毕业设计轧辊的工艺计算.doc

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1、毕业设计说明书设计目录前言.1第一章 轧辊的工艺计算1.1 轧辊的基本参数.51.2 轧辊的材料、轧辊的硬度面.51.3 轧辊的强度校核.61.4 工作辊与支承辊的接触应力.91.5 轧辊的变形计算.101.6 工作辊与支承辊间的弹性变形.111.7 轧辊轴承的选择.121.8 轴承寿命的计算.121.9 轧辊轴承润滑.13第二章 压下螺丝与螺母的工艺参数2.1 压下螺丝的选择.142.2 压下螺母的选择.152.3 电机的选择.17第三章轧辊平衡系统的工艺参数3.1 支承辊平衡缸的选择.183.2 工作辊平衡缸的选择.19第四章机架的工艺参数4.1 机架的主要结构参数.204.2 机架的结构

2、214.3 机架的强度计算.24第五章 工作机座刚度计算5.1 轧辊系统的弹性变形.255.2 轧辊轴承的弹性变形.265.3 轴承座的弹性变形.275.4 压下系统的弹性变形.285.5 支承辊轴承座和压下螺丝间各零件的弹性变形305.6 压力调心板的接触变形.315.7 机架的弹性变形.32第六章 轧辊轧制力矩的计算.33第七章 减速器.34第八章 万向接轴的选择.35第九章 电动机容量计算与校核9.1 主电机容量的计算.369.2 主电机容量的校核.结束语.39参考文献.40前言随着汽车、制罐、无线电技术等部门的迅速发展，冷轧薄板的产量日益增加。冷轧的生产成本比热轧的高10%，投资费用

3、比热轧多20-25%，但冷轧钢板的性能和质量都比热轧的好，在同样的用途下，可以节约金属达30%，故冷轧薄板得到迅速发展。美国使用的薄板几乎百分之百都是冷轧的，热轧薄板的焊管冷弯型钢的坯料都是冷轧的。目前，国外绝大多数薄板是连续式生产，成卷供应。冷轧薄板轧机有：连续式冷轧机，多辊式轧机（八辊，十二辊，二十辊等），四辊可逆冷式轧机，六辊冷轧机和特殊轧机。目前用得最多的是连续式冷轧机，四辊，六辊和十二辊式轧机。本方案十四辊窄带钢实验轧机。目前生产冷轧薄板的规格：薄钢板： 最小厚度0.15mm 最大宽度 2000mm铁 皮： 最小厚度0.07mm 最大宽度 1300mm薄板带钢：最小厚度0.0015m

4、m 最大宽度 1000mm世界轧钢工业和技术的进步主要集中在生产工艺流程的缩短和简化，近终形连珠，轧材性能高品化，品种规格的多样化，控制管理计算机化。使轧钢生产转入质量型的低成本的轨道上，以扩大市场，提高竞争力。轧钢生产工艺流程将更加紧凑，并趋向于铸轧一体化生产，经历百年的以辊轧为特点的连续变形的轧钢技术在可见的未来，仍然将是钢铁工业钢材成型的主流技术，由于连铸辊轧技术是连续的，高效和可控的，他便与计算机等高新技术的应用。因此在计算机产业应用方面一直处于整个钢铁工业生产流程的前列。在新世纪 以辊轧为特征的轧钢工艺虽然不会发生重大变革，但在轧钢前后工序的衔接技术必将发生长住的进步。热轧生产正在趋

5、向生产薄（或小）规格的产品，以实现热轧产品代替部分冷轧产品。在20 世纪，由于连续特别是近终形连铸的发展，以实现轧钢行业淘汰了初轧工序，而即将投入生产的薄带钢连珠，将使连铸与热轧工序合二为一。从而取消了传统板带材生产的热轧工序，将连铸的薄带钢直接冷轧。与此同时，炼钢技术的进一步提高了钢的纯净度，近终形连铸对凝固过程和凝固组织的优化控制，使保证刚才性能所需的最小压缩比发生了变化研究工作进一步证明，炼钢-连铸-轧钢三者技术进步的相互影响，将实现可谓的“极限近终形连铸”和“最小压缩比榨制”的低能耗，低成本的铸轧一体化。这不仅对板材，而且也是棒，线，型材生产发展的方向。本设计方案的四辊轧机和一般四辊轧

6、机的不同之处为工作辊相对支承辊直径小，其余都基本相同。四辊轧机轧辊的驱动方式有两种，即驱动工作辊和驱动支承辊的方法，前者传动装置较为紧凑，后者则尺寸较大，但是支承辊传动能够适用于小直径工作辊，且传动平稳，能够减少振动，由于这些因素，本实验轧机采用支撑辊传动。用高新技术改造传统的轧钢工业，20 世纪轧钢技术取得重大进步的重要特征是信息技术的应用，AGC 的广泛应用就是例证。以后的板形自动控制技术等，无一不是以计算机为核心的高新技术应用的结果。先进的高精度，多参数在线终合测试技术与高响应速度的控制系统相结合，保证了轧制生产的高精度，高速度以及生产产品的高质量。为适应近终形连铸技术，实现“最小压缩比

7、轧制”，且提高带钢的硬度、机械性能。本轧机设计为四辊可逆式轧机，它衔接连铸后的技术工艺减少工序，可实现往返可逆轧制。四辊轧机还能提供较大的轧制力，故能提高轧件的可轧硬度，扩大了轧件硬度范围，实现了规格的多样化。一、轧辊的工艺计算轧辊是轧钢中直接轧制轧件的主要部件，轧辊直接与轧件接触，强迫轧件发生塑性变形。轧辊的种类很多，根据不同轧机的工艺条件正确选择轧辊对轧机的生产率、产品品种质量等都有重要影响。1、轧辊的基本参数：D轧辊的直径 L辊身长度d辊颈直径 l辊颈长度工作辊：根据文献3中式3-2：其中：R轧辊辊身的半径 压下量 摩擦系数既有R根据文献2表1-2在没有润滑条件下冷轧钢 0.18 p 取

8、 =0.2 =2-0.2=1.8则R =45 既D1考虑到工作辊所收的冲击载荷及减小刚度变形，控制板形，取100 1 D = mm根据文献1 L= Bmax + a式中： Bmax 板带的最大轧制宽度a 视板宽而定的系数当Bmax 200mm 时，取a =100200mm由于Bmax =250 故取a =100mm所以L=250+100=350mm支撑辊根据文献2表3-3对于支承辊传动的四辊轧机：34 取3.2即有：D2=3.2D1=320mm辊颈辊颈是轧辊的支撑部分，轧辊是依靠辊身两侧的辊颈支撑在轴承上的。使用滚动轴承时： d=0.50.55D考虑到工作辊辊颈处强度，取d1 =0.55 D1

9、 =55mm考虑到支承辊传动，还要受扭转力矩。故取， d2 =0.55 D2 =176mm选取 d2 =180mm 辊颈长度考虑到轴承的安装配合，尺寸如下图：工作辊和支承辊得简图：最大重车率：根据文献2，表3-4工作辊最大重车率：36% 取6%支承辊最大重车率：10%2、轧辊的材料，辊的硬度面材料：根据文献2，选用合金锻钢，在我国“重型机械标准”中已有规定，JB/2Q4289-86 标准中列出了热冷轧机轧辊用钢， 选用9合金锻钢，材料的机械性能好，强度和硬度高作为轧辊这一重要部件，其要求高，故选用合金锻钢。辊面硬度：根据文献3，表3-5 和表3-6，对于工作辊：Hs 95，其淬硬度深度必须大于

10、6mm辊颈硬度范围：3050 Hs ， 取40 Hs 。对于支承辊：表面淬火硬度 Hs D=8090其有效淬硬度深度必须大于10mm。辊颈硬度范围：3050 Hs ， 取40 Hs 。3、轧辊的强度校核四辊轧机有两个工作辊（直径小）和两个支承辊（直径大），轧制压力由工作辊传到支承辊，再由支承辊轴承座传给机架。由于支承辊具有较大的刚性，其直径为工作辊直径的几倍，故抗弯断面系数业必工作辊大的多。辊系在轧制过程中将产生弯曲变形，驱动的支承辊还将存在扭转变形。如果工作辊和支承辊的辊身同时为圆柱形，又都以相同的弯曲率弯曲，工作辊及支承辊的弯曲挠度为：w=R1 B= R1式中： R1 比例系数因为 = ，

11、则轧辊的弯曲力矩与作用在轧辊上的载荷成正比:式中： 、 工作辊及支承辊的弯矩， 、工作辊及支承辊的直径 、 工作辊及支承辊的作用力因为：P= + , ，则轧辊的弯曲力矩与作用在轧辊上的载荷成正比:所以： 因为总轧制力P=1470KN即有： 由以上数据可以看出1%的轧制压力作用在工作辊上，使之产生变形，而其余约99%的作用力在支承辊上。由于轧制时湾区里咀绝大部分由支承辊承担，在计算支承辊时，通常按承受全部的轧制力的情况考虑。对于支承辊：支撑辊的弯曲力矩和弯曲应力分布见上图，在辊颈1-1 断面和2-2 断面的弯曲应力均满足强度条件：=117.84MPa =117.295MPa支承辊辊身中部 3-3

12、 断面处弯矩是最大的，若认为轴承反力距离l 等于压下螺丝中心距 l ，而且把工作辊对支承辊的压力简化成均布载荷，可得3-3 断面的弯矩表达式：=116KN.mM支承辊的扭专力矩（见支承辊扭矩的计算）T=148.8KNm所以得：=114.7MPa b R式中：P总轧制力 1-1 断面直径， 11 d =180mm2-2 断面直径， 22 d =203m、 1-1 和2-2 断面到支反力 处的距离 =93.5mm =133.5mm考虑轧辊磨损重车后的工作尺寸，取 =320（1-20%）=256mm对于合金锻钢，当强度极限 =700750MPa 时许用应力 =140150MPa所以， 、均小于即，可

13、知 支承辊是安全的对于工作辊：如同支承辊，可有：=33.05MPa =6.56MPa其中： 是经过重车后的最小直径，重车率为 6%，即有： =100（1-26%）=88故：可知工作辊是安全的。4、工作辊与支承辊的接触应力根据文献3，Hertz 理论：两个圆柱体在接触区内产生局部的弹性压扁，存在呈半椭圆形分布的压应力，半径方向产生的法向正应力在接触面的中部最大。其中： q 加在接触表面单位长度的负载、相会接触的两轧辊半径考虑重车率， =44mm, =150mm 、与轧辊材料有关的系数其中： r 为泊松比， r =0.3E 为材料弹性模数， E =210 MPa带入数据计算得： =2118.33M

14、Pa 根据文献3，表3-8。轧辊材料表面硬度8095HS所以， =2400MPa， =730MPa为保证轧辊不产生疲劳破坏： =0.304 =647MPa1.15符合安全要求。窗口高度H ：对于四辊轧机，H =（2.63.5）()=(2.63.5)(100+320)=10921470 取 H =1110 断面尺寸:机架立柱断面尺寸是根据强度条件确定的，由于作用于轧辊辊颈和机架立柱上的力相同，而辊颈强度近似地与直径平方有关。在设计时，可根据比值（ ）的经验数据确定机架立柱断面积，再进行机架强度验算。根据文献2，表5-1铬钢的四辊轧机: =1.21.6其中辊颈 d =180 故有： F =3888

15、051840机架立柱常用的断面形状有近正方形，矩形和工字形三种。闭式机架采用惯性矩较大的工字形或矩形断面立柱，可以减小横梁上承受的弯曲力矩。使横梁断面尺寸减小。对于四辊轧机用窄而高的闭式机架，在水平作用力不大时，机架立柱采用近正方形较为合理。虽然，近正方形断面的惯性矩小，会增加横梁的弯曲力矩，但是立柱的弯曲力矩也相应减小。在这种轧机上，由于立柱高度大于横梁的长度，已从立柱省下来的材料将超过横梁所需的材料，对于减轻机架重量还是有利的，机架立柱断面尺寸对机架的刚度影响较大。在现代板带轧机设计中，为提高轧件的轧制精度，有逐渐加大立柱断面尺寸的趋势。故取： F =44000=220200考虑到窗口面产

16、生的弯曲变形大故取： B =220 L =200 2、机架的结构两片机架上部，通过箱形横梁用螺栓连接，并用键定位，下部靠两根横梁通过螺栓连接。在换辊端的机架立柱上装有支撑辊和工作辊轴向压紧装置。为实现快速换辊，要求均采用液压装置，且能提高板形的板厚质量。为防止立柱内表面磨损，装有用45 号钢制成的滑板，机架窗口镶嵌工作辊平衡液压凸块，该凸块选用较好的材料（耐压），机架顶部 装有上支撑辊平衡缸。牌坊地脚装入地脚板凹口内，在凹口两侧用斜楔将轧机牌坊地脚紧固，轧机地脚螺丝穿过地脚板与轧机牌坊紧固，以增加机架刚性和稳定性。地脚板为厚钢板焊接结构。机架材料为： 2G35，机械性能： 500MPa=280

17、 MPa 15% 每片机架重量约为15 吨。机架的左右牌加工要求特别高，其内侧面的加工，必须保证在同一平面内，即要求，线联接左右机架，再在同一工序中加工平面。内表面的滑板加工，先紧定滑板，而后加工。具体加工方法由生产单位采用，需保证要求。3、机架强度计算用材料力学方法计算时，为简化计算，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，即机架的外载荷是对称的。此时，机架没有倾翻力矩，机架座脚不受力。应指出：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方向都不垂直的。由于水平分力的数值一般较小

18、约为垂直分力的3%4%，故可忽略不计。（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引起的水平内力。（3）上下横梁和立柱交界处（转角处）是刚性的，即机架变形后，机架转角仍保持不变。机架的计算简图如下：窗口尺寸：H=1110 , B=380 I-I、II-II、III-III 为上横梁、立柱和下横梁的危险断面。机架强度计算在只考虑轧制力作用，且上下横梁惯性相等情况下进行的。其中： 机架横梁的中性线长度， =600 机架立柱的中性线长度， =1400 机架上横梁的惯性矩机架立柱的惯性矩机架下横梁的惯性矩R 作用于机架上的重直力， R =则有： 机架横梁内侧的应力：机

19、架横梁外侧的应力为：34.498MPa 机架立柱内侧的应力：=17.565MPa 机架材料的强度极限=500 MPa为防止机架在过载时破坏，在轧辊断裂时机架不产生塑性变形，按此要求，机架的安全系数为轧辊的安全系数。当 =5 时， 1010.25对于横梁： 对于立柱： 故， 机架安全系数满足，所以机架是安全的。五、工作机座刚度的计算在设计新轧机时，需要从理论上计算工作机座各承载零件的弹性变形，以便为板厚自动控制系统提供轧机刚度系数和正确选用各零件变形的比例关系，计算一般按静态状态考虑。在轧制过程中，轧机工作机座各零件变形，使辊缝发生变化，因而轧出的板厚也发生变化。轧机工作机座的弹性变形f 等于各

20、系列零件弹性变形的总和，则有公式：其中： 轧辊系统的弹性变形轧辊轴承的弹性变形轴承座的弹性变形压下系统的弹性变形支撑辊轴承和压下螺丝之间各零件的弹性变形压力调心板的接触变形机架的弹性变形。1、轧辊系统的弹性变形其中： 支撑辊辊身中部的弯曲变形支撑辊与工作辊间弹性压扁工作辊与轧件之间的弹性压扁因为：前边算过=0.1644 , =0.047 其中： P 轧制力， P =1470KN轧制宽度， =260 工作辊辊径， =100 m 工作辊材料的弹性系数其中： 工作辊材料的弹性模数工作辊材料的柏松比代入数据计算得：=0.03036 综合计算得：=0.4827 2、轧辊轴承的弹性变形四辊轧机工作辊受力很

21、小，大体上是支撑辊受轧制力，故忽略工作辊轴承弹性变形，当支撑辊采用滚动轴承时，在轴承没有外负荷情况下，轴承的内外座圈的中心线重合。轧制时，州城内座圈与滚动体间以及外座圈与滚动体间都产生弹性压扁。使内外座圈的中心线产生偏移1，此时，对于整个工作机座，支撑辊的弹性为：其中： 滚子的接触角 ， =0滚子的有效接触长度， =16i 轴承中滚子的列数， i =4z 每列滚子数量， z =24P 轧制力 ， P =735KN代入计算得：=0.00155 3、轴承座的弹性变形对于四辊轧机，只需要计算支撑辊轴承的弹性变形。由于结构复杂，只能近似计算。如图，在计算时，可将受力部分简化成一个四棱柱体， 其压缩变形

22、量 可按下式计算：其中： R 作用在轴承上的力， R =上轴承座变形部分的计算高度= 90 45 135下轴承座变形部分的计算高度=135 一侧上轴承座变形的平均面积F 一侧轴承变形部分平均面积F =150200=30000b 轴承座变形计算宽度， b =140 E 轴承材料的弹性模量， E =2.110 MPa支撑辊辊系的压缩变形计算简图代入数据得：4、压下系统的弹性变形 对于压下装置是电动机的，影响轧辊缝的弹性变形，包括三部分：其中： 压下螺丝的压缩部分压下螺母的压缩变形螺纹螺牙的弯曲变形压下平衡图1、压下螺丝，2、压下螺母，3、压下螺丝枢轴，4 止推垫块，5、止推轴承压下装置的受力情况见

23、上图所示，在压下螺丝端部承受着一半的轧制力后，其负载通过螺丝传递到螺母上去。实验证明，螺母每转一圈，所传递的力是不同，第一圈最大，以后逐渐减小，沿螺母高度方向的受力，压下螺丝与螺母啮合段的受力由下端的全负荷逐渐降到零。1） 下螺丝的压缩变形其中： 轧制力， =1470KN压下螺丝的弹性模量， =2.1MPah 螺母高度, h =150 压下螺丝端部无螺纹部分长度, =19 压下螺丝螺纹部分最大伸出部分长度, =130 压下螺丝平均直径, =100 压下螺丝无螺纹部分直径, =95 代入数据计算得：=0.101 2)压下螺母的压缩变形：其中： 轧制力压下螺母的弹性模量D压下螺母的外径压下螺丝平均

24、值h 螺母的高度压下螺母选用耐磨的青铜： =1.2MPa3)压下螺母螺牙的弯曲变形其中： 轧制力S 螺距， S =50 螺纹中径， =106.59 h 螺母高度E 压下螺母弹性模量G 压下螺母剪切模量, G =0.38 E =7.6MPa则有： 故有： =0.101+0.0261+0.0315=0.1586 5、支承辊轴承座和压下螺丝之间各零件的弹性变形：在支承辊轴承座和压下螺丝之间还有垫板、止推球面等零件， 他们也产生弹性变形。各垫板的压缩变形，根据胡克定律得：其中： 轧制压力h 垫板的受压高度E 垫板材料的弹性模量F 垫板的受力面积1）止推垫的压缩变形：止推垫的尺寸如图：材料采用青铜： E

25、 =1.1MPa则： =0.034mm2)上垫块的压缩变形材料选用合金钢 40 r C ，厚h =20 3)调心垫的压缩变形材料选用 40 r C ，=0.0075mm则：垫板的总变形为：=0.0485mm6、压力调心板的接触变形为解决轧辊轴承座的自位调心问题，下轴承座下面有一块圆弧形的压力调心垫，以压力调心垫与下垫板是圆弧与平面的线接触，其接触变形为：其中：调心垫板的长度调心垫压扁接触宽度， =3.2P压力垫板单位长度承受的压力，P=轧制压力压力调心板的圆弧半径。调心板材料同为 40 r C ，则 ：压力调心板还受到上支撑辊和工作辊自重产生的压力弹性变形，由于相比轧制力很小，故在此忽略不计。

26、7、机架的弹性变形：其中： f71由弯矩产生的横梁弯曲变形f 72 由切力产生的横梁弯曲变形f 73 由拉力产生的立柱拉伸变形。为了简化计算，假定机架上、下横梁的惯性矩相同，（机架的假设同前）。由横梁受力可见，弯曲力矩引起的横梁变形 ，根据卡氏定理得： f71=其中：E机架材料的弹性模数I1 横梁的惯性矩R 横梁上的作用力， R =MB 机架立柱中的力矩，则有： f71=横切力引起的上下横梁的弯曲变形f72：f72=K其中： K 横梁的断面形状系数， K =1.2G 机架材料的剪切弹性模数，G =7.3510 4 MPaF 横梁的断面面积， F =6104 2R 横梁上的作用力， R =735

27、KN代入数据计算得：f72=0.14 由拉力产生的立柱拉伸变形f73 ：f73=其中： l2 立柱中性轴的长度， l2=1400 F2 立柱断面积， F2 =4.4104 mm2E 机架材料弹性模量， E =1.75105 MPaR 立柱上的拉力， R =753 KN代入数据得：f 73 =0.0682 则: f7 = f71 + f72+ f73 =0.400 则机座的弹性变形 f ：f = f1 + f2 + f3 + f4 + f5 + f6 + f7=0.4827+0.00155+0.0326+0.1586+0.485+0.201+0.4=1.46145 工作机架的刚度系数计算：C=

28、其中： P 轧制力f 工作机座的弹性变形量， f =1.46145 六、轧制力矩根据文献3，表2-4过轧制压力作用点与轧辊中心连线的夹角 ： = 其中: 轧件咬入角， = 力臂系数， 冷轧带钢取 =0.4则： =7.687 0.4=3.0748张力轧制时轧制压力偏离垂直方向的角度 ： =arc其中： P 轧制压力， P =150 T T1 前张力， T1 =7 TT0后张力， T0 =3 T则： = arc=arc=0.764支承辊对工作的反力Ps 的作用与工作辊和支承辊连线间的夹角1， 1= 其中： R1 工作辊半径m 滚动摩擦力臂系数， m =0.2 工作辊轴承摩擦圆半径，=27.5 代入

29、数据计算得：1=3.8475支承辊对工作辊的作用力 =1470103工作辊轴承处的压反力（摩擦力）: = P (tan cos sin )=80KN轧制压力力臂a ：a = R1sin( )=50sin(3.0708- 0.764 )=2.016作用力P对于支承辊的力臂S： =R2sin+mcos其中：R2 sin + mcos其中： R2 支承辊半径代入数据计算得： =10.936 作用力Ps 对工作辊的力臂：= R1=3.156 则传动力矩=148.6985KNm驱动2 个支承辊的传动力矩=297.397KNm七、减速器根据传动，推算其主减速器的速比为：i =22.4中心距为：a =850 主减速器型号为：21851A 型张力减速器：中心距a =650 速 比i =10.49八、万向接轴根据传动力矩的大小，选