大型翻转提升机构的结构设计.docx
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大型翻转提升机构的结构设计
大型翻转提升机构的结
构设计
・CAL・FENGHAI-（2020YEAR・YICAI）_JINGBIAN
大型H钢翻转提升机构设计
我国现如今的工业水平不断地发展，H钢运用的领域越发广泛，在提升和翻转那些笨重、体积很大零件不能只靠人力去完成，为了提高生产效率需要设计出一种设备来解决此问题。
在设计的同时需要考虑到传动装置变松以及润滑等问题。
本文首先对翻转机提升类型从其特点进行分析到选择，选择出链式翻转机构和液压式提升装置，对H钢翻转工作进行分析，设计岀符合要求的元器件如轴，齿轮，皮带等，对部分件进行校核，为了元件相互协调配合，设备运行平稳。
最后设计岀液压与电气系统组合，从而形成一套完整的工作体系从上升正反翻转、制动、下降。
提升机构选择形式为液压式，优点是重量轻、容易实现调速、使用寿命长。
缺点是油液对密封装置要求比较严苛容易泄露。
翻转机构使用链式传动，优点是摩擦性好、成本低。
缺点不耐冲击、质量大。
关键词H钢；翻转机构；提升机构
DesignofLargeScaleHSteelLiftingMechanism
Abstract
Chinaisnowthelevelofindustrialdevelopment,Hsteelusedmoreandmorewidelyinthefield,liftingandturningoftheheavyandlargepartscannotonlyrelyonmanpowertocomplete,inordertoimprovetheproductionefficiencyweneedtodesignadevicetosolvethisproblem.Atthesametimethedesignshouldtakeintoaccounttheloosegearandlubricationproblems.
Basedontheanalysisofthetypesofhoistingmachineturntochoosefromitsfeatures,chooseachainturnovermechanismandahydraulicliftingdeviceforHsteelturningworkanalysis,designedtomeettherequirementsofthecomponentssuchasshaft,gear,beltandsoon,tocheckthepart,asthecomponentsofcoordination,equipmentrunningsmoothly.Finally,thehydraulicandelectricalsystemiscombinedtoformacompletesystemofwork,fromrising,reverse,brakinganddescending.
Theselectionofliftingmechanismishydraulic,withtheadvantagesoflightweight,easyrealizationofspeedcontrolandlongserviceI讦e.Thedisadvantageisthattheoilonthesealingdevicerequirementsaremorestringent,easytoleak.Theturnovermechanismadoptschaintypetransmission,andhastheadvantagesofgoodfrictionandlowcost.
Disadvantages,noimpact,highquality.
KeywordsHsteel,turnovermechanism,liftingmechanism
摘要
AbstractI
第1章绪论错误!
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课题研究的背景及意义错误!
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国内外研究现状错误!
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国外发展现状错误!
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国内发展现状错误!
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本课题的研究内容错误!
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第2章翻转提升机构的总体设计错误!
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翻转和提升机构采用形式的确定错误!
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翻转机构的确定错误!
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提升机构的确定错误!
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H钢翻转的工作原理错误!
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大型H钢翻转提升机构的简图错误!
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本章小结错误!
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第3章翻转提升机构的结构设计错误!
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链条及链轮的选择设计错误!
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链条的设计选择错误!
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链轮的设计选择错误!
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滑轮的设计选择错误!
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润滑油的选择错误!
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电机的选择错误!
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带传动及齿轮的设计及计算错误!
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皮带传动的设计错误!
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V带轮的设计错误!
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皮带张紧装置的选择错误!
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轴的结构设计与校核错误!
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轴的设计计算错误!
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滚动轴承的校核错误!
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键的校核错误!
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本章小结错误!
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第4章翻转提升机构的液压与电气的系统设计错误!
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机构液压系统的设计错误!
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液压缸的设计及计算错误!
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液压系统的原理及元件选择
机构电气控制系统设计
机构的系统工作过程
本章小结
第5章三维模型的建立
建立零件
零件图的装配
三维模型
本章小结
结论
致谢
参考文献
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17/I=：
A
1.1课题研究的背景及意义
现如今社会经济飞速发展，国家不断强调工业并大力投入工业设计发展，建筑业与大型工业更是不断发展，像大型H钢这样的钢型会用到很多，所以有着大量的。
注重钢材的可持续发展经济与节约使用是实现钢材向绿色环保发展的必经之路。
所以要大力推广与应用，放长远的眼光来看H钢的需求必然很大。
制造业是国家实现新工业文化的基础保证。
大型工件的制造体现了国家的工业文化水平⑴。
在生产与制造大型构件中，很多时候都需要大型翻转机来改变工件的位置。
这些年来由于板材的价格上涨也带来了很多利好，钢材的价格也在持续上涨，同时H型钢的市场也逐渐回暖，国内与国外在H型钢的价格差距逐渐变小，有利于国内钢材对外岀口。
例如现有的翻转机构來说，有CL型、U型、和L型等翻转机，但是他们都有的缺点就是；承载能力较低，并且翻转的自由度单一，翻转的角度也很单一，不能同时满足生产环节中个工序的翻转要求⑵。
被运用到翻转机构的场合，最常见的就是在焊接生产中，当H钢一面完成焊接后，这是需要将工件翻转为了方便加工另一面。
但是H钢重量很大，只靠人力将其翻转是很困难的，这时就需要专用的翻转设备，在大量生产时，为了使生产效率提高，就需要这样的机构。
本次研究的课题大型H钢翻转提升机，就是为这种场合下产生的设备。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外发展现状
自19世纪初期，卢森堡建立了成世界第一个热轧H钢生产线，此后H型钢生产与设备都有了很大的发展，在50年代和80年代掀起两次发展高潮。
到了80年代末，世界H钢产能量可以达到2000万吨，占世界钢材总产量的3%亠6%,现世界H型钢轧机有将近100套，存在20多个国家。
下面以日本H型钢生产现状为重点，初步探讨国外H钢发展的现状。
日本是二次世界大战后经济发展最快的国家之一，与经济发展同步的H型钢的发展过程是值得我国研究与借鉴的。
到1973年日本钢的总产量就达到万吨，其中H钢产量为万吨，H钢占了一半还多，H型钢结构也因此得到了广泛的发展与使用拿轻型H钢举例；在日本，轻型H钢主要用于低层或多层厂房，公共建筑物等。
这样制造可以效率，但是对材料精度和设备自动化也提出了新要求，轻型H钢最适合建筑这样的工业化住宅。
1992年日本钢生产量为1040万吨，其中H钢占％,产量为万，占型材结构的一半以上，H型钢运用的领域越来越广，甚至取代了工字钢，使得工字钢产量降为万，仅占％,这也使H钢的质量与技术水平得到快速发展。
1972^1992年日本累计生产H钢万吨（出口2000万吨）按日本人口□000万计,累计人均消费为640kg,人均年消耗32kgo
俄国与加拿大的矿产资源非常丰富，日本进口来源多从这两个国家。
日本的企业用投资或者是买股份的形式这这两个国家拥有很多资源，这样也可以弥补一些国家本身的不足，从而的到长远的发展。
日本除了对这两个国家进行投资或者是买股权，还对很多国家分布全球，参股，战略合作，合资等，这样能更好的分散风险，降低成本，可以分享世界经济成长的果实，得到稳定发展。
为了能更好的融入市场，日本也调整了进出口结构，进口一些低档一般的原料，通过本国先进工业加工水平进行加工，相当于从毛胚到成品的过程，出口世界各国，从而获得非常丰厚的利润。
就利用这样的产业链日本已经处在世界上游，加上前面所说的对各国投资、战略合作等，达到利润最大化同时也可以打击对手的目的。
1.2.2国内发展现状
我国H型钢的生产起步较晚，直到上世纪90年代马钢才能生产出以下的小型H型钢，由于生产力不强无法完成量化生产，直到1998年才完成这个目标。
现在通过国家统计句数据来说明04到14年这10年间钢铁的发展如图1-1o
■A灵：
75吨
图1-12004-2014年中国型钢产量走势图
在通过04年到14年这10年我国H型钢细分品中产量统计如表l-lo
表1-12004-2014年我国H型钢主要细分品种统计（万吨）
年份
大型H型钢
中小型H型钢
钢型合计
2004年
2005年
2006年
2007年
2008年
2009年
2010年
2011年
2012年
2013年
2014年
从总体这10年來看，虽然在偶然存在今年产量不如往年的现象，但是总的产量还是在稳步提升的，对于品种分析可看出，每个时期对于H型钢种类的需求也是不同的，都是在为市场做调整，总体来说H型钢的需求在不断增加。
马钢是我国第一个生产H型钢的企业，现加以介绍。
马钢公司H型钢厂从国外公司引荐生产技术和设备，一期工程年生产能力60万吨以生产H钢为主。
在H型钢的生产中都是由计算机控制，计算机控制系统有三级、一级为基础控制级、二级为过程控制级、三级为工厂管理控制级。
总体来说这是一条在我国也可以说是世界上都十分先进的刚型生产线。
它的建成也增强了我国生产H钢的技术水平。
图1-2为马钢生产的H型钢铁。
图1-2马钢生产的H型钢材
就最近儿年来说我国生产刚型的技术与水平离世界先进水平很接近甚至可以说是能达到。
对以后来说进步技术，设备提升已经不是主要目的，主要是为了满足用户需求才是目的，目前我国刚型型材标准只能满足工业生产，国外的标准也无法满足我国的标准生产。
同时尺寸公差，钢铁化学成分纯净度，表面质量等各个方面来说，我国与发达国家相比还是有一定的差距。
13本课题的研究内容
大型H钢翻转提升机构，主要就是为了研究大型H钢的翻转与提升装置两部分。
主要内容有；
1•查阅相关资料，了解大型H钢翻转提升机构国内外现状、特点、差距基本确定研究方法及研究思路，撰写开题报告；
2•做出大型H钢翻转提升机构的总体方案；
3.计算出大型H钢翻转提升机构的主要参数；
4•完成大型H钢翻转提升传动系统、电气与液压设计。
第2章翻转提升机构的总体设计
2.1翻转和提升机构采用形式的确定
2.1.1翻转机构的确定
翻转机构的作用是将工件做沿着轴做翻转运动，使工件变换有利位置更好地进行加工⑸。
现在翻转机构有很多类型可以参考，例有头尾架式、框架式、链式、环式、推举式等，如表24所示翻转机构的种类。
这些翻转类型都可以使用在实际不同的生产中，但是在我国还没有对翻转机形式制定标准，只有头尾架式有系列标准。
表2-1翻转机构种类
形式
变位速度
驱动方式
匸作特点
头尾架式
可调
机电
环形焊缝，运用于轴类和椭圆形焊件，旋转变位
框架式
恒定
机电或液压
用于较长焊件，倾斜变位
链式
恒定
机电
用于自身刚度强的工件翻转变位
环式
恒定
机电
用于自身刚度强的工件翻转变位，在大型构件的组对与焊接应用中较多
推举式
恒定
液压
用于倾斜变位，装配和焊接在同一工作台上进行
由工作特点分析，对翻转种类的最后三种进行重点分析和选择，作为
大型H钢的翻转机构。
现在分析这三种形式，选择出最合适的形式。
如下图2-1为采用链式的翻转机构所示。
1•链轮2.链条钢4.支架5.张紧轮
图2-1链式翻转机构
链式翻转机构由图看岀，其结构形式比较简单，因为H钢用链条的支撑，其优点是价格便宜、來源广泛且已加工，利用链传动运行平稳。
缺点就是链条之间的焊接很麻烦费吋间，对焊接和夹具的都是有要求的。
环式翻转机构结构形式如下图2・2所示。
与链式翻转相比环式翻转机构得缺点就是在翻转同样的H型钢时，环式翻转机构的结构复杂、体积较大。
有点就是环式机构在翻转大型钢件的效率高。
ffl-
1.拖轮2.支撑环3.钝齿轮4.驱动装备
图2-2环式翻转机构
推举式翻转机构结构如下图2-3所示。
推举式翻转机构的优点就是，机构也比较简单，缺点是这种结构翻转的自由度单一，每次翻转都无法回到原来的位置，需要人工操作复位，所以翻转效率比较低。
1.翻转工作台2•推拉式轴销3.举升液压缸
图2-3推举式翻转机构
综合分析三种翻转机构的工作特点，最后选择用链式翻转。
这样提升机构选择的问题就解决了。
链式翻转机构组成主要由链条、链轮、电动机、张紧轮等组成。
链条连接方式也是两种，有片式关节链和环形焊接链。
与焊接链做对比第一种片式的运动平稳且可靠。
缺点是片式关节链条的价格比较高、并且容易生锈和近灰。
链条本身优点抗腐蚀性很强，摩擦性能好、且传动机
构尺寸较小。
缺点就是链条之间相连的刚度强度很低，在有一定的冲击下容易损坏、不适用于高速提升。
由于翻转机本身在工作中有一定的冲击，考虑到安全和稳定的，最后选用片式关节链。
2.1.2提升机构的确定
提升机构分两种；一种为机械式，另一种为液压式。
1.机械式起升机构包括：
（1）绳索卷绕式起升机构；
（2）链条卷绕式起升机构。
2.液压式起升机构
（1）压缸起升机构；
（2）压马达升机构。
2.1.2.1机械式提升机构的应用
目下图2・4所示，新型地下垃圾桶就是典型的利用机械式提升机构作为主要提升方式作出的产物⑹。
对于普通的垃圾桶来说，垃圾箱的制作存在很多不足，一般垃圾都是在地边上堆积很占空间，尤其是对于夏天苍蝇很多更是有异味，对于城市面貌更是大大减分。
它的出现恰恰就是解决这一问题的它解决了，它的优点就是节省空间且清理方便、成本低、可以减轻工作人员的工作强度⑺。
该提升机构有附件、省力与减速机构。
工作人员在清理垃圾时，摇动手柄使链轮1转动。
上升时利用棘轮转动，2摩擦片不发生作用；下降时，2摩擦片啮合，通过摩擦减小冲击。
链轮2转动，链轮2再带动滚筒5转动，转动将绳绞起来，拉底板5向上升起，垃圾桶放在底板上，底板上升就可以把垃圾桶提升上去。
（a）新型地下垃圾桶主视图（b）新型地下垃圾桶左视图
•链轮3.滑轮组4•滚筒5.底板
图2-4地下垃圾桶提升机构主视图
2.1.2.2液压式提升机构的应用
平行四边形机构在各类液压升降设备被中广泛使用，因为其结构可以放大工作，但是顶升的工作方式。
如图2・5就是利用其结构的特性来设计的液压式提升机构。
1.提升机构2.航标浮筒3.清洗刷1.1号液压缸2.2号液压缸3.提升滑块
图2-5长江航标浮筒清洗装置图2-6机构运动简图
工作臂上有很多刷子，通过刷子的工作臂在轨道上下运动和自身摆动这样就可以清洗浮筒。
工作臂的上下运动由液压缸的提升机构来带动。
如图2・6机构运动简图可看出，工作臂连接在滑块，平面运动构型为四边形，可以稳定工作。
装置由滑轮引导在轨道中上下升降，滑块在垂直中心线上运动，这样可以使两液压缸实现机械同步。
平行四边形提升机构优点就是构造简单、结构紧凑。
液压提升机构多用此机构实现升降。
1.两种提升机构的比较
机械式提升机构的执行构件通常选择钢丝绳滑轮组，特点为提升范围比大适用于大型钢件，缺点是提升结构复杂。
也有齿轮齿条组合，但这种组合只适用于提升小型钢件。
液压式提升机采用的动力源是液压，用液压缸进行提升。
其运行平稳并且使用寿命很长，但是由于是液压式需要用到油液，油液容易随温度变化并且如果密封不好还容易出现泄露等等一些问题。
机械式提升机构的提升方式为提拉式，而液压式提升机构的提升方式为推举式。
都有优缺点当然还需根据工作环境及要求选取。
从本次研究的课题角度出发，考虑到液压式提升机构的装置重量和体积相对于机械式来说更轻也更小，并且更耐冲击，结构也简单。
前提是相同功率驱动，还是选择液压式提升机构。
2.2H钢翻转的工作原理
工件在链条上最开始的状态如图2・7。
重心在AB中间，当链条转动的时候。
链条顺时针转，重心慢慢偏离B点，靠近A点，因为翻转钢件与链条的接触点开始发生变化，B点离开链条，向左翻转。
AB
1•链轮2.链条图2-7翻转过程
如图2・8（a）重心G偏在A的右侧，如果翻转H型钢，就需要一个滚转力使重心偏在A点的左侧，来使H钢继续翻转。
如图2・8（b）此吋重心G在A的左侧，惯性使工件继续翻转，如果想要停止翻转，需要一个阻止力需要大于惯性力，如果需继续翻转，需要H钢的惯性力大于阻力矩，这样使H钢的重心G逐渐偏向在A点的左侧，否则H钢翻转将停止转动。
链条的摩擦力如果摩擦力足够大，就不换产生大话现象，也不会影响H钢的翻转。
同时要求H钢有足够大的翻转速度来克服打滑现象。
但是H钢
（a）H钢重心在右侧（b）H钢重心在左侧
图2-8H钢翻转过程简图
2・3大型H钢翻转提升机构的简图
可以翻转最大的H型钢尺寸的为：
18mX6mX12m,最大能承受的重量是10吨。
现设计大型H刚翻转提升机构的布置见图如下图2-9o由于到H型钢重量非常重也非常大，单个机构是无法完成提升与翻转，需要两个或者两个以上工作台配合完成此过程。
每一个工作台的尺是不同的其中1
与2之间的长度为4m,2和3之间的长度为7m。
个设备间都设计有辐道，每个设备都是相同的只是间隔不同，都配有制动器来控制工作。
1.I号翻转架2.11号翻转架3.III号翻转架4.険道图2-9大型H钢翻转提升机的布置
2.4本章小结
本章翻转提升机构的总体设计就是为了解决翻转的形式与提升形式的选择。
通过对翻转机构形式的类型特点与应用的分析最终选择了链式提升形式。
提升形式选择为液压式，最后对翻转提升如何运动做以确定，做了一下机构简图，做到了主体确定。
第3章翻转提升机构的结构设计
3.1链条及链轮的选择设计
3.1.1链条的设计选择
1•链条的选择
如下图34,翻转机构，翻转机构主要由链轮，链条，张紧装置，通过链条转动使H钢翻转。
分析如图3-2o
计算拉力F见式（34）：
1
50000
——x
2siii50°
链条拉力F为34355No查手册，选择LH0866型板式起重链条。
基本参数如下表
表3-1LH0866型板式起重链条参数
名称
参数
相见节距P
板数的组合
6X6
最大拉伸载荷Q
2.链条的长度初步确定链条长度;
厶=V12502+10002=1601iiini
厶=710502+10002=1450mm
L=2（厶+厶）=2x（1601+1450）=6102mm
考虑到链轮部分的链条长度没有算入，所以取L为6200mm。
3•确定链条的节数
计算链条节数见式（3-2）:
LP=-=竺凹=488.2节（3-2）
P12.7
取Lp=490节。
式中：
Lp为链条的节数，厶为链条的长度，P为链条的节距。
3.1.2链轮的设计选择
链轮采用整体式钢制小链轮，结构形式如图3・3。
图3-3链轮结构
参照下表3・2链轮基本参数。
表3・2链轮基本参数
名称
数値
（mm）
计算公式
配用链条节距P
查手册
配用链条的滚子外径dl
配用链条的排距Pt
Pt=3bo
分度圆直径d
68
v0.5x60
d=——二=68mm
Tin141x3.14
齿数Z
17
180
Z==15.05取z得17
•Parcsin—d
内径dk
35
/
齿顶圆直径da
77
一d+
（1）pd]-74.385irni
齿根圆直径df
63
df=d_d、=62.8811111
分度圆旋齿高ha
5
AQ
=（0.625+—）p-0・5%=5.975innz
每min=°・5（p-dJ=3.79mm
轮毂厚度h
h=k+—+0.01J=11.31mm
6
轮毂长度1
36
「=2・6h=29.911111
轮毂直径dh
58
dh=dk+2h=581ml
齿宽bf
切=0.91（2%）=3.7856nun
表中：
v为设计链速，n为链轮转速，k-常数，503.1.3滑轮的设计选择
滑轮与轴相连接配合，同时滑轮又与链轮配合使其转动从而带动大型H钢进行翻转运动，所以滑轮的设计选择是很重要的。
因为链条特殊的布置形式，要设计一个滑轮，这样可以将链条拉紧，以防链条运动的吋候发生接触，这样传动效率会提高很多。
滑轮结构形式如下图3・4,滑轮设计参数见表3・3。
图3・4滑轮的结构表3-3滑轮设计参数
名称
数值（mm）
计算公式
D
80
/
轮槽直径Di
140
Dmin=5P=63.5mmL
轮缘直径D2
160
Amin=p+勺+d2=157.41mm
轮缘间宽b
30
b•=1.O5Z?
=29.39mm
mi
升级会员 