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第I页273 钢管矫直机主传动系统设计摘要在钢管生产中，为了提高钢管的质量，钢管需要被矫直。目前，国内外的矫直技术发展速度较快，涌现出很多钢管矫直方法和与其相应的矫直设备，其中多辊矫直机是矫直领域内应用最为广泛的矫直设备。钢管矫直机的矫直辊为斜辊，上下两排矫直辊交错布置，其特点是矫直速度快，生产率高，易于实现自动化，适应矫直各种管材和棒材。根据生产的需要，参考了鞍钢无缝钢管厂的矫直机和大量相关的机械设计资料，对 273 七辊钢管矫直机的主传动系统进行了设计，根据传动功率，对传动系统中的电机、联轴器和万向接轴进行了选择，设计了三级齿轮减速器传动，其与减速分配箱相连，采用三根轴输出，每根轴通过一个万向接轴带动矫直辊的传动方式，六个工作辊，一个被动辊起导向作用；对于传动系统中的主要零件进行了设计；对 273七辊钢管矫直机的力能参数进行了计算，并确定了矫直机的基本参数。关键词：矫直机；钢管；传动装置；力能参数全套图纸，加全套图纸，加 153893706153893706 第II页The Main Driving System Design Of 273 Roll Tube StraightenerAbstractIn the process of the steeltubes production ,for the sake of improving steeltubes quality, the steeltubes need to be straighten .At present, the development of the Straightening technology is fast at home and abroad ,and a variety of pipe straightening method and the corresponding equipment , and Multi-roll straightening machine is a straightening equipment which is used widely. Straightening Rollers roll is oblique roll ,which is staggered arrangement of the straightening s up and down two rows of roll ,the characteristic of which is the fast straightening speed, and high productivity and easy to realize automation ,so it suitable for various pipe and bar. On the basis of the production of requirement ,designing refers to the AISC Seamless Steel Tube Plants seven roll straightening machine and related mechanical design information ,then design the main driving system of 273 Roll Tube Straightener .On the basis of driving power consumption ,making the choice of the driving systems eletromotor ,coupling ,and designing how the three gear decelerator to drive ,which connects with the Decelerates distributor case .and Uses three axis outputs which driven a Straightening Roller under the condition of which connect the coupling .The system has six working rolls ,and a passively roll which is guiding .It contains: Designing the main machine parts of the driving system ,Calculating force and power mechanical parameter of 273 Roll Tube Straightener .Then the basic design parameter of Straightening machine is ascertained. 第III页Keywords: Straightening machine ;Steel tubes ;Driving system ;Force paramenta目录摘要.IABSTRACT.II1 绪论.11.1 毕业设计的选题背景及目的 .11.1.1 毕业设计的选题背景.11.1.2 毕业设计目的.11.2 矫直技术的发展.21.2.1 国内矫直技术的发展情况.21.2.2 国外矫直技术的发展.31.3 课题的研究方法及研究内容 .32 矫直机主传动系统设计方案确定.52.1 矫直机的分类及特点.52.1.1 反复弯曲式矫直机.52.1.2 旋转弯曲式矫直机.72.1.3 拉伸矫直机.72.1.4 拉弯矫直机.82.1.5 拉坯矫直设备.82.2 钢管矫直机结构组成.82.2.1 矫直辊.92.2.2 矫直辊调节装置.9 第IV页2.2.3 传动装置.102.3 矫直方案和矫直工艺.102.4 矫直机传动系统设计方案 .112.5 矫直机传动系统的工作原理 .123 钢管矫直机力能参数计算.133.1 原始数据.133.2 辊式矫直机的基本参数.133.2.1 辊径和辊长的确定.133.2.2 辊端圆角和辊距的确定.143.3 斜辊式钢管矫直机力能参数的计算 .143.3.1 矫直质量要求.143.3.2 矫直力的计算.153.4 矫直功率的计算.183.4.1.轴承摩擦功率.183.4.2.辊面与工件的滑动摩擦功率.193.4.3.工件在滚面上的滚动摩擦功率.193.4.4.矫直变形功率.204273 钢管矫直机驱动系统的确定.214.1 电机的选择.214.2 减速器传动比分配.214.2.1 减速器的输出转数.214.2.2 传动比及其分配.214.3 减速器一级齿轮传动设计 .224.3.1 选择精度等级，材料及齿数.224.3.2 按齿面接触强度设计.224.3.3 按齿根弯曲强度校核.254.3.4 几何尺寸的计算.284.4 减速器二级齿轮传动设计 .29 第V页4.4.1 选择精度等级，材料及齿数.294.4.2 按齿面接触强度设计.294.4.3 按齿根弯曲强度校核.324.4.4 几何尺寸的计算.344.5 减速器三级齿轮传动设计 .355 联轴器、轴承及万向接轴的选择.365.1 联轴器的选择.365.2 矫直辊的轴承选择.375.2.1 矫直辊的基本参数.375.2.2 矫直辊轴承的校核.385.3 万向联轴器的选择.395.3.1 万向联轴器的功能特点及其选择方法 .395.3.2 万向联轴器的选择及其校核：.406 传动系统主要零件设计.426.1 矫直辊的结构特点.426.2 辊型曲线的设计.436.3 矫直辊的辊轴校核.456.3.1 辊系的受力分析.456.2.2 中下辊的校核计算.467 传动系统的润滑.497.1 润滑方法:.497.2 润滑的分类.497.3 润滑剂的种类：.507.4 润滑系统的选择原则.527.5 润滑方式的选择.527.5.1 减速器的润滑.527.5.2 轴承的润滑.527.5.3 万向联轴器的润滑.53 第VI页7.5.4 其余零部件的润滑.538 设备的环保、可靠性和经济技术评价.548.1 设备的环保措施.548.2 设备的可靠性.548.3 设备的经济评价.568.4 设备合理的更新期.57结束语.58致谢.59参考文献.60 第1页1 绪论1.1 毕业设计的选题背景及目的1.1.1 毕业设计的选题背景 近年来，由于管材的用途涉及到所有的工业部门，各国对它的生产和发展都十分重视，各主要工业国家的钢管产量，一般约占钢材总产量的 10%15%，我国约占8%10%。随着国民经济的发展，我国钢铁行业得到了突飞猛进的发展，因此也加强了对钢管发展的力度。管材的生产无论在数量上还是品种上都有相当大的增长。新型高效率的管材精整设备，尤其是管材矫直机，是保证管材质量的重要关键，国内外对管材矫直机均做了大量的研究工作。矫直技术多用于金属条材加工的后部工序，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。已经广泛应用于日用金属加工业，仪器仪表制造业，汽车、船舶和飞机制造业，石油化工业，冶金工业，建筑材料业，机械装备制造业，以及精密加工制造业。随着工业水平的不断提高，要求工业生产全面自动化，矫直技术也要跟上时代的潮流。因此力争在矫直机设计，制造，矫直过程分析、矫直参数设定及矫直质量预测等方面搞好软件开发；其次要进行数字化矫直设备的研制和使用，扩充矫直技术的发展，使矫直技术的发展走上现代化的道路。 随着时代的进步，国家综合实力的增强，作为二十一世纪机械专业的本科毕业生，有责任也有义务为国家的发展付出自己的一份力量。通过对鞍钢无缝钢管厂 273 钢管生产线的参观实习，对钢管产品的生产有了初步了解，同时对其也产生了浓厚的兴趣。由于矫直机在管材的精整过程中起着重要的作用，于是我选择了 273 钢管矫直机的主传动系统的设计这个题目。1.1.2 毕业设计目的毕业设计是教学计划的最后一个教学环节，也是最重要的教学环节之一，是学生获得学士学位的必要条件。学生在教师的指导下，通过毕业设计受到一次综合运用所学理论和技能的训练，进一步提高分析问题和解决问题的能力；是从事科学研究工作 第2页和专业工程技术工作地基本训练。通过毕业设计巩固和发展了四年来所学的专业基础知识，学会阅读参考文献，收集、运用原始资料的方法以及如何使用规范、手册、产品目录，选用标准图的技能，从而提高设计计算及绘图的能力。1.2 矫直技术的发展1.2.1 国内矫直技术的发展情况20 世纪 3040 年代国外技术发达国家的型材矫正机及板材矫正机得到迅速发展，而且相继进入到中国的钢铁工业及金属制品业，新中国成立前在太原、鞍山、大冶、天津及上海等地的一些工厂里可以见到德、英、日等国家制造的矫正机。我国科技界一直在努力提高自己的科研设计和创新能力。从 20 世纪 50 年代起就有刘天明提出的双曲线辊形设计的精确计算法及文献提出的矫正曲率方程式。6080 年代在辍辊形理论方面有许多学者进行了深人的研究并取得了十分可喜的成果还召开了全国性的辊形理论讨论会；产生了等曲率反弯辊形计算法。与此同时，以西安重型机械研究所为代表的科研单位和以太原重塑机器厂为代表的设计制造部门完成了大量的矫正机设计研制工作。不仅为我国生产提供了设备保证，还培养了一大批设计研究人员。进人 99 年代我国在赶超世界先进水平方面又迈出了一大步，一些新研制的矫正机获得了国家的发明专利；一些新成果获得了市、省及部级科技成果进步奖;有的获得了国家发明奖。近年来我国在反弯辊形七斜辊矫正机，多斜辊薄壁管矫正机、3 斜辊薄铜管矫正机、双向反弯辊形 2 辊矫正机、复合转毂式矫正机，平行辊异辊距矫正机及矫正液压自动切料机等研制方面相继取得成功。在矫正高强度合金钢方面也已获得很好的矫正质量。其矫后的残留挠度为 0.20.5mm/m。此外，从 20 世纪 60 年代以后拉伸与拉弯矫正设备得到很大发展，对带材生产起到重要作用。近年来，随着我国工业水平的不断发展，矫直技术也得到了不断地提高和发展，在矫直过程的变形机理方面取得了一定得成就：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，残留应力对矫直尺寸精度的影响等；在解决高难度矫直技术方面，如高强度薄板带的液压拉弯矫直、高强度易裂纹耐热合金钢帮的旋转矫直、薄板的行星矫直及扎拉矫直等；在新产品和新要求方面，如石油钻挺管的矫直，边断面板材的矫直，变机械性能和变厚度方钢的矫直等；在改善矫直工艺及改善矫直设备方面，如采用压下方案，采用恒功率工作制度，用振动矫直代替旋转矫直等；在改革矫 第3页直过程的控制方法方面，由人工控制向计算机控制过度，有单机计算机控制箱全线计算机控制发展；在矫直结构设计方面，正向精密化，大型化发展，老设备也将日渐被淘汰和改造。随着机电一体化技术的广泛应用，钢管矫直机的技术水平将会不断提高。结构更加合理、可靠，功能更加完善.以满足各种工艺要求。1.2.2 国外矫直技术的发展18 世纪末叶到 19 世纪初叶，欧洲进行了产业革命，逐步实现了用蒸汽动力代替人力，机械化生产代替了手工作坊。19 世纪 30 年代冶铁技术发展起来。当时英国的生铁产量已由 7 万 t 增长到 19 万 t/a，增加了 2.7 倍。19 世纪 50 年代开辟了炼钢技术发展的新纪元。随着平炉炼钢技术的发明，钢产量增长迅速。到 19 世纪末时，钢产量增加50 多倍。钢材产量占钢产量的比重也显著增加。这时已经出现了锻造机械、轧钢机械和矫直机械。进人 20 世纪，以电力驱动代替蒸汽动力为标志，推动了机械工业的发展。英国在 1905 年制造的辊式板材矫正机大概是我国见到的最早的 1 台矫正机。20 世纪初已经有矫正圆材的二辊式矫正机。到 1914 年英国发明了 212 型五辊式矫正机(阿布拉姆逊式-Abramsen） ，解决了钢管矫正间题，同时提高了棒材矫正速度。20 世纪 20 年代日本已能制造多斜辊矫正机。20 世纪 30 年代中期发明了 222 型六辊式矫正机，显著提高了管材矫正质量 20 世纪 60 年代中期，为了解决大直径管材的矫正问题，美国萨顿（Sutton）公司研制成功 313 型七辊式矫正机(KTF 型矫正机)。社会的不断进步，工业水平的不断提高，自动化程度不断地更新，这使国内外的矫直技术得到突飞猛进的发展，不断地开发新产品，对本国经济的繁荣奠定了基础。1.3 课题的研究方法及研究内容本次课题主要是对 273 钢管矫直机主传动系统的设计，其中主要包括：矫直力的计算，矫直功率的计算，主传动系统中减速器各级齿轮的传动设计，电机功率的计算和电机的选择，联轴器的计算选择，万向联轴器的校核与选择，辊型的设计，及矫直辊的校核等。电机是整个矫直系统的主要传动装置，根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。其中交流电动机还分为 单相电动机和三相电动机。 矫直系统的电动机通常由车间的电网或者单独的交流机组供电。因此电机常选用三相交流 第4页电机。矫直速度的调节常通过改变电机的极对数或者借助减速器来实现。大直径的钢管采用低速矫直，小直径的钢管采用高速矫直。选择电机时应按照计算的矫直功率来选择，以保证矫直系统的正常运转。减速器是用于原动机和工作机之间的独立的封闭传动装置。用于降低转速和增大扭矩。常用的减速器形式有：单级圆柱齿轮减速器、两级圆柱齿轮减速器（其又包括展开式和同轴式两种形式） 、单级锥齿轮减速器、锥圆柱齿轮减速器、蜗杆减速器（其包括蜗杆下置式和蜗杆上置式两种形式） 。本次设计中选用的是三级圆柱减速器。联轴器的功能是 用来把两轴联接在一起，机器运转时两轴不能分离，只有机器停车并将联接拆开后，两轴才能分离。 根据联轴器对各种相对位移有无补偿能力（即能否在发生相对位移条件下保持连接的功能） ，联轴器可以分为刚性联轴器（无补偿能力）和挠性联轴器（有补偿能力）两大类。挠性联轴器又可按是否具有弹性元件分为无弹性元件的挠性联轴器和有弹性元件的挠性联轴器两个类别。本次课题中的联轴器的选择可以根据电机输出轴颈的大小来确定，再根据设计中的具体情况来选择联轴器的具体型号。矫直辊是管材矫直机中的主要零件，其作用是使管材在矫直过程中变形。矫直辊是在大的动载荷和大的相对滑动速度连续研磨的条件下进行工作的。其通过万向接轴与齿轮分配箱相连。万向接轴的结构紧凑，工作可靠，其可以分为以下几种形式：标准伸缩焊接式万向联轴器、短伸缩焊接式万向联轴器、无伸缩焊接式万向联轴器、无伸缩短式万向联轴器。万向接轴的选择与联轴器有很大关系，因为本设计中联轴器是连接减速器与万向接轴的中间部件。它的选择可以通过联轴器的尺寸进行选择，之后进行强度的校核。本次课题设计的是七辊钢管矫直机，其布置形式是 2-2-2-1 型，上排三个工作辊，下排三个工作辊外加一个起导向作用的被动辊。上下三对工作辊相对配置，六辊全部为工作辊。设计内容如下： （1） 对七辊钢管矫直机进行整体结构设计；（2） 对于整个主传动系统进行设计；（3） 对电机、联轴器和轴承的选择；（4） 对三级齿轮减速器进行设计； 第5页（5） 对传动系统中主要零件进行设计；（6） 对主要技术参数进行研究。2 矫直机主传动系统设计方案确定2.1 矫直机的分类及特点轧件在轧制、冷却和运输过程中，由于各种因素的影响，往往产生形状缺陷。如钢轨、型钢和钢管经常出现弧形弯曲；某些型钢(如工字钢等)的断面会产生翼缘内并、外扩和扭转；板材和带材则会产生纵向弯曲(波浪形)、横向弯曲、边缘浪形、中间瓢曲和镰刀弯等。为了获得子直的板材和具有正确几何形状的钢材，轧件需要在矫直机上进行矫直。所以矫直机是轧钢生产中的重要机械设备，而且也广泛用于以轧材作坯料的各种车间(如汽车、船舶制造厂等)。 由于轧材品种规格的多样化和对其形状精度要求的提高，促进了矫直理论和矫直机结构的研究工作的快速发展以及矫直技术水平的不断提高，矫直不同品种规格的轧件，采用不同结构形式和不同规格的矫直机。所以矫直机的结构形式繁多，矫直方式也不大相同， 按照工作原理不同划分为五大类：2.1.1 反复弯曲式矫直机它们是靠压头或辊子在同一平面内对上件进行反复压弯并逐渐减.小压弯量，直到压弯量与弹复量相等而变直。如压力矫直机及辊式矫直机。1压力矫直机压力矫直机是最简单的矫直设备，它属于利用反复弯曲并逐渐减小压弯挠度方法达到矫直目的的设备。压力矫直机的工作原理是将带有原始弯曲的工件支承在工作台的两个活动支点之间用压头对准最弯部位进行反向压弯的。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。如此进行，工件各弯曲部位必将全部变直从而达到矫直的目的。其包括机动压力矫直机和液压压力矫直机两种。(1)机动压力矫直机是利用曲轴(或曲柄)、连杆和滑块机构把旋转运动变成直线运动。机架一般是采用 C 形开式结构和门形闭式结构。在 C 形开式结构中还有主轴为简支梁型与悬臂梁型之分。这些结构形式及规格的选择上要根据加工对象的特点(如工件的断面形状及其尺寸大小、工件长度和重量等)、加下精度要求及产量大小等因素来确 第6页定。C 形开式结构的机架具有较大的操作空间，调节支点距、开距、观侧压弯位置、更换压弯垫块、移送上件、翻转一件及更换压头等下作都较方便。但机架刚性较低，不适于大断面工件的矫直工作。(2)液压压力矫直机普通液压压力矫直机已经逐步代替了一些机动压力矫直机，并从 20 世纪下半叶以来发展很快。在大型材及大锻件的矫直生产中几乎全部采用液压矫直机。液压矫直机具有压力大、结构紧凑重量轻、效率高、易控制、好调整等一系列优点，很适合于压力矫直的工作要求。其又包括立式和卧式两种：立式压力矫直机采用曲柄冲床的工作原理进行工作的，将轧件的弯曲部分放在两个固定的支点上，矫直过程比较简单，工作时间段，空转时间长。为了在空转是储藏能量，以降低工作时发出的剑锋负荷，从而减低电动机容量，因此在传动系统中装有飞轮。卧式压力矫直机是一个水平放置的曲柄滑块机构，它不需要翻钢，故改善了操作条件。它的主要特点丝毫生产效率低，一般在型钢和钢管车间作为辅助的矫直机装置或矫直弯曲度大及壁厚超过斜辊式矫直机允许范围的钢管。2辊式矫直机 辊式矫直机与压力矫直机的矫直原理相似，都是利用反复弯曲并逐渐减小压弯挠度的方法来达到矫直目的的设备。但从压力矫直机到辊式矫直机在技术上完成一次较大的跨越，这个跨越的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区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。随着压弯程度的减小其弹复后的残留弯曲必然会一致趋近于零值而达到矫直仔的。因此平行辊矫直机必须具备两个基本特征，第一是具有相当数量交错配置的矫直辊以实现多次的反复弯曲;第二是压弯量可以调整，能实现矫直所需要的压弯方案。其可以分为两种形式：平行辊矫直机和斜辊矫直机。（1）平行辊矫直机是目前应用范围最广的矫直机，其门类、品种和规格是最多的。辊式矫直机具有两排交叉布置得工作辊，弯曲的轧件在旋转着饿工作辊之间做直线运动，经过工作辊的多次弯曲而得到矫直，生产率较高，且易于实现机械化和流水生产，按用途分为板材与型材两大类。板宽及板厚与矫直机的能力及结构复杂程度有密切关系。首先是板厚决定辊径尺寸;其次是板宽决定辊长尺寸;第三，是辊数决定矫直质量，第四，是辊子重叠数决定着矫直质量及表面粗糙度，第五，是矫直温度决定矫直机的结构恃点。型材矫直机多用辊距及辊数，以及用途等项来标称机器种类、规格及型号。 第7页（2）斜辊矫直机对于钢管和矫直质量要求较高的圆管坯，在轧制、焊接或者热处理后，具有一系列的缺陷。其中主要的是纵向弯曲和横断面的椭圆度。为了保证矫直质量，矫直辊应和轧件表面成线接触。因此，要求对不同直径的轧件采用不同形状的矫直辊。由于轧件的尺寸规格较多，在实际生产中很难满足上述要求。实践证明，采用一种矫直辊辊型曲线，当轧件尺寸改变时，适当改变矫直辊的倾斜角度，即可改变轧件与矫直辊的接触情况，也能满足生产上的要求。因此，矫直辊倾斜角要求可调，同时，工艺上还要求随着轧件直径的变化，没对矫直辊之间的距离也要相应的改变。 根据上述的要求，斜辊式矫直机通常由机架、矫直辊、矫直辊升降装置、矫直辊倾角调整装置等组成。2.1.2 旋转弯曲式矫直机旋转弯曲式矫直机是指工件在塑性弯曲状态下以旋转变形方一式从大的等弯矩区向小的等弯矩万过渡，在走出塑性区时弹复变直。旋转者可以是工件，可以是矫直工具，也可以是变形方位。旋转反弯矫直机根据工作原理、用途及运转方式不同分为两大类。第一类是矫直工具在绕一工件轴线旋转中利用工具与工件的相对运动来达到反弯矫直目的，主要用于圆材矫直。矫直机的工作主体在转动中运行。第二类是矫直工具处在工件的固定方向上做上下左右的平行移动，而与工件之间没有相对运动，只靠全方位的平移产生全方位的反弯而达到矫直目的，主要用于非圆断面薄壁型材的矫直。其工作主体在平动中运行。2.1.3 拉伸矫直机拉伸矫直机是依靠拉伸变形把原来长短不一的纵向纤维拉成等长度并进入塑性变形后经卸载及弹复而变直，如钳式拉伸矫直机及连续拉伸矫直机。此种矫直机主要用来矫直厚度小于 0.30.6 毫米的薄钢板和一些有色板材，这些轧件在辊式矫直机上往往难于矫直。通常，辊式板带材矫直机只能有效地矫正轧件的纵向和横向弯曲。至于板带材的中间瓢曲或边缘浪形则是由于板材沿长度方向各纤维变形量不等造成的。为了矫正这种缺陷，需要使轧件产生适当的塑性延伸。在普通辊式矫直机上，虽能使这种缺陷有所改善，但矫正效果不理想。这时需采用拉伸矫直法。拉伸矫正的主要特点上一对轧件施加超过材料屈服极限的张力，使之产生弹塑性变形，从而将轧件矫直。 第8页例如矫正单张板材的嵌式拉伸矫直机和连续拉伸机组。钳式拉伸机生产率低切夹钳住的部分要切除，造成的金属损耗较大；连续拉伸机组由两个张力辊组组成，拉伸所需的张力由张力辊对带材的摩擦力产生。2.1.4 拉弯矫直机拉弯矫直机是把拉伸与弯曲变形合成起来使工件两个表层的较大拉伸及全截面的拉伸变形三者不在同一时间发生，全断面各层纤维的弹复变形也不是同时发生的。既防止了板带的断裂，又提高了矫直质量。在平整矫直生产线及退火生产线上使用拉弯矫直机可以获得比连续拉伸矫直机明显的节能和安全效果。而且矫直质量同样良好。尤其在极簿带的矫直方面更显其优越性。此外，在酸洗线上及镀锌线上使用拉弯矫直机.的优越性更为突出。酸洗前的拉弯矫直具有良好破鳞效果，可以节约大量酸液及时间，镀锌前的拉弯矫直还可使锌花细腻。2.1.5 拉坯矫直设备拉坯矫直设备是在拉动连铸坯下行的同时使铸坯的弧形弯曲渐伸变直，其拉力主要用于克服外部阻力，而铸坯本身在高温状态下所需的矫直拉力是较小的。连铸坯矫直属于高温矫直，与其他矫直法有着本质性区别。它的反弯矫直是单向的而不是反复的.它的反弯量是逐渐加大的，而不是反复递减的，它的弹复影响是可以忽略不计的。它的变形完全按塑性变形来考虑，它的变形量主要受热裂纹限制，尤其在有液芯状态下要保证不漏钢。2.2 钢管矫直机结构组成以七辊钢管矫直机为例说明其结构组成。 第9页图 1.1 七辊矫直机2.2.1 矫直辊管材矫直机的矫直辊，使管材在矫直过程中变形。矫直辊是在大的动载荷和大的相对滑动速度连续研磨的条件下进行工作的。七辊矫直机矫直辊的布置形式：2-2-2-1，上下两排矫直辊尺寸相同，三个在矫直中心线之上，四个在矫直中心线之下。其辊身长度和腰部直径，是管材矫直机矫直辊的基本结构尺寸，近似于旋转双曲面的矫直辊工作表面，必须是光滑的。当矫直表面质量要求高的管材时，辊身应进行抛光。为了保证工作表面磨损均匀和较好的矫直质量，矫直辊应准确地相对被矫管材的轴线进行布置。为了确定矫直辊相对矫直轴线的安装精度，辊身中间有一环形检查堆线，其相对于矫直辊托盘轴线的偏移，不应超过士 0.2 毫米。导向辊起支撑导向作用。矫直辊两端装有两列圆锥滚子轴承，并固定在回转圆盘上。矫直辊的辊型曲线直接影响钢管的矫直质量，其关键在于辊子与钢管是否在空间保持全部接触。同时，各组矫直辊的安装精度低矫直质量也有直接影响。因此采用新的矫直辊辊型曲线的计算方法，提高钢管的矫直质量。2.2.2 矫直辊调节装置 1矫直辊的径向调节机构为了在辊座中夹紧管材，并使管材在辊座间弯曲，矫直机的矫直辊相对管材作径向调节。径向调节机构根据结构特点，可分为导向滑块式、摆杆式和复合式三种。导向滑块式机构的优点是结构紧凑简单，便于安装，并具有消除间隙和定位的装置。这 第10页对矫直速度超过 1.5 米/秒的矫直机是非常重要的。圆柱形滑块式的径向调节机构，可以是单独传动或集体传动。摆杆式其优点是可以同时进行两个矫直辊的径向调节，并大大简化角度调节自动化问题。而复合式则同时具备滑块式、摆杆式的优点。2矫直辊的角度调节机构为了使管材与矫直辊间的接触达到最大接触(即和辊身全长相接触，且接触线不间断)必须调节矫直机矫直辊的角度。角度调节机构可分为非自动和自动的两种。非自动的角度调节机构分成单螺杆与双螺杆的两种。单螺杆机构的优点是结构简单和可实现远距离操作，便于调节螺杆，可以较快地调节辊子的角度；缺点是铰接处有间隙，这破坏了高速运转时的调节稳定性。单螺杆的角度单独调节机构，可用于矫直速度不超过 1.5 米/秒的低速矫直机中。双螺杆的结构对于消除间隙和辊子调节角度的定位是有很重要的作用，但是用它来调节传动辊时，不能在工作机架的同一侧安装转动手轮。因此建议在矫直速度超过 1.5米/秒的高速娇直机中，采用双螺杆的角度调节机构。自动调节机构可以再径向调节的过程中，根据被矫直管材的直径，自动矫正辊子的调节角度。自动调节机构通常用于三辊座式矫直机，因为这类矫直机在一个三辊座内，要调节的辊子不是两个而是三个，而三辊座的可见度要比两辊座的差得多。2.2.3 传动装置矫直成卷管材时，矫直机以固定负载长期工作制度进行工作，而矫直单根管材时，负载是断续的，间断时间取决于管材送人的节拍。如果送人节拍很快，每根管材间的间隔时间很短，则负载也可看作是连续的。因此，在选择矫直机电气传动装置时，通常是按长期工作制考虑的。一般情况下，管材矫直机的传动是不可逆式的，但在发生事故时可以逆转，以便将因各种原因卡在轧辊和导卫装置中的管材拉出来。装在精整作业线上的矫直机的矫直速度，和管材从轧机出来的速度是一致的。轧机的设计通常是以最小的传动功率和最少的能耗取得最佳生产率的原则进行的。因此，大直径的管材用低的速度轧制，而小直径管材则用高的轧制速度。矫直速度的调节仍维持功率恒定的原则。管材矫直机通常有两种传动:主传动和径向调节机构的传动。矫直管径大于 300 毫米以上的重型矫直机，矫直辊的角度调节机构也用电气传动。主传动用直流和交流电动机。矫直所需的静态力矩和被矫管材的半径几乎成抛物线关系。因此，传动电动机 第11页的调速在恒功率条件下，以改变励磁电流最为合理。矫直速度调节范围通常达到 3:1。但斜辊式矫直机主传动速度的调节范围要比此值大 2030%。有二个理由:1)当根据管径调速时，也要改变矫直辊的角度，而此角度又影响着管材送进的分速度，2）矫直辊磨损时，接触直径变化 510%。2.3 矫直方案和矫直工艺轧制、焊接及热处理后管材的主要缺陷是纵向弯曲，横断面的椭圆度，以及非圆管材的扭曲。为了消除这些缺陷，采用钢管矫直机。本次 273 钢管矫直机采用的是压力矫直法，其具体的矫直方案是将条材的弯曲部位放置在两个支点之间用压头对弯曲部位进行反向压弯。当压弯量选定合适时，压头抬起后条材弹复变直，完成一维弯曲的矫直任务。当条材有侧弯时再将其弯曲部位移至压头处进行反向压弯完成第二次的一维矫直任务。当一根条材具有多处的不同程度和不同方位的弯曲时，则需要进行多部位、多方向和多次的一维反弯矫直工作，即用一维反弯完成多部位二维弯曲的矫直任务。管材的矫直可以分为粗矫和精矫两个部分。在轧制、拉拔和热处理后直接进行粗矫，以保证制品运输（有辊道，运输机和其他装置）的可能，这对完成其他精整工序是必要的。在轧材冷却的过程中，进行这种矫直最为合理。为了进行粗矫，一般采用链式矫直机、花辊式和槽型辊式矫直机，以及管材横向移动的螺旋辊式矫直机。管材的精矫和其他精整工序，往往一起进行，其目的在于使制品最总达到所要求的条件。为此，一般采用斜辊式，转子式，螺旋式，扭转拉伸式矫直机及管材纵移的螺旋辊式矫直机。2.4 矫直机传动系统设计方案通过进入工厂 273 钢管矫直机的参观实习以及对矫直原理的深入学习和研究，对矫直机的主传动系统有了更深一步的了解。斜辊矫直机的传动方式主要有减速器的齿轮传动和万向接轴的传动两种。万向联轴器利用其机构的特点，使两轴不在同一轴线，存在轴线夹角的情况下能实现所联接的两轴连续回转，并可靠地传递转矩和运动。万向联轴器最大的特点是具有较大的角向补偿能力，结构紧凑，传动效率高。在实际应用中根据所传递转 第12页矩大小分为重型、中型 、轻型和小型 。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接。图 1.2 万向接轴本次设计的是七辊矫直机，其矫直辊的布置形式：2-2-2-1 这种辊系与其他辊系不同之处在于辊子全部为长辊，辊予全部成对配置，辊子全部为驱动辊。从发展的角度来看，增加斜辊矫直机的驱动辊数有利于提高矫直质量和矫直功率。由原始的两辊驱动到现在的六辊驱动，可以说，矫直工艺不断地完善。斜辊矫直机的驱动电机一般要求能调速，电动机调速由发电机电动机组改变为可控硅整流调速。近代已采用交流变频调速，可以使传动简化且可节约能耗。基于对以上传动的研究，确定斜辊矫直机的传动参数包括矫直速度、传动力矩及传动速比。从而确定 273 钢管矫直机主传动系统的传动设计方案。根据矫直参数的确定计算传动系统中的矫直功率，进而选择电机；根据电机输出轴端直径选择联轴器；再根据电机的转数计算减速器的传动功率，传动扭矩，由减速器的传动比分配可以确定减速器的各级传动情况，如：转数、功率、扭矩等。再根据参考文献选择万向接轴，最后根据已知参数进行辊的设计和校核。2.5 矫直机传动系统的工作原理 本次设计的是 273 钢管矫直机主传动系统，明确主传动系统的工作原理是非常重要的。其工作原理是电机通过联轴器与减速机相连，减速机的输出联接万向接轴，从而将电机的输出功率输送给矫直辊，带动矫直辊传动，达到矫直机的目的。 第13页3 钢管矫直机里能参数计算3.1 原始数据矫直钢管的设计参数：钢管外径：D=（159273）mm，壁厚：=(4.520)mm 取 =20mm轧件的屈服极限： =(539834)MPa，矫直速度：=1m/ss矫直辊 n：上矫直辊 3 个，下矫直辊 4 个 3.2 辊式矫直机的基本参数辊式矫直机的基本参数包括：辊径、辊距 P、辊数 n、辊身长度 L 和矫直速度 V。gD3.2.1 辊径和辊长的确定1.辊径的确定：gD根据对九种规格斜辊矫直机的统计得知=（1.84.3）d，这说明有一些特大规gD格的矫直机须尽量缩小结构尺寸；而一些特小规格的矫直机须适当加大结构尺寸。此 第14页外对于管材矫直机，由于矫直力减小而采用=（1.24）d。这也是适应特粗和恃细gD管材而采用的计算式。由于本设计中 d=273mm 属于粗管材故： =（1.24）d=（1.24）273mmgD =（327.61092）mm 取=480mmgD2.辊长的确定： 辊子长度主要应考虑辊面与工件之间要有一定的接触长度和较大的包角以保证矫直和运转的稳定性。一般情况下包角越大，工作越稳定。包角与圆材的直径有关，因此辊子长度也由圆材的直径有关。辊身的长度可由下面的关系式确定：长辊：，L=（ ） 150mmd 23.5gD ，L= ()150mmd 1.32.5gD因为：故：d=273mm L= () ()()1.32.5gD=1.32.5480mm 6241200mm取：L= 660mm短棍：取dgDD400mmdD 取0.5dgLL560mmdL 3.2.2 辊端圆角和辊距的确定1.辊端圆角 R 的确定辊端圆角 R 是斜辊矫直机的一个重要的结构参数，从改善咬入条件和保证管材的表面质量方面来说，辊角 R 应该大些，但是从减小机器的结构尺寸来说，R 的选值又不可以太大，故一般取： R=（0.1250.1）L R=（0.1250.1）L=（82.566）mm选取 R=60mm2.辊距的确定 第15页斜辊的辊距为同侧 2 辊间的距离。在此间距内要容纳辊子支架、辊座、调角与锁紧机构等。在减小机器受力，保证辊座转角方便来说，辊距要大些；从建校结构尺寸，减小压下量来说，辊距又不宜过大。但为了摆正辊座转动的条件，一般选取： P=（22.5）L=（22.5）660mm =(13201650)mm为了减小结构尺寸及改善要入条件，P 值要尽量采用较小的值 选取：P=1300mm3.3 斜辊式钢管矫直机力能参数的计算采用六辊全驱动方式，辊系的辊距 P=1300mm,辊腰直径=480mm，辊全长gDL=660mm,辊子斜角，矫直速度 =1m/s；o=3642o3.3.1 矫直质量要求（1） 矫直前钢管允许的最大强度应小于 30mm/m;全长小于 80mm。（2） 矫直后钢管允许的最大弯度应小于 1mm/1500mm,管端 1m 管内为 0.8mm。3.3.2 矫直力的计算 此矫直辊系特点在于六个矫直辊全部为长辊，辊子全部成对配置，辊子全部为驱动辊。辊系中三对辊子的各上辊均可升降调整，中间部分的下辊也可升降调整，各辊斜角可调。当辊子斜角较小并将工件抱紧时，在中间一对辊子向上抬起后工件内可产生如图弯矩，此时的力学模型类似固端梁的弯矩图。当棍子斜角较大对工件抱得不紧时，便可能产生所示的弯矩图。为了达到矫直目的，这两种弯曲的等弯矩区都不应小于一个螺旋导程。辊系的受力模型如下所示： 第16页图 3.1 辊系受力模型辊子全长 L=660mm，去掉圆角部分，辊子的工作长度约为=620mm。为了满足gL压扁矫直的需要，最大管材的螺旋导程不应超过 620mm，因此，其相应的斜角为: 0620arctanarctan36273td（3.1）内外径之比： 273400.85273a故其： 3414ttRaM（3.2） 34136.51 0.855394 514.4KN m式中： ，。273136.5mm22DR 539MPats规定： 0.10.850.10.75a由文献1，图 1-22 ，故可知：；1.23M 第17页由此可知管材最大矫直弯矩为： 1.23 514.4633KN mtMMM（3.3）按图 3.1 计算矫直力： 1222gMMMFLtSPpp （3.4） 6331300310639.4KN第一组及第三组辊间压扁力不必过大且有利于咬入，故按一般压紧力计算：110.30.3 639.4191.82KNyFFKN第一组及第三组辊的上辊压力为：111639.4191.82831.22KNyFFFKNKN于是按辊系对称性可以写出： ； ；31FF31yyFF31FF再按文献1,式 4-73算得中央二辊的压扁力： 220. 65yttFR （3.5） 2620200.65539136.5636.53KN由图 3.1 的弯矩图可知，与（或）形成力偶（力偶距作用在即段2F1F3FSgL内） ，故=（或） 。于是上辊受力分别为、及，下辊受力分别为、2F1F3F1F2yF3F1yF及。而：22F3yF 第18页 ； 111yFFF（3.6） ； 3111yFFFF（3.7）； 2222122yyFFFFF（3.8）因此上下辊受力总和为： 112442yyFFFF （3.9）4 639.44 191.822 636.53 4597.94KN 最大矫直力在中下辊，其受力为： 22222yFFF （3.10）2 639.4636.531915.33KN其轴承受力为 。可由文献2,式 4-39即可求出：2cosF2arcsinsinarcsinsingggLSDD （3.11）620arcsinsin36480o49.4o此式中 为辊面法向压力角。因此，单侧轴承受力为： 2cos50zoFF （3.12） 第19页957.671489KN0.643由此可知各辊轴承压力总和为：211222cosyzzyFFFFF （3.13）636.532 14892 831.222 191.820.643 6014KN3.4 矫直功率的计算3.4.1.轴承摩擦功率选用轴承摩擦系数 ： 10.008轴颈直径 ： 1220mmd 辊面速度 ： sing1=1.7m/ssin36o辊子转数 ： 60gggnD60 1.70.4867.7r/min于是摩擦功率为： 111230gzndNF（3.14）0.2267.70.008601423037.5KW式中：各辊轴承压力总和zF 第20页3.4.2.辊面与工件的滑动摩擦功率 由于管材在中央辊缝内呈弯曲状态，必有一辊腰和另一辊端接触。而辊径为gD，端径约为，即可求出中央二辊滚面的法向压力为480mmD550mm 222cosyNzFFF（3.15）636.532 1489cos49.4o3956KN设滑动摩擦系数为：，则滑动功率为：20.15 22260gNgDDNFn（3.16）0.550.480.15 395667.760147.2KW式中： 辊端直径，单位：mD gD辊腰直径，单位：m3.4.3.工件在滚面上的滚动摩擦功率 工件在 6 个辊面上滚动，全部压力为，设滚动摩擦系数（因为管材被zF0.002f 压扁时值偏大） ，计算辊子平均直径，管材外径，因此滚动功f0.5mpD 0.273md 率为：3cos30pgzD nNfFd （3.17）3.14 0.5 67.70.002 6014cos3630 0.273o126.3KW 第21页式中: 平均直径，单位：mmpD各辊轴承压力总和，单位：KNzF辊子转数，单位 ：gnr/min3.4.4.矫直变形功率工件在矫直过程中的塑性变形及残余变形所耗功率按平均来考虑，由0.85a文献2，1-47查知其旋转矫直耗能比，以此计算直径圆材的弹性极限变形0.83XJu为： tu 228tRE（3.18）225(136.5)(539)8 2.06 10 10.31KN m/m式中： E弹性模量，取，5E=2.06 102Kg/m R管材半径，273136.5mm22dR 因此矫直变形功率为： 4cos60ggXJgtDnNLuud （3.19）0.4867.70.62 0.83 10.31cos360.27360o8.52KW矫直机的传动功率按计算，则矫直机的驱动功率为：0.8512341NNNNN （3.20） 137.5 147.2 126.38.520.85 第22页375.9KW4 273 钢管矫直机驱动系统的确定4.1 电机的选择 六辊驱动的钢管矫直机易采用柔性驱动，以适应各辊转速的差异。矫直机总的驱动功率为 375.9KW。为了使矫直辊的转速平稳，上下两排矫直辊的矫直参数一致，采用两个转数分配箱，通过它将由减速器输出端得到的总矫直力矩按各矫直辊所需分配到每一根矫直辊上，根据文献4，9092可选择两个 Z4-280-31 型电动机；其单机功率为 220KW，其额定转速：n=(10002000) ,效率。总容量r/min89.7%为KW，完全可以满足矫直机的正常工作。并且电机容量大概有 14.6%2 220440左右的余量，以满足应对磨损等额外能量的消耗。4.2 减速器传动比分配4.2.1 减速器的输出转数减速机的输出转数即为矫直机的转数 根据文献2，450-456有：gn 60gggnD（4.1）式中：矫直辊辊面速度，g1.7m sg 辊腰直径，gD480mmgD 将数据代入（4.1）求得： 67.7r mingn 第23页4.2.2 传动比及其分配 12nin（4.2）式中 减速器的输入转数，1n11345r minn 矫直辊的速度，2n267.7r minn 将数据代入公式即可求得传动比： 19.88i 由参考文献3.7-8可知传动比的分配原则为： 1 2 3iii i（4.3）（） ni 1.31.41ni（4.4）式中： 1i减速器的一级传动比 减速器的二级传动比2i3i减速器的三级传动比取传动比：，121.35ii231.35ii由公式（4.3） ， （4.4）可知：传动比分配为：，13.645i 22.7i 32i 4.3 减速器一级齿轮传动设计4.3.1 选择精度等级，材料及齿数1. 根据传动系统的需要，选择 7 级精度2. 根据文献3，表 10-1选择齿轮轴的材料（调质）硬度为 280HBS，大齿40rC 第24页轮材料为 45#（调质）硬度为 240HBS，二者材料的硬度差为 40HBS。3. 选择齿轮轴齿数，大齿轮齿数，取131Z 23.645 31 112.9Z 2113Z 4. 初选螺旋角：12o5. 交涉电机寿命 15 年，全日制工作4.3.2 按齿面接触强度设计 由文献3，218219可知齿面强度设计公式： 213121tHEtdHK TZ Zudu （4.5）1.确定公式内的各计算数值：（1）试选1.6tK （2）由文献3，图 10-30选取区域系数2.44HZ（3）由文献3，图 10-26查得，10.8120.86由公式： 12（4.6） 得：1.672.计算许用接触应力：根据文献3，表 10-7选取齿宽系数：1.0d根据文献3，表 10-6查得材料的弹性影响系数：12189.8MPaEZ 根据文献3，图 10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的接触疲劳强度极限：。lim1600MPaHlim2550MPaH根据文献3，式 10-13计算应力循环次数：60hNnjL （4.7） 第25页式中： n齿轮的转数（单位为）r min j齿轮每转一圈时，同一齿面啮合的次数，取1j 齿轮的工作寿命（单位为 ）hLh将数据代入： 160hNnjL60 1345 24 300 1598.7 10 991218.7 102.39 103.645NNi（4.8）根据文献3，图 10-19取接触疲劳寿命系数： ，10.86HNK20.92HNK选取安全系数，计算接触疲劳需用应力：1S 1lim110.86 600516MPa1HNHHKS（4.9） 2lim220.92 550506MPa1HNHHKS（4.10）则许用应力为： 12516506511MPa22HHH （4.11）3.计算齿轮各部分参数(1)试算小齿轮分度圆直径，由计算公式（4.5）得：1td111220 0.989.559.551.53KN m1345PTn （4.12） 第26页2312 1.6 15300003.645 12.44 189.81 1.673.645511td145.3mm选取 ： 1155mmtd （2）计算圆周速度： 11155 134510.91m s60 100060 1000td n（4.13）（3）计算齿宽 b 及模数：ntm 11 155155mmdtbd （4.14） 11cos155 cos124.9mm31otntdmz（4.15） 2.252.25 4.911mmnthm（4.16） 1551411bh（4.17）（4）计算纵向重合度： 10.318tandZ0.318 1 31 tan12o 2.1（4.18）（5）计算载荷系数 K：已知使用系数： 1AK 根据，7 级精度，由文献3，图 10-8查得动载荷系数10.91m s1.18vK 根据文献3，表 10-4查得：1.44HK根据文献3，图 10-13查得：1.37FK 第27页根据文献3，表 10-3查得：1.4HFKK故载荷系数： 1 1.18 1.4 1.442.38AvHHKK K KK （4.19）（6）按实际的载荷系数校正所算得分度圆直径：根据文献3，式 10-10a得： 311ttKddK32.381551.6176.9mm（4.20）（7）计算模数 nm 11cos176.9 cos125.58mm31ondmz（4.21）取：6mmnm 4.3.3 按齿根弯曲强度校核根据文献3，式 10-16得斜齿轮轮齿的弯曲疲劳强度公式为： tFaSaFFnKFY Y Ybm （4.22）式中： 法向载荷在圆周方向的分力tFnF K载荷系数斜齿轮的齿形系数FaY斜齿轮的应力校正系数SaY螺旋角影响系数Y斜齿轮传动的断面重合度1.确定计算参数 第28页(1）计算载荷系数：根据参考文献3，216 页可知: 1 1.18 1.4 1.372.26AvFFKK K KK （4.23）（2） 确定法向载荷在圆周方向的分力：nFtF根据文献3，式 10-14可知： 1122 1.5317.3KN176.9tTFd （4.24）（3）参数与的确定： FaYSaY 11333133.12coscos 12voZZ （4.25）2233113120.74coscos 12voZZ 由文献3，表 10-5查得取齿形系数： ，12.49FaY22.16FaY由文献3，表 10-5查得应力校正系数： ，11.645SaY21.81SaY（4）确定螺旋角影响系数：Y斜齿轮的纵向重合度可按下面的公式确定： sin0.318tandnbZm（4.26）由得： 131Z 12.095由得： 2113Z 27.64根据文献 3，图 10-28查得： 第29页 120.9YY(5）斜齿轮传动的断面重合度的确定:由公式(4.6)可知： 1.67由公式（4.22）得斜齿轮轮齿的弯曲疲劳强度：，193MPaF288.6MPaF2. 许用弯曲疲劳强度的确定：F根据文献 3，式 10-12可知，其计算公式如下： limNFKS（4.27）式中: 疲劳强度安全系数。取 。S1.3S 考虑应力循环次数影响的系数，称为寿命系数。NK齿轮的疲劳极限。lim（1）寿命系数的确定NK齿轮的工作应力循环次数按下式计算：N160hNnjL60 1345 24 300 1598.7 10991218.7 102.39 103.645NNi
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