环形加热炉设计与仿真说明书(编辑修改稿)

环形加热炉设计与仿真说明书(编辑修改稿)内容摘要：

品质量要求越来越高，而能源费用一再涨价 ，工人工作条件要求改善，劳动生产力价格不断升高 ． 在此种情况下，要赢得市场就需要对生 产过 程采取机械化、自动化。 从而降低产品成本大大提高劳动生 产率。 本课题的装取料机又称装取 料机械手，是由简单的机械手结构构成的，是根据环形加热炉封闭圆不能将坯料推进推出的结构特点，只能运用的是将坯料拿进去拿出来的理念而进行设计的， 在冶金行业中，加热的装取是个难点，为了解决这个问题 ，改变现有设备状况 ，特设计了该机械手，它的作用就是将钢料送入装料 区 ， 加热到所需温度。 然后取出进行锻造或二次及多次轧断 ． 使钢料成为所需的各种型材 [5]。 由此可见装取 料机主要由以下三部分组成： (1) 整体机架：主要用于装 取 料机的整体支撑和为机械手即钳杆的进退运动提供必要的轨道 ； (2) 小车：主要用于带动机械 手 即钳杆前进和后退，其行程可以根据机械手装夹坯料的规格的不同而进行调整，还有依靠装备在小车上的气缸控制机械臂抬起和 下 降 ； (3) 钳杆：主要用于装夹坯料，通过装配在钳杆上的夹紧气缸来控制夹钳的夹紧与松开 ， 通过装配在小车上的升降汽缸来控制钳杆的上升与下降，一次把坯料抬起放下。 国内外的发展情况 目前国内装取料机已经初步形成了统一的成型产品，从形式上主要可以分为两大类：无轨装取料机和轨道装取料机。 国产无轨装取料机目前以叉车改造形式为主，即以标准叉车为基体，去除前部料叉，安装装取料 机专用机械手及执行系统，使其能完成 以 下七个动作：整体行走、转弯、钳头夹紧、钳头旋转、钳头摆动、钳头平行升降、钳头俯仰升降。 轨道式装取料机主要结构形式采用整体走盘式，可以完成 78 种运动；大车固定在地面的轨道上行走；小车在其轨道上前后行走，其整体形式类似于行车；小车面板上装有回转装置，机械手部分可随小车做回转运动，俯仰运动，还可以做平移运动。 机械手随钳杆可以做前后收缩运动，加大机械手的活的范围，使料件方便的送入加热炉和方便的从加热炉中取出；机械手的回转可以方便的夹取各种姿态的料件；夹头夹持，可根据实际生产中料 件形状方便的更换不同钳口形式。 国内外的加热炉不仅在加热质量上更重要的是要求其生产环境要进行改善，因为在传统的加热炉周围的环境是非常恶劣的，温度高，粉尘大。 工作人员一般很难长时间在那里进行操作，特别是炉口的装 取 料机的操作人员，一旦炉内压力没有控制好的话很可能引起炉火外窜，而使炉口温度急剧上升，可能还有烫伤操作人员的危险，但是又因为当今国内外的技术力的限制，很难去完全控制住加热炉的炉压，所以装 取 料机的远程操控和自动化控制便是当今发展的一个主要方向 ． 我在实习的时候去工厂参观，在我看到的企业中，无无锡太湖学院学士学位论文 6 论好坏的企业，均 没有用电脑操作的 装取料机，均是有人进行装取 料的。 而环形炉进出料机利用的就是远程控制，通过电脑将程序写入 PLC 中，然后通过 PLC 控制电路来实现对进出料的控制，这样的话，就只需要一个控制人员在一旁的控制室内对 装取 料机进行远程控制，这样不仅可以使操作人员远离炉口从而改善工作环境，避免由于不规范的操作而导致的人员伤亡，而且对操作工人的身体健康没有危害；并且从长远利益来讲，这样也就等于降低了生产成本，节约了劳动力；提高了劳动生产率；况且，远程自动化操作也是当今社会的一个发展趋势，即节省人力又节约时间，而且改善了工作环 境。 在实际的运用中不断改进远程自动化操作的方式、方法，可以更好的推动远程自动化生产的发展。 无论是对于装出料机的设计还是在其他设计制造当中，都是有很大的益处的，其前景是无限宽广的。 以下是 3 张国内的装出料机的图片，可以看出都是由人工来操作的，这与我在工厂看到的是一样的。 如图示 、 、 图 装出料机 环形加热炉的设计与仿真 7 图 装出料机 图 装出料机 无锡太湖学院学士学位论文 8 2 装取料机的设计说明及工作原理 装取料机的设计说明及工作原理 根据现场的情况，由于加热炉的炉门口下沿高度与钳杆夹料处高 度一致，且炉门并不是垂直于水平面的，而是与水平面成 88 度角的，所以为了避免在装料过程中发生坯料与炉口相撞的情况，所以我们在设计钳杆装夹坯料时在钳杆的尾步连接了气动装置，这样就可以实现钳杆的落下和抬起，当钳杆落下时，夹钳将坯料夹起，然后通过升降气缸的运动使钳杆抬起，送入加热炉中，钳杆落下，夹钳松开，坯料被放置在指定的坯料加热位置，最后，钳杆抬起，退出炉门回到初始位置，准备进行第二次装夹 ． 因为坯料在一开始的时候是平放在放料处的，所以当钳杆降下，夹钳把坯料夹住，钳杆抬起时，在坯料被提起的同时原本与水平面平行放置的 坯料还会与水平面形成一个夹角，因为钳杆在进出加热炉时与水平面是垂直的，所以这个夹角同时也就是钳杆落下的角度，为了保证坯料在进出时，坯料的最上端低于炉口的上沿，胚料的最下端要高于炉口的下沿，且要有足够的上下空间的剩余量，经过对钳杆长度拟定和对坯料长度的计算，取落下角度为 4 度夹角符合以上介绍的情况 [12]。 虽然把角度再取大一点也是可以符合上述条件，但是为了避免做过多的无用功，从合理的利用和节约能源的角度来考虑，选取 4 度角是比较合理的 ． 由于坯料被夹住抬起时并不是与钳杆平行的，所以为了使夹钳能够完全的夹住坯料，在 铸造夹钳的过程中，夹钳的下沿也应被设计成与水平面成 4 度的角度，如图 所示，这样在装夹时，夹钳的下沿就会与坯料平行，从而可以完整的将坯料夹住，使坯料被装夹的位置各部分受力均匀，避免了一些由于受力不均匀而导致的坯料松动和滑脱问题，加大了夹钳的夹紧能力 [10]。 夹钳的夹紧部分圆弧的半径则是根据可装夹的最大坯料的半径来定的，这台 装取 料机可装夹的最大坯料的半径是 ，所以我们就把夹钳的夹紧部分的半径为 ． 而夹钳的厚度，我们以其能抓紧坯料，不使其摇晃为标准，初定为 400mm． 两夹钳分别焊接在两 钳杆之上，如图。 3坯料 图 结构图 环形加热炉的设计与仿真 9 图 夹钳 夹钳要装夹坯料就必须获得一个夹紧力，由这个夹紧力来夹紧坯料，提供这个夹紧力的正是装配在钳杆上的夹紧气缸，气缸活塞杆的端头部分与气缸的另一端分别与左右摆臂用轴进行连接，这样可以保证当活塞在进行往返运动时，左右摆臂可以根据各自 的连接轴绕轴做转动运动，左右摆臂的另一端焊接在钳杆上，当摆臂在做绕轴的转动运动时，摆臂的另一端就会带动钳杆转动，由于夹钳是焊接在钳杆上的，所以当钳杆在转动时，夹钳也就跟着张开和闭合，从而达到夹紧和松开的目的 [3]。 根据所需的夹紧力和要装夹的胚料的最大和最小规格来选定夹紧气缸的规格，然后根据夹紧气缸的初始总长度、行程，夹钳所需的最大张口和最小装夹坯料来进行摆臂的设计、安装和焊接。 夹钳的最大开口与最小开口，如图 所示。 一、松开 二、装夹最大胚料 三、装夹最小胚料 图 夹钳的状态 图示分别是夹钳在松开、装夹最大坯料、装夹最小坯料时气缸活塞杆的行程，在气缸处于初始位置时要预先给夹钳空开足够的松开余量，便于以后装夹。 无锡太湖学院学士学位论文 10 带动钳杆做抬起、降下运动的是装配在钳杆末端的升降气缸，由气缸控制的钳杆位置我们可以将其看成是一个点，当钳杆只有一个端 点 在运动时是不能带动另一个端点做抬起、降下运动的，所以我们在钳杆 上为其设置一个支点，让钳杆可以围绕这个支点做转动，这样当钳杆的一头被抬起时，钳杆的另一头就会被降下，相反的如果一头被降下，另一头就会被抬起 ． 为了让钳杆要跟着小车前进和后退，所以我们把升降气缸和支点都装配在小车上，因为支点是装配在小车上的，所以钳杆是被支点在上面吊着的而不是在下面顶着的，然后将升降气缸和支点的另一端与吊架连接，在连接过程中，由于钳杆要围绕支点做转动，而且当气缸去顶拉钳杆时，钳杆也会产生倾斜，所以我们这里与吊架连接采用的是轴连接，这 样就不会对钳杆的转动产生影响。 因为钳杆其本身还要做转动运动，所以不能把吊架与钳杆直接用螺钉连接或焊接，我们这里采用双轴承座，先用双轴承座将两钳杆固定后再把轴承座与吊板用螺钉进行连接，这样既可以不影响两钳杆自身的转动，又可以使两钳杆始终保持平行状态。 在钳杆与轴承座相配合的部分，钳杆的外径要小于钳杆其它部分的外径，这样当将轴承座装配上去时，轴承座不仅只限制钳杆前后，上下的自由度，并且连钳杆的左右自由度也限制住了，如图 所示。 的钳杆部分 图 示意图 为 了使两钳杆保持同步转动，不出现装夹中线偏移坯料中心线，我们在钳杆 的末端安装一对齿轮，使用齿轮传动保持两钳杆同时向相对方向转动，同时带动夹钳运动。 由于钳杆要在高温条件下连续进行工作，即使使用再好的耐热材料也是会由于温度太高达到极限值而发生钳杆软化变形等一系列的问题，所以对钳杆的冷却在这里就非常重要了，我们在这里采用的是水冷，就是利用冷水的流动来对钳杆进行冷却，由于钳杆是空心的，我们在钳杆的中心部安装了水冷管，水冷管的设计是按照相类似产品的水冷管设计 来完成的，在钳杆后双轴承座左右，也就是与升降气缸相连接部分的钳杆左右分别钻空，用来安装进出水管 ． 但是由于我的设计不包括这个部分，所以只是在这交代一下。 小 车的主要作用就是带动钳杆做进给运动，同时装配在小车上的升降气缸 给钳杆提供一个升降运动。 由于升降气缸要带动钳杆做升降运动，所以升降气缸装配处的钢板受力较环形加热炉的设计与仿真 11 大，我们采用了异型筋板来加强装配气缸处的钢板强度。 小车的车体，大部分都是由铸件直接焊接而成，当中的横梁部分所采用的是工字钢，通过计算，所选工字钢的强度符合要求，且工字钢相对于其它形状的钢材的优势就是较 节省成本的，车身的竖梁是用钢板焊接而成的形状类似于工字钢的钢条所组成，在强度条件足够的情况下也节约了成本，同时这样还可以减轻车身的负担，减轻其自身的重量。 我们为小车分别设计了前轮和后轮，这两对轮子的主要是起支撑车体和减小小车移动时所产生的摩擦力的作用，在后轮下面我们还设计了一对后下轮，后下轮与机架导轨的下沿接触，而后轮与机架导轨的上沿相接触，两对轮子分别将机架导轨夹在中间，从而利用导轨来限制了小车的上下自由度，当然后下轮采用的还是滚动摩擦，目的还是为了减小摩擦所带来的阻力，在车身的一旁，我们还设计了两对导 向轮，两对导向轮分别与导轨左右两端接触，将导轨夹在当中，自然是为了限制小车左右的自由度，让小车可以沿着轨道进行直线运动，不会出现摇晃和偏出轨道等事故，采用轮子而非滑块自然也是考虑到了摩擦力问题。 如图 所示 ， 小车的前轮和后轮分别通过各自的轴与小车装备在一起，前轴和后轴用螺栓连接在小车车体的钢板上。 而导向轮是直接通过筋板用螺栓连接固定在小车车体上的。 图 小车导轮导轨 为了防止因违规操作或小车减速过慢而导致的小车 超过极限行程冲出机架，我们在机架上安装了挡板，但是即使安装了挡板，也是经不住小车一次又一次的冲击的，所以我们在小车的后下轮周围安装了由橡胶制成的缓冲器，如图 ，通过橡胶的张力伸缩性来减缓小车对挡板和机架的冲击力，从而既保护了机架和挡板，使他们不会因为小车的冲击而崩坏，也保护了小车，使小车在受到冲击时，有一个缓冲的过程，如图 所示 [7]。 无锡太湖学院学士学位论文 12 图 缓冲器 为了要让小车连接钳杆支点部 ，所以在小车前部用螺栓连接长筋板，使其与吊板相连接，这样小车通过升降气缸、长筋板和两块吊板与钳杆连接，就可以带动钳杆做平动。 装取 料装置的机架主要是由 2 根横梁， 4 根连接梁和 6 根立柱装配而成的，其中 2 根横梁是工字型钢板，在横梁 上分别焊接两条导轨，导轨与小车的前轮和后轮直接接触，在提供小车 支撑点和运行方向的同时还与小车的导向轮相配合，限制了小车左右的自由度。 由于小车是用电动机驱动的，当电动机运行时，带动安装在电动机上的齿轮转动，所以为了要使小车被齿轮驱动，我们在右横梁上装配了与小车齿轮可以啮合的齿条，齿条是通过螺栓和销连接在右横梁上的，齿轮转动时，由于齿条是被固定的，所以与装配了电动机的小车就被齿轮带动开始做进退运动。 关于变速操作问题，装 取 料机的的小车以及升降汽缸等相对 要求速度高些，可以提高效率，但是为了加料的准确以及减少由于速度大而 带来的惯性 ， 速度又不宜太高，所以装 取 料机的动作最好是变速操作，即慢慢启动，快行，慢慢停止，至于怎么控制是用 转换开关 ，控制电磁换向阀实现的，在这里我不用做控制的部分，故 不在叙述。 由于右横梁在安装齿条时，会多出齿条与横梁相连接的部分，而后下轮正好是与那部分钢板相连接的，但是由于左横梁没有 安装齿条，所以后下轮的左轮与左横梁就会空出那部分的余量，为了使小车在运行时保持平稳我们就在左横梁上焊接一根钢条，来填补左横梁上的那个空余量，使小车的左下轮也可以和左横梁相接触如图 所示。 环形加热炉的设计与仿真 13。