【正文】 9 3 裝取料機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)計(jì)算 ............................................................. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 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(jì)算機(jī)控制等技術(shù)的研究的企業(yè)都對(duì) 裝取 料設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，希望設(shè)計(jì)出高效 、 穩(wěn)定 、 安全的 裝取 料設(shè)備， 在這里 通過該設(shè)計(jì)可以培養(yǎng) 我們 獨(dú)立進(jìn)行科學(xué)研究和綜合分析思考的能力 。 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(hào)的加熱爐 。 最重要的是 極大地影響了工作效率，在取料的同時(shí)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 。 以上幾點(diǎn)也是裝 取 料機(jī)生產(chǎn)廠的設(shè)計(jì)原則 。 同時(shí)，該機(jī)一人操作就能完成所有工藝要求，減少勞動(dòng)力 。 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(gè)動(dòng)作：整體行走、轉(zhuǎn)彎、鉗頭夾緊、鉗頭旋轉(zhuǎn)、鉗頭擺動(dòng)、鉗頭平行升降、鉗頭俯仰升降 。 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 。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 帶動(dòng)鉗桿做抬起、降下運(yùn)動(dòng)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(gè)點(diǎn)，當(dāng)鉗桿只有一個(gè)端 點(diǎn) 在運(yùn)動(dòng)時(shí)是不能帶動(dòng)另一個(gè)端點(diǎn)做抬起、降下運(yùn)動(dòng)的，所以我們?cè)阢Q桿 上為其設(shè)置一個(gè)支點(diǎn)，讓鉗桿可以圍繞這個(gè)支點(diǎn)做轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣當(dāng)鉗桿的一頭被抬起時(shí)，鉗桿的另一頭就會(huì)被降下，相反的如果一頭被降下，另一頭就會(huì)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(diǎn)都裝配在小車上，因?yàn)橹c(diǎn)是裝配在小車上的，所以鉗桿是被支點(diǎn)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(diǎn)的另一端與吊架連接，在連接過程中，由于鉗桿要圍繞支點(diǎn)做轉(zhuǎn)動(dòng)，而且當(dāng)氣缸去頂拉鉗桿時(shí)，鉗桿也會(huì)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(huì)對(duì)鉗桿的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生影響 。 我們?yōu)樾≤嚪謩e設(shè)計(jì)了前輪和后輪，這兩對(duì)輪子的主要是起支撐車體和減小小車移動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的摩擦力的作用，在后輪下面我們還設(shè)計(jì)了一對(duì)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(duì)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(dòng)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(jì)了兩對(duì)導(dǎo) 向輪，兩對(duì)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(yùn)動(dòng)，不會(huì)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 。 由于右橫梁在安裝齒條時(shí)，會(huì)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(huì)空出那部分的余量，為了使小車在運(yùn)行時(shí)保持平穩(wěn)我們就在左橫梁上焊接一根鋼條，來填補(bǔ)左橫梁上的那個(gè)空余量，使小車的左下輪也可以和左橫梁相接觸如圖 所示 。 機(jī) 架上部為 焊接 架結(jié)構(gòu)，以增加橋架 鋼 度， 橋架兩個(gè)梁板上有小車前后輪導(dǎo)軌 ． 后輪設(shè)計(jì)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(duì)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 。 然而要想 把 整個(gè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)出來，就必須從鉗桿開始著手設(shè)計(jì)計(jì)算 。 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(jì)要求沒有這個(gè)部分，所以在我的設(shè)計(jì)過程中并沒有體現(xiàn)這個(gè)，不過在這要設(shè)計(jì)鉗桿的直徑就必須說明這點(diǎn) 。 同樣的道理可知截面右側(cè)的強(qiáng)度也安全 。 第二，可以把小車分成幾部分來考慮 ？ 第三，如何讓小車動(dòng)起來 ？ 把這三方面想清楚自然就可以把小車的形狀定下來 。 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(duì)接焊，焊高不小于最薄件厚之 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 。 前輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 圖 前輪 在前輪的設(shè)計(jì)計(jì)算中，存在的問題并不多，但由于承受的力比較大，所以對(duì)它的強(qiáng)度的要求就非常重要了 。 后輪 的設(shè)計(jì)計(jì)算 圖 后輪 后輪與前輪的設(shè)計(jì)基本相似，無論是它們的設(shè)計(jì)思路，還是校核計(jì)算都是一樣的，所以在這里就不再重復(fù) 。 這個(gè) 機(jī)架 的設(shè)計(jì)還是 都 采用焊接的形式，所以在為了保證其強(qiáng)度要求，焊角高不小于相鄰被被焊件厚度的 倍，焊縫質(zhì)量等級(jí)要求 ? 級(jí) 。 橫梁的強(qiáng)度計(jì)算主要就是考慮受彎時(shí)的正應(yīng)力： 即PyIM ?? ?? 其中 I—— 橫截面對(duì)中性軸的慣性矩； y—— 橫截面上距中性軸最遠(yuǎn)的點(diǎn) 。 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》所述，當(dāng)腹板的計(jì)算高度 0h 與腹板厚度 ? 之比大于 80 時(shí)，應(yīng)有橫向隔板加強(qiáng)，間距不得大于 3 0h ，而在此設(shè)計(jì)的尺寸是 803 9 27 7 4 60 ????h ，所以還要有橫向隔板用以加強(qiáng)立柱的強(qiáng)度， 為了簡便節(jié)省用直徑為 235mm 的正方形的鋼板來作為加強(qiáng)板 。 1）橫梁的 校核 由于橫梁承受力最大時(shí)是在移動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)的時(shí)候所承受的載荷 。 整體機(jī)架結(jié)構(gòu) 的設(shè)計(jì) 及計(jì)算 圖 機(jī)架 前面已經(jīng)把鉗桿和 小車 闡述完畢，整個(gè)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(jì)好的鉗桿、 小車的整體一個(gè)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撐 。 （ 1）選材 選 45 鋼正火處理， MPab 590?? （ 2）輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 環(huán)形加熱爐的設(shè)計(jì)與仿真 25 如圖示 （ 3）軸的強(qiáng)度計(jì)算 受力簡圖如下圖 ： 圖 受力圖 彎矩圖如下圖 ： 圖 彎矩圖 所以強(qiáng)度校核 MPaWM 431 5 4 7 7 8 4 9 53 ????? （ ） 得 MPa551 ??? 故強(qiáng)度足夠 （ 4）輪軸的疲勞強(qiáng)度校核 A,判斷危險(xiǎn)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(xiǎn)截面 B,計(jì)算彎曲應(yīng)力 抗彎截面系數(shù)為 333 33 75 00 ???? dW 截面左側(cè)的彎矩 3 8 9 2 4 71694 84716941 4 7 7 8 4 9 5 ?????M 截面上的彎曲應(yīng)力 2 1 . 9 M P a337500 ??? WMb? C,計(jì)算綜合系數(shù) 輪軸的材料是 45 鋼，正火處理， 得 MPab 590?? ， MPa2551 ??? 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) 7 2 )1(1 ???? ??? ?qk （ ） 尺寸影響系數(shù)為 ??? ． 表面質(zhì)量系數(shù)為 ??? ． 則得綜合系數(shù)為 ? ? 8 8 ?????? ??kk D （ ） 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 26 D,計(jì)算安全系數(shù) 材料特性系數(shù) ?? = 所以 )( 1 ???? ? maDkS ???? ??? （ ） 可知其安全 。 由于小車的動(dòng)力源是齒輪電動(dòng)機(jī)，自然在小車車體上要安裝齒輪電動(dòng)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(dòng)機(jī)的放置點(diǎn)， 3 是與鉗桿相連的支點(diǎn) 。 剛度和強(qiáng)度要求在滿足此要求的前提下盡量的節(jié)省材料 。 小車的整體設(shè)計(jì) 想設(shè)計(jì)出移動(dòng)小車，就要從幾方面來考慮 。 （ 2） 計(jì)算 彎曲應(yīng)力 抗彎截面系數(shù)為 333 1 4 70 6 1 2 ???? dW （ ） 截面左側(cè)的彎矩 M 為 mm8N4 8 8 8 2 6 6 3 . 46530 210665307 2 1 5 2 7 5 6 ?????M （ ） 截面上的彎曲應(yīng)力 48882663. 48 3 . 3 0 M P a14706125b MW? ? ? ? （ ） （ 3） 計(jì)算綜合系數(shù) 鉗桿的材料是 35 剛，正火處理， 得 MPab 590?? ， MPa2551 ??? 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 。無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 16 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 6450150850=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。 否則容易變形損壞，即使使用再好的耐熱材料也是會(huì)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(duì)鉗桿的冷卻在這里就非常重要了，我們?cè)谶@里采用的是水冷，就是利用冷水的流動(dòng)來對(duì)鉗桿進(jìn)行冷卻，由于鉗桿是空心的，我們?cè)阢Q桿的中心部安裝了水冷管，水冷管的設(shè)計(jì)是按照相類似產(chǎn)品的水冷管設(shè)計(jì)來完成的 ． 但是我的設(shè)計(jì)不做關(guān)于冷卻的部分，所以在這里不在多敘述 。 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(jì)計(jì)算 整體的設(shè)計(jì) 通過對(duì)設(shè)計(jì)要求的認(rèn)識(shí)，以及安裝現(xiàn)場的位置要求，可以把整個(gè)機(jī)構(gòu)分成三部分 ： 鉗桿 、 小車 、 整體機(jī)架 ，大概的運(yùn)動(dòng)就是移動(dòng)小車帶動(dòng)鉗桿在機(jī)架 上運(yùn)動(dòng) 。由于小車是用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的，當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，帶動(dòng)安裝在電動(dòng)機(jī)上的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，所以為了要使小車被齒輪驅(qū)動(dòng)，我們?cè)谟覚M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(dòng)時(shí)，由于齒條是被固定的，所以與裝配了電動(dòng)機(jī)的小車就被齒輪帶動(dòng)開始做進(jìn)退運(yùn)動(dòng) 。 由于升降氣缸要帶動(dòng)鉗桿做升降運(yùn)動(dòng)，所以升降氣缸裝配處的鋼板受力較環(huán)形加熱爐的設(shè)計(jì)與仿真 11 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 。 夾鉗的最大開口與最小開口，如圖 所示 。 在實(shí)際的運(yùn)用中不斷改進(jìn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化操作的方式、方法，可以更好的推動(dòng)遠(yuǎn)程自動(dòng)化生產(chǎn)的發(fā)展 。 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(yùn)動(dòng)提供必要的軌道 ； (2) 小車：主要用于帶動(dòng)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 。 沒有裝取 料機(jī)的鍛造車間，對(duì)料件的裝出爐時(shí)，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(duì)加熱爐門及爐膛、爐壁的損壞很大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于沒有裝 取 料機(jī)，生產(chǎn)廠 家 對(duì)每臺(tái)加熱爐的年維修費(fèi)用在幾萬元以上，同時(shí)，由于 對(duì)加熱爐的維修造成停產(chǎn)，累計(jì)起來，兩臺(tái)加熱爐每年的經(jīng)濟(jì)損失可以購買一臺(tái)裝取料機(jī) 。 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(diǎn) ； 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 (2) 鉗頭可以有多種形式，甚至不必夾緊動(dòng)作，只一叉子就可以 ． 有鉗頭的時(shí)候，其鉗頭要小 ； (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(tái)架的旋轉(zhuǎn)慣性，有時(shí)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(dòng)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(shí)候的沖擊載荷，機(jī)件結(jié)構(gòu)可 以簡單一些，輕巧一些 。 根據(jù)圖 4 可計(jì)算：裝取料口距離 L=2*176。 考慮到經(jīng)濟(jì)，環(huán)形加熱爐的設(shè)計(jì)與仿真 3 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 。 由于鋼管坯的加熱不同于其它鋼坯的加熱，對(duì)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(duì)其進(jìn)行加熱，因?yàn)閭鹘y(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(duì)其坯料來進(jìn)行加熱，因?yàn)榄h(huán)形加熱爐可以對(duì)鋼管坯的兩頭和中間都進(jìn)行均勻的加熱，但是又因?yàn)榄h(huán)形加熱爐是一個(gè)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(diǎn)，這里就設(shè)計(jì)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]。 high Efficient V 目