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机械毕业设计全套

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JX02-098@小型冷带钢卷取机设计,机械毕业设计全套

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第 1 页 小型冷带钢卷取机设计 1 绪 论 1.1 选题的背景和目的 地上式卷取机是为与卷取宽带钢地下式卷取机相区别而提出的，它的类型很多。又由于它主要用于卷取窄带钢，所以称为窄带钢卷取机，按着其结构特点可分为无筒式卷取机和卷筒式卷取机。 无筒式辊式卷取机不是往卷筒上卷取带钢，而是将带钢送到弯曲辊 间弯曲后卷绕成钢带也称为打卷机。由于结构简单、卸卷方便，用于带钢表面要求不高的冷卷 25 毫米厚的带钢或热带钢卷取。 冷带钢卷取机是冷钢生产的重要设备用于酸洗机组的卷取、纵切机组成品窄带条的卷取和冷轧机的卷取等。将轧制的很长 的冷带钢卷成 钢卷以便恒张力轧制，有利于生产运输和贮存如图 1.1 所示各类冷轧机上卷取机布置图。 nts 第 2 页 a 可逆式 b 不可逆式 c 连续式 1 开卷机 2 卷取机 3 导向辊 4 压板 5 轧机 图 1.1 各类冷轧机上卷取机布置 1.1.1 张力问题 张力在冷轧机轧制过程中起重要作用。张力轧制可以降低轧制负荷，使板型平直，提高带钢表面质量。同时张力卷取使钢卷卷紧，整齐。为此，轧制冷带刚时，在保证不损伤带钢的前提下，均采用大张力轧制。在可逆轧制 24 毫米的带钢张应力 0= （ 0.10.2） s ，对轧制 0.31 毫米带钢 0=（ 0.50.8） s 。在连轧时张应力常取 0=nts 第 3 页 （ 0.30.5） s ，张力由前后卷取来实现。 1.1.2 调速问题 在带钢卷取过程中，钢卷直径是变化的。为保证钢卷外层线速度与轧机速度相适应并保证张力恒定，就要求卷取机速度是 可调的，其速度调整范围应满足轧机速度变化和卷径变化两种情况。在张力恒定范围内，根据张力计发出的 信号，调整电机转速。 1.1.3 卷取机的边缘控制 在轧机组中，带钢由于各种原因，在行进中会产生左右偏斜即跑偏，为使最后卷取的钢卷边缘整齐。在卷取机上常设置边缘控制即跑偏控制机构。通常采用移动液压缸，使换取机在滑道上根据带钢的偏斜程度左、右移动以使钢卷整齐。选题的背景就是对卷取机重要性和它的特点的基础而选择冷带钢卷取机的设计。其目的就是对小四辊前后卷取机进行改进设计。因为 小四辊的卷取机原设计卷径很小，随着使用过程中 小径影响生产的发展，只有采用大直径带钢生产生产率才能提高，为此必须扩大卷取电机的调速范围，以保证卷取机生产要求。卷取设有推卷装置夹紧机构有时夹不紧而使带钢卷不紧。为此，这次设计对小型带钢卷取机进行研究，根据存在的问题制出合理的改进方案，使卷取机夹紧装置和胀缩机构满足工艺要求。选择合适电机满足调速范围，通过计算保证在最大张力下各零件的强度为 提高带钢质量保证实现恒张力轧制。 1.2 带钢卷取机国内外发展现状 热带钢卷取机是地下卷取机，最早是人辊式卷取机即由 8 个成型辊和导板组成。由于成型辊和导板太多，相互间缝隙多 容易发生卡钢事故。另外，成型辊和卷筒间缝隙不均匀，压力不等。卷取成塔形多严重时卡钢不能工作。为减少事故改成四辊式每个成型辊单独驱动，结构简单多了工作可靠，但随着 钢卷直径加大压紧不好，不能卷大直径的钢卷。以后又采用二辊式卷取机结构更简单成型辊小，但导板长度增加，卷取困难，只用于厚度大的带钢。 现在采用三辊式卷取机，采用计算机进行控制。卷筒与最后一架精轧机直接建立张力卷取最好自动控制卷取是近代最好的卷取机，为防止悬臂卷筒弯曲采用活动支承。 冷带钢卷取机是地上卷取机，早期冷带钢卷取机选用圆柱形实心卷筒，有夹紧机构nts 第 4 页 的钳口无胀缩机构，采用重卷机以便卸卷。也可用在小型冷轧机上，不重卷只要卷筒反转便可由人工取下带卷，以后发展成弓形块卷取机。该卷取机刚性差，弓形块结构不对称，不利于高速，大负荷运转。为了满足高速大负荷要求又出现了扁形块式卷取机。由于扁形块结构对称、强度高，可在冷轧机上使用多年。 近年来，冷轧机向告诉、大重卷、自动化方向发展。为保证卷取质量，减少卷取机的转动惯量，采用八棱锥扇形块卷取机。最近卷取机又采用牙条扇形块式无缝隙卷筒，用于窄带冷轧机上。 卷取机的胀缩机构开始时采用凸轮机构，以后又发展成四棱锥、八棱锥用液压 缸移动锥轴使弓形块、扇形块位置变化达到胀缩的目的。最近新的卷取机反回来又采用凸轮机构代替四棱锥，为保证板边整齐采用液压缸推动卷取机在滑座上移动进行自动控制板边缘保证边缘齐整。 1.3 冷带钢卷取机研究内容和方法 1.3.1 冷轧机组平面布置和 卷取机的作用 200 冷轧机组平面布置如图 1.2 所示 1 卷取机（前、后各一台） 2 张力辊（前、后各一组） 3 200 冷轧机 4 机前压板 5 转盘 图 1.2 200 冷轧机平面布置图 200 冷轧机 是四辊可逆式轧机，工艺过程是将钢卷平放到转盘 5 上，用钳子夹头钢头经机前压板送入轧机由机后卷取机卷几圈后把压板压紧进第一道轧制。轧完后其带钢尾部由机前卷取机卷好几圈进 行 逆轧制 。这时压板抬起由前后卷取机产生前后张力，一般轧五道次后卸卷退火再重复上述流程进行轧制以便轧薄。 nts 第 5 页 卷取机的作用卷取带钢并产生 前、后 张力。 1.3.2 冷带钢卷取机的类型和特点 1、 实心卷筒卷取机 实心卷筒卷取机，卷筒呈实心圆柱形，这种卷取机的优点是结构简单，卷筒具有很大的 强度和刚度，用于卷取 薄带钢或张力很大钢卷很重的可逆式冷轧带钢轧机上， 缺点是卷筒直径不能胀缩，为了卸卷 则要增设一台可胀缩卷筒的重卷机，当轧制终了时，带钢从实心卷筒往重卷机上重卷并卸卷。现安装在 1400 偏入辊冷轧机上。 2、 弓形块卷筒卷取机 弓形块式卷取机卷筒直径能胀缩，钳口能夹紧和松开，夹紧带钢头部和卸卷均较方便。但由于弓形块刚性较弱，故这种卷取机多用在横切、酸洗、热处理及涂层 机组。弓形块卷筒按其胀缩机构的类型可分为凸轮式、斜楔式和径向活塞式等。弓形块式卷筒的主要缺点是卷筒的结构不对称、质量分布不均衡，因此不 能在高速，大负荷下运转。为此，这种卷筒多用在冷轧机车间的精整机组中。 3、 扇形块式卷取机 扇形块式卷取机的卷筒由四个扇形块组成。卷筒的胀缩靠扁形块下面四棱锥轴的轴向运动来实现。因此，四棱锥扇形块式卷筒是这样卷取机的基本形式。由于四棱锥扇形块式卷取机卷筒结构对称、强度高。因此，广泛用于冷连轧机组、平整机组和单机座可逆或不可逆冷轧机组中。这种卷取机结构简单强度好，但由于卷筒 胀开时扇形块之间有很大缝隙，这在卷取薄带时会产生压痕影响带钢表面质量。 近年来，冷轧机向高速、大重卷、自动化方向发展。为保证钢卷质量。在卷取 机结构上也做了较大的改进。采用小转动惯量以便使制动和调速，卷筒采用四棱锥加镶条的结构即八棱锥式卷取机。卷筒胀开时是个完整的圆柱体。当四个棱锥移动时，镶条沿心轴的斜面径向移动卷筒胀开，镶条正好填满扁型块式之间的缝隙卷筒是完整的圆柱形。由于四棱锥和四棱锥镶条扇形块式卷筒质量分布均匀，结构强度高、使用可靠，要求加工精度高。现在在连轧机力 1/2，因而有可能在满足工艺要求 的前提下，适当减少结构的强度，简化机械加工。特别在窄带钢冷轧机上更为合适。 nts 第 6 页 1.3.3 带钢卷取机研究内容和方法 为搞好带钢卷取机的设计，按下列步骤 和方法进行 1、 下厂收集资料 了解同类卷取机的工作特点和生产中存在的问题，查阅有关资料。 2、 制定设计方案，对存在问题进行设计改进，同时对方案的特点进行分析即方案评述。 3、 选择传动系统进行电机容量的选择 。 4、 对设计方案、主要零件进行设计计算，保证它们的强度和刚度要求。 5、 绘制总图、部分部件图和零件图。 6、 说明设计方法和要求、提出对控制系统的设计要求。 7、 进行设计的经济分析与评价。 nts 第 7 页 2 冷带钢卷取机方案的选择与评述 小型冷带钢卷取机一般指辊身长在 400mm 以下的冷带钢轧机。我设计的题目冷轧机辊身长有 200mm。卷取的方案有两种：一种 是电机通过一级皮带传动再通过减速机传动卷筒旋转进行卷取。另一种是电机通过减速机传动卷筒旋转进行卷取。见图 2.1 所示 a 直流电机一级皮带传动 b 直流电机传动 图 2.1 冷带钢卷取机方案图 第一种方案由于采用直流电机一级皮带传动，张力不恒定，但是如果过载可以利用皮带的打滑保护 传动装置和电机。主要应用不可逆 冷轧机上。 nts 第 8 页 第二种方案由于没有采用一级皮带传动、 精度高，只要与主轧机调速范围 配合好可以保证恒张力轧制。该设计采用第二种方案，因为冷轧机是 200 四辊可逆式冷轧机，所以选择该方案。 方案的结构选择，卷筒采用弓形块它的胀缩用凸轮机构，由于轧机的速度不高 ，凸轮机构加工方案简单，容易加工制造。钳口采用凸轮机构设计时夹紧后自锁忽略以便卷取后松开。 经过现场实习调研，原 卷取机 的张力较小，所以这次设计中增加了带钢的张力，同时电机容量也有所增加 ，原轴承经过计算符合设计要求，故轴承还选原轴承。原卷 取张力小使得带钢表面质量较差，现增大张力后，提高了带钢的表面质量，并减减小了轧制力。 设计改进有两个方便。第一 ， 保证 了 恒张力 轧制，张力的增加有效的提高了带钢表面质量。第二，减小了轧制力 。 nts 第 9 页 3 电机的选择 3.1 带钢张力的计算及最大张力的确定 冷带钢 卷取（尤其在轧制作业线上）突出的特点是采用较大张力。此外，由于张力直接影响产品质量及尺寸精度，因此对张力的控制也有很严格的要求。现代大张力冷带钢卷取机都采用双电枢或多电枢直流电机驱动，并尽量减小传动系统的传动惯量，提高调速性能， 以实现对张力的严格控制。各种生产线的卷取张应力不同。轧制卷取时，应考虑加工硬化因素；精整卷取薄带时，张应力应取大值。 s 2.00（ 3.1） 式中： ,0 单位张力MPa； 带钢屈服极限，sMPa。 2152.00 43 MPa hbT 01.2-1 （ 3.2） 式中： T 卷取张力， N； 带钢宽度，b mm； 带钢厚度，h mm。 5.116043 T 10320 N 为了使冷带钢恒张力轧制提高带钢的表面质量最大张力取 14T kN 3.2 卷取机主要结构尺寸的选择 3.2.1 卷筒直径的确定 对于冷轧带材卷取 机，卷筒直径的选择一般以卷取过程中内层带材不产生塑性变形为设计原则。对热轧带材卷取机，则 要求带材的头几圈产生一定程度的塑性变形，以便nts 第 10 页 得到整齐密实的带卷。但是由于受卷筒强度和作业线工序互相衔接的限制，卷筒直径不宜取 得过小或过大。设计时可以考虑以下经验方法： 冷带钢卷取时 m a x200150 hD 2.12 （ 3.3） 5.1200150 300225 mm 在卷取带材的厚度范围很大，则应采取可更换卷筒或可加套筒方案，根据带材的厚度和工艺要求变换卷筒直径，防止 厚带材 在小直径卷筒上出现塑性变形或薄带材带卷因内孔过大而出现塌卷现象。因此，取 卷筒直径 265D mm 3.2.2 卷筒筒身长度的确定 卷筒筒身工作部分长度应等于或稍大于 轧辊辊身长度，卷筒直径的胀缩量约为 1540 mm。 根据已知轧件最大宽度 160B mm , 取卷 筒筒身长度 200l mm 3.3 初选电 动 机容量 1、选择电 动 机的类型 按工作要求电机需要调速，因此选用直流电机，封闭式结构，电压 220/380 V， Z型。 2、选择电动机的容量 电动机所需工作功率为 awd PP kW 3.2-1 （ 3.4） 式中：wP 工作机所需要工作功率，指卷取机的卷 取机构张力卷取所需功率， kW； a 由电动机至卷取机卷取机构的总效率。 nts 第 11 页 awvTKP 1 00 02 kW 3.2-2 （ 3.5） 式中： ；数，取塑性弯曲及摩擦影响系 2.11.12K 卷取张力，T N； 卷取速度，v m/s； a 由电动机至卷取机卷取机构的总效率。 由电动机至卷取机构的传动总效率为 433221 a3.2-5 （ 3.6） 效率。齿轮传动、卷筒的传动分别为联轴器、轴承、式中： 4321 取 级，不包括轴承效率）（齿轮精度为（滚子轴承）， 897.0,98.099.0321 ， 96.04 ，则 由式（ 3.6）得 96.097.098.099.0 32 a86.0 将式（ 3.5）、（ 3.6）代入式（ 3.4）中得 advTKP 1 0 0 02 86.01000 8.11400 02.1 16.35 kW 根据 电动机容量，由有关手册查出初选电机 Z2 82，额定功率 40dPkW， 转速 750 1500 r/min。 3、确定带卷的最大卷径 mBDDw 224（ 3.7） 式中： 带卷外径，wDmm； 卷筒直径，D mm； nts 第 12 页 带卷宽度，B mm； 卷材密度， mm； 带卷质量，m mm。 由式（ 3.7）得 24 DBmD w wD 22658.7160 1054 420 mm 卷取张力控制的实质在于， 若卷取 线速度不变，采用电流调整器使电枢电流保持恒定，就可以保证张力恒定。为了保持张力不变，必须保持卷取机卷取带钢线速度不变。事实上随着卷径变化，卷取带钢线速度是变化的。这就需要电动机有调速能力，调速范围应保证满足下式 DDnn wrmax 1.2-9 （ 3.8） 式中： ；卷筒的最大转速和基速、rnn m a x带卷的外径和内径。、 DDw2654207501500 420 wD mm（满足要求） 3.4 电动机轴上的力矩的计算 1、电动机至卷筒的转速比 卷筒的转速筒n（对应于最大卷径，最大机组速度时）为 D vn 60000筒1.2-5 （ 3.9） 式中： 卷筒转速，筒nr/min； nts 第 13 页 卷取速度，v m/s； 卷筒直径，D mm。 265 8.160000 筒n79.129 r/min 速比 i 为 筒nni r （ 3.10） 79.12975078.5 2、电机轴上的最大力矩计算 fjbTz MMMMM 2.12-15a （ 3.11） 式中 ： zM 电机轴上的最大力矩， N m N m； TM 张力对电机轴的阻力矩， N m； bM 带材弯曲对电机轴的阻力矩， N m； jM 加速卷取时形成的电机轴阻力矩， N m； fM 卷筒轴承摩擦形成的电机轴阻力矩， N m。 30 102 hBiDM wT2.12-16 （ 3.12） 式中： 带卷外径，wDmm； 带卷宽度，B mm； 带卷厚度，h mm； 单位张力，0MPa； 电机至卷筒的减速比。i nts 第 14 页 32 104 sb ihBM 2.12-17 （ 3.13） 式中： 带卷宽度，B mm； 带卷厚度，h mm； 屈服极限，sMPa； 电机至卷筒的减速比。i 由式（ 3.12）得 310435.116078.52 420 TM 62.508 N m 由式（ 3.13）得 32 1021578.54 5.1160 bM 35.3 N m 由于fj MM 和所产生的阻力矩比较小，可以在确定 zM 时选取一个比较的大的值来弥补fj MM 和产生的阻力矩。因此，将式（ 3.12）、（ 3.13）代入式（ 3.11）可以得 35.362.508 zM 97.511zM N m 综合考虑各种因素，取 520zM N m 3.5 电动机的校核 在初选完电机并确定了传动比之后，应该对电机过载能力进行校核，即应满足下列条件 erz MM 2.12-15 （ 3.14） nts 第 15 页 式中： 所选电机的过载系数； 电机额定力矩，erMN m； rder nPM 95503.2-17 （ 3.15） 750409550 33.509 N m 将式（ 3.15）代入式（ 3.14）中得 33.50986.03.1 520 N m 33.50912.465 N m 根据上述校核结果，该电机校核通过。 nts 第 16 页 4 卷取减速机的选择与计算 4.1 减速机的速比的分配 1、电动机至卷筒的速比 卷筒的转速筒n（对应于最大卷径，最大机组速度时）为 Dvn 60000筒式中： 卷筒转速，筒nr/min； 卷取速度，v m/s； 卷筒直径，D mm。 265 8.160000 筒n79.129 r/min 速比 i 为 筒nni r 79.12975078.5 2、确定减速机的速比 根据所选减速机为 JZQ250 一级减速机，在从电机传动卷筒做卷取运动过程中，其余传动部件（除减速机）的速比都为 1，故减速机的传动比为 78.51 ii 4.2 减速机 齿轮的计算 1、 确定该 对齿轮的中心距 根据所选减速机 JZQ250 得知，其中心距为 250a mm nts 第 17 页 2、选定模数nm、齿数 和、 21 zz 螺旋角 21c o s2 zzma n 3.4 （ 4.1） 式中： 高速级齿轮中心距，a mm； 模数nm， mm； 齿数、 21 zz ； 螺旋角 。 一般 1z =17 30， 158 。初选 1z =25， 10 ，则 12 ziz （ 4.2） 2578.5 145 由式（ 4.1）得 21cos2 zzamn 14525 10cos2502 9.2 mm 由标准取 3nm mm 由式（ 4.1）得 nmazz cos221 3 10cos2502 13.164 取 16421 zz nts 第 18 页 1212 zizzzi ，1121 zizzz izzz 1121 izzz 1 21178.51 16419.24 取 241 z 16421 zz 12 164 zz 24164 140 齿数比 2414012 zz 83.5 与 78.5i 的要求比较，误差为 0.9%，可用。于是 由式（ 4.1）可得 a zzm n 2c os 211 2 5 02 1 4 0243co s 1 471510 满足要求。 3、计算齿轮分度圆直径 小齿轮 cos11zmd n （ 4.3） nts 第 19 页 471510cos 243171.73 mm 大齿轮 cos 22zmd n 471510cos 1403829.426 mm 4、齿轮宽度 按强度计算要求，取齿宽系数为 2.1d，则齿轮工作宽度 1db d（ 4.4） 171.732.1 81.87 mm 圆整为大齿轮宽度 902 b mm 取小齿轮宽度 951 b mm 5、齿根弯曲疲劳强度计算 Fn SaFatF mbYYYFK 4.10-16 （ 4.5） 式中： 斜齿轮的齿形系数；FaY；斜齿轮的应力校正系数SaY螺旋角影响系数。YrdnPT 51 105.95 （ 4.6） 式中： 齿轮轴的扭矩，1T N mm； 由式（ 4.6）得 nts 第 20 页 75040105.95 51 T510093.5 N mm 112dTFt（ 4.7） 将式（ 4.6）代入式（ 4.7）得 171.73 10093.525tF410392.1 N 由参考文献 4表 10-5 可以查出 65.2FaY（ 4.8） 由参考文献 4表 10-5 可以查出 58.1SaY（ 4.9） 由参考文献 4图 10-28 可以查出 93.0Y（ 4.10） 21 （ 4.11） 由参考文献 4图 10-26 可以查出 92.076.0 21 、 由此可以得 92.076.0 68.1 齿轮传动许用应力 SK FEFNF 4.10-12 （ 4.12） 式中： 疲劳强度安全系数S ； 的系数考虑应力循环次数影响FNK（可由参考文献 4图 10-18 查得）； nts 第 21 页 齿轮疲劳极限FE （可由参考文献 4图 10-20 查得）。 由式（ 4.12）得 4.1 50085.0 F57.303 MPa 载荷系数的计算 FFVA KKKKK 4.10-2 （ 4.13） 由参考文献 4表 10-2 可以查出 25.1AK 由参考文献 4图 10-8 可以查出 1.1VK 由参考文献 4表 10-3 可以查出 2.1FK 由参考文献 4图 10-13 可以查出 34.1FK 因此，得 34.12.11.125.1 K 211.2 将式（ 4.7）、（ 4.8）、（ 4.9）、（ 4.10）、（ 4.11）、（ 4.12）、（ 4.13）代入式（ 4.5）得 68.1395 93.058.165.210392.1211.24 F30.250 MPa 57.303 F MPa 齿根弯曲强度满足要求。 6、接触疲劳强度校核 HEHtH ZZuudbFK 114.10-20 （ 4.14） 式中： 齿数比；u nts 第 22 页 弹性影响系数，EZ MPa1/2； 区域系数。HZ 载荷系数的计算 HHVA KKKKK （ 4.15） 由参考文献 4表 10-3 可以查出 2.1HK（ 4.16） 由参考文献 4表 10-4 可以查出 4011.1HK（ 4.17） 因此，得 4 0 1 1.12.11.125.1 K 312.2 由参考文献 4图 10-30 可以查出 5.1HZ （ 4.18） 由参考文献 4表 10-6 可以查出 8.189EZ （ 4.19） 齿数比 12zzu（ 4.20） 2414083.5 由参考文献 4图 10-21 可以查出 5.522H MPa （ 4.21） 将式（ 4.7）、（ 4.11）、（ 4.15）、（ 4.18）、（ 4.19）、（ 4.20）、（ 4.21）代入式（ 4.14）得 8.1895.183.5 183.568.1171.7395 10392.1312.2 4 H 505 MPa 5.522 H MPa（ 接触疲劳 强度满足要求） nts 第 23 页 5 主要零件的强度计算 5.1 卷 筒 轴的设计与计算 5.1.1 轴的材料 轴的材料主要是碳钢和合金钢。钢轴的毛坯多数用轧制圆钢和锻件，有的直接采用圆钢。由于碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较低，同时 也可以用热处理或化学热处理的办法提高其耐磨性和抗疲劳强度，故卷筒 轴选碳钢制造，选 45 钢 调质处理。 5.1.2 卷筒 轴转矩的 计算 图 5.1 小型冷 带钢卷取机简图 卷筒 轴的转矩计算，要推算各轴的转矩。 如图 5.4 现将传动装置各轴由高速至低速依次定为 1 轴、 2 轴、 3 轴（此轴为卷取轴），以及 210 iii ， 为相邻两轴间的传动比 ； 231201 ， 为相邻两轴间的传动效率； 321 TTTT d ， 为各轴的输入转矩， N m； rdd nPT 9550750409550 33.509 N m 相邻两轴间的传动效率 101 nts 第 24 页 99.0 3212 97.098.0 9506.0 22123 298.099.0 9508.0 由电机轴的转矩dT及 相邻两轴间的传动效率，得 0101 iTT d3.2-18 （ 5.1） 99.0133.509 24.504 N m 12112 iTT 9506.083.524.504 50.2794 N m 23223 iTT9508.0150.2794 00.2657 N m 5.1.3 卷筒 轴的计算 1、 卷筒 轴的受力分析 为了方便计算 现将卷筒 轴的受力分析图及其弯矩、扭矩图 给出，如图 5.2 nts 第 25 页 nts 第 26 页 图 5.2 卷筒 轴的载 荷分析图 H 面的受力分析，如图 5.2 ABACNH l lTF 2（ 5.2） 401 58414000 20389 N TFF NHNH 21 1400020389 6389 N V 面的受力分析 ，如图 5.2 ABACNV l lGF 240158410201485 N GFFNVNV 2110201485 465 N nts 第 27 页 H 面的弯矩，如图 5.2 ABNHH lFM 14016389 2561989 N mm V 面的弯矩，如图 5.2 ABNVV lFM 1401465 186465 N mm H 面与 V 面的合弯矩，如图 5.2 22VH MMM （ 5.3） 22 1 8 6 4 6 52 5 6 1 9 8 9 2568766 N mm 卷筒 轴扭矩 TM 的计算 3TMT 2657000 N mm 现将卷筒 轴受力分析计算列表，如表 5.1 表 5.1 卷筒 轴受力分析数据 载 荷 水 平 面 H 垂 直 面 V 支 反 力 F 63891 NHFN 203892 NHF N 4651 NVF N 14852 NVF N 弯 矩 M 2561989HM N mm 186465VMN mm 总 弯 矩 2568766M N mm 扭 矩 TM 2657000TM N mm nts 第 28 页 2、 卷筒 轴强度校核计算 (1) 按 扭 转 强度条件计算 TTTTT dMWM 32.04.15-1 （ 5.4） 式中： T 扭转切应力， MPa； TM 轴所受的扭矩， N mm； TW 轴的抗扭截面系数， mm3； d 计算截面处轴的直径， mm； T 许用扭转切应力， MPa（可由文献 。查得）。 根据图 5.2 由于扭矩是定值，在截面中截面的轴径最细，故扭转强度校核只计算截面， 由式（ 5.4） 得 3702.02657000T 73.38 MPa 45 T MPa 根据计算结果扭转强度满足要求。 (2) 按弯扭合成校核计算 a 判断危险截面 截面受到的弯矩比较小、主要考虑扭矩对其的影响，但由于轴的最小直径是按扭转强度较为宽裕地 确定的，所以截面无需校核。 从应力集中对轴的疲劳强度的影响考虑，截面处过盈配合、轴肩、键槽引起的应力集中最严重；从受载情况来考虑，截面上的应力最大，故 该轴需要校核截面右侧和截面的右侧。 b 截面 右侧 抗弯截面系数 31.0 dW （ 5.5） 31201.0 172800 mm3 nts 第 29 页 抗扭截面系数 32.0 dWT （ 5.6） 31202.0 345600 mm3 截面右侧的弯矩 M 为 2568766M N mm 截面上的扭矩 TM 为 2657000TM N mm 截面上的弯曲应力 WMa5.5-5 （ 5.7） 172800256876687.14 MPa 截面上的扭转切应力 TTT WM5.3-12 （ 5.8） 345600265700069.7 MPa 轴的材料为 45 钢，调质处理。由参考文献 4表 15-1 查得 640B MPa，2751 MPa， 1551 MPa。 截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数及按 参考文献 4附表 3-2 查取 0.2 ， 31.1 又由参考文献 4附图 3-1 可得轴的材料的敏性系数为 82.0q ， 85.0q nts 第 30 页 故有效应力集中系数为 11 qk（ 5.9） 10.282.01 82.1 11 qk 131.185.01 26.1 由参考文献 4附图 3-2 查得尺寸系数 67.0 由 参考文献 4附图 3-3 查得扭转尺寸系数 82.0 轴按磨削加工，由 参考文献附图 3-4 得表面系数为 92.0 轴未经表面强化处理，即 1q，则综合系数值为 11 kK（ 5.10） 192.0 167.0 82.1 80.2 11 kK（ 5.11） 192.0 182.0 26.1 62.1 又由 参考 文献 4.3得碳钢的特性系数 2.01.0 ，取 1.0 1.005.0 ，取 05.0nts 第 31 页 于是，计算安全系数caS值 ，得 maKS 1 4.15-7 （ 5.12） 01.087.1480.2 275 60.6 maKS 1 4.15-8 （ 5.13） 269.705.0269.762.11 5 514.24 22SSSSSca 4.15-6 （ 5.14） 22 14.2460.614.2460.6 37.6 5.1S 经校核截面安全。 c 截面右侧 抗弯截面系数 31.0 dW 3901.0 72900 mm3 抗扭截面系数 32.0 dWT 3902.0 145800 mm3 截面右侧的弯矩 M 为 1235254M N mm nts 第 32 页 截面上的扭矩 TM 为 2657000TM N mm 截 面上的弯曲应力 WMa72900123525494.16 MPa 截面上的扭转切应力 TTT WM145800265700022.18 MPa 轴的材料为 45 钢，调质处理。由 参考文献 4表 15-1 查得 640B MPa，2751 MPa， 1551 MPa。 截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数及按 参考文献 4附表 3-2 查取 09.2 ， 79.1 又由 参考文献附图 3-1 可得轴的材料的敏性系数为 82.0q ， 85.0q 故有效应力集中系数为 11 qk 109.282.01 8938.1 11 qk 179.185.01 6715.1 nts 第 33 页 由 参考文献 4附图 3-2 查得尺寸系数 60.0 由 参考文献 4附图 3-3 查得扭转尺寸系数 78.0 轴按磨削加工，由 参考文献 4附图 3-4 得表面系数为 92.0 轴未经表面强化处理，即 1q，则综合系数值为 11 kK192.0 160.0893 8.1 24.3 11 kK192.0 178.0671 5.1 23.2 又由 参考文献 4.3得碳钢的特性系数 2.01.0 ，取 1.0 1.005.0 ，取 05.0于是，计算安全系数caS值，得 maKS 1 01.094.1625.3 2 7 5 00.5 nts 第 34 页 maKS 1 269.705.0269.762.21 5 510.15 22SSSSSca 22 10.1500.510.1500.5 75.4 5.1S 经校核截面 安全。 5.2 卷筒 轴轴承的计算 1、轴承类型及参数 选圆锥滚子轴承 GBT297 1994，由 参考文献 6表 4.6-3 查得该轴承的 8.150C KN，对于滚子轴承 310 。 2、求轴承受到的径向载荷 由 5.1.3 轴的计算可知 63891 NHF N， 4651 NVF N 2121 NVNHr FFF 22 4 6 56 3 8 9 90.6405 N 根据 参考文献 4表 13-5 可知 eFF ra 0 1X nts 第 35 页 轴承的当量动载荷为 rr FYFXP 4.13-8 （ 5.15） 090.64051 90.6405 N 3、轴承的平均转数 inn rmin 83.5750 64.128 r/min inn /max 83.51500 29.257 r/min 2 maxmin nnn m 2 29.25764.128 193 r/min 4、计算轴承寿命 其中温度系数 1tf，则 PCfnL tmh 6010 6 4.13-5 （ 5.16） 31069.6 4 0 51 5 0 8 0 01 9 36010 61023.3 h hL其中 1 20 0 08 00 0 hLh 轴承满足要求。 nts 第 36 页 5.3 凸轮机构的设计 1、凸轮机构的应用 凸轮机构的最大优点就是：只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使滑轴得到各种预期的运动规律，而且机构简单紧凑。凸轮的规律运动可以达到卷筒夹紧和松开的要求。 2、 凸轮的运动规律的设计 7 图 5.3 凸轮运动简图 图 5.3 凸轮运动简图中，以凸轮的回转中心 1O 为圆心，做的圆 1O 为凸轮的基圆。图示凸轮轮廓由 AB ， BA 两段组成，当凸轮逆时针旋转时，滑轴的逐渐上移此时开始逐渐夹紧带钢卷；当凸轮转到 B 位置时继续逆时针旋转，滑轴由最大的位移处开始逐 渐减小，此时开始松开带钢卷，方便卸卷。 图 5.3 中基圆 直 径 401 d mm,外圆半径 502 d mm,滑轴的位移为 10h mm,有此可见该凸轮可以满足卷取机在开始工作时的夹紧卷和卷取后的松卷要求。故采用上述凸轮机构满足设计要求。 nts 第 37 页 6 润滑方法及润滑油的选择 6.1 润滑油的选择 在摩擦表面间加入润滑剂不仅可以降低摩擦，减轻磨损，保护零件不遭锈蚀，而且在采用循环润滑时还能起到散热降温的作用。由 于液体的不可压缩性，润滑油膜还具有缓冲、吸振的能力。使用膏状的润滑脂，既可防止内部的润滑剂外泄，又可阻止外部杂质侵入，避免加剧零件的磨损，起到密封的作用。 润滑剂可分为气体、液体、半固体和固体四种基本类型。在液体润滑剂中应用最广泛的是润滑油，包括矿物油、动植物油 、合成油和各种乳剂。半固体润滑主要是指各种润滑脂。它是润滑油和稠化剂的稳定混合物。固体润滑剂是任何可以形成固体膜以减少摩擦阻力的物质，如石墨 、二硫化钼、聚四氟乙烯等。任何气体都可作为气体润滑剂，其中用的最多的是空气，它是主要用在气体轴承中。 根据卷取 机的工作状况，选液体润滑，润滑油选矿物油，因为矿物油来源充足，成本价廉，使用范围广，而且稳定性好，应用最多。 6.2 润滑方法 润滑油或润滑脂的供应方法在设计中是很重要的，尤其是油润滑时的供应方法与零件在工作时所处润滑状态有着密切的关系。 1、 油润滑 向摩擦表面施加润滑油的方法可分间歇式和连续式两种。手工用油壶或油枪向 注油杯内注油，只能做到间歇润滑。采用压配式注油杯及旋套式注油杯，常用于小型、低速或间歇运动的轴承。 2、 脂润滑 脂润滑只能间歇供应润滑脂。悬盖式油脂杯是应用得最广的脂润滑装置。杯中装满润滑脂后，旋 动上盖即可将润滑脂挤入轴承中。有的也使用油枪向轴承补充润滑脂。 综上所述，小型冷带钢卷取机属于 小型、低速的设备，故采用油润滑 ，润滑油选择矿物油，方法为 压配式注油杯 间歇式 。 nts 第 38 页 7 设备可靠性与经济评价 7.1 机械设备的有效度 对于可修复设备，由于发生故障之后，可以修理恢复到正常工作状态。因此，从开始工作到发生故障 阶段即可靠度，从发生故障后进行维修恢复到正常工作阶段即维修度。把两者结合起来，就是机械设备的有效度（有效利用率） %100 M TTRM TB FM TB FA8.9 （ 7.1） 式中： MTBF 平均故障间隔