英语经典语句-政教主任述职报告

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本科生毕业设计说明书（毕业论文）



题 目：三辊定径机的设计
学生姓名：
学 号：
专 业：机械设计制造及其自动化
班 级：
指导教师：

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摘 要
无缝钢管的生产在西方国家里占管类钢材比例的50%，而在我国的生产还和西方有
一定的差距，不过对它的生产进行了大量的投入，有望在本世纪赶上，不仅在数量上还
需要在质 量上有所超越。
本设计就对包钢公司的三辊定径机作一分析、计算、校核等。其主要内容包括：定径机的设计、调速系统的设计、润滑和冷却系统的设计。在原先只采用两辊式定径机存
在的弊端做一 改造采用三辊定径机。其两者的区别主要是：前者可调但定径精度低，工
具备件少；后者定径精度高但不 可调，机架备件多。其实现在已经出现了新型可调式三
辊定径机，因此这种新型三辊定径机的出现将给我 国无缝钢管的发展提供一个新台阶。
今后，我国无缝管材的生产反将转到采用先进制造技术，扩大品种 ，提高质量，降
低消耗方面来。因此，我们应该努力学好本专用知识，争取进一步有所改进有所创新。
关键词：定径机；调速系统；润滑系统；冷却系统；设计计算
I

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Abstract

The production of seamless pipe in the nation of the nation of the west has about 50% in
pipe steel, and the production in our country has some gap with western nation but our country
has carried on the input of large numbers hopefully has caught up with just this production.
Not only in number but also in quality past.
The design is about three rolls sizing mill in Bao Gang company analyze the steel tube’s
quality, calculate , check it. Compare two roll sizing mill to three rolls sizing mill. The main
difference is the former can adjust but has a lower accurate degree , and has less tool . The
latter has a higher accurate but can’t adjust, has more tools. Now, there has appear new three
rolls sizing mill, which make our country a large developing space.
Therefore in the future the pipe of steel’s production development will truly adopt
advanced manufacturing technology to enlarge type, improve quality, reduce taste. Thus, we
should try our best to learn professional knowledge.
Key words: sizing mill; speed control system; lubrication systems; cooling system; design
calculation

II

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目 录
摘 要................................................. .................................................. ........................................I
Abstract ..................................... .................................................. .................................................I I
目 录........................................ .................................................. ................................................1
第一章 引 言………………………………………………………………………………….5
1.1 概述…………………………………………………………………………………..5
1.2无缝管生产简介……………………………………………………………………...5
第二章 三辊定径机系统…………………………………………………………………….12
2.1 总体方案……………………………………………………………………………12
2.1.1 轧辊机架的确定…………………………………………………………….12
2.1.2 传动装置的确定…………………………………………………………….14
2.1.2.1单独传动…………………………………………………………………...14
2.1.2.2集体传动…………………………………………………………………...14
2.1.2.3 差动传动…………………………………………………………………..15
2.2 参数计算…………………………………………………………………………....16
2.2.1 性能参数…………………………………………………………………….16
2.2.2 机架个数的确定…………………………………………………………….17
2.2.3 轧制总压力的确定………………………………………………………….18
2.2.4 轧制力矩的确定……………………………………………………………..21
2.3 总功率的验算及电机的选择……………………………………………………...23
2.3.1 与轧辊轴相联接的减速器的确定………………………………………….23
2.3.2 附加力矩
M
f
的确定………………………………………………………..24
1

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2.3.3 主电机的选择………………………………………………………………..24
2.4 齿轮传动设计……………………………………………………………………...25
2.4.1 选取材料，定许用应力…………………………………………………….25
2 .4.2 按齿根弯曲疲劳强度设计…………………………………………………25
2.4.2.1定 齿根弯曲许用应力

FP
…………………………………………………26
2.4.2.2 计算齿轮的名义转矩
T
1
…………………………………………………..26
2.4.2.3 选择载荷系数
K
…………………………………………………………..27
2.4.2.4 选取齿宽系数

R
………………………………………………………….27
2.4.2.5 初定齿轮系数……………………………………………………………..27
2.4.2.6 确定复合齿形系数
Y
FS
……………………………………………………27
2.4.3 校核齿面接触疲劳强度…………………………………………………….28
2.4.3.1 确定齿面接触疲劳许用应力……………………………………………..28
2.4.3.2 校核齿面接触疲劳强度………………………………………………….29
2.5 主传动轴的设计…………………………………………………………………..29
2.5.1 最小轴颈的估算…………………………………………………………….29
2.5.2 联轴器部位花键的设计…………………………………………………….30
2.5.3 鼓型齿的设计……………………………………………………………….30
2.5.4 轧辊的设计………………………………………………………………….31
2.5.5 轴承段轴的设计…………………………………………………………….32
2.5.6 自由轴段的设计…………………………………………………………….34
2.5.7 环的设计……………………………………………………………………35
2.5.8 轧辊右侧轴段的设计………………………………………………………..37
2.5.9 右端盖的设计………………………………………………………………38
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2.5.10 轴承套的设计……………………………………………………………..39
2.6 从动轴的设计……………………………………………………………………...42
2.7 轴的校核…………………………………………………………………………...43
2.7.1 主传动轴的校核……………………………………………………………43
2.7.1.1 轧辊上的作用力的确定…………………………………………………...44
2.7.2 从动轴的校核………………………………………………………………..47
2.8 轴承寿命计算………………………………………………………………………47
第三章 液压调速系统设计…………………………………………………………………48
3.1 系统的工况分析……………………………………………………………………48
3.2 拟定液压系统图……………………………………………………………………48
3.3 执行元件的负载计算………………………………………………………………49
3.4 液压系统工作压力的计算…………………………………………………………50
3.5 选取液压马达………………………………………………………………………50
3.6 选取液压泵…………………………………………………………………………50
3.7 选择控制阀…………………………………………………………………………51
3.8 管件的选择…………………………………………………………………………51
3.9 液压系统的验算……………………………………………………………………52
第四章 定径机的润滑和冷却……………………………………………………………….52
4.1 定径机的润滑系统…………………………………………………………………52
4.1.1 润滑的特点和作用………………………………………………………….52
4.1.2 单个定径机的润滑系统…………………………………………………….54
4.1.2.1油杯接头……………………………………………………………………54
4.1.2.2 给油器……………………………………………………………………...55
3

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4.1.2.3 带密封的管接头…………………………………………………………..55
4.1.2.4 直通管接头……………………………………………………………….56
4.2 冷却系统…………………………………………………………………………...56
4.2.1 冷却系统的作用…………………………………………………………….56
4.2.2 单个定径机的冷却系统…………………………………………………….56
4.2.2.1 分配器……………………………………………………………………..56
4.2.2.2 冷却直通接头……………………………………………………………..57
4.2.2.3 三通管……………………………………………………………………..57
4.2.2.4 喷头………………………………………………………………………..58
4.2.2.5 管夹………………………………………………………………………..58
结束语………………………………………………………………………………………..60
参考文献……………………………………………………………………………………..61











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第一章 引言

1.1 概述
自古以来人们就知道使用管子，但钢管是在1800年代的初 期才开始使用。那是由于
煤气灯需要使用管子，就将枪管用螺丝链接制成钢管。
此后，由于1 890年自行车的发明，以及进入1900年代以来汽车的普及等原因，钢
管的需要量大大的增加。另一 方面，由于石油需要量激增，大量需要油井用钢管，以及
两次世界大战而需要大量的舰艇用锅炉和飞机用 钢管，尤其是第二次世界大战以后，锅
炉、化工厂用的钢管，以及象征石油时代的输油用钢管等，随着时 代的前进，其用途也
在不断扩大。为了满足需要，人们研究了各种钢管的生产方法，并发展了无缝钢管、 焊
接钢管等多种钢管的生产方法。
钢管的使用是由1815年苏格兰的一位发明家为输送灯火 用煤气而将枪管链接起来
才开始的。1824年，出现了将加热至白热状态的钢板两边弯曲起来焊接成钢 管的对悍专
利。随后在1825年研究成功将宽度相当于制品外径的带钢弯曲成接近于圆形并加热，然< br>后通过装在炉子近口处的圆环模子而焊接起来的方法。这种方法成为现代采用的炉悍法
生产钢管的 基础。
此外，无缝钢管的发展稍迟，虽然1836年已在英国取得了挤压法的专利，但并无使
用价值。以后，尽管又研究成功铸造的管坯经过锤锻制成钢管的方法以及将钢板加工成
杯状的方法，后来 因为不经济而没有得到实际应用。
在1885年孟内斯曼兄弟发明了由棒钢直接生产出中空坯料的方法 ，这是钢管生产的
一次大革命。并以他的名字命名为孟内斯曼式制管法。从1890年起已在工业上应用 ，即
使在今日这种方法仍然是非常好的，并作为最典型的无缝钢管法而应用。
1.2无缝管生产简介

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用穿孔等方法生产周边无接缝的钢管或其他金属管和合金管。无缝管的外径范围为
0.1～1425mm，壁厚为0.01～200mm。除圆形管外,还有各种异形断面管和交断面管。
生产方法和简史：无缝管的生产方法很多。无缝钢管根据交货要求，可用热轧(约占
8 0～90％)或冷轧、冷拔（约占10～20％）方法生产。热轧管用的坯料有圆形、方形或
多边形的锭 、轧坯或连铸管坯，管坯质量对管材质量有直接的影响。热轧管有三个基本
工序：①在穿孔机上将锭或坯 穿成空心厚壁毛管；②在延伸机上将毛管轧薄，延伸成为
接近成品壁厚的荒管；③在精轧机上轧制成所要 求的成品管。轧管机组系列以生产钢管
的最大外径来表示。无缝钢管生产方法见表1，括号中数字为创制 年代。
无缝钢管生产有近 100年的历史。德国人曼尼斯曼兄弟于1885年首先发明二辊斜< br>轧穿孔机，1891年又发明周期轧管机,1903年瑞士人施蒂费尔（l）发明自动
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轧管机（也称顶头式轧 管机），以后又出现了连续式轧管机和顶管机等各种延伸机，开
始形成近代无缝钢管工业。20世纪30 年代由于采用了三辊轧管机、挤压机、周期式冷
轧管机，改善了钢管的品种质量。60年代由于连轧管机 的改进，三辊穿孔机的出现，特
别是应用张力减径机和连铸坯的成功，提高了生产效率，增强了无缝管与 焊管竞争的能
力。70年代无缝管与焊管正并驾齐驱，世界钢管产量以每年 5％以上的速度递增。中国
1953年后重视发展无缝钢管工业，已初步形成轧制各种大、中、小型管材的生产体系。
铜管 一般也采用锭坯斜轧穿孔、轧管机轧制、盘管拉伸工艺。
自动轧管生产：生产无缝钢管的方式之 一。生产设备由穿孔机、自动轧管机、均整
机、定径机和减径机等组成。其生产工艺流程见图1。

穿孔机：常用的二辊斜轧穿孔过程见图2。圆管坯穿轧成空心的厚壁管（毛管） ，两个
轧辊的轴线与轧制线构成一个倾斜角。近年来倾斜角已由6°～12°增至13°～17°,使穿孔速度加快。生产直径250mm以上钢管，采用二次穿孔,以减少毛管的壁厚。带主动
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旋转导盘穿孔、带后推 力穿孔、轴向出料和循环顶焊等新工艺也取得一定的发展,从而强
化了穿孔过程,改进了毛管质量。

自动轧管机：把厚壁毛管轧成薄壁荒管。一般经2～3道次，轧制到成品壁厚,总延
伸率约为1.8～2.2。70年代以来，用单孔槽轧辊、双机架串列轧机、双槽跟踪轧制和球
形顶头等 技术，都提高了生产效率，实现了轧管机械化。
均整机：结构与穿孔机相似。均整的目的在于消 除内外表面缺陷和荒管的椭圆度，
减少横向壁厚不均匀。近年采用三辊均整机，提高了均整机变形量和均 整效率。
定径机：由3～12架组成，减径机由 12～24架组成，减径率约达3～12％。 50年
代出现的张力减径机,在调整辊速和减径的同时，以适当的张力控制壁厚。新型张力减径
机一般用三辊式，有18～28架，最大减径率达75％，减壁率达44％，出口速度达每秒
18mm。 张力减径机有两端增厚的缺点，可用“头尾端部突加电气控制”或微张力减径消
除。
自 动轧管机组常用系列有外径为100mm、140mm、250mm和400mm四种,生产外径17～
426mm钢管。机组的特点是在穿孔机上实现主要变形，规格变化较灵活，生产品种范围
较广。由于连 续轧管技术的发展，已不再建造140mm以下的机组。
连续轧管生产：生产设备由穿孔机、连 续轧管机、张力减径机组成。工艺流程见图
1。圆坯穿成毛管后插入芯棒，通过7～9架轧辊轴线互呈9 0°配置的二辊式轧机连轧。
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轧后抽芯棒，经再加热 后进行张力减径,可轧成长达165m的钢管。140mm连续轧管机组
年产40～60万吨，为自动轧 管机组的2～4倍。这种机组的特点是适于生产外径168mm
以下钢管,设备投资大,装机容量大,芯 棒长达30m,加工制造复杂。70年代后期出现的限
动芯棒连续轧管机（MPM）,轧制时外力强制芯 棒以小于钢管速度运动，可改善金属流动
条件，用短芯棒轧制长管和大口径钢管。

周期轧管生产：以多边形和圆形钢锭或连铸坯作原料，加热后经水压穿孔成杯形毛坯，
再经二辊 斜轧延伸机轧成毛管,然后在带有变直径孔槽的周期轧管机上,轧辊转一圈轧出
一段钢管。周期轧管机又 称皮尔格尔（Pilger）轧管机。周期轧管生产是用钢锭作原料，
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宜于轧制大直径的厚壁钢管和变断面管。

三辊轧管生产：主要用于生产尺寸精度高的厚壁管。这种方法生产的管材，壁厚精
度达到 ±5 ％，比用其他方法生产的管材精度高一倍左右。工艺流程见图4。60年代由
于新型三辊斜轧机（称Tr ansval轧机）的发明，这种方法得到迅速发展。新轧机特点是
轧到尾部时迅速转动入口回转机架来 改变辗轧角，从而防止尾部产生三角形，使生产品
种的外径与壁厚之比，从12扩大到35，不仅可生产 薄壁管，还提高了生产能力。

顶管生产：传统的方法是方坯经水压穿孔和斜轧延伸成杯形毛管，由推杆将长芯棒插入
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毛管杯底，顺序通过一 系列孔槽逐渐减小的辊式模架，顶轧成管。这种生产方法设备投
资少，可用连铸坯，能生产直径达107 0mm、壁厚到200mm的特大特厚的管，但生产效率
低,壁厚比较厚，管长比效短。出现CPE法的 新工艺后,管坯经斜轧穿孔成荒管，收口后
顶轧延伸成管，克服了传统方法的一些缺点，已成为无缝管生 产中经济效益较好的方法。
挤压管生产：首先将剥皮圆坯进行穿孔或扩孔，再经感应加热或盐浴加 热，并在内
表面涂敷润滑剂送入挤压机,金属通过模孔和芯棒之间环状间隙被挤成管材(图5)。主要< br>用于生产低塑性的高温合金管、异型管及复合管、有色金属管等。这种方法生产范围广，
但产量低 。近年来，由于模具材料、润滑剂、挤压速度等得到改进，挤压管生产也有所
发展。

导盘轧管生产：又称狄塞耳(Diessel)法。穿孔后带长芯棒的毛管在导盘轧管机上轧成薄
壁管材。轧机类似二辊斜轧穿孔机，只是固定导板改成主动导盘。由于用长芯棒生产，
管材内壁光滑， 且无刮伤；但工具费用大，调整复杂。主要用于生产外径 150mm以下普
通用途的碳素钢管。目前使用较少，也无很大的发展前景。
旋压管生 产：将平板或空心毛坯在旋压机上经一次或多次旋压加工成薄壁管材。管
子精度高，机械性能好，尺寸范 围广，但生产效率低。主要用于生产有色金属管材，但
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也越来越多地用于生产 钢管。旋压管材除用于生产生活器具、化工容器和机器零件外，
多用于军事工业。
70年代，采用强力旋压法已能生产管径达6000mm、直径与壁厚之比达 10000以上
的大直径极薄圆管和异形管件。
冷轧、冷拔管生产：用于生产小口径薄 壁、精密和异形管材。生产特点是多工序循
环工艺。用周期式冷轧管机冷轧,其延伸率可达6～8（图6 ）。60年代开始向高速、多
线、长行程、长管坯方向发展。此外，小辊式冷轧管机也得到发展。主要用 于生产壁厚
小于1mm极薄精密管材，冷轧设备复杂，工具加工困难，品种规格变换不灵活；通常采用冷轧、冷拔联合工艺，即先以冷轧减壁，获得大变形量，然后以冷拔获得多种规格。

第二章 三辊定径机系统

2.1 总体方案
2.1.1 轧辊机架的确定
钢管的在张力定径机上不仅受到径向压缩，同时还受到纵向拉伸，钢管在减径的同时，壁厚也在减薄。在张力定径机上，张力是靠相邻机架轧辊间有一速度差来产生的，
速度差越大， 则张力越大，反之则越小。张力的大小是通过改变轧辊速度实现的。
普通定径机是采用二辊式的工作机 座。这种定径机虽然结构简单，但生产的钢管壁
厚不均，尤其是减径量增大是更明显，甚至出现钢管内孔 变方的缺陷；另一缺点是轧辊
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尺寸大，会使整个机组 的长度增加。因此，在张力减径机上采用三辊或四辊式工作机座
较好。三辊式张力减径机的机架可作成方 的，也可作成圆的。三个轧辊互成120度布置，
每个轧辊两端装在滚动轴承上，互相间用圆锥齿轮联接 ，也就是把齿轮机座和工作机座
作成一体，相邻机架的轧辊轴线相差60度。
由于钢管断面的 变形任务由三个轧辊分担，对每个轧辊来说变形任务就减轻了，因
而辊径小，机架结构紧凑，更重要的是 缩短了机架间距和机组总长。而且由于轧辊切槽
深度浅，钢管横断面上的壁厚能够均匀。
从变 形特点上分析，四辊式比三辊式好，但是由于轧辊数增加，结构比较复杂，所
以目前使用的大多数张力定 径机为三辊式的。其机架结构图如1.1：
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图2.1三辊式张力定径机工作机座结构

2.1.2 传动装置的确定
2.1.2.1单独传动
单独传动的张力定径机很少采用。因为，每架减径机都需要一台功率 较大的电机来
带动，整个机组的电机功率过大，电器控制装置费用高，技术复杂。另外，当钢管咬入时不可避免的要发生速度降现象，不能保证钢管上的张力稳定，轧出的钢管在整个长度
上壁厚不均。
2.1.2.2集体传动
集体传动的张力定径机，有以下三种调节机架间的张力大小的途径。
a. 主电机通过圆锥齿轮传动装置带动各个机架，在每个机架的圆锥齿轮传动装置和机
架间， 都有一套辅助液压传动装置，用来调整每个机架的轧辊速度。采用这种方法，
液压传动装置要传递转动轧 辊所需的全部扭矩。因此，液压装置要相当庞大，制造
和维护都比较困难。
b. 采用两台电 机驱动，其中一台主电机借助圆锥齿轮传动装置给轧辊以基本转速，而
另一台电机通过另一套圆锥齿轮传 动装置和装在每个机架上的差动装置，使相邻机
架轧辊转速差增大或减小，从而增大或减小机架间张力。 这种方法的优点是完全采
用电器传动，容易掌控，缺点是调节不灵活。
c. 采用一台主电机 经圆锥齿轮传动装置，给轧辊以基本转速，同时在每个机架上配套
一套液压传动装置，通过差动装置来调 整每个机架的轧辊转速。这种传动方法的液
压传动装置不负担转动轧辊所需的全部扭矩，只起调节控制张 力的作用。因此。液
压传动装置比第一种要小，操作也比较方便，克服了前两种的缺点，现在多数张力< br>减径机采用这种传动方式。
集体驱动虽然设备比较复杂，制造比较困难，但是能克服咬入钢管时所产生的速度
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降，保证各机架间的一定张力，同时，电机的总功率小，所以比单独传动优越。
在张力定径机 上，钢管是在机架间承受张力的情况下轧制的。钢管按顺次通过各架
轧机，在钢管头部进入轧机和尾部离 开轧机的一段时间内，钢管承受的张力是变化的。
因此，钢管两端都会产生壁厚纵向不均的缺陷，壁厚不 均的管端必须切去，为了减少切
头损失，要尽量缩短机架间距，另外用张力减径法应尽量生产长管，以相 对减少切头损
失，理想的情况是将连续不断的钢管送至张力减径机中进行减径。因此，在能够实现无头减径的连续电焊管和连续炉悍管机组中，张力减径机就能充分发挥他的优越性。减径
后的钢管很长 时，可以用飞剪机在钢管进行过程中锯切成需要的长度。
其原理图如集体传动图：
这套张力 定径机由传动装置、差动齿轮箱、减速箱、机架、液压调速系统、光电系
统六部组成。轧机的启动、停车 、观察用转情况都集中在操作台上。
整个轧机由一台电机驱动，主电机经联轴节带动传动轴，传动轴上 有六对圆锥齿轮，
每对圆锥齿轮通过齿轮传动差动齿轮，使联接定径机的减速箱高速轴获得一个速度，通
过减速器传给轧辊。当附加速度等于零时，使轧辊获得的速度，称为轧辊的基本转速，
因为减速 箱中6对齿轮速比是变化的，致使1—6架工作机座的轧辊基本转速是递增的。
传动轴上的圆锥齿轮除 带动齿轮驱动差动齿轮外，还带动增速机构，使获得固定高
转速，通过联轴器接变量泵，变量泵向定量马 达供油，使马达获得一个转速，通过联轴
节驱动差动机构，使联接减径机的减速箱高速轴又获得一个可变 化速度。可变化速度与
上述一样，通过减速器传给轧辊，使轧辊又获得一个转速，称为附加速度。附加速 度与
基本转速叠加，因而可达到调节轧辊转速的目的。
改变变量泵的斜盘角度，及可改变流量 ，马达的转速也相应改变，从而实现轧机单
独调节转速的目的。
2.1.2.3 差动传动
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差动传 动的张力定径机由于采用差动机构而得名。所谓差动传动，即利用差动系统，
在主传动的基础上，附加以 叠加传动。差动变速器有多种形式，如图2.2这里采用锥齿
轮传动的差动变速器。

图2.2差动变速器
轧辊由锥齿轮差动变速器的行星架传动。接主电机，接液压马达。轧制力 矩和出轴
速度用如下关系表示：

MM
a
M
b

(2-1)


n0.5n
a
0.5n
b< br>式中
M
a
0.5M
，
M
b
0.5M。所以主电机和液压马达各承受一半的轧制的力矩。
2.2 参数计算
主要内容是针对 三辊定径机机构、机构参数进行具体的分析和计算，电动机、传动
方式和机架的选择，主要零件的设计和 校核以及轴承的选用和寿命计算等。
2.2.1 性能参数
钢管轧制规格：
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入口处： 出口处：
管直径： 255mm 最大直径：247.8mm
最大壁厚：22.6mm
最小壁厚：6.20mm
最大长度：27.5m
最小长度：12.3m
轧制速度：
入口最大轧制速度： 1.2ms
入口最小轧制速度： 0.6ms
出口最大轧制速度： 1.75ms
出口最小轧制速度： 0.6ms
轧制温度：
入口处： 900—950度 出口处：830度
2.2.2 机架个数的确定
减径机的外径减径率每架是3.5—12% ，总的外径减径率最大为75%。各架减径率分
配规律为：
a. 第一架选取微小的减径率约3—5%，第二架采取大的减径率约8—12%。
b. 靠近尾部的机架减径率应逐步减小，直到最后机架减径率为零，以保证成品管具有
圆的断面。
c. 前面机架应采取较大减径率，因为此时轧件温度较高，变形抗力较小，其次，轧制
速度较 小，因而单个机架所消耗的动力较低。
总减径率：

255169.4

255100%33.6%

根据以上规律取：第一架减径率为 3%
17
最小直径：169.4mm
最大壁厚：25.20mm
最小壁厚：6.550mm
长 度：32m

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第二架减径率为 12%
第三架减径率为 10%
第四架减径率为 8%
第五架减径率为 6%
第六架减径率为 0%
2.2.3 轧制总压力的确定
机架孔型直径：
d
i
d
i1
(1

i
)

(2-2)


i
——减径率
d
1
255

1 0.03

247.35mm

d
2
 247.35

10.12

217.668mm

d
3
217.668

10.1

195.901 mm

d
4
195.90

11

0.08
d
5
180.229

10.06

169.4mm

d
6
169.4

10

169.4mm

椭圆系数：

i

a
i
1


(2-3)
b
i

i

1

i


2291m80.m


i
——长半轴与短半轴的比值

0.03

0.990

0 .05

0.988


与

i
相对 应的

i
的值：

i


0.08


i


0.985


0 .10

0.980



0.12

0.975

1

11
1.041


2
1.166

0.990

10.03

0.975

10.12

11
1.134


4
1.104

0.980
10.10

0.985

10.08

1
1.166


6
1

0.988

10.06


3


5

d
i
长半轴：
a
i

(mm)
(2-4)

1
1

i
18

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）

a
1

247.35217.668
126.18

a
2
117.152

11
11
1. 0411.166
195.901180.229
104.092

a
4
94.549

11
11
1. 1341.104
169.4169.4
87.83

a
6
84.7

11
11
1.0771
d
i
（mm）
(2-5)

1

i
a
3

a
5

短半轴：
b
i

b
1

b
3
< br>b
5

247.35217.668
122.815

b
2
100.493

11.04111.166
195.901180.229
91.8

b
4
85.66

11.13411.104
16934169.4
81.56

b
6
84.7

11.07711
轧槽宽度：
B
i
3b
i
(mm)
(2-6)

B
1
3122.815212.722

B
2
3100.493174.054

B
3
391.8158

B
4
385.66148.363

B
5
381.56

B
6
384.7146.7

轧辊的理想直径：
D
l

h

(2-7)

1cos


h
——压下量（mm）

——咬入角，型钢时取15°
最大的
h
=
d
2
-
d
3
=217.668-195.901=21.767
h
=21.767，则
D
l

640，所以取轧辊直径为 750mm。
底圆直径：
D
d
i
D
l
2b< br>i
（mm）
(2-8)

D
d
1
7502122.815504.37

D
d
2
7502100.493549.014

19

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）

D
d
3
750291.8566.4

D
d
4
750285.66578.68

D
d
5
750281.55586.88

D
d
6
750169.4580.6

接触面积的计算：
F0.95B
i
0.5

b
i1
a
i



D
d
i
0 .5

b
i1
a
i




(2-9)

F
1
0.95212.7220.5(127.5 126.18)

504.370.5(127.5126.18)

3684.667

F
2
0.95174.0540.5( 122.815117.152)

549.0140.5(122.815117.1 52)

9172.15

F
3
0.95 1580.5(104.092100.493)

566.40.5(104.092 100.493)

4784.397

F
4
0.95 1580.5(94.54991.8)

578.680.5(94.54991. 8)

4228.204
F
5
0.95141.2620.5 (87.8385.66)

586.880.5(87.8385.66)

3383.27
F
6
0.95146.70.5(84.781.5 6)

580.60.5(84.781.56)

4201.98< br>
平均单位压力的计算：
P

k
f

< br>2s
i1


12


1EE
i



(2-10)


i1
d
p
i1

33



式中

——考虑不接触变形区和张力系数


10.6
d
p
i1
l
s
i1

(2-11)

d
p
i1
式中
d< br>p
i1
——进入孔型的钢管平均直径：
d
p
i1
d
i1
s
i1


s
i1
——进入孔型的钢管壁厚：
s
i
< br>d
i
dd
A
i
A
2

i
A
3

(2-12)

41632
其中
A4s
0< br>d
p
0
d
i
2
s
0

d< br>0
s
0


(2-13)

s
i

d
i
s
i


d
p
0
——荒管的平均直径：
d
p
0
d
0
s
0


l
—— 孔型底部的轧辊半径：
lR
d
i
d


R
d
i
——孔型底部的轧辊半径；
20

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）


d
——钢管在孔型中的压下量；

k
f
——变形阻力
：
k
f
=1.15

s



s
为轧制温度下管材的屈服点；

E
i
、
E
i1
前、后张力系数；
E
i


li

2v
i



ti

1v
i



li< br>
1v
i



ti

1v< br>i

F
i1

F
i


li
为轴向对数变形：

li
=
ln

F
i
为钢管截面积；

v
i
为壁厚系数；
v
i

s
i

d
i


ti
为切向对数变形：

ti
ln< br>简化后为叶米利羊年科公式：
p
c

d
pi1
d< br>pi



b

150.283

t600



4.10.3

k


30

式中：

b
——金属的抗拉强 度极限，45钢的

b
=676.2mpa；
t——轧制温度；t =950℃


k
——轧制后管子的壁厚尺寸系数；

k
=0.6 676.210
6

150.283

950600


4.10.30.6


p
c


30
=445.991 MPa
所以轧制压力：
P
i
p
c
F
i


P
1
=3684.667×
10
6×445.991×
10
6
=1643.328KN

P
2
=9172.15×
10
6
×445.991×10
6
=4090.696KN




P
3
=4784.397×
10
6
×445.991×
10
6
=2133.798KN
P
4
=4228.204×
10
6
×445.991×
1 0
6
=1885.74KN
P
5
=3383.27×
10
6
×445.991×
10
6
=1508.908KN
P
6
=4201.98×
10
6
×445.991×
10
6
=1874.045KN
21

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）

2.2.4 轧制力矩的确定

D

M
i
fp
i
d
i
3

l


32
< br>k



d
i


322sin

k


(2-14)



f——金属与轧辊间的摩擦系数


k
——轧辊速度与管子速度一致的点所形成的轧制直径相符合的中心角


k
i



l
i

1 
2

fD
l



(2-15)


2

——是轧辊对钢管的包角

=

3


l
i
R
d
i
d

d
=255-169.4=85.6

R
d
i
——轧辊半径
R
d
i
D
d
i
2

R
d
1
504.372252.185

l
1
252.18585.6146.925

R
d
2
549.0142274.507

l
2
274.50785.6153.290

R
d
3
566.42283.2

l
3
283.285.6155.698

R
d
4
578.682289.34

l
4
289.3485.6157.377

R
d
5
586.882293.44

l
5
293.4485.6158.488

R
d
6
580.62290.3

l
6
290.385.6157.638


k
1


146.925

1

0.3

sin

k
1
sin0.30.296

6< br>
0.46750

153.29

1
0.29

sin

k
2
sin0.290.286

6

0.46750


k

2





k

3
155.698
1

0.287

sin

k
3
sin0.2870.283

6

0.46750


k

4

157.377

1

0.285

sin

k
4
sin0.2850.281

6

0.46750

22

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）


k

5


158.488

1

0 .282

sin

k
5
sin0.2820.278

6

0.46750

157.638

1
 
0.285

sin

k
6
sin0.2850.281

6

0.46750


k

6


f

1.050.0005t



(2-16)



——轧辊材料修正系数 钢辊

=1，硬面铸铁轧辊

=0.8
t——轧制温度 t=950度

f

1.050.0 005950

0.80.46


750
M< br>1
0.461643.328247.353



320.3



247.35




3220.296

34226.582Nm




750
M
2
0.464090.696217.668 3



320.29



21 7.668

750
M
3
0.462133.798195. 9013



320.287


195.901

3220.286

91186.838Nm< br>


3220.283

49182.279Nm< br>


750
M
4
0.461885.741 80.2293



320.285


180.229



3220.281

4455 7.577Nm



750
M
5
0.461 508.908169.43



320.282


169.4

750
M
6
0.461 874.045169.43



320.285


169.4



3220.278

36396.881Nm



3220.281

45688.886Nm



2.3 总功率的验算及电机的选择

2.3.1 与轧辊轴相联接的减速器的确定
定径机的轧辊的转速一般为30—140rmin,这里取40rmin，由于轧制的最大的速度
为1. 2ms,同时减速器与轧辊轴的距离比较远，所以取两级展开式圆柱齿轮减速器。由机
械设计手册（表1 6-2-2）取ZLY 560-14-I，其公称传动比为14，实际为14.14。
三辊定径机 由于是以来保证无缝钢管外径尺寸精度及表面质量和钢管壁厚的，故要
求三个轧辊的转速相同，因此三辊 定径机的主电机轴上的力矩有两部分组成，即：

M
D

M
Z
M
f
1
i
M
f
2

M
Z
M
f

(2-17)

i
23

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）


M
D
——三辊定径机主电机的力矩

M
Z
——三辊定径机轧辊上的最大轧制力
M
Z
=
M
2
=91186.838Nm

M
f
——附加摩擦力矩，即当轧制时由于轧制力作用在轧辊轴承上，传动机
构 及其他传动中的摩擦而产生的附加力矩
i——主电机与轧辊间的传动比
2.3.2 附加力矩
M
f
的确定
附加力矩
M
f
包括两部分，其一是由于三辊定径机的轧制总压力P在轧辊上所产生
的附加摩擦力矩
M
f
1
，这部分已经包括在轧辊传动力矩
M
Z
之内；另一部分 为各传动零件
推算到电机轴上的附加摩擦力矩
M
f
2
。

1

M

M
f
2


1

Z

(2-18)




i


——主电机到轧辊间传动效率，一般为

=0.96—0.98 取

=0.97

1

91.187
1

0.19K9Nm

M
f
2




0.97

14.14
主电机轴上的力矩为：

M
D

91.187
0.1996.648KNm

14.14
2.3.3 主电机的选择

n
D
n
Z
i4014.14565.6rmin


P
D


M
er
n
D
30
M
D

K


M
er


M
er
——额定静力矩

n
D
——电机最大转速

K
——电机过载系数
24

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）

采用荷夫推荐电机过载系数
K
值如下：
可逆转电机
K
=2.5—3.0
不可逆转电机
K
=1.5—2.0
带有飞轮的电机
K
=4 --6
取
K
=3.0

M
er


P
D

6.648
2.216Kw

3
3.142.216565.6
131.186Kw

30
由机械设计手册表（23—105）取得YZR(355
L
2
--10)电机 ，其额定
P
D
=132Kw,转速为
588rmin。属于冶金用绕线转子异 步电机。
2.4 齿轮传动设计
为了保证钢管的表面质量要求三个轧辊轴是同速的，所以齿 轮传动的传动比是1，
只起传递力矩的作用而不起变速的作用，即两齿轮的齿数是相同的。又因为三辊间 的夹
角都是60度，所以采用直齿锥齿轮传动且其分度圆锥角为

=30度。为了设计 及维护方
便，两粘合的齿轮为相同的。
2.4.1 选取材料，定许用应力
三辊定 径机齿轮传动的力矩是比较大的，所以选取硬度较大的材料。选用20CrMnTi,
经淬火后，其硬度 为870—880HBS，抗拉强度

b
1080MPa
，屈服极限

s
835MPa
。
由于是硬齿面，所以按齿根弯曲疲劳强度设计，再校 核齿面接触疲劳强度。
2.4.2 按齿根弯曲疲劳强度设计

m16.82
3
KT
1

Y
FS

1 0.5

R

2
Z

R

1< br>
FP
2
1
2

(2-19)

m——锥齿轮大端的端面模数
25

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）

K ——载荷系数，可以近似取K=1.3—1.7，当载荷平稳传动精度高转速较低，
以及齿轮两侧布置轴 承时K取小值。


R
——齿宽系数

T
1
——齿轮传动的转矩


FP
——弯曲许用应力

Y
FS
——复合齿形系数


——齿数比
2.4.2.1定齿根弯曲许用应力

FP



FP


Flim
Y
ST
S
Flim
Y
N


Flim
在 机械设计中给出了

Flim
的变化范围，当齿轮材质及热处理质量达到很高要求时，
可取上ME，达到中等要求时取中限MQ，达到最低要求时取下限ML。双向传动，即在
对称循 环变应力下工作的齿轮其值乘以系数0.7。


Flim
——试验齿轮齿根弯曲疲劳极限，由机械设计表（5—32）得

mFil
=525 MPa
Y
ST
——试验齿轮应力修正系数，一般取
Y
ST
=2
Y
N
——弯曲疲劳强度计算的寿命系数，一般取
Y
N
=1
S
Flim
——弯曲确定最小安全系数，一般传动
S
Flim
=1.3—1.5，重要传动
S
Flim
=1.6—3.0，这里取
SFlim
=1.6


FP

5252
1656.25MPa

1.6
2.4.2.2 计算齿轮的名义转矩
T
1

由于三辊定径机齿轮传动的传动比i=1，因此两齿轮完全相同，且传递的扭矩是总
的23。
P
2

T
1
9550
R

3n
Z
26

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P
R
——三辊定径机主轴的输入功率

n
Z
——三辊定径机主动轴的转速

P
R
P
D





——主电机到轧辊间的传动效率，一般情况为

=0.8—0.92，取< br>
=0.92

P
R
1320.98129.36Kw

2129.36

T
1
955020589.8Nm

340
2.4.2.3 选择载荷系数
K

通常近似取k=1.3— 1.7,当原动机为电机、汽轮机、燃气轮机、工作载荷平稳，且齿
轮轴承对称时，取小值。当齿轮制造 精度高时，可以减小内部动载荷k可取较大值，取
k=1.3.
2.4.2.4 选取齿宽系数

R



R

b

R
b——齿轮轮齿宽度
R——锥齿轮外锥距
由机械设计表（5—11）一 般取

R
=0.25—0.5，取

R
=0.45
2.4.2.5 初定齿轮系数
初步确定齿轮齿数
Z
1
Z
2
23
，螺旋角

33
，齿数比

2.4.2.6 确定复合齿形系数
Y
FS

因为两齿轮所选用的材料及 外形相同，因此齿轮的齿根弯曲许用应力

FP
相同，锥
齿轮的当量齿数为< br>Z
v

得
Y
FS
=4.02。
Z232
7，变位系数x=0。所以由机械设计表（5—38）
cos

c os30
Z
1
=1
Z
2
27

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即< br>m16.82
3
KT
1

10.5

R

2
Z

R
2
1

1

FP
2

Y
FS


16.82
3
4.02

2
22

1 0.50.45

230.4511
656.25

1. 320589.8
=15.984
由机械设计表（5—10）取 m=16
所以齿轮的参数如下：
齿数 Z=23 齿宽
b
R
，b=118
3
h
a
16
arctan2.49

R368
模数 m=16 齿顶角

a
arctan
顶隙
c0.2m3.2
分度圆直径
dmZ1623368

压力角

=
20
齿顶圆直径
d
a
d2mcos

384

螺旋角

33
齿根圆直径
d
f
d2.4mcos

348.8

齿数比

=1

a
arctan
h
a
16
arctan2
R368
h
f
R
arctan
19.2
3

368
当量齿数
Z
v
=27

f
arctan
齿顶高
h
a
m16
顶锥角

a


1

a
30232

齿根高
h
f
1.2m19.2
根锥角

f


1


f
30 327

锥距
R
1d
2
d
1
2
d
2
368

22sin

1
2.4.3 校核齿面接触疲劳强度
2.4.3.1 确定齿面接触疲劳许用应力


HP< br>

Hlim
S
Hmin
Z
N
Z
W

(2-20)



HP
——齿轮的接触疲劳许用应力
28

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
Hlim
——试验齿轮的接触疲劳极限，由机械设计表（5—33）得
< br>Hlim
=1650MPa

S
Hmin
——接触强度的最小安全系数，一般传动取
S
Hmin
=1.0—1.2，重 要传
动取
S
Hmin
=1.3—1.6，这里取
S
Hmin
=1.5。

Z
N
——接触疲劳强度的寿命系数，
Z
N
=1

Z
W
——工作硬化系数，它是用以考虑经磨齿的硬齿面小齿轮与调质钢大
齿轮 相啮合时，对大齿轮面产生的硬化作用，从而使大齿轮的

Hlim
得到提高的系数， 当两齿轮均为硬齿面时
Z
W
=1。



HP

1650
111100MPa

1.5
2.4.3.2 校核齿面接触疲劳强度

H
121Z
E
KT
1
bd
1
2
< br>10.5

R

2

2
1
< br>
HP

(2-21)



Z
E
——材料弹性系数由机械设计表（5— 7）得
Z
E
=188
1
2
1


H
121188


2
2
1
118368

10.50.45

1.320589.8 =1005.326MPa<

HP

所以齿面接触疲劳强度足够。
2.5 主传动轴的设计
轴是机器中的主要支撑零件 之一，一切回转运动的传动零件，都必须安装在轴上才
能传动动力和运动。
2.5.1 最小轴颈的估算

d
min
C
3
P
R

(2-22)

n
Z
29

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C——由轴的材料和轴承情况确定的常数
因为传动的力矩比较大，且受到交变载荷，所以选取合金材料 。选取42CrMo,由机械设
计表（12—4）得C=98。

d
min
98
3
129.36
144.924
40
由于主传动轴的输入端连接联轴器部位使用花键联接，要有花键槽，所以其轴颈应增大
8%，所以
144.924

18%

156.518

又所以取输入端联轴器的轴径为168
2.5.2 联轴器部位花键的设计
根据GB1144-72且
d
d
=168，所以花键的参数如下：
齿数 Z=41 齿顶圆直径
d
a
=160
压力角

=
20
齿根圆直径
d
f
=170
模数 m=4 分度圆直径 d=164
齿宽 b=186
花键的校核：


2T
1






zhlD
m


——各 齿间载荷不均匀系数，一般取

=0.7—0.8，取

=0.8

z
——齿数

h
——齿的工作高度，渐开线花键h=m

l
——齿的工作长度
l
=b

D
m
——平均直径，渐开线花键
D
m
=m




——许用挤压应力取120



所以符合要求。
30
220589.8
42.645
<



< br>0.84141.844

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2.5.3 鼓型齿的设计
联接轧辊和传动齿轮箱的齿轮联接轴，与一般齿轮联接轴 节不完全相同，这是因为
轧辊间距需要调整，要求齿轮联轴的倾角要比一般的齿轮联接节的大，所以要求 这种连
接轴的外齿套作成特殊形状。（如图2.3）外齿套的齿顶和齿根都作成以套筒中心线上o
点为中心的球面，齿型为鼓型断面，这样就能满足轧辊径向调整的要求。由于采用这种
齿轮联接轴更换 轧辊就比采用万向联接轴方便得多。

图2.3鼓型齿联轴器
鼓型齿参数：
齿数 Z=41 齿顶圆直径
d
a
=352
齿宽 b=80 压力角

=
20

模数 m=8 分度圆直径 d=328
2.5.4 轧辊的设计
力学参数计算中得到轧辊的理想直径为7 50，轧辊半径中最小的为
R
d
1
252.185
，
一般 取轧辊的厚度
T

50%70%

R
d
。
31

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图2.4轧辊图

T60%252.185151.311


d 2R
d
1
2T2252.1852151.311201.748
取
d
190
孔槽宽度最大为
B
1
 212.722
，所以取
b325,b
1
420
。
2.5.5 轴承段轴的设计
轴承是由意大利INNSE公司提供的，为双列自动调心圆柱滚 子轴承，能满足轧辊径
向调整时产生小的转角的要求，其型号为32930DF其主要尺寸如图2.5：

32

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图2.5自动调心滚子轴承
d=220 D=340 b=95
0.0790.052
d的配合为过盈配合所以公差取
P6



。
0.05

，D的配合为基轴制所以配合取
H7
< br>0
轴承两端的两个小梯形孔是为了方便对轴承润滑而设计的其尺寸如图所示。
为了减小 轴的弯矩，从而增强轴的抗弯扭强度，要使轴承尽量靠近轧辊和锥齿轮，为了
使轴承和轧辊的定位良好， 所以要用轴肩来定位，它要定位在轴承的内环上所以取轴肩
的直径d=229,宽度b=20。轴承部的 轴要与轴承相配合所以其轴径为220，同时为了对轴
承进行左定位其轴段的长度要小于轴承的宽度2— 3毫米，即其长度为95-3=92。
轴承的左边安装锥齿轮，但为了使轴承定位同时轴承和锥齿轮不 能直接接触，所以
中间要用间隔环隔开。其结构如图2.6：

图2.6间隔环 < br>因为锥齿轮的内孔径为190，所以取d=192,D要与锥齿轮的大端面相匹配同时要对
轴承的 内环进行定位所以D不能大于轴承内环的直径，取D=240，厚度b=5。齿轮与轴
33

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是花键联接，其轴径应 为花键的顶圆直径减去顶隙，所以花键段的轴径
d
a
1902188
，
光轴配合段的轴径为
d
b
191
，由齿轮的结构参数可得，轴承左 边的一段轴的长度为
3+5+35.5=43.5。与花键配合的一段轴的长度为103-43.5-4 =55.5。
这一部分的结构简图如图2.7：

图2.7轧辊左边的轴段
2.5.6 自由轴段的设计
由于三轧辊轴为正三角形分布，所以自由段相对而言比较长，所 以为了减小轴的受
力状况，也同时为了避免轴与机架直接接触而在轴转动时产生干摩擦，所以需要在自由
轴段设计组合轴承。其基本尺寸如图2.8：
34

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图2.9组合轴承
1是外垫套其尺寸为203×250×11，2是滚子环其尺寸为200×250×15，3是隔套。
2.5.7 环的设计
由于要对轴承进行润滑和冷却，所以要用环将轴承和轧辊隔开，需要有 环。轧辊的
直径为190，环的右侧面要与轧辊相匹配，根据轧辊和其轴段的尺寸可得环I的尺寸如图2.10：

35

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图2.10油环I < br>有
d
1
2424238
，左边与轴套配合所以
d
2
281
，
d
3
290
。d的配合为基轴制配合为H7，
d
4
要求要大于环II中的
d
4
所以取
d
4
248.6
，其它各配合面的粗糙度如图2.11
所示。其两端面的 圆跳动精度为0.025。
环II的尺寸如图2.11：

图2.11间隔环II
轧辊的直径为190，d要与轧辊轴配合所以d=190,其配合为基轴制H7，它与轴一起
转 动，1处安装密封圈的部位，O型环200×5.7，所以
d
1
200
。< br>d
2
要与定位轴肩相配
合，所以
d
2
=230，d
3
233
，
d
4
240
。
轧辊段的轴的长度的确定：
36

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图2.12轧辊段轴图
所以轧辊轴的长度为：22+10+325+10=367，其又侧有 轴套对其进行定位，应减去2—3
毫米，所以轴段的长度为367-3=364。
2.5.8 轧辊右侧轴段的设计
轧辊右侧理论上应与左侧相同，但如果两侧都有轴肩轧辊就无法进行安装，同时为
了安装和维护的方便所以使用同一型号的轴承，轴承的尺寸已经确定，为了安装轧辊右
侧轴径应 梯次减小，那么安装轴承的轴段要有轴套I，其尺寸如图2.13：
37

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图2.13轴套I图
B上安装轴承所以取B=92，C点的高度起对轴承的定位作用，所以d=233,
d
1
与环
I相匹配，取
d
1
=240。其内部尺寸如图。内部宽度为 8的矩形槽为密封槽，密封圈的尺
寸为195×5.7。所以其轴段的长度为134。轴承的右侧是间隔 环和锥齿轮，与上面的设
计的尺寸相同。但锥齿轮的轴径减小了，齿形的尺寸没有变化。其尺寸如图2. 14：

图2.14锥齿轮
38

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2.5.9 右端盖的设计
为了使锥齿轮进行右定位，需要对主轴进行右端盖的设计，其顶圆要对锥齿轮起定
位作用，取为200，其它尺寸如下：

图2.15右端盖
端盖左侧要与锥齿轮 匹配，所以其圆跳动为0.012，22的孔为安装联接端盖和锥齿
轮的螺栓的部位，螺栓为GB578 2—86，M20×65，个数为4。
2.5.10 轴承套的设计
由于在工作中要对轴 承进行冷却和润滑，所以在安装轴承时要安装轴承套，它的内
孔要与轴承的外环相匹配，上侧的内槽要与 环I进行匹配，下面是轴承套的尺寸如图
2.16：
39

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图2.16轴承套图
图中中间直径为17的孔为固定轴承套的光孔，其作用是对轴承套进行定 位和防止轴承套
随着轴承一起转动。其个数为2，在一条直线上。其中的小圆孔起冷却和润滑轴承的管< br>道的作用。
A向图为图2.17：

图2.17A向图
轴上的其它零部件的结构和尺寸如下：
自由轴段的间隔环I:
40

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图2.18间隔环I
其右侧面对锥齿轮进行定位，外圆周面与组合轴承相配合，为了方便安装 其两端与
主轴直接接触，中间部分直径略大于轴的直径与轴相分离。
自由轴段的间隔环II:

图2.19间隔II
其外圆柱面与组合轴承相配合，左端对鼓型联轴器定位。
轴承套:
41

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图2.20轴承套
其内部安装组合轴承，直径为17的孔为固定轴承套的光孔，其作用是对轴 承套进行
定位和防止轴承套随着轴承一起转动。其个数为2，在一条直线上。其中的小圆孔起冷
却和润滑轴承的管道的作用。直径为22的光孔起把轴承套紧固在机架上的作用，螺栓的
型号为GB57 82—86,M20×70,个数为6均匀分布。
轴套：

42

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图2.21轴套 其下部突出部分对组合轴承进行定位，内表面不与间隔环II直接接触。上部突出的
光孔用于紧固其 和上面的轴套。两端的通孔使用于对组合轴承进行润滑。
综上轴的机构及尺寸如图3。
2.6 从动轴的设计
由于三辊定径机三轧辊轴成正三角型分布，同时具有相同的结构和运动 参数，所以
其轴具有相同性，从动轴除自由段和鼓型联接轴外，其它方面完全相同，其右边无锥齿
轮间隔环，直接用两端盖对轴承和锥齿轮进行定位。对锥齿轮进行定位的端盖与主轴的
端盖相同，其端 盖的尺寸如下：

图2.22端盖图
直径为22的光孔是紧固螺栓的部位，螺栓紧 固在轴上，其螺栓为GB70—85，M20×50。
个数为4均匀分布。
对轴承定位的端盖结构和尺寸如图2.23：
43

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图2.23端盖
直径为22的光孔是紧固螺栓的部位，螺栓紧固在轴上，其螺栓为GB578 2—86,M20
×65。个数为4均匀分布。直径为11的光孔是紧固螺栓的部位，螺栓紧固在轴套I 上，
其螺栓为GB5782-- 85,M10×45。个数为2分布在一条直线上且与直径为22的光孔不在
过圆心的同一直线上。
2.7 轴的校核
2.7.1 主传动轴的校核
先作出轴的受力图，取集中载荷作用于齿轮及轴承的中点，受力图如图2.24：
44

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图2.24主轴受力图
B为组合轴承，C、G为调心滚子轴承，D、F为锥齿轮，E为轧辊，A为联轴器
2.7.1.1 轧辊上的作用力的确定
转矩
T
A
9.551 0
3
P
R
129.36
9.5510
3
3 0.88510
6
Nmm

n
Z
40
由于轴承C 、G和锥齿轮D、F都关于轧辊中心对称，所以
F
a1
和
F
a2大小相等方向
相反，相互抵消，且圆周力
F
t1
=
F
t 2
，径向力
F
rC
F
rG
，
F
D
F
F
，
F
B
0
。
齿轮的分度圆直径为37 4.92，轧辊的最小底圆直径为
D
l
d
1
750247.3 5502.65
。
CD间的距离为95，DE间的距离为263.5。
水平面受力：
由于对称性可得：
F
C1
F
F1
，
F
rC
F
rG
。

2F
D1
2F
rC
F
rE


F
D1
95F
rE
358.5F
F1
6 22F
rG
7170

由直齿锥齿轮受力得：
2000T2 0001330.88510
3
F
t
54.91810
3
N
（
T13T
A
）
d374.92

F
r
F
t
tan

sin

54.91810
3
tan20sin30

45

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=9.989
10
3
N

F
rC
F
rG
F
r
=9.989
10
3
N
又
F
rE
19978N,F
D1
F
F2
19978N< br>
所以其弯矩图如图2.25：

图2.25水平面弯矩图
垂直面 上的受力：
F
tC
F
tG
,F
D2
F
F2
,F
tE
F
t
54918N


F
tC
F
tE
F
tG
F
D2
F
F2


F
D2
95 F
tE
358.5F
F2
622F
tG
717 0

得：
F
tC
F
tG
27459N,F< br>D2
F
F2
27459N

其弯矩图如2.26：

图2.26垂直面弯矩图
46

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合成弯矩图2.27：

图2.27合成弯矩图
扭转的强度的计算：
A因为点的扭矩最大的且其轴径也是最小的，所以A点所受的扭转强度是最大的。
其扭矩图如图2.28：

图2.28扭矩图
弯扭合成应力校核轴的强度：
因单向回转，视转矩为脉动循环，所以应力校正系数

=0.6，则合成当量弯矩
47

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T
V
0.6T
，由机械设计表（12—2）得


1b

 70MPa
。所以其合成弯扭图如图2.29：

图2.29弯扭合成图
其中危险截面有A、D、E、F四各截面。
M
VA

T
A
1853110
3


A
39.08MPa
<


1b

3
W
A
W
A
0.1168
M< br>VD
18737.25110
3

< br>D
17.597MPa
<


1b


3
W
D
0.1220
因为
M
VE
 M
VD
且
d
E
d
D
，所以

E


D



1b


因为
M
VF
M
VD
且
d
F
d
D
，所以

F


D


< br>1b


即所以轴的强度满足要求。
2.7.2 从动轴的校核
由于从动轴是主动轴的一部分，所以其结构和尺寸都相同，且其所受的扭矩比主传
动轴的小，因 此其所受的弯扭强度比主传动轴的要小，即其强度满足要求。
2.8 轴承寿命计算
轴承的 轴向力
F
a
0
，径向力
F
r
F
CF
C
2
1
F
C
2
2
所以
19978
2
27459
2
33957.579N
，所以F
a
0e
，e为轴向载荷影响系数，所以
F
r
48

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）

x=1,y=0。许用 寿命为：
L
'
h
830245760h
，因此当量动载荷< br>PxF
r
yF
a
F
r
。
10

C



L< br>h

60n
Z

P

6



(2-23)





P
——当量动载荷

C
——基本额定动载荷


——寿命系数，球轴承

=3，滚子轴承

=103 < br>n
Z
为主轴转速
n
Z
=40rmin，由于是滚子轴承

=103，取C=47500,所以
C
=
2
79
C=77188，

10
6

77188

所以 有
L
h


6040

33 957.579

因此满足寿命要求。
103
6434hh
'

第三章 液压调速系统设计

3.1 系统的工况分析
在每个机架上配套一套液压传动装置，通过差动装置来调整每个机架 的轧辊转速。
这种传动方法的液压传动装置不负担转动轧辊所需的全部扭矩，只起调节控制张力的作用。因此，液压传动装置较小，操作也比较方便，现在多数张力减径机采用这种传动方
式。
传动轴上的圆锥齿轮除带动齿轮驱动差动齿轮外，还带动增速机构，使获得固定高
转速，通过联轴器接 变量泵，变量泵向定量马达供油，使马达获得一个转速，通过联轴
节驱动差动机构，使联接减径机的减速 箱高速轴又获得一个可变化速度。可变化速度与
上述一样，通过减速器传给轧辊，使轧辊又获得一个转速 ，称为附加速度。附加速度与
基本转速叠加，因而可达到调节轧辊转速的目的。
3.2 拟定液压系统图
49

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）

其原理图如图3.1：

图3.1液压调速系统原理图
其工作原理为：系 统是由双向变量轴向柱塞泵和双向定量径向柱塞马达组成的泵控
马达式容积调速系统。改变泵的排量，即 可改变改变马达的转速，实现大范围的无极调
速。泵的排量可通过电机、蜗杆减速器调整泵的摆角大小来 实现。
当系统工作时，液压马达进油侧的高压油使左侧的换向阀换向，将马达的排油侧与
溢流 阀接通，因此，闭式系统中的油液不断从溢流阀中排出一部分回到油箱，进行冷却
和过滤。所排出的油液 和泄漏损失由专用的齿轮泵进行补充。
左侧的两个溢流阀作为安全及缓冲用。当液压马达停止或换向时 ，由于马达的惯性
作用，在马达原排油侧的油液将被压缩而产生高压（此时通向左侧的溢流阀的通路已被
换向阀关闭），如压力达到左侧溢流阀的调定应力，即自动向原进油侧溢油，从而产生制
动、缓 冲、达到安全保护的作用。
中间的液动换向阀用以自动将应力表与压力油路接通，从而指示油路中的工作压力。
3.3 执行元件的负载计算
50

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）

单个定径机需要的最大 轧制力矩为91.187KNm,由于进过差动齿轮后，其转矩分为两
部分，一部分由锥齿轮直接传递给 差动齿轮，另一部分由液压系统传递给传动齿轮。根
据差动齿轮的结构特点，可以确定主电机和液压马达 各承受一半的轧制的力矩，液压马
1
达的外负载力矩
TT
max
= 0.5×9.187=4.594KNm。
2
3.4 液压系统工作压力的计算
液 压系统的工作压力一般按机器的功率大小来选择。小功率工作压力可选
6.37.0MPa
； 大功率可选7.031.5
MPa
。根据机械设计手册表（29—10）得工作压
力< br>P
1
20MPa

3.5 选取液压马达
马达的排量
q
T

(3-1)

p

m
T——液压马达外负载力矩，T=4.594

p——由于马达进出口压力差，
p
=
p
1
p
2
，
p
2
=0。


m
——由于马达的机械效率，一般齿轮马达和柱塞马达

m
=0.9 —0.95，这里取

m
=0.92
4.594
3
10
249.m7lra

q

d
6
20100.92
马达的流量
Q
max
q

max

(3-2)



max
——马达的最大角速度，有较大的无极调速范围取

max
=25rads

Q
max
249.7256241.85mls

马达的规格为：MRE250D55A(力士乐样本)
3.6 选取液压泵
液压泵的工作压力
p
p
p
1
p
1

(3-3)


p
1
——进回油路中的总压力损失，包括局部损失和沿程损失，高
51

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）

压大流量系统取
p
1
=0.5—1.5MPa,这里取
p
1
=0.5MPa。

p
p
200.520.5MPa

液压泵的流量
Q
p
KQ
max

(3-4)


K
——系统漏损系 数，一般
K
=1.1—1.3，这里取
K
=1.2

Q
p
1.26241.857490.22mls

液压泵的规格为：A4VBG450HSE30VRH10Z(力士乐样本)
泵的驱动功率
p
p
p
Q
n

t

(3-5)


Q
n
——泵的额定流量,
Q
n
=7500


t
——泵的总效率，由机械设计手册表（30—1）得

t
=81—88%，
取

t
=85%
2510
6
750010
6
187.5KW

p
0.85
3.7 选择控制阀
各阀按其所接入的回路搜需的最大流量和工作压力选择。
单向阀： S10A10
两位三通阀：YSE1CACN9
三位三通阀：3WH6D5X
3.8 管件的选择
压油管的选取：系统所需的最大流量
Q
max
7175mls
，对于压油管压力高时
v36ms
,这里取油在管路中的流速v=3ms,所以有：
Q
max
717510
6

d1.1271.1270.055m55mm

(3-6)

v3
p
p
d
压油管壁厚



(3-7)

2



p


52

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）

42010
6
105MPa
，其中当



p



n
=


p


——许用应力，

4

b
p
p
>17.5MPa时，安全系数n=4，

b
是抗拉强度取
420MPa。
2510
6
0.055
0.0065m6.5mm



210510
6
考虑与阀用螺纹联接等因素，取壁厚

=8，由机械设计手册表（33-1）选用压油管
为
718
的无缝钢 管。为了方便安装起见，选用回油管与压油管的内径、壁厚均相同。
3.9 液压系统的验算
管道的布设由工厂的实际设备布局决定，所以这里的管长无法确定，即验算在已知
管道的布局后方可计 算。这里无需计算。
第四章 定径机的润滑和冷却
4.1 定径机的润滑系统
4.1.1 润滑的特点和作用
为了保证设备的安全运行，除了采取各项维护、保养措施外， 还必须采取各种润滑
措施。设备润滑的特点是：设备工作时受高温、氧化铁皮的影响，负荷沉重、往往是 长
时间的连续工作；设备润滑点多、管路长。因此，润滑系统要求有强大的供油能力。润
滑系统 可以分为单独式和集中式；从使用润滑剂种类可以分为稀油润滑和干油润滑两种。
a.由于稀油的流动 性好，容易循环使用。因此，除了起润滑作用。还能洗涤被润滑
的表面，冲走磨粒、带走热量，起冷却作 用。另外，能够用简单方法同时润滑传动件和
轴承。因此稀油润滑广泛应用于长期、重载、高速的设备上 。缺点是：要有较复杂的润
滑设备和装置，同时还必须具有良好的密封条件。稀油润滑的形式有：
1.单独式润滑：用油杯、油环、油池等给油，多用于中、小型减速器和单独设备中。
最近，采用雾化油润滑轧辊轴承。润滑油先在轧机附近的油化加压设备中，在压缩
53

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）

空气作用下雾化，使润 滑油变成油雾状的细小微粒，进过过滤后用管道喷入轴承的润滑
面。这种润滑方式的优点是：雾化后能够 充分发挥润滑油的作用，节省润滑油；连续不
断地供给压力油雾，又能起冷却；有压油雾在润滑区内造成 一定的正压，使灰尘和杂质
不易进入，更好地保护润滑面的清洁，增强了润滑效果。
2.集中 式润滑：稀油集中式润滑系统又可分为无压循环式和有压循环式两种，后者
广泛采用。有压循环式稀油润 滑系统除了起润滑作用外，还起冷却作用。这种润滑系统
有可分为：
（1）单独集中循环润滑 ：在设备附近建立较小的集中润滑站，对单独设备的几个
润滑点进行润滑或对相邻的某几个设备进行润滑 。
（2）地下油库集中稀油润滑站：当几台设备的润滑性质相似，能采用同一种润滑
油时，可 用一个稀油站。由于润滑管道比较长，种类稀油站建在地下油库中，便于自行
流回油箱。
以上 两种比较：前者应为距离设备近管路可以缩短，管路损失少，不需要建地下油
库，可减少润滑系统的投资 ，使用时比较机动灵活，可利用车间的小块空地安设润滑设
备。但是，不易集中管理。地下油库集中润滑 站的优点是便于集中管理，适于较大规模
的车间。但是，由于供油区大，需建较大的地下油库，地下工程 投资大，而且需要采用
可靠的防水措施；另外，稀油站的管路长、设备较复杂，在规模较小的企业和地下 水位
高的地区不宜采用这种方法。
b.干油润滑
供油润滑通常用于速度较低、经常 正、反转和重复短时工作的各种轴承和采用稀油
润滑很难保证可靠密封的零件中。优点是设备简单、对密 封要求比稀油低。干油润滑可
分为单独式和集中式两种。
1.单独式润滑根据给油方式不同，可分为以下几种：
54

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（1）充填式：定期往润滑点充填一定数量的干油，如小型减速器的滚动轴承处；
（2）压注式旋转干油杯；
（3）手动注油枪。
2.集中式干油润滑系统用双线或 单线给油器往各润滑点供油，分为手动干油集中润
滑站和自动干油润滑站两种。
这里由于六台 定径机的结构相同，润滑性质相似，采用同一种润滑油，所以可用一
个稀油站。采用地下油库集中稀油润 滑站。
4.1.2 单个定径机的润滑系统
该系统使用稀油润滑，主要对轴承进行润滑如润 滑系统图所示：从地下油库稀油站
输送来的润滑油通过油杯接给油器，再通过带密封的管接头经过油管输 送到定径机的机
架的预留润滑口，通过直通管接头联接。
4.1.2.1油杯接头
油杯接头起联接油杯和给油器的作用，其尺寸如图4.1：

图4.1油杯接头
55

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4.1.2.2 给油器
给油器的作用是使油杯过来的油合理地分配给各个输油管道，不使各 轴承的润滑流
道产生油缺现象。其结构和尺寸如图4.2：

图4.2给油器
4.1.2.3 带密封的管接头
其作用是对给油器过来的润滑油进行过滤，防止润滑油中的 杂质进入轴承，从而引
起轴承的磨损，使轴承的寿命减短，影响生产。其结构如图4.3：

56

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图4.3带密封的管接头
中间的网格状的结构起密封和过滤的作用。
4.1.2.4 直通管接头
直通管接头联接油管和轧机机架上的预留油口，其结构如图4.4：

图4.4直通管接头
4.2 冷却系统
4.2.1 冷却系统的作用
由 于定径机的工作温度为900—950度，轧辊在连续工作后其高温会对轧辊的表面
形态造成大的改变， 高温使得轧辊表面的塑性变大从而使的轧制的钢管的形状和尺寸产
生大的误差。因此，要对轧辊进行冷却 ，其冷却线路图如冷却系统图所示。
4.2.2 单个定径机的冷却系统
4.2.2.1 分配器
分配器的作用是使冷却液合理地分配给各个管道，不使各管道内的冷却液的压
力 产生压降现象。其结构和尺寸如图4.5：
57

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图4.5分配器
4.2.2.2 冷却直通接头
其结构如图4.6：

图4.6冷却直通接头
其直径为29的一端接分配器，直径为19的一端接冷却管。
4.2.2.3 三通管
其结构和尺寸如图4.7：
58

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图4.7三通管
其为等径三通管。
4.2.2.4 喷头
其结构如图4.8：

图4.8喷头
其内部机构形状变化为：先逐渐变小 后渐渐变大，外形为逐渐扩大的椭圆形。这种
结构使得冷却液有一定的压力喷向轧辊，同时向四周喷洒。 其线路图如冷却系统图所示。
4.2.2.5 管夹
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其结构如图4.9：

图4.9管夹
直径为9的光孔用于安装M8×75的螺钉，固定管夹和冷却管。













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结束语
< br>历时三个多月的毕业设计伴随着这篇结束语即将画上句号。不容置疑毕业设计是我
们四年中接触到 的最全面、最深入的一次设计。在此期间，我深深的感觉到要想圆满完
成这次设计，必须具备扎实的基础 理论知识和专业理论知识。为了搞好本次设计，我搜
集了不少有关定径机的参考文献和图纸资料。我们课 题组在贾慧灵老师的带领下，到包
钢带钢厂的冷带车间进行了为期三周的毕业实习。在实习期间，我对图 纸资料反复分析
发现了一些问题，在李强老师的耐心指导下及时得到了解决，这对我的设计思路的形成< br>帮助很大。
本次设计内容比较多，既要完成设计说明书和图纸，又要完成外文翻译和专题小论< br>文。在时间不宽裕的情况下，我只有抓紧每一天不敢有丝毫的懈怠。我觉得毕业设计是
我走上工作 岗位之前不可多得的一次锻炼机会，所以在设计中尽可能地把以前所学的知
识应用到设计中，在独立思考 的同时，也注意到适当借鉴他人的精华和成功之处。我在
综合了相关图纸和资料后独立完成了本次设计。 由于时间紧、任务重，所以设计中难免
有不尽人意的地方。基础知识和专业知识的欠缺是本设计中还存在 一些不完善的地方，
例如，齿轮座的设计没有详细进行，液压系统的辅助原件也没有详细设计。由于时间 有
限，我曾试图考虑过的一些创新方法没有进行，这也给我的设计留下了或多或少的遗憾。
所以 ，恳请贾慧灵老师给予批评和原谅。
辛苦了三个月，看着即将出炉的图纸、说明书、外文翻译和科技论 文，心中的成就
之感是从来没有过的。答辩临近，不管最终成绩如何，毕竟自己付出了心血。相信这短< br>暂的三个多月将永远是我一生中的一个重要阶段。在这三个多月期间，贾慧灵老师给予
了很大的帮 助。每当我的设计遇到困难时，都是贾慧灵老师耐心的给予解决。在此，特
别对贾慧灵老师表示感谢！
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参考文献：

[ 1 ] 成大先. 机械设计手册（第三版）1~5卷. 北京：化学工业出版社，1997
[ 2 ] 邹家祥. 轧钢机械第二版. 北京：冶金工业出版社，2000
[ 3 ] 彭文生. 机械设计. 北京：高等教育出版社，2002
[ 4 ] 曾贤启. 液压传动技术. 北京：北京航空航天大学出版社，1989
[ 5 ] 赵禾生. 钢管生产. 上海：上海科学技术出版社，1981
[ 6 ] 成大先. 机械设计手册单行本轴承分册. 北京：化学工业出版社，2004
[ 7 ] 雷天觉. 液压工程手册. 北京：机械工业出版社，1989
[ 8 ] 冶金机械液压传动系统100例. 北京：冶金工业出版社，1986
[ 9 ] 中小型轧钢机械设计与计算. 北京：冶金工业出版社，1989
[ 10 ] 小型热轧无缝钢管车间设备. 北京：机械工业出版社，1973
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