压力机与垫板间夹紧装置的设计

压力机与垫板间夹紧装置的设计说明书

1引言

传统的压力机与垫板间的夹紧机构采用手动操作，这在现代化生产实际中，已远远不能满足自动化生产的需要。

现代化的机械设备的控制技术手段是多种多样的，电器方法、机械方法、液压方法、电气液压方法以及气动方法等等，均可以用来实现自动控制。其中，机－电－液一体化设计已成为当代机械工业技术和产品发展的主要趋向，沿用已久的分工脱节，各管一段的设计方法，不仅耗时，而且难以获得一体化系统的最佳设计结果。

本设计引入了机、电、液一体化系统的设计理念，寻求有效的设计理论和方法来实现压力垫板夹紧的自动控制。

机械装置设计的重点是利用螺旋传动实现螺杆的上升、下降。因此，螺杆设计是本设计机械部分的核心。要求齿轮啮合传动安全、可靠、效率高，螺杆与螺母的传动能够自锁，有安全保障。

螺杆由４５号钢调质处理，再对其进行淬火处理，使螺杆的强度与硬度提高。由于螺杆在本设计中的重要作用，决定了螺杆的寿命是本设计成败的重要标志。设计时，充分考虑了螺杆的强度和机械自锁，必须保证螺杆在任意位置能够自锁，才能使整个夹紧装置安全、可靠。尤其在螺杆及整个夹紧装置摆出一定角度，以使工人取出垫板时，不但要保证液压系统能够自锁，而且要求螺杆也要自锁。否则，夹紧装置失效，将造成极坏的后果。在设计的过程中，还考虑了许多的实际问题，如为给压力继电器提供有效的压力发讯信号，在螺杆的特定位置增加了圆环－半圆环结构，由螺栓联结，在螺杆轴向下降、放松垫板时，放松到位后，圆环－半圆环结构与螺母接触，压力继电器得到发讯信号作用，螺杆停止下降，放松到位。

圆环－半圆环结构在本设计中还有其他应用，除与螺母接触使压力继电器发讯之外，还被加在螺母上，作用相当于一个挡圈，防止齿轮由于重力而脱离螺母。

液压缸与液压马达的驱动控制由液压系统控制，在液压系统中应用了电磁换向阀与压力继电器。电磁换向阀与压力继电器和电动机的控制均由电气控制系统实现。

整个装置组成简单，结构精巧，控制方便，性能可靠，有很好的应用前景。

2机械设计与计算

2.1原始数据及设计要求

2.1.1原始数据

(1) 夹紧头的夹紧力为10吨。

(2) 夹紧过程小于10秒钟。

(3) 夹紧的行程为20 mm。

(4) 系统压力为16 MP。

2.1.2设计要求

(1)夹紧头夹紧后要求有自锁。

(2)整个夹紧装置中的八个夹紧头动作可以分别控制，以便于测试与检修。

(3)综合考虑机械、电气与液压控制的结合。

(4)在设计中要充分考虑使夹紧装置结构紧凑，美观，制造、维修成本低。

2.2拟定设计方案

驱动机构包括液压马达，液压缸，单级齿轮传动１、２，螺旋－螺母传动。齿轮用键与螺母联结。具体用液压马达来带动齿轮１旋转，通过齿轮１、２的啮合传动将动力传递给自制螺母。将螺杆即夹紧头径向固定，使其通过与螺母的螺旋传动能够沿轴向上升、下降，从而实现夹紧或放松垫板的目的。通过液压缸活塞杆在垂直方向上的伸缩，实现夹紧装置的摆进、摆出。即液压缸的活塞杆伸出时，在液压力的作用下，推动整个夹紧装置摆出，并锁紧。反之，活塞杆缩回时，整个夹紧装置能够摆回，等待下一次的夹紧。整个系统实现夹紧－放松－摆进－摆出四个动作。

液压缸与液压马达的驱动由液压控制系统来实现，通过液压系统元件来实现液压缸的调速和液压缸与液压马达的换向。电动机与液压系统中的电磁换向阀和压力继电器的控制由电气部分实现，本设计引入了PLC来进行对电磁换向阀和压力继电器的控制，而电动机则用星－三角启动[1]。

2.3 确定系统的机械参数

滑动螺旋传动主要是承受转矩和轴向力。因轴向力的作用，螺旋副旋和面间的压强很大，而且相对的滑动速度又大，所以，其主要的失效形式是螺纹的磨损[5]。 2.3.1 确定螺杆参数 (1) 计算螺杆中径

由给定参数：夹紧力10 吨 夹紧时间t=15 s 夹紧行程S=20 mm 计算得 V=20×10-3/15=1.33×10-3 m/s F ＝10×103×9.8＝9.8×10４ N

螺杆采用碳钢或是合金钢制成，由于本系统是低速重载的一般传动，采用45号钢或50钢均可。

螺杆中径2d ＝ξ

][/P F Φ （2.1）

＝8.0×164/108.94⨯⨯ ＝mm 518.35 根据圆整要求，取2d ＝36 mm 查得P ＝3 mm

式中参数：ξ－梯形螺纹，ξ＝0.8

υ－传动精度高和要求寿命长时取υ＝4 ［ P ］－滑动螺旋副材料的许用比压，16 MP a (2) 确定扭转力矩

tg υ=S/π2d =t F /r F （2.2） 所以 Ｆt ＝n ·P ·F r /π·d 2

＝3×9.8×10４／π×36 ＝2.5995×10３ N

计算得 T ＝F t ·d 2/2 （2.3）

＝2.5995×10３×18 ＝4.679×104 N ·mm

(3) 耐磨性计算

螺纹的磨损与很多因素有关，重要的有螺纹工作表面的压强、相对滑动速度、粗糙度和润滑状态等，其中最主要的是压强和滑动速度。相对滑动速度一定时，压强

越大磨损越大。因此，滑动螺旋的耐磨性计算，就是限制螺纹工作面上在某一滑动速度下的压强Ｐ，使之小于相应滑动速度下材料的许用压强［Ｐ］。

因为2d ≥][/P h P F ⋅⋅⋅⋅φπ （2.4）

＝1635.04/3108.94⨯⨯⨯⋅⨯⨯π ＝mm 222.31 所以2d ＝36 mm 合格

耐磨性条件为 :

P ＝F ／A ＝F ／z ·π·d 2·h （2.5） ＝9.8×10４×π×3／83×π×36×0.5×3 ＝12.7416 MP a ≤［P ］ (4) 螺杆的强度校核

螺杆工作时受轴向力Ｆ和转矩Ｔ的作用，在螺杆危险剖面上同时存在拉应力σ和扭转剪应力τ，按第四强度理论，其危险剖面的强度条件为

σca ＝2

23τσ+＝()()

≤+2

312

212.0/3/4d T d F π［σ］ （2.6）

所以σca ＝

()

()

2

3

42

2

4

342.0/10679.4334/10

8.94⨯⨯+⨯⨯⨯π

＝43.100≤［σ］ ＝2/105Nmm

(5) 螺纹牙强度校核

螺纹牙根部剖面的剪切强度条件为

τ＝F/z ·A ＝F ／π·d ，·b · z ≤[τ] （2.7） b ＝0.65P ＝0.65×3＝1.93 mm

所以螺杆的剪切强度τ＝17.98N ／mm 2≤ [τ] ＝63 N ／mm 2

因为螺纹牙根的弯曲强度条件为σb ＝M ／W ＝3Fh/ z πd ，b 2≤[σb ] （2.8） 计算得到σb ＝94 N ／mm 2≤[σb ] ＝105 N ／mm 2 2.3.2 确定齿轮传动的参数

(1) 轮的转速n 1＝P ·60/V （2.9）

＝3×60／1.33＝135 r/min

初选传动比为１，所以齿轮２的转速n ２＝135 r/min

(2) 轮的材料，确定精度等级及许用压力。两齿轮均选用45号钢，调质处理，由机