1、 1 毕业设计文献综述 机械设计制造及其自动化 驱动台摆动机构机构部分设计 前言 驱动台摆动机构的作用是用来升降和输送轧件。该设备是热轧生产的重要环节，该机构的故障将 直接造成型钢热轧生产线的停产，并会产生大量废钢。该机构的工作环境是比较恶劣的，高温钢材的影响，氧化铁皮的堆积，重型设备运作的振动，重载荷等等，都对机构有较大的影响。因此，要设计一台该设备需要对传动部分和机构部分进行合理设计，本文就是针对该设备的机构部分进行的设计。 当物体发生变形的原因消失后，物体仍不能恢复原来的形状，所保留下来的变形称为塑性变形。金属轧制过程是一个塑性变形过程，通过塑性变形来获得一定形状与尺寸的轧制成品。在轧制
2、过程中，轧制材料通过轧钢机进行轧制来得到所需的轧件，但是所需轧件不是一次就能轧制 完成的，要经过多次轧制才能获得。因此，轧件在进行再次轧制时需要借助一机构，以使完成再次轧制过程，那就是驱动台摆动机构（ 亦 称升降台）。 一、设计任务和方法 机械产品自十九世纪后期到本世纪四十年代，积累了数十年的生产技术经验，各类产品结构典型化，设计方法和程序也有新的改进和发展。特别是近几十年来的发展，要求不断地提高机械产品的技术经济指标。总的趋势是品种复杂化，高参数和大容量化，设备成套和自动化；以及更高的质量可靠性，维修简易，和制造成本低廉等，以其质量技术水平和商品售价取得市场竞争的优势。 （ 1）设计工作面
3、临的形势 机械产品的技术要求日趋复杂化，高参数，大容量，高效率，低能耗，成套性和自动化，并要求产品在苛刻的技术条件下（冲击、振动、腐蚀、和湿热的环境下）有高的质量耐久性和运转可靠性。 新技术从发明到实际应用的周期大为缩短，在工业先进国家，从科研成果到第一台商品的制成，平均时间约五年。 随着产品生产周期的缩短，要求提高新产品设计的效能。 2 计算机的应用，增大了数据和信息处理能力，促使产品设计采用最优化技术和多方案选择，采用计算机辅助设计或自动化设计系统能更快地制出优质价廉的新产品。 系统工程学的产生和 发展，运筹学和控制论等理论的完善化，为先进的成套设备设计提供了有利条件。 机械工业发展迅速，
4、迫使工业发达国家的机械产品提前改型换代。 （ 2）机械产品设计方法 随着科学技术的发展，大型机械产品的设计技术，发生了很大的变化，即由经验设计向加强测试分析及自动化设计方向发展。 新产品的设计是过去生产经验的总结、技术知识的积累，科研成果的评价和技术标准等为基础的，并经历了不断的改进过程：经验设计时期，产品设计中运用较多的经验算式，所设计的结构及零部件的安全系数较大。只能研究整机的综合技术性能，对零部件性能掌握甚少。 加强科学试验和技术分析时期，特点是提高测试技术，加强产品的科学试验，产品的整体系统试验趋于完善化。这就使原有的经验设计得到了改进和提高。自五十年代起，电子计算机开始应用于产品设计
5、，以后计算机辅助设计日渐应用，产品设计进入自动化设计时期。 机械产品的设计方法，按其采用过去经验及新技术知识程度分为四类：即组合（或积木式）设计，内插式设计，外推式设计和开发性设计。 二、 机构设计分析 本文对摆动机构的分析主要是从结构、运动和力三方面来进行分析。 由于连杆和滑槽杠杆都有最大和最小的有效长度，因此在组合上有多种组合 方式，且在各种组合方式上的力和方向都不一样，要使机构在最大受力情况下也能正常运行，就要对各种组合方式进行受力分析。通过分析可确定作用在曲柄上的力，为前级减速传动设计做铺垫，也可确定在拉杆上的最大作用力，为拉杆的失效分析做基础。 对机构运动分析主要是针对机构构件上的点
6、的轨迹、速度来分析，通过轨迹的分析，可以确定某些构件运动所需要的空间，判断它们运动是否相互干涉。通过速度分析，可以确定机构中从动件的速度是否合乎要求，并为受力分析提供必要的数据。 对机构的力分析主要是用来确定各运动副中的约束反力和当机构的原动件按 给定的规律运动时，确定需加于机械上的平衡力或平衡力矩。 摆动台的工作状态有提升和下落两种，而执行提升和下落的原件就是曲柄连杆机构，因此，机构设计的好坏直接影响摆动台的工作能否正常进行。所以在对 驱动台摆动机构机构部3 分设计时应从多方面分析。 三、驱动台摆动机构 驱动台摆动机构，亦称摆动台摆动机构，或叫升降台。一般装设在二辊迭轧薄板轧机，三辊型钢轧机
7、和三辊钢板轧机的前后，用来升降和输送轧件。 在二辊迭轧薄板轧机上，从轧辊中出来的轧件送到轧机后的驱动后，驱动台上升，并通过驱动台上的运输链将轧件送往上轧辊的上表面。 随着上轧辊的转动，轧件递回轧机机前的驱动台上。然后，驱动台下降，将轧件送往轧机进行再次轧制。 在三辊式轧机上，机后驱动台是用来接受从中下辊出来的轧件，并将轧件上升提高后送入中上辊轧制。机前驱动台是用来接受从中下辊出来的轧件，并使其下降后送入中下辊轧制。在驱动台上装设有运送轧件的辊道，其辊道可以是单独驱动或者集体驱动。为了不加重驱动台的摆动部分的重量，集体驱动辊道的电动机和减速机一般均安装在地基上。只有在尺寸受到限制时，才装在驱动台
8、框架上。 升降台的升降机构通常是采用曲柄连杆式或偏心轮式。近年来，亦有采用液压 式。升降台的平衡装置，在轻型升降台上常用弹簧或汽缸，在重型升降台上则用重锤平衡。轧机前后升降台的驱动，可由一台电动机驱动，通过连杆进行机械连锁（图 1）或分别由两台电动机和机械传动装置驱动而采用电气连锁。为了使带动升降台的垂直杆作近似于直线的运动，重锤杠杆的摆动角度取为 40600。 4 图1 升 降台简图升降台台面长度可由以下两个条件确定： 1）当轧件长度小于 1015 米时，升降台同时应作为主要工作辊道，升降台台面长度必须大于轧件最大长度的三分之二。 2）为了可靠地将轧件送入轧辊，以及减少轧件在升降台与运输辊道
9、交接处的弯曲，升降台上升至最高位置时的斜度取为 1： 10 或 1： 15。 四、驱动台摆动机构 平衡原理 本文设计的驱动台摆动机构是为于型钢成型轧钢机前后，机构是采用曲柄连杆式。它的作用是：帮助三辊型钢轧机完成成型轧制。 为了减少电动机容量，并使升降台工作平稳可靠，在曲柄连杆式升降台的摆动机构中装有平衡装置。在设计升降台平衡装置时，要符合 “ 中间位置 平衡原理 ” ，即升降台在中间位置时能够保持平衡，而升降台在上部位置时欠平衡，升降台在下部位置时过平衡。 如果以 MG 表示平衡重的重量（重力） G 相对与轴 O2 的力矩，以 MQ 表示前支柱对平衡杠杆作用力 Q 相对与轴 O2 的力矩，则
10、 “ 中间位置平衡原理 ” 可用以下不平衡力矩的关系式5 表示。 升降台在上部位置时， MQMG，其不平衡力矩为 M2=MQ MG0 升降台在中部位置时， MQ=MG，其不平衡力矩为 M2=MQ MG=0 升降台在下部位置时， MQMG，其不平衡力矩为 M2=MQ MG0 为了实现上述平衡条件，平衡杠杆 KO2D 的两个杠杆臂 KO2 和 DO2 的夹角 ，要比力Q 和 G 之间的夹角大 2 （图 2）。其中， 角是杠杆臂 KO2 与水平线的夹角。此外，平衡杠杆 KO2D 和 DO2 的长度 rK 和 rD 应根据以下公式确定 QrD=GrK 图2 平衡杠杆受力简图 1 2当升降台面在中间位置
11、时，杠杆 KO2D 处于图 2 实线位置，力 Q 和 G 相对与轴 O2 的力矩分别为： MQ=QrDcos MG= GrKcos 式中 rD 杠杆臂 DO2 的长度 rK 杠杆臂 KO2 的长度 6 杠杆臂 KO2 与水平线的夹角 显然，只有满足 QrD=GrK，才能使 MQ=MG，可实现摆动台在中间位置保持平衡 的要求。 当升降台上升到上部位置时，杠杆 KO2D 反时针旋转一角度 ，此时，力矩 MQ 和 MG分别为： MQ= QrDcos 1=QrDcos（ ） MG=GrK cos 2= GrK cos（ + ） 式中： 1 升降台在上部位置时，杠杆臂 DO2 与从轴引向力的垂线之间的夹
12、角 2 升降台在上部位置时，杠杆臂 KO2 与从轴引向力的垂线之间的夹角 升降台在上升（或下降）时，平衡杠杆 KO2D 的摆动角度 同理，当升降台下降到下部位置时，力矩 MQ 和 MG 分别为： MQ= QrDcos（ ） MG = GrK cos（ ） 综合考虑上述的各个公式后，升降台处于上部和下部极限位置时，其不平衡力矩 M2 为： M2=MQ MG = GrKcos( )- cos( ) 或 M2= 2 GrKsin sin 要确定平衡杠杆的形状尺寸时，可由公式 M2= 2 GrKsin sin 来确定 角。 角一般根据平衡杠杆的最大摆动角 max 和不平衡系数 K 来确定。其中，不平衡
13、系数是 =max 时的最大不平衡力矩（ M2） max 与平衡时的力矩 QrD 或 GrK 的比值，即 rMrM KD GQK )()( 22 m a xm a x 根据公式 M2= 2GrKsin sin ，将（ M2） max 代入，则 sinsin2 ma xK 在上式中，平衡杠杆的最大摆动角 max 一般为 200 300。 而不平衡系数 K 往往根据经验数据确定，一般的重型升降台平均取 0.1。再根据公式，就可求出 角的数值为 8020 5040。 五、对拉杆机理失效的分析 作为在摆动机构中极为重要的一个部件 连杆，它一般是由上叉头、下叉头及拉杆组合而成的一个组合件。上、下叉头 和拉
14、杆之间的联接是采用螺纹联接的，以此来实现连杆长7 度的可调节性。因为机构在运行的时候，总是处于重载和冲击的状态下的，因而在螺杆和螺母的旋合螺纹之间有较大的相对滑动趋势，从而导致螺纹牙发生了塑性变形或断裂，使之不能和螺母咬紧产生空隙，最终导致拉杆脱落失效。因此，单靠螺纹的配合连接不可能保证叉头与拉杆之间联接的可靠性的。因此如何实现拉杆的有效可靠的连接，是目前所面临的很重要的问题。 六、润滑的概述 机械设备的润滑，其目的都是为了减少工作表面的摩擦及由此造成的能量损耗，减少工作表面的磨损及发热，提高其寿命，保持机 器的工作精度，和提高机器的工作效率。 作为在重型机械设备中的工作和维护，必须考虑润滑这
15、一问题，它是机械正常工作的基础，任何机器也是一样，离开了润滑，就谈不上工作。在实际使用过程中，重型设备对于润滑材料的选取，通常是采用干油润滑。 总结 驱动台摆动机构一般装设在二辊迭轧薄板轧机，三辊型钢轧机和三辊钢板轧机的前后，用来升降和输送轧件。机构通常采用曲柄连杆式或偏心轮式，近年来亦有采用液压式。该设备一般放置在离地面 3 4 米的位置，工作环境比较恶劣，高温钢材的影响，氧化铁皮的堆积，重型设备运作的振动，重载荷等等，都 对机构有较大的影响，所以在设计时应从力学、运动学上综合考虑。连杆作为驱动台摆动机构中极为重要的部件，由于连杆与上、下叉头之间用螺纹联接，但由于机构在运动时处于重载和冲击的
16、状态，致使螺纹磨损，与螺母配合出现间隙，最终导致连杆脱落失效。因此，解决连杆失效问题对机构的正常运行和企业的生产有直接的关系。 参考文献 1 王知行，刘廷荣 .机械原理 M.北京：高等教育出版社 , 2000. 2 黄华清 .轧钢机械 M. 北京：冶金工业出版社 , 1979. 3 曹惟庆，徐曾荫 .机构设计 M.北京：机械工业 出版社， 1998. 4 唐锡宽 , 金德闻 .机械动力学 M.北京：高等教育出版社 , 1983. 5 机械工程手册编辑委员会编机械过程手册第 18 篇、机构选型与运动设计 M. 北京：机械工业出版社， 1979. 8 6 机械设计手册联合编写组编 .机械设计手册
17、中册 M. 北京：化学工业出版社 , 1987. 7 机械设计手册联合编写组编 .机械设计手册 上册 M. 北京：化学工业出版社 , 1987. 8 哈尔滨工业大学理论力学教研组编 .理论力学（第五版） M. 北京：高等教育出版社 , 1993. 9 刘鸿文 .材料力学（第四版） M. 北京：高等教育出版社 , 2004. 10 濮良贵 , 纪名刚 . 机械设计（第七版） M. 北京：高等教育出版社 , 2001. 11大连理工大学工程画教研室编 .机械制图（第四版） M. 北京：高等教育出版社 , 1993. 12曹树卫 .高速线材机轧制堆钢产生原因及对策 J.轧钢 -， 2006，（ 06
18、） . 13吴伟国，侯日阳 .人关节用挠性驱动单元设计与粘弹性设计动力学建模 J. 机械工程学报， 2010，（ 2） . 14罗贤海 ，翁海珊 .平面连杆机构随机型方法及其动力学自动分析 J. 机械设计与研究，2008，（ 04） . 15涂杰文，王成志 .平面机构运动链的组成及其构造分析 J.机械设计与制造， 2009，（ 10） . 16姚华平，黄平 .平行运动的粗糙表面润滑承载性能研究 J. 摩擦学学报， 2008，（ 02） . 17 B.M.Ilyukovich. Rolls for rolling steel with negative tolerancesJ. Metallurgist ，2005，（ 8） ,1： P33-34. 18 I.M.Meerovich. Accuracy in Rolling steel strip J. Metallurgist ， 2005，（ 15）， 3：P187-189.
