1953_砂輪回轉(zhuǎn)試驗機設(shè)計

1953_砂輪回轉(zhuǎn)試驗機設(shè)計,砂輪,回轉(zhuǎn),試驗,實驗,設(shè)計 黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (文 獻 綜 述 ) 第 1 頁 砂輪回轉(zhuǎn)試驗機設(shè)計文獻綜述摘　要　本文介紹了大型自動控制砂輪回轉(zhuǎn)試驗機的設(shè)計研制,通過設(shè)計一體式砂輪卡盤及新結(jié)構(gòu)防護罩,采用交流變頻、計算機控制技術(shù),研制出了新一代性能優(yōu)良的大型回轉(zhuǎn)試驗機,具有自動化程度高,操作維護簡便,數(shù)字化顯示主軸轉(zhuǎn)速,節(jié)能等優(yōu)點。關(guān)鍵詞　自動控制;砂輪;回轉(zhuǎn)試驗機1　概述砂輪回轉(zhuǎn)強度是衡量砂輪質(zhì)量的最重要指標之一,直接影響到人身及設(shè)備的安全,回轉(zhuǎn)機是檢測砂輪回轉(zhuǎn)強度的專用設(shè)備。隨著我國加入WTO 和機械行業(yè)的振興,特別是汽車行業(yè)的發(fā)展,對曲軸磨等大直徑砂輪的需求迅速增長,因而生產(chǎn)大直徑砂輪廠家的數(shù)量增多,砂輪生產(chǎn)廠家和使用廠家對大型回轉(zhuǎn)機的市場需求變大。我國目前生產(chǎn)和使用的大型回轉(zhuǎn)機主要有以下幾種: (1)簡易回轉(zhuǎn)機:采用人工開關(guān)直接控制電機的啟動停止,電機和回轉(zhuǎn)機主體分別固定在基礎(chǔ)上,無測速及速度控制裝置,速度變化通過更換皮帶輪來實現(xiàn),速度誤差大,安全防護措施簡單,屬于五六十年代的水平。(2)使用電磁調(diào)速電機拖動的回轉(zhuǎn)機:通過控制器控制調(diào)速電機的運行及速度,控制簡單,便于維修;利用轉(zhuǎn)速表可實現(xiàn)速度的測量及顯示。缺點是噪音大,不能實現(xiàn)速度的閉環(huán)控制,控制精度低;由于電磁調(diào)速電機要通過電磁離合器傳遞力矩,故同樣載荷下所需電機功率較大。( 3)采用直流電機拖動回轉(zhuǎn)機:直流電機拖動的回轉(zhuǎn)機,這種設(shè)備噪音低,升降速平穩(wěn),控制精度高,但線路復(fù)雜,造價也偏高,維修水平要求也高。綜上所述,從目前已生產(chǎn)出回轉(zhuǎn)機的情況來看還有許多需加以改進的地方:(1)主軸系統(tǒng)需重新設(shè)計。主軸系統(tǒng)是回轉(zhuǎn)機的關(guān)鍵,現(xiàn)在的主軸系統(tǒng)采用分體結(jié)構(gòu),油浴潤滑,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,精度不易保證,裝配維修復(fù)雜。(2)防護罩存在著安全隱患。現(xiàn)有的回轉(zhuǎn)機均采用活動式防護罩,沉重的防護罩僅靠立柱通過螺栓固定,存在著安全隱患。(3)裝卸砂輪麻煩。由于砂輪沉重,常采用數(shù)人人工裝卸,勞動強度大且不安全;條件較好的廠家采用軟帶兜著砂輪而后行車裝卸,工人勞動強度降低了,但行車裝卸找正不易,最少仍需兩人且配合要特別好。(4)電氣控制部分有的極其簡單, 有的線路復(fù)雜,造價也偏高,維修水平要求也高,已不能適應(yīng)信息社會及行業(yè)發(fā)展的要求。本設(shè)備的推出,對提高砂輪檢黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (文 獻 綜 述 ) 第 2 頁 測設(shè)備的水平,促進技術(shù)進步,具有較大的積極作用。2　調(diào)速技術(shù)簡述回轉(zhuǎn)試驗機由于適用的砂輪規(guī)格較多,相關(guān)標準對砂輪試驗時的速度精度要求嚴格,所以要求回轉(zhuǎn)試驗機有很好的調(diào)速和穩(wěn)速性能,調(diào)速范圍從幾百轉(zhuǎn)/分到數(shù)千轉(zhuǎn)/分。常用的調(diào)速技術(shù)有:機械調(diào)速、液壓氣動調(diào)速、電氣調(diào)速,下面簡要介紹各種調(diào)速技術(shù)的優(yōu)缺點。⑴機械調(diào)速通過采用各種齒輪、鏈輪、蝸輪蝸桿減速器,僅能得到有限的一擋或幾檔速度, 一般用于減速傳動; 采用摩擦輪的各種機械式變速器,一般用于低速傳動,傳遞功率較小。機械調(diào)速裝置體積大,噪音大,調(diào)速范圍有限。⑵液壓、氣動調(diào)速通過采用節(jié)流閥或變量泵來改變供給液壓馬達的流量,可實現(xiàn)液壓馬達轉(zhuǎn)速的無級調(diào)整。液壓調(diào)速在速度變化范圍寬時低速功率損失較大,調(diào)速精度不易保證,液壓調(diào)速裝置易發(fā)生跑冒滴漏,發(fā)熱量大,液壓泵噪音大。液壓調(diào)速國外只在小型高速輕負荷的回轉(zhuǎn)試驗機有所應(yīng)用,國內(nèi)尚無實例。氣動調(diào)速機械特性很軟,不能適用于回轉(zhuǎn)試驗機,噪音同樣較大。⑶電氣調(diào)速分交流調(diào)速和直流調(diào)速兩種方式。直流調(diào)速線路復(fù)雜,造價也偏高?，F(xiàn)主要介紹交流調(diào)速。近十年來,隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展,電氣傳動技術(shù)面臨著一場歷史革命,即交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計算機數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為發(fā)展趨勢。電機交流變頻調(diào)速技術(shù)是當今節(jié)電、改善設(shè)備性能以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動技術(shù)進步的一種主要手段。變頻調(diào)速是通過改變電機電流的頻率進而改變電機的轉(zhuǎn)速,已從簡單的V / f控制到高性能的矢量控制、磁通控制、轉(zhuǎn)矩控制、模糊控制等新的方式; 16 位、32位高速微處理器以及信號處理器(DSP)和專用集成電路(ASIC)技術(shù)的快速發(fā)展,為實現(xiàn)變頻器高精度、多功能提供了硬件手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起、制動性能,高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果,廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點而被國內(nèi)外公認為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。變頻器從模擬式、數(shù)字式、智能化、多功能向集中型發(fā)展。最近,日本安川公司提出了以變頻器、伺服裝置、控制器及通訊裝置為中心的” D&M&C”概念。我國變頻器設(shè)計制造水平、產(chǎn)品質(zhì)量、可靠性、售后服務(wù)水平都有了顯著的提高,價格迅速降低,性價比明顯。變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用范圍已有很大發(fā)展,石油、石化、機黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (文 獻 綜 述 ) 第 3 頁 械、冶金、紡織等行業(yè)都經(jīng)過了單系統(tǒng)試用、大量使用和整套裝置系統(tǒng)使用3個發(fā)展階段。將變頻技術(shù)用于磨料磨具行業(yè)到了水到渠成的時候。3　設(shè)計與研制參照國內(nèi)外現(xiàn)有相近的回轉(zhuǎn)試驗機,結(jié)合我們多年的實際經(jīng)驗,經(jīng)過分析和論證,我們確定了下述技術(shù)方案:⑴重新設(shè)計主軸系統(tǒng),提高其裝配精度;重新設(shè)計新結(jié)構(gòu)的防護罩,消除安全隱患;設(shè)計新結(jié)構(gòu)的砂輪卡盤,便于砂輪裝卸。⑵采用先進的變頻調(diào)速技術(shù),實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的無級調(diào)整。⑶采用微機解決相應(yīng)的軟硬件問題,通過人機對話界面輸入砂輪有關(guān)的實驗參數(shù),能自動檢查、提示;設(shè)備運行狀態(tài)有指示燈顯示;實時數(shù)字顯示主軸的瞬間轉(zhuǎn)速;試驗數(shù)據(jù)可按用戶的要求進行查詢、打印。⑷采用單片機為前置機,接受微機Rs232口發(fā)出的控制指令,控制變頻器的運行;單片機把主軸運行狀態(tài)通過微機Rs232口在主控界面上顯示出來,從而由微機實現(xiàn)檢驗過程的全自動控制。根據(jù)技術(shù)方案,進行了設(shè)計與研制:3. 1　機械設(shè)計3. 1. 1　主電機功率確定本設(shè)備適用砂輪的直徑范圍: 300～1100mm;最高轉(zhuǎn)速6000r /min;最大負荷150kg;砂輪最大使用速度100m / s。采用變頻調(diào)速技術(shù)后根據(jù)計算和經(jīng)驗,確定主電機功率2.2kW,轉(zhuǎn)速2840 r /min。3. 1. 2　軸承的選擇軸承是主軸系統(tǒng)的關(guān)鍵件,由于軸承要承受砂輪高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下不平衡所產(chǎn)生的巨大離心力,又要高速旋轉(zhuǎn),為避免因配合精度導(dǎo)致主軸旋轉(zhuǎn)過程中溫度過高及平穩(wěn)性受影響,以往采用高精度進口軸承,價格昂貴。為了在滿足設(shè)備性能需要的同時又降低成本和便于采購,我們考察了國內(nèi)主要的軸承生產(chǎn)廠家,我們選用了角接觸軸承7022AC /P5。為了滿足軸承的潤滑要求,降低噪聲,我們優(yōu)選了高性能的軸承潤滑脂,該潤滑脂耐160℃的溫度,可滿足高速大負荷軸承的潤滑要求,可長期使用,避免了采用油浴潤滑易于泄露污染的缺點。3. 1. 3　主軸的結(jié)構(gòu)鑒于試驗的砂輪孔徑不同, 其孔徑從D127 ～D305mm,主軸的結(jié)構(gòu)有兩種方案可供選黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (文 獻 綜 述 ) 第 4 頁 擇。一:主軸采用通軸結(jié)構(gòu),不同孔徑通過更換卡盤的方式來解決,主軸精度高,容易加工。二:主軸采用錐軸結(jié)構(gòu),不同孔徑的砂輪可用強度相匹配的芯軸,但是加工難度大,精度不易保證。經(jīng)過分析論證,我們采用了方案一進行主軸的設(shè)計。為減小高速回轉(zhuǎn)砂輪產(chǎn)生的振動,應(yīng)保證砂輪裝卡過程中其對軸心的同軸度,我們提高了砂輪卡盤內(nèi)孔和主軸配合精度。主軸材料為40Cr,主軸加工采取通軸精磨。為避免裝卸砂輪對主軸表面的磨損及磕碰,影響其安裝精度,造成偏心力增大而引起劇烈振動,主軸表面高頻淬火提高其表面硬度。3. 1. 4　設(shè)計新結(jié)構(gòu)的砂輪卡盤,便于砂輪裝卸。我們設(shè)計新結(jié)構(gòu)的一體式砂輪卡盤。安裝砂輪時首先將砂輪卡盤和砂輪固定在一起,然后用吊鉤鉤著卡盤,平衡吊車輕松找正,一人即可操作。既減輕了工人勞動強度且安全性提高,又保證了砂輪內(nèi)孔在裝卸中不受破壞。3. 1. 5　設(shè)計新結(jié)構(gòu)的防護罩。砂輪檢驗時在回轉(zhuǎn)過程中經(jīng)常破碎,直接影響到人身及設(shè)備的安全,防護罩是提供保護的最重要部件。現(xiàn)有的回轉(zhuǎn)機均采用活動式防護罩,沉重的防護罩僅靠立柱通過螺栓固定機座或基礎(chǔ)上,存在著安全隱患,某廠就發(fā)生過立柱斷裂情況,險些傷人。防護罩本身有數(shù)百公斤重,砂輪檢驗在回轉(zhuǎn)過程中破碎,由動能定律知,碎片擊打防擴罩的能量相當高,可達數(shù)噸/米。固定防護罩的立柱呈懸臂結(jié)構(gòu),砂輪經(jīng)常破碎所產(chǎn)生的強大沖擊力使立柱發(fā)生疲勞破壞,固定螺栓易于松動,危及人身及設(shè)備的安全。同時數(shù)百公斤重的防護罩開關(guān)亦不方便。我們設(shè)計的防護罩牢固地焊接在機座上,從根本上保證了人身及設(shè)備的安全。防護罩采用雙層結(jié)構(gòu),內(nèi)外圈之間加減振材料,減少噪聲。防護罩上裝有輕便的安全門,砂輪裝卸打開安全門即可,操作方便。3. 2　自動控制系統(tǒng)設(shè)計與研制經(jīng)過分析和論證,我們認為控制系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)以下功能:( l)實時數(shù)字顯示主軸的瞬間轉(zhuǎn)速。(2)設(shè)備運行狀態(tài)有指示燈顯示。(3)主軸運行曲線調(diào)整。(4)電氣能耗剎車。(5)輸入?yún)?shù)自動檢查、提示。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (文 獻 綜 述 ) 第 5 頁 (6)試驗數(shù)據(jù)可按用戶的要求進行查詢、打印。自動控制系統(tǒng)由微機和單片機聯(lián)合控制實現(xiàn)設(shè)備的自動工作。此系統(tǒng)中,單片機部分作為前置機,通過串口接受微機發(fā)出的控制指令,微機通過Rs232口再把單片機傳送過來的主軸運行狀態(tài)顯示出來在主控界面上,從而由微機實現(xiàn)檢驗過程的全自動控制。微機通過人機對話界面輸入砂輪的外徑、工作線速度或檢驗轉(zhuǎn)速等與砂輪有關(guān)的實驗參數(shù),若待檢砂輪的實驗參數(shù)輸入錯誤、不符合標準,可自動檢查、提示;設(shè)備運行狀態(tài)有指示燈顯示;實時數(shù)字顯示主軸的瞬間轉(zhuǎn)速;試驗數(shù)據(jù)可按用戶的要求進行查詢、打印。人機對話界面單片機系統(tǒng)采用價廉、抗干擾性能好的51系列單片機,控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定轉(zhuǎn)速值和升速時間,計算出用于控制D /A轉(zhuǎn)換的單位時間的遞增值,D /A輸出的電壓控制變頻器的輸出頻率,從而控制主軸按設(shè)定的升速曲線將主軸的轉(zhuǎn)速從零勻速升至設(shè)定轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速升到設(shè)定轉(zhuǎn)速值,啟動維持時間定時器,開始計時,進入維持時間。在維持轉(zhuǎn)速時間內(nèi)根據(jù)設(shè)定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的誤差,應(yīng)用PID方法調(diào)節(jié),使轉(zhuǎn)速維持在1%的誤差范圍內(nèi)。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (文 獻 綜 述 ) 第 6 頁 4　設(shè)備技術(shù)指標設(shè)備達到的技術(shù)指標如下:⑴回轉(zhuǎn)砂輪最大直徑: 1100mm⑵最高轉(zhuǎn)速4000 r /min⑶最大負荷150kg⑷主軸徑向跳動0. 02mm⑸轉(zhuǎn)速調(diào)整精度≤0. 5%⑹轉(zhuǎn)速靜態(tài)穩(wěn)定度≤0. 5%⑺空載時最大噪音80分貝⑻轉(zhuǎn)速變化率≤1%⑼延時精度≤1%⑽電機功率 11kW5　使用結(jié)果設(shè)備經(jīng)一汽集團大連柴油機廠、二汽發(fā)動機廠等用戶使用,用于曲軸磨等大直徑砂輪的試驗,普遍反映該設(shè)備具有自動化程度高、操作簡便、數(shù)值化顯示主軸轉(zhuǎn)速準確直觀、維護簡單方便、節(jié)能、便于管理,其性能優(yōu)于國內(nèi)其他同類型砂輪回轉(zhuǎn)機。6　結(jié)論通過重新設(shè)計主軸系統(tǒng),采用交流變頻、微機控制技術(shù),研制出了新一代性能優(yōu)良的大型回轉(zhuǎn)試驗機,具有操作簡單、維護簡單方便、節(jié)能降耗、試驗數(shù)據(jù)可按用戶的要求進行查詢打印等特點,所研制的自動控制大型砂輪回轉(zhuǎn)強度試驗機先進適用,該設(shè)備的研制成功提高了我國砂輪檢測設(shè)備的技術(shù)水平。參考文獻[1] 徐瀕，李元科，劉章俊，等．機械設(shè)計手冊[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1991：28—26，28—29．[2]周開勤．機械零件手冊[M]．北京：高等教育出版社，1994：65—66，77—78．[3] 唐宗軍．機械制造基礎(chǔ)[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1996：118 126．[4] 薄宵．機械加工工藝手冊[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1991：13—47，13 48．[5]　黃秉麟等. 《陶瓷磨具制造》[M ]. 北京,機械工業(yè)部機床工具工業(yè)局, 1985.黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (文 獻 綜 述 ) 第 7 頁 [6] Rowe W B，Black S C E，Mills B．Temperature Control in cBN Grinding[J]．Advanced Manufaeturing Technology，1996[7] 李伯民，趙波．實用磨削技術(shù)[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1996[8] 周德旺．平面磨削溫度場的研究[D]．長沙：湖南大學(xué)，2008[9] 蔡美良，丁惠麟，孟滬龍．新編模具鋼金相熱處理[M]．北京：機械工業(yè)出版社．1998[10] 毛聰，周志雄．平面磨削溫度場及熱損傷的研究[D]．長沙：湖南大學(xué)，2008[11] Yoshl，Kanl，Nkaano et．In—site balancing of gnnding wheels[J]．Japan Soc．of Prce，1994[12] 楊威，冀清發(fā)，羅艷春．砂輪平衡精度對工件表面粗糙度影響的研究[J]．長春工程學(xué)院學(xué)報2005，6[13] 孫桂靜，張鴻海，師漢民等．砂輪不平衡對磨削表面波紋度的影響[J]．磨料磨具與磨削，1993，1[14] 屈梁生，何正嘉．機械故障診斷學(xué)[M]．上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1986．4[15] 李順酩，李香蓮．振動信號的現(xiàn)代分析技術(shù)與應(yīng)用[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2008．1l[16] 安勝利，楊黎明．轉(zhuǎn)子現(xiàn)場動平衡技術(shù)[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2007．4[17] 靖民， 梁迎春． 機械優(yōu)化設(shè)計[M]． 北京： 機械工業(yè)出版社，2007 ：145-150．[18]　Zhu Yingchun, Ken Yukinura et al. Tribological p roperties of nanostru2tured and conventional WC2Co coatings deposited by p lasma sp raying[ J ]. Thin solid Films, 2001, 388: 277～282.[19] Qiao Yunfei, Traugott E. Fischer, Andrew Dent. The effects of fuelchemistry and feedstock powder structure on themechanical and tribologi2cal properties of HVOF thermal2sp rayed WC2Co coatings with very finestructures[ J ]. Surface and Coatings Technology, 2003, 172: 24～41[20]　楊建平等. 一種高性能的直流回轉(zhuǎn)試驗機[ J ]. 金剛石與磨料磨具工程1997. 3黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (文 獻 綜 述 ) 第 8 頁 [21]　呂申峰等.微機控制砂輪高速回轉(zhuǎn)試驗機[J].金剛石與磨料磨具工程1998. 6[22] 馮婉愉等.大直徑重負荷砂輪高速回轉(zhuǎn)試驗機[J].金剛石與磨料磨具工程1999. 5[23]　朱　嘉等 JS 系列砂輪回轉(zhuǎn)機的使用與維護[ J ]. 金剛石與磨料磨具工程 2003. 4