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钢卷运输车设计 42钢卷运输车设计BJ06102邱云峰摘 要近年来随着热连轧生产向高速，大钢卷方向发展，与其相关的设备就需要进行优化。本课题的设计在普通钢卷车的基础上进行了改进，以便适应对大钢卷运输的要求。该装置具有结构简单，检修维护方便等特点。在冷轧厂的酸洗、轧制、退火、精整、电镀等各道工序中,钢卷运输车是必不可少的设备。它可把钢卷装上开卷机或从卷取机上卸下钢卷,亦可用于机组间的长距离运输和一些过跨运输。本文主要以设计液压式钢卷车为主要骨架，从钢卷车的结构分析、受力情况、以及各方面的优化比较来使所设计的产品更完美。其中，设计包括结构设计、功能设计，材料选用，应力计算以及校合、和工艺设计。关键词：钢卷车，液压缸，缓冲回路，托辊ABSTRACTIn recent years, with the hot rolling production to high-speed, large coil direction, with its associated equipment will need to be optimized. The design of this subject in general based on the coil car has been improved to meet the requirements of the transport of large coils. The device has a simple structure, easy maintenance overhaul. In the cold rolling plant pickling, rolling, annealing, finishing, electroplating and other working procedure, the coil transporter is essential equipment. It can be installed on the coil winder uncoiler or unloaded from the coil, can also be used for crew transport and some long distance between the cross-over transport. In this paper, the design hydraulic coil car as the main skeleton, the structure of vehicles from the coil, the force, as well as compare the various aspects of optimizing the design to make the products more perfect. Among them, the design including structural design, functional design, material selection, stress calculations and the school together, and process design. Key words: coil car, hydraulic cylinders, buffer circuit, roller 目 录1 绪论-11.1 钢卷车现状及发展趋势-1 1.2 钢卷车的研究方案-22 升降台设计-42.1 托辊设计-42.2 托辊架底板设计-162.3 升降框与液压缸销连接校合-172.4 升降台的材料选择-182.5 外贴板设计-183 车体部分设计-213.1 车体部分设计-213.2 升降液压缸在车体上的固定-213.3 销的校合-223.4 校合车体与销连接处的应力-233.5 液压缸在车体上的位置-243.6 车体处导向框的设计-243.7 车轮部分设计-253.8 车轮轴的设计-273.9 水平液压缸连接销设计-293.10运行阻力计算-293.11水平连接销校合-303.12车轮轴承的选用与校合-314 液压缸设计-334.1 液压回路的设计与比较-334.2 缓冲回路-334.3 常用缓冲回路的形式-344.4 液压回路设计总结-355 其他-36 5.1 导轨的设计-366 总结-38参考文献-39致谢-40-1 绪论近年来随着热连轧生产向高速，大钢卷方向发展，与其相关的设备就需要进行优化。本课题的设计在普通钢卷车的基础上进行了改进，以便适应对大钢卷运输的要求。该装置具有结构简单，检修维护方便等特点。通过钢卷车的设计，可以运用机械设计的相关知识，采用数字化设计手段，完成毕业设计任务。本课题通过对钢卷车总体设计以及关键零部件的设计，达到毕业设计综合训练的目的，其结果对于企业设备的技术改造具有一定的实际意义。11 钢卷车的研究现状与发展趋势热带钢连轧机生产由于生产率高、成本低、金属消耗少，因此，近几十年来，热带钢连轧机生产发展迅猛，也是各种新技术应用最广泛的一个领域。热带钢连轧机的水平在定程度上反映了一个国家钢铁工业的技术水平目前钢材产量较多的国家中，热带钢连轧机所轧出的板材占板材总产量的50以上。 目前，热带钢轧机是围绕着提高生产能力、扩大产品规格、提高产品质量和自动化装备水平，向着大型化、高速化和自动化方向发展。近来新逮的热带钢连轧机数量不多，但轧机的技术水平却有了显著的提高。 现代热带钢连轧机在提高轧机生产能力和扩大产品规格方面的技术发展特点是： ()增大板坯重量 为提高轧机的生产能力，不断提高板坯厚度和长度。板坯重量由2740吨增加到457吨，钢卷单位宽度上的重量达到36公斤毫米。 (二)增加精轧机座数目，实行升速轧制。 过去热带钢连轧机精轧机组的机架数为六架，近来均采用七架。增加精轧机座数目的目的是：(1)减轻分配给各机架的负荷，提高轧制速度，改善带钢表面形状与质量；(2)加大精轧坯的厚度，减少粗轧机的轧制道次，减少板坯的温度降，提高产量；(3)可生产更薄的带钢。 由于精轧机组的轧制速度直接影响轧机的生产能力，因此通过加大主电机功率和增加机座数目等措施提高精轧速度。过去热带钢连轧机的轧制速度一般在6-10米秒，现普遍采用20米秒左右。适应精轧机组的高速化，粗轧机组的轧制速度也相应地由23米秒提高到4米秒以上，最高设计速度达65米秒。当精轧速度超过12米秒后，带钢在输出辊道上将“飘浮”起来，不便于运输因此，卷取机的咬入速度限制在1012米秒的范围内。为适应精轧机组的高速化，目前的高速轧机都采用低速卷取(约10米秒)，待卷取机咬钢后，轧机、输出辊道、卷取机同步加速到最高轧制速度。 (三)增大主电机功率 随着板坯厚度的增大和轧制速度的提高，要求增加主电机的传递扭矩来强化轧制过程。目前，粗轧机座的主电机功率达10000千瓦，精轧机座的主电机功率达8000一12000千瓦。目前，精轧坯的厚度由25毫米提高到45毫米，最大的达到60毫米。因精轧坯厚度的增加导致精轧机轧辊尺寸和主电机转矩的增加。精轧机上采用两种不同的轧辊尺寸，以均衡主电机能力。 (四)设置近距离卷取机和强力卷取机 由于带钢厚度范围不断增加，因此仅用调节冷却水来控制不同产品的卷取温度是有定困难的，同时较薄的带钢在运输辊道上长距离运输不够稳定，容易出事故。为此，有的热带钢生产线上专门设置了近距离卷取机。一般，近距离卷取机距末架精机轧机座约60一70米，卷取0825毫米的带钢。对于卷取较厚的带钢则采用强力型卷取机。目前可达23254毫米的带钢最大厚度已达30毫米。钢卷车在国内外皆属于较成熟的产品，已被广大钢铁生产厂家所采用，近年来随着热连轧生产向高速，大钢卷方向发展，与其相关的钢卷车设备在普通钢卷车的基础上向着适应热连轧生产的这种发展方向发展12钢卷车的研究方案1.2.1. 技术方案（技术路线、技术措施）钢卷车是热轧生产线上的设备之一，主要用于将卷取完毕的钢卷从卷取机上卸下并运送到打捆站，另外还有辅助卷取机卷取钢卷的功能。钢卷车的水平驱动方式主要分为电机驱动及液压驱动两种驱动方式，托辊形式也因不同需要而有多种多样。根据本课题的要求，由于水平输送距离较短，所以选择液压驱动方式;由于钢卷车需要具备辅助卷取功能,钢卷支承部分选择托辊形式钢卷车主要由钢卷车本体及运输轨道组成。运输轨道由两条轨道组成，呈水平布置，固定在基础上。轨道从卷取机下方一直延伸到打捆站。 钢卷车主要由车体、支承辊轮、带托辊的升降框、水平驱动缸、垂直升降缸及托辊制动缸等组成。四个支承轮固定在车体上，升降框的导向部分为方形结构，由车体导向，两个托辊固定在升降框的上表面，在两个托辊之间安装一个制动缸，通过制动块制动两个托辊，带托辊的升降框由垂直升降缸驱动进行升降，垂直升降缸的一端固定在升降框上，另一端固定在车体上。以上所述部分形成一个整体，由四个支承辊支承座落在两条水平轨道上。水平驱动缸一端与车体连接，另一端与固定在基础上的支架连接。钢卷车由水平驱动缸驱动在轨道上行走。钢卷车在水平轨道上由三个特征位置，卷取机下方为接受位置，打捆站下方为放卷位置，在以上两个位置之间为等待位置。在每个特征位置上都有限位开关提供信号给控制系统，以便控制钢卷车的水平位置。在垂直液压缸上内置了位移传感器，检测托辊的升降高度，由控制系统控制托辊的高度位置。在供油回路上由压力传感器检测油压，控制托辊的提升力。在制动缸的非制动位置，由限位开关检测，由控制系统控制制动缸制动状态。1.2.2. 要解决的主要问题和技术关键（1） 升降框的结构设计及材料选择由于升降行程较大达1200mm，在最大行程时还要考虑在40吨钢卷的重量下保持平稳的导向，同时还要考虑加工制作的可行性，因此其结构的合理选择较为关键（2） 钢卷车的水平垂直运动速度的合理选择由于最大钢卷重量达40吨，而卷取机的卷取速度非常快，因此运动速度的选择既要保证钢卷平稳运送，又要满足轧制节奏，及时将钢卷从卷取机运送到打捆站，保持钢卷运输通畅。（3） 车体和升降框等主要零部件的强度、刚度计算1.3所设计的钢卷车选型在如今热轧厂常用的钢卷车通常有两种方式驱动：1 由液压缸驱动钢卷车的水平行程：液压驱动是如今国内外大部分工厂所采用的形式，由于液压驱动在能量传递方面的损耗较小，而且稳定性好，液压的缓冲回路能实现无级加速与减速，所以能防止钢卷从小车上的脱出，造成事故。各种不同的液压回路还能在不同的任务中实现各种调整。如：运载轻载的钢卷时，由于钢卷的直径较小，不易脱出，可以适当加快钢卷车的速度，提高效率。2 由电动机驱动钢卷车的水平行程：电动机驱动的钢卷车被广泛应用于地形复杂，或是有转弯的轨道。并且，其本身有着灵活的机动性。在某些较大的厂中，由于钢卷出口离运输口较远，通常选用电动机来驱动钢卷车，电动机驱动还便于在多根轨道上行走，可以使一辆钢卷车遍及各个出口，灵活性比液压驱动大的多，也是广大厂家选择它的原因。本次设计的选用：由于要求所设计的钢卷车最大载重为40吨，是较重的大型钢卷，而且钢卷车行程路线为直线，起始移送行程只有5500mm。由以上电动机驱动与液压缸驱动比较，本课题所设计的钢卷车用液压缸驱动较为合适。2升降台的设计2.1托辊设计2.1.1托辊的作用：托辊的作用是在钢卷卷取尾部时协助卷取机卷紧钢卷，也就是在卷取尾部过程中起压紧钢卷作用，使其不会松开，可以使钢卷外径规整，使其在托辊上运输的时候更稳定，不易掉落，提高安全系数。托辊在钢卷卷取时，对钢卷保持一个恒定的压力，同时随所卷取的钢卷直径逐渐变大而缓缓下降，在钢卷尾部被压在托辊之间时，小液压缸锁住托辊使其不转动。如图所示图2.1图中钢卷在卷取时，唯一能给钢卷压紧力的只有托辊，也是在钢卷车上唯一与成品钢卷接触的部件，所以其材料、形状、大小和两托辊中间的间距等，都需要考虑较多的因素。图2.1 钢卷车托辊侧面升降行程图考虑到与托辊直接接触的是刚经过轧制，还未完全冷却的钢板，所以，托辊一定要有在一定温差下的力学性能，不能因为温度的剧烈变化而开裂或发生弯曲变形。考虑到托辊上的钢卷最大重量达到40吨，而且，托辊在不断旋转时所受的力为交变应力，对托辊的破坏较大。所以，托辊所选用的材料必须可以承受剧烈的温差，保证表面不开裂，表皮不脱落；不仅如此，还要能承受超过40吨的静压力，不超过其屈服极限。综上所述，托辊的材料选择为中碳钢，其有良好的综合力学性能，热力学性能也不差，相比较之下，45号钢因为其用材广泛，性价比高而被采用。要求托辊加工的棒料为锻件，以提高其力学性能。2.1.2直径的确定及其轴间距的确定 由要求的主要技术参数可知，所要运送的钢卷的最大重量为40吨，钢卷的最大直径是2150mm。钢卷最小直径为1000mm。图2.3 小车运作时托辊与钢卷力学简图设托辊与钢卷圆心的连线与垂直的夹角为。则有上图得：由此可得：由图可知：托辊的间距不易过大，因为如果托辊与钢卷连线和垂线的夹角大于45度，则其上钢卷在方向上的分力会变的极大，由于托辊是有钢卷从小直径开始卷起，这种现象会持续一断时间。再者，由于托辊在协助卷钢时对钢卷有一个恒力，这个力加载在旋转的托辊上，所以其上的力为对称循环，过大的分力会大大减小其使用寿命，使其发生弯曲变形；再则，托辊在运输钢卷前的首要任务，是协助卷取机卷取并压紧钢卷，过大的间距会使托辊在钢卷刚起卷时顶空，不利于钢卷的压紧，变相的使钢卷的直径变大，反而更加容易引起事故的发生。但是，托辊间的间距也不易过小，其圆心与钢卷圆心所组成的等腰三角形的顶角不得小于10度（则每边的摆角不得小于5度），因为在圆上小于5度的圆弧可近似的看成直线，使边上的分力过小，轻微的震动就容易造成事故。所以托辊的间距由经验公式所得，在此不做深究，只校合其所有的力学性能。2.1.3可求各个分力： 取托辊长为2300mm，则每根托辊体积为：托辊按照要求，其工艺性及其力学性能都要较好，则取中碳钢中的45号钢。已知： 则 图2.42.1.3托辊形状设计 托辊在高温高压的工作环境下，需要有更坚固可靠的连接来使其工作寿命更长，更持久。以下为托辊改良方案： 最初的设计形状能够满足要求。但是由于其轴颈上的截面积突变，会造成应力集中，导致其开裂、变形等。严重影响寿命。 经过改良后，轴颈的形状采用圆锥形，使截面缓慢变化，轴颈不会一下受力过大。但轴颈的坡度会使垃圾更容易掉入轴承中，影响轴承寿命。 不但有圆锥形的优点，使受力更均匀，更可以挡住外部的垃圾等，而且，该图2.5形状有利于卸载冲击。托辊在升降过程中，加速度在一开始或停下时最大，其对轴颈的冲击也最大，所以，能抗冲击是较重要的要求。2.1.4轴承型号的选用与校和求比值 （2-1）根据机械设计表13-5，取e为0.35所以计算当量动载荷 （2-2）按照机械设计表13-6，得取=1.8按照机械设计表13-5，得X=2，Y=0.67，则求轴承应有的基本额定动载荷 （2-3） 按照轴承手册选择23223调心轴承。由于钢卷卷取时该轴承旋转速度变化，所以无法计算其具体寿命，所以，取该轴承留有较大余量，防止破坏发生。由于托辊直径为300mm，而且起总长度大约为2500mm，虽然不到1：10，没有达到细长轴的要求，但是其在40吨重压下，难免会发生弹性变形，这种变形会严重影响托辊轴承的旋转，所以，托辊所选的轴承，必须能够承受足够大的径向力，并且有一定的调心能力，即使托辊发生些许的弹性变形也能够正常的旋转。根据托辊最小直径和轴承载荷计算的确定，选用的轴承是23223 c/w33 的调心轴承。表2.1轴承外形尺寸d 2=130.1mmE=0.33mmD 2=169mmY1=2.0mmBo=5.5mmY2=3.0mmR min=2.1mmY0=2.0mm额定载荷 Cr=515/KN Cor=785/KN 最大转速油润滑 1800r/min脂润滑 1400r/min如上数据所示，该型号轴承不只有调心功能，而且能承受的径向力大于托辊的工作载荷。如此，便能从轴承宽，油封长和轴承垫圈厚度来确定轴颈长为多少。2.1.5强度的校合画出托辊的力矩图，并找出危险截面，分别校合。图2.6由图可得每段线形变化方程为： 由图可之危险截面有两个，分别校合：校合截面1： （2-4） 由于托辊是对称循环变应力，则折合系数取1。由表15-4得： （2-5） 则 （2-6）查机械设计表15-1得45号钢毛坯直径100300mm。得 该截面满足要求。校合截面2：X等于50，用方程 折合系数取1。由表15-4得： 则查机械设计表15-1得45号钢毛坯直径100mm.得 该截面满足要求。所以托辊设计满足要求。2.1.6油封设计该油封一改传统油封的形状，其截面从竖直改为水平，其作用是挡住外部垃圾掉入。由于托辊在其工作时旋转频率较高，其表面又是在高温高压下运行，较易生成氧化，其外层表皮容易开裂脱落，之后掉入轴承与托辊的缝隙中，并卷入轴承，长时间后会在轴承中堆积，严重影响托辊的旋转。所以，所设计的油封需要有能挡住垃圾的功能，故其截面不但水平，而且设计成互相交叉的齿状，每齿间隙只有1mm，即不影响旋转，又能防止垃圾掉入。油封形状如图所示 不过该设计要求在油封的制造上去要有较高的同轴度，过程用车床与铣床皆可，但由于其较高的同轴度，建议用车床加工。 材料的选择：该油封由于只受小车加速或者减速时的轴向力，所以力学性能要求不高，故选用铝合金铸件即可，减轻重量，方便安装。图2.72.1.7托架与轴承盖的长螺栓设计及其校合钢卷车运行的时间的起步与剧停阶段，托辊架将承受较大的轴向力，特别是托辊架的盖板，托辊盖板上的轴向力全部集中在长螺栓上，如图所示： 设钢卷车的最大加速度为g，则 托辊质量为： M =40吨=40000kg （2-7） 所以： 被剪切面圆直径为。 图2.8由于该部件在工作时并不受径向其他力的载荷，所以该螺栓的连接强度计算省略。螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为： （2-8）螺栓杆的剪切强度条件为： （2-9）取；：该螺栓危险截面的扭转切应力为： （2-10）取可得： 该螺栓许用挤压应力为： =0.8 =284Mpa该螺栓许用切应力为：=140MPa由此可得： ， 该螺栓符合要求。2.1.8托辊端盖上螺栓的选用和校合托辊在满载情况下所受的轴向力都由托辊端盖上的六个螺栓分担。一共24个螺栓，每次有12个螺栓承担所有轴向力在长螺栓的校合中，已得两根托辊总的轴向力为： 图2.9根据理论与实践可知，受轴向变载荷的紧螺栓连接，在最小应力不变的情况下，应力幅越小，则螺栓越不容易发生疲劳破坏，连接的可靠性越高。当螺栓所受的工作拉力在0至F（F为工作载荷）之间变化时，则螺栓的总拉力将在F0（预紧力）至F2（总工作载荷）之间变动。由公式可知，在保持预紧力F0不变的条件下，若减小螺栓刚度或增大被连接件的刚度，都可以达到减小总拉力F2的变动范围（即减小应力幅）的目的。为了减小螺栓刚度，在端盖上采用腰状螺栓。但由可知，在F0给定的条件下，减小螺栓刚度或增加被连接件的刚度，都将硬气残余预紧力F1的减小，从而降低了连接的紧密性。所以，适当的增加预紧力是必要的，使F1保持不变，从而增加紧密性。综上所述，预紧力在（0.61.0）F（F为工作载荷）中选择，预紧力取1.0F螺栓的总拉力为： （2-11）查螺栓与被连接件的刚度和得：由公式： （2-12） 得：查机械设计表15-1得直径100300mm。得 该截面满足要求。3.9水平液压缸连接销设计水平液压缸是靠销轴来使小车运作的，其使用销连接来代替法兰，与升降液压缸一样，为了拆装方便与更底的成本。图3.6 水平液压缸工作状态及其剖面图水平液压缸的校和需要计算钢卷车所受的总拉力，同时包括钢卷车的运行阻力计算。3.10运行阻力计算 运行静阻力包括摩擦阻力、坡度阻力和风阻力。摩擦阻力包括车轮沿轨道滚动的摩擦力、车轮轴承内的摩擦阻力，以及车轮轮缘与轨道侧面的附加摩擦阻力。（1）运行摩擦阻力。车轮轴承内的摩擦阻力为： 车轮滚动摩擦阻力为： 总摩擦阻力为车轮轴承摩擦力P1、车轮的滚动摩擦阻力P2，以及车轮轮缘与轨道间的摩擦力P3之和。P3一般是用P1，P2两种基本摩擦阻力之和乘以附加系数来考虑的。 令，则运行摩擦阻力为：式中:Pf-总摩擦阻力，kN； PG-运行部分自重载荷，kN； PQ-起升载荷，N； P-轮压，kN； D-车轮直径，mm； d-车轮轴枢直径，mm； -车轮轴承摩擦系数，滑动轴承0.015，滚动轴承0.0006； -附加摩擦阻力系数； f-车轮的滚动摩擦系数，mm由于钢卷小车的部分参数不明确，经过计算，其总运行阻力Pf为： （3-1）=0.0006*450000=270KN3.11水平连接销的校合如图所示：销杆与孔壁的挤压应力为：=44.628Mpa销杆的剪切应力为：=14.21Mpa许用切应力与许用挤压应力分