加热炉炉门自动启闭装置设计

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摘    要fficeffice" />

小型加热炉是科研院所及厂矿常用的热处理或加热设备。炉门是唯一的送取料口，在加热过程中炉门的密封可保证炉内温度的控制，防止能量的浪费，防止有害气体的散失对操作者造成的伤害。由于炉门经常处在高温下工作，所以需要操作机构来实现炉门的启闭动作。本文在考察各种工业加热炉炉门启闭方式的基础上，针对试验用小型加热炉的特点采用简单的平面四连杆机构实现炉门的启闭运动。在设计过程中考虑到小型加热炉对洁净工作环境的要求及炉门作为高温运动部件的特殊要求，并考虑到操作的方便性，采用优化设计的方法合理确定四连杆各杆长度及两活动铰链和两固定铰链的位置，从而满足炉门恰当的运动轨迹。对炉门结构作了合理的设计满足炉门的密封保温作用。整个运动由电动机提供动力，通过恰当选取电动机和减速器以及合理布置其位置，达到与小型加热炉的最佳匹配，实现炉门的自动启闭。本设计力争以较少的运动部件，较小的布局空间，简单的运动方式，达到炉门灵活自动启闭，并满足加热炉对炉门的特殊功用要求。

关键词  加热炉    炉门    四连杆机构    自动启闭

一  前言

1.1 课题来源

小型加热炉是科研院所及厂矿常用的热处理或加热设备，为了保证加热炉的温度可控，使炉内工件能够按设定的温度曲线变化，以得到良好的材料内部组织，炉门是唯一的送取料口，在加热过程中，炉门的密封可保证炉内温度的控制，防止能量的浪费，防止有害气体的散失对操作者造成伤害。由于炉门经常处在高温下工作，所以需要由操作机构来实现炉门的启闭。

1.2加热炉发展和现状

+ D. Q9 c- k$ l& @

   加热炉是工业炉窑的一大类别，是指被加热的物料在炉内基本不发生物态变化和化学反应的炉子。对于冶金行业来说，加热炉是指金属压力加工前的加热和金属制成品及半成品的热处理等用炉。小型加热炉是科研院所及厂矿常用的热处理或加热设备。随着科学技术的不断发展，加热炉的理论和实践在不断深化和日趋完善，加热炉的结构型式也在不断演进。优质、高产、低消耗的新式炉型不断涌现，加热炉的结构目前仍处在不断变革之中，以满足生产工艺对炉子的技术经济要求，即经济、高产、低消耗、炉子寿命长、劳动条件好。

1.3 工业用加热炉炉门常用启闭方式

! C/ f% a4 S: L& |; l- }

在加热炉中，为了装料、卸料、出渣和观察炉内的工作情况必须在炉墙上开设炉门孔。炉门的材料通常采用铸铁，内里衬以耐火砖或其它耐火材料，也有采用焊接结构的。由于工业用加热炉一般用来加热大型工件，炉体较大，炉门也相应较大较重，故常采用升降机构。这种机构有的采用人力脚踏传动机构或手摇链轮配以平衡重锤筒装置，而对那些很重的大型炉门升降机构则常采用电动机带动或由液压装置升降。

这种采用升降装置的炉门与炉膛不可能严格密封，会使部分热量外溢，从而使炉内温度波动，还会使有害气体进入炉内进而影响加热工件的性能和质量，对于试验用小型加热炉这种升降装置显然不合适。升降门行程较长，这对于体积较小的小型加热炉难以布置。科研院所用小型加热炉加热工件或对其进行热处理一般用以研究目的，故需严格控制炉温，严格按设计要求变温并需控制炉内气氛，以免影响工件加热质量，达不到试验目的。

1.4 本课题所完成的内容

本课题要求加热炉炉门应能自动灵活启闭，操作要简单方便，以降低操作者的劳动强度。炉门在开启和关闭时与炉膛相对的高温内壁要始终背对操作者，炉门与炉体不得发生干涉。在关闭时炉门应有锁紧装置，以免因偶然因素造成门体运动而发生事故，门与炉膛要严格密封。

鉴于升降门结构对于小型加热炉的局限，本设计采用简单的平面四连杆机构实现炉门的启闭运动。设计合理的炉门运动轨迹，然后按此轨迹确定恰当的四杆长度及两活动铰链和两固定铰链的合适位置。对于门体采用强度高、耐磨、耐热、减振性能较好的灰铸铁材料铸造成型，并设计出合理的结构，内设倒边与炉膛严密配合，以获得较佳的密封效果，其内衬耐火泥以取得较好的保温效果。整个机构动力由电动机输入，电动机通过减速器降速增矩带动四连杆机构运动，从而实现炉门的平稳自动启闭。

! q$ Q, L1 F. g% n7 } A/ R6 t

总之本设计力图用简单的理论、方法，较少的构件，较小的布局空间达到理想的设计运动要求。

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二    炉门启闭装置各部件机构设计

- e/ e9 k% ~& q( C

2.1 炉门设计

# |& p# D$ I# D7 J8 y

ffice:smarttags" />2.1.1 炉门材料选择

5 U6 F: k$ E7 v( D2 n

由于炉门内部结构较简单，经常处在高温下工作，故采用铸造方式生成。材料选择强度、耐磨、耐热、减振性能较好的灰铸铁（HT200），这种材料适用于承受较大压力、耐磨、一定气密性的零件。

' v& a8 o7 _) W6 E' |6 B

2.1.2 炉门结构设计

! G3 s$ F$ {' l

炉门采用铸造方式生成，在与炉膛配合处做出斜边并留出一定长度的余边，使炉门关闭时达到很好的密封效果。在与炉膛相对的内面铸出网格，其间填加耐火泥并将其制成规则的几何形状达到规定尺寸要求，这样可以改善炉门的保温性能。四个炉门轴要严格保证铸造质量并进行精加工，以达到规定的几何尺寸和相应形位公差。炉门的具体结构设计尺寸见零件图LM-12 炉门。

& L, ~% B/ n3 H/ r% h# o+ u! R

2.1.3炉门质量计算

! r/ s2 m8 Y# g) {5 j% j

炉门的基本立体结构如下 图2.1 所示，其基本框架材料为灰铸铁，其密度为7.0g/ ，网格间填加耐火材料为耐火泥，其密度为2.8g/ ，其整体体积可看成长方体体积 和体积 及四个轴柱体积 之和。

: L3 |; L. y; h

图2.1  炉门尺寸结构

9 s9 U7 v6 z4 p6 f/ a$ q1 e/ N

各部体积分别为：

长方体体积：                          (2.1)

式中a为长边550mm、b为短边400mm、h为高6                         

棱台体积：

3 Q8 a) v6 B- a" b

(2.2)

其中式中 为下底面长边490mm,b为下底面宽边340mm, 为上底面长边450mm, 为上底面宽边300mm，h为棱台高20mm。     

2 d) Y6 R7 f- w+ `' E

柱轴体积：       

2 k" g* i! ]& V% x5 j( F# a0 U

式中r为柱轴半径10mm，h为柱轴长度53mm。           (2.3)

 

炉门体积：

( P6 g+ ]+ ~; T3 _

  （2.4）

+ C. x. T+ W( q' e, ?

按铸铁材料和耐火泥各占体积一半计算总体质量：        

1 f. j# _# B" d/ f) T0 ^2 ?, H

 

6 b! {. e; g" p6 i8 A( z

2.2 炉门传动机构设计

- F# s7 X& W( N" L. k

2.2.1连杆机构及其传动特点

, g1 n+ ]* V* Q1 F( L( y' _3 R0 ~: w

连杆机构是由若干个刚性构件用低副（转动副或移动副）连接而成的机构，故又称低副机构。这类机构广泛地应用于各种动力机械、重型机械、机床、仪表和军事工业中，例如活塞发动机、牛头刨床、自动包装机等。

平面四连杆机构结构简单，能实现的运动规律和轨迹各式各样，不但实际应用很广泛，而且还是组成多杆机构的基础。在此机构中与机架相连的构件称为连架杆；能作整周回转的连架杆称为曲柄；不能做整周转动的连架杆称为摇杆；能使两构件作整周相对转动的转动副称为周转副，而不能作整周相对转动的转动副称为摆动副。

连杆机构具有的优点有：

@1 D5 D# l4 f9 ` N3 o& X

（1）连杆机构中的运动副都是低副，运动副元素间为面接触，故压强较小，便于润滑，所以磨损较轻，寿命长；因两构件接触表面多为圆柱面或平面，因而制造简单并可获得较高的精度；同时由于构件间的接触主要依靠运动副元素自身的几何封闭来实现，故连接可靠。

, K, H' y( h5 P2 W# U+ Q

（2）在连杆机构中，由于构件多为杆状，因此可作为操纵机构，用以实现传递远距离的运动和动力；又因连杆上不同点的轨迹是丰富多彩的封闭的高次连杆曲线，而且随着各构件相对长度的改变，连杆形状将改变，利用这些曲线可满足各种不同轨迹的要求。

（3）在连杆机构中当取不同构件为机架时，可得到具有不同尺寸特性和不同类型的机构；此外，由于选取不同的原动件和从动件，不仅可以满足不同的运动要求，而且可作增力或减力机构；另外，当原动件以同样的运动规律运动时，通过改变各构件的相对尺寸，可使从动件得到不同的运动规律。

3 j- q. A# t- a

2.2.2 炉门启闭装置设计要求

本课题设计内容为小型加热炉炉门自动启闭装置其要求：

) I% q. d0 N) }+ a# s

(1)在开启时炉门向外开启，高温的内面要始终背对操作者。

(2)开启和关闭时炉门与炉体不得发生干涉。

(3)在关闭式，要求炉门能锁住不得因外力干扰而自行运动。

5 M# _0 G. v# |" j0 g( G$ Q

(4)装置应保证炉门开启关闭自如。

2.2.3 四连杆机构尺寸确定

本设计用平面四连杆机构实现炉门的启闭，各杆尺寸的确定和各铰链的位置由图解法求解。

% U+ o) S( a1 T; g9 J3 ^: N

（1）图解法原理：用图解法设计四杆机构是根据设计要求，通过作图确定四个铰链的位置进而求得各杆长度。铰链的位置是根据四连杆机构各铰链之间相对运动的几何关系来确定的。在铰链四杆机构ABCD中，设B，C为连杆上两个活动铰链中心，A,D为机架上两固定铰链中心，它们之间的运动几何关系为：活动铰链如B所占据的各点Bi（i=1,2,…，N）必位于以固定铰链A为圆心，以AB杆的长度为半径的圆上。反之，固定铰链A也一定位于活动铰链B的各点位Bi（i=1,2,…，N）所在圆的圆心上。

9 P t, F* e+ s- M

求固定铰链中心的位置：如已知连杆上活动铰链B的预定位置点Bi(i=1,2,…N)要求确定对应固定铰链A的位置,则求解方法为：作各位置点Bi (i=1,2,…N)连线的中垂线,其交点即为所求即为所求固定铰链A的位置,此方法可称为圆心法。

(2)炉门运动过程及已知条件如下 图2.2 所示：

, y8 B0 |) A9 \' A$ ?7 f. Y6 i6 ^) G

炉门各部分大小尺寸已知,两活动铰链B,C位置已知,炉门关闭位置和开启位置如图示。需根据已知条件确定固定铰链A,D位置。

% A6 @+ X7 P" }( w8 S" m5 ~) t. V

 

图2.2  炉门运动位置示意图

 (3)图解法作图:如下图2.3所示,按1:4比例画图。

( P2 ^: [+ k& l

用圆心法求解:由已知在炉门完全关闭时活动铰链的位置 和炉门完全开启时,活动铰链的位置 分别作连线 的中垂线 和连线 的中垂线 ，即得固定铰链A,D所在的几何位置线。

在选取固定铰链A,D的位置时考虑到炉门在刚开启时斜边和余边与炉膛紧密配合，故开始时需门作近似直线平移运动。为此在 和 线上分别选取A点和D点，使AC线和BD线近似平行,同时考虑到在图示位置AC杆为主动杆，且为满足要求炉门需顺时针翻转，故两连架杆AC,DB需向外倾斜；为在布置安装时方便固定铰链A,D中心需对齐并离开炉墙一定距离。因此A,D选定点如图所示,在炉门完全关闭时BC连线与炉墙之间,其中心线距炉墙25cm。

c( |3 s. S4 j) Y

在选取固定铰链A,D的位置时考虑到门在刚开启时斜边和余边与炉膛紧密配合，故开始时需门作近似直线平移运动。为此在 和 线上分别选取A点和D点，使AC线和BD线近似平行,同时考虑到在图示位置AC杆为主动杆，且为满足要求炉门需顺时针翻转，故两连架杆AC,DB需向外倾斜；为在布置安装时方便固定铰链A,D中心需对齐并离开炉墙一定距离。因此A,D选定点如图所示,在炉门完全关闭时BC连线与炉墙之间,其中心线距炉墙25cm。

由图2.3得:

故AC杆实际长度 ，BD杆实际长度 AD杆实际长度 ，已知 =240mm。

5 E! L. ]8 f& Y' \: T; a

因 +  = 176+574=750 mm,  +  = 240+508=748 mm,

# A6 B& y1 I4 v6 v6 q* j

得 + ＜  +                              （2.5）

故四连杆满足杆长条件：即最短杆长度+最长杆长度≤其余两杆长度之和。本设计中最短杆AC为连架杆且为主动件故为曲柄摇杆机构。

- e3 b8 w+ A$ [8 p5 b

           图2.3  图解法作图

（4）炉门在开启时不与炉体发生干涉的验证

1 F, r; k1 Z, v' @) d# r$ ^6 N) {

如附图所示，炉门完全开启和关闭时位置已定，各铰链位置和各杆长度通过作图法已确定。炉门在按顺时针翻转过程中最易与炉体发生干涉的危险点为门顶的E点所在的楞边，故需描绘出E点运动轨迹。图中弧 为活动铰链C点运动轨迹， 为活动铰链B点运动轨迹，在 上依次确定主动曲柄AC上C点的相应位置，按作图法确定相应活动铰链B在 上的相应位置并通过炉门尺寸依次确定E点相应位置，如图所示（ ）,将各点连成一光滑曲线即得E点运动轨迹,由图示可知,E点没有和炉体发生干涉，故此四连杆机构能够满足预定炉门轨迹设计要求。

（5）炉门在启闭过程中需输入最大扭矩位置的确定

1 i; l n5 f" r7 C/ ~8 C+ u# u

如下图2.4所示,比例为1:4,

( s6 n& i( g! p/ p2 A" g

当主动杆AC扭矩最大时为对固定铰链C提供切向力最大位置。在不考虑各杆重量及运动副间摩擦力时，由观察可得在门关闭过程中重力起阻力作用，当门升起到图示位置时AC杆运动到 位置此时AC杆呈水平,重力G相对于固定铰链C的力臂达最大，此时阻力矩达最大。

由图2.4所示尺寸：  = 61×4 ＝244 mm ,

: f) k( H& B: ^7 c2 ? J9 B/ J, N

阻力矩                    (2.6)

考虑各杆的重量及运动副间的摩擦力对机构运动的影响,令其影响系数为K=1.2

则需向主动杆提供最大扭矩：     （2.7） 

(6)各构件的具体设计形状和各部分尺寸见零件图 LM-06连架杆，LM-11 辅助曲柄，LM-13主动曲柄。材料均选45号钢，这种钢材用于要求强度高，韧性中等的零件。

2 q( L7 V `, h

             

图2.4  运动轨迹

, x9 q1 d& u+ i1 l" H

2.3 电动机与减速器的选择

# m0 Z# P: y7 o+ N3 I2 R

2.3.1电动机的选择

- t! G3 Z4 i( U' b- z0 S. F

(1)选择电动机的类型和结构形式:

按工作条件和要求,选用一般用途的Y系列三相异步电动机，为卧式封闭结构。

' f- C! Y; {# u5 Q9 ]4 a- L

（2）选择电动机容量：

炉门在开启和关闭时要求转速平稳，速度较低不超过18r/min以免引起过大的冲击力。

: h+ @% `& X7 j8 f6 `5 M

   按最大驱动力矩和门最快转速计算炉门开启时所需最大功率：

# X. X [2 I: B7 @; J

    

3 w o C+ v' Y' b. t1 H

                          （2.8）

从电动机至主驱动柄之间的传动装置的总效率 ，则电动机所需功率                           （2.9）

选取电动机额定功率Pm使 ，查取参考文献[5],《机械设计手册》第二版，中册，1100页表10-14，Y系列（IP44）封闭式三项异步电动机，取

由于门要求转速较低，故电动机选取同步转速为1000r/min的Y90S-6型电动机,其满载转速为910r/min，速度较低且尺寸较小。

2.3.2减速器的选择

由于小型加热炉体积较小，且门转速较低，故需要结构紧凑，传动比大的减速器。依课题要求本设计选用一级圆柱蜗杆减速器。

$ ]! `1 Z. g/ z2 M+ e y

减速器减速比约为                               （2.10）

6 l$ o4 z4 U1 o) T2 {+ x# r

式中 为电动机满载时的转速 , 为炉门的最高转速 ,

查取参考文献5，《机械设计手册》第二版，中册，880页，圆柱蜗杆减速器(Q/ZB125-73)查表8-438，8-439，选择蜗杆头数为1，传动比为 体积较小的 WD 80型。这种减速器为一级传动的阿基米德圆柱蜗杆减速器，蜗杆转速不超过1500转/分，工作的周围环境温度为-40～40℃，可用于正、反两向运转。其安装方式为蜗杆下置式，由总体布置需要采用Ⅱ型装配形式，其型号为 。

2 L5 l0 v1 I0 b' q0 g/ R

选择上述电动机和减速器可得炉门的最高转速为：

                              （2.11）

此时门关闭时所需最大功率 ：

                         （2.12）

由此可看出所选电动机和减速器满足炉门运动要求。

, k/ B5 J4 w# W! @7 L$ C8 b% @

2.3.3电动机和减速器特性及安装尺寸列表

+ j8 W* @( u. s

（1）电动机

2 N: G& e# ]2 f! c7 h

表2.1  Y 90S-6型电动机特性

$ j" ^! |6 m6 A' ], h( W4 s5 b

( n' d" k. B" ]# U' t0 q% F/ h. e$ N) r1 f- X5 h. ~- ~3 D7 D# f2 o( \6 e$ f1 L7 D* O0 L; z5 y+ i7 `3 k/ y- d. @+ y4 r) I% @; G) V* l5 c. X5 {- b: r. m4 W# i! Z8 D7 [5 }( a4 [1 F* H0 W; v( I( ~& o# b5 ]+ d6 S! W0 B- ~$ ]/ p$ H' o/ x8 C. F, L6 H+ Q7 r' p* V8 R$ B* r- N0 c# U* N4 \" o: i! b3 Q* [0 ~) I0 V! ~. ?: p0 J s+ V& @ {" d5 u3 l7 f

额定功率P/KW	2 W9 x5 z, X8 D. @* Q 同步转速r/min	) B L5 O% x. o) @8 E2 ~ 满载时				" O4 K) `' c0 I+ c" @( H 堵转转矩额定转矩	3 q8 C( W& z$ F1 [ 堵转电流额定电流	7 T. d. k2 O+ F3 f5 O& R* u 最大转矩额定转矩	噪声/dB (A声级)	净重/kg
		% A# Z( M P0 c4 f! q4 n 转速r/min	: o; h& @- r- T 电流/A	9 L% N1 m* L6 Z& O. O# z4 B6 U% @+ z 效率%	功率因数cosφ
0.75	7 y+ P: D' H7 V 1000	910	2.25	72.5	0.70	2.0	6.0	; A9 R" w. A3 A/ a1 s# c 2.0	: L3 \2 y/ y# m3 ? 65	23

: f' e/ a# _3 p, W( w( v

 

0 i3 u9 g. N- o

表2.2  Y 90S-6型电动机安装尺寸及外形尺寸

' C: }2 ~! w8 g1 t0 }9 I2 T& M$ _$ y# |3 i+ y7 u9 F/ C6 H* F/ }/ C$ H9 ?+ m. s! M0 d8 E, k5 M3 L5 B$ {% u' P3 R& r! K' a6 y; i( B: |9 D, j3 l' {2 F9 s$ k3 O# }9 T+ S. B8 @& w; w# h C- s% o9 p5 ^1 l+ V$ n- q9 S# W% C$ g2 C" W1 P" C- k% J) o& d) n3 X& {5 q3 i$ K+ @9 Y0 [7 v* Q" R6 K$ j" @5 h& `) s3 f( e9 d" ? Y: i. r7 k/ d# K% k( }, T+ ?- Y7 q: V* v1 [6 m, r& B3 V' w8 D) `- B k* W, `/ q7 r* t j O) G2 V6 J1 j: e7 \1 Z- V, F; R, l$ D. Y& ]* M" p+ O$ {( _( E9 Y# o$ ^% w T2 J' U" S2 o! Q7 @8 N% q4 r) j) B2 x$ h* W1 b) s! {9 l* }7 p1 G$ b7 ^+ d) [8 M9 t& k m: T4 i. ?7 F c9 c( U& m! k9 j6 c6 C, p; Q5 [' y, M3 D8 L: A! x6 \2 Z9 N4 h- o, B5 _% f9 e6 x( Z2 l8 T& A0 h8 G& X

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（2）减速器

表2.3  WD80-53-II型减速器特性

5 Y1 S" O8 ^, O, {

/ v! m4 y; N$ c5 i4 y4 D- h: T' J( w: z8 Q) t4 Q3 o+ z+ V8 m( y- l `% g( m/ ]; }+ A7 e7 K& F5 g- d7 k: t; M+ K7 h- F9 g# \' Q6 g9 M3 X- |, q: D3 P$ O0 [5 h3 f* [6 T6 f" v/ U" a/ a: k; v% a! s3 \4 ~0 l9 d# g, z1 E& u L1 n1 d, m. z! m/ H1 o3 l& q' m* v1 n# z+ D; ?8 e6 d' e2 z! b* W, A7 T0 n6 U5 R" I7 p Y

* g1 Y7 R- Q6 V" K9 e 蜗杆头数 4 M6 h2 ?3 c, y- Y) \: v Z1	蜗轮齿数 Z2	传动比 i		9 o- p. @' `& `0 X9 V 涡轮齿面许用扭矩  (公斤·米)
1	9 x" Y% Y' z6 s( a) C0 z 53	53	: _: P+ n5 j3 o- [: e 2.5×12	4.90

表2.4  WD80-53-II型减速器外形尺寸及安装尺寸

" i9 V( M; q, A7 \& j

* w" ~* X3 L* \. R1 P2 [& T6 ]' U. v& D M1 [2 x* K0 Z& m- i; M4 p1 ^* p9 T' f4 @% X- H; k; k* n0 T4 ]- y5 q1 n/ g, K1 K% B6 P+ A' _: i; G3 c* e' ~7 R" [ u' K* _7 F7 N% `! |8 [ C% s* ~' E W! A5 }/ q* q) B y+ }3 j8 j2 {6 M+ R- `3 O% R9 A+ `% e7 ], A4 U) D$ D* L9 M6 Z1 }( H3 z% Q( X0 Y6 c e" p# I5 a0 E- V8 X7 g; C$ J% k6 Y p2 f) r1 w+ W" T# V. V; r4 T& J- T% r" }+ T6 S z+ ?7 }) F% o' N- o9 @- [1 U* c/ x0 ?3 p7 y' Q! A) J8 O5 k! ?8 v! \5 g" T" G5 O. H! h2 @+ I* V

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6 W2 U" M% s& N, X. j J

K

8 P4 F3 U0 B1 f: v- P- d L

% d5 m# e' C3 Z# [/ b

3 w. r0 U6 B5 C6 D! d' k7 L# O 80

8 b) u! C7 G. L" V" q" r$ L 90

# i6 y4 U! h6 J3 {5 V- y 105

. a) ~4 k* T& q. `9 j 20

35

190

i) f" {" l3 ^ z 200

) a8 C- T$ K( y3 Z0 w% z3 Q 150

9 p {9 z9 y s) ^ 305

& A5 E$ @' N. H$ K& A 160

60

+ B* G1 ^: }% [: |/ z 190

) {4 A, I% T, C- I, g; l6 c 160

60

# w2 t- }) ^; [: T) @

续表2.4

; P' Z n$ @( W* s

8 j2 {4 }: R3 B" W% I2 X, N ^; m* q' S1 V- U5 h$ b3 k; i) F: J5 q. Y) K) e1 X2 W8 W" y' ?9 q& f! X7 Y1 i# X. h& J6 s% D% n; F; Q. Z# D' ~" F) G2 g, `, g* U" A+ ~2 q3 {# F% L7 x9 K, o3 |* n8 o3 |9 d5 r. F+ I2 R! X- C& a3 u) P0 T ^8 J* x* [+ z+ C) ~& u* R" V( k6 q# P. B/ W, D* v7 I+ V( ? }' d* ]! W/ t- q5 h8 Y) x- C, v3 w$ G5 S, q3 L' ^& s$ F6 G. L2 d! m

N

5 a7 z: Q' Y$ X; D" X i O

2 x: x( j0 Q: Z7 m0 S P

) |# Z( W" a) h2 n

Q

, b$ w+ R# i3 s: ^ K

" N& ~7 O. c$ K S

T

( T2 p: Z7 I/ ]! C U

8 ^+ Q* _: k. W' g1 ~9 Q- Z V

W

( ~* \, z6 O% s( Q. z$ ?+ j6 { d

( f9 m# C3 Q; e1 \

" O$ b" L0 C' k: D0 J/ g: k; C 重量

—

f1 i' w$ s. {0 @ 120

$ H& a Z2 N# R' q 83.5

100

—

Z y/ f0 @5 V5 x —

# B$ u5 b, u" @' \ 40

4 R6 l, ~! O0 @# Q+ R Y* ?" ~ 50

. n, w0 B N: L7 U 20

4 {6 k4 ^' O2 |$ ?* ^* g 6×6

10×8

18

1.06×

, t' p" H% C1 u- [: `( w: h0 k* z 36.5 ~38.5

2.3.4 炉门运动参数

8 _- u* M4 t' Q3 s8 j4 f

门开启关闭时主驱动柄转角约为157°，所以门开启或关闭时最短时约为:

                                 （2.13）

7 X: }- h& K, k1 K! n$ {

表2.5  炉门启闭时运动参数

3 A) [/ b( w6 [( U+ H! J. \% U+ P7 z( u0 \, m, I+ O" z: e H" I2 a% c; l, m4 S; O% E6 r* V. x0 y/ _5 }. Y/ H9 ^. u* e* o7 `! U& j3 ?' F3 o4 M$ ]" x3 \0 y4 z! x* i+ C: o+ B

) C5 m2 I5 F" P* {9 k' p 最大转矩	最大功率 2 ~3 a6 I/ ]+ [/ w# m$ k; ?6 p P(kw)	2 K# l( y* ~9 |9 n$ u6 ` 最高转速 ( V$ b3 O4 [* K9 v8 T r/min	c9 H9 k; R2 R4 U; I, S! p 主动曲柄最 ) l4 k1 s' Z& C2 ~5 f 大转角/度	0 W* i% ?; C$ Y% X$ ` 炉门启闭 - N% @8 W5 E" t 最短时间s
% t2 m7 M7 o3 _% k: K& I 235	7 O5 r2 D& f; h+ B. h9 u7 g 0.43	17.1	: ^4 _ ^' i2 ]) j) I3 H0 x6 \ 157	1.65

2.4连轴器的选择

2.4.1电动机与减速器间连轴器的选择

炉门在开启和关闭过程中轴的转向相反，其间有冲击，因此选用弹性柱销连轴器，这种连轴器传递转矩的能力很大，结构更为简单，安装制造方便，耐久性好，有一定的缓冲和吸振能力，允许被连接两轴有一定的轴向位移以及少量的径向位移和角位移，适用于轴向窜动较大、正反转变化较多和启动频繁的场合。

: l8 K0 |7 z0 ]9 S6 [

此连轴器所连接的电动机轴径 ，减速器输入轴轴径 ，连轴器计算转矩 ， 为工作情况系数，取 ，T为电动机所需输出最大扭矩， ；

9 e9 w* \ n. ^) h9 u

                   （2.14）

( e. X2 i) b1 h) P$ k

查取参考文献[6]，《机械设计手册》，第二版，上册1122页，弹性柱销连轴器，选取HL2型。

2.4.2减速器与传动轴间连轴器的选择

u) }7 a4 W7 g! W/ D

为保证炉门关闭时，能可靠定位，应在此连轴器上设置制动器，在门关闭时将连轴器制动抱死，实现炉门定位。为此选用带制动轮的弹性柱销连轴器。由WD80－53－Ⅱ型减速器输出轴直径 ,而由设计传动轴连接端直径 选为 。

1 x _3 |* e$ B# f d2 G7 [1 L- G- @

联轴器计算轴矩     ，式中 ， ，

                         （2.15）

查取参考文献[6]，《机械设计手册》，第二版，上册1126页，带制动轮的弹性柱销连轴器，选取HLL1型。

+ q8 Q1 Q% O |5 q

2.4.3 联轴器基本参数和主要尺寸列表

表2.6  HL2型弹性柱销联轴器

% s( g) W% e: B1 f

8 T/ U8 F5 z Z& x/ L* Y* N5 h' W x; U7 `' Z/ _) o( p6 ?" M4 w5 |& Z8 X* e$ t) A7 v1 b, {) q6 |. d0 e5 z$ E3 a- `" l$ P( U" B% o9 c# ^7 X2 L5 [2 `/ h- C" Z# Q/ i r. t$ E: m# ]* C0 i( ^- x! B, Q, ?" w& x. I) ^% ~. b$ }% D" I# z9 {9 j0 i, U+ Q N: I5 M$ I8 n }: p* @' X8 t2 z. [% N4 W4 n$ z( W9 y& z* c/ a! Q2 H7 f1 o( v# M0 W/ ^& l( i& T: k, _/ T7 P# I3 x; K% s) u. S W( W- X+ X" J+ g {6 ]7 j( M' n' {0 R) d! a$ q7 j* B/ Y7 {4 f6 L" l) r+ ^/ [9 x9 S$ O2 A Z; b8 d+ J1 e- L8 I8 g+ h4 A; V. \; c/ A ?' t2 `5 X3 N3 U6 j' l) v% _7 V/ ~9 e5 g+ _! P2 b$ R `* ?& b2 [1 O9 c3 l& m: u. {; G/ t; ^8 Y0 W: Q6 u" ~7 i: V9 n' T/ t6 k" k8 ]4 \5 p2 ?7 O9 w! w a! e. s) E) z+ w' N. q) X7 r( f- V L* w: j3 }( r7 i* v$ v0 l, d* l$ j6 E% |8 W

型号	公称 扭矩 $ z. i( o" W \. H* L v; _( x( a Tn 0 G, t9 F& q) i! ]# z (N·m)	许用转速 [n] （r/min）		" l& ?; P' k6 T/ I8 A5 j 轴孔 4 l) T" K$ L- u. J2 H1 ~& x 直径 3 p& ]4 `, F3 u6 N; O. Q9 O mm		& n- k5 o! _+ ?/ a" }. ?) d 轴孔长度			/ E- g4 ?5 j4 x D mm	转动惯量 ; Y' c$ v5 h) g ( )	重量 (kg)
		钢	铁	* l/ P; T- z+ ?8 T7 N% N 钢	铁	Y型	0 Q0 V& _ q( c+ z8 e3 A! S J   Z
						L		L
	* J" U# N) @2 p7 _ 315	( ?7 K5 @& ^' @8 R 5600		20	20	( i( L- M. g1 K1 G; t. A 52	# @) V# P- H' r, G 38	i! d% k4 A. U# H1 I5 U" P5 V 52	120	; t( |" U- Z$ S: w% Q, K% D' Y+ q 0.253	0 I3 K; {. w9 u4 c9 [) ^ 5
				' m1 m. V4 u% ? ]. g+ w 22	) L1 _' Y" e `. H% Q 22
				24	, W7 w1 a, P+ a2 ~ 24
				0 v- ?/ ~; A# [+ b# F x* s) L 25	3 B: S; Z9 e+ \ 25	1 n% N0 e+ N% |( k 62	44	2 r9 ^9 M& V# g( A1 [: K 62
				: w" Q0 ?" R4 e0 h" H 28	3 _* W6 R/ A4 \0 C% Z$ M @& z4 M7 L 28
				30	30	82	60	82
				- k1 |; L" G" e) H9 Q) x1 f 32	$ @8 b) r# _' o' V: j 32
				3 b+ y, k7 `7 t 35	+ w) h$ V1 J1 D9 L# t0 D+ N" O" w. @

' E1 h' y ^9 m) y, g

 

表2.7 HLL1型带滞动轮弹性柱销联轴器

' N% `1 b% z$ a9 ^& q

$ T" \0 h5 s X+ H! c1 f$ L; s# W* |: n* e1 f, t: M4 |9 B; y) I( T( C$ V6 x# t3 r+ C6 ?; y6 ^" Q; u# s7 m- r( \9 z0 c& l) e" K2 | F7 H' @& z) q# x$ ]0 V4 Z" _, m# V" L1 z0 q. C! D. {+ v0 c d6 I5 O* J9 v4 q: C% a% B- |: o) I2 K% i" ~; q, @8 T2 l5 R9 ?9 l0 K$ N1 o1 o1 R7 {& k' A9 X# N) P) c2 J6 f+ o0 Y9 s1 G9 B& u! k2 d$ N; c8 n+ T$ e Q/ f' ]& A* [. t# ?/ K7 y$ R4 l/ s: s/ r! I" b2 ~- L! I$ B% X6 C% `! P" I+ A% K2 Z5 J8 `% B# a: d0 |# E; l: X; a5 t# v: x2 D2 H+ ?- s( W' Y- a% M& N b; \- {/ T. d" s' ^5 c1 C. G$ U* s/ n' A! t2 X. f" ^7 B' ]6 G( I. A+ [# I9 E3 x2 l; X. N L( R3 m/ b, f6 Z' o5 \0 f8 y' Q9 q& R$ U1 p5 w, T4 Q! t4 o4 b3 x' Q, N8 ]6 J4 H1 c% t' S# W; \# `7 X" L( g5 c2 V3 j' n9 n# l5 o# B3 N! R2 x4 r5 s# C- m% h* b* a1 f _; S5 B2 |

$ C2 M6 N, T' C$ s# L! `: c! V% \ 型号	公称 扭矩 ( G( o! C0 Z; W, m' ~; k6 o5 v Tn (N·m)	$ z: c. Q. S. z! s2 Q" T 许用 转速 [n] r/min	轴孔 直径 " H8 u! l+ h' G5 K' ` 8 v7 r- P; C4 h5 P* G; n+ ?$ o% t (mm) 8 B! D: s* [* [1 E8 X. q	轴孔长度				D	+ A: p) |# h0 W% Y7 V" V2 ]0 k6 F" Y3 ^4 g B	; J% H6 f3 [" o8 z: q0 o 转动惯量 $ F' p: k1 `+ F2 i2 L3 ^7 r	& ?* s' q6 C+ Y8 Q6 ? M. V 重量 5 k( B6 I% C+ h5 v5 U- w kg
				4 k+ z4 z# K2 x; v Y型	, d6 @7 x5 w: @ B! f J Z
				0 H& A/ s! M: y& M3 l" U* s L	, S5 |* N( `# K5 Y1 t0 s	L	mm
3 m$ t" v1 w p	315	& i) Q8 p* r+ ?; t1 } 5600	. ^- Z* Z: v* K) o2 u/ e 20	6 M3 q! H; O% B8 r: P 52	38	52	# g1 T0 u5 _( l' F 200	4 F% W4 _ [" f @8 M2 ^3 ^2 s5 _) ~; S 120	& ]0 `2 o/ H: [1 ^ 85	218	11
			22
			24
			25	3 `4 T' \/ F3 [4 c 62	* U. T+ k2 r8 U* ^' l, U, E" N 44	! A% t/ u+ ~5 L# }2 P* \0 z 62
			9 s" ?. Y! H# o% Y$ o+ ? 28
			30	- ~- r0 W/ A0 s7 G( B. l 82	60	82
			, d% S2 R5 ^! e 32
			35

. R' k1 L: r/ Z- A3 r/ z

2.5 制动器的选择

5 E1 T I5 {4 _; v' y

2.5.1制动器类型选择

为使炉门在关闭时能安全牢固定位,需在传动轴与减速器之间的联轴器上设置一制动器,在炉门停止运动后,将联轴器抱死实现炉门定位.制动器选用标准制动器，查取参考文献[6]，《机械设计手册》，第二版，上册，第二分册1244页，表4-439，选用简单的TJ2交流制动器,根据HLL1型联轴器制动轮直径D=200mm及需最大制动扭矩 ，选用 型交流制动器。

) J+ ?1 ?5 u. }" U' @1 u

2.5.2 制动器参数及安装尺寸列表

表2.8  型制动器特性

' y3 L( j( U! F& q( O% i- N1 ?$ I8 m: G% S# ? C! v0 I3 ~! g. f2 M0 s6 T5 h$ x- @' X! h5 O# s: f8 [2 X+ z% M0 q5 A3 g8 g$ ?& b/ r4 _4 i/ e% S6 x1 j+ J$ j( T" f( s9 `- I9 G& G: Y: |8 x/ e F, u% u* c/ K$ j* n c2 z& `( U4 ?8 x4 n5 d! M; n7 w% l+ u8 j5 F' a: ~( R: }* W# `2 [( \6 E# Z4 A/ s6 }$ i$ l" U, |7 K, W4 `' ?/ w$ k/ d# `( d

制动器型号	制动轮直径（毫米）	制动瓦宽度（毫米）	电磁铁型号（不包括在制动器内）	6 k, ?$ P1 b' n$ U 制动力矩 : l4 H- q% e. K) c （公斤·厘米）		电磁铁力矩（公斤·厘米）		重量（公斤）
				JC 25%～40％	* X, o3 N j$ {( @: I( M$ Q JC 100％	& r; r/ R. Z6 z6 j JC S B$ ^/ d7 A7 Q% r. g+ w 25%～40％	JC ) N* k1 D% Q! t, ?. Y+ A% |7 S5 e 100％
- n& K/ F/ b3 x. K3 N TJ2 -200/100	200	8 }2 M! w$ E$ r* T 90	M2D-100	5 l* W3 [2 b$ V6 W h. A; u6 n8 S 400	. n; u6 r$ \- g9 R% O$ } 200	6 w! _* e/ Q; {! [: f" f1 ? 55	& Z, p8 h7 F" b8 [ 30	) w7 r) Z7 G0 A$ A 24.4

7 Q7 M& b# \' {9 j c

 

- g& `1 x' H" s4 b; \! g8 }) G6 e

表2.9  型制动器尺寸

4 P. k m; p7 F2 d0 ~6 l( b+ b5 \. `; G# W! c1 Y3 r0 N, T7 Y3 ^, e) g) o- B, O d) j* n) ^2 u, P& y2 D, A" D/ o3 ]/ l& ^" I1 H: Q7 G/ Q: O: z- |4 r. n" i/ \( F+ \% N) z$ U* H- N7 ~3 Q' j% g6 N/ R! L8 j P& q6 k. W+ c$ z" g) u- m b- y( ^# I- S8 [1 z* M/ Z% l. o) e- E2 w% |3 c8 K) t( s8 G1 H- S, C8 r3 i8 {) ?, E9 P7 j: S, Q/ [( f$ C1 c T* E5 g) [

4 h) z( l, ]! V/ p1 M' t% _ 制动器型号

尺寸（毫米）

L

& h& n4 G4 V( d: Y, Z& D

4 o. }# w& d" y( N" g. t }, @4 x

0 Y ]8 l$ J: R

" B9 ~* W& x) y" l7 ] B

" W5 [1 R; w6 c, G/ C H

; Z8 s, n5 F6 ?. y! ?1 \1 |

C

d

A

# z3 M1 [* \: @2 K+ v

3 y4 ?- {2 d/ H) c# E TJ2- 200/100

# ~+ ~# l& k6 k/ O ^3 Z; @ 5 7 S& u2 U6 B+ v ]8 ?; v5 `4 p 5 7 J$ E0 v q& W; o/ g: K 3

; i) Z- u' J$ S2 t$ c) E 3 6 I. R9 A$ r! S5 V: b 0 3

6 g" a/ s, T) l6 W, d- j& D 5 ! J5 j/ ~3 k" [; C& z 0

4 2 1 O6 P ^9 h& s# g& e 0

, ^& }6 w/ l# s. g" W 1 1 t" C: L8 @4 s6 Q 8

9 0

9 k- ]; {* T) o 1 2 8

1 ' O0 t, x7 T% E l1 z 7 # d# B/ |; y: @1 m- r0 w 0

4 + e# n7 k8 @0 J0 v$ |' b) Z 0 2 d" ~/ u* U9 D3 x- e0 B: X8 \9 Y- d5 ] 7

% r1 B, p* U- N% t7 {1 _ 7

1 7

2 8 7 f. t' S; l& ~8 d1 K1 W7 _ 5

6 3

9 C3 V( U+ w! V 4 0

8 A' J& E$ x" w J+ Y$ k) F( O* d+ x 1 9 D; K& J: o* {8 e 2 ; n8 h, j5 F3 l1 y4 { 9

: U( ], @( g1 ?3 t! c 1 7 " v* w" a7 E3 q: d7 }0 I8 _ 5

4 E4 j" E) i% L

 

2.6传动轴及轴座结构设计

2.6.1轴结构

按公式 估算轴的最小直径，式中 为轴系数，n为轴转速，p为轴传动的功率。由式2－12计算门开启时最大功率为0.43kw，转速为 ,选取轴的材料为45钢，调质处理，取 ＝112

; c! N2 |- f7 [4 N1 [9 i

得           （2.16）

根据安装要求，此传动轴得具体结构尺寸见零件图 LM-03 。

2.6.2轴座结构

3 L! j* T, x# s0 g4 R) t

为了便于安装此传动轴，轴座设计为对开式轴座，轴座材料取为 ，这种材料强度较高，有良好的铸造性和韧性，冲压成型好，焊接性好，广泛用于制造一般机械零件。

在装配时轴座要先焊接到炉墙上再与轴座盖配合加工，要保证传动轴的径向和轴向运动精度。其具体结构设计尺寸见零件图 LM-04、LM-05 。

2.7支撑轴及轴座结构设计

: h2 u7 V) D e1 m7 R7 j: a$ \7 s1 Y

2.7.1支撑轴结构

8 v# p1 h# z( c9 e; ?( O

支撑轴具体结构尺寸见 零件图 LM-09,此轴为固定心轴，其一端用轴支座支撑，另一端支撑辅助曲柄运动，其与轴支座为过渡配合，并靠轴支座上的紧定螺钉紧固，防止轴的径向和轴向移动，与辅助曲柄采用间隙配合并靠轴肩对杆进行定位。轴材料选用耐磨的45钢。

2.7.2轴座结构

" w" E* ~' K, A+ ?

轴座具体结构尺寸见 零件图 LM-10 ,采用整体式轴座，在其顶部钻有一螺钉孔，用以安装紧定螺钉对支撑轴定位。轴座材料为焊接性良好的 钢。加工前先将其焊接到炉墙上再加工孔，以保证相应零件的位置精度。支撑轴从一端穿过进行安装。

7 e# M/ Q) ~7 k* [& R

2.8销轴及杆支座结构设计

2.8.1销轴结构

" ]0 ]& C0 u. i/ W+ B* R/ Y; P

 销轴具体结构尺寸见 零件图 LM-08 ,连架杆采用焊接在炉体上的两个对称杆支座支撑，其间穿以销轴。销轴为整体式光轴，与连架杆为间隙配合，与杆支座为过渡配合，采用开口销和锥销紧定挡圈限制其轴向运动。轴材料选取耐磨的45钢。

9 ~# z2 j$ k" z: F0 U

2.8.2 杆支座结构

" F% D$ f( s9 E, F) ~! B; L8 d

杆支座具体结构尺寸见 零件图 LM-07杆支座 ,采用整体式轴座，材料为焊接性良好的 钢。加工前先将配对的两个杆支座焊接到炉体上再进行加工，以保证相应零件的位置精度。

% D$ B. K# }+ a0 e! R

2.9 支板和肋板结构设计

5 `7 u. S( W1 f% u2 r% \! Y, W( B

2.9.1支板结构

. f9 c5 W, o- c4 y* X( Z; z/ I

支板用以支撑电动机、减速器和制动器，要求其表面平整，各螺栓孔相对位置准确，确保安装好各部件后相应传动轴位置精度。材料选用焊接性较好的 钢，焊接好后在进行加工。支板具体结构尺寸和各螺栓孔相对位置见 零件图 LM-01 支板。

/ N7 o( m5 Z1 _! V* @1 s9 V8 D& P

2.9.2 肋板结构

   肋板用以加强支板的支撑刚度，其形状为三角形，加工好形状后焊接到炉体上并与支板相接，其焊接位置不得与安装在支板上的螺栓相干涉。肋板具体结构尺寸见零件图 LM－02肋板Ⅰ，LM－14肋板Ⅱ。

7 P4 J. M: n# P

2.10各构件总体布局和传动路线

( B) I% R. _3 P( Z9 X# w

   各部件和零件的装配位置详见总装配图 LM-0 ,要求严格按照图示位置尺寸和安装精度装配，确保活动件运动灵活，使炉门启闭灵活。

动力传动路线如下图所示：

8 `+ v+ G: S/ \, B2 U5 q S

) ]2 p+ F" D# _

9 N( r! h s, u4 U: B. B9 q5 p 电动机 # l5 ^+ {. r6 |$ A( n% R' B Y90S-6

8 _; ?( k( O' o8 A+ f" w. ]. E9 p4 q& k( Y: g+ X2 \5 W# q$ Y' j1 k& e

- o# a. s: Y- y; P 带制动轮弹性柱销联轴器HLL1

8 f. I0 p5 D1 S* I9 e$ p& N4 F s1 Z3 Z& F- f7 @( e3 P1 W

2 Y, W2 U2 {2 K6 ?/ Q 圆柱蜗杆减速器WD80-53-Ⅱ

; ^5 d/ M. b" a( X6 [5 m! q+ g1 W$ P' L% ^* s/ S T5 _0 r* Q! V

: n) d$ U" h" y8 V5 O5 w( C' v 传动轴

: d2 D& d4 `! L7 B0 E& v$ l2 K- }( @; G+ S' W/ n1 W5 `6 z/ n+ c# _8 R- T! l

5 S7 s2 H* T; U' z1 E 9 d4 C. i5 `4 P3 H5 m/ k; R 四连杆机构

1 V/ r( h2 A( k$ Z! n& H/ {7 t3 V, {+ V, n* q# @* S/ S6 [& D, P. Y% b1 @

炉门启闭

% M- w5 k6 @! H m& P G% X L0 p) h

. t+ ^$ _1 f+ l" j) v# c 弹性柱销连轴器HL2

                                           

; |5 m5 ]5 h, c I7 g

                                                             

3 p9 a" p5 u& {* S

 

 

2 Y. ]3 `7 q1 _

 

! E6 f+ L$ H& n" H9 D

图2.5  传动方案图

9 R# m* f# x/ F( I; ?

2.11本章小结

" m# |6 {3 Y) R

本章详述了炉门启闭装置各零部件的设计和选择以及炉门运动过程的实现，达到了课题对加热炉炉门的启闭灵活、不与炉体干涉、密封性好的总体要求。

三    主要运动构件强度校核

3.1 主动曲柄强度校核

3.1.1弯曲强度校核

2 u4 ~! B! J, R d

在炉门启闭过程中，主动曲柄受传动轴输入的扭矩和门的重力共同作用，由 2.2.3节知主动曲柄在呈水平位置时扭矩最大为M=235N m,主动曲柄尺寸见零件图 LM-13 ,在不计杆重下其受力简图如下图3.1：

图3.1  主动曲柄轴受力简图

, H) G+ ]/ L; ?* I' c; \

在输入端有向上的支反力Ra用以平衡重力，取C点为坐标原点，选取坐标系如图所示：

# ]% j" P4 ]) I* Y* W

在截面A左侧任一截面内可求出重力G引起的弯矩  

' I( G" h4 {7 X7 b' W

   （0≤x≤176），

其弯矩图如下图3.2示，由图3.2知重力G引起的弯矩在截面A出达到最大：

                     （3.1）

式中L为主动曲柄杆长176mm

% C# r$ G# a' L3 N! Y

在截面A处还受到由动力输入的转矩T=235 ,

3 r. | U# p6 e

两者叠加得截面A处所受最大转矩为：

9 [- l& m7 X; _" G. G+ {3 u

                （3.2）

图3.2  主动曲柄轴弯矩图

在杆的输入端杆截面形状如下图3.3所示：

5 V2 |' t3 o6 L: y5 }

图3.3主动曲柄轴截面形状图

; F" q" v* h3 P3 B! u6 f

 

3 K$ S# _- ~1 Q( s" {

其受力方向与x轴垂直，以x轴为对称轴可得抗弯截面系数：

                         （3.3）

( o. `- I% {+ X, q: u9 \

底边a＝20mm，高边b＝30mm ，则A截面处最大弯曲应力：

7 S. c% q/ f3 K! i4 S, H" S0 z

               （3.4）

* l+ W; \# U7 H" |2 R& M# }

已知材料45钢的许用弯曲应力 ＝255

( X1 a$ K0 a- F$ `9 q1 z

    主动曲柄满足弯曲强度。

$ F% d/ y+ U5 E

3.1.2抗拉抗压强度校核

（1）当炉门完全关闭时，AC杆接近竖直位置，此时承受最大压力。此时门的重力由四个杆件共同支撑，每个杆件所受压力不会超过重力，按所受压力 （G为炉门重力800N）校核主动曲柄。

所受压应力                 （3.5）

& X' D' |6 @/ K8 r" R

S为截面面积，                            

2 S1 l; _/ X6 n( j! r# k; F

材料屈服极限 ，所以

而杆实际受力小于重力，故杆件满足抗压强度。

（2）当门完全打开时，主动曲柄受最大拉力，仍按重力进行校核，

$ [# U8 g9 R+ U3 Q

所受拉应力              （3.6）

. H; t, O8 w& H: P8 g' y

为杆所受拉力                                  

综上所述主动曲柄满足抗拉抗压强度要求。

3.1.3稳定性校核

主动曲柄为两端铰支的实心细长杆件，其横截面如下图3.4所示：

在x轴方向惯性矩I较小，为危险方向,

5 x. m6 U! t" _2 q) Y: }; J$ K4 t% W

               (3.7)

7 y) M: Y3 U- C

 

$ Z7 _3 A" {* t' _

    图3.4  主动曲柄横截面图

" {3 w4 g8 p6 ]

杆被压弯的临界压力由公式： 计算

已知钢材的弹性模量 ,杆长 ,

   (3.8)

$ e. x/ V! F; p# S+ S7 G! S

而杆受压最大不超过重力 ，其远小于临界压力 ，因此杆满足稳定性要求。

8 F8 {/ e. p2 w+ x. k' v0 S. N

3.2 辅助曲柄强度校核

3.2.1抗拉抗压强度校核

辅助曲柄其具体结构尺寸见 零件图 LM-13辅助曲柄 ,在门启闭过程中，辅助曲柄运动轨迹与主动曲柄相同，但辅助曲柄不受弯矩为二力杆，在炉门完全关闭时受压力达最大，当炉门完全打开时受拉力达最大，但均小于重力，故用重力对其进行校核。

5 a0 S' x5 W" H7 _

杆为实心长方形截面杆件，如下图3.5示：

" y- R: u* b8 ~% K! x. g

其截面面积  （a为短边20mm,b为长边30mm）

 

/ I9 C3 r0 |7 l3 v+ x" F+ }* t

图3.5  辅助曲柄横截面图

- R# |7 a$ I4 I

(1)    所受压应力 ：

                          （3.9）

- z/ k8 S4 W, y4 ^

为杆所受压力，重力G=800N                                    

材料屈服极限 ，所以

而杆实际受力小于重力，故杆件满足抗压强度。

(2) 当门完全打开时，主动曲柄受最大拉力，仍按重力进行校核，

; X) @. P/ u0 z3 n

所受拉应力

为杆所受拉力                                                         （3.10）

! ^- F, I# Z! L- z* j& l

% I' _# d& [& P2 }% r

综上所述辅助曲柄满足抗拉抗压强度要求。

3.2.2稳定性校核

辅助曲柄为两端铰支的实心细长杆件，其横截面如下图3.5所示：

8 b* E; t3 d7 ~

在x轴方向惯性矩I较小，为危险方向,

# ~" s1 V- P. Z& k( l1 E

                (3.11)

杆被压弯的临界压力由公式： 计算

已知钢材的弹性模量 ,杆长 ,

   (3.12)

而杆所受压力最大不超过重力 ，其远小于临界压力 ，因此杆满足稳定性要求。

 

3.3 连架杆强度校核

8 b( K* s$ U) c0 N( V

3.3.1抗压强度校核

连架杆其具体结构尺寸见 零件图 LM-06,它与曲柄共同作用完成炉门的启闭，在运动过程中不受弯矩为二力杆，它始终处在炉门的下侧受到炉门的压力，在炉门完全关闭时压力达最大，但由于四个杆共同支撑着门，其最大压力要小于门的重力。因此，用重力校核连架杆的强度。

杆为实心长方形截面杆件，如下图3.6示：

其截面面积  （a为短边20mm,b为长边30mm）

所受压应力       （3.13）

9 Q2 p& r) V' l; x; B

为杆所受压力，重力G=800N                         

7 t. P+ B0 O5 M& l- e; w

材料屈服极限 ，所以

& A* E; g! {) f: C z

而杆实际受力小于重力，故杆件满足抗压强度。

7 {- m: H3 C: ~' ?' z" G* G

综上所述连架杆满足抗压强度要求。

 

! ~; v7 V" p# S1 j/ _' r( f3 ~( ?

图3.6 连架杆横截面图

: C. n) b' o$ `0 T

3.3.2稳定性校核

连架杆为两端铰支的实心细长杆件，其横截面如下图3.6所示：

在x轴方向惯性矩I较小，为危险方向,

, l; d2 [4 X5 l

             (3.14)

: ?1 k! J" J. { U9 H2 _, e. Y

杆被压弯的临界压力由公式： 计算

1 v# d* ^. O7 K; h- x3 Y( H$ F

已知钢材的弹性模量 ,杆长 ,

   (3.15)

 

而杆受压最大不超过重力 ，其远小于临界压力 ，因此杆满足稳定性要求。

3.4传动轴强度校核

传动轴的结构尺寸见 零件图 LM-03,其受力简图如图3.7所示：

' T2 h7 n A } w$ ^- O) P8 w

图3.7  传动轴受力简图

& w" C$ W ^& [

轴传动扭矩按打开炉门时需最大扭矩记，即 ；与主动曲柄相接并支撑它的C处所受最大压力按 计算。

- L! c- V) q. A1 l& s

由力矩平衡得  得

            （3.16）

（式中 ）                    

由受力平衡得            （3.17）

) S1 i6 u, C! G5 I; o" @) y

有图可看出此传动轴与主动曲柄结合处CD段尺寸截面最小，受力最大，故在截面发生突变的D处为危险截面。

D截面处剪切力 ，

$ B6 d3 ]. l7 o, T2 w

弯矩                             (3.18)

最大扭矩

1 W! B! @ t. C

按弯扭合成应力校核轴的强度，对危险截面D进行校核。

M4 n j% U3 P% i

由式 计算，式中折合系数 ，抗弯截面系数 （式中D截面处短边 ，长边 ）

6 Z+ n( N5 U1 q: T- n5 r" k

     （3.19）

轴的材料为45钢，调质处理，查得其疲劳强度

4 B8 ]: |$ X- h' F7 g

由于 ， 所以传动轴满足强度要求。

3.5 支撑轴强度校核

支撑轴的结构尺寸见 零件图LM-09支撑轴,支撑轴为固定心轴不受弯矩，其受力简图如下,图3.8：

3 d6 d7 R6 a/ H8 q+ Y# f

由于整个表面都为运动结合面，故其受力类似均布载荷，所受外力F最大不超过重力G＝800N,由于横截面C处设有轴肩，尺寸发生变化，故为危险截面。用重力G校核截面C处的剪切应力。

 

4 x4 y0 e4 L1 j( ]. L4 V

7 D( E1 h8 @: F" S6 o# X; S

图3.8  支撑轴受力简图

截面C处所受剪切力

; b" ]; T: M q- v, A! @; S

截面C面积                        （3.20）

（式中配合面直径 ）                        

2 ^$ l9 T3 V- [6 {8 E

剪切应力                             （3.21）

) }' H0 [3 C ^8 n ^+ v$ d

支撑轴材料为45钢，其许用剪切应力

  而实际支撑轴所受外力小于炉门重力，因此支撑轴满足强度要求。

/ c" `& J |* _$ A1 N+ L5 M

3.6 销轴强度校核

销轴的结构尺寸见 零件图LM-08,销轴为固定心轴不受扭矩，其受力简图如下，图3.9：

r# K1 g% h' S0 a i9 ^# G$ k

: U) Y/ r; v& W0 H9 ]

3.9 销轴的受力简图

销轴与连架杆构成的转动副配合面较长，其所受外力类似均布载荷，外力F最大不超过炉门重力G=800N。横截面A、B为杆支座支撑位置，其截面左右两侧受一对大小相等方向相反的剪切力，由于外力方向发生突变，所以这两个截面为销轴危险截面。用重力校核危险截面A、B处所受剪切应力。

+ {& {% {7 k. U( l* C

由 ， ，得

% J7 w( o1 D- x8 ~) Q! t3 [1 v

         （3.22）

销轴截面面积

. Z9 i% x7 G$ L0 E( h' i1 R

（式中销轴直径 ）  （3.23）

剪切应力                               （3.24）

销轴材料为45钢，其许用剪切应力

0 J+ Z. `; d4 B2 o/ {

，而销轴实际所受外力小于炉门重力，因此销轴安全。

3.7 本章小节

本章对所设计的杆和轴进行了受力分析，并对其危险截面进行安全性校核，经计算各杆和轴均满足安全性要求。

+ l: n* l2 e- r3 A' ]7 x

四  使用说明

8 g' g- A) w' z, F% v% ~

4.1关键零部件的加工和安装

平面四杆机构各杆长和铰链的位置要精确按设计要求加工装配，各运动件不得互相干涉，如各杆运动时不得与炉门端面相摩擦。

# |* P- F# m9 l: c; e3 M! k

对于和炉体相焊接的零部件，在加工之前先将其焊接到相应位置再按设计要求进行加工，以确保相关件的位置精度。

" f# R8 G) Z' x# T1 A

4.2 润滑

% k2 w2 `0 y7 e0 d

本装置结构简单，构件较少，炉门开启和关闭时间较短，相对运动件连续运转时间不长，故磨损较小。减速器和连轴器要加注足量润滑油，其它相配合运动部件如门轴处，在其运动表面涂一层二硫化钼润滑，定期检查磨损情况。

4.3 使用维修保养

(1)配完毕后，炉门开启关闭应灵活，不得卡住。

5 ]- Z+ H' F' Q3 m3 H5 P2 p

(2)要经常检查减速器润滑油，不合格时要及时换掉。

(3)各相对运动部件表面要保持清洁。

(4)尽量加热炉所处环境的清洁与卫生且应通风、干燥。

/ U& G* O$ S0 _# \7 \7 J2 }

五  设计小结

! z) j( |1 J) C3 f6 c1 Z

本设计通过电动机输入动力，减速器减速带动四连杆机构运动实现加热炉炉门的自动启闭。在设计中炉门采用合理的构造通过斜边和余边实现与炉门的密封，炉门内衬耐火泥材料，可以达到较好的保温效果。用简单的四连杆机构实现炉门向内翻转，使高温的内门面始终背对操作者。连轴器配以制动器可实现炉门的定位制动，防止其意外转动发生事故。选用转速较低的电动机和大传动比结构紧凑的蜗杆减速器，使炉门启闭时运动平稳缓慢，避免引起过大的冲击破坏相关的连接运动件的精度。本装置与相应的开关装置相配可实现远距离操纵，达到自动控制炉门启闭减轻操作者劳动强度的目的。

由于时间仓促，经验不足，设计和选用的一些零部件可能在实际应用中会出现一些问题，需进一步改进和完善。

$ {- I1 X! D G

参考文献

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[1]王知行，刘廷荣主编．《机械原理》．高等教育出版社，1999

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[2]孙桓，陈作模主编．《机械原理》．北京：高等教育出版社，2000

[3]邹慧军，傅祥志，张春林，李杞仪主编．《机械原理》．高等教育出版社，1999

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[4]王旭，王积森主编．《机械设计课程设计》．北京：机械工业出版社，2003

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[5]《机械设计手册》联合编写组编．《机械设计手册》第二版（修订）。北京：化学工业出版社，1989

[6]大中专院校编写组编．《机械制图》．上海：上海交通大学出版社，1985

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[7]华中理工大学等院校编写．《画法几何与机械制图》．北京：高等教育出版社，2004

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[8]濮良贵，纪名刚主编．《机械设计》。北京：高等教育出版，2003

0 \2 h4 Q# o6 ~6 G7 I( x

[9]戚翠芬主编。《加热炉》。冶金工业出版社，2004

[10]刘鸿文主编。《材料力学》。高等教育出版社，2002

[11]寥念钊主编。《互换性与测量技术基础》，第三版。中国计量出版社，1999

[12]黎广生，张振峰编著。《AutoCAD 2002》中文版。清华大学出版社2002

 

csic6801

没有图啊

houliwei119

文件太大，传不上去图纸啊，郁闷

金枫液压

连图纸一起打包上传吧，这样没法看。楼主。

aikesi

没有图，不甚了了

未来之星

哥们，能不能看看图纸啊，让我参考一下，我现在准备设计一自动开启炉门，让其上下翻转，我的方案是设计一自锁机构，上翻时通过自锁机构让其固定，结构应尽量简单、紧凑，有时间我们聊聊，我的QQ:25338834，谢谢！

未来之星

你好，能不能看看你的图纸或者方案图啊，选用的机构原理图看看也行，你上传的都是文字和计算公式，最好让看看原理图

wangyou

我也想看图!

求资料

楼主求图，急需，先谢谢了，可以的话发我QQ779153968{:soso_e135:}

a3154698a

朋友如果有空能把文字和图片打包让我看看吗？表示非常感谢！
a2127775a@163.com邮箱