毕业设计（论文）-小型焊接滚轮架的工程设计.doc

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1、常熟理工学院毕业设计（论文） 1 常熟理工学院本科毕业设计(论文)诚信承诺书 本人郑重声明： 所呈交的本科毕业设计(论文)，是本人在导师的指导 下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 本人签名： 日期： 常熟理工学院本科毕业设计(论文)使用授权说明 本人完全了解常熟理工学院有关收集、保留和使用毕业设计(论文)的 规定，即：本科生在校期间进行毕业设计(论文)工作的知识产权单位属常 熟理工学院。学校有权保留并

2、向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和电子版，允许毕业设计(论文)被查阅和借阅；学校可以将毕业设计(论文)的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编毕业设计（论文），并且本人电子文档和纸质论文的内 容相一致。 保密的毕业设计(论文)在解密后遵守此规定。 本人签名： 日期： 导师签名： 日期： 常熟理工学院毕业设计（论文） 2 小型焊接滚轮架的工程设计 摘 要 焊接装备就是在焊接生产中与焊接工序相配合，有利于实现焊接生产机械化， 自动化，有利于提高装配焊接质量，促使焊接生产过程加速进行的各种辅助装置和 设备。焊接滚轮架是借助主动滚轮与焊件之间的摩接

3、力带动焊接旋转的变位机械。 焊接滚轮架主要用于筒形焊件的装配与焊接。焊接滚轮架按结构形式分为两类：第 一类是长轴式滚轮架。第二类是组合式滚轮架。本文主要对组合式小型焊接滚轮架 进行设计，并对轴、键等主要构件进行了校核。结果表明各主要部件符合要求。该 滚轮架结构简单，使用方便灵活，对焊件的适应性很强。设计中充分的考虑了滚轮 架的合理性和经济性等因素。 关键词：焊接 工装夹具 滚轮架 常熟理工学院毕业设计（论文） 3 Small welding roller stand Abstract Welding equipment is a machine which is used in welding

4、 production and welding processes, and it is conducive to welding production mechanization and automation, to improving assembly welding-quality. Then it could prompte to speed up the process of welding production of the various assistive devices and equipment. Welding roller is used initiative and

5、welding pieces of the wheel between the Mount relay driven welding rotating mechanical deformation. Welding roller stands for the main pieces of tube welding and welding assembly. Welding roller standing by structural form is divided into two categories : the first category is long axis-wheel frame.

6、, the second category is modular roller frame. In this paper, 4000kg of modular T-welded wheel for the design, as well as axial, bond and other main component of checking. The results showed that the main components to meet the requirements. The roller frame structure is simple, flexible, adaptive w

7、elded pieces of a strong, which is the most widely used form of the structure. And it could be fully considered the roller frame reasonable and economic, and other factors. Key Words：weld; frock clamp; turning rolls 目 录 常熟理工学院毕业设计（论文） 4 1. 方案的选择与确定.1 1.1 滚轮架简介 1 1.2 滚轮架结构特点 1 1.3 焊接滚轮架的设计： 1 1.4 组合式

8、滚轮架特点 3 1.5 结构设计 4 1.6 关于滚轮架轴向窜动的问题 5 1.7 传动方案设计 6 2. 焊接滚轮架的设计与计算.8 2.1 焊接滚轮架主要技术参数： 8 2.2 计算总传动效率 8 2.3 无级变速器的选用： 8 2.4 减速器的选择： 8 2.5 联轴器的选择 9 2.6 滚轮架滚轮的设计 .11 2.7 轴的结构设计 .11 2.8 轴承的选择 .12 2.9 轴承端盖的设计 .13 2.10 丝杆的设计 14 2.11 键的设计 15 2.12 机架的设计 15 2.13 表面粗糙度的计算 16 2.14 驱动圆周力与摩擦阻力的计算： 17 2.15 滚轮支反力的计算

9、 18 2.16 驱动圆周力与支反力的分析及中心角的确定 19 2.17 滚轮轴上载荷与驱动功率的计算 22 2.18 附着力的计算 23 2.19 轴承寿命的计算 24 2.20 轴承的强度计算： 25 常熟理工学院毕业设计（论文） 5 2.21 电动机的选型 26 2.22 普通圆柱蜗杆传动主要参数及几何尺寸计算 27 2.22.1 模数 m 和压力角 a .27 2.22.2 蜗杆的分度圆直径27 d1 2.22.3 蜗杆头数27 Z1 2.22.4 导程角 Y .27 2.22.5 传动比 i 和齿数比 u .28 2.22.6 蜗轮齿数28 z2 2.22.7 蜗杆传动的标准中心距

10、a .28 2.23 轴的校核 30 2.24 焊接滚轮架的底架设计 30 结语31 致谢32 参考文献.33 常熟理工学院毕业设计（论文） 6 第一章第一章 方案的选择和确定方案的选择和确定 1.1 滚轮架简介滚轮架简介 随着焊接生产技术的高速发展，对焊接生产的机械化和自动化提出了越来越高 的要求，焊接机械设备的需求量也越来越大。焊接滚轮架设备正是为满足市场需要 而设计生产的。它是借助焊件与主动滚轮间的摩擦力来带动圆筒形焊件旋转的机械 装置，主要用于圆筒形焊件的焊接与装配。 焊接滚轮架是借助主动滚轮与工件之间的摩擦力带动筒形工件旋转的焊接变位 机械。它主要应用于筒形工件的纵向焊缝,环向焊缝的

11、装配和焊接作业,也可以在焊接 滚轮架上进行修整,割孔及探伤等作业。滚轮架是容器生产中最常用的一种工艺装备。 焊接滚轮架按结构形式分为两类。第一类是长轴式滚轮架,主动滚轮装置一根有 电动机驱动，从动轮装在另一公共轴，滚轮中心距一般是可调节，适用于焊接薄壁， 长度大的筒形工件。第二类是组合式滚轮架，主动滚轮架与从动滚轮架各自独立， 可根据工件的长度任意组合，使用方便、灵活、适应性强。是目前应用最广一种的 滚轮架。 1.2 滚轮架结构特点滚轮架结构特点 1)可根据焊件的重量、长度任意组合，使用方便、灵活； 2)在规定的范围内自动调节滚轮中心距，适用不同直径的焊件，圆筒体焊件放 置平稳； 3)采用可控

12、硅供电直流电动机驱动，无级调速，焊速范围大，速度稳定； 4)适用性强，使用广泛； 5)采用组合式滚轮，钢轮外包橡胶，传动平稳，摩擦力大，寿命长； 6)对工件轮压小，可避免工作表面产生冷作硬化。 1.3 焊接滚轮架的设计焊接滚轮架的设计 焊接滚轮架是借助主动滚轮与焊件之间的摩接力带动焊接旋转的变位机械。焊 接滚轮架主要用于筒形焊件的装配与焊接。若对主、从动滚轮的高度作适当调整， 也可进行锥体、分段不等径回转体的装配与焊接。对于一些非圆长形焊件，若将其 装卡在特制的环形卡箍内，也可在焊接滚轮架上进行装焊作业。为了焊接不同直径 的焊件，焊接滚轮架的滚轮间距应能调节。调节方式有两种：一种是自调式的；一

13、 常熟理工学院毕业设计（论文） 7 种是非自调式的。如图 1-1，1-2 图 1-1 自调式焊接滚轮架 图 1-2 非自调式焊接滚轮架 焊接滚轮架按结构形式分为两类： 第一类是长轴式滚轮架（如图 1-3）。滚轮沿两平行轴排列，与驱动装置相连的 一排为主动滚轮，另一排为从动滚轮。长轴式滚轮多是用户根据焊件特点自行设计 制造的，市场可采用的定型产品很少 图 1-3 长轴式滚轮架 第二类是组合式滚轮架（如图 1-4），它的主动滚轮架，从动滚轮架，混合式滚 轮架都是独立的，使用时可根据焊件的重 常熟理工学院毕业设计（论文） 8 量和长度进行任意组合，其组合比例也不仅是 1 与 1 的组合。因此，使用方

14、便灵活， 对焊件的适应性很强，是目前应用最广泛的结构形式。 图 1-4 组合式滚轮架 1.4 组合式滚轮架特点组合式滚轮架特点 1)主从动滚轮架各自独立，可根据焊件的重量，长度任意组合，使用方便灵活 滚轮架靠滚轮对的自由摆动或靠丝杠的调节作用在规定范围内调节滚轮中心距，适 用不同直径的焊件，圆筒体焊件放置平稳 2)可无级调速，焊速范围大，速度稳定。 3)为了便于调节滚轮架之间的距离，以适应不同长度焊件的装焊要求，有的滚 轮架上还安有机动或飞机动行走机构，沿轨道行走，调节相互之间的距离。 焊接滚轮架多采用直流电动机驱动，降压调速。这种方式沿用已久，技术很 成熟，电动机的机械特性较硬，启动力矩较大

15、，是目前滚轮架使用最广的拖动调速 方式。缺点是电动机结构复杂，调速范围较窄，一般恒转矩的调速范围为 1：10 左 右低速时的速度不够稳定，有爬行现象。也有滚轮架是采用交流异步电动机拖动， 变频调速。 近几年随着晶体管变频器性能的完善以及价格的下降，采用交流电动机驱动， 变频调速的滚轮架也日趋增多。其优点是调速范围宽，可达 1：20，转动平滑性好， 低速特性硬。缺点是低速段过载倍数降低 常熟理工学院毕业设计（论文） 9 较大，变频电源的价格也较高。但随着电动机额定功率的增加，价格上升则相对平 缓，所以在重型焊接滚轮架上，采用交流异步电动机拖动和变频调速较为适合。本 次设计的焊接滚轮架吨为 4 吨

16、，采用直流电动机。 为是焊接滚轮架的滚轮间距离调节更为方便，机动性更强，组合更加便利，采 用单独驱动的焊接滚轮架日益增多。但是每一主动滚轮均由一台电动机驱动时，应 解决好个滚轮之间的同步问题。由于制造工艺，材料性能等因素的影响，其额定转 速实际上并不一致，因此，要把实测数据较为接近的一组电动机做为焊接滚轮架的 拖动电动机。另外，对重型焊接滚轮架，还应考虑以测速发电机为核心的速度反馈 装置来保证各滚轮转速的同步。 焊接滚轮架的金属滚轮多采用铸铁和合金球磨铸铁制作，其表面热处理硬度约 为 50HRC，滚轮直径多在 200700mm 之间。 国外滚轮架品种很多，系列较全，承载量 11500t，使用焊

17、件直径 18m 的标准 组合式滚轮架（即两个主动轮座与两个从动轮座的组合）均成系列供应。其滚轮线 速度多在 690mh 之间无极可调有的还有防止焊件轴向窜动的功能。 我国已有不少厂家生产焊接滚轮架，最大承载量已达 400t，适用焊件直径可达 6m，滚轮线速度多在 660mh 之间无级调速。防轴向窜动的滚轮架已有生产，但 性能质量尚待提高。 我国在 1990 年颁布了焊接滚轮架的行业标准（ZBJ/T33003-1990）中规定：主 动滚轮的圆周速度应在 660m/h 范围内无级可调，速度波动量按不同的焊接工艺要 求，要低于510，滚轮转速应稳定、均匀，不允许有爬行现象。按 GB150 规 定制造

18、的筒体类工件在防轴向窜动滚轮架上进行焊接时，在整个焊接过程中允许工 件的轴向窜动量为3mm。传动机构中涡轮副齿轮副等传动零件，应符合国标中的 8 级精度等级。 1.5 结构设计结构设计 结合所设计壳体的实际尺寸，工装采用非自调式滚轮架。 非自调式焊接滚轮架是利用主动滚轮与焊件之间的摩擦力带动焊件旋转的一种 焊接变位机械，可根据工件直径大小不同，移动滚轮组，调节滚轮中心距。非自调 式焊接滚轮架结构形式如图 1-5 所示。 常熟理工学院毕业设计（论文） 10 图 1-5 非自调式滚轮架 1.底座 2.滚轮架 3.蜗杆减速器 4.电动机 5.联轴器 6.无级变速器 7.滚轮调节装置 1.6 关于滚轮

19、架轴向窜动的问题关于滚轮架轴向窜动的问题 如果滚轮和焊件都是理想的圆柱体，且各滚轮尺寸一致，并且其转动轴线都在 同一水平面内并与焊件轴线平行时，放在滚轮架上的焊件是不会产生轴向窜动的， 这是理想情况。但实际上是不可能做到的，尤其是焊件就不可能做到理想中的圆柱 体。 多次试验证明将主、从滚轮架在水平和轴向上的位置找好，固定下来，下次再 用时仍会窜动。即便是同一个焊件，此时调整后已不再窜动，但换个方向旋转或将 该焊件吊起移动位置后再放到滚轮架上，该焊件又会窜动了，更不用说换另外一个 焊件了。 国内一些工厂采用在焊件端头硬顶的办法，这种办法对设备和焊件都有损害， 实属无奈。国外制作的防窜滚轮架，虽能

20、满足要求，可惜价格较昂贵。 理论和实践都证明：影响焊件做轴向窜动的主要原因是滚轮各轴线与焊件轴线 的平行度。因此，在制造和使用焊接滚轮架时，首先要尽量做到：主、从滚轮架 都位于同一中心线上。各滚轮的轴线都在一个水平面内且相互平行。滚轮间距 相等。 实际上，焊件在滚轮架上的轴向窜动， 常熟理工学院毕业设计（论文） 11 其焊件本身是在作螺旋运动，如能采取措施，把焊件的左旋及时地改为右旋或将右 旋改为左旋，直至焊件不再作螺旋运动为止。9 目前，已有三种执行机构可完成此任务： （1）顶升式执行机构 从动滚轮架的一侧滚轮可以做升降运动，使焊件轴线发 生偏移，同时也使焊件自重产生的轴向分量发生变化。这种

21、调节方式其优点是调节 灵敏度较高，缺点是制造成本高，体积大。 （2）偏移式执行机构 从动滚轮架的两侧滚轮沿其垂直中心线可做同向偏移， 以此改变滚轮与焊件的轴向摩擦分力。这种调节方式其优点是灵敏度高，但最大的 缺点是对滚轮的磨损太大。 （3）平移式执行机构 从动滚轮架的两侧滚轮可以同时垂直于焊件轴心线做水 平移动，从而达到调节焊件轴心线以及调节滚轮轴线夹角的目的。这种调节方式其 优点是稳定性好，制造成本低，结构简单，不占用额外的安装空间。 1.7 传动方案设计传动方案设计 确定焊接滚轮架方案时，其合理性和经济性是主要考虑的因素。当焊件的焊接 方法及工艺确定后，所选夹具结构，首先要能保证焊接工艺的

22、实施。同时，焊件结 构尺寸以及组成焊件坯料的制作工艺和制造精度，则是确定夹具定位方法、定位基 准和夹紧机构方案的重要依据。除此之外，还应考虑经济上的因素，使夹具的制造、 使用费用最低而取得的经济效益最大。由于上述各因素都不是孤立存在的，它们之 间往往有联系又有制约，所以在确定夹具方案时要对上述各因素进行综合分析，只 有通盘考虑，才能制定出最佳的设计方案具体确定设计方案时，应联系以下几个方 面进行考虑： 1)焊件的整体尺寸和制造精度以及组成焊件的各个坯件的形状、尺寸和精度。 其中形状和尺寸是确定夹具设计方案、夹紧机构类型和结构形式的主要依据，并 且直接影响其几何尺寸的大小；制造精度是选择定位器结

23、构形式和定位器配置方案 以及确定定位器本身制造精度和安装精度的主要依据。 2)装焊工艺对夹具的要求。例如与装配工艺有关的定位基面装配次序、夹紧方 向对夹具结构提出的要求。再如，不同的焊接方扫对夹具提出的要求，像埋弧焊， 可能要求在夹具上设置焊剂垫；电渣焊要求夹具保证能在垂直位置上施焊；电阻焊 要求夹具本身就是电极之一等。 3)装、焊作业能否在同一夹具上完成，或是需要单独设计装固夹具和焊接夹具。 常熟理工学院毕业设计（论文） 12 焊接滚轮架是采用摩擦接合的机械传动，主要用来焊接圆形工件的环形焊缝。 本设计选用的是非自调式焊接滚轮架，其传动系统如图 1-6 所示。 图 1-6 传动系统示意图 1

24、.电动机 2.无级变速器 3.标准蜗杆减速器 4.蜗杆减速器 5.滚轮 常熟理工学院毕业设计（论文） 13 第二章第二章 焊接滚轮架的计算焊接滚轮架的计算 2.1 焊接滚轮架主要技术参数焊接滚轮架主要技术参数 额定载重量：4t； 工件直径：2501600mm； 滚轮直径：450mm； 滚轮宽度：170mm; 滚轮圆周速度：660mh 2.2 计算总传动效率计算总传动效率 查机械设计手册上册得：蜗轮蜗杆传动效率 1=0.72；轴承传动效率 2=0.99；联轴器效率 3=0.99。总传动效率：总=无极122633。 代入数值得: =0.90.7220.9960.993=0.41 总 2.3 无极变

25、速器的选择无极变速器的选择 为适应不同焊接速度的要求，主动滚轮要经常变更转速。在电动机与蜗杆减速 器之间。常采用一级无极变速器。 当输入轴转速 n1一定时，输出轴最快转速 n2max与最慢转速 n2min之比，即变速 范围 R。且 R=imax/imin,一般设计为对称调速，即升速比与降速比相等。选用调速范 围 4：1，即 R=4。升速比 imax=i=2，降速比 imin=1/i=1/=0.5。 2.4 减速器的选择减速器的选择 蜗杆减速器按蜗杆外形结构分为圆柱蜗杆减速器，环面蜗杆减速器，锥蜗杆减 速器三大类。 本次采用圆弧圆柱蜗杆减速器。蜗杆传动是传递交错轴之间的动力常用的交错 角=90。

26、它具有单级转动比大工作平稳，振动小，噪音低及可做成自锁形式等特 点。 圆弧蜗杆传动除具有普通蜗杆传动的优点外，还有以下特点：齿形优良，蜗杆 涡轮齿面为凹凸共轭啮合，当量曲率小，齿面间润滑油膜容易形成，齿面接触应力 低具有良好的强度和润滑集合条件。接触线及形状分布合理。蜗杆和涡轮啮合时瞬 间接触线相对滑动方向形成的夹角近于直角。 常熟理工学院毕业设计（论文） 14 减速器选用标准件，其型号的选定是根据传动比和中心距综合考虑选定的。中 心距不能超过滚轮安装的高度，即滚轮中心轴离地面的距离。选定中心距为 100。 再根据工作条件：工作荷载平稳无冲击，每日工作 8 小时，每小时启动 10 次， 启动转

27、矩为输出转矩的 2.5 倍。4 根据机械传动装置选用手册： 与滚轮相连的减速器选择型号： CWU 10030 JB/T793595 外形尺寸 查看了机械传动装置选用手册表 3.11，是蜗杆在涡轮之下的圆柱蜗杆减速器。 与电动机相连的减速器选择型号：SCWO 10025 JB/T793595 外形尺 寸参看机械传动装置选用手册表 3.111，是蜗杆在涡轮之上的圆柱蜗杆减速器。 减速器第一次使用时当运转 150300h 后需更换润滑油，在以后的使用中应定期 检查油的质量。对于混入杂质或变质的油需及时更换。一般情况下，对于长期连续 工作的减速器，每 5001000h 必须换油一次。应加入与原来牌号相

28、同的油，不得不 同品牌混用。牌号相同而粘度不同的油允许混合使用。 工作中，当发现油温温升超过 80 度或油池温度超过 100 度及产生不正常噪音时， 应停止使用，检查原因。 减速器应定期检修如发现胶合或显著磨损，必须采取有效措施予以制止或排除， 备件必须按标准制造。 2.5 连轴器的选择连轴器的选择： 联轴器的类型很多根据其是否包含弹件元件，可以划分为刚性联轴器和弹性 联轴器两大类。刚性联轴器根据正常工作时是否允许两个半联轴器轴线产生相对位 移又分为固定式刚性联袖器和可移式刚性联袖器。固定式刚性联轴器，要求被联接 两轴轴线严格对中，因为它不能补偿两轴的相对位移。其常用类型有夹壳联轴器和 凸缘联

29、轴器等。可移式刚性联轴器可以通过两半联轴器间的相对运动来补偿被联接 两轴的相对位移。其常用类型有十字滑块联轴器、齿轮联轴器和万向联轴器等。 弹性联轴器包含有弹性元件，不仅具有吸收振动和缓解冲击的能力，而且能够 通过弹性元件助变形来补偿两轴的相对位移。其常用类型有弹性套柱销联轴器、 弹性柱销联轴器和轮胎式联轴器等。4 根据以上特点: 常熟理工学院毕业设计（论文） 15 与电动机相连的联轴器采用 NZ 挠性爪型联轴器,再根据轴径大小查机械设计与 制造简明手册选用代号为 QZB110.2.00 型号 NZ2 （两个） 。 与滚轮相连的联轴器采用凸缘连轴器再根据轴径大小查机械设计与制造简明手 册选用

30、YL8 型 （一个） 。 两蜗杆减速器之间采用十字滑块联轴器，根据轴径大小查机械设计与制造简明 手册选用 JBZQ438486 KL 型 十字滑块联轴器 （两个） 。 表 21 联轴器选择 名称公称扭矩 范围 轴径范 围 最大转速范 围 特点应用条件 凸缘 连轴 器 102000010180140013000 结构简单，成本低 可传动较大扭距， 但不等消除冲击。 对所连两轴间的偏 移缺乏补偿能力 经常用于荷载平 稳有轻度冲击的 条件下，链接低 速和刚性不大的 两轴。 NZ 挠 性爪 型联 轴器 256001565380010000 外形尺寸小，飞轮 力矩小 用于小功率，高 转速，没用急剧 冲击

31、载荷的情况 下 十字 滑块 联轴 器 1202000015150100250 结构紧凑，尺寸小， 寿命长。但制造比 较复杂 无较大冲击，转 速不高的，存在 两轴径向相对位 移时采用 常熟理工学院毕业设计（论文） 16 2.6 滚轮架滚轮的设计（图附录滚轮架滚轮的设计（图附录 1） 滚轮架的滚轮结构主要有四种类型，其特点和使用范围见表 2-2。 表 22 滚轮形式选择 类型 特点 使用范围 钢轮承载能力强，制造简单一般用于重型焊件和需预热处理的焊件 以及额定在和大于 60t 的滚轮架 胶轮钢轮外包橡胶，摩擦力大，传 动平稳但橡胶易压坏 一般用于 10t 以下的焊件和有色金属容器 组合轮钢轮与橡胶

32、轮相结合，承载能 力比橡胶轮高，传动平稳 一般多用于 1060t 的焊件 履带轮大面积履带和焊件接触，有利 于防止薄壁工件的变形，传动 平稳但结构较复杂。 用于轻型，薄壁大直径的焊件及有色金 属容器 由于滚轮架的额定载荷是 4t，所以选用胶轮结构。橡胶轮缘的滚轮常因结构不合 理，或橡胶质量不佳或挂胶工艺不完善，使用不久就会发生挤裂，脱胶而破坏。为 此，设计滚轮时，常常在橡胶轮缘两侧开出 15 度的倒角，以留出承载后橡胶变形的 空间，避免挤裂。另外，常在橡胶轮辋与金属的结合部，将金属轮面开出多道沟槽， 以增加橡胶与金属的接触面积，强化结合牢度，避免脱胶。至于橡胶成分和挂胶工 艺，在美国是一项专利

33、，国内兰州石油化工机器厂，将国产橡胶轮缘的坦克支重轮 用在焊接滚轮架上，取得了很好的效果，使滚轮寿命延长了许多。 如图附录 1 所示。滚轮直径为 250mm，宽 150mm。滚轮边缘采用橡胶来增大摩擦力。 2.7 轴的结构设计（图附录轴的结构设计（图附录 2） 轴主要是用来支承转动的机械零件，如齿轮、带轮等，并传递运动和动力。根 据轴所受载荷的不同，可分为心轴、传动轴和转轴三种。 只承受弯距作用的轴称为心轴。心轴可以是转动的，如火车的轮轴。也可以是 固定的，如自行车的轮轴。传动轴是只传递转矩的轴。如联接汽车变速箱与后桥的 轴。既承受弯矩又传递转矩的轴称为转轴。转轴是机器中最常见的轴，如齿轮减速

34、 箱中的轴均是转轴。此次设计的轴为转轴，即承受弯矩又传递转矩。 常熟理工学院毕业设计（论文） 17 轴在工作时常受到变应力的作用，其失效形式多为疲劳断裂。因此轴的材料首 先应具有一定的疲劳强度，同时还应满足工艺性和经济性方面的要求。铀的常用材 料主要是碳素钢和合金钢。碳素钢分普通碳素钢和优质碳素钢。常用的有 35，40，45，50 号优质碳素钢，其中以 45 号钢应用最普遍。与合金钢相比，碳素 钢价廉，对应力集中的敏感性小。并且经过正火或调质等热处理后，其综合机械性 能都会有很大改善相提高。本次设计的轴采用 45 号碳素钢，并进行调质处理。 轴的结构设计就是要确定轴的合理外形和全部结构尺寸。影

35、响轴结构的因素很 多，如轴上载荷的大小、分布及性质，轴上零件的数目、类型、布置及固定方式， 轴的加工和装配方法等。所以在设计时，要根据具体的工作情况，综合考虑各种影 响因素，经济合理地确定轴的结构。 如图附录 2 所示，这次设计的轴分三段，中间段与滚轮通过键链接在一起。左 右段各安装一个滚动轴承。同时左段还与联轴器通过键链接在一起。 中间轴段轴径尺寸为 50mm 与滚轮的间隙配合采用的优先配合，中段轴长 7 6 H g 150mm，左段轴长 138mm，右段轴长 58mm。 2.8 轴承的选用轴承的选用 轴承分为滚动轴承，滑动轴承两类12 滑动轴承工作时，轴与轴承之间存在滑动摩擦。其缺点是摩擦

36、损耗较大，使用 维护也较复杂。而滑动轴承的优点是： (1)结构简单，制造、装拆方便。 (2)具有良好的耐冲击性和良好的吸振性能， (3)承载能力大，使用寿命长。 因此滑动轴承在高速、精密机构和低速重载、床、冲压机械和农业机械中如高 速精密机、冲压机械和农业机械中应用较多。 常熟理工学院毕业设计（论文） 18 图 2-1 滚动轴承 滚动轴承是依靠主要元件间的滚动接触来支承转动零件的。其基本结构如图 2-1 所示，它一般是由内圈 1、外圈 2、滚动体 3 和保持架 4 等组成。内圈安装在轴颈上 并一起转动，外圈安装在轴承座上。滚动轴承的内、外圈上加工有滚道，当内、外 圈相对转动时，滚动体即在内、外

37、因的滚道中滚动。常用的滚动体有球、圆柱滚子、 滚针、圆锥滚子、球面滚子、非对称球面滚子等。保持架用于将滚动体彼此分开， 以免它们之间相互接触产生摩擦 与滑动轴承相比，滚动轴承具有摩擦阻力小、功耗少、启动灵活、互换性好等 优点，因而获得了广泛的应用，其缺点是抗冲击能力差，转速过高时易出现噪音等。 滚动轴承已标准化，并由专业厂家生产。此次设计的 4 吨焊接滚轮架，根据轴径 50mm 选用圆柱滚子轴承 ，型号 2309 2.9 轴承端盖的设计（图附录轴承端盖的设计（图附录 3） 首先，根据轴承座孔（外圈）直径 100mm 由机械设计课程设计表 46 查 得轴承端盖螺钉直径为 d3=10mm，螺钉数目

38、为 4 个。 如图附录 3 所示，由机械设计课程设计表 47 可知， D4=D-(1015mm) 得 D4=85mm D0=D+2.5D3 D0=125 e=1.2d3 e=12 D2=D0+2.5D3 D2=150 轴承端盖、轴承透盖都是按照此尺寸设计。 常熟理工学院毕业设计（论文） 19 2.10 丝杆的设计（图附录丝杆的设计（图附录 4） 所谓丝杠传动就是由丝杠副联接相邻构件而组成的传动机构。在机械传动中， 丝杠副是较常用的机构之一。 丝杠传动（或称螺旋传动）可以把旋转运动变成直线运动，也可以把直线运动 变成旋转运动。丝杠传动即可以传递能量或动力，也可以用来传递运动或用来调整 零件的相互

39、位置。因此，在机床、起重设备、锻压机械、测量仪器、船舶等传动机 构中都广泛的应用了丝杠副。最常见的丝杠副为滑动丝杠副和滚珠丝杠副两种 滑动丝杠副有以下特点: 1) 结构简单，制造容易。 由于滑动丝杠副为一般的丝杠、螺母所组成故其结构简单。制造容易 2）减速传动比大 由于当丝杠转过一圈时，螺母只移动一个导程，而导程可以做的很小。因此可 以做到很大的减速比 3）运转平稳 由于丝杠与螺母的啮合是连续的而且同时啮合的圈数较多所以 其运转平稳、无噪声。但低速或微调时可能出现爬行。 滑动丝杠副的材料 由于以上原因，本次设计采用滑动丝杠来调节滚轮之间的中心距以适应不同直 径的筒体工件的焊接要求。 根据丝杠副

40、工作时的受力特点，丝杠和螺母的材料应具有足够的强度、耐磨性 和良好切削加工性能。对于精密传动的丝扛还要求在热处理后有较好的尺寸稳定 件。一般的滑动丝杠选用 35、45、50 号等中碳钢并经调质处理。此次设计采用经调 质处理的 45 号中碳钢做为丝杠的材料。 如图附录 4 所示，螺母的螺纹分两段设计，左段螺纹左旋，右段螺纹右旋。这 样才可以保证调节滚轮间距的功能。对螺纹的技术要求是： 初车螺纹后，时效处理。 一个螺距误差不大于 0.025，螺距最大积累误差：在 130 时支反力和圆周力急剧增大，相反， 当角太小时，滚轮架上的筒体焊件放置有可能不稳定。因此在实际应用中为使焊 件在滚轮架上获得可靠的

41、稳定性，并保证焊件可以平稳的转动应小于 40 度我国制 定的焊接滚轮架行业标准（ZBJ/T33003-1990）中规定中心角应在 45 度到 110 度 之间。 表 2-3 滚轮直径选择 由中心角应在 45 度到 110 度之间。工件直径在 250mm1600mm 之间，经过 三角函数的关系得出： 当工件直径为 250mm 时，两滚轮间距在 191.34mm409mm 之间适合。 当工件直径为 1600mm 时，两滚轮间距在 706mm1514mm 之间适合。 因此两滚轮间距的调节范围选定为：255mm800mm 之间。 在计算是选取角的最大允许值110 常熟理工学院毕业设计（论文） 27 2

42、.17 滚轮轴上的载荷与驱动功率的计算滚轮轴上的载荷与驱动功率的计算 当已知滚轮架上的驱动圆周力和支反力后，每个滚轮和轴径上的计算载荷为 （2-8） P p f K i FF P 2 1 2 1 1 （2-9） P p f K i FF P 2 2 2 2 2 式中 作用在一个主动轮上的载荷 P1 作用在一个从动轮上的载荷 P2 同一列上的滚轮座数量 ip 载荷作用不均匀系数，当=2 时，=1.当 时， KpipKpip 3 =1.21.3 Kp =17905 P1P2 对独立驱动的主动滚轮，每一轮轴的扭矩 （2-10） 22 n111 M() 22 rrP f p DdK FfFF i 式中

43、： 轮轴的扭矩 n M 滚轮切向摩擦力 1 F 滚轮直径 r D 滚轮与滚轮轴摩擦因数f 9950 n M n N 主动滚轮上的支反力 1f F 荷载作用不均匀系数， p K 当=2 是， p i1 p K 常熟理工学院毕业设计（论文） 28 同一列上滚轮座数量 p i 经计算： mN Mn /43.163 焊接滚轮架的电动机驱动功率： 9950 n M n N 总 式中：N每个主动滚轮电动机驱动功率 n M主动滚轮轴的传递转矩（N*m） n主动滚轮的转速，即许用最高转速（r/min） 传动机构总效率 其中：由于我国在 1990 年颁布了焊接滚轮架的行业标准（ZBJ/T33003-1990）

44、中规定：主动滚轮的圆周速度应在 660m/h 范围内无级可调。主动滚轮按最大线速 度进行计算： 主动滚轮转速 (2-11) 60m/h n= 60* R 式中： n主动滚轮的转速 R滚轮直径 60m/h n= 60* RR h m n 60 60 经计算：n=3.24（r/min） 所以KWN18 . 0 2.18 附着力的验算附着力的验算 为了保证焊件在主动滚轮上不打滑，焊件在滚轮上的附着力应满足 3 1 1 F F K f f 式中 焊件在滚轮上的附着系数，即滑动摩擦因数，对于橡胶轮， =0.30.4 =6.8 F F K f f 1 1 3 常熟理工学院毕业设计（论文） 29 2.19

45、轴承寿命计算轴承寿命计算 轴承预期寿命的选择如表 2-4 所示： 表 2-4 轴承预期寿命参考 使用场合 10h L 不常使用的设备 500 短期或间断使用的机械，中断不致引起严重 后果 40008000 间断使用机械，中断会引起严重后果 800014000 每天 8 小时工作的机械和不经常满载工作的 机械 1400030000 24 小时连续工作的机械 5000060000 因为是 4T 焊接滚轮架，设滚轮架上工件为 4T 进行计算。 当量动载荷: (2-12) () P PKXRYA 式中： P 当量载荷 动载荷系数（查机械设计基础表 149 可知，平稳或有轻微冲 P K 击时，为 1.0

46、-1.2。选择=1.2 进行设计） P K P K R 径向荷载 A 轴向荷载 X 径向荷载系数（查机械设计基础表 1410 可知 X=1） Y 轴向荷载系数 因为采用的是圆柱滚子轴承，轴向力为 0. NXRP KP 26.44328 7 . 36523 . 1 常熟理工学院毕业设计（论文） 30 轴承寿命为： （2-13） 6 10 10 () 60 h C L nP 式中： 以小时计算的轴承基本额定寿命 10h L n 轴承转速（根据公式 36， n=1.27） C 基本额定动载荷（查机械设计课程设计表 8142 知 C=64.9kN） P 当量动载荷 寿命指数（对滚子轴承=10/3） 经

47、计算： =52437h1400030000h 10h L 每六年需更换 2.20 轴承的强度计算轴承的强度计算 为限制滚动轴承在静载荷或冲击载荷作用下产生过大的塑性变形，应进行静强 度计算。 (2-14) 000 pX RY A 式中：R、A轴承所受的径向载荷和轴向载荷， X0、Y0 计算当量静载荷时的径向载荷系数和轴向载荷系数。 （查机械设计课程设计表 14-10 知 X0=1，Y0=0） 经计算 P0=35785.3N 当量静载荷应满足： (2-15) 0 0 0 C p S 式中：P0当量静载荷 C0基本额定静载荷（查简明机械设计手册表 15-20 知，C0=42770N) S0静载荷安

48、全系数(查机械 设计基础表 14-12 知，S0=0.9） 常熟理工学院毕业设计（论文） 31 经计算=36524.8，P0=35785.3，轴承强度满足要求 0 0 C S 8 . 36524 常熟理工学院毕业设计（论文） 32 2.21 电动机的选型电动机的选型 为了满足工艺过程的要求，一般生产机械的运动速度比较低，而电动机多 数具有较高的速度，因此电动机不能与生产机械直接连接，而需要在两者之间 加装减速传动机构。上面 2.17 计算出的电动机功率为 0.18kw，但根据目前厂家 生产的 4000kg 滚轮架的实际产品。电动机功率应进行放大。这是因为滚轮或工 件不能做到绝对的平滑，尤其是许多筒状工件都有横向焊缝，当横向焊缝通过 滚轮是会产生很大的附加力矩。考虑上诉因素功率应留足够余量才能使滚轮架 稳定工作。另外 1990 年颁布了焊接滚轮架的行业标准（ZBJ/T33003-1990）中 规定了不同吨位的焊接滚轮架的电动机最小功率见表 2-5。 表 2-5 电动机功率 根据上诉情况电动机功率应放大数倍，电动机功率选定为： 型号：JO2-214 功率：P=1.1KW 转速：N=1500r/min 根据公式 （2-16）793