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轧辊机机械设计

机械原理

课程设计

课程设计名称：

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指导老师：

1.设计题目…………………………………………………………

2.工作原理及工艺动作分解……………………….……………...

3.执行机构选型……………………………………………………

4.机构运动方案的选择和评定……………………………………

5.机构运动简图……………………………………………………

6.机械运动原理……………………………………………………

7.轧辊机机构的尺度设计…………………………………………

8.原动机的选择与装配要求………………………………………

9.参考文献与资料…………………………………………………

一·设计题目：

轧辊机设计

1）工作原理及工艺动作过程

图1所示轧辊机是由送料辊送进铸坯，由工作辊将铸坯轧制成一定尺寸的方形、矩形或圆形截面坯料的初轧轧机。

它在水平面内和铅垂面内各布置一对轧辊（图中只画了铅垂面内的一对轧辊）。

两对轧辊交替轧制。

轧机中工作辊中心M应沿轨迹mm运动，以适应轧制工作的需要。

坯料的截面形状由轧辊的形状来保证。

因此，轧辊机主要由工作辊和送料辊机构组成。

2）原始数据及设计要求

根据轧制工艺，并考虑减轻设备的载荷对轧辊中心点M的轨迹可提出如下基本要求：

（a）在金属变形区末段，应是与轧制中心线平行的直线段，在此直线段内轧辊对轧件进行平整，以消除轧件表面因周期间歇轧制引起的波纹。

因此，希望该平整段L尽可能长些。

（b）轧制是在铅垂面和水平面内交替进行的，当一个面内的一对轧辊在轧制时，另一面内的轧辊正处于空回行程中。

从实际结构上考虑，轧辊的轴向尺寸总大于轧制品截面的宽度，所以，要防止两对轧辊在交错而过时发生碰撞。

为此，轧辊中心轨迹曲线mm除要有适当的形状外，还应有足够的开口度h，使轧辊在空行程中能让出足够的空间，保证与轧制行程中的轧辊不发生“拦路”相撞的情况。

（c）在轧制过程中，轧件要受到向后的推力，为使推力尽量小些，以减轻送料辊的载荷，故要求轧辊与轧件开始接触时的啮入角γ尽量小些。

γ约取25º左右，坯料的单边最大压下量约50mm，从咬入到平整段结束的长度约270mm。

（d）为调整制造误差引起的轨迹变化或更换轧辊后要求开口度有稍许变化，所选机构应能便于调节轧辊中心的轨迹。

（e）要求在一个轧制周期中，轧辊的轧制时间尽可能长些。

3）设计方案提示

（a）能实现给定平面轨迹要求的机构可以有铰链连杆机构、双凸轮机构、凸轮—连杆机构、齿轮—连杆机构等。

（b）采用两自由度的五杆机构，可精确实现要求的任意轨迹，且构件尺寸可在很大范围内任选，但需要给两个主动件，联系两主动件间运动关系的机构常用齿轮机构、凸轮机构、连杆机构等。

（c）由于本机器中机构的受力较大，应考虑到工作寿命要求。

（d）工作辊的方案设计应考虑轨迹和开口度的调节是否可能和方便，能否按要求布置在机器中，结构上是否便于实现。

（e）送料辊的运动方案可以通过机械传动系统来完成。

4）设计任务及要求

（a）根据工艺动作顺序和协调要求拟定运动循环图；

（b）进行工作辊机构、送料辊机构的选型；

（c）机械运动方案的评定和选择；

（d）根据选定的原动机和执行机构的运动参数拟定机械传动方案，（e）分配传动比，并画出传动方案图；

（f）对机械传动系统和执行机构进行运动尺寸计算；

（g）对执行机构进行运动分析，画出运动线图；

（h）画出机械运动方案简图；

（i）编写设计计算说明书。

二·工作原理及工艺动作分解

根据工艺过程，由两个执行机构完成：

送料机构、轧制机构。

其中必需完成的动作：

送料、轧制

1）送料：

采用送料辊连续运动送料

2）轧制：

由工作辊将铸坯轧制成一定尺寸的方形、矩形或圆形截面坯料

因此，轧辊机的运动方案设计重点考虑送料与轧制机构这两个机构的选型和设计问题。

三．设计方案详解：

1）轧辊中心点M运动轨迹设计要求

2）设计方案的拟定和比较

根据设计要求，轧辊中心点M可走下图所示轨迹，而且在长度约300mm工作行程中作匀速运动，在其前后作变速运动，回程时有急回运动特性。

对这种运动要求。

通常，要用若干个基本机构组合成的组合机构，各司其职，协调动作，才能实现。

在选择机构时，一般先考虑选择满足轨迹要求的机构（基础机构），而沿轨迹运动时的速度要求，则往往通过改变基础机构主动件的运动速度来满足。

能实现给定平面轨迹要求的机构可以有连杆机构、凸轮机构、凸轮—连杆机构、齿轮—连杆机构等。

下面我们列举其中的几个方案，如：

方案一

方案

（一）：

铰链连杆机构,利用铰链四杆机构ABCD连杆上某一点M，可近似实现要求的轨迹。

方案二

方案

（二）：

双凸轮机构,双滑块构件3上点M的运动分别由凸轮1和5来控制。

一般来说，点M可精确实现任意给定的轨迹。

方案三

方案（三）：

铰链五杆机构,出于铰链五杆机构是两自由度机构，所以可精确实现要求的任意轨迹，且构件尺寸可在很大范围内任选，但需要给两个主动件，如取连架杆AB、DE为主动件，它们的转角与所要实现的轨迹mm有关，即与

，

有关。

通常，要精确实现该两主动件间的运动关系是比较麻烦的，如无必要，可用近似方法实现。

联系两主动件间运动关系的机构常用齿轮机构、凸轮机构、连杆机构等。

方案四

方案（四）：

凸轮—连杆机构,利用凸轮—连杆机构一般可以精确实现要求的轨迹。

方案五

方案（五）：

齿轮—五连杆机构，利用构件BC上的点M可近似实现要求的轨迹，且调节AB与DE两构件间的相对位置即可调节点M的轨迹，故调节较方便。

另外，可用全移动副四杆机构实现预期轨迹，但该机构缺点是由于要求的水平方向轨迹太长，势必造成凸轮尺寸过大。

分析结果：

综上所述，方案

（一）是满足设计要求的最佳机构。

五、机构运动简图

六、机构运动原理

1）基本数学原理：

（a）平面上两点确定一条直线。

（b）若直线上线段一端点和线段长度已知，则另一端点位置唯一确定。

（c）若一动点在任意时刻的纵坐标保持不变，则该动点作水平运动。

（d）动点位移曲线对时间的一阶导数为动点的速度，二阶导数为动点的加速度。

（e）平面解析几何基本原理

2）轧制变形

轧制变形区中轧件和轧辊水平速度的分布及两者相互关系的图解（见图）。

沿变形区轧辊的水平速度vx=vcosθ，式中v为轧辊圆周速度；θ为变形区接触弧上任一点相应的圆心角。

在变形区的入口截面θ=α，轧辊水平vH=vcosα;在变形区出口θ=0，轧辊水平速度vh=v，即由入口截面到出口截面轧辊的水平速度由vcosαt逐渐增加到v。

轧制过程运动学图示

图1 3种典型情况的单位压力及摩擦力分布曲线

    n一薄件轧制；6一中件轧制；c高件轧制

图3典型轧制情况的运动学特征

n一．薄件轧制；6一中件轧制；c  高件轧制

3）机构各构件功能分析：

连杆AB、连杆CD：

确定运动平面上BC杆的斜率。

BC杆：

通过M端连接的轧辊中心点，实现轧辊按设计轨迹运动。

七、构件尺寸设计

杆BC长度：

94.6mm

折杆ABCD：

AB=21.1mmAD=72.0mmCD=78.11mm

杆BC：

BC=94.0mm

连杆轮廓线具体形状轨迹

通常可先按轧制最常用规格的钢材来确定该轨迹，以此进行机构综合，然后调节AB、DE间的相对位置，再画出点M的轨迹，以检验是否能满足不同轧制工艺的要求（如轨迹、咬入角γ、平整段长度L等）。

由于该机构只能近似实现给定的轨迹，或只能精确实现轨迹上若干点，所以根据工艺要求重点，考虑水平平整段和咬入角后，在轨迹上取五个点，其坐标如下（单位为米）（图7）：

M1：

（-0.15306，0.60113）

M2：

（-O.04l40，0.63996）

M3：

（0.06187，0.65492）

M4：

（0.10243，0.65575）

M5：

（0.1229lP0.65497）

图7轧辊机构参数

传动机构的分析设计

为调整制造误差引起的轨迹变化或更换轧辊后要求开口度有稍许变化，所选机构应能便于调节轧辊中心的轨迹。

轧辊中心点M的轨迹满足上图中的曲线，开口度h应大于140mm,咬入角大约为25，坯料的单边最大压下量约为50mm，从咬入到平整段结束的长度约270mm，平整阶段长度L约为100mm.。

由于L≈100mm,生产率为1500mm/min,

所以曲柄转速

=

=15r/min

rad/s

又因为，电机转速为1450~1500rpm,取1500rpm

所以，i=

=

=100

由于传动比较大，我们采用了混合轮系作为传动机构，该机构具有结构紧凑，体积小，能传动大功率的特点。

传动系统如图

各齿轮齿数机传动比计算如下：

各轮齿数：

=26

=50

=18

=94

=18

=35

=88

带轮直径：

=125mm

=200mm

所以传动比

=

=

=1.6

对差动轮系来说，有

即

（a）

对定轴轮系来说，有

即

（b）

由于齿轮3’和3为一个构件，故

（c）

将（c）式带入（a）式得

整理后可得

故

啮入角等的分析

在轧制过程中，轧件要受到向后的推力，为使推力尽量小些，以减轻送料辊的载荷，故要求轧辊与轧件开始接触时的啮入角γ尽量小些。

γ约取25º左右，坯料的单边最大压下量约50mm，从咬入到平整段结束的长度约270mm。

如下图所示：

各个量之间的定性分析：

八、原动机的选择与装配要求：

1）原动机的选择

适用性分析：

（a）该机构需要长时间的连续转动且具有稳定的速度，即要求原动件具有恒定的速度，即需要电机有恒定的转速。

（b）笼型三相异步电动机具有结构简单，体积小，易维护，价格低，寿命长，连续运行性好。

转速受负载转矩波动影响小，刚好满足轧辊机构的要求。

（c）机构设计要求轧辊中心点M平均速度为v=45mm/s，返回的平均速度为工作行程三倍。

两凸轮设计时的分度为30度，故凸轮转速n=（30/360）*（45/100）=3/80（r/s）=2.25（r/min）。

（d）轧辊机构对功率的要求较高，故对电动机的输出转矩要求较高。

同时还需考虑变速问题和经济因素。

结论：

动力选择三相异步电动机，同步转速750r/min（8极）,50HZ,380V

2）原动机装配要求

需求分析：

（a）必须保证两连杆同步同速旋转，且连杆转速稳定在2.25r/min左右。

（b）机构变速过程对噪声、轴力等都无特殊要求，故可选取直齿轮变速或变速箱变速。

（c）输入与输出的传动比i=750/2.25

（d）装配位置有诸多影响因素

结论：

电机轴心位于两连杆圆心连线的垂直平分线上，两主动曲柄同轴装配的两齿轮齿数模数完全相同，且同时与主动轴上齿轮外啮合。

输入输出传动比i=750/2.25，即主动从动轮齿数比为2.25/750。

九．参考文献与资料

（a）裘建新，《机械原理课程设计指导书》，高等教育出版社

（b）王知行、邓宗全，《机械原理（第二版）》，高等教育出版社

（c）赵满平，马星国主编.机械原理课程设计.沈阳：

东北大学出版社，2006

（d）孙恒，陈作模主编.机械原理.第7版.北京：

高等教育出版社，2005

（e）华大年主编.连杆机构设计.上海：

上海科学技术出版社，1995

（f）常见机构的原理及应用编写组.常见机构的原理及应用.北京：

机械工业出版社，1980

（g）中国润滑油网  

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