东北大学毕业设计——焊接H型钢悬臂平行辊式矫直机的设计

焊接H型钢悬臂平行辊式矫直机的设计作者姓名宋佳昕指导教师兰亮云单位名称机械工程与自动化专业名称机械工程与自动化东北大学2015年6月DESIGNOFCANTILEVERPARALLELROLLERTYPESTRAIGHTENINGMACHINEFORWELDINGHTYPESTEELBYJIAXINSONGSUPERVISORLIANGYUNLANNORTHEASTERNUNIVERSITYJUNE2015毕业设计（论文）任务书机械工程与自动化学院班级机械1150姓名宋佳昕毕业设计（论文）题目焊接H型钢悬臂平行辊式矫直机的设计设计论文的基本内容1翻译外文文献一篇（译文要求不少于4000字）；2撰写开题报告一份，并确定总体结构方案；3研究的题目为矫直机，主要包括矫直辊系、传动系统、辊系升降移动的辅助系统三部分，分别绘制总装配图15A0张，上、下箱辊系部装图各1A0张，零件图共05A0张；4撰写毕业设计论文一篇。毕业设计（论文）专题部分题目设计或论文专题的基本内容学生接受毕业设计（论文）题目日期第1周指导教师签字2015年3月12日东北大学毕业设计（论文）目录I目录任务书I摘要IABSTRACTII第1章绪论111论文选题的目的与意义112国内外研究历史与现状113主要设计内容214拟解决的关键技术2第2章矫直机介绍421矫直机的用途422矫直机的组成4221矫直机分类4222矫直机传动系统5223矫直机机架523本次设计的矫直机的参数6第3章矫直理论基础731弹塑性弯曲变形的力学基础7311弯曲变形与应力7312弯曲应变与曲率9313弯曲变形与弯矩1232型钢矫直原理13321弹塑性弯曲的平面假定13322反弯矫直原理13东北大学毕业设计（论文）目录II323递减反弯矫直原理14第4章矫直机矫直系统的参数计算1641压下方案的选择16411小变形矫直方案16412大变形矫直方案17413矫直机设计采用的压下方案1742焊接H型钢矫直机的参数确定17421需要确定的基本参数17422辊系与辊数的确定18423辊径、辊距与辊长的确定20424矫直弯矩与矫直力的确定22425矫直辊转矩的确定24426驱动功率的确定24第5章矫直机设计2651电动机的选择2652减速器的选择2653矫直辊轴的设计与校核28531矫直辊轴的设计28532矫直辊轴校核2954轴承的选用与校核3155键联接的选择与校核3256万向联轴器的选择33第6章经济性与环保性分析3461经济性分析3462环保性分析34东北大学毕业设计（论文）目录III第7章总结35参考文献36结束语36附录38东北大学毕业设计（论文）摘要I摘要本次设计的内容是焊接H型钢矫直机，它是专门针对焊接H型钢使用的矫直设备。近年来，H型钢作为一种最佳断面的型材，已广泛应用于工程建设的各个领域。这就为矫直机等提供了很大的市场需求空间。同时，现代科技的发展与设备的高精度对材料的精度要求越来越高，矫直过程作为金属条材加工的后部工序，很大程度上决定产品的质量水平。本文简要阐述了焊接H型钢悬臂辊式矫直机的矫直原理，进行了材料和弹塑性力学分析，提供设计了一台焊接H型钢悬臂辊式矫直机。在对整台机械进行机械设计和强度校核后，将其在CAXA绘图软件中绘制了出来。在整台焊接H型钢悬臂辊式矫直机的设计过程中，矫直辊矫直使得型钢在长度上的挠曲达到要求的许用尺寸是整个机械设计的核心部分，而这核心的关键则在于矫直机矫直参数的确定确定合理的矫直参数，合理设计矫直系统、传动系统，以最简单的结构实现所要求的功能。在整体的设计过程中，积极吸收借传统矫直机设计经验，实现可变辊距的矫直；完善保证矫直机的刚度和硬度、良好的力学性能，这为以后的学习研究奠定了基础。关键词矫直机，焊接H型钢，矫直参数，强度校核东北大学毕业设计（论文）ABSTRACTIABSTRACTTHECONTENTOFTHISDESIGNISWELDINGHTYPESTEELSTRAIGHTENINGMACHINEUSEINGSPECIALLYFORWELDINGHTYPESTEELSTRAIGHTENINGEQUIPMENTINRECENTYEARS,ASTHEPROFILEOFTHEBESTSECTION,HSTEELHASBEENWIDELYUSEDINVARIOUSFIELDSOFENGINEERINGCONSTRUCTION,WHICHPROVIDESALOTOFMARKETSPACEFORTHESTRAIGHTENINGMACHINEETCATTHESAMETIME,THEDEVELOPENTOFMODERNSCIENCEANDTECHNOLOGYANDEQUIPMENTOFHIGHPRECISIONACCURACYOFMATERIALREQUIREMENTSHIGHERANDHIGHER,THESTRAIGHTENINGPROCESSASTHEPROCESSOFTHEREAROFTHEMETALPROCESSING,TOALARGEEXTENTDETERMINETHEQUALITYLEVELOFTHEPRODUCTINTHISPAPER,THESTRAIGHTENINGMACHINEISBRIEFLYDESCRIBED,THEMATERIALANDELASTICPLASTICMECHANICSANALYSISARECARRIEDOUTANDAMACHINEISPROVIDEDAFTERTHEMECHANICALDESIGNANDINTENSITYOFTHEWHOLEMACHINE,ITWASMAPPEDOUTINTHECAXASOFTWAREINTHEDESIGNPROCESSOFTHEWHOLEWELDINGHTYPESTEELCANTILEVERROLLERSTRAIGHTENINGSTRAIGHTENINGMACHINE,THESTRAIGHTENINGROLLSTRAIGHTMAKESSTEELATLENGTHONTHEFLEXURALREACHTHEREQUIREMENTSOFPERMISSIBLESIZEISTHECOREPARTOFTHEWHOLEMACHINEDESIGN,ANDTHEKEYOFTHECORELIESINTHESTRAIGHTENINGMACHINESTRAIGHTENINGPARAMETERSSURESTRAIGHTENINGSTRAIGHTPARAMETERS,REASONABLEDESIGNOFSTRAIGHTENINGSYSTEM,TRANSMISSIONSYSTEM,THESIMPLESTSTRUCTUREINORDERTOACHIEVETHEREQUIREDFUNCTIONSINTHEOVERALLDESIGNPROCESS,ACTIVELYABSORBEDBYTHETRADITIONALSTRAIGHTENINGMACHINEDESIGNEXPERIENCE,REALIZATIONOFVARIABLEROLLERSPACINGSTRAIGHTENINGSTRAIGHTTOENSUREPERFECTSTRAIGHTENINGMACHINESTIFFNESSANDHARDNESS,GOODMECHANICALPROPERTIES,THESTUDYLAIDTHEFOUNDATIONKEYWORDSSTRAIGHTENINGMACHINE,WELDINGHTYPESTEEL,STRAIGHTENINGPARAMETERS,STRENGTHCHECK东北大学毕业设计（论文）第1章绪论1第1章绪论11论文选题的目的与意义本次设计的内容为焊接H型钢矫直机，它是专门针对焊接H型钢使用的矫直设备。H型钢作为一种最佳断面的型材，已广泛应用于工程建设的各个领域，在高层建筑、工业厂房、桥梁，以及大型工业设备等建设工程中使用的H型钢用量可以占到钢结构总量的一半以上。我国虽然早在60年代就开始考虑过生产H型钢，但最终都没能投产。改革开放以来，随着国外先进技术的引进，在引进的冶金工厂，发电厂和高层钢结构建筑等几项大型建筑工程中，大量使用了进口的H型钢。这促进了我国工程建设对H型钢的需求增长，尤其是焊接H型钢的需求。非但如此，我国现有的技术并不十分先进，设备相对落后，型钢品质不高，这就对其辅助机械，尤其是矫直机等提供了很大的市场需求空间，同时，现代科技的发展与设备的高精度对材料的精度要求越来越高。矫直过程作为金属条材加工的后部工序，产品的质量水平在很大程度上由其决定，因此设计高质量矫直机具有其重要意义。12国内外研究历史与现状19世纪30年代，冶铁技术发展起来；50年代，炼钢技术蓬勃发展。陆续出现锻造机械、轧钢机械和矫直机械。英国在1905年制造的辊式板材矫直机大抵是我国见到的最早的矫直机。20世纪初已经有了矫直圆材的辊式矫直机；到1914年英国发明了212型五辊矫直机，解决了钢管矫直的问题，同时提高了棒材矫直速度。20世纪20年代，日本已经能制造多斜辊矫直机；30年代中期发明的222型六辊矫直机显著提高了管材的矫直质量；60年代中期，美国为解决大直径管材的矫直问题研制了313型七辊矫直机。20世纪3040年代国外的型材矫直机和板材矫直机相继流入中国。70年代，我国接触到了大量的国外的设计成果。从16MM金属丝矫直机到600MM的管材矫直机；有速度达到300M/MIN的高速矫直机，也有精度达到0038MM/M的高精度矫直机。我国科技界一直在提高自己的设计创新能力。20世纪50年代就有刘天明提出双曲线辊形设计的精确计算法及提出矫直曲率方程式。近年来我国在反弯辊形七斜辊矫直东北大学毕业设计（论文）第1章绪论2机、多斜辊薄壁管矫直机、三斜辊薄铜管矫直机、双向反弯辊形二辊矫直机、复核转毂式矫直机、平行辊异辊距矫直机等研制方面取得成功。在矫直高强度合金钢方面也获得和好的矫直质量。国际知名的的冶金设备供应商（德国的MDS、SMSDEMAG和日本的MHI等）不断提高矫直机性能，使高刚度、全液压和自动化功能更强，对钢板的矫直效果更好。应用技术一般有预应力机架、液压平衡系统、换辊装置、压下系统、弯辊系统、辊系分组传动或单独传动等。对于矫直机传动系统而言，普遍采用电机、减速齿轮分配箱、安全联轴器、万向联轴器到矫直辊的传动方式。矫直机矫直钢板时，由于长度方向发生塑性变形，导致钢板与矫直辊速度差可达到3，因而产生附加扭矩，以往的整体传动易导致接轴和齿轮损坏，同时当矫直辊与钢板产生速差时，钢板打滑现象会损伤表面，为了避免这些现象的发生，矫直辊尽量采用单独传动或分组传动，同时还可用于控制张力。13主要设计内容本次设计以完整设计矫直机械系统为主，包括矫直系统设计、传动系统的设计、辊系升降移动辅助系统的设计和机架设计一共四个部分。其中，矫直系统设计包括辊系内各个辊子之间的布置与调节；传动系统包括矫直辊轴的设计与校核，电动机、减速器、联轴器等的选用等；而设计中，辊系的升降与移动都是依靠液压系统的控制与调节来完成，通过电动机与液压系统的控制来实现可变辊距的特色功能。14拟解决的关键技术（1）高刚度矫直机机座，可满足大矫直力条件下的使用，变形小，精度高。材料上，机座采用灰铸铁，其抗压性能较高，能减轻振动。（2）为了提高矫直效果，矫直机出口处的上（或下辊）可以单独调整，且在矫直过程也可以进行调整。（3）下矫直辊可以沿矫直方向移动以调整矫直辊负荷，重点以调整入口辊在矫直方向的调整，延长悬臂结构两个支点之间的距离，在工件由悬臂变到简支结构时降低第三辊折辊的问题。（4）用数字控制系统精确调整上矫直辊位置，并借助自动测厚仪自动控制矫直辊负荷和在线过程计算机进行全自动操作。（5）上、下矫直辊和支承辊分别装在各自的框架上，框架及其辊子可以分别移动东北大学毕业设计（论文）第1章绪论3进行快速换辊，实现辊系的线外整备（即拥有两套以上的辊系装备供给一套矫直机使用）。（6）为了避免矫直辊辊面的滑伤，辊面应具有一定的硬度。东北大学毕业设计（论文）第2章矫直机介绍4第2章矫直机介绍21矫直机的用途矫直机是对金属型材、棒材、管材、线材等进行矫直的设备。矫直机通过矫直辊对工件等进行挤压使其改变直线度。一般有两排矫直辊，数量不等。依靠辊间的角度、压下量等的变化对不同直径的材料进行矫直。矫直机通过挤压等作用，改变板材、条材或型材等的一维弯曲、二维弯曲、瓢曲等变形，使材料在各个方向上的弯曲保证在规定的许用范围内，从而提高材料的精度与质量。因此，矫直机械在冶金等行业中有着重要应用。22矫直机的组成221矫直机分类现代矫直设备品类很多，按照工作原理分类第一类是反复弯曲式矫直机，它们靠压头或辊子在同一平面内进行反复压弯并逐渐减小压弯量，直至压弯量与弹复量相等变直；第二类是旋转弯曲式矫直机，是工件在塑性旋转弯曲状态下以旋转变形形式从大弯矩向小弯矩过渡，在走出塑性区时弹复变直；第三类为拉伸矫直机，它依靠拉伸变形把原来长短不一的纤维拉成等长度，进入塑性区变形卸载后弹复变直；第四类是拉弯矫直机，即利用拉伸与弯曲变形进行矫直；第五类为拉坯矫直设备。按照用途分类，矫直机可以分为型钢矫直机、板材矫直机、带材矫直机、棒材矫直机、线材矫直机、薄壁异型管矫直机等等。如果按照结构特征分类，它可以分为压力矫直机、平行辊矫直机、斜辊式矫直机、转毂矫直机、拉伸矫直机、拉弯矫直机等等。工业上，人们已经研制成功的矫直方法主要有压力矫直法、平行辊矫直法、斜辊矫直法、转毂矫直法、平动矫直法、拉伸矫直法、拉弯矫直法及一些特殊矫直方法。其中（1）压力矫直法是将条材的湾区部分放置在两个支点之间，用压头反复压弯。当压弯量合适时，压头抬起后条材弹复变直，完成一维弯曲的矫直。当条材有多处不同程度和方向的弯曲时，则需要多次、多向的一维压弯矫直，即用一维反弯完成二维矫直。（2）平行辊矫直法是把间断的压力矫直变成辊式连续矫直，从入口到出口交错分东北大学毕业设计（论文）第2章矫直机介绍5布若干平行的矫直辊，按照递减压弯规则进行多次反复压弯以求达到目的。这种方法在板材和型材矫直中得到广泛应用，不仅能提高工作效率，还能获得很高的矫直质量。利用两组平行辊将辊系进行直角组合或平立辊组合，即一组水平一组垂直，可以对二维弯曲严重的线材及小型材进行矫直。（3）斜辊矫直法是专门用于圆断面条材的矫直法，辊子与圆材倾斜相交，辊子转动时圆材旋转前进，其压弯轨迹呈螺旋线形。（4）当圆材细而长或成盘条供货时，一般会选用转毂矫直法。（5）对于异性细条材，实现全方位的反弯矫直可以采用平动矫直法。采用与工件断面相同的孔型辊组将工件抱住，而整个辊组绕一个固定轴线作高速平移晃动。（6）拉伸矫直法在薄板矫直、复杂型材矫直、薄壁管材矫直中都有很好应用。拉伸矫直法也使三维弯曲的板材得到有效的矫直。针对本课题的应用对象为焊接H型钢，考虑实际工作效率与矫直质量，课题更多会选择平行辊矫直机。平行辊型材矫直机在机架结构上基本分为两种一是简支结构，辊子轴承装在矫直辊两侧，这种机架刚性好、重量轻，但换辊困难；二是悬臂结构，轴承装在矫直辊一侧，这种结构换辊容易，操作方便，调整灵活，但刚性不好，前轴承受力过大。而且实际的生产中，以H型钢为代表的大断面型材要求矫直机有大辊距，即辊距可变。而变辊距辊系的特点是加大入口侧辊距以减少入口侧各辊压力，尤其是减少第3辊断轴事故的发生，同时还追求等强度设计的理想状态。随着矫直力的逐渐减小，向着出口侧也逐渐减小辊距尺寸1。222矫直机传动系统本次设计中，矫直机的传动系统依次包括电动机、减速器、分配箱、万向联轴器、矫直辊轴、矫直辊等六个部分。矫直辊系包括上三下四共七根辊轴。电动机提供转速，经由减速器减速并传递至分配箱；再经由分配箱与万向联轴器将转矩同时、均匀分布给四个下辊。223矫直机机架矫直机的机架可以分为整体式和分箱式两种。这里设计中选择分箱式铸造箱体结构，方便矫直机的安装与换辊。东北大学毕业设计（论文）第2章矫直机介绍623本次设计的矫直机的参数辊数7辊辊距600MM工作转矩35318MKN驱动功率17659KW矫直速度190986MINR东北大学毕业设计（论文）第3章矫直理论基础7第3章矫直理论基础31弹塑性弯曲变形的力学基础311弯曲变形与应力（1）弹性极限由弹塑性理论可以知道，金属条材在发生弹塑性弯曲时，应力与应变之间不再遵循全量胡克定律，而是呈现某种非线性关系。这里主要研究的是金属从弹性弯曲到弹塑性弯曲转变过程中的应力与应变关系；其中，弹性变形是由零值到弹性极限值的变形过程；弹塑性变形是超过弹性极限值以后到工件边界最大变形值的变形过程。由于金属的弹性极限是一种理想的状态，即应力与应变之间由线性关系立刻转变为非线性关系的转折点，属于瞬间过程，因而，工程上用屈服极限来表征这种转折并用符号S表示，而弹性极限则用T表示（在具体计算时仍用S值代替T值）。因此，弹性极限应变为EESTT，其中E为弹性模量。（2）屈服现象下面以三种韧性不同典型的材料来分析屈服过程。其中，韧性大的材料在开始屈服之后，产生了一段较长的波动过程，由于幅值小从而呈现出一段近似平坦的屈服现象，即屈服平台。随着韧性的减小，屈服平台随之缩短；中等韧性材料仍有较短一段屈服平台，韧性小的材料则没有屈服平台。变形在超过屈服平台之后，进入金属强化阶段，变形阻力随着变形程度的增加而变大，直至出现颈缩；名义应力达到强度极限B，然后迅速断裂。图31中A、B、C分别代表大中小三种韧性金属的应力应变特性。在屈服平台阶段，应变由T增大至T而应力T基本不变，T可以成为平台极限应变。韧性越大T越大，最小则TT。进入强化阶段后，应力增至强度极限B后不再增加，而而应变则迅速超过强度极限应变B直至断裂。这三种韧性的金属代表了可以矫直加工的金属类型。从矫直原理来考虑，当弯曲条材的弹塑性变形深度达到全断面高度的80后不产生裂纹时，即可以进行矫直。东北大学毕业设计（论文）第3章矫直理论基础8图31三种不同韧性金属应力的应变模型1（3）强化规律在材料发生塑性变形后，随着塑性变形的增加，若屈服面还不断改变形状，则应采用强化的屈服条件，这时的屈服面称为加载屈服面或强化屈服面。对于具有强化性质的材料，加载屈服面将随应变的发展而产生形状和位置的变化。如图32所示，试件首先受拉并在应力超过屈服极限后的B点开始卸载，当卸载到零点后再反向加载，这时所得到的压缩屈服极限因材料的不同和塑性变形的大小不同。图32单向拉伸的强化曲线4在图22中，OABDD代表各向同性强化，即无论在哪个方向加载，拉伸屈服极限和压缩屈服极限总相等。图32中OABCDE代表随动强化模型，弹性卸载区间是初始屈服应力S的两倍，东北大学毕业设计（论文）第3章矫直理论基础9材料总的弹性区间保持不变。拉伸时，材料由于强化效应屈服极限提高，但同时使得压缩屈服极限降低，随动强化模型考虑了材料的包辛格效应4。312弯曲应变与曲率（1）在平行辊矫直状态下，考虑到工件弯曲及接触点弹性压扁，载荷作用点也会形成一个小面积区域。在力学分析上将其简化为集中载荷，在几何分析上则从微小线段来考虑弯曲的曲率与变形。图33弯曲时曲率变化1如图33所示，设定弓箭的原始弯曲半径为0，此单位弧长OA1，它所对应的弧心角为0A，它们之间的关系是000OA1A（31）东北大学毕业设计（论文）第3章矫直理论基础10弧线OA的曲率也用01表示，但量纲不再是RAD而是M1。0A（单位1M）既是原始曲率，也是原始曲率角。对具有原始曲率0A的OA工件进行反弯达到1OA状态此时形成的反弯曲率为WA，其相应的曲率半径为W，有关系WW1A工件OA由0A弯到WA成为1OA状态，总的曲率变化量为W0AAA，其曲率半径为W0W0W0W0WW111AA1A1。撤消外力后，工件由于弹性势能产生回弹现象。上述的弯曲包含弹性弯曲与塑形弯曲，而塑形弯曲部分将会永久变形，因而只能如图返回到2OA状态。此时，2OA对应弧心角为CA，且CC1A（32）工件由1OA弹复至2OA，其曲率角由WA变化到CA，其中减小量就是弹复量，以FA表示弹复曲率角CWFAAA。弹复后工件处于稳定状态，这与原始变形之间形成永久变形，它所对应的曲率变化成为塑形弯曲曲率C0SAAA。当工件反弯变直后，0AC，即0AAFW，称为矫直曲率方程式。考虑工件的断面厚度分析曲率与变形的关系，如图34。以单位长度工件MN来分析，断面高度为H，弯曲时除中性层MN不变外，其上部产生拉伸变形，下部产生压缩变形，根据平截面假定，各纤维层的变形大小与该层至中性层的距离成正比。已知弯曲半径为，曲率角为A，在距离中性层Z高度的纤维层的变形为ZAAAZZ。东北大学毕业设计（论文）第3章矫直理论基础11以Z为半径按A角大小画弧长，如图24B中Z弧。计算A值的正切角，有AARCTAN。再以为依据，在工件涂上作截线AB，如图24C。因此，任一点Z处的变形为ZATANZZ。同理，边层纤维变形为A2HTAN2HH（33）设产生弹性极限变形的纤维层高度为2HT，弹性极限曲率角为TA，产生弹性极限变形TTTA2H（34）由此可以导出E2A2HTTTT，TT2EH，EHHTTH定义弹区比为HHT（35）图34弯曲变形分析图7定义曲率比各曲率对弹性极限曲率TA的比值成为曲率比，用C表示东北大学毕业设计（论文）第3章矫直理论基础12原始曲率比T00AAC，反弯曲率比TWWAAC，弹复曲率比TFFAAC，残留曲率比TCCAAC，塑性曲率比TSSAAC；计算得出1HHAACTT。1313弯曲变形与弯矩图35H型钢立放尺寸H型钢的基本尺寸如图35，设HT2，BT1，抗弯界面系数321116BHW（36）该断面弹性极限弯矩3T2TT1116BHWM（37）计算出该断面弯矩32T21150516BHM（38）东北大学毕业设计（论文）第3章矫直理论基础13定义该断面的弯矩比332T111/115051MMM（39）按照计算M的特定最大值，即3232MAX133115051M（310）对于H型钢的典型关系10，080代入，式29变为036251815554M2（311）式210变为9670MMAX32型钢矫直原理321弹塑性弯曲的平面假定（1）试验分析和研究结果表明，矫直过程中，材料在产生弯曲变形时，平行于中性层的纤维的伸长和缩短，是由于弯矩所引起的，正应力起主要作用，剪应力的影响很小，可忽略不计。这样，材料力学的弹性变形弯曲的平面假设对于弹塑性弯曲仍然有效，即弯曲变形时，断面上各层纤维的应变与其到中性层的距离成正比关系，即离开中性层越远，变形越大。（2）矫直材料的中性层变形为零。在弯曲矫直过程中，材料的弯曲程度不会使中性层也发生塑性变形。如果中性层发生了塑性变形，则必将出现断面形状的畸变，己经不是一般意义的弹塑性弯曲。因此，弯曲时的弹塑性变形都将在距中性层一定距离处发生。（3）梁的纯弯曲原理任何排列形式的辊式矫直机，其轧件不仅受到弯矩作用，还受到横向集中力的作用；但是横向集中力对矫直的影响较小，可忽略不计4。322反弯矫直原理反弯矫直是发展最早的矫直方法。人们直观地把弯曲的轧件，根据原始弯曲程度的不同加以施加不同程度的反向压力产生反向弯曲，从而达到矫直的目的，因此称为反弯矫直。在反弯矫直机械中，型钢在压头与支点之间形成反弯，并不断改变压下量，可以东北大学毕业设计（论文）第3章矫直理论基础14使各种程度的原始弯曲得到矫直。323递减反弯矫直原理人们从实践中发现，金属材料在明显的塑性弯曲条件下，弹复能力几乎是相同的。因此不管其各处的原始曲率如何不一样，在较大的弯曲之后，几乎可以得到各处均一的曲率。矫直的目的不仅是使轧材各处的残留曲率趋于一致，而且还要求各处的残留曲率都趋近于零。这就要求材料不仅应该受到多次反弯，还要有反弯量的逐渐减少，一直到等于纯弹性反弯为止。交错配置的多辊矫直机就是满足上述要求的矫直设备。辊式矫直机将轧件经过连续性反复弯曲后将轧件矫平，轧件在辊式矫直机的这种变形，并不是简单的轧件在两个支撑点下的压弯变形。对于一个单一原始曲率的轧件，如图36所示，它的矫直过程这样描述从一端咬入，一、二辊之间的轧件进行弹塑性弯曲，二辊以后至弯矩为零的那一点为弹性恢复。轧件在二辊接触点的总变形曲率为C2，相对反弯曲率为CW2，相对弹复曲率为CF2，这时的残余曲率CC2一C2一CW2CF2一CW2C02，这时的残余曲率作为下一个单元的原始曲率，接着与第一个弯曲单元相似，依次类推，轧件从最后第二辊后即被矫直。图36矫直过程时的一个弯曲单元图37七辊矫直示意图东北大学毕业设计（论文）第3章矫直理论基础15如图37，每3个相邻的矫直辊形成一次强迫弯曲，称为一个矫直单元或弯曲单元。对于7辊矫直机来说，型钢要经过5个矫直单元（5个变形区）7。东北大学毕业设计（论文）第4章矫直机矫直系统的参数计算16第4章矫直机矫直系统的参数计算41压下方案的选择弯曲程度并不相同的型钢经过矫直辊的多次反复弯曲，在较大弹塑性弯曲条件下，弹复后所残留的弯曲程度差别会显著的减少，所以在矫直机设计时就要尽量消除各辊处的残留挠度差曲率差，进而达到矫直的目的。减少或消除残留曲率差的方法基本有三种小变形矫直法逐步矫直法、线性递减矫直法以及大变形矫直法大压弯小残差矫直法。411小变形矫直方案小变形矫直法又称逐步矫直法，此压下方案的原则是压弯挠度与弹复挠度相等即残留挠度等于零，用符号表示为FWCC，0CC。再由各辊处的原始曲率比0C（各辊处原始曲率比0C数值上等于其前一辊最大残留曲率比1ICI0CC，即可求出矫直所需的压弯曲率比。图417辊矫直与小变形压下方案1基本原理如图31图所示，首先按材料最大原始弯曲0C确定其反弯矫直所需的压弯曲率比1WC，使其从1WC等值线与CM曲线相交的A点弹复时能回到O点，即其残东北大学毕业设计（论文）第4章矫直机矫直系统的参数计算17留曲率原始弯曲为0C的CM曲线由A点弹回，一般并无塑性变形，必然回到0C点01CCC，以后其他各反弯曲率比均按此确定。这样经过多次反弯，原始弯曲状态由0C0C依次减少为01CC、02CC、03CC当残留曲率达到允许的精度范围内的时候，材料即达到了矫直的要求。412大变形矫直方案其矫直原理与残留曲率变化如图32所示。按照辊式矫直机的矫直原理可知，矫直过程可以分为两个阶段，即先统一残留弯曲再矫直7。413矫直机设计采用的压下方案由于本课题研究的H型钢为Q235材质焊接而成，断面高度较大，塑性极限弯矩比SM值较小，且实际工件的变形不是很大。比较以上几种压下方案的特点与优势可知，小变形矫直法的压弯量可以用计算方法来确定而且计算精确，但其每次压弯量必须是最小允许值，其消除残留曲率差的过程稍缓慢，需要的辊数也较多。在要求矫直效率不是太高的情况下，可采用小辊数矫直机来回反复几次矫直来达到精度要求。另外由于H型钢的弹性极限弯矩TM较大，因此需要的矫直力较大，设计的矫直机需要较大的整体强度（矫直辊和机架等材料消耗增加）和较大的驱动力，而采用小变形方案可适当减小矫直力，降低制造和使用成本。综合以上考虑因素，本矫直机设计采用小变形压下方案。42焊接H型钢矫直机的参数确定421需要确定的基本参数辊式矫直机基本参数包括三类第一类是结构参数，包括辊数、辊径、辊距和辊长；第二类是矫直机力能参数，包括矫直力、工作扭矩和矫直功率；第三类是工艺参数，包括辊子对工件的压弯量、矫直速度等。矫直机基本参数的正确选择对轧件的矫正质量、设备的结构尺寸和功率消耗等都有重要的影响。东北大学毕业设计（论文）第4章矫直机矫直系统的参数计算18图425辊矫直与大变形压下方案1422辊系与辊数的确定（1）辊系主要与被矫工件和矫直质量有关。考虑到换辊和维修等的方便，本方案采用压下式结构，即下排辊子固定，上排辊各辊均可以上下单独调节；机架采用分箱形式，为更换辊子和轴承以及维修提供方便。另外为了缩小空矫区和消除断轴事故，本方案采用入口辊可变辊距的辊系结构。辊数多少取决于压下方案及矫直质量的要求，从图31的定性分析中己经可以看到采用五次弯曲即7辊矫直机可使残留弯曲变得很小，基本可以满足高精度矫直需要。这里根据小变形压弯方案确定辊数。（2）设定初始条件焊接H型钢WH10050，长度MM5000L，产生变形MM15；取MPA500TS，弹性模量GPA200E，抗弯界面系数33XMM1027W。如图43，L0ABAB，有2002202L，代入解得MM8332083400，则1600MM108041A东北大学毕业设计（论文）第4章矫直机矫直系统的参数计算19又得，原始曲率比095902EHEH21AAC0TT0T00计算辊数时，首先需要算出压弯曲率比；其次算出残留曲率比。将式211代入有表达式W2WWFWCW02W0WC0362C51815554CCCCCC0362CC51815554MC（41）计算结果如下表。图43原始弯曲示意图表41小变形矫直各曲率比计算数据辊数I0CIWCCIC2009591205004894300489411560029884002988112600201550020150106001459600145910910010937001093108000856（3）验算008560C7，EH2EIMATTT177CT7CMM102784CAA东北大学毕业设计（论文）第4章矫直机矫直系统的参数计算20MM9072337540A17C7CMMM3371L2227C7C7C此时认为有较高的矫直质量，因此，选择辊7N423辊径、辊距与辊长的确定（1）矫直辊压弯工件的曲率明显大于弹性极限曲率，确定矫直辊直径上限TWTWWJC2EHAC1A1RWTJJCEHR2D（42）取081CC7WW代入，得MM03737037DJ（2）再来讨论矫直辊的接触强度。由HERTZ接触强度理论，考虑圆柱面与平面的接触应力BRFE4180MAX（43）式中F最大矫直力。对于辊矩为P、工件的弹性极限弯矩为TM的情况，有公式PMM8FTMAX；B工件与辊面的接触宽度。这里MM50B；R辊子半径；取R2D，D251P，TSMAX22，9670MMAX，6BHMT2T，代入得MM033351DMIN（3）讨论咬入条件。如图44，设咬入端的压弯量为E，按照弹塑性最大压弯151MMAX来设定压弯挠曲比151MMAXMAXW，因此有TMAXW151。由EI3L2EI3LM2T2TT东北大学毕业设计（论文）第4章矫直机矫直系统的参数计算21得到EHL76702TMAXW按照MAXWE、L2P计算压弯量为EHP38350E2T（44）如图44进行受力分析，辊子与工件之间的的法向压力为N和YF，摩擦系数为，咬入角为；摩擦力为P其水平分力为XP；下辊送进力XF，推出力XN，则YXFF，NPCOSNPX，SINNNX分析咬入条件有XXXNPF（45）又受力平衡，得SINNCOSNPNFYYY，写入式35，得SINNCOSNFY0SIN1COS22（46）取20，RERCOS，REER2SIN2，R2D代入，得TEH0560D（47）因此，MM2240DMAX综上所述，MM2240DMM033351因此，取MM400D（4）确定辊矩东北大学毕业设计（论文）第4章矫直机矫直系统的参数计算22MM500D251PMIN因此取MM600P图44咬入力学模型1（5）因为型钢型号WH10050，这里取辊长LMM200L424矫直弯矩与矫直力的确定（1）建立矫直机力学模型如图45，长度单位MM。图45矫直机力学模型（2）矫直弯矩的确定。按照小变形方案，每次的残留曲率比WC都小于1，有压弯挠度值WTWC。WC由矫直曲率方程得出。当计算总曲率变化量W0CCC已知后，东北大学毕业设计（论文）第4章矫直机矫直系统的参数计算23即可算出弯矩C5051MMMM2TT。如图45，计算出7个支点处弯矩如下表43表437处支点弯矩计算值弯矩位置1M2M3M4M5M6M7M数值（单位MKN）050219481684691946082454630（3）矫直力的确定。对各支点进行受力分析，建立弯矩平衡方程组，如下67712345661234551234412331221M30FM2F51F21F90F60F30FM61F21F90F60F30FM41F90F60F30FM11F60F30FM80F30FM50F算得各点外力值如下表44表44矫直机各支点受力值受力点1F2F3F4F5F6F7F受力值（单位KN）10043842839564491362696615153456693151543（4）轴承受力计算。如图46。图46悬臂式轴承受力模型东北大学毕业设计（论文）第4章矫直机矫直系统的参数计算24根据表44KN0953024FFI如图46进行受力分析，得FBAFFBBAFBA取A355MM，B1171MM，代入上式，算得NK784916FKN2473944FBA425矫直辊转矩的确定矫直辊在矫直力的作用下需要克服的阻力包括轴承摩擦阻力、辊面与工件间的滚动摩擦阻力及工件塑性变形阻力。FADDBAB2FTBAM（48）取0010F，0080代入上式得KN19232TM又有62IJT62IJI62IJIJURURT（49）取3UJ，KN0421E6BH2TT，MM200R，代入得KN1263TJ因此，MNK31835TTTJM426驱动功率的确定对于给定矫直速度V与系统总效率，矫直功率为东北大学毕业设计（论文）第4章矫直机矫直系统的参数计算25RTVN410取809070，MM200R，SM800150V代入算得KW59176N东北大学毕业设计（论文）第5章矫直机设计26第5章矫直机设计51电动机的选择根据之前的计算可以得知，矫直总功率KW59176N，系统总效率80，矫直速度SM80V，计算矫直辊转速MINR986190DV60NW。首先选择电动机类型。三相异步电动机Y系列具有效率高、耗电少、性能好、噪声振动小、体积小、重量轻等众多优点，一二选择三相异步电动机Y系列。考虑到电动机应具备与矫直总功率接近的额定功率，满载转速尽可能要小，综合各种原因，决定选择Y315L24型号的三相异步电动机，其基本参数如下额定功率KW200P0满载转速MINR1480N0求得总传动比7497NNIW052减速器的选择这里选择标准齿轮减速器。首先，按照减速器的机械强度功率选取，要计入工况系数AK，还要考虑安全系数AS。查表51，辊式矫直机负载属于中等冲击载荷，减速器一旦失效将会造成停产。查表52、表53得到51KA，51SA。负载功率KW59176NP2机械强度计算功率KW328397SKPPAA2M2预选标准减速器ZLY400，按照17I，MINR1480N1接近公称转速MINR1500，查表54，WK1500P1，折算成公称功率KW1480150015001480P1东北大学毕业设计（论文）第5章矫直机设计27因此有，1M2PP表51减速器载荷分类（部分）6机械类型剪板机辊式矫直机薄板轧机焊接机包装机钢坯剪切机载荷类型强冲击载荷中等冲击载荷强冲击载荷强冲击载荷均匀载荷强冲击载荷表52减速器的工况系数AK（电动机部分）6日工作时间/H均匀载荷中等冲击载荷强冲击载荷308115103112517510125153表53减速器安全系数AS6重要性与安全性要求一般设备，减速器失效仅引起单机停产且容易更换设备重要设备，减速器失效引起机组、生产线或全厂停产高度安全要求，减速器失效引起设备、人身事故AS111313151517表54ZLY减速器功率1P（17I部分）6输入转速11MINRNZLY180ZLY250ZLY40015001433851500100099267104275076206804表55热功率影响系数（20部分）6环境温度系数1F负荷系数2F功率利用系数3F1151115表56ZLY减速器热功率（部分）6东北大学毕业设计（论文）第5章矫直机设计28环境条件ZLY180ZLY250ZLY400较大空间54105225其次在校核热功率T2P，需要满足1G3212T2PFFFPP。查表55得，151F1，1F2，36112PP051F123。查表56得，WK255P1G因此计算得到1G3212T2PKW54233FFFPP考察结果表明，选择标准减速器ZLY400合适。53矫直辊轴的设计与校核531矫直辊轴的设计（1）轴的材料选择为45，调质处理，硬度为217255HBS。（2）矫直辊传递的功率KW59176N，转速MINR986190NW，根据公式30NPAD（51）式中，0A由轴的材料及承载情况确定的系数，如表57，这里取110A0。表57常用轴材料的0A值轴的材料Q235，20354540CR，35SIMN0A16013513511811810710798代入得，MM67987D考虑到轴上有一个键槽，因此有0639253167987D东北大学毕业设计（论文）第5章矫直机设计29这里取MM100DMIN（52）这里设计矫直辊轴各轴端尺寸如图51图51轴的设计安排示意图从左至右第一段轴段为键槽段MM100D1，MM200L1第二段轴段为轴承段MM120D2，MM202L2第三段轴段MM140D3，MM20L3第四段轴段MM120D4，MM186L4第六段轴段MM180D6，MM190L6第七段轴段MM190D7，MM20L7第八段轴段为轴承段MM180D8，MM432L8第九段轴段为键槽段MM160D9，MM270L9轴总长MM2000L第五段锥形轴段长度由总长和其他轴段确定。532矫直辊轴校核（1）建立轴的力学模型，受力分析。如图52。图52轴的力学模型由424节得到东北大学毕业设计（论文）第5章矫直机设计30NK784916FKN2473944FBAKN0953024FFI绘制轴的弯矩图M、扭矩图T、计算弯矩图CAM，如图53所示。作图计算得知，A点弯矩最大MKN5541073MA。A点处所受扭矩MKN31835TA由公式22CATMM，考虑脉动循环情况60，代入公式，A点处计算弯矩值最大，为MKN7631173MCAA。A点所在轴断面为最危险断面。图53轴的受力弯矩图、扭矩图和计算弯矩图（2）校核轴的强度。由以上可知，A点断面计算弯矩最大，最危险，有MKN7631173MCAA而最左端D点断面轴径最小，也是危险断面，其计算弯矩为MKN31835TMDCAD由于轴材料为45，调质处理，MPA637B，AMP7581B，根据公式东北大学毕业设计（论文）第5章矫直机设计3131BCA10MD（53）因此，MM4675610MD31BCAAA，MM180DA，认为此断面安全。MM5631710MD31BCADD又考虑D处有一个键槽，因此取MM441185156317DDMM100DD，认为此断面安全5。54轴承的选用与校核本次设计选定使用双列圆锥滚子轴承，且两段轴段由于直径尺寸不同，要选择不同型号的轴承。预算轴承的寿命，拟工作半年，即180天，预算寿命H432018024LH10（54）（1）A点轴承段选用一对352236E双列圆锥滚子轴承，基本额定载荷为KN3350CR0。如图53，由于轴承只受到径向支反力，因此，轴承当量动载荷NK2473944FPA1因此，轴承实际寿命H103101R0T6H10LH6735103PCFN6010L（55）（2）B点轴承段选用一个351324E双列圆锥滚子轴承，基本额定载荷为KN1490CR0如图53，由于轴承只受到径向支反力，因此，轴承当量动载荷NK784916FPB2因此，轴承实际寿命东北大学毕业设计（论文）第5章矫直机设计32H103101R0T6H10LH6504404PCFN6010L（56）综合以上，选用双列圆锥滚子轴承352236E和351324E均适用5。（3）轴承的公差配合。如图54A和B，轴承内圈为基孔制，选择配合为K6；轴承外圈为基轴制，选择配合为H7。图54轴承的公差配合55键联接的选择与校核矫直辊处键联接。轴径为160，选择普通平键A型一对，公称尺寸4022。其参数为MM140L，MM202BR，MM22H，MM9THK，MM100R2LL（57）表58键联接许用挤压应力和许用压强（单位MPA）5矫直辊与键之间为静联接，矫直辊的材料为9CR，其载荷平稳。查表58，得到MPA140P。由于使用一对键，校核时扭矩折半。许用值连接方式轮毂或键的材料静载荷轻微冲击冲击P静联接钢1251501001206090P动联接钢504030东北大学毕业设计（论文）第5章矫直机设计33由公式LKDT2P，计算得PPMPA48478校核结果为安全适用。联轴器处键联接。轴径为100，选择普通平键A型，公称尺寸2816。其参数为MM80L，MM142BR，MM16H，MM6THK，MM52R2LL（58）联轴器与键之间为静联接，矫直辊的材料为45，其载荷稍有波动。查表58，得到MPA110P。由公式LKDT2P，计算得PPMPA64022校核结果为安全适用。键的公差配合。如图55，选择过盈配合6R7H。图55键的公差配合56万向联轴器的选择本次设计选择SWC型整体叉头十字轴式万向联轴器，为WF型无伸缩法兰，型号SWC285，公称转矩MKN90TN，与工作倾角有关的最大许用转速MINR580NP，与工作长度有关的最大许用转速MINR5000NLP。首先进行强度校核，矫直机为重冲击载荷，工况系数2K，计算转矩MKN63670KTTCNCTT，表明选用为安全。其次进行最大转速校核，最大工作转速MINR451208NMAX。因此有LPMAXPMAXNNNN且，表明选用