1622-型鋼堆垛機

1622-型鋼堆垛機,型鋼,堆垛 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計- I -摘要本文詳細介紹了型鋼堆垛機的整體設(shè)計理論和整個堆垛過程，其中重點介紹了翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計。主要包括了翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的軸、齒輪、液壓缸的整體設(shè)計，其中還有軸承的選取，聯(lián)軸器的選取和校核。本次設(shè)計的型鋼自動堆垛機性能良好、動作靈活、操作方便、故障率低、維護簡單方便，滿足了生產(chǎn)的需要關(guān)鍵字：型鋼堆垛機；機械；液壓；齒輪河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計- II -AbstractThis article introduced Steel bar stacker Overall design theory and entire piles up the process in detail, and introduced the design of Turnover mechanism emphasis. In this paper, there has mainly included the entire design of the axis, the gear, hydraulic cylinder of turnover mechanism, and in that there were also including bearing's selection and shaft coupling's selection and examination. This profiled bar automate profiled bar stow machine has good capability, movement is agility, operating is simple; the frequency of trouble is small, maintenance is simple, and could meet the need of teaching and learningKey words：Steel bar stacker；Machinery；Hydraulic pressure ；Gear河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計- -i目錄摘要 ...................................................................................................................IAbstract ...........................................................................................................II第 1 章 概述 ......................................................................................................1第 2 章 型鋼堆垛機總體設(shè)計 ............................................................................32.1 型鋼堆垛機的設(shè)計參數(shù) ...................................................................................................32.2 堆垛機的工藝流程 ...........................................................................................................42.3 堆垛機平面示意圖 ...........................................................................................................42.4 堆垛機的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ...........................................................................................................42.5 堆垛機總體尺寸 ...............................................................................................................52.6 傳動系統(tǒng)的選擇 ...............................................................................................................52.7 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的基本設(shè)計 .......................................................................................................62.8 升降機構(gòu)的基本設(shè)計 .......................................................................................................7第 3 章 翻轉(zhuǎn)機構(gòu) ..............................................................................................83.1 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)液壓缸的設(shè)計 ....................................................................................................83.1.1 液壓缸的類型 ..........................................................................................................83.1.2 基本參數(shù)設(shè)計 ..........................................................................................................83.1.3 液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計與校核 ....................................................................................123.1.4 液壓缸的穩(wěn)定性和活塞桿的強度驗算 ................................................................153.2 齒輪的設(shè)計 ......................................................................................................................163.2.1 選擇齒輪精度等級，材料，熱處理方式及齒數(shù) ...............................................163.2.2 齒輪的基本參數(shù) ....................................................................................................173.2.3 小齒輪的基本尺寸計算 ........................................................................................183.2.4 輪齒所受的圓周力 tF，徑向力 r，法向載荷 nF的計算 ..................................183.2.5 齒根彎曲疲勞強度校核 .......................................................................................193.3 扇形齒輪的設(shè)計 .............................................................................................................203.3.1 扇形齒輪的形狀設(shè)計 ............................................................................................203.3.2 扇形齒輪的基本數(shù)據(jù) ...........................................................................................203.3.3 扇形齒輪的模數(shù) .................................................................................................213.3.4 扇形齒輪的基本尺寸計算 ....................................................................................213.3.5 齒根彎曲疲勞強度校核 .....................................................................................223.3.6 齒輪接觸強度校核 ...............................................................................................223.4（Ⅰ）軸的設(shè)計 ...............................................................................................................233.4.1（Ⅰ）軸的結(jié)構(gòu)工藝性 .........................................................................................233.4.2（Ⅰ）軸的材料 .....................................................................................................243.4.3 小齒輪軸上的受力 ................................................................................................243.4.4 計算軸的最小直徑 ...............................................................................................25河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計- -ii3.4.5 確定軸的各段尺寸和長度 ...................................................................................263.4.6 聯(lián)軸器的選擇 ........................................................................................................263.4.7 軸上零件的軸向定位 ............................................................................................263.4.8 確定軸上的圓角和倒角的尺寸 ............................................................................273.4.9 確定軸上的載荷 ....................................................................................................273.5（Ⅱ）軸的設(shè)計 ...............................................................................................................303.5.1 軸的結(jié)構(gòu)工藝性 ...................................................................................................303.5.2 軸的材料 ................................................................................................................303.5.3 計算Ⅱ軸的轉(zhuǎn)矩 ....................................................................................................303.5.4 大扇形齒輪軸上的受力 ........................................................................................303.5.5 計算軸的最小直徑 ................................................................................................303.5.6 確定軸的各段尺寸和長度 ....................................................................................313.5.7 軸上零件的軸向定位 ............................................................................................323.5.8 確定軸上的圓角和倒角的尺寸 ............................................................................323.5.9 確定軸上的載荷 ....................................................................................................323.5.10 平鍵的校核 ..........................................................................................................35第 4 章 經(jīng)濟性分析 ......................................................................................37第 5 章 結(jié)論 .................................................................................................38參考文獻 .......................................................................................................39致謝 ..............................................................................................................40河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計- -1第 1 章 概述本文針對國內(nèi)傳統(tǒng)的型鋼生產(chǎn)線一般都沒有專門的自動堆垛設(shè)備。隨著市場經(jīng)濟對型鋼產(chǎn)品要求的提高，傳統(tǒng)型鋼生產(chǎn)的型鋼堆垛已成為當(dāng)前迫切需要進行的技術(shù)改造之一。不管是采用人工堆垛、半機械化堆垛還是全自動堆垛，首先要進行型鋼的垛型設(shè)計。本此設(shè)計的型鋼堆垛機是一種用于對成型鋼材自動打捆的設(shè)備。機械部分由單傳輥道、撥鋼機構(gòu)、移鋼機構(gòu)、分組機構(gòu)、定位機構(gòu)、平移機構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機構(gòu)和垛臺升降及壓緊機構(gòu)等 8 個子機構(gòu)，和 PLC 控制部分組成的成型鋼材自動打捆生產(chǎn)線。它的主要優(yōu)點在于實現(xiàn)了整個生產(chǎn)線的自動控制，從而提高堆垛機的堆垛效率，這也是現(xiàn)今鋼材堆垛打捆和以后發(fā)展的趨勢。它不僅僅克服了過去人工堆垛的生產(chǎn)效率低、打捆質(zhì)量差、成本高、工作環(huán)境危險等缺點，更重要的是型鋼的堆垛打捆成為了整個軋鋼生產(chǎn)線發(fā)展的阻礙，在很大程度上阻礙了鋼材生產(chǎn)線的效率的提高，對整個生產(chǎn)效率的提高有很大的影響。本此設(shè)計的型鋼堆垛機在一定程度上實現(xiàn)了自動化，很好的消除了這個障礙，對型鋼生產(chǎn)線技術(shù)的進一步發(fā)展做了鋪墊。型鋼堆垛機能夠?qū)崿F(xiàn)自動堆垛打捆，對改善工人的勞動狀況尤其是減輕工人的勞動強度、提高型鋼的包裝質(zhì)量、提高軋鋼生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率、增強鋼材市場的競爭能力、提高經(jīng)濟效益和社會效益創(chuàng)造了良好的條件。型鋼堆垛機的制造成本較低，這對任何企業(yè)來說都是一個很重要的參考依據(jù)。目前，世界上堆垛機的發(fā)展已經(jīng)很成熟了。已發(fā)展形成了各種類型的小型車間用的標(biāo)準(zhǔn)堆垛機主要有兩大類，磁性和非磁性堆垛機。一類是磁性堆垛機。軋件由裝有可調(diào)磁性的翻轉(zhuǎn)臂和輸送小車進行一車堆垛，并且層與層之間是面對面或背對背交替放置的。該系統(tǒng)主要運用于中型型鋼堆垛。全部由計算機自動操作。鋼材堆垛后，由平立輥道輸送到打捆區(qū)，平立輥道的寬度是可調(diào)的，以避免料垛散落。另一類是非磁性堆垛機。軋制由兩套液壓一機械機構(gòu)控制的機械手進層層堆垛其動作類似于人手?？蓨A持并移送鋼材，將鋼材層面對面或背對背的進行堆放，主要適用于中小斷面型鋼，可避免料層中鋼材在堆垛臂失磁時散落。形成不正確的料捆成形狀非磁性堆垛機即純機械堆垛機的顯著特點就是無故障的處理雙層型鋼的能力，故其機械效率可提高一倍。本次設(shè)計的堆垛機屬于第一類磁性堆垛機，通過在移鋼機構(gòu)和翻轉(zhuǎn)機構(gòu)上安裝堆垛電磁鐵來實現(xiàn)槽鋼的交替堆放。堆垛方式是槽鋼：6 根/層，4 層（如圖 1-1） ，每層分為正反兩排。角鋼是每層 5 根，6 層，每層也分為正反兩排一排槽口向下 3 根，另一排槽口向河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計- -2上 3 根（如圖 1—2） 。由于槽鋼和角鋼的結(jié)構(gòu)不同要在不改變堆垛機結(jié)構(gòu)條件下實現(xiàn)不同鋼的堆垛就需要在 PLC 程序上加以變化。這也是 PLC 自動控制的優(yōu)點，這里主要根據(jù)槽鋼進行設(shè)計和編程。型鋼規(guī)格為 20 槽鋼，定尺長度范圍 8～10 米。槽 鋼 角 鋼圖 1-2 角鋼堆垛方式圖 1—1 槽鋼堆垛方式河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計- -3第 2 章 型鋼堆垛機總體設(shè)計型鋼堆垛機的總體設(shè)計是設(shè)計人員在根據(jù)工廠所需要的成型鋼材堆垛機，對堆垛機作出的初步的、總體的設(shè)計。堆垛機總體設(shè)計主要包括：確定型鋼堆垛機的工藝流程、型鋼堆垛機平面示意圖的初步確定、主要機構(gòu)的簡單結(jié)構(gòu)設(shè)計、總體尺寸的確定、堆垛機驅(qū)動裝置的確定和控制系統(tǒng)的設(shè)計。2.1 型鋼堆垛機的設(shè)計參數(shù)⑴堆垛機堆垛的型鋼為：20 槽鋼，根據(jù)（GB 707—88）結(jié)構(gòu)參數(shù)圖 2-1：圖 2-1 槽鋼參數(shù)線密度為 ；型鋼長度為8～10m。25.7/kgm??線⑵堆垛速度約為 4 分鐘／捆；⑶班垛能力為 450～470 噸/班；⑷堆垛成捆的型鋼作到一頭齊，符合國家堆垛包括標(biāo)準(zhǔn) GB2101－89；本型鋼堆垛機堆垛方式是槽鋼是 6 根/層，每層分為上下正反兩排如圖 2-2，堆垛的型鋼型號為 20 槽鋼,定尺長度范圍 8～10 米。槽 鋼河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計- -4圖 2-2 槽鋼堆垛方式2)工藝參數(shù)1)G=25.7777*10*3=773.31Kg2）電磁鐵 306*4=1224 Kg3）電磁鐵邊距軸心 L=10654）其它重為 200Kg4）傳遞的扭距 T=532.5*10*（773.31+1224+200）=11700.675N/m2.2 堆垛機的工藝流程軋制好的鋼材經(jīng)單傳輥道輸送到型鋼堆垛機上，再由撥鋼機構(gòu)將鋼材撥到移鋼機構(gòu)的鏈條上，然后由移鋼機構(gòu)將鋼材輸送到定位機構(gòu)，中途有分組機構(gòu)將鋼材分為 3 根一組，分好組的鋼材到定位機構(gòu)后被精確的定位后，再由平移機構(gòu)送至垛臺上，下一組分好組的鋼材被定位機構(gòu)定位后，經(jīng)由翻轉(zhuǎn)機構(gòu)旋轉(zhuǎn) 送至垛臺上，垛臺上的鋼材排成?180了形如圖 2-2 所示的排放形式。然后垛臺下降相應(yīng)的高度，使下一輪堆垛的鋼材和這一次的高度相等。經(jīng)過 4 次循環(huán)后，垛臺上的鋼材就排成了 6 根/層，共 4 層的形狀。然后由壓緊機構(gòu)把鋼材壓緊，到此堆垛過程結(jié)束，再由垛臺輸送輥道將堆垛號的鋼材輸送出去。型鋼堆垛機按這個順序再進行下一輪的堆垛。2.3 堆垛機平面示意圖根據(jù)現(xiàn)場要求、堆垛機的工藝流程和其他同類設(shè)備初步確定型鋼堆垛機的結(jié)構(gòu)分布如圖 2—3 所示。該型鋼堆垛機相當(dāng)于簡單的流水生產(chǎn)線，槽鋼進入單傳輥道依次通過撥鋼機構(gòu)、移鋼機構(gòu)、分組機構(gòu)、定位機構(gòu)、平移機構(gòu)（或翻轉(zhuǎn)機構(gòu)）最后到垛臺升降機構(gòu)及壓緊機構(gòu)最后結(jié)束堆垛任務(wù)。河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計- -5圖 2-3 堆垛機結(jié)構(gòu)分布圖2.4 堆垛機的結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)上述工藝過程和圖 2—3 可得，該設(shè)備由以下主要機構(gòu)組成：單傳輥道、撥鋼機構(gòu)、移鋼機構(gòu)、分組機構(gòu)（槽鋼分組機構(gòu)） 、定位機構(gòu)、平移機構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機構(gòu)和垛臺升降機構(gòu)及壓緊機構(gòu)。2.5 堆垛機總體尺寸由現(xiàn)場的技術(shù)要求和同類設(shè)備可以初步確定堆垛機的總體尺寸約為： 長×寬×高12607310mm??。2.6 傳動系統(tǒng)的選擇傳動機構(gòu)通常分為機械傳動、電器傳動和流體傳動。機械傳動是最初的傳動方式也是最重要的傳動方式之一，它是在電動機等動力源的驅(qū)動下通過一定的機械式傳動機構(gòu)（齒輪機構(gòu)、帶傳動和鏈傳動等）得到期望的運動參數(shù)。流體傳動是以流體為工作介質(zhì)進行能量替換、傳遞和控制的傳動。它包括液體傳動和氣體傳動，液體傳動是以液體為工作介質(zhì)的流體傳動，它包括液力傳動和液壓傳動。 其中機電傳動和液壓傳動是最常用的兩類傳動。電動機分為交流電動機和直流電動機兩大類，交流電動機又分為交流電動機和直流電動機兩類。在強電系統(tǒng)中三相交流異步電動機結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，成本低廉等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計- -6電機拖動的根本任務(wù)，在于通過電機將電能轉(zhuǎn)換成生產(chǎn)機械所需要的機械能，使電能成為工業(yè)企業(yè)中的主要能源。這主要是由于電能的生產(chǎn)、變換、傳輸、分配、使用和控制都比較方便經(jīng)濟。它適宜于大量生產(chǎn)、集中管理、遠距離傳輸和實現(xiàn)自動控制。因此，電機拖動已成為現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)中廣泛采用的拖動方式。它具有許多其它拖動方式無法比擬的優(yōu)點，主要有：1.電機拖動比其它形式的拖動（蒸汽、水力等）效率高，而且電動機與被拖動的生產(chǎn)機械聯(lián)接簡便；2.電動機的種類和型號多，具有各種各樣的運行特性，可以滿足不同類型生產(chǎn)機械的要求；3.電機拖動具有良好的調(diào)速性能，其起動、制動、反向和調(diào)速等控制簡便，快速性好，易于實現(xiàn)完善的保護；4.電機拖動裝置參數(shù)的檢測，信號的變換與傳送都比較方便，易于組成完善的反饋控制系統(tǒng)，易于實現(xiàn)最優(yōu)控制；5.可以實行遠距離測量和控制，便于集中管理，便于實現(xiàn)局部生產(chǎn)白動化乃至整個生產(chǎn)過程自動化。 因此，電機拖動，特別是自動化的電機拖動，成了現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)電氣化與自動化的基礎(chǔ)與核心。液壓傳動的主要優(yōu)點有：1.液壓傳動的各種元件，可根據(jù)需要方便、靈活地來布置；2.操縱控制方便，可以實現(xiàn)大范圍的無級調(diào)速；3. 重量輕、體積小、運動慣性小、反應(yīng)速度快；4.可自動實現(xiàn)過載保護；5.由于一般采用礦物油作為傳動介質(zhì)，相對運動面可自行潤滑，使用壽命長；6.液壓元件都是標(biāo)準(zhǔn)化、系列化產(chǎn)品，可以直接從市場上購買，這有利于液壓系統(tǒng)的設(shè)計、制造和推廣應(yīng)用；7.容易實現(xiàn)機器的自動化，當(dāng)采用電液聯(lián)合控制后 ，不僅可以實現(xiàn)更高程度的自動控制過程，而且可以實現(xiàn)遙控。考慮到以上各種傳動的特點各機構(gòu)的傳動方式選擇如下：由單傳輥道、撥鋼機構(gòu)和移鋼機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點、運動特性和參考同類設(shè)備，該三部分均道選取三相交流異步電動機直接驅(qū)動。由于單傳輥道與撥鋼機構(gòu)的交錯布置且傳動距離較長（約 6m） ，其選擇分布式驅(qū)動，而撥鋼機構(gòu)和移鋼機構(gòu)之間平行布置并且驅(qū)動功率不太大，撥鋼機構(gòu)需要頻繁啟動，因此選擇分別集中驅(qū)動。如圖 2—3 所示，撥鋼機構(gòu)和移鋼機構(gòu)的電動機分布方式，撥鋼機構(gòu)是將電動機布置在一端，而移鋼機構(gòu)是將電動機布置在兩根輸出軸的一端。撥鋼過程中撥抓只需克服單根槽鋼與滾筒之間的滑動摩擦，因此載荷較小需要傳遞的最大扭矩也較小，綜合考慮現(xiàn)場其他結(jié)構(gòu)的布置情況將電動機布置在傳動軸的一端。移鋼機構(gòu)在工作時，由于傳動距離較大(約 6.4m)并且載荷較撥鋼大的多，軸較長，最大扭矩較大，因此將電動機布置在兩根軸的中間，這樣單根軸所承受的最大扭矩要小得多。而分組、定位、平移和垛臺升降及壓緊動作較簡單（多為直線運動） ，且載荷不太大這里選擇液壓驅(qū)動。用液壓缸的伸縮來完成分組、定位、翻轉(zhuǎn)和垛臺升降及壓緊，用液河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計- -7壓馬達來實現(xiàn)平移。各種元件，可根據(jù)需要方便、靈活地來布置,不需要復(fù)雜的傳動系統(tǒng)。翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的運動為軸的旋轉(zhuǎn)運動，它的動力系統(tǒng)的主要要求為低速可調(diào)，交流電動機不能滿足要求，直流電動機雖然有低速可調(diào)的性能，但是直流電動機價錢昂貴，也不能選取，液壓傳動的鮮明特點就是低速可調(diào)，所以我們最后選液壓傳動作為翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的動力源。2.7 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的基本設(shè)計翻轉(zhuǎn)機構(gòu)是將三根型鋼反扣到垛臺上。這是一個低速運行的機構(gòu)。相對于整個系統(tǒng)來說，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)還要考慮時間因素。2.7.1 設(shè)計的基本要求翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的電磁鐵要滿足能吸住 3 根鋼材所要求的磁力；軸要滿足翻轉(zhuǎn)臺自重和鋼材自重所產(chǎn)生的扭矩；齒輪要能承受傳遞扭矩所產(chǎn)生的力；液壓缸要能產(chǎn)生出機構(gòu)所需要的力，并滿足相應(yīng)的強度條件。2.7.2 設(shè)計的基本思路 軸根據(jù)機構(gòu)所需要的扭矩和型鋼的長度來確定軸的具體尺寸，并根據(jù)彎扭強度校核來校核軸。齒輪根據(jù)要傳遞的力來確定具體尺寸，并對齒輪進行彎曲強度校核和接觸強度校核。液壓缸根據(jù)所需要產(chǎn)生出的力來確定液壓缸的基本尺寸，從而選出液壓缸的型號，并對液壓缸的桿進行穩(wěn)定性和強度校核。翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的時間因素由 PLC 控制來調(diào)節(jié)處理。2.8 升降機構(gòu)的基本設(shè)計升降機構(gòu)是型鋼堆垛機最后堆垛的一個平臺。鋼材分為 6 根一層堆垛在垛臺上，然后垛臺下降一定的高度讓下一層的鋼材跟上一層的鋼材處于同一高度進行堆垛。他的基本組成有垛臺、升降液壓缸。2.8.1 設(shè)計的基本要求垛臺能承受 24 根鋼材的重量；液壓缸能承受 24 根鋼材和垛臺的自重所需要的力。河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計- -82.8.2 設(shè)計的基本思路根據(jù)簡直梁的原理對垛臺進行彎曲強度校核。根據(jù)液壓缸所要求的力來計算液壓缸的具體尺寸，從而選出液壓缸的型號，并對液壓缸的桿進行穩(wěn)定性和強度校核。第 3 章 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)3.1 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)液壓缸的設(shè)計液壓缸是液壓傳動系統(tǒng)中的一種液壓執(zhí)行元件，它是將液壓能轉(zhuǎn)化為機械能做直線往復(fù)運動的能量轉(zhuǎn)化裝置。液壓缸的輸入量是液體的流量和壓力，輸出量是直線速度和力。3.1.1 液壓缸的類型為滿足各種主機的不同用途，液壓缸有多種類型。按照結(jié)構(gòu)形式的不同可以分成有活塞缸，柱塞缸，擺動缸三大類型，活塞缸和柱塞缸實現(xiàn)往復(fù)直線運動，輸出速度和推力，擺動缸則實現(xiàn)的是往復(fù)擺動，輸出的是角速度（轉(zhuǎn)速）和轉(zhuǎn)矩。按照作用方式不同可以分為單作用缸和雙作用缸。另外，按照缸的特殊用途分，可以為串聯(lián)缸，增壓缸，增速缸，步進缸等等。液壓缸的結(jié)構(gòu)包括：缸體組件，活塞組件，密封裝置，緩沖裝置，排氣裝置。液壓缸因用途要求的不同，有各種結(jié)構(gòu)形式。而平移機構(gòu)的液壓缸采用的是雙作用單活塞桿液壓缸如圖 3.14 所示：河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計- -93.1.2 基本參數(shù)設(shè)計3.1.2.1 液壓缸的受力分析在（ ）軸所受的扭矩為最大時， （ ）軸的扭矩同時為最大，此時液壓缸的負(fù)載為? ?最大。根據(jù)仿形設(shè)計，取液壓缸桿距（ ）軸的距離為225mm。則，由 2TFd??由前面計算可得 ： N2.56482得：R=233992N 在工作過程中存在摩擦力，但是相對較小，可以忽略不計，為保證工作安全，最后我們?nèi)?N250?R3.1.2.2 已知液壓缸的設(shè)計相關(guān)數(shù)據(jù)由翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的工作原理，我們選用雙作用單活塞桿的液壓缸，無桿腔由系統(tǒng)直接提供壓力，有桿腔的進油由液壓泵直接提供，回油直接通油箱。3.1.2.3 確定液壓缸的工作壓力根據(jù)前面算出的力R=250000N。由《液壓與氣壓傳動》中表9.3查得工作壓力取 4 圖 3-1河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計- -10Mpa，同時根據(jù)表9.5，執(zhí)行原件的背壓估計值，取回油背壓為 3 Mpa。即：為進口壓力， ；1P14PMa?為回油背壓， 。2233.1.2.4 缸筒內(nèi)徑 D 的計算在確定 時，必須保證液壓缸在系統(tǒng)所給定的工作壓力下，具有足夠的牽引力來驅(qū)動工作負(fù)荷。對于雙作用單活塞桿液壓缸，當(dāng)活塞桿是以推力驅(qū)動工作負(fù)載時，即壓力油輸入無桿腔時，工作負(fù)載 為：R（3-1 ） ???)(4022pdDpF????推出：(3-2)020)(pp??式中：——液壓缸的工作負(fù)載；R——活塞桿的最大推力；F——機械效率，考慮密封件的摩擦阻力損失，橡膠密封常取 ；? 95.0??——工作壓力，一般情況下取系統(tǒng)的調(diào)定壓力；p——回油背壓， ；003pMPa?——活塞桿直徑，d根據(jù)《液壓與氣壓傳動》表 4-2 液壓缸工作壓力與活塞桿直徑查得 。0.7dD?其中 將已知相關(guān)的數(shù)據(jù)代入公式可得：95.0??mD7.13095.14.327??根據(jù)《液壓系統(tǒng)設(shè)計元器件選型手冊》表 2-51，液壓缸內(nèi)徑尺寸系列，最后取。60m?活塞桿的直徑 d 為 。0.712D?河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計- -11根據(jù)《液壓系統(tǒng)設(shè)計元器件選型手冊》表 2-52，最后取桿的外徑為： 。125dm?3.1.2.5 液壓缸最大工作行程機構(gòu)運動簡圖如圖 3-2 所示：翻轉(zhuǎn)電磁鐵在翻轉(zhuǎn)時，小齒輪旋轉(zhuǎn) ，即轉(zhuǎn)過 11 個齒，對應(yīng)的扇180?形齒輪也轉(zhuǎn)過 11 個齒，即扇形齒輪轉(zhuǎn)了 ，由于曲柄和扇形齒輪通過鍵2固連接在一起，所以曲柄也轉(zhuǎn)了 。20?活塞桿從初始位置開始轉(zhuǎn)過一定的角度，同時有一定的身長量，通過下圖的運動分析及幾何分析，我們可以算出活塞的行程。其中， 125arctn306.???? 液 壓 缸 支 座曲 柄 軸 曲 柄扇 形 齒 輪 ， ， 60°小 齒 輪 ，圖 3-2河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計- -11幾何運動分析圖如圖 所示：3?圖 3?注：其中黑色粗實線組成的三角形表示系統(tǒng)的初始位置，即翻轉(zhuǎn)電磁鐵的 位置，0?細實線組成的三角形表示系統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)極限位置，即翻轉(zhuǎn)電磁鐵翻轉(zhuǎn) 時的位置。18我們可以根據(jù)余旋定理計算出行程的大小： 2216.5016.520cos527l m????????理 論以上 值為理論值，現(xiàn)實中我們選則的液壓缸的行程應(yīng)略大于理論值，參考《液壓元件及選用》中表 3.63 ZQ 型重型冶金設(shè)備液壓缸的型號和技術(shù)參數(shù)得：我們選擇其行程為。ml90＝注：此處在進行行程計算的時候，由于活塞桿的轉(zhuǎn)動角度較小，我們對其進行了簡化處理，將圓心移至圖示的位置了，結(jié)果相差并不大，也不會影響我們最后的選擇。3.1.2.6 缸筒長度 L缸筒長度由活塞最大行程，活塞長度、活塞桿導(dǎo)向長度 H 和特殊要求的其他長度確定（見圖 3-4）河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計- -12根據(jù)機械設(shè)計手冊中表 11-170 中查出缸內(nèi)徑為 160mm 的液壓缸的缸體的外形尺寸為430+行程，由行程為 90mm，得缸體的外形尺寸為 520mm。其中活塞長度 ；導(dǎo)向套長度 ；隔套長度??0.61BD?:??0.61AD?:。為了降低加工難度，一般液壓缸的缸筒長度不應(yīng)大于內(nèi)徑的 20～30??12CHA???倍。根據(jù)機械設(shè)計手冊（化學(xué)工業(yè)出版社出版）中表 11-152 油缸固定部分長度的參考尺寸得：活塞的長度 ，取 ； ??0.6~19610BDm??10B?導(dǎo)向套動面長度 ，取 ；.~25A5Am隔套寬度 。??1501502c????3.1.2.7 液壓缸的選定綜合以上計算分析可得:由于該液壓缸為冶金設(shè)備用液壓缸，所以在冶金液壓缸設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)液壓缸系列選取。冶金設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)液壓缸的特點：缸徑一般在 40～320mm 范圍內(nèi)，工作壓力小于等于16Mpa 可用液壓油機械系統(tǒng)耗損油和乳化液等工作介質(zhì)，使用溫度范圍在-40～80℃。其安裝方式有法蘭、耳環(huán)、銷軸等多種形式，符合 ISO6020/1—1981 標(biāo)準(zhǔn)，另外還有腳架（底座）示。冶金設(shè)備用標(biāo)準(zhǔn)液壓缸系列包括：①ZQ 型重型冶金設(shè)備液壓缸②JB 系列冶金備用液壓缸③YHG1 型冶金設(shè)備液壓缸④JB 系列液壓缸⑤UY 系列液壓缸。ZQ 型液壓缸具有性能良好可靠性好等優(yōu)點；廣泛用于重型機械，冶金、礦山等行業(yè)。綜合型鋼堆垛機的工作要求我們選用 ZQ 型液壓缸。圖 3-4河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計- -13根據(jù)機械設(shè)計手冊（化學(xué)工業(yè)出版社）中液壓缸型號的選用選出：液壓缸,其中：B 表是油缸的安裝形式是擺動式的。ZQ1609 ?3.1.3 液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計與校核3.1.3.1 缸筒壁厚的計算 查《液壓與氣壓傳動》教材可查出：當(dāng) 時，壁厚用公式 來計算；當(dāng)10?D?????2PD?時，壁厚用公式 來計算。10?D????????????3.42P??（一）假設(shè)缸筒壁厚 與內(nèi)徑之比小于 ，則壁厚按薄壁缸公式計算，即：10（3-3）??2D??公式中：P——液壓缸的最大工作壓力 ；??PaD——缸筒內(nèi)徑 ；??m——缸筒材料的許用應(yīng)力 ， ；?????a??sn??——缸筒材料的抗拉強度極限；b——安全系數(shù)，一般取 ；n5?n缸筒選用材料為 HT350， ；即： ，將以上數(shù)值Mpab30??MPa705136???帶入得： 。 6410.427m????又考慮缸筒壁厚 與內(nèi)徑之比： 。140.96D???符合我們的設(shè)計要求。考慮安全因素，我們?nèi)“踩禂?shù) n=1.3，得： ，1.382m????最后我們?nèi)? 。20m??河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計- -14（二）假設(shè) 大于 ，壁厚按厚壁強度及公式計算：D?10（3-4）???????????3.4.2P???71.60.8?4m?因為 小于 與假設(shè)矛盾，所以此液壓缸為薄壁缸。.02516D1我們?nèi)??3.1.3.2 缸筒壁厚的校核因為 ，由公式：max10PM?(3-5) max2SPD???式中：D——表示液壓缸的內(nèi)徑；——表示缸筒材料的許應(yīng)應(yīng)力， ，其中 抗拉強度， 為安全系數(shù)（一S???bs?b?般 ）因為缸筒的材料為 Q235，查《機械設(shè)計手冊》可知道：該材料5??的 ；Mpab37——表示缸筒最高工作壓力（ ） 。maxPmax10PM?綜合以上具體數(shù)據(jù)和式子可得： 52SD????所以液壓缸的壁厚符合設(shè)計要求。3.1.3.3 缸筒外徑的確定(3-6) 126042Dm????3.1.3.4 缸底厚度 1河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計- -15因為設(shè)計時取平底液壓缸，缸底與缸筒采用螺紋連接，所以缸底內(nèi)徑。mD202???(3-7)spD??max215.0?式中：——表示缸底內(nèi)徑，2D——表示缸底材料的許用應(yīng)力，Mpa。b?若選取 ， ，m20?MPabs7053???則 ，6141.527???考慮安全因素，我們?nèi)?。130??3.1.3.5 最小導(dǎo)向長度的確定對單活塞液壓缸，一般： (3-8)20DlH??式中：L——活塞的最大工作行程；D：缸筒內(nèi)徑。代入數(shù)據(jù)得： ，取 。 901684.52Hm??150Hm?3.1.4 液壓缸的穩(wěn)定性和活塞桿的強度驗算活塞桿受軸向壓力作用時，有可能產(chǎn)生彎曲當(dāng)此軸向力達到臨界力 時會出現(xiàn)壓桿kP不穩(wěn)定現(xiàn)象，臨界值 的大小與活塞桿長度與直徑，以及缸的安裝方式等因素有關(guān)。只kP有當(dāng)活塞桿的計算長度 時，才進行活塞桿的縱向穩(wěn)定性計算。10Ld?計算估算活塞桿的長度：初步定液壓缸蓋的厚度為 ，則活塞桿的長度為：50m。150253Lm???河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計- -163.1.4.1 液壓缸的穩(wěn)定驗算根據(jù)材料力學(xué)概念：一根受壓的直桿，在其軸向負(fù)載 P 超過穩(wěn)定臨界力（或稱極限力） 時,即失去原有直線狀態(tài)下的平衡而喪失穩(wěn)定 ,所以液壓缸的穩(wěn)定條件是：kP(3-9) KPn?式中 ：P——活塞桿的軸向最大壓力 ；??N——液壓缸的穩(wěn)定臨界力 ；k——穩(wěn)定性安全系數(shù),一般取 =2～6。nnk液壓缸的穩(wěn)定臨界力 值與活塞桿和缸體的材料、長度、剛度及其兩端支承狀況等kP因素有關(guān)。一般在 （d 為活塞桿的直徑）大于 10 以后就要進行穩(wěn)定校驗。L由 。325.610??則不需要進行穩(wěn)定性校核。3.1.4.2 活塞桿的強度校核由 ，取 ，RF??0.95得 N26318.?(3-10)md9074.5][6????m69125??所以活塞桿滿足穩(wěn)定條件。3.2 齒輪的設(shè)計翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的齒輪是開式齒輪傳動，所以根據(jù)齒根彎曲疲勞強度作為設(shè)計準(zhǔn)則，按齒面接觸疲勞強度進行校核。河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計- -173.2.1 選擇齒輪精度等級，材料，熱處理方式及齒數(shù)對與低速輕載荷的齒輪，主要失效方式是齒面磨損，需有一定的機械性能，可選用中碳鋼或灰鑄鐵或球墨鑄鐵，這里為單件小批量生產(chǎn)，所以大小齒輪均為 45 號鋼，其中小齒輪為調(diào)質(zhì)處理，硬度為 250HBS，大扇形齒輪為正火，硬度為 210HBS。根據(jù)傳動比要求，這里的傳動比要求為 i12=9，開式齒輪齒面易磨損，欲讓齒厚些，適當(dāng)取大些模數(shù)，因此去少些齒數(shù)，初擬小齒輪數(shù)是 Z1=22，則大齒輪數(shù)為 Z2=198。選用精度等級為 8 級。3.2.2 齒輪的基本參數(shù)3.2.2.1 尺寬系數(shù) 的選取d?考慮為開式齒輪，且小齒輪為兩支承不做對稱分布，大小齒輪均為硬齒面時，齒寬系數(shù) 應(yīng)取表中偏下限值。由機械設(shè)計中表 10-7，選定 。d? 8.0?d?3.2.2.2 齒形系數(shù) 及應(yīng)力校正系數(shù) 的選取FaYsaY由機械設(shè)計表 10-5 中可查出齒形系數(shù) 及應(yīng)力校正系數(shù) ，?。? ， FasaY72.1?Fa。57.1?SaY3.2.2.3 彎曲疲勞壽命系數(shù)的選取由機械設(shè)計中圖 10-18 中可查出彎曲疲勞壽命系數(shù)，由應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N 很小，所以取 。3.1?FNK3.2.2.4 彎曲疲勞強度極限的選取由機械設(shè)計中圖 10-20（c）中按齒面硬度查得小齒輪彎曲疲勞強度極限。 。MPaF6801lim??3.2.2.5 計算許用應(yīng)力取安全系數(shù)為 ，由計算公式計算得：4.1?S河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計- -18??MPaSKFNF 4.631.801lim11 ????3.2.2.6 確定載荷系數(shù) K計算載荷系數(shù) K 的公式： ??KVA???由機械設(shè)計表 得使用系數(shù) ,210?5.1由機械設(shè)計圖 得動載系數(shù) ,880V由機械設(shè)計表 得齒間載荷分配系數(shù) ,3.??K由機械設(shè)計表 ，并結(jié)合小齒輪的齒寬系數(shù) 和齒寬 得齒向載荷分布系數(shù) 410?d?b。28.1??K綜合各系數(shù)的值得出 69.128..051????????KKVA3.2.2.7 計算齒輪的模數(shù)MNT/8.5492/1?(3-11)??321FSadYZKTm????式中： 的單位式 mm， 的單位為 N1T??F?代入數(shù)據(jù)得 。01.7?根據(jù)機械原理表 10-1 圓柱齒輪標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列表（GB/T1357 —1987）中模數(shù)系列，我們選用 m=8mm。3.2.3 小齒輪的基本尺寸計算分度圓直徑： (3-12)mZd176821???基圓直徑： (3-13)b 4.50coscos? ??齒全高： (3-14)????12 281ah?????河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計- -19齒厚： (3-15)812.62ms???這里的齒輪是標(biāo)準(zhǔn)齒輪，所以 ， ， ， 均為標(biāo)準(zhǔn)值，其值為 ，m?h?c8m?， ， 。0??1h?0.5c?3.2.4 輪齒所受的圓周力 ，徑向力 ，法向載荷 的計算tFr nF由軸的安裝結(jié)構(gòu)可知，小齒輪所承受的扭矩是兩個翻轉(zhuǎn)臺的扭矩，所以 NT5849.2170.6/??則：Ft 6751032.d31??Ntr 21tan4an??? ??Ftn70932cos65?式中：——小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，1TmN?——小齒輪的節(jié)圓直徑，對標(biāo)準(zhǔn)齒輪即為分度圓直徑，d m——嚙合角，對標(biāo)準(zhǔn)齒輪，???20?3.2.5 齒根彎曲疲勞強度校核分析：輪齒在受載時，齒根所受的彎矩最大，因此，齒根處的彎曲疲勞強度最弱。當(dāng)齒輪在齒頂處嚙合時，處于雙對齒嚙合區(qū)，此時彎矩的力臂雖然最大，但力并不是最大，因此彎矩并不是最大。根據(jù)分析，齒根所受的最大彎矩發(fā)生在輪齒嚙合點位于單對齒嚙合區(qū)最高點時。因此，齒根彎曲強度也應(yīng)該按載荷作用于單對齒嚙合區(qū)最高點來計算。以下便是對齒輪齒根的抗彎曲疲勞強度的校核過程。 由式（10－4） 對小齒輪校核。][FSaFtFmbYK?????根據(jù)已知條件齒數(shù) ，2z河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計- -20查表 得： ，510?72.?FaY57.1Sa代入數(shù)據(jù)得： MPa8.3960491???由前面的數(shù)據(jù)可知： 。PF.3][即： ][F?則小齒輪的設(shè)計滿足設(shè)計要求。3.3 扇形齒輪的設(shè)計扇形齒輪的設(shè)計準(zhǔn)則同小齒輪的設(shè)計，都為開式齒輪傳動。所以也是按齒根彎曲疲勞強度進行計算，按齒面接觸疲勞強度進行校核。3.3.1 扇形齒輪的形狀設(shè)計由液壓缸的設(shè)計，我們可知扇形齒輪只用轉(zhuǎn)動 11 個齒，我們?nèi)∩刃锡X輪的齒數(shù)為 33個齒，分布角度為 。60?3.3.2 扇形齒輪的基本數(shù)據(jù)3.3.2.1 尺寬系數(shù) 的選取d?考慮為開式齒輪，且小齒輪為兩支承做對稱分布，大小齒輪均為硬齒面時，齒寬系數(shù) 應(yīng)取表中偏下限值。由機械設(shè)計中表 10-7，選定 。d? 0.1?d?3.3.2.2 齒形系數(shù) 及應(yīng)力校正系數(shù) 的選取FaYSaY由機械設(shè)計表 10-5 中可查出齒形系數(shù) 及應(yīng)力校正系數(shù) ，最后取 FaSaY12.?Fa， 。865.12?SaY3.3.2.3 彎曲疲勞壽命系數(shù)的選取由機械設(shè)計中圖 10-18 中可查出彎曲疲勞壽命系數(shù)，由應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N 很小，所以取 。3.12?FNK河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計- -213.3.2.4 彎曲疲勞強度極限的選取由機械設(shè)計中圖 10-20（c）中按齒面硬度查得扇形齒輪彎曲疲勞強度極限， 。MPaF6752lim??3.3.2.5 計算許用應(yīng)力取安全系數(shù)為 ，由計算公式計算得：4.1?S??MPaKFNF 628.7532lim2 ???3.3.2.6 確定載荷系數(shù) K由載荷系數(shù) K 的計算公式： (3-16)??KVA???由機械設(shè)計表 得使用系數(shù) ,210?5.1由機械設(shè)計圖 得動載系數(shù) ,880V由機械設(shè)計表 得齒間載荷分配系數(shù) ,3.??K由機械設(shè)計表 ，并結(jié)合小齒輪的齒寬系數(shù) 和齒寬 得齒向載荷分布系數(shù) 410?d?b。346.1??K綜合各系數(shù)的值得出： 78.1346.8.051???????KVA3.3.3 扇形齒輪的模數(shù)扇形齒輪和小齒輪嚙合，所以扇形齒輪和小齒輪的模數(shù)是一樣的，取 m=8mm。3.3.4 扇形齒輪的基本尺寸計算分度圓： (3-17)mZd158492???基圓直徑： mm (3-18)148720cos0cos?? ??b齒全高： (3-19)????12 .ah m????河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計- -22齒厚： (3-20)812.62ms???分度圓中心距： (3-21)mda3??這里的齒輪是標(biāo)準(zhǔn)齒輪，所以 ， ， ， 均為標(biāo)準(zhǔn)值，其值為 m=8， ，?h?c 20???， 。1h??0.25c?3.3.5 齒根彎曲疲勞強度校核分析：輪齒在受載時，齒根所受的彎矩最大，因此，齒根處的彎曲疲勞強度最弱。當(dāng)齒輪在齒頂處嚙合時，處于雙對齒嚙合區(qū)，此時彎矩的力臂雖然最大，但力并不是最大，因此彎矩并不是最大。根據(jù)分析，齒根所受的最大彎矩發(fā)生在輪齒嚙合點位于單對齒嚙合區(qū)最高點時。因此，齒根彎曲強度也應(yīng)該按載荷作用于單對齒嚙合區(qū)最高點來計算。以下便是對齒輪齒根的抗彎曲疲勞強度的校核過程。由機械設(shè)計式（10-4）： 對此齒輪進行校核，由][0 FsaFtsaFmbYKY??????已知齒輪齒數(shù) ，查表 ，得出齒形系數(shù) 及應(yīng)力校正系數(shù) 分別為：3Z?51?aSaY， 。12.?FaY865.Sa扇形齒輪的受力和小齒輪受力的大小是一樣的。則 。Nt47代入數(shù)據(jù)得： MPaF 5.298206.16475.1????所以 。MPaF8][?即扇形齒輪的設(shè)計符合設(shè)計要求。3.3.6 齒輪接觸強度校核可以由機械設(shè)計式 校核接觸強度：)610(?(3-22)[]CaHEHPZ???????河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計- -23式中：——嚙合齒面上嚙合點的綜合曲率半徑，?? m——彈性影響系數(shù)， 。Z21MPaNLFPCa37.20645??對于標(biāo)準(zhǔn)齒輪，節(jié)圓就是分度圓，得(3-23)2sin1??d(3-24)i2?節(jié)點嚙合的綜合曲率： (3-25)21????代入數(shù)據(jù)得： md 0184.2sin158420sin176sinsi12 ?????????得 3.54查機械設(shè)計表 610?得彈性影響系數(shù) 218.9MPaZE?查機械設(shè)計圖 10-21（d）得齒輪的接觸疲勞強度極限 ??H?取 ??MPaH7??代入數(shù)據(jù)得： Pa67.48.19.54732??由 ??aH10???所以扇形齒輪和小齒輪的齒根彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度均滿足強度要求。3.4（Ⅰ）軸的設(shè)計根據(jù)翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，該機構(gòu)一共有 4 根軸，位于兩邊的軸的扭矩最大為中間兩軸的兩倍，屬于重要的軸，所以在此設(shè)計位于兩邊的軸。河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計- -243.4.1（Ⅰ）軸的結(jié)構(gòu)工藝性在設(shè)計軸的結(jié)構(gòu)時，應(yīng)盡可能使軸的形式簡單，并有良好堵塞加工和裝配工藝性能，以減少勞動量，提高勞動生產(chǎn)率和降低應(yīng)力集中。設(shè)計時應(yīng)考慮以下幾點：1.在保證零件都能裝配到應(yīng)有位置時，軸的臺階數(shù)越少