大型翻转提升机构的结构设计

大型H钢翻转提升机构设计摘要我国现如今的工业水平不断地发展,H钢运用的领域越发广泛,在提升和翻转那些笨重、体积很大零件不能只靠人力去完成,为了提高生产效率需要设计出一种设备来解决此问题.在设计的同时需要考虑到传动装置变松以与润滑等问题.本文首先对翻转机提升类型从其特点进行分析到选择,选择出链式翻转机构和液压式提升装置,对H钢翻转工作进行分析,设计出符合要求的元器件如轴,齿轮,皮带等,对部分件进行校核,为了元件相互协调配合,设备运行平稳.最后设计出液压与电气系统组合,从而形成一套完整的工作体系从上升正反翻转、制动、下降.提升机构选择形式为液压式,优点是重量轻、容易实现调速、使用寿命长.缺点是油液对密封装置要求比较严苛容易泄露.翻转机构使用链式传动,优点是摩擦性好、成本低.缺点不耐冲击、质量大.关键词 H钢；翻转机构；提升机构39 / 43Design of Large Scale H Steel Lifting MechanismAbstractChina is now the level of industrial development, H steel used more and more widely in the field, lifting and turning of the heavy and large parts can not only rely on manpower to plete, in order to improve the production efficiency we need to design a device to solve this problem. At the same time the design should take into account the loose gear and lubrication problems.Based on the analysis of the types of hoisting machine turn to choose from its features, choose a chain turnover mechanism and a hydraulic lifting device for H steel turning work analysis, designed to meet the requirements of the ponents such as shaft, gear, belt and so on, to check the part, as the ponents of coordination, equipment running smoothly. Finally, the hydraulic and electrical system is bined to form a plete system of work, from rising, reverse, braking and descending.The selection of lifting mechanism is hydraulic, with the advantages of light weight, easy realization of speed control and long service life. The disadvantage is that the oil on the sealing device requirements are more stringent, easy to leak. The turnover mechanism adopts chain type transmission, and has the advantages of good friction and low cost. Disadvantages, no impact, high quality.Keywords H steel, turnover mechanism, lifting mechanism目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1课题研究的背景与意义11.2国内外研究现状1国外发展现状1国内发展现状21.3本课题的研究内容4第2章 翻转提升机构的总体设计52.1翻转和提升机构采用形式的确定5翻转机构的确定5提升机构的确定72.2 H钢翻转的工作原理92.3大型H钢翻转提升机构的简图92.4本章小结10第3章 翻转提升机构的结构设计113.1链条与链轮的选择设计11链条的设计选择11链轮的设计选择12滑轮的设计选择13润滑油的选择143.2电机的选择143.3带传动与齿轮的设计与计算15皮带传动的设计153.3.2 V带轮的设计17皮带张紧装置的选择193.4轴的结构设计与校核19轴的设计计算19滚动轴承的校核21键的校核223.5本章小结22第4章 翻转提升机构的液压与电气的系统设计234.1机构液压系统的设计23液压缸的设计与计算23液压系统的原理与元件选择274.2机构电气控制系统设计294.3机构的系统工作过程304.4本章小结31第5章 三维模型的建立325.1建立零件325.2零件图的装配325.3三维模型345.4本章小结34结论35致谢36参考文献37附录A38附录B45第1章 绪论1.1 课题研究的背景与意义现如今社会经济飞速发展,国家不断强调工业并大力投入工业设计发展,建筑业与大型工业更是不断发展,像大型H钢这样的钢型会用到很多,所以有着大量的.注重钢材的可持续发展经济与节约使用是实现钢材向绿色环保发展的必经之路.所以要大力推广与应用,放长远的眼光来看H钢的需求必然很大.制造业是国家实现新工业文化的基础保证.大型工件的制造体现了国家的工业文化水平1.在生产与制造大型构件中,很多时候都需要大型翻转机来改变工件的位置.这些年来由于板材的价格上涨也带来了很多利好,钢材的价格也在持续上涨,同时H型钢的市场也逐渐回暖,国内与国外在H型钢的价格差距逐渐变小,有利于国内钢材对外出口.例如现有的翻转机构来说,有CL型、U型、和L型等翻转机,但是他们都有的缺点就是；承载能力较低,并且翻转的自由度单一,翻转的角度也很单一,不能同时满足生产环节中个工序的翻转要求2.被运用到翻转机构的场合,最常见的就是在焊接生产中,当H钢一面完成焊接后,这是需要将工件翻转为了方便加工另一面.但是H钢重量很大,只靠人力将其翻转是很困难的,这时就需要专用的翻转设备,在大量生产时,为了使生产效率提高,就需要这样的机构.本次研究的课题大型H钢翻转提升机,就是为这种场合下产生的设备.1.2 国内外研究现状1.2.1 国外发展现状自19世纪初期,卢森堡建立了成世界第一个热轧H钢生产线,此后H型钢生产与设备都有了很大的发展,在50年代和80年代掀起两次发展高潮.到了80年代末,世界H钢产能量可以达到2000万吨,占世界钢材总产量的36,现世界H型钢轧机有将近100套,存在20多个国家.下面以日本H型钢生产现状为重点,初步探讨国外H钢发展的现状.日本是二次世界大战后经济发展最快的国家之一,与经济发展同步的H型钢的发展过程是值得我国研究与借鉴的.到1973年日本钢的总产量就达到1024.8万吨,其中H钢产量为554.3万吨,H钢占了一半还多,H型钢结构也因此得到了广泛的发展与使用拿轻型H钢举例；在日本,轻型H钢主要用于低层或多层厂房,公共建筑物等.这样制造可以效率,但是对材料精度和设备自动化也提出了新要求,轻型H钢最适合建筑这样的工业化住宅.1992年日本钢生产量为1040万吨,其中H钢占57.8,产量为600.8万,占型材结构的一半以上,H型钢运用的领域越来越广,甚至取代了工字钢,使得工字钢产量降为28.8万,仅占2.8,这也使H钢的质量与技术水平得到快速发展. 19721992年日本累计生产H钢9042.8万吨出口2000万吨按日本人口11000万计,累计人均消费为640kg,人均年消耗32kg.俄国与加拿大的矿产资源非常丰富,日本进口来源多从这两个国家.日本的企业用投资或者是买股份的形式这这两个国家拥有很多资源,这样也可以弥补一些国家本身的不足,从而的到长远的发展.日本除了对这两个国家进行投资或者是买股权,还对很多国家分布全球,参股,战略合作,合资等,这样能更好的分散风险,降低成本,可以分享世界经济成长的果实,得到稳定发展.为了能更好的融入市场,日本也调整了进出口结构,进口一些低档一般的原料,通过本国先进工业加工水平进行加工,相当于从毛胚到成品的过程,出口世界各国,从而获得非常丰厚的利润.就利用这样的产业链日本已经处在世界上游,加上前面所说的对各国投资、战略合作等,达到利润最大化同时也可以打击对手的目的.1.2.2 国内发展现状我国H型钢的生产起步较晚,直到上世纪90年代马钢才能生产出0.2m以下的小型H型钢,由于生产力不强无法完成量化生产,直到1998年才完成这个目标.现在通过国家统计句数据来说明04到14年这10年间钢铁的发展如图1-1.图1-1 2004-20#中国型钢产量走势图在通过04年到14年这10年我国H型钢细分品中产量统计如表1-1.表1-1 2004-20#我国H型钢主要细分品种统计万吨年份大型H型钢中小型H型钢钢型合计20#638.33778.04016.320#747.82664.63412.320#917.22386.13303.320#1014.72839.53854.220#894.12953.83847.920#947.04118.95065.920#946.54251.95198.420#1103.84573.25676.920#1132.74702.15834.920#1274.95745.47020.320#1349.55620.06969.5从总体这10年来看,虽然在偶然存在今年产量不如往年的现象,但是总的产量还是在稳步提升的,对于品种分析可看出,每个时期对于H型钢种类的需求也是不同的,都是在为市场做调整,总体来说H型钢的需求在不断增加.马钢是我国第一个生产H型钢的企业,现加以介绍.马钢公司H型钢厂从国外公司引荐生产技术和设备,一期工程年生产能力60万吨以生产H钢为主.在H型钢的生产中都是由计算机控制,计算机控制系统有三级、一级为基础控制级、二级为过程控制级、三级为工厂管理控制级.总体来说这是一条在我国也可以说是世界上都十分先进的刚型生产线.它的建成也增强了我国生产H钢的技术水平.图1-2为马钢生产的H型钢铁.图1-2 马钢生产的H型钢材就最近几年来说我国生产刚型的技术与水平离世界先进水平很接近甚至可以说是能达到.对以后来说进步技术,设备提升已经不是主要目的,主要是为了满足用户需求才是目的,目前我国刚型型材标准只能满足工业生产,国外的标准也无法满足我国的标准生产.同时尺寸公差,钢铁化学成分纯净度,表面质量等各个方面来说,我国与发达国家相比还是有一定的差距.1.3 本课题的研究内容大型H钢翻转提升机构,主要就是为了研究大型H钢的翻转与提升装置两部分.主要内容有；1. 查阅相关资料,了解大型H钢翻转提升机构国内外现状、特点、差距基本确定研究方法与研究思路,撰写开题报告；2. 做出大型H钢翻转提升机构的总体方案；3. 计算出大型H钢翻转提升机构的主要参数；4. 完成大型H钢翻转提升传动系统、电气与液压设计.第2章 翻转提升机构的总体设计2.1 翻转和提升机构采用形式的确定2.1.1 翻转机构的确定翻转机构的作用是将工件做沿着轴做翻转运动,使工件变换有利位置更好地进行加工5.现在翻转机构有很多类型可以参考,例有头尾架式、框架式、链式、环式、推举式等,如表2-1所示翻转机构的种类.这些翻转类型都可以使用在实际不同的生产中,但是在我国还没有对翻转机形式制定标准,只有头尾架式有系列标准.表2-1 翻转机构种类形 式变位速度驱动方式工作特点头尾架式可调机电环形焊缝,运用于轴类和椭圆形焊件,旋转变位框架式恒定机电或液压用于较长焊件,倾斜变位链式恒定机电用于自身刚度强的工件翻转变位环式恒定机电用于自身刚度强的工件翻转变位,在大型构件的组对与焊接应用中较多推举式恒定液压用于倾斜变位,装配和焊接在同一工作台上进行由工作特点分析,对翻转种类的最后三种进行重点分析和选择,作为大型H钢的翻转机构.现在分析这三种形式,选择出最合适的形式.如下图2-1为采用链式的翻转机构所示.1. 链轮 2.链条 3.H钢 4.支架 5.张紧轮图2-1 链式翻转机构链式翻转机构由图看出,其结构形式比较简单,因为H钢用链条的支撑,其优点是价格便宜、来源广泛且已加工,利用链传动运行平稳.缺点就是链条之间的焊接很麻烦费时间,对焊接和夹具的都是有要求的.环式翻转机构结构形式如下图2-2所示.与链式翻转相比环式翻转机构得缺点就是在翻转同样的H型钢时,环式翻转机构的结构复杂、体积较大.有点就是环式机构在翻转大型钢件的效率高.1. 拖轮 2.支撑环 3.钝齿轮 4.驱动装备图 2-2 环式翻转机构推举式翻转机构结构如下图2-3所示.推举式翻转机构的优点就是,机构也比较简单,缺点是这种结构翻转的自由度单一,每次翻转都无法回到原来的位置,需要人工操作复位,所以翻转效率比较低.1. 翻转工作台 2.推拉式轴销 3.举升液压缸图2-3 推举式翻转机构综合分析三种翻转机构的工作特点,最后选择用链式翻转.这样提升机构选择的问题就解决了.链式翻转机构组成主要由链条、链轮、电动机、张紧轮等组成.链条连接方式也是两种,有片式关节链和环形焊接链.与焊接链做对比第一种片式的运动平稳且可靠.缺点是片式关节链条的价格比较高、并且容易生锈和近灰.链条本身优点抗腐蚀性很强,摩擦性能好、且传动机构尺寸较小.缺点就是链条之间相连的刚度强度很低,在有一定的冲击下容易损坏、不适用于高速提升.由于翻转机本身在工作中有一定的冲击,考虑到安全和稳定的,最后选用片式关节链.2.1.2 提升机构的确定提升机构分两种；一种为机械式,另一种为液压式.1. 机械式起升机构包括：绳索卷绕式起升机构；链条卷绕式起升机构.2. 液压式起升机构压缸起升机构；压马达升机构.2.1.2.1 机械式提升机构的应用目下图2-4所示,新型地下垃圾桶就是典型的利用机械式提升机构作为主要提升方式作出的产物6.对于普通的垃圾桶来说,垃圾箱的制作存在很多不足,一般垃圾都是在地边上堆积很占空间,尤其是对于夏天苍蝇很多更是有异味,对于城市面貌更是大大减分.它的出现恰恰就是解决这一问题的它解决了,它的优点就是节省空间且清理方便、成本低、可以减轻工作人员的工作强度7.该提升机构有附件、省力与减速机构.工作人员在清理垃圾时,摇动手柄使链轮1转动.上升时利用棘轮转动,2摩擦片不发生作用；下降时,2摩擦片啮合,通过摩擦减小冲击.链轮2转动,链轮2再带动滚筒5转动,转动将绳绞起来,拉底板5向上升起,垃圾桶放在底板上,底板上升就可以把垃圾桶提升上去.a新型地下垃圾桶主视图b新型地下垃圾桶左视图1.2.链轮 3.滑轮组 4.滚筒 5.底板图2-4 地下垃圾桶提升机构主视图2.1.2.2 液压式提升机构的应用平行四边形机构在各类液压升降设备被中广泛使用,因为其结构可以放大工作,但是顶升的工作方式.如图2-5就是利用其结构的特性来设计的液压式提升机构.1. 提升机构 2.航标浮筒 3.清洗刷 1. 1号液压缸2. 2号液压缸 3.提升滑块图2-5 长江航标浮筒清洗装置 图2-6 机构运动简图工作臂上有很多刷子,通过刷子的工作臂在轨道上下运动和自身摆动这样就可以清洗浮筒.工作臂的上下运动由液压缸的提升机构来带动.如图2-6机构运动简图可看出,工作臂连接在滑块,平面运动构型为四边形,可以稳定工作.装置由滑轮引导在轨道中上下升降,滑块在垂直中心线上运动,这样可以使两液压缸实现机械同步.平行四边形提升机构优点就是构造简单、结构紧凑.液压提升机构多用此机构实现升降.1. 两种提升机构的比较机械式提升机构的执行构件通常选择钢丝绳滑轮组,特点为提升范围比大适用于大型钢件,缺点是提升结构复杂.也有齿轮齿条组合,但这种组合只适用于提升小型钢件.液压式提升机采用的动力源是液压,用液压缸进行提升.其运行平稳并且使用寿命很长,但是由于是液压式需要用到油液,油液容易随温度变化并且如果密封不好还容易出现泄露等等一些问题.机械式提升机构的提升方式为提拉式,而液压式提升机构的提升方式为推举式.都有优缺点当然还需根据工作环境与要求选取.从本次研究的课题角度出发,考虑到液压式提升机构的装置重量和体积相对于机械式来说更轻也更小,并且更耐冲击,结构也简单.前提是相同功率驱动,还是选择液压式提升机构.2.2 H钢翻转的工作原理工件在链条上最开始的状态如图2-7.重心在AB中间,当链条转动的时候.链条顺时针转,重心慢慢偏离B点,靠近A点,因为翻转钢件与链条的接触点开始发生变化,B点离开链条,向左翻转.1. 链轮 2.链条图2-7 翻转过程如图2-8a重心G偏在A的右侧,如果翻转H型钢,就需要一个滚转力使重心偏在A点的左侧,来使H钢继续翻转.如图2-8b此时重心G在A的左侧,惯性使工件继续翻转,如果想要停止翻转,需要一个阻止力需要大于惯性力,如果需继续翻转,需要H钢的惯性力大于阻力矩,这样使H钢的重心G逐渐偏向在A点的左侧,否则H钢翻转将停止转动.链条的摩擦力如果摩擦力足够大,就不换产生大话现象,也不会影响H钢的翻转.同时要求H钢有足够大的翻转速度来克服打滑现象.但是H钢与链条的摩擦离大小工作量很大而且很复杂,所以这里就不进行计算了.H钢重心在右侧H钢重心在左侧图2-8 H钢翻转过程简图2.3 大型H钢翻转提升机构的简图可以翻转最大的H型钢尺寸的为：18m6m12m,最大能承受的重量是10吨.现设计大型H刚翻转提升机构的布置见图如下图2-9.由于到H型钢重量非常重也非常大,单个机构是无法完成提升与翻转,需要两个或者两个以上工作台配合完成此过程.每一个工作台的尺是不同的其中1与2之间的长度为4m,2和3之间的长度为7m.个设备间都设计有辊道,每个设备都是相同的只是间隔不同,都配有制动器来控制工作.1.号翻转架 2.号翻转架 3.号翻转架 4.辊道图2-9 大型H钢翻转提升机的布置2.4 本章小结本章翻转提升机构的总体设计就是为了解决翻转的形式与提升形式的选择.通过对翻转机构形式的类型特点与应用的分析最终选择了链式提升形式.提升形式选择为液压式,最后对翻转提升如何运动做以确定,做了一下机构简图,做到了主体确定.第3章 翻转提升机构的结构设计3.1 链条与链轮的选择设计3.1.1 链条的设计选择1. 链条的选择如下图3-1,翻转机构,翻转机构主要由链轮,链条,张紧装置,通过链条转动使H钢翻转.图3-1 翻转结构简图最开始定链条的转速为0.5m/s,每一个翻转架所承受力是50kN,受力分析如图3-2.图3-2 链条受力计算拉力F见式：链条拉力F为34355N.查手册,选择LH0866型板式起重链条.基本参数如下表3-1：表3-1 LH0866型板式起重链条参数名称参数相见节距P 12.7mm板数的组合66最大拉伸载荷Q66.7kN2链条的长度初步确定链条长度；考虑到链轮部分的链条长度没有算入,所以取L为6200mm.3确定链条的节数计算链条节数见式3-2：3-2取Lp=490节.式中：Lp 为链条的节数,L为链条的长度,P 为链条的节距.3.1.2 链轮的设计选择链轮采用整体式钢制小链轮,结构形式如图3-3.a链轮主视图b链轮左视图图3-3 链轮结构参照下表3-2链轮基本参数.表3-2 链轮基本参数名称数值mm计算公式配用链条节距P12.7查手册配用链条的滚子外径d15.12配用链条的排距Pt6.24Pt=3b0分度圆直径d68mm齿数z17 取z得17内径dk35 /齿顶圆直径da77齿根圆直径df63分度圆旋齿高ha5轮毂厚度h11.5轮毂长度l36轮毂直径dh58齿宽bf3.7表中：v为设计链速,n为链轮转速,k-常数,50d100时 k取4.8,b0为链板厚度查机械手册取2.08mm.3.1.3 滑轮的设计选择滑轮与轴相连接配合,同时滑轮又与链轮配合使其转动从而带动大型H钢进行翻转运动,所以滑轮的设计选择是很重要的.因为链条特殊的布置形式,要设计一个滑轮,这样可以将链条拉紧,以防链条运动的时候发生接触,这样传动效率会提高很多.滑轮结构形式如下图3-4,滑轮设计参数见表3-3.图3-4 滑轮的结构表3-3 滑轮设计参数名称数值mm计算公式D80/轮槽直径D1140轮缘直径D2160轮缘间宽b30滑轮宽B50 /表中：P为链条的节距,P取12.7mm,b为链条的销轴长,b=取27.99mm,h1为链条的通道高度 h1取12.32mm,d2为链条销轴直径,d2取5.09mm.3.1.4 润滑油的选择由于链条的布置形式比较特殊,选择传动的形式为开式,手工润滑比较困难.需将链条拆下,定期清洗,清洗的液体就是煤油,等链条的间隙都被煤油充满后才能安装使用.使用润滑剂可以减少动力传到过程的动能损失,从而提升传动效率.润滑剂必须要有良好的渗透性,不光是润滑链条,还需要润滑轴与轴套,他们的间隙很小.还需要良好的粘附性,为了防止高速工作是润滑剂被甩出.综上所述选择润滑油的牌号为昆仑的L-AN46,全损耗系统用油,因为它的密封性也很好,也可作为封闭循环系统的润滑油.3.2 电机的选择由上一节受力分析得出链条的拉力为F为34295N,得选择出电动机型号见式3-3；P电=式中：链为链条传动效率,取链=90%,皮为皮带传动效率,取皮=80%.根据手册,选取电动机型号YZ160L-8作为翻转机构的电动机,它的转速为705r/min,额定功率为7.5kW.这种电动机具有的有点就是启动电流小、可以频繁启动、转矩大.3.3 带传动与齿轮的设计与计算3.3.1 皮带传动的设计由电动机选择得出电动机功率P为2.3kW,窄V带传动,按照每天工作10小时,重载启动且有载荷冲击.1带型的选择根据电动机的转速,705r/min,查手册,选择V带形式为窄V带SPZ.2. 确定计算功率 Pca计算功率Pca见式3-4：Pca=KAP 式中：Pca为计算功率,KA为工作情况系数.查手册得KA=1.4,P为传递的额定功率.3. 带轮的基准直径初选小带轮基准直径dd1根据V带选择,参考手册,选取小带轮准直径dd1=63mm,则da1=67mm.计算带速 计算带速见式3-5：式中：v1为主动轮的圆周速度,n1为主动轮的转速.计算从动轮基准直径dd2设计传动比i=1：5.根据手册第3卷,选取从动轮基准直径dd2=315mm,da2=319mm.4. 确定中心距a和带的基准长度Ld 初定中心距a0,见式3-6：0.7 a02264.6 a0756初选a0=550mm.基准长度见式：= =1622.212mm根据机械设计手册,选取基准长度Ld=1600mm见式3-8：这里还需要考虑补偿预紧力所以：5. 验算主动轮上的包角根据对包角的要求见式3-9；包角满足要求.6. 确定带的根数计算带的根数见式3-10：式中：K为包角系数,KL为长度系数,P0为单根V带的基本额定功率,根据机械设计手册,K取0.92,KL =1.16,P0=0.68.取z=5根.7. 确定带的预紧力计算带的预紧力见式3-11：式中：m为V带单位长度质量,v为带速,z为带的根数,K为包角系数 Pca为计算功率,查手册得m取0.07kg/m.8. 计算传动作用在轴上的力计算传动作用在轴上的力见式3-12：式中：z为带的根数,F0为单根带的预紧力,为主动轮上的包角.3.3.2 V带轮的设计由上节V带轮的转速以与功率,可得出轮采用材料为；HT150铸造.先设计小V带轮,发动机带动小V带轮转动,从而带动皮带转动,皮带将运动传递给大带轮,带动大带轮转动.这里先设计小V带轮,然后再设计大V带轮.1 小带轮设计计算因为内孔与外空的距离很小,查手册,直径且小于160mm,所以小带轮采用的结构形式为实心式,因为小带轮基准直径dd2.5d,结构形式如图3-5所示.图3-5 小带轮结构小带轮的结构参数如表3-4.表3-4 小带轮结构参数参数数值计算公式D32/d158d1=dDd63/Da67/B64B=2f+4eL83L=d 36/式中：f 为第一槽对称面至端面距离,e 为槽间距.2 大带轮设计大带轮采用的结构形式是；孔板式.轮槽工作面不能有砂眼,气孔.各轮槽间距的累积误差不得超过0.8.结构形式如图3-5所示.图3-6 大带轮结构大带轮的结构参数如表3-5.表3-5 大带轮结构参数参数数值mm计算公式D45/d190d1=dDd315/Da319/B64B=2f+4eL64B1.5d时,L=BC11BD1259/D0174.5D0=0.5d050d0= 36/式中：f 为第一槽对称面至端面距离,e 为槽间距.3.3.3 皮带张紧装置的选择因为V带弹性很低且容易变形,运转一段时间后,在预紧力的作用下,就会产生塑性变形使V带松弛,这样预紧力降低,使传动效率降低.所以,需要一种装置,使皮带始终能处于一定的状态,这样的工作效率就会变得很高.这种装置就是张紧装置如图3-7.图3-7 摆架式张紧装置常见的张紧装置有定式、自动式或者是采用张紧轮的装置.在大型H钢的翻转提升设备采用摆架式张紧的装置,如图3-7.只要调整电动机下方的螺母就能调节带的预紧力.3.4 轴的结构设计与校核3.4.1 轴的设计计算系统中有一根主动轴,一根滑轮轴,一根空场链轮轴,现在只对主动轴进行计算.1 线求轴的输出功率P轴轴的转速n和轴的转矩T.链条的传动效率取0.98则；P轴=1.9992/0.98=2.04kW2初步确定轴的最小直径选取轴的材料为45钢.根据机械设计手册取A0=112,计算dmin见式3-13：3-13轴的最小直径处为安装链轮处,此处有一个键槽,轴径应放大6%,即取. 3轴的结构设计拟定轴上零件的装配方案装配方案如图3-8.根据轴向定位的要求确定轴的各段直径与长度为了确保链轮的轴向定位,处设有螺纹,处设轴肩,与之间的长度设定为70mm,与之间的长度为50mm.因为轴承承受径向力作用,滚动轴承选择深沟球轴承.参照工作要求,由与的距离为 50mm,选择轴承型号为6410,该型号尺寸为；5011031.由于与处有端盖又因为厚度的原因,就取其长度为51mm.设轴肩,与的长度为55mm,与的长度为550mm.与之间的长度为50mm,考虑这有安装有端盖、皮带轮以与轴承,所以取与之间的长度为30mm,与的长度100mm.处设螺纹,M42,与之间的长度为50mm.轴的倒两个角取45半径为R2.图3-8 主动轴的结构带轮、链轮的周向定位；选择平键联接.查手册的,带轮、链轮与轴的配合；H7/r6.轴的尺寸公差为m6.4. 分析轴的载荷分布与弯扭校核强度由图3-9可以分析载荷分布.aa处的载荷bb处的载荷cc处的载荷dd处的载荷图3-9 轴的载荷分布由上图看出B处在和最大,现在通过对B截面进行载荷计算如表3-5.表3-5 截面B处的载荷计算载荷水平面H垂直面V支反力FNH1=21608N FNH2=2409NFNV1=22435N FNV2=2565N弯矩MMH=1385NmMV=1475Nm总弯矩扭矩TT=138Nm按弯扭合成应力校核轴的强度现只校核轴的危险截面B处的强度见式3-14：式中：d为轴直径,M为轴受的弯矩,T为轴受的扭矩,为校正系数,双向旋转取1,-1p 为轴许用的弯曲应力.查手册,查表得-1p=207MPa危险截面B处轴的强度满足要求.3.4.2 滚动轴承的校核计算额定动载荷与基本额定动载荷的大小见式3-15：3-15式中：C为基本额定动载荷，P为当量动载荷，为寿命因数,为速度因数,fm为力矩载荷因数,fm=1.52 fd为冲击载荷因数,ft为温度因数Cr为轴承径向基本额定动载荷.因为轴承只承受径向力作用,所以取P和Fr都是25KN.查手册得fh取1.26,fn取0.62,fd取1.2,ft取1.0.查手册,Cr取92.2KN.所以CCr,选择型号6410符合要求.3.4.3 键的校核轴上有两个键,链轮处的键所受力最大,故对此处进行校核. 1.挤压强度校核 计算挤压校核见式3-16：式中：T为传递的转矩,k为与轮毂键槽的接触高度,k=0.5h=0.58=4mm l为的工作长度,圆头平键l=L-b=28-10=18mm,d为轴直径p键连接的许用挤压应力.查手册,在有冲击载荷的情况下,p应小于120MPa.所以满足要求. 2.键的剪切强度校核计算键的剪切强度校核见式3-17：式中：T为递的转矩，d为的直径，b为的宽度，l为的工作长度,圆头平键l是L和b相减为28-10=18mm.查手册和表,有冲击载荷时p=90MPa.p故满足要求.3.5 本章小结本章主要对翻转和提升机构做出了具体设计.对传动系统、轴、链条进行了设计与计算,并且也考虑到链条的润滑问题.小带轮采用实心形式,大带轮采用孔板式.为了解决V带变松的问题选择摆驾式张紧装置.同时也对轴和键进行了校核.第4章 翻转提升机构的液压与电气的系统设计4.1 机构液压系统的设计4.1.1 液压缸的设计与计算液压传动系统有很多优点,例如：体积小、质量轻容易实现自动化通用化等.广泛用于工业领域,当前朝着与计算机、微电子技术的结合,实现高集成化,低噪音的方向发展.液压传动通过液体压力能转换为机械能,从而驱动工作,实现直线往复运动或者是摆动.液压缸的分类有很多种下面将其进行分类如表4-1,这样能更好的对其进行分析选择.表4-1 液压缸分类与工作特点液压缸分类液压缸的下级分类 工作特点单作用单活塞杆式单向液压驱动,返回行程是利用自重或负载将活塞推回 栓塞式适于做长行程液压缸,只能实现一个方向的运动,柱塞回程要靠其它外力或柱塞的自重,必须有足够的刚度 伸缩式以短缸获得行程,用压力油从小到大逐节排出,靠外力由大到小、逐节缩回双作用 单活塞杆式单边有活塞杆,双向液压驱动,两向推力和速度不等 双活塞杆式双边有活塞杆,双向驱动,可实现等速往复运动 伸缩式活塞伸出的顺序式从大到小,空载缩回的顺序相反 组合式弹簧复位式单向液压驱动,由弹簧里复位 串联式用于缸的直径受限制,而长度不受限制处,可获得大得推力 增压式大小油缸串联组成,由低压大缸驱动,使小刚获得高压 齿条传动式活塞往复运动,经齿条传动使与之啮合的齿轮获得双向回转运动根基工作特点分析初步选择双作用单活塞杆液压缸,液压缸的结构形式如图4-1.接下来需要计算出缸筒的内径.图4-1 液压缸结构形式原始数据；H 钢重10t,翻转架重2t,单个的液压缸所承受的载荷为10/2+2/4=1.75 t,行程L=800mm提升速度0.08m/s.查手册,择液压缸的工作压力为2.5Mpa. 1. 计算液压缸的牵引力F计算液压缸的牵引力F见式4-1： F=F压+F密+F惯+F背4-1一般取F密=0.010.1F压,F密=0.117500=1750N.F惯见式4-2： F惯=4-2式中：G为总重力,g 为力加速度, v为度变化量,t 为间变化量,t取0.010.5秒.F惯=1429N F背=0F=17500+1750+1429+0=20679N 2. 计算液压缸内径、活塞直径计算液压缸内径见式4-3：D=0.105m=105mm 4-3查手册,D为125mm.3. 活塞杆直径在受压时 P5MP情况下：d取0.50.55D.d=1250.5=62.5mm查手册,d=63mm.4 缸筒长度L以与其它部位尺寸缸筒长度L以与其它部位尺寸如图4-2.图4-2 液压缸结构最小导向长度：H+=+=102.5mm 取H=103mm.活塞宽度B=0.61.0D取B=0.8125=100mm.导向套滑动面长度A ,当D80mm时 A=0.61.0d.取A=0.662.5=37.5mm.隔套C=H0.5A+B=103-0.5100+37.5=34.25 mm.取C=35mm.5缸筒壁厚与其验算查手册选取缸筒外径为；146mm.=146-125=10.1mm壁厚校核=0.081mm=0.08 0.3 可用下列公式校核见式4-4：4-4式中：Pmax为最高工作压力,Pmax=1.52.5=3.75Mpa,为许用应力,= b/n,b为拉强度,n安全系数一般取3.55.缸筒材料选为35号缸,b=540MPa,n取4.=540/4=135MPa=0.0017m=1.7mm1.7mm 壁厚强度合格.6 缸底、缸盖设计与计算缸底采用焊接方式,如图4-3.图4-3 缸底连接方式10.433D2式中：D2为计算厚度处直径,取D2=105mm.10.433105=6.2mm焊缝应力计算见式4-6：=MPa 式中：F为缸内最大推力,D1为缸筒外径,d1为焊缝直径,为焊接效率,取=0.7,b为焊条材料的抗拉强度,n为安全系数,取n=4.=13MPaMPa焊接强度可靠.（2） 缸盖采用外螺纹连接,如图4-4.图4-4 缸盖连接方式螺纹处拉应力见式4-7：=N/mm2 螺纹处剪应力见式4-8：= N/mm2 式中：F为最大推力，D为内径，d0为纹外径，d1为纹底径,K为螺纹系数,一般取1.251.5，K1为纹摩擦因数一般取0.070.2,选择K1=0.12.螺纹使用M1404普通螺纹,查手册d1=135.670mm.=12.45N/mm2=4.2 N/mm2合成应力n=14.42 N/mm2许用应力见式4-9：p=式中：s为缸筒材料的屈服极限 35缸为320MPa,n0为安全系数,取n0=1.22.5.p=320/2=160MPapn 螺纹强度满足要求.4.1.2 液压系统的原理与元件选择 1. 液压系统的原理图系统设计时共有15个液压缸,有3个液压缸作用是制动,其他分三组翻转机构,每次由两组完成工作,由两位两通换向阀来完成翻转提升液压缸的选择.液压系统原理由图4-5.图4-5 液压系统原理为了方便理解液压系统各部分作用,用其以表格形式分析各部分作用,如表4-2.表4-2液压系统各部分作用序号 名称作用1过滤器过滤掉液体中的杂质,降低油液污染,保证系统正常工作2液压泵向容积泵输入压力油,使泵转动,输出转矩,成为液压马达3,溢流阀控制系统压力基本恒定,实现限压,稳压或调压4,7,8换向阀控制油路的通与断,相当于开关5减速阀降低与稳定系统中磨一支路的油液压力6,9单向阀使油液只能延一个方向流动,不许反向倒流10调速阀使液压缸流量恒定,油液与共有压力保持不变,使变量泵与液压缸流量匹配11,12液压阀执行元件,使机构运动 2.液压元件的选择根据系统的工作情况,将液压元件列入下表4-3.表4-3 翻转提升机液压系统的元件型号序号元件名称额定压力 MPa额定流量 L/min型号规格说明1过滤器0.07160XU-A160X30FS通径为40mm2齿轮泵2.5125BB-B1251500r/min0.55KW3溢流阀25200BG-06通径为16mm4电液换向阀1618024DF3B-E16B通径为16mm5减压阀31.560DR6DP3-50通径为15mm6 9单向阀31.5175S20P通径为20mm7电磁换向阀168024DF3-E10B通径为10mm8电液换向阀281604WEH16G/10单向调速阀32100QA-H20通径为20mm11 12液压缸/自行设计 /表中所列的元件都是查机械设计手册,第四卷.4.2 机构电气控制系统设计1. 控制要求翻转电机要求能够正反转；系统采用液压驱动；液压泵由电机M4拖动；翻转过程由三台翻转电机的任两台完成,通过旋转开关选择电动机型号.翻转与液压泵电机的选择如表4-4电机名称型号额定电压额定电流额定转数翻转电机 M1、M2、 M3YZ160L-8380V18A705r/min液压泵电机 M4Y801-4380V1.5A1390r/min2. 电气控制线路设计主回路设计设计开关SB2,控制电路启动,KM1和KM2实现正反向翻转,KM3控制液压泵电动机.系统设有三组电机、号电机还有液压泵电机并设有熔断器保护电路FU2、FU3、FU4、FU5.控制电路设计开关SB1控制电气的开关,开关SB3控制提升,开关SB4控制下降,开关SB5控制制动、SB6控制正转、SB7控制反转.电机启动、制动回路设计电机的启动有两种方式,这里用直接启动的方法,另一种就是降压启动,与其相比,它更好的适应翻转电机启动转矩大,电流小的特点,启动条件也没有其他方式那样苛刻.在频繁启动时要有独立变压器供电,如果没有需要满足下面条件；4-10,可直接启动电动机.绘制电气原理图电器原理图见附图纸.3. 电器元件的选择在电器控制中运用到很多元器件,例如电动机、组合开关、接触器、控制按钮、熔断器等下面需要对其进行型号与规格数量的选择,如表4-4大型H钢翻转提升电气元件选择.表4-4 大型H钢翻转提升机电器元件的选择符号名称型号规格数量M1、M2、M3异步电动机TZ160L-87.5KW 380V 705r/min3M4液压泵电动机Y801-40.55KW 380V 1390r/min1Q组合开关HZ5-60/10 L02三极 380V 60A1KM1 KM2 KM4 KM5、KM6交流接触器CJ0-20A额定电流20A线圈电压220V5KM3交流接触器CJ0-10A额定电流10A线圈电压220V1KR热继电器JR15-10/2热元件6号整定电流1.5A1FU1熔断器RL1-15380V 熔断体2A1FU2、FU3、FU4熔断器RL1-60380V 熔断体40A3FU5熔断器RL1-15380V 熔断体5A1TC控制变压器BK-200200VA 380V/220V1S旋转开关LS2-310A1ST1、ST2限位开关LX4A2SB1、SB5、控制按钮LA10红色2SB2、SB3、SB4、SB6、SB7控制按钮LA10黑色5表中所列元件均查自常用供配电设备选型手册第1卷.4.3 机构的系统工作过程因为每次工作用任意两个翻转架,现在只对号架组合的工作过程进行说明.工作过程如下：首先,启动液压泵按开关SB2,这时KM3得电,将S转到1位置,这时号翻转架就启动了,通过液压图油路分析在这时,换向阀1YA移至左位,接通油路,KM4的使电后原来常闭开关KM4打开,将切断号翻转架电路.提升就按SB3,这样4YA得到电信号转化成液压油信号,换向阀4YA移到左位,使油通路,这样就开始了提升动作.如果松开SB3后这样4YA就失电,油液就不通,这样提升动作就停止了保持不动,正向翻转按SB6,KM1得电，电机正转，同时6YA失电,停止制动,这样H刚就开始翻转.反向翻转就按SB7,想停在某一位置按SB5,这样正反电机电路被断开,此时6YA得电,启动制动油液卸荷.如果需要使工件下降按SB4,这样5YA得电，这是换向阀5YA移到右位,工件靠自身重量下降.按SB1后,整个电路就被断开了,停止工作,工作周期完成.电磁铁动作过程如表4-5为组合架工作情况.表4-5系统电磁铁动作过程液压泵提升下降正翻反翻KM1/+/KM2/+KM3+KM4+KM5/1YA+2YA/3YA/4YA/+/5YA/+/6YA+/4.4 本章小结本章对其机构的液压与电气进行了设计,先对液压系统中液压缸进行设计计算,同时设计出液压工作原理图,也对电气控制进行设计并选择合适的元件.最后进行对工作原理进行了确定,明确的同时也完成了本次课题的设计.第5章 三维模型的建立5.1 建立零件首先打开Pro/E软件,建立一个新的零件图,选择其中某个基准面进行草图绘制,再经过拉伸使其形成零件图,见图5-1,图5-2,图5-3.图5-1 文件对话框图5-2 新建对话框图5-3 拉伸对话框5.2 零件图的装配同样先是打开Pro/E软件,建立一个新的组件图,选择其中一个零件作为基准,再将其他部分的零件进行装配,并且需要添加相应的约束来确保模型的可运动性,可以见图5-4,5-5.图5-4 新文件选项图5-5 放置对话框接下来就该建立零件图,下图是图5-6主动轴,图5-7滑轮轴,图5-8空场链轮轴,图5-9大皮带轮,图5-10小皮带轮,图5-11链轮.图5-6 滑轮轴图5-7 链轮轴图5-8 空场链轮轴图5-9 大皮带轮图5-10 小皮带轮图5-11 链轮5.3 三维模型由于Pro/E软件在工业使用中较为普遍的, Pro/E为集中从刚开始对产品进行策划到产品的完成,体现出先进化、自动化、参数化的系统软件,还有着独立的数据库功能.同时也有强大的工业设计、三维建模设计、运动分析等在很多方面都有所应用.所以大型H钢的三维图如5-12.图5-12 三维模型图5.4 本章小结本章主要针对Pro/E软件绘图进行了概述,从软件的打开建立草图,到拉伸来生成的各部分零件,选择出主要的零件进行装配,再通过约束成型完成了最后的三维建模.结论现如今,我国经济与工业在飞速发展,同时H型钢的需求也不断的提升,为了满足供应市场,需要大量生产,同时就需要更高的生产效率取支撑.再设计大型H钢翻转提升机构目的,的就是为了解决人工很难翻转那些笨重且质量大的钢件,极大地提升生产效率.最近几年我国的钢型生产技术与水平离世界先进水平差距很小了,接下来