、锯切焊管、正向减速、反向加速、反向减速、制动、等待下一次锯切这些动作。该飞锯车随动系统运行中需要控制的目标有两个，一是位置控制目标，每次锯切时锯切点的偏差要小于5mm，锯切后飞锯车要返回原点，以减少累计误差。二是速度控制目标，要求锯切时飞锯车的运行速度严格的与焊管的运行速度相同，即同步控制。采用何种运动模式在如此短的时间内完成这么多的动作，且达到这么高地定尺精度是极其关键的问题7。5.1 飞锯车运动描述飞锯车的运动可分为5个阶段，如图18：图18 飞锯车运动示意图5.1.1 等待段如图中AB段，飞锯车静止在零位，当焊管相对于飞锯锯切点的伸出量达到预伸值时，PLC发出指令，指挥飞锯车启动，进人追踪段。5.1.2 正向追踪段图1中BC段，飞锯车在数位同步追剪控制器的控制下，以sin曲线升速，保证飞锯车运行到C点后，正好加速到了与焊管同步，且焊管相对于锯切点的伸出量正好达到设定值。5.1.3 正向同步段如图中CE段，进人同步段后，飞锯车与焊管同步运行，D点是飞锯车进人同步阶段后，经过一定的稳定时间后开始锯切的时刻。从C到D的延时时间是由飞锯车的速度超调量所决定的，可在工作前通过测试决定。E点是飞锯车同步结束的时刻，此时飞锯车已完成锯切任务，DE段时间是由锯切周期所决定的。5.1.4 正向减速段图1中EF段，飞锯车受制动，按sin曲线减速运动，当速度降至零时，转人反向追踪段。5.1.5 反向运行段图中FG段为反向加速段。GH段为反向同步段。Hl段为反向减速段。5.2 确定飞锯车各段运动曲线5.2.1 正向追踪段追踪段在向同步段过渡时会产生超调现象，超调量直接影响到定尺精度，因此追踪段的运动曲线非常重要，从上面的叙述中可知，采用的是数控技术，无论采用何种运动曲线，实际曲线都不能与理论曲线完全吻合，如图3.2所示，t越小，实际曲线越接近理论曲线。在整个追踪段中，分成很多小段，每一个小段都相当于接受了一个新的阶跃信号，当飞锯车加速追踪时，可以把系统看成为二阶系统，由自动控制原理可知，当二阶系统输人阶跃信号时，二阶系统对应的阶跃响应为： （5.1） 式中为系统的阻尼比；n为系统的固有频率；At为阶跃值。 图19 追踪段速度曲线图3.2为二阶系统阶跃响应图，从图19可以看出速度在平衡位置上振荡，超调量随时间的推移越来越小.超调量的计算式为： 5.2分析公式（3.2），当其它参数不变时，V（t）越小，超调量越小。通过以上的分析可知，对于追踪段数学曲线的在选择时应使阶跃值V（t）越来越小，这样方能保证超调量越来越小，当过渡到同步段时，不会引起过大的振荡，以使焊管定尺精度提高。图20 二阶系统的阶跃响应 速度曲线是sin 曲线为最为理想的曲线，最终飞锯车追踪段的运动方程为： 5.3 5.4 5.5式中m为脉冲当量（mm脉冲）；为焊管的测速脉冲频率(脉冲秒)；x中为驱动飞锯车齿轮在追踪段转过的角度；为驱动飞锯车齿轮的角速度（rads）；t为追踪时间变量（s），t0，T1，Tl是追踪时间。图21 飞锯车sin 2正向追踪运动曲线图由式（3.3）、（3.4）、（3.5）经计算机编程所作的曲线见图3.4，从图3.4的速度曲线可以看出：在速度曲线的尾部A(t)越来越小，超调量也越来越小，对提高焊管定尺精度是十分有利的。从加速度曲线可以看出在追踪段的起始点和最终点加速度都为零，这使得飞锯车在追踪段的运动中既无刚性冲击又无柔性冲击。5.2.2 正向同步段在正向同步段，飞锯车与焊管同步运行，相互之间相对运动速度为零，故 5.6 5.7 5.8式中s1为追踪段飞锯车的行程;t为同步时间变量(s)，t0，T2，T2是同步时间。5.2.3 正向减速段从上面的分析中可知：sin 曲线在运动中既无刚性冲击又无柔性冲击，这对飞锯车的运动是十分有利的，故正向减速段仍采用sin 曲线，其运动方程为： （5.9） （5.10） （5.11）式中s2为同步段飞锯车的行程；t为正向减速时间变量（t），t0，T3，T3是正向减速时间。5.3 反向运行段在反向追踪段和反向减速段仍采用sin 曲线，其最大速度是焊管运行速度的k倍，即vmaxkxm。但最大加速度与正向运行最大加速度相同，这使得驱动飞锯车的伺服电机的动力矩不变，伺服电机的驱动力矩不变。为了使一个工作循环结束时飞锯机正好停在零位，不存在二次运行误差，运动要求正向运行段和反向运行段所接受的脉冲数必须相同，即正向运行段和反向运行段的行程必须相等。5.3.1 反向加速段根据上面的分析，得反向运行段的运动方程： 5.12 5.13 5.14式(1214)中s3为正向减速段飞锯车的行程；t为
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