芯棒冷却站旋转设备传动系统设计毕业设计论文.doc

内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书学生姓名：XX学 号：XXXXXX专 业：机械设计及其自动化班 级：机械XX-X指导教师：XXXII内蒙古科技大学毕业设计说明书摘 要随着限动芯棒连轧管机的飞速发展和国内外钢管需求的提高，钢管的产量与日俱增，芯棒的用量也随之增加。芯棒工作后的温度升高，损耗不断的扩大，增加了生产的成本，因此芯棒的维护也得到了很大的重视。由此，本文针对芯棒的冷却系统提出了具体的设计方案，结合任务要求和冷却的基本理论，对三个方案的工作原理和优缺点进行了细致的分析和比较，选择了第一种作为设计的选定案。通过查阅相关资料，分析计算，确定电动机、减速器、轴、联轴器、和键等重要零件的型号，并对重点零件进行校核。在此基础上，再对系统的其他非标准零部件，如：旋转上料器，移钢机等重要部件，进行结构的设计和计算。按上述方法完成的设计能很好的完成芯棒旋转冷却的任务。关键词：芯棒；冷却；钢管；方案IIAbstractWith the rapid development of MPM and the improvement of demand for steel pipe at home and abroad, the output of steel pipe is steadily on the increase, and the amount of Mandrill increases. the temperature of the Mandrill increases after working along with the unceasing unceasing expansion of wear and tear,so the production cost has been increased.Because of it,much attention has been paid to the maintenance. This paper proposes the concrete design, in view of the cooling system of Mandrill. According to the requirements and the fundamental principle of cooling system, the paper chose the first as a selection of the design, by a detailed analysis and comparison of working principle ,as well as advantages and disadvantages of the three proposals. Through consultancy to relevant materials, analysis and calculation the paper determines the model of motors, reducers, shaft, coupling, keys, and other important parts,and checks up the important parts. On this basis, then design the structure of other non-standard components, such as, rotating on the feeder, move steel and other important components etc. According to the above method, the task of cooling mandrel rotation can be complete well【17】.Key words: mandrill ; cooling ; steel pipe ; proposal.III目 录摘 要IAbstractII一 绪论11.1 我国钢管的生产及其生产现状11.2 影响钢管发展的一些因素21.3 限动芯棒连轧机的发展与国内的应用41.3.1 MPM的推广史51.3.2 MINI-MPM的应用史6 1.4芯棒连轧管机的应用与发展71.4.1 芯棒的简介与生产情况81.4.2 芯棒的工作概述8二 方案分析与确定102.1 方案一的结构设计102.1.1 工作原理102.1.2 旋转冷却装置的设计112.2 方案二的结构设计122.4 方案的比较与选择13三 电动机的选择确定143.1 设计任务书的参数143.2 选择电动机类型和结构形式143.3 工作机功率的计算15IV3.3.1 工件的重力计算153.3.2 工作的受力分析163.3.3 圆周速度的确定163.4 电动机容量的计算与确定173.4.1 电动机容量计算173.4.2 电动机的选择18四 减速器的选择204.1 减速器的分类204.2 减速器的选择与计算204.2.1 减速器传动比的初步确定214.2.2 减速器承载能力的计算214.2.3 减速器的选择21五 轴的设计计算与校核235.1 轴段长度和直径的确定235.1.1 轴的最小直径的确定235.1.2 轴的直径和长度的确定245.2 轴的校核265.2.1 轴的力学模型的建立265.2.2 绘制力学模型265.2.3 按弯扭矩合成校核轴的强度计算27六 联轴器的选择与校核296.1 联轴器的选择类型296.2 连轴器的选择计算306.2.1 电动机和减速器之间的联轴器的选择306.2.2 减速器与传动轴之间的联轴器选择306.2.3 其他联轴器的选择316.3 联轴器的校核32七 轴承的选择与校核34V7.1 轴承的选择347.2 轴承的校核357.2.1 轴承上的受力分析357.2.2 轴承寿命的验算36八 键的选择与校核388.1 键的选择388.2 键的强度校核398.2.1 校核圆盘上的键408.2.2 校核1-2段联轴器的强度40九 滚动轴承的润滑及设备的维护.4110.1 润滑剂的用途4110.2 设备的维护42【参考文献】43结 束 语4445一、 绪论1.1 目前我国钢管的生产及其生产现状在1949年新中国建国之前，侵华日军为了增加钢管的产量，在1935年时，选址在东北的鞍山钢铁厂正式成立，主要设备为2套热轧缝钢管机组，产品的直径在7150mm。其生产能力最高时曾经达到1.14万吨（1940年时），在七年后又建立了冷拔车间。该车间生产的产品为冷拔管，其直径一般为40150mm。在1945年日本全面受降，当时东北的前苏联部队搬运走了大部分生产设备至运动地区，生产能力几乎丧失。在1949年时，我国无缝钢管生产的能力几乎为零，唯一可以生产的地方是上海，也仅仅有很少的钢管改制机械设备，通过这些设备再将我国进口的钢管改成我们需要的钢管规格。建国后，我国大力发展无缝钢管的生产制造设备，鞍钢无缝钢管厂在此时建成投产，我国开始了自主生产无缝钢管的历史。到目前为止，我国已经拥有了53年无缝钢管生产历史。在这半个多世纪的生产历史中，从50年代初唯一的套-140 自动轧管机组（年产量6.19万吨）到现在产品规格、品种齐全的生产大国，其中于1994年成为世界第一大无缝钢管生产国（早于钢与钢材的产量成为世界第一的时间），随后稳居第一【1】。我国产钢量、无缝钢管能力十分强大，到目前为止，我国的热轧无缝钢管总生产能力达到了460 万t /年,近年产量分布见表1 。厂名宝钢集团天津钢管包钢成都无缝衡阳鞍钢产量万t83654540 35 40 表1 以上的厂家生产量占了我国生产量的60%左右,说明我国热轧无缝钢管的实际产量同设计能力大致符合,天管、宝钢、衡阳等厂超设计产量生产导致了超设计产量。我国的钢管市场非常巨大,年消费总量大约占全世界24 %左右,与美国的消费量相当,不同为我国是生产、消费并驾齐驱的国家。根据我国钢管行业的研究报告显示，全球钢管的年产量、消费能力已经在下降，但我国不同其进口量要略多，生产与消费水平总体相当，这主要是因为我国经济增速产生的协同效应。再经济发展中钢管是一种重要的材料，大约占钢铁量的16%。作为工业基础的关键行业，钢管业的发展水平历来都被政府十分重视。目前钢材市场的竞争越来越激烈，生产企业开始意识到了生产技术与管理水平的重要性，开始了生产多个品种不同规格的产品，同时提高产品质量、增加产品附加值、提高产品性能、降低成本，从而在市场坏境中更有生存力。其作为钢铁行业的重要产品，生产钢管的特点如下：（1） 轧制是一种工作安排；（2） 生产过程由多个阶段组成；（3） 不同的轧制批次需要不同的设置时间；（4） 产品品种在同一设备上经常更换。1.2 影响钢管发展的一些因素经济发展的速度会直接影响到无缝钢管的需求量。随着科技的发展，新的管材正在部分取代了钢管，因为特定环境中其性能、价格不亚于钢管。新能源技术的快速发展，例如核电、水电、电动汽车的发展，会直接影响到有限的无缝钢管市场。加入WTO之后的影响,国外石油的大量进口涌入国内市场,会影响到石油对用管的选择【2】。无缝钢管生产流程、工艺钢管的生产工艺非常重要，钢管的生产计划、调度是随着不同的生产计划而改变的。钢管的规格和品种是多样化的。钢管是根据制造方法分为2类：焊接钢管和无缝钢管。无缝钢管的生产过程可以描述为：把固体的管坯（或钢锭）进行穿孔作业，轧制成具有所需规格和性能的钢管。采用热轧、挤压、冷轧、冷拉拔等多种操作，其中热轧无缝钢管的工艺被广泛使用。一般热轧法生产的钢管直径在58至700毫米，根据不同的壁厚要求配合减径机产生直径从2.5到60毫米的钢管。当与一个直径减少或通过张力机的直径减少，直径最小的钢管可减少从15至17毫米，最小壁厚可以减少到2毫米。 无缝钢管的生产一般是分为热变形工艺和冷处理工艺两部分内容组成。前者构成一个施压过程在高温下使用这种变形的主要工具为穿支，连铸机，通过张力减径机。在这一过程中，金属变形，定期和圆形钢坯被轧制成钢筒的所需的轮廓和尺寸。冷处理工艺也称为精整加工，是一种通过其冷却、矫直、切割、修整和验证的过程，在正常的大气温度下进行【3】。上述工艺的无缝钢管生产方式如图1所示。在尺寸的管坯在环形炉加热，它使用一个中心机，然后放置在一个穿支和滚成一个粗糙的空心钢管为中心， 再通过减径机空心坯的规范从而以此减小直径。下一步，将一个锌棒放在一个连续的连铸机上，然后将其轧制成一个半成品钢管与给定的规格。然后，通过加热，将半成品管转换成一个最终的钢管，这是一个直径减少，通过张力机减少直径减少。最后，粒径减小钢管冷却至常温，然后进行最后的切割，尺寸和锯，并等待最终的整改。热轧钢管的轧制批量生产计划订单中包括在相同的轧制批量必须满足以下要求：大致相同的轧制数据，相同的钢，外径和壁厚不同滚动订单和相同的主孔模式和子模式用于轧制不同阶孔。也应考虑以下条件：（1）每一个在热区域的冷锯机上，每一个卷料都应具有相同的锯切长度；（2）在轧制后的订单被分配时，不得出现废料材料；（3）须确保完成的产品的最高速度；（4）轧坯的重量一般是用标准钢管的重量测量的；（5）该卷批应包括尽可能多的订单；（6）冷锯机最好锯切长度比较长。图1 无缝钢管生产过程此外，确定的轧制批次数量最终不应超过最大轧制限额。最大轧制限额是指根据相同工艺过程生产的一套滚筒（考虑到使用寿命）所产生的钢材料的最大数量。钢材料的产量超较多的话，工艺上就要分为2组进行轧制处理。1.3 限动芯棒连轧机的发展与国内的应用大多数的无缝厂都采用了限动芯棒连轧管机，是由芯棒连轧管机改进而来，而且在20世纪60年代中期进行的工艺试验取得不错的效果。在1978年，意大利钢管厂建成了世界上第一套限动芯棒连轧管机（MPM），从此连轧管工艺有了十足的进步。在轧制的过程中MPM对芯棒的运动进行控制，让芯棒以规定的速度运动，轧制结束之后，再通过脱管机把芯棒和钢管分开，钢管被送入下一道加工程序。再离开轧制线后芯棒返回，之后在进行冷却、润滑，准备一下次工序中使用。在应用了MPM之后，钢管的壁厚偏差有了很大的提高，对机器的损耗、能耗都大幅减小，可轧制钢管的直径也从194mm增加到426mm，轧制水平有了大幅的提高。20世纪90年代中又成功改进出了三辊连轧管机（PQF），在2003年时中国天津钢管公司正式引进并投产，使连轧管工艺的技术装备有了质的飞跃。在近40年的发展进步中，世界上已经有了20套以上的限动芯棒连轧管机。在PQF没有出现时的连轧管机，结构基本都是两辊式的，其构造为一个孔型当中有两个轧辊，其中两个轧辊平行而相邻的两个孔型辊缝则呈90交错。而PQF为三辊式的，其构造为一个孔型当中有三个轧辊，其中三个轧辊角度互为120临近的两个孔型辊缝则呈60交错，这样在结构中上一个架孔型的槽底在下一个架孔型的正上方。1.3.1. MPM的推广史在MPM投入之后，其在产量、效率、质量、自动化性能、经济行上有着很大的进步，使得很多无缝钢厂开始注意到这个优秀的产品。并得到大量厂商的认同和推广，目前出大洋洲以外，各地均已广泛使用并投产；特别是1982年以来的15年之间，当时石油产业异常兴旺，从而对石油井管的需求愈发强烈，这较大的促使了无缝钢管的发展，从而连续建成并投产的10套MPM设备，在第二套至第十套之间仅仅隔了10年左右。各机组的情况见下表2。在这个时期所建机组的大致特点为：,1.每个连轧管机有7至8个机架（其中阿根廷希德尔厂的为6机架），因为穿孔机是推轧式（一般需加斜轧延伸机）或者是二辊桶形辊斜轧式，这样的话其延伸系数一般均小于3，其轧件的延伸基本依靠连轧机管，其中轧机管的延伸系数通常为6至7，这样它需要的机架数目也多，机架的数量可由八架最多减至六架。其主要原因还是在于缩短芯棒的工作段的长度。在芯棒运动速度、轧制钢管长度不变的情况下，减少首尾轧机的中心线长度就可以缩短芯棒工作段从而达到目的。 这样的生产方式既降低了成本也减少了生产的难度系数。2.大部分机组都有2至3种孔型，其生产的管径在114至273mm之内，其中大部分中型规格的钢管都被用于油井管（打油井时所需的钢管）。表2 世界上前十套芯棒连轧管机组序号 机组 名称 厂名 国家 投产 年份设计年 产量 成品管规格 D X S(mm)机架 数 1 365mm 达尔明厂 意大利 1978 50159365X3.525 8 2 245mm 京滨厂 日本 1983 60114245X4.540 8 3 273mm 坦姆萨厂 墨西哥 1983 60114273X4.540 7 4 245mm 费尔菲尔 美国 1983 6089245X5.432 7 5 245mm 北方星钢厂 美国 1987 30 114245 7 6 245mm 阿尔戈马厂 加拿大 1986 3048178X3.632 7 7 245mm 希德尔卡厂 阿根廷 1988 35140273X4.535 6 8 245mm 西多厂委内瑞拉 1990 114245X4.535 9 426mm 伏尔加钢管厂 俄罗斯 1990 72114245X4.535 7 10 250mm 天津钢管公司 中国 1992 50114273X4.535 71.3.2. MINI-MPM的应用史MINI-MPM与MPM的不同点是少机架数量，是上世纪在南非拖萨厂的cps（这是一种无缝钢管生产方法，其没有轧管工序且只有斜轧锥形辊穿孔和张力减径两个变形的方法，在产出壁厚8mm以下钢管会出现螺旋印记而改进的一种机器）的改进，在锥形辊穿孔机、张减机中间添加了芯棒连轧管机而成为新的机型。较大的变形能力使得设计者可以将MPM承担的变形部分前移到穿孔机。可以减少连轧的工序，轧管机的数量也会降低，可由7至8架缩减到4至5架。该机型与MPM的不同点在于，实现了短芯棒轧制长钢管的技术，在MPM的基础上芯棒长度减少数米。1.4 芯棒连轧管机的应用和发展根据连续轧管机组的运动方式的不同大致分为三种：限动、半浮动、全浮动芯棒;按机架数量则可分为少机架式(即MINI-MPM)、常规式(即MPM)。其中我市包钢无缝厂的245机组属于前者。下面介绍少架式机组工艺和设备的组成, 来着重分析少架式机组的技术特点和技术发展【4】。包钢MINI-MPM的主要工序：连铸圆管坯-管坯加热-穿孔一一轧管-脱管-冷却一锯切一一无损探伤一一检查包钢MINI-MPM其主要的特点：立式菌式穿孔机。锥形轧辊同轧制线交叉组成15度的辗轧角, 轧辊线的速度与金属流动速度匹配, 可实现最小的扭转, 从而改善毛管壁厚精度、内外表面的质量。 5机架的连轧管机。该轧机机架间距小、布置紧凑，使芯棒的总长度缩短为17.5m,同时芯棒两端均有限动头, 可以两头使用, 可以延长芯棒的寿命。轧机的调整方式上, 使用液压压头来替换传统的机电系统, 可在线调整轧辊值,也可依据预设定值来调整轧辊, 轧出D/S直流电动机，且交流异步电动机交流同步电动机，笼型异步电动机绕线型异步电动机。这个设计方案的负载较稳，没有特殊启制动要求，所以优选普通鼠笼型异步电动机。本设计的的工作条件：长期变荷运行、电动机转动惯量小、过载能力大，所以选用重及冶金用异步电动机YZ型（笼型）或YAR型（绕线型）。3.3工作机功率的计算3.3.1工件的重力计算根据重力公式： （31）其中： g=9.8N/芯棒的质量： （32）其中： V 芯棒的体积 (m3)芯棒的密度 (g/ m3)D 芯棒的直径 (m)芯棒的长度 (m)查机械设计手册上册，表可知【9】:合金钢的密度为: =7.9g/ 所以芯棒的质量为： kg （33）由此可知芯棒的重力：G=24581 N （34）3.3.2工作的受力分析圆盘与芯棒之间的所产生的摩擦力使芯棒在圆盘上转动，在分析中我们认为芯棒的重力全部作用至圆盘表面。使芯棒旋转，旋转圆盘上应有的圆周力为: （35）其中： - 芯棒与圆盘的摩擦系数查表2可知【9】： 0.3 所以圆周力为： （36）3.3.3圆周速度的确定工作机按工作要求，可由公式（37）计算圆周速度【10】 （37）其中: 芯棒的角速度 （单位：rad/s）r 芯棒的半径由公式(4-13)可以确定芯棒的旋转角速度： （38）所以可知芯棒的圆周速度： （39）式中：T 芯棒的旋转周期 (单位：s) 芯棒的半径 （单位m ）由设计任务书可知：T =0.4 sr=0.07525 m所以 （3-10）3.4电动机容量的计算与确定3.4.1电动机容量计算（1）根据设计的工况和条件，异步电动机,采取典型的封闭式结构，Y系列，工作电压380V。（）选择电动机的容量电动机的功率按式（31）计算 (311)工作机的功率按式（1）计算 （312） 因此根据公式（313），计算电动机的需要功率为： （313）算出电动机到圆盘的总传动效率： （314）式中： 传动的总效率 联轴器 轴承减速器的效率在本次设计的方案：联轴器共用13个，取0.99；使用轴承6对,取0.99；使用减速器1个，0.95。由此得知 （315）因为芯棒与圆盘的圆周速度相同，因此电动机带动工作机运转所需的最大功率： （316）3.4.2电动机的选择查表22-7 选择电动机是Y 系列 160 M 1-2。如图7所示【11】。图7 电动机电动机参数如表2所示。 表2额定功率（kw）满载时转速(r/min)工作效率(%)质量（kg）11 97186.5 160电动机的安装尺寸如表3所示表3输出轴直径mm输出轴长度mm键槽的宽度 mm 中心高mm3811014160四、 减速器的选择4.1减速器的选择在20世纪80年代，与新技术的结合使得减速器有了较大的发展。减速器是比较精密的一种机器。根据具体的工作环境、条件选择最合适的减速器，考虑的因素包括：电机的性能、运行的效率、经济性的考量、尺寸大小、传动效率高低等。根据用途通常分为：通用减速机和专用减速机，不同特性的减速机有着不同的设计与应用。其主要类型有：减速器、行星减速机。其中单级圆柱齿轮减速器的传动比在1i810，两级圆柱齿轮减速器的传动比范围是8i60。减速机运行正常下有几方面可能影响其性能：减速器所采用的材料、内部结构设计、运行的速度、开机时间等，良好的使用环境，定期的维护保养都是影响减速器表现的重要因素。 4.2 减速器的选择与计算4.2.1 减速器传动比的初步确定由式（41）计算减速器的传动比 （41）其中： 为减速器的理论传动比为电机的额定转速 (r/min)为减速器的输出转速 (r/min)由式下可计算为减速器的输出转速 （42） （43）其中：