滚轮架设计.docx
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滚轮架设计
1.方案的选择与确定................................错误！
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错误！
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1.1滚轮架简介.......................................错误！
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1.2滚轮架结构特点...................................错误！
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1.3焊接滚轮架的设计：
................................................11.4组合式滚轮架特点..................................................31.5结构设计..........................................................41.6关于滚轮架轴向窜动的问题..........................................51.7传动方案设计......................................................6
2.焊接滚轮架的设计与计算..........................................8
2.1焊接滚轮架主要技术参数：
..........................................82.2计算总传动效率....................................................82.3无级变速器的选用：
................................................82.4减速器的选择：
....................................................82.5联轴器的选择......................................................92.6滚轮架滚轮的设计.................................................112.7轴的结构设计.....................................................112.8轴承的选择.......................................................122.9轴承端盖的设计...................................................132.10丝杆的设计......................................................142.11键的设计........................................................152.12机架的设计......................................................152.13表面粗糙度的计算................................................162.14驱动圆周力与摩擦阻力的计算：
....................................172.15滚轮支反力的计算................................................182.16驱动圆周力与支反力的分析及中心角的确定..........................192.17滚轮轴上载荷与驱动功率的计算....................................222.18附着力的计算....................................................23
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2.19轴承寿命的计算..................................................242.20轴承的强度计算：
................................................252.21电动机的选型....................................................262.22普通圆柱蜗杆传动主要参数及几何尺寸计算..........................272.22.1模数m和压力角a............................................272.22.2蜗杆的分度圆直径d1.........................................272.22.3蜗杆头数Z1.................................................272.22.4导程角Y....................................................272.22.5传动比i和齿数比u..........................................282.22.6蜗轮齿数z2.................................................282.22.7蜗杆传动的标准中心距a......................................282.23轴的校核........................................................302.24焊接滚轮架的底架设计............................................30
结语.................................................错误！
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致谢.................................................错误！
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参考文献.............................................错误！
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第一章方案的选择和确定
1.1滚轮架简介
随着焊接生产技术的高速发展，对焊接生产的机械化和自动化提出了越来越高的要求，焊接机械设备的需求量也越来越大。
焊接滚轮架设备正是为满足市场需要而设计生产的。
它是借助焊件与主动滚轮间的摩擦力来带动圆筒形焊件旋转的机械装置，主要用于圆筒形焊件的焊接与装配。
焊接滚轮架是借助主动滚轮与工件之间的摩擦力带动筒形工件旋转的焊接变位机械。
它主要应用于筒形工件的纵向焊缝,环向焊缝的装配和焊接作业,也可以在焊接滚轮架上进行修整,割孔及探伤等作业。
滚轮架是容器生产中最常用的一种工艺装备。
焊接滚轮架按结构形式分为两类。
第一类是长轴式滚轮架,主动滚轮装置一根有电动机驱动，从动轮装在另一公共轴，滚轮中心距一般是可调节，适用于焊接薄壁，长度大的筒形工件。
第二类是组合式滚轮架，主动滚轮架与从动滚轮架各自独立，可根据工件的长度任意组合，使用方便、灵活、适应性强。
是目前应用最广一种的滚轮架。
1.2滚轮架结构特点
1）可根据焊件的重量、长度任意组合，使用方便、灵活；2）在规定的范围内自动调节滚轮中心距，适用不同直径的焊件，圆筒体焊件放置平稳；3）采用可控硅供电直流电动机驱动，无级调速，焊速范围大，速度稳定；4）适用性强，使用广泛；5）采用组合式滚轮，钢轮外包橡胶，传动平稳，摩擦力大，寿命长；6）对工件轮压小，可避免工作表面产生冷作硬化。
1.3焊接滚轮架的设计
焊接滚轮架是借助主动滚轮与焊件之间的摩接力带动焊接旋转的变位机械。
焊接滚轮架主要用于筒形焊件的装配与焊接。
若对主、从动滚轮的高度作适当调整，也可进行锥体、分段不等径回转体的装配与焊接。
对于一些非圆长形焊件，若将其装卡在特制的环形卡箍内，也可在焊接滚轮架上进行装焊作业。
为了焊接不同直径的焊件，焊接滚轮架的滚轮间距应能调节。
调节方式有两种：
一种是自调式的；一种是非自调
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式的。
如图1-1，1-2
图1-1自调式焊接滚轮架
图1-2非自调式焊接滚轮架
焊接滚轮架按结构形式分为两类：
第一类是长轴式滚轮架（如图1-3）。
滚轮沿两平行轴排列，与驱动装置相连的一排为主动滚轮，另一排为从动滚轮。
长轴式滚轮多是用户根据焊件特点自行设计制造的，市场可采用的定型产品很少
图1-3长轴式滚轮架
第二类是组合式滚轮架（如图1-4），它的主动滚轮架，从动滚轮架，混合式滚轮架都是独立的，使用时可根据焊件的重量和长度进行任意组合，其组合比例也不仅
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是1与1的组合。
因此，使用方便灵活，对焊件的适应性很强，是目前应用最广泛的结构形式。
图1-4组合式滚轮架
1.4组合式滚轮架特点组合式滚轮架特点
1）主从动滚轮架各自独立，可根据焊件的重量，长度任意组合，使用方便灵活滚轮架靠滚轮对的自由摆动或靠丝杠的调节作用在规定范围内调节滚轮中心距，适用不同直径的焊件，圆筒体焊件放置平稳2）可无级调速，焊速范围大，速度稳定。
3）为了便于调节滚轮架之间的距离，以适应不同长度焊件的装焊要求，有的滚轮架上还安有机动或飞机动行走机构，沿轨道行走，调节相互之间的距离。
焊接滚轮架多采用直流电动机驱动，降压调速。
这种方式沿用已久，技术很成熟，电动机的机械特性较硬，启动力矩较大，是目前滚轮架使用最广的拖动调速方式。
缺点是电动机结构复杂，调速范围较窄，一般恒转矩的调速范围为1：
10左右低速时的速度不够稳定，有爬行现象。
也有滚轮架是采用交流异步电动机拖动，变频调速。
近几年随着晶体管变频器性能的完善以及价格的下降，采用交流电动机驱动，变频调速的滚轮架也日趋增多。
其优点是调速范围宽，可达1：
20，转动平滑性好，低速特性硬。
缺点是低速段过载倍数降低较大，变频电源的价格也较高。
但随着电动机
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额定功率的增加，价格上升则相对平缓，所以在重型焊接滚轮架上，采用交流异步电动机拖动和变频调速较为适合。
本次设计的焊接滚轮架吨为4吨，采用直流电动机。
为是焊接滚轮架的滚轮间距离调节更为方便，机动性更强，组合更加便利，采用单独驱动的焊接滚轮架日益增多。
但是每一主动滚轮均由一台电动机驱动时，应解决好个滚轮之间的同步问题。
由于制造工艺，材料性能等因素的影响，其额定转速实际上并不一致，因此，要把实测数据较为接近的一组电动机做为焊接滚轮架的拖动电动机。
另外，对重型焊接滚轮架，还应考虑以测速发电机为核心的速度反馈装置来保证各滚轮转速的同步。
焊接滚轮架的金属滚轮多采用铸铁和合金球磨铸铁制作，其表面热处理硬度约为50HRC，滚轮直径多在200~700mm之间。
国外滚轮架品种很多，系列较全，承载量1~1500t，使用焊件直径1~8m的标准组合式滚轮架（即两个主动轮座与两个从动轮座的组合）均成系列供应。
其滚轮线速度多在6~90m／h之间无极可调有的还有防止焊件轴向窜动的功能。
我国已有不少厂家生产焊接滚轮架，最大承载量已达400t，适用焊件直径可达6m，滚轮线速度多在6~60m／h之间无级调速。
防轴向窜动的滚轮架已有生产，但性能质量尚待提高。
我国在1990年颁布了焊接滚轮架的行业标准（ZBJ/T33003-1990）中规定：
主动滚轮的圆周速度应在6－60m/h范围内无级可调，速度波动量按不同的焊接工艺要求，要低于±5％~±10％，滚轮转速应稳定、均匀，不允许有爬行现象。
按GB150规定制造的筒体类工件在防轴向窜动滚轮架上进行焊接时，在整个焊接过程中允许工件的轴向窜动量为±3mm。
传动机构中涡轮副齿轮副等传动零件，应符合国标中的8级精度等级。
1.5结构设计
结合所设计壳体的实际尺寸，工装采用非自调式滚轮架。
非自调式焊接滚轮架是利用主动滚轮与焊件之间的摩擦力带动焊件旋转的一种焊接变位机械，可根据工件直径大小不同，移动滚轮组，调节滚轮中心距。
非自调式焊接滚轮架结构形式如图1-5所示。
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图1-5非自调式滚轮架1.底座2.滚轮架3.蜗杆减速器4.电动机5.联轴器6.无级变速器7.滚轮调节装置
1.6关于滚轮架轴向窜动的问题
如果滚轮和焊件都是理想的圆柱体，且各滚轮尺寸一致，并且其转动轴线都在同一水平面内并与焊件轴线平行时，放在滚轮架上的焊件是不会产生轴向窜动的，这是理想情况。
但实际上是不可能做到的，尤其是焊件就不可能做到理想中的圆柱体。
多次试验证明将主、从滚轮架在水平和轴向上的位置找好，固定下来，下次再用时仍会窜动。
即便是同一个焊件，此时调整后已不再窜动，但换个方向旋转或将该焊件吊起移动位置后再放到滚轮架上，该焊件又会窜动了，更不用说换另外一个焊件了。
国内一些工厂采用在焊件端头硬顶的办法，这种办法对设备和焊件都有损害，实属无奈。
国外制作的防窜滚轮架，虽能满足要求，可惜价格较昂贵。
理论和实践都证明：
影响焊件做轴向窜动的主要原因是滚轮各轴线与焊件轴线的平行度。
因此，在制造和使用焊接滚轮架时，首先要尽量做到：
①主、从滚轮架都位于同一中心线上。
②各滚轮的轴线都在一个水平面内且相互平行。
③滚轮间距相等。
实际上，焊件在滚轮架上的轴向窜动，其焊件本身是在作螺旋运动，如能采取措施，把焊件的左旋及时地改为右旋或将右旋改为左旋，直至焊件不再作螺旋运动为止。
[9]目前，已有三种执行机构可完成此任务：
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（1）顶升式执行机构
从动滚轮架的一侧滚轮可以做升降运动，使焊件轴线发
生偏移，同时也使焊件自重产生的轴向分量发生变化。
这种调节方式其优点是调节灵敏度较高，缺点是制造成本高，体积大。
（2）偏移式执行机构从动滚轮架的两侧滚轮沿其垂直中心线可做同向偏移，以
此改变滚轮与焊件的轴向摩擦分力。
这种调节方式其优点是灵敏度高，但最大的缺点是对滚轮的磨损太大。
（3）平移式执行机构从动滚轮架的两侧滚轮可以同时垂直于焊件轴心线做水平
移动，从而达到调节焊件轴心线以及调节滚轮轴线夹角的目的。
这种调节方式其优点是稳定性好，制造成本低，结构简单，不占用额外的安装空间。
1.7传动方案设计
确定焊接滚轮架方案时，其合理性和经济性是主要考虑的因素。
当焊件的焊接方法及工艺确定后，所选夹具结构，首先要能保证焊接工艺的实施。
同时，焊件结构尺寸以及组成焊件坯料的制作工艺和制造精度，则是确定夹具定位方法、定位基准和夹紧机构方案的重要依据。
除此之外，还应考虑经济上的因素，使夹具的制造、使用费用最低而取得的经济效益最大。
由于上述各因素都不是孤立存在的，它们之间往往有联系又有制约，所以在确定夹具方案时要对上述各因素进行综合分析，只有通盘考虑，才能制定出最佳的设计方案具体确定设计方案时，应联系以下几个方面进行考虑：
1）焊件的整体尺寸和制造精度以及组成焊件的各个坯件的形状、尺寸和精度。
其中．形状和尺寸是确定夹具设计方案、夹紧机构类型和结构形式的主要依据，并且直接影响其几何尺寸的大小；制造精度是选择定位器结构形式和定位器配置方案以及确定定位器本身制造精度和安装精度的主要依据。
2）装焊工艺对夹具的要求。
例如与装配工艺有关的定位基面装配次序、夹紧方向对夹具结构提出的要求。
再如，不同的焊接方扫对夹具提出的要求，像埋弧焊，可能要求在夹具上设置焊剂垫；电渣焊要求夹具保证能在垂直位置上施焊；电阻焊要求夹具本身就是电极之一等。
3）装、焊作业能否在同一夹具上完成，或是需要单独设计装固夹具和焊接夹具。
焊接滚轮架是采用摩擦接合的机械传动，主要用来焊接圆形工件的环形焊缝。
本设计选用的是非自调式焊接滚轮架，其传动系统如图1-6所示。
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图1-6传动系统示意图
1.电动机2.无级变速器3.标准蜗杆减速器4.蜗杆减速器5.滚轮
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第二章焊接滚轮架的计算
2.1焊接滚轮架主要技术参数
额定载重量：
4t；工件直径：
250~1600mm；滚轮直径：
450mm；滚轮宽度：
170mm;滚轮圆周速度：
6~60m／h
2.2计算总传动效率
查《机械设计手册》上册得：
蜗轮蜗杆传动效率η1=0.72；轴承传动效率η2=0.99；联轴器效率η3=0.99。
总传动效率：
η总=η无极×η12×η26×η33。
263代入数值得:
η总=0.9×0.72×0.99×0.99=0.41
2.3无极变速器的选择无极变速器的选择
为适应不同焊接速度的要求，主动滚轮要经常变更转速。
在电动机与蜗杆减速器之间。
常采用一级无极变速器。
当输入轴转速n1一定时，输出轴最快转速n2max与最慢转速n2min之比，即变速范围R。
且R=imax/imin,一般设计为对称调速，即升速比与降速比相等。
选用调速范围4：
1，即R=4。
升速比imax=i=
2.4减速器的选择
=2，降速比imin=1/i=1/
=0.5。
蜗杆减速器按蜗杆外形结构分为圆柱蜗杆减速器，环面蜗杆减速器，锥蜗杆减速器三大类。
本次采用圆弧圆柱蜗杆减速器。
蜗杆传动是传递交错轴之间的动力常用的交错角∑=90°。
它具有单级转动比大工作平稳，振动小，噪音低及可做成自锁形式等特点。
圆弧蜗杆传动除具有普通蜗杆传动的优点外，还有以下特点：
齿形优良，蜗杆涡轮齿面为凹凸共轭啮合，当量曲率小，齿面间润滑油膜容易形成，齿面接触应力低具有良好的强度和润滑集合条件。
接触线及形状分布合理。
蜗杆和涡轮啮合时瞬间接触线相对滑动方向形成的夹角近于直角。
减速器选用标准件，其型号的选定是根据传动比和中心距综合考虑选定的。
中心距不能超过滚轮安装的高度，即滚轮中心轴离地面的距离。
选定中心距为100。
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再根据工作条件：
工作荷载平稳无冲击，每日工作8小时，每小时启动10次，启动转矩为输出转矩的2.5倍。
[4]根据《机械传动装置选用手册》：
与滚轮相连的减速器选择型号：
CWU100－30－ⅠJB/T7935－95外形尺寸查
看了《机械传动装置选用手册》表3.1－1，是蜗杆在涡轮之下的圆柱蜗杆减速器。
与电动机相连的减速器选择型号：
SCWO100－25－ⅠJB/T7935－95外形尺寸
参看《机械传动装置选用手册》表3.1－11，是蜗杆在涡轮之上的圆柱蜗杆减速器。
减速器第一次使用时当运转150~300h后需更换润滑油，在以后的使用中应定期检查油的质量。
对于混入杂质或变质的油需及时更换。
一般情况下，对于长期连续工作的减速器，每500~1000h必须换油一次。
应加入与原来牌号相同的油，不得不同品牌混用。
牌号相同而粘度不同的油允许混合使用。
工作中，当发现油温温升超过80度或油池温度超过100度及产生不正常噪音时，应停止使用，检查原因。
减速器应定期检修如发现胶合或显著磨损，必须采取有效措施予以制止或排除，备件必须按标准制造。
2.5连轴器的选择连轴器的选择选择：
联轴器的类型很多．根据其是否包含弹件元件，可以划分为刚性联轴器和弹性联轴器两大类。
刚性联轴器根据正常工作时是否允许两个半联轴器轴线产生相对位移又分为固定式刚性联袖器和可移式刚性联袖器。
固定式刚性联轴器，要求被联接两轴轴线严格对中，因为它不能补偿两轴的相对位移。
其常用类型有夹壳联轴器和凸缘联轴器等。
可移式刚性联轴器可以通过两半联轴器间的相对运动来补偿被联接两轴的相对位移。
其常用类型有十字滑块联轴器、齿轮联轴器和万向联轴器等。
弹性联轴器包含有弹性元件，不仅具有吸收振动和缓解冲击的能力，而且能够通过弹性元件助变形来补偿两轴的相对位移。
其常用类型有——弹性套柱销联轴器、弹性柱销联轴器和轮胎式联轴器等。
[4]根据以上特点:
与电动机相连的联轴器采用NZ挠性爪型联轴器,再根据轴径大小查《机械设计与制造简明手册》选用代号为Q\ZB110.2.00型号NZ2（两个）。
与滚轮相连的联轴器采用凸缘连轴器再根据轴径大小查《机械设计与制造简明手册》选用YL8型（一个）。
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两蜗杆减速器之间采用十字滑块联轴器，根据轴径大小查《机械设计与制造简明手册》选用JB\ZQ4384—86KL型十字滑块联轴器（两个）。
表2—1联轴器选择
名称
公称扭矩轴径范最大转速范特点范围围围结构简单，成本低可传动较大扭距，但不等消除冲击。
对所连两轴间的偏移缺乏补偿能力
应用条件
凸缘连轴器NZ挠性爪25~600型联轴器十字滑块120~20000联轴器15~150100~25015~653800~1000010~2000010~1801400~13000
经常用于荷载平稳有轻度冲击的条件下，链接低速和刚性不大的两轴。
外形尺寸小，飞轮力用于小功率，高矩小转速，没用急剧冲击载荷的情况下结构紧凑，尺寸小，无较大冲击，转寿命长。
但制造比较速不高的，存在复杂两轴径向相对位移时采用
2.6滚轮架滚轮的设计（图附录1）滚轮架滚轮的设计（）
滚轮架的滚轮结构主要有四种类型，其特点和使用范围见表2-2。
表2—2滚轮形式选择
类型
特点
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使用范围
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钢轮
承载能力强，制造简单
一般用于重型焊件和需预热处理的焊件以及额定在和大于60t的滚轮架
胶轮
钢轮外包橡胶，摩擦力大，传一般用于10t以下的焊件和有色金属容器动平稳但橡胶易压坏
组合轮
钢轮与橡胶轮相结合，承载能一般多用于10~~60t的焊件力比橡胶轮高，传动平稳
履带轮
大面积履带和焊件接触，有利用于轻型，薄壁大直径的焊件及有色金属于防止薄壁工件的变形，传动容器平稳但结构较复杂。
由于滚轮架的额定载荷是4t，所以选用胶轮结构。
橡胶轮缘的滚轮常因结构不合理，或橡胶质量不佳或挂胶工艺不完善，使用不久就会发生挤裂，脱胶而破坏。
为此，设计滚轮时，常常在橡胶轮缘两侧开出15度的倒角，以留出承载后橡胶变形的空间，避免挤裂。
另外，常在橡胶轮辋与金属的结合部，将金属轮面开出多道沟槽，以增加橡胶与金属的接触面积，强化结合牢度，避免脱胶。
至于橡胶成分和挂胶工艺，在美国是一项专利，国内兰州石油化工机器厂，将国产橡胶轮缘的坦克支重轮用在焊接滚轮架上，取得了很好的效果，使滚轮寿命延长了许多。
如图附录1所示。
滚轮直径为250mm，宽150mm。
滚轮边缘采用橡胶来增大摩擦力。
2.7轴的结构设计
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