高精度四辊带钢冷轧机组设计说明书_详细

太原科技大学毕业设计说明书 I 太原科技大学毕业设计说明书 II 2011 毕业设计任务 技术性能参数 ： 设计题目：高精度四辊带钢冷轧机组设计 技术参数： 工作辊直径 *辊身长： 150/ 160 * 500mm 支持辊直径 *辊身长： 380/ 400 * 400mm 辊身有效宽： 400mm 最大轧制力： 1500 KN 轧制速度： 3m/s 新辊时最大开口度 10mm 来料厚度： 2mm 来料宽度： 150 320mm 成品厚度： 0.2 0.5mm 序号 总图 装配图 1 零件图 1 零件图 2 零件图 3 1 Y 辊系装配 2 Y 机架装配 3 Y 工作辊换辊 装置装配 4 Y 张力测量装置装配 5 Y 卷筒装配 说明： 1. 按序号 1-5，每人分配一个设计任务，每个人的设计工作量为 3.5 4 个 A1。 2. 总图由大家合作完成，参考资料中有总图的参考图，两个文件，不同视图。完成后可将总图打印为 A0。 3. 装配图每人分配一个任务。完成后打印为 A1。 4. 选取装配图中主要的三个零件，绘出零件图，图幅 A2 或 A3，零件图总计工作量不小于 1 个 A1。 5. 设计画图的同时完成设计任务书。 设计人签字 ： 指导教师签字 ： 教研室主任签字： 太原科技大学毕业设计说明书 III 四辊可逆式轧机 摘 要 作为国民经济支柱的钢铁工业，其发展必须符合新型工业化的战略，把技术革新和可持续发展放在重要地位。未来的轧钢生产工艺流程将更加紧凑；达到铸-轧一体化，用高新技术改造轧钢工艺，实现所谓的“最小压缩比轧制”，这必将推动计算机控制的进一步深入应用，从而实现计算机模型控制向人工智能的转化。 本次设计任务是设计一台四辊可逆式轧机，配合 PLC 控制系统，从而实现多参数在线控制轧制，提高带钢的品质。四辊可逆式冷轧机，衔接连铸后的技术工艺，减少工艺，可实现往返可逆轧制。四辊轧机还能提供较大的轧制压力，提高软 件的可轧硬度范围，实现产品规格多样化。与 PLC 相配合使用，能人口智能控制带钢厚度偏差。实现“最小压缩比轧制”。同时降低库存，提高资金周转利用率，最终降低成本。 关键词 ：四辊轧机；最小压缩比； PLC；可逆式。 太原科技大学毕业设计说明书 IV Four high reversing mills Abstract Iron and steel industry ,as the pillar of national industry ,its developmentmust accord with stratedy of new industrilation,and put technology innovation and sustainable development on important position .Tecnological process of rolling steel production in the future will be more compact,realize integration of casting and rolling and make so-called “rolling with minimum compress rate”come true by using high-and-new technology ,which will put computer control forward and make the transforn from computer model control to antifical intelligence control. The task of this design is to design a four high reversing mills,with PLC control system ,to realize multi-parameter online control and improve quality of steel strip. Four high reversing cold-rolling mills,which links up the technology process of post-casting and reduces working procedures,can realize reversing rolling.Four high reversing mills also can provide more rolling prossure to improve the range of rollable hardness and diversify the specification of product.With the cooperation of PLC,four-high resersing mills can control hardness deviation of steel strip by artifical intelligence,and realize “rolling of minimum compress rate”,and at the same time,improve utilization ratio of capital turnover, reduce stock and cost. Key Words: four high mills； minimum compress rate； PLC； reversing. 太原科技大学毕业设计说明书 V 目 录 前 言 . - 1 - 第 1 章 轧辊的工艺计算 . - 3 - 1.1 轧辊的基本参数 . - 3 - 1.2 轧辊的材料和表面硬度 . - 5 - 1.3 轧辊的强度校核 . - 5 - 1.4 工作辊与支承辊的接触应力 . - 9 - 1.5 轧辊的变形计算 . - 10 - 1.6 工作辊与支承辊见的弹性压扁 . - 11 - 第 2 章 轧辊轴承 . - 12 - 2.1 轴承的选择 . - 12 - 2.2 轴承寿命计算 . - 12 - 2.3 轧辊轴承润滑 . - 13 - 第 3 章 压下螺丝与压下螺母的工艺参数 . - 14 - 3.1 压下螺丝的选择 . - 14 - 3.2 压下螺母的选择 . - 14 - 3.3 压下螺丝的传动力矩和压下电机功率 . - 15 - 3.4 电机的选择 . - 16 - 第 4 章 机架的工艺参数 . - 18 - 4.1 机架的主要结构参数 . - 18 - 4.2 机架的结构 . - 20 - 4.3 机架强度计算 . - 21 - 第 5 章 工作机座刚度的计算 . - 25 - 5.1 轧辊系统的弹性变形 . - 25 - 5.2 轧辊轴承的弹性变形 . - 26 - 5.3 轴承座的弹性变形 . - 27 - 5.4 压下系统的弹性变形 . - 28 - 5.5 支承辊轴承座和压下螺丝之间各零件的弹性变形 . - 30 - 5.6 压力调心板的接触变形 . - 31 - 5.7 机架的弹性变形 . - 32 - 第 6 章 轧制力矩 . - 35 - 第 7 章 减速器 . - 37 - 第 8 章 万向接轴 . - 38 - 第 9 章 电动机 . - 39 - 参考文献 . - 40 - 致谢 . - 41 - 附 录：外文资料及翻译 . - 42 - 太原科技大学毕业设计说明书 - 1 - 前 言 作为国民经济支柱之一的钢铁材料产业的发展 ，必须符合新型工业化的要求，即要求符合可持续发展，环境友好，技术创新和信息化的要求，并针对我国人口众多，就业需求大的特点适应发展劳动密集型产业，这是我国新型工业化发展道路和战略对钢铁材料产业的具体要求。 钢铁工业化在 20 世纪取得了重大发展，是钢铁材料成为全球应用的主要基础材料，其成型的主要方式 轧钢的连续化生产和控轧控冷技术是 20 世纪钢铁工业标志性的技术进步，它和氧气转炉炼钢和精炼连铸并列为推动钢铁工业技术进步的三大技术，它彻底改善了传统的钢铁生产工艺流程。 世界钢铁工业和技术的进步主 要集中在生产工艺流程的缩短和简化，近终形连铸、轧材性能高品化、品种规格多样化、控制管理计算机化，使钢铁生产转质量型的低成本的轨道上，以扩大市场，提高竞争力。 轧钢生产工艺流程将更加紧凑，并趋向于铸轧一体化生产。历经百年的，以辊轧为特点的连续变形的轧钢技术在可见的未来，仍将是钢铁工业钢材成型的主流技术，由于连续辊轧技术是连续、高效和可控的，它便于计算机等高新技术的应用，因此在计算机产业应用方面一直处于整个钢铁工业生产流程的前列。在新世纪一辊轧为特征的轧钢工艺虽然不会发生重大变革，但轧钢前后共需的衔接技术必将发生长足的进步。 热轧生产正在趋向生产薄（或小）规格的产品，以实现以热轧产品代替部分冷轧产品。在 20 世纪，由于连铸特别是近终形连铸的发展，以实现轧钢行业淘汰了初轧工序，将连铸的薄带钢直接冷轧。与此同时，炼钢技术及进步提高了钢的纯净度，近终形连铸对凝固过程和凝固组织的优化控制，使保证钢铁性能所需的最小压缩比发生了变化。研究工作进一步证明，炼钢 连铸 轧钢三者技术进步的相互影响，将实现可谓的“极限近终形连铸”加“最小压缩比轧制”的低能耗，低成本的铸轧一体化。这不仅对板材生产，而且也是棒、线、 型材生产发展的方向。 用高新技术改造传统的轧钢工业。 20 世纪轧钢技术取得重大进步的主要特征式信息技术的应用。 AGC 的广泛应用就是例证，以后的板材自动控制，中厚板太原科技大学毕业设计说明书 - 2 - 的平面形状自动控制，自由规程轧制技术等，无一不是以计算机为核心的高新技术应用的结果，先进的高精度、多参数在线综合测试技术与高响应速度的控制系统相结合，得保证了轧制生产的高精度、高速度以及生产产品的高质量。 AGC、AWC、 AFC、激光测速、棒材外形尺寸测量以及在线智能化的产品质量测量手段的问世，使轧钢生产达到了一个全新水平。 轧机的 控制已开始由计算机模型控制转向人工智能控制，并随信息技术发展，信息网络的建立，与系统科学、计算机技术相结合，轧钢工艺控制与管理相结合，实现了工业信息技术系统，将实现生产过程的优化和高品质化，同时可降低库存，提高资金周转利用率，最终降低成本。为适应近终形连铸技术，实现“最小压缩比轧制”，且提高带钢的硬度，机械性能。本轧机设计为四辊可逆式轧机。它衔接连铸后的技术工艺减少工序，可实现往返可逆轧制。四辊轧机还能提供较大的轧制力，故能提高轧件的可轧硬度扩大了轧件硬度范围，实现了产品规格的多样化。同时，与四辊可逆轧机相 配套使用的控制技术是人工智能 PLC 系统，实现了综合多参数在线测量的轧制控制，从而很好地控制带钢厚度偏差，提高产品的质量，真正实现了计算机模型控制向人工智能控制的转变。 太原科技大学毕业设计说明书 - 3 - 第 1 章 轧辊的工艺计算 轧辊时轧钢中直接轧制轧件的主要部件，轧辊直接与轧件接触，强迫轧件发生塑性变形。轧辊的种类很多，根据不同轧机的工艺条件正确选择轧辊对轧机的生产率、产品品种质量等都有重要影响。 1.1 轧辊的基本参数 D 轧辊的直径 L 轧辊长度 d 辊颈直径 l 辊颈长度 工作辊： 根据 2pRh 其中： R 轧辊辊身的半径 h 压下量 p 摩擦系数 即有 2phR 在没有润滑条件下冷轧带钢： 18.0p 取 2.0p 8.12.02 h 则 452.08.12 R 即 901 D 考虑到工作辊所受的冲击载荷及减小刚度变形，控制板形， 太原科技大学毕业设计说明书 - 4 - 取 mmD 1601 根据 aBL max 式中： maxB 板带的最大轧制宽度 a 视板宽而定的系数 当 mmB 200max 时，取 mma 2 0 01 0 0 由于 320max B 故取 mma 180 所以 mmL 5 0 01 8 03 2 0 支承辊 ： 对于支承辊传动的四辊轧机： 5.32.212 DD 取 5.212 DD 即有： mmDD 4 0 05.212 辊颈 ： 辊颈是轧辊的支承部分，轧辊依靠辊身两侧的滚几难过支承在轴承上。使用滚动轴承 时： Dd 55.05.0 考虑到工作辊辊颈处强度，取 mmDd 8855.01 取 mmd 901 考虑到支承辊传动，还要收扭转力矩。 故取 : mmDd 22055.022 最大重车率 ： 根据文献 2： 工作辊最大重车率： 3%6% 取 6% 支承辊最大重车率： 10% 太原科技大学毕业设计说明书 - 5 - 辊颈长度考虑到轴承的安装配合，尺寸如下图： 1.2 轧辊的材料和表面硬度 材料 根据文献 2,选用合金锻钢，在我国“重型机械标准”中已有规定， JB/2Q4289 86 标准中列出了热冷轧机轧辊用钢，选用 MoCr 29 合金锻钢，材料的机械性能好，强度和硬度高作为轧辊这一重要部件，其要求高，故选用合金锻钢。 辊面硬度 ： 根据文献【 3】 对于工作辊： 95Hs ，其其淬硬度深度必须大于 6mm 辊颈硬度范围： Hs5030 取： Hs40 1.3 轧辊的强度校核 四辊轧机有两个工作辊（直径小）和两个支承辊（直径大），轧制压力由工太原科技大学毕业设计说明书 - 6 - 作辊传到支承辊，再由支承辊轴承座传给机架。由于支承辊具有较大的刚性，其直径为工作辊的几倍，故抗弯断面系数比工作辊大得多。辊系在轧制过程中将产生弯曲变形。 如果工作辊和支承辊的辊身同时为圆柱形，又都以相同的弯曲率弯曲，工作辊及支承辊的弯曲挠度为： 411 DPRf ww 421 DPRf BB 式中： 1R 比例系数 因为Bw ff ，则轧辊的弯曲力矩与作用在轧辊上的载荷承正比： 212 )(DDPPMMWBWWWB 式中：WWM、WBM 工作辊和支承辊的弯矩 1D、2D 工作辊和支承辊的直径 WP、BP 工作辊和支承辊的作用力 因为：BW PPP 所以：421 )(11DDPP W 因为总轧制力 : KNP 1500 即有： KNPW 4 4 1 5.375.211 5 0 04 KNPPPWB 5 5 8 5.1 4 6 24 4 1 5.371 5 0 0 %5.97%1 0 0% PPP BB 太原科技大学毕业设计说明书 - 7 - %5.2%5.971% WP 由以上数据可以看出 2.5%的轧制力作用在工作辊上，使之产生变形，而其余约 97.5%的轧制力作用在支承辊上。由于轧制力绝大部分由支承辊承担，在计算支承辊时，通常按承受全 部的轧制力的情况考虑。 对于支承辊： 四辊轧机支承辊计算简图 WM的分布 W的分布 3 3 2 2 1 1 C1 C2 L lo 太原科技大学毕业设计说明书 - 8 - 支承辊的弯曲力矩和弯曲应力分布见上图，在辊颈 1-1 断面和 2-2 断面的弯曲应力均满足强度条件： bRMP adPC 48.772.0 311111 bRMP adPC 1.592.0 322222 支承辊 辊身中部 3-3断面处弯矩是最大的，若认为轴承反力距离 l 等于压下螺丝中心距 l，而且把工作辊对支承辊的压力简化成均不载荷，可得 3-3断面 的弯矩表达式： mKNLlPMW 25.1 9 1)84( 支承辊的扭转力矩 mKNCPT 3.1 1 62 所以得： bW RMP aWTM 4.1382233 式中 ： P 总轧制力 11d 1-1 断面直径， mmd 22011 22d 2-2 断面直径， mmd 27022 1C、2C 1-1 和 2-2 断面到支反力2P 处的距离 mmC 1101 mmC 1552 考 虑轧辊磨损重车后的工作尺寸，取 mmD 3 2 0%)201(4 0 02 对于合金锻钢 9Cr2Mo，当强度极限 M P ab 7 5 07 0 0时 太原科技大学毕业设计说明书 - 9 - 许用应力 M P aRB 1 5 01 4 0 所以，11、22、33均小于bR 即可知支承辊是安全的。 对于工作辊 ： 如同支承辊，可有 BW RMP adCP 45.72.0 311111 bW RM P adCP 15.32.0 322222 boW RMP allDP 01.13)2(4.0 31233 其中： 12D是1D经过重车后的最小直径，重车为 6%， 即有： 8.1 4 0%)621(1 6 012 D 故：可知工作辊是安全的。 1.4 工作辊与支承辊的接触应力 根据文献【 3】 Hertz 理论：两个圆柱体在接触区内产生局部的弹 性压扁，存在呈半椭圆性分布的压应力，半径方向产生的法向正应力在接触面的中部最大。 21212212121221m ax)()()()(22rrKKrrqDDKKDDqbq 其中： q 加载接触表面单位长度的负载 太原科技大学毕业设计说明书 - 10 - 5.374001 5 0 0 LPq 1r、2r 相对接触的两轧辊半径 考虑重车率： mmr 4.701 mmr 1802 1K、2K 与轧辊材料有关的系数 ErKK2211 其中： r 为泊松比， 3.0r E 为材料弹性模数， M P aE 3102 1 0 带入数据计算得： M P a42.2 2 3 7m a x 根据文献【 3】，轧辊材料表面硬度 8095HS 所以， M P a2 4 0 0 ， M P a7 3 0 为保证轧辊不产生疲劳破坏： 680304.0m a x( m ax )45 M P ao 所以，轧辊接触应力满足，辊面是安全的。 1.5 轧辊的变形计算 支承辊的变形计算 434421 10256.1644.064 mDI 97.10)2 2 04 0 0()( 442121 DDII 太原科技大学毕业设计说明书 - 11 - mmIIcLaLaEIPf1 3 5 2 3 3.0)1(64483 8 4 21332311 mmdDcLaDGPf0 5 7.01)(22 222222 其中： mma 710 mmL 400 mmc 155 5101.2 E PaG 4101.8 故有支承辊在辊身中部的变形： mmfff 1 9 2 2 3 3.021 因此，挠度对班后的影响较小。 1.6 工作辊与支承辊见的弹性压扁 如果把支承辊与工作辊见的弹性压扁看作是两个圆柱体的接触变形，并假设其压力分布均匀，则根据赫兹订立可推出工作辊与支承辊见的压扁公式： )()(04.3ln)(21212 KKqDDKKq bW 其中：WD、bD 工作辊、支承辊的直径 q 作用在工作辊辊身的单位负荷 1K、2K 与轧辊材料 有关的系数 故有： mm0 3 9 6.0101.282.14 0 0101 5 0 0)4 0 01 6 0(04.3ln101.282.14 0 0101 5 0 053532 太原科技大学毕业设计说明书 - 12 - 第 2 章 轧辊轴承 2.1 轴承的选择 轧辊轴承是轧机工作几座中的重要部件。轧辊轴承的主要类型是滚动轴承和滑动轴承，本设计采用滚动轴承。 工作辊 两端采用两列滚针轴承（ NA4917）以承受径向载荷并在辊子两头分别用一推力球轴承（ 51114）以承受轴向载荷。 支承辊 两端采用三个单向推力球轴承（ 51244）以承受径向载荷，辊子两头用四点接触球轴承（ QJ1040）以承受轴向分力。 2.2 轴承寿命 计算 )(6010 6PcnL h 其中： c 轴承而定动载荷 N p 当量动载荷 N n 轴承的转速 寿命指数 球轴承 3 辊子轴承310 根据轧制速度 m in/60 mv ，可推算轴承转速： 2211 nDnDv 其中：1D 工作辊直径 2D 支承辊 直径 1n 工作辊转速 2n 支承辊转速 太原科技大学毕业设计说明书 - 13 - 代入数据得： sr a dn /97.51 6 03 0 0 01 sradn /39.22 工作辊： KNP 23.14246.28 hLh 2 7 0 7 6 0 2)23.141 1 2(97.56010 31061 满足安全条件，设计可用。 支承辊： KNP 75021500 hLh 4 1 5 8 0)7 5 01 3 6 0(39.26010 362 满足安全条件 ，设计可用。 2.3 轧辊轴承润滑 工作辊：全部采用脂润滑 支承辊：轴向轴承采用脂润滑 径向轴承采用油润滑 太原科技大学毕业设计说明书 - 14 - 第 3 章 压下螺丝与压下螺母的工艺参数 3.1 压下螺丝的选择 压下螺丝一般由头部、本体和为不三部分组成。头部与支承辊轴承座直接接触，承受来自辊颈的压力和上辊平衡装置过平衡力，为了防止端部在旋转时的磨损，病逝轧辊轴承有自动的调位移力，此时头部采用球面垫片，这样增加工作的可靠性，亦可减少带钢压下时的压下电动机功率，增加了启动的加速度。 压下 螺丝本体部分带有螺纹，与压下螺母内螺纹配合以传动和载荷。本设计根据传动效率快速压下的特点，选用锯形螺纹，因为只有轧制力特别大，压下精度又要求高的冷轧板带轧机上才采用梯形螺纹。 压下螺丝尾部是传动端，承受来自电动机的传动力矩，尾部呈花键形，它承受能力大没强度较弱，压下螺丝基本参数是螺纹部分直径 d 和螺距 t 。根据计算选用 mmtmmd 6,130 ，由于压下螺丝直径由最大轧制力确定，其螺丝细长比很小，其纵向弯曲可忽略不计。压下螺丝最大截面直径 d 由下式确定： gdd )62.55.0( 式中： d 压下螺丝外径 gd 辊颈直径 mmd4.136121220)62.055.0( 取： mmd 130 按自锁条件 302 o ，则 dt )14.012.0( 对于板带精轧机座的要求 o1 则 mmdt 21.21 3 00 1 7.00 1 7.0 选 mmt 6 3.2 压下螺母的选择 压下螺母是轧钢机机座中重量的易损零件，通常用贵重的高强度青铜或黄太原科技大学毕业设计说明书 - 15 - 铜铸成。本设计选用整体螺母。如图，虽然它耗费青铜较多，但却具有加工自造简单，工作可靠的有点，正 是本设计轧机需要的保证。 经验公式： mmdH 2 6 01 5 6)0.22.1(0 取：高度 mmH 180 mmdD 2 3 41 9 5)8.15.1( 取： mmD 220 为了便于彩妆，螺母与机架镗孔的配合常采用动配合，并采用压板装置，压板嵌在螺母与机架的凹槽内，用双头螺柱，使螺母固定在机架的镗孔内，压下螺母，采用干油润滑。 3.3 压下螺丝的传动力矩和压下电机功率 转动压下螺丝所需要的静力矩，也就是压下螺丝的阻力矩，它包括止推轴承的摩擦力矩和螺纹的摩擦力矩 。 即 )(2211 tgdPMM 式中：2d 螺纹中经 mmtdd 5.125675.013075.02 螺纹上的摩擦角，即：2 arctg ，2为螺纹接触的摩擦太原科技大学毕业设计说明书 - 16 - 系数，一般取 1.02 。 故 o67.5 螺纹升角，压下时用正号，提升时用负号 mmdt 01.01 3 06 1P 作用在一个压下螺丝上的力 1M 轴承阻力矩 mmkgPddPM332212108.46)01.067.5ta n (5.1 2 5101 5 041)ta n (41)ta n (2 33111dPM 3d 压下螺丝止推轴颈直径 01.01 21 PP mmd 1303 代入公式： mmkgM 31 105.32 mmkgMMM 3.7921 3.4 电机的选择 根据压下螺丝，预选电机型号 Z2-92,其而定功率为 75KW，传动比25601500 i 。 电机工作功率为： NeKWiMnN 5.419 5 5 0 太原科技大学毕业设计说明书 - 17 - 所以此电机 选择合理。 太原科技大学毕业设计说明书 - 18 - 第 4 章 机架的工艺参数 轧钢机架是轧机的重要部件，其尺寸和重量最大，机牌坊约为机架重量的70%80%，为工作机座重量得 30%40%，为轧机主机列重量的 20 25%，轧辊轴承座及轧辊调整装置都安装在机架上。机架要承受轧制力，所以，要有足够的强度和刚度。 根据轧钢机型式和工作要求，轧钢机架分为闭式和开式两种 ，本设计机架采用闭式机架。结构如图： 4.1 机架的主要结构参数 机架的主要结构参数是窗口高度、宽度和断面尺寸。在闭式机架中机架窗口应稍大于轧辊最大直径，以便于换辊。四辊轧机机架窗口宽度应比传动侧窗口宽mm105 可表示为： SBB 22 其中： B 机架窗口宽度 2B 支承辊轴承座宽度 太原科技大学毕业设计说明书 - 19 - S 窗口滑板厚度 一般取 S 5040 取 mmS 25 则有： mmB 490 ， 换辊侧 mmB 500 225.1400490 DB 15.1 符合安全要求。 窗口高度 H : 对于四辊轧机， )(5.36.2(BW DDH )4 0 01 6 0)(5.36.2( 19601456 取 mmH 1500 断面尺寸： 机架立柱断面尺寸是根据强度条件确定的，由于作用于轧辊辊颈和机架立柱上的力相同，而辊颈强度近似地与直径平方有关。在设计时，可根据比值 )(2dF的经验数据确定机架立柱断面面积，在进行机架强度验算。 根据文献 2，表 5 1 铬钢的四辊轧机： 6.12.12 dF 其中 辊颈 mmd 220 故有： 7 7 4 4 05 8 0 8 0F 机架立柱常用的断面形状有近正方形，矩形和工字形三种。闭式机架采用惯性矩较大的工字形或矩形断面立柱，可以减小横梁上承受的弯曲力矩。使横梁断面尺寸减小。对于四辊轧机用窄而高的闭式机架，在水平作用力不大时，机架立柱采用近正方形较为合理。虽 然，近正方形断面的惯性矩小，会增加横梁的弯曲力矩，但是立柱的弯曲力矩也相应减小。在这种轧机上，由于立柱高度大于横梁太原科技大学毕业设计说明书 - 20 - 的长度，已从立柱省下来的材料将超过横梁所需的材料，对于减轻机架重量还是 有利的，机架立柱断面尺寸对机架的刚度影响较大。在现代板带轧机设计中，为提高轧件的轧制精度，有逐渐加大立柱断面尺寸的趋势。 故取： mmF 2 4 02 6 06 2 4 0 0 考虑到窗口面产生的弯曲变形大 故取： mmB 240 mmL 240 4.2 机架的结构 两片机架上部，通过箱形横梁用螺栓连接，并用键定位，下部靠两根横梁通过螺栓连接。 在换辊端的机架立柱上装有支承辊和工作辊轴向压紧装置。为实现快速换辊，要求均采用液压装置，且能提高板形的板厚质量。 为防止立柱内表面磨损，装有用 45 号钢制成的滑板，机架窗口镶嵌工作辊平衡液压凸块，该凸块选用较好的材料（耐压），机架顶部装 有上支撑辊平衡缸。 牌坊地脚装入地脚板凹口内，在凹口两侧用斜楔将轧机牌坊地脚紧固，轧机地脚螺丝穿过地脚板与轧机牌坊紧固，以增加机架刚性和稳定性。地脚板为厚钢板焊接结构。 机架材料为： 352G ， 机械性能： M P ab 500 M P as 2 8 0 %15 21 /35 mmmNk 每片机架重量约为 15 吨。 机架的左右牌坊加工要求特别高，其内侧面的加工，必须保证在同一平面内，即要求，先联接左右机架，再在同一工序中加工平面。内表面的滑板加工，先紧定滑板，而后加工。具体加工方法由生产单位采用，需保证要求。 太原科技大学毕业设计说明书 - 21 - 4.3 机架强度计算 用材料力学方法计算时，为简化计算，一 般做以下假设： (1)每片机架只在上下横梁的中间断面处受有垂直力 R，而且这两个力大小相等，方向相反，作用在同一直线上，即机架的外载荷是对称的。此时，机架没有倾翻力矩，机架座脚不受力。应指出：由于两个轧辊直径和速度的不同，轧制速度的变化和咬入时冲击引起的惯性力或在张力轧制方向都不垂直的。由于水平分力的数值一般较小，约为垂直分力的 3% 4%，故可忽略不计。 （ 2）机架结构对窗口的垂直中心线是对称的，而且不考虑，由于 上下横梁惯性矩不同引起的水平内力。 （ 3）上下横梁和立柱交界处（转角处） 是刚性的，即机架变形机 架转角仍保持不变。机架的计算简图如下： 窗口尺寸： mmH 1500 ， mmB 500 I-I、 II-II、 III-III 为上横梁、立柱和下横梁的危险断面。机架强度计算在只考虑轧制力作用，且上下横梁惯性相等情况下进行的。 太原科技大学毕业设计说明书 - 22 - 在轧制力 F 作用下的机架弯矩图 M 在单位力矩作用下的弯矩图 M11 3322113322111122444IlIlIlIlIlIlRlM =21121118IlIlRl 其中： 1l机架横梁的中性线长度， 1l mm680 2l 机架立柱的中性线长度，2l mm1840 1I 机架上横梁的惯性矩 2I 机架立柱的惯性矩 3I机架下横梁的惯性矩 R 作用于机架上的重直力， NPR 3107 5 02 48332 10995.21224026012 mmbhI 483331 108 6 0 8.7123 4 02 4 012 mmhbII 太原科技大学毕业设计说明书 - 23 - 363231 100.563 4 02 6 06 mmhbWW 522 1025.146 bhW 则有： 6 0 047.11 8 4 08 6 0 8.71186 8 0107 8 0 3BM = mmN 6106 5 6.11 BA MlRM 41 = 63 10656.11468010750 = mmN 6105 4 3.1 8 7 机架横梁内侧的应力1n为： M P aWM An 5 0 8.371 机架横梁外侧的应力1为： M P aWM A 5 0 8.371 机架立柱 内侧的应力： 222 2 WMFR Bn 5631025.14106 5 6.116 2 4 0 02107 5 0 M P a6 2 5.16 机架材料的强度极限 太原科技大学毕业设计说明书 - 24 - M P a5 0 02 为防止机架在过载时破坏，在轧辊断裂时机架不产生塑性变形，按此要求，机架的安全系数jnsbgn ,gn为轧辊的安全系数。 当gn5 时， jn 330.13508.375001 b 对于立柱： jn 30625.165002 b 故，机架安全系数满足，所以机架是安全的。 太原科技大学毕业设计说明书 - 25 - 第 5 章 工作机座刚度的计算 在设计新轧机时，需要从理论上计算工作机座各承载零件的弹性 变形，以便为板厚自动控制系统提供轧机刚度系数和正确选用各零件变形的比例关系，计算一般按静态状态考虑。 在轧制过程中，轧机工作机座各零件变形，使辊缝发生变化，因而轧出的板厚也发生变化。轧机工作机座的弹性变形 f 等于各系列零件弹性变形的总和，则有公式： 7654321 ffffffff 其中：1f 轧辊系统的弹性变形 2f 轧辊轴承的弹性变形 3f 轴承座的弹性变形 4f 压下系统的弹性变形 5f 支撑 辊轴承和压下螺丝之间各零件的弹性变形 6f 压力调心板的接触变形 7f 机架的弹性变形 5.1 轧辊系统的弹性变形 )(2 1312111 ffff 其中：11f 支承辊辊身中部的弯曲变形 12f 支承辊与工作辊间弹性压扁 13f 工作辊与轧件之间的弹性压扁 因为：前面算过11f,12f mmf 1 9 2 2 3 3.011 , mmf 047.012 太原科技大学毕业设计说明书 - 26 - )6 1 2.0( ln41013 bDmbPf g 其中： P 轧制力， KNP 1500 0b 轧制宽度， mmb 3200 ； gD 工作辊辊径， mmDg 160； m 工作辊材料的弹性系数，ggEm 1 其中：gE 工作辊材料的弹性模数； gu 工作辊材料的泊松比。 bPmDb zg81 M P aE g 5101.2 3.0gu 263.0m Nmm /10 24 代入数据得： mmf 2625.013 综合计算得： mmf 5 2 2 7.01 5.2 轧辊轴承的弹性变形 四辊轧机工作辊受力很小，大体上是支承辊受轧制力，故忽略工作辊轴承弹性形变 ，当支承辊采用滚动轴承时，在轴承没有外负荷情况下，轴承的内外座圈的中心线重合。轧制时，轴承内座圈与滚动体间以及外座圈与滚动体间都产生弹性压扁。使内外座圈的中心线产生偏移 12 ，此时，对于整个工作机座，支承辊太原科技大学毕业设计说明书 - 27 - 的弹性为： 9.09.08.0122 )c o s04.2(1c o s0 0 1 2.02 Pizlf g 其中： 滚子的接触角， 0 ； gl 滚子的有效接触长度， 16gl； i 轴承中滚子的列数， 4i ； Z 每列滚子数量， 24Z ； P 轧制力， KNP 750 。 代入计算得： mmf 0 0 1 6 5.02 5.3 轴承座的弹性变形 对于四辊轧机，只需要计算支承辊轴承的弹性变形。由于结构复杂，只能近似计算。如图，在计算时，可将受力部分简化成一个四棱柱体，其压缩变形量可按下式计算： XxsjEFRhEFRhf 3 其中： R 作用在轴承上的力， R =2P ； jh 上轴承座变形部分的计算高度 mmhhh j 1 6 5551 1 02 21 xh 下轴承座变形部分的计算高度 mmhh jx 1 6 5 SF 一侧上轴承座变形的平均面积 太原科技大学毕业设计说明书 - 28 - 221 3 8 4 0 0 02 4 01 6 0 0)(21 mmbllbbFS XF 一侧轴承变形部分平均面积 24 3 2 0 0240180 mmF X b 轴承座变形计算宽度 mmb 160 E 轴承材料的弹性模量 M P aE 2101.2 代入数据得： XXSjEFRhEFRhf 3 4 3 2 0 0101.21 6 5107 5 03 8 4 0 0 0101.21 6 5107 5 05353 mm0 1 5 1 7 5.0 5.4 压下系统的弹性变形 对于压下装置是发动机的，影响轧辊缝的弹性变形，包括三部分： 4342414 ffff 其中 :41f 压下螺丝的压缩部分； 42f 压下螺母的压缩变形； 43f 螺纹螺牙的弯曲变形。 压下装置的受力情况见上图所示，在压下螺丝端部承受着一半的轧制力后，其负载通过螺丝传递到螺母上去。实验证明，螺母每转一圈，所传递的力是不同，第一圈最大，以后逐渐减小，沿螺母高度方向的受力，压下螺丝与螺母啮合段的受力由下端的全负荷逐渐降到零。 太原科技大学毕业设计说明书 - 29 - 1） 下螺丝的压缩变形41f )22( 2221241PPPSZdldldhEPf 其中：ZP 轧制力， KNPZ 1500； SE 压下螺丝端部无螺纹部分长度， M P aES 5101.2 ； h 螺母高度， mmh 160 ； 2l 压下螺丝端部无螺纹部分长度， mml 212 ； 1l 压下螺丝螺纹部分最大伸出部分长度， mml 1401 ； Pd 压下螺丝平均直径， mmdP 110； 2d 压 下螺丝无螺纹部分直径， mmd 1052 。 代入数据计算得： mmf 145.041 2） 压下螺母的压缩变形42f )(4)(14 222242 PmZPmZDDEhPDDEhPf 其中： ZP 轧制力； mE 压下螺母材料的弹性模量； D 压下螺母的外径； PD 压下螺丝平均值； h 螺母的高度。 压下螺母选用耐磨的青铜： M P aEm 5102.1 太原科技大学毕业设计说明书 - 30 - )1 1 01 9 0(102.11 6 01 5 0 0 0 0 022542 f mm0348.0 3） 压下螺母螺牙的弯曲变形43f hEdSPfPZ822.043 其中：ZP 轧制力； S 螺距， mmS 55 ； Pd螺纹中径， mmdP 110； h 螺母高度； E 压下螺母弹性模量； G 压下螺母剪切模量， M P aEG 3106.738.0 。 则有： mmf 0 4 3 6.01 6 01 1 0102.1551 5 0 0 0 0 08 2 2.0543 故有：4342414 ffff 0 4 3 6.00 3 4 8.01 4 5.0 mm2234.0 5.5 支承辊轴承座和压下螺丝之间各零件的弹性变形 在支承辊轴承座和压下螺丝之间还有垫板、止推球面等零件，它们也产生弹性变形。 各垫板的压缩变形，根据胡克定律得： EFhPf Z25 其中：ZP 轧制力； 太原科技大学毕业设计说明书 - 31 - h 垫板的受压高度； E 垫板材料的弹性模量； F 垫板的受力面积。 1） 只退点的压缩变形51f 材料采用青铜： M P aE 5101.1 则： mmf 0 4 2.041 0 01011250101 5 0 025351 2） 上垫块的压缩变形52f 材料选用合金钢 Cr40 ，厚 mmh 25 mmf 0 0 7 2.0100101.22 251 5 0 0 0 0 0 2552 3)调心垫的压缩变形53f 材料选用 Cr40 ， mmf 0082.0200140101.22 701 5 0 0 0 0 0 553 则垫板的总变形为： 5352515 ffff 0 0 8 2.00 0 7 2.00 4 2.0 mm0574.0 5.6 压力调心板的接触变形 为解决轧辊轴承座的自位调心问题，下轴承座下面有一块圆弧形的压力 调心垫，以压力调心垫与下垫板是圆弧与平面的线接触，其接触变形6f为 太原科技大学毕业设计说明书 - 32 - )ln8 8 6 4.1()1(43326 blEPf 其中：3l 调心垫板的长度； 3b 调心垫压扁接触宽度，EPRb 20312.3 ； P 压力垫板单位长度承受的压力，32lPP Z ； ZP 轧制压力； 0R 压力调心板的 圆弧半径。 调心板材料同为 Cr40 ，则： )101.23.013 5 0101 5 0 02.31 8 0ln8 8 6 4.1(101.23 5 0)3.01(101 5 0 045235236f mm228.0 压力调心板还受到上支撑辊和工作辊自重产生的压力弹性变形，由于相比轧制力很小，故在此忽略不计。 5.7 机架的弹性变形 7372717 ffff 其中：71f 由弯矩产生的横梁弯曲变形； 72f 由切力产生的横梁弯曲变形； 73f 由拉力产生的立柱拉伸变形。 为了简化计算，假定机架上、下横梁的惯性矩相同，（机架的假设同前），由横梁受力可见，弯曲力矩引起的横梁变 形71f，根据卡氏定理得： 太原科技大学毕业设计说明书 - 33 - )424( 112171BMRlEIlf 其中： E 机架材料的弹性模数； 1I 横梁的惯性矩； R 横梁上的作用力，2PR ； BM 机架立柱中的力矩。 则有： mmMRlEIlf B 198.0)424( 112171 横切力引起的上下横梁的弯曲变形72f： 172 2 GFRhKf 其中： K 横梁的断面形状系数， 2.1K ； G 机架材料的剪切弹性模数， M P aG 41035.7 ； F 横梁的断面积， 24107 mmF ； R 横梁上的作用力。 代入数据计算得： mmf 182.072 由拉力产生的立柱拉伸变形73f： 2273 2 EFRlf 其中：2l 立柱中性轴的长度， mml 14002 ； 太原科技大学毕业设计说明书 - 34 - 2F 立柱断面积， 242 104.4 mmF ； E 机架材料弹性模量， M P aE 51075.1 ； R 立柱上的拉力， KNR 763 。 代入数据得： mmf 0732.073 则： mmffff 4 5 3 2.07372717 则机座的弹性变形 f ： 7654321 ffffffff 4 5 3 2.02 2 8.00 5 7 4.02 2 3 4.00 1 5 1 7 5.00 0 1 6 5.05 2 2 7.0 mm5 0 1 5 2 5.1 工作机架的 刚度系数计算： mmKNfPC /5 1 3 其中： P 轧制力； f 工作机座的弹性变形量， mmf 5 0 1 5 2 5.1 。 太原科技大学毕业设计说明书 - 35 - 第 6 章 轧制力矩 根据文献【 3】，表 2-4 过轧制压力作用点与轧 辊中心连线的夹角 ： 其中： 轧件咬入角， 4 2 5.101Rh ； 力臂系数，冷轧带钢取 4.0 。 则： 17.4 张力轧制时轧制压力偏离垂直方向的角度 ：、 PTTa rc201 其中： P 轧制压力， tP 150 ； 1T 前张力， tT 71 ； 0T 后张力， tT 30 。 则： 764.0201PTTa r c 支承辊对工作辊的反作用力SP的作用与工作辊和支承辊连线间的夹角 c o s)(s inc o s)s in (a r c ta n111RPmR 其中：1R 工作辊半径， mmR 801 ； m 滚动摩擦力臂系数， mmm 2.0 ； 1 工作辊轴承摩擦圆半径， mm5.281 。 代入数据 计算得 : 07466.5 太原科技大学毕业设计说明书 - 36 - 支承辊对工作辊的作用力 SP： KNPP S 8.1 5 0 5c o sc o s 工作辊轴承处的压反力（摩擦力） fP： KNPP f 113)s i nc o s(t a n 轧制压力力臂 a ： 7 5 3.4)s in (1 Ra 作用力 P 对于支承辊的力臂 S ： 2 c o ss i n mRS 其中：2R 支承辊半径。 代入数据计算得： mmS 8 8 9 9 5.17 作用力SP对工作辊的力臂 S ： mmmRS 8 7 7 1.6c o ss in 1 则传动力矩 1KM： mKNSPM SK 7 2 4 6.1 8 4)( 2 1 驱动 2个支承辊的传动力矩 KM： mKNMM KK 4 4 9 2.3 6 92 1 太原科技大学毕业设计说明书 - 37