机械毕业设计（论文）-圆弧剪刃滚切式钢板剪切机设计【全套图纸】 .pdf

第 i 页 圆弧剪刃滚切式钢板剪切机设计 摘要 圆弧剪刃滚切式钢板剪切机是一种新式钢板剪切设备， 它是中厚钢板精整工序中的 重要设备，保证剪切机正常工作队提高板材生产线的产量有重要意义。随着我国中厚钢 板年产量的不断增加，现在中厚板轧钢厂对钢板质量、品种、产量的要求也随之提高。 圆弧剪刃滚切式钢板剪切机在整个剪切范围内刀片重叠量不变，剪切变形区小，被剪切 板材不易弯曲变形，毛刺少，剪切质量高，并且，滚切式剪切机运动的上刀片与被剪板 材之间只产生很小的相对运动，刀片磨损较小，特别适合于中厚板的切边、切定尺和纵 向部分。本次设计的圆弧剪刃滚切式钢板剪切机用于定尺剪切最大厚度为 40mm 的钢 板，要求剪切机结构合理、工作可靠、剪切质量高。此次设计内容主要是圆弧剪刃滚切 式钢板剪切机的设计，设计内容主要包括剪切机总体方案设计、工作原理与基本机构等 的确定、滚切剪主要参数的计算、电动机容量选择和减速器的设计、主要零件的设计与 校核、润滑方式的选择以及图纸的绘制等。计算得其最大剪切力为 8.5mn，剪切次数 18 次/分，上刀架最大行程 162mm，电动机功率 355kw，额定转速 987r/min。机架采用 闭式机架。 关键词：滚切剪；圆弧剪刃；剪切力 全套图纸，加 153893706 第 ii 页 the design of steel plate shearing machine with circular blade and scrolling shear mode abstract the design of steel plate shearing machine with circular blade and scrolling shear mode is a new plate shearing machine, which is the important equipment of medium and heavy plate finishing processes, play an important part in ensuring shearing machines working normally to improve the output of sheet productions. with the increased annual output of medium and heavy plate, the requirements of quality, variety, output of medium and heavy plate rolling mill are much higher than before. the blade of hearing machine with roller blade cutting steel plate is with the same overlap quantity during the whole range of shearing, with small shearing deformation zone, not easy to deform for the sheared plates, with small burrs, high quality of shearing, besides, the blade and sheared plate move only a little on the roller blade cutting steel plate machine, also with small blade wear which is particularly suited to the edge of plate, shearing ruler and vertical parts. the designed shearing machine with roller blade cutting steel plate is used with fixed 40mm shearing plate length, which required the frame of machine to be reasonable, reliable and with high quality of shearing. the design of the main content is circular blade cutting plate shearing machine design, design content mainly includes shear machine overall design, working principle and basic institutions, roll- cut calculation, main parameters of shear capacity motor reducer design, selection and design of the main parts and checking, lubrication and the choice of rendering drawings etc. calculated the maximum shear stress 8.5mn, shearing time 18 times/min, the biggest distance on the knife rest 162mm, motor power 355kw, rated speed 987r/min. closed- rack is adopted. key words: rolls cuts, circular blade, shearing stress 第 iii 页 目录 1绪论 . 1 1.1 选题背景及目的 1 1.2 滚切剪的发展趋势 . 3 2 设计方案的选择和分析 . 4 3 滚切剪的设计 . 6 3.1 滚切剪的工作原理 . 6 3.2 滚切剪的基本机构 7 3.3 剪切理论 . 11 3.3.1 轧件剪切过程分析 . 11 3.3.2 金属机械性能对剪切抗力的影响 . 12 3.4 滚切剪主要参数的计算 12 3.4.1 设计基本要求 12 3.4.2 最大剪切力 13 3.4.3 额定剪切力. 13 3.4.4 剪切功 . 13 3.4.5 上剪刃圆弧半径 . 14 3.4.6 上刀架最大行程 . 15 3.5 电动机容量的选择 . 16 3.6 减速器的设计 18 3.7 主要零件的设计与校核 18 第 iv 页 3.7.1 齿轮的设计与校核 19 3.7.2 齿轮轴的校核 24 3.7.3 轴承的选择与校核 . 29 3.7.4 曲轴的设计与校核 . 30 3.7.5 联轴器的选择与校核 35 3.7.6 键的校核 . 36 4 影响剪切效率和质量的因素分析 . 38 4.1 影响剪切效率的因素 . 38 4.2 影响剪切质量的因素 . 38 5 润滑方法的选择 . 39 5.1 润滑的作用 . 39 5.2 润滑方法 . 39 5.3 润滑脂的特点和注意事项 40 5.4 添加剂 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 6 设备的环保、可靠性和经济可行性分析 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 6.1 设备的环保性分析 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 6.2 设备的可靠性 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 6.3 设备的经济性分析 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 结论 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 致谢 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 第 1 页 1绪论 1.1 选题背景及目的 剪切机是用于对钢板进行切头、切尾、切边或者切定尺寸的设备，如今广泛地应用 在冶金工业、农机、船舶、起重机械、建筑机械、航空航天以及国防等行业。在中厚板 生产中，剪切机一般用来将钢板剪切成规定的尺寸。 按照刀片形状和配置方式及钢板情况， 剪切机大致分为斜刀片式剪切机(通称铡刀剪 或斜刃剪)、圆盘式剪切机、滚切式剪切机(通称滚切剪)三种基本类型。其中，应用最多 的是斜刀片式剪切机，其次是圆盘式剪切机。滚切式剪切机是近年来出现的一种新型剪 切机，它在现代化的中厚板生产中将具有更多的优越性和更强的生命力。三种剪切机刀 片配置如图 1.1 所示。 (a)斜刃剪；(b)圆盘剪；(c)滚切剪 图 1.1 剪切机刀片配置图 1、 斜刀片剪切机 这种剪切机的两个剪刃是成某一角度配置的， 即其中一个剪刃相对于另一个剪刃是 倾斜配置的。在生产中多数上刀片是倾斜的，其倾斜角度一般为 l060角，并且剪切机 下刀片固定不动，上刀片向下运动剪切钢板。如图 1(a)所示。其优点主要有：对钢板温 度适应性强， 既适用于热状态也适用于冷状态钢板的剪切； 对钢板厚度适应性强， 40mm 以下的钢板均能剪切。主要缺点：一是剪切时斜刀片与钢板之间有相对滑动，剪切厚度 大于 20mm 的板材时，由于刀片行程长，易使板材产生横向弯曲，在剪切侧边时板边不 齐，影响板材的剪切质量；二是由于间断剪切，空程时间长，能达到的剪切次数少，产 量受到限制，并浪费能源。 2、圆盘式剪切机 第 2 页 圆盘式剪切机的两个刀片均是圆盘状的，如图 1(b)所示。常用来剪切钢板的侧边， 也可用于钢板纵向剖分成窄条。其主要优点是可连续纵向滚动剪切，速度快，产量高， 质量好。缺点：一是剪切厚度限于 25mm 以内；二是对于小批量规格品种多，钢板宽度 变换频繁，则需要频繁调整其两侧边剪刃间的距离。 3、滚切式剪切机 滚切式剪切机是在斜刃铡刀剪的基础上，将上剪刃做成圆弧形，如图 1(c)所示。呈 弧形的上刀刃在剪切时相对于平直的下刀刃作滚动。此时，在整个剪切范围内刀片重叠 量不变，剪切变形区小，被剪切板材不易弯曲变形，毛刺少，剪切质量高。并且，滚切 式剪切机运动的上刀片与被剪板材之间只产生很小的相对运动，刀片磨损较小。 滚切式剪切机自 20 世纪 70 年代应用于生产后，得到了一定的发展。这种剪切机剪 切板材的切口光滑、板材无变形、切边平直度高、能耗小、寿命长、产量高，特别适合 于中厚板的切边(滚切式双边剪)、切定尺(滚切式定尺剪)和纵向切分(滚切式剖分剪)。 圆弧剪刃滚切式钢板剪切机的剪切过程是个无限个变倾角斜刃剪的剪切过程的组 合，有如下优点。 (1)滚切剪的上刀片是以半径为 r 的圆弧组成，在剪切过程中，沿钢板剪切方向上 下刀片的重叠量不变，在上下刀片开口度相同的条件下，斜刃剪的上刀行程比滚切剪上 刀行程大 3040。滚切剪的偏心半径小，在剪切力一定时，剪切力矩小。 (2)滚切剪的上刀行程小，对被剪切钢板的压弯变形小，避免了钢板端部和棱边的弯 曲，剪切质量好。 (3)滚切剪剪切次数可达 24 次min，最高可达到 30 次min，剪切效率高。 (4)滚切剪有快速换剪刃装置，换刀时间只需 30min。 (5)滚切剪有上下剪刃间隙调整装置，上下剪刃的间隙可根据钢板厚度进行调整，间 隙调整精度高，速度快，并用切口干净毛刺少。 (6)滚切剪剪切板材的厚度最大可达到 50mm，而圆盘剪和斜刃剪的剪切板材厚度最 大只能达到 25mm 和 40mm。 (7)滚切剪剪切机组采用计算机控制， 钢板运送和长度测量由夹送辊和测长辊或激光 测长装置组成，定尺系统精度高，使用维修方便。 本次滚切式剪切机的设计的目的是确定合理的主要参数。 通过综合分析选择滚切剪 的机构，按照工艺要求确定剪切力的大小及计算技术参数，保证剪切质量，并且根据滚 第 3 页 切剪生产中存在的问题，制定合理的改造方案，使其性能更加完善。通过此次设计，掌 握单体机械设备设计方法，提高绘图技术和设计能力，为以后工作打下良好的基础。 1.2 滚切剪的发展趋势 剪切设备是轧钢生产线上的重要设备之一，世界各国为提高产品质量，提高生产效 率，竞相进行技术改造。 从 20 世纪 70 年代，滚切剪开始兴起到现在，经过多年的发展，国外先进国家滚切 剪方面的技术已经成熟，除了滚切剪主体设备性能完善，还增加了先进的辅助设备，如 输入滚到上设有激光划线装置和磁力对中装置、入口侧设有红外温度计、固定剪入口侧 夹送辊上设有接触式传感器测厚装置、 刀片设有弹簧夹紧液压松开式的夹紧机构以及自 动换刀装置等，使剪切钢板完全实现了自动化。 目前，目前我国拥有 40 多条中厚板轧机生产线，但是由于受到资金和技术等因素 的制约，剪切线设备还较落后，大部分仍沿用斜刀片剪切机切头、切尾、切定尺和切边， 尤其是一部分老旧的生产线，剪切设备停留在 20 世纪 5060 年代水平，严重影响钢板 质量和产量的提高。而新建或在建的中厚板厂则多数采用了滚切剪，切边以滚切式双边 剪为主，头尾、定尺及分段横切采用滚切式定尺剪。 滚切式剪切机取代斜刃剪和圆盘剪已成为国际上中厚板厂技术改造和新建的发展 趋势。国产滚切式定尺剪设计制造技术正在不断提高，主要技术性能和剪切质量已基本 上达到国际同类设备水平，完全可以替代进口以满足中厚板厂生产的需要。滚切式双边 剪由于机构复杂、自动化程度高，电气元件、自动控制精度和可靠性技术等方面与国外 还有差距，目前国内还不能完全自行设计及制造。 第 4 页 2 设计方案的选择和分析 1 设计基本要求 本次设计剪切机剪切钢板钢种为普通钢、低合金钢等，剪切钢板厚度 6mm40mm， 剪切钢板宽度 1500mm2800mm，剪切钢板长度 18000mm，刀片圆弧半径 r=47000mm 左右，滚切范围角 =7左右。 2 设计方案的选择和分析 1）. 根据设计参数选择剪切机类型 在普通斜刀片剪切机上剪切厚度大于 20mm 板材时，由于刀片行程大，易使板材产 生横向弯曲，在剪切侧边时半边也不齐，影响板材的剪切质量和产量。而滚切式剪切机 上刀刃是弧形的，在整个剪切范围内刀片重叠量不变，被剪切板材几乎不弯曲。这种剪 切机的开口度比斜刀片剪切机大一些，但其总行程却小 30%40%，故其曲柄轴半径小， 传动力矩小。此外，滚切式剪切机运动的上刀与被剪板材之间只产生很小的相对运动， 刀片磨损较小。因此本设计选择圆弧滚切式剪切机。 2）. 剪切机结构的选择 圆弧滚切式剪切机按结构形式划分，可以分为单轴双偏心、二轴二偏心型、三轴三 偏心型、一轴三偏心型等几种形式。由于单轴双偏心驱动机构比较简单，因此本设计选 择单轴双偏心型的上剪刃驱动机构。 1、2曲柄轴; 3,4连杆； 5弧形上刀片； 6平直下刀片；7导向杆 图 2.1 滚切剪结构图 最终选定剪切方式为平直下剪刃固定，圆弧上剪刃做滚动剪切，单轴双偏心型的上 剪刃驱动机构； 交流电机驱动； 传动装置采用上传动， 电机及减速装置布置在机架上面。 第 5 页 该方案上刀刃相对钢板的滑动量小，钢板划伤小；上下刀片的重叠量很小，可以保 证钢板平直度，切下的板边弯曲也较小；设置间隙调整装置，上刀片的间隙可以根据钢 板厚度进行调整，保证剪切断面质量好；安装剪刃更换装置便于维护和事故处理；设备 结构紧凑，占地面积也较小，坯料及聊头运输条件好，节省成本。 第 6 页 3 滚切剪的设计 3.1 滚切剪的工作原理 如图 3.1，滚切剪的剪切机构是由曲柄轴 1 和 2、连杆 3 和 4、弧形上刀片 5、平直 下刀片 6 以及导向杆 7 组成。其工作原理是由于两根左右曲柄轴之间存在相位差，左右 曲柄轴由电机经减速机同步传动而带动连杆， 使上刀架在导向杆的作用下实现滚切式剪 切的过程。 1、2曲柄轴；3,4连杆；5弧形上刀片；6平直下刀片； 7导向杆 图 3.1 滚切剪剪切原理 由该剪切过程可知，滚切剪在剪切的每个瞬时仍是一个斜刃剪的工作状态，只不过 是斜刃倾角并非恒值，而是随剪切瞬时改变而变化。每个瞬时的倾角应等于该瞬时上刃 圆弧触点的切线与下刃之夹角。因此，也可以说，滚切剪的剪切过程是无限个变倾角斜 刃剪的剪切过程之组合。 这种剪切方式的偏心半径小，在剪切力一定时，剪切力矩小。而且对被剪切钢板的 压弯变形小，避免了钢板端部和棱边的弯曲，剪切质量好。 第 7 页 3.2 滚切剪的基本机构 滚切剪主要由以下几个部分组成：钢板定位装置、入口侧夹送辊和废钢推钢机、测 量辊、滚切式剪切机、切头运输设备、升降辊道。 1. 剪刃 与其它剪切机一样， 有一对上下剪刃。 下刃为直刃，上刃为两端圆弧形成的圆弧刃 （图 3.2）。钢板入口端刃弧半径较小；出口 端刃弧半径较大。出此考虑的目的是使钢板 入口处有较大的导向开度。 上下剪刃安装在剪刃盒中（图 3.3）。在 剪刃长度方向上，由多个特殊的液压缸（图 3.3 中 5）将剪刃盒紧固在剪刃架上（图 3.3 中 3）。正常剪切时，借助于液压缸内的板 型弹簧 （图 3.3 中 4）将剪刃盒紧压在剪刃架 上，每个缸内板型弹簧的压紧力为 7080kn 当要更换剪刃时， 液压缸柱塞由高压油推动， 克服弹簧压紧力松开剪刃盒，剪刃盒整体卸 下，达到快速更换剪刃的目的。 纵向滚切剪在钢板出口侧还要设置一对 横向小剪刃。它将主剪刃切下的半边剪切成 方便运输的长度，此剪刃又称为“碎边刃”。 它的上刃为斜刃。其固定方式与主任相同。 剪刃侧间隙调整为手动式。上剪刃的剪切运 动依附于主刃架带动。 2 上剪刃驱动机构 第 8 页 目前，圆弧滚切剪式剪切机的上剪刃驱动机构主要有下列形式：二轴二偏心型、三 轴三偏心型、一轴三偏心型、一轴双偏心。本设计采用一轴双偏心型驱动，如图 3.4 所 示。 1- 下剪刃台； 2- 曲柄轴；3- 上刃架；4- 被剪钢板；5- 导向杆；6- 连杆 图 3.4 上剪刃驱动机构示意图 主剪刃由曲柄轴 2 经减速机由电机驱动。上刃架两侧靠楔形挡块限位，两端分别由 液压平衡缸与弹簧限位器定位。 液压缸通入压力油。 上刃架四面均处于可靠的约束状态， 这就保证了剪切的稳定与精确。 第 9 页 3 调整剪刃间隙机构 表 3.1 板厚与剪刃间隙对应关系 序号 钢板厚度(mm) 剪刃间隙(mm) 剪切频率(次/min) 1 4.56 0.30.6 26.8 2 610 0.30.6 25.5 3 1015 0.60.8 24.3 4 1520 0.81.0 23.1 5 2025 1.01.2 21.9 6 2530 1.21.4 20.7 7 3035 1.41.7 19.6 8 3540 1.72.0 18.4 9 4045 2.02.3 17.2 10 4550 2.32.6 16 剪切钢板时，按工艺要求必须对不同厚度范围的钢板设定不同的剪刃侧间隙。长期 生产实践指出，随钢板厚度的变化，剪刃侧间隙值按表 3.1 所列值比较适宜。为了实现 这一工艺要求，各类滚切剪均设置了自动调整间隙机构，现在最通用的是双楔块调整机 构。如图 3.5 所示，上剪架 2 紧贴在两侧楔形滑块 3 上，楔形滑块由两个斜度相同方向 相反的楔块组成。当电机 7 驱动时，经伞齿轮传动 6，涡轮传动 5 带动两侧螺杆 4 按相 反方向旋转，使两侧螺杆一升一降，从而带动两侧楔形滑块作方向相反行程相等的升降 移动。由于两侧楔形滑块斜度完全相同，因此上刃架仍能紧贴在两侧楔形滑块上随楔形 滑块水平移动而改变与下剪刃台之间的相对位置，从而达到调整上下剪刃侧间隙的目 的。间隙值可用指针盘和电气计数表指示。 第 10 页 1- 下刃台；2- 上刃架；3- 楔形滑块；4- 螺杆传动；5- 涡轮传动； 6- 伞齿轮传动；7- 电机；8- 让刀杠杆系；9- 主曲柄轴 图 3.5 调整间隙与让刀机构示意图 4 上剪刃让刀机构 在剪切钢板时，上下剪刃侧间隙应保持上述给定的值，但剪板结束后，在上刃架返 回过程中，希望上剪刃要离开钢板被剪面一定距离（0.20.4mm）。出于此目的，在滚 切剪上设置了上剪刃的让刀机构。设置此机构的好处有两个，一是防止上刃擦伤被剪钢 板的剪切断面，二是减轻上刃的磨损，延长剪刃的重磨周期。 如图 3.5 所示，在一根主曲柄轴 9 的尾部安一个凸轮，凸轮的偏心位角相差一个适 当值，这个位角差保证在上剪刃剪切结束瞬时，由主曲柄轴尾部凸轮偏心作用带动让刀 杠杆系 8 拉开楔形滑块 3，上刃架跟随移开，使上刃相对钢板剪切断面有 0.20.4mm 间 隙。而开始下一次剪切时，又有凸轮偏心作用使上刃架恢复刀原始位置，以保证给定的 第 11 页 剪刃侧间隙。国外的纵向滚切剪均采用这种让刀机构，生产实践证明，此机构是实用和 可靠的。 上述几方面是现代圆弧滚切剪本体的基本机构。本体还有一些设备环节，如压紧器 以及一些相应的附属机构。譬如前后必须设置强力压送辊装置，钢板横移对中装置等。 这累设备均与斜刃剪的相差无几。 3.3 剪切理论 3.3.1 轧件剪切过程分析 金属的剪切过程可以分为以下几个阶段：刀片弹性压入金属阶段；刀片塑性压入金 属阶段；金属塑性滑移阶段；金属内裂纹萌生和扩展阶段；金属内裂纹失稳扩展和断裂 阶段。一般可粗略地分为两个阶段：刀片压入金属阶段和金属塑性滑移阶段。 在不同阶段， 被剪切金属剪切区域 内应力状态是不同的。在整个剪切过 程中，剪切区应力状态不断变化，剪 切力也不断变化。试验表明，最大剪 切力产生于刀片塑性压入阶段中了、 金属塑性滑移阶段开始之时。因此， 一般可将剪切过程分为两个阶段来建 立剪切过程的受力模型。压入阶段作 用在被剪切金属上的力，如图 3.6 所 示。 当刀片压入金属时， 上下刀片对被 剪切金属的作用力 p 组成力矩 pa，此力矩使被剪金属沿图示方向转动。而上下刀片侧 面对轧件的作用力 t 组成的力矩 tc，将阻止轧件的转动。随着刀片的逐渐压入，被剪 金属转动的角度不断增大，直到转过角度 后，两力矩平衡，便停止转动。 被剪金属停止转动后，刀片压入达到一定深度时，力 p 克服了剪切面上金属的剪切 阻力，此时，剪切过程由压入阶段过渡刀滑移阶段，金属沿剪切面开始滑移，直到剪断 为止。 第 12 页 3.3.2 金属机械性能对剪切抗力的影响 剪切力与被剪金属的机械性能和剪切面积大小有关。为了求得普遍意义剪切力，将 剪切力除以对应转角的剪切面积，得到随转角变化的单位剪切抗力曲线。 图 3.7 剪切抗力曲线 结合滚切剪的剪切过程和曲线形状特点，把曲线分为三部分： (1) a 部分上刀开始切入的初始阶段，直到上刀切入理论滚切线为止。单位剪 切抗力曲线在此阶段出现峰值，形状近似于平行刃剪切机单位剪切抗力变化曲 线。 (2) b 部分滚动剪切阶段。此阶段剪切过程比较稳定，类似于斜刀片剪切状态， 只是刀弧运动状态稍有不同，单位剪切抗力基本不变。 (3) c 部分剪切阶段后期。刀弧最低点未到钢板左端，钢板已经断裂. 3.4 滚切剪主要参数的计算 3.4.1 设计基本要求 (1)剪切钢板钢种：普通钢，低合金钢； (2)剪切钢板厚度：6mm40mm； (3)剪切钢板宽度：1500mm2800mm; (4)剪切钢板长度：1800mm； 第 13 页 3.4.2 最大剪切力 剪切机最基本的参数是剪切力，用剪切力来设计其余的技术参数。设计剪切机，一 般要计算最大剪切力与额定剪切力，前者标为剪切机的公称能力，并用此剪切力对机械 零件进行强度校核；后者用作电机容量选择计算。 由设计参数可知，当 h=40mm 时，b700mpa；h=20mm 时，b800mpa。查文献5， 42，最大剪切力 max p的计算公式为： 1.6 6 max 10 tan kh p = b (3.1) 式中：k 刀刃磨钝系数(1.151.3)； b钢板材料强度； h 钢板最大厚度； 剪切某种厚度钢板时的上忍最大当量倾角。 取 k=1.3 ; b=800mpa ; h=40mm ; =2.6; 则： 6 6 . 1 max 10 tan = hk p b 6 . 2tan 408003 . 1 = mn455. 8= 3.4.3 额定剪切力 查文献5，42，额定剪切力 p 的计算公式为： 6 6 . 1 10 tan = h p b (3.2) mn504. 6 10 6 . 2tan 40800 6 = = 3.4.4 剪切功 查文献1，291，剪切功 a 的计算公式为： 第 14 页 tanpba = (3.3) 式中：p最大剪切力； b被剪钢板宽度； tanpba = mj08. 1 6 . 2tan2800455. 8 = = 3.4.5 上剪刃圆弧半径 刀片圆弧半径 r 是滚切式剪切机的主要结构参数。r 主要取决于刀片咬入角 1 。咬 入角小，剪切力增大，剪切质量好。咬入角大，剪切力小，咬入条件差。 图 3.8 刀片圆弧半径确定简图 查文献1，292，圆弧滚切式剪切机的上剪刃圆弧半径 r 的计算公式为： cos1 max + = sh r (3.4) 第 15 页 式中： max h最大剪切厚度； s重合度，此处取 s=7； 所以： cos1 max + = sh r mm45656 6 . 2cos1 740 = + = 取 r=47000mm。 当刀片宽度为 b 时，则滚切范围角为： ) 2 arcsin(22 r b = (3.5) 式中：圆弧刀片端点与圆弧中心 o 的连线垂直线之间的夹角； ) 2 arcsin(22 r b = = = 48496 ) 47000 2800 arcsin(2 3.4.6 上刀架最大行程 刀片行程是剪切机的主要参数， 它决定了剪切机的高度。 在剪切能力允许的范围内， 它决定了所能剪切的轧件做大断面高度。 第 16 页 1上刀架；2下刀架；3轧件；4压板 图 3.9 刀片行程图 根据文献1，258刀片行程为： sqqfhh+= 21 (3.6) 式中：h刀片最大行程； h被切轧件最大断面高度； f轧件上表面与压板之间的距离，此值的选取要保证轧件有一定翘头时，仍能 通过剪切机； q1为了避免上刀受轧件冲撞，而使压板低于上刀的距离； q2为了使轧件能顺利通过剪切机，上刀不被轧件磨损，使下刀低于辊道表面的 距离； s上下刀片的重叠量； 取 h=40mm；f=60mm；q1=35mm；q2=20mm；s=7mm； 因为滚切上刃是大半径的圆弧刃，因此在确定上剪刃行程时，没必要考虑像斜刃剪 上刃倾角所造成的附加行程。 mm162720356040=+=h 3.5 电动机容量的选择 由文献5，43知，电动机的功率可用下式计算： 第 17 页 5 10 975 = i nm n hcq (3.7) 式中： cq m曲柄旋转一周，某一个最繁重的品种平均静阻力矩； h n电机的额定转速，取min/1000rnh=； 电机的过载系数，一般可取7 . 13 . 1=； i电机至曲柄轴的速比，取60=i。 利用剪切静力矩计算出曲轴每一个转到 2.6角时静力矩，然后求出一周的平均值 m mn62.314为mcq，代入数据可得 5 10 975 = i nm n hcq kw 88.353 10 605 . 1975 100062.314 5 = = 根据以上计算所得数据，查找专业手册，选取合适电机。由于 yr 系列的大型三相 异步电动机具有良好的密封性，广泛用于机械工业粉尘多、环境较恶劣的场所。且它非 常适合用于矿山、冶金等机械工业，所以圆弧剪切机的驱动电机选择 yr 系列电机。再 根据n=353.88 kw， 由文献7， 40- 131 附表40- 14选择的电动机的型号为 yr400- 6 的 大型三相异步电动机。 容量相同的同类型的电动机，有几种不同的转速系列，此种情况下我们综合考虑， 分析比较电动机及传动装置的性能、尺寸、重量和价格等因素，再考虑到机械在实际中 的运转， 他的可靠性与电机相连接的减速机， 以及以后的发展， 最后选同步转速1000r/min 的电动机。 yr400- 6 中型三相异步电动机的基本数据如表 3.2 所示： 表 3.2 yr400- 6 中型三相异步电动机主要性能参数表 型号 额定功率 （kw） 定子电 流 （a） 转速 （r/min ） 效率 （%） 转动惯量 （ 2 kg m） 质量 (kg) yr400- 6 355 372 987 95.07 15 3150 第 18 页 3.6 减速器的设计 由于减速器采用电动机驱动，电动机转速987n= 电 r/min，电动机的额定功率为 355n = kw，每日工作 24 小时，厂房较大，自然通风冷却。按传动比 i=9.779，转速 987n = 1 r/min选择减速器。 减速器的基本数据如表 3.3 所示： 表 3.3 减速器技术参数表 公称 传动比 i 输入公称 转速 1 n （r/min） 输出公称 转速 2 n （r/min） 低速级 中心距 （mm） 高速级 中心距 （mm） 总重量 （kg） 9.779 1000 110 542 438 46292 滚切剪的减速器为展开式两级圆柱齿轮减速器， 该减速器具有结构简单、 可靠性高、 成本低等特点，高速级和低速级都是斜齿轮。 图 3.10 减速器传动简图 3.7 主要零件的设计与校核 主要零部件的设计与校核包括：齿轮的设计与校核、齿轮轴的校核、曲轴的设计与 校核、联轴器的选择与校核等内容。 第 19 页 3.7.1 齿轮的设计与校核 1选精度等级、材料及齿数 1）根据前面所示的传动方案，选用斜齿圆柱齿轮传动。 2）根据滚切剪传动机构速度，可选用 7 级精度(gb10095- 88)。 3)材料选择。由文献2，表 10- 1选择小齿轮材料为 50simn(整体调质处理)， mpa735= b ，mpa490= s 硬度为 270hbs ； 大齿轮材料为 42simn(调质处理)， mpa686= b ，mpa441= s ，硬度为 230hbs；二者硬度差 40hbs。 4）选小齿轮齿数24z1=，大齿轮齿数78.6824866. 2z2= uz,取 2 z=69，则 875. 2 24 69 1 2 = z z 。 5）初选螺旋角=14 2按齿面接触强度设计 按文献2，200中式（10- 21）试算，即 3 21 1 ) ( 12 h eh d t t zztk d (3.8) （1）确定公式内的各计算数值 1）试选6 . 1= t k。 2）由文献 2 中图 10- 31 选取区域系数433. 2= h z。 由文献 2 图 10- 26 查得78 . 0 1 = ，87 . 0 2 = , 65 . 1 87 . 0 18 . 0 21 =+=+= 。 3）由文献2，表 10- 7选取齿宽系数1= d 。 4）由文献2，表 10- 6查得材料的弹性影响系数 2 1 mpa8 .189= e z。 5）由文献2，图 10- 21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 mpa600 1lim = h ；大齿轮的接触疲劳强度极限mpa550 2lim = h 。 6）计算小齿轮传递的转矩。 第 20 页 1 1 5 1 10 5 . 95 n p t = (3.9) mn1043. 3 987 355105 .95 6 5 = = 7）计算应力循环次数 n njln60 1 = (3.10) 9 10264. 4 )1530082(198760 = = 9 1 2 10487. 1= n n 8）由文献2，图 10- 13取接触疲劳寿命系数90 . 0 1 = hn k；95 . 0 2 = hn k。 9）计算接触疲劳许用应力。 取失效概率为 1%，安全系数 s=1，得 mpa540 1 6009 . 0 1lim1 1 = = s khn h (3.11) mpa 5 . 522 1 55095 . 0 2lim2 2 = = s khn h mpa25.531 2 )( 21 = + = hh h （2）计算 1）试算小齿轮分度圆直径 t d1，由计算公式得 mm68.193) 25.531 8 . 189433 . 2 ( 875 . 2 875 . 3 65. 11 1043 . 3 6 . 12 3 2 6 1 = t d 2）计算圆周速度。 s /m10 100060 96068.193 100060 11 = = = nd t (3.12) 3）计算齿宽 b 及模数 nt m 。 第 21 页 mm68.193 mm68.1931 1 = tdd b mm83. 7 mm 24 14cos68.193cos 1 1 = = z d m t nt mm18 mm83 . 7 25 . 2 25 . 2 = nt mh 76.10 18 68.193 = h b 4）计算纵向重合度 。 903. 114tan241318. 0tan1318. 0=dz 5）计算载荷系数k。 已知使用系数1= a k，根据sm/10=，7 级精度，由文献2，图 10- 8查得动载系 数18 . 1 = v k；由表 10- 4 查得 h k的值与直齿轮的相同，故54. 1= h k；由图 10- 13 查得 5 . 1= f k；再由表 10- 3 查得4 . 1= fh kk。故载荷系数 54. 254. 14 . 118. 11= hhva kkkkk (3.13) 6）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由公式得 mm94.225 mm 6 . 1 54 . 2 68.193 3 3 11 = t t k k dd (3.14) 7）计算模数 n m 。 mm35. 9 mm 24 14cos94.225cos 1 1 = = z d mn (3.15) 3按齿根弯曲强度计算 按文献2，公式 10- 17校核 3 2 1 2 1 cos2 f safa d n yy z ykt m (3.16) （1）确定计算参数 1） 确定载荷系数k 478. 25 . 14 . 118. 11= ffva kkkkk (3.17) 第 22 页 2） 根据纵向重合度903. 1= ， 从文献2， 图 10- 28查得螺旋角影响系数88. 0= y。 3） 计算当量齿数。 27.26 14cos 24 cos 33 1 1 = = z zv (3.18) 82.75 14cos 69 cos 33 2 2 = = z zv 4） 查取齿形系数。 由文献2，表 10- 5查得592 . 2 1 = fa y；23 . 2 2 = fa y 5） 查取应力校正系数。 由文献2，表 10- 5查得596 . 1 1 = sa y；76. 12 =ysa 6） 由文献2，图 10- 20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限mpa500 1 = fe ；大齿轮 的弯曲强度极限mpa380 2 = fe ； 7） 由文献2，图 10- 18取弯曲疲劳寿命系数85 . 0 1 = fn k，88 . 0 2 = fn k； 8） 计算弯曲疲劳许用应力。 取弯曲疲劳安全系数4 . 1=s，由文献2，式 10- 12得 mpa57.303 4 . 1 50085. 0 11 1 = =mpa s k fefn f (3.19) mpa86.238 4 . 1 38088. 0 22 2 = =mpa s k fefn f 9） 计算大、小齿轮的 f safay y 并加以比较。 01363. 0 57.303 596. 1592. 2 1 11 = = f safay y (3.20) 01642. 0 86.238 774. 1211. 2 2 22 = = f safa yy 大齿轮的数值大。 （2）设计计算 第 23 页 mm24. 6 mm01642. 0 65 . 1 241 14cos88. 01043 . 3 478 . 2 2 3 2 26 = n m 对此计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数 n m 大于由齿根弯曲疲劳强度 计算的模数， 由于齿轮的模数 m 的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力， 而 齿面接触疲劳强度所决定的承载能力， 仅与齿轮直径 （即模数与齿数的乘积） 有关， 因此可取小齿轮的模数为 10mm，分度圆直径 mm94.225 1 =d来计算应有的齿数。 于是由 92.21 10 14cos94.225cos 1 1 = = n m d z 取22 1 =z，则6322875. 2 12 =zz。 4几何尺寸计算 （1）计算中心距 ()() mm01.438 mm 14cos2 106322 cos2 21 = + = + = n mzz a (3.21) 将中心距圆整为 438mm。 （2）按圆整后的中心距修正螺旋角 ()() = + = + =385913 4382 106322 arccos 2 arccos 21 a mzz n (3.22) 因值改变不多，故参数 h zk 、 等不必修正。 （3）计算大、小齿轮分度圆直径 mm8 .226 385913cos 1022 cos 1 1 = = n mz d mm48.649 385913cos 1063 cos 2 2 = = n mz d （4）计算齿轮宽度 mm 8 . 226 mm8 .2261 1 =db d 圆整后取 mm230 2 =b； mm235 1 =b。 第 24 页 同理，可设计第二级齿轮。 表 3.4 两级齿轮设计数据 级别 i z1 z2 m v 第一级 2.866 22 63 10mm 10m/s 第二级 3.412 17 58 14mm 4.5m/s 3.7.2 齿轮轴的校核 由于减速器外伸端小齿轮和与之啮合的大齿轮所受转矩较大， 所以应校核末级小齿 轮的齿轮轴。 1计算末级齿轮的传递转矩 由于末级齿轮的功率 kw 51.327 99. 098. 099. 0355 32 32 3 = = = 承齿联电机 pp (3.23) 式中：p 电机电动机的功率，p电机=355kw； 联 联轴器的效率，联=0.99； 齿齿轮啮合效率，齿=0.98； 承一对轴承的效率，承=0.99。 末级齿轮转速 101 779 . 9 987 1 3 = 总 i n n min/ r (3.24) 因此，末级齿轮传递的转矩为 3 33 3 109550 n p t= (3.25) 3 5 327.51 9550 10 101 309.68 10 n mm = = 第 25 页 2作用在齿轮上的力 已知低速级大齿轮分度圆直径为 mm11.837 mm 35214cos 5814 cos 2 2 = = zm d n (3.26) 所以可计算 n89.73987n 11.837 1068.30922 5 2 3 = = d t ft (3.27) n00.27759n 35214cos 20tan 89.73987 cos tan = = n tr ff (3.28) n32.18506n35214tan89.73987tan= ta ff (3.29) ()() n90.81161 35214cos20cos 89.73987 coscos = = n t n f f (3.30) 3初步确定轴的最小直径 选取轴的材料为 35crmo，调质处理，查文献8，5得到如下性能参数。 表 3.5 35crmo 力学性能参数表 hb b s 1 h 1 207269 700 500 320 245 185 取112 0 =a，由文献2，式(15- 2)估算得 mm94.165 mm 101 51.328 112 3 3 3 3 0min = n p ad (3.31) 因输出轴的最小直径是安装联轴器处轴的直径，所以同时选取联轴器型号。按照输 出轴转矩和载荷条件，查文献8，67可选用 gcl13 型鼓形齿式联轴器，其公称转矩 为m1000n7。半联轴器的孔径取 mm170=d,故取 mm170 min =d，外伸段长度 mm242=l。 4绘制轴的结构简图 第 26 页 图 3.11 轴结构简图 5求轴上的载荷 水平面支反力： n89.73987 21 =+ tnhnh fff ()0425425210 1 =+ tnh ff 两式联立求得：n45.49519 1 = nh f，n44.24468 2 = nh f 垂直面支反力： n90.81161 21 =+ nnvnv fff ()0425425210 1 =+ ranv fmf mmn1008. 8 2 11.87332.18506 2 6 = = = df m a a 三式联立求得：n27.31303 1 = nv f，n63.49858 2 = nv f 第 27 页 6绘制齿轮轴的受力简图，如图 3.21 所示。 图 3.12 轴的内力分析 7计算弯矩 第 28 页 水平面弯矩 h m： lfm th = (3.32) mmn1055. 1 21089.73987 7 =