粗轧机主传动设计设计
2150粗轧机主传动设计
摘要
此次毕业设计的设计对象是2150粗轧机主传动系统。轧机是将钢锭及连续铸坯轧制成材的生产环节。用轧制的方法生产钢材，具有生产率高、品种多、生产过程连续性强、易于实现自动化等优点。因此轧机得到广泛的应用,约有90﹪的钢都是经过轧制成材的。轧机设备的好坏对轧钢厂的效益有很大的影响，而且轧钢产业在整个国民经济中占据着异常重要的地位。这些同时说明了本次设计的必要性和重要性，并且设计本身也是对我们的所学起到检验作用。设计内容包括传动方案的选择，轧制力计算及主电机容量的选择，验算轧辊稳定性，工作辊和支撑辊的设计及强度校核，轧辊轴承的选择，万向连接轴的选择计算，润滑方法的选择，环保性及经济分析。设计结论得出此次设计的轧机主传动系统有较好的调速性能、较宽的调速范围、响应速度快、轧制质量高、传动平稳、润滑条件好、噪音低、使用寿命长等优点，各零部件也满足条件，完全达到了设计要求。
关键词：主传动；粗轧机；可逆轧制；工作辊；支承辊
2150 Roughing Mill Main Drive Design
Abstract
The graduation project is a 2150 design objects roughing mill main drive system. Mill is rolling ingot and continuous slab lumber production processes. Produced by rolling steel, high productivity, variety, continuity of the production process, easy to realize the advantages of automation. So the mill is widely used, about 90% of the steel is rolled through veteran. The quality of mill equipment has a great impact on the effectiveness of the rolling mill and rolling mill industry occupies an extremely important position in the national economy. These also describes the necessity and importance of this design, and the design itself is also learned to play our role in testing. Design includes selection, rolling force calculation and the main motor capacity transmission scheme selection, checking roll stability, design work roll and backup roll and strength check, roller bearing selection, choose the connection shaft universal calculation, lubrication selection methods, environmental protection and economic analysis. Design The design of the conclusions mill main drive system has better speed performance, wide speed range, fast response, high-rolling quality, smooth transmission, good lubrication conditions, low noise, and long life advantages, but also to meet the conditions of the parts, fully meet the design requirements.
Keyword:The main drive; Roughing mill; Reversible rolling; Work roll; Supporting rollers
目录
1 绪论 (1)
1.1选题背景及目的 (1)
1.2轧钢机械国内外发展概况 (1)
1.3设计的主要内容和方法 (4)
2 总体方案设计 (5)
2.1概述 (5)
2.2方案比较 (5)
2.3方案分析 (6)
3 轧辊参数的确定 (8)
3.1设计参数 (8)
3.2轧辊基本尺寸 (8)
3.3轧辊材料的选择 (10)
4 电机容量选择 (11)
4.1轧制力计算 (11)
4.1.1变形阻力 (11)
4.1.2平均单位压力和轧制力 (16)
4.1.3轧辊驱动力矩 (18)
4.2初算电机功率及静力矩 (22)
4.3电动机校核 (25)
5 校核轧辊稳定性和强度 (26)
5.1轧辊稳定性校核 (26)
5.2轧辊的强度校核 (27)
5.2.2弯曲应力 (30)
5.2.3接触应力 (31)
6 轧辊轴承与万向连接轴的选择计算 (32)
6.1轴承选择与寿命计算 (32)
6.2万向连接轴的选择 (33)
6.3十字轴的校核 (34)
7 润滑方式、环保性及经济分析 (35)
7.1润滑方式的选择 (35)
7.2环保性及经济分析 (37)
7.2.1环保性 (37)
7.2.2经济分析 (38)
结论 (40)
致谢 (41)
参考文献 (42)
1 绪论
1.1选题背景及目的
轧钢生产在国家建设发展中所起的作用是十分显著的。用轧制方法得到的钢材，具有生产过程连续性强、生产效率高、品种多、质量好、易于机械化、自动化等优点，因此得到广泛的应用。机器制造、国防、铁路车辆、矿山等部门需要的某些零件毛坯或零件，也开始用轧制方法生产。例如滚动轴承用的滚珠、滚子、内座圈；球磨机用的钢球；机械传动中的齿轮、丝杠；铁路车辆用的车轮和轮毂等。这不仅可以提高这些产品的产量和质量，而且实现了无切削或少切削加工，节约金属消耗。
随着国民经济的飞速发展，为了满足建筑、造船、汽车、矿山、国防等方面的需求，使得轧钢需求量不断增长，从而促进了热轧带钢机的发展。用轧制方法生产钢材，具有生产效率高、品种多、生产过程连续性强等优点，它比锻造、挤压、拉拔等工艺得到更广泛的应用。
板带钢材应用范围最广，工业先进国家钢板产量占钢的50%～66%。热轧带钢机具有轧制速度高、产量高、自动化程度高等优点，轧制速度50年代为10～12m/s，70年代已经达到18～30m/s。生产规格也由生产厚度为2～8mm、宽度小于2000mm的成卷带钢，扩大到生产厚度1.2～20mm、宽度2500mm的带钢。带钢重量的加大和作业率的提高，使现有的带钢热轧机年产量达350～600万吨，最大卷曲也由15吨增加到70吨。轧机是现代钢厂中最常见的一种冶金设备。因此,轧机设备的好坏对轧钢厂的效益有很大的影响。
我的毕业设计课题是通过所学的理论知识结合毕业实习用一学期的时间来设计一台2150粗轧机轧机的主传动系统。之所以在大学生活即将结束的时候学校为我们安排此次毕业设计,就是为了检验我们的所学是否能够真正的应用到实际当中,使我们更好的认识到作为一名合格的设计人员应该具备哪些基本素质，为以后真正的走向工作岗位积累经验、做好铺垫。
1.2轧钢机械国内外发展概况
我国的轧钢机械经历了一个自主开发、引进、学习借鉴、国产化的往复循环过程。随着我国经济的发展，要求对钢材不断提高产量和质量、提高劳动生产率、降低原材料和能源消耗及产品成本，以及高附加值钢铁的推广，轧钢机械发展趋向大型化、连续化、
高速化和自动化的方向发展。
据说在14世纪欧洲就有轧机，但记载是在1480年意大利人达芬奇设计出轧机草图，1553年法国人轧制出金和银板材，用以制造钱币，此后在西班牙、比利时等相继出现轧机。19世纪中叶第一台可逆式轧机在英国投产，并轧制出船用钢板。1848年英国发明万能轧机，1853年美国开始使用三辊式型材轧机，1859年建造了第一台连轧机。现在的带钢连轧机除了采用自动控制外，还实现了电子计算机控制，从而大大提高了自动化水平，改善了产品质量，带钢厚度公差不超过 0.5mm，宽度公差不超过0.5～1.0mm，并具有良好的板形。
21 世纪轧钢技术进步将集中于生产工艺流程的连续化、紧凑化, 过程控制将实现轧材性能的高品质化、品种规格多样化及控制和管理的计算机化和信息化。轧制技术作为冶金工程技术中的重要组成部分, 近年来随着中国和国际钢铁工业技术的进步, 为了适应资源、能源和环境可持续发展的要求, 以及汽车、家电、建筑等行业对产品质量、性能和精度需求的不断提高, 在相关理论和工艺技术方面不断取得新的进展。
连铸坯热送热装轧制技术在热轧带钢生产中已经普遍采用, 日本、韩国的热轧带钢轧机铸坯热装比达到60 % 以上, 最多可达80 % , 热装温度达600 度以上。目前我国平均热装率为40 % , 先进生产线能够达到75 % 以上, 平均热装温度为500 度~ 600 度,最高可到900 度。
直接热装和直接轧制是当代热轧带钢轧制技术的发展方向, 可以进一步提高节能效果, 缩短生产周期, 使连铸机和热轧机更紧密地联系在一起。国外新建的热轧带钢轧机一般优先考虑热装炉和直接热装炉工艺的实现, 预留直接轧制工艺余地。为了提高能源的利用效率, 减少二氧化碳的排放, 保护环境, 日本的板坯热装炉技术普遍采用蓄热加热技术。我国一些板坯加热炉也开始采用蓄热式加热炉。
无头轧制和半无头轧制技术是近年来发展的新技术。无头轧制主要应用在热轧带钢和棒线材生产中, 半无头轧制主要用于薄板坯连铸连轧生产线。无头轧制技术可使板带全长的质量均匀稳定, 它由轧机追尾控制技术、头尾焊接技术、高精度成品轧制技术和高速通板卷取技术等组成。
目前, 中国的薄板坯连铸连轧生产线在数量、产能及轧机装备水平方面都居世界前列开发薄规格板材并实现部分以热代冷是薄板坯连铸连轧生产线的主要目标之一。
在薄规格轧制( 小于等于2 mm ) 、半无头轧制、冷轧原料用钢、细晶和微合金化高强钢产品开发、以及针对薄板坯连铸连轧工艺特征的轧制及冷却过程、以及产品的组织性能控制等都取得了长足的进步。热带粗轧机组普遍采用了调宽与控宽技术, 例如西马克- 德马格公司新开发的无镰刀弯轧制CF R 技术, 通过粗轧机前的强力侧导机构、增强的粗轧能力和液压压下以及自动化控制系统有效防止了中间坯强力轧制后镰刀弯的产生。全液压的立辊调宽控宽技术, 包括自动调宽的液压 A W C 和短行程SS C 控制技术, 显著提高了中间坯和板坯头尾的宽度控制精度, 减少了头尾切损。机架本身, 也由过去的立式除鳞机, 发展为附着式立辊。板坯定宽压力机调宽是极为有效的调宽手段, 已经有S M S , H I公司开发出来, 我国已经有一些轧机采用了定宽压力机, 一道次最大的侧压量可以达到 3 50 mm 。为了解决热轧板的板厚、板形和板凸度控制问题, 板形控制技术如HAGC 、CVC 、P C 、W RS 等得到了很大的发展。西马克- 德马格公司新建的热连轧机组均采用了液压压下厚度控制( HAGC )和连续可变凸度CVC 技术, 日本三菱、日立热连轧机组除了采用HAGC 厚度控制技术外, 还采用P C 轧机( 交叉角0 度~ 15度) 技术。在精轧机组的前部机架, 采用CVC 或P C 轧机, 控制坯料的板凸度, 为后部机架的板形和板凸度控制提供需要的断面形状, 在精轧机组的后部机架, 则主要采用W RS 轧机, 通过轧辊的轴向往返移动, 分散热凸度和磨损, 实现自由程序轧制。为了提高活套系统的控制水平, 提高系统的响应性和控制精度, 近年开始采用液压活套技术。为了抑制热轧带钢精轧机组的轧机振动, 日本三菱在PC轧机开发的基础上, 提出了高压轧制振动抑制技术, 应用于热连轧生产线, 取得了良好的效果。
国外轧钢机械发展的主要方向：
1）节能降耗，缩短工艺流程，提高生产效率
2）生产高度连续化与过程综合化
3）控制轧制和控制冷却
4）发展高质量及高附加值产品
5）生产过程自动化
综合国内外轧机的发展来看，轧钢机械向着大型、连续、高速和计算机控制方向发展。
1.3设计的主要内容和方法
此次毕业设计的题目是2150粗轧机主传动系统。
此次设计内容是根据参观鞍钢股份有限公司中热轧粗轧机所选的课题，我设计的主要内容为2150粗轧机主传动系统。设计开始，我们先到了鞍山钢铁集团公司的热轧厂，在那里参观了1780和1700ASP两条国内先进的生产线，对整个轧钢设备有个初步了解。热轧厂的工程师细心的讲解了轧机的机械设备。明确设计任务，熟悉技术资料，按时、独立完成各阶段的设计内容，其中包括总体方案设计、电机的选择、主要零部件的设计及校核、环保或经济性分析等。
2 总体方案设计
2.1概述
轧钢机主传动装置的作用是将电机的运动和力矩传递给轧辊。在很多轧钢机上，主传动装置由减速器、齿轮座和联轴节等部件组成。
2.2方案比较
在可逆式轧钢机上，即使轧辊转速小于200～250r/min时，也往往不采用减速机而采用低速电动机，因为这样的传动系统易于可逆运转。所以列出以下两种方案：
方案一：如图2.1所示由两台电动机单独驱动两个轧辊。电动机1的运动和力矩是通过主联轴节2和连接轴4而接传给轧辊5，这种型式的主传动装置主要用于大型的可逆式轧钢机。
图2.1两台电动机单独驱动两个轧辊
方案二：如图2.2所示由一台电动机通过齿轮座驱动轧辊。电动机1的运动和力矩是通过主联轴节2、齿轮座3、连接轴4而传给轧辊5，这种型式的主传动装置在可逆式和不可逆式轧钢机上都有应用。
图2.2一台电动机通过齿轮座驱动轧辊
本次设计的2150粗轧机采用第一种由两台电动机单独驱动两个轧辊的方案，无减速器和齿轮座，并通过万向接轴传递运动和扭矩。
2.3方案分析
在可逆式轧刚机上，轧辊经常启动、制动和反转，要求主传动系统要有较小的飞轮力矩。由于电动机飞轮力矩可近似的认为与其额定力矩的平方成正比，因此将轧钢机所需的电动机力矩由两台电动机供给，这样会使电动机飞轮力矩显著减小。而且在电动机功率较大的粗轧机、板坯轧机、钢板轧机上，往往不采用齿轮座，而用单独的电动机分别驱动每个轧辊，所以选择方案一。这种方案提高了传动效率，减轻设备重量。而一般只有在轧钢机结构限制而不能采用轧辊单独驱动的可逆式轧钢机或当轧辊转速较高、采用低速电动机的投资费用，与采用高速电动机带有减速机的投资费用相差不大时，才会选择方案二。
因为可逆式轧钢机的电动机工作较为繁重，要求调速范围也较宽，并且要有较大的过载能力。而直流电动机具有启动、制动转矩大，易于快速启动及停车，容易调速，调速性能好，且易于控制，过载能力强等优点。所以2150粗轧机的电动机采用直流电机。因为对于轧辊调整量较大的粗轧机、厚板轧机等，连接轴倾角有时达到8°～10°，所以2150粗轧机采用允许倾角较大的万向接轴。
2.4组成部分的类型选择
确定方案后，对传动系统中各组成部分进行类型选择分析。轧钢机主传动装置的作用是将电机的运动和力矩传递给轧辊。
轧钢机主传动装置各组成部分作用如下
（1）电动机轧钢机主传动的特点是传动系统功率大、过载能力强动态响应快、力矩脉动小。由于轧钢机对传动系统的要求较高,所以长期以来一直采用直流传动技术。但是,直流电动机的结构上存在换向问题,因此有不少众所周知的缺点及难以克服的难题。交流电动机能够克服直流电动机的缺点,其结构简单坚固、维护工作量小、效率高、动态性能好,单机容量可以突破直流电动机的功率、转速极限,具有许多直流电动机无法比拟的优点。
（2）连接轴轧钢机中各部件的运动和力矩都是通过连接轴传递给轧辊的。轧钢机常
用的连接轴有万向接轴、梅花接轴、联合接轴和齿式接轴等。确定连接轴类型时，主要根据轧辊调整量和连接轴允许倾角等因素。对于轧辊调整量较大的粗轧机来说，连接轴倾角有时达到8°～10°，一般采用万向接轴。
（3）联轴器联轴器包括电动机连轴器和主连轴器。目前应用最广泛的连轴器是齿轮连轴器。齿轮联轴器是用来传递扭矩的常用机械零件。分两部分组成，主动轴和从动轴。一般动力机大都借助其与工作机相连。
3 轧辊参数的确定
3.1设计参数
轧制材料：Q235
原料规格：230mm×2000mm×6000mm 成品规格：21mm×2000mm×65714mm
轧制速度: v=1.2m/s
表3.1轧制参数
道 轧前厚度 轧后厚度 压下量 变形程度 温度 次 0h (mm) 1h (mm) △h(mm) ε % T (℃) 1 2 3 4 5
230 180 120 75 40
180 120 75 40 21
50 60 45 35 19
21.7 33.3 37.5 46.67 47.5
1170 1170 1170 1170 1170
3.2轧辊基本尺寸
（1）辊身长度
钢板车间轧钢机的主要性能参数是轧辊辊身长度，因为轧辊辊身长度与其能够轧制的钢板最大宽度有关。在设计中主要是根据所提供的坯料尺寸和实际生产中的辊道宽度来确定辊身长度的，辊身长度决定了所轧板带的最大宽度，其关系为
a B L +=max (3.1)
式中 L ——辊身长度；
m ax B ——板带材的最大宽度；
——随带材宽度而异的余量，当m ax B ＜200mm 时，取a =500mm ；当m ax B ＞200毫米时，取=100～200mm 。
本次设计为2150轧机则有
m ax B =2000mm a=150mm
因此，钢板轧机是以轧辊辊身长度标称的。所以此次设计的轧机辊身长度L=2150mm 。
（2）轧辊直径
对于四辊轧机，为减小轧制力，应尽量使工作辊直径小些。但工作辊最小直径受辊颈和轴头的扭转强度和轧件咬入条件的限制。由文献[1，表3-3]可知：
L/D 1 =1.5～3.5常用比值（1.7～2.8）
L/D2=1.0～1.8常用比值（1.3～1.5）
D2/D1=1.2～2.0常用比值（1.3～1.5）
比值L/D2标志着辊系的抗弯刚度，其值越小，则刚度越高。一般说辊身长度较大者，选用较大比值。辊径比D2/D1的选择，主要取决于工艺条件。当轧件较厚（咬入角较大）时，由于要求较大工作辊直径，故选较小的D2/D1值；当轧件较薄时，则选用较大的D2/D1值。因此，后板轧机和热带钢轧机粗轧机座比精轧机座的辊径比小些，热轧机比冷轧机的辊径比小些。对于支撑辊传动的四辊轧机，一般选D2/D1=3～4。
D2=2150～1194
D1=1433～614
根据轧辊强度及允许的咬入角α（或压下量与工作辊直径之比?h/Dg ）来
确定。即在保证轧辊强度的前提下，同时满足下列咬入条件：
1
D
α
Cos h
-?1 （3.2）
式中 1D ——轧辊的工作直径；
h ?——压下量；
α——咬入角。
由文献[2，1-45 ] 可知，四辊可逆轧机的最大咬入角，α=15~20；取α=20
最大压
下量时：
9.9942
20sin 2602
1=≥
D
为安全取
=1250mm 取1650
（3）辊颈直径和长度
辊颈直径d 和长度l 与轧辊轴承型式与工作载荷有关。使用滚动轴承时，由于轴承外径较大，辊颈尺寸不能过大，一般近似的选d=(0.5～0.55)D ，l/d=0.83～1.0。
得工作辊辊颈直径1d =625～688mm ,支承辊辊颈直径2d =825～908mm 。取
1d =670mm 、2d =900mm 。工作辊辊颈长度1l =564～680mm ,支承辊辊颈长度2l =747～
900mm 。取1l =670mm 、2l =900mm 。
3.3轧辊材料的选择
常用的轧辊材料有合金锻钢、合金铸钢和铸铁等。
2150粗轧机轧辊受力较大且有冲击负荷，应有足够的强度，所以选用有较高强度的合金锻钢。在带钢热轧机的工作辊选择轧辊材料时要求辊面硬度要很高,而支承辊在工作中主要受弯曲应力，且直径也较大，所以在设计中着重考虑轧辊的强度和轧辊的淬透性。所以，在实际的设计中多选用Cr 合金钢。
由文献[5，3-64]可知：
工作辊选择的材料为：50CrNiMo
支承辊选择的材料为：60CrMnMo
4 电机容量选择
4.1轧制力计算
4.1.1变形阻力
所轧轧件为Q235,由文献[1，表2-1]可知，Q235变形阻力公式系数各项参数如下表：
表4.1
Q235 A =3.665 B =-2.878 C =-0.122 D =0.186 E =1.402 N =0.379 MP /?σ=151.2
由文献[1，2-34]可知，
σ=r u t K K K ?σ （3.7）
式中 ?σ——基准变形阻力；
t K ——变形温度影响系数，
t K =)exp(BT A +=)878.2665.3exp(T +；
u K ——变形速度影响系数，
u K =DT C u +)10(=T u
186.0122.0)10
(+-；
r K ——变形程度影响系数。
=4.0)1()4.0(
m N m r E r E --=1.4024
.0)1402.1()4.0(379.0m m r
r --。
m r =m
ε-11
ln
（3.8）
式中 m r ——真实平均变形程度；
m ε——相对变形程度。
m ε=ε3
2
（3.9）
式中 ε——变形程度；
m ε——相对变形程度
将所得数据列入表3.3中
表4.2
1 2 3
4 5 ()
21.7 33.3 37.5 46.67 47.75 14.5 22.2 25 31.1 31.7 0.157
0.251
0.288
0.373
0.381
粘着理论： u=
（3.10）
滑动理论：
(3.11)
式中 ——轧辊的圆周线速度；
；
10,l l ——轧制前、后轧件高度（厚度）；
l ——接触弧水平投影长度，h R l ?=
l 未知下面求各段轧制时的l 和m
h
h R l ?= 2
1h h h m +=
78.176625501=?=l 2052180
2301=+=m h 65.193625602=?=l
150
2120
1802=+=m h 71.167625453=?=l
5.972751203=+=m h
90.147625354=?=l
5.57240754=+=m h
97.108625195=?=l
5.302
21
405=+=m h
表4.3
1 2 3 4 5 l （mm ）
176.78 193.65 167.71 147.90 108.97 m h (mm)
205
150
97.5
57.5
30.5
下面求一下r
v
文献[1，2-140]知咬入角
)21(c o s 1
R
h
?-
=-α （3.12）
=
1α=16.26
=
2α
根据式子3.7计算可得
第一道次：
T=
443.11000
273
11701000273=+=+t
1 h l 采用粘着理论（外区影响是主要的） 66.1180 230ln 78.1761200180230ln === l v u r m 769.0)10 66.1(443 .1186.0122.0==?+-u k 614.0)443.1878.2665.3ex p()ex p(=?-=+=BT A k t 826.04 .0157 .0)1402.1()4.0157.0( 402.1379.0=--=r k MPa 97.58826.0614.0769.02.151=???=σ 第二道次： 2 h l 则 54.2120 180ln 65.1931200==m u 817.0)10 51.2( 443 .1186.0122.0==?+-u k 614.0)443.1878.2665.3ex p()ex p(=?-=+=BT A k t 923.04 .0251 .0)1402.1()4.0251.0( 402.1379.0=--=r k MPa 01.70923.0614.0817.02.151=???=σ 第三道次： 2/ 120 ln 71.1671200== m u 852.0)10 36.3( 443 .1186.0122.0==?+-u k 614.0)443.1878.2665.3ex p()ex p(=?-=+=BT A k t 949.04 .0288 .0)1402.1()4.0288.0( 402.1379.0=--=r k MPa 06.75949.0614.0852.02.151=???=σ 第四道次： 2>m h l 则采用滑动理论 0 1h h l v u m ?= 根据[1，2-8]，[1，2-9]得 2 11) 21 1(4R h h h v v v S r r ?-?=-= μ （ 3.14） ∴ 2 1)625 3532 .021 1(4043512001200?-?=-v s mm v 13041= 12.475 359.1471304==m u 878.0)10 12.4(443 .1186.0122.0==?+-u k 614.0)443.1878.2665.3ex p()ex p(=?-=+=BT A k t 990.04 .0373 .0)1402.1()4.0373.0( 402.1379.0=--=r k MPa 70.80990.0614.0878.02.151=???=σ