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850 水平 轧机 设计 机械设计

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制图左德成齿轮比例1：10审核辽宁科技大学机械学院05试点辽宁科技大学毕业设计任务书课题名称850水平轧机的设计课题类别设计类论文类课题来源生产实际 科研实际社会实际其它来源毕业设计(论文)要求、设计参数、各阶段实践安排、应完成的主要工作等一、毕业设计要求1撰写设计说明书要求：1）绪论及设计方案的确定：方案选择正确、论证充分；2）按轧制给定钢种的轧制规程，确定参数，进行轧制力、轧制力矩的计算，进而选择主电机，进行主传动系统的设计计算；3）主要零部件强度计算（机架、压下螺丝螺母、轧辊、联轴器等）；4）系统润滑、环保与经济性分析等；5）设计说明书撰写要符合“辽宁科技大学毕业设计撰写规范”的要求。2绘制工程图纸要求：总装配图1张、部件装配图2-3张、零件图3-4张，折成A1不少于6张。所绘图纸全部采用计算机绘图，图面质量要符合机械制图国家标准GB的规定与要求，达到工程使用标准。另绘制三维零件图1张。3翻译外文资料要求：翻译力求准确，文字通顺，符合规定内容和字数要求。二、设计参数：轧制材料：20# 轧制温度：t=1000轧辊转速：12.284r/min 轧件宽度: b0=140mm b1=146.5mm轧件高度：h0 =170mm h1=146mm三、各阶段时间安排、应完成的主要工作 第1- 2周：设计调研、收集资料（包括外文资料）、设计方案的确定论证； 第3- 6周：按轧制给定钢种的轧制规程，确定参数，进行轧制力、轧制力矩的计算，进而选择主电机等设计计算以及主要零部件强度计算第7-10周：绘制图纸（计算机绘图），包括总装配图1张、部件装配图2-3张、零件图3-4张，折成A1不少于6张，另绘制三维零件图1张。 第11周：编制、打印设计说明书； 第12周：外文翻译整理、图纸审查与输出； 第13周：毕业设计互审、答辩准备； 第14周：答辩。指导教师(签字)：年 月 日院长(系主任)(签字)：年 月 日 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 I 页850 水平轧机的设计摘要850 水平轧机是轧制生产线上的主要设备之一,其主要由传动系统与压下系统两部分构成，其作用主要是用来轧制不同规格的钢坯。本文通过对 850 水平轧机的设计，将所学理论知识与实践相结合，培养了我们独立思考能力和分析问题、解决问题的能力，并提高了对创新意识的培养。设计的主要内容包括 850 水平轧机设计方案的确定与论证，使设计方案能够达到使用要求，并且合理可行，然后进行轧制力能参数的计算，并根据算出的结果来选择电动机并进行校核、计算，同时对其中的主要零部件，如轧辊、机架、连接轴、传动轴、压下螺丝等进行强度计算，并对压下螺丝的自锁、牙强度、和耐磨性的校核，保证了使用的安全性与可靠性，最后对润滑方式进行了简单分析，对经济性也进行了分析。关键词关键词：轧机；轧辊；机架；轧制力 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 II 页The Design Of 850 Horizontal MillABSTRACTThe level of 850 mill is one of the main equipments in a rolling mill production line.The main pressure system from the drive system with two components, its role is primarily used for rolling billets of different specifications. In this paper, the level of 850 mill design theory will be the combination of knowledge and practice to cultivate our capacity for independent thinking and analysis of issues, problem-solving skills, and increased awareness of the culture of innovation. The key elements of the design level of 850 mill design and feasibility studies to determine, so that the use of design to meet requirements and is reasonably practicable, and then rolling force can be calculated parameters,And in accordance with the results calculated to select the motor and check the calculation, while the main components, such as roller, rack, connecting shaft, transmission shaft, screws and so on down to the strength calculation of pressure from the screw lock, tooth strength and wear resistance of the check to ensure that the use of the safety and reliability, the last of the Lubrication Analysis of a simple manner, on the economy is also analyzed.Keywords: rolling mill; roll; rack; rolling force 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 III 页目录摘要.ABSTRACT.目录.1 绪论.11.1 设计选题的背景、目的和意义.11.2 初轧机的发展概况.11.2.1 初轧机的发展过程.11.2.2 初轧机的新发展.21.3 研究的内容和方法.22 设计及方案的选择与论证.42.1 轧机主传动装置.42.2 轧辊轴承.52.3 轧辊调整装置与上辊平衡装置.52.3.1 轧辊调整装置.52.3.2 上辊平衡装置.62.4 轧辊机架.63 轧制力能参数的确定.83.1 平均单位压力和总轧制力的计算.83.1.1 平均单位压力的确定.83.1.2 总轧制力.103.1.3 轧制力矩的计算.103.2 电动机的选择和校核.123.2.1 轧机主电机力矩.123.2.2 电动机容量的选择.143.2.3 电动机的发热校核.14 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 IV 页4 主要零件强度计算.164.1 轧辊的强度校核.164.1.1 辊身强度校核.174.1.2 辊颈强度校核.184.1.3 传动端轴头校核.184.2 轧件咬入的计算.194.2.1 开始咬入阶段.194.2.2 完成咬入阶段.204.3 机架强度校核.204.3.1 闭式机架的弯矩计算.214.3.2 闭式机架的应力计算.244.4 联接轴的强度计算.254.4.1 开口式扁头的强度计算.264.4.2 叉头的强度计算.284.5 齿轮座齿轮的校核.284.5.1 齿轮接触强度的校核.294.5.2 齿轮弯曲强度的校核.304.6 压下螺丝强度及压下电机功率的计算.304.6.1 压下螺丝螺纹尺寸的确定.304.6.2 压下螺丝的强度校核.314.6.3 压下螺丝传动力矩的计算.324.6.4 压下电机功率的计算.344.6.5 压下电机的选择.354.7 自锁、牙强度和耐磨性等校核.354.7.1 自锁性计算.35 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 V 页4.7.2 牙强度校核.354.7.3 耐磨性的校核.365 润滑方式的选择.375.1 润滑的简单介绍.375.2 各部分润滑方式的选择.386 经济性分析.40结束语.41致谢.42参考文献.43 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 1 页1 绪论1.1 设计选题的背景、目的和意义钢铁自从被发现就被应用到人类生活的各个领域，在工业的发展过程中，钢铁的生产水平是衡量一个国家现代化水平的重要标志。如今放眼世界钢铁产品的发展，轧制成了相当重要的一部分，我们日常所用的钢材，建筑用钢，输油管道，自来水管等，都是经过轧制获得的，轧制已成为我们必不可少的生产方式。钢铁生产总量的 90%以上是通过轧制成材的，因此，钢铁轧制技术水平的发展一直备受关注，其发展速度也在与日俱增。随着各种新技术和新工艺的不断应运而生，对轧钢设备的性能要求也在不断的提高，各种新型设备也不断涌现。而在各种成品轧制出来之前都要进行开坯轧制，即初轧，因此初轧机也成为了必不可少的一项设备。初轧机在热轧带钢，型钢，管钢的生产过程中都取得了很大的作用，而近年来初轧机的发展相对于以往也有了很大的进步，出现了具有自动控制等先进技术功能的新型初轧机。在初轧机的设计计算中包含了机械设计专业所学的大部分专业课程内容，对以往的学习起到了一个很好的巩固和获得新知识的作用，对以后的工作也会有很大的帮助。这就是选择这个题目的目的。一种合理的初轧机不但能够达到理想的轧制效果还能为下一个工序减轻工作量，并且这种设计也不会花费高额的资金，真正做到了既经济又实惠。因此，初轧机的设计并不是想象中的那么没有意义，反而意义很大。1.2 初轧机的发展概况1.2.1 初轧机的发展过程 十九世纪中叶轧钢机械刚刚起步，十九世纪五十年代以后，出现了蒸汽驱动的中型和大型轧机，二十世纪的电气化使初轧机发展了起来。在发展连铸的同时，国外仍在新建或扩建初轧机，以扩大开坯机能力。这是由于开坯机具有产品变化灵活，便于实现自动化等有点，如日本 1969 年有三台板坯初轧机和一台方坯初轧机投入生产1。60 年代以来，连铸技术迅速发展，采用钢锭通过初轧来生产钢坯的方式已有所改变了。初轧机的技术发展主要是解决连铸还不能生产的某些钢种和规格的产品的加工问题，而不是追求更高的生产能力。70 年代末，已很少建造初轧机，几乎不再建造专 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 2 页门生产板坯的板坯轧机。在连铸生产占比重高的工厂，有的在带有立辊的方坯-板坯初轧机后配置钢坯连轧机,克服了连铸机因经常更换浇铸规格而降低作业率的缺点，扩大了产品种类，与连铸机生产相配合，可生产多种规格的板坯、方坯和圆坯。此外，为了生产小断面的坯料，也用初轧机将连铸坯轧制成小坯料。用万能式板坯初轧机轧制方坯的主要措施是在水平轧辊两端各开一个箱形孔，立辊随推床同步横移，如果轧制更宽的板坯则要换上没有轧槽的轧辊，为了减少换辊耽搁的时间，应设置快速换辊装置。在这种多品种的初轧机上生产宽边工字钢用的异形坯的技术还在研究中。1.2.2 初轧机的新发展 80 年代建设的初轧机具有以下特点：1）万能式板坯初轧机得到迅猛发展，60 年代后新建的初轧机 60%是万能式板坯轧机，这种轧机带有立辊，可以减少轧件翻钢道次，轧制时间比方坯-板坯初轧机减少 39%。2）向重型化方向发展，轧制钢锭重量达45 至 75 吨，最高年产量达 500 至 600 万吨。3）提高自动化程度，从均热炉到板坯精整均已实现自动控制。4）提高钢坯质量，改进精整工序，采用大吨位板坯剪切机（剪切力可达 40MN）及在线火焰清理机2。初轧生产技术的发展，降低了能耗，提高了收得率。最好指标已近 97。主要措施有:提高沸腾钢的比例,上铸钢锭时采用防溅筒以减少表面结疤；镇静钢挂绝热板、加发热剂以减少切头；钢锭采用凹型底盘浇注；沸腾钢锭用大头进钢轧制，改变轧制压下制度，以减少底部鱼尾段长度;沸腾钢采用瓶口模和机械封顶以减少缩孔;合理剪切以减少切损和发展半镇静钢等。为了提高轧机产量,普遍采用多锭串轧。双锭串轧与单锭轧制相比,总轧制时间可缩短 2530，轧机产量可提高 1030。此外，采用液芯装炉法，可节省均热炉的燃耗。直送轧制和热装炉等节能措施也有所发展近二十年来，由于连续铸钢技术迅猛发展，连铸比将达到 80%或更高。这样，初轧机将不会有更大的发展，只能起到配合和补充连铸生产的作用，许多初轧机厂都面临改造的任务。1.3 研究的内容和方法初轧机发展至今已经达到了顶峰阶段，已经没有太大的发展潜力了，但是他在配合和补充连铸生产方面的作用还是很大的，并且在连铸发展的同时，初轧机也应该进 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 3 页行发展，尽量做到最好，即使不久的将来或许初轧机将退出历史的舞台，但我们应该让他在台上的演出更精彩。为了了解初轧机的构造与工作原理，我专门走访了鞍山第一炼钢厂，实地观察了现有的初轧机，分别观察不同型号的初轧机在生产中的具体应用。经过查阅相关资料结合实际生产中的现有机构进行初步设计，并对各部分的尺寸进行选取，然后进行强度计算。经过理论设计合格后，再经实际检验可行后，才可投入使用。具体内容与方法： 1）绪论及设计方案的确定：方案选择正确、论证充分；2）按轧制给定钢种的轧制规程，确定参数，进行轧制力、轧制力矩的计算，进而选择主电机，进行主传动系统的设计计算；3）主要零部件强度计算（机架、压下螺丝螺母、轧辊、联轴器等） ；4）其它如系统润滑、环保与经济性分析等；5）绘制工程图纸：总装配图 1 张、部件装配图 2-3 张、零件图 3-4 张；6）编制、打印设计说明书； 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 4 页2 设计方案的选择与论证 850 水平轧机主要由轧辊、轧辊轴承、轧辊调整装置、上辊平衡装置、轧机机架、轧机主传动装置等部分组成。2.1 轧机主传动装置 850 水平轧机主传动装置主要由电动机、联轴节、减速机、主联轴节、联接轴组成。其作用是将电动机的输出力矩通过减速装置与连接轴传递给轧辊，即电动机 1 的运动和力矩是通过电动机联轴节 2、减速机 3、主联轴节 4、连接轴 6 而传递给轧辊 7的。这种型式的主传动装置主要用于不可逆工作的轧钢机。 1 电机：不同的电动机具有不同的机械特性，它是电动机的重要性能。轧机要求转速稳定，需要使用具有很高应变能力的电动机，直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调速范围广，并且过载能力大，能在低速下连续输出较大转矩，还能承受频繁的冲击性负载。因此本设计采用直流电动机。 2 减速机：减速机的作用是将高速电机的转矩传递给低速运动的部件。在轧机主传动中是否采用减速机就是要比较减速机及其摩擦损耗的费用是否小于低速电动机与高速电动机之间的差价。当轧辊转速小于 200250r/min 时才采用减速机。如果轧辊转速大于 200250r/min，则不用减速机而采用低速电动机。本设计任务中轧辊转速是 12.284 r/min，远小于 200250r/min，因此需要采用减速机。 3 齿轮座：齿轮座是用来将电动机或主减速机的扭矩传递分配给两个轧辊。其传动型式如下图所示：图2.1 传动简图 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 5 页这种传动型式用于二辊轧机，考虑到传动装置的布置形式和拆卸方便等因素，通常采用齿轮传动。4 连接轴：连接轴有万向接轴、梅花接轴、联合接轴和齿式接轴，确定联接轴类型时，主要根据轧辊调整量和联接轴允许倾角等因素来确定。对于 850 水平轧机，轧辊调整量较大，联接轴倾角有时达到 810，而且万向接轴传递的扭矩范围较广，一般为503000KNm,因此在本方案中采用万向接轴。5 联轴节：联轴节包括电动机联轴节和主联轴节。电动机联轴节用来连接电动机与减速机的传动轴，而主联轴节则用来连接减速机与齿轮座的传动轴。本设计采用的是齿轮联轴节。2.2 轧辊轴承轧辊轴承是轧钢机工作机架中的重要部件，其特点有以下几点：1）工作负荷大。2）运动转速差别大。3）工作环境恶劣。轧辊轴承的主要类型是滚动轴承与滑动轴承。轧辊上使用的轴承主要是双列球面辊子轴承，四列圆锥辊子轴承，以及多列圆柱辊子轴承。滚动轴承的刚性大，摩擦系数较小，但抗冲击性能差，外形尺寸较大。滑动轴承分为半干摩擦与液体摩擦两种。半干摩擦滑动轴承主要是开式酚醛加布树脂轴承，它广泛应用于各种型钢轧机，钢坯机及初轧机。液体摩擦轴承承有动压，静压和静-动压三种结构型式，它们的特点是摩擦系数小，工作速度高，刚性较好，使用这种轴承的轧机能轧出高精度的轧件，主要用在现代化的冷、热带钢连轧机支承辊及其它高速轧机上。以此，综合各方面因素，本设计采用四列圆锥辊子轴承。2.3 轧辊调整装置与上辊平衡装置2.3.1 轧辊调整装置 轧机轧辊的调整装置一般包括径向和轴向两个方向调整，径向调整是轧钢机中主要的必不可缺的调整。径向调整装置按其轧辊移动的方向大致可分为压下（也包括压上）机构和侧压进机构。在常见的纵轧机座中均可看到压下机构，而侧压进机构仅用于斜轧机和立轧辊的调整机构中。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 6 页压下机构按照轧钢机的类型、轧件的轧制精度要求，以及生产率高低的要求又可分为：手动、电动、电液及全液压压下机构。手动压下机构一般多用于不经常进行调节的、轧制精度要求不太严格的，以及轧制速度要求不高的中、小型型钢、线材和小型热轧板带轧机上，通常这些轧机是在轧制过程中轧辊相互位置不变的情况下进行工作的。电动压下机构主要用于压下螺丝的移动速度约超过 10.2mm/s 的初轧机、板坯轧机及中厚板轧机上，以及移动速度小于 10.2mm/s 的薄的板带轧机上。电液和全液压压下机构是属于现代化轧钢机上的一种先进的压下机构，多用于高速连续式冷轧与热轧薄板轧机和带钢轧机上。综合考虑，本设计采用电动压下机构。2.3.2 上辊平衡装置 轧钢机上经常采用的平衡装置一般有：弹簧式、重锤式及液压式等三种型式，只有在少数的轧机上采用反扣螺母式的平衡装置。在初轧机、板坯粗轧机中，平衡装置要适应上轧辊的快速、大行程、频繁移动的特点，而且要求工作可靠、换辊和维修方便。在这种轧机上，广泛使用重锤式或液压式平衡装置。重锤式平衡装置广泛应用于轧辊移动量很大的初轧机上，它工作可靠、维修方便。其缺点是设备重量大，轧机的基础结构教复杂。平衡锤通常装在工作机座的下方，平衡力由杠杆和支杆传给上轧辊。液压式平衡装置结构紧凑，与其他平衡方式比较，使用方便，易于操作，能改变油缸压力，而且可以使上辊不受压下螺丝的约束而上下移动。所以这些都有利于换辊操作。但它的投资较大，维修也较复杂。经过比较考虑，本设计选用液压式平衡装置。2.4 轧辊机架轧机机架是工作机座的重要部件，根据轧机的型式和工作要求，轧机机架可分为开式机架和闭式机架两种。闭式机架是一个整体框架，具有较高的强度和刚度，因此，闭式机架主要用于轧制力较大的初轧机、板坯轧机和板带轧机等。对于采用闭式机架的工作机座，在换辊 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 7 页时，轧辊是沿其轴线方向从机架窗口中抽出或装入的，这种轧机一般都设有专用的换辊装置。开式机架由机架本体和上盖两部分组成，它主要用在横列式型钢轧机上，其主要优点是换辊方便。因为，在横列式型钢轧机上如果采用闭式机架，由于受到相邻机座和连接轴的妨碍，沿轧辊轴线方向换辊是很困难的。采用开式机架，只要拆下上盖，就可以很方便地将轧辊从上面吊出或装入。开式机架主要缺点是刚度较差。综合比较，闭式机架比开式机架更适合用于初轧机，因此，本设计采用闭式机架。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 8 页3 轧制力能参数的确定设计参数：轧制材料：20#轧制温度：t=1000轧辊转速：n=12.284r/min轧件宽度：b0=140mm b1=146.5mm轧件高度：h0=170mm h1=146mm3.1 平均单位压力和总轧制力的计算3.1.1 平均单位压力的确定本次设计的 850 水平轧机是用于轧制各种规格方坯中的轧制，是开坯机的一种，其轧辊是圆柱形的实心辊。而开坯机、型钢轧机、线材轧机的轧制压力一般采用艾客隆德公式计算。因此，850 水平轧机也采用艾客隆德公式计算单位压力。根据文献2中艾客隆德公式计算单位压力: ukmpm 1（3.1）式中 m考虑外摩擦对单位压力的影响系数； k轧制材料在静压缩时的变形阻力，MPa； 轧件粘性系数，kggs/mm2； u变形速度，s-1。利用艾客隆德研究提出的 m、k、u 计算公式为分别计算各系数。影响系数 m （3.2）1010102 . 16 . 1hhhhhhRm式中 摩擦系数，该轧机设计轧辊材料为高强度铸钢，故，轧t0005. 005. 1制温度 t=1000， 所以 ；55. 010000005. 005. 1h0，h1轧制前后轧件的高度，h0=170mm， h1=146mm； R轧辊半径，R=425mm。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 9 页代入式（3.2） ，得 190. 01461701461702 . 114617042555. 06 . 1m变形阻力 k 利用 L.甫培（Pomp）热轧方坯的实验数据，得到 k 的计算公式 8 . 93 . 04 . 101. 014CrMnCtk（3.3）式中 t轧制温度，t=1000。(C)碳的质量分数，%； (Mn)锰的质量分数，%； (Cr )铬的质量分数，%；本设计轧制材料是 20# ，含 C 为 0.170.24%，含 Mn 为 0.350.65%，含 Cr0.25%，取 C=0.2%，Mn=0.5%，=0.2% ，代入式（3.3） ，得Crmmskgk/672.848 . 92 . 03 . 05 . 02 . 04 . 1100001. 014轧件粘性系数 ct01. 01401. 0（3.4）式中 t轧制温度；c考虑轧制速度对 的影响，其值如下：轧制速度 v/(ms-1)max ,因此，辊身满足强度要求。图 4.2 轧辊受力简图 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 19 页4.1.2 辊颈强度校核轧辊辊颈强度校核需要弯曲和扭转的合成计算，合力应力按第四强度理论计算，即 223p（4.2）辊颈处的弯矩由最大支反力决定： mNmNlPRcMd5610829. 1250. 0210463. 122（4.3）式中 Md辊颈危险断面处的弯矩；R最大支反力； C压下螺丝中心线至辊身边缘的距离，。2lc 由此可得： MPaPadMd63.1450. 01 . 010829. 11 . 0353（4.4） MPaPadMk54. 350. 02 . 0885102 . 033（4.5）所以，代入式（4.5） ，得MPaMPap86.1554. 3363.1422可见=125.4MPap ,因此，辊颈满足强度要求。4.1.3 传动端轴头校核由文献1,82可知传动轴头直径 mmdd490101由文献4,83可得抗扭系数为 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 20 页0231. 01649. 016331dWt故有 （4.6）MPaPaWMtk21. 40231. 088510Nx。因此，只有当 tan 时，才能实现其自然咬入；若 =tan 时，则轧件处于平衡状态，不能自然咬入；当 tan 时，则不可能自然咬入。4.2.2 完成咬入阶段由图 4.1b 可知，当轧件被咬入后，若继续咬入，则必须符合以下条件，即tan由于 ，所以 tantan，故轧机满足咬入条件，能够顺利轧制。4.3 机架强度校核轧机机架是工作机座中最关键的零件，轧辊轴承座及轧辊调整等装置都安装在机架上。机架要承受轧制力，必须有足够的强度和刚度外，除此之外还应保证机架不会产生疲劳破坏。本设计为轧制力较大的初轧机，要求具有较高的强度和刚度，因此选用闭式机架。轧机机架强度和变形的计算，一般可采用以下步骤：1）将机架结构图简化成为刚架，即以机架各断面的中性轴的连线组成框架，近似 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 22 页地处理成直线或规整的圆弧线段，并确定求解断面的位置。2）确定静不定阶数，如一般闭式机架是三次静不定问题，需作一系列假设来简化模型，降低静不定阶数。3）确定外力的大小及作用点。4）根据变形协调条件，用材料力学中任一种方法（卡氏定理，莫尔积分法，图乘法，立法等）求解静不定力和力矩。5）根据计算截面的面积、惯性矩、中性轴线的位置及承载情况，求出应力和变形。4.3.1 闭式机架的弯矩计算用材料力学方法计算机架强度时，为了简化计算，一般做以下假设：1）每片机架只在上下横梁的中间断面处受有垂直力 R，而且这两个力大小相等、方向相反，作用在同一直线上，即机架的外负荷是对称的。此时，机架没有倾翻力矩，机架底脚不受力。应该指出，由于两个轧辊直径和速度的不同、轧制速度的变化和咬入时冲击引起的惯性力，或在张力轧制时，轧制力方向都不是垂直的。由于水平分力的数值一般都较小，约为垂直分力的 3%4%，故可以忽略不计。2）机架结构对窗口的垂直中心线是对称的，而且不考虑由于上下横梁惯性矩不同所引起的水平内力。3）上下横梁和立柱交界处是刚性的，即机架变形后，机架转角仍保持不变。根据上述假设，机架外负荷和几何尺寸都与机架窗口垂直中心线对称，故可将机架简化为一个由机架立柱和上、下横梁的中性轴组成的自由框架。将此框架沿机架窗口垂直中心线剖开，则在剖开的截面上，作用着垂直力和静不定力矩 M1。由于机架2R左右对称，所以力矩 M1可由半个机架的弹性变形位能求出2。将机架简化成自由框架： 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 23 页在机架简化为图 4.4 所示的矩形自由框架后，函数是简单函数关系：即对 xfy 于机架横梁，而对于立柱，因此 M1为xy 21ly 203022012030122011121121111121122llllllxxdxIdxIdxIxdxIdxlIxdxIRIdxIdxyRM（4.10）式中 l1机架横梁的中性线长度； l2机架立柱的中性线长度； I1机架上横梁的惯性矩； I2机架立柱的惯性矩； I3机架下横梁的惯性矩。上式积分，得 3122113122111122444IlIlIlIlIlIlRlM图 4.4 矩形自由框架弯曲力矩图 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 24 页（4.11）如果假设上下横梁惯性矩相同，即时，则力矩 M1为13II 221122111124IlIlIlIlRlM（4.12）根据图 4.4，在立柱上的弯矩 M2为 1124MRlM（4.13）将式（4.13）代入式（4.14） ，则 211212118IlIlRlM（4.14）如图下图所示，把上横梁简化为截面 a，把下横梁简化为截面 b (4.15)4343110695. 912680)400770(mmmIy (4.16)4243210017. 212680770mmmIy图 4.5 横梁化图 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 25 页故横梁惯性矩为 （4.17）4242321110493. 1210107. 210695. 92mmIIIyy查机架图得 l1=1290mm，l2=3180mm立柱近似尺寸为 7702800故，立柱惯性矩为 44324085. 1122800780mmmI（4.18）又 MNPR463. 1将上述数据 R、I1、I2、l1、l2分别代入公式（4.12） （4.14）中，得mKNIlIlIlIlRlM916.2414085. 118. 310493. 129. 14085. 118. 310493. 1229. 1429. 110463. 1242262211221111mKNIlIlRlM901.2294085. 129. 110493. 118. 311829. 110463. 1118262112124.3.2 闭式机架的应力计算由于机架是轧机中最重要的部件，必须具有较大的强度储备。对于 ZG270-500 来说，许用应力采取以下数值：对于横梁 =5070MPa对于立柱 =4050MPa机架的应力图如下图所示 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 26 页机架横梁内侧的应力 n1为： (4.19)111nnWM机架横梁外侧的应力 a1为： (4.20)111aaWM机架立柱内侧的应力 n2为：22222nnWMFR (4.21)机架横梁内侧的应力 a2为： (4.22)22222aaWMFR式中 Wn1、Wa1分别为机架横梁内侧和外侧的断面系数； Wn2、Wa2分别为机架立柱内侧和外侧的断面系数； F2机架立柱断面积。图 4.6 闭式机架中的应力图 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 27 页 (4.23)3321110434. 0268. 010493. 12mmhIWn (4.24)332220061. 128 . 24085. 12mmhIWn机架立柱的断面尺寸根据强度条件确定。由于作用于轧辊辊颈和机架立柱上的力相同，而辊颈强度近似的与其直径平方成正比，故机架立柱的断面积与轧辊的直径平方有关。在设计时，可根据比值的经验数据确定机架立柱断面积，再进行强度计算。因轧辊材料为铸钢，由文献2，表 5-1查得 F/d3=0.81.0取2223225. 05009 . 09 . 0mmmdF故，所求各应力为：=5070MPaMPaMPan574. 5100434. 0916.24131=5070MPaMPaMPaa240. 0100061. 1916.24131=5070MPaMPaMPan5 .12100434. 0901.229225. 0210463. 1332=5070MPaMPaMPaa5 . 5100061. 1901.229225. 0210463. 1332综上所述，机架强度满足要求。4.4 联接轴的强度计算本次设计选用的接轴是倾角较大的滑块式万向接轴，为使轴向移动方便，选用开式铰链。开式铰链的扁头具有一个长形切口，铰链的一端可在此切口中沿接轴中心线方向移动。这种铰链由扁头、叉头和回转十字轴组成，回转十字轴包括两块月牙形滑块和一根小方轴。两个月牙形滑块以滑动配合装在叉头径向镗孔中，扁头则插放在这两个月牙形滑块中间，这就组成了绕径向镗孔轴线旋转的回转轴。4.4.1 开口式扁头的强度计算滑块式万向接轴强度计算有两种常用方法。一种是用材料力学方法计算，另一种是以实验数据为基础的经验公式计算。后者计算方便，也反映了万向接轴的特点，应 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 28 页用广泛。实验表明，由月牙形滑块作用在开口式扁头上的负荷近似地按三角形分布，如图 4.7所示。因此，合力作用点位于三角形的面积形心，即在离断面边缘处。当万向接轴b31传递的扭转力矩为 M 时，合力 P 为 bbMP320（4.25）式中 b0扁头的总长度； b1扁头的一个分支的宽带。滑块式万向接轴各部分的结构尺寸，可根据叉头直径 D 按以下经验关系选取：插头直径 D 0.850.95Dg叉头镗孔直径 d 0.460.5D扁头厚度 S 0.250.28D扁头长度 l 0.4150.5DmmmmDgD5 .8075 .722850)95. 085. 0()95. 085. 0(取 mmD750故 mmmmd34575046. 0mmmmS19575026. 0图 4.7 开口式扁头受力简图 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 29 页mmmml34575046. 0在合力 P 作用下，断面-承受弯曲应力和扭转应力，计算应力 j可按以下经验公式计算 2220693321 . 1bxxbSbbMj（4.26）式中 M万向接轴传递的扭转力矩，M=Mk； 计算矩形断面抗扭断面系数时的转化系数，它决定于矩形断面尺寸 b 与S 之比。当万向接轴倾角 =810，取 =9，由图 4.7 可求出力臂 x 为 10sin325 . 0xbbx（4.27）式中 x合力 P 对断面-的力臂；x1万向接轴铰链中心至断面-的距离。查图纸，得 ： ， ， mmb156mmmmlx5 .172234521mmb6300所以代入式（4.27） ，得mmmmx64.2135 .1729sin156326305 . 0由查文献1表7-3，因为，故取 =0.2088 . 0195/156/sb将各数据代入式（4.26） ，得MPaPaj45.50208. 06156. 0214. 09214. 03195. 0156. 0156. 03263. 01051.881 . 12223万向接轴的许用应力为 (4.28) nb 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 30 页式中 b万向接轴材料的许用应力，通常 b=600750MPa； n安全系数，n=6。代入，得=100125MPa可见 j，所以扁头满足强度条件。4.4.2 叉头的强度计算叉头的每个颚板承受月牙形滑块传递的压力，在垂直于扁头的断面中，压力近似地以三角形分布，其合力 P 通过三角形质量中心。根据实验数据，叉头最大应力发生在叉头颚板内表面的某一点上，最大应力数值决定于万向接轴倾角 和叉头镗孔直径与叉头外径的比值 d/D，其计算应力 j为 (4.29)KdDDDMj25. 1335式中 d叉头镗孔直径； D叉头外径； M接轴传递的扭矩； K考虑接轴倾角的影响系数，其值可按下式确定 3/205. 01K（4.30）当 时 922. 1905. 0105. 01323/2K采用比值，此时，计算应力 j为46. 0Dd MPaKDMj35.1922. 175. 01051.886 .756 .75333（4.31） 可见 j=100Mpa，所以叉头满足强度条件。4.5 齿轮座齿轮的校核经过大量实际情况可知，齿轮座齿轮的破坏形式主要是齿轮啮合面的破坏，而不是轮齿的断裂，因此，此次校核首先要验算齿面的接触强度，然后是齿根危险断面的弯曲强度校核。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 31 页4.5.1 齿轮接触强度的校核根据齿轮座传递的最大转矩 M 确定计算载荷 M1，当主动轴上的传动力矩为 Mk时，齿轮传递的扭矩: kMM （4.32） njKMM（4.33）式中：过载系数 nK321KKKKn（4.34） 齿宽系数 ,其中 B 为齿宽，为中心距； 窄型，中型1KaBK 1a6 . 11K，宽型；查图可知，0 . 21K4 . 21KmmB1440mmd8970，取 1.6。61. 189714400dB 载荷集中系数 2K11 . 02iK（4.35） 质量系数 齿轮精度为 79 级时，此齿轮精度为 9 级，所以3K4 . 13K。4 . 13K将所有数值代入公式（4.34）中得： 464. 24 . 11 . 16 . 1321KKKKn 089.218464. 21051.883njKMM齿面接触应力为： iBiMAjj3) 1(240（4.36）式中： A中心距， ；mmA5 .100i传动比；B齿宽；将所有数据代入公式（4.36）得： 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 32 页MPaiBiMAjj52. 2144. 1) 11 (089.2181005. 0240) 1(24033齿轮压力角，螺旋角，取，齿轮材料选用 40，齿 203528 32Cr轮精度为 9 级，调质处理，强度极限为 700，安全系数取 5，许用应力=140MPa,因为 ,所以齿面强度满足要求。MPaj4.5.2 齿轮弯曲强度的校核齿轮齿根部分弯曲应力的计算公式为： ZBymMnjw2（4.37） 式中： B齿宽， ；mmB1440 计算载荷，；jMmmN Z齿数， ;28Z 法向模数， ；nm32nm 齿根部分的应力系数，此齿为滚齿；6 . 1 齿形系数，由当量齿数来确定：ydZ 9 .4532cos2832cos33ZZd当时，当时，故取2918dZ42. 035. 0y5030dZ45. 043. 0y45. 0y代入公式（4.37）得： MPaZBymMnjw8 .1844. 1283245. 06 . 121808922可见 = 120，以此，齿轮弯曲强度满足要求。wMPa4.6 压下螺丝强度及压下电机功率的计算 4.6.1 压下螺丝螺纹尺寸的确定 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 33 页 压下螺丝是压下系统的主要组成部分，由头部、本体和尾部三部分组成。头部与上轧辊轴承座接触，承受来自轴颈的压力和上辊平衡装置的过平衡力。压下螺丝的本体部分带有螺纹，它与压下螺母的内螺纹配合以传递运动和载荷，压下螺丝的螺纹有锯齿形和梯形两种。压下螺丝的尾部是传动端，承受来自电动机的驱动力。压下螺丝的基本参数是螺纹部分的外径 d 和螺距 t，可按国家专业标准选择。压下螺丝直径由最大轧制力决定。压下螺丝的最小断面直径 d1由下式来确定： 114dpdR（4.38）式中：作用在螺丝上的最大轧制力；1p压下螺丝许用应力。一般压下螺丝材料为锻造碳钢，其强度=600700dRb,当安全系数取时，许用应力为=100120，Mpa6n dRMpa 取=115dRMpa代入公式（4.38）得: 6164 2 1.463 10180115 10dmm 由于压下螺丝和轧辊辊径承受同样大小的轧制力，故而这两者之间有一定的关系即： (0.55 0.62)gdd（4.39） 式中： d 压下螺丝外径； 辊径直径；gd取 0.560.60 500280gddmm对初轧机来说，压下螺丝的螺,(0.12 0.16)td取，所以取标准， 0.150.12 28033.6tdmm32tmm280dmm1252.234dmm4.6.2 压下螺丝的强度校核 由螺纹外径确定出其内径后，便可以按照强度条件对压下螺丝进行强度校核。d1d 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 34 页则： （4.40）1214 jPd式中 : 压下螺丝中世纪计算应力， （） ；j2N mm 压下螺丝所承受的轧制力， （） ；1PKN 压下螺丝材料的强度极限， （） 2N mm bn（4.41） 压下螺丝的强度极限；由于压下螺丝的材料为 45#，其强度极限b=600700。bMpa 压下螺丝的安全系数。通常选用：；n6n 所以， (600 700) 6(100 120)bnMpa将所有已知数代入（公式 4.3）： 6122144 2 1.463 1058.26252.232jPMpad 所以， ，即压下螺丝满足强度要求。 j4.6.3 压下螺丝传动力矩的计算 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 35 页d3d2M1M2M132P1 1压下螺丝 2压下螺母 3球面垫4.1 压下螺丝受力平衡图转动压下螺丝所需的静力矩就是压下螺丝的阻力矩，它包括之退轴承的摩擦力和螺纹之间的摩擦力矩。其计算公式为： 21112tan()2dMMPMM（4.42） 式中： 螺纹中径；得 ；2d2269.09dmm 螺纹上的摩擦角，即，为螺纹接触面的摩擦系数，一2arctan2般取，故=；2arctan0.105 4005.667螺纹升角，压下时取正号，提升时用负号， 为螺距；计算tdt得：；0322.675280td作用在一个压下螺丝上的力；1p 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 36 页 止推轴承的阻力矩；1M 螺纹摩擦阻力矩；2M对于实心轴颈，止推轴承阻力矩为：1M 31113dMp（4.43） 式中： 压下螺丝止推轴颈，根据文献7查表得=252,3d3dmm 对滚动止推轴颈的摩擦系数 =0.005；11由于在处理压下螺丝的阻塞事故时，压下螺丝所受的力大约是正常轧制力的1.62.0 倍，故取： 6122 1.463 102.926ppMN将已知数据代入公式（4.43）得 363111252 100.005 2.926 101.09233dMpKN m所以由公式（4.42）得： =1.092+211tan()2dMMP60.2692.926 10tan(5.6672.675 )2 =58.245KN m4.6.4 压下电机功率的计算 每个压下螺丝的传动电动功率为 9550MnNi（4.44） 式中： 传动压下螺丝的静力矩；M 电机的额定转数，r/min;n 传动系统总速比；i 传动系统的总的机械效率，根据参考文献8知，蜗杆传动效率取 0.75，联轴器的效率为 0.99，轴承的效率取0.7 0.8 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 37 页0.99，所以,总的效率=22总蜗杆联轴器轴承220.750.990.990.5458查(鞍钢一炼钢厂连轧作业区)知轧辊最大移行速度: ；max0.8/Vmm s故压下螺丝 的最大转数为: （4.45） max6060 0.81.09 /min32Vnrt 第一级涡轮副传动比， =24；1i1i 第二级涡轮副传动比，=15；2i2i 24 15360i总电机转数; n1.09 360392.4 /minnir 将已知数代入公式（4.44）中得： 58.245 392.40.01295509550 360 0.5458MnNKWi所以压下电机的总功率为 2 0.0120.024NKW总4.6.5 压下电机的选择 查文献3，表 22-1-117，根据电机的功率及额定转数选用型号为 Z4-100-1 电机，其额定转数,额定功率为，额定电压为 400V，重量为 72kg.1860minenr1.4eNkw4.7 自锁、牙强度和耐磨性等校核4.7.1 自锁性计算自锁性是螺丝类零件的一个重要性质，必须要保证其自锁性才能正常的工作。压下螺丝的自锁性直接影响轧件厚度的变化，造成轧件厚度不均等问题，影响轧件质量， 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 38 页因此我们必须要对自锁性进行校核。螺纹自锁条件是： v 螺旋升角， 2.675 当量摩擦角。v螺纹实际摩擦角，所以，所以压下螺丝满足自锁条件。05.667vv4.7.2 牙强度校核牙强度校核由查文献9，表 3-1可得外螺纹计算公式为： 1wzFKd bz（4.46） 213wwzF hKd b z（4.47）式中：最大轴外载荷 wF622 1.463 102.926wFPMN外螺纹小径，查图表得 1d1232dmm螺纹牙根部宽度，对于锯齿形螺纹 b0.740.74 4432.56btmm螺纹牙的工作高度，对于锯齿形螺纹 h0.750.75 4433htmm旋合圈数， ，压下螺母的高度， ，zHzt(1.2 2.0)Hd取，因此，1.61.6 300480Hdmm48010.9144z 载荷不均匀系数，对于内外螺纹为钢时，zK55 440.733300ztKd将所有数据代入公式（4.46）和（4.47）得： 12.9260.733 3.14 0.232 0.03256 10.91wzFKd bz 15.42(0.7 0.8)70 96MPaMPa 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 39 页22133 2.926 0.0330.733 3.14 0.232 0.0325610.91wwzF hKd b z 46.88100 120MPaMpa因此，牙强度满足强度要求。4.7.3 耐磨性的校核耐磨性的校核由查文献9,表 3-2可查得耐磨性校核公式为： 21FPPd H z（4.48）式中： 轴向载荷；F螺杆中径，2d2258.2dmm螺纹的基本压型高度，H0.522Htmm旋合圈数, z10z 许用压强， P 18 25PMPa将以上数据代入公式（4.48）得：212.92616.43.14 0.2582 0.022 10FPMPad H z因此，螺杆满足耐磨性要求。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 40 页5 润滑方式的选择 5.1 润滑的简单介绍润滑是人们用来控制摩擦、降低磨损，以达到延长使用寿命的措施。其主要作用是降低摩擦系数、减少磨损、降低温度、防止腐蚀、保护金属表面、清洁冲洗和密封。1.润滑的方式有两种：油润滑和脂润滑。油润滑：当轴承附近的机械零件已经使用了油润滑或者需要靠润滑油散热时，轴承应采用油润滑。在轴承处于重载荷或高转速，或有外部热量传入时，可能会有散热要求。采用微量润滑法，例如滴油润滑，油雾润滑或油气润滑，可保证搅油损失和轴承磨擦都很小。当使用空气做载体时，可直接供油并使气流有助于密封。轴承转速极高和需要良好冷却郊果的地方，可将大量润滑油直接喷到所有的接触面。 脂润滑：一般滚动轴承都用脂润滑。其优点主要有：设计非常简单 。润滑脂可起很大的密封作用。 维护费用低，使用寿命长。在正常工作和环境条件下，油脂有可能实现“终生润滑”。如果在高负载条件下（速度、温度、载荷），就必须定期更换润滑脂。为了更换润滑脂，就必须设置供应和排除润滑脂的管道和收集使用过的润滑脂收集器。对于短周期更换润滑脂的场合，应设置必要的注入润滑脂的泵和阀。2.轧机常用润滑系统简介轧机轴承工作性能能否得以有效利用，相当大的程度取决于润滑情况，所以要降低轧机轴承消耗，就必须选用适宜于使用条件的润滑方法和优质润滑剂，还要设计安装防止水和氧化皮等异物侵入的可靠密封装置。（1）稀油和干油集中润滑系统：由于各种轧机结构与润滑的要求有很大差别，故在轧机上采用了不同的润滑系统和方法。如一些简单结构的滑动轴承、滚动轴承等零、部件可以采用油杯、油环等单体分散润滑方式。而对复杂的整机较为重要的摩擦副，则采用了稀油或干油集中润滑系统。从驱动方式看，集中润滑系统可分为手动、半自动及自动操纵三类系统，从管线布置等方面看可分为节流式、单线式、双线式、多线式、递进式等类。（2）轧机工艺润滑系统：根据工况和所用介质不同，轧机工艺润滑系统压力常在0.4-1.8MPa 左右，每分钟流量可大至几百至几千升，介质过滤精度小于 5m。常用喷 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 41 页嘴和分段冷却装置将介质喷射到轧锟及轧材上，对喷出介质的压力、温度等严格的要求。所以，对喷出介质、油（介质）液温度由压力、温度控制阀控制。（3）轧机油膜轴承润滑系统：轧机油膜轴承润滑系统有动压系统，静压系统和动静压混合系统。动压轴承的液体摩擦条件在轧锟有一定转速才能形成。当轧机起动、制动或反转时，其速度变化就不能保障液体摩擦条件，限止了动压轴承的使用范围。静压轴承靠静压力使轴颈浮在轴承中，高压油膜的形成和转速无关，在起动、制动、反转甚至静止时，都能保障液体摩擦条件，承载能力大、刚性好，可满足任何载荷、速度的要求，但需专用高压系统，费用高。所以，在起动、制动、反转、低速时用静压系统供高压油。而高速时关闭静压系统，用动压系统供油的动静压混合系统效果更为理想。（4）轧机油雾润滑和油气润滑系统：油雾润滑以压缩空气为动力使油液雾化，经管道、凝缩嘴送入润滑部位。用于齿轮、蜗轮、特别常用于大型、高速、重载的滚动轴承润滑。它润滑、冷却效率高；且可节约用油；因油雾有一定压力（2-3KPa）又可防止杂质和水浸入摩擦副，使轴承寿命提高 40%。油雾润滑系统包括分水滤气器、电磁阀、调压阀、油雾发生器、输送管道、凝缩嘴、控制检测仪表等。油雾发生器是核心装置。油气润滑比油雾润滑效果更好，它是靠压缩空气流动把油沿管路送至润滑点的。油气润滑的系统组成，关键的是油气混合器和油气分配器，国内引进设备上一般采用油气润滑。目前轧机轴承主要采用脂润滑和油气润滑。现大多厂家是使用简便易行的脂润滑方式润滑，如有可能采取油气润滑技术，可以使轧机轴承处于比较理想的润滑条件下工作，会大幅度降低轴承消耗。油气润滑能使用高粘度的润滑油，能对润滑系统的工作状况进行监控，能提高轴承座的密封性能并降低轧辊轴承的温度，能在恶劣的工况条件下不间断运行，能方便换辊等。由于油气润滑具有其它润滑方式所无法比拟的优点，并能充分满足轧机对润滑的要求，因此是轧机轧辊轴承润滑的理想选择。5.2 各部分润滑方式的选择各部分润滑方式的选择由于技术原因，本设计轧辊轴承采用脂润滑。脂润滑的方法具有简单易行，轧辊 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 42 页更换方便的特点，应用很广泛。应根据轧机轴承工作温度、转速、轧制力以及密封防水性能、冲击震动大小、供脂方法等情况选择适宜的润滑脂。要选用耐高温、粘度强、极压性能好以及抗水淋性能高的正规厂家的润滑脂。根据轧机轴承的工作特点应选择含 EP 添加剂的 2#、3#、锂基脂或聚脲脂。 虽说高性能的润滑脂采购成本高，但是用量少了，轴承寿命长，总的综合成本是降低了。另外润滑脂的填充量一定要适量并填充到位，不同牌号的润滑脂不能混用，使轧机轴承工作表面始终处于油膜正常状态。轧机的减速机多多采用多极变速，粗中轧机组减速机速比大、负载大，多采用 320#重负荷工业齿轮油集中润滑；精轧机组减速机速比较小、速度高，常采用 220#中负荷工业齿轮油集中润滑，大型带钢轧机的精轧机组因轧制力大、负荷高，一般采用 320#重负荷工业齿轮油集中润滑。少数工艺较落后的轧制机组（往往是上世纪七八十年代技术）减速机采用油池润滑，油箱内设计有齿轮泵对部分高位润滑点强制润滑。近年来，国内有部分钢铁企业对其新轧制生产线的轧机减速机采用半合成或全合成齿轮油润滑，所用牌号亦如上所述。根据本次设计的轧机，选用 320#重负荷工业