本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計題目 ： φ100mm 熱 軋 無 縫 鋼 管 定 徑 機 設(shè) 計摘 要在城市建設(shè)和機械產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程中熱軋無縫鋼管發(fā)揮了關(guān)鍵作用，因此在廣泛的市場需求驅(qū)動下，熱軋無縫鋼管生產(chǎn)加工技術(shù)得到快速發(fā)展。熱軋無縫鋼管生產(chǎn)工藝是指管坯在結(jié)晶溫度以上時進行軋制定徑的生產(chǎn)過程，在這個過程中，由于其耗能低，產(chǎn)品性能特點較好，已被廣泛應(yīng)用。熱軋無縫鋼管生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)過這么多年的發(fā)展已經(jīng)逐漸成熟，應(yīng)用也比較廣，目前在國內(nèi)外大多數(shù)無縫鋼管生產(chǎn)廠家都采用熱軋工藝。 隨著時代的發(fā)展和技術(shù)的進步，一些新設(shè)備逐漸發(fā)展并運用到熱軋無縫鋼管生產(chǎn)過程中來，提高無縫鋼管軋制質(zhì)量，推動其工藝的不斷發(fā)展。熱軋軋制無縫鋼管生產(chǎn)流程主要包括圓管坯、環(huán)形加熱、二輥斜軋穿孔、連軋或擠壓、脫管、定(減)徑、冷卻、矯直。熱軋無縫鋼管生產(chǎn)過程中以穿孔、軋管、定徑（減徑）為主要變形工序。三個工序所用的設(shè)備分別為穿孔機、軋管機、定（減）徑機。本設(shè)計主要是對定（減）徑機作設(shè)計、計算。主要內(nèi)容：傳動軸的設(shè)計計算、直齒錐齒輪的設(shè)計計算、軋輥的設(shè)計計算、其他零件的選取。II關(guān)鍵詞：三輥定徑機；軋制；設(shè)計計算AbstractHot-rolled seamless steel pipe in the city construction and machinery products in the production and manufacturing process have played a pivotal role, so in the broad market demand driven, hot-rolled seamless steel pipe production and processing technology has been rapid development. Hot-rolled seamless steel pipe production process is the metal above the crystallization temperature of the rolling sizing production process, because of its low energy IIIconsumption, product performance characteristics of a variety of good and has been widely used.Hot-rolled seamless steel pipe production technology after years of development has gradually matured, has also been widely promoted and applied, at home and abroad a number of seamless steel pipe manufacturers, most of the use of hot-rolled process. With the development of the times and the progress of technology, some new equipment gradually developed and applied to the hot-rolled seamless steel pipe production process to improve the quality of seamless steel pipe rolling, and promote the continuous development of its technology.Hot rolling rolling pipe production process mainly includes round tube, heating, perforation, three rolling, rolling or extrusion, detaching, sizing (reducing), cooling, straightening, water pressure test. Generally in the production process to perforation, rolling, sizing (reducing diameter) as the main deformation process. The design is mainly for the set (minus) diameter machine for the design, calculation. The main content: drive shaft design and calculation, straight bevel gear design and calculation, the selection of other parts.Key words：Three - roll sizing machine rolling design calculation目錄緒論 .1IV1. 熱軋無縫鋼管生產(chǎn)簡介 .22. 總體方案 .52.1 軋輥機架的確定 .52.2 傳動方式 62.3 機架數(shù)確定 62.4 軋制力、軋制力矩 .72.5 總功率的驗算以及減速器、電動機的選擇 .103. 傳動部分設(shè)計 123.1 齒輪傳動的設(shè)計計算 123.1.1 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) .123.1.2 按齒根彎曲疲勞強度設(shè)計 123.1.3 幾何尺寸計算 143.1.4 齒面接觸疲勞強度校核 143.1.5 齒輪參數(shù) 153.2 主傳動軸的設(shè)計 .153.2.1 確定軸的最小軸徑 .153.2.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 .16V3.3 從動軸的設(shè)計 .174. 其他配套零件的設(shè)計 .194.1 軸承套的設(shè)計 .194.2 軋輥的設(shè)計計算 .194.3 軸套的設(shè)計 204.4 環(huán)的設(shè)計 214.5 花鍵的設(shè)計 .215． 機架的受力仿真 235.1 主要步驟 235.2 仿真結(jié)果 25結(jié)束語 .26參考文獻 28致謝 .2910緒論無縫鋼管的生產(chǎn)有著近 150 年的歷史。說到無縫鋼管，必須要提起孟內(nèi)斯兄弟，他們倆在 1885 年發(fā)明了用棒鋼給管坯穿孔而不用焊接來直接生產(chǎn)無縫鋼管的生產(chǎn)方法，這是鋼管生產(chǎn)史上一次偉大的變革。這種方法在今日來看也是一種非常好的鋼管生產(chǎn)方法。大大簡化了生產(chǎn)工序，提高了生產(chǎn)速度，減少能耗。在次之后，與無縫鋼管相關(guān)的設(shè)備如雨后春筍一般相繼冒了出來，二輥斜軋穿孔機、周期軋管機、自動軋管機（也有人稱之為頂頭式乳管機）、連續(xù)式軋管機、頂管機等各種與熱軋無縫鋼管相關(guān)的設(shè)備開始出現(xiàn)，無縫鋼管工業(yè)開始形成一個體系。其中的二輥斜軋穿孔機于 1885 年由德國人曼尼斯兄弟發(fā)明，周期軋管機由瑞士人施蒂費爾 1903 年發(fā)明。三輥乳管機、擠壓機、周期式冷軋管機，于 20 世紀 30 年代開始走進無縫鋼管的生產(chǎn)中，它們的出現(xiàn)使無縫鋼管的外徑品種開始猛增，與此同時，無縫鋼管的表面質(zhì)量也得到了很大的提升。在 60 年代，又有另外一批軋制無縫鋼管設(shè)備的出現(xiàn)，那就是即使在現(xiàn)在也在依舊使用著的三輥穿孔機，其中特別值得注意的是張力減徑機，以前的設(shè)備連乳管機也得到了改造，再加上在生產(chǎn)工藝上也取得了很大進步，連鑄坯生產(chǎn)工藝的成功，進一步提高了無縫鋼管在鋼管產(chǎn)量中的比值，開始能夠與焊管競爭。在此之后，又經(jīng)過一段時間的發(fā)展，無縫鋼管生產(chǎn)能力的提高，產(chǎn)品質(zhì)量的提高，到了 70 年代，在鋼管市場上，無縫鋼管已經(jīng)能夠與焊管分庭抗禮了，世界鋼管產(chǎn)量每年也在迅速遞增，每年的增長速度大約為 5%。我國的無縫鋼管工業(yè)起步比較晚，直到建國初期 1953 年提出第一個五年計劃，國家開始重視重工業(yè)，在蘇聯(lián)的援助下，鞍山鋼鐵公司建成我國第一個無縫鋼管生產(chǎn)廠，結(jié)束了我國不能制造鋼管的歷史，經(jīng)過慢慢地發(fā)展，引進國外先進設(shè)備，初步開始形成各種大、中、小型無縫鋼管的生產(chǎn)工業(yè)體系。1熱軋無縫鋼管是軋鋼生產(chǎn)中的重要產(chǎn)品之一，占鋼材生產(chǎn)總量的 8%-16%左右。經(jīng)過這么多年的發(fā)展，熱軋無縫鋼管的生產(chǎn)技術(shù)也越來越成熟。20 世紀 80 年代以前的一些較落后可生產(chǎn)成品管的熱軋機現(xiàn)在大都已經(jīng)停產(chǎn)或者改造，大多都改建為三輥軋機機組，四輥軋機也已經(jīng)出現(xiàn)，在軋制鋼管中使用較少。1. 熱軋無縫鋼管生產(chǎn)簡介我國的無縫鋼管工業(yè)起步比較晚，直到建國初期 1953 年提出第一個五年計劃，對重工業(yè)和輕工業(yè)進行技術(shù)改造, 優(yōu)先發(fā)展重工業(yè),以重工業(yè)為核心，我國的無縫鋼管生產(chǎn)工業(yè)才開始發(fā)展起來。在蘇聯(lián)的援助下，1953 年 11 月，鞍山鋼鐵公司三大重點工程—新型大型軋鋼廠、無縫鋼管廠和七號煉鐵爐建成并很快投入使用。鞍山無縫鋼管廠是我國第一家無縫鋼管生產(chǎn)公司，結(jié)束了我國不能生產(chǎn)無縫鋼管的歷史。經(jīng)過這么多年的研發(fā)和引進國外無縫鋼管軋制設(shè)備，到目前為止，我國已經(jīng)是世界上擁有熱軋管機組種類最多，規(guī)格最齊全，冷拔、冷軋管機的種類、規(guī)格稍微次之的國家。按《中國鋼管 50 年》的觀點：1984 年到 2003 年，我國的無縫鋼管生產(chǎn)工業(yè)發(fā)展尤為迅速，拿無縫鋼管年產(chǎn)量來說，這 20 年，無縫鋼管年產(chǎn)量從 127.7 萬噸提高到了699.5 萬噸，翻了將近 5 倍。我國的無縫鋼管產(chǎn)量從 1953 年的零開始，到了 1993 年，我國的無縫鋼管的年產(chǎn)量達到了 284 萬噸，成為全球無縫鋼管產(chǎn)量最多的國家，從無到有再到世界思議用了僅僅 40 年時間。雖然在無縫鋼管生產(chǎn)領(lǐng)域中各種先進的設(shè)備上與其他發(fā)達國家還有較大差距，但是也已經(jīng)已經(jīng)引進相關(guān)設(shè)備，掌握能夠利用其生產(chǎn)各種管徑的無縫鋼管，相信經(jīng)過不斷的發(fā)展，我們在無縫鋼管設(shè)備技術(shù)方面也能夠趕超世界先進水平而不是只在產(chǎn)量上位居世界第一。下面來介紹一下我國幾個大型鋼管廠采用、引進的幾套比較先進的熱軋機組：2作為我國第一座無縫鋼管廠的鞍鋼無縫鋼管廠，現(xiàn)有三套熱軋無縫鋼管機組，Ф100自動軋管機組一套；Ф159MPM 限動芯棒連軋管機組；219 機組一套。其中的Ф159MPM限動芯棒連軋管機組引進自德國，熱軋主要裝備有：21m 環(huán)形爐、帶導(dǎo)板的立式錐形輥穿孔機、5 機架限動芯棒連軋管機（軋機軋輥呈水平-垂直布置、相臨兩機架成 90°交叉布置）、感應(yīng)式再加熱爐、12 架微張力定徑機。衡陽鋼管（集團）有限公司現(xiàn)在的熱軋無縫鋼管生產(chǎn)線有三條，分別是Φ89、Φ108、Φ273，其中 Φ89連軋管生產(chǎn)線采用錐形輥穿孔 →半浮芯棒連軋管→24 機架張力減徑的工藝路線，其中的穿孔機、連軋機、定徑機三大主體設(shè)備全部引進自德國，整體裝備水平在全球來看也比較先進。2005 年建成的 Φ273生產(chǎn)線采用錐形穿孔→5 機架限動芯棒連軋→12 機架定徑減徑工藝路線，同時還配置了高水平的在線熱處理設(shè)施和專用管精整線，生產(chǎn)線上配備集測厚、測長、測徑等功能于一體的多層次在線檢測和無損探傷設(shè)備。包頭無縫鋼管廠于 2000 年最先引進了（MINI-MPM）限動芯棒連軋管機組，熱軋主要裝備有：環(huán)形加熱爐、帶導(dǎo)板的立式錐形輥穿孔機、5 機架限動芯棒連軋管機（軋機軋輥呈水平-垂直布置、相臨兩機架成 90°交叉布置）、步進式再加熱爐、12 架微張力定徑機、架張力減徑機。天津鋼管公司于年建成了由世界最先進的三輥連軋管機、脫管機和帶導(dǎo)盤錐形輥穿孔機及機架張減機組成的限動芯棒連軋管機組。這是世界上第一套機組。國外無縫鋼管產(chǎn)業(yè)一直擁有著先進技術(shù)的定徑機組，在無縫鋼管生產(chǎn)領(lǐng)域一直是高質(zhì)量無縫鋼管生產(chǎn)的核心工藝裝備。減定徑機組的發(fā)展歷史不長，是屬于新技術(shù)，是近幾年才采用在軋制無縫鋼管軋機上的，在減定徑這一領(lǐng)域技術(shù)和設(shè)備比較成熟、先進且應(yīng)用得范圍最廣的幾個國外公司主要有如下幾個：摩根()公司研發(fā)的減定徑機組（）：此定徑機組有四架機架，機架安排和傳統(tǒng)軋機不一樣， 前面的兩架機架為減徑機，后面的兩架機架為定徑機。在驅(qū)動方面，采用一臺的大功率電機再經(jīng)過兩級齒輪減速器與軋機通過聯(lián)軸器聯(lián)接，四架機架的形式與傳統(tǒng)軋機形式相同，均為懸臂式結(jié)構(gòu)，呈頂交布置，機架間距十分緊湊。軋輥的材料則采用了碳化鎢輥環(huán)，由于碳化鎢輥環(huán)的硬度很高，而且其硬度值隨溫度的變化很小，而熱軋時軋輥與高溫管坯直接接觸，導(dǎo)致軋輥溫度很高，由于碳化鎢輥環(huán)軋輥的導(dǎo)熱3率高，所以散熱效果好，使軋輥表面處于高溫的時間較短，用它做的軋輥比其他鋼輥抗腐蝕、抗冷熱疲勞性能都要好。達涅利（）公司研發(fā)的雙模塊機組(）：雙模塊機組與摩根公司的減定徑機組在本質(zhì)上來說其實是差不多的，沒有太大差別。它的不同是，雙模塊機組機架安排和不一樣，雙模塊機組將 4 架減定徑機組分為兩組，由兩臺電動機分別驅(qū)動著這組機架，因此稱之為“雙模塊機組”。每一個模塊機組有兩種速比，機組間沒有活套，速度控制采用電氣鎖定方法，這樣設(shè)置之后，在設(shè)計的時候，機械傳動部分的減速箱設(shè)計就能夠大大簡化可。這兩種減定徑機在國內(nèi)引進的較多，除此之外還有一種減定徑機組，那就是西馬克()公司研發(fā)出的減定徑機組，不過可能由于技術(shù)還不夠成熟，到目前為止，這套減定徑機組還沒有應(yīng)用到實際的生產(chǎn)中來。生產(chǎn)熱軋無縫鋼管工藝流程如下：管坯→加熱→二輥斜軋穿孔→三輥定徑→冷卻→矯直→剪切→精整圖 1.1 工藝流程圖在無縫鋼管生產(chǎn)中, 金屬變形的第一道工序是穿孔，其的作用是將實心的管坯穿成空心的毛管。二輥斜軋穿孔工序流程如下。定徑機：是將二輥斜軋穿孔軋制出來的毛管，進行進一步定徑軋制，提高鋼管外表面的質(zhì)量，同時也改變毛管的外徑。定徑輥孔型調(diào)整可以通過軋輥來調(diào)整，定徑機中的軋輥是定徑機工作時的主要工具，它是通過電機帶動定徑機箱內(nèi)的主傳動軸轉(zhuǎn)動，固定在傳動軸上的軋輥轉(zhuǎn)動，對管材進行軋制。目前定徑機一般有三種類型：按照軋輥的數(shù)量分為二輥、三輥，四輥定徑機。現(xiàn)在應(yīng)用最多的是三輥定徑機，因為二輥定4徑機在軋制時橫向流動較較大，不能夠保證所要求的管材的壁厚條件以及表面光滑度，并且在工作時振動沖擊較大容易對鋼管的外表面造成磨損等損傷，而三輥定徑機在這些方面都比二輥定徑機好，至于四輥定徑機，現(xiàn)在技術(shù)還不是很成熟，應(yīng)用較少，冶鋼有一套四輥行星軋管實驗機組（），還未得到廣泛應(yīng)用。常用三輥定徑機如下圖 1.2。圖 1.2 三輥定徑機52. 總體方案2.1 軋輥機架的確定三輥定徑機軋輥的寬度比二輥定徑機的軋輥的要小，減徑率也低，在軋制鋼管時，軋制力距也要小，因此三輥定（減）徑機輥徑的尺寸可以做得比二輥定徑機的小。二輥式定徑機在軋制時橫向流動較較大，不能夠保證所要求的管材的壁厚條件以及表面光滑度，并且在工作時振動沖擊較大容易對鋼管的外表面造成磨損等損傷。三輥式比二輥式定減徑機軋輥孔型周邊的速度差小，從而減少軋輥與鋼管的相對滑動，軋輥較小。三輥式定減徑機軋輥交叉 60°，軋機的結(jié)構(gòu)也很簡單，布置起來也很方便。軋輥數(shù)目多，則軋制時對鋼管的曳入性能較好，可在較短的咬入鋼管長度上建 立足夠的張力。三個軋輥之間互相愛成 120°布置，每個軋輥通過平鍵與軸相連，用軸套、軸肩和軸承定位，三根軸之間通過直齒錐齒輪聯(lián)接，其結(jié)構(gòu)如下圖 2.1 所示。6圖 2.1 三輥式定徑機結(jié)構(gòu)圖2.2 傳動方式定(減)徑機的傳動形式很多，一般可分為四種。集體傳動：每個機架由一臺電動機通過齒輪減速器傳動，因此只有一種固定傳動比。這種傳動形式結(jié)構(gòu)簡單，速度剛性好，控制系統(tǒng)簡單，但是能夠生產(chǎn)的鋼管規(guī)格種類較少。單獨傳動：即各個機架分別用一臺電動機驅(qū)動，每個機架都具有互不干擾的調(diào)速和傳動系統(tǒng)。這種形式的調(diào)速靈活、應(yīng)用范圍寬廣，但速度剛性差，控制系統(tǒng)復(fù)雜。集體傳動—單獨差速：綜合集體傳動速度剛性好和單獨傳動調(diào)整范圍寬而靈活的優(yōu)點，采用集體傳動—單獨差速的復(fù)合傳動形式。集體傳動—集體差速：與前一種形式不同，這種形式的疊加傳動不是單獨匹配每架，而是象主傳動一樣，由一個總的疊加電機通過傳動機構(gòu)向各機架進行速度疊加。它克服了集體傳動—單獨差速傳動形式的軋機結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點，保持了靈7活性與剛性好的優(yōu)點，因而得到更多的采用。為了方便計算，本次設(shè)計采用集體傳動。2.3 機架數(shù)確定軋制鋼管參數(shù)：入口管徑：150mm 出口管徑：100mm軋輥轉(zhuǎn)速：40r/min 軋制速度：1.2m/s軋制溫度：950℃定徑機的工作機架數(shù)量較少，一般為 3 到 12 架，總減徑率可達 75%到 80%，增加定徑機的機架數(shù)量可擴大產(chǎn)品規(guī)格，給生產(chǎn)帶來方便，新設(shè)計車間的定徑機機架數(shù)量一般都較多，本設(shè)計的定徑機的總減徑率為 34%左右，偏小，故所取定徑機機架數(shù)為6。每架定徑機外徑減徑率可取 3%到 12%，最大減徑率可取到 80%。本次設(shè)計每架定徑機的減徑率安排如下：第一架取微小減徑率為 3%，第二架取最大減徑率 12%，定徑機機架往后靠機架的減徑率應(yīng)該越來越小，直到最后一架定徑機減徑率約為零位置（最后一架用來精整），這樣來保證成品管的外徑和橫斷面滿足要求。受軋制溫度影響，前面幾架定徑機軋制時溫度高，金屬的變形抗力小，軋制較為容易，因此前面幾架定徑機的減徑率可取較大，后面幾架定徑機軋制時溫度降低，金屬的變形抗力較大，因此后面幾架定徑機的減徑率越來越小。根據(jù)以上規(guī)律，6 架定徑機的減徑率安排如下：機架數(shù) 減徑率8第一架定徑機 3%第二架定徑機 12%第三架定徑機 10%第四架定徑機 8%第五架定徑機 6%第六架定徑機 約為 0%2.4 軋制力、軋制力矩現(xiàn)取第五架定徑機為例計算：定徑機機架孔型直徑：di=di-1（1-ρ i） (1.1)—減徑率d1=150（1-0.03）=145.5mmd2=145.5（1-0.12）=128.04mmd3=128.04（1-0.10）=115.236mmd4=115.236（1-0.08）=106.017mmd5=106.017（1-0.06）=99.656mmd6=99.656mm橢圓系數(shù)：i== (2.2)—長半軸與短半軸的比值9與 i 相對應(yīng)的 i 值：0.03 0.9900.12 0.9750.10 0.9800.08 0.9850.06 0.988α1= =1.041α2=α3==1.134α4=α5==1.166α6=1長半軸：ai= (mm) (2.3)a5==51.675 (mm)短半軸：bi=(mm) (2.4)b5=(mm)孔型直徑：d=（A+B）/2，d 5=99.656 (2.5)A— 孔型高度，本設(shè)計中 A=d；10B— 軋槽寬度計算出軋槽寬度為：為了方便設(shè)計加工，就近軋輥寬度取為 B=180mm軋輥理想直徑：—壓下量咬入角，材料為型鋼時取最大=d 1-d2=145.5-128.04=17.46(mm)=17.46,則 Dt=512.412(mm),取 Dt=550mm底圓直徑：=Dt-2A=550-99.656/4=525.086(mm)計算接觸面積：A=0.95B (2.6)A5=0.95=5150.191計算平均單位壓力：Pc= (2.7)式中：b—金屬的抗拉強度極限，45 號鋼的 b=676.2Mpa；11t —軋制溫度，設(shè)計中取 t=950℃；—軋制后管子的壁厚尺寸系數(shù)，取。則 Pc==445.991Mpa軋制力為：P=PcAP=445.9915150.191=2296.938KN計算軋制力矩：Mi=Pidi (2.8)—金屬與軋輥間的摩擦系數(shù)，=(1.05-0.005t )；t —軋制溫度,t=950℃;—軋輥修正系數(shù)，鋼輥的取 1，硬面鑄鐵軋輥取 0.8—軋輥速度與管子速度一致的點所形成的軋制直徑相符合的中心角， ；2—是軋輥對鋼管的包角，則；,—軋輥半徑 mm ==(1.05-0.005)sin =0.407力矩為：122.5 總功率的驗算以及減速器、電動機的選擇由已知參數(shù)，軋輥的轉(zhuǎn)速為 40r/min,軋制速度 1.2m/s，與此同時，因為軋輥與減速器距離比較遠，因此取兩級展開式圓柱齒輪減速器，查機械設(shè)計手冊表 16-2-2 選取的減速器型號為 ZLY-560-14.三輥定徑機是用來保證所軋制的鋼管的外徑和鋼管表面質(zhì)量要求以及鋼管壁厚的，因此，要求軋制過程中鋼管受力均勻，在此基礎(chǔ)上，三個軋輥的轉(zhuǎn)速應(yīng)該相同，因此三輥定徑機與主電機相連的軸上的力矩由 2 部分組成，計算公式如下：(2.9)三輥定徑機電動機的力矩；軋輥上受到的最大軋制力；附加摩擦力；主電動機與軋輥間的傳動比計算附加力矩 Mf附加力矩由 2 部分組成，其中之一是因為三輥定徑機軋制時的軋制總壓力 P 在軋輥上所產(chǎn)生的附加摩擦力矩，這一部分已經(jīng)包括在軋輥傳動的力矩 MZ 之中了，而另一部分為各傳動零件零件推算到電機軸上的附加摩擦力.= (2.10)—電動機到軋輥之間的傳動效率，一般情況下取 0.96—0.98，這里取 η=0.97則 =電動機軸上的力矩為：13MD=KNm根據(jù)功率選擇電動機PD= (2.11)nD=ni=40r/minMer—額定靜力矩；nD—電機的最大轉(zhuǎn)速；K—電機過載系數(shù)，采用荷夫推薦電動機過載系數(shù) K 數(shù)值如下：可逆轉(zhuǎn)電動機 K=2.53.0不可逆轉(zhuǎn)電動機 K=1.52.0帶有飛輪的電動機 K=46這里取 K=3.0則 Mer=PD=根據(jù)機械設(shè)計手冊表 17-1-87 選取 YZR280S 電動機，其額定功率 PD=37KW,轉(zhuǎn)速n=572r/min。143. 傳動部分設(shè)計3.1 齒輪傳動的設(shè)計計算為了保證所軋制的鋼管的外徑和鋼管表面質(zhì)量滿足要求，因此，要求軋制過程中鋼管受力均勻，在此基礎(chǔ)上，三個軋輥的轉(zhuǎn)速應(yīng)該相同，因此所選用齒輪傳動的傳動15比是 1，因此要求兩個齒輪的齒數(shù)相同，在傳動過程中齒輪只是起了傳遞轉(zhuǎn)矩的作用而沒有改變轉(zhuǎn)速。由之前的結(jié)構(gòu)圖可知，三輥定徑機的三個軋輥的軸之間的夾角互為60°，因此選用直齒錐齒輪傳動，且其分錐角，為了設(shè)計和以后維護方便，兩個互相嚙合的齒輪設(shè)計應(yīng)該完全相同。3.1.1 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)（1）選用標準直齒錐齒輪傳動，壓力角取為 20。（2）由于傳動力矩較大，選用硬度較大的材料，查機械設(shè)計表 10-1，選定20CrMnTi，淬火處理，硬度為 5862HRC,強度極限 σ B=1100MPa，屈服極限。應(yīng)為是硬齒面齒輪，故按照齒根彎曲疲勞強度設(shè)計，再用齒面接觸疲勞強度校核。軋輥屬于鍛壓機床，查機械設(shè)計表 10-6，齒輪精度等級選用 6 級精度。（3）選定齒輪齒數(shù)為 z=23。3.1.2 按齒根彎曲疲勞強度設(shè)計（1）由機械設(shè)計式（10-27）計算模數(shù)，即mt確定式中的各參數(shù)試選。計算齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩T=為直齒錐齒輪的齒寬系數(shù)，通常取，這里取 0.3計算由分錐角，取齒輪齒數(shù) z=23，當量齒數(shù) zv==26.558由機械設(shè)計圖 10-17 查得齒形系數(shù)。16由機械設(shè)計圖 10-18 查得應(yīng)力修正系數(shù)由機械設(shè)計圖 20-24d 查得齒根彎曲疲勞極限=800Mpa。由機械設(shè)計圖 10-22 取彎曲疲勞壽命系數(shù)。取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.7.由機械設(shè)計式(10-14)得試算模數(shù)mtmm調(diào)整齒輪模數(shù)計算實際載荷系數(shù)前的數(shù)據(jù)準備圓周速度 vd=mz=8.34平均分度圓：dm=d(1-0.5)=191.82mm齒寬 bb=計算時間載荷系數(shù)由機械設(shè)計圖 10-8 查得動載系數(shù) =1.05使用系數(shù)，查機械設(shè)計表 10-2，取取齒間載荷分配系數(shù)=117由機械設(shè)計表 10-4 用插值法查得 =1.118,直齒錐齒輪，取=1.118則載荷系數(shù)為(4.1)由機械設(shè)計式(10- 13)可得按實際載荷系數(shù)算得的齒輪模數(shù)為按照齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，就近選擇標準模數(shù) m=10。3.1.3 幾何尺寸計算(1)分度圓直徑 d=zm=23(2)分錐角(3)齒輪寬度 b=取 b=50mm3.1.4 齒面接觸疲勞強度校核由機械設(shè)計式(10-28)可知，錐齒輪齒面接觸疲勞強度條件為 H式中：ZE—彈性影響系數(shù)， ZE ,Mpa1/2,位泊松比，這里取 0.3，E 為材料的彈性模量，查機械設(shè)計表 10-5，取 20.6,則 ZE=189.812;ZH—區(qū)域系數(shù)，查機械設(shè)計圖時，18KH—接觸疲勞強度計算的在和系數(shù)，,直齒錐齒輪傳動考慮到其精度較低，取,,則。將他們帶入齒面接觸疲勞強度條件，得到滿足齒面接觸疲勞強度條件。3.1.5 齒輪參數(shù)齒數(shù) z=23,模數(shù) m=10，壓力角 20，變位系數(shù) x=0，分錐角，齒寬 b=50mm，材料選用 20CrMnTi（淬火），6 級精度。3.2 主傳動軸的設(shè)計3.2.1 確定軸的最小軸徑按照機械設(shè)計式(15-2)以扭轉(zhuǎn)強度條件初步估算軸的最小直徑，軸在工作時所受彎矩不大，可作為最后結(jié)果：dmin=A0式中，P 為軸傳遞功率 (KW)；n 為軸的轉(zhuǎn)速；A 0 為由軸的材料和受載情況確定的系數(shù)，軸的工作溫度較高，軸的材料選為 1Cr18Ni9Ti，淬火處理，通常取 A0=112，由于傳動軸傳遞的力矩較大，根據(jù)機械設(shè)計表 15-3，取 A0=112，于是得dmin=112此段軸與齒接手通過平鍵聯(lián)接，軸徑增大 3%,則 d=106.167,就近取 dmin=110mm。19鼓形齒接手的孔徑與所選軸徑適應(yīng)，參照機械設(shè)計手冊表 5-2-10 鼓形齒聯(lián)軸器尺寸參數(shù)，齒接手的孔徑 d=110mm,長度 L=167mm,鼓形齒寬度 B=,z 鼓形齒接手各項參數(shù)如圖 3.1 所示：圖 3.1 鼓形齒接手鼓形齒與軸通過平鍵聯(lián)接，根據(jù)軸徑 d=110mm,查機械設(shè)計表 6-1，選取的平鍵為：鍵 GB/T 1096—20033.2.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計本設(shè)計的裝配方案已經(jīng)在前面給出，現(xiàn)在選用的軸的裝配方案入圖 3.2 所示：圖 3.2 軸上零件裝配與軸的結(jié)構(gòu)根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度20為了滿足軸套的軸向定位要求，Ⅰ段軸左端需要制作出一個軸肩，此段軸長度根據(jù)齒接手和軸套長度確定，長度為為 LⅠ =130+154mm=284mm，軸徑 dⅠ =110mm。此段配合零件為軸套，齒接手，軸套上配合的為調(diào)心滾子軸承，查機械設(shè)計手冊表 6-2-77，選擇 23024 號軸承，各項參數(shù)如圖 3.3 所示：圖 4.3 調(diào)心滾子軸承 23024Ⅱ段軸與直齒錐齒輪配合，直齒錐齒輪寬度為 100mm,右端突出 14mm，軸段左端留出 11mm 方便加工花鍵時退刀，因此，軸長為 LⅡ =100-14+11=97mm,軸徑為dⅡ =120mm。Ⅲ段軸與調(diào)心滾子軸承配合，軸徑 dⅣ =140mm,與之相配合的調(diào)心滾子軸承代號為23028，尺寸如下：小徑 d=140mm,大徑 D=210mm，寬度 B=53mm.因此，此段軸長度選為 LⅢ =50mm。Ⅳ段為軸承和軋輥在軸向定位而設(shè)計的軸肩，軸肩高度為 2.5mm,則取軸徑為dⅣ =145mm,長度根據(jù)軸承套的尺寸設(shè)計為 LⅣ =30mm。21Ⅴ段軸為軋輥軸段，根據(jù)軋輥的結(jié)構(gòu)尺寸，選擇的軸徑 dⅤ =140mm,LⅥ =189mm，與之相配合的軋輥的結(jié)構(gòu)尺寸在后面的設(shè)計計算中會給出。Ⅵ段軸與軸套和軸承配合，軸承代號為 23028，為了使軋輥在高速軋制過程中不與軸承接觸摩擦發(fā)熱而設(shè)計軸套，另外軸套給軋輥提供軸向定位，軸套的尺寸在后面會給出，此段軸的軸徑為 dⅥ =125mm，軸段長度根據(jù)軸套確定，長度為 LⅥ =78mm，軸套的尺寸在后續(xù)設(shè)計會給出。Ⅶ段軸與直齒錐齒輪配合，d Ⅶ =dⅡ =10mm,軸長度根據(jù)直齒錐齒輪和軸段上的環(huán)尺寸確定，軸長為 LⅦ =100-20+8=88mm。為了滿足直齒錐齒輪的軸向定位，最左邊設(shè)計一端蓋通過螺母固定在軸段上，端蓋用來提供直齒錐齒輪的軸向定位，因此軸段最左邊延伸出一小段與端蓋配合，長度LⅧ =20mm,軸徑 dⅧ =50mm。至此，主傳動軸的各段直徑和長度已經(jīng)確定。確定的主傳動軸的尺寸參數(shù)如圖3.4 所示：圖 3.4 軸的基本尺寸3.3 從動軸的設(shè)計由前面的設(shè)計計算以及機架結(jié)構(gòu)圖可知，本設(shè)計所設(shè)計的三輥定徑機的三個軋輥所在的軸兩兩互相成 60 度角度布置，同時，著三根軸具有相同的運動參數(shù)，和結(jié)構(gòu)。因此，著三根軸在某些軸段上應(yīng)該具有相同性，從動軸的結(jié)構(gòu)與主傳動軸除了在直齒錐齒輪以及右邊的自由段和鼓形齒接手外，其他方面與主傳動軸應(yīng)該完全相同。傳動軸右邊部分沒有直齒錐齒輪的部分，分別直接用一個端蓋對直齒錐齒輪和調(diào)心滾子軸承進行軸向定位。對調(diào)心滾子軸承進行軸向定位的端蓋的尺寸如圖 3.5 所示：22圖 3.5 端蓋尺寸通孔是固定端蓋的螺釘部位，螺釘緊固在軸上，其螺釘為內(nèi)六角圓柱頭螺釘 GB/T 70 M12,個數(shù)為 4 個，均勻分布。對直齒錐齒輪進行軸向定位的端蓋的尺寸如圖 3.6 所示：圖 3.6 端蓋尺寸通孔是固定端蓋的螺釘部位，螺釘緊固在軸上，其螺釘為內(nèi)六角圓柱頭螺釘 GB/T 70 M12,個數(shù)為 4 個，均勻分布。 設(shè)計(論文)任務(wù)書（指導(dǎo)教師填寫）設(shè)計（論文）題目： φ100mm 熱軋無縫鋼管定徑機設(shè)計設(shè)計（論文）主要內(nèi)容：設(shè)計參數(shù)：入口管徑：150mm 出口管徑：100mm軋輥轉(zhuǎn)速：40r/min 軋制速度：1.2m/s軋制溫度：950℃此設(shè)計根據(jù)軋制參數(shù)以及定徑機選用減徑率計算軋制時的軋制力和力矩，再根據(jù)力矩計算出所需功率，選用減速機和電動機，軋輥的結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)入口管徑和出口管徑來確定，傳動部分的主傳動軸和齒輪根據(jù)傳遞轉(zhuǎn)矩和功率來進行設(shè)計計算，選取好齒輪、主傳動軸、軋輥后，根據(jù)所選的數(shù)據(jù)來確定機架尺寸結(jié)構(gòu)。主要參考資料：[1] 成大先主編.機械設(shè)計手冊（第六版）1 5 卷.北京：化學工業(yè)出版社，2016[2] 成大先主編.機械設(shè)計手冊.單行本.軸承.北京：化學工業(yè)出版社，2004[3] 成大先主編.機械設(shè)計手冊.單行本.軸及其聯(lián)接.北京：化學工業(yè)出版社，2004[4] 成大先主編.機械設(shè)計手冊.單行本.軸承.北京：化學工業(yè)出版社，2004[5] 成大先主編.機械設(shè)計手冊(第五版).單行本.減（變）速器 電機與電器.北京：化學工業(yè)出版社，2010[6] 成大先主編.機械設(shè)計手冊(第五版).單行本.機械傳動.北京：化學工業(yè)出版社，2010[7] 廖漢元，孔建益主編.機械原理（第 3 版）.北京：機械工業(yè)出版社，2013[8] 濮良貴，陳國定，吳立言主編.北京：高等教育出版社，2013[9] 唐增寶，常建娥主編.武漢：華中科技大學出版社，2012[10] 吳宗澤主編.機械零件設(shè)計手冊.北京：機械工業(yè)出版社，2003[11] 鄒家祥主編.軋鋼機械（第三版）.北京：冶金工業(yè)出版社，2000[12] 馬鞍山鋼鐵設(shè)計院主編.中小軋鋼機械設(shè)計與計算.北京:冶金工業(yè)出版社,1979 [13] 吳宗澤主編.機械零件設(shè)計手冊.北京：機械工業(yè)出版社，2003[14] 廖念釗等主編.互換性與技術(shù)測量（第六版）.北京：中國質(zhì)檢出版社，2012本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計題目 ： φ100mm 熱 軋 無 縫 鋼 管 定 徑 機 設(shè) 計摘 要在城市建設(shè)和機械產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程中熱軋無縫鋼管發(fā)揮了關(guān)鍵作用，因此在廣泛的市場需求驅(qū)動下，熱軋無縫鋼管生產(chǎn)加工技術(shù)得到快速發(fā)展。熱軋無縫鋼管生產(chǎn)工藝是指管坯在結(jié)晶溫度以上時進行軋制定徑的生產(chǎn)過程，在這個過程中，由于其耗能低，產(chǎn)品性能特點較好，已被廣泛應(yīng)用。熱軋無縫鋼管生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)過這么多年的發(fā)展已經(jīng)逐漸成熟，應(yīng)用也比較廣，目前在國內(nèi)外大多數(shù)無縫鋼管生產(chǎn)廠家都采用熱軋工藝。 隨著時代的發(fā)展和技術(shù)的進步，一些新設(shè)備逐漸發(fā)展并運用到熱軋無縫鋼管生產(chǎn)過程中來，提高無縫鋼管軋制質(zhì)量，推動其工藝的不斷發(fā)展。熱軋軋制無縫鋼管生產(chǎn)流程主要包括圓管坯、環(huán)形加熱、二輥斜軋穿孔、連軋或擠壓、脫管、定(減)徑、冷卻、矯直。熱軋無縫鋼管生產(chǎn)過程中以穿孔、軋管、定徑（減徑）為主要變形工序。三個工序所用的設(shè)備分別為穿孔機、軋管機、定（減）徑機。本設(shè)計主要是對定（減）徑機作設(shè)計、計算。主要內(nèi)容：傳動軸的設(shè)計計算、直齒錐齒輪的設(shè)計計算、軋輥的設(shè)計計算、其他零件的選取。II關(guān)鍵詞：三輥定徑機；軋制；設(shè)計計算AbstractHot-rolled seamless steel pipe in the city construction and machinery products in the production and manufacturing process have played a pivotal role, so in the broad market demand driven, hot-rolled seamless steel pipe production and processing technology has been rapid development. Hot-rolled seamless steel pipe production process is the metal above the crystallization temperature of the rolling sizing production process, because of its low energy IIIconsumption, product performance characteristics of a variety of good and has been widely used.Hot-rolled seamless steel pipe production technology after years of development has gradually matured, has also been widely promoted and applied, at home and abroad a number of seamless steel pipe manufacturers, most of the use of hot-rolled process. With the development of the times and the progress of technology, some new equipment gradually developed and applied to the hot-rolled seamless steel pipe production process to improve the quality of seamless steel pipe rolling, and promote the continuous development of its technology.Hot rolling rolling pipe production process mainly includes round tube, heating, perforation, three rolling, rolling or extrusion, detaching, sizing (reducing), cooling, straightening, water pressure test. Generally in the production process to perforation, rolling, sizing (reducing diameter) as the main deformation process. The design is mainly for the set (minus) diameter machine for the design, calculation. The main content: drive shaft design and calculation, straight bevel gear design and calculation, the selection of other parts.Key words：Three - roll sizing machine rolling design calculation目錄緒論 .1IV1. 熱軋無縫鋼管生產(chǎn)簡介 .22. 總體方案 .52.1 軋輥機架的確定 .52.2 傳動方式 62.3 機架數(shù)確定 62.4 軋制力、軋制力矩 .72.5 總功率的驗算以及減速器、電動機的選擇 .103. 傳動部分設(shè)計 123.1 齒輪傳動的設(shè)計計算 123.1.1 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) .123.1.2 按齒根彎曲疲勞強度設(shè)計 123.1.3 幾何尺寸計算 143.1.4 齒面接觸疲勞強度校核 143.1.5 齒輪參數(shù) 153.2 主傳動軸的設(shè)計 .153.2.1 確定軸的最小軸徑 .153.2.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 .16V3.3 從動軸的設(shè)計 .174. 其他配套零件的設(shè)計 .194.1 軸承套的設(shè)計 .194.2 軋輥的設(shè)計計算 .194.3 軸套的設(shè)計 204.4 環(huán)的設(shè)計 214.5 花鍵的設(shè)計 .215． 機架的受力仿真 235.1 主要步驟 235.2 仿真結(jié)果 25結(jié)束語 .26參考文獻 28致謝 .2910緒論無縫鋼管的生產(chǎn)有著近 150 年的歷史。說到無縫鋼管，必須要提起孟內(nèi)斯兄弟，他們倆在 1885 年發(fā)明了用棒鋼給管坯穿孔而不用焊接來直接生產(chǎn)無縫鋼管的生產(chǎn)方法，這是鋼管生產(chǎn)史上一次偉大的變革。這種方法在今日來看也是一種非常好的鋼管生產(chǎn)方法。大大簡化了生產(chǎn)工序，提高了生產(chǎn)速度，減少能耗。在次之后，與無縫鋼管相關(guān)的設(shè)備如雨后春筍一般相繼冒了出來，二輥斜軋穿孔機、周期軋管機、自動軋管機（也有人稱之為頂頭式乳管機）、連續(xù)式軋管機、頂管機等各種與熱軋無縫鋼管相關(guān)的設(shè)備開始出現(xiàn)，無縫鋼管工業(yè)開始形成一個體系。其中的二輥斜軋穿孔機于 1885 年由德國人曼尼斯兄弟發(fā)明，周期軋管機由瑞士人施蒂費爾 1903 年發(fā)明。三輥乳管機、擠壓機、周期式冷軋管機，于 20 世紀 30 年代開始走進無縫鋼管的生產(chǎn)中，它們的出現(xiàn)使無縫鋼管的外徑品種開始猛增，與此同時，無縫鋼管的表面質(zhì)量也得到了很大的提升。在 60 年代，又有另外一批軋制無縫鋼管設(shè)備的出現(xiàn)，那就是即使在現(xiàn)在也在依舊使用著的三輥穿孔機，其中特別值得注意的是張力減徑機，以前的設(shè)備連乳管機也得到了改造，再加上在生產(chǎn)工藝上也取得了很大進步，連鑄坯生產(chǎn)工藝的成功，進一步提高了無縫鋼管在鋼管產(chǎn)量中的比值，開始能夠與焊管競爭。在此之后，又經(jīng)過一段時間的發(fā)展，無縫鋼管生產(chǎn)能力的提高，產(chǎn)品質(zhì)量的提高，到了 70 年代，在鋼管市場上，無縫鋼管已經(jīng)能夠與焊管分庭抗禮了，世界鋼管產(chǎn)量每年也在迅速遞增，每年的增長速度大約為 5%。我國的無縫鋼管工業(yè)起步比較晚，直到建國初期 1953 年提出第一個五年計劃，國家開始重視重工業(yè)，在蘇聯(lián)的援助下，鞍山鋼鐵公司建成我國第一個無縫鋼管生產(chǎn)廠，結(jié)束了我國不能制造鋼管的歷史，經(jīng)過慢慢地發(fā)展，引進國外先進設(shè)備，初步開始形成各種大、中、小型無縫鋼管的生產(chǎn)工業(yè)體系。1熱軋無縫鋼管是軋鋼生產(chǎn)中的重要產(chǎn)品之一，占鋼材生產(chǎn)總量的 8%-16%左右。經(jīng)過這么多年的發(fā)展，熱軋無縫鋼管的生產(chǎn)技術(shù)也越來越成熟。20 世紀 80 年代以前的一些較落后可生產(chǎn)成品管的熱軋機現(xiàn)在大都已經(jīng)停產(chǎn)或者改造，大多都改建為三輥軋機機組，四輥軋機也已經(jīng)出現(xiàn)，在軋制鋼管中使用較少。1. 熱軋無縫鋼管生產(chǎn)簡介我國的無縫鋼管工業(yè)起步比較晚，直到建國初期 1953 年提出第一個五年計劃，對重工業(yè)和輕工業(yè)進行技術(shù)改造, 優(yōu)先發(fā)展重工業(yè),以重工業(yè)為核心，我國的無縫鋼管生產(chǎn)工業(yè)才開始發(fā)展起來。在蘇聯(lián)的援助下，1953 年 11 月，鞍山鋼鐵公司三大重點工程—新型大型軋鋼廠、無縫鋼管廠和七號煉鐵爐建成并很快投入使用。鞍山無縫鋼管廠是我國第一家無縫鋼管生產(chǎn)公司，結(jié)束了我國不能生產(chǎn)無縫鋼管的歷史。經(jīng)過這么多年的研發(fā)和引進國外無縫鋼管軋制設(shè)備，到目前為止，我國已經(jīng)是世界上擁有熱軋管機組種類最多，規(guī)格最齊全，冷拔、冷軋管機的種類、規(guī)格稍微次之的國家。按《中國鋼管 50 年》的觀點：1984 年到 2003 年，我國的無縫鋼管生產(chǎn)工業(yè)發(fā)展尤為迅速，拿無縫鋼管年產(chǎn)量來說，這 20 年，無縫鋼管年產(chǎn)量從 127.7 萬噸提高到了699.5 萬噸，翻了將近 5 倍。我國的無縫鋼管產(chǎn)量從 1953 年的零開始，到了 1993 年，我國的無縫鋼管的年產(chǎn)量達到了 284 萬噸，成為全球無縫鋼管產(chǎn)量最多的國家，從無到有再到世界思議用了僅僅 40 年時間。雖然在無縫鋼管生產(chǎn)領(lǐng)域中各種先進的設(shè)備上與其他發(fā)達國家還有較大差距，但是也已經(jīng)已經(jīng)引進相關(guān)設(shè)備，掌握能夠利用其生產(chǎn)各種管徑的無縫鋼管，相信經(jīng)過不斷的發(fā)展，我們在無縫鋼管設(shè)備技術(shù)方面也能夠趕超世界先進水平而不是只在產(chǎn)量上位居世界第一。下面來介紹一下我國幾個大型鋼管廠采用、引進的幾套比較先進的熱軋機組：2作為我國第一座無縫鋼管廠的鞍鋼無縫鋼管廠，現(xiàn)有三套熱軋無縫鋼管機組，Ф100自動軋管機組一套；Ф159MPM 限動芯棒連軋管機組；219 機組一套。其中的Ф159MPM限動芯棒連軋管機組引進自德國，熱軋主要裝備有：21m 環(huán)形爐、帶導(dǎo)板的立式錐形輥穿孔機、5 機架限動芯棒連軋管機（軋機軋輥呈水平-垂直布置、相臨兩機架成 90°交叉布置）、感應(yīng)式再加熱爐、12 架微張力定徑機。衡陽鋼管（集團）有限公司現(xiàn)在的熱軋無縫鋼管生產(chǎn)線有三條，分別是Φ89、Φ108、Φ273，其中 Φ89連軋管生產(chǎn)線采用錐形輥穿孔 →半浮芯棒連軋管→24 機架張力減徑的工藝路線，其中的穿孔機、連軋機、定徑機三大主體設(shè)備全部引進自德國，整體裝備水平在全球來看也比較先進。2005 年建成的 Φ273生產(chǎn)線采用錐形穿孔→5 機架限動芯棒連軋→12 機架定徑減徑工藝路線，同時還配置了高水平的在線熱處理設(shè)施和專用管精整線，生產(chǎn)線上配備集測厚、測長、測徑等功能于一體的多層次在線檢測和無損探傷設(shè)備。包頭無縫鋼管廠于 2000 年最先引進了（MINI-MPM）限動芯棒連軋管機組，熱軋主要裝備有：環(huán)形加熱爐、帶導(dǎo)板的立式錐形輥穿孔機、5 機架限動芯棒連軋管機（軋機軋輥呈水平-垂直布置、相臨兩機架成 90°交叉布置）、步進式再加熱爐、12 架微張力定徑機、架張力減徑機。天津鋼管公司于年建成了由世界最先進的三輥連軋管機、脫管機和帶導(dǎo)盤錐形輥穿孔機及機架張減機組成的限動芯棒連軋管機組。這是世界上第一套機組。國外無縫鋼管產(chǎn)業(yè)一直擁有著先進技術(shù)的定徑機組，在無縫鋼管生產(chǎn)領(lǐng)域一直是高質(zhì)量無縫鋼管生產(chǎn)的核心工藝裝備。減定徑機組的發(fā)展歷史不長，是屬于新技術(shù)，是近幾年才采用在軋制無縫鋼管軋機上的，在減定徑這一領(lǐng)域技術(shù)和設(shè)備比較成熟、先進且應(yīng)用得范圍最廣的幾個國外公司主要有如下幾個：摩根()公司研發(fā)的減定徑機組（）：此定徑機組有四架機架，機架安排和傳統(tǒng)軋機不一樣， 前面的兩架機架為減徑機，后面的兩架機架為定徑機。在驅(qū)動方面，采用一臺的大功率電機再經(jīng)過兩級齒輪減速器與軋機通過聯(lián)軸器聯(lián)接，四架機架的形式與傳統(tǒng)軋機形式相同，均為懸臂式結(jié)構(gòu)，呈頂交布置，機架間距十分緊湊。軋輥的材料則采用了碳化鎢輥環(huán)，由于碳化鎢輥環(huán)的硬度很高，而且其硬度值隨溫度的變化很小，而熱軋時軋輥與高溫管坯直接接觸，導(dǎo)致軋輥溫度很高，由于碳化鎢輥環(huán)軋輥的導(dǎo)熱3率高，所以散熱效果好，使軋輥表面處于高溫的時間較短，用它做的軋輥比其他鋼輥抗腐蝕、抗冷熱疲勞性能都要好。達涅利（）公司研發(fā)的雙模塊機組(）：雙模塊機組與摩根公司的減定徑機組在本質(zhì)上來說其實是差不多的，沒有太大差別。它的不同是，雙模塊機組機架安排和不一樣，雙模塊機組將 4 架減定徑機組分為兩組，由兩臺電動機分別驅(qū)動著這組機架，因此稱之為“雙模塊機組”。每一個模塊機組有兩種速比，機組間沒有活套，速度控制采用電氣鎖定方法，這樣設(shè)置之后，在設(shè)計的時候，機械傳動部分的減速箱設(shè)計就能夠大大簡化可。這兩種減定徑機在國內(nèi)引進的較多，除此之外還有一種減定徑機組，那就是西馬克()公司研發(fā)出的減定徑機組，不過可能由于技術(shù)還不夠成熟，到目前為止，這套減定徑機組還沒有應(yīng)用到實際的生產(chǎn)中來。生產(chǎn)熱軋無縫鋼管工藝流程如下：管坯→加熱→二輥斜軋穿孔→三輥定徑→冷卻→矯直→剪切→精整圖 1.1 工藝流程圖在無縫鋼管生產(chǎn)中, 金屬變形的第一道工序是穿孔，其的作用是將實心的管坯穿成空心的毛管。二輥斜軋穿孔工序流程如下。定徑機：是將二輥斜軋穿孔軋制出來的毛管，進行進一步定徑軋制，提高鋼管外表面的質(zhì)量，同時也改變毛管的外徑。定徑輥孔型調(diào)整可以通過軋輥來調(diào)整，定徑機中的軋輥是定徑機工作時的主要工具，它是通過電機帶動定徑機箱內(nèi)的主傳動軸轉(zhuǎn)動，固定在傳動軸上的軋輥轉(zhuǎn)動，對管材進行軋制。目前定徑機一般有三種類型：按照軋輥的數(shù)量分為二輥、三輥，四輥定徑機?，F(xiàn)在應(yīng)用最多的是三輥定徑機，因為二輥定4徑機在軋制時橫向流動較較大，不能夠保證所要求的管材的壁厚條件以及表面光滑度，并且在工作時振動沖擊較大容易對鋼管的外表面造成磨損等損傷，而三輥定徑機在這些方面都比二輥定徑機好，至于四輥定徑機，現(xiàn)在技術(shù)還不是很成熟，應(yīng)用較少，冶鋼有一套四輥行星軋管實驗機組（），還未得到廣泛應(yīng)用。常用三輥定徑機如下圖 1.2。圖 1.2 三輥定徑機52. 總體方案2.1 軋輥機架的確定三輥定徑機軋輥的寬度比二輥定徑機的軋輥的要小，減徑率也低，在軋制鋼管時，軋制力距也要小，因此三輥定（減）徑機輥徑的尺寸可以做得比二輥定徑機的小。二輥式定徑機在軋制時橫向流動較較大，不能夠保證所要求的管材的壁厚條件以及表面光滑度，并且在工作時振動沖擊較大容易對鋼管的外表面造成磨損等損傷。三輥式比二輥式定減徑機軋輥孔型周邊的速度差小，從而減少軋輥與鋼管的相對滑動，軋輥較小。三輥式定減徑機軋輥交叉 60°，軋機的結(jié)構(gòu)也很簡單，布置起來也很方便。軋輥數(shù)目多，則軋制時對鋼管的曳入性能較好，可在較短的咬入鋼管長度上建 立足夠的張力。三個軋輥之間互相愛成 120°布置，每個軋輥通過平鍵與軸相連，用軸套、軸肩和軸承定位，三根軸之間通過直齒錐齒輪聯(lián)接，其結(jié)構(gòu)如下圖 2.1 所示。6圖 2.1 三輥式定徑機結(jié)構(gòu)圖2.2 傳動方式定(減)徑機的傳動形式很多，一般可分為四種。集體傳動：每個機架由一臺電動機通過齒輪減速器傳動，因此只有一種固定傳動比。這種傳動形式結(jié)構(gòu)簡單，速度剛性好，控制系統(tǒng)簡單，但是能夠生產(chǎn)的鋼管規(guī)格種類較少。單獨傳動：即各個機架分別用一臺電動機驅(qū)動，每個機架都具有互不干擾的調(diào)速和傳動系統(tǒng)。這種形式的調(diào)速靈活、應(yīng)用范圍寬廣，但速度剛性差，控制系統(tǒng)復(fù)雜。集體傳動—單獨差速：綜合集體傳動速度剛性好和單獨傳動調(diào)整范圍寬而靈活的優(yōu)點，采用集體傳動—單獨差速的復(fù)合傳動形式。集體傳動—集體差速：與前一種形式不同，這種形式的疊加傳動不是單獨匹配每架，而是象主傳動一樣，由一個總的疊加電機通過傳動機構(gòu)向各機架進行速度疊加。它克服了集體傳動—單獨差速傳動形式的軋機結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點，保持了靈7活性與剛性好的優(yōu)點，因而得到更多的采用。為了方便計算，本次設(shè)計采用集體傳動。2.3 機架數(shù)確定軋制鋼管參數(shù)：入口管徑：150mm 出口管徑：100mm軋輥轉(zhuǎn)速：40r/min 軋制速度：1.2m/s軋制溫度：950℃定徑機的工作機架數(shù)量較少，一般為 3 到 12 架，總減徑率可達 75%到 80%，增加定徑機的機架數(shù)量可擴大產(chǎn)品規(guī)格，給生產(chǎn)帶來方便，新設(shè)計車間的定徑機機架數(shù)量一般都較多，本設(shè)計的定徑機的總減徑率為 34%左右，偏小，故所取定徑機機架數(shù)為6。每架定徑機外徑減徑率可取 3%到 12%，最大減徑率可取到 80%。本次設(shè)計每架定徑機的減徑率安排如下：第一架取微小減徑率為 3%，第二架取最大減徑率 12%，定徑機機架往后靠機架的減徑率應(yīng)該越來越小，直到最后一架定徑機減徑率約為零位置（最后一架用來精整），這樣來保證成品管的外徑和橫斷面滿足要求。受軋制溫度影響，前面幾架定徑機軋制時溫度高，金屬的變形抗力小，軋制較為容易，因此前面幾架定徑機的減徑率可取較大，后面幾架定徑機軋制時溫度降低，金屬的變形抗力較大，因此后面幾架定徑機的減徑率越來越小。根據(jù)以上規(guī)律，6 架定徑機的減徑率安排如下：機架數(shù) 減徑率8第一架定徑機 3%第二架定徑機 12%第三架定徑機 10%第四架定徑機 8%第五架定徑機 6%第六架定徑機 約為 0%2.4 軋制力、軋制力矩現(xiàn)取第五架定徑機為例計算：定徑機機架孔型直徑：di=di-1（1-ρ i） (1.1)—減徑率d1=150（1-0.03）=145.5mmd2=145.5（1-0.12）=128.04mmd3=128.04（1-0.10）=115.236mmd4=115.236（1-0.08）=106.017mmd5=106.017（1-0.06）=99.656mmd6=99.656mm橢圓系數(shù)：i== (2.2)—長半軸與短半軸的比值9與 i 相對應(yīng)的 i 值：0.03 0.9900.12 0.9750.10 0.9800.08 0.9850.06 0.988α1= =1.041α2=α3==1.134α4=α5==1.166α6=1長半軸：ai= (mm) (2.3)a5==51.675 (mm)短半軸：bi=(mm) (2.4)b5=(mm)孔型直徑：d=（A+B）/2，d 5=99.656 (2.5)A— 孔型高度，本設(shè)計中 A=d；10B— 軋槽寬度計算出軋槽寬度為：為了方便設(shè)計加工，就近軋輥寬度取為 B=180mm軋輥理想直徑：—壓下量咬入角，材料為型鋼時取最大=d 1-d2=145.5-128.04=17.46(mm)=17.46,則 Dt=512.412(mm),取 Dt=550mm底圓直徑：=Dt-2A=550-99.656/4=525.086(mm)計算接觸面積：A=0.95B (2.6)A5=0.95=5150.191計算平均單位壓力：Pc= (2.7)式中：b—金屬的抗拉強度極限，45 號鋼的 b=676.2Mpa；11t —軋制溫度，設(shè)計中取 t=950℃；—軋制后管子的壁厚尺寸系數(shù)，取。則 Pc==445.991Mpa軋制力為：P=PcAP=445.9915150.191=2296.938KN計算軋制力矩：Mi=Pidi (2.8)—金屬與軋輥間的摩擦系數(shù)，=(1.05-0.005t )；t —軋制溫度,t=950℃;—軋輥修正系數(shù)，鋼輥的取 1，硬面鑄鐵軋輥取 0.8—軋輥速度與管子速度一致的點所形成的軋制直徑相符合的中心角， ；2—是軋輥對鋼管的包角，則；,—軋輥半徑 mm ==(1.05-0.005)sin =0.407力矩為：122.5 總功率的驗算以及減速器、電動機的選擇由已知參數(shù)，軋輥的轉(zhuǎn)速為 40r/min,軋制速度 1.2m/s，與此同時，因為軋輥與減速器距離比較遠，因此取兩級展開式圓柱齒輪減速器，查機械設(shè)計手冊表 16-2-2 選取的減速器型號為 ZLY-560-14.三輥定徑機是用來保證所軋制的鋼管的外徑和鋼管表面質(zhì)量要求以及鋼管壁厚的，因此，要求軋制過程中鋼管受力均勻，在此基礎(chǔ)上，三個軋輥的轉(zhuǎn)速應(yīng)該相同，因此三輥定徑機與主電機相連的軸上的力矩由 2 部分組成，計算公式如下：(2.9)三輥定徑機電動機的力矩；軋輥上受到的最大軋制力；附加摩擦力；主電動機與軋輥間的傳動比計算附加力矩 Mf附加力矩由 2 部分組成，其中之一是因為三輥定徑機軋制時的軋制總壓力 P 在軋輥上所產(chǎn)生的附加摩擦力矩，這一部分已經(jīng)包括在軋輥傳動的力矩 MZ 之中了，而另一部分為各傳動零件零件推算到電機軸上的附加摩擦力.= (2.10)—電動機到軋輥之間的傳動效率，一般情況下取 0.96—0.98，這里取 η=0.97則 =電動機軸上的力矩為：13MD=KNm根據(jù)功率選擇電動機PD= (2.11)nD=ni=40r/minMer—額定靜力矩；nD—電機的最大轉(zhuǎn)速；K—電機過載系數(shù)，采用荷夫推薦電動機過載系數(shù) K 數(shù)值如下：可逆轉(zhuǎn)電動機 K=2.53.0不可逆轉(zhuǎn)電動機 K=1.52.0帶有飛輪的電動機 K=46這里取 K=3.0則 Mer=PD=根據(jù)機械設(shè)計手冊表 17-1-87 選取 YZR280S 電動機，其額定功率 PD=37KW,轉(zhuǎn)速n=572r/min。143. 傳動部分設(shè)計3.1 齒輪傳動的設(shè)計計算為了保證所軋制的鋼管的外徑和鋼管表面質(zhì)量滿足要求，因此，要求軋制過程中鋼管受力均勻，在此基礎(chǔ)上，三個軋輥的轉(zhuǎn)速應(yīng)該相同，因此所選用齒輪傳動的傳動15比是 1，因此要求兩個齒輪的齒數(shù)相同，在傳動過程中齒輪只是起了傳遞轉(zhuǎn)矩的作用而沒有改變轉(zhuǎn)速。由之前的結(jié)構(gòu)圖可知，三輥定徑機的三個軋輥的軸之間的夾角互為60°，因此選用直齒錐齒輪傳動，且其分錐角，為了設(shè)計和以后維護方便，兩個互相嚙合的齒輪設(shè)計應(yīng)該完全相同。3.1.1 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)（1）選用標準直齒錐齒輪傳動，壓力角取為 20。（2）由于傳動力矩較大，選用硬度較大的材料，查機械設(shè)計表 10-1，選定20CrMnTi，淬火處理，硬度為 5862HRC,強度極限 σ B=1100MPa，屈服極限。應(yīng)為是硬齒面齒輪，故按照齒根彎曲疲勞強度設(shè)計，再用齒面接觸疲勞強度校核。軋輥屬于鍛壓機床，查機械設(shè)計表 10-6，齒輪精度等級選用 6 級精度。（3）選定齒輪齒數(shù)為 z=23。3.1.2 按齒根彎曲疲勞強度設(shè)計（1）由機械設(shè)計式（10-27）計算模數(shù)，即mt確定式中的各參數(shù)試選。計算齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩T=為直齒錐齒輪的齒寬系數(shù)，通常取，這里取 0.3計算由分錐角，取齒輪齒數(shù) z=23，當量齒數(shù) zv==26.558由機械設(shè)計圖 10-17 查得齒形系數(shù)。16由機械設(shè)計圖 10-18 查得應(yīng)力修正系數(shù)由機械設(shè)計圖 20-24d 查得齒根彎曲疲勞極限=800Mpa。由機械設(shè)計圖 10-22 取彎曲疲勞壽命系數(shù)。取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.7.由機械設(shè)計式(10-14)得試算模數(shù)mtmm調(diào)整齒輪模數(shù)計算實際載荷系數(shù)前的數(shù)據(jù)準備圓周速度 vd=mz=8.34平均分度圓：dm=d(1-0.5)=191.82mm齒寬 bb=計算時間載荷系數(shù)由機械設(shè)計圖 10-8 查得動載系數(shù) =1.05使用系數(shù)，查機械設(shè)計表 10-2，取取齒間載荷分配系數(shù)=117由機械設(shè)計表 10-4 用插值法查得 =1.118,直齒錐齒輪，取=1.118則載荷系數(shù)為(4.1)由機械設(shè)計式(10- 13)可得按實際載荷系數(shù)算得的齒輪模數(shù)為按照齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，就近選擇標準模數(shù) m=10。3.1.3 幾何尺寸計算(1)分度圓直徑 d=zm=23(2)分錐角(3)齒輪寬度 b=取 b=50mm3.1.4 齒面接觸疲勞強度校核由機械設(shè)計式(10-28)可知，錐齒輪齒面接觸疲勞強度條件為 H式中：ZE—彈性影響系數(shù)， ZE ,Mpa1/2,位泊松比，這里取 0.3，E 為材料的彈性模量，查機械設(shè)計表 10-5，取 20.6,則 ZE=189.812;ZH—區(qū)域系數(shù)，查機械設(shè)計圖時，18KH—接觸疲勞強度計算的在和系數(shù)，,直齒錐齒輪傳動考慮到其精度較低，取,,則。將他們帶入齒面接觸疲勞強度條件，得到滿足齒面接觸疲勞強度條件。3.1.5 齒輪參數(shù)齒數(shù) z=23,模數(shù) m=10，壓力角 20，變位系數(shù) x=0，分錐角，齒寬 b=50mm，材料選用 20CrMnTi（淬火），6 級精度。3.2 主傳動軸的設(shè)計3.2.1 確定軸的最小軸徑按照機械設(shè)計式(15-2)以扭轉(zhuǎn)強度條件初步估算軸的最小直徑，軸在工作時所受彎矩不大，可作為最后結(jié)果：dmin=A0式中，P 為軸傳遞功率 (KW)；n 為軸的轉(zhuǎn)速；A 0 為由軸的材料和受載情況確定的系數(shù)，軸的工作溫度較高，軸的材料選為 1Cr18Ni9Ti，淬火處理，通常取 A0=112，由于傳動軸傳遞的力矩較大，根據(jù)機械設(shè)計表 15-3，取 A0=112，于是得dmin=112此段軸與齒接手通過平鍵聯(lián)接，軸徑增大 3%,則 d=106.167,就近取 dmin=110mm。19鼓形齒接手的孔徑與所選軸徑適應(yīng)，參照機械設(shè)計手冊表 5-2-10 鼓形齒聯(lián)軸器尺寸參數(shù)，齒接手的孔徑 d=110mm,長度 L=167mm,鼓形齒寬度 B=,z 鼓形齒接手各項參數(shù)如圖 3.1 所示：圖 3.1 鼓形齒接手鼓形齒與軸通過平鍵聯(lián)接，根據(jù)軸徑 d=110mm,查機械設(shè)計表 6-1，選取的平鍵為：鍵 GB/T 1096—20033.2.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計本設(shè)計的裝配方案已經(jīng)在前面給出，現(xiàn)在選用的軸的裝配方案入圖 3.2 所示：圖 3.2 軸上零件裝配與軸的結(jié)構(gòu)根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度20為了滿足軸套的軸向定位要求，Ⅰ段軸左端需要制作出一個軸肩，此段軸長度根據(jù)齒接手和軸套長度確定，長度為為 LⅠ =130+154mm=284mm，軸徑 dⅠ =110mm。此段配合零件為軸套，齒接手，軸套上配合的為調(diào)心滾子軸承，查機械設(shè)計手冊表 6-2-77，選擇 23024 號軸承，各項參數(shù)如圖 3.3 所示：圖 4.3 調(diào)心滾子軸承 23024Ⅱ段軸與直齒錐齒輪配合，直齒錐齒輪寬度為 100mm,右端突出 14mm，軸段左端留出 11mm 方便加工花鍵時退刀，因此，軸長為 LⅡ =100-14+11=97mm,軸徑為dⅡ =120mm。Ⅲ段軸與調(diào)心滾子軸承配合，軸徑 dⅣ =140mm,與之相配合的調(diào)心滾子軸承代號為23028，尺寸如下：小徑 d=140mm,大徑 D=210mm，寬度 B=53mm.因此，此段軸長度選為 LⅢ =50mm。Ⅳ段為軸承和軋輥在軸向定位而設(shè)計的軸肩，軸肩高度為 2.5mm,則取軸徑為dⅣ =145mm,長度根據(jù)軸承套的尺寸設(shè)計為 LⅣ =30mm。21Ⅴ段軸為軋輥軸段，根據(jù)軋輥的結(jié)構(gòu)尺寸，選擇的軸徑 dⅤ =140mm,LⅥ =189mm，與之相配合的軋輥的結(jié)構(gòu)尺寸在后面的設(shè)計計算中會給出。Ⅵ段軸與軸套和軸承配合，軸承代號為 23028，為了使軋輥在高速軋制過程中不與軸承接觸摩擦發(fā)熱而設(shè)計軸套，另外軸套給軋輥提供軸向定位，軸套的尺寸在后面會給出，此段軸的軸徑為 dⅥ =125mm，軸段長度根據(jù)軸套確定，長度為 LⅥ =78mm，軸套的尺寸在后續(xù)設(shè)計會給出。Ⅶ段軸與直齒錐齒輪配合，d Ⅶ =dⅡ =10mm,軸長度根據(jù)直齒錐齒輪和軸段上的環(huán)尺寸確定，軸長為 LⅦ =100-20+8=88mm。為了滿足直齒錐齒輪的軸向定位，最左邊設(shè)計一端蓋通過螺母固定在軸段上，端蓋用來提供直齒錐齒輪的軸向定位，因此軸段最左邊延伸出一小段與端蓋配合，長度LⅧ =20mm,軸徑 dⅧ =50mm。至此，主傳動軸的各段直徑和長度已經(jīng)確定。確定的主傳動軸的尺寸參數(shù)如圖3.4 所示：圖 3.4 軸的基本尺寸3.3 從動軸的設(shè)計由前面的設(shè)計計算以及機架結(jié)構(gòu)圖可知，本設(shè)計所設(shè)計的三輥定徑機的三個軋輥所在的軸兩兩互相成 60 度角度布置，同時，著三根軸具有相同的運動參數(shù)，和結(jié)構(gòu)。因此，著三根軸在某些軸段上應(yīng)該具有相同性，從動軸的結(jié)構(gòu)與主傳動軸除了在直齒錐齒輪以及右邊的自由段和鼓形齒接手外，其他方面與主傳動軸應(yīng)該完全相同。傳動軸右邊部分沒有直齒錐齒輪的部分，分別直接用一個端蓋對直齒錐齒輪和調(diào)心滾子軸承進行軸向定位。對調(diào)心滾子軸承進行軸向定位的端蓋的尺寸如圖 3.5 所示：22圖 3.5 端蓋尺寸通孔是固定端蓋的螺釘部位，螺釘緊固在軸上，其螺釘為內(nèi)六角圓柱頭螺釘 GB/T 70 M12,個數(shù)為 4 個，均勻分布。對直齒錐齒輪進行軸向定位的端蓋的尺寸如圖 3.6 所示：圖 3.6 端蓋尺寸通孔是固定端蓋的螺釘部位，螺釘緊固在軸上，其螺釘為內(nèi)六角圓柱頭螺釘 GB/T 70 M12,個數(shù)為 4 個，均勻分布。