皮带运输机托辊支架自动喷丸喷漆机滚筒及皮带自动纠偏装置设计硕士学位论文Word文档格式.docx
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1绪论
1.1课题研究背景及目的
皮带输送机广泛用于矿山、港口、钢铁等行业的物料（尤其是散料）运输。
喷丸是用来清除厚度不小于2mm的或不要求保持准确尺寸及轮廓的中型、大型金属制品以及铸锻件上的氧化皮、铁锈、型砂及旧漆膜。
是表面涂（镀）覆前的一种清理方法。
广泛用于大型造船厂、重型机械厂、汽车厂等。
喷丸强化是一个冷处理过程，它被广泛用于提高长期服役于高应力工况下金属零件，如飞机引擎压缩机叶片、机身结构件、汽车传动系统零件等的抗疲劳属性。
喷丸强化，是在一个完全控制的状态下，将无数小圆形称为钢丸的介质高速且连续喷射，捶打到零件表面，从而在表面产生一个残余压应力层。
表层下，压缩的晶粒试图将表面恢复到原来形状，从而产生一个高度压缩力作用下的半球。
无数凹陷重叠形成均匀的残余压应力层。
最终，零件在压应力层保护下，极大程度地改善了抗疲劳强度，延长了安全工作寿命。
所以喷丸工艺的广泛应用需要自动化的装置来提高工作效率。
结合科研课题，针对皮带运输机托辊支架的结构特点和喷丸/喷漆工艺要求，设计皮带运输机托辊支架自动喷丸/喷漆机，以提高皮带运输机托辊支架的喷丸/喷漆效率，保证喷丸/喷漆质量，改善喷丸/喷漆劳动环境，降低操作工人劳动强度，保障操作工人的安全。
1.2自动喷丸/喷漆装置的发展现状及趋势
喷丸工艺对于工件表面的清理方面，可用作对金属的锈蚀层、热处理件表面的残盐和氧化层、轧制件表面的氧化层、锻造件表面的氧化层、焊接件表面的氧化层、铸件表面的型砂及氧化层、机加件表面的残留污物和微小毛刺、旧机件表面等进行处理，以去除表面附着层，显露基体本色,表面清理质量可达到Sa3级。
对于工件表面涂覆前的预处理方面，可用作各种电镀工艺、刷镀工艺、喷涂工艺和粘接工艺的前处理工序，以获得活性表面，提高镀层、涂层和粘接件之间的附着力。
对于改变工件的物理机械性能方面来说可以改变工件表面应力状态，改善配合偶件的润滑条件，降低偶件运动过程中的噪音。
可使工件表面硬化，提高零件的耐磨性和抗疲劳强度。
对于工件表面的光饰加工，可以改变工件表面粗糙度Ra值。
可以产生亚光或漫反射的工件表面，以达到光饰加工的目的。
由于喷丸工艺具有可以任意使用金属或非金属弹丸，以适应清理工件表面的不同要求；
清理的灵活性大，容易清理复杂工件的内、外表面和管件的内壁，并且不受场地限制，可将设备安置在特大型工件附近；
整机投资少，易损件少，维修费用低；
清理效率低，操作人员多，劳动强度大的特点，所以广泛地用于生产之中，然而实际生产中除了大型的喷丸/喷漆房之外，很少有结构简单，通用性强的自动喷丸/喷漆装置，大多由喷丸/喷漆工人手工完成，不仅效率低下而且有害工人健康（如图1.1）。
由其优秀的生产特点及广泛的实用性和自动化装置的匮乏决定了该工艺自动化发展的必然性。
图1.1喷房及喷丸工人
1.3课题研究方法
查阅有关皮带运输机构的设计，结合企业实际生产情况，通过方案提出、讨论、否决、确定的方式，确定设计方案。
使用autoCAD绘制二维零件图及装配图，使用UG绘制三维图及运动仿真。
1.4论文的构成及研究内容
本文的构成及主要的研究内容包括：
1.绪论：
概述了本次课题开题的前提背景，介绍自动喷丸工艺的发展现状及其前景等。
2.自动喷丸/喷漆机构的方案设计：
根据设计要求初步拟定几种方案，对各种方案分析并对比，确定最终方案。
3.自动喷丸/喷漆机构方案下滚筒的设计：
据选好的自动化装置方案对重点部分，即滚筒装置的进行分析设计，进行CAD绘图与三维建模，虚拟装配验证等。
4.机构强度校核及运动装置的行程计算：
为满足设计要求，计算所设计装置的运动行程；
校核所选材料的机械性能，标准件进行选择。
2自动喷丸/喷漆装置总体方案设计
2.1设计的总体要求
针对皮带输送机托辊支架的结构特点和喷丸/喷漆工艺要求，设计皮带运输机托辊支架自动喷丸/喷漆机滚筒及皮带自动纠偏装置。
喷丸房、喷漆房尺寸：
8000mm（长）×
3000mm（宽）×
3000mm（高）。
适应多种形状（V型、U型等）和尺寸（长度800~1800mm）托辊支架零件的双面喷丸、喷漆。
年生产纲量：
40000件/年。
在此要求之上的设计同时也要求树立正确的设计思想和正确的生产观、经济观和全局观。
2.2方案的提出
2.2.1分析设计的总体要求
（1）要设计的装置必须具有可行性，适用性，适合实际生产中各种尺寸的托辊支架的喷丸/喷漆工艺。
（2）要设计的装置必须是高自动化的，才能根本提高工艺效率。
2.2.2两要求具体分析
（1）由可行性要求了装置大小必须为7000×
3000×
3000左右，以便在厂房安装，使用；
由于尺寸较大，故要求尽可能地节约用材，以降低其重量，方便安装，调试及今后的拆卸维修，也提高运作的安全性。
同时可行性决定了不能使用价格昂贵的自动喷丸房设备，需要整体构思整条生产线的布置、装配、生产流程，保证经济性与资源的最大、最合理利用。
（2）由高自动化的要求决定了该装置需要在生产中实现较高的喷丸/喷漆效率，在喷丸，喷漆工艺装换中能够实现连续不间断地工作。
工作中能够保证喷丸/喷漆密度的情况下尽可能同时，大量，不需要手动翻转地实现托辊支架内外侧，不规则处的高效喷丸/喷漆。
并且由于托辊支架的实际生产有尺寸变化，所以需夹具能够调节外形、间距以保证所有的工件都能实现加工。
最后，也要求了装置能够简单地安装，卸载工件及可以由尽可能少的工人操作。
2.2.3较可行方案的提出
在经过任务分析之后，确定要设计一条能够满足企业年产量，适合企业生产规模的自动化生产线，考虑到经济性和适用性，方案要简单可行，并且能适用于各个规格的托辊支架的喷丸/喷漆工艺。
（1）方案1，如图2.1所示：
构思由吊钩式环形生产线实现生产。
在房屋顶部安装环形夹具，由电机带动作环形运动，一次吊起多个红色的工件，同时在环形线边上安装喷枪，喷枪同样由电机带动作上下运动，速度与工件前进速度相匹配，实现自动喷丸，同时在喷漆房同样安装此设备实现喷漆。
图2.1吊钩式环形生产线示意图
（2）方案2，如图2.2所示，搭建简易自动抛丸房。
由于抛丸工艺较容易实现自动化，半自动化。
所以可以在厂房内搭建方形抛丸房，传送轮可以由一个厂房延伸至另一个厂房，以实现连续的抛丸，喷漆工艺。
图2.2抛丸房自动生产线
（3）方案3，仿车削加工原理。
在两个厂房之间搭设轻型轨道，上面安装小车1，车上固定一个空心滚筒，空心滚筒由电机带动旋转，滚筒上装有长度、形状可调节的夹具以夹持托辊支架。
滚筒内外侧配备能平行于轨道运动，并且安装有喷丸，喷漆枪的小车2、3。
一次装夹后开始工作，滚筒匀速旋转，小车2、3匀速协调前进，如同车削一般实现表面处理。
当喷丸工艺完成之后滚筒整体由小车1带至喷漆房进行同样的工作，最后一次卸载。
如图2.3。
图2.3自动小车
2.3各方案的比较
1.由方案一的设计构思，分析其优点在于：
可以较好地实现自动化进程，由于夹持工具可以密排行进，所以单次喷丸/喷漆速度很快；
厂房空间利用率高；
结构非常简单，容易实现。
其缺点在于第一，工件行进与喷枪运动的协调控制较难，当工件变化时，所有参数需要重新设定；
第二，夹持工件的顶端和工件尾端可能会处理不到；
第三，喷枪一次只能完成一个面的加工，如果要完成整体喷丸/喷漆，还需要工人手动翻转工件；
第三，由于是在一个厂房内的整体，所以当完成喷丸之后需要重新卸载，搬运，到喷漆房重新装夹，十分繁琐低效；
第四，由于是顶部夹持，工件安装会不方便，工件前进的左右晃动会影响加工效果。
所以综合来看虽然方案一具有简单易行的特点，但是其效率较为低下，实际操作繁琐，所以不可行。
2.方案二采用抛丸代替喷丸来实现自动化，抛丸清理机是利用高速回转的叶轮将弹丸抛向滚筒内连续翻转的工件上，从而达到清理工件的目的。
它适用于各行业中的15公斤以下的铸锻件的清砂、除锈、去氧化皮和表面强化。
抛丸处理是一种在欧美发达国家已经开始应用的表面处理方法。
世界上第一台抛丸设备诞生于100年前,开始是在各种金属或非金属表面去除杂质、氧化皮,增加粗糙度等方面得到应用。
经过百年的发展，抛丸工艺以及设备已经相当的成熟,其应用范围已经不仅仅是在各个重工业的工厂。
它的优点是清理效率高，费用低，操作人员少，容易实现机械化，适用于大批量生产，不用压缩空气加速弹丸，因而不必设置功率大的空压站，被清理的表面也无湿气。
同时，连续的加工方式能使工件不用卸载就能直接送入喷漆房进行喷漆，提高了衔接效率，较之上一个方案有很多的优越性。
然而它的缺点也是显而易见的：
灵活性差，受场地限制，清理工件时有些盲目性，在工件表面易产生清理不到的死角；
设备结构较复杂，易损件多，特别是叶片等零件磨损快，维修工时多，费用高；
一般情况不能使用轻而细小的弹丸。
企业实际生产的托辊支架并非大而平整的工件，所以抛丸处理不能全面地整体地达到覆盖密度，故抛丸后应当手工继续加工死角。
并且企业已经具备喷丸设备，重新购置抛丸设备搭建抛丸房会额外增加开销，经济性不强。
最后由于抛丸机使用的是离心力甩出丸子来实现加工，其有效覆盖面积都是确定的，当托辊支架的尺寸型号改变时，需要重新计算，排布抛丸枪才能达到理论上的全面覆盖，增加了实际生产的复杂程度。
同时，了解到喷砂也是一种机械清理方法，但并喷砂不是喷丸，喷砂用的是砂粒如石英砂，喷丸用的是金属弹丸。
在现有的工件表面处理方法中，清理效果最佳的还数喷砂清理。
喷砂适用于工件表面要求较高的清理。
但是我国目前通用喷砂设备中多由铰龙、刮板、斗式提升机等原始笨重输砂机械组成。
用户需要施建一个深地坑及做防水层来装置机械，建设费用高，维修工作量及维修费用极大。
随着国家对环境保护和工业卫生的重视，由于喷砂过程有大量粉尘产生不仅严重污染环境，还及易导致操作者的职业病（矽肺），已大量将喷丸来代替喷砂。
因此采用自动喷砂替代抛丸的方法也不适用。
综上所述该方案虽然有诸多好处，已经拥有较高的自动化程度，但是出于抛丸本身的适用性、经济性、可操作性来说并不完全符合前述的两大要求，故需要舍弃。
3.仿车削方案通过两车间之间排布轨道小车，小车带动滚筒实现两个工艺的连续实现。
滚筒夹持工件作圆周运动，喷枪如车刀一般进给，实现托辊支架整体的处理，该方案的亮点在于：
（1）内外同时进行喷丸/喷漆，不用手工翻转或者是改变喷枪位置角度，就能够自动地覆盖工件全表面。
（2）由于滚筒的表面积大，所以滚筒表面夹持的工件量很大，这样就保证了一次装夹能够完成大量的工作，小车在车间一次走位就能完成一批工件的喷丸/喷漆；
（3）在车间内布置一个滚筒能充分利用三维空间，同时使用已经具备的喷枪，所以经济性很高；
（4）自动化程度很高，所以需要的操作人员是三个方案中最少的，而且操作也是最简单的。
方案3需要做的仅仅是设计制造出滚筒，三辆小车并且确定他们的运动参数，就能够低投入，高效率地实现托辊支架的喷丸/喷漆工艺，所以是三个方案中最优秀的。
2.4总体最佳方案的选定
经过以上的分析说明，在金湘中老师的指导选择下，由于方案3拥有较之方案1不可达到的稳定性，加工连续性，具有方案2不具备的的加工质量和经济性，所以我们小组最终确定了方案3作为总体方案。
3托辊支架自动喷丸/喷漆机滚筒设计
3.1滚筒主体构思设计
由于总方案确定滚筒旋转时内外喷枪同时工作，所以决定了这个滚筒并非常规意义的封闭式滚筒，而是类筒型的有空隙装配件。
又因为要求能够适用于企业所有生产的托辊支架的型号，所以其夹具间距离要求能够调节。
在老师的指点之下商议得出的最佳结论是采用数根滑杆组成类滚筒形状（为方便起见后面依旧称为滚筒），套入工件安装环内，使安装环能够在滚筒上滑动，整个滑杆组成的滚筒体套上多个工件安装环，通过调节安装环之间的距离来适应不同长度的托辊支架，工件安装环上有螺孔以安装能够安装夹具。
这样不但保证了加工时能够使工件内表面能被加工到，而且保证了该滚筒能够满足所有产品的处理需求。
同时中空的结构也保证了能够有小车带有喷枪在其内部运动。
该滚筒体通过齿轮传动由一电机带动旋转，最后整体安装在小车之上，实现车间转换。
（如图3.1所示）
图3.1滚筒体原理图
3.2滚筒体零件设计
由原理图出发，通过计算和结构设计完成滚筒体的整体设计。
3.2.1传动环设计
如图3.2
图3.2.a安装环
根据车间的宽度和高度，取厂房一般的高度作为滚筒最大圆周。
传动环用于固定4根滑杆，每根杆呈90度排布圆周，形成Φ1350的滚筒体。
传动环中心留有直径270的孔以通过中心轴和安装轴承。
安装环最外圈开有6×
M16的螺孔以安装大齿圈。
材料选取Q235，技术要求：
连续角焊缝，焊缝不得有缺陷，先焊接后机加工。
由于传递动力并不大，所以取45#调制。
图3.2.b大齿圈
大齿圈设计齿廓为渐开线，齿数170，模数10，压力角20度，齿顶高系数1，顶隙系数0.25，精度等级：
8GB/T10095.1-2001。
查《机械设计手册》检验项目允许值：
1.单个齿距极限偏差fpt：
0.030；
2.齿距累计总偏差Fp：
0.152；
3.齿廓总偏差Fa：
0.049；
4.径向跳动公差Fr：
0.122。
3.2.2滑杆、工件安装环设计
如图3.3所示，由厂房的长度决定了系统整体长度为7000左右，所以设计取滑杆长5972。
滑杆采用45#钢，滑杆两端留有长47，倒有M42-7H的螺纹，并且有一段长25，Φ45肩部插入传动环预留的孔中。
中间部分为Φ50的杆用来套上工件安装环。
工件安装环内孔直径1230，为了留有足够的空隙放置内喷丸/喷漆小车，保证内部工作的空间，外孔直径1600。
选材45#钢。
每个工件安装环一侧有4个凸台，凸台上留有4×
M12螺孔，方便调整好各个工件安装环轴向位置之后用螺栓固定。
工件安装环外圈预留厚度30，用以后续的加工安装上可调夹具。
图3.3滑杆与工件安装环
图3.4上述部分三维装配示意图
3.2.3中心轴直径计算设计
（1）简化力学模型（如图3.5）
图3.5
（2）计算各力的大小：
A.齿圈重量（轴承安装套外套大齿圈以传递运动）
G总=G齿×
2
G齿取参数：
d=1700m=10z=170
G齿基=π（R12-R22）h×
ρ=3.14×
（8102-7802）×
130×
7.85×
10-3=152.85kg
G齿=1/2×
π（R12-R22）h×
ρ=0.5×
3.14×
（8502-8102）×
80×
10-3=65.47kg
G齿总=152.85+65.47=218.32kg
G齿总×
2=218.32×
2=436.64kg
B.滚筒自重
G滚筒=G滑杆+G安装环+G工件+G基体
（滚筒包含4根滑杆，5个可移动安装环，估计的托辊支架和基体）
G滑杆=π×
25^2×
5840×
4×
10-3=359.875kg
G基体=3.14×
（8002-7502）×
30×
10-3×
2+3.14×
（7802-7502）×
10-3=114.62kg+294.16kg=408.78kg
G工件（估算）=π（R12-R22）×
L×
P=π（8442-8362）×
10-3
=1934.69kg
G安装环=[3.14×
（18002-7702）×
10-3+3.14×
（7702-6352）×
10×
10-3]×
5=430.62kg
故G滚筒=G滑杆+G安装环+G工件+G基体
=430.62kg+359.88kg+408.78kg+1934.69kg
=3133.95kg
G=G滚+G齿=3570.6kg
F1=F2=G/2=17496N
C.内喷枪安装环重量计算
G=π（R12-R22）×
P=3.14×
（3102-3002）×
5540×
10-3
（均布力总重）=832.98kg
G'
=G×
9.8=8163.2N
F3=F4=（8163.2+34991.88）/2=21577.54N
故可做轴的剪力图，弯矩图3.6：
图3.6
D.按强度要求计算轴径
材料：
Q235.δca=M/W≤[δ+]
取d1/d=0.7=β
W=πd3/32（1-β4）=0.1d3（1-β4）
0.1d3（1-β4）≥5394.385N·
mm/40
d3≥5394.385/40×
0.1（1-0.74）
所以d≥121.07mm。
考虑到内部需要走线，表面需要安装内喷枪所以d取160mm，内径取110mm。
E.由于轴较长，校核轴的偏转角
θ≤[θ]查表得[θ]=0.05/rad
θA=-θB=-Fl2/16EI
F=17491l=250mmE=200GPI=πD4×
（1-β4）/64=2.44×
107mm4
θ=-Fl2/16EI=0.014<
0.05/rad安全。
F.由计算结果设计如图3.7所示，设计空心支撑轴。
中间段工作长度为5560，直径320，开一盖留作内喷枪小车安装、运动，选材Q235。
两端轴肩直径160，内孔直径110，选材45#钢，三部分焊接组装，整体空心留作布线。
图3.7
3.2.4中心轴承选用
由轴肩外径D=160来选取轴承，查表列出内径为160的标准常用轴承（如表3.1所示）：
表3.1常用轴承表
由于负载较大而转速较低，故选用第一种调心滚子轴承22236CCK/W33的轻型轴承22232C/W33。
其内径为160，外径290，宽度80。
查《机械设计手册》得该型号的轴承基本额定动载荷为421kN>
>
21.6kN。
所以使用寿命必满足设计要求。
3.2.5焊接轴承座设计
由根据中心支撑轴外径160确定轴承座内径为160，Ra3.2.外径220，一端面留有对称的4×
M5-7H的螺孔用来装配轴承盖。
轴承座尺寸为450×
220×
360，座地板留有4个螺孔以继续将整个滚筒体主体安装在小车车板上。
（如图3.8）选材Q235，技术要求：
未注焊缝采用连续角焊缝，所有焊缝不能有缺陷，先焊接后机加工；
销孔应在调整好后配钻。
图3.8
3.2.6滚筒体主体的组装与三维建模
在以上所述设计数据选用完成之后绘制CAD二维零件图，并且设计画出相关齿轮套、轴承盖板的二维零件图。
并以此为基础画出UG三维零件图，由设计
时所确定的各个位置参数，尺寸参数与运动参数作为约束建立三维装配
图3.9滚筒体主体三维图
3.3滚筒体相关部件的设计
3.1.1电动机的选择
轴承使用双列调心滚子轴承，摩擦系数为u=0.004.
摩擦力大小为：
f1=uF1=0.004×
17496N=69.984N
f2=uF2=0.004×
则大齿圈上需要的驱动力大小为
F=（
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