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畢 業(yè) 設 計 (論 文)
結晶器齒輪差動振動機構設計
系 名：
專業(yè)班級：
學生姓名：
學 號：
指導教師姓名：
指導教師職稱：
年 月
目 錄
摘 要 II
Abstract III
第一章 緒論 1
1.1結晶器振動器簡介 1
1.2結晶器振動器的發(fā)展 1
1.3國內外的研究現(xiàn)狀 1
第二章 總體設計 3
2.1設計要求 3
2.2方案選擇 3
2.2.1振動機構方案選擇 3
2.2.2振動形式選擇 4
2.2.3傳動機構方案選擇 5
2.3總體參數(shù)分析 6
2.3.1結晶器的位移函數(shù) 6
2.3.2結晶器的速度函數(shù) 7
3.2.3鑄流速度 7
第三章 傳動部件的設計與選擇 8
3.1電動機的選擇 8
3.1.1結晶器質量的估算 8
3.1.2驅動功率選擇 8
3.1.3 電動機的選擇 9
3.1.4電動機校核 9
（1）電動機轉矩的校核 9
（2）電動機發(fā)熱的校核 10
3.2減速器的選擇 10
3.2.1傳動比的確定 10
3.2.2減速器選擇 10
3.2.3減速器的功率校核 10
3.2.4減速器的強度校核 11
3.3振動源偏心軸的設計 11
3.3.1軸的類型選擇 11
3.3.2軸的材料 12
3.3.3初算軸的直徑 12
3.3.4軸的結構設計 12
3.3.5軸上零件的布置和裝配方案 14
3.3.6軸上受力分析及校核 14
3.4軸上零件的設計與校核 19
3.4.1聯(lián)軸器的選擇 19
3.4.2軸承的選擇及其校核 20
3.4.3鍵的選用及校核 22
第四章 振動部件的設計與選擇 23
4.1齒輪齒條設計 23
4.1.1齒輪齒條的材料選擇 23
4.1.2齒輪齒條的設計與校核 23
4.2扇形齒輪設計 27
4.3連桿的設計 27
4.4連桿銷的設計 28
4.5彈簧的設計及其校核 29
總 結 32
參考文獻 33
致 謝 34
摘 要
結晶器差動齒輪振動機構是我國60年代中期開發(fā)并應用于生產的弧線軌跡振動機構。其結晶器固定在由彈簧支撐的振動框架上，用凸輪或偏心輪強迫框架下降，利用彈簧的反力使其上升。其主要由電機、減速器、偏心軸、連桿、差動扇形齒輪、齒輪齒條、彈簧、框架等構成。
本文主要針對結晶器差動齒輪振動機構進行設計。首先，通過對差動齒輪振動機構結構及原理進行分析，在此分析基礎上提出了總體結構方案；接著，對主要技術參數(shù)進行了計算選擇；然后，對各主要零部件進行了設計與校核；最后，通過AutoCAD制圖軟件繪制了搓絲機總裝圖、傳動裝置裝配圖及主要零部件圖。
通過本次設計，鞏固了大學所學專業(yè)知識，如：機械原理、機械設計、材料力學、公差與互換性理論、機械制圖等；掌握了普通機械產品的設計方法并能夠熟練使用AutoCAD制圖軟件，對今后的工作于生活具有極大意義。
關鍵詞: 結晶器，差動齒輪，振動機構，偏心軸
Abstract
Mold is a differential gear vibration mechanism of the mid-1960s developed and used in the production of curved track vibration mechanism. Which is fixed to the mold frame by a spring support of the vibration, forced by the cam or eccentric frame drop, the spring reaction force to make it rise. Which mainly consists of motor, reducer, eccentric shaft, connecting rod, differential gear segment, rack and pinion, springs, frame and so on.
In this paper, the design for the differential gear mold vibrating mechanism. First, by making the structure and principles of the differential gear vibration mechanism analysis presented in this analysis, based on the overall structure of the program; Next, the main technical parameters were calculated choice; then, for the main components were designed and Verification ; Finally, AutoCAD drawing software to draw the thread rolling machine assembly diagram, the main gear assembly drawings and parts diagram.
Through this design, the consolidation of the university is expertise, such as: mechanical principles, mechanical design, mechanics of materials, tolerances and interchangeability theory, mechanical drawing, etc; mastered the design method of general machinery products and be able to skillfully use AutoCAD drawing software for the future work of great significance in life.
Keywords: Mold, The differential gear, The vibration mechanism, The eccentric shaft
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結晶器齒輪差動振動機構設計
第一章 緒論
1.1結晶器振動器簡介
在連鑄技術的發(fā)展過程中，只有采用了結晶器振動裝置后，連鑄才能成功。結晶器振動的目的是防止拉坯坯殼與結晶器粘結，同時獲得良好的鑄坯表面，因而結晶器向上運動時，減少新生的坯殼與銅壁產生粘結，以防止坯殼受到較大的應力，使鑄坯表面出現(xiàn)裂紋;而當結晶器向下運動時，借助摩擦，在坯殼上施加一定的壓力，愈合結晶器上升時拉出的裂痕，這就要求向下的運動速度大于拉坯速度，形成負滑脫。
機械振動的振動裝置由直流電動機驅動，通過萬向聯(lián)軸器，分兩端傳動兩個蝸輪減速機，其中一端裝有可調節(jié)軸套，蝸輪減速機后面再通過萬向聯(lián)軸器，連接兩個滾動軸承支持的偏心軸，在每個偏心輪處裝有帶滾動軸承的曲柄，并通過帶橡膠軸承的振動連桿支撐振動臺，產生振動。
在新型連鑄生產工藝中，采用帶有數(shù)字波形發(fā)生器的結晶器電液伺服振動控制是保證連鑄生產質量的關鍵技術之一。國外的應用情況表明，采用連鑄結晶器非正弦伺服振動，能夠有效地減少鑄坯與結晶器間的摩擦力，從而防止坯殼與結晶器粘結而被拉裂，減小鑄坯振痕，提高鑄坯質量川一〔9l。帶有數(shù)字波形發(fā)生器的結晶器電液伺服振動控制裝置和傳統(tǒng)的結晶器振動裝置相比，可以方便地實現(xiàn)多種波形振動、實現(xiàn)連鑄過程監(jiān)督和實時顯示振動波形，并能在線修改非振動方式及振動頻率和幅值等參數(shù)，實現(xiàn)控制過程的平穩(wěn)過度。
1.2結晶器振動器的發(fā)展
最初的連鑄機結晶器是靜止不動的，在拉坯的過程中坯殼很容易與結晶器內壁產生粘結，從而出現(xiàn)坯殼“拉不動”或拉漏鋼水的事故發(fā)生。因此，靜止不動的結晶器限制了連鑄生產的工業(yè)化發(fā)展。直到1933年現(xiàn)代連鑄的奠基人一德國的西格弗里德?容漢斯開發(fā)了結晶器振動裝置，并成功地將它應用于有色金屬黃銅的連鑄。
1949年S?容漢斯的合伙人美國的艾爾文?羅西(Irving Rossi )獲得了容漢斯結晶器振動技術專利的使用權，并首次在美國約阿?勒德隆鋼公司廠的一臺方坯連鑄試驗機上采用了振動結晶器。與此同時，容漢斯振動結晶器又被西德曼內斯(Mannesmann)公司胡金根廠的一臺連續(xù)鑄鋼試驗連鑄機上成功應用結晶器振動技術在這兩臺連鑄機上的成功應用，為結晶器振動技術的廣泛應用打下了堅實的基礎。
1.3國內外的研究現(xiàn)狀
繼續(xù)日本將液壓伺服振動結晶器應用于連鑄之后，法國IRSID[2]與CLECIM合作進行了相應的研究工作。于1987年公布了其實驗結果。研究結果表明，應用非正弦振動可以有效地減少結晶器內的摩擦力，使振痕深度減輕，鑄坯表面質量得以明顯改善。在前面實驗的基礎上，IRSID與CLECIM又新設計制造了兩臺液壓振動工業(yè)實驗裝置，分別安裝在了索拉克廠的2流板坯連鑄機的2號機和Unimecal Normandie廠的8流小方坯連鑄機的一流上。首先他們在這兩個裝置上采用了與機械振動系統(tǒng)相同的正弦波形及控制方式，應用于各自的鑄機上進行長期的工業(yè)試驗。結果表明鑄坯表面質量和機械振動系統(tǒng)相同，同時也驗證了液壓振動系統(tǒng)的可靠性。隨后在SOLLAC廠進行了非正弦振動實驗，其金相分析結果表明，生產的低碳鋼的振痕深度至少減少了25%,在UN廠，雖然他們應用液壓振動仍進行了正弦振動試驗，但是在控制上對正弦振動模型進行了優(yōu)化控制，結果表明，低碳鋼方坯的表面缺陷減少了75%。
CLECIM后來又為SOLLAC廠設計制造了一臺工業(yè)性液壓振動裝置，采用全數(shù)字控制方式，在控制上具有更大的靈活性和適應性。該設備液壓源壓力為18Mpa，電動機功率為110KW，于1993年3月安裝在SOLLAC廠2號板坯連鑄機上，目前該連鑄機主要生產超低碳鋼，C含量為0.025%及小于0.01%。生產結果表明，應用非正弦振動，其振痕深度比用正弦振動至少減少了30%，并且可以減少凝固鉤的數(shù)量，顯著減少皮下缺陷，從而大大提高了最后軋制成品的表面質量?，F(xiàn)在，該廠一直采用給正弦振動進行生產，并計劃改造另一流板坯振動系統(tǒng)。
英國的Stocksbridge工程鋼廠的圓方坯連鑄機主要生產特殊鋼，應用液壓振動改造后，生產實踐表明，用液壓非正弦振動系統(tǒng)不僅可以減少振痕深度，減少卷渣，提高鑄坯表面質量，而且該廠的漏鋼率也從原來的3%下降到了1%。
與此同時，德馬克公司在阿維迪薄板坯連鑄機上，開發(fā)成功了薄板坯液壓振動系統(tǒng)。日本住友在其90-120mm×1000mm試驗連鑄機上采用了液壓振動技術，起普碳鋼的試驗拉速為5m/min；中碳鋼等鋼種的試驗拉速為3m/min。奧鋼聯(lián)已經在其薄板坯連鑄機上，盧森堡則在其方坯以異形坯連鑄機上開始裝備液壓振動系統(tǒng)，并開始了自帶振動系統(tǒng)的結晶器的研制。另外，日本神戶、新日鐵、英國ECSC等都相繼開始液壓振動的研究。
第二章 總體設計
2.1設計要求
結晶器齒輪差動振動器設計，振幅12毫米，振動重量按800毫米長結晶器計算，頻率100~150之間。
2.2方案選擇
2.2.1振動機構方案選擇
結晶器的振動裝置的結構包括兩個基本部分：實現(xiàn)結晶器運動軌跡的部分和實現(xiàn)結晶器振動的部分。按照結晶器運動軌跡（弧線）的實現(xiàn)方式分為：導軌式、長臂式、復合差動式、短臂四連桿式和四偏心輪式等。
差動齒輪振動機構是我國60年代中期開發(fā)并應用于生產的弧線軌跡振動機構。結晶器固定在由彈簧支撐的振動框架上，用凸輪或偏心輪強迫框架下降，利用彈簧的反力使其上升。振動框架的內、外弧側面，裝有齒條，分別與節(jié)圓半徑相等的小齒輪相嚙合。裝在小齒輪軸上的扇形齒輪有不同的節(jié)圓半徑，內弧側的節(jié)園半徑比較大，相互嚙合的扇形齒輪擺動時，就時與其相連的兩個小齒輪曳不一樣，因而可使結晶器產生弧線運動，由于它結構復雜，齒輪和導向件磨損較嚴重等原因而未被得到推廣。但差動原理卻在后來的四偏心結結機構上得到了應用。其結構如圖4-1所示。
圖4-1差動式振動機構
在結晶器的振動框架1上，固定有導軌和齒條2，在距離為A的兩側裝有兩根長軸3，軸支撐在軸承12上，軸上裝有齒輪4和導輪5，以及不同節(jié)圓半徑的扇形齒輪6及7.，在振動框架1兩端還裝著導向塊8，在扇形齒輪6上裝有連桿9，和與傳動機構相連的偏心輪10，振動框架1下面還支撐有彈簧11，目的是平衡一部分負荷并使振動框架1產生一個向上的恢復力，兩個軸3就產生反復的轉動，齒輪4廁通過齒條嚙合關系使振動框架1產生振動，但由于扇形齒輪6和7的節(jié)圓半徑不同，所以兩側齒輪4的角速度也不同，則振動框架將產生弧線振動。
圓弧半徑為R，框架1兩側齒條節(jié)線間距離為W，兩齒輪4的中心距為A，節(jié)圓半徑為，扇形齒輪6和7的節(jié)圓半徑為、，則：
正確的選擇W、A及、的值，便可以得到要求的R值。
2.2.2振動形式選擇
結晶器振動有同步、負滑脫和正弦三種。其振動特性曲線見團2.2所示。
圖2.2 振動特性曲線
1—同步振動；2—負滑脫振動；3—正弦振動
（1）同步振動
最早采用的一種振動方式，按其同步振動的曲線形狀振動。
若設V為拉坯速度，Vm為結晶器的振動速度，V1為結晶器的上升速度，V2為結晶器的下降速度，則同步振動時應滿足：上升時V1=V3；下降時V2=V。這種振動方式的優(yōu)點是能夠滿足連鑄工藝要求，實現(xiàn)同步運動；缺點是機械連鎖或用電器控制來實現(xiàn)嚴格的同步要求，裝置都比較復雜，速度變化時機構沖擊力也較大。
（2）負滑脫振動
同步振動的一種改進型，也稱“負滑脫”。即V2=V(1+e)，式中e是負滑脫率。采用凸輪機構時取e=10%左右，V1=(2.8-3.2)V；采用偏心亂是去e=20%-40%。采用負滑脫振動，結晶器下降時對坯殼有壓合作用，有利于拉裂坯殼的愈合，并可適當提高拉速。
（3）正弦式振動
其振動速度按正弦規(guī)律變化。這種方式的速度變化平穩(wěn)、無沖擊；能有效實現(xiàn)負滑脫，可適當提高拉速，易于改變振動頻率和振幅，實現(xiàn)高頻率小振幅的要求，以改善鑄坯表面質量；用偏心輪/齒輪差動實現(xiàn)振動，結構簡單，易于制造且安裝、維修方便。
基于上述優(yōu)點，在本設計中，采用的就是齒輪差動式正弦振動。
2.2.3傳動機構方案選擇
（1）齒輪傳動
齒輪傳動是利用兩齒輪的輪齒相互嚙合傳遞動力和運動的機械傳動。按齒輪軸線的相對位置分平行軸圓柱齒輪傳動、相交軸圓錐齒輪傳動和交錯軸螺旋齒輪傳動。具有結構緊湊、效率高、壽命長等特點。
齒輪傳動是指用主、從動輪輪齒直接、傳遞運動和動力的裝置。在所有的機械傳動中，齒輪傳動應用最廣，可用來傳遞任意兩軸之間的運動和動力。
齒輪傳動的特點是：齒輪傳動平穩(wěn)，傳動比精確，工作可靠、效率高、壽命長，使用的功率、速度和尺寸范圍大。例如傳遞功率可以從很小至幾十萬千瓦；速度最高可達300m/s；齒輪直徑可以從幾毫米至二十多米。但是制造齒輪需要有專門的設備，嚙合傳動會產生噪聲。
（2）鏈傳動
鏈傳動是通過鏈條將具有特殊齒形的主動鏈輪的運動和動力傳遞到具有特殊齒形的從動鏈輪的一種傳動方式。
鏈傳動有許多優(yōu)點，與帶傳動相比，無彈性滑動和打滑現(xiàn)象，平均傳動比準確，工作可靠，效率高；傳遞功率大，過載能力強，相同工況下的傳動尺寸??；所需張緊力小，作用于軸上的壓力?。荒茉诟邷?、潮濕、多塵、有污染等惡劣環(huán)境中工作。
鏈傳動的缺點主要有：僅能用于兩平行軸間的傳動；成本高，易磨損，易伸長，傳動平穩(wěn)性差，運轉時會產生附加動載荷、振動、沖擊和噪聲，不宜用在急速反向的傳動中。因此，鏈傳動多用在不宜采用帶傳動與齒輪傳動，而兩軸平行，且距離較遠，功率較大，平均傳動比準確的場合。
（3）帶傳動
帶傳動(皮帶傳動)特點(優(yōu)點和缺點):結構簡單,適用于兩軸中心距較大的傳動場合;傳動平穩(wěn)無噪聲,能緩沖、吸振;過載時帶將會在帶輪上打滑,可防止薄弱零部件損壞,起到安全保護作用;不能保證精確的傳動比.帶輪材料一般是鑄鐵等。
（4）蝸桿傳動方式
蝸桿傳動是在空間交錯的兩軸間傳遞運動和動力的一種傳動機構（圖2-8）。兩軸線交線的夾角可為任意值，常見的為90°。這種傳動有這樣的優(yōu)點：傳動比大，零件數(shù)目少，結構緊湊；具有反向自鎖的作用。
蝸桿傳動機構也具有缺點，由于蝸桿跟渦輪之間通過摩擦傳遞運動，所以這使得兩者之間產生很多的熱量，這些熱量若不能即使散發(fā)出去，那就會使?jié)櫥瑮l件惡化，產生膠合現(xiàn)象。同時這種傳動效率低。
綜上所述，選擇齒輪傳動機構作為本次振動機構的傳動裝置。
圖2-9傳動機構方案
2.3總體參數(shù)分析
2.3.1結晶器的位移函數(shù)
振動臺的振源機構相當于曲柄滑塊機構，G點的運動簡圖如圖3.4所示。
圖3.4 結晶器振動臺的振源機構簡圖
故G點的位移為：
根據(jù)公式（3-2），并考慮位移方向相反，則C點的位置函數(shù)為：
為了計算和討論方便，將其取正，則結晶器的位置函數(shù)和C點的位置函數(shù)相同，可以寫成
（3-3）
式中：——結晶器的位移；
H——結晶器的二倍振幅即結晶器的總行程；
——振源旋轉角度 =；
——振源振動頻率，和結晶器振動頻率相同；
2.3.2結晶器的速度函數(shù)
對結晶器的位移函數(shù)式（3-3）求t的一次導數(shù)，便得出結晶器的速度函數(shù)，即
（3-4）
式中：——結晶器速度；
結晶器速度曲線為余弦，速度的最大值
=2
在結晶器的一個行程范圍內，速度會出現(xiàn)兩次最值，即上行最大值和下行最大值。
3.2.3鑄流速度
在連續(xù)鑄鋼時，鑄流為連續(xù)向下運動，其路程可以表示為：，鑄流速度等于拉速。
式中：——結晶器的路程；
——鑄流速度；
——拉速；
第三章 傳動部件的設計與選擇
3.1電動機的選擇
3.1.1結晶器質量的估算
（1）體積
結晶器雖然是冶金行業(yè)的重要零件，但是至今仍沒有統(tǒng)一的標準，這就注定結晶器的大小沒有一個固定值。本次設計按照800mm長度計算。
這樣我們就可以得出結晶器的大體體積為：
其中 a——結晶器的長度
b——結晶器高度
c——結晶器寬度
（2）質量
結晶器組成復雜，在里面有很多銅管，銅管內還有冷卻水，這就給我們的質量估算帶來很大的麻煩，我們?yōu)榱斯浪銜簳r將結晶器看做是40%體積的水跟60%體積的銅組成。
則結晶器的總重量為：
在振動裝置中還有些機架、桿件，所以還要估算這些桿件的質量：
綜上可以得出結晶器振動部分的總重量為：
3.1.2驅動功率選擇
則可求出總的靜載荷
根據(jù)設計要求以及實際試驗設計，取 。
有機構分析可知，偏心輪的偏心距為：
則偏心輪的輪角速度為：
最大的振動速度：
振動加速度：
靜載荷質量：
動負荷為：
摩擦阻力：
該公式取自冶金工業(yè)出版社《煉鋼設備》P158（7-12）公式。
振動總負荷為：
則換算到偏心軸上的震動負荷為：
有上述的計算可以求出電動機驅動功率為：
3.1.3 電動機的選擇
根據(jù)驅動功率，查《機械零件設計手冊》第三版，因為室內工作連續(xù)運轉，所以選擇Y系列（IP44）三相異步電動機。本設計題目選擇Y系列（IP44）三相異步電動機，（JB/T 9616-1999）,型號為Y200L-4,額定功率30千瓦，轉速1470轉/分，重量253千克。安裝及外形是機座帶底腳、端蓋無凸緣。
3.1.4電動機校核
（1）電動機轉矩的校核
式中：
——電動機的額定轉矩Nm
——啟動時電動機軸靜轉矩Nm
——最小啟動電壓與額定電壓比值，取0.85
——啟動時的加速度關系，一般取1.2-1.5，這里取1.4
所以滿足，即電動機的轉矩符合要求。
（2）電動機發(fā)熱的校核
C——慣量增加量
——電動機以外，移動質量和轉動質量質量折算到電動機軸上的飛輪距電動機工作方式為S3即6次/h
故Z=6
取K=1.7 查《起重機課程設計》得到P=13Kw
所以P＞Ps=11.67（Ps為額定功率）
3.2減速器的選擇
3.2.1傳動比的確定
由設計參數(shù)可知，結晶器振動頻率為100~150次/min，則有減速器低速軸上的轉速為100~150次/min，高速軸是根據(jù)電機的轉速確定，為1470r/min。所以傳送比為：
這樣我們可以查《機械設計手冊》第四卷16-44頁中表16-2-5ZLY型減速器功率得到傳動比為9.8，采用用二級減速器就可滿足要求。
3.2.2減速器選擇
由《機械設計手冊》第四卷中可查知，選用ZLY-140-7.1-Ⅰ，其減速器功率為P1=26Kw，高速軸軸頸為32mm，低速軸軸頸為65mm。
3.2.3減速器的功率校核
P3——計算功率
P2——負載功率11.67kw
P1——減速器公稱輸入功率23kw
F1——工況系數(shù)，由《機械設計手冊》第五版第四卷16-2-8，選定工況系數(shù)為1.5
根據(jù)上述計算可知，減速器的選擇可以符合要求。
3.2.4減速器的強度校核
減速器的軸的材料擬選用45號鋼。
（1）高速軸的強度校核
電動機的額定轉矩為
則高速軸聯(lián)軸器的轉矩為
式中：M——電動級額定轉矩
n——聯(lián)軸器的安全系數(shù)，運行機構n=1.35
——機構剛性動載系數(shù)，=1.2-2.0，取=1.8
低速軸上的轉矩為：
所以減速器高速軸上的最大轉矩為M=M1=431NM
高速軸上的最小軸徑為：由減速器查知d=55mm
所以高速軸的最大扭矩應力為
許用扭轉應力=
所以故通過校核。
（2）低速軸的強度校核
低速軸的最大轉矩為
低速軸的最小軸徑為28mm，但是最大轉矩處的軸徑約為d=28+10=38mm，所以
綜上所述，減速器通過校核
3.3振動源偏心軸的設計
3.3.1軸的類型選擇
在該振動結構中，由于要實現(xiàn)振動，選擇轉軸的類型為偏心軸（如圖3.1所示）。
圖3.1 偏心軸
3.3.2軸的材料
根據(jù)設計要求，選擇該偏心軸的材料為45#鋼。
3.3.3初算軸的直徑
聯(lián)軸器和滾動軸承的型號是根據(jù)軸端直徑確定的，而且軸的結構設計是在初步計算軸徑的基礎上進行的，故要先計算軸徑。軸的直徑可按扭矩強度法進行估算，即
(3.1)
式中：P為軸傳遞的功率，kW；
n為軸的轉速，r/min，n=200r/min；
C為有軸的材料和受載情況確定的系數(shù)。
若材料為45鋼，通常取C=106~117，C值應考慮軸上彎矩對軸強度的影響，當只受轉矩或彎矩相對較小時，C取小值；當彎矩相對較大時，C取大值。
初算軸徑還要考慮鍵槽對軸強度的影響。當該軸段截面上有一個鍵槽時，d增大5%；有兩個鍵槽時，d增大10%。然后將軸徑圓整為標準值。
在這里，C取110，對段有
圓整取
3.3.4軸的結構設計
由于該軸要承受較大的軸向力，而且定位要求可靠，故采用軸肩軸向定位與固定方法（如圖3.2所示）。
圖3.2 軸肩
為了保證零件緊靠定位面，應使r
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