机械毕业设计（论文）-方板坯开坯轧机设计【全套图纸】 .pdf

鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第1页 方板坯开坯轧机设计 摘要 方、板坯开坯轧机既可轧制板坯，又可轧制方坯，生产比较灵活。又称为大开口度 二辊可逆式初轧机。 初轧机的主要技术性能有：辊径为 11501350mm，辊身长度为 3100mm，轧辊的 工作行程为 1700mm， 最大行程为 1905mm， 轧制压力为 3000t， 电动机功率 50002kw， 转速 03570rpm，压下速度为 142284mm/sec,两牌坊中心矩为 4140mm,牌坊窗口开口 度操作侧为 1400mm，传动侧为 1390mm。 此轧机的设计包括轧制力的计算，电机容量的选择，压下系统的选择，压下螺丝、 螺母尺寸的确定，压下电机的选择，平衡方法的计算，轧辊、万向连轴器、机架、轧辊 轴承、齿轮、压下螺丝、螺母等主要零件的强度校核，以及润滑方法的选择，对控制系 统的要求，设备的可靠性分析等内容。 初轧机较多地采用了液压传动，机械化程度比较高。 关键词 初轧机，轧制力，压下系统 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第2页 square billet and board billet bloomer s design abstract square billet and board billet bloomer since can roll square billet and board billet，produce more vivid,is called again big openings degree two reollrs go against type rolling mill. main technique function of the bloomer: diameter of the roller is 1150mm1350mm, corporeity of the roller is 3100mm, the work route of travel is 1700mm, the biggest route of travel is 1905mm,the rolling pressure is 3000t, electric motor power is 50002kw, the rotate speed is 03570 rpm, the depressive speed is 142284 mm/sec, the center distance of two toriis is 4140mm, openings degree of the toriis window: the operate profile is1400mm,the transmission profile is 1390mm. the design of this rolling mill include the count of the rolling force,the choice of the electromotor capacitance, the choice of the depressive system, make certain the size of the depressive screm and nut, the choice of the depressive electromotor, the count of the balance means, verify the strength of the roller、the universal coupling、the machine shelf、the roller bearings、the wheel gear、the depressive screm and nut ectand the choice of the lubricating means,the demand of the contral system,the dependability analyse of the equipment ect. bloomer adopte the liquid drive morely, mechanisation degree is higher. descriptors bloomer，rolling force，depressive system 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第3页 目录 1 概述 1 1.1 初轧机在轧钢生产中的作用 1 1.2 初轧机的分类 1 1.3 初轧机在生产中存在的问题 2 1.4 方案的选择和评述 2 2 初轧机力能参数的计算 5 2.1 轧制规程 5 2.2 轧辊主要参数的确当 5 2.2.1 轧辊的名义直径 5 2.2.2 辊身长度 5 2.2.3 辊颈直径和长度 5 2.3 轧制力的计算 6 2.3.1 平均单位压力的计算 6 2.3.2 轧制力 p 的计算 9 2.4 电机容量的选择 9 2.4.1 初选电机的容量 9 2.4.2 电机轴上的力矩 11 2.4.3 电机容量的校核 17 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第4页 3.压下系统的计算 19 3.1 压下螺丝和螺母尺寸的确定 19 3.2 压下系统的选择 19 3.2.1 1300 初轧机的工艺特点 19 3.2.2 压下系统的选择 19 3.2.3 压下装置示意图 19 3.3 转动压下螺丝的力矩 20 4 平衡力的计算 23 4.1 平衡方法的确定 23 4.2 平衡力的计算 23 5 主要零件的强度计算 24 5.1 轧辊的强度计算 24 5.2 万向接轴的强度计算 26 5.2.1 开口式扁头的受力分析和强度计算 26 5.2.2 叉头受力分析和强度计算 28 5.2.3 轴体的强度计算 29 5.3 机架的强度计算 30 5.3.1 机架的受力分析 30 5.3.2 立柱、横梁的惯性矩和断面系数的计算 31 5.3.3 横梁和立柱的强度计算 34 5.4 轧辊轴承的计算 36 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第5页 5.5 齿轮的计算 36 5.6 压下辊螺母和螺丝的强度校核 41 5.6.1 压下螺母的强度校核 41 5.6.2 压下螺丝的强度校核 42 6 润滑方法的选择 44 6.1 轧辊轴承的润滑 44 6.2 万向接轴的润滑 44 6.2.1 并合环式润滑 44 6.2.2 稀油喷雾润滑装置 45 6.3 压下螺母和压下螺丝的润滑 45 6.4 齿轮的润滑 45 7 对控制系统的要求 46 7.1 压下传动装置 46 7.2 轧辊 46 7.3 下轧辊调整装置 46 7.4 低速传动装置 46 8 设备的可靠性分析 47 8.1 设备的平均寿命 47 8.2 设备的有效度 47 8.3 设备的经济寿命 47 结论 48 致谢 49 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第6页 参考文献 50 附录 51 1 概述 1.1 初轧机在轧钢生产中的作用 在连铸技术成熟之前,炼钢生产出来的钢水只能铸成钢锭,由于钢锭浇注、脱模和运 输的特点所决定,钢锭形状只能是方形断面或是矩形断面,并且是上大下小的几何体。这 种几何体不可能同时适用于板材轧制、型材轧制和管材轧制，在这三种钢材轧制厂和炼 钢厂之间需要有一个中间环节，将钢锭按轧材厂的要求轧成板坯、型材坯或管坯，这种 轧制钢锭开坯的生产工序就叫做初轧。 按老式的钢锭生产体系布局，一个大型钢铁联合企业，应该是板材、型材和管材都 能生产，当一个或几个炼钢厂的钢锭分别供应板材厂、型材厂和管材厂时，初轧厂是整 个生产体系的咽喉，一旦咽喉不畅，后果是可想而知的，因此可以说明在老式的钢铁生 产体系中初轧的地位是非常重要的。 1.2 初轧机的分类 初轧机按其结构形式可分为以下几类: 1.二辊可逆式初轧机 又可分为方坯初轧机和方-板坯初轧机。轧机大小以轧辊公称直径表示。方坯初轧 机的上辊升高量较小，经多次翻钢轧成方坯、矩形坯、异形坯或圆坯。方-板坯初轧机 即轧方坯又轧板坯，生产比较灵活。由于有立轧道次故上辊升降量大，又称大开口度初 轧机，其后亦常跟 12 组水平-立式交替布置的钢坯连轧机。 2.万能板坯初轧机 属板坯专用初轧机，在水平方向上有两个轧辊，在垂直方向上有两个立辊。与大开 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第7页 口度的板坯初轧机相比,在初轧过程中不需翻钢,所以效率较高。 在水平轧辊具有相同动 力的情况下， 万能初轧机与大开口度初轧机相比轧制时间约可缩短 30， 而且对轧件的 侧面有良好的锻造效果。在万能初轧机的水平轧辊上切出的孔型也能进行大方坯的轧 制。 3.三辊开坯机 该开坯机有三个轧辊，轧辊不用逆转，轧机建设费较低，而且能耗低，其运转动力 70使用于钢锭的变形。 由于孔型是一定的， 所以产品规格灵活性小， 产品范围比较窄， 此外，在轧机前后都必须配备摆动升降台。三辊式开坯机主要应用于中小型企业。 4.钢锭连铸机 这种轧机是几台二辊式轧机的串列布置。轧辊转动方向不变，它的坯料及成品的适 应性差，但可以对需要量大且断面形状一定的中小型钢坯或薄板坯进行高效率轧制。 1.3 初轧机在生产中存在的问题 初轧机在生产中存在的问题有: 1.机所用的原料是具有铸造组织的钢锭,其内部晶粒大且有方向性,化学成分亦不 均匀,均热和初轧可以破碎铸造组织,使晶粒细化,成分趋于均匀,各项性能均得以改善 和提高,但由于断面较大,加热时容易产生较大的温度应力,故冷锭加热应谨慎,对某些 合金钢锭还需要有较大的保温时间，以均匀其组织和成分。 2.轧制中钢锭端面高度与轧辊直径之比较大,头几道的压下量hh又小,因此变 形不深透,必然形成表面变形。除表面延伸形成“鱼尾”外，轧件侧表面还产生双鼓形， 轧件中心会承受拉应力，容易产生拉裂，或使原有缺陷扩大，为此在咬入时和电机能力 允许的条件下，应尽可能增大压下量，并适当增加翻钢道次以保证质量。 1.4 方案的选择和评述 该轧机为大开口度二辊可逆式初轧机，即可轧制板坯又可轧制方坯的方-板坯初轧 机。 1.机架 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第8页 机架由两片闭式牌坊与上下横梁组成。牌坊是铸钢件，内侧窗口安装钢滑板，左右 牌坊窗口开口度不等,传动侧为 1390 毫米,操作侧为 1400 毫米,便于换辊时轧辊轴承座 的进出,机架横梁是钢材焊接件,连接左右牌坊上部与下部。 闭式机架的优点是强度和刚度较大， 常用在受力大或要求轧件精度高而不经常换辊 的轧钢机上。 2.压下传动装置 采用快速压下装置，其工艺特点是： （1）工作时要求大行程，快速和频繁地升降轧辊。 （2）轧辊调整时，不“带钢”压下，即不带轧制负荷压下。 为适应上述特点， 就要求传动系统惯性小， 以便在频繁的启动和制动情况下实现快 速调整；由于其工作条件繁重，要有较高的传动效率和工作可靠性；快速压下装置中还 有克服压下螺丝阻塞事故（轧卡、坐辊）的回松装置。 快速压下装置采用双卧式直流电动机通过一级齿轮变速和蜗轮减速后传给压下丝 杆进行压下传动，这种结构布局与双立式电动机和齿轮减速机形式比较，可降低厂 房轨面标高，减少厂房造价。 3.上轧辊平衡装置 上轧辊采用液压平衡， 液压平衡是用液压缸的液压推力来平衡上轧辊等零件的重量 的。 液压平衡与反扣螺丝平衡、 重锤平衡相比较有工作可靠， 动作迅速及时， 结构紧凑， 维修量少等优点。 4.轧辊轴承和轴承座 轧辊轴承用来支撑转动的轧辊， 并保持轧辊在机架中正确的位置， 轧辊轴承应具有 小的摩擦系数，足够的强度和刚度，寿命长，并便于换辊。 轧辊轴承采用四列圆柱滚动轴承， 在操作侧装有双列圆锥轴承作止推作用。 轴承的 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第9页 内圈是用感应加热器热装在轧辊上，在一般情况下，轴承内线是拆不下来的。 轴承座为铸钢件（盖是焊接件） ，两侧装有青铜衬板。 5.轧辊的轴向调整 上轧辊不动， 对下轧辊进行轴向调整来完成对轧辊的调整。 下轧辊调整装置采用电 动同步双斜楔式的调整装置，此结构固定在操作侧机架上，它的优点是保证了孔型轴向 调整正确，节省了调整时间，改善了劳动条件。 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第10页 2 初轧机力能参数的计算 2.1 轧制规程 轧制钢种 16mn,钢锭断面 760670mm 2 ,锭重 78kn，成品断面 300300mm 2 ,开轧 温度 1200。 2.2 轧辊主要参数的确定 2.2.1 轧辊的名义直径 按轧辊的咬入条件确定 d)cos1 (h (2.1) =)30cos1 (119 =888.23 mm 式中，h最大压下量，h=119mm 最大压下角，查表 3- 1 取 =30 取 d=1300mm。 2.2.2 辊身长度 查表 3- 2，l/d=2.22.7，则 l=2860mm3510mm,取 l=3100mm。 l/dmin=3100/1150=2.696 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第11页 l/dmax=3100/1350=2.296 所以取 l=3100mm 合适。 2.2.3 辊颈直径和长度 使用滚动轴承时，由于轴承外径较大，轴颈尺寸不能过大，所以取 d=830mm,l=850mm。 计算结果如图 图 2.1 轧辊尺寸 2.3 轧制力的计算 2.3.1 平均单位压力的计算 在初轧机单位压力的计算中采用西姆斯公式, 第一道次平均单位压力的计算： 1.应力状态系数 n 的计算 010 )(hhh = (2.2) 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第12页 =（760- 675）/760 =0.112 +=1arctan)2/1 ()1ln()8/tan( 11 rhrh (2.3) =650/675)112 . 0 1ln()8/tan(650/675 +112 . 0 /1/112 . 0 arctan)2/1 ( =0.175 2 11 )(1rhrhhr+= (2.4) =1+(650/675) 0.175 2 =1029 n )/ln(/ )1 (4/)1/(arctan/ )1 (2/ 11 hhhr r (2.5) +(1/2)1/(1ln/ )1 ( 1 hr =4/)112 . 0 1/(112 . 0 arctan112 . 0 / )112 . 0 1 (2/ 112 . 0 / )112 . 0 1 ()2/1 (029 . 1 ln675/650112 . 0 / )112 . 0 1 (+ )112 . 0 1/(1ln675/650 =0.808 2.变形阻力 的计算 利用北京科技大学变形阻力经验公式， = 0 k t kku (2.6) 式中， 0基准变形阻力，即变形温度 t=1000时，变形速度 u=10s 1 ,变形程度 =40时的变形阻力， 0159.9 2 mmn， 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第13页 t k 变形温度影响系数，当变形温度 t=1000时，kt=1， kt=exp(a+bt) (2.7) 查表 2- 1，得 a=3.466，b= - 2.723， t=(t+273)/1000 (2.8) =(1200+273)/1000 =1.473 由公式(2.7)得，kt=exp3.466+(- 2.723)1.473 =0.580， u k 变形速度影响系数，当 u=10s 1 时，ku=1， ku=(u/10) dtc+ (2.9) 查表 2- 1，得 c= - 0.220，d=0.254， u=(v1/l)(h/ 0 h ) (2.10) =(2.382/0.23505) (0.085/0.760) =1.133m/s 由公式(2.9)得，ku=(1.133/10) 473 . 1 254 . 0 220 . 0 + =0.715， k 变形程度影响系数，当平均变形程度 m =40时， k =1， k =e( m r /0.4) n (e1) ( m r /0.4) (2.11) 查表 2- 1，得 e=1.566，n=0.466， m =(2/3) (2.12) = (2/3) 0.112 =0.0747 m r =ln1/(1 m )=0.078 (2.13) 由公式(2.11)得， k =1.566(0.078/0.4)4 . 0/078 . 0 ) 1566. 1 ( 466 . 0 =0.621， 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第14页 由公式(2.6)得， =159.90.5800.7150.621=41.178n/mm 2 。 3.平均单位压力 pm的计算 k=1.15 (2.14) =1.1541.178 =47.356 n/mm 2 由西姆斯公式， pm= n k (2.15) 得， m p =0.80847.356=38.264 n/mm 2 。 2.3.2 轧制力 p 的计算 轧件对轧辊的总压力 p 为轧制平均单位压力 pm与轧件和轧辊接触面积 f 之乘积， 即 p= pmf (2.16) 接触面积 f 的一般形式为 f=( 10 bb +)/2l (2.17) 式中， 0 b 、 1 b 轧制前、后轧件的宽度， 0 b =670mm, 1 b =674mm, l接触弧水平投影，l=hr =85650=235.05mm， 由公式(2.17)，得 f=(670+674)/2235.05=157953.6mm 2 。 由公式(2.16)，得 p=38.264157953.6=6043881.0n。 依此方法，可分别计算 13 道次的平均单位压力和各道次的轧制总压力。 2.4 电机容量的选择 2.4.1 初选电机的容量 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第15页 初选电机的容量按轧辊上的力矩 mk，即轧制力矩 m z 与轧辊轴承处的摩擦力矩 m 1f 之和， mk= m z + m 1f (2.18) 的最大值初选。 1.各道次轧辊轴上的力矩 (1) 轧制力矩 m z m z =2pl (2.19) 式中， 力臂系数，取 =0.5 因为是双电机驱动，所以 m z =pl (2.20) 由公式(2.20)，得 m z =6043881.00.235050.5=710307.11nm。 (2) 轧辊轴承处的摩擦力矩 m 1f m 1f =p(d/2) 1 (2.21) 式中， 1 轧辊轴承摩擦系数，取 1 =0.02， 由公式(2.21),得 m 1f =6043881.00.830/20.02=50164.21 nm。 由公式(2.18),得 mk=710307.11+50164.21=760471.32 nm。 其它各道次见附表。 2.初选电机容量 根据过载条件选择电机功率 ner= mk)9550/(knz (2.22) 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第16页 式中，mk取各道次的最大值，mk=1359091.9 nm， z n 轧辊转速， z n =60v/( d)=602.382/( 1.3)=35r/min, k电机过载系数，k=2， 总机械效率，=0.96， 由公式(2.22)，得 ner=1359091.935/(955020.96)=2594.3kw。考虑电机轴上 还有其它力矩，故初选 ner=5000kw。 er n = z n i (2.23) =351 =35 r/min 式中，i电动机与轧辊之间的传动比，因为电动机直接驱动轧辊，所以i=1。 以上计算是双电机驱动，只计算一个轧辊，最后选择直流电机转速 n=03570 r/min，轧机电机 ner=50002kw。 2.4.2 电机轴上的力矩 1.轧制力矩 m z0 = m z /i (2.24) =710307.11 nm 2.摩擦力矩 m 10 f = m 1f /i (2.25) =50164.21 nm m 2f =(1/ 1) mk/i (2.26) 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第17页 =(1/0.96)- 1 1359091.9/1 =31686.31 nm 3.空转力矩 mkon=(0.030.06)mer (2.27) 将 mer=9550 ner/ er n (2.28) =95505000/35 =1364285.7 nm 代入式(2.27)中，得 mkon=0.051364285.7=68214.29 nm 4.起动力矩 (1) 起动力矩 mdon=(gd 2 . 38/ 2 ) tn dd / (2.29) 式中，gd 2 转化到电机轴的各构件的飞轮矩，gd 2 =187500 kg m 2 , tn dd /起动加速度，取 tn dd /=a=30 r/min/s, 由公式(2.29)，得=187500/38.230=147251.31 nm。 (2) 制动力矩 don m=(gd 2 . 38/ 2 ) tn dd / (2.30) 式中，gd 2 转化到电机轴的各构件的飞轮矩，gd 2 =187500 kg m 2 , tn dd /制动减速度，取 tn dd /=b=40 r/min/s, 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第18页 由公式(2.30) ,得 don m=187500/38.240=196335.08 nm。 5.电机轴的负载图和速度图 (1)空载起动阶段 空载起动阶段， 转速由 kon n变化到咬入轧件时的转速 y n ， 取 kon n=9 r/min, y n =15 r/min, 所以，此阶段所需的时间为 y t =( y n - kon n)/a (2.31) =(15- 9)/30 =0.2s 力矩为 m1d= mkon+ mdon (2.32) =68214.29+147251.31 =215465.6 nm (2) 咬入加速阶段 咬入加速阶段，转速由 y n 变化到轧制时最大稳定转速 w n ，通过能量原理可以计算 出 w n ， w n =baanbnabn py +/ )120( 22 (2.33) 式中， p n 抛钢时的转速，取 p n =20 r/min/s, n当量长度， n=dll/ )( + (2.34) 式中， 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第19页 gll= 1 (1a) / r 11b h (2.35) =78000(12)/(0.00000078675674) =2154.1mm 式中，g轧件重量，g=78 kn， r 轧件比重， a烧损率，取 a=2， 1 h 轧制后的高度， 1 b 轧制后的宽度， hrll= (2.36) =85650 =235.05 mm 由公式(2.34),得n=(2154.1+235.05)/( 1300)=0.58。 将以上结果代入公式(2.33)中，得 w n = 22 2030204058 . 0 4030120+ =39.91 r/min60 r/min。 咬入加速阶段所需时间 j t =( w n - p n )/a (2.37) =(39.91-15)/30 =0.830s 力矩为 m 2d =m j+mdon (2.38) 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第20页 式中，m j推算到电机轴上的总静力矩 m j =mk/i+m konf m+ 2 (2.39) =760471.32/1+31686.31+68214.29 =860371.9 nm 由公式(2.38),得 m 2d =860371.9+147251.31=1007623.21 nm。 (3) 稳定轧制阶段 稳定轧制阶段的力矩为 m 3d =m j =860371.9 nm。 并非每道轧制都达到稳定轧制转速， 经常情况下几道次轧件较短， 未达到稳定转速 时，轧件已经轧完，m 3d 不存在，即 tw0。 轧制时间 t=60l)/( 1w dn (2.40) =602154.1/(91.391300) =0.793s w t =t zj tt (2.41) =0.7930.8300.498 = -0.535s 这时取 w n 等于电机的额定转速，则 w n =35r/min。 (4) 带钢减速阶段 带钢减速阶段，转速由 w n 变化到抛钢时的转速 p n ，此时的力矩为 m= 4d m j - m don (2.42) 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第21页 =860371.9-196335.08 =840738.4 nm 式中，m don 制动力矩 带钢减速阶段所需时间为 bnnt pwz / )(= (2.43) =（39.9-20）/40 =0.498 s (5) 制动阶段 电机转速由 p n 变化到 0，电机轴上的力矩为 m 5d = mkon- m don (2.44) =68214.29- 196335.08 =- 128120.79 nm 制动阶段所需时间为 bnt pp /= (2.45) =20/40 =0.5s 同类方法可以计算出其它道次电机轴上的力矩和时间，见附表。 （6）速度图 n=f(t)和负载图 m= f(t) 当转速超过电动机的基本转速时， 此时由于调节电动机的激磁电流而会使电动机力 矩降低，但轧机所要求的力矩并未减少，因而增大电枢电流才能使电动机力矩与负载力 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第22页 矩平衡，由于电枢电流的增大而使电动机发热增高，所以当计算电动机的等值力矩时， 电动机力矩在超过基本转速的情况下并未加大， 此时必需考虑到由于电流增加对发热的 影响，即当 w n er n =35 r/min 时，负载图力矩值要进行修正，其修正值为 m 2d = m 2derw nn / (2.46) =1007623.2139.91/35 =1148978.4 nm annt erwj / )(= (2.47) =(39.91-35)/30 =0.163 s m= 3d m 3derw nn / (2.48) =860371.939.91/35 =981069.78 nm m= 4d m 4derw nn / (2.49) =840738.439.91/35 =958681.99 nm bnnt perz / )(= (2.50) =(35- 20)/40 =0.375s = zzz ttt (2.51) =0.498- 0.375 =0.123s 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第23页 其它道次结果见附表。 2.4.3 电机容量的校核 1.电机的过载校核 按过载验算电动机，则 m/ max kmer (2.52) 式中，k电动机的过载系数，直流电机 k=3， mmax电机负载图的最大力矩，mmax=2796397.0 nm。 mer=9550 eret nn/ (2.53) =95505000/35 =1364285.7 nm 由公式(2.52)，得 m/ max k=2796397.0/3=932132.33 nmmer=1364285.7 nm，所以 电机的过载校核通过。 2.电机的发热校核 经过载验算的合适的电机还需进行发热验算，依据电机负载图求出等值力矩， m= jun