900四辊可逆冷轧机压下规程设计及机架设计与分析

1200四辊可逆冷轧机压下规程设计及机架设计与分析 学 院：机械工程学院 班 级： 09级轧钢 2 班 组 员：岳猛超 付振冲 张 刚 廉 慧 祁福亮 指导教师：许秀梅 王健 燕山大学专业综合训练（论文）任务书 院（系）： 机械工程学院 基层教学单位：冶金系 小组成员 廉慧、祁福亮、张刚、付振冲、岳猛超 设计题目 1200四辊可逆冷轧机压下规程设计及机架设计与分析 设 计 技 术 参 数 1、原料： 2.5-4.2mm1 050mm；产品： 0.6 0.91 050； 材质： Q235、 Q195、 08F、 35 2、 轧制 速度 v=8m/s； 3、开卷机最大张力 6吨，卷取机最大张力 35吨 设 计 要 求 1、制定轧制规程： 计算道次压下量，压下率，轧制力，轧制力矩； 2、 根据要求画机架三维图，并对机架进行有限元分析； 3、给出机架的工程图 工 作 量 1、 完成 工程图至少 1张； 2、完成设计计算说明书 包括有限元分析报告 ； 3、查阅文献 5篇以上。 工 作 计 划 1、 2012.11.26 准 备参考资料； 2、 2012.11.27 12.10 计算；画草图； 3、 2012.12.10 中期检查； 4、 2012.12.10 2012.12.19 画三维图，出工程图，分析，写说明书； 5、 2012.12.20 2012.12.21 考核答辩； 参 考 资 料 1、王海文主编 轧钢机械设计 机械工业出版社 1986.6 2、王廷溥主编 金属塑性加工学 冶金工业出版社 1988.5 3、机械设计手册 机械工业出版社 2002. 4、曹鸿德 主编塑性变形力学基础与轧制原理 机械工业出版社 5、刘相华等著轧制参数计算模型及其应用 化学工业出版社 2007 指导教师 许秀梅 王健 基层教学单位主任 （签字） 一 、 原料及设计技术参数 1.1、 原料： 08F 来料尺寸 4.2mm 1050mm 成品尺寸 0.6mm 1050mm Q235 来料尺寸 4.2mm 1050mm 成品尺寸 0.6mm 1050mm Q195 来料尺寸 3.5mm 1050mm 成品尺寸 0.65mm 1050mm 1.2、 成品出口速度 v=8m/s。 1.3、 开卷机最大张力 6吨，卷取机最大张力 35吨。 二 、 轧辊尺寸的预设定 设计课题为“ 1200 四辊可逆冷轧机压下规程设计及机架设计与分析 ”，则工作辊的辊身长度 L=1200mm，辊身长度确定后即可根据经验比例值法确定轧辊直径，冷轧板带轧机 1L / 2 .3 3.0D 常用比值为 2.5 2.9 ； 2L / 0 .8 1.8 ,D 常用比值为 0.9 1.4 ； 21/ 2 . 3 3 . 5 ,DD 常用比值为 2.5 2.9 ； 对于支撑辊传动的四辊轧机，一般取 21/ 3 4 ,DD 其中 L为辊身长度，1D为工作辊直径，2D为支承辊直径。 取 L/1D=2.5，12/ 3,DD L=1200mm , 1D=480mm , 2D =1440mm 三 、 压下规程制定 3.1、 压下规程制定的原则及要求 压下规程设计的主要任务是确定由一定来料厚度的板坯经过几个道次后轧制成为用户所需求的，满足用户要求的板带产品。在此过程中确定所需采用 的轧制方法，轧制道次及每个道次压下量的大小，在操作上就是要确定各道次辊缝的位置和转速。因此，还要涉及到各道次的轧制速度，轧制温度，前后张力及道次压下量的合理分配。在此过程中，主要考虑设备能力和产品质量，设备能力主要包括咬入条件，轧辊强度和电机功率三个要素，而产品质量主要包括几何精度和力学性能。 压下规程制定的原则：在考虑轧件塑性条件并保证产品质量的前提下，充分发挥轧机的设备生产能力，达到优质高产。 对于单机架可逆式冷轧机，第一道次应考虑到来料尺寸误差，预留一定的轧制能力，末道次考虑板型和表面质量，应给与较小的压下量，其余道次可采用等功率原则分配压下量。 3.2、 压下规程预设定 =010hhh =0hh 11 hH Rh21ar cco s ：压下率 ：累计压下率 H ：原料原始厚度 mm 0h：轧前 厚度 mm 1h：轧后厚度 mm h : 绝对压下量 mm ： 咬入角， rad R :轧辊半径， mm 初步制定压下规程： 表一 08F 轧制道次 n 1 2 3 4 5 6 7 轧前厚度0h(mm) 轧后厚度1h(mm) 压下量h (mm) 压下率 累计压下率 咬入角 /rad 表二 Q235 轧制道次 n 1 2 3 4 5 6 7 轧前厚度0h(mm) 轧后厚度1h(mm) 压下量h (mm) 压下率 累计压下率 咬入角 /rad 表三 Q195 轧制道次 n 1 2 3 4 5 6 7 轧前厚度0h(mm) 轧后厚度1h(mm) 压下量h (mm) 压下率 累计压下率 咬入角 /rad 四 、 轧制力能参数计算 4.1、 变形抗力计算 物体有保持其原有形状而抵抗变形的能力，度量物体的这种抵抗变形能力的力学指标，我们定义为塑形变形抗力。 变形抗力计算公式如下： 08F 0 . 62 2 5 . 4 3 3 9s Q235 0 . 5 6 88 8 . 7 5 ( 6 9 3 9 8 . 4 3 6 6 6 9 . 4 2 )s Q195 0 . 2 0 68 4 2 . 2 ( 0 . 0 1 1 4 )s 其中 为累计压下率 计算得各种轧件轧制时各道次的变形抗力如下（单位 Mpa） 道次 1 2 3 4 5 6 7 08F Q235 Q195 4.2、 前后张力计算 本次设计的轧机采用张力轧制，其开卷机最大张 力 6 吨，卷取机最大张力35吨。 根据经验取其前后张力 T hb 2 s( 0 . 3 3 0 . 1 4 0 . 0 2 )hh h :轧件厚度， mm b ：轧件宽度 计算时，根据前张力计算，然后取21( ) 0 . 2后 张 应 力 （ 前 张 应 力 ） 计算结果如下 08F 轧制道次 n 1 2 3 4 5 6 7 1/Mpa 1T/KN 2/Mpa 2T/KN Q235 轧制道次 n 1 2 3 4 5 6 7 1/Mpa 1T/KN 2/Mpa 2T/KN Q195 轧制道次 n 1 2 3 4 5 6 7 1/Mpa 1T/KN 2/Mpa 2T/KN 4.3、 轧制力计算 斯通在研 究冷轧薄板的平均单位压力计算问题时，考虑到轧辊直径与板厚之比甚大以及由于冷轧时轧制压力较大，轧辊发生显著的弹性压扁现象，近似的将薄板的冷轧过程看作为平行平板的压缩如图，并假设接触表面上的摩擦力符合干摩擦定律。 变形区中单元体应力图 平均单位压力为 ： 1( 2 ) Xmmepk X mlXh 102m hhh 2k 1.15 s 122m 式中：0h：轧前厚度 mm 1h：轧后厚度 mm l 考虑轧辊弹性压扁后的接触弧长度； 轧件与轧辊间的摩擦系数，主要根据轧制条件 确定（ 0.1 ）； 根据希奇可克公式： 2 200l l x x 01()l R h h 208 (1 )mmRx p C pE 28 (1 )RCE 式中， R 轧辊半径； E 轧辊弹性模数， E=202GPa； 泊松比，对于钢轧辊 =0.3； 将0x代入公式 2 200l l x x ，经整理后得： 2 2 2( ) ( )mmm m m ml l C Cpph h h h 将 0l代入计算公式，再求出1mp； 又将1mp代入公式求出 1l；再 将 1l代入计算公式，再求出2mp； 又 将2mp代入公式求出 2l， 如是循环， 当1 0 . 0 0 1m i m imippp 时，计算结束。 由于计算过程较复杂 ，故我们用 EXCEL 中的 VB 编辑器进行计算，其程序框图如下 开始 输入 1 0 1 2, , , , , , ,sh h R E , 01()l R h h 28 (1 )RCE 2 2 2( ) ( )mmm m m ml l C Cpph h h h 121(1 . 1 5 )2mlhmsmeplh 1 0 .0 0 1m i m imippp 102m hhh mip 否 输出 l ，mp 结束 是 总轧制力 mP p lb 计算结果如下 08F 轧制道次 n 1 2 3 4 5 6 7 l /mm mp/Mpa P /KN Q235 轧制道次 n 1 2 3 4 5 6 7 l /mm mp/Mpa P /KN Q195 轧制道次 n 1 2 3 4 5 6 7 l /mm mp/Mpa P /KN 4.3、 轧制力矩计算 传动支承辊的轧辊受力如图 为了计算窗洞支承辊所需的力矩，首先分析工作辊上力的平衡，由于工作辊是不传动的，因而支承辊反力方向使工作辊上作用力所产生的力矩和为零，即 1P a F R c 力臂 a 与驱动方式无关，仍是当12TT时， 1 s i n ( )2Da -；当12TT时， 1 s in ( )2Da +；当时12TT， 1 sin2Da 。 其中 = 冷轧时 =0.35 0.45，取 = 0.4 为咬入角 工作辊轴承处作用力 F 可以从工作辊在水平方向力的平衡求得。当12TT时， s i n s i nF R P ；当12TT时，s i n s i nF R P ；当时 12TT ， sinFR 。 支承辊与工作辊间反力 R的大小可以从工作辊在垂直方向力的平衡求得。 coscosRP 于是得：当12TT时， ( t a n c o s s i n )FP 当12TT时， ( t a n c o s s i n )FP 当时12TT， ta n c o sFP 可求得力臂系数 c 的大小为 1 s i n c o s2Dcm 整理得 1111s i n ( ) c o s s i n2( ) c o s2D mD =arctan 当12TT时， 取负号，相应的 122TTP =arcsin；当12TT时， 取正号，相应的 122TTP =-arcsin。 求得 角后，则反力 R 对支承辊的力臂 a 为 2 s i n c o s2Dam 传动一个支承辊的力矩为 2()kM R a 2 2c o s ( s i n c o s )c o s 2k DM P m 传动两个支承辊的总力矩为 k 2 kMM 计算结果如下 各道次的轧制力矩kM（ N.m） 轧制道次 1 2 3 4 5 6 7 08F Q235 Q195 4.4、 轧制功率计算 轧制过程中轧制功率等于支承辊角速度 w 与作用于支承辊的轧制力矩kM的乘积。因此计算轧制功率应先计算出支承辊的角速度 w 。 1）轧件前滑系数计算如下 2121(1 ) 1 -2 4 2 TTh h hs R h R P （ ） 式中 h ：轧件厚度， mm R ：工作辊半径， mm h ：绝对压下量， mm ：轧辊与轧件间的摩擦系数 12TT，：前后张力， KN P ：轧制力， KN 2）工作辊圆周速度 , 1vv s 式中 v ：轧件出口速度， m/s s ： 轧件前滑系数 3）支承辊角速度 w 工作辊与支承辊圆周线速度 ,v 相等，则支承辊角速度 ,2vwR 2R为支承辊半径， m 4）轧制功率计算 传动一个支承辊的功率为 kN M w 传动两个支承辊的总哦那个绿为 k 2 kNN 计算结果如下 各道次的轧制功率kN（ KW） 轧制道次 1 2 3 4 5 6 7 08F Q235 Q195 五 、 压下规程修订 分析轧制力 ,轧制力矩和轧制功率的计算结果可知初始分配轧制力不合理。压下规程制定的原则：在考虑轧件塑性条件并保证产品质量的前提下，充分发挥轧机的设备生产能力，达到优质高产。 对于单机架可逆式冷轧机，第一道次应考虑到来料尺寸误差，预留一定的轧制能力，末道次考虑板型和表面质量，应给与较小的压下量，其余道次可采用等功率原则分配压下量。 然后通过 Excel表格进行轧制力调整，得到以下优化结果： 08F 来料尺寸 4.2mm 1050mm 成品尺寸 0.6mm 1050mm 轧制道次 1 2 3 4 5 6 7 0h/mm 1 /h mm 压下率 累计压下率 咬入角/rad /s Mpa 前张力T1/KN 后张力T2/KN 变形区长度 l/mm 总轧制力P/KN 传动力矩Mk/(N.m) 轧制功率N/KW Q235 来料尺寸 4.2mm 1050mm 成品尺寸 0.6mm 1050mm 轧制道次 1 2 3 4 5 6 7 0h/mm 1 /h mm 压下率 累计压下率 咬入角/rad /s Mpa 前张力T1/KN 后张力T2/KN 变形区长度 l/mm 总轧制力P/KN 传动力矩Mk/(N.m) 轧制功率N/KW Q195 来料尺寸 3.5mm 1050mm 成品尺寸 0.65mm 1050mm 轧制道次 1 2 3 4 5 6 7 0h/mm 1 /h mm 压下率 累计压下率 咬入角/rad /s Mpa 前张力 T1/KN 后张力T2/KN 变形区长度 l/mm 总轧制力P/KN 传动力矩Mk/(N.m) 轧制功率N/KW 六 机架设计计算 1、机架的类型 轧钢机机架是工作机座的重要部件，轧辊轴承座及轧辊调整装置等都安装在机架上。机架要承受全部轧制力，必须有足够的强度 和刚度。 根据轧钢机架结构不同，轧钢机机架分为闭式和开式两种。 （ 1）闭式机架 如图所示，闭式机架是一个将上下横梁与立柱铸成一体的封闭式整体框架，具较强的强度和刚度，但换辊不便。它常用在受力大或要求轧件精度高而不经常换辊的轧钢，如轧制力较大的轧机、板坯轧机和板带轧机等。对于板带轧机来说，为提高轧制精度，需要有较高的机架刚度。采用闭式机架的工作机座，在换辊时，轧辊是沿其轴线方向从机架窗口中抽出或装入，这种轧机一般都设有专用的换辊装置。 闭式机架结构及简图 （ 2）开式机架 开式机架由机架本体和上盖两部 分组成，如图，它主要用在横列式型钢轧机上，其主要优点是换辊方便。因为，在横列式型钢轧机上如果采用闭式机架，由于受到相邻机座和连接轴的妨碍，沿轧辊轴线方向换辊是很困难得。采用开式机架，只要拆下上盖，就可以很方便地将轧辊从上面吊出或装入。开式机架主要缺点是刚度较差。影响开式机架刚度和换辊速度的主要关键是上盖与 U型架体的连接方式。常见的上盖连接方式有四种。 （ a） 螺栓连接 (b)套环连接 (c)销轴连接 (d)斜楔连接 机架上盖连接方式 因机架重量大、制造复杂，一般给予很大的安 全系数，并作为永久使用的不更换零件来设计。本次设计中选用闭式机架。 2、机架的主要结构参数 机架的主要结构参数是窗口宽度、窗口高度和立柱端面尺寸。 （ 1）机架窗口高度 H 机架窗口高度 H 与轧辊数目、辊身直径、辊颈直径，轴承、轴承座径向厚度，以及上辊的调整距离等因素有关。主要根据轧辊最大开口度、压下螺丝最小伸出端，以及换辊等要求确定。 对于四辊轧机可取 12( 2 . 6 3 . 5 ) ( ( 2 . 6 3 . 5 ) ( 4 8 0 1 4 4 0 ) 4 9 9 2 6 7 2 0H D D m m ） 式中：1D、2D 工作辊、支承辊直径， mm；取 H=5500mm。 （ 2）机架窗口宽度 B 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一般为支承辊直径的 1.151.30 倍。 2( 1 . 1 5 1 . 3 0 ) ( 1 . 1 5 1 . 3 0 ) 1 4 4 0 1 6 5 6 1 8 7 2B D m m 为换辊方便，换辊侧的机架窗口应比传动侧窗口宽510mm，取 操作侧窗口宽度 =1 7 6 0 m mB操 传动侧窗口宽度 =1 7 5 0 m mB传 （ 3）机架立柱断面尺寸 机架立柱的端面尺寸是根据轧钢机类型、强度 条件、机架受力特点等确定的。 四辊轧机机架立柱断面积与轧辊颈平方的比值： 6.12.12 dF 。 则四辊轧机机架端面面积 2 2 21 . 2 1 . 6 ( 1 . 2 1 . 6 ) 7 2 0 6 2 2 0 8 0 8 2 9 4 4 0F d m m d 为支承辊辊颈直径 2( 0 . 5 0 . 5 5 )dD 对于四辊轧机，可选惯性矩较小的近似正方形断面。实际上，一般都是选择断面尺寸小的矩形断面，这对于减轻机架的重量是有利的。 所以根据经验值取端面尺寸为 850mm 950mm。 28 5 0 9 5 0 8 0 7 5 0 0F m m 机架结构简图如图 3 12： 图 3-12 机架结构简图 3、机架的材料和许用应力 12 轧钢机机架一般采用含碳量为 0.25%0.35%的 ZG270 500，其强度极限 5 0 0 6 0 0b M P a ，延伸率 %16%12s。 ZG270500 是 大型铸钢件生产中最常用的碳素铸钢 ， 具有较好的铸造性和焊接性，但易产生较大的铸造应力引起热裂 ， 广泛应用于轧钢 、锻压、矿山 等设备，如轧钢机机架、辊道架、连轧机轨座、坯扎机立辊机架 等。 由于机架是轧机中最贵重和最重要的零件，必须具有较大的强度储备。一般机架的安全 系数为 m=12.515； 对于 ZG270 500来说，许用应力 采用以下数值： 对于横梁 MPa7050 ； 对于立柱 MPa5040 ； 为了防止机架在过载时破坏，在轧辊断裂时机架要不产生塑性变形。根据这一要求， 机架的安全系数为 bjgsnn 式中：jn 机架的安全系数； gn 轧辊的安全系数； b 机架材料的强度极限； s 机架材 料的屈服极限。 在一般情况下，材料的强度极限与屈服极限的比值近似为 2，为了安全起见，可将机架安全系数取为： gj nn )5.22( 当轧辊安全系数gn取为 5 时，机架的安全系数jn为 1012.5。 6、机架的倾翻力矩计算 在轧制过程中，工作机架的倾翻力矩通常由两部分组成，即 Q d hM M M (3-19) 式中：QM 机架总倾翻力矩； dM 传动系统加于机架上的倾翻力矩（在正常轧制情况下dM =0）； hM 水平力引起的 倾翻力矩。 如图 3-17 所示，水平力 Q 引起的倾翻力矩为 ck QM (3-20) 图 3-17 水平力 Q 引起的倾翻力矩 式中： c 轧制中心线至轧制机座的距离。 由轧制速度的变化使轧件产生的惯性力，前、后张力差，以及在穿孔机上顶杆的作用力，都会在轧件上作用水平力。 在一般情况下，水平力 Q 是随着各种轧制工艺条件的改变而变化的，其最大值可按下式计算 max 2 RMQ D (3-21) 故 m a x2 Rh MMcD (3-22) 式中：RM 工作辊传动支承辊的力矩； D 轧辊直径。 则 mmNMM kQ 73m a x 101.11 1 3 51 9 0 109 2 52。 7、支座反力及地脚螺栓的强度计算 （ 1） 支座反力的计算 由图 3-17 可知，在倾翻力矩的作用下，工作机座的两个机架力图从两边支座中的一个离开。这时，固定机架与轨座以及轨座与地基的螺栓显然承受拉紧力1R，其值可按下式确定 1 2QM GRb (3-23) 式中： b 支座间的距离； G 工作机座的重量。 则 NR 2 7 8 3 426 9 0 0 01 6 5 0101.171 即由于机架重量较大不会发生由水平力引起的倾翻现象。 应该注意：为保证机架地脚与轨座的配合表面始终不被分开，故对地脚螺栓的预拧紧力必须大于 1R 。一般为保险起见应取地脚螺栓总预紧力yR为：1)4.12.1( RR y （ 2）地脚螺栓的强度计算 首先按经验公式预选螺栓直径 d。当轧辊直径 D 500mm 时 0 .0 8 1 0dD (3-24) 则 0 . 0 8 5 0 0 1 0 5 0d m m 查表取 d=76mm，然后按强度条件对地脚螺栓进行校验。 1214 Rnd (3-25) 式中： 1R 地脚螺栓的最大拉力，取 11 )4.22.2( RR ,令11 3.2 RR 1d 地脚螺栓的螺纹内径， mm； 地脚螺栓的许用应力，通常取 =(7080)MPa (Q215、 Q235 锻钢 )。 代入数据得： 37.31 1014.32 2 78 3 43.24 2 M P a 故地脚螺栓强度符合要求。 8、用有限单元法计算机架的应力和变形 过去机架的设计，基本上按材料力学中的能量法来确定机架中的应力和变形，按静强度计算时，取安全系数一般不小于 812。给这样高的安全系数，也仍不能保证机架可靠的工作，有时照样出现突眼破坏。其原因，除了制造工艺上存在缺陷等情况外，也反映出计算方法不精确，没有找到机架的实际应力分布规律和薄弱部位 。例如，对机架中转角、带孔等位置，受载后存在着严重的应力集中，用材料力学的办法就求不出这些应力集中的数值，实际中就往往在这些地方产生断裂，因此研究新的精确的方法来设计计算轧钢机机架是十分必要的。 有限单元法是根据变分原理求解数学、物理问题的一种数值解法。也在结构和连续力学中的应用，近年来在我国已获得广泛的重视和推广。凡是重要的和结构复杂的机架，在设计时都采用弹性力学有限单元法进行计算。因为这种方法计算结果精确，又不受机架复杂程度的影响。应用有限单元法时，可将机架简化成二维或三维应力分析问题，将弹性连续体（机 架）离散为有限个单元组成的集合体，再按照结构矩阵分析法或位移法来求解。由于通常计算工作量都很大，所以采用电子计算机进行计算，一般都可以取得满意的结果。 （ 1）材料 ： ZG270 500 属性如下： 弹性模量 2e+011 N/2m 泊松比 0.32 NA 抗剪模量 7.6e+010 N/2m 质量密度 7800 Kg/3m 张力强度 4.8255e+008 N/2m 屈服强度 2.4817e+008 N/2m 热扩张系数 1.2e-005 /Kelvin 热导率 30 W/(m.k) 比热 500 J/(kg.k) 表 3-1 材料属性 （ 2）网格属性 为了能用结构力学的方法解决弹性力学上的问题，我们可以把一个连续弹性体的轧钢机机架变换成一个离散的结构物，它由有限个单元体并由其结点相互联系组成。 图 3-18 机架网格划分 单元体得根据计算精度要求及计算机的容量大小来决定。根据轧钢机机架 的特点，对压下螺母孔周围及下横梁中间断面，因是机架的重要部位，单元应划分得小一些。机架的转角及带孔部位，由于应力变化剧烈，所以这些地方单元也应划分得小一些。 经验指出，应当尽可能使每个单元各边的长度接近相等，至少不应使边长相差过大。如果某单元最大与最小边长之比达 3： 1或更大，则在该单元附近，应力和位移的真实状态将不能在计算结果中正确的反映出来（除非在该单元附近，应力和位移的实际变化是很平缓的）。 （ 3）载荷和约束信息 对平面问题，最简单、最常用的是三角形单元，所有的单元体都取为铰接。在某些节点其位移或其一个 分量可以不计之处，就在这些结点上安置固定铰支座（边界条件），每一个单元所受的载荷，都按静力等效的原则移置到结点上，成为结点载荷。如图3-17。 在确定轧钢机机架有限单元法计算时，考虑到机架结构及受力的对称性，以机架中心线为准取机架的一半作为计算单位。 根据轧机的轧制负荷，我们选取总轧制力 1156.24KN 作为外载荷，即每个牌坊承受 578.12KN 的垂直载荷，按静力等效原则将半个牌坊承受的 289.02KN 的载荷移置到载荷面上。 （ 4）结果 Solid Works Simulation 设计分析结果基于线性静态 分析，且材料设想为同象性。线性静态分析设想 ： 1)材料行为为线性，与 胡克 定律相符 ； 2)诱导位移很小以致由于载荷可忽略刚性变化 ； 3)载荷缓慢应用以便忽略动态效果。 图 3-19 有限单元法计算得出机架的应力分布图 图 3-20 有限单元法计算得出机架的变形分布图 材料力学计算方法和有限元分析结果的比较： 从图 3-19 可以看出，上下横梁最大应力处的相对误差为： %2.224.14 2.11-4.14 从附录 3 图中查出并计算，机架立柱最大的拉弯应力的相对误差为： %7.407.2 6.1-7.2 通过以上分析可以看出，有限单元法用来计算轧钢机机架的应力和变形，其结果比材料力学方法精确。能够比较符合实际地找出机架的各个部位的应力分布规律，能在机架应力急剧变化的地方求出静力作用下的应力集中系数。因此在新轧机的设计中，可应用这种方法，使用计算机对几个方案迅速算出他们的应力和位移，进行对比分析，从中找出最佳结构方案。在旧轧机的改造中，通过此法对轧机机架应力和刚度进行分析的结果，可以校核其潜力和找出薄弱部位，便于提高生产和防止事故。同时应用有限单元法进行应力分析还可以改变过去那种盲目加大安全系数 、造成结构笨重、浪费金属材料的不良现象。因此我们认为在冶金机械的设计计算中，有限单元法是有很大推广意义的。 结论 轧 钢 机 俗称“牌坊”，是轧钢生产的主要机械设备，钢铁及有色金属的 90%要通过轧机轧制成材，因此，轧机的装备水平，对冶金的生产有着直接的影响。轧机是 最终承载载荷并且 是 要永久使用的部件 ,机架是轧机结构系统中最重、最大的部分。大型机架由于其体积庞大 ,通常整体铸造成形 ,而后对窗口部分进行机械加工的方法成形 ,铸造成形是大型轧机机架生产过程中最基础和最重要的工序。 由两片 “ 牌坊 ” 组成以安装轧辊轴承座和轧辊调整 装置 ， 需有足够的强度和钢度承受轧制力。 经过六百多年的发展，现在轧机发展的趋向是自动化、连续化、专业化、产品质量高、消耗低，其中高新技术的应用是轧钢生产技术发展的显著特征。近几十年以来，轧钢生产的技术进步取得了长足的发展，在板带材生产发面，板厚和板型控制技术已趋于成熟。轧钢的内涵已经突破了原有的界限，显著的向着上、下工序拓展。为满足最终产品质量的要求，上、下游工序的要求对轧钢生产技术的发展及工艺规程的规定也起着越来越明显的作用。 本次设计的题目是 1 9 0 / 5 0 0 4 5 0 mm 四辊冷轧 机 轧钢机机架。技术参数要求是： 1、轧制材料： 25Cr2MoVA； 2、原料规格：轧制带宽 200mm ； 3、轧制规程： 3 . 1 2 . 7 5 2 . 4 2 . 0 1 . 8 1 . 4 ，即轧机会将板带由 3.1mm 厚轧制成 1.4mm 厚； 4、轧制速度 2m/s。 在设计中，主要计算了轧制力、驱动力矩、轧机主电动机功率、机架静强度、刚度和有限元分析等，并完成了机架的材料及结构型式、轧机主电动机、轧辊轴承部分的确定。在计算时，主要参考了由邹家祥主编的轧钢机现代设计理论、 黄华清主编的轧钢机械和由刘宝珩主编的轧钢机械设备等书籍。 在对其它系统进行了分析及设计后，最终确定设计方案为：不可逆工作制度，电机驱动支撑辊，工作辊轴承选用双列滚针轴承，支承辊轴承选用四列圆柱滚子轴承，压下装置为电动压下，上辊为单缸平衡，辊型调整采用液压压下弯辊，直流电动机 。 2 闭式机架结构及载荷分布特点 按结构不同，机架可分为闭式机架及开式机架两大类。闭式机架可承受较大的轧制压力，变形很小，具有较大的强度和刚度等优点，因而可满足产品尺寸精度的要求，在板坯轧机、板带轧机以及线材和棒材轧机得到广泛 应用。按加工及运输条件的不同，机架牌坊有整体式和组合式两种。其中整体闭式铸造机架应用得最为广泛。 本计算结构体是一个整体闭式板带轧机机架。其实际厚度和受力分布都存在一定的不均匀性；此外，轧制过程中机架还可能承受横向力的作用。为了简化计算，对其几何结构作了适当简化，如图 1 所示。即：不计其厚度差异以及受力在厚度方向的不均匀性，按平面应力问题处理；不计横向受力，只考虑轧制力，并将其看成作用于对称轴附近的局部分布载荷。 图 1 板带轧机闭式机架示意图 3.2 有限元计算结果与分析 采用弹性理论的平面应力模型对上 述轧机机架的有限元分析结果如图 4图 8 所示。通过分析，可以了解结构变形和应力分布的特点，揭示其中的薄弱环节，并为结构的强度和刚度分析提供依据。 3.2.1 变形分析 节点位移反映了构件在受力前后各点位置发生的变化。图4图 6 为轧机机架的变形图，其中图 4为计算揭示的机架变形趋势；从图 5 和图 6 可以看出，在轧制过程中水平方向的变形较垂直方向的变形严重，其中最大变形发生在立柱中部。 图 4 轧机机架的变形图（放大 1000倍） 图 5 轧机机架水平的位移等值线 图 6 轧机机 架垂直方向的位移等值线 3.2.1 应力分析 有限单元法可求得轧机机架各个部位的各种应力分布。其中图 7为机架外廓等效应力及其相对大小分布 (如内外侧的差异，其中图中不同颜色代表不同的应力大小 )；由图可见，机架内侧等