700水平轧机压下系统的设计(带cad图和文档）
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700水平轧机压下系统的设计
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辽宁科技大学本科生毕业设计 第VI页700水平轧机压下系统的设计摘要随着近年世界经济的飞速发展，市场对钢铁的需求量也越来越大，对质量的要求也不断的提高。因此，我们对钢坯轧机进行相应的设计，以降低成本，提高效率、产量和质量来满足生产及客户的要求。本篇论文中，首先论述了钢坯轧机的背景与发展状况，以及未来的发展趋势，并根据当前实际情况，考虑经济性和效率性等相关因素，对相关设备做了合理选用。然后对本次设计的700水平轧机的压下系统进行了相应的设计。该轧机用于连铸连轧生产线，生产成品钢坯，采用了双辊驱动、闭式机架，压下装置等机构；压下系统的组成主要包括压下螺丝、压下螺母、压下电机、减速机、联轴器等结构。在设计中，首先，确定压下螺丝的外径、压下螺母的外径及高度。然后，根据压下螺丝的传动力矩求出压下电机的功率。根据压下电机的功率和转数选择压下电机的类型和型号。最后，蜗轮蜗杆的设计及蜗杆轴的强度校核。判断危险截面，并且绘制弯扭矩图。接下的设计内容还有轴承的寿命计算、润滑、环保及经济性分析等内容。关键词：700水平轧机；压下系统；压下电机；轧辊；减速机The Design 0f the Pressure System of 700 Horizontal MillAbstractWith the recent rapid development of the world economy，Market demand for steel has become increasingly, The requirements of quality has been improvement constantly. Therefore, I have relevant design for the steel mill to reduce costs, improve efficiency, productivity and quality to meet production and customer requirements. In this paper, First of all, it discusses the background and development of the steel mill, as well as the future development trend, and in accordance with the current situation, I consider the economy and efficiency and other related factors, to do a reasonable choice for the related equipment. And then have relevant design for pressure system drive of 700 horizontal mill. This mill used for the continuous casting and rolling mill production line, production of finished steel, the use of the twin-roll-driven, closed-rack and pressure system. The pressure system main include screw press、nut press、motor press、reducer and coupling. In the design, first of all, determine the diameter of screw press, nut press the outer diameter and height. Secondly, we can calculate the motor power according to torque transmission of the screw press. Then we may choice the motor power according to the motor power and rotational speed. Finally, Worm gear design and strength check of worm shaft. Determine the risk of cross-section, and draw bending torque map. Content to take over the design was the life of bearings, lubrication, environmental protection and economic analysis, etc.Key word ：700 Horizontal Mill；Pressure system；Motor press；Roll；Reducer 目录摘要IAbstractII1绪论11.1设计的选题背景11.2初轧机国内外研究现状及发展趋势11.2.1 初轧机的国内外研究现状及成果11.2.2 初轧机的发展前景和可能的改造方案21.3初轧机的研究内容及方法32.设计方案的确定42.1 压下系统的传动装置42.1.1 压下电动机类型的选择52.1.2 减速器类型的选择52.1.3 联轴器的选择52.2压下螺丝和压下螺母62.2.1 压下螺丝62.2.2 压下螺母的选择63.轧制力能参数的确定73.1 平均单位压力73.2 计算总轧制力93.3 轧制力矩的计算104 压下装置的设计及计算124.1压下螺丝的设计计算124.1.1 压下螺丝螺纹外径的确定124.1.2 压下螺丝的强度校核124.1.3 压下螺丝端部形状的选择134.1.4 压下螺丝传动力矩的计算134.2 压下电机的选择154.2.1 压下电机功率的计算154.2.2 压下电机的选择164.3 压下螺母的结构尺寸设计164.3.1 压下螺母高度H的确定164.3.2 压下螺母的外径D的确定174.3.3 压下螺母材料的选用184.4 蜗轮与蜗杆的设计184.4.1 蜗轮的设计184.4.2 蜗轮的校核214.4.3 热平衡计算225.主要零件的强度校核245.1蜗杆轴的强度校核245.1.1 蜗杆所受载荷的计算245.1.2 蜗杆轴支点受力分析245.1.3 蜗杆轴上力矩的计算265.1.4按弯扭合成校核轴的强度265.1.5 精确校核的疲劳强度285.2 轴承的寿命计算345.2.1 轴承的选择355.2.2 寿命计算355.3 键的强度校核375.3.1 键的选择375.3.2 键联结强度的计算386.润滑方式的选择396.1 蜗轮蜗杆的润滑396.1.1 润滑油的选择396.1.2 润滑油给油方法及油量396.2 轴承的润滑407. 环保与经济性分析417.1 设备的环保性分析417.2 设备的可靠性417.3 设备的经济性分析43结束语45致谢46参考文献47 辽宁科技大学本科生毕业设计 第52页1绪论1.1设计的选题背景初轧机在轧钢生产中的作用是开坯，随着连铸技术的发展，初轧机的作用随之下降，但初轧机不能被淘汰，轧制某些特殊用途的钢材，由于连铸坯有缺陷，故必须采用模铸，初轧机开坯。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、形状只能是方形断面，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、型材轧制和管坯轧制，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轧成板坯、型材坯或管坯。这种轧钢钢锭开坯的生产工序就叫做初轧。按老式的钢铁生产体系布局，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，初轧厂是整个咽喉，一旦咽喉不畅，后果是可想而知的。由此何以可以说明在老式的钢铁生产体系初轧的地位是非常重要的。按新式的钢铁生产体系，钢铁生产应分成板材系统、型材系统和管材系统、没有必要在一个大型钢铁联合企业同时生产板材、型材、和管材。而连铸技术成熟以后，由于各工业先进国家的连铸比已经逐步达到95%以上，有些国家甚至达到了100%。我国在20世纪末，连铸比已经达到了80%以上，应该说，传统的的初轧开坯生产方式即将成为历史。目前，钢铁生产所用的坯料巨大部分都已是连铸坯，即用连铸板坯、方坯和矩形坯、异形坯、管坯等供给成品轧机，成品轧机再轧制成各种型材，板材和管材等。处在目前我国新老交替的钢铁生产体系中，初轧机在轧钢生产中的作用仍无法替代，初轧机仍具有着十分重要的作用1。 1.2初轧机国内外研究现状及发展趋势1.2.1 初轧机的国内外研究现状及成果初轧的发展已有140多年的历史，到20世纪60年代后期，在技术上有了进一步的发展。在大型化方面，初轧机的水平辊直径由9001150mm增加到13001500mm；主电机容量从40006000kw增大到900014000kW；钢锭重量由1020t。加大到4050t(最大有预留到。70t的)；在机电设备、自动控制、钢坯精整等方面都有较大的发展；生产能力可达500600万t/a。自从出现高速高产的带钢热连轧机和宽厚板轧机以来，方一板坯初轧机及板坯初轧机发展较快。与此同时，由于连铸技术的逐步完善，连铸钢坯在成坯率及能耗方面比初轧钢坯显示出极大的优越性，逐渐取代了由钢锭经初轧开坯生产的初轧坯。此后，世界各国都在大力发展连铸技术，初轧生产已仅限于加工连铸尚不能生产的钢种或改用大连铸坯作原料进行初轧生产。今后，初轧生产主要用于在难以提供连铸坯的情况、钢锭的开坯以及对连铸大钢坯的改轧。我国初轧机大部分为单机架，适用于大钢锭，轧制大坯他们可以为下游的热宽带钢轧机、轨梁轧机、大型轧机、大直径无缝钢管轧机等供应坯料。如果为小型轧机供坯，往往还需要二次开坯。在前述开坯机中，个别为双机架后者是带钢坯连轧机，可以为中小型轧机、线材轧机、削无缝钢管轧机等供坯，有的也可以少量直接轧制成品钢材。1.2.2 初轧机的发展前景和可能的改造方案目前连铸可以提供大方坯、小方坯、异性坯、板坯和无缝管坯，并涵盖碳钢及大部分的合金钢。用初轧机供坯的方式已趋于淘汰。但是对于以下情况，初轧机还是有保留和使用价值的。例如：（1）1000mm 以上初轧机采用连铸-初轧联合开坯工艺。主要用于成品轧机套数多、所需坯料尺寸规格多的情况。工业先进国家，很多企业是采用这样的工艺路线，并且多采用热装，节省了能源。这样做的好处是：充分发挥连铸收得率高、质量好的优点，连铸可以只锻造一种固定的断面的大方坯，容易组织生产，作业率高，而且有可以实现对下游长钢厂灵活供坯。其缺点是两火成材。对有些特殊钢种，坯料断面大可以更有效地保证产品质量，例如轮胎钢帘线对坯料的要求极严。为保证质量，适用连铸大方坯，开坯后进行清理检查，再轧成材对提高产品的合格率有明显的优越性。这时采用连铸-驻扎联合开坯工艺是有好处的。（2）改造为棒材轧机。在原初轧机后增设一组紧式连轧机组，可一火生产棒材。此改造方案主要适用于较小规模的初轧机。紧凑式机架间距小，占地距离短，设备请、投资少，比较适用于老车间的改造。例如：再原初轧机后争设一套550mmX5紧凑式轧机，可以生产60-90的圆钢。以上两种情况的改造设想仅仅是从技术上的可行性上考虑，实际上初轧机的改造更重要的还应该考虑市场的可行性。我国钢材生产的总形势是生产能力远大于市场需求。故轧机实行改造的前景还是困难重重。1.3初轧机的研究内容及方法初轧机的生产研究内容是：初轧生产工艺主要包括钢锭加热、轧制和精整。钢锭脱模后，在热状态下送往初轧厂的均热炉跨。钢锭装入均热炉，将钢锭加热到接近1200，然后送到初轧机前的受料辊道上。经输入辊道和工作辊道送至初轧机轧制。钢锭在初轧机上要轧制多个道次，每轧一道后，用压下装置调整孔型高度，轧辊逆转，再轧下一道次，钢锭低速咬入，然后轧辊加速进行轧制，最后又减速将其低速抛出。 初轧机的设计方法主要以下几点：1. 设计方案的确定及论证；2. 压下系统参数的计算与电机选择并校核，减速器与联轴器选择计算等；3. 主要零部件强度计算；重点蜗轮蜗杆、压下丝杠螺母强度计算与校核等4. 其它如润滑、密封、安装及设备可靠性与经济性评价5.绘图（总装配图1张、部件装配图2张、零件图3张，其中手绘图1张，折成A1共6张以上）；6. 编制设计说明书；2.设计方案的确定由于此课题为初轧机的压下系统设计，故采用快速压下装置，其特点为轧辊调节距离大、调节速度快、调节精度不高，如初轧机、板坯轧机、中厚板轧机、及万能等轧机。在这些类型的轧机上由于上滚的调整距离大、压下十分频繁，因此，要求有高的压下强度以免影响轧制生产率，以及在轧材厚度公差要求不严的情况下。所以采用快速电动压下装置是必要的1。本设计方案的压下系统通常是由电动机、减速器、联轴器、压下螺丝、压下螺母等部分组成。其原理方案设计如图2.1所示。1-电动机 2-离合接手 3-压下螺丝 4-蜗轮蜗杆部分 5-蜗轮蜗杆减速器 图2.1 压下机构简图 采用单电机带动，电机通过离合接手与蜗轮蜗杆减速器相连接，减速器出来的两个轴通过离合接手与蜗轮蜗杆副的蜗杆相连接，通过蜗轮的转动带动压下螺丝，从而实现压下螺丝的压下功能。2.1 压下系统的传动装置压下机构按轧钢机的类型、轧件的轧制精度要求,以及生产率高低要求又可分为:手动、电动、电-液及全液压压下机构。手动压下机构一般多用于不经常进行调节的、轧制精度要求不太严格的,以及轧制精度要求不高的中、小型型钢、线材和小型热轧板带轧机上,通常这些轧机是在轧辊相互位置不变的情况下进行工作的。电动压下机构主要用于压下螺丝的移动速度超过1-0.2mm/s的初轧机、板带轧机及中厚板轧机上,以及移动速度小于1-0.2mm/s的薄板带轧机上。前者是出于生产率的要求,而后者是由于压下精度的要求。本设计采用电动压下装置，电动压下装置按压下速度又可以分为快速压下装置和板带轧机压下装置两大类。因为700水平轧机为初轧机，所以上辊调节距离大，调节速度快，精度不高的轧机。因此本设计采用的是快速压下装置。2.1.1 压下电动机类型的选择电动机分为直流电动机和交流电动机两大类。交流电机与直流电机的主要区别是，交流电机利用的是电磁感应原理，而直流电机是主磁极建立起恒定不便的磁场，转子绕组通人电流，电机就会转动。直流电机是电机的主要类型之一。一台直流电机即可作为发电机使用，也可作为电动机使用，用作直流发电机可以得到直流电源，而作为直流电动机，它的调速范围宽广，调速特性平滑、过载能力较强，热动和制动转矩较大。 而我们的初轧机压下装置对于速度的调节要求较高，正反转和启制动频繁为了满足实际生产要求，要选择直流电机。2.1.2 减速器类型的选择初轧机调动压下装置减速机传动形式是主要有蜗轮蜗杆传动、圆柱齿轮传动和圆柱齿轮-蜗轮传动等三种类型。这里采用蜗轮蜗杆减速机，因为蜗轮蜗杆减速机在外廓尺寸不大的情况下，可以获得大的传动比，工作平稳，噪声较小，但效率较低。它的最主要的特点是：一是在传递中可以改变90度方向；二是自锁。其他齿轮减速机虽然传递效率高，但是传动比较小，不能满足快速压下的要求。由于初轧机要求快速压下，所以这里采用蜗轮蜗杆减速器。2.1.3 联轴器的选择联轴器是将两轴轴向联接起来并传递扭矩及运动的部件并具有一定的补偿两轴偏移的能力，为了减少机械传动系统的振动、降低冲击尖峰载荷，联轴器还应具有一定的缓冲减震性能，联轴器有时也兼有过载安全保护作用。在近代轧钢机或大型轧钢机的传动系统中，采用的是齿轮联轴器，因为齿轮联轴器结构简单、紧凑、制造容易并且有很高的精度，摩擦损失小，能传递很大的扭矩 ，有良好的补偿性能和一定程度的弹性，在高速传动时仍安全可靠等特点，所以本设计采用齿轮联轴器2。2.2压下螺丝和压下螺母2.2.1 压下螺丝 1.螺纹形状压下螺丝的螺纹分为锯齿形的螺纹和梯形螺纹两种，锯齿形螺纹主要用于快速压下装置，而梯形螺纹主要用于轧制力较大的轧机上，700轧机是初轧机的热连轧机组，要求轧制力不大，所以这里选用锯齿形的螺纹即可满足要求。2.压下螺丝尾部形状的设计（1）带有花键的尾部形状。该种形式常用于上辊调节距离不大的轧机上。如薄的板带及中小型型钢和线材轧机。（2）镶有青铜滑板的方形尾部形状。它主要用于上轧辊调节距离大的初轧机、板坯轧机及厚板等大型轧机上。700水平轧机为初轧机的连轧机组，因此选用镶有青铜滑板的方形尾部形状。2.2.2 压下螺母的选择一般压下螺母均承受巨大的轧制力，因此压下螺母是轧钢机机座中重量较大的易损零件。因此压下螺母要选用高强度的无锡青铜，如ZQAL09-4.铸造黄铜等材ZHAL66-66-3-2等材料。为了节省青铜材料，今年来在大型轧机上广泛适用组合式螺母。加箍的螺母比较经济。在初轧机及中厚板轧机上的使用情况证明，其工作性能不亚于整体铸青铜螺母。所以本设计选择材料为无锡青铜ZQAL9-4的双镶套螺母3。3.轧制力能参数的确定设计参数： 轧制材料：20# 轧辊转速：21.236 轧件宽度：， 轧件高度：， 来料长度：31.7 成品规格：120 120 轧制温度： 采用双辊轧制。3.1 平均单位压力 700水平轧机用于轧制成120 120的初轧方坯，属于型钢轧机。在型钢轧机轧制的过程中，轧件被迫宽展，同时又限制轧件的宽展，产生侧向压缩和较大的摩擦力。由于孔型的限制，变形区内金属变形不均匀，因而在异型孔轧制时，应力状态很复杂，一般采用爱克隆德公式计算。根据参考文献3，公式2-103艾克隆德公式计算单位压力： （3.1） 式中： m考虑外摩擦对单位压力的影响系数； k轧制材料再去静压缩时的变形阻力,； 轧件粘性系数,； 变形系数,；确定影响系数： 根据公式 （3.2） 式中： 摩擦系数； 本设计轧辊材料为铸钢， 故，轧制温度t=1000, 代入得 。 轧制前后轧件的高度； R轧辊半径； R=350mm。将已知数代入（3.2）中得： m=0.20;变形阻力k的确定利用L.甫陪热轧方坯实验数据知： （3.3）式中： 碳的质量分数； 锰的质量分数； 铬的质量分数； t轧制温度； 本设计的轧制材料为，含碳量为，含锰为 ，取含碳量为0.2，含锰为0.5. 代入公式（3.3）得 k=82.32; 轧件的粘度系数 （3.4） 式中： c考虑轧制速度对的影响 轧制速度： =0.78m/s轧制速度与c对应值如下： 表 3.1 轧制速度系数c轧制速度v/(ms-1)661010151520系数c1.00.80.650.60所以取 c=1.0代入公式（3.4） 得： 变形速度 = =1.79 （3.5） 式中 ，轧制前后轧件的高度，； 轧制速度，/s； 轧辊半径； 将 m、k、等数据代入公式（3.1） 得 =（1+0.20）(82.32+0.041.79) =98.93.2 计算总轧制力 轧件与轧辊的接触面积为： （3.6） 式中： ，轧制前后轧件的宽度； 接触弧长度的水平投影； 计算接触面积实质上式计算接触弧的长度，对于轧制中厚板、板坯、方坯及异形断面轧件一般不考虑轧制时轧辊产生弹性压扁现象。轧制板材、板坯、方坯时在两个轧辊直径相同的情况下，接触弧长度的水平投影为 （3.7） 式中 R轧辊半径； 压下量；代入（3.6）、（3.7） =轧制力的计算 3.3 轧制力矩的计算 水平轧机轧制属于简单轧制。简单轧制时，除了轧辊给轧件的力外，没有其它的外力。两个轧辊对轧件的法向力和摩擦力的合力必然是大小相等而且方向相反，且作用在一条直线上，该直线垂直与轧制中心线，轧件才能平衡，各力系对 轧件的反作用力如图所示。图 3.1 轧制时作用在轧辊上的力驱动一个轧辊的力矩为轧制力据与轧辊轴承处摩擦力矩之和。 （3.8） 式中 P轧制力； P=1293.67 轧制力力臂； 轧辊轴承处摩擦圆半径；1.求、： （3.9） （3.10） 式中 D轧辊直径；D=700； D轧辊轴颈直径；d=380； 合力作用点的角度；轧辊轴颈摩擦系数，对于滚动轴承，=0.004；采用采利柯夫公式 得： (3.11) 式中 力臂系数，对于热轧，取=0.5； 咬入角； 代入数据得： = 代入（3.9）、（3.10）得： 2.求驱动力矩：单辊驱动力矩: =1293.67(56+0.67)=73428.7双辊驱动力矩： 4 压下装置的设计及计算4.1压下螺丝的设计计算4.1.1 压下螺丝螺纹外径的确定压下螺丝一般由头部、本体和尾部三部分组成。它的基本参数是螺纹部分的外径d和螺距t，可按国家标准选出压下螺丝。压下螺丝的外径由最大轧制力决定。由于压下螺丝的细长比很小，其纵向弯曲可忽略不计,由于压下螺丝和轧辊辊径承受同样大小的轧制力，故而这之间有一定的关系即： （4.1） 式中： 压下螺丝外径； 辊径直径；取,取对初轧机来说，压下螺丝的螺,取，所以取，选取。4.1.2 压下螺丝的强度校核 由螺纹外径确定出其内径后，便可以按照强度条件对压下螺丝进行强度校核。则： （4.2）式中 : 压下螺丝中世纪计算应力，（）； 压下螺丝所承受的轧制力，（）； 压下螺丝材料的强度极限，（）； （4.3） 压下螺丝的强度极限；由于压下螺丝的材料为45#，其强度极限=600700。 压下螺丝的安全系数。通常选用：； 所以， 将所有已知数代入公式（4.2）： 所以， ，即压下螺丝满足强度要求。4.1.3 压下螺丝端部形状的选择常见的压下螺丝端部形状有两种：一种是凹形球面，另一种是凸形球面。在本次设计中选择凸形球面，因为这样的形状不但自位性好，而且又能防止青铜止推垫产生的拉应力，因此大大地提高了青铜止推垫块的使用寿命，减少了有色金属的消耗。4.1.4 压下螺丝传动力矩的计算 1压下螺丝 2压下螺母 3球面垫4.1压下螺丝受力平衡图转动压下螺丝所需的静力矩就是压下螺丝的阻力矩，它包括止推轴承的摩擦力和螺纹之间的摩擦力矩。其计算公式为： （4.4） 式中： 螺纹中径；查图得 ； 螺纹上的摩擦角，即，为螺纹接触面的摩擦系数，一般取，故=； 螺纹升角，压下时取正号，提升时用负号，为螺距；计算得：； 作用在以个压下螺丝上的力； 止推轴承的阻力矩； 螺纹摩擦阻力矩；对于实心轴颈，止推轴承阻力矩为： （4.5） 式中：压下螺丝止推轴颈，根据文献3，3.1-43查表得=184.463。 对滚动止推轴颈的摩擦系数 =0.2；由于在处理压下螺丝的阻塞事故时，压下螺丝所受的力大约是正常轧制力的1.62.0倍，故取： 将已知数据代入公式(4.5) 得 =所以由(公式4.4)得： =82+tan() =185.444.2 压下电机的选择4.2.1 压下电机功率的计算 每个压下螺丝的传动电动功率为 （4.6） 式中： 传动压下螺丝的静力矩； 电机的额定转数，r/min; 传动系统总速比； 传动系统的总的机械效率，根据参考文献5，表4.2-9知，蜗杆传动效率取0.75，联轴器的效率为0.99，轴承的效率为0.99，所以,总的效率=查(鞍钢一炼钢厂连轧作业区)知轧辊最大移行速度: ；故压下螺丝 的最大转数为: （4.7） 第一级蜗轮副传动比，=24.5； 第二级蜗轮副传动比，=14； 电机转数; 将已知数代入（公式 4.6）中得： 所以压下电机的总功率为 取电机的安全系数为2，则 4.2.2 压下电机的选择 由参考文献6，表22-1-117，根据电机的功率及额定转数选用型号为Z4-100-1电机，其额定转数,额定功率为，电枢电流，励磁功率,重量为72Kg。由此，选用的电机满足要求。4.3 压下螺母的结构尺寸设计 当压下螺丝的外径、螺距t及螺纹形状确定后，压下螺母的、螺距t和螺纹形状确定了，因此，要确定压下螺母的高度H以及外径D。4.3.1 压下螺母高度H的确定由于压下螺母的材质通常选用青铜，对于这种材料其薄弱环节是挤压强度比较低，因此，压下螺母高度H应按螺纹的挤压强度来确定。其挤压强度条件如下： （4.8） 式中： 螺纹受力面上的单位挤压应力（）； 轴颈上（压下螺丝）的最大压力（）； 压下螺母中的螺纹圈数； 压下螺丝的螺纹外径（）； 压下螺丝的螺纹内径（）； 压下螺母与螺丝的内径之差（）； 压下螺母的许用单位压力（）；通常H可预选：，根据实际需要选取H=400，又因为；所以。一般对于青铜；将已知条件代入公式（4.8）中得 =验算所选用的螺母的高度H满足挤压强度要求。4.3.2 压下螺母的外径D的确定 作用在压下螺丝上的轧制力通过压下螺母与机架上横梁中的螺母孔的接触面传给了机架。因此，压下螺母的外径应按其接触面的挤压强度来确定它的外径。即 （4.9）式中： 压下螺母接触面上的单位压力()； 压下螺母上的最大作用力(); 压下螺母的外径()； 压下螺丝通过的机架上横梁孔的直径()； 压下螺母材料的许用挤压应力。一般对青铜;对于压下螺母外径D的确定可由下面经验公式确定： ； （4.10） 取.将已知数代入到公式（4.9）中得:因此，压下螺母D的选取满足挤压强度要求。4.3.3 压下螺母材料的选用压下螺母的承受着巨大的轧制力，因此，要选用强度高的无锡青铜ZQAL9-4。压下螺母的形似选用双镶套螺母【1】。4.4 蜗轮与蜗杆的设计4.4.1 蜗轮的设计1.根据GB/T10085-1988的推荐，采用渐开线蜗杆（ZI）2.选择蜗轮材料考虑到蜗杆传递功率不大，旋转速度中等，因此，可选用蜗杆材料为45#钢，虽然蜗轮滑动速度不大。效率要求也不是太高，但考虑到蜗轮和压下螺母是一体的，因此蜗轮选用材料ZCuAl10Fe37。3.蜗轮设计应按蜗轮面次面接触疲劳强度进行设计。根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再校核齿根弯曲疲劳强度。由参考文献6，公式11-12传动中心距： （4.11）（1） 确定作用在蜗轮上的转矩 （4.12） 式中： 输入蜗杆的功率，（）； 蜗轮蜗杆的传动效率； 蜗杆轴的转数，（）； 蜗轮蜗杆传动比；按=2,效率算，再有前面已知数据代入公式（4.12） ： （2） 确定载荷系数K因为压下装置是不“带钢”，载荷稳定，取载荷分布不均匀系数=1；由于载荷分布不均匀、冲击小、启动次数中等、启动载荷较大、所以，根据参考文献7，表11-5知，选取使用系数=1.15。由于转数不高、冲击不大，根据参考文献7，图10-8知，选取动载荷系数.所以载荷系数 （4.13）（3） 确定弹性影响系数根据选用的材料为青铜和钢蜗杆相搭配，故根据参考文献7,表10-6查知。（4） 确定接触系数先假设蜗杆分度圆直径与中心距a之比为，从参考文献7，图11-8中可查得。（5） 确定许用接触应力根据蜗轮材料为铸铝铁青铜（），由于最大滑行速度，所以根据参考文献7，表11-6知：蜗轮的许用接触应力：。取蜗轮寿命为10000小时，那么应力循环次数 （4.14） 寿命系数 (4.15)则许用接触应力 : (4.16) （6） 计算中心距,由公式(4.11)知: 取中心距，因为传动比，取模数，蜗杆分度圆直径。这时，从参考文献7，图11-18中可查得接触系数,所以，因此上述结果可用。4蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸（1）蜗杆主要尺寸参数轴向齿距： 直径系数： 齿根圆直径： 齿顶圆直径： 分度圆导程角: 蜗杆轴向齿厚： （2）蜗轮主要尺寸参数蜗轮齿数： 蜗轮分度圆直径： 蜗轮变位系数： 蜗轮喉圆直径： 蜗轮齿根圆直径： 蜗轮齿宽： 蜗轮咽喉母圆半径： 4.4.2 蜗轮的校核1校核齿根弯曲疲劳强度蜗轮当量齿数 （4.17）根据，由参考文献7，图11-19知，齿形系数： 螺旋角系数： （4.18） 根据文献7，表11-8知，蜗轮用应力寿命系数：则蜗轮的许用弯曲应力为： （4.19）所以，其齿根弯曲疲劳强度 （4.20） 所以，蜗轮的齿根弯曲疲劳强度是满足的。 4.4.3 热平衡计算 蜗杆传动由于效率低，所以工作时发热量大。在闭式传动中，如果产生的热量不能及时散出，将因为又问不断升高而使润滑油稀释，从而增大摩擦损失，甚至发生胶合。所以，必须根据单位时间内的发热量等于同时间内的散热量的条件进行热平衡计算，以保证油温稳定第处于规程的范围内。1. 单位时间内的发热量 （4.21） 式中： 蜗杆传递的功率； 蜗杆传动的效率；2. 单位时间内的散热量 （4.22） 式中： 箱体的表面传热系数，可取=（）； S内表面能被润滑油所溅到，而外表面又可以为周围空气所冷却的箱体表面面积，； 油的工作温度，一般限制在，最高不应该超过； 周围空气的温度，常温情况下可取为；按热平衡条件，可求得在既定工作条件下的油温为 （4.23） 所以蜗杆传动发热量满足要求。5.主要零件的强度校核5.1蜗杆轴的强度校核5.1.1 蜗杆所受载荷的计算 切向力 ： （5.1） 轴向力： （5.2） 径向力： （5.3） 式中： 、分别为蜗杆、蜗轮上的转矩； 、分别为蜗杆、蜗轮分度圆直径； 蜗轮蜗杆传动效率；受力分析图见图5.1（a）5.1.2 蜗杆轴支点受力分析1.在竖直方向 ： （1） （2）由（1）、（2）两式，计算得 2.在竖直方向 ： （3） （4）由（3）、（4）两式，计算得 各力方向和尺寸见图5.1（b）(d )。图 5.1 蜗杆轴弯矩图、扭矩图5.1.3 蜗杆轴上力矩的计算 1. 支点1对截面X的力矩 竖直方向 ： 水平方向 : 则， 2. 支点2对截面X处的力矩 竖直方向 ： 水平方向 ： 则 : 各弯矩图见图5.1（c）（e）。5.1.4按弯扭合成校核轴的强度 1. 进行校核时，通常只校核轴上承受最大文弯矩和扭矩的界面（即危险截面X）的强度。根据下面公式计算轴的应力： （5.4）式中 ： 为应力影响系数，脉动循环应力时取； 轴的抗弯截面系数，单位，； 作用在蜗杆轴上的扭矩 ，见图5.1(g).将已知数据代入公式（5.4） 根据轴的材料由参考文献7，表15-1查得轴材料的许用弯曲应=60。 另外查得： ， 所以 所以X截面是安全。2. 由于截面处弯矩较大，且轴颈较小，对此截面也按弯扭合成进行校核如下 式中 ： 为截面处的弯矩。 截面处的抗弯截面系数，同样， ， 所以截面也安全。3. 同样在截面处虽然弯矩比截面小，但是轴径也比小，因此，不能判断截面是否满足强度要求。因此，还需要验证。 式中 ： 为截面处的弯矩。 截面处的抗弯截面系数， 同样， ， 所以截面也是安全的。5.1.5 精确校核的疲劳强度 1. 判断危险截面截面和截面轴径相同，但截面受扭矩非常大，只需验证截面。 对于截面。由于其受扭矩较大，但所受弯矩较截面小，因而，无法判断其是否安全，也需要验证。对于截面，其扭矩较大，弯矩较小，但截面小，因而也需要判断是否安全，也需要验证。、截面都受键槽引起的应力集中，因为 截面直径与截面的直径相同，但截面所受的扭矩大于截面的扭矩。故只需要验证截面。2. 截面校核（1）截面抗扭截面系数： 截面抗扭截面系数： 截面所受的弯矩： 截面上扭矩： 2 截面上的弯曲应力为： 截面上的扭转切应力： 式中 ： （2）由于轴的材料为钢，调质处理，根据参考文献7，表15-1得。 （3）截面由于轴肩而形成的理论应力集中系数按参考文献7，附表3-2查取知：因为。经过差值后，得： 又由于参考文献7，附图3-1可得轴的材料的敏感系数： 故有效应力集中系数按下式计算得： 由文献7，附图3-2查得尺寸系数 由文献7，附图3-3查得扭转尺寸系数 轴按磨削加工，根据参考文献7，附图3-4查得表面质量系数： 轴未经表面强化处理，所以取 综上所有系数，得综合影响系数： （4）又根据参考文献7，25页知碳钢的特性系数： ，取 ，取（5）又上述数据计算安全系数值： 式中 ： 安全系数值。 取所以， 截面安全。3. 截面的校核（1）截面的抗弯截面系数： 截面的抗扭截面系数： 截面上所受的弯矩： 截面上所受的扭矩： 2截面上的弯曲应力： 截面上的扭转切应力： 式中 : （2）由于轴的材料为钢，调质处理，根据参考文献7，表15-1得： （3）截面由于轴肩而形成的理论应力集中系数按参考文献7，附表3-2查取知：因为。经差值后，得： 又由于参考文献7，附图3-1可得轴的材料的敏感系数： 故有效应力集中系数按下式计算得： 由文献7，附图3-2查得尺寸系数 由文献7，附图3-3查得扭转尺寸系数 轴按磨削加工，根据参考文献7，附图3-4查得表面质量系数： 轴未经表面强化处理： 所以取 综上所有系数，得综合影响系数： （4）又根据参考文献7，25页知碳钢的特性系数： ，取 ，取（5）又上述数据计算安全系数值： 式中 ： 安全系数值。 取所以截面安全4. 截面的校核（1）截面的抗弯截面系数： 截面抗扭截面系数： 截面所受的弯矩： 截面上所受的扭矩： 2截面上的扭转切应力： 式中 : （2）由于轴的材料为钢，调质处理，根据参考文献7，表15-1得。 （3）截面由于轴肩而形成的理论应力集中系数按参考文献7，附表3-2查取知：因为。经差值后， 得： 又由于参考文献7，附图3-1可得轴的材料的敏感系数： 故有效应力集中系数按下式计算得： 由文献7，附图3-3查得扭转尺寸系数 轴按磨削加工，根据参考文献7，附图3-4查得表面质量系数： 轴未经表面强化处理，所以取 综上所有系数，得综合影响系数： （4）又根据参考文献7，25页知碳钢的特性系数： ，取（5）又上述数据计算安全系数值： 式中 ： 安全系数值。 取 所以， 截面安全。5. 截面的校核（1）截面上产生的最大扭应力、应力幅、平均应力计算如下。 最大扭应力： 式中 ： 扭矩=2 应力幅和平均力相等，即： （2）由于轴的材料为钢，调质处理，根据参考文献7，表15-1得。 （3）绝对尺寸影响系数由参考文献7，附图3-2得： （4）表面质量影响系数根据参考文献7，附表3-4得： （5）因键槽引起的应力集中系数由参考文献7，附表3-4查得: （6）又根据参考文献7，25页知碳钢的特性系数： ，取（7）截面安全系数 式中 ： 安全系数值。 取 所以， 截面安全。综上所述，蜗杆轴强度合格。5.2 轴承的寿命计算滚动轴承的正常失效形式是滚动体或内外圈滚道上的点蚀破坏。这时在安装、润滑、维护良好的条件下，由于大量重复地承受变化的接触应力所致。单个轴承，其中一个套圈或滚动体首次出现疲劳扩展之前，一套圈相对于另一套圈的转数称为轴承的寿命。轴承点蚀破坏后，在运转时通常会出现较强烈的震动、噪音和发热现象【7】。5.2.1 轴承的选择选用轴承时，首先是选择滚动轴承类型，下面归纳出合理选择轴承类型时所参考的主要因素。（一） 轴承的载荷轴承所受载荷的大小、方向和性质，是选择轴承类型的主要依据。（二） 轴承的转数在一般转速下，转速的高低度类型的选择不发生什么影响，只有在转速较高时，才会有比较显著的影响。（三） 轴承的调心性能当轴承的中心线与轴承座中心线不重合而又有角度误差时，后因轴受力而弯曲或倾斜时，会造成轴承的内外圈轴线发生偏斜。（四） 轴承的安装和拆卸便于装拆，也是在选择轴承类型时应考虑的一个因素。在轴承座没有剖面而必须沿轴向安装和拆卸轴承零部件时，应优先选用内外圈可分离的轴承。因为蜗杆轴转速不高，而且承受较大的轴向和径向载荷，同时为了便于安装和拆卸，故根据需要选用角接触球轴承。5.2.2 寿命计算 1.轴承受到的径向载荷和轴向载荷，根据前面第五章第一节知：两轴承轴向力 1轴承径向力 2轴承径向力 2.求两轴承的轴向力和 对于70000B型轴承按参考文献7，表13-7查得，轴承的派生轴向力，则有： 根据参考文献7，公式13-11，由于 。所以 1轴承为紧轴承，2轴承为松轴承。 3.轴承的当量动载荷和 由参考文献7，表13-5分别查得径向载荷系数和轴向载荷系数为： 轴承1 轴承2 又因为轴承运转过程中有冲击载荷，根据参考文献7，表13-6查得载荷系数： 取 。则动量载荷和计算如下： 4. 验算轴承寿命因为，所以按轴承1的受力大小进行验算。 式中 ：轴承的基本当量动载荷。由参考文献4，表4.2-66查得，； 轴承的转数； 故所选轴承满足寿命要求。5. 轴承的受力分析及力矩表示如下： 图4.2 轴承受力分析5.3 键的强度校核5.3.1 键的选择 键是一种标准零件，通常用来实现轴与轮榖之间的周向固定以传递转矩，有的还能实现轴上零件的轴向固定或轴向滑动的导向。键连接的主要类型有：平键连接、半圆键连接、楔键连接和切向键连接。键的选择包括类型选择和尺寸选择两个方面。键的类型应根据键连接的结构特点、使用要求和工作条件来选择；键的尺寸则按符合标准规格和强度要求来取定。导向平键是按轮毂的长度极其滑动距离而定。平键连接具有结构简单、拆装方便、对中性较好等优点，因而得到广泛的应用。这里选用一个导向平键。用于蜗杆轴的联结轴上的滑键【7】。选择键的尺寸为： 导向平键： ，长度为5.3.2 键联结强度的计算1. 平键联结强度计算 假定载荷在键的工作面上均匀分布，普通平键联结的强度条件为： 式中 ：传递的扭矩，单位 。 键与轮毂键槽的接触高度，为键的高度，； 键的工作长度，圆头平键 ，为键的公称长度，为键的宽度，； 轴的直径，； 键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力，；由于蜗杆的材料为钢，且有轻微冲击，由参考文献7，表6-2查得 ；由设计条件 来验算导向平键的强度；将已知数代入公式得： 因此，该键符合强度。 6.润滑方式的选择润滑的作用是润滑工作表面，以减少磨损，提高效率和延长机件的寿命。在摩擦面间加入润滑剂不仅可以降低摩擦，减轻磨损，保护零件不遭锈蚀，而且在采用循环润滑时还能起到散热降温的作用。由于液体的不可压缩性，润滑油膜还具有缓冲、吸振的能力。使用膏状的润滑脂，既可以防止内部的润滑剂外泄，又可阻止外部杂质侵入，避免加剧零件的磨损，起到密封作用。6.1 蜗轮蜗杆的润滑由于蜗杆传动滑动速度大、效率低、产生的热量大，如果润滑不当就会导致过度磨损、甚至产生胶合。为防止上述问题出现，如何保证蜗杆传动具有良好的润滑状态，就成为蜗杆传动设计时必须考虑的一个至关重要的问题。润滑对于蜗杆传动来说，具有特别重要的意义。因为当蜗杆润滑不良时，其传动效率将显著降低，并且还会带来剧烈的磨损和产生齿间胶合破坏的危险，所以往往采用粘度大的矿物油对蜗杆传动进行良好的润滑，在润滑油中还常常加入添加剂，使其提高胶合能力【7】。6.1.1 润滑油的选择用做润滑剂的油类主要可概括为三类：一是有机油，通常是动植物油；二是矿物油主要是石油产品；三是化学合成油。我们要根据蜗轮、蜗杆配对材料和运转条件合理选用。对于本设计中，蜗杆传动采用钢蜗杆配青铜蜗轮。又由于润滑油的粘度是根据蜗杆现对滑动速度及载荷类型进行选择的。通常，对于闭式颤动，常用的润滑油粘度可有参考文献7，表11-21来选择。本设计蜗杆传动载荷类型为中等，滑动速度不快。所以根据参考文献7，表11-20选择该蜗杆传动所需润滑油的牌号为全损耗系统用油L-AN150。6.1.2 润滑油给油方法及油量在参考文献7，表11-21中列出了不同滑动速度时推荐选用的润滑油运动粘度值，供设计时选用。闭式蜗杆传动常用润滑方法主要有油池浸油润滑、循环喷油润滑等方式。具体选择可根据蜗杆传动的滑动速度大小确定。若采用压力喷油润滑，应注意控制油压，并应使喷油嘴对准蜗杆啮入端；蜗杆正反转时两边都要装喷油嘴。为保证蜗杆传动的正常润滑、又不致因浸入油池深度过大，过分搅动润滑油而导致功率损失较大和润滑油温升较高而过早失效，必须保证一定的油量。蜗杆下置时，浸油深度应不超过一个齿高；蜗杆上置时，蜗轮进入深度约为蜗轮外径的三分之一。同时还应使齿顶与箱底保持适当距离，以防止沉入箱底的杂质被搅起而降低润滑性能。对于闭式传动采用由此润滑时，在搅油损耗不致过大的情况下，应有适当的油量。这样不仅有利于动压油膜的形成，而且有助于散热。因此本设计采用上述方法对蜗轮蜗杆进行润滑可行。6.2 轴承的润滑轴承的润滑对于轴承来说，具有很重要的意义，轴承中的润滑剂可以减少轴承在负荷下工作时，滚动表面之间产生的滑动摩擦。防止轴承零件表面尤其是工作面发生锈蚀。使因摩擦而产生的热能均匀地分布到轴承的各部分，并将其传出去。减少轴承工作时产生的噪音等；润滑脂的润滑膜强度高，能承受较大的载荷，填装在轴承部件的空隙中可以防止灰尘及其它杂质侵入轴承内，并且可以在较长的期间内部需更换，不易流失，容易密封，一次加脂后可以维持相当长的一段时间。对于那些不便于经常添加润滑剂的地方，或是那些不允许润滑油流失而致污染产品的工业机械来说，这种润滑方式十分合适。但它只适用于较低的dn值。滚动轴承的娤脂量一般以轴承内部空间内容积的为宜。润滑脂的主要性能指标为锥入度和滴点。当轴承的dn值大、载荷小时。应选锥入度较大的润滑脂；反之，应选用锥入度较小的润滑脂。此外，走成的工作温度应低于润滑脂的滴点，对矿物油润滑脂，应低于；对于合成润滑脂，应低。本设计选择的轴承是角接触球轴承，根据参考文献7，表13-10查得其dn的值为。有此数据可得出结论，该轴承可选用润滑脂来进行润滑。综上所述，查文献7，表11-20得出所选润滑脂的牌号为ZGN69-2。 7. 环保与经济性分析7.1 设备的环保性分析机械设备的环保性，是指机械设备在作业时保护环境的性能，此环境指作业人员工作环境和作业周围的环境。随着我国社会经济的高速发展，很多生产和施工企业为了获取更大的经济效益，机械设备连续不停的运作。由此产生的各种噪声、废气、污水和烟尘严重污染了环境，破坏了生态，给人们的身体健康造成了危害。为了保护人类赖以生存的环境和人们的健康生活，我们在设计机械设备时必须保证其环保性，设计、生产和使用环保性好的机械设备。为了使设备具有良好的环保性，我做了如下几点：1、选用环保性好的电动机电动机是机械设备产生噪声、振动和排气污染的主要污染源，所以选择环保性好的电动机来改善机械的环保性。2、改进了机械结构 机械设备中除了电动机会产生噪声和振动外，各工作装置在运行时也会产生噪声和振动，因此在机械设计上我改进了上述部件的结构使其实现低噪声、低振动运行。3、增加了后处理装置增加后处理装置是指在机械设备排污染源的后部增加消除污染的装置，用于清除机械排气或作业过程中产生的有害气体和微粒、粉尘。4、加强了状态检测和及时维修有了环保性较好的机械设备的同时还要加强状态检测和及时维修，才能使机械设备处于正常运行状态，保证其在作业时有良好的环保性。7.2 设备的可靠性1、设备的可靠性定义 机械在规定条件下和规定的时间内完成规定功能的能力，叫做设备的可靠性。2、可靠度的计算 由文献10，公式7-5知可靠度函数为 （7.1）式中 失效率，为常数，取； 工作时间。假设工作后，将数据代入公式7.1得可靠度 其故障率分布曲线（浴盆曲线）如图7.1所示图 7.1 故障率分布曲线3、设备的平均寿命 机械设备的可靠性另一个指标为使用寿命，即平均寿命。工作时间随机变量的期望值由文献10公式7-4知 （7.2）式中 平均寿命； 可靠性函数，机械设备是可修复系统，即在一次年修的平均工作时间，。则 (7.3)式中： 失效率，为常数，取。将数据代入公式7.3得 7.3 设备的经济
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