【《森吉米尔二十辊轧机探析及建模仿真探究》17000字】

森吉米尔二十辊轧机分析及建模仿真研究摘要不锈钢精密极薄带（手撕钢），是近年来国家急需的高精尖领域的基础材料，主要用于航空航天、核电、柔性太阳能组件、柔性显示屏和传感器等军事和民用高科技产品中。森吉米尔二十辊轧机是目前最适合生产极薄钢带的轧机设备，所以，二十辊轧制机组的研究，对于轧制高精密不锈钢极薄带具有重要意义。本文是在TY大学二十辊轧机的基础上，通过查阅文献资料，使用SolidWorks软件，完成对280mm二十辊轧制机组的三维建模，对轧机辊系以及8个背衬辊进行设计，使用Keyshot动画渲染软件对轧制机组的轧制过程和辊系调控过程进行运动仿真，对于二十辊辊系复杂的受力计算，通过使用VC++编写程序，使用迭代法来进行计算分析，求解辊系受力模型，使用amesim软件，对辊系调控的液压系统进行原理设计，分析辊系的各种调控方式，以上研究为轧制高精密不锈钢极薄带提供理论指导。关键词：森吉米尔二十辊轧机；VC++轧制力编程计算；背衬辊；辊系调控；液压系统原理设计目录摘要 第1章绪论1.1课题背景森吉米尔二十辊轧机是辊系呈塔形分布的一种多辊轧机，主要由主轧机机架、二十辊辊系、已经左右卷取机等组成，本次毕业设计的二十辊轧机模型，三维建模如图1-1所示。二十辊轧机生产了全世界96%以上的不锈钢精密极薄带，它是最适合生产不锈钢精密极薄带（手撕钢）以及超薄高精密金属板带的轧机。不锈钢精密极薄带是基础材料，主要用在国家重要新兴高精尖领域，主要用于航空航天、核电设备、柔性太阳能组件、柔性显示屏和传感器等军事和民用高科技产品中。由于战略和新兴工业领域的蓬勃发展，超薄、超精密的不锈钢极薄带和各种金属带材，越来越多的被使用在工业等各个领域，而且需求量也逐年增加，市场潜力非常巨大。我国精密带钢市场年消费量50万吨以上，近三年来超薄精带需求年增长率保持在50%以上，但是我国年产量却不能满足需求，精密带钢主要依赖进口。ab图1-1森吉米尔二十辊轧机a、b多辊轧机是用来生产不锈钢精密极薄带的最主要的轧机设备，必须采用多辊轧机生产，是因为冷轧时极薄带自身的厚度很小，只有0.05mm以下的厚度，冷轧轧机的辊系弹性压扁值都比极薄带自身的厚度大，由于本身的高精密极薄特性，所以此时轧机无法满足轧制生产要求。由于轧制过程中，轧机辊系本身的变形程度是与其自身的直径成正比的，所以，当轧辊自身的直径越大时，其弹性压扁值也会越大，因此小直径的工作辊，会有较小的弹性压扁变形。多辊轧机的辊系具有特殊分布方式，其中，二十辊轧机是呈塔形辊系分布方式，所以，在保证辊系强度的方式下，可以保证工作辊具有小于一般轧机辊径的直径，工作辊的弹性压扁值较小，可以保证其生产出极薄精密带钢。研究森吉米尔二十辊轧制机组，对于生产极薄钢带的具有重要的指导意义。1.2森吉米尔二十辊轧机发展最初，金属带材的轧制生产是在辊系较少的轧机设备上生产的，主要生产设备是二辊轧机和四辊轧机，随着科技的不断发展，科技工业领域对基础金属材料的要求越来越高，对超薄超平的金属极薄带需求越来越大，二辊轧机和四辊轧机辊数少，为了保证工作辊强度，所以其直径较大，具有较大的工作辊直径弹性形变，因此，由它们生产出来的金属带材已经不能满足客户要求。轧制极薄带必须要工作辊直径小，辊弹性压扁值小的多辊轧机才能进行生产，所以，生产高精度的金属板材大多用二十辊轧机进行，二十辊轧机也越来越多的被应用到高精度金属板带的生产中。二十辊轧机与一般的轧机相比较，主要具有以下优点：轧机的工作辊直径比较小。由于辊系呈塔形的特殊分布，受力分布均匀分散，而且辊系之间相互支撑接触，既保证了辊的工作强度，又保证了工作辊的较小的弹性压扁值，而较小的弹性压扁值保证了厚度极薄的带钢的生产；轧机辊系的塔形布置。由于轧机的工作辊直径较小时，其刚度将会大大降低，不能满足刚度要求，但由于二十辊轧机的辊系布置，各辊之间相互接触支撑，保证了其强度，所以，工作辊直径可以保证在较大的较小的直径，塔形布置时二十辊轧机生产极薄带的重要特点。轧机的多支点梁背衬辊分布结构。背衬辊是用来传导力的，工作辊所受轧制力，通过辊系传递，最终来到背衬辊，背衬辊将受到的力通过鞍座环均匀的传递给机架，由于在整个轴的长度上，背衬辊均匀分布，所以受力也是呈均匀分布的。均匀分布的受力保证了辊系的精准调控，从而得到高精度的成品板带生产；二十辊轧机质量结构尺寸小。二十辊轧机结构紧凑，辊系直径小，体型小，方便进行更换清洁，因此，生产效率更高，使用更见方便，生产成本较其它轧机较小。1.3课题研究意义1.3.1课题主要研究内容通过阅读相关文献，了解二十辊轧机工作原理，建立轧制过程中轧机辊系的受力模型，编程求解出各力的大小。根据二十辊轧机要求，设计背衬辊结构和形式；设计轧机压下结构，设计压下控制原理；设计轧机轧制线调节结构，设计轧制线调节控制原理；设计轧机辊径补偿调整结构，设计辊径补偿调整控制原理；明确背衬辊结构和尺寸，建立背衬辊、压下装置、轧制线调节装置、辊径补偿调整装置三维模型及绘制二维工程图。1.3.2课题研究目标完成轧制过程中，辊系受力分析计算；完成压下装置、轧制线调节装置、辊径补偿调整装置结构与控制原理设计；完成背称辊、压下装置、轧制线调节装置、辊径补偿调整装置三维建模及二维工程图绘制。1.3.3课题研究意义 在如今高速发展的世界中，科技竞争异常激烈，科技竞争力是一个国家核心竞争力的体现，对于国家的发展具有重要意义。不锈钢精密极薄带重要的基础材料，主要用于航空航天、核电装备、柔性太阳能组件、柔性显示屏和传感器等众多军事和民用高科技产品中。所以，对于开发超薄、超宽、超平的极薄钢带，是这些高科技产品的发展基础，目前，在生产极薄带的多辊轧机设备中，森吉米尔二十辊轧机是使用最多，效果最好的轧机设备，所以，对森吉米尔二十辊轧机的研究具有重要的研究意义。

第2章森吉米尔二十辊轧机辊系调控二十辊轧机的调控是多种方式进行的，正是由于多形式的调控方式，在轧制带材的过程中，才保证了高精度金属带材的轧制，从而得到较高标准的极薄带。根据调控作用方式的不同，调控可以分为三大类，分别是辊形调控（包括轴向和径向两部分）、辊颈补偿、压下控制（液压压下和轧制线压上）2.1压下调整机构压下调整机构主要包括压下调整和轧制线标高调整。轧机的压下调整机构是由压下液压缸，B、C背衬辊构成的，如图2-1所示的压下调整机构。进行压下调控时，压下油缸的双面齿条带动B、C背衬辊端部的扇形齿轮，齿条的移动带动齿轮的转动，由于齿轮与背衬辊心轴通过键连接，所以齿轮带动心轴运动，B、C背衬辊具有偏心环，由于偏心环的偏心作用，实现了B、C背衬辊背衬轴承的压下和压上动作。图2-1压下调整机构轧制线标高调整机构是由两个轧制线调整油缸和F、G背衬辊构成的，如图2-2所示轧制线标高调整机构。当调整油缸的推杆来回往复运动时，带动末端齿轮运动，齿轮和F、G背衬辊端部的扇形齿轮啮合，从而实现扇形齿轮的转动。扇形齿轮和心轴通过键连接，由于F、G背衬辊具有偏心作用，所以实现了F、G背衬辊背衬轴承的上下移动。图2-2轧制线标高调整机构2.2辊形调整机构辊形调整机构主要用来控制板形，根据其作用方式的不同，可以分为两种，分别是径向调整和轴向调整。径向辊形调整机构是由B、C背衬辊和五个凸度液压缸共同构成，五个凸度液压缸通过末端的齿条与背衬辊上的齿轮片啮合，当凸度液压缸来回往复运动时，带动齿轮片运动，齿轮片和外偏心环通过销钉连接，从而使外偏心环的偏移量发生变化，使心轴发生一定的挠曲变形，对板形进行调控。径向辊形调整机构如图2-3所示。图2-3径向辊形调整机构轴向辊形调整装置主要是通过液压缸拉动中间辊，使中间辊做轴向运动，从而调整板形。2.3辊径补偿调整机构由于二十辊轧机辊系布置紧密，在轧制过程中，辊径直径逐渐磨削，所以，要对磨削量进行补偿，因此，辊径补偿就是森吉米尔轧机的必要调控过程。辊径补偿主要是A、D、E、H支撑辊和辊径补偿电机构成，辊径补偿电机的末端通过齿轮啮合与支撑辊连接，支撑辊由于偏心环的作用，从而实现辊径补偿作用，消除辊径磨削带来的的影响。如图2-4所示.图2-4辊径补偿调整机构第3章森吉米尔二十辊轧机辊系受力分析3.1辊系布置辊系作为二十辊轧机的核心部件是高精度部件，用于轧制带材成形。其中2根工作辊用来进行轧制，4根带锥度的第一中间辊控制带钢边部板形，通过液压缸进行横向移动。第二中间辊数量为6，其中有4根称为传动辊，通过齿轮分配箱和连轴器与电机连接，辊子前端安装有止推轴承，后端与传动轴星形连接。另外2个是情辊，前后都装有止推轴承。背衬辊有8根，分别称为A、B、C、D、E、F、G、H，其中：B、C背衬辊有两个偏心环，大的偏心环是通过2个液压缸驱动与辊子前端齿轮捏合的齿条来实现进行压下调节。小的偏心环是通过5个液压缸驱动B、C辊中间凸度齿轮进行凸度调节。A、D、E、H背衬辊通过偏心调节轧机辊系。偏心调节通过电机马达来实现。F、G背衬辊用来调节轧制线高度。通过液压缸来驱动与辊子前端齿轮啮合的齿条来实现。二十辊轧机是呈叠加式塔形布置的，上下对称结构，如图3-1所示。ab图3-1辊系塔形布置a、b3.2轧机辊系参数工作辊：2根；直径：16mm（公称直径）；材料：高合金锻钢辊面；长度：280mm；辊面硬度：62~64HRc。第一中间辊：4根；直径：29mm（公称直径）；材料：高合金锻钢；辊面硬度：56~58HRc。第二中间辊：6根（2根惰辊和4根传动辊）；直径：51mm（公称直径）；材料：高合金锻钢；辊面硬度：58~60HRc。B、C背村辊：B、C辊各一根；芯轴直径：40mm（公称直径）；芯轴材料：31CrMov9；鞍座数量：每个轴5个；鞍座固定：手动；轴承类型：2列圆柱滚子轴承；数量：每根轴4个；润滑方式：穿过轴心的轧制油。A、D、E、H背衬辊：A、D、E、H辊各一根；芯轴直径：40mm；芯轴材料：31CrMoV9；鞍座数量：每个轴5个鞍座；固定：手动；轴承类型：2列圆柱滚子轴承；数量：每根轴4个；润滑方式：穿过轴心的轧制油。F、G背衬辊：F、G辊各一根；芯轴直径：40mm；芯轴材料：31Crlov9；鞍座数量：每个轴5个；鞍座固定：手动；轴承类型：2列圆柱滚子轴承；数量：每根轴4个；润滑方式：穿过轴心的轧制油。3.3静压时的辊系受力静压时轧辊辊系受力如图3-2所示。图3-2静压时辊系受力由于轧机的塔形辊系分布，辊系所受的轧制力为P，辊间接触力的大小分布如图3-2所示，各辊之间的计算公式：(3-1)(3-2)(3-3)(3-4)(3-5)(3-6)其中，P是轧制力，P1、P2、P3、P4、P5、P6是各辊间压力，其余各角是辊间压力与水平线的夹角，如图3-2所示。3.4轧制过程中的辊系受力本次计算得轧制工艺参数如表3-1所示：表3-1轧制工艺参数由于二十辊轧机辊系呈上下对称分布，上部十个辊系和下部十个辊系相似，除背衬辊B、C和背衬辊F、G不同外，其余都是基本相似的，受力分析基本相同，所以在分析的时候，只需要取上工作辊的十各辊系进行分析。辊系的一些基本直径尺寸相同。在计算过程中，方便计算，取＝、＝＝、＝＝＝。图3-3静压时辊系受力3.4.1轧辊各接触点上作用力的方向作用在背衬辊上的作用力的方向求解第二中间辊4与背衬辊7之间的作用力为，力与辊4、辊7的连心线之间的夹角用下式确定：(3-7)同样，背衬辊和第二中间辊的接触点上作用力计算：(3-8)(3-9)(3-10)(3-11)(3-12)因为角很小，近似等于1，因此可以认为=，所以：(3-13)(3-14)作用在工作辊上的作用力的方向根据力矩平衡条件，可知：(3-15)为简化计算，取，则：(3-16)作用辊5上力的方向根据力矩平衡条件，可知：(3-17)为简化计算，取，，则：(3-18)作用在第一中间辊上作用力的方向根据力矩平衡条件，可知：(3-19)则：(3-20)同样：(3-21)则：(3-22)3.4.2轧辊各接触点上作用力的大小工作辊上的作用力、根据受力分析，把力、垂直投影到的方向上，则得到：(3-23)因为、在力的垂线方向上的投影应彼此相等，所以：(3-24)解方程式3-23、3-24得到：(3-25)将式3-25代入3-23得到：(3-26)整理得：(3-27)(3-28)支撑辊上的作用力、 根据力平衡条件，把力、投影到力的方向上，得到：(3-29)因为力、在力的的垂线方向上的投影应彼此相等，所以：(3-30)解方程式3-29、3-30得：(3-32)将式3-32代入3-29得到：(3-33)(3-34)(3-35)支撑辊上的作用力、 同样，根据辊6力的平衡，解方程得到：(3-36)(3-37)支撑辊上的作用力、同样，根据辊5的平衡，解方程得到：(3-38)(3-39)解方程3-38、3-39得：(3-40)将式3-40代入3-38得：(3-41)为简化计算，取，，则：(3-42)(3-43)(3-44)作用力作用在辊5上的作用力用和来表示，辊5是二十辊中的第二中间辊，是惰辊，不起传动作用，只是起到支撑传递受力的作用，力是力和的合力的大小，受到的合力与辊1、辊5之间的连心线的夹角大小为，受力分析如图3-4所示图3-4非传动第二中间辊受力图因为、，因此：(3-45)由图中可见：(3-46)因为：(3-47)所以：(3-48)(3-49)作用力、根据辊2的力受力，可得到：(3-50)(3-51)解方程式3-50、3-51得到：(3-52)(3-53)作用力、根据辊3的受力条件，解联立方程得：(3-54)(3-55)3.4.3轧机传动力矩辊4及辊6是在辊系中主要起传动的作用，在传动的过程中，带动其它辊系转动工作，辊4的传动力矩为，辊6的传动力矩为，所需总传动力矩为：(3-56)传动力矩根据已知的辊4的受力分布，由力矩平衡条件列出方程式，求得传动力矩的大小为：(3-57)将上述式子代入方程式整理的：(3-58)传动力矩(3-59)同样，将式子整理得到：(3-60)总传动力矩将及代入式并整理得到：(3-61)3.4.4总轧制力计算由于冷轧薄板的厚度较小，而且在轧制过程中会受到弹性变形，所以，通常计算复杂，公式繁琐，因此，大多数的计算都是采用斯通公式来进行的，根据经验公式来进行粗略计算下：(3-62)式中K—平均变形抗力，MPa，其计算公式为：(3-63)、—轧制前、后屈服强度（MPa）；—轧件的平均厚度，mm，其计算公式为：、—分别为轧制前、后的轧件厚度，mm；—平均单位张力，MPa，其公式为：(3-64)、—轧件进出口的单位张力，Mpa；C—应力增强系数，随而变，其计算公式为：(3-65)f—摩擦系数，查图3-5得到。l—由于轧制过程中相互接触，弹性压扁后，轧辊的弧长水平投影，mm，其公式为：(3-66)并令：—轧辊材料的泊松比；E—轧辊弹性模量，MPa；R—轧辊半径，mm。对于钢轧辊，取，，所以：(3-67)(3-68)将两上式并乘以得：整理化简后得：(3-69)将式子代入得：(3-70)根据所计算的l值，即可计算出平均单位压力：(3-71)总压力即轧制力则为：(3-72)式中：B—轧件宽度，mm。3.4.5辊系各分力的计算根据辊系受力得：、的合力为：(3-73)、的合力为：(3-74)根据以上公式可以看出，上式各力得求解均与角度有关，所以代入辊系得几何角度值，就可以求出辊系得各力大小。有关几何角度的确定计算背衬辊中心线位置，已知轧机的整体式结构与梅花孔的分布，以此确定辊系的位置分布，背衬辊位置分布，可以的到轧机各辊的定位尺寸位置，第一、二中间辊以及工作辊以此确定。背衬辊是通过鞍座扇形片固定在机架上，所以其定位要根据机架梅花孔的位置来确定。根据背衬辊几何结构，对辊系在压下过程中，其偏心环得偏移量与压下角度的关系，偏移量与压下进程进行计算。轧辊几何关系如图，如图3-6所示。图3-6轧辊几何关系图(3-75)(3-76)(3-77)(3-78)(3-79)(3-79)(3-80)(3-81)轧制力、夹角、力臂轧机的轧制力，以及其夹角、其力臂，根据轧制的方向和轧制力的大小得，张力大小的变化，如图3-7所示：(3-82)图3-7轧辊几何关系图式中：—工作辊直径；—考虑轧制过程中，由于挤压，所引起的辊系的变形，弹形变形的弧长的水平投影值为：(3-83)式中：X—表示板带在轧制前和轧制后所具有的张力的大小差值的一半。即：、—分别为轧机前、后张力；(3-84)当时：(3-85)当时：(3-85)—工作辊半径；轧制力臂。摩擦圆半径、滚动摩擦力臂m二十辊轧机具有8个背衬辊，每个背衬辊均具有背衬轴承，由于在轧制过程中背衬轴承自身摩擦力的存在，所以，将会产生力矩，使其产生的合力发生微小的偏移，导致它不能通过轧辊的中轴线，而是只能与它本身的产生的摩擦圆相切，所以，可以以此计算值的大小为：(3-85)(3-85)式中：—摩擦圆半径；—轧辊轴承的摩擦系数；—轧辊轴承的直径（滚柱中心）。因此：(3-86)二十辊轧机的辊系呈层状分布式，所以各层轧辊之间相互接触摩擦，并切通过摩擦来进行传动，在其相互接触的面上，将会产生一定大小的滚动摩擦，摩擦力臂的大小受到接触长度的关系的影响，其值的大小可以根据下式进行计算：(3-87)式中：—不对称分布系数，是由于轧辊之间接触分布不均匀所引起的；c—两个轧辊间的扭曲段长度值。对于冷轧机，可采用K=0.1。(3-87)式中：、—接触的两个轧辊的材料的弹性模量；、—接触的两个轧辊的半径；—轧辊辊身长度；—轧辊上的轧制力。因此：(3-88)各受力的方向角根据辊受力分析，各分力的方向角为：并且：并且：并且：可以得到：(3-89)(3-90)(3-91)(3-92)(3-93)由于上是比较复杂，且具有较多未知量，所以计算起来比较复杂，且精度不高，所以，我们采用计算机进行迭代法运算。首先，设定未知量一个值，将其代入到公式中进行求解，将求解得到的结果，与设定的值进行比较，如果两者在一定的精读之间，则可以采用设定值继续运算，如果两者偏差较大，则重新设定值，重复计算比较，直到取得合适的值为止，计算的问题也就迎刃而解了，并可达到非常高的精度。3.4.6传动力矩计算根据以上式子求解分析，得到轧机总的传动力矩的和的大小M为：求得二十辊轧机的各辊系受力之后，可以计算得到轧制力臂大小，可以求得滚动摩擦力臂，进一步可以得到摩擦圆半径的值，由此，便可以求出轧机在本道次轧制过程中所需的总力矩的大小。3.4.7计算机计算程序框图二十辊辊系辊数较多，轧辊分布比较紧凑，相互接触，且存在弹性变形，所以计算量较大，所以分析计算比较困难，采用计算机迭代的方法，可以减小计算难度，提高计算的精准度。计算机程序框图如图3-8所示。

图3-8轧制力流程框图3.4.8轧制力计算程序以及计算结果 轧制力的计算比较复杂，在计算的过程中采用迭代法，可以准确地计算出轧制力的受力情况，由于迭代法是反复设定和代入计算，所以计算的工作量是非常大的，如果依靠人自身的计算，无法得到正确的结果，所以，在此我们采用VC++编程设计，通过编写程序来进行求解计算，计算结果得轧制力为183.623KN，轧机力矩为30.3169Nm，程序代码（部分）以及程序运行计算结果如图3-9所示。 计算得到轧制力为183.623KN，轧机力矩为30.3169Nm。图3-9程序计算结果

第4章液压控制系统设计森吉米尔二十辊轧机的辊系调控，是通过液压系统实现的，所以，在此对液压系统进行原理设计。4.1液压传动概述 液压传动就是利用液压介质，根据其特性，将它的高压压力能转换为其它形式的能量，包括驱使机械设备运动的机械能等其他形式的能量形式。s一个完整的也液压系统主要包括各种液压阀、油箱、执行机构等组成。4.2液压调控系统工况分析我们在设计液压系统的时候，首先要确定主机对液压系统所提出的工作要求，包括以下具体要求：主机的动作。主机的动作就是指要实现的动作，使指定的执行机构运动，从而实现功能。主机要实现的性能。主机的性能是指系统中的执行元件，在各工作阶段所需的力、动作周期、调速范围、速度平稳性和速度的大小等，上述各参数都要有参考的数据。对于某些要求较高精度、自动化程度较高以及较高生产率的主机，我们还要确定更加准确的动静态指标。液压系统应用的环境条件。温度范围、使用的场地、灰尘状况等，都应该加以注意。液压系统的其他使用要求。如液压系统中各装置在外形大小、质量等方面的限制，以及耗能性、经济性等方面的要求。4.2.1液压系统压下调整轧机的压下调控系统，主要包括两个部分。压下机构主要包括压下油缸、BC背衬辊构成，轧机压下液压缸的双面齿条，通过往复的移动，推动BC背衬辊端部的扇形齿轮的转动，由于BC背衬辊结构，从而带动BC背衬辊整体的上下移动。轧机压下量与双面齿条移动距离的关系曲线，如图4-1所示。图4-1轧机压下量与双面齿条移动距离的关系曲线轧机的调整液压缸和FG背衬辊共同构成了轧制线标高调整系统，液压缸受到高压油的压力作用，作用在推杆的末端，在推杆的末端产生一个推力，使其上下移动，推杆的来回移动,移动的齿条与BC辊的扇形齿轮啮合在一起，所以齿轮转动，又由于齿轮通过键与心轴连接，由于FG背衬辊的偏心环的作用，产生向上或向下的移动。4.2.2液压系统辊形调整辊形调整又称为凸度调整，是由5个凸度液压缸和BC背衬辊上的5组齿轮片共同构成，当BC支撑辊两端的扇形齿轮片固定时，BC支撑辊位置确定，５个凸度液压缸通过推杆的上下移动，来带动齿轮片的回转运动，从而对心轴的凸度进行调控，使其产生挠度变形，对带材板形进行矫正。4.3液压系统主要参数确定4.3.1初步确定液压缸工作压力液压缸工作压力，根据实际的应用场地和使用情况来确定，一般来说，工作压力大一些，可以使液压系统的机构更加紧密排布，液压元件的尺寸也更小，重量也更加的轻，但是成本较高，并导致液压系统的密封更加复杂，而且，由于结构的紧凑，一些介质工作的流道将会缓急，过渡时候有较大的冲击作用，这是液压元件较小所带来的不可避免的缺点；当我们选用的液压系统的压力较小时，那么就会造成选用的液压元件的尺寸较大，所选用的液压缸的内径尺寸变大，导致液压系统中的所有液压元件的尺寸，都将变大，导致系统占用较大的空间，但是，液压的密封将会更加方便。所以，在设计液压系统时，我们要根据实际的工作状况来确定液压系统的工作压力大小，液压系统所选用的液压元件是根据选用的系统工作压力的大小值来确定的，在确定时，可以参考下列所示标准，液压系统设备类型所选用压力的标准，如下表4-1来确定系统工作压力。根据上表，选择系统压力为21MPa。4.3.2计算液压缸的工作面积和流量由于B、C背衬辊两端分别具有一个压下液压缸，根据受力分析可知，单个液压缸所承受的外负载力为辊系外负载里的一半，即（4-1） 由于液压缸的推杆要作用在外负载上面，所以，根据外负载情况，进行计算，可以得到液压缸的有效作用面积为：（4-2） 式中：F—BC背衬辊所承受的外负载力；—液压缸所承受的外负载力；—机械效率，在0.9~0.95之间进行选取；P—液压缸的工作压力。 根据前面所求的轧制力得F=43819N、P=21MPa、=0.9代入上式计算。 根据上式计算得到的结果，可以查阅参考资料，按照选型标准（GB/T2348-1993），液压缸内径尺寸系列，根据标准可以选取液压缸内径值大小为50mm根据计算结果，可以查阅参考资料，按照选型标准（GB/T2348-1993），液压缸内径尺寸系列，取活塞杆外径为32mm根据计算结果，可以查阅参考资料，按照选型标准（GB/T2349-1980），查阅液压缸内径尺寸系列，取活塞杆行程50mm液压缸工作流量 液压缸工作时所需的最大流量为：（4-3） 式中：—活塞的最大运动速度；A—液压缸的有效面积。 计算得液压缸最大流量为：4.4液压系统原理图的设计液压系统原理图表示的是液压系统的工作原理，在液压传动中，每个元件都有相应的符号来进行表达，所以，对于实际比较复杂的液压系统，我们可以使用液压元件符号绘制简单的原理图，通过原理图，液压系统的工作压力将会表达的更加简单，关系更见清楚，方便后续的设计选型。在设计液压系统时，我们一定要注意规范，考虑到实际工作情况中各种状况，符合合理性和经济性。4.4.1选择液压执行元件液压执行元件包括液压马达、液压油缸和摆动液压缸等，位于系统的输出端，直接或间接地驱动系统负载来进行做功。液压马达可以将液压能转变为机械能，其输出参量包括转矩T以及转速n。液压缸做往复直线运动，完成能量转换的装置，从而作用在外负载机械装置上实现往复运动，其输出参量为力F和速度v。在本次设计的轧机的液压控制系统设计中，可以选用液压缸来作为液压执行元件。4.4.2选择液压泵类型液压泵是动力装置，它通过电机带动，一端通过万向联轴器和电机相连接，另一端和油箱连接，电机带动泵吸油，电机转动，赋予输出轴机械能，液压泵将受到的来自电机的机械能，转化为液压系统的液压能。本系统油液压力为21MPa，所以，选择高压柱塞泵。4.4.3选择调压方式溢流阀是压力阀的一类，在液压系统中，它的作用是维持液压系统的稳压性和安全保护液压回路的作用。减压阀是通过调节阀开口的大小，降低进口压力，从而控制出口压力的大小，使出口压力保持在一定的压力阈值上。在本次液压系统的设计中，选用溢流阀和减压阀作为系统的压力调节装置。4.4.4选择换向回路电磁阀是液压系统中一种自动化控制元件，是通过电磁装置来进行控制阀芯的移动，控制阀的开口量。本系统设计中，选择使用的电磁换向阀是三位四通电磁换向阀，它可以在液压系统中控制执行元件的运动方向。4.5计算和选择液压元件4.5.1液压缸选型压下液压缸的选型对压下液压缸进行选型，根据上述对液压缸内径的计算结果，可知，液压缸的相关参数：D=50mm；d=32mm；L=50mm；液压缸最大流量。故选用上海油威液压有限公司，型号为Y-HG1G50/32X50-F1-L1的冶金用液压缸。凸度调整缸的选型根据上述计算过程，可以确定凸度调整缸相关参数：可知D=40mm；d=28mm；L=80mm；。故选用上海油威液压有限公司，型号为Y-HG1G40/28X80-F1-L1的冶金用液压缸。轧制线调整缸根据上述计算过程，可以确定轧制线调整缸相关参数：D=50mm；d=32mm；L=50mm；。 故选用上海油威液压有限公司，型号为Y-HG1G50/32X50-F1-L1的冶金用液压缸。4.5.2液压泵的选择液压泵是能够为液压系统提供相应动力的一种装置，它的工作介质油液是从液压油箱中吸入的，在泵腔内部，形成工作压力油的压力能，送到执行元件，对其产生作用力。根据上述计算可知，液压系统工作压力大小为21MPa，所以，在设计系统时，选用恒压式轴向柱塞泵。柱塞泵较其它液压泵具有使用寿命长、工作参数高，效率高等优点。确定柱塞泵的最大工作压力（4-4） 式中：—系统中的液压缸，工作时的最大压力（MPa）；—液压系统总的管道损失（从入口到出口）；按照已知的经验数据，对液压系统中的管道损失进行选择：由于设计的液压系统流速不大、管路比较简单，所以可以取；对于比较复杂的液压系统，或者是在液压系统中串联有调速阀，可以取管道损失值为。已知=21MPa，根据经验数据取，带入公式计算得柱塞泵的最大工作压力。确定柱塞泵的最大流量总的液压泵出口处输出流量大小应为：（4-5）式中：K—系统泄漏系数，一般取； —同时动作的液压缸最大总流量。得到：确定液压泵的型号根据以上求得的和的和的值，已知拟定为高压柱塞泵，一般额定压力要比最大工作压力大。所以，选择的液压泵的额定压力的大小值为35MPa。确定液压泵的驱动功率（4-6） 式中：—液压泵的最大工作压力（Pa）； —液压泵的流量（）；—液压泵的总效率，参考下表4-2选择。表4-2液压泵的总效率 取，代入计算得:根据以上计算参数选择恒压式轴向柱塞泵，产品型号是A7V40DR1LPF00（北京华德液压公司）。验算液压泵的相关参数 根据以上计算参数选择恒压式轴向柱塞泵，产品型号是A7V40DR1LPF00（北京华德液压公司），产品相关参数如下表4-3：表4-3产品参数额定压力排量流量最大功率重量35MPa40.1mL/r56.4L/min34KW28Kg泵的额定流量56.4L/min≥47.09L/min；泵的驱动功率34KW≥22.073KW。所以，选择的液压泵符合设计要求。4.5.3电动机的选择 根据计算的参数选择电机，型号为Y-225M-4，电机相关参数如下表4-4：表4-4产品参数额定功率额定电流最大转速效率功率因数45KW84.2A1480r/min92.30.884.5.4联轴器的选型根据所选的电机参数，对联轴器所需的扭矩进行计算： 查阅《机械设计手册》第三卷第十五篇联轴器部分，选用GL5F滚子链联轴器，生产厂家为江阴神州联轴器有限公司。滚子链连轴器具有优点：尺寸较小、寿命较长、方便拆卸、有一定补偿能力、成本较低等优点，能够保证准确的传动比，传递功率较大，并且作用在轴上的力较小，传动效率高。4.5.5阀的选型电磁换向阀选型在本液压系统中电磁换向阀主要用于控制液压缸的运动，要求控制准确、反应灵敏、冲击小等特点。因此，选择的型号是“DSG-01-3C2-D24-N1-50”的电磁换向阀，由榆次油研液压有限公司生产，DSG-01-3C2-D24-N1-50的额定流量大小值为63L/min，最高工作压力是31.5MPa。溢流阀选型已知系统最大压力为21MPa，所以产品型号为“DBDS6K”，生产厂为北京华德液压有限公司，其进口最高压力为40MPa，它的出口的最高工作压力可以达到31.5MPa，它的最大流量可以达到50L/min。减压阀选型本液压系统选择的减压阀产品型号为“DR6DP”，生产厂为北京华德液压有限公司，其进口最高压力为31.5MPa，出口最高工作压力为2.5、7.5、15、21MPa，产品的最大流量为60L/min。单向阀选型本液压系统选择的单向阀产品的型号是“S10A1”，S10A1是由上海立新有限公司生产制造的一款单向阀产品，它的出口可以达到的最高的工作压力为31.5Mpa，它的出口开启压力是0.05Mpa，此型号产品的最大流量为40L/min。液控单向阀本液压系统选择的液控单向阀的产品型号为“SL10L4X”，SL10L4X是由上海立新有限公司生产制造的，它的出口最大工作压力可以达到31.5MPa，它的油口最大控制压力可以达到0.5~31.5MPa。截止阀选型本系统中所用到的截止阀主要有本系统中选用YJZQ-J25，该阀生产厂为奉化市朝日液压公司，公称压力为31.5MPa。用于冲洗系统与蓄能器，并且便于诊断维修系统。4.5.6蓄能器蓄能器属于液压系统的辅助元件，它的主要作用是用来除去液压泵工作过程中产生的脉动振动、降低液压系统产生的噪声，蓄能器的充气压力的大小确定可以用以下公式求解，其充气压力为：（4-7）蓄能器在正常工作状态时，最低工作压力的大小，以及最高工作压力值的大小，按照下述公式选择：（4-8）式中—表示的是在液压系统中，处于最末端的液压机械装置的最大工作压力的值（MPa）；—表示是在液压系统中，从蓄能器到最远的液压机构装置的液压系统管道中，油道上所产生的压力损失之和（MPa）。 的边界压力值为，当的值远远小于的时候，它的使用时间可以越长。假如提高的值，增大此蓄能器的有效工作油量，但也将会导致泵站的工作压力变大，由于工作压力变大，所以也将会引起泵站的消耗功率变大，所以，我们在选择蓄能器的型号时，的值的大小应该比液压系统中的液压泵的额定压力要小。蓄能器总容积的计算蓄能器的计算是根据其在液压系统中的作用来确定的，根据蓄能器的作用不同，我们采用的计算方式不同。由于反应时间较快，可视为绝热过程，所以，蓄能器的计算可以根据下述公式得：（4-9） 式中：A—缸有效面积（）；L—柱塞行程（m）；K—与泵类型有关的系数，K=0.023；—充气的压力大小，其取值为系统工作压力的60%；—系统最低工作压力；—系统最高工作压力；n—绝热时取1.4。代入计算得：所以使用蓄能器型号为NXQ1-L2.5/31.5，NXQ1-L2.5/31.5产品的生产厂家为奉化奥莱尔液压有限公司，本产品的公称容积大小为2.5L，它的工作压力大小为31.5MPa，它的壳体结构是小口型，此产品所用的工作介质为矿物油。4.5.7回油过滤器的选型回油过滤器是在液压系统中起到清洁作用的。选择PLF系列的过滤器，型号为“PLF-H60x10”，厂家是黎明液压有限公司，其最大工作压力是32MPa，最大流量是60L/min。4.5.8油箱设计油箱的功用油箱的设计好坏，对于液压系统的工作可靠性具有很大的影响，在液压系统中，油箱主要影响到液压泵的使用寿命，对于它的使用时长将会有决定性的影响。油箱容积的确定选择油箱容积是关键。要确保符合个工作要求。根据经验公式，可以计算得到油箱容积。即：（4-10）式中：V—油箱的有效容积（）；q—液压泵的流量（）；—经验系数，其取值见下表4-5。所以，取，得到：油箱散热校核液压系统中的油液介质功率损失，将会转变为系统的热量，热量需要通过油箱进行散热，计算得油箱的散热面积为：（4-11）式中：—油箱的最小散热面积（）；—油液允许温度与环境温度之差（℃）；—液压系统损失的热功率（W）；K—油箱散热系数[W/()]。不同散热条件下油箱的散热系数见下表4-6：计算得：冶金工业中，液压系统所用的油液介质的温度一般为30～50℃，工作过程中它的温度最大值不超过65℃，温度的最小值不低于15℃。其他设备也有相应的温度要求，它们的允许的温度值在40～55℃。所以，取℃。散热系数K=15W/()计算得到：一般取油箱的高、宽、长之比为，按照使用规定，当液压系统油箱的油液的高度达到油箱高度的80%时，油箱的冷却需要靠自然冷却进行，所以，我们在设计油箱的时候，要使液压系统中的油液保持在所允许的温度以下，所以，计算油箱散热面积时，采用下式。即式中V—液压系统所用的油箱有效容积（L）；A—油箱的散热面积（）。由于散热面积，所以油箱内的油温会超过允许的温度。所以需要装设冷却器。4.5.9冷却器的选型计算根据上述计算结果可知，仅靠油箱散热不符合要求，所以，我们要进行额外的散热方式，来确保液压系统工作在正常的温度范围内，设置冷却器可以保证液压系统正常的工作温度。在本次设计的液压系统中，我们选用的是水冷式散热方式的冷却器。计算冷却器的热量交换 首先，计算出液压系统工作过程中，产生的热量，根据上式，油箱的散热面积A的值，计算出油箱的散热量，根据以上结果，则可以求出冷却器进行的热交换量的大小为:计算冷却器的散热面积冷却器所必须的散热面积A（单位为）的计算公式为（4-12）式中—表示所选用的冷却器的热交换量（W），其值应表示液压系统的发热量与系统油箱的散热量的差值；—表示液压系统所用的液压油和油箱的冷却介质之间的平均温度差值的大小（℃），；—液压介质的进口温度（℃）的大小，其值由发热的情况来进行确定；—液压介质的出口温度（℃），其值的大小是根据液压系统对油温的要求来进行确定的；—液压系统的冷却介质的进口温度（℃）值的大小，其值大小一般要根据环境温度来进行确定；—液压系统的冷却介质的出口温度（℃）值的大小，其值的大小与冷却水量具有很大的关系，在进行冷却时，取℃；K—液压系统中的冷却器的散热系数[W/()]值的大小，其值大小与冷却器的种类和型号有关，具体的计算，需要根据样本或手册来进行确定。℃K取值350W/()代入相关数据得：在实际使用过程中，冷却器内可能会堆积有管道中的油污杂志或者是冷却水中的水垢，包覆在冷却管道表面使换热效率和降温效果降低。所以实际计算时，冷却器实际的散热面积要比计算得出的值大30%，即取。按照这计算结果选择列管式冷却器，型号为“GLC2-1.95/4L”，生产厂家为广州腾豪换热设备制造厂。4.6amesim液压系统原理图根据以上步骤分析，设计液压系统原理图，根据系统中的参数，选择符合工作要求的液压元件，如图4-2所示。图4-2液压系统原理图

在amesim软件上搭建液压系统模型，模型如图4-3所示。图4-3液压系统模型

第5章背衬辊的三维结构设计5.1三维建模软件概述在本次完成森吉米尔二十辊轧机的三维建模的过程中，采用的三维建模软件是SolidWorks，SolidWorks软件是当今工程人员最喜欢使用的一款功能强大的三维软件，它具有易学易用的操作界面，高效创新的制图指令方式，在现代工业产品设计中，三维模型的设计，大多使用SolidWorks。所以，SolidWorks的使用，极大的方便了产品的加工生产。5.2背衬辊结构分析多辊轧机的辊系结构与传统的轧机不同，它的偏心辊是由很多零件组成的，根据不同的支撑辊实现的功能，可以分为三组。分别是B、C背衬辊组、F、G背衬辊组以及A、D、E、H背衬辊组，其中，只有B、C背衬辊组具有双偏心结构，F、G背衬辊组与A、D、E、H背衬辊组都是单偏心结构，它们在其余零部件结构上基本相似，仅是偏心环的偏移量不同。5.2.1B、C背衬辊结构背衬辊B、C是通过一个心轴，心轴将各零部件连接起来，共同构成B、C支撑辊组。心轴上开有键槽孔，通过放置键槽和内偏心环的键槽孔进行连接，内偏心环是用来进行压下调节的，可以将它固定在外偏心环上，外偏心环是用来进行凸度调整的，外偏心环安装在鞍座上，鞍座焊接固定在扇形片上，扇形片安装在机架中，将辊系的力均匀的传递到机架上。B、C支承辊得详细结构，如图5-1所示。

5.2.2F、G背衬辊结构背衬辊F、G，其基本结构与B、C背衬辊基本相似，唯一不同的就是其内部只有一个偏心环来进行调控。F、G背衬辊，结构如图5-2所示。5.2.3A、D、E、H背衬辊结构背衬辊A、D、E、H，其基本结构与F、G背衬辊相似，都是单偏心环结构，唯一不同的是，其端部只有一个齿轮，与辊径补偿电机连接，进行调控，而F、G支撑辊端部，是两个扇形齿轮，与轧制线标高油缸齿条作用。A、D、E、H背衬辊，结构如图5-3所示。5.3背衬辊三维建模设计5.3.1B、C背衬辊建模设计B、C背衬辊是用来进行压下、辊形和辊径补偿调控的，由于其复杂的调控功能，其结构设计为双偏心环结构，以便于实现调控。背衬轴承尺寸 首先根据二十棍轧机的辊系的尺寸，可以确定背衬辊中的背衬轴承，取其外径值大小为90mm，已知，心轴的直径大小为40mm，所以，选择外径为90mm，内径为40mm的背称轴承，宽度为54mm。内偏心环建模 内偏心环的作用是实现压下，其偏心量的大小与支撑辊压下的距离有关。理论上，轧机辊系的开口度是内偏心环的偏移量的2倍。本型号森吉米尔轧机的开口度为3.6mm，所以，设计内偏心环的偏移量为1.8mm。内偏心环通过键连接在心轴上，其内径与心轴内径一样，均为40mm，由于背衬轴承外径为90mm，考虑到外偏心环的存在，内偏心环外径的尺寸不能过大，所以内偏心环外径取51mm，内偏心环的中部凸台宽为7.5mm，方便与外偏心环固定，内偏心环与两背衬轴承内环端部接触的宽度为15.5mm，起到定位固定的作用。在偏心环径向较厚的方向上开一键槽，键槽宽度为8mm，键槽与心轴连接，实现偏心运动的功能。根据以上参数，建模得B、C支撑辊内偏心环三维模型，如图5-4所示.图5-4BC背衬辊内偏心环三维模型外偏心环建模 B、C背衬辊的外偏心环，用来进行径向板形调整，外偏心环的内径尺寸57mm，外径尺寸是69mm，在其两侧面开有直径为3mm的销孔，用来和齿轮片固定连接，从而使齿轮片的旋转运动带动外偏心环，从而进行板形调控，调控的值比较小，所以，取外偏心环的偏移量为0.4mm。根据以上参数，建模得B、C背衬辊的外偏心环三维模型，如图5-5所示.图5-5BC背衬辊外偏心环三维模型鞍座建模背衬辊组的工作原理就是通过背衬轴承来改变辊系受力，进行板形调控，根据这一原理，取鞍座直径为84mm，内径直径为75mm，鞍座的厚度为7.5mm，其值的厚度大小与外偏心环的厚度大小一致，考虑到安装连接，所以取其直径为104mm。根据以上参数，建模得B、C支撑辊鞍座三维模型，如图5-6所示.图5-6BC背衬辊鞍座三维模型B、C支撑辊扇形板三维建模设计在背衬辊组中，扇形板所起到的作用就是将鞍座部件和机架安装固定在一起的，通过扇形板的作用，背衬辊所承受的轧制力