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氣動人工肌肉特性的約束影響的實驗研究 臧哈，馬艷 機(jī)電工程學(xué)院 東北林業(yè)大學(xué) 哈爾濱，中國 kjzang@163.com 孫寧，李秀晨，張?zhí)m 機(jī)械工程學(xué)院 佳木斯大學(xué) 佳木斯，中國 摘要氣動人工肌肉（PAM）是一種新的氣動執(zhí)行器。大量的工作已經(jīng)完成了的原則，理論，實驗建模及應(yīng)用氣動人工肌肉。研究人員發(fā)現(xiàn)，PAMS具有非線性特性。對發(fā)布的基地非線性特性的相關(guān)文獻(xiàn)，彈性，摩擦橡膠和編織和約束環(huán)之間。前者兩個方面已發(fā)表的論文主要研究。然而，研究局限于端氣動人工肌肉仍然是罕見的影響。本研究建立的PAM的靜態(tài)特性實驗系統(tǒng)，和PAM多約束特性進(jìn)行了測試。通過對實驗結(jié)果的分析，得出了影響約束的工作氣動人工肌肉的工作特征。 關(guān)鍵詞氣動人工肌肉（PAM），約束，靜態(tài)特性，實驗研究 引言 氣動人工肌肉是一種新型的氣有清潔，重量輕的致動器，低成本，維修方便，結(jié)構(gòu)緊湊，高功率/體積比。出于這個原因，它們被廣泛關(guān)注通過理論研究和工應(yīng)用。氣動肌肉的發(fā)明在20世紀(jì)50年代以提供驅(qū)動程序假肢和康復(fù)機(jī)械。然而對于實際問題，如氣動功率存儲，當(dāng)時的可用性和質(zhì)量差的閥門技術(shù)，氣動人肌肉沒有得到開發(fā)和應(yīng)用。在1988年，日本式的工程師提出了制造普利司通更大的版本重新設(shè)計的氣動人工肌肉稱為人工肌肉為了使機(jī)動化雖然軟而強(qiáng)大的器人手臂。他們被稱為軟武器和進(jìn)行商業(yè)化的服務(wù)它也被研究了機(jī)器人。人工肌肉，這是簡單的設(shè)計，是由橡膠內(nèi)胎覆蓋與外殼編織根據(jù)螺旋編織。肌肉由兩端封閉一個是空氣的輸入和其他正力附著點。編織纖維由螺旋關(guān)于肌肉長軸的角度稱為交織角。當(dāng)壓力被提供，內(nèi)管改造，連同徑向運動驅(qū)動集織造，交織角的增大軸向編織套管短路它拉的負(fù)載端和filamentsproduced張力同時集織造，那么緊張和內(nèi)部壓力平衡。由于PAM的工作類似動物肌肉的特性，它被稱為氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣動人工肌肉[ 1 ] [ 2 ]。氣動人工肌肉是一種新型的氣動執(zhí)行器。很多工作了完成了原理，理論，實驗與氣動人工肌肉應(yīng)用建模。研究人員發(fā)現(xiàn)，PAMS展非線性特征。在文獻(xiàn)[ 3 ] [ 4 ]的基礎(chǔ)，非線性相關(guān)的彈性特性，與橡膠的摩擦編織和結(jié)束約束。前兩個方面在已發(fā)表的論文主要研究。然而，研究在對氣動端約的影響人工肌肉仍然是罕見的。本研究建立的PAM靜態(tài)特性實驗系統(tǒng)，和PAM多約束特性進(jìn)行了測試。通過對實驗結(jié)果的分析，影響氣動人工肌肉的工作條件得到的特征。 實驗氣動系統(tǒng) A.實驗裝置 這個氣動實驗系統(tǒng)􃧕設(shè)為了研究壓力的關(guān)系，收縮力與不同的約束系統(tǒng)。實驗系統(tǒng)包含下表中顯示的元素。 表1-1 組件名稱 成分類型 組件技術(shù)數(shù)據(jù) 空氣源 福馬莫尼塔 功率：11kW 最大壓力：0.8MPa 儲氣罐：2L 電磁閥 FESTO-R107 電源電壓：DC24V 壓力傳感器 SMC PSE540AR06 電源電壓：直流12 ~24V 調(diào)壓范圍：0-1mpa 精度：± 0.5% 負(fù)荷傳感器 CZL-3 電源電壓：直流12 ~ 24V 負(fù)荷范圍：0-50kg 精度：±0.3 脈幅調(diào)制 國產(chǎn)的 初始長度：176mm 初始直徑8mm 調(diào)壓范圍：為0-0.3MPa 步進(jìn)電動機(jī) 86BYGH450B- 113 步距角精度：2% 步進(jìn)角：1.8度 最大扭矩:6.7Nm 導(dǎo)螺 SFU1605 公稱直徑16mm 鉛：5mm 額定載荷：7.65kn 位移傳感器 KTC 500 lin: ± 0.058 R: 5.3K􀂡 電腦 LEGEND 1+1 處理器：Pentium III 450 256M內(nèi)存 數(shù)據(jù)收集器 WS-USB 分辨率：8 精度：0.003% FS: 1LSB 驅(qū)動器 CW250AC 電源電壓：DC12 ~ 24V 經(jīng)營方式：1/5,1/10,1/25,1/40,1/50,1/100,1/200 脈沖發(fā)生器 MPTG 電源電壓：100 ~250V 輸出頻率：6—9999hz 重量 國家成分標(biāo)準(zhǔn) 2Kg 減壓閥 IR2020-02G-R 記者：最大支持下 新聞：0.01-0.8mpa 圖1 氣動實驗系統(tǒng) 進(jìn)料設(shè)備四部分組成步電機(jī)，脈沖發(fā)生器，驅(qū)動程序和指南。脈沖發(fā)生器的輸出脈沖步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)向前或落后的。該脈沖發(fā)生器可在1 /499測量。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動一圈的200個步驟。螺桿的鉛5mm \ / R定位誤 （5e-6mm \ / R）。直直線導(dǎo)軌的實驗系統(tǒng)采用，以良好的精度和穩(wěn)定性。 圖1顯示了一個普通的氣動實驗系統(tǒng)。計算機(jī)控制的電磁閥可以輸出預(yù)定的氣體壓力。當(dāng)壓縮氣體進(jìn)入帕姆，合同，并產(chǎn)生一個拉力。氣源通常是一個壓縮機(jī)。顯然，試驗應(yīng)包括一個電磁閥和PAM。首先我們討論了電磁閥門。這是個計算機(jī)控制系統(tǒng)輸出預(yù)定的氣體壓力在一定的領(lǐng)域，成比例的電壓作為一個電閥的輸入，其數(shù)量可由計算機(jī)控制。 氣動實驗系統(tǒng)由一個壓力傳感器，力傳感器和位移傳感器。壓力傳感器測量輸出氣體壓力，負(fù)荷傳感器測量的輸出負(fù)載，養(yǎng)活這些回控制電路。從氣體的出壓力的大小壓縮機(jī)應(yīng)大于最大氣體壓力從電磁閥的輸出。 B.肌肉 人工肌肉由內(nèi)橡膠管通過天然橡膠膠乳硫化過程使用如圖2所示。為了減少的影響橡膠彈性，實驗中使用的橡膠很薄。外殼是編織套管（見圖2）。 圖2 橡膠管、編織套管 人造肌肉的組件，如圖3所示，一邊是進(jìn)氣口，另一端是封閉端。在這個實中，四種類型的約束的數(shù)目環(huán)（0，1，2，4）已經(jīng)過測試。 圖3 約束環(huán)氣動人工肌肉 三、isometric-load實驗 實驗裝置如圖4所示。PAM 5的一端安裝緊固到金屬框架。的另一端肌肉是由不同的負(fù)載暫停它的鋼絲繩綁。位移傳感器8固定在金屬框架；滑桿連接到的肌肉活動結(jié)束，所以一個精確的測量了。從位置數(shù)據(jù)位移傳感器發(fā)送到PC通過A / D轉(zhuǎn)換器。為肌肉提供動力，空氣壓縮機(jī)1可壓縮空氣供應(yīng)0.8MPa。計算控制電磁閥2輸出預(yù)定的氣體壓力。在這個測試，重量4kg和7公斤。壓縮氣進(jìn)入肌肉，PAM合同重量的同時能夠保持恒拉力。實時數(shù)據(jù)通過傳感器登錄到PC。實驗重復(fù)了好幾次在不同的約束。然后我們可以統(tǒng)計分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)收縮之間的比和不同負(fù)荷的肌肉壓力. 圖4 等長負(fù)荷實驗系統(tǒng)原理框圖 肌肉的長度是由位移傳感器測量L0是初始長度，L是實時的長度，然收縮 比ε計 (1) 圖5顯示了收縮比的關(guān)系壓力。從這個圖中，我們可以得出這樣的結(jié)論：實驗曲線的滯回曲線，這是因為一個當(dāng)PAM工作在摩擦力的方向變化試驗期。在低壓力，實驗曲線顯示在高壓力比更滯后。這種現(xiàn)象被稱為內(nèi)摩擦系數(shù)PAM和充壓 圖5 壓力隨收縮比 為了突出因素的影響，約束環(huán)的直徑略大于PAM初始直徑。當(dāng)收縮率達(dá)到一定值時，該約束環(huán)開始工作在PAM。當(dāng)約束環(huán)不工作，實驗曲線的疊加；當(dāng)約束環(huán)在工作，收縮顯然，小當(dāng)增加約束環(huán)的同樣的壓力。約束減少PAM收能力. 四、等軸壓試驗 等距壓力的實驗研究收縮比和力量之間在一定的常數(shù)壓力。PAM 5一端緊密安裝金屬通過負(fù)荷傳感器4幀。肌肉的另一端附在滑板沿直線導(dǎo)軌滑動，和滑動板采用絲杠7步進(jìn)電機(jī)控制的6，這些傳輸組件能夠同時獲得較高的控制精度和工作效率。在這下。然后通過電機(jī)改變長度上述相應(yīng)壓力下的肌肉。拉力和位移傳感器的數(shù)據(jù)4,6發(fā)送到PC。實驗重復(fù)了不同條件下的時代。我們可以進(jìn)行不同的約束等距壓力試驗在不同的壓力. 圖6 原理框圖，等長收縮壓試驗系統(tǒng) 圖7顯示收縮率之間的關(guān)系力。PAM的輸出力是收縮率相關(guān)，的收縮比越大，輸出力大的。作為如上所述，PAM等距壓力曲線是一個滯回曲線由于摩擦的影響。隨著約束的數(shù)目增加，存在明顯的滯后現(xiàn)象，實驗曲線下降的一個整體而言，線性度變差，但趨勢不的變化，這清地表明，限制顯著PAM的靜態(tài)特性的影響. 圖7 收縮比與力 五、isometric-length實驗 實驗裝置如圖8所示。PAM 5一端固定在機(jī)架。肌肉的另一端連接有滑板滑板沿直線導(dǎo)軌具有相同的結(jié)構(gòu)等長收縮壓試驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由一個滑板，絲杠7、步進(jìn)電機(jī)6自鎖裝置，用來精確地改變肌肉的長度。計算機(jī)控制的電磁閥2會使氣經(jīng)常變化的壓力。當(dāng)壓縮氣體進(jìn)入肌肉，拉力生產(chǎn)和工作負(fù)載傳感器4。負(fù)載獲得的數(shù)據(jù)從傳感器發(fā)送回來到PC通過A/D轉(zhuǎn)換器。絲杠是造成通過步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)來改變長度的方法肌。實驗重復(fù)了好幾次使用不同的限制（0，1，2,4）。 圖9顯示的壓力和力的關(guān)系。的結(jié)果是在范圍內(nèi)的致動器力荷載循環(huán)操作壓力。圖9顯示力減小致動器約束。微小的力量幾乎總是測量在降低試驗壓力相. 圖8 等距長度的實驗系統(tǒng)原理框圖 圖9 壓力與動力 圖還表明，氣動輸出力人工肌肉是通脹壓力成正比。不過，在測試期間，橡膠管、編織套管之間的摩擦很小的滯回性能出現(xiàn)下降。的橡膠的厚度，這是在這個實驗，小。橡膠彈性力小。圖清楚地表明，上述系統(tǒng)對這一點的影響實驗。和血壓之間的線性關(guān)系輸出力不改變時，數(shù)量的限制增加。然而，有在他們的斜率的變化。沒有之間的橡膠彈性力和摩擦力的影響橡膠管、編織套管，約束的影響明顯的。 六、比較模型實驗 為了驗證結(jié)果是否是合理的，一個介紹的理論方法，不考慮詳細(xì)的幾何結(jié)構(gòu)修改的工作報告在。利用虛功原理發(fā)現(xiàn)肌肉力方程，必須有一個平衡虛擬工作迪文做肌肉中的壓力和通過對肌肉dwout位移做虛擬的工作[ 11 ]（見圖）。 圖10 這兩個組件交互的虛擬工作原理示意圖 迪文可以用相對壓力計算的幫助P的壓力，攻擊我的表面，正常的向量DSI，產(chǎn)生的力的方向與DLI的工作DV的肌肉體積的變化： 軸向力和軸向位移DL肌肉生產(chǎn)外虛擬工作. 把兩個虛擬工作部件和使用（2）和（3），導(dǎo)出了肌肉力方程。 通過假設(shè)的收縮的肌肉表面行為如同一個氣缸，迪文可分為軸向和徑向分量。軸向分量具有相反的的徑向分量的工作方向，參見圖10。的力方程被發(fā)現(xiàn)： 一個PAM被建模為一個圓柱體和壁厚假定為零。該氣缸的尺寸是長度和直徑D = 2R。假設(shè)inextensibility的網(wǎng)狀材料，系統(tǒng)的幾何常數(shù)是螺紋長度B和匝數(shù)為一個線程N。用于此配方的最終尺寸的交織角θ，即螺紋和長之間的夾氣缸軸線的。交織角變化為致動器的長度變化。這些之間的關(guān)系參數(shù)是在圖11所示[ 13 ]。 與圖11肌肉之間相關(guān)的幫助半徑R，肌肉的長度L和交織角θ制定 由于這樣的事實，即纖維的長度是恒定的一個發(fā)現(xiàn) l0是初始長度，r0的初始半徑，θ0是最初的交織角。這用于計算R和L之間的相關(guān)性： 圖11 PAM的幾何模型 通過使用（6），（7）和（8），該力計算 力F的相關(guān)性，壓力P和收縮ε=（L0?L）/L0由于直徑D0直測D0 = 2r0。 本節(jié)中介紹的配方如下工作周、漢建模PAM [ 2 ]。其次，這些方程將得到進(jìn)一步的關(guān)系力，壓力，長度。這些關(guān)系將得到證實美好的經(jīng)驗數(shù)據(jù)調(diào)整。 圖12 壓力與動力 圖13 收縮比與力 圖14 壓力隨收縮比 本文建立了PAM的靜態(tài)特性研究約束影響的實驗系統(tǒng)。通過利用自制的氣動人工肌肉應(yīng)用薄的橡膠管在這個實驗中，橡膠的彈性力減少。通過對理論模型的比較與實驗曲線的實驗的可靠性證明了。約束降低PAM的輸出力和收縮的。相對于工作原理，約束下合同的能力和限制PAM的通貨膨脹。不過，結(jié)果的理論公式推導(dǎo)出到目前為止還沒有，有很多工作要做在未來。確認(rèn)作者非常感謝支持 黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)項目（11531372）和佳木斯大學(xué)科學(xué)技術(shù)項目（lz2011-015）。 【1】臧可敬，古之道”，國梁，氣動研究與展望人工肌肉”，機(jī)床與液壓，2004（4）pp.4-7。 [ 2 ]周C P，hannafonl 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2.?根據(jù)工藝流程圖結(jié)合設(shè)計的目的及基本條件確定基本的計算方案? 3.?做環(huán)形加熱爐尺寸、燃料部分設(shè)計計算以及排煙系統(tǒng)的計算? 4．根據(jù)計算的尺寸從新繪制CAD圖 ?5．編寫設(shè)計說明書? 擬采取的研究方法、技術(shù)路線、實驗方案及可行性分析 環(huán)形加熱爐主要用來加熱圓鋼坯和其它異形鋼坯（如車輪輪箍坯），也可以加熱方坯，一般用于鋼材鍛造和軋制前的鋼坯加熱，也可用作熱處理加熱。在軋鋼行業(yè)中環(huán)形爐的作用有著推鋼式以及步進(jìn)式加熱爐不可替代的一面，特別在一些一些異性坯料和鋼管廠，環(huán)形爐都起著主導(dǎo)的作用。研究環(huán)形加熱爐在使用不同燃料下，如何影響加熱爐的各個加熱段長度分配情況以及對加熱爐本體尺寸大小的要求，以解決加熱爐燃料需求的單一性問題。此次設(shè)計的是低位發(fā)熱量為1560?KJ/m³的高焦?fàn)t混合煤氣對最大產(chǎn)量為40t/h環(huán)形加熱爐整個燃燒狀況的影響。 研究計劃及預(yù)期成果 研究計劃： 1、畢業(yè)實習(xí)和開題報告????????????第1-3周? ?2、方案確定和設(shè)備選型????????????第4-5周?? 3、做熱平衡計算??????????????????第6-8周?? 4、畫CAD圖紙???????????????????第9-12周?? 5、整理數(shù)據(jù)編寫設(shè)計說明書???????第13-16周?? 6、答辯??????????????????????????第17-18周 預(yù)期成果： 1.?通過對環(huán)形加熱爐的預(yù)熱段、加熱段、均熱段的加熱時間的計算，合理分布各段的加熱長度? 2.?根據(jù)鋼坯的材質(zhì)及加熱要求合理的設(shè)計環(huán)形爐的長、寬、高?以及中徑?3.?通過對環(huán)形加熱爐本體以及尾部煙道的熱平衡計算，來了解燃料的收支平衡情況，以便對環(huán)形爐各部分的布置情況作出相應(yīng)調(diào)整，最終實現(xiàn)能量充分、合理的利用? 4.?結(jié)合加熱爐自身的加熱特點，選取合適的耐火材料作為各部分的砌筑材料，以實現(xiàn)砌筑的經(jīng)濟(jì)合理 特色或創(chuàng)新之處 1 采用固定某些參量、改變某些參量來研究問題的方法，思路清晰，簡潔明了，行之有效。 尚需解決的問題 CAD畫圖技術(shù)還是需要加強(qiáng)，UG方面運用能力還是不夠 指導(dǎo)教師意見 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 教研室（學(xué)科組、研究所）意見 教研室主任簽名： 年 月 日 系意見 主管領(lǐng)導(dǎo)簽名： 年 月 日 編 號 無錫太湖學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計 （ 論 文 ） 題目： 環(huán)形加熱爐的設(shè)計與仿真 信 機(jī) 系 機(jī) 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 學(xué) 號： 0923052 學(xué)生姓名： 童春陽 指導(dǎo)教師： 俞經(jīng)虎（職稱：副教授 ） （職稱： ） 2013 年 5 月 25 日 無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 誠 信 承 諾 書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文）環(huán)形加熱爐的 設(shè)計與仿真 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進(jìn)行研究所取得的成 果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計（論文）中特別加以標(biāo)注引用，表 示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計（論文）不包含任何其他個人、 集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。 班 級： 機(jī)械 92 學(xué) 號： 0923052 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 無 錫 太 湖 學(xué) 院 信 機(jī) 系 機(jī) 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 畢 業(yè) 設(shè) 計 論 文 任 務(wù) 書 一、題目及專題： 1、題目環(huán)形加熱爐的設(shè)計與仿真 2、專題 二、課題來源及選題依據(jù) 隨著科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及全球一體化進(jìn)程的不斷加 快，人們對鋼鐵制品的質(zhì)量和需求量又上升到了一個更高的臺 階在各行各業(yè)中，人們沒有間斷過對鋼管的使用，不管是建筑業(yè) 中用于搭建外架的鋼管，還是各種汽車的框架結(jié)構(gòu)，或者是在機(jī)械 廠中用于支撐的支撐架和體育器材里的安裝部件，都出現(xiàn)了鋼管的 身影然而，要使鋼管成型就必須先對鋼管坯進(jìn)行加熱，然后才能 通過成型機(jī)械使鋼管成型由于鋼管坯的加熱不同于其它鋼坯的加 熱，對加熱的精度要求很高，要求鋼管坯的各部分受熱均勻，這樣 才可以防止在打孔和拉直過程中出現(xiàn)斷裂、變形、鋼管粗細(xì)分布不 均勻等情況，所以不能使用傳統(tǒng)的推鋼式加熱爐對其進(jìn)行加熱，因 為傳統(tǒng)的推鋼式加熱爐的加熱不是很均勻，如果是兩頭噴火式的話 那就是兩頭受熱多，如果中間噴火式的話那就是中間受熱多，所以 只能使用環(huán)形加熱爐來對其坯料來進(jìn)行加熱，因為環(huán)形加熱爐可以 II 對鋼管坯的兩頭和中間都進(jìn)行均勻的加熱，但是又因為環(huán)形加熱爐 是一個圓的封閉結(jié)構(gòu)，不能用推鋼機(jī)將坯料從另一頭推出去，所以 傳統(tǒng)的推鋼式進(jìn)出料機(jī)就不適合在環(huán)形加熱爐中使用，為了適應(yīng)環(huán) 形加熱爐的進(jìn)出料特點。 課題來源于企業(yè)需求，裝取料設(shè)備是加熱爐的一個重要組成部 分目前大量的從事各種工業(yè)爐窯的節(jié)能環(huán)保、專用設(shè)備、計算機(jī) 控制等技術(shù)的研究的企業(yè)都對裝取料設(shè)備進(jìn)行設(shè)計，希望設(shè)計出高 效、穩(wěn)定、安全的裝取料設(shè)備。 三、接受任務(wù)學(xué)生： 機(jī)械 92 班 姓名 童春陽 五、開始及完成日期： 自 2012 年 11 月 7 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、設(shè)計（論文）指導(dǎo)（或顧問）： 指導(dǎo)教師簽名 簽名 簽名 教 研 室 主 任 學(xué)科組組長研究所 所長簽名 系主任 簽名 III 2012 年 11 月 7 日 III 摘 要 進(jìn)入新世紀(jì)后隨著工業(yè)的高速發(fā)展，鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)能力得到了不斷地提升，環(huán)形 加熱爐技術(shù)也在不斷的成熟，而傳統(tǒng)的推鋼式進(jìn)出料機(jī)已經(jīng)不適合在環(huán)形加熱爐中使用， 為了適應(yīng)環(huán)形加熱爐的進(jìn)出料特點，在此專門為加熱爐量身定做了環(huán)形加熱爐裝取料機(jī)。 此機(jī)型包括了整體機(jī)架，小車，鉗桿這三部分。運用夾緊氣缸和升降氣缸來實現(xiàn)鉗桿對 鋼料的夾取和升降運動，同時鉗桿裝載在小車上，小車可以在機(jī)架的導(dǎo)軌上進(jìn)退運動。 小車是用電動機(jī)驅(qū)動的，當(dāng)電動機(jī)運行時，帶動安裝在電動機(jī)上的齒輪轉(zhuǎn)動，我們在右 橫梁上裝配了與小車齒輪可以嚙合的齒條來實現(xiàn)小車在機(jī)架導(dǎo)軌上的運動。在實際情況 下充分根據(jù)環(huán)形加熱爐的特點特地使用兩臺一樣的裝取料機(jī)分別安裝在裝料口和出料口。 兩機(jī)同時進(jìn)行裝取料，極大地提高了加熱鋼料的效率，也更充分地發(fā)揮了環(huán)形加熱爐的 高效率的特性，提高了整個廠區(qū)的工作效率和經(jīng)濟(jì)效益，與當(dāng)前我國提出的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、 低耗的理念相吻合。 關(guān)鍵詞：環(huán)形加熱爐；裝取料；有限元分析；高效 IV ABSTRACT In order to adapt to the rapid development in the new century, industrial steel enterprise production capacity has increased a lot then before, the annular heating furnace technology has been more mature, the traditional pushed steel type translation machine dose not suitable for using in the annular heating furnace any more. In order to adapt to the characteristics of the annular heating furnace a new type of feeding machine has been tailored specifically for the annular heating furnace is installed. The model of this machine includes the whole frame, car and clamp stem. Using clamping cylinder and the cylinder to lift the bar clamp on steel clip and lifting movement, and installed with the car pliers stem, can be translated on the rails in the frame. The car was droved by a electric motor, the electric motor was droved by the gears which installed in the motor. According to the characteristics of annular heating furnace, two feeding machines were installed respectively in the loading and discharging part. These two machines simultaneously outfit feeding, greatly improving the efficiency of heating steel, also improve the efficiency of the whole factory work efficiency and economic benefit and coincide with the current idea of high-yield, high-quality and low consumption. Keywords: annular heating furnace; Pack feeding; Finite element analysis; high Efficient V 目 錄 摘 要 .III ABSTRACT .IV 1 緒論 .1 1.1 課題來源及意義 .1 1.2 環(huán)形加熱爐的簡單介紹 .2 1.2.1 爐形結(jié)構(gòu): .2 1.2.2 裝取料口距離計算: .3 1.3 裝取料機(jī)的簡單介紹 .4 1.4 國內(nèi)外的發(fā)展情況 .5 2 裝取料機(jī)的設(shè)計說明及工作原理 .8 2.1 裝取料機(jī)的設(shè)計說明及工作原理 .9 3 裝取料機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及設(shè)計計算 .14 3.1 整體的設(shè)計 .14 3.2 鉗桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算 .14 3.2.1 鉗桿的整體機(jī)構(gòu)設(shè)計: .15 3.2.2 鉗桿的長度: .15 3.2.3 鉗桿的直徑: .15 3.2.4 兩氣缸型號的確定: .15 3.2.5 鉗桿校核 .16 3.2.6 齒輪校核: .18 3.3 小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算 .22 3.3.1 小車的整體設(shè)計: .22 3.3.2 車體的設(shè)計計算 .22 3.3.3 前輪的設(shè)計計算: .24 3.3.4 輪軸的設(shè)計及校核: .24 3.3.5 后輪的設(shè)計計算: .26 3.3.6 后下輪的設(shè)計計算: .26 3.4 整體機(jī)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計及計算 .27 3.4.1 橫梁的設(shè)計計算: .27 3.4.2 立柱的設(shè)計: .29 3.4.3 連接梁的設(shè)計: .30 4 合理性分析 .32 4.1 鉗桿的有限元分析 .32 4.2 橫梁工字鋼的有限元分析 .34 結(jié)論與展望 .36 致謝 .37 參考文獻(xiàn) .38 VI 環(huán)形加熱爐的設(shè)計與仿真 1 1 緒論 1.1 課題來源及意義 隨著科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及全球一體化進(jìn)程的不斷加快，人們對鋼鐵制品 的質(zhì)量和需求量又上升到了一個更高的臺階。在各行各業(yè)中，人們沒有間斷過對鋼管的 使用，不管是建筑業(yè)中用于搭建外架的鋼管，還是各種汽車的框架結(jié)構(gòu)，或者是在機(jī)械 廠中用于支撐的支撐架和體育器材里的安裝部件，都出現(xiàn)了鋼管的身影。然而，要使鋼 管成型就必須先對鋼管坯進(jìn)行加熱，然后才能通過成型機(jī)械使鋼管成型。由于鋼管坯的 加熱不同于其它鋼坯的加熱，對加熱的精度要求很高，要求鋼管坯的各部分受熱均勻， 這樣才可以防止在打孔和拉直過程中出現(xiàn)斷裂、變形、鋼管粗細(xì)分布不均勻等情況，所 以不能使用傳統(tǒng)的推鋼式加熱爐對其進(jìn)行加熱，因為傳統(tǒng)的推鋼式加熱爐的加熱不是很 均勻，如果是兩頭噴火式的話那就是兩頭受熱多，如果中間噴火式的話那就是中間受熱 多，所以只能使用環(huán)形加熱爐來對其坯料來進(jìn)行加熱，因為環(huán)形加熱爐可以對鋼管坯的 兩頭和中間都進(jìn)行均勻的加熱，但是又因為環(huán)形加熱爐是一個圓的封閉結(jié)構(gòu)，不能用推 鋼機(jī)將坯料從另一頭推出去，所以傳統(tǒng)的推鋼式進(jìn)出料機(jī)就不適合在環(huán)形加熱爐中使用， 為了適應(yīng)環(huán)形加熱爐的進(jìn)出料特點，這里就設(shè)計了專門為環(huán)形加熱爐準(zhǔn)備的進(jìn)出料機(jī) 環(huán)形加熱爐裝取料機(jī) 11。 （如圖 1.1 示：） 課題來源于企業(yè)需求，裝取料設(shè)備是加熱爐的一個重要組成部分。目前大量的從事 各種工業(yè)爐窯的節(jié)能環(huán)保、專用設(shè)備、計算機(jī)控制等技術(shù)的研究的企業(yè)都對裝取料設(shè)備 進(jìn)行設(shè)計，希望設(shè)計出高效、穩(wěn)定、安全的裝取料設(shè)備，在這里通過該設(shè)計可以培養(yǎng)我 們獨立進(jìn)行科學(xué)研究和綜合分析思考的能力。 圖 1.1 裝取料設(shè)備 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 1.2 環(huán)形加熱爐的簡單介紹 進(jìn)入新世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，企業(yè)也得到了快速發(fā)展，鋼管的生產(chǎn)能力 不斷提升。所以以致加熱爐的不斷更新?lián)Q代，取而代之的是新型的環(huán)形加熱爐（如圖 1.2） ，環(huán)形加熱爐不僅能使加熱鋼料均勻受熱而且節(jié)省能源，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展 2。 圖 1.2 環(huán)形加熱爐 圖 1.3 示意圖 1.2.1 爐形結(jié)構(gòu) 根據(jù)工藝要求，加熱爐自裝料端到出料端依次為預(yù)熱段、一加熱段、二加熱段、三 加熱段、四加熱段、均熱段，加熱爐爐頂采用平直結(jié)構(gòu)，在裝出料位置設(shè)置三道水冷隔 墻。其中五個區(qū)段有供熱，各段的供熱可以單獨調(diào)節(jié)，實現(xiàn)自動控制，燒嘴安裝在內(nèi)外 環(huán)側(cè)墻和爐頂上，加熱爐采用平焰燒嘴和側(cè)向可調(diào)焰燒嘴 1。采用自然排煙的方式?？紤] 環(huán)形加熱爐的設(shè)計與仿真 3 到經(jīng)濟(jì)，節(jié)能又能最大程度的提高爐子的有效利用率，各段角度分配見圖 1.3。 1.2.2 裝取料口距離計算 由于環(huán)形加熱爐的大小視加熱鋼坯料件的大小而定，所以我們計算裝取料口的距離 就得根據(jù)現(xiàn)場的情況來定。在這里我取最常見的一種加熱爐的規(guī)格，也是應(yīng)用最廣的一 種型號的加熱爐。待加熱鋼坯規(guī)格：直徑 180mm350mm ，長度 1.7m5.4m。環(huán)形 加熱爐基本尺寸：爐中徑 36000mm，爐腔寬度 6450mm，預(yù)熱段爐膛高度 1250mm，第一、 二、三加熱段爐膛高度 2000mm，第四加熱段、均熱段爐膛高度 1600mm，裝取料夾角 14.4。 圖 1.4 示意圖 由上述我們可以畫出示意圖 1.4。 根據(jù)圖 4 可計算：裝取料口距離 L=2*18000sin7.2=4512.0mm 由計算結(jié)果可以得出，裝料口和取料口的距離偏大，要是單獨設(shè)計一臺裝取料機(jī)來 同時完成裝料和取料的話，這樣設(shè)計的整體機(jī)架就很大，而且占地大又費料，并且設(shè)計 的小車要進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，進(jìn)退等一系列動作，小車結(jié)構(gòu)也相對比較復(fù)雜。最重要的是極大地 影響了工作效率，在取料的同時不能進(jìn)行其他裝料等工作，與先進(jìn)高效的環(huán)形加熱爐工 作效率不相匹配。在這里我們準(zhǔn)備設(shè)計一款裝取料機(jī)，它同時安裝在裝料口和取料口， 兩臺機(jī)的機(jī)械構(gòu)造完全一樣，這樣在取料口取料的同時另一臺機(jī)就可以在裝料口裝料， 工作效率大大的提高了。而且兩臺機(jī)同時工作，操作方便簡單，不僅沒有造成資源設(shè)備 不必要的浪費，而且從長遠(yuǎn)上考慮是一種提高整個廠區(qū)工作效率和經(jīng)濟(jì)效益的一種有效 辦法。 1.3 裝取料機(jī)的簡單介紹 裝取料機(jī)是專門為冶金鍛造行業(yè)設(shè)計制造的設(shè)備。它具有操作簡單、可靠性高的特 點，人性化的設(shè)計為操作者創(chuàng)造了一個舒適的工作環(huán)境，使繁重的工作變得簡單輕松， 也為冶金行業(yè)的發(fā)展提供了物美價廉的配套設(shè)備。 裝取料機(jī)的工作特點： 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 (1) 裝取料機(jī)是坯料裝爐，出爐以及運料到鍛壓設(shè)備上的一種機(jī)械裝置。它的結(jié)構(gòu)形 式與鍛壓操作機(jī)相似，但是有它自己的工作特點； (2) 鉗頭可以有多種形式，甚至不必夾緊動作，只一叉子就可以有鉗頭的時候，其 鉗頭要??； (3) 鉗桿可以不必旋轉(zhuǎn)，基石有旋轉(zhuǎn)也不必達(dá)到 360 度，轉(zhuǎn)速也而可以慢一些； (4) 鉗桿要深入爐膛裝料和取料，因此，鉗桿一般都比較長，為減少臺架的旋轉(zhuǎn)慣性， 有時候要做出可以伸縮的鉗桿； (5) 除了鉗桿的轉(zhuǎn)速外，其他的動作均比鍛造操作機(jī)要大些，速度要快些； (6) 由于沒有鍛造時候的沖擊載荷，機(jī)件結(jié)構(gòu)可以簡單一些，輕巧一些。 為適應(yīng)鍛壓行業(yè)生產(chǎn)工藝以及生產(chǎn)環(huán)境要求，對裝取料機(jī)有以下幾點要求： (1) 可以適應(yīng)鍛造高溫和高粉塵的環(huán)境； (2) 實際安全系數(shù)高并且性能可靠； (3) 動作靈敏而且操作控制方便； (4) 適應(yīng)于各類不同形狀、規(guī)格的料件； (5)維護(hù)方便。 以上幾點也是裝取料機(jī)生產(chǎn)廠的設(shè)計原則。 經(jīng)過幾十年在實際應(yīng)用中的不斷的總結(jié)、修正，目前國內(nèi)裝取料機(jī)已經(jīng)初步形成了 統(tǒng)一的成型產(chǎn)品，從形式上主要可以分為兩大類：無軌裝取料機(jī)和軌道裝取料機(jī)國產(chǎn) 無軌裝取料機(jī)目前以叉車改造形式為主，即以標(biāo)準(zhǔn)叉車為基體，去除前部料叉，安裝裝 取料機(jī)專用機(jī)械手及執(zhí)行系統(tǒng)，使其能完成以下七個動作：整體行走、轉(zhuǎn)彎、鉗頭夾緊、 鉗頭旋轉(zhuǎn)、鉗頭擺動、鉗頭平行升降、鉗頭俯仰升降軌道式裝取料機(jī)主要結(jié)構(gòu)形式采 用整體走盤式，可以完成 7-8 種運動；大車固定在地面的軌道上行走；小車在其軌道上前 后行走，其整體形式類似于行車；小車面板上裝有回轉(zhuǎn)裝置，機(jī)械手部分可隨小車做回 轉(zhuǎn)運動，俯仰運動，還可以做平移運動機(jī)械手隨鉗桿可以做前后收縮運動，加大機(jī)械 手的活動范圍，使料件方便的送入加熱爐和方便的從加熱爐中取出；機(jī)械手的回轉(zhuǎn)可以 方便的夾取各種姿態(tài)的料件；夾頭夾持，可根據(jù)實際生產(chǎn)中料件形狀方便的更換不同鉗 口形式。 優(yōu)點：具備以上的功能的裝取料機(jī)，無論是有軌道裝出料機(jī)還是無軌裝取料機(jī)，可 完全滿足目前鍛壓生產(chǎn)的需要，它能方便的將任意形狀的工件由地面或料架子上取下， 迅速的放置在加熱爐內(nèi)任意位置，并能從加熱爐內(nèi)任意位置取出加熱好的坯料。該機(jī)適 用性強(qiáng)，活動范圍廣，沒有死角，一般目視到的工件皆可以單獨取送，爐子有效空間利 用率高。在工作時可以做各種輔助工作。該裝取料機(jī)與操作機(jī)配合使用效果更佳，它可 以方便的將從加熱爐中取出的料件直接送到操作機(jī)鉗口中，中間不需要任何過渡，大大 減少料件的運送時間，在提高生產(chǎn)效率的同時，還減少加熱火次，降低能源消耗 ，提高 鍛造質(zhì)量和精度該機(jī)的配用不僅可提高生產(chǎn)效率，還大大節(jié)約了加熱爐的維修費用。 沒有裝取料機(jī)的鍛造車間，對料件的裝出爐時，一般采用 4 5 人，通過行車輔助裝出 料件，甚至采用撞鐵的方式裝料，對加熱爐門及爐膛、爐壁的損壞很大，據(jù)統(tǒng)計，由于 沒有裝取料機(jī)，生產(chǎn)廠家對每臺加熱爐的年維修費用在幾萬元以上，同時，由于對加熱 環(huán)形加熱爐的設(shè)計與仿真 5 爐的維修造成停產(chǎn)，累計起來，兩臺加熱爐每年的經(jīng)濟(jì)損失可以購買一臺裝取料機(jī)。若 配有裝取料機(jī)之后 ，該裝取料機(jī)在裝出料件時可做到輕拿輕放，裝出爐速度快，對加熱 爐有很好的保護(hù)作用。同時，該機(jī)一人操作就能完成所有工藝要求，減少勞動力。綜上 所述，裝取料機(jī)在鍛壓生產(chǎn)中有以下優(yōu)點： (1) 能降低生產(chǎn)成本 (包括人工、維修費用、能源費用 )； (2) 提高生產(chǎn)效率； (3) 提高產(chǎn)品質(zhì)量； (4) 改善工人工作條件； (5) 安全生產(chǎn)。 當(dāng)前鍛壓行業(yè)發(fā)展迅速，客戶對鍛件產(chǎn)品質(zhì)量要求越來越高，而能源費用一再漲價 ，工人工作條件要求改善，勞動生產(chǎn)力價格不斷升高在此種情況下，要贏得市場就需 要對生產(chǎn)過程采取機(jī)械化、自動化。從而降低產(chǎn)品成本大大提高勞動生產(chǎn)率。 本課題的裝取料機(jī)又稱裝取料機(jī)械手，是由簡單的機(jī)械手結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，是根據(jù)環(huán)形 加熱爐封閉圓不能將坯料推進(jìn)推出的結(jié)構(gòu)特點，只能運用的是將坯料拿進(jìn)去拿出來的理 念而進(jìn)行設(shè)計的，在冶金行業(yè)中，加熱的裝取是個難點，為了解決這個問題 ，改變現(xiàn)有 設(shè)備狀況 ，特設(shè)計了該機(jī)械手，它的作用就是將鋼料送入裝料區(qū)，加熱到所需溫度。然 后取出進(jìn)行鍛造或二次及多次軋斷使鋼料成為所需的各種型材 5。 由此可見裝取料機(jī)主要由以下三部分組成： (1) 整體機(jī)架：主要用于裝取料機(jī)的整體支撐和為機(jī)械手即鉗桿的進(jìn)退運動提供必要 的軌道； (2) 小車：主要用于帶動機(jī)械手即鉗桿前進(jìn)和后退，其行程可以根據(jù)機(jī)械手裝夾坯料 的規(guī)格的不同而進(jìn)行調(diào)整，還有依靠裝備在小車上的氣缸控制機(jī)械臂抬起和下降； (3) 鉗桿：主要用于裝夾坯料，通過裝配在鉗桿上的夾緊氣缸來控制夾鉗的夾緊與松 開，通過裝配在小車上的升降汽缸來控制鉗桿的上升與下降，一次把坯料抬起放下。 1.4 國內(nèi)外的發(fā)展情況 目前國內(nèi)裝取料機(jī)已經(jīng)初步形成了統(tǒng)一的成型產(chǎn)品，從形式上主要可以分為兩大類： 無軌裝取料機(jī)和軌道裝取料機(jī)。國產(chǎn)無軌裝取料機(jī)目前以叉車改造形式為主，即以標(biāo)準(zhǔn) 叉車為基體，去除前部料叉，安裝裝取料機(jī)專用機(jī)械手及執(zhí)行系統(tǒng)，使其能完成以下七 個動作：整體行走、轉(zhuǎn)彎、鉗頭夾緊、鉗頭旋轉(zhuǎn)、鉗頭擺動、鉗頭平行升降、鉗頭俯仰 升降。軌道式裝取料機(jī)主要結(jié)構(gòu)形式采用整體走盤式，可以完成 7-8 種運動；大車固定在 地面的軌道上行走；小車在其軌道上前后行走，其整體形式類似于行車；小車面板上裝 有回轉(zhuǎn)裝置，機(jī)械手部分可隨小車做回轉(zhuǎn)運動，俯仰運動，還可以做平移運動。機(jī)械手 隨鉗桿可以做前后收縮運動，加大機(jī)械手的活的范圍，使料件方便的送入加熱爐和方便 的從加熱爐中取出；機(jī)械手的回轉(zhuǎn)可以方便的夾取各種姿態(tài)的料件；夾頭夾持，可根據(jù) 實際生產(chǎn)中料件形狀方便的更換不同鉗口形式。 國內(nèi)外的加熱爐不僅在加熱質(zhì)量上更重要的是要求其生產(chǎn)環(huán)境要進(jìn)行改善，因為在 傳統(tǒng)的加熱爐周圍的環(huán)境是非常惡劣的，溫度高，粉塵大。工作人員一般很難長時間在 那里進(jìn)行操作，特別是爐口的裝取料機(jī)的操作人員，一旦爐內(nèi)壓力沒有控制好的話很可 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 能引起爐火外竄，而使?fàn)t口溫度急劇上升，可能還有燙傷操作人員的危險，但是又因為 當(dāng)今國內(nèi)外的技術(shù)力的限制，很難去完全控制住加熱爐的爐壓，所以裝取料機(jī)的遠(yuǎn)程操 控和自動化控制便是當(dāng)今發(fā)展的一個主要方向我在實習(xí)的時候去工廠參觀，在我看到 的企業(yè)中，無論好壞的企業(yè)，均沒有用電腦操作的裝取料機(jī)，均是有人進(jìn)行裝取料的。 而環(huán)形爐進(jìn)出料機(jī)利用的就是遠(yuǎn)程控制，通過電腦將程序?qū)懭?PLC 中，然后通過 PLC 控 制電路來實現(xiàn)對進(jìn)出料的控制，這樣的話，就只需要一個控制人員在一旁的控制室內(nèi)對 裝取料機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，這樣不僅可以使操作人員遠(yuǎn)離爐口從而改善工作環(huán)境，避免由 于不規(guī)范的操作而導(dǎo)致的人員傷亡，而且對操作工人的身體健康沒有危害；并且從長遠(yuǎn) 利益來講，這樣也就等于降低了生產(chǎn)成本，節(jié)約了勞動力；提高了勞動生產(chǎn)率；況且， 遠(yuǎn)程自動化操作也是當(dāng)今社會的一個發(fā)展趨勢，即節(jié)省人力又節(jié)約時間，而且改善了工 作環(huán)境。在實際的運用中不斷改進(jìn)遠(yuǎn)程自動化操作的方式、方法，可以更好的推動遠(yuǎn)程 自動化生產(chǎn)的發(fā)展。無論是對于裝出料機(jī)的設(shè)計還是在其他設(shè)計制造當(dāng)中，都是有很大 的益處的，其前景是無限寬廣的。 以下是 3 張國內(nèi)的裝出料機(jī)的圖片，可以看出都是由人工來操作的，這與我在工廠看 到的是一樣的。如圖示 1.5、1.6、1.7 圖 1.5 裝出料機(jī) 環(huán)形加熱爐的設(shè)計與仿真 7 圖 1.6 裝出料機(jī) 圖 1.7 裝出料機(jī) 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 2 裝取料機(jī)的設(shè)計說明及工作原理 2.1 裝取料機(jī)的設(shè)計說明及工作原理 根據(jù)現(xiàn)場的情況，由于加熱爐的爐門口下沿高度與鉗桿夾料處高度一致，且爐門并不 是垂直于水平面的，而是與水平面成 88 度角的，所以為了避免在裝料過程中發(fā)生坯料與 爐口相撞的情況，所以我們在設(shè)計鉗桿裝夾坯料時在鉗桿的尾步連接了氣動裝置，這樣 就可以實現(xiàn)鉗桿的落下和抬起，當(dāng)鉗桿落下時，夾鉗將坯料夾起，然后通過升降氣缸的 運動使鉗桿抬起，送入加熱爐中，鉗桿落下，夾鉗松開，坯料被放置在指定的坯料加熱 位置，最后，鉗桿抬起，退出爐門回到初始位置，準(zhǔn)備進(jìn)行第二次裝夾因為坯料在一 開始的時候是平放在放料處的，所以當(dāng)鉗桿降下，夾鉗把坯料夾住，鉗桿抬起時，在坯 料被提起的同時原本與水平面平行放置的坯料還會與水平面形成一個夾角，因為鉗桿在 進(jìn)出加熱爐時與水平面是垂直的，所以這個夾角同時也就是鉗桿落下的角度，為了保證 坯料在進(jìn)出時，坯料的最上端低于爐口的上沿，胚料的最下端要高于爐口的下沿，且要 有足夠的上下空間的剩余量，經(jīng)過對鉗桿長度擬定和對坯料長度的計算，取落下角度為 4 度夾角符合以上介紹的情況 12。 雖然把角度再取大一點也是可以符合上述條件，但是為了避免做過多的無用功，從 合理的利用和節(jié)約能源的角度來考慮，選取 4 度角是比較合理的由于坯料被夾住抬起 時并不是與鉗桿平行的，所以為了使夾鉗能夠完全的夾住坯料，在鑄造夾鉗的過程中， 夾鉗的下沿也應(yīng)被設(shè)計成與水平面成 4 度的角度，如圖 2.1 所示，這樣在裝夾時，夾鉗的 下沿就會與坯料平行，從而可以完整的將坯料夾住，使坯料被裝夾的位置各部分受力均 勻，避免了一些由于受力不均勻而導(dǎo)致的坯料松動和滑脫問題，加大了夾鉗的夾緊能力 10。 夾鉗的夾緊部分圓弧的半徑則是根據(jù)可裝夾的最大坯料的半徑來定的，這臺裝取料機(jī)可 裝夾的最大坯料的半徑是 140.5mm，所以我們就把夾鉗的夾緊部分的半徑為 140.5mm而夾鉗的厚度，我們以其能抓緊坯料，不使其搖晃為標(biāo)準(zhǔn)，初定為 400mm兩夾鉗分別焊接在兩鉗桿之上，如圖 2.2。 1.鉗桿 2.夾鉗 3 坯料 圖 2.1 結(jié)構(gòu)圖 環(huán)形加熱爐的設(shè)計與仿真 9 1.氣缸 2.右擺臂 3.左擺臂 4.鉗桿 5.夾鉗 圖 2.2 夾鉗 夾鉗要裝夾坯料就必須獲得一個夾緊力，由這個夾緊力來夾緊坯料，提供這個夾緊 力的正是裝配在鉗桿上的夾緊氣缸，氣缸活塞桿的端頭部分與氣缸的另一端分別與左右 擺臂用軸進(jìn)行連接，這樣可以保證當(dāng)活塞在進(jìn)行往返運動時，左右擺臂可以根據(jù)各自的 連接軸繞軸做轉(zhuǎn)動運動，左右擺臂的另一端焊接在鉗桿上，當(dāng)擺臂在做繞軸的轉(zhuǎn)動運動 時，擺臂的另一端就會帶動鉗桿轉(zhuǎn)動，由于夾鉗是焊接在鉗桿上的，所以當(dāng)鉗桿在轉(zhuǎn)動 時，夾鉗也就跟著張開和閉合，從而達(dá)到夾緊和松開的目的 3。根據(jù)所需的夾緊力和要裝 夾的胚料的最大和最小規(guī)格來選定夾緊氣缸的規(guī)格，然后根據(jù)夾緊氣缸的初始總長度、 行程，夾鉗所需的最大張口和最小裝夾坯料來進(jìn)行擺臂的設(shè)計、安裝和焊接。夾鉗的最 大開口與最小開口，如圖 2.3 所示。 一、松開 二、裝夾最大胚料 三、裝夾最小胚料 圖 2.3 夾鉗的狀態(tài) 圖示分別是夾鉗在松開、裝夾最大坯料、裝夾最小坯料時氣缸活塞桿的行程，在氣 缸處于初始位置時要預(yù)先給夾鉗空開足夠的松開余量，便于以后裝夾。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 帶動鉗桿做抬起、降下運動的是裝配在鉗桿末端的升降氣缸，由氣缸控制的鉗桿位 置我們可以將其看成是一個點，當(dāng)鉗桿只有一個端點在運動時是不能帶動另一個端點做 抬起、降下運動的，所以我們在鉗桿上為其設(shè)置一個支點，讓鉗桿可以圍繞這個支點做 轉(zhuǎn)動，這樣當(dāng)鉗桿的一頭被抬起時，鉗桿的另一頭就會被降下，相反的如果一頭被降下， 另一頭就會被抬起為了讓鉗桿要跟著小車前進(jìn)和后退，所以我們把升降氣缸和支點都 裝配在小車上，因為支點是裝配在小車上的，所以鉗桿是被支點在上面吊著的而不是在 下面頂著的，然后將升降氣缸和支點的另一端與吊架連接，在連接過程中，由于鉗桿要 圍繞支點做轉(zhuǎn)動，而且當(dāng)氣缸去頂拉鉗桿時，鉗桿也會產(chǎn)生傾斜，所以我們這里與吊架 連接采用的是軸連接，這樣就不會對鉗桿的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生影響。因為鉗桿其本身還要做轉(zhuǎn)動 運動，所以不能把吊架與鉗桿直接用螺釘連接或焊接，我們這里采用雙軸承座，先用雙 軸承座將兩鉗桿固定后再把軸承座與吊板用螺釘進(jìn)行連接，這樣既可以不影響兩鉗桿自 身的轉(zhuǎn)動，又可以使兩鉗桿始終保持平行狀態(tài)。在鉗桿與軸承座相配合的部分，鉗桿的 外徑要小于鉗桿其它部分的外徑，這樣當(dāng)將軸承座裝配上去時，軸承座不僅只限制鉗桿 前后，上下的自由度，并且連鉗桿的左右自由度也限制住了，如圖 2.4 所示。 1.與軸承座相配合的鉗桿部分 2.其它鉗桿部分 圖 2.4 示意圖 為了使兩鉗桿保持同步轉(zhuǎn)動，不出現(xiàn)裝夾中線偏移坯料中心線，我們在鉗桿的末端 安裝一對齒輪，使用齒輪傳動保持兩鉗桿同時向相對方向轉(zhuǎn)動，同時帶動夾鉗運動。 由于鉗桿要在高溫條件下連續(xù)進(jìn)行工作，即使使用再好的耐熱材料也是會由于溫度 太高達(dá)到極限值而發(fā)生鉗桿軟化變形等一系列的問題，所以對鉗桿的冷卻在這里就非常 重要了，我們在這里采用的是水冷，就是利用冷水的流動來對鉗桿進(jìn)行冷卻，由于鉗桿 是空心的，我們在鉗桿的中心部安裝了水冷管，水冷管的設(shè)計是按照相類似產(chǎn)品的水冷 管設(shè)計來完成的，在鉗桿后雙軸承座左右，也就是與升降氣缸相連接部分的鉗桿左右分 別鉆空，用來安裝進(jìn)出水管但是由于我的設(shè)計不包括這個部分，所以只是在這交代一 下。 小車的主要作用就是帶動鉗桿做進(jìn)給運動，同時裝配在小車上的升降氣缸給鉗桿提 環(huán)形加熱爐的設(shè)計與仿真 11 供一個升降運動。由于升降氣缸要帶動鉗桿做升降運動，所以升降氣缸裝配處的鋼板受 力較大，我們采用了異型筋板來加強(qiáng)裝配氣缸處的鋼板強(qiáng)度。小車的車體，大部分都是 由鑄件直接焊接而成，當(dāng)中的橫梁部分所采用的是工字鋼，通過計算，所選工字鋼的強(qiáng) 度符合要求，且工字鋼相對于其它形狀的鋼材的優(yōu)勢就是較節(jié)省成本的，車身的豎梁是 用鋼板焊接而成的形狀類似于工字鋼的鋼條所組成，在強(qiáng)度條件足夠的情況下也節(jié)約了 成本，同時這樣還可以減輕車身的負(fù)擔(dān)，減輕其自身的重量。 我們?yōu)樾≤嚪謩e設(shè)計了前輪和后輪，這兩對輪子的主要是起支撐車體和減小小車移 動時所產(chǎn)生的摩擦力的作用，在后輪下面我們還設(shè)計了一對后下輪，后下輪與機(jī)架導(dǎo)軌 的下沿接觸，而后輪與機(jī)架導(dǎo)軌的上沿相接觸，兩對輪子分別將機(jī)架導(dǎo)軌夾在中間，從 而利用導(dǎo)軌來限制了小車的上下自由度，當(dāng)然后下輪采用的還是滾動摩擦，目的還是為 了減小摩擦所帶來的阻力，在車身的一旁，我們還設(shè)計了兩對導(dǎo)向輪，兩對導(dǎo)向輪分別 與導(dǎo)軌左右兩端接觸，將導(dǎo)軌夾在當(dāng)中，自然是為了限制小車左右的自由度，讓小車可 以沿著軌道進(jìn)行直線運動，不會出現(xiàn)搖晃和偏出軌道等事故，采用輪子而非滑塊自然也 是考慮到了摩擦力問題。如圖 2.5 所示，小車的前輪和后輪分別通過各自的軸與小車裝備 在一起，前軸和后軸用螺栓連接在小車車體的鋼板上。而導(dǎo)向輪是直接通過筋板用螺栓 連接固定在小車車體上的。 1.導(dǎo)向輪 2.導(dǎo)軌 圖 2.5 小車導(dǎo)輪導(dǎo)軌 為了防止因違規(guī)操作或小車減速過慢而導(dǎo)致的小車超過極限行程沖出機(jī)架，我們在 機(jī)架上安裝了擋板，但是即使安裝了擋板，也是經(jīng)不住小車一次又一次的沖擊的，所以 我們在小車的后下輪周圍安裝了由橡膠制成的緩沖器，如圖 2.5，通過橡膠的張力伸縮性 來減緩小車對擋板和機(jī)架的沖擊力，從而既保護(hù)了機(jī)架和擋板，使他們不會因為小車的 沖擊而崩壞，也保護(hù)了小車，使小車在受到?jīng)_擊時，有一個緩沖的過程，如圖 2.6 所示 7。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 1.緩沖器架 2.后緩沖器 3.前緩沖器 圖 2.6 緩沖器 為了要讓小車連接鉗桿支點部，所以在小車前部用螺栓連接長筋板，使其與吊板相 連接，這樣小車通過升降氣缸、長筋板和兩塊吊板與鉗桿連接，就可以帶動鉗桿做平動。 裝取料裝置的機(jī)架主要是由 2 根橫梁，4 根連接梁和 6 根立柱裝配而成的，其中 2 根 橫梁是工字型鋼板，在橫梁上分別焊接兩條導(dǎo)軌，導(dǎo)軌與小車的前輪和后輪直接接觸， 在提供小車支撐點和運行方向的同時還與小車的導(dǎo)向輪相配合，限制了小車左右的自由 度。由于小車是用電動機(jī)驅(qū)動的，當(dāng)電動機(jī)運行時，帶動安裝在電動機(jī)上的齒輪轉(zhuǎn)動， 所以為了要使小車被齒輪驅(qū)動，我們在右橫梁上裝配了與小車齒輪可以嚙合的齒條，齒 條是通過螺栓和銷連接在右橫梁上的，齒輪轉(zhuǎn)動時，由于齒條是被固定的，所以與裝配 了電動機(jī)的小車就被齒輪帶動開始做進(jìn)退運動。關(guān)于變速操作問題，裝取料機(jī)的的小車 以及升降汽缸等相對要求速度高些，可以提高效率，但是為了加料的準(zhǔn)確以及減少由于 速度大而帶來的慣性，速度又不宜太高，所以裝取料機(jī)的動作最好是變速操作，即慢慢 啟動，快行，慢慢停止，至于怎么控制是用轉(zhuǎn)換開關(guān)，控制電磁換向閥實現(xiàn)的，在這里 我不用做控制的部分，故不在敘述。由于右橫梁在安裝齒條時，會多出齒條與橫梁相連 接的部分，而后下輪正好是與那部分鋼板相連接的，但是由于左橫梁沒有安裝齒條，所 以后下輪的左輪與左橫梁就會空出那部分的余量，為了使小車在運行時保持平穩(wěn)我們就 在左橫梁上焊接一根鋼條，來填補左橫梁上的那個空余量，使小車的左下輪也可以和左 橫梁相接觸如圖 2.7 所示。 環(huán)形加熱爐的設(shè)計與仿真 13 1.左橫梁 2.填充鋼條 3.左下后輪 圖 2.7 橫梁 橫梁上在小車行程的極限位置上焊接擋板兩塊，準(zhǔn)備承受小車的沖擊力，擋板用鋼 板在后加固。 4 根連接梁的主要作用就上將兩根橫梁連接起來，提高機(jī)架整體的的強(qiáng)度，其中后上 連接梁是比較特殊的，主要是因為其位置的特殊性所造成的，因為后上連接梁被裝配在 小車的緩沖器的同一個平面內(nèi)，所以當(dāng)小車后退時，小車緩沖器是有很大的可能與后上 連接梁相接觸的，所以后上連接梁除了起到連接橫梁和加固作用外，還起到一個后擋板 的作用，用來擋住緩沖器。所以我們在后上連接梁上焊接了兩塊鋼板，以提高后上連接 梁自身的強(qiáng)度。 6 根立柱的作用自然就是支撐裝取料機(jī)整體結(jié)構(gòu)，承載小車、橫梁以及鉗桿和料。在 計算強(qiáng)度允許的前提下，我們考慮了材料的節(jié)約，所以我們使用兩根槽鋼當(dāng)中用鋼板焊 接在一起的結(jié)構(gòu)來構(gòu)成立柱，立柱的上下部分別在焊接帶孔方型鋼板，以便于立柱與橫 梁和地面進(jìn)行螺栓連接，周圍再分別焊接鋼板對連接板進(jìn)行加固。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 3 裝取料機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及設(shè)計計算 3.1 整體的設(shè)計 通過對設(shè)計要求的認(rèn)識，以及安裝現(xiàn)場的位置要求，可以把整個機(jī)構(gòu)分成三部分： 鉗桿、小車、整體機(jī)架，大概的運動就是移動小車帶動鉗桿在機(jī)架上運動。機(jī)架由焊接構(gòu) 件裝配而成，并以其六根支柱支承在基礎(chǔ)上。機(jī)架上部為焊接架結(jié)構(gòu)，以增加橋架鋼度， 橋架兩個梁板上有小車前后輪導(dǎo)軌后輪設(shè)計了后下輪與機(jī)架導(dǎo)軌的下沿接觸，而后輪 與機(jī)架導(dǎo)軌的上沿相接觸，兩對輪子分別將機(jī)架導(dǎo)軌夾在中間，從而利用導(dǎo)軌來限制了 小車的上下自由度。在車身的一旁，我們還設(shè)計了兩對導(dǎo)向輪，兩對導(dǎo)向輪分別與導(dǎo)軌 左右兩端接觸，將導(dǎo)軌夾在當(dāng)中，自然是為了限制小車左右的自由度，讓小車可以沿著 軌道進(jìn)行直線運動。小車是用電動機(jī)驅(qū)動帶動安裝在電動機(jī)上的齒輪轉(zhuǎn)動，所以為了要 使小車被齒輪驅(qū)動，我們在右橫梁上裝配了與小車齒輪可以嚙合的齒條，齒條是通過螺 栓和銷連接在右橫梁上的，齒輪轉(zhuǎn)動時，由于齒條是被固定的，所以與裝配了電動機(jī)的 小車就被齒輪帶動開始做進(jìn)退運動。為了使小車停位準(zhǔn)確并且小車停下時受到的沖擊力， 架子上裝有前后限程及緩沖裝置，這個緩沖裝置是由橡膠制成，它的限位由架子上的兩 個連接梁決定。夾鉗由一對夾鉗稈、鉗手開合裝置及鉗手?jǐn)[動裝置組成（即夾緊氣缸） ， 鉗桿被吊掛于行走小車下部的橫梁上，兩夾鉗在杠桿式的夾鉗開合裝置推動下繞其支承 點轉(zhuǎn)動，以閉合或松開鉗口也可以隨同橫梁在升降氣缸驅(qū)動下繞吊掛點轉(zhuǎn)動以使鉗桿 提升或放下 13。因為鉗頭和坯料要進(jìn)入爐子內(nèi)部，所以做的不是很大，在加上他們頻繁的 出入高溫爐膛，夾持高溫的坯料，溫度升的非?？欤词褂心蜔徜撝圃欤矐?yīng)該考慮冷 卻問題。否則容易變形損壞，即使使用再好的耐熱材料也是會由于溫度太高達(dá)到極限值 而發(fā)生鉗桿軟化變形等一系列的問題，所以對鉗桿的冷卻在這里就非常重要了，我們在 這里采用的是水冷，就是利用冷水的流動來對鉗桿進(jìn)行冷卻，由于鉗桿是空心的，我們 在鉗桿的中心部安裝了水冷管，水冷管的設(shè)計是按照相類似產(chǎn)品的水冷管設(shè)計來完成 的但是我的設(shè)計不做關(guān)于冷卻的部分，所以在這里不在多敘述。 環(huán)形加熱爐的設(shè)計與仿真 15 3.2 鉗桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算 鉗桿在整個設(shè)備中雖然是送料動作的執(zhí)行件，但同時也是被帶動件，因為它是依靠 移動小車來實現(xiàn)其運動的。然而要想把整個機(jī)構(gòu)設(shè)計出來，就必須從鉗桿開始著手設(shè)計 計算。夾鉗是由一對夾鉗稈、鉗手開合擺動裝置組成夾鉗桿被吊掛于下部的橫梁上，兩 夾鉗在夾緊氣缸裝置推動下繞其支承點轉(zhuǎn)動，以閉合或張開鉗口，也可以隨同橫梁在升 降氣缸使鉗桿提升或放下。 3.2.1 鉗桿的整體機(jī)構(gòu)設(shè)計 根據(jù)所要達(dá)到的設(shè)計要求，知道鉗桿主要有以下幾個運動： (1) 上下運動 因為要夾取物料，所以要有帶動鉗桿可以上下運動的機(jī)構(gòu)，這時可以用一臺升降氣 缸來幫助其完成而氣缸的型號要在整個鉗桿設(shè)計好以后才可以確定。 (2) 夾取和松開物料運動 這個動作不好設(shè)計完成，因為就整個機(jī)構(gòu)而言，并不是大批大量生產(chǎn)的，也不是要 求精密度很高的設(shè)備想到夾取自然會想到機(jī)械手，但一般的機(jī)械手的設(shè)計造價都很高， 而且多用在高精度的機(jī)器中，所以在這可以用簡單的機(jī)械手因此可以想到將一個類似 于機(jī)械手的半圓狀部件焊接在鉗桿上，兩根鉗桿并排放置，再有一臺夾緊氣缸在完成夾 取和松開運動這樣整個設(shè)計就很簡化了，而且經(jīng)濟(jì)實用同時夾緊氣缸的型號也要待 定。 (3) 與小車的連接 與小車的連接部分有兩點，一是升降氣缸處，升降氣缸的上方要與小車相連，下方 則與鉗桿相連二是為了平衡和支撐鉗桿，設(shè)置一處鉗桿與小車的相連處，此處相連處 在進(jìn)行鉗桿的校核時可看作支點。 3.2.2 鉗桿的長度 鉗桿的長度的確定是根據(jù)安裝現(xiàn)場以及環(huán)形加熱爐爐體深度而定的，待加熱的物料是 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 16 管狀坯料，直徑是 180mm350mm，長度是 17005400mm，最大重量是 1500Kg。爐腔寬度是 6450mm，這樣若送進(jìn)爐體內(nèi)的管坯與爐體內(nèi)圈的距離留為 150mm，則伸進(jìn)爐體的鉗桿的長度最大是 6450-150-850=5450mm，設(shè)外面的架子離爐口 的距離是 300mm，鉗桿與小車的兩連接處的距離及鉗桿兩端的預(yù)留的長度總共設(shè)為 3000mm。 這樣鉗桿的總長 L=5450+300+3000=8750mm。 3.2.3 鉗桿的直徑 由于此設(shè)備是往加熱爐里送取料，而加熱爐的溫度可達(dá)到 1000 多攝氏度，所以伸進(jìn) 爐體的鉗桿必須要冷卻，這里采用的是水冷，就是鉗桿采用空心管，管里面可注入 水但由于我的設(shè)計要求沒有這個部分，所以在我的設(shè)計過程中并沒有體現(xiàn)這個，不過 在這要設(shè)計鉗桿的直徑就必須說明這點。 由待加熱的管坯的直徑?jīng)Q定鉗手的形狀及張開最大最小時的狀況，這樣也多少的給 鉗桿的直徑的確定帶來的一些限制。若太小了，會使鉗手承受不住管坯的重量，太大了， 又會浪費材料。而管壁的厚度也是從強(qiáng)度和節(jié)能方面考慮的，太厚或是太薄都將影響鉗 桿的機(jī)能，所以綜合各方面的因素可以設(shè)鉗桿的外徑為 245mm，內(nèi)徑為 200mm。 3.2.4 兩氣缸的型號的確定 在確定氣缸型號之前，要先將鉗桿的受力情況分析清楚 由鉗桿的零件圖可以知道鉗桿受四個力，各個力之間的距離均是先假設(shè)的，受力圖如圖 3.1： 圖 3.1 受力圖 根據(jù)受力情況，可以查資料得到氣缸的型號，但由于用的都是成品，在達(dá)到同樣的工 作性能的前提下，從節(jié)省的角度考慮選用的氣缸并不是國標(biāo)的，而是私人公司生產(chǎn)的， 升降氣缸型號為 QGB-KF400X130-中間耳軸，缸徑為 400mm，桿徑為 90mm，行程 130mm，工作壓力 0.6Mpa夾緊氣缸型號 QGB-KF250X235-尾部耳軸 14，缸徑為 140mm，桿徑為 60mm，行程 235mm，工作壓力 0.6Mpa。 3.2.5 鉗桿校核 環(huán)形加熱爐的設(shè)計與仿真 17 圖 3.2 鉗桿 1）選材 考慮到此材料要有較高的強(qiáng)度和足夠的耐熱度，故選 35 鋼正火處理，由MPab590 2）鉗桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計 如上 3.2 圖 3）鉗桿的強(qiáng)度計算 鉗桿的受力簡圖如下 3.3 圖 圖 3.3 受力圖 彎矩簡圖如下 3.4 圖： 圖 3.4 彎矩圖 所以強(qiáng)度校核 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 18 MPaW49251.0763 （3.1） 得 MPa51 故強(qiáng)度足夠 4）鉗桿的疲勞強(qiáng)度校核 （1） 斷危險截面 根據(jù)鉗桿的受力情況可以判斷出所受的彎矩最大的地方就是其危險截面。 （2） 計算彎曲應(yīng)力 抗彎截面系數(shù)為 3331470625m2.01.dW （3.2） 截面左側(cè)的彎矩 M 為 8N463.653027215 （3.3） 截面上的彎曲應(yīng)力 4263.8.0MPa1705bMW （3.4） （3） 計算綜合系數(shù) 鉗桿的材料是 35 剛，正火處理，得 ，Pab590a21 應(yīng)力系數(shù)：去應(yīng)力集中系數(shù) 及鉗桿的材料的敏性系數(shù) 。由公式得應(yīng)力系數(shù) q 725.1)(1qk （3.5） 尺寸影響系數(shù)得 6.0 表面質(zhì)量系數(shù)為 92 則得綜合系數(shù)為 85.2kD （3.6） （4） 計算安全系數(shù) 材料特性系數(shù) =0.1 所以 5.127)(1maDkS （3.7） 可知其安全。 同樣的道理可知截面右側(cè)的強(qiáng)度也安全。 3.2.6 齒輪校核 環(huán)形加熱爐的設(shè)計與仿真 19 圖 3.5 齒輪 圖 3.6 齒輪 1）選定齒輪材料和熱處理方式 兩齒輪均用 45 鋼調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度 240HBS 2)按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計 3 2112. HEdZuKTd （3.8） （1） 試選載荷系數(shù) K=1.3 （2） 計算齒輪轉(zhuǎn)距 （由已知夾鉗最大夾緊力為 29KN）故1T 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 20 m3520N.12901 FLT （3.9） （3） 確定齒寬系數(shù) d =1.0d （4） 確定材料彈性系數(shù) EZ MPaZE8.19 （5） 確定重合度系數(shù) 試取 ，則3. 95.0314Z （6） 確定齒數(shù)比 u 1 （7） 計算接觸疲勞許用應(yīng)力 ，初估齒輪分度圓直徑H1d 已知夾鉗開閉所用時間為 6s，變化的角度是 26.8o 所以其轉(zhuǎn)速 214.368026n （3.10） ， ， =1.0MPaH5901limPaH2limHS 則得 71 105.308166 hktnN （3.11） 7 7125.0.u （3.12） ，即94.,.021NZ MPaSHN5.381lim1 （3.14） ZHN4.202li2 （3.15） 代入較小值得 32112. HEdZuKTd m5.2814.109850.3 環(huán)形加熱爐的設(shè)計與仿真 21 （8） 確定齒輪和齒輪其他參數(shù) 現(xiàn)取 Z=30，m= ,m 選標(biāo)準(zhǔn)值，取 m=10mm，則4.9/1zd =mz=10 30=300mm 1 （3.16） u=1,所以 = =300mm2d1 齒寬 , mb30. （3.17） 所以取 = =300mm21 3）驗算輪齒彎曲強(qiáng)度 FSFdFYmzKTa321 （3.18） （1） 確定載荷系數(shù) K vA （3.19） 0.AK 齒輪圓周速度為 smdnv/5.016230 （3.20） （按 8 級精度初算） 2.1vK.K 由圖 7-16， 則5.1 4.105.20vA （2） 確定齒形系數(shù) 4.,2.1aaFFY （3.21） （3） 確定齒根應(yīng)力集中系數(shù) 7.1,6.21aasS （3.22） （4） 確定重合度系數(shù) 67.1302.812.381 z （3.23） 7.06.50Y 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 22 （5） 計算齒根彎曲強(qiáng)度 Mpa 7.3068.215.10324.231311 YmzKTaSFdF （3.24） MPaaaSFF .97.62.57212 （3.25） （6） 計算齒輪許用彎曲應(yīng)力 MPaPFF30,3402lim1lim （3.26）S 則95.,.21NY MPaSYFNF 304195.26.342lim21li1 （3.27） 故安全。21,FF 3.3 小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算 小車是整個機(jī)構(gòu)的核心部分，在整個機(jī)構(gòu)的運行中起著主導(dǎo)作用。從移動小車的設(shè) 計要求來考慮,它主要的運動過程是帶動鉗桿來實現(xiàn)送取料過程，此運動的動力來源是電 動機(jī)。電動機(jī)下安裝一個齒輪，齒輪與安裝在架子上的齒條做相對運動，使得小車在架 子橫梁上的軌道上帶動鉗桿做出送取料運動。因此小車作用主要是帶動鉗桿運動由于 環(huán)形加熱爐的設(shè)計與仿真 23 這個移動小車只是針對這個機(jī)構(gòu)也就是環(huán)形加熱爐的送取料機(jī)構(gòu)而設(shè)計的，并不是批量 生產(chǎn)，所以在強(qiáng)度允許的情況下大多采用焊接的形式來完成，這樣節(jié)省勞動力。 3.3.1 小車的整體設(shè)計 想設(shè)計出移動小車，就要從幾方面來考慮。第一，小車用來做什么？小車是用來吊鉗 桿、提供鉗桿的進(jìn)退運動，并通過升降氣缸來抬起放下鉗桿。第二，可以把小車分成幾 部分來考慮？第三，如何讓小車動起來？把這三方面想清楚自然就可以把小車的形狀定 下來。在上面已經(jīng)闡述了移動小車的作用以及它的動力源，所以現(xiàn)在主要就是要分幾部 分來入手以構(gòu)成整個小車機(jī)構(gòu)。小車自然要有前后輪、車體，另外為了防止小車在運行 過程中會撞到環(huán)形加熱爐的爐壁，所以要有一個緩沖部件，這個緩沖部件是由橡膠制 成這里就是除了前后輪外還要有一個后下輪，用來放置緩振器裝置的。另外這個后下 輪還有限制小車在垂直方向的自由度的作用這樣就可以把小車分成四部分，即車體、 前輪、后輪、后下輪 8。 3.3.2 車體的設(shè)計計算 小車車體的主視圖如圖 3.7： 圖 3.7 車體 小車車體的俯視圖如圖 3.8： 圖 3.8 車體俯視圖 在設(shè)計之前，要先明白設(shè)計要求。工況要求小車的車體上的零部件要能順利運行， 車體的外形或內(nèi)部結(jié)構(gòu)不致有阻礙運行件運行的突起。剛度和強(qiáng)度要求在滿足此要求的 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 24 前提下盡量的節(jié)省材料。穩(wěn)定性要求要使小車安全穩(wěn)定的運行，不存在失穩(wěn)，彎曲等現(xiàn) 象 15。 小車車體基本上全部都是焊接件，其中除吊架用螺栓連接外，其它均為對接焊，焊 高不小于最薄件厚之 0.7 倍除內(nèi)襯板和吊架外要求焊后加工和鉆孔，并且焊后去應(yīng)力。 小車的車體主要啟支撐作用，所以從強(qiáng)度、承載力方面考慮，小車車體的基本框架可以 用工字鋼來組合。由于工字鋼的承載能力比較強(qiáng)，而且簡單適用。所用的工字鋼都是標(biāo) 準(zhǔn)的 22 號工字鋼，只是長度不同小車車體的長度及寬度都是根據(jù)設(shè)計要求和現(xiàn)場情況 來確定的，起到最主要作用的還是現(xiàn)場情況，因為設(shè)計總是要先考慮實際情況，所設(shè)計 出的機(jī)構(gòu)能不能完好的安裝在所要求的地方，就是要看設(shè)計者是不是對現(xiàn)場有充分的了 解。這樣，就可以先把車體總的輪廓確定下來，車體中間部分則主要是考慮強(qiáng)度的要求， 在增加強(qiáng)度的同時還要節(jié)省材料。可以在中間加入幾個 22 號工字鋼，而與鉗桿相連接的 地方則采用吊架，吊架并沒有標(biāo)準(zhǔn)形式，所以在強(qiáng)度安全的條件下可以自由設(shè)計。由于 小車的動力源是齒輪電動機(jī)，自然在小車車體上要安裝齒輪電動機(jī)，相應(yīng)的安裝位置可 以從上面小車車體的俯視圖中看出，其中 1 是與鉗桿升降氣缸的連接處，2 是齒輪電動機(jī) 的放置點，3 是與鉗桿相連的支點。 在整個車體的設(shè)計中，由于用了多個工字鋼以及鋼板進(jìn)行焊接而形成，這樣車體的 受力就比較均勻，并沒有應(yīng)力突出點，并且在設(shè)計之前是采用大安全系數(shù)設(shè)計的，所以 這個車體的設(shè)計是絕對安全的，這樣就不用再單獨拿出某一個工字鋼來進(jìn)行校核，故車 體是安全的。 3.3.3 前輪的設(shè)計計算 圖 3.9 前輪 在前輪的設(shè)計計算中，存在的問題并不多，但由于承受的力比較大，所以對它的強(qiáng) 度的要求就非常重要了。在設(shè)計中，也是要在滿足強(qiáng)度、承受載荷能力的前提下節(jié)約材 料，減輕重量，要易于安裝在小車的車體上。在前輪中最重要的零件就是輪軸和滾動軸 承在便于校核的情況下，先認(rèn)為是圓柱體來計算。 3.3.4 輪軸的設(shè)計及校核 環(huán)形加熱爐的設(shè)計與仿真 25 圖 3.10 輪軸 考慮到要把該前軸裝在移動小車的車體上，所以把輪軸與小車車體連接部分做成方 鋼的形式，這樣，這個輪軸就可以用一個方鋼來制造在中間打孔用以和車體螺栓連接。 輪軸的長度是根據(jù)小車車體的寬度來確定的， 由于該輪軸并不是用以轉(zhuǎn)遞運動的軸，只 是用以支撐和帶動其他部件運動的軸，自然在設(shè)計上就不能用以往的思路來考慮，但是 這樣就沒有什么依據(jù)了。因此這個輪軸的設(shè)計是根據(jù)老師傅的經(jīng)驗得來的方鋼的邊長以 及輪軸兩端的圓柱的直徑的大小，當(dāng)然這個經(jīng)驗值并不是十分的貼切，但是這也將是在 強(qiáng)度等綜合因素考慮的前提下所得到的較為合理的數(shù)值了。 （1）選材 選 45 鋼正火處理， MPab590 （2）輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 如圖示 （3）軸的強(qiáng)度計算 受力簡圖如下圖 3.11： 圖 3.11 受力圖 彎矩圖如下圖 3.12： 圖 3.12 彎矩圖 所以強(qiáng)度校核 MPaW43150.789 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 26 （3.28） 得 MPa51 故強(qiáng)度足夠 （4）輪軸的疲勞強(qiáng)度校核 A,判斷危險截面 根據(jù)輪軸的受力情況可以判斷出所受彎矩最大的地方就是其危險截面 B,計算彎曲應(yīng)力 抗彎截面系數(shù)為 333750m1.0.dW 截面左側(cè)的彎矩 N.89246944785M 截面上的彎曲應(yīng)力 .MPa30.2b C,計算綜合系數(shù) 輪軸的材料是 45 鋼，正火處理，得 ，ab5951 應(yīng)力系數(shù)：去應(yīng)力集中系數(shù) 及鉗桿的材料的敏性系數(shù)q 由公式得應(yīng)力系數(shù) 72.1)(1qk （3.29） 尺寸影響系數(shù)為 65.0 表面質(zhì)量系數(shù)為 92 則得綜合系數(shù)為 85.2kD （3.30） D,計算安全系數(shù) 材料特性系數(shù) =0.1 所以 5.127)(1maDkS （3.31） 可知其安全。 同樣的道理可知截面右側(cè)的強(qiáng)度也安全。 3.3.5 后輪的設(shè)計計算 環(huán)形加熱爐的設(shè)計與仿真 27 圖 3.13 后輪 后輪與前輪的設(shè)計基本相似，無論是它們的設(shè)計思路，還是校核計算都是一樣的， 所以在這里就不再重復(fù)。 3.3.6 后下輪的設(shè)計計算 圖 3.14 后下輪 后下輪并沒有起到支撐或承載的作用，它最主要的目的就是用來安裝緩振裝置，所 以在進(jìn)行設(shè)計時不需要考慮它所受的載荷是多少，只要能使它可安裝在移動小車的車體 上并可以將四個減震器安裝上發(fā)揮其作用即可而進(jìn)行這個設(shè)計時，要盡量的減輕重量， 當(dāng)然要在其強(qiáng)度等因素安全的前提下，重量減輕可以使小車的負(fù)載減輕。同時后下輪的 有關(guān)數(shù)值的確定也不是通過準(zhǔn)確地計算而得來的，因為并沒有這方面的計算公式來有解 和驗算其是否合理，只有通過咨詢有經(jīng)驗的師傅來合理的有效的確定出來。這里肯定會 有很多不足之處，但這將在以后的設(shè)計中慢慢改進(jìn)，以得到最為準(zhǔn)確地數(shù)據(jù)。之所以采 用一些經(jīng)驗值，還有一個原因就是這個機(jī)構(gòu)只是單件生產(chǎn)，并不是面向大眾的機(jī)構(gòu)。綜 合眾多因素，后下輪的設(shè)計如圖所示圖 3.14。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 28 3.4 整體機(jī)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計及計算 圖 3.15 機(jī)架 前面已經(jīng)把鉗桿和小車闡述完畢，整個裝取料機(jī)的最重要的兩部分已經(jīng)完成，剩下 的整體機(jī)架就是根據(jù)現(xiàn)場情況來給設(shè)計好的鉗桿、小車的整體一個發(fā)揮其作用的地方， 所以整體機(jī)架的最主要的作用就是支