管道焊接坡口加工装置(坡口机)的设计-毕业设计说明书要点.pdf

毕业设计论文 - 1 - 目录 摘要（中文） 摘要（英文） 第一章前言 3 第二章研究内容及简介3 2.1 研究内容3 2.2 坡口机简要分析3 2.3 实现方法及预期目标4 2.4 对设计进度具体安排4 2.5 坡口机的主要类型4 2.5.1 坡口机的主要类型4 2.5.2 管端坡口机5 2.5.3 全自动柔性切管机5 2.5.4 爬式管道切割/ 坡口机6 2.6 坡口机的分析和展望7 2.6.1 坡口机的分析7 2.6.2 坡口机的展望7 第三章坡口机的使用及维护7 3.1 坡口机的使用7 3.2 使用中的注意事项及维护8 3.2.1 操作注意事项8 3.2.2 特殊工件开坡口8 第四章坡口机的液压驱动系统8 4.1 机械本体9 4.2 液压系统9 4.2.1 刀具回转回路9 4.2.2 比例阀控爬行回路9 4.2.3 安全回路10 4.2.4 径向进给回路10 4.3 控制策略及其仿真10 第五章齿轮的设计计算11 5.1 减速圆柱齿轮设计11 5.1.1 已知11 5.1.2 初步设计11 5.1.3 按齿轮面接触强度设计11 5.2 计算11 5.3 按齿根弯曲强度设计12 毕业设计论文 - 2 - 5.4 几何尺寸计算13 5.5 验算13 第六章轴的设计13 6.1 轴的选择13 6.1.1 选择轴的材料14 6.1.2 初步估算轴的直径14 6.2 轴上零部件的选用和轴的结构设计14 6.2.1 初步选择滚动轴承14 6.2.2 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度14 6.2.3 轴上零件的周向定位15 6.2.4 确定轴上倒角和圆角尺寸15 6.3 轴的受力分析15 6.3.1 作出轴的计算简图15 6.3.2 轴受外力的计算15 6.4 轴的较核15 6.4.1 轴材料的疲劳强度极限15 6.4.2 考虑弯矩的作用（弯曲应力按对称循环）计算安全系数16 第七章工作原理16 7.1 机体结构16 7.2 夹紧原理18 7.3 传动原理19 7.4 进刀原理19 结 束 语 21 致 谢 22 参考文献 23 毕业设计论文 - 3 - 第一章前言 我国是一个海洋大国，面临太平洋及其所属渤海、黄海、东海、南海，大陆海岸线长18万 多公里，有 300多平方公里的领海和管辖海域。海洋资源是近几年国际上激烈竞争的焦点之一，是 各国重要的战略目标。 水下技术，是我国一个起步较晚，但近些年来发展很快的领域。目前尽管在水下科学技术方 面已取得了一定成绩，但是还需要进一步发展多元科学技术，以使海洋作业更加方便、快捷。其 中水下工程技术就是需要尽快发展的一种多元科学技术。 水下工程技术通常是指海洋工程中围绕海底油气及其它矿产资源的勘探、开采和救助打捞工 程所需要的设备、设施的设计、建造及施工工艺和作业技术。 海底油气输送管道维修作业系统是水下工程技术的一个部分，维修作业的主要任务是研制一 套海洋环境下能够对单双层海底管道进行吊装、切割、去表皮、开坡、清理等作业的机具并能够 快速修复海底管道。 第二章研究内容及简介 21 研究内容 我此次主要负责管道焊接坡口加工装置（坡口机）的设计，在前期进行了大量的调研工作以 后，完成该机械的具体设计计算，并画出三张A0 号图和完成总的装配图。最后对其设计成果进行 产品的技术分析和制作零件的仿真动画。 22 坡口机分析 在上述介绍的各种切割坡口机中，现场作业效果最好的坡口机属美国Wachs 和Mathey公司的爬 管式切坡口机，在管道维修这一领域有很强的实用性。它具有如下特点： (1) 应用面广。由气动或者液压驱动，它可以在管子水平或者垂直方向作业，安装防腐外壳后可 以在壕沟和深水下作业。(2) 加工对象范围大。直径为1501800mm 的碳钢、不锈钢、球墨铸铁、铸 铁及大部分合金材料管道。甚至直径达100m 的油罐。 (3) 铣削切割方式，可以切下41775mm 的金属，而且不改变机加工表面的物理性能。 (4) 加工精度较高。一般情况下，端面垂直度在156ram范围内。如果使用导轨附件可将加工精 度保持在 0125mm 以内。采用导轨和特殊导轨轮可在零能见度下进行垂直切割、水下切割及多道切 割。 (5) 安全防爆。切割机在易爆的环境下可以在天然气、原油及燃料管上作业，它曾经用于切割导 弹燃料系统。 (6) 安装简单。将可调节的驱动链条连接起来并扣紧在管道上，便可开动机器。 (7) 海上管道维护。液压型的切割坡口机采用全封闭液压系统，特别适合恶劣环境( 风沙、水 下) 工作。适合海上钻井、铺管及各种水上安装工程。 (8) 抗腐蚀。使用不锈钢螺丝、特殊轴承、铅封及锌层等附件，可防止盐水作业下的腐蚀。 23 实现方法及预期目标 毕业设计论文 - 4 - 初步先计算各方面的大体范围，确定机身各部分的材料。 确定机身部分的转动速度以及刀的进给速度。 重点和难点都是液压马达的运动传递到机器自身转动的运动转化。 如何实现刀进给时为切出坡口而需要的运动方式。 机身转动部分的内部结构。 如何实现刀和工件的冷却。 24 对设计进度具体安排 1-4 周 充分的社会实践，调研以及完成开题报告 5-6 周 进行总体方案的设计计算工作 7-8 周 进行具体零件的设计计算工作，并攻破其存在的主要难点 9 周 完成草图的设计 10-11 周 完成装配的设计 12-14 周 完成总装配图，并进行修改以至基本完善 15-16 周 完成毕业论文以及说明书 17-18 周 准备迎接毕业答辩 25 坡口机的主要类型 下面就维修作业机具中的管道焊接坡口机的发展概况作详细介绍。 在管道铺设或管接修复过程中，需要对管道进行切割开坡口作业，以便进行焊接。切割 坡口机是管道换接修复过程中不可缺少的专业设备，它所涉及的各项技术在国外有成形产品出售。 我国的产品多数为模仿国外制造。国外具有代表性的坡口机产品有以下几种。 2.5.1 火焰切割坡口机 美国 H&M 公司生产两种火焰切割坡口机（如右图所示）：钢带式火焰切割和坡口机采用铝制 机身，重量轻，适合现场切割管道，坡口机的导轨采用不锈钢凸缘导轨，( 钢带通过搭接，直径可 调) ，行走稳定准确，切割线不错位坡口角度可调带有 15m 电动遥控器，速度可调，正反转控制， 非常适应海上 平台导管架切割和管道切割产品适用管径为 2502400mm 的管道：马鞍形环齿轮式火焰切割坡口 机适合车间高效率下料，而且可扩展成斜口切割机。铝 制机身， 重量轻， 装配精度极高，鞍座和环齿轮同轴度 达到± 064mm ，端面垂直度达到±038mm 。电动型配 15m 长遥控电缆，可调速和正反转。一种机型可适用四 种相邻管径。 坡口角度可调。 配双割把架， 可以同时割 出双侧坡口配圆度靠轮，可以适应不圆的管子切割 系列产品，适用管径为501200ram的管道。（图 2-1 ） 2.5.2 管端坡口机 图 21 火焰切割 / 坡口机 毕业设计论文 - 5 - 意大利“古倍喜”公司生产内卡式、外卡式坡口机和管端坡口车床（如右图所示）。内卡式 管道坡口机有两个型号，适合于小管径管道加工坡口。它由气动操作，防爆，适用于石化图2 马 鞍形环齿轮式炼油企业管道维修。坡口机工作时通过超强自锁内卡芯轴卡于管道内，不打滑，不 振颤，不弯曲变形。 外卡式管道坡口机有 多个型号，采用多刀车削方 式，适用于小管径管道。管 端坡口车床内径卡紧，便 携， 尤其适合厚壁管端加工 处理图 3 内卡式管图4 外 卡式管图5 管端坡道坡口机道坡 臼机 L 】车床。 2.5.3 全自动柔性切管机 日本板桥全自动柔性轴切管机结构比较特 殊，机头没有任何动力马达，动力来自柔性扭 矩传输缆 轴（如右图所示）。可以对管道进行切割、 开槽等作业。适用于铸铁管、水泥管、钢管、 石棉管和塑料管等。能够图6 日本板桥管道切 割机快速、安全作业，也可在水中作业最大切 割厚度达 60nun。 2.5.4 爬管式管道切割坡口机 图2-2 管端坡口机 图2-3 全自动水柔性切管机 毕业设计论文 - 6 - 美国瓦奇 TLC爬管式切割坡口机是一种便携式铣削机（如右图所示），它通过链条将机 体固定在管道上，驱动链轮使机体带着旋转的切 割刀和坡口刀沿链条爬行一周，完成管道的 切割和开坡口?它由液压驱动， 可以在管子水 平或者垂直方向作业，也可以在壕沟和180m 深水下作业它可以在带压的管道或者罐体 上进行冷切割和坡口加工，加工精度高，安 全防爆，特别适合恶劣环境( 风沙、污泥、水 下) 工作，适合海上钻井、铺管及各种水上 安装工程美国瓦奇闸刀式管道切割锯是系列 产品。可以割锯实心空心管道和棒料。可 用于自来水公司、输气公司、炼油厂、核电站、 化工厂等行业。闸刀式管锯固定时需用带链条 的台钳将闸刀锯和管子夹紧，精加工的铸铁V 形马鞍底座确保切口的平直：管锯可在管外的任何位置安装，垂直和水平作业的效果同样出色。 它可以采用气动、液动或电动控制，摇把负责手工进给，马达负责锯割，一个标准壁厚的150mm 管子在 6min内便可以割断。锯条采用通用的硬质合金高强度锯条，更换方便，由于在切割回程中 是将刀刃从割口处提升，因此刀刃寿命大大延长。除了上述切割坡口机外，还有：美国Mathey 公司生产的爬管式切割坡口机，原理同瓦奇坡口机，性能稍有差异。德国GF 公司生产的适用于 薄壁细长管切割开坡口的RA 系列管道切割兼坡口机；适用于锅炉、 换热器管道处理的BRB 系列坡 口机；适用于现场和车间厚壁管道管端处理加工的坡口机。美国“力得”公司生产用于城市公用 供暖、供气管道施工的手动切割刀等等。综上所述，国外用于现场作业的切割坡口机成型产品 可靠性高，适合于现场 作业， 但在很大程度上是由 人手工操作的， 自动化程度并不 高。 26 坡口机的分析和展望 2.6.1 坡口机分析 在上述介绍的各种切割 坡口机中，现场作业效果最好的 坡口机属美国Wachs 和Mathey公 司的爬管式切坡口机，在管道 维修这一领域有很强的实用性。 它具有如下特点： 图2-4 爬式管道切割 / 坡口机 图2-5 坡口刀 毕业设计论文 - 7 - 1、应用面广。由气动或者液压驱动，它可以在管子水平或者垂直方向作业，安装防腐外壳后 可以在壕沟和深水下作业。(2) 加工对象范围大。直径为1501800mm 的碳钢、不锈钢、球墨铸铁、 铸铁及大部分合金材料管道。甚至直径达100m 的油罐。 3、铣削切割方式，可以切下4 1775mm 的金属，而且不改变机加工表面的物理性能。 4、加工精度较高。一般情况下，端面垂直度在156ram范围内。如果使用导轨附件可将加工 精度保持在 0125mm 以内。采用导轨和特殊导轨轮可在零能见度下进行垂直切割、水下切割及多 道切割。 5、安全防爆。切割机在易爆的环境下可以在天然气、原油及燃料管上作业，它曾经用于切割 导弹燃料系统。 6、安装简单。将可调节的驱动链条连接起来并扣紧在管道上，便可开动机器。 7、海上管道维护。液压型的切割坡口机采用全封闭液压系统，特别适合恶劣环境( 风沙、 水下 ) 工作。适合海上钻井、铺管及各种水上安装工程。 8、抗腐蚀。使用不锈钢螺丝、特殊轴承、铅封及锌层等附件，可防止盐水作业下的腐蚀。 2.6.2 坡口机的展望 从目前国外发展现状来看，爬管式坡口机不仅能在水下工作，也能在干式环境中工作，而且 能适应大范围管径的管道切割开坡口作业。但是该坡口机属于半自动的，针对不同材质、不同 性能的材料所用切削速度应是多少，需要靠人工根据经验作现场调整。如遇能见度较差的海情， 作业将非常困难；而且我国海域环境较为复杂，该坡口机还需要进一步完善。 第三章坡口的使用以及维护 31 坡口机的使用 坡口加工常用的方法有机械切削和热切割两类。机械切削加工坡口常使用坡口机、刨边机 及铣床、刨床、车床等各种型号的通用机床，加工的坡口尺寸精确，坡口面质量较好。 在所有的机械切削加工方法中，坡口机加工坡口所使用的机床体积小，结构简单操作方 便，可一次加工成形，工效是铣床或刨床的20倍以上，为刨边机的l0 倍以上，且设备一次性投资 小， 运行费用较低。 该方法所加工的板材，无论是圆板还是直板，除厚度外 在理论上不受直径、 长度、宽度的限制。和热切割加工方法相比，坡口机加工坡口无污染环境的烟气，能耗低，开坡 口速度为气割的10倍左右，而且不需要清除毛刺。目前，在坡口加工上，常采用坡口加工机、气 割机取代刨边机等机械切削加工坡口，中小型零件乃至整张钢板一般选用坡口加工机来进行，对 大型零件或形状复杂的坡口则在大型门式气割机或数控切割机上完成。坡口加工机是坡口加工的 专用设备，选用及使用有许多特点。目前，国内能提供的坡口加工机型号有： HP-10 HP-14 ， HP 16， HP-20 ， HP-22 HP-26HP-30型等。 32 使用中的注意事项及维护 毕业设计论文 - 8 - 3.2.1 操作注意事项 先根据工件需求调整坡口面角度、坡口钝边，然后再置人工件，调整压紧机构。在确认不存 在任何不安全因素的情况下，再开始坡口加工。操作时，先将工件待开坡口一边紧靠导向轮，人 工将工件推向刀盘。工件一旦与刀盘接触，便可自行喂料，不再需要人力推动。如果坡口面宽度 大，坡口端应倒角。 3.2.2 特殊工件开坡口 1、对于长度小于300 mm 的小工件，需配置一套附加装置，以免工件翘扭； 2、 对于坡口面宽度小于1O mm 的工件，在坡口加工终端可能发生少量偏斜，如用户认为有必 要保持坡口面宽度的高精度，可配置专用的顶块；对于尺寸长、质量大的工件，必须附设支承 工件用辊道 ( 托架 ) ；对于宽度为 50 350的狭长工件，须配置专用的附加装置，以确保工件的平 稳性；加工圆盘形工件的圆边坡口或圆筒形工件坡口时，须另配置一套附加装置。 3、刀具的刃磨 1） 滚剪刀只能磨前端面，磨削加工可在平面磨床或在万能工具磨床上进行； 2）通常一把滚剪刀进行34次刃磨，每次刃磨量不超过2 nm ( 刃磨量以 05，1，15，2 mm 为准 ) ，刃磨后应用油石修磨； 3）刃磨过的滚剪刀在使用时应根据刃磨量在主轴端面间安置调整垫片。调整垫片的厚度为 05，1，15，2Iltlm等四种。 第四章坡口机的液压驱动系统 海洋油气资源的开发是海洋开发的重要组成部分，其中海底破损油气管道的维修是海洋油气 顺利运输的必要保证。水下坡口机是管道修复过程中不可缺少的专业设备，是焊接管道的保障。 目前我国运用的设备从国外进口，而且自动化程度并不高。为了加快我国水下工程技术发展，特 研究了一种水下坡El 机。本文主要介绍坡口机的电液比例阀控系统及其仿真技术。 41 机械本体 本坡口机采用液压系统，特别适合恶劣环境下( 风沙、污泥、海水) 工作。适合海上钻井、铺 管及各种水上安装工程。坡口机主要由机械本体、液压动力源、微机控制系统组成。其中坡口机 本体包括主切削头、径向进给机构、周向爬行机构、导向链固定张紧机构和坡口刀片等部件，如 图1所示 (PRO E绘制 ) 。工作时，替水员进行水下安装，将可调节的驱动链条连接起来并扣紧在管 道上，然后调节张紧螺母使链条张紧，保证切削不打滑；然后坡El 机自动对管道进行作业，首先 进行径向铣削，径向铣透后再进行周向铣 42 液压系统 毕业设计论文 - 9 - 为坡口机设计的液压系统如图2所示，该系统由以下回路组成。 4.2.1 刀具回转回路 刀具回转回路该回路由齿轮泵1、齿轮分流器 2、电磁溢流阀 3、比例调速阀 4、马达 5组成，实 现刀具回转，且转速可变。比例调速阀具有的稳压作用改善了马达的动态特性。单向阀13用以提 高回油背压。 4.2.2 比例阀控爬行回路 该回路由齿轮泵1、齿轮分流器2、比例溢流阀 6、三位四通电磁比例换向阀7、马达 8所组成。 比例换向阀和转速传感器实现对爬行速度的调节，必要时还可以实现快进、回退。比例溢流阀调 节马达进油压力值大小，实现不同的材质采用不同的进给力。 4.2.3 安全回路 该回路主要由液控单向阀12组成，当刀具突然停止转动时，爬行马达8很快卸压，保证刀具和 机体不损坏。 4.2.4 径向进给回路 该回路由齿轮泵1、齿轮分流器 2、溢流阀 ll 、三位四通电磁换向阀9、液压马达 10、比例调速 阀14组成。实现刀具径向低速进给，当径向铣透后换向阀断电，径向进给自锁，即可进行周向爬 行进给。 4.3 控制策略及其仿真 水下坡口机的工作过程是一个铣削过程，铣削力的恒定控制对铣削过程有重要意义。本文采 取线调节液压马达工作速度和实时补偿马达进口压力，从而实现恒切削力控制的方案，目的是提 高加工效率和切削过程的稳定性。这是一种间接控制切削力的方法，比直接控制简便易行。根 毕业设计论文 - 10 - 据此装置工作的实时性很强这一特点，坡口机的控制系统采用两级结构，上位机采用PC 机，下位 机 采用单片机。上位机负责向下位机发布控制命令，采集坡口机切削过程数据，通过人机交互 接口实时显示坡口机的状态数据并修改控制命令。下位机负责采集来自传感器的信号，将这些信 号进行处理后发送给上位机，并接收来自上位机的控制命令，通过阀来控制坡口机完成相应的动 作。此系统中周向爬行速度采用闭环控制；周向进给力采用开环控制。径向进给速度和动力头转 速采用类闭环控制。周向爬行速度的液压驱动环节采用四边阀控制双向液压马达的形式。比例阀 的中位死区可以通过起始工作电流予以消除。只要在控制电流上叠加起始电流就可以把它看作是 零开口滑阀，于是可以利用伺服系 统的分析方法。 由于比例放大器及比例阀的频率远比液压马达固有频率高，可按比例环节处理，比例放大器 增益为，比例阀增益为K ，速度传感器按比例环节处理，比例系数为F ，在没有弹簧负载的条件 下，速度控制系统框图如图3所示。图 3 比例阀控马达速度系统图 其中 ： K。比例阀流量增益 D 马达排 量 K。 总流 量压力系数 Eh有效体 积弹性模量 I 外扰力 矩 h液压固有频率 h=2 EhD V,J h 阻尼比 第五章齿轮的设计计算 5.1 减速圆柱齿轮的设计 5.1.1. 已知 ：P=20KW 1 n=10rpm i=5 5.1.2. 初步设计 1、选取大齿轮材料为45 调质硬度为 240HBS 选取小齿轮材料为40Cr 调质硬度为 280HBS 2、初选小齿轮齿数为 1 Z=24 则大齿轮齿数 2 Z=i 1 Z=524=120 毕业设计论文 - 11 - 5.1.3. 按齿面接触强度设计 1t d2.32 2 1 3 1 tE dH K TZu u 1选取荷载系数 t k=1.3 2计算小齿轮传递转矩 54 1 20 95.5 103.315 10 10 TN mm 3由表 10-7 取齿宽系数 d =0.6 4由表 10-6 查得材料的弹性影响系数 E Z=189.8 1 2 Mpa 5由图 10-21d 按齿面硬度查得小齿轮接触疲劳强度极限 lim1 600 H Mpa，大齿轮接 触疲劳强度极限 lim2 550 H Mpa 6由式 10-13 计算应力循环次数 11 60 h Nn jL=602401（ 2818010） =4.147 8 10, 8 1 2 0.829 10 6 N N. 7由图 10-19 查得接触疲劳寿命系数 12 0.95,1.0 HNHN KK 8计算接触疲劳许用应力，取失效概率为1%，安全系数S=1，由式 10-12 得： 1lim1 1 2lim 2 2 0.95600 570 1 1.0550 550 1 HNH H HNH H K Mpa s K Mpa s 5.2 计算： 1试算小齿轮分度圆直径 1t d， 代入 H 中的较小值 1t d2.32 2 1 3 1 tE dH K TZu u =2.32 2 5 3 1.3 7.958 106189.8 0.65550 =145mm，取 1t d=180mm 2计算圆周速度V V= 11 180240 2.26 60 1000601000 t d n m s 3计算齿宽 b= d.1t d=0.6180=108 4算齿宽与齿高之比 b h ， 1 1 180 7.5 24 t t d m Z ， 2. 2 52. 2 57. 51 6. t hm， 108 6.4 16.875 b h 5计算荷载系数 ,71.05 v m 根据 v=2.26级精度，由图10-8 查得动荷载系数K s 100,1031.2 t HF F N KK bmm A K 直齿轮，假设由表查得 1021.0A由表查得使用系数 K 104 7由表，级精度，小齿轮相对支承悬臂，查得： 223 1.120.18 16.70.23 101.234 Hd Kb 毕业设计论文 - 12 - 6.4,1.234,10131.24 HF b KK h 由查图得故荷载系数 : AVHH KK K KK1.0 1.05 1.21.2341.555 6按实际荷载系数校正所得分度圆直径 3 3 11 1.555 180191.07 1.3 t t k dd k 7计算摸数 m= 1 1 d Z =191.07 24 =7.96 5.3 按齿根弯曲强度设计 1 3 2 1 2 FS dH Y YkT m Z 1 由图 10-20c 小齿轮弯曲强度极限 1FE =500Mpa ，大齿轮弯曲强度极限 2FE =380Mpa 2 由图 10-18 查得弯曲疲劳寿命系数 1FN K=0.90, 2FN K=0.94. 3 计算弯曲疲劳许用应力，取弯曲疲劳安全系数s=1.4， 11 1 0.9500 321.43 1.4 FNFE F KK Mpa S ， 22 2 0.94380 255.14 1.4 FNFE F KK Mpa S 4 计算载荷系数K= AVFF K K KK1.0 1.051.2 1.241.562 5 查取齿形系数，由表10-5 查得： 1Fa Y=2.65， 2Fa Y=2.14 6 查取应力校正系数，查表10-5 得： 1Sa Y=1.58, 2Sa Y=1.83 7 计算大、小齿轮的 FaSa F Y Y ，并比较大小， 11 1 FaSa F YY = 2.65 1.58 321.43 =0.01303 22 2 FaSa F YY = 2.141.83 255.14 =0.01535 大齿轮的数值比较大，则： 1 3 2 1 2 FS dH Y YkT m Z = 5 3 2 2 1.562 7.958 10 0.01535 0.624 =5.098 对比计算结果由齿面接触疲劳强度计算摸数m 大于由齿根弯曲疲劳强度计算摸数m，由于齿 轮摸数 m 的大小主要取决于弯曲强度所决定承载能力，而面接触承载能力仅与齿轮直径有关，故 可取由弯曲强度计算的摸数m=5.098 圆整并取为6mm。 故 1 Z= 1 d m = 191.07 6 =32 毕业设计论文 - 13 - 21 5 32160ZiZ 5.4 几何尺寸计算 1分度圆： 111 506300dZ m， 222 275 61650dZ m。 2中心距： a= 12 192800 496 22 dd 3齿轮宽度： 1 0.6 192115 d bdmm h=16.875 2 B=115mm， 1 B=125mm。 5.5 验算 5 4 1 1 27.958 10 1.03 10 192 t T F d N 4 1 1.0610 72.08100 115 At K F mm ss b ， 结果合适。 第六章轴的设计 6.1 轴的选择 设计轴要承受锥齿轮的径向和同等的轴向载荷，根据机械传动方案的整体布局，拟定不同的 轴上零件布局和装配方案，分析比较后选用图所示的装配方案。 6.1.1 选择轴的材料 该轴传动功率为10KW ，选用 45 钢，调质处理，其力学性能由表211查得640 b MPa， 355 a MPa， 1 275MPa， 1 155MPa， 1 60MPa，207 s MPa， 0.2，0.1，由表2123查得115A。 6.1.2 初步估算轴的直径 由公式初步估算的轴径为 mm n P Ad4.30 540 10 1153 3 min 考虑装联轴器加键，将其轴径增加3%，故取轴的直径为30.4+（ 30.4×3%）=31.3，取轴的最 小直径为32mm。 毕业设计论文 - 14 - 6.2 轴上零部件的选用和轴的结构设计 6.2.1 初步选择滚动轴承 根据轴的受力，选取30000 型圆锥滚子轴承。为了方便轴承的装配，取装轴承处轴的直径为 35mm,初步选定圆锥滚子轴承为31307 型，其尺寸为d×D×B=35mm ×80mm×23mm。定位轴肩 高度为 4mm。 6.2.2 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 轴的直径取最小直径，同时与万向联周器的内径相匹配，为32mm。轴的顶部有一个圆孔， 用于和万向节的固定连接。2-3 轴段为与轴承相配合的轴段，根据所选取轴承的尺寸规格，即d× D×B=35mm ×80mm×23mm，选取轴的内径为35mm，轴的长度为25mm，轴肩取4mm。 3-4 轴 段为过度轴段，选取其几何尺寸为43mm×80mm。4-5 轴段为轴承配合轴段，其基本尺寸与上面 所讲的 2-3 轴段相同。 5-6 轴段为与锥齿轮啮合的轴段，为安装轴段， 其基本尺寸为32mm×55mm, 其上有键的选择，选择键时根据轴的内径尺寸，选择键的尺寸规格为10mm×8mm×25mm。 则轴的总长度为 总 l30mm+80mm+25mm+65mm=200mm 至此，已初步确定了轴的各段直径和长度。 6.2.3 轴上零件的周向定位 锥齿轮与轴的轴向定位采用平键联接，键的尺寸由表94查得，锥齿轮与轴联接的键b× h ×l=10mm ×8mm×25mm（109579GB） 。 6.2.4 确定轴上倒角和圆角尺寸 参考6403.486GB取轴各处的倒角和圆角尺寸，见装配图。 6.3 轴的受力分析 6.3.1 作出轴的计算简图 对各轴段进行受力分析，得到的计算简图如图所示。 6.3.2 轴受外力的计算 轴传递的转矩： 44 1 0.132 9.55109.5510 7.5 P TN mm n 168080N mm 槽轮的圆周力： 1 22 168080 2367 142 t T FNN S 6.4 轴的较核 毕业设计论文 - 15 - 6.4 .1 轴材料的疲劳强度极限 对 45 号钢调质，查得 1 275MPa 1 155MPa 求两危险截面的性能参数W、 T W（安全系数法要求有较精确的计算）。 截面B处有键槽14mmb，5.5mmt，则其抗弯、抗扭的截面系数分别为 3232 3()50145.5(505.5) 10747mm 32232250 B dbt dt W d 32 3 T () 23019mm 162 B dbt dt W d 截面C的抗弯、抗扭截面系数，可按花键轴的公式计算如下，式中： 键的宽度b按照分度圆上齿厚取为0.50.534.71mmsm； 大圆直径D即为轴齿轮的顶圆 a33 2602 366mmddm； 小圆直径d即为轴齿轮的根圆 f33 2.5602.5 352.5mmddm； 花键的齿数z亦即轴齿轮3 的齿数 3 20z。 于是，得 42 3()() 19756mm 32 C dzb DdDd W D 42 3 T ()() 39511mm 16 C dzb DdDd W D 6.4.2 考虑弯矩的作用（弯曲应力按对称循环）计算安全系数 应力幅 a 588800 54.8MPa 10747 B B B M W a 959000 48.5MPa 19756 C C C M W 平均应力 mm 0 BC 安全系数 11 aa 275 2.3 2.2 54.8 B BmB S KK 1 a 275 2.6 2.248.5 C C S K 结论：轴的强度足够。 第七章工作原理 毕业设计论文 - 16 - 7.1 机体结构 工作原理：本坡口机工作是先将工件（管道）置于机器中间腔内，夹紧，然后进行切割和坡 口作业。 机体由三个三角托架围成一个三角形空腔，套在工件上。 毕业设计论文 - 17 - 7.2 夹紧原理 三角托架上附有夹紧的爪子 将工件夹紧。 夹紧的爪子由丝杠连接，用以调整爪子的伸缩，进而实现工件的夹紧。 毕业设计论文 - 18 - 7.3 传动原理 夹紧后，由液压马达输出的转矩，经减速器后传给主动轴 再由主动轴传递给主动小齿轮 毕业设计论文 - 19 - 主动小齿轮与大齿轮齿合，进而实现大齿轮的转动。 大、小齿轮的边缘处都有滚道相配合，限制大齿轮转动时在水平方向的自由度。使切割过程 可以正常进行，不至于作业时，齿轮来回摆动，甚至滑出。 7.4 进刀原理 刀架由螺栓固定在大齿轮面上，两刀架在大齿轮的直径方向对称固定，随大齿轮的转动而运 毕业设计论文 - 20 - 动。 坡口刀固定在刀架的滑块上，随滑块的运动而运动，滑块内有进刀丝杠，实现刀的进给。 为实现坡口的切削，刀架中滑块的下端面设计成斜坡行，大齿轮与刀架接触的对应端面也设 计为斜坡行，与刀架端面相配合，实现刀横向进给的同时又有纵向进给。大齿轮内边缘有固定不 转动的环行螺旋，与刀架内的丝杠配合，实现进刀运动。 毕业设计论文 - 21 - 结 束 语 毕业设计，是大学学习生活的一个最重要的环节之一，这次设计是对以往所学知识的一次验 证，要求我们对以往所学的理论和实践相结合，是对大学以来所学知识的一次全面总结和加深， 是我们素质和能力的一个全面的体验。毕业设计过程中，我多次去了国家知识产权局调研资料， 发展状况，去过工厂，实地考察机器的外行、结构和性能，在网上搜寻了大量资料，综合分析， 确定研究方向，并与同学交流，互相帮助。使我体验了团队精神的重要性，和同学之间友谊的坚 固性，使我们成为一生的朋友和知音。锻炼了我的独立思考能力和与他人的交流能力。点滴积累， 最终圆满完成了本次毕业设计。这次设计不仅为我以后的工作坚定了信心，也为我的生活增添了 光彩和美好的回忆。 毕业设计论文 - 22 - 致谢 写到这里时，我的心情已经变得激动。大学以来难度最大的，历时十六周的，最完整的一次 设计就要画上一个圆满的句号了。兴奋之余，我最先想到的是要感谢一直关心，督促，帮助我的 王科社老师。王老师一直以严谨的治学作风，高尚的治学态度，和持之以恒的治学精神教导我们， 以独立设计的治学观点感染我们，教会我们无论艰难困苦，都要坚持不懈地努力，自己的事情自 己做，一点一滴，克服万难，将毕业设计独立而完整的完成。同时也要感谢学校，在过程中给予 百分之百的支持、重视和敦促。 通过这次设计，我坚定了以后进入工作后的信心，感受到，无论再困难的事情，只要坚持不 懈，刻苦努力，就一定会完成！ 至此，再次向学校的各级领导、老师表示深深地感谢！ 毕业设计论文 - 23 - 参 考 文 献 1 钱昌黔耐热钢焊接北京：水利电力出版社，1998 2 斯重遥焊接手册北京：机械32业出版社， 1992 3 BS4515 1984 Appendix H ：Process of Welding of Steel Pipeline 0n Land 4 MANDIANG Y，CISS A，SISSOKO G ，et a1Influence ofthermal aging 0nmicrostructuml evolution and mechanical properties in titanium modifiedtype 316 stainless steel containing phosphorusMaterials Science andTechnology，2001，17(3) ：315 320 5 GOTOTStudy on residual cIeplifeestimation usiI1gmn VelUerialproperies tests Mitsubishi Tedmieal