800辊距型钢矫直机毕业设计

800辊距型钢矫直机的设计与开发作 者 姓 名：张海军指 导 教 师：李 骏单 位 名 称：机械工程与自动化学院专 业 名 称：机械工程及自动化东 北 大 学2011年6月800 rollerspacing profile steel straightening machine design and developmentby Zhang Hai JunSupervisor: Li JunNortheastern UniversityJune 2011毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目：800辊距型钢矫直机的设计与开发设计(论文)的基本内容：(1) 矫直所需矫直力、轴承受力及矫直力矩，确定辊距等机体参数(2) 传动功率计算，电动机类型选择(3) 矫直过程的驱动方式设计(4) 机架结构、矫直辊的驱动、矫直辊的位置调整、辊型等各部分设计(5) 完成三维建模，并绘制二维工程图4张（A0）以上(6) 毕业设计说明书一份(7) 外文翻译一篇毕业设计（论文）专题部分：题目：设计或论文专题的基本内容：学生接受毕业设计（论文）题目日期第1周指导教师签字：2011年3月5日- I -东北大学毕业设计（论文） 摘要 800辊距型钢矫直机的设计与开发摘 要随着国民经济的快速发展和生产规模的不断扩大，客户对钢材的质量和精度要求越来越高，一些板材、型钢和管材必须经过矫直过程才能达到用户要求。矫直质量已经成为衡量产品竞争力的重要标准。在这种背景下，矫直技术得以迅速发展，应用也越来越广泛。辊式矫直机是目前应用最为广泛的一种矫直机。也是矫直技术发展最为完善的一种矫直机。本文中所设计的矫直机是属于悬臂式机架结构。为现在矫直机的主体形式，悬臂结构换辊方便，操作调整灵活。其共有9个辊系，分为上下两行，辊距相等，辊轴上下两行交错排列，且平行，可以矫直大多数的型材，如工字钢、槽型钢、角钢、方钢、钢轨等。在文中介绍了矫直机的基本参数的设计过程和相关参数的选取。从矫直产品的规格出发，以36#工字型钢为最大工作要求，依据矫直的基本原理，结合现代设计理论，完成了设计任务，达到了设计目的。其主体设计为辊系上下调整机构、左右串动调整机构、压下机构和机架等机构。在设计过程中，作者应用 SolidWorks 软件对辊距为800mm的型钢矫直机进行三维的初步建模，并应用CAXA软件对模型进行工程图的绘制，同时对相关的参数设计进行了初步研究。关键词：型材矫直机；悬臂式；矫直原理；压下规程800 profile steel straightening machine design and developmentAbstractWith the rapid development of economic and expansion of production, the quality and precision of steel are demanded by customers higher and higher, and some sheet and tube must be straightened to reach the requirements of users. Straightening quality has become the important standard to measure product competitiveness. Under these circumstances, leveling technology has developed greatly, and has been widely used.Roll straightener is a kind of straightening machine which is currently the most widely used and owns the most perfect straightening technology.In this article the straightening machine designed is to belong to cantilever frame structure ,the normal form of straightener for now. cantilever structure operation convenient for changing rolls , and adjust flexibly. It has 9 roll system totally, divided into two lines, rolls are in the equal distance up and down, the rollers are arranged fluctuational in two line crisscross, and parallelly. It can straightening most profiles.Such as joist steel, slot steel, angle steel, square steel, rail, etc.In this paper introduces the basic parameters of the straightener the design process and related parameters selection.From the specifications of the products, the straighteningbased on the basic principle of straightening, has completed the design task,and reach the design purpose. The main design are the roll system for up and down, the adjusting mechanism of dynamic adjusting mechanism, press agencies and frame institutions . In the design process, The author application software SolidWorks to design the 800mm distance steel straightening machine for 3 d modeling, And applicate the CAXA software to model engineering drawing, At the same time,carry out a preliminary study of levant parameters.Key words: profile steel straightening machine; cantilever straightening machine;straightening principle; the pressure rules- IV - 东北大学毕业设计（论文） 目录目 录毕业设计（论文）任务书I摘 要IIABSTRACTIII第1章绪 论11.1课题研究的目的和意义11.2国内外矫直机研究现状及发展动态11.2.1国外矫直机的发展现状11.2.2国内矫直机的发展现状21.2.3型材矫直机当前研究状况31.2.4矫直技术的发展趋势41.3本课题研究内容及方法4第2章矫直原理及矫直机参数设计72.1矫直原理及辊式矫直机72.1.1辊式矫直机工作原理72.1.2矫直机的分类92.1.3压下方案的分析102.2矫直方案的选择与力能参数计算112.2.1辊距112.2.2辊长122.2.3矫直方案的选择122.2.4基本参数计算122.2.5力能参数计算：142.2.5.1矫直力与矫直弯矩142.2.5.2轴承压力152.2.5.3矫直辊转矩162.2.6轴承的选取与校核202.3上、下辊系轴的校核232.4技术参数26第3章矫直机的主要结构特点29第4章零件建模与三维装配354.1基于solidworks的零件建模的若干方法35 4.1.1Toolbox插件的模型导出354.1.2“曲线”插入法354.1.3基于二维软件（CAXA）的三维造型354.1.4SolidWorks软件辅助装配体设计374.1.5应用SolidWorks进行装配374.2800型钢矫直机的三维结构模型38第5章经济环保性分析41第6章结 论43参考文献45结束语47- 2 -东北大学毕业设计（论文） 第1章 绪论第1章 绪 论1.1 课题研究的目的和意义矫直作为一种精整技术，始终是工业发展不可或缺的一个分支。尤其近年来，随着社会的发展，人们对产品质量和精度的要求普遍提高，矫直技术发展迅猛，应用也越来越广泛。如今，工业发展方向是高、精、尖，对各种材料的质量提出了更高的要求。因此矫直作为一种精整技术已越来越得到工程技术人员的重视；矫直设备则已经从过去的冶金行业的辅助设备发展为包括冶金和一些高技术领域不可缺少的加工设备。弹塑性力学是固体力学的一个重要分支，是研究弹性和弹塑性物体变形规律的一门学科，比材料力学及结构力学研究范围更广泛,研究方法更精确，是分析和解决许多工程技术问题的基础和依据，矫直理论就是在弹塑性理论的基础上发展起来的。它属于金属加工学科的一个分支。但随着冶金行业的不断发展，矫直机械也己经从过去的冶金行业发展到其他一些高技术领域，如仪器仪表制造业、汽车、船舶和飞机制造业，石油化工业、建筑材料业、机械装备制造业以及精密加工制造业等领域。由此可以看出矫直技术水平的高低不仅影响着一个企业某种产品的质量和其成本，而且标志着一个国家的工业发展水平。矫直技术水平的高低不仅影响着一个企业某种产品的质量和成本，而且标志着一个国家的工业水平，直接关系到工业产品的竞争力。在讲求质量、效益的今天，矫直技术在工业领域的重要性更加突出。我们知道，金属条材在加工和运输过程中，常因受外力、温度等变化发生弯曲，扭曲变形，为了解决这种弊端，矫直技术应运而生。矫直技术就多用于金属条材加工的后部工序，在很大程度上决定着产品或成品的质量水平，矫直技术同其他金属加工技术一样在 20 世纪取得了长足的进展，相应的矫直理论也取得了很大的进步，虽然还有一些理论滞后于实践的情况，不过，如今的矫直理论已经进入到了解析化和系统化的时代，并为数字化和信息化敞开了大门，随着计算机技术的发展和普及，矫直理论和矫直技术还有很大的发展空间。1.2 国内外矫直机研究现状及发展动态1.2.1 国外矫直机的发展现状在20世纪3040年代，国外技术发达国家的型材矫直机和板材矫直机也迅速的发展起来，相应的理论研究也取得了一定的成果。到了20世纪7080年代，国外许多发达国家的技术力量己相当雄厚，矫直技术得到了不断地改进、发展和扩充。英国的布朗克斯(BRONX)、德国的凯瑟琳(Kieserling)、德马克(Demag)以及日本的一些品牌成为了矫直机领域的代表。此时的矫直概念则由原来狭义的弯曲矫直扩展为包括解决弯曲、控制断面形状和尺寸精度的矫直，提出了平动矫直技术、行星矫直技术、全长矫直技术、程序控制矫直技术、变辊距矫直技术以及双向旋转矫直技术等。 近几年国外关于矫直技术和矫直机的研究主要集中在提高矫直精度，提高控制水平及改善环境方面。同时为提高矫直精度和控制水平，开展了对变形机理、改进工艺和参数优化等方面的理论研究，取得了一些具有实用价值的成果。而且国外学者对矫直过程的计算机实时控制研究比较多，如Dvide E.Hardt等对扭转变形矫直过程的实时控制的研究，以及Juen A.Robert对圆盘锯片娇直过程实现自动控制的研究等等。 1.2.2 国内矫直机的发展现状我国的矫直技术研究起步较晚，建国以后，随着经济建设的需要才有了对矫直技术的研究。那时，矫直机主要靠进口。从 70 年代开始，许多学者对辊形设计做了理论和试验研究。在 1980年，中国金属压力加工学会在衡阳专门召开了“辊形专题会议” 。通过这次学术交流会，产生了等曲率反弯辊形计算法。 到了 80 年代，国内对矫直技术的研究已有了相当的成果。在转毂矫直技术方面，创造了中国首创的双向旋转矫直法。在80 年代末，东北大学的崔甫教授研制了矫直 F200复合转毂式高精度棒材矫直机，并首先提出了双交错辊系的新方法。从 90 年代后，我国在赶超世界先进水平方面迈出了一大步。我国在反弯辊形七斜辊矫直机、多斜辊薄壁转毂式矫直机、双向反弯辊形2 辊矫直机、复合转毂式矫直机、液压矫直自动切料机和平行不等辊距矫直机等方面有了很大突破，各种矫直机的矫直质量均有突破。近年来，我国在赶超世界先进水平方面取得了很大进步，在矫直机械的研制和矫直理论的研究上都取得了很多成绩，很多学者开始利用有限元分析和解析的方法来研究矫直理论本身，从不同角度建立了矫直状态下的数学模型，压弯量及工件残余应力等都成为了人们的研究对象。在过程控制方面，正由人工控制逐渐向计算机控制， 由单机控制向全线计算机控制发展，在矫直机结构设计方面，正在向精密化、大型化发展，老设备将逐渐被淘汰或改造。现在矫直技术的研究发展方向是开发研制高效节能、高精度和高度自动化的环保型矫直设备。既要求有高质量，又要有高矫直速度，在产品上能满足大规模生产的需求，而且还必须降低工作噪声，操作上实现完全自动化。 现在国内西安重型机械研究所和太原重型集团等企事业部门在矫直机的研究和生产上代表了国内的领先的水平，在棒材、型材和板材矫直机的研制上都取得了一定的成绩。 但是，在取得成绩的同时，国内矫直技术的研究和使用还有很多工作要做，如型材矫直机压上式结构的研究、提高矫直精度、矫直速度和控制水平等等。1.2.3 型材矫直机当前研究状况 在型材矫直方面，国外学者重点放在了钢轨矫直，有代表性的是澳大利亚的G.Schleinzer的钢轨辊式矫直残余应力的研究一文，通过建立弹塑性模型，从理论上研究了钢轨矫直过程，通过建立三维有限元模型，全面仿真了矫直时钢轨内的残余应力变化等， 并结合试验和己有文献， 彻底分析了钢轨内应力的分布及对钢轨性能的影响。文中运用子模型仿真， 很值得借鉴。 比较全面的还有美国的Vamey的 辊式矫直机理，以钢轨为例， 全面分析了辊式矫直的过程， 残余应力的变化等。 俄罗斯学者 Volego.I.F则是从理论和试验角度，建立了钢轨矫直的数学模型，研究了合理的压下方案，并进行了试验验证。型材的矫直都是在辊式矫直机上进行的。根据各个参数及矫直工艺等的不同，辊式矫直机也有多种形式， 最常见的一种就是平行辊矫直机。 它是反复弯曲式矫直机的一种，是连续性反复弯曲的矫直设备。它把间断的压力矫直法变成辊式连续矫直法，从入口到出口交错布置若干个互相平行的矫直辊，按递减压弯规律进行多次反复压弯以达到矫直目的。这种方式不仅能显著提高工作效率，而且能获得很高的矫直质量。在辊式型材矫直机中，由于悬臂式结构比简支式结构拥有更多的优点，所以现在国内外的此类矫直机基本上都采用了悬臂式结构。而且在国外，矫直辊压上式结构也普遍得以开发和应用，如日本住友公司生产的1200mm7辊式型钢矫直机，就是压上式结构，它采用无极调速系统，可针对任意断面尺寸及材质的工件而选用合适的矫直速度， 以保证充分利用设备能力。 还有瑞士的ZDAS公司， 可以生产各种类型的矫直机，在型材矫直机方面不但可以生产传统的型材矫直机，还可以生产变辊距型材矫直机和变辊位型材矫直机，而且很多型号均采用了压上和悬臂式结构(图1.1)。其产品系列随着辊距的变大，矫直速度从1.6m/s到14m/s不等。图1.1 瑞士ZDAS公司生产的型材矫直机而在国内由于对压上式结构的研究还不是很多，大多仍然采用压下式结构。1.2.4 矫直技术的发展趋势综合近些年国内外的研究，可以看到：在矫直过程的变形机理方面向精度定量的方向进一步发展，如：拉力对矫直的作用，在斜辊矫直机上压紧力对矫直的作用等；在改进矫直工艺及改进矫直设备方面，如采用最佳压下方案，采用恒功率制度，用振动矫直代替旋转矫直，单独驱动的变辊距矫直是大型矫直机发展的趋势；在过程控制方面，随着工业控制水平的不断提高，矫直机电气控制已上了一个新台阶，设备级控制趋向简单化，工厂级监控、相关设备间联动、智能化控制，已是传动及基础自动化发展的必然趋势。型材矫直机采用压上式结构将是未来发展的方向，因为这种结构将使机架上部结构更加简化，操作环境的光线会更好，在采用吊车换辊操作的时候可以避免辊子或吊车与机架上部压下装置的磕碰，减少事故的发生，从另一角度而言，换辊工作将更加方便。 1.3 本课题研究内容及方法根据型钢的实际尺寸和变形情况，根据矫直的理论公式进行型钢矫直机的原型开发，确定结构参数、力能参数和工艺参数并采用solidworks软件建立实体模型，并进行装配。其中，机架由焊接钢结构的左右两片式牌坊构成；在允许的范围内，通过减小辊距的方式消除不均匀矫直力；采用带有独立动力的蜗轮蜗杆传动系统对矫直辊的垂直方向位置进行调整；设计导入辊和导出辊完成型材的导向；通过联轴器、齿轮箱和万向传动轴对矫直辊进行单独传动等设计方案完成设计任务。绘制装配图、部件图、零件图等，对不合理的地方进行二次修改。最后书写论文阐述设计过程。a) 矫直所需矫直力、轴承受力及矫直力矩，确定辊距等机体参数b) 传动功率计算，电动机类型选择c) 矫直过程的驱动方式设计d) 机架结构、矫直辊的驱动、矫直辊的位置调整、辊型等各部分设计- 50 -东北大学毕业设计（论文） 第2章 矫直原理及矫直机参数设计第2章 矫直原理及矫直机参数设计2.1 矫直原理及辊式矫直机2.1.1 辊式矫直机工作原理辊式矫直机是目前应用最为广泛的一种矫直机。也是矫直技术发展最为完善的一种矫直机。辊式矫直机可以矫正板带材和型材。其种类繁多，按用途可分为板材和型材两类矫直机；还可按板厚来分，可分为厚、中、薄三类板材矫直机；还有按重型和普通型来区分板材矫直机的；用板宽来编排矫直机系列也是一种方法。从趋势上看以厚度来区分板材矫直机是最基本的方法。 辊式矫直机属于连续性反复弯曲式矫直机，是在压力矫直机的基础上而发展起来的，它克服了压力矫直机断续工作的缺点，使矫直效率成倍提高，使矫直工序得以进入连续生产线，这在技术上是一次较大的跨越。其理论基础就是金属材料在较大弹塑性弯曲条件下，不管其原始弯曲程度有多大差别，在弹复后所残留的弯曲程度差别会显著减小，甚至会趋于一致，从而达到矫直目的。 图2.1 平行辊矫直的7种典型辊系在生产实际中，工件原始曲率的大小和方向均是不相同的，辊式矫直机的矫直原理就是使工件在矫直辊压下力的作用下，在同一工作平面内通过交错配置的工作辊进行反复压弯，工件发生弹塑性变形，直到残余曲率逐渐减小为零，工件趋于平直。因此，辊式矫直机必须具有两个基本特征：第一是具有相当数量交错配置的矫直辊，实现多次反复弯曲的能力；第二是压弯量可以调整，能实现矫直所需要的压弯方案。 平行辊矫直机发展历史较长，辊系结构形式很多，且主要与用途有关，其次也与矫直质量有关。如图2.1为平行辊矫直机的7种典型辊系。辊系a主要用于热矫厚板、粗矫板材等；辊系b主要用于热矫板材；辊系c是一种灵活性较大的多用途辊系；辊系d是按线性递减压下的板材矫直辊系；辊系e是型材矫直的常用辊系，各上辊单独调整可采用各种压下方案；辊系f是矫直板材的辊系，带有支撑背辊。辊式矫直机有很长的发展历史，辊系的结构也有很多形式，总体来说有七种典型的辊系结构。包括上辊组平行升降的辊系；两端辊单独可调的辊系；上辊可单项倾斜的辊系；按线性递减压下的辊系；各上辊单独可调式的辊系；四重式和六重式辊系。800型钢矫直机所一应用的辊系类型为各上辊单独可调式的辊系，如图2.2所示。 图2.2 上辊可调辊系结构由于H型钢的断面结构特点， H型钢的连续矫直是采用平式辊矫，弯曲的轧件进入矫直机后，在交错排列的矫直辊外力作用下，弯曲部位产生一定的反弯曲，使该部位产生一定的塑性变形，通过矫直机后，H型钢经弹性回复便达到平直状态，实现矫直的目的 如图2.3所示。图2.3 矫直辊矫直型钢示意图这种辊系的压下量可单独调整，能精确设定各矫直辊的压下量，有利于合理的制定压下规程。压下量可调式辊系的矫直机是现代应用最为普遍的一种矫直机，不论是板材还是型材，都能达到很好的矫直效果。不仅能矫直型材的主弯曲，在增加轴向调节的条件下也能矫直其侧弯曲；不仅能矫直板材的纵向波浪，在增加弯辊措施后，也能矫直其横向波浪，即矫直其瓢曲。 除这些典型的辊系外，近代学者还研究出一些新型辊系，包括异辊距辊系，变辊距辊系，双交错矫直辊系等。这些新型的矫直机改善了原有矫直机的设计，使矫直质量进一步提高，为缩短空矫区和消除断轴事故提供了有利的解决条件。 随着矫直技术的进步，对辊式矫直机的要求也越来越高。新一代的矫直机一般都采用计算机控制，包括控制辊位、设定压弯量及矫直的全过程，这些研究也取得初步的成果，但还有待继续研究。本文通过计算机编程合理的计算辊式矫直机的压弯量，为计算机的自动化控制提供依据。2.1.2 矫直机的分类 矫直机的种类和规格都很多，分类依据也不少。按照工作原理矫直机可以分为五大类：反复弯曲式矫直机、旋转弯曲式矫直机、拉伸矫直机、拉弯矫直机和拉坯矫直机。其中，普通型材辊式矫直机是指辊距相等，上下两行交错排列辊轴且平行的型材矫直机，可以矫直大多数的型材，如工字材、槽型材、角材、方材、钢轨等。但是由于型材的多样性，矫直机的适用范围很有限。按照机架结构可以分为简支结构和悬臂结构，由于悬臂结构换辊方便，操作调整灵活，加上如今轴承的承受载荷能力大大提高，现在的矫直机基本都使用悬臂结构。异辊距型材矫直机是指其辊距不相等，而且不相等的形式也很多，如辊距递减式、先增后减式、先减后增式等。根据形式的不同，其优点也有所不同，如矫直力更均衡、减少空矫区长度、有利于压弯量的实现等等。图2.3 反复弯曲式矫直机分类压力矫直机是最简单的矫直设备，它工作时将工件支承在工作台的两个活动支点间，用压头对准最弯部位进行反向压弯，当压弯量与工件弹复量相等时，压头撤回后工件的弯曲部位变直。变辊距型材矫直机的辊距可以适当调整以扩大矫直范围。像工字钢这样的大断面型材，在矫直时需要较大辊距的矫直机才能完成其矫直任务，而这类产品的规格多，产量小，因此就要考虑一台机器可以尽量矫直更多不同断面大小的型材，也就是其矫直范围要扩大，变辊距型材矫直机就可以实现这样的功能。较大的辊距有利于较大规格，强度较高，原始曲率梯度小的型钢矫直；较小的辊距有利于较小规格，强度较低，原始曲率梯度大的型钢矫直 变辊位型材矫直机是一种新型的型材矫直机，它是以变辊位的方式代替变辊距的矫直方式来达到扩大矫直范围的目的。除了这些矫直机还有很多种类型，其结构和矫直原理也都不尽相同，如矫直圆材的2斜辊矫直机、拉伸弯曲矫直机等等。2.1.3 压下方案的分析 矫直机的压下规程是保证生产质量的依据。合理的压下规程可以提高矫直质量和矫直精度，降低设备能耗，延长设备的寿命。为保证获得在公差允许范围内的平直工件，根据工件的规格、材质、原始弯曲及翘曲程度的不同，要制定不同的压下规程。 辊式矫直机广泛应用于矫直各种规格、各种材质的金属条材,在一条机列中往往置于主机之前作粗矫直及喂料用。工件连续通过交错排列且转动着辊子,得到多次反复反向的弯曲,如果辊子的压下量调整适当,可使工件不同原始曲率迅速变为均一的曲率,逐渐将工件矫平。 目前压下规程制定的方法主要有经验法和理论法，经验法是依靠工人的经验并用试调的办法来调整各辊的压下量，这种调整方法效率低，矫直质量差，浪费大，矫直达不到理想的效果。随着自动化的发展应用,理论法受到人们的重视。理论法是根据矫直原理通过计算得出各个辊子的弯曲挠度，从而算出可调辊的压弯量来制定压下规程。随着矫直机自动化的发展,理论法是大有前途,因为它可将经验法的思想融入到理论法中来。 矫直机矫直方案的合理确定,不仅可以有效地矫正工件,使工件平直,板形质量得到改善,而且可以降低设备的承载能力和提高经济效益。矫直机压弯量的计算是生产实践中制定矫直规程的依据,本文就采用矫直原理的理论方法计算矫直机的压弯量，并编程实现不同规格、不同材质的条材压弯参数的计算，根据压弯量制定合理的压下规程，保证矫直质量好，效率高，而且能耗最小。 在辊式矫直机上，按照每个辊子使工件产生的变形程度不同，主要可以分成两种矫直方案。 第一种为小变形原则矫直方案，即逐步矫直法。小变形原则矫直方案是假设矫直机上排工作辊可以单独调整，每个辊子采用的压弯量恰好能完全矫正前面相邻辊子处的最大残余曲率，使残余曲率逐渐减小的矫直方案。条材经过反复弯曲和弹复，最大原始曲率的部分被矫直，原来平直的部分被压弯，形成新的最大弯曲，如此反复，直到条材被矫直。采用这个方案各辊的压下量相对较小，所以消耗的功率小，但是原始曲率消除缓慢，要达到既定的矫直质量就必须增加矫直辊的数量，从而导致矫直机设备结构复杂。 第二种为大变形原则矫直方案，即小残差递减方案。大变形原则矫直方案是在前面几个辊子上采用很大的反弯曲率，使工件的各部分弯曲变形总曲率均达到很大的数值。这样就可以使残余曲率的不均匀性迅速减小，后面几个辊子采用小变形矫直法，使工件的反弯曲率逐渐减小，使工件趋于平直。采用这种方案，可以用较少的辊子获得较好的矫直质量。但是过分增加工件的变形程度会使对加工硬化明显的材料及大断面系数的工件增加其内部的残余应力，影响产品质量，而且会加大矫直机的能量消耗。2.2 矫直方案的选择与力能参数计算2.2.1 辊距通常辊距与辊径的结构关系用下式表示 （2.1）本设计辊子压弯量可以单独调节，取1.11，所以D=800/1.11=720mm。2.2.2 辊长辊子长度主要决定于工件宽度及孔型线数。其次要考虑辊子两端及孔型间的结构余量。因此型钢矫直辊辊身长为 （2.2）n: 孔型线数，取1。: 工件的最大宽度，36c#工字钢为140mm。a: 辊端的结构余量，a=(0.20.6) ，=0.4*140=56，取a为56mm。2.2.3 矫直方案的选择弯曲程度并不相同的金属材料经过矫直辊的多次反复弯曲，在较大弹塑性弯曲条件下，弹复后所残留的弯曲程度差别会显著的减少，所以在矫直机设计时就要尽量消除各辊处的残留挠度差(曲率差)，进而达到矫直的目的。 减少或消除残留曲率差的方法基本有三种：小变形矫直法(逐步矫直法)、线性递减矫直法以及大变形矫直法(大压弯小残差矫直法)，本设计将采用大变形矫直方案，对工字钢进行立放矫直。2.2.4 基本参数计算本设计用于矫直型钢，800辊距矫直机可矫最大的工字钢牌号为36c#，故将以36c#工字钢为例进行如下的一系列计算。工字钢截面示意图及各参数含义如下图（图2.4）所示。图2.4 工字钢截面示意图参数36c#型钢的基本参数如下表所示（GB/T 706-1988）：表2.1 36c#型钢的基本参数表型号h/mmb/mmd/mmt/mmr/mmr1/mm36c36014014.015.812.06.0为了便于分析，工字钢可看做H型钢，简化为下图（图2.5）的结构模型：图2.5 工字钢结构化简模型图设, 为腹板高。36c#型钢的翼板厚度系数和模板厚度系数计算如下:翼板厚度系数： （2.3）腹板厚度系数： （2.4）断面的弹性极限弯矩为： （2.5）根据大变形矫直方案，可以确定九辊矫直机对工字钢进行七次矫直的弯矩比分别为：1.8，1.75，1.7，1.65，1.6，1.55，1.5 ，即：2.2.5 力能参数计算：矫直机的力能参数包括矫直力、矫直弯矩、工作转矩及驱动功率。九辊型钢矫直机的力学模型如下图所示：2.2.5.1 矫直力与矫直弯矩由弯矩比的定义： （2.6）可算出七次矫直的弯矩根据连续梁的三弯矩方程，可以写出矫直力的表达式，任意第i辊的矫直力为: （2.7）其中p为辊距，若把理解为弹性极限弯曲时的支点力，并用表示，即： （2.8）则上式（2.7）变为： （2.9）各辊矫直力在等辊距矫直机上可写为矩阵形式： （2.10）各辊矫直力绝对值之和为： （2.11）2.2.5.2 轴承压力轴承承载了矫直辊所受的矫直力。由于机架与辊轴的结构不同，轴承压力的计算方法也不同。而机架结构基本有两种：一种为简支式结构，另一种是悬臂式结构。本设计采用现在国内外比较常用的悬臂式结构，如下图（图2.6）所示：图2.6 悬臂式结构简图由力矩平衡关系，其中为单个矫直辊所承受的最大的矫直力，根据初步设计，式中a=600mm，b=1500mm。由此可得： （2.12）由力矩平衡关系，可得： （2.13）轴承受力总和为： （2.13）2.2.5.3 矫直辊转矩a.矫直变形能计算金属条材受外力作用产生弯曲时，外力所做功的一部分用于弹性变形，另一部分用于塑性变形，还有一小部分变成热量(用于分子间摩擦)而散失。弯曲功的绝大部分用于变形，故这里要讨论的主要内容就是变形所需之能量。矫直中的变形属于弹塑性变形，变形的初始阶段都是弹性变形；然后进入到弹塑性变形阶段，其弹性变形与塑性变形混在一起。弹性变形是一种蓄能变形，它决定金属的弹复能力；塑性变形是永久变形，它决定耗能的多少。其变形能是消耗性能量，是不可逆的，它所需的外力作功要由机器负担。而弹性变形是一种蓄能变形，其变形能是可逆的，可以等价反馈的能量，它不消耗机器功率。因此，必须把混在一起的变形分离成弹性与塑性两种变形才能进行耗能计算和弹复量的计算。图2.7 立放工字钢弯曲弹复后的应力应变图图2.7表示了立放工字钢弯曲弹复后的应力应变图，假设塑性变形已经深入到腹板，由图示几何关系，有： （2.14）则距中性层z出的应变为： （2.15）同理有： （2.16）则距中性层z处的应力为： （2.17）弹性变形是两个梯形区域代表各纤维的弹性变形总和，用应力与线位移乘积表示能量，则有全断面的弹性变形能： （2.18）将、及带入上式（2.18）得：其中=0.9122，=0.8*=0.8*0.9122=0.7298， =2.06105Mpa，=,360mm，b=140mm，=h*=360*0.7298=262.728mm塑形变形能可由下式来计算： （2.19）将代入上式积分整理得：代入数据算得 总弯曲变形能为：弹复变形能为： （2.20）矫直机在矫直型钢时，弹复的绝大部分能量将释放反馈给矫直机，帮助机器运行。因此机械用于矫直变形的能量基本可以写成为： （2.21）第i辊的矫直变形能为： （2.22）b.克服摩擦阻力的矫直辊转矩 矫直辊在矫直力作用下收到各种阻力，矫直辊产生的转矩要能够克服轴承摩擦阻力、辊面与工件间的滚动摩擦阻力及工件变形阻力产生的转矩。对于悬臂式结构克服摩擦阻力的矫直辊转矩为： （2.23）：工件与辊面的滚动摩擦系数，型材取=0.001：轴承摩擦系数，滚动轴承取0.01da为工作侧轴颈直径，为驱动侧轴颈直径。根据初步设计，分别取=320mm，=200mm。c.克服工件塑性变形的矫直辊转矩工件弯曲过程中纯塑性变形及残余变形都消耗动力，设这两种变形所需转距为，辊子转动角后所消耗的能量为，此时工件所走过的长度为R ，其中R为辊子半径， 设工件单位长度所需的矫直变形能为，写成能量关系式： （2.24） （2.25）若第i辊处的转矩为，矫直变形能为，则克服工件塑性变形阻力的矫直辊转矩为: （2.26）矫直辊的总转矩为: （2.27）（4）驱动功率当以确定矫直速度v，矫直机传动系统的效率为时，矫直机驱动功率为： （2.28）：当采用电动机-减速器-万向轴传动时，取0.8。: 取60m/min。2.2.6 轴承的选取与校核矫直辊在工作过程中主要受径向载荷，轴向载荷与之相比几乎可以忽略不计，而且矫直机外形尺寸较大，前后立箱相隔较远导致安装对中性差，当辊轴的中心线与轴承座中心线不重合而有角度误差时，或因轴受力而弯曲或倾斜时，会造成轴承的内外圈轴线发生偏斜。为保证正常工作，通常选用有一定调心性能的调心滚子轴承。图2.8为调心滚子轴承示意图。图2.8 调心滚子轴承根据机械的类型、工作条件、可靠性要求及轴承的工作转速n，预先确定一个适当的使用寿命，查下表，矫直机轴承预期寿命=20000h。条件：轴承预期寿命=20000h，工作环境清洁，载荷平稳，工作温度低于120度。矫直速度为60m/min，因此轴承转速n=60/(0.72*)=26.5r/min，需按基本额定动载荷值选择轴承，然后校核其额定静载荷是否满足要求。对于调心滚子轴承，当量动载荷为径向载荷:对于轴颈为da处的轴承，设计基本额定动载荷为： (2.29)式中， 基本额定动载荷计算值，N。 P 当量动载荷，N。 温度因数， 在低于120的条件下工作时，取ft=1。 n 轴承转速，r/min。根据上式计算结果，在机械设计手册中选取型号为23064的调心滚子轴承，在处放置两个，同时可得轴颈=320mm。其基本参数如下：基本尺寸/mm|d: 320基本尺寸/mm| D: 480基本尺寸/mm|B: 121基本额定载荷/kN|: 1380基本额定载荷/kN|: 3260轴承代号|圆柱孔: 23064验算此型号轴承的静强度，与计算基本额定动载荷时同理，当量静载荷为径向载荷，即：对于轴颈为da处的轴承，。设计基本额定静载荷为： （2.30）式中， 基本额定静载荷计算值，N。 当量静载荷，N。 安全因数，对于调心滚子轴承，取=3。带入数据得:因此，da处轴承静强度合格，所选型号23064能满足使用要求 。对于轴颈为处的轴承，=1576KN，设计基本额定动载荷为：根据上式计算结果，在机械设计手册中选取型号为23140的调心滚子轴承，在处放置一个，同时可得轴颈:=200mm。基本尺寸/mm|d: 200基本尺寸/mm| D: 340基本尺寸/mm|B: 112基本额定载荷/kN|: 910基本额定载荷/kN|: 2010轴承代号|圆柱孔: 23140验算此型号轴承的静强度，与计算基本额定动载荷时同理，当量静载荷为径向载荷，即：对于轴颈为da处的轴承，。设计基本额定静载荷为：式中， 基本额定静载荷计算值，N。 当量静载荷，N。 安全因数，对于调心滚子轴承，取=3。带入数据得:因此，da处轴承静强度合格，所选型号23140能满足使用要求 。2.3 上、下辊系轴的校核辊轴是矫直机的重要部件，不仅承受矫直力及轴承支点力产生的弯矩作用，而且传递矫直动力，承受扭矩。由于矫直机外形尺寸较大，前后立箱距离较大，会使辊轴产生一定的挠度弯曲。辊轴上零件较多，轴的结构加工处承受交变的力，会对轴的疲劳强度产生一定影响。因此总的看来，对于辊轴应该进行弯扭合成强度计算、疲劳强度校核及刚度计算。鉴于篇幅，只在这里进行其中最重要的对第3辊的弯扭合成强度计算。根据轴的工作条件并考虑到制造工艺等因素，应选择具有高的强度及刚度、并对应力集中的敏感性低、材料来源广泛及经济低廉的轴，故对辊端轴选取45号优质碳素结构钢，并经过调质处理，通过查阅手册，可得其相关力学性能为：=600MPa，=355MPa， =55MPa当作用于轴上载荷的大小及位置已确定，轴的结构设计也已基本确定时，可按弯扭合成法进行计算，一般转轴用这种方法，偏于安全。计算步骤如下。（1）画出轴的受力简图，分析后画出受力图、弯矩图、扭矩图，如下所示。图2.9 辊轴受力示意简图图2.10 辊轴受力图图2.11 辊轴弯矩图图2.12 辊轴扭矩图 其中扭矩可按前面力能参数计算部分矫直辊转矩的计算公式计算。第三个辊的力，克服摩擦阻力的矫直辊转矩为： （2.31），克服工件塑性变形阻力的矫直辊转矩为： （2.32）矫直辊总转矩为：（2）确定危险截面。由上面的分析及图像可见，1截面轴颈最小且开了一个键槽，2截面受弯矩最大，因此1截面和2截面是危险截面，需要进行强度校核。 对于1截面，危险截面上弯矩M产生的弯曲应力为： （2.33） ，转矩T产生的扭剪应力为：对于一般钢制的轴，危险截面上的计算应力可按第三强度理论计算： （2.34）因此1截面安全，满足强度要求。对于2截面，其轴颈为：危险截面上弯矩M产生的弯曲应力为：转矩T产生的扭剪应力为： (2.35)对于一般钢制的轴，危险截面上的计算应力可按第三强度理论计算： (2.36)因此2截面安全，满足强度要求。综上所述，辊轴设计强度符合要求，满足使用条件。2.4 技术参数根据以上计算和结合实际情况，将800辊距型钢矫直机的参数设计如下表：表2.2 整机的参数设计序号参数项代号数值单位1辊距T800mm2辊数N9个3辊宽B320mm4平均辊颈D720mm5减速器传动比I166矫直速度1m/s7压下调整速度3.125mm/s8压（上）下调节量+240(-70)mm/s9轴向调节量20mm表2.3 上辊的参数设计参数项代号数值单位轴向调整量20mm传动比I99电机转一圈移动量0.909mm/r轴向调整速度0.1438mm/s电机型号Y-112功率2.2kw转数940r/min表2.4 下辊的参数设计参数项代号数值单位轴向调整量20mm传动比I99电机转一圈移动量0.909mm/r轴向调整速度0.1438mm/s电机型号Y-112功率2.2kw转数940r/min东北大学毕业设计（论文） 第3章 矫直机的主要结构特点第3章 矫直机的主要结构特点 型钢轧件进入矫直机后 ,通过对每个矫直辊进行不同的轴向和垂直位置的调整 ,从而达到对轧件施加一定压力的作用。在轧件通过矫直机的过程中 ,每个矫直辊都起到一定的作用 ,在轧件通过矫直机后即完成了整个矫直过程。为了增加上辊的稳定性以保证高质量矫直水平的实现，上辊系的前后轴承座分别装在前后压下丝杠上。前后压下丝杠分别是前后压下机构的动作执行部件。同一组的前后压下丝杠梁由同一个电机 控制，实现了前后压下的同步进行。压下机构可由电机或手轮驱动，保证自动和手动相互结合。该矫直机主要有上辊压下驱动装置、下辊驱动装置、上下辊前后调节驱动装置及矫直机机架主体三个大部分组成。其矫直机主体结构如图2.3 所示。 图 3.1 800材矫直机主体结构示意图1.上辊系前压下丝杠 2.上辊系后压下丝杠 3.上辊系后压下丝杠 4.压下传动 5.上辊系调整 6.下辊系调整 7.机架 8.底座机架，800型钢矫直机结构为悬臂式机架结构。由钢结构的前后两片箱式焊接件构成，换辊时，只需卸下紧固圆螺母，无需其他操作。矫直辊装配，该矫直机具有9个水平布置的矫直辊，每个辊系都是单独传动的，上部5个矫直辊垂直可调，矫直辊轴为两点支撑，矫直辊筒在两个紧固圆螺母的预紧力下锁紧，能够承受矫直径向力，矫直辊轴承用的是两列圆柱滚子轴承，用两只推理球承来承受轴向载荷矫直辊的驱动，是电机通过联轴器、齿轮箱和万向传动轴对矫直辊进行单独传动。上辊系前端压下如图3.2所示。图3.2 上辊系前端压下示意图1.球面垫2.定位套3.半卡环4.前压下丝杠5.前压下螺母6.单向推力球轴承7.调整垫8.键9.平衡套10.弹簧导杆11.下弹簧座12.衡弹簧13.平衡螺母14.上弹簧座15.调整螺杆上辊系后端压下如图3.3所示。图3.3 上辊系后端压下示意图1.内六角圆柱头螺钉2.后压下丝杠3.密封垫4.端盖5.ZG1/4堵6.内六角圆柱头螺钉 7.内六角圆柱头螺钉8.旋转轴唇形密封圈9.后压下螺母10.衬环11.挡油环12.蜗轮13.圆螺母14.圆螺母止动垫圈在矫直机工作的过程当中，被矫直的型钢轧件在进入矫直机时，必须满足要如条件。为此，矫直机必须具备辊系上下调整的功能，在调整过程中，又必须保证前后辊的调节的一致性，为此，前后压下的动作一致性是必要的。本矫直机前后压下部分采用一个电机为一对辊系的动力源。通过齿轮减速传动，和万向联轴节等常见零部件，将动力传至后下压机构，使得统一性得以保证。上辊系压下传动如图3.4所示。图3.4 上辊系压下传动示意图1.圆锥滚子轴承2.闷盖3.大齿轮4.调整套5.键6.前蜗杆7.轴8.密封套9.单列圆锥滚子轴承10.毡圈油封11.单列圆锥滚子轴承12.键13.柱销联轴器14.有伸缩焊接式万向联轴器15.弹簧垫圈16.六角头铰制孔用螺栓17.六角螺母18.联接盘19.键20.透盖21.密封垫22.内六角圆柱头螺钉23.接头式压注油杯 4.接头式压注油杯矫直辊系的轴向调整如图3.5所示。图3.5 下辊轴后端向调整机构示意图1.导向平键,2.内六角螺钉,3.标准型弹簧垫圈 ,4.六角头螺栓,5.油封压盖,6.推力球轴承7.蜗轮箱盖8.密封垫a9.双头螺栓10.螺母11.弹簧垫圈12.推杆13.蜗轮箱体14.圆螺母15.止动垫圈16.内六角螺钉17.垫18.双列向心球面滚子轴承19.隔环20.隔套21.双向推力球轴承22.轴套23.压盖24.密封垫25.毡圈26.螺钉27.键28.密封垫b 29.蜗轮矫直辊的垂直调整，垂直调整装置是为了使被矫直的型钢在上下方向上产生弯曲，而使矫直辊产生升降位移的装置，该矫直机中，是上矫直轴垂直调整，其依靠电机的蜗轮蜗杆传动调整，在负荷条件下可调，每对压下都是有同一个电机驱动，保证同步性。下棍及辊座装在机机架的轴承座中，上、下辊的前后位置都可以采用电机调节，和手动微调。前后调节的过程中， 主要靠蜗轮蜗杆传动，通过推杆推动轴承套筒，实现调节动作。同时依靠其自锁实现调整后的位置控制。该型钢矫直机矫直工作时采用下辊驱动，上辊从动。矫直辊的前端调整机构如图3.6所示。图3.6 下辊轴前端向调整机构示意图1.圆螺母 2.止动垫圈 3.调心滚子轴承4.轴间垫圈5.前压盖6.密封垫c 7.内六角螺钉8.U型无骨架油封9.下矫直辊10.键11.内六角螺钉12.园螺母13.六角头螺栓14.螺栓15.挡圈16.轻型弹簧垫圈17.六角头螺栓18.油封压盖19.