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1,冶金机械设计理论,1、机械系统设计 机械系统设计的任务及方法 机械系统的方案设计 机械系统的总体设计,2,1、机械系统设计,1.1 机械系统设计的任务及方法一、机械系统的组成 机械系统主要由动力系统、传动系统、执行系统、操纵及控制系统组成。1 动力系统：即机械系统的驱动装置，是机器的动力源，如电机、液压马达等。作为冶金机械其动力源一般采用电动机。2 执行系统：即机械的工作机构或执行机构，利用机械能来改变作业对象的性质、状态、形状与位置。如起重机的吊钩、轧机的轧辊等。,3,3、传动系统：,在动力源与执行机构间传递运动与动力的中间环节，如减速机；其作用是改变运动形式（转速）或力（力矩）的大小。4、操纵与控制系统：使机器的各个系统能协调地进行，一般通过人工操作实现操纵功能，如离合、制动、变速等。,4,二、机械系统设计的任务,机械系统设计的目的：提供质优价廉的机械产品。一般而言，产品的质量首先取决于设计；产品质量事故大多由设计不当造成的，产品的成本60-70%取决于设计。1、合理确定系统功能：机械的功能是最重要的，用户购买的就是机械的功能。机械的功能F越高，价格C越低，说明产品的价值V越高（也就是一般所说的值不值的问题）；这就是价值工程的原则：Value=Function/Cost。可以采用各种不同的方法以提高产品的Value。2、提高可靠性：,5,任何产品均有其无故障工作时间，可靠性与失效概率等设计指标，使机械产品具有合理的（不是越长越好）生命周期。,3、提高经济性：经济性指产品低的制造成本以及高的性能指标。所采取的措施：确定合理的安全系数及可靠性指标。产品设计标准化。采用新技术、新工艺及新材料；不断改进产品。从设计上改进产品的结构工艺性，采用新的加工工艺，降低制造成本。不断提高产品的效率并确定合理的更新周期（设计使用寿命）。,6,4、保证安全：,指机械本身的安全与人机环境的安全。5、提高可循环利用、环保性：指对周围环境的影响，减少排污（如开发环保产品无氟冰箱），废弃零部件可再生性等。,7,三、机械系统设计类型与步骤,近年来，机械设计采用系统工程的方法进行产品的设计与开发；对于复杂产品而言，这一方法尤为重要，可缩短产品的开发周期并使产品更加安全可靠。1、机械产品设计类型开发性设计 全新设计。适应性设计 改进原产品的某一结构，而功能、原理不变。变参数设计 改进原产品的结构参数，而功能、原理不变。组合选型设计 选用标准零部件组合成新的产品，如液压系统设计。,8,2、机械系统设计过程,选型设计 根据生产需要，直接选用标准产品及零部件：如减速机等。以上五种类型中开发性设计是最具创新精神的也是难度最大的，但在机械设计中不多见。而适应性设计则是较多的。,机械系统设计一般包括计划、外部系统设计、内部系统设计和制造、销售4个阶段。具体见教材表1.1。作为本专业的要求，主要是第3步内部设计。,9,1.2 机械系统的方案设计,方案设计是整个设计的关键，方案设计应从机械系统的功能要求入手，分析其中的技术过程并寻求解决的途径。一般解决问题的方法可能不止一个，要加以比较优化找出其最佳方案；并将复杂的设计要求分解、转化为简单的功能模块，最终达到解决问题。一、设计任务抽象化 将各类产品的工作目的和特征总结为三个基本要素：能量、物料与信息。这三个要素在整个工程中形成功能流、物料流与信息流。对于复杂机器，应采用黑箱法进行抽象，与环境的关系采用输入/输出量表示，如图1.1即为顶吹氧气转炉的黑箱模型。由此可确定工艺原理。,10,黑箱模型图,11,顶吹氧气转炉设备模型,12,二、确定工艺原理,由上述黑箱模型打开后得出实现作业对象转化所要求的工艺原理并可得出实现这一工艺原理所对应的设备模型，如图1.2 所示。这也就确定了相应的作业顺序及机械系统。三、确定技术过程 确定了工艺原理以后，即可确定转化所需的程序及顺序。一般用方框图表示，如图1.3所示。图中工艺原理构成了技术过程的主流程（即图中的中间模块），而主流程不断地得到物料流、能量流与信息流的补充。,13,技术过程的一般形式,14,五、确定功能结构,功能是系统的属性，它表明系统的效能以及可能实现的能量、物料、信息的传递与补充。总功能可以逐级分解成子功能，最终不能分解的基本功能单元又称功能元。子功能组合而成机械系统总体的功能。功能的分解与组合关系称之为功能结构。如轧钢机可分为互相平行的工作机座与主传动两个子功能系统；而子功能系统还可再加以细分直到轧辊、齿轮座等功能元。,四、引入技术系统并确定系统边界 所谓引入技术系统就是根据技术过程的要求确定机械系统的具体的任务，并把这个任务分配给子系统。而子系统的构成又取决于机械化与自动化的程度以及系统边界的划分。,15,六、确定设计方案,1寻找实现分功能的载体：技术物理效应即物理学原理在工程上的应用，也就是实现其功能的载体。应用物理学上的力平衡原理可导出滑轮，滑轮就是一个功能载体。分功能与技术物理效应是对应的，找到了并确定了实现分功能的载体，就可以组成具体的设计方案。2功能载体的组合：从原理上讲，每一个分功能均可找到其对应的技术物理效应与功能载体，后者的组合则可得到实现总功能的各种不同的总体方案。可能的功能与其载体的组合构成形态学矩阵，如表1.2所示，就是轧机压下的形态学矩阵。3确定基本结构布局：前述每一种组合只是一种功能性的概念，其功能载体在空间可以有不同的组合，对于每一种组合可能有不同的结构布局，由此可加以选择并得出一种基本的结构布局。,16,1.3 机械系统的总体设计,一、初步总体设计及总体设计 每一种机械系统不是孤立的，它与外界系统存在着密切的关系，设计机械时，必须考虑这一因素，使所设计的机械与环境相适应，达到尽善尽美的地步。1、初步总体设计：即绘制机械布置草图，确定各部件及相对位置、主要尺寸。对整机进行必要的工作能力与性能预测。特别要注意各个部件之间的联系和协调，消除薄弱环节，提高可靠性、经济性。2、总体设计：对初步设计的结果进行进一步完善，对所设计结构作完整的描述，并以此作为下步零部件设计的依据。要严格按比例画图，并表示出相关的细部结构与重要尺寸。,17,二、机械系统的总体布置及主要技术参数的确定,总体布置必须有全局观点，一般先布置执行系统，再布置传动系统，操纵系统等。总体布置不可能一次到位，往往需要通过多次反复修改方可确定。1、基本要求：保证工艺过程的连续与流畅。即保证前后作业工序的连续与流畅，物流合理，各部件的运动不发生干涉。降低质心的高度、减小偏置。目的是提高机器在工作时的稳定性。保证精度、刚度及抗振性。主要是为了提高机械的传动精度以保证机器正常工作并确保产品的制造精度。如飞剪，锯切等。,18,操作、维修简便。应给维修工作留有作业空间，零部件易于安装与更换。外形美观。注意外观形象，符合美学原则。对称和谐，有稳定感与安全感。将技术与艺术统一起来，使产品受到用户的喜爱。,2、执行机构的布置：应使零部件尽可能的少，缩小机构的尺寸；使原动件接近执行机构；要考虑作业对象的运送方便与安全。3、传动机构的布置：简化运动链，所用零部件愈少愈好；合理安排传动顺序，如将带传动安排在高速级，将转变运动形式的机构（如曲柄连杆机构）安排在靠近执行机构的位置以简化机构、减少冲击。4、操纵件的布置：要方便操作，要靠近操作人员并考虑人的习惯。,19,5、总体主要参数的确定,包括生产能力、尺寸参数、力能参数（负载及驱动功率）以及机器的运动参数（速度范围）等。以上就是设计机器的一般的步骤与要点：包括总体功能及方案设计。实现一种功能可以有多种不同的配置与方案，作为设计者必须从中进行比较、优化；力求选取其中最优的，也就是性价比最高的设计方案。,20,第二章：轧制力能参数,计划学时：10学时 主要内容：轧制过程基本概念及主要参数 轧制时接触弧上的平均压力、屈服条件；卡尔曼微分方程及其Bland-Ford解；奥洛万方程及Sims解；轧制压力计算的其它方法。轧制总压力及轧制力矩的计算、电机形式及功率选择。重点及难点：重点-轧制过程主要参数及轧制压力计算、屈服条件。难点-变形区的单位压力计算微分方程；轧制时接触弧上的平均压力。,21,2、金属塑性变形轧制力能参数,2.1 轧制过程的基本概念及基本参数 轧制力能参数轧制力与轧制力矩、电机功率确定。研究方法：理论计算（解析法、滑移线法、有限元法等）；还可以用实测方法。目的：建立轧制力计算数学模型及轧机强度计算。一、轧制时的变形区的金属的应力状态 由两条接触弧围成的区域称之为变形区。由于轧件在垂直方向产生压缩，沿横向及轧制方向产生延伸，在接触区内存在阻止金属滑动的摩擦阻力，故变形区内的金属处于三向压缩状态，如图示。,22,23,二、变形区及其参数,D、R 轧辊直径、半径。h0、h1：轧制前后轧件高。压下量：h=h0-h1 b0、b1：轧制前后宽度。宽展量b=b0-b1 L0、L1：轧制前后轧件长。延伸率=L1/L0,24,咬入角，接触弧所对应的中心角。cos=1-h/D AB弧称为接触弧或咬入弧。l接触弧的水平投影 以上各参数定义必须牢固掌握！,25,三、轧制过程变形系数,四、绝对压下量与相对压下量1、绝对压下量：h=h0-h12、相对压下量：=h/h0%,26,五、轧制时的前滑与后滑,1、定义：轧制时轧辊的圆周速度Vr与轧制速度V不等。（VrV）在变形区的出口：V Vr前滑。在变形区的入口：V Vr后滑。在接触区内必有一点：V=Vr，称之为中性点。相对应的角为中性角，所对应的轧件断面为中性面。,27,2、中性角计算公式：式中:T1、T0分别为轧制时的前张力与后张力。在前滑区轧制速度大于轧辊水平速度，在后滑区轧制速度小于轧辊的水平速度。,28,前滑区及后滑区,29,3、前滑的计算公式,4、应用 在连轧中必须保持各架的金属流量即秒流量相等，即：ViFi=C C为常数 而 Vi=Vri(1+Si)即：FiVri(1+Si)=C i为机座数，i=1,2,n,30,六、变形速度,单位时间内的变形量，即相对变形量对时间的导数称之为变形速度,31,在轧制中平均变形速度um的求法：,以上分别表示实际轧制中冷轧与热轧的工况；在冷轧时，轧件较薄而且接触弧长较长。而热轧则与之相反。,32,七、咬入条件,建立轧制过程的首要条件是咬入。1、开始咬入：,由X=0 2Nsin-2Tcos=0 可以导出：=tg 即咬入角：=arctg=2、稳态轧制：,33,八、金属的塑性变形阻力,咬入后欲保持稳态轧制，必须保证法向力N与摩擦力T的水平分量平衡。由图此时的1,（1/2）如成立，则1必然成立。故一旦咬入，就会继续咬入，形成稳态轧制过程。,1、定义：金属的塑性变形阻力指单向应力条件下，材料产生塑性变形所需的外加应力。它取决于材料的品种、变形温度t、变形速度u、变形程度等。一般用或s表示。它的值一般用实验确定。2、实验曲线 金尼克曲线 图2-5给出的是=30%时的；对30%时应考虑修正系数K,34,金尼克曲线,35,库克曲线,图2-6以ln(h0/h1)为横座标，以变形抗力为纵座标，对于不同的温度有不同的图形。,36,冷态下的变形阻力 一般用s或0.2表示，其变形阻力曲线见图2.7,除采用曲线形式外，也可用公式的形式进行计算以便于计算机控制。,37,2.2 轧制时接触弧上的平均单位压力pm,预备知识：1、为方便计算，一般以接触区平均单位压力pm计算总轧制压力。它包含了沿接触弧径向和切向力的垂直分量的总和：,其中应力状态影响系数由三部份组成：外摩擦影响系数、外区影响系数及张力影响系数。大多数轧制压力计算公式是计算n的公式。,38,2、屈服条件Mises屈服准则（补充内容）,形状变化位能理论：当该位能U达到某一临界值时则产生塑性变形。在某种条件下，它是一个常数：,39,的最大值为1.155平面变形的情况。而在1=2或2=3时，=1。这就证明了值的变化范围是11.155之间。它是随中间应力的变化而变的，所以它实质上反映了中间主应力2对材料塑性变形的影响。,40,一、卡尔曼(Karman,1925)单位压力微分方程,基本假设：平面变形假设 2=0 平断面假设 xy=0,x,y为主方向，x均布 Mises条件 1-3=k 干摩擦理论 t=px,41,Karman方程的推导,上式中，px是未知量，求解方程必须找出px与x,tx之关系。由基本假设x,y均为主方向：1=y 3=x,42,Karman方程的推导,上述公式即为卡尔曼单位压力微分方程,43,二、Bland-Ford公式,卡尔曼方程中的轧制压力沿接触弧的分布Px根据不同的假设有不同的求解方法。比方说，可以将接触弧假设为一条直线（采利柯夫解）。这里介绍求解Karman方程的Bland-Ford解法。1、Bland-Ford解法的基本假设与积分 简化公式2-18，设px=k,k为变形抗力 设接触弧为抛物线：hx=h1+R2=dhx=2Rd=d=dhx/2R 当很小时，tgsin=x/R=dx=Rd而dhx/dx=2Rd/Rd=2R,44,Karman方程的积分-系数C如何确定?必须考虑轧制时的边界条件,将2-18变换并简化：,45,2、Bland-Ford公式中常数C的确定,入口（x=l,y=h0/2)及出口(x=0,y=h1/2)的边界条件：由1=px,3=x.如x=0则由屈服条件px=k（变形抗力）在有张力的条件下：后张力 q0=T0/F0 前张力 q1=T1/F1,由px-x=k可以得出：px=k+x入口处：x=q0，单位轧制压力p0=k-q0（后滑区）出口处：x=q1，单位轧制压力p1=k-q1（前滑区）代入式(2-22),可以解出后滑区及前滑区内的系数C值。,46,常数C的确定：,47,3、接触区的单位宽度的总压力P,2-23解出的是接触区内单位面积的压力，将其在接触弧长范围内积分则得出单位宽度的压力P1即：,由于在前滑区与后滑区内单位轧制压力的表达式不同，其中心角的分界为中性角，所以必须确定中性角的值。确定的方法是：在中性点其轧件厚：h=h1+R2，用不同的公式解出的轧制压力应该是相等的，由此可解出中性角的值，从而确定积分上下限。(2-25),48,总轧制压力P的确定：,49,Bland-Ford公式的导出：,式（2-27）可表示为：P=Fpmpm-平均单位压力；pm=nkn=(1-q0/k)(，B)(B为张力影响系数)即式（2-27）大括号内的积分，为简便起见可查表得出。见图2-9。,50,Bland-Ford公式的算图,51,4、简化公式Hill公式,Bland-Ford公式一般用于冷轧薄板轧制中的平均单位压力的计算，比较精确。如武钢1700冷轧的数模就采用Bland-Ford公式。,52,三、奥洛万单位压力计算公式（Orowan 1946),1、基本假设条件：接触区内的摩擦力ts粘着 平面变形 2=0 变形抗力为常数 k=c 平断面假设不存在,x、y不是主平面；xy沿y向不均匀，中心层=0；屈服条件1-3=k不适用，而应为：(x-y)2+4xy2=k2,53,2、微分体内的力的平衡条件,由X=0可导出(奥洛万)方程：Q+dQ-Q-2pRdsin 2Rdcos=0即（2-30）：dQ=2R(psincos)d其中正号为后滑区负号为前滑区。求解上式必须知道Q与p之间的关系、以及接触弧的形状。对于平面变形问题，水平力Q与p的关系为：Q=h(p-k)(2-31)在粘着的条件下：=/4,54,四、西姆斯(Sims 1954)公式,以下介绍奥洛万方程的西姆斯解法；1、基本假设：变形区为粘着，tx为常数 tx=k/2 水平力 Q=h(p-k/4)接触弧为抛物线：h=h1+R2=dh/d=2R2、简化与积分，求沿接触弧压力分布p 当较小时：sin,cos1;(2-30)式可简化；dQ/d=2R pRk(2-32),55,Sims公式的推导,将Q=h(p-k/4)代入上式：,56,Sims公式的推导,57,而平均轧制压力pm=P/F由此可得出pm的计算公式2-40及相应的n的计算公式。,58,3、Sims公式的算图及简化公式,算图：由轧件的相对压下量及轧辊半径R与出口厚的比值R/h1可以由算图查出相应的n=pm/k进而求出平均压力pm Sims公式的简化：志田茂公式,Sims公式的适用条件：热轧薄板（平面变形、张力不计）。,59,五、M.D.Stone公式（1956）,基本假设：在冷轧薄板的条件下，考虑了工作辊的弹性压扁，将冷轧过程看作是两平行平板间的压缩，并假设轧件与轧辊之间的摩擦力t=p；1、方程的建立与积分;取后滑区的微元(向右力为正),60,X方向力的平衡方程X=0,61,2、边界条件,当x=l/2时，1=px,3=-m 由屈服条件：1-3=k=1=k+3=k-m 代入(2-49)得：,如同其它轧制压力计算公式一样，必须根据轧制时的边界条件，确定积分常数C的值。,62,3、求平均单位压力pm,63,4、Stone公式的算图算法,必须指出的是，Stone公式中的接触弧长的水平投影l是弹性压扁以后的值，它比未压扁以前的值要大。它的值可用赫奇可克公式进行计算。,64,Stone公式的算图算法,65,Stone公式的图解法,66,六、艾克隆德公式（S.EKLUND）,公式形式（Pm为平均压力）：Pm=(1+m)(k+u)-(2-58),设t为轧制温度=1.05-0.0005t（钢轧辊）=0.8(1.05-0.0005t)（铸铁辊）k-轧件静压缩时的变形阻力：k=(14-0.01t)(1.4+C+Mn+0.3Cr)9.8 MPa 式中：C、Mn、Cr-含对应元素的百分数%粘度系数：=0.01(14-0.01t)C1 kg.s/mm2 C1为与轧速有关的系数。,67,2.3、轧制总压力与轧辊传动力矩,变形速度u按以下公式计算：,EKLUND公式一般用于热轧型钢、钢坯的轧制压力计算。,一、轧件与轧辊的接触面积F 对板带产品：,68,1、不考虑轧辊弹性压扁,对于矩形轧件：如上下轧辊半径R1=R2=R，则：,当R1R2时，取当量半径：,对于异形断面可以采用图解法，也可采用近似算法。2、考虑轧辊的弹性压扁 弹性压扁产生于单位轧制力较大的冷轧及热轧薄板。它引起轧辊半径变大，进而引起接触弧变长。由赫奇可克公式，压扁以后的接触弧长的水平投影长:,69,（考虑轧辊的弹性压扁）上式可化为：(2-64),对热轧薄板：q=1+1.1510-5 pm/对冷轧薄板：q=1+1.3310-5 pm/-咬入角由此可得出接触弧长与平均轧制压力之间的线性关系。-压缩后的轧辊半径R(显然：R R)设Q为单位宽度的轧制力：Q=pm,70,考虑轧辊弹性压扁的轧制压力的迭代算法,一般以以上公式求弹性压扁以后的接触弧长水平投影或轧辊半径。由于方程右端含有未知量故方程必须迭代求解，其计算框图如下：,71,二、轧制总压力的方向与轧辊传动力矩,1、二辊简单轧制简单轧制指一种理想轧制工况，即两辊大小相等、等速，无轧制力以外的外力。根据力的平衡条件，此时轧制力的合力必定是等值反向，同时位于垂直面的方向。作用于一根轧辊上的驱动力矩为Mk:Mk=Mz+Mf=P(a+1）-(2-70)力臂a=Dsin/2摩擦圆半径1=d/2d-工作辊辊颈直径,72,2、轧制力在接触弧上的作用点,总传动力矩：Mk=2Mk=2P(a+1)=P(Dsin+d)-(2-71),也就是上式中值如何确定的问题。或称之为力臂系数：=x/l，一般力臂系数取=0.5采利柯夫认为：热轧时=0.5 冷轧时=0.350.45对中厚板轧制，Sims认为：,73,3、带张力轧制时的四辊轧机驱动力矩Mk的求法,四辊轧机一般驱动工作辊，而支承辊则靠工作辊与支承辊之间的摩擦力带动。所以应对工作辊进行受力分析，以求出其驱动力矩Mk.四辊轧机工作辊与支承辊的偏移距e，e=510mm由此引起其连心线的偏角：,工作辊与支承辊之间的滚动摩擦系数m=0.1-0.3mm，也就是工作辊沿滚动方向偏移其连心线的距离。支承辊被动，其转动的条件为接触压力的合力R必须相切于支承辊摩擦圆。工作辊受三个力：轧制力P，支承辊反力R及水平力F,74,1、轧制力P,75,2、支承辊对工作辊的反力R,大小：P=pm*F（接触区的水平投影面积）方向：取决于前后张力的大小，其与垂直方向的夹角为：,以垂直方向为0，0右偏，0左偏。,轧制力臂 a=R1sin(-)轧制力矩：Mz=Pa-(2-73),方向：与垂直方向偏角+由Y=0:Pcos=Rcos(+),力臂c=KH+O1K=mcos+R1sin由R引起的阻力矩：MR=R.c-(2-74),76,返回,77,返回,78,3、水平力F,由作用在工作辊上的三力平衡：水平力：F=Rsin(+)+Psin水平力引起工作辊的摩擦力矩（作用在工作辊轴承上）Mf=F.r1.1=F.1 r1为工作辊辊颈直径总的驱动力矩：Mk=Mz+MR+Mf-(2-72)而驱动上下工作辊的力矩为它的两倍。,79,4、四辊轧机辊系的稳定性,正向轧制与反向轧制：偏移方向与轧制方向一致为正向轧制；反之为反向轧制。为保证轧制精度，必须使e的偏移方向不变，即使水平力F的方向朝向一个方向。F0根据上面导出的水平力的计算公式：,80,四辊轧机的稳定性问题,正向轧制取正号，反向轧制取负号。e值一般取5-10mm,在设计时，必须使ee0才能保持辊系在轧制时的稳定性。,81,式中，i为传动系统的总传动比，为其传动效率，Mkon为传动系统的空转力矩，一般取总静力矩的5-10%即可；Mdon为系统动力矩，其值应根据实际情况具体分析。二、附加摩擦力矩这是由轧制力引起的传动系统的摩擦力矩，作用在轧辊轴承上的摩擦力矩在求传动力矩时已求出(Mf=P)而其它的摩擦力矩可由效率考虑，应考虑传动系统各个部件的效率相乘。,2.4 轧机主电机力矩与电动机功率,一、主电机功率根据求得的轧机总驱动力矩即可求得主电机力矩,82,三、空转力矩与动力矩,空转力矩Mkon由各转动部件的自重所引起的（包括空气阻力）,动力矩,当系统加速时，d/dt0,减速时d/dt 0,83,四、选择电动机功率的基本方法,1、轧机的工作制度轧机的工作制度不同，其选用的电机也不同。如可逆式轧机，其速度大小与方向均为可变的，一般用直流它激电动机；由于近年来控制技术的发展，也可以采用交流变频调速的电动机。（表2-3）2、选择电机功率的基本方法 轧制中负荷变化不大（动负荷小）一般选用异步电机，对于大的电机；也可选用同步电机以利提高电网的功率因素。如需调速则可选用直流并励电机。其功率按轧机的静负荷图确定。,84,轧制中负荷变化大,可采用软特性的电机并采用飞轮。轧制过程中负荷及速度均为可变的或可逆的 采用并励式电动机，并应考虑轧制时的动负荷。但不管是何种轧机，其电机选用根据其工作制度可为交流电机、直流电机；或交流变频调速，而后者是目前的发展趋势。如宝钢三期工程轧机主传动中大量选用交流变频调速电机就是一个好的例子。3、选取过程必须先作出电机的静负荷图，再求出其平均静力矩：,85,而电机的额定力矩为：Mer=(1.21.3)Mjm电机功率：N=Mer求出的电机功率必须标准化；此外还应进行发热及过载校核：MerMjunMerMmax/k k-过载系数,