1、 大學本科學生畢業設計（論文）卡羅塞爾卷取機運動特性分析與結構設計Graduation Design(Thesis) of ChongqingUniversitySTRUCTURAL AND KINETIC CHARACTERISTIC ANALYSIS OF CARROUSEL COILERUndergraduate: Zhang feiSupervisor: Prof. Wang yongqinMajor: Mechanical Design,manufacturing and automationCollege of Mechanical EngineeringChongqingUniv

2、ersityJune 2011- 47 - / 54摘 要卷取機是成卷軋制和帶材精整機組中的關鍵設備，其用途是收集超長軋件，將其卷取成卷以便于貯存和運輸。卷取機是軋鋼車間的重要輔助設備，在帶材和線材生產中均被廣泛應用。軋鋼生產實踐證明，卷取機的工作狀態直接影響著軋機，特別是連軋機生產能力的發揮。因此，對強力、高速卷取設備的研究一直受到重視。卷取機有很多種類，按其卷取對象可分為：冷帶材卷取機、熱帶材卷取機、小型線材卷取機等；按其用途可分為大力卷取機和精整卷取機。本課題的研究對象卡羅塞爾卷取，又稱雙卷筒卷取機，屬于大型高速回轉類機器，廣泛應用于各類帶鋼生產線，是目前世界上最先進的冷軋帶鋼卷取機。卡

3、羅塞爾卷取機，它以連續、高速的方式收集卷取帶鋼。由于該機設計非常緊湊，可很大程度上節省設備安裝與使用空間，同時具備卷取效率高、連續性好等優點，在國外的軋鋼生產中得到了廣泛的應用。本論文就是對卡羅塞爾卷取進行運動特性分析和結構設計。首先，對卷取機的用途、分類以與基本結構進行簡明的介紹。其次，對卡羅塞爾卷取機的結構進行闡述，并對其工作原理進行分析，包括卷取機主傳動系統，卷筒，漲縮機構，旋轉和鎖定系統的結構與工作原理。然后，通過計算，確定卡羅塞爾卷取機主傳動系統與卷筒的一些基本參數。最后，在確定的參數的基礎上，利用有限元分析軟件對傳動系統與卷筒軸的性能進行分析。關鍵詞：卡羅塞爾卷取機，卷筒，結構分析

4、，參數分析，傳動系統ABSTRACTCoiling machine is the most important equipment of the roiling and finishing belt material unit.The usage of the coiling machine is to collect the overlength mill bar,and to take up them into rolls,in order to reserve and transport.Coiling machine is a very imoprtant equipment of t

5、he accessories of the rolling mill,and is widely used in strips and tubes producing.The rolling operations indicates that the functional conditions of the coiling machine direct influence the roilling machine,especially the production capability of the tandem mill.So,the research of the coiling mach

6、ine is very important. Depending on differentcoiledmaterials,the coiler can be divided into many types,such as tropical coiler,old coiler and small wire coiler.Also,according to its use,it can be divided into big tension mill and finishing mill.The carrousel coiling machine is also called double rol

7、ling coiling machine.It belongs to large and high-speed-rotary machines and is widely used in all kinds of steel production line.And currently it is the most advanced cold strip mill in the world.Carrousel coiling machine collectis the coiling strip very quickly and continuously.The design of this m

8、achine is very compact,and it can save equipment space greatly.It is wildly used in the world also along with its high efficiency and continuity.This thesis is to analyse structural and kinetic characteristic of the carrousel coiler.First of all , It introduces the use, types and the basic structure

9、 of coiler to you briefly.Second,It introduces the structure of the machine as well as its working principle including the main transmission system,coil,rise shrink institutions,rotate and lock shrinking institutions.Then,through calculation, make sure some parameters of the main transmission system

10、 and the coil. At last,on the basis of the parameters,analyse the transmission system and the roil shaft using finite element analysis software.Keywords： carrousel coiler, coil, struture analysis, parameter analysis, transmission analysis目 錄摘要ABSTRACT1 緒論1 1.1 冷帶鋼卷取機的介紹 1 1.1.1 冷帶卷取機的分類1 1.1.2 冷帶卷取機

11、的工藝特點 1 1.1.3 冷帶卷取機的結構 2 1.2 卡羅塞爾卷取機介紹 3 1.3 項目研究的意義來源與可行性論證 5 1.3.1 項目研究的學術意義 5 1.3.2 項目研究的工程意義5 1.3.3 項目經濟效益和可行性論證 5 2 卡羅塞爾卷取機結構與原理分析7 2.1 卡羅塞爾卷取機的工作原理7 2.1.1主傳動系統工作原理72.1.2卷筒結構工作原理7 2.2 卡羅塞爾卷取機的主要構件 8 2.2.1卷筒82.2.2 大轉盤9 2.2.3芯軸 103 基本參數的確定113.1 主傳動系統設計113.1.1主電機的選型與校核113.1.2 雙檔減速比調速圍選擇133.1.3卷取速度

12、的調節143.1.4減速器的速比選擇143.1.5聯軸器選型153.1.6 減速器與齒輪座關鍵部件設計163.1.7 雙列圓錐滾子軸承選型23 3.1.8 輸入輸出軸設計校核263.1.9 普通平鍵和花鍵聯接的校核293.2 卷筒主要參數的選擇和計算313.2.1 卷筒直徑的選擇313.2.2 卷取力的取法323.2.3 卷筒脹縮機構的分析333.2.4 卷取機工作時卷筒的收縮333.2.5 鋼卷卸卷時卷筒縮徑344 卷筒軸的有限元分析374.1 有限元理論概述374.2 有限元軟件MSC PATRAN的簡介374.3.1 建立模型374.3.2 有限元步驟384.3.3 有限元應力分析405

13、 結論43參 考 文 獻441 緒論1.1 冷帶鋼卷取機的介紹卷取機是成卷軋制和帶材精整機組中的關鍵設備，卷取機的用途是收集超長軋件，將其卷取成卷以便于貯存和運輸。卷取機是軋鋼車間的重要輔助設備，在帶材和線材生產中均被廣泛應用。軋鋼生產實踐證明，卷取機的工作狀態直接影響著軋機，特別是連軋機生產力的發揮。因此，對強力、高速卷取設備的研究一直受到重視。卷取機有很多種類，按其卷取對象可分為：冷帶材卷取機、熱帶材卷取機、小型線材卷取機等；按其用途可分為大力卷取機和精整卷取機。本項目主要介紹的是冷帶材卷取機。目前，冷扎帶鋼的卷取多采用卷筒式卷取機，其設備配置較為簡單，主要由卷筒與其傳動系統、壓力輥、活力

14、支撐和推卷、卸卷等裝置組成。高生產率的卷取機往往還設有助卷輥。1.1.1 冷帶卷取機的分類冷帶鋼卷取機按用途可分為大力卷取機和精整卷取機兩種。大力卷取機主要用于可逆軋機，連軋機，單機架軋機與平整機。精整卷取機則主要用于連續退火、酸洗、涂鍍層與縱剪、重卷等生產機組。按卷取機的結構特點，可分為實心卷筒卷取機，四棱錐卷筒卷取機(本項目所用的)，八棱錐卷筒卷取機與四斜楔和弓形塊卷取機等。前三種強度好，徑向剛度大，常用于軋制線做大力的卷取。后兩種結構簡單，易于制造，常用于低力的各種精整線。此外，大力卷取機的卷筒從性能上還有固定剛度卷筒和可控剛度卷筒之分。1.1.2 冷帶卷取機的工藝特點就工藝目的講，和熱

15、帶鋼的卷曲相比，冷帶鋼卷取有以下特點。 力 冷帶鋼卷取機的突出特點是采用較大力。由于力直接影響產品質量尺寸精度，因此對力的控制有嚴格的要求。目前，冷帶卷取機都采用雙電樞或多電樞直流電機驅動，并盡量減小傳動系統的傳動慣量，提高調速性能，以實現對力的嚴格控制。各種生產線的卷取力見表1-1。軋制卷取時，表1-1中應考慮加工硬化因素，精整卷取薄帶時，應力應取大值。表1-1 卷取力表機組可逆軋機連軋機精整機組帶厚/mm0.30.1 12 24應力/Mpa 表面質量 冷帶鋼表面光潔，板形與尺寸精度要求較高，因此對卷筒幾何形狀與表面質量的要求也相應提高。 鋼卷的穩定性 冷軋的薄帶鋼采用大直徑卷筒卷取時，卸卷

16、后帶卷的穩定性極差，甚至出現塌卷現象。因此加工帶材厚度圍大的生產線應能采用幾種不同直徑的卷筒，小直徑卷筒用于卷取薄帶。 糾偏控制 帶鋼精整線要求帶鋼在運行時嚴格對中，使帶卷邊緣整齊。為此常采用自動糾偏控制裝置。帶鋼糾偏裝置的工作原理如圖1-1所示。卷取機機架1是活動的，光電元件4檢測帶鋼邊緣，帶鋼跑偏將使光電元件產生輸出信號，放大后，經電液伺服控制器5控制油缸6隨時調整卷筒位置使帶卷邊緣保持整齊。圖1-1 自動糾偏裝置1.1.3 冷帶卷取機的結構 常見的冷帶鋼卷取機有實心卷筒式、四棱錐式、八棱錐式、四斜楔式、弓形塊式等結構。 實心卷筒卷取機一般為兩端支撐，結構簡單，具有高的強度和剛度，用于大力

17、卷取。其缺點是卸卷需采用倒卷方法，影響了軋機的生產能力。為減少卸卷輔助時間，提高作業率，常采用轉盤式雙卷筒結構。實心卷筒在大力卷取時，帶鋼對卷筒會產生很高的徑向壓力。為防止卷筒塑性變形，卷筒材料一般都采用合金鍛鋼并經均勻熱處理。 四棱錐卷取機為克服實心卷取機卷筒卸卷困難的缺點，設計了四棱錐卷筒。四棱錐卷筒脹徑時，由脹縮缸直接推動棱錐軸，使扇形塊產生徑向位移。由于沒有中間零件，棱錐軸直徑大，強度高，可承受較大的力(可達400一600kN)，常用于多輥可逆式冷軋機的大力卷取和冷連軋機組的卷取。 八棱錐卷取機近年來冷軋機向高速、重卷、自動化方向發展，在卷取機結構上也做了較大的改進。首先，為減小卷取機

18、轉動慣量，改善啟動、調速、制動性能，趨向于采用電動機直接傳動卷筒的方式。其次，為解決脹開時扇形塊間的縫隙對薄帶鋼表面質量的影響，卷筒采用四棱錐加鑲條的結構(即八棱錐)，卷筒脹開后能成為一個完整的圓柱體。八棱錐結構卷筒適用于高速連軋機的卷取。但結構復雜，加工精度高，彈簧易損壞。 四斜楔卷取機的卷筒是由主軸、芯軸、斜楔、扇形塊、脹縮缸等組成。卷筒的脹縮機構是四對斜楔。層斜楔由脹縮缸通過芯軸帶動做軸向運動，外斜楔支撐扇形塊的兩翼，帶動扇形塊徑向脹縮。脹徑時外斜楔徑向外伸，填補扇形塊間隙，斜楔頂面與扇形塊外表面構成一整圓。卷取薄帶不會產生壓痕。這種卷筒的最大特點是主軸、扇形塊加工方便。由于斜楔只支持扇

19、形塊的兩翼，卷筒強度、剛度都有削弱，適用于力不大的平整機組和精整作業線。 弓形塊卷取機適用于寬帶鋼精整線的卷取。卷筒的脹縮方式有凸輪式、軸向缸斜楔脹縮式和徑向缸式三種。弓形塊卷筒由主軸和弓形塊等部分組成。在主軸沿卷筒長度方向布置有57組缸體互相套疊的徑向活塞缸，用于撐開弓形塊和夾緊鉗口。徑向活塞缸與卷筒心部軸向設置的增壓缸接通。增壓缸為定容積式，其柱塞有脹縮缸活塞桿推動。當壓力油(約6.3MPa)經回轉接頭進入脹縮缸時，脹縮缸活塞帶動增壓缸柱塞移動，增壓缸油壓逐漸增高，以致脹開徑向活塞撐起弓形塊并壓緊鉗口。增壓缸最大壓力可達25MPa。卸卷時，脹縮缸反向移動，增壓缸油壓降低，借碟形彈簧的作用，

20、使鉗口松開，弓形塊收縮。卷筒端部設有平衡缸。油壓增大時，平衡缸活塞外移。當增壓缸因泄漏等原因油量減少時，平衡缸活塞在彈簧作用下反向移動。因此可保持增壓缸油壓的正常水平。弓形塊卷筒的主要缺點是卷筒結構不對稱，高速卷取時動平衡性能差。1.2 卡羅塞爾卷取機介紹 卡羅塞爾(Carrousel)卷取機，又稱雙卷筒旋轉式卷取機，該設備屬于大型高速回轉類機器，其部驅動系統非常的復雜(傳動級數多，傳動軸長，構造復雜)，是一種設計和制作難度非常高的冶金機械設備。目前全世界有能力制造這種卷取機的廠家很少。 卡羅塞爾卷取機可廣泛應用于各類帶鋼生產線，如全連續的冷軋生產線，該設備以高效、連續的方式卷取帶鋼。該機設計

21、緊湊，可節省設備安裝空間，并且能夠快速建立力，延長穩定軋制時間，提高成材率。當其被用于改造項目時，可將改造量降至最低。它同時也適用于生產線入口段的開卷操作。該設備在國外已得到廣泛使用.寶鋼從國外整機引進雙卷筒卷取機，其它廠家逐漸開始選擇這種卷取機。卡羅塞爾卷取機主要由：傳動系統、卷筒組件、活動支承、大轉盤組件(旋轉鎖緊裝置)、輔助卷取系統等部分組成。該卷取機有兩種典型形式，其主要區別是傳動系統，按傳動系統的差異分為芯軸式和行星式兩種，如圖1-2、圖1-3所示。這兩種結構各有優缺點：芯軸式，其優點包括：結構緊湊重量輕；均為外嚙合，傳動平穩、應用廣泛。其缺點包括：制造相對困難；裝配精度要求較高；傳

22、動件的互換性稍差，備件種類偏多。行星式，其優點包括：制造相對簡單；裝配相對容易；傳動件的互換性好，備件少。其缺點包括：小齒輪強度不好；設備重量偏大；小規格鋼卷使用不理想；行星齒副傳動平穩性差。 本課題主要研究的是芯軸式雙卷筒卷取機。1.3 項目研究的意義來源與可行性論證1.3.1 項目研究的學術意義近年來，國卷取設備水平正在逐步提高，這就迫切要求相應的理論研究的深入。國許多研究人員針對CARROUSEL卷取機做出了一定的研究工作，包括設備結構和工作原理的研究，以與運用仿真分析軟件進行分析計算，但總體上對于卷取機有許多關鍵技術還沒有完全掌握，該領域的理論和成果還不是很完善。我國當前對該卷取機技術

23、的研發正處在一個起步階段，相關可參考資料有限，進展不大。隨著國卷取機的設備水平的提高，以與新方法、新手段的出現，更由于該領域的理論和成果的不完善、不系統，還有許多新課題等待著我們去開發和研究。通過這次研究盡可能的使該領域的理論和成果完善、系統化。1.3.2 項目研究的工程意義隨著我們鋼鐵工業穩步發展，近年鋼鐵企業主要設備技術水平也有了顯著的提高，為提高企業的市場競爭力，就必須采用先進高效的設備，這對先進設備的設計水平就提出了新的課題。卷取機作為連續冷軋生產線的關鍵設備，其生產效率與成本、能耗的高低，無疑在整條生產線中占有舉足輕重的地位。CARROUSEL卷取機，是一種雙卷筒卷取機，相比于其他卷

24、取機，具有以下顯著的特點：卷取效率高，連續性好；設備結構緊湊，可大大節省安裝空間，并且由于縮短了卷取機與軋機的距離，能夠快速建立力，延長穩定軋制時間，提高成材率；由一臺CARROUSEL式卷取機取代兩臺卷取機，減少出口設備數量，故障點大大減少；更適宜卷取薄卷；但結構復雜，設計制造難度相對較大。綜合比較，并從長遠角度來看，CARROUSEL卷取機關鍵技術的研發，對于提高軋鋼廠家的經濟利益、產品質量和市場競爭力都具有極大的現實意義。1.3.3 項目經濟效益和可行性論證芯軸外套式雙卷筒卷取機綜合技術開發，對攻克關鍵設備技術，具有非凡的戰略意義： 芯軸外套式雙卷筒卷取機基于其特有的優點，被公認為國際同

25、類設備中具有領先水平的設備； 芯軸外套式雙卷筒卷取機綜合技術開發采用了先進的分析計算方法，結合了強大的仿真設計軟件，實現了整機的優化設計； 項目設計結果，可有效的指導工程設計，縮短設計周期，提高設計效率。芯軸外套式雙卷筒卷取機，具有良好的市場前景。該項目的成功開發，為我公司在冷軋設備設計帶來顯著的經濟效益和社會效益。2 卡羅塞爾卷取機結構與原理分析2.1 卡羅塞爾卷取機的工作原理卡羅塞爾卷取機布置在帶鋼導板臺的后面，交替地用兩套力卷筒卷取帶鋼。它由雙卷筒與其傳動系統、脹縮機構、共享的大轉盤與其傳動系統(圖2-5)、外支撐和壓力輥組成。1a、1b卷筒 2a、2b頭套 3a、3b套筒 4a、4b漲

26、縮缸 5齒輪箱 23芯軸 6 轉盤減速箱 7聯軸器 17減速箱 13a、13b電機 22a、22b聯軸器圖2-1 芯軸式雙卷筒卷取機2.1.1 主傳動系統工作原理傳動系統是卡羅塞爾卷取機的核心部分，芯軸式傳動系統卷取機的傳動示意圖如圖2-1所示，傳動系統由電機、聯軸器、齒輪減速箱、外空心長軸、空心長軸、芯軸、齒輪機構組成。兩個卷筒分別有各自的減速機構傳動，電機到卷筒的傳動路徑為：電機聯軸器減速箱齒輪箱卷筒。2.1.2 卷筒結構工作原理卡羅塞爾卷取機卷筒部分工作原理(如圖2-2)如下：圖2-2卡羅塞爾卷取機卷取過程當帶鋼出連軋機最后一架機座，經磁性皮帶送入卷取機1號位置的卷筒1，如圖2-2(a)

27、所示，卷筒1處于脹徑狀態，在助卷器的助卷下卷取，進入穩定的卷取狀態后助卷器讓開，大轉盤在大轉盤驅動系統（圖2-5）的驅動下轉動180°，如圖2-2(b)所示，1號位置的卷筒1在卷取狀態下轉到2號位置，卷筒1加速到卷取速度繼續進行卷取，如圖2-2(c)所示，同時2號位置上的卷筒2轉到1號工作位置，并作好下一卷的穿帶卷取準備；當2號位置卷筒1上帶卷達到額定卷重后，通過傳感器，力輥壓下，啟動滾筒式飛剪機剪斷鋼板，帶卷在三個壓輥作用下將甩尾帶鋼卷好，然后卷筒1縮勁，卸卷，卸卷小車運走鋼卷，與此同時1號位置上的卷筒2啟動并逐漸達到喂料速度，開始穿帶卷取，如圖2-2(d)、(e)所示；至此，卷取

28、機完成一個回轉工作周期；當達到圖2-2(a)的狀態時大轉盤再次轉動，重復前述步驟。卷筒在卸卷位置由外支撐提供輔助支撐，卷筒直徑的改變由外加扇形板實現，這種改變將不影響成品的質量。2.2 卡羅塞爾卷取機的主要構件如上圖2-1所示，芯軸外套式雙卷筒卷取機的主要構件有：卷筒、大轉盤、芯軸、減速箱、電機等部分。2.2.1 卷筒卡羅塞爾卷取機有兩個可脹縮卷筒，其結構尺寸一樣，兩卷筒的安裝位置與大轉盤的回轉中心對稱。卷筒軸為可控脹縮的帶楔塊的倒四棱錐結構。心部裝有推桿與楔塊，外部裝有四塊扇形板。此種結構的卷筒棱錐軸截面大，結構對稱，平衡性好，抗彎剛性大。卡羅塞爾卷取機卷筒結構如圖2-3、圖2-4所示。卷筒

29、脹徑和縮徑由卷筒裝置端的旋轉液壓缸推動拉桿來完成。此種結構的卷筒相對簡單，加工制造容易，但卷取薄帶時需要加增徑板。圖2-3卡羅塞爾卷取機卷筒結構示意圖圖2-4卡羅塞爾卷取機剖面卷筒結構示意圖 卷筒脹縮液壓缸設在回轉卷筒軸的末端，工作時隨著卷筒一起繞大轉盤轉動。當1號卷筒進入工作位置時，脹縮液壓缸啟動給油，使拉桿向右移動，同時帶動棱錐軸向右移動。棱錐軸又帶動工字形楔塊向右移動，楔塊的四個斜面與扇形板產生相對滑動，導致扇形板產生徑向位移，使卷筒處于脹徑狀態。當帶卷達到目標重量時，液壓缸反向給油，拉桿回歸到原始位置，卷筒處于縮徑狀態。2.2.2 大轉盤 大轉盤驅動系統（如圖2-5）是由外齒圈、小齒輪

30、、電機與減速裝置組成，電機通過減速裝置驅動小齒輪，通過大小齒輪嚙合，從而驅動大轉盤轉動。定位鎖緊裝置的作用是保證將卷筒固定在準確的工作位置，在大轉盤的下方位置對稱布置兩個限位塊與由液壓缸控制的鎖緊裝置。當兩個卷筒更換位置時，需要大轉盤順時針旋轉180°，此時卷筒仍處于卷取狀態，因此卷筒的傳動采用類周轉輪系傳動機構。圖2-5 大轉盤與其傳動系統2.2.3 芯軸芯軸外套式雙卷筒卷取機采用的是兩個套筒（同心軸、外同心軸）套在一個芯軸上，三者可以各自運動，通過倆套筒分別將電機的轉動傳到2個卷筒上（如上圖2-1所示）。3 基本參數的確定3.1 主傳動系統設計雙卷筒卷取機主傳動設計，主要包括以下

31、幾個部分：主電機選型校核，聯軸器選型，減速器與齒輪座中齒輪傳動設計，雙列圓錐滾子軸承選型，輸入輸出軸設計校核，普通平鍵，花鍵聯接的校核等。3.1.1 主電機的選型與校核隨著交流變頻技術的發展，卷取機的傳動電機近年來多采用交流變頻電機。卷取機速度控制要同時考慮一下兩個因素：為適應機組速度變化而調整卷取速度時，不應影響電機的驅動力矩；為適應卷徑變化而調整卷筒轉速時，不應引起力波動。一般卷取機都同時采用恒力矩和恒功率兩種調速方法，分別適應上述兩種情況，以充分利用電機的容量。 卷取機功率計算卷取機電機功率由卷筒負載力矩決定，負載力矩包括靜力矩和動力矩。 卷筒靜力矩計算卷筒的靜力矩為： （3.1）式中：

32、卷取力（）；帶卷半徑（）；使帶鋼塑性彎曲的變形力矩（），；摩擦力矩（），；帶材屈服極限；帶材寬度（）；帶材厚度（）；軸承受力（）；軸承平均直徑（）；軸承的摩擦系數； 卷取靜態功率計算卷取靜態功率為： （3.2）將式3.1帶入式3.2得： （3.3）在功率計算中，式3.3的后兩項的功率和比較小，通常情況為總功率的5%10%，故把這兩項折合成彈塑性變形系數K，取1.051.1.由此可以得出卷取電機的計算功率： （3.4）電機的計算功率，（）；最高卷取速度（）總效率，包括傳動效率，摩擦損失，一般為0.90.95；假設電動機的額定轉速為、最高轉速為，則交流變頻電機在恒功率時的調速圍為：，成品鋼卷的最大

33、外徑（D）與帶卷的徑（d）比值，當時，電機的實際功率為：，但是在現在的帶材生產線中，為了提高機組的生產效率，成品帶卷的最大外徑與徑之比往往要大于，此時令。 卷取時，卷取速度保持恒定，卷筒的轉速隨著卷徑的變化而變化，由于，所以卷筒的轉速變化圍超出交流變頻電機的調速圍，選擇電機功率時，應該考慮增加電機的計算功率，以保證電機在額定轉速下工作時，有足夠的力矩滿足帶材卷取時候所需要的力，計算功率時應考慮增大電機的計算功率。即電機的實際功率為：，式中為放大倍數。例3.1：根據設計參數：力為80000N，最高卷取速度為20m/s，取彈塑性變形系數K為1.08，電機總效率為0.92。由式3.4求得主電機功率為

34、2347KW，圖紙上選取電機2160KW。由此可知以該方法選取電機和實際選取的電機有較好的一致性。 卷取機動態功率計算（作為驗算標準）在設計中，要考慮帶材卷取時候動態力矩對卷取功率的影響，為了方便起見，往往只是在靜態功率上乘以1.11.2的動力系數，可以滿足一般工程設計的要求，隨著計算機的發展，在高速薄帶材的軋制和卷取中，越來越多地采用計算機實時控制，這就需要為計算機提供十分精確的卷取力矩、卷取動態力矩以與由動態力矩所引起的力損失的數學模型。動力矩有兩部分，一部分是由于卷筒速度變化而引起的；另一部分是卷徑變化而引起的。（3.5）式中：為折算到卷筒軸上卷取機整個系統，它包括電動機的，傳動系統的以

35、與帶卷的之和，即：（3.6）、為常數，為變數，隨著卷徑變化而變化，即：（3.7）（3.8）令：為一常數，上式變為：（3.9）令：；，則有：（3.10）由此可以看出，力值的變化規律是指按照指數曲線變化，當帶鋼的卷徑增加時，力值減小，還可以進一步求出在整個卷取的過程中，卷徑變化時，帶鋼的力的變化量。從可以看出，在卷取的過程中，其值引起的力變化為一常數，則在該因素影響下力的變動量為0。3.1.2 雙檔減速比調速圍選擇鑒于卷取機的主電機在卷取過程中存在兩種工作狀態，低轉速大轉矩和高轉速小轉矩，因此在設計卷取機減速器時設計了雙檔減速比的減速器。以減小電機的調速圍，使電機的選擇更具有經濟性。由于卷取過程中

36、由于卷徑變化電機恒功率段調速圍不變，使用雙檔減速比只能降低恒扭矩段調速圍。可求得電機調速圍如下式：（3.11）式中：卷徑變化需要的調速圍；機組線速度變化需要的調速圍；機組卷取最高線速度；機組卷取最低線速度；雙檔減速比中較高檔減速比；雙檔減速比中較低檔減速比； R鋼卷最大半徑； r卷筒半徑。例3.2：當機組最高線速度為1300m/min，最低線速度為400m/min，鋼卷最大半徑為1000mm，卷筒半徑為305mm；單檔減速比減速器所需調速圍為：10.65；當雙檔減速器中兩檔減速比分別為1.354和2，時，由式3.11可得其所需調速圍為：7.21。3.1.3卷取速度的調節卷取機在工作過程中，由于

37、機組速度的改變、帶卷外徑的變化，要求卷筒的轉速能自動調整。應考慮利用電動機的恒功率調速區來帶動恒功率負載，達到調速效果。電動機恒功率調節圍要求：（3.12）式中：電動機最高轉速，轉/分；電動機而定轉速，轉/分；帶卷最大外徑，厘米；卷筒直徑，厘米。3.1.4減速器的速比選擇由于電動機直接驅動卷筒的卷取機，電動機的轉速圍應能滿足卷取機所要求的速度變化圍。通過減速器減速的卷取機，電動機的轉速圍應能滿足卷取機所要求的速度變化圍。通過減速器減速的卷取機，傳動速比的選擇應考慮兩個因素，第一，為了保證恒力卷取，卷取的線速度應該保持恒定；第二，滿足機組運行速度的變化圍。目前，大多采用調整電動機電壓的方式來調整

38、機組運行速度，用調整電動機勵磁的方式來調整卷筒的轉速，減速器的速比為：；其中為電動機額定轉速，轉/分；為卷取速度最大、卷徑最大時卷筒的轉速；，轉/分；為帶卷最大外徑，米/秒；為帶卷最大外徑，米；如果卷取的調速圍較大，即卷筒最高轉速與最低轉速之比大于10時，則應考慮在傳動裝置中設置換檔變速，以增加調速圍，提高電動機的使用效率，傳動速比確定以后，應該根據校驗電動機的最大傳動扭矩，即：，其中，為電動機額定功率，KW；為帶卷最大外半徑，米；為帶材最大力，公斤；為傳動速比；為傳動效率。調整電動機勵磁應該同時滿足條件： （3.13）式中：電動機最高轉速；3.1.5聯軸器選型聯軸器是機械傳動中一種常用軸系部

39、件，它的基本功用是聯接兩軸（有時也聯接軸和其他回轉零件），并傳遞運動和轉矩，有時聯軸器也作安全保險裝置。此次電機聯軸器選擇的是由安全聯軸器與鼓形齒聯軸器配套而成。 鼓形齒聯軸器齒式聯軸器由兩個具有外齒的半聯軸器和兩個帶齒與凸緣的外殼組成，兩外殼用螺栓相連，殼儲有潤滑油，以便聯軸器旋轉時將油甩向四周以潤滑嚙合齒輪，從而減小嚙合齒輪間的摩擦和相對位移阻力以與降低作用在軸和軸承上的附加載荷。齒式聯軸器工作時依靠外齒輪嚙合來傳遞轉矩。由于半聯軸器的外齒齒頂加工成球面，且使嚙合齒間具有較大的齒側間隙，從而使它具有良好的補償兩軸綜合位移的能力。外齒輪修形成鼓形可使鼓形齒聯軸器綜合位移補償能力進一步增強。

40、聯軸器尺寸的確定對于已標準化和系列化的聯軸器，可按轉矩、軸直徑和轉速等確定聯軸器的型號和結構尺寸。聯軸器的計算轉矩：（3.14）式中： Tc計算轉矩，； T理論轉矩，； Pw驅動功率，kW； n工作轉速，r/min； K工況系數； Tn公稱轉矩，。轉矩與轉數修正：（3.15）-轉矩修正系數（轉矩修正系數圖重型機械標準第三卷P175）圖中Kn見下式 （3.16）轉數系數；工作轉數，r/min;許用轉數，r/min.型號選擇見表重型機械標準第三卷P128-1313.1.6 減速器與齒輪座關鍵部件設計 計算各軸傳動比雙卷筒卷取機的總傳動比i為：（3.17）電動機的最高轉速；卷筒的最高轉速。設卷筒軸直

41、徑為，考慮到雙卷筒卷取機尺寸要求，卷筒軸齒輪直徑推薦為。設兩卷筒中心距為,則所以：（3.18）又因為：（3.19）所以： （3.20）一般取： （3.21） 齒輪設計校核1）齒輪傳遞的功率P主動齒輪的速度從動齒輪的速度為 （3.22）傳遞的轉矩TP、T、n三者之間存在的關系式為： （3.23）式中 P傳遞功率 ；T傳遞扭矩； n齒輪速度。2）確定齒輪材料以與許用安全系數選擇原則：若傳遞功率大，且要求尺寸緊湊，應選用合金鋼，熱處理方式采用表面淬火，滲碳淬火，碳氮共滲等方式。對齒輪的尺寸沒有特別要求，可以采用普通碳鋼或者鑄鐵，熱處理方式采用正火或者調質等熱處理方式。設計中，齒輪采用硬齒面（硬度大于

42、350HBS）。小齒輪，大齒輪的熱處理方式可以采用表面淬火；或者氮化滲碳淬火。保證齒面硬度大致一樣。為提高抗膠合能力，小齒輪和大齒輪采用不同牌號的鋼制造。在一個減速器中，盡可能使大齒輪（小齒輪），采用同一種材料。確定齒輪材料，材料的熱處理方式，以與材料的硬度。進一步確定小齒輪的齒面接觸疲勞極限，以與齒根彎曲疲勞極限；大齒輪的齒面接觸疲勞極限，以與齒根彎曲疲勞極限。確定安全系數SH和SF，見表3-1。3）確定齒輪基本參數齒輪基本參數包括：齒形角，齒頂高系數，徑向間隙系數，小齒輪變位系數，大齒輪變位系數。表3-1 安全系數安全系數軟齒面硬齒面重要的傳動、滲碳淬火齒輪或鑄造齒輪SHSF1.01.11

43、.31.41.11.21.41.61.61.62.24）齒寬系數和齒寬系數表示齒輪傳動的寬度尺寸和徑向尺寸的比例，,齒寬系數增大，齒輪的徑向尺寸減小，但齒寬相對增大。齒寬越大，載荷沿齒寬分布不均勻越嚴重，故應合理選擇齒寬系數。一般=0.10.2.閉式傳動常采取=0.30.6最常用0.4或者0.35；大小齒輪都是硬齒面時， 取表中偏下限的數值。表3-2圓柱齒輪的齒寬系數裝置狀況兩支撐相對小齒輪做對稱布置兩支撐相對小齒輪做不對稱布置小齒輪做懸臂布置0.91.4（1.21.9）0.71.15（1.11.65）0.40.65）確定載荷系數K根據減速器的工作情況，確定載荷系數K。表3-3 載荷系數原動機

44、工作機械載荷特性均勻中等沖擊大的沖擊電動機11.21.21.61.61.8多缸然機1.21.61.61.81.92.1單缸然機1.61.81.82.02.22.46）初選齒輪齒數對于主電機，通常取齒數30；齒輪座的齒數，一般取Z=2335。7）初選螺旋角對于斜齒輪傳動，設計一般選。8）確定大齒輪齒數根據計算公式確定大齒輪齒數，計算公式如下為； 對計算后的齒數圓整，建議相嚙合的大小齒輪齒數滿足互為質數。驗算實際傳動比：驗算實際傳動比與理想傳動比的誤差圍誤差圍在5%以，可以接受初選的結果。如果大于5%，重新選擇設計。9）確定齒形系數，齒根應力修正系數根據確定的嚙合齒輪齒數，計算出當量齒數。計算公式

45、如下： （3.24） 按照當量齒數，根據齒形系數曲線以與齒根應力修正系數曲線，確定齒形系數，齒根應力修正系數。10）確定齒輪模數設計以滿足齒根彎曲強度為基礎，確定齒輪的最小模數，計算公式如下：（3.25）計算中、按較大的選取式中：齒寬系數；載荷系數；許用彎曲應力；齒形系數，應根據當量齒數由表查得；齒根應力修正系數，應根據當量齒數由表查得；螺旋角系數，螺旋角系數取決于縱向重合度和螺旋角，可以由下式求出： （3.26）如果取；如>1,取=1,如<0.75,取=0.75。初選時取螺旋角系數最大，即取=1。彎曲強度計算時的重合度系數； （3.27）（3.28）變位后嚙合角；，其中（3.29

46、），其中（3.30）計算出最小模數后，根據標準模數表確定模數。標準模數表見表3-4。表3-4圓柱齒輪的標準模數第一系列1，1.25，2，2.5，3，4，5，6，8，10，12，16，20，25，32，40，50第二系列1.75,2.25,2.75,(2.25),2.5,(2.75),4.5,5.5,(6.5),7,9,(11),14,18,22,28,(30),36,45優先采用第一系列，其次是第二系列，括號的數值盡可能采用。并且優先考慮卷取的結構尺寸來選擇模數。此處選擇m=16。.11）計算中心距，修正螺旋角計算公式如下：（3.31）對計算后的中心距圓整，根據公式對螺旋角進行修正： （3.3

47、2）12)齒面接觸強度計算校核由于斜齒輪齒面接觸線傾斜，重合度較大，有利于提高齒面接觸強度，故引入重合度系數與螺旋角系數考慮其影響，并計入載荷系數K，因此斜齒圓柱齒輪傳動在預期壽命保證齒面不發生疲勞點蝕的強度條件為 （3.33）式中：輪齒的工作寬度；載荷系數；齒輪分度圓直徑； 許用接觸應力。彈性系數， 其中,，為齒輪材料的彈性模量和泊松比；節點區域系數；(3.34)式中：基圓螺旋角：；端面壓力角:；螺旋角系數；重合度系數。對于縱向（軸向）重合度<1的斜齒輪傳動：（3.35）對于的斜齒輪傳動：（3.36）其中為端面重合度： （3.37）為縱向重合度 （3.38）（3.39）（3.40）13

48、)齒根彎曲強度計算校核 斜齒圓柱齒輪傳動齒根彎曲疲勞強度計算的理論依據為材料力學中的懸臂梁理論。由于斜齒圓柱齒輪傳動接觸線是傾斜的。故輪齒失效通常為強度計算，既復雜也不精確。因此，通常按其當量直齒圓柱齒輪進行齒根彎曲疲勞強度計算。為考慮其接觸線傾斜對輪齒彎曲強度的影響，引入螺旋角系數，這樣，斜齒圓柱齒輪齒根彎曲疲勞強度的驗算公式為：（3.41） 公式參數說明：輪齒的工作寬度；許用彎曲應力；載荷系數；齒形系數；應根據當量齒數由表查得；齒根應力修正系數；應根據當量齒數由表查得：螺旋角系數；螺旋角系數取決于縱向重合度和螺旋角(螺旋 角為修正后螺旋角)，計算時如果修正后螺旋角>30°，

49、取=30°。縱向重合度（3.42）如>1，取 =1。 （3.43）如<0.75，取=0.75。彎曲強度計算時的重合度系數； （3.44）其中 基圓螺旋角，見式3.30；端面壓力角，見式3.34；端面重合度，見式3.37。3.1.7 雙列圓錐滾子軸承選型2030軋機配套減速器與齒輪座采用雙列圓錐滾子軸承，因此我們在軸承選型的時候選擇以雙列圓錐滾子軸承作為選擇對象。在一般情況下工作的軸承，只要類型選擇合適，安裝、維護的好，絕大多數均因疲勞點蝕而報廢。因此，滾動軸承的尺寸（型號）主要取決于疲勞壽命。所以一般按當量動載荷對軸承進行選擇、校核。 計算軸承當量動載荷當軸承工作過程中，

50、負荷和轉速有變化時，應按照平均當量動負荷和平均轉速進行計算選型校核。假定軸承順次在當量動負荷、在工作，其相應的轉速為、；軸承在每種工作狀態下的運轉時間與總運轉時間的比值為,，則其平均負荷為：（3.45）式中為平均轉速，按下式計算（3.46）由于雙卷筒卷取機的運動卷取帶鋼的速度是恒定的，但是帶卷在不斷增大。所以應取卷取時軸的平均轉速來進行當量動載荷的計算。雙列圓錐滾子軸承當量動載荷計算，按下式計算：對軸進行受力分析。當時，其中 （3.47）當時， （3.48）式中：Fa 軸承軸向載荷；Fr軸承徑向載荷；e，Y1，Y2軸承計算系數； 計算結果應滿足當量動載荷小于額定動載荷，同時要求軸承的工作轉速小

51、于相應潤滑條件下的極限轉速。 計算軸承當量靜載荷 （3.49） 計算結果應滿足當量靜載荷小于額定靜載荷，同時要求軸承的工作轉速小于相應潤滑條件下軸承的極限轉速。 計算軸承壽命 取軸上2個軸承中當量靜載荷較大的P進行軸的壽命計算。 壽命公式：(單位：轉) （3.50） （單位：小時） （3.51） 式中：n軸承的工作轉速（r/min）； C基本額定動載荷（N）。 在計算軸承的時候，應考慮機器工作的時候的沖擊與振動使實際載荷比公稱載荷要增大的影響，引入溫度系數和載荷系數壽命公式為 (單位 轉) （3.52） （單位小時） （3.53）其中，數 見表3-5，載荷系數見表3-6。表3-5 溫度系數軸承

52、工作載荷t12012515017520022525030010.950.900.850.800.750.700.60 上公式適合于可靠度為90%，常規材料和常規運轉條件。考慮要求的可靠性，具體的工作條件，引入修正系數對基本額定壽命進行修正。 修正壽命公式：（單位：小時） （3.54）可靠性壽命修正系數，見表3-7表3-6載荷系數載荷性質機器舉例無沖擊或輕微沖擊電動機，汽輪機，水泵，通風機，空調機1.01.2中等沖擊振動車輛，機床，傳動裝置，起重機，冶金設備，燃機，減速器1.21.8強大沖擊振動破碎機，軋鋼機，石油鉆機，振動篩1.82.0表3-7可靠性壽命修正系數可靠度（%）9095969798991.00.620.530.440.330.21-特殊軸承性能壽命修正系數。通過專門的軸承設計，采用特殊種類與質量的材料或特殊的制造工藝可使軸承具有特殊性能。數值應從軸承廠獲得。如采用夾雜物含量非常低或經特別分析處理的鋼材，可提高軸承壽命，如熱處理工藝差，軸承材料硬度低于標準值則。-運轉條件壽命修正系數。修正軸承使用條件，特別是潤滑條件對軸承壽命的影響，也包括外來有害物質存在與否以與引起材料性能改變的條件。一般情況下取。如能形成彈性流體動力潤滑時，軸承壽命明顯