结晶器毕业设计说明书

1、大学机械学工程学院毕业设计1第一章第一章 引言引言随着毕业设计的临近结束，大学期间的学习就要结束啦，经历了尽半个学期的毕业设计及其毕业实习，确实也让我们对我们的专业有了更深层次的认识和理解，特别是经历了大学期间的最后一次的毕业设计，可以说融合了我们在四年期间所学的所有知识，所以要想完完整整的保质保量的做好这次设计就必须下一番苦功夫，将以前学的不扎实的科目在这次设计涉及到的从新拿出书来好好认认真真的在学习。我这次做的是结晶器足辊总成的设计，通过这次的设计也让我对连铸有了不少的了解。1.1 连铸的发展概况连铸的发展概况：a 连铸发展的概况：连铸发展的概况：早在 19 世纪中期 H.贝塞麦就提出了连

2、续浇注液态金属的设想。随后还有其他人对此项技术进行过研究。由于当时科学水平的限制，未能用于工业生产。知道 1933 年，现代连铸的奠基人S 容汉斯提出并发展了结晶器振动装置之后，才奠定了连铸在工业的应用的基础。从二十世纪三十年代开始，连铸已成功用于有色金属生产。二次世界大战后，前苏联，美，英奥地利等国家相继建成一些半工业的实验设备，进行连铸钢的研究。1950 年，容汉斯和曼内斯曼公司合作，建成世界上第一台能浇注 5t 钢水的连铸机。近年来，传统连铸的高效化生产，在各工业发达国家取得了长足的进步，特别是高拉速技术已引起人们的高度重视。通过采用新型结晶器及新的结晶器冷却方式，新型保护渣，结晶器非正

3、弦振，结晶器内电磁制动及液面高度精度检测和控制等一系列技术措施，目前常规大板坯的拉速已由 0.81.5m/min 提高到 2.02.5m/min，最高可达 3m/min 使连铸机的生产能力大幅度提高生产成本降低，给企业带来了极大的经济效益。高速连铸技术在今后仍然会继续发展。b 连铸发展概况：连铸发展概况：我国是研究和应用连铸较早的国家之一，早在二十世纪五十年代就开始探索性的工作。19571959 年间先后建成三台立式连铸机。1964 年在重钢三厂建成一台断面为 180mm*1500mm 板坯弧形连铸机，这是世界上工业应用最早的大学机械学工程学院毕业设计2弧形连铸机之一。随后处于停滞状态。到 1

4、978 年全国用于生产的连铸机只有21 台，连铸坯年生产量 112.70 万 t，连铸比为 3.5%。改革开放以来，为了学习国外先进的技术和经验，加速我国连铸技术的发展，从二十世纪七十年代末一些企业引进了一批连铸技术和设备。例如 1978 年到 1979 年，武钢二炼钢从联邦德国引进单流弧形板坯连铸机 3 台，在消化国外技术的基础上，围绕设备，操作，品种管理等方面进行了大量的开发与完善工作，于 1985 年实现了全连铸生产，产量突破了设计能力。这些连铸技术和设备的引进都促进了我国连铸的发展。目前，我国钢铁工业正处于兴旺时期，连铸技术的设计，制造，工艺，和管理都积累了丰富的经验，新世纪必然是我国

5、连铸高速发展的时代。1.2 结晶器的作用和组成结晶器的作用和组成1.2.1 结晶器的作用结晶器的作用结晶器是连续铸钢中的铸坯成型设备，也是连铸机心脏设备之一，其设计结构决定了拉坯速度和生产率。若要通过提高拉速来增加产量，则需要结晶器采用适宜的几何形状来改善传热效果、降低摩擦力。而足辊总成是结晶器中很重要的部分，它直接会影响到铸坯的质量，对一个企业来说质量就是生命啊，可以想象到结晶器足辊的重要性，它也将直接影响我国的铸坯的产量，故有许多的机构和人员在从事着该项工作，都在为次做出贡献，本次设计的足辊总成是结晶器中很重要的一部分。结晶器的功能是将连续不断地注入其内腔的高温钢水通过水冷铜壁强制冷却，导

6、出其热量，使之逐渐凝固成为具有所要求的断面形状和坯壳厚度的铸坯，并使这种芯部仍为液态的铸坯连需不断地从结晶器下口拉出，为其在以后的二冷区内完全凝固创造条件。 1.2.2 结晶器的组成和分类结晶器的组成和分类结晶器的主要部件是紧固在水套上的铜板，带有调整装置的基架和足辊架。铜板：铸流的外弧面和内弧面，铸流宽度和倒角都体现在两个宽面铜板上，窄面铜板加紧在宽面铜板之间，它们的尺寸决定了结晶器的尺寸，铜板的内边有大学机械学工程学院毕业设计31010mm 的倒角。为了冷却铜板，根据所需要的冷却水量，铜板的背面开了很多纵向和横向的沟槽，同时为了使磁场能够通过。每个铜板都用螺栓紧固在水套上，螺栓拧紧，且有一

7、定的预紧力矩。铸流外弧面上的宽面铜板根据浇铸半径调整和锁紧。基架设计成焊接件，并且容纳所有的重要接收装置和调整装置以及结晶器的辅助装置，结晶器的水平和垂直对中在带有空心螺栓和放松螺母的四个紧固点上进行。结晶器相对于浇铸半径的精确定位是通过基架上两个螺栓和结晶器台上对应的套子实现。足辊段：铜板下的可调足辊紧挨着结晶器基架下面安装，在铸坯离开结晶器宽面和窄面冷却部分后，足辊对铸坯起支撑作用，位于足辊间的喷嘴为铸坯提供冷却，水和气以同样的方式进入到喷淋冷却的喷嘴中。结晶器可以分为：直结晶器，多级结晶器，锥形结晶器。1.3 结晶器足辊总成的作用结晶器足辊总成的作用方坯结晶器足辊总成是对带有液芯的铸坯起

8、必要的导向和支撑作用以及进一步冷却的作用。 （见附图 1）如果出了结晶器的高温薄壳铸坯得不到及时冷却和支承，在钢液静压作用下极易产生鼓肚和变形，故漏钢常常发生在这一段上；结晶器的足辊对铸坯的质量取着很重要的作用，尤其是足辊的尺寸、表面质量，足辊间距，以及喷淋冷却系统，结晶器锥度的设计等方面对铸坯有着很大的影响，如果这些方面不能很好的解决好的话，在生产过程中，就会出现好多不必要的麻烦，铸坯会出现各种缺陷，如：各种裂纹，铸坯表面的质量问题，漏钢问题，也会影响到生产效率，增加生产成本，造成不必要的维修费用的支出，同时也会加重工人的劳动强度，故结晶器足辊总成设计也是很重要的，对连铸也有着很大的影响。大

9、学机械学工程学院毕业设计4扇形O段辊结晶器足辊足辊铜板结晶器对方坯的作用 图 11.4 结晶器足辊总成设计的要求结晶器足辊总成设计的要求设计项目包括： 足辊的直径和长度，内孔安装轴承的结构，定位方式； 足辊轴直径和长度，润滑油脂供给通道；足辊夹持器的结构尺寸，既满足夹持可靠又要做到足辊距离可调；喷淋环的结构和尺寸的设计； 足辊架的设计：足辊架上有安装足辊、足辊轴、喷淋环、足辊夹持器的空间，同时足辊架要同结晶器水套装配。1.5 结晶器设计目的结晶器设计目的1）通过对设计题目的分析，计算和图纸的绘制使学生提高设计创新能力，培养作为工程技术人员的基本素质。2）要求学生查阅相关资料，同指导教师的指导有

10、机的结合，独立高质量按时完成题目，并认真准备答辩。大学机械学工程学院毕业设计5第二章第二章 足辊的设计足辊的设计结晶器足辊位于连铸机结晶器下方，同结晶器随振动台一起做振动仿弧运动，为高温铸坯起支撑和导向作用。如果出了结晶器的高温薄壳铸坯得不到及时冷却和支承，在钢液静压作用下极易产生鼓肚和变形。足辊表面直接与铸坯表面相接触，所以足辊表面质量好坏直接会影响到铸坯的表面质量。足辊的表面质量包括圆度和表面光洁度，当足辊表面有无龟裂、凸起、小坑等缺陷时这些缺陷会给铸坯表面带来裂纹、小坑、麻点等缺陷。为了提高足辊表面的质量，故足辊表面经过了精加工，还要采用适当的热处理，结合结晶器足辊的实际工作条件，同时考

11、虑到现有的热处理方法，采用渗氮处理，渗氮零件表面有高的硬度、耐磨性和红硬性，能提高材料的抗腐蚀性和抗咬合性，并可延长疲劳寿命，而且处理温度低，因此零件变形小，这些都符合足辊的要求，故采用渗氮的方法来强化足辊性能。2.1 窄面足辊的设计窄面足辊的设计我设计的四流方坯连铸机板式结晶器足辊总成 280380，根据设计任务书的要求可知，结晶器足辊的直径为 120mm，其方坯窄面的宽度为 280mm，考虑到方坯的工作环境会有热膨胀的影响，应留出适当的空间供其热膨胀，足辊的长度取比方坯窄面的宽度（280mm）短些，取 240mm，即结晶器足辊尺寸为 120240，因为要在足辊里面安装足辊轴，而且足辊轴上面

12、需要安装轴承等，因为足辊要绕着足辊轴作旋转运动，同时轴承又需要得到充分的润滑，要考虑到密封的要求，考虑到结晶器工作条件的要求，环境比较脏，粉尘大，比较潮湿等，故采用曲路密封，在这种环境下，曲路密封是相当可靠的了，曲路密封是由旋转的和固定的密封零件之间拼合成的曲折的隙缝所形成的，曲路的布置可以是径向的，也可以是轴向的，考虑到轴向尺寸的影响，最后还是采用径向的。2.1.1 足辊材料选择足辊材料选择考虑到足辊的实际工作环境高温、潮湿，有润滑油脂的润滑，而润滑油脂在高温状态要分解出酸性物质，故足辊材料要有足够的耐酸性和耐热性。大学机械学工程学院毕业设计6方案一：采用一般的碳钢很难满足工作环境的要求，所

13、以用合金钢。参见机械零件设计手册 ，冶金工业出版社，耐热钢（GB1221-75） ，选择材料：1Cr18Ni9Ti表表 2.1材料机械性能热 处理性质抗拉强度屈服强度延伸率收缩率冲击韧性MPaMPaKJ/m2加热温度冷却介质1Cr18Ni9Ti54019540559801100-1150水耐酸，1000以下不起皮，在 600以下耐热方案二.利用电镀技术，足辊采用 45 钢，然后在足辊表面镀上一层不锈耐酸材料。参见机械零件设计手册第三版，冶金工业出版社，表 1-7-1。工作-保护性镀层：镍铬；此材料除了可以防止零件免受腐蚀外，主要用于提高零件的抗机械磨损和表面硬度。电镀材料选择参见机械零件设计手

14、册第三版，冶金工业出版社，选择耐热钢 1Cr23Ni18，1Cr23Ni18 镍铬合金可以直接电镀，最好以铜或黄铜为底层。表表 2.2材料机械性能热 处理性质抗拉强度屈服强度延伸率收缩率冲击韧性MPaMPaKJ/m2加热温度冷却介质1Cr23Ni185392453550-1100-1150水，油，空气抗氧化最高温度为1100通过以上数据可知该材料满足要求，但是用其他方法获得足辊材质，种方案会好点呢？大学机械学工程学院毕业设计7现进行对比分析：采用方案二可以节省材料，减少贵金属材料的使用，但是此方案制造足辊工艺复杂，所需设备较多，技术要求较高，而方案一可以克服此项不足，方案二在制造足辊时，在恶劣

15、的工作环境下，电镀材料可能会剥落下来，这样就达不到要求，而且也会影响方坯的表面质量，采用方案一可以减少这方面的影响，综合考虑，还是选择方案一较好。2.1.2 轴承端盖设计轴承端盖设计考虑到轴承的工作环境等方面的要求，为了对滚子轴承进行有效的密封，这里采用了迷宫密封，同时，还可以承受一般密封所不能胜任的高温，高压，高速和大尺寸密封部位特别有效，无摩擦，使用寿命长，所以这就需要在轴承端部设计迷宫，轴承端盖为静环，迷宫式环为动环，两者相配合组成迷宫密封，但迷宫曲路沿径向展开，故曲路折回次数不宜过多。由于装拆方便，端盖不需剖分，因此选择迷宫密封参见机械零件设计手册 ，冶金工业出版社（第三版，第 664

16、 页）可以查取：e=0.2mm，f=1mm，n=3，此处采用径向迷宫密封，其结构设计如下图： 图图 2.1大学机械学工程学院毕业设计82.2 宽面足辊的设计宽面足辊的设计窄面足辊的设计其原理和过程跟宽面足辊设计一样，这里不再重复了，结构图如图（2.2） 3030209121.5213R0.4R0.4?5?8.6?451637418M101637M105121.55 1014.5R1/8103.2Z?400-0.062?400-0.0623.2 图 2.2大学机械学工程学院毕业设计9第三章第三章 足辊轴的设计足辊轴的设计足辊轴在这里起着很重要的作用，不仅对其上的零件起支撑的作用，而且要保证两足辊

17、间有一个合适的间距，结晶器对两足辊的间距有严格的要求，两者间的误差会直接影响到铸坯表面的质量等一系列的问题，也会影响铸坯的尺寸大小，故对足辊轴有严格的要求，主要是刚度和强度的要求，只有既保证了强度，又保证了刚度，结晶器在工作过程中才不会出问题，可以保证生产的顺利进行，提高产量。3.1 足辊轴材料的选择足辊轴材料的选择考虑到足辊轴的工作的特殊环境高温、潮湿，选择于与足辊相同的材料：1Cr18Ni9Ti，该材料的性质参见前一部分的表格。3.2 足辊轴的设计足辊轴的设计3.2.1 轴长度设计轴长度设计足辊架的尺寸在设计任务书中已明确了，可以根据足辊架的尺寸初步确定足辊轴的长度为 418mm，足辊架宽

18、面宽度为 424mm，由于考虑到高温工作的特殊环境，轴本身材料的热膨胀，轴向要伸长，故轴采用比足辊架窄面稍窄点，约 3mm 左右。3.2.2 足辊轴的结构设计足辊轴的结构设计3.2.2.1 选择足辊轴的材料选择足辊轴的材料由以上分析可以知道，足辊轴采用：1Cr18Ni9Ti，b=540Mpa。参见机械零件设计手册，冶金工业出版社，第三版上可查的。3.2.2.2 初步确定足辊轴的轴径初步确定足辊轴的轴径考虑到该轴为一心轴，只承受弯矩的作用，按弯曲强度设计轴径。根据材料力学 ，高等教育出版社，可以知道，MWbM弯矩W轴的抗弯截面系数，W=332d先作出轴的受力计算简图,如图所示图 3.1,取集中载

19、荷作用于足辊轴的中点。大学机械学工程学院毕业设计10图 3.1（1）足辊轴所受重力作用）足辊轴所受重力作用在结晶器足辊中，下面一排的足辊受力最大，受到较大重力 G 作用，受力简图如下（图 3.2） ，重力 G 分解为水平分力 N1 和垂直分力 N2 且N1=Gtg2.3，。2Gcos2.3N 图 3.2大学机械学工程学院毕业设计11考虑到一种结晶器可以用于几种金属材料方坯，因此，在设计中进行简化了，取其中一种金属材料方坯作为设计依据，其它材料也依次类推了，取金属材料为铸钢，参见机械零件设计手册第三版，冶金工业出版社 ，常用材料的密度，从表中查取：铸钢密度为 7.8g/cm=7.810kg/m，

20、取结晶器上端面到下足辊之间的铸钢方坯作为研究对象，其高度为 1.048m。根据 G=mg=vg 密度v体积g重力加速度，取 g=10N/Kg根据方坯的尺寸和任务书中结晶器尺寸，可以知道所要计算部分的体积：V=0.280.381.048=0.112m， G=7.8100.11210=8.73610N N1=Gtg2.3=8.73610tg2.3=350.874N N2= =8.74310N 3G8.736 10cos2.3cos2.3（2）足辊轴所受拉力作用的计算）足辊轴所受拉力作用的计算（受力图见 3.3）根据公式 P=FV P 功率 ，瓦 ，W V拉速，m/s根据现场提供的数据：P= 7.5

21、Kw ， V=0.75 m/s由 P=FV 可以得出：F= ，该处用 N3 表示 F。PV可以得到：N3= =10000N 75000.75PV大学机械学工程学院毕业设计12图 3.3（3）求足辊轴的支反力）求足辊轴的支反力F1A=F2A= =175.437N 1350.87422N对 A 点取矩：- N10.096- N20.322+ F2A0.418=0 可以得出：F1A= F2A =175.437NN= （N2+ N3）cos2.3=（8.74310+ 10000）0.999=18724.257N N1B=N2B=F1B=F2B= =9362.1285N 18724.25722N（4）画

22、弯矩图（）画弯矩图（见图 3.4）（d）合成弯 矩图（C）垂直面的受力和弯矩图（b）水平面的受力和弯矩图（a）受力简图M898.922Nm898.764NmMF1BF2BN1BN2BABDE16.842NmMEDBAN2AN1AF2AF1AFbGF2F1图 3.4大学机械学工程学院毕业设计13截面 D 处的弯矩：水平面上的弯矩：MD= F1A0.096=175.4370.096=16.842Nm 垂直面上的弯矩：MD= F1B0.096=9362.12850.096=898.764 Nm 合成弯矩： 2212216.842898.764898.922DDDMMMN mA（5）按弯曲强度校核轴的

23、强度）按弯曲强度校核轴的强度根据公式：131133232190BDDbMWMdMMPad可以得出：1311313136232323232 898.9223.14 190 103.64 1036.4BDDbDMWMdMdMdmmm 由于在计算过程中采用简化过程，而且省略了一些实际条件，从安全角度出发，应加大轴径，由于强度不足，而造成结晶器失效，将会给生产带来很大的影响，故取轴径 d=40 mm（6 6）轴的结构设计）轴的结构设计根据前面足辊的设计可以初步确定足辊轴上的各主要零部件的个位置，其大学机械学工程学院毕业设计14结构如下图（见图 3.5） 。 图 3.5 轴上主要零件的布置图3.确定各段

24、轴径和长度确定各段轴径和长度（见图 3.6） 图 3.6 轴的结构设计大学机械学工程学院毕业设计15定位轴肩高度按机械设计 ，彭文生，李志明，黄华梁主编，高等教育出版社，表 12-3 轴上零件的轴向定位和固定方法，查取 h=（0.07-0.1）d=0.0740=2.8 mm，所以对于轴径，从夹持器向右取 40 mm45 mm40 mm，由前面的足辊设计可以知道足辊（窄面）120240 mm，而迷宫式密封的静环和动环，圆柱滚子轴承，触环，孔用弹性挡圈都要安装在足辊的内部，足辊外面的足辊轴由夹持器紧固，尺寸可由足辊轴长度与足辊长度相适应，由前面足辊设计部分可以知道迷宫式静环和动环组合后的宽度为 3

25、1 mm，圆柱滚子轴承外圈的宽度为 6 mm，由于轴承是工作于高温环境，考虑到热膨胀的影响，为了防止轴承的受热膨胀，卡死足辊，影响结晶器的正常工作，故在迷宫式动环与圆柱滚子轴承的保持架间预留 2.5mm，正是考虑到此带来的影响。根据以上分析可以确定每段轴长，并可以算出夹持器夹持的轴长。（7）按疲劳强度校核安全系数）按疲劳强度校核安全系数，参见机械零件设计手册 ，冶金工业出版社。由图 3-4 可知，计算弯矩在截面 D 处最大，配合边缘的应力集中，在截面F 处虽然计算弯矩不大，但其直径最小且有圆角和配合边缘等多种应力集中，故以上两处截面都是可能的危险截面，因此，该足辊轴只需要校核以上两个截面的安全

26、系数即可，取许用安全系数S=1.5，其校核计算如下：1）F 截面处疲劳强度安全系数校核抗弯截面系数：W=0.1d=0.0000064m合成弯矩： 379637898.92296346.46FDMMN mA弯曲应力幅：a= DMW67346.466.4 105.4134 1054.134PaMPa大学机械学工程学院毕业设计16弯曲平均应力 m=0 Mpa，弯曲疲劳极限：-1=204 Mpa 参见机械零件设计手册 ，冶金工业出版社，查的轴的常用材料弯曲等效系数：=0.25 表 12-2 轴的常用材料主要力学性能，许用弯曲应力及用途绝对尺寸系数 =0.77 表 12-8，绝对尺寸影响系数表面质量系数

27、：=1（磨削）表 12-9，不同表面粗糙度的表面质量系数 弯曲时配合边缘有效应力集中系数为 K=1.954受弯矩作用时的安全系数：12041.954 54.1340.25 01.929 1.5amSKS2）D 截面处疲劳强度安全系数校核（经计算可证明安全，省略）故可以知道此轴疲劳强度安全。综上所述，该足辊轴满足疲劳强度，可以安全工作。（8 8）足辊轴的刚度校核）足辊轴的刚度校核足辊轴对刚度有严格的要求，当刚度不足时，足辊轴将产生较大的变形，影响足辊轴的正常工作，甚至产生卡死现象，足辊不能转动，故需要足辊轴进行刚度校核，其校核过程如下：1. 弯曲刚度的计算计算轴的弯矩作用下产生的挠度 y 和转角

28、 ，该足辊轴为一阶梯轴，一般采用变形能量法，计算过程参见机械零件设计手册 ，冶金工业出版社。由表 3-7-16，弯曲的允许变形量可以知道：许用挠度y=0.0002L （L跨度） ，许用转角=0.005（rad） 。由前面轴的结构设计部分的分析可以知道，宽面轴的跨度 L=418mm，许用挠度y=0.0002L=0.0002418=0.0836 mm28.36 10 m其变形量可以由下式求：01nliMMdlEI 大学机械学工程学院毕业设计17其中：断面 I 处的变形量M轴上载荷产生的弯矩M在 I 断面处加单位载荷时轴上产生的弯矩（求挠度时，单位载荷是指单位力，求偏转角时单位载荷系指单位力矩）I截

29、面的惯性矩L将轴分为若干段后，每段的长度E弹性模量计算中各段积分之和参见机械零件设计手册 ，冶金工业出版社，表 1-1-14 材料的弹性模量，切变模量及泊桑比，可以知道：E=206Gpa=。112.06 10 Pa现在将窄面轴分为八小段，参见附图（如图 3.7） ，41887.587.5593725.525.559图 3.7分别计算，计算公式参见机械零件设计手册 ，冶金工业出版社，0liMMdlEI表 3-7-17 积分值， 然后再计算其和，受力分析和弯矩图如下图0liMMdlEI（图 3.8）：大学机械学工程学院毕业设计18EDBAN2BN1BF2BF1BM898.764Nm（b）垂直面的受

30、力和弯矩图F1AF2AN1AN2AABDEM16.842Nm（a）水平面的受力和弯矩图M898.922Nm（c）合成弯矩图0.105Nm1NmFb=1作用下的合成弯矩图Fb=1作用下的垂直面弯矩图0.105Nm0.148Nm（d）Fb=1作用下的水平面弯矩图（e）Mc=1作用下的水平面弯矩图大学机械学工程学院毕业设计191.414NmMc=1作用下的合成弯矩图Mc=1作用下的垂直面弯矩图1Nm图3.8 段的计算如下： =M挠度370.1480.0262209N mA371.4140.125418MN mA偏转角37898.922346.4696MN mA挠度计算：0liMMdlEI421124

31、50.1473.7 10346.46 0.02620.147 2.06 10(3.0 10 )1.369 10ilMMEdm42112453.7 10346.46 0.1250.147 2.06 10(3 10 )6.533 10 ()MMdradi偏转角计算：l=0. 147E 段的计算如下：大学机械学工程学院毕业设计20挠度：12370.1480.0262209960.1480.068209MN mMN m AA偏转角：12371.4140.125418961.4140.325418MN mMN m AA1237898.922346.4696898.922MN mMN mAA挠度计算： 0

32、liMMdlEI11221242245(2(0.2945.9 10346.46 (2 0.02620.068)898.922 (0.02622 0.068)(4 10 )7.136 10ilMMMMMMEdm 偏转角计算：0liMMdlEI11221243245(2(0.29459 10346.46 (2 0.1250.325)898.922 (0.1252 0.325)(4 10 )7.58 10ilMMMMMMEdrad （） 段的计算如下：大学机械学工程学院毕业设计211212960.1480.068209121.50.1480.086209961.4140.325418121.51.4

33、140.411418898.922MN mMN mMN mMN mMN m AAAAA挠度：偏转角：挠度计算：0liMMdlEI1242452(0.0982.55898.922 (0.0680.086)(4.0 10 )6.83 106.83 10ilM MMEdmmm 偏转角计算：0liMMdlEI124244(0.0982.55898.922 (0.3250.411)(4.0 10 )3.264 10 ()ilM MMEdrad 段的计算如下：1212121.50.1480.0862090.148121.51.4140.4114182091.4140.707418MN mMN mMN mM

34、N m AAAA挠度：偏转角：898.922MN mA大学机械学工程学院毕业设计22挠度计算：0liMMdlEI14211244(0.0988.75 10898.922 (0.0860.148)0.098 2.06 10(4.5 10 )2.223 10ilM MMEdm偏转角计算：0liMMdlEI14211243(0.0988.75 10898.922 (0.411 0.707)0.098 2.06 10(4.5 10 )1.062 10 ()ilM MMEdrad段的计算如下：1212121.50.1480.0862090.148296.51.4141.0034182091.4140.7

35、07418MN mMN mMN mMN m AAAA挠度：偏转角：M=898.922N mA挠度计算：0liMMdlEI124244(0.098898.922 (0.0860.148)(4.5 10 )2.223 10ilM MMEdm 偏转角计算：大学机械学工程学院毕业设计230liMMdlEI124243(0.098898.922 (0.707 1.003)(4.5 10 )1.625 10ilM MMEdrad （） 段的计算如下：1212121.50.1480.086209960.1480.068209296.51.4141.0034183221.4141.089418MN mMN m

36、MN mMN m AAAA挠度：偏转角：M=898.922N mA挠度计算：0liMMdlEI1429245(0.0982.55 10898.922 (0.0860.068)0.098 206 10(4.0 10 )6.83 10ilM MMEdm偏转角计算：0liMMdlEI124244(0.0982.55898.922 (1.003 1.089)(4.0 10 )9.279 10ilM MMEdrad （） 段的计算如下：大学机械学工程学院毕业设计241212960.1480.068209370.1480.02622093221.4141.0894183811.4141.289418MN

37、mMN mMN mMN m AAAA挠度：偏转角：12898.92237898.922346.4696MN mMN mAA挠度计算：0liMMdlEI1122124245220.294898.9222 0.0680.0262346.460.0682 0.0262 4.0 107.14 10ilMMMMMMEdm -39（）（）59 10=（）（）0. 294 206 10 （）偏转角计算：0liMMdlEI1122124243220.294898.9222 1.089 1.289346.462 1.289 4.0 101.669 10ilMMMMMMEdrad -39（）（）59 10=（）（

38、1. 089）0. 294 206 10 （）（）段计算如下：112370.1480.02622093811.4141.2894181.414MN mMN mMN m AAA挠度：偏转角：37898.922346.4696MN mA大学机械学工程学院毕业设计25挠度计算：0liMMdlEI4393450.14737 10346.46 0.02620.147 209 1030 101.369 10ilMMEdm（）偏转角计算：0liMMdlEI124211243(2)0.2943.7 10346.46 (2 1.289 1.414)0.294 2.06 10(3.0 10 )1.043 10 (

39、)ilM MMEdrad轴挠度：80155544555421.369 107.136 106.83 102.223 102.223 106.83 107.14 101.369 107.513 10 8.36 10liiMMdlEImym轴偏转角：85543013433336.533 107.58 103.264 101.062 101.625 109.279 101.669 101.043 104.568 10 ()5 10 ()liiMMdlEIradrad 所以，从上面的计算校核过程可以知道：该宽面轴满足刚度要求，符合要求。窄面轴的设计同宽面轴的设计，过程相同，结构也是相同的，这里不再重复

40、了，设计过程参见宽面轴的设计过程。3.2.2.3 轴承的设计轴承的设计足辊轴承的设计要考虑到其工作环境和其本身适应环境的能力，通过查阅大学机械学工程学院毕业设计26设计手册可以从一下两个方案可以进行分析，方案一：采用专用轴承，方案二：选用通用轴承，采用通用轴承时，我们需要考虑其工作条件高温，潮湿，锈蚀等这些工作条件对轴承的要求很高，轴承要有很好的耐热性能，防锈蚀能力，而且轴承的尺寸还不能太大，因为足辊的直径已经确定了，同时考虑到高温的工作环境，轴承要能进行良好的润滑，以便冷却，防锈。综上所述，最后决定还是采用采用方案一：使用专用轴承，设计一个与工作条件相适应的，且成本低的轴承，考虑到轴承要装配

41、到窄面轴上，所以轴承的内径采取40mm，为了防止高温工作环境下，润滑油脂的流失，轴承的内圈与足辊内表面（50mm 的内表面）也形成了迷宫密封， （参见机械零件设计手册 ，冶金工业出版社） 。 该轴承的滚子采用的是圆柱滚子，采用圆柱滚子轴承承受径向载荷，可以高速运转，高精度，低噪声，低扭矩，刚性好，内外圈之间允许倾斜，还可以防尘，密封，同时考虑到实际工作环境，选用圆柱滚子轴承，由于受到足辊直径限制，取圆柱滚子的直径 d=10mm，长度取为 31mm。结构如下（图 3.9）： 图 3.9 滚子轴承外圈同内圈起到相同的作用，其设计原理也相同，内外圈之间的沟槽可以存储润滑油脂，可以提高润滑效果，也能增

42、加对润滑油脂的流动阻力，防止润滑油脂大量的外流，提高密封效果 7，有利于保护环境，这样的结构设计大学机械学工程学院毕业设计27很符合当时工况条件下的要求。专用轴承的结构图如下（图 3.10）： 图 3.10 轴承3.2.2.4 接触环的设计接触环的设计接触环的设计也是考虑到密封的问题，为了不使轴承因为杂质而磨损的过快从而降低轴承的寿命，接触环可以减少这些问题的发生。因此，此处采用了缝隙密封，接触环的结构形式如下图 3.11 大学机械学工程学院毕业设计28 图 3.11 接触环3.3 润滑油脂供给通道设计润滑油脂供给通道设计3.3.1 润滑油脂的选择润滑油脂的选择该处使用润滑油脂是对圆柱滚子轴承

43、进行润滑，而且工况条件恶劣高温，潮湿，多尘条件，故尽可能选用润滑油脂。而且在设备连续工作，长期工作于恶劣工况下，润滑油脂供至摩擦副始终是连续不断的，采取连续润滑，因供给润滑油脂在设备上采用连续压力润滑，由电动干油站集中润滑，柱塞泵通过电机减速机带动，将润滑油脂从贮油器中吸出，经换向阀，顺着给油管向各给油器压送，给油器在压力作用下开始动作，向各润滑点供送润滑油脂，这样就可以保证连续供油，保证工作可靠性了。参见机械零件设计手册 ，冶金工业出版社，二硫化钼润滑油脂性质和应用。表 2.3名称代号滴点锥入度特点及应用MoS2润滑脂2 号240180220耐湿，耐温性能，用于 180以下的滚动轴承润滑，如

44、大学机械学工程学院毕业设计29MoS2复合钙基润滑脂SYB1407-59ZFG-4E240160200高温机械轴承润滑，但不适用工作温度低于 80的，由复合钙基脂添加二硫化钼而成，有耐高温，耐潮湿，抗压性能，适用于高温高负荷机械设备的润滑以上两种润滑脂可供参考，从锥入度角度看，MoS2润滑脂不如 MoS2复合钙基润滑脂，因为该处工作温度较高，应尽可能选择锥入度较小的，温度越高，润滑油脂越稀，为适应工作环境应选用较稠的，从特点和应用角度看，MoS2复合钙基润滑脂具有耐潮湿的特点，这也正符合实际工作环境，而 MoS2润滑脂不能较好的做到，也综合考虑经济方面的因素，最后选择 MoS2复合钙基润滑脂

45、SYB1407-59。3.3.2 润滑油脂的通道设计润滑油脂的通道设计该系统采用干油集中润滑系统，连续压力润滑，润滑油脂消耗量的计算，参见机械设计手册 ，第三版，第 2 卷，成大先主编，化学工业出版社。表10-1-52Q=0.025DN（K1+K2）Q单位 ml/班（每班八小时）D轴孔的直径，cmN系数，单列轴承，N=2.5K1=0.3，K2=6Q=0.0253.14D2.5（0.3+6）根据干油集中润滑系统提供的流量，便可计算出相应的孔径，通过类比，参考现有该设备，按相同尺寸设计，取润滑油脂的通道直径 d=8.6 mm，小孔通道直径 d=5 mm，并且考虑到密封的要求，采用用螺纹密封的管螺纹

46、连接。大学机械学工程学院毕业设计30为了把润滑油脂导入到足辊轴中的通道，加设了一个加油管，干油集中润滑系统将润滑油脂导入到加油管，从加油管进入到足辊轴内的通道，最后到达圆柱滚子轴承。参见机械设计手册 ，第三版，第 2 卷，成大先主编，化学工业出版社。表 5-1-22 基本尺寸及公差 选择 R1/8表 2.4有效螺纹长度尺寸代号牙高/mm大径/mm小径/mm中径/mm基准长度/mm基本/mm最大/mm最小/mm1/80.5819.7289.1478.5664.06.57.45.63.3.3 加油管的设计加油管的设计考虑到加油管要与足辊轴的润滑油脂通道相连，故在加油管的端部也需要制成 R1/8 的

47、用螺纹密封的管螺纹，加油管要伸出足辊架的等边角钢的外面，以便于加注润滑油脂，其设计如下：此加油管采用焊接方法，这样制造方法比较简便，而且可以节省成本。其结构简图如下(图 3.12)： 2管?10.222（13）32?11.5R1/8154512M10117 图 3.123.3.4 润滑油嘴的选择设计润滑油嘴的选择设计考虑到采用集中供油润滑，润滑油嘴也有一些不同，如果采用标准件，可大学机械学工程学院毕业设计31以节省成本，但是考虑到现有的设备，为了与现有设备相适应，所以也对润滑油嘴进行了一些改进，主要是考虑到将标准件采用了一些改进，将直通式压注油杯油杯 M101 GB1152-79 和压配式压注

48、油杯油杯 10 GB1155-79进行一些综合，其成本也是不会很高，也就是将两者联合在一起，在压配式压注油杯油杯 10 GB1155-79 上加一个连接螺纹，其目的是将润滑油嘴连到加油管上。第四章第四章 夹持器的设计夹持器的设计夹持器在结晶器的足辊这部分是非常重要的，它既要作到夹持可靠，紧固足辊轴，同时又要满足足辊距离可以调节，这部分对足辊间的距离要求是比较严格的，因为这一尺寸的变化直接影响到方坯的尺寸和其表面质量。由以上分析可知道轴的结构尺寸设计完成，为了使夹持器能夹持住足辊轴，故在夹持器中要设计放置足辊轴的地方，且其尺寸要以足辊轴端相适应，以便于组装在一起，同时还需要考虑到夹持器本身的固定

49、，夹持器需要固定到足辊架上，故需要采用螺栓连接，为了便于装配足辊轴，在夹持器上进行工艺性设计，在装配足辊轴处的端面加工倒角，制成 5mm45（见附图） 为了实现足辊距离可以调节，设计时采用了微调机构，调整零件间的相互位置，利用螺纹传动将旋转运动转化为直线运动，实现足辊距离可以调节。4.1 拉杆螺杆的设计拉杆螺杆的设计通过螺旋传动来拖动足辊轴移动，足辊轴两端与夹持器两端面相接触，要大学机械学工程学院毕业设计32产生摩擦力，螺杆的受力要能克服此摩擦力，否则无法实现直线运动。根据 F=NF摩擦力摩擦系数N正压力参见机械设计师手册 ，机械工业出版社。表 1-1-10 常用材料的摩擦系数,取 =0.12

50、由足辊设计部分可知，作用于足辊轴上的正压力:N =cos2.3（N1+N2） =0.999(8743+10000)=18724.257NF =N=0.12 18724.257 =2246.911N所以根据螺杆的受力平衡可知，螺杆所受到的力就等于 F（摩擦力）考虑到该处工作的螺旋传动，要求并不高，只要能满足螺杆强度、自锁、耐磨性、螺纹牙强度，滑动螺旋传动的主要失效形式为螺纹磨损，因此应根据螺杆螺母的耐磨性来决定，其中径设计过程如下：参见机械零件设计手册 ，冶金工业出版社，表 3-6-3 滑动螺旋传动副的设计计算：4.1.14.1.1 螺旋传动的材料选择螺旋传动的材料选择螺杆材料采用 Y1Cr17

51、，螺母材料采用 Y1Cr17，参见机械零件设计手册 ，冶金工业出版社，不锈钢的力学性能与用途 （GB1220-84）4.1.1.24.1.1.2 验算自锁性验算自锁性fP =arctgacos22SarctgPdP当量摩擦角，f摩擦系数 ，取 f=0.15大学机械学工程学院毕业设计33s导程，m a螺纹牙型角，该处为普通螺纹，故 a=60fP =arctgacos20.15cos309.8269 50arctg 2S= arctgd1.5= arctg3.14 9.026=3.03=3 18通常可使 430，根据以上验算，可以知道满足自锁性的要求。4.1.1.34.1.1.3 验算螺杆强度验算

52、螺杆强度当量应力， p螺杆材料的许用应力，参122d23114= ()3()0.2pFTdd见机械设计师手册 ，机械工业出版社，表 3-6-8 滑动螺旋副材料的许用应力，根据，S材料的屈服强度，S=220 Mpa，参见机械零件35sp设计手册 ，冶金工业出版社， 不锈钢的力学性能与用途 （GB1220-84） ，d1螺纹小径，取 d1=8.376 mm ，T1转矩，22055354spaMPNm，根据机械设计 ，高等教育出版社，可以知道：21dT =F tan( +P )29.026=2246.911 tan(3.03 +9.826 )2=2314.247N mm=2.314N m AA大学机

53、械学工程学院毕业设计34 122d23112233 374= ()3()0.24 2246.9112.31433.14 (8.376 10 )0.2 (8.376 10 )5.327 1053.27aaFTddPMP根据以上验算，可以知道满足螺杆强度的要求。53.2755dapaMPMP4.1.1.44.1.1.4 验算螺纹牙强度验算螺纹牙强度 螺纹牙根部的宽度 b=0.125p ，p螺距，m ，取 p=1.5mm=1.510mb=0.125p=0.1251.510=0.187510m=0.1875 mm螺杆：根据校核公式：剪切强度，p材料的许用切应力，表1pFd bn3-6-8，p=0.66

54、 p=55.95 Mpa，d1螺杆内径，n旋合圈数332246.9112 3.14 8.376 100.1875 101218.985Mpa55.95MpapFdbn螺母：根据校核公式：剪切强度，d螺杆外径，pFdbnp材料的许用切应力，表 3-6-8，p=0.66 p=55.95 Mpa，b螺纹牙根部的宽度。2246.9112 3.14 10 0.1875 1215.902Mpa55.95MpapFdbn根据以上验算，可以知道满足螺纹牙强度的要求。根据所设计的螺杆，选择与其相适应的螺母，故需要在足辊轴上制出相应的螺大学机械学工程学院毕业设计35纹，将螺杆与足辊轴相连接。4.24.2 空心螺栓

55、的设计空心螺栓的设计为了防止螺杆产生过大的弯曲变形，同时用于固定，支撑螺旋传动的螺母，所以在设计中利用空心螺栓来满足以上要求，螺杆装在空心螺栓内部，螺栓头用空心螺栓支撑，通过旋转螺栓头带动螺杆传动，从而实现直线运动，同时空心螺栓还有另一作用，用于固定两足辊间的距离，当两足辊间的距离确定后，拧空心螺栓，使其端面顶在足辊轴上，这时，空心螺栓就要受到水平力的作用，这水平力的大小很大程度决定了空心螺栓的尺寸。参见机械设计 ，彭文生，李志明，黄华梁主编，高等教育出版社。4.2.14.2.1 空心螺栓的材料选择空心螺栓的材料选择考虑到空心螺栓的工作环境，参考现有材料的力学性能，最后选择Y1Cr17，参见机

56、械零件设计手册 ，冶金工业出版社，不锈钢的力学性能与用途 （GB1220-84）4.2.24.2.2 空心螺栓的设计计算空心螺栓的设计计算根据公式：松螺栓连接 d4 F F单个螺栓所受的轴向工作载荷，N= ，S螺栓材料的屈服强度，pa ，参见机械零件设计手册 ，sn冶金工业出版社，表 1-4-15 螺纹紧固件常用材料（GB38-76） ，S=220 Mpa，n安全系数，见表 1-4-16 螺栓简化计算的安全系数 n，取 n=5，d螺纹的小径，m。s = n220=5=44 Mpa大学机械学工程学院毕业设计36 4 4 2246.9113.14 4414.652Fdmm 考虑到此螺栓为空心螺栓，

57、螺栓直径应加大，以免影响正常工作。同时考虑制造的要求，零部件的标准化、系列化、通用化，按国标对计算结果进行圆整，故选择 M24 的螺栓。4.3 固定夹持器的螺栓设计固定夹持器的螺栓设计4.3.1 螺栓材料的选择螺栓材料的选择根据夹持器的工作环境和其工作要求等，选择 Y1Cr17，该材料具有抵抗硫酸、磷酸、蚁酸、醋酸能力；具有良好得耐晶间腐蚀性，也有较好切削性能。参见机械零件设计手册 ，冶金工业出版社， 不锈钢的力学性能与用途 （GB1220-84） 。4.3.2 连接螺栓的设计计算连接螺栓的设计计算参见机械设计 ，彭文生，李志明 主编，高等教育出版社为了将夹持器固定在足辊架上，便需要利用螺栓连

58、接，该螺栓主要受到剪切力作用受横向工作载荷，该处采用松连接，而且用双螺栓连接，提高连接的可靠性和连接的稳定性，这也是工作安全的需要，故该处的连接螺栓需要满足剪切强度要求，根据剪切强度进行校核计算。根据剪切强度校核公式： 2s04F= d mdo螺栓剪力面直径，mmm螺栓抗剪面数目n计算对象的受压高度螺栓材料的许用应力，Mpa，见表 11-6，= ，取 S=2.5，sS= s220882.5MpaS由剪切强度校核公式：大学机械学工程学院毕业设计37200634 4 4 18724.2573.14 88 101 211.644 1011.644ssFdmFdmmmm 从安全角度出发，提高工作的可靠

59、性，应加大螺栓的尺寸，同时参考到国标，取连接夹持器的螺栓为 M16。4.3.34.3.3 夹持器的结构设计夹持器的结构设计由前面的螺栓设计可以知道，取 M16 的螺栓，而且该处采用普通螺栓连接，为了安装螺栓，故需要钻出光孔，一般取光孔直径为 1.1d，即 1.116=17.6 mm，为了方便加工，测量取 18 mm；为了提高强度，连接的可靠性，稳定性，采用双螺栓连接，两螺栓间的距离要考虑前面足辊轴的设计，因足辊轴的两端各制成三个平面，一平面用于连接微调机构，另两个平面用于固定足辊轴，且两平面间的距离为 30 mm，同时为了便于安装，装配，采用间隙配合，间隙取0.5 mm，故夹持器夹持足辊轴的部

60、分为 30.5 mm。为了减少加工面，安装螺栓处加工沉头座，由于采用 M16 的螺栓，即 GB5783-86- M1660，emin=26.75 mm，smax=24 mm，同时为了便于安装螺栓，拎紧螺母，螺栓不转动，取沉头座的宽度=25 mm，长度=37 mm。4.3.44.3.4 夹持器的结构图夹持器的结构图（结构图如下图 4.1）：大学机械学工程学院毕业设计38 图 4.1 夹持器大学机械学工程学院毕业设计39第五章第五章 喷淋环的结构设计喷淋环的结构设计5.1 选择喷淋环的流道选择喷淋环的流道根据工程流体力学 ，机械工业出版社，高殿荣，吴晓明 编著。进行相关得设计，其设计过程如下： 5