机械毕业设计（论文）高线285悬臂立辊预精轧机设计.doc

内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书题 目：高线285悬臂立辊预精轧机设计学生姓名：学 号：2003041308专 业：机械设计制造及其自动化班 级：机2003-3班指导教师： 摘 要本文是针对285悬臂式立辊辊轧机的设计，此轧机是由摩根公司设计制造,这种类型的忆机在国内和国际都是比较先进的。摩根高速线材轧机已经发展到了第五代了，它在世界上已有180多条生产线，主要是因为它在45º无扭精轧机组和控制冷却工艺上的成功。随着工业的发展，要求线材盘重大直径公差大，有良好的机械性能。因此，线材轧机向着高速度、高质量、大盘重、高精度方向发展。它的主要特点如下：1. 以碳化钨辊环代替轧辊，使换辊方便；2. 实现了无扭轧制；3. 采用组合结构，使轧机结构紧凑。4. 采用小辊径的碳化钨辊环。本设计主要进行了力能参数、主传动系统和压下系统的设计计算。 关键词：预精轧机; 辊环；设计AbstractThe designs subject is directed for 285 cantilever vertical Rolling Mill. At present ,rod mill has made great progress ,Morgrn Rod Mill has go into the fifth generation . There are more 180 products in the word . Treason why this kind of high-speed rod mill is developed so quickly is that it has 45-no-torsin finish mill and advanced system of cooling .With the development of industry, people require string products have more coil weight, big tolerance in diameter, and perfect mechanical property. Their main characters include: 1) Replacement of roller wish WC rolling circle, makes it convienient to shift roller.2) Non-twist rolling is realized. 3) Adoption of combining structure has the rolling mill more compact.4) The hand stiffness of WC3 has made the diameter of roll decrease greatly.In the process of this design ,I have finished these works as follow:Introducing the development of wire and its vista in china.Engaging in designs calculation which include the calculation of strength and energys parameter ,the main driving system and the push down system.Keyword : Pre-precision rolling mill; Roll collar; Design目 录摘 要IAbstractII第一章 引 言11.1 线材轧机的发展与高速线材轧机的诞生11.1.1线材轧机的发展11.1.2高速线材轧机的诞生11.2 线材轧机的发展前景21.3 线材轧机的作用、特点及工艺要求2第二章 285悬臂式立辊预精轧机的设计计算82.1 设计整体方案82.2 力能参数计算82.2.1 轧制力的计算102.2.2 轧制力矩的计算152.2.3 轧制功率162.3 主传动系统的设计计算172.3.1 电机的选择与校核92.3.2 齿轮联轴器的选择与计算9 2.3.3 锥齿轮的设计与校核92.3.4 齿轮轴的设计计算92.3.5 轧辊轴的设计计算92.3.6 轴承的选择与计算9第三章传动箱体的设计10第四章压下系统的设计计算104.1 主传动系统的设计计算594.1.1 调下螺栓的设计计算59第四章 结束语64参考文献.65第一章 引 言1.1 线材轧机的发展。1.1.1 国外线材轧机的发展高速线材轧机种类很多，其中主要是以无扭矩精轧机组的形式不同而分类。目前世界上较为有竞争力和具有代表性的几家为：摩根型、迪马型、阿西洛型和达涅利型。其中摩根型无扭精轧机组在世界上已成有180多条生产线。西德、西马克、英国戴维、日本住友等公司建造的高速线材轧机均属于摩根型，它占有明显的优势。目前，世界上高速线材轧机和控制冷却系统有许多类型。实践证明：摩根45º无扭精轧机组和斯太尔系统占有优势。1.1.2 国内线材轧机的发展建国几十年来，我国的线材轧机和线材生产有了很大的发展。解放初，我国仅有五、六个线材车间，年产量不过几千吨。这些线材轧机设备陈旧，工艺落后，主要靠手工操作，生产率低。目前，我国已有近百个线材厂和车间，遍布全国。生产能力较解放初期增长了数百倍。我国线材轧机的技术改造经历了两个发展阶段一是老式横列式线材轧机的机械化、围盘化；二是老式横列式线材轧机的半连续化.在我国，有两种途径实现半连续化：一是中轧机组和精轧机组改为副二重式，粗轧机组为跟踪变连轧；二是粗、中轧或精轧机组中带有摩根水平连轧机。此外，我国也引进了精轧机组为平立交替的连续式线材轧机和具有法格斯塔布置形式的活套连续式线材轧机。我国也研制了不同的类型的高速精轧机组和各种短应力线机座，并投产了数套Y型机组.1.1.3 线材轧机的发展前景回顾线材轧机的演变给人们的启示是：线材轧机是朝着高速单线、无扭、自动化方向发展的，以满足用户对线材产品的要求：大盘重、高精度和优良的使用性能与金相组织等，这样复二重轧机已经不能适应。从七十年代末到现在，我国一些主要的钢铁企业先后引进了国外先进的高速线材轧机技术与装备。与此同时，我国自行设计研究的高速线材轧机也取得初步成效。这使我国的线材生产发生了重大的变化，一批集中了线材轧机新成就的的现代高速线材轧机在我国兴建，使我国的线材轧机的线材生产的又落后的三十至四十年代水平一跃提高到了七十年代末至八十年代初的先进水平，大大提高了我国线材生产同世界先进水平的差距，并通过合作制造设备和备品备件的国产化的途径，对我国现有线材轧机的技术改造提供了有利条件。可以预见，带有有扭精轧机组的控制冷却系统的高速线材轧机将会成为我国线材生产的主力军。1.2 线材轧机的作用、特点及工艺要求线材轧机是以它生产的产品来命名的。从第一套线材轧机问世，至今已有100多年的历史。线材轧机的发展是随着用户对线材产品尺寸的精度、表面质量、性能及盘重等日益增长的要求不断发展的。线材轧机的发展及演变过程主要代表为：横列式线材轧机，半连续式线材轧机和连续式线材轧机。顾名思义，线材轧机是轧制线材的轧钢机。起作用也就是是可以轧制不同的规格的线材。世界上第一套高速线材轧机于1966年在加拿大斯太尔摩柯钢铁公司建成投产，该轧机是由美国摩根公司研制的，高速线材轧机的主要特点集中在它的无扭精轧机组发面。主要特点如下：这种机组以碳化钨辊环代替轧辊，使换辊简单化。再换辊时，传动系统可保持原样，不必拆卸，这就可以取消换轴，采用精密的齿轮传动，把电机与输入轴直接连接，从而解决了轧机的振动问题，提高了轧制速度。概括而言，高速线材轧机的主要特点为：高速、单线、无扭轧制、组合结构小、辊径宽度小、延伸大、轧件尺寸波动小。碳化钨有很高的耐磨性，轧出的线材表面光滑。线材是热轧生产中断面最小，长度最大，而且是盘成卷状的产品，其断面主要是圆形，也有六角、方形和异形断面的。圆形断面线材的规格是，经常生产的是，盘卷内径为700mm以上，外径为盘重为100-300kg不等。线材按用途分热轧状态和经二次加工制订，导金属制品两种。后者要求断面形状和尺寸准确。目前的技术已能将线材断面尺寸公差和圆度控制在，长度公差在以内。线材生产工序随生产车间的产品品种和设备配置各异，其曲型生产工艺如下图所示：小方坯加热轧制水冷卷曲冷却检查捆轧出厂 图1.1一般工艺流程如下：原料准备称重装料加热轧制冷却卷取运输道冷却检查打捆称量入库控制冷却 图1.2线材轧制的特点：1. 多采用小辊径高转速以提高生产率。目前线材轧机成品出口速度已达到100m/s以上，一些新式精轧机轧辊的直径仅为152mm，而转速高达9000rpm以上。高速轧制还能促进使终轧制轧件首尾温度一致。2. 机架多，分工细。因产品断面单一，轧机专业化程度高，总延伸率大。现代线材轧机一般有21-28台轧机，并分为粗轧、中轧、预精轧、精轧机组。3. 高线无扭线材轧机具有特殊的孔型系统，Y型轧机多辊孔型系统，一般分为三角-元等孔型系统。轧机孔型系统有椭圆-椭圆、弧菱-弧菱-圆-椭圆-圆-椭圆-圆及平-平-椭圆-圆等孔型系统下面是摩根高速线材轧机工已不是：摩根高速线材轧机的工艺流程如图所示： 图1.3高速线材轧机的冷却工艺中控制冷却区的核心，设备是吐丝机。它不仅能使散卷冷却，也能把高温直线前进的线材一期望的线环直径成围后坪铺于斯太尔摩输送辊道上。它为高线的实际生产提供了可能性。1.3 本文设计的内容、特点 本文的实际题目是：285悬臂式水平辊轧机的设计。285预精轧机机组由4架轧机串列而成，轧机的布置形式采用平-立交替的形式；实现了无扭轧制，采用了滚动和油膜轴承，是轧制速度达到20m/s左右。该设计主要为预精轧机中的水平辊轧机。其主要特点是：以碳化钨辊环代替轧辊，使换辊简单化，从而解决了轧机的振动问题，提高了轧制速度，并为提高轧件尺寸精度奠定了基础。预精轧机组位于精轧机组之前，通过单线无张力，无扭轧制，为精轧机组提供外形好和尺寸精度的重要环节。本文设计的主要特点在于：通过调节调节螺杆使偏心套转动，从而迫使轧辊轴中心矩发生变化，从而达到微调辊缝的目的，其优点是轧制线不变。1.4 本设计的整体方案由于本设计是针对预精轧机的水平轧机的设计，水平预精轧机的特点已有上面叙述，这里只叙述它的传动方案：电动机-联轴器-减速器-联轴器-斜齿轮传动-轧辊轴。其明显特点是：齿轮轴与轧辊轴同在一个机架中，也就是减速其余几家浑为一体. 图1.4第二章 结构设计2.1 传动系统的设计及特点由于预精轧机组是由4架轧机组成，且采用的是分别驱动的驱动方式，故要求四台电机同步运行。本轧机由于采用了单级齿轮减速器及齿轮联轴器传动具有结构紧凑及传动平稳的特点。单级齿轮减速器具有结构简单的特点，由于本设计的传动比较小，故用单级齿轮减速器便可实现。齿轮联轴器一半用于重型机械，具有承载能力大，工作可靠，无缓冲减振性能，需润滑，且本文采用连续工作制，不必经常启动，制动，传动也不可逆，故本文传动系统可用齿轮联轴器。本文传动系统的示意图如下：2.2 压下系统的设计与特点压下系统的设计是本设计的一个难点，也是一个重点，因为轧机的功能主要是由辊缝的调节来实现的，通过辊缝的微调功能轧出不同规格的线材，达到所需的需要。在于精轧机组中，这一作用是通过偏心装置来实现的。将轧辊轴装在偏心套中，通过丝杆及螺母可以转动偏心套对称的调节轧辊轴，达到调节辊缝的目的。偏心结构的示意图如下图所示： 图2.12.3 本文辊系的传动及特点本设计的辊系传动采用二分辊式，即由输入轴传动一个从动齿轮在分别传动一个轧辊。由于本设计的轧辊为悬臂式，故将辊身做成辊环的形式。以辊环代替轧辊的好处是：换辊简单，且在换辊时传动系统可以保持原样，不许拆卸，解决了轧机的振动问题。又由于辊环是以很高的耐磨性的碳化钨制成，故轧出的线材表面光亮。采用二分式的最大特点为：可以使两辊同步运转，不必出现前后运转的时差。第三章 设计计算轧辊参数： 最大辊身直径 Ø285mm 辊 环 宽 度 95mm 孔 型 椭圆形 有效工作辊径 Ø274.42mm 注：有效工作辊径=（辊身直径-1.33x轧槽深度）x1.01传动系统： 传 动 比: i=2.0x2733=1.636直流电机： 功 率： N=500 KW 转 速： n=650/1300 rpm 电 流： I=960 A 电 压： V=560 v 压下系统： 辊缝调节： 0.41mm/转（调节螺丝） 轧机的转动惯量： 402kg*m² (以换算到电机轴上)3.1 力能参数的计算3.1.1 轧制力的计算3.1.1.1平均轧制力的计算 采用S.爱克隆德方法计算轧制时的平均单位压力 Pm=(1+m)(k+µ) (3-1) 式中： m考虑外摩擦对单位压力的影响系数; k轧制材料在静压缩是变形阻力; Mpa 轧件粘性系数；kgs/mm² µ变形速度；s¹(1)外摩擦影响系数 m=1.6µ-1.2(h0-h1)/(h0-h1) (3-2) 式中： µ摩擦系数；因为轧辊环材料是碳化钨，属于硬面铸铁轧辊，所以µ=0.8（1.05-0.0005t） (3-3)t为轧制温度；t=950°则：µ=0.8（1.05-0.0005t）=0.8(1.05-0.0005x950) =0.46 h0、h1轧制前后轧件的高度；mm h0=30mm;h1=20mm R轧辊半径；mm R=dmax/2=274.42/2=137.21mm 则：m=1.6x0.46x-1.2(30-20)/（30+20）=0.305 (2)变形阻力 利用L.埔培（Pomp）热轧方坯的实验数据，得到k的计算公式： K=(14-0.01t)(1.4+C+Mn+0.3Cr)x9.8 (3-4) 式中： t轧制温度C含碳量 0.46% Mn含锰量 0.65% Cr含铬量 0.25% 所以： K=(14-0.01t)(1.4+C+Mn+0.3Cr)x9.8 =(14-0.01x950)(1.4+0.46+0.65+0.3x0.25)x9.8=4.5x2.585x9.8=113.9985 Mpa (3)轧件的粘性系数 =0.01（14-0.01t）C (3-5) 式中： C考虑轧制速度对的影响系数其数值如下： 轧制速度 v m/s 6 610 1015 1520 系 数 c 1.0 0.8 0.65 0.6 由于i=n1/n2=1.636 （n1:电机转速；n2:轧辊转速；） 则： v=2n2R =2x795x137.21/60 =11.417 m/s 所以： =0.01（14-0.01t）C =0.01（14-0.01x950）x0.65 =0.02925 (4)变形速度 µ= （3-6） 式中： v轧制速度; mm/s v=11.417m/s=11417mm/s 轧制前后轧件的高度；mm R轧辊半径；mm R=137.21mm 所以： =123.29 综上可得: 平均单位压力为： Pm=(1+m)(k+µ) =（1+0.305）（113.9985+0.02925.29） =153.47 N/ 3.1.1.2轧制力的计算 （3-7） 式中： 平均单位轧制力；=153.47 N/ F 轧件与轧辊接触面积； （3-8） 其中： 轧制前后轧件的厚度； 接触弧长度的水平投影； 不考虑弹性压扁时，接触弧长度的水平投影 （3-9）式中：当量半径； （3-10）其中： 轧辊的最大半径；=285/2=142.5 mm 轧制后轧件的平均高度； （3-11） 轧件轧制后的断面面积和宽度；则： =15.7 mm则： =2x(142.5-15.71/2)²/(2x142.5-15.7) =134.65 mm压下量； = =7.85 mm则：接触弧长度的水平投影为 l=32.51 mm 接触面积为 轧制力为: 3.1.2 轧制力矩的计算本轧机两辊都驱动，并且除了轧辊给轧件的力外，没有其他外力，类情况属于简单轧制。轧制力矩： （3-12） （3-13） 式中： P轧制力; a轧制力力臂，即合力作用线距两个轧辊中心连线的垂直距离；（1） 计算轧制力臂 a= （3-14） 其中： 合力作用点的角度。轧制圆形断面形状的轧件由2取力臂系数为 热轧时： （3-15） 其中：咬入角； arcos() （3-16）=13.74° 则： （2）轧制力矩 =124732.7行0.34=2548289.929N·mm 故总轧制力矩 3.1.3 轧制功率 两辊都驱动的轧制功率 （3-17）式中：轧制速度； （3-18） 3.2 主传动系统的设计计算3.2.1 主电动机的选择与校核 3.2.1.1轧机主电机力矩 主电动机轴上的力矩由四部分组成即： = （3-19） 式中：主电动机力矩； 轧辊的轧制力矩； 附加摩擦力矩；既轧制时，由于轧制力作用在轧辊轴承，传动机构及其它传动件中的摩擦而产生的附加力矩。 空转力矩；即轧机空转时，由于各传动件的重所产生的摩擦力矩及其它阻力矩。 动力矩，轧辊运转速度不均匀时，各部件由于加速或减速，所引起的惯性力产生的力矩。i电动机和轧辊之间的传动比；(1)轧制力矩 (2)附加摩擦力矩 （3-20）式中：由于轧制总压力在轧辊轴承上产生的附加摩擦力矩； （3-21） （3-22） 则： 各传动零件推算到主电机轴上的附加摩擦力矩； （3-23） 则： （3）空转力矩 （3-24）式中： 表3.1 各转动件的重量、轴径、摩擦系数、传动比项轴 重量 轴径直径摩擦系数传动比减速器输入轴1150kg160mm 0.004 1.0减速器输入轴2150kg 160mm 0.004 2.0输入轴3350kg 170mm 0.004 2.0输入轴4 240kg 110mm 0.0042.0轧辊轴5 250kg190mm 0.003 1.636轧辊轴6 250kg 190mm 0.005 1.636=2.48N·m取 （4）动力矩 （3-25）式中： 假设电动机在5秒内启动正常 （3-26） = （3-27）= 故主电动机的力矩 =3614.61或3077.69N·m 3.2.1.2按静负荷选择电动机容量根据过载条件选择电动机功率静负荷力矩 （3-28）=3346.15 因线材轧机属于不可逆连续工作制轧机故负荷图为：图3.1 （3-29）式中： 则： 故： （3-30）= =303.533kw 按过载条件选择电动机功率即可，但考虑到计算上的误差和轧制功率选择3.2.1.3电动机的发热校核选出的电动机还需经过发热校核 （3-31）式中：等值力矩： （3-32）因高速线材轧机是连续工作制 等值功率： 电动机发热验算通过，即电动机功率满足要求3.2.2 减速器的选择与校核3.2.2.1减速器的选择按减速器的机械强度功率表选取计算功率： （3-33） 式中：； ； =1.25 =1.5 则：=500x1.25x1.5=937.5kw 要求: 其中：公称功率；按i=2.0及n=1300r/min,接近公称转速1000r/min,查表2.4:ZDY280-2IZBJ19004,=2.0;1000rpm;=1296kw.当=1300rpm时，折算公称功率： 则：故：选用ZDY280-2IZBJ19004减速器3.2.2.2减速器的校核校核热功率 （3-34） 其中：环境温度系数；取=1.1 负载系数；取=1（每日24h连续工作） 公称功率利用系数，取=1.25 则：=500x1.1x1x1.25=625kw 查表2.6:ZDY280得 不合格只有采用盘状管冷却时，=695kw > 因此可以选用故选用ZDY280-2IZBJ19004减速器，采用油池润滑，盘状水管通水冷却润滑油。3.2.3 齿式联轴器的选择与校核3.2.3.1齿式联轴器的选择本次设计中，电机伸出轴与减速器输入轴之间，减速器的输出轴轧机输入轴之间，须采用联轴器联接。 （1）类型选择 由于承载能力大，并为具备少量的补偿性能，故采用型鼓形齿式联轴器。（2）载荷的计算 公称转矩： （3-35） 则： ; 其中：分别是电动机与减速器之间，减速器与轧辊之间的公称转矩； 分别是电动机与减速器之间，减速器与轧辊之间的负载功率； =500 （3-36） 令， 则：=470 分别是电动机与减速器之间，减速器与轧辊之间的转速； =n=1300rpm; =650rpm;则： 则：计算转矩 （3-37） 其中：载荷系数；取2 则： （3）型号的选择从标准表中查得型鼓性齿式联轴器，其许用转矩为2000，需用最大转速为2650，轴径在65150mm之间，适用于电动机与减速器之间；型鼓性齿式联轴器，其许用转矩为31500 ，需用最大转速为2150 ，适用于减速器与轧辊之间。（4）联轴器的校核 （3-38）其中：转矩修正系数；查表6-2-1得=0.4 =0.4 许用转矩；取;=31500 则:=7346.16 <=0.4x20000=8000 =12190.76<=0.4x31500=12600经校核所选得联轴器均可以使用。由于在减速器与轧机之间的联轴器所受到的名义转矩T>而在这里并未计算名义转矩值，故为了安全起见，选用大一号的齿轮联轴器。对于传动比为2的减速器来说，上述转矩足以供应故选用联轴器。3.2.4 齿轮轴的设计计算齿轮轴即中间传动轴，因为本设计中，传动轴有两个，它们相互以齿轮啮合传动，又与轧辊轴齿轮啮合传动。3.2.4.1选择齿轮材料及许用应力考虑到功率大，均用硬面齿；根据具体条件，选用40Cr作为齿轮的材料，将其进行调质处理并进行表面淬火。由表5-6查得硬度为4855HRC;精度等级为6级；按硬度下限值，又图8-2-8（d）中的MQ级质量指标查得：；由图8-3-9中的MQ级质量指标查得：，3.2.4.2按齿面接触强度设计 （3-39） 式中： 齿轮分度圆直径； 配对材料修正系数；取=1查自表8-3-28 螺旋角系数；初选=14°则=756查自8-3-29 齿数比； =i= (3-40)= k载荷系数；取k=1.5 计算转矩； (3-41) 其中： 齿轮传递功率；若取每级齿轮传动的效率（包括轴承在内）=0.97，去联轴器及滚动轴承传动效率=0.99。 则： =466kw 齿轮转速；（最低） =650x=325rpm =13691.8 齿宽系数； =0.5（） （3-42） =0.9 许用接触应力；=1008 则： 确定模数 （3-43） =7.88mm3.2.4.3按齿根弯曲强度设计 （3-44） 式中： 配对材料修正系数；取=1 螺旋角系数；取=12.4 K载荷系数；K=1.5 计算转矩；=13691.8 齿宽系数；=0.9 齿数；=33 许用齿根弯曲应力； = （3-45） 其中： 疲劳极限应力；=350