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固定成型廢料打包機設計
摘 要
隨著人類科技的飛速發(fā)展，金屬資源對于各國來說也變得越加重要。對現(xiàn)有的金屬資源的過渡開采和不合理的使用，造成了大量的金屬浪費。這自然而然的引起了人們的擔憂，因而，廢金屬的回收再利用的課題也成了工業(yè)發(fā)展中必不可少的研究方向。
本設計的主要內(nèi)容是液壓缸和機構的設計、選型，金屬打包機液壓原理圖，電氣原理圖以及疊加閥的設計、選型。本設計中，主、側(cè)液壓缸為打包機提供壓縮動力，替代了傳統(tǒng)的絲桿。主液壓缸安置在壓縮室后端面，側(cè)壓缸安置在壓縮室左側(cè)面。液壓缸的設計包括了缸筒、活塞、導向套、活塞桿等的設計計算，以及密封圈、防塵圈、活塞與缸筒、活塞桿密封方式的選型。壓縮室的設計主要是用來確定尺寸大小并且對其強度校核。本金屬打包機除了主、側(cè)液壓缸外，還有上蓋、鎖緊機構、前門三個輔助液壓缸，它們分別控制著上蓋的閉合、鎖緊機構的進退、前門的開合。
本設計完成了上述液壓缸和機構的設計、選型，金屬打包機液壓原理圖、電氣原理圖以及疊加閥設計選型。整個打包機不但制造成本低，而且企業(yè)的廣泛需要，擁有很好的市場前景。
關鍵詞：廢舊鋼材；金屬打包機；液壓；PLC
I
Design of fixed forming waste Packer
Abstract
With the rapid development of science and technology, industrial production has become an inevitable trend of the development of automation. Metal resources is also becoming increasingly important for countries. The transition of the existing metal resources mining and unreasonable use of, and are responsible for a large number of metal waste. This naturally caused concern, therefore, scrap metal recycling project has become essential to industrial development and the research direction. The design of the hydraulic metal baling press use hydraulic pressure to compress with packaging, metal scrap has a certain size, convenient transportation, recycling and recycled scrap metal, in order to put into production again. So greatly improve the utilization rate of the metal, the process of the waste is in a certain extent, ease the intense demand for metal resources.
The main content of this design is the design of the hydraulic cylinder and institutions, selection, metal baling press hydraulic principle diagram, electrical principle diagram and superposition valve design, type selection. In this design, the main hydraulic cylinder, side provide compression power for packing machine, replacing the conventional screw. The main hydraulic cylinder face after placed in the compression chamber, lateral pressure cylinder placed in the left lateral compression chamber. The design of the hydraulic cylinder includes cylinder, piston, guide sleeve, piston rod etc. The design and calculation, and the sealing ring, dust ring, piston and cylinder, piston rod sealing mode selection. The design of the compression chamber is mainly to determine the size and intensity. This metal baling press in addition to the main hydraulic cylinder, side, and on the cover, locking mechanism, the front three auxiliary hydraulic cylinder, respectively control with lid closed, in a locking mechanism, the front door open and close. And three auxiliary cylinder and the main work, side two cylinder each cross movement.
This design completed the hydraulic cylinder and institutional design, selection, metal baling press hydraulic principle diagram, electrical schematic diagram and superposition valve design selection. Some of its operations to achieve automation, which improve labor efficiency, reduce labor intensity. The baling press not only manufacturing cost is low, and enterprise need to extensively, have good market prospects.
Key words: Waste steel；Metal baling press；hydraulic press；PLC
目 錄
摘 要 i
Abstract ii
1 引言 1
1.1 課題研究背景 1
1.1.1 金屬打包機及其在國民經(jīng)濟的地位 1
1.1.2 金屬打包機的原理及基本要求 1
1.1.3 液壓傳動打包機的優(yōu)點 3
1.1.4 我國液壓打包機的應用及展望 3
1.1.5 我國廢金屬加工設備的生產(chǎn)規(guī)模及現(xiàn)狀 4
1.1.6 我國廢鋼加工設備前景展望 5
1.2 課題研究的意義 6
1.3 設計內(nèi)容簡介 6
1.3.1 研究解決的問題 6
1.3.2 整體設計方法 7
1.4 本章小結(jié) 8
2 打包機主體的設計分析 9
2.1 打包機的結(jié)構設計 9
2.1.1 打包機的運動 9
2.1.2 打包機的總布局 9
2.2 打包機壓縮室的設計與強度校核 11
2.2.1 壓頭的強度校核 11
2.2.2 壓縮室的設計 11
3 旋轉(zhuǎn)平臺動力源的選擇 14
3.1 電機的選擇 14
3.2 各級傳動比的確定 14
3.3 運動參數(shù)及動力參數(shù)計算 14
3.3.1 計算各軸的轉(zhuǎn)速 14
3.3.2 各軸輸入功率 15
3.3.3 各軸的轉(zhuǎn)矩 15
4 帶傳動的設計與計算 16
4.1 設計功率 16
4.2 選擇帶型 16
4.3 確定大、小帶輪的基準直徑 16
4.4 驗算帶速 17
4.5 V帶的基準長度和中心距 17
4.6 驗算小帶輪包角 17
4.7 V帶根數(shù) 17
4.8 作用在帶輪軸上的壓力 18
4.9 帶輪的結(jié)構設計 18
5 齒輪傳動的設計 19
5.1 選擇材料 19
5.2 齒數(shù)選擇 20
5.3 受力分析 21
6 鏈輪的設計 22
6.1 鏈輪齒數(shù) 22
6.2 鏈條節(jié)數(shù) 22
6.3 計算功率 23
6.4 鏈條節(jié)距 23
6.5 實際中心距 23
6.6 計算鏈速 23
6.7 作用在軸上的壓力 23
7 軸的設計 25
7.1 材料的選擇 25
7.2 軸上元件的定位 26
7.3 軸的強度校核 28
8 打包機液壓系統(tǒng)的設計 30
8.1 液壓系統(tǒng)的特點 30
8.2 液壓系統(tǒng)工況分析 30
8.2.1 分析系統(tǒng)工況 30
8.2.2 確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù) 30
8.3 擬訂液壓系統(tǒng)原理圖 32
8.3.1 確定供油路線 32
8.3.2 液壓回路的設計 32
8.3.3 擬訂液壓系統(tǒng)圖 33
8.3.4 液壓系統(tǒng)原理圖的分析設計 33
8.4 液壓系統(tǒng)的計算和液壓元件的選定 36
8.4.1 液壓缸的設計計算 36
8.4.2 選擇液壓元件 41
9 PLC控制系統(tǒng)設計 46
9.1 PLC的概述 46
9.1.1 PLC的起源 46
9.1.2 PLC的功能 46
9.1.3 可編程控制器的定義 47
9.1.4 可編程控制器的分類 47
9.2 PLC控制器的選擇 48
9.3 系統(tǒng)控制要求 49
9.4 I/O點數(shù)的確定 49
9.5 畫電氣原理圖 50
結(jié)束語 52
參考文獻 53
外文文獻 55
中文翻譯 60
致 謝 66
1 引言
1.1 課題研究背景
1.1.1 金屬打包機及其在國民經(jīng)濟的地位
金屬打包機的作用——金屬打包機是金屬回收機械中的主要種類之一。它的功能是將機械工業(yè)的余廢料、即一定厚度下的邊角余料，線材、切削及小型薄壁金屬容器、包裝物、小型構架，廢舊金屬生活制品等物料，擠壓成具有一定規(guī)格和緊密度的束塊，便于運輸和回爐冶煉。
金屬打包機在國民經(jīng)濟中的地位隨著科學技術的發(fā)展和人民生活水平的提高，各工業(yè)部門的金屬下腳料及生活用金屬制品的廢棄物都日益增多，這無疑將會對人類環(huán)境產(chǎn)生污染:另方面人類社會的不斷消耗，各類礦物資源也會逐漸減少。如何利用金屬廢棄物，即防止污染，又變廢為寶，資源永續(xù)成為一個重要的研究課題擺在人類面前。
1.1.2 金屬打包機的原理及基本要求
金屬打包的基本原理就是利用金屬材料在外力作用下，能產(chǎn)生塑性變形的性質(zhì)，給金屬材料以足夠的、能聚集并產(chǎn)生永久形變的外力，從而形成緊密的束塊。所以，不能產(chǎn)生塑性變形，或塑性變形很小的金屬，便不能直接進行打包處理。如高碳鋼、工具鋼、鋼絲繩及鑄鐵等，就不能直接裝機進行打包。
金屬打包的基本要求：(1)要有足夠的擠壓力。能使被處理的金屬材料產(chǎn)生塑性變形束塊，并使被束塊達到一定要求的密度。(2)要有一個能容納金屬物料、并能封閉起來承受擠壓力的料箱。在滿足這兩項基本要求的前提下，又根據(jù)不同的應用要求和不同的處理對象，就產(chǎn)生了許多不同類型的金屬打包機。金屬打包機的工作原來，就是在一個封閉的料箱內(nèi)，使用工作力推動壓頭對金屬物料進行擠壓，使金屬物料形成一定尺寸和密度的束塊。
廢金屬是指冶金工業(yè)、金屬加工工業(yè)丟棄的金屬碎片、碎屑，以及設備更新報廢的金屬器物等，還包括城市垃圾中回收的金屬包裝容器和廢車輛等金屬物件。
廢金屬也是一種資源，世界各國均有專門單位經(jīng)營回收利用廢金屬業(yè)務。回收的廢金屬主要用于回爐冶煉轉(zhuǎn)變?yōu)樵偕饘伲糠钟脕砩a(chǎn)機器設備或部件、工具和民用器具。
廢金屬是指暫時失去使用價值的金屬或合金制品，一般的廢金屬都含有有用的金屬或者有害的元素。所有的金屬材料都來自于金屬礦產(chǎn)資源。
由于礦產(chǎn)資源有限且不可再生，隨著人類的不斷開發(fā)，這些資源在不斷的減少，資源短缺必然成為人類所需要直接面臨的一個局勢。
金屬制品使用過程中的新舊更替現(xiàn)象是必然的，由于金屬制品的腐蝕、損壞和自然淘汰，每年都有大量的廢舊金屬產(chǎn)生。如果隨意棄置這些廢舊金屬，既造成了環(huán)境的污染，又浪費了有限的金屬資源。
有人曾做過這樣的估算：回收一個廢棄的鋁質(zhì)易拉罐要比制造一個新易拉罐節(jié)省20%的資金，同時還可節(jié)約90%～97%的能源。回收1t廢鋼鐵可煉得好鋼0.9t，與用礦石冶煉相比，可節(jié)約成本47%，同時還可減少空氣污染、水污染和固體廢棄物?？梢姡瑯淞⒖沙掷m(xù)發(fā)展的觀念、加強垃圾的分類處理、回收并循環(huán)利用廢舊金屬有著巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。
廢金屬作為一種再生資源，在礦產(chǎn)資源日益緊缺的背景下，地位日漸突出。我國雖然地緣遼闊，但有色金屬資源并不足夠豐富，需要進口來滿足經(jīng)濟發(fā)展的需要。與此同時，我國廢金屬的利用率卻相對較低，隨著各種廢金屬回收技術水平的不斷提高，廢金屬的利用率將得到穩(wěn)步提升?！笆濉逼陂g，我國共產(chǎn)粗鋼15.4億噸，消耗廢鋼2.39億噸，為鋼產(chǎn)量的21%，也就是說有21%的鋼是用廢鋼冶煉的，而世界平均水平為40%至50%，差距較大，意味著我國廢鋼資源的應用潛力還很大。
隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，有色金屬需求持續(xù)增長。中國有色金屬產(chǎn)量連續(xù)幾年位居全球首位，成為有著巨大產(chǎn)量和消費量的國家。
幾乎所有的打包機都是一個原理：使要加工的材料在不被破壞的條件下，經(jīng)過設備的壓縮、打包，讓原本散亂、占空間大的材料變成統(tǒng)一規(guī)格的小體積、比重大且容易集裝回收與運輸?shù)陌鼔K。打包機目前分為金屬和非金屬打包機這兩種。本次設計選擇適用于各種金屬及其相應制品材料的和打包。在本文中，包裝機的設計屬于前者，廢金屬經(jīng)過打包壓縮后可以降低回收的成本，提高經(jīng)濟效益。
工業(yè)進程的飛速發(fā)展，使得廢金屬的量大大的增加，所謂的廢金屬包括廢包裝物、邊角余料、切屑、線材等等一些不可直接再進行生產(chǎn)的金屬物料。
而現(xiàn)在，小部分的廢金屬加工設備只在大型的冶金企業(yè)中才具備，其余大部分的廢金屬加工設備服務于再生資源回收利用公司或者基層回收站。也就是說雖然金屬資源的過度浪費雖然引起了國內(nèi)企業(yè)的擔憂，但還是沒有引起足夠的重視[2]。
對比國外，我過的打包機機械產(chǎn)品數(shù)量和種類上都比較少。國外的打包機機械產(chǎn)品已經(jīng)走上節(jié)能、智能和高等科技化的道路。而國內(nèi)從引進廢金屬打包機到現(xiàn)在已經(jīng)有20余年，打包機械的發(fā)展仍沒有跟上工業(yè)進程的步伐。在科技發(fā)展過程中，金屬打包產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨向勢必是：
(1)高效化
(2)機電一體化
(3)自動化、智能化
從現(xiàn)有的信息，目前擁有和使用的金屬包裝機分為兩類：螺桿驅(qū)動和液壓驅(qū)動，刪除簡單和替換的機器。現(xiàn)在，絲桿傳動的金屬打包機幾乎已經(jīng)從市場上淘汰掉了，這是由于絲桿傳動跟摩擦壓機的某些缺點一樣，而且絲桿傳動的絲桿要求精度高，這將致使絲桿傳動不能較好地發(fā)展；而用液壓傳動的金屬打包機則具備了上述絲桿傳動所沒有的優(yōu)點，用液壓傳動的打包機傳遞壓力大、工作效率高、速度能夠自動控制等。
1.1.3 液壓傳動打包機的優(yōu)點
液壓打包機之所以發(fā)展迅速在于有許多其它傳動方式不可比擬的優(yōu)點，而這些優(yōu)點又正適應金屬的物料打包工作需要。這些優(yōu)點是:
(1)、很容易得到大壓力，能在工作行程的任何位置進行滿負載的擠壓工作。金屬物料變形穩(wěn)定，擠壓出的束塊密度高。
(2)、能容易實現(xiàn)自動變速，即壓頭在低壓力時能快速行動，高壓力時慢速行動。所以節(jié)省功率，提高效率，亦有利于金屬物料的變形。
(3)、工作時傳動平穩(wěn)，噪聲小。機器的結(jié)構緊湊，體積小，占地面積小。
(4)、容易實現(xiàn)過載保護。在額定壓力下，可隨時調(diào)節(jié)壓力的大小，即能保護設備的安全，操作也方便。
(5)、容易實現(xiàn)自動化，容易實現(xiàn)遠程操作，工人勞動強度低。
(6)、功率損失小，節(jié)省能源。標準化程度高，液壓元件容易更換。
1.1.4 我國液壓打包機的應用及展望
我國液壓打包機的研制應用起步于上世紀80年代中期。原國家計委在發(fā)展中國鋼鐵工業(yè)中把廢鋼鐵回收加工列入節(jié)能項目，宏觀政策上鼓勵發(fā)展。當時由商業(yè)部和國家物資局從捷克斯洛伐克、日本、美國、聯(lián)邦德國等組織引進了部分廢鋼打包機。首先在京、津、滬等大中城市應用。然后通過技術引進，技術合作等形式逐步形成了我國廢金屬加工設備生產(chǎn)體系。那時，中國仍然以計劃經(jīng)濟為主，市場調(diào)節(jié)為輔。隸屬于機械工業(yè)部的宜昌機屬工業(yè)公司責無旁貸地承擔了引進設備的技術吸收轉(zhuǎn)化和國產(chǎn)設備的研制開發(fā)等生產(chǎn)任務，并為我國液壓系列廢金屬加工設備的推廣應用做出了歷史性貢獻。90年代后，隨著我國市場經(jīng)濟的不斷發(fā)展完善，廢鋼加工設備研制生產(chǎn)企業(yè)逐步向長江流域和華東地區(qū)轉(zhuǎn)移，江蘇華宏科技股份有限公司(原江陰市液壓機械廠)就應運而生了。常熟市鍛壓機床有限公司，武漢供銷機械廠，寧波非標設備廠等也都生產(chǎn)了一定數(shù)量的廢金屬加工設備。
1.1.5 我國廢金屬加工設備的生產(chǎn)規(guī)模及現(xiàn)狀
據(jù)粗略統(tǒng)計，自“九五”時期以來:我國年均生產(chǎn)各種廢鋼加工設備在4400~5300臺(件)，21世紀后年均產(chǎn)量有了較大增長，這與我國鋼鐵蓄積量“十五”時期大幅增長的情形相同。其中大型廢鋼加工設備( 包括抓鋼機)多數(shù)服務于大型冶金企業(yè)，其所占比例較小，大約在10% ~15%。而中小型廢鋼加工設備一般使用在再生資源回收利用公司和基層回收站，約占設備總量的85%~90%。近些年有色金屬和不銹鋼企業(yè)發(fā)展迅猛，爐前選用廢金屬打包機加工原料的日見增多。江蘇華宏科技股份有限公司是我國專業(yè)生產(chǎn)廢鋼加工設備的新興力量?！熬盼濉?時期共計生產(chǎn)廢金屬加工設備3800余臺(件)，產(chǎn)值達16780萬元?！笆濉?期間生產(chǎn)各類廢鋼加工設備14895臺(件)，實現(xiàn)銷售80513余萬元，占據(jù)了國內(nèi)較大的市場分額。2006年1月至2007年6月，江蘇華宏又生產(chǎn)出各類廢金屬加工設備5667臺(件)，實現(xiàn)銷售達42880萬元，18個月的產(chǎn)量和產(chǎn)值約占“十五”時期的38%和53.26%。江蘇華宏自“九五”時期至今，一共累計生產(chǎn)各類廢加工設備24362臺(件)。華宏設備以占國內(nèi)市場份額50%計，全國同期應有廢金屬加工設備總數(shù)為48724臺(件) ;若以40%計則全國同期設備總數(shù)為60905臺(件)，約相當于年產(chǎn)5 300臺(件)。若含抓鋼機，冶金渣破碎機及研磨設備等，廢鋼加工設備總數(shù)應在50000~62000臺 (件)左右。當然這只是理論推導值，尚不包括報廢折舊部分，也未計進口和出口部分。
從上世紀80年代后期引進國外廢鋼打包機至今已有20余年。中國加入世貿(mào)組織也已多年，世界經(jīng)濟一體化的進程不斷加快，而我國液壓打包機的研制現(xiàn)狀仍有許多令人不滿意的地方。
新產(chǎn)品開發(fā)研制的動力、財力不足。目前在企業(yè)中設有科研所的只有湖北力帝和江蘇華宏。在競爭日趨激烈的今天，企業(yè)只能以贏利為目的，而國家和政府又沒有科研經(jīng)費投入，這個領域似乎成了被人遺忘的角落。經(jīng)久耐用、簡單可行的設備受歡迎。廢鋼回收加工，北方稱之為收破爛兒，南方叫收廢品，一般的人不愿意干。當然在循環(huán)經(jīng)濟，節(jié)能環(huán)保等新概念的沖擊下，人們的觀念有所改變。中國的傳統(tǒng)是勤儉節(jié)約，投入少產(chǎn)出多，特別是廢鋼加工設備只要求簡單易用，不歡迎復雜奢侈。所以20多年后的今天，廢鋼打包機仍是老面孔，新產(chǎn)品的開發(fā)并不多見。集打包、剪切功能為一身的液壓打包機國內(nèi)尚無批量生產(chǎn)。
1.1.6 我國廢鋼加工設備前景展望
我國廢鋼加工設備的指研制設計和生產(chǎn)與國家的經(jīng)濟發(fā)展速度，特別是與冶金工業(yè)的發(fā)展密切相關。我國“十三五”期間的GDP年均增長在7%~8%，2018年我國粗鋼產(chǎn)量將超過5.3億噸，國內(nèi)鋼材需求總量將達到4.8億噸以上，屆時一年需廢鋼將達8000萬到9000萬噸。
(1) .廢鋼加工設備的數(shù)量、質(zhì)量均呈增長提高狀態(tài)
在廢鋼供應環(huán)節(jié)中，國家鼓勵批量采購，集中加工，統(tǒng)-一配送。對鋼鐵企業(yè)則鼓勵精料入爐，積極開展資源的綜合利用。2007 年鋼鐵行業(yè)將節(jié)能1 700萬噸標煤，減排二氧化硫9萬噸，節(jié)水3億噸。隨著“鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策”的全面落實，隨著廢鋼加工配送體系的逐步推廣建立，需要加工的廢鋼將逐年增加，所以社會對廢鋼加工設備的質(zhì)量，數(shù)量都將有新的要求。
(2).各種類型的廢鋼加工設備將協(xié)同發(fā)展
由于我國是發(fā)展中國家，將長期處于社會主義初級階段。以冶金工業(yè)為例:全國鋼鐵企業(yè)中有寶鋼、武鋼，鞍鋼等現(xiàn)代化的大型鋼鐵企業(yè)，也有像南京，杭州、濟南等準現(xiàn)代化企業(yè)，甚至還有像加興、遂昌、錫興等“第三世界”的企業(yè)。由于各自的經(jīng)濟實力不同，選擇廢鋼加工設備自然是量力而行，各取所需。同樣對于各種類型的再生資源企業(yè)，對于廢鋼回收加工供應企業(yè)采購廢鋼加工設備的選擇標準是千差萬別的。所以在“十一五”時期，各種類型的廢鋼加工設備(含進口、國產(chǎn)、大、中、小等)仍將共同存在、共同繁榮、和諧發(fā)展。
(3).綜合加工設備、一機多能設備將更受青睞
社會需要自動化程度高，生產(chǎn)效率高，具有生產(chǎn)流水線形式的廢鋼綜合加工設備，對一機多能設備將更受青睞。如韓國大模技術有限公司生產(chǎn)的DMS系列金屬打包機可360度自由旋轉(zhuǎn)且功率大，適合大鋼廠料場作業(yè);詹陽動力重工公司生產(chǎn)的履帶式液壓抓鋼機附帶電磁吸盤和散料抓斗，-機多用深受鋼鐵企業(yè)迎。意大利考爾瑪公司的液壓打包剪切機系列產(chǎn)品，具有打包和剪切的雙重功能，是廢鋼加工設備的發(fā)展方向。建議中國廢鋼鐵應用協(xié)會和廢鋼加工設備委員會組織力量開展全國范圍廢鋼加工設備產(chǎn)量、產(chǎn)值以及生產(chǎn)能力調(diào)查，包括各類生產(chǎn)企業(yè)、工程技術人員，產(chǎn)品銷售地域等等。以普查為基礎，組織行業(yè)專家制定廢鋼加工設備“十三五”規(guī)劃，并配合質(zhì)檢等部門推行廢鋼加工設備產(chǎn)、銷售許可證制度，使全行業(yè)逐步升級換代，規(guī)范有序。
1.2 課題研究的意義
留意我們的周邊環(huán)境，容易覺察到，各個企業(yè)工廠的金屬廢料和日常生活中遺棄的金屬制品都日益增加，這是工廠企業(yè)在飛速發(fā)展和人們生活質(zhì)量越來越高的原因。然而，這自然就給我們的周圍的環(huán)境和社會的發(fā)展帶來舉足輕重的影響。隨著經(jīng)濟和科技的不斷發(fā)展，許多礦產(chǎn)資源也將慢慢減少。因此，怎樣處理金屬廢料，不僅要杜絕對環(huán)境的破壞，還要廢物回收利用，可持續(xù)的資源發(fā)展，就變成我們的重點研究和方向。打包機在國民經(jīng)濟中發(fā)揮著不可替代的作用，這是因為它能實現(xiàn)對金屬廢料的打包回收再利用，前景開闊。
上述是從基本的意義上出發(fā)的，變廢為寶、資源再利用是必須要的。但是，我們現(xiàn)在面臨更多的是如何讓回收的成本降得更低，回收的效率提得更高。現(xiàn)在國外的打包機正在朝著智能、自動、高效化發(fā)展。國內(nèi)對新產(chǎn)品的研究的缺乏動力、財力使得現(xiàn)今的打包機技術處于落后的不良狀況。日益激烈的競爭讓企業(yè)的自主研究成果無法讓大眾分享，而相關部門又沒有科研經(jīng)費的投入。讓這一領域的空白沒法填補。
根據(jù)上述的情形，本文研究設計的金屬打包機與過去的打包機相比，是具有一定研究意義的。
1.3 設計內(nèi)容簡介
1.3.1 研究解決的問題
傳統(tǒng)的包裝機械設備包括傳動機構、動力系統(tǒng)以及工作機構。機器運動的能源來自動力系統(tǒng)；而機器的運行是靠傳動機構來實現(xiàn)的；然而傳動機構的作用是為了讓動力源滿足運行機構對速度、力和其他運行功能要求的裝置。
1）初始數(shù)據(jù)：
（1）公稱推力：1150KN
（2）壓縮室尺寸：1100×650×550mm
（3）包塊尺寸（長×寬×高）：（240-350）×250×250mm
（4）包塊密度：≥ 1800kg/m3
（5）生產(chǎn)效率：30t/h
1.3.2 整體設計方法
1）金屬打包機主體的設計 ：
（1）打包機機體的設計
（2）壓縮室的設計：
①壓縮室的尺寸設計
②進行彎曲強度校核
2）液壓系統(tǒng)的設計：
（1）液壓泵的選擇
（2）提供能實現(xiàn)足夠流量以及壓力適當?shù)囊簤河捅卯斨幸簤涸吹漠a(chǎn)生機構
（3）液壓缸及控制油路的設計：
要求能實現(xiàn)如下工作過程：啟動后，上蓋缸自動合上→鎖緊機構鎖上→主缸快進達到一定位置后切換為工進→當主缸壓力達到一定值后，主缸保壓→側(cè)缸快進，達到一定行程后切換為工進→當側(cè)缸壓力達到一定值后，側(cè)缸保壓→保壓一定時間后，主缸泄壓，側(cè)缸回到起始位置→鎖緊機構松開→上蓋打開→前門打開→主缸將包塊推出壓縮室→主缸快退回到初始位置→前門關上→進行下一次填料。
（4）輔助裝置的確定：
采用以上提到的各個部位相互連接通道和接口。
3）旋轉(zhuǎn)打包機構的設計：
（1）動力源選擇
（2）帶傳動設計計算
（3）齒輪傳動設計
（4）鏈輪傳動設計
（5）軸的設計
4）單片機的控制線路設計以及編程
（1）液壓原理圖的設計
（2）選擇單片機的控制器
在選好了對應單片機和操作對象后，實現(xiàn)下面幾個操控過程：
① 上蓋打開，填入待加工的金屬廢料；
② 上蓋合上，用鎖緊機構來鎖住上蓋；
③ 主缸快進，一定行程后工進，到一定壓力后保壓；
④ 側(cè)缸同主缸；
⑤ 主缸泄壓，鎖緊機構松開，上蓋和前門都打開；
⑥ 主缸快進，把包塊由前門送到壓縮室；
⑦ 主缸快退，前門關上，等候下一次填料并且進行包裝。
1.4 本章小結(jié)
根據(jù)市場需要和制造能力，完成打包機的研發(fā)和制造。要求可以達到步驟準確，工作安全、便于維護、并能使所設計的打包機經(jīng)濟實惠、性能穩(wěn)定的目標，液壓系統(tǒng)應用了PLC控制，控制容易、便捷，可以很好的實現(xiàn)市場的需求，加工工藝很好。
2 打包機主體的設計分析
主要任務就是進行打包機的外形設計以及確定輔缸及主缸壓包輸出包的運作形式，并且對涉及的部位受力分析。
2.1 打包機的結(jié)構設計
打包機的機體設計最基本的任務就是確定合適的機體結(jié)構，并且從初始的數(shù)據(jù)出發(fā)，選擇合理的結(jié)構和大小，最后設計出符合條件的壓縮室。因此，對于液壓金屬打包機的推送壓縮塊運做程序的分析，是實現(xiàn)本次設計的必要條件。
2.1.1 打包機的運動
打包機運動程序如下：
1）填料后上蓋關閉，用鎖緊機構來鎖緊上蓋，防止上蓋被頂開。
2）主缸壓頭加速前進，達到設置的行程后切換為工進。直到廢棄金屬打包成包塊且等于包塊長度為止，此時主缸保壓。
3）主缸保壓時，側(cè)缸快進，達到一定位置時切換為工進。當廢棄金屬打包成包塊到達包塊設定的寬度位置后側(cè)缸保壓。
4）包塊打包完成后，鎖緊機構就回到原來的地方，上蓋打開。
5）打開前門，主壓頭快速前進，將包塊由壓機前端推出壓縮室，主推頭快退回到初始位置。
6）前門關閉，馬上進入下一個循環(huán)并且加料。
2.1.2 打包機的總布局
1)主機部分。
側(cè)缸系統(tǒng)要放在壓縮室側(cè)面，在機體上水平放置主缸系統(tǒng)，前門系統(tǒng)與主缸系統(tǒng)相互垂直，上蓋缸系統(tǒng)放在主缸上面，鎖緊機構放在上蓋上方，這就是主機部分。根據(jù)構成的結(jié)構可分為：
（1）機體
機體是由幾大塊構件拼湊起來的，它有固定的位置以及形式，不需要調(diào)節(jié)修定，因此安裝和拆卸都比較簡單。使用中也不容易損壞。
（2）上蓋缸系統(tǒng)
上蓋缸系統(tǒng)是由上蓋缸及上蓋組成。當填料結(jié)束后，上蓋在上蓋缸的推動下，扣住前門上端，此時上蓋平行于壓縮室底板，底板到上蓋下端面的距離就是包塊的高度。上蓋也是由幾塊部件構建而出的，因此需要焊接加強筋。鎖緊機構就放置于上蓋的上端面。
（3）鎖緊系統(tǒng)
其主要作用是通過鎖緊機構的銷將上蓋跟前門擋板連在一起。防止壓機打包廢料的時候由于過大的壓力從而將上蓋頂起，造成事故。上蓋上裝有鎖緊機構導向機構，可以將鎖緊機構的銷軸導入到前門擋板上的銷孔內(nèi)。銷軸要經(jīng)過前門，為了防止由于物料的干擾使得銷軸無法導入到前門擋板的銷控內(nèi)，故需加大前門上的孔道，讓銷軸安全通過。
（4）主缸、側(cè)缸系統(tǒng)
主缸、側(cè)缸系統(tǒng)是由主缸體總成、圓螺母和主壓頭等組成，它就是用來對松散的物料進行打包壓縮，使它達到一定的密度，將物料壓縮到包塊要求的寬度后保壓然后由側(cè)缸系統(tǒng)進行下一步壓縮。當主缸把包塊壓縮到設定的尺寸后就停止。側(cè)缸系統(tǒng)跟主缸系統(tǒng)一致，側(cè)缸系統(tǒng)控制著包塊的長度。
（5）出料門系統(tǒng)
出料門系統(tǒng)是由出前門輔助缸總成、料門、支座及其它主要零部件構成。它的功能就是當壓縮塊壓縮成形時，把出料門打開，把金屬壓縮塊從門洞口移出。因為出料門是和高壓室在一起，直接承接從主缸來的擠壓力，所以運行過程中要確保開門之前的主缸體的卸壓得步驟以及泄壓的時間要求，不然就會導致門無法正常打開或者部件損壞。
2）動力系統(tǒng)
動力系統(tǒng)放在機械后半部分。本次設計只是對這部分做一個說明，并不做主要設計。整個系統(tǒng)由下列部分組成：
（1）油箱部分
（2）油泵—電機組
（3）控制閥組
（4）管路系統(tǒng)
（5）操縱箱
操縱箱作為機械的電路控制中心，機械的主要電氣元件均置于柜內(nèi)[6]。這項在這邊只進行說明，在本次設計中不進行設計計算。
圖2.1 打包機總裝圖
2.2 打包機壓縮室的設計與強度校核
本章節(jié)重點的校核對象是壓縮室門板以及壓頭。
2.2.1 壓頭的強度校核
因為壓頭是開口銷連接式厚度是100mm的壓板，其功能是用來承接擠壓應力，在壓縮過程中，它承接的擠壓應力可幾乎為零故而不進行設計計算。
2.2.2 壓縮室的設計
壓縮室的尺寸設計：
按照要求，打包壓縮后的金屬包塊的體積是（0.240~0.35）×0.250×0.250m3 ，且初定壓縮室的尺寸大小是：1.100×0.650×0.550m3，為了縮短主液壓缸的有效工作行程，故而確定廢棄金屬包塊的體積為0.30×0.250×0.250m3，且壓縮室的尺寸為0.80×0.650×0.550m3。
壓縮室使用厚度是（25~50）mm的鋼板焊接，材料是45#鋼，抗拉強度：=600（MPa）,屈服強度=355（MPa）由任務書可知壓縮時的推力是1150KN，壁厚選定為40mm。
表2.1 安全系數(shù)n
材料
靜載荷
交變載荷
沖擊載荷
不對稱
對稱
鋼
3
5
8
12
鐵
4
6
10
15
根據(jù)表2.1，選取安全系數(shù)n=5，則：
許用拉應力：
=/n=120（MPa） （2-1）
許用壓應力：
=/n=71（MPa） （2-2）
許用剪切應力：
==69.28（MPa） （2-3）
活塞和壓縮室的擠壓強度。
[]=<[] （2-4）
壓縮室側(cè)壁和出包門相應的剪切應力.
<[] （2-5）
式中:
（2-6）
（2-7）
出包門和壓縮室側(cè)壁的拉壓應力：
已知主液壓缸壓頭點處的剪力最大FC為1150KN
圖2-2 剪切強度圖
圖2-3 彎曲強度圖
（2-8）
（2-9）
（2-10）
求得最大彎矩Mmax為93437.5Nm,W為6.77,由公式2-8得：
13.8Mpa<[] （2-11）
滿足強度要求。
3 旋轉(zhuǎn)平臺動力源的選擇
3.1 電機的選擇
由于包塊載體需要的扭矩不是很大，因而確定電機的功率為2.2kW。由于載體的轉(zhuǎn)速為64r/min，查表3-1可知：電機的型號為Y112M-6，可確定電機的轉(zhuǎn)速為940r/min。
表3-1 Y系列（IP44）電動機的技術數(shù)據(jù)
電動機類型
額電功率/kW
滿載轉(zhuǎn)速
/（r/min）
堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩
最大轉(zhuǎn)矩
質(zhì)量/kg
Y90S-6
0.75
910
2.0
2.0
23
Y90L-6
1.1
910
2.0
2.0
25
Y100L-6
1.5
940
2.0
2.0
33
Y112M-6
2.2
940
2.0
2.0
45
Y132S-6
3
960
2.0
2.0
63
Y132M1-6
4
960
2.0
2.0
73
Y132M2-6
5.5
960
2.0
2.0
84
Y160M-6
7.5
970
2.0
2.0
119
Y160L-6
11
970
2.0
2.0
147
Y180L-6
15
970
1.8
2.0
195
3.2 各級傳動比的確定
根據(jù)要求的轉(zhuǎn)速，有以下計算得：
（3-1）
確定各級傳動的傳動比分別為：帶傳動；第1級錐齒輪傳動(減速裝置) ；第2級錐齒輪傳動，鏈傳動。
3.3 運動參數(shù)及動力參數(shù)計算
3.3.1 計算各軸的轉(zhuǎn)速
設連接從動帶輪的軸為軸1，連接第1級錐齒傳動的軸為軸2，連接主動鏈輪的軸為軸3，連接從動鏈輪的軸為軸4，其中從動帶輪的轉(zhuǎn)速為，因為小錐齒與從動帶輪在同一根軸上，故小錐齒的轉(zhuǎn)速為；與小錐齒嚙合的錐齒的轉(zhuǎn)速為，主動鏈輪的轉(zhuǎn)速為，從動鏈輪的轉(zhuǎn)速為。
（3-2）
3.3.2 各軸輸入功率
設各軸的傳動效率為；
（3-3）
3.3.3 各軸的轉(zhuǎn)矩
電機的轉(zhuǎn)矩
（3-4）
4 帶傳動的設計與計算
帶輪傳動機構圖如圖4-1所示。
圖4-1 帶輪傳動
4.1 設計功率
由機械設計基礎[28]中（以后用表均出自本書）表13-8得工況系數(shù),故
（4-1）
4.2 選擇帶型
根據(jù)由圖13-5查得選用V型帶傳動。
4.3 確定大、小帶輪的基準直徑
由表13-9知，應不小于75，現(xiàn)取，可得
（4-2）
由表13-9取
4.4 驗算帶速
（4-3）
帶速在5~25m/s之間，合適。
4.5 V帶的基準長度和中心距
初步選取中心距
（4-4） （4-5）
查表13-2，取
實際中心距
（4-6）
4.6 驗算小帶輪包角
（4-7）
有上計算可知，帶輪包角在合適范圍內(nèi)。
4.7 V帶根數(shù)
由查表13-3得
由傳動比查表13-5得
由查表13-7得，查表13-2得,由此可得
（4-8）
由上計算得出，V帶根數(shù)取為2。
4.8 作用在帶輪軸上的壓力
查表13-1得，故求得單根V帶的初拉力
（4-9）
作用在軸上的壓力為：
（4-10）
4.9 帶輪的結(jié)構設計
帶輪材料選擇HT150，由于，所以用腹板式結(jié)構。查表13-10得：
由此可得
（4-11）
（4-12）
（4-13）
5 齒輪傳動的設計
錐齒輪傳動圖如圖5-1所示。
1.大錐齒輪3 2.大錐齒輪2 3.大錐齒輪1 4.小錐齒輪
圖5-1 錐齒傳動圖
5.1 選擇材料
考慮減速器傳遞功率不大，所以齒面采用軟齒面。小齒輪齒1選用45鋼調(diào)質(zhì)，齒面硬度為197~286HBS。大齒輪齒2選用45鋼正火，齒面硬度為156~217HBS。傳動精度為7級。由于齒3，齒4只起轉(zhuǎn)向，增扭作用，且兩齒轉(zhuǎn)速相同，故齒3，齒4材料，參數(shù)與齒2相同選用45鋼正火，齒面硬度為156~217HBS。傳動精度為7級。
5.2 齒數(shù)選擇
設小齒輪齒數(shù)為，則大齒輪齒數(shù)為取47
設模數(shù)則由表4-5可得：
分度圓錐角 （5-1）
解得；
分度圓直徑： （5-2）
齒頂高，齒根高，全齒高，頂隙
齒頂圓直徑
（5-3）
齒根圓直徑
（5-4）
外錐距：，齒寬：
齒頂角：
(5-5)
齒根角：
（5-6）
根錐角
（5-7）
頂錐角
（5-8）
齒寬系數(shù)
（5-9）
5.3 受力分析
圓周力
（5-10）
6 鏈輪的設計
如圖6-1所示，鏈傳動示意圖。
圖6-1 鏈傳動示意圖
6.1 鏈輪齒數(shù)
由軸3功率，傳動比查表13-12得：
大鏈輪齒數(shù)
（6-1）
取，實際傳動比
誤差遠小于，故允許。
6.2 鏈條節(jié)數(shù)
初定中心距得：
（6-2）
取鏈條節(jié)數(shù)為。
6.3 計算功率
由表13-13得：，故
（6-3）
6.4 鏈條節(jié)距
估計鏈傳動工作于圖13-33所示曲線頂點的左側(cè)（即可能出現(xiàn)鏈板疲勞破壞），由表13-13得
（6-4）
采用單排鏈，，故
（6-5）
由圖13-33查的當時，12A鏈條能傳遞的功率為，故采用12A鏈條，節(jié)距。
6.5 實際中心距
設中心距可調(diào)。
6.6 計算鏈速
（6-6）
6.7 作用在軸上的壓力
由設得：
（6-7）
（6-8）
7 軸的設計
軸體二示意圖如圖7-1。
1.軸段1 2.軸段2 3.軸段3 4.軸段4 5.軸段5 6.軸段6 7.軸段7
圖7-1 軸的正視圖
動力從電機傳出，由帶輪傳動傳遞到軸1上，再經(jīng)由軸1上的錐齒由第一級錐齒傳動傳遞到軸2上，由軸2上的錐齒經(jīng)過第二級錐齒傳動傳遞到軸3上，再由軸3上的鏈傳動傳遞到橡膠滾筒上，從而達到打包的作用。
7.1 材料的選擇
1.底軸承 2.頂軸承 3.軸2 4.軸3 5.軸1
圖7-2 軸的裝配及軸上零件圖
表7-1 軸的常用材料及其主要力學性能
材料牌號
熱處理
毛坯直徑/mm
硬度
HBW
抗拉強度
MP MPa
屈服點
MP
彎曲疲勞極限
MP
扭轉(zhuǎn)疲勞極限
MP
許用靜應力
MP
許用疲勞應力
MP
備注
45
正火
25
610
360
260
150
244
173~200
應用最廣泛
正火
回火
170~217
162~217
156~217
600
300
240
140
240
160~184
>100~300
580
290
235
135
238
156~180
>300~500
560
280
225
130
224
150~173
>500~750
540
270
215
125
216
143~165
調(diào)制
217~255
650
360
270
155
260
180~207
20Cr
滲碳
15
表面
56~62
HRC
850
550
375
215
340
208~250
淬火
30
650
400
280
260
260
155~186
回火
650
400
280
260
260
155~186
由于軸2上有齒輪，且轉(zhuǎn)矩較大，故由表7-1選軸2的材料為45號鋼，調(diào)制處理，HBS為217～255MPa，取210MPa。
7.2 軸上元件的定位
（1）擬定裝配方案：底軸承，錐齒輪2，頂軸承，錐齒輪2，軸承從兩端裝；然后整根軸裝入減速箱及頂箱內(nèi)。
（2）根據(jù)軸向定位要求，確定軸的各段直徑和長度。
表7-2 幾種軸用材料的及A值
軸的材料
Q235，20
35
45
1Cr18Ni9Ti
12~20
20~30
30~40
15~25
A
160~135
135~118
118~107
148~125
現(xiàn)在計算軸的最小直徑，經(jīng)過查閱相關文獻可得知計算軸的最小直徑的公式。軸的最下直徑為：
（7-1）
式中：——主動滾筒最小直徑（）；
A——查表可知；
——傳遞的功率（）；
——軸的轉(zhuǎn)速（）。
由表7-1可知：，由前面計算可知，，將數(shù)據(jù)帶入式（7-1）得：
（7-2）
裝底軸承的地方軸徑最小，，其次是錐齒，,然后是安裝頂軸承的一段，，軸承預選圓柱滾子軸承，頂軸承選NU213E，底軸承選NUE206E。軸肩處直徑預選，齒2處軸肩直徑為，齒3處軸肩直徑為。
表7-3 軸承的一般參數(shù)
規(guī)格列表
內(nèi)徑/d
外徑/D
寬度/B
NU 202 E
15
35
11
NU 203 E
17
40
12
NU 204 E
20
47
14
NU 205 E
25
52
15
NU 206 E
30
62
16
NU 207 E
35
72
17
NU 208 E
40
80
18
NU 209 E
45
85
19
NU 210 E
50
90
20
NU 211 E
55
100
21
NU 212 E
60
110
22
NU 213 E
65
120
23
NU 214 E
70
125
24
NU 215 E
75
130
25
NU 216 E
80
140
26
NE 217 E
85
150
28
NU 218 E
90
160
30
NU 219 E
95
170
32
由上表可知，頂軸承的參數(shù)為：，，。
底軸承的參數(shù)為：，，。
由于軸底處有軸承，故軸段1的長度為，直徑。
由于軸段2處無零件，故軸段2長度為，直徑。
由于軸段3處為齒2，故軸段3前有5mm的階梯，方便退齒2，由于齒2厚22.84mm，故軸段3的長度為，直徑。
由于軸段4為軸肩且為齒2與減速箱蓋之間部分，故軸段4的長度為，直徑。
由于軸段5處有軸承，故軸段5前有5mm的階梯，因而軸段5長度為，直徑。
由于軸段6為減速箱與頂箱之間的部分，故軸段6前有一5mm階梯，又有軸段6為軸肩，故軸段6的長度為，直徑。
由于軸段7處有齒3，故軸段7的長度為，直徑。
故軸總長為。
7.3 軸的強度校核
由前面計算可知轉(zhuǎn)矩；
齒輪圓周力
（7-3）
齒輪徑向力