学士学位论文--球绞轴承综合试验机设计.doc

摘要专科毕业设计（论文）球绞轴承综合试验机设计摘要本文介绍了球铰轴承试验机研制的背景和意义,通过分析关节轴承的结构、运动原理、失效形式,探讨了试验机的主要技术参数、结构、系统组成及控制方案等。采用液压缸控制技术模拟加载载荷，采用千分表对关节轴承各种试验参数进行测量。 确定了方案后进行了相关的参数计算。轴的设计计算，平键的选择于校核，液压缸的计算与选择等 绘制了机械结构图纸，液压原理图、机架结构图以及夹具零件图等。关键词： 球绞轴承 测试机 游隙 刚度 寿命II燕山大学本科生毕业设计（论文）Abstract This article describes the hinge ball bearing testing machine developed by the background and significance, by analyzing the structure of joint bearing, movement principles, failure modes of the testing machine main technical parameters, structure, system components and control programs.Hydraulic cylinder control technology to simulate load load bearing joints using micrometer to measure the various test parameters. After the program identified the relevant parameter calculation.Shaft design calculation, the choice of flat keys in check, the calculation of hydraulic cylinders and selection, and so all. Draw the mechanical structure drawings, hydraulic schematics, rack and clamps parts diagram maps, and so all.Keywords : ball twister bearing testing machine Clearance stiffness Lifespa 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.1.1 线材简介1 1.1.2 国内外打包机的主要研究成果.1 1.1.3 我国引进线材打包机现状.5 1.1.4 打包机的发展趋势.6 1.1.5 PCH-4KNA型打捆机备件的国产化.7 1.2 当前国内外打包机存在的问题.10 1.3 小结.11第2章 打包头结构设计.122.1 打包机的基本原理.122.2 打包头功能及其主要性能.122.2.1 功能.122.2.2 主要技术性能.122.3 打包结构.132.4 打包动作.152.5 打包机在自动方式下操作注意事项.162.6 新型打包头KNB的结构特点.162.6.1 扭结机构.162.6.2 剪切机构.182.6.3 导向机构.182.7 新型打包头KNB的维护要点.192.7.1 KNB的气动和液压系统的工作介质要求.192.7.2 各机构的维护方法.192.8 小结.19第3章 打包机液压系统分析.203.1特性要求及性能指标.203.1.1 特性要求.203.1.2 性能指标.203.2 液压系统设计分析.203.3 液压系统设计要点.253.4 液压原理及分析说明.263.4.1 液压原理图.263.4.2 分析说明.263.5 小结.28第4章 扭结机构中各参数的确定.294.1 液压马达的确定.294.2 齿轮的设计计算.294.2.1 扭结轮淬火，中间大齿轮正火，驱动轮调质.294.2.2 驱动轮分度圆直径.304.2.3 确定齿轮的尺寸.324.2.4 校核齿根弯曲疲劳强度并确定最终的齿轮尺寸.324.3 轴设计计算及轴承和键的选择.344.3.1 选材料，轴承润滑方式，密封方式.344.3.2 结构设计.344.4 联轴器及夹紧装置的选择.364.4.1 联轴器的选择.364.4.2 夹紧装置的选择.364.5小结.36结论.38参考文献.39致谢.41IV第1章 绪论 第1章 绪论1.1 课题背景我国自行研究的线材打包机主要是半自动化打包机，半自动化打包机除了生产效率低以外，还有其他缺点。比如：半自动化打包机的打结位置不理想，在运输过程中容易造成钢捆变松或散包；半自动打包机需要人工穿线，耗费劳动力等。而高自动化打包机可以解决上述问题，但是进口国外高自动化打包机价格昂贵，所以我们要自主研发。1.1.1 线材简介 线材在很多领域扮演着相当重要的角色，所谓的线材是指直径为 5-4mm 的热轧圆钢和 10mm 以下的螺纹钢。它是用作钢筋混凝土的配筋和焊接结构件或再加工（如拔丝，制钉等）原料。另外线材中应用广泛的是高速线材,所谓的高速线材是指用高速轧钢机轧制的线制钢材。类似线材的钢材还有棒材，卷材等。线材在社会上起着巨大作用，是用量很大的钢材品种之一。经过轧制后可直接用于钢筋凝土的配筋和焊接结构件，也可经再加工使用。例如,经拉拔成各种规格钢丝，再捻制成钢丝绳、编织成钢丝网和缠绕成型及热处理成弹簧；经热、冷锻打成铆钉和冷锻及滚压成螺栓、螺钉等；经切削成热处理制成机械零件或工具等。按照包装国家标准汇编的有关规定，各种不同类型的金属成品，在一定的规格范围内出厂前必须包装成卷或捆，包装的方式多样，但对紧实度有一定的要求，而且要有相应的标志。对应的每种钢材都有适应它的打包机构，即所说的金属材料捆扎机。所谓的金属材料捆扎机是指冶金工厂将其生产的钢材或其他金属材料进行机械化捆扎包装，以便于储存和运输的设备。 1.1.2 国内外打包机的主要研究成果目前在线材打包机这一领域，国外的研究成果有前苏联黑色冶金机械化科学所研究的钢带类打捆机，如图1所示。瑞典森德斯（SUND/BIRSTA）公司制造的 PCH-4KNA 型卧式打捆机，如图2所示。图 1-1前苏联黑色冶金机械化科学研究所打捆机简图 1围盘；2捆扎头；3捆带拉引机构；4捆带供给机构；5液压驱动装置；6开卷机；7板叠 图1- 2 PCH-4KNA 型卧式打捆机1-左移动压实板；2-右移动压实板；3-打包头；4-送线器；5-中心线道；6-弯曲线道；7-升降台 。图1- 3 首钢自行研制的卧式线材打捆机 1-压实缸；2-支座；3-压实头；4-吊卷钩；5-托起机构；6-拧扣机构首钢自行研制的卧式线材打捆机，如图3所示北京航空航天大学改造的达涅利打包机，如图4所示。图1-4 北航打捆机结构示意图图中序号部件名称：1-捆丝除锈器；2-蓄丝液压锁；3-蓄丝送丝滑轮组；4-送丝滑轮组；5-支撑立板；6-捆丝；7-上支臂油缸；8-送丝力调节机构；9-送丝压轮；10-打捆上抱臂；11-上送丝导槽；12-下送丝导槽；13-送丝主轮及送丝马达；14-剪切机构；15-剪切油缸；16-拧紧头；17-挤平机构；18-防脱油缸；19-打捆机下抱臂；20-拧紧油缸；21-下支臂油缸；22-蓄丝抽丝油缸；23-驱动马达。除了以上四种国内外的常见打包机，还有意大利的达涅利（DANIELI）公司,日本的潼川公司，德国的小西马公司，荷兰的泰伯勒（NUMTEC/TEBULO）公司，德国的史密斯公司及法国的伯特拉姆（BOTALAM）公司。国内的研究成果有冶金工业部北京冶金设备制备厂研制的 DBJ 打捆机等。以下是国外打包机的特点与主要参数：国外最大的打捆机供应商是瑞典的森德伯斯德(SUND IBIRSTA)公司，该公司生产的主要产品的特点如下:.设备采用液压操作，传动功率大，动作平稳，工作精确度高；.设备中使用了可互换的标准组件，便于维修；.结构紧凑，占用空间少；.可根据需要，配备各种不同类型的辅助设备，如配备KNOG防热装置，可以处理高温线材;配备KNOV系统，可以将线材结压下，使其紧贴捆材;配备KNOM加标签机，可以完成自动加标签的任务;还可配备运输，压实及点算等设备。该公司生产的打捆机的性能参数及销售情况见表1-1。日本的潼川公司也是一家生产线棒材打捆机定型产品的老厂，该公司从60 年代初就开始进行轧钢精整设备自动化方面的研究。该公司所生产的 TBM 系列全自动液压打捆机的性能特点如下：打捆头中采用了差动齿轮机构，捆线的夹紧，切断及拧扣等操作仅由一液压马达驱动，使得结构简单，易于控制，维护方便；捆扎时间短，大型机 8 秒；中型机 4 秒；小型机 2.5 秒；供线采用双重控制机构，连续控制，捆扎操作稳定。 该机全部为液压驱动，捆扎速度，夹紧力易于调节。 意大利的达涅利（DANIELI）公司生产打捆机的特点是系列化，自动化程度高，其产品的性能参数及销售情况见表1-2 表 1- 2 DANIELI 公司打捆机产品简介（销售数量截止 1980 年）型号捆扎对象捆线直径打捆周期研制年代销售数量LF120-650mm 棒材4-10mm5-20S1975110 多台LP320320-500500mm 型钢6-10mm15-20S197520 多台LB厚度 250mm,长度1000-2200mm 盘卷6-8mm14-22S1975约 30 台表 1-1SUND/BIRSTA 公司打捆机产品简介（销售数量截止 1988 年）型号捆扎对象性能特点研制年代销售数量（台）KNA线材盘条和型、棒、管材捆线：35.5mm，含碳量0.08%捆扎时间：911s最大拉紧力：3.4KN功率：4KW196660KNRA线材盘条和型、棒、管材捆线：35.5mm，含碳量0.08%，延伸率45%捆扎时间：914s功率：4KW1966100KNS型棒材捆线：36mm捆扎时间：26.5s功率：5.5KW1967254KNSS大规格的型棒材捆线：5.5mm捆扎时间：2025s功率：5.5KW197688KNSB多种规格的型棒材捆线：5.5mm功率：5.5KW1967至1990年54台KNA-SBD线、棒材及型钢捆线：7mm带双线轨功率：5.5KW1979至1990年15台1.1.3 我国引进线材打包机现状我国现在主要靠引进国外的打捆机，且引进打捆机以PC-4 型和PCH-4KNA 型两种为最多，占国内使用自动化打捆机总数的64%，而PCH-4KNA型打捆机占总数的44%。我国现有25 家高速线材厂，共使用39 台打捆机，其中国外引进的自动化打捆机约32 台。国内现在使用的线材自动打捆机的性能参数如表1-3 所示。 表1-3 打捆机技术参数名称类型（参数）瑞典瑞典法国德国意大利中国设备概况卧卧卧卧立卧设备型号PCH-4KNAPC-4Botalam史密斯LBF-1350设备自重（t）4240651292730打捆道次（道）444444压紧方式双向双向单向-双向可打捆形状参数可打盘卷内径（mm）800700800850850760散卷最大外径（mm）130014001350125012501143散卷最大长度（mm）350030003600410018001655压紧后最小长度（mm）500500700500700670力能参数压实盘卷最大压力（KN）400300400300200200可捆的最大卷重（kg）200015002000200012502000时间参数工作周期（s）324054384670压力参数液压系统工作压力(MPa)131316131313设备数量（台）1782327所占比例（%）442057519这些设备大部分是70 年代产品，其中包括瑞典森德斯公司的PC-4 型打捆机。1987 年，瑞典森德斯公司和伯斯德公司合并以后，研制开发了PCH-4KNA 型双向移动打捆机。1.1.4 打包机的发展趋势从国外各打捆机制造商推出产品的更新换代可以看出打捆机的研制是向着如下几个趋势发展的：1.自动化智能化2.高效率3.系列化 标准化。这是任何一个行业竞争的必然结果。要想在激烈的市场竞争中站稳脚跟，为了赢得用户，就要使换代产品之间具有继承性，对大部分构件进行标准化设计，以提高备件的通用性，降低用户的更新费用。为此，进行打捆机的系列产品开发，从一开始，就要将起点定高，才能长盛不衰。总的来说，打捆机的发展趋势是动作周期短，耗能低，投入少，寿命长，智能化水平高，环保性能好。1.1.5 PCH-4KNA 型打捆机备件的国产化1993 年以来，根据冶金企业生产上的需要，北京四新冶金设备技术中心与哈尔滨东安发动机制造公司合作，研制生产打捆机备件，经过3 年多的努力和反复试验，已经制造出410 多种零部件，并在首钢、鞍钢等企业正式装机使用。其中合作制造的送线器，线道系统、打包头等打捆机等关键零部件在使用过程中，工作正常，运转平稳，质量达到了国外进口备件精度要求，为冶金企业创造高产提供了必要条件。打捆机线道系统如图1-5 所示。图1-5 线道系统1-送线器；2-直线道；3-弯曲线道；4-活动线道每台打捆机都有4 个线道，它是将捆线由送线器经直线道、弯曲线道至中心线道再经活动线道至打包头。打捆机送线器的具体结构如图1-6 所示，它主要由1 个送线轮和4 个支承导向轮组成。送线器的工作由液压马达驱动。弯曲线道的具体结构如图1-7 所示。捆线是在两个侧板和活动盖板、轴承轮组成的空间内进行。图1-6 送线器弯曲线道的固定板（图1-8）长2900mm，宽704.5mm，厚度只有25mm，是一个薄长C 型板，材质要求16Mn。我们结合实际使用情况改用25CrMnSiA。此件技术条件：热处理硬度HRC3037，C 型板的N 面与J 面平面度不大1mm，形状和位置公差要求都比较严。其位置度偏差为0.1。为防止固定板变形，我们采用的加工工艺是：粗加工、流量 调质处理 校直 半精加工、流量 震动时效 精加工。为确保C 型板上223 个M8 螺孔的形位精度；我们采用数控机床进行加工。目前，C 型板已经进入批量生产，工艺方法合理，质量稳定，完全可取代进口件。弯曲线道的活动盖板如图1-9 所示。它是一种长薄件，厚3mm，长2m，质量要求严，在盖板一侧要焊一条20mm20mm2000mm 方钢导轨，焊后要求热处理，硬度HRC4550.校直后，全长2m，不平度不得超过1mm，制造难度相当大。在试制过程中，我们经过反复攻关，设计了一套冲压焊接模具，解决了盖板的变形问题。 图1-7 线道结构1、2-侧板；3-活动盖板；4-轴承；5-固定板图1-8 固定板图1-9 活动盖板1.2 当前国内外打包机存在问题在实际中，国外高自动打包机虽然是一套比较成熟的设备，但是也存在一些问题。其常见故障及处理方法见表1-3。表1- 3 国外高自动打包机常见故障及处理方法故障原因处理方法打捆机不启动打捆不在初始状态检查压力盘信号（S3 S6）,升降平台（S10）,线导（S14），摆头（S20）与线交接信号等 P/F盘卷中心不在 C 型钩中心或卷未压紧压力盘速度不同 压力盘编码器信号（S7 ，S17）升降平台不能上升到最高位S8 信号未到检查光电管 S8，检查阀线路喂线不能实现摆头或线导不在喂线位置检查摆头 S20 与 S21，线导S2，线导动作阀 Y11喂线或回抽时出现问题编码器或摆头不在喂线位置检查喂线单元 S18，编码器及接轴，摆头 S23 与给定设置等摆头停止在初始位置开关，气缸，阀故障检查开关 S1，气缸 C9，阀Y11，设置等扭结不停开关 S23 故障检查 S23，设置等润滑泵不能启动油位低，油温高，蝶阀位置检查油位信号与实际状态，检查温度计与实际温度检查阀口信号在我们国家打包机是半自动化的，需人工穿线，自动化程度低，而且打结的位置很不理想，在打结的一端有一小结头，这样在每次装卸的过程中都会碰到这个结头，而不巧的是线材从厂家到用户需要经过多次装卸，装卸过程大致为：厂家汽车（运输工具）码头轮船码头汽车（运输工具）用户。这样经过至少6 次碰撞后，结头可能会断，使钢捆变松或散包，达不到用户的要求。另外，购买国外的高自动化打包机价格很贵，所以我们要自主研发改进，用以改变现有国产打包机扭结位置与形状不合理，在运输中易散包的关键问题。1.3 小结本文主要介绍了打包机的结构原理及工艺设计，并针对国外高自动化打包机的原理对国内半自动化打包机做了改进。在绪论部分主要讨论了国内外打包机的发展状况及发展趋势以及依然存在的问题及一些解决方案。第二章确定设计方案，在第三章对相关参数进行了设定与计算。并选择相关部件。第2章 打包头结构设计目前打包头的设计中以瑞典森德斯公司的新型打包头KNB 的设计最为巧妙，结构也非常紧凑，较其他设计更为简便。本章简要介绍一下此种类型打包头的结构特点，以为我们对国产打包头进行技术改造积累必要的基础。同时也介绍了打包机的工作原理，功能及主要性能等相关简介，通过整体分析，确定我的设计方案。主要分析的是瑞典SUND-BRSTA 公司的PCH-4KNA型打包机。2.1 打包机的基本原理钢材打捆机的基本工作原理是利用金属捆扎材料既有钢性，又有塑性的特点，首先采用推进（也有用拉进）的方式令其沿特定的轨道送出，对被捆扎对象形成包绕并紧箍在被捆扎对象的外面，然后将两个端头联结（俗称打结）并与后面的捆扎材料分离，这样便在被捆扎对象的周围形成一个封闭的金属环，使其成为整体。线结的形成一般是利用钢丝截面的对称性，将抽紧、剪断并搭在一起的捆线两端头夹紧，通过各种方式使它们扭绞在一起并发生塑性变形，便形成一个线结。打捆机所打线结的特性对捆扎质量具有重要影响，其中强度指标是衡量线结特性的最重要指标。一般来说，结的强度都低于捆扎材料母体的强度，在同样母体材料的情况下，提高结的强度可以提高捆扎质量。2.2 打包机功能及其主要性能2.2.1 功能150mm150mm9m 的连铸钢坯经过加热炉加热，采用27架单线连续轧制制成5.516mm 的热轧光面盘条和616mm 的螺纹钢筋，线材经过穿水冷却，吐丝机吐丝成圈，进一步经过斯泰尔摩冷却线冷却送往集卷站，初步收集成较松的盘卷，再经运卷小车挂上P/F 线输送链的C形钩。由C形钩运来的盘卷经过打包机压紧，沿线卷圆周方向90等分打四个平结，如图2-1所示。打包（压紧和打结的总称，下同）后线卷最小高度可达0.5m，大大方便了盘卷的储藏和运输。2.2.2 主要技术性能机时产量：50t/h13 第2章 打包头结构设计 适合盘卷量：最大1.5t，最小0.5t适应的盘卷最大外径1250mm，内径762mm，最大高度2000mm适合盘卷温度：400一次打包时间：1.5t 盘卷约34s液压系统工作压力：130bar，气动系统工作压力：5bar打包线要求： 6.37.3mm，抗拉强度：37107 N/ ,无绣（允许表面附有有一层易剥离氧化层）图2-1 线卷压紧2.3 打包机结构打包机主要由打包机主体和线库两部分组成。线库部分由外方提供图纸，国内制造，结构比较简单，在这不详述。以下说的是打包机指的是打包机主体。图1-2 所示为PCH-4KNA 型打包机主体结构。打包机导线架是由安装在一个框架上的4 套导线装置组成，整个导线架悬挂2#压紧架的一根中心轴上，在液压马达作用下相对2#压紧架作水平方向运动，2#压紧架为焊接式构件，底部装有轮子，在液压缸推动下能沿主滑轨作水平运动。升降台2 在液压缸推动下可沿垂直方向上下移动。1#压紧架与2#压紧架结构基本相似，但其上面布置4 个打包头，1 套喂线装置。打包头（共4 个）是整台设备结构最为复杂、动作连锁最多的部件，每个打包头结构完全一样，可以互换。喂线装置共4 套，每套对应一个打包头，每套包括打包线输送装置和打包线反拉紧装置。主轨座主要由两根在面上设有耐磨钢轨构成。压紧架轮子被导引着两轨道外侧运行，推动压紧架运行的液压缸布置与其中。此外，除机械构件外还有一整套液压站。从上面叙述中可看出，打包机各种运动靠流体的动力完成。图2-2 打包头结构示意图图2-3 打包头动作原理图2-2 为打包头结构示意图（从线卷方向看为已扭结完成时的打包头），图2-3 为打包头动作原理图。打包头主要由剪切机构、扭转机构和夹紧机构组成，整个打包头可以在液压缸C12作用下从送线位置移入打包位置。剪切机构由液压缸和活动刀块组成，在液压缸C4作用下活动刀块推断打包线。扭转机构由扭转头齿轮箱（三级齿轮传动），液压马达HM3和摆动液压缸C3组成，在液压马达作用下通过齿轮带动扭转头旋转，实现对打包机扭结，通过液压马达反转使扭转头复位，通过摆动液压缸动作，整个扭结头可以绕一个转动轴摆进（送线位置）、摆出（扭结位置）。夹紧机构由液压缸、“L”形固定挡块和活动挡块组成，在液压缸的推动下活动挡块前进，打包线顶在固定挡块上，除此之外图2-3中Y26、Y25分别控制扭转机构齿轮和吹扫箱润滑。2.4 打包机动作（打包过程）当挂有线卷的C型钩进入打包机中心并锁定后，P/F线运输链自动控制系统发指令给打包机PLC控制中心，打包机开始按下列步骤完成自动压紧、打包。图2-4 打包过程1. 2#压紧架；2. C 型钩；3. 1#压紧架；4.气动抱闸；5.线库；6.电磁阀；7. 打包机线库(1).线库中电磁阀动作，气动抱闸松开，以利于打包线能顺利从线圈架中抽出。(2). 1#、2#压紧架在液压缸作用下同时移开盘卷，1#压紧架移动过程中，打包线从线库中被抽出，同时2#压紧架内导线装置相对于2#压紧架向前推出，1#压紧架中液压缓冲器前伸，并维持前伸状态。(3).升降台上升，从C型钩上托起盘卷，在这过程中C型钩始终不动，直到打包结束，1#、2#压紧架上开有允许C型钩穿出的狭长槽孔。(4). 1#、2#压紧架继续相对移动，当导线装置碰到液压缓冲器4 时（由极限开关控制）两边可移动可导向架半体即闭合，同时线卷也被压紧。(5).导线系统闭合后，喂线装置动作（液压马达旋转）开始喂线，当打包线头绕着盘卷并到达打包头中扭结装置的一个机械挡块并夹住时停止喂线。(6).整个打包头在液压缸推动下由喂线位置进入打包位置之后喂线轮反转抽紧打包线。(7)扭转装置动作，打包线扭结，而后夹紧装置松开，剪切装置动作，切断打包线，打包完成。(8).打包结束后，1#、2#压紧架各自返回，升降台下降，盘卷被悬挂与C型钩运走，打包机等待下一个盘卷。说明：上述各动作皆可在手动状态下操作。2.5 打包机在自动方式下操作注意事项打包机在自动方式下操作前必须确认：(1). 1#、2#压紧架在各自初始位置。(2).升降台在最低位置。(3).导线架在各自原始位置（后位）。(4).每个打包头里可移动导向架处于打包位置。(5).打包头处于喂线位置。(6).液压站已启动，系统压力，油位正常。2.6 新型打包头KNB的结构特点如图2-5所示，KNB打包头结构非常紧凑，设计巧妙。它主要由扭结机构，剪切机构，导向机构及一些液压管路组成。2.6.1 扭结机构扭结机构主要由扭结轮和传动齿轮箱组成。我要采用的扭结轮是一个节圆半径为40mm，齿数为12的直齿轮，在其中两个齿间开槽至中心，如图2-6中所示。它由齿轮箱传动。齿轮箱由液压马达驱动，如图2-7所示。当打捆线沿着封闭轨道完成运行一周，回到打包头并停止后，扭结轮