吕鹏弹簧式上辊平衡装置设计.docx
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吕鹏弹簧式上辊平衡装置设计
重庆科技学院
专业课程设计报告
学院:
_机械与动力工程学院_专业班级:
机电设备维修与管理0902
学生姓名:
吕鹏学号:
2009630630
设计地点（单位）________________________
设计题目:
_____弹簧式上辊平衡装置设计______
完成日期：
2012年1月10日
指导教师评语:
_________________________________
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
成绩（五级记分制）:
________________
指导教师（签字）:
________________
设计（论文）的主要内容：
1.原始设计参数
1）被平衡件总重量：
约0.3-0.5t；
2）最大行程：
约70mm。
2.设计内容
1）分析轧辊平衡装置（弹簧式）的特点、组成与布局；
2）合理确定、分析机构的组成和工作要求；
3）机构、构件等非标件的设计计算；
4）轴承等标准件的计算和选择。
设计（论文）任务要求：
1．完成该装置等相关资料的调研、收集、分析、计算、设计；
2．完成设计图纸一套（折合0号图纸1—2张）、图纸采用计算机绘制；
3.完成设计说明书一套（字数不少于5000字，电子文档与纸质各一份）；
4．具体进程安排：
第1天，指导老师组织学生集中讲解课程设计的重点要求、内容及实现的方法与技巧等，分组检查学生前期准备情况，视情况对学生提出有关指导与要求；
第2——4天，学生分组讨论与分析，拟订设计方案，确定设计工作具体分工与需要完成的内容；
第5——7天，学生参考有关教材与参考文献、设计手册、资料进行初步结构设计与理论参数计算和优化。
第8——9天，开展学生参考有关教材与参考文献、设计手册、资料进行结构优化设计调整设计计算。
第8——12天学生绘制设计图，整理相关资料
第12——15天，学生整理相关资料，并按照规范编写设计说明书
第15天，学生提交设计结果
主要参考文献（由指导教师指定）：
[1]成大先.《机械设计手册》[M].北京：
化学工业出版社，2004.1.
[2]黄庆学.《轧钢机械设计》北京：
冶金工业出版社，2007.6
[3]邹家祥.《轧钢机械》[M].北京：
冶金工业出版社，2000.2（3-11）.
[4]谭放鸣，《机械设计基础》[M].北京：
化学工业出版社，2005.1..
[5]陈家能，《机械制图》[M].重庆：
重庆大学出版社，2003.9（1-2）
以及相近的科技文献期刊.
同组设计者及分工
李洪波、吕鹏、何治疆
注：
该任务书由指导教师填写，在设计开始前一周下达给学生，一式二份，教研室、每个学生各一份。
其中教研室的一份待学生做完毕业设计论文后作为附件装入学生设计资料中。
目录
1．绪论……………………………………………………………………………
（2）
1.1设计选题背景……………………………………………………………
（2）
1.2轧机在国内外的发展趋势和成果………………………………………
（2）
1.3设计（论文）任务要求…………………………………………………（3）
2.弹簧的设计与计算………………………………………………………………（3）
2.1弹簧的设计计算…………………………………………………………（3）
2.1.1选择弹簧材料和许用应力……………………………………………（3）
2.1.2选定弹簧指数。
确定补偿系数………………………………………（3）
2.1.3求弹簧中径……………………………………………………………（4）
2.1.4求弹簧有效工作圈数n和总圈数……………………………………（4）
2.1.5几何尺寸计算…………………………………………………………（4）
2.2弹簧的特性曲线…………………………………………………………（6）
3.弹簧套的设计……………………………………………………………………（7）
4.拉杆的设计与参数计算………………………………………………………（10）
4.1计算载荷………………………………………………………………（11）
4.2材料的选取……………………………………………………………（12）
4.3计算双头螺栓螺栓的直径……………………………………………（12）
4.4双头螺栓强度的校核计算……………………………………………（12）
5.轴瓦与瓦座的设计……………………………………………………………（13）
5.1瓦的设计………………………………………………………………（13）
5.2瓦座的设计……………………………………………………………（15）
6.弹簧平衡装置的平衡分析……………………………………………………（15）
7.心得体会………………………………………………………………………（16）
参考文献…………………………………………………………………………（17）
1.绪论
1.1．设计的选题背景
轧钢生产时将钢锭或钢坯轧制成钢材的生产环节。
用轧制方法生产钢材，具有生产率高、品种多、上产过程连续性强、易于实现机械化自动化等优点。
因此，它比锻造、挤压、拉拔等工艺得到更广泛地应用。
目前，约有90%的钢都是经过轧制成材的。
有色金属成材，主要也用轧制方法。
【1】
目前我国处在新老交替的钢铁生产体系中，初轧机在轧钢生产中的作用仍无法替代，初轧机仍具有着十分重要的作用。
1.2．轧机国内外发展的研究现状、成果、发展趋势
从16世纪人类开始轧钢发展到今天，经过了漫长的过程。
在1530年或1532年，依尼雪在拿伯格（Nnrmberg）发明了第一个用于轧钢或轧铁的轧机，紧接着，1782年，英国的约翰彼尼（John·payne）在有俩个刻成不同形状的孔型的轧辊的轧机中加工锻造棒材。
1759年，英国的托马斯伯勒克里（Thomas·Blockley）取得了孔型轧制的另外一个专利，在历史上标志着型钢生产正式开始。
轧钢机械的分类。
轧钢机械可按所轧辊的材料分为轧辊钢材的和轧辊铝、铜等有色金属的两类。
各类轧机的工作原理和主要结构基本相同，只是轧辊的温度、压力和速度有所差异。
轧机中使用最多的是轧钢机。
轧机又可分为半成品轧机和成品轧机。
半成品轧机主要是开坯机，包括初轧机、板坯轧机和钢坯轧机。
随着连铸机的逐步推广，某些装有连铸机的钢厂已不再使用开坯机开坯。
成品轧机有型材轧机、轨梁轧机、线材轧机、厚板轧机、薄板轧机、带材轧机、箔带轧机、无缝管轧机、铜板轧机、铝板轧机和某些特殊轧机。
它们的主要区别是轧辊的布置和辊的形状不同，并且在精度、刚度、强度和外形尺寸上也有很大的差别。
由已知条件被平衡件的总质量：
为0.3~0.5t而弹簧式平衡装置中的弹簧的最大行程约为70mm。
根据我们分析轧钢机械在轧制扎件的时候所受的轧制力的不平衡引起的不稳定因素，由于轧制力过大，轧辊和轧机除机架以外的其他零件都是在高温恶劣的条件下长时间工作的，这些零件的寿命跟轧钢机械的工作环境有很大的关系。
对于轧钢机械的平衡装置，我们为什么选择弹簧式的平衡装置呢？
因为上辊式弹簧式平衡装置的体积较小容易修复，而且比较经济最大的优点就是可以随时随地的对不平衡力进行平衡，是轧钢机首选的一种便捷式平衡装置由此我们来做一下弹簧式平衡装置的设计。
设计要对其机构、构件等非标准件的分析和设计计算分析其机构的组成、工作特点和工作要求。
对于轴承等标准间的设计和计算再来最终确定所选轴承。
1.3.设计（论文）任务要求：
①完成该装置等相关资料的调研、收集、分析、计算、设计；
②完成设计图纸一套（折合0号图纸1—2张）、图纸采用计算机绘制；
③完成设计说明书一套（字数不少于5000字，电子文档与纸质各一份）；
④具体进程安排：
2.弹簧的设计计算及特性曲线
2.1弹簧的设计计算
取被平衡件总重量：
0.4098t；最大行程：
70mm。
过平衡力为0.4。
G=mg/4=1000N
每个弹簧则有
=0.2
=280N
根据题目设计要求选择I类弹簧进行设计
2.1.1选择弹簧材料和许用应力。
选用C级碳素弹簧钢丝。
因弹簧承受要求抗疲劳性能高渗透性好，回火稳定性好用B级较高强度，能承受变载荷和冲击载荷的弹簧。
故选择50CrVA.由表20—20查得I类弹簧的许用应力[
剪切应力模量G=80000
2.1.2选定弹簧指数。
确定补偿系数
初选C=6；
K=K=
=
=1.2525
确定弹簧丝直径
取d=8mm
2.1.3求弹簧中径
2.1.4求弹簧有效工作圈数n和总圈数
由
取n=19.
=n+
=19+2=21
2.1.5几何尺寸计算
弹簧外径：
D=
弹簧内径：
弹簧自由高度（两端磨平）
图2-1弹簧在变载荷作用下的应力变化状态
2.2弹簧的特性曲线
弹簧应具有经久不变的弹性，且不允许产生永久变形。
因此在设计弹簧时，务必使其工作应力在弹性极限范围内。
在这个范围内工作的压缩弹簧，当承受轴向载荷P时，弹簧将产生相应的弹性变形，如右图a所示。
为了表示弹簧的载荷与变形的关系，取纵坐标表示弹簧承受的载荷，横坐标表示弹簧的变形，通常载荷和变形成直线关系（右图b）。
这种表示载荷与变形的关系的曲线称为弹簧的特性曲线。
对拉伸弹簧，如图<圆柱螺旋拉伸弹簧的特性曲线>所示，图b为无预应力的拉伸弹簧的特性曲线；图c为有预应力的拉伸弹簧的特性曲线。
右图a中的H0是压缩弹簧在没有承受外力时的自由长度。
弹簧在安装时，通常预加一个压力Fmin，使它可靠地稳定在安装位置上。
Fmin称为弹簧的最小载荷（安装载荷）。
在它的作用下，弹簧的长度被压缩到H1其压缩变形量为λmin。
Fmax为弹簧承受的最大工作载荷。
在Fmax作用下，弹簧长度减到H2，其压缩变形量增到λmax。
λmax与λmin的差即为弹簧的工作行程h,h=λmax-λmin。
Flim为弹簧的极限载荷。
在该力的作用下，弹簧丝内的应力达到了材料的弹性极限。
与Flim对应的弹簧长度为H3，压缩变形量为λlim。
图2-2圆柱螺旋压缩弹簧的特性曲线
3．弹簧套的设计
图3-1
上弹簧套设计
结构图如图3-1
基本数据如下：
最大压力为1400N，最小压力为280N有关尺寸如上图，
1：
选材料：
选45号钢，查表知抗拉强度为600MP.用调质+表面火提高零件表面强度。
验算其应力：
因此强度是足够的
疲劳强度验算
图3-2
下弹簧套设计，设计图如图3-2
基本数据如下：
最大压力为1400N，最小压力为280N有关尺寸如上图，
1：
选材料：
选45号钢，查表知抗拉强度为600MP.用调质+表面火提高零件表面强度。
验算其应力：
因此强度是足够的
疲劳强度验算
4.拉杆的设计与参数计算
根据题目告诉的已知条件G=0.4098t，由于是设计轧机的弹簧平衡装置的拉杆的设计考虑到轧钢机械在轧制过程中受到很大的轧制力，导致整个轧机系统的不平衡。
我们引入了弹簧式平衡装置来平衡这些力。
而且这个装置的优点是易于随时的调节在轧制过程中产生的平衡状况，由此我们引入了过平衡力P，而P=KGK=（1.2~1.4）还有根据以设计出弹簧的内径可知拉杆的直径小于40mm。
又因为拉杆的设计跟双头螺栓设计是相同的，所以依照双头螺栓设计计算来设计拉杆，即所设计出来的双头螺栓就是我们所需要设计的拉杆.
4.1计算载荷
1双头螺栓所受的重力
G=mg=0.4098×103×9.8=4016.04N
2作用于上辊组件上的平衡力
P=（1.2~1.4）G取系数为1.4
=1.4G=1.4×4016.04
=5622.456N
3上辊工作的平衡力等于双头螺栓的工作压力
P=F=5622.456N
4拉杆的工作压力F
F=5622.456N
5单个双头螺栓的工作载荷Ｆｉ
Fi＝
=
＝1400Ｎ
6剩余预紧力
由于双头螺栓的工作载荷在为5622.456Ｎ，取剩余预紧力F0、
F0、=（1.5~1.8）Fi 取系数为1.8
=1.8Fi=1.8×1400
=2520N
7最大拉力F0
F0=Fi+F0、
=1400+2520
=3920N
8每个栓头螺栓受到的总载荷Ｆ∑
Ｆ∑=Ｆ０、＋Ｆｉ+F0
＝2520+1400+3920
＝6840N
4.２选取材料
选用Q215钢精度3.6级
óＳ＝190MPa 估计直径d=16~30mm之间
查表可知安全系数S得
S＝2.5~4 取S=4
［ó］＝óＳ／Ｓ
＝190MPa/4
=47.5MPa
4.３计算双头螺栓的直径d
d≥
=
=15.44mm
根据国脚标准查机械设计手册可得ＧＢ／Ｔ５７８２-２０００
d=16mm
M16取小径
估算l=597mm
并查表选取螺帽按国家标准取
S=23.67mm
4.4双头螺栓强度的校核计算
1对于度 因选用的铜皮石棉垫片
可查表得到：
=0.8
2双头螺栓的应力幅值计算
拉杆危险截面面积
A=
=
=113.04mm2
双头螺栓的应力幅值
=
3许用应力幅值计算
该式中
取
查表可知：
=14.68MPa
由表按控制预紧力选取安全系数S=2
则：
可见［σａ］＞σａ．故动强度足够
因为双头螺栓的直径是根据静强度决定的，所以静强度是安全的，不需在验算。
5.轴瓦的设计
5.1轴瓦的设计
因为瓦的受力就是两个双头螺栓受力的总和，所以F=2800N带入设计中。
瓦受到的工作载荷为
L=75mmd=70mm厚度为8mm。
所以
图5-1轴瓦
选取材料选材料为黄铜
所以材料满足要求。
5.2轴座的设计
弹簧上辊上瓦座设计
选材料：
选用球墨铸铁（QT450-7）抗拉强度为[
]=450MP.设计图如下图
由于此结构在工作时不受弹簧装置自重的影响，受工作时震动的影响，查阅资料知在这里的结构强度足够大。
图5-2上瓦座
弹簧上辊下瓦座设计：
选材料：
选用45#钢经调质处理。
强度极限为650MP。
验算其强度：
强度足够
图5-3下瓦座
6.弹簧平衡装置的平衡分析
弹簧平衡主要用于在上辊调整量很小的轧机上，型钢轧机、线材轧机一般都用这种平衡装置。
弹簧置于机盖上部，上辊的下瓦座通过拉杆吊挂在平衡弹簧上。
当上辊上升时，弹簧放松，当上辊下降时，弹簧逐步压缩，弹簧力是随弹簧变形相应的轧辊位置变化而变化的。
弹簧平衡的优点是简单可靠，使用很方便能随时调整弹簧力使装置处于一个动态平衡的条件下。
缺点是换辊时人工拆装弹簧，费力、费时。
7.心得体会
心得体会
本次课程设计耗时三周，也是最忙碌的三周。
特别是计算的繁琐过程，以及随之而来的翻阅资料的过程，反反复复，一遍又一遍的计算，发现问题又得回过头重新再算一遍。
不过，总算还是设计出来了，看着自己努力的成果，还是打心眼里开心。
也许正是最近一直忙紧张而又充实着的生活，加之看到成果后的轻松愉悦的心情。
我们这小组设计的内容是轧钢机的上辊弹簧式平衡装置，比起其他小组的设计内容来要简单些。
主要是设计弹簧从被平衡件的质量来计算出该装置所受的不平衡力，首先去查资料有关弹簧设计计算与弹簧特性曲线方面的资料从资料中我们不难找出我们所设计的思路，再设计会出现很多系数再去查资料按照对号入座的查处系数取值。
拉杆的设计也是根据查资料来找出所受力从而根据这些来计算拉杆的直径，而且螺栓的直径必须小于拉杆的直径。
最终加以确定。
至于绘图，首先得把主要的轮廓以及主要的零件按照计算出来的数据用CAD给绘出来，还有那些重要的配合参数、技术要求以及标题栏等。
然后才是那些细节的地方，比如联轴器什么的，根据老师的说法可以不用去绘制它，只需要把它的大致轮廓给绘制出来就可以了。
那么这三周给我最大的收获是什么呢？
首先，不管是查阅资料、计算、电脑编辑、绘图都是自己一点点积累而来的，心里面踏实，设计的过程感觉也很充实，因为它不像抄袭过来的东西，就不必去担心这里参数不妥那里计算有出入什么的。
其次，就是对积累知识有了进一步的认识，毕竟大学里的知识面是很局限的。
你设计一个机构或者一个机器，那么你得翻阅大量的资料，从资料堆里获取极为有用的信息。
最后，就是设计完后的那种轻松感。
尽管，现在是寒冬腊月，其他学校的孩子们都陆陆续续的回家了，但是我们心中有着一个未完成的任务，所以不敢懈怠。
也许真是这样，你不把自己逼一下，你还真不知道你能设计个东西来，哪怕是个很简单、很普通的机构。
话虽这么说，但是我们是不会骄傲的，我们会更加努力奋斗，为目标而不懈努力，而针对我们这些即将步入社会，踏上工作岗位的90后来说是更加重要的。
限于篇幅，到此收笔，最后祝老师新年快乐！
8.参考文献
参考文献
[1]成大先.《机械设计手册》[M].北京：
化学工业出版社，2004.1.
[2]黄庆学.《轧钢机械设计》北京：
冶金工业出版社，2007.6
[3]邹家祥.《轧钢机械》[M].北京：
冶金工业出版社，2000.2（3-11）.
[4]谭放鸣，《机械设计基础》[M].北京：
化学工业出版社，2005.1..
[5]陈家能，《机械制图》[M].重庆：
重庆大学出版社，2003.9（1-2）
[6]斌煜.轧钢机械设计.北京：
冶金工业出版社，2007
[7]钢机械（第3版）.北京：
冶金工业出版社，2005
[8]钢车间机械设备.北京：
冶金工业出版社，2006
[9]械设计基础课程设计.华中科技大学出版社.2007
[10]锦康,张磊.机械零件（第二版）.高等教育出版社,2000
[11]机械设备.北京：
冶金工业出版社,2010
[12]机械零件设计计算实例.北京：
中国铁道出版社,1989
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