机械毕业设计（论文）-大方坯结晶器振动机构设计【全套图纸】 .pdf

内蒙古科技大学 本科生毕业设计说明书（毕业论文） 题 目： 大方坯结晶器振动机构设计 学生姓名： 学 号：0604103532 专 业：机械设计制造及其自动化 班 级：机 2006-5 班 指导教师： 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） i 结晶器振动机构设计结晶器振动机构设计 摘摘 要要 随着连铸技术的迅猛发展，人们对结晶器的人研究日益深入，形成了一整套结 晶器控制技术和专家系统。结晶器被成为连铸机的“机头”，其重要性被喻为连铸 机的“心脏”。 它的性能对于提高连铸生产率,维持连铸过程正常生产,以及保证铸 坯质量都起着至关重要的作用。一个良好的结晶器振动装置是至关重要的，它保证 浇铸过程中铸坯不与结晶器粘接，并获得良好的铸坯表面质量，良好的振动装置不 应使铸坯承受水平力和弯矩，只产生轴向的拉力或压力。结晶器振动装置上下运动 的目的之一是防止初生坯壳与结晶器粘接，但更主要的目的是使拉裂的坯壳愈合， 防止漏钢。而本设计论述的是四偏心连杆振动形式的运动形式、振幅、偏心距的设 计及校核。因此结晶器的设计（尤其是其振动机构的设计）、制造、操作工艺和热 工作状态对这一动态过程的控制有十分重要的影响，它对连铸机的产量、连铸坯的 质量和生产的安全性有决定的作用。 关键词：关键词：连铸 结晶器 振动装置 四偏心振动机构 全套图纸三维，加全套图纸三维，加 153893706 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） ii mould oscillation mechanism design abstract with the rapid development of continuous casting technology， people who study for mould further formed a set of mold control technology andexpert system. mould is a continuous casting machine of the “nose“,its importance is the birthplace of the caster “heart.it is to improve the performance of continuous casting process, maintaining productivity, and ensure the normal production of billet quality plays a vital role. a good system is crucial, it guarantees casting process with mould casting, and obtain good adhesive of slab surface quality. crystal vibrator up and down movement of one of the aims is to prevent the initial solidification shell and mold bonding, but the more important purpose is to heal the crack of the billet shell to prevent the breakout. discussion of this design is the four- movement form of eccentric rod form of vibration, amplitude, eccentricity of design and checking. therefore, the design of the mold (especially the vibration of the organization design), manufacturing, operating processes and working status of the dynamic thermal control of the process have an important impact, its output of continuous casting machine, billet quality and production safety have a decisive role. key words: casting mould vibrating device four eccentric vibration 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 1 目目 录录 结晶器振动机构设计结晶器振动机构设计 i 摘摘 要要 i mould oscillation mechanism design ii abstract ii 第一章第一章 绪论绪论 4 1.1 铸钢生产及分类 . 4 1.2 从振动形式看结晶器技术的发展 5 第二章第二章 结晶器振动装置概述结晶器振动装置概述 7 2.1 结晶器振动装置的作用及振动方式 7 2.2 结晶器振动机构形式 . 8 第三章第三章 结晶器正弦振动基本参数的确定结晶器正弦振动基本参数的确定 10 3.1 正弦振动规律及振动参数 . 10 3.2 正弦振动工艺参数的确定 . 12 3.3 正弦振动的振幅和频率与保护渣之间的关系 18 第四章第四章 结晶器振动系统分析结晶器振动系统分析 20 4.1 结晶器的振动作用及其过程 . 20 4.2 结晶器四偏心振动机构原理 . 21 4.3 相关参数 . 22 第五章第五章 结晶器参数计算结晶器参数计算 23 5.1 传动功率计算及传动比的分配 23 5.1.1 传动功率计算 23 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 2 5.2 电动机的选择 . 25 5.3 联轴器的选用 . 26 5.3.1 联轴器类型的选择 26 5.3.2 联轴器的选用计算 27 第六章第六章 结晶器四偏心振动机构偏心轴的设计结晶器四偏心振动机构偏心轴的设计 28 6.1 偏心轴的设计计算 . 28 6.1.1 求输入轴上的功率 p 转速n 和转矩t 28 6.1.2 求作用在轴上的力 28 6.1.3 确定轴的最小直径 29 6.2 轴的结构设计 . 30 6.3 轴上零件的周向定位 . 32 6.4 求轴上的载荷 . 32 6.5 按弯扭合成应力校核该轴的强度 34 6.6 精确校核轴的疲劳强度 . 35 第七章第七章 板簧的设计板簧的设计 39 7.1 板簧的材料选择 . 39 7.2 板簧的结构设计 . 39 7.3 连杆的网格划分 . 40 7.4 边界约束和结果分析 . 41 第八章第八章 结晶器连杆的分析结晶器连杆的分析 43 8.1 连杆的有限元分析 . 43 8.2 对连杆进行有限元网格划分 . 44 第九章第九章 结晶器润滑及按装使用中注意的问题结晶器润滑及按装使用中注意的问题 46 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 3 9.1 结晶器振动机构的润化 . 46 9.2 更换弹簧板的步骤 . 46 9.3 振动台水平度测量方法 . 47 9.4 安装使用中注意的问题 . 47 附录附录: . 49 附录 1：板簧 ansys 分析部分节点受力情况 49 附录 2：装配体部分装配步骤与零件清单(节选) . 50 附录 3：部分装配体图片 . 52 参考文献参考文献: . 53 致谢致谢 54 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 4 第一章第一章 绪论绪论 1.1 铸钢生产及分类铸钢生产及分类 钢的生产过程主要分为炼钢和铸钢两大环节。炼钢的任务是将有关原料通过炼钢 炉，炼成质量合格的钢液，铸钢的任务是将成份合格的钢液铸成适合于轧制和锻压加工 所需要的一定形状的钢块 （连铸坯或钢锭） 。 铸坯作业是衔接炼钢和轧钢之间的一项特殊 作业，其特殊性表现为它是把钢液变为固体的凝固过程。当钢液凝固后，在以后的轧钢 过程中， 就不能对质量有本质上的改进了。 因此铸钢作业对产品质量和成本有重大影响， 必须特别重视。 铸钢生产可以分为钢锭模浇铸（以下简称模铸）和连续铸钢（以下简称连铸）两大 类。模铸是将钢液注入铸铁制作的钢锭模内，冷却凝固成钢锭的工艺过程。连铸的出现 从更本上改变了一个世纪以来占统治地位的钢锭初轧工艺，由于它所具有的一系列的 优越性。 使得它自 20 世纪年代大规模应用于工业生产以来得到了迅猛的发展。 目前世界 主要产钢大国如日本、欧美等的连铸坯产量已超过铸钢总产量的 90%以上，连铸也成为 主要的铸钢生产方法。 连续铸钢是一项把钢水直接浇铸成形的节能新工艺，它具有节省工序、缩短流程， 提高金属收得率， 降低能量消耗， 生产过程机械化和自动化程度高， 钢种扩大， 产品 质 量高等许多传统模铸技术不可比拟的优点。 就世界范围而言，连比已经提高到一个 较高的水平，新的连铸装备的投入步伐将有所减缓，随之而来的是各类旧有连铸机的更 新换代。 不管是新建的还是被改造的连铸机都会朝着高效化发展， 提高无缺陷坯的比率， 扩大连铸钢品种，推进纯净钢的同时防止二次氧化，提高连铸机的装机水平，提高作业 率，合理提高拉速，做好炉机匹配等以高效化生产的中心的工艺、设备、操作技术将是 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 5 连铸技术发展的必然。 1.2 从振动形式看结晶器技术的发展从振动形式看结晶器技术的发展 结晶器是连铸机的心脏部件。最初的连铸机结晶器是静止的，在拉坯过程中坯壳极 易与结晶器壁发生粘结，从而出现“拉不动”或拉漏事故。因此，静止、不振动的结晶 器限制了连铸生产的工业化。直到德国人 siegfliedjunghans 开发了结晶器振动装置，并 成功地应用于黄铜和钢的方坯连铸机上，连铸生产才得到很大的发展。 从结晶器技术的发展来看，结晶器振动经历了矩形速度方式、梯形速度方式到目前 应用最多的正弦振动方式以及近几年更先进的非正弦振动方式。矩形速度规律的主要特 点是结晶器在下降时与铸坯做同步运动， 然后以 3 倍的拉坯速度上升。 生产实践表明， 这种振动方式对铸坯的脱模是有效的，因而早期得到应用。主要问题：实现运动规律的 凸轮加工制造比较麻烦，要保证振动机构和拉坯机构之间须实行严格的电气连锁等，因 而也不便于采用高频率振动。 梯形速度规律的主要特点是：结晶器在向下运动的过程中有较长一段时间，其速度 稍大于拉坯速度，即所谓“负滑动运动” 。从而在坯壳中产生压应力，使粘结的坯壳强迫 脱模等，实践表明，这种梯形速度是一种较好振动规律，因此沿用了多年，后来才被正 弦振动规律取代。 正弦速度规律：选择这种正弦速度规律的基本出发点：打破结晶器和铸坯之间要有 一定的速度关系的框框，着重发挥它的脱模作用，并用偏心轮取代凸轮。 正弦速度规律的主要特点是： (1).结晶器和铸坯之间没有同步运动阶段，但仍然有一小段负滑动，有利于脱模； (2).是正弦曲线，所以加速度是余弦曲线，结晶器振动平稳； (3).加速度较小，可以采用较高频率振动，提高脱模作用； 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 6 (4).正弦振动用偏心机构来实现，比用凸轮优越，且易采用高频率振动。 非正弦速度规律的主要特点是：负滑动时间短，有利于减轻铸坯表面痕深度；正滑 动时间较长，可增加保护渣的消耗量，有利于结晶器的润滑；结晶器向上的运动速度与 铸坯运动速度差较小，可减小结晶器施加给铸坯向上作用的摩擦力，即可减小坯壳中的 拉应力，减少拉裂。 非正弦速度规律实现有液压和机械两种方式。国外采用液压伺服系统，允许在浇注 期间对振动波形、频率、振幅进行调整，但系统复杂，投资昂贵。国内，李宪奎教授开 发了机械驱实现非正弦速度规律机构，并获得专利。相对于国外，其结构简单，便于加 工，成本低，特别适用于原有连铸机改造，有广阔的推广前景。 总之，结晶器振动技术是连铸的一个基本特征，基于不同的理论，结晶器振动技术 也经历了复杂的过程，早期主要有凸轮实现非正弦振动，由于波形单一，在线不能调节， 未能实现振动波形的优化；由于采用偏心机构使机械动作更加简便，故结晶器正弦振动 得到了发展，并不断的对其振动参数进行优化，实现高频振动一改善铸坯表面质量；目 前开发的液压振动，波形选择范围宽并且调节容易，振动机构具有很高的稳定性，对于 改善结晶器内的润滑效果， 降低摩擦阻力以及初始凝壳的顺利形成创造了最合适的条件， 可以实现连铸振动过程的最优化 1。对于改善铸坯表面质量，提高拉坯速度，液压振动 技术将以其突出的优越性在连铸生产中得到广泛的应用。当然，无论哪种方式，结晶器 的振动对于润滑的影响，尚需进一步深入研究，以得到令人满意的使用模型。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 7 第二章第二章 结晶器振动装置概述结晶器振动装置概述 2.1 结晶器振动装置的作用及振动方式结晶器振动装置的作用及振动方式 是使结晶器振动的目的是防止初次凝定时，坯壳与结晶器壁发生粘接而被拉破。 下图 2- 1 表示在不振动的结晶器内坯壳被拉破的过程。为了解决这一问题，在结晶器装 置中采用了振动。在结晶器上下振动时，按振动曲线周期性地改变钢液面与结晶器壁的 相对位置，不仅便于脱坯，而且通过保护渣在结晶器壁的渗透，可改善其润滑状况。减 少拉坯时阻力和粘接的可能性，从而有利于提高铸坯表面质量。此外，采用低振幅，高 频率的振动。能减少振痕深度，可有效地防止横向裂纹产生。因此，结晶器振动是连铸 机的一个关键装置。 结晶器的振动方式分为三种：同步振动、负滑动振动、正弦式振动 2。 正弦振动的特点,是它的运动速度按正弦规律变化的。 这是近来普遍采用的振动方式 它有如下特点： （1）在运动过程中没有稳定的速度阶段，但仍有一段负滑脱阶段，因而，具有脱模 的作用。 （2）由于速度按正弦波变化的，其加速度必然按余弦波变化，所以过点比较缓慢， 没有很大的冲击。 （3）由于加速度较小，可以提高振动频率，减少铸坯上的振痕深度。 （4）正弦式振动可以用曲柄摇杆式机构来实现，它比凸轮机构易于加工，易于维修。 （5）既然结晶器和铸坯之间没有严格的速度关系，就没有必要使用速度联锁系统， 从而简化了驱动装置。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 8 图 2- 1 坯壳被拉断的过程 为了更好的解决这一问题，在结晶器装置中。采用使结晶器振动的形式。从而使结 晶器上下振动。在振动过程中，振动曲线周期性的改变钢液面与结晶器壁相对位置。 2.2 结晶器振动机构形式结晶器振动机构形式 振动机构有短臂四连杆式、四偏心轮式、连杆式、悬挂振动台四偏心轮振动式、 摆杆振动式和四杠杆振动式等多种方式。不同振动装置性能比较见表。图 1 为各种结晶 器振动装置的结构示意图。应用最为广泛的是短臂四连杆振动装置，其结构简单，仿弧 精度高，主要由电机、减速器、偏心轴、四连杆振动臂及振动台等组成。四偏心轮式结 晶器振动装置是一种较新的振动机构，其传动系统由电机驱动，通过万向联轴器一蜗轮 减速机一万向联轴器一偏心轴一偏心轮实现振动运动，其主要优点为振动力由 4 点传入 结晶器，传力均匀，在高频振动时运转平稳，但结构比较复杂，主要用于板坯连铸机上。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 9 表 1 各种结晶器振动装置性较 型式 运动精度 振动频率 运动方式 适用机型 四轮偏心式 良好 中高频率 回转 弧形、立弯形 连杆式 良好 中频率 摆动 立弯形 短臂四连杆式 良好 中高频率 摆动 弧形、立弯形 悬挂振动台四偏心 轮 良好 中高频率 回转 弧形、立弯形 摆杆振动式 近似直线 中高频率 摆动 立弯形 四杠杆振动式 一般 中频率 摆动 弧形、立弯形 图 2- 2 各种结晶器振动机构示意图 a四偏心轮式；b连杆式；c短臂四连杆式； d悬挂振动台四偏心轮式；e摆杆振动式；f四杠杆振动式 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 10 第三章第三章 结晶器正弦振动基本参数的确定结晶器正弦振动基本参数的确定 3.1 正弦振动规律及振动参数正弦振动规律及振动参数 1959 年正弦波振动首先在俄罗斯 novo lipetsk 厂的两台板坯连铸机上被采用， 随 后正弦振动很快在全世界范围内得到广泛应用。 正弦振动规律是指结晶器振动的速度规律为正弦曲线，如图所示： 图 3- 1 正弦振动速度曲线 t 结晶器从最高位置开始向下运动所经历的时间； n t 结晶器向下运动的速度开始大于拉坯速度所持续的时间； v 结晶器振动最大速度； min m c v 拉坯速度； min m 结晶器振动的正弦速度曲线的数学 表达式为 3： 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 11 ()sin 2/60 1000 fh mftv = （3- 1） 式中 vm 结晶器运动的速度， m/min; h 振动冲程（两倍于振幅） ，mm; (1) 正弦振动的基本参数 由式（3- 1）可见结晶器振动的速度完全取决于振幅（h/2）和频率 f，所以振幅和频 率是决定结晶器正弦振动的运动参数或称基本参数。 (2)正弦振动的工艺参数 参看图，当结晶器向下运动的速度vm大于拉坯速度vc时，结晶器里的坯壳受到压 缩，这种情况称之为负滑动。目前描述的负滑动参数较多，对于同一振幅、频率和拉坯 速度的情况下，这些参数给出了不同的数值。 但他们独立的参数只有两个：滑动频率 ns 和负滑动时间 t 因为负滑动参数直接关系到铸坯脱模和铸坯质量，所以参数 ns 和间 t 被称为工艺 参数。 (3)负滑动率 ns 正弦振动的负滑动率用下式表示 3： _ 100% c c v m ns v v = （3- 2） 式中 ns： 负滑动率，%； vc： 拉坯速度，m/min; _ m v : 结晶器振动振动的平均速度 ，m/min。 结晶器的平均振动速度可按面积平均法求得,参看图。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 12 _ / 0 sin()2/ a vt dtv m v = （3- 3） 式中 a v ： 结晶器最大振动速度，m/min. 将（3- 3）代入（3- 2） ，得 2 1 a c v ns v = (3- 4) 由图 可知，当 c v = a v 时结晶器中的坯壳处于受拉和压的临界状态此时的负滑动率 ns=36.34%。此值为负滑动率的极限值。当 ac vv 时，即 ns36.34%时，结晶器对 坯壳不产生负滑动；ns或55%nsr 时曲线急剧上升。 （）当 2.4%ns 时负滑动时间曲线随频率 f 的增加而下 降，特别是当值较小时，如 曲线下降得非常缓慢。 基本参数的确定 正弦振动的基本参数为振幅和频率。 （1）振幅的确定 一台连铸机所浇铸的钢种、断面是变化的。不同的钢种、断面所对应的拉坯速 度是不同的。因此，大多数连铸机结晶器振动装置的振幅是可调的。 确定最大振幅时，要考虑在最大拉坯速度时也不使 z 值过小，在避免临界频率 0 f 过大的前提下，尽量采用小振幅。 确定最小振幅时要考虑到在最小拉坯速度时也不 使 z 值过大，以获得较短的负滑动时间。中间各级振幅根据拉坯速度以同样的原则 确定。 （2）频率的确定 确定振动频率时，应以保证负滑动时间 nt 取得最小值，或佳值为前提。 参看图 （1- 2） ， 从时间轴上某一点做水平线， 该线与负滑动时间曲线有两个交点。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 18 一个交点处于2.4%ns 的区域， 且对应于较低频率;另一个交点处于2.4%ns 时，由于负滑动时间曲线几乎是垂直上升，因此，频率 微小的变化也会引起 nt 的很大变化。或使 nt 变为最大，或者变为零。这在实际操作 中很难控制因此，低频率不能被采用。 当 z 值较小时，如5z 24%区域所对应的较低频率， 可以得到较高的保护渣消耗量。最后确定的振幅为 2.5mm，频率为 280 min r 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 20 第四章第四章 结晶器振动系统分析结晶器振动系统分析 4- 1 结晶器振动过程示意图 4.1 结晶器的振动作用及结晶器的振动作用及其过程其过程 由于结晶器的振动，使其内壁获得良好的润滑条件，减少了摩擦力又能钢水与内 壁的粘接，同时还可以改善铸坯表面的质量。当发生粘接时，振动能强制脱模，消除粘 接。 如在结晶器内坯壳被拉断， 因振动又可在结晶器与铸坯的同步运动中使其得到愈合。 在连铸生产时，结晶器一直在振动，其速度的大小方向都是变化的，振动的过程如 图（4- 1）所示。如在 a 点发生粘接，若结晶器以速度 m v 向下振动，且 m v 大于拉坯速度 v则振动起强制脱模作用，可消除 a 处粘接。如图 a、b 中所示。 若这时结晶器速度以 m v 向上振动，则坯壳可能在 a 处被拉裂（如图中 c 所示）且钢液同 时填充到断裂处 （如图中 d 所示） ， 并开始形成新的坯壳。 这时结晶器向下振动， 若 m vv 可将断裂部分压合，如图中 e 所示。若 m vv=时，即结晶器与铸坯同步下降，在这期间 新的坯壳将得到加强，把断裂的部分联结起来。如图中 f 所示。当结晶器再次向上振动 时，如新的坯壳有足够的强度，就能将粘接的部分拉离结晶器内壁，从而实现脱模。因 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 21 此有必要研究高频率振动条件下的动力学参数，为结晶器振动机构采用高频率振动条件 下提供力学依据。 4.2 结晶器四偏心振动机构原理结晶器四偏心振动机构原理 在此所研究的连铸机为弧形连铸机，仿弧半径为 11.2 米。研究的结晶器振动机构 为四偏心正弦振动方式，振动机构如图（4- 2）所示。有由电动机 1 带减速器 2，通过万 向轴带动两侧锥齿轮箱 3， 每个锥齿轮各自带动具有不同偏心距的偏心轴 6。 每根偏心轴 的两个不同偏心距（c 点位外弧偏心距，d 点为内弧偏心距）具有同向偏心点，由于每 根偏心轴的偏心距不同（外弧侧偏心距大于内弧侧偏心距） ，使振动台作仿弧振动。结晶 器的弧线运行是借助两对偏心距不等的偏心轴 6 及连杆 4、 5 进行的。 结晶器弧线运行的 定中（导向）是由板式弹簧 7，一头连在快速更换台的框架上，另一头连接在振动台恰 当的位置上来实现的。板式弹簧只能是振动台作弧线运动，而不能有前后左右的位移。 1电动机 2.减速器 3.锥齿轮箱 4. 外弧侧连杆 5.内弧侧连杆 6.偏心轴 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 22 7.板弹簧 8 振动台结晶器 图 4- 2 结晶器四偏心振动装置结构装置示意图 4.3 相关参数相关参数 大方坯结晶器振动机构：驱动形式交流电机驱动，转速可调。 结构形式：偏心四连杆机构 主要参数： 结晶器振动频率： 100300 min 振幅： 2.5mm 连铸机公称半径： 12rm 结晶器重量： 3.0t 快速更换装置重量： 10.2t 扇形 1 段重量： 4.8t 结晶器冷却水： 0.2t 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 23 第五章第五章 结晶器参数计算结晶器参数计算 5.1 传传动动功率功率计算及计算及传传动动比比的分的分配配 5.1.1 传传动动功率功率计算计算 图 5- 1 振动机构分析图 振动台上某点 a 的位移方程如下： a 点的位移x： ( coscos )xlal=+ 运算并省略高次项，一般lr 得： 1 (1 cos )(1 cos2 ) 4 a xa l = + 得 a 点的速度方程： 1 ( sinsin2 2 a va l =+) 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 24 其中： 偏心轴转动角速度，单位rad s 频率实际上为每分钟转动的周数，则偏心轴的转动角速度关系如下： 22 (100300) 10.4731.4 6060 f rad s =（其中100300 rad s ） 按速度方程可求出： 最大振动速度： 3 max (10.4731.4)0.0260.0785mva s = 2.510= 平均振动速度： 3 2(10.4731.4) 0.01670.050 p a m v s 22.510 = 振动总负荷 t p ： tv pqfp=+ 其中： q 总负荷 ，单位 牛顿 f 结晶器摩擦阻力，单位 牛顿 v p 动负荷，单位 牛顿 计算公式： v pma= m 为质量，a 振动加速度 求： 1 (1 cos )(1 cos2 ) 4 a xa l = + 中的二阶导数得加速度 2(cos cos2 ) a aa l =+ i 当 0 0 =： 3 23 1 2.5 10 (1)2.5 10(10.4731.4) (1)0.2742.499 0.4 r m aa s l = = ii 当 0 180 = 3 23 2 2.5 10 (1)2.5 10(10.4731.4) (1)0.2742.48 0.4 r m aa s l =+= += 则： v pma= 3 3.2 100.2742.48876.8067936.04kn= 选取结晶器的振动频率为 280 min 则计算得： 平均振动速度： 3 22 2.5 10 0.0467 3.14 p a v 29.306 = m s 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 25 3 3.2 10 v pqa=2.315= 7.407 计算得 5.2 电动机的选择电动机的选择 电动机类型和结构形式应根据电源种类（交流、直流） 、工作条件（环境温度、 工作的机械特性等） 、工作制度（连续或间隙）及对运动平稳性、载荷大小、过载能力等 方面的要求来选择。 工业上一般采用三相交流异步电动机。要求电机运行平稳可靠、电机启动快、连续 运转、结构简单且维护方便的电动机。 确定电机的功率和型号：保证电动机的额的功率 e p 大于电动机所需的功率 d p 工作机所需的输入功率（kw） ： 1000 w m p = 或 1000 w fv p = 式中： m 驱动力矩 单位 角速度 单位rad s f 驱动力 单位 n v 运动速度 单位n 计算得： kw 电动机所需要的功率 d p ： w d p p = 为传动装置及工作机的总效率 123n = 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 26 式中： 123n 分别为传动装置中每对传动副或运动副的如：联轴器、齿轮传动、 轴承的效率。 经计算得：8.5 d pkw 查机械设计手册选取电动机，其相关参数如下表所示 表 51 电动机主要参数 型号 功率 转速 电流 效率 db 质量 额定转矩 转动惯量 yr160l- 4 11kw 1460 22.5a 89.5% 90 155kg 3.0 0.294 2 kgm 表 52 电动机外型及安装尺寸 基座号 a b c d e fgd g h k ab 160l 254 254 108 42 110 14 9 45 180 15 330 ac ad hd l 335 255 385 865 5.3 联轴器的选用联轴器的选用 5.3.1 联联轴器类轴器类型型的的选择选择 联轴器是联接两轴或轴和回转件。在传递运动和动力过程中一同回转而不脱开的一 种装置。此外，联轴器还可能具有补偿两轴相对位移、缓冲和减振以及安全防护等功能。 考虑到承载能力、转速、两轴相对位移和缓冲吸振以及装拆维修方便等因数，选用弹性 联轴器。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 27 5.3.2 联轴器的选用计算联轴器的选用计算 选用标准联轴器或已有推荐的系列尺寸的联轴器时。一般都是以联轴器所需传递的 计算转矩 c t 小于联轴器的许用转矩 t 或标准联轴器的公称 n t 为原则。由于传动轴系载 荷变化的性质不同，以及联轴器本身的结构特点和性能的不同。联轴器的实际传递转矩 不等于理论上需传递的转矩t ，通常： 9550 w cwztwztn p ttkk k kkk k kt n = 式中： t 理论转矩（nm） ，在有制动器的传动系统，当制动 器的理论转矩大于动力机械的理论转矩时，应按前者计算联轴器。 w p 驱动功率 kw n 驱动转速 min r k 工作情况系数 参考联轴器、离合器、与制动器 机械设计手册编委会 w k 动力机系数 z k 启动系数 t k 温度系数 1.0 w k = 1 z k = 1.5 t k = （取氨基甲酸乙酯弹性体） 11 955095501.5 1.0 1 1.5161.89 1460 w cwzt p tkk k knm n = = 参考机械设计手册 第二卷 6140 选用弹性套柱销联轴器。lt 基本型联 轴器。 表 53 联轴器的基本尺寸和主要参数 型号 公称转矩 n t （nm） 许用转速 ( ) min r n 轴孔直径 轴孔长度 8lt 710 3000 1 d 2 d 3 d y 型j z l 45 48 50 112 84 112 70 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 28 第六章第六章 结晶器四偏心振动机构偏心轴的设计结晶器四偏心振动机构偏心轴的设计 图 6- 1 四偏心振动机构原理图 图中omr=为基准弧半径，bdl=为结构要求的已知长度，ab 、cd为偏心振动 机构的偏心距。另两个与此成投影。当 ab k cd =时，2mna=，又2abcda+=，式中a 为振幅；而： (1) 1 lk r k + = 已知：12rm= 1580lmm= 2.5amm= 经过计算得： 1.141k = 2.335cd = 2.664ab = 即为两轴的偏心距。 6.1 偏心轴的设计计算偏心轴的设计计算 6.1.1 求输入求输入轴轴上上的的功率功率 p 转速转速n 和转矩和转矩t 前面已经计算过。数据如下 5.378 0.99 0.955.058pkw= 3 5.058 9.55 10181.594 266 tn m= 6.1.2 求求作用作用在在轴轴上上的的力力 已知偏心轴上只承受径向力和圆周力。 其合力的方向是支撑杆的轴线方向， 前面进行功 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 29 率计算时已算过合力： 33 3.2 102.5 10(89.47809.8)5789.4706509.800 t p =+= 所以此时轴承受的合力为：11488.909 t pn= 又因为这些力是由四个支撑点支撑，所以每个支撑点所受的力为： 11488.909 2872.227 4 pn= 6.1.3 确定轴的确定轴的最小直径最小直径 （1）选取轴的材料 选择轴的材料为45 r c 号钢，并进行调质处理。查手册得：100dmm 1 355 a mp =、 1 200 a mp =、 1 70 a mp =、735 na mp = （2）初步估算轴端直径 查手册取130a =、25mpa = 计算轴端的最小直径： 33 4.956 13034.464 266 p da n = 输入轴的最小直径显然是安装联轴器处的直径，故也需要同时选定联轴器的型号。联轴 器的另一端联接的是减速器的转轴。 为了安全考虑， 在此初步选用最小直径为60dmm=。 6.3 联轴器的选择 联轴器的计算转矩 caa tk t= 查手册得：由于转矩变化中等，故取 1.7 a k = 则： 33 1.7 181.594 10308.710 10 caa tk tn m= 按照计算转矩 ca t 应小于联轴器公称转矩的条件， 查标准/50142003gb t选用 1 8jm j 膜片联轴器，其公称转矩为1000n m ，联轴器的轴孔转直径70dmm= 回转直径 240dmm=、142lmm=（y 型） 、 2min 180lmm=。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 30 6.2 轴的结构设计轴的结构设计 拟定轴上零件的装配方案 其装配方案如下图所示： 1 联轴器 2 连杆 3 轴承支座 4 轴承 图 6- 2 轴上零件装配方案 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 （1）为了满足半联轴器的定位要求，1- 2 轴段右端需制出一轴肩，故取 2- 3 段的直 径 2 3 70dmm =，半联轴器与轴配合的毂孔长度 1 77lmm=，为了保证轴端挡圈只压在半 联轴器上而不压在轴的端面上，故 1- 2 段的长度应比 1 l 略短一些，现取 1 2 75lmm =。 （2）初步选择滚动轴承。 考虑到轴承既承受有径向力同时还承受轴向力， 选用调心滚子轴承。 参照工作 要求，由轴承产品的目录中初步选取 0 基本游隙组、标准精度等级的调心滚子轴承 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 31 23120/33cc w其基本尺寸10016552dd tmmmmmm=， 故： 2 310 11 100ddmm =。 加上轴承端盖长度离半联轴器距离，取 1 2 91lmm =. (3)轴 3- 4 段只安装有轴承端盖，取 3 4 37lmm =。 （4）4- 5 段轴安装轴承端盖和轴承。取此处直径为 130。选择轴承：选用调心滚子轴承 23026 /33cc w， 基本游隙组为 0，其基本尺寸为：13020052dd tmmmmmm=， 故取 4 5 91lmm = （5）在轴的 5- 6 段是为了定位调心滚子轴承而设计的轴肩。安装有轴承端盖，此处的直 径为 150mm。这段轴肩的长度为 51mm。 （6）轴 67 为一段过渡轴取它的长度为 1170mm。轴 7- 8 段为 51mm。后面的轴与前面 的是对称的。其数据见轴的结构与装配图中。 至此，已初步确定了轴的各段直径和长度。如图 6- 3 1 联轴器 2 连杆 3 轴承支座 4 轴承 图 6- 3 轴的结构与装配 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 32 6.3 轴上零件的周向定位轴上零件的周向定位 齿轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键联接。按按 1 2 d 查手册得：平键截面 为2012bhmmmm=，键槽用键槽铣刀加工，半联轴器与轴的配合为 7 6 h k ， 长为 60mm。滚动轴承与轴的周向定位是靠过渡配合来保证的，此处选轴的直 径尺寸公差为 m6。 确定轴上圆角和倒角尺寸 取轴端倒角为：2 45，各轴肩处的圆角半径r2mm=。 6.4 求求轴轴上上的的载荷载荷 图 6- 4 振动结构分析图 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 33 首先根据轴的结构图做出轴的计算图。在确定轴承的支撑点位置时，应从手册中查 取a值。查得33.1amm。因此，作为简支梁轴的支持跨距为： 123 12513301251580lllmmmmmmmm+=+=。计算轴处的力当偏心轴转到最高 点 c 时，轴受到的弯矩最大，所以弯矩应该在这个位置进行计算。应用计算机进行弯矩 计算： 计算水平面的支反力： 计算得： 2884.326 zz adn= 2884.326 zz bcn= 轴向力产生的弯矩： 359172.753 b mn mm= 359172.753 c mn mm= 当支撑杆转到 b 或 d 时是偏心轴扭矩最大的情况 此时的扭矩为： 000 cos(90) 2.6642884.326 (cos9089.618 ) 2.6647681.443 b tfn mm= = 000 2.335cos(90)2.335 2884.326 (cos9089.666 )6732.796 cz tcn mm= = 以上计算为偏心轴的受力情况。轴的载荷分布如下图所示 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 34 图 6- 5 轴的载荷分析图 6.5 按弯扭合成应力校核该轴的强度按弯扭合成应力校核该轴的强度 进行校核时通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面 c）的 强度。根据第三强度理论校核危险截面，代入上面的计算数据，以及轴单向旋转，扭 转切应力为脉动循环变应力，取0.6 =，轴的计算应力为： 22 1 () ca mat w =+ 选择轴的材料为45 r c 号钢， 并进行调质处理。 查手册得：100dmm、540 sa mp =/ 、 1 355 a mp =、 1 200 a mp =、 1 70 a mp =、 735 ba mp = 抗弯矩： 33 130215580.625 3232 wd = 则： 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 35 2222 11 ()359172.753(0.6 7681.443)1.67 215580.625 caa matmp w =+=+= 选择轴的材料为 45 号钢，并进行调质处理，查手册得：735 ba mp =、 241286hbhbs= 、 1 355 a mp = 、540 sa mp = 1 155 a mp =、 1 70 a mp =。 因此： 1ca = + 故验算结果，符合安全性要求。 （3）截面 d 右侧 抗弯截面系数： 333 0.10.1 130219700wdmm= 抗扭截面系数： 333 0.20.2 130439400 t wdmm= 截面 4 左侧的弯矩 m 为： 12526.05 359028.375284206.862 125 mn m = 截面上的弯曲应力为： 284206.862 1.294 219700 ba m mp w = 截面上的那扭转切应力为： 7651.443 0.017 439400 ta t t mp w = 过盈配合处的 k ，用插值法求出，并取0.8 kk = ，于是得： 2.96 k = 0.8 2.962.368 k = 轴按磨削加工，查手册得表面质量系数： 0.85 = = 故得综合系数： 11 12.9613.136 0.85 k k =+ =+ = 11 12.36812.544 0.85 k k =+ =+ = 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 38 查得碳钢的特性系数为： 0.10.2 = 取0.2 = 0.050.1 = 取0.1 = 于是,安全系数 ca s 的值，计算如下： 1 355 87.482 3.136 1.2490.2 0 bm s k = + + 1 200 8900.757 0.0170.017 2.5440.1 22 bm s k = + + 2222 87.482 8900.857 87.4871.5 87.4828900.857 ca s s ss ss = + 故该轴在截面 d 的右侧的强度也是足够的， 因轴无过大的瞬时过载及严重的应力循环不 对称性，可略去静强度校核。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 39 第七章第七章 板簧的设计板簧的设计 7.1 板簧的板簧的材料选择材料选择 在连铸过程中，结晶器的振动可以有效地防止结晶器内初生坯壳与结晶器壁粘接而 被拉裂，并对拉裂坯壳起到愈合作用，因此得到了广泛的应用。板弹簧导向是在铸机上 开发的一种新型振动技术。有报道称可以再一年或更长的时间内，不用维护而可保持结 晶器水平位移在允许范围内。因此，目前国内外大板连铸机中采用此项技术。高效的设 备取决于合理的设计，而合理的设计则取决于设计者对设备性能影响因素的理解。 由于板弹簧是弹性悬架装置，其形式相当于悬臂梁形式。并且板簧在做强迫振动。 所选板簧的材料为55simnmovnb 表 7- 1 板簧材料的参数 材料 pa s / pa b / 10 /% /% 55simnmovnb 1274 1372 8 35 7.2 板簧的结构设计板簧的结构设计 经过振动框架振动弧的误差分析，对板簧进行结构设计。其参数如下： 长为：2055mm 宽为：85mm 厚度：20mm 运用 ansys 软件进行板簧的应力分析 基本步骤： 建立三维模型 网格划分 边界约束 结果求解 对结果 做出判断。 运用 solidworks 建立板簧的三维模型，如图 7- 1 所示： 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 40 图 7- 1 板簧的三维模型 7.3 连杆的网格划分连杆的网格划分 对三维建模的板簧进行有限元单元格划分。结果如图 7- 2 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 41 图 7- 2 板簧的有限元网格划分 7.4 边界约束和结果分析边界约束和结果分析 当板簧在振动框架振动距离为零时，板簧振动端的位移也为零。或者说此时板簧不 受任何力，当板簧到达最大振动距离时，板簧受到的力达到最大。此时，其振动距离为 2.5mm。在 ansys 分析中加入其位移边界约束 2.5mm。进行分析，得到分析结果。板簧 的应变图，见图 7- 4 从以上分析可以得出，材料的应力小于材料的许用应力。所以结果 是符合要求的。板簧的设计是合理的。板簧的分析节点受力情况见附录 1。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 42 图 7- 3 板簧加载图. 图 7- 4 板簧受力图 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 43 第八章第八章 结晶器连杆的分析结晶器连杆的分析 结晶器的连杆起支撑结晶器振动台的作用，把偏心轴的回转运动转换成振动台的直 线运动。连杆在工作中，除承受振动台的压力外，还要承受纵向和横向的惯性力。 因此， 连杆在一个复杂的应力状态下工作。 它既受交变的拉压应力、 又受弯曲应力。 连杆的主要损坏形式是疲劳断裂和过量变形。 通常疲劳断裂的部位是在连杆上的三 个高应力区域。连杆的工作条件要求连杆具有较高的强度和抗疲劳性能；又要求具 有足够的钢性和韧性。 传统连杆加工工艺中其材料一般采用 45 钢、40r 或 40mnb 等调质钢。合金钢虽具有很高强度，但对应力集中很敏感。