三辊定径机的设计毕业设计说明书(共67页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：三辊定径机的设计学生姓名：学 号：专 业：机械设计制造及其自动化班 级：指导教师：专心-专注-专业摘 要无缝钢管的生产在西方国家里占管类钢材比例的50%，而在我国的生产还和西方有一定的差距，不过对它的生产进行了大量的投入，有望在本世纪赶上，不仅在数量上还需要在质量上有所超越。本设计就对包钢公司的三辊定径机作一分析、计算、校核等。其主要内容包括：定径机的设计、调速系统的设计、润滑和冷却系统的设计。在原先只采用两辊式定径机存在的弊端做一改造采用三辊定径机。其两者的区别主要是：前者可调但定径精度低，工具备件少；后者定径精度高但不可

2、调，机架备件多。其实现在已经出现了新型可调式三辊定径机，因此这种新型三辊定径机的出现将给我国无缝钢管的发展提供一个新台阶。今后，我国无缝管材的生产反将转到采用先进制造技术，扩大品种，提高质量，降低消耗方面来。因此，我们应该努力学好本专用知识，争取进一步有所改进有所创新。关键词：定径机；调速系统；润滑系统；冷却系统；设计计算AbstractThe production of seamless pipe in the nation of the nation of the west has about 50% in pipe steel, and the production in our cou

3、ntry has some gap with western nation but our country has carried on the input of large numbers hopefully has caught up with just this production. Not only in number but also in quality past.The design is about three rolls sizing mill in Bao Gang company analyze the steel tubes quality, calculate ,

4、check it. Compare two roll sizing mill to three rolls sizing mill. The main difference is the former can adjust but has a lower accurate degree , and has less tool . The latter has a higher accurate but cant adjust, has more tools. Now, there has appear new three rolls sizing mill, which make our co

5、untry a large developing space.Therefore in the future the pipe of steels production development will truly adopt advanced manufacturing technology to enlarge type, improve quality, reduce taste. Thus, we should try our best to learn professional knowledge.Key words: sizing mill; speed control syste

6、m; lubrication systems; cooling system; design calculation 目 录摘 要.IAbstract.II目 录.1第一章 引 言.51.1 概述.51.2无缝管生产简介.5第二章 三辊定径机系统.122.1 总体方案122.1.1 轧辊机架的确定.122.1.2 传动装置的确定.142.1.2.1单独传动.142.1.2.2集体传动.142.1.2.3 差动传动.152.2 参数计算.162.2.1 性能参数.162.2.2 机架个数的确定.172.2.3 轧制总压力的确定.182.2.4 轧制力矩的确定.212.3 总功率的验算及电机的选择

7、.232.3.1 与轧辊轴相联接的减速器的确定.232.3.2 附加力矩的确定.242.3.3 主电机的选择.242.4 齿轮传动设计.252.4.1 选取材料，定许用应力.252 .4.2 按齿根弯曲疲劳强度设计252.4.2.1定齿根弯曲许用应力262.4.2.2 计算齿轮的名义转矩.262.4.2.3 选择载荷系数.272.4.2.4 选取齿宽系数.272.4.2.5 初定齿轮系数.272.4.2.6 确定复合齿形系数272.4.3 校核齿面接触疲劳强度.282.4.3.1 确定齿面接触疲劳许用应力.282.4.3.2 校核齿面接触疲劳强度.292.5 主传动轴的设计.292.5.1 最

8、小轴颈的估算.292.5.2 联轴器部位花键的设计.302.5.3 鼓型齿的设计.302.5.4 轧辊的设计.312.5.5 轴承段轴的设计.322.5.6 自由轴段的设计.342.5.7 环的设计352.5.8 轧辊右侧轴段的设计.372.5.9 右端盖的设计382.5.10 轴承套的设计.392.6 从动轴的设计.422.7 轴的校核.432.7.1 主传动轴的校核432.7.1.1 轧辊上的作用力的确定.442.7.2 从动轴的校核.472.8 轴承寿命计算47第三章 液压调速系统设计483.1 系统的工况分析483.2 拟定液压系统图483.3 执行元件的负载计算493.4 液压系统工

9、作压力的计算503.5 选取液压马达503.6 选取液压泵503.7 选择控制阀513.8 管件的选择513.9 液压系统的验算52第四章 定径机的润滑和冷却.524.1 定径机的润滑系统524.1.1 润滑的特点和作用.524.1.2 单个定径机的润滑系统.544.1.2.1油杯接头544.1.2.2 给油器.554.1.2.3 带密封的管接头.554.1.2.4 直通管接头.564.2 冷却系统.564.2.1 冷却系统的作用.564.2.2 单个定径机的冷却系统.564.2.2.1 分配器.564.2.2.2 冷却直通接头.574.2.2.3 三通管.574.2.2.4 喷头.584.2

10、.2.5 管夹.58结束语.60参考文献.61第一章 引言1.1 概述自古以来人们就知道使用管子，但钢管是在1800年代的初期才开始使用。那是由于煤气灯需要使用管子，就将枪管用螺丝链接制成钢管。此后，由于1890年自行车的发明，以及进入1900年代以来汽车的普及等原因，钢管的需要量大大的增加。另一方面，由于石油需要量激增，大量需要油井用钢管，以及两次世界大战而需要大量的舰艇用锅炉和飞机用钢管，尤其是第二次世界大战以后，锅炉、化工厂用的钢管，以及象征石油时代的输油用钢管等，随着时代的前进，其用途也在不断扩大。为了满足需要，人们研究了各种钢管的生产方法，并发展了无缝钢管、焊接钢管等多种钢管的生产方

11、法。钢管的使用是由1815年苏格兰的一位发明家为输送灯火用煤气而将枪管链接起来才开始的。1824年，出现了将加热至白热状态的钢板两边弯曲起来焊接成钢管的对悍专利。随后在1825年研究成功将宽度相当于制品外径的带钢弯曲成接近于圆形并加热，然后通过装在炉子近口处的圆环模子而焊接起来的方法。这种方法成为现代采用的炉悍法生产钢管的基础。此外，无缝钢管的发展稍迟，虽然1836年已在英国取得了挤压法的专利，但并无使用价值。以后，尽管又研究成功铸造的管坯经过锤锻制成钢管的方法以及将钢板加工成杯状的方法，后来因为不经济而没有得到实际应用。在1885年孟内斯曼兄弟发明了由棒钢直接生产出中空坯料的方法，这是钢管生

12、产的一次大革命。并以他的名字命名为孟内斯曼式制管法。从1890年起已在工业上应用，即使在今日这种方法仍然是非常好的，并作为最典型的无缝钢管法而应用。1.2无缝管生产简介 用穿孔等方法生产周边无接缝的钢管或其他金属管和合金管。无缝管的外径范围为 0.11425mm，壁厚为0.01200mm。除圆形管外,还有各种异形断面管和交断面管。 生产方法和简史：无缝管的生产方法很多。无缝钢管根据交货要求，可用热轧(约占8090)或冷轧、冷拔（约占1020）方法生产。热轧管用的坯料有圆形、方形或多边形的锭、轧坯或连铸管坯，管坯质量对管材质量有直接的影响。热轧管有三个基本工序：在穿孔机上将锭或坯穿成空心厚壁毛管

13、；在延伸机上将毛管轧薄，延伸成为接近成品壁厚的荒管；在精轧机上轧制成所要求的成品管。轧管机组系列以生产钢管的最大外径来表示。无缝钢管生产方法见表1，括号中数字为创制年代。无缝钢管生产有近 100年的历史。德国人曼尼斯曼兄弟于1885年首先发明二辊斜轧穿孔机，1891年又发明周期轧管机,1903年瑞士人施蒂费尔（R.C.Stiefel）发明自动轧管机（也称顶头式轧管机），以后又出现了连续式轧管机和顶管机等各种延伸机，开始形成近代无缝钢管工业。20世纪30年代由于采用了三辊轧管机、挤压机、周期式冷轧管机，改善了钢管的品种质量。60年代由于连轧管机的改进，三辊穿孔机的出现，特别是应用张力减径机和连铸

14、坯的成功，提高了生产效率，增强了无缝管与焊管竞争的能力。70年代无缝管与焊管正并驾齐驱，世界钢管产量以每年 5以上的速度递增。中国1953年后重视发展无缝钢管工业，已初步形成轧制各种大、中、小型管材的生产体系。铜管一般也采用锭坯斜轧穿孔、轧管机轧制、盘管拉伸工艺。 自动轧管生产：生产无缝钢管的方式之一。生产设备由穿孔机、自动轧管机、均整机、定径机和减径机等组成。其生产工艺流程见图1。 穿孔机：常用的二辊斜轧穿孔过程见图2。圆管坯穿轧成空心的厚壁管（毛管），两个轧辊的轴线与轧制线构成一个倾斜角。近年来倾斜角已由612增至1317,使穿孔速度加快。生产直径250mm以上钢管，采用二次穿孔,以减少毛

15、管的壁厚。带主动旋转导盘穿孔、带后推力穿孔、轴向出料和循环顶焊等新工艺也取得一定的发展,从而强化了穿孔过程,改进了毛管质量。 自动轧管机：把厚壁毛管轧成薄壁荒管。一般经23道次，轧制到成品壁厚,总延伸率约为1.82.2。70年代以来，用单孔槽轧辊、双机架串列轧机、双槽跟踪轧制和球形顶头等技术，都提高了生产效率，实现了轧管机械化。 均整机：结构与穿孔机相似。均整的目的在于消除内外表面缺陷和荒管的椭圆度，减少横向壁厚不均匀。近年采用三辊均整机，提高了均整机变形量和均整效率。 定径机：由312架组成，减径机由 1224架组成，减径率约达312。50年代出现的张力减径机,在调整辊速和减径的同时，以适当

16、的张力控制壁厚。新型张力减径机一般用三辊式，有1828架，最大减径率达75，减壁率达44，出口速度达每秒18mm。张力减径机有两端增厚的缺点，可用“头尾端部突加电气控制”或微张力减径消除。 自动轧管机组常用系列有外径为100mm、140mm、250mm和400mm四种,生产外径17426mm钢管。机组的特点是在穿孔机上实现主要变形，规格变化较灵活，生产品种范围较广。由于连续轧管技术的发展，已不再建造140mm以下的机组。 连续轧管生产：生产设备由穿孔机、连续轧管机、张力减径机组成。工艺流程见图1。圆坯穿成毛管后插入芯棒，通过79架轧辊轴线互呈90配置的二辊式轧机连轧。轧后抽芯棒，经再加热后进行

17、张力减径,可轧成长达165m的钢管。140mm连续轧管机组年产4060万吨，为自动轧管机组的24倍。这种机组的特点是适于生产外径168mm以下钢管,设备投资大,装机容量大,芯棒长达30m,加工制造复杂。70年代后期出现的限动芯棒连续轧管机（MPM）,轧制时外力强制芯棒以小于钢管速度运动，可改善金属流动条件，用短芯棒轧制长管和大口径钢管。 周期轧管生产：以多边形和圆形钢锭或连铸坯作原料，加热后经水压穿孔成杯形毛坯，再经二辊斜轧延伸机轧成毛管,然后在带有变直径孔槽的周期轧管机上,轧辊转一圈轧出一段钢管。周期轧管机又称皮尔格尔（Pilger）轧管机。周期轧管生产是用钢锭作原料，宜于轧制大直径的厚壁钢

18、管和变断面管。 三辊轧管生产：主要用于生产尺寸精度高的厚壁管。这种方法生产的管材，壁厚精度达到 5，比用其他方法生产的管材精度高一倍左右。工艺流程见图4。60年代由于新型三辊斜轧机（称Transval轧机）的发明，这种方法得到迅速发展。新轧机特点是轧到尾部时迅速转动入口回转机架来改变辗轧角，从而防止尾部产生三角形，使生产品种的外径与壁厚之比，从12扩大到35，不仅可生产薄壁管，还提高了生产能力。 顶管生产：传统的方法是方坯经水压穿孔和斜轧延伸成杯形毛管，由推杆将长芯棒插入毛管杯底，顺序通过一系列孔槽逐渐减小的辊式模架，顶轧成管。这种生产方法设备投资少，可用连铸坯，能生产直径达1070mm、壁厚

19、到200mm的特大特厚的管，但生产效率低,壁厚比较厚，管长比效短。出现CPE法的新工艺后,管坯经斜轧穿孔成荒管，收口后顶轧延伸成管，克服了传统方法的一些缺点，已成为无缝管生产中经济效益较好的方法。挤压管生产：首先将剥皮圆坯进行穿孔或扩孔，再经感应加热或盐浴加热，并在内表面涂敷润滑剂送入挤压机,金属通过模孔和芯棒之间环状间隙被挤成管材(图5)。主要用于生产低塑性的高温合金管、异型管及复合管、有色金属管等。这种方法生产范围广，但产量低。近年来，由于模具材料、润滑剂、挤压速度等得到改进，挤压管生产也有所发展。 导盘轧管生产：又称狄塞耳(Diessel)法。穿孔后带长芯棒的毛管在导盘轧管机上轧成薄壁管

20、材。轧机类似二辊斜轧穿孔机，只是固定导板改成主动导盘。由于用长芯棒生产，管材内壁光滑，且无刮伤；但工具费用大，调整复杂。主要用于生产外径 150mm以下普通用途的碳素钢管。目前使用较少，也无很大的发展前景。 旋压管生产：将平板或空心毛坯在旋压机上经一次或多次旋压加工成薄壁管材。管子精度高，机械性能好，尺寸范围广，但生产效率低。主要用于生产有色金属管材，但也越来越多地用于生产钢管。旋压管材除用于生产生活器具、化工容器和机器零件外，多用于军事工业。 70年代，采用强力旋压法已能生产管径达6000mm、直径与壁厚之比达 10000以上的大直径极薄圆管和异形管件。 冷轧、冷拔管生产：用于生产小口径薄壁

21、、精密和异形管材。生产特点是多工序循环工艺。用周期式冷轧管机冷轧,其延伸率可达68（图6）。60年代开始向高速、多线、长行程、长管坯方向发展。此外，小辊式冷轧管机也得到发展。主要用于生产壁厚小于1mm极薄精密管材，冷轧设备复杂，工具加工困难，品种规格变换不灵活；通常采用冷轧、冷拔联合工艺，即先以冷轧减壁，获得大变形量，然后以冷拔获得多种规格。 第二章 三辊定径机系统2.1 总体方案2.1.1 轧辊机架的确定钢管的在张力定径机上不仅受到径向压缩，同时还受到纵向拉伸，钢管在减径的同时，壁厚也在减薄。在张力定径机上，张力是靠相邻机架轧辊间有一速度差来产生的，速度差越大，则张力越大，反之则越小。张力的

22、大小是通过改变轧辊速度实现的。普通定径机是采用二辊式的工作机座。这种定径机虽然结构简单，但生产的钢管壁厚不均，尤其是减径量增大是更明显，甚至出现钢管内孔变方的缺陷；另一缺点是轧辊尺寸大，会使整个机组的长度增加。因此，在张力减径机上采用三辊或四辊式工作机座较好。三辊式张力减径机的机架可作成方的，也可作成圆的。三个轧辊互成120度布置，每个轧辊两端装在滚动轴承上，互相间用圆锥齿轮联接，也就是把齿轮机座和工作机座作成一体，相邻机架的轧辊轴线相差60度。由于钢管断面的变形任务由三个轧辊分担，对每个轧辊来说变形任务就减轻了，因而辊径小，机架结构紧凑，更重要的是缩短了机架间距和机组总长。而且由于轧辊切槽深

23、度浅，钢管横断面上的壁厚能够均匀。从变形特点上分析，四辊式比三辊式好，但是由于轧辊数增加，结构比较复杂，所以目前使用的大多数张力定径机为三辊式的。其机架结构图如1.1：图2.1三辊式张力定径机工作机座结构2.1.2 传动装置的确定2.1.2.1单独传动单独传动的张力定径机很少采用。因为，每架减径机都需要一台功率较大的电机来带动，整个机组的电机功率过大，电器控制装置费用高，技术复杂。另外，当钢管咬入时不可避免的要发生速度降现象，不能保证钢管上的张力稳定，轧出的钢管在整个长度上壁厚不均。2.1.2.2集体传动集体传动的张力定径机，有以下三种调节机架间的张力大小的途径。a. 主电机通过圆锥齿轮传动装

24、置带动各个机架，在每个机架的圆锥齿轮传动装置和机架间，都有一套辅助液压传动装置，用来调整每个机架的轧辊速度。采用这种方法，液压传动装置要传递转动轧辊所需的全部扭矩。因此，液压装置要相当庞大，制造和维护都比较困难。b. 采用两台电机驱动，其中一台主电机借助圆锥齿轮传动装置给轧辊以基本转速，而另一台电机通过另一套圆锥齿轮传动装置和装在每个机架上的差动装置，使相邻机架轧辊转速差增大或减小，从而增大或减小机架间张力。这种方法的优点是完全采用电器传动，容易掌控，缺点是调节不灵活。c. 采用一台主电机经圆锥齿轮传动装置，给轧辊以基本转速，同时在每个机架上配套一套液压传动装置，通过差动装置来调整每个机架的轧

25、辊转速。这种传动方法的液压传动装置不负担转动轧辊所需的全部扭矩，只起调节控制张力的作用。因此。液压传动装置比第一种要小，操作也比较方便，克服了前两种的缺点，现在多数张力减径机采用这种传动方式。集体驱动虽然设备比较复杂，制造比较困难，但是能克服咬入钢管时所产生的速度降，保证各机架间的一定张力，同时，电机的总功率小，所以比单独传动优越。在张力定径机上，钢管是在机架间承受张力的情况下轧制的。钢管按顺次通过各架轧机，在钢管头部进入轧机和尾部离开轧机的一段时间内，钢管承受的张力是变化的。因此，钢管两端都会产生壁厚纵向不均的缺陷，壁厚不均的管端必须切去，为了减少切头损失，要尽量缩短机架间距，另外用张力减径

26、法应尽量生产长管，以相对减少切头损失，理想的情况是将连续不断的钢管送至张力减径机中进行减径。因此，在能够实现无头减径的连续电焊管和连续炉悍管机组中，张力减径机就能充分发挥他的优越性。减径后的钢管很长时，可以用飞剪机在钢管进行过程中锯切成需要的长度。其原理图如集体传动图：这套张力定径机由传动装置、差动齿轮箱、减速箱、机架、液压调速系统、光电系统六部组成。轧机的启动、停车、观察用转情况都集中在操作台上。整个轧机由一台电机驱动，主电机经联轴节带动传动轴，传动轴上有六对圆锥齿轮，每对圆锥齿轮通过齿轮传动差动齿轮，使联接定径机的减速箱高速轴获得一个速度，通过减速器传给轧辊。当附加速度等于零时，使轧辊获得

27、的速度，称为轧辊的基本转速，因为减速箱中6对齿轮速比是变化的，致使16架工作机座的轧辊基本转速是递增的。传动轴上的圆锥齿轮除带动齿轮驱动差动齿轮外，还带动增速机构，使获得固定高转速，通过联轴器接变量泵，变量泵向定量马达供油，使马达获得一个转速，通过联轴节驱动差动机构，使联接减径机的减速箱高速轴又获得一个可变化速度。可变化速度与上述一样，通过减速器传给轧辊，使轧辊又获得一个转速，称为附加速度。附加速度与基本转速叠加，因而可达到调节轧辊转速的目的。改变变量泵的斜盘角度，及可改变流量，马达的转速也相应改变，从而实现轧机单独调节转速的目的。2.1.2.3 差动传动差动传动的张力定径机由于采用差动机构而

28、得名。所谓差动传动，即利用差动系统，在主传动的基础上，附加以叠加传动。差动变速器有多种形式，如图2.2这里采用锥齿轮传动的差动变速器。图2.2差动变速器轧辊由锥齿轮差动变速器的行星架传动。接主电机，接液压马达。轧制力矩和出轴速度用如下关系表示： (2-1)式中，。所以主电机和液压马达各承受一半的轧制的力矩。2.2 参数计算主要内容是针对三辊定径机机构、机构参数进行具体的分析和计算，电动机、传动方式和机架的选择，主要零件的设计和校核以及轴承的选用和寿命计算等。2.2.1 性能参数 钢管轧制规格：入口处： 出口处： 管直径： 255mm 最大直径：247.8mm 最大壁厚：22.6mm最小直径：1

29、69.4mm 最小壁厚：6.20mm最大壁厚：25.20mm 最大长度：27.5m最小壁厚：6.550mm 最小长度：12.3m长 度：32m 轧制速度： 入口最大轧制速度： 1.2m/s 入口最小轧制速度： 0.6m/s出口最大轧制速度： 1.75m/s 出口最小轧制速度： 0.6m/s 轧制温度： 入口处： 900950度 出口处：830度2.2.2 机架个数的确定减径机的外径减径率每架是3.512%，总的外径减径率最大为75%。各架减径率分配规律为：a. 第一架选取微小的减径率约35%，第二架采取大的减径率约812%。b. 靠近尾部的机架减径率应逐步减小，直到最后机架减径率为零，以保证成

30、品管具有圆的断面。c. 前面机架应采取较大减径率，因为此时轧件温度较高，变形抗力较小，其次，轧制速度较小，因而单个机架所消耗的动力较低。总减径率：根据以上规律取：第一架减径率为 3% 第二架减径率为 12% 第三架减径率为 10% 第四架减径率为 8% 第五架减径率为 6% 第六架减径率为 0%2.2.3 轧制总压力的确定机架孔型直径： (2-2) 减径率 椭圆系数： (2-3) 长半轴与短半轴的比值与相对应的的值： 长半轴： (mm) (2-4) 短半轴：（mm） (2-5) 轧槽宽度：(mm) (2-6) 轧辊的理想直径： (2-7) 压下量（mm） 咬入角，型钢时取15 最大的=-=21

31、7.668-195.901=21.767=21.767，则640，所以取轧辊直径为750mm。底圆直径：（mm） (2-8) 接触面积的计算： (2-9) 平均单位压力的计算： (2-10) 式中考虑不接触变形区和张力系数 (2-11) 式中进入孔型的钢管平均直径： 进入孔型的钢管壁厚： (2-12) 其中 (2-13) 荒管的平均直径： 孔型底部的轧辊半径： 孔型底部的轧辊半径； 钢管在孔型中的压下量； ： =1.15 为轧制温度下管材的屈服点； 、前、后张力系数； 为轴向对数变形： = 为钢管截面积； 为壁厚系数； 为切向对数变形： 简化后为叶米利羊年科公式： 式中：金属的抗拉强度极限，4

32、5钢的=676.2mpa； t轧制温度；t =950 轧制后管子的壁厚尺寸系数；=0.6 =445.991 MPa所以轧制压力： =3684.667445.991=1643.328KN =9172.15445.991=4090.696KN =4784.397445.991=2133.798KN=4228.204445.991=1885.74KN=3383.27445.991=1508.908KN=4201.98445.991=1874.045KN2.2.4 轧制力矩的确定 (2-14) f金属与轧辊间的摩擦系数 轧辊速度与管子速度一致的点所形成的轧制直径相符合的中心角 (2-15) 2是轧辊对

33、钢管的包角= =255-169.4=85.6 轧辊半径 (2-16) 轧辊材料修正系数 钢辊=1，硬面铸铁轧辊=0.8 t轧制温度 t=950度 2.3 总功率的验算及电机的选择2.3.1 与轧辊轴相联接的减速器的确定 定径机的轧辊的转速一般为30140r/min,这里取40r/min，由于轧制的最大的速度为1.2m/s,同时减速器与轧辊轴的距离比较远，所以取两级展开式圆柱齿轮减速器。由机械设计手册（表16-2-2）取ZLY 560-14-I，其公称传动比为14，实际为14.14。三辊定径机由于是以来保证无缝钢管外径尺寸精度及表面质量和钢管壁厚的，故要求三个轧辊的转速相同，因此三辊定径机的主电机轴上的力矩有两部分组成，即： (2-17) 三辊定径机主电机的力矩 三辊定径机轧辊上的最大轧制力 =91186.838Nm 附加摩擦力矩，即当轧制时由于轧制力作用在轧辊轴承上，传动机构及其他传动中的摩擦而产生的附加力矩 i主电机与轧辊间的传动比2.3.2 附加力矩的确定附加力矩包括两部分，其一是由于三辊定径机的轧制总压力P在轧辊上所产生的附加摩擦力矩，这部分已经包括在轧辊传动力矩之内；另一部分为各传动零件推算到电机轴上的附加摩擦力矩。