H型钢焊接设备设计.doc
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1、济南大学泉城学院毕业设计241 前言在科学技术飞速发展的当今时代,焊接已经成功地完成了自身的蜕变。很少有人注意到这个过程何时开始,何时结束。但它确确实实地发生在过去的某个时段。我们今天面对着这样一个事实:焊接已经从一种传统的热加工技艺发展到了集材料、冶金、结构、力学、电子等多门类科学为一体的工程工艺学科。而且,随着相关学科技术的发展和进步,不断有新的知识融合在焊接之中。 我国的焊接设备发展非常快,在世界焊接领域里占有重要的地位。我国焊接设备总的趋势是向高效、节能、机电一体化和成套方面发展,自动化焊接设备所占比重越来越大,并出现了视觉跟踪的自动焊接配套系统12。自动化焊接由于具有焊接性能好、动态
2、反应速度快、动特性好、效率高、焊接速度高、多功能、实现焊接的全方位智能化和自动化,已成为焊接设备的发展方向。据不完全统计,近年来,我国焊机在品种、规格不断增加的同时,其产量和销售量每年以近30%的速度增长,随着焊接设备应用到自动、半自动焊机方面的进一步研究,焊接组件可靠性的提高,焊接机将得到较大的发展。近年来,通过焊接设备行业的自行开发、设计、引进技术和合资生产,我国的自动、半自动焊机的技术水平有了很大的提高,自动、半自动焊机的发展对我国电焊机行业具有重要意义,其不但作为独立的产品广泛服务于社会,而且作为大多数成套专用焊机设备必备的焊接电源在国民经济的关键领域广泛应用,加强成套、专用焊接设备的
3、研发。与国际水平相比,我国的专用、成套焊接设备生产企业在经济实力、技术水平和管理水平方面都存在一定的差距。成套专用焊接设备的开发、设计是一个国家技术水平的体现,一定要加强这方面的工作。H型钢,即宽翼缘工字钢,是现代建筑结构、桥梁结构和电站建设中日益广泛采用的一种型材,具有构造美观、经济、断面力学性能好和稳定性好等特点3。因具有优越的结构型式和良好的力学性能而成为钢结构的主要架构模式。H型钢可分为热轧H型钢和焊接H型钢两种,前者广泛应用于工业与民用建筑中,而后者用于部分不便采用热轧H型钢的工业建筑中3。各种H型钢因其强度高、质晕轻、耐用性好及易于改造等优点在枢架结构中被广泛采用5。针对H型钢应用
4、的日益广泛,本设计主要是完成完整的H型钢焊接设备设计,以满足社会对大型H型钢的需求。2 总体方案设计本次设计,首先详细的分析了它在实际应用中存在的问题,拿出了可行性的设计方案:H型钢在工业生产、建筑工程、桥梁建设等工程中应用的非常广泛,它主要是通过焊接来实现此构形的。随着我国经济不断发展,工业生产也在迅速往前推进,故对H型钢的需求量也日益增长。所以就需要有生产效率高、性能可靠的焊接设备来代替工人操作。参考相关文献1,设计悬臂式H型钢焊接设备结构简图如图2-1所示。1焊车轨道架,2焊车,3H型钢,4型钢支架它主要由三大部分组成,包括行走部分、左右、上下移动部分。行走部分是设备的主要动力部分。它由
5、减速器电机带动轴上的小链轮,再由链条带动从动链轮旋转,从而与从动链轮一起转动的主动轴驱动轮子在轨道上滚动,实现了这一行走方式。第二部分的上下移动是靠一对锥齿轮把电机的高速降低,把动力传递给丝杠,使丝杠转动,利用固定在悬臂上的螺母带动悬臂一起上下移动。第三部分的左右移动也是通过丝杠螺母来完成此直线运动的。 因为埋弧焊有生产率高、接头质量高、成本低等优点被广泛应用。所以该设备的焊接设备为埋弧焊自动焊接设备,在整个设备行走的同时,送丝机由一同步电机送出,焊丝经导电软管送给焊枪。焊枪行走时焊丝也随着跟进,这时的填料也不断的在其后堆理,从而实现了埋弧自动焊的全过程。3 电动机和减速器的选择此悬臂式H型钢
6、焊接设备是专门为H型钢焊接而设计的,H型钢焊接设备大多体积较大且移动不方便,故采用行走式焊接设备。行走机构是整台设备的重要执行部件,它由驱动装置,行走装置等组成,而且它还起到支撑作用,支撑整台设备在轨道上移动,所以采用强度、硬度耐磨性都较好的材料。3.1 电动机的选用原则、常用类型及特点此处电动机的主要作用是作为驱动系统的动力来源。一般选择电动机应综合考虑几个问题:根据机械负载性质和生产工艺对电动机的起动、制动、反转、调速等要求,选择电动机类型。根据负载转矩、速度变化范围和起动频繁程度等要求,考虑电动机的温升限制、过载能力和起动转矩,选择电动机的容量,并确定冷却通风方式。所选电动机容量应留有余
7、量。过大的备用容量会使电机效率降低,对于感应电动机,其功率因数竟变坏,并使按电动机最大扭矩校验强度的机械造价提高。根据使用场所的环境条件,如温度、湿度、灰尘、瓦斯以及腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护方式,选择电动机的结构形式。根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过度性能的要求,以及机械减速机构的复杂程度,选择电动机额定转速。常用的几种电动机:笼式电动机、饶线式电动机、交流同步电动机和直流电动机。采用三相异步电动机,它具有防止灰尘、铁屑或其他杂物侵入电动机内部等特点,且对外界环境的要求不高等优点。 3.2行走设备电动机的的选择电动机额定转速是根据生产机械的要求而选定。在确定电动机额定转
8、速时,必须考虑机械减速机构的传动比值,两者相互配合,经过技术、经济全面比才能确定。电动机转速不低于500转/分,因为当功率一定时,电动机的转速愈低,则其尺寸愈大,价格愈贵,而且效率也愈低。如选用高速电机,势必加大机械减速机构的传动比,致使机械传动部分复杂起来。悬臂式H型钢焊接设备的行走速度为v=16150m/h =4.441.7mm/s,初步估计设备总重量为m=715,则G=mg=7159.8=7007N。由文献5表1-13查得铸铁对钢的滚动摩擦系数k=0.18。则受摩擦力 f=kG=0.187007=1261.26N;由功率公式:P=Fv=1261.260.0417=52.59W。已知减速器
9、效率为0.950.96,取效率为0.95;联轴器效率为0.990.995,取效率为0.99。则选取电动机的功率为:,根据电动机选择原则,选取的电动机为:Y802-4,额定功率为0.75kw,满载转速为1390r/min。3.3减速器的分类、常用减速器的形式及应用减速器是应用于原动机和工作机之间的独立闭式传动装置。减速器的种类很多,用以满足各种机械传动的不同要求。根据传动类型,减速器可分为齿轮、蜗杆、齿轮-蜗杆和行星减速器;根据齿轮形状不同,减速器可分为圆柱、圆锥、圆锥-圆柱齿轮减速器;根据传动的级数,减速器可分为单级、多级减速器;根据轴在空间的位置,减速器可分为卧式和立式减速器;根据传动的布置
10、形式,减速器可分为展开式、分流式和同轴式减速器。3.4减速器传动比的分配在设计两级或多级减速器时,如何将总传动比合理地分配到各级是很重要的,因为它将直接影响到减速器的外形尺寸、重量、润滑条件和各零件的装配是否方便和可靠等。传动比分配的基本原则是:1)使各级传动的承载能力接近相等,即要达到接近等强度(一般指齿面接触强度)。2)使各级传动中的大齿轮浸入油中深度大致相等,从而使润滑简便。3)使减速器获得最小的外形尺寸和重量等。3.5普通圆柱蜗杆减速器根据所设计的悬臂式H型钢焊接设备的要求,选择普通圆柱蜗杆减速器。其适用范围:本标准为一级传动的WD(蜗杆下置)WS(蜗杆上置)型阿基米德圆柱蜗杆减速器。
11、其适用范围如下:1) 蜗杆啮合处滑动速度不大于;2) 蜗杆转速不超过;3) 工作的环境温度为;4) 可用于正反转两向运转。减速器的选用: 根据工作要求(及)确定传动比,然后按蜗轮轴的计算转矩,。查承载能力表确定减速器的中心距。再按机器布置,润滑等的要求选择减速器的型式。必要时还应进行散热计算。蜗轮轴计算转矩按下式确定:, (3.1)式中:蜗轮轴传递的转矩,; 载荷系数,一般,当载荷平稳,蜗轮速度较低(),蜗杆特性系数大()时,值取小值,否则取大值。根据以上,选择WD80型蜗杆减速器。4 轴的设计计算轴是组成机器的主要零件之一。一切作回转运动的传动零件(例如齿轮、蜗轮等),都必须安装在轴上才能进
12、行运动及动力的传递。因此轴的主要功用是支承回转零件及传递运动和动力。按照承受载荷的不同,轴可分为转轴、心轴和传动轴三类。工作中既承受弯矩又承受扭矩的轴称为转轴。这类轴在各种机器中最为常见。只承受弯矩而不承受扭矩的轴称为心轴。心轴又分为转动心轴和固定心轴两种。只承受扭矩而不承受弯矩的轴称为传动轴。4.1轴的材料选择及计算4.1.1轴的材料选择轴的材料主要是碳钢和合金钢。由于碳钢比合金钢价格便宜,对应力集中的敏感性较低,同时也可以用热处理或化学处理的方法提高其耐磨性和抗疲劳强度,故采用碳钢制造的尤为广泛,对于此轴同时受弯矩和扭矩的作用,所以选择45号钢。4.1.2轴的计算由文献6查得滚子链传动的传
13、动效率,轮子的行走速度为v=0.0417m/s,初步估算轮子的直径为D=140mm。由r/min所以轴的转速为n=5.69r/min。4.1.3初步确定轴的最小直径由 (3.3)式中 选轴的材料为45钢,调质处理。由文献6表15-3查得=126103之间,取=126。则 =26.44mm取最小直径;最小轴径处为固定轮子处的螺纹部分。4.2行走机构的轴的结构设计4.2.1拟定轴上零件的装配方案根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度。当轴截面上开有键槽时,应增大轴经以考虑键槽对轴的强度的削弱。对于直径的轴经,有一个键槽时,轴经增大3%;有两个键槽时,应增大7%。对于直径的轴,有一个键槽时,轴径增
14、大5%7%;有两个键槽时,应增大10%15%。然后将轴径圆整为标准直径。这是求出的直径。只能作为承受扭距作用的轴段的最小直径。导轨是选用QU80,安装轮子部分的轴段长为119mm,直径50所有的重量是靠支撑连杆来承担;选取调心轴承1213则其宽度B=23mm取轴承端盖总宽为25mm(由端盖的结构设计而定)。根据轴承端盖的装拆及便于对轴承添加润滑脂的要求取端盖的端面与轮子面的距离140mm,则装轴承的总长度为119mm,轴承的左端面靠轴肩固定,轴肩高度取 6mm,则轴环处的直径为120mm。轴环长度18mm。对于轴上零部件是对称分布的则右端安装轴承的直径d=87mm。轴的驱动是采用链轮,由链轮的
15、计算可知取链轮处的轴径为d=108mm则由文献10表4-1选择的键为2816取长度为45mm,链轮是用两个螺母固定的轴径为100mm,查的螺母为M10049两个。安装轮子处的键为149长度为80mm;对于轴上的零件是采用键来定位,键槽的加工利用铣刀铣出,同时为了保证链轮与轴配合有良好的对中性,故选择链轮轮毂与轴配合为H7/r6;同样,轮子与轴的配合为50H7/r6,调心轴承1213与轴的固定是过渡配合来保证的,此处选轴的直径尺寸公差为j6。4.2.2确定轴上圆角和倒角尺寸、键槽和退刀槽参考文献10表15-2,取轴端倒角为245,其余1.545,安装轴承处的越程槽为41.5。螺纹配合处轴的退刀槽
16、为32。4.3轴的校核计算已知,G=mg=7159.8=7007N,链轮上的圆周力与水平面的夹角为。受力分析如图4-1所示:图 4.1受力图 , 由于整个设备由四个连杆支撑所以每个连杆分担1/4的重力,则 1) 在y-z平面内 图 4.2受力图由得: 由受力分析可知,;所以得;则B处所受的力 由得 设B-C段某一截面x(0x0.42m)如下图4-3所示:则 图 4.3 截面图 ;当时, ;当时,。 因为受的载荷是对称的所以弯距图也是对称的如图4-4,而剪力图是反对称的如图4-5所示: 图4.4 弯距图图4.5 剪力图则由弯距图可知:, ;2)在水平面x-z内 受力分析如下图4-6所示: 图4.
17、6受力图由计算得 ,图 4.7剪力图图 4.8 弯距图所以在空间内的B、C、D点的弯距为 ,3) 扭距. 由弯距图可知,截面B、D处的所受的弯距最大,所以B、D处为危险截面,故只对B、D截面进行弯扭较核就可以了根据文献10公式(15-5)计算如下: 已知,则 (4-4)前已选择轴的材料为45号钢,调质处理,由文献615-1查得,故安全。4.4从动轴的设计作为从动轴的结构跟主动轴的形状基本相同,唯一不同的是中间没有主动链轮,它只受连杆的压力。经校核也是合格的。5 轴 承滚动轴承是现代机器中广泛应用的的部件之一,它是依靠主要元件间的滚动接触来支承转动零件的。滚动轴承具有摩擦阻力小、起动轻快、效率高
18、、不易磨损等优点;同时滚动轴承大多已标准化,并由专业工厂大量制造及供应各种常用规格轴承。滚动轴承在设备生产、工业领域应用非常广泛,在应用轴承时直接由设计手册选择合适的标准轴承就可以了。5.1轴承的类型选择在主传动系统中轴承只受径向力的作用而该设备的所有重量都压在了四个轴承上,轴承之间的跨度比较大,所以轴可能会产生弯曲现象,故此处选择具有调心性能的滚动轴承可以满足使用要求。已经计算了装轴承段轴的直径为65mm,所以查文献11表6-3选择调心球轴承1213。5.2轴承的寿命计算及校核由文献12查得调心球轴承1213的相关参数为:公称直径d=65mm,大径D=120mm,宽度B=23mm,e=0.1
19、7,基本额定动载荷基本额定静载荷,极限转速(脂润滑)n=4800r/min;已知轴承受的径向力,轴向力,如下图5-1所示: 图5-1 轴承受力图则由轴承的径向当量动载荷公式 当时 (4-1)式中 径向当量动载荷; 径向力; 轴向动载荷系数; 轴向力。根据工作时无冲击,参考文献11表14-9取载荷系数; 根据轴承工作温度小于,从表14-10查得温度系数;对于球轴承,寿命指数由公式 (n=4800r/min) (5-2)式中 轴承寿命(单位为h);温度系数;极限转速(r/min);基本额定动载荷; 载荷系数。 或者,根据轴承转速,由表14-12查得转速系数由公式 得 根据查文献4表14-11,得轴
20、承预期寿命为 =9600h由此得出实际寿命小于额定寿命符合使用要求。6 链条的设计计算链传动是应用较广泛的一种机械传动,它是由链条和主、从动轮组成。输送机的链条与传动链条也稍有一点不同,就是它是以输送货物为目的的链条,节距要大一些,大多数的链板上都装有附件。这种的链条一般分为两种。一是双节距链条,即传动链条的节距加大一倍,链节板侧面作成平的,所以又成做倍节距链条,它广泛用于轻载链式输送机。链节板用钢板冲成,滚子表面经硬化处理以提高耐磨性,套筒采用经过渗碳淬火处理的普通碳素钢,销轴也采用渗碳淬火处理的普通碳素钢,特别需要提高强度的销轴。滚子有两种:一种是滚子面低于链节板的,另一种是滚子面高于链节
21、板的大直径滚子。另一种链条是输送机链条,它是以输送为目的的长节距链条,一般称作输送机链条,它广泛应用于重型链式输送机。6.1链条的选择按照文献12的许用功率曲线图9-13,由功率和小链轮转速n选取链条型号。由公式可以求出所选链条应满足的许用功率为 kw (5-1)工作状况系数; 链轮齿数系数; 传动比系数; 中心距系数; 多排链系数。式中根据文献12图9-13,由链节距和小链轮转速查得的单排链许用传动功率。式中的各参数,除传动功率P0已知外,由载荷情况可以确定工作状况系数,由传动比大小可以确定传动比系数Ki;而其它系数KA、Kp、Kz不能由已知条件来直接得出。1.确定链轮的齿数Z1和Z2初估传
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