机械毕业设计（论文）-280×380方坯结晶器足辊总成的设计【全套图纸】.pdf

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 1 第一章第一章 引言引言 1.1 连续铸钢连续铸钢 1.1.1 连铸的定义连铸的定义 连铸即为连续铸钢（英文，continuous steel casting）的简称。 在钢铁厂生产各类钢铁产品过程中，使用钢水凝固成型有两种方法：传 统的模铸法和连续铸钢法。而在二十世纪五十年代在欧美国家出现的连 铸技术是一项把钢水直接浇注成形的先进技术。与传统方法相比，连铸 技术具有大幅提高金属收得率和铸坯质量，节约能源等显著优势。连续 铸钢的具体流程为：钢水不断地通过水冷结晶器，凝成硬壳后从结晶器 下方出口连续拉出， 经喷水冷却， 全部凝固后切成坯料的铸造工艺过程。 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 （如图 1-1 中所示） 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 2 图 1-1 连续铸钢与普通模铸不同，它不是把高温钢水浇注在一个个钢锭模内，而是 将高温水连续不断地浇铸到一个或一组实行强制水冷带有“活底”的铜模内。待 高温的钢水凝固到具有一定厚度的坯壳后，则从铜模的另一端拉出“活底” ， 这样铸钢坯就会连续从铜模下口被拉出来。 这种使高温钢水直接浇铸成钢坯的新 工艺，就是连续铸钢。他完全改变了在钢铁生产中一直占主导地位的“模铸开 坯”工艺，大大地简化了从钢水到钢坯的生产工艺流程。连续铸钢生产所用的设 备， 实际上是连铸作业线上的一整套机械设备。通常可分为主体设备和辅助设备 两大部分。主题设备主要包括有：浇注设备盛钢桶运载设备、中间罐及中间罐 小车或旋转台；结晶器及其振动装置；二次冷却支导装置，如在弧形连铸设备中 采用直结晶器时，需设顶弯装置；拉坯矫直设备拉坯机、矫直机、引锭链、脱 锭与引锭链存放装置；切割设备火焰切割机与机械剪切机。辅助设备主要包括 有：出坯及精整设备辊道、拉钢机、翻钢机、火焰清理机等；工艺性设备中 间罐烘烤装置、吹氩装置、脱氧装置、保护渣供给与结晶器润滑装置等；自动控 制与测量仪表结晶器液面测量与显示系统、过程控制计算机、测温 、测重、 测长、测速、测压等等仪表系统。从上诉工艺流程和主要机械设备的说明可知， 连续铸钢设备必须适应高温钢水由液态变成固态，又变成液态的全过程。其间进 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 3 行比较复杂的物理与化学变化。显然，连续铸钢具有连续性强、工艺难度大和工 作条件差等特点。因此生产工艺对机械设备提出了较高的要求，主要有：设备应 具有足够抗高温的疲劳强度和刚度， 制造和安装精度要高， 易于维修和快速更换， 要有充分的冷却和良好的润滑等。 1.1.2 连续铸钢的发展概况连续铸钢的发展概况 从二十世纪五十年代开始，连铸这一项生产工艺开始在欧美国家的钢 铁厂中发展，这种把液态钢水经连铸机直接铸造成成型钢铁制品的工艺相 比于传统的先铸造再轧制的工艺大大缩短了生产时间，提高了工作效率。 到了八十年代，连铸技术作为主导技术逐步完善，并在世界各地主要产钢 国得到大幅应用，到了九十年代初，世界各主要产钢国连铸技术所占已经 实现了 90以上的。中国则在改革开放后才真正开始了对国外连铸技术的 消化和移植；到九十年代初中国的连铸比仅为 30。我国与 1957 年就开始 连续铸钢的试验研究。1958 年在重钢三厂建成了立式双流连铸机，用以浇铸 175 200mm 铸坯，并首先采用 500t 飞剪剪切铸坯。1960 年在唐山钢厂建成 140x140mm 方坯立式连铸机。1964 年 6 月 24 同在重庆第三钢厂建成第一台弧形 板坯和方坯兼用连铸机，这是世界上最早用于工此生产的户型连铸机之一。首先 采用 1500摆式剪机来剪切铸坯。 1967 年在重钢建成了一台半径为 lomm 的连铸 机，是当时世界上最大的弧形连铸机之一。它既能浇铸 2503001500-2loomm 板坯， 又能浇铸 3 流 300mm 及 4 流 250mm 大方坯。以上四台连铸机至今仍在正常 生产。 从 1964 年到 1974 年十年侧，我国中小企业建成了 40 多台弧形连铸机，但 由于基础技术工作没有跟上，工艺问题研究不深，主机设备又偏于简陋致使铸 机不能正常持久生产。为此，冶金部和一机部于 1973 年一 1976 年期间，在上铡 一厂组织了联合公关，解决了板坯纵裂等质基问题，推广了浸入式水口和保护渣 浇注工艺，促进了连铸生产，坚定了发展连铸的信心。 从改革开放以来我国政府对钢铁工业发展连续钢技术非常重视。冶金部于 1983 年提出了“钢铁工业以发展连铸为中心提高成才率措施”的战略决策，确 定了全国钢铁企业发展连铸的规划，并贯彻到钢铁厂的建设和技术改造中去，在 总结经验的基础上，提出了以“连铸为中心，炼钢为基础、设备为保证”搞好连 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 4 铸生产的技术指导方针，有力促进了我国连铸的发展。 从 1980 年以来，为改变我国中小钢厂小钢锭浇铸的落后面貌及开坯能力不 足的矛盾，从国外引进了不同类型的小方坯连铸机，并进行了消化移植改进，在 中小钢厂得到广泛应运。我国已有连铸机的钢铁厂分布很广，有 25 个省（自治 区）70 多个钢厂都建成了连铸机。到 1992 年一共有 146 台（板坯 34 台，方矩 圆坯 105 台，水平连铸 7 台）连铸机投入生产，设计能力为 3119 万 t/a。连铸 产品结构向合理方向发展，连铸坯产量的分配：板坯 47%，大方坯（圆坯）10%， 小方坯（矩形坯）43%。 新建或扩建钢铁厂在炼钢生产中一律采用连续铸钢工艺取代钢锭铸模浇铸 工艺。如上海宝由建成了现代化的钢铁厂，有 3300t 顶部复吹转炉、有铁水三 脱处理、钢水精炼和喷粉等现代化的装备。有 2 台 4 流大型板坯连铸机，年产板 坯 400 万 t，浇注板坯尺寸厚度为 210、230、250mm、宽度 900-1930 mm、长度 12000mm 。连铸机采用多点矫直、电磁搅拌、结晶器在线调宽和高频率小振幅的 振动。对漏钢预报、二冷配水、定尺长度、压缩浇铸、质量异常及判定等均由计 算机控制，可生产无缺陷铸坯实现热送。 1978 年武钢二炼钢厂建成与 350t 顶吹氧气转炉相匹配的 3 台弧形板坯连 铸机，年产量 150 万吨，浇注断面为 170、210、250（700-1600）。1986 年连铸机产量超过设计能力 41%，是我国第一个实现全连铸的钢厂，为我国发展 连铸立下了样板。连铸坯热送热装已成为钢铁厂进一步节能、提高产品质量、获 得综合经济效益的重要措施。武钢二炼钢厂 1989 年连铸坯热送率 90. 8%、热装 率 77. 6%，平均装炉温度 448。与冷装相比，热装缩短了铸坯再加热炉的加热 时间，能耗降低约 6kg/t 坯重油，小时产量提高了 44.4。 首钢二炼钢厂建成与 220t 氧气转炉相匹配的 8 流小方坯连铸机，创造了大 转炉配小方坏连铸机的生产经验，取得了很好效果。1992 年产最达到 41.17 万 吨，超过设计能力：铸机作业率 77. 75%；平均连浇炉数 1.6 炉；中问包寿命 600min；铸坯合格率 99. 45%。老炼钢厂的技术改造必须由连铸取代传统的小钢 锭模浇注工艺。 我国中小钢厂的特点足 “三小” ， 即小转炉(5-30t)、 小电炉 （5-lot） 和小轧机。以 1991 年为例，全国钢产量为 7100 万吨，其中转炉钢 4280 万吨， 小转炉产钢最约占 50%。过去都是浇注 8in 或 loin 的小钢锭，金属损失大、消 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 5 耗高劳动条件差，成为炼钢生产的薄弱环节。现在基本上都改造为采用小方坯弧 形连铸机（r=5. 25m 或 6m） ，浇注断面为 9090-150l5omm 的方坯，供小型轧 机使用。 在国外都是“电炉一小方坯连铸机一小型轧机”组成所谓小钢厂。而我国小 方坯连铸机都是与小转炉配合生产的。由于转炉容量小、稳定性差，给连铸生产 带来一定困难。近年来很多钢厂都在改进转炉操作，为连铸提供质量合格钢水以 及生产管理方面都积累了丰富经验，使小方坯连铸机的生产达到了新的水平，如 韶关钢厂与 10 吨 ld 转炉相配合 150150mm 小方坯连铸机， 创造连浇达 101 炉、 59h、浇注铸坯长 9605m 的记录。困钢生产 70x 70mm9090mm 的小方坯，成才比 小钢锭成材率提高 13%，150150mm 方坯经开坯再成材比钢锭提高 6%，经济效 益显著。 平炉炼钢厂建设连铸机。目前我还有 16 个平炉厂，以 1991 年为例，全困租 钢产量为 7100 万吨，其中平炉钢为 1278 万吨，占 18%。根据我国国情，平炉还 存在相当一段时间，短期内不可能淘汰。由于平炉冶炼时间长，不易实现多炉连 浇，给生产带来了困难。目前我国平炉厂建成了 6 台连铸机共 14 流，主要是浇 注 115115-255255mm 的方坯。如鞍钢二炼钢厂，建成了 3 台 6 流小方坯连铸 机，1992 年钢厂连铸比达到 26. 51%形成了模铸与连铸共存的局面。积极建设合 金钢连铸机。我国合金钢厂特点足电炉容量小（5-10） ，品种多，不少钢厂几 乎把大类钢都成产， 批量小， 产品规格繁多， 钢钉成材率低， 1991 年钢产量 7100 万吨中，电炉钢产量约占 21%。近几年来，我国合金钢钢厂建成了 16 台连铸机， 其中有立式、立弯式、弧形和水平等四种机型。构成了“电炉炉外精炼连铸 机”的生产工艺流程。浇注断面有方坯、圆坯、板坯，生产能力约 140 万/ 浇注钢种有不锈钢、结构钢等几十个品种。 从 1980 年以来， 我国连铸有很大发展， 连铸比的增长是： 1980 年 6.5%； 1985 年的 10.8%；1990 年的 22. 4%；1991 年的 26. 2%；1992 年的 30.4%。但与世界 先进水平相比还有较大差距。目前我国钢产量居世界第四位，而连铸比在产钢国 家中居 34 位。90 年代，我国钢铁产业正处于兴旺发展时期，连铸技术从设计， 制造、工艺和管理方面都积累了丰富的经验。2000 年以来，必然是我国连铸高 速发展时代。他将带动我国工业进入新的步伐。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 6 1.1.3 连续铸钢的优越性连续铸钢的优越性 连续铸钢的迅速发展，是因为它与传统的“模铸开坯”工艺法相比，具有 下述的优点： (1) 简化了生产钢坯的工艺流程，节省大量的投资。连续铸钢可直接从钢水 浇铸成钢坯，省去了脱锭、整模、均热、开坯等一系列中间工序和设备。从现代 世界连续铸钢的生产水平来看，据统计，基建设投资和操作费用均可节省 40， 占地面积约减少 50，设备费用减少 70，耐火材料的消耗较低 15 左右。 (2)节省大量能源。近年来，世界性能源危机有增无减，各国对降低能耗都 十分重视，连续铸钢对节省能源有极其明显的效果。据日本资料介绍，钢的连铸 能力仅为模铸开坯法的 20.813.5。国际钢铁协会技术委员会最近对 109 个钢铁企业调查结果表明，每吨钢坯可节省能源相当于 2050kg 标准煤。如若 实行热送新工艺，还可以再节省 5kg 左右的标准煤。 (3)提高了金属的收得率和成材率。由于连铸从根本上消除了模铸的中注管 和汤道的残钢损失，因而使钢水收得率提高。又因连铸钢坯没有热帽也不需切去 78的坯头，因而成材率也提高了 1015，成本还降低了 1012。 (4)连铸将生产钢坯的许多工序，统一到一个整机上进行这样实现连续生产 和采用计算机自动控制创造了有利条件，从跟本上改变了工人在高温、多尘环境 年高中工作的不良状况，极大的改善了劳动条件，可提高劳动生产率近 30。 (5)提高了铸坯的质量。采用连铸的方法可以合理地调节铸坯的冷却条件， 实现比较合理的冷却速度，使铸坯结晶过程稳定。内部组织致密，非金属夹杂总 量比同钢种钢锭低 20左右。化学成分偏析及低组倍组织缺陷等都减少了。还 提高了金属的机械性能，改善了连铸坯的质量。 1.1.4 连铸的主要问题连铸的主要问题 虽然高度的自动化有助于生产出无收缩铸件，但如果液态金属事先不 除尽杂质，在铸造过程中会出现问题。氧化是液态金属杂质的主要来源， 气体、矿渣或不溶合金也可能卷入液态金属。为防止氧化，金属尽量与大 气隔离。在中间包，任何夹杂物包括气泡，其他矿渣或氧化物，或不溶合 金也可能被夹杂在渣层。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 7 一个主要的连铸问题是连铸坯的断裂。如果凝固的金属外壳过薄， 有可能导致钢坯在拉出一定长度后下方的金属将上方正在凝结的金属拉 断，导致钢水泄露，进而破坏其他机器而发生事故。通常情况下，断裂是 由于过高的拉出速度，使凝固的外壳没有足够时间来产生所要求的厚度； 也有可能是拉出的金属温度仍然过高，这意味着最终凝固时间大大低于矫 直辊和地方链断裂整顿期间，由于应用的压力。阿突破，也可能发生，如 造成撕裂。如果传入的金属过热，可以通过减慢拉出速度来防止断裂。 另一个可能出现的问题是碳化物，钢铁与溶解氧反应也可能产生 碳化物。由于金属是液态，这种碳化反应是非常的快，同时产生大量高温 气体，如果是在中间包或者结晶器中发生碳化反应，氧元素还会反应生成 氧化硅或氧化铝，如果产生过多的氧化硅或氧化铝将有可能堵塞中间包与 结晶器中间的连接管，进而导致破坏生产。 1.2 结晶器的作用和组成结晶器的作用和组成 1.2.1 结晶器的作用结晶器的作用 结晶器是连铸机的核心部件，连铸生产的主体思想是把液态的钢水直 接铸造成成型产品，结晶器就是把液态钢水冷却出固态钢坯的部件，它是 由一个内部不断通冷却水的金属外壳组成，这个不断输送冷却水的外壳把 与之相接触的钢水冷却成固态。另一方面，结晶器的形状还决定了连铸出 的钢坯外形，如果结晶器的横截面是长方形，连铸出的钢坯将是薄板坯； 而正方形形状的结晶器横截面拉出的钢坯将是长条形，即方坯。与结晶器 相连的部件是振动机构，该机构在生产过程中通过不断地振动带动结晶器 一同振动，排除液态金属中的气体，帮助凝结成固态外壳的钢坯从下方拉 出。 1.2.2 结晶器的组成和分类结晶器的组成和分类 根据拉坯方向断面内壁的线型，结晶器的型式有弧形和直形两种。就其总体 构造来说，无论是弧形结晶器还是直形结晶器，均可分为整体式，套管式和组合 式三种。目前，已制成可调内腔宽度或宽厚均可调的组合式结晶器。我国绝大多 数连铸机上都采用组合式结晶器，只有部分方坯连铸机上用套管式结晶器。通常 结晶器由内壁、外壳、冷却水路以及支承臂等几部分组成。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 8 1.2.2.1 套管式结晶器套管式结晶器 这种结晶器（如图 1-2）内壁为一整体的无缝钢管，在铜管外面离开一定的 距离（7mm 左右）套着钢质的内水套 2 其间形成冷却水缝，利用隔板及橡皮垫片 与外水套联结在螺栓上，装有碟形弹簧，已使铜管膨胀是不致产生太大的压应力 （铜管的许用压应力） ，在冷状态下又不能漏水。冷却水以 0.390.59mpa 的 工作压力从给水管 8 往下进入下水室，以 610ms 的速度流经水缝，进入上水 室，从排水管 9 排出。为了安全和提高导热效率起见，在水缝上部应留有排气装 置以放出因过热产生的少量水蒸气。 结晶器的外套是圆筒形的，其中部设有底角板，用以固定结晶器在振动台架 上。在底脚板上有两个定位销孔和三个固定螺栓孔，保证以外弧为安装基准，并 与二冷支导装置的导辊对中。在底脚板上还有冷却水管的接口，所有给水、排水 及足辊的冷却水管路都汇集于其上。这样，当结晶器固定在振动台架上时，全部 冷却水管同时接通并密封好。 为自动显示并控制结晶器内壁的钢液面，在水套上部装有钴 60 放射源容器 及信号接收装置。钴 60 棒偏心地插在一个可转动的小铅筒内，后者又偏心的安 装在一个大铅筒。不工作时，将小铅筒内的钴 60 棒转到大铅筒中心，这是最安 全的位置，因为四周都得到较厚的屏蔽。浇铸时再把小铅筒转 180使钴 60 棒 转到靠近钢液位置，对应于放射部位的水套上焊了一个隔水室，以减少射线的损 失。在放射源的对面，装了一个倾斜的圆筒，其内装有计数器接收装置，该筒是 利用其端部的弹簧卡销卡住的。在大铅筒的正面，设有安装运载工具的锭孔，以 便拆换大铅筒。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 9 图 1-2 管式结晶器 1-外罩；2-内水套；3-润滑油盖；4-铜套；5-放射源容器；6-盖板；7-外水 套；8-给水管；9-排水管；10-接收装置；11-水环；12-足辊；13-定位销 管式结晶器的特点在于四周圆角半径可适当的加大，通常铸坯断面为 100 100mm 以下，内角半径为 8mm；铸坯断面在 140140200200mm 范围内，内角 半径为 12mm；铸坯断面在 200200mm 以上，内角半径 为 15mm。这样就不会出 现组合式结晶器角部课能产生的缝隙，且冷却也较均匀。因此，这样结晶器也开 始应用于大方坯，大矩形的铸机上。 1.2.2.2 组合式结晶器组合式结晶器 组合式结晶器是由 4 块复合壁板组合而成。 每块复合壁板都是由铜质内壁和 钢质外壳组成。在与钢质外壳接触的铜板面上面铣出许多沟槽形成中间水缝。每 块复合壁板用双头螺栓连接固定。4 块壁板的组合是有两宽面夹住窄面，用螺栓 固定。冷却水从下部进入，流经水缝后从上部排出。4 块壁板的有各独立的冷却 水系统。 在结晶器的 4 个角部，可垫上厚 35mm，并带 45倒角的铜片，以防止铸 坯角裂。内壁钢板厚度在 2050mm，磨损后可加工修复，但最薄不能小于 10mm。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 10 对弧形结晶器来说，两块复合板是平的，内、外弧复合板做成弧形。而直结 晶器 4 面壁板都是平面状。当前板坯结晶器已广泛应用到了在线调宽技术。 1.2.2.3 多级结晶器多级结晶器 随着拉坯速度的提高，出结晶器下口的铸坯坯壳厚度越来越薄。为了避免铸 坯变形或出现漏钢事故，采用多级结晶器，它还可以减少小方坯的角部裂纹和菱 形变形。 多级结晶器即在结晶器下口安装足辊或铜板。 足辊足辊 在结晶器的下口四面装有多对密排夹辊，其直径较小且具有足够的刚度，辊 间安有喷淋嘴水冷却，这些小辊称为足辊，足辊的安装位置应与结晶器对弧，以 防对铸坯形成横向应力。足辊对拉坯阻力影响较小，但冷却效果稍差。足辊若发 生变形会诱发铸坯鼓肚或菱变。对于圆坯，其足辊的辊面为弧形，与圆坯外径圆 弧相一致。 冷却板冷却板 在结晶器下口四面个装有一块铜板，并在铸坯角部喷水冷却，铜板靠弹簧支 撑紧贴在铸坯表面，确保冷却均匀，这种装置拉坯阻力较大，但冷却支撑效果较 好，主要用在小方坯连铸机管式结晶器上。有的结晶器在冷却板下面还装 12 对足辊 1.3 结晶器足辊总成的作用结晶器足辊总成的作用 结晶器下部的足辊装置有两个作用， 一是在穿引锭时， 对引锭头起引导作用， 防止划伤铜管。二是对刚出结晶器的铸坯具有夹持的作用，尤其对有轻微脱方现 象的铸坯有校正的作用。 1.4 结晶器足辊总成设计、研究内容。结晶器足辊总成设计、研究内容。 1.铜管的直径和长度，足辊轴承的结构，定位方式。 2.足辊轴直径和长度，润滑油脂供给通道。 3.足辊夹持器的结构尺寸，既满足夹持器可靠又要做到足辊距离可调。 4.喷淋环的结构和尺寸的设计。 5.足辊架的设计：足辊架上有安装足辊、足辊轴、喷淋环、足辊夹持器的空 间，同时足辊架要与结晶器水套装配。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 11 1.5 结晶器足辊总成设计目标和要求结晶器足辊总成设计目标和要求 方坯结晶器足辊总成是对带有液芯的铸坯起支撑和进一步冷却的作用， 该部 件工作环境恶劣，高温、潮湿、在选择材料时要满足这一工况要求；足辊的长度 要同架和铸坯的尺寸相适应，同时考虑到足辊表面对铸坯表面的质量的影响。足 辊轴要求有足够的刚度和强度，轴承要保证有正常的间隙，油脂润滑考虑高温汽 雾环境的理化指标。喷林环要考虑流量和喷嘴的喷水角度，以及软化水和压缩空 气压力的合理匹配，同时考虑内外径尺寸和装配维修的方便。 第二章第二章 足辊的设计足辊的设计 2.1 窄面足辊的设计窄面足辊的设计 根据设计任务书的要求，可知足辊的直径为mm120，而 280380 的方坯 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 12 窄面宽度为 280mm，所以取窄面宽度为 240，既即足辊尺寸为120240。 2.1.1 轴承的设计轴承的设计 轴承的设计有两种方案，方案一：采用专用轴承。方案二：采用通用轴承。 在选用轴承时需注意以下方面，轴承的尺寸不能太大，因为足辊的直径已经 确定，采用通用轴承时要考虑其工作条件高温、潮湿，故轴承要有很好的耐热 性能，防锈蚀能力。 选用专用轴承，需设计一个与工作条件相适应的、且成本低的轴承，考虑到 轴承要装配到窄面轴上，所以轴承的内径采取40，为了防止高温工作环境下， 润滑油脂的流失，轴承的内圈与足辊内表面也形成了迷宫密封，轴承内圈的制造 是采用弹簧钢丝绕制而成，是不同于通用轴承的内圈，这也是考虑到轴承的实际 工作条件，该轴承的滚子采用的是圆柱滚子，采用圆柱滚子轴承承受径向载荷， 可以高速运转、高精度、低噪声、低扭矩、刚性好，内外圈之间允许倾斜，还可 以防尘，密封，同时考虑实际工作环境，选择圆柱滚子轴承。由于受到足辊直径 的限制，取圆柱滚子的直径 d=10mm，长度取 31mm，为了防止圆柱滚子相接触， 加速磨损，利用保持架将圆柱滚子隔开，采用实体保持架，其结构如下图 2-1 图 2-1 专用轴承的结构图如下 2-2 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 13 图 2-2 轴承外圈同内圈起到相同的作用，其设计原理也相同，内外圈之间的沟槽可 以存储润滑油脂，可以提高润滑效果，也能增加对润滑油脂的流动阻力，防止润 滑油脂大量的外流，提高密封效果，有利于保护环境。这样的结构设计很符合当 时工况条件的要求。 2.1.2 轴向固定轴向固定 2.1.2.1 轴上零件的轴向固定轴上零件的轴向固定 圆柱滚子轴承的一端靠轴肩定位，另一端可以游动迷宫环兼作轴向定位，装 拆、传力均较方便，为了方便装拆轴承，轴承处轴肩不宜太高。迷宫环采用孔用 弹性挡圈进行轴向定位。 2.1.2.2.轴上零件的轴向固定轴上零件的轴向固定 圆柱滚子轴承内圈与轴的配合采用基孔制，轴的尺寸公差为 k6，迷宫式密 封的净环与轴的配合采用基孔制过度配合。轴端要装入夹持器中，而且该足辊轴 为一个心轴，不受转矩的作用，不转动，故可以在轴端制成两个平面，利用两个 平面接触从而实现周向定位。 2.1.3 足辊材料的选择足辊材料的选择 选择耐高温、耐腐蚀的材料，1cr18ni9ti。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 14 2.2 宽面足辊的设计宽面足辊的设计 宽面足辊的设计与窄面足辊的设计相同。 第三章第三章 足辊轴的设计足辊轴的设计 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 15 3.1 足辊材料的选择足辊材料的选择 因为考虑到足辊的工作环境， 高温、 潮湿、 故因选取耐高温、 耐腐蚀的材料， 1cr18ni9ti。 3.2 足辊轴的设计足辊轴的设计 3.2.1 轴长度设计轴长度设计 足辊架的尺寸在设计任务书中已明确了，根据足辊架的尺寸，可以初步确定 足辊轴的长度为 418mm，足辊架宽面宽度为 424mm，由于考虑到高温工作环境， 轴本身的热膨胀，轴向要伸长，故轴采用比足辊架窄面稍窄点，短 3mm 左右。 3.2.2 足辊轴的结构设计足辊轴的结构设计 3.2.2.1 足辊轴的材料足辊轴的材料 （1）选取与辊子相同的材料，1cr18ni9ti,且b=539mpa。 3.2.2.2 轴的强度和刚度校核轴的强度和刚度校核 （1）n n f a 437.175 2 429 2 f1 1 2a = () o 3 . 2cos 21 +=nnn=（8.74310+ 10000）0.999=18724.257n n n ffbnbn bb 1285.9362 2 2121 = （2）水平面上的弯矩：mnfm ad =842.16096 . 0 5 . 214096 . 0 1 垂直面 上的弯矩：mnfmd b =764.898096 . 0 98.10338096 . 0 1 合成弯矩： 22 1 22 16.842898.764 898.922 dddmmm nm =+ =+ = 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 16 （3）弯矩图； （d）合成弯 矩图 （c）垂直面 的受力和弯矩 图 （b）水平面 的受力和弯矩 图 （a）受力简图 m 898.922nm 898.764nm m f1b f2b n1bn2b ab de 16.842nm m ed ba n2an1a f2a f1a fb g f2 f1 （4）按弯曲强度校核轴的强度 根据公式： 1 3 1 1 3 32 32 190 b d d b m w m d m mpa d = = = 故安全。 同理也可以得 d 处也是安全的。 （6）足辊轴的刚度校核 弯曲刚度的计算 计算轴的弯矩作用下产生的挠度 y 和转角，因为该轴是以阶梯轴，所以采 用能量法计算。许用挠度 :0002 . 0 ly =许用转角 rad005 . 0 =，有前面轴的结 构设计部分可以知道宽面轴的跨度 l=418mm。计算公式如下： dl ei mm n i li i = = 1 0 radmmy i 或）或转交变形量（挠度,- ;,mmnm轴所受的弯矩 ;11mmnmmnmnfm ii =引起的弯矩，或单位力矩在计算变形处加单位力 ;101 . 2, 5mpa empae=对于钢材料弹性模量 截面惯性矩i 4 mm ； 各轴段的长度 i l mm 将足辊宽面轴分为八段，对每一段用能量法求挠度和转角。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 19 图 32 表 33 段的计算如下： m挠度 = 37 0.1480.0262 209 n m=g 37 1.4140.125 418 mn m=g偏转角 37 898.922346.46 96 mn m=g 挠度计算： 0 limm dl ei 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 20 4 2 1124 5 0.147 3.7 10 346.46 0.0262 0.1472.06 10(3.0 10 ) 1.369 10 il mm ed m = = = 4 2 1124 5 3.7 10346.46 0.125 0.1472.06 10(3 10 ) 6.533 10 () mm d rad = = i 偏转角计算： l = 0.147e 段的计算如下： 挠度： 1 2 37 0.1480.0262 209 96 0.1480.068 209 mn m mn m = = g g 偏转角： 1 2 37 1.4140.125 418 96 1.4140.325 418 mn m mn m = = g g 1 2 37 898.922346.46 96 898.922 mn m mn m = = g g 挠度计算： 0 limm dl ei 112212 4 2 24 5 (2( 0.294 5.9 10 346.46 (2 0.02620.068)898.922 (0.02622 0.068) (4 10 ) 7.136 10 il mmmmmm ed m 11 =+)+2) =+ 0.2942.0610 = 偏转角计算： 0 limm dl ei 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 21 112212 4 3 24 5 (2( 0.294 59 10 346.46 (2 0.1250.325)898.922 (0.1252 0.325) (4 10 ) 7.58 10 il mmmmmm ed rad 11 =+)+2) =+ 0.2942.0610 =（） 段的计算如下： 1 2 1 2 96 0.1480.068 209 121.5 0.1480.086 209 96 1.4140.325 418 121.5 1.4140.411 418 898.922 mn m mn m mn m mn m mn m = = = = = g g g g g 挠度： 偏转角 ： 挠度计算： 0 limm dl ei 12 4 24 52 ( 0.098 2.55 898.922 (0.0680.086) (4.0 10 ) 6.83 106.83 10 il m mm ed mmm 2 11 =+) 10 =+ 0.0982.0610 = 偏转角计算： 0 limm dl ei 12 4 24 4 ( 0.098 2.55 898.922 (0.3250.411) (4.0 10 ) 3.264 10 () il m mm ed rad 2 11 =+) 10 =+ 0.0982.0610 = 段的计算如下： 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 22 1 2 1 2 121.5 0.1480.086 209 0.148 121.5 1.4140.411 418 209 1.4140.707 418 mn m mn m mn m mn m = = = = g g g g 挠度： 偏转角： 898.922mn m=g 挠度计算： 0 limm dl ei 1 4 2 1124 4 ( 0.098 8.75 10 898.922 (0.0860.148) 0.098 2.06 10(4.5 10 ) 2.223 10 il m mm ed m 2 =+) =+ = 偏转角计算： 0 limm dl ei 1 4 2 1124 3 ( 0.098 8.75 10 898.922 (0.411 0.707) 0.098 2.06 10(4.5 10 ) 1.062 10 () il m mm ed rad 2 =+) =+ = 由以上四段的计算可知该轴符合刚度的要求，即 yy 同理其余四段也符合刚度要求。 3.3 润滑油脂供给通道的设计润滑油脂供给通道的设计 3.3.1 润滑油脂的选择润滑油脂的选择 该处使用润滑油脂是对圆柱滚子进行润滑， 而且工况条件恶劣高温、 潮湿、 多尘条件，故尽可能选用润滑油脂。而且在设备连续工作，长期工作于恶劣条件 下，润滑油脂供至摩擦副始终是连续不断的，采取连续润滑，因供给润滑油脂在 设备上采用连续压力润滑由电动干油站集中润滑，柱塞泵通过电机减速机带动， 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 23 将润滑油脂从贮油器中吸出，经换向阀，顺着给油管向各给油管器压送，给油器 在压力作用下开始动作，向各润滑点供送润滑油脂，这样就可以保证连续供油， 保证工作可靠性了。 对润滑油脂的选取可通过手册进行查询，通过差手册可以了解二硫化钼 （mos2）润滑油脂的性质和应用。 比较 mos2润滑脂和 mos2复合钙基润滑脂，syb140759 的性质就可知道，从 锥入角度看，mos2润滑脂不如 mos2复合钙基润滑脂，因为该处工作温度较高，应 尽可能选择锥入度较小的，温度越高，润滑油脂越稀。为适应工作环境应选用较 稠的，从特点和适应角度来看，mos2复合钙基润滑脂具有耐潮湿的特点，这也符 合实际工作环境，而 mos2润滑脂不能较好的做到，也综合考虑经济方面的因素， 最后选择 mos2 复合钙基润滑脂 syb140759。 3.3.2 润滑油脂的通道设计润滑油脂的通道设计 该系统采用干油集中润滑系统，连续压力润滑，润滑油脂消耗量的计算，参 见机械设计手册 )(025 . 0 21 kkdnq+= 班单位mlq（每班八小时） 轴孔的直径d cm 系数n 单列轴承 n=2.5 3 . 0k1= 6k2= ()63 . 05 . 2d14 . 3 025 . 0 q+= 根据干油集中润滑系统提供的流量，变可以计算出相应的孔径，通过类比， 参考现有该设备，按相同尺寸设计，取润滑油脂的通道直径 d=8.6mm，小孔通道 直径 d=5mm，并且考虑到密封的要求，采用螺纹密封的管螺纹连接。 为了把润滑油脂导入到足辊轴中的通道，加设了一个加油管，干油集中的润 滑系统将润滑油脂导入到加油管，从加油管进入到足辊轴内的通道，最后到达圆 柱滚子轴承 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 24 尺寸代号 mm牙高 mm大径 mm小径 mm中经 mm基准长度 81 0.581 9.728 9.147 8.566 4.0 3.4 加油管的设计加油管的设计 考虑到加油管要与足辊的润滑油脂通道相连， 故在加油管的端部也需要制成 81r的同螺纹密封的管螺纹，加油管要伸出足辊架的等边角钢的外面，以便于 加注润滑油脂， 其设计如下： 此加油管采用焊接的方法， 这样制造方法比较简单， 而且节省成本。其结构简图如下。 图 34 考虑到采用集中供油润滑，润滑油嘴也有一些不同，如果采用标准件，可以 节省成本，但是考虑到现有的设备，为了与现有的设备相适应，所以也对润滑油 嘴做了一些改进，主要是考虑到将标准件采用了一些改进，将直通式压油杯油 杯 m101 gb115279 和压配式压油杯油杯 10gb11579 进行了一些综合， 其成本也是不会太高，也就是将两者联合在一起，在压配式压油杯油杯 10gb115579 上加上一个连接螺纹，其目的是将润滑油嘴连接到加油管上。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 25 第四章第四章 夹持器的设计夹持器的设计 夹持器在结晶器的足辊这部分是非常重要的，它既要作到夹持可靠，紧固足 辊轴， 同时又要满足足辊距离可以调节，这部分对足辊间的距离要求是比较严格 的，因为这一尺寸的变化直接影响到方坯的尺寸和其表面质量。 由以上分析课知道轴的结构尺寸设计完成，为了夹持器能夹持住足辊轴，故 在夹持器中要设计放置足辊轴的地方，且其尺寸要以足辊轴端相适应，以便于组 装在一起，同时还要考虑到夹持器本身的固定夹持器要固定到足辊架上，故需采 用螺栓连接，为了便于装配足辊轴，在夹持器上进行工艺性设计，在装配组滚轴 处的端面加工倒角，制成 5mm45 o 。 为了实现足辊距离可以调节，设计时采用了微调机构，调整零件间的位置， 利用螺纹传动将旋转运动化为直线运动，实现足辊距离可以调节。 4.1 拉拉杆螺栓杆螺栓的设计的设计 通过螺栓传动来推动足辊轴移动，足辊轴两端与夹持器两端面的相接触，要 产生摩擦力，螺杆的受力要能克服此摩擦力，否则无法实现直线运动。 根据nf= f 摩擦力 摩擦系数 n正压力 参见机械设计手册课查得摩擦系数，取12 . 0 = 由足辊设计部分可知，作用于足辊轴上的正压力: n =cos2.3（n1+n2） =0.999(8743+10000) =18724.257n f =n =0.12 18724.257 =2246.911n 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 26 所以根据螺杆的受力平衡可知，螺杆所受到的力就等于 f（摩擦力）考虑到 该处的螺旋传动，要求并不高，只要能满足螺杆强度、自锁、耐磨性、螺纹牙强 度、滑动螺旋传动的主要失效形式为螺纹磨损，因此，应根据螺杆螺母的耐磨性 来决定，其中径设计过程如下，参见机械设计师手册 4.1.1 螺旋传动的材料选择螺旋传动的材料选择 螺杆材料采用 y1cr17，螺母材料采用 y1cr17，参见手册。 4.1.1.1 耐磨性的计算耐磨性的计算 根据螺杆中径： p p f d 8 . 0 2 （此处采用普通螺纹且是细牙，为了实现微 调） f轴向载荷，n pp许用比压，pa，参见机械设计师手册 ，机械工业出版社，表 3-6-7 滑动螺旋副材料的许用比压 pp，取 pp=10mpa。 根据螺母的形式选定，整体螺母取 1.2-1.5,取2= 2 6 3 0.8 2246.911 0.8 2 10 10 8.479 10 8.479 p f d p m mm = = = 取中径mmd026 . 9 2 =，参见有关的国际要求，从安全的角度出发，应加大螺 杆的直径，由于在计算过程中忽略了实际情况，同时为了计算，制造提供方便， 取mmd10=，即取 m10 的螺栓。 螺母高度mmdh052.18026 . 9 2 2 = 旋合圈数1210= p h n，p螺距，m，取 p=1.5mm=1.510 -3mm，参见机 械制图 ，高等教育出版社，附表 5-2 普通螺纹的基本尺寸（gb196-81） p h n = 5 . 1 052.18 = 121012 = 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 27 螺旋的工作高度： mm ph 299 . 1 5 . 1866 . 0 866 . 0 = = = （普通细牙螺纹，以便于实现微调） 工作比压： p w p hnd f p= 2 （用于校核） 2 6 2246.911 3.14 9.026 1.299 12 5.086 10 5.086 w a a f p d hn p mp = = = = 根据以上验算，可以知道满足耐磨性的要求。 4.1.1.2 验算自锁验算自锁性性 2 cos a f arctgp = 2 p d s arctg= p当量摩擦角， f摩擦系数，取 f=0.15， s导程， a螺纹牙形角，该处为普通螺纹，故 a=60， 509 826 . 9 30cos 15 . 0 2 cos o o o = = = = arctg a f arctgp 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 28 183 03 . 3 026 . 9 14 . 3 5 . 1 2 o o = = = = arctg d s arctg 通常可使304o，根据以上验算，可以知道满足自锁性的要求。 4.1.1.3 验算螺杆验算螺杆强度强度 当量应力 1 22 d 23 11 4 = ()3() 0.2 p ft dd +， p螺杆材料的许用应力，参 见 机械设计师手册 ， 机械工业出版社， 表 3-6-8 滑动螺旋副材料的许用应力， 根据 35 s p = ，s材料的屈服强度，s=220 mpa，参见机械设计手册 ， 化学工业出版社， 表 3-1-19 不锈钢的力学性能与用途 （gb1220-84） 220 55 354 s pamp = ， d1螺纹小径， 取 d1=8.376 mm ， t1转矩， n m， 根据机械设计 ，高等教育出版社，可以知道： 2 1 d t =f tan( +p ) 2 9.026 =2246.911 tan(3.03 +9.826 ) 2 =2314.247n mm =2.314n m g g 1 22 d 23 11 22 33 3 7 4 = ()3() 0.2 4 2246.9112.314 3 3.14 (8.376 10 )0.2 (8.376 10 ) 5.327 10 53.27 a a ft dd p mp + =+ = = 根据以上验算53.2755dapampmp=，可以知道满足螺杆强度的要 求。 4.1.1.4 验算螺纹牙验算螺纹牙强度强度 螺纹牙根部的宽度pb=125 . 0 ，p螺距，取 p=1.5mm=1.510 3m。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 29 mm m pb 187 . 0 10187 . 0 105 . 1125 . 0 125 . 0 3 3 = = = = 螺杆：根据校核公式：剪切强度 p bnd f = 1 ， p 材料的许用切应力， 表 3-6-8，mpap p 95.5566 . 0 =，d1螺杆内径，n旋合圈数 mpampa dbn f p 95.55966.20 12101875 . 0 10376 . 8 14 . 3 2 35.2481 33 = = = 螺母：根据校核公式：剪切强度 p dbn f =， d螺杆外径， p 材料的许用切应力，表 3-6-8，mpap p 95.5566 . 0 =，b螺纹牙 根部的宽度。 mpampa dbn f p 95.5556.17 121875 . 0 1014 . 3 2 35.2481 = = = 根据以上验算，可以知道满足螺纹牙强度的要求。 根据所设计的螺杆，选择与其相适应的螺母，故需要在足辊上制出相应的螺 纹，将螺杆与足辊轴相连接。 4.2 空心螺栓空心螺栓的设计的设计 为了防止螺杆产生过大的弯曲变形，同时用于固定，支撑螺旋传动的螺母， 所以在设计中利用空心螺栓来满足以上要求，螺杆装在空心螺栓内部，螺栓头用 空心螺栓支撑，通过旋转螺栓头带动螺杆传动，从而实现直线运动，同时空心螺 栓还有另外一个作用，用于固定两足辊间的距离，当两足辊间的距离确定后，拧 空心螺栓，使其端面顶在足辊轴上，这时，空心螺栓就要受到水平力的作用，这 水平力的大小很大程度决定了空心螺栓的尺寸。参见机械设计 ，彭文生，李 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 30 志明，黄华亮主编，高等教育出版社。 4.2.1 空心螺栓的材料选择空心螺栓的材料选择 考虑到空心螺栓的工作环境，参考现有材料的力学性能，最后选择 y1cr17， 参见机械设计手册 ，化学工业出版社，表 3-1-19 不锈钢的力学性能与用途 （gb1220-84） 4.2.2 空心螺栓的设计计算空心螺栓的设计计算 根据公式：松螺栓连接 f d 4 f单个螺栓所受的轴向工作载荷，n n s =， s 螺栓