轧辊机构的设计。
一、设计题目。
设计一初轧机的轧辊机构。
图1所示轧机是由送料辊送进铸坯，由工作辊将铸坯轧制成一定尺寸的方形、矩形或圆形截面坯料的初轧轧机。它在水平面内和铅垂面内各布置一对轧辊(图中只画了铅垂面内的一对轧辊)。两对轧辊交替轧制。
轧机中工作辊中心m应沿轨迹mm运动，以适应轧制工作的需要。坯料的截面形状由轧辊的形状来保证。
图1 轧辊工作情况。
二、原始数据及设计要求。
根据轧制工艺，并考虑减轻设备的载荷对轧辊中心点m的轨迹可提出如下基本要求：
(1)在金属变形区末段，应是与轧制中心线平行的直线段，在此直线段内轧辊对轧件进行平整，以消除轧件表面因周期间歇轧制引起的波纹。因此，希望该平整段l尽可能长些。
(2)轧制是在铅垂面和水平面内交替进行的，当一个面内的一对轧辊在轧制时，另一面内的轧辊正处于空回行程中。从实际结构上考虑，轧辊的轴向尺寸总大于轧制品截面的宽度，所以，要防止两对轧辊在交错而过时发生碰撞。为此，轧辊中心轨迹曲线mm除要有适当的形状外，还应有足够的开口度h，使轧辊在空行程中能让出足够的空间，保证与轧制行程中的轧辊不发生“拦路”相撞的情况。
3)在轧制过程中，轧件要受到向后的推力，为使推力尽量小些，以减轻送料辊的载荷，故要求轧辊与轧件开始接触时的啮入角γ尽量小些。γ约取25左右，坯料的单边最大压下量约50mm，从咬入到平整段结束的长度约270mm。
4)为调整制造误差引起的执迹变化或更换轧辊后要求开口度有稍许变化，所选机构应能便于调节轧辊中心的轨迹。
(5)要求在一个轧制周期中，轧辊的轧制时间尽可能长些。
三、机构方案讨论。
能实现给定平面轨迹要求的机构可以有连杆机构、凸轮机构、凸轮—连杆机构、齿轮—连杆机构等。下面列举其中的几个方案，如：
1、铰链连杆机构(图2)
利用铰链四杆机构abcd连杆上某一点m，可近似实现要求的轨迹。
2、双凸轮机构(图3)
双滑块构件3上点m的运动分别由凸轮1和5来控制。一般来说，点m可精确实现任意给定的轨迹。
图2 铰链四杆机构。
3、铰链五杆机构(图4)
出于铰链五杆机构是两自由度机构，所以可精确实现要求的任意轨迹，且构件尺寸可在很大范围内任选，但需要给两个主动件，如取连架扦ab、de为主动件，它们的转角与所要实现的轨迹mm有关，即与，有关。通常，要精确实现该两主动件间的运动关系是比较麻烦的，如无必要，可用近似方法实现。联系两主动件间运动关系的机构常用齿轮机构、凸轮机构、连杆机构等。
4、凸轮—连杆机构(图5)
利用凸轮—连杆机构一般可以精确实现要求的轨迹。
5、齿轮—五连杆机构(图6)
利用构件bc上的点m可近似实现要求的轨迹，且调节ab与de两构件间的相对位置即可调节点m的轨迹，故调节较方便。
图3双凸轮机构图4铰链五杆机构。
图5 凸轮连杆机构。
图6 齿轮连杆机构。
四、设计步骤。
1、选择方案。
可根据机器的工作要求，从以下几点出发来考虑：
1） 能否实现给定的轨迹。
2） 能否按要求布置在机器中，结构上是否便于实现。
3） 由于本机器中机构的受力较大，应考虑到工作寿命要求。
4） 轨迹和开口度的调节是否可能和方便。
下面以齿轮—五杆机构为例，介绍设计步骤。
2、按工艺要求确定理想的轨迹。
通常可先按轧制最常用规格的钢材来确定该轨迹，以此进行机构综合，然后调节ab、de间的相对位置，再画出点m的轨迹，以检验是否能满足不同轧制工艺的要求(如轨迹、咬入角γ、平整段长度l等)。
由于该机构只能近似实现给定的轨迹，或只能精确实现轨迹上若干点，所以根据工艺要求重点，考虑水平平整段和咬入角后，在轨迹上取五个点，其坐标如下(单位为米)(图7)：
m1：(-0.15306，0.60113)
m2：(-o.04l40，0.63996)
m3：(0.06187，0.65492)
m4：(0.10243，0.65575)
m5：(0.1229lp 0.65497)
图7 轧辊机构参数。
3、确定ab、bm的长度及位置。
可先用**法按给定轨迹大致选择ab和bm的长度。要使m能达到轨迹上的任何一点，ab能作360转动，则a点到轨迹的最大距离应为，最小距离。再根据选定的ab、bm长度算出点m在m1`m5时对应的连架杆ab的转角；或者直按选定与该五点所对应的连架杆ab的转角，如，，，要注意ab是作匀速转动)。
取定齿轮(图7)间的传动比，可考虑取，即使两曲柄ab、de作同向且角速度相等的转动。
利用导向两杆组综合(设计)方法(详见附录五)求得机构参数、、、
其中为度量曲柄ab转角的起始线ai与x轴的夹角，设定逆时针向度量为正。
4．选定c点后，求cd和de的长度和位置。
取定b和，如取b＝e，＝51.5，由导向两杆组连杆上的点m的坐标求出所对应的点c的坐标。因为：
式中，、分别为、与x轴的夹角。
所以：由点和(因为，且构件ab与de同向转动，所以)，，同样利用导向两杆组综合法求得参数，其中为度量构件de与转角的起始线eⅱ与x 轴的夹角。
5．确定齿轮尺寸。
以点a和e作为主、从动齿轮中心，设计传动比的齿轮传动。
6．对设计所得的机构进行全面分析、检验。
对上面设计所得的机构进行轨迹、速度、加速度等性能分析，检验是否满足设计要求，若有不满足处，应进行适当修改，直至满足要求。
五、设计内容与建议。
(1)本题适于用计算机辅助设计。
(2)在编制程序时，最好将导向两杆组综合编成一独立程序，它可适用于任意给定轨迹上五个点及其对应的连架杆转角的导向两杆组的设计。
(3)最后要求画出机构运动简图和整理说明书一份。机构运动简图可用2号或3号图纸做出，要求按比例作图，图上应画出工作辊中心m在整个运动循环中的轨迹和改变构件ab和de的相对位置后，点m的轨迹。作图应做到线条正确、粗细分明，图面整治、布置匀称。
图上应标出必要的尺寸和符号。
说明书内容应包括设计题目，原始数据和设计要求，机构方案比较，设计步骤，所用设计方法(包括简明的计算过程)，所得结果及对设计所得机构的评价，并附全部电算程序，标识符说明表和打印结果。
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