四辊冷轧机设计之轧机机架设计说明书

#大学 毕 业 设 计（论 文） 题目 190/ 500*450 四辊冷轧机设计之四 -轧钢机机架设计 学生姓名： 学生学号： 指导教师： 机械工程 学院 机械设计制造及其自动化 专业 班 2011 年 6 月 15 日 毕业设计（论文）任务书 专业 机械设计制造及其自动化 班级 姓名 下发日期 2011-3-6 题目 190/ 500 450四辊冷轧机设计之四 专题 轧机机架设计计算 主 要 内 容 及 要 求 1、计算设计本道次（ 1.8mm 1.4mm）轧制力、驱动力矩，并选择电动机； 2、机架的静强度、刚度计算，有限元分析； 3、完成机架传动侧、操作侧、机架装配图的设计； 4、单片机架（传动侧）结构设计； 5、撰写设计说明书，完成 2.5 张 #0 图纸。 主要技术参数 1、轧制材料： 25Cr2MoVA； 2、原料规格： 3.1 200； 3、轧制规程： 3 . 1 2 . 7 5 2 . 4 2 . 0 1 . 8 1 . 4 ； 4、轧制速度： 2m/s。 进 度 及 完 成 日 期 3 月 14 日 3 月 16 日： 石横特钢参观实习，写实习报告及查阅相关资料 ； 3 月 17 日 4 月 09 日：比较各种结构，选择最优设计方案； 4 月 10 日 4 月 19 日：对整机及部件进行设计计算； 4 月 20 日 5 月 24 日： CAD 制图； 5 月 25 日 6 月 03 日：编写设计说明说； 6 月 04 日 6 月 15 日：毕业 答辩审查准备； 6 月 15 日 6 月 21 日：审阅与答辩。 教学院长签字 日 期 教研 室 主任签字 日 期 指导 教师 签字 日 期 指 导 教 师 评 语 指导教师 : 年 月 日 指 定 论 文 评 阅 人 评 语 评阅人 : 年 月 日 答 辩 委 员 会 评 语 评 定 成 绩 指导教师给定 成绩 (30%) 评阅人 给定 成绩 (30%) 答辩成绩 （ 40%） 总 评 答辩委员会主席 签字 青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 I 摘要 本轧机为小型四辊冷轧机，重点设计了机架部分。机架是轧钢机的重要部件，用来安装整个辊系及轧辊调整装置，并承受全部轧制力。因机架重量大、制造复杂一般给予很大安全系数，并作为永久使用的不更换零件来进行设计。 机架的设计步骤可分为以下几步： 1） 初步确定机架的形状和尺寸； 2）常规计算：利用材料力学、弹性力学等固体力学理论和计算公式，对机架进行强度、刚度和稳定性等方面的校核； 3） 有限元静态受力分析 。 本设 计主要采用了采利柯夫计算方法进行闭式机架的强度和变形计算，然后采用有限单元法校核机架的应力、变形及安全系数。用有限单元法可求出机架完整的应力场。在以往机架的设计中，安全系数取得很高但仍不能保证机架可靠工作。机架的破坏多在压下螺母孔、机架窗口转角处等应力集中大的部位。采利柯夫计算方法只能求得某些部位的应力值。而有限单元法不但能求出整个机架各部位的应力场，特别能真实地反映局部部位高应力水平的数值。 关键词 ： 机架 ；设计步骤；计算方法；有限单元法 青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 II Abstract The mill is a small four-high cold rolling mill. The project is on the design of the Mill Housing. Mill Housing is one of the most important components which is used for installing the whole system of Roll, the device which regulates Mill Roll and supporting all of rolling pressure. Mill Housing has been designed the perpetual and unsubstitutive component for its large weight, complex technological process and high safety coefficient. Frame design steps can be divided into the following steps: 1) The frame is determined primarily shape and size 2) The conventional calculation: the material mechanics, mechanics of elasticity and other solid mechanics theory and calculation formula of cutter, the strength, stiffness and stability checking aspects. 3) Tinted element static and dynamic analysis and model test (or physical test) and the optimized design 4) Manufacturing technology and economy analysis. Strength and Deformation calculation of Close-top mill housing mainly adopt the Calculation Method of A.I.Tselikov, and then use the Finite Element Method to compare Housings Stress, Deformation and safety coefficient. We can gain the complete stress filed of Mill Housing through using the Finite Element Method. In the past design of Mill Housing, safety coefficient is bestowed with high number but it couldnt assure the reliability of Housing. The parts where are easily destroyed are distributed where stress concentrate such as the hole which is installed roll positioning nut, the corners of window of the Mill Housing and so on. The calculation method of A.I.Tselikov cloud only gain the stress of some places, but the Finite Element Method can specially and authentically reflect the level of high stresss numerical value of the partial. Key words: Mill Housing； Design steps； Calculation Method； Finite Element Method 青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 III 目录 摘要 . I Abstract . II 目录 . III 第 1 章 绪论 . 1 1.1 冷轧带钢生产概况和发展方向 . 1 1.2 冷轧机的类型、特点及工作原理 . 2 1.3 冷轧带钢 的生产工艺 . 3 第 2 章 设计方案的比较 . 8 2.1 主转动方式 . 8 2.2 传动型式 . 9 2.3 轧辊轴承 . 9 2.4 压下装置的结构形式 . 10 2.5 轧辊平衡装置 . 11 2.6 设计方案的确定 . 11 第 3 章 设计计算 .12 3.1 设计题目及要求 . 12 3.2 原始数据 . 12 3.3 轧辊参数的确定 . 12 3.4 轧制力能计算 . 13 3.5 机架的设计计算 . 27 结论 .42 参考文献 .43 致谢 .44 附件 1 .45 摘要 . 45 1 前言 . 45 青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 IV 2 闭式机架结构及载荷分布特点 . 46 3 有限元分析 . 46 3.1 有限元模型的建立及模型载荷的处理 . 46 3.2 有限元计算结果与分析 . 48 3.2.1 变形分析 . 48 3.2.1 应力分析 . 49 3.2.1 机架强度与刚度分析 . 50 4 结论 . 51 5 参考文献 . 51 附件 2 .52 附录 1 .61 附录 2 .63 附录 3 .65 青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 1 第 1 章 绪论 1.1 冷轧带钢生产概况和发展方向 1.1.1 冷轧带钢生产在国民经济中的地位 冷轧带钢生产在国民经济中占有十分重要的地位。随着汽车的制造、食品罐头、容器包装、精密仪器、房屋建设、机械制造和船舶工业的迅速发展以及家用电器和各种日常生活的需求量成倍增长，对冷轧带钢的需求量也迅速增加。 当前，大力 发展冷轧带钢的生产，逐渐提高冷轧带钢在轧钢产品中的比重，迅速提高冷轧带钢的质量，不断增加冷轧带钢的产品，满足各个工业部门的，特别是与人民生活密切相关的，轻纺织工业和日用电器，生活用具等。以及外贸出口对冷轧带钢急剧增加的需要，是重型机械制造和钢铁生产部门面临的一项重要而有十分紧迫的任务。 1.1.2 冷轧带钢的生产历史及发展方向 冷轧带钢生产始于 1660 年，当时是在二辊轧机上进行的。 冷轧带钢和薄板一般厚度为 0.1 3mm,宽度为 100 2000mm；均以热轧带钢或钢板为原料，在常温下经冷轧机轧制成材。冷轧带钢 和薄板具有表面光洁、平整、尺寸精度高和机械性能好等优点，产品大多成卷，并且有很大一部分经加工成涂层钢板出厂。只有少量的非凡用途的冷轧合金钢板采取单片轧制。冷轧带钢和薄板的产量在工业发达国家已占钢材总产量的 30 左右。钢种除普通碳钢外，还有硅钢、不锈钢和合金结构钢等。 近年来，冷轧带钢生产技术的发展，主要是增加钢卷的重量，加快机组速度，提高产品厚度精度，改善板形，提高自动化程度及改进轧机的结构和生产工艺，其典型有 WRS 轧机、 HC 轧机、 VC 轧机、 CVC 轧机、 HVC 轧机、 FFC 轧机，全数字控制高精度可逆式六辊冷轧 机组，或全数字控制高精度可逆式四辊冷轧机组等。 在带钢冷轧机上，广泛的采用液压弯辊装置或抽动工作辊装置来改善板形，由于冷轧带钢的厚度公差要求高，为增加轧机压下装置的响应速度，在冷轧机上采用了全液压装置及厚度自动控制装置，对于高速高产量的带钢冷连轧机，实现计算机控制。 青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 2 1.2 冷轧机的类型、特点及工作原理 1.2.1 轧机的类型 轧钢机构造可以轧辊数目及其在机座中位置为特征进行分类为：二辊式轧机、三辊式轧机、三辊劳特式轧机、复二辊式轧机、四辊式轧机等。轧钢机按布置分类可分为单机座式、横一列式、连续式等。连轧机 生产效率高，轧制速度快，但产品单一，变动不大时，最能发挥其优越性。 其类型如图所示 1： 图 1-1 轧辊类型图 1.2.2 冷带轧机各类的特点及工作原理 由于轧辊的辊数不同，则各类轧机的特点也不同： 1、二辊式轧机：此轧机结构简单，工作可靠，由直流电动机驱动，用于二辊可逆式初轧机，可将钢锭往复轧制成各种矩形坯，也可用于轧制轨梁和中厚板。 2、三辊式轧机：其在同一机座上轧件可两向轧制，而轧机无需反转，由一台交流电动机经减速器和齿轮座驱动数台三辊式轧机，可实现轧件往复多道次轧制。它用于开坯和型钢生产，具有 设备简单和投资少的特点。 3、三辊劳特式轧机：此轧机中辊直径较上下辊为小，浮动在上下辊间。轧机由交青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 3 流马达经减速器和齿轮座驱动轧机上下两辊，中辊靠摩擦力转动，轧件可往复多道次轧制，用于轧制中厚板或薄板开坯。 4、复二辊式轧机：此轧机作用与三辊式相似，但轧辊调整、孔型配置较方便，用于横列式中小型轧机。 5、四辊式轧机：是带钢冷轧机中最通用的机组，这种轧机采用闭口式机架，两个牌坊有横梁或其它轧机连接形成一个刚体，通常采用工作辊驱动， 但是近来趋向于支承辊驱动。 6、多辊式轧机：为适应冷轧板带产品尺寸向高精度和大的 宽厚比方向发展需要，出现了六辊、十二辊和二十辊轧机。另外，为提高轧机刚度，简化轧机结构，又出现了各种类型多辊式轧机。 1.3 冷轧带钢的生产工艺 大型轧钢车间生产钢轨需要以下工序： 表面清理加热轧制锯切缓冷矫直铣头钻孔淬火检查 冷轧带钢的生产工艺总的来看有以下三点： 1、加工温度低，钢板在轧制过程中，将产生不同程度的加工硬化现象。它使变形抗力增加，塑性降低。这样就使轧制力增大，易发生脆裂。因此必须有软化退火，使轧件恢复塑性，降低变形抗力，以便对轧件经行继续轧制。在冷轧生产过程中，每次软化退火 之前完成的冷轧工作称为一个“轧程”，在一定的条件下，钢质愈硬，成品愈薄，所需之轧程愈多（软化处理，又称在结晶退火或固溶处理）。 2、冷轧中采用工艺冷却与润滑 （ 1）工艺冷却：在高速冷轧机上，金属塑性变形产生大量的热量，为保持轧辊所需辊型，轧辊表面需要冷却。轧制速度越高，冷却问题显得尤为重要。如何合理的强化冷却过程的冷却已成为发展现代冷轧机的重要的研究课题。 青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 4 图 1-2 冷连轧润滑液和冷却液供给系统 1 实验表明，带钢冷轧时其变形功中约有 84%88%转变为热能，使工作辊表面可升温到 80 120 ， 支撑 辊表面温度可达到 50 70 ， 工作辊辊身中部与边部温度差通常为 15 20 ，最高可达 30 40 。支撑辊辊身中部与边部温度差通常为5 8 ，最高可达 15 20 。因此冷轧过程中必须对轧辊和带钢进行冷却。否则，轧辊表面会由于温度过高引起淬火层硬度降低，从而影响带钢的表面质量和轧辊寿命。另外，轧辊温度升高和温度的分布不均匀会破坏正常的辊型，直接影响带钢的板形和尺寸精度。同时轧辊温度过高还会使冷轧润滑剂失效，油膜破裂，影响冷轧过程的正常进行。 因此我们必须采取适当的措施吸走或控制这部分热量，即便变形发热 率，单位时间发出的热量 q。其表达式为： vhJ Bq 式中：系数 8.804.80 ； 小于 1 的修正系数； J 机械功的热当量； B 所轧材的宽度； h 该道次的绝对压下量； 轧制速度； 轧制时的平均单位压力。 取 86.0 ； 5.0 ；所以 JJq /8.122200035.0/2.05.086.0 。 青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 5 实验证明，水是一种比较理想的冷却剂，它具有比热大、吸收率高、成本低等优点。因此通常情况下，冷连轧机组采用水或以水为主要成分的乳化液作为冷却剂。只有某些特殊的轧机，由于工艺润滑与轧辊轴承共用一种润滑剂，才采用全部油冷，但为了保证 冷却效果，需给予足够大油量。 从实现强大轧制的角度来看，我们所关心的是如何提高冷却液的冷却能力，即提高冷却效果。有物理学可知一定质量的液体在单位时间内所吸收的热量可表示为： 12()q m t t c 式中： c 冷却液的比热； 比重； m 单位时间所需冷却液的体积； 2t、1t 冷却液前后的温度。 由以上关系可知，在冷却液种类和冷却系统均一定的情况下，为增加 q，只有增加流量 m，但这往往受到原有冷却设施的限制，所以通常是改变冷却液的种类和增加冷却液的温度来增加其吸热能力。冷却液简单地喷浇在轧辊和轧件上，与高压冷却液雾化，冷却效果大大不同，实际资料表明，即使在采用有效的工艺冷却的条件下，冷轧板卷在卸卷后的温度优势仍达 130150oc ，甚至还要高，由此可见在轧制变形区的料温一定比 这还要高，辊面温度过高会引起工作辊淬火层硬度的下降，并有可能促使淬火层内发生组织分解（残余奥氏体的分解），使辊面出现附加的组织应力。 另外，从其对冷轧过程本身的影响来看，辊温的反常现象以及辊温分布规律的反常或突变均导致正常辊面条件的破坏，直接有害于板形与轧制精度。同时，辊面过高也会使冷轧工艺润滑剂失效（油膜破裂），使冷轧不能顺利进行。 综上所述，为了保证冷轧的正常生产，对轧辊和轧件必须应采取有效的冷却和控温措施。 （ 2）工艺润滑：冷轧过程中，带钢与轧辊接触表面存在摩擦。为了降低轧制力、减少摩擦的影响，需进行 工艺润滑。工艺润滑的作用包括： 1）通过润滑剂在轧辊和带钢表面形成一层油膜，当润滑剂渗入轧辊与带钢接触表面的凸凹部时，可以把带钢与轧辊分隔开，从而降低接触表面的摩擦系数，降低轧制负荷。 青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 6 2）冷轧过程中，由于剧烈的摩擦及变形功而产生很大的热量，工艺润滑剂可以防止粘辊的发生。 3）工艺润滑对保护轧辊表面、改善带钢的表面质量起着重要作用。一方面，在润滑剂的保护下，可防止轧辊表面氧化。另一方面，带有润滑剂轧制对被轧带钢起到了“抛光”作用。 生产实践与实验表明，采用天然油脂作为冷轧的工艺润滑剂在润滑效果上优于矿物油， 这是由于天然油脂与矿物油在分子的结构上与特性上有质的差别所致。 如表 1-1所示： 表 1-1 轧制油的组成 冷轧用乳化液应满足如下要求： 1、高温、高压条件下，具有良好的润滑特性和冷却效果。 2、脱脂性能良好，润滑剂轧后易于清除，保证成品带钢表面光洁。 3、具有良好的化学稳定性，带钢不易生锈，不易腐蚀。 4、具有良好的乳化性能，使用方便。 5、成体低，废液易处理，无环境污染。 冷轧过程中油的耗用量还是相当大的。现在，可以通过乳化剂的作用把少量油于大量水混合起来制成乳状润液。可以较好的解决油的循环使用问题，在 这种情况下水是作为冷却剂与载油剂而起作用的。此时乳化剂需满足浓度、皂化值、 PH 值、铁含量等要求。 （ 3）冷轧中采用张力轧制：张力轧制是冷却的一大特点。所谓“张力轧制”， 就是轧件在轧辊中的辗轧变形是有一定的前张力与后张力作用下实现的 。单位张力z是青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 7 作用在带材断面 A 上的平均张应力 3： 2/ mmKgATZ 式中： T 总张力； 张力的主要作用有以下几个方面： 1）防止带钢在轧制过程中跑偏（即保证正确对中轧制）。 2)使所轧带钢保持平 直（包括在轧制过程中的保持板形平直以及轧板型良好）。 3)降低轧件的变形抗力，便于轧制更薄的产品。 4)其适当调整冷轧机主电机负荷的作用。 防止轧件跑偏是冷轧操作中关系到能否实现轧制的一个重要问题。跑偏将破坏正常板型，引起操作事故甚至设备事故，若不很好加以控制，将不能保证冷轧的正常进行。 防止跑偏的方法有： 1)采用凸行辊缝； 2)采用导板夹逼； 3)采用张力轧制。 通过改变卷取机，开卷机及轧机主电机的转速以及各架压下可以使轧制力，张力在较大的范围内变动。借助准确可靠的测试仪，并使之与自动控制系统结成闭环， 可以按要求实现恒张力控制，配备这种张力闭环控制系统是现代冷轧机的起码要求。 生产中张力的选择主要是平均单位z，从理论上讲，单位张力似乎应当尽量选的高一些，但是不应超过带钢的屈服极限s， 根据以往的经验，一般轧机sZ )6.01.0(；而冷轧薄带刚sZ )3.01.0(。 青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 8 第 2 章 设计方案的比较 2.1 主转动方式 目前，小型四辊冷轧机的主转动方 式有如下三种：（ 1）传动工作辊；（ 2）传动支承辊；（ 3）单辊传动。 一般是电机通过减速器与齿轮座来直接传递工作辊，这种形式对于轧制过程比较有利，但是对于较小的轧机，它又受到工作辊辊颈和方向接轴所能传递的扭转力矩的限制，而传递工作辊不能达到要求时，就需传递支承辊，而传递支承辊是靠摩擦力来传递工作辊的。这样将会碰到关于工作辊力的传递问题，这就是要增大轧辊的传动部件。同时还要考虑轧辊与轧件间的打滑问题。 为了解决上述问题，防止出现支承辊断辊、工作辊辊头扭断等现象，可采用异径轧制、单辊驱动等措施来解决。本次设计由于 轧制力与轧制力矩不是很大，故不需考虑此问题，但同时采用单辊驱动又会带来一系列新的问题。由于采用单辊传动，使两个工作辊自然会产生一定的速度差，从而使轧制力有所降低，据实际分析证明，当变形区长度上出现搓扎区，一般可能使轧制压力下降约 520%。由于单传动轧制时上下辊速度的配合是自然的，过程简单易行，无需复杂的控制系统。采用异径轧制，并尽可能的减小空转辊的直径，充分发挥小辊的轧制可降低轧制压力的优点，以保证受力零件的正常工作，同时又有利于增大压下量，减小道次，从而提高轧机的工作效率。 在普通的四辊轧机工作中，尽管 其主机列通常是有主电机通过减速机和齿轮座传递两个工作辊，但是在预压力作用下，由于工作辊径的差别等原因，给冷轧薄带钢轧机的传动带来很大的影响：在薄带轧制中常出现量接轴传动力矩的分配不均，某个接触力矩为零或趋近于零。由于辊颈差事实上不可能消除，使用较大的预压力亦是必要。可以认为，轧辊的传动力矩在两轧辊上的分配并不总是大致想当相等的。在运转中的轧机上，即从轧辊空转，压靠以至轧制阶段，辊颈稍大的轧辊接触中传动力矩永为正值，而辊颈稍小者，其传动力矩可在负值至正值的广大范围内变化，者是薄带钢轧制的轧机传动特点，对于这类 轧机，在一定的条件下实际上是单辊传动的。一般看来，当轧件较薄时使用预压力较大，直径稍小的轧辊上，其传动接触可能实际上不起作用，甚至反而有害。 青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 9 另一方面，由于轧件较薄，又是成卷轧制的，咬入条件能够保证，有可能实现单辊传动。 在主机列中，自然可将齿轮座从设计中取消，减小设备的投资，降低动力传传递的能量消耗，从而取得一定的经济效果并可充分利用换辊，在操作上也会有许多方便。 2.2 传动型式 对于单机座轧机，有可逆式和不可逆的工作制度，现分述如下 1： 1、不可逆式轧机工作制度 小型冷带轧机采用不可逆式工作制度最 多。当采用这种工作制度时，轧辊与轧件的运动方向始终不变，但轧制速度却有可调和不可调两种，轧制速度不需要调整的小型冷带轧机，通常选用交流同步电动机和异步电机。在连续式冷带钢轧机上，为了保证通过每个机座的金属秒流量相等，保持轧件张力的恒定，需要在轧制过程中不断调整轧制速度。这类轧机，一般都采用调速范围广、超载能力大、惯性力矩小的直流电动机来传动。 运转方式可分为： 几乎保持严格不变的轧制速度；轧件通过时，轧制速度稍微降低；仅在轧机调整时才调节速度；在轧件通过时，在较大范围内调节轧制速度。 2、可逆式工作制度 用可逆 式冷轧机轧制时，轧辊既能逆转又能调速。这类轧机采用调速范围广、惯性力矩小的直流电动机传动。为提高轧机的生产能力，可逆式冷轧机一般都有快速启动和制动的要求。 目前，对单机座小型冷轧机，采用可逆式有很多有优点，它能大大提高生产效率，以减少板带钢的吊运与安装。 2.3 轧辊轴承 轧辊轴承用来支承转动的轧辊，并保持轧辊在机架中正确的位置。轧辊轴承与一般轴承的工作条件差别很大，其特点： 1、承受能力很高，这是因为轴承受外围尺寸的限制和在较短的辊颈内可用很大的许用应力所决定的； 2、运转速度差别大； 青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 10 3、工作环境恶劣。 轧辊轴承的性能与摩擦功率的损耗成正比，表征了轴承的发热率。其主要形式是滚动轴承与滑动轴承。滚动轴承主要是用双列球面滚子轴承，四列圆锥滚子轴承。在某些情况下，由于受轧辊轴承尺寸的限制，可采用滚针轴承。板带轧机上多用滚动轴承。 2.4 压下装置的结构形式 压下装置目前就驱动方式而言有手动的、电动的和液压的三种结构型式 1。 1、手动压下 其优点是结构简单，价格低。其缺点是体力劳动繁琐，压下速度和压下能力较小。 2、电动压下 电动压下是最常用的上辊调整装置。是电动机通过圆柱齿轮减速箱和涡轮减速箱传递运动的， 它可以用于所有的轧机上，如初轧机、板坯轧机、冷板带轧机等。其优点是移动距离可达较大的数值，压下能力较大，缺点是结构复杂、反应时间较慢、效率较低。 压下装置的结构在很大程度上与轧辊的调整速度、调整距离、调整频率、和调整精度有关。按照压下速度的大小，电动压下装置可分为快速压下装置和慢速压下装置两大类。 （ 1）快速压下装置 由于其压下速度一般大于 1mm/s，故称为快速压下装置。这类压下装置多用在初轧机、板坯轧机、中厚板轧机、连轧机组的可逆式粗轧机上。其工艺特点是： 1）工作时要求大行程、快速和频繁的升降轧辊。 2）轧辊调整时，不“带钢”压下，即不带轧制负荷压下。 （ 2）慢速压下装置 这类装置通常用在热轧或冷轧薄板和带钢轧机上，其轧制速度很高。轧制精度要求也高。所以这类压下装置具有以下特点： 1）较小的轧辊调整量与较高的调整精度； 2）带钢压下； 3）必须动作快，灵敏度高； 4）轧辊平行度的调整要求严格。 3、液压压下 液压压下装置是用液压缸代替传统的压下螺丝、螺母来调整轧辊辊青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 11 缝的。在这一装置中，除液压缸外，还有与之配套的伺服阀、液压系统及检测仪表及运算控制系统。与电动压下装置相比较，液压压下装置有如下特点： 1）快速响应性好，调整精度高； 2）过载保护简单、可靠； 3）机械传动效率高； 4）便于快速换辊，提高轧机作业率； 5）采用标准液压元件，简化了机械结构，消耗的功率小，效率高。 2.5 轧辊平衡装置 平衡装置的作用是消除轧制系统间隙，避免冲击。提升上轧辊，用来大大降低咬入轧件时的冲击和工作辊的频繁换辊。上辊平衡装置有重锤平衡、弹簧平衡、液压平衡三种形式。现在在小型冷轧机上，广泛使用液压平衡装置，它是由液压缸产生的推力来进行工作的。液压平衡优点是结构紧凑，工作灵敏度高，平衡效果好。 2.6 设计方案的确定 本 设计采用：不可逆工作制度，电动驱动支撑辊，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。 青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 12 第 3 章 设计计算 3.1 设计题目及要求 设计题目： 190/ 500 450mm 四辊冷轧机设计之四 轧钢机机架设计。 设计要求： 1、在满足生产工艺及强度、 刚度的条件下尺寸尽量小。 2、运用所学专业知识，完成冷轧机单体设计。 3、对已有设备进行综合分析，提出最佳方案。 4、完成轧钢机机架设计和有限单元法分析。 轧钢机架类型如图 3-1 所示： 图 3-1 机架 3.2 原始数据 1.、轧制带材 25Cr2MoVA(调质处理 )； 2.、带宽 B=200mm,带厚0h=3.1mm,带长 L=450mm,成品厚度1h=1.4mm； 3.、轧辊直径 190/500mm； 4.、轧制速度 v=2m/s； 5.、张力0150T T K N。 3.3 轧辊参数的确定 1、工作辊直径1D=190mm； 青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 13 2、支承辊直径2D=500mm； 3、轧辊材料。 工作辊 ： 92rC Mo辊面硬度 HS=9095；支承辊 ： 92rC Mo辊面硬度 HS=6065。 3.4 轧制力能 计 算 3.4.1 主要参数的确定 1、本道次加工过程中，钢板厚度由 3.1mm 被轧制为 2.75mm，钢板材料为25Cr2MoVA。 （ 1） 本道次压下量 mmhhh 35.075.21.310 （ 2）本道次压下率 %3.11%1 0 01.3 35.0%1 0 00 h h (3-1) （ 3）金属材料的屈服极限s 材料屈服极限是使试样产生给定的永久变形时所需要的应力，金属材料试样承受的外力超过材料 的弹性极限时，虽然应力不再增加，但是试样仍发生明显的塑性变形，这种现象称为屈服，即材料承受外力到一定程度时，其变形不再与外力成正比而产生明显的塑性变形，产生屈服时的应力称为屈服极限，图 3-2 为屈服极限图。 由图 3-3 得：as MP515。 图 3-2 屈服极限图 图 3-3 冷态下变形阻力曲线 青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 14 （ 4）变形抗力的确定 因为 1.15Sk ，所以得： as MPk 5 9 25 1 515.115.1 （ 5）摩擦系数的确定 冷轧时由于出口和入口轧件的速度与轧辊的速度不同步，从而产生前滑和后滑现象。摩擦力将阻碍金属的变形，摩擦系数对轧制力影响较大，并且是变化的。为计算方便初步取其为常数。由参考资料取 08.0 。 （ 6）咬人条件的校核 由公式 co s 1 hD 得： 99 8.019 035.01c o s tan=3.48 ， tan3.48 =0.06 =0.08（ tan为摩擦系数） ,故能实现其自然咬入。 2、本道次加工过程中，钢板厚度由 2.75mm 被轧制为 2.4mm。 （ 1） 本道次压下量 mmhhh 35.04.2-75.210 （ 2）本道次压下率 %7.12%1000 h h (3-1) （ 3）金属材料的屈服极限s 由图 3-3 得，as MP535。 （ 4）变形抗力的确定 因为 1.15Sk 所以得： as MPk 6 1 55 3 515.115.1 （ 5）摩擦系数的确定 同上，取 08.0 ； （ 6）轧件入口和出口断面上作用的平均水平张力 012m 青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 15 式中：0 轧件入口断面上作用的水平张力，此时带宽 B=200mm,断面厚度为0h=2.75mm； aa MPPAT 90.9000275.02.01050 3100 1 轧件出口断面上作用的水平张力，此时带宽 B=200mm,断面厚度为0h=2.4mm； aa MPPAT 17.1040 0 2 4.02.01050 3211 则 am MP53.972 17.10490.90 （ 7）咬入条件的校核 由公式 co s 1 hD 得： co s 1 hD = 0.351 190 =0.998 03.48 ， ta n 3 .4 8 0 .0 6 =0.08；故能实现其自然咬入。 3、本道次加工过程中，钢板厚度由 2.4mm 被轧制为 2.0mm。 （ 1） 本道次压下量 mmhhh 40.0.02-4.210 （ 2）本道次压下率 =0hh 100%= 0.402.4 100%=16.7% (3-1) （ 3）金属材料的屈服极限s 由图 3-3 得 ，as MP580。 （ 4）变形抗力的确定 因为 1.15Sk ，所以得： as MPk 6 6 75 8 015.115.1 （ 5）摩擦系 数的确定 同上，取 08.0 。 （ 6）轧件入口和出口断面上作用的平均水平张力 *m 青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 16 012m 式中：0 轧件入口断面上作用的水平张力，此时带宽 B=200mm,断面厚度为 0h=2.4mm； M P aPaAT 17.1040024.02.0 10503100 1 轧件出口断面上作用的水平张力，此时带宽 B=200mm,断面厚度为 0h=2.0mm； M P aPaAT 125002.02.0 10503211 ； 则 1 0 4 . 1 7 1 2 51 1 4 . 5 92m M P a （ 7）咬人条件的校核 由公式 co s 1 hD 得 co s 1 hD = 0.401 190 =0.998 03.48 ， ta n 3 .4 8 0 .0 6 =0.08；故能实现其自然咬入。 4、本道次加工过程中，钢板厚度由 2.0mm 被轧制为 1.8mm。 （ 1）本道次压下量 mmhhh 20.0.81-0.210 （ 2）本道次压下率 =0hh 100%= 0.202.0 100%=1 （ 3-1) （ 3）金属材料的屈服极限s 由图 3-3 得 ，as MP515。 （ 4）变形抗力的确定 因为 1.15Sk 所以得： as MPk 5 9 25 1 515.115.1 （ 5）摩擦系数的确定 同上，取 08.0 。 青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 17 （ 6）轧件入口和出口断面上作用的平均水平张力 *m 012m 式中：0 轧件入口断面上作用的水平张力，此时带宽 B=200mm,断面厚度为 0h=2.0mm； M P aPaAT 125002.02.0 10503100 1 轧件出口断面上作用的水平张力，此时带宽 B=200mm,断面厚度为 0h=0.0018mm； M P aPaAT 89.1380018.02.0 10503211 则 1 2 5 1 3 8 . 8 91 3 1 . 9 52m M P a （ 7）咬人条件的校核 由公式 co s 1 hD 得： co s 1 hD = 0.201 190 =0.999 02.63 ， ta n 2 .6 3 0 .0 5 =0.08；故能实现其自然咬入。 5、本道次加工过程中，钢板厚度由 1.8mm 被轧制为 1.4mm。 （ 1） 本道次压下量 mmhhh 40.0.41-.8110 （ 2）本道次压下率 =0hh 100%= 0.401.8 100%=22.2% (3-1) （ 3）金属材料的屈服极限s 由图 3-3 得，as MP610。 （ 4）变形抗力的确定 因为 1.15Sk 所以得 ： as MPk 5.70161015.115.1 青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 18 （ 5）摩擦系数的确定 同上，取 08.0 。 （ 6）轧件入口和出口断面上作用的平均水平张力 *m 012m 式中：0 轧件入口断面上作用的水平张力，此时带宽 B=200mm,断面厚度为 0h=0.0018mm； M P aPaAT 89.1380018.02.0 10503100 1 轧件出口断面上作用的水平张力，此时带宽 B=200mm,断面厚度为 0h=0.0014mm； M P aPaAT 57.1780014.02.0 10503211 则 1 3 8 . 8 9 1 7 8 . 5 71 5 8 . 7 32m M P a （ 7）咬人条件的校核 由公式 co s 1 hD 得： co s 1 hD = 0.401 190 =0.998 03.48 ， ta n 3 .4 8 0 .0 6 =0.08；故能实现其自然咬入。 3.4.2 轧制力计算（计算板材从 1.8mm-1.4mm 的轧制力） 在轧制时轧辊加于轧件使之塑性变形的力。但通常把轧件作用于轧辊上并通过压下螺丝传递给机架的力称做轧制力，即是轧件加于轧辊的反作用力的垂直分量。轧制力在我国习惯称做轧制压力或 轧制总压力。图 3-4 给出轧辊加于轧件的力， Pr 为轧制力 ,它垂直于轧辊表面； T 为摩擦力； Lp 为变形区水平投影长度。轧制力是确定轧机强度的基础。 青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 19 图 3-4 为了便于分析，可把影响轧制力的因素分为两类： 1、影响轧件材料在简单应力状态下变形抗力0的因素，如化学成分、组织、轧制温度和速度、加工硬化等； 2、影响变形的应力状态的因素 ,如轧辊直径、轧件尺寸、表面摩擦、外力（张力或推力）等。 轧件对轧辊的总压力 P 为轧制平均单位压力mP与轧件和轧辊接触面积 F 之乘积，即 FPPm； 接触面积 F 的一般形式 5为： 2 10 bbF l 式中：0b、1b 轧制前、后轧件的宽度，此过程中0b=1b=200mm； l 接触弧长度的水平投影。 计算接触面积实质上是计算接触弧长度。 在不考虑轧辊弹性压扁时，当两个轧辊直径相同 时，接触弧长度的水平投影为 s i nl R R h 190( ) 0 . 4 6 . 1 62 mm (3-2) 式中： R 轧辊半径； h 压下量。 但在热轧薄板及冷轧薄板时由于单位压力 较高，因此轧辊产生局部弹性压缩变形，它将使得接触弧长度有较显著的增加，如下图 3-5； 轧机的辊缝弹跳量与轧制力的关系曲线称为轧机弹性曲线图 3-6。此曲线的斜率 (k)称为轧机刚性系数，在其直线部分意义为产生单位弹跳量所需的轧制力。下 图 3-5 轧辊弹性压扁后接触弧变化。 青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 20 图 3-5 轧件受力分析 图 3-6 轧机弹性曲线 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 3-7），并假设接触表面上的摩擦力符合干摩擦定律。 图 3-7 变形区中单元体应力图 5 平均单位压力为 ： *1( ) ( )Xm m mep k k mX (3-3) 式中： k、 *m已知； mlXh 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（ 08.0 ）； m 考虑轧辊弹性压扁接触弧加长对单位压力的影响系数（或称压力增加系数P.M.F.）： 1XemX 。 青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 21 根据希奇可克公式： 2 200l l x x 208 (1 )mmRx p C pE （ 3-4） 式中， R 轧辊半径； E 轧辊弹性模数，对于钢轧辊 E=2100MPa； 泊松比，对于钢轧辊 =0.3； C 常数， 28 (1 )CRE，对于钢轧辊 390900R mmC N。 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 （ 3-5） 将（ 3-3）代入式（ 3 5）经整理 变换后，得： 其中 )1( klumehuL 2 * 2( ) 2 ( ) ( 1 ) ( )mlhmm m mllC k eh h h （ 3-6） 令 *2 ( )mCkmh =Y； 2()mlh =Z(l 为接触弧长 度的水平投影 )； 则式（ 3-6）可写为： ZYeX X )1(2 计算： 331 9 0 / 2 0 . 0 0 1 0 590900 m m m mC NN； 01 1 . 8 1 . 4 1 . 622m hhh m m ；（mh为平行平板压缩时薄板的厚度） 057.06.1 08.0)73.1585.701(001 0 5.02 Y 095.06.1 16.608.0 2 ）（Z 青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 22 图 3-8 决定压扁后接触弧长度诺谟图 5 查图 3-8 得： X=0.38。 则 22.138.0 1138.0 eXemX M P amkp mm 2.66222.1)73.1585.701()( 为了简化计算，采用下式 l ql （ 3-7） 式中， l 不考虑压扁时的接触弧长； q 压扁系数。 在冷轧薄板时 51 1 . 3 3 1 0 mpq 式中： 咬入角， 0 . 4 0 . 0 3 295hR 则 275.1032.0 2.66233.11 10 5 q mmqll 854.716.6275.11 。 循环一次： Y=0.057； 3 9 2.06.1 8 5 4.708.0 mhlX 青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 23 则 2 2 4.13 9 2.0 11392.0 eXemX M P amkp mm 35.664224.1)73.1585.701()( 276.1032.0 35.6641033.11 5 q mmqll 865.716.6276.12 循环两次： Y=0.063； 3 9 4.06.1 8 6 5.708.0 mhlX 则 2 2 6.13 9 4.0 11394.0 eXemX M P amkp mm 44.665226.1)73.1585.701()( 277.1032.0 44.6651033.11 5 q mmqll 87.716.62 7 7.13 循环三次： Y=0.063； 3 9 5.06.1 87.708.0 mhlX 则 2 2 8.13 9 5.0 11395.0 eXemX M P amkp mm 52.666228.1)73.1585.701()( 278.1032.0 52.6661033.11 5 q mmqll 872.716.6278.14 再将 4l 代入计算公式，再求出mp； 又将 mP代入公式求出5l；如是循环， 当 1iill， 0.05 时，计算结束。 由于计算过程较复杂 ，故我们用 VB 编了个小程序（见附录）。 最后算得： 2/64.722 mmKNPm ； mml 00.8 ，则轧件对轧辊的总压力青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 24 KNSPP m 24.1 1 5 600.820064.722 。 3.4.3 轧制力矩的计算 对于传动工作辊的四辊冷轧机，传动轧辊所需力矩为轧制力矩zM，由工作辊带动支承辊的力矩RM与工作辊轴承中摩擦力矩1fM三部分之和，即 1K z R fM M M M (3-8) 1、求轧制力矩zM zM Pa (3-9) 式中： P 轧制力； a 轧制力力臂，其大小与轧制力作用点及前后张力有关。 此轧制过程01TT， 此时 1sin2Da （前后张力对轧制力方向影响的偏转角0 ）； 式中：1D 工作辊直径； 不考虑张力时轧制力作用点对应的轧辊中心角。冷轧时，000= ( 0 . 3 0 . 4 5 ) = ( 0 . 3 0 . 4 5 ) 3 . 4 8 = 1 . 0 4 1 . 5 7 ，取 36.1 。 则 mma 25.22 36.1s in190 )(5.260125.224.1156 mmKNPaM Z 图 3-9 当01TT带张力轧制时四辊轧机轧辊受力图 5 青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 25 2、求工作辊传动支承辊的力矩RM CRM R (3-10) c o sc o s ( )PR (3-11) 式中： 前后张力对轧制力方向影响的偏转角，01TT时 0 ； 工作辊与支承辊连心线与垂直线的夹角，12a r c s i n22eDD ； 由于工作辊偏移距 e 的数值（一般为 510mm）相对于工作辊和支撑辊的直径来说很小，再计算传动力矩时，为了简化，可认为 e=0，即工作辊不偏移，此时计算结果误差不超过 1%。则 0 ； 轧辊连心线与反力 R 的夹角， 22a r c s i n2mD ； 其中， m 在工作辊和支撑辊接触处偏移的一个滚动摩擦力矩的距离（一般情况下 m = 0 .1 0 .3 m m，取 m=0.3mm ）。 2 支承辊摩擦圆半径， rfv 2（ r 为四列圆柱滚子轴承内径的半径r=160mm；vf为当量摩擦系数vf kf，当两个接触面沿整个半圆周均匀接触时 k 取2，冷轧时圆柱滚子轴承摩擦系数 =0.004）。 则 2 0 . 0 0 4 1 6 0 12k f r m m m m 2D 支承辊直径； 故 1 0 . 3a r c s i n 0 . 3 05002 c 反力 R 对工作辊的力臂； 1c o s s i n2Dcm 001900 . 3 c o s 0 . 3 0 s i n 0 . 3 0 0 . 82 mm 则 KNKNR 24.1 1 5 6)3.00c o s ( 0c o s24.1 1 5 6 )(9258.024.1156 mmKNM R 青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 26 3、求工作辊轴承的摩擦力矩1fM 1 1fMF （ 3-12） 式中： F 工作辊轴承处的反力；当01TT时 KNRF 3.1162)3.00s i n (24.1156s i n ）（ 1 工作辊摩擦圆 半径。 同上 11 0 . 0 0 4 5 5 0 . 3 52k f r m m 则 mmKNmmKNMf 41.035.03.1 1 6 2 综合上述： 轧制力矩为 mmKNMMMM fRZK 91.3 5 2 641.09 2 55.2 6 0 1 传动两个工作辊总传动力矩为 mmKNMM kK 82.7 0 5 391.3 5 2 622 3.4.4 轧机主电动机功率的确定与选择 1、轧辊与电机的速比 轧制速度： 2/v m s ； 工作辊转速：1 12 / 3 . 3 5 / 2 0 0 / m i n3 . 1 4 0 . 1 9vn r s r s rD ； 支承辊转速：2 22 / 1 . 2 7 / 7 6 / m i n3 . 1 4 0 . 5vn r s r s rD ； 轧辊与电机的速比： 74.19761500 i （此时轧辊转速为 1500r/min）。 2、轧辊与电机间的效率 电动机到工作辊之间要经过人字齿轮座、减速器、万向接轴。 齿轮座传动效率1 0 .9 3 0 .9 6 ，取1 0.95 ； 减速器传动效率2 0 .9 3 0 .9 6 ，取2 0.95 ； 青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 27 万向接轴的传动效率：3 0 . 9 6 0 . 9 8 ( 3 0 ) ，取3 0.97 ； 则总传动效率1 2 3 0.875； 3、 电动机力矩 轧机主电机力矩 DM mNMM KD 4 0 874.198 7 5.0 82.7 0 5 3 若选电机驱动，则 mNMMDD 9 1 62主。 4、主电机的功率 DP 9550 nMP DD kwnMP DD 1449550查机械设计手册单行本 （减速器电机与电器）22151P取主电动机型号 Z4-250-12（直流），额定功率 KWPN 160，最高转速 2100r/min，重量 880kg。 3.5 机架的设计计算 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 3-10 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。 青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 28 图 3 10 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 3-11，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 图 3-11 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。 青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 29 对于四辊轧机可取 mmDDH bw 2 4 1 51 7 9 4)5 0 01 9 0)(5.36.2()(5.36.2( ） 式中：wD、bD 工作辊、支承辊直径， mm；取 H=2120mm。 （ 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。 mmDB b 6 5 05 7 55 0 0)30.115.1()30.115.1( 为换辊方便，换辊侧的机架窗口应比传动侧窗口宽 510mm， 亦可表示为 mmsBB z 5902525402 式中： B 机架窗口宽度 ； bD 支承辊直径， mm； zB 支承辊轴承座宽度， mm，取 zB =540mm； s 窗口滑板厚度， mm，一般 s=2040mm，取 s=25； （ 3）机架端面尺寸 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。 查轧钢机械第三版表 5-1 得：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 ) 2 6 0 8 1 1 2 0 1 0 8 1 6 0F d m m 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 360mm 270mm。 29 7 2 0 02 7 03 6 0 mmF 机架结构简图如图 3 12： 青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 30 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。 ZG270 500 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； 青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 31 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。 4、机架强度和变形计算 轧钢机机架强度和变形的计算，一般可采用如下步骤： （ 1）将机架结构图简化成为平面刚架，可取出工作机架横梁和立柱的轴线，把机架按长方形框架处理。也可近似地处理成直线或规整的圆弧线断，并确定求解断面的位置。 （ 2）确定静不定阶数，如一般闭式机架是三次静不定问题，需作一系列假设来简化模型，降低静不定阶数。 （ 3）确定外力的大小及作用点。 （ 4）根据变形协调条件，用材料力学中任一种 方法（卡式定理，莫尔积分法，图乘法，力法等）求解静不定力和力矩。 （ 5）根据计算截面的面积、惯性矩、中性轴线的位置及承载情况，求出应力和变形。 用材料力学方法计算时，为了简化计算，一般做以下假设： 1）每片机架只在上下横梁的中间端面处受有垂直力 R，而且这两个力大小相等、方向相反，作用在同一直线上，即机架的外负荷是对称的。此时，机架没有倾翻力矩，机架底脚不受力。应该指出，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，或在张力轧制时，轧制力方向都不是垂直的。由于水平分力的数值一般都较小， 约为垂直分力的 3%4%，故可以忽略不计。只有当水平分力较大时（例如，超过垂直分力的 15%），则应考虑水平分力的影响。 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所引起的水平内力。 3）上下横梁和立柱交界处（转角处）是刚性的（一般机架转角处的刚性都是比较青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 32 大的），即机架变形后，机架转角仍保持不变。 将机架及其受力状态进行简化并画弯矩图， 如图 3-13、图 3-14； （ a）对称力系 （ b）不对称力系 （ c）对称受力机架内力（ d）不对称受力机架内 力 图 3-13 机架的受力状态 图 3-14 机架受力弯矩图 KNKNKNPR 57812.5782 24.11562 静不定力矩 3322113322111122444IlIlIlIlIlIlRlM （ 3-13） 式中：1l 机架横梁的中性线长度； 2l 机架立柱的中性线长度； 1I 机架上横梁的断面惯性矩； 2I 机架立柱的断面惯性矩； 青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 33 3I 机架下横梁的断面惯性矩。 假设上下衡量惯性矩相同，即13II时，则力矩1M为： 221122111124IlIlIlIlRlM （ 3-14） 其中： （矩形截面 123bhI ） 3 94132 8 0 5 0 0 2 . 9 2 1 012I I m m 3 9422 8 0 3 7 0 1 . 1 8 1 012I m m 则 mm74.1 2 9 1 9 71018.126451092.29551018.126451092.22955495557899991 KNM 立柱上的弯矩 mmKNMRlM 76.879974.1291974 9555784 112 由上可知，减小立柱的惯性矩 2I 和增加横梁的惯性矩 1I 可以部分地减少立柱中的弯矩 2M ，这对于减轻窄而高的机架重量是有利的。 危险截面应力：（62bhw ） 上 下横梁最大弯曲应力： 222111 /12.1/011.0500628074.129197 mmkgmmKNWM 立柱的拉弯应力： 222222 mm/kg43.0mm/0042.0370628076.879910360025782 KNWMFR 青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 34 对于机架，安全系数一般不小于 10。 而对于 ZG270 500，横梁的许用应力 21 5 7 /k g m m ，立柱的许用应力 22 4 5 /k g m m 。 11 、 22 故机架强度足够。 5、机架变形计算 机架在垂直方向的变形是由横梁 变形和立柱拉伸变形 3f两部分组成的， 由于横梁的端面尺寸较横梁的长度来说是较大的， 所以横梁变形又包括由弯曲力矩 3f所引起的变形和由切力 3f引起的变形两项。 图 3-15 机架横梁的等效悬臂梁 机架的弹性变形是由横 梁的弯曲和立柱的拉伸变形组成的。在计算横梁的弯曲变形时，应考虑横向切力的影响，即 3 3 3 3f f f f （ 3-15） 式中：3f 机架的弹性变形； 3f 由弯矩产生的横梁弯曲变形； 3f 由切力产生的横梁弯曲变形； 3f 由拉力产生的立柱拉伸变形。 图 3-16 是闭式机架的横梁受力图 图 3-16 闭式机架的横梁受力 青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 35 根据卡氏定理，由弯矩产生的两个横梁的弯曲变形为： 2 1 1 231()2 4 4l R l Mf EI (3-16) 式中： E 机架材料的弹性模数， 62 .1 1 0E M P a ； 1I 横梁的惯性矩； 1l 横梁中性轴的长度； R 横梁上的作用力，对于轧钢机，一般 R 为轧制力的一半，即2PR； 2M 机架立柱中的力矩。 所以 mmmmf 59323 1081.5)476.8 7 9 924 280578(1092.2101.2 280 1312RlfKGF (3-17) 式中： G 机架材料的剪切弹性模数，取 48 .1 1 0G M P a ； 1F 横梁的端面面积； K 横梁的端面形状系数，对于矩形端面，系数 K 为 1.2。 所以 mmmmf33 105.8)500280(812 2805782.1 2322Rlf EF (3-18) 式中，2l 立柱中性轴 的长度； 2F 立柱的端面面积。 所以 mmf 43 1072.31 0 3 60 0101.22280578 机架的弹性变形 mmf 0 0 8 9.01076.3105.81081.5 4353 而对于钢板轧机，机架的允许变形 3f为 0.40.5mm（冷轧机），故机架刚度满足要求。 青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 36 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 x 2 Rh MMcD (3-22) 式中：RM 工作辊传动支承辊的力矩； D 轧辊直径。 则 mmNMMkQ 73m a x 101.11 1 3 51 9 0109 2 52。 青岛理工大学 本科毕业设计（论文）说明书 37 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