对称式三辊卷板机的设计设计说明书.doc

摘要本设计是关于对称式三辊卷板机的设计，主要对卷板机的上下辊的结构进行设计和受力分析，对主传动系统及上辊压下传动系统进行设计计算。本文针对水平对称式三辊卷板机进行几何参数、力学参数和工艺参数的分析，建立卷板工艺计算数学模型；编写一次进给卷板工艺流程；根据工艺要求，确定卷板机总体设计方案；对规格为12×2200卷板机进行结构和工艺参数的确定和校核。本课题研究的水平对称式卷板机特点如下：采用水平下调式，即下辊可作水平移动，可实现不用调头便可预弯端头，使进料、对中、预弯、卷圆、矫圆整个卷板过程连续完成，利于提高生产效率，降低工人劳动强度；设置板料对中装置和支承辊装置，利于提高卷板精度和卷板质量；采用全液压驱动，使设备结构简化，便于卷板过程中的速度和压力控制，起停、换向灵活，运行平稳，操作方便；结构简单，便于操作和维护维修，符合现场技术工人的操作和维修水平，高效实用。关键词：卷板机；工作辊；受力分析；传动系统ABSTRACTThis design is designed on the symmetric three rollers coiling machine, mainly designed and mechanically analyzed on the top and bottom Bending Machine roll structure, and designed calculations on the main drive system and roll pressure on the transmission system. Based on the principle of metal plate mold capability bend distortion,theathletics and motivity of plate coiling has been analyzed.The geometry parameter,mechanics parameter and technics parameter was optimized on level adjust belowthree rollers Rolling Machine.The mathematical model of plate coiling was built andproduction process was established.Using the hydraulic pressure driving protocol.The analyses of the basic loop and hydraulic pressure system have been performed.According to the demand of the produce,the whole project of Rolling Machine wasdesigned.The structure and technics parameter of 12×2200 Rolling Machine wascomputed and confirme. The characteristic of level adjust below three rollers Rolling Machine in thisinvestigation is as follows.Using the type of level adjust,the end can be bendedwithout turn around and the whole process of plate coiling including entering、center adjusting、pre-bending、coiling、cylinder proofread can be completedcontinuously;due to whole hydraulic pressure driving protocol,the structure wassimplified,and speed and pressure was easily controlled in the process of platecoiling;The setup of the center adjusting and the equip of supporting,the preciseand quality of plate coiling was improved;owing to the simplified structure,theoperation and maintenance is easy to carried out.KeyWord: Bending Machine；the work rolls；mechanical analysis；the transmission system目录摘要IABSTRACTII第一章 绪论11.1卷板机的介绍11.2卷板机在我国的发展11.3主要研究内容21.4塑性弯曲21.5塑性弯曲时的应力应变状态41.5.1应变状态51.5.2应力状态51.5.3宽板塑性弯曲时三个主应力的分布性质51.5.4塑性弯曲中现象的复杂性81.6卷板工艺和卷板质量分析91.6.1卷板工艺91.6.2卷板质量121.6.3卷板设备131.6.4卷板机安全操作规程.15第二章 方案设计172.1总方案的确定172.2 三辊卷板机的设计方案的确定17第三章 三辊卷板机设计分析183.1主要参数183.1.1卷管所需最大力矩确定183.1.2主参数确定223.1.3 受力情况分析233.2下辊传动系统的设计243.2.1 下辊驱动力矩243.2.2下辊驱动功率的计算253.23 电动机的选择.263.24 计算并分配传动比.263.25 离合器的选择.263.26 末级齿轮传动比的设计.263.3 齿轮传动的强度设计计算273.3.1 材料273.3.2 按接触强度设计计算273.3.3验算齿轮速度283.34验算弯曲强度.283.4 辊子刚度的计算283.4.1 上辊293.4.2 下辊293.5 上辊压下系统的设计计算303.5.1电机的选择303.5.2 螺旋副的设计计算303.5.2.1 材料.303.5.2.2 螺纹直径、螺距.303.5.2.3 自锁性.313.5.2.4 螺杆强度的计算.313.5.2.5 螺母螺纹牙强度计算.313.6 传动比计算313.7 减速器的选择323.8 蜗杆机构设计32第四章 结束语374.1 结论374.2 展望37参考文献39致谢41第一章 绪论1.1卷板机的介绍卷板机是一种将金属板料弯卷成筒体、锥体、曲面体或其他形体的一种专用锻压机械设备，其广泛应用于锅炉、造船、化工、金属结构和机械制造行业。卷板机的型号有很多，按卷板机的机械结构和卷板机的辊的数量划分，有三辊卷板机和四辊卷板机。按三个辊的轴的相对位置分为对称式和不对称式。按辊的驱动方式有机械式卷板机和液压式卷板机，卷板机的结构相对简单，三辊当中机械式三辊对称卷板机，两下辊为主动固定辊，上辊通过升降丝杆、蜗轮、蜗杆在两下辊对称中央作上下移动，两下辊的左、右旋转和上辊的升降移动均靠电机带动减速器来完成，并能借助手动离合器把上辊调节成平行或倾斜位置，以适应卷制圆形和锥形工件的需要，蜗轮上下配有特种压力轴承，转动轻松、省电耐磨。该机集机身、传动、电器部分为一整体，其结构紧凑、操作方便、便于搬运、安装和维护。本机床结构紧凑，操作维修方便。是金属板材弯曲，滚圆，校正等整形机械，广泛适用于造船、锅炉、航空、水电、装潢、金属结构等诸行业。在市场经济的情况下，企业要不断地根据市场的需求变更自己的产品。在试制新产品和转产的过程中，往往面临的最突出的问题是设备的适应能力，如何用最少的投资添制生产设备是企业领导人第一个要解决的问题。在产品品种较多，而每一种产品的批量不大的情况下，设计制造一些简易设备是一种行之有效的办法。所以我设计了一台简易卷板机，希望能得到广大厂方的欢迎和好评。1.2卷板机在我国的发展我国卷板机起步使于60年代末期，最早为机械传动的对称式三辊卷板机，这种结果简单不能进行板材端部预弯。70年代末期，长冶锻压机床厂研制成功了机械传动四辊卷板机，这种卷板机虽然能预弯也大大的改善了性能，但该机构庞大、材料消耗多、制造周期长。80年代中期，全液压四辊卷板机和液压水平下调式三辊卷板机由该厂推向市场。这两种机型即可对板材进行预弯，一次上料完成简体成形，又可对简体进行焊接后的校圆，工作效率是原机型的23倍。80年代末，由PC、NC控制的三、四辊卷板机进入国内市场。该机具有工作辊（上、下辊）自动调平、下辊倾斜可水平升降等功能，工作辊间平行度控制在0.02毫米范围内。后来出现NC弧形下调式三辊卷板机，除具备四辊卷板机的优点外，还可以进行板材端部预弯。该机重量轻、整机结构紧凑合理，深得用户青睐。目前研制的CNC卷板机、CNC卷板机加工单元，作为新型的板材加工设备将越来越被用户所接受，也将成为CNC控制的代表机型。并可与世界先进的卷板机生产厂家-德国瑟夫尔公司、意大利DAVI公司、瑞典ROUNDO公司的产品相媲美。我国卷板机设备的研制于70年代初。经过30多年的发展特别是经过“六五”、“七五”、“八五”、“九五”20年时间，在国家大力扶持下，企业多次技术改造，并引进了美、英、日、法、瑞士、瑞典等国家先进卷板技术，从设计水平到生产水平，现在已经达到亚洲先进水平。目前，国外卷板设备生产水平较高的有瑞士、意大利、德国、日本等国家。这些国家对板厚小于38mm的板料的卷制，大多采用机械式或机液混合驱动式。对板厚大于40mm的板料的卷制，多采用全液压驱动式卷板机。由于三辊不对称可调式卷板机较四辊卷板机结构简单、体积小、价格低、耗电少，且具有四辊卷板机便于端部预弯、剩余直边小等特点，已在不少国家得到广泛开发和应用。特别是随着计算机技术的迅猛发展，卷板设备也越来越多的采用计算机实行自动控制，使加工精度、工作效率大大提高，同时减少了工人的劳动强度、改善了工作条件。1.3主要研究内容（1）卷板机的卷板原理，卷板工艺理论分析（2）建立水平下调式三辊卷板机的数学模型（3）卷板工艺参数和卷板工序工步分析。（4）对12×2200mm规格卷板机进行卷板能力和工艺参数的计算，确定该种格卷板机的设备技术参数和工艺参数。1.4塑性弯曲塑性弯曲是冷压成型工艺中最为普遍的成型方法之一，弯曲工艺不仅用来成形圆筒件、“U”形件、“V”形件等，而且还可以通过弯曲的方法来增加转动惯量以提高零件的刚度。弯曲成型的效果，表现为弯曲变形区曲率半径p和角度小的变化。(如图1-1)弯曲变形时，坯料上曲率发生变化的部位是变形区，弯曲变形的主要参数与变形区的应力、应变的性质及数值有关。图1-1板料弯曲变形区及弯曲时的切向应力分布（a）弹性变形（b）弹塑性变形（c）塑性变形（d）无硬化塑性变形塑性变形必须首先经过弹性变形阶段。弹性弯曲时，板材的外区纤维受拉，内区纤维受压。拉、压两区以中性层为界，中性层恰好通过剖面的中心，其应力应变为O。假定中性层曲率半径为，弯曲角度为，则距中性层距离为y处的纤维，其切向应变为切向应力: :所以材料的变形程度与应力大小，完全取决于纤维至中性层的距离与中性层曲率半径的比值()，而与弯曲角度的大小无关.在弯曲变形区的内、外边缘，应力应变最大。对于厚度为t的板料，当其内表面的弯曲半径为R时，板料边缘的应力与应变为:实验研究表明，利用以上公式计算内层金属的应力与应变比用该公式计算外层金属的应力、应变要精确的。这是因为弯曲时弯曲件的中性发生了位移，使外层金属的变形明显增大。假定材料的屈服应力为，则弹性条件是:即: 称为板料的相对弯曲半径，是表示板料弯曲变形程度的重要指数；愈小，变形程度愈大。当减小至一定数值：时，板料的内、外缘首先屈服，开始塑性变形。如果继续减小，在板料的变形区中，塑性变形部分愈益扩大。最终出现弯裂。一般当时，弹性区很小，可近似认为：板料的弯曲变形区已全部进入塑性变形；当时，弹性变形不能忽视，应按弹塑性弯曲计算。1.5 塑性弯曲时的应力应变状态随着相对弯曲半径逐渐减小，弯曲的变形性质由弹性变为塑性，同时，变形区的应力应变状态也逐渐产生了变化立体的应力应变状态逐渐显著起来。塑性弯曲时，随着变形程度的增加，除了切向应力与应变，之外，宽向和厚向的应力应变(、)也有了显著发展。但因为板料的相对宽度(B板料宽度;t板料厚度)不同，立体应力应变状态的性质也不同，分析如下:1.5.1、应变状态弯曲时，主要是依靠中性层内外纤维的缩短与伸长，所以切向主应变即为绝对值最大的主应变。根据塑性变形体积不变条件可知，沿板料的宽度和厚度方向，必然产生与，符号相反的应变。在板料的外区，切向主应力为拉应变，所以厚度、宽度方向的应变、均为压应变。而在材料的内区，为压应变，与为拉应变。对于B/t8的窄板，由于宽向、厚向材料可自由变形，其应变状态如上所述。对于B/t 8的宽板，由于宽度方向受到材料之间的制约作用，不能自由变形，可近似认为=0。所以，弯曲时，窄板的应变状态是立体的，而宽板的应变状态是平面的。1.5.2、应力状态切向应力： 外区受拉，内区受压；径向应力： 在板料表面 =0，由表及里递增，至中性层达到最大值。宽向应力： 对于窄板(B/t8)，宽度方向可自由变形，故=0。对于宽板(B/t8)，因为宽度方向受到材料的制约作用，。具体言之，外区由于宽度方向的收缩受到限制，所以为拉应力，内区由于宽度方向的伸长受到限制，所以，为压应力。从应力状态看，宽板弯曲时的应力状态是立体的，而窄板是平面的。1.5.3、宽板塑性弯曲时三个主应力的分布性质一般冷压弯曲所用的板料大多属于宽板。为了深入理解宽板弯曲时的各种现象，还必须进一步分析弯曲变形区三个主应力的分布性质。为此，我们只需在一种理想的情况下求出三个未知主应力、的解就行了。因此我们假定变形区已全部进入塑性，而且不考虑板料的应变强化效应(即认为材料的屈服应力与变形程度无关)根据前面的分析，可看出: 、三个未知主应力，就其代数值的大小而言，在拉区>>，在压区>>。为了求解上述三个未知主应力，必建立三个独立的方程式，然后联立求解。图1-2板料弯曲时的应力分析根据宽板塑性弯曲时应力应变状态的特点，(如图1-2所示)我们可以从以下三个条件:塑性条件、平面应变条件和微分平衡条件出发，建立三个独立的方程式。联立得到：对于外区：（塑性条件) (平面应变条件)（微分平衡条件）对于内区： (塑性条件) (平面应变条件) （微分平衡条件）(其中，)联立求解，得到主应力、二在板料弯曲时剖面上的变化规律:对于外区：对于内区：式中参数（如图1-2）。根据中性层上内外区径向应力相平衡的条件: 时，内外区的值相等，即: P得到：此值小于R+t/2，所以中性层的位置并不通过中性层的重心，产生了内移。（如图1-3）为板料剖面上三个主应力的分布规律。对小变形冷弯曲，可近似认为弯曲变形处于切向应力的作用的线性应力状态，中性层的内移和材料变薄忽略，则应变可写成:在有加工硬化的情况下，正应力分布如图11（c）所示，这时，为强化系数图1-3板料剖面上三个主应力的分布规律1.5.4、塑性弯曲中现象的复杂性1、中性层内移塑性弯曲时，由于径向压应力的作用，使板料外区拉应力的的数值小于内区的压应力，使拉区扩大，压区减小，中性层内移，只有这样，才能满足弯曲时的静力平衡条件。相对弯曲半径越小，的作用越显著，中性层内移量越大；当后，中性层与板料剖面的重心渐相重合。2、变形区板料厚度减薄、长度增加板料弯曲时，拉区使板料减薄，压区使板料加厚。又因中性层的内移，拉区扩大，压区减小，板料的减薄必将大于板料的加厚，整个板料乃出现减薄现象。另外，宽板弯曲时，宽度方向几乎没有变形。根据塑性变形体积不变的原理，变形区板料变薄的同时，必然伴随着长度的增加。相对弯曲半径越小，板料变形区的变薄、增长现象越严重;当后，该现象渐消失。3,垂直于折弯线产生拉裂弯曲时，外区受拉，一般拉裂是因为切向应力的作用沿着折弯线方向发生。但宽板弯曲时，由于外区的板宽方向的拉应力的存在，也可能使板料垂直于折弯线产生拉裂。不过一般产生在具有明显各向异性的板料上。1.6卷板工艺和卷板质量分析卷板是根据三点成圆原理，利用卷板机对板料进行连续三点弯曲的过程。按卷制曲面形状可分为：单曲率卷制和双曲率卷制两大类。单曲率卷制包括卷制圆柱面、圆锥面、任意曲面等；双曲率卷制包括卷制球面、双曲面等。按卷制温度不同，可分为冷卷、温卷、热卷。冷卷精度高，操作工艺简便，成本低廉，但对钢板的质量要求较高，金相组织一致性要好；当卷制板厚较大或弯曲半径较小并超过设备工作能力时，在设备允许情况下，可采用热卷（800850）；对不允许冷卷的薄板，热卷刚度差，则采用温卷（保证在一定金相组织的温度下）。1.6.1卷板工艺剩余直边和预弯平板开始弯曲时的最小力臂叫做剩余直边，剩余直边与设备及其弯曲形式有关。如图1-4所示图1-4卷板机不同弯曲形式与剩余直边图1-5剩余直边为避免板料从工作辊间脱出，实际剩余直边通常比理论值大。对称弯曲时为（620）t（t为板厚）；不对称弯曲时为对称弯曲时的（1/61/10）。如图1-5所示，由于剩余直边的存在，在板料的两个端部残留下平直部分，这段平直部分在校圆时难以清除，并造成较大的焊缝应力和设备负载，故一般应在滚弯前对板料进行预弯边，即做端头弯曲。常见端部预弯的方法有以下几种。1、使用端部弯曲模卷板加工之前，先由装有带有一定曲率的模具的压力机或卷板机对板料的两个端部压弯。如图1-6所示 图1-6使用端部弯曲模弯曲a.压力机弯曲 b.c卷板机上弯曲2、使用端头滚弯机端头滚弯机是在所需长度上隔开布置着的两对辊轮之间使板料的两端通过并进行弯曲的方法。为适应不同的板料长度，可用改变机架间距的方法来实现。如图1-7所示图1-7端头滚弯机3、具有端头弯曲用压料板的三辊卷板机如图1-8所示,在三辊卷板机的两个下辊轮之间置入可做上下运动的压料板，实现端部预弯。4、可调式卷板机如图1-9所示，通过调整三辊卷板机或四辊卷板机工作辊的位置，对板料端头预弯。图1-8带弯边垫板的三辊卷板图1-9调整工作辊的位置作端部预弯1.6.2卷板质量一、外形缺陷在板料卷曲过程中，常出现的外形缺陷见表1.1表1.1常见外形缺陷及产生原因二、表面压伤由于氧化皮及其它杂质附着在板料或辊筒上，会造成板料板面压伤。特别是热卷或热矫时，氧化皮的危害尤为严重。为了减少氧化皮的危害，常采用以下措施：（1）坯料表面氧化皮尽量清除干净、涂上油漆后，再进行冷卷；（2）坯料加热时应尽量减少氧化皮（如缩短高温停留时间，采用中性火焰、采用防氧化涂料等）（3）选用氧化皮压伤最小的卷板机；（4）选用氧化皮压伤最小的操作方法。例如：四辊卷板机的下辊顶压力尽量小，不断吹扫内外侧剥落的氧化皮、矫圆时尽量减少反转次数等。三、卷裂冷作硬化、粗晶组织、应力集中、以及各种脆性条件的形成，都能使材料塑性变坏，导致卷裂。防止卷裂的主要措施：（1）限制变形率（2）消除可能导致坯料表面应力集中的因素：备料时注意轧制方向，尽量使板料纤维方向与弯曲线垂直；厚度t50mm的板料，其机械加工端面最好有适当的圆角；修磨对接焊缝，对非铁金属板料，打磨方向应与弯曲辊轴线方向垂直。（3）掌握新材料的宽板冷弯性能。（4）钢板最好经过正火处理。对调质钢及经过气割等热循环的空气淬火钢，应消除淬硬层。（5）卷制时，室温应高于板料的脆性转变温度，否则应进行预热。对于厚板，尤其注意。对缺口敏感的钢种，最好预热到1502000C的温度卷制。四、矫圆一般矫圆工序分三个工步：a:加载根据经验或计算将工作辊调到所需的最大矫正曲率的位置。b:滚圆将辊筒在矫正曲率下滚卷12圈，使整卷曲率均匀一致。c：卸载逐渐卸除载荷，使工件在逐渐减少的矫正载荷下多次滚卷。1.6.3卷板设备卷板机的分类，国外一般以工作辊的配置方式来划分，分为角锥型、夹紧型、复合型。国内普通以工作辊数量及调整方式等为标准进行混合分类。卷板机种类及典型卷板机的特点见表1.2、表1.3:表1.2卷板机的分类表1.3卷板机的主要型式及特点型式示意图主要特点适用范围与条件对称三辊结构简单紧凑，易于制造维修。成形较准确，但剩余直边大。配预弯设备或不要求弯边的各种卷板工作。要求弯边时可用垫板。不对称三辊剩余直边少，结构较简单，但板料需调头弯边，操作不方便，辊筒受力较大，卷弯能力小。卷制薄而短的轻型筒节（一般在mm以下）四辊板材对中方便，工艺通用行广，可以矫正扭斜、错边等缺陷，可以即位装配电焊。重型工件卷制及自动化水平和技术水平较高的场合，如字控或仿形卷板等。水平下调式机构紧凑、操作简单，剩余直边少，不用调头即可实现预弯边。进料安全方便。但坯料对中不如四辊方便中重型卷板机较理想的机型横竖上调式调节辊筒的数量最少，而且剩余直边小，但设计时结构不易合理。中重型卷板机较理想的机型1.6.4 卷板机安全操作规程一、起动前准备1、检查各部位有无异常，紧固螺钉（帽）不得有松动。制动器应正常可靠。2、严格按板材厚度调整卷筒距离，不得超负荷作业。不能卷压超出机械性能规定范围的工件。二、运转中注意事项1、必须在工件放平稳，位正后才能开车运转操作，并应明确信号，指定一人指挥。2、手不得放在被卷压的钢板上，并不准用样板进行检查，停机后方准用样板检查圆度。3、卷压不够整圆的工件时，滚卷到钢板末端时，要预留一定余量，以防工件掉下伤人。4、作业时，工件上严禁站人，也不得在已滚好的圆筒上找正圆度。5、滚卷较厚、直径较大的筒体或材料强度较大的工件时，应少量下降动轧辊并经多次滚卷成型。6、滚卷较窄的筒体时，应放在轧辊中间滚卷。7、工件进入轧辊后，应防止手及衣服被卷入轧辊内。三、停机注意事项1、如发现机床运转有异常响声时，应立即停机检查调整修理。2、断开开关，切断电源。3、停机后将工件放置指定地点。第二章 方案设计2.1总方案的确定一个好的设计应该是技术上先进，操作和维修方便，经济上合理，运转安全可靠，要达到这几个方面的要求。除了技术上的问题外，还必须有正确的设计指导思想和丰富的实践经验。要达到这些要求是需要一个过程的，我们应努力缩短这个过程。另一点，一个好的设计，不是一次就可以完成的，需要我们不断的经过实践来完善。由于具体条件不同，三辊卷板机的设计步骤不可能是固定不变的。通常总要把前后的步骤反复交叉进行，不断的调整和修改设计内容。但是一般来说，三辊卷板机的设计过程大体包括下述几个基本步骤：拟订三辊卷板机的设计步骤方案，三辊卷板机的设计步骤不是固定不变的；三辊卷板机的计算；选择种电机、减速器、蜗轮；对其进行必要的计算；绘制正式的三辊卷板机装备图等。在拟订三辊卷板机的方案前，必须明确哪些工作机构是完成什么的，怎么完成才能看上去更合理。首先要调整和了解清楚所设计的三辊卷板机要完成的工作任务是能够生产122200的板材。易知本设计的三辊卷板机的工作任务是符合要求的生产。明确工作机构的运动形式，是直线往复运动、回转运动或是摆动，以确定选用什么形式的执行机构电机、减速器、蜗轮等。2.2 三辊卷板机的设计方案的确定如上所述，三辊卷板机的系统有一上辊，两个下辊，两个电机，两个减速器。在明确了液压系统要完成的任务和要求的基础上，粗略的计算一下系统的输出功率。第三章 三辊卷板机设计分析3.1主要参数已知参数：最大卷板厚度6mm,最大卷板宽度22000mm，板材屈服极限300Mpa，卷板机速度7m/min。下辊中心距：a=(1240)=(1240)12=330mm上辊直径为：=(1/1.31/1.1)210=260mm下辊直径为：=(0.80.9)260=220mm下辊转速为：=0.33/7=7.45r/min上辊轴直径：=(0.50.6)260=190mm下辊轴直径：=（0.50.6）220=150mm最小卷圆直径：=（1.252.5）=400mm3.1.1卷管所需最大力矩确定图3.1结构分析从图3.1的结构特点上来看，三辊卷板机主要由有个上辊及2个下辊呈宝塔形状组成的。用该设备加工板材时，由上辊垂直向下移动的同时进行转动，对板材产生向下的压力（为图中q以下均同）。必须克服板材的屈服强度，使其产生弯曲变形。2个下辊则向同一方向进行转动，从而移动板材，将其加工成一定曲率半径的卷管。因此为了确定，我们完全可以将被加工板材看作是一简支梁。从而有对板材的最大弯矩； （1）弯矩对板材产生的应力为； （2）板材的抗弯截面模量； （3）由（1）、（2）、（3）可得； （4）其中， 为被加工板材屈服极限； 为卷板机两下辊之间距离； 为被加工板材最大厚度。从式（4）可以看出，当加工工件材质一定时，的大小取决于工件的厚度和宽度b，从而可以确定其两下辊之间的距离。取上辊为分析对象，将看作是作用于上辊的一个均布载荷，故上辊就成了一个简支梁，如图3.2所示：图3.2上辊力学模型由均布载荷产；生的弯矩函数为； （5）从而可得最大弯矩为； （6）其中 但由实际情况知，上辊的力学模型是均布载荷，仅作用于实际距离为的一部分，即；因而其上辊的实际力学模型如图3.3所示：图3.3上辊的实际力学模型即 对上辊产生的最大弯矩为； （7）又由监工的板材的宽度是一个变量，因而变为，如图4.4所示：图3.4 b1<b时上辊力学模型即当改变为及变为时；。从而对上辊产生的最大弯矩为； （8）可利用（8）来确定 或 能完全保证上辊所受的最大弯矩不会超过设计能力，是安全可靠的。可令=，由式（7)、(8)可得；=所以 ，又 及则； （9）由次式可知；当，上辊受到弯矩达到设计值时，被加工板材宽度由减少至，则，支点上的反力变小了。这就是卷板机超负荷工作时，首先上辊所受弯矩超过设计值而使上辊首先被折断的理论依据。3.1.2主参数确定总上所述，三辊卷板机主参数之间的关系可为； （10）其中，、分别为上、下辊直径；为加工工件曲率半径；为11mm。卷板机工作时，需要将钢板卷制成钢管。此时，材料所承受应力已达到屈服极限。因此，卷管截面上弯曲应力分布如图3.5 （b）所示，则截面上弯矩为：图3.5卷管的应力分布= = = （kN·m） 式中 ，卷板机卷制钢板的最大宽度和厚度（m） 材料的屈服极限（kN·） 考虑材料变形时存在强化，引入强化系数K对式（1）进行修正，则：=（kN·m） =1.1527324N·m式中 强化系数，可去K=110125，/R较大时取大值 这里取115 卷板中性层半径（m）3.1.3 受力情况分析卷制时，钢板受力情况如图4.6所示:根据受力平衡，可以得到下辊作用于卷板上的支持力 图3.6 卷管的受力分析= =式中 连心线与夹角下辊中心距（m）卷管最小直径（m）下辊直径（m）考虑到板厚远小于卷管的最小直径，中性层半径05，为简化计算，上式可变为：=2.6N 根据受力平衡，上辊作用于卷板上的力即压下力为：=4.42N 单根丝杠的下压力为： =2.43N 3.2 下辊传动系统的设计3.2.1 下辊驱动力矩卷板机的下辊为驱动辊，作用在下辊上的驱动力矩用于克服卷板变形扭矩 和摩擦扭矩 。钢板在卷制过程中，存在于钢板段图4.5(a与b）的变形能为 ，所花费的时间为 （为卷板速度），两者的比值等于变形扭矩 的功率，即： 所以： =15028N·m 而摩擦扭矩包括上、下辊与钢板间的滚动摩擦力矩和辊子轴颈与轴套间的滑动摩擦力矩，可用下式计算：=0.0008（442000+2260000）+0.07（442000）=6204N·m 式中 滚动摩擦系数，取 = m； 滑动摩擦系数，取 = ，本处取 ；、上、下辊直径（m）；、上、下辊轴颈直径（m） 设计阶段该尺寸还未精确，可取 = （=1，2），下辊驱动力矩 等于变形扭矩 和摩擦扭矩 之和。=15028+6204=21232N m 3.2.2下辊驱动功率的计算首先，我们看下整个驱动过程的传动过程。电机 减速器 末级齿轮传动 下辊= 所以，下辊驱动功率为：P=代入数据得 P= 22 kW 式中 驱动功率 （m·kW） 驱动扭矩 （kN·m）下辊速度 （r·），=（，卷板速度）；传动效率， =。3.2.3 电动机的选择Y系列三相异步电动机型号Y200L2-6 P=22kW n=970 r/minY系列三相异步电动机型号Y180L-4 P=22kW n=1470r/min根据实际理论要求选用Y200L-6的三相异步电动机比较合理。3.2.4 计算并分配传动比根据传动比公式可以求得总传动比i=3.2.5 离合器的选择因使用的为圆柱齿轮减速器，三级齿轮减速器的总传动比为 ，高、中、低速级传动比分别为 ，已知总传动比 ，可按表9-1-6确定各级传动比。这里选用三级齿轮减速器 =56所以有 =3.2.6 末级齿轮传动比的设计上述知可求小齿轮的转速为=17.34r/min 根据传动功率的公式很容易得到 =1.3=14.3kW这里减速器由于工作条件限制，所以选用闭式传动方式，轻微冲击，硬启动。3.3 齿轮传动的强度设计计算3.3.1 材料大、小齿轮均选用45钢，正火调质处理，硬度160180HBS 查找资料可得同样得数据 =3.3.2 按接触强度设计计算设传动齿轮按GB 10095=88精度标准制造的，当齿轮在变动载荷下工作且有载荷图谱（示意图8-3-37）可用时，应按Palmhrren-Miner 定则核算起不通载荷水平下的应力及其疲劳累计损伤计算的强度安全系数。从表中可以查到载荷系数等参数值。取载荷系数=12 齿宽系数为=04可求得作用在小齿轮上的转矩代入数值 = 9.55=7.89Nmm取小轮齿数为，则，代入得2.3=34.5 （取35）查表10-5 =4由疲劳强度公式，可得到模数公式：=34.9mm按GB/T 1357-1987 =30mm（小齿轮为正变位，齿根厚度增大）又有求中心距公式：=750mm所以我们也可以求得齿宽：代入数值有=0.4=300mm3.3.3验算齿轮速度在知道上述的各个数据以后我们便可以轻松的计算出齿轮的传动速度：由公式： =0.4m/s3.3.4验算弯曲强度查表10-4可得齿形系数=3.6,=2.46=16.8MPA<所以合格。3.4 辊子刚度的计算首先，看下辊子简化的力学模型图，在前面我们已经了解到一些关于辊子的受力情况，我们这里具体的研究以下图4.7辊子受力分析图3.4.1 上辊取上辊为分析对象，将看作是作用于上辊的一个均布载荷，