钢卷开平机

摘 要开平机是对金属棒材、管材、线材等进行矫直的设备。轧制出的钢材常出现弧形弯曲、纵向和横向弯曲、瓢曲等缺陷,为此轧后钢材必须经过矫正。由于运输方便，包装简单等原因，大部分的钢材生产企业生产的板材都是卷的形式，而钢板在实际使用的过程中希望是平板形式。基于上述情况，本课题提出设计一种钢板开平机，目的在于将卷状的金属板材整形成平板形式，方便后续钢板的加工。方案设计了九辊开平机，方案以弹塑性弯曲变形理论为设计依据。主要包括以下内容：矫直机类型，矫直原理，矫直机结构的确定，矫直机基本力能参数计算、力能参数计算、电动机功率计算、工作辊结构设计与校核。关键词：开平机，九辊矫直，板材，工作辊ABSTRACTStraightening machine is a equipment, which straighten metal bar, pipe workpiece, wire and so on. After rolling, there are arch bending, vertical and horizontal bending, protuberance in steel strip. So it must be straightened. Because of transport, packaging and other reasons, most of the production of sheet steel manufacturers are volume form. In the actual steel plate is hoped to be the tablet form. Based on the above, the subject of the proposed design of a steel plate straightening machine.It aims to shape the sheet metal into flat form to facilitate follow-up of steel plate processing.Combining with the design requirements of the program, then this article designs the nine roller straightening machine. The project is based on the theory of elasto-plastic bending. It includes the following: the type of straightening machine, the theory of straightening machine and the structure of straightening machine, the calculation of straightening machines basic parameters, the structural design and the checking of the work roll.Key words: straightening machine , nine roller straightening, plates, the work roll目 录1 绪论-11.1 选题背景及其意义-11.2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势）-21.3 研究内容-61.4 课题设计要求-72 钢板开平机的总体设计-92.1 钢板开平机的相关参数-92.2 开平机的各个结构-103 开平机相关参数设计计算-183.1 开平机基本参数的确定-183.2 辊式开平机的力能参数确定-213.3 工作辊强度计算-253.4 辊子轴承校核-274 开平机的 PLC 控制系统设计-294.1 PLC 基础-294.2 开平机的 PLC 控制方案-324.3 开平机的 PLC 控制 I/O 端口分配表-324.4 开平机的 PLC 控制接线图-334.5 开平机的 PLC 控制梯形图-345 结论-36参考文献-37致谢-381 绪论1.1 选题背景及其意义1.1.1 应用背景在板带材的轧制生产中，由于轧件温度不均，变形不均及轧后冷却不均、运输和其他因素的影响，致使轧制出来的产品常出现波浪弯和瓢曲等缺陷。为此轧后钢材必须经过矫正，以达到国家规定的质量标准，满足用户的使用要求。矫直技术属于金属加工学科的一个分支，已经广泛应用于日用金属加工业，仪器仪表制造业，汽车、船舶和飞机制造业，石油化工业，冶金工业，建筑材料业，机械装备制造业，以及精密加工制造业。矫直技术在广度和深度方面的巨大发展迫切要求矫直理论能进一步解决一些疑难问题，推动开发新技术和研制新设备。尤其在党的十六大之后，要求用信息化带动工业化，矫直技术也要跟上时代。首先要在矫直机设计、制造、矫直过程分析、矫直参数设定及矫直质量预测等方面搞好软件开发；其次要进行数字化矫直设备的研制，使矫直技术走上现代化的道路，不断丰富金属矫直学的内容。 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，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依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、矫直噪声、斜辊矫直特性、斜辊辊形特性、拉弯变形匹配特性等都缺乏理论阐述；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，如弯距和矫直曲率等都缺少通用表达式。1.1.2 设计意义由于运输方便，包装简单等原因，大部分的钢材生产企业生产的板材都是卷的形式，而钢板在实际使用的过程中希望是平板形式。基于上述情况，本课题提出设计一种钢板开平机，目的在于将卷状的金属板材整形成平板形式，方便后续钢板的加工。该课题的研究对于提高学生的工程能力，拓展生存空间有着非常重要的意义，以及为今后钢板开平机的深入研究做一个前期的准备工作，具有重要的社会意义。1.2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势）矫直技术历史悠久，但其产生时间并未有确切的时间记载。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的水平。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，都要求用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。对大型工件的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“矫往必须过正”的哲理，用之于矫直技术颇有一语道破天机之功。现代矫直机的快速发展是从 18 世纪末的欧洲产业革命开始的。到 19 世纪 30 年代，冶铁技术发展起来，钢产量迅速成倍的增长。到 19 世纪末期时，钢产量增加了 50 多倍。钢材产量占钢产量的比重也明显增加。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。到1914 年英国发明了 212 型五辊式矫直机，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，日本已能制造多辊矫直机。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，美国萨顿公司研制成功 313 七辊式矫直机。20 世纪 30 到 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了迅速发展，而且相继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见到德、英、日等国家制造的矫直机。20 世纪 50 年代，苏联的矫直机大量的进入到中国，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，我国改革开放以后接触到大量的国外设计研制成果，同时也引进许多先进的矫直设备。如英国的布朗克斯矫直机；德国的凯瑟琳、德马克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。与此同时，我国科技界一直在努力提高自己的科研设计和创新能力。从 20 世纪 50 年代起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到 80 年代提出的等曲率反弯辊形计算法。此外，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械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。进入 90 年代之后，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；一些新成果获得了市、省级部级科技成果进步奖；有的获得了国家发明奖。如已经研制成功的双向反弯辊形 2 辊矫直机、复合转毂式矫直机，平行辊异辊距矫直机及矫直液压自动切料机等。1.2.1 矫直机类型(1) 压力矫直机轧件在活动压头和两个固定支点间，利用一次反弯的方法进行矫直。这种矫直机用来矫直大型钢梁、钢轨和大直径（大于 200300 毫米）钢管或用作辊式矫直机的补充矫直。压力矫直机的主要缺点是生产率低且操作较繁重。压力矫直机有立式（图2-1a）和卧式（图 2-1b）两种。(2) 拉伸矫直机拉伸矫直机也称张力矫直机，主要用于矫直厚度小于 0.6 毫米的薄钢板和有色金属板材。通常，辊式板带材矫直机只能有效的矫直轧件的横向或纵向弯曲（即二元形状缺陷） 。至于板带材的中间瓢曲和边缘浪形（三元形状缺陷）则是由于板材沿长度的方向各纤维变形量不等造成的。为了矫正这种缺陷，需要使轧件产生适当的塑性延伸。在普通辊式矫直机上虽然能使这种缺陷有所改善，但矫直效果不理想。这时需要采用拉伸矫直方法。拉伸矫直的主要特点是对轧件施加超过材料屈服极限的张力，使之产生弹塑性变形，从而将轧件矫直。图 2-1j 是矫直单张板材的钳式拉伸矫直机。这种设备生产率低且夹钳夹住的部分要切除，造成的金属损耗太大。图 2-1k 是张力平整组。他能对成卷带材进行粗矫，也能改善轧件的机械性能。图 2-1l 是连续拉伸机组。它由两个张力辊组成 。拉伸所需的张力由张力辊对带材的摩擦力产生。这种矫直机主要用于有色金属。图 2-1m 是带有张力的辊式矫直机组。这种结构用于连续矫直高强度薄带材。但因辊式矫直机的工作辊很难单独调整，同时，在张力作用下，工作辊容易窜动，因而影响了矫直质量。目前，这种结构的矫直机已被拉伸弯曲矫直机取代。(3) 拉弯矫直机为了提高轧件矫直质量，近年来拉伸弯曲矫直机组(图 2-1n)得到较大发展。拉伸弯曲的基本原理是当带材在小直径辊子上弯曲时，同时施加张力，使带材产生弹塑性延伸，从而较平。这种矫直机组一般用在连续作业线上，可以矫直各种金属带材（包括高强度极薄钢板） 。拉伸弯曲机组也可在酸洗机组上进行机械破鳞，以提高酸洗速度。 图 1-1 矫直机的基本类型(4) 管材、棒材矫直机管、棒材矫直的原理也是利用多次反复弯曲轧件，是轧件矫直 。图 2-1g 是斜辊式矫直机。这种矫直机的工作辊具有类似双曲线的空间曲线的形状。两排工作辊轴线相互交叉。管棒材在矫直时边旋转边前进，从而获得对轴线对称的形状。图 2-1h 是 “313”型辊式矫直机。这种矫直机的设备重量轻，易于调整和维修，用于矫直管棒材时，效果很好。图 2-1i 是偏心轴式矫直机用来矫直薄壁管。(5) 辊式矫直机在辊式矫直机上轧件多次反复弯曲而得到矫直。辊式矫直机生产率高而且容易实现机械化，在型钢车间和板带材车间获得广泛应用。辊式矫直机的类型很多，在图 2-1 中图 ch 列出了几种主要的类型。 图 2-1c 是上排每个工作辊可单独调整的辊式矫直机。这种调整方式较灵活，但由于结构配置上的原因，它主要用于辊数较少、辊距较大的型钢矫直机。图 2-1d 是整排上工作辊平行调整的矫直机。通常，出入口的两个上工作辊（也称导向辊）做成可以单独调整的，以便于轧件的导入和改善矫直质量。这种矫直机广泛用来矫直 412mm 以上的中厚板。图 2-1e 是整排上工作辊可以倾斜调整的矫直机。这种调整方式使轧件的弯曲变形逐渐减小，符合轧件矫直时的变形特点。它广泛用于矫直 4 毫米以下的薄板。图 2-1f 是上排工作辊可以局部倾斜调整（也称翼倾调整）的矫直机。这种调整方式可增加轧件大变形弯曲的次数，用来矫直薄板。1.2.2 矫直原理若轧件具有单值曲率 的圆弧，则用三个辊子使其反弯至曲率为 ，且连续通过，01r 1即可完全矫直。但实际情况中，轧件的原始曲率沿长度方向往往是变化的，不仅是多值的，而且弯曲方向也不同，所以仅用三个辊子的矫直方法是不行的。为了保证矫直质量，必须增加矫直辊的数量。辊式矫直机一般至少要五个工作辊。本设计方案采用的是上下辊平行排列的矫直方案，即上排辊相对下排辊平行排列，集体升降，矫直时所有上排辊子的压下量相同，除首尾辊外，其余各辊子处轧件弯曲至相同的曲率 。1f当 时，矫直原始曲率为 的轧件，若第 2 辊使 变为 ，第 3 辊1fw01r 01r1使 变为 ，由于弹性变形不足和残余应力的影响，后面的辊子作用不大，轧件的0r1残余曲率会接近于 0。为了提高矫直精度，较彻底的消除残余曲率，必须1r。1fw图 1-2 上下辊平行排列矫直原理图如上图所示，轧件的原始曲率为 0。通过第 2 辊子后， 变为 ，残余曲1r1r1率为 ，通过第 3 辊子后， 变为 和 变为 ，残余曲率为 01r01r21r；通过第 4 辊子后， 变为 ，残余曲率为 ；依次类推，残余曲率21r2231范围逐渐缩小，经若干辊子后，残余曲率趋于定值。若矫直机的出口辊的压下可单独调整，则可完全消除该定值的残余曲率，即轧件得到完全矫直。实际上辊数是有限的，只能达到限定的矫直精度，若是轧件反复通过矫直机，则起到增加辊数的作用，即可提高矫直精度。1.3 研究内容本课题研究的主要内容包括根据现有钢板开平机的结构形式，完成对钢板开平机的设计方案的选定，矫直力、矫直力矩的计算以及矫直机主电机功率的计算，对主要零部件进行强度计算，确定其结构参数，并对所选轴承进行寿命计算。完成矫直机的主要零部件、总体设计图纸。要解决的主要问题：通过方案设计矫直机主体结构，包括升降系统，上辊子，下辊子，牵引辊子以及传动系统等并阐述矫直机结构原理和设计特点，介绍工艺过程。 1.4 课题设计要求1.4.1.开平机结构组成、工作原理的介绍开平机主体结构由上辊子和下棍子组成，上下辊子作用于钢板，使得由于运输方便而做成卷状的钢板整形成平板形式。开平机的上部设计了一个升降机构，由蜗杆与蜗轮互相啮合组成的交错轴间的齿轮传动，形成升降的形式，使得上辊子和下辊子间的距离可以控制，来对不同厚度的钢板进行辊子距离的调整。开平机的入口处设计了一个送料装置，将钢板送入开平机中。开平机的出口处设计了一对牵引辊子，对钢板形成引导。1.4.2.开平机结构参数的设计对开平机整体结构参数（辊径和辊距、辊数、辊身长度 L 等）进行详尽的设计和选用，并用 Autocad 二维绘图软件进行最终整体组成结构的绘制。1.4.3.开平机力能参数的计算根据矫直材料、矫直厚度、矫直宽度和矫直速度进行矫直工艺的初步制定。对矫直机的力能参数（矫直力、矫直力矩和矫直功率等）进行准确计算。1.4.4.开平机刚度、强度的校核根据已选定的零件材料和计算出来的力能参数对各部分结构部件（机架、矫直辊、矫直辊轴承）的刚度和强度进行最终的校核。1.4.5.电动机的选择 首先介绍并阐述了电动机选择的基本方法，然后根据计算出来的矫直功率以及矫直机的工作制度对矫直机各部分所使用的电机进行正确的选择，选用三相交流异步电机。1.4.6.控制系统的设计本钢卷开平机拟采用可编程序控制器 PLC 对开平机进行控制。首先选取 PLC 型号，然后根据开平机的工作流程绘制 PLC 控制原理图，编制出 PLC 程序，最后画出梯形图。控制部分：选择三菱 PLC 程序编写，确定 PLC 型号，进而分配 I/O 点，通过动作顺序分析画出流程图，然后通过 PLC 编程的知识，编写出梯形图和控制原理图。1.4.7.预期能达到的目标通过本次课题的毕业设计将自己四年中所学到机械设计、机械原理、材料力学、液压传动、PLC 控制技术等等知识联系起来，通过自己的努力以及指导老师的指导和纠正，设计出要求的钢卷开平机。2 钢板开平机的总体设计2.1 钢板开平机的相关参数本矫直机的主要技术参数为：矫直材料Q235；钢板厚度H=316mm；最大板宽B=2100mm；矫直温度400600；矫直速度0.41.35m/s；矫直辊辊距280mm；辊径250mm；辊身长2350mm；5个上辊，4个下辊；升降装置采用一台40kw、1455r/min的交流电机驱动；矫直辊子电机一台Y系列三相异步电动机：200kw、额定转速为1490r/min。牵引辊子电机一台Y系列三相异步电动机：200kw。根据设计要求，在本方案中，设计计算了矫直机的基本力能参数，如辊距，辊径等；工作辊的结构与装配方案，并对其进行了校核；升降系统的结构设计。通过方案设计矫直机主体结构，包括升降系统，上辊子，下辊子，牵引辊子以及传动系统等并阐述矫直机结构原理和设计特点。 图 2-1：钢卷开平机的设计简图2.2 开平机的各个结构2.2.1 上下辊子 （用于矫直钢板）按工作辊的调整方法和排列方式不同，工作辊的结构有以下几种基本形式：1）每个上辊可单独调整高度的。如图 2-3a，每个上辊都具有单独的轴承座和压下调整机构，保证任意调整高度。此外通常还可以移动机架的上部分相对下部分进行集体调整。能够得到较高的矫直精度。但结构复杂，所以在实际中一般辊数较少。2）上排辊子集体平行调整高度。如图 2-3b，上排辊子固定在一个平行升降的横梁上，只能集体上下平行调整，所以辊子的压下量相同，结构比较简单。但这种调整方式只能用较小的（甚至是最小的）有效弯曲变形，才能得到较高的矫直精度，否则将出现较大的残余曲率。为解决上述缺点，通常出入口上辊为单独调整的。这种结构方案广泛应用于中厚板的矫直。3）上排辊子集体倾斜调整。如图 2-3c，上排辊子安装在一个可倾斜调整的横梁上，由入口至出口轧件弯曲逐渐减小，可以实现大变形，小变形俩种矫直方案，能得到较高的矫直速度，调整也很方便，所以应用广泛。图 2-2 板材辊式矫直机上辊调整方案a-每个上辊单独调整；b-上辊集体平行调整；c-上辊集体倾斜调整图 2-3 混合排列的辊式矫直机a-入口平行、出口倾斜；b-中间平行、俩端倾斜4）平行和倾斜混合排列的矫直机。如图 2-4，一种是入口段为平行排列，出口段为倾斜排列，增加了入口段轧件的大变形过程，可提高矫直质量。另一种是中间为平行排列，俩端为倾斜排列，它不仅能提高矫直质量，而且可改善咬入条件和作用于可逆矫直。2.2.2 主传动系统1.机列布置机列布置是指电动机、传动装置和工作机座的总体安排。他取决于车间内与之联系的设备布置情况、安置该矫直机的面积亦即传动装置的布置形式等。图 2-12 是几种典型的机列布置示意图。图 2-12a 是机列布置中最简单的一种，扭矩由电动机经联合减速机传到工作辊。由于减速机与齿轮座放在一个箱体内，机列布置较紧凑，占地面积小，重量轻，润滑集中。但是，联合减速机结构较复杂，比较不容易加工制造和维修。图 2-12b 是电动机经减速机传到齿轮座，齿轮座再通过几根输出轴传动工作辊的布置形式。这种布置方式中的减速机与齿轮座的结构均较简单，但机列长度较长。当电动机功率超过 6080 千瓦时，通常采用双电机驱动（表 2.2 图 c） 。这样不仅可以使减速机负荷均匀，而且可缩短机列长度。一般情况，这种布置方式的机列总宽均不超过工作机座的宽度，故适于在连续机组中布置。图 2-12d 除具有图 b、c 的优点外，还有机列总长度较短的优点，只是这种布置形式需要使用较为复杂的伞齿轮减速机。图 2-4 几种典型的机列布置示意图图 2-12e 与图 2-12d 相似，但是采用了球面蜗轮减速机。一般只在齿轮座必需采用两根相距较远的输入轴时，才使用这种布置形式。图 2-12e 与图 2-12d 所示的机列其宽度很大，只是在机列长度受限制时，才采用。2主传动系统 主传动系统包括减速机、齿轮座和万向联轴节等。（1）减速机。在矫直机主传动系统中，减速机除有减速作用外，还有均衡分配传动扭矩的作用，因此也称减速分配器。它有三种主要形式：圆柱齿轮型、圆柱-圆锥齿轮型和蜗轮型。在这种形式中，每种又可分为单支（指单根输出轴） 、双支、三支和四支等几种结构（图 2-1） 。在辊数大于 7 的矫直机上，不易使用单支减速分配器。这是因为传递的总扭矩大，齿轮座的齿轮尺寸也大，使齿轮座输出轴的间距很难与矫直机辊间距相适应。因此，在辊式钢板矫直机上，大多使用多支的减速分配器，这样也可使齿轮座的载荷均匀。由于矫直机的第三辊（或第二辊）受的矫直扭矩最大，因此，对该辊要尽可能由减速机的一根输出轴经齿轮座直接传动，以减轻齿轮座的负荷。优势，为适应矫直机在连续机组中的安装，将矫直机设计成可以双向进料的结构。这时，矫直机另一端的第三辊（或第二辊）也由减速机的一根输出轴传动。在这种情况下，减速机中心距总和应等于齿轮座两边第三轴或第二轴之间的距离（图 2-1） 。这一值受齿轮座最大中心距的限制。齿轮座最大中心距是按照矫直辊最大中心距和万向接轴的长度以及接轴倾角不超过 6的条件确定的。在综合考虑上述因素后，选定减速机中心距，然后对减速机、齿轮座的齿轮和轴进行强度校验。如计算结果不能满足，则考虑增加减速机支数。在某些情况下，也可将直接传动第三辊改为传动邻近的辊，以改变齿轮座的负荷分配情况。圆柱齿轮减速机的制造和安装较为简单，因此在矫直机主传动系统中获得广泛应用。在制造能力许可下，也可使用联合减速机。将减速机和齿轮座连成一个整体，可减少传动件，且结构紧凑，能减小机列总长度。（2）齿轮座 一般情况，为防止钢板在工作辊间打滑，辊式钢板矫直机所有的工作辊都是驱动的。齿轮座的作用是将减速机传来的扭矩分配给各个矫直辊。齿轮座输入轴数目与减速机的支数相同。每根输入轴带动一组齿轮。在输入轴数量较多时，各组齿轮之间互不联结，以避免功率传递路线闭合，恶化齿轮啮合条件。按照齿轮的啮合列数，可分为单列齿轮座和多列齿轮座。单列齿轮座的制造、安装简单，各齿轮轴和轴承可以通用且齿轮轴的刚性高。一般在工作辊距小于 50 毫米时，一采用这种形式。与单列齿轮座比较，多列齿轮座的总中心距小，因为每对齿轮的齿宽是根据传递的扭矩确定的，同时，齿轮避免了重复啮合，因而可适当减小中心距。多列齿轮座的齿轮轴刚性较低。为保证齿轮轴的刚度，通常只在辊距大于 50 毫米时才采用这种结构。由于在矫直机的功率中，轴承摩擦损耗占得比重较大，所以齿轮座、减速机和矫直机本体一般均采用滚动轴承。（3）万向联轴节 由于齿轮座的总中心距大于矫直机的总中心距，因此齿轮座输出轴与矫直辊采用万向联轴节联接。矫直机上常用的万向联轴节除了一般的滑块式叉头扁头型外，在辊径小于 120 毫米时，也采用球型万向联轴节。球型万向联轴节有多种型式。图 2-12 是钢球上带有十字槽的结构。齿轮座传动端的叉头 6 通过方槽孔，套在齿轮座输出轴上，叉头 6 的另一端通过带槽的球 2（见图 2-12b）与叉头 5 相连接。同样工作辊端的叉头 1 也通过球2 与叉头 3 相连。拆卸接轴时，需将花键轴上的柱销取下，脱开接轴将轴折转 90，即可将叉头从钢球上取下。在小辊距矫直机上也可采用简易型钢球万向接轴（图 2-13） 。这种联轴节中采用标准钢球（GB30864） ，它只起定心作用，矫直扭矩是靠两插头的侧面直接接触来传递的。这种联轴节结构简单，易于制造。拆卸时，松开钢丝 6，去掉夹木 7，叉头 3 即可沿轴向取下。在有的矫直机上还采用滚动轴承铰链式万向联轴节，其允许倾斜角度可达 18，但结构尺寸较大。图 2-5 带槽球形万向联轴节a-联轴节结构；b-球结构1-工作辊端叉头；2- 带槽钢球；3-接轴叉头；4-接轴；5- 接轴叉头；6-齿轮座端叉头图 2-6 简易球形万向联轴节1-叉头；2-钢球；3- 叉头；4-接轴；5-导向键；6-紧固钢丝；7-夹木2.2.3 牵引辊子 通过一对牵引辊子来控制钢板的运动方向，稳定钢板的前进方向。图 2-7 牵引辊子 2.2.4 升降机构 通过蜗轮蜗杆机构和螺纹间的啮合实现控制上下辊子间的距离，从而适应不同钢板的厚度。图 2-8 牵引辊子 2.2.5 送料机构平稳输送钢板到矫直系统中，当中加了一个电感接近开关，来控制钢板输送的张力。图 2-9 送料机构2.2.6 左右限位调节 在送料机构的末端通过导轨滑块实现钢板左右方向上的固定。图 2-10 左右限位调节 2.2.7 龙门架构 通过一个支撑架上的两对导轨，实现对上辊座的稳定支撑作用。图 2-11 龙门架构 3.开平机相关参数设计计算3.1 开平机基本参数的确定3.1.1 辊距 t 的确定辊距 t 的确定对保证矫直机的矫直质量有重要影响。在矫直轧件时，其基本条件是轧件应产生弹塑性弯曲变形，例如，对钢板矫直机，根据前面几个辊子的反弯曲率必须满足下列条件： （3-1）Ehsw21显然，若板材的 E 已确定，则 s 越大或 h 越小，反弯曲率半径 也应越小。与此对应，矫直辊径 D 与辊距 t 也应越小。确定辊距的原则是既要保证轧件矫直质量，又要满足辊子的强度条件。最小允许辊距受辊子强度条件限制；最大允许辊距取决于轧件矫正质量。根据公式得最小允许辊距为 ：（3-2） mEhts180302614.0. 9maxmin 图 3-1 最大允许辊距 tmax 的确定如图 3-1 所示根据公式得最大允许辊距为： （3-3 ）mEhts96103245.0.69minax根据经验值辊距取 t=280mm 3.1.2 辊径 D 的确定由下表可知道工作辊直径 D=(0.85-0.90)t=238252mm 取 D=250mm表 31 辊径与辊距的比值矫直机类型 /t矫直机类型 /Dt薄板矫直机 0.90.95 厚板矫直机 0.70.85中板矫直机 0.850.90 型钢矫直机 0.750.903.1.3 辊数 n 的确定增加辊数即增加轧件的反弯次数，可以提高矫直质量但也会增加轧件的加工硬化和矫直机的功率。为此，选择辊数 n 的原则是在保证矫直质量的前提下，使辊数尽量少。对于板材辊式矫直机，辊数 n 随着轧件宽厚比(bh)的增加而增加。因为轧件宽厚比愈大，它的浪形弯曲亦愈显著，需要多次的反复弯曲才能保证矫直质量。辊数与残余曲率关系如图 32 所示。图 3-2 残余曲率与辊数的关系从图 3-2 中可以看出，7 辊辊系完全可以满足高精度矫直需要，超过 7 辊后，对提高矫直精度的效果缓慢。但实际上，各辊压弯量的调整由于材质不匀及尺寸公差会造成理论与实际之间有差距。另外，机架刚度、侧弯、扭曲等对矫直效果都有影响，为此常用增加辊数的办法来弥补上述的不足，根据热矫板材矫直机的经验辊数(一般板厚460mm 的宽板辊数 n=911)及此次设计的要求，取工作辊 9 辊，前后导辊各 1 个，共计 11 辊。工作辊数 n=9。3.1.4 辊身 L 的确定辊身长度 L 取决于轧件最大宽度，根据1得： L=bmax+a （3-4）当 bmax200mm 时，a=100300mm 。所以 L=2100+250=2350mm3.1.5 矫直速度 v 的确定矫直速度的大小，首先要满足生产率的要求，要与轧件生产能力相协调，要与所在机组的速度相一致。 由于矫直速度的上限至今尚没有理论的计算方法，但人为设定矫直速度所依据的经验是可以遵循的。本矫直机速度取为 0.21.35m/s。3.2 辊式开平机的力能参数确定3.2.1 作用在开平机辊子上的压力（矫直力）作用在矫直机辊子上的压力可按照扎件弯曲时所需的力矩来计算。此时，将扎件看成是受很多集中载荷的连续梁。这些集中载荷就是各辊子对扎件的压力（如附图 3-3 所示） ，它们在数值上等于扎件对辊子的压力。图 3-3 矫直辊子的排布（1）扎件弯矩计算由以上分析可知，欲求得作用在辊子上的压力，必须确定在辊子处扎件的弯矩值。而扎件弯矩值决定于扎件弯曲变形量得大小，即决定于扎件原始曲率与压下挠度曲率之和。精确计算出弯矩值是很困难的，通常采用一些假设条件: 第 2、3、4 辊子处扎件的弯曲力矩假设为纯塑性弯曲力矩 ，即：sM= = = = SMs=s291066301432044bh Nm出口端除最后第 9 辊以外的 3 个辊子下面的扎件弯曲力矩可假设为纯弹性弯矩力矩 ，即：w= = = = W8M76ws=w mNbhS 268013012092其余辊子（第 1 辊子和第 9 辊子除外）扎件弯曲力矩等于上述两个弯曲力矩的平均值，即： )(2)(25 WSMWS。360)4160610130 9296 各式中，S 塑性断面系数， ；2bhSW弹性断面系数， 。6W（2）矫直力计算弯曲力矩确定以后，就可以计算出作用于扎件的压力 P：SMtP1t2KN28.0431SttP62 648.20331SMtS83 KN.31.式中，t工作辊辊距。用类似的方法可确定最后 3 个辊子上的压力为：tMPW29 1928.0668 KN57tW7 6.2作用在第四辊到第 n-3 辊之间各中间辊子上的压力，可取 和 的平均值，即：3P2ntMPWS)(4654 KN9608.2043当矫直辊数大于 6 时，作用在所有辊子上的压力总和为： tnS/)2( 72. 上述计算表明，第三根辊子上受力最大，所以应对其进行强度校核。3.2.3 电机功率的确定1.工作辊子的主电机的确定如果分别考虑各辊子下轧件的塑性变形，则根据公式矫正扭矩为：（3-5）aEbhDMsk42MKNsk5.804610265.)3(92a- 塑性变形曲率折算系数。对于单向波浪形的轧件， 为 4.56，根据塑性变形2pC曲率折算系数计算图选取 a 值，此处 取 5，则根据图 3-3 查 得 a=6 2ps-材料的屈服极限 300MPab- 钢板宽度 2100mmh- 钢板厚度 16mmD- 矫直辊直径 250mmE- 材料的弹性模量 aPE91026图 3-3 塑性变形折算系数 a 的计算图根据公式得电动机功率计算公式为： N = （3-6）12)(DvdfPMk则KWvdfk5.160 7.0251).05.02.(71) M - 矫正扭矩，5.5KNMk- 作用在辊子上的压力总和 ，6720KNPf- 辊子与轧件的滚动摩擦系数，对于钢板 f =0.0002m 如果考虑可能出现的较大的滑动摩擦，则对于钢板，f =0.0008m；对于型钢， f =0.00080.0012m ；- 辊子轴承的摩擦系数，滚动轴承 =0.005；滚针轴承 =0.01；滑动轴承 =0.050.07 ；D- 辊子直径，250 mmd- 辊子轴承处直径（滚动轴承取中径 ）150 mm-矫直速度 0.4 m/s- 传动效率，=0.850.7（有支承辊时取较小值）所以，查阅机械手册，选用 1 台 Y 系列三相异步电动机 Y315L2-4，其基本参数如下： 额定功率为 200 千瓦，电流 362A，重量为 1270kg， 额定转速为 1490r/min，总长度为1340mm，宽度 899mm，高度 865mm。2.牵引辊子的主电机的确定牵引辊子是给于钢板一个牵引力，让钢板能有一个确定的前进方向。根据实际生产中的应用，额定功率定为 20KW。查阅机械手册，选用 1 台 Y 系列三相异步电动机 Y180M-2，其基本参数如下： 额定功率为 22 千瓦，电流 42.2A， 重量为 180kg， 额定转速为 2940r/min，总长度为670mm，宽度 465mm，高度 430mm。3.3 工作辊强度计算工作辊的强度条件是工作辊各处的计算应力应小于许用应力。工作辊的许用应力是其材料的强度限除以安全系数。通常工作辊的安全系数选取 5。图 3-4 工作辊结构简图矫直辊的材料为 55Cr，查阅机械设计手册知 由于工作辊有支承辊，故无需考虑工作辊的弯曲力矩，而只需考虑其扭转。由于各辊系中的第三个辊受力最大，当第三辊满足要求时起于各辊均可以满足要求，所以只85017bMpan校核第三辊即可。第三辊扭矩为：其中， D 工作辊直径；塑性弯曲力矩；钢板在相应辊子下的弯曲半径。对于 9 辊矫直机， =90h=9016=1440mm假定倒数第二个辊仅实现弹性弯曲，则其曲率半径为 mshE3.5493026110即： 1028310341039.63.5975m.83则带入值得：mkNM62.05.3则工作辊危险断面在辊径处，扭转应力 为:（工作辊辊径取 250mm） MpaW136.25.06783321M2ssi210i i3321sD合成应力按第四强度理论计算：由计算结果可知：矫直辊满足扭转强度要求。3.4 辊子轴承校核矫直机所有工作辊均采用调心滚子轴承，且工作辊大径端的轴承为 23222CC/W33，其内径 d= 110，外径 D=200，宽度 B=69.8。寿命计算：所以，查手册得：基本额定动载荷 Cr=520kN，基本额定静载荷 Cr0=800kN图 3-5 轴承受力图每个轴承所受的径向力为： KNPFr 2.1572%30.1482301 -第三辊子所受矫直力3因无轴向载荷，故 eFraa 00所以径向当量动载荷：（3-7）KNfYFfPrparpr )(1其中-载荷系数 =1.21.8, 此处取 1.5pfpf-轴承所受径向力 157.2 KNrF170.5852Mpa-轴承所受轴向力 0 KNaF所以轴承寿命：（3-8）天 小 时5193.270)52.1(6)1306rhpcnL其中：C- 基本额定动载荷 KNn- 辊子转速 min/29.15.043rrvn-对于滚子轴承 1根据工厂的实际情况轴承寿命已满足要求4 开平机的 PLC 控制系统设计4.1 PLC 基础4.1.1 PLC 的定义 可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。4.1.2 PLC 与继电器控制的区别1.控制方式 继电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触点的串联或并联极延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制。PLC 采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，称软接线。2.控制速度 继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，毫秒级，机械触点有抖动现象。PLC 是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度快，微秒级，严格同步，无抖动。 3.延时控制 继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制，而时间继电器定时精度不高，受环境影响大，调整时间困难。 PLC 用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，调整时间方便，不受环境影响。4.1.3 PLC 的优点PLC 在三相异步电动机控制中的应用，与传统的继电器控制相比，具有控制速度快、可靠性高、灵活性强、功能完善等优点。长期以来，PLC 始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需求。4.1.4 PLC 的工作原理当 PLC 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 (一) 输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入 I/O 映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O 映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 (二) 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序( 梯形图) 。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统 RAM 存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在 I/O 映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在 I/O 映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在 I/O 映象区或系统 RAM 存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即 I/O 指令则可以直接存取 I/O 点。即使用 I/O 指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从 I/O 模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。 (三) 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC 就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU 按照 I/O 映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是 PLC 的真正输出。4.1.5 PLC 的选择及工作过程(1) PLC 的选择目前，国际上生产可编程序控制器的厂家很多，如日