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冶金机械设计理论 1、机械系统设计 n 机械系统设计的任务及方法 n 机械系统的方案设计 n 机械系统的总体设计 1 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。 2 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。 3 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： 4 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）。 5 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。 6 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。 7 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。 8 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。 9 黑箱模型图 10 顶吹氧气转炉设备模型 11 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。 12 技术过程的一般形式 13 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。 14 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。 15 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。 16 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。 17 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。 18 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。 19 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。20 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。 21 22 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 23 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！ 24 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-h1 2、相对压下量：= h/h0 % 25 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 dhx=2Rd = d=dhx/2R 当很小时，tgsin =x/R =dx=Rd 而dhx/dx= 2Rd/Rd=2R 43 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： 44 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。 45 常数C的确定： 46 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)47 总轧制压力P的确定： 48 Bland-Ford公式的导出： 式（2-27）可表示为： P=Fpm pm -平均单位压力； pm =nk n =(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。 49 Bland-Ford公式的算图 50 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。 51 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 52 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 53 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=2R 2、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) 54 Sims公式的推导 将Q=h(p-k/4)代入上式： 55 Sims公式的推导 56 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。 57 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）。 58 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 ) 59 X方向力的平衡方程X=0 60 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。 61 3、求平均单位压力pm 62 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。 63 Stone公式的算图算法 64 Stone 公式 的图 解法 65 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。 66 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： 67 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