爐頂連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料系統(tǒng)設(shè)計
爐頂連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料系統(tǒng)設(shè)計,爐頂,連續(xù),旋轉(zhuǎn),布料,系統(tǒng),設(shè)計
畢業(yè)設(shè)計(論文)中期報告
題目：爐頂連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料系統(tǒng)設(shè)計
1. 設(shè)計（論文）進(jìn)展?fàn)顩r
自從開題報告以后至今，經(jīng)過導(dǎo)師和我的共同努力，我已完成以下工作：
1) 完成中期報告一份；
2) 完成了一份3000字的爐頂布料系統(tǒng)相關(guān)外文翻譯；
3) 完成了爐頂連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料系統(tǒng)的爆炸及動畫的視頻制作；
4) 完成了傳動部分的相關(guān)計算（例如：減速器的選型，聯(lián)軸器的選型，鍵的選型，軸承的選型，軸的選型等）；
5) 對爐頂連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料系統(tǒng)進(jìn)行了分析計算，完成了一份CAD裝配圖和一套Solidworks裝配圖；
6) 查閱爐頂連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料系統(tǒng)相關(guān)書籍和導(dǎo)師的多次指導(dǎo)修改完成爐頂連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料系統(tǒng)裝配草圖設(shè)計，三維建模如圖1所示。
圖1 總體結(jié)構(gòu)三維圖
7） 減速機的選型
已知ηw=0.9 ; η=0.99×0.99×0.98
因為執(zhí)行功率Pw=(T×n)/9550ηw ； f=μFN ； T=f×R ；R=5.684/2=2.842 m
每個減速器所承受的力為 f =（1/3）×（0.5 × 126500）=21083.3 N
已知內(nèi)側(cè)壁轉(zhuǎn)速n=0.2r/min
所以T單=21083.3 N × (5.684/2) = 59918.7 N
所以 Pw=（59918.7×0.2）/（9550×0.9）= 1.39 KW
所以Pd= Pw/η =1.39/(0.99×0.99×0.98) = 1.45 KW
查詢減速機的型號選擇TRF 138 TR 78減速機
詳細(xì)參數(shù)如下：
功率
Power
KW
輸出轉(zhuǎn)速
Output speed
r/min
輸出扭矩
Output torque
Nm
傳動比
Ratio
i
服務(wù)系數(shù)
Service factor
fb
機型號
Type
Type
極數(shù)
Pole
p
1.5
3.7
3444
374
2.2
TRF 138TR78
4
2. 存在問題及解決措施
2.1 存在的問題：
1.對連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料系統(tǒng)的整體細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)分析還不夠透徹；
2.對整個系統(tǒng)的現(xiàn)實工作過程不夠了解；
3.氣壓傳動控制方面還存在一些不足；
2.2 解決措施：
1.多看書，更加細(xì)致的對連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料系統(tǒng)進(jìn)行分析，修改設(shè)計不合理的結(jié)構(gòu)；
2.在網(wǎng)上搜集相關(guān)資料，查看相關(guān)視頻文件；
3.在氣壓傳動控制方面多下點功夫，不懂的及時和導(dǎo)師聯(lián)系咨詢；
3. 后期工作安排
3.1 完善連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料系統(tǒng)的設(shè)計及計算，修改爐頂連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料系統(tǒng)的裝配圖；（第九周；2014.03.19-2.14.03.23）
3.2對連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料系統(tǒng)的各構(gòu)件的合理性的驗證；（第十周；2014.03.24-2014.03.30）
3.3 對連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料系統(tǒng)整體的合理性的驗證；（第十周；2014.03.24-2014.03.30）
3.4 對連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料系統(tǒng)整體進(jìn)行校核計算；（第十周；2014.03.24-2014.03.30）
3.5對連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料系統(tǒng)的加工工藝和成本的合理性進(jìn)行驗證；（第十一周；2014.03.31-2014.04.06）
3.6 對連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料系統(tǒng)的氣壓控制進(jìn)行進(jìn)一步的深化；（第十二周；2014.04.07-2014.04.13）
3.7 將三維模型轉(zhuǎn)化到二維圖，并修改零件圖；（第十三周；2014.04.14-2014.04.20）
3.8 撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書，完成論文，準(zhǔn)備答辯。（第十四周-第十五周；2014.04.21-2014.05.04）
指導(dǎo)教師簽字：
年 月 日
畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告
題目：爐頂連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料系統(tǒng)設(shè)計
1. 畢業(yè)設(shè)計（論文）綜述（題目背景、研究意義及國內(nèi)外相關(guān)研究情況）
1.1 題目背景、研究意義
高爐爐頂布料設(shè)備是用來將爐料裝入高爐并使之合理分布，同時起爐頂密封作用的設(shè)備。
高爐是按逆流原則進(jìn)行冶金過程的豎爐，爐頂是爐料的入口也是煤氣的出口。為了便于人工加料，過去很長時間爐頂是敞開的。后來為了利用煤氣，在爐頂安裝了簡單的料鐘與料斗，即單鐘式爐頂裝料設(shè)備，把敞開的爐頂封閉起來，煤氣用管導(dǎo)出加以利用，但在開鐘裝料時仍有大量煤氣逸出，這樣不僅散失了大量煤氣，污染了環(huán)境，而且給煤氣用戶造成很大不便。后改用雙鐘式爐頂裝料設(shè)備，交錯啟閉。為了布料均勻防止偏析，于1906年出現(xiàn)了布料器，最初是馬基式旋轉(zhuǎn)布料器，它形成一個完整的密封系統(tǒng)和較為靈活的布料工藝，獲得了廣泛應(yīng)用，后來又出現(xiàn)了快速旋轉(zhuǎn)布料器和空轉(zhuǎn)螺旋布料器[1]。
無論何種爐頂裝料設(shè)備均應(yīng)滿足以下基本要求[1]：
(l)要適應(yīng)高爐生產(chǎn)能力。
(2)能滿足爐喉合理布料的要求，并能按生產(chǎn)要求進(jìn)行爐頂調(diào)劑。
(3)保證爐頂可靠密封，使高壓操作順利進(jìn)行。
(4)設(shè)備結(jié)構(gòu)應(yīng)力求簡單和堅固，制造、運輸、安裝方便，能抵抗急劇的溫度變化及高溫作用。
(5)易于實現(xiàn)自動化操作。
隨著高爐煉鐵技術(shù)的發(fā)展，高爐容積的大型化、高壓化，傳統(tǒng)的馬基式雙鐘爐頂裝料設(shè)備已滿足不了密封和布料要求。煤氣利用差，大小鐘及鐘桿磨損嚴(yán)重，影響爐頂壓力的提高，降低了作業(yè)率，不能適應(yīng)現(xiàn)代化高爐冶煉的要求。同時，隨著高爐大型化，大鐘及大鐘斗直徑增大，質(zhì)量增加，給加工制造、運輸、安裝及維修帶來很大的困難，因此，為了解決設(shè)備制造，以及解決設(shè)備密封與布料兩種功能的矛盾，將兩種功能分開，相繼出現(xiàn)三鐘、鐘閥等結(jié)構(gòu)。隨著爐容增大，爐喉斷面增大，爐料在爐喉斷面上的分布不均勻性也擴大了，加劇了高爐煤氣分布的不均勻，使煤氣利用變差；為了解決布料問題，出現(xiàn)了可調(diào)爐喉結(jié)構(gòu)。但是，仍不能滿足高爐進(jìn)一步強化冶煉的要求，所以沒有得到廣泛應(yīng)用。而爐頂連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料系統(tǒng)布料量大，效率高，自動化程度高滿足了高爐冶煉對布料的要求，因此在未來的高爐布料上必能廣泛應(yīng)用[1][9]。
1.2 國內(nèi)外相關(guān)研究情況
目前常見的布料器有馬基式雙鐘爐頂布料器如圖[1]1，馬基式旋轉(zhuǎn)布料器如圖[1]2，空轉(zhuǎn)螺旋布料器[1]等。布料機在國內(nèi)數(shù)量少，使用少，除了人們對布料機了解不多外，重要一點是目前布料機還依賴進(jìn)口，價格昂貴，許多單位考慮到經(jīng)濟上的因素而不愿意引進(jìn)，但是施工質(zhì)量要更上一層樓，機械就必須要配套。采用布料機配合的方式，由于布料范圍廣，就位靈活正確，大大減輕了工人的勞動強度，提高了施工效率，降低了施工本錢，必會帶來更高的收益。
1-斗； 2-大鐘；3-大鐘桿；4-煤氣封罩；5-爐頂封板；
6-爐頂法蘭；7-小料斗下部內(nèi)層；8-小料斗下部外層；
9-小料斗；10-小齒輪；11-大齒輪；12-支撐輪；l3-定位輪；14-小鐘桿；15—鐘桿密封；16—軸承；
17-大鐘桿吊掛件；18-小鐘桿吊掛件；19一放散閥；20-均壓閥；21-小鐘密封；22-大料斗上節(jié)；23-受料漏斗
圖1馬基式布料器雙鐘爐頂結(jié)構(gòu)
a— 快速旋轉(zhuǎn)布料器
b— 空轉(zhuǎn)螺旋布料器
圖2布料器結(jié)構(gòu)
c—
2.本課題研究的主要內(nèi)容和擬采用的研究方案、研究方法或措施
2.1 本課題研究的主要內(nèi)容
爐頂連續(xù)布料系統(tǒng)設(shè)計，包括布料系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、布料盤、布料擋板機構(gòu)等方面的內(nèi)容。
2.2 本課題研究的研究方案
布料器的作用是布料器能及時、準(zhǔn)確、穩(wěn)定、均勻地將合格原料送入高爐爐頂?shù)氖芰下┒穂14][15]。
方案一：料車直接上料。
優(yōu)點：可以直接上料，不需要中間的其他輔助設(shè)備
缺點：對于料車上料的高爐爐頂裝料設(shè)備的最大缺點是爐料分布不均。料車只能從斜橋方向?qū)t料通過受料漏斗裝入小料斗中，因此在小料斗中產(chǎn)生偏析現(xiàn)象，大粒度爐料集中在料車對面，粉末料集中在料車一側(cè)，堆尖也在這側(cè)，爐料粒度越不均勻，料車卸料速度越慢，這種偏析現(xiàn)象越嚴(yán)重。這種不均勻現(xiàn)象在大料斗山和爐喉部位仍然重復(fù)著。
方案二：馬基式旋轉(zhuǎn)布料[1]
優(yōu)點：小料斗裝料后旋轉(zhuǎn)一定角度，再開啟小鐘，一般是每批料旋轉(zhuǎn)60°，即0°、60°、120°、180°、240°、360°，俗稱六點布料，要求每次轉(zhuǎn)角誤差不超過2。，這樣小料斗中產(chǎn)生的偏析現(xiàn)象就依次沿爐喉圓周按上述角度分布。落在爐喉某一部位的大塊料與粉末，或者每批料的堆尖，沿高度綜合起來是均勻的。當(dāng)轉(zhuǎn)角超過l80°時布料器可以逆轉(zhuǎn)，例如240°角可變?yōu)?120°角。
缺點： 一是布料仍然不均，這是由于雙料車上料時，料車位置與斜橋中心線有一定夾角，因此堆尖位置受到影響；二是旋轉(zhuǎn)漏斗與密封裝置極易磨損，而更換、檢修又較困難。
方案三：連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料
優(yōu)點：連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料系統(tǒng)外形設(shè)計簡單實用，便于安裝和維護。采用連續(xù)旋轉(zhuǎn)方式布料可以及時、均勻地將合格原料送入高爐爐頂?shù)氖芰下┒?。布料盤采用三個相同的電機同時驅(qū)動，刮料板采用氣壓驅(qū)動便于自動化控制。并且連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料系統(tǒng)布料量大，效率高，自動化程度高滿足了高爐冶煉對布料的要求。
缺點：連續(xù)旋轉(zhuǎn)過程要想穩(wěn)定工作對系統(tǒng)的各個部位精度要求較高，工作過程因為布料溫度相對較高對于保溫隔熱要選用相應(yīng)的特殊材料。
三種方案進(jìn)行綜合比較，最終采用爐頂連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料系統(tǒng)。
2.3 本課題研究的研究方法或措施
首先查找資料，咨詢老師，請教相關(guān)專業(yè)同學(xué)進(jìn)行必要的分析計算，考慮現(xiàn)實情況進(jìn)行必要的調(diào)查了解，然后草繪圖紙確定尺寸。最后建立三維立體模型、進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計分析，確定出最優(yōu)設(shè)計方案。
3. 本課題研究的重點及難點，前期已開展工作
本課題的重點難點是：連續(xù)、均勻、精確布料的結(jié)構(gòu)設(shè)計，電機的選擇，氣壓的設(shè)計，查閱布料系統(tǒng)的相關(guān)資料，繪制布料系統(tǒng)的三維零件圖、裝配圖以及相應(yīng)的二維圖紙。
前期已開展工作: 請教指導(dǎo)老師并查閱布料系統(tǒng)的相關(guān)資料，熟悉布料系統(tǒng)的組成及裝配關(guān)系，了解布料系統(tǒng)的基本工作原理及應(yīng)用場合。并為進(jìn)一步周密的設(shè)計做好充分準(zhǔn)備。
4. 完成本課題的工作方案及進(jìn)度計劃(按周次填寫)
(1)第01-03周：查閱資料，了解工作原來及特點，完成基礎(chǔ)知識的積累并撰寫開題報告；(2013年11月15日-12月10日)
(2)第04-06周:論證，深化方案具體實施步驟；（2013年12月11日-12月27日）
(3)第07-10周:電極接長站的具體方案設(shè)計，圖紙繪制，準(zhǔn)備中期答辯；（2013年12月30日-2014年3月12日）
(4)第11-15周:畢業(yè)論文，論文修改，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯；（2014年3月17日-2014年4月23日）
5. 指導(dǎo)教師意見（對課題的深度、廣度及工作量的意見）
指導(dǎo)教師： 年 月 日
6. 所在系審查意見：
系主管領(lǐng)導(dǎo)： 年 月 日
參考文獻(xiàn)
[1] 郝素菊,張玉柱,蔣武鋒.高爐煉鐵設(shè)計與設(shè)備[M].普通高等教育“十二五”規(guī)劃教材.冶金工業(yè)出版社.2011.80-89.
[2] 許智慧,蔣孝德,喻樂康.布料機技術(shù)參數(shù)[M].長沙中聯(lián)重工科技發(fā)展股份有限公司
[3] 青雪梅,戚波,周強.大型高爐并罐式無鐘爐頂?shù)膽?yīng)用現(xiàn)狀及設(shè)計理念[J].中冶南方工程技術(shù)有限公司.武漢.2012.616-619.
[4] 李暉實,陳明,趙艷敏等.高爐布料系統(tǒng)的精確控制[J].山東省萊蕪市萊蕪鋼鐵集團自動化部. 2013,(2):68-72.
[5] 李云濤,井元偉.高爐爐頂裝料系統(tǒng)的控制與研究[D].東北大學(xué).2008.
[6] 鄭宗平.高爐無料鐘爐頂裝料裝置國內(nèi)外發(fā)展概況和改進(jìn)意見[J].冶金機械教研室.1979.81-89.
[7] 白洪光,曲思民,賈法強等.環(huán)形套筒窯旋轉(zhuǎn)布料器液壓系統(tǒng)和控制程序的改進(jìn)[J].1山東省冶金科學(xué)研究院，山東 濟南 250014；2濟南鋼鐵集團總公司，山東濟南25010.2006,28(3):31-31.
[8] 關(guān)景林,陳雪波,于政軍.基于PLC高爐布料專家自學(xué)習(xí)得設(shè)計與實現(xiàn)[D].遼寧科技大學(xué).2011.
[9] 羅志輝,黃摯雄.基于PLC模糊控制的回轉(zhuǎn)布料機[D].中南大學(xué).2009.
[10] 謝子洪,湯順祥,段文成等.礦熱爐爐頂布料控制系統(tǒng)的設(shè)計與實踐[J].云南文山斗南錳業(yè)有限責(zé)任公司鐵合金廠.文山.中國.663101.2006,(6):43-47.
[11] 謝振遠(yuǎn),陳西,李迎新（河南省冶金研究所）.陶林（河南冶金工業(yè)學(xué)校）
爐料堆尖的形成及爐頂設(shè)備的布料能力[J].1997,16(4) :28-31.
[12] 汪延來,馬鋼4000m3高爐供料和上料系統(tǒng)的設(shè)計特點[J].中冶華天工程技術(shù)有限公司.2013,(3):42-45.
[13] 霍秀梅,李建國.談BT型無料鐘爐頂特點及存在的問題[J].中冶東方工程技術(shù)有限公司.內(nèi)蒙古 包頭.2008,27(3):202-205.
[14] 于要偉,白晨光.無料鐘高爐布料模型的研究[D].冶金工程.2008.
[15] 李大斯,無鐘高爐均勻布料控制系統(tǒng)[J].寶鋼集團八一鋼鐵有限公司.檢修中心.新疆.烏魯木齊 830022.2010.49-51.
[16] 吳海龍,夏建芳.震動布料機固有特性及最佳布料工作參數(shù)匹[D].中南大學(xué).2012.
[17] XIANG Zhong-yong, CHEN Ying-ming, ZOU Zhong-ping.A New Design System of Blast Furnace (CISDI Engineering Co Ltd, Chongqing, China).2010.1020-1026.
[18] ZHANG Hui, LI HuiQuan, TANG Qing & BAO WeiJun.Conceptual design and simulation analysis of thermal behaviors of TGR blast furnace and oxygen blast furnace.Received August 3, 2009; accepted October 6, 2009.85-92.
[19] Hilgraf Peter,Nolde Hans-dieter.New Design Methods for Coal Distribution Systems for Blast Furnace Coal Injection.(1. Claudius Peters Technologies GmbH, D21614 Buxtehude, Schanzenstr. 40, Germany;2. Claudius Peters Projects GmbH, D21614 Buxtehude, Schanzenstr. 40, Germany).2010.787-791
[20] Gudenau Heinrich-Wilhelm,Senk Dieter,Babich. New Ionmaking Technology and Evironmental Potection (IEHK). (Department of Ferrous Metallurgy, RWTH Aachen University, Aachen, Germany).2011.88-94.
本科畢業(yè)設(shè)計（論文）
題目：爐頂連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料系統(tǒng)設(shè)計
爐頂連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料系統(tǒng)設(shè)計
摘 要
目前，礦熱爐爐頂連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料系統(tǒng)正朝著具有熱穩(wěn)定性好、原料適應(yīng)性好、能耗少、產(chǎn)量高、效率高，同時也有助于提高產(chǎn)品質(zhì)量，是我國工業(yè)冶煉行業(yè)礦熱爐的發(fā)展趨勢。近年來實行全自動化是現(xiàn)在的發(fā)展趨勢，是加料系統(tǒng)自動化發(fā)展的必要性。
本次設(shè)計是關(guān)于連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料器系統(tǒng)的設(shè)計，本文對連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料器做了詳細(xì)的設(shè)計。首先從布料的溫度選擇材料，根據(jù)初期預(yù)想設(shè)計進(jìn)行三維建模并進(jìn)行裝配模擬。然后根據(jù)機構(gòu)傳動詳細(xì)設(shè)計了內(nèi)側(cè)壁、外側(cè)壁、頂板、軸、減速器支撐架、擋料板、氣缸支架、料斗、料管、下料支撐架和梯子等輔助設(shè)備并根據(jù)需求進(jìn)行了減速器、軸承、鍵、聯(lián)軸器、氣缸的合理選型。最后根據(jù)現(xiàn)實生產(chǎn)工藝的需求進(jìn)行了合理的優(yōu)化設(shè)計。
關(guān)鍵詞：連續(xù)旋轉(zhuǎn)；布料系統(tǒng)；高爐；礦熱爐
Design of Continuous Rotary Distributing
System Top of Heat Furnace
Abstract
In this paper，on the top of continuous rotary distributing system structure design and checking calculation was made with the. At present， the top of furnace continuous rotary distributing system is developing towards has good thermal stability， good adaptability to feedstock，low energy consumption， high output， high efficiency， but also help to improve the quality of the products， is the development trend of industrial furnace smelting industry in china. In recent years the whole automation is now the trend， is the necessity of the development of automated feeding system.
This design is the design of continuous rotary distributor system, this paper made a detailed design of the continuous rotary distributor. First select the material from the material temperature, the initial expected according to the 3D modeling design and assembly simulation. Then according to the transmission mechanism is designed in detail, medial wall of lateral wall, roof, shaft, reducer support frame, a baffle plate, a cylinder bracket, hopper, feeding pipe, material support and ladders and other auxiliary equipment and according to the requirements of reasonable selection of reducer, bearing, coupling, keys, cylinder. Finally, the rational optimization design according to the practical needs of the production process.
Keywords: Continuous rotation；Track Type；Blast furnace；Submerged Arc Furnace
目 錄
1 緒論 49
1.1概述 49
1.2本課題背景和研究意義 49
1.2.1題目背景 49
1.2.2 研究意義 49
1.3國內(nèi)外相關(guān)研究情況 49
1.4 本文研究的主要內(nèi)容 49
2 礦熱爐布料系統(tǒng)設(shè)計 49
2.1爐頂連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料系統(tǒng)工作原理 49
2.2爐頂連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點 49
2.3礦熱爐布料系統(tǒng)設(shè)計方案 49
方案一：料車直接上料 49
方案二：馬基式旋轉(zhuǎn)布料 49
方案三：連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料 49
3 爐頂連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 49
3.1內(nèi)側(cè)壁計算 49
3.1.1 應(yīng)力分析內(nèi)側(cè)壁 49
3.2 外側(cè)壁計算 49
3.3 頂板計算 49
3.4電機固定架計算 49
4 傳動機構(gòu)設(shè)計計算 49
4.1 礦石預(yù)算 49
4.2 計算轉(zhuǎn)動機構(gòu)總質(zhì)量 49
4.3 減速機的選型 49
4.4 計算軸的最小直徑 13
4.5 軸承的選擇 49
4.6 聯(lián)軸器的選擇 49
4.7 鍵的選擇 49
4.8 軸的設(shè)計和校核 49
5 擋料板氣動系統(tǒng)設(shè)計計算 49
5.1 氣缸輸出力的大小 49
5.1.1實際輸出力 49
5.2負(fù)載率 β 49
5.3缸徑計算 49
5.4活塞桿的彎曲強度和撓度 49
5.4.1彎曲強度 49
5.4.2撓度 49
5.5緩沖性能 49
5.6耗氣量 49
5.7氣缸選擇要點 49
5.8氣缸使用注意事項 49
5.9 氣缸維護保養(yǎng) 49
5.10最終選型結(jié)果 49
6 連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料器的加工工藝及成本的合理性分析 49
6.1加工工藝的合理性 49
6.2成本的合理性 49
7 結(jié)論 49
參考文獻(xiàn) 49
致謝 49
畢業(yè)設(shè)計（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明 49
畢業(yè)設(shè)計（論文）獨創(chuàng)性聲明 49
主要符號表
n 電機轉(zhuǎn)速
P 功率
i 傳動比
V 圓周速度
S 安全系數(shù)
M 質(zhì)量
V 體積
ρ 密度
β 負(fù)載率
D 直徑
S 表面積
h 高度
η 效率
F 力
u 摩擦系數(shù)
FN 支持力
T 扭矩
R 半徑
L 長度
A 活塞截面積
δ 擾度
E 材料橫向彈性模量
J 活塞桿橫截面慣性矩
VII
1 緒論
1.1概述
近年，國內(nèi)礦熱爐(電石、鐵合金等)得到了飛速發(fā)展，尤其是80年代中期引進(jìn)挪威埃肯公司的組合式把持器技術(shù)后。在電爐大型化設(shè)計上，雖經(jīng)過了十幾年的發(fā)展，但也只是停留25.5MvA到30MvA、33MvA等水平上，比起國外60MvA以上密閉電石爐還有一定的距離。
組合式把持器電石爐在國內(nèi)很多，國內(nèi)大的礦熱爐制造企業(yè)(如中鋼集團吉林機電設(shè)備有限公司) 也成功地將組合式把持器技術(shù)應(yīng)用到鐵合金電爐上，如錳硅、高碳錳鐵、鉻鐵、硅鐵等，在錳硅合金礦熱爐上已使用了直徑1550mm的組合式把持器。
礦熱爐的大型化、節(jié)能、綜合利用是行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，對降低一次性投資，減少人力資源，節(jié)能降耗均有利。目前，國外如瑞典、巴西、南非等國都已有60MvA以上容量的大型礦熱爐。
礦熱爐的大型化不是按比例簡單放大，要取得良好的指標(biāo)，必須解決好電效率和熱效率兩個重要因素，同時要保證設(shè)備可靠、安全運行。在解決電效率、熱效率問題上，從操作的角度講國內(nèi)采取很多好的方法，如優(yōu)化原料、嚴(yán)格操作制度等，有些廠家利用高比電阻還原劑以及采用分區(qū)不同配比布料等措施，有效地提高了操作電阻，保證電極插深，取得了良好的電效率與熱效率。部分廠家針對自身的原料特點采取相應(yīng)的措施也取得了較好的生產(chǎn)指標(biāo)。
本題目來自工程實際，具有很高的實用價值，涉及到機械、氣壓、耐熱材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的知識，學(xué)生通過本畢業(yè)設(shè)計，能夠?qū)⒋髮W(xué)中學(xué)到的機械、氣壓方面的知識很好的用到實際工程中，培養(yǎng)我們進(jìn)行實際工程設(shè)計的技能。大容量礦熱爐具有熱穩(wěn)定性好、原料適應(yīng)性好、能耗少、產(chǎn)量高、單耗低同時也有助于提高產(chǎn)品質(zhì)量，是我國工業(yè)冶煉行業(yè)礦熱爐的發(fā)展趨勢。實行全自動化是現(xiàn)在的發(fā)展趨勢，是加料系統(tǒng)自動化發(fā)展的必要性[1]。
隨著礦熱爐容量的增大，礦熱爐所消耗的原料也隨著增多，從而要求爐頂布料系的布料能力隨之增大。傳統(tǒng)的布料系統(tǒng)控制采用的繼電器控制，需要的繼電器多線復(fù)雜，因此故障多，維修困難，費工費時，不利于工藝的改進(jìn)。現(xiàn)在采用旋轉(zhuǎn)布料系統(tǒng)，仍暴露出許多問題，在這些問題上我們?nèi)∑渚A，去其糟粕，不斷的開拓創(chuàng)新，來達(dá)到最佳的效果。
2
1.2本課題背景和研究意義
1.2.1題目背景
高爐爐頂布料設(shè)備是用來將爐料裝入高爐并使之合理分布，同時起爐頂密封作用的設(shè)備。
高爐是按逆流原則進(jìn)行冶金過程的豎爐，爐頂是爐料的入口也是煤氣的出口。為了便于人工加料，過去很長時間爐頂是敞開的。后來為了利用煤氣，在爐頂安裝了簡單的料鐘與料斗，即單鐘式爐頂裝料設(shè)備，把敞開的爐頂封閉起來，煤氣用管導(dǎo)出加以利用，但在開鐘裝料時仍有大量煤氣逸出，這樣不僅散失了大量煤氣，污染了環(huán)境，而且給煤氣用戶造成很大不便。后改用雙鐘式爐頂裝料設(shè)備，交錯啟閉。為了布料均勻防止偏析，于1906年出現(xiàn)了布料器，最初是馬基式旋轉(zhuǎn)布料器，它形成一個完整的密封系統(tǒng)和較為靈活的布料工藝，獲得了廣泛應(yīng)用，后來又出現(xiàn)了快速旋轉(zhuǎn)布料器和空轉(zhuǎn)螺旋布料器[1]。
無論何種爐頂裝料設(shè)備均應(yīng)滿足以下基本要求[1]：
(l)要適應(yīng)高爐生產(chǎn)能力。
(2)能滿足爐喉合理布料的要求，并能按生產(chǎn)要求進(jìn)行爐頂調(diào)劑。
(3)保證爐頂可靠密封，使高壓操作順利進(jìn)行。
(4)設(shè)備結(jié)構(gòu)應(yīng)力求簡單和堅固，制造、運輸、安裝方便，能抵抗急劇的溫度變化及高溫作用。
(5)易于實現(xiàn)自動化操作。
1.2.2 研究意義
隨著高爐煉鐵技術(shù)的發(fā)展，高爐容積的大型化、高壓化，傳統(tǒng)的馬基式雙鐘爐頂裝料設(shè)備已滿足不了密封和布料要求。煤氣利用差，大小鐘及鐘桿磨損嚴(yán)重，影響爐頂壓力的提高，降低了作業(yè)率，不能適應(yīng)現(xiàn)代化高爐冶煉的要求。同時，隨著高爐大型化，大鐘及大鐘斗直徑增大，質(zhì)量增加，給加工制造、運輸、安裝及維修帶來很大的困難，因此，為了解決設(shè)備制造，以及解決設(shè)備密封與布料兩種功能的矛盾，將兩種功能分開，相繼出現(xiàn)三鐘、鐘閥等結(jié)構(gòu)。隨著爐容增大，爐喉斷面增大，爐料在爐喉斷面上的分布不均勻性也擴大了，加劇了高爐煤氣分布的不均勻，使煤氣利用變差；為了解決布料問題，出現(xiàn)了可調(diào)爐喉結(jié)構(gòu)。但是，仍不能滿足高爐進(jìn)一步強化冶煉的要求，所以沒有得到廣泛應(yīng)用。而爐頂連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料系統(tǒng)布料量大，效率高，自動化程度高滿足了高爐冶煉對布料的要求，因此在未來的高爐布料上必能廣泛應(yīng)用[1][9]。
1.3國內(nèi)外相關(guān)研究情況
目前常見的布料器有馬基式雙鐘爐頂布料器如圖[1]1.1，馬基式旋轉(zhuǎn)布料器如圖[1]1.2，空轉(zhuǎn)螺旋布料器[1]等。布料機在國內(nèi)數(shù)量少，使用少，除了人們對布料機了解不多外，重要一點是目前布料機還依賴進(jìn)口，價格昂貴，許多單位考慮到經(jīng)濟上的因素而不愿意引進(jìn)，但是施工質(zhì)量要更上一層樓，機械就必須要配套。采用布料機配合的方式，由于布料范圍廣，就位靈活正確，大大減輕了工人的勞動強度，提高了施工效率，降低了施工本錢，必會帶來更高的收益。
1-斗； 2-大鐘；3-大鐘桿；4-煤氣封罩；5-爐頂封板；6-爐頂法蘭；
7-小料斗下部內(nèi)層；8-小料斗下部外層；9-小料斗；10-小齒輪；
11-大齒輪；12-支撐輪；l3-定位輪；14-小鐘桿；15—鐘桿密封；
16—軸承；17-大鐘桿吊掛件；18-小鐘桿吊掛件；19一放散閥；
20-均壓閥；21-小鐘密封；22-大料斗上節(jié)；23-受料漏斗
圖1.1 馬基式布料器雙鐘爐頂結(jié)構(gòu)
a— 快速旋轉(zhuǎn)布料器
b— 空轉(zhuǎn)螺旋布料器
圖1.2 布料器結(jié)構(gòu)
c—
礦熱爐設(shè)計制造屬于近年來快速發(fā)展起來的新興行業(yè)，其組成絕大多數(shù)為民營、聯(lián)營公司，單位規(guī)模普遍較小(小型單位占 90%以上)，尚未形成上檔次、上規(guī)模的骨干企業(yè)，而且普遍存在技術(shù)基礎(chǔ)薄弱、自主研發(fā)能力不足、人才和信息匱乏的難題，設(shè)計能力及設(shè)計水平較低。加工制造能力的相對落后，行業(yè)的規(guī)范化、系列化和成套化不健全，嚴(yán)重制約著加熱爐行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新及發(fā)展[3]。
到90年代末由于國外全自動礦熱爐的引進(jìn)，有部分礦熱爐廠家采用PLC對加料系統(tǒng)進(jìn)行控制，實現(xiàn)加料的自動化[4]。
1.4 本文研究的主要內(nèi)容
爐頂連續(xù)布料系統(tǒng)設(shè)計，包括布料系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、布料盤、布料擋板機構(gòu)等方面的內(nèi)容。
5
2 礦熱爐布料系統(tǒng)設(shè)計
2.1爐頂連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料系統(tǒng)工作原理
當(dāng)料倉需要下料時，由設(shè)置在料倉上的料位儀發(fā)出一個電信號，頂部料斗開始下料減速器開始工作，內(nèi)側(cè)壁旋轉(zhuǎn)。這時氣壓缸開始同步動作，當(dāng)料運輸?shù)綒鈮簱醢鍟r，被擋板擋著料開始進(jìn)入下面的料斗，最終通過料筒進(jìn)入煉鋼爐。當(dāng)下料接近結(jié)束時料倉上的料位儀會發(fā)出另一個信號，頂部料斗停止下料。等到內(nèi)側(cè)壁里面的料全部下到料斗后，減速器停止工作，同時氣壓缸歸位。
2.2爐頂連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點
爐頂連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料系統(tǒng)在工程實際中運用廣泛，其結(jié)構(gòu)很簡單，主要由布料系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、布料盤、布料擋板機構(gòu)等幾大部件組成。如圖2.1，圖2.2，圖2.3所示：
圖2.1 結(jié)構(gòu)總圖
8
圖2.2 結(jié)構(gòu)總圖
圖2.3 結(jié)構(gòu)總圖
2.3礦熱爐布料系統(tǒng)設(shè)計方案
布料器的作用是布料器能及時、準(zhǔn)確、穩(wěn)定、均勻地將合格原料送入高爐爐頂?shù)氖芰下┒穂14][15]。
方案一：料車直接上料
優(yōu)點：可以直接上料，不需要中間的其他輔助設(shè)備
缺點：對于料車上料的高爐爐頂裝料設(shè)備的最大缺點是爐料分布不均。料車只能從斜橋方向?qū)t料通過受料漏斗裝入小料斗中，因此在小料斗中產(chǎn)生偏析現(xiàn)象，大粒度爐料集中在料車對面，粉末料集中在料車一側(cè)，堆尖也在這側(cè)，爐料粒度越不均勻，料車卸料速度越慢，這種偏析現(xiàn)象越嚴(yán)重。這種不均勻現(xiàn)象在大料斗山和爐喉部位仍然重復(fù)著。
方案二：馬基式旋轉(zhuǎn)布料
優(yōu)點：小料斗裝料后旋轉(zhuǎn)一定角度，再開啟小鐘，一般是每批料旋轉(zhuǎn)60°，即0°、60°、120°、180°、240°、360°，俗稱六點布料，要求每次轉(zhuǎn)角誤差不超過2°，這樣小料斗中產(chǎn)生的偏析現(xiàn)象就依次沿爐喉圓周按上述角度分布。落在爐喉某一部位的大塊料與粉末，或者每批料的堆尖，沿高度綜合起來是均勻的。當(dāng)轉(zhuǎn)角超過l80°時布料器可以逆轉(zhuǎn)，例如240°角可變?yōu)?120°角。
缺點： 一是布料仍然不均，這是由于雙料車上料時，料車位置與斜橋中心線有一定夾角，因此堆尖位置受到影響；二是旋轉(zhuǎn)漏斗與密封裝置極易磨損，而更換、檢修又較困難。
方案三：連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料
優(yōu)點：連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料系統(tǒng)外形設(shè)計簡單實用，便于安裝和維護。采用連續(xù)旋轉(zhuǎn)方式布料可以及時、均勻地將合格原料送入高爐爐頂?shù)氖芰下┒?。布料盤采用三個相同的電機同時驅(qū)動，刮料板采用氣壓驅(qū)動便于自動化控制。并且連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料系統(tǒng)布料量大，效率高，自動化程度高滿足了高爐冶煉對布料的要求。
缺點：連續(xù)旋轉(zhuǎn)過程要想穩(wěn)定工作對系統(tǒng)的各個部位精度要求較高，工作過程因為布料溫度相對較高對于保溫隔熱要選用相應(yīng)的特殊材料。
綜上所述：本課題最終采用方案三：爐頂連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料系統(tǒng)。
3 爐頂連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1內(nèi)側(cè)壁計算
根據(jù)要求繪制三維圖形，如圖3.1所示。根據(jù)實際情況的需求，選擇內(nèi)側(cè)壁的材料為耐熱鋼板Q345B通過Solidworks質(zhì)量屬性計算出內(nèi)側(cè)壁的相關(guān)參數(shù)如下：
密度ρ= 7700.00 千克 / 立方米
體積 V= 0.82 立方米
表面積 S= 82.52 平方米
質(zhì)量 M壁= 6277.04 千克=6.28 噸
圖3.1 內(nèi)側(cè)壁
45
3.1.1 應(yīng)力分析內(nèi)側(cè)壁
通過Solidworks應(yīng)力分析可得：
最小安全系數(shù)是：126.94 （一般情況下大于1.5就可以認(rèn)為設(shè)計合理）
所以內(nèi)側(cè)壁能夠滿足預(yù)期載荷，結(jié)構(gòu)設(shè)計符合要求。（詳見附件內(nèi)側(cè)壁11-SimulationXpress Study-1）
3.2 外側(cè)壁計算
根據(jù)要求繪制三維圖形，如圖3.2所示。根據(jù)實際情況的需求，選擇外側(cè)壁的材料為耐熱鋼板Q345B通過Solidworks質(zhì)量屬性計算出外側(cè)壁的相關(guān)參數(shù)如下：
密度ρ= 7700.00 千克 / 立方米
體積 V= 0.36 立方米
表面積 S= 66.25 平方米
質(zhì)量 M壁= 2806.57 千克
圖3.2 外側(cè)壁
3.3 頂板計算
根據(jù)要求繪制三維圖形，如圖3.3所示。根據(jù)實際情況的需求，選擇頂板的材料為耐熱鋼板Q345B通過Solidworks質(zhì)量屬性計算出頂板的相關(guān)參數(shù)如下：
密度ρ= 7700.00 千克 / 立方米
體積 V= 0.41 立方米
表面積 S= 68.44 平方米
質(zhì)量 M壁= 3199.63 千克
圖3.3 頂板
3.4電機固定架計算
根據(jù)要求繪制三維圖形，如圖3.4所示。根據(jù)實際情況的需求，選擇電機固定架的材料為耐熱鋼板Q345B通過Solidworks質(zhì)量屬性計算出電機固定架的相關(guān)參數(shù)如下：
密度ρ= 7700.00 千克 / 立方米
體積 V= 0.22 立方米
表面積 S= 25.85 平方米
質(zhì)量 M壁= 1710.73 千克
圖3.4 電機固定架
4 傳動機構(gòu)設(shè)計計算
4.1 礦石預(yù)算
已知礦石的密度ρ=2300千克 / 立方米
經(jīng)過Solidworks測量屬性礦石區(qū)域的表面積S=16m2
高度h=0.173m
所以 M石=ρv=ρsh=6.37 t
4.2 計算轉(zhuǎn)動機構(gòu)總質(zhì)量
摩擦輪所承受的總質(zhì)量M總= M壁+ M石=6.28+6.37=12.65 t
4.3 減速機的選型
已知ηw=0.9 ； η=0.99×0.99×0.98
因為執(zhí)行功率Pw=(T×n)/9550ηw ； f=μFN ； T=f×R R=5.684/2=2.842 m
每個減速器所承受的力為 f =（1/3）×（0.5 × 126500）=21083.3 N
已知內(nèi)側(cè)壁轉(zhuǎn)速n=0.2r/min
所以T單=21083.3 N × (5.684/2) = 59918.7 N
所以 Pw=（59918.7×0.2）/（9550×0.9）= 1.39 KW
所以Pd= Pw/η =1.39/(0.99×0.99×0.98) = 1.45 KW
查詢減速機的型號選擇TRF 138 TR 78減速機
詳細(xì)參數(shù)如下表4.1：
表4.1 減速器的參數(shù)
功率
輸出轉(zhuǎn)速
輸出扭矩
傳動比
服務(wù)系數(shù)
機型號
極數(shù)
Power
KW
Output
speed
r/min
Output torque
Nm
Ratio
i
Service factor
fb
Type
Type
Pole
p
1.5
3.7
3444
374
2.2
TRF138TR78
4
4.4 計算軸的最小直徑
減速機上的功率傳送到軸上時的功率為：Pw= Pd×η=1.45×(0.99×0.99×0.98)=1.39 KW
已知轉(zhuǎn)速nw=3.7 r/min
通過機械設(shè)計手冊計算軸的最小直徑：
首先軸的材料選擇45鋼調(diào)質(zhì)處理。詳細(xì)參數(shù)如圖4.1
圖4.1 轉(zhuǎn)軸材料參數(shù)圖
通過公式計算軸的最小直徑，詳細(xì)參數(shù)如圖4.2
圖4.2 軸的最小直徑確定參數(shù)圖
因為軸上有兩個鍵槽，所以取值應(yīng)增大10 % ~ 15 % ，取值增大15 %進(jìn)行計算。
所以d=79.37 × (1+0.15)=91.2755mm
查表選取標(biāo)準(zhǔn)值：取值d=100mm
所以軸的最小直徑為100mm
4.5 軸承的選擇
根據(jù)工作條件所選擇的軸承應(yīng)該滿足以下要求：
(1)承載能力大；
(2)承受徑向載荷大，軸向也能夠受載荷；
(3)極限轉(zhuǎn)速低；
(4)調(diào)心性好；
查詢機械設(shè)計手冊根據(jù)需求選擇：圓柱孔調(diào)心滾子軸承（改進(jìn)型）
此軸承的特點：
(1)承載能力大，額定動載荷比2.3 ~ 5.2 ；
(2)主要承受徑向載荷，也能承受任一方向的軸向載荷，適用于重載 和振動載荷下工作，不能承受純軸向載荷；
(3)軸和外殼的軸向位移限制在軸向游隙范圍內(nèi)；
(4)調(diào)心性好，能補償同軸度誤差；
(5)極限轉(zhuǎn)速低；
(6)經(jīng)優(yōu)化設(shè)計的結(jié)構(gòu)形式，棍子和滾道間的摩擦減小，承載能力高，應(yīng)該優(yōu)先選用；
軸承代號：20000C (CC、CACM、TN1)/W33型
內(nèi)徑：110mm
外徑：170mm
厚度：45mm
4.6 聯(lián)軸器的選擇
因為軸段需與聯(lián)軸器連接，為使該段直徑與連軸器的孔徑相適應(yīng)，所以需同時選用聯(lián)軸器，又由于本減速器屬于大型減速器，其輸出軸與工作機軸的軸線偏移不大。其次為了能夠使傳送平穩(wěn)，所以必須使傳送裝置具有緩沖，吸振的特性。
查詢機械設(shè)計手冊選用LX8型彈性柱銷聯(lián)軸器。
LX8型彈性柱銷聯(lián)軸器主要參數(shù)為：
公稱轉(zhuǎn)矩Tn＝16000 N·mm
軸孔長度L=167mm
孔徑d1 =100 mm
4.7 鍵的選擇
根據(jù)軸的最小直徑100mm，查詢機械設(shè)計手冊選擇圓頭普通平鍵（A型）
其主要參數(shù)為：
鍵的寬度b=28mm
鍵的高度h=16mm
鍵的長度L= 100mm
圓角半徑r= 0.5 mm
4.8 軸的設(shè)計和校核
根據(jù)軸的特點，兩端鏈接需要有鍵槽，中間再有兩個軸承固定即可。所以軸的外形應(yīng)該如圖4.3所示：
圖4.3 軸外觀圖
根據(jù)聯(lián)軸器的孔徑和孔深取值：L1=167mm ； d1=100mm
根據(jù)軸承的孔徑和厚度取值：L2=90mm ； d2=110mm
根據(jù)外殼的尺寸取值：L3=80mm ； d3=120mm
相應(yīng)的取值： L4=90mm ； d4=110mm
L5=167mm ； d5=100mm
用Solidworks繪制三維圖如圖4.4
材料為45鋼（淬火調(diào)質(zhì)處理）
用Solidworks進(jìn)行應(yīng)力分析
分析結(jié)果可得最小安全系數(shù)為：15.4162 （一般情況下大于1.5就可以認(rèn)為設(shè)計合理）
詳細(xì)結(jié)果見附件《摩擦輪軸-SimulationXpress Study-1》
圖4.4 軸的實體圖
用機械設(shè)計手冊進(jìn)行分析根據(jù)受力進(jìn)行結(jié)構(gòu)造型如圖4.5
圖4.5 軸段設(shè)計參數(shù)圖
系統(tǒng)進(jìn)行零件圖的繪制如圖4.6
圖4.6 軸的外形圖
根據(jù)公式
進(jìn)行支反力的計算。
根據(jù)公式
進(jìn)行內(nèi)應(yīng)力的計算。
畫出內(nèi)應(yīng)力圖并標(biāo)注危險截面如圖4.7
圖4.7 軸的危險截面圖
進(jìn)行彎曲應(yīng)力校核如圖4.8
圖4.8 軸的應(yīng)力校核參數(shù)圖
安全系數(shù)校核如圖4.9
圖4.9 軸的安全系數(shù)校核參數(shù)圖
扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行校核如圖4.10
圖4.10 軸的扭轉(zhuǎn)剛度校核圖
彎曲剛度進(jìn)行校核如圖4.11
彎曲剛度進(jìn)行校核如圖15
圖4.11 軸的彎曲剛度校核參數(shù)圖
計算臨界轉(zhuǎn)速如圖4.12
圖4.12 軸的臨界轉(zhuǎn)速參數(shù)圖
所有校核都能通過說明軸的設(shè)計合理，整體過程如圖4.13所示：
圖4.13 軸的設(shè)計整體參數(shù)圖
5 擋料板氣動系統(tǒng)設(shè)計計算
5.1 氣缸輸出力的大小
5.1.1實際輸出力
氣缸未加載時實際所能輸出的力，受到氣缸活塞和活塞本身的摩擦力影響，如活塞和缸筒之間的摩擦。活塞桿和前缸蓋之間的摩擦，用氣缸效率表示，如圖5.1氣缸效率η曲線所示，氣缸的效率 η 與氣缸的缸徑D和工作壓力p有關(guān)，缸徑增大，工怍壓力提高，則氣缸效率口增加。在氣缸缸徑增大時，在同樣的加工條件、氣缸結(jié)構(gòu)條件下，摩擦力在氣缸的理論輸出力中所占的比例 明顯地減小了，即效率提高了。一般氣缸的效率在0.7-0.95之間。
圖5.1 效率曲線
普通雙作用氣缸的實際輸出推力Fe為
Fe= π4 D2 × p × η （5.1）
實際輸出扭力Fe為
Fe= π4 (D2-d2) × p × η （5.2）
普通單作用氣缸的實際輸出推力Fe為
Fe= π4 D2 × p × η-F1 （5.3）
5.2負(fù)載率 β
從對氣缸特性研究知道，要精確確定氣缸的實際輸出力是困難的，于是，在
研究氣缸的性能和選擇確定氣缸缸徑時，常用到負(fù)載 β 的概念。氣缸負(fù)載率尾的定義是
β=氣缸的實際負(fù)載F氣缸的理論輸出力F0×100% (5.4)
氣缸的實際負(fù)載是由工況所決定的，若確定了氣缸負(fù)載率 β ，則由定義就能確定氣缸的理論輸出力F0，從而可以計算氣缸的缸徑。氣缸負(fù)載率 β 的選取與氣缸的負(fù)載性能及氣缸的運動速度有關(guān)（見表5.1）。
表5.1 氣缸的運動狀態(tài)和負(fù)載率
慣性負(fù)載的運動速度v/mm/s
阻性負(fù)載
(靜負(fù)載）
<100
100-500
>550
≤0.8
≤0.65
≤0．5
≤0.35
對于阻性負(fù)載，如氣缸用作氣動夾具，負(fù)載不產(chǎn)生慣性力的靜負(fù)載。一般負(fù)載率 β 選力0.8。
對于慣性負(fù)載，如氣缸用來推送工件，負(fù)載將產(chǎn)生慣性力的，負(fù)載率 β 的取值為
β≤0.65 氣缸作低速運動． V<100 mm/s
β≤0.5 氣缸作中速運動， V<100 - 500 mm/s
β≤0.35 氣缸作高速運動。 V>500 mm/s
根據(jù)工作需求，此處選擇β=0.8
根據(jù)： β=氣缸的實際負(fù)載F氣缸的理論輸出力F0×100%
可求出F0=F/β
已知：M石=6.37 t ；每個擋板平均支持力FN = 6.37 ×1000000 / 12 =5308N
所以單個擋板所受力F= μFN=5308渭 N
渭為礦石與鋼板的動摩擦因數(shù)，查機械設(shè)計手冊得 μ=0.3
所以F0=1990.5 N
5.3缸徑計算
由氣缸帶動的負(fù)載、運動狀態(tài)及工作壓力。就可以進(jìn)行氣缸缸徑的計算和選用。缸徑計算步驟如下：
1) 根據(jù)氣缸帶動的負(fù)載，計算氣缸的軸向負(fù)載力F，常見負(fù)載實例，見圖 5.2
圖19氣缸軸向負(fù)載力
a)斜面b）水平導(dǎo)軌c)滾動
d)夾具夾緊e)提升f）氣吊
圖5.2 常見負(fù)載實例
2)由氣缸的平均速度來選定氣缸的負(fù)載率 β ，氣缸的運動速度越高，負(fù)載率應(yīng)選得越小。
3)若系統(tǒng)工作壓力為0.6 MPa時，氣缸的工作壓力計算時一般選為0.4 MPa。當(dāng)然，系統(tǒng)工作壓力低于0.6 MPa．計算時工作壓力也應(yīng)作相應(yīng)的調(diào)整。
4)由氣缸的理論輸出力計算公式、負(fù)載率 β 及工作壓力p即能計算缸徑。由計算的缸徑再圓整到標(biāo)準(zhǔn)缸徑。
氣缸的理論輸出力F0計算公式
F0=nps (5.5)
F0 氣缸的理論輸出力
P 系統(tǒng)壓力（此處取0.5MPa）
S 活塞面積
n 安全系數(shù)（氣缸水平n=0.7，氣缸垂直n=0.5）
已知F0=1990.5 N ；P=0.5MPa ; n=0.7 ; S= π4 D2
所以可求得D=85.1mm
根據(jù)工作需求氣缸的工作行程為420mm
通常缸徑計算到此結(jié)束，但若氣缸的緩沖性能校核不符合要求，應(yīng)重新選擇缸徑或采取外部緩沖措施，如氣壓緩沖缸、緩沖回路等，保證氣缸緩沖。
5.4活塞桿的彎曲強度和撓度
5.4.1彎曲強度
氣缸的活塞行程越越長，則活塞伸出的距離也越長，對于長行程的氣缸?；钊麠U的長度將受到限制。若在活塞桿上承受的軸向推力達(dá)到極限力之后，活塞桿就會出現(xiàn)壓桿不穩(wěn)定現(xiàn)象，發(fā)生彎曲變形。因此，必須 進(jìn)行活塞桿的穩(wěn)定性驗算，其穩(wěn)定條件為
F ≤ Fknk (5.6)
式中 F-—活塞桿承受的最大軸向壓力(N)；
Fk-—縱向彎曲極限力(N)，
nk—穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取2-6。
極限力Fk不僅與活塞桿材料、直徑、安裝長度有關(guān)，還與氣缸的安裝支承條件決定的末端系素m有關(guān)。
當(dāng)細(xì)長比L/k≥85m時（歐拉公式）
Fk = mπ2EJL2 (5.7)
式中m — 末端系數(shù)；
E —材料彈性模量；
J—活塞桿橫截面慣性矩(m4)；
空心圓桿
J=π(d4-d04)64 （5.8）
實心圓桿
J=πd464 （5.9）
d—活塞桿直徑(m）；
d0—空心活塞桿內(nèi)徑(m)；
L—氣缸的安裝長度(m）。
當(dāng)細(xì)長比L /K <85m 時（戈登-蘭肯公式）
Fk=fA1+am(Lk)2 （5.10）
式中 f—材料抗壓強度，鋼材 f = 4.8 × 108Pa；
A—活塞桿橫截面積（m2）；
空心圓軒 A= π4 (d2-d02) （5.11）
實心圓桿 A=π4 d2 （5.12）
a—實驗常數(shù)，鋼材a=15 000 （5.13）
k—活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑（m）
空心圓桿 k=d2-d04 （5.14）
實心圓桿 k=d4 （5.15）
對于制造廠來說，按照上式可計算出氣缸系列（缸徑、活塞桿直徑已確定)在最差的安裝條件下，最大理論輸出力時的最大安全行程(不是安裝長度）。用戶可按實際使用條件驗算氣缸活塞桿的穩(wěn)定性。若計算出的極限力 Fk不能滿足穩(wěn)定性條件要求，則需更改氣缸參數(shù)重新選型，或者與制造廠協(xié)商解決。也就是說，選用長行程氣缸需考慮活塞桿的彎曲穩(wěn)定性，活塞桿所帶負(fù)載應(yīng)小于彎曲失穩(wěn)時的臨界壓縮力（取決于活塞桿直徑和行程）。
活塞桿計算圖是按式得出的，其安裝形式是耳環(huán)安裝(m=1)。氣缸的支承長度L為兩倍行程，安全系數(shù)nk取5。
5.4.2撓度
活塞桿水平伸出時為懸臂梁。其頭部因自重下垂產(chǎn)生的撓度由下式計算：
δ=qs48EJ （5.16）
式中 δ—擾度（cm）；
s—活塞桿伸出長度（cm）；
E—材料橫向彈性模量（Pa）；
J一活塞桿橫截面慣性矩（cm4）
空心圓桿 J=π(d4-d04)64 （5.17）
實心圓桿 J=πd464 （5.18）
q一活塞桿lcm長的當(dāng)量質(zhì)量(kg)。
5.5緩沖性能
氣缸活塞運動到行程終端位置時，為避免活塞與缸蓋產(chǎn)生機械碰撞而造成機件變形、損壞及噪聲，氣缸必須采用緩沖裝置。通常缸徑小于16mm的氣缸采用彈性緩沖墊 缸徑大于16mmm的氣缸采用氣緩沖結(jié)構(gòu) 。在此只討論氣緩沖。
氣缸的緩沖裝置由緩沖柱塞節(jié)流閥和緩沖腔室等構(gòu)成，氣缸緩沖裝置實現(xiàn)緩沖的工作原理圖在活塞高速向右運動時，活塞右腔的空氣經(jīng)缸蓋柱塞孔和進(jìn)排氣口排向大氣。在氣缸活塞軒行程進(jìn)人終端前，緩沖柱塞依靠緩沖密封圈將缸蓋柱塞孔堵住，于是，封閉在活塞和缸蓋之間環(huán)形腔室內(nèi)的空氣只能通過節(jié)流閥排人大氣。由于節(jié)流閥流通面積很小，環(huán)形腔室內(nèi)的空氣背壓升高形成氣墊作用，迫使活塞迅速減速，最后停下來。改變節(jié)流閥的開度 ，就可以調(diào)節(jié)緩沖速度。
從緩沖柱塞封閉柱塞孔起，到活塞停下來為止，活塞所走的行程稱為緩沖行程。緩沖裝置就是利用形成的氣墊（即產(chǎn)生背壓阻力）和節(jié)流阻尼來吸收活塞運動產(chǎn)生的能量，達(dá)到緩沖的目的。
為了達(dá)到緩沖作用，緩沖腔室內(nèi)空氣絕熱壓縮所能吸收的壓縮能Ep必須大于活塞等運動部件所具有的動能Ed即Ep≥Ed 。
表5.2 國產(chǎn)氣缸常用柱塞直徑和長度(mm)
缸徑
柱塞直徑
緩沖長度
缸徑
柱塞直徑
緩沖長度
32
16
10~15
125
38
25~30
40
20
15
160, 200
55
25~30
50
63
24
25
20
250, 320
63
30~35
80
100
30
32
20~25
最后要特別指出，對于氣缸，之所以要討論緩沖性能及其計算，是因為要防止氣缸運動到行程末端時撞擊缸蓋。若活塞在末端處于靜止?fàn)顟B(tài)時，無論加了再大的氣壓（能）都毋須關(guān)心其會撞擊缸蓋(除強度問題外）。同樣，氣缸運動過程所有出現(xiàn)的摩擦力（能)、重力（能）等的影響，都已反映在活塞運動的速度上，也就是說，氣缸運動的速度取決于作用在活塞兩側(cè)的壓力差△p產(chǎn)生的氣壓作用力，以及需要克服的摩擦力（總阻力）和負(fù)載的大小。因此，氣缸緩沖計算時。只要考慮氣缸運動的動能，而毋須計算活塞上作用的氣壓能重力能及摩擦能。
5.6耗氣量
耗氣量是指氣缸往復(fù)運動時所消耗的壓縮空氣量，其大小與氣缸的性能無關(guān)，但它是選擇空壓機排量的重要依據(jù)。
(1)最大耗氣量qmax
指氣缸活塞完成一次行程所需的耗氣量，其計算式為：
qmax=0.047D2Sp+0.10.1×1t （5.19）
式中 qmax—最大耗氣量(L/min)
D—缸徑(cm)；
S—氣缸行程(cm)；
t—氣缸一次往復(fù)行程所需的時間(s)；
p—工作壓力(MPa)。
(2)平均耗氣量
由氣缸內(nèi)部容積和氣缸每分鐘的往復(fù)次數(shù)算出的耗氣量平均值，其計算公式為:
q=0.00157ND2p+0.10.1 （5.20）
式中 N—氣缸每分鐘的往復(fù)次數(shù)。
表示了耗氣量與工作壓力和缸徑之間的關(guān)系。耗氣量用單位行程(cm)的當(dāng)量耗氣量表示。
5.7氣缸選擇要點
氣缸種類繁多，各種型號的氣缸性能和使用條件不盡相同，且各生產(chǎn)廠家規(guī)定的技術(shù)條件也各不相同。在能滿足實際工作要求的前提下，應(yīng)盡可能選擇標(biāo)準(zhǔn)氣缸，以縮短設(shè)計周期，降低成本，方便維護等。
氣缸的選擇流程參見圖5.3，特殊設(shè)計見圖5.4?，F(xiàn)對該流程如下說明：
5.3 氣缸的選擇流程
a) S1增強型活塞桿； b）S2雙端活塞桿；c）S3防酸活塞桿；d）S4無銅結(jié)構(gòu)；
e）S5缸筒內(nèi)表面鍍鎳； f）S6耐熱密封(溫度可達(dá)1500C）；
g）S7缸筒材料為黃銅； h)S8氣缸外表面噴塑； i）S9不銹鋼結(jié)構(gòu)； j）S12增強型雙端話塞桿；
圖5.4 特殊設(shè)計
首先根據(jù)實際工作任務(wù)對運動和結(jié)構(gòu)的要求，確定氣缸類型和安裝方式，再根據(jù)負(fù)載大小，確定氣源壓力或系統(tǒng)工怍壓力，由此確定氣缸缸徑（或活塞桿直徑）。即氣缸輸出力（推力或拉力）應(yīng)根據(jù)外負(fù)載的大小再乘以適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)n（n=1.5-2，高速時取大值，低速時取小值），從而確定氣缸缸徑。為避免氣缸容積過大，應(yīng)盡量采用擴力機構(gòu)，以減小氣缸尺寸，氣缸行程與應(yīng)用場合和機構(gòu)行程有關(guān)，應(yīng)選擇專業(yè)氣動元件生產(chǎn)廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)行程，以避免因制造公差或安裝公差，實際行程大于氣缸行程的現(xiàn)象發(fā)生。在加緊裝置上，氣缸行程還需要按實際行程多加上10-20mm的行程余量來確定。
活塞運動速度主要取決于進(jìn)氣管內(nèi)徑。若要求活塞高速運動，應(yīng)選擇大內(nèi)徑氣管；對于行程中選載荷有變動的情況，為得到緩慢而平穩(wěn)的運動速度，可選用氣-液阻尼缸。當(dāng)要求行程終點無沖擊時，則應(yīng)選用帶緩沖裝置的氣缸。為調(diào)節(jié)氣缸活塞運動速度，當(dāng)水平安裝時，建議采用排氣節(jié)流方式；垂直安裝時，建議采用進(jìn)氣節(jié)流方式。
氣缸安裝方式應(yīng)按安裝位置和使用目的等因素決定。在一般情況下，大多數(shù)采用固定安裝方式。對于腳架式或法蘭式安裝，應(yīng)盡量避免安裝螺栓本身直接受推力或拉力負(fù)荷；同時，要使安裝底座有足夠的剛性，以避免對活塞運動產(chǎn)生不良影響。對于既要求活塞桿作直線運動，又要求其作較大的圓弧擺動的，應(yīng)選用軸銷式氣缸。需除無油潤滑氣缸外，應(yīng)采用油霧潤滑氣缸，即在氣動系統(tǒng)中安裝油霧器，并合理選用推薦的潤滑油，以避免氣缸密封膨脹、收縮以及乳化。
1)安裝前，氣缸應(yīng)經(jīng)空載試運轉(zhuǎn)并在1.5倍工作壓力下試壓，不應(yīng)產(chǎn)生漏氣。
2)將氣缸安裝在氣動系統(tǒng)之前，應(yīng)清除管道內(nèi)臟物，防止雜物進(jìn)人氣缸內(nèi)。
3)若氣缸帶緩沖裝置，在開始運行前，應(yīng)將緩沖節(jié)流 閥調(diào)至緩沖阻尼較大的位置，然后再逐漸減小，直至調(diào)到滿意的緩沖效果。
4)不使用滿行程，特別是當(dāng)活塞桿伸出時，不要使活塞與缸蓋相碰，以免發(fā)生誤動作。
5)在氣缸行程中，若載荷有變化，則應(yīng)使用輸出力充裕的氣缸。并帶緩沖裝置。
6)正確安裝。氣缸安裝時要防止其工作過程中承受橫向載荷，從而保證氣缸的正常工作和使用壽命。采用腳架式和法蘭式安裝時，應(yīng)避免安裝螺栓本身直接受推力拉力負(fù)載；采用尾部懸掛中間擺動式安裝時，活塞桿頂端的連接銷位置在3600或1800之內(nèi)作往復(fù)旋轉(zhuǎn)時，可選用相應(yīng)的擺動缸。有特殊要時，應(yīng)選用相應(yīng)功能的特殊氣缸。
5.8氣缸使用注意事項
(1)氣缸正常工作條件：工作壓力O.2-0.8MPa，普通氣缸運動速度范圍50 -500mm/s，環(huán)境溫度為5-60℃。氣缸在5℃以下場臺使用，有時會因壓縮空氣中所含的水分凝結(jié)結(jié)氣缸動作帶來不利影響，因此，在低溫情況下，需采取防凍措施，防止氣動系統(tǒng)中的水分凝結(jié)。在高溫環(huán)境下使用氣缸時，可選用耐熱氣缸，同時應(yīng)注意，高溫空氣對行程開關(guān)、管件及控制閥的影響。
(2)安裝件軸的位置應(yīng)處于同一方向；采用中間軸銷擺動式安裝時，除注意活塞桿頂端連接銷的位置外，還應(yīng)注意氣缸軸心線與軸托架的垂直度，同時，在不產(chǎn)生卡死的范圍內(nèi)，將擺軸架盡量接近擺軸的根部。
5.9 氣缸維護保養(yǎng)
即使氣缸本身制造質(zhì)量符臺標(biāo)準(zhǔn)，但由于安裝和使用不當(dāng)，都會引起氣缸使用一定時間后產(chǎn)生故障。
l)使用中應(yīng)定期檢查各部位有無異常現(xiàn)象，各連接部位有無松動等，軸銷、耳環(huán)式安裝的氣缸活動部位應(yīng)定期加潤滑油。
2)氣缸檢修重新裝配時，零件必須清洗干凈，特別需防止密封圈剪切、損壞，注意唇形密封圈的安裝方向。
3)氣缸拆下長時間不使用時．所有加工表面應(yīng)涂防銹油，進(jìn)排氣口加防塵堵塞。
5.10最終選型結(jié)果
產(chǎn)品信息
代號：36391 DNG-100-400-PPV-A
產(chǎn)品號（TNR）：36391
行程mm: 400
活塞直徑： 100
活塞桿螺紋： M20 X 1.5
緩沖：PPV : 兩端帶彈性緩沖環(huán)/板
裝配位置：任何
符合標(biāo)準(zhǔn)：ISO 15552
活塞桿末端：陽螺紋
設(shè)計結(jié)構(gòu)：活塞 活塞桿
位置檢測：用于接近式傳感器
Variants： 單端活塞桿
工作壓力：0.6—10 bar
工作模式：雙作用
工作介質(zhì)：干燥壓縮空氣，經(jīng)潤滑或未經(jīng)潤滑
耐腐蝕等級 CRC ：2
環(huán)境溫度：-20—-800C
授權(quán) ： Germanischer Lloyd
6bar時的理論作用力，回復(fù)行程 ： 4418 N
6bar時的理論作用力，進(jìn)程 ： 4712 N
每10mm行程所增加的重量：100 g
0mm行程時的基本重量 ： 4100 g
安裝類型 ： 帶附件
氣動鏈接： G1/2
蓋子的材料信息 ： 鋁
密封件的材料信息： NBR TPE —U（PU）
外殼的材料信息：鍛造鋁合金光滑處理
活塞桿的材料信息：高合金鋼
氣缸缸筒的材料信息：鍛造鋁合金
產(chǎn)品說明：
符合ISO 15552 標(biāo)準(zhǔn)，NF E 49 003.1和UNI 10 290標(biāo)準(zhǔn)，用于接近式感測，帶有兩端采用可調(diào)緩沖
DNG， DNGL，DNGZK和DNGZS系列標(biāo)準(zhǔn)氣缸都符合一下這些標(biāo)準(zhǔn)：
ISO 15552
UNI 10 290（意大利）
所有的派生型也都基于這些標(biāo)準(zhǔn)
雙作用
—活塞直徑從32到320 mm
—行程
—活塞直徑從32到150 mm
標(biāo)準(zhǔn)25到500mm
或10到2.000mm
活塞直徑160和200 mm：
或10到2.000mm
活塞直徑250和320 mm：
或10到1.100mm
—兩端采用可調(diào)式位置終點緩沖
—非接觸式位置感測
—活塞敢?guī)饴菁y
—DNGL/DNGLZ：采用方形活塞桿可有效地防止扭轉(zhuǎn)
通過接近式傳感器進(jìn)行位置感測：
電子式SM…-1(接觸式或非接觸式)
氣動式SMPO
特點
—標(biāo)準(zhǔn)氣缸，用拉桿進(jìn)行如圖
—安裝附件品種豐富，因此氣缸幾乎可以被安裝在任何位置
—所有用于元件安裝的六角螺絲都具有內(nèi)螺紋
源生型：
-S2：雙端活塞桿
—S3：防腐蝕耐酸活塞桿
—S6：耐熱密封，溫度可達(dá)120度
—S8：高度耐腐蝕保護
—CRDNG，CRDNGS：耐腐蝕及防酸設(shè)計
已損部件可進(jìn)行更換和修理
6 連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料器的加工工藝及成本的合理性分析
6.1加工工藝的合理性
連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料器的工藝合理性主要考慮的是內(nèi)側(cè)壁的耐磨性、耐熱性和氣壓系統(tǒng)的配合。
連續(xù)旋轉(zhuǎn)布料器的料斗里需要考慮加耐熱鋼板，因為普通的鋼板幾天就會變形了，使用的耐熱鋼板應(yīng)為耐熱鑄鐵，來提高布料器的耐熱性。
耐熱鑄鐵是指可以在高溫下使用，其抗氧化或抗生長性能符合使用要求的鑄鐵。
“生長”是指由于氧化性氣體沿石墨片邊界和裂紋滲入鑄鐵內(nèi)部造成的氧化，以及因Fe3C分解而發(fā)生的石墨化引起鑄件體積膨脹。向鑄鐵中加入鋁、硅、鉻等元素，使鑄件表面形成一層致密的SiO2、Al2O3、CrO3等氧化膜，能明顯提高高溫下的抗氧化能力，同時能夠使鑄鐵的基體變?yōu)閱蜗噼F素體。此外，硅、鋁可提高相變點，使其在工作溫度下不發(fā)生固態(tài)相變，可減少由此而產(chǎn)生的體積變化和顯微裂紋。鉻可形成穩(wěn)定的碳化物，提高鑄鐵的熱穩(wěn)定性?！こＳ玫哪蜔徼T鐵有中硅鑄鐵、高鉻鑄鐵、鎳鉻硅鑄鐵等，主要用于制造加熱爐附件，如爐底板、送鏈構(gòu)件、換熱器等。
表6.1 耐熱鑄鐵件的牌號和化學(xué)成分
類別
牌號
化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(％)
C
Si
Mn
P
S
Cr
Al
≤
耐熱鑄鐵
RTCr
3.0～3.8
1.5～2.5
1.0
0.20
O．12
0.50～1.00
---
RTCr2
3.0～3.8
2.0～3.0
1．O
0.20
0.12
>1.00～2.00
---
RTCr16
1.6～2.4
1.5～2.2
1．O
O．10
0.05
15.00～18.00
---
RTSi5
2.4～3.2
4.5～5.5
0.8
0.20
O．12
0.50～1.00
---
耐熱球
墨鑄鐵
RTQSi4
收藏