炉门设计说明书.doc

西安交通大学城市学院机械工程系

机械原理课程设计
设计说明书

课题：金相加热炉炉门启闭机构设计

设计者：张志鹏 学号：10040023
专业：机械设计制造及其自动化 班级：机制001
指导老师：温正忠 设计时间：12年5月

目录
一、设计题目
二、工作原理及工艺动作过程
三、原始数据
四、设计要求
五、设计过程
六、初步设计方案
七、校核初步设计方案
八、参考资料

一、设计题目
金相加热炉炉门启闭机构设计
二、工作原理及工艺动作过程
1、金相加热炉在进行零件，实现炉门关闭和开启的动作要求。
2、要求炉门开启后靠炉膛的热面朝下水平放置，炉门关闭时应垂直紧贴炉膛。
3、炉门的关闭开启动作用手来操作。
三、原始数据

图1

A：220 B:50 C:70 D:135 E:150 F:20

四、设计要求
1、实现炉门关闭和开启的运动要求
2、在炉门开启和关闭的运动过程中，炉门与炉壁不会相碰，既不发生运动干涉。
3、传动性能良好，炉门在开启和关闭位置可能的停在要求的位置上。

五、设计过程
一、设计分析（炉门处于关闭位置）
1.干涉分析
干涉分析时，可先判断炉门上最容易与炉壁发生干涉的若干点，分析这些点在炉门启闭过程中的运动情况，据此判断炉门是否与炉壁发生干涉。
炉门上最容易与炉壁发生干涉的点为A、B、C、D、E和F等。
在炉门开启的瞬时，为保证炉门与炉壁不发生干涉现象，则要求炉门上与炉壁接触的各点其速度分量均不能指向炉壁以内。否则经时间后，该点会与炉壁发生干涉。
这样就将干涉分析转化为速度分析，炉门上各点的速度取决于炉门的绝对速度瞬心，其位置在两连架杆位置线的交点上。
在解图1-1中，过B点作BE，过C点作CF，过质心W点作铅垂线。当炉门的绝对速度瞬心位于与线之间时，无论炉门的角速度方向如何，均会发生炉门与炉壁干涉现象。例如炉门以顺时针方向方向运动时，炉门上D点会与炉壁发生干涉现象，逆时针方向运动时，炉门上A点会与炉壁发生干涉现象。
解图1-1
当炉门的绝对速度瞬心位于线以上，开启炉门时其角速度方向应为逆时针方向。绝对速度瞬心位于区域时，B点与炉壁发生干涉；绝对速度瞬心位于区域时，C点与炉壁发生干涉。所以，只有当炉门的绝对速度瞬心位于区域时，炉门才不会与炉壁发生干涉。同理，当炉门的绝对速度瞬心位于区域时，炉门不会与炉壁发生干涉。
以上分析仅为炉门不发生干涉的必要条件，所以还需作出上述若干点在运动过程中的轨迹曲线判断这些曲线是否与炉壁相交，用以确定炉门与炉壁是否发生干涉。
2.稳定性分析
①质心位置确定
为了简化计算，假设炉门的质心位置与炉门截面的形心位置重合，如解图1-2所示。其中C1是梯形截面形心，C2是矩形截面形心，C为炉门截面总形心，则：

解图1-2
②炉门受力分析
炉门在关闭位置稳定是指炉门在这一位置的受力平衡。若不平衡，则炉门将受到一个合力或合力矩的作用，从而产生运动。
炉门在关闭位置时受到4个力的作用：两连架杆作用于炉门上的力F1、F2，其方向沿连架杆位置线；重力W，作用在质心且方向铅锤向下；炉壁作用于炉门上的支撑力Ri，方向向右且水平。将这些力对炉门的绝对速度瞬心取矩，考虑到干涉分析结果，则炉门的绝对速度瞬心只能位于和区域内。参考解图1-1，假设炉门绝对速度瞬心位于区域内线左边，则F1、F2对绝对速度瞬心的力矩为零，重力W对绝对速度瞬心的力矩为顺时针方向，支撑力Ri对绝对速度瞬心的力矩为逆时针方向，力矩可以平衡，即炉门是稳定的。反之，若炉门绝对速度瞬心位于区域内线右边，则重力W和支撑力Ri对绝对速度瞬心的力矩均为逆时针方向，故无法平衡，即炉门处于不稳定状态。
同理可分析炉门绝对速度瞬心位于区域内炉门的稳定状态。
3.分析结论
通过上述分析可知，炉门在启闭两位置时绝对速度瞬心的位置，如解图1-3所示。

解图1-3

1、炉门关闭位置分析
当炉门关闭时，铰链四杆机构如下图所示：

图2
干涉分析：当连杆CD的速度瞬心落在图示的E,F,G,H四个区域中的某一区域时，炉门会与炉体发生干涉，因此连杆CD的速度瞬心，即连架杆AD与BC的交点O不可以落在E,F,G,H四个区域，此时不会发生干涉。
稳定性分析：为使炉门能可靠地停在要求的位置上，即炉门在图示位置有较好的稳定性，此时CD杆的速度瞬心应落在过炉门形心的铅垂线与炉门上下边界所形成的左上区域或右下区域。
综上所述，CD杆的速度瞬心O应落在图示的M或N区域中。
对于本设计，可将铰链A置于炉门右边部分的竖直对称轴上，此时可以保证连杆CD的速度瞬心必然落在图示N区域。
2、炉门开启位置分析
当炉门开启时，铰链四杆机构如下图所示：

图3
干涉分析：当连杆CD的速度瞬心落在直线MN和直线PQ之间时，炉门会与炉体发生干涉，因此，连杆CD的速度瞬心应落在直线MN之下或直线PQ之上的区域，此时不会发生干涉。
稳定性分析：为使炉门能可靠地停在要求的位置上，即炉门在图示位置有较好的稳定性，此时连杆CD的速度瞬心应落在过炉门形心的铅垂线与直线MN、直线PQ所形成的左上区域或右下区域。
综上所述，连杆CD的速度瞬心O应落在图示的X区域或Y区域。

六、初步设计方案
根据题目数据及设计要求进行运动设计，初步设计数据如下所示：

图4

初步设计数据：
铰链四杆机构中：连架杆AD=90, 连架杆BC=311 , 连杆CD=120;
铰链A的位置：A点距炉体水平距离AM=20 , A点距炉门下边缘垂直距离MQ=72 ;
铰链B的位置：B点距炉壁水平距离BN=56 , B点距炉体下边缘垂直距离PN=284 ;

七、校核初步设计方案
1、运动连续性校核
连杆CD的两个活动铰链中心C点和D点在炉门开启和关闭过程中的运动轨迹如下图所示：

图5

因此炉门从关闭到开启再到关闭的运动过程中，初步设计方案能够实现预期的运动要求。

炉门在不同时刻的位置如下图所示：

图6
2、干涉分析
初步设计方案中，在炉门开启位置和炉门关闭位置时，连杆CD的速度瞬心的位置落在所求出的区域内，如设计分析中的图2、图3所示。因此在炉门的启闭过程中，炉门和炉壁不会发生干涉。
3、稳定性分析
初步设计方案中，在炉门开启位置和炉门关闭位置时，连杆CD的速度瞬心的位置落在所求出的区域内，如设计分析中的图2、图3所示。因此机构在启闭位置时，力能够平衡，此时机构能够稳定在要求的位置上。

综上所述：初步设计方案满足设计要求，即为最终设计方案。

八. 参考文献
机械原理及机械设计、诸文俊 钟发祥主编、西北大学出版社、2009年
机械原理课程设计指导书、交大城市学院、2011年6月

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