轴管类零件超声探伤装置上料与烘干系统设计

轴管类零件超声探伤装置上料与烘干系统设计摘要：自动上下料装置是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广。作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。超声波检测是一种应用广泛、性能优越的无损检测方法，对材料或工件表面和内部缺陷有很强的检测能力。在经过超声探伤装置检测后，由于是在水下检测，所以轴管类零件需要进行烘干操作。因此，论文还设计了烘干装置，烘干装置是红外线辐射，最后将烘干的零件由翻板送到指定位置。关键词：轴管类零件，上料装置，超声检测，烘干ShafttubepartsanddryingsystemofultrasonicflawdetectiondevicedesignAbstract:Automaticfeedingdevicefromtoptobottomisthemosttypicalofthemechanical-electricalintegrationofdigitalequipment,highvalue-addedtechnology,awiderangeofapplications,asthesupportofadvancedmanufacturingtechnologyandinformationsocietyofthenewindustrieswillbethefutureofproductionandsocialdevelopmentplayamoretothemoreimportantrole.Presently，Ultrasonictestingisawidespreadlyusednondestructiveinspectionmethod,whichhaspowerfulcapacitytochecktheflawsofmaterialsandcomponentsinsurfaceandinward.Afterultrasonicflawdetectiondevice,becausebeinunderwaterdetection,sotheshafttubepartsneedfordryingoperation.Therefore,thethesisalsodesignsthedryingdevice,dryingdeviceistheinfraredradiation,finallywilldrypartsoftheframetothespecifiedlocation.Keywords:shaft-part，feedingdevice，ultrasonicdetectiontechnology，dryingI目录1前言.11.1轴管类零件超声波自动探伤的意义.11.1.1轴管类零件缺陷检测的必要性.11.1.2对轴管类零件进行超声波探伤的内容、目的及意义.11.2超声波检测技术.21.2.1超声波检测技术的发展.21.2.2超声波检测的特点和适用范围.31.2.3超声波检测技术的发展方向.32总体设计方案的选择.52.1设计要求.52.1.1总体结构方案设计的基本原则及要求.52.1.2总体布局的基本原则及要求.52.1.3机械设计的基本原则.52.1.4自动机器的主要要求.62.1.5任务要求.62.2总体结构方案设计.72.2.1上料系统的方案设计.72.2.2探伤系统方案的设计.82.2.3烘干系统方案的设计.10II3上料系统的选型与校核.123.1料仓机构的设计.123.1.1常用槽式料仓的型式.123.1.2槽形料仓的倾角.123.1.3料槽滑道的宽度.123.2挡板的校核设计.143.2.1强度准则.153.2.2刚度准则.153.3水平液压缸的设计.17III3.3.1初选液压缸工作压力.183.3.2计算液压缸主要尺寸.183.4竖直液压缸的设计.203.4.1初选液压缸工作压力.203.4.2计算液压缸主要尺寸.203.5滚动光轴的校核.223.5.1滚动光轴的设计计算.224烘干系统的选型.264.1水平液压缸的设计.264.1.1初选液压缸工作压力.264.1.2计算液压缸主要尺寸.264.2竖直液压缸的设计.284.2.1初选液压缸工作压力.284.2.2计算液压缸主要尺寸.284.3液压缸的安装和使用注意事项.314.3.1液压缸的安装注意事项.314.3.2液压缸的使用注意事项及故障排除方法.314.4电热板的选型与安装.324.4.1电热板的一般要求.324.4.2电热板的基本结构.324.4.3电热板安装和使用注意事项.33IV结论.34参考文献.35致谢.3611前言1.1轴管类零件超声波自动探伤的意义大型回转件是国家重大工程装备的核心构件。国内重大装备的制造企业,轴管类零件通常在其锻压和粗加工之后、精加工之前进行超声波检测。这一加工阶段的大型回转件带有一定的轴向圆锥度和径向椭圆度,很难在车床上利用刀架实现探头自动定位。国外生产类似产品和研究的公司主要有美国的泛美(PANAMETRICS)公司、加拿大的R/DTECH公司,德国的K-K公司,但是有关超声波自动检测大型回转件的技术还处于保密阶段。国内少数大学和科研机构最近几年相继开展了超声波自动探伤的研究,重点是各类数字化超声波检测设备和超声波发射/采集卡,但未见针对上述大型回转件的超声波在线自动检测系统的研究报道1。1.1.1轴管类零件缺陷检测的必要性随着工业经济的迅速发展,用户对棒材使用的可靠性和安全性的要求越来越高,提出了对于材料内部的危害性缺陷进行在线超声波自动探伤系统的研制的要求。对棒材的检测有多种手段,主要有射线探伤、超声探伤、磁粉探伤和渗透探伤。相对于其他的探伤方法,超声波探伤方法简单、成本低、对人体无害,并且检测效果好,因而得到了广泛的应用。传统的超声探伤是用手工进行的,操作人员凭经验对探伤仪上显示的波形予以判断,带有主观性和局限性。这些经验是可贵的,但是效率低,容易发生漏检和误检,并且无法对超声信号进行诸如概率统计,图像识别,频率分析和数字滤波等的处理和变换,不能用这些领域中的理论和方法来揭示和提取缺陷信号特征。近年来,很多国家将计算机技术、自动化技术和超声原理结合,研制各种自动化超声无损探伤的计算机数据采集和分析系统,以提高探伤的精度、重复性、可靠险和直观性2。1.1.2对轴管类零件进行超声波探伤的内容、目的及意义利用A型脉冲反射式超声探伤仪一定的频率发射电脉冲,该脉冲加到换能器(探2头)上,激发换能器发出超声波,当超声波进入棒材时,超声波除了在棒材的表面发生反射外,如果棒材中存在缺陷(不连续性),超声波将会在该处发生反射,反射波被换能器接收后,转换成电信号,显示在荧光屏上。实践证明,反射波的波幅大小与缺陷的大小成正比,通过观察反射波的波幅,就可以判断是否有缺陷,以及缺陷的大小3。如果仅用探伤仪和探头,也可以进行棒材的探伤,但是,对于批量的棒材来说,手工检测不但效率太低,而且容易发生漏检和误检。考虑可以设计专用的机械扫描装置,对棒材进行扫描,在扫描的同时,用数据采集卡采集相应超声回波信号,并由计算机进行数据处理,达到检测过程的自动化，这样既提高了检测效率,又提高了可靠性。根据实践经验,棒材的主要缺陷有在中心部位的缩孔和夹杂物,还有在轧制过程中以这些缺陷为起点而产生的裂纹等。本文研制的自动超声探伤仪能准确地检测出棒材的这些缺陷,并能对缺陷进行定位，以便让工作人员对不合格的棒材进行处理。1.2超声波检测技术1.2.1超声波检测技术的发展超声波检测是利用超声波对材料和工件进行检验和测量,是现代工业中应用最广泛的检测方法之一。超声波探伤技术已经有几十年的历史了。最早利用超声波探测物体内部缺陷和结构是由原苏联的萨卡洛夫(Sokolov)于1929年提出来的。1931年德国人在专利中提出了工业应用方案。在二次世界大战中,由于雷达技术和脉冲技术的发展以及战争的需要,大大促进了超声检测技术的发展,1944年美国的F.A.Firestone发表采用超声脉冲法的探伤仪的报告,1946年英国D.0.Spruoel制成A型脉冲反射式超声波探伤仪,并用于钢材的探伤。到了本世纪50年代，A型脉冲反射式超声波探伤仪已广泛应用于先进国家的钢铁、机械制造和造船工业领域。1964年前联邦德国Kruatkarmer公司研制成功小型超声探伤仪,其主要性能指标取得了突破性进展,标志着跨入了近代超声探伤技术阶段4。在本世纪七八十年代,由于超声全息、回波频谱分析、超声探头和大规模集成电路、计算机技术的迅速发展,使得数字化、自动化、智能化超声检测和超声成像技术3变成了热点。另一方面,由于各种新型材料,特别是高性能功能材料的发展(如先进复合材料、功能陶瓷材料、微电子材料等),使得超声检测广泛地应用于材料的物性评价和工程寿命评估,超声检测技术与断裂力学和材料科学发生了更加深入密切的联系,在工业领域中得到广阔的应用。1.2.2超声波检测的特点和适用范围超声波检测可探测厚度较大的材料,且具有检测速度快、费用低并能对缺陷进行定位和定量、对人体无害以及对危害性较大的面积型缺陷的检测灵敏度较高等优点5。因此,超声波检测已经发展成一种很重要的无损检测方法,在生产实践中得到了广泛的应用。超声波被用于无损检测,主要是因为有以下几个特性:超声波在介质中传播时,遇到界面会发生反射;超声波指向好,频率愈高,指向性愈好;超声波传播能量大,对各种材料的穿透力较强;再有超声波的声速、衰减、阻抗和散射等特性,为超声波的应用提供了丰富的信息,也成为超声波广泛应用的条件。超声波是超声振动在介质中的传播,它的实质是以波动形式在弹性介质中传播的机械振动,其频率在20Hkz以上。超声波检测有一定的局限性,主要表现为：超声波检测的记录性差,它不能像射线检测及其他检测方法那样,可得出射线照相底片或显示痕迹,以比较直观地判断缺陷的几何形状、尺寸和性质;超声波检测技术难度较大,其效果和可靠程度往往受到操作人员的责任心、工作时的精神状态及技术水平高低的影响。超声波检测是现代工业无损检测中应用最为广泛的一种方法。就无损检测而言超声波适用于各种尺寸的锻件、轧制件、焊缝和某些铸件,无论是钢铁、有色金属和非金属,都可以采用超声波进行检验。各种机械零件、结构件、电站设备、船体、锅炉、压力容器等,都可以采用超声波进行有效的检测。检测的方法有的采用手动方式,有的可采用自动化方式。就物理性能检测而言,用超声波可以无损检测厚度、材料硬度、淬硬层深度、晶粒度、液位和流量、残余应力和胶接强度等6。41.2.3超声波检测技术的发展方向到目前为止,超声波探伤技术已经发展的比较成熟,并且在工业中得到了广泛的应用,目前超声波探伤技术正在向自动化以及超声探伤设备的数字化、智能化方向发展,同时和其他学科相结合,大大拓宽了超声波的应用范围。近年来,国内外在超声探伤技术方面的研究与应用有如下趋势:由定性探伤向定量探伤和直接显示缺陷的图像发展。经过上个世纪的科研积累,以及计算机图像科学的发展,现在由定性地判断缺陷的有无发展为对缺陷的位置、大小、形状、性质进行定量判断,并且利用各种成像技术直接显示缺陷的二维、准三维图像。把信号处理领域的新成果引入到超声信号的处理中,如各种快速计算技术,分离谱处理,小波分析等方法,使得超声探伤的准确性和快速性大大提高。把超声探伤技术与自动化技术与人工智能相结合,向在线自动探伤和仪器的智能化发展,其中非接触超声探伤技术得到了突破性进展。超声探伤和断裂力学相结合,对于重要工程构件的寿命进行评价。超声探伤和材料的物性评价相结合,在新材料的设计、加工和工程应用中得到迅速发展。努力扩大超声波的应用范围,已取得了新的进展。其中,最明显的就是超声信号图像处理技术,以及超声技术与其他学科的融合。超声探伤设备的工作原理如下：对于轴、管类零件，为了查出被测零件任意部位可能存在的缺陷，需将零件按要求的角速度进行旋转，并使探头沿其母线进行扫查，同时记录零件的位置坐标，与探伤仪的探伤信号匹配形成扫描探伤图像，完成对零件的检测。为了获得清晰的扫描图像，工件需要浸在水中完成探伤过程。同时，探伤机必须满足不同直径的零件探伤，因此，探伤托座需要在竖直方向具有自动调整装置。5应用于军工、高压容器、大型桥梁等关键领域的轴、管类零件在装配之前均需进行无损探伤。超声检测是目前常用的无损探伤方法之一，因此，开发轴管类零件超声探伤仪具有极强的经济效益和社会效益。本课题针对企业的实际生产需求，实现轴管类零件的自动上料、探伤和烘干功能。本次毕业设计就是根据这些要求展开的，从而解决这些问题。通过这次设计我们应该达到的目的是：设计一台可以自动实现轴管类零件的探伤系统。人工将轴管类零件放入料仓。它可以自动的将放在料仓内的零件通过液压缸送到指定的位置，然后通过托手座伸缩缸把零件取下放到水箱里，通过滚轮带动零件做回转运动，探针通过滚动导轨实现直线运动，从而完成对零件的探伤。然后通过卸料架把工件送到烘干室对工件进行烘干。在查阅有关资料的基础上了解相关技术现状，选定总体方案；绘制总装配图和分部结构装配图；设计出结构并绘制重点零部件图，进行必要的分析计算。通过这次毕业设计锻炼自己的工程设计和分析问题与解决问题的能力。2总体设计方案的选择2.1设计要求2.1.1总体结构方案设计的基本原则及要求a）明确化：总体结构方案应明确地体现出原理方案、工艺性方案设计的方方面面，并能做出必要的、合理的补充。b）可行性：设计的自动机能保证实现预期的设计功能，能制造出来并能够正常工作。c）简单化：所设计的结构方案应在满足功能以及其他要求的前提下，结构最简单化，组成系统的零件数目尽可能少，传动链最短，几何形状要简单、规则，操作方法及程序简明、简要、简便。d）安全可靠：功能可靠性；使用安全性；环境适应性；构件的可靠性。e）标准化：标准化在工农业生产中起着十分重要的作用，在设计中要贯彻始终。62.1.2总体布局的基本原则及要求a）功能合理：以实现功能要求为最基本原则，各分功能既易于实现又便于实现总功能。b）保证工艺过程的连续和流畅：在布置工作部件的位置时，应保证前后动作的连续和流畅，能量流、物质流和信息流的流动途径合理，各部件之间的相对运动不发生干涉。c）保证设计精度、刚度以及抗振性等要求。d）充分考虑产品系列化和发展要求。e）操作、维修、调整方便。f）结构紧凑，层次分明，比例协调，造型美观。2.1.3机械设计的基本原则强度准则：要求机械零件的工作应力不超过许用应力，即。刚度准则：要求机械零件在载荷作用下的弹性变形y在允许的极限值y以内，即yy。振动稳定性准则：对于高速运动的机械零件，就避免发生振动。要求其激振源的频率与零件的固有频率错开。可靠性准则：对于重要的机械零件要求计算其可靠度，作为可靠性的性能指标。此外，还有寿命准则、耐热性准则等。72.1.4自动机器的主要要求a）使用性能。要保证及其运动的平稳性和可靠性、产品质量的稳定性、加工精度的保持性、对环境的适应性以及力求使用维修方便，操作简单安全可靠。b）技术性能。自动机械应具有一定的灵活性，能适应产品的规格、品种在一定范围变化的要求；具有合理的自动.化程度，要根据需要和可能性来综合考虑，不能脱离具体条件而盲目追求先进性；贯彻标准化、通用化和系列化。c）经济性能。自动机械的结构要简单，制造容易、成本低、生产率高、能耗少，还要节约材料。d）自动机械的设计初衷是减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，同时在设计时还要讲求人机工程学，创造文明的生产条件。要留有发展的余地，要有可能改进而不至于造成全机的废弃。自动机械的设计过程主要包括明确加工对象的特点、确定循环时间以及运动参数、确定自动机械的执行机构和总体方案以及进行自动机械技术经济指标的初步估算以验证设计方案的先进合理性。以上各项程序所包括的工作内容是相互联系与交错的，有时可平行或穿插进行。在设计中当技术资料不全或是不完全使用时，则应通过必要的工艺或结构原理试验，以便确定工艺原理和结构参数。2.1.5任务要求本次毕业设计的主要内容：完成一台轴管类零件超声探伤装置的总体设计、探伤系统和机体的设计。对其技术要求如下：1)设备能完成自动上料、探伤、烘干和卸料等工艺动作。2)测头移动距离可调，范围为：0.5米-3.0米。2.2总体结构方案设计本次毕业设计的任务是完成对大型轴管类零件的超声波探伤。由于要完成的是这些大型零件的自动化探伤，需要设计上料系统、探伤系统、卸料系统、烘干系统、8驱动系统和控制系统等。其工艺流程如图2.1所示。图2-1工艺流程图驱动系统驱动液压缸，输送工件到达探伤位置，通过超声波探伤仪完成对零件的检测。然后，通过的托手座，将工件托出水面，托手座翻转，工件滑到烘干工位，利用陶瓷红外线辐射电热板进行加热烘干，最后用液压缸把工件从烘干室里滚出来，完成一个工作周期。2.2.1上料系统的方案设计单件物品供料机构根据人工参与程度，可分为料仓式供料机构和料斗式供料机构两种。料仓式供料机构是由人工将物品整理定向后，装入按物品形体特征设计的料仓中，在料仓中成队列的物品一次由供料机构取出，分离，供送到指定的工位，完成供料任务。斗式供料机构是由人工定期将物品倒入料斗中，在料斗中成堆的物品由供料机构自动定向，取出并供送到指定的工位，所以是一种自动供料机构，适宜于重量轻，体积小，外形结构简单等物品的供料。但是要求的轴管类零件最大重量能达到一千多千克，如果将工件成堆的放在料斗中待供料机构自动对其选取定向，这样就对供料机构的动力部分提出了很高的要求。因此在本次设计中选用槽式料仓供料机构，使工件依靠自身的重力实现供给。这样不仅充分利用了加工工件的外形特征，而且还大大简化了机器的结构，节省了材料和能源。由于设计要求此机器能够实现轴管类零件长短可以从0.5米到3米长的范围内变化，所以要把料仓设计成可以变化的。另外，为防止零件在下落时飞出去，本设计采用了在前面焊接一块板来防止零件飞出。如图2-2所示。零件自动上料卸料烘干探伤9图2-2料仓2.2.2探伤系统方案的设计探伤的零件需要绕轴线做回转运动，速度为1转/分钟。由于减速比太大所以选择了减速电机。另外，要求测头水平方向移动速度为：1米/分钟。由于要求精度较高，所以要选择具有高精度的导轨。滚珠丝杆的特点：a)与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3；在省电方面很有帮助。b)高精度的保证滚珠丝杆是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度湿度进行了严格的控制,由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。c）微进给可能滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。d)无侧隙、刚性高滚珠丝杠副可以加预压,由于预压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。e)高速进给可能滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动)。由于以上优点，我选择丝杠螺母传动。如图2-3所示。图2-3滚珠丝杠液压传动的优点：（1）功率密度大。液压传动装置的重量轻、结构紧凑、惯性小。例如，相同功率液压马达的体积为电动机的12%-13%。目前，液压泵和液压马达单位功率的重量指标是发电机和电动机的十分之一，液压泵和液压马达可小至0.0025N/W。10（2）可在大范围内实现无极调速。通过调节阀的开口面积或变量泵、变量马达的排量，可以实现无极调速，调速范围可达1:2000，并可在液压装置运行的过程中进行调速。（3）传递运动均匀平稳，负载变化时速度较稳定。（4）空间布置灵活。由于液压传动是用油管连接各元件的，所以改变油管的连接方式可以方便灵活的布置传动机构。由于液压缸的推力很大且极易布置，在某些设备上已取代了传统的机械传动，不仅操作方便，而且外形美观大方。（5）液压装置易实现过载保护。通过设置溢流阀等方法可以限制系统的最高压力，实现过载保护；同时液压件能自行润滑，因此使用寿命长。（6）液压传动容易实现自动化。借助于各种控制阀，特别是采用液压控制和电气控制结合使用时，能很容易地实现复杂的自动工作循环，而且可以实现遥控。（7）液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，便于设计、制造和推广使用。根据以上液压传动的优点，综合考虑经济效益、加工效率以及加工零件重的特点等诸方面的因素，选定液压传动作为供料机构的外加动力源和探伤的上下料、翻转的外加动力源。液压缸的安装示意图如图2.4所示。图2-4液压缸液压驱动动作分析：11针对某一个工作实例，设备工作过程如下：驱动系统带动槽轮运转，输送工件到达探伤位置，步进电机驱动工件绕其轴心线回转，同时，探伤仪探头沿工件母线方向进行扫查，记录零件的位置坐标，与探伤仪的探伤信号匹配形成扫描探伤图像，完成对零件的检测。然后，通过卸料装置的托手座，将工件托出水面，托手座翻转，工件滑到烘干工位，利用陶瓷红外线辐射电热板进行加热烘干，完成一个工作周期。考虑到检测零件重量较重，在设备工作循环中，以下动作应该采用液压驱动来完成：()检测零件进出水面；()检测完成后，托手座翻转，工件由检测工位向烘干工位输送动作；()工件烘干完成以后，推离烘干工位的动作。液压传动的发展概况：自18世纪末英国制成世界上第一台水压机算起，液压传动技术已有二三百年的历史，但直到20世纪30年代它才较普遍地应用于起重机、机床及工程机械。在第二次世界大战期间，由于战争需要，出现了由响应迅速、精度高的液压控制机构所装备的各种军事武器。第二次世界大战结束后，液压技术迅速转向民用工业，液压技术不断应用于各种自动机及自动生产线。20世纪60年代以后，液压技术随着原子能、空间技术、计算机技术的发展而迅速发展。当前，液压技术正向高速、高压、大功率、高效、低噪声、长寿命、高度集成化的方向发展。同时，新型液压元件和液压系统的计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助测试（CAT）、计算机直接控制（CDC）、机电一体化技术、可靠性技术等方面也是当前液压传动及控制技术发展和研究的方向。我国的液压工业开始于20世纪50年代，其产品最初只应用于机床和锻压设备，后来又用于拖拉机和工程机械。随着国外液压元件、生产技术的引进以及自身设计制造水平的提高，现在我国生产的液压元件已经从低压到高压形成了系列，并在各种机械设备上得到了广泛的使用。122.2.3烘干系统方案的设计由于零件要在水下探伤，所以等零件探伤完以后要进行烘干。一般说来，热的传送有三种方法：即对流传导与幅射，而借幅射的方式，能量可被传送穿过某一空间,却不致有太大的损失。辐射能是以电磁波的型能将能量自热源（发射体）传送至接收物（吸收体），以这这种传送方式时,应称呼其为辐射能，而非以热的型能来进行的。热是物体吸收了辐射能之后所产生的结果，对某一物体或物质而言，若辐射能穿过它或自其表面反射掉，则此一物体或物质完全不起作用;反之若其吸收了辐射能，则起作用，将辐射能转变为热的形，因而使物质提高了温度。因此，辐射能有直接使物升温而不需使该物体周围升温之特性，故与对流或传导之方式大大不同，因后者必须借介质物，诸如固体液体或气体等才能将能量传导给目的物。根据以上陶瓷红外线辐射的优点，综合考虑经济效益、加工效率等诸方面的因素，选定陶瓷红外线辐射为加热源7。如图2.5所示。图2-5陶瓷红外线辐射加热板133上料系统的选型与校核3.1料仓机构的设计3.1.1常用槽式料仓的型式图3.1为常用的槽形料仓结构型式。a)为矩形料仓，适用于杆形或圆盘物料,左边为闭式，其上面有包边，用于料仓垂直的或倾角大于1015的场合，也可用于料仓较长，在送料时，有把物品向上挤出之危险的场合；右边一种是开式的，其上面没有包围物料的包边，适用于与上述相反的场合，物品在矩形料仓中移动是滚动方式。b)是两种槽形料仓，用来输送有肩的零件。c)是两种双轨式料仓。d)是两种单轨式料仓8。图3.1常用的槽式料仓3.1.2槽形料仓的倾角槽形料仓的倾角,是指料仓与水平面之间的夹角。对于滚动送进的物料，如其表面质量较光洁，则A710；工件表面质量较粗糙,则A1015。对滑动送进的物料，一般采用A259。143.1.3料槽滑道的宽度靠自重送料的槽形料仓，在设计时应正确的计算滑道的宽度，对有圆弧拐弯的滑道，还应计算滑道圆弧处的宽度及其外侧半径。由图3.2可知B=L+e(mm)式中：B滑道宽度(mm)L工件长度(mme工件端面与滑道内壁之间的间隙(mm)图3.2滑道宽度计算图间隙e的大小应以工件能顺利通过，而又不失去定向为准。由于有间隙存在，工件在滑动过程中难免倾斜转动(如图中虚线所示)。这时产生一个由反作用力N与力臂A组成的力矩，使工件有绕O点继续转动的趋势。如果e值增大，则转角也越大。当工件对角线C接近或小于滑道宽度B时，工件有被卡住或失去定向的危险，因此必须使工件对角线C与水平线的夹角H大于摩擦角Q。根据图3.2的几何关系可得出：2coseLDLA(mm)许可的最大间隙max应根据H=Q的极限情况计算，因而：152max1LDef式中:f工件与侧壁间的滑动摩擦系数，其值为0.10.5。D工件直径，其它符号意义同前。由上式可知：maxe与工件长径比L/D及f有关。maxe值随L/D的增大而减小，当L/D34时，物料靠自重的输送就不太可靠。如果工件端面的倒角较大或成球型，则输送可靠性更差，这时，我们可将摩擦系数加大1.2倍。此外，还应满足下式要求：maxein+L+B(mm)式中：mine最小间隙，根据清洁条件好坏，在H9/h9或H11/h11配合公差中选取(mm)L工件长度公差(mm)B滑道宽度制造误差(mm)综合上面的论述，因为本设计的轴管类零件的长度在0.5-3m范围内，所以料仓的宽度必须可以调整才能满足要求，为防止零件在下落时飞出去，本设计采用了在前面焊接一块板来防止零件飞出。如图3.3所示。16图3.3料仓结构图由图中可以看到料仓中间有3个方形孔，其作用是用来放置挡板，让零件一个一个按秩序进行下料。3.2挡板的校核设计3米长的轴管的重量为G=pvg=7800*0.3*0.3*3*10=66162N，挡板受到的压力为F=9208N，所以初先挡板的尺寸为长386mm宽300mm厚26mm。挡板的主要受力部分是与轴的接触部分，所以该部分应有一定的抗疲劳强度和屈服强度。疲劳强度是指金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。为保证所设计的机械零件能安全、可靠地工作，在进行设计工作之前，应确定相应的设计准则。不同的零件或相同的零件在差异较大的环境中工作，都应有不同的设计准则。设计准则的确定应该与零件的失效形式紧密地联系起来。一般来讲，主要有以下设计准则：3.2.1强度准则强度准则就是指零件中的应力不得超过允许的限度。例如：对一次断裂来讲，应力应不超过材料的强度极限；对疲劳破坏来讲，应力应不超过零件的疲劳极限；对残余变形来讲，应力应不超过材料的屈服极限。即满足了强度要求，符合了强度计算的准则。其表达式为lim考虑到各种偶然性或难以精确分析的影响，上式右边要除以设计安全系数(简称为安全系数)S，即liS3.2.2刚度准则零件在载荷作用下产生的弹性变形量y(它广义地代表任何形式的弹性变形量)，小于或等于机器工作性能所允许的极限值y(即许用变形量)，就叫做满足了刚度要求，或符合了刚度设计准则。其表达式为弹性变形量y可按各种求变形量的理论或实验方法来确定，而许用变形量y则17应随不同的使用场合，根据理论和经验来确定其合理的数值。所以在满足它的抗疲劳强度的同时，还应满足刚度要求，这样在工作时才不至于发生挤压变形。a)零件的强度理论计算根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计计算，称为理论设计计算。设计时强度计算按公式limS或limFA式中：F作用于拉杆上的外载荷；A拉杆横截面面积；lim拉杆材料的极限应力；S安全系数。对上式的运算过程，可以通过不同的推理方法进行设计计算和校核计算。1)由公式可直接求出杆件必需的横截面尺寸A，即limSF2)校核计算在按其他办法初步设计出杆件的横截面尺寸后，可选用下列四式之一进行校核计算：limlimlicaAFSSA，式中的caS为安全系数计算值，或称为计算安全系数。设计计算多用于能通过简单的力学模型进行设计的零件；校核计算则多用于结构复杂，应力分布较复杂，但又能用现有的应力分析方法(以强度为设计准则时)或变形分析方法(以刚度为设计准则时)进行计算的场合。18图3.4材料极限应力图在工程应用中，图3.4所示的双直线极限应力图就是一种常用的近似替代材料的极限疲劳曲线图。通常是求出对称循环的疲劳极限1或0，其中1为对称循环疲劳极限，0为脉动循环疲劳极限。由于对称循环疲劳极限变应力的平均应力m，应力幅等于最大应力，所以对称循环疲劳极限在图中以纵坐标轴上的A点来表示,脉动循环变应力的平均应力及应力幅均为02ma，所以脉动循环疲劳极限以由原点O所做45射线上的D点来表示。连接A、D得直线A。直线D上任何一点都代表了一定应力此时的疲劳极限。横轴上任何一点都代表应力幅等于零的蛮力，即静应力。取C点的坐标值等于材料的屈服极限S，并且C点做一直线与直线CO成45的夹角，交的延长线于G，则C上任何一点均代表maxaS的变应力状况。于是，零件材料的极限应力曲线即为拆线AG。材料中发生的应力若处于OAG区域以内，则表示不发生破坏；若在此区域以外，则表示一定要发生破坏；若正好处于折线上，则表示工作应力状况正好达到极限状态10。19图3.5上料装置此图为轴管类零件的上料装置。人工将零件放入料仓，通过液压缸伸缩缸带动隔料板整体运动，当液压缸的活塞杆缩短时，隔料板整体下降，靠近下面的隔料板的一个零件顺着料仓滚到送料仓中，而左隔料板下降又将后面的零件挡住，防止后面的零件下落。这个装置保证了零件的依次按顺序被输送到送料仓，进而通过滚轮带动导轨将零件送到探伤装置中，进行超声波探伤。3.3水平液压缸的设计液压缸缸筒与端盖的连接方式很多，其结构形式和使用的材料有关，一般工作压力p=26.68mm，所以d=82mm满足强度要求。dsF2c)压杆稳定性验算根据本设计结构，由于送料行程=1700mm，查活塞杆行程系列，初选活塞杆长1L度=2000mm，则=2000mm，d=82mm，=2000mm10d=820mm。LBLB所以，须进行弯曲稳定性验算。按欧拉公式计算，则2BKLEJFKnF式中活塞杆弯曲失稳临界载荷；K活塞杆材料的弹性模数，45钢弹性模量=210GPa；EE22活塞杆横截面惯性矩，圆截面；J642dJ活塞杆最大工作负载，=66162N；FF安装及导向系数；K安装距，=2000mm；BLBL安全系数，一般取=3.5。KnKn根据设计结构，为一端固定，一端自由的形式，查手册得其安装及导向系数=2。经计算得=903180N且66162N=258051NKFKnF所以，D=120mm，d=82mm满足设计要求。3.4竖直液压缸的设计3.4.1初选液压缸工作压力压力的选择要根据载荷大小和设备类型而定。还要考虑执行元件的装配空间、经济条件及元件供应情况等的限制。在载荷一定的情况下，工作压力低，势必要加大执行元件的结构尺寸，对某些设备来说，尺寸要受到限制，从材料消耗角度看也不经济；反之，压力选的太高，对泵和、缸、阀等元件的材质、密封、制造精度也要求很高，必然提高设备成本。一般来说，对于固定的尺寸不太受限的设备，压力可以选的低一些，行走机械重型设备压力要选的高一些12。对于本机床液压系统来说，考虑液压缸工作时的最大外负载力为400N，初选液压缸的工作压力p1=1Mpa，背压力p2=1Mpa。233.4.2计算液压缸主要尺寸a)液压缸直径计算鉴于送料机构运动及结构简单，且承受单向较轻负载，因此，考虑选用选单杆双作用活塞杆式液压缸，无杆腔为工作腔。列力学平衡方程：mFdDpA/4)(/221式中、液压缸工作腔、回油腔压力；1p2、工作腔、回油腔有效作用面积；AD液压缸内径；d活塞杆直径；F最大外负载，F=400N；液压缸机械效率，一般取0.90.97，取0.97。m表3.1液压缸杆径比与速度比关系d/D0.30.40.50.550.620.7i1.11.21.331.461.612上升时为空程，采用较大速度可以节省工作时间，但过大会发生冲击，故取i1.61。当活塞杆受拉力作用时，d=（0.30.5）D；当受压力作用时，若5Mpa，取d=(0.50.55)D，若5MPa7Mpa，取d=(0.60.7)D，当1p1p7Mpa时，取d=0.7d。由于本系统对液压缸无速度要求，且综合考虑以上所述，初选d=0.55D。24工作腔、回油腔有效作用面积为：=，=1A4/2D24/)(2d力学平衡方程为：mFdp4)(2则=20mm)5.0(21pFDm根据结构设计，活塞杆伸出时无辅助导向元件，故应使活塞杆直径稍大一些，以保证刚度和稳定性。并且考虑送料行程=300mm，则液压缸缸筒的长度必大于1L300mm，且参考有关资料，一般缸筒的长度最好不超过内径的20倍，且d=0.55D，则d最好不小于11mm。查手册液压缸缸筒直径系列,初选缸筒直径D=25mm。由d=0.55D=13.75mm11mm。b)活塞杆直径强度活塞杆受轴向载荷F=400N，活塞杆直径应满足2sFnd式中活塞杆直径；d液压缸的最大推力；F材料的屈服强度，45号刚得屈服强度=355Mpa；ss安全系数，一般取=24,取3。snsn带入数值经计算=13.75mm=2.07mm，所以d=13.75mm满足强度要求。dsF2c)压杆稳定性验算当活塞杆全部伸出时，活塞杆端和负载的连接点到液压缸支撑点间的距离假设为BL，当10d时，活塞杆须进行弯曲稳定性计算。根据本设计结构，由于送料行程1L=400mm，查活塞杆行程系列，初选活塞杆长25度L=500mm，则BL=1=500mm，d=13.75mm，BL=500mm10d=137.5mm。所以，须进行弯曲稳定性验算。按欧拉公式计算，2KBEJFL，则KnF式中活塞杆弯曲失稳临界载荷；K活塞杆材料的弹性模数，45钢弹性模量=210GPa；EE活塞杆横截面惯性矩，圆截面；J642dJ活塞杆最大工作负载，=400N；FFK安装及导向系数；BL安装距，BL=500mm；安全系数，一般取=3.5。KnKn根据设计结构，液压缸为一端固定，一端自由的形式（前支撑，无导向），查手册得其安装及导向系数K=2。图3.6活塞杆受力图经计算得，=11424.8N且400N=3264.2NKFKnF所以，D=25mm，d=13.75mm满足设计要求。263.5滚动光轴的校核3.5.1滚动光轴的设计计算a)轴设计的的主要内容轴的设计也和其他零件的设计相似，包括结构设计和工作能力计算两方面的内容。轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。轴的结构设计不合理，会影响轴的工作能力和轴上零件的工作可靠性，还会增加轴的制造成本和轴上零件装配的困难等。因此，轴的结构设计是轴设计中的重要内容。设计中主要考虑的问题：轴的结构、轴的强度及刚度13。b)加工和装配工艺性进行轴的结构设计时，除考虑前面的各种因素外，同时还应考虑便于轴的加工、测量和维修，通常还考虑以下几点：1）考虑加工工艺所必需的结构要素，（如中心孔，螺纹退刀槽，砂轮越程槽等）；2）合理确定轴与零件的配合性质，加工精度和表面粗糙度；3）配合直径一般应按GB/T2822-1981圆整为标准值；4）确定各轴段的长度时，应尽可能使结构紧凑，同时还应保证零件所需的滑动距离、装拆或调整所需空间，并注意转动零件不得与其它零件相撞；5）为了便于导向和擦伤配合面，轴的两端及有过盈配合的台阶处应制成倒角；6）为了减少刀具的种类和提高劳动生产率，轴上的倒角、圆角、键槽应尽可能取相同的尺寸，避免或尽量减少不同尺寸的倒角、圆角、键槽数量14。c)轴的材料27轴的材料主要是碳钢和合金钢。钢轴的毛坯多数用扎制圆钢和锻件，有的则直接用圆钢。由于碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热处理或化学热处理的方法提高其耐磨性和抗疲劳强度，故采用碳钢制造轴尤为广泛。常用的碳素钢有35、40、45、50钢，其中最常用的是45钢。为了保证力学性能，通常进行正火或调质等处理。合金钢比碳钢具有更高的力学性能和更好的淬火性能。因此，在传动大动力，并要求减少尺寸与质量，提高轴颈的耐磨性，以及处于高温或低温条件下工作的轴，常采用合金钢。常用的合金钢有20Cr、40Cr、40CrMnTi、35CrMo、40MnB等。应当注意：在一般工作温度下（低于200），碳素钢和合金钢的弹性模量相差不多，热处理对