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1、高炉无料钟炉顶上密封阀和上截料阀的设计摘要高炉是钢铁冶炼的重要设备，高炉炼铁是获得大量生铁的主要手段。高炉冶炼的原理是把氧化铁还原成含有碳硅锰硫磷等杂质的生铁。高炉的炉顶装料设是用来装料入炉并使炉料在炉内合理分布，同时还要起到炉顶密封作用的设备。近代工业的迅速发展，带动钢铁冶金技术的发展，传统的高炉炉顶设备存在着设备复杂、密封性能差等缺点。本文设计的无料钟炉顶装料装置具有设备结构简单、传动效率高、设备重量轻、布料灵活、密封性能好等优点，能够满足现代高炉大型化和超高压操作的要求。而本文主要设计串罐式无料钟炉顶的上密封阀、上截料阀等机构，主要包括主传动方案的设计，基本参数的选择计算，重要零件的设计
2、和强度校核，以及一些标准件的选择和校核，如轴承、键、液压缸等。无料钟炉顶简化了炉顶的设备的结构，满足现代化大生产的要求，对于今后高炉炉顶的发展和研究提供了新方向。全套图纸，加153893706关键词：高炉无料钟、炉顶设备、高炉冶炼、高压操作、密封阀、截料阀Design for flow-control valve and conseal valve of Beel-less Blast Furnace TopAbstract The blastfurnace is an important iron and steel smelting equipment, the blastfurnace
3、production is the main method to obtain a mass of pig irons. The principle of high blast furnace smelting iron oxide is reduced to carbon-containing impurities such as Si-Mn cast iron parathion. The charginge quipment of furnace top is sued to load the stuff to a stove and make furnace chargescatter
4、 rationally within the stove, and the equipment must play a part in the furnace tophermetic sealing at the same time. The rapid development of modern industry, technology-led development of the iron and steel metallurgy, traditional furnace top equipment has many shortcomings, such ascomplicated str
5、ucture, bad capability of preeurization. There are several advantages in this new type equipment ,it has the simpler structure,high drively efficiency,light weight, flexible distributing charg,standout hermeticcapability and so on, and all the characteristics can satisfy the request of extra-highpre
6、ssure and the mainframe furnace. The key design mainly includes flow control valve and sealed valve and so on. Included the choice of hydraulic pressure cylinder, the basic parameter of the fretsaw machines choice and account, important parts of the design and strength check, as well as some standar
7、d parts selection and verification, such as bearings, keys, such as hydraulic cylinders. Bell-less top of the equipment simplified the structure to meet the requirements of modern large-scale production blast furnace top for the future development and research provides a new direction.Key words: bla
8、st furnace bell, top equipment, blast furnace smelting, high-pressure operation, flow-control valve and, sealed valve 目 录摘要IAbstractII1.绪论11.1选题的目的和背景11.1.1选题的目的11.1.2选题的背景11.2高炉炉顶设备发展现状及趋势21.3 无料钟炉顶布料器21.3.1无料钟炉顶的组成和操作流程21.3.2无料钟炉顶发展的方向31.4 其他形式的高炉炉顶装置41.4.1钟式炉顶布料器41.4.2钟阀式炉顶布料器51.5设计目标概述61.5.1 上密封
9、阀61.5.2上截料阀71.6设计的目的及任务82.无料钟炉顶的总体方案设计92.1串罐式和并罐式的结构与分析比较92.1.1串罐式和并罐式炉顶结构92.1.2串罐式和并罐式的分析比较112.2 设计方案的确定122.2.1 上截料阀的运动分析122.2.2上截料阀传动方案的确定122.2.3上密封阀传动方案的确定132.2.4上密封阀执行和驱动方案的确定133上密封阀的设计计算153.1上截料阀驱动力和行程的计算153.1.1行程的计算153.1.2 驱动力计算183.2液压缸的选择计算203.2.1液压缸型号的选择203.2.2液压缸活塞杆行程的确定203.3 上截料阀花键轴的设计及强度校
10、核213.3.1 花键轴的受力分析213.3.2 花键轴弯矩的计算和弯矩、扭矩图的绘制223.3.3 花键轴的强度校核243.4花键轴套的强度校核243.4.1 花键轴套的受力分析243.4.2 花键轴套弯矩的计算和弯矩、扭矩图的绘制253.4.3 花键轴的强度校核273.5花键的设计和校核273.5.1花键轴上的花键选择和校核273.5.2花键轴套的花键选择和校核284. 上密封阀的设计计算294.1 上密封阀液压缸的选择294.2上密封轴的设计和强度校核304.2.1上密封轴的受力分析304.2.2上密封轴弯矩的计算和弯矩、扭矩图的绘制314.2.3 上密封轴的强度校核324.3上密封轴的
11、键强度校核334.4上密封轴的轴承校核344.4.1轴承的选择344.4.2验算轴承的寿命355. 润滑方式的确定375.1 润滑的定义和润滑方式种类375.2润滑方式的选择385.2.1上截料阀的润滑方式的选择385.2.2 上密封轴的润滑方式的选择386.经济性分析39总 结41致 谢43参 考 文 献441.绪论1.1选题的目的和背景1.1.1选题的目的高炉炼铁是目前获得大量生铁的主要手段。近些年，随着高炉设备水平的不断提高，中、小高炉逐渐被大型、巨型高炉所代替。这里就要求高炉炼铁技术在高炉装备、延长高炉寿命、提高喷煤比、提高高炉原燃料质量、改进高炉操作等方面都要有明显的进步。近年来，我
12、国炼铁生产技术处于快速发展阶段，生铁产量高速增长，炼铁装备在向大型化、自动化、高效化、长寿化、节能降耗、高效率方向发展。同时，一些炼铁企业已开始对环保治理方面的投入，向清洁炼铁方向发展。应当指出，我国炼铁工业是产业集中度低，高炉平均炉容偏小(约在500m3左右)，处于多层次共同发展阶段。现在我国先进的炼铁技术装备与落后的装备并存。因此对于炼铁如何进一步提高技术装备水平，如何进一步优化工艺，实现高产、低耗、环保的指标，对整个钢铁工业乃至全球经济的发展都具有重要的意义1 2。1.1.2选题的背景高炉炼铁工序是钢铁生产的关键环节之一，也是技术进步与创新的重要领域。钢铁工业的飞速发展，推动了高炉炼铁技
13、术的突破。无料钟炉顶是一项革命性的发明，为高炉操作带来了新的方式。1970年卢森堡威尔斯厂和保尔伍斯尔公司发明的无料钟布料器（PW式无料钟炉顶设备），克服了马基式布料器的基本缺陷，在技术上是一次质的飞跃3。1972年世界上第一个安装无料钟炉顶设备的高炉在德国Hamborg厂开炉。对于我国众多中小高炉群而言，如何进一步提高技术装备水平，如何进一步优化工艺，实现高产、低耗、环保的指标，对整个钢铁工业的发展具有重要而现实的意义。采用无料钟炉顶等核心技术与设备，是推进我国中小高炉技 术和工艺进步、提高生产效率和降低成本的重要途径。1.2高炉炉顶设备发展现状及趋势炉顶装料设备是用来装料入炉并使炉料在炉内
14、合理分布，同时要起炉顶密封作用的设备，是高炉结构中重要的组成部分。目前世界高炉的新建和改造上，均采用无料钟炉顶新技术，无料钟炉顶逐渐取代有料钟炉顶成为主要的炉顶设备。布料设备作为无料钟炉顶设备的核心部分，他的研究和开发一直倍受关注。我国从70年代开始研制无料钟炉顶，1979年第一座无料钟炉顶在首钢投产。现在全过一共有50余座高炉采用无料钟炉顶，其中一部分是国内自行研制开发的（例如BT型、BG型、SS型炉顶装置等），一部分是引进PW公司的技术和设备4。1.3 无料钟炉顶布料器 现在高炉无料钟炉顶在世界各国的到了迅速推广，尤其是特大型高炉使用无料钟炉顶设备已经成为一种趋势。我国的宝钢、鞍钢、首钢、
15、武钢、马钢、攀钢等钢铁集团新建和改扩建的大高炉均采用了无料钟炉顶技术。采用无料钟炉顶设备使炉顶结构大大简化，布料灵活性大大加强，设备的重量减轻，使用寿命也得到大大提高，密封性好实现了高炉的大型化和高压操作的要求，各部件均易于维护（均可在正常停炉6-8小时内完成，维修费用低），投资少效益高。卢森堡保尔沃特（PW）是无料钟炉顶技术及相应专利技术的发明者和拥有者，无料钟炉顶为高炉操作带来了新的方式，已在全世界200多座高炉上安装5。1.3.1无料钟炉顶的组成和操作流程 高炉无料中炉顶主要由布料器、下密封阀、下节流阀、料罐、上密封阀、上节流阀、挡料阀、上料斗、受料斗、液压站等组成。如图1.1所示：高炉
16、无料钟炉顶操作流程：关闭密封阀通过放散孔放散常压下开启上密封阀截料阀关闭时装料聊满后开启截料阀放料关闭截料阀下密封阀开排压阀开下密封阀开下节流阀阀开溜槽布料下节流阀关下密封阀关，持续工作，往复循环。1.3.2无料钟炉顶发展的方向无料钟炉顶从诞生以来，工艺日趋完善，密封愈加严密，布料方式更加合理，效率越来越高，成本越来越低。但是炉顶布料装置的密封性差，氮气消耗量大，生产成本高。所以通过对高炉技术和工艺进步的改进，提高生产效率和降低成本。发展方向主要集中在提高高炉设备的是使用率、实现高压操作和超高喷煤，进一步延长炉役寿命和环境保护等几个领域，从而使得更为广泛的应用6 7。图1. 1 高炉无料钟炉顶
17、装料装置总图1.4 其他形式的高炉炉顶装置对炉顶装料设备的基本要求：要适应高炉生产能力；布料均匀，能够调节炉料堆尖位置；保证炉顶可靠密封；设备结构简单和坚固；操作方便，尽可能实现自动化。1.4.1钟式炉顶布料器随着近代钢铁工业的发展，高炉炉顶装置也由了飞速发展。19世纪初，钟式炉顶的出现时高炉发展的一次飞跃。针对起初的双钟式炉顶炉料偏析严重的问题而设计的马基式布料器逐渐取代了盖涅特布料器，马基式布料器继承了巴利式大钟、大斗的有点，并且用双钟、双斗克服加料时煤气泄漏的缺陷，这样就使炉料堆尖较均匀的分布在大斗里。此种布料器得到广泛的应用。马基式布料器在常压高炉上使用，其密封性尚能够满足要求，但炉顶
18、压力超过147MPa以上，容易漏气，使大钟很快磨损，更换大钟要花费很多时间，效率降低。因此，马基式炉顶已经不能满足现代高炉的生产要求。为了解决以上缺点，双钟式炉顶很快出现了，很快在世界范围得广泛的应用。它由布料器、受料斗、小钟料斗、小料钟、大钟料斗、大料钟等组成，如图所示。装料时，受料斗接受料车或皮带送入的炉料，并进入小钟斗，然后打开小钟将炉料倒入大钟斗，关闭小钟，在打开大钟，将炉料按要求布到炉内。大小钟的启闭必须交错进行，保证装料时煤气密封。由于高炉冶炼技术的发展，高炉的容积不断扩大，炉顶压力不断提高，双钟式炉顶具有的体积笨重，密封性能差，维护工作量大，不能实现高压操作等缺点，已不能满足生产
19、的要求。图 1. 2 马基式布料器双钟炉顶1大料斗；2大钟；3大钟杆；4煤气封罩；5炉顶封板；6炉顶法兰；7小料斗下部内层；8小料斗下部外层；9小料斗上部；10小齿轮；11大齿轮；12支撑轮；13定位轮；14小钟杆；15钟杆密封；16轴承；17大钟杆吊挂件；18小钟杆吊挂件；19放散阀；20均压阀；21小钟密封；22大料斗上节；23受料漏斗1.4.2钟阀式炉顶布料器 为了满足高炉容积的扩大和高压操作的推广，出现了三钟式、四钟式和钟阀式。钟阀式炉顶装料设备是20世纪60年代初由日本石川岛播磨厂开发出来的，它吸取了双钟式的优点，满足了高炉的高压甚至超高压操作。同时也解决了传统的钟式炉顶径向布料能力
20、的不足。钟阀式炉顶由多种，用的最多的是双钟双阀式炉顶。它有两个均压室，大钟均压室可以直接利用炉喉煤气，不必设置均压设备。且密封阀的阀盖始终不和原料接触，可以避免原料的冲击和磨损，有利于提高寿命。钟阀式炉顶也有缺点，它仍然需要庞大而笨重的大、小料钟及其料斗，炉顶高度较大，给制造、运输和安装带来了一系列困难1。1.5设计目标概述1.5.1 上密封阀 实现高压操作的关键保证高炉的密封性，所以对于炉顶装置的密封性要求十分严格。在排压系统能正常工作的条件下，上下密封阀的密封效果的好坏直接影响高炉高压操作工艺。上密封阀上部是与大气相通，下部与料罐相连，如果密封效果不好会引起煤气泄漏，泄漏的煤气不仅影响操作
21、人员的健康，而且夹带着大量的炉料、粉尘对其他设备的接触面产生强烈的磨损，是造成炉顶设备的损坏的主要原因。炉顶设备的维护需要耗费大量的资源，因此，保证炉顶的密封性就保证了高炉的顺利生产，在设计中对密封阀的设计要求较高，以保证密封性。其结构图1.3所示： 图1. 3 料罐体及上密封阀结构简图1.5.2上截料阀截流阀的准确开度是保证每环布料圈数与设定达到一致的关键参数。截流阀的动作依靠液压装置的伸缩完成，由于行程较短，液压装置动作速度较快，要想满足精确的开度控制，必须在控制方式上对其进行提前量的预判断处理。在设计程序时，考虑到该液压装置速度不可调，因此只能根据装置的动作规律判断停止时的惯性数据，然后
22、在程序中增加停止时的提前量控制，使上截流阀依靠机械惯性停止在设定位置8。无料钟炉顶能实现径向和周向布料。使高炉布料合理均匀，通过截料阀实现料罐内的炉料按要求控制，保证高炉正常工作。在操作中，当料罐受料式时，截料阀处于关闭的状态， 所使下密封阀不受炉料的冲击和磨损，提高下密封阀的使用寿命。无料钟的上截料阀式由液压控制传动控制的，具有反映速度快和冲击小等优点。其结构简图如图1.4所示： 图1 . 4上截料阀结构简图 1.6设计的目的及任务 本毕业设计的目的是基于无料钟炉顶设计的基础之上，通过对其结构和性能的分析进行设计并进一步对其该进，使其更加适应当今大规模的生产，提高工作效率。设计的任务和内容：
23、1收集相关的资料，根据资料分析各种形式的高炉炉顶装料设备的特点，根据我国的发展的实际情况，做进一步的分析。2根据设计题目对无料钟炉顶装料装置进行设计，其具体内容包括上密封阀和上节流阀的设计。选择最佳方案以达到延长设备的使用寿命，降低成本和提高生产效益的目的。3设计上密封阀和上节流阀的结构尺寸，满足其强度要求的同时要考虑成本，从而获得最优化设计方案。4 计算各零件的尺寸的同时，对部分重要的零件进行强度校核，满足强度要求，确保工作中安全可靠。5 根据已经计算得的数据，计算机绘制CAD图纸。6对所设计的无料钟炉顶装置的上密封阀和上节流阀进行经济性分析，要求索设计的炉顶设备为最优化方案，投入使用能获得
24、较大的经济效益。2.无料钟炉顶的总体方案设计随着无料钟炉顶的广泛应用和不断改进，不仅设备结构由了很大的变化，并且在总体布置上也出现了多种形式，概括起来大致无聊中炉顶可分为并罐式、串罐式和串并罐式三种。其中使用较为广泛的是串罐式1。2.1串罐式和并罐式的结构与分析比较2.1.1串罐式和并罐式炉顶结构 串罐式无钟炉顶的特点：投资较低；在上部结构中所需空间小；设备高度与并罐式炉顶基本一致；极大的保证了炉料在炉内分布的对称性，减小了炉料偏析。中心排料，旋转溜槽所受炉料的冲击增大。 图 2.1串罐式无钟炉顶装置示意图1上料皮带机；2挡板；3受料漏斗；4上闸阀； 5上密封阀；6称量料罐；7下节流阀；8下密
25、封阀；9中心喉管；10旋转溜槽； 11中心导料器 并罐式无钟炉顶的结构：由受料漏斗、称量料罐、中心喉管、气密箱、旋转溜槽等五部分组成。 并罐式无钟炉顶的特点： 布料理想，调剂灵活；设备总高度较低； 密封性好，能承受高压操作 ；两个称量料罐交替工作 。中心喉管磨损较快；存在并罐效应。由于称量料罐中心线和高炉中心线有较大的间距，会在布料时产生料流偏析现象，称之为并罐效应。 图 2.2并罐式无钟炉顶装置示意图1移动受料漏斗；2上密封阀；3均压放散系统；4称量料罐；5料罐称量装置；6节流阀；7下密封阀；8眼镜阀；9中心喉管；10气密箱传动装置；11气密箱冷却系统；12旋转溜槽；13溜槽更换装置2.1.
26、2串罐式和并罐式的分析比较两种形式的无料钟炉顶的主要区别在于他们的结构上，串罐式二个罐上下相通的，而并罐式是二个罐并列安放。由于他们结构形式的不同，与并罐式比较串罐式少了一套上密封阀、下密封阀和一个下截料阀和均压放散阀，这样在工艺上方串罐式可以节省大量的资金，同时串罐式在冶炼工艺较并罐式也有显著的优点，因此串罐式能得广泛的应用。 表2.1 串罐式和并罐式的设备比较 项目 串罐式无料钟 并罐式无料钟设备组成 旋转或固定上料罐、称量 移动受料斗、左右料罐、料罐、下阀箱、布料溜槽等 下阀箱、齿轮箱、布料溜槽等装料能力 较小 较大截料阀的调节精度 好 较差放料罐卸料偏析 设有导料管，效果较好 可设导料
27、管，效果欠佳料罐内炉料偏析 较小 较大 炉料称量 准确性高 准确性较差布料特点 炉喉圆周布料均匀 炉喉圆周布料不均匀炉顶装料设备高度 与并罐式相当 与串罐式相当设备更换及磨损 较易更换下阀箱，炉料对下 无法更换下阀箱，炉料对下阀箱和中心喉管磨损较小 阀箱，炉料对其磨损大设备重量 较轻 较重备用性能 无 有均排压设备 一套 二套分析：根据对串罐式和并罐式的结构比较，串罐式较并罐式有很大优点，现代化高炉生产工艺日趋完善，对设备要求也越来越严格，要满足现代大生产要求，提高效率降低生 产 成本。无料钟炉顶设备具备这些优点，在高炉钢铁冶炼得到了广泛的应用。2.2 设计方案的确定2.2.1 上截料阀的运动
28、分析 上截料阀的运动由一套连杆机构和液压缸驱动实现的，靠内外球体的相对运动来达到截料的目的，内外球体分别由球形截料阀的花键轴和花键轴套驱动，花键轴和花键轴套分别由摇臂带动四连杆机构驱动的 ，而摇臂的动力是由液压缸共给。2.2.2上截料阀传动方案的确定 根据上截料阀的工作特点，截料阀运动需要克服很大的力，而且需要快速相应。为了满足上述的要求，所以上截料阀的传动方式采用连杆机构与液压缸驱动方式，具有以下优点：设备机构精简，重量轻，节省投资； 工作平稳，冲击小，减轻炉顶框架结构，降低炉顶高度； 减少了电机容量和功率消耗；传动准确，相应速度快，驱动力大，密封性能好；液压传动调速范围大，可以减小冲击负荷
29、 ，液压元件通用性大，检修方便。截料阀由内球体和外球体的相对运动实现的，花键轴驱动内球体，花键轴套驱动外球体，内外球体的运动需要打开一定的角度，应选择承载能力高，对中性好，而且导向性好，应力集中小，所以根据以上的要求选择花键轴和花键轴套作为动力传动机构。因为载荷较小所以选择静联接。由于花键轴和花键轴套由相对运动，容易产生磨损，增加生产成本，降低生产效率，所以在花键轴和花键轴套之间加一个小轴套，减小重要零件的磨损，符合最优化设计原则。上截料阀的结构如图2.3： 图 2.3上截料阀结构图 1、内球体 2、外球体 3、小轴套 4、花键轴套 5、花键轴2.2.3上密封阀传动方案的确定 上密封阀在工作时
30、要求平稳，保证良好的密封性，故采用液压缸和曲柄传动。该传动方案的优点是：整体机构简洁，设备质量轻，节省投资，上密封阀在工作时启闭平稳，防止过载，且能够通过液压系统调节升降速度。液压系统的使用可以降低炉顶的高度，减小整个高炉的重量。2.2.4上密封阀执行和驱动方案的确定 上密封阀的位置是安装在称量罐的上部，溜槽上面的上密封阀的直径很小，且镶有橡胶密封圈，密封性能良好，适应高压操作的要求。上密封阀式借助曲柄转动带动阀板使阀板上的橡胶圈和密封阀座紧密结合，封住来自下部的压力煤气，从而达到密封的效果。上密封阀的驱动装置式采用液压和曲柄传动。曲柄绕上密封轴转动，曲柄带动阀板实现开启和闭合，达到密封作用。
31、密封阀不直接与炉料接触，从而提高了橡胶圈和阀体的使用寿命，满足密封要求。此装置的结构简单、动作准确。按照高炉的动作要求，液压缸的控制电磁阀控制上密封阀的开启。上密封阀的结构如图2.4所示： 图2.4上密封阀结构图1、 上法兰组件 2、上密封阀座 3、阀板组件 4、曲柄 2.2.5 上密封阀轴承选择方案的确定 上密封阀轴承承受较大的径向载荷，不承受轴向载荷，同时上密封阀的轴与轴承座孔的轴线必须保持同轴线，不能有相对倾斜。轴承选择是根据其所受载荷的大小、方向、性质等依据确定的。综上所述，上密封阀的轴承选择调心滚子轴承，调心滚子轴承是在有二条滚道的内圈和滚道为球面的外圈之间，装配有鼓形调心滚子的轴承
32、。外圈滚道面的曲率中心与轴承中心一致，所以具有与自动调心球轴承同样的调心功能。在轴、外壳出现挠曲时，可以自动调整，不增加轴承负担。调心滚子轴承可以承受径向负荷及二个方向的轴向负荷。径向负荷能力大，适用于有重负荷、冲击负荷的情况。内圈内径是锥孔的轴承，可直接安装。或使用紧定套、拆卸筒安装在圆柱轴上。保持架使用钢板冲压保持架、聚酰胺成形保持架及铜合金车制保持架。调心滚子轴承可承受较大的径向载荷，同时也能承受一定的轴向载荷。该类轴承外圈滚道是球面形，故具有调心性能，当轴受力弯曲或倾斜而使内圈中心线与外圈中心线相对倾斜不超过12.5时，轴承仍能工作。所以调心滚子轴承适用于承受重载荷与冲击载荷，广泛应用
33、于冶金、轧机、矿山、石油、造纸、水泥、榨糖等行业9。3上密封阀的设计计算3.1上截料阀驱动力和行程的计算此部分主要根据上截料阀的结构和工作原理和炉料的密度等参数，计算出上截料阀工作时所要的驱动力的大小，和驱动截料阀工作的液压缸的行程，从而根据这两个数据选择液压缸的类型。3.1.1行程的计算料罐的有效容积为5M3 ，物料的密度为4T/ M3。内外球体的材料为铸钢，相对运动时采用脂润滑，由10查得滑动摩擦系数f=0.15。设上截料中阀物料能产生的力臂为L,力臂图如下 图3.1 力臂简图所以可以得方程 ： 3002+L2=5702 则力臂L=484.66mm设物料产生力矩那部分的物料的体积为V： V
34、=R2h=3.140.32（0.640.058）=0.685 M3 式中300 mm为截料阀内球体半径则物料产生的力矩为： Tg=gVLf =41039.80.6850.484660.15 =1.875KNM 因为上截料阀的内球体的直径为600 mm，其中20 mm为内球体与外球体的重叠量，所以内、外球体的开口至少要达到620 mm时物料才能顺利下料，正常工作。驱动内、外球体的式同一连杆机构，而且驱动力都是由液压缸提供的，假设内、外球体都打开320 mm，计算两球体的张开角度。内球体开口结构简图： 图3.2内球体开口结构图根据结构简图可得：sin= =arcsin=42.28外球体开口结构简图
35、：图3.3 外球体开口结构简图根据结构简图可得：siin= = arcsin=34.95打开角度取两者的最大值= 42.28，圆整后取得开口角度42。分析连杆机构计算液压缸行程，连杆机构简图如图3.4所示：机构为菱形架构，设初始角为45，由上步计算得张开角为42，极限位置时角度变为129，则C=180129=51。在简图上建立坐标系如图3.4图中1C=51，a=b=200mm由余弦定理a2+b2c2=2abcosCR= C=172.00mm设B的坐标为B（x，y） ，x、y为B点在工作时的轨迹如以O为圆心、OC为半径，则圆的轨迹为 x2+y2=3502 如以A为圆心、AB为半径，则圆的轨迹为（
36、xy）2+ y2=R2 ，联立解得x=307.64 mm y=349.56 mm综上计算B点坐标为（307.64 ，349.56 ）设C的坐标为C（x，y） ，x、y为C点在工作时的轨迹因为OC=350，=56x=OCcos51=350cos56=195.72 y= OCsin51=290.16即 C点的坐标为（195.72，290.16） 图 3.4 连杆机构简图由B、C两点坐标，则|BC|=126.71 mm设液压缸的工作行程为Lh，由相似三角形定理得： = Lh=72.40 mm 液压缸的工作行程至少为72.40 mm3.1.2 驱动力计算 工作原理分析：液压缸驱动摇臂摆动，摇臂把动力传
37、递给两个连杆，两个连杆分别带动上截料阀的花键轴和花键轴套做相对转动，从而驱动内、外球体闭启。连杆机构受力分析简图如图3.5所示： 图 3.5连杆机构受力简化图F ：摇臂驱动两个连杆的合力F1 ：驱动内球体需要的力，力矩为MF1：F1的反作用力F1：连杆作用在花键轴的力F3 ：液压缸作用在摇臂上的力L ：驱动力臂液压缸的最小驱动力矩为M= T=1.875KNM内外球体分别由花键轴和花键轴套带动F1= F1=6.63 KN 力对称 F2= F1=6.63 KN由余弦定理得F2= F12+F222F1F2cos135 =6.632 +6.63226.632cos135 =150.078 KNF=12
38、.25 KN 力臂 L1=175 mm 力臂L=303.1 mm（由作图法得）列力矩平衡方程：FL=F3L2 303.1F=200 F3 F3=18.56 KNF3是由液压缸提供的，所以驱动力为18.56KN。3.2液压缸的选择计算根据已经计算取得液压缸的工作行程和驱动力对其类型进行选择。3.2.1液压缸型号的选择 由上面的计算可知： 液压缸的最小力伟：18.56KN ，最小行程为：72.40mm参考文献11选用冶金设备钟液压缸，根据实际安装和工作情况设计选择其类型为:Y-HG1-E5028100L（1） 液压缸类型：单作用液压缸 （2）液压缸机构尺寸和技术规格：缸径50 mm 活塞杆直径28
39、 mm油口尺寸通径28 mm 拉力 21.56KN推力31.42KN 连接螺纹M181.53.2.2液压缸活塞杆行程的确定 方案分析：如行程太大，液压缸行程时间加大，则工作时间增加，不利于提高生产效率，浪费资源；如行程太小，液压缸提供的驱动力不足以打开内、外球体开启、闭合所需要的力，不能达到做工目的。 根据上述分析，查阅11P173 表37.7.3，液压缸的行程取100 mm。3.3 上截料阀花键轴的设计及强度校核 根据花键轴的工作环境和受力情况，花键轴要承受较大的力，与内、外球体运动频繁，需要提高耐磨性，考虑经常处于恶劣的工作环境，所以选择45#钢，为了满足强度要求和耐磨性，需要对其进行调质
40、处理。3.3.1 花键轴的受力分析 由所选的液压缸的类型可知最大推力为31.42KN，设液压缸的最大推力全部作用在连杆上，即驱动花键轴的力是由液压缸推动连杆传递的，在驱动力的计算中可知连杆的力臂L=303.11 mm传,花键轴受力如图3.6所示： 图3.6 花键轴的受力分析设F4为液压缸传递给花键轴的最大力，T2为液压缸传递到花键轴的最大力矩，由上图列力矩平衡方程： F4303.11=31.42200 则F4=20.73 KNT2= F40.14142=20.730.14142=2.93 KNT2为驱动力矩 T2 = Tg= 1.875=0.9375 KNM对B点取矩 列力矩平衡方程： M（F
41、2）=0 即 F4320F390F1205=0 F3=31.43 KN对A点取矩 列力矩平衡方程： M（F1）=0 即 F2205 + F3（205+90）F4（205+90+320）=0F2= =7.86KN3.3.2 花键轴弯矩的计算和弯矩、扭矩图的绘制弯矩计算：M（B）= F1205=18.56205=3.8048 KNM M（C）= F4230=20.73320=4.7679 KNM弯矩、转矩图如图3.7所示： 图 3.7 花键轴的弯矩、扭矩图由弯矩和扭矩图可知C截面为危险截面，所以对该截面进行强度校核。C截面的M=4.7679 KNM，T=2.93 KNM。花键轴的材料为45#钢，查
42、阅13P370 表15-1 选取力学性能参数n=3，0=b=590MPa =MPa3.3.3 花键轴的强度校核花键轴的材料45#钢为塑性材料，且是剪切应力一起的轴的屈服的主要因素，所以根据第三强度理论进行校核。ca轴的计算应力, ca = 式中：M=4.7679 KNM ， T=2.93 KNM ， D为C截面的轴直径D=0.094 m，为抗弯模量。ca=68.664 MPa满足强度要求3.4花键轴套的强度校核3.4.1 花键轴套的受力分析 与花键轴同理，花键轴套也是由液压缸传递扭矩驱动的，驱动端受力与花键轴一致，受力分析图如下： 图 3.8花键轴套的受力分析简图式中F1是由液压缸提供的F1=18.56KN; F4上面已求F4=20.73 KN.根据F1、F4的数值求F2、F3。.对B点取矩 列力矩平衡方程： M（F2）=0 即 F180