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[摘 要]通过自主设计铸造用锥桶形倾注式浇包的设计生产，节约生产 成本，为公司创造经济效益。
[关键词]浇包 设计 校核 生产
中图分类号：TN919.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）03-0017-01
设计浇包的意义
浇包是铸造生产中的浇注设备，该设备在生产中分为三类：一为手工浇包；二为半机械化浇包；三为浇注机。我公司一直使用手工浇包，随着生产规模的扩大，铸件材质变化及提高生产率的要求，该浇包越来越不适应生产的要求。主要弊端有以下几点：一容积小，特别是我公司的消失模工艺，生产浇注时，一次需要铁水最少500公斤，而现在的浇包最大容积为300公斤铁水，满足不了生产的需要；二不能球化铸铁，球化铁水包要求高度至少800毫米，而现在的铁水包最高为500毫米；三劳动强度大，安全性差。为克服上述弊端，适应生产需要，节约购置资金，经厂领导决定，由我负责设计半机械化锥桶形倾注式浇包。
一、浇包桶体尺寸的确定
浇包桶体是浇包的基本部分，要根据浇包的额定金属容量（我公司的额定金属容量为750公斤）确定桶体的基本尺寸。其中最主要的为tga（桶体斜度），D1（桶口直径），H1（桶体高度）及d1（桶底直径）。
1、tga的确定
从方便清理搪衬、清理熔渣及清除残余金属方面考虑，桶体有一定斜度是有利的，参考国内外浇包资料，桶体斜度tga=0.05～0.10较为普遍，常用值为0.05，在本设计中取tga=0.05。
2、D1的确定
首先计算750公斤铁水的容积：V铁=m铁/ρ铁=0.75吨/（7.3吨/m3）=0.102米3
式中：V铁为铁水的体积；m铁为铁水的质量；ρ铁为铁水的密度。
根据公式：D1=1.14*，代入V铁数值后得：D1=530毫米，加上两面搪衬厚度共100毫米，最终确定D1=630毫米
3、H1的确定：
查有关资料，通常取H1/D1=0.9，把D1的数据代入，则H1=567毫米，加上底面搪衬厚度200毫米和余隙高度100毫米，最后确定H1=900毫米。
4、d1的计算：
根据tga、D1、H1的数据，根据公式tga=（D1-d1）/2H1，经过计算，d1的尺寸为540毫米。
二、浇包的桶体钢板厚度的确定
浇包的桶体是盛装金属液的容器，要有足够的刚度，使它在工作中变形尽量小，以保持转轴的同心度，使之转动灵活，同时也有利于提高搪衬的寿命，防止搪衬过早碎裂，脱落。
桶体在液体金属静压力以及两轴吊架拉力的作用下易产生变形。通过试验及分析得知，桶体变形主要与吊架的间距、桶壳、转轴板及加强箍的几何尺寸有关。桶壳在水平断面内的变形，在转轴板处有较大的转折。在垂直断面内，几乎是从桶底到上缘成直线变形。
为了增加桶体的强度和刚度，在桶体上设加强带，它是一个整圆的带状箍，宽为300毫米。浇包的桶底部分受力最大。焊接方式采用平底板式焊法。根据公式确定钢板的厚度。过程如下：
δ1≥（d1*）/100式中δ1为钢板厚度，代入数值，δ1≥5.2毫米，选取δ1=6毫米.
为了便于在烘干包体时排出气体，一般在桶底（在桶壁上也可有）钻出排气孔，孔径约10毫米左右，间距100毫米左右。
三、转轴的选择
1、位置的确定：根据安全轻便的原则，把转轴的位置选择在空浇包的重心和盛满铁水的浇包的重心之间，以桶口为基准，空浇包的重心在450毫米处。满包时的重心在350毫米处，则最后把转轴位置定在400毫米处。
2、转轴的外形尺寸的确定：转轴危险截面上的最大弯曲应力为σ=M/W.式中M为弯矩，W为转轴截面模数。根据图1可知，M=Qg/2*L/2=1/4QgL式中Q为浇包桶体自重与液体金属重量的总和，此处Q=1000公斤；g为重力加速度（9.8N/Kg）；L为转轴轴颈长度，此处L=130毫米，又有公式W=（πdH3）/32，式中dH为转轴直径，故弯曲应力σ有下式：σ=M/W=（1/4QgL）/（πdH3/32）=8QgLK/（πdH3）；由σ<[σ]导出dH≥（米）式中：[σ]为许用弯曲应力，在此处，选用材质为45#钢，值为100X106N/m2；k为转轴与转轴板（加强带）过渡处的应力集中系数，查机械设计手册，取k=1.08，代入数值：dH≥32.5毫米，取安全系数Ss=1.5，则dH*Ss=48.8毫米，则最后确定dH=50毫米。
3、校核转轴剪切应力，根据公式：τ=F/A=（Qg/2）/（πdH2/4）=0.64Qg/dH2，代入数值τ=2.5X104，查机械手册[τ]=17X104N/m2，则τ<[τ]，合格。
四、吊环的设计
浇包吊架是在运输及浇注过程中支持包体的支架，吊架的吊环参照2吨吊车的吊钩来设计的，采用直径20mm的45#圆钢锻造而成。
校核吊环的抗拉强度
吊环受力分析得：F1=F2，α=29.520，则：2*F1*SINα=1000，即F1=670.8公斤。
根据公式σ===21MPa
又[σ]===47MPa
式中A为吊环的横截面积，SS为安全系数，取为5，由σ<[σ]知吊环合格。
五、吊架的横梁和吊杆的设计
浇包吊架的横梁和吊杆均采用8号热扎槽钢制造，横梁采用两个槽，背对背的形式，为了保持吊架的刚度及精度，横梁与吊杆的联接螺钉采用紧配合。用两个M16的螺栓固定。
校核吊桿的最大拉应力，F=1000公斤*9.8N/千克=9800N，查材料力学，槽钢理论横截面积A=10.24*10-4m2，则σ=F/A=9800/10.24*10-4=9.57MPa而[σ]=47MPa，考虑吊杆的工作环境恶劣，为防止1500℃以上铁水把它烤弯，所以采用的许用应力安全系数很大，既比σ比[σ]小很多，结论合格。
另外吊架的轴承采用6308单列向心球轴承。
六、倾转机构的设计
倾转机构是控制浇包浇注的传动装置，浇包转动是否灵活、可靠、安全，都与它有密切关系。中小型浇包和容量10t以下的均采用手动机构。
1、手动倾转机构的型式及速比的选择。
第一级传动采用圆锥齿轮传动，第二级传动采用涡轮涡杆传动。
①初算最大倾转力距，因为转轴位置在空包重心与满包重心之间。按操作轻便观点确定转轴位置的情况下，最大倾转力距一般约在φ=20左右产生，经计算确定。Mmax=-1.13kN*m
②确定传动比。
根据浇注工艺要求，确定最大浇注速度为10kg/s，取手轮半径R=0.25m，操作者最大用力200N，假定传动效率η=0.4，按公式i≥Mmax/CηP=56.5，取第一级圆锥齿轮传动i1=2，第二级为i2=28.
③圆锥齿轮基本参数，材质为45#调质钢，HB=260，Z1=15，Z2=30，m=3mm。
④蜗轮蜗杆基本参数，蜗杆为45#钢，表面淬火HRC=45且m=4mm；蜗轮（齿圈）材质为ZQA19-4，m=4mm，Z=45，以上倾转机构的设计过程为原设计的简化。
效果评价与经济效益分析
本浇包投入使用后效果良好，主要优点如下：1.结构安全可靠，有足够的强度和刚度。2.浇包的容积完全满足了工艺要求。在浇包内能直接球化铸铁。3.新生产的浇包完全用吊车进行移动，这就大大减轻了劳动强度。浇注时，只需一人操作涡轮机构，便能实现平稳浇注。4.制造及维修方便。
参考文献
[1] 张世民编《机械原理》、中央广播电视大学出版社、1996.
[2] 吴宗泽编《机械零件》、中央广播电视大学出版社、1996.
[3] 单辉祖编《材料力学》、北京航空学院材料力学教研室、1996.
[关键词]浇包 设计 校核 生产
中图分类号：TN919.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）03-0017-01
设计浇包的意义
浇包是铸造生产中的浇注设备，该设备在生产中分为三类：一为手工浇包；二为半机械化浇包；三为浇注机。我公司一直使用手工浇包，随着生产规模的扩大，铸件材质变化及提高生产率的要求，该浇包越来越不适应生产的要求。主要弊端有以下几点：一容积小，特别是我公司的消失模工艺，生产浇注时，一次需要铁水最少500公斤，而现在的浇包最大容积为300公斤铁水，满足不了生产的需要；二不能球化铸铁，球化铁水包要求高度至少800毫米，而现在的铁水包最高为500毫米；三劳动强度大，安全性差。为克服上述弊端，适应生产需要，节约购置资金，经厂领导决定，由我负责设计半机械化锥桶形倾注式浇包。
一、浇包桶体尺寸的确定
浇包桶体是浇包的基本部分，要根据浇包的额定金属容量（我公司的额定金属容量为750公斤）确定桶体的基本尺寸。其中最主要的为tga（桶体斜度），D1（桶口直径），H1（桶体高度）及d1（桶底直径）。
1、tga的确定
从方便清理搪衬、清理熔渣及清除残余金属方面考虑，桶体有一定斜度是有利的，参考国内外浇包资料，桶体斜度tga=0.05～0.10较为普遍，常用值为0.05，在本设计中取tga=0.05。
2、D1的确定
首先计算750公斤铁水的容积：V铁=m铁/ρ铁=0.75吨/（7.3吨/m3）=0.102米3
式中：V铁为铁水的体积；m铁为铁水的质量；ρ铁为铁水的密度。
根据公式：D1=1.14*，代入V铁数值后得：D1=530毫米，加上两面搪衬厚度共100毫米，最终确定D1=630毫米
3、H1的确定：
查有关资料，通常取H1/D1=0.9，把D1的数据代入，则H1=567毫米，加上底面搪衬厚度200毫米和余隙高度100毫米，最后确定H1=900毫米。
4、d1的计算：
根据tga、D1、H1的数据，根据公式tga=（D1-d1）/2H1，经过计算，d1的尺寸为540毫米。
二、浇包的桶体钢板厚度的确定
浇包的桶体是盛装金属液的容器，要有足够的刚度，使它在工作中变形尽量小，以保持转轴的同心度，使之转动灵活，同时也有利于提高搪衬的寿命，防止搪衬过早碎裂，脱落。
桶体在液体金属静压力以及两轴吊架拉力的作用下易产生变形。通过试验及分析得知，桶体变形主要与吊架的间距、桶壳、转轴板及加强箍的几何尺寸有关。桶壳在水平断面内的变形，在转轴板处有较大的转折。在垂直断面内，几乎是从桶底到上缘成直线变形。
为了增加桶体的强度和刚度，在桶体上设加强带，它是一个整圆的带状箍，宽为300毫米。浇包的桶底部分受力最大。焊接方式采用平底板式焊法。根据公式确定钢板的厚度。过程如下：
δ1≥（d1*）/100式中δ1为钢板厚度，代入数值，δ1≥5.2毫米，选取δ1=6毫米.
为了便于在烘干包体时排出气体，一般在桶底（在桶壁上也可有）钻出排气孔，孔径约10毫米左右，间距100毫米左右。
三、转轴的选择
1、位置的确定：根据安全轻便的原则，把转轴的位置选择在空浇包的重心和盛满铁水的浇包的重心之间，以桶口为基准，空浇包的重心在450毫米处。满包时的重心在350毫米处，则最后把转轴位置定在400毫米处。
2、转轴的外形尺寸的确定：转轴危险截面上的最大弯曲应力为σ=M/W.式中M为弯矩，W为转轴截面模数。根据图1可知，M=Qg/2*L/2=1/4QgL式中Q为浇包桶体自重与液体金属重量的总和，此处Q=1000公斤；g为重力加速度（9.8N/Kg）；L为转轴轴颈长度，此处L=130毫米，又有公式W=（πdH3）/32，式中dH为转轴直径，故弯曲应力σ有下式：σ=M/W=（1/4QgL）/（πdH3/32）=8QgLK/（πdH3）；由σ<[σ]导出dH≥（米）式中：[σ]为许用弯曲应力，在此处，选用材质为45#钢，值为100X106N/m2；k为转轴与转轴板（加强带）过渡处的应力集中系数，查机械设计手册，取k=1.08，代入数值：dH≥32.5毫米，取安全系数Ss=1.5，则dH*Ss=48.8毫米，则最后确定dH=50毫米。
3、校核转轴剪切应力，根据公式：τ=F/A=（Qg/2）/（πdH2/4）=0.64Qg/dH2，代入数值τ=2.5X104，查机械手册[τ]=17X104N/m2，则τ<[τ]，合格。
四、吊环的设计
浇包吊架是在运输及浇注过程中支持包体的支架，吊架的吊环参照2吨吊车的吊钩来设计的，采用直径20mm的45#圆钢锻造而成。
校核吊环的抗拉强度
吊环受力分析得：F1=F2，α=29.520，则：2*F1*SINα=1000，即F1=670.8公斤。
根据公式σ===21MPa
又[σ]===47MPa
式中A为吊环的横截面积，SS为安全系数，取为5，由σ<[σ]知吊环合格。
五、吊架的横梁和吊杆的设计
浇包吊架的横梁和吊杆均采用8号热扎槽钢制造，横梁采用两个槽，背对背的形式，为了保持吊架的刚度及精度，横梁与吊杆的联接螺钉采用紧配合。用两个M16的螺栓固定。
校核吊桿的最大拉应力，F=1000公斤*9.8N/千克=9800N，查材料力学，槽钢理论横截面积A=10.24*10-4m2，则σ=F/A=9800/10.24*10-4=9.57MPa而[σ]=47MPa，考虑吊杆的工作环境恶劣，为防止1500℃以上铁水把它烤弯，所以采用的许用应力安全系数很大，既比σ比[σ]小很多，结论合格。
另外吊架的轴承采用6308单列向心球轴承。
六、倾转机构的设计
倾转机构是控制浇包浇注的传动装置，浇包转动是否灵活、可靠、安全，都与它有密切关系。中小型浇包和容量10t以下的均采用手动机构。
1、手动倾转机构的型式及速比的选择。
第一级传动采用圆锥齿轮传动，第二级传动采用涡轮涡杆传动。
①初算最大倾转力距，因为转轴位置在空包重心与满包重心之间。按操作轻便观点确定转轴位置的情况下，最大倾转力距一般约在φ=20左右产生，经计算确定。Mmax=-1.13kN*m
②确定传动比。
根据浇注工艺要求，确定最大浇注速度为10kg/s，取手轮半径R=0.25m，操作者最大用力200N，假定传动效率η=0.4，按公式i≥Mmax/CηP=56.5，取第一级圆锥齿轮传动i1=2，第二级为i2=28.
③圆锥齿轮基本参数，材质为45#调质钢，HB=260，Z1=15，Z2=30，m=3mm。
④蜗轮蜗杆基本参数，蜗杆为45#钢，表面淬火HRC=45且m=4mm；蜗轮（齿圈）材质为ZQA19-4，m=4mm，Z=45，以上倾转机构的设计过程为原设计的简化。
效果评价与经济效益分析
本浇包投入使用后效果良好，主要优点如下：1.结构安全可靠，有足够的强度和刚度。2.浇包的容积完全满足了工艺要求。在浇包内能直接球化铸铁。3.新生产的浇包完全用吊车进行移动，这就大大减轻了劳动强度。浇注时，只需一人操作涡轮机构，便能实现平稳浇注。4.制造及维修方便。
参考文献
[1] 张世民编《机械原理》、中央广播电视大学出版社、1996.
[2] 吴宗泽编《机械零件》、中央广播电视大学出版社、1996.
[3] 单辉祖编《材料力学》、北京航空学院材料力学教研室、1996.