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開(kāi)題報(bào)告
題 目： 結(jié)晶器齒輪差動(dòng)振動(dòng)器設(shè)計(jì)
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一、概述
1．結(jié)晶器振動(dòng)器簡(jiǎn)介
在連鑄技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，只有采用了結(jié)晶器振動(dòng)裝置后，連鑄才能成功。結(jié)晶器振動(dòng)的目的是防止拉坯坯殼與結(jié)晶器粘結(jié)，同時(shí)獲得良好的鑄坯表面，因而結(jié)晶器向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，減少新生的坯殼與銅壁產(chǎn)生粘結(jié)，以防止坯殼受到較大的應(yīng)力，使鑄坯表面出現(xiàn)裂紋;而當(dāng)結(jié)晶器向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，借助摩擦，在坯殼上施加一定的壓力，愈合結(jié)晶器上升時(shí)拉出的裂痕，這就要求向下的運(yùn)動(dòng)速度大于拉坯速度，形成負(fù)滑脫。
機(jī)械振動(dòng)的振動(dòng)裝置由直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸器，分兩端傳動(dòng)兩個(gè)蝸輪減速機(jī)，其中一端裝有可調(diào)節(jié)軸套，蝸輪減速機(jī)后面再通過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸器，連接兩個(gè)滾動(dòng)軸承支持的偏心軸，在每個(gè)偏心輪處裝有帶滾動(dòng)軸承的曲柄，并通過(guò)帶橡膠軸承的振動(dòng)連桿支撐振動(dòng)臺(tái)，產(chǎn)生振動(dòng)。
在新型連鑄生產(chǎn)工藝中，采用帶有數(shù)字波形發(fā)生器的結(jié)晶器電液伺服振動(dòng)控制是保證連鑄生產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一。國(guó)外的應(yīng)用情況表明，采用連鑄結(jié)晶器非正弦伺服振動(dòng)，能夠有效地減少鑄坯與結(jié)晶器間的摩擦力，從而防止坯殼與結(jié)晶器粘結(jié)而被拉裂，減小鑄坯振痕，提高鑄坯質(zhì)量川一〔9l。帶有數(shù)字波形發(fā)生器的結(jié)晶器電液伺服振動(dòng)控制裝置和傳統(tǒng)的結(jié)晶器振動(dòng)裝置相比，可以方便地實(shí)現(xiàn)多種波形振動(dòng)、實(shí)現(xiàn)連鑄過(guò)程監(jiān)督和實(shí)時(shí)顯示振動(dòng)波形，并能在線修改非振動(dòng)方式及振動(dòng)頻率和幅值等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程的平穩(wěn)過(guò)度。
2. 結(jié)晶器振動(dòng)器的發(fā)展
最初的連鑄機(jī)結(jié)晶器是靜止不動(dòng)的，在拉坯的過(guò)程中坯殼很容易與結(jié)晶器內(nèi)壁產(chǎn)生粘結(jié)，從而出現(xiàn)坯殼“拉不動(dòng)”或拉漏鋼水的事故發(fā)生。因此，靜止不動(dòng)的結(jié)晶器限制了連鑄生產(chǎn)的工業(yè)化發(fā)展。直到1933年現(xiàn)代連鑄的奠基人一德國(guó)的西格弗里德?容漢斯開(kāi)發(fā)了結(jié)晶器振動(dòng)裝置，并成功地將它應(yīng)用于有色金屬黃銅的連鑄。
1949年S?容漢斯的合伙人美國(guó)的艾爾文?羅西(Irving Rossi )獲得了容漢斯結(jié)晶器振動(dòng)技術(shù)專利的使用權(quán)，并首次在美國(guó)約阿?勒德隆鋼公司廠的一臺(tái)方坯連鑄試驗(yàn)機(jī)上采用了振動(dòng)結(jié)晶器。與此同時(shí)，容漢斯振動(dòng)結(jié)晶器又被西德曼內(nèi)斯(Mannesmann)公司胡金根廠的一臺(tái)連續(xù)鑄鋼試驗(yàn)連鑄機(jī)上成功應(yīng)用結(jié)晶器振動(dòng)技術(shù)在這兩臺(tái)連鑄機(jī)上的成功應(yīng)用，為結(jié)晶器振動(dòng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
二、本課題在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀
繼續(xù)日本將液壓伺服振動(dòng)結(jié)晶器應(yīng)用于連鑄之后，法國(guó)IRSID[2]與CLECIM合作進(jìn)行了相應(yīng)的研究工作。于1987年公布了其實(shí)驗(yàn)結(jié)果。研究結(jié)果表明，應(yīng)用非正弦振動(dòng)可以有效地減少結(jié)晶器內(nèi)的摩擦力，使振痕深度減輕，鑄坯表面質(zhì)量得以明顯改善。在前面實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，IRSID與CLECIM又新設(shè)計(jì)制造了兩臺(tái)液壓振動(dòng)工業(yè)實(shí)驗(yàn)裝置，分別安裝在了索拉克廠的２流板坯連鑄機(jī)的2號(hào)機(jī)和Unimecal Normandie廠的8流小方坯連鑄機(jī)的一流上。首先他們?cè)谶@兩個(gè)裝置上采用了與機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)相同的正弦波形及控制方式，應(yīng)用于各自的鑄機(jī)上進(jìn)行長(zhǎng)期的工業(yè)試驗(yàn)。結(jié)果表明鑄坯表面質(zhì)量和機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)相同，同時(shí)也驗(yàn)證了液壓振動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。隨后在SOLLAC廠進(jìn)行了非正弦振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，其金相分析結(jié)果表明，生產(chǎn)的低碳鋼的振痕深度至少減少了25%,在UN廠，雖然他們應(yīng)用液壓振動(dòng)仍進(jìn)行了正弦振動(dòng)試驗(yàn)，但是在控制上對(duì)正弦振動(dòng)模型進(jìn)行了優(yōu)化控制，結(jié)果表明，低碳鋼方坯的表面缺陷減少了75%。
CLECIM后來(lái)又為SOLLAC廠設(shè)計(jì)制造了一臺(tái)工業(yè)性液壓振動(dòng)裝置，采用全數(shù)字控制方式，在控制上具有更大的靈活性和適應(yīng)性。該設(shè)備液壓源壓力為18Mpa，電動(dòng)機(jī)功率為110KW，于1993年3月安裝在SOLLAC廠2號(hào)板坯連鑄機(jī)上，目前該連鑄機(jī)主要生產(chǎn)超低碳鋼，C含量為0.025%及小于0.01%。生產(chǎn)結(jié)果表明，應(yīng)用非正弦振動(dòng)，其振痕深度比用正弦振動(dòng)至少減少了30%，并且可以減少凝固鉤的數(shù)量，顯著減少皮下缺陷，從而大大提高了最后軋制成品的表面質(zhì)量?，F(xiàn)在，該廠一直采用給正弦振動(dòng)進(jìn)行生產(chǎn)，并計(jì)劃改造另一流板坯振動(dòng)系統(tǒng)。
英國(guó)的Stocksbridge工程鋼廠的圓方坯連鑄機(jī)主要生產(chǎn)特殊鋼，應(yīng)用液壓振動(dòng)改造后，生產(chǎn)實(shí)踐表明，用液壓非正弦振動(dòng)系統(tǒng)不僅可以減少振痕深度，減少卷渣，提高鑄坯表面質(zhì)量，而且該廠的漏鋼率也從原來(lái)的3%下降到了1%。
與此同時(shí)，德馬克公司在阿維迪薄板坯連鑄機(jī)上，開(kāi)發(fā)成功了薄板坯液壓振動(dòng)系統(tǒng)。日本住友在其90-120mm×1000mm試驗(yàn)連鑄機(jī)上采用了液壓振動(dòng)技術(shù)，起普碳鋼的試驗(yàn)拉速為5m/min；中碳鋼等鋼種的試驗(yàn)拉速為3m/min。奧鋼聯(lián)已經(jīng)在其薄板坯連鑄機(jī)上，盧森堡則在其方坯以異形坯連鑄機(jī)上開(kāi)始裝備液壓振動(dòng)系統(tǒng)，并開(kāi)始了自帶振動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)晶器的研制。另外，日本神戶、新日鐵、英國(guó)ECSC等都相繼開(kāi)始液壓振動(dòng)的研究。
三、本課題的研究?jī)?nèi)容
1、任務(wù)及要求
結(jié)晶器齒輪差動(dòng)振動(dòng)器設(shè)計(jì)，振幅12毫米，震動(dòng)重量按800毫米長(zhǎng)結(jié)晶器計(jì)算，頻率100~150之間。
2.主要內(nèi)容
（1）調(diào)查研究課題研究現(xiàn)況；
（2）分析要求，提出方案設(shè)計(jì)與選定；
（3）齒輪差動(dòng)設(shè)計(jì)與校核；
（4）動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；
四、本課題的實(shí)施方案
差動(dòng)齒輪振動(dòng)機(jī)構(gòu)是我國(guó)60年代中期開(kāi)發(fā)并應(yīng)用于生產(chǎn)的弧線軌跡振動(dòng)機(jī)構(gòu)。結(jié)晶器固定在由彈簧支撐的振動(dòng)框架上，用凸輪或偏心輪強(qiáng)迫框架下降，利用彈簧的反力使其上升。振動(dòng)框架的內(nèi)、外弧側(cè)面，裝有齒條，分別與節(jié)圓半徑相等的小齒輪相嚙合。裝在小齒輪軸上的扇形齒輪有不同的節(jié)圓半徑，內(nèi)弧側(cè)的節(jié)園半徑比較大，相互嚙合的扇形齒輪擺動(dòng)時(shí)，就時(shí)與其相連的兩個(gè)小齒輪曳不一樣，因而可使結(jié)晶器產(chǎn)生弧線運(yùn)動(dòng)，由于它結(jié)構(gòu)復(fù)雜，齒輪和導(dǎo)向件磨損較嚴(yán)重等原因而未被得到推廣。但差動(dòng)原理卻在后來(lái)的四偏心結(jié)結(jié)機(jī)構(gòu)上得到了應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。
圖4-1差動(dòng)式振動(dòng)機(jī)構(gòu)
在結(jié)晶器的振動(dòng)框架1上，固定有導(dǎo)軌和齒條2，在距離為A的兩側(cè)裝有兩根長(zhǎng)軸3，軸支撐在軸承12上，軸上裝有齒輪4和導(dǎo)輪5，以及不同節(jié)圓半徑的扇形齒輪6及7.，在振動(dòng)框架1兩端還裝著導(dǎo)向塊8，在扇形齒輪6上裝有連桿9，和與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連的偏心輪10，振動(dòng)框架1下面還支撐有彈簧11，目的是平衡一部分負(fù)荷并使振動(dòng)框架1產(chǎn)生一個(gè)向上的恢復(fù)力，兩個(gè)軸3就產(chǎn)生反復(fù)的轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪4廁通過(guò)齒條嚙合關(guān)系使振動(dòng)框架1產(chǎn)生振動(dòng)，但由于扇形齒輪6和7的節(jié)圓半徑不同，所以兩側(cè)齒輪4的角速度也不同，則振動(dòng)框架將產(chǎn)生弧線振動(dòng)。
圓弧半徑為R，框架1兩側(cè)齒條節(jié)線間距離為W，兩齒輪4的中心距為A，節(jié)圓半徑為，扇形齒輪6和7的節(jié)圓半徑為、，則：
正確的選擇W、A及、的值，便可以得到要求的R值。
五、本課題的實(shí)施進(jìn)度計(jì)劃
本課題的實(shí)施計(jì)劃如下：
1.2015年3月1~10日：調(diào)查研究課題研究現(xiàn)況，撰寫開(kāi)題報(bào)告；
2.2015年3月10日—3月15日：分析結(jié)晶器齒輪差動(dòng)振動(dòng)器，設(shè)計(jì)總體方案；
3.2015年3月16日—3月20日：根據(jù)總體方案及參數(shù)要求，確定齒輪差動(dòng)方案；
4.2015年3月21日—3月25日：設(shè)計(jì)齒輪差結(jié)構(gòu)尺寸并校核；
5.2015年:3月26日—3月31日：設(shè)計(jì)計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及尺寸；
6.2015年4月1日—4月5日：校核各主要零部件的強(qiáng)度；
7.2015年4月6日—4月20日：繪制結(jié)晶器齒輪差動(dòng)振動(dòng)器的裝配圖及零件圖；
8.2015年4月21日—4月31日：書寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書。
參考資料：
[1] 駱涵秀, 李世倫, 朱捷等. 機(jī)電控制[M] . 杭州:浙江大學(xué)出版社, 1994.
[2] 李運(yùn)華, 王占林, 陳棟梁, 等. 連鑄機(jī)結(jié)晶器電液伺服振動(dòng)波形系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研制. 機(jī)床與液壓,1998
[3] 李憲奎, 張德明, 曾憲武. 結(jié)晶器非正弦振動(dòng)的研就鐵,1998 ,33(11) :26～29
[4] 方一鳴, 王洪瑞, 趙現(xiàn)朝, 等. STD 工控機(jī)在可逆冷軋機(jī)厚控系統(tǒng)中的應(yīng)用. 冶金自動(dòng)化,1998 ,22(4) :16～18
[5] 田乃媛 薄板坯連鑄連軋[M]1 北京:冶金工業(yè)出版社,1998
[6] 楊拉道，謝東鋼.常規(guī)板坯連鑄技術(shù)[[M].冶金工業(yè)出版社.2002
[7] 李憲奎，張德明.連鑄結(jié)晶器振動(dòng)技術(shù)[M].冶金工業(yè)出版社.2000
[8] 時(shí)彥林，李鵬飛.結(jié)晶器振動(dòng)技術(shù)的發(fā)展[[J].天津冶金.2006.2
文獻(xiàn)綜述
題 目： 結(jié)晶器齒輪差動(dòng)振動(dòng)器設(shè)計(jì)
學(xué) 院：
專 業(yè)：
班 級(jí)：
學(xué) 號(hào)：
學(xué)生姓名：
起訖日期：
指導(dǎo)教師： 職稱：
學(xué)院院長(zhǎng)：
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一、結(jié)晶器應(yīng)用領(lǐng)域
1.連鑄機(jī)機(jī)型分類，特點(diǎn)及演變
目前連鑄機(jī)已在鋼廠廣泛采用，形式多種，用途各異。對(duì)連鑄機(jī)的叫法也很不一致?，F(xiàn)按一般習(xí)慣介紹連鑄機(jī)的分類方法：
(1)接連鑄機(jī)外形分類有：立式連鑄機(jī)、立彎式連鑄機(jī)、弧形連鑄機(jī)、超低頭(橢圓形)連鑄機(jī)、水平連鑄機(jī)，輪式連鑄機(jī)等。
(2)按澆注鑄坯斷面分類有
表1 國(guó) 內(nèi) 連 鑄 機(jī) 統(tǒng) 計(jì)
機(jī)型
臺(tái)數(shù)/臺(tái)
流數(shù)/流
年產(chǎn)能/萬(wàn)t
說(shuō)明
小方坯
211
783
8983.50
≤150mm×150mm
方、矩坯
218
781
9902
>150mm×150mm
板坯
91
120
8383
板方兼用者按板坯計(jì)
薄板坯
10
10
1262
薄板坯連鑄連軋
圓坯
20
52
511.25
以生產(chǎn)圓坯為主者按圓坯
異型坯
1
3
63
?
合計(jì)
551
1749
29204.75
有幾家方案未確定者（如廣東、福建等）尚未計(jì)入
(3) 按拉速分類有：高拉速連鑄機(jī)和低拉速連鑄機(jī)。它們的主要區(qū)別在于：高拉速時(shí)鑄坯帶液芯矯直，低拉速時(shí)鑄坯全凝固矯直。
(4)按鋼水靜壓頭分類：靜壓力較大的叫高頭型連鑄機(jī)如立式、立彎式連鑄機(jī)。靜壓力較小的叫低頭連鑄機(jī)如弧形、橢圓、水平連鑄機(jī)。
2.連續(xù)鑄鋼的工藝流程及設(shè)備
圖 1-1 煉鋼生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)圖
圖1-2 連鑄工藝圖
二、結(jié)晶器振動(dòng)器簡(jiǎn)介
在連鑄技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，只有采用了結(jié)晶器振動(dòng)裝置后，連鑄才能成功。結(jié)晶器振動(dòng)的目的是防止拉坯坯殼與結(jié)晶器粘結(jié)，同時(shí)獲得良好的鑄坯表面，因而結(jié)晶器向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，減少新生的坯殼與銅壁產(chǎn)生粘結(jié)，以防止坯殼受到較大的應(yīng)力，使鑄坯表面出現(xiàn)裂紋;而當(dāng)結(jié)晶器向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，借助摩擦，在坯殼上施加一定的壓力，愈合結(jié)晶器上升時(shí)拉出的裂痕，這就要求向下的運(yùn)動(dòng)速度大于拉坯速度，形成負(fù)滑脫。
機(jī)械振動(dòng)的振動(dòng)裝置由直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸器，分兩端傳動(dòng)兩個(gè)蝸輪減速機(jī)，其中一端裝有可調(diào)節(jié)軸套，蝸輪減速機(jī)后面再通過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸器，連接兩個(gè)滾動(dòng)軸承支持的偏心軸，在每個(gè)偏心輪處裝有帶滾動(dòng)軸承的曲柄，并通過(guò)帶橡膠軸承的振動(dòng)連桿支撐振動(dòng)臺(tái)，產(chǎn)生振動(dòng)。
在新型連鑄生產(chǎn)工藝中，采用帶有數(shù)字波形發(fā)生器的結(jié)晶器電液伺服振動(dòng)控制是保證連鑄生產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一。國(guó)外的應(yīng)用情況表明，采用連鑄結(jié)晶器非正弦伺服振動(dòng)，能夠有效地減少鑄坯與結(jié)晶器間的摩擦力，從而防止坯殼與結(jié)晶器粘結(jié)而被拉裂，減小鑄坯振痕，提高鑄坯質(zhì)量川一〔9l。帶有數(shù)字波形發(fā)生器的結(jié)晶器電液伺服振動(dòng)控制裝置和傳統(tǒng)的結(jié)晶器振動(dòng)裝置相比，可以方便地實(shí)現(xiàn)多種波形振動(dòng)、實(shí)現(xiàn)連鑄過(guò)程監(jiān)督和實(shí)時(shí)顯示振動(dòng)波形，并能在線修改非振動(dòng)方式及振動(dòng)頻率和幅值等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程的平穩(wěn)過(guò)度。
三、結(jié)晶器振動(dòng)器的發(fā)展
最初的連鑄機(jī)結(jié)晶器是靜止不動(dòng)的，在拉坯的過(guò)程中坯殼很容易與結(jié)晶器內(nèi)壁產(chǎn)生粘結(jié)，從而出現(xiàn)坯殼“拉不動(dòng)”或拉漏鋼水的事故發(fā)生。因此，靜止不動(dòng)的結(jié)晶器限制了連鑄生產(chǎn)的工業(yè)化發(fā)展。直到1933年現(xiàn)代連鑄的奠基人一德國(guó)的西格弗里德?容漢斯開(kāi)發(fā)了結(jié)晶器振動(dòng)裝置，并成功地將它應(yīng)用于有色金屬黃銅的連鑄。
1949年S?容漢斯的合伙人美國(guó)的艾爾文?羅西(Irving Rossi )獲得了容漢斯結(jié)晶器振動(dòng)技術(shù)專利的使用權(quán)，并首次在美國(guó)約阿?勒德隆鋼公司廠的一臺(tái)方坯連鑄試驗(yàn)機(jī)上采用了振動(dòng)結(jié)晶器。與此同時(shí)，容漢斯振動(dòng)結(jié)晶器又被西德曼內(nèi)斯(Mannesmann)公司胡金根廠的一臺(tái)連續(xù)鑄鋼試驗(yàn)連鑄機(jī)上成功應(yīng)用結(jié)晶器振動(dòng)技術(shù)在這兩臺(tái)連鑄機(jī)上的成功應(yīng)用，為結(jié)晶器振動(dòng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
四、結(jié)晶器振動(dòng)器國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀
繼續(xù)日本將液壓伺服振動(dòng)結(jié)晶器應(yīng)用于連鑄之后，法國(guó)IRSID[2]與CLECIM合作進(jìn)行了相應(yīng)的研究工作。于1987年公布了其實(shí)驗(yàn)結(jié)果。研究結(jié)果表明，應(yīng)用非正弦振動(dòng)可以有效地減少結(jié)晶器內(nèi)的摩擦力，使振痕深度減輕，鑄坯表面質(zhì)量得以明顯改善。在前面實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，IRSID與CLECIM又新設(shè)計(jì)制造了兩臺(tái)液壓振動(dòng)工業(yè)實(shí)驗(yàn)裝置，分別安裝在了索拉克廠的２流板坯連鑄機(jī)的2號(hào)機(jī)和Unimecal Normandie廠的8流小方坯連鑄機(jī)的一流上。首先他們?cè)谶@兩個(gè)裝置上采用了與機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)相同的正弦波形及控制方式，應(yīng)用于各自的鑄機(jī)上進(jìn)行長(zhǎng)期的工業(yè)試驗(yàn)。結(jié)果表明鑄坯表面質(zhì)量和機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)相同，同時(shí)也驗(yàn)證了液壓振動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。隨后在SOLLAC廠進(jìn)行了非正弦振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，其金相分析結(jié)果表明，生產(chǎn)的低碳鋼的振痕深度至少減少了25%,在UN廠，雖然他們應(yīng)用液壓振動(dòng)仍進(jìn)行了正弦振動(dòng)試驗(yàn)，但是在控制上對(duì)正弦振動(dòng)模型進(jìn)行了優(yōu)化控制，結(jié)果表明，低碳鋼方坯的表面缺陷減少了75%。
CLECIM后來(lái)又為SOLLAC廠設(shè)計(jì)制造了一臺(tái)工業(yè)性液壓振動(dòng)裝置，采用全數(shù)字控制方式，在控制上具有更大的靈活性和適應(yīng)性。該設(shè)備液壓源壓力為18Mpa，電動(dòng)機(jī)功率為110KW，于1993年3月安裝在SOLLAC廠2號(hào)板坯連鑄機(jī)上，目前該連鑄機(jī)主要生產(chǎn)超低碳鋼，C含量為0.025%及小于0.01%。生產(chǎn)結(jié)果表明，應(yīng)用非正弦振動(dòng)，其振痕深度比用正弦振動(dòng)至少減少了30%，并且可以減少凝固鉤的數(shù)量，顯著減少皮下缺陷，從而大大提高了最后軋制成品的表面質(zhì)量?，F(xiàn)在，該廠一直采用給正弦振動(dòng)進(jìn)行生產(chǎn)，并計(jì)劃改造另一流板坯振動(dòng)系統(tǒng)。
英國(guó)的Stocksbridge工程鋼廠的圓方坯連鑄機(jī)主要生產(chǎn)特殊鋼，應(yīng)用液壓振動(dòng)改造后，生產(chǎn)實(shí)踐表明，用液壓非正弦振動(dòng)系統(tǒng)不僅可以減少振痕深度，減少卷渣，提高鑄坯表面質(zhì)量，而且該廠的漏鋼率也從原來(lái)的3%下降到了1%。
與此同時(shí)，德馬克公司在阿維迪薄板坯連鑄機(jī)上，開(kāi)發(fā)成功了薄板坯液壓振動(dòng)系統(tǒng)。日本住友在其90-120mm×1000mm試驗(yàn)連鑄機(jī)上采用了液壓振動(dòng)技術(shù)，起普碳鋼的試驗(yàn)拉速為5m/min；中碳鋼等鋼種的試驗(yàn)拉速為3m/min。奧鋼聯(lián)已經(jīng)在其薄板坯連鑄機(jī)上，盧森堡則在其方坯以異形坯連鑄機(jī)上開(kāi)始裝備液壓振動(dòng)系統(tǒng)，并開(kāi)始了自帶振動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)晶器的研制。另外，日本神戶、新日鐵、英國(guó)ECSC等都相繼開(kāi)始液壓振動(dòng)的研究。
五、振動(dòng)方式類型
結(jié)晶器振動(dòng)方式是指結(jié)晶器運(yùn)動(dòng)速度的變化規(guī)律，有三種：
A 同步振動(dòng)
同步式振動(dòng)是最早的振動(dòng)形式，其速度變化規(guī)律特點(diǎn)是：結(jié)晶器在下降時(shí)與鑄坯作同步運(yùn)動(dòng)，然后以三倍的拉速上升。上升和下降都是等速運(yùn)動(dòng)。這種振動(dòng)方式需要采取凸輪機(jī)構(gòu)，加工制造比較麻煩。同時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生沖擊力，影響結(jié)晶器振動(dòng)的平穩(wěn)性，對(duì)鑄坯質(zhì)量和設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)都是不利的。
B 負(fù)滑脫振動(dòng)
負(fù)滑脫振動(dòng)是同步振動(dòng)的改進(jìn)形式，其主要特點(diǎn)是：
1）結(jié)晶器的下降速度稍大于拉坯速度，有一個(gè)參數(shù)稱為負(fù)滑差率，用來(lái)表示結(jié)晶器下降速度和拉速之間的滑差率。如果負(fù)滑差率太大，容易在鑄坯表面上產(chǎn)生振動(dòng)痕跡，所以，一般取其值在5到10之間。優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)結(jié)晶器下降時(shí)使坯殼中產(chǎn)生壓應(yīng)力，以促進(jìn)斷裂的坯殼壓合，也有利于脫模。
2）結(jié)晶器在上升和下降的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處，速度變化比較緩和，利于提高運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。
在結(jié)晶器上升時(shí)，坯殼承受拉應(yīng)力，下降時(shí)承受壓應(yīng)力，因此在確定振動(dòng)參數(shù)時(shí)，應(yīng)使開(kāi)始下降時(shí)的加速度大些，開(kāi)始上升時(shí)的加速度取小些。
負(fù)滑脫式振動(dòng)是一種較好的振動(dòng)形式，但是也是靠凸輪來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
C 正弦式振動(dòng)
正弦式振動(dòng)時(shí)，結(jié)晶器的運(yùn)動(dòng)速度是按正弦規(guī)律變化的。其特點(diǎn)是：
1）由于正弦振動(dòng)中沒(méi)有穩(wěn)定的速度階段，所以結(jié)晶器和鑄坯之間沒(méi)有同步運(yùn)動(dòng)階段，但有一西歐啊段負(fù)滑脫階段，有利于促使坯殼愈合。
2）由于速度是按正弦運(yùn)動(dòng)變化，加速度是按余弦規(guī)律變化，過(guò)渡比較平穩(wěn)，沒(méi)有很大的沖擊。
3）因加速度較小，有可能提高振動(dòng)頻率，利于提高脫模作用，消除粘接現(xiàn)象。
4）正弦式振動(dòng)是通過(guò)偏心輪來(lái)實(shí)現(xiàn)的，制造比較容易。
5）因結(jié)晶器和鑄坯之間沒(méi)有嚴(yán)格的相對(duì)速度關(guān)系，所以，當(dāng)拉坯速度變化范圍不太大時(shí)，振動(dòng)機(jī)構(gòu)和拉坯機(jī)構(gòu)之間的聯(lián)鎖的重要性也不大，可以簡(jiǎn)化電氣系統(tǒng)。
六、振動(dòng)機(jī)構(gòu)型式
結(jié)晶器的振動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)基本部分：實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器運(yùn)動(dòng)軌跡的部分和實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器振動(dòng)的部分。
按照結(jié)晶器運(yùn)動(dòng)軌跡（弧線）的實(shí)現(xiàn)方式分為：導(dǎo)軌式、長(zhǎng)臂式、復(fù)合差動(dòng)式、短臂四連桿式和四偏心輪式。
小方坯連鑄機(jī)用短臂四連桿振動(dòng)機(jī)構(gòu)常安裝在內(nèi)弧側(cè)，大板坯連鑄機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)常裝在外弧側(cè)。四偏心輪振動(dòng)機(jī)構(gòu)在最近新建設(shè)的大型板坯連鑄機(jī)上采用的也很多，多用來(lái)實(shí)現(xiàn)高頻振動(dòng)。
按照結(jié)晶器振動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方式分為強(qiáng)迫振動(dòng)、彈簧自由振動(dòng)、復(fù)合式振動(dòng)和液壓振動(dòng)或伺服振動(dòng)。本設(shè)計(jì)題目采用帶有氣囊減震的強(qiáng)迫振動(dòng)。
A導(dǎo)軌式振動(dòng)機(jī)構(gòu)
導(dǎo)軌式振動(dòng)機(jī)構(gòu)是通過(guò)具有一定半徑的弧形導(dǎo)軌和滑輪來(lái)使結(jié)晶器實(shí)現(xiàn)弧線運(yùn)動(dòng)的。由于振動(dòng)行程很小，弧形導(dǎo)軌也可以用兩段折線來(lái)代替，以便簡(jiǎn)化加工。導(dǎo)軌可以故地在澆注平臺(tái)的鋼結(jié)構(gòu)上，也可以固定在二次冷卻裝置的機(jī)架上，這樣便于對(duì)弧?；喴部梢杂没瑝K代替。它們是固定在結(jié)晶器的外殼或框架上的。結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，早期使用較多。
B 長(zhǎng)臂式振動(dòng)機(jī)構(gòu)
長(zhǎng)臂式振動(dòng)機(jī)構(gòu)是通過(guò)一根長(zhǎng)臂來(lái)實(shí)現(xiàn)弧線運(yùn)動(dòng)，長(zhǎng)臂的工作長(zhǎng)度等于圓弧半徑，一端為支點(diǎn)，即連鑄機(jī)的圓弧中心，它是鉸接在建筑結(jié)構(gòu)上的。另一端上裝著結(jié)晶器，可以繞支點(diǎn)做弧線擺動(dòng)。長(zhǎng)臂是通過(guò)振動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上下振動(dòng)的。長(zhǎng)臂式振動(dòng)裝置能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)弧線運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，這種振動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)拆裝二次冷卻裝置及拉坯矯直機(jī)不太方便，現(xiàn)已淘汰。
C 復(fù)合差動(dòng)式振動(dòng)機(jī)構(gòu)
復(fù)合差動(dòng)式機(jī)構(gòu)是我國(guó)自行開(kāi)發(fā)的一種振動(dòng)機(jī)構(gòu)。結(jié)晶器固定在由彈簧支撐的振動(dòng)框架上，用凸輪和偏心輪強(qiáng)迫框架下降，利用彈簧的反力使其上升。該振動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡精確，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)件及軸承較少，方便維修及快速更換。而且由于有彈簧支撐，不但使拉破坯殼的危險(xiǎn)大大下降，還能使有關(guān)運(yùn)動(dòng)件及齒輪和齒條等嚙合件永不脫離嚙合。
D 短臂四連桿振動(dòng)機(jī)構(gòu)
四連桿機(jī)構(gòu)中的連桿CD在某一瞬時(shí)的運(yùn)動(dòng)是繞瞬時(shí)中心O作弧線運(yùn)動(dòng)的，圓弧半徑為OD。因此，只要恰當(dāng)?shù)剡x擇四連桿中各桿的尺寸參數(shù)，使OD正好等于連鑄機(jī)的圓弧半徑R，使結(jié)晶器處在CD桿的位置，，便可以實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器的弧線運(yùn)動(dòng)。由于結(jié)晶器的振幅與圓弧半徑相比很小，因此瞬心位置變化造成的運(yùn)動(dòng)誤差在理論上很小，不大于0.1mm，可以忽略。
圖2.1 四連桿機(jī)構(gòu)
E 四偏心輪振動(dòng)機(jī)構(gòu)
四偏心輪振動(dòng)機(jī)構(gòu)是西德曼內(nèi)斯曼公司于70年代開(kāi)發(fā)，80年代加以改進(jìn)的一種振動(dòng)機(jī)構(gòu)。結(jié)晶器的弧線運(yùn)動(dòng)是利用兩對(duì)偏心距不同的偏心輪及連桿機(jī)構(gòu)而產(chǎn)生的。結(jié)晶器運(yùn)動(dòng)的弧線定中是利用兩條板式彈簧使結(jié)晶器只作弧形擺動(dòng)，而不能產(chǎn)生前后左右的位移。適當(dāng)選擇彈簧的長(zhǎng)度，可以使運(yùn)動(dòng)軌跡誤差不大于0.02mm。
參考資料：
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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文)
結(jié)晶器齒輪差動(dòng)振動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
系 名：
專業(yè)班級(jí)：
學(xué)生姓名：
學(xué) 號(hào)：
指導(dǎo)教師姓名：
指導(dǎo)教師職稱：
年 月
目 錄
摘 要 II
Abstract III
第一章 緒論 1
1.1結(jié)晶器振動(dòng)器簡(jiǎn)介 1
1.2結(jié)晶器振動(dòng)器的發(fā)展 1
1.3國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 1
第二章 總體設(shè)計(jì) 3
2.1設(shè)計(jì)要求 3
2.2方案選擇 3
2.2.1振動(dòng)機(jī)構(gòu)方案選擇 3
2.2.2振動(dòng)形式選擇 4
2.2.3傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案選擇 5
2.3總體參數(shù)分析 6
2.3.1結(jié)晶器的位移函數(shù) 6
2.3.2結(jié)晶器的速度函數(shù) 7
3.2.3鑄流速度 7
第三章 傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)與選擇 8
3.1電動(dòng)機(jī)的選擇 8
3.1.1結(jié)晶器質(zhì)量的估算 8
3.1.2驅(qū)動(dòng)功率選擇 8
3.1.3 電動(dòng)機(jī)的選擇 9
3.1.4電動(dòng)機(jī)校核 9
（1）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的校核 9
（2）電動(dòng)機(jī)發(fā)熱的校核 10
3.2減速器的選擇 10
3.2.1傳動(dòng)比的確定 10
3.2.2減速器選擇 10
3.2.3減速器的功率校核 10
3.2.4減速器的強(qiáng)度校核 11
3.3振動(dòng)源偏心軸的設(shè)計(jì) 11
3.3.1軸的類型選擇 11
3.3.2軸的材料 12
3.3.3初算軸的直徑 12
3.3.4軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12
3.3.5軸上零件的布置和裝配方案 14
3.3.6軸上受力分析及校核 14
3.4軸上零件的設(shè)計(jì)與校核 19
3.4.1聯(lián)軸器的選擇 19
3.4.2軸承的選擇及其校核 20
3.4.3鍵的選用及校核 22
第四章 振動(dòng)部件的設(shè)計(jì)與選擇 23
4.1齒輪齒條設(shè)計(jì) 23
4.1.1齒輪齒條的材料選擇 23
4.1.2齒輪齒條的設(shè)計(jì)與校核 23
4.2扇形齒輪設(shè)計(jì) 27
4.3連桿的設(shè)計(jì) 27
4.4連桿銷的設(shè)計(jì) 28
4.5彈簧的設(shè)計(jì)及其校核 29
總 結(jié) 32
參考文獻(xiàn) 33
致 謝 34
摘 要
結(jié)晶器差動(dòng)齒輪振動(dòng)機(jī)構(gòu)是我國(guó)60年代中期開(kāi)發(fā)并應(yīng)用于生產(chǎn)的弧線軌跡振動(dòng)機(jī)構(gòu)。其結(jié)晶器固定在由彈簧支撐的振動(dòng)框架上，用凸輪或偏心輪強(qiáng)迫框架下降，利用彈簧的反力使其上升。其主要由電機(jī)、減速器、偏心軸、連桿、差動(dòng)扇形齒輪、齒輪齒條、彈簧、框架等構(gòu)成。
本文主要針對(duì)結(jié)晶器差動(dòng)齒輪振動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先，通過(guò)對(duì)差動(dòng)齒輪振動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行分析，在此分析基礎(chǔ)上提出了總體結(jié)構(gòu)方案；接著，對(duì)主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算選擇；然后，對(duì)各主要零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)與校核；最后，通過(guò)AutoCAD制圖軟件繪制了搓絲機(jī)總裝圖、傳動(dòng)裝置裝配圖及主要零部件圖。
通過(guò)本次設(shè)計(jì)，鞏固了大學(xué)所學(xué)專業(yè)知識(shí)，如：機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、材料力學(xué)、公差與互換性理論、機(jī)械制圖等；掌握了普通機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法并能夠熟練使用AutoCAD制圖軟件，對(duì)今后的工作于生活具有極大意義。
關(guān)鍵詞: 結(jié)晶器，差動(dòng)齒輪，振動(dòng)機(jī)構(gòu)，偏心軸
Abstract
Mold is a differential gear vibration mechanism of the mid-1960s developed and used in the production of curved track vibration mechanism. Which is fixed to the mold frame by a spring support of the vibration, forced by the cam or eccentric frame drop, the spring reaction force to make it rise. Which mainly consists of motor, reducer, eccentric shaft, connecting rod, differential gear segment, rack and pinion, springs, frame and so on.
In this paper, the design for the differential gear mold vibrating mechanism. First, by making the structure and principles of the differential gear vibration mechanism analysis presented in this analysis, based on the overall structure of the program; Next, the main technical parameters were calculated choice; then, for the main components were designed and Verification ; Finally, AutoCAD drawing software to draw the thread rolling machine assembly diagram, the main gear assembly drawings and parts diagram.
Through this design, the consolidation of the university is expertise, such as: mechanical principles, mechanical design, mechanics of materials, tolerances and interchangeability theory, mechanical drawing, etc; mastered the design method of general machinery products and be able to skillfully use AutoCAD drawing software for the future work of great significance in life.
Keywords: Mold, The differential gear, The vibration mechanism, The eccentric shaft
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結(jié)晶器齒輪差動(dòng)振動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
第一章 緒論
1.1結(jié)晶器振動(dòng)器簡(jiǎn)介
在連鑄技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，只有采用了結(jié)晶器振動(dòng)裝置后，連鑄才能成功。結(jié)晶器振動(dòng)的目的是防止拉坯坯殼與結(jié)晶器粘結(jié)，同時(shí)獲得良好的鑄坯表面，因而結(jié)晶器向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，減少新生的坯殼與銅壁產(chǎn)生粘結(jié)，以防止坯殼受到較大的應(yīng)力，使鑄坯表面出現(xiàn)裂紋;而當(dāng)結(jié)晶器向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，借助摩擦，在坯殼上施加一定的壓力，愈合結(jié)晶器上升時(shí)拉出的裂痕，這就要求向下的運(yùn)動(dòng)速度大于拉坯速度，形成負(fù)滑脫。
機(jī)械振動(dòng)的振動(dòng)裝置由直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸器，分兩端傳動(dòng)兩個(gè)蝸輪減速機(jī)，其中一端裝有可調(diào)節(jié)軸套，蝸輪減速機(jī)后面再通過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸器，連接兩個(gè)滾動(dòng)軸承支持的偏心軸，在每個(gè)偏心輪處裝有帶滾動(dòng)軸承的曲柄，并通過(guò)帶橡膠軸承的振動(dòng)連桿支撐振動(dòng)臺(tái)，產(chǎn)生振動(dòng)。
在新型連鑄生產(chǎn)工藝中，采用帶有數(shù)字波形發(fā)生器的結(jié)晶器電液伺服振動(dòng)控制是保證連鑄生產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一。國(guó)外的應(yīng)用情況表明，采用連鑄結(jié)晶器非正弦伺服振動(dòng)，能夠有效地減少鑄坯與結(jié)晶器間的摩擦力，從而防止坯殼與結(jié)晶器粘結(jié)而被拉裂，減小鑄坯振痕，提高鑄坯質(zhì)量川一〔9l。帶有數(shù)字波形發(fā)生器的結(jié)晶器電液伺服振動(dòng)控制裝置和傳統(tǒng)的結(jié)晶器振動(dòng)裝置相比，可以方便地實(shí)現(xiàn)多種波形振動(dòng)、實(shí)現(xiàn)連鑄過(guò)程監(jiān)督和實(shí)時(shí)顯示振動(dòng)波形，并能在線修改非振動(dòng)方式及振動(dòng)頻率和幅值等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程的平穩(wěn)過(guò)度。
1.2結(jié)晶器振動(dòng)器的發(fā)展
最初的連鑄機(jī)結(jié)晶器是靜止不動(dòng)的，在拉坯的過(guò)程中坯殼很容易與結(jié)晶器內(nèi)壁產(chǎn)生粘結(jié)，從而出現(xiàn)坯殼“拉不動(dòng)”或拉漏鋼水的事故發(fā)生。因此，靜止不動(dòng)的結(jié)晶器限制了連鑄生產(chǎn)的工業(yè)化發(fā)展。直到1933年現(xiàn)代連鑄的奠基人一德國(guó)的西格弗里德?容漢斯開(kāi)發(fā)了結(jié)晶器振動(dòng)裝置，并成功地將它應(yīng)用于有色金屬黃銅的連鑄。
1949年S?容漢斯的合伙人美國(guó)的艾爾文?羅西(Irving Rossi )獲得了容漢斯結(jié)晶器振動(dòng)技術(shù)專利的使用權(quán)，并首次在美國(guó)約阿?勒德隆鋼公司廠的一臺(tái)方坯連鑄試驗(yàn)機(jī)上采用了振動(dòng)結(jié)晶器。與此同時(shí)，容漢斯振動(dòng)結(jié)晶器又被西德曼內(nèi)斯(Mannesmann)公司胡金根廠的一臺(tái)連續(xù)鑄鋼試驗(yàn)連鑄機(jī)上成功應(yīng)用結(jié)晶器振動(dòng)技術(shù)在這兩臺(tái)連鑄機(jī)上的成功應(yīng)用，為結(jié)晶器振動(dòng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
1.3國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀
繼續(xù)日本將液壓伺服振動(dòng)結(jié)晶器應(yīng)用于連鑄之后，法國(guó)IRSID[2]與CLECIM合作進(jìn)行了相應(yīng)的研究工作。于1987年公布了其實(shí)驗(yàn)結(jié)果。研究結(jié)果表明，應(yīng)用非正弦振動(dòng)可以有效地減少結(jié)晶器內(nèi)的摩擦力，使振痕深度減輕，鑄坯表面質(zhì)量得以明顯改善。在前面實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，IRSID與CLECIM又新設(shè)計(jì)制造了兩臺(tái)液壓振動(dòng)工業(yè)實(shí)驗(yàn)裝置，分別安裝在了索拉克廠的2流板坯連鑄機(jī)的2號(hào)機(jī)和Unimecal Normandie廠的8流小方坯連鑄機(jī)的一流上。首先他們?cè)谶@兩個(gè)裝置上采用了與機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)相同的正弦波形及控制方式，應(yīng)用于各自的鑄機(jī)上進(jìn)行長(zhǎng)期的工業(yè)試驗(yàn)。結(jié)果表明鑄坯表面質(zhì)量和機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)相同，同時(shí)也驗(yàn)證了液壓振動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。隨后在SOLLAC廠進(jìn)行了非正弦振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，其金相分析結(jié)果表明，生產(chǎn)的低碳鋼的振痕深度至少減少了25%,在UN廠，雖然他們應(yīng)用液壓振動(dòng)仍進(jìn)行了正弦振動(dòng)試驗(yàn)，但是在控制上對(duì)正弦振動(dòng)模型進(jìn)行了優(yōu)化控制，結(jié)果表明，低碳鋼方坯的表面缺陷減少了75%。
CLECIM后來(lái)又為SOLLAC廠設(shè)計(jì)制造了一臺(tái)工業(yè)性液壓振動(dòng)裝置，采用全數(shù)字控制方式，在控制上具有更大的靈活性和適應(yīng)性。該設(shè)備液壓源壓力為18Mpa，電動(dòng)機(jī)功率為110KW，于1993年3月安裝在SOLLAC廠2號(hào)板坯連鑄機(jī)上，目前該連鑄機(jī)主要生產(chǎn)超低碳鋼，C含量為0.025%及小于0.01%。生產(chǎn)結(jié)果表明，應(yīng)用非正弦振動(dòng)，其振痕深度比用正弦振動(dòng)至少減少了30%，并且可以減少凝固鉤的數(shù)量，顯著減少皮下缺陷，從而大大提高了最后軋制成品的表面質(zhì)量?，F(xiàn)在，該廠一直采用給正弦振動(dòng)進(jìn)行生產(chǎn)，并計(jì)劃改造另一流板坯振動(dòng)系統(tǒng)。
英國(guó)的Stocksbridge工程鋼廠的圓方坯連鑄機(jī)主要生產(chǎn)特殊鋼，應(yīng)用液壓振動(dòng)改造后，生產(chǎn)實(shí)踐表明，用液壓非正弦振動(dòng)系統(tǒng)不僅可以減少振痕深度，減少卷渣，提高鑄坯表面質(zhì)量，而且該廠的漏鋼率也從原來(lái)的3%下降到了1%。
與此同時(shí)，德馬克公司在阿維迪薄板坯連鑄機(jī)上，開(kāi)發(fā)成功了薄板坯液壓振動(dòng)系統(tǒng)。日本住友在其90-120mm×1000mm試驗(yàn)連鑄機(jī)上采用了液壓振動(dòng)技術(shù)，起普碳鋼的試驗(yàn)拉速為5m/min；中碳鋼等鋼種的試驗(yàn)拉速為3m/min。奧鋼聯(lián)已經(jīng)在其薄板坯連鑄機(jī)上，盧森堡則在其方坯以異形坯連鑄機(jī)上開(kāi)始裝備液壓振動(dòng)系統(tǒng)，并開(kāi)始了自帶振動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)晶器的研制。另外，日本神戶、新日鐵、英國(guó)ECSC等都相繼開(kāi)始液壓振動(dòng)的研究。
第二章 總體設(shè)計(jì)
2.1設(shè)計(jì)要求
結(jié)晶器齒輪差動(dòng)振動(dòng)器設(shè)計(jì)，振幅12毫米，振動(dòng)重量按800毫米長(zhǎng)結(jié)晶器計(jì)算，頻率100~150之間。
2.2方案選擇
2.2.1振動(dòng)機(jī)構(gòu)方案選擇
結(jié)晶器的振動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)基本部分：實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器運(yùn)動(dòng)軌跡的部分和實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器振動(dòng)的部分。按照結(jié)晶器運(yùn)動(dòng)軌跡（弧線）的實(shí)現(xiàn)方式分為：導(dǎo)軌式、長(zhǎng)臂式、復(fù)合差動(dòng)式、短臂四連桿式和四偏心輪式等。
差動(dòng)齒輪振動(dòng)機(jī)構(gòu)是我國(guó)60年代中期開(kāi)發(fā)并應(yīng)用于生產(chǎn)的弧線軌跡振動(dòng)機(jī)構(gòu)。結(jié)晶器固定在由彈簧支撐的振動(dòng)框架上，用凸輪或偏心輪強(qiáng)迫框架下降，利用彈簧的反力使其上升。振動(dòng)框架的內(nèi)、外弧側(cè)面，裝有齒條，分別與節(jié)圓半徑相等的小齒輪相嚙合。裝在小齒輪軸上的扇形齒輪有不同的節(jié)圓半徑，內(nèi)弧側(cè)的節(jié)園半徑比較大，相互嚙合的扇形齒輪擺動(dòng)時(shí)，就時(shí)與其相連的兩個(gè)小齒輪曳不一樣，因而可使結(jié)晶器產(chǎn)生弧線運(yùn)動(dòng)，由于它結(jié)構(gòu)復(fù)雜，齒輪和導(dǎo)向件磨損較嚴(yán)重等原因而未被得到推廣。但差動(dòng)原理卻在后來(lái)的四偏心結(jié)結(jié)機(jī)構(gòu)上得到了應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。
圖4-1差動(dòng)式振動(dòng)機(jī)構(gòu)
在結(jié)晶器的振動(dòng)框架1上，固定有導(dǎo)軌和齒條2，在距離為A的兩側(cè)裝有兩根長(zhǎng)軸3，軸支撐在軸承12上，軸上裝有齒輪4和導(dǎo)輪5，以及不同節(jié)圓半徑的扇形齒輪6及7.，在振動(dòng)框架1兩端還裝著導(dǎo)向塊8，在扇形齒輪6上裝有連桿9，和與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連的偏心輪10，振動(dòng)框架1下面還支撐有彈簧11，目的是平衡一部分負(fù)荷并使振動(dòng)框架1產(chǎn)生一個(gè)向上的恢復(fù)力，兩個(gè)軸3就產(chǎn)生反復(fù)的轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪4廁通過(guò)齒條嚙合關(guān)系使振動(dòng)框架1產(chǎn)生振動(dòng)，但由于扇形齒輪6和7的節(jié)圓半徑不同，所以兩側(cè)齒輪4的角速度也不同，則振動(dòng)框架將產(chǎn)生弧線振動(dòng)。
圓弧半徑為R，框架1兩側(cè)齒條節(jié)線間距離為W，兩齒輪4的中心距為A，節(jié)圓半徑為，扇形齒輪6和7的節(jié)圓半徑為、，則：
正確的選擇W、A及、的值，便可以得到要求的R值。
2.2.2振動(dòng)形式選擇
結(jié)晶器振動(dòng)有同步、負(fù)滑脫和正弦三種。其振動(dòng)特性曲線見(jiàn)團(tuán)2.2所示。
圖2.2 振動(dòng)特性曲線
1—同步振動(dòng)；2—負(fù)滑脫振動(dòng)；3—正弦振動(dòng)
（1）同步振動(dòng)
最早采用的一種振動(dòng)方式，按其同步振動(dòng)的曲線形狀振動(dòng)。
若設(shè)V為拉坯速度，Vm為結(jié)晶器的振動(dòng)速度，V1為結(jié)晶器的上升速度，V2為結(jié)晶器的下降速度，則同步振動(dòng)時(shí)應(yīng)滿足：上升時(shí)V1=V3；下降時(shí)V2=V。這種振動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是能夠滿足連鑄工藝要求，實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)；缺點(diǎn)是機(jī)械連鎖或用電器控制來(lái)實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的同步要求，裝置都比較復(fù)雜，速度變化時(shí)機(jī)構(gòu)沖擊力也較大。
（2）負(fù)滑脫振動(dòng)
同步振動(dòng)的一種改進(jìn)型，也稱“負(fù)滑脫”。即V2=V(1+e)，式中e是負(fù)滑脫率。采用凸輪機(jī)構(gòu)時(shí)取e=10%左右，V1=(2.8-3.2)V；采用偏心亂是去e=20%-40%。采用負(fù)滑脫振動(dòng)，結(jié)晶器下降時(shí)對(duì)坯殼有壓合作用，有利于拉裂坯殼的愈合，并可適當(dāng)提高拉速。
（3）正弦式振動(dòng)
其振動(dòng)速度按正弦規(guī)律變化。這種方式的速度變化平穩(wěn)、無(wú)沖擊；能有效實(shí)現(xiàn)負(fù)滑脫，可適當(dāng)提高拉速，易于改變振動(dòng)頻率和振幅，實(shí)現(xiàn)高頻率小振幅的要求，以改善鑄坯表面質(zhì)量；用偏心輪/齒輪差動(dòng)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造且安裝、維修方便。
基于上述優(yōu)點(diǎn)，在本設(shè)計(jì)中，采用的就是齒輪差動(dòng)式正弦振動(dòng)。
2.2.3傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案選擇
（1）齒輪傳動(dòng)
齒輪傳動(dòng)是利用兩齒輪的輪齒相互嚙合傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)。按齒輪軸線的相對(duì)位置分平行軸圓柱齒輪傳動(dòng)、相交軸圓錐齒輪傳動(dòng)和交錯(cuò)軸螺旋齒輪傳動(dòng)。具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。
齒輪傳動(dòng)是指用主、從動(dòng)輪輪齒直接、傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的裝置。在所有的機(jī)械傳動(dòng)中，齒輪傳動(dòng)應(yīng)用最廣，可用來(lái)傳遞任意兩軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。
齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)是：齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)比精確，工作可靠、效率高、壽命長(zhǎng)，使用的功率、速度和尺寸范圍大。例如傳遞功率可以從很小至幾十萬(wàn)千瓦；速度最高可達(dá)300m/s；齒輪直徑可以從幾毫米至二十多米。但是制造齒輪需要有專門的設(shè)備，嚙合傳動(dòng)會(huì)產(chǎn)生噪聲。
（2）鏈傳動(dòng)
鏈傳動(dòng)是通過(guò)鏈條將具有特殊齒形的主動(dòng)鏈輪的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞到具有特殊齒形的從動(dòng)鏈輪的一種傳動(dòng)方式。
鏈傳動(dòng)有許多優(yōu)點(diǎn)，與帶傳動(dòng)相比，無(wú)彈性滑動(dòng)和打滑現(xiàn)象，平均傳動(dòng)比準(zhǔn)確，工作可靠，效率高；傳遞功率大，過(guò)載能力強(qiáng)，相同工況下的傳動(dòng)尺寸小；所需張緊力小，作用于軸上的壓力小；能在高溫、潮濕、多塵、有污染等惡劣環(huán)境中工作。
鏈傳動(dòng)的缺點(diǎn)主要有：僅能用于兩平行軸間的傳動(dòng)；成本高，易磨損，易伸長(zhǎng)，傳動(dòng)平穩(wěn)性差，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生附加動(dòng)載荷、振動(dòng)、沖擊和噪聲，不宜用在急速反向的傳動(dòng)中。因此，鏈傳動(dòng)多用在不宜采用帶傳動(dòng)與齒輪傳動(dòng)，而兩軸平行，且距離較遠(yuǎn)，功率較大，平均傳動(dòng)比準(zhǔn)確的場(chǎng)合。
（3）帶傳動(dòng)
帶傳動(dòng)(皮帶傳動(dòng))特點(diǎn)(優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,適用于兩軸中心距較大的傳動(dòng)場(chǎng)合;傳動(dòng)平穩(wěn)無(wú)噪聲,能緩沖、吸振;過(guò)載時(shí)帶將會(huì)在帶輪上打滑,可防止薄弱零部件損壞,起到安全保護(hù)作用;不能保證精確的傳動(dòng)比.帶輪材料一般是鑄鐵等。
（4）蝸桿傳動(dòng)方式
蝸桿傳動(dòng)是在空間交錯(cuò)的兩軸間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的一種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（圖2-8）。兩軸線交線的夾角可為任意值，常見(jiàn)的為90°。這種傳動(dòng)有這樣的優(yōu)點(diǎn)：傳動(dòng)比大，零件數(shù)目少，結(jié)構(gòu)緊湊；具有反向自鎖的作用。
蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)也具有缺點(diǎn)，由于蝸桿跟渦輪之間通過(guò)摩擦傳遞運(yùn)動(dòng)，所以這使得兩者之間產(chǎn)生很多的熱量，這些熱量若不能即使散發(fā)出去，那就會(huì)使?jié)櫥瑮l件惡化，產(chǎn)生膠合現(xiàn)象。同時(shí)這種傳動(dòng)效率低。
綜上所述，選擇齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為本次振動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置。
圖2-9傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案
2.3總體參數(shù)分析
2.3.1結(jié)晶器的位移函數(shù)
振動(dòng)臺(tái)的振源機(jī)構(gòu)相當(dāng)于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，G點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖3.4所示。
圖3.4 結(jié)晶器振動(dòng)臺(tái)的振源機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖
故G點(diǎn)的位移為：
根據(jù)公式（3-2），并考慮位移方向相反，則C點(diǎn)的位置函數(shù)為：
為了計(jì)算和討論方便，將其取正，則結(jié)晶器的位置函數(shù)和C點(diǎn)的位置函數(shù)相同，可以寫成
（3-3）
式中：——結(jié)晶器的位移；
H——結(jié)晶器的二倍振幅即結(jié)晶器的總行程；
——振源旋轉(zhuǎn)角度 =；
——振源振動(dòng)頻率，和結(jié)晶器振動(dòng)頻率相同；
2.3.2結(jié)晶器的速度函數(shù)
對(duì)結(jié)晶器的位移函數(shù)式（3-3）求t的一次導(dǎo)數(shù)，便得出結(jié)晶器的速度函數(shù)，即
（3-4）
式中：——結(jié)晶器速度；
結(jié)晶器速度曲線為余弦，速度的最大值
=2
在結(jié)晶器的一個(gè)行程范圍內(nèi)，速度會(huì)出現(xiàn)兩次最值，即上行最大值和下行最大值。
3.2.3鑄流速度
在連續(xù)鑄鋼時(shí)，鑄流為連續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，其路程可以表示為：，鑄流速度等于拉速。
式中：——結(jié)晶器的路程；
——鑄流速度；
——拉速；
第三章 傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)與選擇
3.1電動(dòng)機(jī)的選擇
3.1.1結(jié)晶器質(zhì)量的估算
（1）體積
結(jié)晶器雖然是冶金行業(yè)的重要零件，但是至今仍沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這就注定結(jié)晶器的大小沒(méi)有一個(gè)固定值。本次設(shè)計(jì)按照800mm長(zhǎng)度計(jì)算。
這樣我們就可以得出結(jié)晶器的大體體積為：
其中 a——結(jié)晶器的長(zhǎng)度
b——結(jié)晶器高度
c——結(jié)晶器寬度
（2）質(zhì)量
結(jié)晶器組成復(fù)雜，在里面有很多銅管，銅管內(nèi)還有冷卻水，這就給我們的質(zhì)量估算帶來(lái)很大的麻煩，我們?yōu)榱斯浪銜簳r(shí)將結(jié)晶器看做是40%體積的水跟60%體積的銅組成。
則結(jié)晶器的總重量為：
在振動(dòng)裝置中還有些機(jī)架、桿件，所以還要估算這些桿件的質(zhì)量：
綜上可以得出結(jié)晶器振動(dòng)部分的總重量為：
3.1.2驅(qū)動(dòng)功率選擇
則可求出總的靜載荷
根據(jù)設(shè)計(jì)要求以及實(shí)際試驗(yàn)設(shè)計(jì)，取 。
有機(jī)構(gòu)分析可知，偏心輪的偏心距為：
則偏心輪的輪角速度為：
最大的振動(dòng)速度：
振動(dòng)加速度：
靜載荷質(zhì)量：
動(dòng)負(fù)荷為：
摩擦阻力：
該公式取自冶金工業(yè)出版社《煉鋼設(shè)備》P158（7-12）公式。
振動(dòng)總負(fù)荷為：
則換算到偏心軸上的震動(dòng)負(fù)荷為：
有上述的計(jì)算可以求出電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)功率為：
3.1.3 電動(dòng)機(jī)的選擇
根據(jù)驅(qū)動(dòng)功率，查《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》第三版，因?yàn)槭覂?nèi)工作連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，所以選擇Y系列（IP44）三相異步電動(dòng)機(jī)。本設(shè)計(jì)題目選擇Y系列（IP44）三相異步電動(dòng)機(jī)，（JB/T 9616-1999）,型號(hào)為Y200L-4,額定功率30千瓦，轉(zhuǎn)速1470轉(zhuǎn)/分，重量253千克。安裝及外形是機(jī)座帶底腳、端蓋無(wú)凸緣。
3.1.4電動(dòng)機(jī)校核
（1）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的校核
式中：
——電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩Nm
——啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)軸靜轉(zhuǎn)矩Nm
——最小啟動(dòng)電壓與額定電壓比值，取0.85
——啟動(dòng)時(shí)的加速度關(guān)系，一般取1.2-1.5，這里取1.4
所以滿足，即電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩符合要求。
（2）電動(dòng)機(jī)發(fā)熱的校核
C——慣量增加量
——電動(dòng)機(jī)以外，移動(dòng)質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量質(zhì)量折算到電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪距電動(dòng)機(jī)工作方式為S3即6次/h
故Z=6
取K=1.7 查《起重機(jī)課程設(shè)計(jì)》得到P=13Kw
所以P＞Ps=11.67（Ps為額定功率）
3.2減速器的選擇
3.2.1傳動(dòng)比的確定
由設(shè)計(jì)參數(shù)可知，結(jié)晶器振動(dòng)頻率為100~150次/min，則有減速器低速軸上的轉(zhuǎn)速為100~150次/min，高速軸是根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速確定，為1470r/min。所以傳送比為：
這樣我們可以查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第四卷16-44頁(yè)中表16-2-5ZLY型減速器功率得到傳動(dòng)比為9.8，采用用二級(jí)減速器就可滿足要求。
3.2.2減速器選擇
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第四卷中可查知，選用ZLY-140-7.1-Ⅰ，其減速器功率為P1=26Kw，高速軸軸頸為32mm，低速軸軸頸為65mm。
3.2.3減速器的功率校核
P3——計(jì)算功率
P2——負(fù)載功率11.67kw
P1——減速器公稱輸入功率23kw
F1——工況系數(shù)，由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第五版第四卷16-2-8，選定工況系數(shù)為1.5
根據(jù)上述計(jì)算可知，減速器的選擇可以符合要求。
3.2.4減速器的強(qiáng)度校核
減速器的軸的材料擬選用45號(hào)鋼。
（1）高速軸的強(qiáng)度校核
電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為
則高速軸聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩為
式中：M——電動(dòng)級(jí)額定轉(zhuǎn)矩
n——聯(lián)軸器的安全系數(shù)，運(yùn)行機(jī)構(gòu)n=1.35
——機(jī)構(gòu)剛性動(dòng)載系數(shù)，=1.2-2.0，取=1.8
低速軸上的轉(zhuǎn)矩為：
所以減速器高速軸上的最大轉(zhuǎn)矩為M=M1=431NM
高速軸上的最小軸徑為：由減速器查知d=55mm
所以高速軸的最大扭矩應(yīng)力為
許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力=
所以故通過(guò)校核。
（2）低速軸的強(qiáng)度校核
低速軸的最大轉(zhuǎn)矩為
低速軸的最小軸徑為28mm，但是最大轉(zhuǎn)矩處的軸徑約為d=28+10=38mm，所以
綜上所述，減速器通過(guò)校核
3.3振動(dòng)源偏心軸的設(shè)計(jì)
3.3.1軸的類型選擇
在該振動(dòng)結(jié)構(gòu)中，由于要實(shí)現(xiàn)振動(dòng)，選擇轉(zhuǎn)軸的類型為偏心軸（如圖3.1所示）。
圖3.1 偏心軸
3.3.2軸的材料
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇該偏心軸的材料為45#鋼。
3.3.3初算軸的直徑
聯(lián)軸器和滾動(dòng)軸承的型號(hào)是根據(jù)軸端直徑確定的，而且軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在初步計(jì)算軸徑的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，故要先計(jì)算軸徑。軸的直徑可按扭矩強(qiáng)度法進(jìn)行估算，即
(3.1)
式中：P為軸傳遞的功率，kW；
n為軸的轉(zhuǎn)速，r/min，n=200r/min；
C為有軸的材料和受載情況確定的系數(shù)。
若材料為45鋼，通常取C=106~117，C值應(yīng)考慮軸上彎矩對(duì)軸強(qiáng)度的影響，當(dāng)只受轉(zhuǎn)矩或彎矩相對(duì)較小時(shí)，C取小值；當(dāng)彎矩相對(duì)較大時(shí)，C取大值。
初算軸徑還要考慮鍵槽對(duì)軸強(qiáng)度的影響。當(dāng)該軸段截面上有一個(gè)鍵槽時(shí)，d增大5%；有兩個(gè)鍵槽時(shí)，d增大10%。然后將軸徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)值。
在這里，C取110，對(duì)段有
圓整取
3.3.4軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于該軸要承受較大的軸向力，而且定位要求可靠，故采用軸肩軸向定位與固定方法（如圖3.2所示）。
圖3.2 軸肩
為了保證零件緊靠定位面，應(yīng)使r
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