完整版轧辊机机构设计说明书.docx
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完整版轧辊机机构设计说明书
1、设计任务
1.1项目说明
图 5.1 所示轧机是由送料辊送进铸坯,由工作辊将铸坯制成一定尺寸的方形、矩形或圆
形截面坯料的初轧机。
它在水平面内和铅垂面内各布置一对轧辊(图中只画出了铅垂面内的
一对轧辊)。
两对轧辊交替轧制。
轧机中工作辊中心 M 应沿轨迹 mm 运动,以适应轧制工作
的需要。
坯料的截面形状由轧辊的形状来保证。
在金属变形区模的末段,应是与轧制中心线
平行的直线段,在此直线段内轧辊对轧件进行平整,以消除轧件表面因周期间歇轧制引起的
波纹。
因此,希望该平整段 L 尽可能长些。
轧制是在铅垂面和水平面内交替进行的,当一
面内的一对轧辊在轧制时,另一面轧辊正处于空回程中。
从实际结构考虑,轧辊的轴向尺寸
总大于轧制品截面宽度,所以,要防止两对轧辊交错而过时发生碰撞。
为此,轧辊中心轨迹
曲线 mm 除要有适应的形状外,还应有足够的开口度 h,使轧辊在空行程中能让出足够的空
间,保证与轧制行程中的轧辊不发生“拦路”相撞的情况。
在轧制过程中,轧件要受到向后
的推力,为使推力尽量小些,以减轻送料辊的载荷,故要求轧辊与轧件接触时咬入角 尽量
小些。
图 1.1
- 1 -
图 1.2图 1.3
1.2原始数据和设计要求
根据轧制工艺,并考虑减轻设备的载荷,对轧辊中心点 M 的轨迹可提出如下基本要
求:
1) 轧辊中心点 M 的轨迹在 AB 段要求满足图 5.2 的曲线,开口度 h 大于 140mm,咬入角
γ 约为 25︒,坯料的单边最大压下量约为 50mm,从咬入到平整段结束的长度 l 约
270mm,平整阶段长度 L 约为 100mm.。
2) 轧制过程中所受的生产阻力如图 5.3 所示,工作辊重 15kg。
3) 实现轧制钢 1500mm/min 的生产效率。
所
4) 为调整制造误差引起的轨迹变化或更换轧辊后要求开口度有稍许变化, 选机构应能
便于调节轧辊中心的轨迹。
5)要求在一个轧制周期中,轧辊的轧制时间尽可能长些,行程速度比系数 K=1.2,机器
运动不均匀系数不超过 0.05;
6)力源为三相 380 伏交流电,电机转速 n=1450~1500rpm。
1.3设计任务
1) 轧辊机构运动方案设计,并以 1 张 2 号图纸表述设计的机构简图、机构传动系统图
及运动循环图。
,
2)轧辊机构的运动分析与力的分析(解析法) 并提供如下结果:
轧辊中心 M 运动位移、速度和加速度曲线;原动件平衡力矩曲线,机架总反力曲线,等效
。
驱动力矩和阻力矩曲线,等效转动惯量和飞轮转动惯量;电机型号(功率、额定同步转速)
- 2 -
3)编写设计说明书。
2、机构选型及评价
1)、凸轮--连杆组合机构(如图 2.1)
优点:
能准确实现任意复杂运动轨迹。
缺点:
凸轮廓线设计复杂,加工困难。
2)、连杆机构(如图 2.2)
图 2.2
- 3 -
优点:
可实现复杂轨迹的设计要求,可以传动较大动力,几何形状简单便于加工。
缺点:
不能准确实现轨迹,且累计误差较大:
不适于用在高速场合。
3、机构设计(连杆机构设计)
3.1尺寸设计
图谱法(见参考文献【2】 (德) K. 洛克, K.-H. 莫德勒编著机械原理分析、综合、优
化北京:
机械工业出版社, 2003第二章 机构系统学 2.6.5 四杆机构的连杆曲线中
图 2.51 曲柄摇杆机构 A
0
AB
B
0 不同连杆点 K 的连杆曲线)
根据 M 点轨迹选取较接近的图,查出各杆杆长,具体尺寸如图 3.1
图 3.1
3.2 验证行程速比系数 K
180︒ + 25︒
180︒ - θ180︒ - 25︒
4、机构运动及力的分析 (数学模型)
4.1 运动分析
杆组法:
X = 0 , Y = 0 , V
AA
Ax
= 0 , V
Ay
= 0 , A = 0 , A = 0
Ax Ay
- 4 -
X = X + L cos ϕ , Y = X + L sin ϕ
BAab1BAab
1
V= V- ω(Y - Y ) = -ωY , V= V+ ω( X - X ) = ω X
ByAyBAABxAxBA
B
A= A - ω 2 ( X - X ) - ε (Y - Y ) = -ω 2 X
BxAxBABA
B ,
A = A - ω2 (Y - Y ) + ε ( X - X ) = -ω2Y
ByAyBABAB
ϕ = δ + γ
2
X = X + L cos ϕ
C B bc
2
d = ( X - X )2 + (Y - Y )
DBDB
δ = arctan YD - YB
X - X
D
B
d 2 + L 2 - L2
γ = arccos
bccd
2d gL
cd
ϕ = γ + δ
2
2
Y = Y + L sin ϕ
C B bc
2
V = V - ω (Y - Y )
Cx Bx 2 C B
V = V + ω ( X - X )
Cy By 2 C B
ω
2 =
(V - V )( X - X ) + (V - V )(Y - Y )
Dx Bx C D Dy By C D
(Y - Y )( X - X ) - (Y - Y )( X - X )
C D C B C B C D
ω =
3
(V - V )( X - X ) + (V - V )(Y - Y )
Dx Bx C B Dy By C B
(Y - Y )( X - X ) - (Y - Y )( X - X )
C D C B C B C D
V
Dx
= V
Dy
= 0
(Y - Y )( X - X ) - (Y - Y )( X - X )
-ε (Y - Y ) + ε (Y - Y ) = E
2CB3CD
ε ( X - X ) - ε ( X - X ) = F
2CB3CD
ε =E ( X C - X D ) + F (YC - YD )
2
CDCBCBCD
ε =
3
E ( X - X ) + F (Y - Y )
C B C B
(Y - Y )( X - X ) - (Y - Y )( X - X )
C D C B C B C D
- 5 -
A= A - ω 2 ( X - X ) - ε (Y - Y )
CxBx2CB2CB
A = A - ω2 (Y - Y ) + ε ( X - X )
CyBy2CB2CB
θ = arccos
L
bc
2
+ L 2 - L 2
bm cm
2L L
bc bm
ϕ = ϕ + π
42
X = X - L sin ϕ
EBbm
4
Y = Y - L cos ϕ
EBbm
4
V= V - ω L cos ϕ
ExBx2bm
4
V= V + ω L sin ϕ
EyBy2bm
4
A = A + ω 2 L sin ϕ - ε L cos ϕ
ExBx2bm42bm
4
A = A + ω 2 L cosϕ + ε L sin ϕ
EyBy2bm42bm4
M 点和 E 点是一个
4.2 机构力的分析
解析法:
如图 4.2.2 所示(M 是将轧辊的重力和阻力和 BCM 重力都转移到 B 点上的力矩)
M = (P +F
MMx
- F ) L sinϕ -
My bm 4
P
BCM
L
bn
2
cosϕ
3
M
BCM
= P
BCM
L
BN
2
ε 2
12 g
M
CD
= P
CD
L
CD
2 ε 3
12g
X = X B + X C + X
N
Y + Y + Y
Y =BCM
N
M
L
BN
= ( X - X )2 + (Y - Y )2
B N B N
F
AB
(n)
P L w 2
= AB ab
2 g
- 6 -
F
BCM
(n)
P L w 2
= BCM BN 2
2 g
F
BCM
L ε
BCM BN 2
2 g
图 4.2.1
F(τ) = PCD LCDε 3
CD
∑ M
B
= 0
F Lsin ϕ - F Lcos ϕ - M -
CxAB2CyBC2
PL 2ε
BN
4 g
2 = 0
∑ M
D
= 0
F Lsin ϕ + F Lcos ϕ +
CxCD5CyCD5
对于 BC 杆
∑ F
= 0
X
P L cos ϕ P L 2ε P L 2ε
CD CD 5 + CD CD 3 - CD CD
2 12 g 4 g
3 = 0
2 g 2 g
F +
Cx
∑ F
Y
F +
Cy
PL
BN
= 0
PL
BN
sin ϕ ε PL ω 2 cos ϕ
cos ϕ ε PL ω 2 sin ϕ
3 2 + BN 2 3 - F
= 0
Bx
3 2 - BN 2 3 - P - F
By
+ F
My
= 0
对于 AB 杆(如图 4.2.2)所示
P Lcos ϕ + F Lsin ϕ - Md - F Lcos ϕ = 0
ABAB1BxAB1ByAB1
∑ F
X
= 0
F + P L ω 2 cos ϕ - F
BxABAB1AX
= 0
∑ F
Y
= 0
F + F + P L ω2 sin ϕ = P
ByAyABAB1AB
对于 CD 杆(如图 4.2.3)
∑F = 0图 4.2.2
X
- 7 -
P L ε sin ϕP L ω 2 cos ϕ
F +CDCD35 - F5 = 0
Dx
∑F = 0
Y
F+
Dy
P L ε cos ϕ P L ω 2 sin ϕ
CD CD 3 5 + CD CD 2 5 - P
CD
- F = 0
Cy
图 4.2.3
- 8 -
解得:
等效阻力矩 Mr =
等效转动惯量
F V
My My
ω
J
n
i
si
)2
m ω
j=1 ω
J = M(
eAB
BCM
(
⎛ V + V + V
Bx Cx
3 3
CD
ç Cx ⎪ + ç ⎪
ω2
AB
+ J
BCM
( 2 )2 + J ( 3 )2
CD
ω ω
其中
J
V
AB
AB
M L 2 M L 2 M L 2
= ; J BCM BN CD CD
3 12 3
Cx Mx
BCM
V
CD
= ç Cx ⎪ + ç ⎪
CD 为杆 AB、杆 BCM、杆 CM 质心的速度。
V、 V
ABBCM
、V
- 9 -
5、运动循环图
见附录二
6、传动机构设计
由于 L≈100mm,生产率为 1500mm/min,
1500
所以曲柄转速 n ==15r/min
0 100
n 2π
ω= 0
60
15 ⨯ 2π π
60 2
又因为,电机转速为 1450~1500rpm,取 1500rpm
n=
0
1500
15
=100
能
由于传动比较大,我们采用了混合轮系作为传动机构,该机构具有结构紧凑,体积小, 传
动大功率的特点。
传动系统如图 6.1。
各齿轮齿数机传动比计算如下:
各轮齿数:
z =26
1
z
2
=50 z
2
‘
=18 z
3
=94 z
3'
=18 z
4
=35 z
5
=88
带轮直径:
d
d
=125mm
d d
=200mm
所以传动比 i
1
带=
dd
2
2
200
125 =1.6
1
35
4
2
2'
13'
传动机构简图
- 10 -
图 6.1
HH
1315
n - n
1 5
zz
3 =-
50 ⨯ 94 1175
=-
26 ⨯ 18 117
3
5
1
2'
15
=- 1175 (a)
117
3
5
对定轴轮系来说,有
3'5 n
z
5 =-
88 44
=-
18 9
5
3'
即
n
3'
=-
44
9
n
5
(b)
由于齿轮 3’ 3 为一个构件,故n = n
33'
44
9 5
(c)
将(c)式带入(a)式得n15
44
-
955
=- 1175
117
整理后可得i
15
1
≈ 60.14
故
i = i i
带 15
5
= 1.6 ⨯ 60.14 = 96.224
7、小结
设计终于要做完了,虽然看上去只有薄薄的一本纸,但其中浓缩的辛勤和汗水,却是这
些值中看不出来的,而我们得到的远比这多得多,甚至受用终生。
我和徐寅峰分到一组,首先我们要克服的是合作问题,男生女生一组肯定没有男生和男
生那么方便,讨论的时间也很少,不想男生们睡觉前在寝室还可以讨论,这是第一大问题。
然而我们配合得很好,每个人都独立的思考,然后在有效的时间整合讨论,得出最优结果。
锻炼了我们独立思考,提纲挈领的能力。
第二,开始以为我们的问题很简单,机构确定了,很普通的四杆,我们都有点轻敌,然
而真正的分析起来却没有想象的那么简单容易,所以我们学会了对任何一件事都要认真对
待,不要眼高手低。
原来 word 文档也不是那么容易就写好的!
第三,我们都觉得能够很好的合作才是最大的收获。
现在无论工作也好、学习也好,都
要与人沟通交流,这次课程设计给我们提供了一个合作交流的机会。
对我们以后步入社会走
- 11 -
上工作岗位,提供了莫大的帮助。
第四,这次课程设计我们用到了许多以前学过的知识、软件,我们又一次重新巩固了这
些知识,同时也学到了许多新的东西。
例如,对机构的运动分析是在上学期的课程中学的,
这次我们又用到了,我们对课程上讲的方法有了深入的理解,也知道了在什么情况下能够用
到这些方法。
最后,感谢老师的指导,我们对课程有了深入的理解,学过的知识也得到了巩固。
附录一源程序
Visual Basic
Dim Lab, Lbc, Lcd, Lad, w, w2, w3, jd, d, j1, j2, j7, E, F, e2, e3 As Double
Dim Fax, Fay, Fbx, Fby, Fcx, Fcy, Fdx, Fdy, Md, Mr, p, Pab, Pbcm, Pcd, Pn, Pm As Double
Dim j3, j4, j5, j6, j0 As Double
Dim Mm, Mbcm, Mcd, Fabn, Fbcmn, Fbcm7, Fcdn, Fcd7 As Double
Dim xn, yn, Lbn As Double
Dim i As Integer
Private Sub cmdstart_Click()
Dim xlApp As Excel.Application
Dim xlBook As Excel.Workbook
Dim xlSheet As Excel.Worksheet
Set xlApp = New Excel.Application
Set xlBook = xlApp.Workbooks.Add
Set xlSheet = xlBook.Worksheets.Add
'---------------------------------------------------
Lab = txtLab.Text
Lbc = txtLbc.Text
Lcd = txtLcd.Text
Lad = txtLad.Text
Lbm = txtLbm.Text
Lcm = txtLcm.Text
- 12 -
w = txtW.Text
jd = txtjd.Text
xa = txtxa.Text
xb = txtya.Text
xd = txtxd.Text
yd = txtyd.Text
For i = 1 To 90
j0 = (jd + i) * 0.017453292 * 4
xb = xa + Lab * Cos(j0)
yb = ya + Lab * Sin(j0)
Vbx = -w * Sin(j0)
Vby = w * Cos(j0)
Abx = -w * w * Cos(j0)
Aby = -w * w * Sin(j0)
d = Sqr((xd - xb) * (xd - xb) + (yd - yb) * (yd - yb))
j1 = Atn((yd - yb) / (xd - xb))
j2 = Atn(-((d * d + Lbc * Lbc - Lcd * Lcd) / (2 * d * Lbc)) / Sqr(-((d * d + Lbc * Lbc - Lcd * Lcd)
/ (2 * d * Lbc)) * ((d * d + Lbc * Lbc - Lcd * Lcd) / (2 * d * Lbc)) + 1)) + 2 * Atn
(1)
j3 = j1 + j2'-------注意正负号的修改
xc = xb + Lbc * Cos(j3)
yc = yb + Lbc * Sin(j3)
j4 = Atn((yc - yd) / (xc - xd))
w2 = ((Vdx - Vbx) * (xc - xd) + (Vdy - Vby) * (yc - yd)) / ((yc - yd) * (xc - xb) - (yc - yb) * (xc -
xd))
w3 = ((Vdx - Vbx) * (xc - xb) + (Vdy - Vby) * (yc - yb)) / ((yc - yd) * (xc - xb) - (yc - yb) * (xc -
xd))
Vcx = Vbx - w2 * (yc - yb)
Vcy = Vby + w2 * (xc - xb)
'------------------加速度分析
Adx = 0
Ady = 0
E = Adx - Abx + w2 * w2 * (xc - xb) - w3 * w3 * (xc - xd)
F = Ady - Aby + w2 * w2 * (yc - yb) - w3 * w3 * (yc - yd)
e2 = (E * (xc - xd) + F * (yc - yd)) / ((xc - xb) * (yc - yd) - (xc - xd) * (yc - yb))
e3 = (E * (xc - xb) + F * (yc - yb)) / ((xc - xb) * (yc - yd) - (xc - xd) * (yc - yb))
Acx = Abx - w2 * w2 * (xc - xb) - e2 * (yc - yb)
Acy = Aby - w2 * w2 * (yc - yb) + e2 * (xc - xb)
'------------
j7 = Atn(-((Lbc * Lbc + Lbm * Lbm - Lcm * Lcm) / (2 * Lbc * Lbm)) / Sqr(-((Lbc * Lbc + Lbm *
Lbm - Lcm * Lcm) / (2 * Lbc * Lbm)) * ((Lbc * Lbc + Lbm * Lbm - Lcm * Lcm) / (2 * Lbc *
- 13 -
Lbm)) + 1)) + 2 * Atn
(1)
j3 = j1 + j2'-------注意正负号的修改
j4 = j7 - j3 - 1.5707
xm = xb - Lbm * Sin(j4)
ym = yb - Lbm * Cos(j4)
Vmx = Vbx - w2 * Lbm * Cos(j4)
vmy = Vby + w2 * Lbm * Sin(j4)
Amx = Abx + w2 * w2 * Lbm * Sin(j4) - e2 * Lbm * Cos(j4)
Amy = Aby + w2 * w2 * Lbm * Cos(j4) + e2 * Lbm * Sin(j4)
'--------------------力分析
g = 9.8
q = 0.45
Pm = 147
If (i >= 0 And i < 48) Or (i > 69 And i <= 360) Then
'---------------绘制生产阻力图
Fmy = 0
ElseIf i >= 48 And i <= 53 Then
Fmy = 30
ElseIf i >= 53 And i <= 61 Then
Fmy = -2.5 * i + 162.5
Else
Fmy = 10
End If
Pab = q * Lab '--------q 是线密度,最后需要确定
Pbcm = q * Lbc + q * Lbm + q * Lcm
Pcd = q * Lcd
xn = (xb + xc + xm) / 3
yn = (yb + yc + ym) / 3
Lbn = Sqr((yb - yn) ^
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