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哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院畢業(yè)設計（論文）
摘 要
隨著我國空調、制冷業(yè)的發(fā)展，對翅片管的需求量日益增加。作為翅片散熱管生產的專用設備，翅片散熱管繞制機僅靠進口已經不能適應市場競爭的要求。因此有必要借鑒國內、外繞制機的先進技術設計出一種全新的自動繞制機，以適應現在市場的需求。
本文從特殊暖氣管繞制機的功能要求出發(fā)，在查閱大量有關國內、外繞制機文獻的基礎上，提出了自動繞制機的總體設計方案，確定了該繞制機的繞制原理、加工工藝過程及總體布置等。
課題來源于哈爾濱熱風機制造廠和哈爾濱理工大學聯合研制開發(fā)的合作項目。本設計擬解決原有傳統(tǒng)的半機械、半手工的繞制方式，提高產品質量的穩(wěn)定性，增加翅片散熱管的繞制品種和規(guī)格，降低了操作者的勞動強度，實現了產品螺距的無級調節(jié)，并可實現程序管理、參數預設置、自動和手動等功能。能夠有效地提高企業(yè)的生產效率和自動化程度，提高企業(yè)在市場上的競爭力。
關鍵詞 翅片散熱管；繞制機；電動機；軸承。
Abstract
Along with development of the air-conditions and refrigeration industry, the requirement for fin tube is increasing. As special product equipment of aliform radiator pipe, it can’t adapt the requirement of market competition only by importation. So it is necessary to use advanced technique of demestic and oversea for reference and design a new automatism curling machine to adapting the requirement of market.
This paper is Setting out from function request of special caliduct curling machine, After refer to large numbers of books and related literature of curling machine, the design of automatism curling machine is put forward, and its curling principle, technics process and disposal are confirmed.
The task roots in the cooperate exploitation item between Harbin sirocco machine produce factory and Harbin university of science and technology. This design will resolve the curling problem of half machining and half handworking, advance the stability of product quality, and increase curling variety and specification of fin radiators, depress labor intension of manipulator, and realize function of stepless adjusting to product pitch, program managing, parameter early-setting, automatism or handworking and so on. It can advance enterprise production and automatization, and enhance enterprise competition on the market.
Keywords radiator pipe aliform ; curling machine
目錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒 論 1
1.1 課題背景 1
1.2 國內外研究現狀 2
1.2.1 國內研究現狀 2
1.2.2 國外研究現狀 3
1.3 研究的目的和意義 4
1.4 本文研究的內容 4
第2章 總體設計 6
2.1 設計要求 6
2.2 繞制原理 8
2.3 工藝流程 9
2.4 總體布置 10
2.4.1 基本要求 10
2.4.2 布置形式及選擇 11
2.5 運動計算 13
2.6 動力計算 15
2.6.1 壓緊力的計算 15
2.6.2 鋼管轉動的有效功率 16
2.6.3 總傳動效率 16
2.6.4 主運動電機功率 17
2.6.5 進給運動電機功率 17
2.7 本章小結 17
第3章 主要零部件設計 19
3.1 床身設計 19
3.2 自動上料裝置設計 20
3.3 托架設計 21
3.3.1 托架結構 21
3.3.2 托架功用 22
3.3.3 托架工作過程 23
3.4 下料裝置設計 23
3.5 繞制裝置設計 24
3.6 本章小結 25
第4章 主要零部件的選擇、計算與校核 27
4.1 電機的選擇 27
4.2 同步齒形帶的計算 27
4.3 齒輪齒條傳動 29
4.4 矯正裝置中彈簧的設計計算 30
4.4.1 選取材料和確定許用應力 31
4.4.2 計算曲度系數k 31
4.4.3 計算鋼絲直徑d 31
4.4.4 彈簧中徑D2 31
4.4.5 彈簧有效圈數n 32
4.4.6 彈簧的幾何尺寸 32
4.5 液壓缸設計計算 33
4.5.1 液壓缸的設計概述 33
4.5.2 液壓缸的計算 33
4.6 軸承的計算與校核 35
4.6.1 壽命計算 35
4.6.2 靜載荷計算 36
4.6.3 許用轉速驗算 37
4.7 本章小結 37
結 論 39
致 謝 40
參考文獻 40
附錄1 譯文 43
附錄2 英文參考文獻 46
- IV -
第1章 緒 論
1.1 課題背景
本課題來源于哈爾濱熱風機制造廠和哈爾濱理工大學聯合研制開發(fā)的合作項目。哈爾濱熱風機制造廠是制造暖風機和組合式空調機組的專業(yè)生產廠家，翅片散熱管是其主要產品之一。
特殊散熱器繞制機是生產翅片散熱管（以下簡稱翅片管）的專用設備。翅片管是指金屬外表面繞有連續(xù)薄帶狀的螺旋形金屬翅片，利用翅片進行熱交換的一種換熱元件。這種翅片管是目前國內外一致公認的一種新型高效熱交換元件，是先進的節(jié)能產品，可廣泛應用于機械、冶金、石油、化工、電站、汽車、醫(yī)療等行業(yè)的熱交換器及各種散熱器、暖風機等設備上。由于我國現有的繞制機多屬于半機械半手工的操作方式，生產效率低、產品質量不穩(wěn)定、產品規(guī)格少、不能滿足用戶日益增長的對產品質量、品種和規(guī)格的要求。因此，借鑒國外的先進技術，開發(fā)具有自動控制功能的繞制機是一項極具開發(fā)潛力的項目。
隨著工農業(yè)的日益發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，能源緊張已成為世界性重大問題之一。世界各國都紛紛尋找新的能源及節(jié)約能源的途徑，而換熱器是開發(fā)利用和節(jié)約能源的有效設備，在傳熱和余熱回收，利用地熱，太陽能等方面都離不開換熱器。由于翅片管是換熱器中最基本、最重要的熱交換元件，其質量的優(yōu)劣直接影響到熱交換器的工作性能，因此翅片管的研究倍受重視。現在國內市場上所用的翅片管大致分為兩種：
一種是在鋼管外表面繞有連續(xù)薄帶狀的螺旋形的鋁片，這種鋁帶翅片管是通過鋼管轉動和鋁帶的軸向移動使鋁帶變成螺旋狀，進而靠鋁帶自身的張力緊緊地包裹在鋼管上形成的。由于鋁帶將鋼管全部包裹，并且鋁帶自身的散熱效果很好，因此通過鋼管的熱量全部傳給鋁帶，經過鋁帶向外部散熱，這樣就更好的達到了散熱的效果，并且增大了散熱面積[1]。
另外一種是高頻焊螺旋翅片管，其加工原理是在無縫鋼管外圓上按一定的螺距纏繞鋼帶（鋼帶垂直于鋼管外圓的表面），以高頻電流作焊接熱源，利用高頻電流的集膚效應和電熱效應，局部加熱鋼管與鋼帶的接觸面及待焊區(qū)，使接觸面達到塑性可焊狀態(tài)，同時在翅片外側施加頂鍛力將接觸處的金屬氧化物、局部熔化物以及多余的塑態(tài)金屬擠出，使鋼管與翅片材料之間達到固態(tài)原子間的結合，從而實現接觸面的塑性焊接。這種翅片管的特點是焊接速度快，生產率高，調整方便。但是由于必須要使用高頻電源，且高頻焊電力消耗大，因此投資較大[2]。
1.2 國內外研究現狀
1.2.1 國內研究現狀
60年代初，蘭州石油機械研究所和哈爾濱空調機廠共同研制成功了單L型翅片管的繞制機，同時也研制出我國第一臺空氣冷卻器，這標志著我國應用空冷技術時代的開始。該繞制機功能單一，只能繞制單一的L型翅片管，管徑和片距均不能任意改變。且操作速度較低，工人勞動強度大，產品不能滿足煉油、化工工藝的要求，國家仍需用大量外匯進口急需的空冷器產品。
為克服上述被動局面，1966年由蘭州石油機械研究所與天津市風機廠合作，對鑲嵌式翅片管制造工藝進行了研究。該工藝的研究內容包括翅片管的鑲嵌工藝原理、鑲嵌設備結構及其工藝過程等。最后試制成功了一臺可以鑲嵌光管直徑25mm、鋁翅片外徑分別為44、50和57mm的繞制機。通過對鑲嵌翅片管的熱力學試驗表明，這種翅片的制造工藝基本上是成功的，其性能與當時國外同類產品相近。然而，由于多種原因，該研究沒有繼續(xù)進行，成果也未推廣使用[3]。
在總結上述兩種繞制機研制經驗的同時，根據市場需求，蘭州石油機械研究所與蘭州長征機械廠協(xié)作，于1982年制成DL25-38型高速多功能翅片管繞制機。這臺繞制機在原理、結構及繞制工藝過程等方面，均吸取了前兩種繞制機的成功經驗。如在繞片時，無論鋁帶是鑲嵌還是纏繞，都要先冷彎成型。由于翅片在繞（鑲）時需承受很大的彎曲應力，故對鋁帶從材料成分、供貨狀態(tài)、機械性能及制造質量等都有嚴格的要求。該繞制機吸取這一教訓，把鋁翅片由純彎曲狀態(tài)改為壓延、彎曲工藝。即把鋁帶繞到管上之前，先經過軋頭和軋盤之間的擠壓和延伸，最后再彎曲纏繞在管子上，使翅片的應力狀態(tài)和變形點得到改善，從而避免了材料因受拉應力而使其外部邊緣發(fā)生破壞的現象，這就是該繞制機成功的關鍵之一。同樣，這臺高速、多功能繞制機通過更換少數零部件，也可繞制單L、雙L、KLM和鑲嵌等形式的翅片管。這里還要說明一點，設計繞制鑲嵌式翅片管的繞制機，除了要解決管子旋轉與翅片壓延、纏繞速度同步和匹配的關鍵技術外，還要使管壁擠槽、纏繞和壓緊三道工序外同步進行[4]。我國繞制機的大量使用從80年代開始，但多數為引進設備。隨著我國空調、制冷業(yè)的發(fā)展，對翅片管的需求量日益增加，作為翅片管生產的專用設備，繞制機僅靠進口已不能適應市場競爭的要求。為此，我國各企業(yè)，如無錫雪隆換熱器制造有限公司、沈陽匯智精密機械有限公司等，都紛紛開發(fā)、研制了適合本企業(yè)發(fā)展的設備，并取得了較好的經濟效益。經過不斷的改進和完善，繞制機的性能和各項參數都得到了很大的提高，但這些改進多數都只限于對機械結構的改進，繞制機自動控制能力相對較低[1]。
1.2.2 國外研究現狀
20世紀初，國外開始應用空冷技術來冷卻煉油及化工過程的工藝流體。由于工藝過程的迅速發(fā)展，對空冷器翅片管的結構形式提出了多種要求，因此各種翅片管制造設備相繼問世。英國、德國、波蘭和美國等工業(yè)國家，都先后研制出各自的翅片管繞制機并取得了相應的專利。
20世紀60年代中后期，美國的麥克埃洛依（Mc-ELROY）公司設計出了改進較大的高速多功能繞制機。法國、英國、德國和日本等許多空冷器制造公司，都使用該公司的繞制機。其特點是：具有完整的機械、電氣、氣動、潤滑、冷卻及鋼管噴丸等系統(tǒng)，功能多，精度高。
隨著空分設備制造業(yè)的發(fā)展，歐美發(fā)達國家的空分設備制造企業(yè)急需開發(fā)新一代空分設備的核心部機——換熱器，而換熱器的核心零件就是翅片，這是制造出高效、節(jié)能和先進換熱器的關鍵，而要制造這高精度的翅片必須有專用的翅片成形機。因此研制出能成形高精度翅片的成形機，成為當時各空分設備制造企業(yè)要發(fā)展和創(chuàng)新換熱器的迫切需要[5]。
70年代初期，美國TRIDAN公司就已經開始研制翅片散熱管繞制機。目前，該公司生產的翅片換熱器沖壓生產線為全自動沖壓生產線，滿足各種換熱器翅片的沖壓加工，主要有開卷機，過油裝置，精密高速壓力機，拉料機構，真空吸料集料裝置等組成[6]。
日本OKA株式工業(yè)會社作為熱交換器的專業(yè)制造廠家，是日本唯一的能夠把繞制機、扁管制管機、組裝機、檢漏裝置等設備組合一體系統(tǒng)性提案的設備廠家。該公司的翅片換熱器生產線的主要特點是磁粉阻尼自動控制開卷送料，磁粉阻尼自動控制張力，日本三菱變頻調速控制送料，日本三菱交流伺服控制系統(tǒng)，控制高切斷精度，刀片原材料采用特殊加工工藝處理，刀具使用壽命長，加工翅片快速穩(wěn)定，人機界面觸摸屏控制操作。該機具有自動開卷、張緊、送料、翅片成型、定波、整型、自動切斷等功能[7]。
1.3 研究的目的和意義
目前，國產繞制機在市場上并不多見，而且多數都僅限于對機械結構的改進，并沒有解決繞制機的自動控制問題，仍滿足不了對換熱元件的物理結構參數和性能技術參數的要求。國產繞制機與進口繞制機在技術方面有一定的差距。前者精度較低，自動化程度較差，調試困難，生產效率也不高，翅片管制造質量不易保證，故應對其進行技術改造。
為了滿足國內、國際市場的需求，同時降低國內企業(yè)的生產成本，提高企業(yè)的市場競爭力，針對國產繞制機的不足，借鑒國外先進技術，在數字化平臺上設計出一種新型高效的繞制機。開發(fā)后的繞制機功能齊全，使用可靠，根據實際需求，進行繞制工藝和結構設計。在以往研究的基礎上進行改進和創(chuàng)新，使繞制機具有全自動控制功能，可實現生產過程的自動化、智能化，穩(wěn)定加工質量提高企業(yè)的自動化程度，提高生產效率和產品加工精度。
因此，開發(fā)具有自動控制功能的特殊散熱管繞制機是一項極具開發(fā)潛力的項目，能夠產生可觀的經濟效益和社會效益。該繞制機生產的翅片管的傳熱效率可提高30%，生產率提高約6倍，直接節(jié)約原材料（鋁帶）15%，從而更好地滿足客戶對產品的需求。該特殊散熱管繞制機的主要性能和要求均可達到國內領先水平，將填補國內相關領域的空白。
經調查，全國使用該設備的企業(yè)有約上萬家，該設備批量生產后，按市場份額的20%～30%計算，年產值可達到約7000萬元，銷售收入約6300萬元，利潤約600萬元，稅金可達1070萬元，具有可觀的經濟效益。
1.4 本文研究的內容
本課題主要是通過對國內外鋁帶繞制機進行研究的基礎上，提出了一種全新的繞制機的設計方案。本方案能夠實現繞制機自動上下料、自動傳送、自動加工和實現不同的螺距加工等功能，使其加工的產品精度達到更高水平。具體有以下研究內容：
1．調研，收集相關資料，了解國內外現有設備的工作狀況。
2．根據所設計繞制機的性能要求和繞制原理，對其進行總體設計，初步確定其工藝路線及總體配置，同時進行運動計算和動力計算。
3．對繞制機各主要零部件進行詳細設計，包括床身設計、自動上料裝置設計、托架設計、下料裝置設計、繞制裝置設計。
4．根據運動和動力計算的結果，進行主要零部件的計算和選擇，包括電機的選擇，同步齒形帶、齒輪齒條、彈簧、液壓缸、軸承的設計計算，進而確定其主要結構尺寸。
第2章 總體設計
機械系統(tǒng)總體設計是產品設計的關鍵，它對產品的技術性能、經濟指標和外觀造型均具有決定性意義。機械系統(tǒng)總體設計主要包括機械系統(tǒng)功能原理設計、總體布局、主要技術參數如尺寸參數、運動參數和動力參數的確定及技術經濟分析等。由于最終確定的總體設計方案是技術設計階段的指導性文件，亦即各子系統(tǒng)中所有零部件的結構、形狀、尺寸、材質等都是以總體設計方案為依據，所以，設計者在進行此階段工作時必須大量查找國內、外有關同類產品設計的資料，通過分析、判斷、創(chuàng)新，最終獲取最有價值的信息以便設計出較理想的總體方案來[8]。
2.1 設計要求
由于設計要求既是設計、制造、試驗、鑒定、驗收的依據，同時又是用戶衡量的尺度，所以，在進行設計前必須對所設計產品提出詳細、明確的設計要求。任何一個產品的設計要求無外乎都是圍繞著技術性能和經濟指標來提出，一般主要包括功能要求、適應性要求、可靠性要求、生產能力要求、使用經濟性要求和成本要求[8]。
經過不斷的改進和完善，國產繞制機在翅片管形式及其他主要參數、規(guī)格方面已取得長足進步，但就總的技術性能和經濟指標來說，與國外繞制機相比還有較大差距。為了改變我國現有繞制機產品技術落后、生產效率低等狀況，同時提高企業(yè)自動化程度、提高企業(yè)的市場競爭力，在對國內外繞制機進行調查研究的基礎上，借鑒國外先進技術，提出一種全新的繞制機設計方案。其總體要求主要表現在以下幾個方面：
1．實現不同管徑和長度鋼管繞片的自動控制和鋁帶螺距的無級調節(jié)。
2．用自動控制系統(tǒng)代替原來的手工操作，提高加工精度。
3．通過自動控制，減少人為操作造成的誤差。
4．減少工人勞動強度。
表2-1 翅片管技術參數
管徑(D)mm
管長(L)mm
片長(B)mm
螺距(t)mm
翅片高(h)mm
Φ25
1
2
3
5
7
17.5
2.5
15.529
3.0
15.029
3.5
14.529
14.5
2.5
12.529
3.0
12.029
3.5
11.529
12.5
2.5
10.529
3.0
10.029
3.5
9.529
Φ21
1
2
3
5
7
17.5
2.5
15.529
3.0
15.029
3.5
14.529
14.5
2.5
12.529
3.0
12.029
3.5
11.529
12.5
2.5
10.529
3.0
10.029
3.5
9.529
Φ16
1
2
3
5
7
17.5
2.5
15.529
3.0
15.029
3.5
14.529
14.5
2.5
12.529
3.0
12.029
3.5
11.529
12.5
2.5
10.529
3.0
10.029
3.5
9.529
2.2 繞制原理
鋁制螺旋翅片散熱管是螺旋變形鋁帶以一定的螺距繞制在基管上，并通過適當的聯接方法使二者聯接起來，達到增大熱交換面積的目的。一種粘接的方法是在基管上切槽后，將鋁帶放入，再將基管上槽的兩側機械擠壓而發(fā)生塑性變形；另一種是鋁翅片通過機械式擠壓實現繞制。后一種方法，鋁帶在繞制過程中不僅發(fā)生塑性變形，而且還利用材料的彈性變形使得基管與鋁翅片通過內應力達到聯接的目的。該方法生產成本低廉，易于加工[9]。
繞制鋁制翅片管的成型方法如圖2-1所示。將裁好的條形鋁帶送入軋盤與基管形成的間隙中，通過基管的旋轉運動和相對軋頭的軸向運動使鋁片以空間螺旋狀纏繞在基管上。調節(jié)軋頭上彈簧的伸縮長度可控制軋制力的大小及不同管徑翅片管的軋制。翅片在繞制過程中是由直線狀態(tài)被軋盤強制擠壓成空間螺旋面，因而塑性變形情況復雜。但由于鋁片與鋼管相比，其剛度較小，易于成型，因此對鋼管的幾何精度影響不大，且實現起來比較容易。
鋁翅片
基管
圖2-1 鋁制翅片管成型原理
矩形直鋁帶經加工后的變形見圖2-2。其外側塑性變形大，內側小，從而鋁帶形成環(huán)狀，內孔在設備工藝條件的限制下與被加工的管子緊密結合。加之基管旋轉運動和直線運動的合成，使鋁帶形成所要求的螺旋形狀[10]。
圖2-2 鋁帶加工后的變形
2.3 工藝流程
工藝流程決定了產品的加工路線，零件的加工方法，從而決定了采用什么樣的設備及工裝。良好的、合理的工藝流程，是保證和提高產品質量的重要環(huán)節(jié)。工藝流程必須將質量擺在首位，否則，該工藝流程生產的件數再多也是無用的，也就是說，沒有質量就沒有數量。如果生產零件的質量提高了，它的性能、耐用度好了，廢品率降低了，實際上也相當于增加了產量，這說明質量可以轉化為產量。另一方面，零件的質量必須通過一定的數量來體現，因為任何質量都表現為一定的數量，沒有數量也就是沒有質量。若工藝流程導致產量極低，即使質量很高，仍是不能完成生產任務的。由此可見，質量和產量是各以對方的存在為條件，并且它們之間又有相互對立的。例如，某一正常的工藝流程，若在生產條件（如設備工藝裝備,人的操作水平等）不變的情況下，要求產量提高一倍，這就勢必使工人勞動強度加大，導致零件的廢品率增加，質量下降，同樣，如果在生產條件不變的情況下，提高質量要求，也勢必使生產效率下降而廢品率上升，在產品結構設計合理先進的條件下，工藝流程的編制必須要較好地解決好產量和質量的關系，才能使企業(yè)的生產得到發(fā)展，經濟效益得到提高。先進合理的工藝流程可以使企業(yè)處于較好的運轉過程，并充分利用企業(yè)的資源，從而提高勞動生產率，創(chuàng)造滿意的經濟效益[11]。
針對本課題現有資源情況，在滿足零件結構、性能的條件下，同時兼顧最大程度地利用資源，初步擬定工藝流程如圖2-3所示。
裝片
送片
預折
定位夾緊
粗定位
送管
上管
人工拿走
下料
斷片
繞片
圖2-3 繞制機工藝流程
2.4 總體布置
2.4.1 基本要求
機械系統(tǒng)的總體布置應從保證其主要性能出發(fā)，在總體設計和各總成部件設計的密切配合下，根據使用要求及功能分配來協(xié)調各總成的性能，并確定和控制它們的位置、尺寸和重量?？傮w布置必須要有全局觀點，不僅要考慮機械本身的內部因素，還要考慮人機關系、環(huán)境條件等各種外部因素，其基本要求如下[12,13]：
1．保證工藝過程的連續(xù)和流暢 這是總體布置的最基本要求。必須確保運動零部件的安全空間，保證前后作業(yè)工序的連續(xù)和流暢，以及能量流、物料流和信息流的流動途徑合理。
2．降低質心高度、減小偏置 如果機械的質心過高或偏置過大，則可能因擾力矩增大而造成傾倒或加劇振動；對于固定式機械也將影響其基礎的穩(wěn)定性。所以，在總體布置時應力求降低質心，盡量對稱布置，減小偏置，同時還必須驗算各零部件和整機的質心位置，控制質心的偏移量。
3．保證精度、剛度和抗振性等要求 機械剛度不足及抗振性不好，將使機械不能正常工作，或使其動態(tài)精度降低。為此在總體布置時，應重視提高機械的剛度和抗振能力，減小振動的不利影響。
4．充分考慮產品系列化和發(fā)展要求 設計機械產品時不僅要注意解決存在的問題，還應考慮今后進行變型設計和系列設計的可能性，及產品更新換代的適應性等問題。對于單機的布置還應考慮組成生產線和實現自動化的可能性。
5．結構緊湊，層次分明 為使結構緊湊，應注意利用機械的內部空間，如把電動機、傳動部件、操縱控制部件等安裝在支承大件內部。為使占地面積縮小，可用立式布置代替臥式布置。
6．操作、維修、調整簡便 為改善操作者的工作條件，減少操作時的體力及腦力消耗，應力求操作方便舒適。在總體布置時應使操作位置、修理位置和信息源的數目盡量減少，使操作、觀察、調整、維修等盡量方便省力、便于識別，以適應人的生理機能。
7．外形美觀 機械產品投入市場后給人們的第一個直覺印象是外觀造型和色彩，它是機械的功能、結構、工藝、材料和外觀形象的綜合表現，是科學與藝術的結合。設計的機械產品應使其外形、色彩和表觀特征符合美學原則，并適應銷售地區(qū)的時尚，使產品受到用戶的喜愛。為此，在總體設計布置時應使各零部件組合勻稱協(xié)調，符合一定的比例關系，前后左右的輕重關系要對稱和諧，有穩(wěn)定感和安全感。外形的輪廓線最好由直線或光滑的曲線構成，有整體感。
2.4.2 布置形式及選擇
機械系統(tǒng)總體布置的基本類型：按主要工作機構的空間幾何位置可分為平面式、空間式等；按主要工作機械的布置方向可分為水平式（臥式）、傾斜式、直立式和圓弧式等；按原動機和機架相對位置可分為前置式、中置式、后置式等；按工件或機械內部工作機構的運動方式可分為回轉式、直線式、振動式等；按機架或機殼的形式可分為整體式、剖分式、組合式、龍門式和懸臂式等；按工件運動回路或機械系統(tǒng)功率傳遞路線的特點可分為分開式、閉式等。
為使繞制機具有最良好的使用性能，同時考慮到其加工特點，此次設計的繞制機采用臥式布置形式。其主要特點如下：
1． 同側上下料，節(jié)省操作空間。
2． 由于機身低，對于安置的廠房無高度限制。
3． 由于機身低，上、下料方便，維修方便。
4． 外形美觀，結構合理、緊湊，操作靈活、可靠。
繞制機總體布置如圖2-4所示，它主要由床身、上料裝置、托架、加工裝置、下料裝置、矯正裝置等部分組成。
1－床身 2－機頭定架 3－機頭動架 4－送片裝置 5－碾壓機構 6－主軸箱 7－托架8－尾架9－上料機構10－上料機架11－下料斜梁
圖2-4 繞片機的總體布置
2.5 運動計算
機床的各種運動是由相應的傳動鏈完成的。通常機床有幾種成形運動，就有幾條傳動鏈。根據傳動聯系的性質不同，傳動鏈可分為內聯系傳動鏈和外聯系傳動鏈。傳統(tǒng)的進給運動系統(tǒng)和主運動系統(tǒng)多采用一個電動機，執(zhí)行件之間采用大量的齒輪傳動，以實現內（外）傳動鏈的各種傳動比要求。所以它們的傳動鏈很長，結構較為復雜[14]。
20
鋼管外表面纏繞翅片形成的螺旋線的成形運動是一個復合運動，它由鋼管的回轉運動B11和進給的直線運動A12組成（見圖2-5），兩個簡單運動B11與A12之間應保證嚴格的運動關系。在傳統(tǒng)的設計方法中，通常將B11和A12用內聯系傳動鏈直接聯系起來，以保證其運動關系。利用內聯系傳動鏈傳動雖然具有傳動比準確的優(yōu)點，但其螺距調整困難、傳動系統(tǒng)結構復雜、設計制造周期長、及成本較高，因此本設計采用了兩臺獨立電動機調速的傳動鏈分別驅動，如圖2-5所示。該調速系統(tǒng)由數控系統(tǒng)來保證鋼管與進給之間準確的速比關系，使鋼管轉動一周軋頭準確地移動一個導程。
0.20kW
3000r/min
i減=
21 m =1.5
72
0.85kW
1500r/min
B11
A12
圖2-5 繞制機運動傳動系統(tǒng)圖
交流調速電動機的功率和轉矩特性如圖2-6所示。繞制機中主運動和進給運動電動機均要求恒轉距輸出，即應使得電動機的工作轉速n電小于等于額定轉速nd，且大于最低轉速nmin。
電動機轉速（r/min）
功率P（kW），轉矩T（N·m）
nmax
nd
nmin
P
T
圖2-6 交流調速電動機的功率和轉矩特性
根據繞制機的工作特性要求，其基本參數確定為
1．主運動 主運動是由主運動電機通過同步齒形帶帶動鋼管旋轉，所以主運動轉速n主為
（r/min） （2-1）
式中 n電主——主運動電機轉速（r/min）；
Z1 ——小帶輪齒數（齒）；
Z2 ——大帶輪齒數（齒）
2．進給運動 進給運動是由進給運動電機通過齒輪－齒條傳動，把電機的旋轉運動轉換成所需的直線運動，所以進給速度VS為
（mm/min） （2-2）
式中 n電進——進給運動電機轉速（r/min）；
i減 ——減速器傳動比；
Z ——齒輪齒數（齒）；
m ——齒輪模數
3．螺距 翅片管的螺距S可表示為
（mm/r） （2-3）
根據翅片管的技術要求，S值分別為2.5mm/r、3mm/r、3.5mm/r。
4．電機轉速比 電機轉速比i可表示為
（2-4）
當S =2.5mm/r時，i=0.07，即主運動電機轉速為1500r/min時，進給電機轉速為105r/min；當S =3mm/r時，i=0.084，即主運動電機轉速為1500r/min時，進給電機轉速為126r/min；當S =3.5mm/r時，i=0.098，即主運動電機轉速為1500r/min時，進給電機轉速為147r/min。
2.6 動力計算
各種傳動件的參數都是根據動力參數設計計算的。如果動力參數選得過大，將使機床過于笨重，浪費材料和電力；如果參數定得過小，又將影響機床的性能。動力參數可以通過調查、試驗和計算的方法進行確定[14]。
2.6.1 壓緊力的計算
為防止打滑，同時克服鋁帶屈服變形產生的屈服抗力，摩擦輪與鋼管之間必須有足夠的法向壓力。法向壓力是由對摩擦輪所施加的外力FQ產生的，力FQ稱為壓緊力。為了順利完成鋁帶在鋼管上繞制，同時保證繞制質量，必須使鋼管轉動的圓周力應大于等于鋁帶的屈服抗力，即
FQ （N） （2-5）
式中 ——法向壓力（N）；
——屈服抗力（N）；
——摩擦副材料的摩擦系數為了保證傳動的工作可靠性和考慮到載荷的不穩(wěn)定性，引入一載荷系數K。將K代入到式（2-5）中可得
FQ （N） （2-6）
式中 K——載荷系數，對于功率傳動，K=1.25~1.5， 間歇工作，載荷不
的取小值，載荷較大的取大值，連續(xù)工作10h以上的在加大30%~50%；對
于儀器傳動，K=2~3。
鋁帶由斷面為矩形的直帶被擠壓成空間螺旋形狀的過程，是斷面不均勻應變的結果。由塑性變形的力學知識可知，這里的應力即該種鋁帶的屈服變形極限，因此屈服力F為
（N） （2-7）
將式（2-7）代入式（2-6）可得
則壓緊力FQ為
FQ =FN = （N） （2-8）
2.6.2 鋼管轉動的有效功率
鋼管轉動的有效功率可計算為
（kW） （2-9）
式中 F ——鋼管轉動所需驅動力（N）；
D ——鋼管直徑（mm）；
——鋼管轉速（）
2.6.3 總傳動效率
根據傳動系統(tǒng)圖可知，主運動傳動系統(tǒng)的總傳動效率可表示為[14]
（2-10）
式中 ——鍵傳動效率，取=0.99；
——帶傳動效率，取=0.96；
——滾動軸承效率（一對），取=0.98
將以上參數代入式（2-10）中可得
2.6.4 主運動電機功率
根據繞制機主傳動系統(tǒng)的實際工作情況，其主運動所需功率為[14]
（kW） （2-11）
由計算選擇主電動機功率為0.85kW。
2.6.5 進給運動電機功率
根據繞制機進給傳動系統(tǒng)的實際工作狀態(tài)，其進給運動所需功率表示為[14]
（kW） （2-12）
式中 ——移動部件的質量，；
——重力加速度，；
——移動速度，；
——進給傳動系統(tǒng)的總機械效率，一般?。?
——當量摩擦系數，滾動導軌[15]
將以上參數代入式（2-12）中可得
（kW）
由計算選擇進給電動機功率為0.2kW。
2.7 本章小結
本章在介紹繞制機的總體設計要求基礎上，確定繞制機的繞制原理和工藝流程，同時提出繞制機的總體設計方案，確定其系統(tǒng)的組成。根據繞制機總體布置要求，選擇其布置形式，闡述臥式布置的特點。根據繞制機性能要求，確定其基本參數，進而進行相關動力計算，確定主運動電機和進給運動電機功率。
第3章 主要零部件設計
3.1 床身設計
床身的作用是支承零、部件，并保持被支承零、部件間的相互位置關系及承受各種力和力矩。繞制機工作時，軋頭和基管間的作用力都要通過床身作用在地基上。因此床身是本次設計工作的基礎，床身的尺寸設計影響著對整機的設計，而且設計的合理性直接影響到整機的剛度。床身的截面形狀如圖3-1所示。
圖3-1 床身截面形狀
繞制機床身所受的載荷主要是壓力和彎矩，其中彎矩是最主要的。針對其所受載荷，本次床身設計有如下特點：
1．足夠的自身剛度 由于床身變形主要是彎曲變形，這與截面形狀（慣性矩）有密切關系。為了提高其彎曲剛度，床身設計時采用矩形截面，同時合理布置隔板。
2．足夠的局部剛度 局部變形發(fā)生在載荷集中之處，為了提高床身的局部剛度，設計時布置了若干加強筋。
3．重量輕 在保證床身具有足夠的自身剛度和局部剛度的同時，為了減輕其的重量，設計的鋼板厚為6mm。
4．便于加工 由于該床身長達9m，為了方面加工，在床身設計時采用分體設計，即把其分成兩段設計，中間通過聯接立板和聯接鑲板固定。
3.2 自動上料裝置設計
5
在自動上料裝置中，為保證被加工的鋼管在一定的時間間隔內，按照先后順序合理完成上料過程，設計中使用了一種特殊的擺動輪結構見圖3-2。它主要由擺動液壓缸、轉擺、分料板、導料板、上料支架、可調支承座和支承橫梁等部分組成。
1
7
6
4
3
2
1－分料板 2－轉擺 3－上料支架 4－導料板 5－鋼管 6－可調支承架座 7－擺動液壓缸
圖3-2 自動上料裝置
該結構利用液壓缸、轉擺及分料板相結合構成一套擺動式自動分管、送管機構。分料板的結構有它自身的特點，當送管開始時液壓缸開始動作，通過其活塞端部的鉸關節(jié)和轉擺使分料板轉動，利用分料板上的分料凹槽帶動第一根鋼管進行送料，而分料板上的圓弧面能擋住后一根鋼管輸送，當分料板旋轉到規(guī)定角度時，鋼管就會依靠重力沿著導料板滾動到待加工位置，然后分料板在液壓缸的作用下又重新回到起始位置，第二根鋼管在重力作用下進入分料板的分料凹槽內，這樣就完成了一個上料工作過程。分料板所擺動的角度可由液壓缸的行程來調節(jié)。在結構中，為了保證讓鋼管能夠在上料支架上自由向前滾動，設計有可調支承座用來調整上料支架的傾斜角度，（角度約為8o～10o）。如果上料支架的傾斜角度過大，鋼管往下滾動的速度就會過快，這樣就會導致多個鋼管滾入分料板的分料凹槽而發(fā)生鋼管的重疊現象；相反，其傾斜角度過小，鋼管往下滾動的速度會非常緩慢，甚至可能會不滾動，這樣就會迫使鋼管全部滯留在上料支架上無法進入分料板的分料凹槽。如果出現上述兩種情況，就不能完成所需要的上料過程，從而延誤整個機構的運行狀態(tài)。
因此，在自動上料裝置的設計中，為使得鋼管支架結構簡單，其支架均是采用國家標準的槽鋼材料，并且其斜度可以進行人工調節(jié)，這樣既能簡便機械結構，又能更好的達到預期效果。最重要的在本論文設計中能夠實現幾個擺輪的同步性。這樣就避免了鋼管在機構中由于擠壓而堵塞通道。有一些傳統(tǒng)的上料裝置結構相對于本文所設計的方案就要復雜些，它是靠電機跟轉動輪結合來完成上料。因此，如需要加工過長的鋼管，就需要一個電機帶動多個轉動輪，這樣轉動輪之間會產生扭矩，并且很難達到同步性。此外，從經濟方面考慮，步進電機比較昂貴，對于整個裝置的造價來說，就相對比較高。所以本文所設計的上料裝置比傳統(tǒng)的設計方案更具有實用性，并且能夠更好的實現所要完成的功能。
3.3 托架設計
3.3.1 托架結構
托架如圖3-3所示，主要由導向上體固定架、上半導向體、下半導向體、V型座、擺動液壓缸、升降液壓缸、支承座體等構成。在托架的設計過程中采用了液壓缸和浮動支承托架結合方式，托架上設置有兩個半圓形的裝置，即上半導向體和下半導向體。上半導向體能夠在擺動液壓缸作用下轉動而實現開合運動，下半導向體固定在V型塊上。
7
4
3
2
1
6
5
1－上導向體鉸支座 2－上半導向體 3－下半導向體 4－V型座
5－擺動液壓缸 6－升降液壓缸 7－支承座體
圖3-3 托架
3.3.2 托架功用
3.3.2.1 輔助完成上、下料
鋼管由自動上料裝置傳送到下半導向體后，升降液壓缸開始往上托起整個支架，使機器兩端的頂尖對鋼管進行軸向固定，等待加工。當整根鋼管都加工完后，升降液壓缸工作使托架下移，將翅片管帶到下料裝置。
3.3.2.2 減少翅片管繞制過程中的撓曲變形、振動
鋼管被繞上翅片后，由于鋼管的轉動速度大，鋼管自然就會產生撓度。鋼管越長，速度越大，撓度就越大，這樣容易破壞鋼管上的翅片，造成廢品。為了解決這一問題，在此裝置的設計中設計上半導向體和下半導向體。轉動液壓缸工作時，帶動上半導向體，使其和下半導向體扣在一起，使鋼管在上半導向體和下半導向體形成的圓形槽里轉動，這樣就避免了加工鋼管時震動過大起到了保護措施。
3.3.3 托架工作過程
托架把鋼管送到一定的高度后，加工裝置對鋼管進行加工。當鋼管接近第一個托架時，轉動液壓缸通過上導向體鉸支座帶動上半導向體轉動一定的角度，這時升降液壓缸開始工作，帶動整個托架向下移動，使加工裝置順利通過。當加工裝置接近第二個托架時，重復上述過程，直到加工完整個鋼管。當鋁片繞制完成后，所有升降液壓缸工作，把加工后的翅片管傳送到下料裝置。
由于鋼管的直徑不一樣，所以每次傳送的高度就會不一樣，因此在每一次傳送前，液壓缸都要調節(jié)向上運動的行程，并要求在傳送中，傳送速度緩慢，整個運動比較平穩(wěn)。因為速度過快會破壞鋼管上的鋁片，使整個翅片管報廢。因而在傳送過程中，必須控制傳送裝置的傳送速度來保證翅片管的加工質量。
在傳送過程中，根據鋼管長度不同所需要的液壓缸的個數也不同，為了保證送料的順利進行，需要要求液壓缸的同步性，因此，本課題設計了液壓缸的同步回路，同步回路的功用是使系統(tǒng)眾多各執(zhí)行元件克服負載、摩擦阻力、泄漏、制造質量和結構變形上的差異，而保證在運動上的同步。同步運動分為速度同步和位置同步兩類。速度同步是指各執(zhí)行元件的運動速度相等，而位置同步是指各個執(zhí)行元件在運動中或停止時都保持相同的位移量。對于整個機械結構來說，所需要的就是要每個液壓缸在加工前和加工后的傳送過程中，都要保持相同的位置，所以必須用位置同步。
3.4 下料裝置設計
下料裝置如圖2-8所示，主要由下料斜梁和小立柱兩部分構成。下料斜梁中最關鍵部件是與水平面成10o角的導料板，它采用國家標準的10號槽鋼，其左端焊接材料為Q235的固定板，通過螺栓固定在床身上，右端焊接材料同樣為Q235的擋板，擋住從上面滾下的翅片管。小立柱有上、下兩個連接板，上連接板和下料斜梁的支承座相連，下連接板用地腳螺栓固定。
自動下料的過程是借助于托架來完成的，當一個翅片管加工完畢后，托架中的升降液壓缸帶動翅片管向下移動，當翅片管快接觸到下料斜梁的導料板時，托架中擺動液壓缸開始開作，打開上半導向體，在重力的作用下，翅片管沿導料板滾動，為了翅片管不被破壞，在導料板和擋板上鋪橡膠材料。
1
2
1－下料斜梁 2－小立柱
圖3-4 下料裝置
3.5 繞制裝置設計
繞制裝置如圖3-5所示，主要由主運動伺服電機、主軸體、進給運動伺服電機、箱體、軋頭等部分組成。
鋁片的繞制過程是由鋼管相對于繞頭的軸向進給和鋼管沿自身回轉運動的合成，因此在鋼管的傳送機構中，包括鋼管的純回轉和純進給兩條傳動路線。鋼管的軸向進給和自身回轉運動是靠兩個獨立的電機完成的。為了實現鋼管自身回轉運動，設計中采用一種特殊的驅動輪系，這種驅動輪系是在一個圓周上均勻分布3個互成120o角的一組壓緊輪，主運動電機給驅動輪系一個轉動力，這組驅動輪系就會帶動鋼管以鋼管中心為軸作圓周運動。在實現鋼管自身回轉運動的同時，進給運動電機通過齒輪－齒條傳動帶動整個加工裝置在鋼管的軸線方向上作直線運動，這樣就實現了鋼管的軸向進給。纏繞在鋼管上鋁片的螺距調節(jié)主要是靠鋼管的軸向運動速度來實現，鋼管本身是跟軋頭作相對運動，因此改變軋頭的徑向運動速度就能實現鋁片的螺距調節(jié)。根據用戶的需求用變頻器來控制電機的轉速，就能實現多種螺距的無級調整。對于不同管徑的鋼管，需要對壓緊輪的壓緊力進行重新調整，此裝置中主要是通過旋轉偏心軸來控制壓緊力的大小。在鋁片繞制過程中，由于鋼管管徑不可避免存在誤差，會導致軋制力不穩(wěn)定，影響加工質量。為此，設計時在拉軸外側設置一彈簧，通過彈簧的伸縮使軋制力趨于平穩(wěn)。軋制力通過傳遞作用在支承軸承上的載荷，既有軸向載荷，又有徑向載荷，為此支承軸承選用40o角接觸軸承。
如果用一個電機來實現鋼管的軸向進給和自身回轉運動，這樣的結構需要靠多組傳動齒輪來分配電機的動力，結構就相對比較復雜。而且當鋼管的尺寸變化時候，就需要換掉一些齒輪機構，這樣拆裝起來非常繁瑣，并且有多少種管徑就要準備多少套機構，因此設計兩個電機來分別控制兩個獨立運動，這樣大大簡化了機構本身的復雜性。
1
3
4
5
6
2
1－主運動電機 2－主軸體 3－進給運動電機 4－箱體5－鋼管 6－軋頭
圖3-5 繞制裝置
3.6 本章小結
本章首先介紹了繞制機床身的設計，根據其所受載荷，設計具有自身特點的床身，保證其具有足夠的剛度。在自動上料裝置設計中，主要介紹了由液壓缸、轉擺及分料板構成的擺動式自動分管、送管機構，利用其來完成自動上料過程。在托架和下料裝置設計中，主要介紹了它們的結構、功用和其工作過程。在繞制裝置設計中主要介紹了它的結構，為了完成鋼管的旋轉運動，在設計中采用一種特殊的驅動輪系，這種驅動輪系是在一個圓周上均勻分布3個互成120o角的一組壓緊輪。
第4章 主要零部件的選擇、計算與校核
4.1 電機的選擇
安川交流伺服電機依靠穩(wěn)定的性能卓越，靈活的適應用戶系統(tǒng)，質量的高可靠性，受到越來越多人的青睞。廣泛應用于食品的加工機械、機器人、傳送機械、貼片機、組合機床、醫(yī)療器械、自動化生產領域。因此選用安川交流伺服電機。
根據運動和動力計算的結果，主運動和進給運動分別選擇安川Σ-Ⅱ系列GYG501CC2-T2E和GYS500DC2-T2A型伺服電機。電機特性如表4-1所示。
表4-1 電機特性
進給運動電動機
主運動電動機
伺服電機型號
GYS500DC2-T2A
GYG501CC2-T2E
額定功率（W）
200
850
額定轉矩（N﹒m）
0.637
5.39
瞬間最大轉矩（N﹒m）
1.91
13.8
額定轉速（）
3000
1500
最高轉速（）
5000
3000
轉子慣量J（kg﹒m2﹒10-4）
0.193
13.9
允許負載慣量
電機慣量15倍以下
電機慣量5倍以下
額定功率響應率（kW/s）
21.0
20.9
4.2 同步齒形帶的計算
由于同步帶的工作面上有齒，帶輪的輪緣表面制有相應得齒槽，帶與帶輪依靠牙齒間的嚙合進行傳動，因而傳動比恒定。故選用同步齒形帶傳動。
同步帶通常以鋼絲繩或玻璃纖維繩為承載層，氯丁橡膠或聚氨酯為基體。這種帶薄而且輕，故可用于較高精度傳動。傳動時線速度可達50m/s,傳動比可達10，效率可達98%，所以同步帶的應用日益廣泛。其主要缺點是制造和安裝精度要求較高，中心距要求較嚴格[16,17]。
1．設計功率Pd 設計功率為
(kW) （4-1）
式中 P ——電機的功率（kW）；
KA——同步帶傳動的工作情況系數，由于載荷變化小，每天工作小時數超過16小時，所以選
2．選定帶型、節(jié)距 根據式（4-1）結果及小帶輪轉速n1=1080 r/min，選取L型，節(jié)距Pb=9.525 mm。
3．小齒輪齒數Z1 根據帶型L型和小帶輪的轉速n1=1080 r/min，由機械手冊查得，最小齒數齒，取Z1=20。
4．小帶輪節(jié)圓直徑d1
（mm） （4-2）
根據計算取da1=59.88mm。
5．大帶輪齒數Z2
（齒） （4-3）
根據計算取Z2=72（初步確定傳動比i =4）。
6．大帶輪節(jié)圓直徑
（mm） （4-4）
取da2=217.53mm。
7．傳動比
（4-5）
8．同步齒形帶帶速V
（m/s） （4-6）
9．初定軸間距a0
（mm） （4-7）
根據實際結構取a0=220mm。
10．帶長L0及其齒數Z
（mm） （4-8）
根據計算應選用帶長代號為367的L型同步帶，其節(jié)線長mm，節(jié)線長上的齒數齒。
11．實際軸間距a
（mm） （4-9）
12．基本額定功率P0
（kW） （4-10）
查得Ta =244.46N，，代入式（4-10）中得
（kW） （4-11）
13．所需帶寬
（mm） （4-12）
式中 bs0——同步帶基準寬度， bs0=25.4mm；
kZ——嚙合齒數系數，根據小帶輪嚙合齒數Z選取：時取1；時取0.8；時取0.6
根據以上參數的計算就可以選擇帶寬代號為075的L型帶，其bs=19.1mm。
4.3 齒輪齒條傳動
齒輪、齒條傳動是把旋轉運動轉化為直線運動的一種機械裝置，它的最大特點是剛性大，結構緊湊重量輕，且成本低。齒輪與齒條直接嚙合，將齒輪的旋轉運動通過齒條把整個加工裝置的運動變成沿基管直線運動[18]。
1．小齒輪直徑d1
（m/min） （4-13）
式中 ——相對齒條運動速度，m/min；
——小齒輪轉速，
由式（4-13）可知
（mm）
2．小齒輪齒數Z1和模數m 初取齒數Z1=20，則
（4-14）
根據計算取m=1.5，則
（齒） （4-15）
3．小齒輪的結構尺寸
（mm）
（mm）
（mm）
（mm）
（mm）
4．齒條的結構尺寸
（mm）
（mm）
（mm）
4.4 矯正裝置中彈簧的設計計算
彈簧設計的任務是要確定彈簧絲直徑d、工作圈數n以及其它幾何尺寸，使得能滿足強度約束、剛度約束及穩(wěn)定性約束條件，進一步地還要求相應的設計指標（如體積、重量、振動穩(wěn)定性等）達到最好[19]。
具體設計步驟為：先根據工作條件、要求等，試選彈簧材料、彈簧指數C。由于σb與d有關，所以往往還要事先假定彈簧絲的直徑d，接下來計算d、n的值及相應的其它幾何尺寸，如果所得結果與設計條件不符合，以上過程要重復進行。直到求得滿足所有約束條件的解即為本問題的一個可行方案[20]。
4.4.1 選取材料和確定許用應力
根據彈簧所受載荷特性，由彈簧設計手冊可查得，選用B級碳素彈簧鋼絲，許用應力[τ]可按所受Ⅲ類載荷的彈簧考慮，其中 [τ]=0.5σb，材料抗拉強度與鋼絲直徑d有關，取d =3~5mm，其對應的σb=1320~1370MPa，故
（MPa） （4-16）
4.4.2 計算曲度系數k
（4-17）
式中 ——旋繞比，初選
4.4.3 計算鋼絲直徑d
（mm） （4-18）
根據式（4-18）的計算，取。
4.4.4 彈簧中徑D2
（mm） （4-19）
4.4.5 彈簧有效圈數n
（圈） （4-20）
式中 ——材料切變模量，MPa；
——彈簧變形量，mm；
——彈簧軸向載荷，N
根據式（4-20）計算，取n=14.5，圈。
4.4.6 彈簧的幾何尺寸
1．彈簧節(jié)距t