四輥中厚板精軋機機架的強度與剛度計算

1、四輥中厚板精軋機機架的強度與剛度計算摘要本軋機為四輥中厚板精軋機，重點設(shè)計了機架部分。機架是軋鋼機的重要部件，用來安裝整個輥系及軋輥調(diào)整裝置，并承受全部軋制力。因機架重量大，制造復(fù)雜，一般給予很大安全系數(shù)，并作為永久使用的不更換零件來進行設(shè)計，因此機架必須有足夠的強度和剛度，以保證其應(yīng)力分布均勻、變形盡可能小。由于軋機機架比較復(fù)雜、不規(guī)則，一般采用閉式機架的強度和變形計算然后采用有限單元法校核機架的應(yīng)力、變形及安全系數(shù)。在以往機架的設(shè)計中，安全系數(shù)取得很高但仍不能保證機架的可靠工作，機架的破壞多在壓下螺母孔、機架窗口轉(zhuǎn)角處等壓力集中大的部位，采列柯夫計算方法只能求得某些部位的應(yīng)力值，而有限單元

2、法能求出整個機架多部位的應(yīng)力場，對其進行模擬計算，得出機架最危險的地方和應(yīng)力分布規(guī)律，獲得其變形，計算出軋機機架的剛度。關(guān)鍵詞：軋機機架、閉式機架、強度、剛度目錄1、概述.11.1 軋機機架.11.2設(shè)計方案的確定.12設(shè)計要求.12.1設(shè)計題目及要求.12.2設(shè)計參數(shù).13. 機架的基本尺寸及校核.13.1機架的類型及結(jié)構(gòu).13.2機架的主要結(jié)構(gòu)參數(shù).23.3機架的材料和許用應(yīng)力.43.4機架強度計算.43.5機架的變形計算.93.6機架的剛度計算.114.結(jié)語.12參考文獻(xiàn).131、概述1.1 軋機機架軋鋼機架是設(shè)備的一個重要大型部件，軋輥軸承座及軋輥調(diào)整裝置等都安裝在機架上，其尺寸和重量

3、最大，在軋制過程中承受和抵消其主要負(fù)荷，而且要求機架的變形要小，以滿足產(chǎn)品的質(zhì)量要求。因此機架必須有足夠的強度和剛度，以保證其應(yīng)力分布均勻、變形盡可能小。根據(jù)軋鋼機型式和工作要求，軋鋼機機架分為閉式和開式兩種。閉式機架是一個整體框架，具有較高強度和剛度。閉式機架主要用于軋制力較大的初軋機、板坯軋機和板帶軋機等。對于板帶軋機來說，為提高軋機精度，需要有較高的機架剛度，因此采用閉式機架。采用閉式機架的工作機座，在換輥時，軋輥是沿其軸線方向從機架窗口中抽出或裝入，這種軋機一般都設(shè)有專用的換輥裝置。1.2設(shè)計方案的確定本設(shè)計采用：輥為四缸平衡，機架為閉式機架。2設(shè)計要求2.1設(shè)計題目及要求設(shè)計題目：中

4、厚板精軋機機架的強度與剛度計算設(shè)計要求：對機架進行強度校核和剛度校核，并畫出機架圖。2.2設(shè)計參數(shù) 工作輥直徑：1000mm；支撐輥直徑：1800mm；輥身長度：4200mm；板柸厚度：16mm；板柸寬度：2800mm；板柸長度：11000mm；最大柸重：12t；板柸年需要量: 140萬t；材質(zhì)：普碳鋼；第一道制前溫度：1150；成品板厚：16mm3. 機架的基本尺寸及校核3.1機架的類型及結(jié)構(gòu)軋鋼機架是工作機座的重要部件，軋輥軸承座及軋輥調(diào)整裝置等都安裝在機架上。機架要承受軋制力，必須有足夠的強度和剛度。根據(jù)軋鋼機型式和工作要求，軋鋼機機架分為閉式和開式兩種。1.閉式機架閉式機架是一個整體框

5、架（圖3-1），具有較高強度和剛度。閉式機架主要用于軋制力較大的初軋機、板坯軋機和板帶軋機等。對于板帶軋機來說，為提高軋機精度，需要有較高的機架剛度。對于某些小型和線材軋機，也往往采用剛度較好的閉式機架，以獲得較好的軋機質(zhì)量。 采用閉式機架的工作機座，在換輥時，軋輥是沿其軸線方向從機架窗口中抽出或裝入，這種軋機一般都設(shè)有專用的換輥裝置。 2.開式機架 圖3-1 閉式機架開式機架由機架本體和上蓋兩部分組成（圖3-2）,它主要用在橫列式型鋼軋機上，其主要優(yōu)點是換輥方便。因為，在橫列式型鋼軋機上如果采用閉式機架，由于受到相鄰機座和聯(lián)接軸的妨礙，沿軋輥軸線方向換輥是很困難的。采用開式機架，只要拆下上蓋

6、，就可以很方便地將軋輥從上面吊出或裝入。開式機架主要缺點是剛度較差。影響開式機架剛度和換輥速度的主要關(guān)鍵是上蓋的聯(lián)接方式。常見的上蓋聯(lián)接方式有五種。圖3-2 開式機架上蓋連接方式a螺栓聯(lián)接；b立銷和斜楔聯(lián)接；c套環(huán)和斜楔聯(lián)接；d橫銷和斜楔聯(lián)接；e斜楔聯(lián)接3.2機架的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)機架的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)是窗口寬度、高度和立柱斷面尺寸。在閉式機架中，機架窗口寬度應(yīng)稍大于軋輥最大直徑，以便于換輥；而開式機架窗口寬度主要決定于軋輥軸承的寬度。四輥軋機機架窗口寬度一般為支承輥直徑的1.151.30倍。為換輥方便，換輥側(cè)的機架窗口應(yīng)比 傳動側(cè)窗口寬510，亦可表示為式中 機架窗口寬度, ； 支承輥軸承座寬度，；

7、 窗口滑板厚度，一般取=2040，此處取=30；機架窗口高度主要根據(jù)軋輥最大開口度、壓下螺絲最小伸出端（至少有23扣螺紋長度），以及換輥等要求確定。對于四輥軋機，可取=(2.63.5)()= (2.63.5)（1000+1800）=72809800此時取H=9500；式中，、工作輥、支承輥直徑， ；機架立柱的斷面尺寸是根據(jù)強度條件確定的。由于作用于軋輥輥頸和機架立柱上的力相同，而輥頸強度近似的于其直徑平方（）比，故機架立柱的斷面積（）與軋輥輥頸的直徑平方（）有關(guān)。在設(shè)計時，可根據(jù)比值的經(jīng)驗數(shù)據(jù)確定機架立柱斷面積，再進行機架強度驗算。表3-1 機架立柱斷面積與軋輥輥頸直徑平方的比值由表3-1得，

8、當(dāng)軋輥材料為鑄鐵時，0.60.8，即=(0.60.8)(1000)=600000800000此時取=7001000。3.3機架的材料和許用應(yīng)力軋鋼機機架一般采用含碳量為0.250.35的ZG270500，其強度極限600，延伸率1216。為了防止機架在過載時破壞，在軋輥斷裂時機架要不產(chǎn)生塑性變形。根據(jù)這一要求，機架的安全系數(shù)為式中 機架的安全系數(shù)； 軋輥的安全系數(shù)； 機架材料的強度極限；機架材料的屈服極限。在一般情況下，材料強度極限與屈服極限的比值近似為2，為了安全起見，可將機架安全系數(shù)去為=（22.5）當(dāng)軋輥安全系數(shù)取為5時，機架的安全系數(shù)為1012.5。3.4機架強度計算軋鋼機機架強度和變

9、形計算，一般可采用如下步驟：將機架結(jié)構(gòu)圖簡化成為剛架，即以機架各斷面的中性軸的連線組成框架，近似的處理成直線或規(guī)整的圓弧線段，并確定求解斷面的位置；確定靜不定階數(shù)，如一般閉式機架是三次靜不定問題，需做一系列假設(shè)來簡化模型，降低靜不定階數(shù)；確定外力的大小及作用點；根據(jù)變形諧調(diào)條件，用材料力學(xué)中任一種方法（卡氏定理，莫爾積分法，圖乘法，力法等）求解靜不定力和力矩；根據(jù)計算截面的面積、慣性矩、中型軸線的位置及承載情況，求出應(yīng)力和變形。用材料力學(xué)方法計算閉式機架的強度時，為了簡化計算，一般做以下假設(shè):每片機架只在上下橫梁的中間斷面處受有垂直，而且這兩個力大小相等、方向相反，作用在同一直線上，即機架的外

10、負(fù)荷是對稱的。此時，機架沒有傾覆力矩，機架底腳不受力。應(yīng)該指出，由于兩個軋輥直徑和速度的不同、軋制速度的變化和咬入時沖擊引起的慣性力，或在張力軋制時，軋制力方向都不是垂直的。由于水平分力的數(shù)值一般都較小，約為垂直分力的34，故可以忽略不計。只有當(dāng)水平分力較大時（例如，超過垂直分力的15） ，則應(yīng)考慮水平分力的影響。機架結(jié)構(gòu)對窗口的垂直中心線是對稱的，而且不考慮由于上下橫梁慣性矩不同所引起的水平內(nèi)力。 上下橫梁和立柱交界處（轉(zhuǎn)角處）是剛性的（一般機架轉(zhuǎn)角處的剛性都是比較大的），即機架變形后，機架轉(zhuǎn)角仍保持不變。根據(jù)上述假設(shè)，機架外負(fù)載和幾何尺寸都與機架窗口垂直中心線對稱，故可將機架簡化為一個由機

11、架立柱和上下橫梁的中性軸組成的自由框架。如將此框架沿機架窗口垂直中心線剖開，則在剖開的截面上，作用著垂直力和靜不定力矩(圖3-3)。由于機架左右對稱，所以力矩可由半個機架的彈性變形位能求出。此時，截面-的轉(zhuǎn)角等于零，按卡氏定理 式中 彈性模數(shù)； 截面-與計算截面間的機架中性線長度；機架計算截面上的彎曲力矩；機架計算截面上的慣性矩。在斷面處的彎曲力矩為 圖3-3 機架計算簡圖及彎曲力矩圖式中作用于機架上的垂直力,；垂直力相對于計算截面的力臂。力矩的導(dǎo)數(shù)為=-1 將上式代入下式，并將常數(shù)E取消后，得 由公式可得，可求出為 如果機架簡化為如圖3-4所示的矩形自由框架，則式中的函數(shù)是簡單函數(shù)關(guān)系：即對

12、于機架橫梁，而對于立柱，因此，為 圖3-4 矩形自由框架彎曲力矩圖式中 機架橫梁的中性線長度,此處=3713；機架立柱的中性線長度，此處=13162.5；機架上橫梁的慣性矩，；機架立柱的慣性矩，；機架下橫梁的慣性矩,。由上式積分后，得 如果假設(shè)上下橫梁慣性矩相同，即時，則力矩為 代入數(shù)據(jù)得根據(jù)公式作力矩圖時，在立柱上的彎矩為 代入數(shù)據(jù)得 代入，則 由此可看出，減小立柱的慣性矩和增加橫梁的慣性矩可以部分的減少立柱中的彎矩.在求出力矩和后，可用以下公式進一步求解機架的應(yīng)力。 機架橫梁內(nèi)側(cè)的應(yīng)力為 代入數(shù)據(jù)得=31.57。機架橫梁外側(cè)的應(yīng)力為 代入數(shù)據(jù)得=36.28。機架立柱內(nèi)側(cè)的應(yīng)力為 代入數(shù)據(jù)得

13、=21.95。機架立柱外側(cè)的應(yīng)力為 代入數(shù)據(jù)得=21.95。式中 、分別為機架橫梁內(nèi)側(cè)和外側(cè)的斷面系數(shù)； 、分別為機架立柱內(nèi)側(cè)和外側(cè)的斷面系數(shù)；機架立柱斷面。由于機架是軋機中最貴重和最重要的零件，必須具有較大的強度儲備。一般機架的安全系數(shù)不小于10，對于ZG270500來說，許用應(yīng)力采用一下數(shù)值對于橫梁 5070對于立柱 4050可見符合設(shè)計要求。在上式中，應(yīng)力為壓縮應(yīng)力，應(yīng)力和為拉伸壓力；應(yīng)力是拉伸應(yīng)力還是壓縮應(yīng)力，需根據(jù)計算結(jié)果確定。根據(jù)力矩分配的條件，可以找到機架斷面形狀選擇的原則。常用的立柱斷面形狀有近似正方形、矩形和工字型三種。在斷面積相同的情況下，工字型斷面和矩形斷面有較大的慣性矩

14、，其抗彎能力較大。設(shè)計機架時，根據(jù)軋鋼機類型、機架受力特點以及制造條件等因素，確定機架立柱的斷面形狀。對于窄而高的閉式機架，如四輥軋機等，由于水平力作用不大，較小，而卻較大，要求較大，可選擇慣性矩較小的近似正方形斷面，實際上，一般都是選擇斷面尺寸小一些的矩形斷面。這樣一來，雖然立柱的慣性矩相對減小了，會增加橫梁的彎曲力矩，但是，在這種軋機上，立柱的高度比橫梁的長度要大得多，從立柱上節(jié)省下來的材料超過了橫梁所需要增加的材料，對于減輕機架重量是有利的。3.5機架的變形計算機架的彈性變形是由橫梁的彎曲變形和立柱的拉伸變形組成的。由于橫梁的斷面尺寸較橫梁的長度來說是較大的，在計算衡量的彎曲變形時，應(yīng)考

15、慮橫向切力的影響，即 式中 機架的彈性變形；由彎矩產(chǎn)生的橫梁彎曲變形；由切力產(chǎn)生的橫梁彎曲變形； 由拉力產(chǎn)生的立柱拉伸變形。圖3-5是由閉式機架的橫梁受力圖。根據(jù)卡氏定理，由彎矩產(chǎn)生的兩個橫梁的彎曲變形為 圖3-5閉式機架橫梁受力圖彎曲力矩及其導(dǎo)數(shù)可用以下公式表示 經(jīng)積分整理后，上式為 代入數(shù)據(jù)得。式中 機架材料的彈性模數(shù)，；橫梁的慣性矩；橫梁中性軸的長度；橫梁上的作用力，對于鋼板軋機，一般取為軋制力的一半，即。機架立柱中的力矩，。同理，由切力產(chǎn)生的兩個橫梁的彎曲變形為 剪力及其導(dǎo)數(shù)可用一下公式表示 =1 經(jīng)積分整理后，為 代入數(shù)據(jù)得。式中 機架材料的剪切彈性模數(shù)，；橫梁的斷面面積；橫梁的斷面

16、形狀系數(shù)，對于矩形斷面，系數(shù)為1.2。機架立柱的拉伸變形為 代入數(shù)據(jù)得。式中 立柱中性軸的長度； 立柱的斷面面積。求出變形、和后，可根據(jù)式5-17計算機架的彈性變形，。對于鋼板軋機，機架允許的變形為 0.51.0，符合設(shè)計要求。3.6機架的剛度計算四輥軋機工作機座的彈性變形包括軋輥系統(tǒng)、支承輥軸承、支承輥軸承座和壓下螺絲間的受壓零件、壓下螺絲和螺母、以及機架等零件的彈性變形。機座的彈性變形就等于有關(guān)零件彈性變形之和。求出機座彈性變形后，可通過以下公式求出機座的剛度系數(shù)，即 式中，機座的剛度系數(shù)；軋制力；機座的彈性變形。在成品軋機中，機座剛度系數(shù)是一個重要指標(biāo)。機座剛度系數(shù)愈大，機座剛度愈好而機

17、座彈性變形愈小，可使軋件獲得較高的尺寸精度，這對板帶軋機尤為重要。由于機座各零件尺寸大致有一定的比例關(guān)系，一般都與支承輥的直徑和輥身長度有關(guān)。因此，機座剛度系數(shù)可以近似的用支承輥直徑和輥身長度來表示。由經(jīng)驗可得工作機座剛度系數(shù)與支承輥直徑成一定的關(guān)系，且隨著支承輥直徑的增大，機座剛度系數(shù)也增大。根據(jù)經(jīng)驗對于大型寬帶鋼熱軋機=(0.350.55)，此時取=0.5×1800=900。 4.結(jié)語軋機機架是軋制設(shè)備重要的基礎(chǔ)部件，軋輥軸承座和軋輥調(diào)整裝置以及其它裝置都安裝在機架上，機架直接承受軋制力。工作時，軋制力通過軋輥軸承、軸承座、壓下螺絲及螺母傳給機架，其強度和變形直接影響設(shè)備的可靠性

18、和產(chǎn)品的軋制精度，因此機架必須有足夠的強度和剛度。本文詳細(xì)介紹了4200中厚板精軋機機架系統(tǒng)的設(shè)計過程，因為其尺寸和重量大，主要通過鑄造來完成。在機架的鑄造生產(chǎn)制造過程中，發(fā)現(xiàn)有些機架的變形較大，需要重新熱處理來矯正，延長了生產(chǎn)周期，增加了制造成本。為解決這個問題，應(yīng)采取以下措施：1.須嚴(yán)格按鑄造工藝操作，在窗口內(nèi)合理放置疏松層，增加砂型的退讓性，減小鑄件在凝固收縮時的阻力，以避免鑄件在凝固時的變形，并相應(yīng)減小了鑄件的內(nèi)應(yīng)力。2.延長鑄件的保溫時間，鑄件整體小于300時打箱落砂，并執(zhí)行切割冒口的工藝，從而避免鑄件由于急劇冷卻所造成的變形。3.機架在熱處理時合理設(shè)置附耦位置，使其記錄的溫度能夠反應(yīng)鑄件整體的受熱情況，以保證鑄件的受熱均勻，避免在熱處理過程中的變形。4.維修維護設(shè)備，以保證正常的工作需要。設(shè)計難免存在不足，在設(shè)備投入生產(chǎn)后針對出現(xiàn)的具體問題進行解決，相信設(shè)備會日臻完善。參考文獻(xiàn)1.黃華清.軋鋼機械，北京：冶金工業(yè)出版社，1979，419470.2.