《LF7型双金属复合管生产主机设计及项目实施 》毕业设计.docx
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《LF7型双金属复合管生产主机设计及项目实施》毕业设计
ZHEJIANGWATERCONSERVANCYANDHYDROPOWERCOLLEGE
毕业设计(论文)
题目:
LF-7型双金属复合管生产主机设计及项目实施
系(部):
机械电子工程系
专业班级:
机电一体化08-1班
姓名:
姜俊杰
学号:
200891033
指导教师:
江有永
2011年4月21日
摘要:
随着城市建设的发展及人民生活水平、环保意识的提高和对健康的关注,人们对饮用水的水质提出了更高的要求。
内衬不锈钢复合钢管在此背景下应运而生。
内衬不锈钢复合钢管作为一种新型管材有着极其实在的应用价值和广泛的市场前景。
内衬不锈钢复合钢管是用冷滚压法、缩径法、冷扩法、爆燃法或钎焊法复合工艺生产的内衬不锈钢复合钢管简称复合管。
适用于工作压力不大于2.0Mra,公称通径不大于500mm,输送冷热水、饮用净水、消防给水、燃气、空气、油和蒸汽等低压流体或其他用途的复合钢管。
浙江工业大学是作为冷滚压法的发明者,在国内已经推广实施了七个有规模的企业,总产值在3亿。
不管在复合理论、在生产技术、生产设备自动化和产品质量检验理论和设备,都已经走向成熟。
市场已经走向成熟。
由于我曾经长时间接触设计、制造、生产过程,因而有幸被推荐并加入该项目,在该项目中担任了部分图纸的整理及改进编辑,借此完成了我的毕业设计。
更得以参与设备的设计、制造、调试及试生产。
关键词:
内衬不锈钢复合钢管;主机设计;项目实施;检验;试生产。
Abstract:
Thekeywords:
Compositestainlesssteeltube;Mainframedesign;Projectimplementation;Inspection;Trialproduction.
摘要·············································1
引论·············································6
§1LF-7型双金属复合管生产主机设计背景··········8
§1.1LF-7型双金属复合管生产主机工作原理················8
§1.1.1复合理论
§1.1.2复合过程
§1.1.3复合力计算
§1.2LF-7型双金属复合管生产主机发展过程···············12
§1.2.1国际发展
§1.2.2国内发展
§1.3LF-7型双金属复合管生产主机设计要点···············13
§1.3.1复合部件总成设计要点
§1.3.2固定和稳定要点
§1.3.3控制和制动要点
§1.4LF-7型双金属复合管生产主机发展趋向···············14
§1.4.1复合方法的发展
§1.4.2复合质量的发展
§2LF-7型双金属复合管生产主机设计内容··········17
§2.1生产主机的动作分解、机构保证、组合分类及任务·····17
§2.1.1复合动作主线
§2.1.2复合动作分解
§2.2运动件、固定件、控制件设计·······················18
§2.2.1运动件
§2.2.2固定件
§2.2.3控制件
§2.3加工件、标准件、组合件设计及选择·················23
§2.3.1加工件
§2.3.2标准件
§2.3.3组合件
§3典型零件、部件制造及检验····················26
§3.1典型零件制造工艺设计及检验·······················27
§3.1.1主轴系统制造工艺与检验
§3.1.2走轮系统制造工艺与检验
§3.2典型部件制造工艺设计及检验·······················35
§3.2.1动力总成
§3.2.2行走总成
§3.2.3模头模尾
§3.3组合件的选择及启封检验···························37
§3.3.1控制电器
§4LF-7型双金属复合管生产主机安装及检验········39
§4.1LF-7型双金属复合管生产主机部件组装及检验·········39
§4.2LF-7型双金属复合管生产主机支架、固定架安装及检验·39
§4.2.1模头模尾
§4.2.2动力总成
§4.2.3转动部分
§4.2.4夹紧系统
§4.2.5冷却系统
§4.3LF-7型双金属复合管生产主机控制安装及检验········39
§5LF-7型双金属复合管生产主机调试及试生产·····40
§5.1LF-7型双金属复合管生产主机粗调试················40
§5.1.1粗调试的目的
§5.1.2静态调试
§5.1.3动态调试
§5.2LF-7型双金属复合管生产主机精调试·················40
§5.2.1精调试的目的
§5.2.2静态调试
§5.2.3动态调试
§5.3LF-7型双金属复合管生产主机生产性调试·············40
§5.3.1生产性调试目的
§5.3.2初步试生产
§5.3.3考核性试生产
§5.4LF-7型双金属复合管生产主机考察性调试·············40
§5.4.1考核性调试
§5.4.2机与机调试
结论:
··········································41
参考文献·······································42
引论
1研发背景
受腐蚀的管道已成为城市供水水质最大的污染源,受过二次污染的自来水不能直接饮用,水管中的污染物会对人体健康造成慢性伤害。
国家建设部等四部委于1999年发文规定自2000年6月起禁止冷镀锌钢管用于室内给水管道,并逐步限时禁止使用热镀锌钢管。
因此,如何在现有传统的城市供水系统基础上,加强对给水管道的科学管理,加强自来水二次污染的预防与治理,开发和应用合适的新型管材,给城市居民提供更安全、更健康的饮用水成为摆在供水企业面前的新课题,也成为当前城市供水企业必须思考和解决的现实问题。
它对提高居民健康水平,进一步提升城市供水水质,保证供水企业的可持续发展,都具有重大的现实意义。
为适应市场需求,市场上先后涌现出钢塑复合管、铝塑复合管、PPR管、PE管等各种各样的新型输水管材,内衬不锈钢复合钢管正是在这种背景下应运而生。
2产品创新将点
内衬不锈钢复合钢管又叫双金属复合管,是采用特殊复合工艺在优质热镀锌管中内衬薄壁不锈钢管而成。
其具有以下创新特点:
2.1卫生环保防锈耐腐,有效防止水质污染。
在钢管中内复的薄壁不锈钢管,其材质为“GB12771-2000的流体输送用不锈钢焊接钢管”的规定的OCr88Ni9(美国标准为AIS1304)。
而不锈钢有着很强的耐腐蚀性能,不仅能承受水和空气的腐蚀,而且可以承受弱酸弱碱的腐蚀。
所以,内衬不锈钢复合钢管在使用过程中不用担心因内壁锈蚀产生结垢,可有效防止水质的二次污染。
2.2高延伸性,机械强度良好
内衬不锈钢复合钢管中的外层钢管是采用按“GB/T3091-2001低压流体输送用焊接钢管”生产的焊接钢管。
焊接钢管的抗拉强度都不小于335MPa,伸长率不小于15%,均经过3.0MPa以上的水压试验,并通过标准规定的弯曲试验或压扁试验。
在内复不锈钢管后又使总壁厚增加,且由于外层钢管和不锈钢管的焊接不在同一位置,更加有效的提高了复合钢管的强度可靠性。
这也使得复合钢管不仅可用于民用输水、输气,并可用于输送工业用流体。
2.3耐高温,冷热流体皆宜
304不锈钢是耐热钢,在400℃时的抗拉强度仍可达到412MPa,高于普通钢材在常温下的抗拉强度,其耐高温性能更是毫无疑问地远超PPR等塑料材质的管材。
因此,内衬不锈钢复合钢管比一般的管材适应各种温差变化大的使用环境,除可以用来输送自来水等低温流体外,还可用来输送热水、沸水和蒸气。
2.4内外膨胀系数接近,双层结合紧密
由于不锈钢复合钢管的内外层材质的膨胀系数比较接近,使得其在温差变化较大的情况下仍能保证双层的结合紧密性,确保了不会出现内外脱层的现象。
而塑料的热胀冷缩程度超过钢材10倍,市场上的钢塑复合管就存在内外材质膨胀系数相差太大造成的脱层隐患。
2.5高性价比,经济价值明显
内衬不锈钢复合钢管的内外材质,决定了其既提高了管道强度、确保了内壁的不锈钢性能,又有效降低了制造成本,安装费用大大低于厚壁不锈钢管和厚壁铜管。
同时,由于在实际使用中流体和外层钢管不发生接触,只在不锈钢内壁中流动,故内衬不锈钢复合钢管可以代替纯不锈钢管用来输送饮用净水。
综上说述,不锈钢复合钢管结合了不锈钢和镀锌管的优势同时又克服了它们的缺点,价格又远远低于不锈钢管,是一种结构合理、耐腐蚀性好、输送效率高、使用寿命长、经济环保、使用领域广泛的新型管材。
既防止了水质的二次污染,又大幅降低了成本,该管材可采用螺纹、焊接、法兰、沟漕等连接方式,具有密封性好的优点,有效克服了镀锌钢管易腐蚀和采用热熔连接的塑料管易老化的缺陷,是市场上能有效替代其它管材的新型环保产品。
§1LF-7型双金属复合管生产主机设计背景
§1.1LF-7型双金属复合管生产主机工作原理
§1.1.1复合理论:
复合管液压胀合时内层管将发生较大的塑性变形,应考虑材料的强化,不锈钢衬里材料根据其拉伸曲线可认为线弹性强化材料模型。
而外层管在复合成形时一般控制在弹性范围之内,即使发生塑性变形也非常小,对于塑性较好的材料大都落在其屈服平台内,因此可忽略材料的强化,认为外层管为理想弹塑性材料模型。
tanα=E=
(1-1)
式中σ—处于弹性阶段时的应力;
ε—处于弹性阶段时的应变;
E—材料的弹性模量
弹性模量E的物理意义即为0—1或O′-3′的斜率,不同的材料有不同的弹性模量,它是衡量材料抵抗弹性变形能力的一项指标,因为不锈钢管抵抗弹性变形能力比镀锌钢管小,因此α<α1。
复合管液压成形过程原理分析如上图所示。
0—1—2—3—4—5为无外管时内管周向的压力—应变曲线。
0′—3′—4′—5′为外管周向的层间接触压力—应变曲线。
用两个相连的直角坐标系表示,00′长度为消除管间间隙内管所需的周向应变2δ/d。
在复合管内加压,首先内管发生弹性变形,随着压力的升高,内层管进入塑性强化阶段,当到达2点时内层管的外壁面刚好与外层管的内壁面接触,此时内层管外壁总应变为2δ/d,其总变形正好消除了与外层管内壁之间的间隙δ,此后压力升高,液压力通过内层管及层间接触压力P′传递到外层管,因而外层管周向应变与胀合液压力P的关系将为直线2—3″—4″—5″所示。
直线2—5″上任一点的纵坐标为直线0—5及直线0′—5′对应点的纵坐标之和。
外层管的内壁开始发生弹性变形,由于内外管在胀合过程中始终贴合,内外管应变均应在横坐标相同位置处。
如果当周向应变到达3(3′)点时卸压两壁面弹性回复后,外层管的内壁与内层管的外壁应变均正好同时到达0′点,两管仍贴合,但层间残余接触压力为零,所以说3″点对应的胀合压力为最小胀合压力Pmin。
液压力在小于3″点以前卸压从理论上讲内外管之间三不可能产生残余应力与应变的。
如果胀合液压从3点继续加压到4点后卸压,外管的弹性回复大于内管的弹性回复,由于变形的协调,发现两者的变形最后停留6(6″),此时两者之间存在永久残余接触压力P1与内外管的残余应变ε及ε1。
要想获得较大的残余接触压力可继续加压,当到达5(5″)点时外层管内壁开始屈服,其弹性变形亦到最大。
此时卸压可获得最大的残余接触压力P^γmax与内外管的最大残余应变。
加压超过5点后卸压,获得的残余接触压力与内外管的残余应变增加不大,但将影响到复合管生产安全,复合管胀合加工时外层管的变形应限制在弹性变形范围内。
鉴于复合管生产追求较大的残余接触压力意义不大,所以一般液压控制在Pmin和Pmax之间,只要P>Pmin就能达到胀合要求了。
——(注:
引自《基于径向自紧密封的双金属复合管液压成形》王学生)
§1.1.2复合过程:
塑性复合成形技术利用材料的弹塑性特性,使内外管接触并产生紧密的结合。
塑性复合成形技术种类很多,但其复合过程与机理基本上是一致的,以内覆管为例,其塑性复合过程可以分为以下三个连续过程:
§1.1.2.1内管变形阶段:
开始时内层管与外层管之间存在间隙,当内管内壁施加加载压力后,内管管壁产生径向膨胀,直到内管外表面与外管内表面刚好接触,间隙消除,此时还未产生接触压力。
§1.1.2.2复合阶段:
随着加载压力的继续增加,开始了对外管的加载过程。
外管首先出现弹性扩张,直到外管内表面满足屈服条件后,外管出现部分塑性扩张。
随着加载压力不断加大,外管中的塑性区不断扩展,直到达到最大加载压力为止。
§1.1.2.3卸载阶段:
加载压力从最大逐渐减少至零,这时内管与外管均处于卸载状态。
由于第二阶段中产生了塑性变形,当加载压力完全消除后,内外管之间仍然接触,产生残余接触压力。
在塑性复合过程中,内管发生了大塑性变形,外管则处于弹性变形状态或部分塑性变形状态,在卸载时由于外管的回弹量大于内管的回弹量,外管箍紧内管,两管之间形成胀紧力,即残余接触压力,达到紧密的机械结合;残余接触压力的大小取决于材料的回弹能力。
如果在高温条件下,则在复合阶段管层间塑性变形量越大,越易在结合界面发生扩散反应,达到界面冶金结合。
——(注:
引自《双金属复合管塑性成形技术的应用及发展》陈海云,曹志锡2006年10月)
§1.1.3复合力计算:
冷滚压复合方法是利用多个平截正圆锥体,通过旋转力型成复合力系,即:
滚动力=>滚动磨擦力+扩张力+复合力+前进力,滚动力是动力传递,从而达到复合的目的。
§1.1.3.1冷拔复合方法:
利用一个正截圆锥体,通过冷拉拔力型成复合力系,即:
拉拔力=>滑动磨擦力+扩张力+复合力+前进力,冷拉拔力是动力传递,从而达到复合的目的。
从两个力系分析,在同一个规格的复合管的复合力是相等的,但复合方法不同,需要给予外力截然不同。
冷拉拔复合方法是一个动力锥体,形成一对滑动磨擦斜面;螺旋挤压复合方法是一个平截正圆锥体,形成几对滚动磨擦斜线。
以ND50/ND100为例,计算出:
受力面积,需要复合力,冷拉力/挤压力,配制电机功率,建立表格。
(1)用冷拔拉力方法:
1)DN50为例:
①受力面积:
20×59×3.14=3705.2(mm²)
复合受力面宽度:
33
复合管直径:
59
②需要复合力:
3705.2×235=870722(N)
复合管屈服强度:
235
③需要冷拉力:
870722+870722×0.25=1088402.5(N)
滑动磨擦系数:
0.25
④配制冷拉力需要的电机:
PZ=
×10﹣3(kW)(1-2)
=1088402.5×0.0167÷0.56×0.001
=32.4(KW)
V:
0.0167M/s
η:
0.56
2)DN100为例:
①受力面积:
21×114×3.14=7517.16(mm²)
复合受力面宽度:
21
复合管直径:
114
②需要复合力:
7517.16×235=1766532.6(N)
③需要冷拉力:
1766532.6+1766532.6×0.25=2208165.75(N)
④配制冷拉力需要的电机:
PZ=
×10﹣3(kW)
=2208165.75×0.010÷0.56×0.001
=39.4(KW)
(2)用螺旋挤压复合方法:
1)DN50为例:
①受力面积:
33×50×3.14=5181(mm²)
②需要复合力:
5181×235=1217535(N)
③需要螺旋挤压力矩:
(1217535+1217535×0.022)÷3×0.05=25365.3(N·MM)
④配制螺旋挤压力需要的电机:
PZ=
×10﹣3(kW)(1-3)
=25365.3×1200×0.001÷9550
=3.19(KW)
2)DN100为例:
①受力面积:
60.5×104×3.14=19756.88(mm²)
②需要复合力:
19756.88×235=4642866.8(N)
③需要螺旋挤压力矩:
(4642866.8+4642866.8×0.022)÷6×0.104=82246.8(N·M)
④配制螺旋挤压力需要的电机:
PZ=
×10﹣3(kW)
=82246.8×900×0.001÷9550
=7.75(KW)
两种复合方法比较数据表
项目
工艺
规格
复合受力面积
(mm²)
所需
复合力
(N)
挤压力矩/冷拉力
(N·MM)/(N)
机电配置
(KW)
复合
次数
(次)
复合
时间
(S)
滚动
挤压
方法
DN50
5181
1217535
25365.3
3.19
1
240
DN100
19756.88
4642866.8
4642866.8
7.75
1
360
冷拔
拉动
方法
DN50
5181
121753.5
152191.875
27
2
720
DN100
6857.76
161157.36
201446.7
30.4
3
1200
§1.2LF-7型双金属复合管生产主机发展过程
§1.2.1国际发展:
就国外而言,复合管的研发已经进行了相当长的时间。
英国从1967年开始试验,成功的开发了T310不锈钢外层和1250号钢为内层的双金属管等。
1976年开始在发电锅炉中大规模安装这种双金属挤压管,解决了锅炉管外部炉边腐蚀问题,其耐腐蚀能力可提高2~4倍。
近年来,全世界的锅炉制造商一直对双金属挤压管用作先进装置的过热材料感兴趣(这种装置以80~89kg/mm的高压和593~650℃的高温运行)。
美国、日本和英国都正在进行研究开发。
——(注:
引自《国外特殊钢生产技术》冶金部特殊钢信息网编著,1996年6月第一版127页)
§1.2.2国内发展:
国内的复合管发展在上世纪90年末代才开始起步,发展空间相当大。
碳钢内衬不锈钢复合管采用国标热镀锌钢管为外层,以进口或国产优质不锈钢管为内层,经特殊工艺复合而成。
由于兼顾了内外两层管材的优点,同时也克服了它们各自的缺点,因而近年来逐渐被建筑设计单位和工程界看好。
复合主机发展表
型号
结构
第一代
第二代
第三代
第四代
第五代
第六代
支架
角铁水泥墩
铸造件
六工位支架钢结构件
三工位支架钢结构件
双工位支架钢结构件
低型支架钢结构件
冷却
车床冷却泵
车床冷却泵
专用水箱水泵
专用水箱水泵
专用水箱水泵
气水专用水箱水泵
行走
卷扬机
地下自重坑
单边齿轮齿条
六角钢、宝塔轮
六角钢,宝塔轮
双齿轮齿条,可控速
动力
台钻电机
长轴齿轮箱
六角轴联接齿轮箱
4轮悬挂式独立电机
4轮悬挂式独立电机
6轮悬挂式独立电机
模具
胀管器
胀管器改良
胀管器改良
胀管器改良
胀管器改良
专用模具
夹紧
台虎钳
移动夹紧
支杠压力式夹紧
支杠压力式夹紧
支杠压力式夹紧
气动专用夹紧
控制
按钮式接触器
按钮式接触器
按钮式接触器
PLC手动
PLC手动、自动
PLC动力可控、自控
模头模尾
引入器,引水槽
引入器,引水槽
改良引入器,引水槽
改良引入器,引水槽
改良引入器,引水槽
改良引入器,引水槽
研发地点
杭州市八丈井
杭州市铁路电机厂
杭州市铁路电机厂
江苏宿迁
江苏南京
山东滕州
研发时间
1997年4月
2002年4月
2004年7月
2005年9月
2006年1月
2009年9月
§1.3LF-7型双金属复合管生产主机设计要点
§1.3.1复合部件总成设计要点
§1.3.1.1复合动作分解:
根据复合管的原理及其过程,我们把复合动作分解为5个阶段:
①内管弹性阶段:
表现为内管直径扩张,未与外管接触;
②内管塑性阶段:
表现同①阶段,但已经进入塑性变形,受力不同;
③接触复合阶段:
内管与外管接触,开始传递压力;
④外管弹性阶段:
外管受力,由内壁道外壁逐步开始弹性变形;
⑤卸载阶段:
在外管开始塑性变形前卸除压力,变为外管的弹性回复力对内管施压。
§1.3.1.2冷滚压法复合机械动作分析:
冷滚压法减少了整体受力面积,并且比冷拔法更加均匀细致。
为了复合过程更加平稳,我们将滚珠与主轴成一定角度进行滚压。
滚珠与内壁接触部分按照复合过程分三个受力区域,如图:
①内管弹性变形区;
②内管塑性变形区;
③外管弹性变形区;
④外管弹性恢复区。
其中,②与③之间的复合受力过程属于微观过程,不列入区域,③之后的弹性恢复阶段不属于受力过程。
由于滚压过程滚珠要旋转前进,因此滚珠与主轴还要有一个螺旋角度。
我们选用固定架的方式,在固定架加工出用于滚珠定位的复合螺旋角度的定位键槽。
根据滚珠机械运动的轨迹与受力方向,根据受力分析,滚珠与主轴之间有三个力:
(1)滚珠旋转的滚动摩擦力;
(2)克服滚珠轴向移动的滑动摩擦力;
(3)克服管材形变的反作用力。
因此我们选用锥形轴作为模具主轴,以满足力的要求。
§1.3.1.3复合力数字分析:
我们看到随着管材直径的提升,所需的复合力大幅提升,一台主机显然不能满足所有规格的复合管,需要分类。
内衬不锈钢复合钢管按通径分为:
①小通径(DN10~DN25)、
②中通径1(DN32~DN80)、
③中通径2(DN32~DN150)、
④大通径1(DN200~DN450)、
⑤大通径2(DN500~DN850)。
因此,将复合主机分为五类,电机功率根据加工的复合管通径提升。
§1.3.2固定和稳定要点
§1.3.2.1主机支架:
主机支架的固定可以保证一个合适的工作平台,并能经受得住复合时巨大的反作用力。
主机支架由铸件、焊接件和锻压件组成。
§1.3.2.2行走架:
行走架是承载主轴电机与行走电机的部件,行走架的稳定与否影响着复合时的质量、效率与主机的寿命。
为了保证行走的稳定性与连续性,我们选择从动走轮与行走齿轮配合,并在7型中,首次在行走齿轮上安装离合器,进一步提升复合质量。
§1.3.2.3夹紧:
由于复合时的会产生相当大的作用力,因此管材需要很有力的夹紧装置来保证复和过程正常进行。
而考虑到复合时,外管会有局部形变膨胀,夹紧装置必须留有一定的活动空间。
为了满足以上的需求,我们在设计夹紧装置时,选取聚氨酯作为夹口材料。
装置是专门设计的气动支杆式夹紧。
§1.3.3控制和制动要点
§1.3.3.1主机动作的手动控制:
为方便主机的调试与控制,在编辑PLC的时候加入手动控制功能,能够实现点动、中断及还原等操作。
§1.3.3.2主机动作的自动控制:
要实现复合管的批量生产及工业化生产,必然要有自动工作程序,按照“回零→夹紧→校验位置→开动电机→复合过程监控→停止→倒车→停止→松开夹紧→回零”的顺序进行工作。
§1.3.3.3主机的制动系统:
不论在调试中还是在工业生产中,都要保证主机工作的安全以及能够应对各种突发状况,主机必须设置制动装置。
制动装置需要能够在最短时间内停止的前提下,尽量
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