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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
大型H鋼翻轉(zhuǎn)提升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)說明書
目 錄
1 緒 論 2
1.1課題來源及研究的目的和意義 2
1.2同類設(shè)備目前的發(fā)展著狀況 2
1.3 設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容和擬解決的主要問題 7
2.1初始參數(shù)的擬訂 8
2.2機(jī)構(gòu)的選擇及各部分形式的確定 8
2.3 H鋼翻轉(zhuǎn)過程分析 11
2.4 大型H鋼翻轉(zhuǎn)提升機(jī)的布置 12
2.5本章小結(jié) 12
3.1電動機(jī)的選擇 13
3.2帶傳動設(shè)計(jì) 14
3.3 本章小結(jié) 20
4.1鏈條的選擇及鏈輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 21
4.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核 24
4.3 液壓缸的設(shè)計(jì)及計(jì)算 28
4.4本章小結(jié) 34
5.1液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 35
5.2電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 38
5.3系統(tǒng)工作過程 42
5.4 本章小結(jié) 44
參考文獻(xiàn) 45
致謝 46
第1章 緒 論
1.1課題來源及研究的目的和意義
隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，大型工業(yè)與民用建筑不斷的出現(xiàn)，以至使得像大型H鋼這樣的鋼材有著大量的市場需求。2005年推出的《鋼鐵新政》確立了一個(gè)重要的的產(chǎn)業(yè)政策是注重鋼材的節(jié)約使用，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，是實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。同時(shí)還明確指出H型鋼材是綠色環(huán)保產(chǎn)品，要大力推廣應(yīng)用。因此可以說，H鋼遠(yuǎn)期需求依然很大。在H鋼的價(jià)格方面有利好因素，首先，板材價(jià)格持續(xù)上漲，自2005年以來，以冷軋為帶動，中厚板，熱卷以及螺紋等的價(jià)格都有不同程度的上漲。尤其寶鋼調(diào)價(jià)以來，板材價(jià)格在此帶動下持續(xù)高漲。鋼市場逐步回暖也給H型鋼市場形成了一個(gè)比較穩(wěn)定的外部環(huán)境。其次，國外H型鋼市場行情較好，為我國H型鋼出口創(chuàng)造了一個(gè)有利環(huán)境，日本，美國及歐洲等地H型鋼市場逐步回暖，價(jià)格均有不同程度的程度的回升，國內(nèi)市場進(jìn)口H型鋼與國產(chǎn)H型鋼價(jià)格差距已經(jīng)消失，對國內(nèi)市場不再構(gòu)成威脅，反而有利于國內(nèi)鋼材的出口。大型H鋼提升翻轉(zhuǎn)機(jī)機(jī)構(gòu)在在這個(gè)經(jīng)濟(jì)背景下產(chǎn)生。
H鋼雖然可以用熱軋的方法制造，但只能在端面高度為400~600mm范圍內(nèi)取得最佳經(jīng)濟(jì)效果，小于或大于這個(gè)范圍，用其它焊接方法制造更為有利。同時(shí)，在焊接生產(chǎn)加工中，當(dāng)H鋼完成組對并進(jìn)行一面的焊接后，需要將其翻轉(zhuǎn)，以便焊接另一面。但由于H鋼體積大、重量重，人工很難翻轉(zhuǎn)，所以需要專用的設(shè)備，尤其是在大批量生產(chǎn)中，就更需要一種翻轉(zhuǎn)提升機(jī)構(gòu)來完成這一操作，以提高生產(chǎn)效率。大型H鋼翻轉(zhuǎn)提升機(jī)就是應(yīng)用在這種場合下的設(shè)備。
1.2同類設(shè)備目前的發(fā)展著狀況
對于翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在已有很多的形式。如有框架式、頭尾架式、鏈?zhǔn)?、環(huán)式、推舉式等。并已在實(shí)際生產(chǎn)中用于各種工件的翻轉(zhuǎn)。目前國內(nèi)還未對各種形式的翻轉(zhuǎn)機(jī)制訂出系列標(biāo)準(zhǔn)，但國內(nèi)已有廠家生產(chǎn)頭尾架式的翻轉(zhuǎn)機(jī)，并成系列。
另外，配合焊接機(jī)器人使用的框架式、頭尾架式翻轉(zhuǎn)機(jī)，國內(nèi)外均有生產(chǎn)。它們都是點(diǎn)位控制，控制點(diǎn)數(shù)以使用要求而定，但多為2點(diǎn)(每隔)、4點(diǎn)（每隔）、8點(diǎn)（每隔）控制，翻轉(zhuǎn)速度以恒速的為多，但也有變速的。翻轉(zhuǎn)機(jī)與機(jī)器人聯(lián)機(jī)按程序動作，載重量多在20～3000之間。例如我國汽車、摩托車等制造行業(yè)使用的弧焊機(jī)器人加工中心，已成功地采用了國產(chǎn)頭尾架式和框架式的焊接翻轉(zhuǎn)機(jī)，由于是恒速翻轉(zhuǎn)，點(diǎn)位控制，并輔以電磁制動和汽缸錐銷強(qiáng)制定位，所以多采用交流電動機(jī)驅(qū)動、普通齒輪副減速，機(jī)械傳動系統(tǒng)的制造精度比軌跡控制的低1到2級，造價(jià)便宜。提升機(jī)構(gòu)主要有機(jī)械式和液壓式兩種，且各種提升設(shè)備已形成標(biāo)準(zhǔn)系列。
機(jī)械式提升機(jī)構(gòu)通常是以省力的鋼絲繩滑輪組作為執(zhí)行構(gòu)件的，所以可以有較大的提升范圍，滑輪組一般使用定滑輪、定滑輪和動滑輪、雙聯(lián)滑輪組（四分支）、雙聯(lián)滑輪組（八分支）等幾種形式。另外在機(jī)械式提升機(jī)構(gòu)中，也有采用齒輪和齒條進(jìn)行提升，但采用這種機(jī)構(gòu)的設(shè)備一般只適用于小型貨物、輕載情況下的提升作業(yè)。
液壓式提升機(jī)構(gòu)也是常用提升機(jī)構(gòu)中的一種。它采用液壓作為動力源，包括有使用液壓馬達(dá)，其執(zhí)行提升的機(jī)構(gòu)同機(jī)械式。由于液壓缸的行程有限，對于較大行程的提升都設(shè)計(jì)有增加行程的裝置，如X形的支架。因此，液壓式提升機(jī)構(gòu)多用于升降臺、汽車翻斗等不需要很大行程，但卻有較大載重的設(shè)備中。
考慮液壓傳動具有在同樣的驅(qū)動功率下，液壓裝置的重量更輕、體積更小及耐沖擊的特點(diǎn)。選用液壓式提升機(jī)構(gòu)作為H鋼的提升裝置。由于系統(tǒng)不需要較大的提升行程，所以使用液壓缸直接推動翻轉(zhuǎn)架進(jìn)行提升即可，這樣做，雖然要使用較多的液壓缸，但可以簡化提升機(jī)構(gòu)，所有翻轉(zhuǎn)架的液壓缸都由一個(gè)泵源提供動力，即可保證液壓缸的同步動作，也可以減少空間的使用。
我國研制的液壓提升機(jī)，因具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝靈活、操作簡單及良好的防爆性能與容積調(diào)速和恒扭矩輸出特性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，并已在在各種金屬、非金屬礦山和現(xiàn)代工程施工、建筑等領(lǐng)域作非防爆提升設(shè)備也得一定程度的推廣應(yīng)用，并仍有較大市場前景。
隨著技術(shù)的發(fā)展，在液壓提升機(jī)的使用市場受到挑戰(zhàn)的條件下，對液壓提升機(jī)動性的動態(tài)品質(zhì)與綜合性能提出了更高的要求?，F(xiàn)有液壓提升機(jī)的液壓系統(tǒng)為開環(huán)加簡單的手動操作比例式減壓閥控制方式，液壓泵為直接反饋排量調(diào)節(jié)變量控制結(jié)構(gòu)，這很難滿足對液壓提升機(jī)的高品質(zhì)要求。在現(xiàn)有液壓提升機(jī)基礎(chǔ)上，如何調(diào)整液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)控制策略，實(shí)現(xiàn)自動控制程度更高、安全可靠性更好、運(yùn)行效率更高、滿足乘坐舒適性要求的高品質(zhì)液壓提升機(jī)成了目前液壓提升機(jī)研究與生產(chǎn)廠家的當(dāng)務(wù)之急。
液壓提升機(jī)按傳動系統(tǒng)有全液壓傳動的液壓提升機(jī)和液壓—機(jī)械傳動兩大類。
液壓提升機(jī)由于采用液壓傳動，減小了產(chǎn)生電火花的元件，空載直接啟動，完全由液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，電氣控制設(shè)備簡單，便于實(shí)現(xiàn)防爆，安全可靠性好，液壓系統(tǒng)傳遞動力均勻平穩(wěn)，而且通過液壓變量泵能實(shí)現(xiàn)無級變速，起動換向平穩(wěn)低速動轉(zhuǎn)性能好，電控制提升機(jī)在啟動和低速提升時(shí)電阻器消耗能量，在低速重載下放時(shí)靠制動間摩擦來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。而液壓提升機(jī)調(diào)節(jié)速時(shí)無電阻器消耗電能，且在下放重載時(shí)向電網(wǎng)反饋電能。液壓提升機(jī)不象電控制提升機(jī)那樣頻繁啟動電動機(jī)，與同功率的電控防爆提升機(jī)相比，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，占用用室小、運(yùn)輸、安裝費(fèi)用低;安全保護(hù)設(shè)施齊全。
從控制理論角度來講，提升機(jī)液壓系統(tǒng)是典型的非線性、變載荷、變參數(shù)的系統(tǒng)，工作效率更高、安全可靠性更好、乘坐更為舒適性等技術(shù)要求又對液壓提升機(jī)的平層位置精度、速度、加(減)速度的動態(tài)控制指標(biāo)提出了更高的要求。到目前為止，防爆液壓提升機(jī)控制系統(tǒng)主要是容積調(diào)速控制，即司機(jī)操作減壓式比例控制閥向變量控制系統(tǒng)的比例油缸輸入—逐漸變化的壓力油，比例油缸位移控制伺服閥閥芯位移，伺服閥又通過差動油缸控制擺動缸體，改變變量泵的斜盤傾角大小，改變液壓泵拾出流量的大小和方向，進(jìn)而改變液壓馬達(dá)的速度大小和旋轉(zhuǎn)方向，實(shí)現(xiàn)對提升箕斗或雄籠的升降。液壓提升的電液比例控制和電液伺服控制方式正處于研究和研制階段。
根據(jù)國家計(jì)委等三部委發(fā)布的“提升設(shè)備產(chǎn)品市場總需求表”獲悉，礦用提升設(shè)備產(chǎn)品“九五”期間總需求量比“八五”期間增加38%,“十五”期間的總需求量也有增無減，其中大中型礦用提升設(shè)備全國每年平均需求量約為3250臺。同時(shí)，據(jù)不完全統(tǒng)汁，目前我國約有?1.2—?2.5m井下提升設(shè)備近15000臺，大部分為非防爆型。隨著電控防爆技術(shù)的發(fā)展，、液壓防爆提升機(jī)的井下市場的受到挑戰(zhàn)。但因液壓防爆提升機(jī)具有電控提升機(jī)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，特別是隨著液壓伺服控制技術(shù)的發(fā)展，各種液壓伺服控制策略如PID控制、自適應(yīng)控制、變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制在液壓提升機(jī)中的應(yīng)用，液壓提升機(jī)的動態(tài)品質(zhì)、綜合性能必將得到大幅度的提高，液壓防爆提升的優(yōu)勢將更加明顯。
液壓提升機(jī)的競爭優(yōu)勢除原有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝靈活、操作簡單及良好的防爆性能與容積調(diào)速恒扭矩輸出特性外，各種液壓伺服控制策略的應(yīng)用必將使其具有新的技術(shù)優(yōu)勢，可以說液壓提升機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢主要在于液壓伺服控制系統(tǒng)的優(yōu)勢，具體可歸納為大功率液壓伺服控制系統(tǒng)與電氣伺服控制系統(tǒng)相比，仍將保持體積小、重量輕、慣性小。一般電氣元件的動作是基于電磁作用，已知的各種鐵磁物質(zhì)在很低的磁通下便飽和了，這意味著一定體積的電動機(jī)不可能獲得更大的力矩。電磁鐵每平方厘米能產(chǎn)生的最大力大致71.6N左右，即使昂貴的坡莫合金，每平方厘米面積的力也不超過215.7N、而采用作動筒的液壓伺服系統(tǒng)在lcm2能產(chǎn)生力372.9—2059.4N的力是很普遍的，45000N/cm2及以上壓力的液壓系統(tǒng)也在發(fā)展之中，由此看出與電氣元件同樣大小的液壓元件所產(chǎn)生的力要比電氣元件大得多，采用液壓馬達(dá)時(shí)，其轉(zhuǎn)動慣量約為相應(yīng)功率電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量的1%左右，液壓伺服控制系統(tǒng)的力矩慣性比，比電氣伺服系統(tǒng)大十幾倍到幾十倍，對于一個(gè)自動控制系統(tǒng)，元件的質(zhì)量及慣量的降低減輕了系統(tǒng)的重量和體積外更重要性的是由于慣性小，變化速度與反向控制容易，其快速性可以大大提高，這在大功率的液壓提升機(jī)上將更明顯。
靜、動態(tài)控制精度對現(xiàn)代化的液壓提升設(shè)備來說已是一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)，由于液壓伺服系統(tǒng)特別是電液伺服系統(tǒng)可以允許較大的放大倍數(shù)，功率放大倍數(shù)可達(dá)106，因而可以獲得較高的靜態(tài)與動態(tài)精度，液壓伺服系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)在0.1—10-3s，而電動系統(tǒng)一般在0.5—10-2s;液壓伺服系統(tǒng)的壓力放大倍數(shù)大，故系統(tǒng)受負(fù)載變化的影響相對小，對反操作的抑制能力強(qiáng);液壓伺服所表現(xiàn)的這種負(fù)載剛性大的另一個(gè)原因是液壓油本身帶來的油的體積的變化很小。電動機(jī)的輸出力是由電磁力的電磁場作用造成的，它的剛性比液壓的差，因而定位誤差也大。更高動態(tài)品質(zhì)、綜合性能要求的液壓提升機(jī)的發(fā)展正是利用了液壓伺服控制的這些優(yōu)勢。
液壓伺服系統(tǒng)解決散熱問題方便，利用液體的流動把那些由于功率損耗而產(chǎn)生的熱量，從發(fā)生的地方帶到別處，只要在適當(dāng)?shù)牡胤窖b上冷卻器便可解決散熱問題。電氣元件由于電阻損失和渦流損失等到產(chǎn)生的熱量無法很快帶走，故而限制了它的使用條件，或它的最小使用條件受到限制，因而液壓元件的體積可以做得相當(dāng)小。
此外，液壓油能兼起潤滑作用，從而使液壓統(tǒng)的使用壽命得到延長;液壓伺服系統(tǒng)調(diào)速范圍寬，高低速之比可以達(dá)400以上，以及固有的枯滯性使其傳動平穩(wěn)，特別是低速有良好的穩(wěn)定性，當(dāng)然液壓伺服系統(tǒng)也存在著如液壓油容易污染、流體流動復(fù)雜，理論上的描述不如電氣成熟，以及管路傳輸也不如電氣方便等缺點(diǎn)。
隨著對自動化生產(chǎn)和高生產(chǎn)效率的要求，對生產(chǎn)設(shè)備也提出新的要求，即需要解決液壓提升機(jī)的層位控制精度不高、提高安全可靠性等一系列問題，這是液壓提升機(jī)發(fā)展中大家密切注視和急待解決的問題。調(diào)整液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)控制策略，實(shí)現(xiàn)自動控制程度更高、安全可靠性更好、運(yùn)行效率更高、滿足乘坐舒適性要求的高品質(zhì)液壓提升機(jī)是近幾年液壓提升機(jī)的主要發(fā)展趨勢。
液壓提升機(jī)提升繩系與電控式提升機(jī)的完全一樣，主機(jī)則為全液壓驅(qū)動與制動結(jié)構(gòu)，液壓驅(qū)動系統(tǒng)為泵控馬達(dá)容積調(diào)速系統(tǒng)，制動系統(tǒng)則為閥控缸節(jié)流系統(tǒng)。由于兩液壓系統(tǒng)在動態(tài)特性上的固有差異，加之現(xiàn)役液壓提升機(jī)的控制手段相對落后，致使其綜合性能、品質(zhì)不高。因此，除在降低振動噪聲、減少泄漏污染等方面繼續(xù)加以研究外，在技術(shù)上主要應(yīng)解決提高平層精度的問題。
平層精度包括液壓提升機(jī)停穩(wěn)后提升容器在?？刻幣c平層間的位置誤差(規(guī)定誤差值為士50mm)和卷筒制動時(shí)刻至提升容器停穩(wěn)所經(jīng)歷的時(shí)間即平層時(shí)間兩方面，這是影響液壓提升機(jī)運(yùn)行效率的主要因素。平層精度與液壓驅(qū)動系統(tǒng)的速度伺服控制方法、提升機(jī)減速過程中的激勵加速度函數(shù)、提升繩系的振蕩特性、提升容器所要?？康钠綄釉诰仓械奈恢?它決著提升鋼繩的長度)和負(fù)載大小密切相關(guān)。
提升機(jī)的減速停車過程設(shè)計(jì)主要為時(shí)間設(shè)計(jì)法和行程設(shè)計(jì)法兩種。在現(xiàn)有液壓提升機(jī)的減速運(yùn)行過程中，司機(jī)根據(jù)深度指示器的指示，手動操作減壓式比例閥發(fā)出減速停車信號，其減速停車的過程是一種粗糙的距離控制法。這種控制法往往不夠精確而要靠司機(jī)一次或多次微動操作才能使提升容器達(dá)到規(guī)定誤差范圍，嚴(yán)重影響著運(yùn)行效率的提高。
對提升繩系的動力學(xué)與振蕩特性的研究。控制變量的伺服變量機(jī)構(gòu)——位置直接反饋比例排量調(diào)節(jié)系統(tǒng)使泵的拾出流量能限隨輸入信號——減壓式比例閥閥芯位移作連續(xù)比例變化，但液壓泵的容積效率隨系統(tǒng)工作壓力、油液粘度等的變化而變化，加之液壓油的可壓縮性、管道的彈性、液壓元件的泄漏等因素的影響，從而使輸人液壓馬達(dá)的流量得不到精確的控制，又由于液壓驅(qū)動系統(tǒng)沒有馬達(dá)輸出速度檢側(cè)與反饋閉環(huán)。因此，提高液壓提升機(jī)的平層精度就必須改變其現(xiàn)有控制方式。
提高液壓驅(qū)動與制動動作的協(xié)同性是保證液壓提升機(jī)可靠、安全有序工作的關(guān)鍵，在液壓提升機(jī)加速起動、減速停車的瞬間，司機(jī)操作減壓式比例閥向液壓驅(qū)動系統(tǒng)與制動系統(tǒng)同時(shí)發(fā)出控制信號，驅(qū)動系統(tǒng)液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速與輸出扭矩逐漸動態(tài)地建立，同時(shí)液壓制動系統(tǒng)松閘或抱閘制動，兩者協(xié)同配合實(shí)現(xiàn)負(fù)載的升降。
液壓驅(qū)動系統(tǒng)為泵控馬達(dá)系統(tǒng)，制動系統(tǒng)為閥控制缸系統(tǒng)，相比之下，前者的響應(yīng)速度慢很多，雖然液壓制動系統(tǒng)中設(shè)置有節(jié)流閥以調(diào)節(jié)制動、松閘時(shí)間，但因負(fù)載、系統(tǒng)油溫等因素的影響，液壓驅(qū)動系統(tǒng)扭矩、轉(zhuǎn)速(同步建立)建立或降低時(shí)間均是個(gè)變量，從而引起所謂的“上坡起動負(fù)載瞬時(shí)下滑”與停車時(shí)系統(tǒng)壓力沖擊現(xiàn)象。因此，設(shè)置液壓驅(qū)動系統(tǒng)輸出速度的閉環(huán)反饋與控制，對確保液壓驅(qū)動與制動的協(xié)同配合，提高系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)致關(guān)重要。
綜上所述 ，液壓提升機(jī)的液壓系統(tǒng)是典型的變負(fù)載、大慣量、非線性、時(shí)變高階系統(tǒng)，要提高其綜合性能與動態(tài)品質(zhì)，關(guān)鍵是合理設(shè)計(jì)對應(yīng)于一個(gè)提升循環(huán)中的液壓驅(qū)動系統(tǒng)馬達(dá)的輸出速度曲線，尤其是控制加速起動與減速停車過程中的加速度方程:這就必須改變液壓提升機(jī)的控制策略，采用閉環(huán)與多種控制策略來提高系統(tǒng)的速度剛度與負(fù)載擾動下的響應(yīng)速度。
液壓提升機(jī)具有液壓傳動系統(tǒng)與電控提升機(jī)的眾多優(yōu)點(diǎn)，仍將有較大的市場前景，有我們多年來設(shè)計(jì)、制造與使用維護(hù)所積累的經(jīng)驗(yàn)，對提高液壓提升機(jī)的動態(tài)品質(zhì)與綜合性能是完全可能的;而其中的關(guān)鍵是改變現(xiàn)有液壓提升機(jī)的簡單手動操作比例式減壓閥操作與控制方式，而實(shí)現(xiàn)以數(shù)字PID控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制或它們的復(fù)合控制為算法的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，這也是近幾年液壓提升機(jī)的發(fā)展趨勢。目前，液壓提升機(jī)的計(jì)算機(jī)控制策略正在理論與試驗(yàn)研究之中。
1.3 設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容和擬解決的主要問題
1.3.1設(shè)計(jì)基本內(nèi)容
1．完成H鋼翻轉(zhuǎn)提升機(jī)構(gòu)的主要參數(shù)計(jì)算和整體設(shè)計(jì)方案。
2. 進(jìn)行H鋼翻轉(zhuǎn)部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算，并進(jìn)行主動軸強(qiáng)度和剛度的校核。
3. 進(jìn)行提升部分設(shè)計(jì)，確定主要零部件的尺寸。
1.3.2擬解決的主要問題
根據(jù)生產(chǎn)中鋼的尺寸，設(shè)計(jì)出適當(dāng)尺寸的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。在H鋼翻轉(zhuǎn)過程中，需考慮到傳動傳動裝置的磨損，變松以及如何改善這種情況，另需注意各部件間的潤滑，確定H鋼提升的方式。本設(shè)計(jì)的提升機(jī)構(gòu)用于H鋼的提升，工業(yè)上要求物料輸送過程的平穩(wěn)高效，同時(shí)要使所占用的空間盡可能小，以減小生產(chǎn)成本。
大型H鋼翻轉(zhuǎn)提升機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)部分采用鏈?zhǔn)椒D(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要由鏈條、鏈輪、電動機(jī)、皮帶傳動裝置和架體等部分組成。提升部分采用液壓式提升機(jī)構(gòu)，本設(shè)計(jì)完成翻轉(zhuǎn)部分的機(jī)械本體及提升部分的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)。解決設(shè)計(jì)方案的確定，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，提升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以及兩者的相互協(xié)調(diào)和運(yùn)行平穩(wěn)。
第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
2.1初始參數(shù)的擬訂
翻轉(zhuǎn)的H鋼最大尺寸為：高1200mm、寬600mm、長18000mm，最大質(zhì)量為10噸。每個(gè)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)置1臺翻轉(zhuǎn)電機(jī)，要求機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)正反方向任意角度的翻轉(zhuǎn)。提升機(jī)構(gòu)的最大提升高度為800mm。整個(gè)系統(tǒng)由3個(gè)翻轉(zhuǎn)提升架組成，分別編號為Ⅰ號、Ⅱ號、Ⅲ號。Ⅰ號與Ⅱ號之間相距4m，Ⅱ號與Ⅲ號之間相距7m。各翻轉(zhuǎn)提升架之間放置輸送輥道。
2.2機(jī)構(gòu)的選擇及各部分形式的確定
根據(jù)對題目“大型H鋼翻轉(zhuǎn)提升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)”可知，該機(jī)構(gòu)主要有兩部分組成，即翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和提升機(jī)構(gòu)，現(xiàn)分別對這兩種機(jī)構(gòu)進(jìn)行討論。
2.2.1翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是將工件沿水平軸轉(zhuǎn)動或傾斜，使之處于有利于加工位置的變位設(shè)機(jī)構(gòu)。常見的有框架式、頭尾架式、鏈?zhǔn)?、環(huán)式、推舉式等翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。它們的使用場合見表2.1。
表2.1 翻轉(zhuǎn)變位機(jī)構(gòu)
形 式
變位速度
驅(qū)動方式
使 用 場 合
框架式
恒定
機(jī)電或液壓
板結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)等較長焊件的傾斜變位
頭尾架式
可調(diào)
機(jī)電
軸類和橢圓形焊件的環(huán)形焊縫，表面堆焊時(shí)的旋轉(zhuǎn)變位
鏈?zhǔn)?
恒定
機(jī)電
裝配定位焊后，自身剛度很強(qiáng)的梁住型的翻轉(zhuǎn)變位
環(huán)式
恒定
機(jī)電
裝配定位焊后，自身剛度很強(qiáng)的梁住型的翻轉(zhuǎn)變位。在大型構(gòu)件的組對與焊接應(yīng)用中較多
推舉式
恒定
液壓
各類構(gòu)件的傾斜變位。裝配和焊接在同一工作臺上進(jìn)行
根據(jù)各種機(jī)構(gòu)的使用場合可知，對于大型H鋼的翻轉(zhuǎn)可以采用鏈?zhǔn)健h(huán)式和推舉式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)對這三種機(jī)構(gòu)加以比較，以確定最終采用的機(jī)構(gòu)形式。
1、鏈?zhǔn)椒D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
鏈?zhǔn)椒D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式如圖2.1。
4
1—鏈輪 2—鏈條 3—H鋼 4—支架
圖2.1 鏈?zhǔn)椒D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
由圖2.1可知，鏈?zhǔn)椒D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)比較簡單，因?yàn)椴捎面湕l支撐，對箱形斷面的角接焊縫也同樣適用，其缺點(diǎn)是焊縫對中較費(fèi)時(shí)，焊接是在自由狀態(tài)下焊接，不便于用夾具控制焊接變形。
2、環(huán)式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
環(huán)式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式如圖2.2。
1—托輪 2—支撐環(huán) 3—鈍齒輪 4—驅(qū)動裝置
圖2.2 環(huán)式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
在翻轉(zhuǎn)同等體積的H鋼時(shí)環(huán)式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)整體尺寸較大，機(jī)構(gòu)上配有加緊裝置，因此，相對與鏈?zhǔn)蕉?，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。但特別適合與超大型工件的翻轉(zhuǎn)。
3、推舉式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
推舉式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2.3。
1—反轉(zhuǎn)工作臺 2—推拉式軸銷 3—升液壓缸
圖2.3 推舉式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
推舉式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)也比較簡單，且能翻轉(zhuǎn)的工件類型也較多，但這種結(jié)構(gòu)一次最多只能翻轉(zhuǎn) ，翻轉(zhuǎn)后工作臺需要復(fù)位。對于大角度的翻轉(zhuǎn)效率低下。
根據(jù)以上三種機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，考慮結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和工作效率，選用鏈?zhǔn)椒D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)做為大型H鋼的翻轉(zhuǎn)裝置
鏈?zhǔn)椒D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)、鏈條、鏈輪、張緊輪及架體等組成。
在起重機(jī)械中應(yīng)用的鏈條主要有環(huán)形焊接鏈和片式關(guān)節(jié)鏈。使用環(huán)形焊接鏈條具有撓性好、可用較小直徑的鏈輪和卷筒，且傳動機(jī)構(gòu)外形尺寸小，鏈條本身耐腐蝕。缺點(diǎn)是可靠性差、有突然斷裂的可能、不耐沖擊、質(zhì)量大、不易用于高速提升設(shè)備中，鏈條本身運(yùn)動中常產(chǎn)生滑移和摩擦。片式關(guān)節(jié)鏈的撓性比焊接鏈更好，比較可靠、運(yùn)動平穩(wěn)。缺點(diǎn)是有方向性、橫向無撓性、成本高、對灰塵和銹蝕較為敏感。由于設(shè)備在運(yùn)動中有沖擊，出于安全和運(yùn)動穩(wěn)定性的考慮，選用片式關(guān)節(jié)鏈作為翻轉(zhuǎn)用鏈條。
電機(jī)通過窄V帶將功率傳遞給翻轉(zhuǎn)裝置，因?yàn)榉D(zhuǎn)提升架的翻轉(zhuǎn)過程不需要準(zhǔn)確的速比，且翻轉(zhuǎn)過程中對系統(tǒng)有沖擊，所以優(yōu)先選用帶傳動的形式。另外在各種帶中，窄V帶具有普通V帶的所有特點(diǎn)外，不但壽命長、傳動功率大、費(fèi)用低而且可以減少帶輪的寬度和直徑。
2.2.2 提升機(jī)構(gòu)
提升機(jī)構(gòu)分為機(jī)械式和液壓式兩種，現(xiàn)對這兩種機(jī)構(gòu)進(jìn)行比較，以確定最終采用的機(jī)構(gòu)形式。
機(jī)械式提升機(jī)構(gòu)通常是以省力的鋼絲繩滑輪組作為執(zhí)行構(gòu)件的，所以可以有較大的提升范圍，滑輪組一般使用定滑輪、定滑輪和動滑輪、雙聯(lián)滑輪組（四分支）、雙聯(lián)滑輪組（八分支）等 幾種形式。另外在機(jī)械式提升機(jī)構(gòu)中，也有采用齒輪和齒條進(jìn)行提升，但采用這種機(jī)構(gòu)的設(shè)備一般只適用于小型貨物、輕載情況下的提升作業(yè)。
液壓式提升機(jī)構(gòu)也是常用提升機(jī)構(gòu)中的一種。它采用液壓作為動力源。包括有使用液壓馬達(dá)，其執(zhí)行提升的機(jī)構(gòu)同機(jī)械式。還有采用液壓缸進(jìn)行提升。由于液壓缸的行程有限，對于較大行程的提升都設(shè)計(jì)有增加行程的裝置，如X形的支架。因此，液壓式提升機(jī)構(gòu)多用于升降臺、汽車翻斗等不需要很大行程，但卻有較大載重的設(shè)備中。
考慮液壓傳動具有在同樣的驅(qū)動功率下，液壓裝置的重量更輕、體積更小及耐沖擊的特點(diǎn)。選用液壓式提升機(jī)構(gòu)作為H鋼的提升裝置。由于系統(tǒng)不需要較大的提升行程，所以使用液壓缸直接推動翻轉(zhuǎn)架進(jìn)行提升即可，這樣做，雖然要使用較多的液壓缸，但可以簡化提升機(jī)構(gòu)，所有翻轉(zhuǎn)架的液壓缸都由一個(gè)泵源提供動力，即可保證液壓缸的同步動作，也可以減少空間的使用。
2.3 H鋼翻轉(zhuǎn)過程分析
在H鋼被提升起后，在鏈條上處于圖2.4所示狀態(tài)，當(dāng)鏈條順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，H鋼將會以B點(diǎn)為中心逆時(shí)針方向翻轉(zhuǎn)。
圖2.4 翻轉(zhuǎn)過程
當(dāng)A點(diǎn)達(dá)到最低點(diǎn)后，如圖2.5。若H鋼要繼續(xù)翻轉(zhuǎn)，就要以A點(diǎn)為中心，此時(shí)如果重心在支點(diǎn)A的左側(cè)如圖2.5（a），則它產(chǎn)生的力矩將會使H鋼繼續(xù)翻轉(zhuǎn)。如果重心在支點(diǎn)A的右側(cè)如圖2.5（b），它產(chǎn)生的力矩將會阻止H的翻轉(zhuǎn)，此時(shí)要求H鋼的慣性足以克服重力產(chǎn)生的力矩使H鋼繼續(xù)翻轉(zhuǎn)到重心移動到A點(diǎn)的左側(cè)，否則H鋼翻轉(zhuǎn)到此位置時(shí)將停止翻轉(zhuǎn)且在鏈條上打滑。
H鋼是否會打滑主要取決于H鋼與鏈條摩擦力的大小，即如果摩擦力足夠大，將出現(xiàn)圖2.5（a）的狀態(tài)，此時(shí)不會發(fā)生打滑現(xiàn)象。如果摩擦力不夠大，出現(xiàn)圖2.5（b）的狀態(tài)就要求H鋼有足夠的翻轉(zhuǎn)速度以保證不出現(xiàn)打滑的現(xiàn)象。由于鏈條的表面有明顯的凹凸不平，所以H鋼與鏈條之間的摩擦力不能簡單的用平面之間的靜摩擦進(jìn)行計(jì)算，所以這里不對H鋼是否打滑進(jìn)行理論計(jì)算。
（a） (b)
圖2.5 H鋼翻轉(zhuǎn)過程簡圖
2.4 大型H鋼翻轉(zhuǎn)提升機(jī)的布置
整個(gè)系統(tǒng)由3個(gè)翻轉(zhuǎn)提升架組成，分別編號為Ⅰ號、Ⅱ號、Ⅲ號。要求三個(gè)翻轉(zhuǎn)提升架成一排放置，三個(gè)翻轉(zhuǎn)提升架的中心線保持在一條直線上，且Ⅰ號與Ⅱ號之間相距4m，Ⅱ號與Ⅲ號之間相距7m。各翻轉(zhuǎn)提升架之間放置輸送輥道?？刂婆_放置在Ⅱ號架的一側(cè)。見圖2.6。
圖2.6 大型H鋼翻轉(zhuǎn)提升機(jī)的布置
2.5本章小結(jié)
通過幾種提升機(jī)構(gòu)和翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的分別比較，確立了本設(shè)計(jì)的最終所采用的大型H鋼提升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的形式,其提升部分用液壓提升，翻轉(zhuǎn)部分采用鏈?zhǔn)椒D(zhuǎn)。
第3章 傳動系統(tǒng)零件的選擇及設(shè)計(jì)
3.1電動機(jī)的選擇
翻轉(zhuǎn)部分的結(jié)構(gòu)簡圖如圖3.1。
圖3.1 翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)簡圖
設(shè)計(jì)鏈速為0.05，單個(gè)翻轉(zhuǎn)架承受重力為50000。受力分析如圖3.2。
圖3.2 鏈條受力分析
鏈條與水平方向夾角
鏈條受力
水平分力
功率
電機(jī)功率
式中 —鏈條傳動效率， 取=90%
—皮帶傳動效率， 取
選取電動機(jī)型號YZ160L-8，轉(zhuǎn)速705r/min，額定功率7.5(電動機(jī)的功率因數(shù)為0.766，傳遞效率為0.824）。電動機(jī)YZ160L-8是起重設(shè)備專用電機(jī)，這種電動機(jī)具有啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流小的特點(diǎn)，且能夠頻繁、重載啟動。因此選用這種類型的電機(jī)作為系統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)電機(jī)。
3.2帶傳動設(shè)計(jì)
3.2.1帶傳動的計(jì)算
設(shè)計(jì)資料參數(shù)為：傳遞的功率，窄帶傳動，每天工作小于10小時(shí)，重載啟動且有載荷沖擊。
1、確定計(jì)算功率
（3.1）
式中 —計(jì)算功率
—工作情況系數(shù)。取
—傳遞的額定功率，
故
2、選擇帶型
根據(jù)小帶輪轉(zhuǎn)速，，由參考文獻(xiàn)[10]選用窄帶SPZ。
3、確定帶輪的基準(zhǔn)直徑
（1）初選小帶輪基準(zhǔn)直徑
根據(jù)帶截形，根據(jù)參考文獻(xiàn)[10]查得 ，則。
（2）計(jì)算帶速
（3.2）
式中 —主動輪的圓周速度
—主動輪的轉(zhuǎn)速
故
（3）計(jì)算從動輪基準(zhǔn)直徑
設(shè)計(jì)傳動比，則
取，。
4、確定中心距a和帶的基準(zhǔn)長度
初定中心距
(3.3)
解得
初選=550mm。
基準(zhǔn)長度
=1622.212mm
選取。
考慮安裝調(diào)整和補(bǔ)償預(yù)緊力的需要，中心距的變動范圍為：
5、驗(yàn)算主動輪上的包角
根據(jù)對包角的要求，應(yīng)保證：
包角滿足要求。
6、確定帶的根數(shù)
（3.4）
式中 —包角系數(shù)，查得=0.92；
—長度系數(shù)，查得；
—單根帶的基本額定功率，。
所以
取根
7、確定帶的預(yù)緊力
（3.5）
式中 —帶單位長度質(zhì)量，查得；
—帶速；
—帶的根數(shù)；
—包角系數(shù)；
—計(jì)算功率。
N
8、計(jì)算傳動作用在軸上的力
（3.6）
式中 —帶的根數(shù)
—單根帶的預(yù)緊力
—主動輪上的包角
3.2.2 帶輪設(shè)計(jì)及計(jì)算
根據(jù)帶輪的轉(zhuǎn)速和功率，帶輪采用材料HT200鑄造
1、小帶輪設(shè)計(jì)計(jì)算
由于小帶輪的基準(zhǔn)直徑，所以小帶輪采用實(shí)心式，結(jié)構(gòu)形式如圖3.3，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表3.1。
圖3.3 小帶輪結(jié)構(gòu)
表3.1 小帶輪結(jié)構(gòu)參數(shù)
參數(shù)
數(shù)值(mm)
計(jì)算公式
d
32
58
63
67
B
64
L
83
ψ
36°
注：—第一槽對稱面至端面距離
—槽間距
2、大帶輪設(shè)計(jì)
大帶輪采用孔板式，結(jié)構(gòu)形式如圖3.4，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表3.2。
圖3.4 大帶輪結(jié)構(gòu)
表3.2 大帶輪結(jié)構(gòu)參數(shù)
參數(shù)
數(shù)值（mm）
計(jì)算公式
d
45
90
315
319
B
64
B=2f+4e
L
64
B<1.5d時(shí)，L=B
C’
11
(1/7～1/4)B
259
174.5
=0.5(+)
50
=(0.2～0.3)( -)
ψ
36°
注：—第一槽對稱面至端面距離
—槽間距
3.2.3 帶傳動的張緊
由于帶不是完全的彈性體，在預(yù)緊力的作用下，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)后，就會由塑性變形而松弛，使預(yù)緊力降低。因此，為了保證皮帶能夠正常的工作，必須要有一種裝置使得皮帶始終處于一種張緊的狀態(tài)。
常見的張緊裝置有定期張緊裝置（滑道式和擺架式）、自動張緊裝置和采用張緊輪的裝置。
在接近水平和垂直的皮帶傳動中適合采用定期張緊的方法，本設(shè)計(jì)采用擺架式張緊的方法，結(jié)構(gòu)如圖3.5。當(dāng)要調(diào)節(jié)帶的預(yù)緊力時(shí)只要調(diào)整電動機(jī)下方的螺母即可。
圖3.5 擺架式張緊裝置
3.3 本章小結(jié)
在此章節(jié)中，選取了電動機(jī)，進(jìn)行了大小帶輪和皮帶的選擇和計(jì)算,選擇大帶輪為孔板式結(jié)構(gòu)，小帶輪采用實(shí)心形式，同時(shí)確定了V帶輪的材料，皮帶采用窄帶，并對皮帶張緊裝置進(jìn)行了選擇，張緊裝置為擺架式張緊裝置。
第4章 翻轉(zhuǎn)和提升裝置零件設(shè)計(jì)
4.1鏈條的選擇及鏈輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
4.1.1鏈條的選擇及計(jì)算
1、鏈條的選擇
根據(jù)第2章鏈條的受力分析可知，鏈條工作時(shí)拉力為39.984KN。選擇08A型板式起重鏈條。基本參數(shù)如下：
公稱節(jié)距P 12.7mm
板數(shù)組合 6×6
極限拉伸載荷Q 66.7KN
2、鏈條的長度
鏈條的布置形式如圖4.1。
圖4.1 鏈條的布置形式
根據(jù)鏈條的布置形式初步確定鏈條長度
考慮到鏈輪部分的鏈條長度沒有算入，所以取L=6200mm
3、確定鏈條的節(jié)數(shù)
（4.1）
取
4.1.2鏈輪的設(shè)計(jì)及計(jì)算
鏈輪采用整體式鋼制小鏈輪，結(jié)構(gòu)形式如圖4.2。
圖4.2 鏈輪結(jié)構(gòu)
表4.1 鏈輪基本參數(shù)
名稱
數(shù)值（mm）
計(jì)算公式
配用鏈條節(jié)距
12.7
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》表8-1-73查得
配用鏈條的滾子外徑
5.12
配用鏈條的排距
6.25
Pt=3b0
分度圓直徑
68
齒數(shù)
17
取z=17
35
齒頂圓直徑
77
齒根圓直徑
63
分度圓旋齒高
5
輪轂厚度
11.5
輪轂長度
36
輪轂直徑
58
齒寬
3.7
注：—設(shè)計(jì)鏈速
—鏈輪轉(zhuǎn)速
—常數(shù) 50＜＜100時(shí) =4.8
—鏈板厚度，08A型=2.08mm
4.1.3滑輪的設(shè)計(jì)
因?yàn)殒湕l的布置形式特殊（鏈條的布置形式見圖4.1），所以要設(shè)計(jì)一個(gè)滑輪將下側(cè)的鏈條拉緊，以防止上下兩側(cè)的鏈條在工作的時(shí)候發(fā)生接觸?；喌慕Y(jié)構(gòu)形式見圖4.3。
圖4.3 滑輪的結(jié)構(gòu)
表4.2 滑輪設(shè)計(jì)參數(shù)
名稱
數(shù)值（mm）
計(jì)算公式
80
輪槽直徑
140
輪緣直徑
160
輪緣間寬
30
滑輪寬
50
注：—鏈條節(jié)距，P=12.7mm
—鏈條銷軸長度，b=27.99mm
—鏈條通道高度，h1=12.32mm
—鏈條銷軸直徑，=5.09mm
4.1.4鏈條的潤滑
由于鏈條采用的是開式傳動，且鏈條較長、布置形式特殊，不易采用手工潤滑。所以要求定期將鏈條拆下，放入煤油中清洗，干燥后，浸入70～80℃潤滑油中，待鉸鏈間隙中充滿油后安裝使用。
潤滑油采用牌號為L-AN46的全損耗系統(tǒng)用油，潤滑油中加入添加劑WS2。
4.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核
4.2.1軸的設(shè)計(jì)及計(jì)算
系統(tǒng)中有主動軸1根，空場鏈輪軸1根、滑輪軸1根及電動機(jī)采用擺架式張緊安裝時(shí)使用的銷軸1根。現(xiàn)僅對主動軸做精確的設(shè)計(jì)計(jì)算。
1、輸出軸上的功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩
鏈條的傳動效率為=0.98，則
=1.9992/0.98=2.04
2、作用在鏈輪上的力
由第2章鏈條的受力分析可知，=25000N，=23477N。
3、初步確定軸的最小直徑
選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。取=112，于是得
軸的最小直徑處為安裝鏈輪處，此處有一個(gè)鍵槽，軸徑應(yīng)放大6%，即，取。
4、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
（1）擬定軸上零件的裝配方案
裝配方案如圖4.4。
（2）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度
為了使鏈輪軸向定位，Ⅰ處右側(cè)制有螺紋，Ⅰ-Ⅱ處長70mm，Ⅱ處右側(cè)制出一軸肩，。
初選滾動軸承。因軸承只受徑向力的作用，故選用深溝球軸承。參照工作要求，并根據(jù)，選用深溝球軸承6410，其尺寸為。考慮到Ⅱ-Ⅲ處端蓋的厚度及軸的伸出長度，?、?Ⅲ處長51mm。
Ⅲ處右側(cè)制出一軸肩，Ⅲ-Ⅳ長550mm。，考慮到此處安裝有軸承、皮帶輪和端蓋，?、?Ⅴ長30mm,Ⅴ-Ⅵ長100mm。Ⅴ處右側(cè)制有螺紋M42，Ⅵ-Ⅶ長50mm。
（3）軸上零件的周向定位
皮帶輪、鏈輪的周向定位均采用平鍵聯(lián)接。
圖4.4 輸出軸上零件裝配方案
鏈輪與軸的連接選用平鍵。皮帶輪與軸的定位選用平鍵××=14×9×50。選用皮帶輪、鏈輪與軸的配合為H7/r6，以保證良好的對中性。滾動軸承的周向定位是借過渡配合來保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為。
（4）確定軸上圓角和倒角尺寸
取軸端倒角2×45°，各軸肩處的圓角半徑為。
5、軸的內(nèi)力
根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)簡圖作出軸的計(jì)算簡圖、彎矩圖和扭矩圖，如圖4.5所示。
圖4.5 軸的內(nèi)力圖
從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩圖和扭矩圖中可以看出處是危險(xiǎn)截面?，F(xiàn)將計(jì)算出截面處的、及的值列于表4.3。
表4.3 截面處的載荷計(jì)算
載荷
水平面
垂直面
支反力
彎矩
彎矩
扭矩
6、按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
現(xiàn)只校核軸的危險(xiǎn)截面處的強(qiáng)度
（4.2）
式中 —軸的直徑；
—軸所受的彎矩；
—軸所受的扭矩；
—校正系數(shù)，雙向旋轉(zhuǎn)
—軸的許用彎曲應(yīng)力，取
危險(xiǎn)截面處軸的強(qiáng)度滿足要求
4.2.2 滾動軸承的校核
選用的滾動軸承為深溝球軸承6410，設(shè)計(jì)工作壽命為1000h。
（4.3）
式中 —基本額定動載荷；
—當(dāng)量動載荷；
—壽命因數(shù)，查得；
—速度因數(shù)，查得；
—力矩載荷因數(shù)，查得；
—沖擊載荷因數(shù)，查得；
—溫度因數(shù)，查得；
—軸承徑向基本額定動載荷，查得。
因?yàn)檩S承只承受徑向力，故=，所以
＜，故滾動軸承6410滿足動載荷要求。
4.2.3鍵的強(qiáng)度校核
軸上共有兩個(gè)鍵，由于鏈輪處的鍵所受的應(yīng)力最大，故對此處的鍵做強(qiáng)度校核。
1、擠壓強(qiáng)度校核
（4.4）
式中 —傳遞的轉(zhuǎn)矩；
—鍵與輪轂鍵槽的接觸高度；
—鍵的工作長度，圓頭平鍵；
—軸的直徑；
—鍵連接的許用擠壓應(yīng)力，查得。
計(jì)算得
故鍵擠壓強(qiáng)度滿足要求。
2、鍵的剪切強(qiáng)度校核
（4.5）
式中 —傳遞的轉(zhuǎn)矩；
—軸的直徑；
—鍵的寬度；
—鍵的長度，圓頭平鍵
—許用剪應(yīng)力，查得
計(jì)算得
故鍵的剪切強(qiáng)度滿足要求。
4.3 液壓缸的設(shè)計(jì)及計(jì)算
4.3.1液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1、原始數(shù)據(jù)
H鋼重10t，翻轉(zhuǎn)架重2t。單個(gè)液壓缸承受負(fù)載=（10/2+2）/4=1.75 t=17500N。行程，提升速度0.08m/s。
2、初步設(shè)計(jì)液壓缸為雙作用單活塞桿液壓缸
圖4.6 液壓缸結(jié)構(gòu)形式
3、活塞及活塞桿計(jì)算
選擇液壓缸的工作壓力為。
（1）計(jì)算液壓缸的牽引力
F=++ + （4.6）
一般取=（0.01～0.1）
=0.1×17500=1750N
而
=
=0
所以
=17500+1750+1429+0=20679N
（2）計(jì)算液壓缸內(nèi)徑、活塞直徑
選。
（3）活塞桿直徑
在受壓時(shí)情況下，?。?.5～0.55）
=125×0.5=62.5mm
選取=63mm
4、缸筒長度以及其它部位尺寸
液壓缸結(jié)構(gòu)如圖4.7所示。
圖4.7 液壓缸結(jié)構(gòu)
最小導(dǎo)向長度
≥+=+=102.5mm
取=103mm。
活塞寬度=（0.6～1.0），取
=0.8×125=100mm
導(dǎo)向套滑動面長度
當(dāng)80mm時(shí)，=（0.6～1.0），取
=0.6×62.5=37.5mm
隔套
=－0.5（+）=103-0.5（100+37.5）=34.25 mm
取=35mm
5、缸筒壁厚及其驗(yàn)算
（1）選取缸筒外徑為146mm，則壁厚
=（146-125）=10.1mm
取
（2）壁厚校核
==0.081
當(dāng)=0.08～0.3時(shí)，可用下列公式校核
（4.7）
式中 —缸筒內(nèi)最高工作壓力，=1.5×2.5=3.75MPa；
—缸筒材料的許用應(yīng)力，。
故
==0.0017m=1.7mm
，壁厚強(qiáng)度合格。
6、缸底、缸蓋設(shè)計(jì)及計(jì)算
（1）缸底采用焊接方式，如圖4.8。
圖4.8 缸底連接方式
缸底厚度
≥0.433D2 （4.8）
式中 —計(jì)算厚度處直徑，取。
則缸底厚度
≥0.433×105×=6.2mm
焊縫應(yīng)力計(jì)算公式為
= （4.9）
式中 —缸內(nèi)最大推力；
—缸筒外徑；
—焊縫直徑；
—焊接效率，取η=0.7。
所以
==13MPa
焊接強(qiáng)度可靠
（2）缸蓋采用外螺紋連接，如圖4.9。
圖4.9 缸蓋連接方式
螺紋處拉應(yīng)力
= （4.10）
螺紋處剪應(yīng)力
（4.11）
式中 —缸筒端部受最大推力；
—缸筒內(nèi)徑；
—螺紋外徑；
—螺紋底徑，螺紋使用M140×4普通螺紋，查得
—擰緊螺紋的系數(shù)，不變載荷取=1.25～1.5；
—螺紋連接的摩擦因數(shù)，取。
則
=
=
相當(dāng)應(yīng)力=。
許用應(yīng)力
= （4.12）
式中 —缸筒材料的屈服極限，35鋼為320MPa；
—安全系數(shù)，取=1.2～2.5。
相當(dāng)應(yīng)力，螺紋強(qiáng)度滿足要求。
7、活塞桿穩(wěn)定性計(jì)算
液壓缸采用腳架方式兩端固定，則。由于活塞桿受力完全在軸線上，所以按式4.13驗(yàn)證。
≤ （4.13）
式中 —活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界壓縮力；
—安全系數(shù)，通常取3.5～6。
其中
（4.14）
式中 —實(shí)際彈性模數(shù)，取；
—液壓缸安裝導(dǎo)向系數(shù)，查得=2
—活塞桿截面慣性矩
而
=20143N9.4×104N
所以，活塞桿有足夠的彎曲穩(wěn)定性。
4.3.2 液壓缸緩沖和排氣及密封防塵裝置設(shè)計(jì)及選擇
1、當(dāng)活塞運(yùn)動速度在0.1m/s以下時(shí)，不必采用緩沖裝置。由于本設(shè)計(jì)中活塞運(yùn)動的速度僅為0.08m/s，所以不對緩沖裝置進(jìn)行理論設(shè)計(jì)及計(jì)算。
2、排氣閥用來排除油缸內(nèi)的空氣，使油缸穩(wěn)定工作。根據(jù)液壓缸的安裝形式，將排氣閥放置在缸底上，選用整體式。
3、根據(jù)形狀，密封防塵件一般分為O形、Y形、U形、L形、J形及三角形等。參照各種密封防塵元件的適用形式，選擇情況如下：
活塞與活塞桿之間選用O形密封圈=65mm，=55mm。
活塞與缸體之間選用U形夾織物密封圈=125mm，=100mm。
活塞桿與缸蓋之間選用U形夾織物密封圈=85mm，=60mm。選用J形防塵圈=65mm，=59mm。
缸蓋與缸體之間選用O型密封圈=145mm，=135mm。
4.4本章小結(jié)
本章對于提升和翻轉(zhuǎn)部分的具體零件給出了選擇和設(shè)計(jì)，在提升部分對于鏈條給給出了選擇對于鏈輪給出了設(shè)計(jì)方案，對于傳動軸給出了設(shè)計(jì)。在翻轉(zhuǎn)部分，給出了液壓缸的設(shè)計(jì)選擇和計(jì)算，并對傳動軸和鍵給出了校核。
第5章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
5.1液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1、技術(shù)要求
根據(jù)前幾章設(shè)計(jì)可知，液壓系統(tǒng)的工作情況為：慢速提升→維持提升位置不動→慢速下降。提升下降速度均為0.08m/s，起升的總重量為120000N，上升的最大行程800mm。
系統(tǒng)中共有15個(gè)液壓缸，其中3個(gè)制動液壓缸由于額定壓力和流量都較小，不予單獨(dú)計(jì)算，將其壓力和流量計(jì)入到損失中去。每次提升時(shí)，僅有8個(gè)提升液壓缸在工作，故=8，=8×0.0123=0.0984，取缸的機(jī)械效率=91%。
2、編制工況圖
系統(tǒng)提升時(shí)，依靠液壓泵提供動力，下降時(shí)依靠負(fù)載的重力，故下降階段不需要系統(tǒng)提供動力。現(xiàn)將液壓缸提升時(shí)各階段的壓力和流量列于表5.1。
表5.1 液壓缸提升時(shí)各階段的壓力和流量
工作階段
計(jì)算公式
受力/N
工作腔壓力/MPa
輸入流量
/cm3·s-1
/L·min-1
未帶負(fù)載
20000
0.22
7872
131
帶負(fù)載
120000
1.3
7872→0
131→0
各個(gè)階段的功率計(jì)算如下：
未帶負(fù)載工作時(shí)
帶負(fù)載工作時(shí)
根據(jù)以上分析與計(jì)算結(jié)果，可繪出液壓缸的工況圖
圖5.1 液壓缸工況圖
3、擬定液壓系統(tǒng)圖
系統(tǒng)中有三個(gè)翻轉(zhuǎn)提升架，每次工作任選其中的兩個(gè)架。所以依靠單向閥和2位2通閥來完成翻轉(zhuǎn)提升架液壓缸的選擇。液壓缸的通斷依靠一個(gè)3位4通閥控制，機(jī)架下降時(shí)，液壓缸靠負(fù)載和架體的重量返回?；赜吐飞系牧髁靠刂崎y保證回油流量一定，架體和負(fù)載有較穩(wěn)定的下降速度。液壓系統(tǒng)原理見圖5.2。
圖5.2 液壓系統(tǒng)原理
4、液壓元件選擇
由液壓系統(tǒng)工況圖可以看出液壓缸的最高工作壓力出現(xiàn)在帶負(fù)載提升階段，。估取進(jìn)油路壓力損失為。則泵的最高工作壓力為
液壓泵的最大供油量按液壓缸的最大輸入流量進(jìn)行估算，取泄露量系數(shù)，則
根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，選取BB-BB125內(nèi)嚙合齒輪泵，其額定壓力為2.5MPa，額定轉(zhuǎn)速1500r/min，排量為125ml/r。由工況圖可知，最大功率出現(xiàn)在帶負(fù)載提升階段，由此時(shí)的液壓缸工作壓力和流量可算出此時(shí)液壓泵的最大理論功率。
取泵的總效率為，則液壓泵的實(shí)際功率，即所需電動機(jī)功率為
選用規(guī)格相近的Y801-4型三相異步電機(jī)，其額定功率為0.55，額定轉(zhuǎn)速為1390r/min。
按所選電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和液壓泵的排量，液壓泵的最大理論流量為
==1390×125=173750ml/min=173.75L/min
大于計(jì)算所需流量144L/min，滿足使用要求。
根據(jù)選擇的液壓泵及系統(tǒng)的工作情況，將選擇的系統(tǒng)其它液壓元件列入表5.2。
表5.2 翻轉(zhuǎn)提升機(jī)液壓系統(tǒng)元件型號規(guī)格
序號
元件名稱
額定
壓力 MPa
額定流量 L/min
型號規(guī)格
說明
1
過濾器
0.07
（損失)
160
XU-A160X30FS
通徑為40mm
2
齒輪泵
2.5
125
BB-B125
額定轉(zhuǎn)速1500r/min
電機(jī)功率0.55KW
3
溢流閥
25
200
BG-06
通徑為16mm
4
2位4通電液換向閥
16
180
24DF3B-E16B
通徑為16mm
5
減壓閥
31.5
60
DR6DP3-50
通徑為15mm
6、9
單向閥
31.5
175
S20P
通徑為20mm
7
2位4通電磁換向閥
16
80
24DF3-E10B
通徑為10mm
8
3位4通電液換向閥
28
160
4WEH16G
通徑為16mm
10
單向調(diào)速閥
32
100
QA-H20
通徑為20mm
11
液壓缸
自行設(shè)計(jì)
12
液壓缸
外購
注：所列元件均查自《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》第4卷
5、油管及油箱
各元件間連接管道的規(guī)格按元件接口處尺寸決定，液壓缸進(jìn)、出油管按輸入、排出的最大流量計(jì)算。當(dāng)油液在壓力管中流速取5m/min時(shí)，油管的內(nèi)徑為
mm
根據(jù)GB/T8163油管選用內(nèi)徑25mm，外徑34mm的皮管。
油箱容積按下式估算
（5.1）
式中 —油箱的有效容積；
—與系統(tǒng)壓力有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，低壓系統(tǒng)；
—液壓泵的額定流量。
選用AB40-01/0630油箱。
5.2電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1、控制要求
（1）翻轉(zhuǎn)電機(jī)要求能夠正反轉(zhuǎn)；
（2）系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動；
（3）液壓泵由電機(jī)M4拖動；
（4）翻轉(zhuǎn)過程由三臺翻轉(zhuǎn)電機(jī)中的任兩臺完成，通過旋轉(zhuǎn)開關(guān)選擇電動機(jī)型號。
翻轉(zhuǎn)電機(jī)M1、M2、M3選用YZ160L-8型，參數(shù)為380V、18A、705r/min；
液壓泵電機(jī)M4選用Y801-4型，參數(shù)為380V、1.5A、1390r/min。
2、電氣控制線路設(shè)計(jì)
（1）主回路設(shè)計(jì)
根據(jù)電氣傳動要求，由接觸器KM1、KM2實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，由接觸器KM3控制液壓泵的電機(jī)。
系統(tǒng)的三相電源由電源引入開關(guān)Q引入，電機(jī)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和液壓泵電機(jī)設(shè)短路保護(hù)——熔斷器FU2、FU3、FU4、FU5。電機(jī)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ由于是短時(shí)工作，不設(shè)過載保護(hù)。液壓泵電機(jī)的過載保護(hù)由熱繼電器KR實(shí)現(xiàn)。
（2）控制電路設(shè)計(jì)
開關(guān)SB1負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)閉，開關(guān)SB2用于啟動液壓泵電機(jī)。
旋轉(zhuǎn)開關(guān)S負(fù)責(zé)選擇要使用的翻轉(zhuǎn)提升架組合，即接通要使用的翻轉(zhuǎn)提升架的液壓回路，同時(shí)切斷未被選中的翻轉(zhuǎn)提升架的電機(jī)電路。
開關(guān)SB3、SB4負(fù)責(zé)翻轉(zhuǎn)架的提升和下降，同時(shí)設(shè)置限位開關(guān)ST1、ST2用于限制提升、下降的位置。
開關(guān)SB5、SB6、SB7負(fù)責(zé)電機(jī)的制動、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。
（3）電機(jī)啟動、制動回路設(shè)計(jì)
電機(jī)的啟動一般有直接啟動和降壓啟動兩種方法。降壓啟動包括：電阻或電抗器降壓啟動、Y-△降壓啟動、自耦變壓器降壓啟動、延邊三角形啟動等幾種方法。但電阻或電抗器降壓啟動、Y-△降壓啟動時(shí)，要求電機(jī)輕載或空載。自耦變壓器降壓啟動不能用于頻繁啟動的回路中。延邊三角形啟動又對電機(jī)出線有特殊的要求。所以采用降壓啟動并不適合本系統(tǒng)對電機(jī)頻繁啟、制動，重載啟動的要求。考慮到選用的翻轉(zhuǎn)電機(jī)YZ160L-8是起重行業(yè)專用電機(jī)，具有啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流小的特點(diǎn)，因此采用直接啟動的方法。
根據(jù)供電部門規(guī)定，采用直接啟動時(shí)，在有獨(dú)立變壓器供電的情況下，若電動機(jī)啟動頻繁時(shí)，則電動機(jī)功率小于變壓器容量的20%時(shí)允許直接啟動。如果沒有獨(dú)立變壓器的情況下，電動機(jī)啟動頻繁，則滿足下列關(guān)系可直接啟動。
直接啟動的電動機(jī)有兩臺，功率共為15KW。當(dāng)采用專用電源時(shí)，需要供電變壓器的容量不少于100KVA。當(dāng)電源動力與照明混用時(shí)，
，即電源總?cè)萘看笥?61KVA時(shí)可直接啟動電動機(jī)。
在電動機(jī)停機(jī)時(shí)，系統(tǒng)中有專門的器件進(jìn)行制動，所以不對電動機(jī)設(shè)計(jì)制動回路。
（4）繪制電氣原理圖
電器原理圖見圖紙。
3、選擇電氣元件
（1）電源引入開關(guān)Q
Q主要作為電源隔離開關(guān)用，并不用它來直接起停電動機(jī)，可按電動機(jī)額定電流來選。根據(jù)4臺電機(jī)的額定電流，選用HZ5-60/10 L02型，額定電流60A，三極組合開關(guān)。
（2）熱繼電器KR
電機(jī)M4額定電流為1.5A，所以KR應(yīng)選用JR15-10/2型熱繼電器，選用6號元件，熱元件電流為2.4A，刻度電流調(diào)節(jié)范圍是1.5～2.0～2.4A，工作時(shí)將額定電流調(diào)整為1.5A。
（3）熔斷器FU1、FU2、FU3、FU4和FU5
FU1是對控制電路進(jìn)行保護(hù)，選用RL1-15型熔斷器，配用熔斷體2A。
FU2、FU3、FU4是對翻轉(zhuǎn)電機(jī)M1、M2、M3進(jìn)行保護(hù)的熔斷器，熔體電流為
可選用RL1-60型熔斷器，配用熔斷體40A。
FU5是對液壓泵電機(jī)進(jìn)行保護(hù)的熔斷器，熔體電流為
可選用RL1-15型熔斷器，配用熔斷體5A。
（4）接觸器KM1、KM2、KM3、KM4、KM5和KM6
根據(jù)電機(jī)M1、M2、M3的額定電流18A，控制回路電源220V，KM1、KM2需主觸點(diǎn)3對，動合輔助觸點(diǎn)1對，動斷輔助觸點(diǎn)2對，KM4、KM5和KM6需主觸點(diǎn)3對，根據(jù)上述情況，選用CJ0-20A型交流接觸器，控制電壓為220V。
KM3選用CJ0-10A型交流接觸器，控制電壓為220V。
（5）控制變壓器TC
變壓器最大負(fù)載時(shí)是KM3、KM4、1YA、4YA、6YA同時(shí)工作，根據(jù)
式中 —所需變壓器容量;
—變壓器容量儲備系數(shù)，=1.1~1.25;
∑PST—控制線路最大負(fù)載時(shí)工作的電器所需的總功率.
選擇BK-200型控制變壓器，容量為200VA，電壓等級380V/220V。其它元件的選用見表5.3。
表5.3 大型H鋼翻轉(zhuǎn)提升機(jī)電氣元件表
符號
名稱
型號
規(guī)格
數(shù)量
M1、M2、M3
異步電動機(jī)