冶金机械设计理论

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——操作、维修简便。应给维修工作留有作业空间，零 部件易于安装与更换。 ——外形美观。注意外观形象，符合美学原则。对称和 谐，有稳定感与安全感。将技术与艺术统一起来，使产 品受到用户的喜爱。 2、执行机构的布置 执行机构的布置：应使零部件尽可能的少，缩小 执行机构的布置 机构的尺寸；使原动件接近执行机构；要考虑作业对 象的运送方便与安全。 3、传动机构的布置 传动机构的布置：简化运动链，所用零部件愈少 传动机构的布置 愈好；合理安排传动顺序，如将带传动安排在高速级， 将转变运动形式的机构（如曲柄连杆机构）安排在靠 近执行机构的位置以简化机构、减少冲击。 4、操纵件的布置 操纵件的布置：要方便操作，要靠近操作人员并 操纵件的布置 考虑人的习惯。
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——组合选型设计 组合选型设计 液压系统设计。
——选型设计 根据生产需要，直接选用标准产品及零 选型设计 部件：如减速机等。 以上五种类型中开发性设计 开发性设计是最具创新精神的也是 开发性设计 难度最大的，但在机械设计中不多见。而适应性设计则 是较多的。
2、机械系统设计过程
机械系统设计一般包括计划、外部系统设计、内部 系统设计和制造、销售4个阶段。具体见教材表1.1。作 为本专业的要求，主要是第3步——内部设计。
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前滑区及后滑区
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3、前滑的计算公式 前滑的计算公式
前滑值定义 : V1 − Vr S= ⋅100% Vr ∆h α 1 − 计算 : S = 2µ 4h1
4、应用 在连轧中必须保持各架的金属流量即秒流量相等，即： ViFi=C C为常数 即：FiVri (1+Si)=C
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技术过程的一般形式
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四、引入技术系统并确定系统边界
所谓引入技术系统就是根据技术过程的要求确定机械 系统的具体的任务，并把这个任务分配给子系统。而子 系统的构成又取决于机械化与自动化的程度以及系统边 界的划分。
五、确定功能结构
功能是系统的属性，它表明系统的效能以及可能实现 的能量、物料、信息的传递与补充。 总功能可以逐级分解成子功能，最终不能分解的基本 功能单元又称功能元 功能元。子功能组合而成机械系统总体的 功能元 功能。功能的分解与组合关系称之为功能结构。如轧钢 机可分为互相平行的工作机座与主传动两个子功能系统； 而子功能系统还可再加以细分直到轧辊、齿轮座等功能 元。 14
4、保证安全： 、保证安全： 指机械本身的安全与人——机——环境的安全。
5、提高可循环利用、环保性： 提高可循环利用、环保性： 指对周围环境的影响，减少排污（如开发环保产 品——无氟冰箱），废弃零部件可再生性等。
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三、机械系统设计类型与步骤
近年来，机械设计采用系统工程的方法进行产品的设 计与开发；对于复杂产品而言，这一方法尤为重要，可缩 短产品的开发周期并使产品更加安全可靠。 1、机械产品设计类型 ——开发性设计 全新设计。 开发性设计 ——适应性设计 适应性设计 不变。 ——变参数设计 变参数设计 不变。 改进原产品的某一结构，而功能、原理 改进原产品的结构参数，而功能、原理 选用标准零部件组合成新的产品，如
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二、机械系统的总体布置及主要技术参数的确定
总体布置必须有全局观点，一般先布置执行系统，再 布置传动系统，操纵系统等。总体布置不可能一次到位， 往往需要通过多次反复修改方可确定。 1、基本要求： 、基本要求 ——保证工艺过程的连续与流畅。即保证前后作业工序 的连续与流畅，物流合理，各部件的运动不发生干涉。 ——降低质心的高度、减小偏置。目的是提高机器在工 作时的稳定性。 ——保证精度、刚度及抗振性。主要是为了提高机械的 传动精度以保证机器正常工作并确保产品的制造精度。 如飞剪，锯切等。
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2、中性角γ计算公式：
T1 − T0 1 1 γ = α 1 − (α − ) 2 2µ P 如张力T为零则 : T 1 α γ = α 1 − 2µ 2
式中:T1、T0分别为轧制时的前张力与后张力。 在前滑区轧制速度大于轧辊水平速度，在后 滑区轧制速度小于轧辊的水平速度。
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3、传动系统： 、传动系统 在动力源与执行机构间传递运动与动力的中间环节， 如减速机；其作用是改变运动形式（转速）或力（力矩） 的大小。 4、操纵与控制系统： 操纵与控制系统 使机器的各个系统能协调地进行，一般通过人工操 作实现操纵功能，如离合、制动、变速等。
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二、机械系统设计的任务
机械系统设计的目的：提供质优价廉的机械产品。 一般而言，产品的质量首先取决于设计；产品质量事 故大多由设计不当造成的，产品的成本60-70%取决于 设计。 1、 合理确定系统功能： 合理确定系统功能 机械的功能是最重要的，用户购买的就是机械的功 能。机械的功能F越高，价格C越低，说明产品的价值 V越高（也就是一般所说的值不值的问题）；这就是 价值工程的原则：Value=Function/Cost。可以采用各种 不同的方法以提高产品的Value。 2、提高可靠性： 提高可靠性： 提高可靠性
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1.2 机械系统的方案设计
方案设计是整个设计的关键，方案设计应从机械系统的 功能要求入手，分析其中的技术过程并寻求解决的途径。 一般解决问题的方法可能不止一个，要加以比较优化找出 其最佳方案；并将复杂的设计要求分解、转化为简单的功 能模块，最终达到解决问题。 一、设计任务抽象化 设计任务抽象化 将各类产品的工作目的和特征总结为三个基本要素：能 能 物料与信息。这三个要素在整个工程中形成功能流、 量、物料与信息 物料流与信息流。对于复杂机器，应采用黑箱法进行抽象， 与环境的关系采用输入/输出量表示，如图1.1即为顶吹氧 气转炉的黑箱模型。由此可确定工艺原理。
1.3 机械系统的总体设计
一、初步总体设计及总体设计 每一种机械系统不是孤立的，它与外界系统存在着密 切的关系，设计机械时，必须考虑这一因素，使所设计 的机械与环境相适应，达到尽善尽美的地步。 1、 初步总体设计 、 初步总体设计：即绘制机械布置草图，确定各部件 及相对位置、主要尺寸。对整机进行必要的工作能力与 性能预测。特别要注意各个部件之间的联系和协调，消 除薄弱环节，提高可靠性、经济性。 2、 总体设计 、 总体设计：对初步设计的结果进行进一步完善，对 所设计结构作完整的描述，并以此作为下步零部件设计 的依据。要严格按比例画图，并表示出相关的细部结构 与重要尺寸。
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二、变形区及其参数 变形区及其参数
D、R 轧辊直径、 半径。 h0、h1 ：轧制前 后轧件高。 压下量： Δh =h0-h1 b0、b1 ：轧制前 后宽度。 宽展量Δb =b0-b1 L0、L1 ：轧制前 后轧件长。 延伸率 λ=L1/L0
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α——咬入角，接触弧所对应的中心角。 cos α=1- Δh /D
α = ∆h / R
AB弧称为接触弧或咬入弧。
l——接触弧的水平投影
l = R ⋅ ∆h
以上各参数定义必须牢固掌握！
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三、轧制过程变形系数 轧制过程变形系数
1.压下系数 : η = h1 <1 h0
b1 2.宽展系数 : β = > 1 b0 L1 3.延伸系数 : λ = >1 L0 h1 ⋅ 1 ⋅ L1 η ⋅ β ⋅λ = = 1 − − − 体积不变定律 h0 ⋅ b0 ⋅ L0
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2、金属塑性变形——轧制力能参数
2.1 轧制过程的基本概念及基本参数 轧制力能参数——轧制力与轧制力矩、电机功率确定。 研究方法：理论计算（解析法、滑移线法、有限元法 等）； 还可以用实测方法。 目的：建立轧制力计算数学模型及轧机强度计算。 一、轧制时的变形区的金属的应力状态 轧制时的变形区的金属的应力状态 由两条接触弧围成的区域称之为变形区。 由于轧件在垂直方向产生压缩，沿横向及轧制方向产 生延伸，在接触区内存在阻止金属滑动的摩擦阻力，故 变形区内的金属处于三向压缩状态，如图示。
四、绝对压下量与相对压下量 绝对压下量与相对压下量
1、绝对压下量： Δh =h0-h1 2、相对压下量：ε= Δh/h0× %
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五、轧制时的前滑与后滑
1、定义：轧制时轧辊的圆周速度Vr与轧制速度V 不等。（Vr≠V） 在变形区的出口： V > Vr前滑。 在变形区的入口： V < Vr后滑。 在接触区内必有一点：V=Vr，称之为中性点。 相对应的角γ为中性角，所对应的轧件断面为中 性面。
六、确定设计方案 确定设计方案
1．寻找实现分功能的载体 寻找实现分功能的载体：技术物理效应即物理学原 寻找实现分功能的载体 理在工程上的应用，也就是实现其功能的载体。应用物 理学上的力平衡原理可导出滑轮，滑轮就是一个功能载 体。分功能与技术物理效应是对应的，找到了并确定了 实现分功能的载体，就可以组成具体的设计方案。 2．功能载体的组合 功能载体的组合：从原理上讲，每一个分功能均可 功能载体的组合 找到其对应的技术物理效应与功能载体，后者的组合则 可得到实现总功能的各种不同的总体方案。可能的功能 与其载体的组合构成形态学矩阵，如表1.2所示，就是 轧机压下的形态学矩阵。 3．确定基本结构布局 确定基本结构布局：前述每一种组合只是一种功能 确定基本结构布局 性的概念，其功能载体在空间可以有不同的组合，对于 每一种组合可能有不同的结构布局，由此可加以选择并 得出一种基本的结构布局。 15
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第二章：轧制力能参数
计划学时：10学时 主要内容：轧制过程基本概念及主要参数 轧制时接触弧上的平均压力、屈服条件；卡尔曼 微分方程及其Bland-Ford解；奥洛万方程及Sims解； 轧制压力计算的其它方法。 轧制总压力及轧制力矩的计算、电机形式及功率 选择。 重点及难点： 重点及难点 重点---轧制过程主要参数及轧制压力计算、屈服 条件。 难点---变形区的单位压力计算微分方程；轧制时 接触弧上的平均压力。
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5、总体主要参数的确定 总体主要参数的确定
包括生产能力、尺寸参数、力能参数（负载及驱动功 率）以及机器的运动参数（速度范围）等。 以上就是设计机器的一般的步骤与要点：包括总体功 能及方案设计。实现一种功能可以有多种不同的配置与 方案，作为设计者必须从中进行比较、优化；力求选取 其中最优的，也就是性价比最高的设计方案。