冷轧带钢平整机主传动系统设计【说明书+CAD】
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冷轧带钢平整机主传动系统设计【说明书+CAD】,冷轧,带钢,平整,机主,传动系统,设计,说明书,CAD
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第 III 页辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）冷轧带钢平整机主传动系统设计摘 要带钢经退火工序后，内部残余应力得到释放，板形变坏；同时，由于在退火炉中存放时间过长，带钢的表面质量会变坏。为改善上述缺陷，需进行带钢平整工艺。在这样的背景下，平整机应运而生。平整机用来在常温状态下，将经过冷轧并退火后钢卷，通过平整以提高带钢机械性能、改善带钢板形、提高带钢表面光洁度，获得符合要求的钢卷。本文先介绍了冷轧带钢生产工艺流程、冷连轧机组的发展及平整工序，接着引出平整机，阐述了平整机的作用、组成、工作原理等。接着对比选取了适当的电机、联轴器、减速器、齿轮座、连接轴。接着计算出了平整机的轧制力、轧制力矩及电机功率。在此基础上设计并校核了齿轮座中一对人字齿的参数，校核了轴上的危险截面，同时校核了轧辊强度，计算了轴承寿命。文末，大致介绍了平整机中常用的润滑、密封方式，介绍了平整机的经济性、环保性。关键词：冷轧带钢；平整机；主传动系统 The Main Drive System Design of Cold Rolling Strip Flat MachineAbstractStrip steel after annealing process, the residual stress release, deterioration of the plate; at the same time, in the annealing furnace in storage for a long time due to, the surface quality of the strip will go bad. In order to improve the defects, to strip flattening process. In this context, flat machine came into being. The temper mill is used in the normal temperature state, after the cold rolled and annealed steel coil, through the level to improve the mechanical properties of the steel strip, improve strip shape, improve the steel surface finish, to meet the requirements of steel coil. 本文先介绍了冷轧带钢生产工艺流程、冷连轧机组的发展及平整工序，接着引出平整机，阐述了平整机的作用、组成、工作原理等。接着对比选取了适当的电机、联轴器、减速器、齿轮座、连接轴。接着计算出了平整机的轧制力、轧制力矩及电机功率。在此基础上设计并校核了齿轮座中一对人字齿的参数，校核了轴上的危险截面，同时校核了轧辊强度，计算了轴承寿命。文末，大致介绍了机械设备中常用的润滑、密封方式，介绍了机械设备的经济性、环保性。This paper introduces the production process of cold rolling strip, the development of cold rolling mill and the leveling process, and then leads to the formation of the mill, and expounds the function, composition, working principle and so on. Then the appropriate motor, coupling, reducer, gear seat, connecting shaft are compared and selected. Then calculate the smooth rolling force, rolling torque and motor power machine. On the basis of design and check the gear seat in a pair of herringbone gear parameters, checking the dangerous section of the shaft and check the strength of the roller bearing life are calculated. At the end of this paper, introduces the mechanical equipment used in lubricating and sealing method, introduces the economic and environmental protection machinery and equipment. Key Words: Cold rolling strip;Main drive system;Flat machine目 录1 绪论1 1.1 冷轧带钢生产工艺流程1 1.2 冷连轧机组的发展2 1.3 平整工序3 1.4 平整机的作用3 1.5 平整机的组成3 1.6 平整机的分类4 1.7 平整方式的分类及特点5 1.8 平整机板形控制的主要项目52 平整机主传动系统总体方案设计7 2.1 电机7 2.2 联轴器7 2.3 连接轴8 2.4 减速器8 2.5 齿轮座93 平整机参数计算10 3.1 辊身的计算10 3.2 辊径的计算10 3.3 辊颈的计算11 3.4 辊头的计算124 轧制力和轧制力矩计算13 4.1 轧制力的计算13 4.2 轧制总力矩的计算155 电机功率的计算18第 IV 页辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）6 主要零件的强度计算19 6.1 齿轮的计算与校核19 6.2 轧辊的校核23 6.2.1 工作辊的校核24 6.2.2 支承辊弯曲应力的校核25 6.2.3 轧辊接触应力的校核26 6.3 齿轮轴的校核计算28 6.3.1 齿轮轴的计算校核简图 26 6.3.2 齿轮轴的校核计算29 6.3.3 弯扭的计算与校核30 6.3.4 精确校核轴的疲劳强度31 6.4 工作辊轴承的校核347 润滑与密封35 7.1 润滑36 7.1.1 润滑的目的36 7.1.2 润滑剂和添加剂36 7.1.3 常见零件的润滑方式37 7.2 密封39 7.2.1 密封的作用39 7.2.2 常用的密封方式398 经济性环保性分析41 8.1 设备的经济性41 8.2 设备的环保性42结论42致谢45参考文献46第 48 页辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）1 绪论1.1 冷轧带钢生产工艺流程冷轧是以热轧钢卷为原料，经酸洗去除氧化皮后进行冷连轧，得到成品为轧硬卷的塑形加工工艺。冷轧的采用为提高带钢表面质量、改善力学性能和获得精确的尺寸偏差提供了保证，所以带钢大多是热轧后又进行冷轧。冷轧按其特征来说，与热轧有着严格的区别。冷轧可以获得远较热轧所能生产厚度小得多的产品。尽管在热轧时，带钢的塑性变形较好、变形抗力低及具有生产率高等优点，但在一定的厚度范围内(通常为1.82.5mm)，继续减缩带钢的厚度，以达到所要求的成品厚度，热轧方式是难以完成的。因为热轧过程中，随着带钢厚度变薄，带钢温度迅速降低，特别是对于截面小的窄带钢，头尾温度差别很大。带钢在热轧过程中的这种温降，以及由于冷却的差异而引起的温度不均匀分布，使热轧的温度不易控制，带钢的塑性变形不易均匀，尤其是在轧制厚度小而长度大的带钢时，这个问题更显得格外突出。冷轧是在常温状态下由热轧板加工而成，虽然在加工过程因为轧制也会使钢板升温，尽管如此还是叫冷轧。由于连续冷变形引起的冷作硬化使轧硬卷的强度、硬度上升、韧塑指标下降，因此冲压性能将恶化，只能用于简单变形的零件。冷轧生产的工序一般包括原料准备、酸洗、轧制、脱脂、退火、精整等。酸洗有去除氧化铁皮，保证带钢尺度精度的作用。脱脂的目的在于去除轧制时附在轧材上的润滑油脂，以免退火时污染钢材表面，对不锈钢也为防止增碳。退火包括中间退火和成品热处理，中间退火是通过再结晶消除冷变形时产生的加工硬化，以恢复材料的塑性及降低金属的变形抗力。为了得到要求的薄带钢，这样的中间退火过程有时需要进行多次。成品热处理的目的除了通过再结晶消除硬化外，还在于根据产品的技术要求以获得所需要的组织和产品性能。精整包括平整（矫直）、剪切、检查、打印、分类包装等内容。在冷轧带钢的生产工序中，平整工序占有重要的地位。除上述工序外在生产一些特殊产品时还有各自的特殊工序。如轧制硅钢板时，在冷轧前要进行脱碳退火，轧后要进行涂膜、高温退火、拉伸矫直与回火等1。与热轧带钢相比，冷轧带钢的轧制工艺有以下特点：1、能保证获得高精度尺寸、厚度偏差小、沿带钢的宽度及长度方面的厚度均匀，板形良好、表面光洁的各种带钢。2、能使产品具有很高且范围很广的力学性能及工艺性能。3、采用大张力轧制，以降低变形抗力和保持轧制过程的稳定。采用的平均单位张力值为材料屈服强度的1060，一般不超过50。4、能得到热轧方法很难得到的极薄带钢.最小厚度目前可达到0.05mm，冷轧箔材可达到0.001mm。5、采用工艺润滑和冷却，以降低轧制时的变形抗力和冷却轧辊;采用多轧程轧制。6、成本低、金属收得率高。7、轧制速度快，具有很高的生产率。 1.2 冷连轧机组的发展冷连轧机组有很长的发展历史。20世纪初美国开始出现宽带冷轧机组。20世纪30年代开始有带钢冷连轧机组。进入20世纪中后期，依据新的轧制板形控制理论，一大批新型板带轧机被相继发明出来。具有代表性的如HC（High Crown）轧机、CVC（Continuously Variable Crown）轧机、PC（Pair crossed rolling mill）轧机、VC（Variable Crown）轧机。新中国冷轧板带工业起步较晚，直至1960年，鞍钢建立了第一台1700mm单机可逆式冷轧机。20世纪70年代在武钢投产了第一台1700mm五机架冷连轧机，此后，又陆续新建了宝钢1420、攀钢1220工程、宝钢1500等工程2。用于冷轧带钢的轧机有二辊轧机、四辊轧机和多辊轧机。应用最多的是四辊轧机。轧制更薄的产品则要采用多辊轧机。随着对板形要求的提高，发展了许多改进板形的技术，如弯辊技术、移辊技术和交叉轧辊技术等。平整技术的发展是随着冷轧技术的发展而发展起来的。对高质量的冷轧产品来说，平整是必要的工序。近年来，我国的几大钢铁公司陆续引进数条冷轧带钢生产线。因此，适合各厂产品的各种形式的平整机得到了广泛应用。在平整机发展历程中，一系列先进的板形控制方法被应用于实际生产。板形调整的手段是选择适当的轧辊凸度。在轧制操作中使用适当变换轧辊凸度的方法，采用轧辊弯辊装置即依靠外部压力油将轧辊加以弯曲的装置。1.3 平整工序冷轧后的带钢存在较为严重的加工硬化，不利于产品的二次加工，需进行再结晶退火，以消除带钢的加工硬化。带钢经过再结晶退火，加工硬化消除，但出现明显的屈服平台，在加工时易产生滑移线；带钢退火后，带钢内部残余应力得到释放，板型变坏；同时，由于在退火炉中存放时间过长，带钢的表面质量会变坏。为改善上述缺陷，需进行带钢平整工艺。退火后的平整轧制是生产优质薄板、确保冷轧带钢成品质量的最后一道工序。带钢经过平整轧制后，纵向会有一定程度的延伸，借助于这一延伸来改善材料的组织结构。平整实质是一种小压下量的轧制变形。平整工序的作用是：1、消除退火后钢板的屈服平台，并依据产品的用途，给出必要的产品力学性能;2、调整并给出需要的光亮度和粗糙度。3、改善钢板的板型质量。1.4 平整机的作用平整机用来在常温状态下，将经过冷轧并退火后钢卷，通过平整以提高带钢机械性能、改善带钢板形、提高带钢表面光洁度，获得符合要求的钢卷。经过平整后的带钢可以防止吕德带的形成,它对于提高产品质量、控制板形以及表面状态起着重要作用。1.5 平整机的组成平整机主要由机架、工作辊辊系、支承辊辊系、轧辊弯辊装置、斜楔调整装置、压上缸、传动装置、底板、平台排烟罩等组成。机架为闭式机架，机架上部由上横梁连接，下部由换辊轨道连接。工作辊和支承辊在机架窗口内，压上缸装于机架窗口下部，斜楔调整装置装于机架窗口上部。机架是构成轧机的主体部分，承受经轧辊传递的材料变形抗力，虽然机架受到轧制中的巨大拉力，但为进行精密的精轧轧制，机架必须具有低的延伸率和足够的刚度。工作辊辊系由上下工作辊、轴承座、轴承及油气润滑装置等组成。工作辊中心线对机架中心线向出口侧偏移5mm，使辊系稳定工作。轴承为四列圆锥辊子轴承。工作辊虽然不直接承受轧制力，但能使轧辊保持正确位置，并承受轧制动力和张力的反作用力，此外还承受来自轧辊平衡装置的压力，并且轧辊的轴推力也经常发生，因此工作辊的轴承必须相当兼顾。轧辊弯辊装置由四个大缸块及四个工作辊弯辊缸块组成。大缸块固定在机架窗口两内侧面，工作辊弯辊缸块装于大缸块之中。每个大缸块上装有一个支承辊平衡缸和一个工作辊轨道升降缸。斜楔调整装置由两个斜度相反的上、下斜楔及液压缸组成，斜楔的角度为6。斜楔用来补偿新旧轧辊的直径差，使轧制标高保持恒定。调整位置时，上、下斜楔同时动作。上、下斜楔各由液压缸带动，每个液压缸上都带有液压锁定缸，以保证平整时斜楔不动，轧制标高保持恒定。平整机的设备组成与冷轧机基本相同，但是平整机又有自身的一些特点：1、驱动方式。平整机一般采用单辊驱动，主要是采用下工作辊单独驱动，上工作辊的速度可随钢带运动速度变化，轧制过程平稳，钢带表面质量好。主要是采用下工作辊单独驱动，上工作辊的速度可随钢带运动速度变化，轧制过程平稳，钢带表面质量好。由于平整轧制的压下量小，力矩在上下轧辊上分配不均的问题很敏感，使用普通齿轮机座，如一对工作辊直径稍微失配，必将在其中的一根连接轴中产生很高的扭矩，并且容易出现轧辊与轧件打滑和轧制振动现象，影响钢带表面质量，加剧轧辊表面磨损。平整机也可以采用上、下工作辊同时驱动，甚至也有采用上、下支撑辊驱动的。2、轧辊直径。平整机的轧辊直径比较大，这是由于平整时的压下率很小，轧制力很小，几乎看不出轧辊直径对钢带的加工性能有影响，对提高钢带平直度有利。3、机前后设S形张力辊。为了保证平整生产的张力稳定和改善带钢质量，要求有尽可能大的带钢张力。但较大的开卷张力会使钢卷层间滑动而划伤表面，为了适应薄钢带的平整，平整机前后一般设S形张力辊，用于调整张力大小，实现带钢张力的分段控制3。 1.6 平整机的分类平整机按机架数量可单机架平整机或双机架平整机。一般的平整机按轧辊数量的多少，又分为二辊式平整机、四辊式平整机、五辊式平整机、六辊式平整机以及多辊式平整机。其中较为常用的是二辊式平整机和四辊式平整机。六辊式平整机是在20世纪70年代后在HC轧机的基础上发展起来的，并大部分安装在镀锌机组、连续退火机组上。20世纪90年代，日本日立公司又开发了五辊式平整机，它能够更容易地控制所平整带材的板形。而世界上大多数生产带钢的冷轧厂一般都采用单机架四辊式平整机。平整机按布置形式和使用位置又可分为离线平整和在线平整。无论是离线布置还是在线布置，都能满足除镀锡板以外的各种冷轧产品对机械性能的要求。但是离线平整机需要每卷穿带和甩尾，需要经常加减速，机组生产率低，产品收得率低。1.7 平整方式的分类及特点平整方式按照轧制过程是是否使用轧制润滑剂可分为干平整和湿平整,两种平整方式各有利弊。目前除镀锡板等产品仍采用干平整外，一般钢板平整都使用湿平整工艺。 干平整是指平整时不使用任何平整液的一种平整方式。干平整时，辊面状态在带钢表面上的复制率较高，一般为60%80%，由于轧辊和带钢间摩擦系数较大，故所需平整轧制力也较大，轧辊磨损严重，换辊周期短。常用于带钢变形量较小，平整率低，较容易控制板形的情况，其平整效果好，带钢表面的光亮度高，一般要求带钢延伸率为0.5%4%时，可采用干平整方式。 湿平整工艺是在平整过程中，从平整机入口向辊缝处喷洒平整液，湿润带钢和轧辊表面。在平整机出口又有压缩空气喷嘴将带钢表面的残留平整液用压缩空气吹除，使带钢表面保持干燥，并有排雾系统将挥发出来的废气吸除。通常将水溶性或油溶性防锈剂作为平整液使用，可以达到以下目的：在单机架平整中确保延伸率：和干平整相比，不容易由于杂质压入、粘着而造成辊痕等缺陷4。1.8 平整机板形控制的主要项目 平整质量的好坏对带钢生产工艺有巨大影响，为得到优质的带钢，需要对带钢板形进行必要的工艺控制。板形的主要控制项目有以下4个方面：1、延伸率控制。延伸率是平整工艺中控制带钢力学性能的指标，延伸率的调节一般通过轧制力和张力来控制。2、平直度控制。平直度是衡量带钢板形质量的的指标。平直度的控制较为复杂，与轧制力、张力、平整机辊形设计、弯辊力以及平整机前后的防跳辊、防皱辊的位置等因素有关。3、粗糙度控制。带钢表面粗糙度是影响产品后续加工性能的重要指标，板面粗糙度是通过平整机工作辊辊面粗糙度的控制来获得的。辊面粗糙度与板面粗糙度的复制率与平整方式、轧制力、弯辊力、延伸率以及辊面毛化工艺等有关。一般来讲，湿平整的复制率低于干平整的复制率，轧制力越大，复制率越高，辊面采用激光毛化粗糙度的均匀性要好于喷丸毛化。4、表面质量控制。带钢的表面质量控制较为复杂，与平整机辊子状态，平整液吹扫、喷吹以及平整液浓度等因素有关。由于热镀锌锌层的附着力较为脆弱，因此要合理的控制平整工艺，防止锌层脱落，造成表面缺陷。另外平整液的控制也很重要，采用何种平整液以及平整液吹扫方式均会影响带钢表面质量。2 平整机主传动系统总体方案设计2.1 电机电动机的作用是将电能转换为机械能。生产机械由电动机驱动有很多优点，如简化生产机械的结构，提高生产率和产品质量；能实现自动控制和远距离操纵；减轻繁重的体力劳动。常用的电机有很多类型，按照不同的分类方式有不同的分类结果。 1、按工作电源种类划分：可分为直流电动机和交流电动机。直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。交流电动机按其功能通常分为交流发电机、交流电动机和同步调相机。直流电机调速性能优越,易平滑调速,过载能力较强，启动转矩较大。 但是直流电机换向困难，还会产生火花，寿命短，要经常维护，价格也较昂贵。 交流电机与直流电机相比，由于没有换向器因此结构简单，制造方便，比较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机。交流电机还可划分单相电机和三相电机。交流电机一般采用三相制，因为三相交流电机与单相电机相比，无论在性能指标，原材料利用和价格等方面均有明显的优越性。同样功率的三相电机比单相电机体积小，重量轻，价格低。三相电动机有自起动能力。单相电机没有起动转矩，为解决起动问题，需采取一些特殊的措施。单相电机的转矩是脉动的，噪声也比较大。 2、按转子的结构可划分笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机）。 笼型与绕线型只是在转自的构造上不同，他们的工作原理是一样的。笼型电动机由于结构简单、价格低廉，工作可靠，使用方便，就成为生产上使用最广泛的一种电动机。选择电动机的种类是从交流或直流、机械特性、调速或启动性能、维护及价格等方面来考虑的。与单相异步电动机相比，三相异步电动机运行性能好，并可节省制造材料。笼型转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用。在本设计方案中，采用了绕线型三相交流异步电动机。2.2 联轴器联轴器是用来联接不同机构中的两根轴，使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接。联轴器可分为刚性联轴器和挠性联轴器。刚性联轴器有套筒式、夹壳式和凸缘式等。刚性联轴器由于没有弹性元件，不能减缓或消除轴间的位移偏差。挠性联轴器可分为无弹性元件的挠性联轴器和有弹性元件的挠性联轴器。无弹性元件的挠性联轴器具有弹性，可以补偿两轴的相对位移。但因无弹性元件，故不能缓冲减震。常用的有十字滑块联轴器、滑块联轴器、十字轴式万向联轴器等。有弹性元件的挠性联轴器装有弹性元件，不仅可以补偿两轴间的相对位移，还具有缓冲减震的能力。这类联轴器主要有弹性套柱销联轴器、弹性柱销联轴器、梅花形弹性联轴器、轮胎式联轴器、膜片联轴器等。弹性柱销联轴器是利用若干非金属弹性材料制成的柱销，置于两半联轴器凸缘孔中，通过柱销实现两半联轴器联接，该联轴器结构简单，容易制造，装拆更换弹性元件比较方便，不用移动两半联轴器。弹性柱销联轴器具有较大结构简单、合理，维修方便、两面对称可互换，寿命长，允许较大的轴向窜动，具有缓冲、减震、耐磨等性能。在平整机主传动方案设计中，电动机与减速器间的连接、减速器与齿轮座间连接均选用这类联轴器。滑块式万向联轴器能够传递较大转矩，转动较平稳，结构简单，且造价较低，经久耐用，可靠性高，本设计方案中，齿轮座输出轴与轧辊的连接就选用滑块式万向联轴器。2.3 连接轴由于电动机与减速器之间有一段距离，中间需要用连接轴连接。该轴转速较高，因此对轴本身的圆柱度有较高要求，以保证其转动平稳。轴的材料可选择低合金高强度钢或者合金钢，在保证抗扭强度足够的前提下，轴的尺寸不至于过大。连接轴左侧和右侧均选用弹性柱销联轴器连接。2.4 减速器减速器是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，用来降低转速和增大转矩，以满足工作需要。常用的减速器有斜齿轮减速器(包括平行轴斜齿轮减速器、锥齿轮减速器等)、行星齿轮减速器、摆线针轮减速器、蜗轮蜗杆减速器、行星摩擦式机械无级变速器等。其中，斜齿轮减速器于其他形式减速器相比，相比具有以下几个优点：1、节省空间，可靠耐用，承受过载能力高。2、传递功率大，能耗低，性能优越，效率高达95%以上。3、振动小，噪音低，可靠性高，经久耐用。2.5 齿轮座齿轮座是用来将电机或主减速机的转矩传递分配给轧辊。本设计方案中，由减速器输出的转矩经连接轴传递给齿轮座，转矩通过齿轮座分配给两根连接轧辊的输出轴。齿轮座由齿轮轴、轴承、轴承座和箱体组成。齿轮座的齿轮通常与轴做成整体，称为齿轮轴。齿轮形式都采用人字齿，因其工作平衡承载能力大，而且不产生轴向力，可简化轴承结构。常见的齿轮座箱体型为立柱式与水平剖分式。立柱式拆卸方便，刚性和密封性好，不易漏油，工作稳定可靠，但重量和外形尺寸较大，制造比较困难。水平剖分式每个分箱体重量小，容易加工。为了减轻重量，缩短加工周期，近年来，较多地采用焊接结构箱体，其重量比铸造箱体轻15%30%。在本设计方案中，选择了水平剖分式人字齿齿轮座。3 平整机参数计算3.1 辊身的计算设计参数中已经给定轧制带钢的宽度范围为300520，故按照最大宽度确定轧辊辊身长度，辊身长度应大于所轧制钢板的宽度，即 (3.1)式中的由钢板宽度确定。当时，mm，故辊身长度为： 取辊身长度。3.2 辊径的计算由5，p79，表3-1，在较光洁的轧辊上轧制时，最大咬入角间，取=10。 （3.2）由5，P80，表3-3得： （3.3）可求得，取。接下来计算支承辊直径。由5，P80，表3-3得： （3.4）求得，取。四辊轧机常用的、之比的范围为： （3.5）实际设计中，D2、D1之比为： 故设计满足要求。3.3 辊颈的计算使用滚动轴承时，轴颈尺寸不能过大，一般近似取d。与间又有比值关系，。根据此可求得和的尺寸。工作辊： 求得的范围是110121，取。 （3.6）求得，取mm。支承辊： mm 求得d2的范围是250275，取。 （3.7）求得mm，mm，取mm。3.4 辊头的计算图3.1 辊头万向接轴采用滑块式万向接轴，外形尺寸如图6.1所示。工作辊： （3.8）取。 考虑强度条件，取S=82mm。 支承辊： （3.9） 4 轧制力和轧制力矩的计算4.1 轧制力的计算平整机平整的过程类似于冷轧薄板，故采用斯通公式计算轧制力。根据设计参数，带钢材质为08F，入口厚度，出口厚度，最大轧制速度v=0.7,选择轧制道次为一道次计算轧制力。前张力，后张力。由5，p52，表2-4得，矿物油润滑条件下，轧辊与轧件间的摩擦系数的范围为0.10.12，取=0.1。轧制前后轧件的平均厚度hm为： （4.1） 相对压下量为： （4.2）入口和出口平均张应力为： （4.3）再由5，p37，图2-21得，金属在相对变形程度为0%和33.33%时，对应的变形阻力为：s0=250MPa，s1=515MPa。金属的平均变形阻力为： （4.4） 接触弧水平投影长度为： （4.5） 由5，p53，图2-25可查得x=0.44 平均单位压力为： （4.6）计算轧制力，不计宽展，B取520mm。 （4.7）4.2 轧制总力矩的计算轧制总力矩Mk由轧制力矩，工作辊带动支承辊的力矩，工作辊与支承辊中摩擦力矩三部分组成，即。(1)求轧制力矩。 （4.8）式中：轧制力； 轧制力臂，其大小与轧制力作用点及前后张力大小有关。当时， （4.9）式中：、前后张力值； 轧制力； 前后张力对轧制力方向影响的中心角。查7，P54得： （2）求工作辊传动支承辊的力矩。 （4.10）式中：支承辊与工作辊间反力； 支承辊与工作辊间反力对工作辊的力臂。 （4.11）式中：工作辊与支承辊连心线与垂直线夹角； 工作辊轴线相对于支承辊轴线的偏移距； 工作辊直径； 支承辊直径。由于工作辊偏移距的数值（一般为510mm），相对于工作辊与支承辊直径来说很小，在计算传动力矩时，为了简化，可以认为，即工作辊不发生偏移，此时的计算结果误差不超过1%。 所以=0。 式中：工作辊与轴承间的摩擦系数；常用范围为0.0040.07，取0.01。 式中：滚动轴承摩擦力臂的距离，一般=0.10.3mm，取=0.12。 (3)计算工作辊与轴承间的摩擦力。 （4.12）式中：工作辊轴承处反力，当时。 传动两个工作辊所需力矩， （4.13） 5 电机功率的计算轧辊的转速为： （5.1） 所需电机功率为： （5.2）式中 ：总=联减联齿万向=0.990.980.990.9850.985=0.931查文献9，选取YR系列（IP44）绕线转子三相异步电动机，型号为Y315L2-4，额定功率Per=200kW，额定转速为800r/min，额定电流361A，质量1260千克。6 主要零件的强度计算6.1 齿轮的计算与校核1.选材料、精度等级及齿数1)大小齿轮均采用40Cr，调质淬火，齿面硬度为241286HBS；2）精度等级为7级精度；3）选小齿轮齿数Z1=18，大齿轮齿数Z2=18；4）初选螺旋角。初选=21。2.按齿面接触疲劳强度设计 由5，p81，式10-21得： （6.1） (1)确定公式内的各计算数值1）初选。2）查取区域系数=2.37，3）查取,。 4）计算小齿轮传递的转矩。小齿轮传递的功率为：=2000.990.980.990.985=189.2传递的扭矩为： 将人字齿齿轮视为两个斜齿轮进行参数计算。 5）查取齿宽系数=1。6）查取材料的弹性系数=189.8。7）按齿面硬度查取接触疲劳强度=750，=750。8）计算应力循环次数。按照使用寿命15年，每年300天，两班制计算。 9）查取接触疲劳寿命系数=0.95,=0.95。10）计算接触疲劳许用应力。取失效概率为1%，安全系数=1。 （2）计算 1）试算小齿轮分度圆直径，由公式得, 2）计算圆周速度。 m/s 3）计算齿宽及模数。 mm4）计算纵向重合度。5）计算载荷系数。已知使用系数=1，根据=0.76m/s，7级精度，查得动载系数=1.05，查得齿向载荷分布系数=1.454；齿间载荷分配系数=1.1，故载荷系数为： 6）按实际的载荷系数校正所得到的分度圆直径为： 7）计算模数。 3.按齿根弯曲强度设计 （6.2） （1）确定计算参数1）计算载荷系数。 2）根据纵向重合度=2.20，查得螺旋角修正系数=0.82。3）计算当量齿数。 4）查取齿形系数。查得=2.72，=2.72。5）查取应力校正系数。查得=1.57，=1.57。6）计算大、小齿轮的。先计算弯曲疲劳许用应力，取弯曲疲劳寿命系数=1.4，查相关资料得KFN1=0.9，KFN2=0.9。 两个齿轮的数值一样大。（2）设计计算 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的法面模数，取12，已可以满足弯曲强度。但为了同时满足接触疲劳强度，需按接触疲劳强度计算的分度圆直径242.237来计算应有的齿数。 取19，则194.几何尺寸计算 （1）计算中心距 将中心距圆整为245.5。（2）按圆整后的中心距修正螺旋角 因值改变不多，故参数，等不必修正。（3）计算大、小齿轮的分度圆直径 （4）计算齿轮宽度 mm 圆整后取=265，取=265。6.2 轧辊的校核工作辊传动的四辊轧机，轧制时的弯曲力绝大部分由支承辊承担。在轧辊校核时，工作辊只需校核扭转切应力。支承辊需要校核辊身中部的弯曲应力、辊颈断面的弯曲应力和辊身截面突变处的弯曲应力。四辊轧机支承辊计算简图如图6.1所示。图6.1 支承辊计算简图6.2.1 工作辊的校核工作辊的材料为9Cr2Mo，材料的强度极限为980MPa。取轧辊的安全系数为5。扁头尺寸、轴头尺寸取值由文献5得,，如图6.2所示。 图6.2 辊头尺寸轧辊材料选用9Cr2Mo,查文献6得。由文献6可知：传动端为端头时，参考文献5可知最大剪应力： （6.3）带入数据得：所以强度足够。6.2.2 支承辊弯曲应力的校核已知：，。轧辊辊身中部断面3-3的应力为： （6.4） 式中：l0两压下螺丝中心距；D2支承辊直径；L工作辊辊身长度。 辊颈断面1-1应力为： （6.5） 查6，P87得材料的强度极限为，许用应力为：辊身截面突变处（截面2-2）应力为：，强度足够；，强度足够； ，强度亦足够。6.2.3 轧辊接触应力的校核四辊轧机支承辊和工作辊之间承载时有很大的接触应力，在轧辊设计及使用用时应进行校核计算。最大压应力为： （6.6）式中：、及、相互接触的两个轧辊的直径及半径； 加在接触表面单位长度上的负荷； 及与轧辊材料有关的系数，。 （6.7） 若两辊泊松比相同，并取1=2=0.3，则式6.6、6.7可简化为： （6.8） （6.9） 由5，p90，表3-8得，HS=60时对应的许用接触应力值为：=220MPa。,故接触应力校核通过。此应力虽然很大，但对轧辊不至于产生很大的危险，因为在接触区，材料变形处于三向压缩状态，能承受较高的应力。在轧辊接触区中，除了校核最大正应力外，还需校核轧辊体内的最大切应力 （6.10） 查表得：。，故强度足够。最后校核最大反复切应力 强度足够。6.3 齿轮轴的校核计算6.3.1 齿轮轴的计算简图图6.3 齿轮轴的计算简图6.3.2 齿轮轴的校核计算查图6.3得,，。 =电=2000.990.980.990.985=189.2kW 齿轮座中一对啮合的齿轮传递的扭矩为： 将一个人字齿齿轮视为两个标准斜齿轮来进行力能参数计算。计算齿轮受力。圆周力： （6.11）径向力： （6.12）轴向力： （6.13） 人字齿齿轮在传动中，同一个人字齿上，两个轴向力大小相等，方向相反，轴向合力为零。水平面内，求及的大小。由，可得： （6.14） 由，得出 ： （6.15）由式 6.14及 6.15可求得。垂直面内，求和的大小。，可得： （6.16），可得： （6.17）由式6.16及 6.17可得6.3.3 弯扭的计算与校核 总弯矩为： （6.18）按弯扭合成应力校核轴的强度。取=0.6，抗弯截面系数。轴的计算应力为：根据材料查得，故强度足够。6.3.4 精确校核轴的疲劳强度1、判断危险截面，由图6-1，截面A上无键槽，仅承受不大的扭矩，故不需校核。F截面上虽有键槽、过渡圆角，但仅受扭转作用，不需校核。E截面也不需校核。B、C、D截面中，B截面和C截面受载情况相同，既受弯矩又受扭矩；对于D截面，其上也既受弯矩又受扭矩，且受弯矩值比B、C面都大，因而该轴只需校核截面D左右两侧即可。（1）截面D左侧抗弯截面系数, （6.19） 抗扭截面系数, （6.20） 截面D左侧上的弯矩M为， 截面D上的弯曲应力b为 截面D上的扭转切应力为 由材料40Cr，及6，p52，表15-1查得，,，。截面上由于轴肩形成的理论应力集中应力系数及可由6，P40，附表3查取。 由，经插值后得，。查得材料的敏性系数为：，。有效应力集中系数为： 查得尺寸系数，扭转尺寸系数。轴经磨削加工，查得表面质量系数：。轴未经表面强化处理，即，综合系数为： 碳钢的特性系数为：，取=0.1。 ，取=0.05。于是，计算安全系数Sca值。故截面左侧安全。接下来校核D截面右侧。抗弯截面系数为： （6.21）抗扭截面系数为： （6.22）截面D右侧上的扭矩M为：截面D上的弯曲应力为：截面D上的扭转切应力为：由材料40Cr，及6，p52，表15-1查得：，。由表6，P40，附表3-5查取，经插值后，。查得材料的敏性系数为：，。有效应力集中系数为：查得尺寸系数，扭转尺寸系数。轴经磨削加工，查得表面质量系数为。轴未经表面强化处理，即，综合系数为；碳钢的特性系数为：，取0.1。 ，取=0.05。于是，计算安全系数Sca值。故截面右侧安全。6.4 工作辊轴承的校核工作辊轴承由两个滚针轴承和一个双列圆锥辊子轴承构成，这里仅校核双列圆锥滚子轴承。今以代表轴承的转速单位为（），则以小时数表示的轴承基本额定寿命为: （6.23）式中：基本额定动载荷，从轴承手册中查取； 轴承所受载荷； 指数，对于球轴承，=3，对于滚子轴承=。当量动载荷可由下式计算： (6.24) 式中：X径向系数，根据Fa/Fr之比值，由轴承样本查得； Y轴向系数，由轴承样本查得； Fr轴承径向载荷，N； Fa轴承轴向载荷，N； fF载荷系数，冷轧机fF=1.21.5； fT温度系数，取1。为轧制力的一半，其值大小为：一般带材轧机的轴向载荷为：e=0.42由轴承手册查得：X=1.6，Y=2.4。基本额定动载荷C=1210000N。按两班制工作，每班8小时，每年300天，换算成年为单位。年轴承的寿命稍短，但按照每半年一次大修更换轴承设计，这样的设计方案也合理。另外，由于工作辊上右侧除了有一个双列圆锥滚子轴承外，还有一个滚针轴承，这样，双列滚子轴承所受的载荷实际上小于,实际寿命也比0.88年长。所以该轴承的寿命满足要求。7 润滑与密封7.1 润滑7.1.1 润滑的目的润滑的目的是为了减轻机械传动零件、轴承等的磨损，降低摩擦阻力和能源消耗，提高传动效率，延长零件使用寿命，保证设备正常运转。同时还起到冷却、散热、吸振、防锈和降低噪声的作用。7.1.2 润滑剂和添加剂1、润滑剂润滑剂可分为气体、液体、半固体、固体四种基本类型。在液体润滑剂中使用最广泛的是润滑油，包括矿物油、动植物油、合成油和各种乳剂。半固体润滑剂主要是指各种各种润滑脂。它是润滑油和稠化剂的稳定混合物。固体润滑剂是指任何可以形成固体膜以减少摩擦的物质，如石墨，二氧化钼，聚四氟乙烯等。任何气体都可以作为气体润滑剂，其中用得最多的是空气，它主要用在空气轴承中。下面仅对润滑油和润滑脂做些介绍。2、润滑油用作润滑剂的油类主要可概括为三类：一是有机油，通常是动植物油；二是矿物油主要是石油产品；三是化学合成油。其中因矿物油来源充足，成本低廉，适用范围广，而且稳定性好，故应用最多。动植物油中因含有较多的硬脂酸，在边界润滑时有很好的润滑性能，但因其稳定性差，来源有限，所以使用不多。化学合成油是通过化学方法制成的新型润滑油，它能满足矿物润滑油所不能满足的某些特性要求，如高温、低温、高速、重载和其他条件。由于它多针对某种特定的需要而制，适用面较窄，成本又很高，故一般机器应用较少。3、润滑脂这是除润滑油外应用最多的一类润滑剂。它是润滑油与稠化剂（如钙、锂、钠的金属皂）的膏状混合物。根据调制润滑脂所用皂基的不同，润滑脂主要分为钙基润滑脂，钠基润滑脂，锂基润滑脂和铝基润滑脂等几类。4、添加剂普通润滑油、润滑脂在一些十分恶劣的环境下（如高温、重载、真空等）会很快劣化变质，失去润滑能力。为了提高油的品质和使用性能，常加入某些分量虽少（从百分之几到百万分之几）但对润滑剂性能改善起巨大作用的物质，这些物质称为添加剂。添加剂的作用有：（1）提高润滑剂的油性、极压性和在极端条件下更有效的工作能力；（2）推迟润滑剂的老化变质，延长其正常使用寿命；（3）改善润滑剂的物理性能，如降低凝点，消除泡沫，提高粘度，改善其粘-温特性等。添加剂的种类很多，有油性添加剂、极压添加剂、分散净化剂、消泡添加剂、抗氧化剂等。7.1.3 常见零件的润滑方式1、齿轮传动和蜗杆传动的润滑方式（1）油池浸油润滑油池浸油润滑是将传动件如齿轮、蜗杆或涡轮浸入箱内的油池中，通过传动件的转动，将油池中的润滑油带入啮合处进行润滑，同时也甩到箱壁上，借以散热。浸油润滑适用于浸入油中齿轮的圆周速度小于12m/s，蜗杆的圆周速度小于10m/s的场合。为了保证齿轮齿轮啮合处的充分润滑，为避免搅油损耗过大，减速器内的传动件浸入箱体油池中的深度不宜太浅或太深。如果各级大齿轮直径相差较大，而使高速级齿轮不能浸入油中，而低速级齿轮又浸油太深的情况下，将高速级齿轮采用设置带油轮，保证各级齿轮的啮合润滑。对于蜗杆减速器，当蜗杆下置式传动，油面高度应低于蜗杆的齿根圆直径。并且不应超过蜗杆轴上滚动轴承的最低滚珠（柱）的中心，以免增加功率损失。如果蜗杆外径小于轴承滚动体中心分布直径时，若让蜗杆浸入油中，则轴承浸油深度将超过最下方等的滚动体中心，为避免这种情况可采用溅油轮方式，即在蜗杆轴式装一溅油轮，将润滑油飞溅到涡轮上，以保证啮合处的润滑。对于下置式蜗杆传动，当油面高度受到轴承最低滚动体高度限制时，蜗杆就接触不到油面，这时，可在蜗杆轴上安装带肋的溅油盘，利用溅油盘将油飞溅到蜗杆和涡轮上进行润滑。（2）喷油润滑当齿轮的圆周速度v12m/s或蜗杆圆周速度大于10m/s时，则不宜采用油池润滑。这是因为由于圆周速度高，齿轮带上来的油会因为离心力甩出去而送不到啮合区；由于搅油也会使减速器温度升高；搅起的箱底油泥、污物、金属屑等杂质带入啮合处，会加速齿轮和轴承的磨损，降低润滑油的润滑能力。在这种情况下应采用压力循环喷油润滑。在本设计方案中，齿轮座中一对啮合的齿轮轴采用油池浸油润滑方式。2、滚动轴承的润滑滚动轴承的润滑方式包括油润滑和脂润滑，具体的润滑方式则是根据齿轮或蜗杆的圆周速度来选择。（1）飞溅润滑当浸油齿轮的圆周速度在1.52m/s时，可以采用飞溅润滑。靠箱体内的油飞溅直接润滑轴承或者经箱体剖分面上的油沟，流进轴承进行润滑。当轴承旁是斜齿轮，而斜齿轮直径小于轴承外径时，这时由于斜齿轮有沿轴向排油作用，将迫使润滑油冲向轴承，造成一个轴承内的润滑油被吸出，而另一个进油太多，这时应设置挡油盘。飞溅润滑最简单，在减速器中最常用。（2）刮油润滑圆周速度在2m/s下时，飞溅的油量不足以满足润滑需求，可以采用刮油润滑，也可以根据轴承转速选择脂润滑或者滴油润滑。当涡轮转动时，利用装在箱体内的刮油板，将蜗轮轮缘侧面的油刮下，油沿着油沟流向轴承，这种润滑方式称为刮油润滑。（3）浸油润滑当轴承的位置较低，如下置式蜗杆传动，可将轴承局部浸入油池中，但油面不得超过最低的一个滚动体中心，以免搅动时功率损失过大，以及引起漏油。（4）脂润滑脂润滑易于密封，结构简单，维护方便。但脂润滑粘性大，高速时摩擦大，散热效果差，且在高温条件下易变稀流失，所以脂润滑只适用于轴承转速较低，温度不高的场合。当轴承采用脂润滑形式时，为防止箱体内的润滑油浸入轴承，使润滑脂变稀，应在轴承内侧设置挡油盘。在本设计方案中，齿轮座轴承采用脂润滑方式。工作辊及支承辊轴承采用脂润滑方式。两个万向联轴器采用人工定期加油（干油）润滑方式。7.2 密封7.2.1 密封的作用为了防止工作机内的润滑剂卸出，同时防止灰尘、切屑微粒、水分及其他杂质进入工作机中，轴承及传动部件都必须进行必要的密封，以保持良好的润滑条件和工作环境，使工作机达到预期的寿命。7.2.2 常用的密封方式1、轴伸出端的密封方式密封的形式很多，相应的密封效果也不一样，一般分为接触式密封和非接触式密封。接触式密封包括毛毡圈密封，橡胶圈密封等方式。在此类密封装置中，密封件与轴或其他配合件直接接触，工作中产生磨损并使温度升高。一般用于中低速情况下的轴承密封。非接触式密封包括间隙式，迷宫式和垫圈式等方式。（1）毡圈密封脂润滑条件下工作可靠，油润滑场合下效果较差。（2）皮碗式密封（唇形密封圈密封）使用时将碗口朝向密封要求高的那一面。若采用两个皮碗相对放置，则密封效果更好。皮碗密封圈内部带有金属骨架，与孔配合安装，不需要轴向固定。（3）O形橡胶圈密封利用安装沟槽使密封圈受到预压缩而密封，在介质压力的作用下产生自紧作用而增强密封效果。O形密封圈具有双向密封能力。（4）油沟式润滑（甩油润滑）油润滑时，在轴上开出沟槽，或装入一个环，都可以把欲外流的油沿径向甩开，在经过轴承盖的集油腔及与轴承腔相通的孔流回。（5）迷宫式密封（曲路密封）由旋转的和固定的密封元件之间拼接而成的缝隙所形成的。缝隙中填入润滑脂可增强密封效果。优点是结构简单，不受密封处轴的转速限制，多用于清洁和干燥的场合。在本设计方案中，齿轮座输入轴、输出轴外伸段均采用毡圈密封。2、箱体接合面的密封箱体与箱盖的密封常在其接合面上涂上密封胶或水玻璃的方法实现。为了提高接合面的密封性，可在接合面上开油沟，使渗入接合面的油重新流回箱体。3、轴承靠箱体内、外侧的密封轴承靠箱体内侧常用封油环和挡油环进行密封。8 经济性环保性分析8.1 设备的经济性经济意味着便宜、省钱。概括的说，提高产品经济性利于利用企业的生产能力，缩短生产周期，降低生产成本，实现均衡生产。如对于新建工厂可以减少投资，缩短投资回报期；对于产品若是提高了经济性则能降低成本，提高利润空间，占有更大的市场份额，企业还可以扩大投资。提高生产效率和经济效益。目前市场竞争激烈，对产品价格变得更加敏感；在满足质量要求并且稳定可靠的前提下，提高产品的经济性是企业发展所必须的。产品的经济性是指产品从设计、制造到整个产品使用寿命周期的成本大小。具体地包括：设计成本、制造成本、使用成本。设计成本+制造成本生产成本。使用成本是指使用过程的动力能耗、维修保养等用于保证经济性战略的基本指导思想就是有效的利用资源，尽量以最少的资源消耗，满足用户对产品质量的需求。一项成功的经济性战略，应该是既能改善产品质量，又体现经济性的要求，这样才能提高社会效益和企业的经济效益。产品经济性战略包括两方面 一是降低生产成本战略。降低生产成本战略贯串到从构思、设计至产品制造的全过程。 (1)在设计时要尽量考虑采用先进技术(适用技术)和先进工艺，从根本上保证产品的先进性和适用性。如现代产品大都朝着轻、薄，巧的方向发展，如设计精巧，体积小，既减少空间占用、便于携带、方便使用又降低了原材料消耗。先进设计手段的应用也可以达到这些要求。例如，北京长城风雨衣厂，采用电脑系统设计服装，安排下料，一举改变了过去靠人工绘制图样，然后再放大样，甚至做出样品服装才能定型的落后做法。这不仅大大加快了设计速度，而且提高了面料的利用率，经济效益十分显著。 (2)在产品制造过程中，应努力提高机械化、自动化水平，制定职工技术培训计划，以提高工人技术操作水平和工效，从而减少产品的工时消耗，以降低制造费用。 (3)有计划、有步骤的改善物资供应体系，降低物资采购，运输、保管费用。 产品经济性战略的第二项内容是降低使用成本战略。产品的使用成本一般包括存储费、运转费、维修费等等。随着科技的发展，产品技术性能越来越高，相应的使用成本亦不断提高。例如一辆人力车和一辆汽车其使用成本大不相同。因而企业在不断降低产品制造成本的同时，大力降低使用成本则可以提高产品的竞争能力，带来更多的效益。 降低产品使用成本，可供选择的战略有： （1）降低能源消耗以降低使用成本的战略。例如，日本丰田汽车所以能够战胜强大的对手打入美国市场，其汽车节油性能好是一个重要原因。特别是在70年代世界石油危机到来时，节省油耗的汽车更受到用户的欢迎。在我国由于能源短缺，有关节省能源消耗的战略，应放在产品经济性战略的突出位置上，以促进企业乃至整个国民经济的发展。 （2）降低维修费用，以降低使用成本战略。可采用一次性消费战略，使维修费用等于零。例如某些电子手表，从开始使用到报废为止，无须维修。企业亦可采用零配件更换战略，例如某些机器设备，生产厂家在产品出厂时将各种易损件作为随机装箱的备件，一旦磨损，用户便可自行更换。既方便了用户，又降低了维修费用。此外，对于一些储存费用较高的产品，企业可采取降低储存费用战略。例如对一些需要保鲜、防腐的食品，企业可选用保鲜袋，软罐头等包装，从而节省了冷藏、冷冻所需的费用。很受用户，特别是中间商的欢迎，使产品较容易占领市场。 在企业制定产品经济性战略时，可汲取价值工程原理，注意功能与成本的关系，不断提高产品的功
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