钢管穿孔机主传动设计说明书.doc

内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书题 目：钢管穿孔机主传动设计学生姓名：学 号：专 业班 级：指导教师钢管穿孔机主传动设计摘 要本次设计是热轧无缝钢管的穿孔机部分的主传动，并且在设计过程中介绍了穿孔机的各个部分的组成设备以及各个设备的功用，设计过程不仅是一个计算的过程，也是对穿孔机主传动部分的进一步的了解以及能对其某些部分提出一些改进。该设计说明书对穿孔机的发展情况也作了一定的介绍，通过对包钢mm自动轧管机组的了解，对穿孔机传动部分进行设计计算以及说明。设计说明书配以各部分的图纸，说明书中的名词术语，各种计量单位及其符号均是按国家标准书写。关键词：热轧无缝钢管；穿孔机；主传动；mm自动轧管机组本文由闰土服务机械外文文献翻译成品淘宝店整理The design of transmission of tube piercing millAbstractThis design is the main transmission of piercing mill part from Hot-rolled seamless stell tube composed the piercing mills equipment of each part and functions of each equipment have introduced in the process of design. The process of design is not only the calculate process, but also the further understand for the main transmission of piercing mill and rise some process for some part of it.The design instruction also introduced the development of piercing mill. Design calculate and instruct the main transmission of piercing mill through the understand of mm plug pipe plant from Baogang company.The design instruction matched with instruction of each part ,terms in instruction book measure and symols all written followed as country standard.Key words: Hot-rolled seamless steel tube; piercing mill; main transmission; mm plug pipe plant 目 录摘 要IAbstractII第一章 概述11.1 穿孔机组的产生及其发展11.2 穿孔区的工艺流程21.3 穿孔区的主要设备及其功能4 1.3.1 环形炉到穿孔机的设备及功能4 1.3.2 穿孔机的设备及功能5第二章 简要介绍无缝钢管的生产流程10第三章 传动部分的设计计算及其参数选择123.1 传动方案的选择123.2 斜轧穿孔过程咬入条件的计算133.2.1 确定轧辊的空间位置143.2.2 速度分解图163.2.3 第一次咬入条件193.2.4 第二次咬入条件223.2.5 改善咬入条件的措施253.3 菌式穿孔机的变形过程253.4 工艺参数的计算26 3.4.1 轧辊与轧件的接触面积及轧辊轧制力的计算27 3.4.2 轧辊轧制力的位置及轧制力矩33第四章 电动机和减速器的选用374.1 电动机的选择用374.2 减速器的选择用38第五章 轴的设计及其校核395.1 选择轴的材料395.2 初步估算轴径395.3 轴的强度校核40第六章 联轴器的选用446.1 电机与减速机之间联轴器的选用446.2 减速器与主传动周之间联轴器的选用44第七章 轧辊457.1 材料选择457.2 强度校核45第八章 穿孔机工艺及质量事故原因分析478.1 穿孔机工艺事故原因分析478.2 穿孔机质量检查及分析498.2.1 毛管的几何尺寸498.2.2 毛管内外表面质量50参考文献53附录54致谢55第一章 概述1.1穿孔机组的产生及其发展1884年发明用两辊斜轧穿孔法生产无缝钢管，1892年发明用冲孔法生产毛管，近来又发明了用推轧穿孔法来生产毛管，但至今斜轧穿孔法在无缝钢管中仍占有最大的比重。早在1884年德国曼内斯曼两兄弟在在锻造圆断面钢料实践活动中，常发现在圆形钢料中心出现破裂，形成不规则的内孔，即现在通称的孔腔，通过这一重要现象的发现，为用斜轧法生产无缝钢管奠定了基础。在1886年正式试验时，实验未能成功而使生产的钢管不能应用而成为废料，后来在不断的实践和摸索中，采用了加顶头的斜轧穿孔，从而获得了薄壁的毛管。如今，穿孔的方法有了许多种，如推轧穿孔，压力穿孔，斜轧穿孔等，而斜轧穿孔又分为菌式穿孔，盘式穿孔，曼式穿孔等机型。较长时间以来，曼式穿孔机一直获得了最广泛的应用，但是，随着对曼式穿孔机的认识不断深入，为克服曼式穿孔机存在着曼内斯曼效应，改善毛管质量，人们通过不断的研究总结发明了大导盘（盘式）穿孔机和锥形棍（菌式）穿孔机并且已经在实践中投入使用。盘式穿孔机把原来水平并列布置得穿孔机轧辊改为上下垂直布置，同时用一对水平放置的大导盘代替导板，导盘由液压马达驱动，这样对管坯施加一个前进力，也同样可以减少顶头前形成孔腔，改善毛管质量等。而菌式穿孔机轧辊呈锥形，锥形辊的直径沿穿孔变形区逐渐增大，从而有利于变形区中轧辊与轧件的速度能较好的匹配，减少变形区中金属的堆积，促进延伸，提高穿孔率和可穿性；同时减少扭转变形和横向剪切变形，从而减少内外表面缺陷发生的机率。所以，这两种穿孔机被普遍的应用到了实践当中。1758年瑞士人提出了连轧管工艺芯棒限动的设想，经过计算，实验并且获得了专利。限动芯棒连轧管机的工艺特点是在轧制时控制控制芯棒的运行速度，在整个轧制过程中，芯棒以低于第一架轧机出口速度的恒定速度前进。由于芯棒速度限动，恒定，从而缩短了芯棒工作段长度，可以生产大，中口径无缝钢管，并由于工艺条件稳定，避免了浮动芯棒轧制时出现的轧件头尾壁厚布均匀，由于脱棒比较容易，可采用圆孔型，减少了横向金属流动，提高了壁厚尺寸精度。为了适应八十年代后期世界无缝钢管市场需求的变化，意大利公司又开发了限动芯棒连轧管机组第四代轧机：机组，该机组也叫做少机架限动芯棒连轧管机组，它保留了传统的轧机组有点，还具有产量适中，节省占地面积和投资的特点，可较经济的生产各种规格且品种比较优质的无缝钢管。1.2 穿孔区的工艺流程穿孔机是生产无缝钢管的重要的一个环节，穿孔区的工艺流程如图1-1所示图1-1图1-1中 1环形炉 2装料机 3出料机 4运输链 5剔除架台 6辊道 7穿孔机 8穿孔机后台 9顶杆上线台架 10穿孔机后台 11顶杆下线台架 12抗氧化站 13运输链 14剔除架台 15穿孔机前台 16推料机简述穿孔区的工艺流程为：由环形环形炉加热到1280摄氏度的管坯经出料机夹出，并且放在出料台架上，通过横移推料装置和拔料器送到链式移送机，由翻料钩将管坯送到辊道上，在辊道的端部，管坯由挡板定位。当轧机出现故障影响正常轧制时，须将管坯剔除到台架上。正常轧制时，经拔料器拔到缓冲接料器进入穿孔机前台的受料槽，由推料机推动管坯经入口导管送入穿孔机的孔型（轧辊，导板，顶头构成）进行穿孔。后台设有七架定心辊（包括机内定心辊）和六组升降辊道，最末一组是惰辊，其余都为传动辊，而且第二组是夹送辊，用于紧急情况下抽出毛管。定心辊先用来保证顶杆中心线与轧制中心线一致，在随后的轧制过程中为毛管导向（除机内定心辊外）。后台设有顶杆小车以及小车的锁紧机构，顶杆的预旋转机构和两组升降辊道（惰辊）。依靠锁紧机构把小车锁紧进行轧制，轧制结束后将顶杆从毛管中抽出。顶杆的预旋转机构在管坯进入入口导管时，开始预旋转，当轧机咬钢后，停止旋转，减少管坯的旋转力矩，自动对中管坯的中心，提高毛管的质量。当毛管前端伸出穿孔机到达第二架定心辊前时，第二架定心辊打开（小打开），到达第三架定心辊前时，第三架定心辊打开，依次类推。当轧制结束，升降辊道升起到达支持毛管位置，小车带动顶杆快速返回并且在升降辊道的帮助下，依靠挡叉使毛管脱离顶杆。此时，定心辊上辊大打开，由回转臂运输毛管到达抗氧化站。从毛管中脱出的顶头和顶杆进行在线人工检查，如果发现顶头和顶杆有缺陷，应剔除到下料台架，同时，从上料台架上线一根带有顶头的顶杆。而顶头和顶杆正常的情况下进行下一根管坯的轧制。到达抗氧化站的毛管首先进行吹氮气，清除管内的氧化铁皮，随后喷吹硼砂（以氮气作载体）去除管内的氧化物，并且减少氧化物的形成，以及对下一步工序轧制起到润滑作用。然后，通过运输链毛管到达下一轧制阶段的预穿线。1.3 穿孔区的主要设备及其功能 1.3.1环形炉到穿孔机的设备及功能.1、横移推料装置由液压缸驱动，电磁阀控制，用于横向推动放在台架上的管坯，并且拔正，然后靠在链式运输机的拔料器上。2、拔料装置由液压缸驱动，比例阀控制，实现快慢速度向前和向后运动，用于将管坯翻至链式移送机的入口处鞍座上。3、链式移送机由一台电机驱动，通过链子上的两个鞍座将管坯运输到翻料钩。如图1-2所示其中 主电机的功率110KW，转速1000PRM，减速比，链式直径。图1-24、.翻料钩由液压缸驱动，电磁阀控制，用于将管坯从链式移送机出口翻到辊道上。 5、.辊道由电机驱动，从链式移送机的出口运输管坯到穿孔机入口侧。 6、.挡板是用于管坯的定位的。 7、.剔除台架用于后部工序出现故障时，剔除管坯。1.3.2穿孔机的设备及功能穿孔机由主传动，工作机座，前台和后台四部分组成。1、.主传动装置主传动装置包括电机，齿轮联轴节，减速齿轮机座，主轴联杆装置，主轴支持装置摆动装置。其中主传动装置的作用是由电机带动减速机，经主轴联杆装置带动轧辊同方向转动，电机为两两串联装配，带动每个主轴联杆，每台电机的功率是1700KW，转速；齿轮联轴节用来将电机传来的扭转力矩传给减速机。减速机是由一个主动小齿轮和一个被动大齿轮啮合组成，其作用是将齿轮联轴节传来的扭矩经减速增大后传给主轴联杆，减速比为6.6：1，联杆的作用是是将减速机传来的扭转力矩传给工作辊；主轴支持装置由液压缸驱动，驱动阀控制，用于支持主轴联杆；摆动装置由液压缸驱动，电磁阀控制，用于换辊时，主轴联杆和轧辊轴承箱的接手分离和啮合。2、.前台，穿孔机前台的主要作用是接受从环形炉来的管坯，使其顺利进入穿孔机，同时在紧急事故下剔除轧件。前台由缓冲装置，推料机，受料槽，入口导板，剔除台架组成，其中，缓冲装置是由两个液压缸驱动的杠杆系统构成，每个液压缸带动带两个瓜，用于管坯平稳的翻到受料槽或者用于紧急事故下轧件的剔出。根据管坯的长度来选择 液压缸的动作（液压缸靠近机架），当管坯长时，液压缸工作，管坯长时， 液压缸都参与工作。具体如图1-3所示。图1-3受料槽用于支撑和导向管坯进入穿孔机，由液压缸锁紧到底座上，入口导管用于导向管坯进入穿孔机，由液压缸锁紧到机架上。推料机由液压缸和推料头组成，二者之间由销轴连接，液压缸带动推料头往复运动，剔除台架在紧急事故下，剔除轧件到台架上。3、工作机座是穿孔机的主要工作部分，管坯在机座内进行轧制，变成毛管。工作机架由机架，轧辊，轧辊箱，轧辊调整机构，转鼓调整机构，导板调整机构，三辊机内定心辊等组成；其中机架是由铸钢件组成，用于存放轧辊箱，导板，转鼓的调整，锁紧机构，轧辊箱由轧辊，带轴承的轴承座及箱体组成，用于安装轧辊以及轧辊的传动。该机组穿孔机轧辊上下布置，各有一套调整机构，上下调整机构各由一台液压马达驱动，经过减速机带动丝杠实现轧辊的调整，并由液压缸锁紧；通过上下转鼓角度的调整，可以得到要求的各种轧制角度（送进角），转鼓角度定位由液压马达驱动，经过减速机带动千斤顶完成，并且由液压缸侧面锁紧，液压缸与轧制线呈45度角，二者互成90度，通过液压缸使转鼓顶在千斤顶上来消除间隙；导板调整机构是将导板安装在支持器上，布置于轧制线的左右两侧，每一侧都有两个导板支持器，一个位于轧制工位上，另一个在背面，并装好导板备用，更换导板时，由液压缸拉出，旋转180度进入轧制工位，导板调整由液压马达驱动，经减速机带动千斤顶完成，并由两个液压缸侧向锁紧和两个液压缸横向锁紧导板；三辊机内定心辊位于机架内，毛管到达时打开，保证轧制开始时顶头和顶杆的最大刚性。不控制毛管，仅有两个位置，抱住顶杆和完全打开，一个液压缸组成的连杆机构来实现这个动作；定心辊在换辊时，必须倾斜到上位，由两个液压缸加一个连杆机构实现这个动作；机内定心辊由两个液压缸与压块锁紧。4、后台后台段定心辊：用于支撑顶杆，毛管导向，限制毛管和顶杆的径向振动，保证穿出的毛管壁厚的均匀性。共有6组，分布于后台段，两个液压缸组成的连杆机构使三个辊子达到抱紧顶杆和控制毛管导向。径向调整（开口度）由一套电机带动减速机经过6个千斤顶来实现。升降辊：用于输送顶杆和毛管，共有7组。第7组辊道属于惰辊，第2组辊道属于夹送辊，而且它的上辊由液压缸控制升起，下降，但不传动，便于将毛管从轧机中抽出。传动装置：由电机带动减速机经万向接轴完成；调整机构：由两套电机驱动减速机（二个）经千斤顶完成，一个动作托顶杆，另一个动作托毛管；升降调整：由两个液压缸组成连杆机构实现升降动作。回转臂：由一台电机驱动，用于把毛管从穿孔机出口辊道送到链式移送机的两个鞍座上。链式移送机：输送到鞍座上的毛管，首先进行吹氮气和硼砂，然后，运输到预穿线，具体结构如图1-4所示：图1-4主电机功率，转速，减速比，链轮直径。挡叉机构：用于顶杆从毛管中抽出。由两套碟簧装置，二个液压缓冲器和一个可摆动的挡叉臂构成。后台段 顶头冷却箱，一个在线，一个离线，用于顶头冷却，在线冷却箱可以左右打开，而离线冷却箱可以前后翻转。 顶杆支持辊：中间一个，靠近冷却箱一个，高度调整：由电机传动减速机带动千斤顶来完成，气缸组成的连杆来实现中间辊的升降。为了防止顶杆小车撞击中间支持辊而损坏设备，有一套机械保险机构，该机构由齿轮箱，连接长轴，凸轮（动力来源于卷筒）组成。 顶杆小车：小车的定位通过锁舌的位置调整来实现（也就是顶杆为之调整），由电机驱动减速机带动千斤顶来完成；间隙消除由一个液压缸来实现，锁舌通过气缸上，下运动。顶杆下车的轨道有12个行走轮和12个导向轮，通过钢丝绳由直流电机传动的卷筒驱动装置来实现纵向运动；顶杆锁紧由两套碟簧机构组成，紧急情况或顶杆更换时，由两个液压缸组成的锁紧打开机构来实现。顶杆小车的预旋转机构由液压马达作为动力源，液压缸带动连杆其啮合作用，气缸其制动作用来完成。钢绳张紧机构有两套碟簧与千斤顶组成的机构来实现。第二章 简要介绍无缝钢管的生产流程图2-1穿孔是无缝钢管生产流程过程中重要的一部分，所以要知道无缝钢管的生产流程也是必要的一部分，该生产过程的流程是首先连铸管坯通过管坯锯加工成规定长度，送入环形加热炉进行管坯加热，加热以后的管坯再经穿孔机初次穿孔得到毛管，穿孔后的毛管进入连轧机进行轧制，轧制结束后钢管尾部离开轧机末架支架后，芯棒停止运动钢管进入脱管机并继续前进，最终与芯棒完全脱离，之后芯棒限动系统松开芯棒，芯棒通过脱管机在其后台拔出轧制线并进入芯棒循环系统。此时钢管通过再加热炉，到达下一道工序即定张减区域进行扩径，减径处理，处理完的钢管送到链式冷床冷却，冷却以后进入到管排锯区以得到需要尺寸并进行切头去尾，得到精确尺寸的钢管达到矫直机进行矫直，矫直完以后将钢管倒棱，探伤以后分三部分，分别进行水压试验和热处理以及管端加厚，这个过程最重要的部分是钢管的热处理，热处理过程是一个极其重要的环节，它可以进一步提高钢管的各种力学性能，以便提升钢管的价值，通过热处理以后给以一定的称重以及打标记，最后就可以包装发运投入正常的各种使用了。该过程的流程示意图如图2-1所示第三章 传动部分的设计计算及其参数选择3.1传动方案的选择如图3-1所示为穿孔机主传动部分的两套传动方案，第一套传动方案是电机串联，通过联轴器，从而实现传动；第二套方案是电机并联排列，实现传动。图3-1选择传动方案时应考虑的问题1 大功率、高强度、长期工作的工况，宜用齿轮传动。2 低速、大传动比、可用单级蜗杆传动和多级 齿轮传动，也可采用带齿轮传动；带齿轮链传动，但带宜放在高速级，链放在低速级。3 带传动多用于平行轴传动，链只能用于平行轴传动，齿轮可用于各向轴线传动，蜗杆常用于空间垂直交错轴传动。4 带传动可缓冲吸振，同时还有过载保护作用，但因摩擦生电，不宜用于易燃、易爆的场合。5 链传动、闭式齿轮传动和蜗杆传动，可用于高温、潮湿、粉尘、易燃、易爆的场合。6 有自锁要求时宜用螺旋传动或蜗杆传动。7 改变运动形式的机构（连杆、凸轮）应布置在运动系统的末端或低速级。8 一般外廓尺寸较大的传动（如带）和传动能力较低的传动（如锥齿轮），分配给较小的传动比。9 小功率机械易用结构简单、标准化高的传动，如减速器、液压缸、带传动、链传动。3.2斜轧穿孔过程咬入条件的计算斜轧穿孔过程存在两次咬入，第一次是轧件与轧辊接触，由轧辊带动轧件作螺旋运动，而把轧件拽入变形区中，称为一次咬入；当管坯与顶头相遇，管坯在轧辊带动下克服顶头的阻力而继续被拽入变形区时，称为二次咬入。每次咬入都必须管坯在变形区作螺旋运动，既要满足旋转条件，又要满足前进条件。A，旋转条件：即作用在管坯旋转力矩大于或等于阻碍管坯旋转的阻力矩，则有，即B，前进条件：管坯拽入力大于等于其轴向阻力，则式中：管坯旋转力矩； 管坯旋转阻力矩； 推钢机推力，非推力穿孔=0； 轧辊给轧件的摩擦力的轴向分力； 轧辊给轧件的正压力的轴向分力； 顶头阻力，第一次咬入时，=0； 轧辊给轧件的摩擦力的切向分力； 轧辊给轧件的正压力的切向分力由于第二次咬入时有顶头阻力，故第二次咬入是关键，在每次咬入时只有旋转才能前进，但是旋转不一定前进，故前进条件是主要的。穿孔机的两个轧辊是交叉立式布置的，而且在轧制过程中轧辊旋转方向相同，因此轧件做螺旋运动，一边旋转，一边前进。3.2.1确定辊轴的空间位置辊轴上的空间位置由辊轴与坐标中的X，Y，Z轴夹角的方向余弦来表示。直角坐标系OXYZ中，X轴为辊轴的中点（两压下丝杠间的辊轴等分点）到轧制线的最短连线（Z轴相当于转鼓的中心线），ZOY平面垂直于轧制线，是轧机的等分面，如图3-2所示：图3-2由图3-2所示的几何关系推倒出辊轴与X, Y，Z轴夹角的方向余弦 式中：辊轴L与X轴的夹角； 辊轴L与Y轴的夹角； 辊轴L与Z轴的夹角； 辊轴L与ZOX平面的夹角； 轧辊的送进角，取；轧辊的辗轧角，取式中，“-”只表示方向，即3.2.2速度分解图如图3-3所示（+X区轧辊给轧件的速度）图3-3由公式 式中 所以由公式以上公式中： 1、 +X区轧辊给轧件的速度其中 （喉口处的轧辊直径）； （轧辊的转速） 2、毛管的实际出口速度（X截面）3、轧辊转速 故 若忽略即认为=0，则有： 上述公式中：x截面对应的辊径；轧辊转速rpm；x截面轧辊给轧件的轴向速度，； x截面轧辊给轧件的切向速度，； x截面实际轴向速度，； x截面实际切向速度，； x截面的轴向滑移系数（轧制效率）取0.8；x截面的切向滑移系数 取0.754、螺距 在斜轧穿孔过程中，轧件做螺旋运动，每转受轧辊压缩一次，每转前进的距离称为螺距（n为辊数），以表示，即 经数学推导得 若忽略，即认为=0，则 经过上述各个条件的计算便可以对穿孔机咬入条件进行计算证明3.2.3第一次咬入条件管坯旋转条件，即，由图3-4可以确定T的方向图3-4对于咬入断面，近似取其中，咬入断面管坯直径； 管坯直径，； 咬入断面轧辊直径； D喉口处的轧辊直径由图可以知道 由 其中 轧辊与轧件的摩擦系数，取0.15； 管坯直径所以， ，其中 该式中代入已知数据即可得： 然后根据公式 比较和可知前者大于后者 该式为一次咬入旋转条件的表达式一次咬入时，由，代入变换后得该式为一次咬入的前进条件把前进条件与旋转条件联解：即 代入数据可得3.2.4第二次咬入条件第二次咬入时，旋转条件比第一次咬入增加一项顶头和顶杆系统的惯性阻力矩，但该值很小，因此二次咬入的旋转条件可视为与一次咬入的旋转条件基本相同，二次咬入的关键是前进条件。第二次咬入时，满足旋转条件时，极限状态把此值代入计算式，得的最大值：由数学推导而因或代入得：变换得 又因为代入上式是第二次咬入条件的表达式，由公式表明，第二次咬入的条件是：是式的右半部分，它是二次咬入所需顶头前压下率的最小值。如图所示为研究二次咬入的图3-5示图3-5上述各式中：顶头前压下率； 管坯直径； 顶头鼻部半径； 轧辊入口锥等效工作锥角； 轧辊与轧件间的摩擦系数； 管坯于轧辊的直径比，； 轧辊直径； 顶头鼻部对管坯心部金属的轴向平均单位压力； 轧辊与轧件间的平均单位压力3.2.5改善咬入条件的措施1、由一次咬入的表达式可知，增大轧辊当毛管接触间的摩擦系数，采用较小的角，管坯直径与轧辊直径的比值，要小于某值，也就是轧辊直径有一定的大小；穿孔过程中要选择合适的送进角，不能过大，否则易发生不咬入现象。2、由二次咬入的表达式可知，选择适当的顶头位置，使由一次咬入到二次咬入的距离大于一个螺距，保证足够的顶头前压下量，也就是。为此，必要时加大轧辊与管坯间的摩擦系数，增大管坯直径，采用大的送进角进行轧制。所以由上述可以知道，在轧辊入口部分辊面压花，采用合适的送进角，顶杆预旋转，低速咬入高速的轧制方法，都有利于咬入条件的建立。3.3菌式穿孔机的变形过程加热到1280摄氏度的管坯由推料机推进穿孔机的孔型后，首先与轧辊入口锥表面接触，在轧辊摩擦力的作用下实现一次咬入，管坯边旋转边前进，由于轧辊入口锥表面有锥角，使前进的管坯逐渐在直径方向受到压缩，一部分金属横向流动，使其横断面由圆变为椭圆，另一部分金属产生纵向流动，产生延伸。管坯继续前进遇到顶头，实现二次咬入，顶头鼻部正好对准管坯的中心，使中心已经疏松的管坯被穿成孔，随后与导板相遇，导板限制其横向变形，保证椭圆度在一定范围内变化。随后轧件继续前进与顶头的穿孔锥相遇，由于轧辊表面与顶头表面之间的距离逐渐减小，使轧件在旋转前进的同时壁厚受到压缩而减薄，所以管坯毛管在轧辊入口锥的变形是减径和减壁。当轧件进入轧辊出口锥时，在轧辊和顶头穿孔锥的作用下，继续减壁并扩径，毛管横断面仍然呈椭圆形，纵向产生很大的延伸。当减壁后的毛管与顶头辗轧锥相遇时，由于顶头辗轧锥母线与轧辊出口锥母线近似平行，所以毛管进行均壁和扩径，在轧辊的作用下，毛管由椭圆变成圆形，然后毛管与轧辊脱离，变形过程结束。通过对管坯毛管变形过程的分析，可以把斜轧穿孔变形过程分成四个区段，如下图3-6所示：区为穿孔准备区从轧辊咬入管坯到管坯遇到顶头为止。变形特点：由于轧辊入口锥表面有锥度，沿穿孔方向轴向前进的管坯逐渐在直径上受到压缩，被压缩部分的金属一部分向横向流动，使其坯料横断面由圆形变成椭圆形，另一部分金属纵向延伸（主要是表面层金属延伸），因此在坯料前端形成一个“喇叭口”状的凹陷，此凹陷保证了顶头鼻部对准管坯中心，从而可以减少毛管前端的壁厚不均。图3-6区称为穿孔区，也就是段，该区的作用是穿孔，即把实心坯穿成空心毛管，该区的长度为从金属与顶头相遇到顶头穿孔锥结束为止。这个区的变形特点：主要是壁厚减薄，由于轧辊表面与顶头表面之间的距离是逐渐减小的，因此随着轧件旋转前进，其壁厚逐渐被压缩而减薄。管壁上的被压缩金属，一部分横向流动（扩径），另一部分纵向流动（延伸），由于横向变形受到导板的限制，所以纵向延伸是主要的，在此区金属延伸变形是很大的，延伸系数大，是变形集中的地方。区称为辗轧区，也就是L2段，该区段的作用是辗轧（均正）管壁，改善管壁尺寸精度和内外表面质量。由于顶头母线与轧辊母线近似平行，所以对管壁的压缩很小，主要起均整作用，轧件横断面仍呈椭圆形，但椭圆度是逐渐减小的。区的长度是从金属与顶头辗轧锥开始相遇到离开顶头的辗轧锥为止。区为归圆区，也就是L3段，该区的作用是将椭圆形的毛管，靠旋转的轧辊逐渐减少直径上的压下量，直到压下量为零把毛管转圆为止。区的长度很短，为金属脱离顶头到脱离轧辊的一段长度，该区变形实质是无顶头空心毛管塑性弯曲变形的过程，由于这个区很短而且变形力很小，一般不予以考虑。总之，管坯变形过程是由圆椭圆圆的过程，在工具形状（轧辊，导板，顶头）设计好以后，变形区总长度以及各区的长度决定了各种调整参数（轧辊距离，导板距离，顶头的位置），所以穿孔过程调整参数是非常重要的，决定了各个阶段的变形特点。3.4工艺参数的计算3.4.1轧辊与轧件的接触面积及轧辊轧制力的计算 轧件对轧辊的总压力P为轧制平均单位压力与轧件和轧辊接触面积F之乘积，即P=平均单位压力的计算 在轧钢机械中已经讨论了各类轧机轧制特点及其适用的平均单位压力的计算方法。各类轧件轧制条件的差别，主要反映在轧件高度，各道压下量，轧辊半径等参数的不同比例上，根据大量现场实际测量和实验室研究结果表明，影响轧件应力状态的主要参数是接触弧长度与轧件平均高度的比值。指标综合反映了变形区三个主要参数，对应力状态的影响。确定轧制压力的过程中，可以得知金属与轧辊的接触弧的长度图3-7如图3-7所示可以确定接触弧的长度。进口锥变形区长度根据公式 式中，管坯直径，为； 轧辊间距， ； 轧辊入口锥锥角，取；出口锥变形区长度 根据公式 式中，毛管外径，为304； 轧辊出口锥锥角，取 故由，得出整个变形区的长度 上式中轧辊间距取.由于轧辊轴线和轧制轴线相交，所以实际变形区的长度要小些，但计算误差不超过。接触面宽度按下式计算根据公式 式中的是由如图3-8所示的几何关系导出的图3-8上述公式中， 轧辊半径，为； 坯料半径，为 椭圆度系数，取1.01 压下量对于轧制实心坯料按相邻截面前进一个螺距值得压缩量来计算，即代入公式中，即可求得： 由公式得轧制前后轧件的平均高度为。其次计算接触面积实际上是计算接触弧长度，亦可以根据公式可知，该式中， 轧辊半径 压下量对于轧制异形断面轧件时，接触面积可以采用图解法求解，但这种方法比较繁杂，近似计算可以根据下式标出当量半径和平均压下量，代入上述所给出的公式中，其中 当量半径 ， 式中两个轧辊的最大半径，即孔型凸缘处的半径； 轧制后轧件平均高度由公式，求得平均压下量为： 式中，轧件轧制前后的断面积； 轧件轧制前后的宽度所以由已知条件求得 式中为管坯直径，即取 式中为毛管外径，取 为毛管内径，取轧件前后的宽度为管坯直径，即为；轧件轧制后的宽度为毛管外径，即为所以由公式 综上所知，轧件尺寸大，虽然压下量亦比较大，但相比尚较小，约为，只有在轧制尺寸较小的钢坯时才有可能达到，其大部分轧制道次的，此时接触弧上摩擦力的影响不是主要的（即认为）,影响平均单位压力的主要因素是外区影响系数。初轧机的另一个特点是轧件宽度（）较小，一般，有较显著宽展（即宽度方向应变不为零），此时轧件在变形区内不是平面应变而是属于三向应变情况，因此在计算平均单位压力时，尚须乘以宽度影响系数，宽度影响系数按如下公式计算 式中是与轧件尺寸有关的系数， 此公式中管坯直径，即；轧件轧制后的高度，为，所以， 所以可知平均单位压力应为与宽展影响系数的乘积。此外，变形区外金属对单位压力的影响，主要是轧制时候变形区内金属的不均匀变形引起变形区外金属的局部变形，从而改变了变形区内金属的应力状态，使得单位压力增大。当轧件在轧辊间发生塑性变形时，靠近接触面的表面层由于摩擦力的限制，其纵向流动速度比中间层为低，因而产生不均匀变形；变形区入口端的断面形成向外凸出的弯曲形状，而变形区出口端表面层的延伸比中间层小，这种不均匀变形的趋势受到前后端外部金属的限制，引起变形区内的增加，因而使单位压力增高。当接触弧长度与轧件平均高度的比值大于1时，不均匀变形较小，外区影响不明显；当时，不均匀变形较大，外区影响变得明显；随着的减小，不均匀变形越加严重，因而外区影响也就逐渐加大。外区影响系数在时的变化规律呈现抛物线形式，如图3-9所示为变形区与单位压力影响系数的关系：图3-9根据公式得所以 轧辊接触面积的计算，根据接触面积的一般形式，即该公式中分别是轧制前后轧件的宽度，为接触弧长度的水平投影，故由此可知轧辊的轧制力为：3.4.2轧辊轧制力的位置及轧制力矩作用在顶头上的力（轴向力）确定斜轧穿孔时轴向力的大小对于生产有非常重要的意义。轴向力即为作用在顶杆上的压力，轴向力的大小直接影响着顶杆强度及工作的稳定性，特别是当穿孔壁厚又长的毛管时，顶杆往往由于直径小何长度大，而不能承受很大的轴向力。这是生产中常会遇到的问题，特别是在穿孔时由于轴向力大，这个问题就显得尤为突出。有时候顶杆虽然承受大的轴向力但还不致于破坏，但由于顶杆弯曲较大，使得穿孔过程很不稳定，容易造成严重的壁厚布均，甚至出现不正常现象。此外，轴向力的大小也直接影响着毛管轴向前进的速度，而轴向前进速度对产品质量和产量都有很大影响。实际上，确定轴向力多用实际的测定资料，根据的比值来决定。即根据公式得轴向力，其中系数取，知影响轴向力的因素首先是穿孔温度对轴向力的影响，轴向力和轧制压力都随着温度的降低而增加，其次是延伸系数对轴向力的影响，延伸系数增加，轧制压力和轴向力均增加；再次是前进角对轴向力的影响，一般随着前进角的增加，轴向力也增加。这是因为一方面前进角增大，轴向速度增加；另一方面前进角增大，单位压缩量增加，导致轴向力增加。随着前进角增加，的比值也有所增加。最后是顶头位置对轴向力的影响，一般顶头伸出量越小，则轴向力越大，这是因为，当顶头后移时，穿孔速度加快，滑移减小，单位压缩量增加，最终导致轴向力加大。所以通过各种因素对轴向力影响的分析，正常情况下轴向力可以根据上述公式求得。一般斜轧情形下，具有送进角和辗轧角，各取（a）若在没有顶头的情况下，即轧件在其前进运动中没有遇到轴向阻力时，轧辊受的总的轴向分力为：上式中角的正切是轧辊与轧件平均接触宽度与轧制力作用面内的坯料半径，即管坯半径的比值， 其中轧辊与轧件的平均接触宽度轧制力作用面内的坯料半径，即管坯半径所以可知 得 力矩 上式中是合力作用面内的轧辊半径，即（b）若没有顶头时，根据钢管塑性变形原理中所介绍可以知道轧件在前进方向上受到阻力，这个力等于顶头或芯棒的轴向力，如以表示这个轴力，则每个轧辊上的力为为轧辊的数目），对于二辊穿孔机，考虑导板产生的轴向力，这个阻力也由轧辊承受，这是每个轧辊上将作用于的附加力和导板的轴向阻力，这些力作用在轧辊上，形成力矩：即 上式中 如图3-10所示二辊穿孔机的受力分析图3-10此外，还必须考虑导板对轧件所产生的旋转阻力矩根据公式 上式中 压缩带处的导板间距； 轧件与导板间的摩擦系数； 前进角所以可知 综上所述，穿孔机上一个轧辊所需要的力矩为： 由轧制时消耗的能量 式中 为轧件的总重量；为单位能量消耗轧制时消耗的能量与轧制力矩的关系为：上式中为轧辊角速度，为穿孔时间综合上述公式得 第四章 电动机的选择和减速器的选择4.1 电动机的选择首先电动机转速根据已知参数马达转速在范围内，所以电动机的转速是可以基本确定的，功率一定的情况下，电动机的转速与尺寸是成反比例变化的，且如果转速低的话，电动机的造价也比较昂贵，且效率也较低，但是选用高速电动机则增大了轧机减速机构的传动比，而使机械传动部分比较复杂化，根据穿孔机的具体运行情况选用，根据前面部分算出的功率得到电机功率为： 该式中为传动机构的总的效率，即，查表机械设计可知0.99，0.99，所以又因为 该式中为电动机功率，为电动机转距，为电动机转速最后确定电动机功率为根据前面所述，所以选用直流电动机，直流电动机具有一下诸多优点： （1）.优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，转速比可以达到1：200； （2）.过载能力大，轧钢用直流电动机短时过转距可以达到空转转距的2.5倍以上，特殊要求的可以达到10倍，并且在低速下连续输出比较大的转距； （3）.能承受频繁的冲击性负载； （4）.可实现频繁的无级快速启动，制动和反转； （5）.能满足生产过程自动系统各种不同的特殊运行要求所以查机械设计手册第五卷可知选用系列直流电动机，其型号为该电机：额定功率 ； 额定转速 ； 重量为 ； 转动惯量 ； 电枢电流 在穿孔机穿孔过程中，上下传动时是四个电动机两两串联使用从而完成驱动着一个轧辊完成管坯的穿孔的。由额定功率知总的功率，从而可知该电机是可以满足工作的需要的。4.2减速器的选择由前述得主传动轴的转速，所以总的传动比，查机械设计手册第四卷选用型减速器，机型号为8255，其它参数： 输出转速为 91 输出转距为 10689 使用系数 又由机械设计手册查得8655机型的输入端和输出端直径分别为和第五章 轴的设计及其校核5.1选择轴的材料 该轴无特殊要求，因而选用调质处理的45钢，由机械设计表122知，5.2初步估算轴径 对于实心轴有 按扭转强度计算 按扭转刚度计算 上式中：， 辊轴直径 ； 轴所传递的扭矩 ； 轴所传递的功率 ； 轴的工作转速 ； 许用扭转角； 许用扭转剪应力对于45号钢，有所以按扭转强度计算时，按扭转强度计算时，故可以取轴的直径为轴的扭转刚度计算轴长的扭转角来度量对于实心光轴有所以选择轴是合适的。5.3轴的强度校核 由已知条件可以求得 支承力作用下的弯矩 重力作用下的弯矩又因为轧辊轴是单方向转动的，可知轴受脉动循环的转矩，其中为考虑转矩性质的应力校正系数，即 计算弯矩： 计算弯矩图如图5-1所示：受力分析受弯力的弯矩图受支承力的弯矩图合成弯矩图转矩图图5-1因为1点的计算弯矩比较大，所以1面可能为危险截面，由于2处的弯矩是小于1处的，所以2处是安全的。按疲劳强度校核安全系数，取许用安全系数，其校核计算如下：1截面处疲劳强度安全系数校核抗弯截面系数 抗扭截面系数 合成弯矩 扭矩 弯曲应力幅 弯曲平均应力 以上按对称循环变应力计算扭转应力幅 扭转平均应力 以上按脉动循环变应力计算弯曲剪切疲劳极限 弯曲扭转的等效系数 以上由机械设计表122查的 绝对尺寸系数 ，查机械设计表128 表面质量系数 弯曲时配合边缘处及圆角处有效应力集中系数分别为： 扭转时配合边缘处及圆角处有效应力集中系数分别为： 取大值，即配合边缘处有效应力集中系数计算值为 所以受弯矩作用时的安全系数 受扭矩作用时的安全系数 安全系数 所以轴径选择是合适的。第六章 联轴器的选用6.1电机与减速机之间联轴器的选择 根据所选的电机可以得知电机的输出轴直径为，减速器输入轴直径为故选用凸缘联轴器。该联轴器的参数有： 许用转速 许用转距 转动惯量 质 量 6.2减速器与主传动轴之间联轴器的的选择 减速器输出端直径，主传动轴直径，所以查机械设计手册第三版第二卷可知，适用弹性套柱销联轴器，其型号为：该联轴器的参数有： 许用转速 许用转距 转动惯量 轴孔直径 第七章 轧辊7.1材择料选选择轧辊材料时，除考虑轧辊的工作要求和特点外，还要根据轧辊常见的破坏形式和破坏原因，按轧辊材料标准来选择合适的材质。轧辊质量的好坏对产品的质量，轧机生产率和作业率的影响很大，如果出现断辊，辊面剥落或者轧辊表层不耐磨，不耐热裂等问题，则不仅会打乱生产节奏，降低生产率，而且还将增加轧辊的费用，尤其是在穿孔机这种大型设备中，轧辊材料的选用也就显得尤为重要。因为轧辊材料的选择与轧辊工作特点及其损坏形式有密切的关系。钢管穿孔机穿孔的过程中轧辊受力较大且有冲击负载，应该有足够的强度，而辊面硬度可以放在第二位，穿孔机轧制无缝钢管，应该用高强度铸钢和锻钢。含Cr，Ni，Mo等合金元素的铸钢轧辊适用于轧制合金钢，含钢及高碳铸钢轧辊多用于轧普碳钢的第一架粗轧机上。根据上述选择轧辊材质为C：047/0.55，Mn:0.60/0.90,Si:0.15/0.40,P0.35 S0.035 经热处理轧辊表面硬度为220250HB7.2强度校核总的来说，轧辊的破坏决定于各种应力（其中包括弯曲应力，扭转应力，接触应力，由于温度分布不均匀或交替变化引起的温度应力以及轧辊制造过程中形成的残余应力等）的综合影响，具体来说，轧辊的破坏可能下列三方面的原因造成，a:轧辊的形状设计不合理或设计强度不够。例如，在额定负载下，轧辊因强度不够而断裂或因接触疲劳超过许用值，使得轧辊疲劳剥落等；b:轧辊的材质和热处理或是加工工艺不合要求。例如轧辊的耐热裂性，耐粘附性及耐磨性差，材料中有夹杂物或残余应力过大等；c:轧辊在生产过程中使用不合理。热轧轧辊在冷却不足或者冷却不均匀时，会因热疲劳造成辊面热裂。由此可见，为防止轧辊破坏，应从设计制造和使用等诸方面去努力。轧辊在轧制力和轧制力矩作用下，发生弯曲，剪切，扭转，辊间弹性压扁等变形，这些变形不允许超过它们的许用值。将承载轧辊看作是简支梁，运用材料力学中计算直短梁挠曲方法处理。设轧件和轧辊间作用着均布载荷q，且，式中P为轧制力，b为轧件的宽度。轧辊辊身中点总的挠度为 式中为弯矩和切力所引起的挠度值所以有小于其许用值轧辊轴承的选用根据机械设计手册，选用双列向心球面滚子轴承，该轴承外圈滚道表面是以轴承中心的球面，能够自动调心，且具有较大的径向承载能力。选用3644型号。第八章 工艺及质量事故原因分析8.1穿孔机工艺事故原因分析穿孔机过程由于钢质不良，工艺不合理，加热温度和操作不合理都会遭成工艺事故，如链带，轧卡，抱顶杆等。链带是穿孔机出现的一个重大事故，不仅造成轧废，而且一造成人生事故,若出链带对人身和设备安全将造成更大损害，而且需要停车处理，影响了生产。它是指毛管被割成螺旋的小带条。链带产生的原因是导板严重磨损，有效地尖棱，破口或转动的轧件有坡头，以及导板和轧辊的间隙过大等，毛管被尖棱部分切割，使金属进入导板和轧辊的间隙中，产生了链带。轧卡是穿孔机经常发生的故障，在轧制过程中，由于某种原因使得管坯-毛管失去前进或旋转运动，而被卡在轧辊之间，使顶头包在毛管内，轧卡按部位可分为前卡，中卡和后卡，产生轧卡的实质是管坯毛管未能建立稳定而正常的旋转前进的力平衡条件，凡是促使顶头阻力增大或者磨擦拽入力减少的因素都能导致轧卡。其中前卡是指顶头在管坯的前端被卡住，造成的主要原因是：顶头位置过前，使顶前压下量减小，一方面使磨擦拽入力减小，另一方面由于顶前管坯轴心部分金属疏松程度不足，使变形抗力增加，从而使顶头轴向阻力增加，当磨擦拽入力不能克服前进阻力时，管坯只能旋转不能前进；轧辊导板位置设定不合理，以及导板严重磨损造成变形区中轧件横断面椭圆度过大，使得旋转阻力增大，从而使管坯失去旋转运动而造成前卡；管皮加热温度低，变形抗力增加，使顶头轴向阻力增大都会造成前卡，另外，轧辊入口锥的滚花磨损严重，磨擦拽入力减少也会造成前卡。中卡是指顶头被卡在毛管中段，其主要原因是：管坯温度过低，温度不均，轧线不正，顶杆弯曲度过大，顶头在穿孔过程中磨损严重，特别是穿高合金管坯时，变形抗力大，顶头鼻部磨损后，与管坯粘结在一起，另外，轧辊的滚花磨掉，顶头冷却不良，都能造成中卡。后卡是指毛管未能正常抛出变形区，顶头包在毛管尾部，产生的原因是顶头位置过后，工具磨损，熔化和椭圆度不当，以及管坯尾部过热或黑印都会造成后卡。消除穿孔机轧卡的措施。合理选择工艺参数，正确调整轧机的送进角，转速，轧辊和导板的距离，轧制线和机器中心线要吻合，管坯加热制度要合理，顶头位置要适当，不使用磨损严重的轧辊，导板，顶头，要经常检查工具的质量以及冷却水。如果从毛管中抽出顶杆，按如下方法尽心，以便从轧机里卸掉轧卡的毛管升起辊道在毛管支持位置；为了便于轧件通过，将轧辊打到最大程度，并且旋出导板滑道；在推料机缓慢向前推动轧卡件完全到达出口辊道；或使用吊车或使用回转臂移去顶杆；降下毛管支持辊道；退回推料机在返回位置；将轧辊和导板位置恢复到调整表要求的值。如果顶杆全部或部分卡在毛管里，不能抽出顶杆情况下按如下方法进行处理轧卡的毛管升起辊道在支持毛管位置；打开定心辊的上部分；将轧辊打到最大程度，并且旋出导板滑道，便于轧卡件通过；借助吊车从穿孔机里吊起毛管/顶杆；顶杆小车返回，吊车吊走顶杆/毛管；将轧辊和导板滑道恢复到调整表要求的数值；顶杆小车退回在返回位置，并且上线一根新顶杆。抱顶杆是由于管坯温度加热低，顶头磨损严重，设定不合理，定心辊没有及时打开，顶杆位置过小，都会造成毛管抱紧顶杆，使顶杆不能从毛管里抽出。处理的方法是升起辊道在支持毛管位置；打开定心辊的上部分；将轧辊打到最大程度，并且旋出导板滑道，便于轧卡件通过；借助吊车从穿孔机里吊起毛管/顶杆；顶杆小车返回，吊车吊走顶杆/毛管；将轧辊和导板