毕业设计_20--40mm板材矫直机设计方案说明书

20-40mm板材矫直机设计

作者姓名：左一

指导教师：杨会林副教授

单位名称：机械工程与自动化

专业名称：机械设计及自动化

东北大学

2011年6月

20-40mm straightening marching design

by Zuo Yi

Supervisor: Yang Huilin

Northeastern University

June 2011

毕业设计（论文）任务书

20-40mm板材矫直机设计

摘要

在轧制生产过程中，由于塑性变形、冷却不均或运输等一系列原因使轧件产生不同程度的挠曲、瓢曲、波浪、镰刀弯和歪扭，或内部残余应力，从轧机出来的轧件往往具有不平直性和形状尺寸精度误差较大的情形。因此矫直技术是提高板带钢产品表面质量和平坦度的重要环节。

本文介绍了平行板矫直机的结构特点和功能。并且对矫直机的发展趋势和实际生产中存在的问题做了阐述。本次设计的矫直机是用来矫正钢板在轧制过程中产生的各种弯曲和瓢曲，通过矫正可消除钢板弯曲应力，并提高钢板的平直度，达到用户的要求。设计中对矫直原理做了详细具体的阐述，对其主要零部件做了校核，对矫直机的力能参数做了计算，同时包括机架、上矫直辊系、下矫直辊系、压下与平衡系统等主要部件的设计。为了避免矫正时的冲击，压下装置中装有机械式平衡机构，平衡弹簧装在托盘上通过拉杆来平衡上活动横梁的全部重力，并能消除螺母与螺杆直角的窜动间隙。托盘将全部重力通过推力轴承压到平衡螺母上，而平衡螺母又通过内齿圈与蜗轮螺母联结成同步转动又互不相压的关系。

关键词：板材矫直机，平行辊式，压下与平衡装置

20-40mm straightening marching design

Abstract

In rolling production process, a number of reasons such as plastic deformation, uneven cooling or transportation make a rolled produce different degrees of bending, buckling, wave, bend, and the crooking, or internal residual stress. Rolled from the rolling mill are often with bad shape and size and larger error precision. So the straightening marching has been an important part to enhance the surface quality and flatness of the production.

This article describes the structure, features and functions of parallel plate straightening marching. The development trend of the straightening machine and the actual production problems are also described in detail. The design of the straightening machine is used to correct plate in the rolling process for a variety of bending and buckling. By correcting plate can eliminate bending stress, and improve the flatness of steel plate to the user's requirements. The design includes a detailed concrete exposition of the principle of straightening, check of its main components and the calculation of parameters of the straightening machine. It also includes the design of the rack, the upper straightening rolls and lower straightening rolls, the pressure and balance system, and other major components. In order to avoid the impact, the device equipped with a mechanical balance body and balance spring mounted on the tray through the rod to balance all the gravity of the upper moving beam and also to remove the nut and screw at right angles to traverse the gap. The tray puts all the gravity pressure on the balance through and the thrust bearing nut while the balance nut ring gear linked the balance nut and the worm nut into a synchronous rotation and no pressure between each other.

Key words: Plate straightening machine, Roll, Pressure and the balance device

目录

第1章绪论 (1)

1.1 设计背景 (1)

1.2 国内外研究现状、发展动态 (1)

1.3矫直机的类型 (3)

1.3.1应用弹塑性弯曲变形进行矫直 (3)

1.3.2应用弹塑性拉伸变形进行矫直 (5)

1.3.3利用弹塑性扭转变形进行矫直 (6)

1.3.4应用轧压原理进行矫直 (6)

1.3.5应用组合变形进行矫直 (6)

1.4 平行辊矫直机简介 (7)

1.4.1平行辊矫直机的矫正过程 (7)

1.4.2平行辊矫直机的优缺点 (8)

1.5 设备概况 (8)

第2章平行辊矫直机的参数计算 (11)

2.1 技术参数 (11)

2.2 结构参数计算 (11)

2.3 力能参数计算 (12)

2.31 矫直力与矫直力矩的计算 (12)

2.32 矫直功率的计算 (13)

第3章主要部件设计 (17)

3.1主传动系统设计 (17)

3.2下矫直辊系 (17)

3.3上矫直辊系 (18)

3.4上下支承辊及调整装置 (18)

3.5压下平衡系统 (19)

3.6机架 (21)

3.7导卫装置 (21)

3.8润滑 (22)

3.9电控装置 (22)

3.10结论 (23)

第4章主要部件的校核 (31)

4.1矫直辊的校核计算 (31)

4.1.1矫直机矫直扭矩的计算 (31)

4.1.2第三辊弯曲力矩的计算 (32)

4.1.3支反力的确定 (35)

4.2矫直辊强度的计算 (36)

4.3 轴承寿命的校核 (37)

参考文献.......................................... - 39 -结束语............................................ - 41 -附录.. (42)

第1章绪论

1.1 设计背景

矫直是近百年来发展起来的工艺技术，是应用弹塑性理论将弯曲的、断面不规则的型材变直和整形的一种机械加工方法，广泛应用于机械工业和冶金工业中。矫直机可以单独地用于机械加工车间，对机件或构件坯料进行矫直，如桥梁、船舶、汽车、锅炉等工厂的坯料车间等：也可以用于消除机件由于意外的创伤和长期蠕变而产生的塑性弯曲及变形，进行修复性的矫直，如轴类的矫直，自行车圈的矫平，旧钢丝绳的复原等。

矫直技术在冶金工业中用途非常广泛，矫直机是冶金工业生产中常用的辅助设备。在现代化程度较高的连铸生产线中连铸坯的矫直设备是必不可少的，型钢、钢板、钢管等轧钢厂的精整车间，矫直机则更是必备的设备之一。

轧件在轧制生产过程中，由于塑性变形、冷却不均或运输等一系列原因使轧件产生不同程度的挠曲、瓢曲、波浪、镰刀弯和歪扭，或内部残余应力，从轧机出来的轧件往轧件在轧制生产过程中，由于塑性变形、冷却不均或运输等一系列原因使轧件产生不同程度的挠曲、瓢曲、波浪、镰刀弯和歪扭，或内部残余应力，从轧机出来的轧件往往具有不平直性和形状尺寸精度误差较大的情形，这主要是受轧钢生产工艺和冷却过程综合影响的结果。

为了保证产品的安全可靠性，国家对各类产品都制定了一定的质量标准。轧件的变形必须限制在一定的公差范围以内。单纯从轧制生产工艺方面消除轧件的挠曲和瓢曲既不现实也相当困难，因而需要有专门的矫直设备，将已经产生变形的轧件进行矫正，使其达到标准所规定的公差范围以内，从而得到平直性好的产品，这使得矫直机成为冶金工业中必不可少的设备之一。

1.2 国内外研究现状、发展动态

厚板矫直技术在我国起步较晚，且理论研究较生产落后的现象突出，经过近些年来工业的发展和自身技术的进步，矫直机的性能和各项参数都有了很大的改善。钢板的宽度、厚度及长度规格也在不断扩大。我国20世纪五、六十年代的大部分矫直机的辊系都采用大节距大工作辊，矫直厚度范围仅在4~5倍，支承辊承载能力低，使矫直能力低下，且工作辊轴承座是整体、固定不可调节的，造成矫直钢板质量低，产品成材率低。

近几年，我国中厚板产量持续增长，随着用户对板形质量要求的不断提高，板材发展的重点正从追求产量转移到追求质量。采取措施改善板形质量已成为生产者急需解决的事情。矫直机是改善板材质量的主要设备。

目前，我国已有中厚板轧机31套，正在建设或计划建设中厚板轧机约24套，中厚板轧机合计约55套(未含台湾)，中厚板年生产能力约六千多万吨。中厚板轧钢厂热矫直机有近一半已进行了技术改造,安装了新型四重式11辊、上辊或下辊可整体倾动、可快速换辊的恒辊距矫直机。还有一半热矫直机和多数冷矫直机是50~60年代的台式矫直机。目前国内外钢板矫直机均是恒辊距矫直机,或少数双恒辊距矫直机使矫直机向自动化、全液压、高负荷、高刚度、多功能、强力矫直技术发展，即采用第三代矫直机，从而进一步提高钢板表面质量。

在20世纪末，世界轧钢技术发展迅速。轧钢生产在自动化、高精度化、连续化方面取得了较大进步。轧钢生产是将钢锭或钢坯轧制成钢材的重要生产环节和主要方法。因为用轧制方法生产出的钢材，具有生产率高、生产过程连续性强、品种多、易于实现机械化、自动化等优点，而且比锻造、挤压、拉拔等生产产品，性能更高，成本更低。目前，约有93%的钢都是经过轧制成材的。有色金属生产也大量应用轧制方法。

轧钢生产的主要产品为建筑、造船、汽车、石油、化工、国防、矿山等专用钢材。目前，我国轧钢生产的钢材品种主要有薄钢板、硅钢片、钢带、无缝钢管、焊接钢管、铁道用钢、普通大型材、普通中型材、普通小型材、优质型材、冷弯型钢、线材、特厚钢板、中厚钢板等。轧钢生产的产品按钢材断面形状分为：钢板、钢管和型钢。型钢是一种应用范围广泛的钢材。我国型钢产量占钢材总产量的25%～30%。型钢按用途分为：普通型钢和专用型钢。从断面形状又可分为异型断面型钢和简单断面型钢。从生产方式的角度又可分为焊接型钢、弯曲型钢和轧制型钢。

板带材也是一种广泛应用的钢材，我国的板带材产量占钢材总产量的45%～55%。板带钢按应用领域分为建筑板、桥板、船板、汽车板、电工钢板、机械用板等。按照轧制温度的不同又可以分为热轧板带和冷轧板带。钢板按厚度分为：中厚板、薄板和箔材。

钢管的用途主要有建筑用管和石油管道等。我国钢管产量占钢材总产量的10%～15%，钢管的规格一般用外形尺寸及壁厚标称。其断面一般为圆形管，也有多种异型钢管和变断面钢管。钢管从制造角度划分为无缝钢管、螺旋钢管与直缝钢管、冷轧钢管等。按断面形状划分为圆形管、异型钢管和变断面钢管。这些品种齐全、样式繁多的钢管被应用在管道、石油运输，锅炉侧壁、地质钻探、轴承及注射针管等方面。

随着轧钢工艺及轧钢技术的不断发展，钢材的生产范围将不断扩大，产品品种也将不断增多。近年来我国许多有价值的钢板产量大幅度增长，冷轧硅钢片2003年已达89.6万吨，镀锡板2002年已经达到110万吨，管线钢、石油管、耐火钢板、冷轧不锈钢板

产量达55万吨。

目前，国外对矫直机理论，矫直设备的研究正在扩展和深化，如向大截面型材，超薄壁管材，特殊截面异型材和高强度合金材料的矫直方向发展同时也向提高矫直精度，减少残余应力，减少功率消耗以及提高数学模型精度的方面深入。

进入20世纪，以电力驱动代替蒸汽动力为标志，推动了机械工业的发展。英国在1905年制造的辊式板材矫直机大概是我国见到的最早的l台矫直机。

国际上比较著名的轧钢设备生产商主要在德国、日本等西方发达资本主义国家。例如德国的德马克、西马克，日本的三菱重工等大集团，他们不断提高矫直机性能，使高刚度、全液压和自动化功能更强，对钢板的矫直效果更好。应用技术一般有预应力机架、液压平衡系统、换辊装置、压下系统（AGC）、弯辊系统（APC系统）、辊系分组传动或单独传动等。

1.3矫直机的类型

对于不同品种规格的轧材，需采用不同结构形式和不同规格的矫直机。所以矫直机的结构形式多种多样，矫直方式也不尽相同，就其用途和工作原理可分为：压力矫直机：辊式矫直机；管棒材矫直机；张力矫直机；拉伸弯曲矫直机；扭转矫直机。各种矫直机的结构形式也千差万别，就是矫直同一类产品，由于规格的不同也会有不同的结构。甚至用于同一规格的产品也有不同的结构设计，一方面是因为对性能要求的不同，另一方面是由于设计人员的不断改进、完善。

根据使轧件产生弹塑性变形方式的不同，矫直机可分为下列几类。

1.3.1应用弹塑性弯曲变形进行矫直

应用弹塑性弯曲变形进行矫直的矫直机主要有以下几类。

(1) 压力矫直机

压力矫直机应用一次弹塑性弯曲矫直轧件。轧件在活动压头和两个固定支点间，利用一次反弯的方法进行矫正。这种矫直机用来矫直大型钢梁、钢轨和大直径钢管或用作辊式矫直机的补充矫直。其主要优点是可以进行有选择地补充矫直，但生产率低。常见的结构和传动型式有立式和卧式。近几年来出现了倾斜式压力矫直机，可以用来矫直复杂断面的轧件，例如德国生产制造的倾斜式压力矫直机，可动的C型机架沿弧形槽移动，可以与轧件形成任意角度，因而轧件进入时可以不移动。

(2) 辊式矫直机

辊式矫直机应用多次弹塑性弯曲进行矫直轧件，也可以用来矫拉拔挤压产品的纵弯和断面扭曲。辊式矫直机的种类很多。按用途可分为型钢辊式矫直机和板材辊式矫直机；

按结构型式可分为门式结构和悬臂结构矫直机；按辊数有5-29辊之分；按驱动方式有单排驱动、双排驱动及混合驱动；按主传动电机数量有一机多辊及单机单辊之分；按调节方法有上辊可调与下辊可调之分；按控制形式有手动、机动及计算机控制之分，其控制内容主要是矫直速度和压下量。

传统的辊式矫直机是矫直辊在一个垂直面内旋转，即单面矫直机，主要用来矫直轧件的纵向弯曲，上辊可以单独调整、整体调整或局部调整。最近十几年出现了所谓的双面矫直机，实际上是采用两组互相垂直的矫直辊，一组用来矫直轧件水平面的纵向弯曲，另一组用来矫直轧件垂直面内的纵向弯曲，也就是轧件的横向弯曲。在两个互相垂直的平面内矫直，矫直质量要比单面矫直好。包钢轨梁厂在原来的矫直机出口处再加一水平卧矫，以矫直水平方向的侧弯。

为改善钢材在辊系内残余应力状况，以及更好地矫直轧件的头尾两端，国内外出现了变辊距矫直机和双交错变辊距矫直新技术。变辊距矫直机是从改善咬入条件、减小受力最大的矫直辊矫直力出发，根据需要排列辊距，以获得最佳的辊距配置，使前面的辊距大些可以减小矫直力，扩大矫直范围，并便于咬入；后面的辊距小些，可以提高矫直质量。这种矫直机的品种适应性较强。双交错变辊距矫直机是针对单交错辊系的缺点而改进矫直辊的排列方法，图1.1为双交错变辊距矫直机示意图。单交错辊系的辊距受辊径的限制，不能缩小；辊径受强度限制也不能缩小，在轧件两端的半个辊距长度内轧件得不到足够的弹塑性反弯而不能矫直。双交错辊系则能使轧件头尾两端难矫直的长度尽量减小，并不再受辊距及辊径的限制。为了避免矫直力、残余应力的明显增大以及对能量消耗和断面形状的不利影响，必须采用变辊距的方法，当轧件在辊系中形成连续受力状态时，便将每对辊子中的一个退离工作状态。随着轧件的前进，矫直力将不断变化。

图1.1双交错变辊距矫直机

(3) 斜辊矫直机

斜辊矫直机是旋转矫直的主要设备，适用于矫直圆形断面的轧件，旋转矫直机中最常用的是多斜辊矫直机和二(斜)辊式矫直机。近年来还出现了八辊和九辊的斜辊式矫直

机，它们的工作原理基本相同，轧件在垂直于横断面的各个平面上发生弯曲。多斜辊矫直机是一种规模大、品种多、规格齐全的矫直设备。其除有辊系不同之外，在结构上有卧、立之分；按辊座数量有双辊座和三辊座之分；按辊子长度有同辊长与异辊长之分；按驱动方式有全驱动和部分驱动之分；按传动方式有万向联轴器传动和锥齿轮传动之分。二(斜)辊式矫直机属于高精度矫直设备，结构比较简单，品种比较单纯，辊子倾角调节范围小，操作容易，但矫直速度低。结构上有立式与卧式之分；传动方式上有万向轴传动与伞齿轮传动之分；驱动方式上有单机驱动与集体驱动之分。

(4) 转毅矫直机

转毅矫直机属于小型矫直机一类，用来矫直条材，在中小企业中大量使用，历史悠久，结构简单，容易制造，多用于辅助生产。用转毅的旋转代替圆材的旋转，孔模交错布置使轧材在前进中要经受多次的反弯，转毅式矫直机在国内得到很好的应用，在技术发达国家应用就更为广泛，产品己经形成系列化。

(5) 变断面轧材矫直机

由于变断面轧材的需求量越来越大，因此变断面轧材的矫直也随着发展起来了，在连续改变厚度的变断面板材矫直时，矫直机的上辊能完全适应板材厚度变化规律，同步地改变压下量。在矫直具有接头的管材、棒材时，矫直机的上辊能在接头通过时迅速抬起。

(6) 振动矫直机

振动矫直机是利用孔型在相互垂直两个方向上的高速振动，使轧材产生反复弯曲，并在通过几个孔型之后，使轧材变直。这种矫直法适用于薄壁异形管材的矫直，其辊型多是多辊封闭孔型。

1.3.2应用弹塑性拉伸变形进行矫直

图1.2为拉伸矫直杌示意图，拉伸矫直机有辊式和夹钳式拉伸矫直机之分，钳式拉伸矫直机是开发最早的拉停矫直机，用于矫直单根钢筋、型材和单张薄板。不能用于连续生产线上，并且由于钳口夹紧力难以保持一致，易造成钳口夹痕和板材幅向变形不匀及引起切头损失。辊式拉伸矫直机克服了夹钳式拉伸矫直机的缺点，多用于薄带板材的生产线上，但是辊式拉绅不能代替型材的钳式拉伸，因为型材不仅不适于缠绕在辊简上，即使型材断面可以绕上辊筒，也因宽度小、厚度大而不可能产生足够的拉力。

图1.2拉伸矫直机

1.3.3利用弹塑性扭转变形进行矫直

这类矫直机主要用于矫直较大局部变形的型钢。矫直时轧件固定夹紧，进行反向扭转，达到矫直的目的。这是一种较特殊场合才使用的方法。

1.3.4应用轧压原理进行矫直

这类矫直机也可以称为平整轧机，主要是对薄板进行小压下量(3％以下)的轧压，消除轧件挠曲，特别是瓢曲。这类平整轧机不易调整，矫直效果有时不理想，且不适于矫直型钢。平整机主要用于矫正冷轧退火后的板材，平整轧制的目的在于消除屈服平台，防止继续加工时发生滑移线；提高抗拉强度，扩大塑性变形范围；改善板形，增大平直度；获得一定的表面硬度及粗糙度。

1.3.5应用组合变形进行矫直

应用组合变形进行矫直的矫直机主要有以下两类：

(1) 拉弯矫直机

图1.3为拉弯矫直机示意图，是在拉伸的同时加上弯曲，防止轧件的全断面同时被拉伸而可能出现的拉裂或拉断危险，在拉伸的同时加上反复弯曲，则各断面将在不同时间内两侧都受到较大的拉伸变形，可取得很好的矫直效果。拉弯矫直不仅可以改善矫直质量，矫直带材的各种波浪弯、瓢曲，消除镰刀弯，而且还可以提高带材的机械性能，生产率高，所需能量较少。这种矫正机组一般用在连续作业线上，可以矫正各种金属带材(包括高强度极薄带材)。拉弯矫直机也可在酸洗机组上进行机械破磷，以提高酸洗

机组速度。

图1.3拉弯矫直机

(2) 拉扭矫直机

拉扭矫直机是在矫直弯曲的同时采用扭转矫直，这种矫直方法适用于薄壁异型断面轧材。

1.4 平行辊矫直机简介

1.4.1平行辊矫直机的矫正过程

平行辊矫直机的理论基础为金属材料在较大弹塑性弯曲条件下，不管其原始弯曲程度有多大，在弹复后所残留的弯曲程度差别会显著减小，甚至会趋于一致。随着压弯程度的减小其弹复后的残留弯曲会一致趋近于零值，从而达到矫直目的。因此，平行辊矫直机必须具备两个基本特征，第一是具有相当数量交错配置的矫直辊以实现多次的反复弯曲；第二是压弯量可以调整，能实现矫直所需要的压弯方案。对于辊式矫直机，按照每个辊子使轧件产生的变形程度和最终消除残余曲率的方法，可以有多种矫直方案。主要是小变形矫直方案和大变形矫直方案两种。

小变形矫直机每个辊子的压下量都可以单独调整的假想矫直方案。矫直机上各个辊子的反弯曲率的选择原则是：只消除轧件在前一辊上产生的最大残余曲率(即进入本辊时的最大原始曲率)，使之矫平。由于轧件上的最大原始曲率难于预先确定与测量，因而，小变形矫直方案只能在某些辊式矫直机上部分的实旎。这种矫直方案的主要优点是，轧件的总变形曲率较小，矫直轧件时所需的能量也少。对于那些原始曲率较大，曲率方向变化频繁的加工件，多采用连续式多辊递减压下的辊式矫直机。辊式矫直机的矫直过程，是使加工件在交替布置的多个矫直辊间经受多次反弯，在消除原始曲率不均匀性的同时，逐渐使加工件趋于平直。

大变形方案是使具有不同原始曲率的轧件经过几次剧烈的反弯(大变形)以消除轧件原始曲率的不均匀度，形成单值曲率，然后按照矫直单值曲率轧件的方法加以矫直的方案。采用大变形矫直方案，可以用较少的辊子获得较好的矫直质量。但若过分增大轧件的变形程度，则会增加轧件内部的残余应力，影响产品的质量，增大矫直机的能量消耗。

1.4.2平行辊矫直机的优缺点

辊式矫直机的主要优点是：生产率高，便于机械化和自动化的连续性生产。辊式矫直机的主要缺点：辊式矫直机能完全消除L瓢曲和C瓢鳇，但对形状不良矫直效果不甚明显。矫直过程实质就是弹塑性变形过程，塑性变形必会改变带材原来的内部平衡状态，即改变了材料性能的均匀性，还会在带材表面产生某些影响粗糙度的缺陷。经过辊式矫直机的板带材屈服极限的各向异性变得突出。最初的大变形会使其横向产生密集的折裂线。整个矫直系统因刚性不足、安装不良、弹性打滑等因素引起的振动，在带材表面横

图1.4 20-40mm板材矫直机外形图

向形成细纹裂痕，即通常所说的振痕。

1.5 设备概况

辊式矫直机的主要优点是：生产率高，便于机械化和自动化的连续性生产。辊式矫直机的主要缺板材矫直机是矫直板材波浪弯机剽曲等缺陷的一种机械设备，本设备按JB/T3164（辊式板材矫正机技术条件）标准所规定的要求制造，其主要用于在常温条件下对碳钢、低合金板材的矫平工作，经过矫平后的板带材其平直度达到国家标准，满足使用条件。本设备由机架、上矫直辊系、下矫直辊系、上下支撑辊及调整装置、压下与