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遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）
Φ380H平輥軋機設(shè)計
摘 要
Φ380H平輥軋機是軋制生產(chǎn)線上的主要設(shè)備之一,其主要由傳動系統(tǒng)與壓下系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，其作用主要是用來軋制不同規(guī)格的鋼坯。本文通過對Φ380H平輥軋機的設(shè)計，將所學(xué)理論知識與實踐相結(jié)合，培養(yǎng)了我們獨立思考能力和分析問題、解決問題的能力，并提高了對創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。設(shè)計的主要內(nèi)容包括Φ380H平輥軋機設(shè)計方案的確定與論證，使設(shè)計方案能夠達到使用要求，并且合理可行，然后進行軋制力能參數(shù)的計算，并根據(jù)算出的結(jié)果來選擇電動機并進行校核、計算，同時對其中的主要零部件，如軋輥、機架、連接軸、傳動軸、壓下螺絲等進行強度計算，并對壓下螺絲的自鎖、牙強度、和耐磨性的校核，保證了使用的安全性與可靠性，最后對潤滑方式進行了簡單分析。
關(guān)鍵詞：軋機；軋輥；機架；軋制力
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遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）
The Design Of Φ380H Mill
Abstract
The level of Φ380H mill is one of the main equipments in a rolling mill production line.The main pressure system from the drive system with two components, its role is primarily used for rolling billets of different specifications. In this paper, the level of Φ380H mill design theory will be the combination of knowledge and practice to cultivate our capacity for independent thinking and analysis of issues, problem-solving skills, and increased awareness of the culture of innovation. The key elements of the design level of Φ380H mill design and feasibility studies to determine, so that the use of design to meet requirements and is reasonably practicable, and then rolling force can be calculated parameters,And in accordance with the results calculated to select the motor and check the calculation, while the main components, such as roller, rack, connecting shaft, transmission shaft, screws and so on down to the strength calculation of pressure from the screw lock, tooth strength and wear resistance of the check to ensure that the use of the safety and reliability, the last of the Lubrication Analysis of a simple manner.
Keywords: rolling mill; roll; rack; rolling force
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遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）
目 錄
摘要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
1 緒論 1
1.1 選題背景和目的 1
1.2 課題的研究方法和內(nèi)容 1
1.3 國內(nèi)外線材軋機的發(fā)展概況和新技術(shù) 2
1.3.1 線材軋機的發(fā)展歷史 2
1.3.2 國外線材軋機的發(fā)展 2
1.3.3 國內(nèi)線材軋機的發(fā)展 3
1.3.4 國內(nèi)外先進技術(shù) 3
2 方案設(shè)計 5
2.1 線材軋機的軋制力能參數(shù)設(shè)計 5
2.1.1 孔型系統(tǒng)的選擇 5
2.1.2 軋制總壓力和軋制力矩的設(shè)計 5
2.2 主電機的選擇 5
2.3 軋機機架的設(shè)計 5
2.4 軋輥系統(tǒng)設(shè)計 6
2.4.1 軋輥的設(shè)計 6
2.4.2 軋輥軸承的設(shè)計 6
2.4.3 軋機軋輥調(diào)整機構(gòu)的設(shè)計 6
2.5 軋機主傳動裝置設(shè)計 6
2.6 系統(tǒng)的潤滑 7
3 孔型設(shè)計 8
3.1 孔型系統(tǒng)的選擇 8
3.1.1 橢圓—圓孔型系統(tǒng)的變形系數(shù) 8
3.1.2 橢圓—圓孔型系統(tǒng)的孔型構(gòu)成 8
3.2 孔型尺寸的計算 10
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遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）
4 軋輥軋制總壓力與軋輥驅(qū)動力矩 12
4.1 軋制力的計算 12
4.1.1 平均單位壓力的計算 12
4.1.2 接觸面水平投影面積的計算 13
4.2 軋輥驅(qū)動力矩的計算 14
5 軋機主電動機力矩及電動力功率 16
5.1 主電動機力矩 16
5.2 電機容量的選擇 16
5.3 附加摩擦力矩 17
5.4 空轉(zhuǎn)力矩 17
5.5 電動機的校核 18
6 機架的設(shè)計 19
6.1 機架的選擇及結(jié)構(gòu)參數(shù) 19
6.2 機架強度的計算及校核 19
6.3 機架的變形計算 24
7 軋輥與軋輥軸承設(shè)計 26
7.1 軋輥的設(shè)計 26
7.1.1 軋輥參數(shù)的選擇 26
7.1.2 軋輥的強度校核 26
7.2 軋輥軸承的校核 29
7.2.1 軋輥軸承的選擇 29
7.2.2 軸承壽命計算 30
8 壓下裝置 32
8.1 壓下螺絲螺紋尺寸的確定 32
9 主傳動裝置設(shè)計 33
9.1 聯(lián)軸器的選擇及計算 33
9.2 聯(lián)接軸的選擇及計算 33
9.3 減速機的設(shè)計 34
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遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）
9.3.1 計算各軸的動力參數(shù) 34
9.3.2 齒輪設(shè)計 35
10 潤滑方式的選擇 43
10.1 潤滑方式的類型 43
結(jié)束語 45
致謝 46
參考文獻 47
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遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）
1 緒論
1.1選題背景和目的
線材用途十分廣泛，除直接用作建筑鋼筋外，還可加工成各類專用鋼絲，如彈簧用鋼絲、焊絲、鍍鋅絲、通訊線、鋼簾線、鋼絞線等；還可加工成其他金屬制品，如鉚釘、螺釘、鐵釘?shù)取８鶕?jù)資料統(tǒng)計，一般國家線材產(chǎn)量占鋼材總產(chǎn)量的5-15%。我國目前處在經(jīng)濟發(fā)展時期，城市建設(shè)和解決居民居住條件仍需要大量線材。此外，國內(nèi)對金屬制品需求量增加，國際貿(mào)易出口量也不斷擴大，我國線材產(chǎn)量占鋼材總產(chǎn)量的比例達到15%左右
近幾年我國線材無論是生產(chǎn)能力還是消費水平均得到了快速發(fā)展，2007年我國線材實際產(chǎn)量已達7921萬t，2008年盡管受到國際金融危機的影響，線材實際產(chǎn)量仍然增長到8024萬t。至2011年我國前11個月的線材產(chǎn)量已突破1億噸。目前我國已成為世界上最大的線材生產(chǎn)國，年產(chǎn)量己超過世界線材生產(chǎn)總量的三分之一，在線材生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大的同時，我國在線材生產(chǎn)技術(shù)進步、產(chǎn)品研發(fā)方面也取得了可喜成效。 但是，在看到我國線材產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的同時，也要清醒的看到我國線材產(chǎn)業(yè)目前仍然存在不少的問題；尤其是應(yīng)該看到生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大與現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的不相適應(yīng)，已成為困擾我國線材產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要問題，這也是造成我國線材產(chǎn)業(yè)處于生產(chǎn)能力相對過剩而高附加值產(chǎn)品實物質(zhì)量仍落后于國外發(fā)達國家的根本原因。
1.2課題的研究方法和內(nèi)容
本次設(shè)計的課題為Φ380H平輥軋機設(shè)計，我會利用在大學(xué)期間所學(xué)的知識完成本次設(shè)計。線材軋機主要結(jié)構(gòu)形式由軋輥、軋輥調(diào)整機構(gòu)、軋機機架、軋機主傳動裝置等部分組成。要對這幾部分進行相應(yīng)的設(shè)計和計算。
具體方法和內(nèi)容如下：
1.對線材軋機的軋制力能參數(shù)進行設(shè)計計算（包括孔型設(shè)計、軋制力軋制力矩計算、電機選擇等）。
2.對線材軋機的軋輥和軋輥軸承進行設(shè)計計算。
3.對線材軋機的機架進行設(shè)計計算。
4.對線材軋機的軋輥調(diào)整機構(gòu)進行設(shè)計計算。
5.對線材軋機的主傳動裝置進行設(shè)計計算
6.對線材軋機的系統(tǒng)潤滑進行說明。
要通過以上的研究內(nèi)容對我的設(shè)計題目進行研究，要將所學(xué)知識運用到實際當(dāng)中去。提高知識的靈活運用能力。
1.3 國內(nèi)外線材軋機的發(fā)展概況和新技術(shù)
1.3.1線材軋機的發(fā)展歷史
自第一臺線材軋機問世以來已有100多年的歷史了。線材軋機發(fā)展及演變過程主要為橫列式線材軋機、半連續(xù)式線材軋機和連續(xù)式線材軋機。
20世紀40年代的線材軋機大部分為橫列式線材軋機，需要人工喂鋼，最大軋制速度在10m/s以下。由于速度低，軋件溫度大，影響線材尺寸精度，因此，其盤重一般在80~90kg左右。軋機生產(chǎn)能力為10~15t/h。
在20世紀50年代研發(fā)了半連續(xù)式線材軋機，它是將橫列式軋機和連續(xù)式軋機組合起來的軋機，粗軋機為連續(xù)式布置，精軋機為橫列式布置，中軋機組布置成連續(xù)式或橫列式。
到20世紀50年代中期，出現(xiàn)了連續(xù)式線材軋機，精軋機組一般配置為6~8架水平輥軋機。60年代初期，精軋機組配置了立輥，形成了水平輥—立輥—水平輥的連續(xù)式線材軋機，可實現(xiàn)無扭轉(zhuǎn)軋機制。
1964年~2000年，高速線材軋機發(fā)展很快，全世界已建成300多天高速無扭轉(zhuǎn)精軋機組，其主要有摩根，德馬克，阿希洛，達涅利。
1.3.2 國外線材軋機的發(fā)展
16世紀，世界上第一臺線材軋機問世，當(dāng)時是用鍛坯軋制線材；比較正規(guī)的線材軋機在18世紀出現(xiàn)，由粗軋和精軋兩橫列式軋機組成。因為采用反圍盤及人工喂鋼軋制，同時受頭尾溫差大的影響，線材存在著尺寸精度差、盤重小、性能不穩(wěn)定等缺點，限制了橫列式軋機的發(fā)展。
為了保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高產(chǎn)量，以及降低成本，必須提高軋制速度。因而，在20世紀初開發(fā)了半連續(xù)式軋機。該軋機由粗、中、精軋機組構(gòu)成，粗軋和中軋采用連軋，精軋采用橫列式軋機。實現(xiàn)了機械化操作，軋制速度和生產(chǎn)能力提高了，但品種及質(zhì)量未有根本性的好轉(zhuǎn)。
1862年，在英國建成了第一臺連續(xù)式軋機，解決了產(chǎn)品品種及質(zhì)量問題。該軋機機座采用串列式形式，軋件同時在幾個機架中軋制，各道次的金屬秒流量相等?？蓡螜C驅(qū)動，有較高的調(diào)整精度，實現(xiàn)微張力或無張力軋制；由于沒有穿梭軋制，沒有大活套，所以頭尾溫差小，產(chǎn)品性能得到改善。到了20世紀50年代，隨著機械制造、電氣傳動及控制水平的提高，軋制速度達到36m/s。20世紀70年代，摩根公司、施羅—西馬克公司研制了45°無扭組合連續(xù)式線材軋機。軋制速度了達60m/s。
90年代以來，美國摩根公司又開發(fā)了高精度線材軋機，他們在無扭精度軋機后增加剪徑和定徑機架以提高線材精度和軋機產(chǎn)量。1991年摩根公司提供給巴西內(nèi)爾格廠棒、線材軋機投產(chǎn)，最高極限軋制速度為140m/s，設(shè)計軋制速度達到120m/s，一般采用單線布置。這就是所謂的第六代高速無扭線材軋機。
1.3.3國內(nèi)線材軋機的發(fā)展
我國線材生產(chǎn)在解放前，只有幾套陳舊、落后的橫列式線材軋機，其中最早的唯一一套復(fù)二重式是當(dāng)時的上海鋼鐵公司的Φ255mm線材軋機。從1942年投入到解放前的7年中一共生產(chǎn)線材不到3萬噸。解放后由上鋼二廠接管，通過多年逐步改造、革新，其年設(shè)計能力達到25萬噸，軋制速度達到16m/s。1980年實際年產(chǎn)量達到37.6萬噸，創(chuàng)造了我國復(fù)二重式線材軋機最高年產(chǎn)記錄。
自六十年代到七十年代末期，乃至八十年代初期，我國復(fù)二重式線材軋機取得了較大的發(fā)展，三十多套這類軋機相繼問世。這期間的發(fā)展是與北京鋼鐵設(shè)計院結(jié)合上鋼二廠復(fù)二重式軋機的特點所做的“復(fù)二重式線材軋機”有著密切聯(lián)系的。
在七十年代初，我國開始研制45?無扭高速線材軋機。1982年10月1日，我國與菲律賓簽訂合同，向菲律賓出口了一條精軋作業(yè)線。
另外，1984年5月，與德國西馬克公司簽訂的馬鞍山鋼鐵公司高速線材軋機技術(shù)合作合同生效，開始為馬鋼合作制造75m/s高速線材軋機成套設(shè)備，與1987年投產(chǎn)，拉開了中國引進高速線材軋機的序幕，使我國線材軋機有了質(zhì)的飛躍。
1.3.4國內(nèi)外先進技術(shù)
目前國際上最先進的高速線材軋機是：摩根無扭高速懸臂式45°軋機。該機組解決了軋機振動問題，其辦法是取消了接軸式聯(lián)軸器，采用了精密螺旋傘齒輪與螺旋齒輪軋輥軸直接嚙合連接，代替了普通精軋機上的萬向接軸。?
目前這種軋機有幾個廠進行引進：天津鋼廠引進的美國摩根公司高速線材軋機、昆鋼引進德國sms公司的高速線材軋機、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。起特點是：?
1)?工藝布置優(yōu)化。全線26架軋機呈平立軋制交替布置，軋件在整個軋制過程中
無扭轉(zhuǎn)；?
2)?高速軋制。成品軋機的軋制速度為120m/s，引進最新一代超重型V型精軋機，
軋機的功率、負荷、剛度都優(yōu)于標準型軋機；?
3)?產(chǎn)品的高檔化。可生產(chǎn)φ5.5mm~φ20mm共30個規(guī)格線材；
4)?產(chǎn)品盤重大，采用一錠一坯成品，成品每盤單重達2.2t；?
5)?產(chǎn)品性能優(yōu)質(zhì)化。采用美國摩根公司最新開發(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。提高了軋制過程的控制精度、可靠性和易操作性。?
2 方案設(shè)計
2.1線材軋機的軋制力能參數(shù)設(shè)計
2.1.1孔型系統(tǒng)的選擇
孔型系統(tǒng)一般由延伸孔型系統(tǒng)和精軋孔型系統(tǒng)兩部分組成。延伸孔型的作用是壓縮軋件斷面，為成品孔型系統(tǒng)提供合適的紅坯。它對鋼材軋制的產(chǎn)量、質(zhì)量有很大的影響，但對產(chǎn)品最后的形狀尺寸影響不大。常用的延伸孔型系統(tǒng)一般有箱形、菱—方、菱—菱、橢—方、六角—方、橢圓—圓、橢圓—立橢圓等；精軋孔型系統(tǒng)一般是方—橢圓—螺或圓—橢圓—螺孔型。
本設(shè)計采用橢圓—圓孔型系統(tǒng)。
2.1.2軋制總壓力和軋制力矩的設(shè)計
線材軋機的總壓力根據(jù)艾克隆德公式確定，通過孔型設(shè)計計算出壓下量和給出的軋制速度等參數(shù)算出軋制總壓力。
軋制力矩的確定方法有兩種，一種是通過軋制力來計算軋制力矩，第二種是根據(jù)軋制能量來推算軋制力矩。本次設(shè)計選擇第一種方法來確定軋制力矩的大小。
2.2主電機的選擇
電動機主要根據(jù)電動機的功率來選擇，另外一般選用高轉(zhuǎn)速，用減速器來減速， 而不采用成本較高的低速電動機，其作用是給整個系統(tǒng)提供動力。
首先確定電機的力矩，再初選電機功率，根據(jù)初選的電機功率確定電機的型號。
2.3軋機機架的設(shè)計
軋機機架的作用是在軋制過程中，被軋制的金屬作用到軋輥上的全部軋制力，通過軋輥軸承、軸承座、壓下螺絲以及螺母傳給機架，并由機座全部吸收，不再傳給地基。
機架按結(jié)構(gòu)分為開式和閉式，閉式機架是一個整體框架，強度和剛度很大，得到廣泛應(yīng)用，所以本設(shè)計采用的就是閉式機架。
選擇機架的基本尺寸參數(shù)，并對機架的強度和剛度進行校核。
2.4軋輥系統(tǒng)設(shè)計
2.4.1軋輥的設(shè)計
軋輥是軋鋼機中直接軋制軋件的主要部件，粗軋機組件由上下軋輥及其軸承部件組成的，軋輥與軋輥軸承通過軸承座安裝在軋機機架的窗口內(nèi)，上軋輥是通過它的軸承座與其上面的壓下螺絲相連，并把垂直向上的軋制壓力通過壓下螺絲和螺母傳給機架，其下面通過軸承盒支在平衡裝置的四根頂桿上。在軋制過程中，軋輥直接與軋件接觸，強迫軋件發(fā)生變形。
軋輥結(jié)構(gòu)有輥身、輥頸、和輥頭三部分組成。 輥身是軋輥直接與軋件接觸的工作部分。輥頸是軋輥的支撐部分。而輥頭則是軋輥與連接軸相接的地方。對軋輥進行強度校核，通常對輥身只計算彎曲應(yīng)力，對輥頸計算彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，對傳動端軸頭只計算扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。
2.4.2軋輥軸承的設(shè)計
由于各類軋機的結(jié)構(gòu)及工作條件差別很大，因而采用不同類型的軸承。軋輥上使用的軸承主要是雙列球面滾子軸承、四列圓錐滾子軸承以及四列圓柱混子軸承。本次設(shè)計選擇四列圓柱滾子軸承。這類軸承的特點是：徑向承載能力大，不能承受軸向載荷，徑向尺寸小，允許轉(zhuǎn)速高等。
根據(jù)輥頸尺寸選擇軋輥軸承的型號，對其進行壽命校核。
2.4.3軋機軋輥調(diào)整機構(gòu)的設(shè)計
上軋輥調(diào)整裝置即壓下裝置，壓下裝置按照軋鋼機的類型、軋件的軋制精度等要求，以及生產(chǎn)率高低的要求可分為：手動、電動、電—液及全液壓壓下機構(gòu)。本設(shè)計采用液壓壓下裝置，因為軋機上輥調(diào)節(jié)距離不大，調(diào)節(jié)速度不快，但調(diào)節(jié)精度要求高。
2.5軋機主傳動裝置設(shè)計
軋機主傳動裝置包括，連接軸，聯(lián)軸器，齒輪機座，減速器部分組成。本次設(shè)計不涉及此輪機座。
（1）聯(lián)接軸：其作用是將扭矩從齒輪機座或一個工作機座的軋輥傳遞給另一個工作機組的軋輥。它的主要類型為：萬向接軸和梅花接軸。
本設(shè)計采用萬向接軸。
（2）聯(lián)軸器：主要是齒輪聯(lián)軸器，作為主電機聯(lián)軸器或主聯(lián)軸器。
因為齒輪聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，制造容易，并有很高的精度，摩擦損失小，能傳遞很大的扭矩，有良好的補償性能和一定的彈性等特點。
（3）主減速器：作用是把主電機的高速轉(zhuǎn)數(shù)變成軋輥需要的低轉(zhuǎn)數(shù)，以避免采用成本較高的低速電動機。
2.6系統(tǒng)的潤滑
潤滑的作用不僅是潤滑工作表面，以減少磨損，提高效率和延長機件的壽命，同時還能起到冷卻、緩沖、減振、防銹和排污等作用。因此，任何設(shè)備的重要部件都離不開潤滑。
3 孔型設(shè)計
3.1 孔型系統(tǒng)的選擇
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確的軋件，最后一道次采用圓孔型。
橢圓—圓孔型系統(tǒng)如圖3.1所示：
圖3.1橢圓—圓孔型系統(tǒng)
3.1.1 橢圓—圓孔型系統(tǒng)的變形系數(shù)
1.延伸系數(shù)：
橢圓—圓孔型系統(tǒng)的延伸系數(shù)一般不超過1.3～1.4，軋件在橢圓孔型中的延伸系數(shù)為1.2～1.6，軋機在圓孔型中的延伸系數(shù)為1.2～1.4。
2.寬展系數(shù)：
橢圓—圓孔型系統(tǒng)的寬展系數(shù)為0.5～0.95，軋件在圓孔型的寬展系數(shù)為0.3～0.4。
3.1.2 橢圓—圓孔型系統(tǒng)的孔型構(gòu)成
1.橢圓孔型的構(gòu)成：
孔型寬度：
（3.1）
式中：b——橢圓軋件的寬展；
——寬展余量，一般取0.85～0.9，這里取0.9。
孔型高度：
（3.2）
式中：h——橢圓軋件的高度。
——寬展余量，一般取0.85～0.9，這里取0.9。
輥縫s：
（3.3）
橢圓孔型的圓弧半徑R：
（3.4）
外圓角半徑r：
（3.5）
2. 圓孔型的構(gòu)成：
孔型高度：
（3.6）
式中：——圓斷面軋件的斷面面積。
孔型寬度：
（3.7）
式中：——寬展留的余量，可取1～4mm。
圓孔型的擴張半徑：
（3.8）
其他尺寸，孔型的擴張角，通常??；外圓角半徑r=2～5mm；輥縫s=2～5mm.
3.2 孔型尺寸的計算
表3.1 邊長為120mm的方坯制成Φ5.5線材軋機斷面尺寸
軋機號
軋件截面形狀
軋件高度（mm）
軋件寬度（mm）
軋件截面積（）
8＃
橢圓
26.4
62.3
1250
9#
圓
35
35.1
960
10#
橢圓
19.2
48.69
715
11#
圓
26.5
26.6
550
12#
橢圓
14.7
36.27
410
13#
圓
20
20
320
以12#和13#為例，進行孔型尺寸計算：
（1）12#軋機為橢圓孔型，其孔型寬度、高度、輥縫s、橢圓孔型的圓弧半徑R、外圓角半徑r：
mm
mm
取 mm
mm
取mm
（2）13#軋機為圓孔型，其孔型寬度、高度、圓孔型的擴張半徑：
mm
mm
=mm
其他軋機的孔型設(shè)計結(jié)果如下表3.2：
表3.2 孔型設(shè)計的結(jié)果
軋機號
孔型形狀
孔高（mm）
孔寬（mm）
軋件面積（mm）（）
輥縫(mm)
8＃
橢圓
26.4
69
1250
4.4
9#
圓
35
36
960
4
10#
橢圓
19.2
54.1
715
4
11#
圓
26.5
27.5
550
4
12#
橢圓
14.7
40.3
410
3.1
13#
圓
20
21
320
3.0
4 軋輥軋制總壓力與軋輥驅(qū)動力矩
4.1 軋制力的計算
在計算中常用的公式有艾克隆德公式、西姆斯公式、Stone等公式。在具體設(shè)計中應(yīng)根據(jù)具體情況選擇應(yīng)用。
其中艾克隆德公式適用范圍是：
1) 熱軋型鋼時計算平均單位壓力；
2) 軋制溫度大于950℃，材質(zhì)為Q235；
3) 軋制速度小于5m/s時。
軋制壓力P等于平均單位壓力與接觸水平投影面積F之乘積。
4.1.1 平均單位壓力的計算
本設(shè)計中選用艾克隆德公式，由文獻[2,2-103]知，
艾克隆德公式為：
=（） （4.1）
式中： ——外摩擦對單位壓力影響系數(shù)；
——靜壓力下單位變形力，MPa；
——粘性系數(shù)，；
——平均變形速度。
其中第一項是考慮外摩擦的影響，決定的經(jīng)驗公式為：
（4.2）
式中： ——摩擦系數(shù)，硬面鑄鐵軋輥 μ=0.8（1.05-0.0005t）,t為軋制溫度，℃
——軋輥工作半徑，mm；
——軋制前后軋件的高度，mm；
第二項中乘積是考慮變形速度對變形抗力的影響，其中平均變形速度值用下式計算：
= （4.3）
式中： ——軋制速度，m/s,8840 mm/s；
——軋制前后軋件的高度，mm；
R ——軋輥工作半徑，mm；
計算和的經(jīng)驗公式為：
=（14－0.01t）（1.4＋＋+0.3）×9.8 （4.4）
式中： t —— 軋制溫度，℃；
—— 以%表示的碳的百分含量，本設(shè)計中取0.15；
—— 以%表示的Mn的百分含量，本設(shè)計中取0.30；
——以%表示的Cr的百分含量，本設(shè)計中取0.30。
的計算公式為：
= 0.01（14－0.01t） （4.5）
式中決定于軋制速度。的選擇見下表：
表3.1 粘度系數(shù)與軋制速度的對應(yīng)表
軋制速度（m/s）
＜6
6～10
10～15
15～20
1.0
0.8
0.65
0.6
以12#、13#機為例計算：
其平均壓下量為：
= （4.6）
=
=
= 0.01×（14－0.01×1000）×0.8=0.032
=（14－0.01×1000）（1.4＋0.15＋0.3+0.3×0.3）×9.8=76.048MPa
μ=0.8×（1.05-0.0005×1000）=0.44
=×（）=106.40MPa
4.1.2 接觸面水平投影面積的計算
在簡單軋制情況下，計算接觸面水平投影面積F公式為：
F== （4.7）
式中： ——軋件平均寬度；mm；
——接觸弧長度；mm；
——軋制前后軋件的寬度；mm；
——軋輥平均工作半徑，mm；
——壓下量，mm
4.2 軋輥驅(qū)動力矩的計算
在簡單軋制情況下，驅(qū)動一個軋輥的力矩為軋制力矩和軋輥軸承處摩擦力矩之和，由文獻[4,2-120]可知其公式為：
=+ （4.8）
求軋制力矩，由文獻[4,2-120]可知其公式為：
（4.9）
式中：——軋制力；
——軋制力力臂，即合力作用線距兩個軋輥中心線的垂直距離；
——軋輥直徑；
——咬入角，；
——合力作用點的角度，；
——力臂系數(shù)，熱軋時：=0.5，冷軋時：=0.35～0.45
計算得：
求軋輥軸承處摩擦力矩，其公式為：
（4.10）
式中：——軋制力；
——軋輥軸承處摩擦圓半徑；
——軋輥軸頸直徑；
——軋輥軸承摩擦系數(shù)，滾動軸承=0.004
=98648.65×0.46=45378.379
軋輥驅(qū)動力矩：
=2635891.93+45378.379=2681270.31
兩個輥總驅(qū)動力矩：
=2×2681270.31=5362540.62 （4.11）
5 軋機主電動機力矩及電動力功率
5.1主電動機力矩
主電動機軸上的力矩由四部分組成，即：
（5.1）
式中：——電動機力矩；
——軋輥上的軋制力矩；
——附加摩擦力矩，即當(dāng)軋制時由于軋制力作用在軋輥軸承、傳動機構(gòu)及其他傳動件中的摩擦而產(chǎn)生的附加力矩，；
——空轉(zhuǎn)力矩，軋機空轉(zhuǎn)時在軋輥軸承及傳動裝置中所產(chǎn)生的摩擦力矩及其他阻力距；
——動力矩，軋輥運轉(zhuǎn)速度不均勻時，各部件由于有加速或減速所引起的慣性力所產(chǎn)生的力矩；因Φ380平輥軋機屬于不可逆式，故；
i——軋輥與主電動機的傳動比。
5.2電機容量的選擇
軋輥轉(zhuǎn)速：
可得軋制速度
式中：——工作輥直徑。
由軋輥力矩初選電動機功率：
（5.2）
故，
初選電機功率應(yīng)滿足，考慮到生產(chǎn)的發(fā)展以及需要軋制不同的鋼種，應(yīng)取的大些，取電機功率為500KW，電機主要參數(shù)為：
型號：ZKSL-450-21
額定功率：500KW
轉(zhuǎn)速：1200r/min
電機額定轉(zhuǎn)矩 為：
（5.3）
5.3 附加摩擦力矩
附加摩擦力矩包括：軋制總壓力在軋輥上產(chǎn)生的附加摩擦力矩；各轉(zhuǎn)動零件推算到主電動機軸上的附加摩擦力矩。
（5.4）
式中：——主電動機到軋輥之間的傳動效率，不包括空轉(zhuǎn)力矩的損失。
則可求得：
主電動機軸上的附加總摩擦力矩為：
5.4空轉(zhuǎn)力矩
空轉(zhuǎn)力矩有各傳動零件的重量產(chǎn)生的摩擦損失，公式如下：
（5.5）
因此主電動機力矩為：
5.5電動機的校核
對于不可逆軋機不需要進行發(fā)熱校核，只需要進行過載校核。
電動機的過載系數(shù)，由文獻[4,2-161]可知其公式為：
（5.6）
式中：——靜負載最大力矩。
對于不可逆式軋機，過載系數(shù)：
所以過載校核通過。
6 機架的設(shè)計
6.1機架的選擇及結(jié)構(gòu)參數(shù)
軋機的機架是工作機座的重要部件，軋輥軸承座及軋輥調(diào)整裝置等都安裝在機架上。機架要承受軋制力，必須要有足夠的強度和剛度。Φ380H平輥軋機要求具有較高的強度和剛度，因此選擇閉式機架。機架的材料為16Mn。機架的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖6.1所示。
圖6.1 機架結(jié)構(gòu)圖
6.2機架強度的計算及校核
選用的機架材料為16Mn，屬于低碳合金鋼。機架的力學(xué)性能為：；
；。n為安全系數(shù),這里取2.5。
機架外負荷和幾何尺寸都與機架窗口垂直中心線對稱，故可將機架簡化為一個由機架立柱和上下橫梁的中性軸組成的自由框架。機架受力圖如圖6.2所示：
圖6.2 機架受力圖
圖上作用于機架上的垂直力R，
機架自由框架所受彎曲力矩如圖6.3所示：
圖6.3 自由框架彎曲力矩圖
機架窗口垂直中心線處靜不定力矩，其公式為：
（6.1）
式中：——機架橫梁的中性線長度，；
——機架立柱的中性線長度，；
——機架上橫梁的慣性距；
——機架立柱的慣性矩；
——機架下橫梁的慣性矩。
由于上下橫梁慣性矩相同，即，則力矩為：
（6.2）
上橫梁慣性距為：
（6.3）
式中：——機架上橫梁橫截面的寬度，；
——機架上橫梁橫截面的高度，。
機架立柱上的慣性矩為：
（6.4）
式中：——機架立柱橫梁橫截面的寬度，；
——機架上橫梁橫截面的高度，。
彎矩為：
在立柱上的彎矩：
（6.5）
在求出力矩和后，可求出機架的應(yīng)力，其應(yīng)力圖如圖6.4所示：
圖6.4 機架應(yīng)力圖
機架橫梁內(nèi)側(cè)的應(yīng)力為：
（6.6）
式中：——機架橫梁內(nèi)側(cè)的斷面系數(shù)。
機架橫梁外側(cè)的應(yīng)力為：
（6.7）
式中：——機架橫梁外側(cè)的斷面系數(shù)。
機架立柱內(nèi)側(cè)的應(yīng)力，公式為：
（6.8）
式中：——機架立柱內(nèi)側(cè)的斷面系數(shù)；
——機架立柱的斷面面積，。
機架立柱外側(cè)的應(yīng)力，公式為：
（6.9）
式中：——機架立柱外側(cè)的斷面系數(shù)；
以上各部分應(yīng)力均遠小于機架的許用應(yīng)力，因此機架滿足強度要求。
6.3機架的變形計算
機架的彈性變形時由橫梁的彎曲變形和立柱的拉伸變形組成的。由于橫梁的斷面尺寸較橫梁的長度來說是較大的，在計算橫梁的彎曲變形時，應(yīng)考慮橫向切力的影響，公式為：
（6.10）
式中：——機架的彈性變形；
——由彎矩產(chǎn)生的橫梁彎曲變形；
——由切應(yīng)力產(chǎn)生的橫梁彎曲變形；
——由拉力產(chǎn)生的橫梁彎曲變形。
由彎矩產(chǎn)生的橫梁彎曲變形為：
（6.11）
式中：——機架材料的彈性模數(shù)，；
——橫梁的慣性矩；
——橫梁中性軸的長度；
——橫梁上的作用力；
——機架立柱中的力矩。
由切應(yīng)力產(chǎn)生的橫梁彎曲變形為：
（6.12）
式中：——機架材料的剪切彈性模數(shù)，；
——橫梁的斷面面積，；
——橫梁的斷面形狀系數(shù)，對于矩形斷面，系數(shù)為1.2.
機架立柱的拉伸變形為：
（6.13）
式中：——立柱的中性軸長度；
——立柱的斷面面積；
機架的允許變形，，所以機架剛度足夠。
7 軋輥與軋輥軸承設(shè)計
7.1軋輥的設(shè)計
7.1.1軋輥參數(shù)的選擇
Φ380H平輥軋機為線材軋機，故L/D為：1.5～2.5.軋輥的參數(shù)選擇列表如下表所示：
表7.1 軋輥參數(shù)
軋輥材料
軋輥直徑
（mm）
輥身長度
（mm）
輥頸直徑
（mm）
輥頸長度
（mm）
梅花軸頭直徑
（mm）
梅花軸頭長度
（mm）
鎳鉬球墨鑄鐵
380
700
230
278
210
310
軋輥主要尺寸示意圖如圖7.1所示：
圖7.1 軋輥主要尺寸示意圖
7.1.2軋輥的強度校核
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。
通常對輥身只計算彎曲，對輥頸則計算彎曲和扭轉(zhuǎn)，對傳動軸頭只計算扭轉(zhuǎn)。輥頸強度要按照彎扭合成應(yīng)力來計算。
以下軋輥為例，其受力圖、彎矩（M）圖、扭矩（T）圖如圖7.2所示：
圖7.2 下軋輥受力、彎矩、扭矩圖
將軋輥簡化成兩端支撐的簡支梁，所以，
根據(jù)圖7.2得到：
1、輥身強度校核：
作用于軋輥危險斷面上的彎矩為：
（7.1）
式中：——壓下螺絲中心線距離，。
作用于軋輥危險斷面上的彎矩應(yīng)力為：
（7.2）
式中：——輥身危險斷面處的彎矩，N·m；
D——軋輥斷面處的直徑，D=380mm。
因為軋輥是鑄鐵軋輥，根據(jù)文獻參考［2,87］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。
2、輥頸強度校核
根據(jù)參考文獻［4,128］可知輥頸危險斷面上的彎曲應(yīng)力為：
（7.3） 式中： ——軋輥危險斷面處的彎矩；
——輥頸直徑，。
輥頸危險斷面處的彎矩為：
（7.4）
式中：——壓下螺絲中心線到輥身邊緣的距離，;
——壓下螺絲中心線到軋制壓力作用線的距離，。
輥頸危險斷面上的彎曲應(yīng)力為：
輥頸危險斷面上的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力τ為：
（7.5）
式中：——軸頸危險斷面的扭矩，即作用在工作輥上的最大傳動力矩，
；
——輥頸危險端面的抗扭截面系數(shù)。
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［2,87］得：
（7.6）
式中：——鑄鐵材料抗拉許用應(yīng)力與抗壓許用應(yīng)力的比值，對于球墨鑄鐵。
因此，滿足強度要求。
3. 梅花軸頭強度校核
對于梅花軸頭只校核扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，且它的最大扭轉(zhuǎn)力發(fā)生在它的槽底部，因此：
（7.7）
式中：——梅花軸頭直徑，。
根據(jù)參考文獻［2,18-25］：
=0.7=
因為τ﹤，所以軸頭強度要求滿足。
7.2 軋輥軸承的校核
7.2.1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，承載后的變形也小；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。考慮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FC4666206.根據(jù)參考文獻［5,20-179］得到它的參數(shù)見表7.2
表7.2 FC4666206軸承的基本參數(shù)
主要尺寸/mm
基本額定載荷/KN
軸承型號
d
D
B
動載荷
靜載荷
FC666206
230
330
206
260
1350
3510
7.2.2 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，其公式為：
（7.8）
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=444.5r/min；
——溫度系數(shù)，取0.9；
——額定動載荷，N，其值由軸承樣本查得，
——壽命指數(shù)，因為是滾子軸承，所以=10/3；
P——當(dāng)量動載荷，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：
（7.9）
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，=49324.325N。
將數(shù)據(jù)代入 （7.8）得：
軸承壽命按=40000h計算，因為＜，所以，軸承滿足壽命要求。
8 壓下裝置
8.1壓下螺絲螺紋尺寸的確定
壓下螺絲是壓下系統(tǒng)的主要組成部分，由頭部、本體和尾部三部分組成。頭部與上軋輥軸承座接觸，承受來自軸頸的壓力和上輥平衡裝置的過平衡力。壓下螺絲的本體部分帶有螺紋，它與壓下螺母的內(nèi)螺紋配合以傳遞運動和載荷，壓下螺絲的螺紋有鋸齒形和梯形兩種。壓下螺絲的尾部是傳動端，承受來自電動機的驅(qū)動力。
壓下螺絲的基本參數(shù)是螺紋部分的外徑d和螺距t，可按國家專業(yè)標準選擇。壓下螺絲直徑由最大軋制力決定。壓下螺絲的最小斷面直徑d1由下式來確定：
（8.1）
式中：——作用在螺絲上的最大軋制力；
——壓下螺絲許用應(yīng)力。一般壓下螺絲材料為鍛造碳鋼，其強度=600~700,當(dāng)安全系數(shù)取時，許用應(yīng)力為=100~120，取=115
代入公式（8.1）得:
由于壓下螺絲和軋輥輥徑承受同樣大小的軋制力，故而這兩者之間有一定的關(guān)系即：
（8.2）
式中： d——壓下螺絲外徑；
—— 輥徑直徑；。
?。?
對初軋機來說，壓下螺絲的螺距,
取t=0.12d，
實際取壓下螺絲內(nèi)徑25mm，外徑140mm，螺距16mm。
9 主傳動裝置設(shè)計
軋鋼機主傳動裝置的作用是將電動機的運動和力矩傳遞給軋輥。在很多軋鋼機上，主傳動裝置由連接軸，聯(lián)軸器，齒輪機座，減速器部分組成。本次設(shè)計不涉及齒輪機座。
9.1 聯(lián)軸器的選擇及計算
選用齒式聯(lián)軸器。齒式聯(lián)軸器的特點是結(jié)構(gòu)緊湊，承載能力強，使用的速度范圍很廣，工作可靠，具有綜合補償兩軸相對位移的能力，適用于重載下工作或告訴運轉(zhuǎn)的水平傳動軸的連接。選用GⅡCL型齒式聯(lián)軸器，型號為：GⅡCL10
聯(lián)軸器的強度校核：
若滿足： （9.1）
則滿足強度要求。上式摘自文獻[6,6-55]。
式中：——聯(lián)軸器計算轉(zhuǎn)矩，；
——工作情況系數(shù)，主傳動裝置中，，取；
——動力機系數(shù)，取1.0；
——啟動系數(shù)，取1.0；
——溫度系數(shù)，取1.0；
——驅(qū)動功率，，；
n——工作轉(zhuǎn)速，，；
——公稱轉(zhuǎn)矩，，。
，因此滿足強度要求。
9.2聯(lián)接軸的選擇及計算
為便于更換軸承，選擇SWP型十字軸萬向接軸。A型、D型、E型和F型聯(lián)接軸的安裝長度均可根據(jù)工作選擇適當(dāng)?shù)拈L度，在根據(jù)聯(lián)接軸兩端尺寸，選擇聯(lián)接軸型號：SWP315A。
SWP315A剖分軸承座十字軸