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It is a very important question in the structural designing of short stress path high rigidity rolling mill that whether the bearing chock of the rolling mill can self-align freely and whether the self-aligning pad can come into partial loading status or even into damage because of the bearing chock’s deformation. So it has very important theoretical and practical significance to study the vital structure parameters of the rolling mill. Profiled bar is almost relate to all fields in daily life and all departments in national economy. It takes a very important part in national economy. Using the experience of home and abroad for reference. A new short stress line roll mill is designed . In design optimum of the draughty schedule is used and rolling force and rolling torque are calculated,which is to improve the property of the mill.In the meantime,a thorough research is done about the theory of the mill. Technology design and manufacture of roll. The structure principles and design features of short stress line roll moll.The design adopt some precise calculation formula and provide some full and allurate picture of analysis for and structure. Keywords： rofiled bar；hort stress line roll mill ；thory of deformation IV 第1章 緒論 1.1鋼軋機的分類 型鋼生產歷史悠久，品種規(guī)格繁多，用途廣泛，在軋鋼生產中占有非常重要的地位。據統(tǒng)計各類形狀的型鋼有 1500 多種，尺寸規(guī)格達 3900 多個，在我國型鋼被廣泛應用在能源、交通、農田水利、房屋建筑等基礎設施。據 1997 年的統(tǒng)計資料表明，我國型材的比例占鋼材總量的 62.62%，遠遠高于 30%的世界水平。 型鋼軋機按照其用途及生產產品的規(guī)格可以分為軌梁大型、中小型及線軋機三大類。大型軋機的軋機形式有萬能鋼梁軋機、橫列式、大型軌梁軋機、跟蹤式軋機，中小型軋機的軋機形式有橫列式中型軋機、連續(xù)式中型軋機、橫列式小型軋機、半連續(xù)式小型軋機、連續(xù)式小型軋機，線材軋機的軋機形式有橫列式、半連續(xù)式、連續(xù)式、高速線材軋機。 1.2線材軋機的發(fā)展及趨勢 1.2.1 線材狀況及其發(fā)展趨勢 我國中小型型鋼品種包括碳素鋼和低合金鋼的簡單斷面和異型斷面的型材以及合金鋼的簡單斷面型材。發(fā)達國家中小型型材的比例占鋼材總量的的 6—15%。我國成品鋼材中，中小型材占 20—30%，其中大部分是小型型材。我國中小型材生產于發(fā)達的工業(yè)國家相比差距很大，尤其是產品質量、品種不能適應市場對小型材應變的要求，主要表現在以下幾個方面： （1） 橫列式軋機數量多， 這部分軋機平均產量低， 大部分形不成經濟規(guī)模，導致能耗高，勞動生產率低，成本高，經濟效益差。 （2）生產工藝簡單，設備陳舊，許多軋機兩火成材，不能與連鑄坯銜接。 （3）原料斷面小，單重低，成材率低。 （4）軋機設備水平低，剛度差，產品精度低。 （5）車間綜合裝備水平低，缺乏機械化和自動化。 隨著國內鋼鐵工業(yè)的發(fā)展和鋼鐵市場有賣方市場轉變?yōu)橘I方市場，由國內競爭轉變?yōu)閲H競爭，中小型材產品必須做到高質量、高效益，要做到這一點，我們必須充分發(fā)揮已建或在軋機的作用，在完全消化吸收引進設備的先進技術前提下，必須加速對現有橫列式軋機的技術改造。 （1）淘汰一批工藝落后、設備陳舊、形不成規(guī)模、產量低、能耗高、勞動生產率低、成本高、缺乏競爭能力的調坯軋材的橫列式軋機。 （2）對一些具有煉鋼、連鑄設備的企業(yè)，采用可靠的新工藝、新技術、新設備對現有軋機進行全面改造，實現連續(xù)化，采用連鑄坯，一火成材。 （3）對于那些改造成連軋有困難，但自身條件好，具有特色的調坯軋材的橫列式軋機，要提高軋機的裝機水平，采用高剛度軋機，提高產品尺寸精度，降低能耗，并且充分發(fā)揮橫列式軋機的優(yōu)點，生產一些特殊斷面、小坯量型材。 （4）小型材軋機的改造要立足國內設計、制造。 中小型型鋼軋機的產品發(fā)展趨勢：由簡單斷面型材向高剛度方向發(fā)展，異型斷面型材向輕型薄壁化方向發(fā)展。從軋機布置形式上，中小型型鋼軋制向著半連續(xù)化、連續(xù)化方向發(fā)展，尤其是小型材生產。從裝備水平上，廣泛采用短應力線、高剛度軋機，并且有的軋機可以進行平、立轉換，擴大了軋制產品的品種，提高了產品質量。 1.2.2 線材生產及其發(fā)展 我國自 80 年代以來，線材生產有了長足的進步和發(fā)展，線材產量及消費量不斷提高，我國線材產量占鋼材產量的比例及占世界線材總產量的比例比較高。但我國雖然已是線材生產大國，但與先進國家仍有很大的差距，主要表現在高速線材的比例低，硬線及合金鋼等高附加值線材比例低，控冷線的比例低，總體質量水平低。 我國目前高線比例僅為 42%，其余均由復二重式或橫列式軋機生產。復二重式或橫列式軋機工藝技術落后，產品尺寸精度低，盤重小，規(guī)格少，性能差，耗能高，在冶金生產結構調整中應予以淘汰并建高線軋機代替其生產。線材軋機的演變是朝著高速、連續(xù)、無扭、單線、組合結構、機械化、自動化的方向發(fā)展的，用戶對線材產量、盤重、精度、性能等方面的不斷增長促進了線材軋制的發(fā)展。 第2章 總體方案設計 2.1短應力線軋機結構特點分析 近幾年，在冶金機械線棒材行業(yè)中，短應力線軋機因具有投資少、見效快、安裝調整方便、易于操作、軋制廢品少、重量輕等優(yōu)點，受到軋鋼廠家的普遍歡迎，定貨量呈上升趨勢。因此對短應力線軋機的結構特點進行深入的分析，對今后產品的設計、制造是非常有必要的。短應力線軋機是一種高剛度軋機，在軋制過程中，軋制力所引起的內力沿各承載零件分布的應力回線縮短。該軋機主要由輥系裝配、輥縫調整機構、軸向調整機構、拉桿裝配等組成。 2.1.1 輥系裝配 由于采用了四列短圓柱軸承，其軸承壽命長，承載能力大，但四列短圓柱軸承只能承受徑向力，不能承受軸向力，故又采用了雙列角接觸球軸承來承受軸向力，由于四列短圓柱軸承的外圈可以自由脫出，這樣內圈就可以事先套在軋輥輥頸上，外圈則可先裝入軸承座內，將軸承座推到輥頸上與內圈配合，軸承座與軋輥的裝配就變成了軸承本身的自裝配。從該裝配可以看出，軸承和軸承座受力情況好，且由于該軋機取消了集中載荷的壓下螺絲，采用四列短圓柱軸承，使軸承受力均勻，應力降低，故與牌坊式軋機相比軸承壽命有顯著提高。 2.1.2 軸向調整機構 該機構是由一軸通過軸套與萬向聯軸器相連接，進行外置式軸向調整。該機構調整方便，結構設計新穎。 2.1.3 壓下螺母與球面墊 壓下螺母通過標準螺釘與軸承座聯接在一起，即壓下螺母不能相對于軸承座轉動。當拉桿轉動時，壓下螺母帶動軸承座升降，實現輥縫的調整。壓下螺母在所有的零件中受力比較大，且更換不方便，調整時與拉桿螺絲相對運動發(fā)生摩擦，故選用耐磨材料；但由于它與拉桿相比較，制造簡單，體積小，所以螺母材料應略次于拉桿材料；為防止擠壓面膠合，壓下螺母材料選用鑄造青銅。球面墊與壓下螺母配合調心起一個鉸鏈點的作用。當軸向調整軸承座或安裝誤差使拉桿被迫歪斜時，球面墊允許拉桿有一個小范圍的擺動以減小軸承的邊緣負荷，提高軸承壽命，球面墊要滿足硬度和表面耐磨性的要求。 2.1.4 輥縫調整機構 輥縫調整機構用于調整輥縫的大小。由于調整行程比較小，且不需要經常調整，所以采用手動或液壓馬達壓下，該裝置采用大傳動比的蝸輪蝸桿減速，因此省力，結構緊湊。圖1為輥縫調整機構原理圖，由一套蝸輪蝸桿帶動拉桿旋轉實現輥縫調整，即四個蝸輪與一個長蝸桿相嚙合，每個蝸輪又與輥系一個拉桿以鍵相聯接，蝸桿軸上安裝有內齒圈和外齒軸套兩個齒形離合器，可以同時壓下，也可以單側壓下，選用齒形為花鍵的牙嵌離合器，這種齒形可以傳遞較大的力矩且容易嚙合。壓下機構調整完畢后，蝸輪蝸桿傳動機構能自鎖。從輥縫調整機構可以看出，由于取消了壓下螺絲，進一步縮短應力回線，提高了該軋機的剛度，從而獲得了高精度產品，減少了軋制廢品，提高了軋機產品成材率。拉桿上、下兩端有旋向相反的T形螺絲起壓下螺絲作用，拉桿上頂端與蝸輪箱配合，下頂端與小底座配合，它聯接上、下軸承座，代替普通軋機的牌坊承受軋制力、支承輥子及壓下機構的重量，并且參加壓下傳動實現對稱調整。因此，要求拉桿具有較高的強度、剛度和較好的韌性，能承受交變負荷且要耐磨，故拉桿采用S34Cr2Ni2Mo。采用這種結構實現了對稱調整，保證了軋制線固定不變，從而，使導衛(wèi)裝置的調整、安裝、維護都很方便，減少了操作事故和工藝事故，提高了成材率和作業(yè)率。 圖2-1 輥縫調整機構 2.1.5 軋輥平衡裝置 由于軸承座及上軋輥的自重使拉桿螺絲與壓下螺母之間產生間隙。此間隙若不消除，則軋鋼時將在間隙處產生沖擊，影響整個機座的剛度，因此必須采用平衡裝置來平衡上軸承座和上軋輥的重量以消除間隙。 2.2短應力線軋機軋制原理分析 所謂短應力線軋機是泛指應力回線縮短了的軋機，前文已經指出影響軋機剛度的兩個直接因素是截面尺寸和應力線長度?？吭黾咏孛娉叽鐏硖岣邉偠龋厝粚е聶C架笨重粗大。合理的途徑是盡量縮短應力線，這就是短應力線軋機的原理[8~11]。 圖2-2所示為短應力線軋機和普通軋機應力回線的比較。短應力線軋機是所有軋機中應力線最短的。這種軋機的應力線是緊緊圍繞軋輥輥徑軸承的橢圓形。這是由于取消了壓下螺絲和機架的結果，拉桿安裝的與輥徑軸承的外圈極為接近，使W 值很小(圖2-2)，軋機的配合面是最少的(由于負荷零件的減少，使得他們之間的配合面也減少了)，軋機軸承具有較大剛度，所有這些都使軋機變形量減少，從而保證了軋機的高剛度。短應力線軋機不采用預應力，沒有機架，走短應力線、少配合面分散載荷的設計思路，使軋機外觀小巧，加工簡便，剛度高。避免了靠增加截面尺寸來提高剛度而導致機架笨重粗大的不經濟做法。并且短應力線高剛度軋機不需要象預應力軋機那樣對機架等受力零件施加預應力而得到較高的剛度，軋機結構和操作相對簡化，圖2-3為三種軋機剛度曲線。 圖 2-2普通軋機與短應力線軋機應力回線 圖2-3軋機剛度曲線 短應力線軋機離線預裝、預調，整體吊裝換輥，可以減少在軋線上換輥與調試的時間，提高軋機作業(yè)率，減少調試廢品。沒有笨重的鑄鋼牌坊，設備加工制造容易，制造周期短。軋機采用滾動軸承，其彈性變形、摩擦系數、 單位時間內的磨損量遠比舊式軋機(大多采用膠木瓦軸承)小， 產品精度、工作穩(wěn)定程度均大于膠木瓦軸承。短應力線軋機所用滾動軸承和十字軸式萬向連軸器(或尼龍棒接軸、弧形齒輪軸等)，比舊式軋機的膠木瓦與梅花軸套傳動平穩(wěn)、振動小、噪音小，更適合于高速傳動。此外，滾動軸承摩擦系數小，主電機啟動電流與工作電流小，電耗低，也是短應力線軋機的一大優(yōu)點。 1.3短應力線軋機總體方案 短應力線軋機的主要設備是由一個或數個主機列組成的。短應力線軋機的主機列是由原動機，傳動裝置和執(zhí)行機構三個基本部分組成的。 （1）工作機座：工作機座為短應力線軋機的執(zhí)行機構，它由軋輥及其軸承軋輥的調整機構和上軋輥的平衡機構，引導軋件的軋件進入軋輥用的導裝置，工座機座的機架及支撐機座并把機座固定在地基上用的軌零、部件的和機構組成。 （2）傳動裝置：聯軸器：聯軸器包括電機聯軸器和主聯軸器，電機聯軸器用來連接電動機與減速器的主動齒輪軸；而主聯軸器則用來連接減速器與機輪機座的傳動軸，既自減速器將轉矩傳至齒輪機座的主動齒輪。 減速器：在短應力線軋機中減速器的作用將電動機較高的轉速變成軋機所需的轉速，因而可以在主傳動中選用價格較底的高速電動機。確定是否采用減速器的一個重要條件，就是比較減速器及其摩擦損耗的費用是否低于低速電機的與高速電機的之間的差價，一般情況下，當電機的轉速小于200—250轉/分才采用減速器。短應力線軋機轉速小于200轉/分，因而采用減速器。 采用減速器時，根據傳動比的大小選用一級（傳動比i小于等于8）二級（傳動比等于8—40）或三級（傳動比i大于40）減速器。與這些減速器相對應的軋輥速度分別為200-250轉/分，40—50轉/分，以及10—15轉/分。 連接軸：短應力線軋機齒輪機座，減速器或電動機的運動和力矩，都是通過連接軸傳遞給軋輥的。設計采用橫列式布置軋機，一個工作機座的軋輥是通過連接軸傳動的。短應力線軋機采用的連接軸有萬向接軸、梅花接軸、聯合接軸和齒輪接軸等。 設計的短應力線軋機采用梅花接軸它常用在橫列式軋機上。 飛輪：設計的是一個飛輪裝置在減速器的小齒輪軸上。它的作用是在通過軋輥與軋輥空轉時，作動蓄能器以均衡傳動負荷；既軋輥空轉時，飛輪加速，積蓄能量；而軋件通過時，飛輪減速。放出能量，幫助軋制。 齒輪機座：其用途是傳遞轉矩給工作輥，設計采用三個直徑相等的圓柱形人字齒輪在垂直面排成一排，裝在密閉的箱體內 （3）電動機的選擇：短應力線軋機的電動機的形式的選擇與短應力線軋機的工作制度有著緊密的聯系。設計的短應力線軋機是軋制速度不需要調節(jié)的不可逆式短應力線軋機，采用異步電動機。 異步電動機主要用在有劇烈尖峰負荷的軋機上，為了減少電動機的容量，有時裝有飛輪，異步電動機投資費用較底，在小形短應力線軋機上很適合。 （4）短應力線軋機的工作制度：一般中小形短應力線軋機的工作制度可以分為：不可逆式的，可逆式的與帶張力軋制等幾種方式 設計采用不可逆軋機的工作制度，在這種工作制度下，每個軋輥的方向不變扎輥的轉速為不可變的。 三輥短應力線軋機 二輥短應力線軋機 圖2-5軋機的工作制度 短應力線軋機的總體布局 短應力線軋機的主要設備由一列主機列，此軋機的總體布局基本上與主機列一致，結構如下： 主機列三個基本部分組成，主電機，傳動機械，工作機座。 設計中的傳動裝置由齒輪機座，減速器，聯軸器，接軸組成，在電機與減速器之間用飛輪連接，在齒輪機座與減速器之間是用飛輪連接。在齒輪機座與減速器用安全聯軸器。因以上中除安全聯軸外，均在主機列中給以介紹，現對安全聯軸器作以介紹。 安全聯軸器：一般帶有飛輪的軋機，都有安全聯軸器。當軋機上的轉矩超過額定的轉矩時，聯軸器能夠分開，保護軋機的零部件，使之免受損壞。 工作機座為兩個三輥工作機座和一個二輥工作機座，總體結構如圖： 圖2-6短應力線軋機總裝圖 1-主電機 2-聯軸器3-減速器4-安全聯軸器5-齒輪機座 6-梅花萬向接軸聯軸器 7-工作機座8-梅花接軸 第3章 總體參數計算 3.1軋制平均單位壓力的確定 在軋制的過程中，軋件在軋輥見承受軋制壓力的作用而發(fā)生塑性變性，由于軋件塑性變形時的體積不變。因此變形區(qū)的軋件在垂之方向上產生壓扁，在軋件方向上產生延伸，大量的實驗資料證實，開坯，型鋼，線材軋機的軋制壓力，采用S。愛克隆德公式計算與實測結果比較接近。 愛克隆德公式的適用范圍：軋制溫度高于800度，軋制材質為炭鋼，軋制速度不大于20米/秒。 在愛克隆德的公式中，軋制的單位不僅是軋件機械性能的函數，而且是變形速度、摩擦系數、接觸弧長和軋件平均高度之比的函數，軋制平均單位壓力由三部分組成：　　 =++ (kg/) Ｋ值:Ｋ為軋件在軋制溫度t度下的單向靜壓縮時的單位變形阻力，計算公式為: =(14-0.01) (kg/) 式中 　　　——軋制溫度； ——軋件的化學成分，計算公式為： =1.4+C+0.3Cr+Mn 其中 　　C為百分含量； 　　Mn為百分含量； ?　　Cr為百分含量。 軋制的材料設為A3鋼，則C取0.3 W=1.4+0.3=1.7帶入K式中為 =（14-0.01×1000）×1.7=6.8（ kg/) 值：值為變形速度引起的變形阻力，其計算公式為： =U(kg/) 式中 ——軋件在軋制溫度為度時的粘度系數，其計算公式為： =0.01（14-0.01）￠(kg ·s/) ￠為短應力線軋機的軋制速度的修正系數； U——變形速度，計算公式為： U=（/s） 其中 　 R為軋輥的半徑； 　V為軋輥的圓周速度（軋制速度）（mm/s）； 　為道次壓下量，計算公式為 　　　　=h1-h2(?毫米) h1,h2為軋制前后的軋件的高度(毫米)； 查表2—1的軋制的修正系數為1 所以　 =0.01（14-0.01×1000）×1=0.04 （kg·s/) 以上取值，有賴于軋輥的轉速，其值為40——49轉/分。 初選V,?由現場以同類軋機取得，V=700（mm/s） =25mm(最大的壓下量) h1=60 mm(初使的高度) h2＝35 mm (軋制后的高度) 帶入 U＝2×700×=6（mm/s） 所以 ＝0.04×6=0.24（kg/) 　　　 =（+）M（kg/） 式中　　　 ——表示外摩擦對軋制平均單位壓力的影響系數，其計算公式為 = 為軋輥間的摩擦系數，計算公式為： =（1.05-0.005）a a為軋輥之間的修正系 軋輥的修正系數鋼軋輥a=1, 硬面鑄鐵軋輥a=0.8取a=0.8 所以　　　 U＝（1.05-0.0005×1000）×0.8=0.44 ?則　　　　 =(1.6×0.44-1.2×25)/(60+35)=0.1 =(6.8+0.24)×0.14=0.986（ kg/) (4)則平均單位壓力 =6.8+0.24+0.986=8.03（ kg/) 3.2軋制總壓力的確定 軋制總壓力的計算公式可用下式計算 N=PF P——軋件與軋輥接觸弧上的平均單位壓力 F——軋件與軋輥間的接觸面積在軋制總壓力垂直面上的的投影（簡稱為接觸面積） 各種不同的情況下計算接觸面積的方法不同，有以下幾種情況1輥徑相同的情況2軋制異型斷面軋件時的情況3冷軋時的情況4中（厚）板角軋時的情況。 我采用的是輥徑相同時的情況，計算公式為： =() 式中 　　 ——軋輥的半徑（毫米）； 　　——壓下量（毫米）； 　　,軋制前、后軋件的寬度。 ==3429（） 所以 =×=8.03×3429=27537(kg) 3.3軋制力矩的確定 傳動軋輥時，電動機軸上的力矩由下種四種力矩組成： = 式中——軋制力矩； ——附加摩擦力矩； ——空轉力矩； ——動力矩； ——軋輥與主電機間的傳動比。 其中、、與比較，比較大。所以可以將上式簡化 M=K 式中K為安全系數，取 K=1.5； 初選軋機總傳動比 i=10。 所以軋制力矩為 M==252.9（Nm） 粗算所需電動機的功率： P===26（KW） 3.4電動機的選擇 從上面的計算結果看，電動機的功率只在30KW左右，為了使軋機具有較高的能量儲存，使其在復雜的工作環(huán)境中工作，所選的電機功率要比此大的多。 上面所求的功率只是在某一道次的功率，在其他的情況下，軋機需軋制各種線材、型材，因此，需要改型，需要的功率要大一些。 設計中，電機的功率要參考現場軋機的功率，故選電機為TRB7——6，異步電動機。 此電機的一些數據從《機械設計手冊5》查的為：額定功率為280KW，額定電壓為380伏，滿載時的轉速980/分，效率為93％。最大的轉矩為2.2。 第4章 主要零部件的設計與校核 4.1飛輪的設計 采用飛輪的目的是降低軋制時電機的尖峰負荷、增加空載時的電動機的負荷，從而在整個的工作過程中，使電機的負荷均勻，以便按允許過載能力選擇較小的電動機。異步電動機的轉速隨負荷的變化而變化，飛輪儲存或放出能量，達到均衡電動機負荷的目的。飛輪安裝在電動機的軸線上，并安裝在電動機與減速機之間。 4.1.1飛輪力矩的確定 電動機尖峰負荷降低的多少與主傳動系統(tǒng)總飛輪力矩有關，而飛輪力矩占總飛輪力矩相當大的比重，故飛輪力矩是飛輪的一個重要參數。 飛輪本身的飛輪力矩為為傳動總的飛輪力矩的一個組成部分，所以在計算之前，必須先計算。 主傳動系統(tǒng)的總的飛輪力矩 =（噸·） 在尖峰負荷的時刻，主傳動的系統(tǒng)需要釋放的能量可按下式計算： 　　　　　 　 = 式中 ——在尖峰負荷下電動機的最大的功率，其值可按作用在電動機軸上的最大的轉矩確定: = ——尖峰負荷的時間； ——電動機的轉差率，一般取=0.12—0.17，取為0.15； 從電動機的參數中查的為2.2； 為電動機的額定的轉數為980轉/分。 則 ==2257.6（KW） 由工廠現實測得為1秒； 所以　　　　　=2257.6×1=2257.6 KW· 則　　　　　　==6.17（噸·） 則　 飛輪的轉矩=--（噸·） 式中　　　　　 ——電動機轉子的飛輪力矩（噸·）； ——軋機傳動裝置的轉動部分折算到電機軸上的飛輪力矩（噸·）； 可以近似的認為與相當。 因飛輪的圓周速度越高，則飛輪由于離心力所產生的內應力就越大。確定飛輪直徑D，考慮圓周的速度小于允許的最大圓周的速度，即 D≤ 式中 飛輪n——飛輪每分鐘的轉數； ——飛輪最大的圓周速度，整體鑄造的圓盤式飛輪（鑄鋼），=70 —90 D≤=1.36米 則取D =0.96米——1米 D=1米 飛輪采用一個，飛輪的直徑可取的大一些，通過這兩個取這個方案。 飛輪的結構和主要的參數 根據飛輪的直徑和圓周的速度的不同，選擇飛輪的結構為整體鑄造圓盤式飛輪，飛輪的材料為ZG35。 主要的參數由書《中短應力線軋機設計與計算》中表格有如下的關系： 表　4-1 D D=100 mm ≥ (0.8—0.84)D C （0.3—0.34） (0.1—0.15）D 0.5（+） d 根據軸計算 （0.1—0.15）（- ） （1.6—1.8）d 因為D=1000mm 所以=810—840 表 4-2 =（011—0.15）D=110—150 =130 mm d =100 mm d =100 mm =130 mm =130 mm C =（0.3—0.34） C =42 mm = 0.5（+） =500 mm =（1.6—1.8）d = 170 mm =（0.1—0.15）（- ） = 80 mm 飛輪整體鑄造后時效處理，進行機械加工。飛輪裝置外圍加安全罩。 4.1.2飛輪的強度的校核 飛輪的強度應滿足要求，才能保證飛輪安全工作。 飛輪的直徑滿足下公式即可滿足要求。 D≤ 飛輪的直徑就是按此關系式求的，為了驗證一下，下面校核一下強度。 飛輪轉動時，其輪緣的內表面所產生的應力可按下式計算： （N/cm） 式中 V——飛輪的圓周速度（m/s）； r——飛輪輪緣的內半徑（m）； R——飛輪的外半徑（m）； 　　　　　　 V=70(m/s) =3718.96（N/cm） =371.869(kg/) 所以強度足夠 4.2減速器的選擇 4.2.1傳動比的計算 軋件出軋輥的初速度，直接影響軋鋼的效率，若軋件的出軋輥的初速度快，可提高效率，同時軋制工人不容易軋制。因而軋件的初速度以小于2米/秒為益 （1）初選軋件的出輥速度為0.7米/秒，計算軋輥轉速 n: 取n=50r/min =980/50=19.6 在減速器等短應力線軋機存在著傳動裝置的效率問題。電動機的效率為93.7％， 可知減速器、齒輪機座的效率為94％ 則i=×93.7％×94％×94％=16 這樣將為： ==750/16=47r/min 為一般情況電機的轉數。 軋制速度為： =3.14×300×47=0.74 m/s 此軋制速度現場短應力線軋機軋制速度相似，因而符合生產實際。二選擇減速器 由于確定=16，符合選二級減速器傳動比的條件。選二級減器。 查《機械設計手冊》表8—427，查的i=16對應的代號為8在根據承載能力查表8—429，選取中心距a=1000毫米，工作類型：連續(xù)型，在查表8—424，的減速器的型號：ZL100型，最后確定減速器的型號：ZL100—8—，其外型及安裝尺寸如下。 型號：　 ZL100 中心踞： A=1000 =400 =600 中心高： =650 輪廓齒寸: H=1306 、L=1910、B=810 、=810 、=145 、=1550 、=22 =26、=50 地腳螺釘: d=M36、 n=8 、=610 、=7、=595、=510、=320 圖4-1 4.2.2主減速機的結構 減速機是由齒輪、箱體、軸、軸承、箱蓋等主要零件組成。 齒輪做成人字齒，因為這種齒輪工作比較平穩(wěn)，而且對軸承不產生軸向力。 齒輪的加工方法：滾齒刀（人字）（8級精度）。 在減速器中，只有底速軸采用軸向固定，其他的軸留有少量的軸向的游隙，使她可以自由的串動，以免卡主齒輪。軸向的游隙為0.8—1mm。 中心距小于或等于1000毫米的減速器，采用滾動軸承，減速器的材料為鑄鐵， （1）中心距 　　　 查表的 　a=1000mm （2）傳動比 　　總的傳動比由電動機軸的轉速和軋輥的轉數之比確定。i=16 （3）齒寬系數 為齒輪的寬度和中心距之比。，=0.4—0.6，取=0.5。 （4）模數和齒數 模數降低，小齒輪齒數齒數和均應取較大的值。齒數增加使齒的磨損減小，同時增大重和的系數，有利于減低接觸應力。 一對齒輪要求有較大的傳動比時，≥20，取一級小齒輪的齒數為22，大齒輪為84。 二級小齒的齒數為22，大齒輪為93。齒數和模數與中心距和齒傾角的關系為　　　　　　　 模數按上式計算的6.5、9。 （5）齒頃角 漸開線齒輪的齒頃角：對于人字型齒輪= 取齒頃角為 4.2.3齒輪的材料和熱處理 小齒輪的材質為，大齒輪為。 生產實踐證明，齒輪對承載能力除了決定于齒面硬度外，同時還與齒輪對的硬面差和齒面金相組織有關，而小齒輪調質及大齒輪正火的熱處理配合方式，比大小齒輪均采用調質的使用壽命高。 大齒輪采用正火處理，HB190——220；小齒輪采用調質處理 4.2.4減速器的工作狀態(tài)分析 減速器為展開式減速器，這種兩極展開式圓柱齒輪減速器結構簡單齒輪對軸承的位置不對稱，軸要具有較大的剛度。 改進意見：如能選取“分流式”減速器，會使軋機工作更可靠，齒輪與軸承對稱布置，因此載荷沿齒寬分布均勻，軸承受載平均分配，中間軸危險截面上的扭距相當于軸所傳遞扭距的一半。 其工作草圖如下： 圖中高速級采用人字齒輪，低速級可制成人字或直齒，結構復雜，適合變載的場合。 圖 4-2 4.3齒輪機座的設計 4.3.1齒輪機座的類型和結構 （1）齒輪機座的結構 齒輪機座箱體一般用鑄造的形式，由于齒輪機座的體積比較大，鑄造的工藝要求較高，一般的廠家無能力生產。因此，箱體采用分鑄拼焊結構。焊條為T42。 具體的工藝要求如下： 鑄件退活后，對焊縫加工，焊縫要電磁探傷。 將焊好的箱體整體退火，然后機加工達到裝配要求。 分鑄拼焊結構箱體生產較整體鑄造的結構要簡單，易于制造；同時也有缺點：生產的周期長，需工時長，適合少量的加工。 （2）齒輪機座的類型 在軋機的傳動的裝置中，齒輪機座用于傳遞扭距到工作機座的每一個軋輥；其特點是低速、重載、沖擊的次數頻繁。中小型的短應力線軋機的齒輪機座一般有二重式、三重式和復合式 等三種類形。其中二重式齒輪機座多用于小型的二輥初軋機，三重式齒輪機座應用于橫列式中短應力線軋機；復合式齒輪機座的形式較多，其特點是齒輪的機座和減速器和在一個共同的箱體內。 采用三重式齒輪機座，齒輪機座的基本參數 4.3.2齒輪的設計 （1）齒輪節(jié)圓的直徑 軋輥中心距因軋輥重車和重磨后發(fā)生變化，節(jié)圓直徑 　　 　　D=()/2 　 =(302+298)/2 　　 =300mm （2）模數、齒數、齒寬、齒頃角 齒數 取14—31，齒寬系數1.7—2.4，齒頃角為，模數為8—45。 齒輪參數的確定是根據同類型的軋機的參數確定的。 中心距： A=d=300mm 端面模數 ： =12mm 齒輪的工作寬度： b=720mm 齒傾角：　　　 ＝ 齒數：　　　 ＝25 （3）計算力矩的確定 （） 式中　　　　 ——扭矩分配系數，取0.5； ——電動機最大的力； ＝； 為電動機的最大的功率；為電動機的轉速，為減速器的總的傳動比，為減速器與連軸節(jié)的總的傳動效率。 ＝4457（） ＝0.54457＝2228.5（） （4）齒輪的材料和加工制造 齒輪的材料采用，齒輪的加工精度為8級，采用滾齒法加工，退刀槽的寬度為120mm （5）齒輪軸和滑動軸承 軸承尺寸的確定，采用的是滑動軸承 ＝195—225mm ?。?00mm L =(1.1—1.5) =220—300 取L=220mm 式中　　　　 d——齒輪的節(jié)圓的直徑； 　　　 L——滑動軸承的工作寬度； 　　 ——軸徑直徑。 （6）軸端的強度計算 軸端直徑　　　 ＝（0.8—0.95）=(160—190) ?。?60 軸端的強度計算 式中　　　 ——作用于軸端的扭轉力矩。 許用扭轉應力［］ ［］＝（0.65—0.75）［］ ［］＝ 式中　　　 ——軸頸材料的抗拉強度； 　　　　　　　 ＝980M 　　　　　 =100×() ［］＝ ——安全系數，≥5； （7）滑動軸承 材料 為滑動軸承采用鑄鋼軸承座，孔內以巴氏合金襯。 滑動軸承的材料：軸承：鑄錫基軸承合金 ，牌號，硬度 27。 4.3.3齒輪機座的潤滑 在軋機的傳動裝置中，齒輪機座起著傳遞并分配扭矩的作用。其齒嚙和的特點是低速、重載、沖擊負荷大，沖擊次數頻繁，因此其齒輪的嚙合處于極沉重的擠壓負荷下工作結構上的限制，其相互嚙合的齒輪對垂直配置在箱座中，因此濺油潤滑比較困難。由于以上幾個原因，齒輪機座用稀油集中循環(huán)潤滑，潤滑油強行壓注到齒的嚙合面與軸承處。潤滑油采用短應力線軋機油，用HJ3—28號短應力線軋機油。 4.3.4齒輪機座的總體尺寸 齒輪機座由機架、機蓋、齒輪軸、主連接螺栓、鍵板和軸承座等主要零部件組成。 （1）箱體的側壁的厚度 =（0.058—0.07）=17.4—21 取20 （2）齒頂距機蓋的下壁和箱體上壁的最小的距離： ≥（0.4—0.5）A =120—150 取120mm （3）機架與機蓋主連接螺栓的直徑： 取56mm 機架由左右兩個框架構成，其間配置軸承座。基價上有觀查齒輪嚙合的窺視空孔，以及潤滑齒輪和軸承用的進油孔和回油孔。機蓋上部設有透氣罩，以利于散熱通風和防止由于箱體內部因氣壓升高所造成的漏油。 采用滑動軸承，因其易于制造，徑向尺寸小，有利于提高軸承座的強度，還由于徑向的尺寸限制。不過也有缺點：摩擦系數較大，軸承合金易于磨損，對齒輪的嚙合條件有不良的影響。 4.4工作機座的設計 4.4.1工作機座的選擇 工作機座是短應力線軋機的執(zhí)行機構。他是由軋輥及其軸承、軋輥調整裝置，機架及輥座等部件的組成。 （1）普通的開式機座:具有開式機架的工作機座，其軋機上蓋是可拆的，因此便于更換軋輥。 （2）閉口式工作機座:是一種的剛架其強度與剛度都較高 （3）預應力工作機座:一般閉式的機架在不工作時，機架是不受力的。而預應力軋機是用一種特殊的裝置通過拉桿對機架施加外力使機架在不工作時，預先就處于應力的狀態(tài)。 預應力軋機開始于五十年代，此軋機屬于短應力線軋機的一種，即這種軋機的應力作用線較短，是因為在預應力軋機上，減少變形的環(huán)節(jié)和結合面的數量。如預應力的軋機的橫梁和立柱長度比同輥徑的軋機普通軋機小，以軋機軸承座代替牌坊，減少壓上和壓下的機構，有的根本不用，而以其他的機構替代；至于作為預應力軋機的一部分的拉桿，因用材料較少，可以用彈性模量較大的優(yōu)質鋼材制作。由于機架的結構得到了簡化，可用厚板坯切割的到毛坯。因而這種短應力線軋機的剛性比同輥徑的短應力線軋機要大，于是在軋制時可提高軋件的精度，尤其能使同一根軋件的頭尾斷面的尺寸偏差小，沿整個長度上保持均勻，對小型及線材軋機尤為重要。 預應力軋機有多種類型，如偏心套筒式、空心拉桿式等。本次設計采用的是半機架式，所謂的半機架式即把整體的牌坊改為分開的結構，然后用螺栓拉桿把上下半機架連接成一個整體。 這種軋機的圖例是三輥、二輥短應力線軋機的機座。它是由上下半機架組成，此軋機保留了普通開式或閉式軋機的結構特點，其區(qū)別是預應力的機座對上下半機架施加了預應力。 （4）懸掛式機架:懸掛式的機座 有三輥式和二輥式的。三輥式的由壓下裝置，平衡裝置，上輥組裝、中輥組裝和下輥組裝等部分組成。在中輥軸承座的上下面各有一對螺絲拉桿，上下軸承座分別套裝在螺絲拉桿上,并通過壓上和壓下裝置使上下輥軸承座體沿拉桿的移動實現軋輥的徑向的調整，拉桿的端部用螺母擰緊，構成一個裝配式封閉的機架，懸掛在單邊的機架上。上中下軸承座經過熱處理的鑄鋼件，根據鑄件的可能性，中輥軸承座和螺栓拉桿可以鑄成整體，也可分開加工，然后將拉桿焊到軸承座上。 機座的上軸用蝶形的彈簧平衡，手動壓上和壓下。二輥機座的結構和三輥的相似，僅將上下輥軸承座改為一面伸出兩根圓柱。 懸掛式機架的優(yōu)點是體積小，重量輕，剛性大，整機架換輥，其缺點是設備加工質量要求高，機架都有一套備換的，資金需求量大，不易于小廠投資生產。 各種型式機座比較：預應力機座優(yōu)點明顯。安裝、維修、換輥，有開式的優(yōu)點。工作時，有閉口式機架的優(yōu)點，剛度、強度高，結構簡單，無開口式機架的調隙裝置。其顯著的優(yōu)點是產品質量的到了保證，這是選擇預應力機做的原因。 4.4.2軋輥與軋輥軸承的設計 （1）軋輥與軋輥軸承座是整個工座機做的核心部分 軋輥是短應力線軋機中直接軋制軋件的主要部件。在軋制的過程中，軋輥直接與軋件接觸，強迫軋件發(fā)生塑性變化，與此同時，軋輥承受著巨大的軋制壓力作用，并由于軋輥本身的旋轉使其應力隨時間作周期性的變化。在熱軋條件下，軋輥既接觸高溫的軋件而受劇熱，同時又被水冷卻而受急冷，冷熱交加。 1)軋輥的類型、結構與參數 軋輥的類型 選擇型鋼軋機的軋輥。 型鋼軋機的軋輥的輥身上有軋槽，根據型鋼軋制工藝要求安排孔型，孔型見孔型設計，軋輥應有足夠的強度、剛度和良好的耐磨性能。軋輥工作表面的硬度是軋輥的主要的質量指標之一。 軋輥的結構 軋輥由輥身、輥徑和輥頭三部分組成。輥徑安裝在軸承中，并通過軸承座和壓下裝置把軋制力傳給機架。輥頭和連接軸相連傳遞軋制扭矩。 　　　　　　　　　　　　　　 圖4-3 輥身：輥身是軋輥直接與軋件接觸的部分 輥徑：輥徑是軋輥的支撐部分，軋輥是依靠輥身的兩側軸徑支撐在軸承上。 輥身與輥徑交界處是應力集中的部位，是軋輥強度的薄弱環(huán)節(jié)。在輥徑與輥身必須有適當的過度的圓角。 軸頭：軋輥兩端的軸頭為軋輥與接軸相連接的部分。軸頭采用梅花軸頭的形式。 軸頭的形式：梅花軸頭，萬向軸頭，帶鍵槽的和圓柱形軸頭。 軋輥的參數 軋輥的基本尺寸參數有：軋輥的公稱直徑D，輥身的長度L，輥徑直徑d和輥徑長度l 以及輥頭尺寸等。其中輥身長度和輥身直徑是表征輥身尺寸的基本參數。 輥身直徑：輥身直徑為短應力線軋機的一個重要的參數 D為輥身直徑即為公稱直徑。D=300 mm為已知 輥身的長度L：　　　L=（2.2—2.7）D 取　　　　　　　　　L=2.5D=750mm 輥徑 d:軸徑尺寸是指軸徑直徑d和輥身的長度L，它與所用軸承形式及工作載荷有關， 　　　　　　d/ D=0.55 　 d=165mm　　　 取d=170mm l/d=0.92—1.2 l=0.96d=163.2mm取 l=164mm 軸承處的輥徑向輥身過度處，為了減少應力集中，需要做成圓角。圓角的 r=(0.05—0.12)D 　　　　 r=0.065×300=19.5 　　取r=20mm 軋輥頭：梅花軸頭的外徑 =（0.9——0.95）d=0.925d=157.25mm 取=160mm 查表　　 軋輥的材料 對短應力線軋機軋輥的質量的要求是很高的 ，因為它決定短應力線軋機工作的好壞、生產率的高低和產品質量的優(yōu)劣。軋輥的工作條件是很繁重的，軋鋼時要不斷被金屬磨損，承受很大的動態(tài)壓力，與金屬之間有很大的滑動速度，有時還要經受變化幅度很大的高溫影響。 基于上述的原因，軋輥采用高強度的鑄鋼軋輥和鍛鋼軋輥以及高強度的鑄鐵軋輥。 制造軋輥用的材料需要這樣的性能，即軋輥能長時間的使用而不斷裂，其表面磨損也很小，即既是高強度又是耐磨的，軋輥的磨損程度取決于他的硬度大小。 初軋機和中軋機的六個軋輥均采用球墨鑄鐵軋輥，型號為—2，≥900 280—360。 小型及線材軋機即小型的圓鋼，螺紋鋼及線材軋輥材料為高鉻鑄鐵 （2）軋輥軸承 1）軋輥軸承的工作特點 軋輥軸承用來支撐轉動的軋輥，保持軋輥在機架中正確的位置，軋輥軸的摩擦系數小，足夠的強度和剛度，壽命長，以便于換輥。 軋輥的工作特點是能承變很高的，比普通標準軸承所允許要大幾倍的單 負荷。 2）選擇軸承的有 軋輥軸承的主要類型兩種：開式（主要包括帶金屬軸襯的滑動軸承、帶層壓膠布軸襯的滑動軸承）閉式（主要包括油膜軸承和滾動軸承） 選擇開式的滑動軸承（具有可拆軸承襯的）摩擦系數底=0.005，壽命長，耐熱性與剛性較差，這是膠木軸承的特性。 非金屬軸承襯的開式軸承 工作軋輥選擇的軸承就是這種軸承，采用膠木瓦，軸承襯瓦的形狀有好幾種如圖，其中半圓柱的比較省料，但切向要求牢固的固定，長方形固定性好，然而用料較前著多，由三快組成的軸承襯比較省料。 目前應用較多的是整壓 的半圓柱形襯瓦，其優(yōu)點是省料，制造方便，安裝以后不需另行鏜孔，而且也簡化了軸承的結構并且摩擦的系數底，膠木瓦的軸瓦摩擦系數=0.005左右。由于摩擦系數低軸瓦具有良好的耐磨性，因此壽命較高，并可減少能耗；膠木軸瓦比較薄，故可采用較大的軸徑尺寸，有利于提高軸徑的強度；這種軸襯質地較軟，既耐沖擊，又能吸收進入軸承的氧化鐵及等硬質顆粒，因而有利于保護軸徑表面。 這類軸瓦的缺點是強度底，耐熱和導熱的性能很差，因此需要大量的 循環(huán)水進行強制的冷卻和潤滑。膠木軸瓦用水潤滑。 圖4-4 4.4.3軋輥調整裝置的設計 軋輥調整裝置的作用主要調整軋輥在機架中的相對位置，以保證要求的壓下量精確的軋件尺寸和正常的軋制條件。 調整裝置主要有軋輥軸向的調整裝置和頸向的調整裝置兩種。 軋輥的軸向的調整裝置主要用來對正軋槽，以保證正確的孔型，用手動來完成，裝置如圖。 圖4-5 軋輥的徑向調整其作用是需要進行下述操作時，徑向調整兩工作輥之間的相對位置： （1）調整兩工作軋輥的軸線之間的距離，以保持正確的輥縫開度，給定壓下量 （2）調整軋輥之間的平行度 （3）當更換新軋輥時，調整軋制線的高度 （4）更換軋輥或處理事故（如軋卡）時需要的其他的操作。 軋輥的徑向調整分為：上輥調整裝置；下輥調整裝置；中輥調整裝置。 本設計中的軸向調整裝置采用壓下裝置和斜鐵調整裝置。 中輥調整裝置如圖，主要用來在軸承磨損時進行微調。 圖4-5 下輥徑向的調整裝置分為手動和電動調整裝置，設計采用采用手動斜切調整裝置，本裝置較為復雜，設計的結構與圖相似，其可作為改進結。斜切的角度不可大于。 　　　　　　　　　　　　　　　圖4-6 4.4.4機架的設計 （1）機架的主要形式的選擇 工作機架的形式有閉口式和開口式兩種，選用開口式的（預應力）機架， 其換輥方便，結構較為簡單。 （2）材料的選擇 機架俗稱牌坊，是短應力線軋機工作機架的骨架，它承受著經軸承座傳來的全部軋制力，因此要求它具有足夠的強度和剛度。 短應力線軋機機架采用，分斷鑄造，用電渣焊焊成一體。也就是說選擇材料為鋼板，后焊接成機架。 （3）機架的主要的尺寸 窗口的尺寸，窗口是按軸承座及軸承設計的，窗口尺寸的尺寸是由機架的形式和短應力線軋機的尺寸來確定，開口式機架窗口的寬度根據軋輥軸徑和軸瓦鐵的尺寸來確定。設計選寬度為300mm.。 窗口高度的設計，考慮上下輥調隙裝置的尺寸，加上三個軋輥的直徑即可以，定于1050 mm.。 （4）立柱和橫梁的斷面的尺寸 機架應具有足夠的強度和剛度，機架的剛性表示它變形的抗力，它與機架立柱斷面的尺寸有著密切的聯系。 機架立柱的斷面尺寸由下式近似確定： F=（0.8—1.0） 取F=0.9=0.9×=260.1 考慮強度和剛性的關系，取截面的尺寸：19×20 三軋輥機架的結構，由兩部分組成：上機架、下機架。下機架的底座為導輥式的以利于滑動，此機架軸的位置調整方便。 在上，下機架接觸面要加工平整，以保證接觸后機架的整體質量。上、下機架接觸面處各有兩個定位孔，是安裝定位銷的，保證機架的安裝對正。上下機架對正后，將拉桿分別安于圖式的位置，然后在拉桿的下端插入鍵板，將拉桿上端大的螺母擰上，利用杠桿的原理，用千斤頂在拉桿上施以1.2倍的軋制力。這時拉桿伸長螺母又可旋轉下降一級，當螺母旋轉不動時，將千斤頂移到另一個拉桿處，將另一拉桿安好。 由于拉桿的巨大的壓力作用，上下機架結合面緊密的接觸，而形成閉式的軋機。 4.4.5機架強度的校核 校核中的公式選用《機械軋鋼設備》一書中 彎矩計算圖 合成彎矩 圖4-7彎矩圖 根據軋輥的尺寸，得軋輥的重量G=453kg 軋制力 　　=（0.2—0.4）G