机械毕业设计825火车制动梁用异型材矫直机的设计
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机械毕业设计825火车制动梁用异型材矫直机的设计,机械毕业设计论文
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1 目录 引言 . 1 1 矫直机 的概述 . 4 2 金属条材的弯曲与矫直 . 6 2.1 定义 6 2.2 分类 . 7 3 高温弹性变形与弹性模量 . 9 4 矫直机构设计 . 11 4.1 平行辊矫直机的工作原理 . 11 4.2 结构参数计算 . 13 4.2.1 辊系与辊数 . 13 4.2.2 辊径、辊距与辊长 . 16 4.2.3 力能参数计算 . 17 5 动力系统的选择 . 20 6 传动系统的选择与设计 . 21 7 结论 . 23 致谢 . 24 参考文献 . 25 附录 A . 错误 !未定义书签。 附录 B . 错误 !未定义书签。 nts 1 引言 矫直技术产生的确切时间尚未找到准确的文字记载。但从文物发掘中看到我国春秋战国时期宝剑的平直度可以使人想象到当时手工矫直和平整技术已经达到很高水平。在我国古代人的生活与生产中使用的物品与工具，小自针锥、大到铁杵都要求矫直技术来完成成品的制造。手工矫直与平整工艺所用的设备与工具是极简单的，如平锤、砧台等。对大型工件手工矫直常借助高温加热进行。古代人在矫直及整形的实践中认识到物质的反弹特性， 确立了“矫枉必须过正”的哲理，用之于矫直技术颇有一语道破之功，用之于改造社会也有知道意义 1。由于中国社会的特殊条件，好多技术停留在手工状态， 18世纪末到 19世纪出，欧洲进行了产业革命，逐步实现了用蒸汽动力代替人力，机械化生产代替了手工作坊。 19世纪 30年代冶铁技术发展起来，但是英国的生铁产量已由 7万吨增长到 19万吨，增加了 2.7倍。 19世纪 50年代开辟了炼钢技术发展到新纪元。随着平炉炼钢技术的发明，钢产量增长迅速。到 19 世纪末时，钢产量增加 50多倍。钢材产量占钢产量的比重也显著增加。这时已经出现了锻造机 械、轧钢 机械 和矫直机械。进入 20 世纪，以电力驱动代替蒸汽动力为标志，推动了机械工业的发展。英国在 1905 年制造的辊式板材矫直机大概是我国见到的最早的 1 台矫直机。 20 世纪初已经有矫直圆材的二辊式矫直机。到 1914 年英国发明了 212型五辊式矫直机 (阿布拉姆逊式 Abramsen)，解决了钢管矫直问题，同时提高了棒材矫直速度。 20 世纪 20 年代日本已经能够制造多斜辊矫直机。 20 世纪 30 年代中期发明了 222 型六辊式矫直机，显著提高了管材矫直质量。 20 世纪 60 年代中期，为了解决大直径管材的矫直问题，美国萨顿（ Sutton）公司研制成功 313型七辊式矫直机（ KTC型矫直机） 2。 20 世纪 30 40 年代国外技术发达国家的型材矫直机及板材矫直机也得到迅速发展，而且继续进入到中国的钢铁工业及金属制品业。新中国成立前在太原、鞍山、大冶、天津及上海等地的一些工厂里可以看到德、英、日等国家制造德矫直机。与此同时还出现了拉伸矫直机， 20 世纪 50 年代苏联的矫直机大量进入到中国。同时，世界上随着电子技术及计算机技术的发展，工业进步速度加快，矫直机的品种、规格、结构及控制系统都得到不断的发展与完善。 20 世纪 70 年代我国改革以后解除到大量的 国外设计研制成果。小到 1.6mm 金属丝矫直机和大到 600mm 管材矫直机。有速度达到 300m/min 的高速矫直机和精度达到 0.038mm/m 的高精度矫直机。同时也引进许多先进的矫直设备。如英国的布朗克斯（ BRONX）矫直机；德国的凯瑟林（ Kieserling）矫直机、德马克（ Demag）连续拉弯矫直机及高精度压力矫直机；日本的薄板矫直机等。值得自豪的式我国科技界一直nts贾凯： 火车制动梁用异型材矫直机的设计 2 在努力提高自己的科研设计和创新能力。 20 世纪 50 年代起就有刘天明提出的双曲线辊形设计的精确计算法及文献提出的矫直曲率方程式。 60 80年代在辊形理论方面有许多学者进行了深入的研究并取得了十分可喜的成果，还召开了全国性的辊形理论讨论会；产生了等曲率反弯辊形计算法。与此同时，以西安重型机械研究所为代表的科研单位和以太原重型机器厂为代表的设计制造部门完成了大量的矫直机设计研制工作。不仅为我国生产提供了设备保证，还培养了一大批设计研究人员。进入 90 年代我国在赶超世界先进水平方面又迈出了一大步，一些新研制的矫直机获得了国家的发明专利。近年来我国在反弯辊形 七斜辊矫直机，多斜辊薄壁管矫直机、 3 斜辊薄铜管矫直机、双向反弯辊形 2 辊矫直机、故和转毂式矫直机，平行辊异辊距矫直机及矫直液压自动切料机等研制方面相继取得成功。在矫直高强度合金钢方面也已获得很好的矫直质量。其矫后的参路挠度为 0.2 0.5mm/m（一等品为 1mm/m）。此外，从 20 世纪 60 年代以后拉伸与拉弯矫直设备得到很大发展，对带材生产起到很重要作用。 在实际生产中，金属材料（如型、管、线、板、带等长条状金属型材）在轧制、锻造、拉拔、运输、冷却及各种加工过程中常因外力作用，温度变化及内力消长而发生弯曲或扭曲 变型。在长度远大于宽度或厚度的条材上，纵向纤维的变形十分明显；在宽度不太小的条材上如带材横向纤维的变形有时也是显而易见的。为了获得平直的成品条材必须使其纵向纤维或纵向截面由曲变直，横向纤维或横向截面也由曲变直。实现这一要求的工艺我们称之为矫直。 矫直技术多用于金属条材加工的后部工序，在很大程度上决定着产、成品的质量水平。矫直技术同其他金属加工技术一样在 20 世纪取得了长足的进展，相应的矫直理论也取得了很大的进步。不过理论滞后于实践的现象比较明显。例如矫直辊负转矩的破坏作用在 20世纪下半叶才得以解决（改集体驱动 为单辊驱动，改刚性连接为超越离合连接等），但其破坏作用的机理直到 20 世纪 80年代末才被阐明。另外，就矫直理论的总体来看，仍然处于粗糙阶段，首先就是其基本参数的确定还要靠许多经验算法和经验数据，如辊数、辊距、辊径、压弯量及矫直速度等；其次是许多技术现象如螺旋弯废品、矫直缩尺等都缺乏理论阐论；再次是理论的概括性不够，一套公式不仅不能包括各种断面型材，甚至不能包括同类断面而尺寸和材质不同的工件，如弯矩和矫直曲率等都缺少通用的表达式。 20 世纪 70年代以来，矫直技术与矫直理论的发展明显加快，如拉弯矫直技术很快走向成熟 ；开发成功平动（万能）矫直技术、行星矫直技术，以及双向旋转矫直技术等；完善了等距双曲线辊型设计法；创立了等曲率递减反弯辊型设计法，矫直耗能计算法，主要工艺参数计算法；nts 3 尤其在利用相对值概念对各种矫直过程进行定量分析工作中取得了系统化的成果，为矫直技术数字化处理打下了基础。 nts贾凯： 火车制动梁用异型材矫直机的设计 4 1 矫直机 的概述 由于条材种类不同，弯曲形态不同，各自所要求的矫直方法也不同。工业上人们已经研制成功的矫直方法主要由压力矫直法、平行辊矫直法、斜辊矫直法、平动矫直法、拉伸矫直法、拉弯矫直法 及其他一些特殊的矫直法。 依据所要实现的功能以及指导教师的要求，本次设计主要是针对断面如图所示的工件的矫直，相对应的应采用平行辊矫直机，所以本次设计的主要方案为平行辊矫直机的设计。平行辊矫直机必须具备两个基本特征：第一是具有相当数量交错配置的矫直辊，以实现多次的反复矫直；第二是压弯量可以调整，能实现矫直所需的压弯方案。需要掌握理论力学及材料力学的知识点。设计出的成品将能够完成对该种工件的矫直工作。 平行辊矫直法是把间断的压力矫直法变成辊式连续矫直法，从入口到出口交错布置若干个互相平行的矫直辊，按递减压弯规律进 行多次反复压弯以达到矫直目的。不仅显著提高工作效率，而且能获得较高的矫直质量。这种矫直法在板材及型材矫直中得到广泛应用，不仅能矫直型材的主弯曲，在增加轴向调节的条件下也能矫直其侧弯曲；不仅能矫直板材的纵向波浪，在增加弯辊措施后，也能矫直横向波浪，即矫直瓢曲。利用两组平行辊将其辊系进行直角组合或称平立辊组合，即将一组水平辊与一组垂直辊组合起来形成复合辊系可以对二维弯曲严重的线材及小型材进行有效的矫直。 设计出的成品的可行性计算预计将有如下步骤：首先对需要矫直的工件的材质性能进行校合计算，计算出的结果将直接影响 下一步的工作，若制造工件的材料适合矫直，即该种材料的韧性较好，则可进行接下来的工作，若不行，则令想它法；当计算出的结果证明其适合采用平行辊矫直机矫直后，接下来的工作就是对矫直机的各个性能参数进行计算，以便设计出符合矫直要求的设备，需要解决三个主要问题：机构参数计算、力能参数计算。当这些问题解决后，就可以进行平行辊矫直机的结构设计了。 矫直机的结构设计将依据优化配置的原则，随时进行调整，随时进行改动，在达到所要实现的功能要求的同时，达到成本的最低化。 在具体的毕业设计论文中，首先在第一章中将对矫直机的设计进行 理论上的阐述，主要是矫直机的发展情况以及在现实中的应用。其次是在第二章中对本次设计的成品，即火车制动梁用异型材矫直机设计的需要性进行说明。在第三章中提出方案，并验证其可行性的计算过程，其中将详细的计算出：辊系与辊数；辊径、辊距与辊长；矫直弯矩与矫直力、轴承压力、矫直辊转矩；驱动功率等。最后在第四章中就配合装配图以说明结nts 5 构特点。 目前辊式矫直机大致分为以下如图 1-1所示几种： 辊 式 矫 直 机型 材 矫 直机板 材 矫 直机钢 坯 矫 直机变 辊 距 矫直 机普 通 辊 式矫 直 机异 辊 距 矫直 机平 立 辊 组 合式 矫 直 机简 支 辊 式矫 直 机悬 臂 辊 式矫 直 机中 厚 板 矫直 机薄 板 矫 直机瓦 楞 板 矫直 机图 1-1 矫直机的分类 Fig.1-1 Straightening machine classification nts贾凯： 火车制动梁用异型材矫直机的设计 6 2 金属条材的弯曲与矫直 2.1 定义 矫直与弯曲是两个相反的工艺过程， 但他们的变形机理是相同的。为了说明其内涵，首先要了解金属的弹性特征。通常，不同的金属都有大小不等的弹性极限，即使在塑性变形条件下仍然伴随着弹性变形。弹性变形意味着势能的贮存，表现为一种弹性返回的能力，完全能返回原装的变形成为纯弹性变形，否则都是弹塑性变形。而纯塑性变形是指在相当大的变形程度或在相当高的变形温度时，忽略不计其很小的弹复能力而假定的一种理想状态。古人从生产和生活实践中早已认识到弹性的存在，并得出“矫枉必须过正”的理性结论。今人对金属矫直理论的研究不仅从理论上验证了“矫枉必须过正”的基本规律，而且找到了过正量的科学计算方法，指出在 过正量与金属弹复量相等时可达到矫直目的。现在以图 2-1的简单条材 ab为例， 设其原始弯曲状态的曲率半径为 0，矫直所用的反弯半径为 w，反弯达到 ba 状态。此时解除外力，条材将自由弹复到ba 状态。若 ba 为一条直线，即达到矫直目的。可见反弯的过正量 aa 及 bb 恰好与金属的弹复量相等。将反弯的过正量用曲率 j表示时， j称为矫直曲率半径，只有 j w时才能矫直。若金属的弹复量也用曲率半径表示，即用 f表示时，自然有 j f。故可以说，只有 w f时才能矫直。从直观上可以看出，条材原始曲率半径 0越小，即原始弯曲越严重，矫直所用之 j也越小，即所用反弯量越大。不过反弯量与原始弯曲之间只有非线性关系，而且因条材的断面形状不同，其非线性关系的表现形式也不同。 当原始弯曲十分严重，矫直时所需达到的反弯曲率半径由于非线性关系的存在不必很小，但此时的反弯变形的总量却已经很大。当这种变形量大到足够时条材断面形状发生畸变，仍然达不到矫直目的时，这种条材在矫前矫后都属于废w0b b ba a a图 1 - 1图 2-1 反弯矫直过程 Fig.2-1 Inflection strightening process nts 7 品。因此，能够进行矫直的条材其反弯变形总量是有限的，不能太大，而且断面高度越大，断面形状越复杂，这种限制越严格。由于反弯矫直时条材纵向纤维的塑性变形先从表层纤维开始，随着反弯量的增大塑性变形向内层深入，越深入，外层纤维的变形越增大。当增大到使断面形状产生畸变时，其工艺过程发生质的变化，矫直反而失败。因此在矫 直理论的研究中允许采用平截面、小塑性变形及单一纵向变形阻力等理想原则的原因在此。由此还可看出，矫直与弯曲这两个反义词又不宜简单地理解为两个相反的工艺过程和两个相反的工艺目的，后者在变形量方面要比前者大得多，在断面的限制方面也比前者宽得多。 2.2 分类 矫直的对象是各种弯曲的条材。由于条材种类不同，其加工方法不同、加工设备也不同，在条材上所产生的弯曲形态也不同。常见的线材、棒材、管材、矩形材及异型材等纵轴对称的和宽厚相差不大的条材，它们的弯曲多为纵向纤维的 弯曲。如图 2-2所示。 若 条材纵轴 为 x 轴，则沿 x 轴的弯曲可能呈现多种形式的波浪弯。如水平面（ x-y 面）内波浪弯，垂直面（ x-z面）内波浪弯，以及倾斜面（ x-yz面）内波浪弯等。如果把一个平面内的波浪弯称为一维弯曲，则同时在两个平面内都有的波浪弯成 为二维弯曲。至于倾斜面内的波浪弯在没有其他弯曲存在条件下也属于一维弯曲。在有其他弯曲条件下可以将倾斜面内波浪弯分解为水平与垂直两面的弯曲，仍属二维弯曲。扁材及窄带材的二维弯曲常表现为垂直面内的波浪弯及水平面内的镰刀弯。薄板及宽带材的二维弯曲常表现为纵向波浪弯与横向波浪弯的同时共存，如图 2-3所示。 水平放置的薄板沿x轴在 x-z面内及沿 y 轴在 y-z面内都存在弯曲。这种双向波浪弯使人看不清其波浪方向，只看到凸凹不平，称之为瓢曲。可以看出瓢谷部位的纤维要比瓢缘部位的长，瓢曲严重部维要比平坦部位的纤维长。如果板边的波浪与瓢曲比中间部位严重，表明边部纤维比中部 x - y 面x z 面x - y z 面x xZZZZy y yyyyy z y zy z y zZ Z Z Zyy图 1 - 2图 2-2 二维弯曲图 Fig.2-2 Two-dimensional curving chart nts贾凯： 火车制动梁用异型材矫直机的设计 8 的长，可称之为边长形波浪弯。此外薄板也常出现三维弯曲，即在纵向波浪弯与横向波浪弯之外，从水平面即 x-y 面上看也有弯曲。如图 2-3 中所示的薄板材纵轴 ab 与 x 坐标轴偏离时产生的镰刀弯，即第三维的弯曲。 一般型材的弯曲主要表现为在较小断面模数或非对称断面模数 上的弯曲，有时因冷却不均，自重作用及外力冲撞等原因也可能在其他方向上产生弯曲。前者称为主弯曲，后者称为副弯曲，或称为侧弯曲。主弯曲是大量的、经常的、规律性较强的弯曲，侧弯曲是不太明显、不太一致的弯曲，但在矫直中不可忽略，所以型材矫直机都应具备二维矫直能力。一般型材沿纵轴产生扭曲现象也是难以避免的，但从实质看，扭曲也是由纵向纤维产生二维弯曲所形成。型材与板材不同，不存在三维弯曲。 x - y 面x z 面y - z 面x xZZZZy y yyyyy z y zy z y zZ Z Z Zyy图 2-3 薄板的 三维弯曲图 Fig.2-3 Thin steel plate three dimensional curving chart nts 9 3 高温弹性变形与弹性模量 弹性模量可认为是表示材料刚性大小的物理量，金属的弹性在工程中具有很大的实际意 义。在常温下，为了预防构件失稳，除了从结构上保证外，必须尽量采用具有正弹性模量大的材料。一般来说弹性模量是一个比较稳定的参数，材料的热处理和应变硬化对它的影响不大，但是它会随温度等因素的变化而变化。 本次设计中，恰恰也遇到了这个问题。由于工件在矫直过程中是处于高温状态下的，其弹性模量必然会有所改变，如果不能准确掌握金属弹性模量随温度变化的规律，得不到在某一高温度下确切的弹性模量值，设计计算中的结果也就会 失之毫厘谬之千里 ，所以，弹性模量对于矫直机的设计来说，无疑是一个至关重要的参数。 得到这一参数最精确的方 法就是通过试验，实地测出金属在不同高温条件下的值。但是由于条件的限制，不能够亲自测出，所以只能参考鞍钢技术中心的一次类似实试验，筛选出本设计所需的一些结论 3。 试验选用低合金钢、碳钢共 14个钢种。大部分由鞍钢各炼钢厂冶炼，经轧制后取样。部分钢种由鞍钢钢铁研究所试验厂冶炼，其中选择了 45 号钢、 HQ60 钢进行了弹性变形和弹性模量的数据整理分析。 考虑到低温与高温轧制的要求，试验温度范围选择较宽， 800 900C ，并每隔 50C为一个试验点，共 9 隔试验温度。变形速度选为 5 隔速度级， 1/s、 10/s、 30/s、 50/s、70/s。压缩变形程度为： ln / 0 .8Hh 。 试验是在“ THERMECMASTOR-Z”型热加工模拟试验机上进行金属热轧单道次和多道次单向压缩变形抗力试验，研究金属热轧变形抗力随试验温度、变形速度、变形程度的变化规律和应变残留率与变形温度、道次间歇时间及应变间的函数关系。试验完全模拟鞍钢半连轧厂加热及 1700mm热连轧机组的实际生产工艺制度进行的。 试验方法如 下： 1）试验温度大于等于 1000C 时，以 10C /s的加热速度把试样加热到试验温度，保温 5min 后进行压缩，然后空冷； 2）试验温度小于 1000C ，保温 5min后，以 3C /s 的冷却速度把试样冷却到试验温度，冷却气体为eH或2N，保温 2min 后开始压缩，其后空冷； 3）当试验温度大于等于 1000C 时，试样以 10C /s的加热速度把试样加热到试验温度，保温 5min 后进行第一次压缩，其应变为 10 40，经间歇时间 0.85s后进行第二此压缩，然后空冷。当试验温度小于 1000C 时， 试样以 10C /s的加热速度加热到 1000C ，保温 5min后以 3C 的冷却速度进行冷却，冷却气体为eH或2N。一直nts贾凯： 火车制动梁用异型材矫直机的设计 10 冷却到试验温度，保温 2min后进行第一次压缩，经道次间歇的时间 0.8 5s，进行第二此压缩，然后空冷。 试样是在真空下采用感应加热，用吹eH或2N气、水冷系统冷却试样。为保证试样在变形过程中处于单向压缩状态，在试样上、下端面加入适应不同温度范围要求而配制的玻璃粉润滑剂，以减少试样上下端面与接触面间的摩擦。 试验结果与分析：金属弹性模量主要取决于金属原子本身的性质，弹性模量、弹性变形都随温度升高而降低。这是因为在小弹性变形范围内可以认为： PEX成比例，当温度变化时，原子间结合力 P 和原子间距离 X 都在变化，并 都影响弹性模量 E 值，故： 2E 1 P P XT X T X T gg。从上式可看出，弹性模量随温度变化涉及到两个方面：一是表现在 PT 项，温度影响原子振动能量增大，而且振动的振幅随温度的升高而加大，原子间结合力受到削弱，因此 PX总是小于零；二是随温度的变化影响物体的体积，表现在 XT项。一般情况下，物体有正的膨胀系数，故上式右端为负值，所以金属材料的 弹性模量总是随温度的升高而减小。此外，试验数据还表明，弹性模量随温度升高而降低的幅度也在增长。如 45钢。 800 1000C 时降低 15， 1100 1200C 时降低 17.5，从 800 1200C 总降低达到 46.0左右。产生这种现象主要是由于温度提高使塑性变形的影响加剧所致。金属在轧制过程中产生很大的塑性变形，由于弹性变形量比塑性变形量小得多，所以被测 量的弹性模量值明显减小。 nts 11 4 矫直机构设计 平行辊矫直机是目前应用范围最广的矫直机，其门类、品种和规格最多。其基本分类方法，按用途分为板材与型材两大类矫直机。其细化分类则有多种方法，如板材矫直机，有按厚、中、薄三类来划分板材矫直机；也有用板厚来标称板材矫直机；还有用重型及普通型来区分板材矫直机；以及用板宽来编排矫直机系列等。在特定条件下各种分类都有自己的理由。从趋势上看以厚度来区分板材矫直机是最基本的方法。不过厚度对矫直和对轧钢却存在着不同的意义。因为矫直机与厚度平方成正比，而轧制力并无 这种关系。因此不一定有厚板轧机就一定有厚板矫直机与其对应。采用如下分类法比较切实可行，如：中厚板矫直机，其能力上限可矫厚板，下限可矫中板；中薄板矫直机，其能力上限为中板，下限为薄板；薄板矫直机为厚度很薄、宽度较大的薄板材矫直所使用。板宽及板厚与矫直机的能力及结构复杂程度有密切关系。首先是板厚决定辊径尺寸；其次是板宽决定辊长尺寸；第三是辊数决定矫直质量；第四是辊子重叠数决定着矫直质量及表面粗糙程度；第五是矫直温度决定矫直机的结构特点。在矫直机的标称中不管写法如何和顺序如何，总得反映出上述五个特点。 型材矫直机 过去多用辊距与辊数，以及用途等项来标称机器种类、规格及型号。近年来在辊系方面取得不少进展，如异辊距矫直机及变辊距矫直机在生产中不断出现。因此，辊系特征在新矫直机的标称中也应有所反映。过去一些简支结构的矫直机架尚在使用，但越来越多的采用悬臂式结构，这种机架为辊距及辊位调整提供了方便。型材矫直机的牌坊特征，如：机架闭式或开式，能力特征如轨梁、大型、中型及小型等都可以反映到其标称中。除异辊距及变辊距之外，还有平立辊复合辊系的矫直机。现代矫直机也有用最大矫直弯矩及辊数加入标称之中的。 20 世纪 70 年代开始实现矫直机 的计算控制，控制生产线上各种设备包括矫直机的从速度同步开始，到控制辊位、设定压弯量及矫直全过程的程序。计算机控制的辊式矫直机作为一个新的门类将获得越来越大的反展。 平行辊矫直机属于连续性反复弯曲的矫直设备，这种矫直机克服了压力矫直机断续工作的缺点，使矫直效率成倍提高，使矫直工序得以进入连续生产线。 4.1 平行辊矫直机的工作原理 从压力矫直机到辊式矫直机在技术上完成一次较大的跨越，这个跨越的理论基础就使金属材料在较大弹塑性弯曲条件下，不管其原始弯曲程度有多大区别在弹复后所残留的弯nts贾凯： 火车制动梁用异型材矫直机的设计 12 曲程度差别会显著减小，甚至会 趋于一致。随着压弯程度的减小其弹复后的残留弯曲必然会一致趋近于零值而达到矫直目的。因此平行辊矫直机必须具备两个基本特征，第一是具有相当数量交错配置的矫直辊以实现多次的反复弯曲；第二是压弯量可以调整，能实现矫直所需要的压弯方案 4。现以 5辊式矫直机为例，相应的 5辊式矫直法示于图 4-1a，金属条材通过两排交错配置矫 直辊的辊缝时经受 3次反复弯曲而被矫直 5。其矫直过程的理论分析可参看图 4-1b。图中曲线代 表工件的弯曲弯矩比 M 与弯曲曲率比 C 的关系。它既包含弯 矩与弯曲程度的关系，也包含弹复能力与弯曲程度的关系。当工件原始的最大弯曲用曲率比0C表示时，第一次压弯达到1wC。对于0C的原始弯曲增加一部分同向的弹性压弯；对于0C的原 始弯曲增加很大反向弯曲，由0C增加到1wC；对于原始无弯曲的部分即零曲率部分也压成1wC的弯曲。结果当工件离开第 2 辊之后三条压弯曲线（ M C ）皆22 Cw 2- C011 33 OMM1Cc 2Cc 2Cc 3Cc 3Cc 1Cc 1C0O M1CO 图 4-1b 矫直过程理论分析图 Fig.4-1b Strightening process theoretical analysis 1 32 45图 4-1a 五辊矫直法 Fig.4-1a Five roller strightening law nts 13 需从与1wC垂直线交点的 1、 1 及 O 处按弹性规律弹回到1cC、1cC及 O 处。原始的弯曲程度为00CC，一次弯曲后残留弯曲程度差为11ccCC 。这不仅表明新的弯曲状态已经由异向变为同向，而且弯曲程度也减少得十分明显。当工件行进到第 3 辊处用减小的压弯2wC将其原始弯曲02C（02 1cCC）及02C（02 1cCC）压成反弯。至于第一次残留的 OO 的弯曲将一直处在两个边界值之间而不必讨论。当工件离开第 3 辊后两条曲线将由 2 及 2 点弹回到2cC及2cC处。二次弯曲后的残留弯曲程度差为22ccCC 又有明显的减小，同时各自的弯曲程度也有显著的减小。 M C 曲线的收敛性也表现在这里。当工件进入第 4辊时，从03C（03 2cCC）及03C（03 2cCC）开始的两条 M C 曲线与压弯量3cC的等值线交于点 3及 3 。在工件走出该矫直辊缝后，工件由 3及 3 弹复到3cC及3cC两点，若3cC与3cC的绝对值都不超过矫直质量允许范围，则为合格。从这个矫直过程看，压弯量增大时残留量的差值减小，当压弯次数增加时残留量的差值也减小，递减量合适时残留量才能趋近于零值。这也说明矫直过程必经的两个阶段，第一段是减小差值，第二段是消除残完。也可以说是先统一（残留弯曲）后矫直。 4.2 结构参数计算 4.2.1 辊系与辊数 本次 设计根据所要矫直工件的形状的要求，采用如图 4-2所示的辊系： 在辊系确定之后，要进一步考虑辊数应该如何确定。小变形逐步矫直法所需辊数从图图 4-2 五辊矫直机原理图 Fig.4-2 Five roller straightening machine schematic diagram nts贾凯： 火车制动梁用异型材矫直机的设计 14 4-1 的定性分析中已经可以看到用三次弯曲即用 5 辊矫直机可使残留弯曲变得很小 6。以下进行定量讨论： 根据矫直曲率比方程式为 6： 23002 2 / ( ) 1 / ( )w w wC M C C C C (4-1) 此式所代表的0 wCC关系 曲线示于图 4-3。 按着这条曲线可以很容易根据原始曲率（比）找到最小变形所需之矫直曲率（比）。由于一根条材上各部位的原始曲率不同，必须先把最大的0C值矫直，同时又会把最小的0C值（0C=0）压弯变成下一次矫直的对象即新的最大0C值。如此逐步进行矫直，直到最后达到允许残留弯曲时便完成了矫直工作。其间所需辊数就是 理论辊数。在这一计算过程中，首先需要算出的是压弯曲率（比）；其次需要算出的是残留曲率（比），即矫直部位经第二次压弯所残留的曲率（比），其表达式为： 232 2 / 1 /c w f w w w wC C C C M C C C (4-2) 此式所代表wcCC关系曲线示于图 4-4。 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4 4 . 5 511 . 11 . 21 . 31 . 41 . 51 . 61 . 71 . 81 . 92原始曲率比矫直曲率比图 4-30 wCC关系曲线 Fig. 0 wCCRelational diagram of curves nts 15 工件的原始曲率为 10 6 . 5 1 0 m mA 4极限曲率： 22tttA H H E(4-3) 其中t 金属的弹性极限应变 t 金属的弹性极限 H 工件的断面高度 E 金属的弹性模量 根据已知条件，t 460MPa ； H 88mm； E 12000MPa 。（由于工件是在 1000oC左右的高温条件下进行矫直工作的，所以弹性模量 E 被极大削弱 1）带入数值，得出412 4 6 0 8 . 7 1 0 m m1 2 0 0 0 8 8tA 。则原始曲率比 00 6 . 5 0 . 7 58 . 7tAC A （ 4-4） 考虑到弯曲的方向性，则0C 0.75 第一次将其中 0.75 矫直，而 0.75 在第二次反弯中矫直。 1 1 . 1 1 . 2 1 . 3 1 . 4 1 . 5 1 . 6 1 . 7 1 . 8 1 . 9 200 . 0 50 . 10 . 1 50 . 20 . 2 50 . 30 . 3 50 . 4矫直曲率比反弯曲率比图 4-4 0wCC关系曲线图 Fig.4-40wCCRelational diagram of curves nts贾凯： 火车制动梁用异型材矫直机的设计 16 将原始曲率比0C 0.75 带入 23002 2 / ( ) 1 / ( )w w wC M C C C C 中，得 出1.74wC ，因此两次所用之 121 .7 4wwCC。 此结果带入 232 2 / 1 /c w f w w w wC C C C M C C C 中，得出残留曲率1 0.21cC 。1cC便是下道矫直工序开始的原始曲率比，即1 02cCC，继续以上步骤，将02C带入23002 2 / ( ) 1 / ( )w w wC M C C C C 中，得出 3wC 1.54。 类推得出2cC 0.11。 至此，三次矫直工序已经完成，第三次反弯后残留曲率为： 4 5 122 8 . 7 1 0 0 . 1 1 9 . 6 1 0 m mc t cA A C （ 4-5） 与此2cA相应的曲率半径为： 221 / 1 0 4 1 7 m mccA （ 4-6） 每米长工件的相应挠度为： 222 2 2 500c c c （ 4-7） 所以 222 1 0 4 1 7 1 0 4 1 7 5 0 0 1 2 m m / mc 基本符合矫直标准。也就是说，采用五辊矫直机已经能够满足矫直精度的要求，因此确定矫直机的辊子数量为 5。 4.2.2 辊径、辊距与辊长 矫直辊的主要任务是使工件得到矫直所需曲率的压弯，其次还需考虑咬入条件和强度上的需要。矫直所需压弯曲率要明显大于弹性极限曲率（tA），其增大的倍数与工件材质和断面有关，如一般强度且强化 特性较小的矩形类断面所用的曲率倍数为 3 4；强化特性较大的或金属集中于中性层的菱形或圆形类断面所用倍数为 4 5。由于压弯曲率比（wC）相当于压弯曲率（wA）与弹性极限曲率（tA）之比，即上述的矫直曲率所用的倍数。因此，各种wC值便可算出矫直曲率，用其反数便是矫直曲率半径，即用w t wA A C，算出矫直辊半径为： 112j w w t t wEHR A C A C （ 4-8） 矫直辊直径为： 2jjtwEHDR C （ 4-9） nts 17 带入数据，得 jD 459mm ，此结果作为参考的一个数据，并非最终确定的辊子直径。还需从咬入条件以及工件的加工时的状态来讨论，引入 在工件能够被咬入的条件下辊子直径最大值公式： 0 .0 4 5tEHD （ 4-10） 带入数值，算出结果为 D 1 2 0 0 0 8 80 . 0 4 5460 103mm，综合以上两个结果得出最后结果，取 100mmD 辊子之间的距离由公式 pD （ 4-11） 确定，式中 1.1 1.2 。辊子压弯量单独确定时 取大值，集体调节时 取小值。式中的D 为辊子的最大直径。根据这个公式，带入数值得 1 . 1 5 1 4 0 1 6 1 m mp ，即 161 mp ，取整得 160mmp 辊子长度主要决定于工件宽度及孔型线数。其次要考虑辊子两端及孔型间的结构余量。因此型材矫直辊辊身长为 m a x ( 1 )L n B n b a （ 4-12） 式中 n 孔型线数 maxB 工件的最大宽度 b 孔型间的结构余量， m a x( 0 .1 0 .3 )bB a 辊端的结构余量 ， m a x( 0 .2 0 .6 )aB 其中， 1n ；m ax 88m mB ； 0.2b ； 0.25a 。 带 入 公 式 ， 得 出8 8 (1 1 ) 0 . 2 8 8 0 . 2 5 8 8 1 1 0 m mL ，即 110mmL 4.2.3 力能参数计算 辊式矫直机的力能参 数包括矫直力、工作转矩及驱动功率。在矫直辊按照压弯方案调定之后，各辊对工件的压弯程度，即压弯曲率（比）便可确定。在已知原始曲率（比）条件下可以计算总曲率（比）变化并进一步计算矫直弯矩、矫直力、传动转矩及驱动功率。 矫直弯矩为 2( 1 . 5 0 . 5 / )ttM M M M C （ 4-13） 26ttBHM （ 4-14） nts贾凯： 火车制动梁用异型材矫直机的设计 18 0 wC C C （ 4-15） 式中tM 弹性极限弯矩 M 弯矩比 C 总曲率的变化量 B 工件最大宽度 H 工件断面高度 0C 工件原始曲率 wC 工件矫直曲率 综上 2 201 . 5 0 . 5 / ( ) 6 twBHM C C （ 4-16） 2 28 8 8 8 4 6 0 1 . 5 0 . 5 / ( 0 . 7 5 1 . 7 4 ) 7 4 1 5 5 8 8 5 N m m 7 . 4 2 k N m6M 即 7 .4 2 k N mM 矫直力为 8MF p （ 4-17） 其中 p 辊距 带入数值，38 7 . 4 2 3 7 1 k N1 6 0 1 0F ，即 371kNF 矫直辊所受的矫直力直接作用到轴承上。由于机架与辊轴的结构不同，轴承压力的计算方法也不同。本次设计采用简支式结构，如图 4-5所示： 图 4-5 简支式结构图 Fig.4-5 Simple support type structure drawing nts 19 矫直辊转矩计算公式为 ()2dT f F （ 4-18） 式中 f 工件与滚面的滚动摩擦系数，通常取 0.0008f 轴承摩擦系数，采用滚动轴承 0 .0 0 5 0 .0 1 d 轴颈直径 带入数值，得 0 . 0 0 5 0 . 0 5( 0 . 0 0 0 8 ) 3 7 1 0 . 3 4 k N m2T ，即 0 .3 4 k N mT 驱动功率公式为 TvN R （ 4-19） 式中 T 矫直辊转矩 v 矫直速度，这里 0.11m/sv 矫直机传动系统效率，取 33B G k c ，B 0.99 一对滚动轴承效率，Gk 0.97 开 式 齿 轮 传 动 效 率 ，c 0.99 齿 轮 联 轴 器 的 效 率 ， 则330 . 9 9 0 . 9 7 0 . 9 9 0 . 8 8 R 矫直辊半径 带入数值，得30 . 3 4 0 . 1 1 0 . 8 5 k W0 . 8 8 5 0 1 0N ，即 0.85kWN nts贾凯： 火车制动梁用异型材矫直机的设计 20 5 动力系统的选择 设计采用上部三个辊为主动辊，单个辊子的驱动功率为 0.85kW，辊子的转速为6 0 6 0 0 . 1 13 . 1 4 0 . 1vn D 20r/min ，选用沧州金隆减速器有限公司生产的 8135型直联型减速器，配四极电机，电机功率 1.1千瓦，频率 60赫兹，输入转速 1800r/min，减速器传动比达到877，输出转速为 21r/min，速度提高 5，在允许范围内。 nts 21 6 传动系统的选择与设计 减速器与矫直辊采用链传递，计算过程如下 8： 选择链轮齿数为1221zz，确 定链节数pL，初定中心距0 30ap，则链节数为 20 1 2 2 102 ()22pa z z z zpL pa （ 6-1） 6 0 2 1 8 1pL ，即链节数初定为 81。 工作情况系数查表得 1AK ，链轮齿数系数查图得 0.92zK ，多排链系数 1mK ，选定链条得额定功率 0 zAmKKPPK （ 6-2） 0 0 . 9 2 1 1 . 1 1 . 0 1 2 k W1P 。根据小链轮转速和功率，选择链条型号 16A 单排链，节距25.4m mp 9。 确定中心距 a ，理论中心距 221 2 1 2 2 1 ( ) ( ) 8 ( ) 4 2 2 2ppz z z z z zpa L L （ 6-3） 762mma ，中心距减小量 2 2 2 5 . 4 5 0 . 8 m map ，实际中心距 7 6 2 5 0 . 8 7 1 1 . 2 m ma a a ，即 715mma 。 链轮基本尺寸计算如下 10： 分度圆直径
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