卡罗塞尔卷取机运动特性分析与结构设计说明

1、 大学本科学生毕业设计（论文）卡罗塞尔卷取机运动特性分析与结构设计Graduation Design(Thesis) of ChongqingUniversitySTRUCTURAL AND KINETIC CHARACTERISTIC ANALYSIS OF CARROUSEL COILERUndergraduate: Zhang feiSupervisor: Prof. Wang yongqinMajor: Mechanical Design,manufacturing and automationCollege of Mechanical EngineeringChongqingUniv

2、ersityJune 2011- 47 - / 54摘 要卷取机是成卷轧制和带材精整机组中的关键设备，其用途是收集超长轧件，将其卷取成卷以便于贮存和运输。卷取机是轧钢车间的重要辅助设备，在带材和线材生产中均被广泛应用。轧钢生产实践证明，卷取机的工作状态直接影响着轧机，特别是连轧机生产能力的发挥。因此，对强力、高速卷取设备的研究一直受到重视。卷取机有很多种类，按其卷取对象可分为：冷带材卷取机、热带材卷取机、小型线材卷取机等；按其用途可分为大力卷取机和精整卷取机。本课题的研究对象卡罗塞尔卷取，又称双卷筒卷取机，属于大型高速回转类机器，广泛应用于各类带钢生产线，是目前世界上最先进的冷轧带钢卷取机。卡

3、罗塞尔卷取机，它以连续、高速的方式收集卷取带钢。由于该机设计非常紧凑，可很大程度上节省设备安装与使用空间，同时具备卷取效率高、连续性好等优点，在国外的轧钢生产中得到了广泛的应用。本论文就是对卡罗塞尔卷取进行运动特性分析和结构设计。首先，对卷取机的用途、分类以与基本结构进行简明的介绍。其次，对卡罗塞尔卷取机的结构进行阐述，并对其工作原理进行分析，包括卷取机主传动系统，卷筒，涨缩机构，旋转和锁定系统的结构与工作原理。然后，通过计算，确定卡罗塞尔卷取机主传动系统与卷筒的一些基本参数。最后，在确定的参数的基础上，利用有限元分析软件对传动系统与卷筒轴的性能进行分析。关键词：卡罗塞尔卷取机，卷筒，结构分析

4、，参数分析，传动系统ABSTRACTCoiling machine is the most important equipment of the roiling and finishing belt material unit.The usage of the coiling machine is to collect the overlength mill bar,and to take up them into rolls,in order to reserve and transport.Coiling machine is a very imoprtant equipment of t

5、he accessories of the rolling mill,and is widely used in strips and tubes producing.The rolling operations indicates that the functional conditions of the coiling machine direct influence the roilling machine,especially the production capability of the tandem mill.So,the research of the coiling mach

6、ine is very important. Depending on differentcoiledmaterials,the coiler can be divided into many types,such as tropical coiler,old coiler and small wire coiler.Also,according to its use,it can be divided into big tension mill and finishing mill.The carrousel coiling machine is also called double rol

7、ling coiling machine.It belongs to large and high-speed-rotary machines and is widely used in all kinds of steel production line.And currently it is the most advanced cold strip mill in the world.Carrousel coiling machine collectis the coiling strip very quickly and continuously.The design of this m

8、achine is very compact,and it can save equipment space greatly.It is wildly used in the world also along with its high efficiency and continuity.This thesis is to analyse structural and kinetic characteristic of the carrousel coiler.First of all , It introduces the use, types and the basic structure

9、 of coiler to you briefly.Second,It introduces the structure of the machine as well as its working principle including the main transmission system,coil,rise shrink institutions,rotate and lock shrinking institutions.Then,through calculation, make sure some parameters of the main transmission system

10、 and the coil. At last,on the basis of the parameters,analyse the transmission system and the roil shaft using finite element analysis software.Keywords： carrousel coiler, coil, struture analysis, parameter analysis, transmission analysis目 录摘要ABSTRACT1 绪论1 1.1 冷带钢卷取机的介绍 1 1.1.1 冷带卷取机的分类1 1.1.2 冷带卷取机

11、的工艺特点 1 1.1.3 冷带卷取机的结构 2 1.2 卡罗塞尔卷取机介绍 3 1.3 项目研究的意义来源与可行性论证 5 1.3.1 项目研究的学术意义 5 1.3.2 项目研究的工程意义5 1.3.3 项目经济效益和可行性论证 5 2 卡罗塞尔卷取机结构与原理分析7 2.1 卡罗塞尔卷取机的工作原理7 2.1.1主传动系统工作原理72.1.2卷筒结构工作原理7 2.2 卡罗塞尔卷取机的主要构件 8 2.2.1卷筒82.2.2 大转盘9 2.2.3芯轴 103 基本参数的确定113.1 主传动系统设计113.1.1主电机的选型与校核113.1.2 双档减速比调速围选择133.1.3卷取速度

12、的调节143.1.4减速器的速比选择143.1.5联轴器选型153.1.6 减速器与齿轮座关键部件设计163.1.7 双列圆锥滚子轴承选型23 3.1.8 输入输出轴设计校核263.1.9 普通平键和花键联接的校核293.2 卷筒主要参数的选择和计算313.2.1 卷筒直径的选择313.2.2 卷取力的取法323.2.3 卷筒胀缩机构的分析333.2.4 卷取机工作时卷筒的收缩333.2.5 钢卷卸卷时卷筒缩径344 卷筒轴的有限元分析374.1 有限元理论概述374.2 有限元软件MSC PATRAN的简介374.3.1 建立模型374.3.2 有限元步骤384.3.3 有限元应力分析405

13、 结论43参 考 文 献441 绪论1.1 冷带钢卷取机的介绍卷取机是成卷轧制和带材精整机组中的关键设备，卷取机的用途是收集超长轧件，将其卷取成卷以便于贮存和运输。卷取机是轧钢车间的重要辅助设备，在带材和线材生产中均被广泛应用。轧钢生产实践证明，卷取机的工作状态直接影响着轧机，特别是连轧机生产力的发挥。因此，对强力、高速卷取设备的研究一直受到重视。卷取机有很多种类，按其卷取对象可分为：冷带材卷取机、热带材卷取机、小型线材卷取机等；按其用途可分为大力卷取机和精整卷取机。本项目主要介绍的是冷带材卷取机。目前，冷扎带钢的卷取多采用卷筒式卷取机，其设备配置较为简单，主要由卷筒与其传动系统、压力辊、活力

14、支撑和推卷、卸卷等装置组成。高生产率的卷取机往往还设有助卷辊。1.1.1 冷带卷取机的分类冷带钢卷取机按用途可分为大力卷取机和精整卷取机两种。大力卷取机主要用于可逆轧机，连轧机，单机架轧机与平整机。精整卷取机则主要用于连续退火、酸洗、涂镀层与纵剪、重卷等生产机组。按卷取机的结构特点，可分为实心卷筒卷取机，四棱锥卷筒卷取机(本项目所用的)，八棱锥卷筒卷取机与四斜楔和弓形块卷取机等。前三种强度好，径向刚度大，常用于轧制线做大力的卷取。后两种结构简单，易于制造，常用于低力的各种精整线。此外，大力卷取机的卷筒从性能上还有固定刚度卷筒和可控刚度卷筒之分。1.1.2 冷带卷取机的工艺特点就工艺目的讲，和热

15、带钢的卷曲相比，冷带钢卷取有以下特点。 力 冷带钢卷取机的突出特点是采用较大力。由于力直接影响产品质量尺寸精度，因此对力的控制有严格的要求。目前，冷带卷取机都采用双电枢或多电枢直流电机驱动，并尽量减小传动系统的传动惯量，提高调速性能，以实现对力的严格控制。各种生产线的卷取力见表1-1。轧制卷取时，表1-1中应考虑加工硬化因素，精整卷取薄带时，应力应取大值。表1-1 卷取力表机组可逆轧机连轧机精整机组带厚/mm0.30.1 12 24应力/Mpa 表面质量 冷带钢表面光洁，板形与尺寸精度要求较高，因此对卷筒几何形状与表面质量的要求也相应提高。 钢卷的稳定性 冷轧的薄带钢采用大直径卷筒卷取时，卸卷

16、后带卷的稳定性极差，甚至出现塌卷现象。因此加工带材厚度围大的生产线应能采用几种不同直径的卷筒，小直径卷筒用于卷取薄带。 纠偏控制 带钢精整线要求带钢在运行时严格对中，使带卷边缘整齐。为此常采用自动纠偏控制装置。带钢纠偏装置的工作原理如图1-1所示。卷取机机架1是活动的，光电元件4检测带钢边缘，带钢跑偏将使光电元件产生输出信号，放大后，经电液伺服控制器5控制油缸6随时调整卷筒位置使带卷边缘保持整齐。图1-1 自动纠偏装置1.1.3 冷带卷取机的结构 常见的冷带钢卷取机有实心卷筒式、四棱锥式、八棱锥式、四斜楔式、弓形块式等结构。 实心卷筒卷取机一般为两端支撑，结构简单，具有高的强度和刚度，用于大力

17、卷取。其缺点是卸卷需采用倒卷方法，影响了轧机的生产能力。为减少卸卷辅助时间，提高作业率，常采用转盘式双卷筒结构。实心卷筒在大力卷取时，带钢对卷筒会产生很高的径向压力。为防止卷筒塑性变形，卷筒材料一般都采用合金锻钢并经均匀热处理。 四棱锥卷取机为克服实心卷取机卷筒卸卷困难的缺点，设计了四棱锥卷筒。四棱锥卷筒胀径时，由胀缩缸直接推动棱锥轴，使扇形块产生径向位移。由于没有中间零件，棱锥轴直径大，强度高，可承受较大的力(可达400一600kN)，常用于多辊可逆式冷轧机的大力卷取和冷连轧机组的卷取。 八棱锥卷取机近年来冷轧机向高速、重卷、自动化方向发展，在卷取机结构上也做了较大的改进。首先，为减小卷取机

18、转动惯量，改善启动、调速、制动性能，趋向于采用电动机直接传动卷筒的方式。其次，为解决胀开时扇形块间的缝隙对薄带钢表面质量的影响，卷筒采用四棱锥加镶条的结构(即八棱锥)，卷筒胀开后能成为一个完整的圆柱体。八棱锥结构卷筒适用于高速连轧机的卷取。但结构复杂，加工精度高，弹簧易损坏。 四斜楔卷取机的卷筒是由主轴、芯轴、斜楔、扇形块、胀缩缸等组成。卷筒的胀缩机构是四对斜楔。层斜楔由胀缩缸通过芯轴带动做轴向运动，外斜楔支撑扇形块的两翼，带动扇形块径向胀缩。胀径时外斜楔径向外伸，填补扇形块间隙，斜楔顶面与扇形块外表面构成一整圆。卷取薄带不会产生压痕。这种卷筒的最大特点是主轴、扇形块加工方便。由于斜楔只支持扇

19、形块的两翼，卷筒强度、刚度都有削弱，适用于力不大的平整机组和精整作业线。 弓形块卷取机适用于宽带钢精整线的卷取。卷筒的胀缩方式有凸轮式、轴向缸斜楔胀缩式和径向缸式三种。弓形块卷筒由主轴和弓形块等部分组成。在主轴沿卷筒长度方向布置有57组缸体互相套叠的径向活塞缸，用于撑开弓形块和夹紧钳口。径向活塞缸与卷筒心部轴向设置的增压缸接通。增压缸为定容积式，其柱塞有胀缩缸活塞杆推动。当压力油(约6.3MPa)经回转接头进入胀缩缸时，胀缩缸活塞带动增压缸柱塞移动，增压缸油压逐渐增高，以致胀开径向活塞撑起弓形块并压紧钳口。增压缸最大压力可达25MPa。卸卷时，胀缩缸反向移动，增压缸油压降低，借碟形弹簧的作用，

20、使钳口松开，弓形块收缩。卷筒端部设有平衡缸。油压增大时，平衡缸活塞外移。当增压缸因泄漏等原因油量减少时，平衡缸活塞在弹簧作用下反向移动。因此可保持增压缸油压的正常水平。弓形块卷筒的主要缺点是卷筒结构不对称，高速卷取时动平衡性能差。1.2 卡罗塞尔卷取机介绍 卡罗塞尔(Carrousel)卷取机，又称双卷筒旋转式卷取机，该设备属于大型高速回转类机器，其部驱动系统非常的复杂(传动级数多，传动轴长，构造复杂)，是一种设计和制作难度非常高的冶金机械设备。目前全世界有能力制造这种卷取机的厂家很少。 卡罗塞尔卷取机可广泛应用于各类带钢生产线，如全连续的冷轧生产线，该设备以高效、连续的方式卷取带钢。该机设计

21、紧凑，可节省设备安装空间，并且能够快速建立力，延长稳定轧制时间，提高成材率。当其被用于改造项目时，可将改造量降至最低。它同时也适用于生产线入口段的开卷操作。该设备在国外已得到广泛使用.宝钢从国外整机引进双卷筒卷取机，其它厂家逐渐开始选择这种卷取机。卡罗塞尔卷取机主要由：传动系统、卷筒组件、活动支承、大转盘组件(旋转锁紧装置)、辅助卷取系统等部分组成。该卷取机有两种典型形式，其主要区别是传动系统，按传动系统的差异分为芯轴式和行星式两种，如图1-2、图1-3所示。这两种结构各有优缺点：芯轴式，其优点包括：结构紧凑重量轻；均为外啮合，传动平稳、应用广泛。其缺点包括：制造相对困难；装配精度要求较高；传

22、动件的互换性稍差，备件种类偏多。行星式，其优点包括：制造相对简单；装配相对容易；传动件的互换性好，备件少。其缺点包括：小齿轮强度不好；设备重量偏大；小规格钢卷使用不理想；行星齿副传动平稳性差。 本课题主要研究的是芯轴式双卷筒卷取机。1.3 项目研究的意义来源与可行性论证1.3.1 项目研究的学术意义近年来，国卷取设备水平正在逐步提高，这就迫切要求相应的理论研究的深入。国许多研究人员针对CARROUSEL卷取机做出了一定的研究工作，包括设备结构和工作原理的研究，以与运用仿真分析软件进行分析计算，但总体上对于卷取机有许多关键技术还没有完全掌握，该领域的理论和成果还不是很完善。我国当前对该卷取机技术

23、的研发正处在一个起步阶段，相关可参考资料有限，进展不大。随着国卷取机的设备水平的提高，以与新方法、新手段的出现，更由于该领域的理论和成果的不完善、不系统，还有许多新课题等待着我们去开发和研究。通过这次研究尽可能的使该领域的理论和成果完善、系统化。1.3.2 项目研究的工程意义随着我们钢铁工业稳步发展，近年钢铁企业主要设备技术水平也有了显著的提高，为提高企业的市场竞争力，就必须采用先进高效的设备，这对先进设备的设计水平就提出了新的课题。卷取机作为连续冷轧生产线的关键设备，其生产效率与成本、能耗的高低，无疑在整条生产线中占有举足轻重的地位。CARROUSEL卷取机，是一种双卷筒卷取机，相比于其他卷

24、取机，具有以下显著的特点：卷取效率高，连续性好；设备结构紧凑，可大大节省安装空间，并且由于缩短了卷取机与轧机的距离，能够快速建立力，延长稳定轧制时间，提高成材率；由一台CARROUSEL式卷取机取代两台卷取机，减少出口设备数量，故障点大大减少；更适宜卷取薄卷；但结构复杂，设计制造难度相对较大。综合比较，并从长远角度来看，CARROUSEL卷取机关键技术的研发，对于提高轧钢厂家的经济利益、产品质量和市场竞争力都具有极大的现实意义。1.3.3 项目经济效益和可行性论证芯轴外套式双卷筒卷取机综合技术开发，对攻克关键设备技术，具有非凡的战略意义： 芯轴外套式双卷筒卷取机基于其特有的优点，被公认为国际同

25、类设备中具有领先水平的设备； 芯轴外套式双卷筒卷取机综合技术开发采用了先进的分析计算方法，结合了强大的仿真设计软件，实现了整机的优化设计； 项目设计结果，可有效的指导工程设计，缩短设计周期，提高设计效率。芯轴外套式双卷筒卷取机，具有良好的市场前景。该项目的成功开发，为我公司在冷轧设备设计带来显著的经济效益和社会效益。2 卡罗塞尔卷取机结构与原理分析2.1 卡罗塞尔卷取机的工作原理卡罗塞尔卷取机布置在带钢导板台的后面，交替地用两套力卷筒卷取带钢。它由双卷筒与其传动系统、胀缩机构、共享的大转盘与其传动系统(图2-5)、外支撑和压力辊组成。1a、1b卷筒 2a、2b头套 3a、3b套筒 4a、4b涨

26、缩缸 5齿轮箱 23芯轴 6 转盘减速箱 7联轴器 17减速箱 13a、13b电机 22a、22b联轴器图2-1 芯轴式双卷筒卷取机2.1.1 主传动系统工作原理传动系统是卡罗塞尔卷取机的核心部分，芯轴式传动系统卷取机的传动示意图如图2-1所示，传动系统由电机、联轴器、齿轮减速箱、外空心长轴、空心长轴、芯轴、齿轮机构组成。两个卷筒分别有各自的减速机构传动，电机到卷筒的传动路径为：电机联轴器减速箱齿轮箱卷筒。2.1.2 卷筒结构工作原理卡罗塞尔卷取机卷筒部分工作原理(如图2-2)如下：图2-2卡罗塞尔卷取机卷取过程当带钢出连轧机最后一架机座，经磁性皮带送入卷取机1号位置的卷筒1，如图2-2(a)

27、所示，卷筒1处于胀径状态，在助卷器的助卷下卷取，进入稳定的卷取状态后助卷器让开，大转盘在大转盘驱动系统（图2-5）的驱动下转动180°，如图2-2(b)所示，1号位置的卷筒1在卷取状态下转到2号位置，卷筒1加速到卷取速度继续进行卷取，如图2-2(c)所示，同时2号位置上的卷筒2转到1号工作位置，并作好下一卷的穿带卷取准备；当2号位置卷筒1上带卷达到额定卷重后，通过传感器，力辊压下，启动滚筒式飞剪机剪断钢板，带卷在三个压辊作用下将甩尾带钢卷好，然后卷筒1缩劲，卸卷，卸卷小车运走钢卷，与此同时1号位置上的卷筒2启动并逐渐达到喂料速度，开始穿带卷取，如图2-2(d)、(e)所示；至此，卷取

28、机完成一个回转工作周期；当达到图2-2(a)的状态时大转盘再次转动，重复前述步骤。卷筒在卸卷位置由外支撑提供辅助支撑，卷筒直径的改变由外加扇形板实现，这种改变将不影响成品的质量。2.2 卡罗塞尔卷取机的主要构件如上图2-1所示，芯轴外套式双卷筒卷取机的主要构件有：卷筒、大转盘、芯轴、减速箱、电机等部分。2.2.1 卷筒卡罗塞尔卷取机有两个可胀缩卷筒，其结构尺寸一样，两卷筒的安装位置与大转盘的回转中心对称。卷筒轴为可控胀缩的带楔块的倒四棱锥结构。心部装有推杆与楔块，外部装有四块扇形板。此种结构的卷筒棱锥轴截面大，结构对称，平衡性好，抗弯刚性大。卡罗塞尔卷取机卷筒结构如图2-3、图2-4所示。卷筒

29、胀径和缩径由卷筒装置端的旋转液压缸推动拉杆来完成。此种结构的卷筒相对简单，加工制造容易，但卷取薄带时需要加增径板。图2-3卡罗塞尔卷取机卷筒结构示意图图2-4卡罗塞尔卷取机剖面卷筒结构示意图 卷筒胀缩液压缸设在回转卷筒轴的末端，工作时随着卷筒一起绕大转盘转动。当1号卷筒进入工作位置时，胀缩液压缸启动给油，使拉杆向右移动，同时带动棱锥轴向右移动。棱锥轴又带动工字形楔块向右移动，楔块的四个斜面与扇形板产生相对滑动，导致扇形板产生径向位移，使卷筒处于胀径状态。当带卷达到目标重量时，液压缸反向给油，拉杆回归到原始位置，卷筒处于缩径状态。2.2.2 大转盘 大转盘驱动系统（如图2-5）是由外齿圈、小齿轮

30、、电机与减速装置组成，电机通过减速装置驱动小齿轮，通过大小齿轮啮合，从而驱动大转盘转动。定位锁紧装置的作用是保证将卷筒固定在准确的工作位置，在大转盘的下方位置对称布置两个限位块与由液压缸控制的锁紧装置。当两个卷筒更换位置时，需要大转盘顺时针旋转180°，此时卷筒仍处于卷取状态，因此卷筒的传动采用类周转轮系传动机构。图2-5 大转盘与其传动系统2.2.3 芯轴芯轴外套式双卷筒卷取机采用的是两个套筒（同心轴、外同心轴）套在一个芯轴上，三者可以各自运动，通过俩套筒分别将电机的转动传到2个卷筒上（如上图2-1所示）。3 基本参数的确定3.1 主传动系统设计双卷筒卷取机主传动设计，主要包括以下

31、几个部分：主电机选型校核，联轴器选型，减速器与齿轮座中齿轮传动设计，双列圆锥滚子轴承选型，输入输出轴设计校核，普通平键，花键联接的校核等。3.1.1 主电机的选型与校核随着交流变频技术的发展，卷取机的传动电机近年来多采用交流变频电机。卷取机速度控制要同时考虑一下两个因素：为适应机组速度变化而调整卷取速度时，不应影响电机的驱动力矩；为适应卷径变化而调整卷筒转速时，不应引起力波动。一般卷取机都同时采用恒力矩和恒功率两种调速方法，分别适应上述两种情况，以充分利用电机的容量。 卷取机功率计算卷取机电机功率由卷筒负载力矩决定，负载力矩包括静力矩和动力矩。 卷筒静力矩计算卷筒的静力矩为： （3.1）式中：

32、卷取力（）；带卷半径（）；使带钢塑性弯曲的变形力矩（），；摩擦力矩（），；带材屈服极限；带材宽度（）；带材厚度（）；轴承受力（）；轴承平均直径（）；轴承的摩擦系数； 卷取静态功率计算卷取静态功率为： （3.2）将式3.1带入式3.2得： （3.3）在功率计算中，式3.3的后两项的功率和比较小，通常情况为总功率的5%10%，故把这两项折合成弹塑性变形系数K，取1.051.1.由此可以得出卷取电机的计算功率： （3.4）电机的计算功率，（）；最高卷取速度（）总效率，包括传动效率，摩擦损失，一般为0.90.95；假设电动机的额定转速为、最高转速为，则交流变频电机在恒功率时的调速围为：，成品钢卷的最大

33、外径（D）与带卷的径（d）比值，当时，电机的实际功率为：，但是在现在的带材生产线中，为了提高机组的生产效率，成品带卷的最大外径与径之比往往要大于，此时令。 卷取时，卷取速度保持恒定，卷筒的转速随着卷径的变化而变化，由于，所以卷筒的转速变化围超出交流变频电机的调速围，选择电机功率时，应该考虑增加电机的计算功率，以保证电机在额定转速下工作时，有足够的力矩满足带材卷取时候所需要的力，计算功率时应考虑增大电机的计算功率。即电机的实际功率为：，式中为放大倍数。例3.1：根据设计参数：力为80000N，最高卷取速度为20m/s，取弹塑性变形系数K为1.08，电机总效率为0.92。由式3.4求得主电机功率为

34、2347KW，图纸上选取电机2160KW。由此可知以该方法选取电机和实际选取的电机有较好的一致性。 卷取机动态功率计算（作为验算标准）在设计中，要考虑带材卷取时候动态力矩对卷取功率的影响，为了方便起见，往往只是在静态功率上乘以1.11.2的动力系数，可以满足一般工程设计的要求，随着计算机的发展，在高速薄带材的轧制和卷取中，越来越多地采用计算机实时控制，这就需要为计算机提供十分精确的卷取力矩、卷取动态力矩以与由动态力矩所引起的力损失的数学模型。动力矩有两部分，一部分是由于卷筒速度变化而引起的；另一部分是卷径变化而引起的。（3.5）式中：为折算到卷筒轴上卷取机整个系统，它包括电动机的，传动系统的以

35、与带卷的之和，即：（3.6）、为常数，为变数，随着卷径变化而变化，即：（3.7）（3.8）令：为一常数，上式变为：（3.9）令：；，则有：（3.10）由此可以看出，力值的变化规律是指按照指数曲线变化，当带钢的卷径增加时，力值减小，还可以进一步求出在整个卷取的过程中，卷径变化时，带钢的力的变化量。从可以看出，在卷取的过程中，其值引起的力变化为一常数，则在该因素影响下力的变动量为0。3.1.2 双档减速比调速围选择鉴于卷取机的主电机在卷取过程中存在两种工作状态，低转速大转矩和高转速小转矩，因此在设计卷取机减速器时设计了双档减速比的减速器。以减小电机的调速围，使电机的选择更具有经济性。由于卷取过程中

36、由于卷径变化电机恒功率段调速围不变，使用双档减速比只能降低恒扭矩段调速围。可求得电机调速围如下式：（3.11）式中：卷径变化需要的调速围；机组线速度变化需要的调速围；机组卷取最高线速度；机组卷取最低线速度；双档减速比中较高档减速比；双档减速比中较低档减速比； R钢卷最大半径； r卷筒半径。例3.2：当机组最高线速度为1300m/min，最低线速度为400m/min，钢卷最大半径为1000mm，卷筒半径为305mm；单档减速比减速器所需调速围为：10.65；当双档减速器中两档减速比分别为1.354和2，时，由式3.11可得其所需调速围为：7.21。3.1.3卷取速度的调节卷取机在工作过程中，由于

37、机组速度的改变、带卷外径的变化，要求卷筒的转速能自动调整。应考虑利用电动机的恒功率调速区来带动恒功率负载，达到调速效果。电动机恒功率调节围要求：（3.12）式中：电动机最高转速，转/分；电动机而定转速，转/分；带卷最大外径，厘米；卷筒直径，厘米。3.1.4减速器的速比选择由于电动机直接驱动卷筒的卷取机，电动机的转速围应能满足卷取机所要求的速度变化围。通过减速器减速的卷取机，电动机的转速围应能满足卷取机所要求的速度变化围。通过减速器减速的卷取机，传动速比的选择应考虑两个因素，第一，为了保证恒力卷取，卷取的线速度应该保持恒定；第二，满足机组运行速度的变化围。目前，大多采用调整电动机电压的方式来调整

38、机组运行速度，用调整电动机励磁的方式来调整卷筒的转速，减速器的速比为：；其中为电动机额定转速，转/分；为卷取速度最大、卷径最大时卷筒的转速；，转/分；为带卷最大外径，米/秒；为带卷最大外径，米；如果卷取的调速围较大，即卷筒最高转速与最低转速之比大于10时，则应考虑在传动装置中设置换档变速，以增加调速围，提高电动机的使用效率，传动速比确定以后，应该根据校验电动机的最大传动扭矩，即：，其中，为电动机额定功率，KW；为带卷最大外半径，米；为带材最大力，公斤；为传动速比；为传动效率。调整电动机励磁应该同时满足条件： （3.13）式中：电动机最高转速；3.1.5联轴器选型联轴器是机械传动中一种常用轴系部

39、件，它的基本功用是联接两轴（有时也联接轴和其他回转零件），并传递运动和转矩，有时联轴器也作安全保险装置。此次电机联轴器选择的是由安全联轴器与鼓形齿联轴器配套而成。 鼓形齿联轴器齿式联轴器由两个具有外齿的半联轴器和两个带齿与凸缘的外壳组成，两外壳用螺栓相连，壳储有润滑油，以便联轴器旋转时将油甩向四周以润滑啮合齿轮，从而减小啮合齿轮间的摩擦和相对位移阻力以与降低作用在轴和轴承上的附加载荷。齿式联轴器工作时依靠外齿轮啮合来传递转矩。由于半联轴器的外齿齿顶加工成球面，且使啮合齿间具有较大的齿侧间隙，从而使它具有良好的补偿两轴综合位移的能力。外齿轮修形成鼓形可使鼓形齿联轴器综合位移补偿能力进一步增强。

40、联轴器尺寸的确定对于已标准化和系列化的联轴器，可按转矩、轴直径和转速等确定联轴器的型号和结构尺寸。联轴器的计算转矩：（3.14）式中： Tc计算转矩，； T理论转矩，； Pw驱动功率，kW； n工作转速，r/min； K工况系数； Tn公称转矩，。转矩与转数修正：（3.15）-转矩修正系数（转矩修正系数图重型机械标准第三卷P175）图中Kn见下式 （3.16）转数系数；工作转数，r/min;许用转数，r/min.型号选择见表重型机械标准第三卷P128-1313.1.6 减速器与齿轮座关键部件设计 计算各轴传动比双卷筒卷取机的总传动比i为：（3.17）电动机的最高转速；卷筒的最高转速。设卷筒轴直

41、径为，考虑到双卷筒卷取机尺寸要求，卷筒轴齿轮直径推荐为。设两卷筒中心距为,则所以：（3.18）又因为：（3.19）所以： （3.20）一般取： （3.21） 齿轮设计校核1）齿轮传递的功率P主动齿轮的速度从动齿轮的速度为 （3.22）传递的转矩TP、T、n三者之间存在的关系式为： （3.23）式中 P传递功率 ；T传递扭矩； n齿轮速度。2）确定齿轮材料以与许用安全系数选择原则：若传递功率大，且要求尺寸紧凑，应选用合金钢，热处理方式采用表面淬火，渗碳淬火，碳氮共渗等方式。对齿轮的尺寸没有特别要求，可以采用普通碳钢或者铸铁，热处理方式采用正火或者调质等热处理方式。设计中，齿轮采用硬齿面（硬度大于

42、350HBS）。小齿轮，大齿轮的热处理方式可以采用表面淬火；或者氮化渗碳淬火。保证齿面硬度大致一样。为提高抗胶合能力，小齿轮和大齿轮采用不同牌号的钢制造。在一个减速器中，尽可能使大齿轮（小齿轮），采用同一种材料。确定齿轮材料，材料的热处理方式，以与材料的硬度。进一步确定小齿轮的齿面接触疲劳极限，以与齿根弯曲疲劳极限；大齿轮的齿面接触疲劳极限，以与齿根弯曲疲劳极限。确定安全系数SH和SF，见表3-1。3）确定齿轮基本参数齿轮基本参数包括：齿形角，齿顶高系数，径向间隙系数，小齿轮变位系数，大齿轮变位系数。表3-1 安全系数安全系数软齿面硬齿面重要的传动、渗碳淬火齿轮或铸造齿轮SHSF1.01.11

43、.31.41.11.21.41.61.61.62.24）齿宽系数和齿宽系数表示齿轮传动的宽度尺寸和径向尺寸的比例，,齿宽系数增大，齿轮的径向尺寸减小，但齿宽相对增大。齿宽越大，载荷沿齿宽分布不均匀越严重，故应合理选择齿宽系数。一般=0.10.2.闭式传动常采取=0.30.6最常用0.4或者0.35；大小齿轮都是硬齿面时， 取表中偏下限的数值。表3-2圆柱齿轮的齿宽系数装置状况两支撑相对小齿轮做对称布置两支撑相对小齿轮做不对称布置小齿轮做悬臂布置0.91.4（1.21.9）0.71.15（1.11.65）0.40.65）确定载荷系数K根据减速器的工作情况，确定载荷系数K。表3-3 载荷系数原动机

44、工作机械载荷特性均匀中等冲击大的冲击电动机11.21.21.61.61.8多缸然机1.21.61.61.81.92.1单缸然机1.61.81.82.02.22.46）初选齿轮齿数对于主电机，通常取齿数30；齿轮座的齿数，一般取Z=2335。7）初选螺旋角对于斜齿轮传动，设计一般选。8）确定大齿轮齿数根据计算公式确定大齿轮齿数，计算公式如下为； 对计算后的齿数圆整，建议相啮合的大小齿轮齿数满足互为质数。验算实际传动比：验算实际传动比与理想传动比的误差围误差围在5%以，可以接受初选的结果。如果大于5%，重新选择设计。9）确定齿形系数，齿根应力修正系数根据确定的啮合齿轮齿数，计算出当量齿数。计算公式

45、如下： （3.24） 按照当量齿数，根据齿形系数曲线以与齿根应力修正系数曲线，确定齿形系数，齿根应力修正系数。10）确定齿轮模数设计以满足齿根弯曲强度为基础，确定齿轮的最小模数，计算公式如下：（3.25）计算中、按较大的选取式中：齿宽系数；载荷系数；许用弯曲应力；齿形系数，应根据当量齿数由表查得；齿根应力修正系数，应根据当量齿数由表查得；螺旋角系数，螺旋角系数取决于纵向重合度和螺旋角，可以由下式求出： （3.26）如果取；如>1,取=1,如<0.75,取=0.75。初选时取螺旋角系数最大，即取=1。弯曲强度计算时的重合度系数； （3.27）（3.28）变位后啮合角；，其中（3.29

46、），其中（3.30）计算出最小模数后，根据标准模数表确定模数。标准模数表见表3-4。表3-4圆柱齿轮的标准模数第一系列1，1.25，2，2.5，3，4，5，6，8，10，12，16，20，25，32，40，50第二系列1.75,2.25,2.75,(2.25),2.5,(2.75),4.5,5.5,(6.5),7,9,(11),14,18,22,28,(30),36,45优先采用第一系列，其次是第二系列，括号的数值尽可能采用。并且优先考虑卷取的结构尺寸来选择模数。此处选择m=16。.11）计算中心距，修正螺旋角计算公式如下：（3.31）对计算后的中心距圆整，根据公式对螺旋角进行修正： （3.3

47、2）12)齿面接触强度计算校核由于斜齿轮齿面接触线倾斜，重合度较大，有利于提高齿面接触强度，故引入重合度系数与螺旋角系数考虑其影响，并计入载荷系数K，因此斜齿圆柱齿轮传动在预期寿命保证齿面不发生疲劳点蚀的强度条件为 （3.33）式中：轮齿的工作宽度；载荷系数；齿轮分度圆直径； 许用接触应力。弹性系数， 其中,，为齿轮材料的弹性模量和泊松比；节点区域系数；(3.34)式中：基圆螺旋角：；端面压力角:；螺旋角系数；重合度系数。对于纵向（轴向）重合度<1的斜齿轮传动：（3.35）对于的斜齿轮传动：（3.36）其中为端面重合度： （3.37）为纵向重合度 （3.38）（3.39）（3.40）13

48、)齿根弯曲强度计算校核 斜齿圆柱齿轮传动齿根弯曲疲劳强度计算的理论依据为材料力学中的悬臂梁理论。由于斜齿圆柱齿轮传动接触线是倾斜的。故轮齿失效通常为强度计算，既复杂也不精确。因此，通常按其当量直齿圆柱齿轮进行齿根弯曲疲劳强度计算。为考虑其接触线倾斜对轮齿弯曲强度的影响，引入螺旋角系数，这样，斜齿圆柱齿轮齿根弯曲疲劳强度的验算公式为：（3.41） 公式参数说明：轮齿的工作宽度；许用弯曲应力；载荷系数；齿形系数；应根据当量齿数由表查得；齿根应力修正系数；应根据当量齿数由表查得：螺旋角系数；螺旋角系数取决于纵向重合度和螺旋角(螺旋 角为修正后螺旋角)，计算时如果修正后螺旋角>30°，

49、取=30°。纵向重合度（3.42）如>1，取 =1。 （3.43）如<0.75，取=0.75。弯曲强度计算时的重合度系数； （3.44）其中 基圆螺旋角，见式3.30；端面压力角，见式3.34；端面重合度，见式3.37。3.1.7 双列圆锥滚子轴承选型2030轧机配套减速器与齿轮座采用双列圆锥滚子轴承，因此我们在轴承选型的时候选择以双列圆锥滚子轴承作为选择对象。在一般情况下工作的轴承，只要类型选择合适，安装、维护的好，绝大多数均因疲劳点蚀而报废。因此，滚动轴承的尺寸（型号）主要取决于疲劳寿命。所以一般按当量动载荷对轴承进行选择、校核。 计算轴承当量动载荷当轴承工作过程中，

50、负荷和转速有变化时，应按照平均当量动负荷和平均转速进行计算选型校核。假定轴承顺次在当量动负荷、在工作，其相应的转速为、；轴承在每种工作状态下的运转时间与总运转时间的比值为,，则其平均负荷为：（3.45）式中为平均转速，按下式计算（3.46）由于双卷筒卷取机的运动卷取带钢的速度是恒定的，但是带卷在不断增大。所以应取卷取时轴的平均转速来进行当量动载荷的计算。双列圆锥滚子轴承当量动载荷计算，按下式计算：对轴进行受力分析。当时，其中 （3.47）当时， （3.48）式中：Fa 轴承轴向载荷；Fr轴承径向载荷；e，Y1，Y2轴承计算系数； 计算结果应满足当量动载荷小于额定动载荷，同时要求轴承的工作转速小

51、于相应润滑条件下的极限转速。 计算轴承当量静载荷 （3.49） 计算结果应满足当量静载荷小于额定静载荷，同时要求轴承的工作转速小于相应润滑条件下轴承的极限转速。 计算轴承寿命 取轴上2个轴承中当量静载荷较大的P进行轴的寿命计算。 寿命公式：(单位：转) （3.50） （单位：小时） （3.51） 式中：n轴承的工作转速（r/min）； C基本额定动载荷（N）。 在计算轴承的时候，应考虑机器工作的时候的冲击与振动使实际载荷比公称载荷要增大的影响，引入温度系数和载荷系数寿命公式为 (单位 转) （3.52） （单位小时） （3.53）其中，数 见表3-5，载荷系数见表3-6。表3-5 温度系数轴承

52、工作载荷t12012515017520022525030010.950.900.850.800.750.700.60 上公式适合于可靠度为90%，常规材料和常规运转条件。考虑要求的可靠性，具体的工作条件，引入修正系数对基本额定寿命进行修正。 修正寿命公式：（单位：小时） （3.54）可靠性寿命修正系数，见表3-7表3-6载荷系数载荷性质机器举例无冲击或轻微冲击电动机，汽轮机，水泵，通风机，空调机1.01.2中等冲击振动车辆，机床，传动装置，起重机，冶金设备，燃机，减速器1.21.8强大冲击振动破碎机，轧钢机，石油钻机，振动筛1.82.0表3-7可靠性寿命修正系数可靠度（%）9095969798991.00.620.530.440.330.21-特殊轴承性能寿命修正系数。通过专门的轴承设计，采用特殊种类与质量的材料或特殊的制造工艺可使轴承具有特殊性能。数值应从轴承厂获得。如采用夹杂物含量非常低或经特别分析处理的钢材，可提高轴承寿命，如热处理工艺差，轴承材料硬度低于标准值则。-运转条件寿命修正系数。修正轴承使用条件，特别是润滑条件对轴承寿命的影响，也包括外来有害物质存在与否以与引起材料性能改变的条件。一般情况下取。如能形成弹性流体动力润滑时，轴承寿命明显