机械毕业设计（论文）285悬臂式水平轧机的设计【全套图纸】.doc

摘要 本文是针对285悬臂式水平轧机的设计. 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。近年来，国外线材的发展是稳定的、迅速的。摩根高速线材轧机已经发展到第五代。高速线材轧机如此迅速地发展，主要是因为它在45°无扭转精轧机组和控制冷却工艺是取得了成功。它的主要特点如下：1. 以碳化钨滚环代替轧辊，使换辊方便；2. 实现无扭转轧制；3. 采用组合结构，使轧机结构紧凑；本文对该设计方案的可行性和必要性作了分析并进行了计算。 285 。 ， ， ， 。, , , , . ,. . . , 45° . : 1. , ; 2. ; 3. built-up , . . 目 录第一章 概述11.1 线材轧机的发展11.1.1 国外线材轧机的发展11.1.2 国内线材轧机的发展11.1.3 线材轧机的发展前景11.2 线材轧机的作用、特点及工艺要求21.3 本文设计的内容、特点41.4 本文设计的整体方案4第二章 结构设计6 2.1 传动系统的设计与特点6 2.2 压下系统的设计与特点6 2.2 本文辊系的设计与特点7第三章 设计计算73.1 力能参数的计算8 3.1.1 轧制力的计算8 3.1.2 轧制力矩的计算11 3.1.3 轧制功率的计算11 3.2 主传动系统的设计计算11 3.2.1 主电动机的选择与校核11 3.2.2 减速器的选择与校核16 3.2.3 齿轮联轴器的选择与校核16 3.2.4 齿轮轴的设计计算17 3.2.5 轧辊轴的设计计算27 3.2.6 轴承的选择与计算34 3.2.7 传动箱体的设计36 3.3 压下系统的设计计算37 3.3.1 调节螺栓的设计计算37 3.3.2 辊缝调节计算38第四章 价值分析38第五章 结束语39主要参考文献42 概述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，其中主要一无扭精轧机组形式不同而分类。目前，世界上较有竞争力和具有代表性的几家为：摩根型、迪马克型、阿西洛型和达捏利型。其中摩根型无扭精轧机组在世界上已经有180多条生产线。德国西马克、英国戴维、日本往友等公司建造的高速轧机均属于摩根型，他占有明显优势。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45°无扭转精轧机组和斯太尔摩控制冷却系统占有优势。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变布全国，生产能力较解放前增长了数百倍。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，有两条途径实现半连续化：一是中轧机组和精轧机组改为二重式，粗轧机组为跟踪半连轧；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-立交替的全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45°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，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，这样复二重轧机已不能适应。从七十年代末到现在，我国一些主要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，我国自行设计研制的高速线材轧机也取得逐步成效。这使我国的线材生产发生了重大变化，一批集中了线材轧机新成就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由落后的三十至四十年代水平一跃提到七十年代末至八十年代的先进水平，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45°无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是已它的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精度、表面质量、性能及盘重等日益增长的要求不断发展。线材轧机的发展及演变过程主要代表为横列式线材轧机、半连续式轧机和连续式轧机。顾名思义，线材轧机是轧制线材的轧机。其作用是就是可以轧制不同规格的线材。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45°无扭精轧机组方面，主要特点如下：这种机组以碳化钨滚环代替轧辊，使换辊简单化。在换辊时，传动系统可保持原样，不必拆卸，这就可以取消接轴，采用精密的齿轮传动，把电机与输入轴直接，从而解决了轧机的振动问题，提高了轧制速度。括而言，高速线材轧机的主要特点为：高速、单线无扭轧制，组合结构小滚径、宽展小、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、长度最长，而且是盘成卷状的产品，其断面主要为圆形，也有六角和异性断面的。圆形断面线材的规格是538mm，经常生产的是5-9mm，盘重内径为700mm以上，外径为10001400mm，盘重为100300kg不等，线材按用途分为热轧状态和径二次加工（用于拔丝）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±0.1mm，长度公差在±0.2mm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框所示：小方坯加热轧制水冷卷取冷却检查捆轧出厂一般工艺流程如下：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收集称量入库线材轧制的特点：1.多采用小滚径、高转速以提高生产率。目前线材轧机成品出口速度以达到100m/s以上，一些新式精轧轧辊直径仅为152mm，而转速高达9000npm以上高速轧机还能促使终轧使轧件首尾温度趋于一致。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。现代化线材轧机一般有2128台轧机，并分为粗轧、中轧、预精轧、精轧机组。3.高速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，一般为三角弧形，三角圆孔型系统。45°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艺及布置：摩根高速线材轧机的工艺流程图如下： （15H18V）为预精轧机组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，它能把高温直线前进的线材以期望的线环直径成圈后平铺于斯太尔摩输送辊道上。它成为高速的实际生产提供了可能性。1.3本设计的内容、特点本文设计的题目为：285悬臂式水平轧机的设计，285预精轧机机组由4架轧机串列组成，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，使轧制线速度达到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行好和尺寸精度的重要环节。本设计的主要特点在于：通过调整螺杆使偏心套转动，从而迫使轧辊轴中心距发生变化，从而达到微调辊缝目的，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由上述叙述，这里只叙述他的传动方案：电动机联轴器减速器联轴器斜齿轮传动轧辊轴。其明显的特点是：齿轮轴与轧辊同在一个机架中，也就使减速箱与机架浑为一体。第二章 结构设计2.1 传动装置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，顾要求4台电动机同步运行，本轧机由于采用了单级齿轮联轴器传动，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。 齿轮联轴器一般用于重型机械，具有承载能力大，工作可靠、无缓冲减振性能，需润滑。且本设计采用连续工作制，不必经常启动、制动，传动也不可逆，故本设计传动系统可用齿轮联轴器。 本设计传动系统的示意图如前所示：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滚缝的调节来实现的。通过滚缝的微调功能，轧出不同规格的线材，达到所需的要求。在预精轧机组中，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而对称地调整轧辊轴，达到调整滚缝的目的。偏心结构的示意图如下图所示： 2.3本设计辊系的传动及特点 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轴，再分别传动一个轧辊，由于本设计的轧辊为悬臂式，故将辊身做成滚环的形式。 以滚环代替轧辊的好处是：换辊简单，且在换辊时传动系统可保持原样不须拆卸，解决了轧机的振动问题。又由于滚环是以很高的耐磨性能的碳化钨制成，故轧出的线材表面光亮。 采用二分辊式的最大特点为：可以使两辊同步运转，不致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 285mm 最小辊身直径 255mm 辊 环 宽 95mm 材料：碳化钨 孔 型 椭圆型 最大有效工作辊 280.46mm 最小有效工作辊 246.80mm 有效工作辊径=（辊身直径1.33×轧槽深度）×1.01传动系统: 传动比 i=2.0×27/33=1.636直流电机: 功率 N=500KW转速 n=650/1300rpm电压 I=960A 电动机转动惯量 6.9kg.m压下系统: 辊缝调节 0.41mm/转(调节螺丝)轧机转动惯量 4.02kg.m2(已换算到电机轴上)3.1力能参数的计算3.1.1轧制力的计算1.平均单位轧制力的计算：采用S.艾克隆德方法计算轧制时的平均单位压力：Pm=（1+m）（k+）式中：m考虑外摩擦对单位压力的影响系数； K轧制材料在静压缩时变形阻力，MPa： 轧件粘性系数，kg.s/mm2 变形速度，S-11）外摩擦影响系数： m= 1.6R(h0h1)1.2(h0h1)/（(h0h1)式中：摩擦系数，因为轧辊环材料为碳化钨，属于硬面铸铁轧辊，所以=0.8（1.050.0005t），T为轧制温度；=0.8（1.050.0005t）=0.8（1.050.0005×950）=0.46h0、h1轧制前后轧件的高度；mmR轧辊半径；mmh0=26mm h1=20mmR=dmax/2=280.46/2=140.23mmm=1.6×0.46×140.23×（2620）1.2（2620）/（26+20）=0.308 m=0.3082）变形阻力： 利用L0埔培（Pomp）热轧方坯的实验数据，得到k的计算公式：k=（140.01t）（1.4+c+Mn+0.3Cr）×9.8MPa 式中 t轧制温度；°C C含碳量； % Mn含锰量； % Cr含鉻量； % 查自机械由1查得 C=0.2 Mn=1.0 Cr=0.25 设计手册 k=(1.40.01×950)（1.4+0.2+1+0.25）×9.8 第一卷 =125.685MPa k=125.685 MPa3）轧件粘性系数： =0.01×（140.01t）C kg。s/mm2 式中: C 考虑轧制速度对的影响系数其值如下：轧制速度v，m/s 6 610 1015 1520系 数C 1.0 0.8 0.65 0.60 i =n电/n轧=27/33×2.0=1.636 n轧=n电/i=1300=795 rpmV=2n轧R=2×295×140.23/60=11.674m/s由2 取C=0.65 查自轧钢机械=0.01×（140.01t）×C=0.01×（14950 修订版 ×0.01）×0.65=0.0293 =0.0293 4）变形速度： 2vh/R/h0 +h1 ；S-1式中：v 轧制速度 ， mm/s h0，h1轧制前后轧件的高度； mm R 轧辊半径 ，mmU=2vh/R/h0 +h1=2×116774×6/140.23 /（26+20）=104.99 S-1综上可得：平均单位压力为： Pm=（1+m）（k+u）=（1+0.308）×（125.685+ 0.0273×104.990）=168.42N/mm2 Pm=168.42N/mm22.计算轧制力： P=Pm×F式中: Pm平均单位轧制力；Pm=167.35N/mm2 F 轧件与轧辊接触面积； F=（b0+b1）/（2 ×l）其中： b0、b1轧制前后轧件的宽度； l 接触弧长度的水平投影；1）接触弧长度： 不考虑弹性压扁时，接触弧长度的水平投影为：l =R ×sinRdhm 式中：Rd当量半径； Rd2（Rhm1/2）2/（2Rhm1） R轧辊最大的半径 R=285/2=142.5mm R=142.5mmhm1轧制后轧件的平均高度 hm1=Q1/b1 Q1、b1轧件轧制后的断面面积和宽度，mm2 ，mmhm1=R12/2 R1=R1/2=×10/2=15.71mmRd=2×（142.515.71/2）2/（2×142.515.71） Rd=134.645mm =134.645mm h压下量 hm=Q0/b0Q1/b1=R02/2R0R12/2R12 =R0/2R1/2=×13/2×10/2 =4.712mm hm=4.712mm接触弧长度的水平投影为： l =Rd×hm =134.645×4.712=25.188mm l = 25.188mm接触面积为： F=（b0+b1）/2 ×l=（2620）/2×l=（2620）/（2×25.188）=579.324mm2 F=579.324mm2 轧制力为：P=Pm× F=168.42×579.324=975569.75N P= 975569.75N3.1.2.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，此类情况属于简单轧制。轧制力矩：MZ总=2MZ MZ=P×a试中：P 轧制力 a 轧制力力臂，即合力作用线距两个轧辊连线的垂直距离1）.计算轧制力臂：a =D/2×sin合力作用点的角度，轧制圆形断面形状的轧件由2取力 查自轧钢机 臂系数为=0.6 械修订版热轧时：=/=0.6 咬入角 =arccos（1hm/2R）=arccos（1hm/2R） =10°313”= arccos（14.712/280.46）=10°313” R最大有效工作辊径=×d=0.6×10°313”=6°1838 =6°1838a =D/2×sin=285/2sin6°1838=15.663mm a =15.663mm2)轧制力矩 MZ=P×a=97569.74×15.663=1528234.8N.mm MZ=1528234.8 故总轧制力矩为:MZ总=2 MZ=2×1528234.8=3056.6968N.m MZ总=3056.69683.1.3.轧制功率:两辊都驱动的轧制功率: MZ= MZ总式中: 轧辊转速 =2n/60= 2×795/60=83.252 rps =83.252 rps NZ= MZ总×=3056.6968×83.252=254422.41=254.42KW NZ=254.42KW 3.2主传动系统的设计计算3.2.1.主电机的选择与校核1.轧机主电机力矩主电动机轴上的力矩由四部分组成，即：MD=（MZ+Mf1）/i+Mf2+Mkon±Mdon = MZ/i+ Mf+ Mkon±Mdon式中： MD主电动机力矩。 MZ轧辊的轧制力矩。 Mf附加摩擦力矩，即当轧制时，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 Mf= Mf1/i+ Mf2Mkon空转力矩，即轧机空转时，由于各传动件的重量所产生的摩擦力矩及其它阻力矩 Mdon动力矩，轧辊运转速度不均匀时，各部件由于有加速或减速 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： MZ=3056.6968N.m2）.附加摩擦力矩： Mf= Mf1/i+ Mf2 式中：Mf1由于轧制总压力在轧辊轴承上产生的附加摩擦力矩 Mf2各转动零件推算到主电机轴上的附加摩擦力矩。摩擦力矩：（1） Mf1=P.1P轧制力 P=97569.74N1轧辊轴承处摩擦圆半径。1=d/2× 其中：d轧辊轴径直径 预选 d=190mm 预选d=190mm 轧辊轴承摩擦系数。取=0.00351= d/2×=190/2×0.0035=0.3325mmMf1=P.1=97569.74×0.3325=32.44N.m Mf2=(1/11) ×（MZ+Mf1）/i式中：1主电机到轧辊之间的传动效率，其中不包括空转力矩Mkon的损失。 取1=0.94 i 主电动机到轧辊的传动比 Mf2=(1/11) ×（MZ+Mf1）/i =（1/0.941）×（3056.6968+32.44）/1.636 =120.46N.m Mf=140.29 N.mMf= Mf1/i+ Mf2=32.44/1.636+120.46=140.29 N.m 3）Mkon=Gndnn/2in+Mkon 式中: Gn某一转动件的重量 dn某一转动件的摩擦系数 n某一转动件的摩擦系数 in某一转动件到电动机之间的传动比 Mkon当有飞轮时，飞轮与空气摩擦损失的力矩。因此本设计无飞轮，所以Mkon=0 由于还未进行传动件的设计计算，故其重量与轴径直径未知，现在进行估算，后面选择电动机时考虑其误差。 项目轴重量Gn轴径直径dn摩擦系数n传动比in减速器输入轴1148kg160mm0.0041减速器输入轴2148kg160mm0.0042.0输入轴3344kg110mm0.0042.0输入轴4220kg110mm0.0042.0轧辊轴5250kg190mm0.0031.636轧辊轴6250kg190mm0.0051.63Mkon=Gndnn/2in 公式查自 =9.8×148×0.004×0.160/2+148×9.8×0.004× 轧钢机械 0.16/2×2+344×9.8×0.004×0.11/2×2+220× 9.8×0.11×0.004/2×2+250×9.8×0.19×0.003 /2×1.636+250×9.8×0.005×0.19/2×1.636 =2.44233 N.m 取Mkon=5N.m Mkon=5N.m4) 动力矩:Mdon=J.d/dt=GD2/4×d/dt N.m式中: GD2各转动件推算到电动机轴上的飞轮力矩 d/dt电动机的角加速度，由电动机类型和操作情况而定。GD2=4.02kg.m2=4.02×9.8=39.436 N.m2假设电动机在5秒内启动正常 = d/dt=2×1300/60×5=27.23 rs-2Mdon= GD2/4×d/dt=39.436/4×27.23 Mdon=268.432 N.m =268.432 N.m 故主电动机力矩:MD= MZ/i+ Mf+ Mkon±Mdon =3056.6869/1.636+139.46+5±268.132 =2281.28 N.m MD=2281.28 N.m 1744.42 N.m 1744.42 N.m2.按静负荷图选择电动机容量 根据过载条件选择电动机的功率ND 静负荷力矩： 公式查自轧 Mj= MZ/i+ Mf+ Mkon 钢机械 =3056.6869/1.636+139.46+5=2012.85 N.m Mj=2012.85 因线材轧机属于不可逆式连续工作制轧机，故负荷图为： Mer= Mjmax/k式中： Mer额定静力矩 Mjmax静力矩图上的最大力矩 K电动机过载系数，因电动机属于不可逆运转取 取k=1.5 k=1.5Mer=2012.85/1.5=1341.9 N.m Mer=1341.9 N.mND= Mer.=MerNer=×1341.9×1300/30 =182.59 KW ND=182.59按过载条件选择电动机功率ND=200KW即可，但考虑到计算上的误差和轧制功率 NZ=252.84KW选择 Ner=500KW Ner=500KW ner=6501300rpm 冶金用直流电动机 ner=65013002.电动机的发热校核 选出的电动机还需经过发热校核：NDNjun 即 MDMjuN式中：Njun，NjuN电动机发热计算出来的等值功率和等值力矩；等值力矩：NjuN=M2jt/t因为高速线材轧机是连续工作制MjuN=Mer=1341.5 N.m MjuN=1341.5N.m等值功率：Njun=MjuN.ner/30=×1341.9×1300/30 Njun=182.59KW =182.59KW500KW 电动机发热校核电动机发热验算通过,即电动机功率满足要求。 通过3.2.2.减速器的选择及校核1.减速器的选择： 按强度选用减速器 查自机械零 计算功率：PC=KA×PPP1K 件设计手册 共况系数KA按中等冲击载荷查得 KA=1.25 第四版<上> 按i=2及 n1=1300r/min 相接近的公称功率 表1840 n1=1000rpm 查表1831得ZDY280PP1=488K 当n1=1300r/min折算许用公称功率PP1=488×1300/1000=634.4K 代入前式,得 选用减速器PC=1.25×=625 K< PP1=634.4 K 的类型为：选用减速器的类型为: ZDY2802 ZDY2802ZBJ19004 ZBJ2.校核热功率Pt 19004 Pt=Pf1.f2 PG. .K 查得环境温度系数f1=1负荷功 查自机械负荷功率f2=1（每月24小时连续工作） 零件设计手 Pt=500×1×1=500K 册第四由1837可得ZDY280 版 <上>PG1=145275 K< Pt 不能合格 表1842 若采用盘状水管冷却,PG2=550 K， Pt 可以使用3.2.3.齿轮联轴器的选择与计算：1.齿式联轴器的选择：本次设计中，电动机伸出轴与减速器输入轴及减速器输出轴与轧机输入轴之间，须采用联轴器联接。由已知，电机轴径d=140mm，传动轴轴颈直径 d=110mm，选择GICL型鼓型齿式联轴器。在电动机与减速器之间，选用GICL10，在减速器与轧机之间选用GICL11。即：GICL10联轴器J1140×200/J1B110×165GICL11联轴器J1130×200/J1B110×165 IBJ190B89由4P198知GICL10额定转矩31500N.m。许用转速n=2150rpm，转动惯量1.88kg.m2.质量157kg;GICL11额定转矩400