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文 獻 綜 述 題 目 結(jié)晶器齒輪差動振動器設(shè)計 學 院 專 業(yè) 班 級 學 號 學生姓名 起訖日期 指導教師 職稱 學院院長 審核日期 1 一 結(jié)晶器應用領(lǐng)域 1 連鑄機機型分類 特點及演變 目前連鑄機已在鋼廠廣泛采用 形式多種 用途各異 對連鑄機的叫法也很不一 致 現(xiàn)按一般習慣介紹連鑄機的分類方法 1 接連鑄機外形分類有 立式連鑄機 立彎式連鑄機 弧形連鑄機 超低頭 橢 圓形 連鑄機 水平連鑄機 輪式連鑄機等 2 按澆注鑄坯斷面分類有 表 1 國 內(nèi) 連 鑄 機 統(tǒng) 計 機型 臺數(shù) 臺 流數(shù) 流 年產(chǎn)能 萬 t 說明 小方坯 211 783 8983 50 150mm 150mm 方 矩 坯 218 781 9902 150mm 150mm 板坯 91 120 8383 板方兼用者按板坯計 薄板坯 10 10 1262 薄板坯連鑄連軋 圓坯 20 52 511 25 以生產(chǎn)圓坯為主者按圓坯 異型坯 1 3 63 合計 551 1749 29204 75 有幾家方案未確定者 如廣東 福建等 尚 未計入 3 按拉速分類有 高拉速連鑄機和低拉速連鑄機 它們的主要區(qū)別在于 高拉 速時鑄坯帶液芯矯直 低拉速時鑄坯全凝固矯直 4 按鋼水靜壓頭分類 靜壓力較大的叫高頭型連鑄機如立式 立彎式連鑄機 靜 壓力較小的叫低頭連鑄機如弧形 橢圓 水平連鑄機 2 連續(xù)鑄鋼的工藝流程及設(shè)備 圖 1 1 煉鋼生產(chǎn)工藝流程簡圖 2 圖 1 2 連鑄工藝圖 二 結(jié)晶器振動器簡介 在連鑄技術(shù)的發(fā)展過程中 只有采用了結(jié)晶器振動裝置后 連鑄才能成功 結(jié)晶 器振動的目的是防止拉坯坯殼與結(jié)晶器粘結(jié) 同時獲得良好的鑄坯表面 因而結(jié)晶器 向上運動時 減少新生的坯殼與銅壁產(chǎn)生粘結(jié) 以防止坯殼受到較大的應力 使鑄坯 表面出現(xiàn)裂紋 而當結(jié)晶器向下運動時 借助摩擦 在坯殼上施加一定的壓力 愈合結(jié) 晶器上升時拉出的裂痕 這就要求向下的運動速度大于拉坯速度 形成負滑脫 機械振動的振動裝置由直流電動機驅(qū)動 通過萬向聯(lián)軸器 分兩端傳動兩個蝸輪 減速機 其中一端裝有可調(diào)節(jié)軸套 蝸輪減速機后面再通過萬向聯(lián)軸器 連接兩個滾 動軸承支持的偏心軸 在每個偏心輪處裝有帶滾動軸承的曲柄 并通過帶橡膠軸承的 振動連桿支撐振動臺 產(chǎn)生振動 在新型連鑄生產(chǎn)工藝中 采用帶有數(shù)字波形發(fā)生器的結(jié)晶器電液伺服振動控制是 保證連鑄生產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一 國外的應用情況表明 采用連鑄結(jié)晶器非正弦伺 服振動 能夠有效地減少鑄坯與結(jié)晶器間的摩擦力 從而防止坯殼與結(jié)晶器粘結(jié)而被 拉裂 減小鑄坯振痕 提高鑄坯質(zhì)量川一 9l 帶有數(shù)字波形發(fā)生器的結(jié)晶器電液伺 服振動控制裝置和傳統(tǒng)的結(jié)晶器振動裝置相比 可以方便地實現(xiàn)多種波形振動 實現(xiàn) 連鑄過程監(jiān)督和實時顯示振動波形 并能在線修改非振動方式及振動頻率和幅值等參 數(shù) 實現(xiàn)控制過程的平穩(wěn)過度 三 結(jié)晶器振動器的發(fā)展 最初的連鑄機結(jié)晶器是靜止不動的 在拉坯的過程中坯殼很容易與結(jié)晶器內(nèi)壁產(chǎn) 生粘結(jié) 從而出現(xiàn)坯殼 拉不動 或拉漏鋼水的事故發(fā)生 因此 靜止不動的結(jié)晶器 限制了連鑄生產(chǎn)的工業(yè)化發(fā)展 直到 1933 年現(xiàn)代連鑄的奠基人一德國的西格弗里德 容漢斯開發(fā)了結(jié)晶器振動裝置 并成功地將它應用于有色金屬黃銅的連鑄 1949 年 S 容漢斯的合伙人美國的艾爾文 羅西 Irving Rossi 獲得了容漢斯結(jié)晶 器振動技術(shù)專利的使用權(quán) 并首次在美國約阿 勒德隆鋼公司廠的一臺方坯連鑄試驗機 3 上采用了振動結(jié)晶器 與此同時 容漢斯振動結(jié)晶器又被西德曼內(nèi)斯 Mannesmann 公 司胡金根廠的一臺連續(xù)鑄鋼試驗連鑄機上成功應用結(jié)晶器振動技術(shù)在這兩臺連鑄機上 的成功應用 為結(jié)晶器振動技術(shù)的廣泛應用打下了堅實的基礎(chǔ) 四 結(jié)晶器振動器國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 繼續(xù)日本將液壓伺服振動結(jié)晶器應用于連鑄之后 法國 IRSID 2 與 CLECIM 合作進 行了相應的研究工作 于 1987 年公布了其實驗結(jié)果 研究結(jié)果表明 應用非正弦振動 可以有效地減少結(jié)晶器內(nèi)的摩擦力 使振痕深度減輕 鑄坯表面質(zhì)量得以明顯改善 在前面實驗的基礎(chǔ)上 IRSID 與 CLECIM 又新設(shè)計制造了兩臺液壓振動工業(yè)實驗裝置 分別安裝在了索拉克廠的 流板坯連鑄機的 2 號機和 Unimecal Normandie 廠的 8 流小 方坯連鑄機的一流上 首先他們在這兩個裝置上采用了與機械振動系統(tǒng)相同的正弦波 形及控制方式 應用于各自的鑄機上進行長期的工業(yè)試驗 結(jié)果表明鑄坯表面質(zhì)量和 機械振動系統(tǒng)相同 同時也驗證了液壓振動系統(tǒng)的可靠性 隨后在 SOLLAC 廠進行了非 正弦振動實驗 其金相分析結(jié)果表明 生產(chǎn)的低碳鋼的振痕深度至少減少了 25 在 UN 廠 雖然他們應用液壓振動仍進行了正弦振動試驗 但是在控制上對正弦振動模型進 行了優(yōu)化控制 結(jié)果表明 低碳鋼方坯的表面缺陷減少了 75 CLECIM 后來又為 SOLLAC 廠設(shè)計制造了一臺工業(yè)性液壓振動裝置 采用全數(shù)字控制 方式 在控制上具有更大的靈活性和適應性 該設(shè)備液壓源壓力為 18Mpa 電動機功率 為 110KW 于 1993 年 3 月安裝在 SOLLAC 廠 2 號板坯連鑄機上 目前該連鑄機主要生產(chǎn) 超低碳鋼 C 含量為 0 025 及小于 0 01 生產(chǎn)結(jié)果表明 應用非正弦振動 其振痕深 度比用正弦振動至少減少了 30 并且可以減少凝固鉤的數(shù)量 顯著減少皮下缺陷 從 而大大提高了最后軋制成品的表面質(zhì)量 現(xiàn)在 該廠一直采用給正弦振動進行生產(chǎn) 并計劃改造另一流板坯振動系統(tǒng) 英國的 Stocksbridge 工程鋼廠的圓方坯連鑄機主要生產(chǎn)特殊鋼 應用液壓振動改 造后 生產(chǎn)實踐表明 用液壓非正弦振動系統(tǒng)不僅可以減少振痕深度 減少卷渣 提 高鑄坯表面質(zhì)量 而且該廠的漏鋼率也從原來的 3 下降到了 1 與此同時 德馬克公司在阿維迪薄板坯連鑄機上 開發(fā)成功了薄板坯液壓振動系 統(tǒng) 日本住友在其 90 120mm 1000mm 試驗連鑄機上采用了液壓振動技術(shù) 起普碳鋼的 試驗拉速為 5m min 中碳鋼等鋼種的試驗拉速為 3m min 奧鋼聯(lián)已經(jīng)在其薄板坯連鑄 機上 盧森堡則在其方坯以異形坯連鑄機上開始裝備液壓振動系統(tǒng) 并開始了自帶振 動系統(tǒng)的結(jié)晶器的研制 另外 日本神戶 新日鐵 英國 ECSC 等都相繼開始液壓振動 的研究 五 振動方式類型 結(jié)晶器振動方式是指結(jié)晶器運動速度的變化規(guī)律 有三種 4 A 同步振動 同步式振動是最早的振動形式 其速度變化規(guī)律特點是 結(jié)晶器在下降時與鑄坯 作同步運動 然后以三倍的拉速上升 上升和下降都是等速運動 這種振動方式需要 采取凸輪機構(gòu) 加工制造比較麻煩 同時 由于運動過程中產(chǎn)生沖擊力 影響結(jié)晶器 振動的平穩(wěn)性 對鑄坯質(zhì)量和設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)都是不利的 B 負滑脫振動 負滑脫振動是同步振動的改進形式 其主要特點是 1 結(jié)晶器的下降速度稍大于拉坯速度 有一個參數(shù)稱為負滑差率 用來表示結(jié)晶 器下降速度和拉速之間的滑差率 如果負滑差率太大 容易在鑄坯表面上產(chǎn)生振動痕 跡 所以 一般取其值在 5 到 10 之間 優(yōu)點是 當結(jié)晶器下降時使坯殼中產(chǎn)生壓應力 以促進斷裂的坯殼壓合 也有利于脫模 2 結(jié)晶器在上升和下降的轉(zhuǎn)折點處 速度變化比較緩和 利于提高運動的平穩(wěn)性 在結(jié)晶器上升時 坯殼承受拉應力 下降時承受壓應力 因此在確定振動參數(shù)時 應使開始下降時的加速度大些 開始上升時的加速度取小些 負滑脫式振動是一種較好的振動形式 但是也是靠凸輪來實現(xiàn)的 C 正弦式振動 正弦式振動時 結(jié)晶器的運動速度是按正弦規(guī)律變化的 其特點是 1 由于正弦振動中沒有穩(wěn)定的速度階段 所以結(jié)晶器和鑄坯之間沒有同步運動階 段 但有一西歐啊段負滑脫階段 有利于促使坯殼愈合 2 由于速度是按正弦運動變化 加速度是按余弦規(guī)律變化 過渡比較平穩(wěn) 沒有 很大的沖擊 3 因加速度較小 有可能提高振動頻率 利于提高脫模作用 消除粘接現(xiàn)象 4 正弦式振動是通過偏心輪來實現(xiàn)的 制造比較容易 5 因結(jié)晶器和鑄坯之間沒有嚴格的相對速度關(guān)系 所以 當拉坯速度變化范圍不 太大時 振動機構(gòu)和拉坯機構(gòu)之間的聯(lián)鎖的重要性也不大 可以簡化電氣系統(tǒng) 六 振動機構(gòu)型式 結(jié)晶器的振動裝置的結(jié)構(gòu)包括兩個基本部分 實現(xiàn)結(jié)晶器運動軌跡的部分和實現(xiàn) 結(jié)晶器振動的部分 按照結(jié)晶器運動軌跡 弧線 的實現(xiàn)方式分為 導軌式 長臂式 復合差動式 短臂四連桿式和四偏心輪式 小方坯連鑄機用短臂四連桿振動機構(gòu)常安裝在內(nèi)弧側(cè) 大板坯連鑄機四連桿機構(gòu) 常裝在外弧側(cè) 四偏心輪振動機構(gòu)在最近新建設(shè)的大型板坯連鑄機上采用的也很多 多用來實現(xiàn)高頻振動 5 按照結(jié)晶器振動的實現(xiàn)方式分為強迫振動 彈簧自由振動 復合式振動和液壓振 動或伺服振動 本設(shè)計題目采用帶有氣囊減震的強迫振動 A 導軌式振動機構(gòu) 導軌式振動機構(gòu)是通過具有一定半徑的弧形導軌和滑輪來使結(jié)晶器實現(xiàn)弧線運動 的 由于振動行程很小 弧形導軌也可以用兩段折線來代替 以便簡化加工 導軌可 以故地在澆注平臺的鋼結(jié)構(gòu)上 也可以固定在二次冷卻裝置的機架上 這樣便于對弧 滑輪也可以用滑塊代替 它們是固定在結(jié)晶器的外殼或框架上的 結(jié)構(gòu)比較簡單 早 期使用較多 B 長臂式振動機構(gòu) 長臂式振動機構(gòu)是通過一根長臂來實現(xiàn)弧線運動 長臂的工作長度等于圓弧半徑 一端為支點 即連鑄機的圓弧中心 它是鉸接在建筑結(jié)構(gòu)上的 另一端上裝著結(jié)晶器 可以繞支點做弧線擺動 長臂是通過振動機構(gòu)實現(xiàn)上下振動的 長臂式振動裝置能準 確地實現(xiàn)弧線運動 結(jié)構(gòu)也比較簡單 這種振動機構(gòu)對拆裝二次冷卻裝置及拉坯矯直 機不太方便 現(xiàn)已淘汰 C 復合差動式振動機構(gòu) 復合差動式機構(gòu)是我國自行開發(fā)的一種振動機構(gòu) 結(jié)晶器固定在由彈簧支撐的振 動框架上 用凸輪和偏心輪強迫框架下降 利用彈簧的反力使其上升 該振動機構(gòu)運 動軌跡精確 機構(gòu)簡單 運動件及軸承較少 方便維修及快速更換 而且由于有彈簧 支撐 不但使拉破坯殼的危險大大下降 還能使有關(guān)運動件及齒輪和齒條等嚙合件永 不脫離嚙合 D 短臂四連桿振動機構(gòu) 四連桿機構(gòu)中的連桿 CD 在某一瞬時的運動是繞瞬時中心 O 作弧線運動的 圓弧半 徑為 OD 因此 只要恰當?shù)剡x擇四連桿中各桿的尺寸參數(shù) 使 OD 正好等于連鑄機的圓 弧半徑 R 使結(jié)晶器處在 CD 桿的位置 便可以實現(xiàn)結(jié)晶器的弧線運動 由于結(jié)晶器 的振幅與圓弧半徑相比很小 因此瞬心位置變化造成的運動誤差在理論上很小 不大 于 0 1mm 可以忽略 圖 2 1 四連桿機構(gòu) E 四偏心輪振動機構(gòu) 6 四偏心輪振動機構(gòu)是西德曼內(nèi)斯曼公司于 70 年代開發(fā) 80 年代加以改進的一種振 動機構(gòu) 結(jié)晶器的弧線運動是利用兩對偏心距不同的偏心輪及連桿機構(gòu)而產(chǎn)生的 結(jié) 晶器運動的弧線定中是利用兩條板式彈簧使結(jié)晶器只作弧形擺動 而不能產(chǎn)生前后左 右的位移 適當選擇彈簧的長度 可以使運動軌跡誤差不大于 0 02mm 參考資料 1 駱涵秀 李世倫 朱捷等 機電控制 M 杭州 浙江大學出版社 1994 2 李運華 王占林 陳棟梁 等 連鑄機結(jié)晶器電液伺服振動波形系統(tǒng)的開發(fā)研制 機床與液壓 1998 3 李憲奎 張德明 曾憲武 結(jié)晶器非正弦振動的研就鐵 1998 33 11 26 29 4 方一鳴 王洪瑞 趙現(xiàn)朝 等 STD 工控機在可逆冷軋機厚控系統(tǒng)中的應用 冶 金自動化 1998 22 4 16 18 5 田乃媛 薄板坯連鑄連軋 M 1 北京 冶金工業(yè)出版社 1998 6 楊拉道 謝東鋼 常規(guī)板坯連鑄技術(shù) M 冶金工業(yè)出版社 2002 7 李憲奎 張德明 連鑄結(jié)晶器振動技術(shù) M 冶金工業(yè)出版社 2000 8 時彥林 李鵬飛 結(jié)晶器振動技術(shù)的發(fā)展 J 天津冶金 2006 2 XXXXX 畢 業(yè) 設(shè) 計 論 文 結(jié)晶器齒輪差動振動機構(gòu)設(shè)計 系 名 專業(yè)班級 學生姓名 學 號 指導教師姓名 指導教師職稱 年 月 I 目 錄 摘 要 II Abstract III 第一章 緒論 1 1 1 結(jié)晶器振動器簡介 1 1 2 結(jié)晶器振動器的發(fā)展 1 1 3 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 1 第二章 總體設(shè)計 3 2 1 設(shè)計要求 3 2 2 方案選擇 3 2 2 1 振動機構(gòu)方案選擇 3 2 2 2 振動形式選擇 4 2 2 3 傳動機構(gòu)方案選擇 5 2 3 總體參數(shù)分析 6 2 3 1 結(jié)晶器的位移函數(shù) 6 2 3 2 結(jié)晶器的速度函數(shù) 7 3 2 3 鑄流速度 7 第三章 傳動部件的設(shè)計與選擇 8 3 1 電動機的選擇 8 3 1 1 結(jié)晶器質(zhì)量的估算 8 3 1 2 驅(qū)動功率選擇 8 3 1 3 電動機的選擇 9 3 1 4 電動機校核 9 1 電動機轉(zhuǎn)矩的校核 9 2 電動機發(fā)熱的校核 10 3 2 減速器的選擇 10 3 2 1 傳動比的確定 10 3 2 2 減速器選擇 10 3 2 3 減速器的功率校核 10 3 2 4 減速器的強度校核 11 3 3 振動源偏心軸的設(shè)計 11 3 3 1 軸的類型選擇 11 3 3 2 軸的材料 12 3 3 3 初算軸的直徑 12 3 3 4 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 12 II 3 3 5 軸上零件的布置和裝配方案 14 3 3 6 軸上受力分析及校核 14 3 4 軸上零件的設(shè)計與校核 19 3 4 1 聯(lián)軸器的選擇 19 3 4 2 軸承的選擇及其校核 20 3 4 3 鍵的選用及校核 22 第四章 振動部件的設(shè)計與選擇 23 4 1 齒輪齒條設(shè)計 23 4 1 1 齒輪齒條的材料選擇 23 4 1 2 齒輪齒條的設(shè)計與校核 23 4 2 扇形齒輪設(shè)計 27 4 3 連桿的設(shè)計 27 4 4 連桿銷的設(shè)計 28 4 5 彈簧的設(shè)計及其校核 29 總 結(jié) 32 參考文獻 33 致 謝 34 III 摘 要 結(jié)晶器差動齒輪振動機構(gòu)是我國 60 年代中期開發(fā)并應用于生產(chǎn)的弧線軌跡振動機 構(gòu) 其結(jié)晶器固定在由彈簧支撐的振動框架上 用凸輪或偏心輪強迫框架下降 利用 彈簧的反力使其上升 其主要由電機 減速器 偏心軸 連桿 差動扇形齒輪 齒輪 齒條 彈簧 框架等構(gòu)成 本文主要針對結(jié)晶器差動齒輪振動機構(gòu)進行設(shè)計 首先 通過對差動齒輪振動機 構(gòu)結(jié)構(gòu)及原理進行分析 在此分析基礎(chǔ)上提出了總體結(jié)構(gòu)方案 接著 對主要技術(shù)參 數(shù)進行了計算選擇 然后 對各主要零部件進行了設(shè)計與校核 最后 通過 AutoCAD 制圖軟件繪制了搓絲機總裝圖 傳動裝置裝配圖及主要零部件圖 通過本次設(shè)計 鞏固了大學所學專業(yè)知識 如 機械原理 機械設(shè)計 材料力學 公差與互換性理論 機械制圖等 掌握了普通機械產(chǎn)品的設(shè)計方法并能夠熟練使用 AutoCAD 制圖軟件 對今后的工作于生活具有極大意義 關(guān)鍵詞 結(jié)晶器 差動齒輪 振動機構(gòu) 偏心軸 IV Abstract Mold is a differential gear vibration mechanism of the mid 1960s developed and used in the production of curved track vibration mechanism Which is fixed to the mold frame by a spring support of the vibration forced by the cam or eccentric frame drop the spring reaction force to make it rise Which mainly consists of motor reducer eccentric shaft connecting rod differential gear segment rack and pinion springs frame and so on In this paper the design for the differential gear mold vibrating mechanism First by making the structure and principles of the differential gear vibration mechanism analysis presented in this analysis based on the overall structure of the program Next the main technical parameters were calculated choice then for the main components were designed and Verification Finally AutoCAD drawing software to draw the thread rolling machine assembly diagram the main gear assembly drawings and parts diagram Through this design the consolidation of the university is expertise such as mechanical principles mechanical design mechanics of materials tolerances and interchangeability theory mechanical drawing etc mastered the design method of general machinery products and be able to skillfully use AutoCAD drawing software for the future work of great significance in life Keywords Mold The differential gear The vibration mechanism The eccentric shaft 結(jié)晶器齒輪差動振動機構(gòu)設(shè)計 1 第一章 緒論 1 1結(jié)晶器振動器簡介 在連鑄技術(shù)的發(fā)展過程中 只有采用了結(jié)晶器振動裝置后 連鑄才能成功 結(jié)晶 器振動的目的是防止拉坯坯殼與結(jié)晶器粘結(jié) 同時獲得良好的鑄坯表面 因而結(jié)晶器 向上運動時 減少新生的坯殼與銅壁產(chǎn)生粘結(jié) 以防止坯殼受到較大的應力 使鑄坯 表面出現(xiàn)裂紋 而當結(jié)晶器向下運動時 借助摩擦 在坯殼上施加一定的壓力 愈合結(jié) 晶器上升時拉出的裂痕 這就要求向下的運動速度大于拉坯速度 形成負滑脫 機械振動的振動裝置由直流電動機驅(qū)動 通過萬向聯(lián)軸器 分兩端傳動兩個蝸輪 減速機 其中一端裝有可調(diào)節(jié)軸套 蝸輪減速機后面再通過萬向聯(lián)軸器 連接兩個滾 動軸承支持的偏心軸 在每個偏心輪處裝有帶滾動軸承的曲柄 并通過帶橡膠軸承的 振動連桿支撐振動臺 產(chǎn)生振動 在新型連鑄生產(chǎn)工藝中 采用帶有數(shù)字波形發(fā)生器的結(jié)晶器電液伺服振動控制是 保證連鑄生產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一 國外的應用情況表明 采用連鑄結(jié)晶器非正弦伺 服振動 能夠有效地減少鑄坯與結(jié)晶器間的摩擦力 從而防止坯殼與結(jié)晶器粘結(jié)而被 拉裂 減小鑄坯振痕 提高鑄坯質(zhì)量川一 9l 帶有數(shù)字波形發(fā)生器的結(jié)晶器電液伺服 振動控制裝置和傳統(tǒng)的結(jié)晶器振動裝置相比 可以方便地實現(xiàn)多種波形振動 實現(xiàn)連 鑄過程監(jiān)督和實時顯示振動波形 并能在線修改非振動方式及振動頻率和幅值等參數(shù) 實現(xiàn)控制過程的平穩(wěn)過度 1 2結(jié)晶器振動器的發(fā)展 最初的連鑄機結(jié)晶器是靜止不動的 在拉坯的過程中坯殼很容易與結(jié)晶器內(nèi)壁產(chǎn) 生粘結(jié) 從而出現(xiàn)坯殼 拉不動 或拉漏鋼水的事故發(fā)生 因此 靜止不動的結(jié)晶器 限制了連鑄生產(chǎn)的工業(yè)化發(fā)展 直到 1933 年現(xiàn)代連鑄的奠基人一德國的西格弗里德 容漢斯開發(fā)了結(jié)晶器振動裝置 并成功地將它應用于有色金屬黃銅的連鑄 1949 年 S 容漢斯的合伙人美國的艾爾文 羅西 Irving Rossi 獲得了容漢斯結(jié)晶器 振動技術(shù)專利的使用權(quán) 并首次在美國約阿 勒德隆鋼公司廠的一臺方坯連鑄試驗機上 采用了振動結(jié)晶器 與此同時 容漢斯振動結(jié)晶器又被西德曼內(nèi)斯 Mannesmann 公司 胡金根廠的一臺連續(xù)鑄鋼試驗連鑄機上成功應用結(jié)晶器振動技術(shù)在這兩臺連鑄機上的 成功應用 為結(jié)晶器振動技術(shù)的廣泛應用打下了堅實的基礎(chǔ) 1 3國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 繼續(xù)日本將液壓伺服振動結(jié)晶器應用于連鑄之后 法國 IRSID 2 與 CLECIM 合作 進行了相應的研究工作 于 1987 年公布了其實驗結(jié)果 研究結(jié)果表明 應用非正弦振 動可以有效地減少結(jié)晶器內(nèi)的摩擦力 使振痕深度減輕 鑄坯表面質(zhì)量得以明顯改善 結(jié)晶器齒輪差動振動機構(gòu)設(shè)計 2 在前面實驗的基礎(chǔ)上 IRSID 與 CLECIM 又新設(shè)計制造了兩臺液壓振動工業(yè)實驗裝置 分別安裝在了索拉克廠的 2 流板坯連鑄機的 2 號機和 Unimecal Normandie 廠的 8 流小 方坯連鑄機的一流上 首先他們在這兩個裝置上采用了與機械振動系統(tǒng)相同的正弦波 形及控制方式 應用于各自的鑄機上進行長期的工業(yè)試驗 結(jié)果表明鑄坯表面質(zhì)量和 機械振動系統(tǒng)相同 同時也驗證了液壓振動系統(tǒng)的可靠性 隨后在 SOLLAC 廠進行了 非正弦振動實驗 其金相分析結(jié)果表明 生產(chǎn)的低碳鋼的振痕深度至少減少了 25 在 UN 廠 雖然他們應用液壓振動仍進行了正弦振動試驗 但是在控制上對正弦振動模型 進行了優(yōu)化控制 結(jié)果表明 低碳鋼方坯的表面缺陷減少了 75 CLECIM 后來又為 SOLLAC 廠設(shè)計制造了一臺工業(yè)性液壓振動裝置 采用全數(shù)字 控制方式 在控制上具有更大的靈活性和適應性 該設(shè)備液壓源壓力為 18Mpa 電動 機功率為 110KW 于 1993 年 3 月安裝在 SOLLAC 廠 2 號板坯連鑄機上 目前該連鑄 機主要生產(chǎn)超低碳鋼 C 含量為 0 025 及小于 0 01 生產(chǎn)結(jié)果表明 應用非正弦振 動 其振痕深度比用正弦振動至少減少了 30 并且可以減少凝固鉤的數(shù)量 顯著減 少皮下缺陷 從而大大提高了最后軋制成品的表面質(zhì)量 現(xiàn)在 該廠一直采用給正弦 振動進行生產(chǎn) 并計劃改造另一流板坯振動系統(tǒng) 英國的 Stocksbridge 工程鋼廠的圓方坯連鑄機主要生產(chǎn)特殊鋼 應用液壓振動改造 后 生產(chǎn)實踐表明 用液壓非正弦振動系統(tǒng)不僅可以減少振痕深度 減少卷渣 提高 鑄坯表面質(zhì)量 而且該廠的漏鋼率也從原來的 3 下降到了 1 與此同時 德馬克公司在阿維迪薄板坯連鑄機上 開發(fā)成功了薄板坯液壓振動系 統(tǒng) 日本住友在其 90 120mm 1000mm 試驗連鑄機上采用了液壓振動技術(shù) 起普碳鋼 的試驗拉速為 5m min 中碳鋼等鋼種的試驗拉速為 3m min 奧鋼聯(lián)已經(jīng)在其薄板坯連 鑄機上 盧森堡則在其方坯以異形坯連鑄機上開始裝備液壓振動系統(tǒng) 并開始了自帶 振動系統(tǒng)的結(jié)晶器的研制 另外 日本神戶 新日鐵 英國 ECSC 等都相繼開始液壓 振動的研究 結(jié)晶器齒輪差動振動機構(gòu)設(shè)計 3 第二章 總體設(shè)計 2 1設(shè)計要求 結(jié)晶器齒輪差動振動器設(shè)計 振幅 12 毫米 振動重量按 800 毫米長結(jié)晶器計算 頻率 100 150 之間 2 2方案選擇 2 2 1振動機構(gòu)方案選擇 結(jié)晶器的振動裝置的結(jié)構(gòu)包括兩個基本部分 實現(xiàn)結(jié)晶器運動軌跡的部分和實現(xiàn) 結(jié)晶器振動的部分 按照結(jié)晶器運動軌跡 弧線 的實現(xiàn)方式分為 導軌式 長臂式 復合差動式 短臂四連桿式和四偏心輪式等 差動齒輪振動機構(gòu)是我國 60 年代中期開發(fā)并應用于生產(chǎn)的弧線軌跡振動機構(gòu) 結(jié) 晶器固定在由彈簧支撐的振動框架上 用凸輪或偏心輪強迫框架下降 利用彈簧的反 力使其上升 振動框架的內(nèi) 外弧側(cè)面 裝有齒條 分別與節(jié)圓半徑相等的小齒輪相 嚙合 裝在小齒輪軸上的扇形齒輪有不同的節(jié)圓半徑 內(nèi)弧側(cè)的節(jié)園半徑比較大 相 互嚙合的扇形齒輪擺動時 就時與其相連的兩個小齒輪曳不一樣 因而可使結(jié)晶器產(chǎn) 生弧線運動 由于它結(jié)構(gòu)復雜 齒輪和導向件磨損較嚴重等原因而未被得到推廣 但 差動原理卻在后來的四偏心結(jié)結(jié)機構(gòu)上得到了應用 其結(jié)構(gòu)如圖 4 1 所示 圖 4 1 差動式振動機構(gòu) 在結(jié)晶器的振動框架 1 上 固定有導軌和齒條 2 在距離為 A 的兩側(cè)裝有兩根長 軸 3 軸支撐在軸承 12 上 軸上裝有齒輪 4 和導輪 5 以及不同節(jié)圓半徑的扇形齒輪 6 及 7 在振動框架 1 兩端還裝著導向塊 8 在扇形齒輪 6 上裝有連桿 9 和與傳動機 構(gòu)相連的偏心輪 10 振動框架 1 下面還支撐有彈簧 11 目的是平衡一部分負荷并使振 動框架 1 產(chǎn)生一個向上的恢復力 兩個軸 3 就產(chǎn)生反復的轉(zhuǎn)動 齒輪 4 廁通過齒條嚙 結(jié)晶器齒輪差動振動機構(gòu)設(shè)計 4 合關(guān)系使振動框架 1 產(chǎn)生振動 但由于扇形齒輪 6 和 7 的節(jié)圓半徑不同 所以兩側(cè)齒 輪 4 的角速度也不同 則振動框架將產(chǎn)生弧線振動 圓弧半徑為 R 框架 1 兩側(cè)齒條節(jié)線間距離為 W 兩齒輪 4 的中心距為 A 節(jié)圓 半徑為 扇形齒輪 6 和 7 的節(jié)圓半徑為 則 5R324A 35WR 05 正確的選擇 W A 及 的值 便可以得到要求的 R 值 5R3 2 2 2振動形式選擇 結(jié)晶器振動有同步 負滑脫和正弦三種 其振動特性曲線見團 2 2 所示 圖 2 2 振動特性曲線 1 同步振動 2 負滑脫振動 3 正弦振動 1 同步振動 最早采用的一種振動方式 按其同步振動的曲線形狀振動 若設(shè) V 為拉坯速度 Vm 為結(jié)晶器的振動速度 V1 為結(jié)晶器的上升速度 V2 為結(jié) 晶器的下降速度 則同步振動時應滿足 上升時 V1 V3 下降時 V2 V 這種振動方式 的優(yōu)點是能夠滿足連鑄工藝要求 實現(xiàn)同步運動 缺點是機械連鎖或用電器控制來實 現(xiàn)嚴格的同步要求 裝置都比較復雜 速度變化時機構(gòu)沖擊力也較大 2 負滑脫振動 同步振動的一種改進型 也稱 負滑脫 即 V2 V 1 e 式中 e 是負滑脫率 采 結(jié)晶器齒輪差動振動機構(gòu)設(shè)計 5 用凸輪機構(gòu)時取 e 10 左右 V1 2 8 3 2 V 采用偏心亂是去 e 20 40 采用負滑 脫振動 結(jié)晶器下降時對坯殼有壓合作用 有利于拉裂坯殼的愈合 并可適當提高拉 速 3 正弦式振動 其振動速度按正弦規(guī)律變化 這種方式的速度變化平穩(wěn) 無沖擊 能有效實現(xiàn)負 滑脫 可適當提高拉速 易于改變振動頻率和振幅 實現(xiàn)高頻率小振幅的要求 以改 善鑄坯表面質(zhì)量 用偏心輪 齒輪差動實現(xiàn)振動 結(jié)構(gòu)簡單 易于制造且安裝 維修方 便 基于上述優(yōu)點 在本設(shè)計中 采用的就是齒輪差動式正弦振動 2 2 3傳動機構(gòu)方案選擇 1 齒輪傳動 齒輪傳動是利用兩齒輪的輪齒相互嚙合傳遞動力和運動的機械傳動 按齒輪軸線 的相對位置分平行軸圓柱齒輪傳動 相交軸圓錐齒輪傳動和交錯軸螺旋齒輪傳動 具 有結(jié)構(gòu)緊湊 效率高 壽命長等特點 齒輪傳動是指用主 從動輪輪齒直接 傳遞運動和動力的裝置 在所有的機械傳 動中 齒輪傳動應用最廣 可用來傳遞任意兩軸之間的運動和動力 齒輪傳動的特點是 齒輪傳動平穩(wěn) 傳動比精確 工作可靠 效率高 壽命長 使用的功率 速度和尺寸范圍大 例如傳遞功率可以從很小至幾十萬千瓦 速度最高 可達 300m s 齒輪直徑可以從幾毫米至二十多米 但是制造齒輪需要有專門的設(shè)備 嚙合傳動會產(chǎn)生噪聲 2 鏈傳動 鏈傳動是通過鏈條將具有特殊齒形的主動鏈輪的運動和動力傳遞到具有特殊齒形 的從動鏈輪的一種傳動方式 鏈傳動有許多優(yōu)點 與帶傳動相比 無彈性滑動和打滑現(xiàn)象 平均傳動比準確 工作可靠 效率高 傳遞功率大 過載能力強 相同工況下的傳動尺寸小 所需張緊 力小 作用于軸上的壓力小 能在高溫 潮濕 多塵 有污染等惡劣環(huán)境中工作 鏈傳動的缺點主要有 僅能用于兩平行軸間的傳動 成本高 易磨損 易伸長 傳動平穩(wěn)性差 運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生附加動載荷 振動 沖擊和噪聲 不宜用在急速反向的 傳動中 因此 鏈傳動多用在不宜采用帶傳動與齒輪傳動 而兩軸平行 且距離較遠 功率較大 平均傳動比準確的場合 3 帶傳動 帶傳動 皮帶傳動 特點 優(yōu)點和缺點 結(jié)構(gòu)簡單 適用于兩軸中心距較大的傳動場合 傳動平穩(wěn)無噪聲 能緩沖 吸振 過載時帶將會在帶輪上打滑 可防止薄弱零部件損壞 起 到安全保護作用 不能保證精確的傳動比 帶輪材料一般是鑄鐵等 4 蝸桿傳動方式 蝸桿傳動是在空間交錯的兩軸間傳遞運動和動力的一種傳動機構(gòu) 圖 2 8 兩軸 結(jié)晶器齒輪差動振動機構(gòu)設(shè)計 6 線交線的夾角可為任意值 常見的為 90 這種傳動有這樣的優(yōu)點 傳動比大 零件 數(shù)目少 結(jié)構(gòu)緊湊 具有反向自鎖的作用 蝸桿傳動機構(gòu)也具有缺點 由于蝸桿跟渦輪之間通過摩擦傳遞運動 所以這使得 兩者之間產(chǎn)生很多的熱量 這些熱量若不能即使散發(fā)出去 那就會使?jié)櫥瑮l件惡化 產(chǎn)生膠合現(xiàn)象 同時這種傳動效率低 綜上所述 選擇齒輪傳動機構(gòu)作為本次振動機構(gòu)的傳動裝置 圖 2 9 傳動機構(gòu)方案 2 3總體參數(shù)分析 2 3 1結(jié)晶器的位移函數(shù) 振動臺的振源機構(gòu)相當于曲柄滑塊機構(gòu) G 點的運動簡圖如圖 3 4 所示 圖 3 4 結(jié)晶器振動臺的振源機構(gòu)簡圖 故 G 點的位移為 sinsi2GSAtft 根據(jù)公式 3 2 并考慮位移方向相反 則 C 點的位置函數(shù)為 結(jié)晶器齒輪差動振動機構(gòu)設(shè)計 7 1 2sinsi2CSAtHft 為了計算和討論方便 將其取正 則結(jié)晶器的位置函數(shù)和 C 點的位置函數(shù)相同 可以寫成 sin2MCSft 3 3 式中 結(jié)晶器的位移 H 結(jié)晶器的二倍振幅即結(jié)晶器的總行程 0 3 m 振源旋轉(zhuǎn)角度 2f f 振源振動頻率 和結(jié)晶器振動頻率相同 2 3 2結(jié)晶器的速度函數(shù) 對結(jié)晶器的位移函數(shù)式 3 3 求 t 的一次導數(shù) 便得出結(jié)晶器的速度函數(shù) 即 2cos2MdStHff 3 4 式中 結(jié)晶器速度 結(jié)晶器速度曲線為余弦 速度的最大值 maxM 2 f 在結(jié)晶器的一個行程范圍內(nèi) 速度會出現(xiàn)兩次最值 即上行最大值和下行最大值 3 2 3鑄流速度 在連續(xù)鑄鋼時 鑄流為連續(xù)向下運動 其路程可以表示為 sxt 鑄流速度等 于拉速 sc 式中 sx 結(jié)晶器的路程 s 鑄流速度 c 拉速 結(jié)晶器齒輪差動振動機構(gòu)設(shè)計 8 第三章 傳動部件的設(shè)計與選擇 3 1電動機的選擇 3 1 1結(jié)晶器質(zhì)量的估算 1 體積 結(jié)晶器雖然是冶金行業(yè)的重要零件 但是至今仍沒有統(tǒng)一的標準 這就注定結(jié)晶 器的大小沒有一個固定值 本次設(shè)計按照 800mm 長度計算 這樣我們就可以得出結(jié)晶器的大體體積為 mcbaV3512080 其中 a 結(jié)晶器的長度 b 結(jié)晶器高度 c 結(jié)晶器寬度 2 質(zhì)量 結(jié)晶器組成復雜 在里面有很多銅管 銅管內(nèi)還有冷卻水 這就給我們的質(zhì)量估 算帶來很大的麻煩 我們?yōu)榱斯浪銜簳r將結(jié)晶器看做是 40 體積的水跟 60 體積的銅 組成 kg V M 8 20451204 6793680 則結(jié)晶器的總重量為 kg 71 在振動裝置中還有些機架 桿件 所以還要估算這些桿件的質(zhì)量 kg M 9 50818506 綜上可以得出結(jié)晶器振動部分的總重量為 M 7 236 3 1 2驅(qū)動功率選擇 則可求出總的靜載荷 NgQ54 1209 根據(jù)設(shè)計要求以及實際試驗設(shè)計 取 mLmL7802 結(jié)晶器齒輪差動振動機構(gòu)設(shè)計 9 有機構(gòu)分析可知 偏心輪的偏心距為 m0769 13205 r 則偏心輪的輪角速度為 in42 r f 最大的振動速度 m s rV 0756942 振動加速度 222 6839 1 071 s r l a 靜載荷質(zhì)量 kgQ gM79 36 動負荷為 NaPv 1 843 012 摩擦阻力 LF96730 該公式取自冶金工業(yè)出版社 煉鋼設(shè)備 P158 7 12 公式 振動總負荷為 NPQvt 6 29371 840542 19 則換算到偏心軸上的震動負荷為 tt 931 有上述的計算可以求出電動機驅(qū)動功率為 kw VP t 67 1 00725 401 3 1 3 電動機的選擇 根據(jù)驅(qū)動功率 查 機械零件設(shè)計手冊 第三版 因為室內(nèi)工作連續(xù)運轉(zhuǎn) 所以 選擇 Y 系列 IP44 三相異步電動機 本設(shè)計題目選擇 Y 系列 IP44 三相異步電動 機 JB T 9616 1999 型號為 Y200L 4 額定功率 30 千瓦 轉(zhuǎn)速 1470 轉(zhuǎn) 分 重量 253 千克 安裝及外形是機座帶底腳 端蓋無凸緣 3 1 4電動機校核 1 電動機轉(zhuǎn)矩的校核 sTKe 2min 式中 結(jié)晶器齒輪差動振動機構(gòu)設(shè)計 10 電動機的額定轉(zhuǎn)矩 NmeT 啟動時電動機軸靜轉(zhuǎn)矩 Nms2 最小啟動電壓與額定電壓比值 取 0 85 K 啟動時的加速度關(guān)系 一般取 1 2 1 5 這里取 1 4s Nm TKe 5 301795028min s 926 14 所以滿足 即電動機的轉(zhuǎn)矩符合要求 se min 2 電動機發(fā)熱的校核 385122 GDdedC C 慣量增加量 電動機以外 移動質(zhì)量和轉(zhuǎn)動質(zhì)量質(zhì)量折算到電動機軸上的飛輪距電動2GDd 機工作方式為 S3 即 6 次 h 故 Z 6 5308 Z 取 K 1 7 查 起重機課程設(shè)計 得到 P 13Kw 所以 P Ps 11 67 Ps 為額定功率 3 2減速器的選擇 3 2 1傳動比的確定 由設(shè)計參數(shù)可知 結(jié)晶器振動頻率為 100 150 次 min 則有減速器低速軸上的轉(zhuǎn) 速為 100 150 次 min 高速軸是根據(jù)電機的轉(zhuǎn)速確定 為 1470r min 所以傳送比為 7 14 8 950147 i 這樣我們可以查 機械設(shè)計手冊 第四卷 16 44 頁中表 16 2 5ZLY 型減速器功率 得到傳動比為 9 8 采用用二級減速器就可滿足要求 3 2 2減速器選擇 由 機械設(shè)計手冊 第四卷中可查知 選用 ZLY 140 7 1 其減速器功率為 P1 26Kw 高速軸軸頸為 32mm 低速軸軸頸為 65mm 3 2 3減速器的功率校核 123Pf 結(jié)晶器齒輪差動振動機構(gòu)設(shè)計 11 P3 計算功率 P2 負載功率 11 67kw P1 減速器公稱輸入功率 23kw F1 工況系數(shù) 由 機械設(shè)計手冊 第五版第四卷 16 2 8 選定工況系數(shù)為 1 5kwP 23517613 根據(jù)上述計算可知 減速器的選擇可以符合要求 3 2 4減速器的強度校核 減速器的軸的材料擬選用 45 號鋼 1 高速軸的強度校核 電動機的額定轉(zhuǎn)矩為 mn M 4170395 則高速軸聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩為 N nM 4178381 式中 M 電動級額定轉(zhuǎn)矩 n 聯(lián)軸器的安全系數(shù) 運行機構(gòu) n 1 35 機構(gòu)剛性動載系數(shù) 1 2 2 0 取 1 888 8 低速軸上的轉(zhuǎn)矩為 MN i 137904321211 所以減速器高速軸上的最大轉(zhuǎn)矩為 M M1 431N M 高速軸上的最小軸徑為 由減速器查知 d 55mm 所以高速軸的最大扭矩應力為 Pa 85 7062431max3 許用扭轉(zhuǎn)應力 120 s 所以 故通過校核 a 2 低速軸的強度校核 低速軸的最大轉(zhuǎn)矩為 MN 137max 低速軸的最小軸徑為 28mm 但是最大轉(zhuǎn)矩處的軸徑約為 d 28 10 38mm 所以 PaPa M 1209042axma 3 綜上所述 減速器通過校核 3 3振動源偏心軸的設(shè)計 3 3 1軸的類型選擇 結(jié)晶器齒輪差動振動機構(gòu)設(shè)計 12 在該振動結(jié)構(gòu)中 由于要實現(xiàn)振動 選擇轉(zhuǎn)軸的類型為偏心軸 如圖 3 1 所示 圖 3 1 偏心軸 3 3 2軸的材料 根據(jù)設(shè)計要求 選擇該偏心軸的材料為 45 鋼 3 3 3初算軸的直徑 聯(lián)軸器和滾動軸承的型號是根據(jù)軸端直徑確定的 而且軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計是在初步計 算軸徑的基礎(chǔ)上進行的 故要先計算軸徑 軸的直徑可按扭矩強度法進行估算 即 3 1 3 dCPn 式中 P 為軸傳遞的功率 kW n 為軸的轉(zhuǎn)速 r min n 200r min C 為有軸的材料和受載情況確定的系數(shù) 若材料為 45 鋼 通常取 C 106 117 C 值應考慮軸上彎矩對軸強度的影響 當只 受轉(zhuǎn)矩或彎矩相對較小時 C 取小值 當彎矩相對較大時 C 取大值 初算軸徑還要考慮鍵槽對軸強度的影響 當該軸段截面上有一個鍵槽時 d 增大 5 有兩個鍵槽時 d 增大 10 然后將軸徑圓整為標準值 在這里 C 取 110 對 段有 1d31048 268 45m 圓整取 17d 3 3 4軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 由于該軸要承受較大的軸向力 而且定位要求可靠 故采用軸肩軸向定位與固定 方法 如圖 3 2 所示 結(jié)晶器齒輪差動振動機構(gòu)設(shè)計 13 圖 3 2 軸肩 為了保證零件緊靠定位面 應使 r c1 或 r R 軸向高度 h 應大于 R 或 c1 通?？扇?h 0 07 0 1 d 軸環(huán)寬度 b 1 4h 與滾動軸承配合處的 h 與 r 值應根據(jù)滾動軸承的類型與尺寸確定 為了滿足機器傳遞運動和轉(zhuǎn)矩的要求 并防止軸上零件與軸發(fā)生相對轉(zhuǎn)動 軸上 零件還必須有可靠的周向定位和固定 常用鍵 花鍵 緊定螺釘 銷及過盈配合等方 法實現(xiàn) 軸上安裝零件的各段長度 根據(jù)相應零件輪轂寬度和其他結(jié)構(gòu)需要來確定 不安 裝零件的各軸段長度可根據(jù)軸上零件相對位置來確定 當用套筒或擋油盤等零件來固 定軸上零件時 軸端面與套筒端面或輪轂端面之間應留有 2 3mm 的間隙 即軸段長度 小于輪轂寬度 2 3mm 以防止加工誤差使零件在軸向固定不牢靠 當軸的外伸段上安 裝聯(lián)軸器 帶輪 鏈輪時 為了使其在軸向固定牢固 也需要同樣處理 軸上的平鍵的長度應短于該軸段長度 5 10mm 鍵長要圓整為標準值 鍵端距離 零件裝入側(cè)軸端距離一般為 2 5mm 以便安裝軸上零件時其鍵槽容易對準鍵 根據(jù)偏心軸 如圖 3 4 所示 示意圖得出各尺寸 圖 3 4 偏心軸 裝聯(lián)軸器段 170dm 190l 裝上支架連桿處的軸承段軸徑 24 裝下支架處軸承段軸徑 3 結(jié)晶器齒輪差動振動機構(gòu)設(shè)計 14 空白段軸徑 420dm 3 3 5軸上零件的布置和裝配方案 軸上零件的裝配方案 就是確定出軸上主要零件的裝配方向 順序和相互關(guān)系 擬定軸上零件的裝配方案是進行軸上的結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提 他決定軸的基本形式 在擬 定裝配方案時 應考慮軸上零件裝拆方便 軸上零件的尺寸 數(shù)量及重量等 此軸應設(shè)成偏心軸 兩偏心處裝上滾子軸承 兩偏心段內(nèi)側(cè)為下支撐部分 也應 裝上滾動軸承 各軸段之間采用套筒和軸肩定位 兩軸端處與減速器連接 所以要采 用彈性聯(lián)軸器聯(lián)接和采用鍵槽定位 見圖 33 所示 圖 3 3 偏心軸 3 3 6軸上受力分析及校核 1 振動裝置的受力分析 振動裝置示意圖如圖 3 4 示 作用在振動裝置上的力有 振動裝置的總靜負荷 Q 坯殼與結(jié)晶器銅板之間的摩接力 F 振動動負荷 FV 除此以外還有導向彈簧阻力 此 力相對較小 為簡化計算可不計在內(nèi) 對單一偏心軸 振動總負荷由振動裝置靜負荷 結(jié)晶器摩擦力及偏心輪機構(gòu)的動負荷三部分組成 即 VPQF 式中 Q 振動裝置的總靜負荷 Q N 32510 2 5 10 F 結(jié)晶器摩擦阻力 N FV 振動動負荷 N FV ma 式中 m 被振動負荷的質(zhì)量 m Q 10 41 250 2 s a 振動加速度 2 ms 結(jié)晶器齒輪差動振動機構(gòu)設(shè)計 15 偏心輪振動機構(gòu)的運動如圖 3 6 所示 其振動裝置的 振動加速度 a 值計算如下 令 OA x 為 A 點的位移 22cossinxrLr 1 圖 3 6 運動圖 當 時 位移的計算可采用下列近似公式 13rL 2cossinrxrL 通常作運動分析是 A 的位移 S 多從 A 的外極限位置 算起 此時由于 A sa r L x 則有 21cosinarsrL 對時間求導一次及二次 可得 A 的速度及加速度公式為 t sinsi2rvr 式中 偏心輪的角速度 rad s 2cos2rarL 偏心軸受力情況見圖 3 7 所示 所需扭矩 T 結(jié)晶器齒輪差動振動機構(gòu)設(shè)計 16 Prsin TNm 3 4 max 驅(qū)動功率 N 3 5 10MTnkW 式中 n 轉(zhuǎn)速 ir 平均負荷力矩 Mmax 2MT 圖 3 7 偏心軸受力圖 傳動總效率 取 0 7 8 結(jié)晶器摩擦力 F 22 BDH 式中 一鋼水比重 7 0 g cm3 H 一結(jié)晶器內(nèi)盛鋼水深度 H 900mm B 鑄坯寬度 B 1600mm D 鑄坯厚度 D 250mm 鋼水與銅板間摩擦系數(shù) 取 0 5 32321 605 710 9 5 4710F N 取 3rem 取最大值 va 結(jié)晶器齒輪差動振動機構(gòu)設(shè)計 17 ar 5321 0120 6vFmf 37 8540N 533 47 8541VPQ 1 38 53maxr 00 41TNm 32672 8 5611 MnNkW 軸的力分析見圖 3 8 所示 圖 3 8 軸受力圖 12FP maxeT 其中 5 380PN 3max41T 則有 17 6Fk268 34kN 軸上力分析圖 如圖 3 9 所示 結(jié)晶器齒輪差動振動機構(gòu)設(shè)計 18 圖 3 9 軸上力分析圖 由力平衡關(guān)系 1212FR 由力矩平衡關(guān)系 1 50 7 25F 將 代入上式計算得170 86FkN 2834k 17 R 26k 彎矩分析 170 8612 046MFl kNm 23718 扭矩分析 48 195020 59T 彎扭受力分析 3 10 圖 3 10 彎扭受力圖 彎矩圖 圖 3 11 結(jié)晶器齒輪差動振動機構(gòu)設(shè)計 19 圖 3 11 彎矩圖 扭矩圖 圖 3 12 圖 3 12 扭矩圖 彎扭合成 22eMT 偏心軸承受脈動循環(huán)變應力 0 6 則 221 43591 3e kNm 危險截面 A 處 查參考文獻知 45 鋼質(zhì) 160bPa 軸的抗彎截面系數(shù) 3 1Wd 所以 22224ca MTTW 131 060bPa 所以該軸是安全的 軸徑選取合適 結(jié)晶器齒輪差動振動機構(gòu)設(shè)計 20 3 4軸上零件的設(shè)計與校核 3 4 1聯(lián)軸器的選擇 1 選擇 根據(jù) 選擇聯(lián)軸器型號為HL6 70dm 230 59TNm 2 校核 已知聯(lián)軸器的工程轉(zhuǎn)矩 查表可得 則有計算轉(zhuǎn)矩 1 5Ak 230 954 caTNm 查表可知 HL6 型彈性聯(lián)軸器許用轉(zhuǎn)矩為 3150T 由于 故選擇 HL6 不合適 所以要選擇 HL7 型 ca 查表可知 HL6 型彈性聯(lián)軸器許用轉(zhuǎn)矩為 6Nm 有 故選擇 HL7 型合適 caT 3 軸承的選擇及壽命校核 偏心軸軸上有四個軸承 外側(cè)和內(nèi)側(cè)兩個軸承對稱 如圖 4 1 所示 圖 4 1 軸承圖 3 4 2軸承的選擇及其校核 軸承1的軸承段軸徑 2140dm 對于四偏心式振動機構(gòu) 由于承載能力比較大 在重載和振動載荷下工作要求高 且對軸向位移和調(diào)心性能的要求以及根據(jù)軸的極限轉(zhuǎn)速低等特點 確定該軸的軸承選 用圓柱孔調(diào)心滾子軸承 根據(jù)軸徑 選擇該軸承型號為 22228 查機械設(shè)計手冊第四版第二卷7 351得 結(jié)晶器齒輪差動振動機構(gòu)設(shè)計 21 1200 9 3 5 3 5reYYCkN 等效模型圖 圖4 2 圖4 2 軸承1等效模型圖 1 計算派生軸向力 對于22228軸承 軸承派生軸向力 4 1 11drFe 0 297 860 549kN dr 31 有 12dF 2 判斷軸的 移動 方向 因為 軸有向右移動趨勢 則左端軸承壓緊 右端軸承放松 12d 3 計算軸向力 10 549adFkN 2 4 計算當量動載荷 12 P 10 549 786arFe 2 2 40 93ar 11raPFY 4 2 70 8623 54918 236kN 結(jié)晶器齒輪差動振動機構(gòu)設(shè)計 22 220 67raPFY 4 3 8 34520 9417 0kN 按機械設(shè)計 表13 6 取21Pf 1Pf 4 4 28 1364 78kN 5 驗算壽命 4 5 6 10rhClnP 1063457 8024 h 滿足壽命要求 3 4 3鍵的選用及校核 該軸中 在聯(lián)軸器處有一鍵 由該軸段 170dm 19l 查表得該鍵 的平頭平鍵 201bh 8L 由鍵的選材可知 取 2pMPa pPa 鍵的接觸高度為 5 6k 則有 230 9 41087pTaDL 4 6 p 所選鍵合適 結(jié)晶器齒輪差動振動機構(gòu)設(shè)計 23 第四章 振動部件的設(shè)計與選擇 4 1齒輪齒條設(shè)計 4 1 1齒輪齒條的材料選擇 齒條材料的種類很多 在選擇過程中應考慮的因素也很多 鋼材的韌性好 耐沖 擊 還可通過熱處理或化學熱處理改善其力學性能及提高齒面硬度 故適用于來制造 齒輪 由于該齒輪承受載荷比較大 應采用硬齒面 硬度 350HBS 故選取合金鋼 以滿足強度要求 進行設(shè)計計算 4 1 2齒輪齒條的設(shè)計與校核 1 起升系統(tǒng)的功率 設(shè) V 為最低起鉆速度 米 秒 F 為以 V 起升時游動系統(tǒng)起重量 理論起重量 公斤 起升功率 FP F N5106 取 0 8 米 秒 VKWP248 35 由于整個起升系統(tǒng)由四個齒輪所帶動 所以每部分的平均功率為 6 結(jié)晶器齒輪差動振動機構(gòu)設(shè)計 24 所以轉(zhuǎn)矩 T mNn 1205 9 式中 n 為轉(zhuǎn)速 單位 r min 2 各系數(shù)的選定 計算齒輪強度用的載荷系數(shù) K 包括使用系數(shù) 動載系數(shù) 齒間載荷分配AKV 系數(shù) 及齒向載荷分配系數(shù) 即K K AV 1 使用系數(shù) A 是考慮齒輪嚙合時外部因素引起的附加載荷影響的系數(shù) 該齒輪傳動的載荷狀態(tài)為輕微沖擊 工作機器為重型升降機 原動機為液壓裝置 所以使用系數(shù) 取 1 35 AK 2 動載系數(shù) V 齒輪傳動不可避免地會有制造及裝配誤差 輪齒受載后還要產(chǎn)生彈性變形 對于 直齒輪傳動 輪齒在嚙合過程中 不論是有雙對齒嚙合過渡到單對齒嚙合 或是有單 對吃嚙合過渡到雙對齒嚙合的期間 由于嚙合齒對的剛度變化 也要引起動載荷 為 了計及動載荷的影響 引入了動載系數(shù) 如圖 2 1 所示 VK 圖 2 1 動載系數(shù) VK 由于速度 v 很小 根據(jù)上圖查得 取 1 0 V 結(jié)晶器齒輪差動振動機構(gòu)設(shè)計 25 3 齒間載荷分配系數(shù) K 一對相互嚙合的斜齒 或直齒 圓柱齒輪 有兩對 或多對 齒同時工作時 則 載荷應分配在這兩對 或多對 齒上 對于直齒輪及修形齒輪 取 1HF 4 齒輪載荷分布系數(shù) K 當軸承相對于齒輪做不對稱配置時 受災前 軸無彎曲變形 齒輪嚙合正常 兩 個節(jié)圓柱恰好相切 受載后 軸產(chǎn)生彎曲變形 軸上的齒輪也就隨之偏斜 這就使作用 在齒面上的載荷沿接觸線分布不均勻 計算齒輪強度時 為了計及齒面上載荷沿接觸線分布不均勻的現(xiàn)象 通常以系數(shù) 來表征齒面上載荷分布不均勻的程度對齒輪強度的影響 K 根據(jù)機械設(shè)計表 10 4 取 1 37 HK 綜上所述 最終確定齒輪系數(shù) K 1 35 1 1 1 37 1 8AVK 3 齒輪傳動的設(shè)計參數(shù) 許用應力的選擇 1 壓力角 的選擇 我國對一般用途的齒輪傳動規(guī)定的標準壓力角為 20 2 齒數(shù) z 的選擇 為使齒輪免于根切 對于 20 的標準直齒輪 應取 z 17 這里取 z 20 17 3 齒寬系數(shù) 的選擇d 由于齒輪做懸臂布置 取 0 6d 4 預計工作壽命 10 年 每年 250 個工作日 每個工作日 10 個小時 10 250 10 25000hhL 5 齒輪的許用應力 按下式計算 NlimKS 式中 S 疲勞強度安全系數(shù) 對于接觸疲勞強度計算時 取 S 1 進行齒根彎 曲疲勞強度計算時 取 S 1 25 1 5 考慮應力循環(huán)次數(shù)影響的系數(shù) 稱為壽命系數(shù) 應力循環(huán)次數(shù) NN 的計算方法是 設(shè) n 為齒輪的轉(zhuǎn)速 單位為 r min j 為齒輪每轉(zhuǎn)一圈時 同一齒面嚙 結(jié)晶器齒輪差動振動機構(gòu)設(shè)計 26 合次數(shù) 為齒輪工作壽命 單位為 h 則齒輪工作應力循環(huán)次數(shù) N 按下式計算 hL N 60nj L n 暫取 10 則 N 60 10 25000 1 5 710 查機械設(shè)計表 10 18 可得 1 3 NK 齒輪疲勞極限 彎曲疲勞極限用 代入 接觸疲勞極限用 代入 查lim FE Hlim 機械設(shè)計圖 10 21 得 980 1500Hlim 1 3 S 1 HNK 1950 Hlim1 3980274MPaS 850 S 1 4780FEMPaFNK 607 1 雙向工作乘以 0 7 424 97 78015 4HFEPaS 當齒數(shù) z 20 17 時 齒形系數(shù) 2 8 2 97 應力校正系數(shù) 1 55 1 52FaYSaY 基本參數(shù)選擇完畢 4 齒輪的設(shè)計計算 齒輪的設(shè)計計算公式 32FaSdYKTmz 321 FSadmYzTK Km 開式齒輪磨損系數(shù) Km 1 25 機械設(shè)計手冊 3 卷 14 134 轉(zhuǎn)矩 N mm 59 10PTn 6nmzv 所以 v 0 8 n 899 2 m 238 將上式及各參數(shù)代入計算公式得 2m8 231 5706 59812 結(jié)晶器齒輪差動振動機構(gòu)設(shè)計 27 解得 72 9 m 取 m 10 N m 551046 10 T 齒面接觸疲勞強度計算公式 E3dHZKTu12 2 式中 的單位為 Mpa d 的單位為 mm 其余各符號的意義和單位同前 H 由于本傳動為齒輪齒條傳動 傳動比近似無窮大 所以 1 u1 為彈性影響系數(shù) 單位 其數(shù)值查機械設(shè)計表 取 189 8EZ 12MPaEZ12MPa 計算 試求齒輪分度圓直徑 196 75mm E3dHZKTu12 2 3 251748 96 048 通過模數(shù)計算得 m 10 z 20 所以分度圓直徑 d 10 20 200mm 所以取兩者偏大值 d 200mm 計算齒寬 b 0 6 200 120mmd 齒高 h 2 25m 2 25 10 22 5mm 最終確定齒輪數(shù)據(jù) 模數(shù) m 10 齒數(shù) z 20 分度圓直徑 d 200mm 齒高 h 22 5mm 齒寬 b 120mm 轉(zhuǎn)速 n 10r min 4 2扇形齒輪設(shè)計 扇形齒輪的設(shè)計與 4 1 2 中齒輪的設(shè)計類似 此處不再復述 扇形齒輪結(jié)構(gòu)尺寸如 下圖示 結(jié)晶器齒輪差動振動機構(gòu)設(shè)計 28 4 3連桿的設(shè)計 考慮連桿較長 而且只受拉力及壓力 為了保證承受拉壓力時的穩(wěn)定 把連桿設(shè) 計為 對交叉點以下的桿用壓桿穩(wěn)定性來校核 柔度 4369501 il 式中 大柔度系數(shù)取 1 桿的長度為 1 6ml 截面的慣性半徑為 i 224695043m dD AI 結(jié)晶器齒輪差動振動機構(gòu)設(shè)計 29 對于 A3 鋼來說 612350402 9221 b a Esp E A3 鋼的彈性模量取 206GPa A3 鋼的比例極限取 206GPaP a A3 鋼的直線公式系數(shù)取 304 b A3 鋼的直線公式系數(shù)取 1 12 A3 鋼的屈服極限為 235MPas 因為 2 所以按強度問題計算 b2301541058 MPa AP 經(jīng)校核 連桿的設(shè)計完成 4 4連桿銷的設(shè)計 初選擇軸線的直徑為 100mm 材料為 45 號鋼 校核剪應力 MPa AP 78210435 P 軸銷承受的剪應力 P 21335N A 軸銷的剪切面積 校核擠壓正應力 bsbss MPa 541082 P 軸銷承受的剪應力 P 45182N 軸銷的擠壓面面積 為 10000mm2bsA 軸銷設(shè)計完成 4 5彈簧的設(shè)計及其校核 彈簧是利用彈性金屬片的變形而產(chǎn)生彈簧特性的一種彈簧 在該機構(gòu)中 如無彈 簧 其自由度為 3 而原動件有 2 個 故無確定的運動 為了使其具有確定的運動 需 結(jié)晶器齒輪差動振動機構(gòu)設(shè)計 30 要給機構(gòu)提供一個附加約束 故而采用彈簧定中 1 彈簧的介紹 彈簧主要用于汽車 拖拉機以及鐵道車輛等的彈性懸架裝置 起緩沖和減振作用 一般用鋼板組成 根據(jù)形狀和傳遞載荷方式不同 彈簧可分為橢圓形 半橢圓形 懸 臂式半橢圓形 四分之一橢圓形等幾種 2 彈簧材料的選取 根據(jù)參考文獻 8 彈簧材料按表 5 1 選取 p127 表 5 1 彈簧材料及力學性能 材料 MPa s MPab 10 使用范圍 55Si2Mn 1176 1274 6 25 60Si2MnA 1372 1568 5 20 一般在厚度 9 5mm 時采用 55SiMnVB 1225 1372 5 30 一般在厚度為 10 14mm 時采 用 55SiMnMoVNb 1274 1372 8 35 一般在厚度為 16 25mm 時采 用 3 彈簧尺寸的確定 由參考文獻 8 第 302 頁可知通常 5 12mm 其中 b 為板寬 h 為板厚 hb 根據(jù)實際情況及經(jīng)驗選取 b 100mm h 20mm l 1887 5mm 有效長度 l 1732 29mm 976 2cos 130 其中安裝角 彈簧許用應力由參考文獻 8 彈簧 第 7 112 頁表彈簧的許用應力知 緩沖器板 簧許用彎曲應力 294 392MPa p 4 彈簧的校核計算 彈簧質(zhì)量 m 0 02 0 1 1 73229 7 85 27 20kg 310 彈簧振動加速度 5 2 s dttvalms2 其中 0 84mml 查表得 0 646MPas 結(jié)晶器齒輪差動振動機構(gòu)設(shè)計 31 則 s ma22 019 64 8 彈簧受力 F mg ma 472 5kN 019 8 3 則彈簧所受到的載荷 5 2 KFp 由經(jīng)驗選得 K 0 0082 所以 1 550kN 082 547p 則其撓曲線方程 y f x 在純彎曲情況下 撓曲線的曲率半徑與彎曲力矩關(guān)系為 EIM 1 其中 為撓曲半徑 E 為彈性模量 I 為截面慣性矩 則 1 232dxy 因為撓度遠小于跨度 所以撓曲線為一平坦曲線 將 2x y 帶入上式得 y 軸取為向下時 則EI Mdx2I 2 在距載荷作用端 x 處的彎矩為 PxM 帶入上式積分得 1DCpdEIy 以固定端的轉(zhuǎn)角和撓度為 0 的邊界條件帶入 因為 時 1 x 0 dxy 結(jié)晶器齒輪差動振動機構(gòu)設(shè)計 32 則有 2 plC 3D 則 6323lxEIy 載荷作用處 0 其撓度 21253 0 1mNIpfl 彈性模量 MPamkgE3 20 彈簧剛度為 l EIfpd3 為一常數(shù) 撓曲線為直線 p 任意截面處的彎曲應力為 m xZPM 為抗彎截面系數(shù)mZ 最大彎曲應力在 x 1 的固定端處 其值為6 2bh 2max6bhpl 由 此處 b 100mm h 20mm l 1887 5mm 15 有效長度 ml 29 17396 2cos0 pMPabhPL 8 562 由前面 所以此彈簧結(jié)構(gòu)滿足要求 ap3 4 總 結(jié) 畢業(yè)設(shè)計是大學學習階段一次非常難得的理論與實際相結(jié)合的學習機會 在此次 設(shè)計過程中我們不僅學會了如何去查找和利用各種資料 更是給我們提供了理論與實 結(jié)晶器齒輪差動振動機構(gòu)設(shè)計 33 踐相結(jié)合的機會 使我們把這四年在學校里所學到的各門知識 包括理論和專業(yè)知識 進行了基本的融合 通過這次設(shè)計 使我對結(jié)晶器振動機構(gòu)的設(shè)計有了深層的了解 并且鍛煉了我獨立分析問題和解決問題的能力 同時 通過本次的畢業(yè)設(shè)計更使我從 攻破難點的過程中學會了面對挑戰(zhàn)時要有堅持不懈的精神 為 即將步入社會的我們在 以后的發(fā)展中奠定了堅實的基礎(chǔ) 通過這次對結(jié)晶器四桿振動機構(gòu)理論知識和實際設(shè)計的相結(jié)合 鍛煉了我的綜合 運用所學專業(yè)知識 解決實際工程問題的能力 同時也提高了我查閱文獻資料 設(shè)計 手冊 設(shè)計規(guī)范能力以及其他專業(yè)知識水平 而且通過對整體的掌控 對局部的取舍 以及對細節(jié)的斟酌處理 都使我的能力得到了鍛煉 經(jīng)驗得到了豐富 并且意志品質(zhì) 力 抗壓能力以及耐力也都得到了不同程度的提升 參考文獻 1 任吉堂 連鑄連軋理論與實踐 M 北京 冶金工業(yè)出版社 2002 2 曹悅霞 結(jié)晶器振動技術(shù)的發(fā)展 J 河北冶金 2002 06 期 3 陳家祥 連續(xù)鑄鋼手冊 M 北京 冶金工業(yè)出版社 1991 年 結(jié)晶器齒輪差動振動機構(gòu)設(shè)計 34 4 李軍 包鋼薄板連鑄機結(jié)晶器振動臺機構(gòu)分析 J 包鋼科技 2004 年 4 月 第 30 卷 第 2 期 67 70 5 羅振才 煉鋼機械 M 北京 冶金工業(yè)出版社 1982 年 188 189 6 彭文生等 機械設(shè)計 M 北京 高等教育出版社 2002 年 96 156 283 370 7 成大先 機械設(shè)計手冊 北京 化學工業(yè)出版社 2004 8 蘇德達 彈簧失效分析 北京 機械工業(yè)出版社 1988 9 黃鶴汀 機械制造技術(shù) M 北京 機械工業(yè)出版社 1997 10 Proceedings of the First intermational Symposium on Magnetic Bearings ETH Zurich Switzerland 1998 7 6 8 11 Proceedings of the First International Symposium on Magnetic Bearings Tokyo Japan 1990 7 12 14 12 Sors L Fatigue Design of Machine Components Oxford Pergamon Press 1971 致 謝 大學生活即將結(jié)束 在這短短的四年里 讓我結(jié)識了許許多多熱心的朋友 工作 嚴謹教學相幫的教師 畢業(yè)設(shè)計的順利完成也脫離不了他們的熱心幫助及指導老師的 精心指導 在此向所有給予我此次畢業(yè)設(shè)計指導和幫助的老師和同學表示最誠摯的感 謝 結(jié)晶器齒輪差動振動機構(gòu)設(shè)計 35 首先 向本設(shè)計的指導老師表示最誠摯的謝意 在自己緊張的工作中 仍然盡量 抽出時間對我們進行指導 時刻關(guān)心我們的進展狀況 督促我們抓緊學習 老師給予 的幫助貫穿于設(shè)計的全過程 從借閱參考資料到現(xiàn)場的實際操作 他都給予了指導 不僅使我學會書本中的知識 更學會了學習操作方法 也懂得了如何把握設(shè)計重點 如何合理安排時間和論文的編寫 同時在畢業(yè)設(shè)計過程中 她和我們在一起共同解決 了設(shè)計中出現(xiàn)的各種問題 其次 要向給予此次畢業(yè)設(shè)計幫助的老師們 以及同學們以誠摯的謝意 在整個 設(shè)計過程中 他們也給我很多幫助和無私的關(guān)懷 更重要的是為我們提供不少技術(shù)方 面的資料 在此感謝他們 沒有這些資料就不是一個完整的論文 另外 也向給予我?guī)椭乃型瑢W表示感謝 總之 本次的設(shè)計是老師和同學共同完成的結(jié)果 在設(shè)計的一個月里 我們合作 的非常愉快 教會了大我許多道理 是我人生的一筆財富 我再次向給予我?guī)椭睦?師和同學表示感謝