论文-铝电解槽用打壳机的设计过程.docx

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1、众所周知，铝合金在人们的日常生活中及工业生产中有着非常重要的作用。目前铝的生产是用铝电解槽。其在生产过程中会产生残渣，需要定时进行去除。目前普遍使用人力与气动打壳机共同完成打壳作业，但是铝电解槽的温度高达960度，不便于人工作业，所以迫切需要实现全机械化的打壳作业。本论文主要讨论了铝电解槽用打壳机的设计过程，其主要包括：机械臂局部、液压系统局部、回转机构局部以及行走机构四大局部。主要以调整冲击器位置的机械臂局部以及为机械臂的运动提供动力的液压系统为核心展开设计。在设计过程中，根据查阅的资料，参照凿岩车及起重机的机械结构，首先初步确定铝电解槽打壳机的机械结构，然后进行各个机构的设计。机械臂和液压

2、系统的设计是本次设计的根底，其中液压系统由于主要是为大臂及机头局部的运动提供动力，所以把机械臂设计及液压系统设计作为一个整体来设计。通过前一段时间的计算和校核，确定了机构的主要参数，在此根底上，初步绘制铝电解槽用打壳机的结构草图，草图绘制完成后，又进行了一系列的校核，包括：机械臂的强度校核、齿轮的校核以及车体的倾覆稳定性计算，计算完这些，打壳机的整体机构设计就根本完成了，最后再完成图纸，图纸全部采用CAD绘制，到此电解槽用打壳机的设计全部结束。关键词：打壳机；机构设计；强度校核AbstractItiswellknown,thealuminumalloyhasaveryimportantrole

3、inpeople,sdailylifeandtheindustrialproduction.Atpresent,aluminumcellisusedtoproducethealuminum.Itcanproducetheresiduaintheprocessofproduction,sotoclearawayresiduaisneededatfixedtime.Atpresent,thewidespreadusingofhumanandaerodynamicShellercompletesShelleroperations.Butwhenthetemperaturereachesashigha

4、s960degreecentigrade,itisinconveniencetooperation.Thereforeitneedstoachievefullmechanizationtohittheshellwork.Thisthesismainlydealswiththedesigningofaluminumshell-breakingmachineusedinaluminumelectrobaths.Thisprojectmainlyconsistsofthedesignofmachinearms,hydraulicsystem,gyrationsystemandhoofsystem,o

5、fwhichthelasttwocomposethefoundationofthisproject.Mainlyitisdesignedbythecoreoftakingadjuststheimpactpositionthemechanicalarmtobepartialaswellasprovidesthepowerasthemechanicalarmmovementthehydraulicsystem.Intheprocessofdesign,accordingtothereferencematerials,therockdrillingvehicleandthehoistcranemec

6、hanismisconsidered.Firstlythealuminumcellthrasherthemechanismisdetermined,theneachorganizationisdesigned.Thebasicofdesignisthemechanicalarmandthehydraulicsystem.Becausehydraulicsystemmainlyprovidesthepowerforthebigarmandthenosesectionmovement,itisawholetodesignthemechanicalarmandthehydraulicsystem.M

7、ostparametersofthemachineweredeterminedbycalculationandexamination.Onthisbasis,theinitialstructuremapofectrolytictankshellwascompleted.Afterthat,adequateexaminationsweredoneincludingtheintensitycheckofthemachinearms,themoduluscheckingcomputationofthegears,andthestabilitycheckingcomputationofthebodyw

8、ork.Thenitwasroughlyfinished.AtlasttheblueprintprotractionwasmappedbyCAD.Alltheaforementionedworkofthisprojectwasfinished.Keywords:aluminumshell-breakingmachine；organizationdesign；intensitycheck目录摘要IAbstractI第1章引言1第2章设计任务与总体方案32.1 设计任务32.1.1 课题提供的资料32.1.2 课题提出的设计要求42.2 总体方案确实定4第3章机械臂及液压系统设计63.1 机械臂的

9、设计63.1.1 机械臂设计的依据63.1.2 机械臂尺寸确实定73.1.3 机械臂的受力分析83.1.4 机械臂的强度校核103.1.5 刚度校核133.2 液压系统设计143.2.1 液压缸局部143.2.2 泵及驱动电机的选择21第4章回转机构设计234.1 电动机的选取234.1.1 选择电动机系列234.2 减速机构设计244.2.1 确定总传动比254.2.2 减速机构设计25第5章行走机构设计315.1 行走机构介绍315.2 驱动电动机及减速系统的选择315.2.1 驱动电动机315.2.2 减速机构与车轮32第6章结论34参考文献35致谢36第1章引言目前国内铝行业开展如雨后

10、春笋般突飞猛进，老企业也不断地改造扩大生产能力，特别是大型预焙电解槽的出现，对铝电解多功能机组的要求也越来越高，各企业都视先进的设备为第一生产力，作为企业开展竞争的首要优势。铝电解多功能机组是预焙阳极铝电解生产的专用、关键设备。它能完成预焙阳极铝电解槽的打壳和覆盖氧化铝、更换阳极、出铝及辅助提升阳极母线等工艺操作。预焙槽在电解车间的配置方式有横向配置和纵向配置两种，预焙槽按进电方式可分为两点进电槽和大面多点进电槽。合理设计的多点进电槽具有较好的三场分布，生产指标好，因而得到了广泛应用。目前，横向配置多用于新建铝厂；纵向配置国外多见。根据工艺配置和电解槽进电方式的需要，铝电解多功能机组可分成电解

11、多功能机组和地面小车两大类。电解多功能机组按功能的配备可分为全功能电解多功能机组和简易电解天车两大类，其区别主要在于前者具有全自动更换阳极装置和自己配备有打壳动力源，而后者只有阳极提升、下降机构，同时兼作出铝用。铝电解多功能机组按操纵方式可分为驾驶室操纵机组和遥控机组两种形式。驾驶室操纵机组按驾驶室及工具的配置位置又有高位机组和低位机组之分。地面小车有：打壳换极车、加料车、出铝车等。打壳机构目前国内大局部铝厂使用的打壳机构为气动结构，该结构振动频率高，但本世纪初在云南、焦作铝厂使用的打壳机构为全液压结构，该结构力量大，频率低，但对低位天车来说不易采用，对回转和击头悬挂主架破坏性较大。尽管我国在

12、铝电解生产实践中研究开发了一系列专用设备，如多功能联合机组、地爬打壳机、筒式下料器等，但与国际先进水平相比，机械化装备水平尚需进一步提高。电解多功能机组普遍采用桥式起重机的桥架作为机组机构，在桥架上配置有多个工具机构的工具小车、出铝小车、电葫芦等。电解多功能机组是大型预焙阳极铝电解生产的关键设备,随着大型预焙阳极电解槽的日趋开展，电解槽操作设备PTM即铝电解多功能机组也逐步开展并得到广泛的应用。由于电解作业是在高温、多粉尘、多腐蚀性气体、强磁场等极为恶劣的环境下进行打壳、更换阳极、下料、出铝及计量、阳极母线转接等工作,所以必须进行机械化作业。国外的电解技术主要集中在欧美等国。法国EeL公司推出

13、了ECL版型的PTM,德国NOELL公司推出了NOELL版型的PTM,都能实现上述功能,并且两公司在世界上都占有较大的份额，目前ECL是全球最大的PTM供给商。山由于横向配置预焙槽可以提高单位面积产量，具有综合经济效益好等优点，目前国内在建的铝厂大多项选择用200KA以上的槽型，多点进电。这就给铝电解多功能机组开展起到推动作用。车间的特殊环境对电解多功能机组在可靠性及运转率等方面提出了更高要求。由于驾驶室玻璃的防腐问题和能适合于电解车间环境的高可靠性的空调机尚无法解决，机组作业时，驾驶室处于烟气和热辐射中，司机的视场很不好高位机组更差），靠地面人工引导作业，严重影响操作和生产效率的提高。因而，

14、未来最有开展前途的铝电解多功能机组的品种应是：高可靠性、高运转率、减轻操作工劳动强度、轻而小的多功能机组。电解多功能机组的技术开展方向为：轻型化、小型化；功能扩大化；功能机构全液压化；电子化；电气化；调速方式采用变频调速，调速性能好；控制方式采用PLC、LOGO,可以减少中间继电器，降低故障率，提高机组的可靠性和运转率；操纵方式采用无线电遥控；设备集中润滑。第2章设计任务与总体方案2.1设计任务由于本次设计的铝电解槽打壳机是提供给铝厂的铝电解槽车间现场使用,所以设计的结构要尽量符合车间的使用要求。课题提供的资料1）总体构思图，如图2T：图2-1打壳机总体结构图2）车间现场环境：车间内部空间宽阔

15、，所以打壳机的运行及回转在空间方面所受限制较小。13）本次设计的打壳机的应用范围：本打壳机应用于长9m,宽3m,深1.6m的铝电解槽的残渣清理工作，电解槽槽底残渣厚度为300450mmo2.1.2课题提出的设计要求机头压紧力：1015KN。车体移动速度：8-10mmino2.2总体方案确实定根据课题提供的构思图，另外参照凿岩台车及起重机等典型相关机械的结构，初步确定铝电解槽打壳机的结构如图2-2：1、2、3、4-回转机构减速齿轮组，5-同转平台，6-机身底座，7-车轮，8-轴图2-2打壳机机构示意图本次设计的打壳机主要机构包括机械臂局部、液压系统、回转机构、行走机构四大局部，其中各局部的主要功

16、能如下：11）机械臂局部：机械臂主要是带动机头局部包括冲击器导轨及机头冲击器）运动，以使其能实现空间位置的变化，能够彻底清理槽底的残渣。12）液压系统：其主要功能是为机械臂的举升机头整体角度的调整以及为机头冲击器提供压紧力。3回转机构：其主要作用是带动回转平台及其上的机械臂局部回转。4）行走机构：是打壳机车身移动必不可少的局部，主要作用是带动打壳机整体在电解槽槽面导轨上运行。以上表达的四个主要结构局部将在以后的章节中详细阐述它们的设计过程。其中液压系统由于主要是为大臂及机头局部的运动提供动力，所以把机械臂设计及液压系统设计作为一个整体来设计。在结构草图2-2中，没有表达出机械臂局部、液压系统、

17、行走机构的动力局部，其中机械臂及液压系统布置在回转平台上方，行走机构布置于车身底座下部，具体布置方法将在设计过程中确定，表达在装配图中。另外，机头冲击器及机头导轨局部将由课题给出不作为设计任务，课题提供的机头冲击器参数为：冲击器长度L=1295mm；冲击器质量羽=500左g。第3章机械臂及液压系统设计3.1 机械臂的设计根据设计的要求，另外参照挖掘机及凿岩台车等机械的机械臂的结构，初步确定机械臂的结构如图3-1：目4机械臂与回转平台连接位置，2-机械臂位置调节液压缸与回转平台较接位置，3-机械臂与机械头较接局部较接位置。图3T机械臂的结构示意图3.1.1 机械臂设计的依据m车间环境：工厂车间内

18、空间宽阔，故机械臂的长度及高度受限制非常小，所以设计过程中可以不予考虑，只要机械臂的长度及高度能够满足工作的要求，并且充分考虑到经济性及加工装配的合理性即可。12）使用该打壳机的铝电解槽的尺寸为：长9m、宽3m、深1.6m,槽底残渣的厚度为300450mm,所以对机械臂的工作要求为：机械臂位于最低位置时，应保证机头冲击器能够击打到电解槽槽底的残渣，即机头冲击器的最低位置应低于电解槽底。机械臂在机器工作时，带动机头局部回转，应确保冲击器能够冲击到电解槽边缘局部的残渣。13)在设计中应注意的问题车体在回转过程中，机械臂处于最高位置。应确保机头冲击器的最低位置高于铝电解槽的槽面，以防止机头与槽面发生

19、碰撞。机械臂处于最低位置时，不能与回转平台发生碰撞平台宽度初定为1. 5m)o3.1.2 机械臂尺寸确实定在经过系统的计算和比拟后，选择机械臂的长度尺寸如图3-2：L1=1155mm.L2=1630mm,a=4T,月=8。、=133o、7=133。电解槽槽面机械臂的最高位置，2-机械臂的最低位置，3-回转平台，4-行走底座图3-2在xz平面的机械臂动作根据图3-2中提到的设计依据。验证该尺寸是否合理。1)为保证机头冲击器能够清理到电解槽底部的残渣，应满足：L2sin(a-)+Lo+L,o1200+1600+L1sinyff31)其中：。为机头冲击器的长度，Lo=1295mm；为导轨的长度，Lf

20、o=700mmo=KaKvKbeFmm4-12)其中：工2,为齿宽中点周向力，Fmt=18761N；%为有效齿宽，beF=52.01mm；机加为齿宽中点模数，mn=0.85m=6.8；KA为工况系数，查表得，KA=1；KV为动载系数，查表得，Kv=1.001；K加为齿间载荷的分布系数，查表得，Kfcc=1.4；K）为齿向载荷的分布系数，通过计算得出KFB=KHB=L5K%=L5xl.25=1.875；YFa为展成齿轮的齿轮修正系数，丫加=2.4；FSa为齿顶加载时应力修正系数，Ik=I.4；匕为重合度系数，查表得=0.67；为螺旋角系数，今=1；及为弯曲强度计算的锥齿轮系数，Y=Io将以上各数

21、据代入上式，得=XIXIoOIXl4xl.875x2.4xl.62x0.67xlxl=363fP1F52.016.8FmimV1reiYX4一13)其中：0Iim为齿根弯曲疲劳极限，查表得分im=500M;S加加为最小平安系数，查表得S加加=1.4；为修正系数，Yst=2；丫加斤为寿命系数，Yrel=1.02；A为尺寸系数4=0.98。将以上各数据代入上式，得aF=5；：2X1.02X0.98=714OaF=114MPaaF=363M所以该齿轮满足使用要求。2）直齿圆柱齿轮的设计、计算及校核精度等级及齿轮、材料的选择：因为其为一般工作机器，速度不高，应选用8级精度。材料选择：40Cr渗碳淬火，

22、硬度为56HRC,lim=1500,crFlim=500MPao齿数选择:将以上各数据代入上式，得=46666.7*1X13X1.25X1.2X2.0532.650.826X1=927MPa416)F6370-f=mYSTYNTYbreTYRreITYXSmin其中：Ynt为寿命系数，查表得，YNT=L2；OIim为材料齿根弯曲疲劳强度，CrFIim=50GMPa；Sbmin为平安系数，查表得，S77niin=Ll;41T为相对齿轮圆角敏感系数，查表得，y,rel=i;右为尺寸系数，查表得，Yx=0.97；Yst为应力修正系数，查表得，4=2;为相对齿根外表状况系数，查表得，Kfelr=Io将

23、以上各数据代入上式，得回二詈X2xl.2xlxlx0.97=1058MPacf=927Vb=10589为所以满足使用要求。第5章行走机构设计5.1行走机构介绍在此打壳机中，行走机构是车体运行必不可少的局部，主要作用是带动打壳机整体在槽面导轨上运行，带动冲击器，使机头冲击器能够全面彻底地清理槽底残渣，如图5-1所示。图5-1行走机构5.2驱动电动机及减速系统的选择与车轮驱动电动机11）选择电动机系列按工作要求及工作条件选用三相异步电动机，电压380V,Y系列。12）电动机功率在打壳机工作过程中，行走机构主要克服滚动摩擦阻力，行走机构主要为克服滚动摩擦阻力提供牵引力，其大小其中：N为每个车轮承受的

24、载重，N=IO(X)ON；d为车轮直径，选为6/=315mm；K1,K2为滚动摩擦系数，Ki=K2=0.05o将以上各数据代入上式，得F=X(0.05+0.05)=3175N0.315电动机功率:其中：V为速度，课题要求打壳机行走速度为9mmin；为效率,=0.97o将以上各数据代入上式，得：综合考虑到电动机的效率，选取Y8014型电动机，其转速为1390rmin。减速机构与车轮在本次设计中，我选用了摆线针轮减速机及蜗轮减速机及蜗轮减速机。减速比确实定车轮转速：其中：。一车轮直径，0=200。将以上各数据代入上式，得：90003.14200=14.3rminno_1390153选用减速比z；=

25、16的圆弧圆柱蜗杆减速机，其型号CW125-16-VIFJB/7935-1999及马=的摆线针轮减速机，其型号为ZWDO.55-2-11JB/T2982-94,那么总传动比i=北=176o车轮：车轮使用SL型双轮缘车轮，选用D=200mm的车轮。10第6章结论本论文以铝电解槽打壳机机械臂的结构设计和液压系统设计为主要研究对象。运用平时所学的专业知识及现有条件查阅了大量工具书籍，另外，参照了凿岩车及起重机的机械机构，设计成了铝电解槽打壳机机械臂的机械结构、液压系统、行走机构及回转机构。在设计中，以调整冲击器位置的机械臂局部以及为机械臂的运动提供动力的液压系统为核心，展开设计。主要研究工作如下：1

26、）根据设计参数，对打壳机的总体尺寸，特别是机械的尺寸进行了设计，以保证其能完成打壳作业。12）完成了液压系统的设计，对液压缸进行了设计及校核。13）完成了回转机构的设计，进行了减速机构的设计及校核。14）完成了行走机构的设计，进行了电机、减速器及车轮的设计和选择。另外，本次设计是以机械臂来完成打壳作业，代替了人工打壳作业，提高劳动生产率、降低了劳动强度。但是，本机械还是需要由人工在场进行操作，工作环境依然不是很好，所以还需要进一步改良。参考文献口扬长骐，纪名刚.起重机械设计M.北京：高等教育出版社，20052王国凡，张元彪，罗辉，等.钢结构焊接制造M.北京：化学工业出版社，2004.3刘鸿文.

27、材料力学M.北京：高等教育出版社，2004.4明仁雄，万会雄.液压与气压传动M.北京：国防工业出版社，2005.5赵永成，王丰，李明颖.机电传动控制阳.北京：中国计量出版社，2003.6洪钟德，林大运.简明机械设计手册M.上海：同济大学出版社，2002.7巩云鹏，孙德杰，喻于建.机械设计课程设计M.北京：冶金工业出版社，19998马海荣，张戌社，刘丽媛，等.几何精度测量M.北京：机械工业出版社，2004.9濮良贵，纪名刚.机械设计M.北京：高等教育出版社，2005.0成大先，王德夫，姜勇，等.机械设计手册第三卷M.北京：化学工业出版社致谢毕业设计的工作已经结束，我衷心的感谢指导老师对我的毕业设计的指导,在我做毕业设计的过程中给了我最大的帮助,也可以说没有指导老师的认真帮助,我的毕业设计不可能这么顺利的完成。还要感谢所有教过我的老师们，在四年的本科学习和生活期间，感谢各位任课老师的谆谆教诲和你们辛勤的授业解惑，谢谢你们教给了我的知识,我才能利用这些知识完成这次的毕业设计。感谢老师们的精心指导和无私关心，在此向各位老师表示深深的感谢和崇高的敬意。同时也要感谢所有关心和帮助过我的同学，尤其感谢同组的同学在我遇到困难时总是热心的给予帮助，谢谢你们一直以来对我的照顾和鼓励。本人在设计过程中，查阅了大量的参考文献资料。在这里，向参考文献资料的作者们表示衷心的感谢！