钢管提升机设计.docx
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钢管提升机设计
2016届
分类号:
单位代码:
10452
毕业设计
钢管提升机设计
姓名
学号
年级 2012
专业 机械设计制造及其自动化
系 (院) 机械工程学院
指导教师
2016年3月30日
摘要
本次毕业设计主要是完成一种钢管提升机的结构设计及部分零件的力学分析。
首先对提升机设计的应用做了一个简要的介绍;接着分析了提升机结构设计的使用场合以及结构特点;然后根据这些设计准则与选型方法,按照给定参数要求进行选型设计;接着对所设计的提升机结构设计各主要零部件进行了校核。
提升机结构由三个主要部分组成:
送料系统、传动系统、卸料装置。
最后,提出了钢管提升机结构设计过程中存在的不足之处,为今后的改进提供依据。
本次以钢管提升机的设计来体现机械设计的一般过程,对今后的设计工作进行一次良好的预演,是以后工作的参考。
关键词:
钢管;提升机;设计;分析;校核
ABSTRACT
Thedesigniscompletedforgraduationthesteeltubewindingmachinedesign.Firstly,Theapplicationofsteeltubewindingmachineisintroduced.Secondly,thesteeltubewindingmachineselectionprincipleandmethodofcalculationareanalyzed.Thencalculationbasedonthesedesigncriteriaandselectionmethodofparametersinaccordancewiththerequirementsofagiventypedesignaredone.Thendesignedmachineonthemaincomponentsarechecked.Thesteeltubewindingmachineconsistsofthreemainparts:
feedsystem,drivesystem,dumpingdevice.Finally,thesteeltubewindingmachinedesignprocessproposed,inordertofacilitatethefuturedesignimprovements.Thesteeltubewindingmachinedesignrepresentsofthegeneralprocessofdesign,selectionofdesignworkonthefutureofsomereferencevalue.
Keywords:
Steeltube;Windingmachine;Design;Analyzed;Checked
1绪论
1.1课题研究的背景
钢管生产过程中,有时需要将钢管由低位提升到一定高度,以进入下一道工序。
目前钢管生产中,解决钢管由低位向高位提升大部分采用拨料举升和斯惠顿装置,但是前者提升高度有限,一般不超过200mm,而后者设备复杂,占地多,造价高。
针对这些问题,公告号为CN203449066U的中国专利公开了一种轮式钢管提升装置,该轮式钢管提升装置在转轴上固定设置若干圆形钢板轮,每个圆形钢板轮上安装2~5个L形料钩,轴与电动机连接,通过电动机带动轴转动,使轴上钢板轮转动,从而带动钢板轮上料钩悬挂钢管由低位提升到高位,实现钢管由低工作平台向高工作平台移动。
上述轮式钢管提升装置虽然结构简单,且在增大钢板轮直径的前提下可以达到增大提升高度的效果,但这种结构的钢管提升装置在提升距离较大的场合其钢板轮的生产成本以及占地面积也会大大增加,且使用时会增大电机的负荷,其使用范围也由此大大受限。
本课题来源于生活实际,就是在上述背景下提出的,目的在于研究一种钢管提升机结构,在很多场合下都用到了提升机结构,特点是应用于工业生产当中,将钢管由低位提升到一定高度,以进入下一道工序。
因此对于钢管提升机的研究是将理论应用于实践的的一个重要体现。
1.2研究的目的和意义
目前,钢管不仅大范围应用于输送流体和粉状固体、交换热能、制造机械零件和容器,而且它还是一种经济钢材,产品易购而且价格便宜。
用钢管搭建建筑结构网架、支柱和机械支架,不仅可以减轻重量,节省金属20%~40%,而且可以实现工厂化、机械化施工。
现在用于钢管输送的装置,结构较为复杂,不便于控制,耗能多。
本课题涉及到学生在大学期间所学的工程制图、机械设计、机械原理等基础知识,经过本次毕业设计,训练学生把握单独进行科学研究的方法,熟练掌握文献查询并能综合分析,提升发观并解决问题的技能。
此次设计的机械就是为了促进机械创新低发展,按照这一理念,为了提高工作的速度与效率而设计的,通过此次设计可以检测我们大学几年所学过的理论知识,提高创新能力,很有意义。
1.3研究现状和发展趋势
专门的钢管提升机研究资料非常少见,但是钢管提升机与一般提升机在工作原理上是一致的,因此通过研究矿井提升机的现状,就可以对钢管提升机有一个大概的了解。
国外矿井提升机的现状:
(1)晶闸管一电动机(SCR—D)直流低速直联拖动系统
在部分发达国家,晶闸管一电动机(以下简称SCR―D)系统已经逐步取代了先前的交流提升机,并逐步完善了该系统。
比如德国、美国等国家已有绝大部分采用直流提升机,传动系统90%以上采用低速直联式(省去减速机),极大地简化了传动系统。
AEG公司已经熟练的掌握了该项技术,他采用低速直联的SCI—D系统,电机功率3000kW,额定转速55.8r/min,滚筒直径6.5m,提人速度17m/s,提物速度20m/s,提升高度1200m,而且他还建立了一套完善的保护系统;采用磁场反并联,有平波电抗器及卧式深度发送装置:
采用积分给定与行程给定相结合的双重给定信号;主回路采用两组三相桥组成12脉动顺抗整流,大大提高了功率因数。
再入SIEMENS(西门子)公司、ABB公司、CEGELEC公司以及ASEA公司等都有相同类型的产品,其产品性能基本相同。
此类系统的优点在于:
体积很小,具有较轻的重量,很小的占地面积,方便安装,建筑费用低;不需要配备减速器系统,较高的总效率,消耗的电能少;维护工作量小,备件少,处理事故快;单机容量大,适用范围广;调速平滑,精度高;易于实现最佳控制和自动化,安全可靠;节电显著,5—8年可回收设备投资,是矿井节电的有效方式。
其缺点在于:
功率因数较传统系统低,如三相桥平均功率因数只有一半左右;无功冲击大,高次谐波对电网影响大。
为了将系统的缺点控制在技术允许的范围内,这些缺点一般可应用顺序控制和多脉冲整流的方式以及在电网上加谐波滤波器等相关举措使其控制在一定的技术要求准许范围内。
(2)交流变频调速同步机驱动提升系统
SCR—D直流拖动系统逐步变得成熟,虽然该系统采用了顺控技术等举措来提高功率因数,但其功率因数仍然提升并不明显,所以从电网吸收大量的无功功率,并且对电网品质因数产生严重的影响,提升容量越大,问题越突出,浪费了很大的能源。
再则,直流电机制造成本高,电枢回路的整流子限制了提升容量的进一步增加,且整流子,碳刷易磨损,因而产品的故障率极高,极大地增加了后期维护、修理的难度以及工作量。
因此换相整流子是整个系统中最为薄弱的设计环节。
由于存在上述两个问题,工程人员又将目光重新转移到交流拖动系统。
自80年代初以来,交流变频供电的同步机拖动猛然崛起,在大型提升机中发展成为技术先进、经济节约的拖动方式。
在此领域掌握了先进的技术,比如SIEMENS公司1979年投运的2³4200kW、1³2650kw,额定转速55.8r/min; CEGELEC公司1983年投运的l³5480kw,额定转速69.5r/min;AEG公司1985年投运的l³3000kW,额定转速55.8r/min,ABB公司投运的l³4200kW额定转速45.86r/min;SIEMAG公司投运的2³4600kw等变频调速同步机拖动的提升机,经过多年的运行,掌握了先进的技术,并在运行上取得了成功。
国内提升机的现状与发展趋向:
(1)我国自主提升机电气传动系统状况
在大型矿井提升机中,很大一部分应用晶闸管变流器—直流电动机传动控制系统与同步电动机矢量控制交一交变频传动控制系统,两种系统均拥有很大的应用范围。
这两种系统绝大部分都是应用数字控制方式实现操控系统的高自动化运行,极大地提高了效率,而且制动和定位功能也相当准确,运行可靠性高,但是由于造价昂贵,中小矿井难以承受,因此只在大型矿井中应用。
在中、小型提升机中,受成本的制约,大多数采用交流绕线式电动机转子切换电阻调速的交流电气传动系统,也就是TKD电控系统。
这种电气传动系统因为设备简单,但属于有级调速,所以提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差,尤其是在负载变动时很难实现恒加减速控制,经常会造成过放或过卷的工程故障。
提升机频繁的启动和制动工作过程会使转子串电阻调速产生相当严重的能耗,另外转子串电阻调速控制电路复杂,接触器、电阻器、绕线电机电刷等相当容易损损毁坏,增大维修护理成本,减小其生产效益。
(2)研制与发展
1)国产大型直流提升机及电控系统技术日趋成熟,正在逐步完善和推广。
2)在国内高压变频器运用范围内,国产厂家虽然占总供应商的绝大多数,但国产产品的应用基本集中在300KVA—3000KVA容量段,因而竞争力较小。
在较大的容量段中,比如5000KVA以上超大功率产品大部分被ABB、西门子、东芝、三菱等跨国公司所控制,难以突破市场。
近期智光电气成功研制7000KVA级超大功率高压变频器,将会对未来市场竞争格局进行很大的冲击。
图1国外某提升机
图2国内某斗式提升机
1.4设计目标
(1)介绍该装置的总体设计方案,为了满足工作需求,介绍钢管提升机的主要构成组件及所实现的功能。
(2)对研究过程中可能出现的问题以及现实中存在的问题进行分析。
(3)进行市场调查,完成钢管提升机的方案论证,以表格的形式列举出各种钢管提升机的优缺点。
(4)简要阐述目前国内外提升机的特点,分析国外的先进技术。
(5)简要介绍了钢管提升机的辅助装备在提升机构中的应用。
(6)对钢管提升机的辅助装备进行相关的研究工作,为完善钢管提升机的性能提供依据。
具体的说,就是要完成以下几个方面的任务:
(1)钢管提升机总体方案设计,
(2)传动机构的选型,包括传动方案的确定;
(3)勾料装置的设计;
(4)卸料装置的设计;
(5)完成外观的三维效果设计;
(6)绘制装配图和主要零部件的零件图,完成论文说明书。
2钢管提升机设计的关键技术
2.1提升机构的分类及特点
在物流系统中,应用于升降设备的类型众多,如:
手动升降、气动升降、电动升降等,各有利弊。
手动升降对一般较小量的物品垂直吊运。
如在建筑工地上运输泥瓦工具、泥灰桶等。
气动升降和电动升降,一般采用减速电机带动丝杠螺母,并靠设置丝杠螺母一端的挤压块,利用杠杆原理挤压升降叉的方式实现升降,由于其扭力大,可使丝杠螺母易损坏,从而降低了设备使用年限。
而且上述设备只能单一使用,没有通容性。
在当代社会,我国的升降平台的种类比繁多,如果以动力传递形式来分类,主要分为电动机机械传动和液压传动两种,它们因为结构不同而各有优缺点。
电动机机械传动方式的主要特点有对零件加工的相对要求精度不高、具有简单的结构、易于加工、便于维修与护理、能够适应各种工作环境、抵抗较强的冲击、达到准确到位,并有设计有结构自锁功能、方便环保,不足之处在于它难以克服机械间的磨损,因此结构的振动很大。
其中按照电机为动力源来提升平台又可分为以下两种:
(1)钢丝绳式和齿轮齿条式
(2)蜗轮丝杠直顶式升降平台
液压传动方式的特点是具有紧凑的结构、能够进行平稳的工作、能够克服机械间的磨损、布局灵活多变、方便进行机械控制。
因为液压件加工精度要求高,很容易因为密封较差而发生泄漏事故,而且液压液受温度影响很大。
液压传动是最近才出现并迅速崛起来的,以它为动力源来带动的升降平台又可分为以下几种:
(1)链轮—承重链条机构的升降平台
(2)自行剪叉式高空作业平台
(3)固定液压剪叉式升降平台
2.2提升机构的方案论证
第一种方案:
图3圆钢提升机构
支架;2-升降杆;3-支承平台;4-半圆凹槽;5-凸起;6-把手;7-轴承;8-套筒;9-圆柱杆;10-万向轮;11-吊装螺栓
上图3是一种圆钢提升机构示意图,在对圆钢进行切割时,需要将圆钢提升至与切割机相适宜的高度。
当前,主要采用行车吊装的方式提升圆钢的高度。
行车的挂钩与承重的钢链或吊装带连接,再通过钢链或吊装带连接圆钢的中部,从而将圆钢提起。
钢链或吊装带的振动非常容易使圆钢失去平衡掉落,整个过程中,需要人力控制圆钢的平衡,存在巨大的安全隐患。
一旦圆钢掉落,极易使工作人员被砸伤。
本设计是基于一种圆钢提升机械机构,该机械机构包含支架、升降杆和支承平台几部分,支架的顶部设计有螺纹孔,升降杆的下部设计有螺纹段,升降杆的上部位设计圆柱段,螺纹段与螺纹孔螺纹配合连接,圆柱端与支承平台的底部进行连接。
本设计的优点在于,通过旋转升降杆来进行圆钢的上下运动,在圆钢的上下运动的整个过程中机构非常稳定,难以发生振动,从根本上避免了圆钢失去平衡掉落的缺陷。
第二种方案:
图4卷材提升机构图
安装架-1、套筒-2、伸缩孔-21、阀芯-3、套筒复位弹簧-4、斜坡滑槽-5、滑块-6、
突出端块-61、滑块复位弹簧-7、压板-81、拉杆-82、拉手-83、吊架-9、吊环-91、丝杆-92、扶手-10、关节轴承-101
上图4是一种卷材提升机构,由于卷材制品形状的特殊性,其卷材制品的外周面一般为材料层,不方便直接与翻转或者提升的机构连接,而卷材制品的内部一般为光滑的圆筒形壁面,因此也很难与现有的夹持结构进行有效的连接。
目前对于卷材制品的翻转或者提升等操作一般还是采用人工手工完成,如在翻转卷材制品时往往需要两个人或者多个人进行操作,因此其劳动强度大,而且效率低下。
本发明公开了一种适用于卷材制品的翻转、提升的卷材提升机构,对于提高工作效率,降低作业人员的劳动强度有很大的帮助,运用套筒与阀芯的相对移动,即可带动滑块实现胀开和收拢,便于将卷材提升机构卡紧在卷材制品的内部通孔内;最终可对卷材制品进行翻转或提升等操作。
第三种方案:
图5一种吊装提升机构
1-固定机架,2-齿轮,3-托运盘,4-驱动马达,5-开关,6-圆柱形导杆
本设计是一种吊装提升机构,现有技术中,在进行一些货运升降运输时,大多采用单路升降通路,即将货物装好后通过升降平台升至指定点,取下后再返回至原点,以此进行往返工作。
此类提升机构在使用时存在着一个较大的缺点,安装货物的面积较小,无法进行大量产品的运送,而且由于不断的调节开关,使得开关的使用寿命大大降低。
本设计向我们显示了一种吊装提升的机构,该机构包括固定机架、齿轮、托运盘、驱动马达以及开关等几部分,它所设置的齿轮呈圆周结构纵向安装在固定机架上,它的固定机架的顶部呈圆弧形结构设计,并且固定机架在齿轮两侧还分别设计有一根圆柱形导杆,它的托运盘横向固定在齿轮一侧,并且托运盘的两端还与所述圆柱形导杆对应相连接,它的驱动马达驱动所述齿轮,它采用开关调节所述驱动马达。
本设计可双向运送货物,并且操作简单,使用方便快捷,极大地增加了开关的使用强度,延长了使用寿命。
本文所要设计的提升结构将充分参考上面列举的三种设计方案,由于本文中要求实现连续的提升之后,在焊管生产线中,必须配备专用的钢管提升设备,把切断后定长钢管平行提升一定高度到更高的平台以便于后续的作业。
因此本文所设计的钢管提升机初步决定采用电动机连接涡轮蜗杆减速器再连接两个相距四米的链轮,链轮上安装链条链条需要一个类似倒钩的东西来实现钢管的提升,需要两个链轮同步运转以及实现停电时的自锁来保障安全。
2.3存在的难点问题
中国对于钢管提升机有一定的研究历史,但是相关设备及加工技术都较为传统,关键技术和生产能力的水平都很短。
最近几年来,在全球经济的推进下,同时也引进国外提升装置的先进技术,我们在这一方面的研究也取得了突破性的成就。
但总体上还是存在以下几个方面的问题:
1)升降结构研究方面,大多学者以及设计师们只考虑了恒速稳定的实现升降,而没有对变速升降运动进行深入研究,无法准确地把握整个升降过程的运动学变化规律;
2)工作效率研究方面,大多数时候考虑的都是实现提升这一功能,很少有对连续提升、以提高工作效率为目的的研究,实现对提升结构的精确控制,达到连续提升的目的,从而以最少的投入达到最大的回报。
3)机架结构设计方面,以往只针对机架的单边机座进行力学分析,忽略了受力分布的不平衡性,没有综合考虑提升机构和传动装置的相互影响,对整个支撑机架的应力分布和变形规律缺乏研究,在支撑机架的设计方面缺乏理论指导。
2.4设计解决的问题
此次任务是设计出一种钢管提升机,特别是对钢管提升机的设计和计算,提高工作效率。
完成钢管提升机结构设计以及强度校核任务,同时还要使该种钢管提升机结构装置的成本最低。
具体的说,就是要做以下几个方面的工作:
根据本文的选题背景及来源,以及需要实现的功能,设计出一种钢管提升机结构,要能够达到升降和提升结构设计的基本要求;
通过市场调查,找出市场面已有的升降和提升设备,列举出各种升降和提升装置的实用范围以及各自的优缺点,将它们进行对比,结合自身情况,进行方案论证;
由于升降和提升结构所受到的载荷较为复杂,因此非常有必要对所设计的升降和提升结构进行力学分析,分析其失效的条件,以增强升降和提升结构的使用寿命;
对升降和提升结构进行模态分析,用数据来验证所设计的升降和提升结构的稳定性以及可靠性情况,进而对所设计的升降和提升结构进行优化改良,从而指导生产实际。
2.5设计时注意的问题
2.5.1传动装置要可靠
传动装置是各种升降和提升结构很重要的一个结构,传动装置不合理可能导致升降和提升结构工作的不稳定,而且还会影响升降和提升结构工作时候的效果,严重缩短升降和提升结构的使用寿命;而且还会使升降和提升结构工作时产生噪音,减慢工作速度。
因此各种升降和提升结构在设计的时候都异常重视传动装置的设计问题,只有充分保证了传动装置的合理性、可靠性,才能最大程度的发挥出升降和提升结构的作用,从某种意义上来讲,传动装置设计的好坏已然成为了评价升降和提升结构性能好坏的重要标准。
足以可见,传动系统对于整个升降和提升结构的重要意义。
2.5.2支撑架具有足够的强度和刚度
支撑架上设置有驱动电机,该电机驱动的力矩比较大,带动一个传动装置,整个支撑架上还有若干结构。
为了保证整个系统的稳定运行,支撑架一定要保证足够的强度和刚度。
另外由于电机的工作会产生振动,因此还要考虑振动对于升降和提升结构的稳定性的影响。
3钢管提升机的总体设计
3.1方案论证
调查的5种方案:
(1)调查的第1种方案
图6一种管料分料提升装置
1-底座,2-水平滑移机构,3-垂直滑移机构,4-左臂,5-右臂,6-料箱,7-水平伺服电机,8-水平滚珠丝杠,9-水平直线导轨,10-垂直伺服电机,11-垂直滚珠丝杠,12-垂直直线导轨
上图6是一种管料分料提升装置,本设计包括底座、水平滑移机构、垂直滑移机构、左臂、右臂等,其底座通过水平伺服电机、水平滚珠丝杠和水平直线导轨,带动水平滑移机构沿直线导轨在水平X轴方向上运动;而水平滑移机构上设置垂直伺服电机、垂直滚珠丝杠和垂直直线导轨,伺服电机带动垂直滑移机构沿垂直直线导轨在垂直Y轴方向上运动;在垂直滑移机构上设置左臂和右臂,在两臂之间设置能实现左右开合运动的齿轮齿条运动副,实现Z轴方向上的运动。
因而本设计操纵方便、实用可靠,占地面积小。
(2)调查的第2种方案
图7一种管材包装机自动上料装置及方法
1-上料机构;2-储料架;11-第一导轨;12-上料机;121-爪管机构;122-第二导轨;123-气缸
上图7展示了一种可以进行管材包装机能够自动上料装置的方式,目前管材自动包装设备已经成为行业开发的热点,许多自动包装设备已经被加工出来了。
但是管材上料仍需大量的人力,由于人工上料存在着许多安全隐患且效率低下,另外在人工成本越来越高的大环境下,这种人工上料的情形越来越不合理。
一种简易而稳定的管材上料装置及方法成为现今研究的另一热点。
(3)调查的第3种方案
图8一种切管运输装置
1—料箱,2—吊车横梁,3—吊车,4—推料机构,5—挡板,6—提升机,7—起料爪,8—径向传送带,9—轴向运输机构,10—传感器一,11—料槽,12—传感器二,13—传感器三,14—肋板,15—钢索
本设计是一种升降抓取翻转机构,现有技术中的管材运输,是依靠人力将切好的管材搬运至手推车上,然后运送到指定地点。
由于人力不仅运输能力有限,降低生产效率,而且增加企业生产成本。
包括料箱、吊车横梁和吊车,在料箱设计安装有推料机构,在料箱的出料口处设计安装有挡板,在料出料口一侧设计安装有提升机,在提升机上安装数个起料爪,在提升机一侧安装径向传送带,在径向传送带下方设有轴向运输机构,在轴向运输机构上设有位于径向传送带一侧的传感器一,本设计能够将管材自动运输到指定位置,提高工作效率,加大的减小了生产成本。
调查的第4种方案
图9一种轮式钢管提升装置
1—轴,2—圆形钢板轮,3—L形料钩
上图9是一种轮式钢管提升装置,钢管生产过程中,有时需要将钢管由低位提升到一定高度,以进入下一道工序。
目前钢管生产中,解决钢管由低位向高位提升大部分采用拨料举升和斯惠顿装置,但是前者提升高度有限,一般不超过200mm,而后者设备复杂,占地多,造价高。
包括轴,轴上设有若干个圆形钢板轮,每个圆形钢板轮上安装2~5个L形料钩,轴与电动减速机连接,由电动减速机带动轴转动。
该装置通过动力装置带动传动轴转动,使固定在轴上钢板轮转动,钢板轮上的料钩悬挂钢管由低位提升到高位,实现了钢管由低工作平台向高工作平台转移。
调查的第5种方案
图10一种新型钢管提升装置
1-主动齿轮;2-从动齿轮;3-料钩;4-链条;5-阻挡件
上图10是一种新型钢管提升装置,钢管提升装置是钢管在生产过程中把钢管从低位提升到一定高度,从而进入下一道工序的装置,目前的钢钢管提升装置大都有一些局限性,比如拨料举升装置提升高度有限,斯惠顿装置结构复杂、占地多且造价高。
针对这些问题,公告号为CN203449066U的中国专利公开了一种轮式钢管提升装置,该轮式钢管提升装置在转轴上固定设置若干圆形钢板轮,每个圆形钢板轮上安装2~5个L形料钩,轴与电动机连接,通过电动机带动轴转动,使轴上钢板轮转动,从而带动钢板轮上料钩悬挂钢管由低位提升到高位,实现钢管由低工作平台向高工作平台移动。
包括电机,与电机连接的转轴和若干链条传送机构,所述链条传送机构包括主动齿轮、从动齿轮和链条,所述主动齿轮固接在转轴上,所述从动齿轮与主动齿轮通过所述链条联动连接,所述链条上设有V字形料钩,所述料钩上设有阻挡机构,本设计新型钢管提升装置具有具有生产成本低,保护钢管在提升过程中受损且使用范围广的优点。
3.2总体方案设计
根据自己所学知识以及对于升降、
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