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第一章 引言
1.1 概述
手動(dòng)火焰清理設(shè)備一直是鋼鐵企業(yè)的常用設(shè)備。這項(xiàng)艱苦的工作經(jīng)常是在高溫，高粉塵及噪聲污染的惡劣環(huán)境中進(jìn)行的。為了改善手工作業(yè)環(huán)境以及由于手工作業(yè)帶來的低效率，高成本等問題，如今鋼鐵行業(yè)逐漸重視對(duì)鋼坯清理的機(jī)械作業(yè)的研發(fā)。所謂鋼坯火焰清理就是利用高溫火焰的氣割和熔除作用將鋼坯表面缺陷燒除的工序。該工序能有效提高鋼材的軋制質(zhì)量，為了生產(chǎn)高質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)鋼材提供了必要的保證。鋼坯火焰清理按工作溫度分為熱鋼坯火焰清理和冷鋼坯火焰清理；鋼坯火焰清理按操作方式分為手工作業(yè)和機(jī)械作業(yè)方式。其中實(shí)現(xiàn)機(jī)械作業(yè)的裝置稱火焰清理機(jī)，他是通過專門燒嘴將氧氣和煉焦煤氣進(jìn)行混合，燃燒火焰預(yù)熱連鑄鋼坯，然后利用高壓純氧流與鋼坯表面產(chǎn)生氧化反應(yīng)，對(duì)鋼坯火焰清理機(jī)需要采取機(jī)械作業(yè)方式，冷鋼坯火焰清理機(jī)即可采用手工作業(yè)方式，又可采用機(jī)械作業(yè)方式。冷鋼坯火焰清理即可采用手工作業(yè)方式，又可采用計(jì)息作業(yè)方式，但由于我國目前非常缺乏專門的火焰清理機(jī)的設(shè)計(jì)、制造研發(fā)能力，國內(nèi)鋼坯火焰清理主要采用手工作業(yè)冷鋼坯清理方式。
1.2 鋼坯火焰清理機(jī)的發(fā)展概況
鋼坯火焰清理技術(shù)起源于美國，成熟于韓國，是全球冶金行業(yè)率先進(jìn)行批量化檢驗(yàn)板坯皮下缺陷的先進(jìn)手段，目前正風(fēng)靡于世界冶金業(yè)。而隨著我國鋼鐵工業(yè)對(duì)鋼種質(zhì)量的需求進(jìn)一步提高，鋼坯的火焰表面清理技術(shù)顯得越來越重要，實(shí)踐證明利用火焰清理鋼坯缺陷，能有效地提高鋼材的軋制質(zhì)量。近幾年來國內(nèi)高度重視鋼坯火焰清理技術(shù)在國內(nèi)冶金業(yè)的應(yīng)用，如2006年寶鋼分公司煉鋼廠4號(hào)連鑄機(jī)工程配套改造項(xiàng)目：二煉剛火焰清理機(jī)技改工程熱負(fù)荷試車一次成功，順利投入運(yùn)行。改造后，二煉鋼火焰清理機(jī)清理鑄坯的最大寬度可從1450毫米增至1750毫米，年清理能力也將由60萬噸擴(kuò)大到120萬噸。又如2010年遷鋼公司板坯火焰清理機(jī)熱試成功，設(shè)計(jì)年處理板坯190萬噸，為該公司低成本生產(chǎn)高端高效產(chǎn)品，尤其是高品質(zhì)汽車板、加點(diǎn)板提供了技術(shù)保證，遷鋼成為國內(nèi)繼寶鋼之后第二家投入火焰清理機(jī)的企業(yè)。但該板坯火焰清理機(jī)主體設(shè)備均由日本KBK公司和美國L-TEC公司聯(lián)合設(shè)計(jì)制作?？梢姡瑖怃撆骰鹧媲謇砑夹g(shù)現(xiàn)處于極度保密的狀態(tài)，國內(nèi)需要花費(fèi)巨大的外匯來進(jìn)口國外的鋼坯火焰清理機(jī)的整機(jī)和關(guān)鍵核心部件，而且維修服務(wù)費(fèi)用昂貴。
基于我國目前火焰清理機(jī)研發(fā)十分落后的局面，注定我國民族冶金企業(yè)必須走自主創(chuàng)新、產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的道路，通過對(duì)鋼坯火焰清理機(jī)研發(fā)中的整體方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析、制造與裝配等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行校企聯(lián)合公關(guān)，我國才能夠較快較全面掌握鋼坯火焰清理技術(shù)，為我國冶金企業(yè)長期發(fā)展注入強(qiáng)勁的活力。因此，鋼坯火焰清理機(jī)的設(shè)計(jì)項(xiàng)目具有十分深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義和工程應(yīng)用價(jià)值
1.3 鋼坯火焰清理機(jī)開發(fā)的理由和目的
* 產(chǎn)品質(zhì)量方面的要求
* 日益高漲的作業(yè)費(fèi)用
* 改善人工清理時(shí)嚴(yán)酷的工作環(huán)境
* 排除人工清理產(chǎn)生的不穩(wěn)定性
* 保證高質(zhì)量和高附加值
* 克服在其他表面處理作業(yè)時(shí)被限制的能力
1.4 鋼坯火焰清理機(jī)的具體技術(shù)指標(biāo)：
工作溫度
0°C—50°C
相對(duì)適度
≤90%
工作電源
380V±10%/3相/50HZ
鋼坯臨界尺寸
（長*寬*高）最小=200*1850*2000 最大=300*2280*4000
一次清理深度
0．8mm—4.2mm
清理速度
6m/min—9m/min
清理軌跡要求具有三軸兩聯(lián)動(dòng)數(shù)控插補(bǔ)
具有鋼坯自動(dòng)翻板功能
燒嘴能自動(dòng)點(diǎn)火與熄滅，且高度能手動(dòng)可調(diào)
具有機(jī)械擋屑、自動(dòng)排屑功能
導(dǎo)軌帶自動(dòng)防屑?jí)m的防護(hù)罩
圖表1-1 技術(shù)指標(biāo)
1.5 本文主要研究的內(nèi)容
對(duì)鋼坯火焰清理機(jī)進(jìn)行總體功能分析，確定總體方案以及翻板裝置的仿真模擬。
第二章 整體布局
2.1 鋼坯火焰清理機(jī)工作原理和功能
火焰清理機(jī)往往是安裝在初軋機(jī)和大剪機(jī)之間的生產(chǎn)線上，是對(duì)連鑄板坯、方坯或鋼錠鋼表面缺陷，通過利用氧氣-燃?xì)膺M(jìn)行熱化學(xué)的氧化反應(yīng)，對(duì)其進(jìn)行表面缺陷處理的設(shè)備?；鹧媲謇頇C(jī)除了可以去除材料表面的瑕疵外，還可以通過火焰燒嘴噴出的氣流力量，把因加熱后產(chǎn)生的脫碳層、殘余的氧化層渣滓或其他不純物質(zhì)吹走，提高鋼坯表面的質(zhì)量和成材率。
按設(shè)計(jì)要求，該裝置由鋼坯輸送裝置、氧化皮和裂紋自動(dòng)清理裝置、鋼坯翻板裝置、廢屑自動(dòng)排除裝置等部分所組成。
鋼坯先用吊具吊放于預(yù)制工作區(qū)，然后由輥道輸送到第一清理位，安裝在第一清理位的清理機(jī)啟動(dòng)作業(yè)，完成上表面的清理。上表面清理后輥道動(dòng)力啟動(dòng)，把鋼坯運(yùn)送到翻板機(jī)構(gòu)位，翻板機(jī)構(gòu)啟動(dòng)對(duì)鋼坯的翻板，鋼坯被翻轉(zhuǎn)180°后右邊的輥道動(dòng)力啟動(dòng)，把鋼坯輸送到第二清理位，進(jìn)行下表面的清理，整個(gè)清理工作完成后，由輥?zhàn)舆\(yùn)輸輥道輸送出來，進(jìn)行冷卻、堆碼等。整個(gè)鋼坯清理機(jī)流程示意圖、三維安裝示意圖見下文。
2.2 流程示意如圖：
圖2-1 平面布局示意圖
1一清理位1 2—清理位2 3—送入輥道
4—送出輥道 5—翻板機(jī)構(gòu)和清理區(qū) 6—預(yù)制工作區(qū)
2.3 安裝示意圖：
圖2-2 鋼坯火焰清理機(jī)總安裝示意圖
2.4 火焰清理機(jī)作業(yè)流程圖
鋼坯（由吊具調(diào)至預(yù)制加工區(qū)）
鋼坯火焰清理機(jī)清理區(qū)1
鋼坯火焰清理機(jī)清理區(qū)2
吊具吊走、堆碼
輥道傳送
翻板區(qū)翻板
輥道傳送
圖2-3 火焰清理機(jī)作業(yè)流程示意圖
第三章 各結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析
3.1 鋼坯翻板裝置設(shè)計(jì)
1.1 鋼翻板裝置的結(jié)構(gòu)形式主要有以下幾種：
（1）齒輪傳動(dòng)雙臂翻板機(jī)
如圖：
圖 3-1齒輪傳動(dòng)雙臂翻板機(jī)
結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：兩翻臂分別由大小兩個(gè)齒輪嚙合傳動(dòng)，在翻板時(shí)，為達(dá)到不帶負(fù)荷啟動(dòng)的目的，兩翻臂都要在低于水平位置下方5度時(shí)啟動(dòng)，而翻板時(shí)翻轉(zhuǎn)臂的交接點(diǎn)在A點(diǎn)位置，即送鋼側(cè)的翻臂要走過100度，而接鋼側(cè)要走過90度。鋼板在翻轉(zhuǎn)的過程中，過了中間垂直位置后，鋼板是以送鋼臂的初速度開始并以變加速度進(jìn)行翻板，其翻轉(zhuǎn)的角加速度是隨著鋼板翻轉(zhuǎn)的角度增加而加大的，它一定是以某個(gè)速度翻轉(zhuǎn)到接鋼板的翻臂上，所以會(huì)產(chǎn)生噪聲和沖擊，整個(gè)翻板過程電機(jī)要進(jìn)行正反轉(zhuǎn)。
（2）雙臂曲柄搖桿式翻板機(jī)
如圖：
圖 3-2雙臂曲柄搖桿式翻板機(jī)
特點(diǎn)：該翻板機(jī)由一臺(tái)交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，由互相連接的兩套四桿機(jī)構(gòu)組成。主動(dòng)驅(qū)動(dòng)為一曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，而翻板為雙搖桿機(jī)構(gòu)，兩套機(jī)構(gòu)由中間長軸和一個(gè)成直角的拐作為中間連接。整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)是在減速器的低速軸兩端各裝一個(gè)有一定偏角的曲柄a1、a2，由它們分別帶動(dòng)兩套四桿機(jī)構(gòu)，用連桿b與兩根翻板中間長軸相連。該翻板機(jī)最大的特點(diǎn)就是有一個(gè)鋼板的接送過程。
優(yōu)點(diǎn)：解決沖擊發(fā)出噪聲并對(duì)鋼板表面有可能有一定的損傷，結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低
（3）液壓翻板機(jī)
隨著計(jì)算機(jī)和液壓伺服技術(shù)的不斷發(fā)展，液壓技術(shù)由于有獨(dú)特的優(yōu)良特性而廣泛地運(yùn)用于冶金設(shè)備中，從而產(chǎn)生了一種新型翻板機(jī)——液壓翻板機(jī)。如圖：
圖3-3液壓翻板機(jī)
優(yōu)點(diǎn)：同步長軸上加上角度檢測裝置，對(duì)翻板的角度信號(hào)進(jìn)行處理，再通過伺服系統(tǒng)，對(duì)翻板過程就能實(shí)現(xiàn)速度和位置的精確控制。因此液壓翻板機(jī)具有比機(jī)械翻板機(jī)更加平穩(wěn)的翻板過程，從而實(shí)現(xiàn)無噪聲化生產(chǎn)。
缺點(diǎn)：該結(jié)構(gòu)需要的控制水平要求高，且采用液壓系統(tǒng)，成本高，投資大
1.2 翻板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具體采用方案
通過上述幾種類型翻板機(jī)構(gòu)的分析，可以看出齒輪翻板機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠但是沖擊大、對(duì)噪聲大對(duì)環(huán)境的影響大。而且由于翻板過程中的沖擊會(huì)對(duì)鋼板產(chǎn)生表面損傷，而液壓翻板機(jī)得翻板過程平穩(wěn)，但是控制水平要去高，投資較大，所以本課題設(shè)計(jì)翻板結(jié)構(gòu)部分選用上述雙臂曲軸搖桿式翻板機(jī)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)
具體結(jié)構(gòu)如圖所示：
圖3-4翻板結(jié)構(gòu)三維示意圖
3.2 火焰清理裝置方案論證
鋼坯火焰清理機(jī)就是利用高溫火焰的氣割和熔除作用將鋼坯表面缺陷燒除。
3.2.1 外形結(jié)構(gòu)分析
常見的數(shù)控火焰清理裝置外形結(jié)構(gòu)有懸臂式和龍門式兩種方案
方案1 懸臂式（如圖）
優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，具有很好的敞開性，占用場地少，成本低
缺點(diǎn)：懸臂式結(jié)構(gòu)，當(dāng)伸臂跨距太長時(shí)，由于火焰槍作業(yè)時(shí)有上下左右的行走，安裝在伸臂端，只有一側(cè)支撐，顯得結(jié)構(gòu)很單薄，且平穩(wěn)性不好，不利于長期穩(wěn)定的作業(yè)。懸臂式結(jié)構(gòu)，單邊驅(qū)動(dòng)，只能固定在某一位置，不可挪動(dòng)，隨著使用年限增加，誤差也會(huì)隨著增加，無改造價(jià)值
圖3-5懸臂式
方案2 門式（如圖2）
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，剛性高，減震穩(wěn)定性好，門式結(jié)構(gòu)可以采用雙邊驅(qū)動(dòng)，整個(gè)作業(yè)機(jī)構(gòu)可以再導(dǎo)軌上移動(dòng)，不是固定某一個(gè)位置不能移動(dòng)。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，橫梁可以采用箱子式焊接技術(shù)，不變形，使用年限長，具有改造價(jià)值。
圖3-6龍門式
3.2.2 傳動(dòng)方案選取
機(jī)械傳動(dòng)部件通常有螺旋傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、同步帶傳動(dòng)、高速帶傳動(dòng)、各種非線性傳動(dòng)等，其主要功能是傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。因此可以說，機(jī)械傳動(dòng)部件實(shí)質(zhì)上是一種轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變換器，其目的是使執(zhí)行元件與負(fù)載之間在轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速方面得到最佳匹配。機(jī)械傳動(dòng)部件對(duì)伺服系統(tǒng)的伺服特性有很大影響，特別是其傳動(dòng)類型、傳動(dòng)方式、傳動(dòng)剛度以及傳動(dòng)可靠性對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)性有重大影響。因此，應(yīng)設(shè)計(jì)
和選擇傳動(dòng)間隙小、精度高、體積小、重量輕、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、傳遞轉(zhuǎn)矩大的傳動(dòng)部件。
如圖（3）所示：
圖3-7清理結(jié)構(gòu)三維示意圖
機(jī)械傳動(dòng)部件中的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及其傳動(dòng)功能如下圖表
基本功能
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
運(yùn)動(dòng)的變換
動(dòng)力的變化
形式
行程
方向
速度
大小
形式
絲杠螺母
Δ
Δ
Δ
齒輪
Δ
Δ
Δ
齒輪齒條
Δ
Δ
鏈輪鏈條
Δ
帶、帶輪
Δ
Δ
纜繩、繩輪
Δ
Δ
Δ
Δ
Δ
杠桿機(jī)構(gòu)
Δ
Δ
Δ
連桿機(jī)構(gòu)
Δ
Δ
Δ
凸輪機(jī)構(gòu)
Δ
Δ
Δ
Δ
摩擦輪
Δ
Δ
Δ
軟軸
Δ
間歇機(jī)構(gòu)
Δ
蝸輪輪蝸桿
Δ
Δ
Δ
萬向聯(lián)軸器
Δ
注：Δ表示有此功能 （圖表）
從表中可以看出，齒輪齒條傳動(dòng)既可將直線運(yùn)動(dòng)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)，又可將驅(qū)動(dòng)力或轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩或驅(qū)動(dòng)力；帶傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)及各類齒輪減速器既可進(jìn)行升速或降速，也可進(jìn)行轉(zhuǎn)矩大小的變換。絲杠螺母機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力形式的變化，主要用來將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)變換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
3.2.3 工作臺(tái)沿導(dǎo)軌縱向移動(dòng)的傳動(dòng)方案和沿橫梁橫向運(yùn)動(dòng)方案選定
工作臺(tái)縱向沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)和沿橫梁橫向運(yùn)動(dòng)都是只作直線運(yùn)動(dòng)，而電機(jī)軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力的形式起到變化。
由以上分析，以下為直線傳動(dòng)的常用方案：
方案1 電機(jī)→聯(lián)軸器→變速箱→齒輪→齒條
方案2 伺服電機(jī)→一級(jí)齒輪→絲杠→絲杠螺母
方案3 伺服電機(jī)→聯(lián)軸器→絲杠→絲杠螺母
方案1：電機(jī)與絲杠用聯(lián)軸器直接連接可以使傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小，減小電機(jī)的負(fù)擔(dān)，采用精密齒輪齒條傳動(dòng)滿足長行程的需要。
方案2，3：采用絲杠—絲杠螺母傳動(dòng)，精度高，但是長絲杠制造成本極高，安裝上難度大，6m的滾珠絲杠需要定做，價(jià)格在8萬左右。
3.2.4 火焰槍升降結(jié)構(gòu)分析
因?yàn)樗^的鋼坯火焰清理機(jī)是利用高溫火焰的氣割和熔除作用將鋼坯表面缺陷燒除的一道工序。所以火焰清理機(jī)的清理裝置可以仿火焰切割機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，火焰清理槍安裝在割炬上。
考慮到成本、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、自動(dòng)化等因素，火焰清理裝置的升降結(jié)構(gòu)一般有以下手動(dòng)和自動(dòng)兩種方案：
方案1、采用手動(dòng)升降割炬
圖3-8 手動(dòng)升降割炬
1-托輥 2-橫梁 3-導(dǎo)軌 4-載體 5-橫向調(diào)節(jié)手輪 6-割炬 7-升降手輪
割炬的升降由手動(dòng)實(shí)現(xiàn)，如圖3-8所示。開條裝置固定在橫梁的托架上，托架的數(shù)量視不同軌距而定。梁安裝在同一水平的托架平面上，梁上置有供數(shù)個(gè)載體橫向移動(dòng)的導(dǎo)軌，載體數(shù)量可根據(jù)需求配置。每個(gè)載體上配有一把割炬，并設(shè)有橫向調(diào)節(jié)手輪，該手輪可調(diào)節(jié)載體的位置及載體間的距離，割炬的割嘴與鋼板的距離可通過升降手輪來調(diào)節(jié)。此種割炬升降結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)；但是操作麻煩，一般用于小軌距門式火焰清理機(jī)。
方案2、自動(dòng)升降割炬
1-滑座 2-橫梁 3-橫向調(diào)節(jié)手輪 4-升降裝置 5-割炬 6-升降調(diào)節(jié)手輪
圖3-9 自動(dòng)升降割炬
割炬的升降由自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，如圖3-9所示。橫梁導(dǎo)軌上配有數(shù)個(gè)滑座，其數(shù)量可根據(jù)用戶所需的割炬數(shù)而定。滑座平面上裝有電動(dòng)升降裝置，割炬座固定在升降裝置的座上。每個(gè)滑座的位置可通過橫向調(diào)節(jié)手輪來設(shè)定；割炬座升降調(diào)節(jié)手輪，用于手動(dòng)調(diào)節(jié)割炬的高度，割炬的自動(dòng)化升降由電動(dòng)升降裝置來實(shí)現(xiàn)。此種升降結(jié)構(gòu)自動(dòng)化程度高、操作方便。
2.5 火焰清理裝置總方案
由以上分析，確定本次設(shè)計(jì)清理裝置總體機(jī)械設(shè)計(jì)方案：
機(jī)架整體采用門式結(jié)構(gòu)方案，由于要清理的鋼板長度最長為4m，所以橫梁跨度超過4000mm，采用雙邊驅(qū)動(dòng)。橫梁采用箱型結(jié)構(gòu)固定在兩端縱向立柱上，隨立柱在導(dǎo)軌上做縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。其他裝置具體設(shè)計(jì)如下：
a、 橫向驅(qū)動(dòng)裝置
電機(jī)通過減速器驅(qū)動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，齒輪和齒條配合傳動(dòng)帶動(dòng)滑塊移動(dòng)，使整個(gè)伸臂帶動(dòng)氣割炬和橫向氣割熔除，清理鋼坯表面缺陷。電動(dòng)機(jī)通過變頻控制可調(diào)節(jié)橫向走行速度，即橫向清理速度
b、 縱向驅(qū)動(dòng)裝置
位于機(jī)架頂部的電機(jī)經(jīng)減速器，齒輪鏈條傳動(dòng)帶動(dòng)縱向移動(dòng)滑塊上下移動(dòng)，使安裝在縱向移動(dòng)滑塊上的伸臂上下移動(dòng)。
c、 伸臂及割炬上下移動(dòng)裝置
氣割炬安裝在伸臂頭部，伸臂頭部有驅(qū)動(dòng)部分能夾持氣割炬 ，并通過齒輪齒條傳動(dòng)，使氣割炬前后移動(dòng)伸臂的后部裝有氣割炬左右移動(dòng)用的電機(jī)經(jīng)減速機(jī)和齒輪齒條傳給伸臂頭部的氣割炬上下驅(qū)動(dòng)的裝置，控制清理作業(yè)。
d、 氣割炬和點(diǎn)火槍
氣割炬通過預(yù)熱焦?fàn)t煤氣、預(yù)熱氧氣在割嘴處混合，形成混合氣體火焰，切割用的氧氣通過割嘴中心噴出進(jìn)行氣割。管體及噴嘴均通過冷卻。為了能使氣割炬點(diǎn)火，還裝置了點(diǎn)火槍，點(diǎn)火槍裝在氣割炬的管體上，通入的焦?fàn)t煤氣在混合部吸入空氣，混合氣體從點(diǎn)火槍燒嘴噴出明火，可以點(diǎn)燃?xì)飧罹婊鹧?。示意圖如下：
圖3-10燒嘴
e、其他配件
此鋼坯火焰清理機(jī)采用數(shù)控自動(dòng)控制機(jī)械作業(yè)，清理軌跡要具有三軸兩聯(lián)動(dòng)數(shù)控插補(bǔ)，所以還需要配備數(shù)控控制操作盤、數(shù)控系統(tǒng)、電器操作盤，由于該鋼坯火焰清理機(jī)，是利用氧氣和焦?fàn)t煤氣的混合燃燒產(chǎn)生高溫火焰對(duì)鋼坯表面缺陷進(jìn)行氣割和熔除達(dá)到清理鋼坯表面提高鋼坯質(zhì)量的原理，所以還需要能源控制系統(tǒng)（壓力表、減壓閥、截止閥、電磁閥等），另外，由于有些部件處于高溫環(huán)境中，所以還需要設(shè)計(jì)水冷卻系統(tǒng)、管道等。
3.3 鋼坯的輸送裝置設(shè)計(jì)
輸送機(jī)已有很長的歷史，古埃及人在建造金字塔時(shí)，就已開始利用其“轉(zhuǎn)動(dòng)”的原理，搬運(yùn)石材。今天，輸送機(jī)被廣泛用于各個(gè)行業(yè)。如礦山、港口碼頭、自動(dòng)化生產(chǎn)線等。
一般而言，輸送機(jī)是可以連續(xù)地搬運(yùn)物品的搬運(yùn)機(jī)械。輸送機(jī)可定義為：以上部構(gòu)造作為支撐面，承載、移動(dòng)所要搬運(yùn)的貨物的機(jī)械。美國輸送機(jī)行業(yè)對(duì)輸送機(jī)的定義是：從一定或任意的裝載地到卸貨地，經(jīng)設(shè)定的路線，將散裝、包裝等搬運(yùn)貨物，以水平、傾斜及垂直方式進(jìn)行搬運(yùn)的機(jī)械設(shè)備。
3.3.1. 輸送機(jī)的分類及種類
輸送機(jī)的種類很多，分類方法也各有不同，按構(gòu)造、傳動(dòng)方式區(qū)分有皮帶輸送機(jī)、鏈條輸送機(jī)、輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)、螺旋輸送機(jī)、振動(dòng)輸送機(jī)、流體輸送機(jī)、氣墊式輸送機(jī)、升降電梯輸送機(jī)等。所以輸送機(jī)器的設(shè)計(jì)有多種方案。鋼鐵礦業(yè)部門常用的輸送機(jī)，采用輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)型號(hào)比較多。本次設(shè)計(jì)選用輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)。
輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)也稱滾筒輸送機(jī)。將穿過輥?zhàn)又行木€的軸的兩端。固定在左右兩側(cè)的支架上，數(shù)個(gè)以上被固定的滾子按一間隔排列就構(gòu)成了輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)。
輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)按驅(qū)動(dòng)方式分為：重力（驅(qū)動(dòng)）輥道輸送機(jī)和動(dòng)力（驅(qū)動(dòng)）輥道輸送機(jī)兩大類
a. 重力輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)
重力輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)是利用自重連續(xù)搬運(yùn)物品的機(jī)械。嚴(yán)格講輸送機(jī)在呈傾斜狀態(tài)時(shí)，是利用自重來搬送物品的，而在輸送機(jī)呈水平狀態(tài)時(shí)，就不是靠重力，而是要通過人力或其它外力來移動(dòng)物品了。
重力輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)的優(yōu)點(diǎn)：不需要?jiǎng)恿Α?gòu)造簡單、維修費(fèi)用低、價(jià)廉以及布局易變更等。
缺點(diǎn)：1、由于是在傾斜的輸送機(jī)上利用自重移動(dòng)物品，輸送機(jī)越長，由于加速度的原因而造成移動(dòng)速度越來越快。2、重物品的移動(dòng)速度快，輕物品移動(dòng)速度慢或不移動(dòng)。當(dāng)輕、重物品同時(shí)被搬運(yùn)，而物品的重量相差較大時(shí)，會(huì)因移動(dòng)速度的差異發(fā)生物品碰撞，造成物品損傷或脫離輥道。
b. 動(dòng)力輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)
動(dòng)力輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)是將電機(jī)輸出的動(dòng)力，通過傳動(dòng)裝置傳給輥?zhàn)?，帶?dòng)輥?zhàn)有D(zhuǎn)而搬運(yùn)物品的機(jī)械。
動(dòng)力輥?zhàn)拥脑O(shè)計(jì)常用方案有以下幾種：
方案1：皮帶驅(qū)動(dòng)輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)
由皮帶將電機(jī)的動(dòng)力傳給輥?zhàn)?，帶?dòng)輥?zhàn)有D(zhuǎn)而搬送貨物。根據(jù)使用皮帶的類型可分為：圓型皮帶，平皮帶和V型皮帶。
優(yōu)點(diǎn)：帶式輸送機(jī)運(yùn)行可靠，輸送量大，輸送距離長，維護(hù)簡便
缺點(diǎn)：在特殊環(huán)境中工作的帶式輸送機(jī)，應(yīng)采取耐熱、耐寒、防水、防腐、防爆、阻燃等防護(hù)措施。對(duì)于氣候的適應(yīng)性差，易打滑和老化，必須有張緊裝置使輸送帶達(dá)到必要的張力，以免在驅(qū)動(dòng)滾筒上打滑。皮帶容易跑偏及打滑，且不適合傳動(dòng)大件、高溫的物件。
方案2:鏈條驅(qū)動(dòng)輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)
由鏈條將電機(jī)的動(dòng)力傳給輥?zhàn)樱瑤?dòng)輥?zhàn)踊剞D(zhuǎn)，通過輥?zhàn)拥幕剞D(zhuǎn)搬運(yùn)貨運(yùn)。鏈條驅(qū)動(dòng)輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)動(dòng)作原理不通又分為：連續(xù)鏈型和輥?zhàn)訉?duì)輥?zhàn)有?。連續(xù)鏈型，通過安裝在電機(jī)上的鏈輪帶動(dòng)鏈條轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過焊接在輥?zhàn)佣瞬康逆溳唽㈡湕l的運(yùn)動(dòng)傳達(dá)給輥?zhàn)?，帶?dòng)輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)，搬運(yùn)貨運(yùn)。
圖3-11連續(xù)型鏈條驅(qū)動(dòng)輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)
優(yōu)點(diǎn)：適用于高溫、多塵、油、水及污染的環(huán)境，搬運(yùn)重物及體積大的物品。
缺點(diǎn)：不適合長距離傳送重物，且對(duì)鏈條的張緊要求比較嚴(yán)格，往往需要單獨(dú)設(shè)置鏈輪鏈條的張緊裝置。
圖 3-12 輥?zhàn)訉?duì)輥?zhàn)有?
所有輥?zhàn)觾蓛上噙B形成聯(lián)動(dòng)關(guān)系。例如，安裝于電機(jī)上的鏈輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過鏈條帶動(dòng)輥?zhàn)覣、B的鏈輪同向回轉(zhuǎn)， B輥?zhàn)雍停幂佔(zhàn)右枣湕l在另一側(cè)相連，Ｂ輥?zhàn)舆\(yùn)動(dòng)將帶動(dòng)Ｃ輥?zhàn)舆\(yùn)動(dòng)，以此類推，所有輥?zhàn)訉?shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。這種輸送機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：適用于高溫、多塵、油、水及污染的環(huán)境，搬送較重的物品及需要頻繁停機(jī)或逆轉(zhuǎn)的場合。缺點(diǎn)：鏈輪與鏈條需要一定的張緊，需要設(shè)計(jì)張緊裝置，因?yàn)橐枣湕l作為牽引件，輸送速度不能過大，以防止增大動(dòng)力載荷。鏈條驅(qū)動(dòng)效率較低。長距離驅(qū)動(dòng)，容易產(chǎn)生鏈條的脈動(dòng)。
方案3：齒輪嚙合驅(qū)動(dòng)
電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速器減速通過聯(lián)軸器帶動(dòng)錐齒輪運(yùn)動(dòng)，然后經(jīng)過錐齒輪的嚙合帶動(dòng)滾筒運(yùn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)示意圖如下圖：
圖 3-13 齒輪嚙合驅(qū)動(dòng)輥?zhàn)邮疽鈭D
通過齒輪傳動(dòng)輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)的特點(diǎn)：
優(yōu)點(diǎn)：齒輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)具有傳遞功率范圍大、傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)比準(zhǔn)確、使用壽命長、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。
3.3.2 輸送裝置方案選取
由于本次輸送裝置的設(shè)計(jì)是用來輸送重量在8~24噸左右的鋼坯，需要傳遞的功率范圍大，傳動(dòng)過程中，工作可靠。由于鋼坯是在高溫下進(jìn)行的清理，清理后鋼坯還會(huì)保持著高溫，所以不適合帶式輸送機(jī)輸送。綜上分析，本次設(shè)計(jì)采用方案3，齒輪嚙合驅(qū)動(dòng)式輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)結(jié)構(gòu)。
圖3-14 輥?zhàn)影惭b三維結(jié)構(gòu)示意圖
3.4 鋼屑自動(dòng)排屑機(jī)構(gòu)
排屑機(jī)構(gòu)是將機(jī)床產(chǎn)生的切屑，自動(dòng)輸送到指定位置的裝置。它可以用于單臺(tái)機(jī)床也可以用于多臺(tái)機(jī)床的共同排屑，也可以是各種不同方式組合的排屑。
3.4.1、 排屑機(jī)的分類：
目前國內(nèi)對(duì)排屑機(jī)設(shè)計(jì)，常用的思路有：磁式、履帶鏈?zhǔn)健⒐伟迨?、螺旋式、大流量水沖涮和振動(dòng)式幾種。
磁式，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，排屑量較小，成本較高。履帶式，用于各類材質(zhì)各種狀態(tài)的切屑。尤其適用團(tuán)狀、卷狀得細(xì)長屑，排屑量較大，但是傳動(dòng)部分與鐵屑不分離，易發(fā)生故障。螺旋式，結(jié)構(gòu)簡單排屑量大，但是一般不能單獨(dú)使用，一般多用于偏離排屑中心線短距離輸送。大流量水沖刷，排屑量較大，維修方便，故障率低，使用壽命長，但是，其占地面積大，使用費(fèi)用較高，造價(jià)較高。振動(dòng)式，使用于各種材質(zhì)，各種切屑，但是噪聲較大，對(duì)環(huán)境影響大。刮板式，適用于各種材質(zhì)的斷屑，成本低。
3.4.2、 排屑機(jī)方案分析
本課題的鋼屑自動(dòng)排屑機(jī)構(gòu)采用刮板式思路。常見的排屑機(jī)安裝有以下兩種型式
方案1：挖槽型
圖3-15 挖槽型刮板清理結(jié)構(gòu)
a、 排屑機(jī)理
在車間地面沿機(jī)床排列方向挖一長溝，根據(jù)機(jī)床位置設(shè)若干投進(jìn)屑口；安裝刮屑刀片（刮板）的橫支架一端安裝液壓油缸，作為動(dòng)力往復(fù)推拉排屑器。排屑器每往返，鋼屑就向前推進(jìn)一段距離，經(jīng)數(shù)十次推動(dòng)后，鋼屑即進(jìn)入車間外面的集屑箱中，然后裝車運(yùn)走。
b、 排屑器特點(diǎn)：
該排屑器由槽鋼、橫支架、刀片、油缸構(gòu)成，置于排屑槽體的上部。
圖3-16 刮板結(jié)構(gòu)
刮板和橫支架連接采用銷軸連接。當(dāng)排屑器連接的液壓缸往右方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，刮板由于受到防護(hù)罩底盤上的切屑的阻力而繞銷軸做順時(shí)針方向翻轉(zhuǎn)，此時(shí)支架上的a面與刮板上的b面逐漸遠(yuǎn)離開來，刮板的b面不受支架的作用力，刮板可以自由地繞銷軸3做順時(shí)針旋轉(zhuǎn)而使下端抬起，從而將切屑留在原地，這樣也實(shí)現(xiàn)了，使切屑只能向機(jī)床前端運(yùn)動(dòng)。
此種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，但由于采用了液壓缸驅(qū)動(dòng)，成本較高。而且清理下來的鐵屑具有高溫，易導(dǎo)致液壓缸爆炸等安全問題。
方案2：機(jī)架型
圖 3-17 機(jī)架式
該設(shè)備特點(diǎn)：
1、先通過漏斗狀的容器把廢屑收集起來然后通過由動(dòng)力帶動(dòng)的運(yùn)動(dòng)的刮板把收集到的廢屑排放到指定地點(diǎn)，此過程完全由設(shè)備自動(dòng)完成，無需任何人力。
2、投產(chǎn)大大提高了排屑的能力和生產(chǎn)的自動(dòng)化程度，更重要的是能夠提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和管理水平。
3、采用電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速器聯(lián)軸器。
結(jié)論與展望
本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)火焰清理機(jī)是用氧氣和符合要求的可燃?xì)怏w火焰廢噴射鋼坯表面去除氧化皮的設(shè)備。經(jīng)過幾個(gè)月的集體努力，獲得了一些成果和結(jié)論。我們求得了曲柄連桿翻版機(jī)構(gòu)中各個(gè)桿件載荷和直徑的大小、曲柄翻轉(zhuǎn)過程角度的變化。輥道傳送得出了齒輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)具有傳遞功率范圍大、傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)比準(zhǔn)確、使用壽命長、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。清理機(jī)中得出刮板可以自由地繞銷軸做順時(shí)針旋轉(zhuǎn)而使下端抬起，從而將切屑留在原地，使得切屑只可以向排屑機(jī)前面排出。整體時(shí)間和空間上，各部分裝配到一起去的時(shí)候應(yīng)該注意相互之間怎樣配合。
隨著我國制造業(yè)的發(fā)展，鋼坯的作用越來越大。需要加工鋼坯兩面的地方越來越多。鋼坯火焰清理機(jī)的出現(xiàn)使得工作效率提高幾個(gè)等級(jí)，出現(xiàn)的人身安全事故也成倍的減少。為了滿足生產(chǎn)需求我們小組做此設(shè)計(jì)來解決清理氧化皮問題，這是為了生產(chǎn)力的提高，為了解決實(shí)際問題才結(jié)的此題目。鋼坯火焰清理的需求再將來的鋼坯運(yùn)用中有很大的好處。在不久的將來，此設(shè)計(jì)所說的方案定會(huì)在實(shí)習(xí)生產(chǎn)中大量的運(yùn)用。
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致謝
此畢業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)束之際，大學(xué)生活也隨著它走向完結(jié)。在幾個(gè)月的設(shè)計(jì)時(shí)間里，我學(xué)到的東西是原本相同時(shí)間里面學(xué)到的幾倍。它讓我懂得怎樣查找和運(yùn)用資料、怎樣去解決一個(gè)問題、怎樣團(tuán)隊(duì)分工合作、怎樣去探討那些未知的事物以及其它學(xué)到的很多方面。有其各種細(xì)微處更加應(yīng)該注意，往往都是細(xì)節(jié)出現(xiàn)錯(cuò)誤影響總體上的運(yùn)作。通過用Solidworks畫三維圖后，對(duì)軟件的運(yùn)用更加熟練。
以前感覺學(xué)的許多科目沒有實(shí)際意義，到現(xiàn)在覺得以前的專業(yè)知識(shí)不夠扎實(shí)，給自己的設(shè)計(jì)過程帶來了很大的麻煩。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)培養(yǎng)了自己的綜合能力、自學(xué)能力，從而適應(yīng)未來社會(huì)的需要與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展需要。培養(yǎng)了自己綜合的、靈活的運(yùn)用的發(fā)揮所學(xué)的知識(shí)。
特別感謝我們的導(dǎo)師胡自化老師對(duì)我們的悉心指導(dǎo)，在百忙之中抽出時(shí)間來幫我們解決問題。胡老師給我們提供的資料使得我們的畢業(yè)設(shè)計(jì)更加完善。我覺得通過此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，讓我懂得怎樣去設(shè)計(jì)一個(gè)產(chǎn)品，怎樣去分析每一個(gè)設(shè)計(jì)部分的可行性，培養(yǎng)了我的一種設(shè)計(jì)思維，給我以后的工作和學(xué)習(xí)中提供了一個(gè)模板。
附錄一：英文文獻(xiàn)原文
附錄二：英文文獻(xiàn)翻譯
疊層陶瓷噴嘴的沖蝕磨損（譯文）
鄧建新，劉麗麗，趙進(jìn)龍，孫軍龍
山東大學(xué)機(jī)械工程系，中國山東省濟(jì)南 250061，
接稿 2006 年 3 月 31 日；收搞 2006 年 6 月 30 日
摘要
SiC/（W,Ti)C疊層結(jié)構(gòu)的陶瓷噴嘴通過熱壓成形，熱壓是為了減少噴嘴進(jìn)出口區(qū)域的拉應(yīng)力。在合成物的燒結(jié)過程中由于SiC和(W,Ti)C固溶體的熱量膨脹系數(shù)和收縮率不同將導(dǎo)致殘余應(yīng)力產(chǎn)生，通過有限元方法可以分析該殘余應(yīng)力。疊層陶瓷噴嘴的沖蝕磨損是由沙粒的沖擊產(chǎn)生，這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和一個(gè)在相同條件下不受壓應(yīng)力的參考噴嘴實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較而得。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)論已經(jīng)表明疊層陶瓷噴嘴比相類似的自由應(yīng)力噴嘴有更高的抵抗沖蝕磨損性能。
1.引言
噴沙處理是一個(gè)研磨的加工程序并且廣泛地作為表面的加強(qiáng)[1],表面的修正[2]表面的清理和除銹,等等。它適用于硬且脆的材料, 易延展的金屬，合金和非金屬的材處理。在沙噴的過程中，從噴嘴里出來的高速噴射的精細(xì)研磨微粒和載流氣體撞擊目標(biāo)對(duì)象的表面來沖蝕該表面。精細(xì)微粒通常由高于幾倍大氣壓的氣流來加速。粒子直接對(duì)表面進(jìn)行處理。當(dāng)粒子沖擊表面時(shí), 粒子引起一個(gè)小的破碎，氣流會(huì)將研磨粒子和已破碎的粒子帶離去。噴嘴是噴沙設(shè)備中最緊要關(guān)頭的部份。有許多因素影響力噴嘴的磨損如：流量率和沖擊角度，沖蝕研磨劑性能，噴嘴的材料和它的幾何形狀，溫度。有高耐磨性的陶瓷有很大的潛力做為沙噴的噴嘴材料。
一些研究已經(jīng)顯示陶瓷噴嘴的進(jìn)口區(qū)域展現(xiàn)了一個(gè)感應(yīng)去除程序的脆性破碎而中央的區(qū)域顯示出材料切除模態(tài)的耕犁類型。在沙噴中當(dāng)沖蝕的微粒以高的角度 ( 將近 90 °) 沖撞噴嘴進(jìn)口區(qū)段 (見到圖1) ，噴嘴進(jìn)口區(qū)域遭受形嚴(yán)重的研磨沖擊, 這可能引起大的張應(yīng)力。最高的張應(yīng)力位于噴嘴的進(jìn)口區(qū)域。因此，噴嘴進(jìn)口區(qū)域的沖蝕磨損相對(duì)于中心區(qū)域的磨損來說，總是嚴(yán)重的。
圖1 沙噴過程中沖蝕粒子與噴嘴間的作用示意圖
由不同材料的交替層構(gòu)成的疊層混合結(jié)構(gòu)能適當(dāng)?shù)乇辉O(shè)計(jì), 促使對(duì)一個(gè)表面產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力，從而提高了表面的機(jī)械性能和耐磨性。殘余應(yīng)力增大主要是在于熱膨脹系數(shù) (CTE) ，燒結(jié)率，相階段和相鄰層的彈性模量之間的搭配, 并且殘余應(yīng)力區(qū)域決定于分層的結(jié)構(gòu)幾何形狀和層之間的厚度比率。 Toschi 等人報(bào)告疊層混合結(jié)構(gòu)能改善氧化鋁的滑動(dòng)耐磨性。Portu 等人表明表面區(qū)域受壓縮殘余應(yīng)力的疊層結(jié)構(gòu)組成而得的混合物材料能具備更好的磨擦性能。鄧教授等人證實(shí)傾斜的陶瓷噴嘴能展現(xiàn)出比一般位置的陶瓷噴嘴更高的耐磨性。
目前的研究中, SiC/(W,Ti)C 疊層結(jié)構(gòu)的陶瓷噴嘴為了要在噴嘴的進(jìn)出口區(qū)域減少張應(yīng)力 , 靠熱壓的方式生產(chǎn)。在燒結(jié)過程式中疊層噴嘴的殘余應(yīng)力由有限元方法計(jì)算而得。疊層陶瓷噴嘴沖蝕磨損對(duì)照于相同的條件下一個(gè)不受應(yīng)力的叁考噴嘴而被考查。
2．材料和實(shí)驗(yàn)步驟
2.1. 準(zhǔn)備疊層陶瓷噴嘴材料SiC /(W,Ti)C
開始的材料是(W,Ti)C固溶體粉末，平均顆粒大約為0.8μm，純度為 99.9% 。SiC粉末的平均顆粒大約為1μm，純度為 99.8%。六種不同含量的 (W,Ti) C(55,57,59,61,63,65 vol.%)被選擇去設(shè)計(jì)六層結(jié)構(gòu)SiC /(W,Ti)C疊層噴嘴材料。疊層陶瓷噴嘴材料的成分分配在圖 2 被顯示。它指出疊層噴嘴材料的成分分配在噴嘴軸的方向中改變。如SiC的熱導(dǎo)率比 (W,Ti) C 的更高, 當(dāng)它的熱膨脹系數(shù)比 (W,Ti) C 的更低時(shí)候, SiC的最高含量的層被提出在進(jìn)入層和出口層中兩地方 ( 見圖 2.1 a) 。相似的無應(yīng)力的噴嘴沒有成分變化在圖中 2(b) 被顯示。疊層陶瓷噴嘴在進(jìn)入和出口兩區(qū)域叫做 GN-3, 無壓應(yīng)力噴嘴叫做 CN-2 。
圖2.1a為陶瓷噴嘴在進(jìn)口和出口區(qū)域（ GN-3 ）輾壓的照抄原文/ （ W ， Ti ） C 成
分分配示意圖； b 為相似的無應(yīng)力噴嘴（ CN-2 ）
SiC/(W,Ti) C 以六種不同混合比合成的粉末被分別地在酒精中和接合的碳化物球體研磨 80 個(gè)小時(shí)而成濕球來作準(zhǔn)備。在弄干之后，和不同的混合比的混合物粉末依次被疊壓進(jìn)入模子之內(nèi)。這時(shí)樣品在流動(dòng)的氮?dú)庵幸?30 MPa 壓力 ,1900 ℃溫度熱壓 40 分鐘。
2.2.噴沙測試
如圖2.2.1所示，空氣噴射研磨機(jī)床 ( GS-6 類型) 的示意圖，它由一個(gè)空氣壓縮機(jī)，一只噴射槍，一個(gè)控制閥，粒子供應(yīng)管，一個(gè)過濾器，一個(gè)干燥器，一個(gè)調(diào)壓閥，灰塵捕捉器，一個(gè)研磨漏斗 , 和一個(gè)噴嘴。氣流流程率被被壓縮的空氣控制，而且研磨粒子的速度經(jīng)過噴嘴被調(diào)整為 60 米/ 秒。
圖2.2.1 空氣噴射研磨機(jī)床的示意圖（（ 1 ）空氣壓縮機(jī)，（ 2 ）控制閥，（ 3 ）過
濾器，（ 4 ）干燥器，（ 5 ）調(diào)壓閥，（ 6 ）吸塵器，（ 7 ）噴槍）（ 8 ）研磨漏斗，（ 9 ）陶瓷噴嘴）。
被用于這一項(xiàng)研究的沖蝕研磨劑是 50–150μm谷粒大小碳化硅粉末。作為干沙噴射的SiC粉末的SEM顯微圖在圖4中所示。
圖2.2.2 沙噴中被用的SiC研磨劑的SEM顯微圖
內(nèi)直徑 8 毫米和長度 30 毫米的噴嘴由SiC /(W,Ti) C 的疊壓結(jié)構(gòu) (GN-3) 制造而成，無壓應(yīng)力結(jié)構(gòu) (CN-2) 被熱壓制造而成，如圖2.2.3所示。
圖2.2.3 GN-3 疊層陶瓷噴嘴的照片
磨損的噴嘴損失量被一個(gè)精確的電子稱測量。 ( 最小量 0.1 毫克) 。 所有的測試情況在表一中被列出。噴嘴的沖蝕率 (W) 被定義為噴嘴損失量除以噴嘴密度 d和沖蝕研磨粒子的乘積: W的單位為 。
有限元方法 (FEM) 被做為一種數(shù)字地分析在制造過程中疊層陶瓷噴嘴的殘余應(yīng)力和它的分布狀態(tài)的方法。為微小損害的觀察和沖蝕機(jī)制的檢測, 磨損的噴嘴被軸向地分為區(qū)段。噴嘴的被侵蝕的孔表面由掃描電子顯微鏡檢查。
3．結(jié)果和討論
3.1 疊層噴嘴材料的顯微結(jié)構(gòu)特征和性能
硬度測量在 GN-3 疊層噴嘴材料的橫截面面的每層上放著維氏壓痕處操縱。壓痕負(fù)荷是 200 N ，這時(shí)每層的三個(gè)壓痕的最小量被測試。每層的維氏硬度 (GPa)靠（P是壓痕負(fù)荷（N），2是壓痕對(duì)線的長度）計(jì)算所得。每層 GN-3 疊層噴嘴材料的硬度被列出在表二中。
GN-3 疊層陶瓷的噴嘴材料磨光的每層SEM顯微圖如圖3.1所示。黑色的區(qū)域被 EDX 分析鑒別為SiC, 和鮮明的對(duì)比白色的區(qū)域是(W,Ti)C。可以被看到，SiC粒子非常勻均地在顯微結(jié)構(gòu)中普遍分布, 多孔性事實(shí)上是不存在的。
圖3.1 GN-3 疊層陶瓷的噴嘴材料磨光的每層SEM顯微圖（a）第一層（進(jìn)口區(qū)域），（b）第二層，（c）第三層，（d）第四層，（e）第五層，（f）第六層
3.2 疊層噴嘴的殘余應(yīng)力
制造過程中的疊層陶瓷噴嘴的殘余應(yīng)力被假設(shè)箱子從燒結(jié)溫度1900℃冷卻到室溫 20℃經(jīng)由有限元方法計(jì)算。（W，Ti）C和SiC的熱機(jī)械性能依下列各項(xiàng)所得:
由于對(duì)稱，軸對(duì)稱的計(jì)算被推薦。假定它是穩(wěn)定狀態(tài)邊界條件，在GN-3疊層噴嘴中從燒結(jié)溫度冷卻到窒溫過程中軸向的，徑向的。很明顯，一個(gè)額外的壓縮殘余應(yīng)力在GN-3疊層噴嘴進(jìn)口與出口區(qū)域處被形成。
圖3.2 GN-3疊層噴嘴在制造過程中的(a)軸向的()，(b)徑向的()，(c)圓周向的()殘余應(yīng)力沿噴嘴軸向不同位置的分布
3.3 疊層噴嘴的沖蝕磨損
GN-3 疊層陶瓷噴嘴的沖蝕磨損靠在沙噴時(shí)和 CN-2 無應(yīng)力陶瓷噴嘴對(duì)比來被評(píng)定。圖3.2顯示GN-3和CN-2噴嘴在沙噴過程中累積的損失量。很明顯累積的損失量隨著操作時(shí)間不斷地增加。在相同實(shí)驗(yàn)條件下，與 GN-3 疊層噴嘴比較,CN-2 無壓應(yīng)力噴嘴有更高的累積損失量。
圖3.3 a GN-3 噴嘴和 CN-2 無壓應(yīng)力噴嘴在沙噴過程中累積的損失量
磨損的陶瓷噴嘴在操作之后在縱向的方向被切斷，出現(xiàn)分析失敗。圖3.3 a所示為操作 540分鐘后的GN-3 和 CN-2 噴嘴的內(nèi)部孔的輪廓相片。它被表明沿著噴嘴縱向的方向磨損的 CN-2 噴嘴的內(nèi)部孔的直徑是比磨損的 GN-3 疊層噴嘴更大, 尤其在噴嘴進(jìn)口區(qū)域。
圖3.3 b 操作540分鐘后的GN-3和CN-2噴嘴的內(nèi)部孔的輪廓相片
GN-3 和 CN-2噴嘴進(jìn)口孔直徑隨著沖蝕時(shí)間而變化的結(jié)果如圖3.3 b所示。它被指出CN-2無壓應(yīng)力噴嘴進(jìn)口孔的直徑隨操作運(yùn)行時(shí)間而擴(kuò)大得很快。然而GN-3 疊層噴嘴進(jìn)口孔直徑慢慢地隨操作運(yùn)行時(shí)間增大。圖3.3 d表示沙噴過程中GN-3 和 CN-2 噴嘴的沖蝕率對(duì)比。顯而可見，無壓應(yīng)力噴嘴的沖蝕率比疊層噴嘴的沖蝕率更高。因此，很顯然在相同測試條件下 GN-3 疊層噴嘴比起GN-2 無壓應(yīng)力噴嘴展現(xiàn)了較高的沖蝕耐磨性。
圖3.3 c GN-3 和 CN-2噴嘴進(jìn)口孔直徑隨著沖蝕時(shí)間而變化
圖3.3 d 沙噴過程中GN-3 和 CN-2 噴嘴的沖蝕率對(duì)比
圖3.3 e 表明受磨損的 CN-2 無壓應(yīng)力噴嘴的進(jìn)口孔的表面 SEM 顯微像。從這些 SEM 顯微像, 噴嘴的不同形態(tài)學(xué)和破碎模態(tài)能被清楚地看見。CN-2 無壓應(yīng)力噴嘴在進(jìn)口區(qū)域處以非常脆的方式中失敗, 而且展現(xiàn)了一個(gè)促使去除處理的脆性破碎。位于噴嘴孔表面上有許多明顯的凹坑，該表面表示脆性破碎發(fā)生的表面。呈現(xiàn)在GN-3 疊層陶瓷噴嘴被侵蝕的進(jìn)口孔表面的典型SEM圖 如圖3.3 f所示。顯而可見，疊層噴嘴受侵蝕的區(qū)域的出現(xiàn)表示與無壓應(yīng)力噴嘴受侵蝕的區(qū)域相比，它有一個(gè)相對(duì)平滑的表面。
圖3.3 e受磨損的CN-2無壓應(yīng)力噴嘴的進(jìn)口孔的表面 SEM 顯微像
圖3.3 f 受磨損的GN-3疊層陶瓷噴嘴的進(jìn)口孔表面的SEM圖
因沖蝕磨損而失敗的陶瓷噴嘴通常由在噴嘴進(jìn)口區(qū)域受大的張應(yīng)力的破碎所引起的 [11-15]。因?yàn)閲娮爝M(jìn)口區(qū)域遭受嚴(yán)重的研磨沖擊, 而且產(chǎn)生大的張應(yīng)力,這可能引起表面下的側(cè)部裂縫而且促進(jìn)了材料碎片的去除.因此，噴嘴在進(jìn)口區(qū)域處的沖蝕磨損依賴于壓應(yīng)力的分布。一旦最大的張應(yīng)力超過噴嘴材料的極限強(qiáng)度，將會(huì)發(fā)生破碎。
在進(jìn)口區(qū)域和出口區(qū)域根據(jù)壓縮殘余應(yīng)力的形成而分析， GN-3 疊層噴嘴比 CN-2 無壓應(yīng)力噴嘴具有較高的沖蝕耐磨性。當(dāng)計(jì)算以上數(shù)據(jù)之時(shí),在從燒結(jié)溫度到室溫的制造過程中，GN-3 疊層噴嘴的進(jìn)口區(qū)域和出口區(qū)域處將形成受壓的殘余應(yīng)力，它可能會(huì)部份地與產(chǎn)生外部負(fù)載的噴嘴的進(jìn)出區(qū)段處的的張應(yīng)力相抵消。這影響可能導(dǎo)致增加對(duì)破碎的抵制, 因此增加了疊層噴嘴的沖蝕耐磨性。
4．結(jié)論
SiC/(W,Ti)C疊層陶瓷噴嘴通過熱壓而制造。目的是在沙噴過程間減少噴嘴在進(jìn)口和出口的區(qū)域的張應(yīng)力。特別注意的是疊層陶瓷噴嘴的沖蝕磨損。結(jié)果表示了相對(duì)于類似的無壓應(yīng)力陶瓷噴嘴，疊層陶瓷噴嘴有上好的沖蝕耐磨性?？煽康臋C(jī)制被解釋作為在制造過程中疊層陶瓷噴嘴進(jìn)口和出口兩區(qū)域壓縮殘余應(yīng)力的形成，它可能會(huì)部份地與產(chǎn)生外部負(fù)載的張應(yīng)力相抵消。疊層結(jié)構(gòu)在陶瓷噴嘴中是一種有效的改善無壓應(yīng)力陶瓷噴嘴的沖蝕耐磨性的方法。
鳴謝
該研究受到了“中國 (50475133) 的國家自然科學(xué)基金”“高等教育 (20030422105) 的博士計(jì)劃專門研究基金”，“山東省 (Y2004F08) 自然科學(xué)基金”和“大學(xué)（NCET-04-0622）新世紀(jì)杰出人才計(jì)劃”的大力支持。
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