消声器筒体成形自动线设计——矫平与送料部分设计

黄河科技学院毕业设计（论文） 第 I 页 消声器筒体成形自动线设计矫平与送料部分设计摘 要进入 21 世纪，我国经济的发展更是突飞猛进。这很大程度上得益于机械、冶金等行业的产品的大量生产和销售。随着科学技术的发展，市场对这类产品的要求不仅在数量上，更在质量上提出了更高的要求。板材作为其中的一员，质量上的要求也大幅度提高。不良板形的外部表现是板材上常见有中心波浪、边浪、瓢曲、扭曲、镰刀弯或局部鼓包等。板材在轧制、热处理、冷却及运输过程中产生的这些缺陷，在冶金加工中常用矫直机加以纠正。本文就本课题的产品钢板校平机相关的内容进行了说明与论述。首先，论述了钢板校平机研究的现状、意义和具体内容；其次，论述了校平机的工作原理、系统构成及各系统的方案选择与参数计算；最后，对本研究的结果存在的问题和缺陷进行了说明，提出应该往哪个方向继续进行研究。相信我们不懈的努力最终会使我国的板材产品在国际市场上具备很强的竞争力。关键字： 钢板，校平机 ，设计 黄河科技学院毕业设计（论文） 第 II 页 The design of muffler tube forming machineleveling and moving partsAuthor:Ren WeiTutor:Wang Ai ZhenABSTRACTGetting into 21 centuries, development of our countrys economy has advanced by leaps and bounds. This mainly profits from the mass production and distribution of the product of professions, such as machine and metallurgy.etc. Along with the development of science and technique, the market request of such product is not only on the amount, but also much more higher on the quality. As a member of those productions, the request of steel plates quality also has a significant exaltation. The exterior performance of a bad plate is usually the familiar center wave, side wave, bend, distort, sickle curve or part hunch . etc. These blemish producing from the process of hot processing, cool off and conveyance are commonly rectified by the leveling machine in the metallurgy processing plant. This text is concerned with the related contents of the product that is steel plate leveling machine, of this research. First, it discussed the present condition, significance and detailed contents of such machines research; Secondly, this article discussed the run fundament, composing system and the choice and parameter calculation of each system; To the end, this text carried on an elucidation of the problem and blemish in the result of this research, then put forward the direction to which we will go on with this research. I believe that through our unremitting effort our steel plate production will finally have a very strong competition ability in the international market.Key Words: Steel plate,Leveling machine,Design黄河科技学院毕业设计(论文) 第 III 页目 录1 绪论.11.1 为什么要进行钢板矫直11.2 平行辊式矫直机的发展趋势21.3 本课题研究的内容和意义31.3.1 异辊距辊系技术.31.3.2 弯辊技术.31.3.3 液压压下技术.31.3.4 中薄板凸起量的调节.32 矫直机工作原理和方案选择.52.1 “矫直”的定义52.2 反弯矫直的基本原理52.2.1 原始曲率.52.2.2 反弯曲率.52.2.3 总变形曲率.62.2.4 弹复曲率.62.2.5 残余曲率.72.3 本矫直机的工作原理和压下方案选择72.4 辊系方案选择83 主要系统的设计和参数计算103.1 主传动系统设计及参数计算103.1.1 结构参数103.1.2 力能参数123.2 液压压下系统设计及计算163.2.1 电液伺服系统简介163.2.2 液压压下系统的组成.173.2.3 液压控制系统工作原理.173.2.4 液压压下系统部分参数计算.193.3 矫直辊及其轴承的选择和强度校核22黄河科技学院毕业设计 (论文) 第 IV 页3.3.1 辊子材料选择.223.3.2 辊子强度校核.233.3.3 轴承的选择及寿命验证.253.3.4 减速机、齿轮座、电机和万向联轴节的选择计算.274 矫直机安装、调试与润滑.304.1 平行辊矫直机的安装与调试304.2 平行辊矫直机的维护与润滑324.2.1 矫直机的维护和修理制度324.2.2 矫直机的润滑32结论34致谢35参考文献36黄河科技学院毕业设计（论文） 第 1 页 1 绪 论1.1 为什么要进行钢板矫直随着我国板材生产规模的不断扩大，各厂家日益认识到板材在生产与市场销售中的重要性。不良板材的外部表现是常见的中心波浪、边浪、瓢曲、扭曲、镰刀弯或局部鼓包等。这些缺陷往往在板材轧制、热处理、矫直、冷却过程中形成，往往是由于温度、辊形、压下、冷却水温、水压等因素不合适造成的。若将板带看作由无数条纵向金属纤维连结而成的材料，则不良板材中内应力的出现，正是因相邻纤维间存在长度差之故。由于邻近纤维间的相互制约，长纤维受压应力，短纤维受拉应力。因此，板带横向厚度差与板形有着密切的关系。横向厚度差大的板带，一般板形都不好，只需几微米的横向厚度差，即可造成明显的板形缺陷。因此，有些横向厚度差很小的材料，板形也完全有可能不符合要求。随着民用类消费产品需求不断增加，市场对薄板需求也大幅度提升，同时对板材的质量要求也在大幅提升。只有有了好的材料，才能加工出好的产品来。因此这些变形如果得不到及时有效的矫正，将严重影响着产品质量和数量的提高，尤其是本身作为工具的高精密仪器和刀具，它们对用材平整度要求更加苛刻。对于薄板，平行多辊矫直机应用最广，技术也最成熟。这种矫直机克服了普通压力矫直机断续工作的特点，成倍地提高了矫直效率，使矫直工序得以进入连续生产线，而且可以达到很高地矫直精度。本课题研究的也就是平行辊矫直机。平行多辊薄板矫直机国内外发展很不平衡，国内基本上还停留在传统的手动调节及机械传动方式，位置精度只有0.5mm，而国外已经实现了计算机电液自动控制，位置精度已经达到 0.1mm，且有良好的人机界面，便于现场工程师操作。在中国销售高精度薄板矫直机的公司主要有三家，瑞士海莫乐公司、台湾双郁机械公司和美国的 IOWA 精密工业公司，后两家公司矫直机都作为卷板材加工流水线工序设备，而瑞士海莫乐公司作为专业矫直机制造公司，性能最好。它采用液压系统来控制矫直机的辊缝，公司产品广泛应用于汽车、建筑玻璃、精密仪器仪表和工具等领域。这三家的矫直机都能实现计算机数字控制(CNC) ，而且海莫乐公司矫直机能自动感应压应力，采用双闭环控制，实现了智能化，但价格不扉，一台 20-30 万美金。国内的情况是：北京机械工业自动化研究所机器人工程中心开发的一套开卷、矫黄河科技学院毕业设计（论文） 第 2 页 平、剪切、堆垛生产线技术中，矫平机能实现计算机数字控制，但矫直机的间隙调整由标尺指示，并没有采用闭环控制，所以位置精度仅有0.5mm。生产制造公司有西北机器厂、富地机械、山东省淄博市桓台齐光锻压机床厂、无锡梅里精品机械和湖北重型机器集团，前后辊缝间距全部采用手动机械调节，位置精度仅依靠蜗轮控制。所以产品的矫直精度不高，不能应用在精矫工序。由湖北重型集团有限公司同华中理工大学威奇数控公司合作开发的辊式板材矫直机系列，经过多年的完善和发展，在理论上和实践上形成了较成熟的体系。结构上，采用机械传动和液压传动相结合的方案，并重点加入了液压垫这一专利技术，使得设备结构更为紧凑，精度高，噪声低，控制方便，提供了良好的交互环境，在实时性和预警上对液压、机械和电气各环节实现了全面管理。整套控制系统由一台工控机和PLC 组成，矫直精度达到了 0.1mm。1.2 平行辊式矫直机的发展趋势中薄板生产线在线的辊式矫直机以热矫直机数量为多，总的趋势是以发展大矫直力的强力四重式矫直机为主，该系列设备总体趋势如下：1、用数字控制系统精确调整上矫直辊位置，并借助自动测厚仪自动控制矫直辊负荷和在线过程计算机进行全自动操作。 2、高刚度矫直机机座，可满足大矫直力条件下的使用，变形小，精度高。3、为了提高矫直效果，矫直机出口处的上（下）辊可以单独调整，且在矫直过程中也可以进行调整。4、上矫直辊可以横向倾动，能分别调整各段支撑辊，以改变矫直辊的挠曲，消除钢板的单侧或者双侧边浪。5、下矫直辊可以沿矫直方向倾斜以调整矫直辊负荷。6、装备液压安全装置和快速松开装置以便在设备过载、卡钢和停电时快速松开矫直辊。7、上、下矫直辊和支撑辊分别装在各自的框架上，框架及其辊子可以侧向移动进行快速换辊，实现辊系的线外整备（即拥有两套以上的辊系装备供给一套矫直机使用） 。8、矫直机入口处装有水或压力空气，以清除残留的氧化铁皮。9、在矫直辊入口处安装一弯头压直机，消除头部钢板的上翘。黄河科技学院毕业设计（论文） 第 3 页 10、为了避免矫直辊辊面的滑伤，辊面应具有一定的硬度。对四重式矫直机必须保证工作辊和支撑辊的辊面硬度有一个差值。1.3 本课题研究的内容和意义当今世界上先进矫直机技术快速发展，板材矫直机正向重型化、全液压、自动化过渡。本设计就是设计一个矫直机，对现有矫直机进行部分改进，获得一个新型设备。1.3.1 异辊距辊系技术这种形式的矫直机的特点是各辊的辊距不相等，一般是加大入口侧的辊距，以减少入口侧各辊的压力，特别是可以减少入口端第 3 个辊的断轴事故。同时出口侧随着矫直力的减小，辊距也减小，以缩短空矫区，从而明显减轻补矫工作。如果采用各辊单独驱动，我们可以将两侧的辊距都缩短，这样空矫区就更小了。1.3.2 弯辊技术在宽板和特宽中薄板生产线中，具有弯辊能力的矫直机已成为必选。 这种矫直机可以产生一定量曲率的矫直工作辊，可消除机架的弹跳，同时由于弯辊的存在，可有效地改善板材的横向板形。1.3.3 液压压下技术液压压下取代机械压下成为一种矫直机技术发展趋势。根据压下量设定值与辊缝检测装置实测压下量之间的偏差，使压下用的液压缸运行，经常修正设定值补偿压下量。另外通过采用自动控制、计算机模型设定和液压 ACC 动态辊缝调整先进技术，来提高中薄板的矫直质量。1.3.4 中薄板凸起量的调节遇到各种波浪弯的钢板，要求其支撑辊的调节装置比较复杂。主要是各排支撑辊能成组灵活调节凸起量，达到局部弯辊效果以适应中浪或边浪及矫直的需要。调节凸起量的方法多采用电动机转动丝杠来推拉楔块迫使支撑辊组升或降。通过对板材平整工业的分析，可知平行辊矫直机在板材加工方面应用广泛，但从国内现状可以看出，高精度的液压多辊薄板矫直机(位置精度 0.15mm 以下)国内还相当缺乏。本设计将既实现液压压下、换辊等自动化操作，同时在调节凸起量上做了仔细黄河科技学院毕业设计（论文） 第 4 页 的设计。液压压下能够使运行更加平稳、反应快，更重要的是它能够实现过载保护。当辊缝被板材顶起时，液压压下装置会相应地改变辊缝来适应板材厚度的变化；特别是两辊发生粘着时，液压缸会马上卸载，对传动等部件实行及时保护。这些在工程上有很重要的意义。精度的提高使产品质量提高，从而满足了社会、市场的需求。黄河科技学院毕业设计（论文） 第 5 页 2 矫直机工作原理和方案选择2.1 “ 矫直”的定义金属条材（具体指型材、棒材、管材、线材、板材、带材等长条状的金属型材）在轧制、加热、运输、锻造、挤压、拉拔、冷却等各种加工过程中因外力作用常常产生不同程度的弯曲、歪扭等塑性变形；内部残余应力使金属条材发生弯曲或扭曲变形；为了获得平直的成品金属条材就必须使其纵向纤维或纵向截面由曲变直，横向纤维或横向截面也由曲变直。实现这一要求的工艺过程就称为“矫直”。2.2 反弯矫直的基本原理在压力矫直机、辊式矫直机、斜辊式矫直机和拉伸矫直机中，轧件都是经过反向弯曲后矫直的，而轧件的弯曲状态可以用曲率表示，轧件的弹塑性弯曲变形过程则可以用曲率的变化来说明。2.2.1 原始曲率轧件在矫直前的曲率称为原始曲率，以 表示。（图2.1a）。r 0是轧件的原始曲01率半径。弯曲的方向用正负号表示，如+ 表示弯曲凸度向上的曲率，- 则表示弯1r曲凸度向下的曲率，而轧件的平直段用 表示。0r2.2.2 反弯曲率轧件在外力矩M作用下强制反弯的曲率称为反弯曲率，以 表示。在压力矫直机1和辊式矫直机上，反弯曲率是通过矫直机的压头或辊子的压下来获得的。反弯曲率大小的选择是决定轧件能否被矫直的关键。黄河科技学院毕业设计（论文） 第 6 页 a-弯曲阶段；b-弹复阶段图2.1 弹塑性弯曲时的曲率变化2.2.3 总变形曲率 它是轧件弯曲变形的变化量，是原始曲率与反弯曲率的代数和，以 表示，即：cr1(2.1)10rc使用上式时，应将曲率的正负号代入。原始曲率与反弯曲率方向相同时符号相反；方向相反时符号相同。2.2.4 弹复曲率它是当外力矩去除后，轧件在变形内力形成的弹复力矩M y作用下弹性恢复的曲黄河科技学院毕业设计（论文） 第 7 页 率变化量，以 表示。y12.2.5 残余曲率它是轧件经过弹复后所具有的曲率（图2.1b），以 表示。如轧件被矫直，则r1；如轧件未被矫直，在辊式矫直机上，前一辊的残余曲率将是下一辊的原始曲01r率，即 ，式中i指辊数。10ir残余曲率 是反弯曲率与弹复曲率的代数差，即：（2.2）yr1显然欲使轧件矫直，则必须使残余曲率 ，由公式（2.2）得： ，0y1此式是一次反弯矫直时（压力矫直机）选择反弯曲率的基本原则。2.3 本矫直机的工作原理和压下方案选择平行辊矫直机属于连续性反复弯曲的矫直设备，这种矫直机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。金属材料在较大的弹塑性弯曲条件下，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目的。因此，平行辊矫直机必须具备两个显著的特征：（1）具有相当数量的交错布置的矫直辊以实现多次的反复弯曲；（2）压弯量可以调整，能实现矫直所需要的压弯方案。下面以 5 辊矫直法用图形表示如图 2.2：图 2.2 5 辊矫直法平行多辊矫直机的压下方案有三种：（1）最小压弯递减方式，即矫直机每个辊的压下量都可单独调整的假想方案。矫黄河科技学院毕业设计（论文） 第 8 页 直机上各个辊子反弯曲率的选择原则是：只消除轧件在前一辊产生的最大残余曲率，使之变直。（2）最小残差递减方式，即使具有不同原始曲率的轧件经过较少次数剧烈的大变形反弯，以迅速消除其原始曲率的不均匀度，然后按矫直单值曲率的办法加以矫直的方案。 （3）线性递减方式，从第二辊(第一个上辊)到最后第二辊(最后一个上辊)的压弯量按线性递减，最后第二棍的压弯曲率一般为弹性极限曲率，前面第二辊的压弯曲率则不受严格限制。由于这种压下方式多用于薄板矫直，故第二辊压下曲率都较大。工业生产中采用这种方案的多辊矫直机的辊数一般都较多，有 11，13，17， 19，21，23辊等，同时辊径要尽量小，这样使板材得到较大的变形，变形愈大愈有利于消除波浪弯。其中最常用的是线性递减方式，薄板矫直多采用这种方案，也是本文讨论的方式。2.4 辊系方案选择平行辊矫直机发展历史较长，辊系结构形式很多，且主要与用途和矫直质量有关。这里介绍几种典型辊系，如图 2.3 所示：图 2.3 典型辊系黄河科技学院毕业设计（论文） 第 9 页 1、a 是上辊组平行升降的辊系，主要用于热矫直厚板、粗矫板材和在展卷机后平整带材等工作；2、b 有所改进，两端辊单独调整，有利于中间各辊加大压下量，也有利于两端辊的咬入及提高矫直质量，主要用于热矫直板材；3、c 是一种灵活性较大的多用途辊系，上辊可以调成平行升降、单向倾斜和双向倾斜等形式。第一个用途同 a,第二个同 d，第三个为可以进行反复及双向咬入的矫直；4、d 是按线形递减压下的板材矫直辊系；5、e 是型材矫直的常用辊系，各上辊单独调整可以采用各种压下方案；6、f 是矫直板材的辊系，带有支撑背辊，它有两个作用：（1）矫直宽板时辊子太长，刚度不够，用支撑辊来保持工作辊的刚度；（2）矫直薄板时要消除波浪需要用支撑辊来改变工作辊的凸度。这种辊系也称为四重式矫直辊系；7、g 比前一种增加一排中间辊，由于支撑辊多为盘形，长期工作中使工作辊表面被压出痕迹，这时若矫直工件的表面要求光亮，而辊面压痕很可能在工件表面上留下条状暗影甚至印痕，故用中间辊隔离上述压痕的传递。这种辊系也称为六重式矫直辊系。除这些典型辊系外，近代新研制设计了不少性能更好的辊系。不过它们都是在已有的辊系基础上的改进。如图 2.4 的异辊距辊系，特点就是加大了入口侧的辊距，以减图 2.4 德国 9 辊式异辊距矫直辊系少入口侧各辊的压力，尤其可以减少第 3 辊的断轴事故。同时还追求等强度设计的理想状态。随着矫直力的逐渐减小，出口侧逐步也减小了辊距尺寸。它由于空矫区（不黄河科技学院毕业设计（论文） 第 10 页 产生矫直弯矩的区间）比较短，可以明显的减轻补矫工作。即用缩短两端辊间距的办法使工件头尾经历正负两次短距离的反弯，可以使空矫区成倍缩短。空矫区的缩短将会使矫直质量提高及补矫工作减轻。同时各辊矫直力也有了很大的改善。以上分析比较可以看出，辊系 f 比较适合矫直薄板材，故选择这种辊系。3 主要系统的设计和参数计算3.1 主传动系统设计及参数计算3.1.1 结构参数1、辊数选择辊数的原则是在保证矫直质量的前提下，使辊数尽量少。对于薄板矫直机，由于 b/h 比值很大，原始弯曲曲率较大，以及瓢曲和浪形的二维形状缺陷严重，应减小辊距以增加板材的弹塑性弯曲变形，但由于辊距不能选的过小，故要增加辊数。为此需计算矫直机最大负荷特性 ：XW（3.1）2maxhbS：钢板屈服极限， ；SMP：钢板最大宽度， ；maxb：钢板最大厚度 。h设计任务要求，矫直机典型钢种为 ，其 ，另外钢板规格为235QSa235，取 ； ，取 。故 mb90axb10.1mhax。MNWX 6402.2356由文献2,11-3 可知辊数取 13。又根据经验数据知辊数取 11 即可。2、辊径、辊距与辊长（1）由文献1,2-13可知，矫直最佳区域中，单位厚度辊径值满足：（3.2）SHSd/9270/176因为 ，故 ；又因为 ， ，故SMPa23545.348.DHm5.1。所以可以取辊径 。支撑辊辊径应取大一些，取为 。6.164.0DD0使用滚动轴承时，由于轴承外径较大，轴颈尺寸不能过大，近似地选择。另外，只要条件允许，辊颈直径和辊身的过渡圆角均应选大一些。黄河科技学院毕业设计（论文） 第 11 页 （3.3）Dd)5.04(（3.4）l32根据（3.3） ， （3.4）可以确定工作辊辊颈直径 和辊m401.0.11 颈长度 。ml1045.21（2）辊距（3.5）Dp其中， ， 为辊子最大直径。2.1D所以， 。mp96.356由文献2,11-3,因为 ，所以，辊距 比较合适。MNWX40mp160下面根据以往经验数据及已有变辊距矫直机做参考，确定各处辊距如图 3.1 所示：图 3.1 本矫直辊系各辊距大小（3）辊长（3.6）maxbL时， ；mb10axa205时， 。3由（3.6）可得，辊长 。bL10max3、支撑辊前面已经确定支撑辊直径为 。下面确定支撑辊的布置方式和相关尺寸：10由于上面所设置的辊距较小，同时工作辊辊径与辊身比值处于中间，既不大黄河科技学院毕业设计（论文） 第 12 页 也不小，故这里考虑采用垂直布置方案。为了调整工作辊的挠度，有效地消除板带的局部瓢曲或单、双边浪形。这里采用多段支撑辊矫直方案。其各段支撑辊可以单独调整压下，沿工作辊长度方向可使带材产生不同的变形，以消除板带边缘或中部的板形缺陷。具体布置形式如图 3.2：图 1消除双边浪形 图 2消除中间瓢曲 图 3消除单边浪形图 3.2 支撑辊布置图与工作辊一样，我们可以得到支撑辊辊颈直径为和辊颈长度 。mDd40.04.22 mdl 6045.1.22 3.1.2 力能参数1、确定压弯量并计算矫直力（1）压弯量前面已经确定压弯方案选择线性递减压弯方案，现首先确定入口及出口处的压弯量：已知矫直机为 类型。工件尺寸为 ，代表钢种170/91 5.190hb为 ，其 ，取 。235QMPaS235MPaE2该方案中规定变形大致范围为 。 包含 和 ，工件通过第二辊后，5C0CW方向趋同，但是 中包含最大和最小的弯曲状态，而最小的 ，要使这个0C0 0在反弯之后也获得一种与其他 相差不多的弹复能力，就必须采用加大的0。由于 ，故取 。假设钢板原始的弯曲最大max2W48.1max96.248.1W为 ，则第二辊后的弹复曲率比为50 49.16.7/5.1/50222 CMCf黄河科技学院毕业设计（论文） 第 13 页 其残留曲率比为 47.19.622fWC这个 ，需用弹塑性挠度计算法。由文献2,1-165知12（3.7）22CfW其中 ，49./5.022f，30.1)6/()18( 24234 CCC所以 。7.22fW。89.09 EHlst出口压弯挠度 ，所以，入口压弯量为 ，出口为3.10tW 78.12W。64.10t由于辊数为 11，那么上辊组的倾斜度为： 0287.)4.129/()3.08.(4)2/(/2tan pntW所以 。196.087.rcta由 ， ， ， 得表 3.1 如下：124107.tatiWi表 3.1 各辊子压弯量78.2 9.25913 483W4. .5 15.6 7.6017 W8. 38.9 1964.10 0.图 3.3 为第 2 到第 10 辊每个辊子的压弯量，从这个图中明显地看出压下方式为线性递减压下：黄河科技学院毕业设计（论文） 第 14 页 图 3.3 线性递减压下（2）矫直力查文献2,3-14得：1,9.1,38.,56.1 ,78.1,.2342790652 WWWW WCC根据公式（3.8）StBHM62（3.9）2)5.01(Wii C得各个辊子处的弯矩为： mNMmNMN 310 398736 354332. ,108.2,. ,4.,105102.按连续梁的三弯矩方程式 计算后（其中 前面tiiii MpF)2(11 t已经给出计算式子）写出矫直力为： KNFKNFKN 9.36,.16,4.163,0.173,9.17 ,7.1825509532 182 2、轴承压力矫直辊所承受的矫直力直接作用于轴承上。机架结构采用简支式结构。如图 3.4 所黄河科技学院毕业设计（论文） 第 15 页 示为辊子轴承受力分析图：图 3.4 矫直辊轴承受力图那么 FbaFbaFba轴承受力总和为 。取 ，那么各个辊子两端的轴承受力大小可以计算ba如下： KNFKNFKNFKNF babababa baba 45.18,15.8,7.81,5.86 946917 7.69,5.4,2. 10198 654 321 所以 。ba.403、矫直辊转矩矫直辊在矫直力作用下所需克服的阻力包括轴承摩擦阻力、辊面与工件间的滚动摩擦阻力及工件的塑性变形阻力。下面分别求这两个力：（1）轴承摩擦阻力前面已经确定机架结构为简支结构，那么根据下面公式即可求得该摩擦阻力：（3.10）2)(FdfTm其中 为工件与辊面的滚动摩擦系数，板材为 ；高温板材为f 04.；08.为轴承摩擦系数，尼龙轴承 ；青铜轴承 ；滚动轴03.2.05.3.承 。1.5.为轴颈直径。d黄河科技学院毕业设计（论文） 第 16 页 所以， 。mNTm 6.14086.1408)2508.0.( 33（2）工件塑性变形阻力：（3.11）1212nJinJij uRT其中 是第 辊处的转矩， 是第 辊处的矫直变形能。JiJi这里 ，其中 可由下式子计算：)3(143)1( 22iiiti t。mNmNBHSt /75.43/0)06(5.046 62 将 代替 代入 得WCC1,84.0,725.,641.0 ,562338097 52 从而根据上面给出的公式求得每个辊子处的矫直变形能为0/58.19/43.8642JJJmN mNJJ/6.5213/7.8499753进而求得工件塑性变形阻力为。TJ 18.304).32.1598.(45.（3）总转矩上面两个阻力求出之后，相加即得总转矩。mNJm 8.172.3046.184、 矫直功率为了使矫直机适应生产线，速度取生产线速度 。又因为有支撑辊，矫smv/25.1直机传动系统效率可取为 。那么计算到电机处的驱动功率为72.0。kWRTvN.64518.73.2 液压压下系统设计及计算3.2.1 电液伺服系统简介电液伺服系统除了具有液压系统固有的特点之外，还有自身明显的特点，这种系统动作灵敏，频带宽，控制精度高，但是价格昂贵，抗污染性较差，效率低。该系统黄河科技学院毕业设计（论文） 第 17 页 中最重要的元件是电液伺服阀。电液伺服系统一般由以下几个部分组成：指令元件，控制放大器，电液伺服阀，液压缸或者液压马达，被控对象和检测元件。由图 3.5 可以看出，该系统是一个闭环控制系统。图 3.5 电液伺服系统的基本组成3.2.2 液压压下系统的组成平行多辊矫直机的发展历史较长，辊系结构形式很多。线性递减压下的板材矫直机的辊系结构是所有上辊都固定在上辊驱动平板上或者上辊连接装置上，通过控制驱动平板来控制压下量。其结构如图 3.6 所示图 3.6 线性递减法辊系结构从上图可以看出，整个系统主要部件就是上下排辊。上下辊缝要可调，且排辊自身要转动。液压压下系统的整体结构由空间分立的三个部分组成：以 PLC 为核心的电气控制柜、以泵和阀为主体的液压柜、以液压缸、马达和上下排辊为主体的机械结构。电气柜有电源、电气保护元件、PLC、放大器（6 个伺服阀放大器） ，面板（配置触摸屏、开关、按扭、指示灯）等；液压柜下部为油箱，上部为泵组和阀组；机械部分的上部安装液压缸（缸体上有压力传感器） ，六个位移传感器安装在上下两部分之间。3.2.3 液压控制系统工作原理由于本人对液压系统了解程度不够，这里只对液压压下系统进行原理上的介绍，黄河科技学院毕业设计（论文） 第 18 页 并对部分液压元件进行设计计算。该系统是决定板材矫直效果的关键部分，采用闭环控制。如图 3.7图 3.7 液压控制系统原理图系统采用三位四通 O 型电液伺服阀控制液压缸的一端。伺服阀对液压缸下腔供油，下腔压力增大，上矫直辊驱动平板下移，辊缝减小；伺服阀卸荷，液压缸下腔压力减小，平板上移，辊缝增大。位移传感器检测到平板的位移信号的变化，可以反馈给系统，通过对伺服阀的控制来调节输入到液压缸下腔的压力油的流量，最终使辊缝维持在恒定值。液压缸上腔的压力由背压阀提供，可以认为是一个常数。大流量泵对液压缸下腔供油，小流量泵对液压缸上腔供油。由于支撑辊有三排，故设置 6 个液压缸来控制，每排有 2 个液压缸来控制其压下量。而每个液压缸分别由一个独立的伺服阀控制。这样就能够满足矫直机对钢板中心浪形和边浪的平整。工作参数设定在触摸屏上，从而实现平板压下量的设定，进行精确矫直。电气控制部分是以带触摸屏的 PLC 为核心的自动化控制设备，有良好的人机界面。如图 3.8所示机器启动后，首先在触摸屏上将上下辊缝及辊子轴向下的压下量设定。矫直过程中的辊缝和速度等参数可以在显示屏上显示出来，当出现错误时，指示灯报警，同时系统控制压下油缸卸荷，以松开辊子。黄河科技学院毕业设计（论文） 第 19 页 图 3.8 电气控制原理位置控制系统是一个闭环控制系统，通过直线位移传感器实时检测每个液压缸对应位置的上下排辊的间距，位置量转化成电流，输入 PLC 的 A/D 模块，经过比较分析，PLC 计算出控制量，经 D/A 模块输出控制电压，经放大器放大后转化成电流，输入到比例控制阀，控制其流量，从而改变压下量。PLC、触摸屏、旋转编码器、位移传感器等可以进行适当选择。3.2.4 液压压下系统部分参数计算1、液压缸每个驱动平板由两个液压缸来控制其压下量，为分析方便，将其分成两部分，忽略彼此之间的耦合。和液压缸相连的驱动平板的二分之一部分的受力如下 3.9：图 3.9 缸体受力情况平衡方程：（3.12）LFAPmg21为作用在平板上的外负载； 为平板和与缸体固定的管道总质量 的一半。LF M黄河科技学院毕业设计（论文） 第 20 页 （1）系统供油压力 ：考虑到液压元件及伺服阀的额定压力系列，并考虑到可靠SP性与维护，取 MaS28（2）负载压力 ：为保证伺服阀阀口上有足够的压降，以确保其控制能力，取LPaL3（3）压下缸行程 ：根据板坯厚度、成品厚度及故障状态的过钢要求等，确定SmS45（4）液压缸背压 ：取rMPar5.0（5）上、下腔面积 和Ac由公式（3.12）得，压下力 。mgAFrLc令面积比 得， 。rc/)/()(LcPg由于 （其中 2 为载荷系数） ，并取 得kNmkFL 20,5.4692 4。210.Ac从而得缸体直径为 ，参考液压缸直径标准系列，选取D31.8。D36令 ，那么 ，同样选取/2d md332 107.6/206。m3210从而 ， 。.19.4/19.0/ 4rcA MPaL.22、伺服阀参数的确定（1）负载流量由压下速度 ，可求出伺服阀的负载流量sv/1.0。min/576.120in/1076.25min)/(6343 LmAqccVL （2）伺服阀的选择及其参数选用莫格（MOOG）D791 系列伺服阀，主要参数如下：额定流量 （单边 ） 。in/160LqVNMPap5.3额定供油压力 。MPa5.3滞环 。%.分辨率 。20（3）伺服阀的工作流量黄河科技学院毕业设计（论文） 第 21 页 阀口实际压降 （3.13）TLSpPp1式中 ，液压站至管路总压降 ，伺服阀油油管路压降MPaS28 Ma5.0，额定负载压力 。pT3.0aL6.2将这些参数代入上面的式子中，得 。p.4于是伺服阀的工作流量：min/3.18in/5.3610LpqNVNL （4）实际压下速度的校验由 ，可得实际压下速度249.2min,/3.18AcVL 。sqvc /10/5.可满足静态要求。3、液压泵的选择可选择一种压力补偿型变量叶片泵，它可根据外负载（泵出口压力）的大小自动调节泵的排量。其设计特点是：零件少、可靠性高、容积效率和总效率高、耐久度好。4、液压缸间的同步控制策略为了得到满意的矫直效果，必须控制上下排辊的平行度，也就是控制液压缸之间的同步度。由于控制出口端或者入口端的三个液压缸分别由各自的伺服阀控制，因此，这三个缸之间的同步误差必须控制在一定范围内。经过参阅有关资料，选择主/辅控制单边校正方案的串联结构。其方案如图 3.10黄河科技学院毕业设计（论文） 第 22 页 图 3.10 串联结构因为电液伺服阀输入正电压时，液压缸下移，辊缝变小，所以在加法器中对同步误差反馈部分的叠加应该是减号。这种结构以主缸为基础，通过调整辅缸来使三者之间同步。主缸以理想位移为输入信号，辅缸以主缸的实际位移输出为输入信号，也就是辅缸来跟踪主缸，辅缸与主缸之间的时间位置偏差反馈给辅缸，调整后使二者同步。3.3 矫直辊及其轴承的选择和强度校核3.3.1 辊子材料选择1、为了保证矫直辊有足够的耐磨性、表面硬度和使用寿命，尽量不要用含Mn的材料，因为，Mn和Fe所形成的碳化物，质点太硬，形成麻点。另外工作辊的硬度都应达到Hs=70以上。2、工作辊和支承辊的硬度差不能太小，否则，支承轴对工作辊表面产生磨损，从而直接影响钢板的表面质量。从表四可看出硬度差为Hs=10较为合适。3、工作辊硬化层深度为10mm为最佳。另外，影响淬硬性和淬透性的主要元素是 C、Cr、Mo、Ni。C 含量降低使得其淬火时不易发生开裂；Cr 含量的提高可以增大材料的耐磨性；适量加入 Mo，可以提高淬透性和辊子的淬硬层厚度；Ni 可以提高淬透性，但是会增大回火脆性。另外，加入适量的 V，可以细化晶粒，形成少量的含 V 的碳化物，提高耐磨性和回火稳定性。黄河科技学院毕业设计（论文） 第 23 页 综合分析以上的因素，最终确定选择工作辊和支撑辊均选择 35CrMoV。要求其经过表面淬火后的表面硬度为 ,支撑辊为 。其余部位的调质硬度为65Hs5Hs。经查询参考文献6，得到 35CrMoV 的组成情况为：C HBs2804，Mn ,Cr ,Mo ,V ；%3. 70.4. %30.1. 30.2. %20.1.力学性能为： MPaaSb918选择完材料后，应对其进行热处理，其大致工艺如下：（1）预先热处理等温球化退火：消除锻造应力、细化晶粒、降低硬度、便于机械加工等。（2）调质处理：改善心部组织，保证心部有良好的综合机械性能，为最终表面淬火做好组织和性能准备。（3）辊身表面感应加热淬火：随着感应器间隙的增大，硬化层深度增加；随着感应器移动速度的加快，硬化层的深度减小。故要适当调节间隙和深度。保证表面硬度。然后进行低于回火温度的除应力回火。3.3.2 辊子强度校核前面已确定工作辊直径为 ，长度为 1700，支撑辊直径为 。使用滚动轴承9010时，由于轴承外径较大，轴颈尺寸不能过大，近似地选择。另外。只要条件允许，轴径直径和轴身的过度圆角均应选大一些。根据公式（3.3） ， （3.4）得工作辊： ， ，mDd4590.5.011 ml5.1245.21r1支撑辊： ， ，22 021、弯曲强度对支撑辊来说，只需计算辊身中部和辊径断面的弯曲应力，其弯曲力矩和应力分布如下图 3.11：黄河科技学院毕业设计（论文） 第 24 页 图 3.11 支撑辊弯曲力矩和应力分布图由于第 2 辊弯矩最大、第 8 辊的轧制力最大，故验证该辊对应的支撑辊的强度。在辊径断面 11 和 22 断面上的弯曲应力均应满足强度条件，即：（3.14）bRdPC).0(311 bRdPC)2.0(32轧制压力； ， 该处的断面直径； 断面 1-1 和 2-2 到支反力 处Pd2 1, 2P的距离； 许用弯曲应力。bR（1）第二辊：现已知： ， ，N310.97md401 mCd30,20,60212 。MPab26那么， ；MPa5).(. 3331 。4.670210972 辊身中部 3-3 断面处弯矩最大， 。那么，N36.。ad 5.2)1.4(.3332 （2）第 8 辊： 其余参数一样。,107P；MP3.70).02(3331 ；162。adM8.2).4(1.383 材料 的弯曲疲劳极限 ，取安全系数CroV5 Sb571黄河科技学院毕业设计（论文） 第 25 页 S=1.8，那么 。MPaS5.3011很明显上述弯曲应力都小于极限弯曲应力，故合适。对于工作辊，其扭转应力 （3.15）kW最大转动力矩， 扭转断面系数。另外，还要考虑应力集中系数 ，KMKW5.2K故（3.16）kMK对于第二辊， 。由于有弯辊装置，还要考虑弯曲Pad16.907.185.23应力， 。按第四强度理论： 。MPa63 89.3012MPa总同样第 8 辊， ，也适合。5.212 总2、接触强度参照文献5，311得，平均载荷 。mNq2.9)3.0(7mREb4 93212106. )045(1645.0.95)(. 。MPabq 7.12.(.1967.3 )43ax 均布载荷， 辊子半径， 弹性摸量， 接触区宽度。q21,REb由文献5,313得 。MPa7.40.maxmax查文献5,38得许用接触应力 ，取安全系数,5a675，那么， 。8.3S SS.1,1.592 经验证，接触强度满足要求。3.3.3 轴承的选择及寿命验证工作条件：由于矫直辊径向载荷大，轴向载荷很小，同时，轴有弯曲变形，工作的轴速也不是很高，故选用调心滚子轴承。我国北方轴承研究所研制的一种“密集型轴承” ，其额定载荷是现有传统轴承的两倍以上，故可选用。又已知其工作温度 600C左右，根据文献9，133，初选轴承使用寿命 。hLh120黄河科技学院毕业设计（论文） 第 26 页 1、支撑辊轴承 ，转速 ，KNFmdbar865,408最 大 min240)1.(25. rsdvn运转条件正常，可靠度为 90%。（1）径向当量动载荷轴向力很小，可以略去不计。故 ， 为动KNFfPrpr 8.1035.862.1pf载荷系数。（2）计算基本额定动载荷（3.17）3610htnLfC其中， ， ， ， 。 KNPr8.103mi240rn260.13tf那么， 。KNC9.48)16(1036按轴承样本或设计手册选择尺寸为“ ”的密封型轴承，其基本额定载荷约为同类型轴承（22308TN1/W33）的两倍。即 ，KNr2961480， 。选择上述密集型轴承 2 个进行并Cr23 KNfPpr 8.1035.8列，那么 。r.5（3）寿命。hCfnLth 1493206)9.5120(1)(*601 306 满足要求。（4）静载荷（3.18）rPS0为静强度系数，取 ，径向当量载荷 。0S2.10SKNr5.86由（3.18）得， 。KNC29.13586满足要求。2、工作辊由于工作辊基本不承受矫直力，故可以按轴承的静强度进行选择。，由（3.18）得，KNFPr5.860。KNSC8.103.210查表或手册，选取尺寸为“ ”的密集型轴承，其性能相当于同类型54