數(shù)控定尺飛鋸機設(shè)計【含5張CAD圖紙+文檔全套】
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本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 44 頁 共 45 頁
1 緒論 1
1.1 飛鋸機的研究現(xiàn)狀 2
1.2 課題研究的意義 3
1.3 設(shè)計要求 4
2 數(shù)控定尺飛鋸機總體設(shè)計方案 4
2.1 數(shù)控定尺飛鋸機應(yīng)實現(xiàn)的功能 4
2.2 機械結(jié)構(gòu)方面的比較選擇 5
2.3 數(shù)控定尺飛鋸機的總體方案制定 5
2.4 數(shù)控定尺飛鋸機的總體方案設(shè)計 7
3 數(shù)控定尺飛鋸機結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 8
3.1 數(shù)控定尺飛鋸機的整體結(jié)構(gòu)方案 8
3.2 導軌的設(shè)計 9
3.3 數(shù)控定尺飛鋸機的行走小車的結(jié)構(gòu)方案 9
3.4 數(shù)控定尺飛鋸機的床身的結(jié)構(gòu)方案 10
3.5 數(shù)控定尺飛鋸機的主傳動部分的主軸設(shè)計 11
3.6 數(shù)控定尺飛鋸機的主傳動部分電機的選擇 19
4 鋸切結(jié)構(gòu)的設(shè)計與計算 21
4.1 切削力、功率的計算 22
4.2 電機的選擇 24
4.3 帶傳動形式的選擇 27
4.4 帶傳動設(shè)計 28
4.5 主軸及軸承的設(shè)計與校核 33
5 飛鋸車運動分析 35
5.1 飛鋸車運動描述 35
5.2 確定飛鋸車各段運動曲線 36
5.3 反向運行段 39
5.4 計算K值 40
6 提高定尺精度的幾點措施 42
結(jié)論 43
參 考 文 獻 44
1 緒論
本課題所研究的型材定長切割系統(tǒng)又被叫做飛鋸機，它主要適用于連續(xù)生產(chǎn)線上板材或型材的切割。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，建筑業(yè)及冶金業(yè)對焊管和鋼管需求量的增大，要求的精度和效率也日趨提高，在線定長切割系統(tǒng)就成為冶金企業(yè)連續(xù)軋制各種型材、管材等生產(chǎn)線上不可缺少的重要設(shè)備。它是在不影響軋制線正常生產(chǎn)的前提下，將連續(xù)延伸的型材、管材在線切割成為要求的長度，并要保證一定的定長精度【1】。
1.1 飛鋸機的研究現(xiàn)狀
飛鋸機是當前冶金行業(yè)廣泛應(yīng)用的型材定長鋸切加工設(shè)備，鋸切后鋼管的長度誤差直接關(guān)系著成品質(zhì)量。由于對鋸切精度和速度要求越來越高，為了實現(xiàn)鋸切的高精度和快速性，市場上已有研制成的飛鋸機直流系統(tǒng)，其特點是功率大，速度快，精度高。飛鋸機系統(tǒng)是由機械，電子和液壓等多方面技術(shù)共同實現(xiàn)的。飛鋸機是用電機拖動飛鋸進行切割，具有控制簡單、干擾信號少、定尺精度高、操作方便等特點，在我國得到了廣泛的應(yīng)用。我國過去飛鋸機的拖動系統(tǒng)有兩大類：①采用直流電機控制的DDS系統(tǒng)；②采用步進電機與數(shù)控閥相結(jié)合的拖動系統(tǒng)。伺服飛鋸機是目前世界上最先進的飛鋸機之一，電機功率的選擇和計算與飛鋸機的控制系統(tǒng)和運動方式有關(guān)【2】。
目前，市場上生產(chǎn)和銷售的飛鋸機種類很多，PLC-DDC-D定尺飛鋸，DYJ_97A_89低噪音滾壓式飛鋸，F(xiàn)J114微機控制定尺飛鋸，125全自動數(shù)控飛鋸機，325全自動數(shù)控飛鋸等。
諸如以上所說的各類飛鋸機都有其特點和不同程度的缺陷，尤其是精度差。在快速發(fā)展的今天，機械要求越來越精密化，已經(jīng)很難滿足現(xiàn)今的要求。微機定尺飛鋸機解決了這一難題。它由計算機控制，可以達到相當高的精度。近幾年，微機定尺飛鋸機在高頻焊管和冷彎鋼生產(chǎn)線上得到了廣泛的應(yīng)用，而且越來越多的廠家對該技術(shù)已經(jīng)認可。其工作原理大體類似于普通飛鋸機：通過測速輥與鋼管無滑移接觸，將鋼管的移動以脈沖的形式送入計算機，計算機經(jīng)過運算，得出鋼管的移動速度及即時長度，達到定長時，鋸片與鋼管等速運動，落鋸切割，抬鋸，回到原位，重復上一次動作【3】。
飛鋸機一般安裝在連續(xù)焊管機組后面,將運行著的管材切成定尺長度。因此，飛鋸機應(yīng)有兩方面的運動要求，即鋸切運動和同步運動。鋸切運動是使鋸片旋轉(zhuǎn)并切斷鋼管，同步運動是要保證飛鋸機的鋸切部分與運動著的鋼管同步。也就是說在鋸切過程中，鋸片既要繞軸轉(zhuǎn)動，又要與鋼管以相同的速度移動，以保證鋸片在與運動的鋼管同步的情況下將其切斷，從而得到定尺準確、切口平整的鋼管。
飛鋸機的核心技術(shù)就是同步機構(gòu)。目前，同步機構(gòu)有直線往復運動和回轉(zhuǎn)運動兩大類。通常使用的是直線往復運動的同步機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)是：鋸切機構(gòu)安裝在小車上，由同步機構(gòu)帶動小車作往復運動，傳動形式主要有氣動傳動和計算機控制的機械傳動兩種。氣動傳動的同步機構(gòu)由于定尺精度低，同步性差，適應(yīng)鋼管運行速度低等不足而逐漸被淘汰。而機械傳動的同步機構(gòu)工作效率高，控制簡便，性能穩(wěn)定，故廣泛應(yīng)用，其中尤以齒輪齒條傳動應(yīng)用得最為廣泛。齒輪齒條傳動又分為固定齒輪齒條傳動、固定齒輪浮動齒條傳動和固定齒條浮動齒輪傳動三種。第一種傳動形式的缺陷是安裝時齒側(cè)間隙較難保證，床身上軌道的加工和安裝誤差容易導致齒的受力不均，造成局部磨損嚴重。長期運行導致軌道、車輪或齒輪齒條的磨損，甚至鋸切時小車的彈跳等，都會破壞齒輪齒條的正常嚙合關(guān)系。如齒輪齒條磨損嚴重，導致過大的齒側(cè)間隙，小車往復運動時產(chǎn)生過大的沖擊。軌道、車輪磨損導致齒側(cè)間隙變小，從而破壞齒面的潤滑，導致齒面過早失效。第二種傳動形式因齒條與小車非鋼性接觸， 故鋸切的振動不會波及到齒條，安裝時齒側(cè)間隙容易保證，軌道及車輪的磨損不影響正常嚙合。但這種傳動形式的缺陷是近3m 的齒條需有導向架6～8個，各導向架需獨立地安裝在床身上，故安裝精度較難保證，小車的往復工作，使齒條與導向架間斷接觸，從而沖撞經(jīng)常發(fā)生，加上冷卻水及鋸切屑的影響，導向架的導向部分頻繁損壞，失去導向作用，從而影響正常工作。第三種綜合了前面兩種傳動的優(yōu)點，克服了它們的不足。實踐證明，該機構(gòu)工作性能優(yōu)良，完全適應(yīng)飛鋸機的工作特點，是理想的飛鋸同步傳動機構(gòu)[4]。
經(jīng)長期的生產(chǎn)實踐和理論分析，對焊管定尺精度有較大影響的，還有以下幾方面的原因：1、傳感器檢測不準確造成的定尺誤差；2、機械傳動系統(tǒng)的間隙誤差；3、低慣量直流電機跟蹤滯后與采樣周期引起的調(diào)節(jié)誤差；4、干擾信號引起的誤差等。
解決辦法是：定期檢查減速機齒輪間隙、傳動軸的聯(lián)接定位，改進齒條與車體的聯(lián)接，調(diào)整齒條箱等，減小鋸車自重，從而減小鋸車慣量。在實際生產(chǎn)中，通過采取相應(yīng)的措施予以解決[5]。
1.2 課題研究的意義
微機控制機械定尺飛鋸機的問世雖然已經(jīng)有很長的時間，并且雖然傳統(tǒng)氣動飛鋸的定尺精度問題一直以來未能得到解決，但由于微機控制飛鋸一般價格比較昂貴，維修保養(yǎng)價格高，而傳統(tǒng)氣動飛鋸價格便宜，易于維修，所以傳統(tǒng)氣動飛鋸仍然是很多焊管生產(chǎn)廠家特別是中小企業(yè)的首選?？傊C控制機械定尺飛鋸機在我國還未被廣泛的應(yīng)用，它還有廣闊的發(fā)展空間，還有很長的一段路要走。所以微機控制定尺飛鋸機的研究與進一步完善已成為當務(wù)之急，以促進我國焊管行業(yè)的發(fā)展。
隨著現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字調(diào)速裝置的應(yīng)用越來越廣泛，其技術(shù)成熟，可靠性高，抗干擾能力強，維護量小，能方便地與計算機聯(lián)網(wǎng)通信。而管材等的切割也越來越頻繁，并且對精度有越來越高的要求，使飛鋸機的應(yīng)用日趨廣泛，切割精度要求也越來越高，因而微機定尺飛鋸機有極其廣闊的前景，對它的研究有極其重要的意義。
此次設(shè)計所涉及的飛鋸機用來切割最大直徑325mm的焊管，主要用來橫向隨動定尺鋸切不同直徑（ф12 - ф325）、不同速度下的直縫焊管。生產(chǎn)速度，100米/分，定尺范圍，3-10米，定尺精度<+5mm（該定尺精度已達國際標準），鋸切頻率10-15次/分，控制飛鋸機的鋸切行走機構(gòu)（即飛鋸車）的啟動、加速、同步運行、鋸切焊管、正向減速、反向加速、反向減速、制動、等待下一次切割。該系統(tǒng)運行中需要控制的參數(shù)有兩個：一是位置，每次鋸切時鋸切點的偏差要小于5mm，鋸切后飛鋸車要返回原點，以減少累計誤差；二是速度，要求鋸切時飛鋸車的運行速度嚴格與焊管的運行速度相同，即同步控制。采用何種運動模式在如此短的時間內(nèi)完成這么多的動作，且達到所需定尺精度是問題的關(guān)鍵。
1.3 設(shè)計要求
a） 飛鋸機的主要設(shè)計參數(shù)：
● 鋸切鋼管直徑：ф12 – ф325
● 焊管最高速度：100米/分
● 鋸切長度：3-10米連續(xù)可調(diào)
● 鋸切次數(shù)：10 - 15次/分
● 定尺精度：＜+5毫米
b） 鋸切部分與飛鋸小車之間要剛性聯(lián)接且穩(wěn)定。
c） 鋸切小規(guī)格鋼管時因鋼管剛性差，易彎曲，從而影響定尺精度，需要
加防彎壓輥。
d） 液壓缸壓力要穩(wěn)定可靠，才能準確、協(xié)調(diào)完成飛鋸機的各項動作，保證定尺精度的準確和生產(chǎn)的連續(xù)[7]。
2 數(shù)控定尺飛鋸機總體設(shè)計方案
2.1 數(shù)控定尺飛鋸機應(yīng)實現(xiàn)的功能
數(shù)控定尺飛鋸機適用于連續(xù)軋制各種管材、型材生產(chǎn)線，如焊管、鋼筋、鋁管、合金管的生產(chǎn)線。其顯著特點是鋸切效率高，可鋸切的管類直徑范圍大，這得益于它的氣壓裝置，體現(xiàn)了氣壓技術(shù)高壓、高效、可控制性強的特點。其整體結(jié)構(gòu)簡單，工作性能可靠，應(yīng)用廣泛。
本機適用于型材行走速度為 100m/min，鋸切型材徑向尺寸范圍為 12 ㎜～325 ㎜，鋸切長度為 3m～10m 的型材生產(chǎn)線，其設(shè)計使用鋸切精度為±5mm，鋸切次數(shù)為 10 次/分～15 次/分。目前國內(nèi)型材生產(chǎn)線上型材的行走速度在 100m/min 以下，其徑向尺寸大都在 12 ㎜～325 ㎜之間，±5mm 的鋸切精度也符合國家標準，10 次/分～15 次/分的鋸切次數(shù)也能達到大多廠家的要求，尤其是大量的中小廠家[5]。
2.2 機械結(jié)構(gòu)方面的比較選擇
送料進給機構(gòu)要實現(xiàn)的是直線運動，要實現(xiàn)直線運動可以采用螺旋傳動、齒輪齒條、液壓傳動等。。液壓缸形式的傳動反應(yīng)較慢，傳動速度慢，一般應(yīng)用于傳動較大較重的零件。滾珠螺旋傳動結(jié)構(gòu)復雜，制造困難，成本高。 而本課題要實現(xiàn)的是小距離，精確的直線運動，齒輪齒條傳動的傳動效率高、剛度好、精度保持性好，但價格在合理范圍內(nèi)。所以采用齒輪齒條傳動是較理想的選擇。
主傳動驅(qū)動采用三相異步電動機，變頻器調(diào)速，不適用價格高、體積大的變速器了。變頻調(diào)速具有調(diào)速時平滑性好，效率高，低速時，特性靜關(guān)率較高，相對穩(wěn)定性好。調(diào)速范圍較大，精度高，變頻器體積小，便于安裝、調(diào)試、維修簡便的優(yōu)點。
絲杠驅(qū)動采用步進電機，步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率大小和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為步距角，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步動作的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率變化來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。
鋸片有有齒和無齒鋸片兩種。兩種鋸片各有優(yōu)缺點：無齒鋸片切割較快，但韌性不好，切割時易崩裂，且磨損較嚴重，需經(jīng)常更換，經(jīng)濟性不好。而有齒鋸片韌性較好，但切割時的進給量較小。根據(jù)設(shè)計要求，切割零件為直徑為24-58mm的鋼管，所以鋸片的形式采用單鋸片的有齒鋸片，就可以滿足技術(shù)要求，且經(jīng)濟性較好。
2.3 數(shù)控定尺飛鋸機的總體方案制定
開始擬定的幾套數(shù)控定尺飛鋸機的總體方案：
方案一：當管材（或型材）運行接觸到發(fā)訊開關(guān)時，發(fā)訊開關(guān)指令齒輪齒條牽引飛鋸小車行走，助推氣壓缸同步助推，管材（或型材）與飛鋸小車運行中達到同步，同時夾緊裝置的氣壓缸動作鉗口夾緊，夾緊裝置的鉗口同時也已經(jīng)夾緊，之后管材運行距離達到鋸切長度，接近開關(guān)指令鋸切裝置運作實現(xiàn)鋸切。鋸切完成后鋸片抬起，同時指令夾緊氣壓缸抬起，完成定尺鋸切的全部動作，鋸切后的定尺管材離開飛鋸沿輥道前進到下一步工序，同時飛鋸小車在齒輪齒條牽引力作用下回復到原位，等待開始下一次鋸切。
方案二：當管材（或型材）運行接觸到發(fā)訊開關(guān)時，發(fā)訊開關(guān)指令齒輪齒條牽引飛鋸小車行走，管材（或型材）與飛鋸小車運行中達到同步，同時夾緊裝置的氣壓缸動作鉗口夾緊，之后管材運行距離達到鋸切長度，接近開關(guān)指令鋸切裝置運作實現(xiàn)鋸切。鋸切完成后延時一小段時間，鋸片抬起，同時指令夾緊氣壓缸抬起，完成定尺鋸切的全部動作，鋸切后的定尺管材離開飛鋸沿輥道前進到下一步工序，同時飛鋸小車在齒輪齒條牽引力作用下回復到原位，等待開始下一次鋸切。
方案三：當管材（或型材）運行接觸到發(fā)訊開關(guān)時，發(fā)訊開關(guān)指令夾緊裝置的氣壓缸動作，同時齒輪齒條牽引飛鋸小車行走，管材（或型材）與飛鋸小車運行中達到同步，夾緊裝置的鉗口同時也已經(jīng)夾緊，之后管材運行距離達到鋸切長度，接近開關(guān)指令鋸切裝置運作實現(xiàn)鋸切。鋸切完成后延時一小段時間，鋸片抬起，同時指令夾緊氣壓缸抬起，完成定尺鋸切的全部動作，鋸切后的定尺管材離開飛鋸沿輥道前進到下一步工序，同時飛鋸小車在齒輪齒條牽引力作用下回復到原位，等待開始下一次鋸切。
方案四：當行進中的鋼管端部靠近接近開關(guān)時，由可編程序控制器，發(fā)出夾緊命令，夾緊鋼管后，鋸切氣壓缸起動，進行鋸切，抬鋸，夾緊松開，鋸車返回氣壓缸起動，鋸車返回，等待下一次循環(huán)。
方案五：當行進中的鋼管端部靠近接近開關(guān)時，由可編程序控制器，發(fā)出夾緊命令，夾緊鋼管后，鋸切氣缸起動，進行鋸切，經(jīng)可編程控制器延時后，抬鋸，夾緊松開，再經(jīng)可編程序控制器延時后，鋸車返回氣缸起動，鋸車返回，等待下一次循環(huán)。
上述五種方案的比較如下：
方案一中，“助推氣壓缸助推”這一步驟是多余的，因為拖動氣缸可以完成推動
行走小車跟蹤到行進的管材，但是反方向復位時由于設(shè)計要求速度很大，拖動氣缸達不到要求，所以“助推氣壓缸助推”這一步驟要設(shè)置在反方向復位時。另外，此方案中“鋸切完成后鋸片抬起，同時指令夾緊氣壓缸抬起”，沒有“延時一小段時間”這
一步驟，是一種設(shè)計缺陷，是不合理的。
方案二中，“鋸切完成后延時一小段時間，鋸片抬起”，在鋸切完成之后，鋸片
抬起之前就延時了一小段時間，這是不符合實際情況的，屬于不合理設(shè)計。
方案三中，“發(fā)訊開關(guān)指令夾緊裝置的氣壓缸動作，同時行走氣壓缸牽引飛鋸小
車行走”，夾緊氣壓缸動作與行走氣壓缸同步，這是不合理的，這樣影響了行走小車
對管材（或型材）的跟蹤，夾緊氣壓缸應(yīng)在管材（或型材）與飛鋸小車運行中達到同步是實施夾緊。
方案四和方案五是用可編程序控制器對系統(tǒng)進行控制，考慮到成本因素，我們選擇用行程開關(guān)對系統(tǒng)進行控制，另外方案四中缺少延時的步驟。
2.4 數(shù)控定尺飛鋸機的總體方案設(shè)計
通過以上對這五種方案的分析比較，我們設(shè)計并完善了我們的數(shù)控定尺飛鋸機的總體方案：
當管材（或型材）運行接觸到發(fā)訊開關(guān)時，發(fā)訊開關(guān)指令齒輪齒條牽引飛鋸小車行走，管材（或型材）與飛鋸小車運行中達到同步，同時夾緊裝置的氣壓缸動作鉗口夾緊，管材（或型材）與飛鋸小車運行中達到同步，夾緊裝置的鉗口同時也已經(jīng)夾緊，之后管材運行距離達到鋸切長度，接近開關(guān)指令鋸切裝置運作實現(xiàn)鋸切。鋸切完成后鋸片抬起，同時指令夾緊氣壓缸抬起，完成定尺鋸切的全部動作，鋸切后的定尺管材離開飛鋸沿輥道前進到下一步工序，同時飛鋸小車在齒輪齒條牽引力作用、助推氣壓缸同步助推下回復到原位，等待開始下一次鋸切[6]。
正如圖 1 所示：
3 數(shù)控定尺飛鋸機結(jié)構(gòu)方案設(shè)計
3.1 數(shù)控定尺飛鋸機的整體結(jié)構(gòu)方案
本次設(shè)計的數(shù)控定尺飛鋸機主要有飛鋸床身，主傳動系統(tǒng)，行走小車，鋸切系統(tǒng)，夾緊裝置等幾部分組成，其外形如圖2所示：
圖2 飛鋸機主體
數(shù)控定尺飛鋸機總體上采用下部床身上部行走小車的布局，在床身上安裝導軌，在行走小車下部安裝四個支撐輪，這樣床身就可以通過導軌支撐行走小車并使小車可以在床身上來回行走。主傳動系統(tǒng)布置在床身中，與床身相連，齒輪齒條通過接合與行走小車拖動軸座相連，這樣齒輪齒條就可以拖動行走小車完成由靜止到跟蹤行進的型材，再到復位的動作。鋸切系統(tǒng)安裝在行走小車的底盤之上，它們與小車一起運動，適時地完成鋸切動作。夾緊裝置也安裝在行走小車的底盤之上，它也與小車一起運動，適時地完成夾緊動作。
3.2 導軌的設(shè)計
在其上端安裝導軌，導軌再支撐行走小車，只不過這里的導軌設(shè)計形式比車床上的導軌簡單的多，如圖所示：這種設(shè)計非常簡單，但是也非常的實用，簡單的螺釘固定，起了很大的作用。如圖 3 所示：
圖3 導軌與行走小車
3.3 數(shù)控定尺飛鋸機的行走小車的結(jié)構(gòu)方案
氣動式定尺飛鋸機的行走小車的結(jié)構(gòu)形式如圖 4 所示：
圖4 行走小車結(jié)構(gòu)示意圖
數(shù)控尺飛鋸機的行走小車的結(jié)構(gòu)方案：用四個支撐輪將行走小車底盤支撐起來，在行走小車底盤下面焊接連接體，為了增加剛度焊接了兩塊支撐板，在行走小車底盤上面安裝電機，夾緊裝置，鋸切系統(tǒng)，防護罩，管材的支撐輥以及拖鏈的連接板。行走小車底盤是一塊長 1411mm， 900mm，寬厚 20mm 的 45 號鋼板。防側(cè)翻板兒是用螺栓將其聯(lián)接在支撐輪座上的。在防側(cè)翻板兒上用軸固定了一個小軸承，它鉤住了導軌支撐板下側(cè)，起到防止小車側(cè)翻的作用。具體的安裝位置參看行走小車裝配圖。
3.4 數(shù)控定尺飛鋸機的床身的結(jié)構(gòu)方案
下部床身使整個設(shè)備的載體，起的是支撐作用。它的設(shè)計直接影響到操作者的工作，所以它的設(shè)計必須人性化，必須考慮操作者的身高等因素?？紤]到中國人的平均身高，所以取床身身高為 675mm。
數(shù)控定尺飛鋸床身的結(jié)構(gòu)可以仿照普通車床的床身結(jié)構(gòu)來布局，但是這里的床身是焊接的，而車床床身是鑄造件。床身前后兩側(cè)支撐導軌，床身中部安裝主傳動系統(tǒng)。
（1）床身外側(cè)的筋板是焊接在床身外側(cè)的，這些筋板是為了提高床身側(cè)部支撐
剛度而設(shè)計的。
（2）床身頂部安裝導軌的支撐板是用來安裝導軌的，同時也可以提高床身縱向
的剛度，并能保持導軌相對床身的平行度。飛鋸床身上的導軌是由一個加工而來的，
其傳動精度相對車床導軌來說地的多，但是足以滿足本機的要求。在兩根導軌的四個端部，我們設(shè)計安裝了四個擋塊，并在擋塊上安裝上橡皮塊兒，用以防止高速行進的行走小車在過位或失控時從床身上竄出來，不至于給操作者帶來危險和損壞行走小車上的各部分裝置。
（3）床身的吊裝孔是為了方便安裝整個飛鋸設(shè)備而設(shè)計的，它是在床身前后兩
側(cè)均部了四個Φ150mm 的孔，在設(shè)備裝卸、托運以及校正床身位置是可以用天車吊鉤鉤住這四個孔來操作。
（4）行程開關(guān)支座是焊接在床側(cè)面筋板上的一塊長 2000mm、寬 50mm、后 20mm的一塊 45 號鋼板，在這塊上我們開了四個螺栓槽，可以將行程開關(guān)用螺栓固定在支座上，并且當要調(diào)整所鋸切的管材的長度時，可以相應(yīng)的調(diào)節(jié)行程開關(guān)連接螺栓在支座上的位置。
（5）考慮到飛鋸工作過程中，床身承受很大的沖擊力，為了使床身平穩(wěn)的固定
在地面上，我們設(shè)計使用 10 根地腳螺栓來固定床身，螺栓分布位置參看氣動式定尺飛鋸機總裝圖。
（6）考慮到管材是在用水冷卻后行進到飛鋸設(shè)備上而進行鋸切的，因此，它往
往帶一部分水到飛鋸設(shè)備上，多余的水往往會腐蝕床身，有時還影響設(shè)備的正常運作，故而要設(shè)計排水設(shè)施，在床身上設(shè)計了排水管[7～11]。
3.5 數(shù)控定尺飛鋸機的主傳動部分的主軸設(shè)計
飛鋸機最關(guān)鍵的部分是和齒輪銜接主傳動軸。主傳動軸的受力簡圖如圖5所示
圖5 軸的受力簡圖
主傳動軸通過齒輪帶動飛鋸車座往復運動，由于存在變化的加速度，所以主傳動軸的力矩是變化的。即驅(qū)動主傳動軸的力矩為
（N.m） （3.1）
式中為動力矩，是由加速，減速引起的慣性力產(chǎn)生的力矩，為靜力矩，是除慣性力以外其他力所產(chǎn)生的力矩。
我們知道產(chǎn)生靜力矩的力有兩個，飛鋸車車輪與軌道之間產(chǎn)生的滾動摩擦力和飛鋸車車輪處的滾動軸承產(chǎn)生的摩擦力。
（N） （3.2）
式中w為飛鋸車裝配質(zhì)量，包括飛鋸車自重及飛鋸車上所有零件的重量，為飛鋸車車輪與軌道之間的滾動摩擦系數(shù)，D為飛鋸車車輪直徑，G為重力加速度。
（N） （3.3）
式中為滾動軸承的摩擦系數(shù)；d為安裝滾動軸承處的軸徑。
由此可得
（N.m） （3.4）
式中，D為齒輪的分度圓直徑，為齒輪到飛鋸車之間的效率。
（N.m） （3.5）
式中為齒輪軸的角加速度。
（3.6）
式中，a為飛鋸車的加速度，為主傳動軸的等效轉(zhuǎn)動慣量。
有機械原理知識可知
（3.7）
式中，第一項為評議物體的轉(zhuǎn)動慣量，第二項為齒輪（含安裝齒輪軸）的轉(zhuǎn)動慣量。
根據(jù)工作原理可知做評議運動的物體只有一個，即飛鋸車，因此在式中n=1,、分別為飛鋸車裝配質(zhì)量和飛鋸車的運動速度。是主傳動軸的角速度。將以上參數(shù)帶到
（3.8）
得
（3.9）
式中，J為齒輪的轉(zhuǎn)動慣量。
將以上參數(shù)編程序計算后，即可得到主傳動軸的力矩變化曲線，見圖6
圖6 主傳動軸力矩參數(shù)曲線
由圖可見，主傳動軸的最大力矩分別出現(xiàn)在正向運動段的追蹤段、減速段和反向運動段的加速段、減速段（當以最快速返回時，反向同步段不存在）。在正向運動段的同步段，主傳動軸的力矩最小，因為此時只有靜力矩，沒有動力矩，而靜力矩在運動過程中始終存在。這與我們的理論推導是一致的。編程中，在得到力矩參數(shù)曲線的同時，也得到了力矩計算值，如325飛鋸機最大力矩為1101N.m。由此可得到齒輪上所受到的圓周力和徑向力分別為
（3.10）
（3.11）
本文針對飛鋸機主傳動軸進行了有限元計算。主傳動軸的有限元計算包括靜強度計算和疲勞計算。由于彎曲變形和扭轉(zhuǎn)經(jīng)計算后變形很小, 故不必考慮剛度的影響。由于軸的結(jié)構(gòu)復雜, 采用材料力學的強度和疲勞計算方法較難考慮局部應(yīng)力集中的影響, 本文采用大型多物理場分析軟件ANSYS對主傳動軸分別進行了靜載強度計算和疲勞計算。
根據(jù)主傳動軸的零件圖建立了傳動軸的實體模型, 考慮到參數(shù)研究的需要, 建模時采用了ANSYS軟件的APDL (ANSYS參數(shù)設(shè)計語言)語言建模。傳動軸的有限元建模及網(wǎng)格劃分如下圖5所示。建模時要考慮軸的加載情況, 軸的材料為45號鋼, 彈性模量E = 210 GPa, 泊松比μ =0.3, 屈服應(yīng)力σr = 300MPa。
圖7 網(wǎng)格劃分
靜力載荷的計算參考圖5, 由于主傳動軸在運動中不斷的正反轉(zhuǎn), 且加速度也是在正、負之間不斷地交替變化, 在軸上施加載荷時要充分考慮到軸上扭矩轉(zhuǎn)向和徑向力方向的變化, 共四種工況: 正扭矩、徑向力向下; 正扭矩、徑向力向上; 負扭矩、徑向力向下; 負扭矩、徑向力向上。本文給出一種負扭矩、徑向力向上的工況受力圖, 如下圖所示。
圖8 主傳動軸負扭矩、徑向力向上的受力工況
在加載時, 考慮到軸的真實受力情況, 齒輪加在軸上的徑向力作為面力加載到該軸段180°的面上, 并將最大力矩轉(zhuǎn)換到主傳動軸上。
針對受力情況, 靜力計算的結(jié)果也有四種,四種工況計算的最大等效應(yīng)力大致相同, 只是小數(shù)點后數(shù)據(jù)有所變化, 故這里給出一種計算結(jié)果, 即下圖的等效應(yīng)力計算結(jié)果。
由下圖及計算結(jié)果可見, 在第2、5段軸(圖8)鍵槽處有應(yīng)力集中, 兩段應(yīng)力水平接近, 這是因為該軸以傳動扭矩為主, 第2、5段軸承受同樣的轉(zhuǎn)矩, 第2段軸雖承受一定的彎矩, 但在設(shè)計時, 在滿足安裝、潤滑等條件后, 使兩個軸承間的距離盡量的小, 這會使F2 產(chǎn)生的彎矩減小, 從而使第2段軸的彎曲應(yīng)力降低, 同時為了能夠安裝第2段軸的直徑又必須大于第5段軸的直徑, 這樣使兩段軸應(yīng)力水平接近。對于飛鋸機第2 段軸有最大應(yīng)力, 第5 段軸應(yīng)力次之, 其次為第4段軸, 在第1、3段軸應(yīng)力水平較低, 軸截面變化處的應(yīng)力集中較少。關(guān)鍵是疲勞計算。由圖4可見, 在一次鋸切中, 有兩次對稱循環(huán), 飛鋸機根據(jù)鋸切焊管的直徑不同, 鋸切頻率為10 ～15 次/min, 由此可見疲勞破壞是主傳動軸的主要破壞形式。但使用分析軟件ANSYS進行疲勞計算時,必須進行強度計算后, 方能進行疲勞計算。
圖9 主傳動軸負扭矩, 徑向力向上的等效應(yīng)力圖
主傳動軸的疲勞計算
①建立循環(huán)次數(shù)和交變應(yīng)力強度對應(yīng)關(guān)系表。根據(jù)循環(huán)次數(shù)和交變應(yīng)力關(guān)系
式中, M 為指數(shù), 對彎曲應(yīng)力M = 9; 為循環(huán)次數(shù), 對于45號鋼 = 107 ; 為循環(huán) 時的疲勞極限; 45號鋼對稱循環(huán)時, r = - 1, 故= 300 N / ; 為循環(huán)N 次時的疲勞極限。 = 300 N / 是45號鋼光滑小試件測定的材料的疲勞極限, 它沒有考慮構(gòu)件尺寸大小、應(yīng)力集中、表面質(zhì)量和安全系數(shù)的影響, 其中前三項影響參數(shù)在ANSYS進行疲勞計算時可以加入進去, 但安全系數(shù)沒有考慮, 由參考文獻[ 7 ]可知, 45號鋼在進行一般計算時許用應(yīng)力[]= 60 N /mm2 , 即安全系數(shù)為5。從工程應(yīng)用的角度, 主傳動軸是飛鋸機的關(guān)鍵部件, 一旦主傳動軸斷裂, 后果難以估量, 同時還要考慮到?jīng)_擊、安裝誤差等一系列不利因素的影響, 在工程實踐中安全系數(shù)通常取到6 ～8。以8 計算, 建立的循環(huán)次數(shù)和交變應(yīng)力強度對應(yīng)關(guān)系是表1。
此表在進行疲勞計算時要輸入到S - N Table中。
②疲勞計算。主傳動軸在交變應(yīng)力作用下要進行疲勞強度計算, 當交變應(yīng)力形式不同時, 計算結(jié)果亦不同, 由于主傳動軸特殊的運動狀態(tài)和受力狀態(tài), 它的交變應(yīng)力形式共分為六種: a正扭矩、徑向力向下與正扭矩、徑向力向上; b正扭矩、徑向力向下與負扭矩、徑向力向下; c正扭矩、徑向力向下與負扭矩、徑向力向上; d正扭矩、徑向力向上與正扭矩、徑向力向下; e正扭矩、徑向力向上與負扭矩、徑向力向上; f正扭矩、徑向力向上與負扭矩、徑向力向下。分析這六種工況, 第a、d種工況計算結(jié)果相同。第b、e種工況計算結(jié)果稍有差別由于有鍵槽的影響, 第b種工況受面力面積略小, 載荷稍大, 故只分析第b種工況即可。第c、f種工況計算結(jié)果基本相同, 由此可見, 在進行疲勞計算時, 我們只要分析前三種受力工況即可。圖8給出了第a種受力工況, 篇幅有限不必一一列出。
第a種受力工況的等效應(yīng)力圖如圖9所示。
圖10 主傳動軸疲勞計算第一種受力工況
( a) 正扭矩、徑向力向下 ( b) 正扭矩、徑向力向上
圖11 第a種受力情況的等效應(yīng)力圖
( a) 正扭矩、徑向力向下 ( b) 正扭矩、徑向力向上
疲勞計算的節(jié)點選取了靜力計算中最大應(yīng)力的節(jié)點。經(jīng)過疲勞計算, 原設(shè)計的三種工況條件下軸的疲勞強度都能滿足要求, 使用壽命在107以上。由于靜力計算中最大應(yīng)力基本相同, 故疲勞強度也基本相同。
分析主傳動軸的有限元計算結(jié)果, 靜應(yīng)力水平較低, 這可從圖9的等效應(yīng)力圖中看出。當增大的安全系數(shù)時, 使用壽命仍能在107 以上, 這說明交變應(yīng)力水平也較低。兩方面都說明主傳動軸的結(jié)構(gòu)尺寸偏大, 應(yīng)對其進行縮小。
本主傳動軸系列結(jié)構(gòu)是在參數(shù)化設(shè)計前提下進行優(yōu)化設(shè)計。系列化產(chǎn)品的特征是在決定其基型以后的設(shè)計只是尺寸的修改。參數(shù)化設(shè)計是利用模塊結(jié)構(gòu)的相似性, 在模塊基本結(jié)構(gòu)不變的前提下, 改變模塊的一組或幾組幾何尺寸, 從而快速產(chǎn)生另外一種或幾種模塊的設(shè)計方法。參數(shù)化設(shè)計貯存了設(shè)計的整個過程, 能夠設(shè)計出一族,而不是單一的產(chǎn)品模型。本文利用APDL進行參數(shù)化設(shè)計, 利用APDL可以實現(xiàn)參數(shù)化建模、加載、定義邊界條件、求解及后處理等操作。AP2DL提供了豐富的命令集, 如幾何(點、線、面、體)的定義與操作、網(wǎng)格劃分、定義邊界條件、加載、邏輯控制命令、條件與循環(huán)命令、分析流程命令、數(shù)據(jù)文件讀寫等。
利用APDL優(yōu)化的過程為讀取數(shù)據(jù)文件, 作為有限元模型的設(shè)計變量(參數(shù)) , 以此建立有限元模型, 以不同的目標函數(shù)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算, 結(jié)果輸出, 將計算結(jié)果返回給用戶, 可進一步對尺寸參數(shù)進行優(yōu)化, 從而完成產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計。
優(yōu)化飛鋸機主傳動軸系列結(jié)構(gòu), 將軸的材料、彈性模量、泊松比、疲勞極限、精度等級設(shè)為常量, 主要優(yōu)化尺寸參數(shù)(圖8) 。當安裝在軸上的齒輪、軸承、聯(lián)軸器和軸承的潤滑方式確定以后, 軸的軸向尺寸已基本確定, 無須優(yōu)化。設(shè)計時應(yīng)使兩個軸承的距離盡量的小, 從而降低第二段軸的應(yīng)力水平。在設(shè)計鍵槽尺寸時, 鍵槽的寬度和鍵槽與轂的接觸高度根據(jù)軸的直徑按照國標選取。鍵槽的長度應(yīng)比轂略短, 在鍵的長度系列中選取一個即可, 也無須優(yōu)化。這樣只須確定直徑尺寸系列。ANSYS只能單目標優(yōu)化, 不能多目標優(yōu)化, 因此以重量最小為目標進行優(yōu)化。按照機械設(shè)計慣例, 首先從第五段軸優(yōu)化, 設(shè)計變量為直徑x, 約束條件為滿足應(yīng)力循環(huán) ,目標函數(shù)為
（3.12）
式中, L 為第五段軸的長度; ρ為軸的材料密度。
在滿足上述條件下, 重量y ( x)取最小值時的設(shè)計變量即為優(yōu)化的直徑值。
從上面的分析中可知, 對于第一、四段軸最大應(yīng)力低于第五段軸, 故第一、四段軸無需優(yōu)化, 只需按結(jié)構(gòu)設(shè)計。為了便于聯(lián)軸器定位, 第一、四段軸徑應(yīng)略大于第五段軸徑, 同時為了安裝軸承, 第一、四段軸徑必須是5的整數(shù)倍。第二段軸的優(yōu)化目標與第五段軸的優(yōu)化目標相同,優(yōu)化后的結(jié)果必須大于第四段軸徑, 以便于齒輪的安裝。第三段軸因應(yīng)力水平較低, 同樣只需按結(jié)構(gòu)設(shè)計, 它的直徑必須大于第二段軸徑, 以達到齒輪軸向固定的目的。
主傳動軸系列結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的步驟:
(1) 初步設(shè)計主傳動軸, 計算出主傳動軸的轉(zhuǎn)動慣量;
(2) 將主傳動軸的轉(zhuǎn)動慣量和其它運動參數(shù)輸入到程序中, 計算出主傳動軸的轉(zhuǎn)矩;
(3) 計算出主傳動軸的徑向載荷;
(4) 對主傳動軸有限元計算靜強度和疲勞強度, 確定優(yōu)化目標, 由于過去采用經(jīng)驗計算, 軸的直徑都偏大, 優(yōu)化過程是將直徑降低;
(5) 優(yōu)化主傳動軸的第五段, 觀察輸出結(jié)果, 確定軸的第一、四段軸徑。
(6) 選擇、校核軸承和聯(lián)軸器以確定第一、四、五段軸的長度(第二、三段軸的長度在初步設(shè)計主傳動軸時, 已按結(jié)構(gòu)確定, 無需重新確定) ;
(7) 優(yōu)化主傳動軸的第二段, 觀察輸出結(jié)果, 如輸出結(jié)果小于或等于第一段軸徑, 應(yīng)將此值加大, 以便于齒輪的安裝;
(8) 按結(jié)構(gòu)設(shè)計軸的第三段;
(9) 計算優(yōu)化后的主傳動軸轉(zhuǎn)動慣量, 重新計算主傳動軸的力矩和徑向載荷。主傳動軸的等效轉(zhuǎn)動慣量Je 主要是飛鋸車和齒輪7的轉(zhuǎn)動慣量, 主傳動軸的轉(zhuǎn)動慣量影響很小, 所以對主傳動軸的力矩和徑向載荷影響很小, 在我們的計算中, 力矩變化不大于015% , 無需重新優(yōu)化主傳動軸。經(jīng)過以上各步驟, 我們得到主傳動軸系列結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計, 其中<273、<325、<381主傳動軸直徑尺寸見表2。
表2 主傳動軸優(yōu)化前后比較
從表2可以看出, 三種型號的主傳動軸的各段直徑都有減少, 減重都在20%以上, 其它型號的主傳動軸的減重也在20% ～30%。
從以上可知：
(1) 針對飛鋸機運動方式不同主傳動軸所承受載荷亦不同的特點, 本文對主傳動軸進行了受力分析, 得到主傳動軸的力矩變化曲線;
(2) 對主傳動軸進行了有限元分析, 計算結(jié)果表明: 由于軸的直徑偏大, 靜應(yīng)力值和交變應(yīng)力值都較小;
(3) 設(shè)定了約速條件, 建立了目標涵數(shù), 對主傳動軸系列結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計, 結(jié)蛤表明:各型號的主傳動軸的減重都在20% ～30%【14-19】。
3.6 數(shù)控定尺飛鋸機的主傳動部分電機的選擇
3.6.1 電動機類型的選擇
a）根據(jù)電動機的工作環(huán)境選擇電動機類型
1）安裝方式的選擇
電動機安裝方式有臥式和立式兩種，臥式電動機的價格較立式的便宜，所以通常情況下多選用臥式電動機，一般只在為簡化傳動裝置且必須垂直運轉(zhuǎn)時才選用立式電動機。在此選用臥式電動機。
2）防護形式的選擇
電動機防護形式有開啟式、封閉式、防護式和防暴式四種。
●開啟式電動機在定子兩側(cè)與端蓋上有較大的通風口，散熱條件好，價格便宜，但水氣、塵埃等雜物容易進入，因此只在清潔、干燥環(huán)境下使用。
●封閉式電動機又可分為自扇冷式、他扇冷式和密閉式三種。前兩種可在潮濕、多塵埃、有腐蝕性氣體或易受風雨的環(huán)境中工作。第三種可浸入液體中使用。
●防護式電動機在機座下方開有通風口，散熱較好，能防止水滴、鐵屑等雜物從上方落入電動機，但不能防止塵埃和潮氣入侵，所以適宜與較清潔干凈的環(huán)境中。
●防暴式電動機適用于有爆炸危險的環(huán)境中，如油庫、礦井中。
本課題所設(shè)計的機械定尺切割機一般安裝在焊管機組的后面，鑒于其生產(chǎn)環(huán)境，因此選擇封閉式電動機。
b）根據(jù)生產(chǎn)機械的負載性質(zhì)選擇電動機類型
1)對于不要求調(diào)速、對啟動性能亦無過高要求的生產(chǎn)機械，應(yīng)優(yōu)先考慮使用一般鼠籠式異步電動機。若要求啟動轉(zhuǎn)矩較大，則可選用高啟動轉(zhuǎn)矩的鼠籠式異步電動機。
2)對于要求經(jīng)常啟、制動，且負載轉(zhuǎn)矩較大、又有一定調(diào)速要求的生產(chǎn)機械，應(yīng)考慮用線繞式異步電動機。
3) 經(jīng)常對于只需要幾種速度，而不需要無級調(diào)速的生產(chǎn)機械，為了簡化變速機構(gòu)，可選用多變速異步電動機。
4)對于要求恒速穩(wěn)定運行的生產(chǎn)機械，且需要補償電網(wǎng)功率因素的場合，應(yīng)優(yōu)先選用同步電動機。
5)對于需要大的啟動轉(zhuǎn)矩，又要求恒功率調(diào)速的生產(chǎn)機械，常選用直流串勵或復勵電動機。
6)對于要求大范圍無級調(diào)速，且要求經(jīng)常啟動、制動、正反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機械，則可選用帶調(diào)速裝置的直流電動機或鼠籠式異步電動機。
電動機分為交流電動機和直流電動機兩種。選用交流電動機。
綜上所述根據(jù)在滿足生產(chǎn)機械對拖動系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)特性要求的前提下，力求結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便、價格低廉的原則下。選用封閉扇冷式Y(jié)系列異步電動機。
3.6.2 電動機額定電壓的選擇
電動機額定電壓一般選擇與供電電壓一致。普通工廠的供電電壓為380V或220V。選擇電動機額定電壓220V。
3.6.3 電動機額定轉(zhuǎn)速的選擇
容量相同的同類型電動機，有幾種不同的轉(zhuǎn)速系列可供選擇，如三相異步電動機常用的有四種同步轉(zhuǎn)速，即3000、1500、1000、750r/min（相應(yīng)的電動機定子繞組的極對數(shù)為2、4、6、8）。低速電動機的極對數(shù)多，轉(zhuǎn)矩也大，因此外廓尺寸及重量都較大，價格較高，但可以使傳動裝置總傳動比減小，使傳動裝置的體積、重量較?。桓咚匐妱訖C則相反。因此確定電動機轉(zhuǎn)速時要綜合考慮，分析比較電動機及傳動裝置的性能，尺寸、重量和價格等因素。通常多選用同步轉(zhuǎn)速1500和1000r/min的電動機（軸不需要逆轉(zhuǎn)時常用前者），但由于此電機用于齒輪齒條主傳動，從價格和性價方面可以選擇3000r/min的電動機。
3.6.4 電動機容量的選擇
電動機的選擇主要是容量的選擇，如果電動機的容量選小了，一方面不能充分發(fā)揮機械設(shè)備的能力，使生產(chǎn)效率降低，另一方面電動機經(jīng)常在過載下運行，會使他過早損壞，同時還可能出現(xiàn)啟動困難、經(jīng)受不起沖擊負載等故障。如果電動機容量選大了，則不僅使設(shè)備投資費用增加，而且由于電動機經(jīng)常輕載下運行，運行效率和功率因數(shù)（對異步電動機而言）都會下降。
查產(chǎn)品目錄且進行市場調(diào)研了解電機功率可選為22Kw。選取Y200L2-2型異步電動機【13】。
Y200L2-2型異步電動機的外形及主要尺寸如下：
4 鋸切結(jié)構(gòu)的設(shè)計與計算
所謂鋸切結(jié)構(gòu)，就是執(zhí)行鋸切任務(wù)將焊管切斷的裝置。它包括動力源機構(gòu)即電動機部分，鋸切機構(gòu)，傳動機構(gòu)及其它輔助機構(gòu)。
鋸切方式一般有擺動式和直推式兩種形式。兩種形式各有特點，平推式產(chǎn)生的鋸切力比較大，所以對電機的要求比較高。擺動式則對電機的要求較低，并且可以鋸切的對象比平推式廣泛，所以我們選擇擺動式。
鋸切機構(gòu)的基本組成包括：氣缸，用于拉動鋸臂作擺切動作；鋸臂，支撐鋸切主軸；主軸，連接帶輪和鋸片，用于傳動；其他。
鋸臂一般有兩種形式，直臂和V型臂。在此選擇前者。
4.1 切削力、功率的計算
4.1.1 鋸片的選擇
對于各規(guī)格焊管生產(chǎn)線上的切割機，國內(nèi)現(xiàn)有的形式有三種[15]：
（1）單鋸片式。用一張鋸片一次切斷整根鋼管。此鋸片直徑很大，如鋸切Φ508mm×14mm圓管或400mm×400mm×16mm方矩形管，鋸片直徑需在1600mm以上，鋸切功率需達250 kW。工作時噪音很大，且管子端口不好，毛刺大，又不好清除。
（2）滾切式。其結(jié)構(gòu)是通過一組刀片的徑向旋轉(zhuǎn)、擠壓將鋼管切斷。雖然比大直徑的鋸片有一定的優(yōu)越性，但僅適用于圓管，不能用于方矩形管和開口型材，并有收縮口等現(xiàn)象，而且在鋼管鋼級高、壁厚大時切斷就非常困難。
（3）雙鋸片平推式。這是國外20世紀50年代的淘汰產(chǎn)品，它不僅結(jié)構(gòu)龐大，功率消耗大，致命的缺陷是切斷面不平、錯位，切削過程中易變形，導致管子的切口有階梯，若是圓管還可在平頭工序修正，若是方矩形管就很難處理了。
其大體的結(jié)構(gòu)示意如圖12所示：
圖12 鋸切示意圖
由于本次設(shè)計所要達的技術(shù)要求是鋸切直徑15-90mm的鋼管。經(jīng)過對比選擇，決定采用唐山冶金鋸片有限公司生產(chǎn)的硬質(zhì)合金齒圓鋸片。具體鋸片參數(shù)如下：
外徑 ：Φ450mm
中心孔： 40mm
圓盤厚度：3.5mm
最高轉(zhuǎn)速：5000r/min
4.1.2 計算切削力、功率
由經(jīng)驗公式：
切削力 （4.1）
其中 B——切刃接觸面的周長，mm
t——被切材料厚度,mm
——抗剪強度，MPa
設(shè)：被切焊管直徑為60mm，厚度為3mm，材料為Q235。又知道，鋸片厚度為3.5mm。在上面的公式中B隨著鋸切深度的變化而變化，是變量，當鋸齒切到焊管的直徑時，B最大，約為鋸片厚度×2+焊管厚度×4。
被鋸切焊管部位的溫度愈高，其抗剪強度愈低（如下表1所示），從而鋸切力就愈小。由于該鋸切系統(tǒng)采用自然冷卻方式，不能及時地將熱量散去，且鋸片的轉(zhuǎn)速很高（據(jù)估算可達到5000r/min），所以在工作過程中焊管可以瞬間達到900度以上的高溫，根據(jù)表1，此時抗剪強度為59Mpa[6]。
表3 鋼材Q235在不同受熱溫度狀態(tài)下的抗剪強度
受熱溫度/°C
20
500
600
700
800
900
抗剪強度/MPa
441
441
235
127
88
59
所以 =（3.5×2+3×4)3.559
=3923.5N
產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩 T= D/2 （4.2）
其中， D——鋸片直徑
所以，
T= 3923.50.45/2=882.7875 N?m
所需功率為 P= ?Ｖ （4.3）
其中 Ｖ——鋸齒的線速度
又由公式 Ｖ= （4.4）
得， P= ? （4.5）
代入數(shù)據(jù)可得 P=13.2 Kw
即切削功率為13.2 Kw。
4.2 電機的選擇
4.2.1 電動機類型的選擇
a）根據(jù)電動機的工作環(huán)境選擇電動機類型
1）安裝方式的選擇
電動機安裝方式有臥式和立式兩種，臥式電動機的價格較立式的便宜，所以通常情況下多選用臥式電動機，一般只在為簡化傳動裝置且必須垂直運轉(zhuǎn)時才選用立式電動機。在此選用臥式電動機。
2）防護形式的選擇
電動機防護形式有開啟式、封閉式、防護式和防暴式四種。
●開啟式電動機在定子兩側(cè)與端蓋上有較大的通風口，散熱條件好，價格便宜，但水氣、塵埃等雜物容易進入，因此只在清潔、干燥環(huán)境下使用。
●封閉式電動機又可分為自扇冷式、他扇冷式和密閉式三種。前兩種可在潮濕、多塵埃、有腐蝕性氣體或易受風雨的環(huán)境中工作。第三種可浸入液體中使用。
●防護式電動機在機座下方開有通風口，散熱較好，能防止水滴、鐵屑等雜物從上方落入電動機，但不能防止塵埃和潮氣入侵，所以適宜與較清潔干凈的環(huán)境中。
●防暴式電動機適用于有爆炸危險的環(huán)境中，如油庫、礦井中。
本課題所設(shè)計的機械定尺切割機一般安裝在焊管機組的后面，鑒于其生產(chǎn)環(huán)境，因此選擇封閉式電動機。
b）根據(jù)生產(chǎn)機械的負載性質(zhì)選擇電動機類型
1)對于不要求調(diào)速、對啟動性能亦無過高要求的生產(chǎn)機械，應(yīng)優(yōu)先考慮使用一般鼠籠式異步電動機。若要求啟動轉(zhuǎn)矩較大，則可選用高啟動轉(zhuǎn)矩的鼠籠式異步電動機。
2)對于要求經(jīng)常啟、制動，且負載轉(zhuǎn)矩較大、又有一定調(diào)速要求的生產(chǎn)機械，應(yīng)考慮用線繞式異步電動機。
3) 經(jīng)常對于只需要幾種速度，而不需要無級調(diào)速的生產(chǎn)機械，為了簡化變速機構(gòu)，可選用多變速異步電動機。
4)對于要求恒速穩(wěn)定運行的生產(chǎn)機械，且需要補償電網(wǎng)功率因素的場合，應(yīng)優(yōu)先選用同步電動機。
5)對于需要大的啟動轉(zhuǎn)矩，又要求恒功率調(diào)速的生產(chǎn)機械，常選用直流串勵或復勵電動機。
6)對于要求大范圍無級調(diào)速，且要求經(jīng)常啟動、制動、正反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機械，則可選用帶調(diào)速裝置的直流電動機或鼠籠式異步電動機。
電動機分為交流電動機和直流電動機兩種。選用交流電動機。
綜上所述根據(jù)在滿足生產(chǎn)機械對拖動系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)特性要求的前提下，力求結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便、價格低廉的原則下。選用封閉扇冷式Y(jié)系列異步電動機。
4.2.2電動機額定電壓的選擇
電動機額定電壓一般選擇與供電電壓一致。普通工廠的供電電壓為380V或220V。選擇電動機額定電壓220V。
4.2.3電動機額定轉(zhuǎn)速的選擇
容量相同的同類型電動機，有幾種不同的轉(zhuǎn)速系列可供選擇，如三相異步電動機常用的有四種同步轉(zhuǎn)速，即3000、1500、1000、750r/min（相應(yīng)的電動機定子繞組的極對數(shù)為2、4、6、8）。低速電動機的極對數(shù)多，轉(zhuǎn)矩也大，因此外廓尺寸及重量都較大，價格較高，但可以使傳動裝置總傳動比減小，使傳動裝置的體積、重量較??；高速電動機則相反。因此確定電動機轉(zhuǎn)速時要綜合考慮，分析比較電動機及傳動裝置的性能，尺寸、重量和價格等因素。通常多選用同步轉(zhuǎn)速1500和1000r/min的電動機（軸不需要逆轉(zhuǎn)時常用前者），但由于此電機用于驅(qū)動切割，需高速運轉(zhuǎn)，因此選用電動機的額定轉(zhuǎn)速為3000r/min左右。
4.2.4電動機容量的選擇
電動機的選擇主要是容量的選擇，如果電動機的容量選小了，一方面不能充分發(fā)揮機械設(shè)備的能力，使生產(chǎn)效率降低，另一方面電動機經(jīng)常在過載下運行，會使他過早損壞，同時還可能出現(xiàn)啟動困難、經(jīng)受不起沖擊負載等故障。如果電動機容量選大了，則不僅使設(shè)備投資費用增加，而且由于電動機經(jīng)常輕載下運行，運行效率和功率因數(shù)（對異步電動機而言）都會下降。
電動機所需工作功率按式
Pw=P/ηa （4.6）
由電動機至鋸片的傳動總效率為
ηa=η1η2 （4.7）
其中η1、η2分別為帶傳動和軸承的傳動效率，
η1=0.96
η2=0.98
所以，代入數(shù)據(jù)可得 Pw=13.88KW
查產(chǎn)品目錄且進行市場調(diào)研選取Y160M2-2型異步電動機【13】。
Y160M2-2型異步電動機的外形及主要尺寸如下：
圖13 三相異步電動機
其主要參數(shù)如下：
額定功率：15KW 同步轉(zhuǎn)速：3000r/min
滿載時， 額定電流：29.4A 轉(zhuǎn)速：2930 r/min
效率：88.2% 功率因數(shù)：0.88 重量：125kg
4.3 帶傳動形式的選擇
電機與鋸切主軸之間的傳動形式我們選擇帶傳動形式，但帶傳動又分多種形式，只有對他們進行比較才能做出比較合理的選擇。
帶傳動是由兩個帶輪和一根緊繞在兩輪上的傳動帶組成，靠帶與帶輪接觸面之間的摩擦力來傳遞運動和動力的一種撓性摩擦傳動。
帶傳動是利用張緊在帶輪上的傳動帶與帶輪的摩擦或嚙合來傳遞運動和動力的。帶傳動通常是由主動輪1、從動輪2和張緊在兩輪上的環(huán)形帶3所組成。根據(jù)傳動原理不同，帶傳動可分為摩擦傳動型和嚙合傳動型兩大類。
圖14 帶輪
摩擦傳動型是利用傳動帶與帶輪之間的摩擦力傳遞運動和動力。摩擦型帶傳動中，根據(jù)撓性帶截面形狀不同，可分為如下圖四種：
圖15 摩擦型帶傳動的幾種類型
a) 普通平帶傳動
平帶傳動中帶的截面形狀為矩形，工作時帶的內(nèi)面是工作面，與圓柱形帶輪工作面接觸，屬于平面摩擦傳動
b) V帶傳動
V帶傳動中帶的截面形狀為等腰梯形。工作時帶的兩側(cè)面是工作面，與帶輪的環(huán)槽側(cè)面接觸，屬于楔面摩擦傳動。在相同的帶張緊程度下，V帶傳動的摩擦力要比平帶傳動約大70%，其承載能力因而比平帶傳動高。在一般的機械傳動中，V帶傳動現(xiàn)已取代了平帶傳動而成為常用的帶傳動裝置。
c) 多楔帶傳動
多楔帶傳動中帶的截面形狀為多楔形，多楔帶是以平帶為基體、內(nèi)表面具有若干等距縱向V形楔的環(huán)形傳動帶，其工作面為楔的側(cè)面，它具有平帶的柔軟、V帶摩擦力大的特點。
d) 圓帶傳動
圓帶傳動中帶的截面形狀為圓形，圓形帶有圓皮帶、圓繩帶、圓錦綸帶等，其傳動能力小，主要用于v<15m/s，i=0.5—3 的小功率傳動，如儀器和家用器械中。
e) 高速帶傳動
帶速v>30m/s，高速軸轉(zhuǎn)速n=10000--50000r/min的帶傳動屬于高速帶傳動。
高速帶傳動要求運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、傳動可靠并具有一定的壽命。高速帶常采用重量輕、薄而均勻、撓曲性好的環(huán)形平帶，過去多用絲織帶和麻織帶，近年來國內(nèi)外普遍采用錦綸編織帶、薄型錦綸片復合平帶等。
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