鋼卷開平機的設計

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1、 摘 要 開平機是對金屬棒材、管材、線材等進行矯直的設備。本課題首先對開平機的國內外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢作了簡單的介紹，接著闡述了開平機的設計原理、結構組成和理論計算；然后在開平機原理的基礎上，根據(jù)此次設計的目的，進行鋼板開平機的設計，再對開平機的各個結構組成所需類型、尺寸進行計算和校核；接著用PLC設計整個開平機的控制方案，最后進行總結和展望。本次設計過程主要包括以下內容：矯直機類型，矯直原理，矯直機結構的確定，矯直機基本力能參數(shù)計算、力能參數(shù)計算、電動機功率計算、工作輥結構設計與校核。 關鍵詞：開平機，九輥矯直，板材，工作輥，PLC控制 ABSTRACT Straighteni

2、ng machine is a equipment, which straighten metal bar, pipe workpiece, wire and so on. First the article introduces briefly the research status and development trend of the straightening machine, then describes the design principles , structural composition and theoretical calculations of the straig

3、htening machine; Then on the basis of the principle of shearing machine, according to the purpose of the design, design the straightening machine for steel plate, then calculate and check machine structure composed and size of the desired type. Then use the PLC to design the control program of the s

4、traightening machine.At last,summary and outlook. It includes the following: the type of straightening machine, the theory of straightening machine and the structure of straightening machine, the calculation of straightening machine’s basic parameters, the structural design and the checking of the w

5、ork roll. Key words: straightening machine, nine roller straightening, plates, the work roll, PLC control  目 錄 1 緒論-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1 1.1選題背景及其意義--------------------------------------------------

6、---------1 1.2文獻綜述（國內外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢）---------------------------------------2 1.3研究內容-----------------------------------------------------------------------------------6 1.4課題設計要求----------------------------------------------------------------------------7 2鋼板開平機的總體設計---------------------------------

7、-------------------------------------9 2.1鋼板開平機的相關參數(shù)----------------------------------------------------------------------------------9 2.2開平機的各個結構----------------------------------------------------------------------------------10 3開平機相關參數(shù)設計計算-----------------------------------------------------

8、-------------17 3.1 開平機基本參數(shù)的確定----------------------------------------------------------------------17 3.2 輥式開平機的力能參數(shù)確定---------------------------------------------------------------------19 3.3工作輥強度計算----------------------------------------------------------------------22 3.4輥子軸承校核-------------

9、----------------------------------------------------------------24 4 開平機的PLC控制系統(tǒng)設計------------------------------------------------------------------------27 4.1 PLC基礎-------------------------------------------------------------------------------27 4.2 開平機的PLC控制方案----------------------------------

10、----------------------------------27 4.3 開平機的PLC控制I/O端口分配表-----------------------------------------------------27 4.4 開平機的PLC控制接線圖----------------------------------------------------------------28 4.5 開平機的PLC控制梯形圖----------------------------------------------------------------29 5 結論------------

11、-----------------------------------------------------------------------------31 參考文獻-------------------------------------------------------------------------------------------32 致謝---------------------------------------------------------------------------------------------34 1 緒論 1.1選題背景及

12、其意義 1.1.1應用背景 在板帶材的軋制生產(chǎn)中，由于軋件溫度不均，變形不均及軋后冷卻不均、運輸和其他因素的影響，致使軋制出來的產(chǎn)品常出現(xiàn)波浪彎和瓢曲等缺陷。為此軋后鋼材必須經(jīng)過矯正，以達到國家規(guī)定的質量標準，滿足用戶的使用要求。 矯直技術屬于金屬加工學科的一個分支，已經(jīng)廣泛應用于日用金屬加工業(yè)，儀器儀表制造業(yè)，汽車、船舶和飛機制造業(yè)，石油化工業(yè)，冶金工業(yè)，建筑材料業(yè)，機械裝備制造業(yè)，以及精密加工制造業(yè)。矯直技術在廣度和深度方面的巨大發(fā)展迫切要求矯直理論能進一步解決一些疑難問題，推動開發(fā)新技術和研制新設備。尤其在黨的十六大之后，要求用信息化帶動工業(yè)化，矯直技術也要跟上時代。首先要在矯直機

13、設計、制造、矯直過程分析、矯直參數(shù)設定及矯直質量預測等方面搞好軟件開發(fā)；其次要進行數(shù)字化矯直設備的研制，使矯直技術走上現(xiàn)代化的道路，不斷豐富金屬矯直學的內容。 矯直技術多用于金屬條材加工的后部工序，在很大程度上決定著產(chǎn)成品的質量水平。矯直技術同其他金屬加工技術一樣在20世紀取得了長足的進展，相應的矯直理論也取得了很大的進步。不過理論滯后于實踐的現(xiàn)象比較明顯。例如矯直輥負轉矩的破壞作用在20世紀下半葉才得以解決，但其破壞作用的機理直到20世紀80年代末才被闡明。另外，就矯直理論的總體來看，仍然處于粗糙階段，首先就是其基本參數(shù)的確定還要依靠許多經(jīng)驗算法和經(jīng)驗數(shù)據(jù)，如輥數(shù)、輥距、輥徑、壓彎量及矯

14、直速度等；其次是許多技術現(xiàn)象如螺旋彎廢品、矯直縮尺、矯直噪聲、斜輥矯直特性、斜輥輥形特性、拉彎變形匹配特性等都缺乏理論闡述；再次是理論的概括性不夠，一套公式不僅不能包括各種斷面型材，甚至不能包括同類斷面而尺寸和材質不同的工件，如彎距和矯直曲率等都缺少通用表達式。 1.1.2 設計意義 由于運輸方便，包裝簡單等原因，大部分的鋼材生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的板材都是卷的形式，而鋼板在實際使用的過程中希望是平板形式。 基于上述情況，本課題提出設計一種鋼板開平機，目的在于將卷狀的金屬板材整形成平板形式，方便后續(xù)鋼板的加工。該課題的研究對于提高學生的工程能力，拓展生存空間有著非常重要的意義，以及為今后鋼板開平機

15、的深入研究做一個前期的準備工作，具有重要的社會意義。 1.2文獻綜述（國內外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢） 矯直技術歷史悠久，但其產(chǎn)生時間并未有確切的時間記載。但從文物發(fā)掘中看到我國春秋戰(zhàn)國時期寶劍的平直度可以使人想象到當時手工矯直和平整技術已經(jīng)達到很高的水平。在我國古代人的生活與生產(chǎn)中使用的物品與工具，小自針錐、大到鐵杵，都要求用矯直技術來完成成品的制造。手工矯直與平整工藝所用的設備與工具是極簡單的，如平錘、砧臺等。對大型工件的手工矯直常借助高溫加熱進行。古代人在矯直及整形的實踐中認識到物質的反彈特性，確立了“矯往必須過正”的哲理，用之于矯直技術頗有一語道破天機之功。 現(xiàn)代矯直機的快速發(fā)展是從1

16、8世紀末的歐洲產(chǎn)業(yè)革命開始的。到19世紀30年代，冶鐵技術發(fā)展起來，鋼產(chǎn)量迅速成倍的增長。到19世紀末期時，鋼產(chǎn)量增加了50多倍。鋼材產(chǎn)量占鋼產(chǎn)量的比重也明顯增加。這時已經(jīng)出現(xiàn)了鍛造機械、軋鋼機械和矯直機械。進入20世紀，以電力驅動代替蒸汽動力為標志，推動了機械工業(yè)的發(fā)展。到1914年英國發(fā)明了212型五輥式矯直機，解決了鋼管矯直問題，同時提高了棒材矯直速度。20世紀20年代，日本已能制造多輥矯直機。20世紀30 年代中期，發(fā)明了222型六輥式矯直機，顯著提高了管材矯直質量。20世紀60年代中期，為了解決大直徑管材的矯直問題，美國薩頓公司研制成功313七輥式矯直機。 20世紀30到40年代國

17、外技術發(fā)達國家的型材矯直機及板材矯直機也得到了迅速發(fā)展，而且相繼進入到中國的鋼鐵工業(yè)及金屬制品業(yè)。新中國成立前，在太原、鞍山、大冶、天津及上海等地的一些工廠里可以見到德、英、日等國家制造的矯直機。20世紀50年代，蘇聯(lián)的矯直機大量的進入到中國，同時，世界上隨著電子技術及計算機技術的發(fā)展，工業(yè)進步速度加快，矯直機的品種、規(guī)格、結構及控制系統(tǒng)都得到不斷的發(fā)展與完善。20世紀70年代，我國改革開放以后接觸到大量的國外設計研制成果，同時也引進許多先進的矯直設備。如英國的布朗克斯矯直機；德國的凱瑟琳、德馬克連續(xù)拉彎矯直機及高精度壓力矯直機；日本的薄板矯直機等。與此同時，我國科技界一直在努力提高自己的科研

18、設計和創(chuàng)新能力。從20世紀50年代起提出的雙曲線輥形設計的精確計算法及文獻提出的矯直曲率方程式到80年代提出的等曲率反彎輥形計算法。此外，以西安重型機械研究所為代表的科研單位和以太原重型機械廠為代表的設計制造部門完成了大量的矯直機設計研制工作。進入90年代之后，我國在趕超世界先進水平方面又邁出了一大步，一些新研制的矯直機獲得了國家的發(fā)明專利；一些新成果獲得了市、省級部級科技成果進步獎；有的獲得了國家發(fā)明獎。如已經(jīng)研制成功的雙向反彎輥形2輥矯直機、復合轉轂式矯直機，平行輥異輥距矯直機及矯直液壓自動切料機等。 1.2.1 矯直機類型 (1) 壓力矯直機 軋件在活動壓頭和兩個固定支點間，利用一

19、次反彎的方法進行矯直。這種矯直機用來矯直大型鋼梁、鋼軌和大直徑（大于φ200～φ300毫米）鋼管或用作輥式矯直機的補充矯直。壓力矯直機的主要缺點是生產(chǎn)率低且操作較繁重。壓力矯直機有立式（圖1-1a）和臥式（圖1-1b）兩種。 (2) 拉伸矯直機 拉伸矯直機也稱張力矯直機，主要用于矯直厚度小于0.6毫米的薄鋼板和有色金屬板材。 通常，輥式板帶材矯直機只能有效的矯直軋件的橫向或縱向彎曲（即二元形狀缺陷）。至于板帶材的中間瓢曲和邊緣浪形（三元形狀缺陷）則是由于板材沿長度的方向各纖維變形量不等造成的。為了矯正這種缺陷，需要使軋件產(chǎn)生適當?shù)乃苄匝由臁Ｔ谄胀ㄝ伿匠C直機上雖然能使這種缺陷有所改善，但矯

20、直效果不理想。這時需要采用拉伸矯直方法。拉伸矯直的主要特點是對軋件施加超過材料屈服極限的張力，使之產(chǎn)生彈塑性變形，從而將軋件矯直。 圖1-1j是矯直單張板材的鉗式拉伸矯直機。這種設備生產(chǎn)率低且夾鉗夾住的部分要切除，造成的金屬損耗太大。圖1-1k是張力平整組。他能對成卷帶材進行粗矯，也能改善軋件的機械性能。圖1-1l是連續(xù)拉伸機組。它由兩個張力輥組成 。拉伸所需的張力由張力輥對帶材的摩擦力產(chǎn)生。這種矯直機主要用于有色金屬。圖1-1m是帶有張力的輥式矯直機組。這種結構用于連續(xù)矯直高強度薄帶材。但因輥式矯直機的工作輥很難單獨調整，同時，在張力作用下，工作輥容易竄動，因而影響了矯直質量。目前，這種結

21、構的矯直機已被拉伸彎曲矯直機取代。 (3) 拉彎矯直機 為了提高軋件矯直質量，近年來拉伸彎曲矯直機組(圖1-1n)得到較大發(fā)展。拉伸彎曲的基本原理是當帶材在小直徑輥子上彎曲時，同時施加張力，使帶材產(chǎn)生彈塑性延伸，從而較平。這種矯直機組一般用在連續(xù)作業(yè)線上，可以矯直各種金屬帶材（包括高強度極薄鋼板）。拉伸彎曲機組也可在酸洗機組上進行機械破鱗，以提高酸洗速度。 圖1-1 矯直機的基本類型 (4) 管材、棒材矯直機 管、棒材矯直的原理也是利用多次反復彎曲軋件，是軋件矯直

22、。 圖1-1g是斜輥式矯直機。這種矯直機的工作輥具有類似雙曲線的空間曲線的形狀。兩排工作輥軸線相互交叉。管棒材在矯直時邊旋轉邊前進，從而獲得對軸線對稱的形狀。圖1-1h是“313”型輥式矯直機。這種矯直機的設備重量輕，易于調整和維修，用于矯直管棒材時，效果很好。圖1-1i是偏心軸式矯直機用來矯直薄壁管。 (5) 輥式矯直機 在輥式矯直機上軋件多次反復彎曲而得到矯直。輥式矯直機生產(chǎn)率高而且容易實現(xiàn)機械化，在型鋼車間和板帶材車間獲得廣泛應用。 輥式矯直機的類型很多，在圖1-1中圖c～h列出了幾種主要的類型。圖1-1c是上排每個工作輥可單獨調整的輥式矯直機。這種調整方式較靈活，但由于結構配置

23、上的原因，它主要用于輥數(shù)較少、輥距較大的型鋼矯直機。圖1-1d是整排上工作輥平行調整的矯直機。通常，出入口的兩個上工作輥（也稱導向輥）做成可以單獨調整的，以便于軋件的導入和改善矯直質量。這種矯直機廣泛用來矯直4～12mm以上的中厚板。圖1-1e是整排上工作輥可以傾斜調整的矯直機。這種調整方式使軋件的彎曲變形逐漸減小，符合軋件矯直時的變形特點。它廣泛用于矯直4毫米以下的薄板。圖1-1f是上排工作輥可以局部傾斜調整（也稱翼傾調整）的矯直機。這種調整方式可增加軋件大變形彎曲的次數(shù)，用來矯直薄板。 1.2.2 矯直原理 若軋件具有單值曲率的圓弧，則用三個輥子使其反彎至曲率為，且連續(xù)通過，即可完全

24、矯直。但實際情況中，軋件的原始曲率沿長度方向往往是變化的，不僅是多值的，而且彎曲方向也不同，所以僅用三個輥子的矯直方法是不行的。為了保證矯直質量，必須增加矯直輥的數(shù)量。輥式矯直機一般至少要五個工作輥。本設計方案采用的是上下輥平行排列的矯直方案，即上排輥相對下排輥平行排列，集體升降，矯直時所有上排輥子的壓下量相同，除首尾輥外，其余各輥子處軋件彎曲至相同的曲率。 當時，矯直原始曲率為的軋件，若第2輥使變?yōu)?，?輥使變?yōu)?，由于彈性變形不足和殘余應力的影響，后面的輥子作用不大，軋件的殘余曲率會接近于。為了提高矯直精度，較徹底的消除殘余曲率，必須。 圖1-2 上下輥平行排列矯直原理圖 如圖1

25、-2所示，軋件的原始曲率為。通過第2輥子后，變?yōu)椋瑲堄嗲蕿椤?，通過第3輥子后，變?yōu)楹妥優(yōu)?，殘余曲率為—；通過第4輥子后，變?yōu)?，殘余曲率為—；依次類推，殘余曲率范圍逐漸縮小，經(jīng)若干輥子后，殘余曲率趨于定值。若矯直機的出口輥的壓下可單獨調整，則可完全消除該定值的殘余曲率，即軋件得到完全矯直。實際上輥數(shù)是有限的，只能達到限定的矯直精度，若是軋件反復通過矯直機，則起到增加輥數(shù)的作用，即可提高矯直精度。 1.3 研究內容 本課題研究的主要內容包括根據(jù)現(xiàn)有鋼板開平機的結構形式，完成對鋼板開平機的設計方案的選定，矯直力、矯直力矩的計算以及矯直機主電機功率的計算，對主要零部件進行強度計算，確定其結構參數(shù)

26、，并對所選軸承進行壽命計算。完成矯直機的主要零部件、總體設計圖紙。 要解決的主要問題：通過方案設計矯直機主體結構，包括升降系統(tǒng)，上輥子，下輥子，牽引輥子以及傳動系統(tǒng)等并闡述矯直機結構原理和設計特點，介紹工藝過程。 1.4 課題設計要求 1.4.1.開平機結構組成、工作原理的介紹 開平機主體結構由上輥子和下棍子組成，上下輥子作用于鋼板，使得由于運輸方便而做成卷狀的鋼板整形成平板形式。 開平機的上部設計了一個升降機構，由蝸桿與蝸輪互相嚙合組成的交錯軸間的齒輪傳動，形成升降的形式，使得上輥子和下

27、輥子間的距離可以控制，來對不同厚度的鋼板進行輥子距離的調整。 開平機的入口處設計了一個送料裝置，將鋼板送入開平機中。 開平機的出口處設計了一對牽引輥子，對鋼板形成引導。 1.4.2.開平機結構參數(shù)的設計 對開平機整體結構參數(shù)（輥徑和輥距、輥數(shù)、輥身長度L等）進行詳盡的設計和選用，并用Autocad二維繪圖軟件進行最終整體組成結構的繪制。 1.4.3.開平機力能參數(shù)的計算 根據(jù)矯直材料、矯直厚度、矯直寬度和矯直速度進行矯直工藝的初步制定。對矯直機的力能參數(shù)（矯直力、矯直力矩和矯直功率等）進行準確計算。 1.4.4.開平機剛度、強度的校核 根據(jù)已選定的零件材料和計算出來的力能參數(shù)對

28、各部分結構部件（機架、矯直輥、矯直輥軸承）的剛度和強度進行最終的校核。 1.4.5.電動機的選擇 首先介紹并闡述了電動機選擇的基本方法，然后根據(jù)計算出來的矯直功率以及矯直機的工作制度對矯直機各部分所使用的電機進行正確的選擇，選用三相交流異步電機。 1.4.6.控制系統(tǒng)的設計 本鋼卷開平機擬采用可編程序控制器PLC對開平機進行控制。首先選取PLC型號，然后根據(jù)開平機的工作流程繪制PLC控制原理圖，編制出PLC程序，最后畫出梯形圖。 控制部分：選擇三菱PLC程序編寫，確定PLC型號，進而分配I/O點，通過動作順序分析畫出流程圖，然后通過PLC編程的知識，編寫出梯形圖和控制

29、原理圖。 1.4.7.預期能達到的目標 通過本次課題的畢業(yè)設計將自己四年中所學到機械設計、機械原理、材料力學、液壓傳動、PLC控制技術等等知識聯(lián)系起來，通過自己的努力以及指導老師的指導和糾正，設計出要求的鋼卷開平機。 2 鋼板開平機的總體設計 2.1 鋼板開平機的相關參數(shù) 本矯直機的主要技術參數(shù)為： 矯直材料Q235； 鋼板厚度H=3—16mm； 最大板寬B=2100mm； 矯直溫度400—600℃； 矯直速度0.4—1.35m/s； 矯直

30、輥輥距280mm；輥徑250mm；輥身長2350mm；5個上輥，4個下輥； 升降裝置采用一臺40kw、1455r/min的交流電機驅動； 矯直輥子電機一臺Y系列三相異步電動機：200kw、額定轉速為1490r/min。 牽引輥子電機一臺Y系列三相異步電動機：200kw。 根據(jù)設計要求，在本方案中，設計計算了矯直機的基本力能參數(shù)，如輥距，輥徑等；工作輥的結構與裝配方案，并對其進行了校核；升降系統(tǒng)的結構設計。 通過方案設計矯直機主體結構，包括升降系統(tǒng)，上輥子，下輥子，牽引輥子以及傳動系統(tǒng)等并闡述矯直機結構原理和設計特點，如圖2-1所示。

31、 圖2-1 鋼卷開平機的設計簡圖 2.2 開平機的各個結構 2.2.1 上下輥子 （用于矯直鋼板） 按工作輥的調整方法和排列方式不同，工作輥的結構有以下幾種基本形式： 1）每個上輥可單獨調整高度的。如圖2-2a，每個上輥都具有單獨的軸承座和壓下調整機構，保證任意調整高度。此外通常還可以移動機架的上部分相對下部分進行集體調整。能夠得到較高的矯直精度。但結構復雜，所以在實際中一般輥數(shù)較少。 2）上排輥子集體平行調整高度。如圖2-2b，上排輥子固定在一個平行升降的橫梁上，只能集體上下平行調整，所以輥子的壓下量相同，結構比較簡單。但這種調整方式只能用較小的（甚至是最

32、小的）有效彎曲變形，才能得到較高的矯直精度，否則將出現(xiàn)較大的殘余曲率。為解決上述缺點，通常出入口上輥為單獨調整的。這種結構方案廣泛應用于中厚板的矯直。 3）上排輥子集體傾斜調整。如圖2-2c，上排輥子安裝在一個可傾斜調整的橫梁上，由入口至出口軋件彎曲逐漸減小，可以實現(xiàn)大變形，小變形倆種矯直方案，能得到較高的矯直速度，調整也很方便，所以應用廣泛。 圖2-2 板材輥式矯直機上輥調整方案 a-每個上輥單獨調整；b-上輥集體平行調整；c-上輥集體傾斜調整 圖2-3 混合排列的輥式矯直機 a-入口平行、出口傾斜；b-中間平行、倆端傾斜 4）平行和傾斜混合排列的矯直機。如圖

33、2-3，一種是入口段為平行排列，出口段為傾斜排列，增加了入口段軋件的大變形過程，可提高矯直質量。另一種是中間為平行排列，倆端為傾斜排列，它不僅能提高矯直質量，而且可改善咬入條件和作用于可逆矯直。 2.2.2 主傳動系統(tǒng) (1) 機列布置 機列布置是指電動機、傳動裝置和工作機座的總體安排。他取決于車間內與之聯(lián)系的設備布置情況、安置該矯直機的面積亦即傳動裝置的布置形式等。圖2-4是幾種典型的機列布置示意圖。 圖2-4a是機列布置中最簡單的一種，扭矩由電動機經(jīng)聯(lián)合減速機傳到工作輥。由于減速機與齒輪座放在一個箱體內，機列布置較緊湊，占地面積小，重量輕，潤滑集中。但是，聯(lián)合減速機結構較復雜，比較

34、不容易加工制造和維修。 圖2-4b是電動機經(jīng)減速機傳到齒輪座，齒輪座再通過幾根輸出軸傳動工作輥的布置形式。這種布置方式中的減速機與齒輪座的結構均較簡單，但機列長度較長。當電動機功率超過60～80千瓦時，通常采用雙電機驅動。這樣不僅可以使減速機負荷均勻，而且可縮短機列長度。一般情況，這種布置方式的機列總寬均不超過工作機座的寬度，故適于在連續(xù)機組中布置。 圖2-4d除具有圖b、c的優(yōu)點外，還有機列總長度較短的優(yōu)點，只是這種布置形式需要使用較為復雜的傘齒輪減速機。 圖2-4 幾種典型的機列布置示意圖 圖2-4e與圖2-4d相似，但是采用了球面蝸輪減速機。一般只在齒輪座必需采用兩根相距

35、較遠的輸入軸時，才使用這種布置形式。圖2-4e與圖2-4d所示的機列其寬度很大，只是在機列長度受限制時，才采用。 (2) 主傳動系統(tǒng) 主傳動系統(tǒng)包括減速機、齒輪座和萬向聯(lián)軸節(jié)等。 1）減速機。在矯直機主傳動系統(tǒng)中，減速機除有減速作用外，還有均衡分配傳動扭矩的作用，因此也稱減速分配器。它有三種主要形式：圓柱齒輪型、圓柱-圓錐齒輪型和蝸輪型。在這種形式中，每種又可分為單支（指單根輸出軸）、雙支、三支和四支等幾種結構。 在輥數(shù)大于7的矯直機上，不易使用單支減速分配器。這是因為傳遞的總扭矩大，齒輪座的齒輪尺寸也大，使齒輪座輸出軸的間距很難與矯直機輥間距相適應。因此，在輥式鋼板矯直機上，大多

36、使用多支的減速分配器，這樣也可使齒輪座的載荷均勻。 由于矯直機的第三輥（或第二輥）受的矯直扭矩最大，因此，對該輥要盡可能由減速機的一根輸出軸經(jīng)齒輪座直接傳動，以減輕齒輪座的負荷。優(yōu)勢，為適應矯直機在連續(xù)機組中的安裝，將矯直機設計成可以雙向進料的結構。這時，矯直機另一端的第三輥（或第二輥）也由減速機的一根輸出軸傳動。在這種情況下，減速機中心距總和應等于齒輪座兩邊第三軸或第二軸之間的距離。這一值受齒輪座最大中心距的限制。 齒輪座最大中心距是按照矯直輥最大中心距和萬向接軸的長度以及接軸傾角不超過6的條件確定的。在綜合考慮上述因素后，選定減速機中心距，然后對減速機、齒輪座的齒輪和軸進行強度校驗。如

37、計算結果不能滿足，則考慮增加減速機支數(shù)。在某些情況下，也可將直接傳動第三輥改為傳動鄰近的輥，以改變齒輪座的負荷分配情況。 圓柱齒輪減速機的制造和安裝較為簡單，因此在矯直機主傳動系統(tǒng)中獲得廣泛應用。在制造能力許可下，也可使用聯(lián)合減速機。將減速機和齒輪座連成一個整體，可減少傳動件，且結構緊湊，能減小機列總長度。 2）齒輪座 一般情況，為防止鋼板在工作輥間打滑，輥式鋼板矯直機所有的工作輥都是驅動的。齒輪座的作用是將減速機傳來的扭矩分配給各個矯直輥。 齒輪座輸入軸數(shù)目與減速機的支數(shù)相同。每根輸入軸帶動一組齒輪。在輸入軸數(shù)量較多時，各組齒輪之間互不聯(lián)結，以避免功率傳遞路線閉合，惡化齒輪嚙合

38、條件。 按照齒輪的嚙合列數(shù)，可分為單列齒輪座和多列齒輪座。單列齒輪座的制造、安裝簡單，各齒輪軸和軸承可以通用且齒輪軸的剛性高。一般在工作輥距小于50毫米時，一采用這種形式。與單列齒輪座比較，多列齒輪座的總中心距小，因為每對齒輪的齒寬是根據(jù)傳遞的扭矩確定的，同時，齒輪避免了重復嚙合，因而可適當減小中心距。多列齒輪座的齒輪軸剛性較低。為保證齒輪軸的剛度，通常只在輥距大于50毫米時才采用這種結構。 由于在矯直機的功率中，軸承摩擦損耗占得比重較大，所以齒輪座、減速機和矯直機本體一般均采用滾動軸承。 3）萬向聯(lián)軸節(jié) 由于齒輪座的總中心距大于矯直機的總中心距，因此齒輪座輸出軸與矯直輥采用萬向聯(lián)軸

39、節(jié)聯(lián)接。 矯直機上常用的萬向聯(lián)軸節(jié)除了一般的滑塊式叉頭扁頭型外，在輥徑小于120毫米時，也采用球型萬向聯(lián)軸節(jié)。球型萬向聯(lián)軸節(jié)有多種型式。圖2-5是鋼球上帶有十字槽的結構。齒輪座傳動端的叉頭6通過方槽孔，套在齒輪座輸出軸上，叉頭6的另一端通過帶槽的球2（見圖2-5b）與叉頭5相連接。同樣工作輥端的叉頭1也通過球2與叉頭3相連。拆卸接軸時，需將花鍵軸上的柱銷取下，脫開接軸將軸折轉90，即可將叉頭從鋼球上取下。 在小輥距矯直機上也可采用簡易型鋼球萬向接軸（圖2-6）。這種聯(lián)軸節(jié)中采用標準鋼球（GB308—64），它只起定心作用，矯直扭矩是靠兩插頭的側面直接接觸來傳遞的。這種聯(lián)軸節(jié)結構簡單，易于制

40、造。拆卸時，松開鋼絲6，去掉夾木7，叉頭3即可沿軸向取下。 在有的矯直機上還采用滾動軸承鉸鏈式萬向聯(lián)軸節(jié)，其允許傾斜角度可達18，但結構尺寸較大。 圖2-5 帶槽球形萬向聯(lián)軸節(jié) a-聯(lián)軸節(jié)結構；b-球結構 1-工作輥端叉頭；2-帶槽鋼球；3-接軸叉頭；4-接軸；5-接軸叉頭；6-齒輪座端叉頭 圖2-6 簡易球形萬向聯(lián)軸節(jié) 1-叉頭Ⅰ；2-鋼球；3-叉頭Ⅱ；4-接軸；5-導向鍵；6-緊固鋼絲；7-夾木 根據(jù)課題的具體情況，選用簡易球形萬向聯(lián)軸節(jié)。 2.2.3 牽引輥子 通過一對牽引輥子來控制鋼板的運動方向，穩(wěn)定鋼板的前進方向。 如圖2-7所示，圖中兩

41、個牽引輥子通過電機拖動，引導鋼板的方向。 圖2-7 牽引輥子 2.2.4升降機構 通過蝸輪蝸桿機構和螺紋間的嚙合實現(xiàn)控制上下輥子間的距離，從而適應不同鋼板的厚度。 如圖2-8所示，電機拖動蝸桿，蝸桿拖動蝸輪，蝸輪拖動旋轉軸，旋轉軸底部有螺紋，旋轉軸旋轉的同時通過螺紋拖動上輥座的上升和下降。 圖2-8 牽引輥子 2.2.5送料機構 平穩(wěn)輸送鋼板到矯直系統(tǒng)中，當中加了一個電感接近開關，來控制鋼板輸送的張力。 如圖2-9所示，送料平臺底部有一個軌道，在裝卸鋼卷的時候，底部的軌道把左部的支撐座移動到導軌的一端，方便裝卸，裝卸完成后再把支撐

42、座還原。中間的電感式傳感器接近開關用來控制鋼卷輸送的速度。 圖2-9 送料機構 2.2.6左右限位調節(jié) 在送料機構的末端通過導軌滑塊實現(xiàn)鋼板左右方向上的固定。 如圖2-10所示，通過導軌的左右調節(jié)來實現(xiàn)對鋼板的限位作用。 圖2-10 左右限位調節(jié) 2.2.7龍門架構 通過一個支撐架上的兩對導軌，實現(xiàn)對上輥座的穩(wěn)定支撐作用。 如圖2-11所示，導軌安裝在一個類似龍門架的支撐座上，導軌與上輥座連接，使得上輥座在軌道里面上升和下降，起到穩(wěn)定支撐的作用。 圖2-11 龍門架構 3.開平機相關參數(shù)設計計算 3

43、.1 開平機基本參數(shù)的確定 3.1.1 輥距t的確定 輥距t的確定對保證矯直機的矯直質量有重要影響。在矯直軋件時，其基本條件是軋件應產(chǎn)生彈塑性彎曲變形，例如，對鋼板矯直機，根據(jù)前面幾個輥子的反彎曲率必須滿足下列條件： （3-1） 顯然，若板材的E已確定，則σs越大或h越小，反彎曲率半徑ρ也應越小。與此對應，矯直輥徑D與輥距t也應越小。 確定輥距的原則是既要保證軋件矯直質量，又要滿足輥子的強度條件。最小允許輥距受輥子強度條件限制；最大允許輥距取決于軋件矯正質量。 根據(jù)公式得最小允許輥距

44、為 ： （3-2） 根據(jù)公式得最大允許輥距為： （3-3） 根據(jù)經(jīng)驗值輥距取t=280mm 。 3.1.2 輥徑D的確定 由下表可知道工作輥直徑D=(0.85-0.90)t=238～252mm ， 取D=250mm 。 表3—1 輥徑與輥距的比值 矯直機類型 矯直機類型 薄板矯直機 0.9—0.95 厚板矯直機 0.7—0.85 中板矯直機 0.85—0.90 型鋼矯直機 0.75—0.9

45、0 3.1.3 輥數(shù)n的確定 增加輥數(shù)即增加軋件的反彎次數(shù)，可以提高矯直質量但也會增加軋件的加工硬化和矯直機的功率。為此，選擇輥數(shù)n的原則是在保證矯直質量的前提下，使輥數(shù)盡量少。 對于板材輥式矯直機，輥數(shù)n隨著軋件寬厚比(b／h)的增加而增加。因為軋件寬厚比愈大，它的浪形彎曲亦愈顯著，需要多次的反復彎曲才能保證矯直質量。輥數(shù)與殘余曲率關系如圖3－2所示。 圖3-1 殘余曲率與輥數(shù)的關系 從圖3-2中可以看出，7輥輥系完全可以滿足高精度矯直需要，超過7輥后，對提高矯直精度的效果緩慢。但實際上，各輥壓彎量的調整由于材質不勻及尺寸公差會造成理論與實際之間有差距。另外，機架剛度、側彎、扭

46、曲等對矯直效果都有影響，為此常用增加輥數(shù)的辦法來彌補上述的不足，根據(jù)熱矯板材矯直機的經(jīng)驗輥數(shù)(一般板厚4～60mm的寬板輥數(shù)n=9～11)及此次設計的要求，取工作輥9輥，上下導輥各1個，共計11輥。 3.1.4 輥身L的確定 輥身長度L取決于軋件最大寬度，根據(jù)公式得： L=bmax+a （3-4） 當bmax<200mm時， a=50mm ； 當bmax>200mm時，a=100～300mm 。 所以 L=2100+250=2350mm 。 3.1.5 矯直速度v 的確定

47、 矯直速度的大小，首先要滿足生產(chǎn)率的要求，要與軋件生產(chǎn)能力相協(xié)調，要與所在機組的速度相一致。 由于矯直速度的上限尚沒有理論的計算方法，但人為設定矯直速度所依據(jù)的經(jīng)驗是可以遵循的。本矯直機速度取為0.2～1.35m/s。 3.2 輥式開平機的力能參數(shù)確定 3.2.1 作用在開平機輥子上的壓力（矯直力） 作用在矯直機輥子上的壓力可按照扎件彎曲時所需的力矩來計算。此時，將扎件看成是受很多 集中載荷的連續(xù)梁。這些集中載荷就是各輥子對扎件的壓力，它們在數(shù)值上等于扎件對輥子的壓力。 （1）扎件彎矩計算 由以上分析可知，欲求得作用在輥子上的壓力，必須確定在輥子處扎件的彎矩值。而扎件彎矩值決定于

48、扎件彎曲變形量得大小，即決定于扎件原始曲率與壓下?lián)隙惹手汀? 精確計算出彎矩值是很困難的，通常采用一些假設條件: 第2、3、4輥子處扎件的彎曲力矩假設為純塑性彎曲力矩，即： ==== = ②出口端除最后第9輥以外的3個輥子下面的扎件彎曲力矩可假設為純彈性彎矩力矩，即： ==== = ③其余輥子（第1輥子和第9輥子除外）扎件彎曲力矩等于上述兩個彎曲力矩的平均值，即： 。 各式中，S—塑性斷面系數(shù)， ； W—彈性斷面系數(shù)， 。 （2）矯直力計算 彎曲力矩確定以后，就可以計算出作用于扎件的壓力P： 式中，t—

49、工作輥輥距。 用類似的方法可確定最后3個輥子上的壓力為： 作用在第四輥到第n-3輥之間各中間輥子上的壓力，可取和的平均值，即： 當矯直輥數(shù)大于6時，作用在所有輥子上的壓力總和為： 上述計算表明，第三根輥子上受力最大，所以應對其進行強度校核。 3.2.3 電機功率的確定 1)工作輥子的主電機的確定 如果分別考慮各輥子下軋件的塑性變形，則根據(jù)公式矯正扭矩為： （3-5） a--- 塑性變形曲率折算系數(shù)。對于單向波浪形的軋件，為4.5～6，根據(jù)

50、塑性變形曲率折算系數(shù)計算圖選取a值，此處取5，則根據(jù)圖3-3查機械手冊得a=6 σs---材料的屈服極限 300MPa ； b--- 鋼板寬度 2100mm ； h--- 鋼板厚度 16mm ； D--- 矯直輥直徑 250mm ； E--- 材料的彈性模量 ； 圖3-2 塑性變形折算系數(shù)a的計算圖 根據(jù)公式得電動機功率計算公式為： （3-6） 則 --- 矯正扭矩，5.5KNM ； --- 作用在輥子上的壓力總和 ，

51、6720KN ； f--- 輥子與軋件的滾動摩擦系數(shù)，對于鋼板f =0.0002m如果考慮可能出現(xiàn)的較大的滑動摩擦，則對于鋼板，f =0.0008m；對于型鋼，f =0.0008～0.0012m； μ--- 輥子軸承的摩擦系數(shù)，滾動軸承 μ=0.005；滾針軸承 μ=0.01；滑動軸承μ=0.05～0.07 ； D--- 輥子直徑，250 mm ； d--- 輥子軸承處直徑（滾動軸承取中徑 ）150 mm ； ν---矯直速度 0.4 m/s ； η--- 傳動效率，η=0.85～0.7（有支承輥時取較小值） ； 查閱機械手冊，選用1臺Y系列三相異步電動機Y315L2-4

52、，其基本參數(shù)如下： 額定功率為200千瓦，電流362A，重量為1270kg， 額定轉速為1490r/min，總長度為1340mm，寬度899mm，高度865mm。 2)牽引輥子的主電機的確定 牽引輥子是給于鋼板一個牽引力，讓鋼板能有一個確定的前進方向。 根據(jù)實際生產(chǎn)中的應用，額定功率定為20KW。 查閱機械手冊，選用1臺Y系列三相異步電動機Y180M-2，其基本參數(shù)如下： 額定功率為22千瓦，電流42.2A， 重量為180kg， 額定轉速為2940r/min，總長度為670mm，寬度465mm，高度430mm。 3.3 工作輥強度計算 工作輥的強度條件是工作輥各處的計算應

53、力應小于許用應力。工作輥的許用應力是其材料的強度限除以安全系數(shù)。通常工作輥的安全系數(shù)選取5。 圖3-3 工作輥結構簡圖 矯直輥的材料為55Cr，查閱機械設計手冊得： 由于工作輥有支承輥，故無需考慮工作輥的彎曲力矩，而只需考慮其扭轉。由于各輥系中的第三個輥受力最大，當?shù)谌仢M足要求時起于各輥均可以滿足要求，所以只校核第三輥即可。 第三輥扭矩為： 其中， D ——工作輥直徑； ——塑性彎曲力矩； ——鋼板在相應輥子下的彎曲半徑 ； 對于9輥矯直機， =90h=9016=1440mm

54、。 假定倒數(shù)第二個輥僅實現(xiàn)彈性彎曲，則其曲率半徑為： 即： 則帶入值得： 則工作輥危險斷面在輥徑處，扭轉應力為:（工作輥輥徑取250mm） 合成應力按第四強度理論計算：

55、 由計算結果可知：矯直輥滿足扭轉強度要求。 3.4輥子軸承校核 矯直機所有工作輥均采用調心滾子軸承，且工作輥大徑端的軸承為 23222CC/W33，其內徑d= 110，外徑D=200，寬度B=69.8。 壽命計算： 查機械手冊得：基本額定動載荷Cr=520kN，基本額定靜載荷Cr0=800kN 圖3-4 軸承受力圖 每個軸承所受的徑向力為： ----第三輥子所受矯直力 因無軸向載荷，故 所以徑向當量動載荷： （3-7） 其中 ----載荷系數(shù)=1.2—1.8, 此處取1.5 ； ----軸承所受徑向力 157.2 KN

56、 ； ----軸承所受軸向力 0 KN 。 所以軸承壽命： （3-8） 其中： C---- 基本額定動載荷 KN ； n---- 輥子轉速 ； ε----對于滾子軸承 ； 根據(jù)工廠的實際情況軸承壽命已滿足要求 。 4 開平機的PLC控制系統(tǒng)設計 4.1 PLC基礎 本次開平機的控制部分需要控制的對象有兩個，利用三相異步電動機的正反轉控制原理，選擇PLC進行控制，PLC控制系統(tǒng)簡單方便，易于操作。 4.2開平機的PLC控制方案

57、 4.2.1 控制對象 利用三個電機對上輥座和牽引輥座進行升降的控制。 上輥座電機1和電機2控制上輥座的升降。 牽引輥座電機控制牽引輥座的升降。 利用了三相異步電動機的正反轉PLC控制原理進行設計。 4.2.2 三相異步電動機的正反轉PLC控制原理 因為三相異步電動機的轉動方向是由旋轉磁場的方向決定的，而旋轉磁場的轉向取決于定子繞組中通入三相電流的相序。因此，要改變三相異步電動機的轉動方向非常容易，只要將電動機三相供電電源中的任意兩相對調，這時接到電動機定子繞組的電流相序被改變，旋轉磁場的方向也被改變，電動機就實現(xiàn)了反轉。 4.3開平機的PLC控制I/O端口分配表 根據(jù)此

58、開平機PLC控制的要求，設計了8個按鈕和4個限位開關，通過限位開關來控制升降的最高點和最低點打到最后的控制要求。 圖4-1 PLC控制I/O端口分配表 4.4開平機的PLC控制接線圖 圖4-2 PLC控制接線圖 4.5開平機的PLC控制梯形圖 利用了三相異步電動機的正反轉PLC控制原理進行設計。 用基本指令編程。 利用上輥座電機1和電機2控制上輥座的升降。 利用牽引輥座電機控制牽引輥座的升降。 圖4-3 PLC控制梯形圖 5 結論 本次設計是對大學四年學習生活的一次綜合的考核，本次設計也是一次理論與實踐相結合的運用，要

59、求我們能夠運用四年來所學的各種知識，在指導老師的熱心幫助下，通過積極的查閱相關的資料文獻，認真的總結，嚴肅的對待，終于完成了本次設計工作的要求。通過自己的努力工作看到一張設計圖紙的完成，設計說明書的最終完成，使我了解到通過自己的努力完成CAD圖紙的樂趣。這對我以后的工作有很大的幫助，今后我會在工作中不斷的學習，努力的提高自己的水平。 通過此次畢業(yè)設計，使我了解了鋼板開平機的很多相關知識。使我也了解了當前國內外在此方面的一些先進生產(chǎn)和制造技術，了解了矯直機設計的一般過程，通過對矯直機的結構設計作了系統(tǒng)的設計，掌握了一定的機械設計方面的基礎。 此次設計的開平機的特點： （1）本次設計的是可調

60、整鋼板矯直厚度的開平機，可對不同厚度的鋼板進行開平。 （2）本次設計的開平機動作固定，結構簡單，同時成本低廉。 （3）本次設計使用PLC控制，方便簡單，便于操作。 但受到學識、經(jīng)驗、設計能力、時間方面的制約而不能盡善盡美，因此該開平機在未來的時間里可在以下方面進行升級改進： （1） 上輥座是用兩個電機來拖動，設計不夠簡單，改為一個電機加上同步帶傳送效果更好。 （2） 在鋼板輸入口的限位裝置沒有設置自動裝置，給調節(jié)帶來不便，需要增加自動控制裝置進行調節(jié)控制。 參考文獻 [1] 孫本榮，王有銘，陳瑛.中厚鋼板生產(chǎn).北京:冶金工業(yè)出版社，1993，1-4 [2] 王國棟，劉

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