多用途燒結爐機械系統(tǒng)設計.doc

《多用途燒結爐機械系統(tǒng)設計.doc》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《多用途燒結爐機械系統(tǒng)設計.doc（12頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

1、 多用途燒結爐機械系統(tǒng)設計 第 12 頁 共 12 頁 多用途燒結爐機械系統(tǒng)設計 作者：xxx 指導老師：xxxx xxx大學 11級機制 合肥 230036 下載須知：本文檔是獨立自主完成的畢業(yè)設計，只可用于學習交流，不可用于商業(yè)活動。另外，有需要電子檔的同學可以加我2353118036，我保留著畢設的全套資料，旨在互相幫助，共同進步，建設社會主義和諧社會。 摘要：基于PTFE三層復合自潤滑軸承材料的燒結工藝需求，本文在經過獨立思考，借鑒大量熱處理設備資料和實際觀察的基礎上，綜合運用機械設計，材料力學，機械工程材料和計算

2、機輔助設計等方面的知識，完成了多用途燒結爐通風及加熱系統(tǒng)的設計，計算和說明。主要包括風循環(huán)系統(tǒng)的設計和風扇系統(tǒng)的設計。這種燒結爐具有節(jié)能，節(jié)氣，環(huán)保的的特點，又能滿足現(xiàn)在市場的需求。該燒結爐是對151爐的改進，能夠避免材料在燒結過程的氧化和受熱不均勻的情況。使材料燒結后的力學性能及使用性能有所提高。使國產復合材料的綜合質量能夠接近或達到國際同類材料的先進水平。 關鍵詞：燒結爐，通風系統(tǒng)，側熱式，高效環(huán)保 1 引言: 1.1 國內對三層塑料自潤滑材料的需求 鋼背-銅粉-改性PTFE三層復合自潤滑軸承材料，國內一般叫做聚四氟乙烯軸承材料，國外統(tǒng)稱為DU軸承材料。他的基體材料可以使銅

3、也可以是鋼并以球形青銅粉為中間層，改性的聚四氟乙烯為摩擦表面層，牢固燒結在一起的三層自潤滑復合材料。在現(xiàn)在的機械軸承產品中僅僅只有小部分已采用自潤滑軸承，相信在不久的將來自潤滑軸承將會以適應性強、耐磨、經濟等無可爭辯的優(yōu)勢而成為軸承行業(yè)主導產品。自潤滑材料軸承的特點和優(yōu)點如下： 1 適用于無潤滑油或者少潤滑油的場合，可在使用期間不加潤滑油保養(yǎng)或者少加潤滑油保養(yǎng)， 2 耐磨性能好，摩擦系數(shù)較小，使用壽命較長。 3 具有適量的彈塑性，能夠將接觸應力分布在較大的接觸面上，從而提高了軸承的承載能力。 4 能夠減少機械零件的震動，降低噪音污染，改善工作條件。 5 動靜摩擦系數(shù)一致，能

4、夠消除低速狀態(tài)的爬行現(xiàn)象，是機械的工作精度提高。 6 在工作過程中形成轉移膜，可以起到保護軸承的作用，不會出現(xiàn)咬軸的現(xiàn)象。 1.2 國內使用燒結爐現(xiàn)狀 由于三層復合材料對磨軸的硬度要求較低，無論是經過調質處理的軸還是不未經過調制處理的軸都可以使用，從而使相關零件的加工難度得到了降低。 經過常期的調查發(fā)現(xiàn)國產材料品質較低的原因，除了原材料的原因之外，塑化燒結技術的落后也是導致材料品質較差的主要原因。由于國產的復合材料的塑化燒結主要是在大氣中進行燒結的，主要是使用上海實驗儀器廠生產的151爐進行燒結的，產量較低。其中在使用151爐燒結DU材料的工藝技術中具有以下的缺點： 1 復合材

5、料在塑化燒結時在大氣中直接進行，會使三層復合材料中的鋼背和銅粉等金屬在400℃下產生嚴重點氧化現(xiàn)象，使復合材料的成分和組織結構產生變化，使產品的使用性能尤其是減磨性能的下降，同時也會使軸承的制造精度降低和后續(xù)處理的困難。 2 151爐的爐膛溫度不均勻，部分空間會產生溫差，使復合材料在燒結爐內塑化燒結時產生15-20℃的溫度差。由于復合材料的燒結溫度區(qū)間較小，塑化燒結的溫度過低時會使三層復合材料的表面聚四氟乙烯的塑料層塑化效果較差；反之如果燒結溫度過高時會使復合材料表面的聚四氟乙烯的塑化層分解，這些情況都會使復合材料表面的自潤滑塑料層的摩擦性能的降低，并由此使國產的復合材料產品的綜合性能較低

6、，無法滿足我國機械領域度材料的需求。 3 國產151爐是底熱式的燒結爐，其加熱元件使放置在爐底的下方，在塑化燒結的過程中復合材料的表面的聚四氟乙烯塑料顆粒落入爐膛底部的加熱元件上后，由于高溫分解會產生劇毒的氣體，造成環(huán)境的污染并可能危害人體的健康。 鑒于以上的種種原因需要設計一種節(jié)能，節(jié)氣和對環(huán)境有好的新型中溫氮氣保護燒結爐，包括總體圖，主要部件裝配圖，主要零件的工作圖。側重于加熱循環(huán)系統(tǒng)的設計，即風循環(huán)系統(tǒng)，風扇系統(tǒng)的設計。 2設計目的、設計思想及需解決的關鍵技術難題 2.1設計目的 本文的研究目的是開發(fā)一種節(jié)能節(jié)氣和對環(huán)境友好的多用途燒結爐和配套燒結工藝改進國產三層復合材

7、燒結技術，避免材料在高溫塑化燒結處理中氧化，改善材料的加工性能和使用性能，提高國產三層復合自潤滑軸承材料及其制品的綜合質量，使接近或達到國內同類產品先進水平 2.2 設計思想 在研究方法上我們采取了缺點列舉法的創(chuàng)新思想，針對國內目前使用的開式燒結工藝及燒結爐的缺點和存在的問題，充分考慮了氟塑料對控溫精度和燒結氣氛的要求，在查閱了大量國內外有關技術資料的基礎上，吸取國內的先進燒結原理及工藝技術的先進經驗，同時考慮到國內行業(yè)目前仍以較小規(guī)模產值的間斷生產為主，因此多用途燒結爐設計成適合企業(yè)需要的間斷生產用全封閉結構。為防止燒結過程中三層復合材料的氧化，采用全封閉狀態(tài)燒結，并要求達到一定

8、的真空度；為滿足操作方便的需要，設計了大尺寸側開式門結構；為減輕爐體的質量，便于搬運和移動，外部采用礦棉類輕質保溫材料。 2.3 需要解決的關鍵技術難點 由于研制多用途燒結爐的技術起點高，為研制出合乎使用要求的理想設備，必須解決以下技術關鍵問題： 1為使三層復合材料在最佳溫度下塑化燒結，如何在爐膛內減小溫度場的分布梯度，使爐內溫度充分均勻、溫度波動達到最小 2為避免燒結高溫下爐內三層復合材料的氧化，如何設計大尺寸爐門的靜態(tài)封閉結構以及爐內外伸傳動元件在高速運轉下的動態(tài)密封結構，并達到一定的真空度要求，使設備在長期工作中保持可靠的封氣和隔熱效果。 3如何提高爐膛內塑化燒結區(qū)的溫度

9、控制精度，以滿足氟塑料充分塑化對控溫精度的要求。 4如何避免在爐膛內特別是爐底部出現(xiàn)局部高溫區(qū)，在保證撒落到爐底的氟塑料顆粒不過熱分解出劇毒的氟化氫氣體，以避免對操作人員造成身體傷害和對環(huán)境的污染。 為解決多用途燒結爐研制中的這些技術難題，我們在對設計方案進行充分論證的基礎上，運用所掌握的跨學科知識優(yōu)勢，科學的采用新技術和新材料，對一些技術關鍵點還通過試驗驗證來指導設計的改進優(yōu)化和新材料的應用。經過不懈努力、密切協(xié)作和艱苦攻關，最終圓滿完成率多用途燒結爐的任務 3多用途燒結爐機械系統(tǒng)總體結構設計 3.1 爐體的整體設計 多用途燒結爐的整體設計不僅考慮到使用性能的實現(xiàn)，還考慮到外觀

10、幾何結構和色彩搭配等對人的視覺效果。其爐體采用焊接式鋼架結構、鋼板外殼、不銹鋼內膽中間用礦棉作隔熱保溫介質。爐門采用石棉、玻纖布和耐熱橡膠組成的三重復合隔熱密封機構。正面左側為電控操作面板，面板后箱體空腔內為電器柜和風機電機，轉盤傳動結構和真空泵置于爐體底部的橫梁上。進氣口位于電機風機的上方，出氣口位于爐頂不氣閥的下方。爐頂設置二支測溫傳感器。位于電器柜頂部的排風軸流風機用于排出儀表內部的熱量，考慮到電熱絲的維護方便，工作轉盤設計成可拆卸拼裝式結構。下面對主體結構部分進行具體分析： 3.2 爐膛內溫度場強制均化設計 三層復合材料的塑化燒結質量對燒結溫度的溫度的波動較為敏感，燒結溫度不夠或過

11、燒都嚴重影響三層復合材料的使用性能。因此，多用途燒結爐爐體設計中首先要解決溫度場分布的均勻性和溫控精度問題。為了保證工作受熱均勻，經反復的試驗探索，多用途燒結爐采用圖3所示的結構獨特的氣流循環(huán)風道和熱源布局設計。首先是將傳統(tǒng)的底置電加熱元件側立設置在氣流循環(huán)通道的風口上，風機直接安裝在側立式加熱元件后面，當風機旋轉式可將加熱元件上的熱量迅速插入側頂部風道，熱氣流在風道內均化后，通過右側不等間距通風孔板，均勻送入爐膛，工作轉盤及工件旋轉則進一步是溫度場氣化均勻。這種結構設計突出優(yōu)點是：（1）使爐內溫度場很好的均勻性。（2）不會像傳統(tǒng)箱式爐如151 爐那要出現(xiàn)底部高溫區(qū)，避免了撒落的氟塑料顆粒分解

12、產物污染毒化環(huán)境的可能性，保證了操作人員的身體健康不受損害。（3）作為熱源的電爐絲產生的熱量立即被后置的風扇氣流帶走，發(fā)熱體表面的溫升比較小，從而大大延長了電爐絲的使用壽命，從此也提高了燒結爐的使用可靠性。 3.3 爐門及其它傳動件的密封設計 多用途燒結爐主要用于三層復合材料板材的燒結，由于三重復合材料板材在裝爐卸爐時需要的操縱空間較大，也要求較大的爐門尺寸。如我們研制的新型爐的爐門尺寸達到700900mm。而要保證三層復合材料在燒結過程中不產生氧化，爐體必須設計成全密封結構。因此，燒結高溫下大尺寸爐門的密封的實現(xiàn)也成了新型爐設計的一個關鍵。由于制作成本的限制，這種大尺寸爐門不可能加工的十

13、分平整，因此保證其密封的最佳途徑是采用彈性密封材料。但是常規(guī)的橡膠或彈性體材料無法承受新型燒結爐的工況條件。。首先我們應用傳動學的知識，設計出三重復合密封的爐門結構，其內層采用了兩道用石棉和玻釬布構成的耐高溫隔熱擋圈，以有效阻止爐膛內的熱量沿門框間隙向外傳導，最外層選用了耐熱性能良好的發(fā)泡硅橡膠密封圈，在擰緊把手關緊爐門的情況下，達到良好的隔熱封氣效果。利用這種復合爐門密封結構我們成功的將爐門外壁溫度控制在60-80℃以下，并能承受在約300℃打開爐門時熱氣流的沖擊而長期可靠的穩(wěn)定工作。綜合運用傳熱學知識，內層采用兩層石棉和玻璃布材料構成耐高溫隔熱保溫圈。有效的阻止爐膛內的熱量散失，最外層使用

14、了發(fā)泡硅橡膠密封圈，是的爐門在鎖死的強狂下達到良好的保溫隔熱效果。具體設計如圖所示： 3.4 門扣的設計 為了解決爐門的高溫密封問題，我們發(fā)揮了人才和知識的優(yōu)勢，出謀劃策，動腦筋想辦法，最終在高溫燒結爐的爐門設計上成功實現(xiàn)了高分子彈性材料的應用，經濟且可靠的實現(xiàn)了爐門的密封，具體門扣零件圖和裝配圖如下： 圖一 圖二 圖三 圖四 4.爐體電氣部分 4.1 爐子功率的計算 燒結爐一般為電阻絲爐且屬于間歇式工作式爐。電阻爐的公路大小與升溫時間

15、，工作室尺寸，路子的結構等因素有關。設計時可以采用熱平衡法進行設計計算，也可由經驗法設計計算。由于經驗計算法計算簡便，部分影響因素可由經驗法進行確定，理論計算法比較精確，但是計算方法較為復雜，部分影響因素無法考慮，所以本次計算選用經驗法。 根據(jù)經驗法公式來計算功率： 比例系數(shù)C=25[（kwh0.5）／m1.8C1.55]，為了達到最大效率，所以加熱時間為0.5h，工作室尺寸Ф1100*900，加熱溫度400℃。 P=CF0.9（）1.55 F=+2 由上式得P≈20KW 4.2 電熱絲功率的計算 表面負荷是指電熱體單位表面積的復合功率，他是影響電熱體的使用壽命的重要標準。如果表

16、面負荷較小，加熱元件表面的溫度就低，則消耗的材料就多，即電熱絲的長度就會變大。另一方面，如果便面復合過大，又會使電熱體與工件之間的溫差增加，使電熱體經常處于高溫的情況，使使用壽命降低。所以表面負荷的設計是十分重要的。本爐的加熱元件的散熱以空氣對流來實現(xiàn)。因此將加熱元件放置在風道的入風口出，可是電熱體的承受較大的表面負荷的情況下，表面溫度不會過高。當加熱原價的溫度≤400℃時 從相關手冊中查到，直徑1.2mm的電熱絲表面負荷為w=5.5W／cm2。 根據(jù)前面公式得到加熱元件的總體功率為20KW,使用三相交流電供電，相電壓為v=220V，每一相分配到的功率為6.667KW，且有兩根電熱絲承擔，故

17、每根電熱絲的功率為3.334KW。 根據(jù)熱處理手冊得： d=34.4=1.2mm 所以電熱絲的電阻是： Rt==14.52Ω 單根電熱絲的長度參數(shù)截面積： S=r2 =1.130 單根電熱絲的長度： I= =14.4m 4.3 電熱絲的放置 由于燒結爐使內熱式結構，且電熱絲太長，將電熱絲先卷成螺旋狀，在將螺旋狀的電熱絲卷在陶瓷制成耐火材料棒上。制成側立式的加熱元件板，放置在爐膛的側壁的風扇吸氣口處。具體螺旋纏繞電熱絲排列板如圖所示： 5 保溫層厚度設計 保溫層厚度的計算： 參數(shù)：爐內溫度t1’=400℃

18、 爐外溫度t2’=40℃ 平壁以傳導方式從內壁傳到外壁的熱量： q2=λ（t1’ –t2’）/s 外壁以輻射和對流方式傳給車間空氣的熱量： q3=α總2（t2’- t2） 其中t2:為車間溫度，取20℃ α總2＜16千卡/m2時2℃ ∵穩(wěn)定態(tài)傳熱 ∴q 2=q 3 ∴λ/s（t2’ -t1’）=α總2（t2’- t2） λ=0.0420.18610-3t t=400℃ ∴（0.042＋0.18610-3400）360/s=1520 ∴s=140mm 材料選擇礦棉。 6 多用途燒結爐的主要技術特色

19、 多用途燒結爐主要技術規(guī)格 溫控及溫度報警范圍 室溫～400℃ 溫度精度 3℃ 工作室尺寸 φ1100高900 載物盤 φ10004層 總功率 21KW三相(380V/50Hz） 轉盤轉速 7～10轉/分 承載 ≤250kg 多用途燒結爐的重要技術參數(shù)在上表中列出，其主要技術特色有： 1. 爐體內部采用全封閉結構，燒結全過程用氮氣保護，并采用預抽真空后充氮氣的方式，最大限度的減少顱腔內殘留的空氣量，顯著減緩和避免聚合物和金屬的氧化，大大提高復合才來哦的外觀質量和使用性能。 2. 溫度控制系統(tǒng)采用可控硅全控電路和高精度智能調節(jié)儀。電路設計的雙重獨立超溫報警斷電

20、系統(tǒng)具有高安全性和可靠性。 3. 設置了專用熱氣流循環(huán)通道和強制熱循環(huán)均化系統(tǒng)，使爐內溫度場充分均勻 4. 電加熱元件采用內置側立式結構，不僅具有加熱速度快，熱效率高的特點，電加熱元件采用內置側立式結構，不僅具有加熱速度快，熱效率高的特點，而且不會在爐底產生局部過熱區(qū)，避免氟塑料類高聚物散落底部是過熱分解所產生的有毒氣體對人體的傷害和對環(huán)境的污染。 5. 顱腔容量大，可一次燒結10～15㎡板材，約為現(xiàn)行使用151型高溫燒結爐的3～4倍，而加熱功率僅增加1/4，且塑化燒結時間縮短，生產效率及節(jié)能效果非常顯著。 6. 該裝置不僅用于氟塑料類復合材料的燒結，亦可用于燒結溫度在400℃以下，有

21、控制氣氛要求的其它塑料燒結以及金屬材料和鍍層的熱處理。保護氣氛可采用氮氣、二氧化碳、氬氣等多種氣體。 燒結爐總裝圖： 結論 經過三個多月的長時間努力，在此期間，我閱讀了大量文獻，收集了大量有關熱處理爐和復合材料的資料。運用總-分-總的設計思想，綜合運用CAD，機械工程材料，熱處理爐和機械設計的相關知識完成了此次氮氣燒結爐加熱及通風系統(tǒng)設計。主要解決了當前上海儀器廠生產的151 爐對于材料燒結工藝的不足。著重改善了151爐通風及加熱系統(tǒng)中存在加熱不均勻現(xiàn)象，其中使用了風扇，通風板和通風道，改善了熱氣流上升問題和熱氣流不能多方位加熱材料的問題。電熱系統(tǒng)改

22、善了電熱絲排布過密問題，使材料的燒結工藝能夠趕上國際水品 致謝 本研究及學位論文是在我的導師周杰敏老師的親切關懷和悉心指導下完成的。她嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。周老師不僅在學業(yè)上給我以精心指導，同時還在思想、生活上給我以無微不至的關懷，在此謹向周老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。我還要感謝在一起愉快的度過畢業(yè)的論文小組的同學們，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個一個的困難和疑惑，直至本文的順利完成。在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯

23、的謝意!最后我還要感謝培養(yǎng)我長大含辛茹苦的父母，謝謝你們! 最后，再次對關心、幫助我的老師和同學表示衷心地感謝！ 參考文獻 [1] 中國機械工程學會熱處理學會. ≤熱處理手冊≥.北京： 機械工業(yè)出版社 ,2008. [2] 閻承沛.≤金屬材料及熱處理≥.上海：上海人民出版社，1993. [3] 中科院蘭化所塑料自潤滑材料研究組.固體潤滑,1983.2-3 [4] 焦明華等.≤JHN高溫氮氣燒結爐保護燒結工藝研究≥.≤機械工程師≥.1995.3.8-9 [5] M.O.W.查理德遜。聚合物工程復合材料.國防工業(yè)出版社 [6] 孫士琦.≤真空電阻爐設計≥.冶金工業(yè)出版社，199

24、7 [7] ≤ 熱處理爐≥.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社，1999 [8] 吳宗澤，羅圣國.≤機械設計課程設計手冊≥。北京：高等教育出版社，2012 [9] Department of Dalian University of Technology School of engineering drawing.≤Mechanical drawing≥.Beijing: Higher Education Press，2007 [10] Yuan Zehu, Guo Jing.≤Computer aided design≥. Beijing: Tsinghua University pre

25、ss，2012 [11] Pu Lianggui, Ji Minggang.≤Mechanical design≥, Beijing: Higher Education Press，2001 Title：Design of side heating and ventilation system of nitrogen sintering furnace Abstract： Based on PTFE three layer composite self lubricating bearing materials sintering process requirements,

26、 this paper after independent thinking, draws a large number of heat treatment equipment data and the actual observation, the integrated use of mechanical design, mechanics of materials, mechanical engineering materials and computer aided design knowlege of the, completed the hot side temperature ni

27、trogen sintering furnace ventilation and heating system design, calculation and description. It mainly includes the design of air circulation system design and fan system. The sintering furnace has the advantages of energy saving, environmentally friendly features, solar term, and can meet the needs

28、 of the market now. The sintering furnace is improved on the 151 furnace, can avoid the oxidation of materials in the sintering process and the uneven heating condition. The mechanical properties and performance of the sintered material increased. The comprehensive quality of the domestic advanced level of composite materials can be close to or reached the international similar materials. Keywords：Sintering furnace，Ventilation system，Heat type，Efficient environmental protection. 12