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机电装备设计(10).ppt

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第四章 机电装备支承件和导轨设计 Bearing Part and Guide Rail Design for Electro-mechanical Equipment,4.1 基本要求及设计步骤 4.2 静力分析 4.3 动态特性 4.4 热变形特性 4.5 结构设计,,本次课内容,4.1基本要求及设计步骤,支承件是机电装备中的重要基本构件之一。 组成:机身、立柱、横梁、底座、工作台、箱体及升降 台等大件。 功用:支承其他零部件,使它们之间保持正确的相互位置和相对运动。支承件还承受各种作用力,不仅承受重力,还承受切削力、摩擦力、夹紧力等。有些支承件的内部空间较大,常被利用作为切削液、润滑液的储存器或液压油的油箱;有时,也可将变速箱、电动机和电气箱等部件放在其中。,1 基本要求 1)应具有足够的抵抗变形的能力; 2)有良好的动特性,有足够大的抵抗受迫振动和自激振动的能力; 3)具有良好的热稳定性; 4)应具有良好的结构工艺性,以减少其内应力; 5)加工及装配工艺性好。,支承件的性能对机电装备的性能影响很大,其重量占总 重量的80%以上。目前主要是根据同类机型上的支承件进行 类比设计。,2 设计步骤,1)受力和变形分析,确定力和力矩; 2)利用类比设计法初定其形状和尺寸; 3)采用有限元法(FEA),利用计算机进行验算或分析; 4)在分析基础上,进行热变形和热应力分析; 5)修改原设计方案,综合对比,从中择优。,4.2 静力分析,保证支承件具有足够的刚度。先进行受力和变形分析→由变形及引起有关零部件之间相对运 动误差→合理地进行支承件的结构设计→使其变形控制在允许的误 差范围之内→保证机电装备的工作精度。,4.2.1 受力和变形分析(以卧式床身为例),产生的弯矩使床身在垂直面内产生弯曲变形,从而使工件产生的加工误差,但对工件直径影响较小。,产生的弯矩使床身在水平面内产生弯曲变形,并使加工出的工件呈鼓形。变形量以近似1:1的比例关系反映在工件的半径误差上。,床身横截面上受到的转矩为,转矩使床身产生扭转变形,造成前后导轨不平行,丧失了车床的原始精度。车床工作时,刀架沿着变了形的导轨移动,使工件产生加工误差。床身受到的扭转变形是的占床身变形量的60~90%。,设计较长床身时,扭转变形会使刀尖与工件间产生相当大的位移,甚至会成为变形的主要方面,因此要注意提高床身的抗扭刚度。在弯曲变形中,水平面的弯曲变形对加工精度影响较大,因此床身一般设计成近似方形,以提高其水平面内的抗弯刚度。,4.2.2 静刚度支承件刚度不足,则在重力、夹紧力、切削力和摩擦力等作用下会出现变形,振动或爬行等现象,影响装备的性能和定位精度、加工精度等。支承件变形包括三部分;自身变形、局部变形和接触变形。 1 提高支承件自身刚度 自身刚度:支承件抵抗自身变形的能力。与支承件的材料、形状、尺寸及肋板的布置等因素有关。 1)合理选择支承件的截面形状无论圆形、方形或矩形,都是空心截面的惯性矩比实心的大;圆形截面的抗扭刚度比方形的大,抗弯刚度比方形的小 ;封闭截面的刚度比不封闭截面的大。,2)合理布置肋板和肋条肋板又称隔板,肋条又称加强肋。 肋板和肋条作用:使作用于支承件局部的载荷通过它们传递给其它部分→使整个支承件承受载荷→提高支承件的自身刚度。肋板是在支承件两壁之间起连接作用的连接板。纵向肋板:提高抗弯刚度; 横向肋板:增加抗扭刚度; 斜向肋板:提高抗弯和抗扭刚度作用。为了有效提高抗弯刚度,纵向肋板应布置在弯曲平面内。,前者抗弯刚度明显大于后者。,空心零件在扭转时出现壁翘曲,引起截面畸变。 增加横向肋板后,畸变几乎消失,端部位移大大减 小。,变形相同时材料消耗的比值,支承件受扭时,截面a1b1c1d1 相对于截面a2b2c2d2产生扭转,使a1与b2,d1与c2 之间的距离发生变化,引起截面畸变。 增加斜向肋板后,使畸变减小,提高了抗弯刚度。,“T”形肋板:提高水平面上的抗弯刚度, b) “∩”形肋板:垂直面和水平面的抗弯刚度都比较高,应用较多。 c)肋板“W”形布置 :提高水平面上的抗弯、抗扭刚度; d)采用封闭截面 :提高了床身的刚度,又能自由排屑 ,铸造较困难,肋条的作用与肋板相同,一般配置在支承件的内壁上,以提高壁板的抗弯刚度,减少局部变形。当壁板面积大于400mm×400mm时,在支承件的内壁上增加肋条可避免出现薄壁振动现象。,3)合理开孔和加盖,开孔是工艺上的需要,为了安装机件或清砂,减轻重量及造型等的需要。窗孔对支承件的刚度的影响取决于它的大小和位置。φ0/φ为开孔前后扭转角之比,实线表示在前壁上开一孔的情况,虚线表示前、后壁各开一孔的情况。,2 提高支承件的连接刚度和局部刚度 连接刚度:支承件在连接处抵抗变形的能力。 局部刚度:支承件抵抗局部变形的能力。 连接刚度影响因素:连接处的材料、几何形状与尺寸, 接触处硬度及表面粗糙度、几何精度和加工方法等因素 有关。当支承件以凸缘连接时,连接刚度取决于螺钉刚 度、凸缘刚度和接触刚度。为了保证支承件具有一定的 接触刚度,接合面上的压力应不小于1.5~2.0MPa,,埋入式,图a)无肋板刚度较低;图b)加了4条肋板刚度较高;图c)店面为封闭式结构,向内加了工艺凹孔,6个螺钉在4个方向,其刚度最高。图4-13显示了在两种不同的连接设计中,受载时E点处在y方向上的变形量。,增加凸缘厚度可提高惯性矩,但螺栓要相应加长,使螺栓的伸长变形量增加,降低了接触刚度,故凸缘厚度不宜太大。,支承件的局部变形主要发生在载荷较集中的局部结构处,它与局部变形处的结构及尺寸等因素有关,4.3 动态特性,4.3.1 动态分析支承件设计除了要满足静刚度的要求外,还应满足动态特性的要求。即支承件的固有频率不能与激振频率重合;应具有较高的动刚度(共振状态下,激振力的幅值与振幅之比)和较大的阻尼→支承件在受到一定幅值的周期性激振力的作用下,其受迫振动的幅值较小。动态分析在已知系统的动力学模型、外部激振力和系统工作状态,分析以下问题。 1 固有特性频率 目的:避免系统在工作时发生共振,对系统作进一步的动态分析。取决于物理模型。 支承件看成为简单振动系统:其固有特性主要指系统的固有频率; 支承件看成为复杂振动系统:其固有特性是指系统的各阶固有频 率、阻尼和模态振型等。,2 动力响应外部激振力作用时→系统将产生动力振动→系统的构件内 部产生动态应力→导致构件出现疲劳损坏。振动响应引起过大的动态位移,影响机电装备的的工作性 能。 3 动力稳定性 目的:确定机电装备发生共振的临界条件,保证机电装备在规 定的工作条件下不出现共振。固有频率和振型合称为模态。 自激振动:由系统本身的动力特性及系统工作过程所决定,不受 外部激振力的影响。颤振和爬行为自激振动。自激振动系统称为不稳定系统。,图a)为第一阶模态的整机摇晃振动,频率范围约在15~30 Hz,常见的为20~25Hz。图b)为第二阶模态的扭摆振动,频率范围约在30~120Hz,常见的是40~70 Hz。图c)为垂直弯曲振动,频率约为80~ 140 Hz。图d)为水平弯曲振动。频率范围为90~150Hz。,4.3.2 改善动态特性的措施,上式可看出,提高结构动刚度的措施:提高系统的静刚度K,增大系统中的阻尼比ξ,改变激振角频率ω和系统的固有角频率ωn 。,对于不同的激振频率段,在提高动刚度时,采取的措施面有所不同。 ● 激振频率在“准静态区”,即0<λ < (0.6~0.7)时,提高结构的静刚度K; ● 在“共振区”,即(0.6~0.7)≤ λ ≤(1.3~1.4)时,增加阻尼ξ; ● 在“惯性区”,即λ >(1.3~1.4)时,可加大结构重量。,改善动态特性措施: 1 提高静态刚度合理地设计支承件的结构和尺寸,合理地布置肋板和肋条。此外,还应注意支承件的整体刚度、局部刚度和接触刚度的匹配等。 2 增加阻尼 在振动频率较高且接近固有频率时,增加阻尼是提高支承件动刚度的有力措施,可大大降低其振幅,减小振动。 常用方法:保留铸件中的型芯,采用具有阻尼性能的焊接结构,在支承件中灌注混凝土,表面喷涂具有高内阻尼的粘滞性材料 ,利用接合面间的摩擦阻尼来减小振动。,3 调整固有频率激振力的频率一般较低,而支承件的固有频率应远离激振力的频率。 方法:增加支承件的刚度或减少质量,都可以提高固有频率;而改变阻尼系数,对固有频率的变化影响不大。 4 采用减振器采用减振器也是提高抗振性的一种有效的方法。其特点是结构轻巧,在某些情况下比单纯提高支承件结构的刚度容易实现。,4.4 热变形特性,4.4.1 热平衡机电装备在单位时间内的发热量等于其散热量,就达到了热平衡。,机床一般要运转2~3h,才能达到热平衡。,支承件的热量主要来自于某几个相应的热源。热源处温度比其他部分的温度高,离热源越远则温度越低,这样就形成了温度场。温度场通常可用等温线来表示。从图中可发现,主轴箱前后轴承处温度较高。,4.4.2 热变形和热应力支承件的热变形分为自由状态热变形和非自由状态热变 形。由于温度变化,机电装备中的每个单元都要产生热变形; 同时,单元又是整体的一部分,它不能进行自由变形,要受到 其他单元的约束,故在单元与单元联接的节点上产生了热应 力。将热应力看作是等效的外力,就可求出等效力作用下支承 件的变形→支承件的热变形。该方法可将热变形计算转化为 静刚度计算问题。 4.4.3 减少热变形的措施 1 控制温升; 2 均衡温度场; 3 采用热对称结构; 4 采用温度补偿装置; 5 在发生热伸长主要部位采用热膨胀系数小的材料;,4.5 结构设计,4.5.1 截面形状选择,a)前后顶三面封闭,容易制造,但刚度低;b)前后底三面密封,床身内的空间可用于存储润滑油和切削液,以及安装驱动机构等,但床身前后壁之间无隔板相连,故刚度低;c)为两面封闭的床身,刚度低,但便于排屑和冷却液的流通,用于对刚度要求不高的机床;d)大型和重型机床的床身,采用三道壁,导轨多达4~5个。,立柱的截面形状由刚度决定。对承受弯矩为主的立柱采用矩形截面,如g和h所示。对于受转矩为主的支承件(如摇臂钻床和立钻的立柱),应采用圆形截面,如e所示,外表面起导轨作用;对于同时承受弯曲和扭转的支承件应采用近似方形的截面,如f所示,一般B/H=0.5~1.5。,4.5.2 壁厚设计为了减轻重量,节约材料,减小驱动力,节能,应 在结构工艺可行的条件下,尽量减小支承件的壁厚。 ○ 铸铁的壁厚应尽可能设计成均匀的形式,避免出现内应力。 ○ 焊接结构通常用钢板和型钢焊接而成。由于钢的弹性 模量约比铸铁大一倍,故用钢板焊接成的支承件的抗弯 刚度约为铸铁支承件的1.45倍。但钢的阻尼是铸铁1/3, 抗振性差。 ○ 在设计焊接件时,还应在结构和焊缝上采取相应的抗 振措施。,4.5.3结构工艺性,4.5.4 焊接结构由于没有铸件的截面形状限制,故可做成封闭形 式,可根据受力情况合理布置肋板和肋条来提高支承件 的抗弯刚度和抗扭刚度。 应尽量使焊接件有简单的形 状,减少焊接和钳工工作量。 采用对称结构等。,4.5.5 常用材料与时效处理,1 铸铁铸造性能好,内摩擦力较大,阻尼系数大,使振动衰减的性能好,材料成本较低。常用HT200、HT150、HT100。 2 钢材可做成封闭结构,刚性较好,质量轻,固有频率高。利用计算机,对焊接件的结构和刚度进行分析,根据受力情况,合理布置肋板和肋条,选择合适厚度的材料,来提高支承件的动静刚度。节材20~50%,抗振性差。,3 预应力钢筋混凝土,数控车床的混泥土底座和铸铁床身的组合:结构阻尼性能好,支承件动刚度很高,安装时不用地基。底座由钢板焊接而成的箱体,内充填混凝土,其中有钢筋支承,床身连在它上面。床身是一个封闭的箱形铸件,里面保留型砂,可提高床身的阻尼。,4 天然花岗岩 优点:性能稳定,精度保持性好,抗震性好,阻尼系 数比钢大15倍,耐腐蚀性比铁高5~6倍,热导率和线 胀系数小,热稳定性好,抗氧化性强,不导电,抗 磁,与金属不粘合,易于加工,通过研磨和抛光可以 得到很高的表面粗糙度。 缺点:抗冲击性能差,脆性大,油和水等液体一渗入 晶界中,使表面局部变形涨大。,5 树脂混凝土采用合成树脂为粘接剂,加入固化剂、稀释剂、增韧剂等将骨料固结而成。称人造花岗岩 特点: ◆ 刚度高,具有良好的阻尼性能,阻尼比是灰铸铁的8~10倍; ◆ 抗振性好;热容量大,热导率只有铸铁的1/40~1/25,热稳定性高,构件的热变形小; ◆ 密度是铸铁的1/3,重量轻,可获得良好的几何形状精度,表面粗糙度也较低; ◆ 对切削液、润滑剂、冷却液有极好的耐腐蚀性; ◆ 与金属的粘结力强,可根据不同的结构要求,预埋金属件,减少机械加工量,降低成本; ◆ 浇注时无大气污染;生产周期短,工艺流程短。缺点:某些力学性能低,但可通过预埋金属或添加加强纤维来提高其力学性能。,浇注树脂混凝土到金属型材焊接框架,用粘接剂将各部分连接起来,时效处理支承件在铸造或焊接后因冷却收缩产生内应力→应力分布不均匀→随着时间推移→内应力将重新分布并逐渐消失→使支承件产生变形→影响装备的工作性能。必须对支承件进行时效处理,以消除由于冷却收缩及加工过程中的切削热在支承件内部产生的残余应力。时效处理方法有自然时效、人工时效和振动时效等 三种。 1)自然时效将铸铁毛坯或粗加工后的半成品在露天环境存放3个月到几年,逐渐消除其内应力,使材料内部性能逐渐趋于稳定,然后再进行加工。,2)人工时效又称焖火,将工件放在200℃以下的退火炉中,以不超过80℃/h的速度加热到500~550℃,经6~8h保温,消除工件的内应力,然后以不超过40℃/h的速度缓慢地冷却,以免产生新的内应力,当冷却到400℃以下后,从炉中取出工件。 3)振动时效一种新型时效方法。将工件放在两个弹性支座上,激振器装在工件的中部。将激振器的激振频率调到等于工件一次弯曲振动的固有频率,使工件发生共振,其弯曲应力加上内应力将有一部分超过材料的屈服点,使材料产生一定的塑性变形,从而消除内应力。主要用于如机床床身、横梁等的时效处理。,
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