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IV
遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 第 頁
線材510粗軋機設(shè)計
摘要
線材廣泛應(yīng)用于各種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、建筑工程建設(shè)和金屬制品行業(yè)，在我國的國民經(jīng)濟部門中占有重要地位 。這些年來，我國對線材性能和表面質(zhì)量的要求越來越高，對線材的檢查也越來越嚴(yán)格，只有符合標(biāo)準(zhǔn)的才可以出廠。所以，對線材的苛刻要求也推動了線材軋機的高速發(fā)展。線材軋機是小型軋鋼機械。和其他軋鋼機一樣，主機列包括執(zhí)行機構(gòu)、傳動機構(gòu)和原動機三個基本組成部分。這次軋機設(shè)計收集整理了國內(nèi)外先進的線材軋機，對設(shè)計方案進行了優(yōu)化選擇。第一步，根據(jù)壓下量和軋制速度計算軋制力和力矩，對電動機進行了選擇和校核。第二步，對主要零部件進行了受力分析和強度分析。第三步，對壓下裝置進行了設(shè)計。第四步，對潤滑方式進行了選擇和對該軋機進行了經(jīng)濟效益分析評價。
關(guān)鍵詞：線材軋機；軋制；強度；主傳動；壓下裝置
The design of 510 wire rod mill
Abstract
Wire is widely used in all kinds of infrastructure construction ,construction engineering construction and metal products industry ,occupies an important place in the national economy departments in our country.Over the years ,our country more and more high to the requirement of performance and surface quality of wire rod ,inspection of wire rod is becoming more and more strict ,only conforming to the factory .So ,strict requirements for wire rod is also to promote the development of wire rod rolling mill of high speed . Wire mill is small steel rolling machinery . Like other rolling mill , the host column including actuators , transmission mechanism and prime mover of three basic parts . The mill design collects and analyses the domestic and foreign advanced wire mill , the design scheme is optimized choice . As s fist step ,quantity according to the calculation of rolling force and rolling speed and torque , motor for the selection and checking . Second ,the main components for the stress analysis and strength analysis . The third step , the design of pressure device . The fourth steep , lubrication method for the selection and the evaluation of economic benefit analysis of the rolling mill.
Key words:wire rod rolling;rolling;strength;main transmission ; screw down
目錄
1 緒論 1
1.1選材背景及目的 1
1.2國內(nèi)外線材軋機狀況 1
1.2.1國外線材軋機狀況 1
1.2 .2我國線材軋機狀況 2
1.3 設(shè)計的內(nèi)容和方法 4
1.4線材生產(chǎn)的工藝流程 5
2 總體方案設(shè)計選擇 6
2.1制定合理的設(shè)計方案 6
2.2方案的局部改進 6
2.3方案評述 6
3電機的選擇? 8
3.1軋制力的計算 8
3.1.1 軋輥主要尺寸的確定 8
3.1.2 選擇孔型 8
3.1.3橢圓—圓孔型的優(yōu)點 9
3.1.4軋制參數(shù) 9
3.1.5平均單位壓力的計算 9
3.2軋機主電動機力矩與電動機功率 13
3.2.1軋機主電動機力矩 13
3.2.2 軋輥的驅(qū)動力矩 13
3.2.3初選電機 14
3.2.4 附加摩擦力矩 15
3.3減速器 16
4 主要零件的計算 17
4.1 軋輥校核 17
4.1.1 輥身彎曲校核 18
4.1.2 輥頸強度校核 18
4.1.3 軸頭強度校核 19
4.2 軋輥軸承的校核 19
4.2.1軋輥軸承的選擇 19
4.2.2 軸承壽命計算 20
5壓下裝置的設(shè)計 22
5.1電機的選擇 22
5.1.1初選電機 22
5.2 壓下螺絲結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計 22
5.2.1 壓下螺絲外徑、內(nèi)徑、導(dǎo)程和螺紋升角的設(shè)計 23
5.2.2 壓下螺絲的強度校核 23
5.3聯(lián)軸器的選擇與計算 23
5.4齒式聯(lián)軸器的選擇與計算 24
5.5 減速器齒輪的計算 24
5.5.1蝸輪蝸桿的設(shè)計 24
6 潤滑方式的選擇 29
6.1 軋輥軸承的潤滑 29
6.2 齒式聯(lián)軸器的潤滑 29
6.3 減速機的潤滑 29
7 試車方法和對控制系統(tǒng)的要求 30
7.1 試車要求 30
7.2 對控制系統(tǒng)的要求 30
8 經(jīng)濟分析和評價 32
8.1 工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo) 32
8.2 技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)的考核 32
8.3 設(shè)備的有效度 32
8.4 投資回收期 33
結(jié) 論 34
致 謝 35
參考文獻 36
第 39 頁
遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計
1 緒論
1.1選材背景及目的
線材是鋼鐵工業(yè)產(chǎn)品中的重要產(chǎn)品之一，它廣泛用于各種建筑工程建設(shè)、建基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和金屬制品行業(yè)。從線材軋機的發(fā)展歷史看來，1960年以前，軋制速度達到40m／s后就難以再提高了。但是，人類追求更為高效的生產(chǎn)工藝來提高線材軋制速度和線材成品精度的目標(biāo)卻一直沒有停止過。在1960年以后,隨著線材軋機技術(shù)水平的不斷提高，各個國家相繼研制出不同類型的新式高速無扭精軋機組，線材卷重由原來的幾十公斤增加到兩噸半，軋制終極出口速度由以前的20m/s～30m/s提高到了現(xiàn)在的130m/s,成品公差達到±011mm。因為線材的表面光潔,頭尾公差值很小,并且采用穿水冷卻和散卷控制冷卻后，金屬相組織更加均勻，所以不必再經(jīng)過熱處理就可拉絲成卷，從而很大程度上降低了成本,受到了大用戶的好評和歡迎。目前具有代表性的精軋機有:內(nèi)傳動45度線材軋機、外嚙合傳動45度精軋機、X型45度集中傳動精軋機、Y型三輥式精軋機、平立輥傳動精軋機、75度×15度集中傳動精軋機這六種型式。這些精軋機和以前的老式軋機相比有如下特點:
1) 單線連續(xù)軋制,操作方便、安全;
2) 軋制速度高,目前可達130m/s;
3) 換輥方便;
4) 換導(dǎo)衛(wèi)比較方便;
5) 作業(yè)率高,成本低;
6) 線材公差小,表面光滑;
7) 線材內(nèi)在質(zhì)量高;
8) 自動化控制水平高。
1.2國內(nèi)外線材軋機狀況
1.2.1國外線材軋機狀況
目前各國最先進的高速線材軋機是：
1. 摩根無扭高速懸臂式45°軋機。此軋機機組解決了軋機振動的問題，用的辦法是取消了接軸式聯(lián)軸器，采用精密螺旋傘齒輪與螺旋齒輪軋輥軸直接嚙合連接，取代了普通精軋機上的萬向接軸。目前這種軋機我國也有幾個工廠進行引進：張家港沙太鋼鐵公司高速線材軋機的引進、湘鋼引進摩根高速線材軋機、昆鋼引進德國SMS公司的高速線材軋機、天津鋼廠引進的美國摩根公司高速等。其特點是：
1)工藝布置優(yōu)化。全線26架軋機呈平——立交替軋制布置，軋件在整個軋制過程中無扭轉(zhuǎn)；
2)高速軋制。精軋機的軋制速度是120m/s，引進了最新一代超重型V型精軋機，軋機的負荷、剛度、功率都優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)型軋機；
3)產(chǎn)品的高檔化。可以生產(chǎn)φ5.5mm-φ20mm共30個規(guī)格的線材產(chǎn)品；
4）產(chǎn)品盤重大。采用一錠一坯成品每盤單重2.2噸；
5)產(chǎn)品性能優(yōu)質(zhì)化。采用美國摩根公司最新研發(fā)的大風(fēng)量斯太爾摩控制冷卻設(shè)備，成品線材可以直接拉成高強度鋼絲；
6)自動控制系統(tǒng)數(shù)字化。提高了軋制過程的可靠性、易操作性和控制精度。
2.日本東京鋼公司高松廠棒線材生產(chǎn)連續(xù)作業(yè)線(產(chǎn)量90t/h)自1998年以來開始用無頭軋制工藝生產(chǎn)線材。這條生產(chǎn)線包括圓坯連鑄機(產(chǎn)品直徑小于200mm,長度16-24m)、除鱗機、鑄坯自動焊接機、清理毛刺機、感應(yīng)加熱器及軋鋼機等，圓坯連鑄前一塊尾部與后一塊頭部經(jīng)焊接后直接送軋鋼機無間隙生產(chǎn)棒、線材。其優(yōu)點是:
1）減少短尺產(chǎn)品，減少去頭尾廢鋼，提高成材率；
2）因為采用無間隙生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)率；
3）盤條卷重不受原料坯重限制；
4）減少了維修成本。
1.2 .2我國線材軋機狀況
至2007年底，我國已經(jīng)有60個高速線材生產(chǎn)廠共77條生產(chǎn)線在生產(chǎn)線材產(chǎn)品。主要線材生產(chǎn)設(shè)備靠引進的有32條；引進的二手設(shè)備有17條；我國自己設(shè)計制造的生產(chǎn)設(shè)備有28條。這77條線材生產(chǎn)線中，20世紀(jì)80年代建成的有20條；20世紀(jì)90年代建成的有36條；21世紀(jì)初建成的有21條。按地區(qū)劃分，華東地區(qū)有28條；華北地區(qū)有19條；中南地區(qū)有13條；東北地區(qū)有8條；西南地區(qū)有8條；西北地區(qū)有3條。按省市劃分，河北省的產(chǎn)量最高，2007年產(chǎn)量約占全國高線產(chǎn)量的22％，其次為江蘇省、上海市。沙鋼是我國目前擁有高線生產(chǎn)線最多，產(chǎn)量最高(年260萬t)的生產(chǎn)企業(yè)。1987年，我國高速線材產(chǎn)量打破了零的記錄，產(chǎn)量為36.06萬噸。到2007年我國高線產(chǎn)量約為3 705萬噸，18年間高線產(chǎn)量增長了100多倍。從1997年開始，我國高線產(chǎn)量快速增長，每年平均遞增量超過200萬噸。特別值得一提的是：2002年的產(chǎn)量比2001年增加了725萬噸，最主要原因是2000年至2001年期間，我國共有19條生產(chǎn)線投產(chǎn)，使高速線材的產(chǎn)能得以空前地釋放。目前我國高線產(chǎn)品的主要品種有普碳鋼、優(yōu)碳鋼、焊條鋼、焊絲鋼、彈簧鋼、軸承鋼、碳結(jié)鋼、不銹鋼、高速工具鋼、冷墩鋼、低合金鋼等產(chǎn)品。馬鋼、酒鋼、寶鋼、武鋼等一些鋼廠還可生產(chǎn)鋼簾線。產(chǎn)品規(guī)格一般為Φ5.5～Φ12mm的圓鋼或螺紋鋼。寶鋼、武鋼、杭鋼、馬鋼等一些鋼廠可生產(chǎn)Φ5mm～Φ20mm的圓鋼，邢鋼還可生產(chǎn)大規(guī)格的盤卷。目前我國生產(chǎn)的高速線材產(chǎn)品大部分為建筑用材，其次為金屬制品焊絲、焊條和各類標(biāo)準(zhǔn)件用鋼。我國77條生產(chǎn)線的平均成材率為96.1％，其中唐鋼、酒鋼的成材率高達98.35％；平均單線年產(chǎn)量為40萬噸左右。天鋼、湘鋼、宣鋼、酒鋼、昆鋼、沙鋼、萍鋼的單線年產(chǎn)量也已達65萬噸，甚至有的已經(jīng)接近70萬噸。目前，我國正在生產(chǎn)的77條高速線材生產(chǎn)線的設(shè)備水平大致可分為四個等級，即具有世界領(lǐng)先水平的生產(chǎn)線，世界二流水平的生產(chǎn)線，一般水平的生產(chǎn)線，較落后水平的生產(chǎn)線。具有世界領(lǐng)先水平的生產(chǎn)線主要以寶鋼、馬鋼、八一、安鋼、酒鋼、杭鋼、青鋼等高速線材生產(chǎn)線為代表，其主要特點是：
1)都是從德國西馬克或意大利達涅利或美國摩根或奧鋼聯(lián)引進的生產(chǎn)線。或者以點菜拼盤的方式匯集了1990年以后世界線材生產(chǎn)的最新裝備而建成。大都在2001—2003年正式投產(chǎn)。
2)坯料采用連鑄坯短流程熱裝熱送工藝，熱裝溫度達500～750℃，加熱爐采用蓄熱式燃燒技術(shù)。
3)軋制的保證速度達110～120m/s。
4)采用超重型精軋機組和減定徑機組，實現(xiàn)了完全意義上的精密軋制。
5)采用了溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了真正意義上的控軋控冷。
6)采用了全數(shù)字控制技術(shù)和交流變頻調(diào)速技術(shù)，并設(shè)有在線測徑和在線探傷裝置。
7)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量都能得到很好保障，完全具備了生產(chǎn)高品質(zhì)線材產(chǎn)品的條件。
我國的高速線生產(chǎn)雖然取得了較好的成績，但是，仍然存在著一些問題，主要表現(xiàn)為：
1)普碳鋼線材品種中Q215和Q235比重較大，優(yōu)質(zhì)鋼線材中合金鋼線材的比例偏低。
2)部分產(chǎn)品的質(zhì)量存有較大問題，例如：鋼的純凈度不高，線材通條性能不穩(wěn)定，含碳量的偏差較大。
3)雖然我國已經(jīng)有多條世界一流的線材生產(chǎn)線，但生產(chǎn)出來的產(chǎn)品質(zhì)量還達不到世界一流水平。例如：鋼簾線，雖然寶鋼、武鋼等鋼廠已經(jīng)能夠生產(chǎn)，但產(chǎn)量偏低且供應(yīng)不足，尤其是產(chǎn)品的質(zhì)量還不能令客戶十分的滿意，不能完全替代進口的鋼簾線。冷墩鋼的沖廢率還較高，高強度低松弛的繩索用鋼產(chǎn)量也遠遠不能滿足市場的需求。
4)一些高品質(zhì)的合金鋼線材，純凈鋼線材，易切鋼線材如合金彈簧鋼、不銹鋼等還存在著品種和質(zhì)量方面的很多問題，每年仍需大量進口。
5)我國高線的日歷作業(yè)率和機時產(chǎn)量與先進國家的生產(chǎn)線相比，存在著很大的差距，造成日歷作業(yè)率和機時產(chǎn)量低的原因除坯料供應(yīng)不足外，還有是生產(chǎn)準(zhǔn)備和更換尺寸所用的工時較長，設(shè)備備件壽命低且儲備不足，設(shè)備維護監(jiān)測手段不夠完善，從而造成故障停機和檢修工時長。
6)生產(chǎn)中熱裝率、燃耗、電耗等方面與先進國家的線材生產(chǎn)線相比也存在著一定的差距。
1.3 設(shè)計的內(nèi)容和方法
首先，制定合理的設(shè)計方案，方案的局部改進和方案評述。然后，選擇電機容量、主要零部件的強度校核和選擇潤滑方法，最后進行試車、編輯控制要求、設(shè)備的環(huán)保、可靠性和經(jīng)濟評價。
1.4線材生產(chǎn)的工藝流程
上料臺架
卸料入庫
鋼坯
步進式加熱爐加熱
裝爐
目視檢查
中軋機組軋制
粗軋機組軋制
7#飛剪切頭
4#水箱水冷
15#飛剪切頭
預(yù)精軋
夾送、吐絲成圈
精軋
1#、2#、3#水冷箱
鉤式機運輸
掛卷
風(fēng)冷
稱重掛標(biāo)牌
修剪取樣
打捆
發(fā)貨
入庫
卸卷
2 總體方案設(shè)計選擇
2.1制定合理的設(shè)計方案
1-電動機；2-減速機；3-齒輪箱；4-軋輥
近年來，隨著線材軋機的不斷發(fā)展，對線材性能及表面質(zhì)量要求也越來越高。對線材產(chǎn)品的化學(xué)成分、機械性能、晶粒組織及晶粒粒度都要做全面檢驗，符合標(biāo)準(zhǔn)才能出廠，這樣就需要合適的線材軋機。此次設(shè)計方案選擇線材510粗軋機組它可以滿足生產(chǎn)品種和規(guī)格的要求，提供的原料允許發(fā)揮成品車間的生產(chǎn)能力，保證坯料的內(nèi)部組織和表面質(zhì)量。從而保證成品車間成材率和生產(chǎn)率的不斷提高。
2.2方案的局部改進
此次指定的設(shè)計方案軋機改為連續(xù)式布置，七架軋機單獨驅(qū)動。主電機改為三相異步電動機。壓下部分電機選用直流電動機，減速級采用蝸輪蝸桿減速，連接軸采用LZ型齒輪聯(lián)軸器。
2.3方案評述
線材510軋機水平兩輥閉式線材軋機采用連續(xù)式布置，七架軋機分別單獨驅(qū)動。主電機選擇三相異步電動機，經(jīng)過聯(lián)合減速器帶動軋輥轉(zhuǎn)動。壓下裝置減速級采用蝸輪蝸桿，其優(yōu)點是使用壽命長，減速的范圍大。連接軸有有很多種，如梅花接軸、滑塊萬向接軸、十字頭萬向接軸、LZ型齒輪聯(lián)軸器。LZ型齒輪聯(lián)軸器用于聯(lián)接蝸桿與減速器的低速軸，這種起重配件聯(lián)軸器能傳遞的扭矩最大，并允許有較大的偏移量，安裝精度要求不高，因此采用LZ型齒輪聯(lián)軸器。直流電機與聯(lián)合減速器之間采用彈性柱銷聯(lián)軸器，因為彈性柱銷聯(lián)軸器是利用彈性元件的彈性變形來補償兩軸相對位置，因此可動元件之間所需要的間隙小。軋輥軸承是用來支撐轉(zhuǎn)動的軋輥，并保持軋輥在機架中正確的位置。軋輥軸承應(yīng)具有小的摩擦系數(shù)，足夠的強度和剛度，并便于換輥。軋輥軸承的主要類型有帶層壓膠布軸襯的滑動軸承、油膜軸承、滾動軸承。油膜軸承雖然摩擦系數(shù)低、使用壽命長，但油膜軸承的制造精度和成本高，安裝精度要求較嚴(yán)，使用維護也復(fù)雜，特別是高速重載、頻繁起止制動和可逆運轉(zhuǎn)的情況下，不易形成膜。在本次設(shè)計中軋輥軸承采用軋機用四列滾子軸承。軋輥平衡裝置采用液壓平衡裝置。液壓平衡裝置結(jié)構(gòu)緊湊，與其他平衡方式比較，使用方便，易于操作，能改變油缸壓力，而且可以使上輥不受壓下螺絲的約束而上下移動。所以有利于換輥操作。
?
3電機的選擇?
3.1軋制力的計算
3.1.1 軋輥主要尺寸的確定
因為φ510軋機的名義直徑為D=510mm，根據(jù)參考文獻〔1,79〕知
L/D=（1.5～2.5） （3.1）
式中
L--軋輥輥身長度（mm）；
D--軋輥直徑(mm);
因此，L=（1.5～2.5）×D=（1.5～2.5）×510=765～1275mm
根據(jù)參考文獻〔1,81〕知
d/D=（0.53～0.55） (3.2)
式中
d--輥頸直徑（mm）；
D--軋輥直徑(mm);
因此，d=（0.53～0.55）×D=（0.53～0.55）×510=270.3～280.5mm
根據(jù)參考文獻〔1,81〕知
l/d=1+（20～30mm） (3.3)
式中
l--輥頸長度（mm）；
d--輥頸直徑(mm);
因此，l=d+（20～30mm）=280+（20～30）=300～310mm
實際上我們選用L=800mm，d=270mm，l=300mm，這樣就可以完全滿足要求了。
3.1.2 選擇孔型
軋制線材用的孔型按用途分為延伸孔型和精軋孔型。延伸孔型的作用是壓縮軋件斷面為成型孔提供紅坯。精軋孔型的作用是使軋件最終形成所需的成品斷面形狀和尺寸。軋制線材常用的孔型按形狀分有箱型孔型系統(tǒng)、菱—方孔型系統(tǒng)、菱—菱孔型系統(tǒng)、六角孔型系統(tǒng)、橢圓—方孔型系統(tǒng)、橢圓—立橢圓孔型系統(tǒng)、橢圓—圓孔型系統(tǒng)等。這里選擇橢圓—圓孔型系統(tǒng)。為了保證粗軋機組軋制出斷面尺寸準(zhǔn)確的軋件，最后一道次采用圓孔型。
3.1.3橢圓—圓孔型的優(yōu)點
1）方坯變形較為均勻，軋制前后軋件的斷面形狀變化緩和，可防止局部應(yīng)力的產(chǎn)生。
2）軋件斷面各處冷卻均勻，且易于脫除軋件表面上的鐵皮。
3）在一些情況下，可以用延伸孔型軋出成品圓鋼，所以可減少軋輥數(shù)量和換輥次數(shù)。
4）橢圓軋件在圓孔型中不易穩(wěn)定，要求圓孔型入口夾板調(diào)整準(zhǔn)確延伸系數(shù)較少。
3.1.4軋制參數(shù)
因為軋制不同的軋件軋制參數(shù)不同，所以現(xiàn)在列舉一下軋制φ8.0mm時的參數(shù)
表3.1 主要軋件參數(shù)規(guī)格表
架次
孔型
孔型高度mm
孔型寬度mm
輥縫mm
軋件高度mm
軋件寬度mm
軋件面積mm
4#
橢圓
83
183
16
83
160.0
11316.8
5#
圓
102
109.7
14
102
102
8508.9
6#
橢圓
63
130
10
63
120.0
6256.5
7#
圓
76.2
81
12.8
77.7
77.7
4739.8
3.1.5平均單位壓力的計算
因為該軋機的工作溫度是1140℃，又因為線材軋機的軋制力計算適用艾克隆德公式，所以采用艾克隆德公式。
艾克隆德提出了下列公式計算扎制時的平均單位壓力
（3.4）
式中
m--考慮外摩擦對單位壓力的影響系數(shù)；
k--軋制材料在靜壓縮時變形阻力，MPa；
η--軋件粘性系數(shù)，kg·s/mm2
Μ--變形速度，s﹣1。
艾克隆德根據(jù)研究，提出了k、η、μ的計算公式。
他給出了下列計算系數(shù)m
（3.5）
式中
μ--摩擦系數(shù)
--軋制前后軋件的高度，mm；
R--軋輥半徑，mm。
其中μ=0.8（1.05-0.0005t）=0.384 （3.6）
=
=0.28
利用L、甫培熱軋方坯的實驗數(shù)據(jù)，得到k（MPa）的計算公式
（3.7）
式中
t--軋制溫度，℃；
--碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；
--錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，5;
--鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；
所以，在t=1140℃, 由文獻〔2,18-35〕查出：=0.2%，=0.25%，=0.
=（14-0.01×1140）〔1.4+0.2+0.25+0〕×9.8
=47.138MPa
軋件粘度系數(shù)η按下式計算
（3.8）
式中：c--考慮軋制速度對η的影響系數(shù)，其值如下：
軋制速度v/（m·s-1）
﹤6
6～10
10～15
15～20
系數(shù)c
1.0
0.80
0.65
0.60
所以
=0.01（14-0.01×1140）×1=0.026kg·s/mm2
艾克隆德用下式計算變形速度
（3.9）
式中
v--軋制速度，mm/s；
--軋制前、后軋件的高度，mm；
R--軋輥半徑，mm。
=140-95=45mm
所以==0.2（1/s）
所以平均軋制力
=（1+0.28）×（47.138+0.026×0.2）=60.34MPa
3.1.6計算軋制力
根據(jù)參考文獻〔1，56〕
扎件對軋輥的總壓力P為軋制平均單位壓力與軋件和軋輥接觸面積F之乘積，
即
（3.10）
式中
P--扎件對軋輥的總壓力，N；
--軋制平均單位壓力，N；
F--軋件和軋輥接觸面積，mm2
接觸面積F的一般形式為
（3.11）
式中
--軋制前、后軋件的寬度；
L--接觸弧長度的水平投影。
因為扎制時是由橢圓變成圓形的，所以平均壓下量
（3.12）
=0.85×140-0.79×95
=43.95mm
根據(jù)參考文獻〔1,56〕知
==105.86mm （3.13）
所以 ==9262.75mm2
所以本次的總軋制力
=60.34×9262.75=558914.33N=558.91KN
3.2軋機主電動機力矩與電動機功率
3.2.1軋機主電動機力矩
主電動機軸上的力矩由四部分組成，即
（3.14）
式中
--主電動機力矩；
--軋輥上的軋制力矩；
--附加摩擦力矩；
--空轉(zhuǎn)力矩；
--動力矩；
i--電動機和軋輥之間的傳動比。
3.2.2 軋輥的驅(qū)動力矩
（3.15）
（3.16）
式中
P--軋制力；
a--軋制力臂，即合力作用線距兩個軋輥中心連線的垂直距離；
--軋輥軸承處摩擦圓半徑；
D--軋輥直徑；；
d--軋輥軸頸直徑；
β--合力作用點的角度；
μ--軋輥軸承摩擦系數(shù)：取μ=0.02.
兩個軋輥總驅(qū)動力矩為
（3.17）
由參考文獻〔1,65〕知β的計算方法
熱軋時
（3.18）
式中
α--咬入角，其計算公式為
（3.19）
代入數(shù)據(jù)
==24.25°
β=0.5α=0.5×24.25°=12.125°
所以
=558.91（510×sin12.125°+0.02×270)
=62890.25N·m
3.2.3初選電機
因為v=0.9m/s
所以
r/min （3.20）
式中
v--軋制速度，m/s
D--工作輥直徑，mm。
根據(jù)過載條件確定電機功率，由參考文獻〔1，73〕
（3.21）
式中
N--電機功率，KW；
--最大力矩，N·m；
--軋輥轉(zhuǎn)速，r/min；
K--電機過載系數(shù)，因為選擇不可逆電機，所以選擇K=2；
η--傳動效率，=0.8。
所以==139.53KW
考慮到一些因素，所以選擇電機為三相異步電動機 型號為：Y315L2-4型。
電機參數(shù)如下：
額定功率：
額定轉(zhuǎn)速：
（3.22）
電動機與軋輥之間的傳動比i：
（3.23）
3.2.4 附加摩擦力矩
附加摩擦力矩包括兩部分，一是軋輥總壓力在軋輥軸承處產(chǎn)生的附加摩擦力矩，二是各傳動零件推算到主電機軸上的附加摩擦力矩。
（3.24）
式中
--主電機到軋輥間的傳動效率，單級齒輪傳動=0.96～0.98，這里取0.98.
=
主電機軸上的總的附加摩擦力矩為：
（3.25）
空轉(zhuǎn)力矩是由各傳動件的重量產(chǎn)生的摩擦力矩及其他阻力矩，
（3.26）
因為軋件長度很長，所以動力矩很小，因此動力矩忽略不計。
因此主電機力矩：
（3.27）
=
=
所以，過載系數(shù)為：
（3.28）
=﹤〔K〕=2
所以選擇的電機符合過載要求。
3.3減速器
最常見的減速器是二級或三級圓柱減速器，由于減速器不用設(shè)計，可以直接采用成品裝配，所以減速器選用ZSY-400-5-Ⅰ型。
公稱傳動比i
輸入轉(zhuǎn)速r/min
輸出轉(zhuǎn)速r/min
低速級中心距mm
公稱輸入功率Kw
50
1500
30
355
195
4 主要零件的計算
4.1 軋輥校核
軋輥的損毀取決于各種應(yīng)力（其中包括彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、接觸應(yīng)力，由于溫度分度不均勻或者交替變化引起的溫度應(yīng)力以及軋輥制動過程中形成的殘余應(yīng)力等）的綜合影響。由于線材軋機的軋輥輥身上布置有許多孔型和軋槽。因此，軋輥的軋制力可看成集中力。因為軋件在不同軋槽中軋制時，外力的作用點總是變動的。所以要分別判斷不同軋槽過鋼時軋輥各斷面的應(yīng)力，進行比較，找出危險斷面。本次設(shè)計的軋輥輥身中間位置只有一個軋槽，所以危險面應(yīng)該為中間斷面。
圖4.1 軋輥受力分析
將軋輥簡化成兩端支撐的簡支梁，所以，
P=558.91KN
根據(jù)圖4.1得到：
+=P (4.1)
= (4.2)
式中
、--壓下螺絲對軋輥的力，KN;
、--危險斷面到壓下螺絲的距離，mm，=600 mm，=600 mm。
由公式 (4.1)與 (4.2)得出
= 279.455KN =279.455KN
對軋輥校核時，對輥身進行彎曲校核，對輥頸進行彎扭合成校核，對軸頭進行扭轉(zhuǎn)校核。
4.1.1 輥身彎曲校核
根據(jù)參考文獻［4,128］計算危險斷面處的應(yīng)力：
（4.3）
式中
--輥身危險斷面處的彎矩，N·m；
D--軋輥斷面處的直徑，mm。
根據(jù)參考文獻［4,128］
N·m （4.4）
式中
-- 輥身危險斷面處的彎矩，N·m；
a--壓下螺絲的中心距，mm；
x--為線段面到壓下螺絲的距離，mm。
因此，公式（4.3）
=
因為軋輥是鑄鐵軋輥，根據(jù)文獻參考［1,87］得 =350～400MPa?？紤]到疲勞因素的影響，因此軋輥的安全系數(shù)一般取5，則：
因為﹤，所以輥身強度合格。
4.1.2 輥頸強度校核
根據(jù)參考文獻［4,128］輥頸危險斷面上的彎曲應(yīng)力為：
= （4.6）
式中
C--壓下螺絲中心線到輥身邊緣的距離，近似取為輥頸長度的一半，mm；
d--輥頸直徑，mm。
根據(jù)參考文獻［4,129］輥頸危險斷面上的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力τ為
（4.7）
式中
--軸頸危險斷面的扭矩，N·m；
d--輥頸直徑，mm。
輥頸強度按照彎扭合成計算。對于球墨鑄鐵軋輥，按莫爾理論計算，根據(jù)參考文獻［1,87］得：
=
=25.09MPa （4.8）
因為﹤，所以輥頸強度合格。
4.1.3 軸頭強度校核
對于軸頭只校核扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，因此：
（4.9）
根據(jù)參考文獻［2,18-25］：
=0.7= （4.10）
因為τ﹤，所以軸頭強度合格。
4.2 軋輥軸承的校核
4.2.1軋輥軸承的選擇
軋輥軸承是軋鋼工作機座中的重要部件。軋輥軸承的作用是用來支撐轉(zhuǎn)動的軋輥，并保持軋輥在機架中的位置。
軋輥軸承的工作特點：工作負荷大；轉(zhuǎn)動速度差別大；工作環(huán)境惡劣。
軋輥軸承應(yīng)具有較小的摩擦系數(shù)，足夠的強度和剛度，并且方便更換軋輥。軸承所承受力的大小，方向和性質(zhì)是選擇軸承類型的主要依據(jù)。根據(jù)載荷大小選擇軸承時，由于滾子軸承中主要是線接觸，宜用與承受較大的載荷，承載后的變形也??；而球軸承則主要是線接觸，適宜用于承受較輕的或中等的載荷?？紤]到粗軋機的工作特點，選擇滾子軸承。
根據(jù)軋輥尺寸和軋機的工作特點選擇軸承型號，初選軸承型號為FC5476230.根據(jù)參考文獻［5,20-179］得到它的參數(shù)見表4.1
表4.1 FC5476230軸承的基本參數(shù)
軸承型號
主要尺寸/mm
基本額定載荷/KN
d
D
B
動載荷
靜載荷
FC5476230
270
380
230
298
2140
4750
4.2.2 軸承壽命計算
軋輥軸承主要計算的是軸承的壽命。動載荷和軸承壽命之間的關(guān)系，根據(jù)參考文獻［6,320］得到：
（4.11）
式中
--以小時表示的軸承基本額定壽命，h；
n--軸承的轉(zhuǎn)速，r/min，n=30r/min；
--溫度系數(shù)，取0.9；
--額定動載荷，N；
ε--壽命指數(shù)，因為是滾子軸承，所以ε=10/3；
P--動載荷，N。
因為軋機采用四列圓柱滾子軸承，所以，取軸向載荷為零，當(dāng)量動載荷P為：
（4.12）
式中
--載荷系數(shù)，由于軋機在工作中受到許多因素的影響，軸承實際載荷要比計算載荷大，所以，取=3.0；
--軸承徑向負荷，=279455N。
=3×279455=838365N
將數(shù)據(jù)代入 （4.11）得
=
軸承壽命按=60000h計算，因為＜，所以，軸承滿足壽命要求。
5壓下裝置的設(shè)計
一般線材軋機的壓下裝置裝置包括聯(lián)軸器、減速器等。
5.1電機的選擇
5.1.1初選電機
因為v=0.1mm/s，壓下力矩63000N·m
所以r/min （5.1）
式中
v--軋制速度，m/min
D--壓下軸直徑，mm。
根據(jù)過載條件確定電機功率，由參考文獻〔1，73〕
（5.2）
式中
N--電機功率，KW；
--最大力矩，N·m；
--壓下軸轉(zhuǎn)速，r/min；
K--電機過載系數(shù)，因為選擇不可逆電機，所以選擇K=2；
η--傳動效率，=0.8。
所以==6.18KW
考慮到一些因素，所以選擇電機為Z4-132-2型
電機參數(shù)如下：
額定功率：
額定轉(zhuǎn)速：
（5.3）
5.2 壓下螺絲結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計
5.2.1 壓下螺絲外徑、內(nèi)徑、導(dǎo)程和螺紋升角的設(shè)計
本機構(gòu)采用30°單頭鋸齒形螺紋，根據(jù)公式得：
（5.4）
取壓下螺絲螺紋外徑=150mm
根據(jù)自鎖條件要求螺紋升角α≤0.39°
螺紋導(dǎo)程 （5.5）
取 t=3mm
壓下螺紋內(nèi)徑
（5.6）
5.2.2 壓下螺絲的強度校核
（5.7）
選擇壓下螺絲材料為45鋼調(diào)制處理
取安全系數(shù)n=6
則許用應(yīng)力 （5.8）
（5.9） 式中 δ--壓下螺絲實際計算壓力，MPa；
--壓下螺絲所承受的軋制力，MN。
5.3聯(lián)軸器的選擇與計算
此次設(shè)計所選用的是彈性柱銷聯(lián)軸器。工作時轉(zhuǎn)矩是通過主動軸上的鍵、半聯(lián)軸器、彈性柱銷、另一半聯(lián)軸器及鍵傳到從動軸上去的。它具有傳遞扭矩大，結(jié)構(gòu)簡單，安裝、制造方便，耐久性好、允許被連接軸有一定的軸向位移以及鏡像唯一和角速度。
聯(lián)軸器選用的型號是LZ10
如果滿足 ﹤ （5.10）
式中
T--聯(lián)軸器計算轉(zhuǎn)矩，N·m；
K--工作情況系數(shù)，取K=3.1；
P--電機功率，KW。
--公稱轉(zhuǎn)矩，N·m ，=35500N·m
= N·m
因為T﹤，所以滿足強度要求。
5.4齒式聯(lián)軸器的選擇與計算
考慮到聯(lián)軸器傳遞的大扭矩，較大的偏移量和安裝要求。選擇LZ型齒輪聯(lián)軸器，選擇的聯(lián)軸器型號為：LZ14
根據(jù)參考文獻［5,6-44］齒式聯(lián)軸器的強度校核：
如果滿足
< （5.11）
式中
T--聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩，N·m；
K--工作情況系數(shù)，取K=3.1
--驅(qū)動力矩，=400×0.99×0.94=372.24KW；
n--工作轉(zhuǎn)速，r/min。n=905r/min.
==103.81KN·m
因為T <，所以滿足強度要求。
5.5 減速器齒輪的計算
5.5.1蝸輪蝸桿的設(shè)計
1.選擇蝸桿傳動類型
根據(jù)GB/T 10085-1988的推薦，采用阿基米德螺線蝸桿。傳動比i=25。要求壽命為24000h。
2.選擇材料
考慮蝸桿傳動功率不大，速度中等，故蝸桿用35CrMo鋼；蝸桿螺旋齒面要求淬火，硬度為45～55HRC。蝸輪用ZCuSn10P1，金屬模鑄造。
3.按齒面疲勞強度進行設(shè)計
根據(jù)閉式蝸桿傳動的設(shè)計準(zhǔn)則，先按齒面接觸疲勞強度進行設(shè)計，再校核齒根彎曲疲勞強度。其公式為： （5.12）
（1）確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩
按=2，估取效率η=0.8，則
==2110500N·mm （5.13）
（2）確定載荷系數(shù)K
應(yīng)為工作載荷較穩(wěn)定，所以取=1；使用系數(shù)=1.15；動載系數(shù)=1.05；所以
（5.14）
(3) 確定彈性影響系數(shù)。
（4） 確定蝸輪齒數(shù)
（5.15）
（5）確定許用接觸應(yīng)力
根據(jù)蝸輪材料為ZCuSn10P1，金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度＞45HRC
可從參考文獻［6,253］表11-7中查的蝸輪的基本許用應(yīng)力 ˊ=268MPa。
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
（5.16）
主要壽命 （5.17）
則=·ˊ=0.80×268=214.4MPa （5.18）
（6） 計算值
mm3=5118.72mm3
因為，所以從參考文獻［6,245］表11-2中取模數(shù)m=10mm；蝸桿分度圓直徑。
4.蝸輪與蝸桿的主要參數(shù)與幾何尺寸
（1）中心距
(5.19)
（2）蝸桿
軸向齒距：
；
直徑系數(shù)：
；
齒頂圓直徑：
；
齒根圓直徑：
；
分度圓導(dǎo)程角：
=9°27′44″；
蝸桿軸向齒厚：
。
（3）蝸輪
蝸輪分度圓直徑：
；
蝸輪喉圓直徑：
；
蝸輪齒根圓直徑：
；
蝸輪咽喉母圓半徑：
。
5 校核齒根彎曲疲勞強度
（5.20）
當(dāng)量齒數(shù)：
（5.21）
根據(jù)當(dāng)量齒數(shù)從參考文獻［6,253］中查的齒形系數(shù)
螺旋角系數(shù) （5.22）
許用彎曲應(yīng)力 （5.23）
從參考文獻［6,253］中查的ZCuSn10P1制造的蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力。
壽命系數(shù) （5.24）
=17.8MPa
所以，彎曲強度滿足要求。
6 驗算效率
（5.25）
已知 γ=9.46°； ；
m/s （5.26）
從參考文獻［6,261］中用插值法查的、；代入式（5.16）中得η=0.84，大于原估計值，因此不用重算。
7 精度等級公差的確定
考慮所設(shè)計的蝸桿傳動是動力傳動，從GB/T 10089-1988圓柱蝸桿、蝸輪精度中選擇8級精度，側(cè)隙種類為f，標(biāo)注為8f GB/T 10089-1988。
8 主要設(shè)計結(jié)論
模數(shù)m=10mm，蝸桿直徑，蝸桿頭數(shù)，蝸輪齒數(shù)。蝸桿材料用35CrMo鋼，齒面淬火；蝸輪材料用ZCuSn10P1，金屬模鑄造。
6 潤滑方式的選擇
為了保證線材軋機的正常運轉(zhuǎn)，除了各項的維護、保養(yǎng)外，還必須保證各零件摩擦部分有可靠的潤滑。軋鋼機械潤滑的特點：
1.設(shè)備工作時受到高溫、氧化鐵皮的影響，負荷沉重，設(shè)備是長時間的連續(xù)運轉(zhuǎn)；
2.設(shè)備潤滑區(qū)域廣、面積大、潤滑點多、管路長。
6.1 軋輥軸承的潤滑
對于軋輥軸承，使用脂潤滑。使用脂潤滑不僅便宜而且還方便。它的密封簡單、不必經(jīng)常換潤滑脂，而且潤滑脂幾乎不受溫度影響，對載荷性質(zhì)、運動速度變化也有很大的適應(yīng)范圍，所以工作輥軸承采用脂潤滑。根據(jù)實際工作情況采用2#工業(yè)鋰基質(zhì)潤滑脂。
6.2 齒式聯(lián)軸器的潤滑
齒式聯(lián)軸器一般采用0#或1#潤滑脂潤滑，換脂周期為6-12個月，要求潤滑劑粘著性好，對密封要求不嚴(yán)。
6.3 減速機的潤滑
影響減速器的使用壽命，除了設(shè)計、制造、安裝、造型等因素外，選用合適的潤滑劑也是一個重要因素，即將齒輪和其他零件浸于減速機的油池內(nèi)，當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動時，將潤滑油帶到嚙合處，同時也將潤