機械畢業(yè)設(shè)計82旋轉(zhuǎn)式變長度冷軋輥（350-650mm）淬冷裝置設(shè)計

1 武漢工業(yè)學院 畢業(yè)設(shè)計 設(shè)計題目：旋轉(zhuǎn)式變長度冷軋輥（ 350-650mm）淬冷裝置 設(shè)計 作 者： 汪文杰 學 號： 040303116 院 （系）： 機械工程系 專 業(yè)： 包裝工程 指導老師： 宛 農(nóng) 2008 年 6 月 2 第一章 前言 1.1 冷軋輥熱處理的意義及重要性 冷軋輥是軋鋼設(shè)備最重要的零件之一，是一種冷變形模具。在工作過程中，由于被擠壓材料的 變形抗力比較大，模具的工作部分受到強烈的摩擦和擠壓，故模具應具有高強度、硬度和耐磨性，以及較好的韌性 1 。 軋輥的質(zhì)量和使用壽命，直接關(guān)系到軋制生產(chǎn)的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)成本，如何提高軋輥的使用壽命，一直是軋輥制造業(yè)面臨的重大問題。 軋輥的壽命主 要取決于軋輥的內(nèi)在性能和工作狀態(tài)，內(nèi)在性能包括強度和硬度等方面。硬度通常是指軋輥工作表面的硬度，它決定軋輥的耐磨性，在一定程度上也決定軋輥的使用壽命，通過合理的材料選用和熱處理方式可以滿足軋輥的硬度要求。因其熱處理工藝有一 定的難度，故探索冷軋輥的熱處理工藝有著積極的意義11 12 13 14 。 1.2 冷軋輥旋轉(zhuǎn) 淬火工藝 冷軋輥旋轉(zhuǎn)淬火工藝的基本原理： 軋輥旋轉(zhuǎn)淬火 工藝裝置構(gòu)思科學、 軋輥 硬度較均勻、硬化層硬度梯度較小、深度較深。 軋輥 旋轉(zhuǎn)淬火裝置主要包括可 變水位器、主動軸輪、被動輥、變頻調(diào)速裝置等設(shè)備， 軋輥 擺放在主動軸輪與被動輥的上面，由主動軸輪驅(qū)動 軋輥 旋轉(zhuǎn)，并 具備變頻調(diào)速裝置動能；可變水位器能夠使 軋輥 浸入水中一定的深度 ，軋輥以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，這樣達到淬火的目的 。 一種鋼管淬火旋轉(zhuǎn)支撐輪，包括輪盤、輪盤架，輪盤固定在輪盤架上，輪盤架固定在淬火臺架底座上，輪盤架上開有一組螺栓孔，輪盤架通過螺栓固定在淬火臺架底座上，淬火臺底座上開有若干組螺栓孔。 3 1.可變水位器 2.主動軸輪 3.被動輪 4.變頻 調(diào)速裝置 圖（ 1-1） 如圖（ 1-1） 所示， 當軋輥進入水淬熱處理時，需要將軋輥放置在若干組可以旋轉(zhuǎn)的支撐輪上，每組支撐輪包括 2 片 輪盤和輪盤架，輪盤固定在輪盤架上，輪盤架 固定在淬火臺架底座上。 2 片輪盤直徑相同，輪盤中心間隔一定距離，鋼管放置在兩片輪盤之間的 凹陷處 ，使鋼管與兩輪盤的正壓力方向保持適當角度，為 110左右 。當兩片輪盤轉(zhuǎn)動時，通過摩擦力帶動鋼管一起轉(zhuǎn)動?，F(xiàn)有的兩片輪盤間距是固定的，鋼管直徑過大則不能穩(wěn)定放置，在旋轉(zhuǎn)中易飛出淬火臺架 ；鋼管直徑過小則鋼管易卡在兩片輪盤間，不易轉(zhuǎn)動，這些情況都會影響正常生產(chǎn)，也不適應于直徑變化范圍較大的不同規(guī)格鋼管淬 火熱處理的需要。軋輥 旋轉(zhuǎn)淬火工藝 克服了現(xiàn)有支持輪間距固定、無法調(diào)節(jié)的缺陷，提供一種可調(diào)間距的鋼管淬火旋轉(zhuǎn)支撐輪。 不同尺寸規(guī)格的軋輥在淬火前要進行水位標識，在所需要的水位高度位置作好標記，然后在可變位器的蓄水槽里存入相應的水量，保證能使水位迅速達到 所標記的高度；車輪加熱至奧氏體溫度 Ac， +3 0 5 0 并充分保溫后，將其吊放在車輪旋轉(zhuǎn)淬火裝置的主動軸輪與被動輥上面，控制變頻調(diào)速裝置使主動軸輪帶動車輪旋轉(zhuǎn)起來，達到一定的轉(zhuǎn)速，然后通過 可變水位器調(diào)整水位，迅速讓水位達到預定的高度對車輪進行旋轉(zhuǎn)淬火 ；調(diào)整可變水位器能控制車輪入水深度，使車輪踏面獲得一定深度的硬度層，而調(diào)整車輪旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速則可控制要求的冷卻速度，車輪中心部位與車 輪踏面的溫差使得熱量不斷地傳導向踏面，保證貝氏體組織形成所需的溫度條件，使車輪踏面生成均勻的貝氏體組織；淬火時間根據(jù)車輪尺寸而定，約持續(xù) 1 0 3 0分鐘。 軋輥旋轉(zhuǎn) 淬火工藝 的實現(xiàn)原理：一種軋輥 淬火旋轉(zhuǎn)支撐輪，包括輪盤、輪盤架，輪盤固定在輪盤架上，輪盤架固定在淬火臺架底座上，輪盤架上開有一組螺栓孔，輪 盤架通過螺栓固定在淬火臺架底座上，淬火臺底座上開有若干組螺栓孔 ， 4 輪盤架與淬火臺架采用螺栓連 接固定，實現(xiàn)兩片輪盤中心距離可調(diào)節(jié)的目的。當需要處理較小直徑軋輥 時，殼縮小兩片輪盤間的距離；當 需要處理較大直徑鋼管時，則 放大兩片輪盤間的距離，以適應不同規(guī)格軋 管淬火的需要。 而橫向?qū)О逋ㄟ^ T螺栓與底座聯(lián)接，當需要處理長度較短的軋輥時，縮小橫向?qū)О逯g的間隔，從而達到縮短兩邊托輪之間距離的目的；當需要處理長度較大的軋輥時，增大橫向?qū)О逯g的距離即可，這樣就可以滿足處理不同長度軋輥淬火的需要。 1.3 主要研究內(nèi)容 軋輥 旋轉(zhuǎn)淬火工藝方法及裝置與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有構(gòu)思科學、工藝制造容易、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、可以滿足零件局部并且指定深度的硬化層要求、是整體淬火無法達到的、相對于表面淬火工藝、其硬度較均勻、硬化層硬度梯度較小、深度較深、是一 種很優(yōu)越且實用的 熱處理工藝、整個淬火工藝過程操作簡便、控制靈活、能較好地滿足軋輥 旋轉(zhuǎn)淬火工藝要求、提高了產(chǎn)品質(zhì)量、硬度的分布比較平緩、克服了表面淬火加熱速度快、淬硬層淺、硬度分布梯度較陡的缺點、使零件整體性能達到較高水平等優(yōu)點，將廣泛地應用于機械零部件熱處理工藝技術(shù)領(lǐng)域中。 這個設(shè)計的的目地就要解決目前一些淬火裝置只能完成某一些或者一種尺寸軋輥的熱處理，往往不適應于目前尺寸多變的軋輥熱處 理的要求，這樣就要求增加成本，引進對不同尺寸的軋輥熱處理的裝置 是不劃算的，增加了成本，而且效率不高。因此，設(shè)計一個能夠適應 于變化尺寸的軋輥熱處理的裝置是符合實際，節(jié)約了成本，又提高了效率的。使用這個裝置無需對工件采取局部絕熱或屏蔽措施，操作方便。本裝置可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)淬火冷卻區(qū)域尺寸及冷卻速度。淬火硬度高而且均勻；硬化層深度大，簡化了生產(chǎn)工藝。 通過本項目的 研究，為該裝置的制造及工程應用必要的提供技術(shù)支持； 提高我們分析和解決工程問題的能力，尤其是大型工程軟件的運用；熟悉機械零部件的實體建模技術(shù)與科學論文的基本常識。 本課題的研究任務(wù)主要有以下幾點： （ 1） 根據(jù)軋輥旋轉(zhuǎn)速度 要求 和軋輥與拖輪間的摩擦力大小 來選擇合適的電機功率和轉(zhuǎn)速。 （ 2） 根據(jù)軋輥的尺寸要求以及旋轉(zhuǎn)淬火裝置的的尺寸大小來進行傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計和裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計。 （ 3） 運用 Auto CAD 軟件，對旋轉(zhuǎn)淬火裝置進行二維設(shè)計 。 5 （ 4） 加載初始條件，對主要零部件進行強度校核。 （ 5） 根據(jù)實際生產(chǎn)條件對旋轉(zhuǎn)淬火裝置進行改良分析。 為論證軋輥旋轉(zhuǎn)淬火工藝的可操作性，本課題對工件使用計算機平面輔助設(shè)計， 并且對生產(chǎn)過程進行模擬。在模擬過程中，對操作過程中的 電機，拖輪，軋輥，軸承，鍵，軸等的參數(shù)進行分析評估，最后討論使用該裝置工藝來實現(xiàn)操作的可行性。因此，該課題的展開能夠為該裝置工藝實際的生產(chǎn)過程提供可靠的理論依據(jù) ，以及對實際的生產(chǎn)提供良好的支撐，對旋轉(zhuǎn)淬火工藝的改良有著積極的推動作用。 1.4 研究意義與目的 研究的意義： 這個設(shè)計的的目地就要解決目前一些淬火裝置只能完成某一些或者一種尺寸軋輥的熱處理，往往不適應于目前尺寸多變的軋輥熱處理 的要求，這樣就要求增加成本，引進對不同尺寸的軋輥熱處理的裝置。目前的這些做法不劃算 ，增加了成本，而且效率不高。因此，開發(fā)一套能夠適應于變化尺寸的軋輥熱處理的裝置是 既 符合實際，節(jié)約了成本，又提高了效率的。使用這套設(shè)備無需對工件采取局部絕熱或屏蔽措施，操作方便。本裝置可以在一定范圍內(nèi) 調(diào)節(jié)淬火冷卻區(qū)域尺寸及冷卻速度。淬火硬度高而且均勻；硬化層深度大，簡化了生產(chǎn)工藝。 這臺淬火裝置，制造起來并沒有因為功能的增加而變得困難，也沒有增加成本，對傳統(tǒng)的淬火設(shè)備是一個很好的改進。 研究的目的： 1.通過本項目的研究，為該裝置的制造及工程應用必要的提供技術(shù)支持； 2.提高我們分析和解決工程問題的能力，尤其是大型工程軟件的運用； 3.熟悉機械零部件的實體建模技術(shù)與科學論文的基本常識。 1.5 研究方法及步驟 本 設(shè)計 將 Auto CAD、材料物理性能、機械設(shè)計和鑄造工藝等基礎(chǔ)知識為基礎(chǔ)，結(jié)合實習期間在鄂州 石油機械廠和武漢重冶機修廠參觀和學習的實際生產(chǎn)條件和生產(chǎn)過程，以大量的科學資料和參考文獻為依據(jù)和基礎(chǔ)，運用 Auto CAD 軟件，對旋轉(zhuǎn)淬火裝置進行平面圖設(shè)計，以及各零部件的設(shè)計，使其合理的滿足裝配條 6 件，并對實際生產(chǎn)過程進行適當?shù)哪M并結(jié)合現(xiàn)場實驗，解決旋轉(zhuǎn)淬火裝置的各個工藝問題，最后根據(jù)實際情況進行優(yōu)化。 具體的步驟如下： 1. 通過 Auto CAD 繪制出各零部件的平面圖，整體裝配的三視圖。 2. 繪制各部件零件的二維視圖，其中兩軸承座間的間距可調(diào)以及兩導軌的間距也可調(diào)動，滿足使用于在一定尺寸范圍內(nèi)不同尺寸 大小的軋輥淬火。 3. 通過水箱的側(cè)邊鐵板來適時的控制水箱里液面的深度，合理的調(diào)節(jié)軋輥浸入的尺寸，更好的完成淬火過程。 4. 由于軋輥的重量，使得在生產(chǎn)過程中，對軸承和拖輪以及定位螺栓所施加的力很大，使得對軸承，拖輪和螺栓要求的性能很高，可承受載荷要大。 5. 對加工性零件實行可行性分析以及理論值的計算。 6. 對軸承的壽命進行理論評估，使得在滿足一定壽命的基礎(chǔ)上正常運轉(zhuǎn)。 7. 對整個裝置進行可操作性分析，給出可改良的建議。 第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計與校核 2.1 底板、橫向?qū)О?、定位板、軸承座、帶輪 材料： 灰鑄鐵 HT150 強度極限 b=145MPa 灰鑄鐵的性能 : 、優(yōu)良的鑄造性能 由于友鑄鐵的化學成分接近共晶點，所以鐵水流動性好，可以鑄造非常復雜的零件。另外，由于石墨比容較大，使鑄件凝固時的收縮量減少，可簡化工藝，減輕鑄件的應力并可得到致密的組織。 2、優(yōu)良的耐磨性和消震性 石墨本身具有潤滑作用，石墨掉落后的空洞能吸附和儲存潤滑油，使鑄件有良好的耐磨性。此外，由于鑄件中帶有硬度很高的磷共晶，又能使抗磨能力進一步提高，石墨可以阻止后動的傳播，灰鑄鐵的消夸大能力是鋼的 10 倍，常用來制作承受振動 的機床底座。 7 3、較低的缺口敏感性和良好的切削加工性能 灰鑄鐵中由于石墨的存在，相當于存在很多小的缺口時表面的缺陷、缺口等幾乎沒有敏感性，因此，表面的缺陷對鑄鐵的疲勞強度影響較小 ，但其疲勞強度比鋼要低。由于發(fā)鑄鐵中的石墨可以起斷屑作用和對刀具的潤滑起減障作用，所以其可切削加工性是優(yōu)良的。 4、灰鑄鐵的機械性能 友鑄鐵的抗拉強度、塑性、韌性及彈性模量都低于碳素銹鋼，如表所示。灰鑄鐵的抗壓強度和硬度主要取決于基體組織?；诣T鐵的抗壓強度一般比抗拉強度高出三四倍 ，這是灰鑄鐵的一種特性。因此，與其把灰 鑄鐵用作抗拉零件還不如做耐壓零件更適合。這就是廣泛用作機床床身和支柱受耐壓零件的原因。 其鑄造性能好，工藝簡單，鑄造應力小，不用人工時效處理，有一定的機械強度和良好的減振性能。用于對強度無要求的零件 承受中等彎曲應力，摩擦面間壓強高于 500kPa的鑄件，如多數(shù)機床的底座，有相對運動和磨損的零件。如溜板、工作臺等，汽車中的變速箱、排氣管、進氣管等。拖拉機中的配氣輪室蓋、液壓泵進、出油管，鼓風機底座，后蓋板，高爐冷卻壁，熱風爐篦，流渣槽，渣缸，煉焦爐保護板，軋鋼機托輥，夾板，加熱爐蓋，冷卻頭，內(nèi)燃機車水泵殼，止回 閥體，閥蓋，吊車閥輪，泵體，電機軸承蓋，汽輪機操縱座外殼，緩沖器外殼。 2.2 托輪 材料： 耐熱鋼鑄件 5Ni35Cr36 耐熱鋼鑄件與軋輥材料表面的干摩擦系數(shù)為 0.10-0.15。 軋輥在淬火時，軸頸溫度很高，因此需要采用耐熱鋼鑄件支撐。 特性及應用： 屈服應力 0.2 235；最高適用溫度 1150 ；抗氧化及抗?jié)B碳性良好，高溫強度高，用于乙烯裂解 管、 輻射管，彎管，接頭，管支架， 爐輥以及熱處理用夾具等。 8 2.3 軸 材料： 合金結(jié)構(gòu)鋼 40CrNi 材料狀態(tài) ： 熱處理或不熱處理 強度極限 b 980MPa 屈服應力 s 785 MPa 特性及應用 ： 屬高強度，高韌性的中碳合金調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼，具有高淬透性，臨界淬透直徑；油界中約為 10-52mm，水中約為 23-82mm；有回火脆性傾向，水淬易開裂，熱切加工時對白點敏感性較高 ， 良好的綜合機械性能，良好的低溫沖擊韌性，回火脆性傾向小。 故鍛后應緩冷，主要在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下使用，用途；適用于制造截面尺寸較大的熱鍛和熱沖壓的零件，如軸，齒輪，連桿，曲軸，圓盤等。 2.4 電機的 選擇 按最大尺寸軋輥計算 材料密度 =8.0g/cm3 =8.0*103 kg/m3 質(zhì)量 M= *V體積=8.0*103 *pi*(0.65/2)2 *3=7760kg 重力 G= 7760*9.8=78008N 托輪 /軋輥夾角 110 托輪法向支持力 34214 N 耐熱鋼鑄件與軋輥材料表面的干摩擦系數(shù)為 0.10-0.15，計算時取 0.13 驅(qū)動功率 P =f*v=34214N*0.13*(450/2)mm*300r/min=31kw 通過 摩擦輪傳動 ，其 工作環(huán)境平穩(wěn) ，我們?nèi)?工況系數(shù) Ka為 1.05。 選用 軸承 的 傳動效率為 0.99 輸入軸上的最大功率 Pmax=31*1.05/0.99=32.22kw 9 采用 帶 傳動 裝置，其載荷變動 小 ，另外可以 重載啟動 。 假使 每天工作時間 10小時 ，則取 工況系數(shù) Ka為 1.3。 計算功率 Pca=31*1.3*1.05/0.99/0.99=43.2kw 由上述條件我們選擇 額定功率 為 45kw， 同步轉(zhuǎn)速 1500r/min， 型號 為 的電動機。 另外為滿足要求，我們采用變頻裝置對電動機轉(zhuǎn)速進行調(diào)速： 由于 大帶輪轉(zhuǎn)速 在 50-300r/min之間 ， 則 電 動 機 的 轉(zhuǎn)速應在 150-900r/min 之間。由設(shè)定的傳動比 i=3 可以知道， 電 動 機的轉(zhuǎn)速 應該 是托輪的 3倍。 通過 采用變頻裝置將電 動 機的轉(zhuǎn)速 調(diào)到 150-900r/min就可滿足托輪的轉(zhuǎn)動需要。 2.5 帶輪的設(shè)計計算 2.5.1 第一方案 1.確定計算功率caPcaP=KA *P=31*1.3=40.3kw 2.選取 v帶帶型 根據(jù)caP、 n1的值圖 8-98 我們 選用 c 型帶帶型。 3.確定帶輪基準直徑 由表 8-38 、表 8-78 取 主動輪基準直徑 d1d=200mm 則根據(jù)式 8-158 ， 從動輪基準直徑 d2dd2d=i* d1d=600mm（ i=3） 根據(jù)式 8-78 ， 取 d2d=630mm。 10 根據(jù)式子 8-138 驗算帶 的 速 度 V V= smsmnd d /35/42.9100060 90020014.3100060 11 帶的速度合適。 4.確定普 V帶的基準長度和傳動中心距 根據(jù) 0.7（ d1d+ d2d） a0 2（ d1d+ d2d） 初步確定中心距 a0=1000mm 根據(jù)式 8-208 計算帶所需的基準長度 dL=10004)200630()630200(2100024)()(2220212210 adddda dddd=3349mm 根據(jù)要求由表 8-28 選帶的基準長度dL=3200mm 根據(jù)式子 8-218 計算實際中心距 a a=a0+（dL-dL） /2=1000+(3200-3349)/2=926mm 5.驗算主動輪上的包角 1 1 =180 - a dd dd 12 57.5 =153.3 120 主動輪上包角合適。 6.計算普 V帶的根數(shù) z 由式子 8-228 知 Z=Laca KKPP P )(00 11 根據(jù) n1=900r/min、 d1d=200mm、 i=3， 查表 8-5c8 和表 8-5d8 我們可以得到 P04.66kw P00.83kw 查表 8-88 得 Ka=0.92 查表 8-28 得 KL =0.97， 則 ： Z=Laca KKPP P )(00 =92.097.0)83.066.4( 3.40 = 8.2 根據(jù)要求 取 Z為 9，故帶輪的皮帶有 9 根。 7.計算預緊力 F0由表 8-48 查得 q=0.37kg/m F0= NvqKzv Paca 45442.937.0)192.0 5.2(942.9 3.27500)15.2(500 22 1. 計算作用在軸上的壓軸力 由式 8-248 得 F NFzP 78.53002 5.153s i n454922s i n2 10 2.5.1 第二方案 1.確定計算功率caP=KA *P=31*1.3=40.3kw 2.選取 V帶帶型 根據(jù)caP、 n1的值由圖 8-98 我們 選用窄 V帶 SPB帶型。 12 3.確定帶輪基準直徑 由表 8-38 、表 8-78 取 主動輪基準直徑 d1d=140mm 根據(jù)式 8-158 ，則 從動輪基準直徑 d2dd2d=i* d1d=420mm ( i=3) 根據(jù)式 8-78 ，我們 取 d2d=425mm。 按式 8-138 驗算帶 的 速 度 V V= smsmnd d /35/59.6100060 90014014.3100060 11 帶的速度合適 4.確定普 V帶的基準長度和傳動中心距 根據(jù) 0.7（ d1d+ d2d） a0 2（ d1d+ d2d） 初步確定中心距 a0=700mm 根據(jù)式子 8-208 計算帶所需的基準長度dLdL=7004)140425()425140(270024)()(2220212210 adddda dddd=2287mm 由表 8-28 ，我們 選 擇 帶的基準長度dL=2240mm 按照式子 8-218 計算實際中心距 a a=a0+（dL-dL） /2=700+(2240-2287)/2=677mm 5.驗算主動輪上的包角 1 13 1 =180 - a dd dd 12 57.5 =132 120 主動輪上包角合適。 6.計算普 V帶的根數(shù) z 由式 8-228 知 Z=Laca KKPP P )(00 由 n1=900r/min、 d1d=140mm、 i=3， 查表 8-5c8 和表 8-5d8 我們可以得到 P08.83kw P00.78kw 查表 8-88 得 Ka=0.86 查表 8-28 得 KL =0.92， 則 ： Z=Laca KKPP P )(00 =92.086.0)78.083.8( 3.40 =5.3 根據(jù)要求 取 Z 為 6，故帶輪上的皮帶數(shù)為 6根 。 7.計算預緊力 F 由表 8-48 查得 q=0.20kg/m F0= NvqKzv Paca 6.99559.620.0)186.0 5.2(459.6 3.40500)15.2(500 22 8.計算作用在軸上的壓軸力 14 由式 8-248 得 F NFzP 2.72762132s i n6.995422s i n2 10 F 綜合上述兩種帶型的計算分析，以及在相同條件下，結(jié)合實際從 V 帶的數(shù)目和 V 帶的預緊力，作用在軸上的壓軸力等方面上來看，我們選擇 SPB 型窄 V 帶作為我們的 V 帶帶型。 2.6 托輪接觸強度校核 采用的是齒輪接觸強度計算的設(shè)計思路。 每天工作 5小時，一年工作 300天，使用壽命 3年。 托輪選用的材料為 ZG45Ni35Cr36，驗算托輪的表面接觸強度， 按式 10-218 ， 23 12 HEdt ZuuTKd 變形后，得到 2H 2312 dZuuTK Edt 由表 10-18 查得材料硬度 350HBS 試選 Kt=1.1 由表 10-7選取寬度系數(shù)d=1 因為是摩擦傳動 =2 由表 10-68 查得材料的彈性影響系數(shù) ZE =189.8MPa21 由 10-21c8 查得拖輪 1limH =600MPa 由 10-21c8 查得軋輥 2limH =550MPa 15 由式 10-138 計算應力循環(huán)次數(shù) N1=60*n1*j*hL=60*900*1*（ 8*300*3） = 388800000 N2=1*N1= 388800000 由圖 10-198 查得接觸疲勞壽命系數(shù) K1HN=0.92 K2HN=0.92 計算接觸應力許用應力 取失效概率 1%，安全系數(shù) S=1，由式 （ 10-12） 8 得 1H = S H 1limHN1K =0.92*600=552MPa 2H = S H 2limHN2K =0.92*550=506MPa H =（ 1H + 2H ） /2=（ 552+506） /2=529MPa 2H =282226.56 222981202.221 )8.189()12.2(6685001.12 3 2 故滿足接觸強度的要求。 2.7 軸的 選擇以及 校核 2.7.1 長軸的校核： 軸的材料： 40CrNi 綜合考慮軸向壓力、摩擦力及帶輪對軸的作用力的影響 帶輪連接軸受力分析如下： 將力全部簡化到拖輪的中心（其他三根軸受力分析無帶輪產(chǎn)生的軸向力） 16 采用力的分解計算得 水平面上 F=28026N 垂直面上 F=19624N 水平方向受力 列平衡方程： 28026+F1+F2+3982=0 （ F1為支點） 28026*200=F2*300+3982.4*（ 300+200） 求解得 F1= -44055.4 N F2=12407 N 垂直方向受力 的選 列平衡方程： 19624+F1+F2=0 （ F1為支點） 19624*200=F2*300 17 求解得 F1=-32707N F2=13083N 最大扭矩 T=9500*P/n=9500*31.2/300=988000 N*mm 彎矩圖、扭矩圖如下： 132222 752.31130*1.0)988000*3.0(6842684)( WTMca故安全 2.7.2 短軸的校核： 軸的材料 40CrNi 綜合考慮軸向壓力、摩擦力的影響 將壓力、摩擦力簡化到軸的中線 上 F=28026N 產(chǎn)生的扭矩 T=34502*0.13*150=672789N*mm 18 （ F1為支點） 28026*200=F2*300 求解得 F1= -32707 N F2=13083N 彎矩圖、扭矩圖如下： 132222 7586.27130*1.0)6 7 1 7 8 9*3.0(6 8 4 2 6 8 4)( WTMca故安全 2.7.3 精確校核軸的疲勞強度： 危險截面為軸承中間截面處 抗彎截面系數(shù) W=0.1d3 =0.1*1303 =219700 抗扭截面系數(shù) WT =0.2d3 =0.2*1303 =1.5 19 截面上最大的彎曲應力 b=M/W=6842684/219700=31.1MPa 截面上最大的切應力 T =T/W=665000/439400=1.5MPa 軸的材料為 40CrNi，調(diào)質(zhì)處理 , 由表 15-18 得 則b=900 MPa 1 =430 MPa 1 =260 MPa 截面上由于軸肩而形成的理論應力集中 及按附表 3-28 查取。 故 15.1130150,015.0130 0.2 dDdr ，經(jīng)插值后可查得 30.1, =1.52 又由附圖 3-18 可得軸的材料的敏性系數(shù) q=0.71 q=0.78 得到有效應力集中系數(shù)按式（附 3-4） 8 為： )1(1 qk1+0.71(1.30-1)=2.18 )1(1 qk 1+0.78(1.52-1)=1.40 由附圖 3-28 得尺寸系數(shù) 0.58和由附圖 3-38 得扭轉(zhuǎn)尺寸系數(shù) 0.75 選擇軸按磨削加工，由附圖 3-48 可以得到軸的表面質(zhì)量系數(shù)為 0.92 在選擇軸未經(jīng)表面強化處理，可得到 1q按式（ 3-12） 8 及（ 3-12a） 8 得綜合系數(shù)值為 18.2192.0158.021.111 kK96.1192.0175.040.111 kK又由（ 2313 及 ） 8 得 碳鋼的特性系數(shù) 1.00.2, 取 1.0,1.005.0取 1.0于是，計算安全系數(shù)caS值，按 照式（ 15-6）（ 15-8） 8 得 43.601.01.3118.24301 maKS 3.16825.11.025.196.12601 maKS 20 43.63.16834.6 3.16834.6 2222 SSSSSca由 于 安全系數(shù)許用值 S 為 1.5.故caS S， 滿足其要求， 即可知軸 安全 。 2.8 軸承的選擇以及壽命校核 1.選擇軸承 深溝球軸承 軸承代號 6326(標準 為 GB/T276-1994) 由于連接帶輪的長軸所受到的載荷比其他軸大，故只需要校核這根長軸兩端的軸 承，如果該長軸上的軸承滿足要求，則其他三根軸也同樣滿足要求。 2.求兩軸承的載荷 （ 1） 徑向載荷 F1r 由于選擇的軸承只存在徑向載荷，由上述軸的校核中可以得到軸承的受力載荷。故： F1r = 22 3270744055 54896N F2r = 22 1308712047 17788N （ 2） 求軸承的當量載荷 P Fa=0 Fa/ F1r =0 e 0 所以 Pr = Fr P1 = F1r P2 = F2r 21 顯然軸承 1的載荷很大。 （ 3） 計算軸承的壽命 查得軸承代號為 6326的額定動載荷 C=252000N 每天工作 10小時，一年按 300天計算，使用壽命 2年。 hL=8*300*2=4800h 3631165486925200030060 1060 10 PCnL h5374h 4800h 故所選擇的軸承滿足要求。 2.9 螺栓的 選用和 校核 2.9.1 軸承座上蓋連接螺栓的校核 通過對長軸和短軸上的螺栓強度對比，很顯然長軸上螺栓受到的載 荷大，因此只需要校核長軸上螺栓的強度，若長軸上的螺栓強度滿足要求，則短軸上也同樣滿足，故只需要校核長軸上螺栓強度即可。 長軸上的零件示意圖： 1 2 22 1. 螺栓受力分析 由上述軸校核受力分析得到： 長軸上的水平方向受力分析圖： F1= -44055.4 N F2=12047 N 長軸上的垂直方向受力分析圖： F1=-32707N F2=13083N 由受力分析可見， 1處的 螺栓主要 承受的水平方向的載荷，要靠摩擦力來保證軸承座的上蓋不滑動，而 2處的 螺栓 既要克服軸對螺栓垂直向上的載荷的作用，還要克服軸對軸承座的上蓋水平方向所施加的載荷的作用。 2校核 1處 螺栓 強度 所受橫向載荷 F=44055.4/2= 11013.85N 螺栓 個數(shù) Z=4 安全系數(shù) KS=1.2 由表 5-68 查得接合面間的摩擦系數(shù) f=0.16 由公式 FKfFZS 0有 85.1 1 0 1 32.116.040 F得 206510 F 23 選擇螺栓材料為 Q235、性能等級為 4.6 的螺栓，由表 5-88 查得材料屈服強度極限S=240MPa，由表 5-108 查得安全系數(shù) S=1.5，故螺栓材料的許用應力 ss =160MPa 根據(jù)式 5-208 驗算 螺栓 的最小直徑 01 3.14 Fd 160206513.14 14.62mm 所選 螺栓 為 M18，小徑為 15.3mm，滿足要求。 3.校核螺栓所受的預緊力是否合適 參考式 5-28 ，對碳素鋼螺栓，要求 10 7.06.0 AF S已知S=240MPa， 222211 1 8 3 . 8 5 m mmm3.154d4 A，取預緊力下限即 0.61AS= 0.6 240 183.85 = 26475N 要求的預緊力 20651N0 F，小于上值，故滿足要求。 4校核 2處 螺栓 強度 所受橫向載荷 F=12047/4= 3011.75N 螺栓 個數(shù) Z=4 安全系數(shù) KS=1.2 由表 5-68 查得接合面間的摩擦系數(shù) f=0.16 由公式 FKfFZS 1有 75.30112.116.04 1 F 得 N5647.031251 F 而 螺栓 承受的工作載荷 F=13083N 螺釘承受的總載荷 2F =1F +F=5647.03125+13083=18730.03125N 選擇螺栓材料為 Q235、性能等級 為 4.6 的螺栓，由表 5-88 查得材料屈服強度極限S=240MPa，由表 5-108 查得安全系數(shù) S=1.5，故螺栓材料的許用應力 ss =160MPa 根據(jù)式 5-208 驗算 螺栓 的最小直徑 24 21 3.14 Fd 1 6 0 51 8 7 3 0 .0 3 1 23.14 13.9mm 所選 螺栓 為 M18，小徑為 15.3mm，滿足要求。 5.校核螺栓所受的預緊力是否合適 參考式 5-28 ，對碳素鋼螺栓，要求 10 7.06.0 AF S已知S=240MPa， 222211 1 8 3 . 8 5 m mmm3.154d4 A取預緊力下限即 0.61AS=0.6 85.183240 26475N 要求的預緊力 2F =18730.03125N，小于上值，故滿足要求。 2.9.2 軸承座連接橫向?qū)О?T 螺栓的校核： 由前面的受力分析可看出：垂直方向受力， 1、 2 被放松， 3、 4 被拉緊。水平方向受力會使軸承座產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，要靠摩擦力來平衡。 1、 2 螺栓要求聯(lián)接結(jié)合面的擠壓應力不超過許用值且不產(chǎn)生滑移； 3、 4 螺栓要求不產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)和滑移。其中 1處的壓力最大， 3處拉力最大。 1. 螺栓的受力分析 1處會產(chǎn)生最大的接合面擠壓應力， 3處所受拉力最大。因此校核這兩個地方的螺栓強 度即可。 按水平方向受力計算 將力簡化到軸承座中心 總的平面內(nèi)的扭轉(zhuǎn) 力矩為 T= 28026*（ 200+300/2） -3982.4*(200+300/2) =9809100 -1393840=8415260N*mm 25 由表 5-68 查得聯(lián)接接合面摩擦系數(shù) f=0.16 取安全系數(shù) SK=1.2 按式 5-258 確定 各個螺栓抗扭轉(zhuǎn)所需的預緊力 )1.2424(16.08 4 1 5 2 6 02.1101 ziiSrfTKF 65174N 各個螺栓抗滑移所需的預緊力 30008N816.0 3 2 0 0 8 . 42.1)4.398228026(02 fZKF S 所需總的預緊力 F0= F01+F02= 95182N 按豎直方向受力計算 1、 2處受到減載作用， 3、 4處受到加載作用 將力簡化到軸承座中心 總的平面內(nèi)的翻轉(zhuǎn)力矩為 M=19624*（ 200+300/2） =6868400 N*mm 按式 5-318 確定 )150150(21506 8 6 8 4 0 02212m axm ax ziiLMLF 11447.3N 螺栓 3、 4處受到的工作載荷 Fa=13083/4=3270.75N 螺栓 3、 4處受到的軸向載荷 Fa=11447.3+3270.75=14718.05N 螺栓 3受到的軸向載荷 F=F0+ Fa=95182N+14718.05N= 109900.05N 螺栓 1處接 合面受到的總壓力為 F1=32707N 2. 校核螺栓 3的強度 螺栓 3受到的軸向載荷 F=F0+ Fa=95182N+14718.05N= 109900.05N 選擇螺栓材料為 Q235、性能等級為 4.6 的螺栓，由表 5-88 查得材料屈服強度極限S=240MPa，由表 5-108 查得安全系數(shù) S=1.5，故螺栓材料的許用應力 26 ss =160MPa 根據(jù)式 5-208 驗算 螺栓 的最小直徑 21 3.14 Fd 1601 0 9 9 0 0 .0 53.14 33.72mm 按細牙普通螺紋標準，選用 M36，螺距 3mm，小徑為 34.051mm，滿足要求。 3. 校核螺栓所受的預緊力是否合適 參考式 5-28 ，對碳素鋼螺栓，要 求 10 7.06.0 AF S已知S=240MPa， 222211 9 1 0 . 6 5 m mmm051.344d4 A，取預緊力下限即 0.61AS=0.6 65.910240 131133.04N 要求的預緊力 2F =109900.5N，小于上值，故滿足要求。 4. 校核螺栓組聯(lián)接接合面的工作能力 取mbbCC C=0.2，則，mbmCCC=0.8 1） .連接接合面下端的擠壓應力不超過許用值，以防止接合面壓碎。參考式5-368 ，有WMFCCCzFA hmb mp 0m a x1 = 33 154524512506 8 6 8 4 0 01 9 6 2 40 . 8-9 5 1 8 2 42502 15451 N/cm2 = 2.44MPa 由表 5-78 查得 p=0.5 B =0.5*250=125MPa 2.44 MPa，故聯(lián)接接合面下端不致被壓碎。 由于軸承座與橫向?qū)О宓倪B接螺栓可以抵抗翻轉(zhuǎn)力的影響，而橫向?qū)О迮c底板螺栓的個數(shù)較多，則橫向?qū)О迮c底板螺栓可以抵抗翻轉(zhuǎn)力矩的影響。 27 2.10 鍵的選擇和校核 由于軸上所選擇的鍵均是同尺寸的，另外軸上所受到的轉(zhuǎn)矩都相同，因此，只需校核一個最小軸上的鍵的強度即可。 1.選擇鍵聯(lián)結(jié)的類型和尺寸。 選用 圓頭普通平鍵（ A型）。 根據(jù) d=120mm從表 6-18 中查得鍵的截面尺寸為：寬度 b=32mm,高度 h=18mm。由輪轂寬度并參考鍵的長度系列，取鍵長 L=150 mm（比輪轂寬度小些）。 2校核鍵聯(lián)接的強度 選擇鍵的材料為 45號鋼 由表 6-28 查得許用擠壓應力 p=100 120MPa。 即鍵的工作長度 l=L-b=150-18=132mm 鍵與輪轂鍵槽的接觸高度 k=0.5h=0.5 18mm=9mm。 由式（ 6-1） 8 得： M P aM P aM P ak ldT pp 1201051201189 1066722102 33 可見鍵的強度足夠。 第三章 使用說明 3.1 旋轉(zhuǎn)淬火裝置轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié) 采用變頻裝置調(diào)速。 大帶輪轉(zhuǎn)速 50-300r/min，電機轉(zhuǎn)速應在 100-900r/min。采用變頻裝置將電機的速度調(diào)到 100-900r/min就可滿足托輪需要的轉(zhuǎn)速，電機的轉(zhuǎn)速是托輪的 3倍。傳動比 i=3。 由于速度的可調(diào)性，整個淬火過程進行比較平 穩(wěn)，在各個方面都確保了淬火過程的自動化和淬火 質(zhì)量的優(yōu)良 性，能夠使得整個旋轉(zhuǎn)淬火裝置的運行安全可靠 。 28 3.2 水位的調(diào)節(jié) 軋輥 在 旋轉(zhuǎn)淬火時， 和水箱里面的液面的高度有很直接的聯(lián)系，水位的調(diào)節(jié)直接影響到軋輥的淬火質(zhì)量。 此方案通過調(diào)整水位板的高度來控制水位，可以很方便、快速、準確的調(diào)節(jié)水位。 3.3 托輪中心寬度調(diào)節(jié) 托輪 中心與軋輥軸頸中心的夾角要保證在 100 120，取夾角為 110，托輪直徑為 450，設(shè)軋輥中心距離為 L，軋輥的軸頸為 d,由余弦定理列得方程為： 110c o s)24502()24502(2)24502()24502( 222 ddddL 3.4 軋輥的 尺寸調(diào)節(jié) 旋轉(zhuǎn)淬火裝置克服了現(xiàn)有軸承座 間距固定、無法調(diào)節(jié)的缺陷，提供一種可調(diào)間距的 軋輥淬火旋轉(zhuǎn)軸承座。 與 該軋輥淬火旋轉(zhuǎn)軸承座 固定聯(lián)接的的橫向?qū)О?，預設(shè)若干組螺 栓孔， 底座上留有 T形槽，橫向?qū)О迮c底座采用 T螺栓聯(lián)接。輪盤架與 采用螺栓 與橫向?qū)О?連接固定，可以在底座上來回滑動，因此可適應不同規(guī)格軋輥 淬火的需要 12 。 29 參考文獻 【 1】 伍仲華 .淺析我國冷軋 (寬 )板帶的發(fā)展空間 M.重型機械科技 , 2004,(3),52-54 【 2】 王天義 ,曹建芳 ,饒建華 .軋輥材料及其熱處理工藝發(fā)展的現(xiàn)狀于趨勢 M. 南方金屬 ,2005,(142),4-6 【 3】 楊雪春 .冷軋工作輥雙頻感應淬火工藝研究 M.湖北汽車工業(yè)學報 , 2006.12,20(4),37-40 【 4】 成大先 .機械設(shè)計手冊（第四版） M.北京 :化學工業(yè)出版社 ,2002,25-28 【 5】 徐維良 ,蔡淑芳 ,劉黎南等 .車輪旋轉(zhuǎn)淬火工藝方法及裝置 P.中國 , 200510046165.3,2006.12.13 【 6】 楊平生 .冷軋輥臥式噴水淬火冷卻裝置 P.中國 ,00108411.9,2001.11.14 【 7】 楊平生 . 冷軋輥淬火硬化工藝及裝置 P.中國 ,97117280.3,1999.3.24 【 8】 濮良貴，紀名剛 .機械設(shè)計（第七版） M.高等教育出版社 ,2001.3 【 9】 伍仲華 .淺析我國冷軋 (寬 )板帶的發(fā)展空間 M.重型械 .2004,(3),52-54 【 10】 成大先 .機械設(shè)計手冊（第四版） M.北京 ,化學工業(yè)出版社 ,2002,25-28 【 11】 楊平生 .冷軋輥臥式噴水淬火冷卻裝置 P.中國 ,00108411.9,2001.11.14 【 12】 楊平 生 .冷軋輥淬火硬化工藝及裝置 P.中國 ,97117280.3,1999.3.24 【 13】 符寒光高速鋼軋輥研究的現(xiàn)狀及展望鋼鐵， 2000， (5) 【 14】 崔占全一種新型鍛鋼冷軋工作輥材料鋼鐵， 2000， (6) 【 15】 A F M Arif Roll deformation and stress distribution under-thermo-mechanical Loading in cold rolling J Journal of Materials Technology， 147(2004)： 255 267 【 16】 Der-From Chang， Thermal stresses in work rolls during the rolling 0f metal stripJ Journal of Materials Pr0cessiIlg Technology 94(1999)： 45 51 【 17】 Grafts W ， Lamont J L Effect of Some Elements on Harden- abilityJ Trans AIME， 1944， 58； 157 【 18】 Price R I and Gisbome H T Application of Spry to High Quality Strip Mill Rolls Steel Rolling， 1998， Chiba。 ISU： 429 【 19】 Yo