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1、哈尔滨工业大学本科生毕业设计（论文） 年 月哈尔滨哈飞集团汽车博物馆设计本科毕业设计（论文）指导教师：王 五学 号：0123456789专 业：建筑学院 系：建筑学院张 三哈尔滨哈飞集团汽车博物馆设计张 三 硼钢板热处理辊底炉结构设计 2014年6月哈尔滨工业大学毕业设计（论文）评语姓名： 学号： 专业：机械设计制造及其自动化毕业设计（论文）题目： 硼钢板热处理辊底式加热炉的结构设计 工作起止日期：2014 年03 月25 日起 2014 年06 月15 日止指导教师对毕业设计（论文）进行情况，完成质量及评分意见：_ _指导教师签字： 指导教师职称： 评阅人评阅意见：_ _ _ _ _ _ _
2、评阅教师签字：_ _ 评阅教师职称：_ _答辩委员会评语：_ _根据毕业设计（论文）的材料和学生的答辩情况，答辩委员会作出如下评定：学生 毕业设计（论文）答辩成绩评定为： 对毕业设计（论文）的特殊评语：_ _答辩委员会主任（签字）： 职称：_ _答辩委员会副主任（签字）： 答辩委员会委员（签字）：_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 年 月 日哈尔滨工业大学毕业设计（论文）任务书姓 名： 院 （系）：专 业： 班 号：任务起至日期：2014 年 03月 25 日至 2014 年 06 月 15 日毕业设计（论文）题目：硼钢板热处理辊底炉控制系统设计立题的目的和意义：通过一
3、次完整的工程设计，锻炼学生综合运用大学所学基础理论及专业知识分析和解决工程实际问题的能力。技术要求与主要内容： 1）入炉辊道长度：2 800mm，出炉辊道长度2 800mm；2）炉体长度：29 200mm，炉膛宽度：2 200，有效高度：100mm；3）绘制加热炉的三维装配图1份，二维装配工程图1套，二维图纸总量不少于折合A0图纸4张；4）设计论文不少于10,000字。进度安排： 1）查阅资料、文献阶段：2）总体设计方案的确定：3）各分系统设计：4）论文撰写：5）准备答辩：同组设计者及分工： 本论文由自己独自一人在导师的指导下完成。指导教师签字_ 年 月 日 教研室主任意见：教研室主任签字_
4、年 月 日 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）摘 要随着社会的进步和发展，汽车工业开始向安全、节能的方向进行发展。而要实现这些目标，目前主要通过三个方面的研究得以实现，其中之一就是采用更高强度的钢板来制作汽车零部件，从而实现车身的轻量化和高抗变形能力。但是传统的冷冲压技术已经无法实现对此类特殊钢板的加工，新型的热冲击技术应运而生。此技术通过对特殊钢板加热到950左右，形成奥氏体化，然后在冲压机里进行快速冲压成型，从而加工出超高强度的汽车零部件。本论文所设计的就是针对钢板进行加热的辊底式加热炉的机械结构设计。辊底式加热炉可以按照一定的工作节拍，源源不断的对钢板进行加热，非常利于大批量的生产。对本
5、设计的整体思路采用模块化，分系统进行设计。分为炉体、加热、传动、炉门及附属、对中顶起共五大分系统进行设计。其中窑炉体采用分段组装的方式，为后续的升级换代研发提供了良好的延展性。最终实现辊底炉的机械结构设计。关键词：辊底炉；热处理；结构设计； 各位如果需要此设计的全套内容（包括二维图纸、中英文翻译、完整版论文、程序、答辩PPT）可加QQ695939903，如果需要代做也请加上述QQ,代做免费讲解。Abstract With the progress and development of the society, the automotive industry aims to safety, en
6、ergy conservation and the direction of development. To achieve these goals, at present people mainly through three aspects of research, one of which is made by the higher strength steel plate to auto parts, so as to realize the lightweight and high deformation capacity of the body. But the tradition
7、al cold stamping technology has been unable to achieve such special steel plate processing, new type of thermal shock technology arises at the historic moment. This technology through special steel heated to 950 or so, form the austenitizing, then in punching machine for quick stamping forming, and
8、processing of ultra high strength automobile spare parts.Designed by this paper is aimed at the steel plate for the mechanical structural design of the roller bottom furnace heated. Roller-hearth furnace can work according to certain rhythm, a steady stream of steel plate for heating, very conducive
9、 to mass production. The overall train of thought of this design USES the modular, subsystem design. Divided into the furnace body, heating, transmission, oven door and accessory, for jacking in a total of five subsystem design. The kiln body with the method of unit assembly, an upgraded version of
10、a subsequent development provides a good range of motion. Finally realize the mechanical structural design of roller hearth furnace.Keywords: Roller hearth furnace; Heat treatment; The structure design;目录摘 要IABSTRACTII第1章 绪 论1.1课题来源及研究的目的和意义11.1.1课题来源11.1.2研究的目的和意义21.2国内外在该方向的研究现状及分析21.3主要研究内容21.3.1
11、整个设计任务21.3.2设计任务参数要求31.4研究方案及预期目标41.4.1总体设计方案制定41.4.2任务系统划分4第2章 炉体系统结构设计2.1 炉体结构整体设计62.1.1单节炉体设计62.1.2炉体功能分区62.2窑墙材料选择及尺寸设计72.2.1左右侧及底面窑墙72.2.2窑顶结构82.2.3炉体整体92.3炉体钢架结构92.3.1炉体外框架102.3.2炉体脚支座10第3章 传动系统结构设计3.1传动端结构设计123.1.1传动参数收集与计算123.1.2齿轮设计计算133.1.3小齿轮轴的设计173.1.4传动端其他结构设计213.2从动端结构设计213.3链轮设计及电机选型2
12、23.3.1链轮设计223.3.2电机选型23第4章 加热系统结构设计4.1燃气加热系统设计244.1.1管道直径计算244.1.2烧嘴选型及布置254.1.3风机选型计算254.2电热辐射管加热系统26第5章 对中和顶起系统5.1对中系统结构设计285.1.1定位系统设计285.1.2 对中系统设计285.2顶起系统结构设计28第6章 炉门及附属系统结构设计6.1炉门系统结构设计306.2附属系统结构设计31结 论32参考文献34致 谢36-VII-哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）第1章 绪 论1.1课题来源及研究的目的和意义1.1.1课题来源 20世纪70年代末，在世界范围内爆发的石油危
13、机，对汽车工业产生了很大的影响。这加速了汽车工业采取措施降低汽车油耗的措施。研究表明，汽车的燃油消耗和汽车本身总重量成成本的。而我们使用汽车就是来运输人和物品的，因此改变装载载荷是很难改变油耗的，同时车身自身重量远大于装载载荷。因此想要实现油耗的降低，车身轻量化的方向就很明晰的出现在人们面前。在世界范围内，目前对车身轻量化采取的措施有三个主要途径，如图1-1，分别是车身设计，即通过计算机辅助设计，采用有限元法和优化设计法，来对车身框架和结构来优化，以达到减少车身骨架等一些的钢材质量；其次，可以通过制造技术的改进，比如采取热成型技术，液压冲压技术等手段，还可以在材料技术上，通过选材优化，比如采用
14、新型轻质材料，高强度或超高强度钢板等材料来实现车身轻量化的目标。图1-1车身轻量化研究方向在车身轻量化的发展趋势下，超高强钢板开始被采用于车身上，众所周知，超高强度钢板在室温下变形能力很差，一方面，超高强度钢板强度高，在室温下的塑性变形范围很窄，所需冲压力很大，而且容易开裂；另一反面，冲压成形后的零件回弹增加，导致零件尺寸和形状稳定性变差。因此在传统冷冲压方法难以解决这个问题的情况下，热冲压成形技术可以很好的解决上述问题，从而开始被广泛的推广开来。1.1.2研究的目的和意义 高强度、超高强度钢板热冲压成形技术的应用，一方面，有效地提高的车身抗冲击能力，另一方面，也减轻了车身的质量，是汽车更加轻
15、量化。因此，对此技术的研究有助于提高车辆的安全性，舒适性，以及降低油耗，减少废气排放，有助于环保事业的发展。1.2国内外在该方向的研究现状及分析此项技术，在20世纪70年代，最先被瑞典一家公司提出来，随后德国和瑞典开始发展此项技术。在20世纪90年代，世界各国汽车行业开始投入大量的精力参与到超高强度钢板以及热成形冲压技术的研究开发中来。欧美、日本已经开始逐渐尝试用热成形冲压技术来生产超强度钢板构件，并且开始运用在车门防撞杆，保险杠加强梁上。但由于此项技术还是处于一种新型技术中，因此国外对技术还是存在技术保密和技术封锁原因在里面，所以有关国外的具体一些资料并不是很多的发表在各大学术期刊杂志上。1
16、.3主要研究内容1.3.1整个设计任务钢板热冲压成形生产线的构成是需要相关的一些关键装备。首先，冲压成形的钢板要是特殊的高强度钢板。其次，需要对钢板进行奥氏体化的辊底式热处理加热炉，然后通过上下料装置，用专门的压机进行冲压成形。此次，自己分配到的研究项目就是整条生产线中，对钢板进行奥氏体化加热处理的辊底式热处理加热炉的设计。通过阅读毕业设计任务，明确了自己的具体设计任务是：本课题是设计硼钢板热处理（奥氏体化）辊底式加热炉的机械系统，设计内容包括：1）加热系统：气电混合加热方式；2）炉体结构：壳体钢结构、保温层设计；3）传动系统：入炉辊道、出炉辊道、炉内辊道，采用快换结构；4）料片定位系统：安装
17、于出炉辊道处的阻挡、对中和顶起装置；5）其它附属设施：炉门操作、炉体检修口等。1.3.2设计任务参数要求同时在设计之前，再次明确的热处理炉的一些具体规格要求：1）入炉辊道长度：2 800mm，出炉辊道长度2 800mm；2）炉体长度：29 200mm，炉膛宽度：2 200，有效高度：100mm；3）绘制加热炉的三维装配图1份，二维装配工程图1套，二维图纸总量不少于折合A0图纸4张；4）设计论文不少于10,000字。整体示意图如图1-2图1-2 高强度钢板热成型技术示意图1.4研究方案及预期目标1.4.1总体设计方案制定 从设计任务上，已经能清晰明确的给了自己一个设计的方向。在查阅大量相关的文献
18、资料后，由于整条生产线在国内也是屈指可数，可供参考的资料不是很多，同时自己的设计任务也只是整条生产线中的一个设备而已。因此，自己在对整个设计规划的时候，其设计思路理念是：查找和分析类似或相同原理的工业设备，从中取长补短，对自己的设计有个相应的辅助的同时，也能更好的把一些优秀的经典设计引进吸收过来。本加热炉的核心本质，是对钢板进行加热到奥氏体温度，使钢板奥氏体，因此自己大量的阅读了有关钢厂的辊底式加热炉的一些文献，同时，陶瓷行业在中国经历了很长的发展，目前陶瓷烧成的窑炉也广泛的采用辊底式窑炉，并且在辊底炉的技术上日臻完善。至此，自己的总体设计思路是：糅合钢铁行业的钢板辊底式热处理炉与陶瓷行业辊底
19、窑的优点，根据自己的系统设计要求来进行设计。1.4.2任务系统划分 在确定了整体的设计思路之后，通过任务书，自己决定按系统逐一设计，最后将各个系统有机的结合起来。从任务书上，可以看到，整个辊底式热处理炉分为了五大主要系统：炉体结构系统、加热系统、传动系统、对中和顶起系统、炉门及其他附属系统。炉体结构系统：由于整个热处理炉所需温度最高不到1000，相比陶瓷窑炉烧成温度高达1300多度的温度，结合工程实际的成本合理控制需求。对窑体材料的选择，主要轻质粘土砖和陶瓷棉为主。整个窑体结构设计，采用模块化分段设计，这样的设计的好处在于，加工安装方便，同时为产品升级换代留下的方便操作的空间。对于每段窑体结构
20、设计，最外层采用方钢搭建框架，钢板包裹窑炉体，由外向内依次是陶瓷保温棉毡，轻质粘土砖。同时将辊子安放好。在设计的时候，充分考虑到其他系统在窑炉体上大概需要的位置和结构，充分留够相应的位置，方便后期系统的集成。加热系统：根据要求，由于是钢板奥氏体化，同时在常态高温下，此时钢板表面会形成氧化层，会导致后续加工出现问题。对此现象要坚决避免，同时根据要求整个热处理炉，加热段使用燃气加热，保温段使用电阻丝加热。因此，加热系统采用隔焰加热的模式，气氛控制为惰性氮气气氛，微正压，同时为了保证钢板在加热过程中受热均匀，我们采用高速喷嘴加陶瓷辐射管，这样就能解决以上一系列问题。传动系统：早期辊底式加热炉大多数采
21、用的是链条传动，链条传动有一个明显的缺点就是在长期使用之后，链条容易松弛，目前的解决方案是采用张紧机构。同时在更换辊子的时候不太方便，相对比较麻烦，在查阅大量文献资料，目前传动系统有相当部分采用齿轮传动代替链条传动，这样是传动更加准确，同时也是更换辊子更加方便。并且自己通过在多家陶瓷企业的调查发现，目前这项改进已经成熟的应用在了陶瓷辊道窑上面了。因此这次，传动系统的核心，采用齿轮传动。对中和顶起系统：定位系统主要是对出炉料片可能产生的微小偏差进行修正，采用气缸驱动机械手指进行对中，然后辊道下部的顶起装置在一个小型液压站提供的驱动力下将料片顶起，等待下部工序的机械手进行抓取。炉门及附属系统：由于
22、炉体内气氛是氮气，因此外加还有氮气设施，炉门设施等。炉门采用气动炉门升降设计。最后在根据前面系统集成之后，依次加入。第2章 炉体系统结构设计2.1 炉体结构整体设计2.1.1单节炉体设计 炉长L=29200mm，采用分模块装配的总体设计思路，由若干节联接而成。设计每节长度为2160mm。辊子与辊子的中心间距为80mm，设计每节为27根辊棒，每节长度为2160mm，节与节联接采用M8螺栓联接，则节数为13.5114节，因而窑长度为L=2160x14=30240mm。窑头工作台（即出入炉辊道）定制品进窑烧成的必经之路，也是使制品整齐有序进窑的停留之处。窑头工作台不宜太长，满足要求即可，根据要求，分
23、别为2800mm。总共由14节组成。由于整个窑炉采用燃气和电加热的混合加热方式。2.1.2炉体功能分区 从加热方式的功能上进行分区，分为天燃气加热的加热区和电辐射加热管加热的保温区。具体分段为：加热区：149节，采用天然气隔焰烧成制度，上下两排自预热辐射管交叉布置；保温区：145节，采用电辐射加热烧成制度，仅仅在炉体上方布置加热管；其中，又从传动功能区域，整个炉体分为：传送区，缓冲区，加速区。其中，传送区全部采用天然气加热方式，缓冲区和加速区采用电辐射加热管加热方式。因此，按传动功能，又将电辐射管加热区分为两部分：缓冲区：2节；加速区：3节；2.2窑墙材料选择及尺寸设计2.2.1左右侧及底面窑
24、墙因为窑炉内最高温度也才957，因此采用轻质粘土砖即可。粘土砖的规格为240mmx120mmx60mm，外加一层陶瓷棉毡和最外层6mm钢板作为窑墙。计算陶瓷棉毡最小厚度：以外壁最高温度t3=60，环境温度ta=20，先计算最大散热热流量，壁内温度为950x1.1=1045。根据对流辐射换热系数计算公式有：a=5.02x（t3-ta）0.25+=12.64(w/m2c)最大热流量为：q=ax（t3-ta）=12.64x（60-20）=505.6（w/m2）根据导热公式有：q=已知：即为要求的，取为0.15；，但t2未知，须采用试差法计算：先假定t2=800=0.734（w/m2c）t2= t1-
25、q962重设t2=962，=0.740（w/m2c）t2= t1-q963（963-962）9630.1%5%第二次假设合理将所得的数据代入公式中505.6=所以0.268m268mm因此，以窑体结构为左右侧板及下底面采用6mm厚钢板作为最外层，铺上268mm厚的陶瓷棉毡，左右侧采用粘土砖砌成，下面采用耐火泥浇注成厚度为120mm的底板，中间预留膨胀缝。2.2.2窑顶结构采用轻质吊顶砖结构，其将保温棉中120mm厚度转化为吊顶砖，则吊顶砖为240mm加上148mm陶瓷棉毡。窑顶结构：由于有效内宽为2200mm，单节长度为2160mm，考虑预留膨胀缝则为轻质磨耐石纵向为五个，横向为五个，相邻两个
26、之间有10mm膨胀缝，则砖的规格为422mmx215mmx240mm，在此长方体吊顶砖上开有长度为422mm，宽度为5mm，高度为3mm的链接缝，形状如下图所示：图2-1吊顶砖结构图吊顶砖之间的联接采用耐热钢板，耐热钢板厚度为2mm，整体为梯形结构，上边长为60mm，下边长为100mm，在下边长上的左右边等间距有厚度为2mm的缝隙连接齿。中间用耐火泥粘接，膨胀缝用陶瓷棉毡填充。最后有吊钩吊住耐热钢板，吊钩一侧挂在吊顶横梁上。形状如下图所示：图2-2耐热吊顶钢板2.2.3炉体整体左右侧面及下底面最外层为6mm钢板，向里面铺上268mm厚度的陶瓷棉毡，下底面在此基础上铺上浇筑耐火泥，厚度为120m
27、m，预留膨胀缝，左右两侧由下往上依次砌筑轻质耐火粘土砖，烧嘴转，粘土砖，孔砖，粘土砖，窑顶采用轻质磨耐石吊顶砖，外层铺上148mm陶瓷棉毡。每节两边，下侧砖筑240mmx120mmx60mm粘土砖，高度为距下辊道中心距为130mm，上面采用马弗板。2.3炉体钢架结构2.3.1炉体外框架由于方形钢管造型美观，抗弯强度较大等优点，立柱，上、下侧梁，下横梁，底侧梁等均采用60mmx4mm的方形钢管焊接而成。在一节窑体钢架中，每侧共有2根，两端的立柱上开有供M8螺栓节间联接的小孔，下横梁每节2根，焊在底侧梁上。2.3.2炉体脚支座考虑到辊道传动要求的辊子的平行度要好，而工厂底面的水平面可能在实际中不是
28、特别理想，为了更好的适应工程实际需要，方便在窑炉安装中能更好的具有可调节性，才从可调节的支撑脚支座设计，这样在实际安装中能根据实际情况进行调节。从而满足要求。窑底支撑采用可调节的方式，用规格为120mmx120mmx12mm的厚钢板焊在窑底框架上，脚柱为2块8号槽钢对焊在一起构成，规格为120mmx120mmx20mm的厚钢板，该厚钢板中心开有M30的螺孔，它与调节螺栓配合可调节底支撑高度。脚支撑放在水平地面上。剖面结构如下图所示：图2-3脚支座结构图通过其他系统设计后，单节窑炉体的整体尺寸为，总高为2068mm，总长为2160mm，总宽为2988mm，采用钢板、保温棉、耐火砖作为窑炉体材料。
29、方钢搭建外部支撑和联接结构。第3章 传动系统结构设计整个传动系统分为两个部分，传动端和从动端。每节窑炉由一个提供驱动力，采用齿轮传动，是传动变得更加精确。3.1传动端结构设计传动端整体由伺服电机经过减速器减速，通过链轮传动，再用单节主传动轴上的齿轮传递给辊子端的齿轮，从而带动辊子转动。3.1.1传动参数收集与计算硼钢板厚度3mm，密度为7.85g/cm3，按最长2000mmx2160mm计算，其钢板总质量为x7.85g/cm3=66128.4g=66.1284Kg66.13Kg辊道参数：直径d=60mm，长度l=3500mm钢板参数：速度V1=2000mm/s，V2=200mm/s 加速度：a
30、1=4000mm/s2，a2=400mm/s2最大板重：m=66.13Kg最大板厚：h=3mm。根据辊道直径及钢板最大运行速度，可知辊子最大转速n1=637r/min，n2=63.7r/min因为最大钢板重量为66.13kg，最厚为3mm。可判断该钢板的单位长度最大重量在长和宽相等的条件下，可以得到L=W=1680mm式中为钢铁的密度因为由27根辊子分担，这样可以得到每根辊道承担的重量=2.5Kg继而便可以得到每根辊道承受的钢板重量的转动惯量JL=2=2=2.25x10-3Kgm2然后计算辊道本身的转动惯量，JR=mR=9.00x10-3Kgm2有了每根辊道承受的钢板质量的转动惯量和辊道本身的
31、转动惯量，就可以知道总的转动惯量=11.25x10-3Kgm2则齿轮传递的转矩为Tmax=J =11.25x10-3Kgm2x =11.25x10-3x =1.5Kgm/s2m =1.5x103Nmm打滑力矩T打=1，取=1，故 =0.96 螺旋角系数：（2）设计计算：试算齿轮分度圆直径d1t：因此分度圆直径大于24mm即可，但齿轮过于小成本高，且加工不太容易，因此取=40mm，与辊子大小相匹配。由传动比知，Z2=u Z1=28（3）主要几何尺寸计算：计算模数：mn=中心距a：a =mm分度圆直径d1、d2：d1=d1=计算其他几何尺寸 +2+2齿宽b：b=，取整12mm b1=b2+6=18mm齿高h：h=2.25mn=4.5mm（4）校核齿根弯曲疲劳强度 确定验算公式中各参数大小齿轮的许用弯曲应力，取失效率为1%。查表2-6得最小安全系数=1.25，由=计算可知，a，a 当量齿数、：=39.60 =79.20当量齿轮的端面重合度=1.24重合度系数：=0.855螺旋角系数：当齿形系数、：根据齿形的不同，查传动件设计实用数据速查中第二章图2-8，本设计选用如图2-8a所示的齿形，按当量齿数、查该图得、应力修正系数、：根据齿形的不同，查传动件设计实用数据速查中第二章图2-9，本设计选用如图2-9a