S195G柴油机机体专用清洗机设计.docx

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S195G柴油机机体专用清洗机设计

摘要

S195G-01006机体清洗机是用于S195G-01006机体的专用清洗设备。

适用于生产流水线上批量生产的已完成机加工的机体在入库前的常温清洗。

S195G柴油机机体专用清洗机床采用高压喷射清洗方式。

本机床为液压步进、连续型、多工位清洗机。

机床主要由机架、输送机构、水箱、清洗液输送系统、喷水清洗系统、喷气吹干系统、液压系统、电气控制系统组成。

采用液压步进式连续型工作生产方式：

机体从上料端上料后，由步进式输送机构在PLC程序控制系统控制下按程序先后送入清洗、吹干工位，完成定点对位清洗及吹干以后输出。

从机体上料后能自动完成机体的清洗、吹干等工序，直至自动输出。

由于采用流水线清洗，清洗效率高；由于采用定点，对位清洗清洗效果特别好，清洗质量高；控制系统采用PC控制，操作完全实现自动化。

因此，清洗任务能安全高效的完成，并且操作、维护十分方便。

关键词：

S195G柴油机机体；清洗；高压喷射清洗；液压步进式输送机构

Abstract

S195G-01006cleaningequipmentisaspecialcleaningmachineforthemass-produceddieselenginebodiesofS195G-01006atroomtemperaturebeforetheyaresentintostock aftertheycomeoutoftheproductionlineswiththemachiningfinished.High-pressuresprayingcleaningmethodisappliedinthishydraulicstepping,continuous-workingandmultiple-stepcleaning machinetool.Itiscomposedoftoolrack,conveyingmechanism,watertank,washingliquiddeliverysystem,waterspraycleaningsystem,gas-ejectingdryingsystem,hydraulicsystemandelectricalcontrolsystem.Afterthedieselenginebodyisplacedintothecleaningmachinefromtheinputport,thedieselenginebodywillbesentalongthestepping conveyingmechanism tobecleanedanddriedstepbystep asprogrammedbyPLCprogramcontrolsystem.Afterthefixed-pointandalignedcleaninganddryingarefinished,theenginebodywillbesentoutautomatically.Thewholeproceduresofinput,cleaning,drying andoutputarecompleteautomatization.Asproduction-linecleaningmodeismadeuseof,thecleaningefficiencyofthiscleaningmachineisgreat;Andbecausethecleaningisdoneatfixedpointsandisalignedwiththeenginebody,thecleaningqualityishighandthecleaning effect isgood.WiththePCcontrolsystemapplied,thewholeoperationrealizesautomatization.Hence,thecleaningtaskisaccomplishedsafelyandhighlyefficiently.Besides,theoperationandmaintenanceofthiscleaningmachineareveryconvenient.

Keywords:

S195Gengineblock；washingmachines；highpressurewatercleaning；hydraulicStep-by-steptransferagencies

1绪论

1.1清洗机技术现状和发展趋势

清洗是使物体清洁的重要手段之一。

部件所能达到的清洁度对该产品的质量好坏有着关键性的影响。

所以清洗技术在各个行业中得到了广泛性地应用。

清洗技术在机械行业也不例外，零件的清洁度对该机械制造产品的质量也有着直接关键的影响。

在拖拉机箱体的清洗上，清洁度的好坏会直接影响到下一道工序和发动机的装配，干燥度也直接影响到下一道工序和发动机的工作性能。

所以在拖拉机的箱体机械加工完成后，又在入库前必须对拖拉机的箱体进行清洗和干燥的工序。

S195柴油机是用途广泛的发动机，某厂生产的S195G柴油机是为出口拖拉机配套的主要产品，其整机清洁度要求较高。

所以在生产过程中机体的清洗工序一直都受到生产厂家的高度重视。

但长期以来都是采用手工清洗的方法，效率低，清洗质量差且不稳定，不能满足企业生产的需要，迫切需要开发一种适合流水线生产的自动专用清洗机床。

伴随着科学技术的发展，现在的清洗技术也越来越多样化和成熟化。

比如在苏州华伟公司的超声波清洗机系列中采取了超声波技术，利用超声波能在清洗的工件表面产生高频的微小振动特点，使附在工作表面的污垢分离脱落。

特别是如图1.1所示的环保超声波清洗机线能够连续性输送被清洗的工件,适合大批量生产零件的清洗（如冲压类零件）。

而且它的自动化程度比较高,操作简单,操作人员只需要连续的放零件[1]。

图1.1环保超声波清洗线

另外，如图1.2所示，由德国Karcher公司生产的HD215高压水清洗机，利用高压水喷射被清洗工件表面原理。

产生高达150MPa的压力，清除被清洗工件表面顽固的脏污。

不需要耗费很大水量，即可获得极佳的清洁效果。

并且它的超高压清洗机在工作压力150MPa下，耗水量仅为每小时120升。

新颖的喷枪和独特的喷嘴设计，能使清洁效果更加优秀。

现在行业中越来越多的高清洁效率、小巧紧凑、造型合理简约清洗机，广泛适用于工厂车间、运输车辆、物业清洗公司、市政广场等多种行业。

它们高质量、高性能，低价格，

耐用性好，是快速、全面清洁作业的好帮手。

并且随着计算机技术的发展,现在的清洗机也越来越智能化。

清洗机的动作可全部由光电传感器的芯片的内置程序控制,不仅能够使人们在清洗作业中空出更多的空闲时间，达到更高的清洗效率，还可以进一步满足的清洗要求，达到更高的清洗目标[2]。

图1.2HD215高压清洗机

1.2课题的提出与意义

该课题来自某工厂。

该公司由于订单的增加，手工生产已经无法满足需要，亟需设计一条自动机体生产线，来提高企业产品的质量和产量，同时也可以减少劳动力的投入，减轻工人的工作量。

同时随着我国工程机械产品的不断引进和发展，以及厂家和客户对产品产量和质量的要求不断提高，我们可以将清洗动作和自动化技术有机结合在一起，生产出符合要求的S195柴油机机体专用清洗机床，从而大大清洗时间和缩短厂家生产S195柴油机机体周期，提高整个生产线的生产线效率。

1.3课题的主要内容

本课题的主要内容是完成S195柴油机机体专用清洗机床的设计。

最后，将它们转化为能供指导制造、装配、安装、调试和维修用的设计图纸及各类说明书等技术文件。

总之，设计的主要内容分为机械系统、液压系统和控制系统三部分以及对夹具的设计。

本设计需满足的要求如下：

1、达到技术指标所规定要求，满足实际工作需要。

2、整机结构简单实用，满足设计要求。

3、控制系统要有较高的工作可靠性、安全性。

4、工作时生产任务安全、优质高效完成，设备外形力求简约。

2清洗机设计方案论证

2.1机体零件的清洗特点

如图2.1所示，机体零件是一材料为HT200、质量为31kg、外形为521.7×176×300（mm）的接近六面体的结构，经铸造及机械加工后进人清洗工序，清洗后入库待装配。

它的每个面上不同程度地分布有清洗难度大、清洗要求高的部位，如与气缸套配合的表面、装配轴瓦的表面、螺纹孔内表面等清洗要求较高；而一些铸造小孔、盲孔、小螺纹孔、油道、通水道、凹槽及复杂的机体内腔等部位清洗难度较大。

只有对这些部位全部采用定点对位冲洗的方法才有可能获得高的清洗效果。

因此，清洗机的输送机构及清洗系统成为本机设计的两大技术关键[3]。

图2.1S195G机体零件图

2.2机床总方案

根据对机体零件特点的分析，只有对那些清洗难度较大的铸造小孔、盲孔、小螺纹孔、油道、通水道、凹槽及复杂的机体内腔等部位全部采用定点对位高压冲洗的方法才有可能获得高的清洗效果[3]。

所以本S195G柴油机机体专用清洗机床决定采用高压喷射清洗方式。

专用清洗机的主要结构，由以机架为支撑的传动输送机构、清洗系统、吹干系统、吸雾通风装置和分立于机架的电气控制系统及液压站等组成。

采用液压步进式连续型工作生产方式：

机体从上料端上料后，由步进式输送机构在PLC程序控制系统控制下按程序先后送入清洗、吹干工位，完成定点对位清洗及吹干以后输出。

2.3机械系统方案确定

机架：

机架是本机床的主要骨架，是由型钢焊接面成的框架结构。

除液压和电气控制系统柜外，其余各部件均以机架支撑，有一定刚度的要求。

输送机构：

由设计技术参数的要求,清洗工艺流程：

上料→空位→清洗→空位→吹干→下料，每步跨距580，机身长度约3500。

为了方便机体的移动,应在清洗机内部机体移动的路线中设置一个便于机体转移的输送机构。

由于滚动摩擦阻力系数比滑动阻力系数小，并且根据参观的无锡一汽柴油机厂的生产线,决定把输送机构设计成为一个滚道的输送机构。

用于机体输送，机体底面与固定梁或与步进梁接触的部位可能会成为清洗液无法到达的死角。

为了克服上述的缺点，对本机设计采用了由以水平移动油缸为动力的低头棘爪推杆机构和滚道构成的步进式输送机构，即机体置于由滚轮组成的滚道上，输送油缸拉动推扦，棘爪推动机体在滚道上沿导向限位挡板作水平直线移动，到位后棘爪低头推杆退回原位，完成一个输送行程周期。

该方案的优点是仅需一个输送油缸，结构简单．需要的推送力小，制造、安装方便。

要使这种机构达到较高的输送定位精度，必须很好地处理影响定位精度的两个因素：

一是推杆推动机体到位时，由于惯性力而可能引起的机体惯性前移；二是棘爪低头回退时，由于弹簧力的作用而可能使机体产生的后退。

对于第一个因素，通过采用专门设计的输送油缸以及对其运动过程的控制很好地解决了惯性力问题；对于第二个因素，由于推杆回退时棘爪的低头是依靠机体与棘爪间的静摩擦力克服弹簧拉力而实现的（如图2.2）．通过选用合理设计的拉簧．有效地防止了机体可能产生的回退，运行实践结果表明，这种输送机构完全能够满足机体定点对位清洗的输送精度要求。

因此输送机构由输送油缸，棘爪推杆机构，支承滚轮，限位撑板等组成。

工作时候输送油缸为动力，控制棘爪推杆机构，棘爪推杆机构带动机体在支承轮上沿限住挡板运动[4]。

图2.2推杆回退过程示意图

密集形喷嘴结构盒式清洗及吹干系统：

设计采用分离与被清洗面相对应的六个框板式密集形喷嘴结构组成的喷水清洗系统。

各喷水盒上可调式喷嘴的布置依据相应被清洗面的拓印结果设计，因而与该相应面上高清洗要求部位及难清洗部位一一对应，其中上下左右四个喷水盒被固定在机架上，前后喷水盒则与升降油缸相连（以机体的输送方向为前面），输送机构工作时，升降油缸同时提起前后喷水盒，使机体顺利前移。

机体到位后前后喷水盒落下，组成一个包围工件的环形喷射清洗系统，因而完全达到六面全部定点对位冲洗的目的。

清洗液用清水离心泵提升，加压后使清洗液扶喷嘴急射而出，由于清洗液的机械冲刷作用，使机体各位都受到彻底清洗，清洗残液流入污水箱。

经箱中刮板式排渣机构自动排出落入的铁屑、杂物、多道滤网滤去残渣，用另一台清水离心泵提升经旋涡分离器进一步去除残渣、使清洗液再生后进人清水箱，可反复循环使用，污水箱中的浮油，在清洗机工作间隙液面平静时，由油水分离器自动去除。

为去除经清洗后机体表面残存的水分，采用与清洗系统相同结构的密集形喷嘴结构的喷气盒体组成的吹干系统，利用外接压缩空气气源，实现六面的全部定点对位吹干吹风时间在0～60s范围内可调。

在清洗及吹干过程中，由于清洗液及压缩空气都是以一定的压力喷射到机体的表面，因而造成部分清洗液雾化，当这种雾化液在体内无法容纳时就会溢出而侵扰车间而恶化生产环境，为此在清洗机顶部配置了由离心通风机与通风管道组成的吸雾通风装置，以有效地将雾化液从机内吸出排到室外。

吸雾通风装置:

由于环保的要求，用户不能让清洗机清洗时产生的油、水雾气直接排放到空气中。

所以，清洗机必须配有雾气收集装置，这样较经济和能确保雾气收集的效果。

排渣机：

在机床内部,输送滚道下设置一个挡水板件,使其能挡住洗涤流下的水,油垢,铁屑等。

并使之有一个小角度的倾斜,让水汇聚到一起并流向水箱。

铁屑,杂物则落到排渣机上。

排渣机通过皮带装置上的刮板把铁屑往上一个角度运送.因为往上一个角度有利铁屑带的水更少，皮带有两个轮之间转动,在铁屑到达最高那个轮的时候往下掉落箩筐之类的回收装置中。

集中回收铁屑，防止浪费铁资源,并能把铁屑卖到回收站创汇。

罩壳的目的是防护洗涤过程中的高压喷溅出的水使之不能喷溅到机床外，并且使其包围住清洗机床工作的危险部位,尽量减少其工作期间给工作人员带来的危险。

由于清洗机的内部是直接与清洗液接触的，要求清洗水箱的内衬、清洗的喷嘴都需使用不锈钢，而工件的定位块等使用非金属材料，确保材料永久不生锈[5]。

2.4液压系统方案确定

拟定液压系统是整个系统设计重要的一步，它是从油路结构上具体体现设计任务提出的各项性能要求的。

工作所涉及面方广,尤其需要综合液压的各方面知识,特别是基本回路知识。

初步方案有两种：

第一种方案是电机通过装置直接带动低头棘爪推杆机构和升降机构动作。

第二种方案是通过液压系统带动低头棘爪推杆机构和升降机构动作。

本人认为两种方案都可取。

但考虑到要实现机体的定点对位冲洗，必须有高的输送精度来保证机体准确定点。

为此，设计采用液压步进式输送机构。

常见的液压步进式机构采用的工作原理为：

输送机构通过步进梁按：

上升-前进-下降-后退的步进轨迹来实现输送工件。

即工件置于水平固定在梁上，升降油缸驱动提升梁上升使步进梁抬起机体。

同时油缸驱动提升梁上升使步进梁带着工件前进，到位后步进梁落下，工件落回固定梁，步进粱退回原位，完成一个输送行程周期。

该方案的优点是运送力大、运行平稳、输送精度较高，但需要升降及输送两只油缸，工作时油缸还须作小摆动，机构复杂，制造、安装精度要求较高。

用于机体输送，机体底面与固定梁或与步进梁接触的部位可能会成为清洗液无法到达的死角。

为了克服上述的缺点，对本机设计采用了由以水平移动油缸为动力的低头棘爪推杆机构和滚道构成的步进式输送机构。

该方案的优点是仅需一个输送油缸，结构简单．需要的推送力小，制造、安装方便。

与前述方案相比，该方案的制造成本还可下降一万多元，因此该方案经济性较好。

因此，决定采取第二种方案。

液压系统由液压站、一只输送油缸、两只升降油缸以及液压管道等组成[6]。

2.5控制系统方案确定

为达到远距离，主动控制清洗机全部动作的目的。

依据前两个已有方案的设计,相应的配置电气系统，使机械系统\液压系统正常稳定高效动作。

控制系统的设计首先需满足加工工时的要求。

需要用总的控制开关对机床加工和液压缸的运作进行先后控制。

全部传动系统由PLC程序控制系统自动控制，机体从上料后的输送、清洗、吹干等一系列工序全部自动完成。

PLC控制系统可以单独配置，也可并入生产流水线上的控制系统，实现集中、远距离全程自动控制[7]。

3清洗机主要参数的分析与计算

3.1设计技术参数

S195柴油机机体的污垢性质：

油污、杂物、切屑等。

（1）清洗部位：

孔及内、外表面；

（2）清洗工艺流程：

上料→空位→清洗→空位→吹干→下料，每步跨距580机身长度约3500；

（3）生产节拍：

每个生产周期为三分钟；

（4）工件摆放位置：

按工件图正视图位置摆放，四角4-Ф13孔为定位孔，底面朝下，二个大面在左右；

（5）输送方式：

步进式，定点对位清洗，清洗时间为2分钟；

（6）清洗压力：

0.5MPa；

（7）压缩空气压力：

0.4～0.6MPa,由空气压力提供。

3.2机械系统主要计算

（1）跨距的计算：

机体长度为521mm,因为只有一个油缸拉动小钩机构统一动作,所以必需使每步跨距都相同,其中的喷水盒厚度可初步定为50×2=100。

已知喷嘴为标准件，安装突出盒体的长为27×2=54。

并且喷嘴与机体之间要有一定的间隙,所以大约定为120多。

则：

（3.1）

因此顾及其它的一些间隙距离，把每步跨距最终定为750。

（2）清洗机床长度的计算：

每个工序750，一共包括：

上料→空位→清洗→空位→吹干→下料六个工序。

所以，清洗机机身长度：

（3.2）

（3）升降盒体的前后长度的计算：

（3.3）

（4）升降盒体的高的计算：

机体高度为300，盒体内侧与机体顶面的距离为53，盒体厚度为50，盒体顶面与升降机构的支撑板件与盒体之间的距离为大约50，支撑板件厚40，则升降盒体的高度：

（3.4）

所以最终定为500[9]。

3.3液压系统的主要计算

（1）液压泵的选择计算：

液压系统的工作介质完全由液压源来提供，液压源的核心是液压泵。

液压泵的供油量要大于系统的需油量，多余的油经溢流阀流回油箱，据此可以进行液压泵的选择和主要数据的计算

1）确定液压泵的最大工作压力Pp

（3.5）

式中p1-液压缸或液压马达最大工作压力；

∑△P从液压泵出口到液压马达入口之间的总的管路损失∑△P的准确计算要等待元件选定并绘出管路图时才能进行，初算的时候可按经验数据选取：

管路简单、流速不大的，取∑△P=（0.2～0.5）MPa

2）确定液压泵的流量

多液压泵缸或液压马达同时工作时,液压泵的输出流量应为：

（3.6）

式中K-系统泄漏系数，一般取K=1.1～1.3

3）选择液压泵的规格

根椐以上求得的

和

的值，按系统中拟定的液压的形式,从产品样本或手册中选择相应的液压泵。

为使液压泵具有一定的压力储备，所选的额定压力一般要比最大的工作压力大25%～60%。

4）确定液压泵的驱动功率

在工作循环中，如果液压泵的压力比较恒定，也就是（P-T）、（Q-T）图变化较平缓，则

（3.7）

最终选择油泵功率为1.1Kw

式中Pp-液压泵的最大工作压力（Pa）

-液压泵的流量

液压泵的总效率，参考表3-1选择[8]。

表3-1液压泵的总效率

液压泵类型

齿轮泵

螺杆泵

叶片泵

柱塞泵

总效率

0.6～0.7

0.65～0.80

0.60～0.75

0.80～0.85

（2）液压阀的分析选择

1）阀的规格，根据系统的工作压力和实际通过该阀的最大流量,选择有定型产品的阀件。

溢流阀按液压的泵的最大量选取，选择节流阀各调速阀，要考虑最小稳定流量应满足执行机构最低稳定速度的要求[8]。

2）阀的形式，按安装和操作方式选择：

液压电磁阀直流24V

气动电磁阀交流220V

（3）拉动小钩机构的油缸行程的计算：

油缸行程由跨距决定，并且与跨距相同为750。

（4）拉动升降喷水吹干系统升降的油缸行程的计算：

油缸行程的目标是把盒体拉起，并高过机体顶面大约10的高度使之能进入盒体的范围内。

所以行程L=300+10=310。

3.4电机的计算与选择

由于清洗机经常都是使用高压清洗泵，清洗的压力很高，泵的好坏直接影响到清洗的压力，所以合理选择清洗泵的功率和类型也很重要，根据所查阅的参考资料，可进行如下的电机选择与计算

（1）选择水泵的原则：

根据设计流量、所需要的扬程并使之在高产的环境内运行。

离功率，并且应尽量选用电压等级一致的电机[9]。

（2）输送清洗液到盒体的水泵计算：

1）流量Q：

指水泵在单位时间内所能抽送的水量，单位为

。

喷嘴流出的流量可由下式计算:

（3.8）

H0——喷嘴前的管路内水头

G——重力加速度

W——喷嘴出口截面积

——流量系数为

其中机床高2.38米高,所以管路内水头包括弯曲的长度约为3.5米长；喷直径为3㎜，

取9.5；一共有118个喷头。

2）扬程H：

指水泵能够扬水的高度，单位为m。

扬水所需的扬程等于实际扬程与损失扬程之和。

要求参数的清洗液压力是0.5MPa是5个大气压强，也就是50m的扬程。

机身高度是2.3m，相对50m可忽略不计。

所以扬程为50m。

3）有效功率（或称为理论功率）

：

指水在单位时间内从水泵所获得的总能量，单位为Kw，其计算式如下：

（3.9）

式中r——介质重度

；

H——水泵的扬程

；

Q——水泵的流量

。

4）配用功率P：

指水泵根据轴功率，实际所配用电机的额定功率。

考虑安全储备系数，所以配用电机功率稍大过轴功率，并且考虑到输送管道的损失。

所以选定的输送清洗液到盒体的水泵功率为15KW离心式水泵[9]。

（3）输送清洗液到油水分离器的水泵的选择：

因为该水泵输送清洗液没有压力的心水泵具有平缓的特性曲线特点，因此选用离心水泵。

必须实际计算水泵配用的电机要求，只要跟上前一台水泵用水的清洗液的循环使用。

因为要求较低，所以可选用约为7.5KW的水泵[9]。

（4）排渣电机的选用：

因为机体的铁屑较少，所带动的有刮板机构的皮带较轻，无特别的速度要求，故要求功率不高，可选用0.5KW的电机带动[9]。

（5）水箱的计算：

每分钟的清洗的流量

（3.10）

由经验公式水箱容量比这个略大。

4清洗机床的设计

4.1机械系统的设计

4.1.1清洗机床的总体设计

在满足工作要求下,尽可能的把机床结构设计得简单,因为这样更容实现自动化,生产效率也更高。

之外也要考虑其经济效益，主要参考机床的加工效率和可靠性，以及能源消耗的机械效率等。

机床的零部件要尽量通用化，尽量减少设计的工作量，这样也就可以节约机床的成本[10]。

调查研究设计要求，主要设计参数的要求，收集国内外有关资料，初步的拟定了几个方案。

主要根据已拟定的方案，可绘制出机床总图和部件装配图等。

为使各部件能够同时而且相对较为协调地进行设计，画出了机床的总体尺寸关系图，同时大致地画出了机床的传动系统图，液压系统图，控制系统框图和电器控制系统工程图，并根据要求进行了必要的计算。

机床的总体布局：

确定机床的基本组件，以及这些组成部件和操纵控制机构在机床中的配置。

处理好组件之间相对的位置和运动关系，另外考虑人机关系。

设计机床的总体布局如下：

图4.1总装图

接水槽设计目的是使在清洗过程中的清洗液集中起来，达到循环利用的目的。

并且保持厂房的清洁卫生。

在高压水清洗的部