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在換熱情況下減少管與管發(fā)生熱傳遞的方法 Somchai WongwisesChi-Chuan Wang著，陳翔譯 摘要：這項(xiàng)研究提出了一個(gè)新方法，即在換熱情況下，分析管板換熱器在完全工作情況下管與管之間的工作狀態(tài)，在公開的文獻(xiàn)里很少見到關(guān)于傳質(zhì)系數(shù)方面的記載，在充滿濕空氣情形下，人們發(fā)現(xiàn)在焓傳熱性能和傳質(zhì)性能不受進(jìn)口濕空氣的改變而受影響，不象以前的實(shí)驗(yàn)都在干燥的情況下完成，在進(jìn)行換熱時(shí)，焓傳熱性能不是依賴于板的設(shè)計(jì)，傳熱和傳質(zhì)性能之比在0.6~1.0范圍內(nèi)，而且這個(gè)比率不受板間隔最小雷諾數(shù)改變的影響，當(dāng)雷諾系數(shù)足夠高的時(shí)候，板間距輕微的改變都會(huì)影響比率，由于冷凝物被水蒸汽移動(dòng)所帶來(lái)的顯著影響，金屬板構(gòu)造的熱量和質(zhì)量性能要求被描敘，這些情況表敘如下：Chilton占89%，Colburnj傳熱因素在15%以內(nèi)，和Chilton.Colburn相關(guān)的81%傳質(zhì)因素在20%以內(nèi)。 關(guān)鍵字：管板換熱器 干燥 傳熱性能 傳質(zhì)性能 命名法： 板的表面積 總表面積 · 管的內(nèi)部表面積 管的外部表面積 內(nèi)外管溫度的飽和曲線 平均水溫和管壁溫度 板表面水溫度的飽和曲線 管表面水溫度的飽和曲線 濕空氣定壓比熱 水定壓比熱 管的外徑 管的內(nèi)徑 管內(nèi)水摩擦因素 修正因素 最小流程內(nèi)混合物的最大流速 傳熱系數(shù) 傳質(zhì)系數(shù) 內(nèi)部傳熱系數(shù) 外部板的總傳熱系數(shù) 第一類貝塞耳系數(shù) 空氣焓 進(jìn)口空氣焓 平均空氣焓 出口空氣焓 平均焓 進(jìn)口溫度空氣焓 平均水溫的空氣焓 出口溫度的空氣焓 板平均水溫的空氣焓 板表面溫度的空氣焓 管內(nèi)平均水溫的平均溫度焓 管外平均水溫的平均溫度焓 霧點(diǎn)的焓 板表面的霧點(diǎn)平均焓 傳熱因素 傳質(zhì)因素 第二類解決方法 第一類解決方法 板的導(dǎo)熱性 水的導(dǎo)熱性 管的導(dǎo)熱性 管長(zhǎng) 空氣流量 水流量 管排數(shù) 壓力 管縱向間距 普朗特常數(shù) 管的橫向間距 傳熱率 空氣邊傳熱率 平均傳熱率 總傳熱率 水邊傳熱率 傳熱特性與傳質(zhì)特性的比率 相對(duì)濕度 板底到中心的距離 內(nèi)徑雷諾數(shù) 外徑雷諾數(shù) 施密特常數(shù) 板間距 空氣溫度 水溫度 霧點(diǎn)平均溫度 內(nèi)管平均溫度 外管平均溫度 水平均溫度 板厚度 總傳熱系數(shù) 平均速度 濕空氣的濕氣比率 平均濕氣比率 外管平均濕氣飽和率 板因素 散熱片效率 動(dòng)態(tài)黏度 質(zhì)量密度 1：介紹：在空調(diào)系統(tǒng)與冷藏系統(tǒng)中換熱最廣泛地采取管板相結(jié)合的方式，換熱器 往往用于冷凝器和蒸發(fā)器中，蒸發(fā)器的板最廣泛的用鋁板制作，其表面溫度一般在露 點(diǎn)溫度之下，結(jié)果，熱量和質(zhì)量的傳遞同時(shí)發(fā)生在板的表面上，總之，在干燥情況下， 管板換熱器間復(fù)雜的的濕空氣流程使得做理論模仿非常的困難，所以，它必須在實(shí)驗(yàn) 中獲得。在換熱情況下，許多關(guān)于管板換熱器的研究實(shí)驗(yàn)已經(jīng)完成，例如：關(guān)于介紹 管板換熱器的McQuiston[11.12]實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，大家都了解的濕表面和干燥表面都相關(guān)的 傳熱和摩擦影響，Mirth和Ramauhgyani[13.14]研究關(guān)于換熱器的熱量與質(zhì)量特性， 他們的研究表明。入口露點(diǎn)溫度的改變使Nusselt很劇烈的改變，Nusselt減少和露點(diǎn) 溫度的增加，F(xiàn)U[7]也提出了在干燥的換熱器中有一個(gè)板結(jié)構(gòu)，他們的報(bào)告提出在合 適的溫度下，傳熱系數(shù)會(huì)隨著入口相對(duì)濕度增加而明顯下降，相比之下，Seshimo的 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：Nusselt的入口條件是相對(duì)獨(dú)立的，Wang[23]研究了在干燥情況下， 散熱片間距.管列數(shù)和入口相對(duì)濕度對(duì)傳熱的影響，得出合適的傳熱相對(duì)于獨(dú)立于入 口濕度，現(xiàn)有的文獻(xiàn)的差別歸因于不同的還原方法。雖然對(duì)馬口鐵進(jìn)行很多的研究， 為設(shè)計(jì)師區(qū)分管板換熱器提供的信息非常的有限，這可以由報(bào)告數(shù)據(jù)主要集中在對(duì)傳 熱特性的研究，而很少對(duì)傳質(zhì)系數(shù)的研究來(lái)解釋，因此，現(xiàn)今的研究的目的是提供更 多的.系統(tǒng)的有關(guān)傳質(zhì)的實(shí)驗(yàn)信息，并提出確定在干燥環(huán)境下，管板換熱器的空氣端 活動(dòng)的新的還原方法，管板空間和入口相對(duì)濕度對(duì)傳質(zhì)特性在研究中也涉及到。 2：實(shí)驗(yàn)設(shè)備 空氣環(huán)路實(shí)驗(yàn)圖如圖1所示，它由離心式鼓風(fēng)機(jī)（7.46Kw 10Hp）造成的空氣閉環(huán) 風(fēng)洞組成，輸氣管是由渡鋅的鋼板于850mm*550mm的橫截面組成，進(jìn)氣口的干燥球部分和濕部溫度是由空氣通風(fēng)筒所控制的，空氣流通率 測(cè)量是由出口限制和多噴管組成的，這是愛ASHRAE41.2基礎(chǔ)上設(shè)定的，測(cè)量不同的噴管處壓力用不同的壓力變換裝置，在換熱器進(jìn)口與出口區(qū)域的空氣濕度是在建立在ASHRAE41.1的兩個(gè)測(cè)冷裝置測(cè)量的。 工作介質(zhì)和管邊都是水，恒溫是由提供設(shè)置溫度的冷水所控制的，水里的水溫是 由兩個(gè)RTD裝置測(cè)量的，水容率是由精度為0.001L/SZ裝置測(cè)量的，所以溫度是 由溫度阻抗裝置測(cè)量，其誤差為0.05度，在實(shí)驗(yàn)中，唯一令人感到滿意的是 ASHRAE33~78[1]，在最后的分析里提到，管板換熱器的詳細(xì)情況被制成表1L型 圈和管板換熱器測(cè)試緊緊相關(guān)，進(jìn)口空氣的實(shí)驗(yàn)條件如下，不確定性報(bào)告， Moffat[15]分析被制作成表2。 3 數(shù)據(jù)分析 3.1熱傳遞系數(shù) 基本上當(dāng)前的分析方法是根據(jù)Threlkeld[20]提出的，對(duì)于最初的Threlkeld方法的一些重要數(shù)據(jù)如下：被用語(yǔ)計(jì)算總的傳熱率的平均表達(dá)式為： 全部的傳熱系數(shù)是以Vo,w為基礎(chǔ)的，依下列如： 依照Bump和Myers[16]，對(duì)于流程結(jié)構(gòu)，平均焓為 在Eq.4里是未混合其他雜物結(jié)構(gòu)的訂正因素，全部的傳熱系數(shù)被涉及到抗熱性[16]，如下： 雷諾數(shù)被用于Eq.10和Eq.11是基于直徑為1的水管上的，在所以的情況下，水邊的運(yùn) 動(dòng)遠(yuǎn)少于全部運(yùn)動(dòng)的10%，在Eq.8中有4個(gè)量（b`w.p和b`w.m和b`p和b`m）他們包含焓 ——溫度的比率，b`p和b`r能被看作 b`w.p和b`w.m的價(jià)值是飽和的焓曲線被外在的低估了，在粗糙的表面和板面，沒有 b`w.p的損失能接近飽和的焓曲線，在低表面溫度測(cè)量[23]下，板效率是以焓的不同為 基礎(chǔ)的，由Threlkeld[20]得到is.fm是在低的飽和空氣焓溫度和is.fb是飽和空氣焓在以 板為基礎(chǔ)的溫度，焓的使用率一樣，單一的板效率如Kandlikar所舉例[10]一樣， 然 而濕板效率的最初提出是Threlkeld[20]給的直板結(jié)構(gòu)，對(duì)于一個(gè)圓板其效率為： 換熱器的測(cè)試如圖3所示 因此，對(duì)應(yīng)板效率被看作圓板來(lái)計(jì)算，在圖中描敘了b`w.m需要實(shí)驗(yàn)與錯(cuò)誤的程序， is.wm必須計(jì)算如下： 解決熱傳遞的系數(shù)，管與管，排與排的計(jì)算方式如下： 1基于測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算總傳熱效率 2 所以的ho.c因素 3 計(jì)算傳熱效率的方法 3.1邊傳熱效率 3.2 出口空氣焓 3.3 計(jì)算ia.m 3.4 Tp.i.m 和 Tp.o.m 3.6 Tw.m 3.7 計(jì)算nf.m 3.8 uo 3.9 is.w.m 3.10 Tw. N是is.w.m 3.11 如果Tw.m在3.10是不相等的，那在3.6假設(shè)，計(jì)算3.5與3.13，將 會(huì)于Tw.m重復(fù)，直到Tw.m為常數(shù)。 3.12 計(jì)算部分Q 3.13 計(jì)算Tp.i.m和 Tp.o.m對(duì)流傳熱和加強(qiáng)傳熱效率 3.14 如果Tp.i.m和 Tp.o.m在3.13不相等，在3.4假設(shè)，計(jì)算3.5和 3.13，將會(huì)與Tp.i.m和 Tp.o.m一起重復(fù)，直到Tp.i.m和 Tp.o.m是持續(xù) 的， 3.15 計(jì)算Eq1空氣汗和出口水溫 4 如果Q的總和Qtotai不相等，ho.c將會(huì)被假定新的值與計(jì)算方式直到相等。 3.2 傳質(zhì)系數(shù) 對(duì)于冷而且非常濕的表面同時(shí)包括熱傳遞，可以被描敘為Threlkeld[20] R對(duì)普遍傳熱特性有可以比較的特性。 對(duì)于管板換熱器Eq.18不能正確的表達(dá)換熱情況，這是因?yàn)榈偷娘柡涂諝忪试诎灞砻娌煌骄鶞囟葹榛A(chǔ)的，這方面，程序修改為一個(gè)對(duì)圓板符合，得出以下各項(xiàng)干燥能源表達(dá)式 傳熱用第二個(gè)指示，水的潛熱為： 由此得出傳熱和傳質(zhì)比R被一個(gè)運(yùn)算公式作為Eq.22，可以獲得良好的傳質(zhì)性能。 3.3 熱量和質(zhì)量傳遞因素 在換熱器中，傳熱與傳質(zhì)特性被表達(dá)如下： 4 結(jié)果與討論 板的傳熱表現(xiàn)和換熱器根據(jù)叁數(shù) j, 施加給板的影響力的測(cè)試的一個(gè)典型的情形如圖 5所示。 在這里, 現(xiàn)在減少管的結(jié)果被有 N 一 2 的 Threlkeld 方法所顯示。 因?yàn)闊醾鬟f，來(lái)自兩方法的減少結(jié)果的表現(xiàn)幾乎是相同的。 這因?yàn)楝F(xiàn)在的管-被-管方式起于 Threlkeld 方法。 從結(jié)果所示，板的熱傳遞表現(xiàn)是相對(duì)地沒有表現(xiàn)出來(lái)的。 這一現(xiàn)象相當(dāng)不同于在完全干的情況先完成的[22] 和 [17], 熱傳遞的表現(xiàn)不依賴板，當(dāng) N>_4， 在完全干燥的情況操作。 然而, 對(duì)于 N 一 1 或 2, [21] 顯示熱傳遞表現(xiàn)為板間隔的增加而降低。 當(dāng)雷諾數(shù)<5,000. [21] 解釋為 Saboya 和實(shí)驗(yàn)觀察為基礎(chǔ)的結(jié)果 naphthalene 實(shí)驗(yàn) 18]和換熱器。 他們的結(jié)果指出邊界是最重要的因素, 然而流程慣性的效果發(fā)生是由較高的雷諾數(shù)字控制。 因此, 對(duì)于完全干的表面, 板的效果減少為雷諾數(shù)>5,000. 和板的減少的熱傳遞表現(xiàn)增加更加明顯。 這一種現(xiàn)象為 N <2, 而且是為 N 一 1 被發(fā)現(xiàn)的 espedally. 相反地，現(xiàn)在明顯的熱傳遞表現(xiàn)對(duì)于 N 一 1 和 2 展現(xiàn)的對(duì)于板間隔的變化的沒有顯著的影響。 顯然地，結(jié)果被歸因于在干燥情況下的濃縮物的出現(xiàn)。這是因?yàn)闈饪s物為氣流式樣而改變,粗糙的板表面提供較好的氣流的混合效果。結(jié)果，板的影響適當(dāng)?shù)乇粶p少。這一種現(xiàn)象就像是使用可提高的板表面在完全干的情況。 為可提高的表面粗糙程度 ,[5] 和其他人關(guān)于板的報(bào)告的可以忽略。 因?yàn)楦稍锏?N 一 1 或者 2 移動(dòng)表現(xiàn)被稱如沒有限制的j因素， 因?yàn)闃悠?5 和 10 號(hào)在圖 6 被列舉， 濕空氣對(duì)換熱器的熱傳遞的影響最初由Threlkeld 方法提出，典型的比較現(xiàn)在的和那之間的特性。 產(chǎn)生使用現(xiàn)在的管與管方法出示 inletrelative 濕氣的相對(duì)影響較小。 這對(duì)1排和2排結(jié)構(gòu)是可以適用的。 相反地，對(duì)于最初 Threlkeld 方法的減少的結(jié)論，有關(guān)熱傳遞表現(xiàn)的20-40%增加到當(dāng)之前的濕氣從 50-90% 被增加的進(jìn)入物.對(duì)于熱轉(zhuǎn)移表現(xiàn), 如之前的所述, 進(jìn)入物的濕氣混合效果幾乎可以忽略不計(jì)，熱傳遞表現(xiàn)方面的影響也是很小的。 適用于Threlkeld 方法的最初程序和獨(dú)有的主要表面的效果，結(jié)果誤差正在略微減少。 現(xiàn)在的管與管之間是更適當(dāng)?shù)某^(guò)在熱傳遞系數(shù)方面在完全濕的情況 Threlkeld 方法的最初表現(xiàn)。 Threlkeld 方法和現(xiàn)在的方法之間的結(jié)果以熱傳遞率增加表現(xiàn)。 這能從圖 7 被清楚地表達(dá)出來(lái)， 由Threlkeld方法和現(xiàn)行方法中樣品的入口相對(duì)濕度對(duì)j的影響 正如圖7所見的 1000，在這兩種方法之間，這個(gè)結(jié)果偏離較小值，更為重要的是，當(dāng) 1000時(shí)，對(duì)現(xiàn)行方法而言，入口濕度的影響可以忽略，盡管如此，我們應(yīng)該注意到當(dāng) 1000時(shí)，RH=50%時(shí)，傳質(zhì)系數(shù)的顯著上升，這和在水蒸氣沿表面冷凝提高更多的空間的較高的下放出冷凝液是分不開的，這個(gè)現(xiàn)象隨著排除冷凝液管列被隨后管列堵塞的樹木的上升而消減，干燥過(guò)程包含加熱和傳質(zhì)之間的類推就比較方便了，這種類推的存在就是因?yàn)橐后w中的傳導(dǎo)和擴(kuò)散是由數(shù)字恒等式的自然定律控制的，因此，對(duì)空氣，水蒸氣的混合，的比值通常等于1的，即。 在等式19中的形式可近似為像接近大氣壓的水蒸氣一樣的稀釋單元，等式26的正確性依賴與傳質(zhì)率，Hong和Webb[9]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明這個(gè)值在0.7到1.1之間，Seshi等人[19]給出的是1.1Eckels和Rabas[6]也得出了相似的值1.1到1.2，因?yàn)樗麄儗?duì)管板換熱器的測(cè)試結(jié)果有簡(jiǎn)單的版面幾何，已提及的研究都表明了等式26的可用性。在現(xiàn)今研究中，我們應(yīng)該注意到的值大多在0.6到1.0之間。 最初的Threlkeld方法與現(xiàn)行的行列和管列方法有兩點(diǎn)不同， 首先，當(dāng)采用Threlkeld方法時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大偏差，這和Threlkeld方法中入口溫度的顯 著影響有關(guān)，對(duì)現(xiàn)今的簡(jiǎn)化方法，這個(gè)比值在表面全濕時(shí)對(duì)入口溫度的影響不太敏感， 其次，簡(jiǎn)化后的方法說(shuō)明的比值隨雷諾數(shù)有微小下降，而原始的方法 顯示的是相反的趨勢(shì)，前一節(jié)中已提及，隨著入口流動(dòng)慣性的增加，冷凝液可通過(guò)進(jìn) 一步的排放提更多空間輕易出除，此狀況在板間距減少時(shí)更為嚴(yán)重，此條件下，冷凝 液的去除在流動(dòng)慣量較大時(shí)，一旦滯留現(xiàn)象消失，有助與大大改善傳質(zhì)。 因此，可見的值隨著板間距有微減，如圖8所示 管列數(shù)為1時(shí)的板間距對(duì)R的影響 值得注意的是此種影響只在雷諾數(shù)足夠大時(shí)才成立，這和較高的流動(dòng)率會(huì)增加蒸汽切應(yīng)力有關(guān)，相反的，板間距對(duì)此值的影響在較低雷諾數(shù)下相對(duì)小，很明顯，單一曲線無(wú)法描述和的復(fù)雜特性，這能從實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù) (300< Re<5500) 的圖 7 被清楚地表達(dá), ih 和 i 的相互關(guān)系為： 如圖10,11,和12所示, 27 能在 15% ，里面描述 88.9% 的 jh 因素。 28 能使有相互關(guān)系 81.2% 的 j 在 20%以內(nèi)和里面的因素。 29 能使有相互關(guān)系 h 的 85.5% 在 20% 里面 4. 結(jié)論 這一項(xiàng)研究是調(diào)查管板換熱器的傳熱和傳質(zhì)特性，由以前的結(jié)論得出現(xiàn)在的結(jié)論： 1 分析管的Threlkeld方法在研究中去檢驗(yàn)，對(duì)于空氣完全濕的情況下，它是為兩者的傳質(zhì)和傳熱性能發(fā)生改變，即外物對(duì)傳質(zhì)性能的影響。 2 在完全干燥情況下，板的傳熱能力是相對(duì)獨(dú)立的，這是因?yàn)橥馕锔淖兛諝夂?，即更適合換熱器的混合特性。 3傳熱和傳質(zhì)性能之比在0.6~1.0范圍內(nèi)，在版的雷諾數(shù)高時(shí)，很明顯影響傳熱比。 4 相關(guān)板的結(jié)構(gòu)為Chilton占89%，Colburnj傳熱因素在15%以內(nèi)，和Chilton.Colburn相關(guān)的81%傳質(zhì)因素在20%以內(nèi)。 1. 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Int J Heat Mass Transfer 42:1945-1956 長(zhǎng)江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書 學(xué)院（系）機(jī)械工程學(xué)院專業(yè)過(guò)程裝備與控制工程班級(jí) 裝備901 學(xué)生姓名 陳 翔 指導(dǎo)教師/職稱 眭滿倉(cāng)/副教授 1. 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目： 管板機(jī)械制造工藝及鉆加工動(dòng)力頭設(shè)計(jì) （論文）起止時(shí)間：2013 年3 月　 日～2013 年6 月　10 日 2．畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)所需資料及原始數(shù)據(jù)（指導(dǎo)教師選定部分） 加工對(duì)象：管板零件，相關(guān)要求見圖樣。 加工能力：3000 件/年 工裝要求：能適應(yīng)不同規(guī)格的可調(diào)式工裝 [1]《金屬機(jī)械加工工業(yè)人員手冊(cè)》　《金屬機(jī)械加工工業(yè)人員手冊(cè)》修訂組（上?？茖W(xué)技術(shù)出版社） [2]《機(jī)械制造工藝與機(jī)床夾具》　劉守勇　主編（機(jī)械工業(yè)出版社） [3]《機(jī)床夾具設(shè)計(jì)》　王秀倫、邊文義、張運(yùn)祥　編著（中國(guó)鐵道出版社） [4]《機(jī)床夾具設(shè)計(jì)》 王啟平　著（ 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社） [5]《機(jī)械制造工藝學(xué)》　王先逵　主編（機(jī)械工業(yè)出版社） [6]《機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 》盧耀祖、鄭惠強(qiáng)　著（同濟(jì)大學(xué)出版社） [7]專用夾具的設(shè)計(jì)方法（上）林曉磊、宋若峰　山東機(jī)械　2004年第03期 [8]專用夾具的設(shè)計(jì)方法（下）林曉磊、宋若峰　山東機(jī)械　2004年第03期 [9]機(jī)床夾具的設(shè)計(jì)　李青　機(jī)械工程與自動(dòng)化　2004年第06期 [10]專用加工設(shè)備夾具的設(shè)計(jì)與應(yīng)用　李衛(wèi)民　大眾科技　2005年第11期 3．畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)應(yīng)完成的主要內(nèi)容 1）國(guó)內(nèi)外盤類零件加工工藝設(shè)計(jì)及工裝設(shè)計(jì)發(fā)展情況 2）工藝方案設(shè)計(jì)； 3）主要工裝方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 4）夾緊力計(jì)算； 5) 相關(guān)圖樣繪制。 4．畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)的目標(biāo)及具體要求 設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書一份 工藝文件一份 全部設(shè)計(jì)圖樣一份，裝配圖和主要零件圖 外文翻譯一份 6、完成畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)所需的條件及上機(jī)時(shí)數(shù)要求 計(jì)算機(jī)繪制相關(guān)設(shè)計(jì)圖樣 200機(jī)時(shí) 任務(wù)書批準(zhǔn)日期 年 月 日 教研室(系)主任(簽字) 任務(wù)書下達(dá)日期 年 月 日 指導(dǎo)教師(簽字) 完成任務(wù)日期 年 月 日 學(xué)生（簽名） 長(zhǎng)江大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告 題 目 名 稱 500mm浮頭式換熱器浮動(dòng)管板工藝夾具設(shè)計(jì) 院 （系） 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè) 班 級(jí) 裝備10901班 學(xué) 生 姓 名 陳 翔 指 導(dǎo) 教 師 眭 滿 倉(cāng) 輔 導(dǎo) 教 師 眭 滿 倉(cāng) 開題報(bào)告日期 2013年4月19日 500mm浮頭式換熱器浮動(dòng)管板工藝夾具設(shè)計(jì) 學(xué) 生： 陳翔 長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 指導(dǎo)老師：眭滿倉(cāng) 長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 1 題目來(lái)源 生產(chǎn)實(shí)踐。 2 研究目的和意義 夾具設(shè)計(jì)是產(chǎn)品開發(fā)環(huán)節(jié)中的重要活動(dòng) ,計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)以及裝夾自動(dòng)規(guī)劃已成為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design ,CAD）/計(jì)算機(jī)輔助制造（Computer Aided Manufacturing,CAM） 集成的重要組成部分 ,在柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)中起十分關(guān)鍵的作用。近年來(lái) ,國(guó)內(nèi)外在夾具自動(dòng)設(shè)計(jì)以及柔性?shī)A具設(shè)計(jì)領(lǐng)域進(jìn)行了不少研究 ,取得了一些富有成效的成果 ,如文獻(xiàn)[1]提出了一個(gè)適用于棱柱形零件定位方法的枚舉算法;文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]提出了定位方案的幾何分析和精度夾緊可及性分析方法;文獻(xiàn)[4]根據(jù)工件的幾何與拓?fù)湫螤罱⒘舜_定工件定位面和定位點(diǎn)的規(guī)則;文獻(xiàn)[5]提出了一系列對(duì)夾具設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)規(guī)則 ,研制了夾具構(gòu)型設(shè)計(jì)的專用軟件;文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]提出了利用連桿曲線求交原理和擴(kuò)展的 3 - 2 - 1 規(guī)則 ,確定工件全部定位方案的方法;此外 ,人工智能[8 - 9]和專家系統(tǒng)也廣泛應(yīng)用到組合夾具的設(shè)計(jì)中，然而 ,目前的研究大部分集中在定位方案的規(guī)劃與設(shè)計(jì)方法上 ,對(duì)組合夾具夾緊方案自動(dòng)規(guī)劃方法的研究則涉及較少。 成組夾具技術(shù)是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助工藝過(guò)程設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）和柔性制造系統(tǒng)等方面的技術(shù)基礎(chǔ).為進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展 ,許多學(xué)者和專家正在積極從事成組夾具技術(shù)基本理論及其應(yīng)用方面的研究工作.零件分類編碼系統(tǒng)、零件分類成組方法和計(jì)算機(jī)輔助編碼、分類、工藝設(shè)計(jì)、零件設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理軟件等系統(tǒng)的研究開發(fā) ,將是今后成組夾具技術(shù)研究開發(fā)的重點(diǎn)課題.成組夾具技術(shù)作為一門綜合性的生產(chǎn)技術(shù)科學(xué) ,已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)和集成制造系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ).可以相信 ,隨著它的應(yīng)用推廣和科研工作的持續(xù)開展 ,成組夾具技術(shù)必將對(duì)我國(guó)制造業(yè)水平的提高發(fā)揮重要的作用. 3 閱讀的主要參考文獻(xiàn)及資料名稱 [1] 　BROST R C, GOLDBERG K Y1A complete algorithm for designing planar fixtures using modular components[J ]1IEEE Transaction on Robotics and Automation ,1996 ,12 1 :31 -461 [2] 　WU Y, RONG Y, MA W, et al1Automated modular fixture planning:geometric analysis[J ]1Robotics and Computer Integrated Manufacturing ,1998 ,14 1 :1 - 151 [3] 　WU Y, RONG Y, MA W, et al1Automated modular fixture planning: accuracy , clamping , and accessibility analysis[J].Robotics and Computer - Integrated Manufacturing,1998 ,14 1 :17 - 261 [4] 　CECIL J. 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提出的夾具設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)規(guī)則，可以對(duì)定位精度，夾緊穩(wěn)定性和干涉檢查等進(jìn)行分析[11]熊蔡華等；利用形封閉理論對(duì)夾具的質(zhì)量進(jìn)行分析[12]苗恩銘等；認(rèn)為溫度對(duì)夾具設(shè)計(jì)有影響，主張夾具設(shè)計(jì)的基本原則應(yīng)根據(jù)具體情況給予一定[13]陳薇等；對(duì)夾具規(guī)劃設(shè)計(jì)中的映射進(jìn)行研究，給出了制造特征與夾具特征間特征映射的具體實(shí)現(xiàn)方的調(diào)整法[14]康秀梅等；提出夾具三維定位誤差的計(jì)算機(jī)輔助分析方法，運(yùn)用矩陣計(jì)算工件的定位誤差，建立了加工精度的數(shù)學(xué)模型[15]融亦鳴等；對(duì)自動(dòng)夾具設(shè)計(jì)的裝夾表面影響性進(jìn)行分析，建立了裝夾表面影響性模型。 國(guó)外的研究現(xiàn)狀 夾具的設(shè)計(jì)包括三個(gè)步驟:設(shè)備規(guī)劃、夾具規(guī)劃和夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。目前 ,Joneja 以及 Ferreira 等人在進(jìn)行 CAPP方面的研究中對(duì)設(shè)備規(guī)劃有詳細(xì)論述。計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì) CAFD 就夾具方面也作了一些工作:ChouYC,ChandruV 等人提出的自動(dòng)夾具定位和夾緊的一種方法;DeMeterEC 提出的利用機(jī)械杠桿原理進(jìn)行定位和夾緊位置選擇的一種算法;MarkusA 等人提出的針對(duì)棱柱形工件進(jìn)行組合夾具設(shè)計(jì)的基于規(guī)則的系統(tǒng)。目前 ,關(guān)于工件夾具的自動(dòng)化配置方面的工作 ,自動(dòng)夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) AFCD 中很少提及。TrappeyAJC 等人提出了一個(gè)二維組合夾具元件的配置算法。幾乎所有的AFCD 研究者都承認(rèn) ,在一個(gè)成功的AFCD系統(tǒng)中 ,工件的幾何形狀是一個(gè)關(guān)鍵因素NnajiB,AlladinS 等人也對(duì)具有復(fù)雜幾何形狀的工件進(jìn)行嘗試研究。然而其結(jié)果也僅僅適用于特定的幾何體 ,比如多邊形棱柱 國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀 我國(guó)于 80 年代末開始對(duì)組合夾具元件的設(shè)計(jì)與管理進(jìn)行了研究和開發(fā) ,在總結(jié)和吸取我國(guó)應(yīng)用和發(fā)展槽系夾具經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上 ,根據(jù)現(xiàn)代機(jī)械加工特征及夾具的發(fā)展趨勢(shì) ,研制了新一代孔系組合夾具系統(tǒng)。此系統(tǒng)發(fā)揮了槽系平移可調(diào)性和孔的旋轉(zhuǎn)可調(diào)性的優(yōu)勢(shì) ,可直接組裝獲得任何直線尺寸和角度尺寸。此系統(tǒng)把大中小三個(gè)系列的元件有機(jī)融為一體 ,可在一塊多夾具基礎(chǔ)板上 ,既能組裝單個(gè)大工件夾具 ,又能組裝多個(gè)中小零件夾具 ,有利于裝夾具基礎(chǔ)板長(zhǎng)期固定在機(jī)床工作臺(tái)上 ,此系統(tǒng)還設(shè)有孔系和槽系過(guò)渡元件 ,便于實(shí)現(xiàn)孔、槽系夾具元件混合使用。 吳玉光博士在這個(gè)領(lǐng)域取得了較大的突破提出孔系基礎(chǔ)板組合夾具設(shè)計(jì)[17]的系統(tǒng)方法。該方法利用連桿機(jī)構(gòu)原理自動(dòng)確定由直線和圓弧組成定位邊界的零件的全部候選定位方案。并提出定位銷可見錐概念和定位銷轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)的概念 ,進(jìn)行定位方案的裝卸方便性分析。進(jìn)一步提出瞬心三角形和同向邊的概念對(duì)工件進(jìn)行可夾緊性分析 ,確定工件邊界的可夾緊范圍。其理論水平在國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)開拓了新的局面。 5 主要研究?jī)?nèi)容、需重點(diǎn)研究的關(guān)鍵問題及解決思路。 1.專用夾具有以下幾方面組成： 1）定位裝置。這種裝置包括定位元件及其組合，其作用是確定工件在夾具中的位置，即通過(guò)它使工件加工時(shí)相對(duì)于刀具及切削成形運(yùn)動(dòng)處于正確的位置，如支承釘、支承板、V形塊、定位銷等。 2）夾緊裝置。它的作用是將工件壓緊夾牢，保證工件在定位時(shí)所占據(jù)的位置在加工過(guò)程中不因受重力、慣性力以及切削力等外來(lái)作用而產(chǎn)生位移，同時(shí)防止或減小振動(dòng)。它通常是一種機(jī)構(gòu)，包括夾緊元件（如夾爪、壓板等），增力及傳動(dòng)裝置（如杠桿、螺紋傳動(dòng)副、斜、凸輪等）以及動(dòng)力裝置（如氣缸、油缸）等。 3）對(duì)刀－引導(dǎo)裝置。它的作用是確定夾緊相對(duì)于刀具的位置，或引導(dǎo)刀具進(jìn)行加工，如刀塊、鉆套、鏜套等。 4）其它元件及裝置。如定向件、操作件以及根據(jù)夾具特殊功用需要設(shè)置的一些裝置，如分度裝置、工件頂出裝置、上下料裝置等。 5）夾具體。用于連接夾具各元件及裝置，使其成為一個(gè)整體的基礎(chǔ)件，并與機(jī)床有關(guān)部位連接，以確定夾具對(duì)于機(jī)床的位置。 2.設(shè)計(jì)的基本要求： 1）保證工件的加工精度 2）夾具總體方案應(yīng)與生產(chǎn)綱領(lǐng)相適應(yīng) 3）操作方便，工作安全，能減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度 4）便于排削 5）有良好的結(jié)構(gòu)工藝性 3.設(shè)計(jì)的一般步驟： 1）研究原始資料。認(rèn)真研究任務(wù)書中提出的設(shè)計(jì)要求，明確設(shè)計(jì)任務(wù)并收集下列資料： （1）零件工作圖、毛坯圖和工藝規(guī)程等技術(shù)文件。了解該工序的加工技術(shù)要求，定位和夾緊方案，毛坯情況。加工中使用的機(jī)床、刀具、檢驗(yàn)量具、加工余量和切削用量等。 （2）了解生產(chǎn)批量和對(duì)夾具的需用情況，以確定所采用夾具結(jié)構(gòu)的合理性和經(jīng)濟(jì)性。 （3）了解機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù)、規(guī)格、安裝夾具的有關(guān)連接部分的尺寸等。 （4）了解刀具的主要結(jié)構(gòu)尺寸、制造精度、主要技術(shù)條件等。 （5）收集有關(guān)夾具零部件標(biāo)準(zhǔn)（國(guó)標(biāo)、部標(biāo)、企標(biāo)、廠標(biāo)），典型夾具結(jié)構(gòu)、夾具設(shè)計(jì)資料等。 （6）了解制造、使用夾具的情況。 2）確定夾具的結(jié)構(gòu)方案 （1）確定工件的定位方案。工件在夾具中的定位應(yīng)符合定位原理，合理設(shè)置定位元件，進(jìn)行定位誤差的分析計(jì)算，定位誤差應(yīng)小于工序公差的三分之一。 （2）確定刀具的對(duì)刀或引導(dǎo)方式。根據(jù)加工表面的具體情況，合理地選擇與確定刀具的對(duì)刀或引導(dǎo)。 （3）確定工件的夾緊方案。夾緊力的作用點(diǎn)和方向應(yīng)符合夾緊原則。進(jìn)行夾緊力的分析和計(jì)算，以確定夾緊元件及傳動(dòng)裝置的主要尺寸。 （4）確定夾具其它組成部分的結(jié)構(gòu)形式。 （5）確定夾具體的形式和夾具的總體結(jié)構(gòu)。 3）繪制夾具總裝配圖 夾具總圖應(yīng)按國(guó)家制圖標(biāo)準(zhǔn)繪制。圖形大小盡量采用1：1比例，以具有良好的直觀性。工件過(guò)大時(shí)可用1：2或1：5的比例；過(guò)小時(shí)可用2：1的比例。主視圖應(yīng)選取面對(duì)操作者的工作位置。 繪制總裝配圖的順序是：先用紅色細(xì)實(shí)線或黑色雙點(diǎn)劃線，畫出工件的輪廓和主要表面。主要表面是指：定位基準(zhǔn)面、夾緊表面和被加工表面。被加工表面上的加工余量，可用網(wǎng)紋線或粗實(shí)線表示?？傃b配圖上所繪制的工件視為假想的透明體，因此它不影響夾具元件的繪制。然后按定位元件、對(duì)刀－引導(dǎo)元件、夾緊機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)裝置等順序，劃出各自的具體結(jié)構(gòu)，最后畫夾具體?？傃b配圖上的視圖配置和選擇，應(yīng)能完整地表達(dá)出整個(gè)夾具的各部分結(jié)構(gòu)。在夾具體的明顯處一個(gè)標(biāo)記，以表示在該處刻寫夾具編號(hào)。 4）標(biāo)注夾具總裝配圖上各部分尺寸和技術(shù)條件 5）標(biāo)注零件編號(hào)及編制零件明細(xì)表 在標(biāo)注零件編號(hào)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)件可直接標(biāo)出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)號(hào)。明細(xì)表要注明夾具名稱、編號(hào)、序號(hào)、零件名稱和材料、數(shù)量等。 6）繪制夾具零件圖 　　拆繪夾具零件圖的順序和繪制夾具總裝配圖的順序相同。主要繪制夾具上專用零件的工作圖。 6完成畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)所必須具備的工作條件及解決的方法 設(shè)計(jì)中需要參考大量的參考書，其中主要用到的書目如下： 《機(jī)械制造工藝學(xué)》 陳明主編 機(jī)械工業(yè)出版社 2005年8月 《機(jī)械零件性手冊(cè)》 蔡蘭主編 機(jī)械工業(yè)出版社 1994年4月 《機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)》洛陽(yáng)工學(xué)院主編 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社1990年2月 《檢驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)》 謝誠(chéng)主編 機(jī)械工業(yè)出版社 2000年12月 《實(shí)用機(jī)械加工工藝手冊(cè)》陳宏鈞 主編 機(jī)械工業(yè)出版社 1996年12月 同時(shí)要保證足夠的上機(jī)時(shí)間,要求上機(jī)時(shí)數(shù)不少于200小時(shí) 解決的方法：以上參考書在圖書館都能借到，在畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中認(rèn)真學(xué)習(xí)，加強(qiáng)實(shí)踐，勤于思考,有疑難問題及時(shí)向指導(dǎo)老師詢問. 7工作的主要階段，進(jìn)度與時(shí)間安排 時(shí)間 工作內(nèi)容 工作安排 第五周 查閱資料,撰寫開題報(bào)告 閱讀參考文獻(xiàn)不少于5篇,開題報(bào)告不少于3000字 第六周 外文翻譯 翻譯與管板換熱器有關(guān)的外文文獻(xiàn),不 少于3000字 第七周 設(shè)計(jì)論文準(zhǔn)備 零部件的理論設(shè)計(jì)計(jì)算 第八周 設(shè)計(jì)論文準(zhǔn)備 零部件的校核,并進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第九周 畫圖 二維圖、主要零部件圖 第十周 設(shè)計(jì)論文 換熱器管板加工工藝 第十一周 設(shè)計(jì)論文 夾具設(shè)計(jì)工藝 第十二周 撰寫論文 將前面做的進(jìn)行整理成完整的論文 第十三周 修改論文 仔細(xì)查閱整個(gè)論文,按要求規(guī)范,修改整個(gè)論文 第十四周 論文答辯 溫習(xí)設(shè)計(jì)內(nèi)容,強(qiáng)化設(shè)計(jì)知識(shí),積極準(zhǔn)備答辯 8指導(dǎo)教師審查意見 指導(dǎo)老師： 2013年4月19日 長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院