机械毕业设计（论文）-Φ140mm轧管机侧压进系统设计（全套图纸）.pdf

辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） i 140mm 轧管机侧压进系统设计 摘要 轧管机是生产无缝钢管的主要设备之一，由其名称就可判断其最主要的用途就是钢 管的轧制。而在轧制过程中，侧压进装置必不可少，因为其对轧辊的调节将影响无缝钢 管的生产质量。本课题利用链传动、蜗杆传动等基本原理，通过计算选取各机械设备的 参数，选择并校核了电机，对液压缸进行了选择与校核。分配了传动比，校核了侧压螺 丝的强度，进而设计蜗杆减速器，对蜗杆轴进行了设计计算及强度校核。通过进一步计 算选取了联轴器、轴承和键的型号，使侧压进装置各项指标符合要求。 关键词：电动机的选择；液压缸；链传动；蜗杆传动；校核等 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） ii 140 mm rolling machine pressure tube into the device abstract tube rolling mill is one of the main equipment of the production of seamless steel pipe, the name can be judged by its main purpose is the steel tube rolling. and in the rolling process, sidewall compression inlet device is essential, because the roll adjustment will affect the seamless steel pipe production quality. this topic use the chain transmission, worm drive and other basic principles, through the calculation and selection of the parameters of the mechanical equipment, select and check the motor, the hydraulic cylinder to select and check. allocation of transmission ratio, the strength of checking the pressure screw, and design of the worm reducer, the design calculation and strength check of the worm shaft. through further calculation of selected couplings, bearings and key models, the pressure feeding device the indicators meet the requirements. keywords:;the selection of motor;the hydraulic cylinder;worm drive;chain drive; 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 iii 页 1 绪论 1 1.1 选题背景及目的 . 1 1.2 钢管生产工艺及其在国民经济中的主要地位与作用 . 1 1.2.1 钢管生产工艺 . 1 1.2.2 钢管在国民经济中的地位与作用 2 1.3 国内外轧管机械的发展状况 . 3 1.3.1 穿孔机的发展 . 3 1.3.2 轧管机的发展 . 4 1.3.3 减径机的发展 . 5 1.3.4 定径机的发展及新技术 . 5 1.4 课题的研究内容及方法 . 6 2 方案的选择和设计 8 2.1 设计的原始参数 8 2.2 方案的选择 . 8 2.2.1 系统动力源的选择 . 8 2.2.2 传动装置的选择 8 2.2.3 执行装置的选择 9 2.3 总体方案简图 9 3 侧压系统的电机的选择 11 3.1 作用在侧压螺丝上的载荷 11 3.1.1 变形区长度的确定 . 11 3.1.2 接触面宽度的确定 . 12 3.1.3 轧制压力的计算 . 13 3.2 侧压进螺丝主要尺寸的确定 . 15 3.3 侧压螺丝驱动力矩 17 3.4 侧压电机的容量选择 . 17 4 侧压进平衡装置的选择及其校核 . 19 4.1 平衡方法的选择 19 4.2 平衡力的计算 . 19 4.3 液压平衡装置的计算及其校核 19 4.3.1 液压缸柱塞杆直径的计算及其强度校核 . 19 4.3.2 液压缸壁厚的计算及其校核 . 20 5 主要零件设计和强度计算 22 5.1 总传动比的分配 . 22 5.2 侧压螺丝的强度校验 . 22 5.3 侧压螺母的结构尺寸设计 23 5.4 蜗轮蜗杆的计算 26 5.4.1 选择蜗杆传动类型 26 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 iv 页 5.4.2 选择材料 . 26 5.4.3 按齿面接触疲劳强度进行设计 . 27 5.4.4 蜗杆与蜗轮主要几何尺寸计算 . 28 5.4.5 校核齿根弯曲疲劳强度 . 29 5.4.6 蜗杆传动的热平衡计算 . 31 5.5 蜗杆轴的受力分析及传动校核 32 5.6 滚动轴承的选择和寿命计算 37 5.6.1 滚动轴承的选择 37 5.6.2 滚动轴承寿命计算 38 5.7 联轴器的选择与强度校核 . 39 5.7.1 联轴器的分类 . 39 5.7.2 联轴器的选择 . 40 5.7.3 联轴器载荷的计算 . 40 5.7.4 型号选择 . 40 5.8 花键的选择及其校核 41 5.8.1.花键的选择 . 41 5.8.2.花键轴的校核 . 41 6 润滑系统 43 6.1 蜗杆传动的润滑 43 6.2 滚动轴承的润滑 43 6.3 滚动轴承的密封 43 6.4 侧压螺母的润滑 44 7 经济分析及环境保护 . 45 7.1 经济分析 . 45 7.2 环境保护 . 45 7.2.1 废水治理 46 7.2.2 固体废物处理和综合利用 . 46 7.2.3 噪声处理 . 46 结论 47 致 谢 48 参考文献 49 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 1 页 1 绪论 1.1 选题背景及目的 短暂的大学生活即将结束，我们迎来了每个本科生都会经历的毕业设计，这是对我 们能否将理论知识化为实践能力的一次检测。学校学院领导、老师悉心为我们联系鞍山 钢铁集团公司的无缝钢管厂的相关负责人，才使我们有机会看到了自动轧管机、连轧管 机、三辊轧管机，并在现场工程师的带领下参观了 219、159 和 177pqf 三条国内 先进的生产线，对整个轧管工艺流程和具体的设备有了一定的认识。 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，钢管作为钢铁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设计的重要性。本次毕 业设计的任务是通过所学的理论知识以及相关文献，设计一台钢管轧管机的主传动系 统，并在现有的条件下对设计的相关设备进行校核，以验证其符合设计要求。 1.2 钢管生产工艺及其在国民经济中的主要地位与作用 1.2.1 钢管生产工艺 无缝钢管的生产在世界上已有一百多年的历史。 首先是由德国曼内斯曼兄弟于 1885 年发明了斜轧穿孔工艺，从而开创了无缝钢管生产发展的历史。之后，他们继续不懈地 探索，寻求轧长、减薄穿孔厚壁毛管的方法，终于在 1892 年采用周期轧管工艺由实心 坯轧出世界上第一支无缝钢管，完成了由实心管坯轧制无缝管的“曼内斯曼轧管工艺”。 随后，多种轧管工艺相继出现.现代主要轧管工艺流程如图 1.1 所示。 生产热轧无缝钢管的方法有很多，而生产方法的主要差别就是把空心毛管壁厚减薄 到接近成品尺寸的工序，也就是轧管工序，一般都是用轧管机的名称来给整套机组命名 的，比较常用的几种方法有： 1.周期式轧管法是使用穿孔后的毛管，在周期式轧管机上轧制钢管的方法，能够生 产大直径管材，轧机的的延伸系数很大，可以减少穿孔时的变形量，适合多品种小批量 的生产，也是周期式轧管法的特征。周期式轧管机是上下两个轧辊上均车有变面轧槽的 不可逆二辊压机，在轧机的前台没有夹持并且能够转动芯棒的送料机。 2.连续式的轧管机组，轧管前和轧管后的工艺环节跟自动轧管机组是基本上一样的， 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 2 页 连续式的轧管机组跟定径机的二辊轧机构成是相似的，把穿孔后的毛管套在长度与成品 管相近的长芯棒上，靠轧辊的孔型和长芯棒的作用来减壁的，毛管从连续式轧管机轧出 以后，一定要与长芯棒之间有 1 毫米的空隙，因为孔形是椭圆的，而且轧机的配置还要 保证相邻的两架轧机要呈 90 度交替的压缩轧件。 3.三辊式轧管机组与连续轧管机组的工艺流程是大体相同的， 唯一的不同就是轧管工 序，三辊式轧管机的轧辊布置，在垂直毛管中心线的平面内有三个互相间隔 120 度的轧 辊，三个轧辊同向转动，芯棒和其周围对称位置的三个轧辊组成一个环形封闭孔型，轧 辊轴线和轧制线成两个倾斜角度，先把芯棒插入穿孔后的毛管中，然后送入轧机轧制， 就是三辊式轧管机组的轧管过程，在轧制的时候，毛管和芯棒在三个轧辊作用下边旋转 边前进，呈螺旋运动，在这个时候毛管在轧辊和芯棒间受到压缩轧制，然后被加工成要 求尺寸的毛管。 图 1.1 现代主要轧管工艺流程 1.2.2 钢管在国民经济中的地位与作用 钢管是一种多功能的经济断面钢料，它在国民经济各部门中的应用愈来愈广泛。钢 圆管坯 锯切 环形炉加热 高压水除磷 连轧 除磷 毛管喷硼砂 穿孔轧制 热定心 脱管机脱管 高压水除磷 定径 冷却 再加热 人工检查 无损探伤 中间仓库 管加工厂加工 出产 矫直 切头尾 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 3 页 管作为输送管广泛地用于输送油、气、水等各种流体，如石油及添人气的钻探开采与输 送、锅炉的废水与蒸汽管道、一般的水煤气管道。在断面面积相同的条件下，钢管比圆 钢、方钢等的抗弯能力大，刚性好，其单位体积的重量轻，钢管是一种抗弯能力较强的 结构材料，所以钢管也可以作为结构管大量地用于机械制造业和建筑工业，如用于制作 房架、塔吊、钢管桩、各种车辆的机构加等。除此之外，钢管还作为中空的零件毛坯用 于制造滚动轴承、液压支柱、液压缸筒体、空心轴、花键套、螺母以及手表壳等，这既 节约金属又节省加工工时。最后，钢管又是国防工业中的重要材料，如用于制造枪管、 炮筒及其他武器。随着航空、火箭、导弹、燕子能与宇宙空间技术等的发展，精密、薄 壁、高强度钢管的需求量迅速增长。 1.3 国内外轧管机械的发展状况 19 世纪初期石油的开发，两次世界大战期间舰船、锅炉、飞机的制造，第二次世 界大战后火电锅炉的制造，化学工业的发展以及石 油天然气的钻采和运输等，都有力 地推动着钢管工业在品种、产量和质量上的发展。 我国第一批轧钢设备建于 1896 年, 并于 1907 年在我国创建的第一个钢铁厂汉阳 钢铁厂投人生产, 轧钢机是由蒸汽机驱动的设备。建国前, 我国轧钢设备十分薄弱。 钢材的最高年产量只有 68.6 万吨, 仅为当时生铁产量的 38.1%。 我国现有三辊轧管机组 10 余台(套)，进口机组和国产机组在数量上的比例为 l：l。 为提高产品质量、钢管成材率、生产效率和控制水平，各钢管企业均根据自身条件进行 了不同程度的自动化和现代化技术改造，其中最具代表性的是鞍山钢铁公司的 219mm 机组和衡阳华菱钢管(集团)有限公司的 108mm 机组， 其中鞍钢新轧钢公司无缝钢管厂对 219mm 自动轧管机组均整机锥形辊进行了新的设计，改进了均整机孔型，优化了均整 工艺。使均整机轧制过程更为可靠、轧制出口速度明显提高、进出口变形区的轧制力分 布更加均匀。 1.3.1 穿孔机的发展 现在应用比较多的穿孔机有压力穿孔机、ppm 推轧穿孔机、斜轧穿孔机；其中斜轧 穿孔机包括曼内斯曼穿孔机、stiefel 穿孔机、diescher 穿孔机和锥辊式穿孔机。 压力穿 孔机和 ppm 推轧穿孔机采用的原料为连铸方坯。穿孔工艺首先要保证穿出的毛管壁厚 均匀，椭圆度小，几何尺寸精度高；其次是毛管的内外表面要较光滑，不得有结疤、折 叠、 裂纹等缺陷； 第三是要有相应的穿孔速度和轧制周期， 以适应整个机组的生产节奏， 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 4 页 使毛管的终轧温度能满足轧管机的要求。 随着双支撑式锥形辊穿孔技术的逐渐成熟，近 10 年来国内外新建的连轧管机组几 乎全部采用锥形 辊穿孔机，其他热乳管机组（如顶管机组、accu roll 机组等）也开 始大量采用锥形辊穿孔机。锥形辊穿孔机的优点主要表现在： 1.乳辊直径向出口方向逐渐加大，与变形区 内金属流动速度逐渐增大相一致，减少 了管坯的周 向切应力，减少了毛管内外表面缺陷和金属扭曲； 2.采用大的喂人角和辗轧角，增大了变形程 度，可使延伸系数髙达 6，穿孔速度达 穿 孔效率达 90%，扩径率达 40%; 3.穿孔变形大，可减小后部轧管工序的轧件 变形量。 正是由于锥形辊穿孔机有上述突出优点，尽管 其设备重量及装机容量较常规二辊 穿孔机高 20% 30%,仍得到大多数新建机组的应用，并促使少机 架限动芯棒连乳管机 (mini- mpm)得到大力发展， 也使 assel 轧管机、accu roll 轧管机生产更薄更长的钢管 成为可能。 穿孔工艺首先要保证穿出的毛管壁厚均匀，椭圆度小，几何尺寸精度高；其次是毛 管的内外表面要较光滑，不得有结疤、折叠、裂纹等缺陷；第三是要有相应的穿孔速度 和轧制周期，以适应整个机组的生产节奏，使毛管的终轧温度能满足轧管机的要求。 1.3.2 轧管机的发展 1990 年以来，世界上新建无缝钢管生产机组 主要为限动芯棒连乳管机（mpm)、 accu roll 乳管机、cpe 顶管机及新式 assel 轧管机，其中限动芯 棒连轧管机组在数量 上最多，分布地域也更广，而其他型式的乳管机组则主要在发展中国家。另外，德国 kocks 公司开发出另一种型式的 紧凑式轧机 。 其特点是 ： 轧管机采用新型四辊行星 式 轧管机(可轧出长达 50m 的荒管），其后紧凑布置 张力减径机及回转式飞锯另 外轧管 机轧出的荒管长度达 50m,使得钢管经张力 减径机的端部增厚损失降至最小。 目前，在世界上应用的轧管机有皮尔格轧管机、自动轧管机、cpe 轧管机、新型三 辊轧管机、accu roll 轧管机、mpm 轧管机和 pqf 轧管机。工业发达的国家，如美国、 苏联、 西德等拥有大量的现代话热轧钢管设备， 其中主要是自动轧管机和周期式轧管机， 生产钢管占世界热轧管产量的 92%。钢管增长率 7.5%，它们生产的热轧管产量占世界 钢材产量的 15%左右。 轧管机械设备向着大型、连续、高速和计算机控制，集成的方向发展。 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 5 页 1.3.3 减径机的发展 减径机就是连续多机架无芯棒纵向轧制的机组。减径机按结构可分为 2 辊减径机和 3 辊减径机。 两辊减径机从目前国内现有结构特点上来讲，其结构较为简单，由于其轧辊孔型为 单独加工而成，因此使上下辊孔型封闭不好，从而造成内孔多边形严重，由于金属滑移 大，造成产品纵向壁厚差大，但由于其结构简单，调整控制简单，因此设备投资很小， 适合生产较低品质无缝管用户进行投资。 三辊单独可调式定径机(fqs)技术是在每个轧辊位置上各设 1 套液压压下装置，可 根据不同的条件对 3 个轧辊进行单独调整，以实现钢管外径的精确控制以及沿圆周上对 椭圆度进行的调整，还可沿钢管长度上进行在线动态压下调整，以消除因钢管沿长度方 向上的温度不均造成的外径偏差。该技术是意大利 innse 公司开发的，已成功应用于 日本住友和歌山厂新建的 426mm 连轧管机组中。 总体来讲三辊减径机具有各方面的优 势，是今后国内热轧线的发展趋势。 1.3.4 定径机的发展及新技术 目前定径机一般有两种类型。一种为多机架纵轧型，这种类型是通过 37 架孔型的 连续轧制， 以达到定径的目的。 另一种为单机架斜轧旋转定径， 这种类型其减径量较小， 但精度高，主要用于中厚壁管轧制。 采用该技术可以根据轧制钢管外径的变化，一定范围内对轧辊辊缝进行调整，另外 还可以根据 轧辊磨损情况，对辊缝进行调整补偿，以保证必要 的钢管外径尺寸精度。 三辊可调式机架的开发，可以大幅度地减少备用轧辊及机架的数量、减少乳辊 消耗、 提高设备利用率以及提高设备的灵活性。 德国 sms meer 公司及 k0cks 公司均开发出各自的三辊同步可调式张力减径机/定 径机。其工作原理都是将轧辊轴装于偏心轴套之内，通过现场手动或远程电动控制 3 根 偏心轴套同步旋转，带动轧辊辊缝同心调整。只是两者带动偏心套旋转的执机构有所不 同。该技术只能在空载条件下实现，即轧辊辊缝调整在轧制间隙时间内完成，不能进行 动态调整。 1.3.5 矫直机的发展 矫直技术多用于金属条材加工的后部工序，在很大程度上决定着产品的质量水平。 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 6 页 20 世纪初已经有矫直圆材的二辊式矫直机， 在 20 世纪 30 年代中期发明 222 型六辊式矫 直机，显著提高了管材矫直质量。后来在 20 世纪 60 年代中期，为了解决大直径管材的 矫直问题，美国萨顿公司研制成功 313 型七辊式矫直机。我国改革开放以后接触到大量 的国外设计研制成果，有小到 1.6mm 金属丝矫直机和大到 600mm 管材矫直机，有速 度达到 300m/min 的高速矫直机和精度达到 0.038mm/mm 的高精度矫直机，同时也引进 许多先进的矫直设备。进入 90 年代我国在赶超世界先进水平方面又迈出了一大步，一 些新研制的矫直机获得了国家的发明专利，一些新成果获得了市、省及部级科技成果进 步奖，有的获得了国家发明奖。近年来我国在反弯辊形七斜辊矫直机，多斜辊薄壁转毂 式矫直机,平行辊异辊距矫直机及矫直液压自动切料机等研制方面相继取得成功。 1.4 课题的研究内容及方法 此次设计内容是根据鞍山钢铁集团公司中无缝钢管厂的 140mpm 限动芯棒五架 连轧管机所选的课题，设计的主要内容轧管机侧压进系统。侧压进系统原理图如图 1.2 所示。侧压进系统包括减速机、联接轴、联轴器等部件组成。这次所设计的侧压进系统 是由电机通过减速器传动轧辊的。 图 1.2 侧压进系统原理图 传动总体方案的设计内容： 1、计算 140mpm 轧管机的力能参数。根据计算的参数选择合适的电机并校核。 2、根据已有的数据选择合适的联轴器、对减速器主要零件的强度计算和校核及万 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 7 页 向联轴的选择。 3、根据以上的机构参数绘制 1 张总图、1 张局部装配图、9 张零件图。 设计的方法： 首先，进入鞍钢参观实习。在感官上认识这次所要设计的物体。我们到了鞍钢无缝 钢管厂。在那里我们通过参观和工程师的认真讲解，对设计的轧机侧压进系统有了初步 的了解。熟悉了 140mpm 轧管机的工作情况及主传动系统的传动方式。 然后，通过查阅材料选择最佳的传动方式。最后，选择最佳传动方案，计算轧制力 及轧制力矩，根据计算在手册上选择电机、联轴器、等部件并校核。完成图纸绘制及说 明书的编辑。 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 8 页 2 方案的选择和设计 2.1 设计的原始参数 热轧无缝钢管管坯直径：90180mm，管坯长度为 10003600mm。 管坯材质：碳钢、合金钢。 毛管直径：90185mm，壁厚 630mm，毛管长度为 40008500mm。 （1）轧辊直径：650750mm，辊身长度 620mm，轧辊前进角：8，最大轧制力 矩：t=136knm。轧辊转速：n=135r/min，轧辊轴向调整：以机架中心线为基准，向入 口方向可调 080mm，向出口方向可调 060mm，轧件最大出口速度：0.59m/s。 （2）侧压进压下速度 v=3.5mm/s，s=0320mm，t=1 分 25 秒 2.2 方案的选择 2.2.1 系统动力源的选择 传统机电设备的功能实现部分一般可以分为原动部分、传动部分和工作部分。原 动部分是设备的动力来源，如机电设备中的电动机。 我们知道任何机电设备的工作都离不开动力。电能、风能、热能、化学能等都可 以作为机电设备的动力。机电设备中最常见的动力源是电动机。电动机是根据电磁感应 原理和电磁力原理工作的，它将输入的电能转换为机械能并输出，驱动机械部分运转。 使用、维护、维修机电设备都必须了解电动机的类型和性能。电动机的品种很多，可按 不同的方法分类： 1）按电动机输入电流类型：可分为直流电动机和交流电动机。交流电动机又可分 为同步电动机和异步电动机 。 2）按电动机相数：可分为单相电动机和多相（常用三相）电动机。 根据设计要求，在此选择三相交流电动机。 2.2.2 传动装置的选择 传动装置是将原动机的运动和动力传给工作机构的中间装置， 一般通过机械传动和 液压、气压传动来实现。常用的传动装置有齿轮传动：旋转运动，精度高；齿条传动： 直线运动，精度高；皮带传动：旋转运动，精度低，冲击小；凸轮传动：往复运动，顺 序动作；蜗杆传动：变比大，精度高；螺杆传动：往复运动，精度高；链条传动：精度 低，结构简单。 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 9 页 此次设计在减速器中用到了链传动，蜗杆传动，螺杆传动和液压传动。 2.2.3 执行装置的选择 执行装置即设备的工作部分，是完成预定功能的终端部分，就是把从电源、液压、 气压等动力源获得的能量变换成旋转运动或者直线运动的机械能，同时产生是机械工作 的力的一种装置。如普通车床的主轴、拖析，升降机的平台，洗衣机的波轮等等。 在设计中选用的执行元件有液压缸，它结构简单、工作可靠。用它来实现往复运 动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械的液压系统中 得到广泛应用。 2.3 总体方案简图 1）电动侧压传动示意图 1- 链轮 2 - 联轴器 3 - 侧压电机 4 - 电磁联轴节 5 - 传动轴 6 - 蜗杆 7 - 侧压螺杆蜗轮 图 2.1 电动侧压传动示意图 工作原理：如图 2.1，电动机 3 经传动轴连接联轴器 2 传至链轮 1，途经蜗杆传动 带动侧压螺丝的行进与后退，进而完成轧辊辊缝的调节，此中用到的平衡液压缸可精确 平稳地完成固定行程，从而完成压入工作。 2）电动双压下装置传动示意图 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 10 页 1 - 精调电动机 2 - 粗调电动机 图 2.2 电动双压下装置简图 由于电动双压下装置的反应灵敏度差,所以仅用于精度低的热轧板带成品轧管机上。 电动双压下装置简图如图 2.2 所示。在这种压下装置中精调与粗调系统都是由电动机通 过机械的减速机构来传动压下螺丝的,因此传动系统的惯性力很大,从而使调整辊缝的校 正讯号传递滞后现象很严重,所以无法满足高精度的板厚公差要求。由于以上原因,目前 很少采用这种板厚自动调节系统。其简图如图 2.1 所示。 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 11 页 3 侧压系统的电机的选择 3.1 作用在侧压螺丝上的载荷 3.1.1 变形区长度的确定 变形区的长度为入口断面的距离，如图 3.1 所示，入口断面上的管坯直径为 da，出 口断面上的荒管直径为 d1，轧辊之间的最小距离为 dh ，轧辊的入口锥母线倾角为 1， 出口锥母线倾角 2，送进角为 。 图 3.1 确定变形区长度和接触宽度 根据参考文献3，可求变形区长度： + = 2 1 1 22tg dd tg dd l hha 当考虑送进角 时，变形区的长度 l 按上式计算得到的值要小。在 =812时，误 差不超过 810%。确定 l 的精确公式是很复杂的。根据参考文献1 ，所以可以接近近 似按下式计算 cos 2 1 cos 1 22 + = tg dd tg dd l hha 按上式计算得 cos 2 1 cos 1 22 + = tg dd tg dd l hha 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 12 页 + = 10cos10cos 72 8590 82 85110 tgtg =83.08+19.45=102.53mm 其中毛管直径 da=110mm，出口荒管直径 d1=90mm，轧管机与轧辊之间的最小 距离 dh=115mm，入口锥母线倾角 1=8，出口锥母线倾角 2=7，=10。 3.1.2 接触面宽度的确定 图 3.2 确定接触面宽度 任意断面接触宽度 b 可根据该面上轧辊半径 r 压下量及管坯的轧前半径 r=r1+r 确 定。如图 3.2 所示。 + =+= 22 2222 1111 r b r r b rrrrrrrr 由于 r b 及 r b 远小于 1，上式的根号项可以展开成麦克劳林级数。展开式的前两项已 足够精确。则有： 22 2 1 11 = r b r b 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 13 页 22 2 1 11 = ee r b r b 把上式代入公式中，整理得： r rr rr b e e + = 2 把 2 , 2 d rr d re=+=关系代入，则有： d r d d rrd b + + = 21 2 2 已知条件：管坯的压下量 r=(110mm- 90mm)/2mm=10mm，管坯轧后直径 d=90mm。 轧辊直径mm1020 8cos1 10 cos1 = = = r d 可求接触面宽度 b 得： d r d d rrd b + + = 21 2 2 1020 10 2 1020 90 1 10029010 + + = =31.5mm 3.1.3 轧制压力的计算 根据理论和实验研究，在斜轧时比值 b/2r 较小，单位压力受接触摩擦系数的影 响较小，而受外端的影响比较大。在比值 b/2r1 时，随比值 b/2r 的减小，比值 p/ 不断增大。所以在确定斜轧的平均单位压力时，趋向于比值 b/2r 作为影响应力状态 的基本参数。 实际上，只能根据不同轧制条件的实验数据，建立一个统一的应力状态系数综 合考虑上述因素对平均单位压力的影响。根据参考文献3，有 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 14 页 p=ns 将二辊斜轧圆柱体简化看成为在平行平面间压缩圆柱体的情况，对这样的滑移 线场进行分析，根据参考文献5，导出如下计算二辊穿孔时的单位压力公式： +=25 . 0 2 25 . 1 2 ln25 . 1 2 r b b r kpm 式中 k纯剪切时的变形抗力， 3 s k =。 根据参考文献2，普通低合金钢，轧制温度为 1000时，s=280mpa，所以 3 280 3 = s k 。 r坯料的半径，mm b接触表面宽度，mm 因为 +=25 . 0 2 25 . 1 2 ln25 . 1 2 r b b r kpm在 12r/b8.5 范围内是正确的。 又因为 2r/b=190/31.5=6.7148.5，所以得 +=25 . 0 2 25 . 1 2 ln25 . 1 2 r b b r kpm +=25 . 0 190 3 . 28 25 . 1 714 . 6 ln25 . 1 3 280 2 =829.77mpa 轧制压力 p=pmbl=732.1428.377.35=1.82106n 取 p=2106n。 侧压螺母水平方向的压力： p侧=0.3p=0.32106=0.6106n 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 15 页 每个螺丝上的载荷： p1=p/2=0.6106/2=0.3106n。 3.2 侧压进螺丝主要尺寸的确定 侧压进螺丝的基本参数是螺纹部分的外径 d 和螺距 t。如图 4.1 所示。 图 4.1 锯齿形螺纹的基本尺寸 侧压进螺丝直径由最大轧制压力决定。由于侧压进螺丝的细长比很小，其总弯曲可 忽略不计，根据参考文献3，压下螺丝最小断面直径 d1由下式确定： d r p d 1 1 4 = 式中 p1作用在螺丝上的最大轧制力，n； rd侧压螺丝的许用应力，mpa。侧压螺丝材料为锻钢，其许用应力，mpa。 侧压螺丝材料为锻造钢，其许用应力为 rd=100120mpa； 所以断面最小直径为 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 16 页 mm42.56 120 103 . 044 6 1 1 = = d r p d 计算螺丝的中径 对于矩形和梯形螺纹中径的计算，由参考文献3： 8 . 0 2 p f d 式中 f作用在螺丝上的载荷，f=p； 螺母和螺丝中径的比值，取 =1.2； p材料的许用应力，经文献8表 512，查得 p=11mpa。 所以螺丝的中径为： mm 6 . 120 112 . 1 103 . 0 8 . 0 8 . 0 6 2 = = = p f d 对于二辊轧机： dg/d=0.450.55，d=1020mm 求得：dg=459mm。 根据参考文献3，由于侧压螺丝和轧辊辊径承受同样大小的轧制力，故两者之间有 一定的比例关系，即 d=(0.550.62)dg 式中 d侧压螺丝外径，mm dg辊径直径，mm。对四辊轧机则应该是支承辊辊直径。 侧压螺丝外径为 mm45.25245955 . 0 )62 . 0 55 . 0 (= g dd 根据参考文献3，侧压螺丝的螺距 mm294.3045.25212 . 0 )16 . 0 12 . 0 (=mmdt 螺纹升角 = =84 . 6 45.25214 . 3 180294.30 d t 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 17 页 3.3 侧压螺丝驱动力矩 转动侧压螺丝所需的静力矩也就是侧压螺丝的阻力矩， 它包括止推轴承的摩擦力矩 和螺纹之间的摩擦力矩，其计算公式是： 2 1112tan() 2 d mmpmm=+=+ 式中： 2d 螺纹中径； 螺纹上的摩擦角， 即2arctan=，2 为螺纹接触面的摩擦系数， 一般取20.1，故5 40 ； 螺纹升角，压下时用正号，提升时用负号， t d =，t 为螺距, ； p1作用在一个侧压螺丝上的力； m1止推轴承的阻力矩； m2螺纹摩擦阻力矩。 止推轴承的阻力矩 m1，对实心轴颈为： 3 3 111 d pm= 式中： 3d 侧压螺丝止推轴颈直径； 1 对滑动止推轴颈取10.10.2=。 又由于轧机的侧压系统在工作时需要润滑，查文献1可知，钢与钢之间的滑动摩 擦系数f 无润滑剂时为 0.15，有润滑剂时为0.050.1，本设计取 0.1。 所以螺丝的传动力矩： 2111 )tan( 2 mm d pmm+=+= )84 . 6 67 . 5 ( 2 6 . 120 103 . 0 3 45.252 103 . 01 . 0 66 +=tg mn6538= 3.4 侧压电机的容量选择 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 18 页 因为本侧压机构是由一个电动机来驱动两个侧压螺丝。所以根据参考文献3驱动螺 丝所需要的电动机功率为 i mn n 9550 =。 式中 m转动调整的静力矩。 n电动机的额定转速，r/min。 i传动系统总数比。 传动系统总的机械效率。 侧压速度 v=3.5mm/s，由公式r/min932 . 6 60 294.30 5 . 3 60 1 =tvn，又因为 n1=n/i 代 入公式得 9550 1 mn n = 传动装置的效率 链传动效率 链=0.92 滚动轴承效率 承=0.99 联轴器效率 联=0.99 链轮效率 轮=0.98 蜗杆效率 蜗=0.75 螺纹传动效率 螺=0.95 则传动总效率 =链承 2 联轮蜗螺 =0.920.9920.990.980.750.95=0.6232 空心丝杠所受力 f=2.0kn，v=3.5m/s 则空心丝杠的功率 kw7 1000 5 . 30 . 2 1000 = = fv p丝 则 kw23.11kw 6232 . 0 7 = 丝 电 p p 由1可查得选取电动机型号为：y180l6，功率为 15kw，转速为 970r/min。 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 19 页 4 侧压进平衡装置的选择及其校核 4.1 平衡方法的选择 目前市场上比较广泛的平衡方法有两种， 一种是液压缸平衡， 另一种是气压缸平衡。 由于气动系统使用压力一般在 0.21.0mpa，不能作为大功率动力元件，而且由于空气的 压缩率远大于液压油，所以它的工作平稳性和响应方面就差很远。而液压缸具有结构简 单、输出力大、性能稳定可靠、使用维护方便、应用范围广泛等特点。在使用液压缸平 衡装置时，能够保证轧辊稳定，不上下移动。所以，本次设计选用的平衡装置为液压式 平衡装置。 4.2 平衡力的计算 被平衡的总重量 g（包括轧辊，平衡装置及各种零件的总重量），查阅资料，计算 得出： g=3.12107n 该侧压进装置水平放置，同时在润滑良好的情况下，其平衡力大小为： p=g=3.12106n 每个液压缸所受的平衡力为 p1 p1=p/2=1.56106n 4.3 液压平衡装置的计算及其校核 4.3.1 液压缸柱塞杆直径的计算及其强度校核 1.液压缸柱塞杆直径的额计算 根据参考文献7得液压缸柱塞杆直径的计算公式如下： pn kg d 4 = d液压缸柱塞杆直径 g被平衡零件的重量，g=3.12107n k过平衡系数，1.21.4，此计算取 1.4 p1液压缸受到的平衡力 n液压缸的数量，n=1 由此得 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 20 页 pn kg d 4 = 21056 . 1 1012 . 3 4 . 14 6 7 =42.2mm 考虑到液压缸柱塞工作的可靠性，通常将理论值扩大 5%左右作为实际使用值，并 且圆整，根据参考文献1,取 d=52mm,缸筒内径 d=90mm，缸筒外径 d1=150mm,液压缸 额定压力 p额=10mpa。 2.液压缸柱塞杆直径强度的校核 根据参考文献7得液压缸柱塞杆直径的校核公式如下： 4 p dd= d液压缸柱塞杆实际直径 d液压缸柱塞杆许用直径 p液压缸受到的平衡力 柱塞杆材料的许用应力 b柱塞杆材料的抗拉强度，根据参考文献8，得： b=550mpa n安全系数，24，此计算取 1.4 综上，液压缸最小许用直径： mmd22= 所以 d=52mmd，满足强度要求。 4.3.2 液压缸壁厚的计算及其校核 1.液压缸缸筒壁厚的设计计算 根据参考文献1，得液压缸缸筒壁厚按薄壁筒计算的公司如下： b dp 2 max pmax液压缸实验压力，mpa， cm app= max d液压缸内径，取 d=90mm 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 21 页 b材料抗拉强度，一般取 b=200mpa 所以 napp cm 6 2 6 max 1016 . 1 95 . 0 4 90 1056 . 1 = = mm dp b 6 . 11 102002 10901016 . 1 2 6 26 max = = 考虑到液压缸缸筒厚度的可靠性，将其扩大 5%，作为实际使用值，查资料标准值： 取 =15mm。 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 22 页 5 主要零件设计和强度计算 5.1 总传动比的分配 传动比的分配： 根据参考文献1 减 ，iiii)4 . 13 . 1 ()4 . 13 . 1 ( 121 = 选定电动机满载转数 n0=970r/min; 总传动比：140 93 . 6 970 0 = h n n i，试分配各级传动比。 根据参考文献1，表 4.29 取36= 杆 i。 则减速器传动比为 89 . 3 36 140 = 杆 减 i i i 取两级齿轮减速器的传动比。 29 . 2 35 . 1 1 = 减 ii 则低速级传动比 7 . 1 29 . 2 89 . 3 1 2 = i i i 减 5.2 侧压螺丝的强度校验 由螺纹外径d 确定出其内径3d 后，便可按照其强度条件对侧压螺丝进行强度校验。 1 3 4 j p d = 式中： j侧压螺丝实际计算应力，mpa； 1p 每个侧压螺丝所承受的轧制力，轧机主传动系统的轧制力p 为 600kn，所以1 1 2 pp=kn； 3d 侧压螺丝外螺纹内径，mm； 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 23 页 侧压螺丝材料的许用应力，mpa。 又有： b n = 式中： b 侧压螺丝材料的抗拉强度极限（mpa）。本设计采用的侧压螺丝材 料为 42crmo，查文献8得其1080b=mpa。 n 侧压螺丝的安全系数，通常选用6n，本设计选6n =。 1080 180 6 b n = mpa 120 42.5614 . 3 60044 2 3 1 = = d p j mpa 所以侧压螺丝的强度满足要求。 5.3 侧压螺母的结构尺寸设计 1、侧压螺母高度 h 与外径 d 的确定 （1）侧压螺母高度 h 的确定 本设计选用侧压螺母的材料为 zcuzn25al6fe3mn3（铸铝黄铜），对这种材料其薄 弱环节是挤压强度较低，因此，侧压螺母高度 h 应按螺纹挤压强度来确定，其挤压强度 条件如下： 2 1 3 4 -(- 2 ) p pp zdd = （5.27） 式中： p 螺纹受力面的单位挤压应力，mpa； 1p 侧压螺丝轴颈上的最大压力，n； z 侧压螺母中的螺纹圈数； d 侧压螺丝的螺纹外径，mm； 3d 侧压螺丝的螺纹内径，mm； 侧压螺母与螺丝的内径之差，mm； 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 24 页 p 侧压螺母材料的许用单位压力，mpa。 先求出侧压螺母的螺纹圈数z 后，其高度便可由下求得： hzt= 由生产实践得知h 可由以下的经验公式首先确定一个预选数值，然后再进行挤压 强度校验，方能最后确定h 数值。 通常h 可由下式预选： ()()50430225222 . 122 . 1=dhmm 取302=hmm。 又侧压螺丝的滑动速度： mm/s5 . 3=v 属于低速运动，再根据侧压螺母的材料铸铝黄铜 zcuzn25al6fe3mn3,由文献8查 得侧压螺母的许用单位压力 18mpap=。 22 1 3 4 -(- 2 ) p p zdd = () 28 . 6 2242.56252 48 302 1064 2 2 5 = = p 侧压螺母的高度h 可设定为 302mm。 （2） 侧压螺母外径 d 的确定 作用在侧压螺丝上的轧制力通过侧压螺母与机架上横梁中的螺母孔的接触面传给 了机架，因此，侧压螺母的外径应按其接触面的挤压强度来确定，即： 2 1 1 4 (-) p pp dd = （5.29） 式中： p 侧压螺母接触面上的单位压力，mpa； 1p侧压螺母上的最大作用力，n； 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 25 页 d侧压螺母的外径，mm； 1d侧压螺丝通过的机架上横梁孔的直径，本设计设定为 60mm； p侧 压 螺 母 材 料 的 许 用 挤 压 应 力 ， 一 般 对 于 黄 铜 6080p=mpa。 同样d 可由下面的经验公式确定： mm(1.51.8)(1.51.8)360540648dd= ()()4543782528 . 15 . 18 . 15 . 1=ddmm 取d =378mm。 2 1 1 4 (-) p p dd = () 49 . 5 6037814 . 3 1064 22 5 = = p 所以侧压螺母的外径d 可设定为 378mm。 (3)侧压螺母的形式及材质的选用 一般侧压螺母均承受巨大的轧制力，因此要选用高强度的铸造铜合金，本设计选 用铸铝黄铜 zcuzn25al6fe3mn3。侧压螺母的形式很多，在大型轧机上为了尽量给国家 节约有色金属，选用单箍圈螺母，如图 5.1。 1- 侧压螺母 2- 箍圈 图 5.1 单箍圈组合式螺母 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 26 页 箍圈由高强度铸铁铸成， 以 h7/m6 的过渡配合套在黄铜的螺母基体上以后， 再加工 螺母外径和端面。高强度铸铁的弹性模数与铸铜的接近，这就能保证在受压时，箍圈和 螺母本体均匀变形。高强度铸铁还