步進式推鋼機傳動裝置的研究與設計

本科畢業設計（論文）通過答辯
步進式推鋼機傳動裝置的研究與設計
摘要：推鋼機是軋鋼車間上料區主要設備之一，其作用是將加熱爐前輥道上的鋼坯或爐
前上料臺架上的鋼坯推入加熱爐進行二次加熱過程。本設計選用了步進式推鋼機，在推
鋼機結構設計上主要采用了齒輪的結構形式。該機構具有結構簡單，整體尺寸適中，傳
動效率高，維修方便，造價較低的優點。在本設計中主要對步進式推鋼機進行了結構設
計和理論計算，并著重對傳動機構做了詳細的分析設計。隨著科學技術和計算機技術的
進一步發展，現代工程技術正向著實用、可靠、安全、經濟以及規范的方向發展。在這
樣的發展背景下，對推剛機起升機構的設計也提出了新的要求，在推剛機起升機構的傳
統設計過程中，產品的設計周期長，設計質量差，設計費用高，產品缺乏競爭力。因此，
研究推剛機起升機構的優化設計方法，對于提高推剛機起升機構設計的效率和質量具有
重要的作用。
關鍵詞： 推鋼機；結構設計；理論計算

I

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Abstract
the machine is pushed steel rolling workshop feeding area, one of the main equipment is
used to before the billet reheating furnace table or furnace front loading test bench of the billet
reheating furnace pushed into a second heating process. This design choose the stepping type
pushed steel machine, steel structure design machine in push on mainly adopts gear structure
form. In the design of the main step furnaces.a pushed steel structure design and the machine
to the theoretical calculation, with the focus on the transmission mechanism of a detailed
analysis and design. Along with the science and technology and the further development of
the computer technology, modern engineering technology is toward practical, reliable, safe,
economic and regulate the direction of development. In this development under the
background of push just machine lifting mechanism design has also put forward new
requirements, in pushing just machine lifting mechanism of traditional design process, the
design of the product design cycle is long, poor quality, the high cost of product design, lack
of competitiveness. Therefore, the push just machine hoisting mechanism, the optimization
design method for improving push just machine lifting mechanism design efficiency and
quality has the vital role.
Keywords: pushed steel machine; Structure design; Theoretical calculation

II

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目 錄
1、前言 .................................................................. 1
1.1推鋼機概況: ......................................................... 1
1.2目的及意義: ......................................................... 1
2、 概述 ................................................................. 3
2.1軋制工藝過程簡介 .................................................... 3
2.1.1軋制工藝過程的內容 .............................................. 3
2.1.2軋制工藝過程的設計與實施 ........................................ 4
2.1.3軋制工藝過程的自動控制 .......................................... 4
2.2推鋼機的簡介 ........................................................ 5
2.2.1推鋼機的種類 .................................................... 5
2.2.2步進式推鋼機的結構 .............................................. 6
2.2.3設計中應注意的幾點事項 .......................................... 6
3、傳動方案的分析與擬定 .................................................. 8
3.1傳動方案的分析 ...................................................... 8
3.1.1常用的傳動類型及其特點 .......................................... 8
3.1.2機械傳動系統設計時應注意的事項 .................................. 8
3.2傳動方案的擬訂 ...................................................... 9
4、電動機的選擇計算 ..................................................... 10
4.1概述 ............................................................... 10
4.1.1常用電動機的種類 ............................................... 10
4.1.2電動機選擇時的注意事項 ......................................... 11
4.2電動機的選擇計算 ................................................... 11
4.2.1選擇電動機的類型和機構型式 ..................................... 11
4.2.4選擇電動機的容量 ............................................... 12
4.2.5確定電動機轉速 ................................................. 12
4.2.6選定電動機的型號和參數 ......................................... 13
5、傳動裝置的運動及動力參數的選擇和計算 ................................. 14

III

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5.1傳動比的計算與分配 ................................................. 14
5.1.1傳動裝置的總傳動比 ............................................. 14
5.1.2分配各級傳動比 ................................................. 14
5.2.3各軸參數的計算 ................................................. 14
6、減速器的選擇計算 ..................................................... 16
6.1減速器概述 ......................................................... 16
6.1.1減速器的作用 ................................................... 16
6.1.2減速器的分類 ................................................... 16
6.2減速器的選用 ....................................................... 17
7、傳動機構的設計計算 ................................................... 18
7.連桿傳動設計計算 ..................................................... 18
7.1.1連桿傳動的特點 ................................................. 18
7.1.2連桿傳動的設計計算 ............................................. 19
7.2齒輪傳動的設計計算 ................................................. 25
7.2.1齒輪傳動的特點 ................................................. 25
7.2.2齒輪傳動的設計計算 ............................................. 25
8、軸系零部件 ........................................................... 30
8.1軸的設計 ........................................................... 30
8.1.1概述 ........................................................... 30
8.1.2軸的結構設計 ................................................... 31
8.1.3軸的強度計算 ................................................... 33
8.2軸承的選擇與計算 ................................................... 36
8.2.1概述 ........................................................... 36
8.2.2滾動軸承的類型和選擇 ........................................... 36
8.2.3滾動軸承的受載情況和失效形式 ................................... 37
8.2.4滾動軸承的壽命計算 ............................................. 37
8.3鍵的設計與校核 ..................................................... 39
8.3.1鍵聯接的類型、特點和應用 ....................................... 39
8.3.2平鍵的選擇和強度校核 ........................................... 41
8.4聯軸器的設計計算 ................................................... 42

IV

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8.4.1聯軸器的種類和和特性 ........................................... 42
8.4.2選擇聯軸器類型 ................................................. 43
8.4.3進行必要的校核 ................................................. 44
結 束 語 ................................................................ 45
參考文獻 ................................................................ 46
致 謝 .................................................................. 47




V

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1、前言

1.1推鋼機概況:


推鋼機
推鋼機是軋鋼生產線上將鋼坯推進加熱爐內進行加熱的專用設備，舊式生產
線上往往采用機械式推鋼機，其體積大.價格高.故障率高.維修保養復雜。隨著軋
鋼生產的發展，新型液壓推鋼機逐步取代了老式機械推鋼機，充分利用了液壓油
缸和液壓系統的推力大、體積小、操作方便的優點，使推料工序大大簡化，設備
成本大大降低，深受用戶的歡迎。河北省遵化市石門興遠機械廠生產的液壓推鋼
機主要型號有300噸、240噸、220噸、180噸、160噸、120噸、80噸、60噸、
30噸、20噸、15噸九種，分別應用于不同的推料場合，在軋鋼生產中發揮日益重
要的作用。
1.2目的及意義:
鋼鐵工業作為國民經濟的基礎工業，一直是衡量一個國家經濟發展水平的重要指標。
我國鋼鐵工業近年來發展很快，鋼產量己連續多年突破億噸大關，鋼鐵產品質量也得到
了很大的提高，特別是在軋鋼生產方面。各種高精度軋鋼機械設備的引進和投產，先進
的自動化控制設備和計算機技術的應用，冷軋不銹鋼帶、硅鋼帶、精密合金鋼帶、稀有
合金帶、高精度極薄冷軋碳素鋼帶等各種高精度高品質產品的出產，大大地促進了軋鋼
生產企業的經濟效益和競爭能力，有力地提升了我國軋鋼生產企業的形象。但是由于科
學技術的飛速發展，新的設備和新的技術以驚人的速度不停地改進和更新，產品的技術
含量越來越高，對產品生產機械設備和操作技術的要求也越來越高。因而及時掌握新型
軋鋼機械設備的性能，熟練掌握新的操作技術，全面應用先進的自動化控制技術和計算

1

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機軋制技術，是當前軋鋼生產企業進一步提高產品質量、降低軋鋼生產成本、增強軋鋼
生產企業的市場競爭能力的關鍵所在。
本設計包括了軋制工藝過程和自動化控制系統及推鋼機的設計，并重點針對步進式
推鋼機進行了設計計算。具體包括軋制工藝過程和自動化控制簡介，推鋼機的分類、結
構和工作原理，電動機的選用，減速器的選用，傳動方式和傳動裝置（包括連桿傳動和
齒輪傳動）設計，軸系零件（包括軸，軸承，聯軸器，鍵）設計，并對傳動機構和關鍵
軸進行了強度和剛度校核。
其中傳動方案的設計與擬定是設計的首要任務，決定了傳動機構的設計，在綜合比
較了各種傳動方案的優缺點以及推鋼機本身的技術要求后，最后選定齒輪傳動作為主要
傳動機構。該傳動機構具有結構簡單，整體尺寸較小，傳動效率高，維修方便，造價較
低的優點。
電動機的選定標準是滿足推鋼機總的功率要求，轉速適中，并且應具有頻繁快速啟
動和反轉能力以帶動推鋼機推桿做往復運動。最后選定為YZR400
L
1
型冶金用電動機，
額定功率
P
ed
=160
K
W
，轉速
n
w
?587
r
min
，額定電壓
V?395v
。
減速器的選擇標準是滿足傳動比要求，高速軸許用功率要求和承載能力要求，經查
表選定減速器型號為
ZL130?16?
Ⅲ型
(JB1130?70)
，公稱傳動比40.實際傳動比40.85，
中心距
a?1300mm,
高速軸許用功率168Kw，承載能力n=750rmin。
傳動機構的設計計算包括連桿傳動的設計和齒輪傳動的設計兩部分。文中分別從齒
輪類型，材料，精度選擇，齒面接觸疲勞強度和齒根彎曲強度等方面做了詳細設計計算。
軸系零部件的設計計算包括齒輪軸的結構設計和校核，軸承的選擇，鍵的設計和校核，
聯軸器的選擇和最大轉速的校核等。
由于編者水平所限，書中錯誤之處在所難，敬望讀者批評指正。









2

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2、 概述
2.1軋制工藝過程簡介
軋鋼工藝過程是確定軋鋼廠生產系統和機械設備的技術基礎，設備是實現軋鋼工藝
要求的工具。
軋鋼生產是鋼鐵工業生產的最終環節，是鋼鐵材料的一種重要加工方法。軋鋼車間
擔負著生產鋼材的任務，因此鋼鐵軋制在國家工業體系中占有舉足輕重的地位。20世紀
90年代以前，我國軋鋼生產的平均水平與世界主要生產國相比，仍存在一定的差距。軋
鋼生產以型鋼為主，生產線大、中、小型并存。不同企業的技術裝備水平參差不齊，能
耗、成本較高。很多企業還使用20世紀五六十年代較為陳舊的設備和工藝，這是限制
我國鋼材質量，品種和效益進一步提升的主要瓶頸。
20世紀90年代后期，隨著我國經濟的高速發展，尤其是我國加入WTO后，參與
國際鋼材市場競爭的需要，各大企業紛紛采用當今世界先進的技術和裝備，進行了大規
模的技術改造，廣泛引進新技術，新設備，新工藝，使我國軋鋼生產的水平有了長足進
步，開發了一批高技術，高附加值的新品種。目前我國軋鋼技術創新發展的方向主要為：
通用工藝技術，綜合節能與環保技術，新品種開發與鋼材性能優化技術，信息技術和裝
備機電控制一體化技術等。
我國現在通用的軋鋼工藝排列為：
鋼坯驗收 ────吊裝 ──計量 ── 編組── 入爐加熱──粗軋 ──熱剪機切頭
──中軋── 飛剪切頭 ──平立交替精軋機 ── 倍尺飛剪 ── 夾送輥 ── 冷床 ──
冷剪定尺── 檢驗──稱重──打包收集── 入庫
2.1.1軋制工藝過程的內容
軋制工藝過程是一系列工序的組合，經過這些工序，把鋼錠或鋼坯軋成形狀和性能
符合要求的鋼材。軋鋼工藝過程的好壞直接影響產品的質量和產量。一般情況下，一個
軋鋼工藝過程是由下列各基本工序組成：
1）.坯料準備 包括坯料的表面清理，除去表面氧化鐵皮和表面缺陷的清理，也包括
預先熱處理和坯料加熱。坯料加熱是重要工序。
2）.鋼材軋制 坯料通過軋制變形來實現對產品在形狀和尺寸上的要求，內部組織和
性能上的要求以及表面光潔度的要求。軋制過程是軋鋼生產工藝過程的核心工序。
3）.精整 這是軋鋼工藝過程的最后一道工序，起保證產品質量的作用。精整工序的

3

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內容比較復雜，由產品的技術要求來確定。技術要求不同，其內容也大不相同。一般情
況精整工序包括鋼材的切斷或卷取，軋后冷卻，矯直，成品熱處理成品表面清理、鍍鋅、
鍍錫、涂等。
2.1.2軋制工藝過程的設計與實施
設計軋制工藝過程的主要依據是產品的技術條件、鋼種的加工工藝性、生產規模大
小、產品成本和工人的勞動條件。其中最主要的依據是產品的技術要求，即鋼材的斷面
形狀和尺寸、化學成分、內部組織和機械性能，設計時必須保證工藝過程使產品質量達
到相應的技術要求。
2.1.3軋制工藝過程的自動控制
軋鋼機工藝過程的自動控制是用電子計算機來實現的?？刂萍夹g包括軋機特性和變形
阻力等軋制理論、還包括儀表、電氣設備的應用技術以及操作決竅等方面的技術。只有
這些技術有機地組合，才能實現軋鋼過程的自動控制。
1.軋制過程數學模型
軋制過程計算機控制的基礎是軋制過程的數學模型。對軋制有影響的因素有板厚、
變形阻力、張力、輥徑及摩擦系數等多種，尤其對連軋過程，前面機架的軋制結果不但
直接影響后面機架的軋制條件，而已作用在軋件上的張力還影響所有機架的軋制。因此
就必須把連軋機組所有機架當作一個統一的系統進行綜合分析。具體數學模型有軋件的
塑性變形模型、軋機彈性變形模型、連續軋制模型和表示軋件溫度變化的熱傳導模型等。
例如，在板材軋制中，對于提高板厚精度，必須預測作用在軋輥上的軋制力，這是
非常重要的，所以實測出變形阻力就成為各方面研究的前提。為了提高數學模型預測的
精度，必須用實測的軋制過程中的各參數的實際數據來標定和修改數學模型，通過所謂
自學習控制來吸收掉作業條件的變化和其他外部干擾。為此需要在軋機上安裝在線監測
系統，通過各種傳感器實時監測各工藝參數，首先是變形阻力也就是與它直接相關的軋
輥上的軋制壓力。
數學模型所用的數據必需準確可靠，能準確反映操作條件和對過程進行分析，還必
須滿足在線控制的實時性要求。
2.計算機控制所需的傳感器和儀表
如前所述，計算機控制軋制工藝過程之所以能迅速發展，是建立在各種檢測工藝參
數的傳感器和儀表的出現和發展，一些主要的傳感器和儀表如下：

4

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1）位置檢測傳感器 用于跟蹤軋件位置的傳感器有熱金屬檢測器，冷金屬檢測器，
微波檢測器，電磁檢測器和激光檢測器。后三種適合在環境氣氛很差的條件下工作。
2）壓力傳感器 準確測定軋制壓力的傳感器。
3）溫度傳感器 測定開軋和終軋溫度及軋制線上各點軌件溫度的傳感器。
4）測厚儀 常用的是射線測厚儀和射線測厚儀，最新發展是板形斷面測量和微機自
動校正。
5）測寬儀 多采用光學測量法和熱輻射測量法。
6）速度計。
3.板厚自動控制（AGC）
為提高板材質量，70年代研制出了計算機控制的板厚自動控制裝置（AGC），而后
不斷有新的發展，以適應愈來愈嚴格的板厚精度要求。近來數字直接控制方式（DDC）
已取代了以往的硬件方式(AGC),可以很經濟地控制數量較多的活套,還具有維護簡便和
控制性能高等優點。
4.熱帶鋼連軋機計算機控制實例
目前國際上計算機控制水平最高的是熱帶鋼連軋工藝過程,這是由于在各種軋機中,
熱帶鋼連軋產量大、質量要求高、操作雖復雜但比其他軋制過程易于實現計算機控制。
其計算機功能分為在線監測和自動控制兩大部分，監測包括信息傳送，軋件跟蹤，數據
記錄等。
綜上所述，實現軋鋼工藝過程的在線監測，無論是提高產量還是保證質量都具有重
大意義，而且為提高工藝的技術水平和生產管理的現代化奠定了技術基礎。軋鋼工藝過
程是由軋鋼設備來實現的，軋鋼設備能否正常運行會直接影響到工藝過程的正常與否。
可見軋鋼設備的狀態監測和故障診斷對鋼鐵工業就具有十分重要的意義。
2.2推鋼機的簡介
2.2.1推鋼機的種類
推鋼機的種類很多，常見的有齒輪齒條式、絲杠螺母式、曲柄連桿式、液壓式等，還
有的推鋼機把齒輪齒條傳動和液壓傳動相結合，形成了液壓齒條式。它們各自有自身的
特點，在不同的加熱爐上發揮著各自的作用。
齒輪齒條式推鋼機通過齒輪齒條的嚙合傳動把電機的旋轉運動轉變為齒條的直線運
動，帶動推桿進行推鋼工作。其工作可靠，傳動效率高，推力和行程大，但設備自身重

5

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量大。目前齒輪齒條式推鋼機應用比較廣泛。
絲杠螺母式和曲柄連桿式工作效率低，行程和推力較小，一般用于小型加熱爐，新上
加熱爐一般很少采用。
液壓式推鋼機由液壓缸直接推動推桿工作，結構簡單，推力大， 自重輕，速度、行
程易控制，但行程不宜太大，且液壓系統制作、維護較困難。
根據鋼車間使用的經驗，推力在0.2M以上時，一般采用齒條式推鋼機較適宜。因為
齒條式推鋼機傳動效率高，使用可靠，這是螺旋式推鋼機無法比擬的。
2.2.2步進式推鋼機的結構
步進式推鋼機主要包括電機、皮帶、減速機、聯軸器、齒輪軸、連桿、推桿、機架
等。機架一般為一個多層箱體，箱體間用螺栓聯接。齒輪軸位于箱體底層的稱為下置式，
齒輪軸位于箱體上層的稱為上置式。無論采用下置式還是上置式，都存在更換零部件困
難的現象，尤其是更換下部零件時，需要把箱體層層拆分開。
2.2.3設計中應注意的幾點事項
1.推力的計算
推力、推速、行程是推鋼機的主要技術參數，尤其是最大推力。推力計算的正確與
否關系著推鋼機的經濟性和使用壽命。
推力計算公式為：
F?GgfK
1;
（2-1）
式中：G為鋼坯質量，單位是kg；
g為重力加速度，一般來說
g?9.81ms
2
；
K
1
為考慮到加熱爐軌道不平，受熱變形等因素的影響系數，
K
1
=1.1～1.3。
f為滑動摩擦系數，f=0.2～1；摩擦系數的大小對推力產生直接的影響，而摩擦系
數的大小主要取決于鋼坯溫度，鋼坯溫度對摩擦系數的影響為：
常溫時，f=0.2；300°C時，f=0.3； 400°C一500°C時， f=0.4—0.5； 600°C
一800°C時，f=0.6—0.8；大于800°C時，f=0.8-1.0?？梢?，鋼坯溫度越高，摩擦系
數愈大。一般來說，加熱爐分為預熱段、加熱段和均熱段，各段溫度不盡相同，應根據
每段溫度、鋼坯質量計算出各段所需推力，最后相加。
對于有些加熱爐來說，爐底是傾斜的，這時還應考慮到鋼坯重力的分力對推力的影
響。
2.齒輪選擇

6

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推鋼機屬于低速重載，繁忙使用，齒輪齒條屬于重點零件。要通過計算，選擇合理
的模數和材質，進行合理的熱處理，結構設計要優化，避免出現膠合、點蝕，甚至斷齒
等現象。
3.推桿結構
推桿工作中會受到齒條推力、鋼板阻力、壓輪壓力等復雜力系的作用，強度、剛度
要高，結構要可靠，一般采用箱型梁鋼板焊接結構。
4.推鋼速度
一般來說，影響推鋼機生產率的主要因素是推桿返回時的空載時間。為了提高生產
率，推鋼機的返回速度可以取得比推速大，一般返回速度比推速大50%至數倍。實際使
用表明，返回速度比推速大一倍左右比較合適。有的推鋼機設有慢速推鋼電動機和快速
返回電動機，用以調節速度。采用液壓推鋼機，可以方便地調節推鋼速度。
5.推鋼機行程
推鋼機行程一般為1.5-5.5M,這取決與所推爐料的尺寸及爐臺寬度。用吊車上料時，
行程應大于每次填料總寬度，并大于輥道的寬度；用輥道上料時，除了考慮大于輥道寬
度外，還應根據檢修要求（要求推頭能退到輥道外側）所需長度來確定。
6.機架剛度
理論和實踐表明，雙機架推鋼機機架剛度要給予高度重視，其剛度一定要滿足推力、
推速要求，避免出現顫抖現象。壓板部位受力非常大，壓板結構要滿足高強度要求。

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3、傳動方案的分析與擬定
3.1傳動方案的分析
3.1.1常用的傳動類型及其特點
1.帶傳動：帶傳動傳遞的功率不大（可用于中小功率），機構尺寸比其他傳動類型
大，但傳動平穩，能緩沖吸收沖擊振動。由于摩擦產生靜電，不適用于有瓦斯及煤塵等
爆炸危險的場合，常用于高速級傳動中。
2.鏈傳動：鏈傳動的瞬時傳動比是變化的，且具有沖擊振動，故不適用于高速傳動
和傳動比要求準確的場合，一般多用于低速級傳動及傳動比要求不太嚴格的場合。
3.齒輪傳動：齒輪傳動瞬時傳動比不變，且效率高，體積小，是在傳動中使用最多
的一種傳動件。直齒圓柱齒輪的設計加工容易，但速度高時有噪音，故多用于減速器低
速級中，亦可用于高速級但噪音大。斜齒圓柱齒輪傳遞運動平穩，噪音小，承載能力高，
故多用在減速器中高速級上，低速級上也可以使用。人字齒輪基本上與斜齒輪相同，它
對軸承不產生軸向力，多用于大型減速器。錐齒輪將較困難，特別是模數，直徑大時受
到機床的限制，故一般在改變軸的方向等情況下才使用，使用時應盡量使模數直徑小些，
以利于加工。錐齒輪常用于高速級上，如用弧齒錐齒輪時噪音小，工作平穩，故速度可
高些。開式齒輪較閉式齒輪磨損大，多用于低速級。
4.蝸桿傳動：蝸桿傳動傳動速比大，傳遞運動平穩，但效率低，消耗有金屬。因
此普通圓柱面蝸桿傳動適用于中小功率，由于其效率低，不適用于連續工作，故多用于
間歇工作的場合。
3.1.2機械傳動系統設計時應注意的事項
1.在滿足傳動要求的情況下，應盡量使機構的數目減少，使傳動鏈短，這樣可以提
高機械效率，減低生產成本。
2.當機械傳動系統的總傳動比較大而采用多級傳動時，應合理分配各傳動機構的傳
動比。傳動比的分配原則時使總的體積小和發揮各類傳動機構本身的優勢。
3.合理安排傳動機構的次序。當總傳動比
?8
時，要考慮多級傳動。如有帶傳動時，
一般將帶傳動放置在高速級；如采用不同類型的齒輪機構組合，圓錐齒輪傳動和蝸桿傳
動一般放置在高速級；鏈傳動一般不宜放在高速級。
4.在滿足傳遞要求的前提下，應盡量采用平面傳動機構，使制造，組裝，維修更加

8

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方便。
5.在對傳動系統的尺寸的要求較小時，可采用行星輪系機構。
3.2傳動方案的擬訂
根據設計要求，步進式推鋼機的推頭阻力為F=3000,推頭行程S=500mm，往返次數
=1min可見推鋼機整體尺寸不大，且在低速狀態下工作。
綜合考慮以上傳動類型的特點和推鋼機的設計要求，現選用齒輪傳動和傳送帶傳動，
并采用減速器與電動機相連接。
電動機經皮帶、減速器和齒輪機構減速后，由連桿將軸的轉動轉化為推桿的往復運動，
將鋼坯推入加熱爐 。

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4、電動機的選擇計算
4.1概述
電機是指依據電磁感應定律實現電能的轉換或傳遞的一種電磁裝置。它的主要作用
是產生驅動轉矩，作為用電器或各種機械的動力源。
4.1.1常用電動機的種類
1．按工作電源分類 根據電動機工作電源的不同，可分為直流電動機和交流電動機。
其中交流電動機還分為單相電動機和三相電動機。
2．按結構及工作原理分類 電動機按結構及工作原理可分為直流電動機，異步電動
機和同步電動機。同步電動機還可分為永磁同步電動機、磁阻同步電動機和磁滯同布電
動機。異步電動機可分為感應電動機和交流換向器電動機。感應電動機又分為三相異步
電動機、單相異步電動機和罩極異步電動機等。交流換向器電動機又分為單相串勵電動
機、交直流兩用電動機和推斥電動機。 直流電動機按結構及工作原理可分為無刷直流
電動機和有刷直流電動機。有刷直流電動機可分為永磁直流電動機和電磁直流電動機。
電磁直流電動機又分為串勵直流電動機、并勵直流電動機、他勵直流電動機和復勵直流
電動機。永磁直流電動機又分為稀土永磁直流電動機、鐵氧體永磁直流電動機和鋁鎳鈷
永磁直流電動機。
3．按起動與運行方式分類 電動機按起動與運行方式可分為電容起動式單相異步電
動機、電容運轉式單相異步電動機、電容起動運轉式單相異步電動機和分相式單相異步
電動機。
4．按用途分類 電動機按用途可分為驅動用電動機和控制用電動機。 驅動用電動
機又分為電動工具（包括鉆孔、拋光、磨光、開槽、切割、擴孔等工具）用電動機、家
電（包括洗衣機、電風扇、電冰箱、空調器、錄音機、錄像機、影碟機、吸塵器、照相
機、電吹風、電動剃須刀等）用電動機及其它通用小型機械設備（包括各種小型機床、
小型機械、醫療器械、電子儀器等）用電動機。 控制用電動機又分為步進電動機和伺
服電動機等。
5．按轉子的結構分類 電動機按轉子的結構可分為籠型感應電動機（舊標準稱為鼠
籠型異步電動機）和繞線轉子感應電動機（舊標準稱為繞線型異步電動機）。
6．按運轉速度分類 電動機按運轉速度可分為高速電動機、低速電動機、恒速電動
機、調速電動機。低速電動機又分為齒輪減速電動機、電磁減速電動機、力矩電動機和

10

本科畢業設計（論文）通過答辯
爪極同步電動機等。 調速電動機除可分為有級恒速電動機、無級恒速電動機、有級變
速電動機和無級變速電動機外，還可分為電磁調速電動機、直流調速電動機、PWM變
頻調速電動機和開關磁阻調速電動機。
4.1.2電動機選擇時的注意事項
1.如果電動機功率選的過小，就會出現“小馬拉大車”現象，造成電動機長期過載，
使其絕緣因發熱而損壞，甚至電動機被燒壞。
2.如果電動機功率選的過大，就會出現“大馬拉小車”現象，其輸出機械功率不能
得到充分利用，功率因數和效率都不高，不但對用戶和電網不利，而且還會造成電能浪
費。
4.2電動機的選擇計算

4.2.1選擇電動機的類型和機構型式
在交流電動機中，三相異步電動機在工業中廣泛應用。常用的Y系列三相異步電動機
屬于一般用途的全封閉自扇冷式籠型三相異步電動機，其結構簡單，工作可靠，啟動性
能好，價格低廉，維護方便，適用于非易燃易爆，無腐蝕性和無特殊要求的機械上，也
適用于某些對啟動轉矩有較高要求的機械，如壓縮機等。
經常啟動，制動和反轉的機械設備要求電動機具有較小的轉動慣量和較大的過載能
力，應選用起重的冶金用的三相異步電動機電動機，常用YX型（籠型）和YZR型(繞線
型)。
由于推鋼機推桿做往復運動，需要頻繁快速啟動和反轉，故選用YZR型電動機。
4.2.2.已知條件
題號
5
推頭阻力F 推頭行程smm
3000 500
往復次數n(1min)
1
1) 輥道高度H=800—1000mm;行程速度變化系數K=1.2;機構最小傳動角不小
于40°，往復次數誤差不大于±5%；
2) 工作情況：兩班制，電動機連續單向運轉，載荷有輕擊，室內工作；
3) 使用年限：10年；檢修間隔三年一大修，兩年一中修，半年一小修；
4) 生產條件：一般機械廠，單件生產；
5) 動力來源：電力，三相交流，電壓380220

11

本科畢業設計（論文）通過答辯
4.2.3設計內容
1）
2）
3）
4）
5）
6）
擬定工作機構和傳動系統方案；
運動機構的運動學和動力學分析；
設計繪制推鋼機的系統總圖一張；
設計繪制減速器裝配圖一張；
設計繪制零件工作圖一張；
編寫設計說明書一份。
4.2.4選擇電動機的容量
已知步進式推鋼機的推推頭阻力F=3000,推鋼速度
V
1
=1*5001.2*60=0.1ms
推桿的最大作用力:
F=3000 （4-1）
則推鋼機電動機的輸出功率:
P
d
?F?V
1
1000
?
.
； （4-2）
式中
?
-------總效率；

?
=
?
1
?
?
2
?
?
3
??????
?
n
； （4-3）
式中
?
1
,
?
2
,
?
3
??????
?
n
為傳動系統中每一個傳動副，軸承，聯軸器等的效率。
查表知：
?
1
（齒輪傳動（油潤滑））=0.93～0.95；

?
2
（皮帶傳動（脂潤滑））=0.95；

?
3
（一對滾子軸承）=0.98；

?
4
（一級圓柱齒輪減速器）=0.95～0.96；

?
5
（齒式聯軸器）=0.99；
則
?
?
?
1
2
?
?
2
2
?
?
3
2
?
?
4
?
?
5
2

=
0.95
2
?0.95
2
?0.98
2
?0.96?0.99
2

=0.74；
代入公式（4-2）得：
P

P
d
?
w
?F?V
1
1000
?
?
=3000*6.941000*0.74=158.92
K
W


選擇電動機容量時，應保證電動機的額定功率
P
ed
等于或稍大于工作機所需的電動機
功率
P
d
，故取
P
ed
=160
K
W
。
4.2.5確定電動機轉速

12

本科畢業設計（論文）通過答辯
容量相同的電動機，有幾種不同的轉速可供設計者選擇。電動機的同步轉速越高，磁
極對數越少，其重量越輕。但是電動機轉速與工作機轉速相差過大勢必使總傳動比加大，
致使傳動裝置的外廓尺寸與重量增加，價格提高。因此在確定電動機轉速時應進行分析
比較，選擇最優方案。
4.2.6選定電動機的型號和參數
綜上，查表選擇YZR400
L
1
型冶金用電動機，額定功率
P
ed
=160
K
W
，轉速
n
w
?587
r
轉動慣量
I?24.52kg?m
2
，額定電壓
V?395v
。

min
，

13

本科畢業設計（論文）通過答辯
5、傳動裝置的運動及動力參數的選擇和計算
5.1傳動比的計算與分配
5.1.1傳動裝置的總傳動比
由選定電動機的滿載轉速
n
m
和工作機軸的轉速
n
w
可得傳動裝置的總傳動比：

60?0.1?100060v?1000
n
w
??
?
D

?
?544
（5-1）
總傳動比等于各級傳動比的乘積，即：

i
a
?i
0
?i
1
?i
2
?i
3
??????i
n
； （5-2）
已知推桿推鋼速度
V
1
=0.1ms，選定齒輪直徑D=544mm。
=3.51
r
min
；

n
m
i?
所以總傳動比：
a
n
w
5.1.2分配各級傳動比
=167.23；
分配傳動比主要考慮以下幾點：
1.各級傳動比應在推薦范圍內選取，不得超過最大值。
2.各級傳動零件應做到尺寸協調，結構勻稱，避免相互間發生碰撞或安裝不便。
3.應盡量使傳動裝置的外廓尺寸緊湊或重量較小。
4.在臥式二級齒輪減速器中，各級齒輪都應該得到充分潤滑。為了避免因各級大齒
輪都能浸到油而使某級大齒輪浸油過深而增加攪油損失，通常使各級大齒輪直徑相近，
應使高速級傳動比大于低速級，此時高速級大齒輪能浸到油，低速級大齒輪直徑稍大于
高速級大齒輪，浸油稍深而已。
根據以上原則，初步選定齒輪傳動的傳動比
i
0
?4
，則減速器傳動比；

i
1
?
i
a
167.23
??41.81
i
0

4
5.2.3各軸參數的計算
將傳動裝置中各軸從高速軸到低速軸依次編號，定為0軸（電機軸），1軸（減速器低
速軸），2軸（齒輪軸）；相鄰兩軸傳動比表示為
i
01
，
i
12
；相鄰兩軸的傳動效率為
?
01
，
?
12
；

14

本科畢業設計（論文）通過答辯
各軸的輸入功率為
p
0
，
p
1
，
p
2
；各軸輸入轉矩為
T
1
,
T
2
,
Y
3
。
１.各軸轉速計算；
電機軸轉速
n
0
?587rmin;


?
587
?14.04rmin;
i
01
41.81
n
第二軸轉速
n
2
?
1
i
?
14.04
4
?3.51rmin;
12
2.各軸功率計算；
n
1
?
第一軸轉速
電機軸功率
p
0
?160Kw;

第一軸功率
p
1
?p
0
?
?
01
?p
0
?
?
4
?
?
5
2
?160?0.96?0.99
2
?151.272Kw;



第二軸功率
p
2
?


3.各軸扭矩計算；
電機軸扭矩

T
0
?
9549?P
0
9549?160
??2.60?10
3
?m;
n
0
587
n
0
11
1
2
p
1
?
?
12
?p
1
?
?
2
?
?
3
2
??151.272?0.95
2
?0.98
2
22
2
?65.56Kw;
9549?151.272
1
第一軸扭矩
T
1
?
9549?P
??1.03?10
5
?m;
n
1
14.04

第二軸扭矩
T?
9549?P
2
?
9549?65.56
?1.78?10
5
?m;
2
n
2
3.51

15

本科畢業設計（論文）通過答辯
6、減速器的選擇計算
6.1減速器概述
減速器是原動機和工作機之間的獨立的閉式傳動裝置，用來降低轉速和增大轉矩以滿
足各種工作機械的需要。在原動機和工作機之間用來提高轉速的獨立的閉式傳動裝置成
為增速器。
6.1.1減速器的作用
減速器的作用主要為：
1.降速同時提高輸出扭矩，扭矩輸出比例按電機輸出乘減速比，但要注意不能超出減
速機額定扭矩。
2.降速同時降低了負載的慣量，慣量的減少為減速比的平方。
6.1.2減速器的分類
減速器的種類很多，按照傳動形式不同可分為齒輪減速器，蝸桿減速器和行星減速
器；按照傳動的級數可分為單級和多級減速器；按照傳動的布置形式又可以分為展開式，
分流式和同軸式減速器，常用減速器主要有；
1.齒輪減速器
主要有圓柱齒輪減速器，圓錐齒輪減速器，和圓錐-圓柱齒輪減速器。
齒輪減速器特點
1).齒輪采用高強度低碳合金鋼經滲碳淬火而成，齒面硬度達HRC58-62，齒輪均采
用數控磨齒工藝，精度高，接觸性好。
2).傳動率高：單級大于96.5%，雙級大于93%，大于90%。
3).運轉平穩，噪音低。
4).體積小，重量輕，使用壽命長，承載能力高。
5).易于拆檢，易于安裝。
2.蝸桿減速器
主要有圓柱蝸桿減速器，環面蝸桿減速器和錐蝸桿減速器。
蝸桿減速器的特點是在外廓尺寸不大的情況下，可以獲得大的傳動比，工作平穩，
噪聲較小，但效率較低。其中應用最廣的是單級蝸桿減速器，兩級蝸桿減速器則應用較
少。蝸輪蝸桿減速機的主要特點是具有反向自鎖功能，可以有較大的減速比，輸入軸和

16

本科畢業設計（論文）通過答辯
輸出軸不在同一軸線上，也不在同一平面上。但是一般體積較大，傳動效率不高，精度
不高。
3.蝸桿齒輪減速器及渦輪-蝸桿減速器
4.行星齒輪減速器
行星齒輪減速器由于減速比大，體積小，重量輕，效率高等優點，在許多情況下可
代替二級，的普通齒輪減速器和蝸桿減速器。行星減速機其優點是結構比較緊湊，
回程間隙小、精度較高，使用壽命很長，額定輸出扭矩可以做的很大。但價格略貴。
5.擺線針輪減速器
6.諧波齒輪減速器
其中圓柱齒輪減速器的特點是效率高及可靠性高，工作壽命長，維護簡便，因而應
用范圍很廣。
上述6種減速器已有標準系列產品，使用時只需要結合所需傳動功率，轉速，傳動
比，工作條件和機器的總體布置等具體要求。
6.2減速器的選用
根據已知的設計要求，即減速器計算傳動比 rmin；高速
輸入功率
p?p
ed
?
?
5
2
?160?0.99
2
?156.82Kw;
高速軸轉速
n?587rmin;

查表選擇減速器型號為
ZL130?16?
Ⅲ型
(JB1130?70)
，公稱傳動比40.實際傳動比
40.85，中心距
a?1300mm,
高速軸許用功率168Kw，承載能力n=750rmin;

17

本科畢業設計（論文）通過答辯
7、傳動機構的設計計算
7.連桿傳動設計計算
7.1.1連桿傳動的特點
一. 連桿機構分為鉸鏈連桿機構（ 曲柄搖桿機構、雙曲柄機構和雙搖桿機構）、
曲柄滑塊機構、導桿機構、搖塊機構和定塊機構。
1.曲柄搖桿機構：在連桿機構中，如果有一個連架桿做循環的整周運動而另一連架
桿作搖動，則該機構稱為曲柄搖桿機構。
2.雙曲柄機構：在連桿機構中，兩個連架桿均能做整周的運動，則該機構稱為雙曲
柄機構。
3.雙搖桿機構：兩根連架桿均只能在不足一周的范圍內運動的鉸鏈四桿機構稱為雙
搖桿機構。
二.連桿機構中曲柄存在的條件
1. 連桿機構的三種基本類型的區別在于機構中是否存在曲柄，存在幾個曲柄。機構
中是否存在曲柄與各構件相對尺寸的大小以及哪個構件作機架有關?？梢宰C明，連桿機
構中存在曲柄的條件為：
條件一：最短桿與最長桿長度之和不大于其余兩桿長度之和。
條件二：連架桿或機架中最少有一根是最短桿。
2.連桿機構基本類型的判別準則
(1)滿足條件一但不滿足條件二的是雙搖桿機構；
(2)滿足條件一而且以最短桿作機架的是雙曲柄機構；
(3)滿足條件一而且最短桿為連架桿的是曲柄搖桿機構;
(4)不滿足條件一是雙搖桿機構。
三.平面連桿機構的其它形式
1. 曲柄滑塊機構：含有移動副的連桿機構稱為滑塊連桿機構，當滑塊運動的軌跡為
曲線時稱為曲線滑塊機構，當滑塊運動的軌跡為直線時稱為直線滑塊機構。直線滑塊機
構可分為兩種情況：偏置曲柄滑塊機構，導路與曲柄轉動中心有一個偏距e；當e = 0
即導路通過曲柄轉動中心時，稱為對心曲柄滑塊機構，由于對心曲柄滑塊機構結構簡單，
受力情況好，故在實際生產中得到廣泛應用。應該指出，滑塊的運動軌跡不僅局限于圓

18

本科畢業設計（論文）通過答辯
弧和直線，還可以是任意曲線，甚至可以是多種曲線的組合，這就遠遠超出了連桿機構
簡單演化的范疇，也使曲柄滑塊機構的應用更加靈活、廣泛。
2. 導桿機構：在對心曲柄滑塊機構中，導路是固定不動的，如果將導路做成導桿接
于固定點，使之能夠繞固定點轉動，并使桿固定，就變成了導桿機構，導桿能夠作整周
的回轉，稱旋轉導桿機構，當導桿只能作不足一周的回轉，稱擺動導桿機構，導桿機構
具有很好的傳力性，在插床、刨床等要求傳遞重載的場合得到應用。如插床的工作機構，
牛頭刨床的工作機構。
3. 搖塊機構和定塊機構：在對心曲柄滑塊機構中，將與滑塊鉸接的構件固定成機架，
使滑塊只能搖擺不能移動，就成為搖塊機構。搖塊機構在液壓與氣壓傳動系統中得到廣
泛應用。將對心曲柄滑塊機構中的滑塊固定為機架，就成了定塊機構。
7.1.2連桿傳動的設計計算
根據運動分析，只是對機構的某一運動瞬時位置進行的。但在實際的機械設計與分析中，
往往需要知道機械的一個運動循環的相關構件的運動變化規律，以便了解機械的運動特
性及工作能力特性。當求出機構在彼此相距很近的一系列位置時的位移、速度和加速度
或角位移、角速度和角加速度后，可將所得的這些值對時間或原動件轉角列成表或畫成
圖，這些圖便稱為機構運動線圖。畫運動線圖比列表更直觀，它可以查得任一瞬時機構
的運動參數，并可以清楚地看出機構的運動變化情況。


7.1 連桿傳動圖
圖示為一曲柄滑塊機構及其滑塊C的運動線圖的作法。設曲柄以等角速度ω轉

19

本科畢業設計（論文）通過答辯
動。首先將圖a中的曲柄銷B的軌跡分成若干等分(圖中為12等分)，并求出與它對應的
點C的一系列位置。這樣，距離C
1
C
2
,C
1
C
3
便是曲柄在各位置時滑塊C自其起始位置C
1
7.2 曲柄滑塊機構運動線圖

的位移。其次，如圖b所示，作兩個坐標軸，并在橫軸上截取長Lmm的線段來代表曲
柄回轉一整周的時間T，那么其時間比例U為U=TL=60（nL）， 式中n為曲柄每分鐘
的轉數 ，U單位為smm。
然后將線段L分成12等分作橫坐標，并將圖a中點C的位移投影在各個對應縱坐標上，
最后將所得各點連成一光滑曲線，即為點C位移對時間的變化曲線。其縱坐標的比例尺
U即機構圖的比例尺U 。
圖中速度的正、負表示滑塊運動方向的不同，速度為正，滑塊向上運動；反之，則
向下運動。當加速度與速度位于橫坐標同側時，滑塊作加速運動；反之，作減速運動。
由此可見，利用運動線圖，可以清楚地看出機構的位移、速度、加速度的變化規律，從
而全面地了解機構的運動特性。
由于位移、速度、加速度三者之間存在微分、積分關系，所以當給出機構的位移線
圖后，可用計算機進行數字微分直接作出該機構相應的速度和加速度線圖。同樣，如給
出的是加速度線圖，則可用數字積分的方法求出機構相應的速度線圖和位移線圖。機構
運動線圖也可以由計算機直接繪制。




20

本科畢業設計（論文）通過答辯
用前述相對運動圖解法，求的相應曲柄在圖示機構一系列位置滑塊C的速度v和加
速度a，及可得到滑塊C在一個運動循環內的速度圖和加速度圖
p?65.56Kw;n?3.51rmin;
已知輸入功率齒輪軸轉速
1）.壓力角
?
的選擇：一般選取
?
=20°。
2）.齒數的選擇：
為使輪齒免于根切，對于
?
=20°的標注直齒輪，應取
z
1
?17;
故直齒輪取
z
1
?17,
齒條取
z
2
?15,
所以齒數比
3）.齒寬系數
?
d
的選擇：
查表，對兩支撐相對于小齒輪做對稱布置并靠近齒輪取
4） 精度選擇：對一般機械，速度不高，選8級精度
(GB10095?88);

5） 材料選擇：綜合考慮齒輪，齒條的工作條件（載荷大小，有無沖擊），
加工工藝，經濟性以及材料來源等，查表選擇齒輪選40
Cr
（調質），硬度為241～286HBS；
齒條選ZG35SiMn（調質），硬度為217～269 HBS；
2.按齒面接觸疲勞強度計算：
?
d
?
由設計公式進行試算，即：
b
?0.74;
d
（7-1）
2
1）.確定公式內各計算數值：
①.試選載荷系數
k
t
?1.3;


②.計算齒輪轉矩

③.選取齒寬系數

T
1
?
k?T
u?1
?
z
E
?
d
1
?d
1t
?2.32
3
t1
??
?
;
?
??
?
d
u
?
?
?
H
?
?
9549?P
2
9549?65.56
??1.70?10
5
?m;
n
2
3.51

1
1.52?10
7

2
???1.72?10
7
;
u0.88
1
2
④.查表的材料的彈性影響系數
Z
E
?189.8MP
a
;

⑤.按齒面硬度查表得齒輪軸接觸疲勞強度極限
?
Hlim1
?600MP
a;
齒條接觸疲勞強
度極限
?
Hlim2
?650MP
a;

z
2
15
??0.88;
z
1
17

1
?60n
i
jL
h
?60?3.51?1?
?
2?8?300?15
?
?1.52?10
7
;
（7-2）
⑥.計算應力循環次數：
u?
─—假設工作壽命15年，每年工作300天；
⑦.查表取接觸疲勞壽命系數
K
H
1
?0.99;

K
H
2
?0.95;

⑧.計算接觸疲勞許用應力：

21

本科畢業設計（論文）通過答辯
取失效概率為1%，安全系數為S=1；
?
d
1t
n
1
?
?542.52?3.51

v???0.0997ms;
（7-4）
60?100060?1000

b??
d
?d
1t
?0.74?542.52?401.46mm;
（7-5）
2）.計算：
①.試算齒輪分度園直徑
d
1t
，代入
?
?
H
?
中較小的值：


2

k
t
?T
1
u?1
?
z
E
?
3
d?2.32??
??

1t
?
=542.52mm；
?
d
u
?
?
??
?
H
?

5
1.3?1.70?100.88?1
?
189.8
?
?2.32?
3
??
??
0.740.88
?
594
?
K
H1
?
?
Hlim1
?
??0.99?600?594MP
a
;
??
H
1

S

?
?
H
?
?
K
H2
?
?
Hlim2
?0.95?650?617.5MP
a
;
2
S
2
?
b
?
②.驗算圓周速度
k
H
?
?1.15?0.18
??
?0.31?10
?3
b
v：
?
d
?

2

?
401.46
?
?3
?1.15?0.18??0.31?10?401.46
??
③.計算齒寬
b
：
?
542.52
?
1.37;

?

2
b
④.計算齒寬與齒高之比
;

h
401.46

b

?

?5.59;
h71.8

⑤.計算載荷系數：
根據
v?0.0997ms,
8級精度，查表的動載荷系數
k
v
?1.01;

直齒輪
k
H
?
?k
F
?
?1;

查表的使用系數
k
A
?1;

用插值法查表的8級精度，齒輪相對支撐對稱布置時，
查表得
k
F
?
?1.52;

故載荷系數
k?k
A
?k
v
?k
H
?
?k
H
?


⑥.按實際的載荷系數校正所算得的分度圓直徑：

22
h?2.25m
t
?71.80;

本科畢業設計（論文）通過答辯


⑦.計算模數
m
：


3.按齒根彎曲強度設計；
由設計公式：
Y
Fa
?Y
Sa

?
m
t
?
d
1t
542.52
??31.91;
z
1
17
?
F
?

1）.確定公式內的各計算數值；
①.查表得齒輪軸的彎曲疲勞強度極限
?
FE1
?500MPa;

齒條的彎曲疲勞強度極限
?
FE2
?520MPa;

②.取彎曲疲勞壽命系數
K
F1
?0.98;


K
F2
?0.96;

③.計算彎曲疲勞許用應力




?
?
F
?
2
?
K
F2
?
?
FE2
0.96?520
??356.57MPa;
S1.4
K?
?
0.98?500
?350MPa;
?
?
F
?
1
?
F1FE1
?
S1.4
安全系數
s?1.4,
，由式得：

Y

Fa

1

?

Y

Sa

1

?
2.97?1.52
?0.0129;
350
?
?
F
?
1

④.計算載荷系數K

K?K
A
?K
V
?K
F
?
?K
F
?
?1?1.01?1?1.52?1.535;

⑤.查取齒形系數
查表得
Y
Fa1
?2.97;

Y
Fa2
?2.83;

⑥.查取應力校正系數
查表得
Y
Sa1
?1.52;

Y
Sa2
?1.56;

⑦.計算大小齒輪的并加以比較



23

本科畢業設計（論文）通過答辯



可見齒輪的數值大。
2）.設計計算


m?
d
1
553.42
??32.55;
z
1
17
a?
d
1
?d
2
544?480
??512mm;
22
對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的
模數，由于齒輪模數的大小m主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑有
關，可取彎曲強度算得的模數31.44并就近圓整為標準值
m?32;
按接觸疲勞強度算得的
分度圓直徑
d
1
?553.42mm,
算出直齒輪的齒數



m?
3
2kT
?
Y
Fa
?Y
Sa
?
;
?
2
?
??
?
d
z
1
?
?
?
F
?
?
則齒條齒數
z
2
?z
1
?u?17?0.88?15;

這樣設計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，
并做到了結構緊湊，避免浪費。
4.幾何尺寸計算
1).分度圓直徑計算



2）計算中心距
k
t
?T
1
u?1
?
z
E
?
3
d
1
?d
1t
?2.32??
??
?
;
?
d
u
?
?
??
?
H
?
2
d
2
?m?z
2
?32?15?480mm;
d
1
?m?z
1
?32?17?544mm;
（7-16）

3）.計算齒輪寬度

b
1
??
d
?d
1
?0.74?544?400mm;

z
1
?
d
1
553.42
??17.29?17;
m32
Y
Fa2
?Y
Sa2
?
?
F
?
2
?
2.83?1.56
?0.01238;
356.57
取齒輪寬度和齒條寬度同為400mm。
5.結構設計和零件圖見附圖5及附圖8。

24

本科畢業設計（論文）通過答辯
7.2齒輪傳動的設計計算
7.2.1齒輪傳動的特點
齒輪傳動是機械傳動中最重要的傳動之一，形式很多，應用廣泛，傳遞的功
率可達數十萬千瓦，圓周速度可達200ms。
齒輪傳動的特點有：
1.效率高。
2.結構緊湊。
3.工作可靠，壽命長。
4.傳動比穩定。
但是齒輪傳動的制造及安裝精度要求高，價格較貴，且不宜用于傳動距離要
求過大的場合。齒輪傳動可做成開式，半開式及閉式。
7.2.2齒輪傳動的設計計算
1.選定齒輪類型，精度等級，材料和齒數：
已知輸入功率小齒輪
p
1
?p
0
?
?
4
?
?
5
2
?151.272Kw;

轉速
n
1
?14.04rmin;

1）.壓力角
?
的選擇：一般選取
?
=20°。
2）.齒數的選擇：
為使輪齒免于根切，對于
?
=20°的標注直齒輪，應取
z
1
?17;
故小齒輪取
z
1
?19,
則
大齒輪齒數
z
2
?u?z
1
?4?19?76
。

3）. 精度選擇：對一般機械，速度不高，選8級精度
(GB10095?88);

4）. 材料選擇：綜合考慮齒輪的工作條件（載荷大小，有無沖擊），加工工藝，經
濟性以及材料來源等，查表選擇小齒輪選40
Cr
（調質），硬度為241～286HBS；大齒輪
選ZG50SiMn（調質），硬度為217～269 HBS；
2.按齒面接觸疲勞強度計算：
由設計公式進行試算，即：

1）.確定公式內各計算數值：
①.試選載荷系數
k
t
?1.3;

②.計算齒輪轉矩
T
1
?1.03?10
8
?mm;

b
③.選取齒寬系數
?
d
??0.6;

d

25

本科畢業設計（論文）通過答辯
1
2
④.查表的材料的彈性影響系數
Z
E
?189.8MP
a
;

⑤.按齒面硬度查表得齒輪軸接觸疲勞強度極限
?
Hlim1
?600MP
a;
齒條接觸疲勞
強度極限
?
Hlim2
?650MP
a;

⑥.計算應力循環次數

?
?
H
?
2
?
K
H2
?
?
Hlim2
?0.95?650?617.5MP
a
;
S

1
?60n
i
jL
h
?60?14.04?1?
?
2?8?300?15
?
?6.07?10
7
;

2

??
k?T
u?1
z
E
d
1t
?2.32
3
t1
??
??
?

?
d
u
?
?
??
?
H
?
─—假設工作壽命15年，每年工作300天；

⑦.查表取接觸疲勞壽命系數

K
H
1
?0.99;K
H
2
?0.95;

⑧.計算接觸疲勞許用應力：



8
1.3?1.03?104?1
?
189.8
?
?2.32?
3
??
??
0.64
?
594
?
2
?360.50mm;
取失效概率為1%，安全系數為S=1；

2）.計算：
①.試算齒輪分度園直徑
d
1t
，代入
?
?
H
?
中較小的值：

②.驗算圓周速度v：


③.計算齒寬
b
：
b??
d
?d
1t
?0.6?360.5?216.30mm;


b
④.計算齒寬與齒高之比
;

h
模數
v?
?
d
1t
n
1
60?1000
?
?
?360.5?14.04
60?1000
?0.26ms;
d
1
?d
1t
3
k1.47
?360.50?
3
k
t
1.3

齒高
d
375.57
m?
1
??19.77;
z
1
19


1
6.07?10
7

2
???1.52?10
7
;
u4
26

本科畢業設計（論文）通過答辯
h?2.25m
t
?2.25?18.97?42.69mm;



⑤.計算載荷系數：
根據
v?0.26ms,
8級精度，查表的動載荷系數
k
v
?1.02;

直齒輪
k
H
?
?k
F
?
?1;

查表得使用系數
k
A
?1;

用插值法查表得8級精度，齒輪相對支撐對稱布置時，由
得
k
H
?
?1.443;

查表得
k
F
?
?1.33;

故載荷系數
k?k
A
?k
v
?k
H
?
?k
H
?


?

1?1.02?1?1.443

?1.47;
⑥.按實際的載荷系數校正所算得的分度圓直徑為375.57

⑦.計算模數
m
：


3.按齒根彎曲強度設計；
由設計公式：


1）.確定公式內的各計算數值；
①.查表得小齒輪的彎曲疲勞強度極限
?
FE1
?500MPa;

大齒輪的彎曲疲勞強度極限
?
FE2
?525MPa;

b216.30
??5.10;
h42.69
b216.30
??5.10;
h42.69
②.取彎曲疲勞壽命系數
K
F1
?0.98;K
F2
?0.97;


③.計算彎曲疲勞許用應力
取安全系數
s?1.4,
，由式得：



27

本科畢業設計（論文）通過答辯


④.計算載荷系數K

K?K
A
?K
V
?K
F
?
?K
F
?
?1?1.02?1?1.33?1.357;

⑤.查取齒形系數
查表得
Y
Fa1
?2.85;

Y
Fa2
?2.23;

d
1
380
z
1
???19;
m20
⑥.查取應力校正系數
查表得
Y
Sa1
?1.54;

Y
Sa2
?1.76;

⑦.計算大小齒輪的并加以比較

K?
?
Y
Fa2
?Y
Sa2
2.23?1.76
0.97?525
?363.75MPa;
??0.01079;
?
?
F
?
2
?
F2FE2
?

S1.4
363.75
?
?
F
?
2

可見小齒輪的數值大。
2）.設計計算
對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的
模數，由于齒輪模數的大小m主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑有
關，可取彎曲強度算得的模數19.29并就近圓整為標準值
m?20;
按接觸疲勞強度算得的
分度圓直徑
d
1
?375.57mm,
并圓整取
d
1
?380mm,
算出小齒輪的齒數

d?d
380?1560
a?
12
??970mm;
22
Y
Fa1
?Y
Sa1
2.85?1.54

??0.01254;
350
?
?
F
?
1



?
?
F
?
1
?
K
F1
?
?
FE1
0.98?500
??350MPa;
S1.4
則大齒輪齒數
z
2
?z
1
?u?19?4?76;

取
z
2
?78,
這樣設計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎
曲疲勞強度，并做到了結構緊湊，避免浪費。
4.幾何尺寸計算
1).分度圓直徑計算




28

本科畢業設計（論文）通過答辯
2）.計算中心距

d
1
?m?z
1
?20?19?380mm;


3）.計算齒輪寬
d
2
?m?z
2
?20?78?1560mm;
度

b
1
??
d
?d
1
?0.6?380?228mm;

取小齒輪寬度
B
1
?230mm,
取大齒輪寬度為
B
2
?200mm
。
5.結構設計如圖。






29

本科畢業設計（論文）通過答辯
8、軸系零部件
軸是機械設備中的重要零件之一，它的主要功能是直接支承回轉零件，如齒輪、車輪
和帶輪等，以實現回轉運動并傳遞動力,軸要由軸承支承以承受作用在軸上的載荷。這種
起支持作用的零部件稱為支承零部件。而且有很多的軸上零件需要彼此聯接，它們的性
能互相影響，所以將軸及軸上零部件統稱為軸系零部件。
8.1軸的設計
8.1.1概述
軸是組成機器的重要零件，其功用是支承旋轉零件（如齒輪、帶輪等），并傳遞運
動和動力。
1.軸的功用與分類
根據受載情況，軸可分為三類：
(1)心軸。承受彎矩（M），不傳遞轉矩（T）的軸，如圖8.1.1a）所示自行車前輪軸
（固定心軸）和圖8.1.1b）所示火車車輪軸（轉動心軸）。
(2)傳動軸。以傳遞轉矩為主，不承受彎矩或承受很小彎矩的軸，如汽車的傳動軸（圖
7.1.2）。
(3)轉軸。既傳遞轉矩，又承受彎矩的軸，如圖7.1.3所示的齒輪軸。

a） b）
圖8.1.1固定心軸和轉動心軸














圖8.1.2 汽車的傳動軸 圖8.1.3 齒輪軸




30

本科畢業設計（論文）通過答辯

2.軸的材料
軸的失效多為疲勞破壞，所以軸的材料應滿足強度、剛度、耐磨性等方面的要求，
常用的材料有：
1).碳素鋼。對較重要或傳遞載荷較大的軸，常用35、40、45和50號優質碳素鋼，
其中45鋼應用最廣泛。這類材料的強度、塑性和韌性等都比較好。進行調質或正火處
理可提高其機械性能。對不重要或傳遞載荷較小的軸，可用Q235、Q275等普通碳素鋼。
2).合金鋼。合金鋼具有較好的機械性能和淬火性能。但對應力集中比較敏感，價格
較高，多用于有特殊要求的軸，如要求重量輕或傳遞轉矩大而尺寸又受到限制的軸。常
用的低碳合金鋼有20Cr、20CrMnTi等，一般采用滲碳淬火處理，使表面耐磨性和芯部
韌性都較好。合金鋼與碳素鋼的彈性模量相差不多，故不宜用合金鋼來提高軸的剛度。
3).球墨鑄鐵。球墨鑄鐵具有價廉、吸振性好、耐磨，對應力集中不敏感，容易制成
復雜形狀的軸等特點。但品質不易控制，可靠性差。
8.1.2軸的結構設計
1.軸的結構
軸的結構設計就是根據工作條件，確定軸的合理外形，各段軸徑和長度以及全部結
構尺寸。為了便于裝拆，一般的轉軸均為中間大、兩端小的階梯軸。軸與軸承配合處的
軸段稱為軸頸，安裝輪轂的軸段稱為軸頭，軸頭與軸頸間的軸段稱為軸身。階梯軸上截
面尺寸變化的部位，稱為軸肩和軸環。軸肩和軸環常用于軸上零件的定位。齒輪由右方
裝入，依靠軸環限定軸向位置，右端的聯軸器和左端的軸承靠軸肩定位。為了固定軸上
的零件，軸上還設有其他相應的結構，如右端制有安裝軸端擋圈用的螺紋孔；軸上開有
鍵槽，通過鍵聯接實現齒輪的周向固定。為便于加工和裝配，軸上還常設有倒角、中心
孔和退刀槽等工藝結構。
2.軸的結構設計
軸的結構設計應滿足：①軸上零件定位準確，固定可靠；②軸上零件便于裝拆和調
整；③具有良好的制造工藝性；④盡量減少應力集中。
軸的結構形式取決于軸上零件的裝配方案。應擬定幾種不同的裝配方案，以便進行
比較與選擇，以軸的結構簡單，軸上零件少為佳。
初步設計時，還不知道軸上支反力的作用點，故不能按軸的彎矩計算軸徑。通常按
扭轉強度來初步估算軸的最小直徑，求得最小直徑后可按擬訂的裝配方案，從最小直徑

31

本科畢業設計（論文）通過答辯
起逐一確定各段軸的直徑和長度。設計時應考慮各軸徑應與裝配在該軸段上的傳動件、
標準件的孔相匹配。軸的各段長度可根據各零件與軸配合部分的軸向尺寸確定。為保證
軸向定位可靠，軸頭長一般比與之配合的輪轂長縮短2～3mm。
3.軸上零件的軸向定位及固定
軸上零件的軸向定位及固定的方式常用軸肩、軸環、鎖緊擋圈、套筒、圓螺母和止
動墊圈、彈性擋圈、軸端擋圈等。
4.軸上零件的周向固定
軸上零件常用的周向固定方法有鍵聯接、銷聯接以及過盈配合、成型聯接等，力不
大時，也可采用緊定螺釘作為周向固定方法。各種固定方法如圖（8-1-4）所示：




a)鍵聯接 b)銷聯接 c)成型聯接
圖8.1.4軸上零件的周向固定





5.軸的結構工藝性
軸的結構應便于加工和裝配。如為了便于切削加工，一根軸上的圓角應盡可能取相
同半徑；退刀槽或砂輪越程槽盡可能取相同寬度；一根軸的各軸段上的鍵槽應開在同一
母線上。為了便于裝配，軸端應加工倒角。
6.提高軸強度和剛度的措施
1).改進軸的結構，降低應力集中。
應力集中多產生在軸截面尺寸發生
急劇變化的地方，要降低應力集中，就要盡
量減緩截面尺寸的變化。直徑變化處應平滑
過渡，制成半徑盡可能大的圓角；軸上盡可
能不開槽、孔及制螺紋，以免削弱軸的強度；為了減小過盈配合處的應力集中，可采用
卸荷槽（圖8.1.5）。
2).提高軸的表面質量。
因疲勞裂紋常發生在軸表面質量差的地方，故提高軸的表面質量有利于提高軸的

圖8.1.5 缷荷槽


32

本科畢業設計（論文）通過答辯
強度。除控制軸的表面粗糙度外，還可采用表面強化處理，如滲碳、碾壓、噴丸等方法。
3).改變軸上零件的位置，減小載荷。如圖8.1.6所示，軸上轉矩需由兩輪輸出，輸
入輪1宜置于兩輸出輪2和3中間。此時軸的最大扭矩為T
2
（圖b所示）。









8.1.3軸的強度計算
1.按扭轉強度計算
已知：齒輪軸輸出功率
，
所以：
F
t
5.92?10
5

F

a

?

?

?

6.30

?

10

5

;

cos
?
cos20
圖8.1.6 軸上零件的合理布置
d?A?
3
P65.56
?107.90?
3
?286.29mm;
n3.51

2T
55
F??5.92?10?5.88?10;
t

d

1



開始設計軸時，由于軸上零件的位置和兩軸承間的距離通常尚未確定，故對軸所承
受的彎矩就無法進行計算，只能先按扭轉強度估算軸的最小直徑（根據標準尺寸與其相
配的孔圓整），再進行軸的結構設計。由材料力學可知，圓軸受扭轉時的強度條件為：

1

1

p?p
ed
?
?
??160?0.74?59.2Kw
22
F
r
?F
t
?tan
?
?5.92?10
5
?tan20?2.16?10
5
;

式中：
τ
為軸的扭轉剪應力（MPa）；T為轉矩（·mm）；W
n
為抗扭截面模量（mm
3
）；
P為軸傳遞的功率（KW）；n為軸的轉速（rmin）；d為軸的直徑（mm）；[
τ
]為許用剪

33

本科畢業設計（論文）通過答辯
應力（MPa）。
將上式改寫為軸徑的計算公式A是由軸的材料并考慮彎曲影響的系數。查表得對于
45Cr材料的軸
?
?
T
?
?38,
代入得
A?107.90
。
所以

T?9549?
p
?1.61?10
8
?m,
n
w
應當指出，當軸截面上開有鍵槽時，應增大軸徑以考慮鍵槽對軸的強度的削弱。
對于直徑
d?100mm
的軸，有一個鍵槽時，軸徑增大3%。故
d
'
?d?103%?294.87mm,
整
合取
d
min
?300mm
。
2.求軸上的載荷
首先根據軸的結構圖做出軸的計算簡圖，如下圖所示：
載 荷 水平面H 垂直面V
F
V1
?F
V2
?1.08?10
5


M
V1
??M
V2
?3.35?10
8
?mm

支反力F
F
H1
?F
H2
?2.96?10
5


彎矩M
總彎矩
扭矩T



34
M
H
?9.18?10
8
?mm

M
1
?M
2
?(9.18?10
8
)
2
?(3.35?10
8
)
2
?9.78?10
8
?mm

T?9549?
p
?1.61?10
8
?m,

n
w

本科畢業設計（論文）通過答辯
軸的結構圖以及彎矩和扭矩圖中可以看出截面C是危險截面?，F將計算出
的截面C處的
M
H
，
M
V
及
M
的值列于下表
3.按彎扭合成力校核軸的強度
進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面的強度，根據上表
中的數據以及軸單向旋轉，扭轉切應力為脈動循環變應力，取
?
=0.6。
前面已經選定軸的材料為40Cr，調質處理，查手冊可知[
?
?1
]=
70MPa
。因為
?
ca
＜
?
?1
，故安全。
4.結論
推鋼機的齒輪軸屬于傳動軸，其裝配圖見附圖1，其具體結構見附圖5。

M
1
2
?
?
?
T
3
?
W
8
2
8
2
2
?
ca
?
?
?
9.78?10
?
?
?
0.6?1.61?10
?
0.1?
?
310
?
3
?52.99MPa

35

本科畢業設計（論文）通過答辯
8.2軸承的選擇與計算
8.2.1概述
軸承是支承軸的部件，根據軸承工作的摩擦性質，可分為滑動
軸承和滾動軸承兩大類。一般情況下，滾動摩擦小于滑動摩擦，
因此滾動軸承應用很廣泛，但滑動軸承具有工作平穩、無噪聲、
耐沖擊、回轉精度高和承載能力大等優點，所以在汽輪機、精密
機床和重型機械中被廣泛地應用。
滾動軸承一般由內圈1、外圈2、滾動體3和保持架4組成，
所示。內、外圈分別與軸頸、軸承座孔裝配在一起。當內、外圈
相對轉動時滾動體即在內外圈的滾道間滾動。保持架使滾動體分布
均勻，減少滾動體的摩擦和磨損。

滾動軸承的內外圈和滾動體一般由軸承鋼制造，工作表面經過磨削和拋光，其硬度
不低于60HRC。保持架一般用低碳鋼板沖壓制成，也可用有金屬和塑料制成。
8.2.2滾動軸承的類型和選擇
類型
滾動軸承按受載方向分為向心軸承和推力軸承兩大類。向心軸承主要承受徑向載荷，
推力軸承主要承受軸向載荷。按滾動體形狀，滾動軸承又可分為球軸承與滾子軸承兩大
類。滾動軸承的內外圈與滾動體之間存在一定的間隙，如圖7.2.2所示，因此，內外圈
可以有相對位移，最大位移量稱為軸承游隙。當軸承的一個座圈固定，則另一座圈沿徑
向的最大移動量稱為徑向游隙△r，沿軸向的最大移動量稱為軸向游隙△a。游隙的大小
對軸承的壽命、溫升和噪聲都有很大的影響。
滾動軸承的選擇
1).軸承工作載荷的大小、方向及性質。當載荷較小而平穩、轉速較高時，可選用球
軸承，反之，宜選用滾子軸承。當軸承同時承受徑向及軸向載荷，若以徑向載荷為主時
可選用深溝球軸承；軸向載荷比徑向載荷大很多時，可選用推力軸承與向心軸承的組合
結構；徑向載荷和軸向載荷均較大時可選用向心角接觸軸承。2)對軸承的特殊要求?？?br>距較大或難以保證兩軸承孔同軸度的軸及多支點軸，宜選用調心軸承。為便于安裝、拆
卸和調整軸承游隙，宜選用內外圈可分離的圓錐滾子軸承。3)經濟性。一般球軸承比滾

36
如圖8.2.1

本科畢業設計（論文）通過答辯
子軸承價廉；有特殊結構的軸承比普通結構的軸承貴。同型號的軸承，精度越高，價格
也越高，一般機械傳動宜選用普通級（P0）精度。
8.2.3滾動軸承的受載情況和失效形式
1.一般轉速時，若軸承只承受徑向載荷Fr作用，由于各元件的彈性變形，軸承上半
圈的滾動體將不受力，而下半圈各滾動體受力的大小則與其所處的位置有關。故軸承運
轉時，軸承套圈滾道和滾動體受變應力作用（圖7.2.3），滾動軸承的主要失效形式是疲
勞點蝕。為防止疲勞點蝕現象的發生，滾動軸承應按額定動載荷進行壽命計算。







圖7.2.3 滾動軸承受載情況

2.轉速較低的滾動軸承，可能因過大的靜載荷或沖擊載荷，使套圈滾道與滾動體接
觸處產生過大的塑性變形。因此，低速重載的滾動軸承應進行靜強度計算。
3.高速轉動的軸承，可能因潤滑不良等原因引起磨損甚至膠合。因此，除進行壽命
計算外，還要校核極限轉速。
8.2.4滾動軸承的壽命計算
軸承中任一滾動體或內、外圈滾道上出現疲勞點蝕的總轉數或在一定轉速下的工作
時數，稱為軸承壽命。
一批相同型號尺寸的軸承，因材料、熱處理、加工工藝等差異，即使在完全相同的
條件下運轉，其壽命也差異很大，最長壽命和最短壽命可能差幾倍。滾動軸承的疲勞壽
命是相當離散的。因此，計算軸承壽命時應與一定的破壞率（可靠度）相聯系。一般用
10%破壞率的軸承壽命作為軸承的基本額定壽命，用L表示，單位為10
6
r（10
6
轉）。
滾動軸承的基本額定壽命L與承受的載荷P有關，載荷越大，軸承中產生的接觸應
力也越大，因而發生疲勞點蝕破壞前所能經受的應力變化次數就越少，即軸承的壽命越
短。圖8.2.4所示為試驗得出的載荷P與壽命L的關系曲線，也稱為軸承的疲勞曲線。
該曲線可用方程P
ε
L=常數表示。

37

本科畢業設計（論文）通過答辯






標準規定，基本額定壽命L=1（10
6
r）時，軸承所能承受的載荷稱為基本額定動載
荷，用C表示，單位為。C值可由軸承標準中查出，于是有
P
?
L?C
?
?1?
常數，即：
L=（C P）
ε
10
6
r
實際計算時常用小時（h）表示壽命（L
h
）。將上式整理后可得


10
6
?
C
?
16667
?
C
?
L
h
?
??
?
??
60n
?
P
?
n
?
P
?
εε

式中：P為當量動載荷（）；
ε
為壽命指數，球軸承
ε
=3，滾子軸承
ε
=103；n為軸承
轉速（rmin）。
若已知當量動載荷P和轉速n，工作使用壽命L
h
＇，則由式（8-11）可求出待選軸
承所需的額定動載荷C＇，從而選擇軸承并使軸承的額定動載荷C≥C＇。軸承工作壽命
L
h
＇的推薦值見表8-2-1。
表8-2-1 滾動軸承預期壽命推薦值
機器種類
不常使用的儀器和設備
航空發動機
預期壽命
500
500～2000
中斷使用不致引起嚴重后果的手動機械、農業機械4000～8000
間斷使用的
等
機器
中斷使用會引起嚴重后果，如升降機、運輸機、吊8000～12000
車等
每天工作8h
利用率不高的齒輪傳動、電機等
的機器
連續工作
利用率較高的通訊設備、機床等
一般可靠性的空氣壓縮機、電機、水泵等
12000～20000
20000～30000
50000～60000
>100000
24h的機器
高可靠性的電站設備、給排水裝置等
3.當量動載荷P的計算
滾動軸承的基本額定動載荷C是在特定試驗條件下得出的，就受載條件來說，向心

38

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軸承是承受純徑向載荷；推力軸承是承受純軸向載荷。而在實際工作中，作用在軸承上
的實際載荷往往與試驗條件不一樣，必須將實際載荷折算成與上述條件相同的載荷，在
此載荷作用下，軸承的壽命與實際載荷作用下的壽命相同，這種折算后的載荷是假定的
載荷，稱為當量動載荷，用P表示。計算式為
P=K
P
（xF
r
+yF
a
）
式中：F
r
為軸承所承受的徑向載荷（）；F
a
為軸承所承受的軸向載荷（）；x、y
分別為徑向載荷系數和軸向載荷系數；K
p
為載荷系數。
已知，軸承主要承受徑向力，查表取
f
p
?k
p
?x?1.6,

則
p?f
p
?F
r
?1.6?1.08?10
5
?1.728?10
5

；
公式（8-8）可以轉化為：
軸承所應具有的基本額定動載荷
查表（8-2-1）得，
L
'
h
?30000,
代入式(7-11)得：

10
60nL
60?3.51?30000
55
3
C?p??1.728?10??3.00?10;
66
1010
'
'
h
?


軸承選定時，應保證軸承的額定動載荷C≥C＇，而且根據軸承主要受較大得徑向力，
查表選定軸承型號為3003144調心滾子軸承（GBT288-1994），基本額定載荷1260K。
8.3鍵的設計與校核
鍵聯接主要用于軸上零件的周向固定并傳遞轉矩；有些兼作軸上零件的軸向固定；
還有的對沿軸向移動的零件起導向作用。
8.3.1鍵聯接的類型、特點和應用
鍵是標準件，按結構特點及工作原理，鍵聯接可分為平鍵聯接、半圓鍵聯接和楔鍵聯
接等。
1.平鍵聯接
鍵的兩側面為工作表面，靠鍵與鍵槽間的擠壓力傳遞扭矩。平鍵聯接由于結構簡單、
裝拆方便、對中較好，廣泛用于傳動精度要求較高的場合。按用途將平鍵分為如下三種：

39

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(1)普通平鍵。如圖8.3.1所示，按結構分為圓頭（A型）、平頭（B型）和單圓頭（C
型）三種。A型鍵定位好，應用廣泛。C型鍵用于軸端。A、C型鍵的軸上鍵槽用立銑
刀加工，端部應力集中較大。B型鍵的軸上鍵槽用盤銑刀加工，軸上應力集中較小，但
鍵在鍵槽中的軸向固定不好，故尺寸較大的鍵要用緊定螺釘壓緊。
(2)導向平鍵。導向平鍵（圖8.3.2）是加長的普通平鍵，有圓頭（A型）和方頭（B
型）兩種。導向平鍵用螺釘固定在軸上，輪轂可沿鍵作軸向移動。為拆卸方便，在鍵的
中部制有起鍵用的螺孔。當軸上零件移動距離較大時，可用滑鍵聯接（圖7.3.3）?；I
固定在輪轂上，輪轂帶著滑鍵在軸上鍵槽中作軸向移動，固需要在軸上加工長鍵槽。
2.半圓鍵聯接
如圖8.3.4所示，鍵的底面為半圓形。工作時靠兩側面傳遞轉矩，鍵在槽中能繞幾何
中心擺動，以適應輪轂上鍵槽的斜度。但軸上鍵槽較深，對軸的強度削弱較大，主要用
于輕載時錐形軸頭與輪轂的聯接。

圖7.3.2 導向平鍵聯接 圖8.3.3 滑鍵聯接 圖8.3.4 半圓鍵聯接

3.楔鍵聯接
如圖8.3.5所示，楔鍵的上下面為工作面，分別與輪轂和軸上鍵槽底面緊貼。鍵的
上表面與輪轂鍵槽底面均有1:100的斜度，裝配時需把鍵打緊，使鍵楔緊在軸和轂之間，
靠楔緊產生的摩擦力傳遞轉矩和單向的軸向力。


40

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楔鍵分為普通楔鍵（圖8.3.5a）和鉤頭楔鍵（圖8.3.5b），前者又分為圓頭（A型）
和平頭（B型）兩種。圓頭普通楔鍵是放入式的（放入軸上鍵槽后打緊輪轂），其他楔
鍵都是打入式（先將輪轂裝到適當位置再將鍵打緊）。
鍵楔緊后迫使軸上零件與軸產生偏斜，故受沖擊、受載荷作用時，楔鍵聯接容易松
動。楔鍵聯接只適用于對中性要求不高、載荷平穩、低速運轉的場合，如農業機械、建
筑機械等。當軸徑d＞100mm且傳遞較大轉矩時，可采用由一對楔鍵組成的切向鍵聯接
（圖8.3.6a）。若要傳遞雙向轉矩，則需用兩對相隔120°～130°的切向鍵（圖8.3.6b）。







a） b）




a） b)


8.3.2平鍵的選擇和強度校核
首先根據鍵聯接的工作要求和使用特點選擇平鍵的類型，再按照軸徑d從標準中選
取鍵的剖面尺寸b×h。鍵的長度l一般按輪轂寬度選取，即鍵長等于或略短于輪轂寬度，
并應符合標準值。為保證齒輪傳動嚙合良好，要求軸轂對中性好，選用A型普通平鍵
（GBT1096-1979）。按軸徑查表選擇鍵的尺寸
70mm?2mm
。
根據輪轂寬取鍵長
L=250mm。
鍵聯接的主要失效形式是較弱工作面的壓潰（靜聯接）或過度磨損（動聯接）。因
此按擠壓應力或壓強
p
進行條件性計算，其校核公式為
4T
4T
≤
[
?
p
]
或
p?
≤
[p]
（8-12）
?
p
?
dhl
dhl
式中：T為傳遞的轉矩（·mm）；d為軸的直徑（mm）；h為鍵的高度（mm）；l

41

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為鍵的工作長度（mm）；[
?
p
（]或[ p ]）為鍵聯接的許用擠壓應力（或許用壓強[ p ]）（Mpa）
(見表8-3-1),計算時應取聯接中較弱材料的值。
表8-3-1 鍵聯接材料的許用應力[
?
p
]（壓強[
p
]）（MPa）
許用應
力（壓
強）
[
?
p
]
[
p
]

如果單鍵強度不夠，可適當增加輪轂寬和鍵長，或用間隔180°的兩個鍵?？紤]到
載荷分布的不均勻性，
個鍵計算。
由公式（8-12）知：


聯接性質
鍵或軸、轂材
料
鋼
鑄鐵
鋼
靜載荷
120～150
70～80
50
載荷性質
輕擊
100～120
50～60
40
沖擊
60～90
30～45
30
靜聯接

動聯接
雙鍵聯接的強度可按1.5
4T4?1.78?10
8
?
p
???182.56MPa
dhl300?2?250

查表（8-3-1）知[
?
p
]=100MPa,可見選取單鍵聯接強度不夠，因此選擇應雙鍵以滿
足強度要求。
8.4聯軸器的設計計算
聯軸器用來聯接不同機構中的兩根軸（主動軸和從動軸）使之共同旋轉以傳遞扭矩的
機械零件。聯軸器是機械傳動中常用的部件。有時也可用做安全裝置。在高速重載的動
力傳動中，有些聯軸器還有緩沖、減振和提高軸系動態性能的作用。聯軸器由兩半部分
組成，分別與主動軸和從動軸聯接。一般動力機大都借助于聯軸器與工作機相聯接。
8.4.1聯軸器的種類和和特性
聯軸器連接的兩軸，由于制造及安裝誤差，承載后的變形以及溫度變化的影響等，往
往不能保證嚴格的對中，而是存在著某種程度的相對位移。這就要求設計聯軸器時，要
從結構上采取各種不同的措施，使之具有適應一定范圍的相對位移的性能。
根據聯軸器對各種相對位移有無補償能力（即能否在發生相對位移條件下保持連續的
功能），聯軸器可分為剛性聯軸器（無補償能力）和撓性聯軸器（有補償能力）兩大類。

42

本科畢業設計（論文）通過答辯
撓性聯軸器又可按是否具有彈性元件分為無彈性元件的撓性聯軸器和有彈性元件的撓
性聯軸器兩個類別。
1.剛性聯軸器
這類聯軸器有套筒式，夾殼式和凸緣式等。凸緣聯軸器對兩軸對中性的要求很高，
當兩軸有相對位移存在時，就會在機件內引起附加載荷，使工作情況惡化，這是它
的主要缺點。它的優點是構造簡單，成本低，可傳遞較大轉矩，故當轉速低，無沖
擊，軸的剛性大，對中性較好時常采用。
2.撓性聯軸器
1）．無彈性元件的撓性聯軸器
這類聯軸器因具有撓性，故可補償兩軸的相對位移。但因無彈性元件，故不能緩
沖減震。常用的有以下幾類：
①. 十字滑塊聯軸器。
②. 滑塊聯軸器。
③. 十字軸式萬向聯軸器。
④. 齒式聯軸器。
⑤. 滾子鏈聯軸器。
2）.有彈性元件的聯軸器。
①.彈性套柱聯軸器。
②.彈性柱銷聯軸器。
③.梅花形彈性聯軸器。
④.輪胎式聯軸器。
⑤.膜片聯軸器。
8.4.2選擇聯軸器類型
選擇一種合用的聯軸器類型可以考慮以下幾點：
1.所需傳遞的轉矩大小和性質以及對緩沖減震功能的要求。
2.聯軸器的工作轉速高低和引起的離心力的大小。
3.兩軸相對位移的大小和方向。
4.聯軸器的可靠性和工作環境。
5.聯軸器的制造、安裝、維護和成本。
初步選定，GⅡCL9型鼓形齒式聯軸器（JBT8854.2-1999），公稱轉矩16000
?m
，

43

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許用轉速為3000rmin。
8.4.3進行必要的校核
9549?P
0
9549?160
3
T
0
???2.60?10?m;
n
0
587
由于機器起動時的動載荷和運行中可
能出現的過載現象，所以應該按軸上的最大轉矩作為計算轉矩
T
ca
。
公稱轉矩 （8-13）

查表得
K
A
?2.3
，得計算轉矩：

T
ca
?K
A
?T?2.3?2.60?10
3
?5.98?10
3
?m
； （8-14）
可見GⅡCL9型鼓形齒式聯軸器（JBT8854.2-1999），公稱轉矩16000
?m
，完全符
合要求。根據軸徑選擇聯軸器軸孔直徑
d
1
?100mm,d
2
?110mm
。


44

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結 束 語
步進式推鋼機傳動裝置的研究與設計終于順利完成了。在設計過程中，不僅讓我對
推鋼機設計和軋鋼行業有了一定的了解，同時也對CAD這一功能強大的制圖軟件有了一
定程度的掌握。
在整個設計的過程中，首先要對推鋼機的傳動方案進行分析和擬訂，這是進一步分配
傳動比，選擇電動機和減速器的基礎。然后根據分配的傳動比和功率對皮帶傳動和齒輪
傳動進行設計計算。其中最重要的是對齒輪機構的齒面接觸疲勞強度和齒根彎曲強度的
校核。接著是對軸系零部件，如齒輪軸，軸承，鍵，聯軸器等進行設計和選擇，并對關
鍵軸（齒輪軸）進行強度和剛度的校核。在設計過程中由于知識遺忘和缺少經驗產生了
許多問題，最后在不斷的摸索和學習的過程中逐步得到了解決。
本設計中近百個的零部件，從大的箱體到小的螺釘、彈簧等，無一不凝聚著我對機械
設計以及對CAD軟件的掌握。幾個月的CAD學習時間是短暫的，但在有限的時間里，向
更為深入的學習這一功能強大的軟件，就必須付出多倍的努力。當然，設計不僅僅只是
學習軟件，只是將它作為更好的表達設計意圖的一種工具。還要學習軋鋼和推鋼機這一
全新的內容，還涉及到諸如機械設計手冊、CAD設計和制圖等多方面內容的查取與校
核。因此，任務是繁重的，但重要的是我從中學到了更多的知識，真正能夠做到融會貫
通，學以致用，讓我受益匪淺。
我堅信，本次畢業設計將是對我大學生活最好的詮釋。

45

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步進式推鋼機傳動裝置的研究與設計
摘要：推鋼機是軋鋼車間上料區主要設備之一，其作用是將加熱爐前輥道上的鋼坯或爐
前上料臺架上的鋼坯推入加熱爐進行二次加熱過程。本設計選用了步進式推鋼機，在推
鋼機結構設計上主要采用了齒輪的結構形式。該機構具有結構簡單，整體尺寸適中，傳
動效率高，維修方便，造價較低的優點。在本設計中主要對步進式推鋼機進行了結構設
計和理論計算，并著重對傳動機構做了詳細的分析設計。隨著科學技術和計算機技術的
進一步發展，現代工程技術正向著實用、可靠、安全、經濟以及規范的方向發展。在這
樣的發展背景下，對推剛機起升機構的設計也提出了新的要求，在推剛機起升機構的傳
統設計過程中，產品的設計周期長，設計質量差，設計費用高，產品缺乏競爭力。因此，
研究推剛機起升機構的優化設計方法，對于提高推剛機起升機構設計的效率和質量具有
重要的作用。
關鍵詞： 推鋼機；結構設計；理論計算

I

本科畢業設計（論文）通過答辯

Abstract
the machine is pushed steel rolling workshop feeding area, one of the main equipment is
used to before the billet reheating furnace table or furnace front loading test bench of the billet
reheating furnace pushed into a second heating process. This design choose the stepping type
pushed steel machine, steel structure design machine in push on mainly adopts gear structure
form. In the design of the main step furnaces.a pushed steel structure design and the machine
to the theoretical calculation, with the focus on the transmission mechanism of a detailed
analysis and design. Along with the science and technology and the further development of
the computer technology, modern engineering technology is toward practical, reliable, safe,
economic and regulate the direction of development. In this development under the
background of push just machine lifting mechanism design has also put forward new
requirements, in pushing just machine lifting mechanism of traditional design process, the
design of the product design cycle is long, poor quality, the high cost of product design, lack
of competitiveness. Therefore, the push just machine hoisting mechanism, the optimization
design method for improving push just machine lifting mechanism design efficiency and
quality has the vital role.
Keywords: pushed steel machine; Structure design; Theoretical calculation

II

本科畢業設計（論文）通過答辯
目 錄
1、前言 .................................................................. 1
1.1推鋼機概況: ......................................................... 1
1.2目的及意義: ......................................................... 1
2、 概述 ................................................................. 3
2.1軋制工藝過程簡介 .................................................... 3
2.1.1軋制工藝過程的內容 .............................................. 3
2.1.2軋制工藝過程的設計與實施 ........................................ 4
2.1.3軋制工藝過程的自動控制 .......................................... 4
2.2推鋼機的簡介 ........................................................ 5
2.2.1推鋼機的種類 .................................................... 5
2.2.2步進式推鋼機的結構 .............................................. 6
2.2.3設計中應注意的幾點事項 .......................................... 6
3、傳動方案的分析與擬定 .................................................. 8
3.1傳動方案的分析 ...................................................... 8
3.1.1常用的傳動類型及其特點 .......................................... 8
3.1.2機械傳動系統設計時應注意的事項 .................................. 8
3.2傳動方案的擬訂 ...................................................... 9
4、電動機的選擇計算 ..................................................... 10
4.1概述 ............................................................... 10
4.1.1常用電動機的種類 ............................................... 10
4.1.2電動機選擇時的注意事項 ......................................... 11
4.2電動機的選擇計算 ................................................... 11
4.2.1選擇電動機的類型和機構型式 ..................................... 11
4.2.4選擇電動機的容量 ............................................... 12
4.2.5確定電動機轉速 ................................................. 12
4.2.6選定電動機的型號和參數 ......................................... 13
5、傳動裝置的運動及動力參數的選擇和計算 ................................. 14

III

本科畢業設計（論文）通過答辯
5.1傳動比的計算與分配 ................................................. 14
5.1.1傳動裝置的總傳動比 ............................................. 14
5.1.2分配各級傳動比 ................................................. 14
5.2.3各軸參數的計算 ................................................. 14
6、減速器的選擇計算 ..................................................... 16
6.1減速器概述 ......................................................... 16
6.1.1減速器的作用 ................................................... 16
6.1.2減速器的分類 ................................................... 16
6.2減速器的選用 ....................................................... 17
7、傳動機構的設計計算 ................................................... 18
7.連桿傳動設計計算 ..................................................... 18
7.1.1連桿傳動的特點 ................................................. 18
7.1.2連桿傳動的設計計算 ............................................. 19
7.2齒輪傳動的設計計算 ................................................. 25
7.2.1齒輪傳動的特點 ................................................. 25
7.2.2齒輪傳動的設計計算 ............................................. 25
8、軸系零部件 ........................................................... 30
8.1軸的設計 ........................................................... 30
8.1.1概述 ........................................................... 30
8.1.2軸的結構設計 ................................................... 31
8.1.3軸的強度計算 ................................................... 33
8.2軸承的選擇與計算 ................................................... 36
8.2.1概述 ........................................................... 36
8.2.2滾動軸承的類型和選擇 ........................................... 36
8.2.3滾動軸承的受載情況和失效形式 ................................... 37
8.2.4滾動軸承的壽命計算 ............................................. 37
8.3鍵的設計與校核 ..................................................... 39
8.3.1鍵聯接的類型、特點和應用 ....................................... 39
8.3.2平鍵的選擇和強度校核 ........................................... 41
8.4聯軸器的設計計算 ................................................... 42

IV

本科畢業設計（論文）通過答辯
8.4.1聯軸器的種類和和特性 ........................................... 42
8.4.2選擇聯軸器類型 ................................................. 43
8.4.3進行必要的校核 ................................................. 44
結 束 語 ................................................................ 45
參考文獻 ................................................................ 46
致 謝 .................................................................. 47




V

本科畢業設計（論文）通過答辯
1、前言

1.1推鋼機概況:


推鋼機
推鋼機是軋鋼生產線上將鋼坯推進加熱爐內進行加熱的專用設備，舊式生產
線上往往采用機械式推鋼機，其體積大.價格高.故障率高.維修保養復雜。隨著軋
鋼生產的發展，新型液壓推鋼機逐步取代了老式機械推鋼機，充分利用了液壓油
缸和液壓系統的推力大、體積小、操作方便的優點，使推料工序大大簡化，設備
成本大大降低，深受用戶的歡迎。河北省遵化市石門興遠機械廠生產的液壓推鋼
機主要型號有300噸、240噸、220噸、180噸、160噸、120噸、80噸、60噸、
30噸、20噸、15噸九種，分別應用于不同的推料場合，在軋鋼生產中發揮日益重
要的作用。
1.2目的及意義:
鋼鐵工業作為國民經濟的基礎工業，一直是衡量一個國家經濟發展水平的重要指標。
我國鋼鐵工業近年來發展很快，鋼產量己連續多年突破億噸大關，鋼鐵產品質量也得到
了很大的提高，特別是在軋鋼生產方面。各種高精度軋鋼機械設備的引進和投產，先進
的自動化控制設備和計算機技術的應用，冷軋不銹鋼帶、硅鋼帶、精密合金鋼帶、稀有
合金帶、高精度極薄冷軋碳素鋼帶等各種高精度高品質產品的出產，大大地促進了軋鋼
生產企業的經濟效益和競爭能力，有力地提升了我國軋鋼生產企業的形象。但是由于科
學技術的飛速發展，新的設備和新的技術以驚人的速度不停地改進和更新，產品的技術
含量越來越高，對產品生產機械設備和操作技術的要求也越來越高。因而及時掌握新型
軋鋼機械設備的性能，熟練掌握新的操作技術，全面應用先進的自動化控制技術和計算

1

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機軋制技術，是當前軋鋼生產企業進一步提高產品質量、降低軋鋼生產成本、增強軋鋼
生產企業的市場競爭能力的關鍵所在。
本設計包括了軋制工藝過程和自動化控制系統及推鋼機的設計，并重點針對步進式
推鋼機進行了設計計算。具體包括軋制工藝過程和自動化控制簡介，推鋼機的分類、結
構和工作原理，電動機的選用，減速器的選用，傳動方式和傳動裝置（包括連桿傳動和
齒輪傳動）設計，軸系零件（包括軸，軸承，聯軸器，鍵）設計，并對傳動機構和關鍵
軸進行了強度和剛度校核。
其中傳動方案的設計與擬定是設計的首要任務，決定了傳動機構的設計，在綜合比
較了各種傳動方案的優缺點以及推鋼機本身的技術要求后，最后選定齒輪傳動作為主要
傳動機構。該傳動機構具有結構簡單，整體尺寸較小，傳動效率高，維修方便，造價較
低的優點。
電動機的選定標準是滿足推鋼機總的功率要求，轉速適中，并且應具有頻繁快速啟
動和反轉能力以帶動推鋼機推桿做往復運動。最后選定為YZR400
L
1
型冶金用電動機，
額定功率
P
ed
=160
K
W
，轉速
n
w
?587
r
min
，額定電壓
V?395v
。
減速器的選擇標準是滿足傳動比要求，高速軸許用功率要求和承載能力要求，經查
表選定減速器型號為
ZL130?16?
Ⅲ型
(JB1130?70)
，公稱傳動比40.實際傳動比40.85，
中心距
a?1300mm,
高速軸許用功率168Kw，承載能力n=750rmin。
傳動機構的設計計算包括連桿傳動的設計和齒輪傳動的設計兩部分。文中分別從齒
輪類型，材料，精度選擇，齒面接觸疲勞強度和齒根彎曲強度等方面做了詳細設計計算。
軸系零部件的設計計算包括齒輪軸的結構設計和校核，軸承的選擇，鍵的設計和校核，
聯軸器的選擇和最大轉速的校核等。
由于編者水平所限，書中錯誤之處在所難，敬望讀者批評指正。









2

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2、 概述
2.1軋制工藝過程簡介
軋鋼工藝過程是確定軋鋼廠生產系統和機械設備的技術基礎，設備是實現軋鋼工藝
要求的工具。
軋鋼生產是鋼鐵工業生產的最終環節，是鋼鐵材料的一種重要加工方法。軋鋼車間
擔負著生產鋼材的任務，因此鋼鐵軋制在國家工業體系中占有舉足輕重的地位。20世紀
90年代以前，我國軋鋼生產的平均水平與世界主要生產國相比，仍存在一定的差距。軋
鋼生產以型鋼為主，生產線大、中、小型并存。不同企業的技術裝備水平參差不齊，能
耗、成本較高。很多企業還使用20世紀五六十年代較為陳舊的設備和工藝，這是限制
我國鋼材質量，品種和效益進一步提升的主要瓶頸。
20世紀90年代后期，隨著我國經濟的高速發展，尤其是我國加入WTO后，參與
國際鋼材市場競爭的需要，各大企業紛紛采用當今世界先進的技術和裝備，進行了大規
模的技術改造，廣泛引進新技術，新設備，新工藝，使我國軋鋼生產的水平有了長足進
步，開發了一批高技術，高附加值的新品種。目前我國軋鋼技術創新發展的方向主要為：
通用工藝技術，綜合節能與環保技術，新品種開發與鋼材性能優化技術，信息技術和裝
備機電控制一體化技術等。
我國現在通用的軋鋼工藝排列為：
鋼坯驗收 ────吊裝 ──計量 ── 編組── 入爐加熱──粗軋 ──熱剪機切頭
──中軋── 飛剪切頭 ──平立交替精軋機 ── 倍尺飛剪 ── 夾送輥 ── 冷床 ──
冷剪定尺── 檢驗──稱重──打包收集── 入庫
2.1.1軋制工藝過程的內容
軋制工藝過程是一系列工序的組合，經過這些工序，把鋼錠或鋼坯軋成形狀和性能
符合要求的鋼材。軋鋼工藝過程的好壞直接影響產品的質量和產量。一般情況下，一個
軋鋼工藝過程是由下列各基本工序組成：
1）.坯料準備 包括坯料的表面清理，除去表面氧化鐵皮和表面缺陷的清理，也包括
預先熱處理和坯料加熱。坯料加熱是重要工序。
2）.鋼材軋制 坯料通過軋制變形來實現對產品在形狀和尺寸上的要求，內部組織和
性能上的要求以及表面光潔度的要求。軋制過程是軋鋼生產工藝過程的核心工序。
3）.精整 這是軋鋼工藝過程的最后一道工序，起保證產品質量的作用。精整工序的

3

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內容比較復雜，由產品的技術要求來確定。技術要求不同，其內容也大不相同。一般情
況精整工序包括鋼材的切斷或卷取，軋后冷卻，矯直，成品熱處理成品表面清理、鍍鋅、
鍍錫、涂等。
2.1.2軋制工藝過程的設計與實施
設計軋制工藝過程的主要依據是產品的技術條件、鋼種的加工工藝性、生產規模大
小、產品成本和工人的勞動條件。其中最主要的依據是產品的技術要求，即鋼材的斷面
形狀和尺寸、化學成分、內部組織和機械性能，設計時必須保證工藝過程使產品質量達
到相應的技術要求。
2.1.3軋制工藝過程的自動控制
軋鋼機工藝過程的自動控制是用電子計算機來實現的?？刂萍夹g包括軋機特性和變形
阻力等軋制理論、還包括儀表、電氣設備的應用技術以及操作決竅等方面的技術。只有
這些技術有機地組合，才能實現軋鋼過程的自動控制。
1.軋制過程數學模型
軋制過程計算機控制的基礎是軋制過程的數學模型。對軋制有影響的因素有板厚、
變形阻力、張力、輥徑及摩擦系數等多種，尤其對連軋過程，前面機架的軋制結果不但
直接影響后面機架的軋制條件，而已作用在軋件上的張力還影響所有機架的軋制。因此
就必須把連軋機組所有機架當作一個統一的系統進行綜合分析。具體數學模型有軋件的
塑性變形模型、軋機彈性變形模型、連續軋制模型和表示軋件溫度變化的熱傳導模型等。
例如，在板材軋制中，對于提高板厚精度，必須預測作用在軋輥上的軋制力，這是
非常重要的，所以實測出變形阻力就成為各方面研究的前提。為了提高數學模型預測的
精度，必須用實測的軋制過程中的各參數的實際數據來標定和修改數學模型，通過所謂
自學習控制來吸收掉作業條件的變化和其他外部干擾。為此需要在軋機上安裝在線監測
系統，通過各種傳感器實時監測各工藝參數，首先是變形阻力也就是與它直接相關的軋
輥上的軋制壓力。
數學模型所用的數據必需準確可靠，能準確反映操作條件和對過程進行分析，還必
須滿足在線控制的實時性要求。
2.計算機控制所需的傳感器和儀表
如前所述，計算機控制軋制工藝過程之所以能迅速發展，是建立在各種檢測工藝參
數的傳感器和儀表的出現和發展，一些主要的傳感器和儀表如下：

4

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1）位置檢測傳感器 用于跟蹤軋件位置的傳感器有熱金屬檢測器，冷金屬檢測器，
微波檢測器，電磁檢測器和激光檢測器。后三種適合在環境氣氛很差的條件下工作。
2）壓力傳感器 準確測定軋制壓力的傳感器。
3）溫度傳感器 測定開軋和終軋溫度及軋制線上各點軌件溫度的傳感器。
4）測厚儀 常用的是射線測厚儀和射線測厚儀，最新發展是板形斷面測量和微機自
動校正。
5）測寬儀 多采用光學測量法和熱輻射測量法。
6）速度計。
3.板厚自動控制（AGC）
為提高板材質量，70年代研制出了計算機控制的板厚自動控制裝置（AGC），而后
不斷有新的發展，以適應愈來愈嚴格的板厚精度要求。近來數字直接控制方式（DDC）
已取代了以往的硬件方式(AGC),可以很經濟地控制數量較多的活套,還具有維護簡便和
控制性能高等優點。
4.熱帶鋼連軋機計算機控制實例
目前國際上計算機控制水平最高的是熱帶鋼連軋工藝過程,這是由于在各種軋機中,
熱帶鋼連軋產量大、質量要求高、操作雖復雜但比其他軋制過程易于實現計算機控制。
其計算機功能分為在線監測和自動控制兩大部分，監測包括信息傳送，軋件跟蹤，數據
記錄等。
綜上所述，實現軋鋼工藝過程的在線監測，無論是提高產量還是保證質量都具有重
大意義，而且為提高工藝的技術水平和生產管理的現代化奠定了技術基礎。軋鋼工藝過
程是由軋鋼設備來實現的，軋鋼設備能否正常運行會直接影響到工藝過程的正常與否。
可見軋鋼設備的狀態監測和故障診斷對鋼鐵工業就具有十分重要的意義。
2.2推鋼機的簡介
2.2.1推鋼機的種類
推鋼機的種類很多，常見的有齒輪齒條式、絲杠螺母式、曲柄連桿式、液壓式等，還
有的推鋼機把齒輪齒條傳動和液壓傳動相結合，形成了液壓齒條式。它們各自有自身的
特點，在不同的加熱爐上發揮著各自的作用。
齒輪齒條式推鋼機通過齒輪齒條的嚙合傳動把電機的旋轉運動轉變為齒條的直線運
動，帶動推桿進行推鋼工作。其工作可靠，傳動效率高，推力和行程大，但設備自身重

5

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量大。目前齒輪齒條式推鋼機應用比較廣泛。
絲杠螺母式和曲柄連桿式工作效率低，行程和推力較小，一般用于小型加熱爐，新上
加熱爐一般很少采用。
液壓式推鋼機由液壓缸直接推動推桿工作，結構簡單，推力大， 自重輕，速度、行
程易控制，但行程不宜太大，且液壓系統制作、維護較困難。
根據鋼車間使用的經驗，推力在0.2M以上時，一般采用齒條式推鋼機較適宜。因為
齒條式推鋼機傳動效率高，使用可靠，這是螺旋式推鋼機無法比擬的。
2.2.2步進式推鋼機的結構
步進式推鋼機主要包括電機、皮帶、減速機、聯軸器、齒輪軸、連桿、推桿、機架
等。機架一般為一個多層箱體，箱體間用螺栓聯接。齒輪軸位于箱體底層的稱為下置式，
齒輪軸位于箱體上層的稱為上置式。無論采用下置式還是上置式，都存在更換零部件困
難的現象，尤其是更換下部零件時，需要把箱體層層拆分開。
2.2.3設計中應注意的幾點事項
1.推力的計算
推力、推速、行程是推鋼機的主要技術參數，尤其是最大推力。推力計算的正確與
否關系著推鋼機的經濟性和使用壽命。
推力計算公式為：
F?GgfK
1;
（2-1）
式中：G為鋼坯質量，單位是kg；
g為重力加速度，一般來說
g?9.81ms
2
；
K
1
為考慮到加熱爐軌道不平，受熱變形等因素的影響系數，
K
1
=1.1～1.3。
f為滑動摩擦系數，f=0.2～1；摩擦系數的大小對推力產生直接的影響，而摩擦系
數的大小主要取決于鋼坯溫度，鋼坯溫度對摩擦系數的影響為：
常溫時，f=0.2；300°C時，f=0.3； 400°C一500°C時， f=0.4—0.5； 600°C
一800°C時，f=0.6—0.8；大于800°C時，f=0.8-1.0?？梢?，鋼坯溫度越高，摩擦系
數愈大。一般來說，加熱爐分為預熱段、加熱段和均熱段，各段溫度不盡相同，應根據
每段溫度、鋼坯質量計算出各段所需推力，最后相加。
對于有些加熱爐來說，爐底是傾斜的，這時還應考慮到鋼坯重力的分力對推力的影
響。
2.齒輪選擇

6

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推鋼機屬于低速重載，繁忙使用，齒輪齒條屬于重點零件。要通過計算，選擇合理
的模數和材質，進行合理的熱處理，結構設計要優化，避免出現膠合、點蝕，甚至斷齒
等現象。
3.推桿結構
推桿工作中會受到齒條推力、鋼板阻力、壓輪壓力等復雜力系的作用，強度、剛度
要高，結構要可靠，一般采用箱型梁鋼板焊接結構。
4.推鋼速度
一般來說，影響推鋼機生產率的主要因素是推桿返回時的空載時間。為了提高生產
率，推鋼機的返回速度可以取得比推速大，一般返回速度比推速大50%至數倍。實際使
用表明，返回速度比推速大一倍左右比較合適。有的推鋼機設有慢速推鋼電動機和快速
返回電動機，用以調節速度。采用液壓推鋼機，可以方便地調節推鋼速度。
5.推鋼機行程
推鋼機行程一般為1.5-5.5M,這取決與所推爐料的尺寸及爐臺寬度。用吊車上料時，
行程應大于每次填料總寬度，并大于輥道的寬度；用輥道上料時，除了考慮大于輥道寬
度外，還應根據檢修要求（要求推頭能退到輥道外側）所需長度來確定。
6.機架剛度
理論和實踐表明，雙機架推鋼機機架剛度要給予高度重視，其剛度一定要滿足推力、
推速要求，避免出現顫抖現象。壓板部位受力非常大，壓板結構要滿足高強度要求。

7

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3、傳動方案的分析與擬定
3.1傳動方案的分析
3.1.1常用的傳動類型及其特點
1.帶傳動：帶傳動傳遞的功率不大（可用于中小功率），機構尺寸比其他傳動類型
大，但傳動平穩，能緩沖吸收沖擊振動。由于摩擦產生靜電，不適用于有瓦斯及煤塵等
爆炸危險的場合，常用于高速級傳動中。
2.鏈傳動：鏈傳動的瞬時傳動比是變化的，且具有沖擊振動，故不適用于高速傳動
和傳動比要求準確的場合，一般多用于低速級傳動及傳動比要求不太嚴格的場合。
3.齒輪傳動：齒輪傳動瞬時傳動比不變，且效率高，體積小，是在傳動中使用最多
的一種傳動件。直齒圓柱齒輪的設計加工容易，但速度高時有噪音，故多用于減速器低
速級中，亦可用于高速級但噪音大。斜齒圓柱齒輪傳遞運動平穩，噪音小，承載能力高，
故多用在減速器中高速級上，低速級上也可以使用。人字齒輪基本上與斜齒輪相同，它
對軸承不產生軸向力，多用于大型減速器。錐齒輪將較困難，特別是模數，直徑大時受
到機床的限制，故一般在改變軸的方向等情況下才使用，使用時應盡量使模數直徑小些，
以利于加工。錐齒輪常用于高速級上，如用弧齒錐齒輪時噪音小，工作平穩，故速度可
高些。開式齒輪較閉式齒輪磨損大，多用于低速級。
4.蝸桿傳動：蝸桿傳動傳動速比大，傳遞運動平穩，但效率低，消耗有金屬。因
此普通圓柱面蝸桿傳動適用于中小功率，由于其效率低，不適用于連續工作，故多用于
間歇工作的場合。
3.1.2機械傳動系統設計時應注意的事項
1.在滿足傳動要求的情況下，應盡量使機構的數目減少，使傳動鏈短，這樣可以提
高機械效率，減低生產成本。
2.當機械傳動系統的總傳動比較大而采用多級傳動時，應合理分配各傳動機構的傳
動比。傳動比的分配原則時使總的體積小和發揮各類傳動機構本身的優勢。
3.合理安排傳動機構的次序。當總傳動比
?8
時，要考慮多級傳動。如有帶傳動時，
一般將帶傳動放置在高速級；如采用不同類型的齒輪機構組合，圓錐齒輪傳動和蝸桿傳
動一般放置在高速級；鏈傳動一般不宜放在高速級。
4.在滿足傳遞要求的前提下，應盡量采用平面傳動機構，使制造，組裝，維修更加

8

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方便。
5.在對傳動系統的尺寸的要求較小時，可采用行星輪系機構。
3.2傳動方案的擬訂
根據設計要求，步進式推鋼機的推頭阻力為F=3000,推頭行程S=500mm，往返次數
=1min可見推鋼機整體尺寸不大，且在低速狀態下工作。
綜合考慮以上傳動類型的特點和推鋼機的設計要求，現選用齒輪傳動和傳送帶傳動，
并采用減速器與電動機相連接。
電動機經皮帶、減速器和齒輪機構減速后，由連桿將軸的轉動轉化為推桿的往復運動，
將鋼坯推入加熱爐 。

9

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4、電動機的選擇計算
4.1概述
電機是指依據電磁感應定律實現電能的轉換或傳遞的一種電磁裝置。它的主要作用
是產生驅動轉矩，作為用電器或各種機械的動力源。
4.1.1常用電動機的種類
1．按工作電源分類 根據電動機工作電源的不同，可分為直流電動機和交流電動機。
其中交流電動機還分為單相電動機和三相電動機。
2．按結構及工作原理分類 電動機按結構及工作原理可分為直流電動機，異步電動
機和同步電動機。同步電動機還可分為永磁同步電動機、磁阻同步電動機和磁滯同布電
動機。異步電動機可分為感應電動機和交流換向器電動機。感應電動機又分為三相異步
電動機、單相異步電動機和罩極異步電動機等。交流換向器電動機又分為單相串勵電動
機、交直流兩用電動機和推斥電動機。 直流電動機按結構及工作原理可分為無刷直流
電動機和有刷直流電動機。有刷直流電動機可分為永磁直流電動機和電磁直流電動機。
電磁直流電動機又分為串勵直流電動機、并勵直流電動機、他勵直流電動機和復勵直流
電動機。永磁直流電動機又分為稀土永磁直流電動機、鐵氧體永磁直流電動機和鋁鎳鈷
永磁直流電動機。
3．按起動與運行方式分類 電動機按起動與運行方式可分為電容起動式單相異步電
動機、電容運轉式單相異步電動機、電容起動運轉式單相異步電動機和分相式單相異步
電動機。
4．按用途分類 電動機按用途可分為驅動用電動機和控制用電動機。 驅動用電動
機又分為電動工具（包括鉆孔、拋光、磨光、開槽、切割、擴孔等工具）用電動機、家
電（包括洗衣機、電風扇、電冰箱、空調器、錄音機、錄像機、影碟機、吸塵器、照相
機、電吹風、電動剃須刀等）用電動機及其它通用小型機械設備（包括各種小型機床、
小型機械、醫療器械、電子儀器等）用電動機。 控制用電動機又分為步進電動機和伺
服電動機等。
5．按轉子的結構分類 電動機按轉子的結構可分為籠型感應電動機（舊標準稱為鼠
籠型異步電動機）和繞線轉子感應電動機（舊標準稱為繞線型異步電動機）。
6．按運轉速度分類 電動機按運轉速度可分為高速電動機、低速電動機、恒速電動
機、調速電動機。低速電動機又分為齒輪減速電動機、電磁減速電動機、力矩電動機和

10

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爪極同步電動機等。 調速電動機除可分為有級恒速電動機、無級恒速電動機、有級變
速電動機和無級變速電動機外，還可分為電磁調速電動機、直流調速電動機、PWM變
頻調速電動機和開關磁阻調速電動機。
4.1.2電動機選擇時的注意事項
1.如果電動機功率選的過小，就會出現“小馬拉大車”現象，造成電動機長期過載，
使其絕緣因發熱而損壞，甚至電動機被燒壞。
2.如果電動機功率選的過大，就會出現“大馬拉小車”現象，其輸出機械功率不能
得到充分利用，功率因數和效率都不高，不但對用戶和電網不利，而且還會造成電能浪
費。
4.2電動機的選擇計算

4.2.1選擇電動機的類型和機構型式
在交流電動機中，三相異步電動機在工業中廣泛應用。常用的Y系列三相異步電動機
屬于一般用途的全封閉自扇冷式籠型三相異步電動機，其結構簡單，工作可靠，啟動性
能好，價格低廉，維護方便，適用于非易燃易爆，無腐蝕性和無特殊要求的機械上，也
適用于某些對啟動轉矩有較高要求的機械，如壓縮機等。
經常啟動，制動和反轉的機械設備要求電動機具有較小的轉動慣量和較大的過載能
力，應選用起重的冶金用的三相異步電動機電動機，常用YX型（籠型）和YZR型(繞線
型)。
由于推鋼機推桿做往復運動，需要頻繁快速啟動和反轉，故選用YZR型電動機。
4.2.2.已知條件
題號
5
推頭阻力F 推頭行程smm
3000 500
往復次數n(1min)
1
1) 輥道高度H=800—1000mm;行程速度變化系數K=1.2;機構最小傳動角不小
于40°，往復次數誤差不大于±5%；
2) 工作情況：兩班制，電動機連續單向運轉，載荷有輕擊，室內工作；
3) 使用年限：10年；檢修間隔三年一大修，兩年一中修，半年一小修；
4) 生產條件：一般機械廠，單件生產；
5) 動力來源：電力，三相交流，電壓380220

11

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4.2.3設計內容
1）
2）
3）
4）
5）
6）
擬定工作機構和傳動系統方案；
運動機構的運動學和動力學分析；
設計繪制推鋼機的系統總圖一張；
設計繪制減速器裝配圖一張；
設計繪制零件工作圖一張；
編寫設計說明書一份。
4.2.4選擇電動機的容量
已知步進式推鋼機的推推頭阻力F=3000,推鋼速度
V
1
=1*5001.2*60=0.1ms
推桿的最大作用力:
F=3000 （4-1）
則推鋼機電動機的輸出功率:
P
d
?F?V
1
1000
?
.
； （4-2）
式中
?
-------總效率；

?
=
?
1
?
?
2
?
?
3
??????
?
n
； （4-3）
式中
?
1
,
?
2
,
?
3
??????
?
n
為傳動系統中每一個傳動副，軸承，聯軸器等的效率。
查表知：
?
1
（齒輪傳動（油潤滑））=0.93～0.95；

?
2
（皮帶傳動（脂潤滑））=0.95；

?
3
（一對滾子軸承）=0.98；

?
4
（一級圓柱齒輪減速器）=0.95～0.96；

?
5
（齒式聯軸器）=0.99；
則
?
?
?
1
2
?
?
2
2
?
?
3
2
?
?
4
?
?
5
2

=
0.95
2
?0.95
2
?0.98
2
?0.96?0.99
2

=0.74；
代入公式（4-2）得：
P

P
d
?
w
?F?V
1
1000
?
?
=3000*6.941000*0.74=158.92
K
W


選擇電動機容量時，應保證電動機的額定功率
P
ed
等于或稍大于工作機所需的電動機
功率
P
d
，故取
P
ed
=160
K
W
。
4.2.5確定電動機轉速

12

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容量相同的電動機，有幾種不同的轉速可供設計者選擇。電動機的同步轉速越高，磁
極對數越少，其重量越輕。但是電動機轉速與工作機轉速相差過大勢必使總傳動比加大，
致使傳動裝置的外廓尺寸與重量增加，價格提高。因此在確定電動機轉速時應進行分析
比較，選擇最優方案。
4.2.6選定電動機的型號和參數
綜上，查表選擇YZR400
L
1
型冶金用電動機，額定功率
P
ed
=160
K
W
，轉速
n
w
?587
r
轉動慣量
I?24.52kg?m
2
，額定電壓
V?395v
。

min
，

13

本科畢業設計（論文）通過答辯
5、傳動裝置的運動及動力參數的選擇和計算
5.1傳動比的計算與分配
5.1.1傳動裝置的總傳動比
由選定電動機的滿載轉速
n
m
和工作機軸的轉速
n
w
可得傳動裝置的總傳動比：

60?0.1?100060v?1000
n
w
??
?
D

?
?544
（5-1）
總傳動比等于各級傳動比的乘積，即：

i
a
?i
0
?i
1
?i
2
?i
3
??????i
n
； （5-2）
已知推桿推鋼速度
V
1
=0.1ms，選定齒輪直徑D=544mm。
=3.51
r
min
；

n
m
i?
所以總傳動比：
a
n
w
5.1.2分配各級傳動比
=167.23；
分配傳動比主要考慮以下幾點：
1.各級傳動比應在推薦范圍內選取，不得超過最大值。
2.各級傳動零件應做到尺寸協調，結構勻稱，避免相互間發生碰撞或安裝不便。
3.應盡量使傳動裝置的外廓尺寸緊湊或重量較小。
4.在臥式二級齒輪減速器中，各級齒輪都應該得到充分潤滑。為了避免因各級大齒
輪都能浸到油而使某級大齒輪浸油過深而增加攪油損失，通常使各級大齒輪直徑相近，
應使高速級傳動比大于低速級，此時高速級大齒輪能浸到油，低速級大齒輪直徑稍大于
高速級大齒輪，浸油稍深而已。
根據以上原則，初步選定齒輪傳動的傳動比
i
0
?4
，則減速器傳動比；

i
1
?
i
a
167.23
??41.81
i
0

4
5.2.3各軸參數的計算
將傳動裝置中各軸從高速軸到低速軸依次編號，定為0軸（電機軸），1軸（減速器低
速軸），2軸（齒輪軸）；相鄰兩軸傳動比表示為
i
01
，
i
12
；相鄰兩軸的傳動效率為
?
01
，
?
12
；

14

本科畢業設計（論文）通過答辯
各軸的輸入功率為
p
0
，
p
1
，
p
2
；各軸輸入轉矩為
T
1
,
T
2
,
Y
3
。
１.各軸轉速計算；
電機軸轉速
n
0
?587rmin;


?
587
?14.04rmin;
i
01
41.81
n
第二軸轉速
n
2
?
1
i
?
14.04
4
?3.51rmin;
12
2.各軸功率計算；
n
1
?
第一軸轉速
電機軸功率
p
0
?160Kw;

第一軸功率
p
1
?p
0
?
?
01
?p
0
?
?
4
?
?
5
2
?160?0.96?0.99
2
?151.272Kw;



第二軸功率
p
2
?


3.各軸扭矩計算；
電機軸扭矩

T
0
?
9549?P
0
9549?160
??2.60?10
3
?m;
n
0
587
n
0
11
1
2
p
1
?
?
12
?p
1
?
?
2
?
?
3
2
??151.272?0.95
2
?0.98
2
22
2
?65.56Kw;
9549?151.272
1
第一軸扭矩
T
1
?
9549?P
??1.03?10
5
?m;
n
1
14.04

第二軸扭矩
T?
9549?P
2
?
9549?65.56
?1.78?10
5
?m;
2
n
2
3.51

15

本科畢業設計（論文）通過答辯
6、減速器的選擇計算
6.1減速器概述
減速器是原動機和工作機之間的獨立的閉式傳動裝置，用來降低轉速和增大轉矩以滿
足各種工作機械的需要。在原動機和工作機之間用來提高轉速的獨立的閉式傳動裝置成
為增速器。
6.1.1減速器的作用
減速器的作用主要為：
1.降速同時提高輸出扭矩，扭矩輸出比例按電機輸出乘減速比，但要注意不能超出減
速機額定扭矩。
2.降速同時降低了負載的慣量，慣量的減少為減速比的平方。
6.1.2減速器的分類
減速器的種類很多，按照傳動形式不同可分為齒輪減速器，蝸桿減速器和行星減速
器；按照傳動的級數可分為單級和多級減速器；按照傳動的布置形式又可以分為展開式，
分流式和同軸式減速器，常用減速器主要有；
1.齒輪減速器
主要有圓柱齒輪減速器，圓錐齒輪減速器，和圓錐-圓柱齒輪減速器。
齒輪減速器特點
1).齒輪采用高強度低碳合金鋼經滲碳淬火而成，齒面硬度達HRC58-62，齒輪均采
用數控磨齒工藝，精度高，接觸性好。
2).傳動率高：單級大于96.5%，雙級大于93%，大于90%。
3).運轉平穩，噪音低。
4).體積小，重量輕，使用壽命長，承載能力高。
5).易于拆檢，易于安裝。
2.蝸桿減速器
主要有圓柱蝸桿減速器，環面蝸桿減速器和錐蝸桿減速器。
蝸桿減速器的特點是在外廓尺寸不大的情況下，可以獲得大的傳動比，工作平穩，
噪聲較小，但效率較低。其中應用最廣的是單級蝸桿減速器，兩級蝸桿減速器則應用較
少。蝸輪蝸桿減速機的主要特點是具有反向自鎖功能，可以有較大的減速比，輸入軸和

16

本科畢業設計（論文）通過答辯
輸出軸不在同一軸線上，也不在同一平面上。但是一般體積較大，傳動效率不高，精度
不高。
3.蝸桿齒輪減速器及渦輪-蝸桿減速器
4.行星齒輪減速器
行星齒輪減速器由于減速比大，體積小，重量輕，效率高等優點，在許多情況下可
代替二級，的普通齒輪減速器和蝸桿減速器。行星減速機其優點是結構比較緊湊，
回程間隙小、精度較高，使用壽命很長，額定輸出扭矩可以做的很大。但價格略貴。
5.擺線針輪減速器
6.諧波齒輪減速器
其中圓柱齒輪減速器的特點是效率高及可靠性高，工作壽命長，維護簡便，因而應
用范圍很廣。
上述6種減速器已有標準系列產品，使用時只需要結合所需傳動功率，轉速，傳動
比，工作條件和機器的總體布置等具體要求。
6.2減速器的選用
根據已知的設計要求，即減速器計算傳動比 rmin；高速
輸入功率
p?p
ed
?
?
5
2
?160?0.99
2
?156.82Kw;
高速軸轉速
n?587rmin;

查表選擇減速器型號為
ZL130?16?
Ⅲ型
(JB1130?70)
，公稱傳動比40.實際傳動比
40.85，中心距
a?1300mm,
高速軸許用功率168Kw，承載能力n=750rmin;

17

本科畢業設計（論文）通過答辯
7、傳動機構的設計計算
7.連桿傳動設計計算
7.1.1連桿傳動的特點
一. 連桿機構分為鉸鏈連桿機構（ 曲柄搖桿機構、雙曲柄機構和雙搖桿機構）、
曲柄滑塊機構、導桿機構、搖塊機構和定塊機構。
1.曲柄搖桿機構：在連桿機構中，如果有一個連架桿做循環的整周運動而另一連架
桿作搖動，則該機構稱為曲柄搖桿機構。
2.雙曲柄機構：在連桿機構中，兩個連架桿均能做整周的運動，則該機構稱為雙曲
柄機構。
3.雙搖桿機構：兩根連架桿均只能在不足一周的范圍內運動的鉸鏈四桿機構稱為雙
搖桿機構。
二.連桿機構中曲柄存在的條件
1. 連桿機構的三種基本類型的區別在于機構中是否存在曲柄，存在幾個曲柄。機構
中是否存在曲柄與各構件相對尺寸的大小以及哪個構件作機架有關?？梢宰C明，連桿機
構中存在曲柄的條件為：
條件一：最短桿與最長桿長度之和不大于其余兩桿長度之和。
條件二：連架桿或機架中最少有一根是最短桿。
2.連桿機構基本類型的判別準則
(1)滿足條件一但不滿足條件二的是雙搖桿機構；
(2)滿足條件一而且以最短桿作機架的是雙曲柄機構；
(3)滿足條件一而且最短桿為連架桿的是曲柄搖桿機構;
(4)不滿足條件一是雙搖桿機構。
三.平面連桿機構的其它形式
1. 曲柄滑塊機構：含有移動副的連桿機構稱為滑塊連桿機構，當滑塊運動的軌跡為
曲線時稱為曲線滑塊機構，當滑塊運動的軌跡為直線時稱為直線滑塊機構。直線滑塊機
構可分為兩種情況：偏置曲柄滑塊機構，導路與曲柄轉動中心有一個偏距e；當e = 0
即導路通過曲柄轉動中心時，稱為對心曲柄滑塊機構，由于對心曲柄滑塊機構結構簡單，
受力情況好，故在實際生產中得到廣泛應用。應該指出，滑塊的運動軌跡不僅局限于圓

18

本科畢業設計（論文）通過答辯
弧和直線，還可以是任意曲線，甚至可以是多種曲線的組合，這就遠遠超出了連桿機構
簡單演化的范疇，也使曲柄滑塊機構的應用更加靈活、廣泛。
2. 導桿機構：在對心曲柄滑塊機構中，導路是固定不動的，如果將導路做成導桿接
于固定點，使之能夠繞固定點轉動，并使桿固定，就變成了導桿機構，導桿能夠作整周
的回轉，稱旋轉導桿機構，當導桿只能作不足一周的回轉，稱擺動導桿機構，導桿機構
具有很好的傳力性，在插床、刨床等要求傳遞重載的場合得到應用。如插床的工作機構，
牛頭刨床的工作機構。
3. 搖塊機構和定塊機構：在對心曲柄滑塊機構中，將與滑塊鉸接的構件固定成機架，
使滑塊只能搖擺不能移動，就成為搖塊機構。搖塊機構在液壓與氣壓傳動系統中得到廣
泛應用。將對心曲柄滑塊機構中的滑塊固定為機架，就成了定塊機構。
7.1.2連桿傳動的設計計算
根據運動分析，只是對機構的某一運動瞬時位置進行的。但在實際的機械設計與分析中，
往往需要知道機械的一個運動循環的相關構件的運動變化規律，以便了解機械的運動特
性及工作能力特性。當求出機構在彼此相距很近的一系列位置時的位移、速度和加速度
或角位移、角速度和角加速度后，可將所得的這些值對時間或原動件轉角列成表或畫成
圖，這些圖便稱為機構運動線圖。畫運動線圖比列表更直觀，它可以查得任一瞬時機構
的運動參數，并可以清楚地看出機構的運動變化情況。


7.1 連桿傳動圖
圖示為一曲柄滑塊機構及其滑塊C的運動線圖的作法。設曲柄以等角速度ω轉

19

本科畢業設計（論文）通過答辯
動。首先將圖a中的曲柄銷B的軌跡分成若干等分(圖中為12等分)，并求出與它對應的
點C的一系列位置。這樣，距離C
1
C
2
,C
1
C
3
便是曲柄在各位置時滑塊C自其起始位置C
1
7.2 曲柄滑塊機構運動線圖

的位移。其次，如圖b所示，作兩個坐標軸，并在橫軸上截取長Lmm的線段來代表曲
柄回轉一整周的時間T，那么其時間比例U為U=TL=60（nL）， 式中n為曲柄每分鐘
的轉數 ，U單位為smm。
然后將線段L分成12等分作橫坐標，并將圖a中點C的位移投影在各個對應縱坐標上，
最后將所得各點連成一光滑曲線，即為點C位移對時間的變化曲線。其縱坐標的比例尺
U即機構圖的比例尺U 。
圖中速度的正、負表示滑塊運動方向的不同，速度為正，滑塊向上運動；反之，則
向下運動。當加速度與速度位于橫坐標同側時，滑塊作加速運動；反之，作減速運動。
由此可見，利用運動線圖，可以清楚地看出機構的位移、速度、加速度的變化規律，從
而全面地了解機構的運動特性。
由于位移、速度、加速度三者之間存在微分、積分關系，所以當給出機構的位移線
圖后，可用計算機進行數字微分直接作出該機構相應的速度和加速度線圖。同樣，如給
出的是加速度線圖，則可用數字積分的方法求出機構相應的速度線圖和位移線圖。機構
運動線圖也可以由計算機直接繪制。




20

本科畢業設計（論文）通過答辯
用前述相對運動圖解法，求的相應曲柄在圖示機構一系列位置滑塊C的速度v和加
速度a，及可得到滑塊C在一個運動循環內的速度圖和加速度圖
p?65.56Kw;n?3.51rmin;
已知輸入功率齒輪軸轉速
1）.壓力角
?
的選擇：一般選取
?
=20°。
2）.齒數的選擇：
為使輪齒免于根切，對于
?
=20°的標注直齒輪，應取
z
1
?17;
故直齒輪取
z
1
?17,
齒條取
z
2
?15,
所以齒數比
3）.齒寬系數
?
d
的選擇：
查表，對兩支撐相對于小齒輪做對稱布置并靠近齒輪取
4） 精度選擇：對一般機械，速度不高，選8級精度
(GB10095?88);

5） 材料選擇：綜合考慮齒輪，齒條的工作條件（載荷大小，有無沖擊），
加工工藝，經濟性以及材料來源等，查表選擇齒輪選40
Cr
（調質），硬度為241～286HBS；
齒條選ZG35SiMn（調質），硬度為217～269 HBS；
2.按齒面接觸疲勞強度計算：
?
d
?
由設計公式進行試算，即：
b
?0.74;
d
（7-1）
2
1）.確定公式內各計算數值：
①.試選載荷系數
k
t
?1.3;


②.計算齒輪轉矩

③.選取齒寬系數

T
1
?
k?T
u?1
?
z
E
?
d
1
?d
1t
?2.32
3
t1
??
?
;
?
??
?
d
u
?
?
?
H
?
?
9549?P
2
9549?65.56
??1.70?10
5
?m;
n
2
3.51

1
1.52?10
7

2
???1.72?10
7
;
u0.88
1
2
④.查表的材料的彈性影響系數
Z
E
?189.8MP
a
;

⑤.按齒面硬度查表得齒輪軸接觸疲勞強度極限
?
Hlim1
?600MP
a;
齒條接觸疲勞強
度極限
?
Hlim2
?650MP
a;

z
2
15
??0.88;
z
1
17

1
?60n
i
jL
h
?60?3.51?1?
?
2?8?300?15
?
?1.52?10
7
;
（7-2）
⑥.計算應力循環次數：
u?
─—假設工作壽命15年，每年工作300天；
⑦.查表取接觸疲勞壽命系數
K
H
1
?0.99;

K
H
2
?0.95;

⑧.計算接觸疲勞許用應力：

21

本科畢業設計（論文）通過答辯
取失效概率為1%，安全系數為S=1；
?
d
1t
n
1
?
?542.52?3.51

v???0.0997ms;
（7-4）
60?100060?1000

b??
d
?d
1t
?0.74?542.52?401.46mm;
（7-5）
2）.計算：
①.試算齒輪分度園直徑
d
1t
，代入
?
?
H
?
中較小的值：


2

k
t
?T
1
u?1
?
z
E
?
3
d?2.32??
??

1t
?
=542.52mm；
?
d
u
?
?
??
?
H
?

5
1.3?1.70?100.88?1
?
189.8
?
?2.32?
3
??
??
0.740.88
?
594
?
K
H1
?
?
Hlim1
?
??0.99?600?594MP
a
;
??
H
1

S

?
?
H
?
?
K
H2
?
?
Hlim2
?0.95?650?617.5MP
a
;
2
S
2
?
b
?
②.驗算圓周速度
k
H
?
?1.15?0.18
??
?0.31?10
?3
b
v：
?
d
?

2

?
401.46
?
?3
?1.15?0.18??0.31?10?401.46
??
③.計算齒寬
b
：
?
542.52
?
1.37;

?

2
b
④.計算齒寬與齒高之比
;

h
401.46

b

?

?5.59;
h71.8

⑤.計算載荷系數：
根據
v?0.0997ms,
8級精度，查表的動載荷系數
k
v
?1.01;

直齒輪
k
H
?
?k
F
?
?1;

查表的使用系數
k
A
?1;

用插值法查表的8級精度，齒輪相對支撐對稱布置時，
查表得
k
F
?
?1.52;

故載荷系數
k?k
A
?k
v
?k
H
?
?k
H
?


⑥.按實際的載荷系數校正所算得的分度圓直徑：

22
h?2.25m
t
?71.80;

本科畢業設計（論文）通過答辯


⑦.計算模數
m
：


3.按齒根彎曲強度設計；
由設計公式：
Y
Fa
?Y
Sa

?
m
t
?
d
1t
542.52
??31.91;
z
1
17
?
F
?

1）.確定公式內的各計算數值；
①.查表得齒輪軸的彎曲疲勞強度極限
?
FE1
?500MPa;

齒條的彎曲疲勞強度極限
?
FE2
?520MPa;

②.取彎曲疲勞壽命系數
K
F1
?0.98;


K
F2
?0.96;

③.計算彎曲疲勞許用應力




?
?
F
?
2
?
K
F2
?
?
FE2
0.96?520
??356.57MPa;
S1.4
K?
?
0.98?500
?350MPa;
?
?
F
?
1
?
F1FE1
?
S1.4
安全系數
s?1.4,
，由式得：

Y

Fa

1

?

Y

Sa

1

?
2.97?1.52
?0.0129;
350
?
?
F
?
1

④.計算載荷系數K

K?K
A
?K
V
?K
F
?
?K
F
?
?1?1.01?1?1.52?1.535;

⑤.查取齒形系數
查表得
Y
Fa1
?2.97;

Y
Fa2
?2.83;

⑥.查取應力校正系數
查表得
Y
Sa1
?1.52;

Y
Sa2
?1.56;

⑦.計算大小齒輪的并加以比較



23

本科畢業設計（論文）通過答辯



可見齒輪的數值大。
2）.設計計算


m?
d
1
553.42
??32.55;
z
1
17
a?
d
1
?d
2
544?480
??512mm;
22
對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的
模數，由于齒輪模數的大小m主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑有
關，可取彎曲強度算得的模數31.44并就近圓整為標準值
m?32;
按接觸疲勞強度算得的
分度圓直徑
d
1
?553.42mm,
算出直齒輪的齒數



m?
3
2kT
?
Y
Fa
?Y
Sa
?
;
?
2
?
??
?
d
z
1
?
?
?
F
?
?
則齒條齒數
z
2
?z
1
?u?17?0.88?15;

這樣設計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，
并做到了結構緊湊，避免浪費。
4.幾何尺寸計算
1).分度圓直徑計算



2）計算中心距
k
t
?T
1
u?1
?
z
E
?
3
d
1
?d
1t
?2.32??
??
?
;
?
d
u
?
?
??
?
H
?
2
d
2
?m?z
2
?32?15?480mm;
d
1
?m?z
1
?32?17?544mm;
（7-16）

3）.計算齒輪寬度

b
1
??
d
?d
1
?0.74?544?400mm;

z
1
?
d
1
553.42
??17.29?17;
m32
Y
Fa2
?Y
Sa2
?
?
F
?
2
?
2.83?1.56
?0.01238;
356.57
取齒輪寬度和齒條寬度同為400mm。
5.結構設計和零件圖見附圖5及附圖8。

24

本科畢業設計（論文）通過答辯
7.2齒輪傳動的設計計算
7.2.1齒輪傳動的特點
齒輪傳動是機械傳動中最重要的傳動之一，形式很多，應用廣泛，傳遞的功
率可達數十萬千瓦，圓周速度可達200ms。
齒輪傳動的特點有：
1.效率高。
2.結構緊湊。
3.工作可靠，壽命長。
4.傳動比穩定。
但是齒輪傳動的制造及安裝精度要求高，價格較貴，且不宜用于傳動距離要
求過大的場合。齒輪傳動可做成開式，半開式及閉式。
7.2.2齒輪傳動的設計計算
1.選定齒輪類型，精度等級，材料和齒數：
已知輸入功率小齒輪
p
1
?p
0
?
?
4
?
?
5
2
?151.272Kw;

轉速
n
1
?14.04rmin;

1）.壓力角
?
的選擇：一般選取
?
=20°。
2）.齒數的選擇：
為使輪齒免于根切，對于
?
=20°的標注直齒輪，應取
z
1
?17;
故小齒輪取
z
1
?19,
則
大齒輪齒數
z
2
?u?z
1
?4?19?76
。

3）. 精度選擇：對一般機械，速度不高，選8級精度
(GB10095?88);

4）. 材料選擇：綜合考慮齒輪的工作條件（載荷大小，有無沖擊），加工工藝，經
濟性以及材料來源等，查表選擇小齒輪選40
Cr
（調質），硬度為241～286HBS；大齒輪
選ZG50SiMn（調質），硬度為217～269 HBS；
2.按齒面接觸疲勞強度計算：
由設計公式進行試算，即：

1）.確定公式內各計算數值：
①.試選載荷系數
k
t
?1.3;

②.計算齒輪轉矩
T
1
?1.03?10
8
?mm;

b
③.選取齒寬系數
?
d
??0.6;

d

25

本科畢業設計（論文）通過答辯
1
2
④.查表的材料的彈性影響系數
Z
E
?189.8MP
a
;

⑤.按齒面硬度查表得齒輪軸接觸疲勞強度極限
?
Hlim1
?600MP
a;
齒條接觸疲勞
強度極限
?
Hlim2
?650MP
a;

⑥.計算應力循環次數

?
?
H
?
2
?
K
H2
?
?
Hlim2
?0.95?650?617.5MP
a
;
S

1
?60n
i
jL
h
?60?14.04?1?
?
2?8?300?15
?
?6.07?10
7
;

2

??
k?T
u?1
z
E
d
1t
?2.32
3
t1
??
??
?

?
d
u
?
?
??
?
H
?
─—假設工作壽命15年，每年工作300天；

⑦.查表取接觸疲勞壽命系數

K
H
1
?0.99;K
H
2
?0.95;

⑧.計算接觸疲勞許用應力：



8
1.3?1.03?104?1
?
189.8
?
?2.32?
3
??
??
0.64
?
594
?
2
?360.50mm;
取失效概率為1%，安全系數為S=1；

2）.計算：
①.試算齒輪分度園直徑
d
1t
，代入
?
?
H
?
中較小的值：

②.驗算圓周速度v：


③.計算齒寬
b
：
b??
d
?d
1t
?0.6?360.5?216.30mm;


b
④.計算齒寬與齒高之比
;

h
模數
v?
?
d
1t
n
1
60?1000
?
?
?360.5?14.04
60?1000
?0.26ms;
d
1
?d
1t
3
k1.47
?360.50?
3
k
t
1.3

齒高
d
375.57
m?
1
??19.77;
z
1
19


1
6.07?10
7

2
???1.52?10
7
;
u4
26

本科畢業設計（論文）通過答辯
h?2.25m
t
?2.25?18.97?42.69mm;



⑤.計算載荷系數：
根據
v?0.26ms,
8級精度，查表的動載荷系數
k
v
?1.02;

直齒輪
k
H
?
?k
F
?
?1;

查表得使用系數
k
A
?1;

用插值法查表得8級精度，齒輪相對支撐對稱布置時，由
得
k
H
?
?1.443;

查表得
k
F
?
?1.33;

故載荷系數
k?k
A
?k
v
?k
H
?
?k
H
?


?

1?1.02?1?1.443

?1.47;
⑥.按實際的載荷系數校正所算得的分度圓直徑為375.57

⑦.計算模數
m
：


3.按齒根彎曲強度設計；
由設計公式：


1）.確定公式內的各計算數值；
①.查表得小齒輪的彎曲疲勞強度極限
?
FE1
?500MPa;

大齒輪的彎曲疲勞強度極限
?
FE2
?525MPa;

b216.30
??5.10;
h42.69
b216.30
??5.10;
h42.69
②.取彎曲疲勞壽命系數
K
F1
?0.98;K
F2
?0.97;


③.計算彎曲疲勞許用應力
取安全系數
s?1.4,
，由式得：



27

本科畢業設計（論文）通過答辯


④.計算載荷系數K

K?K
A
?K
V
?K
F
?
?K
F
?
?1?1.02?1?1.33?1.357;

⑤.查取齒形系數
查表得
Y
Fa1
?2.85;

Y
Fa2
?2.23;

d
1
380
z
1
???19;
m20
⑥.查取應力校正系數
查表得
Y
Sa1
?1.54;

Y
Sa2
?1.76;

⑦.計算大小齒輪的并加以比較

K?
?
Y
Fa2
?Y
Sa2
2.23?1.76
0.97?525
?363.75MPa;
??0.01079;
?
?
F
?
2
?
F2FE2
?

S1.4
363.75
?
?
F
?
2

可見小齒輪的數值大。
2）.設計計算
對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的
模數，由于齒輪模數的大小m主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑有
關，可取彎曲強度算得的模數19.29并就近圓整為標準值
m?20;
按接觸疲勞強度算得的
分度圓直徑
d
1
?375.57mm,
并圓整取
d
1
?380mm,
算出小齒輪的齒數

d?d
380?1560
a?
12
??970mm;
22
Y
Fa1
?Y
Sa1
2.85?1.54

??0.01254;
350
?
?
F
?
1



?
?
F
?
1
?
K
F1
?
?
FE1
0.98?500
??350MPa;
S1.4
則大齒輪齒數
z
2
?z
1
?u?19?4?76;

取
z
2
?78,
這樣設計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎
曲疲勞強度，并做到了結構緊湊，避免浪費。
4.幾何尺寸計算
1).分度圓直徑計算




28

本科畢業設計（論文）通過答辯
2）.計算中心距

d
1
?m?z
1
?20?19?380mm;


3）.計算齒輪寬
d
2
?m?z
2
?20?78?1560mm;
度

b
1
??
d
?d
1
?0.6?380?228mm;

取小齒輪寬度
B
1
?230mm,
取大齒輪寬度為
B
2
?200mm
。
5.結構設計如圖。






29

本科畢業設計（論文）通過答辯
8、軸系零部件
軸是機械設備中的重要零件之一，它的主要功能是直接支承回轉零件，如齒輪、車輪
和帶輪等，以實現回轉運動并傳遞動力,軸要由軸承支承以承受作用在軸上的載荷。這種
起支持作用的零部件稱為支承零部件。而且有很多的軸上零件需要彼此聯接，它們的性
能互相影響，所以將軸及軸上零部件統稱為軸系零部件。
8.1軸的設計
8.1.1概述
軸是組成機器的重要零件，其功用是支承旋轉零件（如齒輪、帶輪等），并傳遞運
動和動力。
1.軸的功用與分類
根據受載情況，軸可分為三類：
(1)心軸。承受彎矩（M），不傳遞轉矩（T）的軸，如圖8.1.1a）所示自行車前輪軸
（固定心軸）和圖8.1.1b）所示火車車輪軸（轉動心軸）。
(2)傳動軸。以傳遞轉矩為主，不承受彎矩或承受很小彎矩的軸，如汽車的傳動軸（圖
7.1.2）。
(3)轉軸。既傳遞轉矩，又承受彎矩的軸，如圖7.1.3所示的齒輪軸。

a） b）
圖8.1.1固定心軸和轉動心軸














圖8.1.2 汽車的傳動軸 圖8.1.3 齒輪軸




30

本科畢業設計（論文）通過答辯

2.軸的材料
軸的失效多為疲勞破壞，所以軸的材料應滿足強度、剛度、耐磨性等方面的要求，
常用的材料有：
1).碳素鋼。對較重要或傳遞載荷較大的軸，常用35、40、45和50號優質碳素鋼，
其中45鋼應用最廣泛。這類材料的強度、塑性和韌性等都比較好。進行調質或正火處
理可提高其機械性能。對不重要或傳遞載荷較小的軸，可用Q235、Q275等普通碳素鋼。
2).合金鋼。合金鋼具有較好的機械性能和淬火性能。但對應力集中比較敏感，價格
較高，多用于有特殊要求的軸，如要求重量輕或傳遞轉矩大而尺寸又受到限制的軸。常
用的低碳合金鋼有20Cr、20CrMnTi等，一般采用滲碳淬火處理，使表面耐磨性和芯部
韌性都較好。合金鋼與碳素鋼的彈性模量相差不多，故不宜用合金鋼來提高軸的剛度。
3).球墨鑄鐵。球墨鑄鐵具有價廉、吸振性好、耐磨，對應力集中不敏感，容易制成
復雜形狀的軸等特點。但品質不易控制，可靠性差。
8.1.2軸的結構設計
1.軸的結構
軸的結構設計就是根據工作條件，確定軸的合理外形，各段軸徑和長度以及全部結
構尺寸。為了便于裝拆，一般的轉軸均為中間大、兩端小的階梯軸。軸與軸承配合處的
軸段稱為軸頸，安裝輪轂的軸段稱為軸頭，軸頭與軸頸間的軸段稱為軸身。階梯軸上截
面尺寸變化的部位，稱為軸肩和軸環。軸肩和軸環常用于軸上零件的定位。齒輪由右方
裝入，依靠軸環限定軸向位置，右端的聯軸器和左端的軸承靠軸肩定位。為了固定軸上
的零件，軸上還設有其他相應的結構，如右端制有安裝軸端擋圈用的螺紋孔；軸上開有
鍵槽，通過鍵聯接實現齒輪的周向固定。為便于加工和裝配，軸上還常設有倒角、中心
孔和退刀槽等工藝結構。
2.軸的結構設計
軸的結構設計應滿足：①軸上零件定位準確，固定可靠；②軸上零件便于裝拆和調
整；③具有良好的制造工藝性；④盡量減少應力集中。
軸的結構形式取決于軸上零件的裝配方案。應擬定幾種不同的裝配方案，以便進行
比較與選擇，以軸的結構簡單，軸上零件少為佳。
初步設計時，還不知道軸上支反力的作用點，故不能按軸的彎矩計算軸徑。通常按
扭轉強度來初步估算軸的最小直徑，求得最小直徑后可按擬訂的裝配方案，從最小直徑

31

本科畢業設計（論文）通過答辯
起逐一確定各段軸的直徑和長度。設計時應考慮各軸徑應與裝配在該軸段上的傳動件、
標準件的孔相匹配。軸的各段長度可根據各零件與軸配合部分的軸向尺寸確定。為保證
軸向定位可靠，軸頭長一般比與之配合的輪轂長縮短2～3mm。
3.軸上零件的軸向定位及固定
軸上零件的軸向定位及固定的方式常用軸肩、軸環、鎖緊擋圈、套筒、圓螺母和止
動墊圈、彈性擋圈、軸端擋圈等。
4.軸上零件的周向固定
軸上零件常用的周向固定方法有鍵聯接、銷聯接以及過盈配合、成型聯接等，力不
大時，也可采用緊定螺釘作為周向固定方法。各種固定方法如圖（8-1-4）所示：




a)鍵聯接 b)銷聯接 c)成型聯接
圖8.1.4軸上零件的周向固定





5.軸的結構工藝性
軸的結構應便于加工和裝配。如為了便于切削加工，一根軸上的圓角應盡可能取相
同半徑；退刀槽或砂輪越程槽盡可能取相同寬度；一根軸的各軸段上的鍵槽應開在同一
母線上。為了便于裝配，軸端應加工倒角。
6.提高軸強度和剛度的措施
1).改進軸的結構，降低應力集中。
應力集中多產生在軸截面尺寸發生
急劇變化的地方，要降低應力集中，就要盡
量減緩截面尺寸的變化。直徑變化處應平滑
過渡，制成半徑盡可能大的圓角；軸上盡可
能不開槽、孔及制螺紋，以免削弱軸的強度；為了減小過盈配合處的應力集中，可采用
卸荷槽（圖8.1.5）。
2).提高軸的表面質量。
因疲勞裂紋常發生在軸表面質量差的地方，故提高軸的表面質量有利于提高軸的

圖8.1.5 缷荷槽


32

本科畢業設計（論文）通過答辯
強度。除控制軸的表面粗糙度外，還可采用表面強化處理，如滲碳、碾壓、噴丸等方法。
3).改變軸上零件的位置，減小載荷。如圖8.1.6所示，軸上轉矩需由兩輪輸出，輸
入輪1宜置于兩輸出輪2和3中間。此時軸的最大扭矩為T
2
（圖b所示）。









8.1.3軸的強度計算
1.按扭轉強度計算
已知：齒輪軸輸出功率
，
所以：
F
t
5.92?10
5

F

a

?

?

?

6.30

?

10

5

;

cos
?
cos20
圖8.1.6 軸上零件的合理布置
d?A?
3
P65.56
?107.90?
3
?286.29mm;
n3.51

2T
55
F??5.92?10?5.88?10;
t

d

1



開始設計軸時，由于軸上零件的位置和兩軸承間的距離通常尚未確定，故對軸所承
受的彎矩就無法進行計算，只能先按扭轉強度估算軸的最小直徑（根據標準尺寸與其相
配的孔圓整），再進行軸的結構設計。由材料力學可知，圓軸受扭轉時的強度條件為：

1

1

p?p
ed
?
?
??160?0.74?59.2Kw
22
F
r
?F
t
?tan
?
?5.92?10
5
?tan20?2.16?10
5
;

式中：
τ
為軸的扭轉剪應力（MPa）；T為轉矩（·mm）；W
n
為抗扭截面模量（mm
3
）；
P為軸傳遞的功率（KW）；n為軸的轉速（rmin）；d為軸的直徑（mm）；[
τ
]為許用剪

33

本科畢業設計（論文）通過答辯
應力（MPa）。
將上式改寫為軸徑的計算公式A是由軸的材料并考慮彎曲影響的系數。查表得對于
45Cr材料的軸
?
?
T
?
?38,
代入得
A?107.90
。
所以

T?9549?
p
?1.61?10
8
?m,
n
w
應當指出，當軸截面上開有鍵槽時，應增大軸徑以考慮鍵槽對軸的強度的削弱。
對于直徑
d?100mm
的軸，有一個鍵槽時，軸徑增大3%。故
d
'
?d?103%?294.87mm,
整
合取
d
min
?300mm
。
2.求軸上的載荷
首先根據軸的結構圖做出軸的計算簡圖，如下圖所示：
載 荷 水平面H 垂直面V
F
V1
?F
V2
?1.08?10
5


M
V1
??M
V2
?3.35?10
8
?mm

支反力F
F
H1
?F
H2
?2.96?10
5


彎矩M
總彎矩
扭矩T



34
M
H
?9.18?10
8
?mm

M
1
?M
2
?(9.18?10
8
)
2
?(3.35?10
8
)
2
?9.78?10
8
?mm

T?9549?
p
?1.61?10
8
?m,

n
w

本科畢業設計（論文）通過答辯
軸的結構圖以及彎矩和扭矩圖中可以看出截面C是危險截面?，F將計算出
的截面C處的
M
H
，
M
V
及
M
的值列于下表
3.按彎扭合成力校核軸的強度
進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面的強度，根據上表
中的數據以及軸單向旋轉，扭轉切應力為脈動循環變應力，取
?
=0.6。
前面已經選定軸的材料為40Cr，調質處理，查手冊可知[
?
?1
]=
70MPa
。因為
?
ca
＜
?
?1
，故安全。
4.結論
推鋼機的齒輪軸屬于傳動軸，其裝配圖見附圖1，其具體結構見附圖5。

M
1
2
?
?
?
T
3
?
W
8
2
8
2
2
?
ca
?
?
?
9.78?10
?
?
?
0.6?1.61?10
?
0.1?
?
310
?
3
?52.99MPa

35

本科畢業設計（論文）通過答辯
8.2軸承的選擇與計算
8.2.1概述
軸承是支承軸的部件，根據軸承工作的摩擦性質，可分為滑動
軸承和滾動軸承兩大類。一般情況下，滾動摩擦小于滑動摩擦，
因此滾動軸承應用很廣泛，但滑動軸承具有工作平穩、無噪聲、
耐沖擊、回轉精度高和承載能力大等優點，所以在汽輪機、精密
機床和重型機械中被廣泛地應用。
滾動軸承一般由內圈1、外圈2、滾動體3和保持架4組成，
所示。內、外圈分別與軸頸、軸承座孔裝配在一起。當內、外圈
相對轉動時滾動體即在內外圈的滾道間滾動。保持架使滾動體分布
均勻，減少滾動體的摩擦和磨損。

滾動軸承的內外圈和滾動體一般由軸承鋼制造，工作表面經過磨削和拋光，其硬度
不低于60HRC。保持架一般用低碳鋼板沖壓制成，也可用有金屬和塑料制成。
8.2.2滾動軸承的類型和選擇
類型
滾動軸承按受載方向分為向心軸承和推力軸承兩大類。向心軸承主要承受徑向載荷，
推力軸承主要承受軸向載荷。按滾動體形狀，滾動軸承又可分為球軸承與滾子軸承兩大
類。滾動軸承的內外圈與滾動體之間存在一定的間隙，如圖7.2.2所示，因此，內外圈
可以有相對位移，最大位移量稱為軸承游隙。當軸承的一個座圈固定，則另一座圈沿徑
向的最大移動量稱為徑向游隙△r，沿軸向的最大移動量稱為軸向游隙△a。游隙的大小
對軸承的壽命、溫升和噪聲都有很大的影響。
滾動軸承的選擇
1).軸承工作載荷的大小、方向及性質。當載荷較小而平穩、轉速較高時，可選用球
軸承，反之，宜選用滾子軸承。當軸承同時承受徑向及軸向載荷，若以徑向載荷為主時
可選用深溝球軸承；軸向載荷比徑向載荷大很多時，可選用推力軸承與向心軸承的組合
結構；徑向載荷和軸向載荷均較大時可選用向心角接觸軸承。2)對軸承的特殊要求?？?br>距較大或難以保證兩軸承孔同軸度的軸及多支點軸，宜選用調心軸承。為便于安裝、拆
卸和調整軸承游隙，宜選用內外圈可分離的圓錐滾子軸承。3)經濟性。一般球軸承比滾

36
如圖8.2.1

本科畢業設計（論文）通過答辯
子軸承價廉；有特殊結構的軸承比普通結構的軸承貴。同型號的軸承，精度越高，價格
也越高，一般機械傳動宜選用普通級（P0）精度。
8.2.3滾動軸承的受載情況和失效形式
1.一般轉速時，若軸承只承受徑向載荷Fr作用，由于各元件的彈性變形，軸承上半
圈的滾動體將不受力，而下半圈各滾動體受力的大小則與其所處的位置有關。故軸承運
轉時，軸承套圈滾道和滾動體受變應力作用（圖7.2.3），滾動軸承的主要失效形式是疲
勞點蝕。為防止疲勞點蝕現象的發生，滾動軸承應按額定動載荷進行壽命計算。







圖7.2.3 滾動軸承受載情況

2.轉速較低的滾動軸承，可能因過大的靜載荷或沖擊載荷，使套圈滾道與滾動體接
觸處產生過大的塑性變形。因此，低速重載的滾動軸承應進行靜強度計算。
3.高速轉動的軸承，可能因潤滑不良等原因引起磨損甚至膠合。因此，除進行壽命
計算外，還要校核極限轉速。
8.2.4滾動軸承的壽命計算
軸承中任一滾動體或內、外圈滾道上出現疲勞點蝕的總轉數或在一定轉速下的工作
時數，稱為軸承壽命。
一批相同型號尺寸的軸承，因材料、熱處理、加工工藝等差異，即使在完全相同的
條件下運轉，其壽命也差異很大，最長壽命和最短壽命可能差幾倍。滾動軸承的疲勞壽
命是相當離散的。因此，計算軸承壽命時應與一定的破壞率（可靠度）相聯系。一般用
10%破壞率的軸承壽命作為軸承的基本額定壽命，用L表示，單位為10
6
r（10
6
轉）。
滾動軸承的基本額定壽命L與承受的載荷P有關，載荷越大，軸承中產生的接觸應
力也越大，因而發生疲勞點蝕破壞前所能經受的應力變化次數就越少，即軸承的壽命越
短。圖8.2.4所示為試驗得出的載荷P與壽命L的關系曲線，也稱為軸承的疲勞曲線。
該曲線可用方程P
ε
L=常數表示。

37

本科畢業設計（論文）通過答辯






標準規定，基本額定壽命L=1（10
6
r）時，軸承所能承受的載荷稱為基本額定動載
荷，用C表示，單位為。C值可由軸承標準中查出，于是有
P
?
L?C
?
?1?
常數，即：
L=（C P）
ε
10
6
r
實際計算時常用小時（h）表示壽命（L
h
）。將上式整理后可得


10
6
?
C
?
16667
?
C
?
L
h
?
??
?
??
60n
?
P
?
n
?
P
?
εε

式中：P為當量動載荷（）；
ε
為壽命指數，球軸承
ε
=3，滾子軸承
ε
=103；n為軸承
轉速（rmin）。
若已知當量動載荷P和轉速n，工作使用壽命L
h
＇，則由式（8-11）可求出待選軸
承所需的額定動載荷C＇，從而選擇軸承并使軸承的額定動載荷C≥C＇。軸承工作壽命
L
h
＇的推薦值見表8-2-1。
表8-2-1 滾動軸承預期壽命推薦值
機器種類
不常使用的儀器和設備
航空發動機
預期壽命
500
500～2000
中斷使用不致引起嚴重后果的手動機械、農業機械4000～8000
間斷使用的
等
機器
中斷使用會引起嚴重后果，如升降機、運輸機、吊8000～12000
車等
每天工作8h
利用率不高的齒輪傳動、電機等
的機器
連續工作
利用率較高的通訊設備、機床等
一般可靠性的空氣壓縮機、電機、水泵等
12000～20000
20000～30000
50000～60000
>100000
24h的機器
高可靠性的電站設備、給排水裝置等
3.當量動載荷P的計算
滾動軸承的基本額定動載荷C是在特定試驗條件下得出的，就受載條件來說，向心

38

本科畢業設計（論文）通過答辯
軸承是承受純徑向載荷；推力軸承是承受純軸向載荷。而在實際工作中，作用在軸承上
的實際載荷往往與試驗條件不一樣，必須將實際載荷折算成與上述條件相同的載荷，在
此載荷作用下，軸承的壽命與實際載荷作用下的壽命相同，這種折算后的載荷是假定的
載荷，稱為當量動載荷，用P表示。計算式為
P=K
P
（xF
r
+yF
a
）
式中：F
r
為軸承所承受的徑向載荷（）；F
a
為軸承所承受的軸向載荷（）；x、y
分別為徑向載荷系數和軸向載荷系數；K
p
為載荷系數。
已知，軸承主要承受徑向力，查表取
f
p
?k
p
?x?1.6,

則
p?f
p
?F
r
?1.6?1.08?10
5
?1.728?10
5

；
公式（8-8）可以轉化為：
軸承所應具有的基本額定動載荷
查表（8-2-1）得，
L
'
h
?30000,
代入式(7-11)得：

10
60nL
60?3.51?30000
55
3
C?p??1.728?10??3.00?10;
66
1010
'
'
h
?


軸承選定時，應保證軸承的額定動載荷C≥C＇，而且根據軸承主要受較大得徑向力，
查表選定軸承型號為3003144調心滾子軸承（GBT288-1994），基本額定載荷1260K。
8.3鍵的設計與校核
鍵聯接主要用于軸上零件的周向固定并傳遞轉矩；有些兼作軸上零件的軸向固定；
還有的對沿軸向移動的零件起導向作用。
8.3.1鍵聯接的類型、特點和應用
鍵是標準件，按結構特點及工作原理，鍵聯接可分為平鍵聯接、半圓鍵聯接和楔鍵聯
接等。
1.平鍵聯接
鍵的兩側面為工作表面，靠鍵與鍵槽間的擠壓力傳遞扭矩。平鍵聯接由于結構簡單、
裝拆方便、對中較好，廣泛用于傳動精度要求較高的場合。按用途將平鍵分為如下三種：

39

本科畢業設計（論文）通過答辯











(1)普通平鍵。如圖8.3.1所示，按結構分為圓頭（A型）、平頭（B型）和單圓頭（C
型）三種。A型鍵定位好，應用廣泛。C型鍵用于軸端。A、C型鍵的軸上鍵槽用立銑
刀加工，端部應力集中較大。B型鍵的軸上鍵槽用盤銑刀加工，軸上應力集中較小，但
鍵在鍵槽中的軸向固定不好，故尺寸較大的鍵要用緊定螺釘壓緊。
(2)導向平鍵。導向平鍵（圖8.3.2）是加長的普通平鍵，有圓頭（A型）和方頭（B
型）兩種。導向平鍵用螺釘固定在軸上，輪轂可沿鍵作軸向移動。為拆卸方便，在鍵的
中部制有起鍵用的螺孔。當軸上零件移動距離較大時，可用滑鍵聯接（圖7.3.3）?；I
固定在輪轂上，輪轂帶著滑鍵在軸上鍵槽中作軸向移動，固需要在軸上加工長鍵槽。
2.半圓鍵聯接
如圖8.3.4所示，鍵的底面為半圓形。工作時靠兩側面傳遞轉矩，鍵在槽中能繞幾何
中心擺動，以適應輪轂上鍵槽的斜度。但軸上鍵槽較深，對軸的強度削弱較大，主要用
于輕載時錐形軸頭與輪轂的聯接。

圖7.3.2 導向平鍵聯接 圖8.3.3 滑鍵聯接 圖8.3.4 半圓鍵聯接

3.楔鍵聯接
如圖8.3.5所示，楔鍵的上下面為工作面，分別與輪轂和軸上鍵槽底面緊貼。鍵的
上表面與輪轂鍵槽底面均有1:100的斜度，裝配時需把鍵打緊，使鍵楔緊在軸和轂之間，
靠楔緊產生的摩擦力傳遞轉矩和單向的軸向力。


40

本科畢業設計（論文）通過答辯
楔鍵分為普通楔鍵（圖8.3.5a）和鉤頭楔鍵（圖8.3.5b），前者又分為圓頭（A型）
和平頭（B型）兩種。圓頭普通楔鍵是放入式的（放入軸上鍵槽后打緊輪轂），其他楔
鍵都是打入式（先將輪轂裝到適當位置再將鍵打緊）。
鍵楔緊后迫使軸上零件與軸產生偏斜，故受沖擊、受載荷作用時，楔鍵聯接容易松
動。楔鍵聯接只適用于對中性要求不高、載荷平穩、低速運轉的場合，如農業機械、建
筑機械等。當軸徑d＞100mm且傳遞較大轉矩時，可采用由一對楔鍵組成的切向鍵聯接
（圖8.3.6a）。若要傳遞雙向轉矩，則需用兩對相隔120°～130°的切向鍵（圖8.3.6b）。







a） b）




a） b)


8.3.2平鍵的選擇和強度校核
首先根據鍵聯接的工作要求和使用特點選擇平鍵的類型，再按照軸徑d從標準中選
取鍵的剖面尺寸b×h。鍵的長度l一般按輪轂寬度選取，即鍵長等于或略短于輪轂寬度，
并應符合標準值。為保證齒輪傳動嚙合良好，要求軸轂對中性好，選用A型普通平鍵
（GBT1096-1979）。按軸徑查表選擇鍵的尺寸
70mm?2mm
。
根據輪轂寬取鍵長
L=250mm。
鍵聯接的主要失效形式是較弱工作面的壓潰（靜聯接）或過度磨損（動聯接）。因
此按擠壓應力或壓強
p
進行條件性計算，其校核公式為
4T
4T
≤
[
?
p
]
或
p?
≤
[p]
（8-12）
?
p
?
dhl
dhl
式中：T為傳遞的轉矩（·mm）；d為軸的直徑（mm）；h為鍵的高度（mm）；l

41

本科畢業設計（論文）通過答辯
為鍵的工作長度（mm）；[
?
p
（]或[ p ]）為鍵聯接的許用擠壓應力（或許用壓強[ p ]）（Mpa）
(見表8-3-1),計算時應取聯接中較弱材料的值。
表8-3-1 鍵聯接材料的許用應力[
?
p
]（壓強[
p
]）（MPa）
許用應
力（壓
強）
[
?
p
]
[
p
]

如果單鍵強度不夠，可適當增加輪轂寬和鍵長，或用間隔180°的兩個鍵?？紤]到
載荷分布的不均勻性，
個鍵計算。
由公式（8-12）知：


聯接性質
鍵或軸、轂材
料
鋼
鑄鐵
鋼
靜載荷
120～150
70～80
50
載荷性質
輕擊
100～120
50～60
40
沖擊
60～90
30～45
30
靜聯接

動聯接
雙鍵聯接的強度可按1.5
4T4?1.78?10
8
?
p
???182.56MPa
dhl300?2?250

查表（8-3-1）知[
?
p
]=100MPa,可見選取單鍵聯接強度不夠，因此選擇應雙鍵以滿
足強度要求。
8.4聯軸器的設計計算
聯軸器用來聯接不同機構中的兩根軸（主動軸和從動軸）使之共同旋轉以傳遞扭矩的
機械零件。聯軸器是機械傳動中常用的部件。有時也可用做安全裝置。在高速重載的動
力傳動中，有些聯軸器還有緩沖、減振和提高軸系動態性能的作用。聯軸器由兩半部分
組成，分別與主動軸和從動軸聯接。一般動力機大都借助于聯軸器與工作機相聯接。
8.4.1聯軸器的種類和和特性
聯軸器連接的兩軸，由于制造及安裝誤差，承載后的變形以及溫度變化的影響等，往
往不能保證嚴格的對中，而是存在著某種程度的相對位移。這就要求設計聯軸器時，要
從結構上采取各種不同的措施，使之具有適應一定范圍的相對位移的性能。
根據聯軸器對各種相對位移有無補償能力（即能否在發生相對位移條件下保持連續的
功能），聯軸器可分為剛性聯軸器（無補償能力）和撓性聯軸器（有補償能力）兩大類。

42

本科畢業設計（論文）通過答辯
撓性聯軸器又可按是否具有彈性元件分為無彈性元件的撓性聯軸器和有彈性元件的撓
性聯軸器兩個類別。
1.剛性聯軸器
這類聯軸器有套筒式，夾殼式和凸緣式等。凸緣聯軸器對兩軸對中性的要求很高，
當兩軸有相對位移存在時，就會在機件內引起附加載荷，使工作情況惡化，這是它
的主要缺點。它的優點是構造簡單，成本低，可傳遞較大轉矩，故當轉速低，無沖
擊，軸的剛性大，對中性較好時常采用。
2.撓性聯軸器
1）．無彈性元件的撓性聯軸器
這類聯軸器因具有撓性，故可補償兩軸的相對位移。但因無彈性元件，故不能緩
沖減震。常用的有以下幾類：
①. 十字滑塊聯軸器。
②. 滑塊聯軸器。
③. 十字軸式萬向聯軸器。
④. 齒式聯軸器。
⑤. 滾子鏈聯軸器。
2）.有彈性元件的聯軸器。
①.彈性套柱聯軸器。
②.彈性柱銷聯軸器。
③.梅花形彈性聯軸器。
④.輪胎式聯軸器。
⑤.膜片聯軸器。
8.4.2選擇聯軸器類型
選擇一種合用的聯軸器類型可以考慮以下幾點：
1.所需傳遞的轉矩大小和性質以及對緩沖減震功能的要求。
2.聯軸器的工作轉速高低和引起的離心力的大小。
3.兩軸相對位移的大小和方向。
4.聯軸器的可靠性和工作環境。
5.聯軸器的制造、安裝、維護和成本。
初步選定，GⅡCL9型鼓形齒式聯軸器（JBT8854.2-1999），公稱轉矩16000
?m
，

43

本科畢業設計（論文）通過答辯
許用轉速為3000rmin。
8.4.3進行必要的校核
9549?P
0
9549?160
3
T
0
???2.60?10?m;
n
0
587
由于機器起動時的動載荷和運行中可
能出現的過載現象，所以應該按軸上的最大轉矩作為計算轉矩
T
ca
。
公稱轉矩 （8-13）

查表得
K
A
?2.3
，得計算轉矩：

T
ca
?K
A
?T?2.3?2.60?10
3
?5.98?10
3
?m
； （8-14）
可見GⅡCL9型鼓形齒式聯軸器（JBT8854.2-1999），公稱轉矩16000
?m
，完全符
合要求。根據軸徑選擇聯軸器軸孔直徑
d
1
?100mm,d
2
?110mm
。


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本科畢業設計（論文）通過答辯
結 束 語
步進式推鋼機傳動裝置的研究與設計終于順利完成了。在設計過程中，不僅讓我對
推鋼機設計和軋鋼行業有了一定的了解，同時也對CAD這一功能強大的制圖軟件有了一
定程度的掌握。
在整個設計的過程中，首先要對推鋼機的傳動方案進行分析和擬訂，這是進一步分配
傳動比，選擇電動機和減速器的基礎。然后根據分配的傳動比和功率對皮帶傳動和齒輪
傳動進行設計計算。其中最重要的是對齒輪機構的齒面接觸疲勞強度和齒根彎曲強度的
校核。接著是對軸系零部件，如齒輪軸，軸承，鍵，聯軸器等進行設計和選擇，并對關
鍵軸（齒輪軸）進行強度和剛度的校核。在設計過程中由于知識遺忘和缺少經驗產生了
許多問題，最后在不斷的摸索和學習的過程中逐步得到了解決。
本設計中近百個的零部件，從大的箱體到小的螺釘、彈簧等，無一不凝聚著我對機械
設計以及對CAD軟件的掌握。幾個月的CAD學習時間是短暫的，但在有限的時間里，向
更為深入的學習這一功能強大的軟件，就必須付出多倍的努力。當然，設計不僅僅只是
學習軟件，只是將它作為更好的表達設計意圖的一種工具。還要學習軋鋼和推鋼機這一
全新的內容，還涉及到諸如機械設計手冊、CAD設計和制圖等多方面內容的查取與校
核。因此，任務是繁重的，但重要的是我從中學到了更多的知識，真正能夠做到融會貫
通，學以致用，讓我受益匪淺。
我堅信，本次畢業設計將是對我大學生活最好的詮釋。

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