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机械毕业设计全套

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JX01-187@涤纶短纤后处理设备七辊牵伸机的牵伸辊设计,机械毕业设计全套

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11 邵阳学院毕业设计（论文）任务书 专业班级 2002机本 学生姓名 文艺苑 学 号 057 课题名称 涤纶短纤后处理设备七辊牵伸机的牵伸辊设计 设计 (论文 ) 起止时间 2006 年 2 月 20 日至 2006 年 6 月 10 日 课题类型 工程设计、应用研究、开发研究、 软件工程、理论研究、其他 课题性质 真实 一、 课题研究的目的与主要内容 课题研究的目的 是： 1.培养学生综合运用所学理论知识、解决工程问题的能力。 2.培养学生的工程素养，使学生在文献检索，工程资料查阅及运用计算机 绘图方面得到进一步锻炼。 课题研究的 主要内容： 1.完成 3000 5000 个单词以上与涤纶后处理设备有关外文资料翻译（打印稿），译文要求准确、文字流畅。 2.了解涤纶后处理设备加工工艺。 3.根据涤纶短纤的年产量，计算牵伸力的大小，确定牵伸轴及牵伸辊的尺寸。 4.完成牵伸辊的结构设计，画出整套装配图及零件图。 5.按统一格式和规范撰写设计说明书。 二、 基本要求 1. 学生应在教师的指导下按时完成所规定的内容和工作量，编写符合要求的设计计算说明书，并正确绘制整套机械图表。 2. 学生依据课题任务，认真收集有关资料， 熟悉有关化学纤维加工工艺，正确使用各类工具书；掌握有关工程设计的程序、方法和技术规范；锻炼分析与解决工程实际问题的能力。 3. 在设计中应树立正确的设计思想，培养严肃认真的科学态度，严谨求实的工作作风。 4. 毕业设计说明书应包括与设计题目有关的阐述说明及计算，内容完整，文字流畅，符合毕业设计规范。 5. 熟练运用 CAD绘制机械图表。 注： 1、此表由指导教师填写，经各系、教研室主任审批生效； 2、此表 1式 3份，学生、指导教师、教研室各 1份。 nts 12 三、课题研究已具备的条件（包括实验室、主要仪器设备、参考资料） 该 产品在邵阳纺织机械股份公司已开始研制，并取得一定的效果，邵阳纺织机械股份公司可提供一定的技术支持。 1.涤纶短纤生产 东南大学出版社 1999年 2.机械设计手册（上、中、下） 化学出版社 2000年 3.化纤机械设计 中国纺织出版社 1997年 四、设计（论文）进度表 2月 20日 3月 10日，熟悉课题，进行调研，收集有关资料，拟订设计方案 3月 11 日 4月 21日，进行有关分析计算，确定设备基本结构，完成技术设计 4月 22日 5月 21日，进行施工设计，完成所有图表， 撰写设计计算说明书 5月 22日 6月 10日，设计修改、完善，完成答辩 五、教研室审批意见 教研室主任（签名） 年 月 日 六、院（系）审批意见 院（系）负责人（签名） 单位（公章） 年 月 日 指导教师（签名） 学生（签名） nts邵阳学院毕业设计（论文） I 内容提要 涤纶短纤维后处理设备七辊牵伸机牵伸辊属于牵伸机的工作部分，合理设计将提高七辊牵伸机的性能。牵伸机是纺丝后处理的主要设备之一，根据纺丝的工艺要求来确定牵伸机的数量和功率。本次设计的七辊牵伸机主要是为了提高年产量，从牵伸机组的整体设计出发，按照总牵伸倍数合理布局各级牵伸倍数，按照年产量计算最大牵伸旦数，最大牵伸力；按照牵伸力求出第三牵伸机辊筒的受力情况，依据最大辊筒受力来对辊筒进行强度、刚度校核，及其螺钉的校核。 根据受力情况对牵伸辊和牵伸轴进行结构设计，要求结构简单、加工方便、经济可行。牵伸辊的联 接的方式采用法兰联接，比内夹套联接结构简单、装配方便。合理设计通水牵伸辊部件，利用分配板使进水和出水流量均匀，充分带走热量。参照现有的七辊牵伸机设备，设计出满足工作要求的牵伸辊，以达到大容量生产涤纶短纤维的目的，满足现代高速纺织机械的发展。 nts邵阳学院毕业设计（论文） II Abstract Polyester staple aftertreatment equipment 7-roller drawing machines rollers are work part of the drawing machine. And the performance of 7-roller drawing machine will be improved if its correctly designed. The drawing machine is one of the main equipments in the filature aftertreatment. According to the filature processing requirement we can decide the number and power of the drawing machine. This 7-roller drawing machine design is to enhance the annual output. Taking the drawing machine group as an organic whole design, through the total drawing multiple properly distributing each class drawing multiple, according to the annual output calculating the maximal drawing denier and maximal drawing tension, then on the basis of the drawing tension figuring out the force of third drawing machine roller, and according to the maximal roller force checking the intensity and rigidity and proofing the bolt. On the basis of the rollers force designing the frames of the drawing rollers and drawing shafts, which require simple frames, convenient manufacturing, economical and feasible. The link method of the drawing roller adopts flanges, which compares with the inner sleeve link has simple structure, convenient assemblage. Correctly designing the watering drawing roller parts, using the distributing board making the in water and out water equably flowing, and taking out the heat. Consulting the existent 7-roller drawing machine equipments, designing drawing rollers which satisfy the work requirement, and reach the objective of a large amount of polyester staple are produced, meet contemporary high-speed textile mechanical development. nts邵 阳 学 院 毕业设计 (论文 ) 课 题 名 称 涤纶短纤后处理设备七辊牵伸机的牵伸 辊 设计 学 生 姓 名 文 艺 苑 学 号 0241118057 院 (系 )、专业 机械与能源工程系 02 机制本科 指 导 教 师 姜 宏 阳 职 称 高级工程师 2006年 06 月 2 日 nts 邵 阳 学 院 毕业设计（论文）开题报告书 课 题 名 称 涤纶短纤后置处理设备七辊牵伸机的牵伸 辊 设计 学 生 姓 名 文 艺 苑 学 号 0241118057 院（系）、专业 机械与能源工程系 02 机制本科 指 导 教 师 姜 宏 阳 2006 年 2 月 28 日 nts 一、 课题的来源、目的意义（包括应用前景）、国内外现状及水平 课题来源： 本课题来源于 邵阳纺织机械有限公司。 据中国纺织报报道，涤纶在强力、耐磨等性能上明显超过人造纤维和天然纤维，表现出巨大的市场需求和增长空间，再加上生产流程较短，成本较低，使我国迅速成为世界上涤纶产量最大的国家。 2005 年，我国化学纤维产量达 1424 万吨，比 2003 年增长 20%，产量居世界之首，年增幅比世界平均增幅高出 13 个百分点，成就喜人。中国化纤协会预计， 2003 年我国涤纶产量可占化纤产量的 79%，到 2010 年涤纶在纺织纤维总量中的比重可能提高到 50%左右。市场拉动了化纤产品的迅速增加，化纤产品的生产促进了化纤机械的发展。牵伸机是 涤纶短纤后置处理设备之一。 目的意义： 目前国际上涤纶短纤维大型成套装置的单线产能最高为年产 5 万吨，攻克此技术已成为各国权威专家和各大生产厂家的目标。一项涤纶短纤维重大科技攻关项目 年产 6 万吨成套涤纶短纤维工程技术开发项目， 经过 6 个月的精心准备和试验， 7 月 7 日在上海石化公司获得突破性进展，其攻关的核心技术 中心吹风的丝束准确成型技术达到了预期目标。此试验成功，标志着我国涤纶短纤维大型成套生产技术在国际上处于领先地位。我国年产 6 万吨短纤维国产化工程技术和软件包项目是以技术开发为主。中心吹风的丝束冷却成型技术是年产 6 万吨短纤维成套生产技术中的核心，全套技术设备国产化率达到 80%，大大降低了投资，带来可贵的经济效益和社会效益。 国内外现状及水平： 国产长丝纺丝与后置处理设备已经比较成熟，大量占有国内市场。年产 3 万吨的涤纶短纤纺丝 及后处理成套设备已供国内 70 多条线并投入生产，成套出口到国际市场上的项目也陆续投产，赢得了好评。年产 5 万吨的涤纶短纤成套设备国内建设项目已经安装完毕，近期即将投入生产。年产 6 万吨的成套设备正在现场安装近期也将投产。 nts 二、 课题研究的主要内容、研究方法或工程技术方案和准备采取的措施 课题研究主要内容： 1. 完成 3000 单词以上与毕业设计有关的英文资料翻译（打印稿），译文要求准确，文字流畅 2. 了解涤纶后处理加工工艺 3. 根据涤纶短纤的年产量，计算牵伸力，确定牵伸轴及牵伸辊的尺寸 4. 完成牵伸辊的结构设计，画出整装配图及零件图 5. 撰写说明书（打印稿），格式和内容符合邵阳学院的统一格式和规范要求 研究方法或工程技术方案： 1. 工作运动分析 2. 部件联结方式 3. 产品结构设计 准备采取的措施： 1. 进入邵阳纺织机械有限公司对该牵伸机进行调研 2. 搜索和统计相关资料和数据 3. 结合邵阳纺织机械有限公司的实际零件进行分析 4. 完成 七辊牵伸机辊筒 设计 nts 三、现有基础和具备的条件 现有的基础： 通过四年的理论学习和 几次课程设计及多次工厂实地参观， 我对机械设计的设计内容、设计方法和设计步骤有了一定的了解，掌握了机械设计设计的基本知识，如设计计算、工程绘图、查阅资料和 手册，熟悉标准和规范等，有一定的独立工作能力。 具备的条件： 1. 专业资深指导老师一位 2. 设计数据一份 3. 个人电脑一台 4. AutoCAD2004 设计软件 5. WORD 办公软件 6. 图书馆有关资料 nts nts 四、总的工作任务，进度安排以及预期结果 总的工作任务： 应用自己所学的理论知识，结合自己掌握的资料，在指导老师的指导和同学讨论确定牵伸机辊筒的设计方案，完成设计计算，绘出零件图、装配图，编写一份说明书，准备答辩。 进度安排： 1. 2 月 20 日 3 月 10 日，熟悉课题，进行 调研、收集资料、方案 拟订 2. 3 月 11 日 4 月 21 日，计算、分析、编写说明书 3. 4 月 22 日 5 月 21 日，完成图纸，修改说明书、刻录光盘 4. 5 月 22 日 6 月 10 日 ，准备 答辩 nts nts 五、指导教师审查意见 指导教师（签名） 年 月 日 六、教研室审查意见 教研室主任（签名） 年 月 日 七、院（系）审查意见 院（系）主任（签名） 年 月 日 备 注 nts 1 前言 随着我国纺织工业的不断进步，以前小容量的涤纶纺丝设备已经远远不能满足现代高速纺织机械的发展 。 就化纤机械产品而言，需要从单一的数量型转向高新技术型，从化纤的单一品种转向相对的精细加工，从传统机械技术转向高新电子信息控制技术，不能再走产品趋同、技术向下的路了。这是化纤机械必须适应的转折，转折的目的是服务于化纤产品的发展。 科学在发展，技术在进步，化纤机械产品发展的具体任务，首先是立足于现实，提高传统化纤机械产品的质量，提高技术水平，提高产品的可靠性，赢得用户的信誉。在此基础上，跟踪新的纤维领域，为发展民 用舒适型纤维生产，为发展产业用纤维生产，为发展军用、警用纤维生产提供技术装备。需要研制、开发和生产年产 60 万吨及以上的新型 PTA 成套装置。连续研制新一代、大容量、连续化、高速度、自动化的涤纶长丝、短丝纺丝和后处理设备，以及成套设备的信息控制技术。 牵伸机目前纺织原料已向混纤、混色、异截面、异收缩等多种复合加工方向发展，为了适应这一要求，提高牵伸机的产品开发能力，增加双喂入、双牵伸单丝卷绕功能，以满足不同规格、不同原料的丝复合牵伸加工；增加上油装置，满足不同品种的需求；增加卷装重量，使卷重达 9 10 ,以进 一步减少停车生产（接头）时间，满足后选用户需求。 “十一五”重点化纤机械产品发展方向和关键技术有：重点开发 200 250 吨 /日涤纶短纤维生产线；研制年产 60 万吨 PTA 成套国产化技术与设备。完善国产长丝复合纺丝机，开发短丝复合纺丝设备。开发涤纶 0.3dpf 超细纤维纺丝设备。开发可纺制涤纶高强和高模低缩纤维的成套设备。研发年产 6万吨粘胶短纤维生产线。腈纶纤维、芳纶 1414 要进一步提升，研究开发碳纤维、导电纤维、光导纤维、超大分子量的聚乙烯纤维、中空膜纤维等高新技术纤维与设备。 nts 2 1 概述 1.1 拉 伸的目的和作用 拉伸是涤纶纤维制造过程中必不可少的重要工序，常被称为涤纶纤维成形的第二阶段，或称为二次成形。它不仅是使纤维的物理和机械性能提高的必要手段，而且是检验其以前各道工序进行得好坏的关口。在拉伸过程中，大分子或聚集态结构单元发生舒展并沿纤维轴取向排列。在取向的同时 1，通常伴着相态的变化，以及其它机构特征的变化。 由于拉伸过程中纤维内的大分子沿纤维轴取向，形成并增加了氢键、偶极键、以及其它类型的分子间力，纤维承受外加张力的分子链数目增加了，从而使纤维的断裂强度显著提高，延伸度下降，耐摩性和对各种不 同类型形变的疲劳强度亦明显提高。 1.2 牵伸机组原理 丝束牵伸的主要目的是提高分子链的取向度，使之具有一定的强力和伸长。牵伸是在两道牵伸机构之间产生的。前后两道牵伸机构之间的丝束，因牵伸辊表面速度的差异而被拉伸。两道牵伸机构的拉伸辊表面速度之比称为拉伸倍数。实际上丝束在牵伸辊表面存在打滑现象，实际牵伸倍数将比它的理论值低。因丝束的总旦数很大，可达 100 200 万旦，甚至更高，所需的牵伸力也很大，帮牵伸机构必须做得十分结实。 牵伸机的主要作用是在一定的条件下在丝束轴向施以外力，把丝束中的单纤维拉细，提高取 向度，使单纤维由低强、高伸的塑性状态变为高强、低伸的弹性状态。拉伸是利用各道牵伸机的滚筒表面的线速度的增加来实现的，因此，理论拉伸倍数可由各道牵伸机滚筒表面的线速度之比求得：第一级拉伸倍数 1E 2为 1E = 2V / 1V ；第二级拉伸倍数 2E 为 2E =3V/ 2V ； 总拉伸倍数 E 为 E = 1E 2E = 3V/ 1V ； 式中 1V 、 2V 、3V分别表示第一、二、三道牵伸机滚筒表面的线速度（ m/min）。一般情况下，机器的总拉伸倍数为 3 6，第一级拉伸倍数约为总拉伸倍数的 80% 90%3，第二级拉伸倍数仅占 10% 20%。 根据热牵伸的要求，在第一道牵伸机和第二道牵伸机之间设置水浴牵伸槽，而在第二和第三牵伸机之间装有蒸气加热器。 紧张热定型机的目的是在于消除丝束在拉伸之后的内应力，降低热收缩率。紧张热定型机各辊筒的表面线速度，如果比第三道牵伸机辊筒的表面线速度低纤维将产生nts 3 回缩，回缩比 e =1- 4V /3V=(3V- 4V )/3V式中： 4V -紧张热定型机各辊筒的表面线速度。 设计时按理论拉伸倍数计算，而在实际生产中，由于存在打滑现象，实际拉伸倍数略低于理论值。七辊牵伸机的打滑系数约为 3%。 拉伸倍数应能作微量的调节，所以在牵伸机组的传 动系统中，往往没有齿链式无级变速器或齿轮式变速箱。如果联合机生产的纤维品种调换不多，也可以采用调换变换齿轮来改变拉伸倍数。 联合机的运转速度由第三道牵伸机辊筒表面线速度代表，而联合机的加工能力是指成品纤维的总旦数。 一台牵伸机通常由五个、六个、七个或九个牵伸辊组成一组。它们的直径相同、转速相同，它们与另一台的牵伸机的一组牵伸辊速度不同，靠这个速度差，牵伸机完成拉伸。因此提高牵伸辊对丝束的握持力，防止打滑保证拉伸倍数的稳定 4。 增加握持力的途径是： （ 1） 丝束进料牵伸机以前具有一定的予张力； （ 2） 增加丝 束在辊筒上的包角或增加辊筒与丝束间的摩擦阻力，但是过多地增加包角，也会增加丝束缠辊的机会，对操作不利； （ 3） 增加辊筒数目，目前大多采用七辊和九辊，五辊和六辊牵伸机已很少制造； （ 4） 在牵伸辊的上方或下方增加压辊，防止丝束打滑，提高牵伸能力。 七辊牵伸机构的第一和第七个牵伸辊筒的下部，常设有压辊。压辊表面包有橡胶，以增加摩擦系数，更有效地握持丝束。压辊可用气缸加压或油缸加压的优点是机构简单操作方便且不会污染环境。一般用两个气缸加压，也可用一个气缸通过连杆机构来加压。 压辊设计压辊表面应耐磨，且不与丝束上的油 剂发生作用。压辊有两种型式：自紧式压辊有两种加压方式，一种是靠压辊的自重对丝束进行加压，压辊对丝束的压力随着丝束张力的变化而变化。另一种除压辊的自重外，又用汽缸对丝束的握持可靠，丝束与压辊之间不容易打滑。加载式压辊是根据压辊与牵伸辊的相对位置不同，可分为上压辊和下压辊。前者多用于牵伸辊长度较短的小型拉伸机构，采用单气缸加压，总压力为气缸和压辊自重之和。下压辊则用于大型牵伸机构中，此时；总压力为气缸压力与压辊重量之差，气缸的加压作用可部分抵消牵伸辊悬臂端的形变。 nts 4 2.设计参数的确定 2.1 年产 2 万吨 涤纶 短纤后处理 工艺流程 1 （丝束从纺丝段来） 集束架上导丝架下导丝架油剂浴槽八辊导丝机第一牵伸机水浴牵伸槽第二牵伸机蒸汽牵伸箱第三牵伸机叠丝机张力架卷曲机铺丝机（含喷油水装置）紧张热定形机捕结器曳引张力机切断机打包机 2.2 设计基础 年生产能力 5： Q =2 410 t/a 每天工作时间 ： t=18 h 工艺速度 ： V =250 m/min 机前丝束张力为： 294N/ktex （ 3g/d） 机后丝束张力为： 9.8 N/ktex （ 0.1g/d） 紧张热定形机进丝张力为： 120N/ktex （ 1.2g/d） 总牵伸倍数 ： 3 倍（ 其中一道 2.5 倍，二道 1.2 倍） 使用压缩空气压力： 0.6Mpa 压辊最大工作线压力： 170N/cm 牵伸辊长度： 1250mm 牵伸辊直径： 400mm 牵伸辊排列：上三下四（共七根） 橡胶压辊长度： 1225 mm 橡胶压辊直径： 400mm 丝片进出高度： 970 mm nts 5 2.3 确定牵伸旦数 D6 依据年生产能力 Q 可以计算出日生产能力 q q =Q / N （ 2.1） 式中 N- 年开车天数，取 N=300 q =Q / N=2.0 104/300 70 t/d 由参考文献 1计算日生产能力公式 10 2110160 dTq （ 2.2） 式中 v- 工艺速度： v=250m/min d- 牵伸旦数 1 - 机台开车率，取 1 =75% 2 - 纤维收缩率，取 2 =5% T- 每天工作时间， T=18 h 所以 d=)1()1860(102110 vq 2.56 106dtex 3 牵伸机构受力分析 7 在最初几个牵伸辊上，丝束在牵伸辊表面打滑，随着牵伸辊数的增加，打滑逐渐减少，最后丝束将以牵伸辊的表面速度前进。 图 3.1 为第三道七辊牵伸机构的受力图。丝束绕第一牵伸辊后，张力由0T逐渐减小到1T，绕经第二辊后，张力减为2T 机构中前面两个牵伸辊受力较大。丝束与辊筒表面间伴有相对运动。丝束的张力可用下列公式进行计算： nts 6 出丝方向 进丝方向图 3.1 七辊牵伸机构的受力图 由已知条件可知： 第三牵伸机的进丝张力0T0T=256ktex 294 N/ktex =75264N 第三牵伸机的出丝张力7T7T=256ktex 9.8 N/ktex =2508.8N 拟设计包角 1 =7= /2 2 =3= 4 =5=6= 由参考文献 1欧拉公式 ： 0T=7T fe（ 3.1） 式中 0T-第一牵伸辊前的丝束张力 7T-第七牵伸辊后的丝束张力 e -自然对数的底（ e=2.718） f-丝束与拉伸辊间的磨擦系数 -包角 = 1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 = /2 2+4 =6 所以0T=7T 6fe即 75264=2508.8 6fe 解得 f 0.18 6T=7T 2fe =3328.58 N 5T=7T 23fe =5859.33 N 4T = 7T 25 fe =10314.19 N 3T=7T 27 fe =18677.18 N 2T = 7T 29 fe =31960.30 N 1T = 7T 211fe =56259.85 N nts 7 4 功率估算 分析计算牵伸机的功率首先必须知道丝束进出机器的张力差和丝束的运行速度，按下式求出所需的理论拉伸功率0N： 由参考文献 1公式 10260 700 vTTN (kw) （ 4.1） 式中： 0T、7T-进出机器的丝束张力（ kg） v-丝束的输送速度（ m/min）， v=250 m/min 0T=75264 /9.8=7680 kg 7T=2508.8/9.8=256 kg 由于第三牵伸机的后面还有一台紧张热定形机，拖动丝束运动，丝束张力为 T T=120 294/9.8=3134.7 kg 所以第三牵伸机的牵伸理论功率0N 10260 710 vTTTN = 1 0 260 2 5 0 3 1 3 4 .7-2 5 67 6 8 0 =175 kw 一台牵伸机所需的功率，随丝束进出机器的张力差而变化，且与丝束的输送速度成正比，计算时应取机组的最高输送速度。如果丝束张力差为负值，则机器将产生制动转矩。当牵伸机组正常工作时，第一道和第二道牵伸机就在做负功，即对丝束产生制动转矩。 计算机器的输入功率时，尚需考虑传动部分的机械效率。因此，机器的理论负载功率LN为 8： 当0N为正值时公式： 0LSNNN（ 4.2） 式中： 机械效率（取 =0.9） SN 空车运转消耗的功率（根据经验取SN=2.44KW） nts 8 0LSNNN=9.0 3.303+2.44=197 KW 选取的电机功率 200 KW 从理论拉伸功率，负载功率和起动功率中选取最大值，作为设计的依据，然后，根据传动路线确定各传动箱的功率，计入适当的安全系数后，就可着手对传动系统各主要零部件进行分析计算。 目前，丝束的张力、机械效率、空车运转功率和起动转矩等都只能采用经验数据，或者对现有机组进行测定以获得所需的数据。 5 七辊牵伸机组的整体设计 本机组总共由三台牵伸机组成，根据纺丝工艺要求，每台牵伸机也不完全相同。牵伸机主要由牵伸箱部件、牵伸 辊部件、牵伸辊传动装置、气动控制部件、压辊部件、外置润滑系统、传动部件等组成。 牵伸箱为铸铁结构，用于支撑牵伸辊。箱体内装有润滑管路，以油滑箱体内传动齿轮及滚动轴承。在箱体操作侧的牵伸辊轴上装有七根牵伸辊。牵伸辊表面镀三氧化二铬，辊筒与牵伸辊轴通过法兰联接，辊筒随轴回转。 橡胶压辊为外包丁腈橡胶，能对牵伸辊均匀加压。压辊颜色为乳白色，硬度为（邵尔A型） 75 80度 9。 5.1 第一牵伸机设计 电机联轴器减速器联轴器进轴牵伸轴。牵伸机的七个辊筒排列方式上三下四 (共七辊 )，第六、七辊通冷水；压辊放 在进丝端（ 如图 5.1）。 nts 9 进丝方向出丝方向压辊牵伸辊、 7 牵 伸 辊 为 通 水 牵 伸 辊图 5.1 第一牵伸机结构简图 在第一道牵伸机的几个牵伸辊上，丝束慢慢被张紧，即沿丝束前进方向形成一张力梯度，当其张力达到纤维的屈服应力的大小时，则出现细颈。因此，拉伸点（通常把拉伸过程中出现细颈的位置叫做拉伸点）在第一道牵伸的最后一个辊上或最后二辊之间。要将丝束拉伸区移至第一、二道牵伸机之间，则必须降低第一道牵伸机最后一辊或数辊的温度，使的丝束的温度降低，其屈服应力增大，则不会在此处产生细颈，拉伸点可移出至一、二牵 伸机之间。所以设计第六、七辊通冷水，正是此目的。 在进丝端设有橡胶压辊，其作用如下 10： （ 1）挤出经过油槽的丝束多余的水分，保持稳定的含油率，便于丝束在第三牵伸机升温快、定型效果好。 （ 2）增加牵伸辊与丝束的摩擦力，减少丝束打滑，确保拉伸倍数稳定，有效控制拉伸点，提高拉伸质量。 （ 3）增加丝片宽度，促进纤维间的密合，使丝片厚薄均匀，有利用拉伸、定型和卷曲。 5.2 第二牵伸机设计 电机联轴器减速器联轴器进轴牵伸轴。牵伸机的七个辊筒排列方式上三下四 (共七辊 )，所有牵伸辊有毛刷，所有牵伸辊通热水 ；压辊放在进丝端 （如图5.2） 。 nts 10 毛刷进丝方向出丝方向压辊牵伸辊所有牵伸辊通热水图 5.2 第二牵伸机结构简图 5.3 第三牵伸机设计 电机联轴器减速器联轴器进轴牵伸轴。牵伸机的七个辊筒排列方式上三下四 (共七辊 )，所有牵伸辊有毛刷，所有牵伸辊通冷水；压辊放在出丝端 （如图5.3） 。 毛刷进丝方向出丝方向牵伸辊所有牵伸辊通冷水压辊图 5.3 第三牵伸机结构简图 nts 11 6 牵伸辊受力分析 此牵伸机组在第三牵伸辊第一辊进丝端的丝束的张力是最大的，所以对第三牵伸机的 进行受力分析，牵伸辊筒可以看作为悬臂梁，受到两个张力 T 和牵伸辊外伸部分的重量 G。 牵伸辊的体积 V=L （ 22 dD ） /4 =1335 3.14（ 22 340400 ） /4=46530090 3mm 牵伸辊的质量 m =V=7.85 610 46530090=365.3 牵伸辊的重量 G =mg=365.3 9.8=3579.9 N 牵伸辊的转动惯量 J = 2/22 rRm =365.3（ 22 340400 ） /2=50324560 2mm 对每个辊筒的受力进行分析如下： （ 1）对 1辊筒受力如图，对 1辊筒受力向 O 点简化（如图 6.1）。 图 6.1 1辊筒受力及简化图 0M=0TD=75264 400 310 =30105.5 N m 1M = 1T D=56259.85 400 310 =22503.9 N m 合力 F= 2021 TGT = 22 752649.357985.56259 =91868.6 N 转矩 M=0M- 1M =30105.5-22503.9=7601.6 N m nts 12 （ 2）对 2辊筒受力如图，对 2辊筒受力向 O 点简化（如图 6.2） 。 图 6.2 2辊筒受力及简化图 1M = 1T D=56259.85 400 310 =22503.9 N m 2M = 2T D=31960.3 400 310 =12784.12 N m 合力 F=G+ 1T + 2T =3579.9+56259.85+31960.3=91800.05 N 转矩 M= 1M - 2M =22503.9-12784.12 =9719.78 N m （ 3）对 3辊筒受力，对 3辊筒受力向 O 点简化（如图 6.3） 。 图 6.3 3辊筒受力及简化图 2M = 2T D=31960.3 400 310 =12784.12 N m 3M=3TD=18677.18 400 310 =7470.87N m 合力 F=3T+ 2T -G=18677.18+31960.3-3579.9=47057.58 N 转矩 M= 2M -3M=12784.12 -7470.87=5313.25 N m nts 13 （ 4）对 4辊筒受力，对 4辊筒受 力向 O 点简化（如图 6.4） 。 图 6.4 4辊筒受力及简化图 3M=3TD=18677.18 400 310 =7470.87N m 4M = 4T D=10314.19 400 310 =4125.68 N m 合力 F=G+3T+ 4T =3579.9+18677.18+10314.19=32571.27 N 转矩 M=3M- 4M =7470.87-4125.68 =3345.19N m （ 5）对 5辊筒受力，对 5辊筒受力向 O 点简化（如图 6.5） 。 图 6.5 5辊筒受力及简化图 4M = 4T D=10314.19 400 310 =4125.68 N m 5M=5TD=5859.33 400 310 =2343.73 N m 合力 F=G- 4T -5T=3579.9-10314.19-5859.33=-12593.62 N 转矩 M= 4M -5M=4125.68-2343.73 =1781.95 N m nts 14 （ 6）对 6辊筒受力，并对 6辊筒受力向 O 点简化（如图 6.6） 。 图 6.6 6辊筒受力及简化图 5M=5TD=5859.33 400 310 =2343.73 N m 6M=6TD=3328.58 400 310 =1331.43N m 合力 F=G+5T+6T=3579.9+5859.33+3328.58=12767.81 N 转矩 M=5M-6M=2343.73 -1331.43=1012.3N m （ 7）对 7辊筒受力，并对 7辊筒受力向 O 点简化（如图 6.7） 。 图 6.7 7辊筒受力及简化图 6M=6TD=3328.58 400 310 =1331.43N m 7M=7TD=2508.8 400 310 =1003.52N m 合力 F= 2726 TTG = 22 8.250858.33289.3579 =2521.36 N 转矩 M=6M-7M=1331.43-1003.52=327.91 N m nts 15 由以上计算可知 1牵伸辊的合力最大为： 合力 F=91868.6 N 2牵伸辊的合力矩最大为： 转矩 M=9719.78 N m 把 1牵伸辊的最大受力，可以把牵伸辊看作是载荷均布的悬臂梁（如图 6.7）。 图 6.7 最大受力牵伸辊受力情况 q=F/L=91868.6 /1335=68.8 N/ mm BR =qL=68.8 1335=91868.6 N 倾覆力矩 BM =-22qL =-213358.682 = -61308540 N mm nts 16 剪力 BQ =-qX BQ =- qL =-68.8 1335=-91868.6 N 弯矩 XM =-22qX BM =-22qL =-213358.682 = -61308540 N mm 7 牵伸辊筒的设计 11 牵伸辊的结构有三种：内部不通水、内部通冷水、内部通蒸汽。第一种是内部不通加热介质的牵伸辊，无缝钢管制作，借助两端法兰焊接在辊轴上。第二种是内部通冷却水的牵伸辊，它所配用的牵伸辊是一空心 轴，内装一根无缝不锈钢管，管内进水，经过牵伸辊内腔，然后至牵伸轴内孔与无缝不锈钢之间出水，有的还在牵伸辊内焊有呈螺旋线状流动，加长冷却水与牵伸辊的接触时间，使热交换充分。由于辊轴回转，故在轴端进出水接头处采用单端面机械密封。本次设计中，由于辊筒的长度和直径都是已知的，所以在这里只进行辊筒的结构设计。牵伸机组中的牵伸辊筒有内部不通水、内部通冷水、内部通热水三种。根据纺丝的工艺要求，设计第一台牵伸机内部不通水的牵伸辊五根和内部通冷水的牵伸辊二根，设计第二台牵伸机内部不通热水的牵伸辊七根，设计第二台牵伸机内部不通 热水的牵伸辊七根。 牵伸辊与牵伸辊轴的联接方式有内夹套螺栓联接、辊筒与法兰焊接再用螺栓联接和法兰螺栓联接，前两者结构复杂难于加工和装配，后者结构简单，易于加工和装配，经济性好。牵伸机组中所有牵伸辊和牵伸轴均采用法兰螺钉联接。内部不通水的牵伸辊结构设计（如图 7.1）。 图 7.1 牵伸辊结构图 nts 17 设计要素有如下几个方面： （ 1）选用材料为 20 的钢管（ 500mm 1335mm）。 （ 2）辊筒要封闭所以在左端加工一个凹槽台阶，钻 6 个 M16-6H 深 15 的 孔，以便和盖子装配。 （ 3）车外圆到 400mm 1250mm， 表面镀 三氧化二铬厚度 0.2 0.3 后抛光，表面粗糙度达 0.8m。 （ 4）为了避免尺寸突变而引起的应力集中，所以阶梯轴采用倒圆角过渡。 （ 5）为了辊筒和轴联接，在辊筒 450mm 的圆周上钻 24 个 26 深孔 40， 这样可以将螺钉头隐藏起来。 （ 6）辊筒和轴联接，为了阻碍辊筒下滑，在辊筒和轴加工出有一定精度相配合的定位止口。 内部通冷水的牵伸辊继承了内部不通水结构的特点，只是在一个 局部做了一点修 改，具体结构设计（如图 7.2）。 在内部不通水的牵伸辊结构上内孔加工一个台阶，以配合装通水的分配板。 图 7.2 通水牵伸辊结构图 nts 18 8 法兰联接螺钉性能等级和材料确定 12 牵伸棍和 牵伸辊是法兰螺钉联接，为了防止出现螺栓断裂的情况，必须进行分析。 首先，分析辊筒的受力。单个辊筒的受力情况， 1T 、 2T 为丝束的张力，它们对牵伸辊产生转矩 ，及倾覆力矩 的作用，其大小与丝束作用力及丝束对辊的包角有关。分析各个辊筒的受力情况，确定受力最大者牵伸辊，辊筒与轴通过 24只高强螺钉相连。D为辊筒与法兰联结螺钉所在圆的直径，0D为法兰外径， 1D 为接触面的内径。0D、 1D之间的面积为辊筒与法兰的有效接触面积。 根据前面的计算出来的结果，可知 1牵伸辊的合力最大： 合力 F=91868.6 N 2牵伸辊的转矩最大 ： 转矩 M=9719.78 N m。 综合考虑辊筒的最大合力和最大转矩，假设 2辊筒所到 合力 F=91868.6 N 、 转矩 M=9719.78 N m。 其次，确定受倾覆力矩最大的辊筒。 0M=F 0.5 L=91868.6 0.5 1250 310 =57417.875 N m 联接螺栓强度计算 根据转矩 M 计算预紧 力1pF。 采用螺栓时，靠联接预紧后在接结合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩，假设各螺栓的预紧程度相同，根据力矩平衡条件得 f1pF 1r+ f1pF 2r+ f1pF 3r+ + f1pF zr=KM （ 8.1） 式中 K - 防滑系数 z-螺栓数目 zr -第 z个螺栓到接合面中心的距离 f-接合面的摩擦因数 由于 zr 大小相同，为 0.5D，故1pF=fZrKM根据参考 文献 12取 K=1.2 f=0.15 1pF=fZrKM=3104505.02415.078.97192.1 =14399.67 N 根据倾覆力矩计算预紧力2pF。 预紧力应确保辊子承受倾覆力矩后，受压最小处不出现间隙，根据参考文献 13有 2pF=ZWAM0（ 8.2） 式中 A - 有效接触面积 nts 19 z-螺栓数目 w-接合面有效抗弯剖面模量 A= 25.0 （ 2120 DD ） = 25.0 （ 2500 - 2400 ） =70650 2mm =0.7 2m W= 04140 5.06 5.05.0 D DD =1.54 310 3m 2pF=ZWAM0=31054.1247.0875.57417 =1.08 610 N 故预紧力pF=2pF=1.08 610 N 计算螺栓承受最大工作载荷maxF。 由参考文献 7有： maxF=ZiiiLLLM1max0（ 8.3） 式中，iL代表第 i个螺栓轴线到接合面中心轴线的距离； maxL代表最大值为maxL=0.5D 。 图 8.1为辊筒与轴联接螺栓分布图， 24个螺栓均布，所以iL有两个最大值，有两个为 0。其余 20只螺栓中可分均成 4组，每组的iL对应相同， 1L = maxLcosl5、 2L = maxLcos30、3L= maxLcos45、 4L = maxLcos60 5L= maxLcos75 图 8.1 辊筒与轴联接螺栓分布图 maxF=(57417.875 450 310 ) 4（ 21L + 22L + 23L+ 24L + 25L） +2 2maxL =10589.4N nts 20 计算螺栓承受的总拉力 F F=pF+CmaxF（ 8.4） 其中 C为螺 栓的相对刚度，根据参考文献 15取 C=0.4， 所以 F=pF+CmaxF=1.08 610 +0.4 1.06 410 =1.08 610 N 计算螺栓危险剖面的拉伸强度 =1.5F/（ 0.25 2d ） （ 8.5） 式中， d为螺栓的危险剖面的直径 所以 =1.5 1.08 610 /（ 0.25 2024.0 ） =358.28 MPa 查文献 16表 11-6，选用性能级别为 8.8，材料为 35 即可满足要求。 9 通水牵伸轴设计 （ 1） 选择轴的材料确定许用应力 此轴属于载荷较大而无很大 冲击的重要轴，中间要通水是中空轴内径130mm，而且还要和牵伸辊相联接，最大直径和 牵伸辊的最大直径一样， 所以轴的直径比较大。选用 40Cr，调质处理。 查文献 12表 2-5，取 B =685 MPa。 （ 2） 按扭转强度，初估轴的最小直径 由文献 17表 2-6 查得 C=100， =40 Mpa 按轴的设计公式 实心轴 mind C3 nP=66.7mm 空心轴 mind 66.7+130=196.7 mm 由于键槽的存在 ,应增大轴颈以考虑其对轴强度的影响 ,双键应增大 7%，所以 ，取d=200mm （ 3） 轴的初步设计 根据轴系结构分析要点，该轴上主要有两个轴承和一个齿轮。右边的轴承用锁紧螺母和锁紧垫圈进行轴向固定，所以必须要开一个槽。齿轮和轴一起转动，即在轴上要开一个槽。考虑到斜齿圆柱齿轮传动，选用 角接触球 轴承，采用 螺栓联接 式轴承盖实现轴两端单向固定，依靠普通平键联接实现周向固定，大齿轮的轴 向固定采用轴肩与套筒相配合实现，轴采用阶梯轴的结构来实现零件的轴向固定。此轴要与辊直接相连，因此在6d上开 24个 M24的螺孔，与辊相配合，结合后述尺寸确定，绘制轴的草图 （如图 9.1）。 nts 21 图 9.1 轴结构图 （ 4） 轴的结构设计 径向尺寸的确定： 图 9.1 所示，从轴段 d=200mm 选取相邻轴段的直径。1d起定位固定作用的套筒，定位轴肩高度 hmin 可在 （ 0.07 0.1） d 取值，故1d 30（ 1+2 0.07）=210.2mm 取1d=220mm。 2d 为与大齿轮装配部分，其直径应与大齿轮的内孔直径相一致 ， 即 2d =240mm。3d为安装轴承部分，即3d=260 mm，选定轴承为23144CK/W33GB/T288-1994。 4d 为了方便装配水管零件 4d =230mm, 5d为轴与辊筒的定位止口，5d=500mm；6d为钻螺纹的地方，6d=450mm；7d为轴径，为了和辊筒的最大直径一致，取 7d=500mm。 轴向尺寸的确定： 1L 为螺纹长度与锁紧螺母相配合，取 1L =40mm； 2L 为退刀槽，取 2L =5mm；3L上装载轴承，轴承宽度 B1 =120mm，取3 L=178mm； 4L 起定位作用，取 4L =148；大齿轮齿宽 b2=260 mm,取5L=335 mm；6L与装轴承及箱体厚度 , 轴承宽度B2 =180mm，取轴段长6L=266mm；7L为联接螺纹的长度，取7L=80mm；8L起定位作用，取8L=10mm。 （ 5） 确定齿轮和轴承的润滑 由于辊筒的工艺速度是 250m/min，所以齿轮圆周速度 V=250m/min 齿轮采用浸油润滑，轴承采用压力油润滑 nts 22 （ 6） 轴的强度校核，轴的受力 （如图 9.2） 轴受力简图水平面受力水平面弯矩垂直面受力垂直面弯矩合成弯矩 图转矩 图当量弯矩 图图 9.2 轴受力图 nts 23 前面计算出来的数据有： 齿轮的输出功率 P=182.495KW 轴的转速 n=405.5r/min 齿轮的分度圆直径 d=609mm 齿轮的圆周力 F=22866.77N 齿轮的径向力 nFF tancos=7525.69 N 齿轮的轴向力 tanFF3684.24 N 轴传递的最大转矩 T=9719.78 N.m 计算支承反力及弯矩： 水平面上 AHF=BHF=2tF=11433.385N C点弯矩 CHM= AHF 301mm=3441.45Nm 垂直面上 AVF=mmmmFdF ra6063452 =6135.67 N BVF= rF AVF=1390.2 N C点弯矩：CVM=AVF301mm= 1840.7 Nm 求合成弯矩 CM= 22CVCH MM =3902.79 Nm C点当量弯矩： CM = 22 aTM C = 22 78.97196.079.3902 =7017.3 Nm 校核的强度 C截面的当量弯曲应力 C=WMC=31.0 dMC = 33395.01 3 01.0103.7 0 1 7mmN m m =37.25 MPa W-轴的抗弯截面系数 , W=0.1 3d (因 C截 面有键槽 ,考虑对轴强度削弱影响 ,故 d乘以 0.95,d为轴拥有材料的直径 ) 确定许用弯曲应力 ： = / knc （ 9.1） nts 24 式中 -对材料 40 rc ，取 =333.43MPa - 表面质量系数， 取 =0.90 - 绝对尺寸系数， 取=0.89 cn- 安全系数， 取cn=1.40 k- 受弯矩作用时的有效应力集中系数，取k=2.53 把以上数据代入公式 （ 9.1），得 =75.4 MPa （ 7） 刚度校核 牵伸轴和牵伸辊的结构简图（如图 9.3） 图 9.3 轴辊结构图 忽略齿轮的受力和牵伸辊上的摩擦力，有轴的结构可以简化为双简支的外伸梁（如图9.4） 图 9.4 辊轴简支图 nts 25 计算转角的公式 =p2l 21 32 ll /6EI （ 9.2） 式中 P-拉伸力，取辊最大合力 P =91868.6 N 1l -两轴支座跨距， 1l =666 2l -轴受扭矩作用的长度， 2l =948 E-弹性模量， E=2.16 610 I- 转动惯量，取 I= 4260 /64=224203850 将以上数据代入公式 （ 9.2） 得 =0.00125 rad 允许偏转角 12 =0.0025 rad 由计算可知C , 所以轴的强度、刚度足够 ,满足设计要求 ,则该轴的结构设计无须修改。 10 牵伸辊的计算 10.1 强度计算 以第三道牵伸机构的第二个牵伸辊为例，在拉伸辊上作用的力包括：丝束进、出牵 伸辊时的张力1T和2T牵伸辊外伸部分的重量 W 。用分析法或图解法求出力1T、2T和 W 的合力 P 。对危险截面 C（如图 9.3）进行强度校核，其方法如下： 已知 2I =948mm P=91800.05N 1T =56259.85N 2T =31960.3N C 处的弯矩CM为：CM=2PI式中： 2I-力 P 作用点至截面 C 的距离 CM=2PI=91800.05N 948mm=87026447.4N mm C 处的扭矩CT为： 012()2C DT T T式中：0D 牵伸辊直径 012()2C DT T T = 24 003.3 19 6 085.5 62 5 9 =4859910 N mm C 处的等效弯矩 M 为： 221 ()2 C C CM M M T =87094243.86 N mm C 处的等效扭矩 T 则为： 22CCT M T=87162040.32 N mm C 处的弯曲应力 及扭转应力 应为： MW，nTW 式中： W 抗弯断面模量； nW 抗扭断面模量。 nts 26 对于直径为 d 的实心轴来说，应力为： 22316 ()C C CM M Td ； 22316 )CCMTd 。对于空心轴，断面模量等于：44000()32W D dD； 44000()16nW D dD； 式中：0D 空心轴外圆直径；0d 空心轴内圆直径。 此轴为空心轴0D=400 mm 0d=340mm 44000()32W D dD= 44 34040026032 =1616854.69 3mm 44000()16nW D dD= 44 34040026016 =808427.35 3mm 应力为： MW=87094243.86/1616854.69=53.87 MPa nTW =87162040.32/808427.35=10.782M Pa 通水牵伸辊的材料是 rC40 ， 查文献 3表 2-7，取b=600 MPa, 0b=95 MPa， =40 MPa。 计算所得的危险截面应力小于所用材料的许用应力，表示辊的强度足够。 10.2 挠度计算 牵伸辊外伸端的挠度由下列各部分挠度迭加而成，即 （ 1） 由于载荷 P 引起起点 D 处的挠度 1f 等于 1f = 2112211 326 IXIXIIIIXEJP （ 10.1） 式中 E-弹性模量 J-惯性矩 X-支承 A 至截面 D 的距离 1I -两支承 间的距离 查文献 15得碳钢的弹性模量 E=196 206 310 MPa 取 E=200 310 MPa 牵伸辊的转动惯量 J = 2/22 rRm =365.3（ 22 340400 ） /2=50324560 2mm 支承 A 至截面 D 的距离 X=989mm 两支承间的距离 1I =666 mm nts 27 1f = 2112211 326 IXIXIIIIXEJP =1.01 610 mm （ 2） 载荷 P 引起点 D 处的转角 1 为 1 =22212223212 ILIIEJPI （ 10.2） L-牵伸辊的长度 L=1250 mm 1 =22212223212 ILIIEJPI =4.24 910 由于转角 1 而使牵伸辊外端产生的 形变增量 2f 为 2f = 1 L （ 10.3） 2f = 1 L=4.24 910 1250=5.3 610 mm （ 3） 将牵伸辊筒看作一受均匀载荷 P/L 的悬臂梁，牵伸辊外伸端的挠度3f为 3f=EJPL83 （ 10.4） 3f=EJPL83 =2.23 610 mm （ 4） 由第二牵伸辊和相邻各辊筒上的丝束张力差，求出作用在齿轮 B 上的各周向力。设周向力在力 P 方向的总分力为 F，则因力 F 的而在点 D 产生的转角 2 等于 2 = 34346EJI IIFI （ 10.5） 式中 4I -齿轮 B 至前支承的距离 4I =365 mm 3I-齿轮 B 至后支承的距离 3I=301 mm F-齿轮 B 的圆周力 F=22866.77N 2 = 34346EJI IIFI =0.0003 610 因转角 2 而使牵伸辊外伸端产生的形变量 4f 为 4f = 2 （ L+X- 2L ） （ 10.6） 4f = 2 （ L+X- 2L ） = 0.38 610 mm 牵伸辊外伸端的总挠度 f 为 nts 28 f = 1f + 2f + 3f + 4f （ 10.7） f = 1f + 2f + 3f + 4f =(1.01+5.3+2.23-0.38) 610 =8.16 610 mm 在不计滚动轴承的间隙时， 1 米长的牵伸辊外伸端的最大挠度应小于 1 毫米。由于8.16 610 mm 远小于 1.25mm，则所设计的牵伸辊符 合要求。 11 润滑方式与密封装置 牵伸轴和轴承高速运转产生大量的热，就必须采取润滑的装置，采用集中、连续、有压力油润滑。压力供油润滑是用油泵将油压送到润滑部位，供油量充分可靠且易于控制，可带走摩擦热起冷却作用。 箱体中齿轮和轴承的润滑推荐采用 N68 机油（ GB433-1989），第一次运转 300小时后应清洗更换新油，以后每运转 5-6 个月更换一次机油。油温温升不宜超过80C，每次换油时须清理网式滤油器。 在润滑系统中密封装置的作用是防止润滑剂的泄漏并阻止外部杂质、灰尘、空气和水分等侵入润滑部位。密封不仅能大 量节约润滑剂，保证机器的正常工作，提高机器寿命。牵伸辊、牵伸轴、箱体相连的地方采用多种密封方式。 防止润滑油漏出和箱体外杂质、水及灰尘等侵入轴承室，避免轴承急剧磨损和腐蚀。 （ 1） O 型密封 选用 O 型密封圈 265 7G GB3452.1-1992，胶圈安装在沟槽内受到预压缩而起密封作用，当液体油要向外泄漏时，密封圈借助流体的压力挤向沟槽的一侧，在接触边缘上压力增高使密封效果增强，这种随介质压力升高而提高密封的效果的性能叫“自紧作用”， O 型密封圈具有双向