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1、摘要本文是针对轧机的主传动设计。钢管的生产是离不开连轧机的，轧机是生产无缝钢管的最重的步骤之一，最近几年来连轧技术迅速发展，不断进步，取得了很好的成绩。此文是针对连轧机组中的第二架轧辊进行的设计，包括一系列的计算和强度校核，受力的分析等一系列的问题。在设计过程中，在机器正常工作的条件下，首先要满足咬入条件，之后才是满足强度。根据无缝钢管的规格来选电动机，联轴器，减速器等等。关键词：连轧机 轧辊 无缝钢管 AbstractThis article is designed for the rolling mill drive.Steel production is inseparable from
2、 the mill, the production of seamless steel pipe mill is the most important steps in one of the most rapid development in recent years and rolling technology, continuous improvement, achieved good results. This article is for rolling mill rolls in the second frame for the design, including a series
3、of calculations and the strength check, stress analysis and a series of problems. In the design process, the machine normal working conditions, the first bite into the conditions to meet, then meet the intensity is. According to the specifications of seamless steel pipe to select motor, coupling, re
4、ducer and so on. Keywords: Mill Roll Seamless Steel Tube目录摘要2Abstract3第一章绪论51.1 发展状况51.2 生产状况71.3 生产工艺流程121.1.1管坯锯131.1.2坯加热141.1.3 穿孔机151.1.4连轧机151.1.5脱管机151.1.6定径机、张减机15第二章传动方案设计162.1第一种设计方案：162.2 第二种设计方案162.3 第三种设计方案16第三章轧制力的计算173.1已知参数173.2轧制过程的建立咬入条件173.2.1开始咬入阶段173.2.2完成咬入阶段183.3 平均单位压力的计算183.
5、3.1 外摩擦影响系数193.3.2 变形阻力193.3.3 轧件的粘度系数193.4 计算轧制力223.4.1 接触弧长度223.4.2 接触面积223.5 轧辊传动力矩的计算223.5.1 计算轧制力臂233.5.2 计算轧辊轴颈直径233.6 芯棒与钢管之间摩擦所消耗功率的计算24第四章减速器的选择与计算264.1选定齿轮类型、材料、精度等级、齿数274.2. 按齿面接触强度设计274.3.计算284.4按齿根弯曲强度设计29第五章 联轴器的选择与计算30第六章 轧辊轴的设计计算326.1 轴的结构设计326.1.1 轴的结构设计原则326.1.2 选择轴的材料326.1.3初步确定轴的
6、最小直径326.1.4轴的结构设计336.2强度校核39第七章轧辊轴承的选择与校核397.1概述397.2轴承的选择407.3.计算轴承的当量动载荷407.4 计算轴承寿命41第八章设备的润滑41参考文献43结束语45第一章 绪论11 发展状况1958年瑞士人Calmes提出了连轧管工艺芯棒限动的设想，经过计算，试验，在1968年获得专利。1975年Calmes 与意大利INNSE公司和Dalmine钢管，进行了芯棒限动的连轧管工艺大型工业试验，历时6个月。在获得成功基础上Dalmine钢管厂决定建设限动芯棒连轧管机组。1978年8月在意大利Dalmine钢管厂，由INNSE公司设计制造的世界
7、上第一套限动芯棒连轧管机组投产，一种崭新的轧管工艺诞生了。最近10年，在全世界的范围内钢材年增长率约为5%，2004年达到10亿t以上，其中增长最快的是中国和印度。2004年和1990年相比，钢材的轧制量和装备的增加量都是40%左右，目前在世界范围内的长材和扁平材的比例大约是4:6，对不同的轧机，轧机的作业率为75%90%。最近15年，连轧技术有了很大的进步，在轧带钢轧机布置形式的发展方面，总结起来，主要有6种形式。(1)典型的传统带钢连轧机组，这种机组通常是2架粗轧机，7架精轧机，2台地下卷取机，年总产量350550万t，生产线的总长度400500m，有一些新建的机组装备了定宽压力机(SP)
8、。这类轧机采用的铸坯厚度通常为200250mm，特点是产量高，自动化程度高，轧制速度高(20m/s以上)，产品性能好。(2)紧凑型的连轧机，通常机组的组成为1架粗轧机，1台中间热卷箱，56架精轧机，12台地下卷取机，生产线长度约300m，年产量200300万t。采用的铸坯厚度200mm左右，投资比较少，生产比较灵活，由于使用热卷箱温度条件较好，可以不用升速轧制(轧制速度14m/s左右)。(3)新型的炉卷轧机机组，通常采用1台粗轧机，1台炉卷轧机，12台地下卷取机，产量约100万t，其中有的生产线可以生产中板也可以生产热轧板卷，主要用于不锈钢生产，投资较小，生产灵活，适合多品种。(4)轧带钢的另
9、一生产形式是薄板坯连铸连轧，按结晶器的形式不同，分别有多种形式，如SMS开发的CSP、DANIELY开发的H2FRL等，由薄板坯铸机、加热炉和轧机组成，刚性连接，铸坯厚5090mm，产量120200万t，轧机的布置形式有粗轧加精轧为2+5布置，1+6布置，也有7架精轧机组成的生产线。薄板坯连铸连轧的特点是生产周期短、产品强度高、温度与性能均匀性好，但是表面质量、洁净度控制方面比传统厚板坯的难度大。(5)国外发展的无头(半无头)轧制技术，日本是在传统的粗轧机后设立热卷箱，飞焊机，把中间坯前一坯的尾部和下一坯的头部焊接在一起，进入精轧机组时形成无头的带钢进行轧制，在卷取机前再由飞剪剪断，该生产线可
10、以20m/s的速度轧制生产0.81.3mm厚的带钢。德国发展的是半无头轧制技术，他们利用薄板坯连铸连轧的生产线，铸造较长的铸坯，如200m，进人精轧，并且轧后进行剪切，在精轧机组中形成有限的无头连轧。这种生产线的特点是适合于稳定生产薄规格的带钢，减少了薄规格带钢生产中的轧废和工具损失。欧洲还产品范围和应用领域的进一步报道尚未见到。现在连轧机很多的技术发展依然集中在板形、厚度精度、温度与性能的精准控制、表面的质量控制等方面，比如广泛使用的强力弯辊(WRB)系统、工作辊窜辊(HCW、CVC)和对辊交叉(PC)技术，工作辊的精细冷却、在开发基于薄板坯连铸连轧技术的无头轧制技术，通过进一步提高铸坯的拉
11、速，使连轧机和连铸机的速度得到匹配，实现真正的连铸连轧。(6)正在开发的生产带钢的技术是薄带直接连铸并轧制的技术，钢水在2个辊中铸成56mm的带钢，经过1架或2架轧机进行小变形的轧制和平整，生产出热带钢卷。欧洲、日本和澳大利亚都进行过类似的试验，2004年美国NUCOR建立了工业试验厂，德国的THYSSEN2KRUPP也建立了相同的试验工厂，据介绍年产50万t的带钢厂已经试验成功，但是关于生产的稳定性、成本、产品质量、高精度的数学模型的不断改进等，都使热轧产品的质量不断提高。值得提出的新型轧机技术是日本2000年发明的在热连轧机组的最后3个机架上采用单辊驱动和不同辊径工作辊轧制技术(SRDD)
12、，该技术是轧制中驱动大直径的下工作辊(直径620mm)，而较小直径的上工作辊从动，其优点是轧制中有剪应力产生，降低轧制力、减少边降和增大压下量。在国内称为异步轧制技术，国内的实验室实验也表明，该生产方法对降低轧制力有明显的效果。在目前的情况下用低温大变形生产超细晶粒钢和超高强度钢，这种设备是很有效的，但是关于质量、稳定性等方面尚无进一步的报道。所有新建的轧机都有完善的检测技术和手段，如厚度、宽度、速度、凸度、平直度、表面等，使带钢的精度更高，质量更好。3 温度控制技术进步加热炉更多的是采用蓄热式加热炉，燃烧器交替进行蓄热和燃烧，这种炉子在日本使用非常普遍，采用该炉子可以有效地减少燃气的消耗量和
13、废气的排放量。热连轧的冷却控制开始采用超快速冷却(UFC)，这种冷却技术比传统的层流冷却的冷速快510倍，UFC可以放在精轧末架出口，也可以放在地下卷取机前，采用UFC可以极大的改善带钢的性能，扩大钢材性能的可控范围，并且节约宝贵的合金元素用量。国外通过已有的UFC对低合金钢进行了很多有益的实验，并且获得了成功，如细化了晶粒、获得了更高的析出硬度等。用户对表面质量的要求越来越苛刻，像汽车的覆盖件、DWI、酸洗涂油板等，为此采取一系列的措施改善成品表面质量，如辊缝润滑、精细冷却、高Cr轧辊，并且采用在线的带钢上下表面检测系统(ASIS)。焦炉煤气净化后用于发电。1.2 生产状况我国无缝钢管的生产
14、从无到有、从小到大,已经走过了50 多年的历程。2003 年全国无缝钢管产量为700 万t, 出口56 万t, 进口5311万t, 继续保持世界上无缝钢管第一生产、消费大国和成为无缝钢管净出口国。目前,我国无缝钢管品种结构方面的矛盾已得到基本缓解,产品质量已基本上能满足国内需求,产品无特色的“以冷代热”小口径无缝钢管生产方式及落后的生产机组正在逐步淘汰。已经拥有了世界上无缝钢管生产的各种典型机组。主要机组(产能超过一半) 的装备水平、主要生产技术指标和主要品种(如油井管、轴承管和不锈钢管) 的产量居世界前列,我国的无缝钢管正在从生产大国走向强国。我国无缝钢管的生产企业呈现两大特点。其一是以天津
15、钢管有限责任公司(简称“天津无缝”) 、宝钢钢管分公司(简称“宝钢无缝”) 、包钢无缝钢管厂和连轧钢管厂(简称“包钢无缝”) 、攀钢集团成都钢铁有限责任公司(简称“攀成钢”) 、华凌(集团) 衡阳钢管公司(简称“衡阳钢管”) 以及鞍钢新钢铁公司(简称“鞍钢无缝”) 等六大钢管生产企业为首的国有企业,主要以生产专用无缝钢管和中大口径无缝钢管为主,总产量超过了全国总产量的一半以上(2003 年达到了362 万t) ,生产水平和集中度都比较高,它们是我国无缝钢管生产的主力军。其二是近几年来民营无缝钢管生产企业异军突起,发展速度十分惊人,这些企业主要集中在江苏、浙江一带,大都以生产小口径无缝钢管和轴承
16、钢、不锈钢无缝钢管为主,各生产厂的规模均不大,一般都在10 万t 以下,装备水平正在不断提高,机制十分灵活,生产成本较低,是我国无缝钢管生产的新生力量。这两支队伍相辅相成、并肩作战,推动了我国无缝钢管生产的快速发展。与西方国家无缝钢管的产量从1981 年的顶峰一路下滑,到1994 年下降了1/ 3 形成鲜明对比的是我国无缝钢管的产量从1981 年的92 万t 持续增长, 1994 年达到了304 万t, 跃居世界第一位(比1996 年我国粗钢产量超过1 亿t 而成为世界钢和材第一大国提前2 年),2003 年产量达到了700 万t, 为1978 年82 万t 的85 倍。特别是近3 年,每年增
17、加产量近百万t 。由此可见,我国无缝钢管进入了新一轮快速增长时期(表1) 。预计2004 年,我国无缝钢管产量将超过750 万t, 随着天津无缝 168 mm 机组、攀成钢340 mm 机组和衡阳钢管 273 mm 机组等3 套新机组的相继投产以及部分其他机组的扩能改造,预计未来3 年,我国无缝钢管的产能将达到900 万t/ a 以上。我国约有200 套(台) 以上的轧管(或只有单独的穿孔机) 机组,设计能力约500 万t 。其中只有24 家钢管厂的工艺设备比较完整配套,可直接出热轧成品无缝钢管的轧管机组35 套,设计能力约380 万t, 其中具有世界先进水平的轧管机组设计能力约250 万t,
18、 由此可见,我国无缝钢管的生产装备水平参差不齐,先进机组的设计能力仅占一半,在热轧成品管后,近100 万t 的生产能力只能通过冷轧(拔) 生产成机组中超过100 万t 产能的机组的装备水平比较落品管。177 mm 精密轧管机组,大冶钢厂 170 mm Assel 三辊轧管机组,衡阳钢89 mm 半浮动芯棒连轧管机组, 包钢无缝 180 mm 少机架限动芯棒连轧管机组以及鞍钢无缝 140 mm 限动芯棒连轧管机等。这些机组均代表了当今世界无缝钢管的先进水平。近两年,天津无缝又引进了 168 mm 三辊式轧辊可调连轧管机组(半浮动芯棒的PQF) ,它是世界第一台全面改进传统的二辊式限动芯棒连轧管机
19、组(MPM 、Mini -MPM) 的新型连轧管机组; 攀成钢引进了 340 mm 连轧管机组,衡阳钢管引进了 273 mm 连轧管机组。上述机组生产能力充分发挥,产量将达到500 万t 左右。经过多次改造的攀成钢周期轧管机组和包钢无缝因此，只有当. 时，才能实现其自然咬入；若时，则轧件处于平衡状态，不能自然咬入；当时，则不可能自然咬入。图1 开始咬入（a）咬入后（b）作用于轧件上的力3.2.2完成咬入阶段由图1b可知，当轧件倍咬入后，若继续咬入，则必须符合以下条件即 (3-3)由于，所以，这说明了轧件一旦被咬入，就会继续咬入，轧制过程就能建立起来。 3.3 平均单位压力的计算平均单位压力可以
20、写成下列一般形式 (3-4)式中： 应力状态影响系数； 考虑摩擦对应力状态的影响系数；考虑外区对应力状态的影响系数；考虑张力对应力状态的影响系数；艾克隆德提出下列公式计算轧制时的平均单位压力 (3-5) 式中： m考虑外摩擦对应力状态的影响系数； k轧制材料在静压缩时变形阻力，； 轧制粘性系数，; 变形速度，；艾克隆德根据其研究，提出了k、的计算公式。3.3.1 外摩擦影响系数艾克隆德给出了下式计算系数m： (3-6) 式中： 摩擦系数。建议采用下式计算，对钢轧辊=1.05-0.0005t，对硬面铸铁轧辊=0.8（1.05-0.0005t），t为轧制温度，t=950； 、轧制前后轧件的高度，m
21、m； R轧辊半径，mm；=（1.05-0.0005*950） =0.575将各个参数代入上式得： m= =0.0553.3.2 变形阻力利用L.甫培（Pomp）热轧方坯的数据，得到（KPm）的计算公式 (3-7) 式中： t轧制温度，； 碳的质量分数，%； 锰的质量分数，%； 铬的质量分数，%；查机械设计手册得：C=0.2；Mn=1.0；Cr=0.25将以上各个已知参数代入上式得：k=117.9675MPa3.3.3 轧件的粘度系数 (3-8) 式中：c考虑轧制速度对的影响系数； 其值如下：表3.1轧制速度的影响系数轧制进度661010151520系数C1.00.80.650.60表3.2 轧
22、辊的轧制速度MPM系统入口速度（m/sec）出口速度（m/sec）1731.54.5由于连轧管机各机架的速度关系应该遵守秒体积相等的原则且各机架间无推、拉力。 (3-9) 式中：第i机架孔型中的钢管横断面积。 第i机架轧制速度，m/s因为要求出二机架的轧制速度，则必须已知其轧件的断面积，然后利用秒体积相等的原则求出未知参数。由已知条件：MPM轧后外径173mm，壁厚4.00mm，可得芯棒冷态直径164.3mm。 来料外径：200mm，壁厚：13.35mm将总延伸系数合理分配在五个机架上，每个机架应小于1.6.若选择合适，连线为平滑曲线。根据 MPM五机架连轧管机的特点选择：，所以在已知延伸系数
23、的情况下，可以计算各机架轧件的断面积： 由已求得的条件： 可得：根据 可得：由于二机架轧制出口速度小于6m/s，根据图表取系数C=1，故： 艾克隆德用下式计算变形速度： (3-10)计算钢管进入第二机架的外径以及出第二机架轧机时的外径（钢管内径不变）由 解得：=182.534；=176.470；将参数代入上式：综上可得：平均单位压力为： (3-11)解得：（1+0.092）*（162.068+0.46*0.045）=128.849N/mm23.4 计算轧制力 (3-12) 式中：平均单位轧制力 S轧件与轧辊的接触面积轧件与接触面积F的一般形式为： (3-13) 其中：、轧制前后轧件的宽度 接触弧长度的水平投影3.4.1 接触弧长度不考虑轧辊弹性压扁时，接触弧长度的水平投影为： (3-14) 式中：R轧辊最大半径 压下量 即：=43.71mm；3.4.2 接触面积=7846.03mm2 轧制力为：1010953.43N3.5 轧辊传动力矩的计算本轧机两个轧辊都驱动，并且除了轧辊给轧件的力外， 没有其他的外力，此类情况属于简单轧制。驱动一个轧辊的力矩为轧制力矩与轧辊轴承处摩擦力矩之和： (3-15) 式中： p轧制力 轧制力力臂，即合力作用线距两个轧辊中心线的垂直距离 轧辊轴承处
