机械设计课程设计(滚切式双边剪)

河海大学机械设计课程设计说明书

设计题目：滚切式双边剪设计

设计者：高海明

学号： 1161010310

专业班级：机械工程及自动化三班

指导教师：张洪双

目录

摘要

第一章设计题目

第一节设计目的

第二节设计题目

第二章执行机构总体方案设计

第一节功能分解与工艺动作分解

第二节方案设计

第三节机构组合运动示意

第四节最终滚切式双边剪机构设计及分析

第三章电动机选择

第一节分析和拟定运动简图

第二节选择电动机功率

第三节确定电动机

第四章计算传动装置的总传动比和分配各级传动比

第一节传动装置的总传动比

第二节计算各轴的转速

第三节计算各轴的输入扭矩

第五章传动零件的设计计算

第一节斜齿圆柱齿轮传动的设计与表面接触强度的校核

第二节直齿圆柱齿轮传动的设计与表面接触强度的校核第六章轴以及轴上零件的设计计算

第一节输入轴的设计

第二节轴二的设计计算

第三节输出轴的设计

第七章润滑与密封

第八章设计小结

第九章参考文献

摘要

本说明书阐述了滚切式双边剪的基本功能，以及如何实现这些基本功能，进行了基本机构的绘制和搭建以及部分参数的估计。再者针对滚切式双边剪减速箱，进行了设计计算以及校验获得减速箱原理图。

关键字：基本功能；机构；减速箱

第一章设计题目

第一节设计目的

机械设计程设计是我们第一次较全面的机械设计的初步训练，是检验我们前期学习机械设计一个重要的实践性教学环节。

设计的目的在于，进一步巩固并灵活运用所学相关知识；培养应用所学过的知识，独立解决工程实际问题的能力，使对机械系统运动方案设计(机构运动简图设计)有一个完整的概念，并培养具有初步的机构选型、组合和确定运动方案的能力，提高我们进行创造性设计、运算、绘图、表达、运用计算机和技术数据诸方面的能力，以及利用现代设计方法解决工程问题的能力，以得到一次较完整的设计方法的基本训练。

机械设计课程设计是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个构件的尺寸等进行构思、分析和计算，是机械产品设计的第一步，是决定机械产品性能的最主要环节，整个过程蕴涵着创新和发明。为了综合运用机械原理课程的理论知识，分析和解决与本课程有关的实际问题，使所学知识进一步巩固和加深，我们参加了此次的机械原理课程设计。

第二节设计题目

滚切式双边剪机构及传动装置设计

滚切式双边剪安装在中厚板轧钢厂的精整剪切线上，用来剪切经轧制、矫直、冷却、修磨后的单张钢板的两个纵向边部的同时，把切下来的边条横向剪切成一定长度的碎边小块并以收集。碎边小块不经再次处理，可供装炉炼钢。

1．规格与性能

1．1 钢板规格

厚度6~50mm

宽度成品1500~3300 mm 来料1550~3350 mm

长度6000~42000 mm

重量来料max 16t

1．2 钢板强度极限

厚度=50mm时σb≤800Mpa

厚度≤40mm时σb≤1200Mpa

1．3纵向剪切弯曲度≤1.0mm/10m

1．4宽度公差0~2mm

1．5两刀切口错位≤0.4mm

1．6 剪切次数14~28次/min

1．7 剪切步长max 1300mm

1．8碎边宽度（单边）max 150mm min 20mm 1．9 钢板剪切温度≤200℃以下

1．10主刀片长度2200mm

1．11主刀片开口度≈150 mm

1．12主刀剪切角α1≈4.5°α2≈6°1．13碎边刀剪切角α≈3°

1．14主刀后退量 2 mm

1．15主刀重叠量 5 mm

1．16碎边刀重叠量max 60 mm

1．17主刀片左右侧同步方式机械同步

1．18剪切力2X6500KN

1．19换刀时间≤30 min

1．20刀片侧隙调整范围0.4~4 mm

1．21移动剪横移距离max 2000 mm 1．22移动剪横移速度0~100 mm/s

1．23夹送辊送板速度max 2 m/s

1．24夹送辊加速度max 2.5 m/s2

1．25夹送辊直径φ650mm

1．26夹送辊开口度150mm

1．27夹送辊左右侧同步方式机械同步

1．28压料装置开口度150mm

1．29主传动电机Z355-6 4台

1．30换刀小车移动速度~0.25m/s 电动

1．31换刀旋转台转角180°手动

1．32压板压力2×16t

1．33剪刃材料H13

1．34夹送辊液压缸压力 4.5~12mm时 4.5Mpa

13~40mm时7Mpa

41~50mm时9Mpa 1．35对板形的要求

为了确保剪机运转时不出故障，板材的不平度不得大于下值: 板厚8mm时最大45mm

板厚40mm时最大30mm

板厚50mm时最大20mm

板材头部和尾部舌形或燕尾形结构不得大于250mm

2．工作原理与结构特点

2. 1 工作原理

（1）切边已经开始,碎边则刚刚开始;

（2）碎边结束, 切边在继续;

（3）剪切结束后, 切边剪与碎边剪松开板材,板材向前进给。

切剪是装有半径为R的弧形上刀片的上刀架，在具有不同相位角和偏心半径的两个曲轴及连杆带动下，并在控制杆的约束下，上刀片沿一个水平基面实现理想的滚动运动中，将钢板的两边剪断。

水平的固定下刀片略低约5mm，基面与下刀片的高度差即是上下刀片的重叠量，剪切过程中该重叠量保持不变，可通过改变两个曲轴相位角来调整刀片的重叠量，以适应不同厚度钢板的剪切，对于双边剪，视其剪切断面质量，一般不予调整刀片的重叠量。

由连续运转（自控）或断续运转（手控）的主电机，同时带动第三根曲轴，连杆以及装有碎边上刀片的上刀架，并以精确规定的运动规律完成纵向切边和废边的横向剪切。

当切边刀片和碎边刀片抬离下刀片向上张开时，控制夹送辊及辊道，将钢板送进一个确定的剪切步长。钢板停止运送之时，在三曲轴的带动下完成钢板的切边及废边剪切，这一动作连续不断重复进行，直至切完这一张钢板为止。

2.2 结构特点

一台滚切式双边剪是由一台固定剪和一台移动剪组成，这两台剪机相对地安装在同一底座上。每台剪机都有切边的纵向剪刀和切废边的碎边剪刀，它们各自由主电机经过齿轮传动装置及三根平行的曲轴带动。

每台剪机的主要组成部分包括：机架、传动装置、刀架及剪刃固定装置、剪刃间隙调整机构、剪刃后退机构、拨料器及压板装置、夹送辊、左右剪同步机构、移动剪横移装置、辊梁及碎边溜槽、快速换刀装置、板厚测量装置、稀油润滑系统、干油润滑系统、液压管路系统等。

第二章执行机构总体方案设计

第一节功能分解与工艺动作分解

一、功能分解

为了实现滚切式双边剪的总功能，将功能分解为：弧形上刀片的左右运动，碎边上刀片的上下运动。

二、工艺动作过程

要实现上述分功能，有下列工艺动作过程：

(一)由两个曲轴带动的四杆机构实现上刀片的左右摇摆，从而切边。

(二)而碎边上刀片，是由一个曲轴带动的曲柄滑块机构，实现碎边上刀片上下切边的运动。

(三)通过轮系传动的关系，实现上述两个功能的有序进行。

第二节方案设计

针对我们要实现的双边剪的功能，我们进行了部分方案的设计，进行相应的计算以及比较，确定了滚切式双边剪的概念图，以及运动循环。

机构一曲轴机构

图 2—1

上图为所需曲轴形状，为实现所需要的双摇杆以及曲柄滑块机构，只需一小段连杆颈装配圆盘。

机构二曲柄滑块机构

方案说明：如图2-1，此方案传动性能可以满足要求，运动运动无急回特性，结构既简单紧凑，其全部由连杆和滑块组成使得加工和维护容易，成本较低

图2-2

运动说明：当电动机通过曲轴传送动力进来，上图圆盘中，中间圆为链杆颈安装位置，为圆盘圆心；左下角的圆为主轴颈位置，在曲轴运动时，该圆位置不发生变化，中间圆绕其转动，从而实现滑块的直线运动，也就实现了随便上刀片的上下运动。

机构三曲轴带动的双摇杆机构

方案说明：如图2-3所示，机构的动力传输由两个如图2—1所示的两个曲轴联合组成，虚线描绘的小圆表示曲轴主轴颈，而中间实线小圆表示与连杆颈装配，当曲轴传动时，圆盘绕主轴颈转动，带动连杆左右上下运动，通过一个双摇杆机构（如图2—4所示）实现切边上刀片的切边往复运动，通过曲轴传动有着高稳定性，可以承受重载和高速载荷等优点。

图2-3

图2—4

运动说明：由曲轴传动带动圆盘传动，实现主动曲柄传动，带动摇杆进行摆动，切边上刀片作来回切边运动。

机构四 轮系传动机构

图2—5

滚切式双边剪，拥有对称的如上图所示的两部分，因为所需功率太大，一台

电机无法满足需求，在双边剪每边各有两台电机提供功率。

由图中所示：

电机通过在轴7两侧的2、3齿轮将动力传递进来，因为所需速度不要很大，但是要很大的剪切力，需通过一个二级减速器降速，当传递到齿轮1时，经过一个齿轮传动，最后传递给曲轴，碎边上刀片的曲轴通过4和6的传动关系。

第三节 机构组合运动示意

右端相切图 中端相切图 左端相切图 从运动循环图中，我们可以看出，两个曲轴安装时有着不同的相位角，因为存在这样的相位差 ，切边上刀片通过一个双摇杆机构，实现左中右的切边运动。轮系的组合实现了

两个电机驱动同一个转动速度的两个曲轴，又通过一定的传动比，实现切边和碎边按照一定的规律工作。

第四节 最终滚切式双边剪机构设计及分析

偏心距l ，以及杆长L ，当圆盘绕曲轴主轴颈转动时，也就是杆长l 的曲柄转动，在转动过程中会出现滑块运动的两个极限位置

Max ：L l +

Min ：L l -

由此可以得出两个位置的极限位置差异为：

2L l ?=

L

最大重叠量为60mm，考虑最大起始量时，因为最厚的板为50mm，再留出100mm的余量，我们就可以得到：

l mm

105

圆盘偏心距则为70mm，L长度视具体情况而定。

在四杆机构的三种基本形式中，曲柄摇杆机构和双曲柄机构主动件都是曲柄，作整周转动，所以，其位置角度是作360回转。而双摇杆机构因为其主动件是摆杆，在小于360之内摆动的，所以，必须确定主动件的极限摆角，才能分析从动件的运动特性。但是本次课程设计中，双摇杆机构的两个杆长是有变动的，因为是由曲轴带动起来的，以曲轴的旋转带动圆盘的运动，圆盘上不存在固定点，固定支点应为曲轴主轴颈。

根据双摇杆机构存在的条件之一：

最短杆与最长杆的长度之和小于或等于其余两杆的长度之和，且以最短杆的对边杆为机架所构成的双摇杆机构中，主动摇杆和连杆、从动摇杆和连杆在摆动过程中出现拉直和重叠两种共线。

根据双摇杆机构存在的条件之二

最短杆与最长杆的长度之和大于其余两杆的长度之和 , 无论以那种杆做机架都构成双摇杆机构。

纵观上述两种形成双摇杆的条件，结合滚切式双边剪的情况，选用双摇杆机构的存在条件之二，切边上刀片所在的杆长最短，且四杆长满足杆长之和条件。

运动情况1

：

此时进行的是右端剪切，圆盘绕主轴颈转动，两圆盘存在一个相位差近似于α。

运动情况2：

此时切边上刀口处于中部剪切的位置，两个圆盘位置对称分布，角度相等，均为β。

运动情况3：

运动情况3与1相似，为左端剪切位置，此时由于两个圆盘绕轴的转速相等，所以依然有α的相位差。

有上述近似可以得到如下关系：

αββ-=

2αβ=

若取=100α，则=50β。那么两个圆盘的相位差为100。

综合各个机构之间的关系 整理得到：

第三章电动机选择

第一节分析和拟定运动简图

滚切式双边剪具有高载荷，低速的特点，因此我们使用双电机分流式减速器，来承受较高载荷，为二级减速箱。

分流式减速器特点：结构紧凑，传动比大，传动平稳，效率高，能承受重载荷，经初步计算的系统组成简图如下。

滚切式双边剪工作曲轴最大工作压力为：26500kN

?，随着板料厚度不同而有所增减。

转速：20r/min，随着板料厚度不同而有所增减。

第二节选择电动机功率

有电动机至活塞的总效率：

322 1234=0.85

ηηηηη

=

总

1

η-滚动轴承（每对）传动效率取0.98

η -圆柱直齿轮传动效率取0.96

2

η -圆柱斜齿轮传动效率取0.97

3

η -弹性联轴器效率取0.99

4

资料显示，固定剪和移动剪需要各由253kW的功率驱动。固定剪和移动剪机械速度同步，电气负荷均衡。

第三节确定电动机

查阅晚上资料得，应选用，Z355-3A直流电动机

Z335-3A直流电动机资料如下：

额定电压：440（V）额定功率：250kw

型号：Z355-3A 极数：8极

产品类型：有刷直流电动机品牌：西玛电机

额定转速：1000（rpm）

产品认证：CCC 应用范围：Z355-3A 电动机作一般传动用，发电机作为一般直流电源用，调压发电机作蓄电池组充用。

第四章查阅并计算传动装置的总传动比和分配各级传

动比

第一节传动装置的总传动比

查阅相关关于双边剪的资料，获得下列结论:双边剪的剪切速度，即每分钟剪切次数是根据所测得的板厚值由PLC来选择或者操作工给定。

板厚与剪切数关系如下：

板厚mm剪切次数：次/分

6~1028

＞10~2024

＞20~3018

＞30~4016

＞40~5014

固定剪和移动剪机械速度同步，电气负荷均衡。主电机速度可调，自动剪切时以给定的速度连续运转，按板厚可手动调速，可由 PLC自动给出相应的速度。

主电机转数与板厚关系如下：

板厚mm主电机转数：r/min

6～201006

＞20～30755

＞30～40670

＞40～50587

转速与之相适应，传动比可以基本保持在41左右。

但是通过本减速箱，没有直接到曲轴上传递转矩，而是还要经过一级齿轮传动。如下图所示：

总传动比为41。

选带最后一级传动比为：2.5；又因为：

2/2.5=1.3i i 总低

得 3.55i =低；1.3 4.62i i ==低高

第二节 计算各轴的转速

电动机 1000/min n r =满

高速轴 =1000/min n n r =满高

中速轴 =/216.45/min n n i r =中高高

低速轴 =/60.97/min n n i r =低中低

工作机 =/2.524.39/min n n r =工低 计算结果符合要求

第三节 计算各轴的输入功率

轴1 单个电机 11250=245P kW η=?

轴2 221132451P P kW ηη=??=

轴3 3212424P P kW ηη=??=

第五章 斜齿圆柱齿轮的传动设计

主要查询资料由教材吴克坚、于晓红、钱瑞明主编：机械设计，高等教育出版社

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8pfe.html