2T装、出料机的研制旋转部件设计.docx

2T装、出料机的研制——旋转部件设计
摘要 根据设计任务书中给出的技术参数，详细分析了装、出料机的旋转部件的原理和机构，参考悬臂式起重机和各种装卸机械旋转部件的原理并根据锻造车间的特点，通过方案论证以及设计计算最终完成设计任务。
装、出料机旋转部件的设计有：回转支承的选型计算、齿轮啮合传动的设计计算、机械臂支座的选用计算、电气控制设计等四部分。回转支承固定在y方向直线运动的小车上选用三排滚柱式回转支承（13）系列，型号为：外齿式132.32.1200.002；固定在台架上的液压马达控制一个小齿轮按行星轨迹绕回转支承运行，回转支承驱动台架360度旋转，转速3r/min；机械臂支座选用轴直径d=50mm的四螺柱滚动轴承座；部分用来控制油泵，大车行走、小车行走的电机电气控制。旋转部件重量2756kg.
本设计所遇到的难点有：回转支承选型计算和由于工作台旋转，而引起的控制线路的布线设计问题。经过查阅资料、认真计算最终采用结构牢固的三排滚柱式回转支承（13）系列；为使工作台旋转范围大于360度，在回转支承中间设计一个滑环机械，使来自大车、小车的电源线路通过滑环机械引入电气柜；控制线路也通过滑环机械到达小车和大车的驱动电机，为保证装、出料机的运行安全，在控制电路中还设计了大车、小车、旋转等部件运动的电气互锁电路。
经设计小组全体人员共同努力，精心设计，本设计达到了设计任务书的要求。

关键词：锻造
Development of feed and exports material
machine with 2T——revolving part design

According to the design tasks are given in the technical parameters, a detailed analysis of feed and exports material machine revolving part of the principles and institutions, reference cantilever cranes and mechanical handling various components of the rotation principle and in accordance with the characteristics of forging workshop, demonstrated through the programme And the Design of the final design task.
Feed and exports material machine revolving part design are: The joint efforts of all the staff of the design team, well-designed, the design of the tasks to the design requirements.
feed and exports material machine revolving

引 言

装、出料机是锻造生产中为室式加热炉装出锻件坯料用的常用设备。由于装、出料机的动作灵活、操作简单，不仅可以缩短大量辅助时间，提高劳动生产率，而且能大大减轻繁重的体力劳动，改善劳动条件，节省人力，因而受到了广大锻造工人的欢迎。
本设计的任务是设计一台额定装载量为2吨的装、出料机的旋转部件，用于锻造生产过程中。其功能为：在大车、小车的配合下，使置于旋转台架上的机械臂部件完成从料场取料，送入加热炉；从加热炉取料，送至锻锤前料台；从锻锤前料台取料，送至成品堆放区的功能。
在进行调研，了解锻造生产过程、锻造生产设备及其工作环境等的基础上，结合毕业设计任务书中的设计依据及要求，对旋转部件方案进行论证，经分析、讨论和设计计算选出了最佳的设计方案。然后分为：回转支承设计、齿轮啮合传动设计、机械臂支座设计、电气控制设计等四部分，分别进行设计、计算，绘制了旋转部件装配图及部分关键零件图，最终完成了旋转部件设计。
本设计说明书介绍了旋转部件论证、分析、计算等过程。

1、锻造生产是在金属灼热的状态下进行的(如低碳钢锻造温度范围在1250～750℃之间)，由于有大量的手工劳动，稍不小心就可能发生灼伤。
2、锻造车间里的加热炉和灼热的钢锭、毛坯及锻件不断地发散出大量的辐射热，锻件在锻压终了时仍然具有相当高的温度，工人经常受到的侵害。
3、锻造车间的加热炉在燃烧过程中产生的烟尘排入车间的空气中，不但影响作业环境，还降低了车间内的能见度，对于燃烧固体燃料的加热炉，情况就更为严重，因而也可能会引起工伤事故。
4、锻造生产中所使用的设备如空气锤、蒸汽锤、摩擦压力机等，工作时发出的都是冲击力；设备在承受这种冲击载荷时，本身容易突然损坏，如锻锤活塞杆的突然折断，而造成严重的伤害事故。
5、锻工的工具和辅助工具，特别是手锻和自由锻的工具、夹钳等名目繁多，这些工具都是一起放在工作地点的。在工作中，工具的更换非常频繁，存放往往又是杂乱的，这就必然增加对这些工具检查的困难。当锻造中需用某一工具而又不能迅速找到时，有时会“凑合”使用类似的工具，为此往往会造成工伤事故。
6、由于锻造车间设备在运行中发生的噪声和振动，使工作地点嘈杂刺耳．影响人的听觉和神经系统，分散了注意力，因而增加了发生事故的可能性。
总之，车间的工作环境相对来说及其的恶劣。
25M×10M。及长边对加热炉，另一边对成品堆放区；其左端对料场，右端对锻锤前台。由此绘制车间布局图1-1如下：

图1-1 车间布局
装、出料机旋转部件在此工作环境中要在机械臂伸缩、大车行走、小车行走的协作下共同完成从料场取料，送入加热炉；从加热炉取料，送至锻锤前料台；从锻锤前料台取料，送至成品堆放区等一系列动作。同时还肩负着旋转台架上各部件的防止倾倒的任务。除了保证正常的工作运行，更要保证操作人员人身安全。
由于料场、炉子、锻锤、成品堆放区在车间的四个方向，这就需要装、出料机的钳爪能够移动到车间的每一个位置，显然结合塔式起重机的构造，在小车上就必须安放一个旋转平台，将钳爪安放在平台上，在平台旋转的工作中，钳爪就会触到车间的各个角落。设计任务书上要求：加热炉口底沿距地面高度1200mm，锻锤前料台高度800mm。基于车间条件的考虑，回转工作台整个回转角度范围为大于360度，这就要求机械臂，工作台，小车，以及大车的高度协调，来满足设计需要。
Z轴旋转示意图如图1-3
方案一：运动中心位于臂筒支脚的顶端,如图1-4 a所示；方案二：运动中心位于臂筒支脚的末端，如图1-4 b所示。方案一中，机械臂完全俯下后机械臂前端所能覆盖到的区域减小L；而方案二中，机械臂完全俯下后机械臂前端所能覆盖到的区域并没有减小。
臂筒的支脚设计也有两种。结合方案一支脚如图1-5 a所示，方案二支脚如图1-5 b所示。在两个方案中支脚的跨距与相比，方案二中的支脚可以有更多的增加空间，而方案一中的支脚跨距如进一步的增加则会增大运动中心轴的载荷。如图1-6 所示，支脚的安装点跨距越大，支脚就越靠近工作台中心，这样就会减小支脚对工作平台的载荷。在方案二中支脚的斜向受力还可以保证工作台在旋转的过程中机械臂的稳定性。
通过上述讨论，我们采用方案二。
关于机械臂的俯仰的原动力，经过调研考察并结合起重机等设备的结构方式，我们采用在机械臂后端安放液压缸来实现。

图1-4 图1-5 支脚

图1-6 支脚安放图
过调研，我们选用三排滚柱式回转支承，型号为外齿式132.32.1200.002回转支承，在工作台上安放齿轮，将回转支承带有齿轮的外圈固定于小车平板，内圈固定与工作台底面。工作台上有液压马达控制的齿轮旋转带动回转支承旋转，整个工作台就会旋转。由于工作台上安放的部件比较多，考虑到使用电动机驱动还需要减速、抱闸等附件，占地面积大。所以采用液压马达，体积小且运动灵活。
从节约成本到提高工作效率的观点出发，根据回转支承的结构特点、性能、和适用范围，我们选定三排滚柱式回转支承。

图2-1
回转支承所承受的作用力包括：总轴向力 Fa（），总倾翻力矩M(),在力矩作用平面的总径向力。选型计算时，静态工况下回转支承所承受的作用力、、和动态工况所承受的作用力、、应分别计算。如果主机做提升动作，则提升载荷应乘以提升惯性系数K,K=1.25。
2.2.1为求总轴向力Fa（），我们先来计算是有那几个力共同汇成总轴向力的。
1） 平板质量
==1300×1800×60×7.85×=1099kg
2)小车后焊接板质量
==1500×2100×30+350×800×30
=0.1×7.85×=785kg
3)加强筋的质量
==（4×110×10×1100+2×500×10×110）×7.85×
=（ 4.84×+1.1×）×7.85×kg
=47kg
4)液油压的质量
==700×1500×800×0.85×
=700kg
5)估算油箱上电机、操作室和电气柜的重量
=125kg
所以旋转部分的质量：
=1099+785+47+700+125
=2756kg
由机械臂的设计者计算，得出机械臂部件的重量约为6500kg
以至于回转支承所要承受的总轴向力来自机械臂部件和旋转平台以上的部件，
所以
=6500+2756=9256kg
那么总轴向力
==9256×9.8≈9（N）
2.2.2 为求总倾翻力矩，我们首要就是分析它受的所有力矩。
在回转支承中心左侧：
1） 在静态工况下，最大载荷2吨时，
=2000×9.8×4.8=94.08
2） 当机器正常工作时，两个前支架所给的力矩
=217×0.5=108.5
在回转支承中心右侧：
1)当机器正常工作时，后油缸脚架所给的力矩
=153×0.5=76.5
2)油箱里面的液压油所给的力矩
=6.86×1.820=12.5
3)回转后焊接板和加长筋所给的力矩
=8.2×0.925=7.6
得出总的倾翻力矩
=94.8+108.5-76.5-12.5-7.6
=5.98
≈11()
2.2.3 三排滚柱式选型计算（径向力由径向滚柱承受）
按静态工况选型：

得出
=9×1.1≈10（N）

得出
=11×1.1=12.1()
按动态工况校核寿命：

得出
=9×1=9（N）

得出
=11×1=11()
式中：——回转支承当量中心轴向力，；
——回转支承当量倾翻力矩，；
——回转支承静态工况下安全系数（见表2-1）；
——回转支承动态工况下安全系数（见表2-1）。

表2-1 回转支承安全系数

应 用 主 机
回转支承型式
01
02
11，13
安 全 系 数

建筑用
塔式起重机
上回
转式

1.25
1.36

1.25
1.00

1.25
1.00
＜0.8
1.55
1.15
1.13
≥0.8
1.71
1.26
1.23
下 回 转 式
1.36
1.00
1.07
轮式起重机、堆取料机及各种工作台
1.1.
1.10
1.10
1.10
1.00
悬臂式起重机、港口起重机、各种装卸机械
1.25
1.55
1.25
1.15
1.25
1.13
注：为最小幅度时空载恢复力矩。

安装螺栓的强度校核
在承载曲线图中，按静态工况计算出来的总轴向力和总倾翻力矩M的交点，应落在所选的8.8级、10.9级、12.9级螺栓承载曲线的下方 。回转支承与主机安装时，安装螺栓的预紧力应达到螺栓材料屈服强度的0.7倍。
=9×1.1≈10（N）
=11×1.1=12.1()
而螺栓的计算载荷为：=9（N）
=11()
按上述计算结果，在承载能力曲线中选择，可确定选用 132.32.1200.002 回转支承。

图2-2承载曲线

1 线为静态承载能力曲线
8.8、10.9为螺栓承载曲线
1'-静态载荷点
2'-螺栓载荷点
1' 点在滚道静态载荷曲线 1 下方，因此满足要求
2' 点在10.9级螺栓承载曲线下方，因此选择0.9级螺栓可以满足要求。
3.1 齿轮外啮合设计
3.1.1 齿轮设计主要参数
由于工作平台的旋转，则需要齿轮和回转支承进行外啮合传动，标准齿轮传动的设计计算：
1）传动比i
采用一级齿轮传动。
2）齿数Z
一般设计中取Z>Zmin。齿数多则重合度大、传动平稳、且能改善传动质量、减少磨损。
若分度圆直径不变，增加齿数使模数减小，从而减少了切齿的加工量且减少了工时。但模数减小会导致轮齿的弯曲强度降低。具体设计时，在保证弯曲强度的前提下，应取较多的齿数为宜。
3）模数
模数的大小影响齿轮的弯曲强度。设计时在保证弯曲强度的条件下取较小模数，齿轮保证m≥1.5～2mm。
4）齿宽系数
取=0.6
5）螺旋角
设计时取=
3.1.2 齿轮主要计算
（1）选择齿轮材料及精度等级
小齿轮选用45钢调质，硬度为220～250HBS；大齿轮选用45钢正火，硬度为170～210HBS，由表3-1 ：
表3-1 常见机器中齿轮的精度等级
机器名称
精度等级
机器名称
精度等级
汽轮机
3～6
通用减速器
6～8
金属切削机床
3～8
锻压机床
6～9
轻型汽车
5～8
起重机
7～10
载重汽车
7～9
矿山用卷扬机
8～10
拖拉机
6～8
农业机械
8～11
选8级精度，要求齿面粗糙度Ra≤3.2～6.3um。
（2）按齿面接触疲劳强度设计
因两齿轮均为钢质齿轮，可应用
d1≥76.43
求出d1值。
确定有关参数与系数：
1） 转矩T1
T1=9.55×=9.55×
=
2） 载荷系数K
查表3-2 ：
表3-2 载 荷 系 数
工作机械
载荷特性
原 动 机
电动机
多缸内燃机
单缸内燃机
均匀加料的运输机和加料机、轻型卷扬机、发电机、机床辅助传动
均匀、轻微 冲击
1～1.2
1.2～1.6
1.6～1.8
不均匀加料的运输机和加料机、重型卷扬机、球磨机、机床主传动
中等冲击
1.2～1.6
1.6～1.8
1.8～2.0
冲床、钻床、轧机、破碎机、挖掘机
大的冲击
1.6～1.8
1.9～2.1
2.2～2.4
注：斜齿、圆周速度低、精度高、齿宽系数小、齿轮在两轴承间对称布置时取最小值。直齿、圆周速度高、精度低、齿宽系数大，齿轮在两轴承间不对称布置时取大值。
取K=1.8
3）齿数和齿宽系数
小齿轮的齿数取为27，则大齿轮齿数=109，因单极齿轮传动为对称布置，而齿轮齿面又为软齿面，由表3-3 ：

表3-3 齿宽系数

齿轮相对于轴承的位置
齿 面 硬 度
软齿面（350HBS）
硬齿面（＞350HBS）
对称布置
0.8～1.4
0．4～0．9
不对称布置
0.6～1.2
0．3～0．6
悬臂布置
0.3～0.4
0．2～0．25
选取=1。
4） 许用接触应力[]
由图查得：

由表3-4 ：
表3-4 安全系数
安全系数
软齿面（≤350HBS）
硬齿面（＞350HBS）
重要的传动、渗碳淬火齿轮或铸造齿轮

1.0～1.1
1.1～1.2
1.3

1.3～1.4
1.4～1.6
1.6～2.2
可得=1。
查图得：
=1,=1.06
由式

可得：

故
≥76.43=76.3
＝58.3mm
==2.16
由标准模数表，取标准模数m=2.25mm
(3) 主要尺寸计算
=m=2.25×27mm=60.75mm
=m=12×109mm=1308mm
=1×60.75mm=60.75mm
经圆整后取=65mm.
=+5mm=70mm
a=m()=×12（27+109)=816mm
(4) 按齿根弯曲疲劳强度校核:
由式

得出,
如≤则校核合格.
（5） 验算齿轮的圆周速度V

3m/s
根据经验选8级精度是合适的。
3.2 液压马达转矩计算
计算校核后：由大齿圈=109，模数m=12，小齿轮=27
平板回转转速
n=3r/min
马达输出转速
=3～60r/min
马达输出转速
=3×=3×≈12r/min
=60×=60×≈240r/min
排量Q
=1900mL/r×12r/min=23L/min
=1900Ml/r×240r/min=456L/min
马达转矩M
×0.85=×0.85=38×0.85=32KW
M=9549×=9549×=
可得

有

=48mm
取d=50mm
（2）根据挤压强度条件设计轴的直径
轴上、下部挤压面上的挤压力,挤压面积，
由式:

得

机械臂支座安装前，也应进全面清洗检查。将支座内腔用刮刀将脏物刮去，用布蘸汽油或溶剂将脏物擦净，观看有无裂纹及砂眼，以防止在运行中出现渗油。
轴承盖与支座接合面，支座与轴承挡油圈结合面应进行研刮配合，并用塞尺检查，其间隙不得大于0.03毫米。
放置支座的底板表面也要清理干净，不应有碰伤、锈蚀和毛刺。紧固支座的螺钉及座板螺纹均要他细检查，并试拧螺钉检查是否过紧或秃扣。
轴承和底板之间必须垫以绝缘垫板或金属垫片，金属垫片用来调整座水平位置。以调整该单支承和相联结的平板的相对位置。金属垫片是由0.08～3毫米的金属薄板制成。绝缘垫板是由布质层压板或玻璃丝层压板制成。放置绝缘垫板的目的主要是防止轴电流的危害。绝缘垫板应比轴承座每边宽出5～10毫米，厚度为3～10毫米。
除在轴承和底板之间放置绝缘垫板之外，同时将螺钉和稳钉也应加以绝缘。绝缘垫圈用厚度2～5毫米玻璃丝布板制成，其外径比铁垫圈外径大4～5毫米。与支座相接的油管接盘绝缘垫可用厚度为1～2毫米橡胶板制成。
调整轴在机械臂支座的位置，是从最边上的轴承座开始，用水平尺放在支座面上来检查这些平面的水平度。用经纬仪或水平仪检查几个支座的平面是否在同一水平面内，及用线锤等方法找正各轴承中心是否在同一轴线上
按上述方法进行轴承座的调整工作，消除偏差的过程中，应用于千斤顶式的工具来移动支座，切勿采有撞击、锤打的方法。用此法调整支座的精度误差约在0.5～1.0毫米之内。
应当指出：此次支座的安装调整仅仅是预调，在定心时还要调整以达到轴心线一致的要求。支座预调好后，只是将螺钉均匀地拧紧（按对角循环拧紧），而绝缘套管和稳钉可暂时不放，等定心工作最后完成或试车前再放。

考虑电路各种保护与联锁，有必要设置如下环节：
SB1――总开关；
FU1――熔断器作短路保护作用；
　 FR1――热继电器对电动机起过载保护作用；
　 KM1的常开触点，在线圈得电时构成自锁；
KM5 和KM6的常闭触点――大车正转与反转的电气互锁；
KM7 和KM8的常闭触点――小车正转与反转的电气互锁；
HA――电铃，在造作错误时起到报警作用。
工作原理：用倒顺开关控制大车电动机和小车电动机的正反转
在主电路中，采用两个接触器，即正转用接触器KM5和反转用接触器KM6，当接触器KM5的主触点闭合，三相电源的相序按L1、L2、L3接入大车电动机，大车电动机将正转。而当KM6的主触点闭合，则三相电源按L3、L2、L1接入电动机，电动机将反转。
由主电路知，若KM5和KM6的主触点同时闭合时，将会造成L1和L3两相电源短路，这是绝对不容许发生的。因此，要使电路安全可靠地工作，最多只允许一个接触器工作，要实现这样的控制要求，我在控制电路中，将KM5和KM6的动断辅助触点分别串接在KM6和KM5的工作线圈电路里，构成互锁电路。起到了保护作用，从而保证了电路可靠的工作。类似，制成图5-1、5-2：

通过小组讨论，方案论证，以及指导老师的指导，装、出料机旋转部件设计完成。当2T装、出料机正常运行时，工作台可完成大于360度自由旋转，电气控制可完成操作大车、小车的自由行走，完成从料场取料，送入加热炉；从加热炉取料，送至锻锤前料台；从锻锤前料台取料，送至成品堆放区等一系列动作。不仅可以提高机械化程度，缩短辅助工作时间，提高生产效率；还可减轻繁重的体力劳动，改善劳动条件，节省人力；节约燃料与金属消耗；还可用于装出毛坯料，还可用来搬运胎具和堆放工件。

本毕业设计虽然凝聚着自己的汗水，但这和导师的指引以及张阳、白俊凯、王超、张怡鑫等同学的共同努力是分不开的。这次毕业设计中遇到了很多的难题，最终还是被一一的攻破了。当我打完毕业论文的最后一个字符，涌上心头的不是长途跋涉后抵达终点的欣喜，而是源自心底的诚挚谢意。我首先要感谢我的导师路留生高级工程师，对我的构思以及设计的内容不厌其烦的指导和悉心指点，使我在完成论文的同时也深受启发和教育。在今后的路途中，定会将这种求真、务实、严谨的态度融入到生活、工作中！
在设计结束的时候，向所有关心和支持过本设计的人表示最诚挚的祝福和感谢。
在设计中由于自己所学有限，还有很多不理解的东西，因此，设计之中的不足之处，敬请老师给予批评指正。

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