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題 目：380碎斷剪設計
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51
摘 要
線材生產(chǎn)中的飛剪機是用來切頭、切尾、以及當出現(xiàn)事故時切取定尺的。飛剪機有許多類型，論文中的380雙滾筒式碎斷剪，是應用在高速線材生產(chǎn)中的一中。它采用單機驅(qū)動，通過齒輪和聯(lián)軸器，帶動傳動軸，然后由輸出軸上的剪刃切斷軋件。本文做了以下工作：1.選擇和確定了傳動方案。2.選擇并校核了電動機。3.設計了傳動軸和齒輪，并校核了它們的強度。4.選擇了與之配套的潤滑系統(tǒng)和維修制度。
關鍵字：圓盤飛剪、單電動機傳動、開式機架、最大剪切力、彎扭合成應力。
Abstract
Flying shear is used to cut head and end and design length as well as accident on wire rod producing. Flying shear has many kinds types. The 380 breaking shear designed in this paper is one of them. It adapts one electrical machine to drive.The electrical machine passes though gear and clutch, to drive the shafts and cut down the wire rod. The following work has been completed in this paper. One. Selecting and defining design scheme. Two. selecting and checking electrical machine. Three. Designing and checking principal shafts and gears. Four. Selecting suitable lubricate system and maintain scheme.
Key words: disk fly shear, single electromotor transmission, opening type machine rack, most cut power, crankle compound stress.
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第一章 引 言 3
1.1 線材的概論 1
1.1.1 線材中碎斷剪的工作原理 1
1.1.2 線材的概念及用途 1
1.1.3 線材軋機的工藝特點 4
1.1.4 線材軋機的發(fā)展前景 5
1.2 飛剪機的概況 6
1.2.1線材生產(chǎn)中飛剪機的作用特點 6
1.2.2飛剪機的類型 7
1.2.3飛剪機發(fā)展狀況…………………………………………………………….....9
第二章 主要零部件設計 9
2.1 結(jié)構(gòu)設計 9
2.2 剪切力、剪切力矩的計算 12
2.3 主電機的計算以及類型選擇 15
2.4 主要零件的設計、選擇及校核 16
2.4.1 轉(zhuǎn)速與扭距的計算 16
2.4.2 齒輪的設計 17
2.4.3 軸的設計 23
2.4.4 軸承及鍵的選擇與校核…………………………………………………….40
2.4.5 連軸器的選用與校核 43
2.4.6 刀架的設計及校核 43
2.4.7 電動機的校核 47
2.5 碎斷剪的潤滑與維修 49
2.5.1 碎斷剪的潤滑 49
2.5.2 碎斷剪的維修 50
結(jié)束語 51
參考文獻 52
第一章 引 言
1.1線材的概論
1.1.1 線材中碎斷剪的工作原理
線材生產(chǎn)中的碎斷剪工作于回轉(zhuǎn)剪之后，與轉(zhuǎn)轍器協(xié)調(diào)工作，具體工作原理如下：其中轉(zhuǎn)轍器的作用是將軋件轉(zhuǎn)送給精軋機或撥至碎斷剪。起位于回轉(zhuǎn)剪之后。
轉(zhuǎn)轍器結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)轍器支架和機座為焊接結(jié)構(gòu)，鉸接的轉(zhuǎn)轍器本體為球墨鑄鐵。轉(zhuǎn)轍器由汽缸驅(qū)動，其原理圖如下：
動作過程：當軋件被切頭時，轉(zhuǎn)轍器汽缸活塞位于一位，通道A對向精軋機，切頭落入C，同時把軋件抬高35mm，通過了轉(zhuǎn)轍器A位導入精軋機。當軋件被咬入精軋機之后，轉(zhuǎn)轍器汽缸活塞運動到2位，通道B對向碎斷剪。如果精軋機以后某段出事故，就可以立即啟動碎斷剪（轉(zhuǎn)轍器不動），分隔軋件，后續(xù)軋件經(jīng)通道B導向碎斷剪。同時，當軋件進入碎斷剪后，轉(zhuǎn)轍器活塞又返回1位對向精軋機。如果事故在很短時間內(nèi)完成，啟動剪機分隔軋件后，剩余的軋件可繼續(xù)經(jīng)A通道導入精軋機。
1.1.2 線材的概念及用途
線材按其斷面形狀屬型鋼，實際上已成獨立鋼類。直6徑5-4mm的熱軋圓鋼和10mm以下的螺紋鋼，通稱線材。線材大多用卷材機卷成盤卷供應，故又稱為盤條或盤圓。
線材是用量很大的鋼材品種之一。軋制后可直接用于鋼筋凝土的配筋和焊接結(jié)構(gòu)件，也可經(jīng)再加工使用。例如，經(jīng)拉拔成各種規(guī)格鋼絲，再捻制成鋼絲繩、編織成鋼絲網(wǎng)和纏繞成型及熱處理成彈簧；經(jīng)熱、冷鍛打成鉚釘和冷鍛及滾壓成螺栓、螺釘?shù)?；?jīng)切削成熱處理制成機械零件或工具等。
線材一般用普通碳素鋼和優(yōu)質(zhì)碳素鋼制成。按照鋼材分配目錄和用途不同，線材包括普通低碳鋼熱軋圓盤條、優(yōu)質(zhì)碳素鋼盤條、碳素焊條盤條、調(diào)質(zhì)螺紋盤條、制鋼絲繩用盤條、琴鋼絲用盤條以及不銹鋼盤條等。
線材的用途很廣，在國民經(jīng)濟的各個部門中線材占有重要的地位。有的線材軋機以后可以直接使用，主要用做鋼筋混凝土的配筋和焊接結(jié)構(gòu)作用；有的則作為再加工原料，經(jīng)過再加工后使用。例如，經(jīng)過拉拔成為各種鋼絲，再經(jīng)捻制而成為鋼繩，或編制成鋼絲網(wǎng)；經(jīng)過熱鍛或冷鍛成鉚釘；經(jīng)過冷鍛及滾壓成螺栓；以及經(jīng)過各種切削加工及熱處理制成機器零件或工具；經(jīng)過纏繞成型及熱處理成彈簧；等等。
線材的應用范圍不僅相當廣泛，而且用量也很大。根據(jù)有關資料統(tǒng)計，各國線材產(chǎn)量占全部熱軋材總量的5.3~15.3%。
線材雖然是型鋼中尺寸最小的圓鋼，但是由于線材的尺寸精度和機械性能要求高，軋件速度又非?？?，它的生產(chǎn)工藝和設備相對于普通圓鋼要復雜的多。
從生產(chǎn)工藝來講，合乎尺寸精度要求的線材，不是輕易就能軋出來的。其原因是線材比圓鋼細而長，表面積大，溫降非常快，在軋制到最后幾道次的的時候，能保持軋件在熱加工溫度范圍的時間非常短，這就容易造成由于溫度急劇下降而超出了允許的軋制溫度下限，使整根線材成為廢品。此外，雖然鋼坯在加熱時個部分溫度基本是均勻一致的，但由于個部分從出爐到軋制所經(jīng)歷的時間不同，在軋制過程中溫度的大小也就不同，從而造成個部分的溫度差異。據(jù)測定在普通橫列式軋機上，最后道次線材頭尾溫差可達200以上，線材各部分溫度的差異，導致了線材各部分在軋制時的變形情況不同和卻到常溫時的收縮量不同，而形成的各部分斷面不同，這不斷會造成線材沿長度方向上的端面尺寸的不均勻性，而且往往導致線材前半部分尺寸合乎精度要求而后半部分超出允許公差范圍，或中部合乎尺寸要求而頭尾超出允許的尺寸公差。所有這些都給調(diào)整和操作造成困難，并對調(diào)整和操作提出了較高的要求。這種工藝特點在其他熱軋型鋼生產(chǎn)中不這樣明顯。
另外，要保證線材達到所要求的金相組織和性能以及沿全尺組織性能均勻一致也是不容易的。線材軋制工程中各部分的溫度差異，以及卷曲成盤卷后冷卻過程中個部分的差異，都會使線材沿全尺的金相組織和性能不均勻，這就造成了線材生產(chǎn)工藝的復雜性。
1.1.3 線材軋機的工藝特點
為了研究線材生產(chǎn)過程和各類線材軋機的特點，有必要從線材軋機的工藝特點講起。
橫列式線材軋機是最古老的一種線材軋機。開始時是單列，數(shù)架軋機橫向單列由一個電動機傳動。后來又發(fā)展成多列，每列又一個電動機傳動，同一機列各架轉(zhuǎn)數(shù)相同，各機架間用人工或圍盤送鋼進行活套軋制。因此，限制了速度的提高，活套不能調(diào)節(jié)，造成了活套周期長，溫降嚴重，盤重小，成品精度和性能差，成產(chǎn)率低。目前，這種軋制成品速度一般為8米每秒，盤重不超過100公斤。
下圖是線材生產(chǎn)的工藝流程圖：
連續(xù)式線材軋機是指軋件同時在幾架（機組）或在全部軋機上軋制，，金屬秒流量相等，即=常數(shù)，實現(xiàn)了連軋關系的線材軋機。
它與橫列式線材軋機相比較有倆個特點，其一是避免了不能調(diào)節(jié)的活套，實現(xiàn)了連軋關系，從根本上解決了長活套軋制時大量散熱的問題在有些精軋機上，不但溫度降低，反而由于變化功轉(zhuǎn)化的熱量，使軋件溫度升高。中軋機組軋件溫度升高，是由于軋件變形熱大于軋件散失的熱量。精軋機由于軋件端面較小，散熱較大，故倆者基本平衡。在高速線材的精軋機組上，由于軋件變形熱較大，故軋制溫度略有升高，隨著軋制速度的不同，升高幅度也不同。第二個特點是設置布置十分緊湊，在使用長鋼坯（一般在9~2米左右）時將出現(xiàn)軋件前端已進入卷線機而軋件尾部爐內(nèi)的情況。這就保證了軋件在軋制過程中各道次的軋制溫度保持近于相等。在連續(xù)式線材軋機上線材終軋溫度均在Ac以上，而線材頭，尾溫度差很小可忽略不計。由此可見，軋件在連軋過程中，軋制溫度基本不變并保持秒流量相等，這就是連續(xù)式線材軋機的工藝特點。
1.1.4 線材軋機的發(fā)展前景
我國已經(jīng)是世界線材生產(chǎn)大國,擁有數(shù)量最多的高技術線材軋機,但產(chǎn)品品種和質(zhì)量仍然落后。21世紀的發(fā)展之路,是跟蹤世界先進技術的發(fā)展,發(fā)揮現(xiàn)有軋機的技術優(yōu)勢,滿足金屬制品的需要。調(diào)整軋機布局,向西部傾斜。提高國產(chǎn)高線軋機的技術水平,使之在改造大量落后軋機的結(jié)構(gòu)調(diào)整中,發(fā)揮主力軍的作用。毫無疑問，提高軋制速度，增大盤重和加大鋼坯斷面的趨勢必將繼續(xù)下去。但有些問題也必須得到解決，首先是解決精軋機組后的導向裝置，飛剪，分線裝置，成圈器以及冷卻輸送，線卷收集和成品輸送等裝置的研制和開發(fā)問題。
線材生產(chǎn)過程中實現(xiàn)了計算機全盤控制和管理也是線材生產(chǎn)的發(fā)展方向?，F(xiàn)代化的線材生產(chǎn)應逐步實現(xiàn)全在線電子計算機控制和管理，從原料堆放，入爐至成品鋼入庫，發(fā)貨為止，實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，以進一步提高勞動效率，降低勞動強度。要實現(xiàn)線材軋機的尺寸自動控制和最小張力控制，以提高線材質(zhì)量。為此，必須有可靠的自動檢測儀表和嚴格的生產(chǎn)技術管理基礎。
由此，我們可以勾畫出線材生產(chǎn)線的前景：首先，連鑄坯源源不斷地由煉鋼車間連鑄機送出來，經(jīng)過在線連續(xù)探傷儀檢驗鋼坯缺陷，用在線火焰清理機進行表面火焰清理，并自動分選鋼坯，進入中間保溫爐；鋼坯在大壓下軋機上一次軋成線材軋機所需要的小鋼坯；此后，在送入帶自動控制尺寸和最小張力控制的單線無扭高速線材軋機，線材尺寸公差可達到毫米；線材以100米每秒以上的速度離開精軋機組，經(jīng)過自動控制水量的間歇水冷套管預冷后在高速飛剪上切頭；然后進入圈器，經(jīng)過有效的散拳控制冷卻處理后集成3噸以上重的盤卷；再經(jīng)高效率的運輸機轉(zhuǎn)至自動檢驗站和自動打捆機，進行打捆，包裝和掛標簽，過磅，最后再運往自動倉庫，整個生產(chǎn)過程都由電子計算機控制和管理，并通過彩色電視并在各個中心控制站顯示。
1.2 飛剪機的概況
1.2.1線材生產(chǎn)中飛剪機的作用特點
線材車間的剪切設備用于軋件的切頭，切尾和事故處理。依剪切設備的設置部位和用途計有切頭剪、事故剪和精軋后的切頭切尾剪。
線材生產(chǎn)中所用的剪切機依其結(jié)構(gòu)和原理可分為飛剪和其它形式的剪切機。由于線材斷面很小，對斷面切斜要求不嚴，不定尺剪切，故所用的飛剪結(jié)構(gòu)簡單。
飛剪的特點主要有以下幾個方面
（1）同步性：即當飛剪剪切軋件的瞬時必須使軋件的運行速度與飛剪剪刃的水平速度相同。
（2）切定尺：根據(jù)用戶的要求，飛剪應能把軋件切成各種長度的定尺。實現(xiàn)各種定尺尺度的機構(gòu)稱為調(diào)長機構(gòu)。飛剪的調(diào)長機構(gòu)根據(jù)調(diào)長的基本方程進行軋件的調(diào)長。對于連續(xù)工作制的飛剪，調(diào)長的基本方程如下：
式中 — 要求剪切的定尺長度（m）
— 軋件的運行速度（m/s）
— 刀片的轉(zhuǎn)速（r/m）
— 空切系數(shù)，即在相鄰倆次剪切時間內(nèi)刀片的所轉(zhuǎn)圈數(shù)，對滾筒式飛剪，其運動軌跡為圓時，則軋件長度可表示為：
式中 —小直徑滾筒的直徑，（mm）
由此可見，為了滿足對飛剪的工藝要求，須裝設勻速機構(gòu)和空切機構(gòu)。不同的飛剪有不同的勻速機構(gòu)，如徑向勻速機構(gòu)，橢圓齒輪勻速機構(gòu)，雙曲柄勻速機構(gòu)等?？涨袡C構(gòu)亦有不同的形式。以上兩種機構(gòu)組成了各種形式的飛剪。
1.2.2飛剪機的類型
（1）滾筒式飛剪機
滾筒式飛剪機是一種應用很廣的飛剪機。它裝設在連軋機組或橫切機組上，用來剪切厚度小于12mm的鋼板或小型型鋼。這種飛剪機作為切頭飛剪機時，其剪切厚度可達45mm。滾筒式飛剪機的刀片作簡單的圓周運動，故可剪切運動速度高達15m/s以上的軋件。
（2）曲柄回轉(zhuǎn)杠桿式飛剪機
用飛剪機剪切厚度較大的板帶或鋼坯時，為了保證剪后軋件斷面的平整，往往采用刀片作平移運動的飛剪機。曲柄回轉(zhuǎn)式（也稱曲柄連桿式）飛剪機就是此類飛剪機的一種。此飛剪機在剪切軋件時刀片垂直于軋件，剪切斷面較為平整。在剪切板帶時，可以采用斜刀刃，以便減少剪切力。
（3）曲柄偏心式飛剪機
這類飛剪機的刀片作平移運動，通過改變偏心軸與雙臂曲柄軸（也可以說是導架）的角度比值，可改變刀片軌跡半徑，以調(diào)整軋件的定尺長度。這類飛剪機裝設在連續(xù)鋼坯軋機之后，用來剪切方鋼坯。
（4）擺式飛剪機
擺式飛剪機是用來剪切厚度小于6.4mm的板帶，刀片在剪切區(qū)作近似與平移的運動，剪切質(zhì)量好。上下刀架與住曲柄連接處的偏心距為e1,偏心位置相差。當住曲柄軸轉(zhuǎn)動時，上下刀架做相對運動，完成剪切運動。由于上下刀架除能上下運動外還可進行擺動，故能剪切運動中的軋件。
（5）曲柄搖桿式飛剪機（施羅曼飛剪機）
這種飛剪機也稱為施羅曼（Schloemann）飛剪機，用來剪切冷軋板帶。由于飛剪機工作時總能量波動較小，故可在大于5m/s的速度下工作。
1.2.3飛剪機發(fā)展狀況
飛剪機的發(fā)展主要以下幾個趨勢：
① 飛剪機的剪切斷面質(zhì)量提高
這要求剪刃在剪切區(qū)域內(nèi)其水平方向的速度與軋件最大限度的保持一致，為達到這一目的，在飛剪機中往往設置了勻速機構(gòu)。另外，有些剪切機還裝有定尺調(diào)長機構(gòu)。這些變化導致了剪切機構(gòu)的復雜，所以飛剪的最大一個發(fā)展趨勢是機構(gòu)越來越復雜、龐大，飛剪機功能也越來越多。
② 飛剪的自動化
隨著機、電、液一體化進程的提高，軋制速度也越來越高，自動化趨勢已經(jīng)成為必然的發(fā)展方向。首先，軋制流水線越來越先進，軋制速度越來越高，是人工操作成為另外軋制水平提高的大障礙。這要求自動化的實現(xiàn)，而自動控制與機電一體為其實現(xiàn)提供了條件。
第二章 主要零部件設計
2.1 結(jié)構(gòu)設計
2.1.1. 設計方案的選擇和確定
由于精軋機的380碎斷剪有倆根軸帶動一對飛剪進行切斷動作，因此這就有倆種傳動方案。一種由單電機驅(qū)動一個滾筒而另一個滾筒由齒輪嚙合傳遞力矩來驅(qū)動。另一種是由倆臺電機分別帶動 上下剪軸輸入力矩，直接帶動上下滾筒旋轉(zhuǎn)剪切。為了確定一最佳傳動方案，將倆種傳動方案各自的優(yōu)缺點加以比較。
（1）單電機傳動方案
由于它帶動滾筒上的齒輪傳動來驅(qū)動另一滾筒，所以主動輪上的齒輪軸所受到的載荷遠遠欠于從動滾筒齒輪周的載荷。這樣主動滾筒軸將更大可能的被破壞。所以這就很容易引申出一個特點或者說是缺點：主動軸易受到破壞而發(fā)生事故，同時，單一電機也承受過大的功率。同時這種方案也有以下優(yōu)點：上下剪的同步性高；結(jié)構(gòu)簡單，成本低；通過斜齒傳動?？梢匝b一套簡易的間隙調(diào)整機構(gòu)。
（2）雙電機傳動方案
這種方案克服了單電機傳動的傳動的倆個缺點。首先，它的倆套傳遞系統(tǒng)平行傳動。每套系統(tǒng)的各個零件受力狀況基本相同，不存在某個零件因受到載荷過大而先遭到破壞的問題；其次，它由雙電機驅(qū)動，每個電機的受載相對較小。
此次所設計的碎斷剪是在軋線上出現(xiàn)問題時進行碎斷的。倆剪刀的同步性要求很高。因此單機驅(qū)動更為適合，至于主動軸的易破壞可以通過加大尺寸更換材料來解決。而大功率電機也比比皆是，因此通過以上考慮單電機驅(qū)動。
2.1.2 傳動裝置的布置形式
采用電機驅(qū)動的飛剪機，電機的布置方位可分為上傳動和側(cè)傳動倆種形式。
上傳動是指電機及減速器都布置在飛剪機的機架上，具有結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小坯料等運輸條件好的優(yōu)點，單獨使用的中小型飛剪機各為上傳動形式。
電機布置在飛剪機的側(cè)面稱為側(cè)傳動，對于大型鋼坯飛剪機因其電機的重量和大，不宜裝在機架的上部，故多采用側(cè)傳動形式。在生產(chǎn)作業(yè)線上的飛剪機，軋件有輥道運輸。工人在作業(yè)線一側(cè)操作，另一側(cè)裝電機，在這種情況下采用側(cè)傳動極具合理性。
綜上所述，設計采用的是單電機傳動，側(cè)傳動的布局形式。
2.1.3 主要零部件的初步設計
由于確定了采用單電機傳動，則需要一根輸入軸一根從動軸，一副相嚙合的大小齒輪。
具體方案如下：
由電動機采用聯(lián)軸器帶動輸入軸，通過齒輪嚙合將運動和力矩傳到從動軸，主動軸與從動軸一同帶動剪刀旋轉(zhuǎn)，達到同步剪切的目的?？紤]到見效軸向力的因素，倆齒均設計為直齒圓柱齒輪。其傳動原理圖如下所示：
1.電動機 2.聯(lián)軸器 3.傳動齒輪 4.上剪軸 5.上剪刃 6.下剪刃 7.下剪軸
2.1.4． 機架的設計
飛剪機的機架形式有閉合式和開式倆種。閉式機架通常作成門型的，位于剪刃的倆側(cè)，具有剛性好，剪刃斷面大的優(yōu)點。但便于檢護安全，卻不利于操作員工觀察剪切情況，不便于設備的維護和事故的處理。一般大型鋼坯飛剪機均采用閉式機架。
開式機架是位于剪刃的一側(cè)，與閉式機架相比，其剛性較差，剪切斷面小，但便于檢修，維護和事故的處理。在保證必要的剛性條件下，采用開式機架是很合理的。
飛剪機的機架有鑄件和焊件倆種，由于焊接水平的提高，采用焊接機架越來越多。采用焊接機架，既可以省去鑄造有關工序，縮短了制造周期，又因采用箱形，薄壁和筋板的結(jié)構(gòu)，能在保證足夠的剛性的前提下，設備重量減輕了，節(jié)約了鋼材，降低了成本，因此這里采用焊接結(jié)構(gòu)的開式機架。
設計的滾筒式碎斷剪為單電動機驅(qū)動，采用齒輪機座，其作用是將電動機的扭距給相應的軸，其分為上，中，下三箱。上箱與中箱的凹孔內(nèi)安放上剪軸及其軸承。中箱與下箱之間的凹孔內(nèi)安裝下剪軸及其軸承。上，中，下三箱安裝起來，將倆齒輪裝入其中，箱體的兩側(cè)均有吊耳，以便安裝和拆卸是操作。下箱底版通過螺栓螺母與地相聯(lián)接。
2.2剪切力，剪切力距的計算
2.2.1． 計算剪切力
首先根據(jù)剪切力最大鋼坯斷面尺寸來確定飛剪機的公稱能力，即確定最大剪切力。最大剪切力可按以下公式計算：
式中： — 被剪切軋件最大的原始斷面面積
— 被剪切軋件在相應的剪切溫度下最大單位剪切阻力
—考慮由于刀刃磨鈍，刀片間隙增大使剪切力提高的系數(shù)
當所剪切材料無單位剪切阻力實驗數(shù)據(jù)時，由上式可得：
依據(jù)本次設計內(nèi)容中的技術參數(shù)，則選用此公式：
式中： —被剪切材料在相應溫度下的強度極限，因為剪切溫度為由表8—4查得=110
K—如上所述，由參，選K=1.3
—如上所述，由已知得=471
將各個數(shù)據(jù)帶入公式中可得
飛剪在剪切過程中，除了克服剪切變形所需的剪切力外，在水平方向上有側(cè)壓力，拉力和動載荷，根據(jù)實測數(shù)據(jù)，最大側(cè)壓力為的17~34%，水平拉力為：
式中： F—軋件的橫截面積
—剪切終了時，飛剪與送料裝置見的軋件長度現(xiàn)場材料=4300mm
—剪切終了時軋件伸長量
—該剪切溫度下軋件的彈性模量；近似等于45000~55000，根據(jù)參式（9—32）選取=45000
以下為的計算
=-
式中： —剪切時間內(nèi)刀片在水平方向的移動量
—剪切時間內(nèi)軋件的移動量
而
為剪切時初始角度，由式（9—33）得
式中 A—曲柄中心距
h—剪切軋件厚度
S—軋件的重選量，由實測得 S=20mm
而
所以算 ==0.833
=
為終了角度
=0.927
=
將計算值代入式
==18mm
取 =16.7 m/s=16700 mm/s
=20.8 m/s=20800 mm/s
則
=18-16=2 mm
將上述得數(shù)代入公式得
=
而 與的合力正是剪切材料時刀架所受的力
=
2.2.2 計算剪切力矩
（1） 計算咬入角
由參知咬入角=0.911
所以 =
其中 ， 式中 =0.6875
（1） 計算最大剪切力矩
由參可知
=2579.6+1822.4
=4402Nm
2.2.3 剪切功的計算
由式（8—18）得
式中 —單位剪切功
—被剪切件原始斷面面積
單位剪切功的數(shù)值可通過所剪材料的強度極限和延伸率求出
由參得
式中 —所剪切材料的延伸率
—所剪切材料強度極限
由參表8—9查得
則有剪切功
=520719.94
2.3主電機的計算及類型的選擇
飛剪的電動機剪工作制度的不同，需要采用不同的計算方法。按起動工作制工作的飛濺電動機功率幾乎完全由飛剪運動質(zhì)量的加速條件來決定。因為每次剪切要求的加速時間非常短，在個別情況下只有0.1S，在這種情況下，剪切力對電動機功率實際上沒有影響。帶飛輪連續(xù)工作的飛剪的電動機功率是按相鄰倆次剪切時間t秒內(nèi)的平均剪切功率來計算的。根據(jù)參式（9—37）有N=（）
式中 —剪切功
—考慮飛剪機構(gòu)內(nèi)及與空氣的摩擦損失系數(shù)
此處=5
因此電動機功率為
=136084.5
其中
通過參考工具書查得ZZJ—800系列軋機輔助傳動支流電動機允許逆轉(zhuǎn)，適合各種類型的軋制輔助機械，該系列電動機具有優(yōu)良的過載特性，特別適用于頻繁啟動，制動要切的機械傳動。如軋鋼機械輔助傳動設備，起重機，挖掘機等。其字母意義為
Z—支流 Z—起重 J—冶金
選ZZJ—816型 其參數(shù)為
額定功率 150kw 額定轉(zhuǎn)速 1200r/min
以上的數(shù)據(jù)來自參表29—179
2.4 主要零部件的設計與校核
2.4.1 轉(zhuǎn)速與扭距的計算
由于下剪軸與電動機通過聯(lián)軸器相連，而從動軸齒輪與主動軸齒輪是傳動
因此，倆剪軸的轉(zhuǎn)速相等，
有
由于飛剪由上，下倆剪軸傳動，則每一軸入的靜力矩為計算最值的一半，
即
但下剪軸還需要驅(qū)動齒輪使傳動軸運轉(zhuǎn)
故有
2.4.2 齒輪的設計
齒輪的傳動的主要優(yōu)點是：傳動效率高，工作可靠，壽命長，傳動比準確，結(jié)構(gòu)緊湊；適用的速度和傳遞的功率廣；可實現(xiàn)平行軸相交軸和交錯軸之間的傳動。主要缺點是：制造精度要求高，故成本也高；精度低時噪聲大；不宜用于軸間距離大的傳動。
對齒輪的要求一般是強度和平穩(wěn)度的要求。所以齒輪的主要失效形式是輪齒折斷，齒面點蝕，齒面磨損，齒面膠合，齒面塑性變形。
針對上述各種失效形式，為了保證齒輪傳動滿足工作要求，必須建立相應的計算準則。但是對于磨料磨損，塑性變形，目前尚無成熟的計算方法。因此在工程實際中通常只進行齒根彎曲疲勞強度和齒面接觸疲勞強度計算。
對于閉式出論傳動，當一隊齒輪中有一個或同時為軟齒面時，齒輪的主要損傷形式是齒面疲勞點蝕，也可發(fā)生輪齒折斷及其他失效形式，故應按接觸疲勞強度的設計公式確定主要參數(shù)，然后校核彎曲疲勞強度。若一對齒面均為硬齒面。齒輪的主要失效形式可能是輪齒折斷，也可能發(fā)生點蝕，膠合等失效。則應按彎曲疲勞強度的設計公式確定模數(shù)，然后校核接觸強度。對于開式齒輪傳動，其主要失效形式是齒面磨損，但往往因輪齒磨薄后發(fā)生折斷，故按輪齒齒根彎曲強度設計，但適當?shù)慕档驮S用應力以考慮磨損的影響。
由于硬齒面齒輪與軟齒面齒輪比較，無論是從節(jié)約材料，減小體積及綜合經(jīng)濟效益考慮，均有優(yōu)點，故軟齒面齒輪在許多行業(yè)逐漸被硬齒面或中硬齒面齒輪所取代。
因此，由前面已計算結(jié)果，高速齒輪選用硬齒面，先按輪齒彎曲疲勞強度設計，再校核齒面接觸疲勞強度。其設計步驟如下：
2.4.2.1選擇齒輪材料，確定許用應力
根據(jù)前述情況，倆齒輪為傳動，為使倆飛剪等速剪切，將倆齒輪設計成完全一樣。由于無其它特殊要求，由參[3]表（5—6）選用45鋼表面淬火表，硬度40~50HRC。由參[3]圖5—32C查得彎曲疲勞極限，由參[3]圖5—33C查得接觸疲勞極限應力，其值為：
＝350MPa =1150MPa
2.4.2.2 按輪齒彎曲疲勞強度設計
由參[3]式（5—）知
式中 —載荷系數(shù)，
—齒輪傳遞的名義轉(zhuǎn)距
—復合齒形系數(shù)
—齒寬系數(shù)
—齒輪齒數(shù)
—許用彎曲應力
（1） 確定許用彎曲應力
由參[3]式（5—26）得
式中 —試驗齒輪齒根的彎曲疲勞極限
—試驗齒輪的修正系數(shù)，取=2
—彎曲疲勞強度計算的壽命系數(shù)，取=1
—彎曲強度的最小安全系數(shù)，取=1.6
將上述各參數(shù)代入得：
（2） 計算齒輪的名義轉(zhuǎn)距
由剪切力矩可知 =2201
（3） 選取載荷系數(shù)
因為是直齒傳動，加工精度為6級（由參[2] 查得）
但負載有較大波動，取=1.5
（4） 初步選定齒輪參數(shù)
當分度圓直徑一定時，增大齒輪齒數(shù)能增大齒面重合度以改善傳動的平穩(wěn)性并降低噪聲。而齒數(shù)增大相應模數(shù)減小，有利于節(jié)約材料和降低切齒成本，還減小磨料磨損和提高抗膠合能力。因此，在滿足輪齒彎曲強度條件下，一般傾向于選較大的齒數(shù)。但對于傳遞動力的齒輪，為防止以外斷齒應使mm，在硬齒面的閉式傳動中，由于齒根彎曲強度弱，需適當減小保證有較大的模數(shù)。
齒寬系數(shù)選大值時，可減小直徑，從而可以減小傳動的中心距，并在一定程度上減輕包括箱體在內(nèi)的整個傳動裝置的重量。但同時也增加了齒寬和軸向尺寸，增加了載荷分布的不均勻性。
由參[3]可初步確定各齒輪參數(shù)如下
=152 =152 =1 =0.45
（5） 確定復合齒形系數(shù)
查參[3]圖5—38得=3.95將上述個參數(shù)代入得：
=1.79mm
按參[3]表5—1取標準模數(shù)m=2.5mm ，則中心距
==380mm
（6） 計算幾何尺寸
=2.5152=380 mm
=0.45380=171mm
取172mm 則=0.45263
2.4.2.3 校核齒面的接觸強度.
由參[3]式（5—36）可知
式中 —材料的彈性系數(shù)，
，—倆齒輪材料的彈性模量
—載荷系數(shù)
—齒輪傳遞的名義轉(zhuǎn)距
—傳動比
—齒輪的齒寬
—齒輪的分度圓直徑
將各參數(shù)值代入式得
查參[3]表5—7得=189.8
則
=346。6MPa
齒面接觸應力按式（5—27）參[3]計算
式中 —試驗齒輪的接觸疲勞極限
—接觸疲勞強度計算的是壽命系數(shù)，取=1
—接觸強度的最小安全系數(shù)，取 =1.3
—工作硬化系數(shù)，取 =1
將各參數(shù)代入公式得：
884.6MPa
因為 〈，故接觸疲勞強度足夠
2.4.2.4 齒輪的各項尺寸參數(shù)的計算
；
， 取
，取
；
齒輪簡圖如下：
2.4.2.5. 查取各種公差值
由參[2] 查得各種公差如下：
周節(jié)累計公差： 齒形公差：
周節(jié)極限偏差： 基節(jié)極限偏差：
徑向綜合偏差： 齒向公差：
中心極限偏差：
2.4.2.6. 齒輪的結(jié)構(gòu)設計
齒輪的設計成腹板式結(jié)構(gòu)，腹板上開有四個小孔，其各項尺寸可見上頁簡圖和齒輪零件圖。
2.4.3 軸的設計
軸是機器中的主要支撐零件之一。一切回轉(zhuǎn)運動零件（如：齒輪、蝸輪、帶輪、鏈輪、聯(lián)軸器等），都必須安裝在軸上才能傳遞運動和動力。
按照軸的承載情況，直軸可分為轉(zhuǎn)軸，心軸，傳動軸三類。
選擇軸的材料，應考慮下列因素：（1）軸的強度，剛度及耐磨性要求；（2）熱處理方法；（3）材料來源；（4）材料加工工藝性；（5）材料價格等，一般常用的有以下幾種：
優(yōu)質(zhì)中碳鋼，如35，45，50鋼，其中45鋼用得最多。對于受力不大或不重要的軸，可用Q235，Q275等普通碳素鋼。碳素鋼比合金鋼價格低廉，對應力集中敏感性小，可進行熱處理改變其綜合性能，且加工工藝性好，故應用最廣。
合金鋼的力學性能和淬火性能比碳素鋼要好，但對應力集中比較敏感，且價格較貴，多用于對強度和耐磨性要求較高的場合；20，等合金鋼，有良好的高溫力學性能，常用于高溫，高速及重災的場合；經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，綜合力學性能很好，是軸最常用的合金鋼。合金鋼在常溫下的彈性模量和碳素鋼差不多，故當其他條件相同時，用合金鋼代替碳素鋼不能提高軸的剛度。
球墨鑄鐵及高強度鑄鐵具有優(yōu)良的工藝性，不需要鍛壓設備，洗振性好，對應力集敏感性低，適宜于制造復雜形狀的軸，但難于控制鑄件質(zhì)量。
對于機器的一般轉(zhuǎn)軸，主要應滿足強度和結(jié)構(gòu)的要求；對于剛度要求高的軸（如機床主軸），主要應滿足剛度要求；對于一些高速機械的軸（如機床主軸），主要應滿足剛度的要求；對于一些高速機械的軸（如高速磨床主軸、氣輪機主軸等），要考慮滿足穩(wěn)定性的要求。
在轉(zhuǎn)軸設計中，其特點是不能通過精確計算確定軸截面尺寸。因為轉(zhuǎn)軸工作時，受彎距和轉(zhuǎn)距聯(lián)合作用，而彎距又與軸上的載荷大小及軸上零件相互位置有關，所以當軸的結(jié)構(gòu)尺寸未確定前，無法求出軸所受的彎距。因此，轉(zhuǎn)軸設計時，開始只能按扭轉(zhuǎn)強度或經(jīng)驗公式估算軸的直徑，然后進行軸的結(jié)構(gòu)設計，最后進行周的強度驗算。
2.4.3.1 下剪軸的設計
1. 選擇軸的材料
該軸無特殊要求，因而選用調(diào)質(zhì)處理的45鋼，由參[3]表12—2，知
2. 初步估算軸徑
按扭轉(zhuǎn)強度估算輸出段聯(lián)軸器處的最小軸徑。由參[3]表12—4，按45鋼取，輸出功率取 由前述計算可得，又知參[3]公式（12—2）
式中 —由軸的材料和承載情況確定的常數(shù)
—軸傳遞的功率，
—軸的轉(zhuǎn)速，
—軸的直徑
將各參數(shù)值代入上式得：
由于安裝聯(lián)軸器處有一個鍵槽，軸徑應增加5% 即：
而生產(chǎn)實際中，剪子端軸徑為154mm，聯(lián)軸器處的軸徑處有110mm，那么生產(chǎn)中為什么比理論的大這么多呢？原因如下：
從工藝方面考慮，如果軸徑太小，則軸的加工成本相反增加，并且軸的尺寸精度和形位精度將難以保證，因此軸徑不能太小。
從機器的使用范圍來看，設計的軸徑對設計所切材料的剪切能夠滿足，而實際生產(chǎn)中，應盡可能滿足剪切各種材質(zhì)和斷面的鋼坯，故其尺寸應大一些，以便其強度可以滿足多方面的要求。
由參[5] 選擇B8型聯(lián)軸器，軸與聯(lián)軸器連接的軸徑為100mm
3. 軸的結(jié)構(gòu)設計
軸上主要零件的布置如下圖所示
1.剪 2.滾動軸承 3.齒輪 4.聯(lián)軸器
（1）軸上零件的軸向定位
齒輪的一端靠軸肩定位，另一端靠套筒定位，裝拆，傳力均較方便；但但端軸采用軸肩和螺母定位，右端軸承采用套筒和螺母定位；剪轂用軸肩和軸端擋板來定位。
（2）軸上零件的周向定位
齒輪與軸，半聯(lián)軸器與軸，剪轂與軸的周向定位均采用平鍵聯(lián)接。
（3）確定個段軸徑和長度
根據(jù)經(jīng)濟公式和類似結(jié)構(gòu)的參考，特確定尺寸如下（從剪子到聯(lián)軸器）：
軸向：
徑向：
（單位：毫米）
（4）考慮軸的結(jié)構(gòu)工藝性
考慮軸的結(jié)構(gòu)工藝性，在軸的左端與右端均制成倒角；倆端裝軸承處為磨削加工留有砂輪越程槽；為便于加工齒輪，半聯(lián)軸器，剪轂處的鍵槽布置在同一母線上。
（5）軸的簡圖
4. 軸的強度驗算
先作出軸的受力簡圖a所示（即力學模型）；取集中載荷作用于齒輪及軸承的中點。
（1）齒輪上作用力的大小
轉(zhuǎn)距：
圓周力：
徑向力：
剪架上的作用力：
圓周力：
徑向力：
（2）求軸承上的支反力
① 水平面上的受力圖如圖b所示：
分別是軸承A,B處的水平面的反力
列方程式有
將各參數(shù)代入求解得：
，
② 垂直面上的受力圖如圖c所示
分別是軸承A,B在垂直面內(nèi)的反力
列方程式有：
將個參數(shù)代入求解得：
,
（3） 畫彎距圖
設飛剪，軸承，齒輪的中心截面分別為D,A,B,C面。
截面C處的彎距為：
水平面內(nèi)
垂直面內(nèi)
截面A處的彎距為：
水平面內(nèi)
垂直面內(nèi)
因此水平面內(nèi)的彎距圖如圖d所示；垂直面內(nèi)的彎距圖如圖e所示：
截面C處的合成彎距為：
截面A處的合成彎距為：
因此合成彎距如圖f所示：
（4） 畫轉(zhuǎn)距圖
，
轉(zhuǎn)距圖如圖g所示：
（5）畫計算轉(zhuǎn)距圖
因單向回轉(zhuǎn)，視轉(zhuǎn)距為脈動循環(huán)，，則
截面C 處的當量彎距為：
截面A 處的當量彎距為：
截面D 處的當量彎距為：
截面B 處的當量彎距為：
所以計算彎距圖如圖g所示：
（6）按彎扭合成應力校核軸的強度
① 截面A處的當量彎距最大，故A面為危險截面，已知： ,由參[3]表12—2得
② 截面C處的當量彎距較大，且軸徑較小，所以也應該校核，已知：，則：
③ 在聯(lián)軸器處，軸徑最小，也應校核
（7） 按疲勞強度校核安全系數(shù)
① 截面A處的當量彎距最大且有鍵槽的應力集中，所以應該校核。取許用安全系數(shù)[S]=1.5，其校核計算如下：
抗彎截面系數(shù)
抗扭截面系數(shù)
合成彎距
扭距
彎曲應力幅
彎曲平均應力
扭剪應力幅
扭剪平均應力
查參[3]表12—2得 彎曲剪切疲勞極限分別為：
，
彎曲扭轉(zhuǎn)的等效系數(shù)分別為：
，
查參[3]表12—8得，絕對尺寸系數(shù)：
查參[3]表12—9得，表面質(zhì)量系數(shù)
查參[3]表12—5得，有效應力集中系數(shù)
，
則受彎距作用時的安全系數(shù)
安全系數(shù)：
② 在聯(lián)軸器處，由于其軸徑最小，又有鍵槽和配合的應力集中，所以也應該校核：
抗彎截面系數(shù)
抗扭截面系數(shù)
合成彎距
扭距
彎曲應力幅
彎曲平均應力
扭剪應力幅
扭剪平均應力
查參[3]表12—2得 ，
查參[3]表12—8得
查參[3]表12—9得
查參[3]表12—5得 ；
取大值
受扭轉(zhuǎn)作用時的安全系數(shù)為
③ 在軸承B處的越程槽，軸徑小，受力大，還有圓角，螺紋配合邊緣等各種應力集中，因此也應該校核
抗扭截面系數(shù)
扭距
扭剪應力幅
扭剪平均應力
查參[3]表12—2得 ；
查參[3]表12—8得
查參[3]表12—9得
查參[3]表12—5得 ；（螺紋） （圓角）
取
則受扭距作用時的安全系數(shù)
因此，各個危險截面的疲勞安全系數(shù)也滿足要求
至此，下剪軸的結(jié)構(gòu)，尺寸，各工藝參數(shù)的計算，設計已經(jīng)進行完，在最后又對軸的強度和安全系數(shù)進行了校核，證明符合要求。
2.4.3.2 上剪軸的設計
因為上下傳動需要保持嚴格的1：1比例，上下轉(zhuǎn)軸相同部分結(jié)構(gòu)，尺寸應盡量一致。
1. 選擇軸的材料
選調(diào)質(zhì)處理的45鋼，由參[3]表12—2知，。
2. 初步估算軸徑
取最小軸徑為120mm。
3. 軸的結(jié)構(gòu)設計
軸上主要零件的布置圖如下所示：
`
1、飛剪； 2、滾動軸承； 3、齒輪。
軸上零件的軸向和徑向定位與下剪軸完全一致，其各段的尺寸分別為：
軸向：
徑向：
（單位：毫米）
軸的結(jié)構(gòu)工藝性也與下剪軸一致
4. 軸的強度驗算
先作出軸的受力簡圖，取集中載荷于齒輪，軸及剪的中點，如圖a所示：
（1）齒輪上作用力的大小
；
剪架上的作用力
；
（2）求軸承的支反力
① 水平面內(nèi)受力圖如圖b所示
分別是軸承A,B在水平面的反力
列方程式：
代入各已知參數(shù)可求得：
；
② 在垂直面內(nèi)受力簡圖如圖c所示：
受力分析、主動力數(shù)值與下剪軸均一致，所以可以知道
；
（3）畫彎距圖
截面C處的彎距為
水平面內(nèi)
垂直面內(nèi)
則水平面內(nèi)的彎距圖如圖d所示
垂直面內(nèi)的彎距圖與下剪軸的彎距圖相同
則合成彎距為：
則合成彎距圖如圖e所示：
（4）畫轉(zhuǎn)距圖如圖f所示：
（5）畫計算彎距圖
因單向回轉(zhuǎn)，視轉(zhuǎn)距為脈動循環(huán)，，則截面A處的當量彎距為
則計算彎距圖如圖g所示：
（6）校核軸的強度
因為上剪軸的計算彎距在各主要截面均比下剪軸小，而各結(jié)構(gòu)尺寸又相同，因此上剪軸的強度和安全系數(shù)肯定滿足要求。
至此，上剪軸的設計和校核也完成。
2.4.4 軸承及鍵的選擇與校核
（1） 根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)尺寸從參[2]表2—3—16選擇雙列向心球面滾子軸承3524型和3532型。
對其進行壽命的計算由參[3]式（15—4）得：
式中 —軸承的壽命（小時）
—軸承的轉(zhuǎn)數(shù)（）
—軸承的基本額定動載荷
—當量動載荷（N）
—壽命指數(shù)，滾子軸承=10/3
對3532型軸承有
對其當量動載荷有倆組值：
選大值 則P=46.57kN 則
對于3524型軸承，有
對其當量動載荷也有倆組值
選大值，取P=13.72KN，則有：
根據(jù)參[2]表2—3—6可知上述倆種型號的軸承均滿足使用要求。
（2） 鍵的選擇與校核
鍵的類型可根據(jù)連接的結(jié)構(gòu)特點，使用要求和工作條件來選定。鍵的尺寸（鍵寬b,鍵高h）按軸的直徑d由標準中選定；鍵的長度 L可根據(jù)輪轂長度來確定，輪轂長度一般取（1.5~2）d，鍵長等于或略小于輪轂長度，導鍵按輪轂長度及其華東距離而定。鍵的尺度還需符合標準規(guī)定的長度系列。普通平鍵用語靜連接，靠側(cè)面?zhèn)鬟f運動和轉(zhuǎn)距，倆側(cè)面是工作面，鍵的是行表面和輪轂底面留有間隙。平鍵連接結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，加工容易，對中性好，應用廣泛。
從參[2]表2—1—25選擇飛剪，齒輪，聯(lián)軸器的鍵分別為：
飛剪處：
齒輪處：
聯(lián)軸器處： （各鍵材料為45鋼）
根據(jù)參[3]式（10—1）有
式中 — 鍵工作表面的擠壓應力（MPa）
— 鍵與輪轂的接觸高度，mm,
— 許用擠壓應力（MPa）由參[3]表10—1得=100MPa
— 軸的直徑（mm）
T— 轉(zhuǎn)距 （Nm）
— 鍵的接觸尺度（mm）此處=L-b
對于飛剪處有：
對于齒輪處有：
對于聯(lián)軸器有：
2.4.5 聯(lián)軸器的選用與校核
彈性柱銷聯(lián)軸器利用非金屬材料制成的柱銷置于倆半聯(lián)軸器凸緣上的孔中，以實現(xiàn)倆半聯(lián)軸器的聯(lián)接，由于柱銷與柱銷孔為間隙配合，且柱銷富有彈性，因而獲得了倆軸相對位移的補償和緩沖性能。彈性柱銷聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，裝拆更換方便，不需潤滑，并有較好的耐磨性。因此我選用參[5] 的B8型聯(lián)軸器，由于我們是根據(jù)較大轉(zhuǎn)距和較高轉(zhuǎn)速選用的，所以無須校核，它一定滿足要求。
2.4.6 刀架的設計及校核
刀架的剪刃處于擠壓，彎曲和嚴重的磨損狀態(tài)下工作，因而要求其強度大，韌性好，而且強度高，因此飛剪使用合金鋼，整體淬火，硬度達到HS73~75，再考慮到刀架的受力情況，傳動方案，運行狀況等諸多因素，將刀架設計成刀架零件圖所示。
刀架的受力圖如上所示，其中T為水平拉力，為剪切力
則其合力為：
由上圖有
則
則垂直于刀架的力
式中 —總力與剪切力的夾角
—剪切咬入角
代入各具體數(shù)值得：
則作用在單剪刃的垂直力
1. 校核刀架的強度
由于軸與刀架的傳動采用單鍵聯(lián)接，因此當三個剪刃剪切時，其刀架受力各不相同，刀架的受力來源于三個方面，即鍵、軋件、軸。下面分別對三個位置進行危險截面的強度校核。
① 位置1
上圖中，分別為鍵與軸對刀架的力，對其進行彎曲強度校核。
對于截面1有：
彎距
受彎截面1如