曲柄摇杆机构的设计及其在镁钙合金生产中的应用

镁钙合金及其制品具有广泛的应用开发前景：金属冶炼中作脱氧剂、还原剂、变质剂、洁净剂等；在钢铁冶炼中加入镁钙合金及其制品，能改善钢铁性能。纯钙由于化学活性强，使用起来特别困难。目前国外已广泛使用镁钙合金及其制品。随着国民经济的快速发展，市场对镁钙合金及其制品的需求逐年增加，且呈上升趋势。鉴于这种情况，结合目前镁钙合金及其制品生产线现有设备条件，要求选择一套能够满足镁钙合金生产的机械工装，使镁钙合金在熔融状态下能够充分混合，冷却均匀结晶，生产出满足市场需要的产品已迫在眉睫。

1 镁钙合金生产工艺方法

1.1 蒸馏罐不摇摆工艺

生产镁钙合金蒸馏罐不摇摆工艺是采用的振动方式，将蒸馏罐置于地面滚动、用撑杆推动倾倒架使蒸馏罐晃动。此工艺制备的镁钙合金分布极不均匀，合格产品仅40%。

根据化工生产工艺要求，为使熔融状态下金属钙和其他金属充分混合均匀，生产中蒸馏罐要往复摆动且在摆动到极限位置时，熔液要在真空状态下由惯性力的作用，产生翻腾效果。采用蒸馏罐摆动频率每分钟15次，摆动角度范围0至70°的生产工艺方法，生产的镁钙合金分布均匀，合格产品达到98%。

2 机械摇摆工艺方案的选择

根据《机械原理》，为使蒸馏罐往复摆动，可选择两种方案：一种是凸轮传动机构；一种是曲柄摇杆机构。两种方案经济技术分析见表1。

根据以上分析，结合目前生产线实际情况，决定采用曲柄摇杆机构作为钙合金生产设备机械摇摆工艺运行方案。

3 曲柄摇杆机构的设计及计算

3.1 曲柄摇杆机构的设计方法选择

该曲柄摇杆机构属于《机械原理》平面连杆机构，此类机构设计方法有图解法、实验法和解析法。图解法具有简单易行和几何关系清晰的优点，但精确程度稍差。实验法是利用一些简单的工具，按所给的运动要求来试找所需机构的运动尺寸，这种方法简单易行，直观性较强，但精确程度稍差。解析法精确程度较高，但比较抽象，直观性较差，而且求解过程比较复杂。

结合化工生产线的性质及实际情况，采用图解法进行该曲柄摇杆机构设计。

3.2 曲柄摇杆机构的选择

3.2.1 行程速度变化系数K的选择

3.2.2 曲柄极位夹角θ的计算

根据《机械原理》[1]，曲柄极位夹角θ计算如下：

°

（1）

即曲柄极位夹角为36°。

3.2.3 曲柄摇杆的最小传动角的选择

在镁钙合金生产过程中，整个机械系统重量增加，负荷比较大；且倾倒架处于高热辐射环境中。根据《机械原理》[1]，对于高速和重载的机器，实际工作中常取γmin≥400。

本曲柄摇杆机构的传动角γ选择40°。

3.2.4 采用图解法选择曲柄摇杆机构各构件条件

结合生产线现有的倾倒架，选择摇杆与倾倒架的铰接点位置在框架的重心处，实测出铰接点与重心点――摇杆的长度500毫米。依此参数作图解设计见图1。

因AC1= 连杆长度b-曲柄长度a

AC2= 连杆长度b+曲柄长度a

依照比例1：10，实测：

AC2=730mm

经计算：a=240mm

b =490 mm

亦即曲柄长度240mm，连杆长度490mm。

3.2.5 曲柄摇杆机构最小传动角的校核

经校核，最小传动角γmin= 950或 610大于400。

根据《机械原理》，该曲柄摇杆机构的受力情况比较理想。

3.2.6 曲柄摇杆机构中构件――曲柄轮外形尺寸的设计

在本曲柄摇杆机构中，原动件曲柄通过连杆带动从动件蒸馏罐往复摆动。考虑生产现场环境条件以及倾倒架结构情况，将原动件曲柄设计成曲柄轮形式。

根据《机械原理》，采用该方式设计可以利用曲柄轮的惯性解决曲柄摇杆机构的死点问题。 3.2.7 曲柄摇杆机构中易损零件─连杆外形尺寸的设计

分析该曲柄摇杆机构的工作原理，得知连杆在推动摇杆由0°到70°时，连杆所受的抗压载荷逐渐增大。当到达70°极限位置时，连杆所受负载最大。因此根据此时连杆承受的载荷，确定连杆的机械零件尺寸。

根据生产线实际情况，作受力分析图解见图3。

从受力分解图3中可以得出：

N=FCOS50 °

F=GCOS20 °

其中：N―连杆所受抗压负载

G―倾倒架、蒸馏罐、物料质量；

G=4900 N

计算得出：N=2959.7 N

即连杆所受载荷为2959.7 N。

根据《材料力学》[2]，为了保证连杆不致因强度不够而破坏，杆内最大工作应力不得超过材料在压缩时的许用应力，即要求：

（）max≤[δ]

其中：[δ]―材料的许用应力，且等于材料的极限应力与安全系数之比：[δ]=

A―连杆的截面积mm2

根据连杆零件的机械结构的复杂程度以及为非标准加工数量，此曲柄摇杆机构的连杆采用普通碳素钢，材质Q235，

根据《机械设计手册》[3]表2-33：

材料Q235的极限应力δ°=235N/mm2

经计算，得到；A=≈25 （mm2）

亦即曲柄摇杆机构的连杆的横截面积不得小于25 mm2。

4 电动机、减数器的选择

根据生产线工艺要求，蒸馏罐每分钟摆动15次，亦即曲柄必须每分钟旋转15次。生产中，不适合选用转速较大的电机，转速低对产品效果比较理想。

经查《机械设计手册》，电动机选用： Y160M1―8

功率：4 kW；

转速：750 r/min

减速器采用：ZSY180_50_Ⅱ型

传动比：I=50

5 曲柄摇杆机构在钙合金生产线生产中的应用

根据镁钙合金生产工艺特点，对镁钙产品生产线主要设备―倾倒架进行部分机械构件改造后，将设计选择的曲柄摇杆机构安装在倾倒架设备基础上，经过试运行，该设备能够满足镁钙合金生产工艺要求；产出了结晶均匀的合金产品。其产品分析结果见表2。

从表2可以看出，在镁钙合金生产中，不进行摇摆振动，金属钙成分自上而下钙含量逐渐减少，而镁含量逐渐增加。这可能是由于镁的密度比钙的密度大，在形成合金冷却过程中，镁成分下沉，钙成分上浮的缘故。采用摇摆震荡后，蒸馏罐内镁钙合金在摇摆震荡的作用下充分翻腾混匀，使合金冷却过程中镁钙合金偏析得到明显的改善。虽然仍存在钙成分上部含量少下部含量多，但镁钙成分上下分布差距很小，完全满足镁钙合金产品市场的要求。

6 结论

（1）经过镁钙合金生产线生产实践证明：本机械机构设计合理，满足生产需要，增加了镁钙生产线设备种类，填补了生产技术设备的空白。

（2）采用摇摆振动生产的镁钙合金，解决了两种金属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匀，生产出了满足市场要求的、合格的镁钙合金产品。