机械毕业设计（论文）吐丝机前夹送装置设计【全套图纸】.doc

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1、第一章 绪论1.1线材生产的发展和其工艺我国现行有关标准规定，直径为5-9毫米是盘圆卷状态的热轧圆钢称为线材，它是热轧型钢中断面尺寸最小的一种，线材因以盘卷状交货，故又称盘条。线材的用途很广，在国民经济各部门中线材占有重要的地位。有的线材轧制后可直接使用，主要做钢筋混凝土的配筋和焊接结构用件，例如经过拉拔成各种钢丝，再经过冷锻及捻制成为弹簧等等。线材应用范围不仅相当广泛，而且用量也大，据有关资料统计，各国线材产品产量占全部热轧总量的5.3%-15.3%，我国约占10%左右。从生产工艺方面来讲，合乎尺寸精度要求的线材不是轻易就能轧制出来的。其原因是线材比圆钢细而长，表面积大，温降非常快，在轧制到

2、最后几道次的时候能保持轧件在热加工温度范围内的时间很短。此外，虽然钢坯在加热时各部分温度基本是均匀一致，但由于各部分从出炉到轧制所经历的时间不同，在轧制过程中温降大小也就不同，从而造成各部分在轧制时的变形情况不同和冷却到常温时的收缩量不同，进而形成各部分断面尺寸的不同，给温降调整和操作带来很大的困难，解决的办法：一是减少自重，二是使轧件速度增大，减少活套。前者不符合用户的要求，后者时解决矛盾的的合理途径。自1966年世间上第一套摩根45度轧机以及相应的控制冷却等设备正式投产以来，出现了线材生产的崭新局面。目前，高速无扭精轧机组的出口速度已达到102m/s,相应的自动化程度也随之更为提高，并开始

3、采用电子计算机控制和进行生产管理，高速线材机时近年来钢铁工业的惊人成就之一。高速线材轧机与其它先进技术一样也是时代的产物，与其它的冶金生产相类似，是冶金技术、电控技术、机械制造技术的综合产物。高速轧机的特点是：高速、单线、无扭、微张力、组合结构、碳化钨环和自动化。产品特点是盘重大、精度高、质量好。其机型可概括为三辊式，45度、15度、75度和平立交替式四种。通常高速线材轧机的工艺特点可以概括为连续、高速、无扭和控冷，其中高速轧制是重要的工艺特点。实现高速首先是对设备性能的提高，如精轧机、夹送辊、吐丝机等，各部分都要能适应高速运转。从工艺上保证高速的主要条件是原料质量、轧件精度、轧件温度。要保证

4、轧件精度，轧件机座的刚度、精度都达到相当高的水平。导位精度与轧件头部的质量关系很大，要保证轧件头部的尺寸及形状，就必须从导位入手。轧机之间的张力对轧件的精度的影响极大，应尽可能实现无张力轧制。高速线材轧机问世以后，大盘重自然冷却时会造成二次氧化，轧制完成后线材力学性能低并出现严重不均匀的问题。这就使轧后控制冷却工艺被广泛采用，并随用户对产品质量的提高的要求而逐渐完善，轧后控制冷却工艺已成为高速线材轧机不可分离的组成部分，是高速线材轧机区别于老式线材轧机的特点之一。高速线材生产的一般工艺流程如下：钢坯运入成批称重入库存放炉前上料钢坯质量检查单根称重加热粗扎切头尾中扎预精轧切头尾精轧穿水冷却吐丝成

5、卷散卷控冷集卷切头尾压紧打捆卸卷入库本设计的工艺流程如下图1.1所示：原料准备称重装料加热轧制水冷卷曲控制冷却运输道冷却检查打捆称 重入 库 图1.1 工艺流程图1.2夹送装置介绍1.2.1夹送装置的发展 夹送装置的发展，是伴随着线材轧制速度的提升和自动化控制在实践中的应用而发展的。在初期的线材轧制中，夹送装置辊缝的调节是依靠简单的手动调节丝杠进行的。不仅调节的速度慢、精度低。而且不能满足高速生产的需求。伴随着电气与机械的结合应用于工业。在提高了轧制速度的情况下，夹送装置增加了增速器和高转速直流电机。实现速度的提高。在夹送部分，压下系统采用了液压、气压系统，保证了大的压下力和迅速的反映。对于辊

6、缝的大小则采用了高灵敏的传感器，保证了辊缝的调节精度。而且在轧制的过程中应用了机电中的反馈回路，可以根据实际的生产状况，随时的调节辊缝和压下力。大大的提高了设备的适应性和线材的表面质量。对于我国现有的线材轧制水平，对夹送辊一般的技术要求是：(1)夹送辊辊缝设定范围为0.2-2mm，视不同规格和钢种进行调整；(2)夹送辊汽缸工作压力为0.2-0.35兆帕，视不同规格和钢种进行调节；(3)夹送辊导卫的安装对中较为严格。进口导卫要对准夹槽，推到位后再夹紧固定。出口导卫与夹送辊辊面保持微间隙并夹紧固定。1.2.2夹送装置的作用夹送辊位于水冷段和吐丝机之间，其作用是夹持水冷后的线材顺利进入吐丝机完成吐丝

7、。加送辊一般有两中类型：一种叫导位辊，用于立式吐丝机。由于导向轮需将线材运行方向改变后进行吐丝，所以它不适于高速轧制。另一种夹送辊是水平悬臂夹送辊，它用于卧式吐丝机，这种形式的夹送辊不改变线材的运行方向，所以轧制速度在70m/s以上的现代高速线材轧机都采用这种形式的夹送辊，本设计也采用这样的形式。悬臂式夹送辊的结构与精轧机机架类似。它有上下两个辊轴，所不同的是夹送辊上下辊之间通过气缸作用可进行张开，闭合动作，以实现对线材的夹持和释放。夹送辊的夹持力取决于气缸的工作压力。当气缸的工作压力为0.4兆帕时，它对线材的夹持力为4903牛（后面的计算取此值作为标准），夹送辊夹持力一般不应超过此值，因为夹

8、持力过大会造成线材表面压痕。夹送方式按对线材的夹持部位分，有头部夹送，尾部夹送和全长夹送三种。各生产厂可根据自己生产的钢种，规格，轧制速度等实际情况，对夹送方式和夹送长度进行合理的选择。夹送辊的速度一般超过精轧机出口的3%5%，在轧速很高的情况下可以再增大些，但一般不应超过10%。夹送辊的速度设定是由人工向计算机输入夹送辊辊径，再由计算机根据轧制速度和夹送辊超速系数算出夹送辊的速度计算值，该值即为夹送辊速度基准值。夹送不同规格的的轧件，其尾部夹送速度有所不同。夹送小规格轧件对尾部降速夹送，这是为了克服小规格尾部出精轧机所发生的升速现象，以保证吐丝平稳。夹送大规轧件，对尾部要求升速夹送，以推动线

9、材尾部顺利成圈。为了防止夹送辊咬钢时引起的瞬间动态速降，夹送辊在线材头部咬入之前处于张开状态，头部一旦通过，夹送辊立刻闭合咬钢，闭合后夹送辊在速度上与精轧机出口速度保持同步，但由于夹送辊的超速系数作用，故在精轧机与夹送辊之间存在一微小张力，此张力从夹送辊咬钢开始，到线材尾部出精轧机后消除。第二章 传动方案设计2.1传动方案的设计及特点根据夹送装置的要求，夹送辊传动要求同步，所以采用单电机同步传动。要求高速轧制，所以传动比较大，采用二级齿轮增速器。夹送辊要求夹持线材完成速度控制，夹送辊采用悬臂式。压下系统采用气缸压下。其中，由于齿轮联轴器多用于重型机械，具有承载能力大，工作可靠，无缓冲减振性能，

10、需润滑，且本设备采用连续工作制，不必经常启动，传动也不可逆，故本设备传动系统可初用齿轮联轴器。选择方案如图2.1所示方案图：1，夹送辊 2，夹送辊轴箱 3，联轴器 4，增速器 5，联轴器 6，电动机 图2.1传动方案2.2已知参数 轧制速度 V=40 m/s120m/s；夹送装置距精轧机距离L=49.415mm；气缸推力=3680N；传动比i=7.19；夹送辊加持力当气缸为0.4Mpa时P=4903N；上夹送辊重量约为30kg。第三章 设计计算3.1夹送辊的设计计算 夹送辊是本设计中的心脏部件，是设计的的重点。在设计中，必须合理地确定夹送辊的速度、夹送力、电机功率才能使夹送辊的结构合理，性能优

11、良。最终将计算的数据输入计算机，完成本装置的系统原始参数设定。3.1.1夹送辊的技术参数计算3.1.1.1速度的选择 位于精轧机之后，吐丝机之前的夹送辊线速度理论上与轧制的速度一致，但由于夹送辊要保持线材在精轧机之间是张紧的，对吐丝机是需要一定的速度配合完成吐丝的。因此，一般夹送辊的线速度都比线材的实际速度偏高，一般快4%-8%。即： = 1但不能取得太大，否则将使电机的功率增大，而且有可能使轧件产生塑性变形。考虑到以上的因素，本设计取夹送辊的速度=1.02本设计我们采用最大的轧制速度=120m/s所以： =122.4 m/s3.1.1.2夹送力及功率的计算图3.1为夹送辊工作时的力的平衡图。

12、夹送力F应使夹送辊产生的摩擦力与后张力T及线材前进的摩擦阻力相平衡。即： 图3.1 夹送辊工作时力平衡图 （3-1）式中： P-气缸的压力p=3680N G-上辊的重量G=30kg f-摩擦系数f=0.2得： F=（3680+300）X0.2=796N夹送力矩可由下式求得： （3-2）则传递功率： 式中： R-夹送辊半径（直径为215mm） d-轴承摩擦圆直径 -传动效率（=0.88） -摩擦系数（f=0.18） V-夹送辊线速度（=122.4 m/s）得： =160.3Kw3.1.1.3张力的计算 在夹送辊与末端精轧机之间的线材保持张力，作用在于：保持轧件的平直，防止出现堆钢事故。为了得到适

13、当的张力，夹送辊与精轧机之间必须存在着线速度差，所以张力的设定实际是夹送辊线速度的设定。在弹性变形区间，采用下式计算张力 （3-3）式中： -入夹送辊的轧件速度，（=120m/s） -精轧机的出口速度，(=117 m/s) L-精轧机到夹送辊的距离（L=49.415mm） t-时间得： 线材张力=796N3.1.1.4 张力控制的实现方法把以上经验数据曲线输入到轧机自动控制系统中，自动控制系统依据产品输入的规格、轧制材料、轧制速度等参数，自动计算出摩擦损耗，然后根据公式计算出电机需要输出的转矩，再通过控制电动机的超前速度来实现轧件在夹送辊和成品机架间的张力控制传动电机输出转矩的计算示意如图3.

14、3所示，张力控制。流程框图如图3.2所示。图3.2传动电机输出转矩的计算示意图准 备 好等待轧件保持夹送辊当前速度改变夹送辊超前速度上辊压下计算电机需要的转矩J1检测电机实际输出的转矩J2J2=J1图3.3 张力控制的流程图3.1.2夹送辊材料与夹槽设计过去夹送辊的制造工艺不完善，夹送辊的材料比较简单，随着现代工艺和热处理工艺的进步，夹送辊的性能也要求提高。由于我们的夹送装置要求没有像轧机那样有大的扎制力，但要保证线材的表面质量。根据轧制力等条件由高速线材生产图6-2查得，选用材料为：碳化钨辊环。对于夹槽的形状通常有：圆形、菱形、平辊三种形状。我们选用菱形孔。其形状如图3.4所示1， 上辊2，

15、线材3，下辊图3.4夹送辊夹送孔型由此我们夹送辊辊环参数如下：轧辊辊环参数:材 料 碳化钨辊身直径 215mm辊环宽度 72mm孔 型 菱形3.2 传动系统的设计计算3.2.1 主电动机的选择与校核选择电动机时要求额定功率等于或稍大于所需电动机功率，即。其中式中：为工作机所需功率（KW）为总效率；=160.3 Kw初选联轴器为齿式联轴器查手册得=0.98，=0.96，=0.96.总传动效率=0.88因此： 180Kw按照的要求由机械设计手册第五版第四卷表17-1-112初步选取电机型号是：Z4-250-21，卧式直流电机，其参数如下： 电机功率 N=185 Kw 额定电压 V=440 v 额定

16、转速 1500r/min 最高转速 2200r/m所选电机具有以下优点：(1) 优良的调整特性，调速平滑方便调速范围广，转速比可达1：2000(2) 过载能力大。轧钢用直流电动机短时过转矩可以达到额定转矩的2.5倍 以上，特殊要求的可达到10倍，并能在低速下连续输出较大转矩。(3) 能承受频繁的冲击性负载。(4) 可实现频繁的无机快速启动、制动和反转。(5) 能满足生产过程自动系统各种不同的特殊运行要求。 缺点是：直流电动机比交流电动机结构复杂，制造成本高，维修工作量大。主电机的校核：主电动机轴上的力矩由四部分组成即： (3-4)式中： -主电动机力矩 -轧辊的轧制力矩 -摩擦力矩；即夹送时，

17、由于轧制力作用在轧辊轴承，传动机构及其它传动件的摩擦而产生的附加力矩。 -空转力矩；即轧机空转时，由于各传动件的重量所产生的摩力矩及其它阻力矩。 -动力矩，轧辊运转速度不均匀时，各部件由于加速或减速所引起的惯性力所产生的力矩。 i-电动机和轧辊之间的传动比（1）轧制力矩=862 N.m（2）摩擦力矩 （3-5）式中： -由于夹送总压力在轧辊轴承上产生的附加摩擦力矩； （3-6） P夹持力；p=4903N -轧辊轴承处摩擦圆角半径： （3-7） d夹送辊轴直径；预选d=215mm 轧辊轴承摩擦系数；=0.0035则： =0.196 =49030.196=960 N.m -各传动零件推算到主电动机

18、轴上的附加摩擦力矩 （3-8） -主电动机到轧辊之间的传动效率；取=0.90 -主电动机到轧辊轴的传动比；i=7.19则：（3）空转力矩 （3-9）式中：-某以传动件的重量；-某一传动件的轴颈直径；-某传动件的摩擦系数； -某传动件与电动机之间的传动比；-当有飞轮时，飞轮与空气摩擦损失的力矩；因本设计没有飞轮故取）根据估算.（4）动力矩 （3-10）式中：-各传动件推算到电动机轴上的飞轮力矩；42.835n.m-电动机的角加速度，有电动机类型和操作的情况而定；假设电动机在秒内正常启动 （3-11） （3-12）故主电动机的力矩 5975.21.或6760.16.按静负荷选择电机容量；根据过载条

19、件选择电机功率静负荷力矩 （3-13） 6367.68N.m因为夹送辊属于不可逆连续工作制故负荷图为图3.5 图3.5电动机静负荷图 （3-14）式中：-额定静力矩； -静力矩图上的最大力矩；-电动机过载系数；因电动机属于不可逆运转，取.则：6367.68/1.5=4245.12N.m故： =.= =x4245.12x1750/30 =78.75km按过载条件选择电动机功率即 （3-15）式中： ，-电动机发热计算出来的等值功率和力矩；等值力矩： （3-16）因高速线材轧机是连续工作制所以： 等值功率 =x4245.12x1750/30 =78.75kw因此 ， 符合要求。故取185kw，电动

20、机发热验算通过，即电动机功率满足要求。3.2.2 增速器的选择与校核3.2.2.1增速器的选择按减速器的机械强度功率表选取计算功率： (3-17)式中： 计算功率P负载功率（按最大时选取）；-ZY，ZZ型增速器的选用系数；=1.5-ZY，ZZ型增速器的安全系数；=1.5则： =160x1.5x1.5=360kw要求： 其中： -公称功率；按i=7.19及n=2200（最高转速），接近公称转速2000r/m,查表2-77选ZLY-710型二级斜齿轮增速器。3.2.2.2增速器的校核：（2）校核热功率 （3-18）查表得=293Kw其中： -环境温度系数；取=1.1 -负载系数；取=1（每日24h

21、工作） -公称功率利用系数，取=1.25则：=185x1.1x1x1.25=254.375 kw因此 满足要求。故采用此增速器.需采用油池润滑，盘状水管通水冷却润滑油。3.2.3 联轴器的选择与校核联轴器的选择：本次设计中，电机伸出轴与增速器输出轴之间，增速器的输出轴夹送辊输入轴之间需采用联轴器连接。（1）类型选择根据冶金工厂的工作特点，由于承载能力大，并为具备少量的补偿性能，故采用型鼓型齿式联轴器。（2）载荷的计算公称转矩： T=9550P/n则： =9550.p1/n =9550.p2/n其中： -分别是电动机和增速器之间，增速器和夹送辊之间的公称转矩； -分别是电动机与增速器之间，增速器

22、与夹送辊之间的负载功率； =P=185 kw = 令=0.98，=0.96，=0.98则：=170 kw-分别是电动机与增速器之间，增速器与夹送辊之间的转速=n=2200 rpm=7.19n=1588 rpm则：= 则：计算转矩 （3-19）其中： K-载荷系数；取K=2则：（3）型号的选择 从标准表中查得CL-H1型高速齿式联轴器，其需用转矩为420N.m，需用最大转速为16000r/min，适用于增速器与夹送辊间；型鼓型齿式联轴器，其许用转矩为3150N.m，需用最大转速为2400r/min,适用于增速器与电动机之间。联轴器的校核 （3-20）其中：-转矩修正系数；查表6-2-1得=0.6

23、，=0.6 -许用转矩；取=3150；=420N.m则： =1613.2N.m =0.6x3150=1890 N.m =205.2N.m=0.6x420=252 N.m经校核所选择的联轴器均可以使用。3.2.4 夹送辊齿轮及轴的设计计算3.2.4.1主传动轴上齿轮的设计 本设计中传动轴有俩个，它们通过齿轮啮合达到同步传动，以使夹送辊上下棍同步传动，初步选择使用斜齿轮圆柱齿轮，我们首先选择大齿轮轴进行计算。（1） 选择齿轮材料及许用应力考虑到功率大，均为硬齿面；根据具体条件，选用40Cr作为齿轮的材料，将其进行调质处理并进行表面淬火。由表5-6查的硬度为48：55HRC；精度等级为6级；按硬度下

24、限值，由图8-2-8（d）中的MQ级质量指标查得：，由图8-3-9中的MQ级质量指标查得：，（2） 按齿面接触强度设计 （3-21）式中： -齿轮分度圆直径 -配对材料修正系数；取=1查自表8-3-2 -螺旋角系数；初选=14度则=476查自表8-3-29 -齿轮比（因俩齿轮相同）；故 （3-22） -载荷系数；取=1.5 1-计算转矩： （3-23）其中： -齿轮传动功率；若取每级传动的效率（包括轴承在内）取联轴器及滚动轴承传动效率则： -齿轮转速（最低） -齿宽系数： （3-24）-许用接触应力；则： 确定模数 （3-25） 按齿根弯曲强度设计 （3-26）式中： -配对材料修正系数；取=

25、1 -螺旋角系数；取=12.4 -载荷系数；=1.5 -计算转矩；=261.06N.m -齿宽系数；=1 -齿数； -许用齿根弯曲应力 （3-27）其中： -疲劳极限应力；=350MPa -最小安全系数；=1.25 -应力修正系数；=2.0 -寿命系数；由： （3-28）其中： -齿轮转速； -齿轮每转一周时，同一齿面啮合的次数；=1 -齿轮的工作寿命；取工作寿命为15年 则： 由图8-3-19得=0.9 -相对齿根圆角敏感系数；=0.97（选自图8-3-26） -相对齿根表面状况系数；=1 （选自图8-3-25） -尺寸系数；=1（选自表8-3-24）则： -复合齿形系数；取=3.94（选自

26、表8-3-10）则： 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度的法向模量略大于由齿根弯曲疲劳强度计算的法向模量，=4mm可以满足弯曲疲劳强度，为满足接触疲劳强度，因此取=4mm计算几何尺寸（1） 将法向模量数圆整取标准值 =4mm（2） 计算中心距齿轮间的中心距 （3-29） 取： =215mm重新确定螺旋角 （3-30）主要几何尺寸分度圆直径： （3-31）1.齿轮轴齿轮分度圆直径： 2.齿顶圆直径： （3-32） 3.端面压力角： （3-33） 4.基圆直径： （3-34）齿轮轴齿轮的基圆直径： 5.齿顶圆压力角： （3-35）齿轮轴齿轮的齿顶圆压力角： （3-36） 6.齿宽：=49mm （3-

27、37）根据图册可知： 因大齿轮与小齿轮啮合，小齿轮齿宽b=1X49=49mm 7.当量齿数: （3-38）齿轮轴齿轮的当量齿数： 强度校核：（1）校核齿面接触强度强度条件： （3-39）计算应力： （3-40） （3-41）式中： -名义切向力； （3-42） -使用系数；=1.35（选自表8-3-31）-动载系数； （3-43）其中： （3-44） （3-45） （3-46） （3-47）解得： 则： 则： -齿向载荷分布系数；=1.32（选自表8-3-32）-齿向载荷分配系数；=1.1（选自表8-3-31）-节点区域系数；=2.46（图8-3-11）-重合度系数；=0.82（图8-3-12

28、）-螺旋角系数；=0.992（图8-3-12）-弹性系数；（表8-3-34），-单对齿轮啮合系数；=1则： 2.许用应力 （3-48） 式中： -极限应力；=1120MPa -最小安全系数；=1.0（选自表8-3-35） -寿命系数；=0.92 -润滑剂系数；按润滑油粘度取=1.07 -速度系数；=0.98 -粗糙度系数；=0.88 -齿面工作硬化系数；=1 -尺寸系数； 满足： 即满足齿面接触强度。（2）校核齿根弯曲强度强度条件： （3-49）计算应力 （3-50） （3-51）式中： -齿形系数；=2.36，=2.32 -应力修正系数；=1.71，=1.72 -重合度系数； （3-52）其

29、中： （3-53） =1.73则： -螺旋角系数；=0.96 -齿向载荷分布系数； （3-54）其中： （3-55） -齿向载荷分配系数；=1.1 =171.22MPa 许用应力 其中： -疲劳极限应力；=350MPa -最小安全系数；=1.25 -应力修正系数；=2.0 -寿命系数；由： 其中： n -齿轮转速；n=325rpm； j-齿轮每转一周时，同一边齿面啮合的次数；j=1 L-齿轮的工作寿命；取工作寿命为15年 =2x8x300x15=72000则： =60x325x1x72000=1.404x 由图8-3-19得=0.9 -相对齿根圆角敏感系数；=0.97 -相对齿根表面状况系数;

30、 =1 -尺寸系数；=1则： 故： 满足强度条件3.2.4.2主传动轴的设计计算：1. 作用在齿轮轴上的力圆周力： 径向力： （3-56） 轴向力： （3-57） 圆周力，径向力及圆周力方向如图所示：2. 初步确定轴颈的最小值 （3-58）其中： A-系数；A=100（见表5-17）-轴传动的额定功率；=172kw-轴的转速；=6291.25rpm则： =28.25mm此轴颈位于深沟球轴承配合的部位，且轴的另一端与联轴器配合，故取=30mm3. 轴的结构设计（1） 确定轴的各段直径和长度，如下图轴的结构所示图3.6： 图3.6 夹送辊轴(2)初步选择滚动轴承因轴承同时有轴向力和径向力的作用，故在游动端采用圆柱滚子轴承 ；在固定端采用圆锥滚子轴承：摆动架不受轴向力作用，采用深沟球轴承。(3)轴上零件的周向定位。联轴器的周向定位采用平键联接；滚动轴承与轴的周向定位采用过渡配合来实现的，此处选H7/m6。(4)按前面所述原则，定出轴肩处的圆角半径R的值见上图：轴的倒角在轴的左端及右端均为。4选择轴的材料 由前述可知，此轴没有特殊要求，采用45钢，。4. 求轴上的载荷其受力图如下图3.7所示和弯扭图3.8 图3.7 轴受力简图 图3.8 轴的弯扭图在水平面上的支反力：根据力矩平衡。 （3-59） 得 在垂直面上的支反力： （3-60） 得 弯矩： （3-61）