1、 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 I 页 钢管 轧管机主传动系统设计 摘要 在现代社会中，钢材产量和质量是衡量一个国家国力的重要指标，社会对钢铁轧制品数量和质量的要求越来越高，钢管作为钢铁轧制品在工业生产和日常建设中起到举足轻重的作用。轧管机主传动系统是由机械、电气以及控制多个部分组成，系统庞大，它的设计的优良直接影响产品质量的好坏，即可看出轧管机主传动系统设计的重要性。本次设计的主要目的是进一步掌握轧管机主传动系统，并对主其要部件进行设计和 计算校核。在查阅大量文献和了解相关知识，并且到鞍山钢铁集团公司无缝钢管厂 219、159 和 PQF 三条国内先 进的生产线进行实习调研，掌握现代轧管机
2、的发展 及设备结构特点状况 后，确定了 两台电机通过万向接轴直接带动工作辊工作的 总体传动 设计 方案。通过对 159MPM 轧管机的主要力能参数的计算， 合理 选择电机，联轴器、减速器主要零件以及万向联轴器和连接轴，并进行强度计算和校核。 同时 ，确定润滑方式，并进行经济 性 和环境保护的 分析 。 关键词 ： 轧管机 ;主传动系统 ;力能主要参数计算 Steel Pipe Tube Rolling-mill Master Driving System Design 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 II 页 Abstract In modern society, output and qua
3、lity of steel is a measure of national power of a state is important index, society for steel mill products quantity and quality of the increasingly high demand for iron and steel mill products, steel pipes used in the industrial production and the daily construction play a decisive role in the. Tub
4、e rolling mill main drive system is composed of mechanical, electrical and control of multiple parts, large system, its design quality directly affects the quality of the product, you can see the tube rolling mill main drive system of the importance of design. The main purpose of this design is to f
5、urther understand the tube rolling mill main drive system, and its main components design and calculation. On literature review and understanding of the relevant knowledge, and to the Anshan Iron And Steel Group Corporation of seamless steel pipe plant in219,159and PQF three domestic advanced produc
6、tion line in practice research, to master modern pipe mill development and structural feature of the equipment after the state, identified the two motor through a universal joint shaft directly drives the work roll and the overall transmission design scheme. The white159MPM tube rolling machine main
7、 parameters of force and energy calculation, reasonable selection of motor, coupling, reducer main parts and universal joint and a connecting shaft, and the strength calculation and checking. By field practice grasp of the situation, determine the lubrication mode, and the economic and environmental
8、 protection analysis. Keyword: The tube rolling-mill;main Driving System;Power Parameter main calculated 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 III 页 目录 摘 要 . .I Abstract.II 1 绪论 . 5 1.1 选题背景及目的 . 5 1.2 钢管生产工艺及其在国民经济中的主要地位与作用 . 1 1.2.1 钢管生产工艺 . 1 1.2.2 在国民经济中的主要地位与作用 . 2 1.3 国内外轧管机械的发展状况 . 2 1.3.1 穿孔机的发展 . 3 1.3.2 轧管机的发展
9、. 4 1.3.3 减径机的发展 . 4 1.3.5 矫直机的发展 . 5 1.4 课题的研究内容及方法 . 5 2 总体方案选择 . 6 2.1 设计的原始参数 . 6 2.2 方案的选择 . 7 2.2.1 总体思路的选择 . 7 2.2.2 轧管机主传动装置的类型 . 7 3 轧管机轧制力参数计算 . 8 3.1 轧机轧制力 P 的确定 . 8 3.2 轧机轧制力矩的确定 . 10 4 电机的选择 . 11 4. 1 轧机主电动机功率计算 . 11 4.1.1 轧机主电动机力矩计算 . 11 4.1.2 轧机主电动机功率计算 . 12 4.2 初选电动机 . 13 4.3 电动机校核 .
10、 14 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 IV 页 5 主传动系统主要零部件的校核计算 .15 5.1 减速机的设计与校核计算 . 15 5.1.1 齿轮的设计计算 . 16 5.1.2 按齿根弯曲强度校核设计 . 18 5.1.3 齿轮几何尺寸计算 . 20 5.2 小齿轮轴的校核计算 . 20 5.2.1 齿轮轴设计 . 20 5.2.2 齿轮轴上载荷计算 . 21 5.2.3 按弯扭合成应力校核轴的强度 . 24 5.2.4 根据轴的安全系数校核轴 . 24 5.3 352056X2 轴承寿命验算 . 26 5.3.1 轴承简介 . 26 5.3.2 轴承所受载荷计算 . 26 5.3.3
11、 验算轴承寿命 . 28 5.4 352060X2 轴承寿命验算 . 28 5.4.1 轴承所受载荷计算 . 28 5.4.2 验算轴承寿命 . 30 5.5 联轴器和键强度校核 . 30 5.5.1 联轴器 的校核 . 30 5.5.2 键的校核 . 30 5.6 万向接轴选择和校核 . 32 5.6.1 主要参数和系列尺寸的选择 . 32 5.6.2 万向接轴的强度计算 . 32 6 润滑及维护 . 34 6.1 润滑 . 34 6.2 维护 . 36 6.2.1 轧机主传动装置维护 . 36 6.2.2 在轧机维护中应用故障诊断技术 . 37 7 经济分析及环境保护 . 38 辽宁科技大
12、学本科生毕业设计 第 V 页 7.1 经济分析 . 38 7.2 环 境保护 . 39 7.2.1 废水治理 . 39 7.2.2 固体废物处理和综合利用 . 40 7.2.3 噪声处理 . 40 结论 . 40 致谢 . 41 参考文献 . 42 1 绪论 1.1 选题背景及目的 短暂的大学生活即将结束，我们迎来了每个本科生都会经历的毕业设计，这是对我们能否将理论知识化为实践能力的一次检测。学校学院领导、老师悉心为我们联系鞍山钢铁集团公司的无缝钢管厂的相关负责 人，才使我们有机会看到了自动轧管机、连轧管机、三辊轧管机，并在现场工程师的带领下参观了 219、 159 和 177PQF 三条国内
13、先进的生产线，对整个轧管工艺流程和具体的设备有了一定的认识。 在现代社会中，钢材产量和质量是衡量一个国家国力的重要指标，社会对钢铁轧制品数量和质量的要求越来越高，钢管作为钢铁轧制品在工业生产和日常建设中起到举足轻重的作用。轧管机主传动系统是由机械、电气以及控制多个部分组成，系统庞大，辽宁科技大学本科生毕业设计 第 1 页 它的设计的优良直接影响产品质量的好坏，即可看出轧管机主传动设计的重要性。本次毕业设计的任务 是通过所 学的理论知识以及相关文献，设计一台钢管轧管机的主传动系统，并在现有的条件下对设计的相关设备进行校核，以验证其符合设计要求。 1.2 钢管生产工艺及其在国民经济中的主要地位与作
14、用 1.2.1 钢管生产工艺 无缝钢管的生产在世界上已有一百多年的历史。首先是由德国曼内斯曼兄弟于 1885年发明了斜轧穿孔工艺，从而开创了无缝钢管生产发展的历史。之后，他们继续不懈地探索，寻求轧长、减薄穿孔厚壁毛管的方法，终于在 1892 年采用周期轧管工艺由实心坯轧出世界上第一支无缝钢管，完成了由实心管坯轧制无缝管的 “ 曼内斯曼轧管工艺 ” 。随后 ，多种轧管工艺相继出现 .现代主要 轧管工艺 流程如图 1.1 所示。 生产热轧 无缝钢管 的方法有很多，而生产方法的主要差别就是把空心毛管壁厚减薄到接近成品尺寸的工序，也就是轧管工序，一般都是用轧管机的名称来给整套机组命名的，比较常用的几种
15、方法有： 1.周期式轧管法是使用穿孔后的毛管，在周期式轧管机上轧制钢管的方法，能够生产大直径管材，轧机的的延伸系数很大，可以减少穿孔时的变形量，适合多品种小批量的生产，也是周期式轧管法的特征。周期式轧管机是上下两个轧辊上均车有变面轧槽的不可逆二辊压机，在轧机的前台没有夹持并且 能够转动芯棒的送料机。 2.连续式的轧管机组，轧管前和轧管后的工艺环节跟自动轧管机组是基本上一样的，连续式的轧管机组跟定径机的二辊 轧机构成是相似的，把穿孔后的毛管套在长度与成品管相近的长芯棒上，靠轧辊的孔型和长芯棒的作 用来减壁的，毛管从连续式轧管机轧出以后，一定要与长芯棒之间有 1毫米的空隙，因为孔形是椭圆的，而且轧
16、机的配置还要保证相邻的两架轧机要呈 90度交替的压缩轧件。 3.三辊式轧管机组与连续轧管机组的工艺流程是大体相同的，唯一的不同就是轧管工序，三辊式轧管机的轧辊布置，在垂直毛管中心线的平面 内有三个互相间隔 120 度的轧辊，三个轧辊同向转动，芯棒和其周围对称位置的三个轧辊组成一个环形封闭孔型，轧辊轴线和轧制线成两个倾斜角度，先把芯棒插入穿孔后的毛管中，然后送入轧机轧制，就是三辊式轧管机组的轧管过程，在轧制的时候，毛管和芯棒在三个轧辊作用下边旋转边前进，呈螺旋运动，在这个时候毛管在轧辊和芯棒间受到压缩轧制，然后被加工成要辽宁科技大学本科生毕业设计 第 2 页 求尺寸的毛管。 图 1.1 现代主要
17、轧管工艺流程 1.2.2 在国民经济中的主要地位与作用 钢管是一种多功能的经济断面钢料 ， 它在国民经济各部门中的应用愈来愈广泛。钢管作为输送管广 泛地用于输送油、气、水等各种流体，如石油及添人气的钻探开采与输送、锅炉的废水与蒸汽管道、一般的水煤气管道。在断面面积相同的条件下，钢管比圆钢、方钢等的抗弯能力大，刚性好，其单位体积的重量轻 ， 钢管是一种抗弯能力较强的结构材料 ，所以 钢管 也可以 作为结构管大量地用于机械制造业和建筑工业，如用于制作房架、塔吊、钢管桩、各种车辆的机构加等。 除此之外， 钢管还作为中空的零件毛坯用于制造滚动轴承、液压支柱、液压缸筒体、空心轴、花键套、螺母以及手表壳等
18、，这既节约金属又节省加工工时。 最后， 钢管又是国防工业中的重要材料，如用于制造 枪管、炮筒及其他武器。随着航空、火箭、导弹、燕子能与宇宙空间技术等的发展，精密、薄壁、高强度钢管的需求量迅速增长。 1.3 国内外轧管机械的发展状况 19 世纪初期石油的开发，两次世界大战期间舰船、锅炉、飞机的制造，第二次世界大战后火电锅炉的制造，化学工业的发展以及石 油天然气的钻采和运输等，都有力地推动着钢管工业在品种、产量和质量上的发展。 我国第一批轧钢设备建于 1896 年 , 并于 1907 年在我国创建的第一个钢铁厂 汉阳钢铁厂 投人生产 , 轧钢机是由蒸汽机驱动的设备。建国前 , 我国轧钢设备十分薄弱
19、。辽宁科技大学本科生毕业设计 第 3 页 钢材 的最高年产量只有 68.6 万吨 , 仅为当时生铁产量的 38.1%。 我国现有三辊轧管机组 10 余台 (套 )，进口机组和国产机组在数量上的比例为 l： l。为提高产品质量、钢管成材率、生产效率和控制水平，各钢管企业均根据自身条件进行了不同程度的自动化和现代化技术改造，其中最具代表性的是鞍山钢铁公司的 219mm机组和衡阳华菱钢管 (集团 )有限公司的 108mm 机组，其中鞍钢新轧钢公司无缝钢管厂对219mm 自动轧管机组均整机锥形辊进行了新的设计，改进了均整机孔型，优化了均整工艺。使均整机轧制过程更为可靠、轧制出口速度明显提高、进 出口变
20、形区的轧制力分布更加均匀。 1.3.1 穿孔机的发展 现在 应用比较多的穿孔机有压力穿孔机、 PPM 推轧穿孔机、斜轧穿孔机；其中斜轧穿孔机包括曼内斯曼穿孔机、 Stiefel 穿孔机、 Diescher 穿孔机和锥辊式穿孔机。 压力穿孔机和 PPM 推轧穿孔机采用的原料为连铸方坯 。穿孔工艺首先要保证穿出的毛管壁厚均匀，椭圆度小，几何尺寸精度高；其次是毛管的内外表面要较光滑，不得有结疤、折叠、裂纹等缺陷；第三是要有相应的穿孔速度和轧制周期，以适应整个机组的生产节奏，使毛管的终轧温度能满足轧管机的要 求。 随 着双支撑式锥形辊穿孔技术的逐渐成熟，近 10 年来国内外新建的连轧管机组几乎全部采用
21、锥形 辊穿孔机，其他热乳管机组 （ 如顶管机组、 ACCU Roll 机组等 ） 也开始大量采用锥形辊穿孔机。锥形辊穿孔机的优点主要表现在： 1.乳辊直径向出口方向逐渐加大，与变形区 内金属流动速度逐渐增大相一致，减少了管坯的周 向切应力，减少了毛管内外表面缺陷和金属扭曲； 2.采用大的喂人角和辗轧角，增大了变形程 度，可使延伸系数髙达 6，穿孔速度达穿 孔效率达 90%，扩径率达 40%; 3.穿孔变形大，可减小后部轧管工序的轧件 变形 量。 正是由于锥形辊穿孔机有上述突出优点，尽管 其设备重量及装机容量较常规二辊穿孔机高 20% 30%,仍得到大多数新建机组的应用，并促使少机 架限动芯棒连
22、乳管机(MINI-MPM)得到大力发展， 也使 Assel 轧管机、 Accu Roll 轧管机生产更薄更长的钢管成为可能。 穿孔工艺首先要保证穿出的毛管壁厚均匀，椭圆度小，几何尺寸精度高；其次是毛管的内外表面要较光滑，不得有结疤、折叠、裂纹等缺陷；第三是要有相应的穿孔速度辽宁科技大学本科生毕业设计 第 4 页 和轧制周期，以适应整个机组的生产节奏，使毛管的终轧温度能满足轧管机的要求。 1.3.2 轧管机的发展 1990 年以来，世界上新建无缝钢管生产机组 主要为限动芯棒连乳管机 （ MPM)、Accu Roll 乳管机、 CPE 顶管机及新式 Assel 轧管机，其中限动芯 棒连轧管机组在数
23、量上最多，分布地域也更广，而其他型式的乳管机组则主要在发展中国家。另外，德国KOCKS 公司开发出另一种型式的 紧凑式轧机。其特点是：轧管机采用新型四辊行星 式轧管机 (可轧出长达 50m 的荒管），其后紧凑布置 张力减径机及回转式飞锯另 外轧管机轧出的荒管长度达 50m,使得钢管经张力 减径机的端部增厚损失降至最小。 目前， 在世 界上 应用的轧管机有皮尔格轧管机、自动轧管机、 CPE 轧管机、新型三辊轧管机、 Accu Roll 轧管机、 MPM 轧管机和 PQF 轧管机。 工业发达的国家，如美国、苏联、西德等拥有大量的现代话热轧钢管设备，其中主要是自动轧管机和周期式轧管机，生产钢管占世界
24、热轧管产量的 92%。钢管增长率 7.5%，它们生产的热轧管产量占世界钢材产量的 15%左右。 轧管机械设备向着大型、连续、高速和计算机控制，集成的方向发展。 1.3.3 减径机的发展 减径机就是连续多机架无芯棒纵向轧制的机组。减径机按结构可分为 2 辊减径机和3 辊减径机。 两辊 减径机从目前国内现有结构特点上来讲，其结构较为简单，由于其轧辊孔型为单独加工而成，因此使上下辊孔型封闭不好，从而造成内孔多边形严重，由于金属滑移大，造成产品纵向壁厚差大 ， 但由于其结构简单，调整控制简单，因此设备投资很小，适合生产较低品质无缝管用户进行投资。 三辊单独可调式定径机 (FQS)技术是在每个轧辊位置上
25、各设 1套液压压下装置，可根据不同的条件对 3个轧辊进行单独调整，以实现钢管外径的精确控制以及沿圆周上对椭圆度进行的调整，还可沿钢管长度上进行在线动态压下调整，以消除因钢管沿长度方向上的温度不均造成的外 径偏差。该技术是意大利 INNSE 公司开发的 ， 已成功应用于日本住友和歌山厂新建的 426mm 连轧管机组中 。 总体来讲三辊减径机具有各方面的优势，是今后国内热轧线的发展趋势。 1.3.4 定径机的发展及新技术 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 5 页 目前定径机一般有两种类型。一种为多机架纵轧型，这种类型是通过 37 架孔型的连续轧制，以达到定径的目的。另一种为单机架斜轧旋转定径，这种类
26、型其减径量较小，但精度高，主要用于中厚壁管轧制。 采用该技术可以根据轧制钢管外径的变化 ， 一定范围内对轧辊辊缝进行调整，另外还可以根据 轧辊磨损情况，对辊缝进行调整补偿 ， 以保证 必要 的钢管外径尺寸精度。三辊可调式机架的开发，可以大幅度地减少备用轧辊及机架的数量、减少乳辊 消耗、提高设备利用率以及提高设备的灵活性。 德国 SMS Meer 公司及 K0CKS 公司均开发出各自的三辊同步可调式张力减径机 /定径机。其工作原理都是将轧辊轴装于偏心轴套之内，通过现场手动或远程电动控制 3 根偏心轴套同步旋转 ， 带动 轧 辊辊缝同心调整。只是两者带动偏心套旋转的执机构有所不同。该技术只能在空载
27、条件下实现，即轧辊辊缝调整在轧制间隙时间内完成，不能进行动态调整。 1.3.5 矫直机的发展 矫直技术多用于金属条材加工 的后部工序，在很大程度上决定着产品的质量水平。20 世纪初已经有矫直圆材的二辊式矫直机，在 20 世纪 30 年代中期发明 222 型六辊式矫直机，显著提高了管材矫直质量。后来在 20 世纪 60 年代中期，为了解决大直径管材的矫直问题，美国萨顿公司研制成功 313 型七辊式矫直机。我国改革开放以后接触到大量的国外设计研制成果，有小到 1.6mm金属丝矫直机和大到 600mm管材矫直机，有速度达到 300m/min 的高速矫直机和精度达到 0.038mm/mm 的高精度矫直机，同时也引进许多先进的矫直设备。进入 90 年代我国在赶超世界先进水平 方面又迈出了一大步，一些新研制的矫直机获得了国家的发明专利，一些新成果获得了市、省及部级科技成果进步奖，有的获得了国家发明奖。近年来我国在反弯辊形七斜辊矫直机，多斜辊薄壁转毂式矫直机 ,平行辊异辊距矫直机及矫直液压自动切料机等研制方面相继取得成功。 1.4 课题的研究
