【《等离子熔炉处理上料装置设计与计算案例》6700字】

PAGE116等离子熔炉处理上料装置设计与计算案例TOC\o"1-3"\h\u16795第1章等离子熔炉处理上料装置设计与计算 3252651.1上料机构机架设计 3241291.2上料机构传动系统设计 5186451.2.1驱动电机的计算 6119921.2.2链传动的计算 885781.2.3前端链传动的计算 924941.2.4轴的设计与计算 10227831.2.5同步带的计算 1297121.4上料机构整体设计 14158691.5上料机构运动分析 1587421.6与传送机构的装配设计 1810476第2章等离子体熔融处理上料装置有限元分析 1846832.1物料箱翻板有限元分析 19222142.2离心转轴有限元分析 20231652.3链轮轴有限元分析 2110962第五章等离子熔融处理上料装置控制系统设计 23311325.1PLC控制器的选型 23148165.2控制系统设计 2330480第3章等离子体熔融处理上料装置性能分析 2674823.1经济性分析 2645173.2环保性分析 27255001.符合环保法规 27297622.脱离传统危险废物处理模式 27128321.能源再回收利用 27242573.3节能性分析 28176933.4安全性分析 28第1章等离子熔炉处理上料装置设计与计算等离子体熔融处理上料机构具体的结构设计如图1.1等离子体熔融处理上料装置的方案设计所示。该装置的整体结构设计较为简单，整体主要采用了链传动作为主要的传动方式，放物料箱中盛放好需要处理的材料溶液后会由传动系统中的电机启动提供动力源，再经过链传动将动力传输至移动机构使其物料箱移动，物料箱移动至倾倒处进行倾倒。图1.1等离子体熔融处理上料装置设计1.1上料机构机架设计等离子体熔融处理上料机构的机架模块的结构主要由输送框架、支撑架、坡型滑道、滑块、支撑平板等部分组成，其具体的设计如图1.2等离子熔炉处理上料机构的机架模块设计所示。输送框架则主要由双轨式壳体组成，坡型轨道安置于输送壳体上，主要用于物料箱的移动与倾倒作用，其采用的45号钢材料制作而成。图1.2上料机构的机架模块设计该模块的支撑架采用了弓形设计，各个支架采用了螺栓连接，并采用了铝合金材料制作，最大的保证了其自重轻，还在增强整体强度的同时保证了其韧性。整个上料装置的导轨下半部分是一个活动导轨，这个导轨和后边的几个连杆机构相连，通过几个连杆机构来控制活动导轨位置。整个连杆机构设计如图1.3所示。现有的提升装置由于下部过长，无法折叠或收起，在汽车行驶过程中，容易对提升装置造成损害。所以采用了此机构，机架下部设有活动导轨，活动导轨通过机架上的连杆固定。活动导轨固定在机架上，连杆与活动导轨可以螺母固定也可以用挂钩或其他方式固定，活动导轨在放下后，其轨道与机架轨道匹配。上料机下端的活动导轨可折叠收起，减少空间上料机，防止车辆行驶中对上料机造成损害。机械锁止装置可使活动导轨固定牢固，防止车辆行驶中脱落。整个过程如下图所示。整体设计尺寸依照等离子体熔融处理的移动车尺寸进行设计，上端连杆长度为1080mm，下端连杆长度为460mm，上下连杆距离500mm，设计长度便于在车底进行安装与固定。1.3连杆机构运行过程1.2上料机构传动系统设计等离子熔炉处理上料机构的传动系统的结构主要由电机、电机座、联轴器、斜锥齿轮、输出轴、链条、电机、带轮、从动带轮等零部件组成，等离子体熔融处理上料装置传动系统的具体设计如图1.3所示。图1.3上料机构传动系统设计该机构采用了链传动和带传动两者相结合的方式进行物料箱移动倾倒控制，首先会由电机启动提供动力源，齿轮转动带动链条转动，链条转动的同时带动支撑平板拖着物料箱依靠滑块沿着轨道移动至倾倒处。当物料箱进入弯曲导轨时，需要带传动提供一定的翻转动力，所以设计了协助物料箱的带传动机构，如图1.3所示。带传动机构由电机、带轮、从动带轮、皮带、轴承、轴承座、卷筒、钢绳组成。图1.3带传动机构设计翻转机构中的电机与起重电机一起同步启动并通过带传动将动力传输至从动带轮转动并带动卷筒转动，而捆绑在卷筒与物料箱间的钢绳提供给物料箱上升的必要动力，完成物料箱倾倒过程。1.2.1驱动电机的计算预期等离子体熔融上料装置每天处理1吨危险废物，单次上料不得超过200kg危险废物，平均速度为0.15m/s，在此基础下进行对电机进行选型。（1）电动型号的选择应该先通过设计要求中的额定载荷与平均速度计算电动机稳态的平均功率，具体公式如下：（3-1）式中——稳态平均功率——稳态负载平均系数，——额定载荷，——平均速度，初选ZD11-4型号的电机，额定功率。（2）电机的过载校核（3-2）式中——电机额定功率——额定载荷，——平均速度，——过载倍数，取——误差系数，取即通过对初选电机过载校核，发现所选电机无法达到设计要求，所以将电机改选为ZD12-4型，额定功率。（3）电动机发热校核预计电机工作年限为8年，每年工作300天，通过寿命计算公式得。（4）计算所选电机的接电持续率（3-3）式中——接电持续率——稳态平均功率，——电机额定功率，——工作循环时间，——电机的工作时间，即，故电机的选型满足设计的要求。表1.4ZD型号电机参数表型号功率转速额定电流启动电流功率因素重量ZD11-40.213800.724.00.6410ZD12-40.413801.247.00.7414ZD21-40.814402.514.00.72311.2.2链传动的计算减速器选用与电机匹配的变速箱，减速比为1比5，可以确定出电机的转矩和电机的输出转速为nM=264r/min，由此可求得，通过电机的转矩和转速与辊筒上链轮的转矩和转速的对比分析，可得到链轮传动比的范围，从而确定大链轮与小链轮的传动比。为满足设计要求，驱动辊筒的链轮的设计扭矩要大于其计算扭矩，即，其中，所以有，从而得到（3-4）所以同样，为了使辊筒驱动的更快，链轮的设计转速要大于等于链轮的计算转速，即，其中，所以有，从而得到（3-5）即链传动的减速比要满足所求得的最大减速比与最小减速比之间，即从而得出传动比i取为1.15。1.2.3前端链传动的计算所谓前端链传动是指电机与驱动辊筒之间的链传动。（1）链轮齿数和传动比i初取减速电机端链轮齿数z1=27。则辊筒链轮齿数，取z2=31。则实际传动比传动比i在1.13~1.15范围中，满足要求。（2）计算当量的单排链计算功率Pca（3-6）式中：KA—工况系数，，取为1.0；KZ—主动链轮齿数系数；KP—多排链系数；P—所传递的功率。小链轮齿数系数KZ=1.1，选用单排链，KP=1。表1.5多排链系数Km排数1234KP1.01.72.51.3将数据代入得：（3）根据下链轮转速与计算出来的数据进行链条的选型，并且查表过程中还应保证还应由机械制造手册中链条表可知链条型号为08A，辊子链的主要参数图知链条节距p为12.7。1.2.4轴的设计与计算轴的材料选择45号钢，先计算轴的最小直径，即：(3-7)式中n和P为输出轴转速与功率。轴的材料为45号钢，可以取C=110，则：在轴上需要开一个键槽来固定齿轮，所以将轴的直径扩大4%-5%所以初步取轴的最小直径。根据轴的需求轴上需要安装两个相隔的键槽，所以该轴段扩大15%。两个键槽间轴段直径根据安装要求选为轴的长度根据各个零件安装尺寸优化，然后轴的校核。（1）传动轴受力图如1.6所示。图1.6轴的受力简图（2）计算齿轮上作用力的大小。轴传递的转矩：齿轮的圆周力：杆的圆周力：（3）计算作用于轴上的支反力。水平内支反力：垂直面内支反力：（5）校核轴的强度在校核过程中，通常只校核轴上承受最大弯矩、扭矩的截面。轴的抗弯截面系数：式中：d——轴的直径b——键槽宽度t——键槽深度式中：σ——轴的计算应力，M——轴所受的弯矩，T——轴所受的扭矩，а——根据查表取0.6轴的材料选用45钢，其许用应力，由于，所以轴安全。1.2.5同步带的计算考虑安全性，带传动提供的力应等于链传动的力，带传动电机选用与链传动相同的ZD12-4电机。（1）确定所需功率电机预计每天使用8小时，工况系数=1.3。则有(2)确定同步带带型根据小带轮转速与设计功率，按照同步带选型图1.7，选取Y型带图1.7同步带选型图(3)大带轮相关数据确定由于系统传动比为，进行对大带轮的计算（4）带速v的确定（5）初定周间间距（3-8）根据结果选取轴间间距为500mm（6）计算同步带带长=()（3-9）==1274.5mm（7）计算小带轮包角(3-10)（8）计算额定功率（3-11）通过查基准同步带的许用工作压力来确定=2100.85N，m=0.448kg/m所以其基准额定功率为（9）计算在轴上力1.4上料机构整体设计等离子熔炉处理上料机构的整体结构由上料机架和传动系统共同组成，整体上料机构的设计如图1.8所示。等离子体熔融处理上料装置的整体上料过程还是较为简单的，同时其各零部件的材料成本低廉，在倾倒安全性以及效率上都是十分良好的。可以满足材料测试中的上料模块使用。综上所述该装置的整体结构设计合理且符合设计要求。图1.8整体模型设计1.5上料机构运动分析整体上料装置如图1.9使用时上料机被固定在平板车上,使用时先将活动导轨放到工作位置，用连杆将活动导轨固定好后。按压减速电机控制按钮使提升框下降到位后，将物料周转箱推入提升框内，按压控制按钮中的上升按钮,提升框在电机带动下提升到弯型轨道位置后翻转倒入反应釜,实现物料提升，然后再下降提升框，完成下一个循环。1.电机-12.电机-21.齿形带4.链条5.带轮6.曲型轨道7.铰链8.上料平台9.上料支撑块10.固定架11.链轮12.轴111.轴214.轴承座15.侧板16.钢丝线17.固定块18.连接杆19.料斗背板图1.9导轨式上料机构如图1.10所示，上料支撑块9与链条固定，当电机驱动链条使上料支撑块9向上推动料斗，铰链7与曲型滑轨随形变换，给料斗翻转进行导向。钢丝绳16对物料箱产生一个向上的拉力致使物料箱翻转。图1.10上料铰链形态如图1.11所示，翻转一定角度后，钢丝线16处于松弛状态，上料支撑块9持续向上推，铰链配合导向，使料斗完成翻转。图1.11上料过程如图1.12所示，上料完成后，钢丝线收紧，向后拉动料斗，同时上料支撑块9向下运动，通过连接杆18向下拉动料斗，使翻转后的料斗翻转回来，进行第二次上料。图1.12完成翻转上料1.6与传送机构的装配设计本设计与等离子体反应釜连接的机构选用为与本设计课题相符的螺旋输送机构装置，通过电机带动螺旋片进行供料与传送。整体尺寸设计为与弯曲导轨等长，与物料箱等宽的400mmX200mm料斗，上料管道根据车辆尺寸进行设计，电机功率可根据反应釜的反应速率进行不同的选型。整体装配效果如图1.13所示。图1.13与传送机构装配图第2章等离子体熔融处理上料装置有限元分析SolidWorksSimulation仿真软件可以对零件进行有限元分析。在特定的产品制造前，首先通过建立真实场景的方法，对零件的耐久性、静应力分析、装配运动等参数进行较为系统的分析与测试。基本上较多数行业的制造企业都将SolidWorksSimulation仿真三维虚拟仿真软件作为一种有价值的工程软件来综合和定义实物产品。越来越多的人开始使用该工具进行有限元分析，使得复杂的模拟不再仅仅是专家的特有工作。是模拟软件推动创新。每一位产品工程师可以通过该工具做出技术决策与产品分析，以发现显著的产品收益和业务效益。本章对于等离子体熔融处理上料装置中的关键零件：物料箱翻板，离心转轴，链轮轴进行了有限元分析。2.1物料箱翻板有限元分析在等离子熔炉处理上料装置分析中，主要承受是静态力矩，但为简化模型和设计，其考虑主要承载面，其物料箱翻板是主要承载面，考虑设计中的最大静态力矩，对此本文主要选用材料是45钢，在设计计算中，承受1Mpa压力，其材料的泊松比为0.3，屈服强度为250Mpa，极限拉伸强度为400Mpa，材料的杨氏模量为205Gpa。其仿真结构如图2.1物料箱翻板强度有限元仿真图和图2.2物料箱翻板位移有限元仿真图。图2.1物料箱翻板强度有限元仿真图图2.2垃圾箱翻板位移有限元仿真图由图可知，垃圾箱翻板的最大应力为295.5Mpa，远小于其需用值，其位移为7.28mm，对垃圾翻转影响不大。2.2离心转轴有限元分析图2.3离心转轴应力云图通过有限元静应力分析，可以得出该离心转轴所存在的最小应力为1.878e-04N/m^2，最大应力为1.479e+06N/m^2。而从图2.3中可以看出，该零件离心转轴的大致整体为较为安全的蓝色，离心转轴前中部有少许绿色和一些极为少量的红色，但经过报告中的分析与比较，其屈服强度为5.300e+06N/m^2，大于最大应力，所以该核心零件离心转轴经有限元应力分析后合格。图2.4离心转轴位移有限元仿真图通过有限元静应力分析，可以得出该离心转轴所存在的最小应变为1.023e-15，最大应变为5.816e-06。从图2.4中可以明显看出，离心转轴的大致整体为较为安全的蓝色，轴的前端出现少许绿色，整个轴并没有出现少量红色，所以该核心零件离心转轴经过有限元应变分析后符合要求。2.3链轮轴有限元分析图2.15链轮轴应力云图通过有限元静应力分析，可以得出该链轮轴所存在的最小应力为1.363e-08N/m^2，最大应力为1.322e+06N/m^2。而从图2.16中可以看出，链轮轴整体大致为蓝色，轴前端有少量绿色，经有限元应力分析后符合生产要求。图2.16链轮轴应变云图通过有限元静应力分析，可以直观的看出该链轮轴的最小应变是7.747e-2，最大应变是1.018e-05。从图2.16可以直观看出，链轮轴整体大致为蓝色，链轮轴的前端出现较为少许的绿色，整体数值在可承受范围内，所以该核心零件链轮轴经有限元应变分析后合格。第五章等离子熔融处理上料装置控制系统设计5.1PLC控制器的选型可编程逻辑控制器（PLC）是当下制造业中最为常用的的控制方法之一。本设计的控制系统选用本装置采用S7-200型PLC控制单元，如下图5.1所示。其优点在于功能的稳定性相对较好，拥有较好的抗干扰能力，整体控制系统安全可靠。图5.1西门子S7-200型PLC控制器5.2控制系统设计根据等离子体熔融处理上料装置的操作流程，其传动系统由两台电机相互协调进行上料过程与翻转过程。对整个过程进行分析，整体控制要求应如下所示：A、B分别为链传动电机与带传动电机电机（Q0.0）（Q0.1），按下启动按钮SB1（I0.0），A电机先启动，B再启动，按下停止按钮SB2I（I0.1），先停止B电机，再停止A电机。本设计等等离子体熔融处理的上料装置部分的控制系统输入/输出分配表如下表5.2所示。表5.2输出和输入点分配表名称输入点名称输出点启动I0.0A电机QO.O停止I0.1B电机QO.1本设计等等离子体熔融处理的上料装置部分的PLC外部接线图如下图5.3所示图5.3PLC外部接线图之后开始进行对软件程序的编写，PLC控制程序采用的是SIEMENSSTEP7软件，通过编写一个对等离子体熔融处理的上料装置部分的控制程序，达到两台电机顺序启动，逆序停止的效果，具体需编写与说明如下图5.4所示。图5.4PLC程序图第一步：按下I0.0，先启动A电机，A电机自锁。第二步：A电机启动后，再启动B电机。第三步：按下停止按钮I0.1，先停止B电机，再停止A电机。第3章等离子体熔融处理上料装置性能分析3.1经济性分析等离子体熔融处理上料装置在投入使用前，必须对成本进行有效的控制，其成本价格应该与其收益成对等。对于等离子体熔融处理上料装置的大规模使用,提前的预估所需要花费的时间和成本很有必要。本次设计的等离子熔融处理上料机构的主要零部件与其对应的价目，如下表3.1所示。表3.1零件价目表零件名称单价/元使用数量价格/元电机70021400电机变速器4002800轴承座602120轴承254100链条3002米600导轨6002米1200支撑架2001米200绕线轮3001300物料箱4001400其他——500总计——5620等离子体熔融处理上料装置总体设计结构与运行模式都较为简单，标准件选用容易加工，耐用性强的零件，在符合设计要求与校核强度的基础下，选用成本较低的材料进行加工与设计，标准件选用市面上性价比较高的零部件。综合来说，等离子体熔融处理上料装置使用了较低的成本来实现危险废物稳定而有效的上料与输送，整体来说其经济性是十分可观的。3.2环保性分析等离子体熔融处理上