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一、選題依據(jù)
1.論文(設計)題目
液壓驅動金屬打包機設計
2.研究領域
機械結構設計和液壓系統(tǒng)設計
3.論文(設計)工作的理論意義和應用價值
隨著科學技術發(fā)展和人民生活水平的提高,各種生活金屬廢品和工業(yè)金屬廢料也日益增多,過度開采也導致各類礦產(chǎn)資源不斷減少。怎樣利用這些金屬廢棄物,不使其污染環(huán)境,又變廢為寶,達到可持續(xù)發(fā)展的目的成為一個重要的研究課題擺在人們面前。液壓金屬打包機就是在這種需求下產(chǎn)生的。金屬打包機主要是用來將廢鐵、廢鋁、廢鐵、線材以及一些輕薄金屬板材余料等壓縮成塊打包,提供給鋼廠作為回爐熔煉的合格爐料。這樣既加快了廢金屬的回收和利用,減少了廢料的運輸成本和冶煉成本,又方便儲存運輸,提升回爐速度。提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。
4.目前研究的概況和發(fā)展趨勢
當前,中國的打包機還是以模仿為主,對外國的產(chǎn)品略有改善,沒有實質的發(fā)展, 而在企業(yè)管理中,往往只注重生產(chǎn)加工、輕研究開發(fā),創(chuàng)新不夠。
我國的液壓剪切機和液壓打包機在 20 世紀 80 年代中期就開始起步研制應用。當時國家已經(jīng)將廢鋼鐵回收列入節(jié)能項目中,這主要是為了從宏觀政策上鼓勵發(fā)展。國家物資總局和商業(yè)部,為了廢鋼鐵回收價能夠正常實施,特別從捷克、美國、日本、西德等國家分別組織引進了一部分打包機以及廢鋼剪切機。首先對京、津等大中型城市進行武裝,我國非金屬加工設備的生產(chǎn)體系,通過隨后不斷的技術合作和引進先進技術等多種形式逐漸形成。雖然自 20 世紀 80 年代后期引進國外的廢鋼打包機械距今
已有 20 幾年,中國加入世界貿(mào)易組織也有多年,世界經(jīng)濟一體化進程不斷加快,但是我國液壓打包機的開發(fā)近況仍舊存在許多令人不太滿意的地方:(1)新產(chǎn)品開發(fā)研制的動力、財力不足。(2)經(jīng)久耐用簡單可行的設備受歡迎。
具初步統(tǒng)計,國外的金屬打包機設備產(chǎn)品種類大概有 200 種,成套數(shù)量多,并且不斷有新的技術和產(chǎn)品推出。國外打包機設備產(chǎn)品一方面向高精度、大型化發(fā)展,另一方面向多功能方向發(fā)展。我國的打包機械產(chǎn)品數(shù)量較少,僅有 60 多種,缺乏高精度、大型化打包機械產(chǎn)品,并且在很多領域還處在空白狀態(tài)。行業(yè)需要自動化程度高、生產(chǎn)效率高、具有流水線形式的廢鋼鐵綜合加工機械,對一機多功能設備更加青睞。比如韓國大模技術有限公司生產(chǎn)的 DMS 系列的金屬打包機能夠 360 度自由旋轉,并
且功率大,適用于大鋼廠料作業(yè);詹陽動力重工公司生產(chǎn)出來的液壓履帶式抓鋼機附帶電磁吸盤和散料抓斗,一機多用深受鋼鐵企業(yè)歡迎。
結合現(xiàn)有生產(chǎn)力和社會發(fā)展水平,相信金屬打包機械在未來的發(fā)展態(tài)勢將會呈現(xiàn)以下特點:
(1)高效化、低能耗、高速化。提升器械的工作效率,減少生產(chǎn)成本。
(2)自動化、智能化。打包機的自動化與智能化是今后發(fā)展的必然趨勢,高效打包機械將在生產(chǎn)發(fā)揮越來越重要的作用,不論是在降低成本和提高效率方面,都有著巨大的貢獻。全自動打包機還能減少因為人為因素產(chǎn)生的失誤。
(3)機電液一體化。綜合利用各相關技術優(yōu)勢,揚長避短,增進整個液壓系統(tǒng)的完善程度,取得系統(tǒng)優(yōu)化的效果,有著顯著的社會效益和技術經(jīng)濟效益。
(4)液壓元件的標準化,集成化。標準化的液壓元件為設備的維修帶來方便, 而集成化有效地阻止了泄露和污染。
(5)安全性。運用先進的安全防護裝置,保證操作者和檢修人員的人身安全。
二、論文(設計)研究的內(nèi)容
1.重點解決的問題
打包機的整體結構設計,機座部分結構設計、材料選擇,擠壓部分結構設計、材料選擇,液壓系統(tǒng)設計、元件選擇。
2.擬開展研究的幾個主要方面(論文寫作大綱或設計思路)
(1)打包機的總體方案設計:確定必要的設計依據(jù) 對加工工件的工藝分析 打包機的整體布局 機械原理分析
(2)打包機主要參數(shù)的確認:打包機的尺寸參數(shù) 運動參數(shù)等
(3)打包機的結構設計:整體的結構設計 機座部分的結構設計
(4)液壓系統(tǒng)設計:明確液壓系統(tǒng)的使用要求 進行負載特性分析 確定回路方式 選擇液壓元件 進行安全校核等
(5)打包機設計一系列圖樣的繪制
3.本論文(設計)預期取得的成果
通過學習及查閱相關資料了解液壓金屬打包機的基本工作原理,掌握對液壓金屬打包機各組成部件的結構尺寸的計算、強度校核、驗算過程等,了解液壓金屬打包機的發(fā)展趨勢和相關技術。通過自主設計選擇最合理的方案設計能夠得到以下結果:
(1)液壓金屬打包機的工作原理及總體方案設計
(2)設計說明書
(3)主要部件的結構設計(相關裝配圖、零件圖)
(4)液壓金屬打包機系統(tǒng)相關的一篇外文翻譯(不少于 2000 字)
三、論文(設計)工作安排
1.擬采用的主要研究方法(技術路線或設計參數(shù));
(1) 參閱相關產(chǎn)品的技術資料,如液壓金屬打包機設計方案等,擬確定各結構設計方案,從而能安全實現(xiàn)生產(chǎn)液壓金屬打包機的功能。
(2) 要從各種方案中選擇合適的方案,分析出各方案的優(yōu)缺點,綜合優(yōu)化各種方案設計,從而確定本次設計的最后設定方案。
(3) 從經(jīng)濟性、適用性、節(jié)能性出發(fā),設計各個部分。
(4) 要完成動力驅動部分的設計與校核,主缸系統(tǒng),鎖緊機構等零部件的設計與校核。
(5) 完成總裝配圖、零件圖,部件圖設計和說明書的撰寫。
2.論文(設計)進度計劃
(1) 第一周~第四周,查找、收集相關文獻資料,研讀文獻并完成文獻綜述, 撰寫開題報告;
(2) 第五周~第七周,完成外文翻譯工作和整體方案設計選擇,根據(jù)選擇的方案進行打包機的結構設計;
(3) 第七周~第九周,完成打包機上蓋、水平擠壓部分的結構設計、材料選擇、參數(shù)計算和校核;
(4) 第九周~第十二周,液壓動力系統(tǒng)的方案設計與液壓動力系統(tǒng)的相關參數(shù)計算、校核,液壓系統(tǒng)圖的繪制及液壓元件的選擇;
(5)第十三周~第十六周,完成零件圖、裝配圖的繪制,撰寫說明書,打印材料,準備答辯。
四、需要閱讀的參考文獻
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附:文獻綜述或報告
金屬打包機作為一種廢金屬回收器械目前已廣泛應用在工業(yè)生產(chǎn)領域中,是現(xiàn)階段實現(xiàn)降低污染、金屬資源重復利用的一種重要工具。金屬打包機的發(fā)展,也反映出各個國家現(xiàn)如今的科學技術發(fā)展水平與工業(yè)生產(chǎn)水平。
一、金屬打包機主要是由壓縮板頭,壓縮室,驅動系統(tǒng),控制系統(tǒng)等部分組成。工作時,金屬廢料先進入壓縮室,然后壓縮板頭通過驅動系統(tǒng)驅動,對金屬廢料進行壓縮,最后打包成塊,推出壓縮室。現(xiàn)階段大部分金屬打包機還是采用傳統(tǒng)的繼電控制,設備自動化程度不高。而新式打包機由 PLC 控制,設備自動化程度高,降低了人為操作帶來的失誤等。
二、根據(jù)驅動方式的不同,目前國內(nèi)擁有并使用的金屬打包機大致分為絲桿傳動驅動和液壓傳動驅動兩大類。絲桿傳動驅動的金屬打包機,主要由電動機、減速器、絲桿及螺母進行傳動,人工取包或是機械頂住包塊。這類金屬打包器械,其優(yōu)點是結構簡單,易于制造。但是其缺點也很明顯,絲桿傳動的功率損耗大,磨損大,體積大, 所以在金屬打包機發(fā)展過程逐漸被液壓傳動式所替代。而液壓驅動金屬打包機,采用液壓系統(tǒng)作為打包機的驅動系統(tǒng),相對絲桿傳動式金屬打包機來說,占地面積稍小, 結構與之相比更為緊湊,更容易獲得大的壓力。兩種打包機的驅動方式雖然不同,但是其主機的結構基本都相同。打包機的具體運動基本都為:(1)合蓋—封閉料箱, 形成壓縮室。即預壓過程(2)第一極壓頭加壓—X 向加壓(3)第二級加壓—Y 向加壓。即最終加壓,形成密度較高的束塊。(4)開側門,推出束塊,(5)回位—主、側壓頭退回,側門關閉,機蓋啟開。等待下一工作循環(huán)加料。
三、液壓驅動式金屬打包機的核心部分便是液壓系統(tǒng),液壓系統(tǒng)的性能直接影響到打包機的工作性能。打包機的液壓系統(tǒng)主要由動力裝置:液壓泵;執(zhí)行裝置:液壓缸;控制調節(jié)裝置:手動方向閥、壓力控制閥;輔助裝置:油箱、油管、接頭、密封件、壓力表等組成。液壓金屬打包機對液壓系統(tǒng)的要求為:
(1)合理的動力裝置。液壓泵和電機的選擇直接關系到動力源的利用率,因此, 選擇液壓泵和電機時應選擇最合理最節(jié)能的。液壓泵的基本參數(shù)為:壓力、轉速、流量、效率,一般應該根據(jù)系統(tǒng)的實際工況來選取。選擇液壓泵的另外因素就是泵的流量或者是排量,液壓泵的流量與實際工作狀況有關,選擇的液壓泵流量需大于液壓系統(tǒng)工作時候的最大流量。最后結合液壓泵的結構特點和性能來確定型號,一般需要達到液壓泵變量機構慣性小、工作壓力高、結構簡單、體積小、重量輕、成本較低等特
點。需要注意的是,為了使液壓泵工作安全可靠,應使液壓泵的額定壓力大于工作壓力,通常高 0.25~0.60,而液壓泵的額定流量與實際流量相當,不需要超過太多。
(2)執(zhí)行裝置的可靠性。執(zhí)行裝置—液壓缸的選擇,首先需要根據(jù)設計的實際要求,計算參數(shù),經(jīng)過強度校核后,確定其是否符合實際生產(chǎn)要求,才能夠確定液壓缸的型號。通常,液壓金屬打包機需要用到 3 個或以上的液壓缸,主要用途為:(a) 機蓋啟開或預壓(b)主壓力缸(c)側壓力缸等
(3)方便的控制裝置。液壓控制元件選擇。考慮打包機的運動工作循環(huán),在壓縮過程中,應保持穩(wěn)定狀態(tài),不允許受到各種干擾,同時要求各個液壓缸只能單獨動作,不能同時動作,主缸、側缸、蓋缸都能在任意位置停止運動,基于此來選擇液壓油路。而選擇的各種控制閥應保證液壓系統(tǒng)的安全可靠性,同時考慮各個液壓缸的互鎖機制,結合控制閥的中位機能,達到減少系統(tǒng)的功率損失,便于卸荷的效果。
(4)輔助元件選擇。由于液壓系統(tǒng)工作時會產(chǎn)生一系列因素,如油液可壓縮性以及油液升溫等,此類因素在系統(tǒng)靜止時不會對系統(tǒng)系能產(chǎn)生影響,但是在工作時這一系列因素會導致液壓系統(tǒng)性能無法達到設計的要求,所以需要選擇一系列輔助元件,如在液壓系統(tǒng)的回油路裝冷卻器,調節(jié)油溫:在主壓缸的加載缸進油口裝壓力表和安全閥等,讓液壓金屬打包機滿足工作循環(huán)中各種壓力、流量變化的要求。
四、打包機的控制系統(tǒng),市面上常見的金屬打包機控制系統(tǒng)大致也分為兩種,通過繼電器控制,和采用 PLC 作為控制軟件控制系統(tǒng)。(1)傳統(tǒng)的繼電器控制方式, 雖然控制形式簡單,但是有的控制全都是采用電氣元件來完成,接線較為麻煩,在系統(tǒng)發(fā)生問題時,查找起來非常困難,并且通過人工操縱桿實現(xiàn)打包機的運動控制,不能達到控制精確,甚至可能導致操作失誤而帶來不必要的損失。所以這種控制方式終將被淘汰(2)新式打包機通過運用 PCL 控制系統(tǒng),作為新一代可編程控制器的 PLC, 在生產(chǎn)過程中的自動控制和順序邏輯控制可根據(jù)要求和加工流程來實現(xiàn),通過計算機收集數(shù)據(jù)信息,然后進行數(shù)據(jù)分析與處理,再進行系統(tǒng)的總體控制,控制相對精確, 所以在控制現(xiàn)場中 PLC 不僅被廣泛應用,同時也取得了很好的控制效果。并且采用
PLC 控制,在檢查系統(tǒng)問題時也相對簡單。
五、液壓系統(tǒng)的故障檢測。隨著液壓技術與微電子技術、計算機控制技術、傳感技術等新技術的緊密結合,使得液壓系統(tǒng)向著復雜化、精密化和自動化的方向快速發(fā)展,而且用途越來越多,涉及的領域也越來越廣。在機、電、液一體化的耦合系統(tǒng)中, 液壓系統(tǒng)發(fā)生的故障具有隨機性、隱蔽性和復雜性等特點,所以開展針對液壓系統(tǒng)的故障診斷的研究顯得尤為重要。依據(jù)液壓系統(tǒng)的故障診斷技術特點,可分為以下三個
發(fā)展階段:
(1)原始診斷階段。該階段由于機器裝備比較簡單,故障診斷主要依靠專家或維修人員通過感官、經(jīng)驗和簡單儀表,對故障進行診斷并排除。通常采用的方法有感官診斷法、邏輯分析法、圖論法和儀器檢測法。每種方式方法的應用時機,需要視具體的應用場合與故障發(fā)生狀況而定。該發(fā)展階段的故障診斷方法,其優(yōu)點是建模簡單, 分析過程和結果易于理解。但它過于依賴檢修人員的判斷能力和實際經(jīng)驗,只能對故障進行簡單的定性分析,做不到定量分析。另外,當系統(tǒng)復雜時,使用此類診斷方法將會變得非常困難,費時費力,而且診斷正確率不高,滿足不了現(xiàn)代液壓系統(tǒng)的要求。
(2)基于傳感器與計算機技術診斷階段。這個階段由于傳感器技術和動態(tài)測試技術的發(fā)展,使得對液壓系統(tǒng)個中診斷新號(壓力、流量、振動等)的測量變得容易和快捷,微機和信號處理技術的快速發(fā)展,使數(shù)據(jù)處理的效率大大提高,從而出現(xiàn)了各種狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷方法。主要是時域分析法、頻域分析法、時頻分析法、狀態(tài)空間分析法、動態(tài)過程分析法、參數(shù)估計法等。該階段的診斷方法,需要建立系統(tǒng)的數(shù)學模型或者提取系統(tǒng)的特征參數(shù),而液壓系統(tǒng)是一個非線性時變系統(tǒng),具有強耦合、滯后、參數(shù)時變等非線性特征,導致液壓系統(tǒng)故障特征參數(shù)提取困難,數(shù)學模型極其復雜甚至數(shù)學模型無法建立的情況,很難得到較準確的在線狀態(tài)估計或參數(shù)估計。
(3)智能化診斷階段。這一階段的特點是將人工智能的研究成果(專家經(jīng)驗的總結、模糊邏輯和人工神經(jīng)網(wǎng)絡等)應用到液壓系統(tǒng)故障診斷領域中,它以常規(guī)信號處理和診斷技術為基礎,以人工智能技術為核心,構建智能化故障診斷模型和系統(tǒng)。此時,故障診斷過程由以知識處理為核心取代了以數(shù)據(jù)處理為核心。目前,基于人工智能的液壓系統(tǒng)故障診斷法主要有基于模糊邏輯的診斷法、基于專家系統(tǒng)的診斷法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡的診斷法以及它們之間的融合等。①基于專家系統(tǒng)的診斷法,是根據(jù)人們在長期的實踐中積累起來的大量故障診斷經(jīng)驗和知識設計出的一套計算機程序,其診斷結果直觀、形象,易于理解,并且克服了模型診斷法對模型的依賴性。但是,專家系統(tǒng)存在知識獲取比較困難;當規(guī)則較多時,推理中存在匹配沖突、組合爆炸等問題,導致推理速度變慢、效率低下。②基于神經(jīng)網(wǎng)絡的診斷法,是利用神經(jīng)網(wǎng)絡具有高度的自適應性、較強的自學習能力和容錯性以及分布式并行信息處理功能等,較好地解決了專家系統(tǒng)中出現(xiàn)的無窮遞歸、組合爆炸及匹配沖突等問題,并使計算速度大大提高。但是,神經(jīng)網(wǎng)絡故障診斷存在學習算法收斂速度慢,訓練樣本獲取困難,不能解釋推理過程和推理結果等問題。
結合目前的人工智能、只能計算、信息處理等計算機等相關技術領域的發(fā)展,將
相關學科和領域的新技術、新理論不斷引入并與現(xiàn)有的故障診斷技術相融合,必將促進液壓系統(tǒng)故障診斷技術的進一步發(fā)展。