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第 44 頁
圓盤剪切機設(shè)計
1.緒論
1.1選題的背景和目的
剪切機有各種類型，平刃剪、斜刃剪、圓盤剪和飛剪。平刃剪用于剪切方坯，斜刃剪用于剪切板材，而圓盤剪廣泛用于縱向剪切厚度小于20~30毫米的鋼板及薄帶鋼。而飛剪用于剪切運動著的軋件，其剪刃有平刃、斜刃和圓盤式飛剪。
圓盤式剪切機由于刀片是旋轉(zhuǎn)的圓盤，因而可連續(xù)縱向剪切運動鋼板和帶鋼。圓盤式剪切機通常設(shè)置在精整作業(yè)線上用于將運動著的鋼板縱向邊緣切齊和剪切或者切成窄帶鋼，根據(jù)其用途可分為剪切板邊的圓盤剪和剪切帶鋼的圓盤剪。
剪切板邊的圓盤剪，每個圓盤刀片均以懸臂的形式固定在單獨傳動的軸上，刀片的數(shù)目為兩對。這種圓盤剪用于厚板精整加工線。板卷的橫切機組和連續(xù)酸洗機組等作業(yè)線。剪切帶鋼的圓盤剪用于板卷的縱切機組，連續(xù)退火和渡鋅機組等作業(yè)線上。將板卷切成窄帶鋼，作為焊管坯料和車圈的坯料等。這種圓盤剪的刀片數(shù)目是多對的，一般刀片都固定在兩根公用的運動軸上，也有少數(shù)的圓盤刀片是固定在獨立的傳動軸上的。
這次選圓盤式剪切機作為設(shè)計題目是在對1700橫切機組的調(diào)研的背景下進(jìn)行的。1700橫切機組使用多年，其中圓盤剪使用過程中存在一些問題。該廠對該剪切機也進(jìn)行了多次改造。圓盤剪使用過程中傳動系統(tǒng)精度底，徑向調(diào)整機構(gòu)和刀片側(cè)向調(diào)整精度低，迫切要求更新和改造設(shè)計。
這次設(shè)計的目的就是通過設(shè)計對主軸傳動系統(tǒng)，刀片側(cè)向調(diào)整機構(gòu)，特別是各個機構(gòu)中的傳動部分進(jìn)行設(shè)計。通過設(shè)計過程掌握圓盤剪單體機械設(shè)備的設(shè)計方法，使所學(xué)的理論知識和實際結(jié)合起來，提高設(shè)計能力，獨立分析能力和繪圖技術(shù)，進(jìn)行規(guī)范化的的訓(xùn)練為今后的工作打下有力的基礎(chǔ)。
1.2 圓盤式剪切機國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀
圓盤剪切機有下列幾個機構(gòu)組成：刀盤旋轉(zhuǎn)傳動系統(tǒng)，刀盤徑向調(diào)整和刀片的側(cè)向調(diào)整，剪切寬度的調(diào)整等。剪切寬度的調(diào)整實際上就是對機架的距離調(diào)整。
早期圓盤式剪切機速度較低，圓盤式剪切機刀片旋轉(zhuǎn)是用電機通過齒輪傳動，以及和萬向連接軸來實現(xiàn)的。刀盤徑向間隙調(diào)整用電機通過蝸桿蝸輪傳動是偏心套轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)的。而刀片側(cè)向間隙是 用手動通過蝸輪傳動使刀片軸軸向移動來完成的。
隨著生產(chǎn)的發(fā)展，圓盤式剪切機剪切速度在逐漸提高，由于受到碎邊機的限制，現(xiàn)在大型圓盤剪切機的剪切速度通常為0.4米/秒。目前圓盤式剪切機裝在橫切機組上，剪切厚度為0.6~2.5毫米，寬度為700~1500毫米。帶鋼剪切速度達(dá)到1~3m/s。刀片傳動通過減速機和4個相同尺寸的齒輪同時傳動兩對刀片。為保證刀片同步，4個齒輪組成相當(dāng)于連桿機構(gòu)，使齒輪傳動的中心距不變，提高了齒輪傳動精度，為調(diào)整上刀片徑向間隙，上刀片軸承座可沿機架滑道上下移動。滑座移動用針齒擺線減速機，它體積小速比大調(diào)整精度高。刀片軸向距離調(diào)整也采用針齒擺線減速機驅(qū)動絲桿和螺母來實現(xiàn)的，為了提高傳動精度，傳動系統(tǒng)增加了測速裝置，進(jìn)行主傳動速度調(diào)整。
圓盤剪后設(shè)置碎邊剪，將剪切下來的板邊剪成碎段送到下面的滑槽中，也可對剪下來的薄板邊用卷取機卷起來，然后停車卸卷。為了使切下來的板邊的鋼板平直，在出圓盤剪時切邊應(yīng)向下彎曲，現(xiàn)在采用上刀片軸相對下刀片軸移動一個不大的距離或者上刀片直徑比下刀片直徑小一些來實現(xiàn)見圖1.1。
圖1.1 使鋼板保持水平位置的方法
目前，各國都在研究擴大圓盤剪的剪切范圍，有的國家已經(jīng)采用兩臺連續(xù)圓盤剪，剪切厚度為10毫米的鋼板，第一臺圓盤剪切入板厚的5%~10%，緊接著由第二臺圓盤剪將鋼板全部切斷，見圖1.2。
在冷軋橫切機組上采用不帶驅(qū)動裝置的圓盤剪，其圓盤剪刀片的傳動是由帶有一定張力的被剪切的帶鋼來帶動實現(xiàn)拉剪方式。
分條圓盤剪為了提高工作效率，從而采用了兩套機架，輪流使用，整體更換使設(shè)備的維修性提高，但投資費用大。
1.3 圓盤剪切機研究的內(nèi)容和方法
1.3.1圓盤剪切機在機組的布置和作用
1、熱軋鋼板精整機組
熱軋鋼板精整機組示意圖如圖1.3所示
圖1.2 雙重圓盤剪示意圖
1. 運輸輥道 2. 前斜刃剪 3. 后斜刃剪 4. 圓盤剪 5.碎邊機
圖1.3 熱軋鋼板精整機組示意圖
熱軋鋼板冷卻后由運輸輥道運輸?shù)胶笮比屑暨M(jìn)行切頭，然后送到圓盤剪切邊，在
達(dá)到一定寬度要求后送到冷床。切下的邊由碎邊機剪切成小段后運走。為滿足鋼板的
長度要求，再由輥道運回前斜刃剪，加工成一定的尺寸長度。
圓盤剪的作用是剪切鋼板寬度尺寸，即去掉兩邊并切齊滿足寬度要求。
2、1700橫切機組
1700橫切機組的布置見圖1.4所示。
由吊車將鋼卷吊來放到鏈?zhǔn)絺魉蜋C上進(jìn)入拆卷機拆卷，由伸直機將板頭伸直，由下切剪切頭后經(jīng)17輥矯直機初矯后到圓盤剪進(jìn)行切邊，再送入1700矯直機進(jìn)行膠直，最后由飛剪組合控制剪切帶鋼的長度，帶鋼連續(xù)運行切斷，由涂油機經(jīng)給料輥進(jìn)入磁力輥
1. 拆卷機 2. 伸直機 3. 下切剪 4. 17輥矯直機 5. 圓盤剪
6. 17輥矯直機 7. 飛剪機 8. 涂油機 9. 給料機 10. 垛板臺
圖1.4 1700橫切機組示意圖
道（或磁性皮帶）送到垛板臺上落下垛起，當(dāng)達(dá)到一定高度后由吊車運走。圓盤剪的作用就是將矯直后的帶鋼連續(xù)切邊，并使其達(dá)到一定寬度要求，再送到飛剪機連續(xù)剪切到要求的長度尺寸。
3、1700冷縱剪切機組
1700冷縱剪切機組布置見圖1.5所示。
1. 拆卷機 2. 伸直機 3. 下切剪 4. 給料機
5. 圓盤剪切機 6. 卷邊機 7. 風(fēng)動分離盤 8. 分卷卷取機
圖1.5 1700冷縱剪切機組示意圖
縱剪就是將鋼板破成窄條。
鋼卷由吊車吊到拆卷機處拆卷，將頭伸直經(jīng)下剪切頭由給料機送到圓盤剪切縱切后
切成窄條，給風(fēng)動分離盤，由分卷取機卷成窄帶卷，卸卷后由吊車吊走送入成品庫。切下的帶鋼邊，由板卷機卷成卷，卸下后送走。
圓盤剪切機的作用是將冷軋成卷帶鋼切成窄條，并卷成窄帶鋼卷。其窄帶鋼卷的寬度由刀盤軸定位環(huán)調(diào)整，使刀盤之間位置變化。
1.3.2 圓盤剪切機的類型和特點
圓盤剪切按用途分為剪切板邊圓盤剪和剪切帶鋼縱切圓盤剪。
1、剪切板邊的圓盤剪
熱軋鋼板圓盤剪，剪切厚度小于20毫米，徑向調(diào)整采用偏心套，同步齒輪與刀片軸用萬向連接軸傳動。
熱軋鋼板圓盤剪的另一種類型，剪切厚度在40~50毫米，采用二架圓盤剪同時剪切，第一架切入一定的深度后第二架圓盤剪再將其完全切斷。
冷軋帶鋼圓盤剪，剪切厚度0.5~2.5毫米之間，徑向調(diào)整移動上刀盤同步齒輪采用四連桿機構(gòu)。有的冷軋帶鋼圓盤剪采用測速裝置，使剪切精度更準(zhǔn)確。
冷軋帶鋼圓盤剪的另一中類型，刀盤不帶驅(qū)動，而是利用帶鋼拉著剪切。
2、 剪切帶鋼縱切圓盤剪
縱切圓盤剪將帶鋼連續(xù)破條剪切，采用多對刀盤，刀盤軸傳動有兩種：一種是集中驅(qū)動，另一種刀盤軸分別驅(qū)動。
1.3.3 圓盤剪切機設(shè)計內(nèi)容和方法
1、通過靠工廠調(diào)研，了解同類圓盤剪生產(chǎn)中存在的問題，查閱相關(guān)資料掌握圓盤剪的發(fā)展現(xiàn)狀。
2、制定圓盤剪設(shè)計方案，在認(rèn)真研究，有創(chuàng)新和改進(jìn)，方案合理，并進(jìn)行方案評述。
3、進(jìn)行設(shè)計計算，保證機件強度和剛度，計算公式采用要有依據(jù)。
4、畫出總圖，部分部件圖和零件圖，利用計算機繪圖。
5、對設(shè)計中控制系統(tǒng)提出要求，選擇潤滑方法。
6、試車方法和維修技術(shù)，保證維修方便。
7、對設(shè)備進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析和評價，降低設(shè)計成本。
2. 設(shè)計方案的選擇和方案評述
按給定的設(shè)計參數(shù)，設(shè)計題目是1700橫切機組的圓盤式剪切機有兩中類型，一種
是一般的切邊圓盤剪。有的設(shè)有測速電機，另一種靠帶鋼拉動圓盤剪刀進(jìn)行剪切稱為拉剪。
設(shè)計方案選擇設(shè)有增速機構(gòu)的圓盤剪，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.1所示。
1. 帶電機擺線針輪減速器 2. 徑向調(diào)整減速機 3. 調(diào)整絲桿 4. 刀盤
5. 離合器 6. 增速機構(gòu) 7. 減速機 8. 電機 9.10.11.12 同步齒輪
13. 刀盤側(cè)向間隙調(diào)整裝置 14. 機座移動機構(gòu) （寬度調(diào)整機構(gòu)）
圖2.1 圓盤剪結(jié)構(gòu)示意圖
該圓盤剪裝在橫切機組上，用來剪切厚度為0.6~2.5毫米，寬度為700~1500毫米的帶鋼。剪刃線速度為1~3米/秒。
主傳動由電機8通過減速機7同時傳動兩對刀盤，上刀盤與齒輪9相連，下刀盤與齒輪10相連，齒輪9、11，12之間用連桿相連，以保證各齒輪中心距不變。因此在調(diào)整刀盤徑向間隙（調(diào)整上刀盤位置）各齒輪能很好的嚙合，刀盤側(cè)向間隙調(diào)整，轉(zhuǎn)動手輪使螺紋套筒旋出使下刀盤做軸向移動調(diào)整間隙很小，調(diào)整好在鎖緊。
刀盤徑向調(diào)整通過帶電機的減速機1，調(diào)整減速機2，及調(diào)整螺絲帶動上刀盤軸的軸承座沿著架體內(nèi)滑道上下移動。
在剪切機下部設(shè)置機架橫移機構(gòu)，由電機通過行星減速機傳動左右兩端螺紋方向相反的絲桿，由固定機架的螺母帶動機架沿著導(dǎo)軌作相同或者相反移動從而達(dá)到調(diào)整帶鋼寬度的目的。
該設(shè)計方案做下列改進(jìn)：其一,徑向間隙調(diào)整比偏心套調(diào)整可靠利用連桿機構(gòu)比萬向接軸精度高。其二，側(cè)向間隙調(diào)整增加自鎖裝置，安全可靠。其三，寬度調(diào)整采用行星齒輪減速機比蝸桿減速機效率高占地空間小。最后增加了測速機構(gòu)，為電機提供信號，為電機達(dá)到精確的轉(zhuǎn)速提供的保障，從而使整機更完善。
由以上所述方案是比較好的，并且可行的。
3. 電機容量的計算
3.1 定性選電機
電動機分交流電動機和直流電動機兩種，由于直流電動機需要直流電源，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜 價格較高，維護(hù)比較不便等缺點，因此無特殊要求是不宜采用。
冶金行業(yè)生產(chǎn)單位一般為三相交流電源，因此，應(yīng)選用交流電動機，同時交流電動機又分為異步電動機和同步電動機兩類，我國新設(shè)計的Y系列三相籠型異步電動機屬于一般用途的全封閉自扇冷電動機，其具有以下優(yōu)點：
1、結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，價格低廉，維護(hù)方便；
2、適用于不易然，不易爆，無腐蝕性氣體和無特殊要求的機械上；
3、由于起動性能較好，也適用與某些要求起動轉(zhuǎn)矩較高的機械。
所設(shè)計圓盤剪切機已知原始數(shù)據(jù)：
剪切帶鋼速度 V=1~3 m/s, 取3 m/s;
剪切帶鋼強度 ≤600 MPa 取600 MPa；
剪切帶鋼厚度 h=0.5~2.5 mm；
剪切帶輪寬度 B=700~1500 mm；
剪刃的擺動不超過 0.1 mm， 不平行度0.01 mm；
上下剪刀的側(cè)間隙 0.05 mm， 重疊度S=0~0.3 mm。
由于圓盤剪切機屬于一般冶金機械設(shè)備，無特殊要求，連續(xù)工作時間長，要求起動性能好，起動轉(zhuǎn)矩較高，故選擇交流異步電動機Y系列。
3.2 選擇電動機的容量
1、圓盤刀片尺寸 圓盤刀片尺寸包括圓盤刀片直徑D及其厚度。圓盤刀片直徑D主
要決定于鋼板厚度h，查文獻(xiàn)[1，295]，其計算公式為：
（3.1）
上式中的最大咬入角，一般取為~。值也可以根據(jù)剪切速度V來選取，同時當(dāng)咬入角=~時，我們可以引用一個經(jīng)驗公式，圓盤刀盤直徑通常在下列范圍內(nèi)選取
D=(40~125)h (3.2)
帶入數(shù)值計算得：
D=1252.5=312.5 mm
圓盤刀片厚度一般取為
(3.3)
帶入數(shù)值計算得：
mm
同時根據(jù)表[1.表8-13]一般圓盤刀片直徑、厚度與被剪切帶材厚度的關(guān)系，可取的各數(shù)值：D=270 mm、=20 mm，為了保證剪切力及刀片的強度和使用壽命，我們?nèi)?30 mm。
2、上下刀盤的側(cè)間隙 我們?nèi)☆A(yù)定值0.05 mm。
3、剪切速度V 我們?nèi)☆A(yù)定值3 m/s。
4、剪切力與剪切功率
作用在一個刀片上的總的剪切力是由兩個分力所組成的，即
式中 —純剪切力；
—鋼板被剪掉部分的彎曲力；
式中 —作用在接觸弧AB水平投影單位長度上的剪切力。
由相對切入深度知
微分后得
所以純剪切力為
式中的值可利用平行剪單位功數(shù)據(jù)。
在圓盤剪上冷剪時，值可按下面公式計算
=120
式中取系數(shù)，為金屬材料延伸率，查手冊取20%。
所以
N
查文獻(xiàn)[1，297]總剪切力的計算公式為
(3.4)
N
考慮到刀刃磨鈍的影響，增大15%~20%，這里取增大20%。
N
圓盤剪上的剪切力可根據(jù)作用在刀片上的力矩來確定。在上下刀片直徑，速度相等而且都驅(qū)動時，則與簡單軋制情況相似，合力P垂直作用在刀片上，這時轉(zhuǎn)動一對刀盤所需之力矩為
(3.5)
Nm
而驅(qū)動圓盤剪的總力矩為
式中 n —刀片對數(shù)
M2—一對刀片軸上的摩擦力矩，，其中為刀片軸軸頸的直徑，這里
取=170mm，為刀片軸承處的摩擦系數(shù)，查手冊取0.004。
所以總的力矩為
=544.11 Nm
查文獻(xiàn)[1，298]圓盤剪電動機功率可按下式確定
(3.6)
式中 —考慮刀片與鋼板間摩擦系數(shù)，=1.1~1.2；
—鋼板運動速度，m/s；
—傳動系統(tǒng)效率，=0.93~0.95。
代入數(shù)據(jù)后
=15.6 KW
3.3 確定轉(zhuǎn)速
根據(jù)以上計算所得數(shù)據(jù)，查找專業(yè)手冊，選取合適電機。容量相同的同類型的
電動機，有幾種不同的轉(zhuǎn)速系列，此種情況下我們綜合考慮，分析比較電動機及傳動
裝置的性能、尺寸、重量和價格等因素，再考慮到機械在實際中的運轉(zhuǎn)，他的可靠性與
電機相連接的減速機，以及以后的發(fā)展，適當(dāng)?shù)脑黾与姍C功率，最后選同步轉(zhuǎn)速1500r/min
的電動機。綜上，選取電機型號為：Y180L—4，其主要性能見表3.1
表3.1 電機主要性能參數(shù)表
型號
額定功率
/kW
轉(zhuǎn)速
/(r/min)
電流
/A
效率
（%）
重量
/kg
Y180L—4
22
1470
42.5
91.5
2.2
190
3.4 電動機的校核
電機的校核主要是針對電機的過載能力校核。
過載能力是指電動機負(fù)荷運行時，可以在短時間內(nèi)出現(xiàn)的電流或轉(zhuǎn)矩的允許倍
數(shù)，對不同類型的電動機不完全一樣，對異步電動機來說，校核其過載能力時即最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)時，要考慮到交流電網(wǎng)電壓可能向下波動10%~15%，因此，最大轉(zhuǎn)矩按（0.81~0.72）來考慮，他應(yīng)該比負(fù)載最可能出現(xiàn)的最大轉(zhuǎn)矩大。
齒輪轉(zhuǎn)速： =
=
=212.3 r/min
其中： d—齒輪的分度圓直徑，單位：mm
負(fù)載最大轉(zhuǎn)矩：
=272.06 Nm
傳動比
=
=6.92
粗略計算電動機的最大轉(zhuǎn)矩
=
=40.35 Nm
由電動機的參數(shù)可知 .2
(3.7)
=
=142.63 Nm
其中—電動機額定轉(zhuǎn)速，單位： r/min
所以
=226.40 Nm >40.35 Nm =
故安全。
4. 主要零件強度計算校核
4.1 齒輪的計算與校核
4.1.1齒輪的計算
1、材料： 鋼
表面處理：調(diào)質(zhì)處理 HB 228 ~ 269
2、機械性能：查文獻(xiàn)[2，表3.2-42]可知：
=980 MPa =835 MPa
3、齒輪參數(shù)：模數(shù)m=5 齒數(shù)=47 分度圓直徑=235 mm
壓力角 =1 =0.25
=225 mm =245 mm =10mm B=80 mm
與之嚙合的齒輪齒數(shù) =60
4、齒輪受力分析
齒輪傳動一般均加以潤滑，嚙合輪齒間的摩擦力通常很小，計算輪齒受力時，可不予考慮。從作用力來說，沿嚙合線作用在齒面上的法向載荷垂直于齒面，為了計算方便，一般將法向載荷在節(jié)點P處分解為兩個相互垂直的分力，即圓周力與徑向力，如圖4-1，由此得：
式中：—小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，單位為N·mm；
—小齒輪的節(jié)圓直徑，對標(biāo)準(zhǔn)齒輪即為分度圓直徑，單位為mm；
—嚙合角，對標(biāo)準(zhǔn)齒輪，=°。
4.1.2 按接觸疲勞強度校核
齒輪在工作齒面發(fā)生的失效較多，如齒面磨損、點蝕、膠合等。所以對齒輪進(jìn)行接
圖4-1 齒輪受力分析
觸疲勞強度計算是必須的，下面首先按接觸疲勞強度校核。
查文獻(xiàn)[3，199]其計算公式為：
(4.1)
其中：
—齒面接觸應(yīng)力，單位： MPa
—齒面許用接觸應(yīng)力，單位：MPa
—載荷系數(shù)
—齒輪所受切向力，單位：N
—齒寬，單位：mm
—齒輪分度圓直徑，單位：mm
—齒數(shù)比
—區(qū)域系數(shù)
—彈性影響系數(shù)，單位： MPa
1、求齒面接觸應(yīng)力
(1)求
= (4.2)
其中：
—使用系數(shù)
—動載系數(shù)
—齒向載荷分配系數(shù)
—齒面載荷分配系數(shù)
根據(jù)文獻(xiàn)[3，表10-2]可查得：=1.5；
[3，圖10-8]根據(jù)v=3m/s可查得：=1.18；
[3，表10-3]可查得：==1.2；
[3，表10-4]可查得：
=1.15+0.18（1+0.6）+0.31
其中 ===0.1159
=1.15+0.18（1+0.60.1159）0.11590.31
=1.15
再根據(jù)=8 查[3，圖10-13]可得：=1.16;
所以： =
=
=2.44
(2)
=272.06 Nmm
=
=
=2315 N
=2315
=843 N
=2463 N
(3) u=
=
=1.27
(4)根據(jù)齒輪材料查文獻(xiàn)[3，表10-6]可得：
=188 MPa
(5) =
=
=2.5
所以：
=
=344.52 MPa
2、求許用應(yīng)力
= (4.3)
其中： —為接觸疲勞安全系數(shù)，可取=1；
—為壽命系數(shù)；
—齒輪接觸疲勞極限，單位：MPa；
(1)求
齒輪應(yīng)力循環(huán)次數(shù) =60
=60212.312036524
=次
查文獻(xiàn)[3，圖10-19]可得：=0.93
(2)求
根據(jù)材料查文獻(xiàn)[3，圖10-21(續(xù))]可得：
=860 MPa；
所以 =
=0.93=799.80 MPa
3、校核
顯然，=799.80 MPa >344.52 MPa =，故安全。
4.1.3 按彎曲疲勞強度校核
查文獻(xiàn)[3，197] = (4.4)
其中：
—齒輪齒根彎曲應(yīng)力，單位：MPa
—齒輪彎曲疲勞許用應(yīng)力，單位：MPa
—齒輪模數(shù)
—齒輪系數(shù)
—應(yīng)力校正系數(shù)
1、求齒輪齒根彎曲應(yīng)力
=
(1)根據(jù)=47查文獻(xiàn)[3，表10-5] 采用插值法求得：
=2.33
=1.69
(2)
1.51.181.21.16
2.46
所以： =
= 56.06 MPa
2、求齒輪彎曲疲勞許用應(yīng)力
= (4.5)
式中：
—彎曲疲勞強度安全系數(shù)，取=1.5
—壽命系數(shù)
—齒輪彎曲疲勞極限，單位：MPa
(1)求
根據(jù)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N=查文獻(xiàn)[3，圖10-18]可得：
=0.83
(2)求
根據(jù)文獻(xiàn)[3，圖10-20(完)d]可得：
=700 MPa
所以 =
=0.83
=386.4 MPa
3、校核
顯然，=386.4 MPa >56.06 MPa =，故安全。
4.2 傳動軸的強度校核計算
刀盤的力主要集中在刀盤軸上，且刀盤軸所承受的轉(zhuǎn)距最大，因此對刀盤軸進(jìn)行計算校核是十分有必要的。
4.2.1軸的材料及其機械性能
1、材料： 鋼
表面處理：調(diào)質(zhì)處理 HB 228 ~ 269
2、機械性能：查文獻(xiàn)[2，表3.2-42]可知：
=980 MPa =835 MPa
由文獻(xiàn)[3，表15-1]可查得：
275 MPa
=155 MPa
4.2.2 軸上零件布置及基本參數(shù)
1、擬定軸上零件的布置方案
根據(jù)軸上齒輪、軸承、軸承蓋等零件的裝配方向、順序和相互關(guān)系，軸上零件的布置方案如圖4-2(a)所示；
2、軸的基本數(shù)據(jù)：
轉(zhuǎn)速 == =212.3 r/min。
圖4-2(a) 軸的主要尺寸及軸上零件布置圖
4.2.3 按彎扭合成進(jìn)行軸的強度校核
1、軸的結(jié)構(gòu)及尺寸，如圖4-2(b)所示；
2、對軸進(jìn)行受力分析與強度校核計算
(1)軸的驅(qū)動力矩：
驅(qū)動一對刀盤的力矩為 M=544.11 NM
=544110 N·mm
一根刀盤軸上的轉(zhuǎn)矩為 T==272055 N·mm
(2)求與此軸配合的齒輪上的作用力
=
=
=2315 N
=2315
=843 N
(3)計算軸在軸承處所受的支反力
垂直面內(nèi)的支反力： =
=
=392.4 N
=
=
=450.6 N
水平面內(nèi)的支反力：
=
=1077.5 N
=
=1237.5 N
(4)計算彎矩
垂直面內(nèi)：
mm
392.4294
115.8 N·m
水平面內(nèi)：
1077.5294
316.8 N·m
總彎矩：
337.3 N·m
圖4-2 軸的載荷分析圖
(5)作彎矩圖如圖4-2(d)、(f)、(g)；
作轉(zhuǎn)矩圖如圖4-2(h)。
(6)校核軸的強度
根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩和轉(zhuǎn)矩圖可以看出截面C是軸的危險截面，故選截面C作彎扭合成強度校核計算，查文獻(xiàn)[3，365] 按第三強度理論有：
= (4.6)
式中：
— 軸的計算應(yīng)力，單位：MPa
—軸所受彎矩，單位： N·mm
—軸所受轉(zhuǎn)矩，單位：N·mm
—軸的抗彎截面系數(shù)，單位：mm
—扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力時，取0.3
所以
2.47 MPa
查文獻(xiàn)[2，表38.1-1]得：
=213 MPa
故<，即安全。
4.2.4 按疲勞強度進(jìn)行精確校核
查文獻(xiàn)[3，365] (4.7)
其中：
—軸的計算安全系數(shù)
—只考慮彎曲和軸向力時的安全系數(shù)
—只考慮扭矩時的安全系數(shù)
—軸的設(shè)計安全系數(shù)
(1)軸的結(jié)構(gòu)和裝配圖，如圖4-2(a)：
(2)判斷危險截面
軸上分布有鍵槽、軸肩及過渡配合所引起的應(yīng)力集中均將削弱軸的疲勞強度，同時有存在軸徑的變化，但綜合考慮個截面出的配合及軸所受的彎矩，發(fā)現(xiàn)D、E、F、G、H幾個截面比較危險，其中H面受到的集中力最大，而E面受到的合成力矩最大，最后選取E面進(jìn)行校核，E面右側(cè)軸徑比左側(cè)大，所以只需校核E面的左側(cè)。
(3)截面E左側(cè)
抗彎截面系數(shù)：
0.1
0.1
156090 mm
抗扭截面系數(shù)：
0.2
0.2
312180 mm
彎矩及彎曲應(yīng)力為：
=294 mm =60 mm
337.3
2.68 N·mm
=
=1.72 MPa
扭矩及扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為：
=272055 N·mm
=
=
=0.875 MPa
由前面軸材料的機械特性有：
=640 MPa =355 MPa
=275 MPa =155 MPa
過盈配合處值由文獻(xiàn)[3，附表3-8]用插入法可求得：
=2.52
并取=0.8，故有：
0.8
0.82.52
2.016
軸經(jīng)磨削加工，由文獻(xiàn)[3，附圖3-4]得表面質(zhì)量系數(shù)為：
軸未經(jīng)表面強化處理，既表面強化系數(shù)：
1
故得綜合系數(shù)為：
+
2.70
2.20
又由文獻(xiàn)[3，§3—1及§3—2]可知，碳鋼的特性系數(shù)：
=0.1~0.2 取=0.1
=0.05~0.1 取=0.05
又根據(jù)文獻(xiàn)[3，366],軸在截面L左側(cè)的安全系數(shù)為：
(4.8)
59.2
(4.9)
80.5
(4.10)
47.1
安全系數(shù)值S由文獻(xiàn)[3，336]根據(jù)軸材料均勻性及軸的直徑為112mm，可查得：
S=1.5
即>>S，故該軸在截面L右側(cè)的強度也是足夠的。
4.3 軸承的選取及校核
由于圓盤剪切機刀盤在對鋼板進(jìn)行剪切的時候，很大的徑向力，同時要對刀盤間隙進(jìn)行調(diào)整，這樣刀盤軸就要受到軸向力了。由此看刀盤軸受力十分復(fù)雜，所以對軸承的選取十分有必要的。
4.3.1 根據(jù)工作條件選取軸承類型
如果僅按軸承用于承受的外載荷不同來分類時，滾動軸承可以概括的分為向心軸承、推力軸承、向心推力軸承這三大類，具體說來，主要承受徑向載荷的軸承叫做向心軸承，其中有幾類還可以同時承受不大的軸向載荷；只能承受軸向載荷的軸承叫做推力軸承；能同時承受徑向載荷和軸向載荷的軸承叫做向心推力軸承。
首先我們來分析下刀盤軸安裝刀盤側(cè)間隙調(diào)整機構(gòu)的一端。這一端由于安裝了刀盤側(cè)間隙調(diào)整機構(gòu)，刀盤軸必然受到軸向力，此處的軸承必須能軸向力，而且它直接與調(diào)整螺絲直接進(jìn)行接觸，并且軸向調(diào)整是雙向的，所以最后選去雙向推力球軸承，還要考慮到在對鋼板進(jìn)行剪切的時候軸承受到徑向力是必然的，所以必須安裝一個能承受徑向力的軸承，他同時還能允許軸向移動，最后選取圓柱滾子軸承?，F(xiàn)在我們在來研究下安裝刀盤的軸端的軸承情況，由于刀盤對鋼板進(jìn)行剪切，而刀盤安裝在這一端，必然承受很大的徑向力，同時要允許小量軸向移動，所以最后選取角接觸軸承，因為軸是雙向移動，所以角接觸軸承成對安裝。
4.3.2根據(jù)軸承結(jié)構(gòu)確定軸承的型號
根據(jù)軸的直徑初步確定軸承的型號為：
在軸的直徑為120 mm處選 角接觸軸承 代號：7024AC
在軸的直徑為95 mm處選 圓柱滾子軸承 代號：N219E
雙向推力球軸承 代號：52222
4.3.3軸承的壽命校核
首先對角接觸軸承做校核計算
根據(jù)文獻(xiàn)[2，表39.2-22]可得，該軸承的性能參數(shù)如表4-1：
1、軸承分析
在軸徑120 mm處是一對角接觸軸承，并且認(rèn)為這對軸承是均勻分擔(dān)載荷的，我們選其中一個軸承（編號為軸承1）來進(jìn)行校核，如果安全，則實際安裝了兩個軸承必然是十分安全的。
2、求該軸承受到的徑向載荷和軸向載荷
=392.4 N
=1077.5 N
1146.7 N
求該軸處的派生軸向力，查文獻(xiàn)[3，表13-7]得其計算公式
=0.681146.7
=779.8 N
該軸承在刀盤軸不做刀盤側(cè)間隙調(diào)整的時候幾乎不承受軸向載荷，即可看做外加軸向載荷=0 N。但因為它調(diào)整時受到調(diào)整螺絲或者彈簧的力不確定，所以在取單個計算的時候是“放松”還是“壓緊”都不好確定，不過計算結(jié)果可忽略計算為779.8 N。
3、求軸承當(dāng)量動載荷，查文獻(xiàn)[3，313] ：
= (4.11)
式中： —軸承所受當(dāng)量動載荷，單位：N
—徑向動載荷系數(shù)
—軸向動載荷系數(shù)
—載荷系數(shù)
表4.1 軸承7024AC的性能參數(shù)
（mm）
（mm）
（mm）
（KN）
（KN）
重量（Kg）
120
180
28
102
105
2.1
==0.68=e故查文獻(xiàn)[3，表13-5]得：
=1 =0
由于載荷是中等沖擊，查文獻(xiàn)[3，表13-6]得：
=1.2
所以 ： =
=1.2
=1376.0 N
(4)驗算軸承的壽命
軸承壽命根據(jù)文獻(xiàn)[3，313]有：
= (4.12)
其中： —軸承壽命，單位：h
—軸轉(zhuǎn)速，單位：r/min
—溫度系數(shù)
—基本額定動載荷，單位：N
—滾動軸承為
查文獻(xiàn)[3，表13-4]查得：
1.0
所以
h
假設(shè)每年按300個工作日，每日工作24個小時計算，該對軸承可工作的年數(shù)為：
N17.4 年
顯然非常安全了。
4.3.4 驗算軸承的極限轉(zhuǎn)速
滾動軸承的工作轉(zhuǎn)速上升到一定限度后滾動體和保持架的慣性力，以及小的形狀偏差，不僅導(dǎo)致運轉(zhuǎn)狀態(tài)的惡化，而且造成摩擦面見溫度升高和潤滑劑的性能變化，從而導(dǎo)致滾動體回火或軸承元件的膠合失效，故應(yīng)對軸承轉(zhuǎn)速進(jìn)行驗算。
根據(jù)文獻(xiàn)[2，表39.2-22]查得：
r/min
又軸承的轉(zhuǎn)速 r/min<<，故安全。
4.4.2 鍵的尺寸的選擇
這里主要計算刀盤軸上的鍵。根據(jù)與鍵配合的軸的直徑(mm)和齒輪
的寬度(mm)查文獻(xiàn)[2,表25.2-4]選擇鍵 ，其高度mm。
4.4.3鍵的強度校核
平鍵聯(lián)接主要傳遞的是轉(zhuǎn)矩，其主要失效形式是工作面被壓潰， 一般不會
出現(xiàn)鍵的剪斷。因此，通常只按工作面上的擠壓應(yīng)力進(jìn)行強度校核計算。
假定載荷在鍵的工作面上均勻分布，普通平鍵聯(lián)接的強度條件為：
查文獻(xiàn)[3，103] (4.13)
式中：
—軸傳遞的轉(zhuǎn)矩，單位：N·m
—鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，平鍵，此處為鍵的
高度；單位：mm
—鍵的工作長度，A型平鍵，為鍵的公稱長度，
為鍵的寬度；單位：mm
—軸的直徑，單位：mm
—鍵、輪轂、軸三者中最小的材料的許用擠壓應(yīng)力，單位：MPa
1、272.055 N·m
2、 mm
3、 mm
4、 mm
所以：
MPa
根據(jù)文獻(xiàn)[2,表25.2-3]查得：
MPa
顯然，，故安全。
5. 聯(lián)軸器的選擇
5.1聯(lián)軸器的分類
按照聯(lián)軸器的性能可分為剛性聯(lián)軸器和撓性聯(lián)軸器。剛性聯(lián)軸器對所聯(lián)兩軸間的相對位移缺乏補償能力，但有結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，不需維護(hù)，成本低等特點而仍有其應(yīng)用范圍；撓性聯(lián)軸器中又分為無彈性元件的撓性聯(lián)軸器和帶彈性元件的撓性聯(lián)軸器，。前一類只具有補償兩軸間相對位移的能力，后一類因裝有彈性元件，不僅可以補償兩軸間的相對位移，而且具有緩沖減振的能力。
5.2聯(lián)軸器的選擇
根據(jù)傳遞載荷的大小，軸轉(zhuǎn)速的高低，被聯(lián)接兩部件的安裝精度，參考各類聯(lián)軸器特性，選擇一種合用的聯(lián)軸器類型。具體選擇時可考慮以下幾點:
1. 所聯(lián)接兩個軸的軸徑；
2. 傳遞的轉(zhuǎn)矩大小和性質(zhì)以及對緩沖減振功能的要求；
3. 聯(lián)軸器的工作轉(zhuǎn)速高低和引起的離心力大??；
4. 兩軸相對位移的大小和方向；
5. 聯(lián)軸器的可靠性和工作環(huán)境，以及成本。
根據(jù)以上幾點選取聯(lián)軸器如下：在電機軸與減速機軸之間選取聯(lián)軸器型號為TL8， 減速機軸和傳動軸之間，以及傳動軸和剪切機輸入軸之間的聯(lián)軸器型號為 TL10
查閱文獻(xiàn)[7，表4.72-2] 知各聯(lián)軸器的主要尺寸和特性參數(shù)如下表5.1。
表5.1 聯(lián)軸器的主要尺寸和特性參數(shù)
型號
許用
（N·m）
許用轉(zhuǎn)速
（r/min）
軸孔直徑
（mm）
軸孔長度
（mm）
轉(zhuǎn)動慣量
（Kg·m）
重量
（Kg）
TL8
TL10
710
2000
2400
1700
45 48 50 55
80 85
112 84
172 132
0.13
0.64
24
60.2
5.3 聯(lián)軸器的強度計算
以減速器輸出軸與安裝齒輪的軸之間的聯(lián)軸器為例進(jìn)行強度校核。齒式聯(lián)軸器的承載能力既與材料和熱處理有關(guān)，也與兩軸相對位移的方向和位移量大小有關(guān)，而且還與嚙合齒面間的滑動速度和潤滑狀態(tài)有關(guān)，對于標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)軸器，可按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法驗算：
查文獻(xiàn)[3，343] (5.1)
式中： —聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩，單位：N·m
—聯(lián)軸器長期承受的理論轉(zhuǎn)矩，單位：N·m
—聯(lián)軸器工作條件系數(shù)
其中，可得：
=1.5
==40.35 N·m
所以：
=60.5 N·m
[T]=710 N·m
顯然，故安全。
6. 系統(tǒng)的潤滑
潤滑的目的就是為了減少工作表面的摩擦及由此造成的能量損失、減少工作表面的磨損及發(fā)熱，提高其壽命、保持機器的工作精度及提高機器的工作效率；次外，潤滑劑還有沖洗污物、防止表面腐蝕的功能。
6.1潤滑劑的種類
在機械行業(yè)中，常用的潤滑材料可分為礦物潤滑油、潤滑脂（俗稱黃油），另外還有水及固體潤滑劑等。不同的潤滑劑有不同的優(yōu)缺點。
6.2潤滑方式的選擇
凡是能降低摩擦阻力作用的介質(zhì)都可以作為潤滑劑。目前各類設(shè)備中常用的潤滑劑類型為稀油和干油兩大類。
稀油潤滑一般用于下列情況：
1.除完成潤滑任務(wù)外，還需要帶走摩擦表面間產(chǎn)生的熱量者；
2.須能夠保證滑動平面間為液體摩擦者：液體摩擦軸承、高速移動的滑動
平面之間、止推滑動軸承等；
3.能夠用簡易的手段向嚙合傳動機構(gòu)本身及其軸承，同時提供一種潤滑劑的情況；
4.除潤滑外，還需要清洗摩擦平面并保持清潔狀態(tài)者；
5.相同情況下，易于對軸承進(jìn)行密封并能很好防止?jié)櫥屯庖缯摺?
干油潤滑一般用于下列情況：
1.粘性很好，并能附著在摩擦平面上，不易流失及飛濺，多用于做往復(fù)轉(zhuǎn)動及短期
工作制的重載荷低轉(zhuǎn)速的滑動軸承上；
2.密封性好，且給油方便；
3.很適用于低速的滾動軸承潤滑，可長時間不用加油，維護(hù)方便；
4.防護(hù)性能好，能保護(hù)裸露的摩擦表面免受機械雜質(zhì)及水等的污染。
6.3潤滑方式的選擇確定
6.3.1 齒輪減速器的潤滑方式
對大多數(shù)的減速器來說，常采用浸油潤滑，即將大齒輪的輪齒浸入油池中。這樣齒輪在傳動時就把潤滑油帶到嚙合的齒面上，同時，液體潤滑油也將被甩箱壁上，起到散熱的作用。
6.3.2 部分傳動齒輪、軸承的潤滑方式
外露齒輪、部分傳動齒輪、軸承處均采用集中干油潤滑方式，設(shè)置打油點。其中各軸承處在裝配時應(yīng)注滿干油。
7. 試車方法和對控制系統(tǒng)的要求
7.1 試車要求
1、先確定安裝尺寸符合設(shè)計要求，空間位置合適，各聯(lián)結(jié)件聯(lián)結(jié)可靠，確定后后方可試車。
2、首先空載試車至少兩個小時。
3、在試車前必須保證以下各項要求全都滿足：
(1) 潤滑系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)的各處工作正常；
(2) 傳動平穩(wěn)，無周期噪音；
(3) 壓下系統(tǒng)輕便靈活；
(4) 各緊固零件聯(lián)結(jié)可靠。
7.2 對控制系統(tǒng)的要求
機械系統(tǒng)控制的主要任務(wù)通常為：
(1) 使各執(zhí)行機構(gòu)按一定的順序和規(guī)律動作。
(2) 改變個運動構(gòu)件的運動（位移、速度和加速度）和規(guī)律（軌跡）。
(3) 協(xié)調(diào)各運動構(gòu)件的運動和動作，完成給定的作業(yè)環(huán)節(jié)要求。
(4) 對整個系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控及防止事故，對工作中出現(xiàn)的不正?，F(xiàn)象及時報警并消除。
具體到圓盤剪切機對控制系統(tǒng)要求為：
(1) 測速電機靈敏度要求要高；
(2) 當(dāng)軋制速度達(dá)到3.2m/s時，發(fā)生間斷性響鈴報警；
(3) 當(dāng)軋制速度達(dá)到3.5m/s時，發(fā)生連續(xù)性響鈴報警，且系統(tǒng)自動強行斷電。
8. 設(shè)備可靠性與經(jīng)濟(jì)評價
8.1 機械設(shè)備的有效度
對于可修復(fù)設(shè)備，由于發(fā)生故障之后，可以修理恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。因此，從開始工作到發(fā)生故障階段即可靠度，從發(fā)生故障后進(jìn)行維修恢復(fù)到正常工作階段即維修度。把兩者結(jié)合起來，就是機械設(shè)備的有效度(有效利用率)，查文獻(xiàn)[8，52]
（8.1）
式中：
—平均故障間隔期，h；
—平均維修時間，h。
設(shè)備工作時間12000h，可能發(fā)生10次故障，每次處理故障時間平均為5h，檢修時間為200h。
（8.2）
h
h
8.2 機械設(shè)備的投資回收期
表8.1 有關(guān)資料表 （萬元）
時間（年）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
投資
60
年凈收益
20
25
35
45
55
60
65
70
75
累計
凈收益
-60
-40
-15
20
65
120
180
245
315
390
查文獻(xiàn)[9，40]
投資回收期
即
年
式中：
—行業(yè)投資回收期，重型機械年
可見滿足要求。
結(jié)論
以上是我對鞍鋼冷軋廠1700橫切機組中的圓盤式剪切機設(shè)計計算的全過程。主要是針對電動機的計算選取較核、傳動裝置中主要的軸和齒輪的計算較核，聯(lián)軸器的計算選取，部分鍵的計算，以及對潤滑系統(tǒng)進(jìn)行的分析和設(shè)計。在設(shè)計和計算過程中涉及、運用了許多基礎(chǔ)及專業(yè)知識，如：機械設(shè)計、機械制造、機械原理、材料力學(xué)，理論力學(xué)、金屬工藝學(xué)等等。對這些知識的應(yīng)用使我大大加強了本專業(yè)知識功底。同時在設(shè)計過程中使用Auto CAD繪制的大量的圖紙，運用公式編輯器編寫設(shè)計說明書使我對這些軟件的應(yīng)用能力有了很大的提高，為以后參加工作打下了堅實的基礎(chǔ)。當(dāng)然由于知識水平有限，在計算、設(shè)計及繪圖過程中不可避免地出現(xiàn)錯誤，請各位老師和專家給予批評指正。
致謝
首先由衷的感謝指導(dǎo)我做本次學(xué)位論文的王德春老師。王老師對學(xué)生總是無微不至的關(guān)愛，真的很難忘王老師冒著炎炎烈日，不辭辛苦來我們宿舍指導(dǎo)我們做設(shè)計，他知識淵博，熱愛工作，那種忘我的工作精神永遠(yuǎn)值得我去學(xué)習(xí)。
感謝在設(shè)計中給予我很大幫助的同學(xué)和朋友。
感謝鞍山鋼鐵集團(tuán)各級領(lǐng)導(dǎo)，在實習(xí)期間給我的支持幫助，讓我能夠去現(xiàn)場參觀了解，并且讓我們借閱了大量的圖紙。 感謝現(xiàn)場的工人師傅為我們耐心細(xì)致的講解，
感謝鞍山科技大學(xué)機械工程學(xué)院計算機房、實驗室的各位老師對本次設(shè)計的支持和幫助！
感謝鞍山科技大學(xué)特別是機械工程及自動化學(xué)院的領(lǐng)導(dǎo)和老師四年來對我的辛苦栽培，在此我致以深切的謝意！畢業(yè)后，我將再接再厲，秉承科大人的創(chuàng)新、求是、勤奮、尚德的一貫作風(fēng)，頑強拼搏的精神，在今后的工作學(xué)習(xí)中不斷努力進(jìn)取，為母校爭光！
參考文獻(xiàn)
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[2] 徐灝. 機械設(shè)計手冊（第二版）[M]. 北京：機械工