曲柄搖桿機構的設計及其在鎂鈣合金生產中的應用

摘 要：以鎂鈣合金制備工藝蒸餾罐為研究對象，結合鎂鈣合金生產工藝設備的實際情況，通過對現有工裝設備情況分析，提出滿足產品生產要求的設計思路。在保證經濟技術最佳的前提下，采用曲柄搖桿機構來實現產品生產需求，對蒸餾罐搖擺工裝曲柄搖桿機構的條件選擇和設計計算。設計選擇的曲柄搖桿機構安裝在蒸餾罐傾倒架設備上，經過鎂鈣合金生產線生產實踐的證明：本機械機構設計比較合理，投資少，生產效率提高明顯，滿足生產需要，增加了鎂鈣生產線設備種類，填補了生產技術設備的空白。

關鍵詞：曲柄搖桿機構 鎂鈣合金 設計計算 應用

中圖分類號：TH112 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）04（b）-0032-03

鎂鈣合金及其制品具有廣泛的應用開發前景：金屬冶煉中作脫氧劑、還原劑、變質劑、潔凈劑等；在鋼鐵冶煉中加入鎂鈣合金及其制品，能改善鋼鐵性能。純鈣由于化學活性強，使用起來特別困難。目前國外已廣泛使用鎂鈣合金及其制品。隨著國民經濟的快速發展，市場對鎂鈣合金及其制品的需求逐年增加，且呈上升趨勢。鑒于這種情況，結合目前鎂鈣合金及其制品生產線現有設備條件，要求選擇一套能夠滿足鎂鈣合金生產的機械工裝，使鎂鈣合金在熔融狀態下能夠充分混合，冷卻均勻結晶，生產出滿足市場需要的產品已迫在眉睫。

1 鎂鈣合金生產工藝方法

1.1 蒸餾罐不搖擺工藝

生產鎂鈣合金蒸餾罐不搖擺工藝是采用的振動方式，將蒸餾罐置于地面滾動、用撐桿推動傾倒架使蒸餾罐晃動。此工藝制備的鎂鈣合金分布極不均勻，合格產品僅40%。

1.2 蒸餾罐搖擺工藝

根據化工生產工藝要求，為使熔融狀態下金屬鈣和其他金屬充分混合均勻，生產中蒸餾罐要往復擺動且在擺動到極限位置時，熔液要在真空狀態下由慣性力的作用，產生翻騰效果。采用蒸餾罐擺動頻率每分鐘15次，擺動角度范圍0至70°的生產工藝方法，生產的鎂鈣合金分布均勻，合格產品達到98%。

2 機械搖擺工藝方案的選擇

根據《機械原理》，為使蒸餾罐往復擺動，可選擇兩種方案：一種是凸輪傳動機構；一種是曲柄搖桿機構。兩種方案經濟技術分析見表1。

根據以上分析，結合目前生產線實際情況，決定采用曲柄搖桿機構作為鈣合金生產設備機械搖擺工藝運行方案。

3 曲柄搖桿機構的設計及計算

3.1 曲柄搖桿機構的設計方法選擇

該曲柄搖桿機構屬于《機械原理》平面連桿機構，此類機構設計方法有圖解法、實驗法和解析法。圖解法具有簡單易行和幾何關系清晰的優點，但精確程度稍差。實驗法是利用一些簡單的工具，按所給的運動要求來試找所需機構的運動尺寸，這種方法簡單易行，直觀性較強，但精確程度稍差。解析法精確程度較高，但比較抽象，直觀性較差，而且求解過程比較復雜。

結合化工生產線的性質及實際情況，采用圖解法進行該曲柄搖桿機構設計。

3.2 曲柄搖桿機構的選擇

3.2.1 行程速度變化系數K的選擇

為使鎂鈣合金熔液在往復擺動的蒸餾罐內充分混合，均勻結晶，要求曲柄搖桿機構正行程與反行程的速度不一致，以達到搖桿—蒸餾罐在左右兩個極限位置轉換時，鎂鈣合金熔液在蒸餾罐內利用慣性力的作用，產生翻騰效果。根據《機械原理》，行程速度變化系數K值應大于1；另考慮到該設備在環境溫度比較高的條件下工作，行程速度變化系數K值不宜選擇過大，因此采用行程速度變化系數K值不大于2。取K=1.5。

3.2.2 曲柄極位夾角θ的計算

根據《機械原理》[1]，曲柄極位夾角θ計算如下：

° （1）

即曲柄極位夾角為36°。

3.2.3 曲柄搖桿的最小傳動角的選擇

在鎂鈣合金生產過程中，整個機械系統重量增加，負荷比較大；且傾倒架處于高熱輻射環境中。根據《機械原理》[1]，對于高速和重載的機器，實際工作中常取γmin≥400。

本曲柄搖桿機構的傳動角γ選擇40°。

3.2.4 采用圖解法選擇曲柄搖桿機構各構件條件

結合生產線現有的傾倒架，選擇搖桿與傾倒架的鉸接點位置在框架的重心處，實測出鉸接點與重心點——搖桿的長度500毫米。依此參數作圖解設計見圖1。

連接搖桿兩極限位置鉸接點C1和C2兩點，然后以連線C1 C2為直角邊，以點C1為直角頂點，作∠C1C2P=900-θ=54°，則作出一直角三角形△C2 C1P。因此∠C2 P C1 =36°。以P C2為直徑作一園K，C1 、C2兩點在園K上。根據所選擇極限位置上傳動角γ=40°，則可確定曲柄轉軸的位置A。

因AC1= 連桿長度b-曲柄長度a

AC2= 連桿長度b+曲柄長度a

依照比例1：10，實測：

AC1=250mm

AC2=730mm

經計算：a=240mm

b =490 mm

亦即曲柄長度240mm，連桿長度490mm。

3.2.5 曲柄搖桿機構最小傳動角的校核

根據《機械原理》曲柄搖桿機構最小傳動角γmin或γmin‘發生在曲柄與基架重合的位置，根據圖1最小傳動角的校核見圖2。

經校核，最小傳動角γmin= 950或 610大于400。

根據《機械原理》，該曲柄搖桿機構的受力情況比較理想。

3.2.6 曲柄搖桿機構中構件——曲柄輪外形尺寸的設計

在本曲柄搖桿機構中，原動件曲柄通過連桿帶動從動件蒸餾罐往復擺動。考慮生產現場環境條件以及傾倒架結構情況，將原動件曲柄設計成曲柄輪形式。

根據《機械原理》，采用該方式設計可以利用曲柄輪的慣性解決曲柄搖桿機構的死點問題。

3.2.7 曲柄搖桿機構中易損零件─連桿外形尺寸的設計

分析該曲柄搖桿機構的工作原理，得知連桿在推動搖桿由0°到70°時，連桿所受的抗壓載荷逐漸增大。當到達70°極限位置時，連桿所受負載最大。因此根據此時連桿承受的載荷，確定連桿的機械零件尺寸。

根據生產線實際情況，作受力分析圖解見圖3。

從受力分解圖3中可以得出：

N=FCOS50 °

F=GCOS20 °

其中：N—連桿所受抗壓負載

G—傾倒架、蒸餾罐、物料質量；

G=4900 N

計算得出：N=2959.7 N

即連桿所受載荷為2959.7 N。

根據《材料力學》[2]，為了保證連桿不致因強度不夠而破壞，桿內最大工作應力不得超過材料在壓縮時的許用應力，即要求：

（）max≤[δ]

其中：[δ]—材料的許用應力，且等于材料的極限應力與安全系數之比：[δ]=

A—連桿的截面積mm2

根據連桿零件的機械結構的復雜程度以及為非標準加工數量，此曲柄搖桿機構的連桿采用普通碳素鋼，材質Q235，

根據《材料力學》[2]，對于塑性材料，可取屈服安全系數1.5～2.0。因此該連桿強度安全系數選擇nb=2

根據《機械設計手冊》[3]表2-33：

材料Q235的極限應力δ°=235N/mm2

經計算，得到；A=≈25 （mm2）

亦即曲柄搖桿機構的連桿的橫截面積不得小于25 mm2。

4 電動機、減數器的選擇

根據生產線工藝要求，蒸餾罐每分鐘擺動15次，亦即曲柄必須每分鐘旋轉15次。生產中，不適合選用轉速較大的電機，轉速低對產品效果比較理想。

經查《機械設計手冊》，電動機選用： Y160M1—8

功率：4 kW；

轉速：750 r/min

減速器采用：ZSY180_50_Ⅱ型

傳動比：I=50

5 曲柄搖桿機構在鈣合金生產線生產中的應用

根據鎂鈣合金生產工藝特點，對鎂鈣產品生產線主要設備—傾倒架進行部分機械構件改造后，將設計選擇的曲柄搖桿機構安裝在傾倒架設備基礎上，經過試運行，該設備能夠滿足鎂鈣合金生產工藝要求；產出了結晶均勻的合金產品。其產品分析結果見表2。

從表2可以看出，在鎂鈣合金生產中，不進行搖擺振動，金屬鈣成分自上而下鈣含量逐漸減少，而鎂含量逐漸增加。這可能是由于鎂的密度比鈣的密度大，在形成合金冷卻過程中，鎂成分下沉，鈣成分上浮的緣故。采用搖擺震蕩后，蒸餾罐內鎂鈣合金在搖擺震蕩的作用下充分翻騰混勻，使合金冷卻過程中鎂鈣合金偏析得到明顯的改善。雖然仍存在鈣成分上部含量少下部含量多，但鎂鈣成分上下分布差距很小，完全滿足鎂鈣合金產品市場的要求。

6 結論

（1）經過鎂鈣合金生產線生產實踐證明：本機械機構設計合理，滿足生產需要，增加了鎂鈣生產線設備種類，填補了生產技術設備的空白。

（2）采用搖擺振動生產的鎂鈣合金，解決了兩種金屬合金化中由于密度的不同而引起的成分偏析所造成的合金不均勻，生產出了滿足市場要求的、合格的鎂鈣合金產品。

參考文獻

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