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遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 I 頁 PC 軋機(jī)換輥小車設(shè)計(jì) 摘要 本文敘述了鞍鋼 2150 熱軋板帶鋼生產(chǎn)線精軋機(jī)換輥小車的設(shè)計(jì)情況,輥系 小車的驅(qū)動方式原為鏈條拖動和液壓缸驅(qū)動的棘輪機(jī)構(gòu)共同作用,步驟煩瑣,換 輥時(shí)間長,改為動力小車直接驅(qū)動后,縮短了換輥時(shí)間,提高生產(chǎn)效率。 本文概述了換輥小車的國內(nèi)外發(fā)展情況及其發(fā)展方向。主要進(jìn)行 PC 軋機(jī)換 輥小車的設(shè)計(jì)。利用電機(jī)提供動力，使減速器輸出軸上的鏈輪在固定鏈條上滾 動，從而使小車在軌道上運(yùn)動。利用液壓缸使拉出鉤繞銷軸轉(zhuǎn)動，進(jìn)行掛鉤或 推鉤，從而使工作輥拉出或推進(jìn)。最終實(shí)現(xiàn)換輥工作。在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行了換 輥小車的傳動方案、工作原理、潤滑及環(huán)保與經(jīng)濟(jì)性分析，重點(diǎn)進(jìn)行換輥小車 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作參數(shù)的選擇、電動機(jī)的選擇及計(jì)算，設(shè)計(jì)中主要零部件的計(jì) 算及校核。 在參閱相關(guān)資料并借鑒前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過對換輥小車的設(shè)計(jì)及分析， 各項(xiàng)技術(shù)均滿足要求，本設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 關(guān)鍵詞：換輥；輥系小車；鏈條；棘輪機(jī)構(gòu)；動力小車 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 II 頁 PC roller mill for car design ABSTRACT ? In this paper, the rolling car design of finishing mill on Anshan steel 2150 hot- rolled strip steel plate production line was presented. According original designed, roll changing car was moved by a chain system and a ratchet system. The process was too complicated and it spends a lot of time on roller changing. After it was redesigned, roller changing time was shortened and efficiency was highly improved. This paper outlines the development of domestic and international situation of the rolling car and its development direction. I mainly designed rolling car for PC main roller mill. It used motor to provide electrical power so that sprocket on the output shaft of reducer can roll on the sprocket fixed chain. So rolling car could move along the orbit. It uses hydraulic cylinders to pull hook around the pin rotation, or push or pull hook, so that pulled out or push in the work roll. Rollers changed work could be eventually realized. In the process of designing a car, the driven scheme design, working principle statement, lubrication and environmental protection and economic analysis have been done. The paper mainly focuses on the structural design of car, the choice of motor and working parameters, the calculation and verification of the main components. ? On the basis of consulting the relevant materials and using forefathers' experience for reference, through the design and analysis of rolling car, every indicators reaches the demands, this design has a certain value in actual using. KEYWORDS：Roll changing；Car of roll set；Chain；Ratchet system；Driving car 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 III 頁 目錄 摘要 .............................................................................................................I ABSTRACT...............................................................................................II 1 緒 論 ......................................................................................................1 1.1 換輥小車的概述 ................................................................................................1 1.1.1 換輥小車的用途 ............................................1 1.1.2 換輥小車的類型 ............................................1 1.1.3 換輥小車的動力結(jié)構(gòu) ........................................2 1.2 國內(nèi)外對換輥小車的研究 ................................................................................2 1.3 課題的背景及意義 ............................................................................................5 1.4 本文主要研究工作 ............................................................................................5 2 總體方案設(shè)計(jì)與選擇 ............................................................................7 2.1 換輥小車的驅(qū)動方案設(shè)計(jì)與選擇 .....................................................................7 2.1.1 傳動方案設(shè)計(jì) ..............................................7 2.1.2 電機(jī)的選擇 ................................................8 2.2 鏈輪與液壓缸的選擇 .........................................................................................8 2.2.1 鏈輪的選擇 ................................................8 2.2.2 液壓缸的選擇 ..............................................8 3 傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 ............................................................................9 3.1 原始數(shù)據(jù) .............................................................................................................9 3.2 換輥小車所需驅(qū)動力計(jì)算 .................................................................................9 3.3 電機(jī)的選擇 .......................................................................................................10 3.3.1 選擇電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式 .......................................10 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 IV 頁 3.3.2 選擇電機(jī)的容量 ...........................................10 3.3.3 電機(jī)的校核 ...............................................11 3.4 確定傳動裝置的總傳動比和分配傳動比 .......................................................12 3.4.1 傳動裝置總傳動比 .........................................12 3.4.2 分配減速器的各級傳動比 ...................................12 3.4.3 各軸的運(yùn)動和動力參數(shù) .....................................12 4 主要零部件的選擇、設(shè)計(jì)和校核 ........................................................14 4.1 蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)與校核 ..................................................................................14 4.1.1 選擇蝸桿傳動類型 .........................................14 4.1.2 選擇材料 .................................................14 4.1.3 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) ...............................14 4.1.4 蝸桿與蝸輪主要幾何尺寸計(jì)算 ...............................16 4.2 齒輪的設(shè)計(jì)與校核(一) ...................................................................................18 4.2.1 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) .......................18 4.2.2 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) .......................................19 4.2.3 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) .......................................21 4.2.4. 幾何尺寸計(jì)算 ............................................23 4.3 齒輪的設(shè)計(jì)與校核(二) ...................................................................................23 4.3.1 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) .......................24 4.3.2 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) .......................................24 4.3.3 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) .......................................26 4.3.4. 幾何尺寸計(jì)算 ............................................28 4.4 軸的設(shè)計(jì)及其校核 ..........................................................................................28 4.4.1 選擇軸的材料并確定其機(jī)械性能 .............................28 4.4.2 軸上的功率 4P,轉(zhuǎn)速 4n和轉(zhuǎn)矩 ...............................29 4.4.3 求作用在齒輪上的力 .......................................29 4.4.4 初步確定軸的最小直徑 .....................................29 4.4.5 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .............................................30 4.4.6 求軸上的載荷 .............................................31 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 V 頁 4.4.7 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度 ...............................32 4.4.8 精確校核軸的疲勞強(qiáng)度 .....................................33 4.5 滾動軸承的選擇及其壽命計(jì)算 ......................................................................37 4.5.1 滾動軸承的選擇 ...........................................37 4.5.2 滾動軸承的壽命計(jì)算 .......................................38 4.5.3 滾動軸承裝置的設(shè)計(jì) .......................................39 4.6 聯(lián)接電機(jī)與減速器的聯(lián)軸器選擇 ...................................................................40 4.6.1 類型選擇 .................................................40 4.6.2 載荷計(jì)算 .................................................40 4.6.3 型號選擇 .................................................41 4.7 鍵聯(lián)接的選擇及強(qiáng)度校核 ..............................................................................41 4.7.1 鍵聯(lián)接的功能及結(jié)構(gòu)型式 ...................................41 4.7.2 鍵的選擇和鍵聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算 ...............................41 4.8 花鍵聯(lián)接的選擇及強(qiáng)度校核 ...........................................................................42 4.8.1 花鍵的選擇 ...............................................42 4.8.2 校核花鍵聯(lián)接的強(qiáng)度 .......................................42 4.9 鏈輪鏈條的選擇 ...............................................................................................43 4.9.1 鏈條的選擇 ...............................................43 4.9.2 鏈輪的選擇 ...............................................43 4.10 液壓缸選擇 .....................................................................................................45 4.10.1 供油壓力 sp的選擇 ........................................45 4.10.2 計(jì)算負(fù)載力 ..............................................45 4.10.3 計(jì)算液壓缸主要結(jié)構(gòu)參數(shù) ..................................46 5.潤滑方法的選擇 ...................................................................................47 5.1 潤滑 ...................................................................................................................47 5.1.1 齒輪 .....................................................47 5.1.2 軸承 .....................................................47 5.1.3 減速器 ...................................................48 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 VI 頁 5.2 添加劑 ...............................................................................................................48 5.3 潤滑方法 ...........................................................................................................48 6 環(huán)保性與經(jīng)濟(jì)性分析 ............................................................................49 6.1 環(huán)保性分析 .......................................................................................................49 6.2 經(jīng)濟(jì)性分析 .......................................................................................................50 6.2.1 設(shè)備合理使用期的估算 .....................................51 6.2.2 設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)的概率分析 .......................................52 結(jié) 論 .........................................................................................................53 致 謝 .........................................................................................................54 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................55 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1 頁 1 緒 論 軋輥磨損后,幾何尺寸和輥型都將發(fā)生變化。為了保證軋材質(zhì)量，必須及時(shí) 更換軋輥。軋制速度的提高，加速了軋輥的磨損，使軋輥的更換次數(shù)愈來愈頻 繁。一般帶鋼熱連軋機(jī)粗軋機(jī)工作輥每隔 3-7 天需更換一次，支撐輥每隔 15-30 天更換一次；精軋機(jī)的工作輥大約 3-8 小時(shí)需更換一次，支撐輥 7-15 天更換一 次；帶鋼冷連軋機(jī)的工作輥至少每班要更換一次，支撐輥大約 7-15 天更換一次。 縮短換輥時(shí)間有利于保證產(chǎn)品質(zhì)量、減少停機(jī)時(shí)間、提高軋機(jī)作業(yè)率、增加產(chǎn) 量和降低成本，因此，近年來換輥裝置有了很大發(fā)展。 1.1 換輥小車的概述 1.1.1 換輥小車的用途 在軋鋼生產(chǎn)中，為了確保軋材的質(zhì)量要求，當(dāng)軋輥被磨損、破壞及產(chǎn)品規(guī) 格品種更換時(shí)，都應(yīng)及時(shí)地通過換輥小車把軋輥更換掉，以滿足軋材的質(zhì)量與 品種規(guī)格要求。根據(jù)不同的工作條件，換輥小車可以分為多種類型。 1.1.2 換輥小車的類型 板帶軋機(jī)所采用的工作輥換輥裝置種類繁多,其中換輥小車可分為推拉式電 動換輥小車和液壓式換輥小車等等。 推拉式電動換輥小車:熱連軋精軋機(jī)采用的換輥小車由一臺直流電動機(jī)、經(jīng) 離合器、減速器及鏈輪，與固定在兩軌道中間鋪板上的固定鏈條相嚙合，從而 驅(qū)動小車在軌道上前后移動。小車上裝有氣動鎖鉤，用來鉤掛工作輥軸承座。 并設(shè)有導(dǎo)向輪，起側(cè)面導(dǎo)向作用。 液壓式換輥小車:v 工作輥組的掛鉤和脫鉤裝置包括換輥液壓缸活塞桿前端 的掛鉤和換輥車上的脫鉤裝置兩部分。掛鉤前，活塞桿帶著掛鉤處于中間位置。 橫移小車帶著新工作輥組橫移到換輥位置，推拉機(jī)構(gòu)活塞桿推著掛鉤前進(jìn)，隨 動輪與曲臂頂面接觸而使掛鉤頭部抬起。然后，脫鉤裝置的電液推進(jìn)器退回， 曲臂下降，掛鉤頭部下落，構(gòu)住軸承座上的凸塊。脫鉤的過程與上述掛鉤過程 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 頁 相反。 1.1.3 換輥小車的動力結(jié)構(gòu) 下面以推拉式換輥小車為例，對換輥小車的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡單的分析。換輥小 車的結(jié)構(gòu)如圖 1.1 所示，主要由電機(jī)減速器、驅(qū)動鏈輪、固定鏈條、車輪軌道 及接頭等幾部分組成。 電機(jī)減速器：它是換輥小車的驅(qū)動減速裝置，它由電機(jī)和減速器兩部分組 成。電機(jī)給換輥小車提供動力,使換輥小車能夠在鏈條軌道上運(yùn)動。減速器控制 換輥小車的運(yùn)行速度,使換輥小車按照換輥的要求運(yùn)動。 驅(qū)動鏈輪：該鏈輪安裝在減速器的輸出軸上，通過驅(qū)動裝置使驅(qū)動鏈輪轉(zhuǎn) 動，使其在固定鏈條上滾動，從而使換輥小車在軌道上往復(fù)運(yùn)動。 固定鏈條：此鏈條固定在兩車輪軌道中間的鋪板上,驅(qū)動鏈輪在其上面滾動,使 換輥小車按照規(guī)定的方向運(yùn)動。 圖 1.1 換輥小車結(jié)構(gòu)簡圖 車輪軌道：換輥小車上的四個(gè)小車輪在此軌道上運(yùn)動,該軌道承載著小車和 支撐輥的全部重量。 接頭：又稱氣動鎖鉤。在液壓裝置的驅(qū)動下可以饒著固定軸上下?lián)Q位，來 推（拉）工作輥軸承座，進(jìn)行換輥。 推拉式換輥小車的結(jié)構(gòu)簡單，安裝和維護(hù)比較方便。正確的選擇固定鏈輪 及固定鏈條，能適當(dāng)延長鏈輪配合的壽命。因此，推拉式換輥小車得到了比較 廣泛的應(yīng)用。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 頁 1.2 國內(nèi)外對換輥小車的研究 目前，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及考慮到對能源的節(jié)省利用、對生產(chǎn)成 本的降低等因素的影響，國內(nèi)外大部分的鋼鐵公司也正不斷的對換輥小車的技 術(shù)性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)。使其結(jié)構(gòu)更加合理，安裝更加方便，費(fèi)用更加低 廉。 近幾年來，各國政府對鋼鐵企業(yè)給予了高度的重視和基金的資助。目前， 國內(nèi)對換輥小車所進(jìn)行的研究僅限于對傳統(tǒng)的行進(jìn)機(jī)構(gòu)的改造，而只有少數(shù)的 企業(yè)對換輥小車的驅(qū)動裝置進(jìn)行根本的改造。萊鋼大型型鋼生產(chǎn)線粗軋機(jī)及其 換輥裝置由德國公司設(shè)計(jì)，經(jīng)國內(nèi)轉(zhuǎn)化于 2005 年 9 月投入生產(chǎn)，換輥采用整體 換輥方式。換輥系統(tǒng)的輥系小車驅(qū)動裝置由兩部分組成，一是鏈?zhǔn)揭扑脱b置， 二是液壓缸驅(qū)動的步進(jìn)裝置。 換輥過程是這樣的：新輥系在軋輥跨裝配完成后， 通過鏈?zhǔn)揭扑脱b置運(yùn)送到軋線跨的橫移平臺上。停車換輥時(shí)，首先由液壓缸驅(qū) 動的步進(jìn)裝置將舊輥系從軋機(jī)牌坊中拉出至橫移平臺，這樣橫移平臺上就有了 一新一舊兩套輥系，然后橫移平臺橫移，新舊輥系換位， 使新輥系位于軋機(jī)牌 坊的軸向窗口。然后液壓缸再動作， 將新輥系一步一步送入軋機(jī)。液壓缸活塞 桿全程伸縮一次，步進(jìn)裝置前進(jìn)一個(gè)步長，輥系進(jìn)出軋機(jī)一次分別要 8 步完成， 手動操作約需 45 分鐘。嚴(yán)重滯后于精軋機(jī)的換輥（約 20 分鐘） ，這樣整條生產(chǎn) 線的軋機(jī)換輥時(shí)間就不能實(shí)現(xiàn)同步，有“短板”存在。實(shí)踐證明該設(shè)計(jì)思想落 后，步驟繁瑣，該問題成為制約生產(chǎn)的一個(gè)瓶頸。分別見圖 1 和圖 2 所示。 圖 1.2 輥系小車驅(qū)動裝置示意圖 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 頁 圖 1.3 步進(jìn)裝置驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 因此需設(shè)計(jì)一種動力裝置來代替現(xiàn)在的鏈?zhǔn)揭扑脱b置，使其能夠越過橫移 平臺，盡量靠近軋機(jī)，減少步進(jìn)小車的動作步數(shù)，從而從根本上節(jié)省換輥時(shí)間。 最終確定采用動力小車形式來直接推動（拉動）系小車由軋輥準(zhǔn)備間到橫移平 臺及軋機(jī)牌坊，取消鏈?zhǔn)捷斔脱b置。動力小車上的電機(jī)經(jīng)減速機(jī)傳動，帶動小 車輪軸轉(zhuǎn)動，輪軸上的鏈輪與固定在地面上的鏈條相嚙合，從而產(chǎn)生一個(gè)推力 或拉力，推動或拉動輥系小車運(yùn)動。橫移平臺上的兩個(gè)輥系小車?？课恢靡卜?別安裝上分段鏈條，與前面安裝在地面底板上的鏈條相連接，這樣，動力小車 能夠直接到達(dá)橫移平臺上，從而將輥系小車?yán)^續(xù)向前推進(jìn)一段距離，減少步進(jìn) 小車的動作距離，縮短換輥時(shí)間。 然而，國外對換輥小車的改造重點(diǎn)是減少人力，提高效率。將原有的動力 驅(qū)動改制成液壓驅(qū)動,并且不斷的對液壓系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。1997 年年初，芬蘭的 奧托昆普廠對其三套 20 輥軋機(jī)中的第一臺 20 輥軋機(jī)進(jìn)行改造,包括更新全部液 壓設(shè)備和機(jī)械設(shè)備的主要部分。軋機(jī)壓下、凸度調(diào)整和第一中間輥軸向移動全 部軋機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)都裝備了直接作用的液壓缸，使用伺服閥在軋制過程中進(jìn)行快 速而精確的控制。在傳動側(cè)和操作側(cè)，所有的軋輥和支撐輥現(xiàn)在都通過液壓缸 定位。第一中間輥軸向移動。第一中間輥軸向移動系統(tǒng)位于軋機(jī)的傳動側(cè)，見 圖 1.4。第一中間輥的調(diào)整桿和連軸器(軸承箱)之間的連接是自動的。液壓定 位裝置允許換輥小車的自動化系統(tǒng)通過小窗口直接裝輥或抽輥。不再需要人工 操作。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁 圖 1.4 第一中間輥軸向移動系統(tǒng) 新的換輥小車用于自動更換工作輥和第一中間輥。它能裝載 2 套 4 根 1 套的第 一中間輥和 2 套 6 根 1 套的工作輥。軋機(jī)的操作人員的工作只限于將自動控制 系統(tǒng)啟動，而不需 要其他的人為操作。液壓動力系統(tǒng)和帶有所有控制模塊的電 氣控制箱都安裝在小車上，電纜繞在線盤上，因而它成為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng) 。 1.3 課題的背景及意義 在我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中鋼鐵企業(yè)的發(fā)展起著舉足輕重的作用。它的發(fā)展 直接關(guān)系到冶金企業(yè)的發(fā)展。因此，近幾年來，鋼鐵企業(yè)的發(fā)展一直是我國較 關(guān)注的事情之一。自 20 世紀(jì)初，特別是 20 世紀(jì) 50 年代之后冶金工業(yè)的飛速發(fā) 展，對人類社會產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。現(xiàn)今，冶金行業(yè)日益加劇的全球化競爭和 兼并，促使了市場對冶金機(jī)械的性能要求越來越高。因此，從鋼鐵生產(chǎn)流程的 總體高度上考慮如何提高生產(chǎn)率、縮短生產(chǎn)時(shí)間、提高鋼鐵產(chǎn)量和質(zhì)量成為人 們關(guān)注的焦點(diǎn)。換輥小車是用來將工作輥推進(jìn)或拉出機(jī)架的一種冶金機(jī)械輔助 設(shè)備，它的突出優(yōu)點(diǎn)是：可大幅度的降低勞動強(qiáng)度；提高人為作業(yè)的工作環(huán)境； 節(jié)省能源消耗；節(jié)約人力；降低勞動成本等。換輥小車將給冶金工業(yè)帶來顯著 的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益?；趽Q輥小車的上述優(yōu)點(diǎn)，目前各大鋼鐵企業(yè)及科研 單位院校對換輥小車這一輔助設(shè)備也進(jìn)行了深入的研究和開發(fā)。 雖然現(xiàn)在我國冶金業(yè)的發(fā)展已經(jīng)日趨成熟，冶金機(jī)械也較以前有了較大的 提高。但是與先進(jìn)水平相比，我國的技術(shù)改造能力和創(chuàng)新能力都存在著較大的 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁 差距。目前，重點(diǎn)應(yīng)該是把從國外進(jìn)口的冶金設(shè)備進(jìn)行國產(chǎn)化，并對其性能壽 命和可靠度等方面在技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)上進(jìn)一步的提高。并在新的形勢下為提高 我國冶金機(jī)械的發(fā)展做出新的貢獻(xiàn)。 1.4 本文主要研究工作 本畢業(yè)設(shè)計(jì)課題研究的目的是基于鞍鋼三鋼軋廠 2150 精軋機(jī)換輥小車設(shè)計(jì) 研究的基礎(chǔ)上，通過對結(jié)構(gòu)和性能的分析進(jìn)行設(shè)計(jì)并進(jìn)一步的對其進(jìn)行改進(jìn)， 從而提高工作效率。本畢業(yè)設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)研究的內(nèi)容包括如下，其設(shè)計(jì)內(nèi)容結(jié) 構(gòu)圖如圖 1.5 所示； 1.對推拉式換輥小車傳動方案的擬訂并進(jìn)行優(yōu)化選擇。通過對各種方案的 比較選擇一個(gè)最佳的傳動方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。 2.對所設(shè)計(jì)機(jī)械的電動機(jī)的設(shè)計(jì)選擇，并對其進(jìn)行校核，確定所選擇的電 動機(jī)能滿足特定的工況。 3.對推拉式換輥小車的零、部件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。并對其中的重要零、部件 進(jìn)行校核計(jì)算。確保換輥小車在工作中安全、可靠。 4.對所設(shè)計(jì)的推拉式換輥小車進(jìn)行環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性的分析。確保所設(shè)計(jì)的 設(shè)備對環(huán)境產(chǎn)生較少的污染危害，以較少的投入得到較大的。 圖 1.5 設(shè)計(jì)內(nèi)容結(jié)構(gòu)圖 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁 2 總體方案設(shè)計(jì)與選擇 2.1 換輥小車的驅(qū)動方案設(shè)計(jì)與選擇 換輥小車的驅(qū)動裝置一般由電動機(jī)、傳動部分及固定輪等幾部分組成。傳 動部分可以采用皮帶傳動或是減速器傳動。采用皮帶傳動裝置便于制造，并且 成本十分的低廉，但是如果機(jī)構(gòu)的傳動比過大時(shí)，則容易造成其外形尺寸較大， 結(jié)構(gòu)不夠緊湊，占地面積較大。因此較少被采用。使用減速器可以采用蝸輪蝸 桿傳動或是齒輪傳動的減速器。齒輪傳動的減速器具有體積小，占地面積小， 重量輕，壽命長，速比大，傳動效率高及布置緊湊等特點(diǎn)。蝸輪蝸桿傳動的減 速器嚙合齒對較多，故沖擊載荷小，傳動平穩(wěn)，噪聲低。由于本設(shè)計(jì)為了布置 緊湊，把電機(jī)放在減速器上端，需要改變傳遞方向。所以，采用三級齒輪-蝸桿 減速器。 2.1.1 傳動方案設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)綜合各種傳動裝置的特點(diǎn)，針對其設(shè)計(jì)實(shí)際出發(fā)，決定采用三級齒 輪-蝸桿減速器傳動的方案。第一級傳動采用蝸輪蝸桿傳動，第二、三級傳動采 用斜齒輪傳動，這樣即改變了傳動方向，又使傳動裝置的結(jié)構(gòu)布置緊湊且能有 效地提高傳動效率。其中對減速器的各部件進(jìn)行選擇、設(shè)計(jì)和校核。方案圖如 圖 2.1 所示 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁 1.電動機(jī) 2.聯(lián)軸器 3. 三級齒輪-蝸桿減速器 4.驅(qū)動鏈輪 圖 2.1 總體方案圖 2.1.2 電機(jī)的選擇 電動機(jī)的結(jié)構(gòu)型式按其安裝位置的不同可分為臥式與立式兩種。臥式電動 機(jī)的轉(zhuǎn)軸是水平安放，立式電動機(jī)的轉(zhuǎn)軸則與地面垂直，二者軸承不同，不能 混用。換滾小車的電動機(jī)經(jīng)常啟動、制動及反轉(zhuǎn)，但過渡過程的持續(xù)時(shí)間對生 產(chǎn)率影響不大。此時(shí)除考慮初期投資外，主要根據(jù)過渡過程能量損耗最小的條 件來選擇傳動比及電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。故本設(shè)計(jì)選用能夠經(jīng)常啟動、制動及反 轉(zhuǎn)的 YZR 系列電動機(jī)為換輥小車提供動力。 2.2 鏈輪與液壓缸的選擇 2.2.1 鏈輪的選擇 鏈輪由輪齒、輪緣、輪輻和輪轂組成。鏈輪設(shè)計(jì)主要是確定其結(jié)構(gòu)和尺寸， 選擇材料和熱處理方法。固定鏈條與鏈輪的嚙合屬于非共軛嚙合，其鏈輪齒形 的設(shè)計(jì)比較靈活。在國標(biāo)中沒有規(guī)定具體的鏈輪齒形僅僅規(guī)定了最小和最大齒 槽形狀及其極限參數(shù)，實(shí)際齒槽形狀取決于加工輪齒的刀具和加工方法，并應(yīng) 使其位于最小和最大齒槽形狀之間。小直徑的鏈輪可制成整體式；中等尺寸的 鏈輪可制成孔板式；大直徑的鏈輪，?？蓪X圈用螺栓連接或焊接在輪轂上。 鏈輪的基本參數(shù)是配用鏈條的節(jié)距 p。根據(jù)設(shè)計(jì)需要，本設(shè)計(jì)選用小直徑整體 式鏈輪。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁 2.2.2 液壓缸的選擇 液壓缸是實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動的執(zhí)行裝置，按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為活塞式、柱塞 式和組合式三大類；按固定形式的不同可分為缸筒（缸體）固定和活塞桿固定 兩種；按作用方式又可分為單作用和雙作用式兩種。在雙作用式液壓缸中，具 有兩個(gè)密封的容積空腔，工作時(shí)，壓力油則交替供入液壓缸的兩腔，使缸實(shí)現(xiàn) 正反兩個(gè)方向的往復(fù)運(yùn)動。而在單作用式液壓缸中，只有一個(gè)密封的容積空間， 壓力油只能供入液壓缸的著一個(gè)腔，使缸實(shí)現(xiàn)單方向運(yùn)動，反方向運(yùn)動則依靠 外力（彈簧力、自重或外部載荷等）來實(shí)現(xiàn)。液壓裝置的工作比較比較平穩(wěn)。 液壓傳動以液壓油為工作介質(zhì)，油液流動過程中有一定的阻尼作用，因而運(yùn)動 平穩(wěn)性好，沖擊小。液壓傳動系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。在本設(shè)計(jì)里，由于拉出 鉤負(fù)載較小，且直接拖動負(fù)載。故選用簡單的單桿式活塞缸即可。 3 傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 3.1 原始數(shù)據(jù) 換輥小車重量 :12154kg1m 工作輥重量 ：15697kg （數(shù)量 2）2 上工作輥軸承座重量（操作側(cè)） ：3265kg3m 上工作輥軸承座重量（傳動側(cè)） ：2920kg4 下工作輥軸承座重量（操作側(cè)） ：3055kg5 下工作輥軸承座重量（傳動側(cè)） ：2920kg6m 換輥小車走行速度 v：300mm/s 重力加速度 g：9.8N/kg 3.2 換輥小車所需驅(qū)動力計(jì)算 123456( )Nmmg???? 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁(1254697325035290).8????? （3.1） 38.N 查文獻(xiàn)[2]表 4.2-6，取摩擦系數(shù)（無潤滑劑） 。 0.15?? 0.154938.76FN???? （3.2） 3.3 電機(jī)的選擇 3.3.1 選擇電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式 電動機(jī)分交流電動機(jī)和直流電動機(jī)兩種。由于直流電動機(jī)需要直流電源， 結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價(jià)格較高，維護(hù)比較不便，因此無特殊需要時(shí)不宜采用。 生產(chǎn)單位一般用三相交流電源，因此基本都選用交流電動機(jī)。交流電動機(jī) 有異步電動機(jī)和同步電動機(jī)兩類。異步電動機(jī)有籠型和繞線型兩種。我國新設(shè) 計(jì)的 Y 系列三相籠型異步電動機(jī)屬于一般用途的全封閉自扇冷電動機(jī)，其結(jié)構(gòu) 簡單、工作可靠、價(jià)格低廉、維護(hù)方便，適用于不易燃爆、無腐蝕性氣體和無 特殊要求的機(jī)械上。而在經(jīng)常起動和制動和反轉(zhuǎn)的場合，要求電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣 量小和過載能力大，應(yīng)選用起重及冶金用的三相異步電動機(jī) YZ（籠型）或 YZR（繞線型） 。根據(jù)電源種類，工作條件（溫度、環(huán)境、空間位置尺寸等） ， 載荷特點(diǎn)（變化性質(zhì)、大小和過載情況） ，起動性能和起動、制動反轉(zhuǎn)的頻繁程 度，轉(zhuǎn)速高低等等確定電機(jī)首選 YZR 型。因?yàn)?YZR 型號使用于室內(nèi)外多塵環(huán) 境及起動，逆轉(zhuǎn)次數(shù)頻繁的起重機(jī)械和冶金設(shè)備等。 3.3.2 選擇電機(jī)的容量 求得工作功率為： /1089.763/245WPFvkw?? （3.3） 其中：F——換輥小車的工作阻力，N； 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁 v——換輥小車驅(qū)動鏈輪的線速度，m/s; 傳動裝置的總效率 0123n????? 其中：滾動軸承（每對） 0.98 鏈輪鏈條（每對） 0.93 彈性聯(lián)軸器 0.99 斜齒輪（每對） 0.97 蝸輪蝸桿（每對） 0.75 根據(jù)總裝配圖可知：從電動機(jī)到輸出軸共經(jīng)過一個(gè)聯(lián)軸器，四對滾動軸承， 經(jīng)過三級齒輪-蝸輪蝸桿變速，還有一對鏈輪鏈條的效率損失。 故 240.9750..980.3.6????? 所以 0WP （3.4） = 6.5724 = 1kw 考慮到過載情況，故選擇額定功率稍大的電機(jī) 查參考文獻(xiàn)[5]表 40-18 選 擇電機(jī)額定功率為 ，即電機(jī)型號為 YZR-250MB-6，其額定轉(zhuǎn)速為45 965r/min，重量 559kg。 3.3.3 電機(jī)的校核 電機(jī)選定后，根據(jù)其工作特點(diǎn)，考慮過載和沖擊，取過載系數(shù) 為 2? Mmax≤ Me? 2 Me=2 9550 ?nP0 （3.5） =2 9550?9654 =890.67 N·m Mmax= 總igmd?2 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁 = 559 9.8 135 280.?? （3.6） =16.3 N·m M—為重錘質(zhì)量； d—為卷筒直徑； g—為重力加速度 i —為總傳動比總 故 Mmax≤ Me ? 過載通過，所以合格。 3.4 確定傳動裝置的總傳動比和分配傳動比 3.4.1 傳動裝置總傳動比 驅(qū)動鏈輪線速度 300 ，初選鏈輪鏈條傳動中鏈輪分度圓直徑 D=802msm (3.7)60.3715in82vrnD???? 139.i 式中： ——電動機(jī)滿載轉(zhuǎn)速;0 ——工作機(jī)主動軸轉(zhuǎn)速n 3.4.2 分配減速器的各級傳動比 查文獻(xiàn)[2]表 4.2-9 取蝸輪蝸桿傳動比 ，則 ；取120.4i?1326.i? 二級斜齒輪傳動比 ，則 。23i?23.5i 3.4.3 各軸的運(yùn)動和動力參數(shù) 1.各軸轉(zhuǎn)速： 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 13 頁 10965minrn? （3.8） 1247.31i0.ri235.minni?341.7.iri? ——電動機(jī)滿載轉(zhuǎn)速0n 2 各軸輸入功率： 各連接的效率： 0.75??蝸 .93鏈 0.97??齒 0.98??滾0.9??聯(lián) 1041.0.5Pkw??聯(lián) （3.9） 21.97.0982.4kw???????蝸 齒 滾3284051P齒 滾 437.519.324.kw???????齒 鏈 滾 3.各軸輸入轉(zhuǎn)矩： 11 0.5901.6PTNmn? （3.10） 22 8.949505173n????33 .60PTNm? 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 14 頁442.3950971PTNmn???? 4 主要零部件的選擇、設(shè)計(jì)和校核 4.1 蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)與校核 4.1.1 選擇蝸桿傳動類型 根據(jù) GB/T 10085-1988 的推薦，本設(shè)計(jì)采用漸開線蝸桿（ZI） 。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 15 頁 4.1.2 選擇材料 根據(jù)庫存材料的情況，并考慮到蝸桿傳動傳遞的功率不大，速度只是中等， 故蝸桿用 45 鋼；因希望效率高些，耐磨性好些，故蝸桿螺旋齒面要求淬火，硬 度為 45～55HRC。蝸輪用鑄錫磷青銅 ZCuSn10P1,金屬模制造。為節(jié)約貴重的有 色金屬，僅齒圈用青銅制造，而輪芯用灰鑄鐵 HT100 制造。 4.1.3 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) 根據(jù)閉式蝸桿傳動的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，再按齒 根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)。傳動中心距： 32≥ ()[]EHZaKT??? （4.1） 1.確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩 ：2 按 ，查文獻(xiàn)[1]估取效率 。?12Z??0.75 （4.2） ???26169.5028.949.550PTni??.41KNM 2.確定載荷系數(shù) ： 因工作載荷比較穩(wěn)定，故載荷分布不均勻系數(shù) ；由文獻(xiàn)[1]表 11 1K?? - 5 選取使用系數(shù) ；由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動載系數(shù)1.5A? ，則：1.0VK? ..0.21AVK???? 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 16 頁 （4.3） 3.確定彈性影響系數(shù) ：EZ 因選用的是鑄錫磷青銅和鋼蝸桿相配，故 。 1260MPaEZ? 4.確定接觸系數(shù) ：? 先假設(shè)蝸桿分度圓直徑 和傳動中心距 的比值 ，由文獻(xiàn)[1]圖1da1/.35d 11-18 中可查得 。2.9Z? 5.確定許用接觸應(yīng)力 ：[]H? 根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅 ZCuSn10P1，金屬模制造，蝸桿螺旋齒面硬度 大于 45HRC，由文獻(xiàn)[1]表 11-7 中查得蝸輪的基本許用應(yīng)力 。??[]268MPaH 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)： 次 （4.4） ???726014.350.8hNjnL 壽命系數(shù)： ???8710.32.HNK 則： ????,[][]0.732681954MPaHHNK （4.5） 6.計(jì)算中心距 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 17 頁??????232≥ ()[]160.91.584()3mEHZaKT 取中心距 mm，因?yàn)?，取模數(shù) ，蝸桿分度圓直徑0a?.i ?14m mm。這時(shí) ，由文獻(xiàn)[1]11-18 中可查得接觸系數(shù)?140d1/.4d ，因?yàn)?＜ ，因此上述計(jì)算結(jié)果可用。?,2.7Z,Z? 4.1.4 蝸桿與蝸輪主要幾何尺寸計(jì)算 1.蝸桿： 蝸桿頭數(shù) ?12Z 直徑系數(shù) 0q 齒形角 n?? 蝸桿齒頂高 mm????114ahm 蝸桿齒根高 mm?().216.8fc 蝸桿齒高 mm ??11430afh 頂隙 mm??0.2.8cm 分度圓直徑 mm??1dq 齒頂圓直徑 mm??1416aah 齒根圓直徑 mm?????12()02(0.)16.4f c 蝸桿導(dǎo)程角 ????1artnartn..3Zq 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 18 頁 基圓導(dǎo)程角 ???????arcos()arcos0.862.1bn 基圓直徑 mm??1214/tt.3bdZm 軸向齒距 mm???3.96aP 軸向齒厚 mm 12.98s 法向齒厚 mm????co1.cos.312.5na 蝸桿齒寬 mm 16b 2.蝸輪： 蝸輪齒數(shù) ?24Z 實(shí)際中心距 取 ，則變位1()(0)357maqzm??'160a? 系數(shù) 為 ，驗(yàn)算傳動比 ，這時(shí)2x'357.4?214.5zi 的傳動比誤差 ，所以是符合要求的。20.9%(~)i??? 分度圓直徑 mm??1574dZ 齒頂高 mm???22()1.2ahmx 齒根高 mm????0.78.4f c 喉圓直徑 mm???2254216aadh 齒根圓直徑 mm.5.ff 頂圓直徑 mm?2630eam 蝸輪齒寬 mm??10.7.812.6bd 齒頂圓弧半徑 mm??245aR 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 19 頁 齒根圓弧半徑 mm?????12840.2186.afdRcm 分度圓齒厚 2(0.5tn)xs?? ?????2ta(.)cos053140.7314.78m 節(jié)圓直徑 mm?,2d 4.2 齒輪的設(shè)計(jì)與校核(一) 齒輪傳動的失效主要是輪齒的失效，常見的輪齒失效形式輪齒折斷和工作 齒面磨損、點(diǎn)蝕、膠合及塑性變形等。通常只按保證齒根彎曲疲勞強(qiáng)度和保證 齒面接觸疲勞強(qiáng)度兩準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算。 4.2.1 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) 1.根據(jù)傳動路線選用斜齒圓柱齒輪傳動； 2.軋機(jī)為一般工作機(jī)器速度不高故選用 8 級精度（GB10095—88） ； 3.材料選擇由文獻(xiàn)[3]表 10—1 選擇小齒輪材料為 40Cr（調(diào)質(zhì)表面淬火） ， 硬度為 241～286HBS，大齒輪材料為 45 鋼(調(diào)質(zhì)后表面淬火)硬度為 217～255HBS； 4.選小齒輪齒數(shù) , ；21?Z63211??Z? 5.初選螺旋角 ；?? 4.2.2 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由設(shè)計(jì)公式試算小齒輪分度圓直徑,即： (4.6)231 )][(12HEadtt ZTK??????? 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 20 頁 1.確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 (1)試選載荷系數(shù) 。6.1?tK (2)選取區(qū)域系數(shù) ；432HZ (3)查文獻(xiàn)[3]表 10-4 得 ， ；70.1a?80.2?a? 則 ；6512?? (4)計(jì)算小齒輪的傳遞轉(zhuǎn)矩 ：T 25841Nm? (5)查文獻(xiàn)[1]表 10-7 選取齒寬系數(shù) ；1?d? (6)查文獻(xiàn)[1]表 10-6 得材料的彈性影響系數(shù) 2 18.9MPaZE (7)按齒面硬度查表得 小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 ;aH8751lim?? 大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 ；P2li (8)計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（設(shè)定工作壽命為 45000 小時(shí)） ；81 1027.45013.760????hnjLN