Φ400X500S四棱锥冷轧带钢设计

本科毕业设计（论文）400X500S四棱锥冷轧带钢卷取机燕 山 大 学2010年6月 本科毕业设计（论文）（400X500S四棱锥冷轧带钢卷取机）学院（系）： 专 业： 学生 姓名： 学 号： 指导 教师： 答辩 日期： 燕山大学毕业设计（论文）任务书学院： 机械工程学院 系级教学单位：机械系 学号学生姓名专 业班 级题目题目名称400500四棱锥冷轧带钢卷取机题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）2.管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容1、了解滚筒式卷取机的结构和功能；2、掌握卷取机的工作原理；3、主要零件的设计计算4、了解和掌握CAD绘图基本技术5、完成全液压滚筒卷取机的总体设计基本要求1、方案设计及结构设计合理、设计内容完整，图纸表达符合标准；2、设计工作严肃认真，充分发挥独立分析和解决问题的能力；3、图纸量：不少于3.5张4、设计说明书不少于2万字，摘要不少于300字，外文资料翻译不少于5000字，参考文献不少于15篇。参考资料1、机械设计手册 2、轧钢设备及工艺3、轧制原理 4、机械设计学5、材料力学 6、机械设计7、互换性原理与测量技术 8、机械原理 等周 次第1 4 周第5 8周第 9 12周13 16周第1718周应完成的内容绘图软件培训市场调研主要方案确定开题报告参数设计绘制图纸零部件图设计审图及论文撰写准备答辩及答辩指导教师：职称：副教授 2010年3月5日系级教学单位审批： 年 月 日摘要摘要卷取机是一种重要的轧钢辅助设备，其用途是把轧制后的成品带钢卷成钢卷。冷轧带钢卷取机一般用于冷轧带钢机组和带钢的酸洗、退火、剪切、涂层等精整机组。这类卷取机不仅用来缠卷，有时还用来开卷。本文从机械系统设计理论着手，对卷取机系统进行了功能分析，并绘制出功能结构图。借鉴先前经验，寻求功能载体，通过形态学矩阵得到系统设计方案。文中详细论述了卷取机的核心部件卷筒的结构原理和设计特点，并根据其运动要求：自动缩径、恒张力卷取等，进行了液压原理的设计，进一步根据所需要的力，完成了液压缸的设计。为改善卷取机的适应性，使它可以完成不同厚度带材、不同卷取速度及不同卷取张力下的卷取，对其调速方案进行了综合分析，并由此引出卷取机的额定工作状态时刻。基于此选择电动机，确定出总减速比，按最高传动精度要求分配传动比，完成减速器的设计。考虑卷取机工作时，负载和动力部分的匹配，对整个机电传动系统进行了动力学分析，这对于卷取运动的评估及调速有重要意思。关键词：冷轧带钢卷取机；功能结构；自动缩径；恒张力；机电传动I 燕山大学本科生毕业设计（论文）AbstractCoiler is one of the most important assistant equipment for steel rolling. It is used to coil strip into coiled steel. Cold coiler is used cold roll strap steel unit and acid washing, anneal, cutting, coating of strap steel. The coiler can be used to coil and open roll.In this paper, beginning of the theory on mechanical system design, an analysis about the function of coil system is done, further , finish the drawing of function structure. Using the experience of form for reference, the function-bearing bodies are found, through the matrix of configuration, acquire the program of design. The structure principles and design feature of roller, which is the center component of the mill are expounded in detail in paper, according to the requirement of motion: automatic reducing radius curl with the constancy of tension and so on, the hydraulic system principle is designed, further more finish the design of cylinder.In order to improve performance of the mill, it is to say the mill can work well in different coil velocity different tension and the strip with different thick, the program of adjusting velocity are analyzed synthetically. Based on this, the moment of rated working state of the mill is obtained, and then choose the motor, determine the total rate of transmission, which is distributed in accordance with the precision-max of drive, the speed-down machine is designed. Respective of the match between motor and load during normal working, the dynamics analysis of integral electromechanical drive system is done, which furnishes valuable insight into the evaluation about the motion of the mill and timing.Keywords: cold coile, function structure, automatic reducing radius, the constancy of tension, electromechanical drive III 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 冷轧带钢的应用与卷取21.3 冷轧带钢卷取机的分类及特点21.4 本次设计的技术要求4第2章 机械系统方案设计与总体设计52.1 方案设计52.1.1机械系统分析62.1.2 确定设计方案62.2 方案设计82.2.1 拟定传动方案82.2.2 电动机的选择与调速92.2.3 机电传动控制系统调速方案的选择112.2.3 传动装置总传动比的确定及各级传动比的分配132.3 本章小结15第3章 卷筒的设计163.1 卷筒的应用及其工作原理163.2 卷筒的设计163.2.1 卷筒结构形式的选择173.2.2 卷筒参数设计与计算183.2.3 钳口结构的改进22第4章 减速器的设计234.1 传动装置的运动参数和动力参数234.2 传动零件的设计244.2.1 高速级齿轮传动设计243.2.3 低速级齿轮传动设计274.3 轴的设计314.3.1 齿轮轴（一）的设计314.3.2 齿轮轴（二）的设计324.4 轴承、连接件、润滑密封和连接轴的选择与计算334.4.1 轴承的选择334.4.2 连接件的计算344.4.3润滑及密封的选择344.4.4轴器的选择与计算344.5机体结构及其附件的设计354.5.1机体结构设计354.5.2附件设计354.6本章小结35第5章 液压缸的设计375.1液压系统的方案设计375.1.1 初选375.1.2原理图的设计375.2液压缸的参数设计385.2.1液压缸类型及材料的选择385.2.2液压缸的计算385.2.3旋转液压缸的迴转接头455.3 本章小结46第6章 校核476.1 轴的强度校核476.1.1齿轮轴（一）的校核476.2 轴承寿命的计算486.2.1圆锥滚子轴承的校核486.2.2双列圆锥滚子轴承的校核496.2.3滚子轴承的校核506.3 活塞杆稳定性校验516.3.1活塞杆验算理论516.3.2计算516.4 卷筒的刚度计算526.4.1扇形块钩图强度设计526.4.2棱锥轴刚度计算536.5 电机最大传动力矩校核546.6 本章小结54第7章 动力学分析567.1 机电传动系统的运动方程567.1.1运动方程的寻求567.1.2转矩和飞轮转矩的折算567.2 机电传动系统稳定运行的条件577.2.1求解交点577.2.2稳定运行判别587.3 本章小结58结论60参考文献61致谢62附录163附录270附录376 V第1章 绪论 第1章 绪论随着科学技术的发展，带钢生产目前大部分采用连续化成卷生产。在带钢生产过程中需要用带钢卷取设备来完成带钢产卷、开卷及枝头平整等工序，以及实现带钢生产连续化、机械化及自动化。可见带钢卷取设备是实现带钢生产连续化的重要设备之一。1.1 课题背景用热连轧机生产带钢时，要求把热态（550750）带钢卷缠成卷。目前大多数采用卷取机作为热带钢卷取设备。卷取机一般安设在车间地坪以下，故亦称为地下卷取机。为了使卷取机取得良好的卷取效果，一般在卷取过程中采用一定的卷取张力。在成卷生产冷轧带钢时，采用冷带钢卷取设备来实现带钢的卷绕成卷。根据轧制工艺及卷取冷带钢卷取要求，一般在卷取过程中采用较大的张力。目前大多数采用卷筒式张力卷取机作为冷带钢卷取设备。卷取机的用途是收集超长轧件，将其卷取成卷以便于贮存和运输。卷取机是轧钢车间重要的辅助设备，在带材和线材生产中均被广泛应用。轧钢生产实践证明，卷取机的工作状态直接影响着轧机，特别是连轧机生产能力的发挥。因此，对强力、高速卷取设备的研究一直受到重视。近年来，国内冶金行业保持良好的发展态势，各钢铁企业在扩大生产规模的同时，也注重企业装备的改良和升级。在此情况下，冷带卷取机作为一种重要的轧钢辅助设备将势必成为各钢铁公司所要使用和改造的生产对象。由于大型冶金设备的市场价值很高，可以断定该设备市场前景广阔，所以从经济和社会效益的角度出发，我们不能完全依赖国外，应逐步使之国产化。我国钢铁工业发展初期，我国的设计人员只做过一些限于卷筒压力和强度的测定和研究。八十年代，国内对卷取的研究大都针对卷筒压力的计算，借鉴和发展了国外的一些研究成果。探讨了确定钢卷径向压缩系数的一种理论计算方法，对卷取机卷筒单位压力有了进一步的认识。自90年代至今我国也开始侧重于卷取张力的控制及模型的研究。目前，国内虽然各钢铁公司使用的卷取机在设备数量上不少，但大部分是由外商技术负责提供相关设计图纸，然后在国内制造厂进行转化设计后配套制造。国内的研究能力不足，核心技术少，与国外先进水平差距还是比较大的。为此，此次毕业设计老师分配给我“400500四棱锥冷轧带钢卷取机”的研究课题。1.2 冷轧带钢的应用与卷取冷轧带钢是指在再结晶温度以下轧制变形的带钢，一般指带钢不经加热而在室温直接进行轧制加工。冷轧后的带钢可能烫手，但还叫冷轧。同热轧相比，冷轧生产可提供大量高精度和性能优良的钢板和带钢，其最主要的特点是加工温度低。冷轧带钢的比热轧带钢的用途更广泛，其产品广泛用于汽车制造业、电工制造业、家电制造、冷弯制品等。近年来，由于汽车制造业、制罐业、精密焊管行业的发展，对冷扎带钢产品提出更高的要求，其生产规模和生产能力向着大型化、连续化、高速化发展，其年产量甚至达到200万吨。冷轧带钢生产是以热带轧钢为原料，其生产工艺有酸洗、轧制、退火、平整、镀层、剪切和包装等工序组成。在近代的轧钢生产中，采用连轧方式是提高生产率的重要措施，连轧出的产品粗要由卷取机卷绕成卷，以适应生产，运输，储存及用户的需要。卷取机是成卷轧制主轧线中必不可少的设备。生产实践说明，保证卷取机顺利工作对提高轧机的生产率有重要的意义。卷取机不仅用于轧机中，也用于热带钢平整机组和纵切机组。在现代化的冷轧车间，卷取机还普遍用于剪切、酸洗、抛光、热处理、镀锌、镀锡、涂层等辅助机组中。1.3 冷轧带钢卷取机的分类及特点卷取机的类型很多，按其用途可分为：热带材卷取机、冷带材卷取机、小型型钢和线材卷取机等。按其结构可分为卷筒式卷曲机和无卷筒式卷取机两种。常见的冷带钢卷取机有实心卷筒式、四棱锥式、八棱锥式，四斜楔式、弓形块式。带钢卷取机按用途也可分为大张力卷取机和精整卷取机两类。大张力卷取机主要用于可逆轧机、连轧机、单机架轧机及平整机。精整卷取机则主要用于连续退火、酸洗、图镀层及纵剪、重卷等生产机组。其主要特点：（1）冷带钢卷取机是冷轧带钢生产中的重要设备。特别是冷轧生产向高速度、大卷重方向发展时，卷取机的重要性更加显著。在单机座可逆式冷轧机上，卷取机安装在轧机前后，而在单机座不可逆式冷轧机或连续式冷轧机组中，卷取机只安装在轧机后面。在其他连续式机组中，卷取机也安装在机组后面。（2）为从卷筒上卸下钢卷，卷取机卷筒为悬臂式的，但由于卷筒上的负荷张力、卷重、卷筒自重、弯曲带钢和张力所引起扭矩等很大，为保证卷筒轴的强度和刚度，除增大卷筒轴尺寸外，一般在卷筒的自由端设置活动支撑。卷取带钢时，它支住卷筒；卸卷时它移到一边，不妨碍卸卷。（3）在卷取机上还设有推卷器，以便于将钢卷推到卸卷车上运走。（4）从工艺上看，冷带钢卷取机还有以下特点：张力问题冷带钢卷取突出特点是采用较大张力，因为张力直接影响产品的质量及尺寸精度，所以对张力的控制有严格的要求，为实现对张力的严格控制，冷带钢卷取机常采用双电枢或多电枢直流电机驱动并尽量减小传动系统的转动惯量，提高调速性能。张力在冷轧过程中起重要作用。张力轧制可以降低轧制负荷，使板形平直，提高带钢表面质量。同时带张力卷取可使钢卷紧密、整齐。连轧时张力还起到轧制关系的自动调节作用。为此，轧制冷带钢时，在保证不损伤带钢的前提下，均采用大张力轧制。在单机可逆式轧机上，张力是由前、后卷取机来实现的。在连轧机组中，各架轧机之间采用大张力轧制（其规律是：总张力随带钢减薄而减小，而张力则后几架比前几架大些）。在末架轧机与卷取机之间采用小张力，因为连轧速度高张力过大会给卷取机设计带来很大困难，同时由于末架轧机处带钢板形已经定型，不宜采用大张力。在各连续机组中，卷取张力均属于小张力。调速问题在带钢卷取过程中，钢卷直径是变化的。为保证钢卷外层线速度与轧机相适应并保证恒张力卷取，就要求卷取机速度时可调的。其调速范围应满足轧机速度或机组的速度变化和卷径变化两种情况。卷取机的驱动通常采用直流电机。近年来，由于冷连轧机速度不断提高，为了减小启动、制动的时间和增加调速的灵敏性，在大型冷连轧机组中趋向采用直流电机直接驱动卷筒（取消减速机构）并采用小飞轮力矩的双电枢或多电枢电机。卷取机的边缘控制在各连续机组中带钢由于各种原因，在行进中会产生左、右偏斜（即跑偏）。为使最后卷取的钢卷边缘整齐，在卷取机上常设置边缘控制机构。最常用的是光电式或压缩空气式带钢边缘信号发生器，通过随动阀驱动卷取机上的移动液压缸，使卷取机整体在滑座上根据带钢的偏斜程度左、右移动以保证钢卷边缘整齐。在主轧机组上，由于轧机本身不允许带钢跑偏，且轧机与卷取机距离短，所以不设置边缘控制机构。（5）此外，在精整机组的卷取机上一般均设置制动器，以保证发生断带事故时，卷取机能及时制动带卷不致继续松开。而在轧机的卷取机上，由于卷取机与轧机的电器控制室统一的，故一般均不设制动器。1.4 本次设计的技术要求卷取带材材质：、1630钢、08、18、16等热轧酸洗带钢卷卷取带材规格：原料厚度 24mm 成品厚度 0.351.5mm 宽度 150350mm 带卷直径 1200mm 带卷最大重量 4060kg材料机械性能：原料卷取速度： 0.453.45m/s卷取张力： 4.530KN卷筒： 胀开直径 400mm 缩小直径 384mm 有效长度 500mm液压系统工作油压：6.3Mpa101 第2章 机械系统方案设计与总体设计 第2章 机械系统方案设计与总体设计任何机械都是由若干零部件组成的一个特定系统，是一个由确定的质量、刚度和阻尼的物体组成并能完成特定功能的系统。不同的机械产品因其工作要求、追求目标和使用环境不同，对其具体的功能要求也会随之而异，本次设计的卷取机是一种具有间歇运动的机械，主要用于带钢的卷取，其作业流程是：把从轧制线上输出地轧制完成的带钢送入钳口，由钳口完成加紧。同时胀缩缸推动棱锥轴实现胀径，成一完整柱体，电动机启动，卷筒开始运转，通过励磁调速保证恒张力卷取，当卷重达到一定限度时，有溢流阀控制以实现自动缩径；达到一定直径后，电动机制动，卷筒停止工作，通过回路控制完成缩径。同时，钳口放松，由推板完成卸卷，重复进行下一次作业。所以，卷取机的工作时常出现启动、制动状态。因而卷取机的基本功能要求是：调速范围、行程、张力、生产率、经济性、安全性（强度、振动稳定性）、可靠性等。机械设计时特别强调和重视要从系统的观点出发，首先，合理确定系统的功能，增加可靠性，提高经济性，保证安全性。应用系统设计方法分析此次设计任务，首先，合理确定系统的功能，在确保恒张力卷取这一基本功能前提下，要增加其他功能时要进行价值分析，以取得最佳方案：提高可靠性，尤其是对系统可靠性有关键影响的零部件，它们都应该有较高的可靠性，同时，它们也是校核的主要对象；提高经济性，在无条件进行可靠性设计时，应尽可能精确地估计出强度和载荷，对可靠性要求较高者，取值应大些。另外，通过技术经济分析，合理确定设备及零件的经济寿命；保证安全性，即机械系统本身要安全，包括刚度、强度、稳定性等要求。同时考虑的卷取机的噪声、流体动力的噪声（鼓风机）、结构噪声（振动引起）、从本质上看，噪声来自振动，控制噪声应从系统动力着手。2.1 方案设计 机械系统的方案设计是整个设计的关键，是从本质的方面保证设计水平的重要布骤。方案设计是，首先应从系统的功能要求出发，通过技术过程分析，确定技术系统的效应，然后寻求解决的途径，主要是把复杂的设计要求通过功能关系的分析，抽象为简单模式，以便寻求能满足设计对象主要功能关系的原理方案。2.1.1机械系统分析对设计任务进行抽象化，熟知设计过程的主要矛盾，然后确定工艺原理，从不同的工艺原理中选择最佳，按选定的工艺原理确定顺序，既确定技术过程，再分配任务给子系统，进而确定功能结构，经过不断深入，绘出功能结构图，如下所示：液压控制自动缩径行程开关动作信号液压能能量转换为力卷筒胀缩径带钢带钢夹持卸卷电能电能转换为转矩能耗电信号机电控制恒张力卷取调节转速卷取带钢能耗钢卷物料流能量流信息流图2-1 功能结构图2.1.2 确定设计方案（1） 寻求实现分功能分解后，将分功能的解决方案作为目标特征，针对每个分功能找出其相应的技术物理效应和确定出功能载体，即可组成具体的设计方案。对有特殊要求的设备，寻找技术物理效应和确定出功能载体会出现困难，则须借鉴前人成果。在此过程中可以发现，一功能可能有多种物理效应来实现，这就需要对比分析。（2） 功能载体的组合在进行方案构思时利用形态学的方法建立形态学矩阵，获得卷取机的合理性设计方案，进而探求合理的创新方案，功能载体的合理组合，进而得到实现总共能的总体设计方案。分功能解法1234动力源电动机汽油机柴油机液动机减速传动齿轮传动涡轮传动带传动链传动卷取实心卷筒四棱锥卷筒弓形块卷筒八棱锥卷筒动力传动拉杆液压缸传动汽缸传动通过形态学矩阵虽然可以得到许多方案，但并不是所有方案都有实际意义，这就需要从物理原理的相容性、技术经济效应、功率、尺寸等方面进行评审、复核、检验、选取最优组合方式。（3）确定基本结构布局DCBA F E图2-2 总体结构布局为了使卷筒A自由缩径，电机F远离卷筒；推板缸C置于减速器E上，可减小总体尺寸；胀缩缸D在卷筒末端以实现胀缩；钳口缸在卷筒内部，便于实现夹紧预放松。2.2 方案设计 总体设计中主要是传动装置总体设计，其目的是确定传动方案、选择电动机、确定总传动比和合理分配各级传动比及计算传动装置的运动和动力参数。2.2.1 拟定传动方案拟定传动方案主要是确定传动机构的类型及在多级传动中各传动机构的合理布置。合理的传动方案应保证工作可靠，并且结构简单，尺寸紧凑，加工方便，成本低廉，传动效率高和使用维护便利，但是一种方案要同时满足上诉要求往往比较困难，因此应根据具体设计任务有侧重的保证主要设计要求选用比较合理的方案。（1）传动机构类型的选择传动机构类型的选择必须考虑外廓尺寸的大小。在同样的传动要求条件下，不同类型传动机构的外廓尺寸相差很大，用不同的连接方式也会有很大差别。传动机构类型的选择的一般原则：大功率传动，应优先选用效率较高的传动机构，如齿轮传动，以降低消耗。要求传动比较准确适宜选用齿轮或蜗杆传动。根据以上原则，选用齿轮传动。（2）各类传动机构的布置在多级传动中必须根据各传动机构的特点，合理安排传动顺序。应考虑：斜齿轮传动的平稳性较好，常用在高速级或要求传动平稳的场合。开式齿轮传动的工作环境较差，磨损较严重。圆锥齿轮加工较困难，所以只在改变轴的布置方向时采用。综上，并考虑设计要求，选用斜齿、闭式齿轮传动。卷取机由原动机（电动机）、传动装置（减速器）和工作机（卷筒）三部分组成。为表明运动和动力的传递方式和路线以及各部件的组成和联接关系，画传动方案机构简图表达如下：图2-3 传动方案结构简图2.2.2 电动机的选择与调速电动机是与电能生产、传输和使用有着密切关系的电磁机械。电力传动系统电动机的选择内容包括：电动机种类、形式、容量、额定转速、额定电压及其各项经济指标等，而且对这些参数应综合考虑。选择电动机的容量是电力传动系统能否经济和可靠运行的重要问题。如果电动机容量太小，长期处于过载状态，会造成电动机绝缘过早的破坏；如果容量过大，不仅造成设备上的浪费，而且运行效率低，对电能的利用是很不经济的。（1） 电动机类型的选择选择电动机类型，必须适应机械负载特性，平稳或冲击程度，运行状态，调速范围以及启动，制动的频繁程度，作业环境及电网供电状况等要求。对恒功率特性的机械，应选用变速直流电动机或带变速的交流异步电动机。若调速范围在1:3以上，且需要连续稳定平滑调速的机械宜采用直流他励电动机。直流电动机具有良好的启动和调速性能，调速平滑、方便、调速范围广，过载能力大，能承载频繁的冲击性载荷。该设计考虑：恒张力卷取需调速，所以选用直流他励电动机。（2） 电动机结构形式的选择根据电动机的工作环境条件，如环境温度、湿度、通风状况、杂物飞溅状况以及有无防爆等特殊要求，选择防护性能的外壳结构形式。一般应采用防护式电动机。安装形式应根据电动机与被驱动机机械连接方式而定。一般情况下应尽量采用卧式安装形式。（3） 电动机电压及转速的选择电动机电压的选择取决于电力系统对企业的供电电压。直流电动机的额定电压多为440V、220V、110V几种。电动机额定转速根据生产机械的要求而定。对于要求调速的生产机械，电动机的额度转速选择应考虑和生产机械转速相配合，选择合适传动比的减速装置，特别是直流电动机的额定转速选择，还要考虑变励磁调速的关系，故应从充分利用电动机功率的角度出发合理的全面考虑来决定。在此次设计中，卷取过程张力对卷取效果有很大影响。为实现在卷取过程中张力不发生波动，卷筒的电动机的弱磁调速范围应满足： = 式中 卷筒电机弱磁调整的最大转速； 卷筒直径，mm；设计时，电机调激磁的范围需大于或等于最大卷径比，选择电机额定转速时应注意。（4） 电动机的选择与计算决定电动机功率主要应考虑电动机的发热，允许的过载能力和启动能力三个因素，其中发热问题最为重要。电动机的发热是指电动机的内部产生损耗并产生热能使电动机的温度升高。在电动机耐热最差的是绝缘材料，其绝缘材料的最高允许温度是电动机负载能力的限度，而电动机的额定功率就是这一限度的代表参数。电动机的工作制对发热影响很大，对决定电动机的功率也有很大影响，电动机的负载图是根据工作机的负载变化绘制的电动机的转矩、功率或电流与时间的关系曲线。它是校验电动机的容量和过载能力及电动机发热的依据。卷取机负载情况较复杂，不宜使用此法。卷筒电机功率计算；卷取带材所需的传动功率应由带材的张力、塑性弯曲变形、卷取的速度和加速度及摩擦阻力等因素确定。由于塑性弯曲和摩擦的影响远小于张力，故初选电机时，额定功率可按下式近似计算= Kw式中 塑性弯曲及摩擦影响系数，取1.11.2； 卷取张力，N； 卷取速度，m/s； 传动效率，取0.850.9称为计算功率，表示在各种工艺制度下，张力和速度乘积的最大值。带入数据可得：=所选电机型号为：Z4-315-11;转速 500/1600r/min；飞轮转矩 240N.m； 功率 132KW； 重量 1900Kg（5） 电动机的调速电动机的调速是在一定条件下，人为的改变电动机的电路参数，已达到改变转速的要求。电动机的调速是生产机械所要求的，所以需要先分析生产机械的调速要求。2.2.3 机电传动控制系统调速方案的选择在实际生产中，生产机械要求在不同场合，用不同的速度进行工作，以提高生产率和保证产品质量。此次设计的卷取机要求具有调速功能，选择机电传动控制系统调速方案时，需要综合考虑生产机械对调速的要求及负载性质。（1） 调速系统的技术指标要求调速范围：为使卷取机满足各种卷取速度的要求，即卷取机组有一定范围，需调速范围3.45/0.45=7.67。恒张力卷取时，为保证线速度不变，需对卷取机的电动机进行转速调节，其调速范围1200/400=3。调速的平滑性：由于机组速度是一个连续的范围，且张力卷取过程中，半径变化时连续的，所以要求无级调速，即调速要平滑。即为满足卷取机的速度控制要求，需考虑因素：为适应机组速度变化而调整卷取速度时，不影响电机的驱动力矩。为适应卷径变化而调整卷筒转速时，不应引起张力的波动。（2）生产机械的负载特性在调速过程中，电动机的负载特性在不同转速下是不同的，为保证电动机在整个调速范围内始终得到最充分的利用，在选择机电传动控制系统的调速方案时，电动机的负载能力必须与生产机械的负载性质相匹配。生产机械的负载性质恒张力卷取过程中，卷筒在不同转速下运行时，其负载功率为常数，而负载转矩随转速的升高成双曲线形式下降。电动机调速过程中的负载能力为充分利用电动机的负载能力，在调速过程中应保证电枢电流为额定值，这是在不同转速下电动机轴上输出地转矩就是电动机所能允许长期输出地最大转矩和最大功率，亦即电动机调速过程中的负载能力。直流电动机改变电枢电压调速时，输出功率随转速的增加成正比的增加，电动机的负载能力具有恒转矩特性，变电压调速可实现无级调速，可通过电压正反向变化使电动机平滑的启动和工作在四个象限，能实现回馈制动，且控制功率小，机械特性硬度不变，调速的稳定性高，调速范围大；直流电动机改变磁通调速时，输出转矩随转速的增加成双曲线规律下降，电动机的负载能力具有恒功率性质，改变磁通，转速改变，其机械特性是一组交叉的直线，为充分利用电动机容量，调速时应保持电流不变，此时，磁通和转矩与转速成成反比，励磁电流小，控制方便，能量损耗小。电动机的调速性质与生产机械的负载特性的配合电动机在调速过程中，在不同的转速下运行时，实际输出的转矩和功率能否达到且不超过其允许长期输出的最大转矩和最大功率，并不取决于电动机本身，而取决于生产机械在调速过程中负载转矩和负载功率的大小和变化规律。所以，为了使电动机的负载能力得到最充分的利用，在选择调速方案时必须注意电动机的调速性质和生产机械的负载特性要配合恰当。负载为横功率型的生产机械应选用恒功率性质的调速方式，且电动机的额定功率应等于或略大于生产机械的静负载功率，这样，电动机在调速范围内的任何转速下运行时，均可保证电流等于或略大于额定电流，因而使电动机得到最充分的利用。综上所述，确定卷取机的机电传动控制系统调速方案为：改变磁通调速和变压调速配合使用，额定转速以下，用降压来调速，额定转速以上则用改变磁通来调速，以满足卷取机的调速要求。2.2.3 传动装置总传动比的确定及各级传动比的分配（1）减速器总传动比的计算由电动机直接驱动卷筒，没有传动比的选择问题。但在确定电动机的型号时，应对电动机转速范围进行校核，看是否满足卷取机转速变化范围。当电动机通过减速器驱动时，减速器传动比的选择应考虑两个因素：为了保证恒张力卷取，卷取的速度应保持恒定（和最后一架精轧机或机组引料辊的线速度一致）。但在卷取过程中卷径是不断增大的，要保持线速度不变，就应在卷取过程中不断减小卷筒转数，这需要一个调速范围。根据工艺要求，机组的速度需要调整，也需要一个调速范围。因此，传动比的选择问题实际上就是如何确定卷筒的基本转速的问题。目前，大多数卷筒的速度调整方法是：调节卷取机电动机的电压来改变电动机使卷取机速度适应机组速度的变化，即从电动机的额定功率向下调。而卷径变化所需的速度调节用激磁方法来调节，即从额定转速往上调。因此，最大的机组速度和最大卷径所对应的电动机转速应是额定转速，卷筒电机的额定转速必须与卷取计算转速相适应，所以可求得对应于最大卷径、最大机组速度时卷筒的转速： = = r/min式中 最大卷取线速度，m/s； 最大带卷半径，mm此时，减速机的传动比为：式中 电动机额定转速；如果卷取带材的厚度范围较大，工艺上又要求多种张力及多种速度制度，卷筒传动可考虑多级速比切换，以满足工艺要求。同时，电机的调速范围（调激磁）应满足下式：式中 电动机最大转速 、 卷筒的最大外径和内径带入数值可以进行检验：=结论：电机转速满足调速范围。如果有两种以上的速度，且超过电动机的调速范围，则应考虑在减速机上设置换挡机构来改变传动比。目前，多采用液压驱动的换挡机构。（2）传动比的分配总传动比分配的一般原则：各级传动比都应该在常用的合理范围内，以符合各种传动形式的工作特点，并使结构比较紧凑。尽量使传动装置外廓尺寸和重量较小。在两级或多级齿轮减速器中，考虑大齿轮的润滑。使各级传动尺寸协调，结构匀称合理，便于安装。当总传动比确定后，分配传动比应根据具体情况分析：从提高传动精度；从保证系统灵敏度；从最小体积等方面综合考虑，分清主次，抓主要矛盾，合理正确的分配各级的传动比。对卷取机而言，传动精度是主要矛盾，所以按传动精度最佳选择各级传动比。零件制成后不可避免的存在误差。组成部件的零件数目越多，则积累的误差越大。因此，齿轮传动机构设计时，单级传动采用较大的传动比较好，但是一对齿轮的传动比过大，两齿轮的尺寸相差过大，非但引起传动时的不平稳，而且还会引起结构尺寸的增大。同时，小齿轮的冷吃参与啮合的次数比大齿轮频繁的多，引起小齿轮的磨损过快，会引起整个设备寿命的降低。所以，单级传动比不宜过大。由此，选择二级传动。在二级传动中，假定有轴1输入，经轴2传至轴3，第一级传动误差为a，第二级传动误差为b，则输出轴的总误差为： b+a/结论：两级传动输出轴的总误差等于第二级齿轮传动误差的全部加上第一对齿轮传动的一部分，即第一对齿轮的传动误差除以第二对齿轮的传动比后反映到输出轴。当减速时，1，使输出轴的总误差中的第二项显效，结果使a的作用减小。所以，从输入轴开始传动比应先小后大。由此，两级传动比可定为：2.27542.3 本章小结任何机械都是由若干个零部件组成的能完成特定功能的机器。本章从机械设计的关键环节方案设计和总体设计出发，对本设计题目进行了分析研究。第3章 卷筒的设计 第3章 卷筒的设计3.1 卷筒的应用及其工作原理 目前冷轧带钢的卷取机绝大多数采用卷筒式卷取机，卷筒由电动机经减速器带动棱锥轴，实现卷取。其设备配置较为简单，强度好。其主要由卷筒及其传动系统，压紧辊，活动支撑和推卷、卸卷等装置组成。卷筒及其传动系统是构成卷取机必不可少的部分，至于是否必须设置其余装置则根据工艺要求而定。卷筒是卷取机的核心部件，为了卷紧带钢和卸卷，卷筒要能胀缩，有的甚至要求能实现二次甚至多次胀缩，而且缩小直径是在带钢压紧力作用下进行的。这些工艺上的特殊要求决定了卷筒结构方案的复杂性。四棱准卷取机的工作原理：四棱锥卷筒胀径时，由胀缩缸直接推动棱锥轴，使扇形块产生径向位移。由于没有中间零件，棱锥周直径大，强度高，可承受较大的张力，常用于多辊可逆式冷轧机的大张力卷取和冷连轧机组的卷取机。卷筒的棱锥轴有正锥式和倒锥式。卷筒上设置钳口，钳口由柱塞缸压紧。卷筒的薄弱环节是扇形块的尾钩，尾钩在棱锥轴向分力的作用下会产生很高的弯曲和剪切应力，易于疲劳损坏。正锥结构使主轴和胀缩缸的连接螺栓处于不利的受力状态。新设计的四棱锥卷取机采用倒锥式，显著的改善了上述零件的受力情况，扇形块也得以简化。但因胀缩缸的工作面积要减去活塞杆的面积，胀缩缸直径略有增大。3.2 卷筒的设计冷带钢卷取机的卷筒设计应考虑：更高的强度、刚度；卷筒胀开后，应能成为一个完整圆形，以防止压伤内层带钢；可快速更换卷筒，以适应多种厚度；3.2.1 卷筒结构形式的选择按卷筒的结构特点可分为：实心卷筒、四棱锥卷筒、八棱锥卷筒，四斜楔卷筒、弓形块卷筒等。前三种强度好，径向刚度大，常用于低张力的各种精轧机。在以上几种卷筒结构中，实心卷筒卷取机结构简单，具有高的强度和刚度，用于大张力卷取。其缺点是卸卷时需采用倒卷方法，影响了轧机的生产能力。且带钢对卷筒产生很高的径向压力；四斜楔卷取机卷筒的最大特点是主轴、扇形块加工方便。由于斜楔只支持扇形块的两翼，卷筒强度、刚度都有削弱，只适用于张力不大的平整机组和精整作业线；弓形块卷取机多用于宽带钢精整线的卷取。其中径向缸式结构紧凑，使用可靠，使用情况良好。但是卷筒结构不对称，高速卷取时动平衡性能差；八棱锥卷取机是指卷筒采用四棱锥加镶条的结构，卷筒胀开后能成为一个完整的圆柱体，解决了胀开时扇形块间的间隙对薄带钢表面质量的影响。但这种卷筒结构比较复杂，加工精度要求很高，且其卷筒刚度无法按工艺调整。四棱锥卷筒胀径时，由胀缩缸直接推动棱锥轴，使扇形块产生径向位移。由于没有中间零件，棱锥周直径大，强度高，可承受较大的张力，常用于多辊可逆式冷轧机的大张力卷取和冷连轧机组的卷取机。卷筒的胀缩靠扇形块线面棱锥轴的轴向运动来实现。四棱锥扇形块式卷筒是卷筒的基本形式，它的结构对称，强度高。为开式卷筒卷筒胀开时，扇形块间有间隙。因此卷筒胀缩量不宜过大，否则扇形块之间缝隙过大，卷取时会压伤内层带卷。卷筒的薄弱环节是扇形块的尾钩，尾钩在棱锥轴向分力的作用下会产生很高的弯曲和剪切应力，易于疲劳损坏。所以，需根据具体情况具体分析，从主要矛盾出发，兼顾其他作出选择。此次设计选定四棱锥卷筒，所以卷筒胀缩量不宜过大，取16mm。3.2.2 卷筒参数设计与计算（1）卷筒直径与卷筒长度确定卷筒直径的原则是：在卷取过程中使带钢产生不大的塑性变形； 考虑冷卷取工艺特点及弹塑性弯曲理论； 保证主要零件有足够的强度和刚度。因此，卷筒直径与带钢尺寸及机械性能、卷取时的张应力水平、钢卷重量等因素有关。冷轧的薄带钢采用大直径卷筒卷取时，卸卷后带卷的稳定性极差，甚至出现塌卷现象，因此卷筒直径的选取要根据加工带材厚度适当设计。在一般情况下，当卷取的带钢厚度和宽度较大、张应力水平于带钢屈服极限较高时，卷筒直径应选大些。当需卷取的带钢厚度相差悬殊时，应采用两种卷筒直径。这时，在结构上要能做到快速更换卷筒。按照弹塑性弯曲理论，对冷卷取机来说，卷筒直径与被卷带材的厚度及机械性能之间应满足下面关系 mm式中 卷取温度下带材的屈服极限，MPa； 带材的弹性模量，MPa； 带材的最大厚度，mm；另外，由于受卷筒强度和作业线工序互相衔接的限制，卷筒直径不宜取得过小或过大。设计时可参考经验方法：冷带钢卷取时取；有色金属带卷取时取。常用卷筒尺寸系列有305，450，510，610。此次设计是根据任务要求确定直径为400mm。卷筒的长度一般等于或稍大于轧机轧辊的长度，选用500mm。（2） 卷筒径向压力的计算 关于卷筒在卷取过程中的自动缩径问题卷取带钢时，带钢对卷筒产生径向压力，随着卷层的增加，卷筒径向压力增加。从弹性力学的理论推导可知，在钢卷外径等于卷筒直径的三倍时，实心卷筒的径向压力与带材张应力相等，在这种压力下，卷筒会产生塑性变形。此外，由于棱锥面上压力过高，难于卸卷；同时，棱锥面的磨损也较快。实验表明：选用适当的棱锥角后，可使之不再自锁，且随着径向压力的增加，卷筒直径会产生微量的收缩，这对降低卷筒的径向压力作用很大，这是由于卷筒缩径的同时带材各层间会产生相对滑动的趋势，带材各层间的摩擦力起着内层支持外层的作用。但带材各层间产生不适量的相对滑动是不允许的，因为会损伤带材表面。因此，如控制胀缩液压缸的压力，使带材表面再无损伤的条件下，缩径量尽量大些，这是卷筒上的压力会减小很多。卷筒的自动缩径量与油缸临界压力有关，适量收缩可降低卷筒的径向压力，过量收缩会使内层带卷的切向压应力大幅度增加，甚至出现塌卷或层间滑动，而划伤带材表面。虽然，在工作中可借胀缩缸油压加以调整，但合理的确定，保证适量的缩径仍是自动缩径卷筒设计的核心问题。卷筒直径胀缩量约为15-40mm，此次设计选用缩径量为16mm。卷筒刚度可控，是通过改变胀缩缸中的油压来调整。自动缩径卷筒的工作原理如图3-1所示：Q图3-1 自动缩径卷筒的工作原理对于胀缩的卷筒，当卷筒上