铸轧机轧辊部分机械设计大学论文

全套设计（图纸）加扣扣194535455摘要铸轧机的铸轧过程是靠铝熔体的静压力作用，通过前箱与供料嘴将液态金属输送到被冷却的两个轧辊之间，使液态金属快速凝固结晶，结晶后的固态金属铝被转动的铸轧辊咬入，并给以一定的轧制加工率，经受一定量的变形，连续轧制出板卷坯料。随着铸轧机产业化演进，关键技术环节的突破，铸轧机的运用将更加广泛与深入。我国在铸轧机领域的研究起步较晚，无论在铸轧理论方面，还是在铸轧技术方面，与工业发达国家相比还有一定的差距。为了知道铸轧机轧制出优质铝板的最优条件，设计制造一台可以进行实际生产的铸轧机，并以之进行科学实验。本文详细介绍了铸轧机的工作原理和设计要求，对铸轧机的各种铸轧设备也作了简要介绍。主要工作如下：1、根据铸轧机的功能要求，设计铸轧机的轧辊部分机械结构；2、根据铸轧机的结构设计要求和设计参数，对轧辊部分进行强度或刚度校核；3、对与轧制相关联的部分的结构作简要介绍，必要时进行计算校核。关键词：铸轧机轧辊铝板机械设计全套设计（图纸）加扣扣194535455ABSTRACTCast-rollingmachinebyaluminumrollcastingprocessismeltofstaticpressureeffect,throughtheformerboxandmaterialfeedinghismouththeliquidmetaltransporttobethecoolingofthetworollbetween,makeliquidmetalrapidsolidification,crystallizationofsolidmetalaluminumaftercastingrollerarerolledintothebite,andgivencertainrollingprocessing,afteracertainamountofdeformation,continuousrollingoutplaterollblank.Rollcastingmachinewithindustrializationevolution,thekeytechnologylinkbreakthrough,rolltheuseofthemachinewillbemoreextensiveandin-depth.Ourcountryincast-rollingmachineofresearchinthefieldoflatestart,nomatterincast-rollingtheory,orintherollcastingtechnology,andthedevelopedcountries,thereisstillagapcompared.Inordertoaccurately

know

theoptimalconditionswhen

the

cast-rollingmachinecanrollingout

qualityaluminum,designandmanufactureofa

cast-rollingmachinethatcanbeactualproductanddoexperimentswiththemachinetogettheoptimalconditions.The

workingprincipleanddesignrequirements

of

the

cast-rollingmachineareintroducedindetailinthispaper,anditalso

giveabrief

introduction

to

the

equipmentofthecast-rolling

machine

.Themainworkisasfollows:1,accordingtothefunctionalrequirementofthemachine,designthe

mechanicalstructureofroll

part

of

the

cast-rollingmachine;2,thestructuredesignofthemachineaccordingtorollrequirementsanddesignparameters,andcheckonthestrength

and

stiffnessof

the

roll.3,doabriefintroduction

on

the

partofthe

structures

associatedWith

rolling,andcheckonitwhenitisnecessary.Keywords:Cast-rollingmachine;roller;aluminum；mechanicalstructure.全套设计（图纸）加扣扣194535455目录TOC\o"1-3"\h\z\u第一章绪论 11.1引言 11.2铸轧机技术在国内外的应用与发展概况 11.3铸轧机工作原理 31.4机组设备组成及详细说明 31.4.1熔铝的输送和供给系统 31.4.2主机机组组成 41.5本课题主要内容 7第二章铸轧机轧辊部分设计 92.1铸轧机轧辊部分的运作方式 92.2轧辊部分的力能参数计算 102.2.1设计要求 102.2.2轧制力矩的计算 112.3电动机的选择 132.3.1主电机容量计算 132.3.2轧机的工作制度与主电机选择 142.4轧辊的基本结构与参数 162.4.1轧辊基本结构 162.4.2轧辊参数 172.5辊芯和辊套材料 192.6轧辊强度校核 192.7轧辊轴承 232.7.1轧辊轴承的运作方式及选择 232.7.2轧辊轴承寿命校核 242.8铸轧辊冷却水用量 252.9牌坊 272.9.1牌坊结构及主要尺寸 272.9.2牌坊的强度校核 282.9.3牌坊的连接方式 29第三章铸轧机传动部分的机械设计 313.1铸轧机传动部分概述 313.2传动的类型和选择原则 313.2螺旋传动的设计 323.2.1螺旋传动的构成与功能 323.2.2来料小车丝杆螺旋传动选择 333.2.3丝杆、套筒材料选择 333.3.连接轴 343.3.1连接轴类型选择 353.3.2十字滑块万向接轴设计 353.4同步齿轮箱 373.4.1箱体外形和主要参数 373.4.2同步齿轮轴的外形和主要参数 37结论 39参考文献 40致谢 41附录： 42全套设计（图纸）加扣扣194535455PAGE8第一章绪论1.1引言连续铸扎工艺这种新的板材制造工艺是由国外起始于国外50年代左右。连续铸轧技术的成熟以及其广泛应用于在实际生产制造，是传统铝加工工艺突破已有门槛的标志，同时也为铝加工业指明了发展道路。与相比于传统热轧法，连续铸轧法具有诸多优点，不仅生产工艺大幅简化，解放了大量的劳动力，同时对厂方要求也大幅降低，极大地减少了生产成本，而且资金回笼快速，投资风险小。因此得到了广泛应用的连续铸轧技术，以极快的速度在国内推广，不久就出现大批年产值在五万吨以下的中小型铝加工企业，其中大部分由于民用铝加工业。同时连续铸轧工艺由于在实际生产中的应用，铸轧技术经过不停地更新改进也的得到了迅速地发展。1.2铸轧机技术在国内外的应用与发展概况①国外概况铝板连铸连轧机，简称铝铸轧机,1922年第一台铝铸轧机在德国投产，它被运用于制作飞机和重工业设备,1977年底到达洛阳有色研究院,铝板连铸连轧机的主要工作是将高温铝液在快速冷却的同时轧制成铝板，最终通过卷取机卷成铝卷。不同国家研制的辊式连续铸轧机除原理一样外，其他部分并不完全一致，从铸轧辊的布置和浇注形式上可划分如下三种型式:水平下注式、倾斜侧注式、垂直平注式。美国亨特公司1955年开发成功水平下注式铸轧机。该铸轧机能生产6..8mm厚的带板，但铸轧速度很慢，生产能力较低。以亨特铸轧机为代表的倾斜侧注式与水平下注式相比具有产品生产快速，机器单位时间产品吞吐量大，操作方法简单等优点。除驱动结构外，西德克鲁普铸轧机和英国戴维铸轧机和美国倾斜式铸轧机相似.而法国比西涅公司的3C铸轧机是垂直平注式铸轧机的代表,除法国外，瑞士和前苏联也拥有这项铸轧技术。垂直平注式铸轧机较倾斜侧注式具有更加强大的生产能力和跟快的加工速率，同时拥有简单高效的换辊装置，便于设备维护。目前各国制造的双辊连续铸轧机都离不开这几种方式。水平下注式已经随着发展逐步退出铝加工舞台，后两种却依然在蓬勃发展中不见衰退。②国内的应用与发展概况我国对连续铸轧技术的研究开发已有50多年的历史，冶金部于1975年对东北轻合金加工厂研制出的我国首台双辊铸轧机进行鉴定验收，才为我国铝加工领域连续铸轧工艺技术填补了空白。泳州铝加工试验厂（不久后改为华北铝业有限公式）于1979年试制成功了我国首台直径为650x1300mm的亨特式倾斜铸轧机，且该机器在之后的实际生产使用中表现令人满意。在此之后又试制成功一台直径650x1600mm和两台直径980x1600mm铸轧机用于实际生产板带、箔材的生产坯料。在经过不停地改进后，在1983年直径650x1600mm铸轧机正式通过国家技术鉴定，得到国家正式批准后向全国推广，并很快投入到工业生产中。十几年的不懈努力，华北铝业有限公司成功实现将铸轧带坯生产成板带材、铝箔的技术，这为华北铝业创造了巨大的经济利益，同时也在国家的铝业发展道路上踩出了一个坚实的脚印。特别是当0.007mm铝箔被成功生产出来后，华北铝业将板带材生产带入到了一个新的、更广阔、更有前景的天地。花开并蒂，各表一枝。华北铝业有限公司于1984年成立子公司琢神公司。之后，涿神公司充分利用其母公司的已有技术，并在此基础上进一步提高，结合其丰富的现有设备资源，使该公司的辊式连续铸轧机技术水平得到了大大的提高。根据统计数据显示，全国的所有辊式铸轧机中有超过70%是由涿神公司自己制造的，可见在铝铸轧这个产业里面，涿神是当之无愧的领头羊。而后机械电子工业部认定琢神公司生产的直径为650~680mm铸轧机可以替代进口产品，这让我国成功摆脱轧制机械受制于人的尴尬局面。琢神公司在1995年试制成功了我国首台直径966x1550mm超型铸轧机，并在生产实践中，对板厚调节相关的关键装置进行进一步设计改造，使设备性能得到了明显的提高。至此，涿神公司的成功为我国带来了标准型和超型这两种金属轧制机型，受其影响铸轧机轧辊放置方式也趋于采用轧辊轴线所确定的平面垂直于水平面这种方式。这让我国产铸轧机制造走上了标准化、系列化的康庄大道。1.3铸轧机工作原理铸轧机的铸轧过程是在熔炉中将铝熔化成铝液，通过导流槽、前箱与供料嘴将液态金属输送到被循环冷却水冷却的两个轧辊之间，液态金属受冷快速凝固结晶，结晶后的固态金属铝被转动中的铸轧辊咬入，受到双辊给与的轧制力，并给以一定的轧制加工率，经受一定量的变形，从双辊另一侧连续轧制出板卷坯料。1.4机组设备组成及详细说明1.4.1熔铝的输送和供给系统熔铝的输送和供给系统是铸轧机稳定运行、保证带材质量的关键环节。熔铝的输送和供给系统的最终目的是连续提供给前箱合格的铝液，含氢量控制在0.15ml/100g以下，合金的化学成分应该在国家标准中规定的含量范围内，不产生巨大的内部金属颗粒的杂质:保证前箱内铝液温度和液面高度恒定，根据铸轧工艺不同，应控制熔炼炉、静置炉、除气过滤装置中铝液的温度，使经过熔铝的输送和供给系统进入到前箱中的铝液温度控制在685-705℃，温度波动应被控制在±2'℃的范围内。保温炉流口至铸轧机之间熔铝的输送系统包括以下设备:①导流槽液面控制装置流口位置有一个垂直一学向的浮标，采用手动调至精确位置，浮标的高度位置以脉冲形式检测，检测结果送到流口液位控制系统，使电动执行器动作，控制流口的塞杆运动，达到控制流口液位的目的，液面控制精度达13mm;同时该控制系统也可手动进行人上控制。液面控制装置对流口液而的高位和低位设定一个基准值，当接近开关检测液面波动超过高位或低于低位时，提示操作手进行人工干预，避免事故发生。②钦丝送进器和放丝架钦丝送进器用交流变频电机驱动，钦丝送给速度可调，操作者可以调整钦丝杆的速度和铸轧机速度匹配。该装置控制钦丝杆送进流槽，目的是用于熔铝的晶粒细化，以使轧板各处性能均衡。③前箱液面控制及报警装置前箱框架上设有机械式四连杆机构，用于前箱液位控制装置，保证前箱液面控制精度为士1mm。前箱金属液面控制可进行声光报警④前箱热电偶、变送仪、温度数显表前箱内的热电偶、变送仪、温度数显表用于在线精确测量、显示前箱内铝液温度，为操作人员提供准确工艺参数热电偶测温范围:0-10000°C⑤前箱、前箱框架前箱由上下两个小箱体组成，并选用强度高、耐热稳定性好的陶瓷纤维材料的输送和供给系统的最后一个箱体，前箱内铝液通过一段中间连接起来，铝液连续稳定地输送到辊缝处，经轧辊的冷却。轧制作用前箱框架放置在前箱外围，用于保护前箱，前箱框架上装有前箱液面自动控装置。1.4.2主机机组组成主机机组是铸轧机的主体部分，主耍包含以下项日:⑴铸嘴调整装置铸嘴平台在液压缸推动下在滑座上滑动，把铸嘴及其辅助件推至距铸轧机辊缝一定安全距离的位置，然后由铸嘴水平调节装置把铸嘴调节到目标位置，铸嘴的水平和垂直调整由手动进行调节。铸嘴平台为耐热铸铁结构，安装在一经机加工的钢板架上。铸嘴平台设有一快速夹紧装置，用于把铸嘴组件固定在铸嘴平合上。铸嘴水平方向微调行程:士50mm铸嘴垂直方向微调行程:130mm⑵铸轧机轧制方式本铸轧机两轧辊所组成的平面与地面垂直，铝液水平注入两轧辊滚间缝隙。该铸轧机前箱内精确的控制装置能保证前箱能在极其精确的压力卜为铸嘴供给铝液。通过铸嘴的注口，可将铝液注入经冷却水冷却的轧辊上，铝液沿轧辊表而宽向分布，而后，铝液冷却、凝固。这时，金属处一于稍前于轧辊中线的辊缝处，接着受热轧制成形。铸铝经热轧成形后出辊即为铸轧板。铸轧机的每个轧辊都由十字滑块联轴器，同步齿轮箱提供力矩，由直齿四级减速器减速，有直流电机提供输出力矩，铝液流速、冷却水流速、轧辊转速的同步控制由数字式直流控制系统进行。⑶铸轧辊部包括:2根铸轧辊、4个轴承座、12个轧辊轴承、2个轧辊冷却水旋转接头（水套结构）轧辊型式:热装式轧辊辊面尺寸:Φ400mm×500mm铸轧辊由辊芯、辊套热装配而成，两端由O形密封圈密封。热装配后进行精磨至目标尺寸。冷却水系统通过安装在铸轧辊右侧的轧辊冷却水旋转接头和铸轧辊内部的冷却水循环通道连通，由冷却水带走轧制热。⑷轴承和轴承座轧辊轴承型式:圆柱滚子轴承——调心滚子轴承——圆柱滚子轴承（三联装）轴承外形尺寸：内径Φ180mm/外径Φ340mm轴承座材质:ZG35⑸水套（水循环结构）结构图如图2-2-1所示：图2-2-1水套二维图如上图所示，冷却水从中间水管输入，回流水从小管外的大水管内流出（进水小管在出水大管内，两管同轴），进水管道密封采用机械密封方式，由弹簧给予轴向力，让摩擦环死死地顶住进水道管端面，形成良好的端面密封。其实这里可以允许少量的进水泄露，不会影响到铸轧机的正常轧制工作，因为在输入冷却水时，水量一般比计算的最大值大20%左右，就是考虑到这种漏水的可能性存在而采取的预防措施。④铸轧辊传动系统铸轧辊传动系统包括直流电机1件、直齿四级减速箱1件、皮带轮2件、人字齿同步齿轮箱1件、十字滑块万向联轴器2件、梅花联轴器接头1件。铸轧辊传动系统由一台直流电机驱动直齿四级减速箱，然后通过人字齿同步齿轮箱分流，再由两根万向联轴器驱动铸轧辊同步转动。通过人字齿同步齿轮箱来保证上下辊线角速度一致，即线速度一致。为了换辊时支撑住万向联轴器，需设置一个联轴器座，也可不设置，因十字滑块部分可以拆分，方便转移。⑤压上油缸压上油缸安装在铸轧机架的底部，两牌坊窗口底部各1台，用于提供轧制力，保持恒定辊缝，并提供机架的预应力。⑥辊缝控制系统辊缝控制系统是一手动调节的楔块系统。该系统用一对互锁的楔形滑块建立轧辊轴承座之间的间隙，从而控制粗略辊缝缝隙厚度。在轧制过程中如果轧制出来的轧板横截面，上下两线平行度超出误差范围，可手动调节楔块系统，改变单侧轧辊轴承座之间的间隙，达到在线调节的目的，若差值很小时，通过在操作台上调节相应侧压上缸的压力，也可达到在线调节截面上下边平行度的目的。楔块的高度调整范围:士5mm（由设计要求的最大扎板厚推断）⑦换辊装置轧辊需要定期从机架上取下重磨。换辊装置可以简便、迅速地执行换辊操作。机内换辊轨道和机外换辊轨道连接起来，减速机驱动链轮链条将轧辊部件沿着换辊轨道拉出和推进。机外换辊轨道结构形式:滑架型滑架为机加工的焊接钢结构，带有锁定杆，滑动由链条和链轮通过行星齿轮减速箱和交流电机变频调速驱动。机架架间装有换辊用的固定轨道，轧辊的下轴承座装有轮子。换辊时，先要拆除端面定位挡板，使轧辊能轴向自由移动。1.5本课题主要内容介于工厂要求了解铝板材铸轧机在什么工作条件下才能轧制出优质板材，什么工作条件下经济效益最好。本毕业设计的目的是设计一台可用于实际生产的铝板铸轧机并用这台机器进行实际生产实验，以得到最优工作条件，解决工厂的实际生产问题。设计中要求完成该产品装配图与部分部件图设计，完成该产品主要零件图的设计，要求所有图纸质量达到工厂的现场实际生产要求。其中在中南大学机电工程学院中铝机电大楼1楼有一台正在正常使用中的二辊铝铸轧机，设计过程中可以将其作为参考实物。铸轧机设备的具体设计要求如下所示：①最大轧制力：60t；②轧制板厚范围2mm-8mm；③辊面线速度0.5–3mm；④轧辊：Φ400×500mm；⑤轧制铝板板宽控制在50—400mm。全套设计（图纸）加扣扣194535455PAGE42第二章铸轧机轧辊部分设计图2-1铸轧轧辊部分总体结构图2.1铸轧机轧辊部分的运作方式连续铸轧技术是将金属铝液直接转变成冷轧薄板坯的捷径，是从两个旋转辊中间浇注金属液,通过一对内部具有循环冷却作用的铸辊辊缝间隙，结晶，凝固，变形后从另一侧引出铸轧带坯，按轧辊和金属的流向可分为三类：⑴、双棍水平下注式。两辊中心连线与地面平行，金属浇铸流向与地面垂直，简称垂直式铸轧机。⑵、双棍垂直平注式。两辊中心连线与地面垂直，金属浇铸流向与地面水平线平行，简称水平式铸轧机。⑶、双辊倾斜侧注式。两辊中心连线与地面水平线成一定角度，一般为75°角，简称倾斜式铸轧机。设计要求辊径400mm，小于常用标准辊径。本铸轧机主要用于科学实验，为了保证生产过程中铝板铸轧各环节（液固态转变过程）直观可见，便于控制，本次设计采用双棍垂直平注式板带驻轧（如图2-2）。图2-2双棍垂直平注式1——轧辊辊套；2——金属铝液；3——金属铝板2.2轧辊部分的力能参数计算2.2.1设计要求⑴、铸轧机型号为Φ400×500mm；⑵、轧制铝板厚度控制在2—8mm；⑶、轧制铝板板宽控制在50—400mm；⑷、铸轧线速度为v=0.5—3m/min；⑸、最大轧制力为=60T。2.2.2轧制力矩的计算图2-3轧辊辊系受力简图目前所采用的轧制力矩计算方法仍沿用有关热轧板的计算公式，即：式中——平均单位压力；b——铸轧带坯宽度；X——力臂系数；——铸轧变形区长度。如上图所示，铸板件所受外力（上辊）有法向力N1和摩檫力T1。N1与T1的合力为P1，且与辊芯连线垂直，即与轧件的运动方向垂直。由于对称性知必有与P1等大反向的合力P2，且与P1作用于同一直线上。即P1=P2=同时轧制力≈；力臂系数X=β/A≈β/α；变形区长度可看作力臂A.故轧制力矩为==2A=2XL由上图可得A=R·sinβ=D/2·sinβ式中A——轧制力相对于轧辊中心的力臂；X——轧制力P1相对于轧辊中心的力臂系数；L——接触弧长；D——轧辊直径；β——合压力作用角。其中力臂系数根据大量统计实验数据确定，一般有以下结论：热轧板带时，X=0.42—0.50。在此力臂系数取X=0.5。则A=D/2·sinβ=0.50L=D/2·β即sinβ=β解得β=0.066轧制力力臂A=0.2×sin0.066=0.013m则轧制力矩为==2A=2×5.88××0.013=15.3KN·m只是轧件变形给轧辊的轧制力矩，因为轧制过程中铸件受到牵引机构的牵引张力，轧辊轴承的摩擦力等力作用，固实际总力矩要大于，这里就不做详细介绍。2.3电动机的选择2.3.1主电机容量计算主电机容量计算通常根据轧制时作用在电机轴上的扭矩来初选主电机容量。初选主电机时可依据以下公式：KW式中——轧制力矩、两轧辊轴承处的摩擦力矩、轧机空转力矩与轧机变速动力距之和，由于此处只是初选主电机容量，且两轧辊轴承处的摩檫力矩、轧机空转力矩与轧机变速动力距之和相对于轧制力矩要小很多，所以摩擦力矩、轧机空转力矩与轧机变速动力距之和可忽略不计KN·mV——铸轧线速度为v=0.5—3m/min取极值3m/min——传动系统的总传动效率R——铸轧辅半径m又式中——皮带传动的传动效率0.80-0.90取=0.85——由电动机到轧辊，除皮带传动以外的总传动效率一般为0.85-0.90取=0.85则=0.85×0.85=0.723由前面数据可知=15.3KN·m,V=3m/min,R=0.2m则可得：N= =5.29KW2.3.2轧机的工作制度与主电机选择⑴、轧机工作制度轧机的工作制度按照操作方式可分为可逆式和不可逆式两种,按照轧制状态又可分为有带张力的带式工作制和无带张力的块片式工作制两种。①不可逆式工作制不可逆式工作制度应用最广，当采用这种工作制时，乳辊与轧件的运动方向始终不变，但轧制速度有可调和不可调两种。在某些轧机上，不一定总是生产同一种轧板，在轧制时不需改变速度，但生产不同的板材所需轧制速度一般不同，需要重新调节轧辊的线速度，这类轧机通常采用调速范围广，工作稳定的直流电动机。②可逆式工作制度当釆用这种工作制时，轧辊即能逆转又能调速，并有低速咬入，满足升速轧制和降速抛出轧件等要求。本设计不适合采用这种工作制度，不需要轧辊能逆向转动。③有带张力工作制度当采用这种工作制时，轧件不仅承受轧辊所施加的轧制力，同时还要承受卷取机和开卷机所施加的前后张力，轧件时刻处于易塑性变形的良好应以状态，这使轧制条件大大改善，减小对了轧制大小力的要求，有助于整个铸轧结构的稳定。这种工作制度下铸轧机容易轧制平直的薄带，但需要较大调速范围，一般都采用直流电动机传动。按照实际情况，本次设计采用不带带张力的工作制度，且为不可逆式工作制度，主电机类型选择直流电动机。⑵、主电机选择①类型选择本次设计电动机的机械负载要求:调速范围大、负载较平稳、连续轧制、三班制工作。异步交流电动机结构简单,维护方便，重量较轻成本较低，工作效率较高，负载特性较硬。直流电动机调速性能优良，过载能力大，可实现频繁的无级快速启动，制动和反转，能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。综合考虑以上因素选择直流电动机。②电动机参数确定当电动机功率一定时，电动机转速越低，其尺寸越大，价格越贵，而且效率越低，所以选择电动机时其转速通常不能低于500r/min，但高速电动机会加大机械减速机构的传动比，导致机械传动部分结构复杂，影响传动效率。现有以下已知参数：主电机容量N=5.29KW；减速器传动比为90：1；皮带轮传动比为2：1。得电动机转速为430r/min（最小值）考虑到需要一定的安全系数及其他方面的因素,选择电动机型号为：Z4—180—11JB/T6316—2006其主要技术参数为：额定功率P=15KW（铸轧作业是高危行业，因而在我这里取了较大的安全系数）额定转速n=600r/min最高转速=2000r/min额定电压V=440v在选择电动机之后，根据选定的主传动系统的总速比i对电动机做超载和发热校核，这里不做详细表述。2.4轧辊的基本结构与参数2.4.1轧辊基本结构图2-4轧辊外形图2-5轧辊辊芯结构图轧辊由辊身、辊径和轴头三部分组成，辊径安装在轴承中，通过轴承座和上垫块把轧制力传递给机架，左轴头和十字滑块连接轴相连接，传递轧制扭矩，右轴头和进水管相连。轴头有三种主要形式：梅花轴头、万向轴头、带键槽的或圆柱形轴头。但带双键槽的轴头在使用过程中，键槽壁容易崩裂，目前常用易加工的带平台的轴头。本次设计所采用的轴头形式为带平台轴头。其截面如图2-6图2-6轴头截面图2-7水槽横截面流动循环冷却水的槽沟开在中间辊芯表面上，循环水对轧辊的冷却强度主要取决于槽沟形式，槽沟形式种类繁多。但不管釆用哪种形式，其冷却强度应保证铸扎辊辊身长度上的温度差<5°C。本次设计采用轴向与环向槽沟相结合的联合槽沟（图2-5、图2-7），具有极好的冷却效果。2.4.2轧辊参数①轧辊的主要尺寸参数是：轧辊面直径D=400mm辊套厚度δ=30mm轧辊辊身长度L=500mm轧辊经使用磨损后可允许重车或重磨以便多次使用，直到乳辊直径削弱到最低限度为止。对于直径400mm的轧辊，要求辊套厚度在20-45mm左右，考虑到本次设计的铸轧机主要用于探究优化轧制工艺的方法，而不是用于工业实际生产，即辊面的磨损速率相对较慢，30mm的辊厚满足需求。而设计要求轧板宽度可达400mm,考虑到安全与散热，留出一定长度余量，取其身长为500mm。其他基本参数：辊径直径d=180mm辊径长度=195mm=295mm（安装密封部件）辊身的过渡圆角r=20mm（这里因辊身直径不大，且辊身端面要安装挡环，用以密封定位辊套，同时辊身与辊径之间采用了二级台阶过渡，固过渡圆角取了较小值）②槽沟及通水孔：本次设计循环冷却水槽沟形式釆用轴向和环向相结合的结构形式，槽沟轴向槽形为梯形，均宽为26.2mm,沟槽布置形式为70mm(中心弧长）X18(个)，沿圆周均匀分布，环向槽形为梯形，均宽取30mm,共7个。（见图2-5、图2-7）在第一环向槽内部有四个相互垂直同时又垂直于辊身轴线的进水孔，孔径20mm，均与直径为40mm的进水孔相连；第七环向槽内部有四个相互垂直同时又垂直于辊身轴线的的出水孔，孔径20mm，且分别与辊身轴向的四个出水孔（直径20mm）相连，通水方式为一进四出，水循环利用中间无间断。（见图2-5）参考：在设计过程中，发现另有一种有效冷却轧辊的冷却方式存在，这里作简要介绍以作参考备用:其在轧辊表面的循环冷却水槽布局方式与本次设计采用的结构相似，但通水方式为一进二出或二进二出（进出水孔直径相同，位于轧辊接口端的圆孔圆心连线呈正方形），且每一环向漕中都有两进水孔和两出水孔，这样辊身每一部分的水温温差更小，冷却效率很高。在保护轧辊本身，延长轧辊辊套的使用寿命这点上比本次设计采用的冷却方式要优秀，同时可在一定程度上提高轧辊轴承部位的许应用力的大小（开的孔更少）。（如图2–8）2–8冷却水水道图2.5辊芯和辊套材料铸轧辊由辊芯和辊套两部分组成，两部分所用材料不同，辊芯和辊套材料分别选择如下:①辊芯材料采用42CrMo，淬火后达到的硬度为HRC20-22。42CrMo钢属于超高强度钢，它具有高强度、高韧性和较好的淬透性，没有明显的回火脆性，调质处理后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好。所以选他作为辊心材料。②辊套材质选用32CrNi3MoV，淬火后达到的硬度为HRC40-42。较高的硬度保证辊套寿命，延长辊面发生龟裂或产生裂纹的时间。2.6轧辊强度校核对轧辊做强度计算，通常对辊身只计算弯曲，对辊颈计算弯曲和扭转。辊芯材料许应用力[σ]取295MPa。轧辊受力图2-9如下：图2-9轧辊受力图①辊身弯曲应力由图2-9可看出最大弯矩值在轧辊中央，即辊身的危险断面在轧辊中央此断面的弯曲力矩值按下计算：式中：——最大弯曲力矩；P——轧制压力；P=60ta——上顶油缸中心线间距离；a=955mmb——轧件宽度。b=400mm本铸轧机为无带张力的带式轧制，则辊身中央的最大弯曲应力按下计算：式中：——空心轧辊的内孔直径=40mm代入数据，计算得：=117KN·m=18.3MPa远小于辊芯材料许应用力，安全。②辊颈弯曲和扭转辊颈危险断面一般在其与辊身的过渡处，辊颈的最大弯曲力矩按下计算：弯曲应力为：式中:c——危险断面至油缸上压中心线距离；c=227.5mmｄ——颈的直径。d=230mm代入数据，解得：=66.9KN·m=55.0MPa辊颈上的扭转力矩按下计算:扭转应力为：式中——可近似看做驻扎变形区长度；又=L=2β=0.026mm——滚动轴承摩察系数；(润滑良好的滚动轴承摩察系数范围为0.002～0.003，这里取值0.003。)代入数据，计算得:=7.76KN·m=3.19MPa轧辊从辊身到辊颈改变处的应力会发生应力集中，经查得相应的应力集中系数为:弯曲应力集中系数=1.62;扭转应力集中系数=1.33则=1.62×55.0=89.1MPa=1.33×3.19=4.24MPa根据第四强度理论可得，其合应力为：代入数据，计算得：=89.4MPa<[σ]2.7轧辊轴承2.7.1轧辊轴承的运作方式及选择轧辊轴承是构成铸轧机的重要部件，不同于一般用途的常见轴承，铸轧机轧辊轴承有以下特点：①工作负载大这是因为铸轧机轧制板材时需要极大地轧制力使金属板材发生永久形变，而支撑轧辊的轴承需作为支撑点承受反向轧制力，固轧辊轴承需在较短的辊径长内承受很大的许用应力。通常轧辊轴承所承受的单位压力比一般用途的轴承高2—4倍，甚至更高。②运转速度低本次设计铸乳机带坯轧制速度为0.5——3m/min,轧辊轴承的转速为（与轧辊转速相同）0.40—2.39r/min。③工作环境恶劣铸轧机在轧制铝板时，铝熔体凝固所释放出来的巨大热量，通过轧辊传到轧辊轴承上，使其在高于常温条件下工作。同时生产场合存在大量的粉尘，会污染轧辊的传动结合部位，进而可能渗透进密封结构，影响轴承部位的传动效率，降低轴承的使用寿命。本次设计采用两种轴承,其型号为：圆柱滚子轴NJ236E（GB/T283）调心滚子轴承22236（GB/T288）因为轧辊水平放置，轴承需要承受很大的径向力，而轴向力相较径向力不大。圆柱滚子轴承主要承受径向力，不能承受轴向力；而调心滚子轴承即可承受较大的径向力，又可承受一定的轴向力，同时调心滚子轴承能够给予轧辊一定的同轴度不差，这对于保证两轧辊辊间间隙δ的稳定，轧制出板厚均匀的金属板用较大的益处。因而选择了这两类轴承，同时以保证这两类轴承的内外径一致为原则，确定轴承的型号。在轴颈部位安装并排的三个轴承，其顺序是：圆柱滚子轴承——调心滚子轴承——圆柱滚子轴承参考：也可选用四联装圆锥滚子轴承，较上一种要拆卸方便。2.7.2轧辊轴承寿命校核当量动负荷与轴承寿命之间关如下：式中——轴承额定寿命，单位为小时；n——轴承的转速r/min；C——轴承额定动载荷N；P——轴承当量动载荷N;ε——寿命指数，对于球轴承ε=3；对于滚子轴承ε=10/3在本次设计情况中，可不考虑轴承轴向载荷，把三个并列的轴承看做三个相邻的受力支点，且受到的径向载荷相等，即轧制力大小的1/6。则P=9.8×N=98KN①圆柱滚子轴的额定动载荷为C=625KN，轴承转速n=2.39r/min（取最大值）。则轴承寿命为=3.35×h满足所需寿命要求。②调心球轴的额定动载荷为C=1260KN，轴承转速n=2.39r/min（取最大值）。则轴承寿命为=34.7×h远远满足寿命需求。（实际上在这里，若把单个轴承的当量动载荷的值取极大值1/2倍的轧制力，即载荷P=294KN,计算得出的轴承寿命也远远满足寿命要求，这里就不再在做详细表述。）2.8铸轧辊冷却水用量冷却强度严格来讲是指冷却水和周围环境在单位时间内从铸轧区内所带走的热量，但这个问题很复杂，测定情况非常困难，所以一般是指进、出口冷却水的温差。在实际生产中，一般来说，冷却强度越大，铸轧速度越快，生产效率越高；但冷却强度过大，辊套内外表面温差过大，热应力增加，同时铸轧力增加，辊套使用寿命缩短；立板时，若环境温度较高，而冷却水温度太低，版面容易出现三角口缺陷。一般情况下，进出水温差控制在2~5℃之间。在这里温差取4℃。冷却水采用循环冷却方式。⑴单位时间内冷却水从铸轧辊中带走的热量：式中η——铸轧机生产能力，t/min;——供料嘴流出金属液的温度，根据前箱温度，取700℃；——铝的熔点，取658℃；——铸轧带坯离开辊缝时的温度，根据生产实践取终轧温度450℃；——铝液比热容，取1.29kJ/(kg·℃)；——固态铝带坯的比热容，取1.01kJ/(kg·℃);——铝的结晶潜热，取389.4kJ/kg；又因生产能力η=vbh——铸轧坯密度，取2.70×kg/m³；v——铸轧速度，取3m/min；b——铸轧坯宽度，取400mm；h——铸轧坯厚度，取8mm。即每分钟冷却水从铸轧辊带走的热量为：[1.29×（700-658）+1.01×(658-450)+389.4]×2.70×3×0.4×0.008××=16943kJ⑵每分钟排出热量Φ所需要的冷却水量：式中——冷却水进入铸轧辊时的温度，取25℃；——冷却水从铸轧辊排除时的温度，取29℃；——冷却水的比热容，取4.1868kJ/(kg·℃)所以每分钟需要的冷却水量为：==1011.70kg以上只是理论计算耗水量，实际生产的耗水量要计算的理论值大一些，应为要防止循环冷却水密封不良造成的泄露和冷却水的进水水压波动給铸轧工作带来不良后果，影响铸轧机的正常轧制工作。通常，生产过程中系统的给水能力应比计算理论值大20%左右。2.9牌坊图2-9牌坊三维图2.9.1牌坊结构及主要尺寸牌坊的主要结构参数是窗口宽度B和高度H，以及立柱断面积F.图2-10牌坊主要尺寸设计主要尺寸如下：窗口宽度B=430mm;窗口高度H=1350mm；立柱断面积F=bL=250×205=51250；牌坊总高=1950mm。2.9.2牌坊的强度校核强度校核一般要校核立柱和上下横梁的最大应力是否在安全范围，当不符合要求时进行反复选择和核算，知道满足要求为止。其计算公为：立柱最大应力：≤[σ]上横梁最大应力：≤[σ]下横梁最大应力：≤[σ]式中——牌坊过渡圆角为零时的弯曲力矩；M——发生在横梁中央的最大弯曲力矩；、、——上横梁、立柱、下横梁的断面模数；P——牌坊立柱所受拉力；F——立柱的断面积。牌坊所用材料为铸钢ZG35,其抗拉强度≥500MPa，屈服强度=280MPa，延伸率≥15%。代入数据验证得牌坊强度满足设计所需要求，计算方法与前文类似，这里不做详细表述。2.9.3牌坊的连接方式对于小型铸轧机，一般采用拉杆、撑杆的连接方式，本次设计就采用了这种方法。上横梁部分用两根圆柱相连，圆柱与牌坊间用螺栓连接，下横梁位于支撑底座上，用M48的螺栓连接固定。（如下图）图2-11机架结构连接三维图（图中可清晰看见螺栓孔位置）全套设计（图纸）加扣扣194535455第三章铸轧机传动部分的机械设计3.1铸轧机传动部分概述铸轧机传动部分有支撑铸轧机轧辊的工作机座、传动机构和电动机还有来料小车的丝杆螺旋传动，其中传动机构主要有梅花联轴器接头，万向连接轴。传动机构位于电动机和工作机座之间，其作用是把电动机的转矩和功率传递给工作机轧辊，使其旋转，实现对原材料的轧制；来料小车的丝杆螺旋传动主要是通过旋转调节丝杆控制小车上注嘴与两个轧辊间的间隙。设计主要包括连接电动机和减速器输入轴的皮带轮，连接减速器与同步箱的联轴器，还有连接同步箱和轧辊的万向连接轴，以及同步齿轮轴和小车丝杆螺旋传动的设计。3.2传动的类型和选择原则①传动类型的形式本次机械设计采用机械传动、电力传动、定比传动、可调转速四种传动形式相结合的方式，较为复杂。②传动类型选择大致依据从工作机的工况，其本身的机械特性和传动性能，厂家要求的基本装配方案，还有整个设计产品即将身处的工作内外部环境，再加上在经济成本、后续维护等方面的合理性，就可大致决定传动类型。当然，具体布置要根据具体情况进行全面分析、计算，力求以最小成本达到最大设计要求。③选择的基本原则(1)为了降低成本，在小功率传动设计中，以不降低产品性能为原则，尽量选用结构简单、加工方便、易于维护的传动装置;(2)在大效率传动设计中，一般吧传动装置的效率作为优先考虑对象;(3)按实际情况选用相应的配置形式，但要以安全为第一准则;⑷在选用传动装置是尽量选用标准传动原件，这样装置的来源易于解决.④定比传动类型的选择本次设计选用定传动比传动，采用机械传动装置。具体设计时考虑以下因素:单级传动是否能满足实际情况需要，大功率传动的能量传递效率，转矩传递效率，传递结构的简化，负载的设计要求，安装场地的实际情况等等。综合考虑个因素，本次设计确定传动方案如图:图3-1铸轧机整体结构图具体传动顺序为：直流电机——小皮带轮——皮带传动——大皮带轮——四级直齿轮减速机——联轴器——人字齿同步齿轮箱——十字滑块联轴器——轧辊（负载）3.2螺旋传动的设计3.2.1螺旋传动的构成与功能螺旋传动由螺旋杆和螺母组成。它能将螺旋运动转变为直线运动，当螺旋升角大于摩擦角时，也可将直线运动转换成旋转运动，同时具有自锁功能。螺旋传动能用较小的转矩获得较大的推力；还能获得很大的传动比；同时传动平稳，具有较高的运动精度。这是一种应用非常广泛的传动机构，特别是将螺旋运动变为直线运动。在各种机构中,他最简单而又最可靠.3.2.2来料小车丝杆螺旋传动选择来料小车在整个铸轧过程中扮演着十分重要的角色，它的主要功能是控制注嘴与两个轧辊之间的间隙，方便平时的拆卸，维护和组装。我们选择了成本最低，结构简单，尺寸无限制，加工及安装精度要求低，抗冲击性强运转无噪声适用范围广的滑动螺旋。支承部分采用一端固定一端自由的支承方式，如下图3-2图3-2小车螺旋传动示意图（丝杆）3.2.3丝杆、套筒材料选择工业上制造轴的材料主要是碳钢和合金钢。由于碳钢比合金钢价廉，可以减少材料成本，同时也可以用热处理或化学热处理的方法提高其耐磨性和抗疲劳强度。合金钢比碳钢具有更高的机械性能和优越的淬火性能，在传递大动力，并要求减轻重量和尺寸，提高轴颈耐磨性。一般情况，滑动螺旋的主要失效形式有磨损、胶合和擦伤。为了提高螺杆的耐磨性，可提高螺杆的表面硬度，同时降低其螺纹表面粗糙粗糙度值。一般，螺杆硬度值应比螺母高30%~40%以上。精密传动螺旋，要求能长期保持尺寸稳定性。考虑到丝杆工作环境为普通室内条件，经常要旋转调节，要求材料耐磨性能好，经济适用。在丝杆和螺母的选材上选用方便易得易加工的45号碳钢。调质处理。3.2.4⑴耐磨性校核：根据螺旋副材料，从《机械设计师手册》表16-10查取许用比压[p]，取2.5x10N;根据螺纹类型，从标准中查取螺杆的中径d取33、小径d取31；计算螺距P=H/n，取标准值7；计算螺纹工作高度H锯齿形H=0.75P=5.25；经计算得：p=F/·d×H×n=6.23≦[p]；即耐磨性合格（2）螺杆强度校核：根据螺旋副材料，从《机械设计师手册》表16-11查取许用拉应[]=（0.2~0.33），45钢调质屈服点取350，则[]=105；丝杆与螺母接触处为危险断面，当量应力=，计算可知≦[]即螺杆强度符合要求。3.3.连接轴由一于铸轧带坯的产品厚度需要在一定的范围内调整，铸轧辊中心距需要变化。另外，铸轧辊在使用过程中由于辊而产生的裂纹而需要修磨，轧辊直径也会发生变化引起铸轧辊中心距的变化。轧机的轧辊中心与齿轮轴中心不在同一直线上，中间传动轴与水平线倾斜一个角度，此角度随轧辊的调整而改变，因此需要使用连接轴。连接轴的作用是将扭矩从齿轮机座或电动机传递给轧辊，或者从一个工作机座的轧辊传递给另一个工作机座的轧辊。轧钢机中常用的连接轴形式有万向接轴、弧形齿接轴和梅花接轴。万向接轴又有滑块式和十字头式两种形式。3.3.1连接轴类型选择联轴器是用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接。联轴器种类繁多，按照被联接两轴的相对位置和位置的变动情况，可以分为：①固定式联轴器。主要用于两轴要求严格对中并在工作中不发生相对位移的地方，结构一般较简单，容易制造，且两轴瞬时转速相同，主要有凸缘联轴器、套筒联轴器等。②可移式联轴器。主要用于两轴有偏斜或在工作中有相对位移的地方。由于几弧形齿接轴加工需要有专用的靠模，比加工普通连接轴复杂，且倾角不能太大，根据实际生产需要，本次设计选用十字滑块万向接轴。十字滑块万向接轴是在两轴端分别装有又头和扁头，中间对接连接，连接结构简单，使两轴在倾斜一定角度的情况下尚能传递扭矩。其优点为:①使用寿命长，一般可达1-2年以上，因此可减少更换零部件的时间和费用;②振动显著减小，提高了产品质量;③降低噪音，改善工作作环境;④用润滑脂润滑，易密封，耗油量小，省去了润滑系统，降低了投资费用;⑤传动效率高，可达99.8%；⑥传递扭矩大。3.3.2十字滑块万向接轴设计（1）轧辊端插头直径为：D=（0.45-0.55）Dmin=（0.45-0.55）×370=166.5-203.5mm取D=160mm式中Dmin——磨削后的轧辊直径Dmin=370mm（2）接轴长度L和倾角接轴长度L、倾角和开口度h之间关系为H=Lsin初取=4，有知h=500-400=100mm得L=h/sin=1433.6mm，考虑到实际的一些复杂情况，取L=1140mm（3）接轴本体直径dd=（0.50-0.60）·D=166.5-203.5mm取d=200mm，（也可能更大）最终设计结果如下图所示：图3-3总体三维结构图3-4联轴器端面图3-5十字滑块3.4同步齿轮箱3.4.1箱体外形和主要参数箱体为一套件。在加工时，其最后的轴承孔应在上中下三个箱