机械毕业设计（论文）-结晶器振动机构设计.doc

题目题目 结晶器振动机构设计 学校名称：学校名称： 陕西电大新城分校陕西电大新城分校 指导教师：指导教师： 学生姓名：学生姓名： 学学 号：号： 2007161064102020071610641020 专专 业：业： 机械设计极其自动化机械设计极其自动化 入学时间：入学时间： 2007 年秋季年秋季 陕西广播电视大学机械制造及其自动化专业毕业设计 结晶器振动机构设计 摘要 结晶器是连铸连轧设备中的关键设备，振动装置是结晶器不可缺少的部分，文中叙述 了振动装置提高铸坯的表面质量的影响。在振动过程中，它可以促进愈合铸坯表面的裂纹， 使铸坯的表面缺陷减少。 在设计过程中，结合各个方案的优缺点确定设计方案。先给振动系统建立模型，简化机 构，综合应用机械原理、理论力学的基本理论，对结晶器振动台进行机构分析转化和运动学 分析，结合设计的问题，进行了传动系统和振动系统重要部件的设计。文中，阐述了连铸连 轧的生产流程及特点，介绍了振动装置的发展状况。并进行了结晶器振动位移的测试方法的 讨论。 关键词：结晶器 振动偏心 位移 陕西广播电视大学机械制造及其自动化专业毕业设计 目 录 第一章 引 言.1 1.1 薄板带卷的生产方式与特点.1 1.1.1 薄板带卷生产方式.1 1.1.2 薄板带卷生产方式的特点.1 1.2 薄板连铸连轧工艺流程及主要生产设备.2 1.2.1 薄板连铸连轧的工艺流程.2 1.2.2 薄板连铸连轧的主要设备 .2 1.3 国内外薄板连铸机结晶器振动装置的发展状况 .3 第二章 结晶器振动机构设计方案的确定.6 2.1 振动方式类型及选择.6 2.2 振动机构型式及选择.7 2.3 结晶器振动机构模型及参数的计算.9 第三章 驱动结晶器的机构原理 .9 3.1.1 结晶器振动台机构 .10 3.1.2 振源系统 .10 3.2 结晶器运动和铸流运动分析.11 3.2.1 结晶器的位移函数 .11 3.2.2 结晶器的速度函数 .12 3.2.3 铸流速度 .12 第四章 机构的力能参数计算及电机选择.14 4.1 机构力能参数计算.14 4.2 电动机的选择.15 第五章 结晶器传动、振动系统分析及设计计算.17 5.1 减速器分析及设计要点.17 5.1.1 减速器类型分析 .17 5.1.2 减速器设计要点 .17 5.2 减速器齿轮的设计.18 5.2.1 具体参数确定及影响因素分析 .18 5.2.2 减速器齿轮设计过程 .19 5.3 齿轮轴的设计.22 陕西广播电视大学机械制造及其自动化专业毕业设计 5.4 偏心轴的设计.28 第六章 轴承寿命计算.34 第七章 结晶器振动系统测试理论.36 7.1 测试原理 .36 7.2 测试方法 .36 7.2.1 测点位置及传感器的选择 .36 7.2.2 测试系统的组成 .37 第八章 结 论.38 第九章 结束语.39 参考文献.40 附 录.41 陕西广播电视大学机械制造及其自动化专业毕业设计 1 第一章 引 言 1.1 薄板带卷的生产方式与特点 1.1.1 薄板带卷生产方式 薄板带的连铸连轧生产线的投产，打破了传统的生产模式，标志着轧材生产方式、技术 和管理水平都进入了一个崭新的阶段。 “连铸连轧”1这个词包括如下概念：由连铸机生产出来的高温无缺陷坯，无需清理和 再加热而直接轧制成材，这样把“轧”和“铸”直接连成一条生产线的工艺就称为连铸连轧。 国外把这种工艺称为连铸坯直接轧制工艺。在连铸机拉辊的位置安装了 2-8 架低速水平轧机 和立式轧机，组成了连轧机组，铸坯过拉矫区后，经在线加热之后，进入连轧机组轧制成满 足用户需求的钢材。 连铸与连轧紧凑联结的方法是连铸坯热装和直接轧制。连铸坯热装工艺是指连铸机生产 的钢坯不经过冷却，在热状态下送如加热炉加热，然后进行轧制的方法。连铸坯直接轧制工 艺是指连铸机出来的高温板坯不再经过加热或只是对边棱进行轻度的补充加热就直接送往轧 机轧制成材。 连续铸钢的出现2，是推动钢铁工业生产的巨大动力，同时也使钢铁厂从生产模式到钢 厂结构产生了深刻的变化。这些变化带来了降低能耗，生产流程缩短，产品质量显著提高， 其结果使钢铁产品具有更大的市场竞争能力。20 世纪 80 年代，随着世界范围内的能源危机， 北美和其他地区的电炉生产厂家利用经济的废钢资源和新技术相结合，以新的生产方式与传 统的钢铁联合企业展开竞争，发展了从炼钢到轧材的连续化生产线，即所谓的短流程的生产 方式。这些发展使小钢厂所占有的市场份额迅速增加，并开始控制了全部长条材产品和结构 型钢的市场。传统的联合企业部分放弃了长材钢的产品市场，而集中生产利润丰厚的板带钢 产品。联合企业认为，板带钢市场不属于小钢厂，因为要建立薄板生产企业要很大的投资。 而世界上第一条薄板连铸连轧生产线于 1989 年 6 月在美国纽柯钢公司投入工业化生产以来， 给投资公司以新的理念，创造了吨钢设备投资的最低的水平。随着直接还原和熔融还原技术 等非传统概念的炼铁技术的发展，连铸和连轧嫁接到其后，形成了从冶炼到轧材的整个生产 过程的短流程。由于炼铁工艺部分使用焦碳作为能源来源和还原剂，产生了积极的环保效益， 投资与传统的工艺持平，能耗的消耗显著下降。 1.1.2 薄板带卷生产方式的特点 连铸连轧技术的特点具体有以下几方面2： （1）生产周期短，从钢水到产品的生产流程从数天或者 5-6 个小时，缩短到 0.5 小时； 陕西广播电视大学机械制造及其自动化专业毕业设计 2 （2）占地面积小，对于薄板坯连铸连轧厂占地面积约为常规流程的四分之一； （3）固定资产投资小，尤其是薄板坯连铸连轧厂固定资产投资优势明显，约为常规流 程的五分之一； （4）金属的收得率高，金属收得率显著增高，尤其是无头轧制技术的长材率超过了 99%； （5）钢材性能好，由于铸坯过程中的快速冷却，板坯铸态组织致密，钢水的冷却强度 很大，改善了钢材的质量。对于某些低合金钢，由于坯料无相变加热有利于微合金元素的完 全溶解，在 - 的相变过程中，晶粒得到了细化，这对改善轧件组织是有利的； （6）能耗少，由于采用热送热装、感应加热以及 ECR 等技术，能耗损失仅为常规生产 方式的 35%-45%；电耗仅为常规流程的 80%-90%；生产成本降低 20%-30%； （7）工厂定员大幅度降低，棒材厂可减员 20%；薄板坯连铸连轧厂的定员仅为常规热 带厂的 13%； 但是，连铸连轧的生产方式存在的最关键的问题是，如何保证生产过程的在线、离线协 调一致。这是一个复杂的系统工程，它需要计划、调度、生产和设备诸方面协调配合的一致 性来保证生产过程的稳定进行。 1.2 薄板连铸连轧工艺流程及主要生产设备 1.2.1 薄板连铸连轧的工艺流程 在典型的薄板坯连铸连轧生产线上，工艺流程的主要环节如下：钢水-中间包-结晶 器-二冷区-飞剪机-均热炉-高压水除鳞-（立辊轧边机）-（粗轧机座）-保 温炉-高压水除鳞-精轧机组-近距离卷曲机-层流冷却-远距离卷曲机-打包入库 1.2.2 薄板连铸连轧的主要设备 薄板坯连铸连轧技术有 CSP 技术、FTSR 技术和 CONROLL 技术。分别介绍如下2： 1.CSP 技术：概念是紧凑式薄板坯生产线，最早是由德国施罗曼-西马克公司于 1982 年 试验成功，后移植美国纽柯公司，于 1989 年经过技术改造建成第一台 CSP 连铸连轧短流程 生产线。 CSP 主要采用的设备分别是：（1）连铸设备是立弯型连铸机，垂直高度为 1.2m,弯曲半 径为 3.05m；（2）漏斗形结晶器，结晶器的断面在宽面垂直方向是上大下小的带锥度的漏 斗形状，漏斗中间上部空间较大，可以使用常规浸入式水口，也有利于夹杂物的上浮。在中 间漏斗区以外的两侧壁板仍然是平行的，结晶器出口处两壁间的距离相当薄板坯厚度。一般 浇铸厚度为 40-50mm。漏斗形结晶器也可以使用异形浸入式水口，以便注流在结晶器内有适 宜的流场，坯壳可以均匀生长。在凝固收缩过程中，铸坯能够自然地从弧形过度到直线段。 结晶器内的坯壳有弧形变成直形所承受的应力要小于该温度下坯壳强度，否则有产生裂纹的 可能。 （3）结晶器下口的支承装置是冷却隔栅，长度约 700mm；冷却隔栅下面是框架组成 陕西广播电视大学机械制造及其自动化专业毕业设计 3 的辊支承段；导辊是由多点支撑的分节辊组成，既可防止铸坯发生鼓肚变形，又可避免导辊 的变形。以凝固的薄板坯经 1.2m 的直线段，弯曲后一点矫直。二冷区分 6 个喷水冷却段， 每段 6-8 个喷嘴，每排喷嘴相距 80mm，喷嘴距铸坯 75mm，冷却铸坯的比给水量在 0.8- 2.5L/kg。1-3 段采用圆形喷嘴，4-6 段采用椭圆形喷嘴。当比给水量在 1.8L/kg 时，出坯区 薄坯表面温度可在 1150左右。 （4）采用的连轧设备是辊底式均热炉，薄板坯进入均热炉 后只需要停留 20min，就可以从 1080升至 1100，因此铸坯表面氧化铁皮极薄，无需机 械除鳞。CSP 生产线的均热炉长约 162m，可以放置 45m 长的长铸坯 3 块。同时也能起到连铸 连轧的缓冲。 2.FTSR 技术：在此工艺中，离开连铸机时厚度为 35-70mm 范围的板坯通过一套热轧机 轧制至最终厚度。为改善表面和内部的质量，板坯从结晶器出口厚度一般为 50-80mm，通过 对结晶器出口的板坯实施软压下，亦称液芯压下来获得最终坯厚。 采用设备是：（1）板卷机。对输出的中间坯进行矫直和平整，双侧移卷臂用以降低内 部带卷的过冷。 （2）精轧机组。特点：液压自动控制厚度，工作辊正弯辊、工作辊抽动、 RTC 轧辊热凸度控制、自补偿支撑辊、高压水轧辊清洗、快速换辊。 （3）重型液压地下式卷 曲机。特点：双扩径芯轴、外伸轴承、液压定位和压力控制的助卷辊、助卷辊上的“跳跃” 控制、卷取机插入式芯轴、在轧件尾部离开精轧机时能向带钢提供后张力的夹送辊。 1.3 国内外薄板连铸机结晶器振动装置的发展状况 最早的连铸采用的是静止的结晶器2，铸坯直接从结晶器向下拉出，因为铸坯极容易与 结晶器壁发生粘结，很难进行正常浇铸，这时人们发现应用润滑油可显著提高润滑效果、降 低结晶器摩擦力，但是由于钢水液面及拉坯速度的变化阻止了油膜的形成，从而不会产生明 显的润滑效果。为了弄清楚摩擦力的形成原因，人们对静止的结晶器连铸过程的摩擦力进行 了测量。测试显示碳含量 0.1%钢的摩擦系数大约只有含碳量 0.4%钢的 1/2-1/3。 结晶器振动技术早期只应用于有色金属的浇铸，直到 1949 年，才有 S.Junghans 最先将 其应用于钢的浇铸，其目的是为了有效的减低铸坯与结晶器的摩擦力。S.Junghans 的这一 成果，对推动连铸技术的发展，使其从实验室走向社会工业化起到了极其重要的作用。 从结晶器的发展可以看出，由于人们对结晶器振动技术的认识和理解不同，振动技术经 历了一个曲折的发展过程，概括起来，大致可以分为三个阶段： 1）60 年代及以前的时期。这是连铸技术从无到有，从实验室走向工业化应用的关键时 期。连铸技术的出现，引起了冶金工作者的广泛关注，人们纷纷展开实验室研究，为了克服 静止结晶器浇铸时出现的粘结漏钢，首先对粘结性漏钢机理进行了研究。由于这种机理认识 的不同，相应地发展了各种结晶器振动技术。其中以基于“撕裂-焊合”理论的 3：1 型振动 方式占主导地位，因机械制造困难及维护方面的原因，后来发展了基于偏心轮实现的正弦运 动。正弦振动具有速度、加速度变化平衡，振动过程无冲击，结构简单，易于制造，安装等 优点，加上负滑动理论的不断发展和完善，正弦振动开始得到了广泛的关注。 2）70 年代至 80 年代初。 这是连铸技术工业化应用大发展及提高铸坯质量的时期。因 陕西广播电视大学机械制造及其自动化专业毕业设计 4 为连铸技术与传统的模铸相比有巨大的优越性，所以连铸技术开发成功后迅速地得到了广泛 的应用。 与振动密切相关的铸坯表面振痕对铸坯表面质量有很大的影响，人们便开始重视振动方 式。振痕除通过凹坑形成应力集中外，有时还能在振痕下观察到正偏析。在振痕底部热阻的 增加了局部冷却速率，延缓了坯壳的生长，进而局部微观组织粗化，增加了横向裂纹及表面 裂纹的敏感性。对奥氏体不锈钢，溢流“钩”中微观组织的粗化加上偏析作用会使铸坯表面 振痕深度超过 0.3mm,热轧前必须进行修磨，否则无法热轧。因此，为了改善铸坯表面质量， 必须减少振痕深度。 通过研究发现，负滑动时间对振痕深度有较大的影响，对于正弦振动，负滑动时间与振 动各参数有密切关系。为了减少负滑动时间，以减少振痕深度，提高铸坯表面质量，采用高 频率，小振幅振动方式起到了积极作用。 3)80 年代后期到 90 年代。 连铸技术通过半个世纪的发展，已经逐步走向了成熟，常 规产品质量矛盾已经不突出。然而由于炼钢技术的不断完善，炼钢节奏不断加快，炉子出钢 量增加，与炼钢及后步工序的轧钢能力相比，已有的连铸机生产能力便成为整个生产过程中 的限制环节。广大科技工作者开始寻求提高现有的连铸机生产能力的途径。根据报道，日本 的 NKK 早在 80 年代初就开始了提高拉坯速度的高效连铸技术的研究工作。 负滑动时间对铸坯表面质量有较大的影响，可以减少铸坯表面振痕的深度。但是对于正 弦振动模式，随着负滑动时间减少，结晶器壁与铸坯之间因粘结而拉漏的几率将大增，特别 是这种振动模式应用与高拉速时，负滑动时间很难控制，铸坯与结晶器之间的润滑减弱。因 此，有必要对结晶器振动模式进行研究。日本铃木斡雄等通过测量结晶器壁温度及振动摩擦 力，研究了振动曲线对结晶器传热及润滑行为的影响，提出一个基于液压伺服系统非正弦振 动模式，为福山钢管厂实现 2.5-3m/min 的高速浇铸奠定了基础。 继续日本将液压伺服振动结晶器应用于连铸之后，法国 IRSID2与 CLECIM 合作进行了 相应的研究工作。于 1987 年公布了其实验结果。研究结果表明，应用非正弦振动可以有效 地减少结晶器内的摩擦力，使振痕深度减轻，铸坯表面质量得以明显改善。在前面实验的基 础上，IRSID 与 CLECIM 又新设计制造了两台液压振动工业实验装置，分别安装在了索拉克 厂的流板坯连铸机的 2 号机和 Unimecal Normandie 厂的 8 流小方坯连铸机的一流上。首 先他们在这两个装置上采用了与机械振动系统相同的正弦波形及控制方式，应用于各自的铸 机上进行长期的工业试验。结果表明铸坯表面质量和机械振动系统相同，同时也验证了液压 振动系统的可靠性。随后在 SOLLAC 厂进行了非正弦振动实验，其金相分析结果表明，生产 的低碳钢的振痕深度至少减少了 25%,在 UN 厂，虽然他们应用液压振动仍进行了正弦振动试 验，但是在控制上对正弦振动模型进行了优化控制，结果表明，低碳钢方坯的表面缺陷减少 了 75%。 CLECIM 后来又为 SOLLAC 厂设计制造了一台工业性液压振动装置，采用全数字控制方式， 在控制上具有更大的灵活性和适应性。该设备液压源压力为 18Mpa，电动机功率为 110KW， 陕西广播电视大学机械制造及其自动化专业毕业设计 5 于 1993 年 3 月安装在 SOLLAC 厂 2 号板坯连铸机上，目前该连铸机主要生产超低碳钢，C 含 量为 0.025%及小于 0.01%。生产结果表明，应用非正弦振动，其振痕深度比用正弦振动至少 减少了 30%，并且可以减少凝固钩的数量，显著减少皮下缺陷，从而大大提高了最后轧制成 品的表面质量。现在，该厂一直采用给正弦振动进行生产，并计划改造另一流板坯振动系统。 英国的 Stocksbridge 工程钢厂的圆方坯连铸机主要生产特殊钢，应用液压振动改造后， 生产实践表明，用液压非正弦振动系统不仅可以减少振痕深度，减少卷渣，提高铸坯表面质 量，而且该厂的漏钢率也从原来的 3%下降到了 1%。 与此同时，德马克公司在阿维迪薄板坯连铸机上，开发成功了薄板坯液压振动系统。日 本住友在其 90-120mm1000mm 试验连铸机上采用了液压振动技术，起普碳钢的试验拉速为 5m/min；中碳钢等钢种的试验拉速为 3m/min。奥钢联已经在其薄板坯连铸机上，卢森堡则 在其方坯以异形坯连铸机上开始装备液压振动系统，并开始了自带振动系统的结晶器的研制。 另外，日本神户、新日铁、英国 ECSC 等都相继开始液压振动的研究。 陕西广播电视大学机械制造及其自动化专业毕业设计 6 第二章 结晶器振动机构设计方案的确定 为了防止在连铸过程中出现漏钢的发生，一方面可以 通过润滑等措施减少粘接现象的 发生，一方面可以采取结晶器振动的方法，使结晶器与铸坯之间有一段同步运动的过程，在 这个过程中使断裂的坯壳得以愈合。 振动的具体过程如下：在整个浇注过程中，结晶器作往复振动运动，在往下运动的过程 中，与铸坯的速度相等时，坯壳与结晶器没有相对运动，因而使钢水有机会凝固成有足够强 度的坯壳，从而将断裂的两部分连接起来。根据实验，只要同步下降时间有 0.51S，被拉 断的坯壳会牢固地连接起来。结晶器作上下振动能周期性地改变钢液面和结晶器壁的润滑状 况，减小粘接阻力和摩擦阻力。还可以改善铸坯的表面质量。 2.1振动方式类型及选择 结晶器振动方式是指结晶器运动速度的变化规律，有三种： A 同步振动 同步式振动是最早的振动形式，其速度变化规律特点是：结晶器在下降时与铸坯作同步 运动，然后以三倍的拉速上升。上升和下降都是等速运动。这种振动方式需要采取凸轮机构， 加工制造比较麻烦。同时，由于运动过程中产生冲击力，影响结晶器振动的平稳性，对铸坯 质量和设备的正常运转都是不利的。 B 负滑脱振动 负滑脱振动是同步振动的改进形式，其主要特点是： 1）结晶器的下降速度稍大于拉坯速度，有一个参数称为负滑差率，用来表示结晶器下 降速度和拉速之间的滑差率。如果负滑差率太大，容易在铸坯表面上产生振动痕迹，所以， 一般取其值在 5 到 10 之间。优点是：当结晶器下降时使坯壳中产生压应力，以促进断裂的 坯壳压合，也有利于脱模。 2）结晶器在上升和下降的转折点处，速度变化比较缓和，利于提高运动的平稳性。 在结晶器上升时，坯壳承受拉应力，下降时承受压应力，因此在确定振动参数时，应使 开始下降时的加速度大些，开始上升时的加速度取小些。 负滑脱式振动是一种较好的振动形式，但是也是靠凸轮来实现的。 陕西广播电视大学机械制造及其自动化专业毕业设计 7 C 正弦式振动 正弦式振动时，结晶器的运动速度是按正弦规律变化的。其特点是： 1）由于正弦振动中没有稳定的速度阶段，所以结晶器和铸坯之间没有同步运动阶段， 但有一西欧啊段负滑脱阶段，有利于促使坯壳愈合。 2）由于速度是按正弦运动变化，加速度是按余弦规律变化，过渡比较平稳，没有很大 的冲击。 3）因加速度较小，有可能提高振动频率，利于提高脱模作用，消除粘接现象。 4）正弦式振动是通过偏心轮来实现的，制造比较容易。 5）因结晶器和铸坯之间没有严格的相对速度关系，所以，当拉坯速度变化范围不太大 时，振动机构和拉坯机构之间的联锁的重要性也不大，可以简化电气系统。 由于上述的优点，现代工业化连铸机的结晶器振动机构，多是按照正弦振动方式设计。 综上所述，本设计题目选择正弦振动方式。 2.2振动机构型式及选择 结晶器的振动装置的结构包括两个基本部分：实现结晶器运动轨迹的部分和实现结晶器 振动的部分。 按照结晶器运动轨迹（弧线）的实现方式分为：导轨式、长臂式、复合差动式、短臂四 连杆式和四偏心轮式。 小方坯连铸机用短臂四连杆振动机构常安装在内弧侧，大板坯连铸机四连杆机构常装在 外弧侧。四偏心轮振动机构在最近新建设的大型板坯连铸机上采用的也很多，多用来实现高 频振动。 按照结晶器振动的实现方式分为强迫振动、弹簧自由振动、复合式振动和液压振动或伺 服振动。本设计题目采用带有气囊减震的强迫振动。 A 导轨式振动机构 导轨式振动机构是通过具有一定半径的弧形导轨和滑轮来使结晶器实现弧线运动的。由 于振动行程很小，弧形导轨也可以用两段折线来代替，以便简化加工。导轨可以故地在浇注 平台的钢结构上，也可以固定在二次冷却装置的机架上，这样便于对弧。滑轮也可以用滑块 代替。它们是固定在结晶器的外壳或框架上的。结构比较简单，早期使用较多。 B 长臂式振动机构 长臂式振动机构是通过一根长臂来实现弧线运动，长臂的工作长度等于圆弧半径，一端 为支点，即连铸机的圆弧中心，它是铰接在建筑结构上的。另一端上装着结晶器，可以绕支 点做弧线摆动。长臂是通过振动机构实现上下振动的。长臂式振动装置能准确地实现弧线运 动，结构也比较简单，这种振动机构对拆装二次冷却装置及拉坯矫直机不太方便，现已淘汰。 C 复合差动式振动机构 陕西广播电视大学机械制造及其自动化专业毕业设计 8 复合差动式机构是我国自行开发的一种振动机构。结晶器固定在由弹簧支撑的振动框架 上，用凸轮和偏心轮强迫框架下降，利用弹簧的反力使其上升。该振动机构运动轨迹精确， 机构简单，运动件及轴承较少，方便维修及快速更换。而且由于有弹簧支撑，不但使拉破坯 壳的危险大大下降，还能使有关运动件及齿轮和齿条等啮合件永不脱离啮合。 D 短臂四连杆振动机构 四连杆机构中的连杆 CD 在某一瞬时的运动是绕瞬时中心 O 作弧线运动的，圆弧半径为 OD。因此，只要恰当地选择四连杆中各杆的尺寸参数，使 OD 正好等于连铸机的圆弧半径 R，使结晶器处在 CD 杆的位置， ，便可以实现结晶器的弧线运动。由于结晶器的振幅与圆弧 半径相比很小，因此瞬心位置变化造成的运动误差在理论上很小，不大于 0.1mm，可以忽略。 图 2.1 四连杆 机构 E 四偏心轮振动机构 四偏心轮振动机构是西德曼内斯曼公司于 70 年代开发，80 年代加以改进的一种振动机 构。结晶器的弧线运动是利用两对偏心距不同的偏心轮及连杆机构而产生的。结晶器运动的 弧线定中是利用两条板式弹簧使结晶器只作弧形摆动，而不能产生前后左右的位移。适当选 择弹簧的长度，可以使运动轨迹误差不大于 0.02mm。 振动台架是钢结构，结晶器及冷却水管快速接头、振动机构及驱动系统及第一段二冷夹 辊都装在这个振动台架上，便于整体吊运。 优点是偏心轮连杆的推力作用于振动台的四角，不会由于结晶器内阻力作用点的偏移而 使结晶器作不平稳运动。 本设计题目选择四连杆机构作为振动装置的型式。 陕西广播电视大学机械制造及其自动化专业毕业设计 9 第三章 结晶器振动机构模型及参数的计算 结晶器振动台位于浇注平台下方，是薄板坯连铸机的关键技术和核心部件。在连续铸钢 过程中3，钢液通过水口注入结晶器，并和结晶器内的闭环冷却水快速地进行热交换，在与 铜板接触部位形成坯壳，通过结晶器振动台高频小幅的振动，结晶器和坯壳之间形成相对运 动，即工业上所说的“正滑脱”和“负滑脱” ，使保护渣进入结晶器铜板和凝固坯壳之间的 间隙，形成一层完整的润滑膜，对脆弱的坯壳进行保护和润滑。在“负滑脱”时，结晶器下 部的液态保护渣被板坯拉出，有利于防止渣圈封闭和凝结，避免坯壳粘结在结晶器铜板上而 发生粘钢型漏钢。 设计题目所给参数如下： 结晶器的断面尺寸：651560（毫米毫米） 拉坯速度：45.5 米/分钟 结晶器的振动波形：正弦波 振幅： 3 毫米 结晶器振动驱动形式：电动机-机械驱动 负载：12 吨 3.1 驱动结晶器的机构原理 传动机构类型：偏心四连杆 机构传动形式：两流连铸机的结晶器振动台采用对称布局的形式 陕西广播电视大学机械制造及其自动化专业毕业设计 10 铸流中心线 1-电动机 2-双输出减速机 3-左侧振源机构 4-右侧振源机构 5-结晶器 6-左侧平行四边形 7-右侧平行四边形 图 3.1 结晶器振动台布置图 3.1.1 结晶器振动台机构 在平行于铸流方向的两侧，各有一个相同的振动机构4（如图 3.1） ，由一台电动机通过 一台双输出减速器，同步地驱动两个振源机构的偏心部件产生振动，振源机构通过一个推杆 和平行四边形机构相连，这样就将振源机构的高速旋转转化为平行四边形的高频小幅振动。 结晶器坐落在由这两个机构形成的等高的平面上。由于平行四边形机构的运动特性，结晶器 在整个振动过程中一直保持着竖直状态。 将该机构进行转化：将两侧的振动机构分别向中心平面投影，得到一个完全重合的机构， 这样就将振动台的空间机构转化为平面机构。 （如图 3.2） 图 3.2 结晶器振动台机构简图 从图中可以看出，振动平面在做一个围绕 3 O 点的转动，但转角非常小，水平方向上的 位移可以略去不计，可以认为结晶器振动台是在做上下运动。 3.1.2 振源系统 振源振幅的形成和调整4：振动台的振源系统是由电动机通过减速器驱动的一套偏心部 件，每套偏心部件是由一个偏心轴和一个偏心套以及它们的平面对齿啮合的定位锁紧装置组 成，平面对齿的齿间角为 6。这样，可以以 6 的整数倍角度去调整偏心轴和偏心套之间的 相对位置，就可以改变偏心部件的偏心量，从而改变振源的振幅。 振源振幅的计算方法：根据矢量迭加原理，偏心部件偏心量为偏心轴的偏心量 1 E 和偏 振动台 铸流方向 缓冲 气囊 陕西广播电视大学机械制造及其自动化专业毕业设计 11 心套的偏心量 2 E 的矢量和，即 12 EEE ，如图 3.3 所示。 图 3.3 偏心量计算简图 振源振幅即为偏心部件振幅： 12 22 121 221 2cosAeeeeE OE （3-1） 现确定偏心轴和偏心套的偏心量如下： 12 6,4 mmmm ee ，计算可得出 minmax 2,10 mmmm AA ，振源振幅可在 2-4 范围内可调。 结晶器振幅和振源振幅的关系： 如图 3.2 所示，由于振幅相对机构尺寸很小，杠杆 3 BO C 的转动角非常小，可以认为 B 点的振动范围和 G 点相同，即振源振幅和结晶器振幅之比为： :1320:11001.2:1A H （3-2） 根据薄板连铸工艺理论，结晶器振动范围设定在 3mm 和 5.1mm 之间。本设计题目选取 3mm 。 结晶器行程和偏心轴和偏心套之间夹角的关系： 根据公式（3-1） 、 （3-2） ，角 21 E OE 从 0开始每隔 6取值，可以得出 2H、2A 和 21 E OE 的关系数据。 表 3.1 结晶器行程、振源行程和偏心轴和偏心套之间夹角的关系数据 0636102180324354360 4.04.17.315.720.07.34.14.0 3.33.46.013.116.76.03.43.3 从表 3.1 可看出，结晶器行程可以在 3.3-16.7 之间离散可调，其中，0到 102的行 程与设计的数据完全相符，说明假设和推理计算的正确性。还可以看出，振动台的同一振幅 可以通过偏心轴和偏心套的两种夹角位置关系将其调整出来。本设计题目结晶器振动台的行 程为 6mm,故振源系统偏心轴和偏心套之间的夹角应该为 36或 324利用关系数据可以在 检修中准确地对测量结果进行分析，及时确定调整方案，节省检修时间。 3.2 结晶器运动和铸流运动分析 3.2.1 结晶器的位移函数 振动台的振源机构相当于曲柄滑块机构，G 点的运动简图如图 3.4 所示。 陕西广播电视大学机械制造及其自动化专业毕业设计 12 图 3.4 结晶器振动台的振源机构简图 故 G 点的位移为： sinsin 2 G SAtAft 根据公式（3-2） ，并考虑位移方向相反，则 C 点的位置函数为： /1.2sinsin 2 C SAtHft 为了计算和讨论方便，将其取正，则结晶器的位置函数和 C 点的位置函数相同，可以写 成 sin 2 MC SSHft （3-3） 式中： M S 结晶器的位移； H结晶器的二倍振幅即结晶器的总行程； 0.003;Hmm 振源旋转角度 =2 f ； f 振源振动频率，和结晶器振动频率相同； 3.2.2结晶器的速度函数 对结晶器的位移函数式（3-3）求 t 的一次导数，便得出结晶器的速度函数，即 /2cos 2 MM dSdtHfft （3-4） 式中： M 结晶器速度； 结晶器速度曲线为余弦，速度的最大值 maxM =2 Hf 在结晶器的一个行程范围内，速度会出现两次最值，即上行最大值和下行最大值。 3.2.3 铸流速度 在连续铸钢时，铸流为连续向下运动，其路程可以表示为： ss xt ，铸流速度等于拉 速。 陕西广播电视大学机械制造及其自动化专业毕业设计 13 sc 式中： s x 结晶器的路程； s 铸流速度； c 拉速； 陕西广播电视大学机械制造及其自动化专业毕业设计 14 第四章 机构的力能参数计算及电机选择 4.1 机构力能参数计算6 根据 炼钢机械式（10-17）可得机构振动频率5 1000 (1) 22 aV VV f HH 式中： a V 最大拉坯速度 V 负滑动率（根据常规，一般选取为 30%-40%，此处取 35%） H结晶器振幅 可得： min 286 r f 计算振动机构的驱动功率P： 1000 ta PV P 上式中的 t P 可由下式求得 tV PQFP 式中： t P 振动总负荷 Q振动台及承载静负荷 F结晶器内的阻力 V P 结晶器动负荷 分别计算如下： （1） 2 120009.8117600 m QmgkgN s 式中：m振动负荷质量 （2） V Pma 根据公式（3-4） ，可以得到振动加速度 /22sin 2 M adVdtfHfHft 可得： 2 max 2.7 s m a 陕西广播电视大学机械制造及其自动化专业毕业设计 15 综合以上计算，可得： 32400 V PN （3）铸坯在结晶器内的阻力主要包括铸坯与结晶器内壁的粘附力和铸坯运动的摩擦力。结 晶器内阻力的大小与结晶器的内腔尺寸、制造安装精度、结晶器的润滑和振动情况有关。具 体数值可以按下式（6-41）计算： 23 0 10 gk FBBDR F 式中：F结晶器内的阻力，N 钢水密度， 3 kg cm B坯宽， 3 cm BDR结晶器开口宽度，cm k F 结晶器液面到下口的距离，cm 0 铸坯与结晶器壁的摩擦系数，取0.3 0.5 结晶器内的阻力也可以用下式（6-42）进行简单估算： 9.8 1000 1500FL 式中：L结晶器周边长，m 可得： 9.8 1250 2 0.065 1.56039813FN 综合以上计算，可得： 1176003240039813189813 t PN 可得驱动电动机的功率： 189813 5.4 21.4 100060 1000 0.8 ta PV Pkwkw 4.2 电动机的选择 选择电动机应综合考虑的问题： 根据机械负载性质和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速等要求，选择电动机 的类型。 根据负载转矩，速度变化范围和启动频繁程度等要求，考虑电动机的温升限制、过载能 力和启动转矩。选择电动机功率，并确定冷却通风方式。所选择的电动机功率应该留有余量， 负荷率一般在 0.70.8 之间。过大的备用功率会使电动机的效率降低，对于感应电动机，其 功率因数将变坏，并使电动机最大的转矩校验强度的生产机械造价提高。 根据使用场所的环境条件，如温度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀和易燃易爆气体等考虑 陕西广播电视大学机械制造及其自动化专业毕业设计 16 必要的保护方式，选择电动机的结构型式。 根据企业的电网电压标准和对功率因数的要求，确定电动机的电压等级和类型。 根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程性能的饿要求，以及机械减 速机构的复杂程度，选择电动机的额定转速。 除此之外，选择电动机还必须符合节能的要求，考虑运行的可靠性、设备的供货状况、 备品备件的通用性、安装检修的难易，以及产品价格、建设费用、运行和维修费用、生产过 程中前后期电动机功率变化关系等各种因素。 综合分析上述影响因素，本设计题目选择 Y 系列（IP44）三相异步电动机， （JB/T 9616-1999）,型号为 Y200L-4,额定功率 30 千瓦，转速 1470 转/分，重量 253 千 克。安装及外形是机座带底脚、端盖无凸缘。 第五章 结晶器传动、振动系统分析及设计计算 陕西广播电视大学机械制造及其自动化专业毕业设计 17 在该设备的传动系统中，有两部分至关重要，这两部分是减速器和偏心轴。减速器必须 保证精确的传动比，以保证振动装置可以保证振动频率。偏心轴对于保证振源振幅及结晶器 振动台的振幅起着不可替代的作用。所以，本设计题目分别对这两部分进行设计。 5.1 减速器分析及设计要点 5.1.1减速器类型分析 减速器是指原动机与工作机之间独立的闭式传动装置，用于降低转速并相应的增大转矩。 此外，在某些场合，也用作增速装置，称为增速器。 减速器按用途分为通用减速器和专用减速器两大类。我们学的是通用减速器。根据齿轮 轴线相对于机体的位置固定与否，又可以分为定轴齿轮减速器和行星齿轮减速器。定轴齿轮 减速器又分为圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器、圆锥-圆柱齿轮减速器、蜗杆减速器、齿 轮-蜗杆减速器等。行星齿轮减速器包括渐开线行星齿轮减速器、渐开线少齿差行星轮减速 器、摆线针轮行星减速器、谐波齿轮减速器以及联体式减速器机等。减速器按传动级数，可 以分为单级和多级；按其轴在空间的相互配置又可分为卧式和立式等。 5.1.2减速器设计要点 减速器设计时应注意的问题： （1）首先考虑动力机和工作机的相对位置 1）平行轴或者同心轴，可以选用圆柱齿轮减速器、行星齿轮减速器、摆线针轮传动、 谐波齿轮传动等减速器。 2）直交轴，可以选择锥齿轮或圆锥-圆柱齿轮减速器。 3）交错轴，可以选择蜗杆蜗轮或圆柱齿轮-蜗杆减速器。 （2）考虑传动比的大小 对于单级减速器来说，圆柱齿轮的传动比小于 7-8；锥齿轮的传动比一般小于 5，多数 小于 3；蜗杆蜗轮传动比一般小于 60；摆线针轮减速器的传动比一般小于 71；谐波齿轮的 传动比一般小于 200；当单级传动比大于 100 时，应优先选择效率较高的谐波齿轮行星减速 器。单级减速器 不能满足传动比要求时，可以采用多级减速器，但传动效率降低。当传动 类型不同时，单级和多级传动的效率需进行方案比较，以选择效率较高的方案。当传动比比 较大时，应优先选择结构紧凑的行星减速器。 一对齿轮的传动比不可取的过大，否则，大小齿轮的尺寸相差悬殊，增大传动装置的结 构尺寸。一般对于直齿圆柱齿轮，传动比小于 5；斜齿圆柱齿轮，传动比取 6 或 7；当传动 比大时，可以采取两级传动或者多级传动。 陕西广播电视大学机械制造及其自动化专业毕业设计 18 （3）考虑传递功率的大小 1）圆柱齿轮减速器的传递功率的范围很大，可以从很小到 50000KW，行星减速器最大 为 6500KW。当传递功率小于 100KW 时，锥齿轮、蜗杆蜗轮、摆线针轮、谐波齿轮减速器 均可以选择。 2）普通蜗杆减速器由于效率低，所以不宜大功率连续传动。 3）少齿差行星传动减速器（渐开线、摆线针轮、谐波等）主要用于中、小功率传动。 4）小功率传动，应该在满足工作性能的前提下，选用结构简单、成本低的传动装置。 （4）考虑效率的高低 1）圆柱齿轮传动的效率最高；锥齿轮次之；行星齿轮减速器传动的效率与结构形式有 关，即使传动比相同，相差也较大；蜗杆传动一般效率较低，但是各种蜗杆传动效率的范围 很大，尽可能选择效率高的新型蜗杆减速器。 2）大功率传动应主要考虑传动的效率，以节约能源、降低运转和维修费用。 根据电动机功率、转速和振动台的振动频率，综合以上注意事项，选择设计斜齿圆柱齿 轮减速器。 5.2 减速器齿轮的设计 5.2.1 具体参数确定及影响因素分析 （1）齿轮材料 在选择齿轮材料及热处理方式时，应该根据齿轮的工作要求、载荷的性质及失效的形式 等因素综合考虑。对齿轮材料的基本要求是：齿轮有足够的硬度和耐磨性；轮齿有足够的抗 弯曲强度及冲击韧性；易于加工达到所需要的精度；对于高速齿轮，还应该有良好的抗胶合 能力，通过热处理可以改善材料的力学性能，提高齿面硬度，发挥材料的潜力。 提高齿面的硬度，既可以提高接触强度，又可以提高抗磨料磨损及抗塑性变形的能力， 硬齿面齿轮与软齿面比较，其综合性能提高 12 倍以上；或在相同承载能力下硬齿面传动 的尺寸要比软齿面传动的尺寸小的多。除非受生产技术条件的限制，一般应尽量采用硬齿面 齿轮。若受热处理工艺或加工条件限制，不能制造大尺寸的硬齿面齿轮时，则应尽可能将小 齿轮做成硬齿面或者采用中硬齿面的齿轮。 齿轮材料以钢为主，其次是铸铁、高强度球墨铸铁、粉末冶金及某些非金属材料。硬齿 面齿轮一般在齿轮加工成形后进行热处理（表面淬火、渗碳淬火、渗氮） ，齿面硬度一般为 40-62HRC。热处理后齿面将产生变形，一般都需要磨齿，否则不能保证齿轮要求的角度。 本设计题目选用软齿面齿轮，材料为 45 钢，小齿轮调质，查7机械设计表（5-6） 可得，硬度为 229286HBS；大齿轮正火，硬度为 169217HBS。 （2）许用应力 FP 、 HP 对于闭式齿轮传动，当一个齿轮或者一对齿轮为软齿面时，轮齿的主要损伤形式是齿面 疲劳点蚀，也可能发生齿轮折断及其他失效形式，故应该按照接触疲劳强度的设计公式来确 陕西广播电视大学机械制造及其自动化专业毕业设计 19 定主要尺寸，然后校核弯曲疲劳强度。若一对齿轮均为硬齿面时，轮齿的主要失效形式可能 是轮齿折断，也可能发生点蚀、胶合等失效形式，则应该按弯曲疲劳强度的设计公式来确定 模数，然后校核接触疲劳强度。 本设计题目应根据接触疲劳强度来确定轴径，再确定一系列的几何尺寸，然后校核弯曲 触疲劳强度。 （3）精度等级 齿轮精度等级的高低，直接影响着内部动载荷、齿间载荷分配和齿向载荷分布、润滑油 膜的形成，从而影响齿轮的振动和噪声。提高齿轮的加工精度等级，可以有效地减少振动及 噪声并可以适当提高齿轮的强度，但制造成本将提高。一般工作机的要求和齿轮的圆周速度 确定精度等级。 本设计题目的齿轮是应用于减速器中的高速轴齿轮，故精度等级选 7 级。 （4）齿数 1 z 当分度圆一定时，增大齿数可以增大端面重合度，以改善传动的平稳性并且降低噪声， 而齿数增加则模数减小，有利于节约材料和降低成本，还可以减小磨料磨损和提高抗胶合能 力。因此，对于软齿面的闭式传动，在满足齿轮弯曲强度的前提下，一般倾向于取较大的齿 数，推荐选择 2440。 本设计题目选择为 1 z =40。 （5）齿宽系数 d d