鋼坯火焰清理機的設計—總體方案設計及總體裝配[三維SW]【包含CAD圖紙】

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第一章 引言 1.1 概述 手動火焰清理設備一直是鋼鐵企業(yè)的常用設備。這項艱苦的工作經(jīng)常是在高溫，高粉塵及噪聲污染的惡劣環(huán)境中進行的。為了改善手工作業(yè)環(huán)境以及由于手工作業(yè)帶來的低效率，高成本等問題，如今鋼鐵行業(yè)逐漸重視對鋼坯清理的機械作業(yè)的研發(fā)。所謂鋼坯火焰清理就是利用高溫火焰的氣割和熔除作用將鋼坯表面缺陷燒除的工序。該工序能有效提高鋼材的軋制質量，為了生產(chǎn)高質量的優(yōu)質鋼材提供了必要的保證。鋼坯火焰清理按工作溫度分為熱鋼坯火焰清理和冷鋼坯火焰清理；鋼坯火焰清理按操作方式分為手工作業(yè)和機械作業(yè)方式。其中實現(xiàn)機械作業(yè)的裝置稱火焰清理機，他是通過專門燒嘴將氧氣和煉焦煤氣進行混合，燃燒火焰預熱連鑄鋼坯，然后利用高壓純氧流與鋼坯表面產(chǎn)生氧化反應，對鋼坯火焰清理機需要采取機械作業(yè)方式，冷鋼坯火焰清理機即可采用手工作業(yè)方式，又可采用機械作業(yè)方式。冷鋼坯火焰清理即可采用手工作業(yè)方式，又可采用計息作業(yè)方式，但由于我國目前非常缺乏專門的火焰清理機的設計、制造研發(fā)能力，國內鋼坯火焰清理主要采用手工作業(yè)冷鋼坯清理方式。 1.2 鋼坯火焰清理機的發(fā)展概況 鋼坯火焰清理技術起源于美國，成熟于韓國，是全球冶金行業(yè)率先進行批量化檢驗板坯皮下缺陷的先進手段，目前正風靡于世界冶金業(yè)。而隨著我國鋼鐵工業(yè)對鋼種質量的需求進一步提高，鋼坯的火焰表面清理技術顯得越來越重要，實踐證明利用火焰清理鋼坯缺陷，能有效地提高鋼材的軋制質量。近幾年來國內高度重視鋼坯火焰清理技術在國內冶金業(yè)的應用，如2006年寶鋼分公司煉鋼廠4號連鑄機工程配套改造項目：二煉剛火焰清理機技改工程熱負荷試車一次成功，順利投入運行。改造后，二煉鋼火焰清理機清理鑄坯的最大寬度可從1450毫米增至1750毫米，年清理能力也將由60萬噸擴大到120萬噸。又如2010年遷鋼公司板坯火焰清理機熱試成功，設計年處理板坯190萬噸，為該公司低成本生產(chǎn)高端高效產(chǎn)品，尤其是高品質汽車板、加點板提供了技術保證，遷鋼成為國內繼寶鋼之后第二家投入火焰清理機的企業(yè)。但該板坯火焰清理機主體設備均由日本KBK公司和美國L-TEC公司聯(lián)合設計制作?？梢姡瑖怃撆骰鹧媲謇砑夹g現(xiàn)處于極度保密的狀態(tài)，國內需要花費巨大的外匯來進口國外的鋼坯火焰清理機的整機和關鍵核心部件，而且維修服務費用昂貴。 基于我國目前火焰清理機研發(fā)十分落后的局面，注定我國民族冶金企業(yè)必須走自主創(chuàng)新、產(chǎn)學研相結合的道路，通過對鋼坯火焰清理機研發(fā)中的整體方案設計、結構分析、制造與裝配等關鍵技術進行校企聯(lián)合公關，我國才能夠較快較全面掌握鋼坯火焰清理技術，為我國冶金企業(yè)長期發(fā)展注入強勁的活力。因此，鋼坯火焰清理機的設計項目具有十分深遠的現(xiàn)實意義和工程應用價值 1.3 鋼坯火焰清理機開發(fā)的理由和目的 * 產(chǎn)品質量方面的要求 * 日益高漲的作業(yè)費用 * 改善人工清理時嚴酷的工作環(huán)境 * 排除人工清理產(chǎn)生的不穩(wěn)定性 * 保證高質量和高附加值 * 克服在其他表面處理作業(yè)時被限制的能力 1.4 鋼坯火焰清理機的具體技術指標： 工作溫度 0°C—50°C 相對適度 ≤90% 工作電源 380V±10%/3相/50HZ 鋼坯臨界尺寸 （長*寬*高）最小=200*1850*2000 最大=300*2280*4000 一次清理深度 0．8mm—4.2mm 清理速度 6m/min—9m/min 清理軌跡要求具有三軸兩聯(lián)動數(shù)控插補 具有鋼坯自動翻板功能 燒嘴能自動點火與熄滅，且高度能手動可調 具有機械擋屑、自動排屑功能 導軌帶自動防屑塵的防護罩 圖表1-1 技術指標 1.5 本文主要研究的內容 對鋼坯火焰清理機進行總體功能分析，確定總體方案以及翻板裝置的仿真模擬。 第二章 整體布局 2.1 鋼坯火焰清理機工作原理和功能 火焰清理機往往是安裝在初軋機和大剪機之間的生產(chǎn)線上，是對連鑄板坯、方坯或鋼錠鋼表面缺陷，通過利用氧氣-燃氣進行熱化學的氧化反應，對其進行表面缺陷處理的設備?；鹧媲謇頇C除了可以去除材料表面的瑕疵外，還可以通過火焰燒嘴噴出的氣流力量，把因加熱后產(chǎn)生的脫碳層、殘余的氧化層渣滓或其他不純物質吹走，提高鋼坯表面的質量和成材率。 按設計要求，該裝置由鋼坯輸送裝置、氧化皮和裂紋自動清理裝置、鋼坯翻板裝置、廢屑自動排除裝置等部分所組成。 鋼坯先用吊具吊放于預制工作區(qū)，然后由輥道輸送到第一清理位，安裝在第一清理位的清理機啟動作業(yè)，完成上表面的清理。上表面清理后輥道動力啟動，把鋼坯運送到翻板機構位，翻板機構啟動對鋼坯的翻板，鋼坯被翻轉180°后右邊的輥道動力啟動，把鋼坯輸送到第二清理位，進行下表面的清理，整個清理工作完成后，由輥子運輸輥道輸送出來，進行冷卻、堆碼等。整個鋼坯清理機流程示意圖、三維安裝示意圖見下文。 2.2 流程示意如圖： 圖2-1 平面布局示意圖 1一清理位1 2—清理位2 3—送入輥道 4—送出輥道 5—翻板機構和清理區(qū) 6—預制工作區(qū) 2.3 安裝示意圖： 圖2-2 鋼坯火焰清理機總安裝示意圖 2.4 火焰清理機作業(yè)流程圖 鋼坯（由吊具調至預制加工區(qū)） 鋼坯火焰清理機清理區(qū)1 鋼坯火焰清理機清理區(qū)2 吊具吊走、堆碼 輥道傳送 翻板區(qū)翻板 輥道傳送 圖2-3 火焰清理機作業(yè)流程示意圖 第三章 各結構設計分析 3.1 鋼坯翻板裝置設計 1.1 鋼翻板裝置的結構形式主要有以下幾種： （1）齒輪傳動雙臂翻板機 如圖： 圖 3-1齒輪傳動雙臂翻板機 結構特點：兩翻臂分別由大小兩個齒輪嚙合傳動，在翻板時，為達到不帶負荷啟動的目的，兩翻臂都要在低于水平位置下方5度時啟動，而翻板時翻轉臂的交接點在A點位置，即送鋼側的翻臂要走過100度，而接鋼側要走過90度。鋼板在翻轉的過程中，過了中間垂直位置后，鋼板是以送鋼臂的初速度開始并以變加速度進行翻板，其翻轉的角加速度是隨著鋼板翻轉的角度增加而加大的，它一定是以某個速度翻轉到接鋼板的翻臂上，所以會產(chǎn)生噪聲和沖擊，整個翻板過程電機要進行正反轉。 （2）雙臂曲柄搖桿式翻板機 如圖： 圖 3-2雙臂曲柄搖桿式翻板機 特點：該翻板機由一臺交流電動機驅動，由互相連接的兩套四桿機構組成。主動驅動為一曲柄搖桿機構，而翻板為雙搖桿機構，兩套機構由中間長軸和一個成直角的拐作為中間連接。整個傳動系統(tǒng)是在減速器的低速軸兩端各裝一個有一定偏角的曲柄a1、a2，由它們分別帶動兩套四桿機構，用連桿b與兩根翻板中間長軸相連。該翻板機最大的特點就是有一個鋼板的接送過程。 優(yōu)點：解決沖擊發(fā)出噪聲并對鋼板表面有可能有一定的損傷，結構簡單，制造成本低 （3）液壓翻板機 隨著計算機和液壓伺服技術的不斷發(fā)展，液壓技術由于有獨特的優(yōu)良特性而廣泛地運用于冶金設備中，從而產(chǎn)生了一種新型翻板機——液壓翻板機。如圖： 圖3-3液壓翻板機 優(yōu)點：同步長軸上加上角度檢測裝置，對翻板的角度信號進行處理，再通過伺服系統(tǒng)，對翻板過程就能實現(xiàn)速度和位置的精確控制。因此液壓翻板機具有比機械翻板機更加平穩(wěn)的翻板過程，從而實現(xiàn)無噪聲化生產(chǎn)。 缺點：該結構需要的控制水平要求高，且采用液壓系統(tǒng)，成本高，投資大 1.2 翻板結構設計具體采用方案 通過上述幾種類型翻板機構的分析，可以看出齒輪翻板機設備結構簡單，工作可靠但是沖擊大、對噪聲大對環(huán)境的影響大。而且由于翻板過程中的沖擊會對鋼板產(chǎn)生表面損傷，而液壓翻板機得翻板過程平穩(wěn)，但是控制水平要去高，投資較大，所以本課題設計翻板結構部分選用上述雙臂曲軸搖桿式翻板機思路進行設計 具體結構如圖所示： 圖3-4翻板結構三維示意圖 3.2 火焰清理裝置方案論證 鋼坯火焰清理機就是利用高溫火焰的氣割和熔除作用將鋼坯表面缺陷燒除。 3.2.1 外形結構分析 常見的數(shù)控火焰清理裝置外形結構有懸臂式和龍門式兩種方案 方案1 懸臂式（如圖） 優(yōu)點：結構簡單，具有很好的敞開性，占用場地少，成本低 缺點：懸臂式結構，當伸臂跨距太長時，由于火焰槍作業(yè)時有上下左右的行走，安裝在伸臂端，只有一側支撐，顯得結構很單薄，且平穩(wěn)性不好，不利于長期穩(wěn)定的作業(yè)。懸臂式結構，單邊驅動，只能固定在某一位置，不可挪動，隨著使用年限增加，誤差也會隨著增加，無改造價值 圖3-5懸臂式 方案2 門式（如圖2） 結構設計合理，剛性高，減震穩(wěn)定性好，門式結構可以采用雙邊驅動，整個作業(yè)機構可以再導軌上移動，不是固定某一個位置不能移動。結構穩(wěn)定，橫梁可以采用箱子式焊接技術，不變形，使用年限長，具有改造價值。 圖3-6龍門式 3.2.2 傳動方案選取 機械傳動部件通常有螺旋傳動、齒輪傳動、同步帶傳動、高速帶傳動、各種非線性傳動等，其主要功能是傳遞轉矩和轉速。因此可以說，機械傳動部件實質上是一種轉矩、轉速變換器，其目的是使執(zhí)行元件與負載之間在轉矩和轉速方面得到最佳匹配。機械傳動部件對伺服系統(tǒng)的伺服特性有很大影響，特別是其傳動類型、傳動方式、傳動剛度以及傳動可靠性對機電一體化系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和快速響應性有重大影響。因此，應設計 和選擇傳動間隙小、精度高、體積小、重量輕、運動平穩(wěn)、傳遞轉矩大的傳動部件。 如圖（3）所示： 圖3-7清理結構三維示意圖 機械傳動部件中的傳動機構及其傳動功能如下圖表 基本功能 傳動機構 運動的變換 動力的變化 形式 行程 方向 速度 大小 形式 絲杠螺母 Δ Δ Δ 齒輪 Δ Δ Δ 齒輪齒條 Δ Δ 鏈輪鏈條 Δ 帶、帶輪 Δ Δ 纜繩、繩輪 Δ Δ Δ Δ Δ 杠桿機構 Δ Δ Δ 連桿機構 Δ Δ Δ 凸輪機構 Δ Δ Δ Δ 摩擦輪 Δ Δ Δ 軟軸 Δ 間歇機構 Δ 蝸輪輪蝸桿 Δ Δ Δ 萬向聯(lián)軸器 Δ 注：Δ表示有此功能 （圖表） 從表中可以看出，齒輪齒條傳動既可將直線運動或回轉運動轉換為回轉運動或直線運動，又可將驅動力或轉矩轉換為轉矩或驅動力；帶傳動、蝸輪蝸桿傳動及各類齒輪減速器既可進行升速或降速，也可進行轉矩大小的變換。絲杠螺母機構可以實現(xiàn)動力形式的變化，主要用來將旋轉運動變換為直線運動或將直線運動變換為旋轉運動。 3.2.3 工作臺沿導軌縱向移動的傳動方案和沿橫梁橫向運動方案選定 工作臺縱向沿導軌運動和沿橫梁橫向運動都是只作直線運動，而電機軸作旋轉運動，動力的形式起到變化。 由以上分析，以下為直線傳動的常用方案： 方案1 電機→聯(lián)軸器→變速箱→齒輪→齒條 方案2 伺服電機→一級齒輪→絲杠→絲杠螺母 方案3 伺服電機→聯(lián)軸器→絲杠→絲杠螺母 方案1：電機與絲杠用聯(lián)軸器直接連接可以使傳動系統(tǒng)的轉動慣量減小，減小電機的負擔，采用精密齒輪齒條傳動滿足長行程的需要。 方案2，3：采用絲杠—絲杠螺母傳動，精度高，但是長絲杠制造成本極高，安裝上難度大，6m的滾珠絲杠需要定做，價格在8萬左右。 3.2.4 火焰槍升降結構分析 因為所謂的鋼坯火焰清理機是利用高溫火焰的氣割和熔除作用將鋼坯表面缺陷燒除的一道工序。所以火焰清理機的清理裝置可以仿火焰切割機進行設計，火焰清理槍安裝在割炬上。 考慮到成本、結構復雜程度、自動化等因素，火焰清理裝置的升降結構一般有以下手動和自動兩種方案： 方案1、采用手動升降割炬 圖3-8 手動升降割炬 1-托輥 2-橫梁 3-導軌 4-載體 5-橫向調節(jié)手輪 6-割炬 7-升降手輪 割炬的升降由手動實現(xiàn)，如圖3-8所示。開條裝置固定在橫梁的托架上，托架的數(shù)量視不同軌距而定。梁安裝在同一水平的托架平面上，梁上置有供數(shù)個載體橫向移動的導軌，載體數(shù)量可根據(jù)需求配置。每個載體上配有一把割炬，并設有橫向調節(jié)手輪，該手輪可調節(jié)載體的位置及載體間的距離，割炬的割嘴與鋼板的距離可通過升降手輪來調節(jié)。此種割炬升降結構具有結構簡單、制造成本低等優(yōu)點；但是操作麻煩，一般用于小軌距門式火焰清理機。 方案2、自動升降割炬 1-滑座 2-橫梁 3-橫向調節(jié)手輪 4-升降裝置 5-割炬 6-升降調節(jié)手輪 圖3-9 自動升降割炬 割炬的升降由自動實現(xiàn)，如圖3-9所示。橫梁導軌上配有數(shù)個滑座，其數(shù)量可根據(jù)用戶所需的割炬數(shù)而定。滑座平面上裝有電動升降裝置，割炬座固定在升降裝置的座上。每個滑座的位置可通過橫向調節(jié)手輪來設定；割炬座升降調節(jié)手輪，用于手動調節(jié)割炬的高度，割炬的自動化升降由電動升降裝置來實現(xiàn)。此種升降結構自動化程度高、操作方便。 2.5 火焰清理裝置總方案 由以上分析，確定本次設計清理裝置總體機械設計方案： 機架整體采用門式結構方案，由于要清理的鋼板長度最長為4m，所以橫梁跨度超過4000mm，采用雙邊驅動。橫梁采用箱型結構固定在兩端縱向立柱上，隨立柱在導軌上做縱向進給運動。其他裝置具體設計如下： a、 橫向驅動裝置 電機通過減速器驅動齒輪旋轉，齒輪和齒條配合傳動帶動滑塊移動，使整個伸臂帶動氣割炬和橫向氣割熔除，清理鋼坯表面缺陷。電動機通過變頻控制可調節(jié)橫向走行速度，即橫向清理速度 b、 縱向驅動裝置 位于機架頂部的電機經(jīng)減速器，齒輪鏈條傳動帶動縱向移動滑塊上下移動，使安裝在縱向移動滑塊上的伸臂上下移動。 c、 伸臂及割炬上下移動裝置 氣割炬安裝在伸臂頭部，伸臂頭部有驅動部分能夾持氣割炬 ，并通過齒輪齒條傳動，使氣割炬前后移動伸臂的后部裝有氣割炬左右移動用的電機經(jīng)減速機和齒輪齒條傳給伸臂頭部的氣割炬上下驅動的裝置，控制清理作業(yè)。 d、 氣割炬和點火槍 氣割炬通過預熱焦爐煤氣、預熱氧氣在割嘴處混合，形成混合氣體火焰，切割用的氧氣通過割嘴中心噴出進行氣割。管體及噴嘴均通過冷卻。為了能使氣割炬點火，還裝置了點火槍，點火槍裝在氣割炬的管體上，通入的焦爐煤氣在混合部吸入空氣，混合氣體從點火槍燒嘴噴出明火，可以點燃氣割炬火焰。示意圖如下： 圖3-10燒嘴 e、其他配件 此鋼坯火焰清理機采用數(shù)控自動控制機械作業(yè)，清理軌跡要具有三軸兩聯(lián)動數(shù)控插補，所以還需要配備數(shù)控控制操作盤、數(shù)控系統(tǒng)、電器操作盤，由于該鋼坯火焰清理機，是利用氧氣和焦爐煤氣的混合燃燒產(chǎn)生高溫火焰對鋼坯表面缺陷進行氣割和熔除達到清理鋼坯表面提高鋼坯質量的原理，所以還需要能源控制系統(tǒng)（壓力表、減壓閥、截止閥、電磁閥等），另外，由于有些部件處于高溫環(huán)境中，所以還需要設計水冷卻系統(tǒng)、管道等。 3.3 鋼坯的輸送裝置設計 輸送機已有很長的歷史，古埃及人在建造金字塔時，就已開始利用其“轉動”的原理，搬運石材。今天，輸送機被廣泛用于各個行業(yè)。如礦山、港口碼頭、自動化生產(chǎn)線等。 一般而言，輸送機是可以連續(xù)地搬運物品的搬運機械。輸送機可定義為：以上部構造作為支撐面，承載、移動所要搬運的貨物的機械。美國輸送機行業(yè)對輸送機的定義是：從一定或任意的裝載地到卸貨地，經(jīng)設定的路線，將散裝、包裝等搬運貨物，以水平、傾斜及垂直方式進行搬運的機械設備。 3.3.1. 輸送機的分類及種類 輸送機的種類很多，分類方法也各有不同，按構造、傳動方式區(qū)分有皮帶輸送機、鏈條輸送機、輥子輸送機、螺旋輸送機、振動輸送機、流體輸送機、氣墊式輸送機、升降電梯輸送機等。所以輸送機器的設計有多種方案。鋼鐵礦業(yè)部門常用的輸送機，采用輥子輸送機型號比較多。本次設計選用輥子輸送機。 輥子輸送機也稱滾筒輸送機。將穿過輥子中心線的軸的兩端。固定在左右兩側的支架上，數(shù)個以上被固定的滾子按一間隔排列就構成了輥子輸送機。 輥子輸送機按驅動方式分為：重力（驅動）輥道輸送機和動力（驅動）輥道輸送機兩大類 a. 重力輥子輸送機 重力輥子輸送機是利用自重連續(xù)搬運物品的機械。嚴格講輸送機在呈傾斜狀態(tài)時，是利用自重來搬送物品的，而在輸送機呈水平狀態(tài)時，就不是靠重力，而是要通過人力或其它外力來移動物品了。 重力輥子輸送機的優(yōu)點：不需要動力、構造簡單、維修費用低、價廉以及布局易變更等。 缺點：1、由于是在傾斜的輸送機上利用自重移動物品，輸送機越長，由于加速度的原因而造成移動速度越來越快。2、重物品的移動速度快，輕物品移動速度慢或不移動。當輕、重物品同時被搬運，而物品的重量相差較大時，會因移動速度的差異發(fā)生物品碰撞，造成物品損傷或脫離輥道。 b. 動力輥子輸送機 動力輥子輸送機是將電機輸出的動力，通過傳動裝置傳給輥子，帶動輥子旋轉而搬運物品的機械。 動力輥子的設計常用方案有以下幾種： 方案1：皮帶驅動輥子輸送機 由皮帶將電機的動力傳給輥子，帶動輥子旋轉而搬送貨物。根據(jù)使用皮帶的類型可分為：圓型皮帶，平皮帶和V型皮帶。 優(yōu)點：帶式輸送機運行可靠，輸送量大，輸送距離長，維護簡便 缺點：在特殊環(huán)境中工作的帶式輸送機，應采取耐熱、耐寒、防水、防腐、防爆、阻燃等防護措施。對于氣候的適應性差，易打滑和老化，必須有張緊裝置使輸送帶達到必要的張力，以免在驅動滾筒上打滑。皮帶容易跑偏及打滑，且不適合傳動大件、高溫的物件。 方案2:鏈條驅動輥子輸送機 由鏈條將電機的動力傳給輥子，帶動輥子回轉，通過輥子的回轉搬運貨運。鏈條驅動輥子輸送機動作原理不通又分為：連續(xù)鏈型和輥子對輥子型。連續(xù)鏈型，通過安裝在電機上的鏈輪帶動鏈條轉動，再通過焊接在輥子端部的鏈輪將鏈條的運動傳達給輥子，帶動輥子轉動，搬運貨運。 圖3-11連續(xù)型鏈條驅動輥子輸送機 優(yōu)點：適用于高溫、多塵、油、水及污染的環(huán)境，搬運重物及體積大的物品。 缺點：不適合長距離傳送重物，且對鏈條的張緊要求比較嚴格，往往需要單獨設置鏈輪鏈條的張緊裝置。 圖 3-12 輥子對輥子型 所有輥子兩兩相連形成聯(lián)動關系。例如，安裝于電機上的鏈輪順時針旋轉時，通過鏈條帶動輥子A、B的鏈輪同向回轉， B輥子和Ｃ輥子以鏈條在另一側相連，Ｂ輥子運動將帶動Ｃ輥子運動，以此類推，所有輥子將實現(xiàn)聯(lián)動。這種輸送機的優(yōu)點：適用于高溫、多塵、油、水及污染的環(huán)境，搬送較重的物品及需要頻繁停機或逆轉的場合。缺點：鏈輪與鏈條需要一定的張緊，需要設計張緊裝置，因為以鏈條作為牽引件，輸送速度不能過大，以防止增大動力載荷。鏈條驅動效率較低。長距離驅動，容易產(chǎn)生鏈條的脈動。 方案3：齒輪嚙合驅動 電動機經(jīng)減速器減速通過聯(lián)軸器帶動錐齒輪運動，然后經(jīng)過錐齒輪的嚙合帶動滾筒運動。結構示意圖如下圖： 圖 3-13 齒輪嚙合驅動輥子示意圖 通過齒輪傳動輥子輸送機的特點： 優(yōu)點：齒輪機構傳動具有傳遞功率范圍大、傳動效率高、傳動比準確、使用壽命長、工作可靠等優(yōu)點。 3.3.2 輸送裝置方案選取 由于本次輸送裝置的設計是用來輸送重量在8~24噸左右的鋼坯，需要傳遞的功率范圍大，傳動過程中，工作可靠。由于鋼坯是在高溫下進行的清理，清理后鋼坯還會保持著高溫，所以不適合帶式輸送機輸送。綜上分析，本次設計采用方案3，齒輪嚙合驅動式輥子輸送機結構。 圖3-14 輥子安裝三維結構示意圖 3.4 鋼屑自動排屑機構 排屑機構是將機床產(chǎn)生的切屑，自動輸送到指定位置的裝置。它可以用于單臺機床也可以用于多臺機床的共同排屑，也可以是各種不同方式組合的排屑。 3.4.1、 排屑機的分類： 目前國內對排屑機設計，常用的思路有：磁式、履帶鏈式、刮板式、螺旋式、大流量水沖涮和振動式幾種。 磁式，結構較復雜，排屑量較小，成本較高。履帶式，用于各類材質各種狀態(tài)的切屑。尤其適用團狀、卷狀得細長屑，排屑量較大，但是傳動部分與鐵屑不分離，易發(fā)生故障。螺旋式，結構簡單排屑量大，但是一般不能單獨使用，一般多用于偏離排屑中心線短距離輸送。大流量水沖刷，排屑量較大，維修方便，故障率低，使用壽命長，但是，其占地面積大，使用費用較高，造價較高。振動式，使用于各種材質，各種切屑，但是噪聲較大，對環(huán)境影響大。刮板式，適用于各種材質的斷屑，成本低。 3.4.2、 排屑機方案分析 本課題的鋼屑自動排屑機構采用刮板式思路。常見的排屑機安裝有以下兩種型式 方案1：挖槽型 圖3-15 挖槽型刮板清理結構 a、 排屑機理 在車間地面沿機床排列方向挖一長溝，根據(jù)機床位置設若干投進屑口；安裝刮屑刀片（刮板）的橫支架一端安裝液壓油缸，作為動力往復推拉排屑器。排屑器每往返，鋼屑就向前推進一段距離，經(jīng)數(shù)十次推動后，鋼屑即進入車間外面的集屑箱中，然后裝車運走。 b、 排屑器特點： 該排屑器由槽鋼、橫支架、刀片、油缸構成，置于排屑槽體的上部。 圖3-16 刮板結構 刮板和橫支架連接采用銷軸連接。當排屑器連接的液壓缸往右方向運動時，刮板由于受到防護罩底盤上的切屑的阻力而繞銷軸做順時針方向翻轉，此時支架上的a面與刮板上的b面逐漸遠離開來，刮板的b面不受支架的作用力，刮板可以自由地繞銷軸3做順時針旋轉而使下端抬起，從而將切屑留在原地，這樣也實現(xiàn)了，使切屑只能向機床前端運動。 此種結構優(yōu)點是結構簡單，但由于采用了液壓缸驅動，成本較高。而且清理下來的鐵屑具有高溫，易導致液壓缸爆炸等安全問題。 方案2：機架型 圖 3-17 機架式 該設備特點： 1、先通過漏斗狀的容器把廢屑收集起來然后通過由動力帶動的運動的刮板把收集到的廢屑排放到指定地點，此過程完全由設備自動完成，無需任何人力。 2、投產(chǎn)大大提高了排屑的能力和生產(chǎn)的自動化程度，更重要的是能夠提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和管理水平。 3、采用電動機經(jīng)減速器聯(lián)軸器。 結論與展望 本文設計的自動火焰清理機是用氧氣和符合要求的可燃氣體火焰廢噴射鋼坯表面去除氧化皮的設備。經(jīng)過幾個月的集體努力，獲得了一些成果和結論。我們求得了曲柄連桿翻版機構中各個桿件載荷和直徑的大小、曲柄翻轉過程角度的變化。輥道傳送得出了齒輪機構傳動具有傳遞功率范圍大、傳動效率高、傳動比準確、使用壽命長、工作可靠等優(yōu)點。清理機中得出刮板可以自由地繞銷軸做順時針旋轉而使下端抬起，從而將切屑留在原地，使得切屑只可以向排屑機前面排出。整體時間和空間上，各部分裝配到一起去的時候應該注意相互之間怎樣配合。 隨著我國制造業(yè)的發(fā)展，鋼坯的作用越來越大。需要加工鋼坯兩面的地方越來越多。鋼坯火焰清理機的出現(xiàn)使得工作效率提高幾個等級，出現(xiàn)的人身安全事故也成倍的減少。為了滿足生產(chǎn)需求我們小組做此設計來解決清理氧化皮問題，這是為了生產(chǎn)力的提高，為了解決實際問題才結的此題目。鋼坯火焰清理的需求再將來的鋼坯運用中有很大的好處。在不久的將來，此設計所說的方案定會在實習生產(chǎn)中大量的運用。 參考文獻 [1]王勇勤.雙臂曲柄搖桿式翻板機機構設計及改進.鞍鋼技術.94年第6期 [2]詹庭文.大型火焰切割機的開發(fā)與設計.上海冶金設計.93年 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SiC/（W,Ti)C疊層結構的陶瓷噴嘴通過熱壓成形，熱壓是為了減少噴嘴進出口區(qū)域的拉應力。在合成物的燒結過程中由于SiC和(W,Ti)C固溶體的熱量膨脹系數(shù)和收縮率不同將導致殘余應力產(chǎn)生，通過有限元方法可以分析該殘余應力。疊層陶瓷噴嘴的沖蝕磨損是由沙粒的沖擊產(chǎn)生，這個實驗結果和一個在相同條件下不受壓應力的參考噴嘴實驗結果相比較而得。這個實驗的結論已經(jīng)表明疊層陶瓷噴嘴比相類似的自由應力噴嘴有更高的抵抗沖蝕磨損性能。 1.引言 噴沙處理是一個研磨的加工程序并且廣泛地作為表面的加強[1],表面的修正[2]表面的清理和除銹,等等。它適用于硬且脆的材料, 易延展的金屬，合金和非金屬的材處理。在沙噴的過程中，從噴嘴里出來的高速噴射的精細研磨微粒和載流氣體撞擊目標對象的表面來沖蝕該表面。精細微粒通常由高于幾倍大氣壓的氣流來加速。粒子直接對表面進行處理。當粒子沖擊表面時, 粒子引起一個小的破碎，氣流會將研磨粒子和已破碎的粒子帶離去。噴嘴是噴沙設備中最緊要關頭的部份。有許多因素影響力噴嘴的磨損如：流量率和沖擊角度，沖蝕研磨劑性能，噴嘴的材料和它的幾何形狀，溫度。有高耐磨性的陶瓷有很大的潛力做為沙噴的噴嘴材料。 一些研究已經(jīng)顯示陶瓷噴嘴的進口區(qū)域展現(xiàn)了一個感應去除程序的脆性破碎而中央的區(qū)域顯示出材料切除模態(tài)的耕犁類型。在沙噴中當沖蝕的微粒以高的角度 ( 將近 90 °) 沖撞噴嘴進口區(qū)段 (見到圖1) ，噴嘴進口區(qū)域遭受形嚴重的研磨沖擊, 這可能引起大的張應力。最高的張應力位于噴嘴的進口區(qū)域。因此，噴嘴進口區(qū)域的沖蝕磨損相對于中心區(qū)域的磨損來說，總是嚴重的。 圖1 沙噴過程中沖蝕粒子與噴嘴間的作用示意圖 由不同材料的交替層構成的疊層混合結構能適當?shù)乇辉O計, 促使對一個表面產(chǎn)生壓縮殘余應力，從而提高了表面的機械性能和耐磨性。殘余應力增大主要是在于熱膨脹系數(shù) (CTE) ，燒結率，相階段和相鄰層的彈性模量之間的搭配, 并且殘余應力區(qū)域決定于分層的結構幾何形狀和層之間的厚度比率。 Toschi 等人報告疊層混合結構能改善氧化鋁的滑動耐磨性。Portu 等人表明表面區(qū)域受壓縮殘余應力的疊層結構組成而得的混合物材料能具備更好的磨擦性能。鄧教授等人證實傾斜的陶瓷噴嘴能展現(xiàn)出比一般位置的陶瓷噴嘴更高的耐磨性。 目前的研究中, SiC/(W,Ti)C 疊層結構的陶瓷噴嘴為了要在噴嘴的進出口區(qū)域減少張應力 , 靠熱壓的方式生產(chǎn)。在燒結過程式中疊層噴嘴的殘余應力由有限元方法計算而得。疊層陶瓷噴嘴沖蝕磨損對照于相同的條件下一個不受應力的叁考噴嘴而被考查。 2．材料和實驗步驟 2.1. 準備疊層陶瓷噴嘴材料SiC /(W,Ti)C 開始的材料是(W,Ti)C固溶體粉末，平均顆粒大約為0.8μm，純度為 99.9% 。SiC粉末的平均顆粒大約為1μm，純度為 99.8%。六種不同含量的 (W,Ti) C(55,57,59,61,63,65 vol.%)被選擇去設計六層結構SiC /(W,Ti)C疊層噴嘴材料。疊層陶瓷噴嘴材料的成分分配在圖 2 被顯示。它指出疊層噴嘴材料的成分分配在噴嘴軸的方向中改變。如SiC的熱導率比 (W,Ti) C 的更高, 當它的熱膨脹系數(shù)比 (W,Ti) C 的更低時候, SiC的最高含量的層被提出在進入層和出口層中兩地方 ( 見圖 2.1 a) 。相似的無應力的噴嘴沒有成分變化在圖中 2(b) 被顯示。疊層陶瓷噴嘴在進入和出口兩區(qū)域叫做 GN-3, 無壓應力噴嘴叫做 CN-2 。 圖2.1a為陶瓷噴嘴在進口和出口區(qū)域（ GN-3 ）輾壓的照抄原文/ （ W ， Ti ） C 成 分分配示意圖； b 為相似的無應力噴嘴（ CN-2 ） SiC/(W,Ti) C 以六種不同混合比合成的粉末被分別地在酒精中和接合的碳化物球體研磨 80 個小時而成濕球來作準備。在弄干之后，和不同的混合比的混合物粉末依次被疊壓進入模子之內。這時樣品在流動的氮氣中以 30 MPa 壓力 ,1900 ℃溫度熱壓 40 分鐘。 2.2.噴沙測試 如圖2.2.1所示，空氣噴射研磨機床 ( GS-6 類型) 的示意圖，它由一個空氣壓縮機，一只噴射槍，一個控制閥，粒子供應管，一個過濾器，一個干燥器，一個調壓閥，灰塵捕捉器，一個研磨漏斗 , 和一個噴嘴。氣流流程率被被壓縮的空氣控制，而且研磨粒子的速度經(jīng)過噴嘴被調整為 60 米/ 秒。 圖2.2.1 空氣噴射研磨機床的示意圖（（ 1 ）空氣壓縮機，（ 2 ）控制閥，（ 3 ）過 濾器，（ 4 ）干燥器，（ 5 ）調壓閥，（ 6 ）吸塵器，（ 7 ）噴槍）（ 8 ）研磨漏斗，（ 9 ）陶瓷噴嘴）。 被用于這一項研究的沖蝕研磨劑是 50–150μm谷粒大小碳化硅粉末。作為干沙噴射的SiC粉末的SEM顯微圖在圖4中所示。 圖2.2.2 沙噴中被用的SiC研磨劑的SEM顯微圖 內直徑 8 毫米和長度 30 毫米的噴嘴由SiC /(W,Ti) C 的疊壓結構 (GN-3) 制造而成，無壓應力結構 (CN-2) 被熱壓制造而成，如圖2.2.3所示。 圖2.2.3 GN-3 疊層陶瓷噴嘴的照片 磨損的噴嘴損失量被一個精確的電子稱測量。 ( 最小量 0.1 毫克) 。 所有的測試情況在表一中被列出。噴嘴的沖蝕率 (W) 被定義為噴嘴損失量除以噴嘴密度 d和沖蝕研磨粒子的乘積: W的單位為 。 有限元方法 (FEM) 被做為一種數(shù)字地分析在制造過程中疊層陶瓷噴嘴的殘余應力和它的分布狀態(tài)的方法。為微小損害的觀察和沖蝕機制的檢測, 磨損的噴嘴被軸向地分為區(qū)段。噴嘴的被侵蝕的孔表面由掃描電子顯微鏡檢查。 3．結果和討論 3.1 疊層噴嘴材料的顯微結構特征和性能 硬度測量在 GN-3 疊層噴嘴材料的橫截面面的每層上放著維氏壓痕處操縱。壓痕負荷是 200 N ，這時每層的三個壓痕的最小量被測試。每層的維氏硬度 (GPa)靠（P是壓痕負荷（N），2是壓痕對線的長度）計算所得。每層 GN-3 疊層噴嘴材料的硬度被列出在表二中。 GN-3 疊層陶瓷的噴嘴材料磨光的每層SEM顯微圖如圖3.1所示。黑色的區(qū)域被 EDX 分析鑒別為SiC, 和鮮明的對比白色的區(qū)域是(W,Ti)C?？梢员豢吹剑琒iC粒子非常勻均地在顯微結構中普遍分布, 多孔性事實上是不存在的。 圖3.1 GN-3 疊層陶瓷的噴嘴材料磨光的每層SEM顯微圖（a）第一層（進口區(qū)域），（b）第二層，（c）第三層，（d）第四層，（e）第五層，（f）第六層 3.2 疊層噴嘴的殘余應力 制造過程中的疊層陶瓷噴嘴的殘余應力被假設箱子從燒結溫度1900℃冷卻到室溫 20℃經(jīng)由有限元方法計算。（W，Ti）C和SiC的熱機械性能依下列各項所得: 由于對稱，軸對稱的計算被推薦。假定它是穩(wěn)定狀態(tài)邊界條件，在GN-3疊層噴嘴中從燒結溫度冷卻到窒溫過程中軸向的，徑向的。很明顯，一個額外的壓縮殘余應力在GN-3疊層噴嘴進口與出口區(qū)域處被形成。 圖3.2 GN-3疊層噴嘴在制造過程中的(a)軸向的()，(b)徑向的()，(c)圓周向的()殘余應力沿噴嘴軸向不同位置的分布 3.3 疊層噴嘴的沖蝕磨損 GN-3 疊層陶瓷噴嘴的沖蝕磨損靠在沙噴時和 CN-2 無應力陶瓷噴嘴對比來被評定。圖3.2顯示GN-3和CN-2噴嘴在沙噴過程中累積的損失量。很明顯累積的損失量隨著操作時間不斷地增加。在相同實驗條件下，與 GN-3 疊層噴嘴比較,CN-2 無壓應力噴嘴有更高的累積損失量。 圖3.3 a GN-3 噴嘴和 CN-2 無壓應力噴嘴在沙噴過程中累積的損失量 磨損的陶瓷噴嘴在操作之后在縱向的方向被切斷，出現(xiàn)分析失敗。圖3.3 a所示為操作 540分鐘后的GN-3 和 CN-2 噴嘴的內部孔的輪廓相片。它被表明沿著噴嘴縱向的方向磨損的 CN-2 噴嘴的內部孔的直徑是比磨損的 GN-3 疊層噴嘴更大, 尤其在噴嘴進口區(qū)域。 圖3.3 b 操作540分鐘后的GN-3和CN-2噴嘴的內部孔的輪廓相片 GN-3 和 CN-2噴嘴進口孔直徑隨著沖蝕時間而變化的結果如圖3.3 b所示。它被指出CN-2無壓應力噴嘴進口孔的直徑隨操作運行時間而擴大得很快。然而GN-3 疊層噴嘴進口孔直徑慢慢地隨操作運行時間增大。圖3.3 d表示沙噴過程中GN-3 和 CN-2 噴嘴的沖蝕率對比。顯而可見，無壓應力噴嘴的沖蝕率比疊層噴嘴的沖蝕率更高。因此，很顯然在相同測試條件下 GN-3 疊層噴嘴比起GN-2 無壓應力噴嘴展現(xiàn)了較高的沖蝕耐磨性。 圖3.3 c GN-3 和 CN-2噴嘴進口孔直徑隨著沖蝕時間而變化 圖3.3 d 沙噴過程中GN-3 和 CN-2 噴嘴的沖蝕率對比 圖3.3 e 表明受磨損的 CN-2 無壓應力噴嘴的進口孔的表面 SEM 顯微像。從這些 SEM 顯微像, 噴嘴的不同形態(tài)學和破碎模態(tài)能被清楚地看見。CN-2 無壓應力噴嘴在進口區(qū)域處以非常脆的方式中失敗, 而且展現(xiàn)了一個促使去除處理的脆性破碎。位于噴嘴孔表面上有許多明顯的凹坑，該表面表示脆性破碎發(fā)生的表面。呈現(xiàn)在GN-3 疊層陶瓷噴嘴被侵蝕的進口孔表面的典型SEM圖 如圖3.3 f所示。顯而可見，疊層噴嘴受侵蝕的區(qū)域的出現(xiàn)表示與無壓應力噴嘴受侵蝕的區(qū)域相比，它有一個相對平滑的表面。 圖3.3 e受磨損的CN-2無壓應力噴嘴的進口孔的表面 SEM 顯微像 圖3.3 f 受磨損的GN-3疊層陶瓷噴嘴的進口孔表面的SEM圖 因沖蝕磨損而失敗的陶瓷噴嘴通常由在噴嘴進口區(qū)域受大的張應力的破碎所引起的 [11-15]。因為噴嘴進口區(qū)域遭受嚴重的研磨沖擊, 而且產(chǎn)生大的張應力,這可能引起表面下的側部裂縫而且促進了材料碎片的去除.因此，噴嘴在進口區(qū)域處的沖蝕磨損依賴于壓應力的分布。一旦最大的張應力超過噴嘴材料的極限強度，將會發(fā)生破碎。 在進口區(qū)域和出口區(qū)域根據(jù)壓縮殘余應力的形成而分析， GN-3 疊層噴嘴比 CN-2 無壓應力噴嘴具有較高的沖蝕耐磨性。當計算以上數(shù)據(jù)之時,在從燒結溫度到室溫的制造過程中，GN-3 疊層噴嘴的進口區(qū)域和出口區(qū)域處將形成受壓的殘余應力，它可能會部份地與產(chǎn)生外部負載的噴嘴的進出區(qū)段處的的張應力相抵消。這影響可能導致增加對破碎的抵制, 因此增加了疊層噴嘴的沖蝕耐磨性。 4．結論 SiC/(W,Ti)C疊層陶瓷噴嘴通過熱壓而制造。目的是在沙噴過程間減少噴嘴在進口和出口的區(qū)域的張應力。特別注意的是疊層陶瓷噴嘴的沖蝕磨損。結果表示了相對于類似的無壓應力陶瓷噴嘴，疊層陶瓷噴嘴有上好的沖蝕耐磨性。可靠的機制被解釋作為在制造過程中疊層陶瓷噴嘴進口和出口兩區(qū)域壓縮殘余應力的形成，它可能會部份地與產(chǎn)生外部負載的張應力相抵消。疊層結構在陶瓷噴嘴中是一種有效的改善無壓應力陶瓷噴嘴的沖蝕耐磨性的方法。 鳴謝 該研究受到了“中國 (50475133) 的國家自然科學基金”“高等教育 (20030422105) 的博士計劃專門研究基金”，“山東省 (Y2004F08) 自然科學基金”和“大學（NCET-04-0622）新世紀杰出人才計劃”的大力支持。 參考文獻 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