轧辊磨床的机械系统设计

轧辊磨床的机械系统设计 姚 林，杨生田 摘 要：介绍鞍钢冷轧厂SAXW 1000/2.1X6000轧辊磨床数控化改造中的机械系统设计。 为保证轧辊磨床改造后的高精度、高 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面加工质量，机械设计以增加系统刚度为主要目标。 介绍了砂轮架、拖板、数控中高系统、动静压砂轮主轴等磨床主要部件的结构设计并进行了 必要的刚度分析，重点讨论了动静压砂轮主轴轴承与静压偏心套复合结构的特点，进行了必 要的分析计算。该结构既保证了砂轮主轴具有较高的刚度，又实现了砂轮的微进给。 关键词：轧辊磨床；改造；动静压轴承；刚度 鞍钢冷轧厂SAXW1000/2.1X6000轧辊磨床用于磨削各种具有中凸（凹）度的圆柱体轧辊。 现有的六台轧辊磨床有四台自动化程度低，老化严重，砂轮主轴、拖板床身、传动系统磨一 损严重，电气元件可靠性差，故障率高，成型装置只能磨削单一曲线，难以满足工艺要求。 全部从国外引进更新，以目前市场价格计，约需0.6~1.2亿元人民币，而改造只需1 000~2000万元人民币。因此决定进行数控化改造，同时对部分机械系统重新设计。 机械系统设计既要充分考虑其精度水平，又要兼顾磨削效率。这就要求一方面通过提高 机械结构的刚度，保证在强力磨削时具有良好的刚性；另一方面，尽可能简化传动链，以降 低传动误差，提高传动效率。 砂轮架是轧辊磨床的核心，决定辊型的中高机构和磨削精度。砂轮架通常由以下部分组 成：架体、砂轮主轴、中高机构（U一轴）、砂轮动平衡装置、横向进给机构（X轴）。 1．砂轮架的结构设计 原有砂轮架架体为三层式结构，如图la所示。中高机构绕支点1转动，使砂轮产生倾斜，通过砂轮在横向的微进给实现曲线研磨（俗称磕头机构）。由于受中高机构限制，砂轮 架只能做成三层。决定砂轮架抗弯刚度的中层比较单薄（较小），在磨削直径较小的工件时， 因移动部分伸出太长，砂轮架刚度降低。尤其在强力磨削时产生振动，导致磨削精度下降。 重新设计的砂轮架采用二层式结构，如图2所示。中高机构通过静压偏心套使砂轮主轴 产生偏心，实现横向微进给。该机构可使砂轮架为二层式结构，高度值较大，可以显著提高 主轴抗弯刚度。 2．改造前后砂轮架刚度比较 根据图la，原磨床三层式砂轮架的中层高度h =150mm。把砂轮架伸出部分视为悬臂梁，1 如图lb所示，在力P的作用下，砂轮架产生挠曲变形 式中EI为抗弯刚度，弹性模量E为常数，I为砂轮架矩形截面惯性矩 11 改造后的二层式砂轮架（也作悬臂梁分析，见图2)，取h2=520mm。在力P的作用下，砂轮架沿P方向的变形 砂轮架矩形截面惯性矩 =41.66I 21 由此可得： 即I EI=41.66EI (3) 22 由式（3）可知，二层结构砂轮架的抗弯刚度远大于三层结构，即在同样外力P的作用下，二层结构砂轮架的变形只有原来的 通过上述的分析比较，可以充分说明，改造后的二层式砂轮架在结构上具有明显的优势。 改造后，大拖板最大移动速度由原来的υ=2 000mm/min提高到υ=4 000mm/min。maxmax据此并结合磨床的结构特点，确定大拖板的传动方式，对电机进行了校核。 1．传动机构的选择和传动比的确定 大拖板采用齿轮、齿条传动，改造后传动方式不变。受床身结构限制，传动齿轮1的参数选择为：Z=23，m=5。为简化传动链，提高传动效率和精度，确定采用一级蜗轮、蜗杆副1 和齿轮齿条传动。如图3所示。 =2 000r/min， 电 为了达到拖板υ的速度要求，则传动比必须满足 max 若选择电机转速n 为尽量减小传动结构尺寸，暂定中间传动比为i=65。 2．电机的选择及校核 设大拖板质量（包括其上装配的各部件）m=9 200kg，拖板导轨为静压润滑方式，取摩擦系数υ=0.02。大拖板受力分析如图4所示。 (1)大拖板正常运行需要的输出扭矩 正常工作时，拖板运动的摩擦阻力为 F=υ•N=υ•mg=0.002×9.8×9200=1 803.2N 小齿轮（齿轮1)上所受的阻力矩为 此时电机的输出扭矩为 (2)大拖板启动时需要的输出扭矩 大拖板启动至达到最高速度所需时间为9s，则启动时的惯性力为 惯性力矩施加在电机上的阻力矩为 初选电机为1 FT6102-1 AC71，其额定转速n=2 000r/min；额定转矩M=27.8N•m；短时 过载能力β=2.5；过载力矩M =β•M=2.5×27.8=69.5N•m。 max 启动时，电机需克服惯性阻力矩和拖板运行的摩擦阻力矩，即：M+M电1电 2=2.283+50.732=53.015N•m；正常工作时，电机只需克服拖板运行的摩擦阻力矩M电1，可见M> M+M，1FT6102-1AC71能满足设计要求，且不会造成过高能耗。 max电1电2 改造后的中高机构采用高刚度、高精度回转式静压偏心套结构（U－轴），利用小角度回转偏心套实现曲线研磨。其结构如图5所示。中高机构的杠杆比为3/100，可确保U－轴的进给精度。以下计算U－轴的进给精度，及最大中高量为2mm（设计要求）时，滚珠丝杠 的最大行程。 电机每转U－轴横向位移为 =（18/600）×(25/30）=0.025mm 1 ?X 采用2 500（脉冲／转）的光电编码器作为位置控制单元，则每个脉冲的进给量精度为 ?X=?X/2 500 =0.000 0lmm=0.01μm P1 当最大中高量为?X =2mm时，中高机构滚珠丝杠的最大行程为 ?y= (?x/18 ) ×600=66.67mm 采用高精度光电编码器作为位置控制单元，且在结构允许的情况下，选取了较大的杠杆 比，所以，U－轴进给精度达到0.01μm，完全满足设计要求。 1．原磨床砂轮主轴轴承及轴系结构 (1)结构特点。原砂轮主轴采用五片瓦式滑动轴承及悬臂式轴系结构。 五片瓦式轴承结构安装、调整极为繁琐，尤其是间隙调整困难。由于下侧两片轴瓦固定， 要分别调整前后轴承六片轴瓦。 其主要缺点是：?各轴瓦间隙难以保证主轴位于中位，导致轴瓦磨损不均匀；?难以保 证同轴度；?导致锁紧螺丝振动和主轴间隙改变。 (2)轴系刚度 主轴支承系统的刚度（简称系统刚度）可以用主轴某点在工作时产生的位移来度量。它 包括三个部分，即主轴刚度、轴承油膜刚度以及支撑各部分的接触刚度，接触刚度较大，计 算时可忽略不计。为了简化计算，设油膜为刚体。 原砂轮主轴轴系结构如图6a所示。将砂轮主轴前轴承视作悬臂梁（见图6b)，在力P 的作用下，主轴产生的挠度的 2．改造后砂轮主轴及轴系结构 (1)结构特点。采用包容式动静压轴承结构，不锈钢针管节流，热态稳定性好 主轴在最佳刚度的动静压油腔内运转，具有很高的回转精度和刚度；能满足粗、精磨及 抛光要求。前后轴承的上、下腔为对称等面积分布，前腔为静压，后腔为动压。压力油进入 轴承上、下两腔时压力相等，主轴与轴承之间的间隙处处相等；轴承前腔进入压力油时，将 主轴推向后油腔。当主轴系统受自重影响和有载荷时，主轴产生向下和向后偏移，此时前腔 间隙增大，后腔间隙减小。主轴高速旋转时，润滑油经油楔带入后腔，使其压力增大，产生 动压效应，前腔压力也随之增大，使主轴平衡于设计位置，此时ε=0.6，提高了轴承承载能力和刚性。动静压轴承及偏心套静压轴承轴系结构如图7所示。 (2)主轴刚度 前轴承可作为简支梁分析，见图8a。由于力P作用在支点A上，故主轴产生的挠度为=0。 2f 同时，力P通过主轴作用在偏心套前端，使之产生变形，如图8b所示。可把偏心套作为悬臂梁分析，在力P的作用下，偏心套在A点的挠度为f ，即为主轴在该点的挠度 3 式中弹性模量E=210GPa为常数 式中：D一偏心套大径； α一内外径之比 所以， 3．改造前后砂轮主轴刚度比较 由式（6），(7)，(8)，(9)可得 改造后砂轮主轴系统的抗弯刚度为改造前四倍多。 另外一种提高悬臂式砂轮主轴轴系刚度的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 是加大主轴直径。欲取得相同的系统刚 度，主轴直径需增加到φ174mm。如此大直径的主轴在高速旋转时，将产生较大的热量，导 致轴瓦和主轴热变形，降低油液私度及油膜承载能力，甚至“抱轴”。为此需采用较大的油 膜间隙，但又会降低系统刚性，回转稳定性变差，无法进行高精度和高表面要求的轧辊磨削。 包容式轴系结构恰恰解决了这一难 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。 改造后磨床刚度得到极大提高，保证了高精度磨削需要。自2001年10月完成改造并投入使用以来已运行3年，其自动化水平、磨削精度基本达到或接近进口同类轧辊磨床的水平， 改造成本只有进口磨床的1/5左右。 2002年以后陆续完成另外三台轧辊磨床的改造，都取得了很好的效果。 ： [1]毕承恩等．现代数控机床（上、 下册 数学七年级下册拔高题下载二年级下册除法运算下载七年级下册数学试卷免费下载二年级下册语文生字表部编三年级下册语文教材分析 ）[M]．机械工业出版社． [2]机械工业革新技术改造选编，广州机床研究所编．液体静压技术原理及应用[G]机械工业出版社，1978.3. [3]余最康．液体静压轴承[M]．江苏科学技术出版社，1981. [4]朱均，邓圭玲，轧辊磨床磨头动静压轴承的性能分析［R］．西安交大轴承研究所，1988. [5]张国福，朱均．动静压一可倾瓦径向滑动轴承的研究［R］．西安交大轴承研究所，1988. [6]余鸿钧．动压、静压、动静压轴承的评述[R]．杭州轴承厂，1984. [7]丁振乾，蒋涌岩．动静压轴承轴承结构对其性能的影响［R］．上海机床厂磨床研究所，1984. [8]钟洪，黄汝光．大负载动静压轴承试验[R]．广州机床研究所，1984. [9]徐灏等．机械设计手册[M]．第一册，第四册．机械工业出版社，1991.9.