KZ0615.01.01.00軋鋼生產(chǎn)線設計,kz0615,00,軋鋼,生產(chǎn)線,設計 本科生畢業(yè)設計（論文）外文翻譯 畢業(yè)設計（論文）題目：KZ0615.01.01.00軋鋼生產(chǎn)線設計 外文題目：A Design of Vision-based Location Control System for Steel Rolling Mill 譯文題目：基于視覺的軋鋼機位置控制系統(tǒng)的設計 學 生 姓 名： 趙思雨 專 業(yè)：機械設計制造及其自動化1105班 指導教師姓名： 王赫瑩 評 閱 日 期： 8 基于視覺的軋鋼機位置控制系統(tǒng)的設計 陳偉，方康玲，劉新海 中華人民共和國 湖北省 武漢科技大學 信息科學與工程學院 武漢430081 電子郵箱：chen309wei@126.com,klfang@mail.wust.edu.cn,steel-liu@mail.wust.edu.cn 摘要:本文介紹了在軋鋼生產(chǎn)線生產(chǎn)過程中的一種閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于機器視覺理論，控制加熱后鋼坯的位置。這種控制系統(tǒng)是通過一個被稱為“工業(yè)相機”的視覺傳感器進行觀測，然后將信息反饋給控制系統(tǒng)，用以得到鋼坯在加熱爐中的準確位置信息或者用來檢測移動中的鋼坯。本文采用了簡單背景減法模型用以檢測移動中的鋼坯，采用這種辦法可以滿足目前對于實時檢測移動鋼坯的需求。目前的研究發(fā)現(xiàn)，不同的灰度值輪廓在應用于檢測鋼坯的邊緣時具有一個非常好的效果。在實際的工業(yè)生產(chǎn)運用之中，這種視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)在當前工業(yè)環(huán)境下發(fā)揮出了良好的控制效果。 關鍵詞:機器視覺，被測對象的位置，背景減法建模，反饋控制。 1.基本介紹 在目前的各個鋼鐵企業(yè)中，鋼鐵在軋制過程之前要先經(jīng)過預處理，即在加熱窯中先加熱到1000至1200攝氏度，然后再扎成相應的平坦塊。在加熱窯內(nèi)，鋼坯的布局是“一排兩坯”，即在加熱窯內(nèi)一排中有兩塊鋼坯。采用這種布局的原因是：由于加熱窯的長度是27.9米，加熱窯的寬度是12.9米，這樣就會導致操作員不能夠直接觀察鋼坯在加熱窯內(nèi)的移動。為了避免鋼坯在加熱窯內(nèi)移動的過程之中產(chǎn)生碰撞，當鋼坯被送入加熱窯中之后，移動鋼坯的位置應該受到相應的控制。 另外，目前常用的接觸式位置傳感器不能承受加熱窯內(nèi)的高溫，而且在加熱窯內(nèi)也容易被鋼坯碰撞而導致?lián)p壞。所以，解決上述問題的可行的方法是采用一種非接觸式的檢測方法,即在加熱窯的一邊設置一臺相機（如圖1所示）用以獲得鋼坯的相關信息。這種相機拍攝的照片分辨率可達到610*170，并且相機的拍攝速度為每秒鐘30幀。當工廠的操作員需要監(jiān)視和控制鋼坯的位置時，他們就可以使用這種相機來幫助他們。但是，人類操作員憑借觀察工業(yè)電視為基礎來調(diào)整鋼坯的位置時，他們是主觀的、依賴于經(jīng)驗的，而且是勞動密集型的（5）。這種情況在實際操作中就會出現(xiàn)一些問題,如：精度低（小于76%），控制時間較長（大于2分鐘），等等。 圖1設置在加熱窯上的相機 2.問題和控制系統(tǒng) 在鋼坯的位置控制過程中有一個問題。那就是在加熱窯中，一排中有兩塊鋼坯，所以就必須在鋼坯的位置控制過程中控制兩個距離。其中一個距離是鋼坯A與鋼坯B之間的距離，而另一個距離是鋼坯和加熱窯窯壁之間的距離（如圖2所示）。 圖2鋼坯的位置控制 當鋼坯在加熱窯內(nèi)移動時，鋼坯A和鋼坯B之間或者鋼坯與加熱窯之間的偏差可能會導致兩塊鋼坯之間的碰撞。如果它們其中一個的偏差超過了一定限度，在鋼坯的移動過程中就會導致兩塊鋼坯之間的碰撞或者加熱窯窯壁和鋼坯之間的碰撞。有些時候這些碰撞會引發(fā)災難性的事故，例如：事故會導致生產(chǎn)的完全中斷并且要求鋼坯的位置調(diào)整通過手動來操作。 為了簡化控制問題，我們選擇了加熱窯的中心位置作為位置的中間點。然后，就可以得到預期的偏差τ。τ按照下面公式可以計算出： τ=（L-2s）/3 L:加熱窯的寬度 s:鋼坯的長度 τ:鋼坯和加熱窯窯壁或鋼坯A和鋼坯B之間的預期偏差 在加熱窯一邊的相機是基于視覺控制系統(tǒng)的視覺傳感器。從而，鋼坯的位置可以反饋給PID控制器。由于相機有的視野是有限的，所以可以得到兩個反饋信號：一個是視頻信號，而另一個是計數(shù)器的脈沖信號。 圖3基于視覺的定位控制系統(tǒng)的框架 3.視頻定位算法 在檢測運動圖像序列的方法中，最常用的方法是采用背景減法。該方法是通過求出每一個輸入和每一個背景模型之間差的絕對值來實現(xiàn)檢測[2][3]。但是，由于這種方法對于外部環(huán)境的變化非常敏感，例如：光照和外部無關的事件，這就可能會導致檢測出錯誤的概率降低。為了解決這一問題，采用了灰度差分析工程算法來檢測鋼坯的位置[8]。 3.1圖像中去除干擾 實際的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場中，由于有太多的干擾因素，所以會導致拍攝的圖像的質(zhì)量很差。此外，在加熱窯內(nèi)也沒有固定的照明用具。所以，光線會隨著溫度的變化而變化。在通常情況下，圖像處理的第一步都是消除或降低這些干擾因素對圖像質(zhì)量的影響。由于在加熱窯內(nèi)惡劣的條件下，很多干擾不能被消除。所以，有許多的干擾仍然偶爾會被捕獲在圖像上（如圖4所示）。 圖4典型的被相機捕獲的圖像 為了對圖像進行實時處理，需要采用硬件方法來對圖像進行簡單的去干擾。實驗結(jié)果表明，得到滿足要求的圖像處理結(jié)果需要采用工程背景相減算法。 3.2特征和邊緣的獲得 目標之間的區(qū)別是檢測一個移動目標的一個有效的辦法。一系列高相關性的圖像表明，如果這些相關性可以被減少，那么就可以使運動的目標更容易從背景中被分割。而差分算法就可以減少視頻中每幀之間的相關性。設fB (i, j)是一個背景圖像，而f K(i, j)是當前圖像（K=1,2,3），然后它們之間的不同圖像為f C(i, j)： 目前，一種統(tǒng)計學的方法已經(jīng)被應用于鋼坯邊緣的檢測。眾所周知，當目標物體在場景中移動時，運動區(qū)域灰度值的列和背景圖像中灰度值的列是不同的。圖5就顯示了柱垂直投影的灰度值的變化，當有運動的目標在圖像中出現(xiàn)，或者不在圖像中出現(xiàn)時，灰度值將會在t2或t3兩點發(fā)生強烈的變化。不同的圖像灰度值的列的投影： f cj (i, j)：兩列垂直灰度值的投影。 因為鋼坯A的最終位置是后邊緣，所以圖像的左邊是一個相對的運動區(qū)域（灰度變化緩慢）。然而，鋼坯B的最終位置是前邊緣，所以圖像的右面由于鋼坯B會是一個相對運動的區(qū)域。滑動窗口技術是用來提高獲取鋼坯邊緣特征的實時性和鋼坯位置的精確性的一種技術。滑動窗口是一個高170的窗口，而高小于等于50的地方是一個調(diào)整系數(shù)。因為在實際生產(chǎn)情況下有許多干擾，這些干擾就會導致算法計算每一列垂直投影灰度值的變化的誤差增加和在滑動窗口中的兩列鋼坯差異的改變。設Th1是灰度值的峰值，Th2是每列不同的灰度值，則有公式： F1:改變列的數(shù)目 F2：不同列的變化 t：列的變化值 根據(jù)最近鄰決定理論，判別函數(shù)是： Th：特征的變化 V=[a,b]：特征向量的邊緣在鋼坯的邊緣出現(xiàn)在圖像中時得到的結(jié)果 當判別函數(shù)取到最小值時鋼坯的邊緣就會出現(xiàn)在滑動窗口中。然后鋼坯的移動距離： ?L：采樣時間間隔內(nèi)鋼坯的移動距離 Fc:新列的改變量的最大值 Fh：前列改變量的最大值 圖5當鋼坯移動時，灰度值的變化。 3.3后臺維護 本文采用了一種定期升級的方式用來加速圖像的處理。背景更新算法采用了一階遞歸濾波的方法，這種方法可以將新的輸入信息和當前背景圖像整合在一起[4]。背景更新量： fB（I,j,k）:背景圖像 α：為一個小正數(shù) fk（I,j）：當前圖像 4.控制算法 由于鋼坯的質(zhì)量為1800千克，在位置控制中鋼坯的慣性是另一個問題。這個問題將導致當步進電動機停止工作時，鋼坯會產(chǎn)生滑動。所以，本文采用一二級控制措施來解決鋼坯的滑動問題。首先，鋼坯會被快速定位在加熱窯內(nèi)的一些已經(jīng)確定的位置。然后，鋼坯精確的定位在預定位置是通過視覺反饋控制算法實現(xiàn)的。 圖6鋼坯的位置控制算法流程說明 圖7快速定位的結(jié)果 圖8精確定位的結(jié)果 5.作用和總結(jié) 本文所介紹的視覺定位控制系統(tǒng)已經(jīng)在實際的工業(yè)生產(chǎn)中應用了兩年。這個系統(tǒng)已經(jīng)在現(xiàn)今的工業(yè)生產(chǎn)中取得了良好的控制性能（如圖8所示）。 圖9視覺控制系統(tǒng)的接口 表1視頻反饋控制系統(tǒng)的控制效果 該定位控制系統(tǒng)能夠探測到每一幀的圖像內(nèi)移動中的被測鋼坯的邊緣，然后利用工程統(tǒng)計的方法檢測這些邊緣。實際的運行結(jié)果表明，在實際生產(chǎn)的條件下，灰度值算法是可行的。但是，由于被測對象和背景之間的差異不顯著，在惡劣的工作環(huán)境下，這種定位控制系統(tǒng)可能會出現(xiàn)錯誤。所以，在復雜的生產(chǎn)條件下，即時的和抗干擾的移動目標檢測算法還需要進一步的研究。 參考文獻 本科生畢業(yè)設計（論文）開題報告 論文題目：KZ0615.01.01.00軋鋼生產(chǎn)線設計 學 院：機械工程學院 專業(yè)班級：機自1105班 學生姓名：趙思雨 指導教師：王赫瑩 開題時間：2015年3月25日 目錄 1 課題的來源及選題的依據(jù) 1.1基本情況介紹 1.2本課題在國內(nèi)外的研究趨勢 1.3 本課題的目與意義 1.4開展研究工作的設想 2.課題研究擬采用哪些方法和手段 3.完成課題的實驗條件 4.課題進度安排 5.設計總體方案思路 6.參考文獻 8 1 課題的來源及選題的依據(jù) 1.1基本情況介紹 軋鋼(steel rolling）是在運轉(zhuǎn)的軋輥之間對鋼坯形狀的壓力加工過程。軋鋼過程的目的一方面是為了生產(chǎn)中所需要得到的形狀，例如：鋼板，帶鋼，線材，棒材及各種型鋼等；另一方面是為了改善鋼坯的內(nèi)部材料性能，例如：我們常見的汽車板、橋梁鋼、鍋爐鋼、管線鋼、螺紋鋼、鋼筋、電工硅鋼、鍍鋅板、鍍錫板，火車輪等都是通過軋鋼工藝加工出來的。 軋鋼的分類有多種方式，例如：軋鋼方法按軋制溫度不同可分為熱軋與冷軋；按軋制時軋件與軋輥的相對運動關系不同可分為縱軋，橫軋和斜軋；按軋制產(chǎn)品的成型特點還可分為一般軋制和特殊軋制。周期軋制，旋壓軋制，彎曲成型等都屬于特殊軋制方法。 軋鋼的工藝流程主要包括:原料選定、鋼坯在加熱窯內(nèi)預加熱、除磷粗軋、預精軋、精軋、吐絲機（線材）、切定尺（棒材）、質(zhì)量檢測、成品打包、成品入庫等工序。 目前，軋鋼生產(chǎn)線的設計要求不但要將鋼材軋制成功，而且要考慮到在整套軋鋼生產(chǎn)過程的中，每件工序的安排是否合理。從而可以使整個軋鋼生產(chǎn)更加高效、安全、適應性強。所以，軋鋼生產(chǎn)線的工藝流程應該充分考慮合理性、適用性。例如： 加熱窯進坯輸送線與連鑄出坯線貫通, 在主軋線后緊湊地布置棒材線、大盤卷線、線材生產(chǎn)線。合理的工藝流程為整個軋鋼生產(chǎn)線的高效生產(chǎn)、高品質(zhì)產(chǎn)品和低成本運行提供了有力保證 [6]。 在現(xiàn)代化的軋鋼生產(chǎn)線中，一般都會采用自動控制技術來實現(xiàn)整套產(chǎn)品的加工工序。自動控制能滿足軋制速度的不斷提高和生產(chǎn)過程的連續(xù)化，多品種范圍的尺寸變更以及對軋件尺寸的各種精度要求。自動控制系統(tǒng)是由計算機系統(tǒng)、電氣驅(qū)動系統(tǒng)和可靠性高的檢測元件組成。計算機控制的過程有:自動出鋼過程控制、粗、中軋機的微張力軋制控制、精軋機的活套無張力軋制控制、活套的自動調(diào)節(jié)、自動切頭飛剪和自動事故剪、盤卷推出機的自動操作等。 采用自動控制之后將會有諸多有利因素，比如:采用了計算機控制之后,通過計算機進行科學組織,統(tǒng)籌安排,可以使已有的軋鋼生產(chǎn)線內(nèi)設備安裝的各個階段有機的聯(lián)系起來,使加工各工序有效的流暢運行，而且也可以使設備安裝工期壓縮到最少。此外，通過運用合理的控制管理程序和使用先進的數(shù)字控制施工技術及應用計算機模擬仿真,就可以確保設備的安裝質(zhì)量和安全生產(chǎn)。所以，通過對軋鋼生產(chǎn)線采用先進的自動控制技術可以實現(xiàn)設備安裝質(zhì)量最高、安裝工期最短的效果。 1.2本課題在國內(nèi)外的研究趨勢 自改革開放以來，隨著我國經(jīng)濟建設的平穩(wěn)迅速發(fā)展,我國國內(nèi)的大型基礎設施建設、汽車工業(yè)、船舶工業(yè)以及其他國家相關支柱產(chǎn)業(yè)的強勁崛起,目前對鋼材的需求量越來越大。由于這些強勁的需求也就促使了我國鋼產(chǎn)量的快速提升。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，我國每年的粗年鋼產(chǎn)量,已經(jīng)由幾年前的1億噸增加至2014年的16.62億噸，占全球的49.5%。但是許多鋼材加工企業(yè)的工藝落后，設備老化，導致軋制出來的產(chǎn)品廢品率高，精度低。所以，依據(jù)國家的相關要求,為了提高生產(chǎn)力和降低能耗、發(fā)揮最大的經(jīng)濟效益和社會效益、實現(xiàn)綠色工業(yè)，國內(nèi)的鋼鐵企業(yè)在幾年前就開始進行了優(yōu)化、整合和重組,相繼成立了以寶鋼集團、首鋼集團、武鋼集團和鞍本集團為代表的國際化的大型鋼鐵集團。這些大型的鋼鐵集團現(xiàn)在正根據(jù)各自的企業(yè)優(yōu)勢和產(chǎn)品特點,按照市場的需求快速改建和新建各自的鋼材生產(chǎn)線[7]。 軋鋼生產(chǎn)線的主要設備一般是指進行軋制的設備，即軋機。據(jù)記載，1480年意大利人達·芬奇就曾經(jīng)設計出過軋機的草圖。1553年法國人布律列爾曾經(jīng)將金和銀的板材進行軋制,用來制造錢幣。此后在西班牙、比利時和英國相繼出現(xiàn)軋機，英國于1766年生產(chǎn)出了串列式小型軋機。 在當代，現(xiàn)代軋鋼生產(chǎn)線發(fā)展的趨勢是趨于連續(xù)化、自動化、專業(yè)化。這樣發(fā)展使得產(chǎn)品的質(zhì)量高,原料消耗低。60年代以來世界上的軋鋼生產(chǎn)線在設計、研究和建設方面取得了很大的進展，使帶材冷熱軋生產(chǎn)線、厚板軋生產(chǎn)線、高速線材軋生產(chǎn)線、H型材軋生產(chǎn)線和連軋管生產(chǎn)線等性能更加完善，并出現(xiàn)了軋制速度高達每秒鐘 115米的線材軋制生產(chǎn)線、全連續(xù)式帶材冷軋機、5500毫米寬厚板軋鋼生產(chǎn)線和連續(xù)式 H型鋼軋鋼生產(chǎn)線等一系列先進的生產(chǎn)線。目前，生產(chǎn)線用的原料的重量增大，而且采用液壓 AGC、板形控制、電子計算機程序控制等手段并且測試控制手段越來越完善，軋制品種不斷擴大。一些適用于連續(xù)鑄軋、控制軋制，還有其它適應新的產(chǎn)品質(zhì)量要求和提高經(jīng)濟效益的各種特殊結(jié)構的軋鋼生產(chǎn)線也正在發(fā)展之中。 我國的大型鋼鐵企業(yè)從20世紀70年代就已經(jīng)開始采用先進的連軋生產(chǎn)線。連軋生產(chǎn)線采用了一系列整套的先進自動化控制系統(tǒng)，全線軋制生產(chǎn)過程和操作監(jiān)控過程全部都由計算機控制實施。通過使用計算機進行控制，可以使鋼坯在幾架軋機上同時進行軋制，大大的提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。 1.3 本課題的目的與意義 本課題通過對KZ0615.01.01.00軋鋼生產(chǎn)線進行設計，需要確定合理的設計方案；繪制該生產(chǎn)線的總裝圖及部件圖；對主要零件進行結(jié)構設計；及校核計算。并根據(jù)機械零件設計手冊來選擇合適的電機、減速器并撰寫畢業(yè)論文。通過上述程序最終完成本課題的所有內(nèi)容。 利用總共18周的畢業(yè)設計，來完成軋鋼生產(chǎn)線的設計，并輝指出其總裝圖及部件圖，而且要對主要零件進行校核計算。通過畢業(yè)課題的設計，是本人應用所學知識完成一個完整機械設備的設計體驗。明確整套設計流程，可以為畢業(yè)后的實際設計工作奠定基礎。 1.4開展研究工作的設想 本次畢業(yè)設計是我在本科四年的生涯中第一次完整的設計一個整套的機械設備，意義非常重大。通過這次的畢業(yè)設計，可以讓我初步了解日后實際生產(chǎn)應用中所需要進行的各項工序，為以后展開相關的研究打下一定基礎。 在這次畢業(yè)設計中，需要進行相關的準備工作有:首先，需要了解設計的答題要求對課題由一個基本的了解，明確索要設計的東西；其次，在了解相關信息后，需要確定合理的設計方案。合理的設計方案需要查閱相關資料，包括各類期刊、雜志、會議、報刊的關于軋鋼生產(chǎn)線的有關記錄，各個專家所撰寫的有關軋鋼生產(chǎn)線的書籍，還有專家學者們關于軋鋼生產(chǎn)線的有關成型設計等等。而且，這次軋鋼生產(chǎn)線的設計還需要查閱各個外國專家學者有關軋鋼生產(chǎn)線的相關研究成果，了解外國的相關發(fā)展結(jié)論。通過查閱大量的國內(nèi)國外的資料，得出最后的總體方案設計；在論證完成總體方案設計后，就要開始繪制所設計的軋鋼生產(chǎn)線的總裝圖及部件圖，并且要對其中主要零件結(jié)構進行設計以及校核計算。在該步驟設計中，所需要的電機，減速器及標準件需要通過查閱機械零件設計手冊來選擇；完成圖紙的繪制之后，我需要對之前所完成的設計方案進行最后的修改和整理用來完成最后畢業(yè)論文的書寫。撰寫畢業(yè)論文需要所畫出的總裝圖、部件圖、計算結(jié)果等統(tǒng)一的整理匯總起來，并對其中的錯誤進行修改，把不合理的步驟進行完善和優(yōu)化。通過一系列的論證完成畢業(yè)論文的書寫并最終完成整個軋鋼生產(chǎn)線的設計然后參加畢業(yè)答辯。 2.課題研究擬采用哪些方法和手段 （1）對文獻進行深入探索的方法：在畢業(yè)設計中，通過發(fā)掘國內(nèi)外最新的工程經(jīng)驗和行業(yè)的發(fā)展動態(tài)以及有關理論。參考已有的理論結(jié)果，支撐和組建本課題的理論框架和相關的方法。 （2）深入調(diào)查研究的方法：通過總結(jié)整理所有最新資料，得出對軋鋼生產(chǎn)線設計的最終結(jié)果。然后，對結(jié)果進行深入的論證，找出其中的不足并加以改進。最終確定這次軋鋼生產(chǎn)線設計的最佳結(jié)論。 （3）基礎實驗觀察的方法：通過操作變量的變化，經(jīng)前后測定對比，分析該實驗的因果關系，并最終得出最佳的方案。是整套軋鋼生產(chǎn)線的設計的最終結(jié)果更加完善。 （4）進行實際操作并進行研究的方法：軋鋼生產(chǎn)線是一種在實際的工業(yè)生產(chǎn)中工作的設備。所以，對軋鋼生產(chǎn)線的設計就要邊實踐邊總結(jié)邊研究，及時制定、修訂設計方案，真正的把本科四年所學的理論應用恰當。 在上述四種研究方法中，行實際操作并進行研究的方法，是這次畢業(yè)設計的主要研究方法。這是因為在實際的工業(yè)生產(chǎn)中，加工過程受各種因素、各個方面的綜合干擾。僅僅通過查閱相關資料是不能夠完整的考慮到各個因素的影響。所以，要親自到實踐中去，理論與實踐相結(jié)合，才能把本次畢業(yè)設計做好。 3.完成課題的實驗條件 （1）在圖書館網(wǎng)絡上查閱相關資料,了解國內(nèi)外最新的前沿資訊。這是本次畢業(yè)設計的理論基礎。 （2）指導老師對本課題的指導。指導教師從業(yè)已有近30年，對本次的軋鋼生產(chǎn)線設計一定有比本人更高的見解。通過指導老師的指導可以少走彎路，更高效的完成畢業(yè)設計。 （3）充裕的設計時間。這次畢業(yè)設計是大學以來第一次獨立完成整套機械設備的相關設計。我在很多方面一定會有各種不足之處，所以我需要18周的時間來完成這次畢業(yè)設計。 （4）良好的實驗環(huán)境。在設計中，相關的計算及零件選用需要一定的技術手段來檢驗其是否最優(yōu)，所以，我需要一定的實驗條件來對相關數(shù)據(jù)進行校驗。這樣才能最終將畢業(yè)設計完成至一個令人滿意的結(jié)果。 4.課題進度安排 1 3月2日至3月6日 查閱相關的資料，了解本課題的相關內(nèi)容 2 3月9日至3月13日 翻譯相關的英文資料，綜述整理資料 3 3月16日至3月20日 撰寫開題報告 4 3月23日至3月27日 完成英文翻譯及開題報告 5 3月30日至4月3日 論證設計方案 6 4月6日至4月10日 確定設計方案，選擇標準件 7 4月13日至4月17日 繪制總裝圖，確定相關零件尺寸 8 4月20日至4月24日 繼續(xù)繪制總裝圖 9 4月27日至5月1日 繪制總裝圖 10 5月4日至5月8日 完成總裝圖，繪制部件圖 11 5月11日至5月15日 繪制部件圖及主要零件圖 12 5月18日至5月22日 完成圖樣繪制，校核主要零件 13 5月25日至5月29日 撰寫畢業(yè)論文修改圖樣錯誤 14 6月1日至6月5日 撰寫畢業(yè)論文 15 6月8日至6月12日 撰寫修改畢業(yè)論文 16 6月15日至6月19日 修改完成圖樣及論文 17 6月22日至6月26日 整理上文答辯材料 18 6月29日至7月3日 畢業(yè)答辯 5.設計總體方案思路 （1）總裝配圖的設計 （2）上輥盒的設計 （3）機架的設計 （4）換輥裝置的設計 （5）接軸夾緊裝置的設計 （6）電機的選用 6.參考文獻 [1] 陳講孝. 12萬噸/年軋鋼生產(chǎn)線擴能技術改造[J]. 甘肅冶金, 2005, 27(3). 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Faculty of Information Engineering and Automation, Kunming University of Science and Technology Kunming, China. 沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 密級：內(nèi)部 KZ0615.01.01.00軋鋼生產(chǎn)線設計 Design of the KZ0615.01.01.00 Steel Rolling Production Line. 學 院：機械工程學院 專 業(yè) 班 級：機械設計制造及其自動化1105班 學 號：110101515 學 生 姓 名：趙思雨 指 導 教 師：王赫瑩（副教授） 2015 年 6 月 35 摘 要 近年來隨著中國的經(jīng)濟建設的蓬勃發(fā)展，導致了我國工業(yè)對鋼鐵的需求越來越大。但是，由于我國工業(yè)起步較晚，發(fā)展期間也走了許多彎路，這就導致我國的鋼鐵企業(yè)的技術水平仍然有待提高。所以，國家近期重大的改革目標就是逐步淘汰小型的鋼鐵企業(yè)，大力扶持大型鋼鐵企業(yè)用來實現(xiàn)技術的升級，這就對大型鋼鐵企業(yè)的軋鋼生產(chǎn)線提出了新的要求。在接到設計任務后，經(jīng)過認真的思考和分析，并且結(jié)合現(xiàn)有的設備，設計了這套軋鋼生產(chǎn)線。在設計初步完成后，對各零件校核合格后，使所設計的軋鋼生產(chǎn)線完全了達到所須要求。經(jīng)大量計算過后，發(fā)現(xiàn)新設計的軋鋼生產(chǎn)線性質(zhì)比原來的軋鋼生產(chǎn)線設備有所提高，在穩(wěn)定性上也有很大的提高。其經(jīng)濟性完全也適合現(xiàn)在市場的需求。 由于設計的是軋鋼生產(chǎn)線的相關配套設備，設計初根據(jù)任務書的要求和所需要達到的使用目的來設計軋鋼生產(chǎn)線。首先設計和選用了合適的軋輥，并且選擇了合適的軋輥軸承；然后根據(jù)軋輥的性能將其設計加入換輥機構的設計；其次根據(jù)軋制的性能和換輥機構的性能設計了軋機的機架和壓下裝置；再次，設計完成軋機后根據(jù)軋機的各項屬性設計出輸入的各項裝置和主電機；最后，經(jīng)過力學計算后校核主要零件并使之達到設計的要求，使整套軋鋼生產(chǎn)線的設計圓滿結(jié)束。 關鍵詞：軋鋼生產(chǎn)線；軋鋼機；軋輥；軸承 Abstract In recent years, with the rapid development of Chinese economic, the demand for iron and steel in industry in China is more and more expanding. Because of the late development of our industry, the development of the industry has also left many detours, which leads to the technical level of iron and steel enterprises in China still need to be improved. So the recent national major reform goal is phasing out small iron and steel enterprises, vigorously support large-scale iron and steel enterprises to implement technology upgrade, which in large iron and steel enterprises steel rolling production line proposed new requirements. After receiving the design task, by careful thinking and analysis, and the existing equipment, I design this rolling production line. When I finish the elementary design, and the completion of the parts, the design of the steel rolling production line is fully achieved. After a lot of calculation, I found that the new design of the rolling production line is improved, and the stability of the rolling production line is also greatly improved. Its economy is also suitable for the present market demand completely. The design is the related equipment of steel rolling production line, initial design according to the requirements of the task and the need to achieve the purpose to design the rolling line. Firstly, I design and select of the appropriate roll, and select the appropriate roll bearing. Then I design the change roller mechanism and the input of the device and the main motor. Finally, After the calculation of mechanics, the main parts were checked and the design requirements were met, and the design of the whole rolling line was concluded successfully. Keywords: Rolling production line; rolling mill; roller; the bearings  目 錄 摘 要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1 課題的來源及選題的依據(jù) 1 1.1.1 基本情況介紹 1 1.1.2 本課題在國內(nèi)外研究趨勢 2 1.1.3 本課題的目的與意義 6 1.1.4 開展研究工作的設想 6 1.2 課題研究采用哪些方法和手段 7 1.3 完成課題的實驗條件 7 1.4 設計總體方案思路 8 第2章 設備的主要參數(shù)及計算 9 2.1 軋機參數(shù) 9 2.2 軋制力的計算 9 2.3 軋制力矩的計算 10 第3章 軋輥的相關設計 11 3.1 軋輥的工作特點 12 3.2 軋輥的尺寸相關設計 13 3.2.1 輥身 13 3.2.2 輥頸 14 3.2.3 輥頭 14 3.3 軋輥的材料及輥面硬度 14 3.3.1 常見的軋輥材料 14 3.3.2 軋輥材料的選擇 15 3.4 軋輥的強度驗算 18 3.4.1 軋輥強度的計算方法 19 3.4.2 軋輥的安全系數(shù) 20 3.4.3 軋輥斷裂形式 23 3.4.4 軋輥撓度的計算 23 第4章 軋輥軸承的設計 25 4.1 軸承的概況 25 4.2 軋輥軸承的選擇 25 第5章 壓下裝置的選擇 27 5.1 壓下裝置簡介 27 5.2 壓下裝置的分類 27 5.3 壓下裝置的選擇與設計 28 5.3.1 電動壓下裝置的形式 28 5.3.2 壓下裝置參數(shù) 29 5.3.3 壓下裝置齒輪軸承的選擇 30 5.3.4 軸承校核 30 第6章 結(jié)論 31 參考文獻 32 致謝 34 第1章 緒論 1.1 課題的來源及選題的依據(jù) 1.1.1 基本情況介紹 軋鋼(steel rolling）是在運轉(zhuǎn)的軋輥之間對鋼坯形狀的壓力加工過程。軋鋼過程的目的一方面是為了生產(chǎn)中所需要得到的形狀，例如：鋼板，帶鋼，線材，棒材及各種型鋼等；另一方面是為了改善鋼坯的內(nèi)部材料性能，例如：我們常見的汽車板、橋梁鋼、鍋爐鋼、管線鋼、螺紋鋼、鋼筋、電工硅鋼、鍍鋅板、鍍錫板，火車輪等都是通過軋鋼工藝加工出來的。 軋鋼的分類有多種方式，例如：軋鋼方法按軋制溫度不同可分為熱軋與冷軋；按軋制時軋件與軋輥的相對運動關系不同可分為縱軋，橫軋和斜軋；按軋制產(chǎn)品的成型特點還可分為一般軋制和特殊軋制。周期軋制，旋壓軋制，彎曲成型等都屬于特殊軋制方法。 軋鋼的工藝流程主要包括:原料選定、鋼坯在加熱窯內(nèi)預加熱、除磷粗軋、預精軋、精軋、吐絲機（線材）、切定尺（棒材）、質(zhì)量檢測、成品打包、成品入庫等工序。 目前，軋鋼生產(chǎn)線的設計要求不但要將鋼材軋制成功，而且要考慮到在整套軋鋼生產(chǎn)過程的中，每件工序的安排是否合理。從而可以使整個軋鋼生產(chǎn)更加高效、安全、適應性強。所以，軋鋼生產(chǎn)線的工藝流程應該充分考慮合理性、適用性。例如： 加熱窯進坯輸送線與連鑄出坯線貫通, 在主軋線后緊湊地布置棒材線、大盤卷線、線材生產(chǎn)線。合理的工藝流程為整個軋鋼生產(chǎn)線的高效生產(chǎn)、高品質(zhì)產(chǎn)品和低成本運行提供了有力保證 [6]。 在現(xiàn)代化的軋鋼生產(chǎn)線中，一般都會采用自動控制技術來實現(xiàn)整套產(chǎn)品的加工工序。自動控制能滿足軋制速度的不斷提高和生產(chǎn)過程的連續(xù)化，多品種范圍的尺寸變更以及對軋件尺寸的各種精度要求。自動控制系統(tǒng)是由計算機系統(tǒng)、電氣驅(qū)動系統(tǒng)和可靠性高的檢測元件組成。計算機控制的過程有:自動出鋼過程控制、粗、中軋機的微張力軋制控制、精軋機的活套無張力軋制控制、活套的自動調(diào)節(jié)、自動切頭飛剪和自動事故剪、盤卷推出機的自動操作等。 采用自動控制之后將會有諸多有利因素，比如:采用了計算機控制之后,通過計算機進行科學組織,統(tǒng)籌安排,可以使已有的軋鋼生產(chǎn)線內(nèi)設備安裝的各個階段有機的聯(lián)系起來,使加工各工序有效的流暢運行，而且也可以使設備安裝工期壓縮到最少。此外，通過運用合理的控制管理程序和使用先進的數(shù)字控制施工技術及應用計算機模擬仿真,就可以確保設備的安裝質(zhì)量和安全生產(chǎn)。所以，通過對軋鋼生產(chǎn)線采用先進的自動控制技術可以實現(xiàn)設備安裝質(zhì)量最高、安裝工期最短的效果。 1.1.2 本課題在國內(nèi)外研究趨勢 自改革開放以來，隨著我國經(jīng)濟建設的平穩(wěn)迅速發(fā)展,我國國內(nèi)的大型基礎設施建設、汽車工業(yè)、船舶工業(yè)以及其他國家相關支柱產(chǎn)業(yè)的強勁崛起,目前對鋼材的需求量越來越大。由于這些強勁的需求也就促使了我國鋼產(chǎn)量的快速提升。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，我國每年的粗年鋼產(chǎn)量,已經(jīng)由幾年前的1億噸增加至2014年的16.62億噸，占全球的49.5%。但是許多鋼材加工企業(yè)的工藝落后，設備老化，導致軋制出來的產(chǎn)品廢品率高，精度低。所以，依據(jù)國家的相關要求,為了提高生產(chǎn)力和降低能耗、發(fā)揮最大的經(jīng)濟效益和社會效益、實現(xiàn)綠色工業(yè)，國內(nèi)的鋼鐵企業(yè)在幾年前就開始進行了優(yōu)化、整合和重組,相繼成立了以寶鋼集團、首鋼集團、武鋼集團和鞍本集團為代表的國際化的大型鋼鐵集團。這些大型的鋼鐵集團現(xiàn)在正根據(jù)各自的企業(yè)優(yōu)勢和產(chǎn)品特點,按照市場的需求快速改建和新建各自的鋼材生產(chǎn)線[7]。 軋鋼生產(chǎn)線的主要設備一般是指進行軋制的設備，即軋機。據(jù)記載，1480年意大利人達?芬奇就曾經(jīng)設計出過軋機的草圖。1553年法國人布律列爾曾經(jīng)將金和銀的板材進行軋制,用來制造錢幣。此后在西班牙、比利時和英國相繼出現(xiàn)軋機，英國于1766年生產(chǎn)出了串列式小型軋機。 在當代，現(xiàn)代軋鋼生產(chǎn)線發(fā)展的趨勢是趨于連續(xù)化、自動化、專業(yè)化。這樣發(fā)展使得產(chǎn)品的質(zhì)量高,原料消耗低。60年代以來世界上的軋鋼生產(chǎn)線在設計、研究和建設方面取得了很大的進展，使帶材冷熱軋生產(chǎn)線、厚板軋生產(chǎn)線、高速線材軋生產(chǎn)線、H型材軋生產(chǎn)線和連軋管生產(chǎn)線等性能更加完善，并出現(xiàn)了軋制速度高達每秒鐘 115米的線材軋制生產(chǎn)線、全連續(xù)式帶材冷軋機、5500毫米寬厚板軋鋼生產(chǎn)線和連續(xù)式 H型鋼軋鋼生產(chǎn)線等一系列先進的生產(chǎn)線。目前，生產(chǎn)線用的原料的重量增大，而且采用液壓 AGC、板形控制、電子計算機程序控制等手段并且測試控制手段越來越完善，軋制品種不斷擴大。一些適用于連續(xù)鑄軋、控制軋制，還有其它適應新的產(chǎn)品質(zhì)量要求和提高經(jīng)濟效益的各種特殊結(jié)構的軋鋼生產(chǎn)線也正在發(fā)展之中。 我國的大型鋼鐵企業(yè)從20世紀70年代就已經(jīng)開始采用先進的連軋生產(chǎn)線。連軋生產(chǎn)線采用了一系列整套的先進自動化控制系統(tǒng)，全線軋制生產(chǎn)過程和操作監(jiān)控過程全部都由計算機控制實施。通過使用計算機進行控制，可以使鋼坯在幾架軋機上同時進行軋制，大大的提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。 圖1-1 軋鋼生產(chǎn)線的一般構成 圖1-2 軋鋼生產(chǎn)線的樣式 圖1-3 鞍鋼1700mm軋鋼生產(chǎn)線 圖1-4 鞍鋼1700mm軋鋼生產(chǎn)線的產(chǎn)品 1.1.3 本課題的目的與意義 本課題通過對KZ0615.01.01.00軋鋼生產(chǎn)線進行設計，需要確定合理的設計方案；繪制該生產(chǎn)線的總裝圖及部件圖；對主要零件進行結(jié)構設計；及校核計算。并根據(jù)機械零件設計手冊來選擇合適的電機、減速器并撰寫畢業(yè)論文。通過上述程序最終完成本課題的所有內(nèi)容。 利用總共18周的畢業(yè)設計，來完成軋鋼生產(chǎn)線的設計，并輝指出其總裝圖及部件圖，而且要對主要零件進行校核計算。通過畢業(yè)課題的設計，是本人應用所學知識完成一個完整機械設備的設計體驗。明確整套設計流程，可以為畢業(yè)后的實際設計工作奠定基礎。 1.1.4 開展研究工作的設想 本次畢業(yè)設計是我在本科四年的生涯中第一次完整的設計一個整套的機械設備，意義非常重大。通過這次的畢業(yè)設計，可以讓我初步了解日后實際生產(chǎn)應用中所需要進行的各項工序，為以后展開相關的研究打下一定基礎。 在這次畢業(yè)設計中，需要進行相關的準備工作有:首先，需要了解設計的答題要求對課題由一個基本的了解，明確索要設計的東西；其次，在了解相關信息后，需要確定合理的設計方案。合理的設計方案需要查閱相關資料，包括各類期刊、雜志、會議、報刊的關于軋鋼生產(chǎn)線的有關記錄，各個專家所撰寫的有關軋鋼生產(chǎn)線的書籍，還有專家學者們關于軋鋼生產(chǎn)線的有關成型設計等等。而且，這次軋鋼生產(chǎn)線的設計還需要查閱各個外國專家學者有關軋鋼生產(chǎn)線的相關研究成果，了解外國的相關發(fā)展結(jié)論。通過查閱大量的國內(nèi)國外的資料，得出最后的總體方案設計；在論證完成總體方案設計后，就要開始繪制所設計的軋鋼生產(chǎn)線的總裝圖及部件圖，并且要對其中主要零件結(jié)構進行設計以及校核計算。在該步驟設計中，所需要的電機，減速器及標準件需要通過查閱機械零件設計手冊來選擇；完成圖紙的繪制之后，我需要對之前所完成的設計方案進行最后的修改和整理用來完成最后畢業(yè)論文的書寫。撰寫畢業(yè)論文需要所畫出的總裝圖、部件圖、計算結(jié)果等統(tǒng)一的整理匯總起來，并對其中的錯誤進行修改，把不合理的步驟進行完善和優(yōu)化。通過一系列的論證完成畢業(yè)論文的書寫并最終完成整個軋鋼生產(chǎn)線的設計然后參加畢業(yè)答辯。 1.2 課題研究采用哪些方法和手段 （1）對文獻進行深入探索的方法：在畢業(yè)設計中，通過發(fā)掘國內(nèi)外最新的工程經(jīng)驗和行業(yè)的發(fā)展動態(tài)以及有關理論。參考已有的理論結(jié)果，支撐和組建本課題的理論框架和相關的方法。 （2）深入調(diào)查研究的方法：通過總結(jié)整理所有最新資料，得出對軋鋼生產(chǎn)線設計的最終結(jié)果。然后，對結(jié)果進行深入的論證，找出其中的不足并加以改進。最終確定這次軋鋼生產(chǎn)線設計的最佳結(jié)論。 （3）基礎實驗觀察的方法：通過操作變量的變化，經(jīng)前后測定對比，分析該實驗的因果關系，并最終得出最佳的方案。是整套軋鋼生產(chǎn)線的設計的最終結(jié)果更加完善。 （4）進行實際操作并進行研究的方法：軋鋼生產(chǎn)線是一種在實際的工業(yè)生產(chǎn)中工作的設備。所以，對軋鋼生產(chǎn)線的設計就要邊實踐邊總結(jié)邊研究，及時制定、修訂設計方案，真正的把本科四年所學的理論應用恰當。 在上述四種研究方法中，行實際操作并進行研究的方法，是這次畢業(yè)設計的主要研究方法。這是因為在實際的工業(yè)生產(chǎn)中，加工過程受各種因素、各個方面的綜合干擾。僅僅通過查閱相關資料是不能夠完整的考慮到各個因素的影響。所以，要親自到實踐中去，理論與實踐相結(jié)合，才能把本次畢業(yè)設計做好。 1.3 完成課題的實驗條件 （1）在圖書館網(wǎng)絡上查閱相關資料,了解國內(nèi)外最新的前沿資訊。這是本次畢業(yè)設計的理論基礎。 （2）指導老師對本課題的指導。指導教師從業(yè)已有近30年，對本次的軋鋼生產(chǎn)線設計一定有比本人更高的見解。通過指導老師的指導可以少走彎路，更高效的完成畢業(yè)設計。 （3）充裕的設計時間。這次畢業(yè)設計是大學以來第一次獨立完成整套機械設備的相關設計。我在很多方面一定會有各種不足之處，所以我需要18周的時間來完成這次畢業(yè)設計。 （4）良好的實驗環(huán)境。在設計中，相關的計算及零件選用需要一定的技術手段來檢驗其是否最優(yōu)，所以，我需要一定的實驗條件來對相關數(shù)據(jù)進行校驗。這樣才能最終將畢業(yè)設計完成至一個令人滿意的結(jié)果。 1.4 設計總體方案思路 （1）總裝配圖的設計； （2）壓下裝置的設計； （3）機架的設計； （4）換輥裝置的設計； （5）電機的選用。 第2章 設備的主要參數(shù)及計算 2.1 軋機參數(shù) 軋輥直徑：1200mm； 輥身長度：2050mm； 軋制速度：0～1.11/2.12m/s； 主電機功率：2x2850kw； 主電機轉(zhuǎn)速：0—20/30r/min； 最大軋制壓力：30000kN； 最大軋制力矩：6250kN·m。 2.2 軋制力的計算 本論文的設計采用熱軋鋼板軋機平均壓力計算公式：熱軋鋼板軋機的軋制壓力，可以采用愛克隆的軋制壓力公式計算。同時，熱軋帶鋼渣機的軋制壓力也可采用R.B.西姆斯公式計算。在實際計算時，由于西姆斯公式的計算過程較為復雜，因此一般用她的簡化公式。 由于變形區(qū)的長度（即接觸弧水平投影的長度l與軋件厚度h的比值）是左右單位壓力的大小和分布的主要因素。 為乘坐變形區(qū)形狀系數(shù)，其大小反映了接觸面（如摩擦力）對軋制件變形區(qū)的影響情況。 對于熱帶鋼連軋機，考慮到前后張力對軋制壓力的影響，請平均壓力為： （2-1） 式中：、——為軋機單位前后張力 （2-2） （2-3） 其中：、—機前后張力（kg）； b—寬度（mm）； h—前后軋件的平均厚度； l—變形區(qū)長度； —變形阻力。 軋制時，軋件與軋輥接觸弧上軋制單位壓力的總和。軋制總壓力P用下式計算： P=pF （2-4） 經(jīng)過計算后并參考設備許用應力及實際情況取軋制的壓力為18000kN 2.3 軋制力矩的計算 軋制時，乍見在軋制壓力的作用之下產(chǎn)生塑性變形，與此同時，軋件也給軋輥同樣大小但方向相反的作用力，當軋件上作用前后不相等的作用力的時候則軋制力與垂直方向成一個角度。由此，可以求出所需的兩軋輥上的軋制力矩。 （2-5） 經(jīng)過計算并結(jié)合實際情況及許用應力后取軋制力矩M為3500kN 第3章 軋輥的相關設計 在軋鋼工業(yè)的生產(chǎn)中，軋輥的作用不容置疑。它直接與扎件接觸并且與金屬作用使之產(chǎn)生塑性變形。并且，它也是消耗品，他在軋鋼生產(chǎn)中對產(chǎn)量的提高、產(chǎn)品質(zhì)量的提升、降低各項物品的消耗等指標有很大的影響。軋輥的分類有多種情況，按構造分類可分為兩種：應用于軋制板帶材料的光面軋輥和應用于軋制型鋼線材和鋼坯的有槽軋輥；按照用途分類可分為工作輥和支承輥。生產(chǎn)中的的軋輥選用要根據(jù)實際的軋制情況進行分析。 圖3-1 軋輥 圖3-2 軋輥輥頭 3.1 軋輥的工作特點 軋輥在工作時需要承受很大的軋制壓力和軋制力矩，而且有時候會有動載荷。基于以上條件，所以要求軋輥能在高溫或溫度變化很大的條件下工作。并且，由于軋件溫度很高而且需要在冷卻水作用下工作，所以軋輥在旋轉(zhuǎn)的時候會受到冷熱雙方面的作用，工農(nóng)工作條件極為繁重。 經(jīng)過相關查閱資料，本設計選擇平面軋輥。 圖3-3 軋輥的結(jié)構 a—梅花型輥頭；b—扁頭型輥頭；c—帶雙鍵型輥頭；1—輥身；2—輥頸；3—輥頭 3.2 軋輥的尺寸相關設計 3.2.1 輥身 軋輥的輥身與軋件直接接觸并使金屬產(chǎn)生塑性變形，它是軋輥的工作部分?，F(xiàn)代軋鋼生產(chǎn)對軋輥有很多要求，例如：需要有很高的強度，足夠的剛度，較高的表面硬度和耐磨性，有良好的組織穩(wěn)定性，以抵抗軋件的高溫影響等等。所以，輥身直徑D是軋鋼機的一個重要的參數(shù)，這個參數(shù)在選擇上有多種選法。 軋輥的直徑分為兩種，即公稱直徑D和工作直徑Dg。軋輥的公稱直徑D是指軋鋼機的節(jié)圓直徑或齒輪座的中心距。對軋輥分別由兩個電機驅(qū)動的初軋機來說，公稱直徑D是按最末道次的軋輥中心矩來計算；對于型鋼軋機來說以齒輪座的中心距作為軋輥公稱直徑；對于初軋機則把輥環(huán)外徑稱為公稱直徑。型鋼軋機以軋輥的公稱直徑來作為軋機標稱的組成部分，因為型鋼品種規(guī)格與軋輥輥身直徑的大小成正比，輥身直徑的數(shù)值即可反映該軋機所生產(chǎn)的品種規(guī)格。但是，由于生產(chǎn)不同品種規(guī)格所對應的軋輥輥身直徑不同，因此通常習慣采用和軋輥輥身直徑有一定對應關系而數(shù)值保持恒定不變的人字齒輪機座的中心距作為型鋼軋機的名義直徑。 軋輥的工作直徑Dg是指軋輥與軋件接觸進行變形而直接工作的直徑，在有槽軋輥上是指槽底處直徑。 所以，選擇軋輥的直徑為1200mm。 軋輥直徑選擇之后需要滿足一定的工作條件： （3-1） 在軋制過程中，因為軋輥表面的磨損，經(jīng)過一段時間后軋輥的磨損將影響產(chǎn)品的質(zhì)量，此時需要對軋輥進行重車或重磨。每次重車0.5mm～5mm,重磨量0.01～0.5mm，當軋輥直徑減小到一定程度時，就不能再使用了，但可以采用堆焊辦法修復以延長軋輥壽命。 一般情況下軋輥允許重車率用新輥直徑百分比數(shù)表示：板軋機3～6% 輥身長度的確定：對于一般的鋼板軋機來講輥身長度L都由鋼板的最大寬度b決定： L=b+a （3-2） 式中：a—根據(jù)不同鋼板寬度選取的余量； b—鋼板最大的寬度。 綜合各項參數(shù)考量之后，選擇輥身長度為2050mm。 3.2.2 輥頸 在軋鋼生產(chǎn)中，輥頸直徑d 和輥頸長度 l 與其軸承的型式和工作載荷有關，輥頸的直徑受軸承徑向尺寸的限制，而且輥頸與輥身的交界面，往往是最薄弱的環(huán)節(jié)。對于本次設計的中厚板軋機而言一般可選輥頸直徑為0.5倍輥身直徑。 所以，最終選取的輥身直徑為600mm。 3.2.3 輥頭 輥頭的作用是傳遞軋輥扭矩，其參數(shù)根據(jù)各個形式而不同。 其中輥頭形狀最常見的是梅花形，它主要使用于轉(zhuǎn)速不高、壓下調(diào)整量小的軋鋼機當中。 本文根據(jù)各項情況考量后選擇梅花輥頭。 3.3 軋輥的材料及輥面硬度 軋鋼生產(chǎn)已經(jīng)經(jīng)過多年，經(jīng)驗積累也越來越豐富。各種軋鋼機軋輥的選材，根據(jù)具體情況，還可以根據(jù)自己設計的常見形式的造成損傷的原因選擇合適的材料。 生產(chǎn)板帶材料時，由于產(chǎn)品精度的不斷提高，軋制的工藝條件越來越嚴格。軋輥的質(zhì)量好壞對板材的質(zhì)量，生產(chǎn)率，作業(yè)率影響非常大。如果有一個破碎輥，輥面或滾筒表面不耐磨，熱裂紋等問題，就會使軋輥成本升高并繼續(xù)影響生產(chǎn)。在軋鋼生產(chǎn)中，尤其是在薄板生產(chǎn)，相當大比例的費用是軋輥產(chǎn)生的。為此，各國都進行了軋輥材質(zhì)，加工和熱處理工藝的研究。 3.3.1 常見的軋輥材料 常見的軋輥材料主要有：鑄鐵軋輥，合金鍛鋼軋輥，合金鑄鋼軋輥和半鋼軋輥。 （1）鑄鐵軋輥 鑄鐵可分為普通鑄鐵，合金鑄鐵和球墨鑄鐵。鑄鐵軋輥不同硬度是由不同硬度的鑄型得到。其主要種類有半冷硬，冷硬鑄鐵軋輥，和無限冷硬軋輥。 （2）合金鍛鋼軋輥 按我國Q/ZB62-73標準，熱軋和冷軋機軋輥材料有： 熱軋軋輥：55Mn2、55Cr、60 Cr MnMo、 60 Si Memos 冷軋軋輥：9 Cr、9 CrV、9 Cr2W、9 Cr2Mo、60 Cr2MoV、80CrNi3W、8CrMoV （3）合金鑄鋼 沒有統(tǒng)一的標準，并與電渣重熔技術的發(fā)展密切相關，合金鑄鋼的質(zhì)量 逐漸提高。 （4）半鋼 含碳量1.4%~1.8%，雜質(zhì)含量低，具有共析鋼，成分也添加Ni，Cr，Mo加強基礎組織，它既有鋼的強度和耐熱鑄鐵耐磨性綜合性能的優(yōu)點。 3.3.2 軋輥材料的選擇 （1）初軋和型鋼軋機的軋輥 這類軋輥經(jīng)常受到?jīng)_擊載荷且受力較大。因此，應該要有的強度。但是，輥面的硬度卻又不能過高（HS〈35~40）。所以，主要的材料有40Cr、 50CrNi、 60 CrMoV、 60SiMnMo等。軋制合金鋼適合用含有Cr、Ni、Mo等合金元素的軋輥。軋制普通碳鋼的粗軋機的機座上常用含Mn和高碳鑄鋼軋輥。球墨鑄鐵軋輥的低價格，抗磨損，而且具有高的強度的特點，適用于在橫列式的型鋼軋機的第二架粗軋機的機座上使用。 （2）熱連軋帶鋼軋機的工作輥與支撐輥 在熱軋帶鋼四輥軋機中，除了一些粗軋機的工作輥由于強度和咬入條件有限采用鑄鋼材料外，其它各類軋機工作輥的工作特點是主軸承的扭矩和壓力，彎曲應力較小，轉(zhuǎn)速高，用以確保工件表面質(zhì)量的軋輥表面的要求。因此，工作輥的材料選擇依據(jù)是輥面硬度，故多采用鑄鐵軋輥。 一些工業(yè)企業(yè)使用冷硬鑄鐵（C=3.0～3.5%；Si=0.5～1.87%；Mn=0.4～0.7%；Mo≈0.3%；P≤0.4%；S≤0.11%，輥面硬度58~68）來制作軋輥；還有些工業(yè)企業(yè)在粗軋生產(chǎn)線中采用半鋼軋輥，以減緩表面糙化過程，然后再布置精軋生產(chǎn)線。然后，在精軋生產(chǎn)線中采用含Ni、Cr較高的高硬度鑄鐵復合澆鑄以使表面形成無線冷硬層，這樣來提高輥面的硬度（HS=75~83）并且也提高了精度。另一些工業(yè)企業(yè)在精軋部分使用硬度層很厚、耐磨、使用壽命長的高鉻鑄鐵復合澆鑄軋輥來提高精軋的軋制精度。 熱連軋帶鋼四輥軋機的支承輥所受應力主要為彎曲應力而且其直徑較大。考慮到這些特點這些輥的材料一般采用9Cr2Mo、9CrV鍛鋼（輥面硬度HS=45～50）來制造。這些材料中Cr占據(jù)重要作用?？紤]到大直徑系列軋輥的淬透性，所以選擇Cr合金鋼。在國產(chǎn)的1700mm熱連軋生產(chǎn)線的鑲套支承輥之中，輥套采取8CrMoV或8Mn2MoV鍛鋼制造，輥心采取37SiMn2MoV鍛鋼制造。為了保證輥套的高強度，國產(chǎn)的輥套常使用C=0.4～0.8%、Ni=2.5～3%、Cr=0.6～2.0%、Mo=0.6%的合金鑄鋼鑄造而成。此外，也有的工業(yè)企業(yè)的棍套是有鑄鋼或鑄鐵制成的。 （3）冷軋帶鋼四輥軋機的工作輥和支撐輥 冷軋生產(chǎn)機組四輥軋機的工作輥、支撐輥所受的壓力打，軋制速度高，且有高質(zhì)量的軋輥表面要求。所以，其對輥身強度及輥面硬度都有很高的要求。 在中國，9Cr2W、9CrV鍛鋼等這些材料常用來鑄造冷軋工作輥。而國外的軋輥近年來使用復合鑄鋼材料制成，這種材料的輥心強度、韌性好并且輥面的硬度高、耐磨。所以，我國的材料仍需改進以跟進先進制造的腳步。 （4）疊軋薄板軋機軋輥 疊軋薄板軋機軋輥工作在400~450℃之間，軋輥的表面比較光滑，軋制的壓力較大。所以，該軋輥的硬度要求較高，多用冷硬球墨鑄鐵澆鑄成軋輥。 參考上述各個資料并匯總，本文的軋鋼生產(chǎn)線中的軋機為二輥熱軋機，由于沒有支承輥導致軋輥需要有足夠的強度和硬度。綜上，本次設計采用半鋼作為軋機軋輥的材料。  圖3-4 輪式離心鑄造機 1—電機；2—主動軸；3—拖輪；4—鑄型；5—軸承；6—澆口小車 3.4 軋輥的強度驗算 軋輥的性質(zhì)決定整個軋機的負荷能力。它屬于消耗性零件，直接承受軋制壓力和轉(zhuǎn)動軋輥的傳動力矩。他的安全性在軋機的整體中是最小的。 軋輥需要有足夠的抗彎曲，扭轉(zhuǎn)，接觸應力的能力來保證產(chǎn)品的高產(chǎn)、質(zhì)優(yōu)、消耗低。在實際生產(chǎn)中影響軋輥復合的因素有許多。所以，本文采用靜強度進行計算，并且將其他影響因素歸入軋輥安全系數(shù)中。 在計算中，對軋輥計算彎曲應力，對傳動端輥頭計算扭轉(zhuǎn)強度，對輥頸計算彎曲應力和扭矩強度。下圖為軋輥受力的簡圖： 圖3-5 軋輥的受力簡圖 3.4.1 軋輥強度的計算方法 （1）輥身的強度計算 對于鋼板軋機而言。在平輥軋制條件下，設軋制壓力沿軋制寬度均勻分布，支反力左右相等各位P/2，并作用在壓下螺絲中心線位置上。鋼板軋輥輥身危險斷面位于輥身中間。 則此斷面的彎曲應力為： MD=P（a/4-b/8） (3-3) 式中：P——作用在軋輥上的軋制力（kg）； a—壓下螺絲間的中心距離（cm）； b—鋼板厚度（cm）。 （2）輥頸的強度計算 輥頸斷面上的扭轉(zhuǎn)應力和彎曲應力分別為： （3-4） （3-5） 式中：d—輥頸直徑； 、：輥頸危險斷面處的彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩。 鋼板軋鋼機的輥頸彎矩為： =P/2×c= P1 （3-6） 式中：c—輥身邊緣至壓下螺絲中心線的距離，可近似取c=0.5。 （3）輥頭 軋輥的的傳動端輥頭只受扭轉(zhuǎn)應力，輥頭是屬于非圓截面扭轉(zhuǎn)問題，使用彈性力學有薄膜理論方法求解。 本次設計選用的是最大的最大扭轉(zhuǎn)應力產(chǎn)生在槽底上的梅花形輥頭，對于一般的梅花型輥頭來說，它的最大扭轉(zhuǎn)應力為： （3-7） 式中：—花輥頭外徑； —梅花輥頭槽底直徑。 3.4.2 軋輥的安全系數(shù) 設計部件時，采用靜強度計算時由于忽略了其他情況所以需要引入材料強度極限來對軋輥進行安全系數(shù)校核。安全系數(shù)n： （3-8） 在實際生產(chǎn)中，精確計算軋輥實際負荷是困難的。原因是軋鋼生產(chǎn)工藝對軋輥負荷影響因素較多，波動較大，還有沖擊動負載、疲勞、溫度等因素影響。所以，采用靜浮載計算軋輥強度是經(jīng)過簡化的一般方法。這種計算方法已經(jīng)經(jīng)過了生產(chǎn)實踐的證實，大家一般公認的安全系數(shù)為n=5是足夠的。 表3-1 各種軋輥材料許用應力值 材料名稱 極限強度（kg/mm2） 許用應力（kg/mm2） 合金鍛鋼 碳素鍛鋼 碳素鑄鐵 球墨鑄鐵 合金鑄鐵 鑄鐵 70～120 60～70 50～60 50～60 40～45 35～40 14～24 12～14 10～12 10～12 8～9 7～8 圖3-6 型鋼軋輥的受力圖 圖3-7 四輥軋機受力分析圖 a—工作輥驅(qū)動；b—支承輥驅(qū)動 3.4.3 軋輥斷裂形式 保證工廠正常生產(chǎn)的重要部件為軋輥。所以，除了正常磨損期進行更換外，消滅斷輥事故也是非常重要的。 軋輥的斷裂原因有兩類：第一類為軋輥材質(zhì)或制造質(zhì)量等內(nèi)在原因造成;第二類是由工藝條件和使用情況等外在原因?qū)е隆Ｓ捎谥圃烊毕莼蜍堓伈馁|(zhì)造成的斷裂，一般在斷口處可檢查出，如沙眼、夾雜、裂紋、沙眼等。 在實際生產(chǎn)中，曾經(jīng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)動的傳動軸或軋輥突然斷裂的事故。經(jīng)過專業(yè)的研究后發(fā)現(xiàn)，這種事故的原因是傳動系統(tǒng)發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動現(xiàn)象有關。它可使應力負荷增加數(shù)倍，并且扭轉(zhuǎn)振動產(chǎn)生的應力也會引起零件的疲勞破壞。由于目前高速度、大功率、多電樞電機傳動為發(fā)展趨勢，這將會導致這一現(xiàn)象日益嚴重。解決這種現(xiàn)象需要提高部件的結(jié)構強度。 圖3-8 軋輥斷裂形式圖 3.4.4 軋輥撓度的計算 在工業(yè)生產(chǎn)中，需要計算軋輥輥身中間的總撓度與邊緣和輥身中間饒度差值來確定軋機的剛度。以此來確保軋出的鋼板厚度均勻。 由于軋輥支點與軋輥直徑距離比值較大，所以計算軋輥的撓度量需要考慮到切應力的影響。故，軋輥中間得總撓度為： f=f1+f2 （3-9） 式中：f1—彎曲應力引起的撓度量 f2—剪切應力引起的撓度量 由卡氏定理： .（3-10） （3-11） 式中：U1—系統(tǒng)中僅彎曲力矩作用的變形能 U2—系統(tǒng)中由于切力作用的變形能 R—在計算撓度位置所作用的外力 與—在任意截面上的彎矩和切力 E與G—性摸量和剪切摸量 I與F—斷面慣性矩和斷面面積 輥身中間總撓度： f= （3-12） 綜上并經(jīng)過計算，此軋輥合格。 第4章 軋輥軸承的設計 4.1 軸承的概況 軸承的大類有兩種，即滾動軸承和滑動軸承。其中，滾動軸承的功率消耗少，摩擦阻力小，啟動容易而且大多數(shù)已經(jīng)標準化，所以它是現(xiàn)代機器中廣泛應用的部件之一。本次設計中，除了要使設計的部件的各項指標達到設計要求而且要使設備的經(jīng)濟性最好。 滾動軸承的基本結(jié)構包括內(nèi)圈、外圈、滾動體、保持架等四部分組成。其中各項部件的主要作用為：內(nèi)圈用來和軸頸裝配：外圈用來和軸承座孔裝配 。通常情況是內(nèi)圈會隨著軸頸進行旋轉(zhuǎn)，外圈固定不動。但是，有些情況下也可以內(nèi)圈不動而外圈動。 滾動體是在內(nèi)圈的滾道間滾動。常用的滾動體有球，圓柱滾子，球面棍子，圓錐棍子，滾針，球面棍子等幾種。軸承內(nèi)外圈的滾道的作用是限制滾動體沿軸向的位移。 保持架的主要作用是均勻的隔開滾動體。并且阻止相鄰滾動體轉(zhuǎn)動時因為接觸處產(chǎn)生較大的相對滑動速度而導致的磨損。 滾動軸承的內(nèi)外圈和滾動體一般使用高碳鉻軸承鋼（GCr15）或滲碳軸承鋼（G20CrNi4A）制造的，經(jīng)過熱處理之后硬度一般不低于60HRC。并且經(jīng)過150℃的回火處理，所以元件硬度在工作溫度不超過120℃時不會下降。 綜上，本文使用滾動軸承作為軋輥軸承與壓下裝置軸承。 4.2 軋輥軸承的選擇 軋輥軸承用來支撐轉(zhuǎn)動的軋輥，而且要保持軋輥在機架中正確的位置。這就導致軋輥軸承應具有較小的摩擦系數(shù)，壽命長，足夠的強度和剛度，而且還要便于換輥。 本次設計選擇深溝球軸承作為軋輥軸承，型號為60/600.軸承內(nèi)徑為600mm外徑870mm，軸承寬度為118mm。 選擇軸承之后，需要對軸承進行校核。軸承的強度的校驗檢測軸承是否達到額定的要求。 軸承壽命計算公式為： （4-1） n= （4-2） （4-3） 式中：Lh—軸承額定壽命（h） n—軸承的轉(zhuǎn)速（r/min） p—當量動載荷（kg） c—軸承額定動載荷 v—線速度 R—軋輥半徑 Fa—軸向載荷 Fr—徑向載荷 X—徑向動載荷系數(shù) Y—軸向動載荷系數(shù) —指數(shù)，對于球軸承為3，對于滾子軸承為 。 對軋輥軸承計算： =3600h 所以，此軸承滿足設計要求。 第5章 壓下裝置的選擇 5.1 壓下裝置簡介 壓下裝置主要用來調(diào)整換輥機構在機架中的位置。用來保證獲得所需要的壓下量、形狀和正常的軋制條件、精確的軋件尺寸。其主要作用有： （1）調(diào)整工作輥軸線之間的距離，以保證正確的輥縫，給定所需的壓下量； （2）調(diào)整工作輥高度，保證軋制線高度一致； （3）調(diào)整工作輥的平行度； （4）軸向調(diào)整與固定，帶孔型的初軋機、型鋼軋機：對正孔槽；板帶軋機：板型控制，如HC、CVC軋機等。 （5）板帶軋機上的軸向調(diào)整，保證輥型和板型； （6）換輥和事故處理操作 5.2 壓下裝置的分類 壓下裝置的分類有許多種：例如：按軋輥調(diào)整移動方向可分為軸向調(diào)整裝置和徑向調(diào)整裝置；按軋機類型及工藝要求可分為一般軋機壓下裝置和特種軋機壓下裝置：按驅(qū)動方式可分為手動壓下裝置、電動壓下裝置、液壓壓下裝置。 （1）手動壓下裝置 手動壓下裝置主要用在不經(jīng)常調(diào)整輥縫的型鋼軋機和線材軋機上也用于小型熱軋或冷軋鋼板和帶鋼軋機上。 它的優(yōu)點是價格低，結(jié)構簡單。其缺點是壓下速度和壓下能力較小，體力勞動繁重壓下速度和壓下能力較小。 （2）電動壓下裝置 電動壓下裝置是目前最常用的壓下裝置。它的原理是電動機通過渦輪減速箱或圓柱齒輪減速箱（有時也用行星輪減速箱）來傳遞傳遞運動并最終實現(xiàn)壓下功能。它的用途十分廣泛幾乎可以用于所有軋機上，如：它可以用于所有的軋機上，如初軋機、板坯軋機、厚板、薄板及熱、冷板帶軋機。 電動壓下裝置的優(yōu)點是可移動較大的數(shù)值，達到較高的速度和加速度，壓下能力也較大。它的缺點是結(jié)構復雜、效率較低、反應時間較長。 （3）液壓壓下裝置 隨著目前科學技術的發(fā)展，鋼材的軋制速度逐漸提高，同時對產(chǎn)品的精度要求也日益嚴格。由于電動壓下裝置傳動效率低、運動部分慣量大、反應速度慢、調(diào)整精度低等缺點，已不能滿足目前的工藝要求。所以，近年來在高速精鋼軋機上已經(jīng)開始采用液壓壓下裝置。現(xiàn)在，新建的冷連軋機組幾乎全部采用液壓壓下裝置，熱帶鋼連軋機的精軋機組的最后一架也往往使用液壓壓下裝置。 液壓壓下裝置的優(yōu)點是調(diào)整精度高，過載保護簡單、可靠，采用標準液壓元件，快速性好。他的缺點是技術復雜，對操作維護的要求高，對故障的分析、排除較困難。對檢測元件、液壓元件要求制造精度高。液壓系統(tǒng)對油的臟污也很敏感。 5.3 壓下裝置的選擇與設計 由于本設計的軋鋼生產(chǎn)線為初軋生產(chǎn)線，其軋機為初軋機。對精度要求不高，需要控制成本。所以，本文采用電動壓下裝置進行設計。 5.3.1 電動壓下裝置的形式 本次設計中的軋機為立式軋機，所以壓下裝置需要使用立式壓下裝置。立式壓下裝置中，使用圓柱齒輪傳動可以使傳動效率高，零件的壽命長，并且節(jié)約了有色金屬。所以本次設計采用圓柱齒輪電動壓下裝置 圖5-1 立式電動機圓柱齒輪壓下裝置原理圖 1—立式電動機；2—制動器；3—平衡液壓缸；4—圓柱齒輪機構；5—壓下螺絲；6—壓下螺母 5.3.2 壓下裝置參數(shù) 壓下電機功率：110kw； 壓下電機轉(zhuǎn)速：0—1020r/min S3—30%ED； 壓下速度：20mm/s； 壓下螺絲直徑：500mm； 壓下螺絲螺距：30mm。 本此設計的壓下裝置如下圖： - 圖5-2 壓下裝置 5.3.3 壓下裝置齒輪軸承的選擇 由于壓下裝置為立式壓下裝置，所以齒輪軸同時受徑向力和軸向力。因此，本次設計采用角接觸球軸承作為所選軸承。 軸承型號： QJ1060M 內(nèi)徑：300mm； 外徑：460mm； 寬度：74mm。 Cr=630kn 脂潤滑轉(zhuǎn)速：700r/min； 油潤滑轉(zhuǎn)速：950r/min； 重量：27.5kg。 5.3.4 軸承校核 采用第四章所述的方法對軸承壽命進行校核： Lh=1334h 該軸承可以實施更換，所以該軸承壽命合格。 第6章 結(jié)論 在現(xiàn)代化的軋鋼生產(chǎn)線中，其發(fā)展的趨勢是趨于連續(xù)化、自動化、專業(yè)化。這樣發(fā)展使得產(chǎn)品的質(zhì)量高,原料消耗低。現(xiàn)在，世界上的軋鋼生產(chǎn)線在設計、研究和建設方面取得了很大的進展，使帶材冷熱軋生產(chǎn)線、厚板軋生產(chǎn)線、高速線材軋生產(chǎn)線、H型材軋生產(chǎn)線和連軋管生產(chǎn)線等性能更加完善，并出現(xiàn)了軋制速度高達每秒鐘 115米的線材軋制生產(chǎn)線、全連續(xù)式帶材冷軋機、5500毫米寬厚板軋鋼生產(chǎn)線和連續(xù)式 H型鋼軋鋼生產(chǎn)線等一系列先進的生產(chǎn)線。目前，生產(chǎn)線用的原料的重量增大，而且采用液壓 AGC、板形控制、電子計算機程序控制等手段并且測試控制手段越來越完善，軋制品種不斷擴大。 經(jīng)過本次畢業(yè)設計，對軋鋼生產(chǎn)線的設計有了一定的了解，經(jīng)過整理分析后確定了合理的設計方案，對其機械結(jié)構進行了優(yōu)化設計。整個軋鋼生產(chǎn)線的設計側(cè)重于軋鋼機部分，在選擇設計重要零部件時，對其強度進行了校核。 （1）對軋鋼生產(chǎn)線的工作原理進行闡述，正確地選擇各項參數(shù)，用來提高所設計的軋鋼生產(chǎn)線的工作能力。 （2）設計了換輥機構，以實現(xiàn)軋鋼生產(chǎn)線的快速換輥，以此優(yōu)化軋鋼生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力。將軋輥整合于換輥機構中并用軌道實現(xiàn)換輥機構的進入與放出，便于軋輥的快速調(diào)整和拆裝。以此實現(xiàn)軋鋼生產(chǎn)線的模塊化，便于安裝和日后的維修。 （3）對壓下裝置進行了設計，用來將換輥機構更好的固定在軋機機架上并可以調(diào)整輥縫。其工作原理為電動圓柱齒輪式，該裝置技術成熟，而且本生產(chǎn)線為粗軋生產(chǎn)線，所以其精度也可達到要求。而且電動圓柱齒輪式壓下裝置成本較低，壽命可靠，易于維護，較好的符合本設計的理念。 參 考 文 獻 [1] 陳講孝. 12萬噸/年軋鋼生產(chǎn)線擴能技術改造[J]. 甘肅冶金, 2005, 27(3). 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China Machine Press. 致 謝 在王老師的帶領與指導下，緊張而短暫的畢業(yè)設計圓滿結(jié)束了。通過這次的設計我我學到了很多，就我個人而言我有三點體會： 一：在設計當中要認真考慮絕不能草率 在這次設計中，我想趁趁這次的機會為以后的實際工作做準備。開始設計前面部分是很認真，后來漸漸心態(tài)比較急躁了，設計時遇到小問題的計算時很不放在心上。后來在王老師的認真指導下，我重新查閱了相關書籍，最終成功完成了設計。所以我學到了做事要認真，不要急躁不耐心。 二：設計時要綜合分析 在設計時，需要對設計零件是合格，是否容易生產(chǎn)，在非用不可的情況下考慮是否容易制造；零件是專用的還是通用的，在組裝配合時，是否影響機械精度，必須設計合理。所以設計是要考慮周密。 三：在設計中要取長補短發(fā)揮集體合作 這次設計老師給予了我莫大的指導，鍛煉了我的設計能力。現(xiàn)在社會競爭激烈，在企業(yè)單位都講究集體合作，所以老師教育我們不懂就查閱資料，再不懂就多問同學問老師，學會依靠集體發(fā)揮自己的優(yōu)勢。所以我們要相互幫助，團結(jié)緊密。 最后我要衷心感謝我們的王老師，對她的親切指導表示感謝。