曲柄搖桿機構(gòu)的設(shè)計及其在鎂鈣合金生產(chǎn)中的應(yīng)用

摘 要：以鎂鈣合金制備工藝蒸餾罐為研究對象，結(jié)合鎂鈣合金生產(chǎn)工藝設(shè)備的實際情況，通過對現(xiàn)有工裝設(shè)備情況分析，提出滿足產(chǎn)品生產(chǎn)要求的設(shè)計思路。在保證經(jīng)濟(jì)技術(shù)最佳的前提下，采用曲柄搖桿機構(gòu)來實現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)需求，對蒸餾罐搖擺工裝曲柄搖桿機構(gòu)的條件選擇和設(shè)計計算。設(shè)計選擇的曲柄搖桿機構(gòu)安裝在蒸餾罐傾倒架設(shè)備上，經(jīng)過鎂鈣合金生產(chǎn)線生產(chǎn)實踐的證明：本機械機構(gòu)設(shè)計比較合理，投資少，生產(chǎn)效率提高明顯，滿足生產(chǎn)需要，增加了鎂鈣生產(chǎn)線設(shè)備種類，填補了生產(chǎn)技術(shù)設(shè)備的空白。

關(guān)鍵詞：曲柄搖桿機構(gòu) 鎂鈣合金 設(shè)計計算 應(yīng)用

中圖分類號：TH112 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）04（b）-0032-03

鎂鈣合金及其制品具有廣泛的應(yīng)用開發(fā)前景：金屬冶煉中作脫氧劑、還原劑、變質(zhì)劑、潔凈劑等；在鋼鐵冶煉中加入鎂鈣合金及其制品，能改善鋼鐵性能。純鈣由于化學(xué)活性強，使用起來特別困難。目前國外已廣泛使用鎂鈣合金及其制品。隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，市場對鎂鈣合金及其制品的需求逐年增加，且呈上升趨勢。鑒于這種情況，結(jié)合目前鎂鈣合金及其制品生產(chǎn)線現(xiàn)有設(shè)備條件，要求選擇一套能夠滿足鎂鈣合金生產(chǎn)的機械工裝，使鎂鈣合金在熔融狀態(tài)下能夠充分混合，冷卻均勻結(jié)晶，生產(chǎn)出滿足市場需要的產(chǎn)品已迫在眉睫。

1 鎂鈣合金生產(chǎn)工藝方法

1.1 蒸餾罐不搖擺工藝

生產(chǎn)鎂鈣合金蒸餾罐不搖擺工藝是采用的振動方式，將蒸餾罐置于地面滾動、用撐桿推動傾倒架使蒸餾罐晃動。此工藝制備的鎂鈣合金分布極不均勻，合格產(chǎn)品僅40%。

1.2 蒸餾罐搖擺工藝

根據(jù)化工生產(chǎn)工藝要求，為使熔融狀態(tài)下金屬鈣和其他金屬充分混合均勻，生產(chǎn)中蒸餾罐要往復(fù)擺動且在擺動到極限位置時，熔液要在真空狀態(tài)下由慣性力的作用，產(chǎn)生翻騰效果。采用蒸餾罐擺動頻率每分鐘15次，擺動角度范圍0至70°的生產(chǎn)工藝方法，生產(chǎn)的鎂鈣合金分布均勻，合格產(chǎn)品達(dá)到98%。

2 機械搖擺工藝方案的選擇

根據(jù)《機械原理》，為使蒸餾罐往復(fù)擺動，可選擇兩種方案：一種是凸輪傳動機構(gòu)；一種是曲柄搖桿機構(gòu)。兩種方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析見表1。

根據(jù)以上分析，結(jié)合目前生產(chǎn)線實際情況，決定采用曲柄搖桿機構(gòu)作為鈣合金生產(chǎn)設(shè)備機械搖擺工藝運行方案。

3 曲柄搖桿機構(gòu)的設(shè)計及計算

3.1 曲柄搖桿機構(gòu)的設(shè)計方法選擇

該曲柄搖桿機構(gòu)屬于《機械原理》平面連桿機構(gòu)，此類機構(gòu)設(shè)計方法有圖解法、實驗法和解析法。圖解法具有簡單易行和幾何關(guān)系清晰的優(yōu)點，但精確程度稍差。實驗法是利用一些簡單的工具，按所給的運動要求來試找所需機構(gòu)的運動尺寸，這種方法簡單易行，直觀性較強，但精確程度稍差。解析法精確程度較高，但比較抽象，直觀性較差，而且求解過程比較復(fù)雜。

結(jié)合化工生產(chǎn)線的性質(zhì)及實際情況，采用圖解法進(jìn)行該曲柄搖桿機構(gòu)設(shè)計。

3.2 曲柄搖桿機構(gòu)的選擇

3.2.1 行程速度變化系數(shù)K的選擇

為使鎂鈣合金熔液在往復(fù)擺動的蒸餾罐內(nèi)充分混合，均勻結(jié)晶，要求曲柄搖桿機構(gòu)正行程與反行程的速度不一致，以達(dá)到搖桿—蒸餾罐在左右兩個極限位置轉(zhuǎn)換時，鎂鈣合金熔液在蒸餾罐內(nèi)利用慣性力的作用，產(chǎn)生翻騰效果。根據(jù)《機械原理》，行程速度變化系數(shù)K值應(yīng)大于1；另考慮到該設(shè)備在環(huán)境溫度比較高的條件下工作，行程速度變化系數(shù)K值不宜選擇過大，因此采用行程速度變化系數(shù)K值不大于2。取K=1.5。

3.2.2 曲柄極位夾角θ的計算

根據(jù)《機械原理》[1]，曲柄極位夾角θ計算如下：

° （1）

即曲柄極位夾角為36°。

3.2.3 曲柄搖桿的最小傳動角的選擇

在鎂鈣合金生產(chǎn)過程中，整個機械系統(tǒng)重量增加，負(fù)荷比較大；且傾倒架處于高熱輻射環(huán)境中。根據(jù)《機械原理》[1]，對于高速和重載的機器，實際工作中常取γmin≥400。

本曲柄搖桿機構(gòu)的傳動角γ選擇40°。

3.2.4 采用圖解法選擇曲柄搖桿機構(gòu)各構(gòu)件條件

結(jié)合生產(chǎn)線現(xiàn)有的傾倒架，選擇搖桿與傾倒架的鉸接點位置在框架的重心處，實測出鉸接點與重心點——搖桿的長度500毫米。依此參數(shù)作圖解設(shè)計見圖1。

連接搖桿兩極限位置鉸接點C1和C2兩點，然后以連線C1 C2為直角邊，以點C1為直角頂點，作∠C1C2P=900-θ=54°，則作出一直角三角形△C2 C1P。因此∠C2 P C1 =36°。以P C2為直徑作一園K，C1 、C2兩點在園K上。根據(jù)所選擇極限位置上傳動角γ=40°，則可確定曲柄轉(zhuǎn)軸的位置A。

因AC1= 連桿長度b-曲柄長度a

AC2= 連桿長度b+曲柄長度a

依照比例1：10，實測：

AC1=250mm

AC2=730mm

經(jīng)計算：a=240mm

b =490 mm

亦即曲柄長度240mm，連桿長度490mm。

3.2.5 曲柄搖桿機構(gòu)最小傳動角的校核

根據(jù)《機械原理》曲柄搖桿機構(gòu)最小傳動角γmin或γmin‘發(fā)生在曲柄與基架重合的位置，根據(jù)圖1最小傳動角的校核見圖2。

經(jīng)校核，最小傳動角γmin= 950或 610大于400。

根據(jù)《機械原理》，該曲柄搖桿機構(gòu)的受力情況比較理想。

3.2.6 曲柄搖桿機構(gòu)中構(gòu)件——曲柄輪外形尺寸的設(shè)計

在本曲柄搖桿機構(gòu)中，原動件曲柄通過連桿帶動從動件蒸餾罐往復(fù)擺動。考慮生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境條件以及傾倒架結(jié)構(gòu)情況，將原動件曲柄設(shè)計成曲柄輪形式。

根據(jù)《機械原理》，采用該方式設(shè)計可以利用曲柄輪的慣性解決曲柄搖桿機構(gòu)的死點問題。

3.2.7 曲柄搖桿機構(gòu)中易損零件─連桿外形尺寸的設(shè)計

分析該曲柄搖桿機構(gòu)的工作原理，得知連桿在推動搖桿由0°到70°時，連桿所受的抗壓載荷逐漸增大。當(dāng)?shù)竭_(dá)70°極限位置時，連桿所受負(fù)載最大。因此根據(jù)此時連桿承受的載荷，確定連桿的機械零件尺寸。

根據(jù)生產(chǎn)線實際情況，作受力分析圖解見圖3。

從受力分解圖3中可以得出：

N=FCOS50 °

F=GCOS20 °

其中：N—連桿所受抗壓負(fù)載

G—傾倒架、蒸餾罐、物料質(zhì)量；

G=4900 N

計算得出：N=2959.7 N

即連桿所受載荷為2959.7 N。

根據(jù)《材料力學(xué)》[2]，為了保證連桿不致因強度不夠而破壞，桿內(nèi)最大工作應(yīng)力不得超過材料在壓縮時的許用應(yīng)力，即要求：

（）max≤[δ]

其中：[δ]—材料的許用應(yīng)力，且等于材料的極限應(yīng)力與安全系數(shù)之比：[δ]=

A—連桿的截面積mm2

根據(jù)連桿零件的機械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度以及為非標(biāo)準(zhǔn)加工數(shù)量，此曲柄搖桿機構(gòu)的連桿采用普通碳素鋼，材質(zhì)Q235，

根據(jù)《材料力學(xué)》[2]，對于塑性材料，可取屈服安全系數(shù)1.5～2.0。因此該連桿強度安全系數(shù)選擇nb=2

根據(jù)《機械設(shè)計手冊》[3]表2-33：

材料Q235的極限應(yīng)力δ°=235N/mm2

經(jīng)計算，得到；A=≈25 （mm2）

亦即曲柄搖桿機構(gòu)的連桿的橫截面積不得小于25 mm2。

4 電動機、減數(shù)器的選擇

根據(jù)生產(chǎn)線工藝要求，蒸餾罐每分鐘擺動15次，亦即曲柄必須每分鐘旋轉(zhuǎn)15次。生產(chǎn)中，不適合選用轉(zhuǎn)速較大的電機，轉(zhuǎn)速低對產(chǎn)品效果比較理想。

經(jīng)查《機械設(shè)計手冊》，電動機選用： Y160M1—8

功率：4 kW；

轉(zhuǎn)速：750 r/min

減速器采用：ZSY180_50_Ⅱ型

傳動比：I=50

5 曲柄搖桿機構(gòu)在鈣合金生產(chǎn)線生產(chǎn)中的應(yīng)用

根據(jù)鎂鈣合金生產(chǎn)工藝特點，對鎂鈣產(chǎn)品生產(chǎn)線主要設(shè)備—傾倒架進(jìn)行部分機械構(gòu)件改造后，將設(shè)計選擇的曲柄搖桿機構(gòu)安裝在傾倒架設(shè)備基礎(chǔ)上，經(jīng)過試運行，該設(shè)備能夠滿足鎂鈣合金生產(chǎn)工藝要求；產(chǎn)出了結(jié)晶均勻的合金產(chǎn)品。其產(chǎn)品分析結(jié)果見表2。

從表2可以看出，在鎂鈣合金生產(chǎn)中，不進(jìn)行搖擺振動，金屬鈣成分自上而下鈣含量逐漸減少，而鎂含量逐漸增加。這可能是由于鎂的密度比鈣的密度大，在形成合金冷卻過程中，鎂成分下沉，鈣成分上浮的緣故。采用搖擺震蕩后，蒸餾罐內(nèi)鎂鈣合金在搖擺震蕩的作用下充分翻騰混勻，使合金冷卻過程中鎂鈣合金偏析得到明顯的改善。雖然仍存在鈣成分上部含量少下部含量多，但鎂鈣成分上下分布差距很小，完全滿足鎂鈣合金產(chǎn)品市場的要求。

6 結(jié)論

（1）經(jīng)過鎂鈣合金生產(chǎn)線生產(chǎn)實踐證明：本機械機構(gòu)設(shè)計合理，滿足生產(chǎn)需要，增加了鎂鈣生產(chǎn)線設(shè)備種類，填補了生產(chǎn)技術(shù)設(shè)備的空白。

（2）采用搖擺振動生產(chǎn)的鎂鈣合金，解決了兩種金屬合金化中由于密度的不同而引起的成分偏析所造成的合金不均勻，生產(chǎn)出了滿足市場要求的、合格的鎂鈣合金產(chǎn)品。

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