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140
mm
轧管机侧压进
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机械设计
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Φ140mm轧管机侧压进系统设计机械设计,140,mm,轧管机侧压进,系统,设计,机械设计
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II辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）140mm轧管机侧压进系统设计摘要轧管机是生产无缝钢管的主要设备之一，由其名称就可判断其最主要的用途就是钢管的轧制。而在轧制过程中，侧压进装置必不可少，因为其对轧辊的调节将影响无缝钢管的生产质量。本课题利用链传动、蜗杆传动等基本原理，通过计算选取各机械设备的参数，选择并校核了电机，对液压缸进行了选择与校核。分配了传动比，校核了侧压螺丝的强度，进而设计蜗杆减速器，对蜗杆轴进行了设计计算及强度校核。通过进一步计算选取了联轴器、轴承和键的型号，使侧压进装置各项指标符合要求。关键词：电动机的选择；液压缸；链传动；蜗杆传动；校核等 140 mm rolling machine pressure tube into the deviceAbstractTube rolling mill is one of the main equipment of the production of seamless steel pipe, the name can be judged by its main purpose is the steel tube rolling. And in the rolling process, sidewall compression inlet device is essential, because the roll adjustment will affect the seamless steel pipe production quality. This topic use the chain transmission, worm drive and other basic principles, through the calculation and selection of the parameters of the mechanical equipment, select and check the motor, the hydraulic cylinder to select and check. Allocation of transmission ratio, the strength of checking the pressure screw, and design of the worm reducer, the design calculation and strength check of the worm shaft. Through further calculation of selected couplings, bearings and key models, the pressure feeding device the indicators meet the requirements.Keywords:;The selection of motor;The hydraulic cylinder;Worm drive;Chain drive; 第 IV 页辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）1绪论11.1选题背景及目的11.2钢管生产工艺及其在国民经济中的主要地位与作用11.2.1钢管生产工艺11.2.2 钢管在国民经济中的地位与作用21.3国内外轧管机械的发展状况31.3.1穿孔机的发展31.3.2轧管机的发展41.3.3减径机的发展51.3.4定径机的发展及新技术51.4课题的研究内容及方法62方案的选择和设计82.1 设计的原始参数82.2方案的选择82.2.1系统动力源的选择82.2.2 传动装置的选择82.2.3 执行装置的选择92.3 总体方案简图93 侧压系统的电机的选择113.1 作用在侧压螺丝上的载荷113.1.1变形区长度的确定113.1.2接触面宽度的确定123.1.3轧制压力的计算133.2侧压进螺丝主要尺寸的确定153.3 侧压螺丝驱动力矩173.4侧压电机的容量选择174侧压进平衡装置的选择及其校核194.1 平衡方法的选择194.2平衡力的计算194.3 液压平衡装置的计算及其校核194.3.1液压缸柱塞杆直径的计算及其强度校核194.3.2液压缸壁厚的计算及其校核205 主要零件设计和强度计算225.1总传动比的分配225.2侧压螺丝的强度校验225.3 侧压螺母的结构尺寸设计235.4 蜗轮蜗杆的计算265.4.1 选择蜗杆传动类型265.4.2选择材料265.4.3按齿面接触疲劳强度进行设计275.4.4蜗杆与蜗轮主要几何尺寸计算285.4.5校核齿根弯曲疲劳强度295.4.6蜗杆传动的热平衡计算315.5 蜗杆轴的受力分析及传动校核325.6 滚动轴承的选择和寿命计算375.6.1 滚动轴承的选择375.6.2 滚动轴承寿命计算385.7联轴器的选择与强度校核395.7.1联轴器的分类395.7.2联轴器的选择405.7.3联轴器载荷的计算405.7.4型号选择405.8 花键的选择及其校核415.8.1.花键的选择415.8.2.花键轴的校核416 润滑系统436.1 蜗杆传动的润滑436.2 滚动轴承的润滑436.3 滚动轴承的密封436.4 侧压螺母的润滑447经济分析及环境保护457.1经济分析457.2环境保护457.2.1 废水治理467.2.2固体废物处理和综合利用467.2.3噪声处理46结论47致 谢48参考文献49第 49 页辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）1绪论1.1选题背景及目的短暂的大学生活即将结束，我们迎来了每个本科生都会经历的毕业设计，这是对我们能否将理论知识化为实践能力的一次检测。学校学院领导、老师悉心为我们联系鞍山钢铁集团公司的无缝钢管厂的相关负责人，才使我们有机会看到了自动轧管机、连轧管机、三辊轧管机，并在现场工程师的带领下参观了219、159和177PQF三条国内先进的生产线，对整个轧管工艺流程和具体的设备有了一定的认识。在现代社会中，钢材产量和质量是衡量一个国家国力的重要指标，社会对钢铁轧制品数量和质量的要求越来越高，钢管作为钢铁轧制品在工业生产和日常建设中起到举足轻重的作用。轧管机主传动系统是由机械、电气以及控制多个部分组成，系统庞大，它的设计的优良直接影响产品质量的好坏，即可看出轧管机主传动设计的重要性。本次毕业设计的任务是通过所学的理论知识以及相关文献，设计一台钢管轧管机的主传动系统，并在现有的条件下对设计的相关设备进行校核，以验证其符合设计要求。1.2钢管生产工艺及其在国民经济中的主要地位与作用1.2.1钢管生产工艺无缝钢管的生产在世界上已有一百多年的历史。首先是由德国曼内斯曼兄弟于1885年发明了斜轧穿孔工艺，从而开创了无缝钢管生产发展的历史。之后，他们继续不懈地探索，寻求轧长、减薄穿孔厚壁毛管的方法，终于在1892年采用周期轧管工艺由实心坯轧出世界上第一支无缝钢管，完成了由实心管坯轧制无缝管的“曼内斯曼轧管工艺”。随后，多种轧管工艺相继出现.现代主要轧管工艺流程如图1.1所示。生产热轧无缝钢管的方法有很多，而生产方法的主要差别就是把空心毛管壁厚减薄到接近成品尺寸的工序，也就是轧管工序，一般都是用轧管机的名称来给整套机组命名的，比较常用的几种方法有： 1.周期式轧管法是使用穿孔后的毛管，在周期式轧管机上轧制钢管的方法，能够生产大直径管材，轧机的的延伸系数很大，可以减少穿孔时的变形量，适合多品种小批量的生产，也是周期式轧管法的特征。周期式轧管机是上下两个轧辊上均车有变面轧槽的不可逆二辊压机，在轧机的前台没有夹持并且能够转动芯棒的送料机。 2.连续式的轧管机组，轧管前和轧管后的工艺环节跟自动轧管机组是基本上一样的，连续式的轧管机组跟定径机的二辊轧机构成是相似的，把穿孔后的毛管套在长度与成品管相近的长芯棒上，靠轧辊的孔型和长芯棒的作用来减壁的，毛管从连续式轧管机轧出以后，一定要与长芯棒之间有1毫米的空隙，因为孔形是椭圆的，而且轧机的配置还要保证相邻的两架轧机要呈90度交替的压缩轧件。 3.三辊式轧管机组与连续轧管机组的工艺流程是大体相同的，唯一的不同就是轧管工序，三辊式轧管机的轧辊布置，在垂直毛管中心线的平面内有三个互相间隔120度的轧辊，三个轧辊同向转动，芯棒和其周围对称位置的三个轧辊组成一个环形封闭孔型，轧辊轴线和轧制线成两个倾斜角度，先把芯棒插入穿孔后的毛管中，然后送入轧机轧制，就是三辊式轧管机组的轧管过程，在轧制的时候，毛管和芯棒在三个轧辊作用下边旋转边前进，呈螺旋运动，在这个时候毛管在轧辊和芯棒间受到压缩轧制，然后被加工成要求尺寸的毛管。 矫直无损探伤出产管加工厂加工人工检查圆管坯锯切环形炉加热高压水除磷连轧除磷毛管喷硼砂穿孔轧制热定心脱管机脱管高压水除磷定径冷却再加热中间仓库切头尾图1.1 现代主要轧管工艺流程1.2.2 钢管在国民经济中的地位与作用钢管是一种多功能的经济断面钢料，它在国民经济各部门中的应用愈来愈广泛。钢管作为输送管广泛地用于输送油、气、水等各种流体，如石油及添人气的钻探开采与输送、锅炉的废水与蒸汽管道、一般的水煤气管道。在断面面积相同的条件下，钢管比圆钢、方钢等的抗弯能力大，刚性好，其单位体积的重量轻，钢管是一种抗弯能力较强的结构材料，所以钢管也可以作为结构管大量地用于机械制造业和建筑工业，如用于制作房架、塔吊、钢管桩、各种车辆的机构加等。除此之外，钢管还作为中空的零件毛坯用于制造滚动轴承、液压支柱、液压缸筒体、空心轴、花键套、螺母以及手表壳等，这既节约金属又节省加工工时。最后，钢管又是国防工业中的重要材料，如用于制造枪管、炮筒及其他武器。随着航空、火箭、导弹、燕子能与宇宙空间技术等的发展，精密、薄壁、高强度钢管的需求量迅速增长。 1.3国内外轧管机械的发展状况19 世纪初期石油的开发，两次世界大战期间舰船、锅炉、飞机的制造，第二次世界大战后火电锅炉的制造，化学工业的发展以及石 油天然气的钻采和运输等，都有力地推动着钢管工业在品种、产量和质量上的发展。 我国第一批轧钢设备建于1896年, 并于1907年在我国创建的第一个钢铁厂汉阳钢铁厂投人生产, 轧钢机是由蒸汽机驱动的设备。建国前, 我国轧钢设备十分薄弱。钢材的最高年产量只有68.6万吨, 仅为当时生铁产量的38.1%。我国现有三辊轧管机组10余台(套)，进口机组和国产机组在数量上的比例为l：l。为提高产品质量、钢管成材率、生产效率和控制水平，各钢管企业均根据自身条件进行了不同程度的自动化和现代化技术改造，其中最具代表性的是鞍山钢铁公司的219mm机组和衡阳华菱钢管(集团)有限公司的108mm机组，其中鞍钢新轧钢公司无缝钢管厂对219mm自动轧管机组均整机锥形辊进行了新的设计，改进了均整机孔型，优化了均整工艺。使均整机轧制过程更为可靠、轧制出口速度明显提高、进出口变形区的轧制力分布更加均匀。 1.3.1穿孔机的发展 现在应用比较多的穿孔机有压力穿孔机、PPM推轧穿孔机、斜轧穿孔机；其中斜轧穿孔机包括曼内斯曼穿孔机、Stiefel穿孔机、Diescher穿孔机和锥辊式穿孔机。 压力穿孔机和PPM推轧穿孔机采用的原料为连铸方坯。穿孔工艺首先要保证穿出的毛管壁厚均匀，椭圆度小，几何尺寸精度高；其次是毛管的内外表面要较光滑，不得有结疤、折叠、裂纹等缺陷；第三是要有相应的穿孔速度和轧制周期，以适应整个机组的生产节奏，使毛管的终轧温度能满足轧管机的要求。随着双支撑式锥形辊穿孔技术的逐渐成熟，近10年来国内外新建的连轧管机组几乎全部采用锥形 辊穿孔机，其他热乳管机组（如顶管机组、ACCU Roll机组等）也开始大量采用锥形辊穿孔机。锥形辊穿孔机的优点主要表现在：1.乳辊直径向出口方向逐渐加大，与变形区 内金属流动速度逐渐增大相一致，减少了管坯的周 向切应力，减少了毛管内外表面缺陷和金属扭曲；2.采用大的喂人角和辗轧角，增大了变形程 度，可使延伸系数髙达6，穿孔速度达穿 孔效率达90%，扩径率达40%;3.穿孔变形大，可减小后部轧管工序的轧件 变形量。正是由于锥形辊穿孔机有上述突出优点，尽管 其设备重量及装机容量较常规二辊穿孔机高20% 30%,仍得到大多数新建机组的应用，并促使少机 架限动芯棒连乳管机(MINI-MPM)得到大力发展， 也使Assel轧管机、Accu Roll轧管机生产更薄更长的钢管成为可能。 穿孔工艺首先要保证穿出的毛管壁厚均匀，椭圆度小，几何尺寸精度高；其次是毛管的内外表面要较光滑，不得有结疤、折叠、裂纹等缺陷；第三是要有相应的穿孔速度和轧制周期，以适应整个机组的生产节奏，使毛管的终轧温度能满足轧管机的要求。1.3.2轧管机的发展 1990年以来，世界上新建无缝钢管生产机组 主要为限动芯棒连乳管机（MPM)、Accu Roll乳管机、CPE顶管机及新式Assel轧管机，其中限动芯 棒连轧管机组在数量上最多，分布地域也更广，而其他型式的乳管机组则主要在发展中国家。另外，德国KOCKS公司开发出另一种型式的 紧凑式轧机。其特点是：轧管机采用新型四辊行星 式轧管机(可轧出长达50m的荒管），其后紧凑布置 张力减径机及回转式飞锯另 外轧管机轧出的荒管长度达50m,使得钢管经张力 减径机的端部增厚损失降至最小。目前，在世界上应用的轧管机有皮尔格轧管机、自动轧管机、CPE轧管机、新型三辊轧管机、Accu Roll轧管机、MPM轧管机和PQF轧管机。工业发达的国家，如美国、苏联、西德等拥有大量的现代话热轧钢管设备，其中主要是自动轧管机和周期式轧管机，生产钢管占世界热轧管产量的92%。钢管增长率7.5%，它们生产的热轧管产量占世界钢材产量的15%左右。轧管机械设备向着大型、连续、高速和计算机控制，集成的方向发展。1.3.3减径机的发展减径机就是连续多机架无芯棒纵向轧制的机组。减径机按结构可分为2辊减径机和3辊减径机。两辊减径机从目前国内现有结构特点上来讲，其结构较为简单，由于其轧辊孔型为单独加工而成，因此使上下辊孔型封闭不好，从而造成内孔多边形严重，由于金属滑移大，造成产品纵向壁厚差大，但由于其结构简单，调整控制简单，因此设备投资很小，适合生产较低品质无缝管用户进行投资。 三辊单独可调式定径机(FQS)技术是在每个轧辊位置上各设1套液压压下装置，可根据不同的条件对3个轧辊进行单独调整，以实现钢管外径的精确控制以及沿圆周上对椭圆度进行的调整，还可沿钢管长度上进行在线动态压下调整，以消除因钢管沿长度方向上的温度不均造成的外径偏差。该技术是意大利INNSE公司开发的，已成功应用于日本住友和歌山厂新建的426mm连轧管机组中。总体来讲三辊减径机具有各方面的优势，是今后国内热轧线的发展趋势。1.3.4定径机的发展及新技术目前定径机一般有两种类型。一种为多机架纵轧型，这种类型是通过37架孔型的连续轧制，以达到定径的目的。另一种为单机架斜轧旋转定径，这种类型其减径量较小，但精度高，主要用于中厚壁管轧制。采用该技术可以根据轧制钢管外径的变化，一定范围内对轧辊辊缝进行调整，另外还可以根据 轧辊磨损情况，对辊缝进行调整补偿，以保证必要 的钢管外径尺寸精度。三辊可调式机架的开发，可以大幅度地减少备用轧辊及机架的数量、减少乳辊 消耗、提高设备利用率以及提高设备的灵活性。德国SMS Meer公司及K0CKS公司均开发出各自的三辊同步可调式张力减径机/定径机。其工作原理都是将轧辊轴装于偏心轴套之内，通过现场手动或远程电动控制3根偏心轴套同步旋转，带动轧辊辊缝同心调整。只是两者带动偏心套旋转的执机构有所不同。该技术只能在空载条件下实现，即轧辊辊缝调整在轧制间隙时间内完成，不能进行动态调整。1.3.5矫直机的发展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品的质量水平。20世纪初已经有矫直圆材的二辊式矫直机，在20世纪30年代中期发明222型六辊式矫直机，显著提高了管材矫直质量。后来在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型七辊式矫直机。我国改革开放以后接触到大量的国外设计研制成果，有小到1.6mm金属丝矫直机和大到600mm管材矫直机，有速度达到300m/min的高速矫直机和精度达到0.038mm/mm的高精度矫直机，同时也引进许多先进的矫直设备。进入90年代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、省及部级科技成果进步奖，有的获得了国家发明奖。近年来我国在反弯辊形七斜辊矫直机，多斜辊薄壁转毂式矫直机,平行辊异辊距矫直机及矫直液压自动切料机等研制方面相继取得成功。1.4课题的研究内容及方法此次设计内容是根据鞍山钢铁集团公司中无缝钢管厂的140MPM限动芯棒五架连轧管机所选的课题，设计的主要内容轧管机侧压进系统。侧压进系统原理图如图1.2所示。侧压进系统包括减速机、联接轴、联轴器等部件组成。这次所设计的侧压进系统是由电机通过减速器传动轧辊的。图1.2侧压进系统原理图传动总体方案的设计内容：1、计算140MPM轧管机的力能参数。根据计算的参数选择合适的电机并校核。2、根据已有的数据选择合适的联轴器、对减速器主要零件的强度计算和校核及万向联轴的选择。3、根据以上的机构参数绘制1张总图、1张局部装配图、9张零件图。 设计的方法： 首先，进入鞍钢参观实习。在感官上认识这次所要设计的物体。我们到了鞍钢无缝钢管厂。在那里我们通过参观和工程师的认真讲解，对设计的轧机侧压进系统有了初步的了解。熟悉了140MPM轧管机的工作情况及主传动系统的传动方式。然后，通过查阅材料选择最佳的传动方式。最后，选择最佳传动方案，计算轧制力及轧制力矩，根据计算在手册上选择电机、联轴器、等部件并校核。完成图纸绘制及说明书的编辑。2方案的选择和设计2.1 设计的原始参数热轧无缝钢管管坯直径：90180mm，管坯长度为10003600mm。管坯材质：碳钢、合金钢。毛管直径：90185mm，壁厚630mm，毛管长度为40008500mm。（1）轧辊直径：650750mm，辊身长度620mm，轧辊前进角：8，最大轧制力矩：T=136KNm。轧辊转速：n=135r/min，轧辊轴向调整：以机架中心线为基准，向入口方向可调080mm，向出口方向可调060mm，轧件最大出口速度：0.59m/s。（2）侧压进压下速度V=3.5mm/s，S=0320mm，T=1分25秒2.2方案的选择2.2.1系统动力源的选择传统机电设备的功能实现部分一般可以分为原动部分、传动部分和工作部分。原动部分是设备的动力来源，如机电设备中的电动机。我们知道任何机电设备的工作都离不开动力。电能、风能、热能、化学能等都可以作为机电设备的动力。机电设备中最常见的动力源是电动机。电动机是根据电磁感应原理和电磁力原理工作的，它将输入的电能转换为机械能并输出，驱动机械部分运转。使用、维护、维修机电设备都必须了解电动机的类型和性能。电动机的品种很多，可按不同的方法分类：1） 按电动机输入电流类型：可分为直流电动机和交流电动机。交流电动机又可分为同步电动机和异步电动机 。2） 按电动机相数：可分为单相电动机和多相（常用三相）电动机。 根据设计要求，在此选择三相交流电动机。2.2.2 传动装置的选择 传动装置是将原动机的运动和动力传给工作机构的中间装置，一般通过机械传动和液压、气压传动来实现。常用的传动装置有齿轮传动：旋转运动，精度高；齿条传动：直线运动，精度高；皮带传动：旋转运动，精度低，冲击小；凸轮传动：往复运动，顺序动作；蜗杆传动：变比大，精度高；螺杆传动：往复运动，精度高；链条传动：精度低，结构简单。 此次设计在减速器中用到了链传动，蜗杆传动，螺杆传动和液压传动。2.2.3 执行装置的选择执行装置即设备的工作部分，是完成预定功能的终端部分，就是把从电源、液压、气压等动力源获得的能量变换成旋转运动或者直线运动的机械能，同时产生是机械工作的力的一种装置。如普通车床的主轴、拖析，升降机的平台，洗衣机的波轮等等。在设计中选用的执行元件有液压缸，它结构简单、工作可靠。用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械的液压系统中得到广泛应用。2.3 总体方案简图1）电动侧压传动示意图1- 链轮 2 - 联轴器 3 - 侧压电机 4 - 电磁联轴节5 - 传动轴 6 - 蜗杆 7 - 侧压螺杆蜗轮 图 2.1 电动侧压传动示意图工作原理：如图2.1，电动机3经传动轴连接联轴器2传至链轮1，途经蜗杆传动带动侧压螺丝的行进与后退，进而完成轧辊辊缝的调节，此中用到的平衡液压缸可精确平稳地完成固定行程，从而完成压入工作。2） 电动双压下装置传动示意图 1 - 精调电动机 2 - 粗调电动机图2.2 电动双压下装置简图 由于电动双压下装置的反应灵敏度差,所以仅用于精度低的热轧板带成品轧管机上。电动双压下装置简图如图2.2所示。在这种压下装置中精调与粗调系统都是由电动机通过机械的减速机构来传动压下螺丝的,因此传动系统的惯性力很大,从而使调整辊缝的校正讯号传递滞后现象很严重,所以无法满足高精度的板厚公差要求。由于以上原因,目前很少采用这种板厚自动调节系统。其简图如图2.1所示。3 侧压系统的电机的选择3.1 作用在侧压螺丝上的载荷3.1.1变形区长度的确定变形区的长度为入口断面的距离，如图3.1所示，入口断面上的管坯直径为da，出口断面上的荒管直径为d1，轧辊之间的最小距离为dH ，轧辊的入口锥母线倾角为1，出口锥母线倾角2，送进角为。图 3.1 确定变形区长度和接触宽度根据参考文献3，可求变形区长度：当考虑送进角时，变形区的长度L按上式计算得到的值要小。在=812时，误差不超过810%。确定L的精确公式是很复杂的。根据参考文献1 ，所以可以接近近似按下式计算按上式计算得 =83.08+19.45=102.53mm其中毛管直径da=110mm，出口荒管直径d1=90mm，轧管机与轧辊之间的最小距离dH=115mm，入口锥母线倾角1=8，出口锥母线倾角2=7，=10。3.1.2接触面宽度的确定图 3.2 确定接触面宽度任意断面接触宽度b可根据该面上轧辊半径R压下量及管坯的轧前半径r=r1+r确定。如图3.2所示。由于及远小于1，上式的根号项可以展开成麦克劳林级数。展开式的前两项已足够精确。则有：把上式代入公式中，整理得：把关系代入，则有：已知条件：管坯的压下量r=(110mm-90mm)/2mm=10mm，管坯轧后直径d=90mm。轧辊直径可求接触面宽度b得： =31.5mm3.1.3轧制压力的计算根据理论和实验研究，在斜轧时比值b/2r较小，单位压力受接触摩擦系数的影响较小，而受外端的影响比较大。在比值b/2r1时，随比值b/2r的减小，比值p/不断增大。所以在确定斜轧的平均单位压力时，趋向于比值b/2r作为影响应力状态的基本参数。实际上，只能根据不同轧制条件的实验数据，建立一个统一的应力状态系数综合考虑上述因素对平均单位压力的影响。根据参考文献3，有P=ns将二辊斜轧圆柱体简化看成为在平行平面间压缩圆柱体的情况，对这样的滑移线场进行分析，根据参考文献5，导出如下计算二辊穿孔时的单位压力公式：式中 K纯剪切时的变形抗力，。根据参考文献2，普通低合金钢，轧制温度为1000时，s=280MPa，所以。r坯料的半径，mmb接触表面宽度，mm因为在12r/b8.5范围内是正确的。又因为2r/b=190/31.5=6.7148.5，所以得 =829.77MPa轧制压力p=pmbl=732.1428.377.35=1.82106N取p=2106N。侧压螺母水平方向的压力：P侧=0.3p=0.32106=0.6106N每个螺丝上的载荷：p1=p/2=0.6106/2=0.3106N。3.2侧压进螺丝主要尺寸的确定侧压进螺丝的基本参数是螺纹部分的外径d和螺距t。如图4.1所示。图 4.1 锯齿形螺纹的基本尺寸侧压进螺丝直径由最大轧制压力决定。由于侧压进螺丝的细长比很小，其总弯曲可忽略不计，根据参考文献3，压下螺丝最小断面直径d1由下式确定：式中 p1作用在螺丝上的最大轧制力，N；Rd侧压螺丝的许用应力，MPa。侧压螺丝材料为锻钢，其许用应力，MPa。侧压螺丝材料为锻造钢，其许用应力为Rd=100120MPa；所以断面最小直径为计算螺丝的中径对于矩形和梯形螺纹中径的计算，由参考文献3：式中 F作用在螺丝上的载荷，F=P； 螺母和螺丝中径的比值，取=1.2；p材料的许用应力，经文献8表512，查得 p=11MPa。所以螺丝的中径为：对于二辊轧机：dg/D=0.450.55，D=1020mm求得：dg=459mm。根据参考文献3，由于侧压螺丝和轧辊辊径承受同样大小的轧制力，故两者之间有一定的比例关系，即d=(0.550.62)dg式中 d侧压螺丝外径，mm dg辊径直径，mm。对四辊轧机则应该是支承辊辊直径。侧压螺丝外径为根据参考文献3，侧压螺丝的螺距螺纹升角 3.3 侧压螺丝驱动力矩转动侧压螺丝所需的静力矩也就是侧压螺丝的阻力矩，它包括止推轴承的摩擦力矩和螺纹之间的摩擦力矩，其计算公式是：式中： 螺纹中径； 螺纹上的摩擦角，即，为螺纹接触面的摩擦系数， 一般取，故； 螺纹升角，压下时用正号，提升时用负号，t为螺距, ； P1作用在一个侧压螺丝上的力； M1止推轴承的阻力矩； M2螺纹摩擦阻力矩。止推轴承的阻力矩M1，对实心轴颈为：式中： 侧压螺丝止推轴颈直径； 对滑动止推轴颈取。又由于轧机的侧压系统在工作时需要润滑，查文献1可知，钢与钢之间的滑动摩擦系数无润滑剂时为0.15，有润滑剂时为，本设计取0.1。所以螺丝的传动力矩： 3.4侧压电机的容量选择因为本侧压机构是由一个电动机来驱动两个侧压螺丝。所以根据参考文献3驱动螺丝所需要的电动机功率为。式中 M转动调整的静力矩。 n电动机的额定转速，r/min。 i传动系统总数比。 传动系统总的机械效率。侧压速度v=3.5mm/s，由公式，又因为n1=n/i代入公式得传动装置的效率链传动效率 链=0.92滚动轴承效率 承=0.99联轴器效率 联=0.99链轮效率 轮=0.98蜗杆效率 蜗=0.75螺纹传动效率 螺=0.95则传动总效率 =链承2联轮蜗螺 =0.920.9920.990.980.750.95=0.6232空心丝杠所受力 F=2.0KN，V=3.5m/s则空心丝杠的功率 则 由1可查得选取电动机型号为：Y180L6，功率为15kW，转速为970r/min。4侧压进平衡装置的选择及其校核4.1 平衡方法的选择目前市场上比较广泛的平衡方法有两种，一种是液压缸平衡，另一种是气压缸平衡。由于气动系统使用压力一般在0.21.0MPa，不能作为大功率动力元件，而且由于空气的压缩率远大于液压油，所以它的工作平稳性和响应方面就差很远。而液压缸具有结构简单、输出力大、性能稳定可靠、使用维护方便、应用范围广泛等特点。在使用液压缸平衡装置时，能够保证轧辊稳定，不上下移动。所以，本次设计选用的平衡装置为液压式平衡装置。4.2平衡力的计算被平衡的总重量G（包括轧辊，平衡装置及各种零件的总重量），查阅资料，计算得出：G=3.12107N该侧压进装置水平放置，同时在润滑良好的情况下，其平衡力大小为：P=G=3.12106N每个液压缸所受的平衡力为P1P1=P/2=1.56106N4.3 液压平衡装置的计算及其校核4.3.1液压缸柱塞杆直径的计算及其强度校核1.液压缸柱塞杆直径的额计算根据参考文献7得液压缸柱塞杆直径的计算公式如下：d液压缸柱塞杆直径G被平衡零件的重量，G=3.12107NK过平衡系数，1.21.4，此计算取1.4P1液压缸受到的平衡力n液压缸的数量，n=1由此得 =42.2mm考虑到液压缸柱塞工作的可靠性，通常将理论值扩大5%左右作为实际使用值，并且圆整，根据参考文献1,取d=52mm,缸筒内径D=90mm，缸筒外径D1=150mm,液压缸额定压力P额=10MPa。2.液压缸柱塞杆直径强度的校核根据参考文献7得液压缸柱塞杆直径的校核公式如下：d液压缸柱塞杆实际直径d液压缸柱塞杆许用直径P液压缸受到的平衡力 柱塞杆材料的许用应力b柱塞杆材料的抗拉强度，根据参考文献8，得：b=550MPan安全系数，24，此计算取1.4综上，液压缸最小许用直径：所以d=52mmd，满足强度要求。4.3.2液压缸壁厚的计算及其校核1.液压缸缸筒壁厚的设计计算根据参考文献1，得液压缸缸筒壁厚按薄壁筒计算的公司如下： Pmax液压缸实验压力，MPa，D液压缸内径，取D=90mmb材料抗拉强度，一般取b=200MPa所以 考虑到液压缸缸筒厚度的可靠性，将其扩大5%，作为实际使用值，查资料标准值：取=15mm。5 主要零件设计和强度计算5.1总传动比的分配 传动比的分配：根据参考文献1选定电动机满载转数n0=970r/min; 总传动比：，试分配各级传动比。 根据参考文献1，表4.29取。 则减速器传动比为 取两级齿轮减速器的传动比。 则低速级传动比5.2侧压螺丝的强度校验由螺纹外径确定出其内径后，便可按照其强度条件对侧压螺丝进行强度校验。式中： 侧压螺丝实际计算应力，MPa； 每个侧压螺丝所承受的轧制力，轧机主传动系统的轧制力为600KN，所以KN； 侧压螺丝外螺纹内径，mm； 侧压螺丝材料的许用应力，MPa。又有：式中： 侧压螺丝材料的抗拉强度极限（MPa）。本设计采用的侧压螺丝材料为42CrMo，查文献8得其MPa。 侧压螺丝的安全系数，通常选用，本设计选。MPaMPa所以侧压螺丝的强度满足要求。5.3 侧压螺母的结构尺寸设计1、侧压螺母高度H与外径D的确定（1）侧压螺母高度H的确定本设计选用侧压螺母的材料为ZCuZn25Al6Fe3Mn3（铸铝黄铜），对这种材料其薄弱环节是挤压强度较低，因此，侧压螺母高度H应按螺纹挤压强度来确定，其挤压强度条件如下： （5.27）式中： 螺纹受力面的单位挤压应力，MPa； 侧压螺丝轴颈上的最大压力，N； 侧压螺母中的螺纹圈数； 侧压螺丝的螺纹外径，mm； 侧压螺丝的螺纹内径，mm； 侧压螺母与螺丝的内径之差，mm； 侧压螺母材料的许用单位压力，MPa。先求出侧压螺母的螺纹圈数后，其高度便可由下求得：由生产实践得知可由以下的经验公式首先确定一个预选数值，然后再进行挤压强度校验，方能最后确定数值。通常可由下式预选：mm取mm。又侧压螺丝的滑动速度：属于低速运动，再根据侧压螺母的材料铸铝黄铜ZCuZn25Al6Fe3Mn3,由文献8查得侧压螺母的许用单位压力。 侧压螺母的高度可设定为302mm。（2） 侧压螺母外径D的确定作用在侧压螺丝上的轧制力通过侧压螺母与机架上横梁中的螺母孔的接触面传给了机架，因此，侧压螺母的外径应按其接触面的挤压强度来确定，即： （5.29）式中： 侧压螺母接触面上的单位压力，MPa； 侧压螺母上的最大作用力，N； 侧压螺母的外径，mm； 侧压螺丝通过的机架上横梁孔的直径，本设计设定为60mm； 侧压螺母材料的许用挤压应力，一般对于黄铜MPa。同样可由下面的经验公式确定：mm取=378mm。 所以侧压螺母的外径可设定为378mm。(3)侧压螺母的形式及材质的选用 一般侧压螺母均承受巨大的轧制力，因此要选用高强度的铸造铜合金，本设计选用铸铝黄铜ZCuZn25Al6Fe3Mn3。侧压螺母的形式很多，在大型轧机上为了尽量给国家节约有色金属，选用单箍圈螺母，如图5.1。 1-侧压螺母 2-箍圈图5.1单箍圈组合式螺母 箍圈由高强度铸铁铸成，以H7/m6的过渡配合套在黄铜的螺母基体上以后，再加工螺母外径和端面。高强度铸铁的弹性模数与铸铜的接近，这就能保证在受压时，箍圈和螺母本体均匀变形。高强度铸铁还有较好的塑性，装配时，箍圈不易破裂。这一点灰口铸铁是无法保证的。 箍圈不采用热装配，因为箍圈冷却后与螺母的台阶端面之间会产生间隙。如果工艺上需要热装，则冷却后再一次将箍圈压实。 为了便于拆卸，螺母与机架镗孔的配合采用H8/f9级动配合。为将螺母固定在机架的镗孔内，常采用压板装置。压板嵌在螺母和机架的凹槽内，用双头螺栓固定。如图5.2。图5.2 侧压螺母固定方式5.4 蜗轮蜗杆的计算5.4.1 选择蜗杆传动类型根据GB/T 10085-1988的推荐，本设计采用渐开线蜗杆（ZI）。5.4.2选择材料根据库存材料的情况，并考虑到蜗杆传动传递的功率不大，速度只是中等，故蜗杆用45钢；因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为4555HRC。蜗轮用铸锡磷青铜ZCuSn10P1,金属模制造。为节约贵重的有色金属，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰铸铁HT100制造。5.4.3按齿面接触疲劳强度进行设计根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再按齿根弯曲疲劳强度设计。传动中心距：（1）确定作用在蜗轮上的转矩：按，查文献2估取效率。（2）确定载荷系数：因工作载荷比较稳定，故载荷分布不均匀系数；由文献2选取使用系数；由于转速不高，冲击不大，可取动载系数，则：（3）确定弹性影响系数：因选用的是铸锡磷青铜和钢蜗杆相配，故。（4）确定接触系数：先假设蜗杆分度圆直径和传动中心距的比值，由文献2中可查得。（5）确定许用接触应力：根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1，金属模制造，蜗杆螺旋齿面硬度大于45HRC，由文献2中查得蜗轮的基本许用应力。应力循环次数：次寿命系数：则：（6）计算中心距 取中心距mm，因为，取模数，蜗杆分度圆直径mm。这时，由文献2中可查得接触系数2.65，因为，因此上述计算结果可用。5.4.4、蜗杆与蜗轮主要几何尺寸计算（1）蜗杆：蜗杆头数 直径系数 齿顶圆直径 mm齿根圆直径 mm蜗杆导程角 轴向齿距 轴向齿厚 mm （2）蜗轮：蜗轮齿数 变位系数 蜗轮分度圆直径 mm喉圆直径 mm齿根圆直径 mm 咽喉母圆半径 mm 5.4.5 校核齿根弯曲疲劳强度当量齿数： 根据，由文献2中可查得齿形系数：。 螺旋角系数： 许用弯曲应力： 由文献2中查得由ZCuSn10P1制造的蜗轮的基本许用弯曲应力：MPa 寿命系数： MPa MPa 弯曲强度满足要求。5.4.6 蜗杆传动的热平衡计算蜗杆传动由于效率相对较低，所以工作时发热量大。在闭式传动中，如果产生的热量不能及时散逸，将因油温不断升高而使润滑油稀释，从而增大摩擦损失，甚至发生胶合。所以，必须根据单位时间内的发热量等于同时间内的散热量的条件进行散热计算，以保证油温稳定地处于规定的范围内。由于摩擦损耗的功率，则产生的热流量（单位为）为： （5.20）式中为蜗杆传递的功率，单位为KW。以自然冷却方式，从箱体外壁散发到周围空气中去的热流量为： （5.21）式中：箱体的表面传热系数，可取 ，当周围空气流通良好时，取偏大值；内表面能被润滑油所飞溅到，而外表面又可为周围空气所冷却的箱体表面面积，单位为，由图纸查证；油的工作温度，一般限制在，最高不应超过；周围空气的温度，常温情况可取为。按散热平衡条件，可求得在既定工作条件下的油温为：由于，满足散热条件。5.5 蜗杆轴的受力分析及传动校核1、蜗杆受力分析：图5.3 蜗杆传动的受力分析蜗杆传动的受力分析和斜齿圆柱齿轮传动相似。在进行蜗杆传动的受力分析时，通常不考虑摩擦力的影响。图5.3所示是以右旋蜗杆为主动件，并沿图示的方向旋转时，蜗杆螺旋面上的受力情况。设Fn为集中作用于节点P处的法向载荷，它作用于法向截面Pabc内。Fn可分解为三个互相垂直的分力，即圆周力Ft、径向力Fr和轴向力Fa。显然，在蜗杆与蜗轮间，相互作用着Ft1与Fa2、Fr1与Fr2和Fa1与Ft2 这三对大小相等、方向相反的力。 在确定各力的方向时，尤其需注意蜗杆所受轴向力方向的确定。因为轴向力的方向是由螺旋线的旋向和蜗杆的转向来决定的,该蜗杆为右旋蜗杆，当其为主动件沿图示方向(由左端视之为逆时针方向)回转时，蜗杆齿的右侧为工作面(推动蜗轮沿图5.1c所示方向转动),故蜗杆所受的轴向力Fa1(即蜗轮齿给它的阻力的轴向分力)必然指向左端。如果该蜗杆的转向相反，则蜗杆齿的左侧为工作面,故此时蜗杆所受的轴向力必指向右端。至于蜗杆所受圆周力的方向，总是与它的转向相反的；径向力的方向则总是指向轴心的。关于蜗轮上各力的方向，可由图5.4所示的关系定出。（1）当不计摩擦力的影响时，各力的大小可按下列各式
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