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河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)
摘要
本文詳細(xì)介紹了型鋼堆垛機(jī)的整體設(shè)計(jì)理論和整個堆垛過程，其中重點(diǎn)介紹了翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。主要包括了翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的軸、齒輪、液壓缸的整體設(shè)計(jì)，其中還有軸承的選取，聯(lián)軸器的選取和校核。
本次設(shè)計(jì)的型鋼自動堆垛機(jī)性能良好、動作靈活、操作方便、故障率低、維護(hù)簡單方便，滿足了生產(chǎn)的需要
關(guān)鍵字：型鋼堆垛機(jī)；機(jī)械；液壓；齒輪
Abstract
This 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 learning
Key words：Steel bar stacker；Machinery；Hydraulic pressure；Gear
- II -
河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)
目錄
摘要 I
Abstract II
第1章 概述 1
第2章 型鋼堆垛機(jī)總體設(shè)計(jì) 3
2.1 型鋼堆垛機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù) 3
2.2 堆垛機(jī)的工藝流程 4
2.3 堆垛機(jī)平面示意圖 4
2.4 堆垛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4
2.5 堆垛機(jī)總體尺寸 5
2.6 傳動系統(tǒng)的選擇 5
2.7 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的基本設(shè)計(jì) 6
2.8 升降機(jī)構(gòu)的基本設(shè)計(jì) 7
第3章 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 8
3.1翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓缸的設(shè)計(jì) 8
3.1.1液壓缸的類型 8
3.1.2基本參數(shù)設(shè)計(jì) 8
3.1.3液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 12
3.1.4液壓缸的穩(wěn)定性和活塞桿的強(qiáng)度驗(yàn)算 15
3.2齒輪的設(shè)計(jì) 16
3.2.1 選擇齒輪精度等級，材料，熱處理方式及齒數(shù) 16
3.2.2齒輪的基本參數(shù) 17
3.2.3小齒輪的基本尺寸計(jì)算 18
3.2.4 輪齒所受的圓周力，徑向力，法向載荷的計(jì)算 18
3.2.5 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核 19
3.3 扇形齒輪的設(shè)計(jì) 20
3.3.1扇形齒輪的形狀設(shè)計(jì) 20
3.3.2 扇形齒輪的基本數(shù)據(jù) 20
3.3.3 扇形齒輪的模數(shù) 21
3.3.4扇形齒輪的基本尺寸計(jì)算 21
3.3.5 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核 22
3.3.6 齒輪接觸強(qiáng)度校核 22
3.4（Ⅰ）軸的設(shè)計(jì) 23
3.4.1（Ⅰ）軸的結(jié)構(gòu)工藝性 23
3.4.2（Ⅰ）軸的材料 24
3.4.3小齒輪軸上的受力 24
3.4.4 計(jì)算軸的最小直徑 25
3.4.5 確定軸的各段尺寸和長度 26
3.4.6聯(lián)軸器的選擇 26
3.4.7軸上零件的軸向定位 26
3.4.8確定軸上的圓角和倒角的尺寸 27
3.4.9確定軸上的載荷 27
3.5（Ⅱ）軸的設(shè)計(jì) 30
3.5.1 軸的結(jié)構(gòu)工藝性 30
3.5.2軸的材料 30
3.5.3計(jì)算Ⅱ軸的轉(zhuǎn)矩 30
3.5.4大扇形齒輪軸上的受力 30
3.5.5計(jì)算軸的最小直徑 30
3.5.6確定軸的各段尺寸和長度 31
3.5.7軸上零件的軸向定位 32
3.5.8確定軸上的圓角和倒角的尺寸 32
3.5.9確定軸上的載荷 32
3.5.10平鍵的校核 35
第4章 經(jīng)濟(jì)性分析 37
第5章 結(jié)論 38
參考文獻(xiàn) 39
致謝 40
42
- -
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(jì)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(jìn)行的技術(shù)改造之一。不管是采用人工堆垛、半機(jī)械化堆垛還是全自動堆垛，首先要進(jìn)行型鋼的垛型設(shè)計(jì)。
本此設(shè)計(jì)的型鋼堆垛機(jī)是一種用于對成型鋼材自動打捆的設(shè)備。機(jī)械部分由單傳輥道、撥鋼機(jī)構(gòu)、移鋼機(jī)構(gòu)、分組機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)、平移機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和垛臺升降及壓緊機(jī)構(gòu)等8個子機(jī)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(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了整個生產(chǎn)線的自動控制，從而提高堆垛機(jī)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(xiǎn)等缺點(diǎn)，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(jì)的型鋼堆垛機(jī)在一定程度上實(shí)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(jìn)一步發(fā)展做了鋪墊。型鋼堆垛機(jī)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(qiáng)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(qiáng)鋼材市場的競爭能力、提高經(jīng)濟(jì)效益和社會效益創(chuàng)造了良好的條件。型鋼堆垛機(jī)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(jī)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(jī)主要有兩大類，磁性和非磁性堆垛機(jī)。一類是磁性堆垛機(jī)。軋件由裝有可調(diào)磁性的翻轉(zhuǎn)臂和輸送小車進(jìn)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(yùn)用于中型型鋼堆垛。全部由計(jì)算機(jī)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(jī)。軋制由兩套液壓一機(jī)械機(jī)構(gòu)控制的機(jī)械手進(jìn)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(jìn)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(jī)即純機(jī)械堆垛機(jī)的顯著特點(diǎn)就是無故障的處理雙層型鋼的能力，故其機(jī)械效率可提高一倍。
本次設(shè)計(jì)的堆垛機(jī)屬于第一類磁性堆垛機(jī)，通過在移鋼機(jī)構(gòu)和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上安裝堆垛電磁鐵來實(shí)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(jī)結(jié)構(gòu)條件下實(shí)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(diǎn)，這里主要根據(jù)槽鋼進(jìn)行設(shè)計(jì)和編程。型鋼規(guī)格為20槽鋼，定尺長度范圍8～10米。
圖1—1 槽鋼堆垛方式
圖1-2角鋼堆垛方式
第2章 型鋼堆垛機(jī)總體設(shè)計(jì)
型鋼堆垛機(jī)的總體設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)人員在根據(jù)工廠所需要的成型鋼材堆垛機(jī)，對堆垛機(jī)作出的初步的、總體的設(shè)計(jì)。堆垛機(jī)總體設(shè)計(jì)主要包括：確定型鋼堆垛機(jī)的工藝流程、型鋼堆垛機(jī)平面示意圖的初步確定、主要機(jī)構(gòu)的簡單結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、總體尺寸的確定、堆垛機(jī)驅(qū)動裝置的確定和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
2.1 型鋼堆垛機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)
⑴堆垛機(jī)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。
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(jī)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。
圖2-2槽鋼堆垛方式
2)工藝參數(shù)
1)G=25.7777*10*3=773.31Kg
2）電磁鐵306*4=1224 Kg
3）電磁鐵邊距軸心L=1065
4）其它重為200Kg
4）傳遞的扭距 T=532.5*10*（773.31+1224+200）=11700.675N/m
2.2 堆垛機(jī)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(jī)上，再由撥鋼機(jī)構(gòu)將鋼材撥到移鋼機(jī)構(gòu)的鏈條上，然后由移鋼機(jī)構(gòu)將鋼材輸送到定位機(jī)構(gòu)，中途有分組機(jī)構(gòu)將鋼材分為3根一組，分好組的鋼材到定位機(jī)構(gòu)后被精確的定位后，再由平移機(jī)構(gòu)送至垛臺上，下一組分好組的鋼材被定位機(jī)構(gòu)定位后，經(jīng)由翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)送至垛臺上，垛臺上的鋼材排成了形如圖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(jī)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(jī)按這個順序再進(jìn)行下一輪的堆垛。
2.3 堆垛機(jī)平面示意圖
根據(jù)現(xiàn)場要求、堆垛機(jī)的工藝流程和其他同類設(shè)備初步確定型鋼堆垛機(jī)的結(jié)構(gòu)分布如圖2—3所示。該型鋼堆垛機(jī)相當(dāng)于簡單的流水生產(chǎn)線，槽鋼進(jìn)入單傳輥道依次通過撥鋼機(jī)構(gòu)、移鋼機(jī)構(gòu)、分組機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)、平移機(jī)構(gòu)（或翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)）最后到垛臺升降機(jī)構(gòu)及壓緊機(jī)構(gòu)最后結(jié)束堆垛任務(wù)。
圖2-3 堆垛機(jī)結(jié)構(gòu)分布圖
2.4 堆垛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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(jī)構(gòu)組成：單傳輥道、撥鋼機(jī)構(gòu)、移鋼機(jī)構(gòu)、分組機(jī)構(gòu)（槽鋼分組機(jī)構(gòu)）、定位機(jī)構(gòu)、平移機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和垛臺升降機(jī)構(gòu)及壓緊機(jī)構(gòu)。
2.5 堆垛機(jī)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(jī)的總體尺寸約為： 長×寬×高。
2.6 傳動系統(tǒng)的選擇
傳動機(jī)構(gòu)通常分為機(jī)械傳動、電器傳動和流體傳動。機(jī)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(jī)等動力源的驅(qū)動下通過一定的機(jī)械式傳動機(jī)構(gòu)（齒輪機(jī)構(gòu)、帶傳動和鏈傳動等）得到期望的運(yùn)動參數(shù)。流體傳動是以流體為工作介質(zhì)進(jìn)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(jī)電傳動和液壓傳動是最常用的兩類傳動。電動機(jī)分為交流電動機(jī)和直流電動機(jī)兩大類，交流電動機(jī)又分為交流電動機(jī)和直流電動機(jī)兩類。在強(qiáng)電系統(tǒng)中三相交流異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。
電機(jī)拖動的根本任務(wù)，在于通過電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成生產(chǎn)機(jī)械所需要的機(jī)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(jì)。它適宜于大量生產(chǎn)、集中管理、遠(yuǎn)距離傳輸和實(shí)現(xiàn)自動控制。因此，電機(jī)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(diǎn)，主要有：1.電機(jī)拖動比其它形式的拖動（蒸汽、水力等）效率高，而且電動機(jī)與被拖動的生產(chǎn)機(jī)械聯(lián)接簡便；2.電動機(jī)的種類和型號多，具有各種各樣的運(yùn)行特性，可以滿足不同類型生產(chǎn)機(jī)械的要求；3.電機(jī)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(shí)現(xiàn)完善的保護(hù)；4.電機(jī)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(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制；5.可以實(shí)行遠(yuǎn)距離測量和控制，便于集中管理，便于實(shí)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(jī)拖動，特別是自動化的電機(jī)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)大范圍的無級調(diào)速；3. 重量輕、體積小、運(yùn)動慣性小、反應(yīng)速度快；4.可自動實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)；5.由于一般采用礦物油作為傳動介質(zhì)，相對運(yùn)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(jì)、制造和推廣應(yīng)用；7.容易實(shí)現(xiàn)機(jī)器的自動化，當(dāng)采用電液聯(lián)合控制后 ，不僅可以實(shí)現(xiàn)更高程度的自動控制過程，而且可以實(shí)現(xiàn)遙控。
考慮到以上各種傳動的特點(diǎn)各機(jī)構(gòu)的傳動方式選擇如下：
由單傳輥道、撥鋼機(jī)構(gòu)和移鋼機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)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(jī)直接驅(qū)動。由于單傳輥道與撥鋼機(jī)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(jī)構(gòu)和移鋼機(jī)構(gòu)之間平行布置并且驅(qū)動功率不太大，撥鋼機(jī)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(jī)構(gòu)和移鋼機(jī)構(gòu)的電動機(jī)分布方式，撥鋼機(jī)構(gòu)是將電動機(jī)布置在一端，而移鋼機(jī)構(gòu)是將電動機(jī)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(jī)布置在傳動軸的一端。移鋼機(jī)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(jī)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(yùn)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，用液壓馬達(dá)來實(shí)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(jī)構(gòu)的運(yùn)動為軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，它的動力系統(tǒng)的主要要求為低速可調(diào)，交流電動機(jī)不能滿足要求，直流電動機(jī)雖然有低速可調(diào)的性能，但是直流電動機(jī)價(jià)錢昂貴，也不能選取，液壓傳動的鮮明特點(diǎn)就是低速可調(diào)，所以我們最后選液壓傳動作為翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的動力源。
2.7 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)
翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是將三根型鋼反扣到垛臺上。這是一個低速運(yùn)行的機(jī)構(gòu)。相對于整個系統(tǒng)來說，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)還要考慮時間因素。
2.7.1設(shè)計(jì)的基本要求
翻轉(zhuǎn)機(jī)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(jī)構(gòu)所需要的力，并滿足相應(yīng)的強(qiáng)度條件。
2.7.2 設(shè)計(jì)的基本思路
軸根據(jù)機(jī)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(qiáng)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(jìn)行彎曲強(qiáng)度校核和接觸強(qiáng)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(jìn)行穩(wěn)定性和強(qiáng)度校核。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的時間因素由PLC控制來調(diào)節(jié)處理。
2.8 升降機(jī)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)
升降機(jī)構(gòu)是型鋼堆垛機(jī)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(jìn)行堆垛。他的基本組成有垛臺、升降液壓缸。
2.8.1 設(shè)計(jì)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。
2.8.2 設(shè)計(jì)的基本思路
根據(jù)簡直梁的原理對垛臺進(jìn)行彎曲強(qiáng)度校核。根據(jù)液壓缸所要求的力來計(jì)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(jìn)行穩(wěn)定性和強(qiáng)度校核。
第3章 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
3.1翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓缸的設(shè)計(jì)
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(jī)械能做直線往復(fù)運(yùn)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(jī)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(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動，輸出速度和推力，擺動缸則實(shí)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(jìn)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(jī)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：
圖3-1
3.1.2基本參數(shù)設(shè)計(jì)
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(jì)，取液壓缸桿距（）軸的距離為225mm。
則，由
由前面計(jì)算可得 ：
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(jì)，為保證工作安全，最后我們?nèi)
3.1.2.2已知液壓缸的設(shè)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)
由翻轉(zhuǎn)機(jī)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(jìn)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 Mpa，同時根據(jù)表9.5，執(zhí)行原件的背壓估計(jì)值，取回油背壓為 3 Mpa。即：
為進(jìn)口壓力， ；
為回油背壓， 。
3.1.2.4缸筒內(nèi)徑D的計(jì)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：
（3-1）
推出：
(3-2)
式中：
——液壓缸的工作負(fù)載；
——活塞桿的最大推力；
——機(jī)械效率，考慮密封件的摩擦阻力損失，橡膠密封常??；
——工作壓力，一般情況下取系統(tǒng)的調(diào)定壓力；
——回油背壓， ；
——活塞桿直徑，
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 。
其中將已知相關(guān)的數(shù)據(jù)代入公式可得：
根據(jù)《液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)元器件選型手冊》表2-51，液壓缸內(nèi)徑尺寸系列，最后取。
活塞桿的直徑d為 。
根據(jù)《液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)元器件選型手冊》表2-52，最后取桿的外徑為：。
3.1.2.5 液壓缸最大工作行程
機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖如圖3-2所示：
圖3-2
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固連接在一起，所以曲柄也轉(zhuǎn)了。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(yùn)動分析及幾何分析，我們可以算出活塞的行程。
其中，
幾何運(yùn)動分析圖如圖所示：
圖
注：其中黑色粗實(shí)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，細(xì)實(shí)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。
我們可以根據(jù)余旋定理計(jì)算出行程的大?。?
以上值為理論值，現(xiàn)實(shí)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。
注：此處在進(jìn)行行程計(jì)算的時候，由于活塞桿的轉(zhuǎn)動角度較小，我們對其進(jìn)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）
圖3-4
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)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。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倍。
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)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，??；
導(dǎo)向套動面長度，??；
隔套寬度。
3.1.2.7 液壓缸的選定
綜合以上計(jì)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(diǎn)：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(jī)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(diǎn)；廣泛用于重型機(jī)械，冶金、礦山等行業(yè)。綜合型鋼堆垛機(jī)的工作要求我們選用ZQ型液壓缸。
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)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。
3.1.3液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核
3.1.3.1 缸筒壁厚的計(jì)算
查《液壓與氣壓傳動》教材可查出：當(dāng)時，壁厚用公式來計(jì)算；當(dāng)時，壁厚用公式來計(jì)算。
（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(jì)算，即：
（3-3）
公式中：
P——液壓缸的最大工作壓力 ；
D——缸筒內(nèi)徑；
——缸筒材料的許用應(yīng)力，；
——缸筒材料的抗拉強(qiáng)度極限；
——安全系數(shù)，一般取；
缸筒選用材料為HT350，；即：，將以上數(shù)值帶入得：。
又考慮缸筒壁厚與內(nèi)徑之比：。
符合我們的設(shè)計(jì)要求。
考慮安全因素，我們?nèi)“踩禂?shù)n=1.3，得：，
最后我們?nèi)? 。
（二）假設(shè)大于，壁厚按厚壁強(qiáng)度及公式計(jì)算：
（3-4）
因?yàn)樾∮谂c假設(shè)矛盾，所以此液壓缸為薄壁缸。
我們?nèi)?
3.1.3.2 缸筒壁厚的校核
因?yàn)?，由公式?
(3-5)
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(qiáng)度，為安全系數(shù)（一般）因?yàn)楦淄驳牟牧蠟?Q235，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》可知道：該材料的；
——表示缸筒最高工作壓力（）。
綜合以上具體數(shù)據(jù)和式子可得：
所以液壓缸的壁厚符合設(shè)計(jì)要求。
3.1.3.3缸筒外徑的確定
(3-6)
3.1.3.4缸底厚度
因?yàn)樵O(shè)計(jì)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
。
(3-7)
式中：
——表示缸底內(nèi)徑，
——表示缸底材料的許用應(yīng)力，Mpa。
若選取，，
則，
考慮安全因素，我們?nèi) ?
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)
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。
3.1.4液壓缸的穩(wěn)定性和活塞桿的強(qiáng)度驗(yàn)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(dá)到臨界力時會出現(xiàn)壓桿不穩(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)。只有當(dāng)活塞桿的計(jì)算長度時，才進(jìn)行活塞桿的縱向穩(wěn)定性計(jì)算。
計(jì)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：。
3.1.4.1液壓缸的穩(wěn)定驗(yàn)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：
(3-9)
式中 ：
P——活塞桿的軸向最大壓力 ；
——液壓缸的穩(wěn)定臨界力 ；
——穩(wěn)定性安全系數(shù),一般取=2～6。
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因素有關(guān)。一般在（d為活塞桿的直徑）大于10以后就要進(jìn)行穩(wěn)定校驗(yàn)。
由 。
則不需要進(jìn)行穩(wěn)定性校核。
3.1.4.2活塞桿的強(qiáng)度校核
由，取，
得
(3-10)
所以活塞桿滿足穩(wěn)定條件。
3.2齒輪的設(shè)計(jì)
翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的齒輪是開式齒輪傳動，所以根據(jù)齒根彎曲疲勞強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核。
3.2.1 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(jī)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
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(jī)械設(shè)計(jì)中表10-7，選定。
3.2.2.2 齒形系數(shù)及應(yīng)力校正系數(shù)的選取
由機(jī)械設(shè)計(jì)表10-5中可查出齒形系數(shù)及應(yīng)力校正系數(shù)，?。? ， 。
3.2.2.3 彎曲疲勞壽命系數(shù)的選取
由機(jī)械設(shè)計(jì)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 。
3.2.2.4 彎曲疲勞強(qiáng)度極限的選取
由機(jī)械設(shè)計(jì)中圖10-20（c）中按齒面硬度查得小齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度極限。 。
3.2.2.5 計(jì)算許用應(yīng)力
取安全系數(shù)為，由計(jì)算公式計(jì)算得：
3.2.2.6確定載荷系數(shù)K
計(jì)算載荷系數(shù)K的公式：
由機(jī)械設(shè)計(jì)表得使用系數(shù),
由機(jī)械設(shè)計(jì)圖得動載系數(shù),
由機(jī)械設(shè)計(jì)表得齒間載荷分配系數(shù),
由機(jī)械設(shè)計(jì)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) 。
綜合各系數(shù)的值得出
3.2.2.7 計(jì)算齒輪的模數(shù)
(3-11)
式中：的單位式mm，的單位為N
代入數(shù)據(jù)得 。
根據(jù)機(jī)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(jì)算
分度圓直徑： (3-12)
基圓直徑： (3-13)
齒全高： (3-14)
齒厚： (3-15)
這里的齒輪是標(biāo)準(zhǔn)齒輪，所以，，，均為標(biāo)準(zhǔn)值，其值為，，，。
3.2.4 輪齒所受的圓周力，徑向力，法向載荷的計(jì)算
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
則：
式中：
——小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，
——小齒輪的節(jié)圓直徑，對標(biāo)準(zhǔn)齒輪即為分度圓直徑，
——嚙合角，對標(biāo)準(zhǔn)齒輪，
3.2.5 齒根彎曲疲勞強(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)位于單對齒嚙合區(qū)最高點(diǎn)時。因此，齒根彎曲強(qiáng)度也應(yīng)該按載荷作用于單對齒嚙合區(qū)最高點(diǎn)來計(jì)算。以下便是對齒輪齒根的抗彎曲疲勞強(qiáng)度的校核過程。
由式（10－4）對小齒輪校核。
根據(jù)已知條件齒數(shù)，
查表得：，
代入數(shù)據(jù)得：
由前面的數(shù)據(jù)可知：。
即：
則小齒輪的設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。
3.3 扇形齒輪的設(shè)計(jì)
扇形齒輪的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則同小齒輪的設(shè)計(jì)，都為開式齒輪傳動。所以也是按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核。
3.3.1扇形齒輪的形狀設(shè)計(jì)
由液壓缸的設(shè)計(jì)，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。
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
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(jī)械設(shè)計(jì)中表10-7，選定。
3.3.2.2 齒形系數(shù)及應(yīng)力校正系數(shù)的選取
由機(jī)械設(shè)計(jì)表10-5中可查出齒形系數(shù)及應(yīng)力校正系數(shù)，最后取 ， 。
3.3.2.3 彎曲疲勞壽命系數(shù)的選取
由機(jī)械設(shè)計(jì)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 。
3.3.2.4 彎曲疲勞強(qiáng)度極限的選取
由機(jī)械設(shè)計(jì)中圖10-20（c）中按齒面硬度查得扇形齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度極限， 。
3.3.2.5 計(jì)算許用應(yīng)力
取安全系數(shù)為，由計(jì)算公式計(jì)算得：
3.3.2.6確定載荷系數(shù)K
由載荷系數(shù)K的計(jì)算公式： (3-16)
由機(jī)械設(shè)計(jì)表得使用系數(shù),
由機(jī)械設(shè)計(jì)圖得動載系數(shù),
由機(jī)械設(shè)計(jì)表得齒間載荷分配系數(shù),
由機(jī)械設(shè)計(jì)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) 。
綜合各系數(shù)的值得出：
3.3.3 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(jì)算
分度圓： (3-17)
基圓直徑：mm (3-18)
齒全高： (3-19)
齒厚： (3-20)
分度圓中心距： (3-21)
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，，，。
3.3.5 齒根彎曲疲勞強(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)位于單對齒嚙合區(qū)最高點(diǎn)時。因此，齒根彎曲強(qiáng)度也應(yīng)該按載荷作用于單對齒嚙合區(qū)最高點(diǎn)來計(jì)算。以下便是對齒輪齒根的抗彎曲疲勞強(qiáng)度的校核過程。
由機(jī)械設(shè)計(jì)式（10-4）：對此齒輪進(jìn)行校核，由已知齒輪齒數(shù) ，查表，得出齒形系數(shù)及應(yīng)力校正系數(shù)分別為：，。
扇形齒輪的受力和小齒輪受力的大小是一樣的。
則 。
代入數(shù)據(jù)得：
所以。
即扇形齒輪的設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)要求。
3.3.6 齒輪接觸強(qiáng)度校核
可以由機(jī)械設(shè)計(jì)式校核接觸強(qiáng)度：
(3-22)
式中：
——嚙合齒面上嚙合點(diǎn)的綜合曲率半徑，
——彈性影響系數(shù)，。
對于標(biāo)準(zhǔn)齒輪，節(jié)圓就是分度圓，得
(3-23)
(3-24)
節(jié)點(diǎn)嚙合的綜合曲率： (3-25)
代入數(shù)據(jù)得：
得
查機(jī)械設(shè)計(jì)表得彈性影響系數(shù)
查機(jī)械設(shè)計(jì)圖10-21（d）得齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限
取
代入數(shù)據(jù)得：
由
所以扇形齒輪和小齒輪的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度均滿足強(qiáng)度要求。
3.4（Ⅰ）軸的設(shè)計(jì)
根據(jù)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該機(jī)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(jì)位于兩邊的軸。
3.4.1（Ⅰ）軸的結(jié)構(gòu)工藝性
在設(shè)計(jì)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(jì)時應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：
1.在保證零件都能裝配到應(yīng)有位置時，軸的臺階數(shù)越少越好，相鄰兩段的過度臺階應(yīng)滿足軸肩的要求。
2.軸的臺階應(yīng)能保證讓零件通過和順利裝拆及可靠定位。
3.軸端、軸頭、軸徑的端部都應(yīng)有倒角，當(dāng)軸上需開橫孔時，孔端也應(yīng)有倒角，一般用。
4.結(jié)構(gòu)尺寸，直徑、圓半徑、倒角、鍵槽等尺寸應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。
5.同一軸上各鍵槽、圓周半徑、倒角、中心孔等尺寸應(yīng)盡量取同樣尺寸。
必要時可以設(shè)置砂輪越程槽和退刀槽，以便于磨削加工或切制螺紋。
3.4.2（Ⅰ）軸的材料
根據(jù)工作要求可知此軸為傳動軸。
軸的材料主要是碳綱和合金鋼。鋼軸的毛坯多數(shù)用軋制圓鋼和鍛件，有的則直接用圓鋼。
由于碳鋼比合金鋼價(jià)廉，對應(yīng)力集中的敏感性較底，同時也可以用熱處理或化學(xué)處理的辦法提高其耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度，故用碳鋼制造軸優(yōu)先考慮，其中最常用的是45鋼。
合金鋼比碳鋼具有更高的力學(xué)性能和更好的淬火性能，但價(jià)格比較貴。因此傳遞大動力，并要求減少尺寸與重量，提高軸頸的耐磨性，以及處于高溫或低溫下的軸，常采用合金鋼。
必須指出：在一般工作溫度下（低于）時，各種碳鋼和合金鋼的彈性模量相差不多，因此在選擇鋼的種類和確定鋼的熱處理方法時，根據(jù)的是強(qiáng)度與耐磨性，而不是軸的彎矩或扭矩剛度。
但也應(yīng)當(dāng)注意，在即定條件下，有時也可以選擇強(qiáng)度較低的鋼材，而用適當(dāng)增大軸的截面面積的方法來提高軸的剛度。
根據(jù)以上可以選軸的材料選為45鋼。
3.4.3小齒輪軸上的受力
前面我們已經(jīng)求出作用在小齒輪上的力，同時這些力也作用在小齒輪軸上。
即：
3.4.4 計(jì)算軸的最小直徑
我們是按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件來計(jì)算軸的最小直徑，這種方法只按軸的扭矩來計(jì)算軸的強(qiáng)度：如果還受不大的彎矩時，則用降低需用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的方法予以考慮。在做軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，通常用這種方法來初步估算軸的直徑。對于不大重要的軸，也可作為最后的計(jì)算結(jié)果。軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為：
(3-26)
式中：
——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，；
——軸所受的扭矩，；
——軸的抗扭截面系數(shù)，；
——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，。
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表15-3 軸常用幾種材料的及值，得45號鋼的。
由軸的工作情況可知，安裝齒輪的軸所受的扭矩最大，其大小為：。
軸的抗扭截面系數(shù)為： (3-27)
由以上的公式得： (3-28)
代入數(shù)據(jù)得：
考慮軸上要安裝鍵，為安全起見，我們?nèi)。?
軸的最小直徑顯然在軸端安裝軸承處，為了使所選的軸直與軸承的孔徑相對應(yīng)，故需同時選取軸承型號。查機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊，由GB297-84，單列圓錐滾子軸承選取7622E。
3.4.5 確定軸的各段尺寸和長度
1.第一段用于安裝軸承和小齒輪，由上面的計(jì)算得出該端軸的直徑為110mm，由小齒輪寬200mm，查機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊得軸承的寬度為51.5mm，同時查出軸承擋圈和軸承端蓋的長度，總計(jì)為37mm，最后取該段軸的總長為337mm。
2.第二段只是在該段軸的右端安置一個軸承，同時配合型鋼的長度要求，我們?nèi)≡摱屋S的長為997mm，由于軸的定位肩的高度h一般取為（0.07～0.1）d，取軸的直徑為130mm。同時我們將與軸配合的軸承選取出來，查機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊，得出軸承選用27326E。
3.第三段用于安裝翻轉(zhuǎn)臺，長度取814mm，直徑取140mm。
4.第四段用于安裝聯(lián)軸器，取直徑為130mm，長度的選取根據(jù)后面的聯(lián)軸器的選取得出為212mm。
3.4.6聯(lián)軸器的選擇
由于機(jī)器啟動時的動載荷和運(yùn)轉(zhuǎn)中可能出現(xiàn)的過載現(xiàn)象，所以應(yīng)當(dāng)按軸上的最大轉(zhuǎn)矩作為計(jì)算轉(zhuǎn)矩，計(jì)算公式為：
(3-29)
式中：
——公稱轉(zhuǎn)矩，
——工作情況系數(shù)。
選取工況系數(shù)為，由軸上的轉(zhuǎn)矩為
得
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（GB4323-2002）選取LT12型聯(lián)軸器，該聯(lián)軸器的公稱轉(zhuǎn)矩 。從而，滿足設(shè)計(jì)要求。
又因?yàn)長T12型聯(lián)軸器的軸徑長為212mm，所以前面我們?nèi)〉谒亩屋S的長度為212mm。
3.4.7軸上零件的軸向定位
齒輪，半連軸器的周向定位均采用平鍵連接。由第一段的軸的直徑為110mm，由于鍵長不宜超過（1.6～1.8）d，所以取。查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表6—1查得平鍵截面，鍵槽用鍵槽銑刀加工，選取齒輪輪彀與軸的配合為。半連軸器選用平鍵為，半連軸器與軸的配合為。滾動軸承與軸的軸向定位是由過渡配合來保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為。
3.4.8確定軸上的圓角和倒角的尺寸
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》表15-2中零件倒角c與圓角半徑R的推薦值選出端倒角：，圓角為：。
3.4.9確定軸上的載荷
軸上的受力如圖所示：
由前面計(jì)算得：，
。
翻轉(zhuǎn)臺的總重：G=5492N。
各段的長度如圖所示。
3.4.9.1 求垂直面的受力
以a點(diǎn)為圓心取矩得：
(3-30)
求得：。
又由 得：
(3-31)
求得:
3.4.9.2求垂直面上的力
以a 點(diǎn)為圓心取矩得：
(3-32)
求得：
又由得：
(3-33)
得：。
3.4.9.3 軸的彎矩與扭矩圖
垂直面：
圖中：
(3-34)
(3-35)
水平面：
圖中：
。 (3-36)
總彎矩為：
(3-37)
總彎矩圖：
軸的扭矩圖為：
由總彎矩和扭矩圖可知，軸上最危險(xiǎn)的截面是a 面。
3.4.9.4 彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
這里只校核危險(xiǎn)截面a 的強(qiáng)度，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》以及上表中的數(shù)據(jù)，我們?nèi) ?
計(jì)算軸的a 點(diǎn)出的抗彎截面系數(shù)：
(3-38)
則，軸的計(jì)算應(yīng)力：
(3-39)
由于前面已經(jīng)選定軸的材料為45號鋼，調(diào)制處理。查表《機(jī)械設(shè)計(jì)》表15-1許用彎曲應(yīng)力MPa。
因此
故 設(shè)計(jì)符合要求。
3.5（Ⅱ）軸的設(shè)計(jì)
3.5.1 軸的結(jié)構(gòu)工藝性
該軸的結(jié)構(gòu)工藝性同翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的（Ⅰ）軸設(shè)計(jì)相同，在此不再贅述。
3.5.2軸的材料
該軸的材料同翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的（Ⅰ）軸設(shè)計(jì)相同，具體說明見翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（Ⅰ）軸的設(shè)計(jì)。
于是軸的材料選為45鋼。
3.5.3計(jì)算Ⅱ軸的轉(zhuǎn)矩
由前面計(jì)算齒輪的時候已經(jīng)知道，兩齒輪的傳動比為，由,即：。由，得：
3.5.4大扇形齒輪軸上的受力
前面我們已經(jīng)求出作用在小齒輪上的力，大扇形齒輪的受力和小齒輪的受力是大小相等，方向相反。同時大扇形齒輪上的受力作用在Ⅱ軸上。即
3.5.5計(jì)算軸的最小直徑
我們是按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件來計(jì)算軸的最小直徑，這種方法只按軸的扭矩來計(jì)算軸的強(qiáng)度：如果還受不大的彎矩時，則用降低需用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的方法予以考慮。在做軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，通常用這種方法來初步估算軸的直徑。對于不大重要的軸，也可作為最后的計(jì)算結(jié)果。軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為：
(3-40)
式中：
——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，；
——軸所受的扭矩，；
——軸的抗扭截面系數(shù)，；
——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，。
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表15-3 軸常用幾種材料的及值，得45號鋼的。
由軸的工作情況可知，安裝齒輪的軸所受的扭矩最大，其大小為：。
軸的抗扭截面系數(shù)為： (3-41)
由以上的公式得：
代入數(shù)據(jù)得：
考慮軸上要安裝鍵，為安全起見，
我們?nèi)。篸=200mm
3.5.6確定軸的各段尺寸和長度
1.第一段用于安裝曲柄，由曲柄的寬為157mm，曲柄外的軸端倒角為3mm，前面計(jì)算得知該段軸的直徑為200mm。最后取該段軸的總長為160mm。
2.第二段用于安裝軸承，由于軸的定位肩的高度一般取為，取軸的直徑為220mm。同時我們將與軸配合的軸承選取出來，查機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊，由GB297-84查得圓錐滾子軸承選用7534E，同時查出該軸承的寬度為，軸承端蓋的長度為和軸肩擋圈的長度為，擋圈要突出兩端的軸肩各，最后我們?nèi)〉诙碎L為。
3.第三段用于安裝齒輪，軸徑為200，齒輪的寬為。由第二段的擋圈突出，軸肩擋圈長為，同時軸肩擋圈在左端突出。最后該段的長度取為。
4.第四段用于安裝軸承，取軸的直徑為180mm，查機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊，由圓錐滾子軸承取，同時查得該軸承的寬為，由第三段的擋圈突出，軸端的倒角取，最后取該段軸長為。
3.5.7軸上零件的軸向定位
齒輪，曲柄的周向定位均采用平鍵連接。由第一段的軸的直徑為200mm，由于鍵長不宜超過，所以取l=140mm。查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表6—1查得平鍵截面，鍵槽用鍵槽銑刀加工，選取曲柄與軸的配合為。齒輪安裝同樣是用平鍵連接，取該段的鍵長為，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表6—1查得平鍵截面，加工通曲柄處的鍵一樣。滾動軸承與軸的軸向定位是由過渡配合來保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為。
3.5.8確定軸上的圓角和倒角的尺寸
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》表15-2中零件倒角c與圓角半徑R的推薦值選出軸端倒角：，圓角為：。
3.5.9確定軸上的載荷
軸上的受力如圖所示：
由前面計(jì)算得：，
。
在計(jì)算液壓缸時，我們已經(jīng)算出F=250000N。
各段的長度如圖所示。
3.5.9.1 求垂直面的受力
其受力圖為：
以b點(diǎn)為圓心取矩得：
(3-42)
求得：。
又由 得：
(3-43)
求得。
3.5.9.2求水平面上的力
受力圖為：
以 b 點(diǎn)為圓心取矩得：
(3-44)
求得：，
又由得：
(3-45)
得：。
3.5.9.3 軸的彎矩與扭矩圖
垂直面：
圖中：
(3-46)
(3-47)水平面：
圖中：
(3-48)總彎矩為：
(3-49)
(3-50)總彎矩圖：
軸的扭矩圖為：
由總彎矩和扭矩圖可知，軸上最危險(xiǎn)的截面是b 面。
3.5.9.4 彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
這里只校核危險(xiǎn)截面b 的強(qiáng)度，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》以及上表中的數(shù)據(jù)，我們?nèi) ?
計(jì)算軸的b點(diǎn)出的抗彎截面系數(shù)：
(3-51)
則，軸的計(jì)算應(yīng)力：
(3-52)
由于前面已經(jīng)選定軸的材料為45號鋼，調(diào)制處理。查表《機(jī)械設(shè)計(jì)》表15-1許用彎曲應(yīng)力MPa。
因此
故 設(shè)計(jì)符合要求。
3.5.10平鍵的校核
曲柄和軸的連接方式時平鍵連接，在整個機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中此處鍵的要求最高，屬于最危險(xiǎn)的鍵。
平鍵連接的強(qiáng)度校核：
鍵的主要失效形式是工作面被壓潰。除非有嚴(yán)重過載，一般不會出現(xiàn)鍵的剪短。因此，通常只按工作面上的擠壓應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。
假定載荷在鍵的工作面上均勻分布，普通平鍵連接的強(qiáng)度條件為：
(3-53)
式中：
：傳遞的轉(zhuǎn)矩，；
：鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，，此處為鍵的高度，；
：鍵的工作長度，，圓頭平鍵，平頭平鍵，這里為鍵的公稱長度，；為鍵的寬度，；
：軸的直徑，；
：鍵，軸，輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力，。
代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》表6-2 鍵連接的許用擠壓應(yīng)力，查出。
可知：
則，該鍵符合設(shè)計(jì)要求。
經(jīng)校核，該機(jī)構(gòu)其它的鍵也符合設(shè)計(jì)要求。
第4章 經(jīng)濟(jì)性分析
當(dāng)今的世界是科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展的世界，第一次、第二次工業(yè)工業(yè)革命的相繼爆發(fā)使世界的各個行業(yè)都得到了飛速的發(fā)展。機(jī)械和電子相結(jié)合的機(jī)械電子工業(yè)尤為突出，在后來人們把一個國家機(jī)械工業(yè)的發(fā)展程度當(dāng)作衡量一個國家現(xiàn)代化建設(shè)水平的主要標(biāo)志。這種說法是有一定的道理的，因?yàn)楣I(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和科學(xué)技術(shù)的現(xiàn)代化程度，都會通過機(jī)械工業(yè)的發(fā)展程度反映出來。人們所以要廣泛的使用機(jī)器，是由于機(jī)器既能夠承擔(dān)人力所不能或不便進(jìn)行的工作，又能較人工生產(chǎn)改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量，特別是能夠大大提高勞動生產(chǎn)率和改善勞動條件。同時，不論是集中進(jìn)行大量生產(chǎn)還是迅速完成多品種、小批量生產(chǎn)，都只有使用機(jī)器才便于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化，尤其是便于實(shí)現(xiàn)高度的機(jī)械化、電氣化和自動化。因此，機(jī)械工業(yè)肩負(fù)著為國民經(jīng)濟(jì)各個部門提供技術(shù)裝備和促進(jìn)技術(shù)改造的重要任務(wù)，在現(xiàn)代化的進(jìn)程中起著主導(dǎo)和決定性的作用。所以通過大量設(shè)備制造和廣泛使用各種各樣先進(jìn)的機(jī)器，就能大大加強(qiáng)促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的力度，加速我國的社會主義現(xiàn)代化建設(shè)。
第5章 結(jié)論
型鋼堆垛機(jī)是軋鋼工廠眾多生產(chǎn)平臺中的最后一個生產(chǎn)平臺。如果堆垛型鋼的效率低，將直接影響到整個軋鋼工廠的生產(chǎn)的效率，簡單的說假設(shè)一個軋鋼工廠每天能軋鋼百噸，可打捆的輸送鋼僅是1噸，可以想象這個軋鋼工廠的效益是怎么樣的。在該設(shè)計(jì)中針對20槽鋼詳細(xì)的闡述了型鋼堆垛機(jī)的總體設(shè)計(jì)、撥鋼機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和整個型鋼堆垛機(jī)的PLC自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
該設(shè)計(jì)是針對過去人工堆垛和繼電器控制型鋼堆垛機(jī)的生產(chǎn)效率低、堆垛質(zhì)量差和生產(chǎn)成本高等缺點(diǎn)，以及型鋼堆垛機(jī)手動控制中各部分聯(lián)接情況差等缺點(diǎn)而進(jìn)行的設(shè)計(jì)。首先，利用型鋼堆垛機(jī)完成成型鋼材的堆垛打捆，對