三辊联合穿轧定径机毕业设计说明书第二稿

学士学位论文
三辊穿扎定径机
年月日年月日
摘要
无缝钢管，顾名思义它肯定是用来传送物体的装置，作为钢管本身属于空心零件，在设计工程中经常借助它来进行气液燃烧原料、工程用料、水等物体的传输，与一般钢管不同的是，它具有很好的传输性能和质量，因此越来越多得被使用。

对于我们这个人口大国和发展中国家，在这方面的使用应该更占优势，但事实是欧洲一些国家在这方面的投入更高于我们国家，因此近年我们国家也开始重视起来，希望能在相关方面做出突破。

在进行穿轧定径机的课题分析设计之前，我们要明白定径机的相关用途和原理。

要想获得性能结构尺寸良好的钢管零件，那么首先就要借助定径机来对轧制设备制造出来的钢管回炉再升温加热后进行再轧制操作。

在定径机完成这步重要工作的时候，设备中的定径辊部件起到了关键的作用，它的相关孔的大小尺寸的改变时除了可以单个进行控制改变，还可以进行双辊共同来控制改变。

通常对管状零部件进行定径是因为要想得到较高的精度质量性能和尺寸要求，就需要在不够大的单机或者总减径率条件下进行零件轧制的操作。

那么在这个轧制缩小或者增大管径的过程进行时，也就是空心体无芯棒的一个工作过程。

经过以上的轧制工作后，得到的管类产品在圆度，表面粗糙度，尺寸精度等方面都表现良好。

那么要使得工作的效率得到提升，通常就需要对其相关机架数进行扩增，扩增后的设备在生产规模上也就相应会得到很大提升，目前一些新的生产厂商用到这种设备比较多。

在本次课题设计中，我们选择单轴传动三辊联合穿轧定径机进行详细的设计改进，从而摒弃了以前的双辊式机器。

其中三辊式的设备其运动机架较多，制造性能精度好，缺点就是不能进行控制调整；对于双辊式的设备在机架和制造精度性能上都有很多不足。

因此，我们选择了三辊式的定径机进一步展开设计研究。

关键词：定径机；单轴传动；三辊联合穿轧；无缝钢管；减径率
Abstract
Seamless steel pipe, as the name implies, is definitely a device used to transfer objects. As the steel pipe itself is a hollow part, it is often used in the design project to transmit gas-liquid combustion raw materials, engineering materials, water and other objects, which is different from ordinary steel pipes What's more, ithasvery good transmission performance and quality, so it is used more and more. For our populous country and developing country, the use of this aspect should be more dominant, but the fact is that some European countries have invested more in this area than ours, so in recent years, our country has begun to pay attention to it, hoping to Make breakthroughs.
Before carrying out the analysis and design of the subject of the wear-rolling sizing machine, we must understand the relevant uses and principles of the sizing machine. If you want to obtain steel pipe parts with good performance and structural size, you must first use a sizing machine to reheat the steel pipe made by the rolling equipment and then reheat it and then perform the rolling operation. When the sizing machine completes this important work, the sizing roller component in the equipment plays a key role. When the size of its related holes is changed, in addition to the single control change, it can also be controlled by double rollers. change. The sizing of tubular parts is usually because the high precision, quality, performance and dimensional requirements require the rolling of parts under the condition of not enough single machine or total reduction ratio. Then, when the rolling process of reducing or increasing the diameter of the pipe is carried out, it is a working process of the hollow coreless rod. After the above rolling work, the obtained tube products performed well in terms of roundness, surface roughness and dimensional accuracy. In order to improve the efficiency of the work, it is usually necessary to expand the number of related racks, and the expanded equipment will be greatly improved in terms of production scale. Some new manufacturers currently use this There are many devices.
In the design of this subject, we chose a single-shaft transmission three-roller combined rolling and sizing machine for detailed design improvement, thus discarding the previous two-roller machine. Among them, the three-roller type
equipment has more moving frames, and the manufacturing performance accuracy is good. The disadvantage is that it cannot be controlled and adjusted; for the two-roller type equipment, there are many deficiencies in the frame and manufacturing accuracy performance. Therefore, we chose a three-roller sizing machine to further develop the design and research.
Keywords: Sizing machine; single-shaft transmission; three-roller combined rolling; seamless steel tube; reduction ratio
目录
摘要 (II)
Abstract (II)
第一章绪论 (1)
1.2 无缝管生产发展 (1)
1.3 本章小结 (4)
第二章单轴传动三辊联合穿轧定径机系统设计 (5)
2.1 总体方案 (5)
2.1.1轧辊机架的确定 (5)
2.1.2传动装置的确定 (6)
2.1.3参数设计运算 (8)
2.1.4总功率校核与电机设计分析 (12)
2.2 本章小结 (14)
第三章齿轮与轴系分析设计 (15)
3.1 齿轮传动分析 (15)
3.2 选取材料，确定许用应力 (15)
3.3 传动轴的设计 (17)
3.4 本章小结 (27)
第四章轴的校核 (28)
4.1 主传动轴分析校核 (28)
4.2 键的校核 (32)
4.3 从动轴校核分析 (32)
4.4 校核齿面接触疲劳强度 (32)
4.5 本章小结 (33)
参考文献 (34)
致谢 (35)
第一章绪论
1.1 概述
自出现人类，追溯到如今，人们一直知道如何使用各类管材，但钢管却是在1800年代的初期才正式现世。

当时现实的钢管与现在的形式不同，而是为了解决燃灯管，那么人们就借助枪的前端管子，然后拿几个互相连接起来，这就有了最早的钢管。

在这往后的时间里，这方面的使用和需求进行了激增。

尤其是自从蒸汽机和机动车的相关发明与使用后，对钢材尤其是构成机车车身的一些钢管类零件使用量得到一个大幅度的提高。

其次，随着科技和工业的快速发展，对于石油等能源的使用也与日俱增，那么要进行交易等传送操作，自然就会使用到钢管材料。

其次，随着战争的到来，全世界范围内都在大量地制造和使用武器设备，比如枪，坦克，飞机，轮船战舰等等，这方面非常需要钢材，因此其产量在不断增多，种类和技术方法也在不停地改变和更新。

对于相关技术的研究有如下的进程：早在十九世纪20十年带，就有一种专利产生，就是在较高的温度下对钢式板材原料进行加工，然后拿出来直接进行一个圆度弯曲对接操作，最后再将两头焊接起来，也就形成了钢管。

在此后的一年里，人们继续进行研究，发明了一种尺寸大，而且宽径比非常接近的加热弯曲方法，然后借助一个圆管形状的模具将加热弯曲后的板材包裹在上面，然后进行对接焊接操作，这样做出来的钢管其圆度更高，使用性能自然也就更好，同时它的出现也为后来的焊接制造方法打下了良好的铺垫。

随后在十九世纪八十年代期间，有人用中空形式的方法发明了一种生产无缝钢管的技术。

这个新技术的产生为钢管的使用带来了跨越式的前进，同时令这种钢管很快成为生产制造和使用的主流。

经过五年的改进，在十九世纪末期已经开始出现在工业制造中了，这样的钢管生产技术就算是在科技发达的今天仍然有很多厂商使用，而且产品质量很好。

1.2 无缝管生产发展
对于无缝钢管的制造，进过很多年的发展和改进，出现了许多方法。

通常客户会在定制的时候提出不同的要求，那么较多使用的方法通常为冷热轧或者冷拔的形式来进行制作，其中热轧法里面的钢管原料我们通常选择有各种各样的外形尺寸，比如与方形，圆形，多边形等等，这些原料不仅决定着钢管的制造尺寸，
同时还决定着其性能和质量的好坏。

至于无缝钢管，它的出现到发展经历了很长一段时间。

在十九世纪八十年代，德国人制造出来一种双辊形式的穿孔机，接下来几年后在九十年代初期，他们又发明出来了一种周期性的设备，在20世纪初期，欧洲又有人借助前人的发明，制造出来了自动化的制造钢管的设备，再此以后，又接连出现了各种各样的轧制技术，这便是无缝钢管在19世纪左右的进步。

在1930年左右，人们相继制造发明出三辊式设备，周期式设备等一些列新型设备，极大的改善了此类相关技术和制品的性能与质量。

在二十世纪中期，又出现了连续轧制设备和减径设备，这在一定程度上使得制造加工的周期得到缩短。

又经过几十年的发展，产生了各种先进的技术和方法，轧制机质量和生产效率得到快速提升。

在制造加工无缝式的钢管时候，有一种生产方式成为主流，就是自动式的轧制技术，这种技术的生产过程如图1中所示，机器主要的系统构件有定径机、减径机和自动轧制机等等关键设备组成。

穿孔机：这个设备的主要作用就是把原本的实心钢材通过外力器械作用穿成空心的管式结构，那么在实际工作时，设备会有一定的倾斜角度，现在发展到了15度左右，这样的话会很大程度上增加穿孔的效率。

一般在制造尺寸较大的钢管时，单一的穿孔操作是不够的，往往需要进行再次穿孔，这样做就会达到制造要求。

为了使得这步操作更加高效和简单，又相继出现了后推力穿孔机，旋转穿孔机等等。

自动轧管机：这个设备的主要功能就是可以将钢管的壁厚进行缩小，从而达到加工要求范围内。

通常在实际的工作时，设备会进行几次加工，就可以将钢管的壁厚缩小到客户要求的范围之内。

为了使得轧制技术更成熟，上个世纪中后期开始，又相继出现了球形头设备，单孔槽设备等，极大的实现了钢管制造的自动化水平提升。

定径机：这种设备也是整套流程里面相对来说很重要的机器，一般它上面的减径机器由20个左右的机架形成，对于减径效率可以在百分之四到百分之十二的范围左右。

上个世纪中期，有一种带张力的此类设备发明出来，它不仅可以进行减径操作和控制速度的操作，还可以同时进行张力改变钢管壁的厚度尺寸大小的操作，这种新设备的机架可以最大达到28个，在减径操作方面其效率可以最高达到百分之七十左右。

以上所提到的自动式的轧制设备，这种设备一般在实际的工业生产中有100到400毫米尺寸不等，其中还分为250和140毫米两种，可以生产的产品外部尺寸大小在十几到四百毫米范围，自动轧制设备其突出点就是可以在流程中进行变形主要的操作，可以加工的产品种类较多。

近些年，出现了连续轧制相关技术，
那么对于尺寸大小小于140毫米的设备就没有再进行设计制造了。

连续轧管生产：一般这种生产主要的设备组成有张力式的减径设备，连续式轧制设备和穿孔设备构成，这三者互相配合可以进行一个连续完整的制造钢管。

该生产方式可以生产出高品质的产品用以满足生产的基本需求，并且能够使我们国家的相关技术资源得到合理利用，所以其在我国生产中一直占据特别关键的组成部分。

一般在进行外部尺寸小于170毫米左右的钢管生产时会用到，其次就是在成本方面消耗也挺大，整个加工制造不是很容易。

在上世纪中后期又有人发明了芯棒连续式的轧制设备，在进行工作时，可以借助外加载荷来限制相关工作速度，对于原材料的一些性质会有改善和提高。

周期轧管生产：这样的设备组件一般在金属原料的选择上较多采用的是圆柱形状或者是方形的，在进行高温加工后借助外力进行一个穿孔的操作，然后接下来再借助双辊来进行继续加工，使得钢管的直径得到延伸和继续变薄，这样就制造出来满足要求的产品了。

周期轧管机又称皮尔格尔轧管机。

周期轧管生产是用钢锭作原料，宜于轧制大直径的厚壁钢管和变断面管。

三辊轧管生产：这种设备组件生产方式一般都是用来加工和制造性能要求和精度要求比较高的产品。

采用这套设备，可以制造加工出来极其高精度的钢管产品具体的流程可以由下图看出来。

在上个世纪中期，有人发明制造出来了这种三辊形式的轧制设备，使得制造钢管技术得到很大提升。

在实际的制造工作过程中，它可以从端部进行一个旋转运动，然后进去机架内部去，这样用来对辗轧角作以改变，从而防止尾部产生三角形，还提高了生产能力。

图1-1 三辊机组生产流程
挤压管生产：这种生产组件设备，通常在实际工作的时候，我们要对原料物体进行外圈取出，然后再对它进行一个穿孔操作，使得它变为中空形式，在进行完这步后我们对它进行一个再升温，然后拿出来加到挤压设备里面，然后设备进行挤压操作，最后就能够将原料变成一个完整的钢管制品。

通常这样的生产组件会被拿来生产一些强度或者需要经过高温加工的原材料零件。

采用这样的生产设
备组件通常可以生产的种类较多，但是缺点就是其生产速率比较慢。

最近的一些技术得到了很大提升，那么随之挤压设备的制造改进也得到了很大发展，这是由于其中一些零部件以及一些材料的改进而发生的。

轧、冷拔管生产：这样的上产方式在实际的制作加工中一般被用来生产那些外形尺寸比较小的，对管壁要求比较严格和精密的产品。

其次，这种生产方式的工艺性也较好，可以进行循环的加工制造。

其中一些组件可以见选图1.2中所示。

在上个实际中期，这种生产方法得到了改善，其中主要改变明显的方面，比如说它的加工制造形程，加工的周期缩短，可以进行同时加工多个等等。

在进行外形尺寸比较小的，对管壁要求比较严格和精密的产品加工时，也有一定的缺点，就是它的设备构造较为复杂，不是很灵活。

通常采用冷轧、冷拔联合工艺，即先以冷轧减壁，获得大变形量，然后以冷拔获得多种规格。

图1-2 冷轧、冷拔管生产
1.3 本章小结
第一章介绍了钢管的发展简史以及钢管轧制生产工艺流程。

初步介绍了多种轧管方式的结构，应用范围以及优缺点等。

第二章单轴传动三辊联合穿轧定径机系统设计
2.1 总体方案
2.1.1轧辊机架的确定
通常情况下，张力定径机在进行轧制生产的时候，会使得材料零件同时进行多种变化，比方说可以在径向和纵向都能有一定的延展和拉伸的作用，当原材料的尺寸大小在进行减少的同时，其管壁的尺寸大小也在跟随变化。

那么通常具有张力的定径设备在进行工作的时候，这个外力的产生是由于两个靠近的辊零件之间在设计运动的时候会产生一定的不同速度，那么当这个差异增大的时候，那么外力也就随之变大，反之亦然。

对于一般的这类设备，通常我么设计为双辊形式的机架。

这样的设备有点显而易见，就是外形方面不会很复杂。

缺点就是制造出来的产品其壁厚大小尺寸会很不一样，如果当减径的大小变化大时，那么这个缺点就会被放大。

除此之外，还有一个不好的地方就是辊零件的外形比较大，这样的化就会造成整个设备的占地空间加大很多。

因此，在张力减径机上采用三辊或四辊式工作机座较好。

三辊式张力减径机的机架可作成方的，也可作成圆的。

这个设备上面你的3个辊在排布上面为120度的位置排布，在连接的时候我们会采用齿轮的安装配合形式来进行零部件之间的互相连接，其次为了能使得辊很好的进行转动，那么支撑形式选择用滚动轴承较为合适一些。

从制造加工与灵活性方面考虑，我们会发现四辊的设备明显要优良于三辊的设备，其缺点就是当零部件增多的敌后，相应的整体设备的外形结构和尺寸都会加大，那么这样一来三辊形式的设备就变得比较常用了，其机架结构图如2.1。

图2-1 三辊式张力定径机工作机座结构
2.1.2传动装置的确定
传动方式主要有：单独传动、集体传动、差动传动，具体的特点如下：
①单独传动
一般这种形式的传动方式使用情况不是很多。

这是由于每架减径机都需要一台功率较大的电机来带动，整个机组的电机功率过大，电器控制装置费用高，技术复杂。

除此之外，如果材料物体在进入设备里面被加工的时候，自然就会产生工件加工速度减小的情况，如果出现这类情况的话，那么产品上面收到的相关张力大小就会很容易引起变化，这样钢管自然也就出现厚度尺寸大小不一样，质量性能不好的情况。

②集体传动
集体传动的张力定径机，有三种调节张力的方法，具体见下面所列出来的。

a.这种调节方法，一般在工作时会设置齿轮进行一个传动作用，与齿轮相互连接的是提供源动力的电机设备，当其开始工作时，设备里面的液压系统也就开始进行工作运动，这个系统的功能就是可以对所有机架进行一个快慢的控制或改变作用。

b.这种调节方法，一般在工作时候都会需要不止一个原动机来进行传动，那
么最常见的就是双电机，这两个设备，有一个和上面哪种方法的用途是相同的，也就是给与齿轮等零部件一定的速度，然后对于另外一个的话，其作用就是也能对齿轮进行控制，促使其进行运动，然后可以令相互靠近的一对辊件产生不同的速度快慢，这样一来我们所需要的张力也就会随之变化。

采用这样的方法可以对整个设备进行一个把握，那么不好之处就是调节没有那么方便。

c.最后这种方法也是电机与齿轮进行配合运动，使得辊零部件有快慢产生，当其开始工作时，设备里面的液压系统也就开始进行工作运动，这个系统的功能就是可以对所有机架进行一个快慢的控制或改变作用。

那么和第一种方法的区别是什么呢，显而易见，这样操作更为简单一些，因此目前很多生产制造厂商都青睐于这种方法。

在张力定径机上，这种设备也是整套流程里面相对来说很重要的机器，一般它上面的减径机器由20个左右的机架形成，对于减径效率可以在百分之四到百分之十二的范围左右。

上个世纪中期，有一种带张力的此类设备发明出来，它不仅可以进行减径操作和控制速度的操作，还可以同时进行张力改变钢管壁的厚度尺寸大小的操作，这种新设备的机架可以最大达到28个，在减径操作方面其效率可以最高达到百分之七十左右。

那么整个轧机由一台电机驱动，一般在工作时会设置齿轮进行一个传动作用，与齿轮相互连接的是提供源动力的电机设备，当其开始工作时，设备里面的液压系统也就开始进行工作运动，这个系统的功能就是可以对所有机架进行一个快慢的控制或改变作用。

由于减速箱体里面的零部件6对齿轮速的比通常是不恒定的，那么就会让1—6架的工作机座的轧辊的运动加快。

那么设备箱内部的圆锥形式的齿轮不仅仅是对后面的零部件和相关组件进行一个快慢的调节，同时会与速度提升的结构相互配合使用，使得其进行高速运动工作，然后再经过联轴器来对差动系统进行一个输入动力作用，这样一来减径机上面所连接那个轴就会得到不是恒定，可以进行变化的速度。

那么这个可以进行改变的快慢就和之前提到的相同，它可以借助减速设备，传递给辊轧设备，这样后者就会有一个速度的变化，那么速度的变化频率大小我们可以借助其来进行轧制辊的一个速度调节操作。

③差动传动
之所以这种方法叫做差动传动，就是因为产生外力，也就是张力的设备在结构原理上面为差动形式。

什么叫做差动传动呢，顾名思义就是在工作运动的时候会有一个转动速度的叠加作用，那么这种传动一般也不是单一的，有各种各样的形式。

如下面的图2.2所示，这是一个锥齿轮传动的差动变速器。

图2-2 差动变速器
由相关材料和文献我们可以得到轧制力矩和出轴速度的大小设计运算表达式，见下面：
0.50.5a b
a b M M M n n n ⎧=+⎨
=+⎩
式中:0.5a M M = ，0.5b M M =。

所以主电机和液压马达各承受一半的轧制的力矩。

2.1.3参数设计运算
在这次的课题中对于相关参数的分析，我们从机构的具体参数等展开讨论，其次还要进行电机的相关参数设计运算来作为选型依据，还有传动系统的讨论，进而进行设计运算分析， 除了参数的大小运算外，还要对一些重要的构件进行校核运算，保证其正常使用。

那么我们首先应设定性能参数为：
单轴传动三辊联合穿轧定径机主要参数：
毛坯直径为Ø55mm，加工管外径为Ø50mm，内径为Ø42mm； 第一孔厚：D1=45mm ，d1=42mm ； 出口：D=50mm ，d=42mm ； 芯棒：d2=42mm ；
轧辊最大线速度：v=3m ∕s 。

由以上数据计算： a.机架的确定
本设计内容是最后一个机架，一般油气管线的，定径率或减径率主要是整形保证钢管径等，除此之外，一般会进行增加钢管的屈服强度。

那么，我们在实际的设计时取减径率为0.5%。

b.轧制总压力的确定 机架孔型直径：
1(1)i i i d d ρ-=-
式中：i ρ—减径率，这里最后一架减径率为0.5%
d=42×（1-0.5）=21mm
椭圆系数：
()
11i i i i i a b αξρ=
=- 式中：i ξ—长半轴与短半轴的比值 长半轴：
11d i
a i i
α=+mm 式中：a =1 短半轴：
1i
i i
d b α=
+mm
b =
422
=21mm
轧槽宽度：
i i B =mm B =√3×21=36.4mm
轧辊的理想直径：
1cos l h
D α
∆≥
-
式中：h ∆—压下量mm
α—咬入角，型钢时取15°
取轧辊直径为750mm 。

底圆直径：
2i d l i D D b =-mm
D d =750−2×21=708mm
接触面积的计算：
0.95F B =得F=2889
平均单位压力的计算：
111
212133i i f
i i p s P k E E d η---⎡⎤
⎛⎫=-+ ⎪⎢⎥⎝
⎭⎣⎦ 式中：η
—考虑不接触变形区和张力系数
1η=+式中：1i p d -—进入孔型的钢管平均直径：
111i p i i d d s ---=-
式中：1i s -—进入孔型的钢管壁厚：
2341632
i i i i d d d
s A A A =
++ ()
()
00002
04/p i i i i s d s A s d d s d s -=-
孔管的平均直径0p d ：
000p d d s =-
孔型底部的轧辊半径l ：
l =式中：i d R ——孔型底部的轧辊半径；
d ∆——钢管在孔型中的压下量；
变形阻力k f ：
f k =1.15σs
式中σs 为轧制温度下管材的屈服点；
i E 、1i E -前、后张力系数；
()()
()()
2111li i ti i i li i ti i v v E v v φφφφ-++=
---
轴向对数变形li φ：
li φ= 1
ln
i i
F F - 上式中：i F 为钢管截面积； 壁厚系数i v ：
i
i i
s v d =
切向对数变形ti φ：
1ln
pi ti pi
d d φ-=-
简化得：
()15 4.10.330b c k p σδ⎡
=
-⎣
式中：b σ——金属的抗拉强度极限，45钢的b σ=676.2mpa ； t ——轧制温度，取t=950℃
k δ——轧制后管子的壁厚尺寸系数；k δ
=0.6
()6676.21015 4.10.30.630c p ⨯⎡=-⨯⎣
=445.991MPa
所以轧制压力：i c i P p F =⋅
P=2889×610-×445.991×610
=1288.468KN
轧制力矩的确定：
())
/3222sin l i i k k i
D
M fp d d πθθ⎤
=--
-⎢⎥⎦
f ——金属与轧辊间的摩擦系数
12i
i k l l fD ψθ⎛
⎫=
- ⎪⎝⎭
2ψ——是轧辊对钢管的包角
ψ=/3π
i l =d ∆=50-42=8
i d R ——轧辊半径
/2i i d d R D =
代入数据得：
R d =
708
2
=354 l =√354×8=53.21
θk =π×(1−53.21)=0.466
sin θ=sin0.466=0.449
()1.050.0005f t α=-
α—轧辊材料修正系数，钢辊α=1，硬面铸铁轧辊α=0.8 t —轧制温度，取轧制温度t=950度
()1.050.00059500.80.46f ∴=-⨯⨯=
M =0.46×1288.468×42×√3[
75042(π3−2×0.449)−(√3
2
−2×0.449)]=51704.069Nm
2.1.4总功率校核与电机设计分析
a.减速器分析
在实际的设计中，我们通常会将轧辊的转速设置为30—140r/min 范围里面取值比较合适一些,这里取40r/min ，由于轧制的最大的速度为1.2m/s,我们根据相关材料和文献取两级展开的圆柱型齿轮减速器更合理一些。

再根据相关材料和文献我们又可以选择ZLY560-14-I 型号，那么又可知它的传动比是14左右，在工作中其实为14.14最准确。

本次课题所设计的设备中我们要求三个轧辊的转速大小是一致的，那么就能够得知其主电机轴上力矩由两部分，具体的设计运算表达式见下面：
1
2Z f Z
D f f M M M M M M i
i
+=
+=
+ 式中：D M —单轴传动三辊联合穿轧定径机主电机的力矩
Z M —单轴传动三辊联合穿轧定径机轧辊上的最大轧制力
Z M =2M =91186.838Nm。