基于旋转接头波纹管的设计.docx

1、基于旋转接头波纹管的设计技术学院毕 业 设 计题目 基于旋转接头波纹管的设计 系别 机电工程系 专业 机电一体化技术 班级 机电 姓名 学号 指导教师 日期 年9月 设计任务书设计题目：基于旋转接头波纹管的设计设计目的：通过毕业设计使学生综合运用所学的机械设计基础、机械制造等相关课程的知识，起到巩固、深化、融会贯通及扩展有关机械设计方面知识的作用，树立正确的设计思想。通过毕业设计的实践，培养学生分析和解决工程实际问题的能力，使学生掌握机械零件机械传动装置或简单机械的一般设计方法和步骤。提高学生的有关设计能力，如计算能力、绘图能力以及计算机辅助设计（CAD、Solid Works）能力等，使学生

2、熟悉设计资料（手册、图册等）的使用，掌握经验估算等机械设计的基本技能。设计要求：由教师组织学生进行设计动员和安全教育。要求学生在毕业设计时要注意以下几点：（1）进行设计前，应熟练掌握AutoCAD、Solid Works,还应了解仿真模型的工作原理、基本结构、特点、使用和维护，以及基本设计方法。（2）应集中精力进行设计，出现问题时，应向指导老师请教。（3）毕业设计过程中要勤思考、勤问、勤做、勤总结，不断积累经验技巧，提高设计能力。（4）设计过程中要及时检查、及时修正，并且注意计算数据的记录和整理，以及要有整体观念。设计进度要求：第一周：布置毕业设计任务；第二周：开始查阅资料，进行初步计算；第三

3、周：画图及修改底稿；第四周：完成电子稿；第五周：检查电子稿及排版；第六周：修改电子稿；第七周：完成毕业设计；第八周：准备毕业答辩。 指导教师（签名）：摘 要随着三维CAD软件技术的日益成熟，市场的日益扩大，制造企业普遍认识到应用三维CAD软件是传统产业技术改造的必由之路。AutoCAD作为三维CAD软件之一，其功能涵盖了零件设计、可观性三视图和产品数据管理等方面，形成了CAD技术的高端应用市场，广泛应用与航空、航天、铁道、兵器、电子、机械等领域；该软件使用简单，操作方便，是许多工程人员的首选，也是目前最为流行的CAD软件之一，极大地促进了企业的技术创新和市场竞争力。本设计以AutoCAD为平台

4、，对旋转接头进行了产品结构设计。该图提高了产品的设计效率，缩短了设计周期，更使设计图形形象逼真，简单易懂。关键词:轴承，密封垫，波纹管旋转接头的简介1.1 旋转接头的现状高品质旋转接头和精密轴承装置在高刚性转轴上，长时间运转无振动，转轴经过特殊的热处理增加刚性，固定环封闭物是由特殊的材料，是抗磨损碳精石墨所制造的，不透水和干式运转，特别是旋转封闭面大小必须减低到最低限度，甚至在较高的压力下，经长期机械经验变得封闭面部份有较好的平衡结果，RF型接头采用青铜固定环是为在高压力200Mpa中使用。1.2 旋转接头的功能旋转接头可依工作情形来选择连结方式。传输介质入口可依工作情况自由选择侧边或后端进入

5、。密封面及密封圈为特殊材料所制成的，抗磨损、寿命长、耐腐蚀、不泄漏。旋转接头内部有两个精密轴承，运转平稳持久、坚固灵活，磨擦系数小，故可以高速运转。内部密封件磨损的状况可由产品外观目测得知，可以预防机械停机或机械损坏，来达到预防的效果和减少损失。密封件磨损更换维修简易，不用重新购置新品，节省成本。单回路系列旋转接头:满足国内外各种产业需求,流体介质水(water)、蒸气(steam)、油(oil)、空气(Air)、真空(vacuum)切削液(coolant)、甲苯等化学溶剂。1.3旋转接头的分类单回路旋转接头单回路旋转接头可依工作情形来选择连接方式。传输介质入口可依工作情况自由选择侧边或后端进

6、入。密封面及密封圈为特殊材料所制成的，抗磨损、寿命长、耐腐蚀、不泄漏。旋转接头内部有2个精密轴承，运转平稳持久、坚固灵活、磨擦系数小，故可高速运转。内部密封件磨损的状况可由产品外观目测得知，可以预防机械停机或机械损坏，来达到预防的效果和减少损失。密封件磨损更换维修简易，不用重新购置新品，节省成本。双回路旋转接头此类旋转接头可分为双回路固定式和双回路旋转式旋转接头。密封面及密封圈为特殊材料所制成的，抗磨损、寿命长、耐腐蚀、不泄漏。内部密封件磨损的状况可由产品外观目测得知，可以预防机械停机或机械损坏，来到预防的效果和减少损失。内有独立管路，可作不同工作情况需求做选择，来发挥最大的效益。外壳与转轴由

7、精密轴承支撑，使旋转转动时灵活轻巧，磨擦力小，液体介质可包括水、油、空气等，运用行业甚广。密封件磨损更换维修简易，不用重新购置新品，节省成本。旋转接头的功能是实现静止管道与旋转设备之间疏导流体介质的连接密封，并达到旋转设备所需的某种目的，例如：利用蒸汽、热水、导热油灯介质的加热，利用冷水、油或其他冷却液等介质进行冷却。Q系列：Q-F型： 特点是采用球面密封结构，可自动调心、自动补偿磨损。结构简单，密封性能稳定，维护方便，无需保养。适用于转速较低，同轴度较差的设备上，是应用最广泛的一种。使用参数见表1.1 表1.1 Q-F型使用参数最高压力1.6Mpa最高温度200最高转速100rpm适用介质蒸

8、汽水导热油Q2-F型：使用参数见表1.2表1.2 Q2-F型使用参数最高压力1.6Mpa最高温度200最高转速150rpm适用介质蒸汽水导热油QS-Y型印染专用旋转接头结构特点：QS-Y是专门为印染行业烘筒而特殊设计的，采用性能可靠的球面摩擦密封结构，其结构简单能自动调心、自动补偿，连接螺纹有公制M36*4的，内管连接螺纹为M16*1.5。使用参数见表1.3 表1.3 QS-Y型使用参数最高压力1.6Mpa最高温度200最高转速120r/s适用介质饱和蒸汽过热蒸汽过热水D系列：D-F型结构特点：采用波纹补偿和浮动密封环、双端面密封，摩擦系数小，降低磨损，延长使用寿命。滚动轴承支撑使旋转精度高、

9、扭矩小，适用于高速旋转设备。在高温条件下轴承应注意定期加油。使用参数见表1.4 表1.4 D-F型使用参数最高压力1.6Mpa最高温度160最高转速500r/s适用介质油蒸汽水H-F型结构特点：H系列外壳采用有色金属材料制成积小、重量轻、旋转灵活、零件均采用耐腐蚀材料，密封性能好。自动补偿。适用于通水冷却的旋转接头。使用参数见表1.5 表1.5 H-F型使用参数最高压力1.0Mpa最高温度100最高转速1000r/s适用介质空气M系列MS型：结构特点：M系列旋转接头时专门为冶金行业连铸机设计的。它用于连铸机棍子的内部冷却，以提高棍子的使用寿命。它采用平衡式密封结构，无油轴承支撑，无需润滑可自动

10、补偿。壳体埋入辊子内部，与辊子同步旋转。零部件全部选用耐锈蚀材料，适用于通水介质。壳体与辊子采用端口密封（B型）和外围密封（C型）两种。使用参数见表1.6 表1.6 MS型使用参数最高压力1.0Mpa最高温度100最高转速250r/s适用介质水ZPS-G型结构特点：ZPS-G型旋转接头在设计上采用平衡密封设计，使密封环受力小，减轻密封件的磨损。底盖与烘缸过渡法兰相连，随烘缸作同步旋转，密封环平面与底盖平面接触磨合，密封环球面与壳体内球面接触，密封件可以自由浮动。球面能适应角度变化和偏心，而平面摩擦力小，密封环的使用寿命更长，密封环采用优质浸锑石墨制成。ZPS-G型旋转接头从设计就满足烘缸的转速

11、和偏心，高的工作压力能适应烘缸颈膨胀现象。ZPS-G旋转接头安装维护方便，大流通面积，压力损失小。此接头配重型悬臂固定虹吸器，因可靠的刚性制成，虹吸咀安装方便准确，使虹吸效果大大提高，是大型纸机烘缸用旋转接头的换代产品。 使用参数见表1.7 表1.7 ZPS-G型使用参数最高压力1.2Mpa最高温度200最高转速400r/s适用介质蒸汽1.4 旋转接头的应用范围一般工具械，工作站，电脑电子值控制，旋转分配器如有高速旋转及高压力工作环境，请与本人洽询。材质：固定环：碳粉石墨和青铜转轴：不锈钢和高硬度不锈钢外壳：铝合金封闭面：石墨和不锈钢衬垫：O型环RBI类型特点：这类旋转接头为了特殊机械功能而设

12、计，固定环封闭部份是由碳精石墨所制造的，抗磨损、不透水和干式运转，经本司长期机械经验变得封闭面部份有较好的平衡结果。材质：固定环：碳粉石墨和青铜转轴：不锈钢和高硬度不锈钢外壳：铝合金封闭面：石墨和不锈钢衬垫：O型环RLB/RLF在这类旋转接头中，冷却剂为了旋转能接合尤其在高速条例下使用是非常困难的，零件中的一个特殊迷宫式组件来止漏，两个封闭面由碳化精制成的，保证期运转而抗磨损，封闭环在正常作用到适当的平衡甚至在高速下保证极低的磨损。RMB/RMF这类旋转接头有开/闭功能的特色，开/闭功能经由冷却剂穿越时在瞬时接合这一段期间避免溅漏高精，当泠却剂停止穿越时，这封闭面马上打开避免磨擦，而这个功能保

13、证寿命长。重要的是由一个迷宫式件来防止少数的液体回漏。两个接触面由抗磨损和机械突震的碳化钨所制作，使用不锈钢弹簧、不生锈、不阻碍、转动、不受任何的改变，其中RMB与RMF之冷却剂连接方向不同。RHB/RHF此类型旋转接头主体表面有沟槽，能在高速旋转时帮助散热。具有开/闭功能。当冷却剂穿越开/闭机械时，接触面自动闭合防止溅漏，冷却剂终止时接触面马上打开、避免干磨擦，保证长期运转时接接触面不至于干运转时而损坏，更重要的是有迷宫式组件来防止溅漏。两个接触面由抗磨损和机械突震的碳化钨所制作，使用不锈钢弹簧、不生锈、不阻碍、转动、不受任何的改变，其中RHB与RHF的冷却剂连接方向不同。旋转接头RGC系列

14、产品、此类旋转接头针对一般深孔加工设计简易型切削工具，此类旋转接头有高速转速、压力强、只需要一套装置配合工厂原有的设备，此系列产品有节省成本，让使用者发挥最大经济效益。适用范围广，广泛用于数控车床、一般普通镗、铣、钻床和加工中心机、钻深孔，不需要专用深孔加工机。使用范围为模具、液压行业、印刷、包装及一般五金待业钻孔加工，钻孔行业等等。最大使用压力：70Mpa最大使用温度：100最大使用转速：8000r/s 2 总体设计方案2.1 设计效果图图2.1 旋转接头的CAD效果图图2.1-1旋转接头的三维效果图图2.1-2 旋转接头的全剖效果图旋转接头是流体、气体、液体介质从静止管道输入旋转或往复运动

15、装置的连接密封部件，它是独立单一产品。一端与静止管路相连接，另一端与旋转和往复装置连接，介质从中间通过密封不泄露。Q型旋转接头、D型旋转接头、H型旋转接头均采用机械密封或机械结合柔性石墨密封，具有自动同心、自动补偿、摩擦系数小的优点，在生产制造过程中不断提高加工工艺，提高产品质量，是解决设备生产中跑、冒、滴、漏、减少流失、节约能源、提高工作效率、改善工作环境、降低成本的理想产品。该产品广泛适用于造纸、橡胶、印刷、化工、塑料、包装、印染、食品、医药、石油、冶金、钢铁、建材及卷烟行业的冷却及烘干设备。2.2 波纹管的设计波纹管是本设计中一重要元件，起到了自动调节补给以及密封环的固定；图2.2-1

16、波纹管的CAD效果图图2.2-2 波纹管的立体三维效果图2.3波纹管的主要技术参数金属波纹管及其它弹性元件的技术参数可分为以下两类功能参数它们是金属波纹管类弹性元件的主要功能指标，是判定波纹管类组件能否应用的重要判据。这类参数除给定一个额定值外，还要给定一个允差范围（界限值），以保证弹性元件使用的可靠性。质量参数 在金属波纹管类组件使用时并不涉及此类参数，只有在弹性元件性能检测与质量评定时才直接测量这些参数。根据测试结果，来判定元件的功能、质量(m)、失效性和可靠程度。金属波纹管及其它弹性元件的功能参数载荷、公称载荷和超载载荷载荷 ：作用在金属波纹管及其它弹性元件上的各种预期的负荷值，如集中力

17、F、压力p 和力矩M 等。在金属波纹管类弹性元件使用时，除给定施加的载荷值外，还须给定载荷的作用方向及作用位置。对于压力载荷，还要说明弹性元件是承受内腔压力P或外腔压力p。其载荷计算公式： F=P*M （1）式中 F-集中力P-压力M-力矩公称载荷 ：金属波纹管及其它弹性元件在正常工作条件下允许使用的最大载荷值或满量程值。它通常是预期的设计值，或是对产品原型经过实际检测后再经修定的设计值。 超载载荷：具体弹性元件产品在工作中经受瞬间或试验期间允许超过额定载荷而不发生损坏、失效、失稳时的承载能力。对于仪表弹性敏感元件，一般限定超载能力为额定载荷的125%。在工程中使用的波纹管类组件，一般限定在额

18、定载荷的150%。根据工程要求，当要求大的安全系数时，使用的弹性元件规定不允许有任何超载，因此载荷必须小于或等于额定载荷值。 位移(S)、额定位移和超载位移位移(S) ：金属波纹管及弹性元件中某一特定点（自由端或中心）的位置变化。按照其运动轨迹，可分为线位移和角位移。在外界载荷作用下，金属波纹管可能产生轴向位移、角向位侈及横向位移。 刚度：使金属波纹管或其它弹性元件产生单位位移所需要的载荷值称为元件的刚度，一般用“K”表示。如果元件的弹性特性是非线性的，则刚度不再是常数，而是随着载荷的增大发生变化。 灵敏度：金属波纹管及其它弹性元件承受单位载荷时所产件的位侈量称为元件的灵敏度。刚度和灵敏度是波

19、纹管及其它弹性元件的主要功能参数，但它们又是同一使用特性的两种不同的表示方法。对于不同的场合，为便于分析问题，可采用其中任何一种参数。有效面积：对于实现压力F1或压力F2转换的弹性元件，还有一个重要的功能指标是有效面积。有效面积是指弹性元件在单位压力作用下，当其位移为零时所能转换成集中力的大小。弹性元件的密封性：密封性是指元件在一定的内、外压差作用下保证不泄漏的性能。波纹管类组件工作时，内腔充有气体或液体介质，并有一定的压力，因此必须保证密封性。密封性的检测方法有气压密封性试验、渗漏试验、液体加压试验、用氦质谱检漏仪检测等。弹性元件的自振频率：在工业中使用的弹性元件，其工作环境往往都有一定程度

20、的振动，有些元件用作隔振部件本身就处在振动条件下。对于在特殊条件下应用的弹性元件，必须防止元件的自振频率（特别是基频）与系统中任何一种振动源振频相近，避免发生共振而引起损坏。波纹管类组件在各种领域中得到了广泛的应用，为避免波纹管发生共振面损坏，波纹管的固有频率应低于系统的振动频率，或至少比系统振频高出50%。使用温度(T)范围：金属波纹管类组件的使用温度范围很宽，一般都在弹性元件设计制造前给出。有些特殊用途的波纹管，内腔通过液氧（-196）或更低温度的液氮，耐压高达25MPa 。管网系统连接用的大型波纹膨胀节（公称直径有时超过lm ），要求承压4MPa，耐温400，且有一定的耐腐蚀稳定性。弹性

21、元件的温度适应能力取决于所采用弹性材料的耐温性能。因此根据弹性元件的使用温度范围，选用合适温度性能参数的弹性材料，才能加工制造出合格的波纹管类组件。残余变形：金属波纹管及其它弹性元件的残余变形是指加载后元件产生位移，而卸载后再经过相当长的一段时间弹性元件仍不能回复到原始位置产生一个永久变形的残留值。元件的残余变形里与使用状态有关。当拉伸（或压缩）的位移里逐渐增大到一定的位移值后，残余变形将显著增加。 失稳：弹性元件（如跳跃膜片、螺旋弹簧、波纹管等）在载荷F 或p 作用下会发生失稳现象。波纹管的失稳有平面失稳和柱失稳两种情况。平面失稳是指波纹环板平面翘曲、变形、波距不均匀等：柱失稳是波纹瞥轴线总

22、体弯曲，偏离原来的直线位置不论是哪一种失稳，都是发生了波纹管的几何形状失去原有平衡状态，产生形状突然畸变的现象，失稳发生的瞬间元件所承受的应力常常并未达到材料的屈服强度，甚至有时小于弹性极限。除了跳跃膜片是利用元件的失稳现象制成的一种两位式开关器件外，其它弹性元件使用时，都应避免失稳产生。防止元件失稳的措施有：元件设计时应避免元件过长过薄；长波纹管在使用时应采用心轴或拉杆保护；弹性元件承载时，载荷应加在元件的书合位置，防止载荷偏斜。金属波纹管刚度、应力、有效面积、耐压力、稳定性、寿命计算金属波纹管的设计计算金属波纹管设计的理论基础是板壳理论、材料力学、计算数学等。波纹管设计的参数较多，由于波纹

23、管在系统中的用途不同，其设计计算的重点也不一样。例如，波纹管用于力平衡元件，要求波纹管在工作范围内其有效面积不变或变化很小，用于测量元件，要求波纹管的弹性特性是线性的；用于真空开关管作真空密封件，要求波纹管的真空密封性、轴向位移量和疲劳寿命；用于阀门作密封件，要求波纹管应具有一定的耐压力、耐腐蚀、耐温度、工作位移和疲劳寿命。根据波纹管的结构特点，可以把波纹管当作圆环壳、扁锥壳或圆环板所组成。设计计算波纹管也就是设计计算圆外壳、扁锥壳或团环板。波纹管设计计算的参数为刚度、应力、有效面积、失稳、允许位移、耐压。2.4关于应力评定的计算公式因为温差应力是二次应力，所以壳壁应力s，管壁应力t,应满足下

24、列条件：S=（F1+F2）/As3 （2）t=(f1+f3) /a3 （3）管子与管板若为胀接，拉脱力应满足：q=t a/d0ltq （4）管子稳定性应满足：P P (5)如果式（2）-（5）中有一个不能满足，就必须设置膨胀节。Pc=2.2Et(t/d0) （6）参照我国有关规定稳定性系数m取为3.0，于是可以取定外应力为: P=Pc/m (7)在设计波纹管换热时，应使工作外压力P1，吊桥S01.5）0.51-1.5注：1.推力调心滚子轴承无论旋转与否均取S02;对旋转轴承比球轴承的S0值取的高，一般小于1； 2.与轴承配合部位的座体刚度较低时应取较高的安全系数，反之取较低的值。其计算公式为：C0/P0S0CO-基本额定静载荷，单位为NP0-当量静载荷，单位为NS0-静强度安全系数，单位为N2.6密封垫的设计分析2.6.1 密封垫三维效果图 图2.6-1密封垫三维效果图密封垫片，是一种用于机械、设备、管道等内部，起密封作用的材料。2.6.2垫片的分类高中压石棉橡胶板垫片石棉橡胶垫片以石棉纤维、橡胶为主要原料再辅以橡胶配合剂和填充料，经过混合搅