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内容简介：

线材轧机的设计,设计目的及意义,通过毕业设计培养学生查阅资料、方案设计、参数确定、理论分析、设计计算、分析及解决问题的能力，达到高级工程技术应用型人才的基本训练要求。 线材是重要的轧制产品之一，它在国民经济中占有特别重要的地位。近些年来，热轧线材的生产工艺技术和装备有了快速的进步和发展。本次设计的内容是展现近年来国内外线材生产发展成果，特别是高速线材生产的先进技术与装备、科研新成果、基本理论、生产经验等。,摘 要,设计的轧钢机为2503型钢轧钢机，轧辊的直径为250 mm。轧钢机主要用来为轧制小型线材，采用三辊式工作机座。轧钢机的主要设备是由一个主机列组成的。轧钢机的主机列是由原动机，传动装置和执行机构三个基本部分组成的。采用的配置方式为电动机减速机齿轮机座轧机。由于轧辊的转向和转速不可逆转，原动机采用造价较底的高速交流主电机。考虑到轧制负荷很不均匀，为了均衡电机负荷，减少电机的容量，在减速机和电动机之间加有飞轮。齿轮机座：其用途是传递转矩给工作辊，设计采用三个直径相等的圆柱形人字齿轮在垂直面排成一排，装在密闭的箱体内。联轴器：在减速器与齿轮机座之间采用的是安全连轴器。而主联轴器采用的的梅花接轴联轴器。,原始资料,原始数据：三棍线材轧机采用复二式布置，三架轧机集中驱动孔型采用椭圆圆孔型，轧制速度为5m/s。,设计内容,1.轧制力的计算 1)轧制平均单位压力的确定:在轧制的过程中，轧件在轧辊见承受轧制压力的作用而发生塑性变性，由于轧件塑性变形时的体积不变。 2)轧制总压力的确定 3)轧制力矩的确定 4)电动机的选择设计中，电机的功率要参考现场轧机的功率，故选电机为TRB76，异步电动机。额定功率为280KW，额定电压为380伏，满载时的转速980/分，效率为93。最大的转矩为2.2。,2.飞轮的设计,1)飞轮力矩的确定 :电动机尖峰负荷降低的多少与主传动系统总飞轮力矩有关，而飞轮力矩占总飞轮力矩相当大的比重，故飞轮力矩是飞轮的一个重要参数。 2)飞轮的强度的校核 :飞轮的强度应满足要求，才能保证飞轮安全工作。,3.减速器的选择,减速器的特点及选择:底速、重载、冲击负荷大，冲击次数频繁目前用于中小型轧钢机主传动的减速机有两种配置方式： 电动机减速机轧机； 电动机减速机齿轮机座轧机。 在第一种配置方式中，减速机与轧机直接相连，处于剧烈的负荷工作，因此在设计时应根据具体的使用和配置情况加以区别，设计时采用第二种配置方式。,4.齿轮机座的设计,在轧机的传动的装置中，齿轮机座用于传递扭距到工作机座的每一个轧辊；其特点是低速、重载、冲击的次数频繁。中小型的轧钢机的齿轮机座一般有二重式、三重式和复合式等三种类形。三重式齿轮机座应用于横列式中小型轧钢机，因此我们采用三重式齿轮机座 。,5.轧钢机工作机座的设计,工作机座是轧钢机的执行机构。他是由轧辊及其轴承、轧辊调整装置，机架及辊座等部件的组成。轧辊与轧辊轴承座是整个工座机做的核心部分,设计总量,论文总计66页 图纸5张(A0 :1张 A1 :2张 A2 :两张),致谢,本次设计在4位指导老师的辛勤指导下，顺利完成了。在此次的设计中，我获得的许多从书本难以获得的知识，实践能力在此设计中得到了充份的锻炼，各门知识得到了很好的综合训练，不过在此设计中我也有许多的不足之处，独立思考的能力有待进一步的加强。, 第IV页250线材轧机的设计摘 要设计的轧钢机为2503型钢轧钢机，轧辊的直径为250 mm。轧钢机主要用来为轧制小型线材，采用三辊式工作机座。轧钢机的主要设备是由一个主机列组成的。轧钢机的主机列是由原动机，传动装置和执行机构三个基本部分组成的。采用的配置方式为电动机减速机齿轮机座轧机。由于轧辊的转向和转速不可逆转，原动机采用造价较底的高速交流主电机。考虑到轧制负荷很不均匀，为了均衡电机负荷，减少电机的容量，在减速机和电动机之间加有飞轮。齿轮机座：其用途是传递转矩给工作辊，设计采用三个直径相等的圆柱形人字齿轮在垂直面排成一排，装在密闭的箱体内。联轴器：在减速器与齿轮机座之间采用的是安全连轴器。而主联轴器采用的的梅花接轴联轴器。关键词：轧钢机，齿轮机座，飞轮250 Design of wire rod millAbstractRolling mill designed for 250 x 3 payments rolling mill, roller diameter of 250mm. Rolling mill for rolling mainly to small wire rod, a three roller-working machine Block. Rolling mill equipment is a major component of the mainframe out. Rolling mill is the former mainframe is motivated transmission devices and the three basic components of the implementing agencies. Allocation method used for electric motors - slowdown plane - plus seat - rolling mill.The roller to the irreversible and rotational speed, the original motivation for the introduction of a more rapid exchange of the costs of Electrical. Taking into account the rolling load is uneven, to balance electrical loads and reduce the electrical capacity slowdown in the increase between a flywheel and electric motors. Flywheel design and installation of electric motors in decelerator between its role in the adoption roller and roller idling, a mobile storage device in a balanced transmission loads; gear seat : its purpose is to transmit torque to the work revolve, the equivalent diameter cylindrical design used three words plus people lined up in the vertical plane, packed in sealed .Shaft coupling : in the Block reducer and gear is used between security company axle vehicles. Key words：Rolling mill ，gear seat ，flywheel目录1 绪论11.1轧钢机的定义11.2轧钢机的标称11.3轧钢机的用途11.4小型轧钢机的主机列22 轧制压力和轧制力矩的计算52.1轧制平均单位压力的确定52.2轧制总压力的确定72.3轧制力矩的确定82.4电动机的选择83 飞轮的设计93.1飞轮力矩的确定93.2飞轮的强度的校核114 减速器的选择134.1传动比的计算134.2减速器的特点、破坏形式144.2.1主减速机的特点144.2.2主减速机齿轮的破坏形式144.3主减速机的结构154.4 主减速器的润滑及防护措施154.5 齿轮的材料和热处理164.6减速器的工作状态分析16齿轮机座的设计175.1齿轮机座的类型和结构175.2齿轮的设计175.2.1齿轮节圆的直径175.2.2 模数、齿数、齿宽、齿顷角175.2.3计算力矩的确定185.2.4轴端的强度计算195.2.5滑动轴承195.3密封和漏油问题195.4齿轮机座的润滑20.5齿轮机座的总述206 轧钢机工作机座的设计216.1工作机座的选择216.2轧辊与轧辊轴承的设计226.2.1轧辊的类型226.2.2轧辊的结构226.2.3轧辊的参数236.2.4轧辊的材料236.3轧辊调整装置的设计256.4机架的设计276.5机架强度的校核287 孔型的设计318 机架的优化设计338.1优化分析338.2 轧机机架结构参数优化设计的数学模型338.3 设计变量348.4 目标函数368.4.1以机架在垂直方向上弹性变形最小作为目标函数368.4.2 以机架重量最轻为目标函数388.4.3 机架变形388.5 约束条件388.5.1 性能约束388.5.2边界约束398.6计算结果及分析398.6.1设计变量的数量及取法对设计量取值的影响398.6.2 以机架变形最小为目标的优化计算408.7 优化设计应用举例418.8 优化设计在实际中的应用438.9 结论45结论46致谢47参考资料48附录149附录257 第64页1 绪论1.1轧钢机的定义轧钢机也称为轧钢机械，一般把将被加工的材料在旋转的轧辊间受压力产生的塑性变形即轧制加工机器称为轧钢机，这是简单定义。大多数情况下，轧制生产过程要经过几个轧制过成，还要完成一系列的的辅助工序，如将原材料由仓库运出加热，轧件送往轧辊，轧制、翻转、剪切、打印，轧件收集、卷取成卷等。一个轧件的全过程由多种机械按工艺顺序而成机组来完成，这种机组或机器体系叫轧钢机械或称轧钢机。第一种情况轧钢机由一个或几个工作机座（执行机构）传动机构（齿轮传动、连轴器）和使轧辊转动的电动机组，后一情况轧钢机是由若干台工做机组成，这些机组数目与加工轧材工艺过成生产率相适应，因此，轧钢机按顺序排列并且用辊道或其他运输装置连成一条工艺流水线机器组成机组。轧钢机是机械中使金属在旋转的轧辊中产生变形的那部分设备。主要使设备排列成一定形式的工作线称为轧钢机的主机列。用以完成其他工序的机械设备称为辅助机械。1.2轧钢机的标称轧钢机的类别与规格与轧钢机的断面尺寸有关，因此轧钢机的初轧和型钢的类是以轧钢的名义直径。也就是说轧钢机的大小是常用与轧件有关的尺寸参数来标称。初轧机和型钢轧机的主要性能参数是轧辊名义直径，因为轧辊的名义直径的大小与其能够轧制的最大断面有关，因此，初轧机和型钢轧机是以轧辊的名义直径标称的。小型轧钢机的名义直径为：180450mm.1.3轧钢机的用途轧钢机形式有两种：冷轧与热轧，热轧主要用于开坯，兼生产一部形钢，这这种轧机的型号有630650型轧机，500550型轧机、650中型轧机与2300中板轧机等，冷轧主要用于终级轧制，轧带钢的产品很多，具有代表性的冷轧板带钢产品金属镀层薄板（包括镀锡板、镀锌板等）、深冲板（以汽车钢板最多）、电工硅钢板、不锈钢和涂层钢板。现也促使冷轧机的装备技术和控制技术向更高的方向发展。型号有1400mmNKW、1250mmHC单辊可逆式轧机. 1150mm二十辊冷轧机,。设计的轧钢机为2503轧钢机，轧辊的直径为250 mm.，轧钢机主要用来为轧制小型线材。2550毫米的圆钢，2040毫米的方钢；螺纹钢等。其结构的特点为：1、采用三辊式工作机座，主电机不可逆转，中上辊与中下辊交替过钢，实现多道次的轧制。2、由于轧辊的转向和转速不可逆转，可采用造价较底的高速交流主电机在传动装置中装有减速机和齿轮机座。考虑到第一机座轧件较短，轧制次数较多，负荷很不均匀，为了均衡电机负荷，减少电机的容量，在减速机和电动机之间加有飞轮。3、多数250型钢轧机要求既开坯又轧件，具有一机多能的特性，因此，轧机急需要较强的能力，又需要较强的刚度，而且由于经常需要更换品种，在轧机结构上需考虑换辊方便。4、为了便于换辊，三个机座的轧辊都采用梅花接轴连接。1.4小型轧钢机的主机列轧钢机的主要设备是由一个或数个主机列组成的。轧钢机的主机列是由原动机，传动装置和执行机构三个基本部分组成的。1、工作机座：工作机座为轧钢机的执行机构，它由轧辊及其轴承轧辊的调整机构和上轧辊的平衡机构，引导轧件的轧件进入轧辊用的导装置，工座机座的机架及支撑机座并把机座固定在地基上用的轨零、部件的和机构组成。2、传动装置：联轴器：联轴器包括电机联轴器和主联轴器，电机联轴器用来连接电动机与减速器的主动齿轮轴；而主联轴器则用来连接减速器与机轮机座的传动轴，既自减速器将转矩传至齿轮机座的主动齿轮。减速器：在轧钢机中减速器的作用将电动机较高的转速变成轧机所需的转速，因而可以在主传动中选用价格较底的高速电动机。确定是否采用减速器的一个重要条件，就是比较减速器及其摩擦损耗的费用是否低于低速电机的与高速电机的之间的差价，一般情况下，当电机的转速小于200250转/分才采用减速器。小型轧钢机转速小于200转/分，因而采用减速器。采用减速器时，根据传动比的大小选用一级（传动比i小于等于8）二级（传动比等于840）或三级（传动比i大于40）减速器。与这些减速器相对应的轧辊速度分别为200250转/分，4050转/分，以及1015转/分。连接轴：轧钢机齿轮机座，减速器或电动机的运动和力矩，都是通过连接轴传递给轧辊的。设计采用横列式布置轧机，一个工作机座的轧辊是通过连接轴传动的。轧钢机采用的连接轴有万向接轴、梅花接轴、联合接轴和齿轮接轴等。设计的轧钢机采用梅花接轴它常用在横列式轧机上。飞轮：设计的是一个飞轮装置在减速器的小齿轮轴上。它的作用是在通过轧辊与轧辊空转时，作动蓄能器以均衡传动负荷；既轧辊空转时，飞轮加速，积蓄能量；而轧件通过时，飞轮减速。放出能量，帮助轧制。齿轮机座：其用途是传递转矩给工作辊，设计采用三个直径相等的圆柱形人字齿轮在垂直面排成一排，装在密闭的箱体内3、电动机的选择：轧钢机的电动机的形式的选择与轧钢机的工作制度有着紧密的联系。设计的轧钢机是轧制速度不需要调节的不可逆式轧钢机，采用异步电动机。异步电动机主要用在有剧烈尖峰负荷的轧机上，为了减少电动机的容量，有时装有飞轮，异步电动机投资费用较底，在小形轧钢机上很适合。4、小型轧钢机的工作制度：一般中小形轧钢机的工作制度可以分为：不可逆式的，可逆式的与带张力轧制等几种方式设计采用不可逆轧机的工作制度，在这种工作制度下，每个轧辊的方向不变扎辊的转速为不可变的。 三辊轧钢机 二辊轧钢机图1.1 轧机的工作制度小型轧钢机的总体布局轧钢机的主要设备由一列主机列，此轧机的总体布局基本上与主机列一致，结构如下：主机列三个基本部分组成，主电机，传动机械，工作机座。设计中的传动装置由齿轮机座，减速器，联轴器，接轴组成，在电机与减速器之间用飞轮连接，在齿轮机座与减速器之间是用飞轮连接。在齿轮机座与减速器用安全联轴器。因以上中除安全联轴外，均在主机列中给以介绍，现对安全联轴器作以介绍。安全联轴器：一般带有飞轮的轧机，都有安全联轴器。当轧机上的转矩超过额定的转矩时，联轴器能够分开，保护轧机的零部件，使之免受损坏。工作机座为两个三辊工作机座和一个二辊工作机座，总体结构如图：1主电机 2联轴器3减速器4安全联轴器5齿轮机座6梅花万向接轴联轴器 7工作机座8梅花接轴图 1.2 轧钢机总装图2 轧制压力和轧制力矩的计算在验算轧机的强度、挖掘轧机的潜力和设计新的轧机时，轧机的尺寸、传动的功率和允许的压下规程均取决于轧制压力的大小与方向。在设计新的轧机时，为了零件的强度和选择电动机的功率，就必须知道轧机在一定轧制条件下的轧制压力、轧制力矩和轧制功率2.1轧制平均单位压力的确定在轧制的过程中，轧件在轧辊见承受轧制压力的作用而发生塑性变性，由于轧件塑性变形时的体积不变。因此变形区的轧件在垂之方向上产生压扁，在轧件方向上产生延伸，大量的实验资料证实，开坯，型钢，线材轧机的轧制压力，采用S。爱克隆德公式计算与实测结果比较接近。爱克隆德公式的适用范围：轧制温度高于800度，轧制材质为炭钢，轧制速度不大于20米/秒。在爱克隆德的公式中，轧制的单位不仅是轧件机械性能的函数，而且是变形速度、摩擦系数、接触弧长和轧件平均高度之比的函数，轧制平均单位压力由三部分组成： =+ (kg/) (2.1)（1） 值:为轧件在轧制温度t度下的单向静压缩时的单位变形阻力，计算公式为: =(14-0.01) (kg/) (2.2)式中 轧制温度；轧件的化学成分，计算公式为： =1.4+C+0.3Cr+Mn (2.3)其中 C为百分含量； Mn为百分含量； Cr为百分含量。轧制的材料设为A3钢，则C取0.3W=1.4+0.3=1.7带入K式中为=（14-0.011000）1.7=6.8（ kg/)（2） 值：值为变形速度引起的变形阻力，其计算公式为： =U(kg/) (2.4)式中 轧件在轧制温度为度时的粘度系数，其计算公式为： =0.01（14-0.01）(kg s/) (2.5)为轧钢机的轧制速度的修正系数；U变形速度，计算公式为：U=（/s） (2.6)其中 R为轧辊的半径； V为轧辊的圆周速度（轧制速度）（mm/s）； 为道次压下量，计算公式为=h1-h2(毫米)h1,h2为轧制前后的轧件的高度(毫米)；查表21的轧制的修正系数为1所以 =0.01（14-0.011000）1=0.04 （kgs/)以上取值，有赖于轧辊的转速，其值为4049转/分。初选V,由现场以同类轧机取得，V=700（mm/s）=25mm(最大的压下量)h1=60 mm(初使的高度)h235 mm (轧制后的高度)带入 U2700/（60+35）=6（mm/s）所以 0.046=0.24（kg/)（3） 值： =（+）M（kg/） (2.7)式中 表示外摩擦对轧制平均单位压力的影响系数，其计算公式为:= (2.8)为轧辊间的摩擦系数，计算公式为：=（1.05-0.005）aa为轧辊之间的修正系轧辊的修正系数钢轧辊a=1, 硬面铸铁轧辊a=0.8取a=0.8所以 U（1.05-0.00051000）0.8=0.44则 =(1.60.44-1.225)/(60+35)=0.1=(6.8+0.24)0.14=0.986（ kg/)(4)则平均单位压力：=6.8+0.24+0.986=8.03（ kg/)2.2轧制总压力的确定轧制总压力的计算公式可用下式计算 N=PF (2.9)P轧件与轧辊接触弧上的平均单位压力F轧件与轧辊间的接触面积在轧制总压力垂直面上的的投影（简称为接触面积）各种不同的情况下计算接触面积的方法不同，有以下几种情况1辊径相同的情况2轧制异型断面轧件时的情况3冷轧时的情况4中（厚）板角轧时的情况。我采用的是辊径相同时的情况，计算公式为： =() (2.10)式中 轧辊的半径（毫米）； 压下量（毫米）； ,轧制前、后轧件的宽度。=3429（）所以 =8.033429=27537(kg)= (2.11)为轧辊间的摩擦系数，计算公式为：=（1.05-0.005）a (2.12)a为轧辊之间的修正系轧辊的修正系数钢轧辊a=1, 硬面铸铁轧辊a=0.8取a=0.8所以 U（1.05-0.00051000）0.8=0.44则 =(1.60.44-1.225)/(60+35)=0.1=(6.8+0.24)0.14=0.986（ kg/)2.3轧制力矩的确定传动轧辊时，电动机轴上的力矩由下种四种力矩组成：= (2.13)式中 轧制力矩；附加摩擦力矩；空转力矩；动力矩；轧辊与主电机间的传动比。其中、与比较，比较大。所以可以将上式简化 M=K (2.14)式中K为安全系数，取 K=1.5；初选轧机总传动比: i=10。所以轧制力矩为: M=252.9（Nm）粗算所需电动机的功率： P=26（KW）2.4电动机的选择从上面的计算结果看，电动机的功率只在30KW左右，为了使轧机具有较高的能量储存，使其在复杂的工作环境中工作，所选的电机功率要比此大的多。上面所求的功率只是在某一道次的功率，在其他的情况下，轧机需轧制各种线材、型材，因此，需要改型，需要的功率要大一些。设计中，电机的功率要参考现场轧机的功率，故选电机TRB76，异步电动机。此电机的一些数据从机械设计手册5查的为：额定功率为280KW，额定电压为380伏，满载时的转速980/分，效率为93。最大的转矩为2.2。3 飞轮的设计采用飞轮的目的是降低轧制时电机的尖峰负荷、增加空载时的电动机的负荷，从而在整个的工作过程中，使电机的负荷均匀，以便按允许过载能力选择较小的电动机。异步电动机的转速随负荷的变化而变化，飞轮储存或放出能量，达到均衡电动机负荷的目的。飞轮安装在电动机的轴线上，并安装在电动机与减速机之间。3.1飞轮力矩的确定电动机尖峰负荷降低的多少与主传动系统总飞轮力矩有关，而飞轮力矩占总飞轮力矩相当大的比重，故飞轮力矩是飞轮的一个重要参数。飞轮本身的飞轮力矩为为传动总的飞轮力矩的一个组成部分，所以在计算之前，必须先计算。主传动系统的总的飞轮力矩=（T） (3.1)在尖峰负荷的时刻，主传动的系统需要释放的能量可按下式计算： = (3.2)式中 在尖峰负荷下电动机的最大的功率，其值可按作用在电动机轴上的最大的转矩确定: = (3.3)尖峰负荷的时间；电动机的转差率，一般取=0.120.17，取为0.15；从电动机的参数中查的为2.2；为电动机的额定的转数为980转/分。则 =2257.6（KW）由工厂现实测得为1秒；所以 =2257.61=2257.6 KW则 =6.17（T）则 飞轮的转矩为=-（T）式中 电动机转子的飞轮力矩（T）；轧机传动装置的转动部分折算到电机轴上的飞轮力矩（T）；可以近似的认为与相当。因飞轮的圆周速度越高，则飞轮由于离心力所产生的内应力就越大。确定飞轮直径D，考虑圆周的速度小于允许的最大圆周的速度，即D式中 飞轮n飞轮每分钟的转数；飞轮最大的圆周速度，整体铸造的圆盘式飞轮（铸钢），=70 90 （3.4）D=1.36M则取D =0.96米1米D=1米飞轮采用一个，飞轮的直径可取的大一些，通过这两个取这个方案。飞轮的结构和主要的参数。根据飞轮的直径和圆周的速度的不同，选择飞轮的结构为整体铸造圆盘式飞轮，飞轮的材料为ZG35。主要的参数由书中小型轧钢机设计与计算中表格有如下的关系：代号飞轮结构各部关系表3.1 飞轮结构关系表D D=100 mm(0.80.84)DC（0.30.34）(0.10.15）D0.5（+）d根据轴计算（0.10.15）（- ） （1.61.8）d注：因为D=1000mm 所以=810840 。表3.2 飞轮参数表=（0110.15）D=110150 =130 mmd =100 mm d =100 mm=130 mm =130 mmC =（0.30.34）C =42 mm= 0.5（+） =500 mm=（1.61.8）d = 170 mm=（0.10.15）（- ）= 80 mm飞轮整体铸造后时效处理，进行机械加工。飞轮装置外围加安全罩。 3.2飞轮的强度的校核飞轮的强度应满足要求，才能保证飞轮安全工作。飞轮的直径满足下公式即可满足要求。 D （3.5）飞轮的直径就是按此关系式求的，为了验证一下，下面校核一下强度。飞轮转动时，其轮缘的内表面所产生的应力可按下式计算：（N/cm） （3.6）式中 V飞轮的圆周速度（m/s）；r飞轮轮缘的内半径（m）；R飞轮的外半径（m）； V=70(m/s)=3718.96（N/cm）=371.869(kg/) 所以强度足够4 减速器的选择4.1传动比的计算轧件出轧辊的初速度，直接影响轧钢的效率，若轧件的出轧辊的初速度快，可提高效率，同时轧制工人不容易轧制。因而轧件的初速度以小于2米/秒为益。初选轧件的出辊速度为0.7米/秒，计算轧辊转速 n: （4.1） 取n=50r/min=980/50=19.6 （4.2）在减速器等轧钢机存在着传动装置的效率问题。电动机的效率为93.7，可知减速器、齿轮机座的效率为94。 则 i=93.79494=16这样将为： =750/16=47r/min为一般情况电机的转数。轧制速度为： （4.3） =3.1430047=0.74 m/s此轧制速度现场小型轧钢机轧制速度相似，因而符合生产实际。二选择减速器。由于确定=16，符合选二级减速器传动比的条件。选二级减器。查机械设计手册表8427，查的i=16对应的代号为8在根据承载能力查表8429，选取中心距a=1000毫米，工作类型：连续型，在查表8424，的减速器的型号：ZL100型，最后确定减速器的型号：ZL1008，其外型及安装尺寸如下。型号：ZL100 中心踞： A=1000 =400 =600中心高： =650轮廓齿寸: H=1306 、L=1910、B=810 、=810 、=145 、=1550 、=22 =26、=50地脚螺钉: d=M36、 n=8 、=610 、=7、=595、=510、=320图4.1 ZL 型和ZLH减诉器外形及安装尺寸4.2减速器的特点、破坏形式4.2.1主减速机的特点底速、重载、冲击负荷大，冲击次数频繁目前用于中小型轧钢机主传动的减速机有两种配置方式：电动机减速机轧机；电动机减速机齿轮机座轧机。在第一种配置方式中，减速机与轧机直接相连，处于剧烈的负荷工作，因此在设计时应根据具体的使用和配置情况加以区别，设计时采用第二种配置方式。4.2.2主减速机齿轮的破坏形式生产实践证明，轧钢机减速机齿轮破坏的主要形式表现为点蚀、缩性变形、胶合、磨损、剥落而不是断齿。4.3主减速机的结构减速机是由齿轮、箱体、轴、轴承、箱盖等主要零件组成。齿轮做成人字齿，因为这种齿轮工作比较平稳，而且对轴承不产生轴向力。齿轮的加工方法：滚齿刀（人字）（8级精度）。在减速器中，只有底速轴采用轴向固定，其他的轴留有少量的轴向的游隙，使她可以自由的串动，以免卡主齿轮。轴向的游隙为0.81mm。中心距小于或等于1000毫米的减速器，采用滚动轴承，减速器的材料为铸铁，1、中心距 查表的 a=1000mm2、传动比 总的传动比由电动机轴的转速和轧辊的转数之比确定。i=163、齿宽系数 为齿轮的宽度和中心距之比。，=0.40.6，取=0.5。4 、模数和齿数模数降低，小齿轮齿数齿数和均应取较大的值。齿数增加使齿的磨损减小，同时增大重和的系数，有利于减低接触应力。一对齿轮要求有较大的传动比时，20，取一级小齿轮的齿数为22，大齿轮为84。二级小齿的齿数为22，大齿轮为93。齿数和模数与中心距和齿倾角的关系为 （4.4）模数按上式计算的6.5、9。5、齿顷角渐开线齿轮的齿顷角：对于人字型齿轮= 取齿顷角4.4 主减速器的润滑及防护措施为了保证齿轮对啮合时有可靠的润滑，采用注喷循环润滑。采用28号轧钢机油，进游温度小于等于，回油温度小于等于。减速器漏油的主要部位是在箱盖 与箱体之间的接触面、端轴及箱体的接触处。防止箱盖与箱体之间的漏油，可将箱盖下部壁板延长插入箱体的接触处，深度为120mm140mm,延长的插板四周拐角处要焊接，并在箱盖与箱体的水平接触面图上密封胶。4.5 齿轮的材料和热处理小齿轮的材质为，大齿轮为。生产实践证明，齿轮对承载能力除了决定于齿面硬度外，同时还与齿轮对的硬面差和齿面金相组织有关，而小齿轮调质及大齿轮正火的热处理配合方式，比大小齿轮均采用调质的使用寿命高。大齿轮采用正火处理，HB190220；小齿轮采用调质处理4.6减速器的工作状态分析减速器为展开式减速器，这种两极展开式圆柱齿轮减速器结构简单齿轮对轴承的位置不对称，轴要具有较大的刚度。改进意见：如能选取“分流式”减速器，会使轧机工作更可靠，齿轮与轴承对称布置，因此载荷沿齿宽分布均匀，轴承受载平均分配，中间轴危险截面上的扭距相当于轴所传递扭距的一半。其工作草图如下：图中高速级采用人字齿轮，低速级可制成人字或直齿，结构复杂，适合变载的场合。 图 4.2 齿轮与轴承配置图齿轮机座的设计5.1齿轮机座的类型和结构1、齿轮机座的结构齿轮机座箱体一般用铸造的形式，由于齿轮机座的体积比较大，铸造的工艺要求较高，一般的厂家无能力生产。因此，箱体采用分铸拼焊结构。焊条为T42。具体的工艺要求如下：铸件退活后，对焊缝加工，焊缝要电磁探伤。将焊好的箱体整体退火，然后机加工达到装配要求。分铸拼焊结构箱体生产较整体铸造的结构要简单，易于制造；同时也有缺点：生产的周期长，需工时长，适合少量的加工。2、齿轮机座的类型在轧机的传动的装置中，齿轮机座用于传递扭距到工作机座的每一个轧辊；其特点是低速、重载、冲击的次数频繁。中小型的轧钢机的齿轮机座一般有二重式、三重式和复合式 等三种类形。其中二重式齿轮机座多用于小型的二辊初轧机，三重式齿轮机座应用于横列式中小型轧钢机；复合式齿轮机座的形式较多，其特点是齿轮的机座和减速器和在一个共同的箱体内。采用三重式齿轮机座，齿轮机座的基本参数5.2齿轮的设计5.2.1齿轮节圆的直径轧辊中心距因轧辊重车和重磨后发生变化，节圆直径 D=()/2 （5.1）=(302+298)/2=300mm5.2.2 模数、齿数、齿宽、齿顷角齿数 取1431，齿宽系数1.72.4，齿顷角为，模数为845。齿轮参数的确定是根据同类型的轧机的参数确定的。中心距： A=d=300mm端面模数 ：=12mm齿轮的工作宽度： b=720mm齿倾角：齿数：255.2.3计算力矩的确定1、计算力矩 （） （5.2）式中扭矩分配系数，取0.5；电动机最大的力；为电动机的最大的功率；为电动机的转速，为减速器的总的传动比，为减速器与连轴节的总的传动效率。4457（）0.544572228.5（）2、齿轮的材料和加工制造齿轮的材料采用，齿轮的加工精度为8级，采用滚齿法加工，退刀槽的宽度为120mm3、齿轮轴和滑动轴承轴承尺寸的确定，采用的是滑动轴承195225mm取200mmL =(1.11.5) =220300取L=220mm式中 d齿轮的节圆的直径；L滑动轴承的工作宽度；轴径直径。5.2.4轴端的强度计算轴端直径 （0.80.95）=(160190) （5.3）取160轴端的强度计算 （5.4）式中 作用于轴端的扭转力矩。许用扭转应力（0.650.75）式中轴颈材料的抗拉强度； 980M （5.5） =100() （5.6）式中 安全系数，5；5.2.5滑动轴承材料为滑动轴承采用铸钢轴承座，孔内以巴氏合金衬。滑动轴承的材料：轴承：铸锡基轴承合金 ，牌号，硬度 27。5.3密封和漏油问题漏油一般发生在分箱面和轴承端部密封处，解决方法如下：1、分箱面处的密封：对分箱面采用加601、602号橡胶漆来解决漏油。2、轴承的端部，在轴承和端盖之间的甩油环上开一个与旋转方向相反的反向螺绞，并在端盖上加一个整体的密封圈。在轴外加一个壳体，有密封、保护、防尘的作用。再连接处加密封胶。5.4齿轮机座的润滑在轧机的传动装置中，齿轮机座起着传递并分配扭矩的作用。其齿啮和的特点是低速、重载、冲击负荷大，冲击次数频繁，因此其齿轮的啮合处于极沉重的挤压负荷下工作结构上的限制，其相互啮合的齿轮对垂直配置在箱座中，因此溅油润滑比较困难。由于以上几个原因，齿轮机座用稀油集中循环润滑，润滑油强行压注到齿的啮合面与轴承处。润滑油采用轧钢机油，用HJ328号轧钢机油。.5齿轮机座的总述齿轮机座由机架、机盖、齿轮轴、主连接螺栓、键板和轴承座等主要零部件组成。1、箱体的侧壁的厚度 （5.7）=（0.0580.07）=17.421取202、齿顶距机盖的下壁和箱体上壁的最小的距离：（0.40.5）A （5.8）=120150取120mm3 、机架与机盖主连接螺栓的直径：取56mm机架由左右两个框架构成，其间配置轴承座。基价上有观查齿轮啮合的窥视空孔，以及润滑齿轮和轴承用的进油孔和回油孔。机盖上部设有透气罩，以利于散热通风和防止由于箱体内部因气压升高所造成的漏油。采用滑动轴承，因其易于制造，径向尺寸小，有利于提高轴承座的强度，还由于径向的尺寸限制。不过也有缺点：摩擦系数较大，轴承合金易于磨损，对齿轮的啮合条件有不良的影响。6 轧钢机工作机座的设计6.1工作机座的选择工作机座是轧钢机的执行机构。他是由轧辊及其轴承、轧辊调整装置，机架及辊座等部件的组成。1、普通的开式机座:具有开式机架的工作机座，其轧机上盖是可拆的，因此便于更换轧辊。2、闭口式工作机座:是一种的刚架其强度与刚度都较高3、预应力工作机座:一般闭式的机架在不工作时，机架是不受力的。而预应力轧机是用一种特殊的装置通过拉杆对机架施加外力使机架在不工作时，预先就处于应力的状态。预应力轧机开始于五十年代，此轧机属于短应力轧机的一种，即这种轧机的应力作用线较短，是因为在预应力轧机上，减少变形的环节和结合面的数量。如预应力的轧机的横梁和立柱长度比同辊径的轧机普通轧机小，以轧机轴承座代替牌坊，减少压上和压下的机构，有的根本不用，而以其他的机构替代；至于作为预应力轧机的一部分的拉杆，因用材料较少，可以用弹性模量较大的优质钢材制作。由于机架的结构得到了简化，可用厚板坯切割的到毛坯。因而这种轧钢机的刚性比同辊径的轧钢机要大，于是在轧制时可提高轧件的精度，尤其能使同一根轧件的头尾断面的尺寸偏差小，沿整个长度上保持均匀，对小型及线材轧机尤为重要。预应力轧机有多种类型，如偏心套筒式、空心拉杆式等。本次设计采用的是半机架式，所谓的半机架式即把整体的牌坊改为分开的结构，然后用螺栓拉杆把上下半机架连接成一个整体。这种轧机的图例是三辊、二辊轧钢机的机座。它是由上下半机架组成，此轧机保留了普通开式或闭式轧机的结构特点，其区别是预应力的机座对上下半机架施加了预应力。4、悬挂式机架:悬挂式的机座 有三辊式和二辊式的。三辊式的由压下装置，平衡装置，上辊组装、中辊组装和下辊组装等部分组成。在中辊轴承座的上下面各有一对螺丝拉杆，上下轴承座分别套装在螺丝拉杆上,并通过压上和压下装置使上下辊轴承座体沿拉杆的移动实现轧辊的径向的调整，拉杆的端部用螺母拧紧，构成一个装配式封闭的机架，悬挂在单边的机架上。上中下轴承座经过热处理的铸钢件，根据铸件的可能性，中辊轴承座和螺栓拉杆可以铸成整体，也可分开加工，然后将拉杆焊到轴承座上。机座的上轴用蝶形的弹簧平衡，手动压上和压下。二辊机座的结构和三辊的相似，仅将上下辊轴承座改为一面伸出两根圆柱。悬挂式机架的优点是体积小，重量轻，刚性大，整机架换辊，其缺点是设备加工质量要求高，机架都有一套备换的，资金需求量大，不易于小厂投资生产。各种型式机座比较：预应力机座优点明显。安装、维修、换辊，有开式的优点。工作时，有闭口式机架的优点，刚度、强度高，结构简单，无开口式机架的调隙装置。其显著的优点是产品质量的到了保证，这是选择预应力机做的原因。6.2轧辊与轧辊轴承的设计1、轧辊与轧辊轴承座是整个工座机做的核心部分轧辊是轧钢机中直接轧制轧件的主要部件。在轧制的过程中，轧辊直接与轧件接触，强迫轧件发生塑性变化，与此同时，轧辊承受着巨大的轧制压力作用，并由于轧辊本身的旋转使其应力随时间作周期性的变化。在热轧条件下，轧辊既接触高温的轧件而受剧热，同时又被水冷却而受急冷，冷热交加。2、轧辊的类型、结构与参数6.2.1轧辊的类型选择型钢轧机的轧辊：型钢轧机的轧辊的辊身上有轧槽，根据型钢轧制工艺要求安排孔型，孔型见孔型设计，轧辊应有足够的强度、刚度和良好的耐磨性能。轧辊工作表面的硬度是轧辊的主要的质量指标之一。6.2.2轧辊的结构轧辊由辊身、辊径和辊头三部分组成。辊径安装在轴承中，并通过轴承座和压下装置把轧制力传给机架。辊头和连接轴相连传递轧制扭矩。图6.1 轧棍辊身：辊身是轧辊直接与轧件接触的部分辊径：辊径是轧辊的支撑部分，轧辊是依靠辊身的两侧轴径支撑在轴承上。辊身与辊径交界处是应力集中的部位，是轧辊强度的薄弱环节。在辊径与辊身必须有适当的过度的圆角。轴头：轧辊两端的轴头为轧辊与接轴相连接的部分。轴头采用梅花轴头的形式。轴头的形式：梅花轴头，万向轴头，带键槽的和圆柱形轴头。6.2.3轧辊的参数轧辊的基本尺寸参数有：轧辊的公称直径D，辊身的长度L，辊径直径d和辊径长度l 以及辊头尺寸等。其中辊身长度和辊身直径是表征辊身尺寸的基本参数。辊身直径：辊身直径为轧钢机的一个重要的参数D为辊身直径即为公称直径。D=250 mm为已知辊身的长度L：L=（2.22.7）D取L=2.5D=625mm辊径 d:轴径尺寸是指轴径直径d和辊身的长度L，它与所用轴承形式及工作载荷有关， d/ D=0.55 d=165mm 取d=170mml/d=0.921.2 l=0.96d=163.2mm取 l=164mm轴承处的辊径向辊身过度处，为了减少应力集中，需要做成圆角。圆角的r=(0.050.12)D r=0.065300=19.5 取r=20mm轧辊头：梅花轴头的外径=（0.90.95）d=0.925d=157.25mm 取=160mm查表 6.2.4轧辊的材料1、对轧钢机轧辊的质量的要求是很高的 ，因为它决定轧钢机工作的好坏、生产率的高低和产品质量的优劣。轧辊的工作条件是很繁重的，轧钢时要不断被金属磨损，承受很大的动态压力，与金属之间有很大的滑动速度，有时还要经受变化幅度很大的高温影响。基于上述的原因，轧辊采用高强度的铸钢轧辊和锻钢轧辊以及高强度的铸铁轧辊。制造轧辊用的材料需要这样的性能，即轧辊能长时间的使用而不断裂，其表面磨损也很小，即既是高强度又是耐磨的，轧辊的磨损程度取决于他的硬度大小。初轧机和中轧机的六个轧辊均采用球墨铸铁轧辊，型号为2，900 280360。小型及线材轧机即小型的圆钢，螺纹钢及线材轧辊材料为高铬铸铁2、轧辊轴承1）轧辊轴承的工作特点轧辊轴承用来支撑转动的轧辊，保持轧辊在机架中正确的位置，轧辊轴的摩擦系数小，足够的强度和刚度，寿命长，以便于换辊。轧辊的工作特点是能承变很高的，比普通标准轴承所允许要大几倍的单负荷。2）选择轴承的有轧辊轴承的主要类型两种：开式（主要包括带金属轴衬的滑动轴承、带层压胶布轴衬的滑动轴承）闭式（主要包括油膜轴承和滚动轴承）选择开式的滑动轴承（具有可拆轴承衬的）摩擦系数底=0.005，寿命长，耐热性与刚性较差，这是胶木轴承的特性。非金属轴承衬的开式轴承工作轧辊选择的轴承就是这种轴承，采用胶木瓦，轴承衬瓦的形状有好几种如图，其中半圆柱的比较省料，但切向要求牢固的固定，长方形固定性好，然而用料较前着多，由三快组成的轴承衬比较省料。目前应用较多的是整压 的半圆柱形衬瓦，其优点是省料，制造方便，安装以后不需另行镗孔，而且也简化了轴承的结构并且摩擦的系数底，胶木瓦的轴瓦摩擦系数=0.005左右。由于摩擦系数低轴瓦具有良好的耐磨性，因此寿命较高，并可减少能耗；胶木轴瓦比较薄，故可采用较大的轴径尺寸，有利于提高轴径的强度；这种轴衬质地较软，既耐冲击，又能吸收进入轴承的氧化铁及等硬质颗粒，因而有利于保护轴径表面。这类轴瓦的缺点是强度底，耐热和导热的性能很差，因此需要大量的 循环水进行强制的冷却和润滑。胶木轴瓦用水润滑。 a:半圆柱形； b:长方形 c:三快组合式图62夹布胶木衬瓦的形状6.3轧辊调整装置的设计轧辊调整装置的作用主要调整轧辊在机架中的相对位置，以保证要求的压下量精确的轧件尺寸和正常的轧制条件。调整装置主要有轧辊轴向的调整装置和颈向的调整装置两种。轧辊的轴向的调整装置主要用来对正轧槽，以保证正确的孔型，用手动来完成，装置如图。图6.3 轧棍轴向调整装置轧辊的径向调整其作用是需要进行下述操作时，径向调整两工作辊之间的相对位置：1、调整两工作轧辊的轴线之间的距离，以保持正确的辊缝开度，给定压下量2、调整轧辊之间的平行度3、当更换新轧辊时，调整轧制线的高度4、更换轧辊或处理事故（如轧卡）时需要的其他的操作。轧辊的径向调整分为：上辊调整装置；下辊调整装置；中辊调整装置。本设计中的轴向调整装置采用压下装置和斜铁调整装置。中辊调整装置如图，主要用来在轴承磨损时进行微调。 图6.4 中棍调整装置下辊径向的调整装置分为手动和电动调整装置，设计采用采用手动斜切调整装置，本装置较为复杂，设计的结构与图相似，其可作为改进结。斜切的角度不可大于。a)横楔式调整装置；b)纵楔式调整装置图6.5 斜楔式下轧辊调整装置6.4机架的设计1、机架的主要形式的选择工作机架的形式有闭口式和开口式两种，选用开口式的（预应力）机架，其换辊方便，结构较为简单。2、材料的选择机架俗称牌坊，是轧钢机工作机架的骨架，它承受着经轴承座传来的全部轧制力，因此要求它具有足够的强度和刚度。轧钢机机架采用，分断铸造，用电渣焊焊成一体。也就是说选择材料为钢板，后焊接成机架。3、机架的主要的尺寸窗口的尺寸，窗口是按轴承座及轴承设计的，窗口尺寸的尺寸是由机架的形式和轧钢机的尺寸来确定，开口式机架窗口的宽度根据轧辊轴径和轴瓦铁的尺寸来确定。设计选宽度为300mm.。窗口高度的设计，考虑上下辊调隙装置的尺寸，加上三个轧辊的直径即可以，定于1050 mm.。4、立柱和横梁的断面的尺寸机架应具有足够的强度和刚度，机架的刚性表示它变形的抗力，它与机架立柱断面的尺寸有着密切的联系。机架立柱的断面尺寸由下式近似确定： F=（0.81.0） （6.1）取 F=0.9=0.9=260.1考虑强度和刚性的关系，取截面的尺寸：1920三轧辊机架的结构，由两部分组成：上机架、下机架。下机架的底座为导辊式的以利于滑动，此机架轴的位置调整方便。在上，下机架接触面要加工平整，以保证接触后机架的整体质量。上、下机架接触面处各有两个定位孔，是安装定位销的，保证机架的安装对正。上下机架对正后，将拉杆分别安于图式的位置，然后在拉杆的下端插入键板，将拉杆上端大的螺母拧上，利用杠杆的原理，用千斤顶在拉杆上施以1.2倍的轧制力。这时拉杆伸长螺母又可旋转下降一级，当螺母旋转不动时，将千斤顶移到另一个拉杆处，将另一拉杆安好。由于拉杆的巨大的压力作用，上下机架结合面紧密的接触，而形成闭式的轧机。 6.5机架强度的校核校核中的公式选用机械轧钢设备一书中 弯矩计算图 合成弯矩图6.5弯矩图根据轧辊的尺寸，得轧辊的重量G=453kg 轧制力 =（0.20.4）G （6.2） 取 =0.3G =0.3453=136（kg）上横梁通常用螺钉紧固在立柱上，当机架上有轧制力时，连接螺栓紧承受拉力，故机架应为静定刚性，但下横梁在轧制力作用下产生弯曲时，立柱将跟素随着向内变形，上横梁一般均由立柱外侧锁紧，故它不影响立柱内倾斜，而上轧辊轴承座则可能阻碍立柱互相靠近，机架在上轧辊轴承座出现静不定力T，因而还是静不定，由下面的条件确定： +=0 （6.3）式中 机架主柱和轴承座的侧向的间隙 作用力在T方向上产生的变形 静不定力在T方向上产生的变形若用表示单位力作用在T点，在T方向上产生的位移，则将=T带入上式得 + T+=0 和，用材料力学求得= = 式中 ，下横梁，立柱断面的惯性距； =633 =1266.7将求的变位带入以上的公式：T=（E=200G）确定 =0.1cm则 T=13.3-1.32=11.98kg根据各部分的弯曲应力和应力值：1、下横梁中点弯曲应力最大，其值为： （6.4）=13665/4-11.9882=1227.64下横梁上最大的弯曲应力： = （6.5）2、立柱上的弯曲力矩与下横梁连接处为最大，其值为： =TC=13.382=1090.8 （6.6）上式中T为当=0时T=13.3kg =32482.7 =308585.65 =248、为立柱断面惯量、模数和面积。立柱上的最大的应力为 =+=0.278/ （6.7）上横梁上由螺栓引起反力，按简支梁计算。上横梁的最大弯曲力矩也位点为 =2210kg （6.8） =1.74 （6.9）机架钢板机械性能应达到 式中 n为安全系数取1则 、即机械性能满足要求机架强度合格7 孔型的设计将钢锭或钢坯在轧辊在轧辊孔型中经若干次轧制变形，以获得所须的短面的形状、尺寸和性能的产品，为此而进行的设计和计算称之为孔型设计。孔型设计的内容是断面孔型设计，根据原料和成品的断面形状和形状和尺寸及对产品性能的要求确定变形方式，确定变形方式、道次和各道次变形量以及在变形的过程中所采用的孔型形状和尺寸。选择孔型系统是孔型设计的重要的内容。本设计采用传统和经验的孔型系统。保证了孔型系统选择的正确性。参考孔型设计由于篇幅所限，只将必要的数值和最终的结果列出孔型结构的确定。图14分别为轧机第一道次到第四道次的孔型变化。 图7.1 第1道次图7.2 第2道次图7.33 第3道次图7.4 第4道次表7.1 孔型参数道次（mm）（mm）（mm）（mm）（mm）（mm）11251252014.429.514.42212512514.42814.4219312512519108108 机架的优化设计8.1优化分析长期以来，四辊轧机机架结构参数设计广泛采用经验类比法，初步确定结构参数，然后再进行强度、刚度验算，必要时再进行适当修改，由于设计变量之间相互关联、影响因素很多，传统设计方法难以将其综合在一起加以分析、判断，设计出的参赛不尽合理。 大型轧机机架是轧机工作机座中重要的、最贵重的零件，它的断裂破坏会造成重大损失。因此，设计时往往选择较大的安全系数以保证机架强度，因此导致机架结构参数确定的合理与否，不仅影响产品的厚度精度，而且也影响其使用寿命和设备投资，甚至给轧机的制造、装配、运输安装、维修等方面带来一系列的困难。应用电子计算机对轧机机架进行优化设计，就是应用已有的优化程序（本文采用序列无约束级小化方法SUMT法），并根据设计要求所提出的各项技术经济指标，建立起适合本优化程序的目标函数，使之在满足结构、强度、刚度等约束条件下，获得轧机的饿合理结构参数与最佳工作性能。本文结合四辊轧机机架结构参数的设计、对轧机机架的设计作一些探讨。8.2 轧机机架结构参数优化设计的数学模型工程中的优化问题大都是有约束条件的，故其数学模型可写为： minF(x) （8.1）x Rn满足于 式中： F(x) 优化目标函数x称为设计变量，它是一个n维向量，既以n个向量为坐标轴组成的实空间。不等式约束，共有g个等式约束，共有h个。8.3 设计变量四辊轧机机架断面形状角为复杂。在机架中有的尺寸参数不是独立的，它是随其它条件或尺寸的变化而变化而变化，如机架窗口尺寸，有的参数是基本参数它是根据设计指标来确定的，如上下横梁厚度、高度，立柱的厚度与宽度，并把这些基本参数选定为优化设计的设计变量。为便于优化设计计算，通常忽略某些结构、工艺所需的凸台等的影响，并采用等效断面方法对机架（图8.1）进行简化，即用简单矩形断面代替复杂形状断面，其等效的条件是断面积和惯性矩分别相等，简化后的机架形状及设计变量如图8.2、图8.3、图8.4。图8.1 机架对机架结构参数优化设计设定n个独立设计变量构成一个n维空间Rn。图8.2 机架上横梁厚度上衡量高度立柱厚度立柱高度下横梁厚度下横梁高度机架窗口宽度机架窗口高度图8.3 机架上、下横梁及立柱厚度上衡量高度立柱厚度立柱高度图8.4 机架上、下横梁及立柱厚度上衡量高度立柱厚度立柱高度在设计计算时这些参数都是变化的，在目标函数达到最小时，同时可得到各设计变量的最佳值。8.4 目标函数目标函数是评价设计方案好坏的标准，根据不同问题和要求提出不同的设计方案评价标准。若能把这个“标准”表示为设计变量的可计算函数，然后优化这个函数则可以取得最有优设计方案。一般机架结构参数的优化目标可采用三种方案：即以机架在垂直方向上弹性变形最小；机架重量最轻以及机架在垂直方向上弹性变形和机架重量的加权和为最小做为目标函数。当优化目标函数达到最小值时，设计变量x就是最优值.8.4.1以机架在垂直方向上弹性变形最小作为目标函数这是从保证钢板可以得到较高的厚度、精度为出发点，其形式为： （8.3）式中：上横梁受弯矩后产生的变形 （8.4）上横梁受横切力所产生的变形 （8.5）立柱受拉力后产生的伸长变形 （8.6）下横梁受弯矩后产生的变形 （8.7）下横梁受横切力所产生的变形 （8.8）式中： （8.9） 当I1=I3时： 分别为上、下横梁的计算宽度和立柱的计算高度。 分别为上横梁、立柱、下横梁的断面惯性矩。，分别为上横梁、立柱、下横梁的断面积。 P机架上所承受的总轧制力。 E材料的弹性模量 G材料的剪切模量8.4.2 以机架重量最轻为目标函数 这是以减轻设备重量，从而减少设备投资为出发点，其形式为： （8.10）式中： 机架窗口宽度 机架窗口高度 材料的比重 机架结构所需要的附加重量，它们不随设计变量变化而改变，可以不计入目标函数之中。8.4.3 机架变形以机架变形和机架重量的加权和最小为目标函数，在重量一定的条件下获得较小的机架变形 （8.11）式中： a为加权系数，可由F1（X）和 F2（X）的数量级大小关系及其目标在优化设计中的重要程度等因素确定。8.5 约束条件设计过程中为了得到可行的设计方案，必须根据实际的要求对设计变量的取值常常给予种种限制，或一些附加设计条件，称为设计约束。其中包括性能约束和边界约束。8.5.1 性能约束性能约束：它是由某种设计性能或指导出的一种约束条件 1）满足机架强度条件在机架上的选择若干个危险断面，并分别规定其许用应力值，其约束条件式为： 式中： 分别为各断面上的许用应力值。2）满足机架的刚度条件式中： 为机架允许的总变形。8.5.2边界约束边界约束：又称区域约束，即对设计变量的取值范围（最大允许值和最小允许值）加以限制。 式中： 、 分别为允许的最大、最小设计变量值，当不以 F2（X）为目标函数，其量限制条件应为除不等式约束条件外，还有等约束条件，或8.6计算结果及分析以2150mm四辊轧机机架为例，有关技术数据如下：最大轧制力：机架材质：机架窗口尺寸：机架在垂直方向上最大的弹性变形f不超过1.2mm。设计变量（方案3）中8.6.1设计变量的数量及取法对设计量取值的影响 见表1表1 变量方案 方案一方案二 方案三 机架优化设计的设计变量（mm）= =机架重量152.198 152.199152.329 f10.1521932760.1521864270.15138191f20.1383094680.1383039380.138055365f30.4196260210.4196239160.419763611f40.1521932760.1521864270.15138191f50.1383094680.1383039380.135055365f1.000604651.000604650.998636161从表1看出:设计变量的数量、取法尽管不同，机架优化后设计变量的取值，机架重量以及机架的总变形量几乎相同。由此可见，用4个设计变量取代6个设计变量进行优化设计计算是可行的，既能保证工程计算精度，又可以缩短计算机的运算时间。8.6.2 以机架变形最小为目标的优化计算从表2中机架初步设计方案与方案1和方案2对比中可以看出，要减轻机架重量，必须缩小立柱的重量约占机架重量的2/3左右，缩小立柱断面尺寸对降低机架重量效果显著。另外，立柱产生的弹性变形约占机架总变形的1/2左右，由于立柱断面积减少而使弹性变形量增加，为减少机架总变形量，可通过适当增加上、下横梁的高度来达到。根据优化设计结果还原被计算的机架尺寸如图5。表2 优化对比机架结果初步设计的变量（mm）机架结构参数优化设计后的变量（mm）= 方案一方案二=机架重量（t）147.839152.327752.196架各门机的变形量f10.21933683420.1513983530.1531114862f20.1554487180.1380587430.141939872f30.3972690620.4197598330.451600539f40.21933683420.1513983530.1531114862f50.1554487180.1380587430.141939872f1.146903180.9986740251.0417100变形差-12.9-9.17重量差-3.04-3.42图8.5 机架示意图8.7 优化设计应用举例我们优化的目标是在机架体积一定的情况下得到最大的机架刚度, 即机架垂直方向的弹性变形为最小。即 （8.12）根据几何形状可知式中, V单片机架的体积。由材料力学得： （8.13） (7.1) 式可表示为(7.3) 式 （8.14）目标函数 在域上有极值, 用数值方法可解使,为最小。下面计算一个例题:R=30 000 kN, 初始尺寸 根据（7.2）式得V见表1。表1 设计变量与机架弹性变形（m）(m)f(mm) (m)有限元法f(mm)初始方案1.02.00.92 1.6288221.512878（7.3）式最优方案0.3830.3872.28481.3944161.331706有限元法最优方案0.421.52.1551.3971621.329084通过(7.3)式求得设计变量不同值时机架垂直方向弹性变形结果见图2。8.8 优化设计在实际中的应用应用前面计算方法对我公司为某外国公司设计生产的四辊中板轧机的机架进行了有限元分析及优化设计。轧机机架原方案有限元分析模型见图8.6, 原方案模型第四强度理论等效应力云图见图4, 原方案模型竖直、水平方向的变形云图见图8.5。由于受结构的限制我们对轧机机架原方案进行了优化设计:优化方案1 机架立柱两外侧各减薄30 mm, 其它尺寸不变。优化方案2 机架厚度增加50 mm, 机架立柱两外侧各减薄80 mm, 其它尺寸不变。优化方案3 机架厚度增加50 mm, 机架立柱两外侧各减薄150 mm, 其它尺寸不变。计算结果见表2。图8.6 设计变量不同值时机架垂直方向弹性变形值图图8.7机架原方案有限元分析模型及网格载荷图 图8.8 原方案模型第四强度理论等效应力云图 图8.9 原方案模型竖直、水平方向的变形云图表2 各种方案计算结果比较机架重量 (t)最大合成应力(MPa)窗口水平变形(mm)窗口垂直变形(mm)立柱截面系数(cm2)机架刚度系数(kN/mm)原方案208.15489.5881.6431.617833015460优化方案12.38589.431.6211.627807515366优化方案2206.07487.7561.5551.563810015995优化方案3195.51787.01.5441.595747015674小结：从上面的计算结果可以看出, 原设计方案与各种优化方案相比较, 机架的设计有很大的优化空间, 并且能满足各项力学指标。本文研究的成果既是传统设计的发展, 也是传统设计的革命。这将降低制造成本, 提高产品的市场竞争力。8.9 结论1、用4个设计变量对轧机机架结构参数进行优化计算是可行的，它比6个设计变量进行优化计算更为简单，且占用计算机时间更短。2、4个变量中方案2与方案3亦得相同的结果。因此，结构参数优化与设计变量的选择无关。缩小立柱断面尺寸对降低机器重量效果限制，机架总变形量的减少，可通过适当增加上、下横梁的高度来达到。由上述是计算和分析可知，对轧机架结构参数进行优化设计是可行的，它不仅可使机架重量减轻，而且可在减轻机架重量的同时增强机架的刚性，从而可提高轧机的技术性能结论毕业设计是对大学四年学习生活的一次综合性检验，它是在学完机械的各门基础课和专业基础课上为完成等教育要求，提高分析问题和解决问题的能力，而进行的一次全面的考核，他是大学生活的最后的重要环节.毕业设计的目的，是培养我们掌握科学的研究方法、步骤和工作能力、提高我们实践的知识水平，使我们的知识系统化。我设计的题目是小型轧钢机，在指导老师的帮助指导下，到工厂实习之后，参阅有关技术文献，来完成设计任务。在设计过程中，深深地包含了于信伟指导老师的辛勤汗水，对老师的耐心指导和热情帮助，我表示忠心的感谢。说明书的公差配合，标注方法采用我国现行的标准。由于我是第一次规模大的设计，加之涉及专业知识不多，实际经验不足，我虽尽了最大的努力，也灰有不足之处，敬请老师专家提出宝贵的意见，以便在以后的学习与工作中引以为机戒，更圆满的完成工作任务。致谢本次设计在指导老师的辛勤指导下，顺利完成了。在此次的设计中，我获得的许多从书本难以获得的知识，实践能力在此设计中得到了充份的锻炼，各门知识得到了很好的综合训练，不过在此设计中我也有许多的不足之处，独立思考的能力有待进一步的加强。此次的设计是我对大学生活的综合，是我参加工作前的一次全面的检查，由于在我们的地方轧钢机的设计资料比较少，感谢刘宝权老师为我辛苦的搜集资料，并且在设计的过程中，第一次独立的设计，有很多的东西很难理解，忘不了指导老师给我辛勤的指导，耐心的讲解，细致入微的纠正错误，使我少走了很多的弯路。经过两个多月的设计，我的设计基本完成了。由于是第一次独立设计，设计中难免有错误和不足。最后，我再次感谢老师的指导和帮助。参考资料 1邹家祥轧钢机械(第三版)M北京：冶金工业出版社，20002王文献机械设计手册(第一册)M北京：机械工业出版社，20043王文献机械设计手册(第三册)M北京：机械工业出版社，20044马鞍山钢铁设计院中小型轧机设计与计算M北京：冶金工业出版社，19795 濮良贵，纪明刚机械设计(第七版)M北京：高等教育出版社，20016 成大先设计手册M北京：化学工业出版社，20047 施东成轧钢机械设计方法M北京：冶金工业出版社，19918 张满泰线材生产知识问答M北京：冶金工业出版社，1992附录1Categories of stamping formingMany deformation processes can be done by stamping, the basic processes of the stamping can be divided into two kinds: cutting and forming.Cutting is a shearing process that one part of the blank is cut form the other .It mainly includes blanking, punching, trimming, parting and shaving, where punching and blanking are the most widely used. Forming is a process that one part of the blank has some displacement form the other. It mainly includes deep drawing, bending, local forming, bulging, flanging, necking, sizing and spinning.In substance, stamping forming is such that the plastic deformation occurs in the deformation zone of the stamping blank caused by the external force. The stress state and deformation characteristic of the deformation zone are the basic factors to decide the properties of the stamping forming. Based on the stress state and deformation characteristics of the deformation zone, the forming methods can be divided into several categories with the same forming properties and to be studied systematically.The deformation zone in almost all types of stamping forming is in the plane stress state. Usually there is no force or only small force applied on the blank surface. When it is assumed that the stress perpendicular to the blank surface equal to zero, two principal stresses perpendicular to each other and act on the blank surface produce the plastic deformation of the material. Due to the small thickness of the blank, it is assumed approximately that the two principal stresses distribute uniformly along the thickness direction. Based on this analysis, the stress state and the deformation characteristics of the deformation zone in all kind of stamping forming can be denoted by the point in the coordinates of the plane principal stress(diagram of the stamping stress) and the coordinates of the corresponding plane principal stains (diagram of the stamping strain). The different points in the figures of the stamping stress and strain possess different stress state and deformation characteristics.When the deformation zone of the stamping blank is subjected toplanetensile stresses, it can be divided into two cases, that is 0,t=0and 0,t=0.In both cases, the stress with the maximum absolute value is always a tensile stress. These two cases are analyzed respectively as follows.2)In the case that 0andt=0, according to the integral theory, the relationships between stresses and strains are: /（-m）=/（-m）=t/（t -m）=k （1.1）where, ，t are the principal strains of the radial, tangential and thickness directions of the axial symmetrical stamping forming; ，and tare the principal stresses of the radial, tangential and thickness directions of the axial symmetrical stamping forming;m is the average stress,m=（+t）/3; k is a constant.In plane stress state, Equation 1.13/（2-）=3/（2-t）=3t/-（t+）=k （1.2）Since 0,so 2-0 and 0.It indicates that in plane stress state with two axial tensile stresses, if the tensile stress with the maximum absolute value is , the principal strain in this direction must be positive, that is, the deformation belongs to tensile forming.In addition, because 0，therefore -（t+）0 and t2,0；and when 0.The range of is =0 . In the equibiaxial tensile stress state = ，according to Equation 1.2,=0 and t 0 and t=0, according to Equation 1.2 , 2 0 and 0,This result shows that for the plane stress state with two tensile stresses, when the absoluste value of is the strain in this direction must be positive, that is, it must be in the state of tensile forming.Also because0，therefore -（t+）0 and t,0;and when 0.The range of is = =0 .When =,=0, that is, in equibiaxial tensile stress state, the tensile deformation with the same values occurs in the two tensile stress directions; when =0, =- /2, that is, in uniaxial tensile stress state, the deformation characteristic in this case is the same as that of the ordinary uniaxial tensile.This kind of deformation is in the region AON of the diagram of the stamping strain (see Fig.1.1), and in the region GOH of the diagram of the stamping stress (see Fig.1.2). Between above two cases of stamping deformation, the properties ofand, and the deformation caused by them are the same, only the direction of the maximum stress is different. These two deformations are same for isotropic homogeneous material.(1)When the deformation zone of stamping blank is subjected to two compressive stressesand(t=0), it can also be divided into two cases, which are 0,t=0 and 0,t=0. 1）When 0 and t=0, according to Equation 1.2, 2-0与=0.This result shows that in the plane stress state with two compressive stresses, if the stress with the maximum absolute value is 0, the strain in this direction must be negative, that is, in the state of compressive forming.Also because 0 and t0.The strain in the thickness direction of the blankt is positive, and the thickness increases.The deformation condition in the tangential direction depends on the values of and .When =2,=0;when 2,0;and when 0.The range of is 0.When =,it is in equibiaxial tensile stress state, hence=0; when =0,it is in uniaxial tensile stress state, hence =-/2.This kind of deformation condition is in the region EOG of the diagram of the stamping strain (see Fig.1.1), and in the region COD of the diagram of the stamping stress (see Fig.1.2).2）When 0and t=0, according to Equation 1.2,2- 0 and 0. This result shows that in the plane stress state with two compressive stresses, if the stress with the maximum absolute value is , the strain in this direction must be negative, that is, in the state of compressive forming.Also because 0 and t0.The strain in the thickness direction of the blankt is positive, and the thickness increases.The deformation condition in the radial direction depends on the values of and . When =2, =0; when 2,0; and when 0.The range of is = =0 . When = , it is in equibiaxial tensile stress state, hence =0.This kind of deformation is in the region GOL of the diagram of the stamping strain (see Fig.1.1), and in the region DOE of the diagram of the stamping stress (see Fig.1.2).The deformation zone of the stamping blank is subjected to two stresses with opposite signs, and the absolute value of the tensile stress is larger than that of the compressive stress. There exist two cases to be analyzed as follow: 1)When 0, |, according to Equation 1.2, 2-0 and 0.This result shows that in the plane stress state with opposite signs, if the stress with the maximum absolute value is tensile, the strain in the maximum stress direction is positive, that is, in the state of tensile forming.Also because 0, |, therefore =-. When =-, then 0,0,0, |, according to Equation 1.2, bymeans of the same analysis mentioned above, 0, that is, the deformation zone is in the plane stress state with opposite signs. If the stress with the maximum absolute value is tensile stress , the strain in this direction is positive, that is, in the state of tensile forming. The strain in the radial direction is negative （=-. When =-, then 0, 0, 0,|, according to Equation 1.2, 2- 0 and 0 and 0, therefore 2- 0. The strain in the tensile stress direction is positive, or in the state of tensile forming.The range of is 0=-.When =-, then 0,0,0, |, according to Equation 1.2 and by means of the same analysis mentioned above,=-.When =-, then 0, 0, 0, and =-/2. Such deformation is in the region DOF of the diagram of the stamping strain (see Fig.1.1), and in the region BOC of the diagram of the stamping stress (see Fig.1.2).The four deformation conditions are related to the corresponding stamping forming methods. Their relationships are labeled with letters in Fig.1.1 and Fig.1.2. The four deformation conditions analyzed above are applicable to all kinds of plane stress states, that is, the four deformation conditions can sum up all kinds of stamping forming in to two types, tensile and compressive. When the stress with the maximum absolute value in the deformation zone of the stamping blank is tensile, the deformation along this stress direction must be tensile. Such stamping deformation is called tensile forming. Based on above analysis, the tensile forming occupies five regions MON, AON, AOB, BOC and COD in the diagram of the stamping stain; and four regions FOG, GOH, AOH an