机械工程系机电液控制20kg锭连续铸造机自动脱模装置毕业设计方案.doc

摘要 介绍一种20kg锭连续铸造机自动脱模装置的结构及其气动控制系统。该系统同步精度高，性能稳定，工作可靠易于调节，满足了高效率、自动化生产需要。 Abstract The structure of an automatic ajection equipment of 20kg aluminum ingot casting machine and its pneumatic control system are introduced in this paper。This pneumatic control system has higher synchronous precision , stable performance , dependable movement and easier adjustment , it ments demands of hight efficiency and automation productivity . 绪论一 本说明书的研究对象 该说明书研究了20kg铝锭连续脱模装置.现在国内大型铝业制造厂都多采用铸造的方式生产.在铝锭的生产过程中,大多采用脱模剂将铝锭和铝模分开.可这样生产出来的铝锭其表面附着一层铝脱模剂,这样会影响铝的纯度,从而使其铝锭的价钱受到影响.我们对此做了一些研究,并推出了该敲击式脱模装置.图1 脱模机构示意图该脱模装置由两套相同的脱模机构和控制系统组成.脱模机构由铝锭处于最佳脱模位置时+优化设计的四杆机构.缓冲装置及击锤(特殊处理以减少锤头对铝锭模的钢性冲击)组成.又耐热气缸(由于在铸造铝锭时其环境温度高)驱动,如图1所示.其工作原理:正常生产中,铸造机牵引链轮轴端的小链轮带动铝锭模绕支架体旋转时,连结杆牵引链轮轴端的小链轮经链带动电气控制盒中的小凸轮转动,压下按钮行程开关(每一个铝锭模旋转到预定锤击位置,都确保按钮开关闭合一次,且闭合时间的长短可调),按钮开关控制单电控二位五通电磁阀使气动系统工作.耐热型气缸推动推沫 机构使击锤获得一定的冲击能,在预定位置击打铝锭模,从而使铝锭从脱模中脱落.从以上的分析可见,该机构有以下三大优点:(1) 气缸同步精度高,脱模效果好.(2) 脱模冲击能可调,能够满足系列产品需要,调节气动控制系统,可能得到不同的脱 模冲击能.(3) 系统简单,安全可靠我们选择了单控制式二位五通电磁换向阀进行控制,即使突然断电,脱模机构也能够自动回到原始位置(电气部分控制)防止击锤和转动的铝锭模干涉,产生故障,影响生产.二.本说明书的内容,作用和任务 1本说明书的内容.(1) 通过对现代铝业的生产了解,我门研究了本文的脱模装置,运用运动学、动力学和静力学的基础理论、分析方法和应用技能对此机构进行结构分析、运动分析及设计和校核. (2) 对该机构和机械部分研究过后,在地其控制部分通过所学的知识做一概序(3) 通过运动仿真和实际的实验证明该机构的可行性.(4) 各种相关的手册,技术资料的应用. 2本说明书的作用和任务实现四个现代化的重要基础之一是设备现代化,当前机械产品和设备正向高性能、多功能、高效率、高质量方向发展,并竭力采用系统集成化、智能化等高新技术.应用革新，改造机械设备在工业发展中其有重要意义.本说明书的内容是研究了脱模机构的运动和工作性能、控制过程等等,充分解释了该机构的作用和工作方式.三.设计方法的简介 1优化设计 优化设计是将最优化的数字理论(主要是数字规划理论)应用与设计领域而形成的一种设计方法,将设计问题的物理模型转化为数字模型,再选用适当的优化方法并借助计算机求解数字模型,求得最佳的设计方案.我们该机构就是采用了优化设计. 2可靠性设计 可靠性设计是将概率论、数理统计、失效物理和机械学相结合而形成的一种设计方法.将传统设计方法市委单值而实际上具有多值性的设计变量(如载荷,应用,强度,寿命等).看承服从某种分布规律的随机变量,用概率统计方法设计出符合机械产品可靠指标要求的零部件和整个机构的主要参数和机构尺寸. 3动态设计 机械动态设计是是根据机械产品提出的动态,性能要求与设计准则,按动力学进行计算,优化与实验,并反复进行的一中设计方法,把机械产品看承是一个内部情况不名的黑箱,通过外部观察,根据其功能对黑箱与周围不同的信息联系进行分析,求出脱模机构的动态参数,然后进一步寻求他们的机理和结构,关键是建立对象的动态数字模型,并求解数字模型,设计方法可使此机构的动态性能在设计时就得到预测和优化. 4有限元分析 这是一种随着计算机的发展而迅速发展起来的现代设计方法,其基本思想是把连续的介质看作是由在有限个接点处联接起来的有限个小块所组成,然后对每个元素通过取顶的插值函数,将其内每一点的位移和应力用元素节点的位移来表示,在根据介质整体的协调关系建立包括所有节点的这些未知量联立方程组,最后用计算机求解,以获得所需答案. 5计算机辅助设计(CAD) 利用计算机运算快速准确,存储量大,逻辑判断功能强等特点进行设计信息处理,并通过人机交互作用完成设计工作的一种设计方法,CAD能充分应用其他各种先进的现代设计方法.CAD系统的日益完善与高度自动化,使设计工作不断得到完善与简化，CAD与计算机辅助制造(CAM)可结合成 系统,他们可与计算机辅助检测(CAT).计算机管理自动化结合成计算机集成制造系统（CAD/CAM）.综合进行市场预测/产品设计,生产计划/制造和销售等一系列工作,实现人力、物力/时间等各种资源的有效利用. 现代设计方法还有很多，如模糊优化设计、模块化设计、价值分析等等.随着科学技术的发展将广泛地代替传统设计方法.第一篇 机构的可行性1.1铝业生产的过程 国内各个铝厂大多采用15kg和20kg铝锭铸造机,/铝锭连续铸造机是我过疙瘩电解铝厂普遍采用的关键产品设备,能够实现铝锭的铸造成型,冷却,堆垛,自动打包的额一体化作业. 铝锭铸造就是将电解所获得的液态铝浇铸到铝锭铸造机,由台包将液铝浇入铸造机的铸模,冷却成型后通过一定的手段取出铝锭.这一过程的总工艺路线为:出铝扒渣检介配料装炉精练浇铸重溶用铝锭成品检查成品检介入库.而在浇铸这个环节中必须掌握铝锭凝固、冷却、成型过程中的要求,找出浇铸时铝液适合的温度、浇铸时间的要求、凝固时的冷却方法、成型质量保证和铝锭脱模方式. 而 20kg铝锭的铸造速度是有限的.目前国内的铸造机速度约为4.512t/h.其主要的原因是:1）工人劳动强度大,定员多,劳动生产率低.2）生产工艺流程长,占地面积大.3）最重要的一条是:在铸造过程中,由于工人捻用脱默剂,使铝锭的质量,纯度下降,这也是我们此次研究的内容.1.2 脱模技术的发展在现代话的铝加工企业,铸造成型成了大多数厂家的生产设备,可铸造脱模技术成了一大难题,大家都在想方设法的提高脱模技术,从而提高生产率.从铝业的生产出现以后,人们都在不断的寻求先进的脱模技术.人民以城市劳动创家业为人.在传统的铝业生产中,人们为了使铝锭和铝锭铸造模在铸造过程中容易分开,节省生产时间,从而先后研究了许多脱模剂,然后人工再将这些脱模剂涂于铸模内,使其铸造过程中铝锭和铸模分开.但本身在熔融铝液中就掺杂了许多杂质元素,在加入脱模剂更加影响了铝锭的质量和售价.对此加拿大在生产20kg铝锭铸机时研究了铝锭脱模技术,但这种脱模技术对铝锭铸模的要求很高,并由于铝锭孔要设置于铸模底部,铸模受热后容易在孔的周边形成开裂,从而缩短了铸模的使用寿命.因此没有得到众多厂家的应用.还提出了一种振动脱模方式的脱模技术.但它仅仅在小块铝锭连续铸造机上获得了成功的应用,但这对大铝块难以实现. 在前不久在大扁铝锭铸造机改造设计设想中,有人提出了一种真空脱模技术.其脱模装置工作原理图如图11.总控制要求方案如图12.图11 真空式脱模装置工作原理图其原理是在完全凝固铝锭的转盘位置设置一真空脱模机在铝锭，在铝锭上表面通过真空吸附盘进行真空抽空 使铝锭上表面形成负压，当负压产生的吸附力大于铝锭重量一定值时，通过液压缸拉动吸盘及铝锭上升，上升到足够距离时停止，脱模机构机架在回转底座上转过一定角度和堆垛机位置对应，液架压机构机架转盘转动复位。等待进行下一块铝锭脱模，这种脱模机构使用于圆盘式的铸造业。图1-2 真空式脱模装置总控制方案图13击锤式脱模装置的可行性 通过社会的进步，科学技术的发展，人们在铝业生产脱模技术得到了一定的提高。可是理论总是理论，将理论应用于实际当中，又出现了许多的问题。 加拿大的铝锭脱模技术，作用了铝锭模的底部，由于这种温度高，铸模受热，再加上用力去顶模底，这样在孔的周边形成开裂，而缩小铸模的使用寿命，而对于真空式脱模技术，在理论上很周密，但是在生产过程中，需要先进的生产设备。首先要抽真空，需要一定的先进设备。其次要和铝锭的上表面形成封闭腔，而铝锭是铸造成型的 ，在铸造过程中难免有一定的振动和不平，而每一个铝锭的上表面又不一定平整一样，谈何容易作到封闭腔抽得真空。还有像这样的脱模机构，结构复杂，占用空间大，这样反而成本高。对此，我们在设计脱模机构时提出以下几点，作为设计的目标和要求： 结构和控制要合理，简单，运行方便。 在生产过程中便于运用，精度高，效果好。 此机构要能进行调节，以满足生产需要。 与原来的铸造系统相不干涉，防止影响生产。 能够实现手动和自动控制。各组成部件的材料应选择合理，以降低成本。布置方式和位置要合理，减少占地面积。现代化，要环保。根据以下的设计要求，我们对影响脱模的因素进行了多方面的分析，在原有的基础上提出了多项改进措施，提出了两种新型脱模方案，提高了脱模的可靠性。方案一：五星轮控制的锤击式脱模机构，其结构示意图如图13.改善了脱模机构使其结构简单，运行方便，生产过程中便于应运。但是我们后面发现这种脱模装置效果不好，容易产生机械故障，很难是铝锭在预定位置脱落，不能自动送入冷却链冷却。通过堆垛机打包入库，影响生产的正常进行。为此，我们根据某铝厂技术改造要求，结合现有设备的状况设计了方案二。图13五星轮式锤击式脱模机构方案二:四连杆的锤击式脱模机构，其结构示意图如图14.根据该厂的尺寸测量，我们采用了两套结构相同的平面四连杆的锤击脱模机构。选择平面四连杆机构的原因有四点：机构中各构件之间以面接触，单位面积所受的压力较小，又易于润滑，摩擦及磨损小。制造也比较简单，能够获得较高的精度。其本身就几何封闭，不需要锁紧弹簧，所以结构简单。能够实现多种运动形式的转换，以满足生产中不同的运动要求。而我们之所以选择两套相同的结构是因为铝锭模子本身的尺寸就打，如果只使用一个击锤脱模装置时就有两种情况。1）若使击锤脱模装置在击打时用力过小，铝锭不能从铸模脱落；2）若使击锤脱模装置在击打时用力过大，铸模的寿命会受到影响，因此，经过考虑我们决定选用两套相同的装置同时装在不同的位置，用适当的力击打铸模。但就在我们的理论想法通过时，在实际运用中又出现了问题。“同时击打”只是理论，在实际中很难实现。经过反复的验证，这一缺点到成了我们设计中的一大优点。因为两套装置在实际中不能同时击打铸模，这样铸模上的受力得到了分散，更为重要的时在两套装置鲜红打击时，更容易使铝锭脱落，这样更有利于生产过程。图14四连杆击锤式脱模机构经过上面两种方案的研究和分析，我们最后认为方案二更有利于铝业生产，而且精度高、性能稳定、安全可靠，操作也简单，能够实现自动工作的气动控制脱模机构，以满足系列产品高效率、自动化生产需要。第二篇 机械部分 要保证四连杆的击锤式脱模机构的机械比分正常工作，首先必须保证组成他们的每以构件能正常的工作，在设计好每一个构件的材料和尺寸的同时，还必须使各构件在承受一定在和的情况下能够满足以下三方面的要求：足够的强度；足够的刚度；足够的稳定性。 其次必须保证按一定的运动轨迹和一定的敲击力与铸模接触，使其铝锭脱落。 第一章 四连杆击锤式脱模机构设 根据某铝厂的铸造机的外形尺寸和安装位置，我们对其脱模机构的材料和尺寸爷爷 进行了统一的设计，以保证生产过程的正常运行。11四连杆的材料设计 我们对脱模机构做了运动分析，通过分析知，在此机构中并不需要机构承受多大的应力，故任何材料机构的刚度都以保证。那机构的材料选择就得看机构强度和稳定性的足够与否。而该机构在击打时受到一定大小的集中应力，这是选择此机构材料的一大重要因素，并根据材料力学性能选择。 材料的力学性能又称机械性能，式指材料在外力作用下其强度和变形方面所表现的性能。它是杆件强度计算和选用材料的重要依据。 从静载荷的作用下看，塑性材料和脆性材料集中应力的敏感程度并不相同。塑性材料由于又屈服阶段，在局部最大力达到了屈服点时，这时不再增加，只在局部产生塑性变形。当外力继续增大时，增加的外力由未达到屈服点的材料来承担。使截面上的塑性区域逐步扩大，使力分布均匀。当整个截面上各点的力均达到屈服点时，构件才丧失工作能力。所以用塑性材料制成的构件，在静载荷作用下，其强度问题使可以不考虑集中应力的影响。对于组织均匀的脆性材料，因没有屈服点，当最大集中应力max达到材料的抗拉压强度时，将引起局部的断裂，从而使截面更为削弱，其结果是极短的时间内造成断裂破坏。故在考虑强度时，必须考虑集中应力的影响。但对于组织均匀的铸铁，内部处处有应力集中，因而外力引起的构件外形变化可忽略不计。 对动载作用下的构件，无论是塑性材料还是脆性材料都会受到集中力的影响。 下面是几种常用材料的力学性能。见表11 表11.几种常见材料的力学性能材料名称或牌号屈服点s/MPa抗拉强度/MPa伸长率（）断面收缩率（Q235A216235373461252735钢2163144325301520284545钢26535353059813163040403437855889818193045QT60024125882HT150拉98275压637弯206461 又因为现场铸造的温度很高，因为所选择的材料必须时耐高温材料。因此，综合以上的叙述，我们选择连杆的材料为抗拉强度b=440MPa。屈服点s=240MPa。弯曲疲劳极限-1=200MPa。扭剪疲劳极限-1=110。等效系数b=0.15 c=0.15. 则材料已选定，这样对应的强度理论也锭为第三，第四理论。12四连杆的结构尺寸设计 杆的结构尺寸取决于它所受的载荷的大小和铸造机的空间大小。由于设计初期杆的长度和跨距及支座反力等都未确定，无法求出杆所受的载荷，此时只能用类比法依据抗拉压杆的强度计算，初步估计杆的截面尺寸和长度。 我们首先做出了最长杆（敲击杆）的结构形状。如图14。并对其受力分析得：此杆受到其他两杆对它的支撑力和在敲击时的敲击力。 如图14最长杆的结构图 图1-4最长杆的受力分析图 因此，为了确保拉压杆安全正常工作，必须使杆内的最大工作应力不超过材料的拉伸或压缩许用应力。即max= 式中Nmax和A分别为危险截面的轴力与其横截面积。则 A 对于图1-4的分析，P点为最危险截面，则 Nmax=F=F 而对材料的拉压许用应力为：=440MPa =0.016F 根据铸造机的脱模实验，我们所要的敲击力范围在100500KN之间，因此我们以最大的力计算得:A 则设计为h=20mm b为40mm. 又因为最长杆的长度必须满足从最高位置到最底位置中间必须敲击上铸造模底面，而铸造机的轴心到脱模装置的中心距是固定的。因此，我们通常测量和实验L1=595mm 其次我们对其它两杆也进行了设计，根据铸造机轴心到脱模装置的中心距可以设计出其它两杆长度为L2=2L3=281mm（测量的）其结构图如图1-5 图1-5 L2,L3杆的结构图1-3整个四杆机构的结构设计 整个机构的设计我们选择了解析法。因为解析法较为明了、准确，其设计思路部外乎导出机构的各有关尺寸参数和运动参数之间的关系式，从而求得未知尺寸参数。 如图1-7所示的铰链四杆机构 图1-7铰链四杆机构 由于四杆机构的运动取决与机构各杆的长度，又因当各构建长度按同一比例增加上，各构建之间的运动关系并不改变。可确定各杆的相对长度即：先设各杆的长度为a、b、c、d。并取AB=a则 由此可得各构件在X和X轴的投影关系式： 将各杆的相对长度代入中并移项得： 将上式两边平方后相加以消去与设计无关的角，经整理得： 简化上式令p1=n p2=- 则上式写成： 上式即为所设的四杆机构各构件长度尺寸与两连架杆运动关系之间的方程式，式中共用P1,P2,P3,五个未知量，通过四杆机构在所处的不同位置我已列出了以下方程：由此可以解得p1,p2,p3，再计算出最小传动角和最大传动角做以比较，最终证明该机构在生产中可以正常应用，结构合理。14本章小结 我们先根据铸造机的运动轨迹和外形设计出了四连杆机构的初步尺寸，并对其材料进行了选择，由于四杆中唯有最长杆受到了敲击力的作用，这样在设计最长杆时我们依据了杆的抗拉压强度不能超过材料的许用抗拉压强度。 在对四杆机构的整体做了设计，我们看重的式四杆机构在运动时角度的变化是否对传动有影响，是否出现卡死的现象，以证明机构在生产过程中能够正常的工作。 第二章 脱模机构的运动分析 本章主要研究唾沫机构四连杆空间位置岁之间变化的规律，即仅从几何的观点研究杆的运动规律，而不涉及运动变化的原因。包括杆上某一点的轨迹、速度、加速度，杆的角速度和角加速度，以及相互间的关系等。21 脱模机构运动分析的内容、目的和方法。 我们此次所分析的对象如图21脱模机构。根据其各杆的尺寸和已知杆的运动规律，分析确定其他可动杆上某点的轨迹、位移、速度、和加速度，以及这些杆的位置、角位移、角速度和角加速度，通过对脱模机构运动分析了解和掌握机构的运动和动力学性质并判断个杆间有无干涉，校核所设计的机构是否达到预期的设计要求。 如图21脱模机构示意图22脱模机构的运动过程说明 在正常生产中，铸造机牵引链轮带动铝锭模绕支架相同旋转，在连结于牵引链轮的轴端，小链轮经链条链接处设置一个小凸轮，使凸轮转动按下行程开关，这样在通过控制行程开关来控制脱模机构的气压部分。通过某种方式给气缸一种向前推的气体，这样推杆在一定的推力下就可以推动四链杆动作，以下面两杆支撑推动最长杆，以弯头处一个力去敲击铸模的底部，然后通过气缸再给一个吸气过程，使气缸左腔为拉力拉动气缸杆，促使四杆机构退回，就这样做反复过程。 而我通过指导铸造机链轮的轴心到脱模装置的中心距，以敲击点处的杆长度和角度唯已知条件，反推出四杆机构的初始位置23用解析法分析机构的速度和加速度 根据上节脱模机构运动过程分析我们得知最长杆现为原动件，已知铸造模链轮轴心到脱模装置的中心距和他们之间的夹角关系。反推出脱模装置的初始位置和初始速度、角速度等等，并求出敲击锤的运动轨迹。 为了使脱模装置的运动更为精确我们运用了两种解析方法，并对这两种方法做出了比较，以满足实际目的。解析法一：用矢量投影法建立位置方程和求解速度、加速度。 图2-2如图22所示为脱模装置四杆机构已知杆长AB=L1=117.08,BC=L2=281,CD=L3=201.38CP=L=595,AD=L4=281,原动件以最长杆CP以角速度转动，则求杆BC和AD的角位移、角速度和角加速度。1.建立矢量方程和投影方程，求求角位移。 先选取直角坐标系Oxy,Ox与机架重合如图22所示.将各构件长度以矢量形式表示，各矢量形成一封闭的矢量多边形，得矢量方程。 L2+L3=L1+L4 (21) 各矢量对横坐标轴的角位移分别为它们的方向取逆时针为正，反之为负。将式（21）中各矢量分别向Ox轴和Oy轴投影，得投影的方程。 （22） 为了确定角位移将上式改成 （a） 令上式的 。并将（a）两边各自平方后相加 ，消去再整理后可得： 即令 则上式变为： (b)运用三角公式：代入式（b）得关于的一元二次方程式，由此解得： (2-3)由于此时的为逆时针角，则式中根号前取“+”号则同理：将式（a）中的消去。即可求得的计算式： （2-4）代入数字给式（2-3）和式（2-4）可知：因为只要我们算出后，便可求得和Ft=N0.2s=1.3Ns铸造的铝锭质量为20kg,又因为铸造速度为190210mm/min而铸造的质量直接影响铸造的速度： 即：=1.3N10=13因此 A= B= C= = =2.求角速度将式（2-2）对时间t求导数，得： (c)因。故将上式变为：由式（d）消去，即可求得的计算式：整理得： （2-4）式中的员员表示顺时针方向：同样，由式（d）中消去，即可求得的计算式： （25）由前面可知代入式（25）和（24），将上述所求得的 求角速度 将式(d)的两边对时间t求导数，得： 由于我们定CP杆为原动件，但它们在实际中有加速度，速度的 执行杆，则在此计算中我们假设杆BC做的是均匀往复运动，则其杆的加速度为0，即 所以 （g） 将式中的第一式和第二式联立，消去后得杆CP的角速度，即得的计算式为： 整理得： （25） 将前面所算出的值代入式（26）计算得： 同样若在（g）中消去可得构件3的角加速度。但我们对于的需要并不多，所以计算免去。为了使计算更准确，我们又运用了另一种方法，解析法二。但这次是以初始位置开始，计算P点的速度和加速度：如图23所示。 解析法二：建立坐标系以轴的投影对其机构的封闭部分进行投影，求得关系式有： （a） 有这样将杆CP分为a+b，以便下面的计算通过矢量建立： 通过上式转换得： （b） 有两方程得 将式中求得的代入即求得 （2）速度分析： 对求得时间的一次导数得： （c） 此式即为该机构的速度分析关系式。 将（a）对时间取一次导数，即求得p点速度的两个分量并写成矩阵形式为： （d）因此式（c）求得后，上式右端为已知，故可直接求得。3）加速度分析将式（c）对时间求一次导数，即得机构的加速度分析式： 在经过速度分析以后，上式中仅为未知，故可求解，而在求得之后，如将式（d）对时间取一次导数，即可求得杆上p点加速度的两个分量。即： 通过上述对四杆机构进行运动分析和计算，我们证明了以前的计算正确合理的。这样我们就得知了整个脱模机构各样的运动参数。24用图解法分析机构的速和加速度 以上我们已知对脱模机构的运动参数进行了计算，为了使运动过程中参数更明了化，我们又补充了图解法。 首先我们做出速度多脱模机构中的各杆进行速度对画，各为V1、V2、V3，进行初速度和末速度图绘制，如图24所示： 图 24 脱模机构运动速度图 在初速度和末速度图上进行分析可得：加速度的变化图也得出，如图25所示： 图 25脱模机构加速度图25本章小结 以上各节进行了运动分析，分析了机构在初始点和未敲击位置时的运动情况。 第三章 脱模机构的校核 在工程中为了使机构达到即经济又安全的要求，我们对其设计机构的强度、刚度、稳定性三方面做一校核。强度是指脱模机构中各杆的抵抗破坏能力，保证在敲击时作用于杆的最大作用力下，该机构不会发生破坏，而刚度是指机构中各杆的工作时变形值要小于允许值，否则会失去工作能力。杆件在载荷作用下形状和尺寸都将有肯能发生变形，但是内部组织已超过允许的限度，也将使构件失去工作能力。其稳定性：如果杆过于细长，当所加轴向压力超过一定限度时，这些压杆会突然产生显著的弯曲变形，不能保持原有的直线平衡状态，甚至造成破坏，这种现象称为稳定性。要使杆能正常工作，就要求杆件具有保持其原有直线平衡状态的能力。 一般说来，当杆选用较好的材料较大的截面尺寸时，可使杆件具有较大的承受能力。但这样，就可能形成笨重的结构，浪费材料。安全与经济时一组基本矛盾。而本章我们是对其已经选择好的四连杆机构中的各杆件材料和尺寸做一校核，看是否能够达到正常工作时所能承受的刚度、强度、稳定性要求。若其达不到。我们就对其增大尺寸或者修改材料，做以修改设计。31机构中各杆的强度校核 机构中各杆工作时承受载荷，自重和约束反力的作用，而在进行强度计算时，还需引入内力的作用。实际上在外力作用下，杆内各分子之间存在着相互作用力，它使杆内部的各分子维持在一定的平衡位置，保持原有的形状和尺寸。当杆受到外力作用时，形状将发生变化，构件各分子之间的内力也将随之变形，而内力的作用线通过杆的轴线，称为轴力，并规定：轴力的方向与横截面的外法线方向一致时为正，受压时轴力为负。一般情况下，轴力均按正方向画出N=P. 确定了轴力以后，还不能解杆件的强度问题。例如用同一材料制成而横截面积不同的两杆，在相同的拉力作用下，虽两杆的轴力相同，但随着拉力的增大，横截面的小的杆件必然先被拉断。这说明杆的强度不仅与轴力有关，而且还与横截的大小有关，取决于内力在横截面上的分布和密集程度。当杆的正应力不超过某一限度时，正应力与相应的线应变正应力成正比，即=E常数E为材料的弹性模量，单位与应力相同，常用GPa表示。若将式和代入式 它表明：若杆的正应力在某一极限内，变形L与轴力N及杆的原长L成正比，与EA成反比，EA是表示材料抵抗变形能力大小的量抗（压）强度，这为我们将来修改尺寸打下根本基础。为了保拉压杆安全正常地工作，必须是杆的最大工作应力不超过材料的拉伸和压缩许用应力，即：式中：为危险截面上的轴力 A为危险截面上的横截面积。经比较可知：机构中最长杆所受轴力最大，即： =F·而最危险截面为插销轴孔出的面： A=h·b=20×10=100mm 而 即连杆的强度足够，此外，我们在机构各杆的尺寸设计时，以强度理论为依据设计的，因此，在此机构中各连杆的强度一定足够其他两杆就不一一校核了。§32 机构中各杆的刚度校核工程中某些构件变形过大，会影响机器的正常工作，如桥式起重机的大梁AB，变形过大使吊车产生爬坡现象。引起振动以致不能平稳地起吊重物，另外在机械加工中，若变形过大使将可能产生交大的制造误差而报废，如车削细长轴时，在切削力的作用下，由于变形让刀而使工件被车削成鼓形，而在此次设计中，对于机构中各杆件不仅满足强度条件，还要满足刚度要求。 我们对最长杆进行了剪力图和弯矩图的绘制：如图3-1剪力图，如图3-2弯矩图所示：F=F1+F2图3-1 剪力图图3-2弯矩图杆的刚度变形要是由弯矩引起的，剪力对其影响很小，可以忽略不计，于是在定载荷和支撑的条件下，杆扰曲线的大致形状如图3-3，y和M的关系所示。图3-3 Y”与M的关系图 由图3-3可知，弯矩和y的符号相同，故可按M（x）的符号来确定扰曲线的方向，而杆的强度条件为： 扰度 转角式中： 为杆的最大饶度 为杆的最大转角 和为许用扰度和许用转角。则下面我们对最长杆进行分析：解：（1）求支反力，由平衡条件可得： FR+FN=F F·（595201.381FR·201.38）0 FNF FRF 在距坐标原点x处取截面，列出弯矩方程： （2）列扰曲线近似微分方程并积分 积分两次得 （3）确定积分常数 C=0 D=0 （4）确定转角方程和扰度方程，将定出的积分常数C、D代入方程得转角方程和扰度方程为： （5）求最大转角和最大扰度，由工作条件和机构运动情况知杆的最大转角和最大扰度均发生在FN处截面，将x=201.38分别代入转角方程和扰度方程得： 即最长杆的刚度足够。 对于该脱模机构中，只有最长杆在敲击时承受敲击力，而且杆最长，危险比较大以外，就除了与气缸相连接的推止杆承受气缸的推力，但由于在运动时。推力不大，而且杆较短，因此变形小，则杆的弯矩不大，则它的转角和扰度一定在许用值之内，则我们省略了其他杆的刚度校核。同时，也证明了整个脱摸机构的刚度满足要求。§33 机构中各杆的稳定性校核如前所述，构件的承载能力包括强度、刚度和稳定性三个方面，前面讨论了机构中各杆的强度和刚度的问题，本节讨论一下稳定性的问题。对于细长杆来说，当其所受的轴向压力达到或超过一定的限度时，虽然杆内应力低于材料的屈服极限，甚至低于比例极限，但在受到某些因素的侧向扰动后，会突然发生侧向弯曲变形而丧失其工作能力，杆件在这种轴向压力作用下，由于不能保持其原有的直线平衡状态，突然发生侧向弯曲而丧失其工作能力的现象，称为丧失稳定性，简称失稳。当杆所受轴向压力小于其临界压力时从理论上来说避免了压杆的失稳，但实际上，由于影响稳定性的因素甚多，计算时还必须考虑适当的安全储备，即应考虑稳定安全系数nw，因此压杆的稳定条件为：或 也可以改写成： 式中：ng为压杆实际的工作安全系数 nw为规定的稳定安全系数 为压杆的临界应力 为压杆的临界压力现在我们还是对最大杆进行分析和校核，最长杆的长度为l=595mm制成矩形截面在敲击时承受下的力，即分解后轴向力为P=材料为刚Q235，稳定安全系数nw=3.5已知钢Q235的E=216GPa，cr=235MPa. 经验抛物线公式为cr=235-0.008532 解：（1）求压杆的柔度并判别压杆的类型 在xy平面内，杆上有两处铰支，则压杆长度系数为 在xz平面内杆两端按固定端考虑，压杆长度系数 因xy>xz 故此杆在xy平面内失稳的可能性最大，应取= xy =102.5 因=102.5<p=124，故该杆属于中柔度杆，它按经验抛物线公式计算此杆的临界应力 。 （2）校核该杆的稳定性： 故该脱摸机构中最长杆的稳定性足够。因此可知：压杆的稳定性取决于其临界应力的大小，压杆的临界应力越高，则其承载能力越大，压杆的稳定性也就越好，而临界应力与压杆的材料性能、长度、截面形状与尺寸以及杆的约束情况有关，而对于此脱摸机构而言，整个机构中唯有最长杆在承受敲击力的作用，而在设计时其他几杆的材料、截面形状与尺寸约束情况几乎相同。就长度不等。在上述中，我们对最长杆进行了稳定性的分析和校核，经计算，最大杆的稳定性已足够，而在稳定性计算中，因为压杆的柔度与其计算长度L成正比，故在条件相同的情况下，杆的长度越长，杆的稳定性就越差，即最长杆的稳定性已足够，其他杆的稳定性也一定足够，则在该脱摸机构中，所有杆的稳定性都已满足工作要求，也就是说整个机构的稳定性都已满足要求。§34 机构中个销钉的校核该脱模机构中，我们所用到了5个销钉，其销钉的主要功能是联接，定位各杆并可传递不打的转距和轴向力，欲保证联接的紧固性和定位的准确性，我们选用了1：50的锥度的圆柱销。利用锥挤作用固定在铰制锥销孔中，且装拆方便，装拆对定位精度的影响较小，而且受横向载荷时能可靠自锁，但不宜经常装拆。该机构中，为了能够满足正常工作要求，我们将每一个销钉的材料选择了45刚制造，45刚的抗拉强度不低于500MPa600MPa。其销钉是组合加工和装配时的重要辅助零件，一般不受或只受很小的载荷，其尺寸由类比或凭经验决定，我们经过对工作机构的尺寸类比和工作现象的高温条件相联系，研究将销钉的尺寸定为= 本节我们就对所选销钉的材料和尺寸做一次校核，看看能否达到正常工作要求，分别按剪切强度条件和挤压强度条件进行校核计算。如图3-3所示对销钉的应力分析：销钉具有两个剪切面，为了求出剪切面上的内力采用了截面法沿剪切面截出销的中间部分为研究对象。由平衡条件