波纹管机设计工艺性分析

波纹管机设计工艺性分析
任务书
1.设计的主要任务及目标
1.进行产品参观，学习和了解产品结构与功能。

2.拟定总体方案，做出对产品的解决途径。

3.运用设计原理设计波纹管机。

2．设计的基本要求和内容
1.简述产品的发展趋势，论证本设计的必要性可行性。

2.对产品进行总体描述，并画出整体装配图。

3设计图纸不少于2张
4设计说明书不少于1份，字数不少于10000字。

3．主要参考文献
1 邓星钟，机电传动控制，华中科技大学出版社，2001
2 裴仁清，机电一体化原理，上海大学出版社，1998
3 朱龙银，简明机械零件设计手册，机械工业出版社，2005
4 朱龙银，机械系统设计，机械工业出版社，2002
4．进度安排
波纹管机设计工艺性分析
摘要：波纹成型机是生产波纹管的核心设备，生产出的波纹管已经广泛用于各个工业领域，它是集机电液为一体的现代化高技术设备。

本文针对生产的要求，提出了设计题目。

并对该机进行工艺性分析。

研究方案主要是对五个部分进行说明。

分别为整体设备与工艺结构部分、传动系统、成型部分、液压与气动部分、电控部分的说明。

整体设备玉工艺结构部分主要介绍它采用的材料尺寸形成的结构及它运转时的形态。

传动系统及液压与气动部分的设计要求。

成型部分的设计参数。

电控部分介绍在生产产品时用于电动控制的各个部分的运行状态，最后绘制出装配图。

关键词：波纹管机,工艺分析
Corrugated pipe design manufacturability analysi s
Abstract:Corrugated molding machine is the core of the corrugated pipe production equipment, production of corrugated pipe has been widely used in various industrial fields。

Research plan is mainly based on the energy transfer, the use of gearing, hydraulic transmission method to complete the designIn the transmission system design, according to the working process of the corrugated pipe forming, this paper gives the design of the hydraulic system schematic diagram, the hydraulic system of actuators is determined. Calculate flow rate of the whole hydraulic system, and according to the flow rate and pressure of the hydraulic valve type selection, the design of the tank and various auxiliary components selection, calculated the power of each system, selecting gear transmission, through the calculation of transmission ratio, finally choose the right parts.This design has been used in production, and achieved good effect.
Key words: Corrugated pipe machine、Process analysis
目录
1 绪论 (1)
1.1课题研究的背景意义 (1)
1.1.1国内波纹管的概况和发展趋势 (2)
1.1.2波纹管成型机简介 (3)
1.2 课题研究主要内容 (4)
1.3 基础知识介绍 (4)
1.3.1 机械设计简介 (4)
1.3.2 机械设计步骤 (5)
1.3.3 机械设计准则 (7)
1.3.4 AutoCAD简介 (8)
2整体设备与结构 (9)
2.1 波纹管机床特点 (9)
2.2 波纹管机机架设计与要求 (9)
2.3波纹管机导轨设计 (12)
2.4波纹管机各参数的确定 (13)
3 传动系统 (18)
3.1传动系统的特点 (18)
3.2传动系统的设计与要求 (18)
4 波纹管的成型设计 (20)
4.1波纹管的发展现状及应用 (20)
4.2波纹管的设计与要求 (22)
5 液压与气动 (24)
5.1液压系统的特点 (24)
5.2液压系统的设计及要求 (24)
5.3气动系统的特点 (25)
5.4气动系统的设计及要求 (25)
6 电控设计 (28)
6.1 PLC可编程控制器的结构形式及特点 (28)
6.2 PLC控制系统的设计及要求 (29)
总结................................................ 错误!未定义书签。

参考文献.. (31)
致谢 (32)
1 绪论
金属波纹管涵代替钢筋混凝土进行涵洞施工是在国内时兴的一项新技术，金属波纹管涵，是指铺埋在公路，铁路下面的涵洞用螺纹波纹管，它是由波形金属板卷制成或用半圆波形钢片拼制成的圆形波纹管，广泛应用于公路，铁路，小桥，通道，挡土墙以及各种矿场，巷道挡墙支护等工程中的涵洞（管）。

波纹管涵是与钢筋混凝土管涵相比，具有管节薄，重量轻，便于运输存放，施工工艺简单，组装快速，工期短等优点。

建筑波纹管时，可根据需要随意组装成任何长度，必要时，管节还可拆除，迁往别处修建，在缺乏砂石材料地区或基地承载较低的地区，波纹管涵的优越性更为显著。

1.1课题研究的背景意义
波纹管是一种带横向波纹的圆柱形薄壁弹性壳体，其生产历史已有一百多年。

于1784年最早诞生于英国。

1896年，美国率先进行了波纹管通道、涵管的可行性研究，并首次应用于涵洞。

1990年（日本高速公路设计规范）制定了波纹管设计技术规范，波纹管在世界各地得到广泛应用。

金属波纹涵管也叫金属波纹管涵、波纹管涵、波纹涵管或钢制波纹涵管，是指铺埋在公路，铁路下面的涵洞用螺纹波纹管，它是由波形金属板卷制成或用半圆波形钢片拼制成的圆形波纹管，钢波纹管涵的应用广泛：1、可应用在公路、铁路横向排水。

2、可用于市政线缆穿线工程。

3、竖井掘进
4、涵遂快修工程
5、围堰工程。

金属波纹涵管有一些优点：(1) 现场安装方便，不需使用大型设备。

(2) 有利的解决北方地区霜冻对桥梁和管涵砼结构的破坏问题。

(3) 减少或根本舍弃了常规建材，如水泥、黄砂、石子、木材的使用，环保意义深远。

(4) 结构受力情况合理，荷载分布均匀，并有一定的抗变形能力。

(5) 采用标准化设计，生产、设计简单，生产周期短。

我国现在产的波纹管主要依靠引进国外机器来生产，成本高，大多是滚压成型，滚压成型有着它不同与其它成型方式的特点，它工艺简单、工装制造容易等优点。

但同时也存在产品制造比较粗糙，性能不高等缺点。

这次我们组是设计一款新型单波纹压制成型机，操作简单，而且可以将管长增长，通过液压缸和丝杠能随意控制所压波纹的波距和波深，大大增强了可操作性。

1.1.1国内波纹管的概况和发展趋势
在公路施工中，应用钢波纹管涵代替钢筋混凝土进行涵洞施工的历史已经有100多年了。

1896年，美国率先进行波纹管涵通道、涵管的可行性研究。

其后，在美国、加拿大、澳大利亚等国的公路建设中，均采用了钢波纹管涵进行涵洞的施工。

1990年，日本高速公路设计，规范制定了波纹管涵设计技术规范。

随着波纹管涵在世界各地的安装使用，证明了此种结构在各种使用情况下的通用性。

在我国改革开放后，深圳及大同煤矿开始从国外进口成品波纹管涵进行涵洞工。

之后，上海市公路管理处、上海市政工程设计研究院、上海同济大学对金属波纹管涵进行了动、静载试验，结果表明能满足设计使用要求，填补了国内的空白，且迅速得到推广应用。

百顺牌钢波纹管涵投入到了青海公路施工当中，三年的实践证明，钢波纹管涵在北方寒冷地区完全符合公路建设当中的涵洞施工要求。

实践证明，用钢制波纹管涵代替钢筋混凝土进行涵洞施工，无论从施工周期、施工造价、环保意义等方面都有其不可比拟的优越性，且用钢波纹管涵进行涵洞施工，可大大提高道路行车的舒适度与安全性，避免道路中涵洞的“错台跳车”现形，有利于解决西北地区寒冷霜冻对砼管涵结构的破坏问题。

浙赣铁路九标管段共有 14 座公跨铁立交桥，为了争抢工期，全段公路跨线桥梁的施工由现浇变为提前预制，由于桥梁工点分散，设置了10 处桥梁预制场地，共预制梁56 片。

公路桥梁采用箱形梁，后张法张拉，预应力孔道采用扁波纹管。

从施工一开始，就得赶快研究图纸，打每一片梁都坚持检查施工质量，从钢筋数量、尺寸及波纹管的安装和混凝土浇筑、预应力张拉、压浆、封锚等各方面都不错过，但在施工过程中，还是偶尔会有波纹管孔道堵塞现象发生，一旦堵塞发生，只能对混凝土结构做“开刀”处理，然后嵌补，这样的结果是，堵孔多了必然影响结构的质量，严重会造成质量事故。

在施工中人们大多使用波纹管成孔，所以防止这种现象的发生就显得十分重要了。

其实堵孔现象并不是不能避免的。

从对造成堵孔的原因分析人手，人们采取了相应的措施，取得了良好的效果。

目前我国已有专门生产波纹管涵的工厂，鉴于这种管涵的许多优点，我国钢材产量已跨居世界前列，在我国推广应用波纹管涵的前景是非常广阔的。

1.1.2波纹管成型机简介
波纹成型机是生产波纹管的核心设备，由成型模具、传动系统、控制系统三部分组成。

成型模具一般由30-40 对上下（或水平）对开的模片组成，沿一定的轨迹移动，模具闭合成圆形管子的成型腔，模具打开，使制品脱模，模具可由水或空气冷却。

其成型过程为：从挤出机挤出管坯在一定的水压下，经过吹胀（或真空吸附），使内外壁分别贴合在成型模具和内定径棒上成型。

波纹成型机同时具有牵引管材的作用。

波纹成型机有立式和水平式两种，立式波纹成型机其模具上下开合，占地面积小，结构紧凑，但模具更换较困难，特别是大口径模具的更换。

水平式波纹成型机其成型模具水平开合，占地面积较大，但更换模具比立式方便得多，因比其应用更广泛。

一般小口径管材，采用的是整体式模具，而大口径管材考虑到其模具重量大，更换时不方便，故一般采用托架式模具，换口径时，只需更换托架内的芯模即可，节省了模具制造成本。

波纹成型机的关键就是成型模具运行轨道的确定，需先建立模具运行的数字模型，然后印出其轨迹，最后按照这一轨迹组合模具。

双壁波纹管的成型方法一般有真空成型法和壁间充气成型法两种，也有同时使用这两种方法的。

真空成型法是通过成型模具上的真空孔使管坯外壁靠负压作用吸附在成型模具上，其内壁靠伸出芯模的定径棒定型。

这种方法生产的管子的外观质量较好，但其内外径尺寸稳定性较差，且真空孔易堵塞，造成产品外壁波纹缺陷。

壁间充气成型法是在两层料坯中间通压缩空气，把管坯外壁吹胀入成型模具，同时使管内壁贴附在内定径棒上。

并可根据管口径，壁原的大小来调气压。

应用这种方法生产的管材。

尺寸稳定性好。

国内生产的波纹管成型机，一般为水平式结构，大口径管材也采用托架式模具。

但受其加工设备的限制，其模具的加工精度和同一性与国外同类产品相比还有差距，在生产中机器故障较多，有时还可能造成模具运行轨道的损坏。

近年来上海金纬机械制造有限公司开发了一系列大口径双壁波纹管生产线，其波纹成型机采用立式结构，由于模具的加工采用了大型加工中心生产，其同一性和精度均达到较高的水平。

同时，模具采用快速冷却系统，可较大程度地提高生产速度。

虽然国产的波纹成型机质量不如国外进口产品，但由于其价格比国外同类产品低很多，且其生产的管材能达到要求，故近年来国内大部分波纹管生产厂家还是采用国
产生产线。

故国产设备的生产厂家这几年发展较快，但还应致力提高加工水平，开发新产品，缩小与国外产品的差距。

最近几年，国外研制出了模具速回转系统，即利用机械或气动搬运系统，把最后一对模片重新快速带回开始的工作位置。

它的优点是模片数可减少，一般仅需12-18 对模片，在生产大口径管材时，可极大地降低波纹成型机的生产成本。

1.2 课题研究主要内容
在对该波纹管机进行整体了解，熟悉该机床传动原理的基础上，对波纹管机进行工艺性分析。

(1)通过对波纹管机市场的调研，搜集相关的国内外波纹管机相关产品的资料，确定研制产品的市场地位，明确本论文的主要内容和现实意义以及研制该机床的重要性。

(2)在分析比较各种波纹管机床的优缺点的基础上，确定机床的整体设计方案，完成该机床的总体设计。

(3)根据总体的结构设计方案，对各个部分进行工艺说明。

1.3 基础知识介绍
1.3.1 机械设计简介
机械设计，是根据用户生产或使用的要求对专用机械的工作原理、结构、运动方式、能量传递方式、以及各零件的形状尺寸、润滑方法等进行分析、设计和计算并将其转化为具体制造依据的工作过程[15]。

机械设计是机械工程的重要组成部分。

作为机械生产的第一步，它是决定机械性能的最主要的因素。

机械设计的目标是：在给定的各种限定的条件(如材料、加工性能、工艺要求、理论知识等)下做出最优化设计[4]。

最优化设计需要设计师们综合地考虑许多因素。

这些因素一般包括：最好的工作性能、最低的制造成本、最小的尺寸和重量、使用的最可靠性、最低消耗和最少环境污染。

这些要求通常都是互相矛盾的，它们之间的相对重要性会因机械种类和用途的不同而有一定区别。

设计者的任务综合各种因素，整体考虑使设计的机械有最优的技术经济效果。

过去，设计的优化一般依
靠设计者的知识、经验，随着机械工程理论、价值工程和系统分析等新学科的发展，设计和制造技术数据资料的积累,以及计算机的推广应用,最优化设计逐渐舍弃主观判断，从而依靠科学计算来实现。

1.3.2 机械设计步骤
机械设计流程（如图1.1所示）一般包括：
（1）制定设计任务。

这是设计的前期工作。

设计任务的根据是用户需求来确定的。

任务的正确性决定了整体方案的经济性和合理性。

（2）确定工作原理和基本结构型式。

即确定总体方案以及所要应用的工作原理和与之相应的结构型式。

（3）运动设计。

设计的总体方案确定之后，需要运用机构学的知识，设计合适的机构以获得需要的运动方案。

在运动设计时，设计者们应尽量使用已有的和成熟的机构来设计运动方案。

（4）结构设计和绘制初步总图。

运动设计之后，设计者开始进行结构设计，计算机械各主要零件的受力，确定其形状、尺寸和重量等，并绘制主要零、部件草图。

如果发现设计方案不可行，需要及时调整。

（5）初步审查。

初步总图绘制后，需要进行初步审查。

若设计不适用(如重量、体积太大、造价太高、以及结构的可靠性低等),则须重新进行运动设计，或者改用别的工作原理和基本结构型式。

一般情况是针对设计不足之处采取某些改善措施。

图1.1 机械设计流程
（6）技术设计。

根据初步审查的结果,对设计进行修改,绘制零件图和部件图，对主要的零部件进行应力分析，按分析结果修正零件的形状、尺寸等细节，以及确定零件加工精度以及部件和总装的装配条件，完成润滑设计、驱动控制设计等。

（7）绘制工作图。

即绘制正式的零件图、部件装配图和总装配图，编写零件表、易损零件清单、使用指南等技术文件。

设计负责人应注意协调零件间的尺寸，并要核对各耦合件间的公差配合，复核主要零件的强度和刚度。

零件图完成后开始图纸核对。

在绘制零件图的同时还需要进行两项工作：一是工艺性审核,使零件便于加工并降低制造成本;二是标准审核，使零件结构要素、尺寸、公差配合、热处理技术条件以及标准和通用零件等符合标准的规定。

（8）试生产和定型设计。

单件或小批生产的机械设备,在经过上述步骤后，便可按照设计图纸投入正式生产。

对于成批或大量生产的机械,在正式生产前要先试制样机,进行功能试验和鉴定。

试验通过后，才能按生产工艺进行批量试生产。

在批量试生产中如果出现的问题还可能需要对设计作相应的修改，方成为可供正式生产使用的定型设计。

1.3.3 机械设计准则
机械零件的设计一般都需要满足众多的约束条件，即设计准则：
(1) 技术性能准则
技术性能是包括产品的功能、制造和运行状况在内的一切性能，它既有静态性能，也包括动态性能。

例如，产品所能传递的功率、产品的效率、使用寿命、强度、刚度、振动稳定性等。

技术性能准则是指机械相关的技术性能必须达到规定的要求[5]。

(2) 标准化准则
概念标准化：设计过程中所涉及的名词术语、符号、计量单位等应符合标准；
实物形态标准化：零部件、原材料、设备及能源等的结构形式、尺寸、性能等，都应按统一的规定选用。

方法标准化：操作方法、试验方法和测量方法等都应按相应规定实施。

标准化准则就是在设计的全过程中的所有行为，都要满足上述标准化的要求。

(3) 可靠性准则
产品或零部件在规定的使用条件下，在预期的寿命内能完成规定功能的概率。

可靠性准则就是指所设计的产品、部件或零件应能满足规定的可靠性要求。

(4)安全性准则
零件安全性：指在规定外载荷和规定时间内零件不发生如断裂、过度变形、过度磨损和不丧失稳定性等等。

整机安全性：指机器保证在规定条件下不出故障，能正常实现总功能的要求。

工作安全性：指对操作人员的保护，保证人身安全和身心健康等等。

环境安全性：指对机器周围的环境和人不造成污染和危害。

1.3.4 AutoCAD简介
CAD（Computer Aided Design）的含义是指计算机辅助技术，是计算机技术的一个重要的应用领域。

AutoCAD则是美国Autodesk企业开发的一个交互式绘图软件，是用于二维及三维设计、绘图的系统工具，用户可以用它来创建、浏览、管理、打印、输出、共享和准确复用富含信息的设计图形。

AutoCAD是目前世界上应用最广的CAD软件，市场占有率居世界第一。

AutoCAD 软件具有如下特点：
(1)具有完善的图形绘制功能。

(2)具有强大的图形编辑功能。

(3)可以采用多种方式进行二次开发或用户定制。

(4)可以进行多种图形格式的转换，具有较强的数据交换能力。

(5)支持多种硬件设备。

(6)支持多种操作平台。

(7)具有通用性、易用性，适用于各类用户。

此外，从AutoCAD 2000开始，该系统又增添了许多强大的功能，如AutoCAD设计中心（ADC）、多文档设计环境（MDE）、Internet驱动、新的对象捕捉功能、增强的标注功能以及局部打开和局部加载的功能，从而使AutoCAD系统更加完善。

虽然AutoCAD本身的功能集已经足以协助用户完成各种设计工作，但用户还可以通过Autodesk以及数千家软件开发商开发的五千多种应用软件把AutoCAD改造成为满足各专业领域的专用设计工具。

这些领域中包括建筑、机械、测绘、电子等。

2整体设备与结构
2.1 波纹管机床特点
(1) 该机床对钢管压制波纹的种类具有很强的适应性：使用数字控制机床就行波纹压制，只要重新编程就能随意控制被压制波纹的波距和波深。

与现国内外一些波纹管机床相比，有控制精确、加工灵活等特点。

(2) 该机床压制波纹具有很高的加工精度：控制机床的指令是以数字的形式进行的，与一般机器相比，可排除人为操作失误等误差因素，能很好的提高波纹的精度和可靠性。

(3) 该机床具有高的生产效率和自动化性：机床的控制程序是通过人按要求输入编程器，然后通过这些程序指令来控制机床加工波纹，整个加工过程不需要人的过多干预，操作人员只要完成安放和取走工作，然后通过操作界面控制就可以进行加工
(4) 该机床还具有好的经济效益：可以很长的钢管进行压制，也可以对短的钢管压制波纹，然后拼装起来。

2.2 波纹管机机架设计与要求
本专机的主要机械结构如下：整机采用水平加工的卧式机构，机架采用C形架，上横梁边上放置油缸，采用上压辊与下压辊配合压制波纹，钢管放置在支撑架上，气缸和导轨底架相连，导轨底架可以无限长，但考虑到空间问题，将底架设置成四五米的长度，也就是可以压制四五米的钢管。

机构简要布局(如图2.1)：
机床简图
该机构工作过程为：液压马达控制转轴转速，油缸控制上压辊进行压制波纹工作，也就是控制波纹的波深，丝杠控制钢管前进的距离，也就是控制波距，气缸控制支撑架在导轨底架上的移动，当压制钢管较长时，使用气缸推动支架向后移以支撑钢管。

该波纹管机是压制成型一个完整波纹然后向前推进一个波距继续压制波纹，然后重复该过程。

该机器的机械结构设计重点在于：
（1）合理设计主机架结构，由于采用卧式C形机架，考虑到加工管径的大小和上梁的刚度问题，所以需要考虑机架的开口度。

（2）合理设计导轨机构，使支撑架能够平稳的支撑钢管在底架上移动。

（3）合理设计压辊机构，使压辊能平稳地进行压制工作，同时机构应能保证加工精度，减少加工误差。

（4）合理设计传动机构，使整机尽量减少不必要的工作行程。

在设计各部分机械结构时，应考虑到目前的加工精度问题和加工成本问题。

此外，为了提高整个机器的可靠性和稳定性，应使整机的机械结构尽量简单。

同时，设计时应尽量选用标准元件，使设计标准化，以保证其有较高的置换性。

整机的实体图如下(如图2.2与2.3)：
图2.2 主机架结构
图2.3 滑动导轨结构
波纹管机的机架多采用框架式机架，这类机架分整体式和组合式两种。

整体式机架加工装配工作量较小,但需要大型加工设备,运输也比较困难。

组合式机架由上横梁、下横梁和立柱组成。

组合式机架加工运输都比较方便,本文所研究的波纹管机即采用这种结构。

根据所选材料性能不同,机架结构又可分为铸造结构和焊接结构两种。

铸造结构使用材料有HT200铸铁、QT42o铸铁和zG35铸钢等。

铸造结构的材料比较容易供应,消震性能较好,但铸件加工周期长,质量较重,刚度较低,适合成批生产。

焊接结构多使用A3钢板,也有用18Mn钢板或其他钢板。

焊接结构质量较轻,刚度较好,加工周期短,外形比较美观，焊接结构适合单件小批生产。

本文所设计的机架即用焊接结构。

在满足机架设计准则的前提下，必须根据机架的不同用途和所处环境，考虑下列各项要求并有所偏重[11]。

（1）机架的重量轻，材料选择合适，成本低。

（2）结构合理，便于制造。

（3）结构应使机架上的零部件安装、调整和更换都方便。

（4）结构设计合理，工艺性好。

（5）抗振性能好。

（6）耐腐蚀，使机架结构在服务期限内尽量少维修。

2.3波纹管机导轨设计
目前几种常见导轨及其优、缺点与适用场合见表 4-1。

表4-1 几种常见导轨比较
数控机床导轨类型：
（1）滑动导轨
优点：具有结构简单、制造方便、刚度好、抗振性高等。

缺点：是静摩擦系数大，且动摩擦系数随速度变化而变化，摩擦损失大，低速时易出现爬行现象，降低了运动部件的定位精度。

目前多数采用贴塑导轨。

贴塑导轨的优点：贴塑滑动导轨的特点是摩擦特性好、耐磨性好、运动平稳、减振性好、工艺性好。