方板坯开坯轧机设计

1、第74页鞍山科技大学本科生毕业设计(论文)方板坯开坯轧机设计摘要方、板坯开坯轧机既可轧制板坯，又可轧制方坯，生产比较灵活。又称为大开口度二辊可逆式初轧机。初轧机的主要技术性能有：辊径为11501350mm，辊身长度为3100mm，轧辊的工作行程为1700mm，最大行程为1905mm，轧制压力为3000T，电动机功率50002KW，转速03570rpm，压下速度为142284mm/sec,两牌坊中心矩为4140mm,牌坊窗口开口度操作侧为1400mm，传动侧为1390mm。此轧机的设计包括轧制力的计算，电机容量的选择，压下系统的选择，压下螺丝、螺母尺寸的确定，压下电机的选择，平衡方法的计算，轧辊

2、、万向连轴器、机架、轧辊轴承、齿轮、压下螺丝、螺母等主要零件的强度校核，以及润滑方法的选择，对控制系统的要求，设备的可靠性分析等内容。初轧机较多地采用了液压传动，机械化程度比较高。关键词 初轧机，轧制力，压下系统Square billet and board billet bloomers designAbstractSquare billet and board billet bloomer since can roll square billet and board billet，produce more vivid,is called again big openings degree

3、two reollrs go against type rolling mill.Main technique function of the bloomer: diameter of the roller is 1150mm1350mm, corporeity of the roller is 3100mm, the work route of travel is 1700mm, the biggest route of travel is 1905mm,the rolling pressure is 3000T, electric motor power is 50002KW, the r

4、otate speed is 03570 rpm, the depressive speed is 142284 mm/sec, the center distance of two toriis is 4140mm, openings degree of the toriis window: the operate profile is1400mm,the transmission profile is 1390mm.The design of this rolling mill include the count of the rolling force,the choice of the

5、 electromotor capacitance, the choice of the depressive system, make certain the size of the depressive screm and nut, the choice of the depressive electromotor, the count of the balance means, verify the strength of the roller、the universal coupling、the machine shelf、the roller bearings、the wheel g

6、ear、the depressive screm and nut ect.And the choice of the lubricating means,the demand of the contral system,the dependability analyse of the equipment ect.Bloomer adopte the liquid drive morely, mechanisation degree is higher. Descriptors bloomer，rolling force，depressive system目录1 概述11.1初轧机在轧钢生产中的

7、作用11.2初轧机的分类11.3初轧机在生产中存在的问题21.4方案的选择和评述22 初轧机力能参数的计算52.1轧制规程 52.2轧辊主要参数的确当52.2.1 轧辊的名义直径52.2.2 辊身长度52.2.3 辊颈直径和长度52.3轧制力的计算62.3.1 平均单位压力的计算62.3.2 轧制力P的计算92.4电机容量的选择92.4.1 初选电机的容量92.4.2电机轴上的力矩112.4.3电机容量的校核173.压下系统的计算193.1 压下螺丝和螺母尺寸的确定193.2 压下系统的选择193.2.1 1300初轧机的工艺特点193.2.2压下系统的选择193.2.3压下装置示意图193.

8、3 转动压下螺丝的力矩204平衡力的计算23 4.1 平衡方法的确定234.2 平衡力的计算235主要零件的强度计算245.1 轧辊的强度计算245.2 万向接轴的强度计算265.2.1开口式扁头的受力分析和强度计算265.2.2叉头受力分析和强度计算285.2.3轴体的强度计算295.3 机架的强度计算305.3.1机架的受力分析305.3.2立柱、横梁的惯性矩和断面系数的计算315.3.3横梁和立柱的强度计算345.4 轧辊轴承的计算365.5 齿轮的计算365.6 压下辊螺母和螺丝的强度校核415.6.1压下螺母的强度校核415.6.2压下螺丝的强度校核426润滑方法的选择446.1 轧

9、辊轴承的润滑446.2 万向接轴的润滑446.2.1并合环式润滑446.2.2稀油喷雾润滑装置456.3 压下螺母和压下螺丝的润滑456.4 齿轮的润滑457对控制系统的要求467.1 压下传动装置467.2 轧辊467.3 下轧辊调整装置467.4 低速传动装置468设备的可靠性分析478.1 设备的平均寿命478.2 设备的有效度478.3 设备的经济寿命47结论48致谢49参考文献50附录511概述1.1初轧机在轧钢生产中的作用在连铸技术成熟之前,炼钢生产出来的钢水只能铸成钢锭,由于钢锭浇注、脱模和运输的特点所决定,钢锭形状只能是方形断面或是矩形断面,并且是上大下小的几何体。这种几何体不

10、可能同时适用于板材轧制、型材轧制和管材轧制，在这三种钢材轧制厂和炼钢厂之间需要有一个中间环节，将钢锭按轧材厂的要求轧成板坯、型材坯或管坯，这种轧制钢锭开坯的生产工序就叫做初轧。按老式的钢锭生产体系布局，一个大型钢铁联合企业，应该是板材、型材和管材都能生产，当一个或几个炼钢厂的钢锭分别供应板材厂、型材厂和管材厂时，初轧厂是整个生产体系的咽喉，一旦咽喉不畅，后果是可想而知的，因此可以说明在老式的钢铁生产体系中初轧的地位是非常重要的。1.2初轧机的分类初轧机按其结构形式可分为以下几类:1.二辊可逆式初轧机又可分为方坯初轧机和方-板坯初轧机。轧机大小以轧辊公称直径表示。方坯初轧机的上辊升高量较小，经多

11、次翻钢轧成方坯、矩形坯、异形坯或圆坯。方-板坯初轧机即轧方坯又轧板坯，生产比较灵活。由于有立轧道次故上辊升降量大，又称大开口度初轧机，其后亦常跟12组水平-立式交替布置的钢坯连轧机。2.万能板坯初轧机属板坯专用初轧机，在水平方向上有两个轧辊，在垂直方向上有两个立辊。与大开口度的板坯初轧机相比,在初轧过程中不需翻钢,所以效率较高。在水平轧辊具有相同动力的情况下，万能初轧机与大开口度初轧机相比轧制时间约可缩短30，而且对轧件的侧面有良好的锻造效果。在万能初轧机的水平轧辊上切出的孔型也能进行大方坯的轧制。3.三辊开坯机该开坯机有三个轧辊，轧辊不用逆转，轧机建设费较低，而且能耗低，其运转动力70使用于

12、钢锭的变形。由于孔型是一定的，所以产品规格灵活性小，产品范围比较窄，此外，在轧机前后都必须配备摆动升降台。三辊式开坯机主要应用于中小型企业。4.钢锭连铸机这种轧机是几台二辊式轧机的串列布置。轧辊转动方向不变，它的坯料及成品的适应性差，但可以对需要量大且断面形状一定的中小型钢坯或薄板坯进行高效率轧制。1.3初轧机在生产中存在的问题初轧机在生产中存在的问题有:1.机所用的原料是具有铸造组织的钢锭,其内部晶粒大且有方向性,化学成分亦不均匀,均热和初轧可以破碎铸造组织,使晶粒细化,成分趋于均匀,各项性能均得以改善和提高,但由于断面较大,加热时容易产生较大的温度应力,故冷锭加热应谨慎,对某些合金钢锭还需

13、要有较大的保温时间，以均匀其组织和成分。2.轧制中钢锭端面高度与轧辊直径之比较大,头几道的压下量又小,因此变形不深透,必然形成表面变形。除表面延伸形成“鱼尾”外，轧件侧表面还产生双鼓形，轧件中心会承受拉应力，容易产生拉裂，或使原有缺陷扩大，为此在咬入时和电机能力允许的条件下，应尽可能增大压下量，并适当增加翻钢道次以保证质量。1.4方案的选择和评述该轧机为大开口度二辊可逆式初轧机，即可轧制板坯又可轧制方坯的方-板坯初轧机。1.机架机架由两片闭式牌坊与上下横梁组成。牌坊是铸钢件，内侧窗口安装钢滑板，左右牌坊窗口开口度不等,传动侧为1390毫米,操作侧为1400毫米,便于换辊时轧辊轴承座的进出,机架

14、横梁是钢材焊接件,连接左右牌坊上部与下部。闭式机架的优点是强度和刚度较大，常用在受力大或要求轧件精度高而不经常换辊的轧钢机上。2.压下传动装置采用快速压下装置，其工艺特点是：（1）工作时要求大行程，快速和频繁地升降轧辊。（2）轧辊调整时，不“带钢”压下，即不带轧制负荷压下。为适应上述特点，就要求传动系统惯性小，以便在频繁的启动和制动情况下实现快速调整；由于其工作条件繁重，要有较高的传动效率和工作可靠性；快速压下装置中还有克服压下螺丝阻塞事故（轧卡、坐辊）的回松装置。快速压下装置采用双卧式直流电动机通过一级齿轮变速和蜗轮减速后传给压下丝杆进行压下传动，这种结构布局与双立式电动机和齿轮减速机形式比

15、较，可降低厂房轨面标高，减少厂房造价。3.上轧辊平衡装置上轧辊采用液压平衡，液压平衡是用液压缸的液压推力来平衡上轧辊等零件的重量的。液压平衡与反扣螺丝平衡、重锤平衡相比较有工作可靠，动作迅速及时，结构紧凑，维修量少等优点。4.轧辊轴承和轴承座轧辊轴承用来支撑转动的轧辊，并保持轧辊在机架中正确的位置，轧辊轴承应具有小的摩擦系数，足够的强度和刚度，寿命长，并便于换辊。轧辊轴承采用四列圆柱滚动轴承，在操作侧装有双列圆锥轴承作止推作用。轴承的内圈是用感应加热器热装在轧辊上，在一般情况下，轴承内线是拆不下来的。轴承座为铸钢件（盖是焊接件），两侧装有青铜衬板。5.轧辊的轴向调整上轧辊不动，对下轧辊进行轴向

16、调整来完成对轧辊的调整。下轧辊调整装置采用电动同步双斜楔式的调整装置，此结构固定在操作侧机架上，它的优点是保证了孔型轴向调整正确，节省了调整时间，改善了劳动条件。 2初轧机力能参数的计算2.1轧制规程轧制钢种16Mn,钢锭断面760670mm,锭重78KN，成品断面300300mm,开轧温度1200。2.2轧辊主要参数的确定2.2.1轧辊的名义直径按轧辊的咬入条件确定D (2.1) =888.23 mm 式中，最大压下量，=119mm最大压下角，查表3-1取=30取D=1300mm。2.2.2辊身长度 查表3-2，L/D=2.22.7，则L=2860mm3510mm,取L=3100mm。L/D

17、=3100/1150=2.696L/D=3100/1350=2.296所以取L=3100mm合适。2.2.3辊颈直径和长度使用滚动轴承时，由于轴承外径较大，轴颈尺寸不能过大，所以取d=830mm,l=850mm。计算结果如图图2.1 轧辊尺寸2.3轧制力的计算2.3.1平均单位压力的计算 在初轧机单位压力的计算中采用西姆斯公式,第一道次平均单位压力的计算：1.应力状态系数的计算 (2.2) =（760-675）/760=0.112 (2.3)=+=0.175 (2.4) =1+(650/675) 0.175 =1029 (2.5)+(1/2)= =0.8082.变形阻力的计算 利用北京科技大学

18、变形阻力经验公式，= (2.6)式中，基准变形阻力，即变形温度t=1000时，变形速度u=10s,变形程度=40时的变形阻力，159.9，变形温度影响系数，当变形温度t=1000时，k=1，k=exp(A+BT) (2.7)查表2-1，得A=3.466，B= -2.723，T=(t+273)/1000 (2.8)=(1200+273)/1000=1.473 由公式(2.7)得，k=exp3.466+(-2.723)1.473 =0.580，变形速度影响系数，当u=10s时，k=1，k=(u/10) (2.9)查表2-1，得C= -0.220，D=0.254，u=(v/l)(/) (2.10)=

19、(2.382/0.23505) (0.085/0.760)=1.133m/s 由公式(2.9)得，k=(1.133/10)=0.715，变形程度影响系数，当平均变形程度=40时，=1，=E(/0.4)(E1) (/0.4) (2.11)查表2-1，得E=1.566，N=0.466，=(2/3) (2.12)= (2/3) 0.112=0.0747=ln1/(1)=0.078 (2.13)由公式(2.11)得，=1.566(0.078/0.4)=0.621，由公式(2.6)得，=159.90.5800.7150.621=41.178N/mm。3.平均单位压力P的计算k=1.15 (2.14)=1

20、.1541.178=47.356 N/mm 由西姆斯公式，P=k (2.15)得，=0.80847.356=38.264 N/mm。2.3.2轧制力P的计算轧件对轧辊的总压力P为轧制平均单位压力P与轧件和轧辊接触面积F之乘积，即 P= PF (2.16)接触面积F的一般形式为F=()/2l (2.17)式中，、轧制前、后轧件的宽度，=670mm, =674mm, l接触弧水平投影，l=235.05mm，由公式(2.17)，得F=(670+674)/2235.05=157953.6mm。由公式(2.16)，得P=38.264157953.6=6043881.0N。依此方法，可分别计算13道次的平

21、均单位压力和各道次的轧制总压力。2.4电机容量的选择2.4.1初选电机的容量初选电机的容量按轧辊上的力矩M，即轧制力矩M与轧辊轴承处的摩擦力矩M之和，M= M+ M (2.18)的最大值初选。1.各道次轧辊轴上的力矩(1) 轧制力矩MM=2PL (2.19)式中，力臂系数，取=0.5因为是双电机驱动，所以M=PL (2.20) 由公式(2.20)，得M=6043881.00.235050.5=710307.11Nm。(2) 轧辊轴承处的摩擦力矩M M=P(d/2) (2.21)式中，轧辊轴承摩擦系数，取=0.02，由公式(2.21),得M=6043881.00.830/20.02=50164.

22、21 Nm。由公式(2.18),得M=710307.11+50164.21=760471.32 Nm。其它各道次见附表。2.初选电机容量根据过载条件选择电机功率N= M (2.22)式中，M取各道次的最大值，M=1359091.9 Nm，轧辊转速，=60v/(D)=602.382/(1.3)=35r/min,K电机过载系数，K=2，总机械效率，=0.96，由公式(2.22)，得N=1359091.935/(955020.96)=2594.3KW。考虑电机轴上还有其它力矩，故初选N=5000KW。= (2.23)=351 =35 r/min 式中，电动机与轧辊之间的传动比，因为电动机直接驱动轧辊

23、，所以=1。以上计算是双电机驱动，只计算一个轧辊，最后选择直流电机转速n=03570 r/min，轧机电机N=50002KW。2.4.2电机轴上的力矩1.轧制力矩M= M/ (2.24) =710307.11 Nm 2.摩擦力矩M= M/ (2.25)=50164.21 Nm M=(1/M/ (2.26) =(1/0.96)-1 1359091.9/1=31686.31 Nm 3.空转力矩M=(0.030.06)M (2.27)将M=9550 N/ (2.28) =95505000/35=1364285.7 Nm 代入式(2.27)中，得M=0.051364285.7=68214.29 Nm

24、4.起动力矩(1) 起动力矩M=(GD) (2.29)式中，GD转化到电机轴的各构件的飞轮矩，GD=187500 kg m,起动加速度，取=a=30 r/min/s,由公式(2.29)，得=187500/38.230=147251.31 Nm。(2) 制动力矩=(GD) (2.30)式中，GD转化到电机轴的各构件的飞轮矩，GD=187500 kg m, 制动减速度，取=b=40 r/min/s,由公式(2.30) ,得=187500/38.240=196335.08 Nm。 5.电机轴的负载图和速度图(1) 空载起动阶段空载起动阶段，转速由变化到咬入轧件时的转速，取=9 r/min, =15

25、r/min,所以，此阶段所需的时间为=(-)/a (2.31)=(15-9)/30=0.2s 力矩为 M= M+ M (2.32)=68214.29+147251.31=215465.6 Nm (2) 咬入加速阶段咬入加速阶段，转速由变化到轧制时最大稳定转速，通过能量原理可以计算出，= (2.33)式中，抛钢时的转速，取=20 r/min/s,当量长度，= (2.34)式中，(1a) / r (2.35) =78000(12)/(0.00000078675674) =2154.1mm 式中，G轧件重量，G=78 KN， r 轧件比重，a烧损率，取a=2，轧制后的高度，轧制后的宽度， (2.36

26、) = =235.05 mm 由公式(2.34),得=(2154.1+235.05)/(1300)=0.58。将以上结果代入公式(2.33)中，得=39.91 r/min60 r/min。咬入加速阶段所需时间=(-)/a (2.37)=(39.91-15)/30=0.830s 力矩为M=M+M (2.38)式中，M推算到电机轴上的总静力矩M=M/+M (2.39)=760471.32/1+31686.31+68214.29=860371.9 Nm由公式(2.38),得M=860371.9+147251.31=1007623.21 Nm。(3) 稳定轧制阶段稳定轧制阶段的力矩为M=M=86037

27、1.9 Nm。并非每道轧制都达到稳定轧制转速，经常情况下几道次轧件较短，未达到稳定转速时，轧件已经轧完，M不存在，即t0。轧制时间t=60L (2.40)=602154.1/()=0.793s = (2.41)=0.7930.8300.498= -0.535s 这时取等于电机的额定转速，则=35r/min。(4) 带钢减速阶段带钢减速阶段，转速由变化到抛钢时的转速，此时的力矩为M M- M (2.42)=860371.9-196335.08=840738.4 Nm 式中，M制动力矩带钢减速阶段所需时间为 (2.43)=（39.9-20）/40=0.498 s (5) 制动阶段电机转速由变化到0

28、，电机轴上的力矩为M= M- M (2.44) =68214.29-196335.08=-128120.79 Nm 制动阶段所需时间为 (2.45) =20/40 =0.5s 同类方法可以计算出其它道次电机轴上的力矩和时间，见附表。（6）速度图n=f(t)和负载图M= f(t)当转速超过电动机的基本转速时，此时由于调节电动机的激磁电流而会使电动机力矩降低，但轧机所要求的力矩并未减少，因而增大电枢电流才能使电动机力矩与负载力矩平衡，由于电枢电流的增大而使电动机发热增高，所以当计算电动机的等值力矩时，电动机力矩在超过基本转速的情况下并未加大，此时必需考虑到由于电流增加对发热的影响，即当=35 r/

29、min时，负载图力矩值要进行修正，其修正值为M= M (2.46)=1007623.2139.91/35=1148978.4 Nm (2.47)=(39.91-35)/30=0.163 s MM (2.48) =860371.939.91/35=981069.78 Nm M M (2.49) =840738.439.91/35=958681.99 Nm (2.50)=(35-20)/40=0.375s (2.51) =0.498-0.375 =0.123s其它道次结果见附表。2.4.3电机容量的校核1.电机的过载校核按过载验算电动机，则MKM (2.52)式中，K电动机的过载系数，直流电机K=

30、3， M电机负载图的最大力矩，M=2796397.0 Nm。M=9550 (2.53) =95505000/35=1364285.7 Nm 由公式(2.52)，得MK=2796397.0/3=932132.33 NmM=1364285.7 Nm，所以电机的过载校核通过。2.电机的发热校核经过载验算的合适的电机还需进行发热验算，依据电机负载图求出等值力矩，M (2.54) = =773131.83M=1364285.7 Nm所以电机的发热校核通过。 其它道次用类似方法计算，经计算均通过发热校核。3.压下系统的计算3.1压下螺丝和螺母尺寸的确定压下螺丝直径由最大轧制力决定，选压下螺丝外径d为500

31、mm,中径d为450mm,内径d为414mm,螺距t为68mm。压下螺母的主要尺寸是它的外径D和高度H，H=(1.22)d=6001000mm,选H=780mm,D=(1.51.8)d=750900mm,选D=850mm。3.2压下系统的选择3.2.1 1300初轧机的工艺特点1300初轧机的工艺特点是：(1) 工作时，要求上轧辊快速、大行程、频繁地调整；(2) 轧辊调整时不带轧制负荷，即不“带钢”压下。3.2.2压下系统的选择为了适应以上工艺特点，对压下装置要求是：(1) 采用惯性小的传动系统，以便频繁地启动、制动；(2) 有较高的传动效率和工作可靠性；(3) 必需有克服压下螺丝阻塞事故（“

32、坐辊”或卡钢）的措施。由于以上原因选择双电机快速压下装置。 3.2.3压下装置示意图1.压下传动用电动机 2.齿轮增速器3.齿形离合器用液压缸 4.齿形离合器5.中间轴 6.蜗轮减速机 7.低速传动用蜗轮蜗杆减速机 8.低速传动用电动机 9.凸块联轴器 10.空气制动器 11.压下指示伞齿轮箱12.自整角机 13. 压下指示调零用电动机 14.控制器 15.指针 16.减速机 17.压下传动用蜗轮减速器 18.压下丝杆图3.1 压下指示系统图3.3转动压下螺丝的力矩转动压下螺丝所需的静力矩也就是压下螺丝的阻力矩，它包括止推轴承的摩擦力矩和螺纹之间的摩擦力矩，其计算公式是： (3.1)式中，螺纹

33、中径， 螺纹上的摩擦角，即=arctan,为螺纹接触面的摩擦系数，取=0.1，故=540， 螺纹升角，压下时用正号提升时用负号，=t/ (d)=68/(500)=0.04， 作用在一个压下螺丝上的力，=(0.10.2)G=0.2420000=84000N,G为被平衡部件(包括轧辊组件及压下螺丝)的总重量， 止推轴承的阻力矩，=1/3） (3.2) =1/30.284000(700 =3965948.72 N mm 式中，止推轴颈的摩擦系数，取=0.2， 压下螺丝止推轴颈直径，=700mm, 球面铜垫凹槽直径，=80mm,螺纹摩擦阻力矩。由公式（3.1），得M=3965948.72+840004

34、50/2tan(5.67+0.04)=5855751.11 N mm。初选ZD142-2B型压下电机，N=250KW，n=500/1200 r/min, =91.2。n=60v/t=60142/68=125.29 r/min (3.3)N=M n/(9550) (3.4)式中，传动系统的总速比，=3.467， 传动系统总的机械效率，=91.2，由公式（3.4），得N=5855751.11c125.29/（95503.4670.912）=24.90KW所以选用ZD142-2B型电机合适。 4平衡力的计算4.1平衡方法的确定上轧辊采用液压平衡，由平衡缸、平衡拉杆、平衡臂与横梁组成。 图4.1 上辊

35、平衡简图4.2平衡力的计算Q （4.1）式中，D轧辊直径，D=1.3m, GD飞轮力矩，GD=187500 Kg, 工作辊角加速度，=20 r/min/s, 工作辊与支撑辊间滑动摩擦系数=0.1。由公式（4.1），得Q1.3/（0.11.3）187500/19.120=25183.25 N。 = M/W= M/0.1D （5.2） =943156710.31/（0.11150）=62.01MPa=96 MPa2.辊颈轧辊辊颈弯矩为M=Rc (5.3) =6859321.53870/2=2983804805.55 Nmm 轧辊承受由主电机经减速器传到轧辊的全部扭矩，则辊颈危险断面上的弯曲应力和扭

36、转应力分别为= M/W= M/(0.1d) (5.4) =2983804805.55/(0.1830)=52.18 MPa=M/W=M/(0.2 d) (5.5)=1078582470/(0.2830)=9.43 MPa合成应力按第四强度理论计算 （5.6） = =54.68 MPa=96 MPa3.辊头轧辊传动端辊头只承受扭矩，辊头受力情况是属于非圆截面扭转问题。= M/W= M/（b） (5.6)= 1078582470/(0.208650)=18.88 MPa=57.6 MPa 图5.1所以轧辊的强度符合要求。5.2万向接轴的强度计算5.2.1开口式扁头的受力分析和强度计算开口式扁头受力简图 图5.2实验表明，由月牙行滑块作用在开口式扁头上的负荷近似地按三角形分布，因此，合力的作用点位于三角形的面积型心，即在离断面边缘1/3b处，当万向接轴传递的扭转力矩为M时，合力P为P=M/() (5.7)=1078582