机械毕业设计（论文）-轧管机上导盘设计【全套图纸】.pdf

轧管机上导盘设计 1 轧管机上导盘设计 摘要：本文主要介绍了轧管机上导盘设计，在现代社会中，钢材产量和质量是 衡量一个国家国力的重要指标，社会对钢铁轧制品数量和质量的要求越来越高， 钢管作为轧制品在工业生产和日常建设中起到举足轻重的作用。 轧管机主传动系 统是由机械、电气以及控制多个部分组成，系统庞大，它的设计的优良直接影响 产品质量的好坏，即可看出轧管机主传动系统设计的重要性。本次设计的主要目 的是研究轧管机上导盘，并对主其要部件进行设计和计算校核。在查阅大量文献 和了解相关知识，掌握现代轧管机的发展及设备结构特点状况后，确定了两台电 机通过万向接轴直接带动工作辊工作的总体传动设计方案。 通过对 159mpm 轧管 机的主要力能参数的计算，合理选择电机，联轴器、减速器主要零件以及万向联 轴器和连接轴，并进行强度计算和校核。同时，确定润滑方式，并进行经济性和 环境保护的分析。 关键词：轧管机 ， 齿轮 ， 主传动轴 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 轧管机上导盘设计 2 mill guide design of the plate abstract: mill guide plate design is mainly introduced in this paper, in the modern society, rolled steel production and quality is an important index to measure a countrys national strength and social demand for steel mill products quantity and quality of more and more high, steel tube as rolled products in the construction of industrial production and daily play a decisive role.mill main drive system is composed of mechanical, electrical and control multiple, large system, its design quality directly affect the product quality is good or bad, you can see the importance of rolling mill main drive system design.the main purpose of this design is the study guide plate mill, and to master the parts design and checking calculation.on consulting a large number of literature and understand the relevant knowledge, to master the development of modern mill and the status of the equipment structure characteristics, determine the two motor driven directly by using universal joint shaft overall transmission design scheme of work roll.based on 159 mpm rolling mills main force parameter calculation, a reasonable choice motor, coupling, reducer main parts and universal coupling and the connecting shaft, and the strength calculation and checking.at the same time, determine the lubrication method, and analysis of economy and environmental protection. keyword: pipe mill， gear， the main transmission shaft 轧管机上导盘设计 3 目 录 1. 绪论 . 4 1.1 轧管机的简述 . 4 1.2 课题的背景，现状和前景 5 1.3 课题的设计参数 . 9 2 轧管机上导盘的原理和特点. 9 2.1 轧管机上导盘的工作原理 9 2.2 轧管机上导盘的特点 10 2.3 轧管机上导盘的用途 10 3. 轧管机上导盘的设计计算 11 3.1 电动机的选择 . 11 3.1.1 电动机选择的一般步诹 11 3.1.2 电动机型式种类的选择 12 3.1.3 电动机防护型式的选择 12 3.1.4 电动机电压和转速的选择 13 3.2 齿轮传动的设计计算 13 3.3 涡轮蜗杆的计算 16 3.3.1 蜗杆传动设计 . 16 3.3.2 蜗杆轴上的轴承 19 3.4 减速器的选择 . 21 4. 轧管机上导盘的主轴设计 23 4.1 主轴组件的设计 . 23 4.1.1 主轴组件的性能要求 . 23 4.1.2 主轴参数的确定. 24 4.1.3 轴承的选择及极限转数的较核 . 25 4.1.4 校核主轴 . 26 4.2 主传动轴的设计 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.2.1 主传动轴的设计要求 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.2.2 主传动轴的选择 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.2.3 计算传动轴的直径. 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.2.4 轴承的选择 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 5. 轧管机的润滑和维护 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 5.1 润滑 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 轧管机上导盘设计 4 5.2 维护 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 5.2.1 轧机主传动装置维护 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 5.2.2 在轧机维护中应用故障诊断技术 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 总 结 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。 致 谢 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 1. 绪论绪论 1.1 轧管机的简述轧管机的简述 轧管机是利用环孔形对荒管进行状态轧制的工艺设备。 该机具有较好的开坯 性能， 也能轧制普通精度的有色金属无缝管。 冷轧管机最大特点为材料利用率高， 且精度及表面粗糙度均优于拔管。 轧管机一般都分为两种，一种是 lg 型，一种就是 ld 型。l g 型的轧管机为 两辊轧机。ld 型为多辊轧机（至少三个轧辊以上，包括三个） 。lg 型轧管机的主 要结构为：床身、回转送进机构、机架、主电机、芯棒、传动系统、电气系统等。 这里面先把回转送进机构提出说，以前的轧管机都是单回转单送进，随着科技的 发展，现在发展为单回转，双送进、双回转，单送进。双回转双送进等，一般送 进方式又可分为机械送进，光电送进，伺服送进等。一台轧管机最主要的部分就 是机架，机架中包括：轧辊、齿轮、齿条等。其工作原理：轧辊和芯棒形成有规 则的空腔，利用金属的弹性变形实现钢管的轧制。 属于轧钢管设备及工艺类。其特征是在一条轧制线上串列式设置初轧机头 （机架）和精轧机头（机架） ，由主动曲柄轴和被动曲柄轴经过连杆带动以相反 的方向做往复运动，曲柄为两侧布置或中间布置实现轧制过程；在初轧机头和精 轧机头均装有两排轧辊，每排轧辊由 3 个至 5 个轧辊构成，3 个轧辊的轴线在垂 直的平面内相互成 120角， 两排轧辊之间轴线成 60轧辊为变断面或常断面大 开口角形。 轧管机上导盘设计 5 图 1.1 轧管机示意图 1.2 课题的背景，现状和前景课题的背景，现状和前景 前言前言 自 1990 年山东烟台钢管总厂西分厂(现为鲁宝钢管有限责任公司)从美国 aetna 一 stan,lar(l 公司(简称 as 公司)引进的世界第一台 accuroll(简称 ar) 轧管机投入生产以来,国内至今共有 4 台 ar 轧管机建成并投人使用。 如果将轧辊 布置带有辗轧角(锥形辊)、采用限动芯棒作为 ar 轧管机的基本特征以区别传统 狄塞尔轧管机的话,那么国内至今共有 8 台 ar 轧管机投人使用(其中 4 台为鞍钢 技术,简称 ag 轧管机)。具体情况见表 1。在 10 年左右的时间里一下子冒出了 8 台 ar(ac)轧管机,在中国可谓是一枝独秀(国外尚未有 ar 轧管机投产的报道)。 因此了解 ar 轧管机产生的背景,分析目前的使用状况,探讨今后的发展前景是一 件非常有意义的事情。 背景背景 自 1886 年曼内斯曼兄弟发明斜轧穿孔工艺以来的百年间,从某种意义上讲 钢管技术的发展主要是轧管机技术的发展。19 世纪 80 年代至 20 世纪 30 年代近 半个世纪先后出现了周期轧管机(1892 年)、顶管机(1599 年)、连续轧管机(1901 年)、自动轧管机(1903 年)、狄塞尔轧管机(1932 年)、三辊轧管机(1937 年)和 挤压机等 7 种钢管生产设备。当时得到广泛应用的是自动轧管机和周期轧管机。 20世纪4080年代,由于控制技术的突破,连续轧管机得到了空前发展,成为 轧管技术发展的主流。由于连轧_艺生产效率高、产品质量好,在国内外钢管业 内似乎形成共识:连轧工艺是当时(乃至今后)各种制管工艺中最具有竞争力的钢 管生产下艺。虽然连轧管机产量高,但一次投资巨大,回收期长,产品缺乏灵活 轧管机上导盘设计 6 性,这对众多的中小企业而言,只能是望而却步。 因此,大家期望有一种投资较少, 生产流程短,质量好,规格品种生产灵活的轧管机， 用于新建或替代传统老式轧管 机。对当时中国大部分拥有自动轧管机的中小企业来说更是如此。 表表 1.2 国内轧管机组基本情况国内轧管机组基本情况 为适应这种需求,在 20 世纪 80 年代初,传统斜轧技术在国外开始受到重视。 英国 davy 一 macky 公司在大量改进试验的基础上,将传统三辊轧管机改进成牌坊可变转角的新 型 trasval 轧管机,以减少尾三角,并声称可轧薄壁管。 传统狄塞尔轧管机则改进 成了 aeeuroll(as 公司)、cpd(dema 召公司)和 kad(kocks 公司)工艺,另外还出 现了 psw 工艺(sms 公司),这些技术的出现吸引了人们的目光。 江西洪都钢铁厂 1987 年率先引进了国内第一台 trasval 轧管机。 随后,原烟 台钢管总厂西分厂从美国 as 公司引进了世界上第一台 ar 轧管机。从此,轧管机 改造在国内掀起了热浪。 轧管机上导盘即高精度轧制的意思,但就本质而言,工艺上与传统狄塞尔轧 管机并未有大的区别,只是对传统狄塞尔轧管机存在的问题进行了一些改进并融 合了一些三辊轧管机技术和现代电控技术而已。工艺上的改进主要有: (l)由原来采用浮动芯棒改成了限动芯棒(此技术在连轧和三辊轧管机上已 成熟应用)。 (2)为解决轧制效率低的问题,一是加大辊径;二是加人了辗轧角(桶形辊变 成锥形辊),以提高轴向出管速度。 (3)为减小导盘的磨损和变形孔型的支撑,加大了导盘直径。ar 轧管机的出 现(包括 trasval),满足了中小钢管企业对投资少,产量规模不大,生产灵活(厚 壁、薄壁都能轧制),产品质量好的轧管机的迫切需求。 现状现状 原烟台钢管总厂西分厂 ar 轧管机投产以后,原成都无缝钢管厂、上海钢管 厂、北满特殊钢公司先后通过华美公司(as 技术)各新建了 l 套 ar 轧管机组,鞍 钢无缝钢管厂则将已有的老狄塞尔轧管机改造成 ag 轧管机,并结合烟台的经验 重新设计,分别为合肥、青州和磐石无缝钢管厂提供了 ag 技术。目前国内有 7 台轧管机上导盘在正常运转(北满特殊钢公司由于各种原因试产后停产至今),各 ar (ag)机组主要性能和参数列于表 1.3。 表表 1.3 国内机组主要性能和参数国内机组主要性能和参数 轧管机上导盘设计 7 原烟台钢管总厂西分厂第一个“吃螃蟹”,在设备安装完毕后试车阶段出现 了问题(一个月内未轧出1支钢管),主要原因是as公司盲目地将三辊轧管机上的 一些技术应用到了 ar 轧管机上(在未经过工业性试验的情况下,将轧管机卖给了 原烟台钢管总厂西分厂),而忽视了二者的差别。 不久,该厂利用其扩径特点,将生 产规格由原设计的中 76 一 114mm 扩大至小 159mm,为适应市场需求,1997 年通过 前后配套的局部改造,又将规格扩大到了中 z19mm,生产能力由原设计的年产 7.1 万 t 增至年产近 20 万 t,是目前国内 ar 机组中运转最好的 1 套机组。 as 公司借鉴原烟台钢管总厂西分厂经验,对原成都无缝钢管厂、上海钢管 厂、 北满特殊钢公司新上的 ar 轧管机进行了改进:为提高生产效率,解决芯棒冷 却和润滑问题,采用了线外穿棒方式,产量提高 30%;由于对辗轧角的功能了解 不透彻,采用了可变辗轧角的灵活方式;针对轧制负荷大的问题,减小了轧辊直 径;针对轧后钢管尾部偏壁和内疤问题,在轧管机前台安装了几组芯棒夹持器, 以使芯棒在轧制过程中稳定;对轧辊、导盘材料进行了改进,以解决咬人和粘钢 问题。as 公司尽管做了不少改进,但设备性能并未在本质上有所提高。 鞍钢无缝钢管厂在 20 世纪 70 年代参照有限的国外资料,自行设计了国内第 一台狄塞尔轧管机,该机设备较简单,延伸系数只有 1.1 一 1.2,但钢管壁厚精度 较好。 随着 “ar 概念的推出,1989 年鞍钢无缝钢管厂改进设计,新建了 1 台 “ag” 并投人生产。新 ag 轧管机的轧辊带辗轧角为 5o,但芯棒仍采用浮动芯棒。由于 性能未能提高,在原烟台钢管总厂西分厂投产后,又将该轧管机的浮动芯棒改成 限动芯棒,成为了标准的 ar 轧管机。但由于该设备的刚性存在问题(电机功率也 不够),所以鞍钢无缝钢管厂虽几经改动,轧管机的性能仍未有明显的提高。 鞍钢无缝钢管厂根据自己的轧管机设计技术,结合原烟台钢管总厂西分厂 as 技术和生产积累的经验,1998 年为青州无缝无缝钢管厂新设计了 1 台 ag 车 l 管机,设备性能基本达到了 ar 水平。值得一提的是该设备与 as 公司的标准 ar 轧管机相比,简单实用,刚性好,易掌握,而设备重量不到 ar 设备的 l/2。2001 年 10 月又提供给磐石无缝钢管厂l台同类型的设备,用于替代其自动轧管机和均整 机。这两套轧管机目前运行较为正常。 目前,各 ar(ag)机组的运转水平各有千秋,反映出的最大特点是壁厚精度好, 另外利用轧管机扩径的特点,可采用小坯轧大管。但仍存在如下一些共性问题。 (1)轧管机延伸系数低。 按as公司原设计,最大减壁量可达7mm,减径量18mm, 最大延伸系数可达 3。但直到今天,正常生产最大减壁量只有 3mm,减径也受限制 (一般采用等径或扩径轧制),正常生产延伸系数一直限制在 1.5 以内,造成了大 轧管机上导盘设计 8 部分钢管变形量由穿孔机承担这样一种不合理的分配,生产倍尺成品钢管困难。 (2)轧制薄壁管困难。选择 ar 轧管机而不选择三辊轧管机是因为用 ar 技术 可轧薄壁管,这也许是当初各厂家采用 ar 轧管机的初衷。但实际情况是,ar 轧管 机生产d/s3035的薄壁管较困难或者说是不经济:一是ar轧管机的变形孔型特 点造成轧薄壁管工艺事故多,给操作带来困难;二是导盘消耗大,目前生产现场不 得不采用减少轧管机减壁量来生产薄壁管(这样就要求穿孔毛管壁薄,所以穿孔 机选型时应注意)。 (3)钢管存在螺纹和内疤缺陷。由于 ar 轧管机的孔型变形特点和轧制方式, 决定了其轧制的钢管内表面较粗糙,并时而出现外螺纹和内疤。通过轧管机的正 确调整和芯棒的良好润滑,可以在很大程度上改善钢管表面质量,但要从根本上 消除表面缺陷是困难的(有趣的是,同样是斜轧,三辊轧管机轧后钢管内表面却相 当的光滑)。 (4)工模具消耗较大。主要是导盘和芯棒的消耗较大。尤其是轧制 d/s35 的钢管时,一个班可能要用两副导盘;而芯棒目前采用在线插棒方式的,l 根芯棒 一般轧 2000 一 3000 支管就报废(采用线外插棒,芯棒冷却条件好,则可进行重 车)。 前景前景 轧管机出现时就有人预言,这是21世纪的新轧管机,20年不落后。 现在看来, 未免言过其实。ar 也好,改进型狄塞尔也好,只是在特定背景下,在中国产生过 “热浪”,而在国外至今只有美国 playm。uthtube 公司 1985 年从 kocks 公司引 进了kad改进型狄塞尔轧管机(据了解,该轧管机性能比ar轧管机好,正常延伸系 数 2.1,且设备比 ar 轧管机简单)。评价一种工艺、一种轧管机的好坏,投资固然 重要,但轧管机的性能、消耗(成本)的高低,是生产厂首先要考虑的重要因素。相 比较而言,轧管机的投资不算太大(特别是鞍钢无缝钢管厂技术的出现,将一次性 投资降至尽可能低的程度),关键是如何改善轧管机 性能。ar 轧管机要想有质的变化,前景不容乐观。 要提高轧管机性能,主要是要解决好延伸系数和轧制薄壁管问题。采用三辊 轧管机,台阶集中变形方式的孔型封闭问题又解决不了。长期以来人们试图用导 板代替导盘,但消耗是个应解决的问题 关于减径轧制。据资料介绍,传统的狄塞尔轧管机在减径轧制方面似乎是不 成问题,但轧管机辗轧角的出现,带来了减径困难的问题。从多方面看,辗轧角的 出现是弊大于利,它只考虑了锥形辊轴向速度的提高(实际上是有限的),而忽略 了轧辊径向速度的剧增,导致了钢管的扩径(二辊轧管机也有此问题,20 世纪 80 年代以后引进的轧管机都带有正辗轧角;但无锡西姆莱斯钢管有限公司的除外), 这也是 ar 轧管机轧薄壁管困难的重要原因之一;另外还带来其他众多的负作用。 传统的狄塞尔轧管机采用 0“辗轧角或者负辗轧角是有助于改善轧管机延伸能力 和轧薄壁管性能的。 轧管机就目前性能状况,生产 d/s30 的中厚壁管是较为合适的,导盘消耗相 对较小。 芯棒采用线外穿棒,除提高生产效率外,可很好地解决芯棒冷却和润滑问 题,并降低芯棒消耗。 轧管机上导盘精度高是不容置疑的(这也是斜轧管机共同的 特点),笔者认为,在选用轧管机时,应在对其性能充分了解的基础上,结合自己的 产品定位(规格和品种)慎重选用。 人们一直在追求一种投资少,质量好,产品范围广,消耗少的理想轧管机,可 惜这种轧管机至今并未出现,现有的各种轧管机和轧管工艺利弊兼备,但可以肯 轧管机上导盘设计 9 定的是人们对这种理想轧管机的追求是不会停止的。 1.3 课题的设计参数课题的设计参数 毛管：直径178240，壁厚 835mm，最长为 8500mm 荒管：直径178242，壁厚 52mm，最长为 13500mm 单根重 1049 .轧辊速度 5-8m/s，轧制温度 1000 辗角 812，喂角 610，钢种：普碳低合金钢。 上导盘参数： 最大轧制力 260 吨， 上导盘转速 12-30r/min 上导盘调整速度 0.74 smm/ 上导盘行程：垂直 220mm，轴向20mm，水平 30-140mm。 2 轧管机上导盘的原理和特点轧管机上导盘的原理和特点 2.1 轧管机上导盘的工作原理轧管机上导盘的工作原理 轧管机的工作原理：穿孔后的毛管管壁很厚，表面极不平整，有明显的的螺 旋棱纹，需要进一步加工。轧管是对管壁再加工的主要工序。自动轧管机是过去 普遍采用的轧管设备。利用纵轧的方法，在椭圆形孔型中对毛管进行轧制，其变 形过程是在孔型和顶头构成的环形空间内完成。其轧管的过程是： 穿孔后的毛管沿着斜条滚落下来，自动轧管机的上下工作辊及下回送辊落下。为 除去氧化铁皮和起一定的润滑作用需要向毛管内抛撒工业食盐。 然后在推钢机的 帮助下将毛管送入轧辊， 上轧辊和自动轧管机上轧制 23 道次。 为了使壁厚均匀， 减少外圆的椭圆度，在轧制第 2 道之前需要翻钢管 90 度。然后撒盐和更换顶头， 一般第二道顶头直径比第一道顶头直径大 12mm。最后降下上轧动轧管机轧制经 轧管机。经轧管机轧制后的钢管，自动返回到自动轧管机前台，翻上斜条架送往 均整机。 这种装置操作简便，迅速，有利于缩短轧制节奏。使用球形顶头还有其他优 轧管机上导盘设计 10 点，如由于顶头受力面增多，延长了顶头使用寿命，由于轧制压力小减少了能量 消耗，顶头加工制造也很方便。存在的问题是，当减壁量大时不好咬入。 图 2.1 轧管机上扎管示意图 a-管子轧制；b-管子回送 1-轧堒；2-顶头；3-回送堒 2.2 轧管机上导盘的特点轧管机上导盘的特点 轧管机上导盘的特点： （1）轧管机由 7-9 架二堒式轧机组成，一般机架与水平面成 45，布置，相 邻机架互成 90，布置。 （2）每个机架由调节精度高的直流电机单独驱动，传动装置布置在轧机的 两侧， 最新的轧机由 2 台或 3 台串联的直流电机直接驱动每个轧堒或通过齿轮座 驱动两个轧堒。 （3）轧管机和高效率的张力减轻机相组合，大大扩大了轧管机组所生产管 子的品牌和规格，二管柸规格只有一两种，显著地简化了生产工艺，并提高了作 业率 （4）浮动芯棒轧管机生产的最大管材直径为 168mm，这是因为受到长芯棒 （约 30m）重量的限制。钢管轧后芯棒脱出时的温度很高（170-250） ，由于在 线循环使用， 芯棒必须冷却到 70-80。 限动芯棒轧管机可轧制最大直径为 426mm 的管材。 （5）新投产的机组都装有用于工艺过程控制的电子计算机，从管柸装入加 热炉到精整切管全部实现了自动化。 （6）采用水溶性无烟润滑剂润滑芯棒。 （7）采用在线正火工艺等。 2.3 轧管机上导盘的用途轧管机上导盘的用途 轧管机圆周方向均匀布置的带有等断面圆孔型的 35 个轧辊随机头往复运 动， 并且沿滑道曲线合拢或张开，这样多辊冷轧机就能配合孔型中间的固定圆柱 形芯棒对毛管进行周期性逐段轧制的冷轧管机。 轧管机的弹性压扁，在单位压力相同时，与多辊冷轧机直径成正比，当多辊 冷轧机材质一定时，要减小轧辊的弹性压扁值，就必须减小辊径。为了经济可行 地轧制薄带材，必须采用直径尽可能小的工作辊。 轧管机上导盘设计 11 3. 轧管机上导盘的设计计算轧管机上导盘的设计计算 3.1 电动机的选择电动机的选择 轧管机上导盘的电机的设计选择： y 系列三相异步电动机是按照国际电工委员会（iec）标准设计的，具有国 际互换性的特点。其中，y 系列电动机为一般用途全封闭自扇冷式笼型三相异步 电动机，具有防止灰尘、铁屑或者其他杂物侵入电动机内部的特点，b 级绝缘， 工作环境温度不超过+40，相对湿度不超过 95%，海拔高度不超过 1000m，额定 电压 380v，频率 50hz。适用于无特殊要求的机械上。 电动机选择的参考因素主要包括：电动机型式、电压与转速、电动机型式种 类。 3.1.1 电动机选择的一般步诹电动机选择的一般步诹 合理选择电动机型式、电压与转速的具体内容及一般步骤 首先要根据生产机械对电力传动提出的要求，如起动与制动的频繁程度， 有无调速要求等等来选择电动机的电流种类， 即选用交流电动机还是选用直流电 动机； 其次应结合电源情况选择电动机额定电压的大小；再由生产机械所要求的 转速及传动设备的要求选取它的额定转速； 然后根据电动机和生产机械的安装位 置和周围环境情况来决定电动机的结构型式和防护型式； 最后由生产机械所需要 轧管机上导盘设计 12 的功率大小来决定电动机的额定功率（容量） 。综合以上方面考虑，最后在电机 产品目录中选择与要求相符的电动机， 如果产品目录中所列电动机不能满足生产 机械的某些特殊要求，则可向电机生产厂家单独定制。 图 3.1 电动机系统结构图 3.1.2 电动机型式种类的选择电动机型式种类的选择 选择电动机是从交流和直流、机械特性、调速与起动性能、维护及价格等方 面来考虑的，所以选择时要遵循下列原则： 1. 首先考虑选用三相鼠笼型异步电动机。因为它具有简单、坚固耐用、 工作可靠、 价格低廉和维护方便等优点， 但是它的缺点是调速困难、 功率因数低、 起动电流较大和起动转矩较小。 因此主要适用于作为机械特性较硬而无特殊调速 要求的一般生产机械和拖动， 如一般的机床和功率小于 100kw 的水泵或通风机等 生产机械。 2. 绕线型电动机的价格较笼型电动机高， 但是它的机械特性可通过转子外 加电阻的 办法加以调节，因而能限制起动电流并提高起动转矩，故它可适用于电源容 量较小， 电动机功率较大或有调速要求的场合， 如某些起重设备、 卷扬提升设备、 锻压机及重型机床的横梁移动等。 3. 当调速范围低于 1：10，且又要求能平滑调速的场合，可先选用滑差电 动机。该 电动机的结构型式按其安装位置的不同可分为卧式和立式两种。 卧式电动机 的转轴是水平安装的，立式电动机的转轴则是与地面垂直安装的，故两种电机不 可以更换对调使用。在一般情况下应尽量选用卧式电动机，只有在需要垂直运转 的场合（如立式深井水泵以及钻床等） ，为了简化传动装置时才考虑采用立式电 动机（因为它的价格较贵） 。 3.1.3 电动机防护型式的选择电动机防护型式的选择 电动机的防护型式有多种， 实用中选择时必须根据不同的工作环境选择适宜 的防护型式电动机。电动机的防护型式有开启式、防护式、封闭式、防爆式、潜 水式等数种。通常情况下选用开启式，因为它便宜，但它只适用于干燥清洁的环 轧管机上导盘设计 13 境，对于潮湿、易受风雨侵蚀、多灰尘、易燃、腐蚀性的环境应选用封闭式，而 在灰尘多对电机绝缘无害且易被压缩空气吹净时，可选用防护式。至于潜水泵用 电机，则应采用完全密封式，以保证在水中工作时不被潮气侵入，当电动机在有 火灾或爆炸危险的环境中时，应注意必须选用防爆式。 3.1.4 电动机电压和转速的选择电动机电压和转速的选择 1. 现有工厂企业的生产机械选配电动机时， 电动机的额定电压应与工厂配 电电压一致，新建工厂的电动机，其电压选择要与工厂供配电电压的选择一起考 虑，根据不同电压等级经技术经济比较后择优决定。 我国规定的低电压标准为 220/380v，高压配电电压大多数为 10kv。一般中 小容量的电动机大都是低压的，其额定电压分别为 220/380v（d/y 接法）和 380/660v(d/y 接法)两种。当电动机容量超过约 200kw 时，建议使用者选择 3kv、 6kv 或 10kv 的高压电机。 2. 电动机的（额定）转速选择，要根据拖动生产机械的要求及传动装置的 配比情况来考虑。电动机每分钟的转数通常有 3000、1500、1000、750 及 600 等多种，异步电动机额定转速由于存在转差率，一般要比上述转速低 25%。 从电动机制造角度讲，同样功率的电动机若额定转速越高，其电磁转矩外形尺寸 就愈小，成本就愈低且重量亦轻，并且高速电机的功率因数及效率比低速电机都 高。若能选择转速愈高的电动机，则经济性愈好，但若由此而引起电动机与被拖 动机械间的转速相差过大时，所需装设减速装置的传动级数就越多，这就会加大 设备成本及传动的能量损耗。故要经过分析比较择优选定。我们通常应用的电机 大部分是选用 4 极 1500r/min 的电机，因为这种额定转速的电机适应范围广，而 且其功率因数和工作效率也较高。 综合以上因素的考虑，以及由电机功率 n=1.5kw，选择电机型号是 y90s6， 极数是 4 极，同步转速 1500r/min，满载转速 1400r/min，额定功率为 1.5kw， 质量 27kg。 3.2 齿轮传动的设计计算齿轮传动的设计计算 图 3.2 齿轮实物 a.选择齿轮材料及精度等级 考虑此对齿轮传递的功率不大，故大、小齿轮都选用软齿面。小齿轮选用 轧管机上导盘设计 14 40cr，调质，齿面硬度为 240260hbs；大齿轮选用 45 钢，调质，齿面硬度为 220 hbs。因是机床用齿轮，由表 8.10 选 7 精度，要求齿面粗糙度 m ra2.36.1。 b.按齿面接触疲劳强度设计 因两齿轮均为钢制齿轮， 确定有关参数如下： a.)齿数 z 和齿宽系数 取小齿轮齿轮，则大齿轮齿数，圆整 。 实际传动比 传动比误差 可用 齿数比 取。 b.)转矩 t： c.)载荷系数 k d.)许用接触应力 计算应力循环次数 轧管机上导盘设计 15 查得接触疲劳的寿命系数 通过齿轮和一般工业齿轮，按一般可靠度要求选取安全系数所以 计算两轮的许用接触应力 计算模数 取标准模数 c.校核齿根弯曲疲劳强度 确定有关参数和系数 a)分度圆直径 b)齿宽 c)齿形系数和应力修正系数 根据齿数 , d)许用弯曲应力 轧管机上导盘设计 16 试验齿轮的应力修正系数 按一般可靠度选取安全系数 计算两轮的许用弯曲应力 将求得的各参数代入 故轮齿齿根弯曲疲劳强度足够。 （4）计算齿根传动的中心距 a （5）计算齿轮的圆周速度 v 3.3 涡轮蜗杆的计算涡轮蜗杆的计算 3.3.1 蜗杆传动设计蜗杆传动设计 1.选择蜗杆的传动类型 根据 gb/t 10085-1988 的推荐，采用渐开线蜗杆(zi)。 2.选择材料 蜗杆要求表面硬度和耐磨性较高，故材料选用 40cr。蜗轮用灰铸铁 ht200 制造，采用金属模铸造。 3.蜗杆传动的受力分析 确定作用在蜗轮上的转矩 t2 轧管机上导盘设计 17 按 z=1，估取效率 4=0.7,则 666 2 2 2112 0.08 0.7 9.55 109.55 109.55 1023508 22.75 pp tn mm nn i = 图 3.3 蜗轮-蜗杆受力分析 各力的大小计算为 1 12 1 22 587 65.22 18 ta t ffn d = 2 12 2 22 23508 606.66 77.5 at t ffn d = 00 122tan20 606.66tan20220.8 rrt fffn= 4.按齿根弯曲疲劳强度进行设计 根据开式蜗杆传动的设计准则，按齿根弯曲疲劳强度进行设计。蜗轮轮齿因 弯曲强度不足而失效的情况，多数发生在蜗轮齿数较多或开式传动中。 弯曲疲劳强度条件设计的公式为 2 2 12 2 1.53 fa f kt m dyy z 确定载荷系数 k 由于工作载荷较稳定，故取载荷分布不均系数 k=1，由表选取使用系数 ka=1.15。由于转速不高，冲击不大，可取动载系数 kv=1.1,则 1.15 1 1.11.265 av kkkk = = 由表得，蜗轮的基本许用弯曲应力 34 f mpa= 假设 2 62z = =31048“，蜗轮的当量齿数 轧管机上导盘设计 18 2 2 33 62 62.29 coscos 310 = v z z 48 根据 2 0x = ， 2 62.29 v z= ，从图中可查得齿形系数 2 2.3 fa y= 螺旋角系数 310 110.9773 140 = = =y 48 140? 23 1 1.53 1.265 23508 2.3 0.977334.37 62 48 m dmm = 由表得 中心距 a=50mm 模数 m=1.25mm 分度圆直径 1 22.4dmm= 23 1 35m dmm= 蜗杆头数 1 1z = 直径系数 17.92 分度圆导程角 =31138 蜗轮齿数 2 62z = 变位系数 2 0.04x = + 5.蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸 1）蜗杆 轴向齿距 3.14 1.253.925 a pmmm= 齿顶圆直径 * 11 222.42 1 1.2524.9 a ddha mmm=+=+ = 齿根圆直径 ()() * 11 222.421 1.250.25 1.2519.275 f ddha mcmm=+= += 蜗杆轴向齿厚 11 3.14 1.251.9625 22 a smmm= 2）蜗轮 传动比 2 1 62 62 1 z i z = 蜗轮分度圆直径 22 1.25 6277.5dmzmm= 蜗轮喉圆直径 ()() * 222 277.52 1.2510.0480.1 a ddm haxmm=+=+ += 轧管机上导盘设计 19 蜗轮齿根圆直径 ()() * 222 277.52 1.251 0.040.2574.475 f ddm haxcmm=+= += 蜗轮咽喉母圆半径 22 11 5080.19.95 22 ga radmm= 6.精度等级公差和表面粗糙度的确定 考虑到所设计的机械臂属于精密传动，从 gb/t 10089-1988 圆柱蜗杆、蜗轮 精度中选择 6 级精度。 7.热平衡核算 由于该蜗轮-蜗杆传动是开式传动，蜗轮-蜗杆产生的热传递到空气中，故无 须热平衡计算。 3.3.2 蜗杆轴上的轴承蜗杆轴上的轴承 要 求 寿 命 2500 h lh ， 转 速 1410.5minnr= ， 轴 承 的 径 向 载 荷 1 110.4 r fn= ，作用在轴上的轴向载荷 606.66 a fn= 。 由上述条件试选轴承 选 30203 型轴承，查表 19.8ckn= 0 13.2ckn= lim 9000minnr= （脂润滑） 0.35e = 图 3.4 蜗杆轴上的轴承受力 按额定动载荷计算 1 12 110.4 32.47 221.7 r f ssn y = q 21 32.47606.66639.13 a sfns+=+= 12 639.13 aa fsfn=+=， 22 32.47 a fsn= 轧管机上导盘设计 20 () pra pfxfyf=+ 查表， 1.2 p f= 1 1 639.13 5.7890.35 110.4 a r f e f =， 0.4x =， 1.7y = () 1 1.20.4110.41.7606.661290.58pn=+= 2 2 32.47 0.2940.35 110.4 a r f e f =， 1x =， 0y = () 2222 1.2110.4132.48 prapr pfxfyff fn=+= 由式 6 60 10 h nl cp = 10 3 = 1010 33 11 66 60601410.52500 1290.586433 1010 h nl cpn = 1010 33 22 66 60601410.52500 132.48660 1010 h nl cpn = 12 cc、 均小于 19800cn= 满足要求。 按额定静载荷校核 由表 000 cs p 查表，取 0 1.8s= 1 10 11 5.7890.5 221 a r f fy = 010101 0.5110.41606.66661.86 ra px fy fn=+=+= 2 20 11 0.2940.5 221 a r f fy = 022 110.4 r pfn= 0102 pp、 均小于 0 13200cn= ，满足要求。 极限转速校核 轧管机上导盘设计 21 由式 max1 2lim nff n= 1 1290.58 0.0652 19800 p c = ， 由图得 1 1f= 1 1 5.789 a r f f = ， 由图得 2 0.5f= max1 10.590004500minnr= 2 132.48 0.0067 19800 p c = ， 由图得 1 1f= 2 2 0.294 a r f f = ， 由图得 2 1f= max 2 1190009000minnr= n小于max1 n 和 max 2 n 满足要求。 3.4 减速器的选择减速器的选择 减速器传动比 10.138 322.5 735 1 = t d n n i 由于传动比过大，所以加一级圆柱开式齿轮，其传动比一般为 37，取 开式齿轮传动比 k i =5 则减速器的传动比 621.27 5 105.138 1 = k i i i 28 减速器的功率 ggpdg nt g kz vg p 12 . 6 g z 减速器数量 1； 轧管机上导盘设计 22 g k 等效系数 见表 3.5 表表 3.5 减速器的等效功率系数减速器的等效功率系数 工作级别 m3 m4 m5 m6 m7 m8 系数 g k 1.25 1.12 1.00 0.90 0.80 0.71 由表得 g k =0.90 则 sm mi nd v d n 729 . 1 610.138 73569 . 0 14 . 3 9 . 09 . 0 1 = = 所以 ggpdg nt g kz vg p 12 . 6 =80.0331.729（6.120.8850.980.970.91）=30.23kw 选 zq650iv3ca 减速器,当工作类型为中级时，许用功率为 kwn31= ，传动比为 0 i =23.34，质量为 878kg，入轴直径 60 1= d mm，轴端长 mml110 1= 。 验算起升速度 实际起升速度： = = 0 0 i i vv2 34.23 28 =2.39m/min 误差： = v vv 100%= 2 239 . 2 100%=1.9%15% 校核减速器输出轴强度 计算输出轴最大径向力： () rgasr j += maxmax 2 1 式中： max as =268209.29=136419.18n=136.41kn； j g =15kg； r =88kn； () rgasr j += maxmax 2 1 =()88 4 . 136 2 1 +=112.2kn 计算输出轴最大扭矩： 轧管机上导盘设计 23 max m =（0.70.8） max e m 0 i 0 m 式中： e m =9750 735 81.17 =236.25nm电动机轴额定力矩； max =2.9当 jc=40%时电动机最大力矩倍数，由得； m =59000nm减速器最大力矩倍数； 0 =0.95减速器传动效率； max m =0.82.9236.2523.340.95=12153.02nm m =59000nm 由上计算，所选减速器能满足要求。 4. 轧管机上导盘的主轴设计轧管机上导盘的主轴设计 4.1 主轴组件的设计主轴组件的设计 4.1.1 主轴组件的性能要求主轴组件的性能要求 1.旋转精度 主轴组件的旋转精度是指主轴装配后，在无载荷、低速运动的条件下，主轴 前端安装工件的部位的径向跳动和轴向跳动。 2.静刚度 主轴组件的静刚度反映组件抵抗静态外载荷变形的能力。它可以定义为：使 主轴前端产生单位位移时，在位移方向测量处所需施加的力。即： k f = n/m 3.抗振性 主轴组件工作时产生振动会降低工件的表面质量，缩短主轴轴承使用寿命， 轧管机上导盘设计 24 还会产生噪声影响环境。振动表现为强迫振动荷自激振动两种形式。影响抗振性 的因素主要有：主轴组件的静刚度、质量分布和阻尼。主轴的固有频率应远大于 自激振动的频率，使它不易发生共振。 4.温升和热变形 主轴部件的热变形是指机床工作时因各相对运动处的摩擦和搅油等耗损而 发热造成的温升，使主轴部件在形状和位置上产生的畸变。 5.精度保持性 主轴部件的精度保持性是指长期地保持其原始制造精度的能力。 该能力丧失 的主要原因是磨损，易磨损的部位是轴承和装夹工件或刀具的定位表面。 6.主轴的结构 为了提高刚度，主轴的直径应尽量大些。前轴承至主轴前端面的距离应尽可 能小些。为了便于装配，主轴常做成阶梯型的为便于安装夹具，主轴前端做成短 圆锥面。 图 4.1 主轴结构示意图 a 是主支承轴承，既设计基准。 8.材料的热处理 主轴材料的选择主要根据耐磨性和热处理变形来考虑。材料选用 45 号钢， 进行表面淬火，硬度可达到 60hrc。 4.1.2 主轴参数的确定主轴参数的确定 1.主轴前轴径直径 d1 的确定 根据主电动机功率 p=0.75kw，查图得 d=60mm，后径 d2= 8 . 0 d= 8 . 0 60=48(mm) 2.主轴内孔直径d的确定 3936600.65(0.6060.65)(0.6d=） 3.主轴悬伸量 a 的确定 根据结构要求初步确定悬伸量 a=60mm。 轧管机上导盘设计 25 4.主轴最佳跨距 l 的选择 由经验关系式 l=(2 5 . 3 )a=120210 取 l=140mm。 4.1.3 轴承的选择及极限转数的较核轴承的选择及极限转数的较核 1.轴承类型及精度的选择 根据载荷分析，径向载荷与轴向载荷同时存在，所以选择圆锥滚子轴承，前 后轴承的精度均取 4p 级。 （1）轴承支反力 主轴最大输出扭矩 j n n p m9550=231 31 75 . 0 9550=(n) 夹绳器最大加工工件直径为 30mm。半径 r=0.015m r m f n z =15400 015 . 0 231 =(n) y f=0.5 z f7700154005 . 0=(n) 总切削力 22 yzr fff+=17210770015400 22 =+=(n) 前后支反力分别为： )1 ( c a fra+=12290) 140 60 1 ( 2 17210 =+=(n) c a frb=3687 140 60 2