机械毕业设计82旋转式变长度冷轧辊（350-650mm）淬冷装置设计

1 武汉工业学院 毕业设计 设计题目：旋转式变长度冷轧辊（ 350-650mm）淬冷装置 设计 作 者： 汪文杰 学 号： 040303116 院 （系）： 机械工程系 专 业： 包装工程 指导老师： 宛 农 2008 年 6 月 2 第一章 前言 1.1 冷轧辊热处理的意义及重要性 冷轧辊是轧钢设备最重要的零件之一，是一种冷变形模具。在工作过程中，由于被挤压材料的 变形抗力比较大，模具的工作部分受到强烈的摩擦和挤压，故模具应具有高强度、硬度和耐磨性，以及较好的韧性 1 。 轧辊的质量和使用寿命，直接关系到轧制生产的生产效率、产品质量及生产成本，如何提高轧辊的使用寿命，一直是轧辊制造业面临的重大问题。 轧辊的寿命主 要取决于轧辊的内在性能和工作状态，内在性能包括强度和硬度等方面。硬度通常是指轧辊工作表面的硬度，它决定轧辊的耐磨性，在一定程度上也决定轧辊的使用寿命，通过合理的材料选用和热处理方式可以满足轧辊的硬度要求。因其热处理工艺有一 定的难度，故探索冷轧辊的热处理工艺有着积极的意义11 12 13 14 。 1.2 冷轧辊旋转 淬火工艺 冷轧辊旋转淬火工艺的基本原理： 轧辊旋转淬火 工艺装置构思科学、 轧辊 硬度较均匀、硬化层硬度梯度较小、深度较深。 轧辊 旋转淬火装置主要包括可 变水位器、主动轴轮、被动辊、变频调速装置等设备， 轧辊 摆放在主动轴轮与被动辊的上面，由主动轴轮驱动 轧辊 旋转，并 具备变频调速装置动能；可变水位器能够使 轧辊 浸入水中一定的深度 ，轧辊以一定的转速旋转，这样达到淬火的目的 。 一种钢管淬火旋转支撑轮，包括轮盘、轮盘架，轮盘固定在轮盘架上，轮盘架固定在淬火台架底座上，轮盘架上开有一组螺栓孔，轮盘架通过螺栓固定在淬火台架底座上，淬火台底座上开有若干组螺栓孔。 3 1.可变水位器 2.主动轴轮 3.被动轮 4.变频 调速装置 图（ 1-1） 如图（ 1-1） 所示， 当轧辊进入水淬热处理时，需要将轧辊放置在若干组可以旋转的支撑轮上，每组支撑轮包括 2 片 轮盘和轮盘架，轮盘固定在轮盘架上，轮盘架 固定在淬火台架底座上。 2 片轮盘直径相同，轮盘中心间隔一定距离，钢管放置在两片轮盘之间的 凹陷处 ，使钢管与两轮盘的正压力方向保持适当角度，为 110左右 。当两片轮盘转动时，通过摩擦力带动钢管一起转动。现有的两片轮盘间距是固定的，钢管直径过大则不能稳定放置，在旋转中易飞出淬火台架 ；钢管直径过小则钢管易卡在两片轮盘间，不易转动，这些情况都会影响正常生产，也不适应于直径变化范围较大的不同规格钢管淬 火热处理的需要。轧辊 旋转淬火工艺 克服了现有支持轮间距固定、无法调节的缺陷，提供一种可调间距的钢管淬火旋转支撑轮。 不同尺寸规格的轧辊在淬火前要进行水位标识，在所需要的水位高度位置作好标记，然后在可变位器的蓄水槽里存入相应的水量，保证能使水位迅速达到 所标记的高度；车轮加热至奥氏体温度 Ac， +3 0 5 0 并充分保温后，将其吊放在车轮旋转淬火装置的主动轴轮与被动辊上面，控制变频调速装置使主动轴轮带动车轮旋转起来，达到一定的转速，然后通过 可变水位器调整水位，迅速让水位达到预定的高度对车轮进行旋转淬火 ；调整可变水位器能控制车轮入水深度，使车轮踏面获得一定深度的硬度层，而调整车轮旋转转速则可控制要求的冷却速度，车轮中心部位与车 轮踏面的温差使得热量不断地传导向踏面，保证贝氏体组织形成所需的温度条件，使车轮踏面生成均匀的贝氏体组织；淬火时间根据车轮尺寸而定，约持续 1 0 3 0分钟。 轧辊旋转 淬火工艺 的实现原理：一种轧辊 淬火旋转支撑轮，包括轮盘、轮盘架，轮盘固定在轮盘架上，轮盘架固定在淬火台架底座上，轮盘架上开有一组螺栓孔，轮 盘架通过螺栓固定在淬火台架底座上，淬火台底座上开有若干组螺栓孔 ， 4 轮盘架与淬火台架采用螺栓连 接固定，实现两片轮盘中心距离可调节的目的。当需要处理较小直径轧辊 时，壳缩小两片轮盘间的距离；当 需要处理较大直径钢管时，则 放大两片轮盘间的距离，以适应不同规格轧 管淬火的需要。 而横向导板通过 T螺栓与底座联接，当需要处理长度较短的轧辊时，缩小横向导板之间的间隔，从而达到缩短两边托轮之间距离的目的；当需要处理长度较大的轧辊时，增大横向导板之间的距离即可，这样就可以满足处理不同长度轧辊淬火的需要。 1.3 主要研究内容 轧辊 旋转淬火工艺方法及装置与现有技术相比，具有构思科学、工艺制造容易、设备结构简单、可以满足零件局部并且指定深度的硬化层要求、是整体淬火无法达到的、相对于表面淬火工艺、其硬度较均匀、硬化层硬度梯度较小、深度较深、是一 种很优越且实用的 热处理工艺、整个淬火工艺过程操作简便、控制灵活、能较好地满足轧辊 旋转淬火工艺要求、提高了产品质量、硬度的分布比较平缓、克服了表面淬火加热速度快、淬硬层浅、硬度分布梯度较陡的缺点、使零件整体性能达到较高水平等优点，将广泛地应用于机械零部件热处理工艺技术领域中。 这个设计的的目地就要解决目前一些淬火装置只能完成某一些或者一种尺寸轧辊的热处理，往往不适应于目前尺寸多变的轧辊热处 理的要求，这样就要求增加成本，引进对不同尺寸的轧辊热处理的装置 是不划算的，增加了成本，而且效率不高。因此，设计一个能够适应 于变化尺寸的轧辊热处理的装置是符合实际，节约了成本，又提高了效率的。使用这个装置无需对工件采取局部绝热或屏蔽措施，操作方便。本装置可以在一定范围内调节淬火冷却区域尺寸及冷却速度。淬火硬度高而且均匀；硬化层深度大，简化了生产工艺。 通过本项目的 研究，为该装置的制造及工程应用必要的提供技术支持； 提高我们分析和解决工程问题的能力，尤其是大型工程软件的运用；熟悉机械零部件的实体建模技术与科学论文的基本常识。 本课题的研究任务主要有以下几点： （ 1） 根据轧辊旋转速度 要求 和轧辊与拖轮间的摩擦力大小 来选择合适的电机功率和转速。 （ 2） 根据轧辊的尺寸要求以及旋转淬火装置的的尺寸大小来进行传动结构设计和装置结构设计。 （ 3） 运用 Auto CAD 软件，对旋转淬火装置进行二维设计 。 5 （ 4） 加载初始条件，对主要零部件进行强度校核。 （ 5） 根据实际生产条件对旋转淬火装置进行改良分析。 为论证轧辊旋转淬火工艺的可操作性，本课题对工件使用计算机平面辅助设计， 并且对生产过程进行模拟。在模拟过程中，对操作过程中的 电机，拖轮，轧辊，轴承，键，轴等的参数进行分析评估，最后讨论使用该装置工艺来实现操作的可行性。因此，该课题的展开能够为该装置工艺实际的生产过程提供可靠的理论依据 ，以及对实际的生产提供良好的支撑，对旋转淬火工艺的改良有着积极的推动作用。 1.4 研究意义与目的 研究的意义： 这个设计的的目地就要解决目前一些淬火装置只能完成某一些或者一种尺寸轧辊的热处理，往往不适应于目前尺寸多变的轧辊热处理 的要求，这样就要求增加成本，引进对不同尺寸的轧辊热处理的装置。目前的这些做法不划算 ，增加了成本，而且效率不高。因此，开发一套能够适应于变化尺寸的轧辊热处理的装置是 既 符合实际，节约了成本，又提高了效率的。使用这套设备无需对工件采取局部绝热或屏蔽措施，操作方便。本装置可以在一定范围内 调节淬火冷却区域尺寸及冷却速度。淬火硬度高而且均匀；硬化层深度大，简化了生产工艺。 这台淬火装置，制造起来并没有因为功能的增加而变得困难，也没有增加成本，对传统的淬火设备是一个很好的改进。 研究的目的： 1.通过本项目的研究，为该装置的制造及工程应用必要的提供技术支持； 2.提高我们分析和解决工程问题的能力，尤其是大型工程软件的运用； 3.熟悉机械零部件的实体建模技术与科学论文的基本常识。 1.5 研究方法及步骤 本 设计 将 Auto CAD、材料物理性能、机械设计和铸造工艺等基础知识为基础，结合实习期间在鄂州 石油机械厂和武汉重冶机修厂参观和学习的实际生产条件和生产过程，以大量的科学资料和参考文献为依据和基础，运用 Auto CAD 软件，对旋转淬火装置进行平面图设计，以及各零部件的设计，使其合理的满足装配条 6 件，并对实际生产过程进行适当的模拟并结合现场实验，解决旋转淬火装置的各个工艺问题，最后根据实际情况进行优化。 具体的步骤如下： 1. 通过 Auto CAD 绘制出各零部件的平面图，整体装配的三视图。 2. 绘制各部件零件的二维视图，其中两轴承座间的间距可调以及两导轨的间距也可调动，满足使用于在一定尺寸范围内不同尺寸 大小的轧辊淬火。 3. 通过水箱的侧边铁板来适时的控制水箱里液面的深度，合理的调节轧辊浸入的尺寸，更好的完成淬火过程。 4. 由于轧辊的重量，使得在生产过程中，对轴承和拖轮以及定位螺栓所施加的力很大，使得对轴承，拖轮和螺栓要求的性能很高，可承受载荷要大。 5. 对加工性零件实行可行性分析以及理论值的计算。 6. 对轴承的寿命进行理论评估，使得在满足一定寿命的基础上正常运转。 7. 对整个装置进行可操作性分析，给出可改良的建议。 第二章 结构设计与校核 2.1 底板、横向导板、定位板、轴承座、带轮 材料： 灰铸铁 HT150 强度极限 b=145MPa 灰铸铁的性能 : 、优良的铸造性能 由于友铸铁的化学成分接近共晶点，所以铁水流动性好，可以铸造非常复杂的零件。另外，由于石墨比容较大，使铸件凝固时的收缩量减少，可简化工艺，减轻铸件的应力并可得到致密的组织。 2、优良的耐磨性和消震性 石墨本身具有润滑作用，石墨掉落后的空洞能吸附和储存润滑油，使铸件有良好的耐磨性。此外，由于铸件中带有硬度很高的磷共晶，又能使抗磨能力进一步提高，石墨可以阻止后动的传播，灰铸铁的消夸大能力是钢的 10 倍，常用来制作承受振动 的机床底座。 7 3、较低的缺口敏感性和良好的切削加工性能 灰铸铁中由于石墨的存在，相当于存在很多小的缺口时表面的缺陷、缺口等几乎没有敏感性，因此，表面的缺陷对铸铁的疲劳强度影响较小 ，但其疲劳强度比钢要低。由于发铸铁中的石墨可以起断屑作用和对刀具的润滑起减障作用，所以其可切削加工性是优良的。 4、灰铸铁的机械性能 友铸铁的抗拉强度、塑性、韧性及弹性模量都低于碳素锈钢，如表所示。灰铸铁的抗压强度和硬度主要取决于基体组织。灰铸铁的抗压强度一般比抗拉强度高出三四倍 ，这是灰铸铁的一种特性。因此，与其把灰 铸铁用作抗拉零件还不如做耐压零件更适合。这就是广泛用作机床床身和支柱受耐压零件的原因。 其铸造性能好，工艺简单，铸造应力小，不用人工时效处理，有一定的机械强度和良好的减振性能。用于对强度无要求的零件 承受中等弯曲应力，摩擦面间压强高于 500kPa的铸件，如多数机床的底座，有相对运动和磨损的零件。如溜板、工作台等，汽车中的变速箱、排气管、进气管等。拖拉机中的配气轮室盖、液压泵进、出油管，鼓风机底座，后盖板，高炉冷却壁，热风炉篦，流渣槽，渣缸，炼焦炉保护板，轧钢机托辊，夹板，加热炉盖，冷却头，内燃机车水泵壳，止回 阀体，阀盖，吊车阀轮，泵体，电机轴承盖，汽轮机操纵座外壳，缓冲器外壳。 2.2 托轮 材料： 耐热钢铸件 5Ni35Cr36 耐热钢铸件与轧辊材料表面的干摩擦系数为 0.10-0.15。 轧辊在淬火时，轴颈温度很高，因此需要采用耐热钢铸件支撑。 特性及应用： 屈服应力 0.2 235；最高适用温度 1150 ；抗氧化及抗渗碳性良好，高温强度高，用于乙烯裂解 管、 辐射管，弯管，接头，管支架， 炉辊以及热处理用夹具等。 8 2.3 轴 材料： 合金结构钢 40CrNi 材料状态 ： 热处理或不热处理 强度极限 b 980MPa 屈服应力 s 785 MPa 特性及应用 ： 属高强度，高韧性的中碳合金调质结构钢，具有高淬透性，临界淬透直径；油界中约为 10-52mm，水中约为 23-82mm；有回火脆性倾向，水淬易开裂，热切加工时对白点敏感性较高 ， 良好的综合机械性能，良好的低温冲击韧性，回火脆性倾向小。 故锻后应缓冷，主要在调质状态下使用，用途；适用于制造截面尺寸较大的热锻和热冲压的零件，如轴，齿轮，连杆，曲轴，圆盘等。 2.4 电机的 选择 按最大尺寸轧辊计算 材料密度 =8.0g/cm3 =8.0*103 kg/m3 质量 M= *V体积=8.0*103 *pi*(0.65/2)2 *3=7760kg 重力 G= 7760*9.8=78008N 托轮 /轧辊夹角 110 托轮法向支持力 34214 N 耐热钢铸件与轧辊材料表面的干摩擦系数为 0.10-0.15，计算时取 0.13 驱动功率 P =f*v=34214N*0.13*(450/2)mm*300r/min=31kw 通过 摩擦轮传动 ，其 工作环境平稳 ，我们取 工况系数 Ka为 1.05。 选用 轴承 的 传动效率为 0.99 输入轴上的最大功率 Pmax=31*1.05/0.99=32.22kw 9 采用 带 传动 装置，其载荷变动 小 ，另外可以 重载启动 。 假使 每天工作时间 10小时 ，则取 工况系数 Ka为 1.3。 计算功率 Pca=31*1.3*1.05/0.99/0.99=43.2kw 由上述条件我们选择 额定功率 为 45kw， 同步转速 1500r/min， 型号 为 的电动机。 另外为满足要求，我们采用变频装置对电动机转速进行调速： 由于 大带轮转速 在 50-300r/min之间 ， 则 电 动 机 的 转速应在 150-900r/min 之间。由设定的传动比 i=3 可以知道， 电 动 机的转速 应该 是托轮的 3倍。 通过 采用变频装置将电 动 机的转速 调到 150-900r/min就可满足托轮的转动需要。 2.5 带轮的设计计算 2.5.1 第一方案 1.确定计算功率caPcaP=KA *P=31*1.3=40.3kw 2.选取 v带带型 根据caP、 n1的值图 8-98 我们 选用 c 型带带型。 3.确定带轮基准直径 由表 8-38 、表 8-78 取 主动轮基准直径 d1d=200mm 则根据式 8-158 ， 从动轮基准直径 d2dd2d=i* d1d=600mm（ i=3） 根据式 8-78 ， 取 d2d=630mm。 10 根据式子 8-138 验算带 的 速 度 V V= smsmnd d /35/42.9100060 90020014.3100060 11 带的速度合适。 4.确定普 V带的基准长度和传动中心距 根据 0.7（ d1d+ d2d） a0 2（ d1d+ d2d） 初步确定中心距 a0=1000mm 根据式 8-208 计算带所需的基准长度 dL=10004)200630()630200(2100024)()(2220212210 adddda dddd=3349mm 根据要求由表 8-28 选带的基准长度dL=3200mm 根据式子 8-218 计算实际中心距 a a=a0+（dL-dL） /2=1000+(3200-3349)/2=926mm 5.验算主动轮上的包角 1 1 =180 - a dd dd 12 57.5 =153.3 120 主动轮上包角合适。 6.计算普 V带的根数 z 由式子 8-228 知 Z=Laca KKPP P )(00 11 根据 n1=900r/min、 d1d=200mm、 i=3， 查表 8-5c8 和表 8-5d8 我们可以得到 P04.66kw P00.83kw 查表 8-88 得 Ka=0.92 查表 8-28 得 KL =0.97， 则 ： Z=Laca KKPP P )(00 =92.097.0)83.066.4( 3.40 = 8.2 根据要求 取 Z为 9，故带轮的皮带有 9 根。 7.计算预紧力 F0由表 8-48 查得 q=0.37kg/m F0= NvqKzv Paca 45442.937.0)192.0 5.2(942.9 3.27500)15.2(500 22 1. 计算作用在轴上的压轴力 由式 8-248 得 F NFzP 78.53002 5.153s i n454922s i n2 10 2.5.1 第二方案 1.确定计算功率caP=KA *P=31*1.3=40.3kw 2.选取 V带带型 根据caP、 n1的值由图 8-98 我们 选用窄 V带 SPB带型。 12 3.确定带轮基准直径 由表 8-38 、表 8-78 取 主动轮基准直径 d1d=140mm 根据式 8-158 ，则 从动轮基准直径 d2dd2d=i* d1d=420mm ( i=3) 根据式 8-78 ，我们 取 d2d=425mm。 按式 8-138 验算带 的 速 度 V V= smsmnd d /35/59.6100060 90014014.3100060 11 带的速度合适 4.确定普 V带的基准长度和传动中心距 根据 0.7（ d1d+ d2d） a0 2（ d1d+ d2d） 初步确定中心距 a0=700mm 根据式子 8-208 计算带所需的基准长度dLdL=7004)140425()425140(270024)()(2220212210 adddda dddd=2287mm 由表 8-28 ，我们 选 择 带的基准长度dL=2240mm 按照式子 8-218 计算实际中心距 a a=a0+（dL-dL） /2=700+(2240-2287)/2=677mm 5.验算主动轮上的包角 1 13 1 =180 - a dd dd 12 57.5 =132 120 主动轮上包角合适。 6.计算普 V带的根数 z 由式 8-228 知 Z=Laca KKPP P )(00 由 n1=900r/min、 d1d=140mm、 i=3， 查表 8-5c8 和表 8-5d8 我们可以得到 P08.83kw P00.78kw 查表 8-88 得 Ka=0.86 查表 8-28 得 KL =0.92， 则 ： Z=Laca KKPP P )(00 =92.086.0)78.083.8( 3.40 =5.3 根据要求 取 Z 为 6，故带轮上的皮带数为 6根 。 7.计算预紧力 F 由表 8-48 查得 q=0.20kg/m F0= NvqKzv Paca 6.99559.620.0)186.0 5.2(459.6 3.40500)15.2(500 22 8.计算作用在轴上的压轴力 14 由式 8-248 得 F NFzP 2.72762132s i n6.995422s i n2 10 F 综合上述两种带型的计算分析，以及在相同条件下，结合实际从 V 带的数目和 V 带的预紧力，作用在轴上的压轴力等方面上来看，我们选择 SPB 型窄 V 带作为我们的 V 带带型。 2.6 托轮接触强度校核 采用的是齿轮接触强度计算的设计思路。 每天工作 5小时，一年工作 300天，使用寿命 3年。 托轮选用的材料为 ZG45Ni35Cr36，验算托轮的表面接触强度， 按式 10-218 ， 23 12 HEdt ZuuTKd 变形后，得到 2H 2312 dZuuTK Edt 由表 10-18 查得材料硬度 350HBS 试选 Kt=1.1 由表 10-7选取宽度系数d=1 因为是摩擦传动 =2 由表 10-68 查得材料的弹性影响系数 ZE =189.8MPa21 由 10-21c8 查得拖轮 1limH =600MPa 由 10-21c8 查得轧辊 2limH =550MPa 15 由式 10-138 计算应力循环次数 N1=60*n1*j*hL=60*900*1*（ 8*300*3） = 388800000 N2=1*N1= 388800000 由图 10-198 查得接触疲劳寿命系数 K1HN=0.92 K2HN=0.92 计算接触应力许用应力 取失效概率 1%，安全系数 S=1，由式 （ 10-12） 8 得 1H = S H 1limHN1K =0.92*600=552MPa 2H = S H 2limHN2K =0.92*550=506MPa H =（ 1H + 2H ） /2=（ 552+506） /2=529MPa 2H =282226.56 222981202.221 )8.189()12.2(6685001.12 3 2 故满足接触强度的要求。 2.7 轴的 选择以及 校核 2.7.1 长轴的校核： 轴的材料： 40CrNi 综合考虑轴向压力、摩擦力及带轮对轴的作用力的影响 带轮连接轴受力分析如下： 将力全部简化到拖轮的中心（其他三根轴受力分析无带轮产生的轴向力） 16 采用力的分解计算得 水平面上 F=28026N 垂直面上 F=19624N 水平方向受力 列平衡方程： 28026+F1+F2+3982=0 （ F1为支点） 28026*200=F2*300+3982.4*（ 300+200） 求解得 F1= -44055.4 N F2=12407 N 垂直方向受力 的选 列平衡方程： 19624+F1+F2=0 （ F1为支点） 19624*200=F2*300 17 求解得 F1=-32707N F2=13083N 最大扭矩 T=9500*P/n=9500*31.2/300=988000 N*mm 弯矩图、扭矩图如下： 132222 752.31130*1.0)988000*3.0(6842684)( WTMca故安全 2.7.2 短轴的校核： 轴的材料 40CrNi 综合考虑轴向压力、摩擦力的影响 将压力、摩擦力简化到轴的中线 上 F=28026N 产生的扭矩 T=34502*0.13*150=672789N*mm 18 （ F1为支点） 28026*200=F2*300 求解得 F1= -32707 N F2=13083N 弯矩图、扭矩图如下： 132222 7586.27130*1.0)6 7 1 7 8 9*3.0(6 8 4 2 6 8 4)( WTMca故安全 2.7.3 精确校核轴的疲劳强度： 危险截面为轴承中间截面处 抗弯截面系数 W=0.1d3 =0.1*1303 =219700 抗扭截面系数 WT =0.2d3 =0.2*1303 =1.5 19 截面上最大的弯曲应力 b=M/W=6842684/219700=31.1MPa 截面上最大的切应力 T =T/W=665000/439400=1.5MPa 轴的材料为 40CrNi，调质处理 , 由表 15-18 得 则b=900 MPa 1 =430 MPa 1 =260 MPa 截面上由于轴肩而形成的理论应力集中 及按附表 3-28 查取。 故 15.1130150,015.0130 0.2 dDdr ，经插值后可查得 30.1, =1.52 又由附图 3-18 可得轴的材料的敏性系数 q=0.71 q=0.78 得到有效应力集中系数按式（附 3-4） 8 为： )1(1 qk1+0.71(1.30-1)=2.18 )1(1 qk 1+0.78(1.52-1)=1.40 由附图 3-28 得尺寸系数 0.58和由附图 3-38 得扭转尺寸系数 0.75 选择轴按磨削加工，由附图 3-48 可以得到轴的表面质量系数为 0.92 在选择轴未经表面强化处理，可得到 1q按式（ 3-12） 8 及（ 3-12a） 8 得综合系数值为 18.2192.0158.021.111 kK96.1192.0175.040.111 kK又由（ 2313 及 ） 8 得 碳钢的特性系数 1.00.2, 取 1.0,1.005.0取 1.0于是，计算安全系数caS值，按 照式（ 15-6）（ 15-8） 8 得 43.601.01.3118.24301 maKS 3.16825.11.025.196.12601 maKS 20 43.63.16834.6 3.16834.6 2222 SSSSSca由 于 安全系数许用值 S 为 1.5.故caS S， 满足其要求， 即可知轴 安全 。 2.8 轴承的选择以及寿命校核 1.选择轴承 深沟球轴承 轴承代号 6326(标准 为 GB/T276-1994) 由于连接带轮的长轴所受到的载荷比其他轴大，故只需要校核这根长轴两端的轴 承，如果该长轴上的轴承满足要求，则其他三根轴也同样满足要求。 2.求两轴承的载荷 （ 1） 径向载荷 F1r 由于选择的轴承只存在径向载荷，由上述轴的校核中可以得到轴承的受力载荷。故： F1r = 22 3270744055 54896N F2r = 22 1308712047 17788N （ 2） 求轴承的当量载荷 P Fa=0 Fa/ F1r =0 e 0 所以 Pr = Fr P1 = F1r P2 = F2r 21 显然轴承 1的载荷很大。 （ 3） 计算轴承的寿命 查得轴承代号为 6326的额定动载荷 C=252000N 每天工作 10小时，一年按 300天计算，使用寿命 2年。 hL=8*300*2=4800h 3631165486925200030060 1060 10 PCnL h5374h 4800h 故所选择的轴承满足要求。 2.9 螺栓的 选用和 校核 2.9.1 轴承座上盖连接螺栓的校核 通过对长轴和短轴上的螺栓强度对比，很显然长轴上螺栓受到的载 荷大，因此只需要校核长轴上螺栓的强度，若长轴上的螺栓强度满足要求，则短轴上也同样满足，故只需要校核长轴上螺栓强度即可。 长轴上的零件示意图： 1 2 22 1. 螺栓受力分析 由上述轴校核受力分析得到： 长轴上的水平方向受力分析图： F1= -44055.4 N F2=12047 N 长轴上的垂直方向受力分析图： F1=-32707N F2=13083N 由受力分析可见， 1处的 螺栓主要 承受的水平方向的载荷，要靠摩擦力来保证轴承座的上盖不滑动，而 2处的 螺栓 既要克服轴对螺栓垂直向上的载荷的作用，还要克服轴对轴承座的上盖水平方向所施加的载荷的作用。 2校核 1处 螺栓 强度 所受横向载荷 F=44055.4/2= 11013.85N 螺栓 个数 Z=4 安全系数 KS=1.2 由表 5-68 查得接合面间的摩擦系数 f=0.16 由公式 FKfFZS 0有 85.1 1 0 1 32.116.040 F得 206510 F 23 选择螺栓材料为 Q235、性能等级为 4.6 的螺栓，由表 5-88 查得材料屈服强度极限S=240MPa，由表 5-108 查得安全系数 S=1.5，故螺栓材料的许用应力 ss =160MPa 根据式 5-208 验算 螺栓 的最小直径 01 3.14 Fd 160206513.14 14.62mm 所选 螺栓 为 M18，小径为 15.3mm，满足要求。 3.校核螺栓所受的预紧力是否合适 参考式 5-28 ，对碳素钢螺栓，要求 10 7.06.0 AF S已知S=240MPa， 222211 1 8 3 . 8 5 m mmm3.154d4 A，取预紧力下限即 0.61AS= 0.6 240 183.85 = 26475N 要求的预紧力 20651N0 F，小于上值，故满足要求。 4校核 2处 螺栓 强度 所受横向载荷 F=12047/4= 3011.75N 螺栓 个数 Z=4 安全系数 KS=1.2 由表 5-68 查得接合面间的摩擦系数 f=0.16 由公式 FKfFZS 1有 75.30112.116.04 1 F 得 N5647.031251 F 而 螺栓 承受的工作载荷 F=13083N 螺钉承受的总载荷 2F =1F +F=5647.03125+13083=18730.03125N 选择螺栓材料为 Q235、性能等级 为 4.6 的螺栓，由表 5-88 查得材料屈服强度极限S=240MPa，由表 5-108 查得安全系数 S=1.5，故螺栓材料的许用应力 ss =160MPa 根据式 5-208 验算 螺栓 的最小直径 24 21 3.14 Fd 1 6 0 51 8 7 3 0 .0 3 1 23.14 13.9mm 所选 螺栓 为 M18，小径为 15.3mm，满足要求。 5.校核螺栓所受的预紧力是否合适 参考式 5-28 ，对碳素钢螺栓，要求 10 7.06.0 AF S已知S=240MPa， 222211 1 8 3 . 8 5 m mmm3.154d4 A取预紧力下限即 0.61AS=0.6 85.183240 26475N 要求的预紧力 2F =18730.03125N，小于上值，故满足要求。 2.9.2 轴承座连接横向导板 T 螺栓的校核： 由前面的受力分析可看出：垂直方向受力， 1、 2 被放松， 3、 4 被拉紧。水平方向受力会使轴承座产生转动，要靠摩擦力来平衡。 1、 2 螺栓要求联接结合面的挤压应力不超过许用值且不产生滑移； 3、 4 螺栓要求不产生翻转和滑移。其中 1处的压力最大， 3处拉力最大。 1. 螺栓的受力分析 1处会产生最大的接合面挤压应力， 3处所受拉力最大。因此校核这两个地方的螺栓强 度即可。 按水平方向受力计算 将力简化到轴承座中心 总的平面内的扭转 力矩为 T= 28026*（ 200+300/2） -3982.4*(200+300/2) =9809100 -1393840=8415260N*mm 25 由表 5-68 查得联接接合面摩擦系数 f=0.16 取安全系数 SK=1.2 按式 5-258 确定 各个螺栓抗扭转所需的预紧力 )1.2424(16.08 4 1 5 2 6 02.1101 ziiSrfTKF 65174N 各个螺栓抗滑移所需的预紧力 30008N816.0 3 2 0 0 8 . 42.1)4.398228026(02 fZKF S 所需总的预紧力 F0= F01+F02= 95182N 按竖直方向受力计算 1、 2处受到减载作用， 3、 4处受到加载作用 将力简化到轴承座中心 总的平面内的翻转力矩为 M=19624*（ 200+300/2） =6868400 N*mm 按式 5-318 确定 )150150(21506 8 6 8 4 0 02212m axm ax ziiLMLF 11447.3N 螺栓 3、 4处受到的工作载荷 Fa=13083/4=3270.75N 螺栓 3、 4处受到的轴向载荷 Fa=11447.3+3270.75=14718.05N 螺栓 3受到的轴向载荷 F=F0+ Fa=95182N+14718.05N= 109900.05N 螺栓 1处接 合面受到的总压力为 F1=32707N 2. 校核螺栓 3的强度 螺栓 3受到的轴向载荷 F=F0+ Fa=95182N+14718.05N= 109900.05N 选择螺栓材料为 Q235、性能等级为 4.6 的螺栓，由表 5-88 查得材料屈服强度极限S=240MPa，由表 5-108 查得安全系数 S=1.5，故螺栓材料的许用应力 26 ss =160MPa 根据式 5-208 验算 螺栓 的最小直径 21 3.14 Fd 1601 0 9 9 0 0 .0 53.14 33.72mm 按细牙普通螺纹标准，选用 M36，螺距 3mm，小径为 34.051mm，满足要求。 3. 校核螺栓所受的预紧力是否合适 参考式 5-28 ，对碳素钢螺栓，要 求 10 7.06.0 AF S已知S=240MPa， 222211 9 1 0 . 6 5 m mmm051.344d4 A，取预紧力下限即 0.61AS=0.6 65.910240 131133.04N 要求的预紧力 2F =109900.5N，小于上值，故满足要求。 4. 校核螺栓组联接接合面的工作能力 取mbbCC C=0.2，则，mbmCCC=0.8 1） .连接接合面下端的挤压应力不超过许用值，以防止接合面压碎。参考式5-368 ，有WMFCCCzFA hmb mp 0m a x1 = 33 154524512506 8 6 8 4 0 01 9 6 2 40 . 8-9 5 1 8 2 42502 15451 N/cm2 = 2.44MPa 由表 5-78 查得 p=0.5 B =0.5*250=125MPa 2.44 MPa，故联接接合面下端不致被压碎。 由于轴承座与横向导板的连接螺栓可以抵抗翻转力的影响，而横向导板与底板螺栓的个数较多，则横向导板与底板螺栓可以抵抗翻转力矩的影响。 27 2.10 键的选择和校核 由于轴上所选择的键均是同尺寸的，另外轴上所受到的转矩都相同，因此，只需校核一个最小轴上的键的强度即可。 1.选择键联结的类型和尺寸。 选用 圆头普通平键（ A型）。 根据 d=120mm从表 6-18 中查得键的截面尺寸为：宽度 b=32mm,高度 h=18mm。由轮毂宽度并参考键的长度系列，取键长 L=150 mm（比轮毂宽度小些）。 2校核键联接的强度 选择键的材料为 45号钢 由表 6-28 查得许用挤压应力 p=100 120MPa。 即键的工作长度 l=L-b=150-18=132mm 键与轮毂键槽的接触高度 k=0.5h=0.5 18mm=9mm。 由式（ 6-1） 8 得： M P aM P aM P ak ldT pp 1201051201189 1066722102 33 可见键的强度足够。 第三章 使用说明 3.1 旋转淬火装置转速 调节 采用变频装置调速。 大带轮转速 50-300r/min，电机转速应在 100-900r/min。采用变频装置将电机的速度调到 100-900r/min就可满足托轮需要的转速，电机的转速是托轮的 3倍。传动比 i=3。 由于速度的可调性，整个淬火过程进行比较平 稳，在各个方面都确保了淬火过程的自动化和淬火 质量的优良 性，能够使得整个旋转淬火装置的运行安全可靠 。 28 3.2 水位的调节 轧辊 在 旋转淬火时， 和水箱里面的液面的高度有很直接的联系，水位的调节直接影响到轧辊的淬火质量。 此方案通过调整水位板的高度来控制水位，可以很方便、快速、准确的调节水位。 3.3 托轮中心宽度调节 托轮 中心与轧辊轴颈中心的夹角要保证在 100 120，取夹角为 110，托轮直径为 450，设轧辊中心距离为 L，轧辊的轴颈为 d,由余弦定理列得方程为： 110c o s)24502()24502(2)24502()24502( 222 ddddL 3.4 轧辊的 尺寸调节 旋转淬火装置克服了现有轴承座 间距固定、无法调节的缺陷，提供一种可调间距的 轧辊淬火旋转轴承座。 与 该轧辊淬火旋转轴承座 固定联接的的横向导板，预设若干组螺 栓孔， 底座上留有 T形槽，横向导板与底座采用 T螺栓联接。轮盘架与 采用螺栓 与横向导板 连接固定，可以在底座上来回滑动，因此可适应不同规格轧辊 淬火的需要 12 。 29 参考文献 【 1】 伍仲华 .浅析我国冷轧 (宽 )板带的发展空间 M.重型机械科技 , 2004,(3),52-54 【 2】 王天义 ,曹建芳 ,饶建华 .轧辊材料及其热处理工艺发展的现状于趋势 M. 南方金属 ,2005,(142),4-6 【 3】 杨雪春 .冷轧工作辊双频感应淬火工艺研究 M.湖北汽车工业学报 , 2006.12,20(4),37-40 【 4】 成大先 .机械设计手册（第四版） M.北京 :化学工业出版社 ,2002,25-28 【 5】 徐维良 ,蔡淑芳 ,刘黎南等 .车轮旋转淬火工艺方法及装置 P.中国 , 200510046165.3,2006.12.13 【 6】 杨平生 .冷轧辊卧式喷水淬火冷却装置 P.中国 ,00108411.9,2001.11.14 【 7】 杨平生 . 冷轧辊淬火硬化工艺及装置 P.中国 ,97117280.3,1999.3.24 【 8】 濮良贵，纪名刚 .机械设计（第七版） 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