250线材轧机的设计-机械毕业论文【答辩优秀】

第 I 页 250 线材轧机的设计 摘 要 设计的轧钢机为 250 3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 第 II 页 250 Design of wire rod mill Abstract Rolling 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 adoptio n 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 第 III 页 目录 1 绪论 .1 1.1 轧钢机的定义 . 2 1.2 轧钢机的标称 .2 1.3 轧钢机的用途 .3 1.4 小型轧钢机的主机列 .3 2 轧制压力和轧制力矩的计算 .6 2.1 轧制平均单位压力的确定 .6 2.2 轧制总压力的确定 .8 2.3 轧制力矩的确定 .9 2.4 电动机的选择 . 10 3 飞轮的设计 . 10 3.1 飞轮力矩的确定 . 10 3.2 飞轮的强度的校核 . 13 4 减速器的选择 . 14 4.1 传动 比的计算 . 14 4.2 减速器的特点、破坏形式 . 16 4.2.1 主减速机的特点 . 16 4.2.2 主减速机齿轮的破坏形式 . 16 4.3 主减速机的结构 . 16 4.4 主减速器的润滑及防护措施 . 17 4.5 齿轮的材料和热处理 . 18 4.6 减速器的工作状态分析 . 18 齿轮机座的设计 . 18 5.1 齿轮机座的类型和结构 . 18 5.2 齿轮的设计 . 19 5.2.1 齿轮节圆的直径 . 19 5.2.2 模数、齿数、齿宽、齿顷角 . 19 5.2.3 计算力矩 的确定 . 19 5.2.4 轴端的强度计算 . 20 5.2.5 滑动轴承 . 21 5.3 密封和漏油问题 . 21 5.4 齿轮机座的润滑 . 21 .5 齿轮机座的总述 . 22 6 轧钢机工作机座的设计 . 22 6.1 工作机座的选择 . 22 6.2 轧辊与轧辊轴承的设计 . 24 6.2.1 轧辊的类型 . 24 6.2.2 轧辊的结 构 . 24 6.2.3 轧辊的参数 . 25 第 IV页 6.2.4 轧辊的材料 . 25 6.3 轧辊调整装置的设计 . 27 6.4 机架的设计 . 29 6.5 机架强度的校核 . 30 7 孔型的设计 . 32 8 机架的优化设计 . 34 8.1 优化分析 . 34 8.2 轧机机架结构参数优化设计的数学模型 . 35 8.3 设计变量 . 35 8.4 目标函数 . 38 8.4.1 以机架在垂直方向上弹性变形最小作为目标函数 . 38 8.4.2 以机架重量最轻为目标函数 . 39 8.4.3 机架变形 . 39 8.5 约束条件 . 40 8.5.1 性能约束 . 40 8.5.2 边界约束 . 40 8.6 计算结果及分析 . 41 8.6.1 设计变量的数量及取法对设计量取值的影响 . 41 8.6.2 以机架变形最小为目标的优化计算 . 42 8.7 优化设计应用举例 . 43 8.8 优化设计在实际中的应用 . 44 8.9 结论 . 46 结论 . 47 致谢 . 48 参考资料 . 49 附录 1 . 50 附录 2 . 58 第 1 页 第 2 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 第 3 页 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： 180 450mm. 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 630 650 型轧机， 500 550 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 250 3 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。 25 50 毫米的圆钢， 20 40 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。 第 4 页 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 200 250 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 8 40）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 200 250 转 /分， 40 50 转 /分，以及 10 15 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 第 5 页 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： 第 6 页 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。 第 7 页 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： P =K +uP+vP (kg/ 2mm ) (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 : K =(14-0.01t )W (kg/ 2mm ) (2.2) 式中 t 轧制温度； W 轧件的化学成分，计算公式为： W =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 0.3 W=1.4+0.3=1.7 带入 K 式中为 K =（ 14-0.011000） 1.7=6.8（ kg/ 2mm ) （ 2） uP值 ：uP值 为变形速度引起的变形阻力，其计算公式为： uP= U(kg/ 2mm ) (2.4) 式中 轧件在轧制温度为 t 度时的粘度系数，其计算公式为： =0.01（ 14-0.01t ） (kg s/ 2mm ) (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= 1 .6 1 .212u R h hhh （ /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） ； h 为道次压下量，计算公式为 第 8 页 h =h1-h2( 毫米 ) h1,h2 为轧制前后的轧件的高度 (毫米 )； 查表 2 1的轧制的修正系数为 1 所以 =0.01（ 14-0.011000） 1=0.04 （ kgs/ 2mm ) 以上取值，有赖于轧辊的转速，其值为 40 49 转 /分。 初选 V, 由现场以 h 同类轧机取得， V=700（ mm/s） h =25mm(最大的压下量 ) h1=60 mm(初使的高度 ) h2 35 mm (轧制后的高度 ) 带入 U 2700 125/25 /（ 60+35） =6（ mm/s） 所以 uP 0.046=0.24（ kg/ 2mm ) （ 3） uP值 ： vP =（ K +uP） M（ kg/ 2mm ） (2.7) 式中 M 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 : M = 1 . 6 1 . 212u R h hhh (2.8) u 为轧辊间的摩擦系数，计算公式为： u =（ 1.05-0.005t ） a 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 M =(1.60.44 150 25 -1.225)/(60+35)=0.1 vP=(6.8+0.24)0.14=0.986（ kg/ 2mm ) (4) 则平均单位压力： P =6.8+0.24+0.986=8.03（ kg/ 2mm ) 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 第 9 页 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： F = 122bbRh ( 2mm ) (2.10) 式中 R 轧辊的半径（毫米）； h 压下量（毫米）； 1b,2b轧制前、后轧件的宽度。 F =25260 25125 =3429（ 2mm ） 所以 N =P F =8.033429=27537(kg) M = 1 . 6 1 . 212u R h hhh (2.11) u 为轧辊间的摩擦系数，计算公式为： u =（ 1.05-0.005t ） 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 M =(1.60.44 150 25 -1.225)/(60+35)=0.1 vP=(6.8+0.24)0.14=0.986（ kg/ 2mm ) 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： M = zam h dM M M Mi (2.13) 式中 zaM 轧制力矩； mM 附加摩擦力矩； 第 10 页 hM 空转力矩； dM 动力矩； i 轧辊与主电机间的传动比。 其中mM、hM、dM与zaM比较，zaM比较大。所以可以将上式简化 M=KzaMi (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= 1686.3 1.510 =252.9（ Nm） 粗算所需电动机的功率： P=9550Mn= 252.9 9809550=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 TRB7 6，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 2fGD为传动总的飞轮力矩 20GD的一个组成部分，所以在计算 2fGD之前，必须先计算 20GD。 主传动系统的总的飞轮力矩 20GD 第 11 页 20GD =20729(2 )En s s （ T2m ） (3.1) 在尖峰负荷的时刻，主传动的系统需要释放的能量 E 可按下式计算： E =maxNt (3.2) 式中 maxN 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maxM确定 : maxN=max 00.995Mn (3.3) t 尖峰负荷的时间； s 电动机的转差率， s 一般取 s =0.12 0.17，取 s 为 0.15； maxM从电动机的参数中查的为 2.2； 0n为电动机的额定的转数为 980 转 /分。 则 maxN= 2.2 9800.995=2257.6（ KW） t 由工厂现实测得为 1秒； 所以 E =2257.61=2257.6 KWs 则 20GD=27 2 9 2 2 5 7 . 69 8 0 ( 2 0 . 1 5 ) 0 . 1 5 =6.17（ T2m ） 则 飞轮的转矩为 2fGD= 20GD- 2dGD- 2jGD（ T2m ） 式中 2dGD 电动机转子的飞轮力矩 （ T2m ）； 2jGD 轧机传动装置的转动部分折算到电机轴上的飞轮力矩 （ T2m ） ； 2fGD 可以近似的认为与 20GD 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maxV，即 D max60Vn 式中 飞轮 n 飞轮每分钟的转数； 第 12 页 maxV 飞轮最大的圆周速度，整体铸造的圆盘式飞轮（铸钢），maxV=70 90 /ms （ 3.4） D 60 70980 =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 1B 1B0B 1D (0.8 0.84)D C （ 0.3 0.34）0B 0B (0.1 0.15） D 0D 0.5（1D+1d） d 根据轴计算 0d （ 0.1 0.15）（1D- 1d） 1d （ 1.6 1.8） d 注：因为 D=1000mm 所以1D=810 840 。 表 3.2 飞轮参数表 0B=（ 011 0.15） D=110 150 0B=130 mm d =100 mm d =100 mm 1B=130 mm 1B=130 mm C =（ 0.3 0.34） C =42 mm 0D= 0.5（1D+1d） 0D=500 mm 第 13 页 1d=（ 1.6 1.8） d 1d= 170 mm 0d=（ 0.1 0.15）（1D- 1d） 0d= 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。 Dmax60Vn （ 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： 2 2 1 0 . 2 1 2 ( ) 1 . 5 1vrR （ 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) 2 27 0 8 3 0 1 0 . 2 1 2 ( ) 1 . 5 1 1 0 0 0 =3718.96（ N/cm） =371.869(kg/ 2cm ) 2 5 0 0 /kg cm 所以强度足够 第 14 页 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: 0 . 7 1 0 0 0 6 0 4 5 / m i n3 . 1 4 3 0 0VnrD （ 4.1） 取 n=50r/min 0 /i n n总=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= i总93.7 94 94 =16 这样 n辊将为： n辊=n电 /i=750/16=47r/min 第 15 页 n电 为一般情况电机的转数。 轧制速度为： V Dn （ 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 i =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 8 427，查的 i=16 对应的代号为 8 在根据承载能力查表 8 429，选取中心距 a=1000 毫米，工作类型：连续型，在查表 8 424，的减速器的型号： ZL100 型，最后确定减速器的型号： ZL100 8 ，其外型及安装尺寸如下。 型号： ZL100 中心踞： A=1000 1a=400 2a=600 中心高： 0H=650 轮廓齿寸 : H=1306 、 L=1910、 B=810 、1B=810 、2B=145 、1L=1550 、2L=22 3L=26、1H=50 地脚螺钉 : d=M36、 n=8 、3B=610 、4L=7、5L=595、6L=510、7L=320 第 16 页 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， 第 17 页 使她可以自由的串动，以免卡主齿轮。轴向的游隙为 0.8 1mm。 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=1000mm 2、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=16 3、齿宽系数 为齿轮的宽度和中心距之比。 bA， =0.4 0.6，取 =0.5。 4 、模数和齿数 模数降低，小齿轮齿数1Z齿数和2Z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，1Z 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 2 c o snMAZ （ 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 = 25 30 取齿顷角 30 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 35 40 ，回油温度 小于等于60 70 。 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 120mm 140mm,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。 第 18 页 4.5 齿轮的材料和热处理 小齿轮的材质为 40rC，大齿轮为 35nZG SIM。 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， HB190 220；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。 第 19 页 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=(max minDD)/2 （ 5.1） =(302+298)/2 =300mm 5.2.2 模数、齿数、齿宽、齿顷角 齿数 取 14 31，齿宽系数 1.7 2.4，齿顷角为 22 40 ，模数为 8 45。 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 ：sm=12mm 齿轮的工作宽度： b=720mm 齿倾角： 30 齿数： z 25 5.2.3 计算力矩的确定 1、计算力矩 maxdM kM（ mkg ） （ 5.2） 式中 k 扭矩分配系数， k 取 0.5； 第 20 页 maxdM 电动机最大的力； maxdMmax975N in ； maxN为电动机的最大的功率； n 为电动机的转速， i 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。 d m a x 280 M 9 7 5 1 6980 4457（ mkg ） M 0.5 4457 2228.5（ mkg ） 2、齿轮的材料和加工制造 齿轮的材料采用 40rC，齿轮的加工精度为 8 级，采用滚齿法加工，退刀槽的宽度为 120mm 3、齿轮轴和滑动轴承 轴承尺寸的确定，采用的是滑动轴承 3 ( 0 . 6 5d 0.75)d 195 225mm 取3d 200mm L =(1.1 1.5) 3d=220 300 取 L=220mm 式中 d 齿轮的节圆的直径； L 滑动轴承的工作宽度； 3d 轴径直径。 5.2.4 轴端的强度计算 轴端直径 4d（ 0.8 0.95）3d=(160 190) （ 5.3） 取4d 160 轴端的强度计算 234 ( / )0 . 0 7 0 6M k g c md （ 5.4） 式中 M 作用于轴端的扭转力矩。 许用扭转应力 第 21 页 （ 0.65 0.75） nn 式中 b 轴颈材料的抗拉强度； b 980MaP （ 5.5） b=100 610 ( 2/kg cm ) nn （ 5.6） 式中 n 安全系数， n 5； 6 621 0 0 1 0 1 6 . 7 1 0 ( / )5 k g c m 62 0 . 7 1 1 . 7 1 0 /k g c m 23222850 7 7 0 . 6 /0 . 0 7 0 6 1 6 k g c m 5.2.5 滑动轴承 材料为滑动轴承采用 35ZG 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 11chsnsb 6 ，硬度 HB 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 HJ3 28 号轧钢机油。 第 22 页 .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 ( 0 . 0 5 8 0.07 ） A （ 5.7） =（ 0.058 0.07） 300 =17.4 21 取 20mm 2、齿顶距机盖的下壁和箱体上壁的最小的距离： C （ 0.4 0.5） A （ 5.8） =120 150 取 120mm 3 、机架与机盖主连接螺栓的直径： ( 0 . 1 7Bd 0.2 ） =51?60 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。 第 23 页 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 35i n oS M M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 第 24 页 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。 第 25 页 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=（ 2.2 2.7） 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=170mm l/d=0.92 1.2 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=(0.05 0.12)D r=0.065300=19.5 取 r=20mm 轧辊头：梅花轴头的外径 1d=（ 0.9 0.95） d=0.925d=157.25mm 取1d=160mm 查表 176mm2D 33mm1r 120mm1l 90mm2l 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 QT900 2， b 第 26 页 900MPa HB= 280 360。 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。 第 27 页 a:半圆柱形； b:长方形 c:三快组合式 图 6 2 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。 第 28 页 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 25 。 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 第 29 页 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 35ZG ，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=（ 0.8 1.0） 2d （ 6.1） 取 F=0.9 2d =0.9 217 =260.1 2cm 考虑强度和刚性的关系，取截面的尺寸： 19 20 2cm 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 第 30 页 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 P1/2 T P 1 / 2 P 1 / 2T TP1 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 1p=（ 0.2 0.4） G （ 6.2） 取 1p=0.3G 1p=0.3 453=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： TP+TT+ =0 （ 6.3） 式中 机架主柱和轴承座的侧向的间隙 TP 作用力1p在 T 方向上产生的变形 TT 静不定力在 T 方向上产生的变形 若用TT表示单位力作用在 T 点，在 T 方向上产生的位移，则将TP=TTT带入上式得 TT+ TTT+ =0 第 31 页 TP和TT，用材料力学求得 TP= 211 118pt cEI TT= 2312123LCCEI EI 式中 1I，2I 下横梁，立柱断面的惯性距； 1I= 212bh=633 3cm 1W= 26bh=1266.7 3cm 将求的变位带入以上的公式： T=21111282( ( )3P L EICICLI（ E=200GaP） 确定 =0.1cm 则 T=21 3 6 6 5 0 . 1 2 0 0 6 3 38 8 22 6 3 38 2 ( 6 5 8 2 )3 3 2 4 8 2 . 7 =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： 1 m a x 1 1 /4M p l T C （ 6.4） =136 65/4-11.98 82=1227.64 mkg 下横梁上最大的弯曲应力： 1=1max1MW （ 6.5） 2、立柱上的弯曲力矩与下横梁连接处为最大，其值为： 2maxM=TC=13.3 82=1090.8 （ 6.6） 上式中 T 为当 =0 时 T=13.3kg 2I=32482.7 3cm 第 32 页 2W=308585.65 3cm 2F=248 2cm 2I、2W、2F为立柱断面惯量、模数和面积。立柱上的最大的应力为 2=2max2MW + 122PF =0.278/ 2cm （ 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 maxM=114pl=136 654=2210kg cm （ 6.8） =max1MW = 22101266.7 =1.74 （ 6.9） 机架钢板机械性能应达到 25 0 0 0 /b k g c m bn 式中 n 为安全系数取 1 则 1、2、 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 1 4 分别为轧机第一道次到第四道次的孔型变化。 第 33 页 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 1R（ mm） 2R（ mm） 0h（ mm） 1h（ mm） 0b（ mm） 1b（ mm） 第 34 页 8 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1 125 125 20 14.42 9.5 14.42 2 125 125 14.42 8 14.42 19 3 125 125 19 10 8 10 第 35 页 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 iG (x) 0 1,2.ig iH(x) 0 1,2.ih 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。 iG(x) 不等式约束，共有 g个 iH(x) 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。 第 36 页 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。 xxxxxxCGCK 图 8.2 机架 1x 上横梁厚度 2x 上衡量高度 3x 立柱厚度 4x 立柱高度 5x 下横梁厚度 6x 下横梁高度 kc 机架窗口宽度 第 37 页 c 机架窗口高度 xx xx 图 8.3 机架 1x 上、下横梁及立柱厚度 2x 上衡量高度 3x 立柱厚度 4x 立柱高度 xxxx 图 8.4 机架 1x 上、下横梁及立柱厚度 2x 上衡量高度 第 38 页 3x 立柱厚度 4x 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 ： 1 2 3 4 5()F x f f f f f （ 8.3） 式中 ：1f 上横梁受弯矩后产生的变形 21 1 21 1 ()2 4 8 2l P l MfEI （ 8.4） 2f 上横梁受横切力所产生的变形 2 38KPlf Gl （ 8.5） 3f 立柱受拉力后产生的伸长变形 2324Plf EF （ 8.6） 4f 下横梁受弯矩后产生的变形 21 1 243()2 4 8 4l P l Mf EI （ 8.7） 5f 下横梁受横切力所产生的变形 第 39 页 1538KPlf GF （ 8.8） 式中： 1218PlMM （ 8.9） 11 1 2 1 1 2 111 1 1 1 2 3( ) ( )8 4 4 2 2P l l l l l l lM I I I I I I 当 I1=I3 时： 11 1 2 1 1 2 111 1 1 1 2 3( ) ( )8 4 4 2 2P l l l l l l lM I I I I I I 12,ll 分别为上、下横梁的计算宽度和立柱的计算高度。 1 2 3,I I I 分别为上横梁、立柱、下横梁的断面惯性矩。 1F，2F，3F 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： 2 4 1 2 3 4( ) 2 ( 2 ) 2 fF X C K X X X C G X X W （ 8.10） 式中： CK 机架窗口宽度 CG 机架窗口高度 材料的比重 FW 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 第 40 页 3 1 2( ) ( ) ( )F X F X F X （ 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： () 01 2 3i x iGii 、 、 式中： i 分别 为各断面上的许用应力值。 2）满足机架的刚度条件 ( ) 1 ( )1ixG f F Xi 式中： f 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。 ( ) m i n( ) m a x001 2 . . . . . . 8ixixG X XG X Xi 、 式中： maxX 、 minX 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( ) 1ixG W W 除 不 等 式 约 束 条 件 外 ， 还 有 等 约 束 条 件 ，1 1 3( ) 0H x x x 或 第 41 页 1 2 4( ) 0H x x x 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：max 3000Pt 机架材质：35ZG 机架窗口尺寸： 宽 高 = 1 9 8 0 m m 7 3 7 0 m m 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 12348 0 0 ； 1 3 0 08 0 0 ； 9 3 0X m m X m mX m m X m m 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） 0x =1489.836781.977781.977 920.4661489.831 781.987 0x = 1489.815782.0231489.820.15 92 0x =920.4151489.8201489.815782.023 机架重量 152.198 152.199 152.329 f1 0.152193276 0.152186427 0.15138191 f2 0.138309468 0.138303938 0.138055365 f3 0.419626021 0.419623916 0.419763611 f4 0.152193276 0.152186427 0.15138191 f5 0.138309468 0.138303938 0.135055365 f 1.00060465 1.00060465 0.998636161 第 42 页 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