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：XXX

II

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

II

Abstract

With 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 I
Abstract II
一 绪论 1
1.1 我国钢管的生产及其生产现状 1
1.2 影响钢管发展的一些因素 2
1.3 限动芯棒连轧机的发展与国内的应用 4
1.3.1 MPM的推广史 5
1.3.2 MINI-MPM的应用史 6
1.4芯棒连轧管机的应用与发展 7
1.4.1 芯棒的简介与生产情况 8
1.4.2 芯棒的工作概述 8
二 方案分析与确定 10
2.1 方案一的结构设计 10
2.1.1 工作原理 10
2.1.2 旋转冷却装置的设计 11
2.2 方案二的结构设计 12
2.4 方案的比较与选择 13
三 电动机的选择确定 14
3.1 设计任务书的参数 14
3.2 选择电动机类型和结构形式 14
3.3 工作机功率的计算 15

IV

3.3.1 工件的重力计算 15
3.3.2 工作的受力分析 16
3.3.3 圆周速度的确定 16
3.4 电动机容量的计算与确定 17
3.4.1 电动机容量计算 17
3.4.2 电动机的选择 18
四 减速器的选择 20
4.1 减速器的分类 20
4.2 减速器的选择与计算 20
4.2.1 减速器传动比的初步确定 21
4.2.2 减速器承载能力的计算 21
4.2.3 减速器的选择 21
五 轴的设计计算与校核 23
5.1 轴段长度和直径的确定 23
5.1.1 轴的最小直径的确定 23
5.1.2 轴的直径和长度的确定 24
5.2 轴的校核 26
5.2.1 轴的力学模型的建立 26
5.2.2 绘制力学模型 26
5.2.3 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 29
6.1 联轴器的选择类型 29
6.2 连轴器的选择计算 30
6.2.1 电动机和减速器之间的联轴器的选择 30
6.2.2 减速器与传动轴之间的联轴器选择 30
6.2.3 其他联轴器的选择 31
6.3 联轴器的校核 32
七 轴承的选择与校核 34

V

7.1 轴承的选择 34
7.2 轴承的校核 35
7.2.1 轴承上的受力分析 35
7.2.2 轴承寿命的验算 36
八 键的选择与校核 38
8.1 键的选择 38
8.2 键的强度校核 39
8.2.1 校核圆盘上的键 40
8.2.2 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............................................................................41
10.1 润滑剂的用途 41
10.2 设备的维护 42
【参考文献】 43
结 束 语 44

45

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7~150mm。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40~150mm。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t
83
65
45
40
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
①经济发展的速度会直接影响到无缝钢管的需求量。
②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。
③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。
④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
50
159～365X3.5～25
8
2
245mm
京滨厂
日本
1983
60
114～245X4.5～40
8
3
273mm
坦姆萨厂
墨西哥
1983
60
114～273X4.5～40
7
4
245mm
费尔菲尔
美国
1983
60
89～245X5.4～32
7
5
245mm
北方星钢厂
美国
1987
30
114～245
7
6
245mm
阿尔戈马厂
加拿大
1986
30
48～178X3.6~32
7
7
245mm
希德尔卡厂
阿根廷
1988
35
140～273X4.5~35
6
8
245mm
西多厂
委内瑞拉
1990
－
114～245X4.5～35
－
9
426mm
伏尔加钢管厂
俄罗斯
1990
72
114～245X4.5～35
7
10
250mm
天津钢管
公司
中国
1992
50
114～273X4.5～35
7

1.3.2. 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φ245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：
①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。
② 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<35的钢管端部的锥形。这是目前为止MPM较为先进的壁厚控制技术。
③ 4架张力减径机与12架定径机。定径机和张力减径机以串联方式布置在轧制线, 可以扩大规格范围, 也就是增加了生产加工的灵活性。张力减径机的传动应用了意大利的专利技术---混合传动专利, 其中的1＃～12＃机架是集体传动的方式, 功率小且刚性大, 钢管头、尾的壁厚得到有效控制，13＃～14＃机架的精轧方式是单独传动, 转速控制较为精确。该设备采用了封闭孔、严密型的设计方式, 这样钢管的壁厚和外径的精度有所提高, 可以更加有效控制内孔的多边形效应。定径机结构同张力减径机中的1＃～12＃机架基本类似,可以提供设备的互换性并大大的减少备件量。
④自动化水平、控制水平、工艺检测。其采用的一级自动化、二级自动化, 可实现在轧制线上的轧机预定值的计算、修正、诊断、物料的全线跟踪, 除天津φ２５０mm轧制线在线检测系统之外, 同时在张力减径机后方增加了γ射线测厚机, 壁厚控制的更加精准。
引进上述机组, 对于提高我国的无缝钢管产能改善钢管品质、提高专用管的自给率、提高重大装备的技术水平起到了至关重要的作用。尤其是这两套机组均采用了连铸圆管坯轧管技术, 对于降低成本、提高质量、改善我国钢管生产供坯的工艺有重要指示意义。
1.4.1. 芯棒的简介与生产情况
穿孔后的管柸在芯棒与轧辊的作用下加工成所需尺寸规格的钢管。按照轧制方式分为：1.浮动芯棒2.限动芯棒3.半限动芯棒（生产比例最多）。连轧机的变形量一般较大，芯棒与钢管间的相对速度大，所以材料延伸系数一般选用为4～6之间, 芯棒没有浮动芯棒的使用寿命长。在正常工况下，芯棒的寿命为轧制3000-3500钢管，在轧制薄壁管时芯棒的使用次数要更少。无缝钢管需求的增加同时带动了芯棒需求的大幅增长。
由于限动芯棒的技术性强、难度大制造特性，目前国际上只有少许国家（法国、意大利、德国）的企业能够生产制造。多年以来，对于我国生产的大口径无缝钢管企业大部分，均从国外进口芯棒。2007一年我国进口芯棒约为9000吨。在我国芯棒供需不平衡，其中大部分为进口芯棒，较高的价格伴随着较长供货周期。中原特钢股份有限公司是我国唯一拥有限动芯棒的加工制造技术，不论从钢铁的冶炼、锻造、还是热处理、机械加工到成品，都拥有了完整工序并工艺可控的较大规模性生产商。公司拥有了限动芯棒的自主知识产权、专利，填补了我国在该产品生产的短板，同时渐渐取代了进口产品，MPM芯棒的年生产量达到了5000吨，占国内MPM芯棒市场份额的45%，在国际市场占有率大约为15%。随着国内对限动芯棒需求的增大，目前国内的大型特钢企业也在对限动芯棒得研制进行大力投入。2007年3月份，宝钢集团下属的包钢特殊钢分公司已试制出限动芯棒坯，并计划投入生产【5】。
1.4.2. 芯棒的工做概述
芯棒在钢管的生产中起着决定性作用，其中连轧机采用了芯棒的预插入、线外预穿等技术，而提高了轧机生产效率。芯棒的工艺流程大致为：芯棒预热--芯棒润滑一芯棒预穿--限动轧制一芯棒冷却--芯棒润滑。
在轧制过程中，芯棒与轧件表面有较大相对运动与浮动，使得芯棒的工作环境较差，芯棒很容易划伤、磨损，由于芯棒的精度决定着钢管的内径精度，芯棒在胚管内工作时，工作温度会增高，在使用过程中芯棒存在这冷却时间过短、表面温度较高、温度不均匀,导致润滑剂很难附着在表面上。芯棒磨损变快、使用寿命也短、硬度大大降低、变形影响显著，对钢管的生产品质极为重要，因此，提高芯棒质量、减少毛管的内表面同芯棒间隙，使轧制更加稳定，可以提高轧辊的平均使用寿命，确保生产的钢管壁厚与精度、轧制的效率、内外表面质量【6】。
无缝钢管生产时，把芯棒的温度保持理想的范围内、生产时加以润滑，可以有效地提高产品的品质，从而提高钢管的内壁质量、大大延长芯棒使用周期。在芯棒处于间歇的运动生产过程中，芯棒的速度可达每秒数米，其外径以般在50～150mm。芯棒采用水基作为润滑剂，同时芯棒离开冷却水槽时的温度应控制在70～90℃内。温度大于100℃时，芯棒容易产生气泡,润滑剂难以附着在芯棒表面;若温度偏低，润滑剂干燥的时间较长，对芯棒的润滑作用大大降低。通过循环水冷却后的芯棒温度在140～150℃，水槽中1～2min冷却后，温度可控制在70～90℃(用温控系统)【7】。
为了保证芯棒的质量，拥有一套稳定的芯棒冷却系统至关重要。芯棒降温均匀且效果好，对延长芯棒的使用寿命、改善产品的内表面质量、降低芯棒消耗率有着极大改观。

二、 方案分析与确定

　　设计一个好的装备机械，应该要有先进的技术、合理的操作、方便维修、最有性价比、工作运转正常可靠的，这几个要求一般都需考虑。设计时除了需要丰富的技术经验，还应有足够的理论知识、正确的设计流程。能满足上述的各种条件，则是一个漫长努力、学习、实践的过程。设计生产一个可靠且高效的机械设备，往往不会一次就全部完成，而是需要不断地计算、调整、实验以及检验，不断的优化创新而来的，这个过程漫长而艰辛。
　　冷却系统的设计，要考虑满足生产条件的各项指标，在完成基本的设计任务前提下，要保证芯棒冷却降温的均匀、机械设备合理兼容性，让整个生产与加工过程当中不会出现不合理设计，从而减少其它不必要的辅助装备，减少设备占地面积，是设备精简、实用、高效。更为重要的是，要保证生产安全、质量可靠、实用性强。在零部件出现问题时，可以快速更换、维修、保养，从而产生更佳的经济效益。
　　设备的基本参数：
（1） 芯棒规格：直径为:φ150.5mm，芯棒的总长度:17.5 M，芯棒的材料:合金钢
（2） 回转机构的芯棒数量： 1根
（3） 回转机构周期： 12.5 s

2.1方案一的结构设计
　　　如图1所示，该方案的冷却方式是圆盘旋转冷却。冷却的工作部件是圆盘，芯棒由摩擦力的作用随圆盘旋转。
2.1.1工作原理
　　芯棒从连轧管中脱出,并被输送到脱棒后辊道。脱棒机后两组辊道中间有一活动挡板,在正常生产时活动挡板处于升位,当芯棒接近活动挡板时脱棒机后辊道通过变频调速使辊道减速,以减少芯棒对挡板的冲击,芯棒到位后,它会沿着冷却装置的输入辊道运行到相应的位置，此位置有一个可以调节的限位系统控制。
图1方案一的原理图
　　芯棒的运输由运输辊道来完成，此辊为单驱动辊道，这个辊道的优点是取消了长轴的传动可以采用单独底座来代替笨重的整体支架，结构简单，传动惯性小，操作灵活。当芯棒到达预定位置时，翻转上料机构启动，此机构没由一个电机驱动，通过联轴器与驱动轴连接，在轴上装有6个转臂装置，旋转臂的一端装有托盘，通过旋转臂转动，将芯棒放到旋转冷却装置上。
　　旋转冷却装置也有专门的电机驱动，通过减速器减速，驱动旋转轴旋转，在轴上装有圆盘，与另一组圆盘成并列分布，这组圆盘无驱动，主要起支撑作用。芯棒在两组圆盘上，靠摩擦力旋转。当旋转10秒钟时，在由单向移钢机将芯棒移到另一组旋转系统上旋转冷却10秒后，由旋转臂装置将钢送到输出辊道，准备再次工作。

2.1.2旋转冷却装置的设计
如图2所示,中间轴为主传动轴，驱动圆盘旋转，两侧的圆盘为支撑圆盘，起支撑作用，它受芯棒转动时的摩擦力作用随芯棒一起转动。

图2 旋转装置

　　被冷却的芯棒放置在两圆盘中间，受圆盘摩擦力的作用匀速旋转，这样就能使芯棒在周向均匀的冷却。　
2.2方案二的结构设计
如图3所示，该图为第二个方案的结构原理图，此方案的工作部分是用两个交叉的托架共同控制芯棒的升降。
　　方案二与一的不同之处是冷却的动力部分如图3的视图A，它是由一台电动机驱动，通过减速器减速，再由一对齿轮将转矩和速度平均分配到两根转动轴上，当旋转上料装置将待冷却的芯棒放到拖架上后，工作电机启动，拖架绕各自的轴旋转，使芯棒浸入到下方的冷却水池冷却几秒后，电动机反转把芯棒移出水面，随后芯棒卸料装置把芯棒移动出冷却槽。其中两个交叉的托架有限位器，防止过大角度旋转使芯棒跌落从而造成生产事故。

图3 方案二的原理图

2.3方案的比较与选择

方法一的优点：芯棒冷却的同时还不停的旋转，水温沿芯棒表面均匀分布,从而使芯棒沿纵向和周向冷却更加均匀，提高了冷却的质量，缩短了冷却的时间。缺点是芯棒在冷却的时候回有磨损产生，冷却的设备比较庞杂，机器工作面积比较大投资金额较多。
方案二的优点：与一相比，冷却速度快而且充分，系统当中减少的移钢机；
缺点：需要建一个大的冷却水池，用水比较多，水的循环和冷却还需要投资一些设备，增加了投资的成本，水温不易控制控制。在芯棒移动期间需要电机大量做功，耗能非常大、经济效益差。在升降时芯棒所受的磨损比方案一还要大。
　　综合两种方案的优缺点和实际的工作环境和场地，第一种方案比较好。首先保证了芯棒的冷却技术条件。其次切合节能减排的提倡，还可以节约了大量的资金投入和工厂占地，从而提高工厂的经济效益。本次设计的思路、方案内容均围绕方案一产生。

三、 电动机的选择与确定

3.1设计任务书的参数
（1） 芯棒规格 直径φ150.5mm,芯棒总长 17.5mm；芯棒材料 合金钢
（2） 回转机构需要移送芯棒根数 1根
（3） 回转机构动作周期 12.5s
（4） 方案一的结构设计参数：
①圆盘的直径 φ1000mm。

②从动圆盘直径 φ800 mm。
③两圆盘的水平中心距离 l=563.5 mm。
④两圆盘的水平中心距离h=100mm。
（5） 设计的重点和难点：
重点：主传动系统设计；
难点：回转机构的结构

3.2选择电动机类型和结构形式
电机大致可分为直流电机和交流电机，其中交流电机分为同步、异步电动机。
1、直流电机
直流电机最大的优点是改变点压即可调节转速同时提供较大的扭矩。一般用于经常调节转速的机器（矿井的提升机、钢厂的轧机）。目前交流电机随着变频技术的发展也可以实现转速的调节。但变频的交流电机通常价格昂贵，与之相比较，直流电机的经济性更强。
2、异步电机
异步电动机的优点在于其构造简单、方便维护、性价比较高。同时工作时性能稳定让异步电动机在工业的作业中成为了电机类型。
根据转子的不同，异步电动机分为鼠笼型、绕线型电机。其中鼠笼型的转子由铜或者铝制成（我国铝矿资源十分丰富），如果该类型电机完美的解决断排的缺点后其可靠性将优于绕组型转子的电机。缺点是动力矩较大的负载不适用，而绕线型电机则有更加强大的转矩。异步电动机往往会给电网带来不晓得冲击，供电局会对其使用有限制。在用电大户建厂时，为了不影响生产，往往会自建电厂以减少供电部门对异步电机的使用限制。
3、 同步电动机
同步电动机的优点有：较为精确限制转速，运行时稳定性好，过载能力强运行效率比较高。不过同步电动机不能直接启动，要通过变频或者异步才可以启动。
通过上面对电动机的简单介绍，在选择电动机需要考虑设计所需求的性能，优先采取可靠、性能优秀、经济性好、故障率小、容易维护的电机类型。通过比较发现，选择符合的电机为：交流电动机>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：
（3－1）
其中： g=9.8N/㎏
芯棒的质量：
　 （3－2）
其中： V－ 芯棒的体积 (m3)
ρ－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１－１０可知【9】:
合金钢的密度为:
　 ρ=7.9g/
所以芯棒的质量为：
kg （3－3）
由此可知芯棒的重力：
G=24581 N （3－4）
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:
（3－5）
其中：
- 芯棒与圆盘的摩擦系数
查表１－１2可知【9】：
＝0.3
所以圆周力为：
（3－6）
3.3.3圆周速度的确定
工作机按工作要求，可由公式（3－7）计算圆周速度【10】
（3－7）
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：
（3－8）
所以可知芯棒的圆周速度：
（3－9）
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 s
r=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。
（２）选择电动机的容量
电动机的功率按式（3－1）计算
(3－11)
工作机的功率按式（1）计算
（3－12）
因此根据公式（3－13），计算电动机的需要功率为：
（3－13）
算出电动机到圆盘的总传动效率：
　 （3－14）
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　　
（3－15）

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：
（3－16）
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
971
86.5
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mm
38
110
14
160

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1≤i≤8～10，两级圆柱齿轮减速器的传动比范围是8≤i≤60。
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（4－1）计算减速器的传动比
（4－1）
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
（4－2）
（4－3）
其中：