【毕业学位论文】（Word原稿）四辊轧机虚拟样机SliodWorks设计及ADAMS动力仿真分析-计算机技术

江西理工大学应用科学学院毕业设计 I 摘要 随着计算机技术的普及，动力学分析和虚拟样机技术在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视和应用，己经成为解决复杂工程分析计算问题的有效方法。对轧钢机械设备运用有 行动力学分析，可为设计和制造提供可靠的数据，具有很大的经济意义和实用价值。 本论文以 450 四辊轧机为研究对象，首先根据轧机的工作原理进行四辊轧机结构设计和主要零部件（轧辊、支承辊、轴承座和机架）具体尺寸设计；其次在 件中建立三维实体模型，并导入 建立轧辊系虚拟样机；最后对轧机进行了简单的垂直振动仿真，得出 轧机轧辊和工作辊振动位移曲线，并对其进行 换得出振动频率范围，经分析得出轧机自激振动的结论。 本文对轧机轧辊系统的仿真结果与参考文献有很好的对应性，表明轧辊系虚拟样机的建立是比较正确的，运用 件进行轧机垂直振动分析是可行的。 关键词：四辊轧机； 虚拟样机； 体模型； 动力学仿真 刘接华；四辊轧机虚拟样机设计及动力仿真分析 of in a of to of of In 450 in of of of of in to of a FT of by of In a of of of is is 西理工大学应用科学学院毕业设计 录 摘要 . I . 1 章 绪论 . 1 钢机械的简要概述 . 1 钢机的定义 . 1 钢机械设备的组 成 . 1 钢机的分类 . 2 钢机的现状 . 2 机的发展 . 2 拟样机技术的应用 . 3 拟样机技术的定义 . 3 拟样机技术的研究 . 4 拟样机设计系统的主要技术构成 . 4 拟样机技术及其应用软件 . 5 文主要研究内容 . 6 第 2 章 450 轧机辊系结构及主要零部件设计 . 7 辊设计 . 7 辊的类型与结构 . 7 辊的尺寸参数 【 1】 【 4】 . 7 辊的材料、辊面硬度及铸造 . 9 刘接华；四辊轧机虚拟样机设计及动力仿真分析 轧辊的强度校核 . 9 轧辊轴承与轴承座 . 12 辊轴承的工作特点 . 12 辊轴承的类型与特点 . 12 动轴承 . 12 承的选择 【 5】 . 12 承座的设计 . 13 架的类型及其主要参考参数 . 14 架的类型 . 14 架的主要结构参数 . 14 轧机机架不同形式的结构 . 14 工作机座倾翻力矩的计算 . 14 力矩1. 14 矩的计算 . 15 座支反力的计算 . 15 地脚螺栓的选择与强度检验 . 15 辊系统结构设计 . 15 第 三 章 辊轧系的三维模型实体设计 . 16 件概述 . 18 维机械设计系统介绍 . 18 户界面的介绍 . 18 置管理 . 18 江西理工大学应用科学学院毕业设计 V 配设计 . 18 工程图 . 19 结 . 19 辊轧 机的三维建模 . 19 辊轧机的建模概括 . 19 辊轧机的重要零部件的三维建模 . 20 架的建模 流程 . 20 组件的虚拟装配 【 6】 【 7】 . 22 辊轧机的总体装配 . 27 机系统简化模型的建立 . 30 第 四 章 轧辊系虚拟样机的建立及动力学仿真 . 33 拟样机建立过程 . 33 轧辊系统模型导入 . 33 . 35 结论（删掉） . 38 参考文献 . 39 致谢 . 40 附录 A（） . 41 引进四辊轧机辊系的改造 . 41 附录 B（） . 43 江西理工大学应用科学学院毕业设计 第 1 章 绪论 钢机械的简要概述 钢机的定义 （ 1）狭义的定义 轧制钢材的机械设备称为轧钢机，它使轧件在转动的轧辊间产生塑性变形，轧出所需断面形状和尺寸的钢材。此外，为完成全部生产工艺过程，还必须有一系列辅助工序，如：加热、运输、矫正、剪切、包装等，故它还有广义。 （ 2）广义的定义 用于轧制钢材生产工艺全部所需的主要和辅助工序成套机组也称为轧钢机 ，它包括：轧制、运输、翻钢、剪切和矫直等设备。 钢机械设备的组 成 轧钢机械设备的组成可分为四大类：主要设备、辅助设备、起重运输设备和附属设备 【 1】 。 （ 1）主要设备 直接使轧件产生塑性变形的设备称为主要设备，也称为主机列。它包括： 工作机座和传动装置 。 工作机座由轧辊 、 轧辊轴承 、 机架 、 轨座 、 轧辊调整装置 、上轧辊平衡装置和换辊装置等组成。轧辊是使金属塑性变形的部件。 轧辊轴承 用于 支承轧辊并保持轧辊在机架中的固定位置 。 轧辊轴承工作负荷重而变化大 ， 因此要求轴承摩擦系数小 ， 具有足够的强度和刚度 ， 而且要 便于更换轧辊。不同的轧机选用不同类型的轧辊轴承。滚动轴承的刚性大 ， 摩擦系数较小 ， 但承压能力较小 ，且外形尺寸较大 ， 多用于板带轧机工作辊。滑动轴承有半干摩擦与液体摩擦两种。半干摩擦轧辊轴承主要是胶木 、 铜瓦 、 尼龙瓦轴承 。 比较便宜 。 多用于型材轧机和开坯机。液体摩擦轴承有动压 、 静压和静 - 动压三种。优点是摩擦系数比较小 ， 承压能力较大 ，使用工作速度高 ， 刚性好 ， 缺点是油膜厚度随速度而变化。液体摩擦轴承多用于板带轧机支承辊和其它高速轧机。 轧机机架由两片 “ 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。机架形式主要有闭式和开式两种。闭式机架是一个整体框架 ， 具有较高强度和刚度 ， 主要用于轧制力较大的初轧机和板带轧机等。开式机架由机架本体和上盖两部分组成 ， 便于换辊 ， 主要用于横列式型材轧机 。 此外 ， 还有无牌坊轧机。 轧机轨座用于安装机架 ， 并固定在地基上 ， 又称地脚板。承受工作机座的重力和倾翻力矩 ， 同时确保工作机座安装尺寸的精度。 轧辊调整装置用于调整辊缝 ， 使轧件达到所要求的断面尺寸。上辊调整装置也称 “ 压下装置 ”， 有手动电动和液压三种。手动压下装置多用在型材轧机和小的轧机上。电动压下装置包括电动机 、 减速机 、 制动器 、 压下螺丝压下螺母 、 压下位置指示器 、 球面垫块和测压仪等部件 ； 它的传动效率低 ， 运动部分的转动惯性大 ， 反应速度慢 ， 调整精度低。 70 年代以来 ， 板带轧机采用 厚度自动控制 ) 系统后 ， 在新的带材冷 、热轧机和厚板轧机上已采用液压压下装置 ， 具有板材厚度偏差小和产品合格率高等优点。 上轧辊平衡装置用于抬升上辊和防止轧件进出轧辊时受冲击的装置。形式有 ： 弹簧式多用在型材轧机上 ； 重锤式 ， 常用在轧辊移动量大的初轧机上 ； 液压式 ， 多用在四辊板带轧机上。 为提高作业率 ， 要求轧机换辊迅速 、 方便。 换辊方式有 C 形钩式 、 套筒式 、 小车式和整机架换辊式四种。用前两种方式换辊靠吊车辅助操作 ， 而整机架换辊需有两套机架 ， 此法多用于小的轧机。小车换辊适合于大的轧机 ， 有利于自动化。目前 ， 轧机上均采用快速自动换辊装置 ， 换一次轧辊只需 5 8 分钟。 刘接华；四辊轧机虚拟样机设计及动力仿真分析 2 传动装置由电动机 、 减速机 、 齿轮座和连接轴等组成。齿轮座将传动力矩分送到两个或几个轧辊上。 （ 2） 辅助设备包括轧制过程中一系列辅助工序的设备。如原料准备 、 加热 、 翻钢 、剪切 、 矫直 、 冷却 、 探伤 、 热处理 、 酸洗等设备。 （ 3） 起重运输设备 吊车 、 运输车 、 辊道和移送机等 。 （ 4） 附属设备 有供 、 配电 、 轧辊车磨 ， 润滑 ， 供 、 排水 ， 供燃料 ， 压缩空气 ， 液压 ， 清除氧化铁皮 ， 机修 ， 电修 ， 排酸 ， 油 、 水 、 酸的回收 ， 以及环境保护等设备。 钢机的分类 （ 1） 轧机的命名 ： 按轧制品种轧机型式和公称尺寸来命名。 “ 公称尺寸 ” 的原则对型材轧机而言 ， 是以齿轮座人字齿轮节圆直径命名 ； 初轧机则以轧辊公称直径命名 ；板带轧机是以工作轧辊辊身长度命名 ； 钢管轧机以生产最大管径来命名。有时也以轧机发明者的名字来命名 ( 如森吉米尔轧机 ) 。 （ 2） 轧机的选择 ： 按生产的产品品种 、 规格 、 质量和产量 的要求来选定成品或半成品轧机的类型和尺寸 ， 并配备必要的辅助 、 起重运输和附属设备 ， 然后根据各种因素的要求最后加以平衡选定。 （ 3） 轧机动力设施 ： 1590 年英国开始用水轮机拖动轧辊 ， 直到 1790 年还有用水轮机配以石制飞轮拖动四辊式钢板轧机的。 1798 年英国开始用蒸汽机拖动轧机。现代的轧机均为直流或交流电动机拖动 ， 有单机拖动 ， 也有通过齿轮成组拖动。 （ 4） 轧机的分类 ： 轧机可按轧辊的排列和数目分类 ， 可按机架的排列方式分类 ，也可按生产的产品分类 。 钢机的现状 轧机是实现金属轧制过程的设备 。 泛指完成轧材生产全过程的装备 ， 包括有主要设备 、 辅助设备 、 起重运输设备和附属设备等 。 但一般所说的轧机往往仅指主要设备 。 据说 在 14 世纪欧洲就有轧机 ， 但有记载的是 1480 年意大利人达 芬奇 （ 设计出轧机的草图 。 1553 年法国人布律列尔 （ 制出金和银板材 ， 用以制造钱币 。 此后在西班牙 、 比利时和英国相继出现轧机 。 1728 年设计的生产圆棒材用的轧机 为 1728 年英国设计的生产圆棒材用的轧机 。 英国 于 1766 年有了串行式小型轧机 ，19 世纪中叶 ， 第一台可逆式板材轧机在英 国投产 ， 并轧出了船用铁板 。 1848 年德国发明了万能式轧机 ， 1853 年美国开始用三辊式的型材轧机 ， 并用蒸汽机传动的升降台实现机械化 。 接着美国出现了劳特式轧机 。 1859 年建造了第一台连轧机 。 万能式型材轧机是在 1872 年出现的 ； 20 世纪初制成半连续式带钢轧机 ， 由两架三辊粗轧机和五架四辊精轧机组成 。 中国于 1871 年在福州船政局所属拉铁厂 （ 轧钢厂 ） 开始用轧机 ； 轧制厚 15下的铁板 ， 6 120方 、 圆钢 。 1890 年汉冶萍公司汉阳铁厂装有蒸汽机拖动的横列双机架 2450辊中板轧机和蒸汽机拖动的三机架 横列二辊式轨梁轧机以及 350/300型轧机 。 随着冶金工业的发展 ， 现已有多种类型轧机。 机的发展 现代轧机发展的趋向是 大型 化 、连续 化 、高速 化 和自动化。 60 年代以来轧机在设计 、研究和制造方面取得了很大的进展 ， 使带材冷热轧机 、 厚板轧机 、 高速线材轧机 、 H 型材轧机和连轧管机组等性能更加完善 ， 并出现了轧制速度高达每秒钟 115米的线材轧机 、全连续式带材冷轧机 、 5500 毫米宽厚板轧机和连续式 H 型钢轧机等一系列先进设备 。轧机用的原料单重增大 ， 液压 板形控制 、 电子计算机程序控制及测试手段越来越完 善 ， 轧制品种不断扩大 。 一些适用于连续铸轧 、 控制轧制等新轧制方法 ， 以及适应新的产品质量要求和提高经济效益的各种特殊结构的轧机都在发展中 【 1】 【 2】 。 江西理工大学应用科学学院毕业设计 （ 1）大型化方面 增大钢锭（钢坯）或带卷重量。过去初轧机锭一般为 10 20 吨，现在已加大到 4050 吨。热连轧的最大带卷和坯料重量已由 15 吨增到 45 吨。冷连轧卷重达 60 吨，线材盘重已达 2 4 吨。 大型化还表现在轧辊直径的增加，初轧机轧辊直径已达 1300 1500钢热连轧机的精轧机组工作辊直径达 760 850轧机组的支撑辊直径亦已增加到1700 此外，轧钢机主传动功率不断增加，初轧机主传动功率比过去提高 30 50%。热连轧宽带钢精轧机组传动总容量达 10 万千瓦以上，有的已达 12 万千瓦。 从前板坯初轧机年生产能力一般为 200 300 万吨，近代已出现了达 500 600 万吨年产量的初轧机。 （ 2）高速化方面 宽带钢热连轧速度达 s，冷连轧已达 s，线材轧机已达 60 75m/s。 轧钢设备高速化是机械制造和自动控制技术水平不断提高的结果，另外，轧钢设备结构不断改进以适应高速化需要也是一个重要方面。例如： 45 度无扭连续式线材轧机的结构 型式就适应于高速化需要。 （ 3）连续化方面 除宽带钢热连轧、冷连轧机及中小型、线材连轧机外，尚发展了宽边工字钢连轧机、无缝钢管连轧机、连续焊管轧机及圆、方坯连轧机等。 全连续式冷轧机实现了无头轧制，最近十几年来已在产生上应用。它能进一步提高冷连轧机产量、改善产品质量、有效地解决板卷的穿带和抛尾问题，并能实现动态变规格和高速飞剪的剪切，这套控制系统使投资约增加 15 20%。 （ 4）自动化方面 目前宽带钢热轧机的计算机自动控制水平在各类轧机中是最高的，从板坯上料到卷取全部采用电子计算机控制。 冷连轧机上亦广泛采 用了钢板厚度自动控制（ 平整机上延伸率自动控制（ 其它自动化措施，如进料侧开卷自动化、自动引料、出口侧自动卸卷、打捆等，还有自动化快速换辊。这些自动化系统一般是在轧钢设备上装设测定参数检测装置，如压力、张力、温度、速度、行程等通过液压和电气控制系统由电子计算机按照一定程序实现自动化操作。 拟样机技术的应用 拟样机技术的定义 虚拟样机技术是上世纪 80 年逐渐兴起、基于计算机技术的一个新概念。从国内外对虚拟样机技术 ( 研究可以 看出，虚拟样机技术的概念还处于发展的阶段，在不同应用领域中存在不同定义。 美国国防部对虚拟样机技术有关概念的建设性意见为： （ 1）虚拟样机定义，虚拟样机是建立在计算机上的原型系统或子系统模型，它在一定程度上具有与物理样机相当的功能真实度。 （ 2）虚拟样机设计，利用虚拟样机代替物理样机来对其候选设计的各种特性进行测试和评价。 （ 3） 虚拟样机设计环境，是模型、仿真和仿真者的一个集合，它主要用于引导产品从思想到样机的设计，强调子系统的优化与组合，而不是实际的硬件系统。 国内外学者 对虚拟样机技术的定义大同小异，下面是几种有代表性的论述： 刘接华；四辊轧机虚拟样机设计及动力仿真分析 4 （ 1） 虚拟样机技术是将 模技术、计算机支持的协同工作 (术、用户界面设计、基于知识的推理技术、设计过程管理和文档化技术、虚拟现实技术集成起来，形成一个基于计算机、桌面化的分布式环境以支持产品设计过程中的并行工程方法； （ 2） 虚拟样机的概念与集成化产品和加工过程开发 (称 分不开的。 一个管理过程，这个过程将产品概念开发到 生产支持的所有活动集成在一起，对产品及其制造和支持过程进行优化，以满足性能和费用目标。 核心是虚拟样机，而虚拟样机技术必须依赖 能实现； （ 3） 虚拟样机技术就是在建立第一台物理样机之前，设计师利用计算机技术建立机械系统的数学模型，进行仿真分析并从图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特性，从而修改并得到最优设计方案的技术； （ 4） 虚拟样机是一种计算机模型，它能够反映实际产品的特性，包括外观、空间关系以及运动学和动力学特性。借助于这项技术，设计师可以在计算机上建立机械系统模型，伴 之以三维可视化处理，模拟在真实环境下系统的运动和动力特性并根据仿真结果精简和优化系统； （ 5） 虚拟样机技术利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式探索虚拟物体功能，对产品进行几何、功能、制造等许多方面交互的建模与分析。它在 型的基础上，把虚拟技术与仿真方法相结合，为产品的研发提供了一个全新的设计方法。在建模和仿真领域比较通用的关于虚拟样机的概念是美国国防部建模和仿真办公室（ 定义。 虚拟样机定义为对一个与物理原型具有功能相似性的系统或者子系统模型进行的基于计算机的仿真；而虚拟样机 则是使用虚拟样机来代替物理样机，对候选设计方案的某一方面的特性进行仿真测试和评估的过程。 机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，是 20 世纪 80 年代随着计算机技术的发展而迅速发展的一项新技术。其核心是机械系统运动和动力学仿真技术，同时还包括三维 模技术、有限元分析技术、最优化技术等相关技术。运用虚拟样机技术，可以大大简化机械产品的设计开发过程，大幅度缩短产品开发周期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品质量，提高产品的系统性能，获得最优化和创新的设计产品。 拟样机技术的研究 虚拟样机技术的研究对象是机械系统。机械系统可以看作是多个相互连接、彼此能够相对运动的构件的组合。 虚拟样机技术的研究 范围主要是 ： (1)机械系统的静力学分析，即在一定条件下，将机械系统看作是刚性系统，系统中各构件之间没有相对运动，此时，主要分析在各种力的作用下，各构件的受力和强度问题； (2)机械系 统运动学分析，主要涉及系统及各构件的运动分析，而与引起的力无关 ； (3)机械系统的动力学分析，主要涉及系统在外力作用下，各构件之间的运动关系，是运动分析和动力学分析的混合形式。 拟样机设计系 统的主要技术构成 虚拟样机技术是近些年在产品开发的 技术和 技术的基础上发展起来的，它进一步融合了现代信息技术、先进仿真技术和先进制造技术，并将其应用于复杂系统的全生命周期进行综合管理，支持由上到下的复杂系统开发模式，以缩短产品的开发周期，降低产品的设计成本，改进产品的设计质量，提高面向客户与市场需求的能力。 虚拟样机技术的相关技术主要包含 6 个方面 【 3】 ： 江西理工大学应用科学学院毕业设计 （ 1） 计算机辅助 设计 (术。用于机械系统的几何建模，或者展现机械系统的仿真分析结果。 （ 2） 有限元分析 (术。可以用机械系统的运动学和动力学的分析结果，确定进行有限元分析所需要的外力和边界条件。或者利用有限元分析对构件应力、应变和强度进行进一步的分析。 （ 3） 驱动元件建模技术。虚拟样机技术还必须提供驱动力元件，还模拟各种载荷，比如电动力、风力等； （ 4） 模型反求技术。利用实物进行测量，然后通过反求工程，快速建立机械系统模型。 （ 5） 控制系统分析技术。虚拟样机技术还可以运用控制理论，对机械系统进行运动仿真 。或者，借助于其它控制系统分析软件，进行机械和控制系统的联合仿真分析。 （ 6） 优化技术。通过虚拟样机技术进行机械系统的优化设计和分析，确定最佳设计结构和参数，使机械系统获得最佳的综合性能 。 拟样机技术及其应用软件 虚拟样机技术在工程中的应用是通过界面友好、功能强大、性能稳定的商品 化虚拟样机软件实现的。 目前比较有影响的产品包括美国机械动力学公司 利时 司的 国航天局的 罗斯航天工业尖端技术 及韩国 司开发出的新一代动力学仿真软件 在虚拟样机领域最具领先地位的软件是 是建立在多体动 力学基础上大型机械系统自动动力学分析软件，由美国 司开发。 1973 年 美国 学的 人研制出第一版来，该软件不 断发展，专用模块逐渐丰富，功能日益强大。运用该软件可以非常方便的对虚 拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。同时该软件还能实现虚拟样机相 关技术的各项功能。其中 大的数 学分析器，可以自 动求解机械系统的运动方程 ;以完成几何建模、模型分析以及驱 动元件的建模 ;以进行结构分析 ;以进行控制 系统的设计 :同时 能进行最优化设计。 从上面的分析可知运用 件可以非常方便地进行虚拟样机分析和设 计。 功能虽然强大，但是它主要是进行机械系统的静力学、运动学和 动力学分析，相对而言其它方面功能较弱。如在几何建模、结构分析等方面 不如那些专门进行这些方面的分析和设计的软 件。因此，在本课题中， 考虑将 这些软件联合仿真，强强联合，就能得到最精确的分析结果。 ( )与 件的联合使用 如前所述，虚拟样机技术的实现要依赖于几何形体的计算机辅助设计 (技术。 然功能强大，但造型功能相对薄弱，难以用它创建具有复杂特 性的零件，但 持现在通用的集中图形标准 等，通过 块可以输入其它 件生成的模块文件。 机械设计自动化软件， 易学易用，使用这套简单易学的工具， 机械设计工程师能快速地按照其设计思想绘制草图，尝试运用各种特征与不同尺 寸，以及生成实体模型。 刘接华；四辊轧机虚拟样机设计及动力仿真分析 6 文主要研究内容 本论文主要研究内容如下： （ 1）根据 450 轧机的工作原理进行四辊轧机结构设计和主要零部件（轧辊、支承辊、轴承座和机架）具体尺寸设计。 （ 2） 使用三维实体造型软件 立辊系结构三维实体模型，并找出件与机械动力学仿真软件 间最合适的文件传输标准，将三维实体模型顺利导入 （ 3）在 件平 台上建立轧辊系的虚拟样机，对轧辊系各部件添加质量，材料等信息，添加对应约束和力， 对轧机进行了简单的垂直振动仿真，得出轧机轧辊和工作辊振动位移曲线，并对其进行 换得出振动频率范围，经分析得出轧机自激振动的结论。江西理工大学应用科学学院毕业设计 第 章 轧机辊系结构及主要零部件设计 辊设计 辊的类型与结构 轧辊是轧钢机的主要部件。按照轧机类型可分为板机轧辊和型钢轧机轧辊两大类。 轧辊由辊身、辊颈和轴头三部分组成。轴头有三种主要形式， 在这里 本文 设计的是四辊窄带钢冷轧机，选择的是圆柱形轴头。见 。此轴头是圆 柱形轴头。 图 圆柱形轴头轧辊 辊的尺寸参数 【 1】 【 4】 轧辊的基本尺寸参数是：轧辊名义直径 D，辊身长度 L，辊颈直径 d 和辊颈长度 l。 （ 1）轧辊名义直径 D 和辊身长度 L 的确定 板带轧机轧辊的 L 与 D 板带轧机轧辊的主要尺寸是辊身长度 L（ L 也标志着板带轧机的规格）和直径 D。决定板带轧机轧辊尺寸时，应先确定辊身长度，然后再根据强度、刚度和有关工艺条件确定其直径。 辊身长度 L 应大于所轧钢板的最大宽度 b + a（ 2 式中的 a 值视钢板宽度而定。当00 1200 时， a 100 ；000 2500时， a=150 200 ；当钢板更宽时， a=200 400 。 辊身长度确定以后，对二辊轧机可根据咬入条件及轧辊强度，参照 表 2定辊颈D。 对于四辊轧机，为减少轧制力，应尽量使工作辊直径小些。但工作辊最小直径受辊颈和轴头的扭转强度和轧件咬入条件的限制。支承辊直径主要取决于刚度和强度要求。 四辊轧机的辊身长度 L 确定以后，可根据表 2定工作辊直径1在冷轧薄带钢轧机上，轧制压力很大。若工作辊直径过大，则弹性压扁值也大，以致无法轧出薄带。为此，工作辊最大直径还受被轧带材最小厚度的限制。根据经验，1D（ 1500 2000） 刘接华；四辊轧机虚拟样机设计及动力仿真分析 8 表 2各种四辊轧机的111比值 常用比值 比值 常用比值 比值 常用比值 厚板轧机 据辊身长度在1120 5590 范围内的 165台四辊轧机统计而得 宽带 钢轧机 粗轧机座 轧机座 轧板带轧机 2） 轧辊辊颈尺寸 d 和 l 的确定 辊颈直径 d 和长度 l 与轧辊轴承型式及工作载荷有关。由于受轧辊轴承径向尺寸的限制，辊颈直径比辊身直径要小得多，因此辊颈与辊身过渡处，往往是轧辊强度最差的地方。只要条件允许，辊颈直径和辊颈与辊身的过渡圆角 r 均应选大些。 使用滚动轴承时，由于轴承外径较大，辊颈尺寸不能过大，一般近似地选d = ( 0 0 ) D， l = 0 1 （ 3） 轧辊传动端的型式与尺寸 轧辊除基本尺寸 D、 L、 d、 l 以外，尚有轴头型式与尺寸的选择问题。我们所选取的是圆柱形轴头。轴头的基本尺寸见图 （ 4）工作辊和支承辊的基本尺寸 支承辊的基本尺寸见图 图 支承辊基本尺寸 江西理工大学应用科学学院毕业设计 工作辊的基本尺寸见图 图 工作辊 辊的材料、辊面硬度及铸造 常用的轧辊材料有合金锻钢，合 金铸钢和铸铁等。 冷轧轧辊用钢有 9 9、 9 9W 、 9 60 80 80由于设计四辊窄带钢冷轧机，所以工作辊和支承辊的材料都选择 9工作辊的辊面硬度 90 95，支承辊的辊面硬度 50 65。 轧辊 的强度校核 （ 1）钢板轧机轧辊的强度校核 四辊轧机，由于有支承辊，给轧辊计算与二辊相比带来了新的特点。首先是工作辊和支承辊之间有弯曲载荷的分配问题；其次是工作辊和支承辊之间存在着相当大的接触应力。支承辊的弯曲力矩和弯曲应力分布见图 辊颈的 1面和 2面上的弯曲应力均应满足强度条件，即 11 1 0 . 2 d （ 2 22 2 0 . 2 d （ 2 式中 P 总轧制压力； 11d、22d 1 2面的直径； 1c、2c 1 2面至支反力 许用弯曲应力。 支承辊辊身中部 3面处玩具是最大的。若 认为轴承反力距离 l 等于两个压下螺丝的中心距0l，而且把工作辊对支承辊的压力简化成均布载荷（这时计算误差不超过9% 13%），可得 3面的弯矩表达式 0w l P ( - )48（ 2 刘接华；四辊轧机虚拟样机设计及动力仿真分析 10 辊身中部 3面的弯曲应力为 3 3 0 ( l - ) 4 D 2 （ 2 式中的2于有支承辊受弯曲力矩，故工作辊可只考虑扭转力矩，即仅计算传动端的扭转应力。扭转应力为 W （ 2 式中作用在一个工作辊上的最大传动力矩； 工作辊传动端的扭转断面系数。 如果在轧制过程中存在很大的前后张 力差以及工作辊有弯辊装置，则对工作辊还要计算由此引起的弯曲应力，并与扭转应力合成。 在辊颈和辊身的连接处，由于直径的突然变化，会在轧辊受载时产生明显的应力集中，在轧辊载荷较大时，轧辊经常在这里折断。为减小上述应力集中，一般可采用光滑的过渡圆角（图 当此圆角为一段简单圆弧时，一应力集中系数 k 与 肩高度 /辊颈直径）及 弧半径 /辊颈直径）有关。 辊轧机支承辊计算简图 （ 2）工作辊与支承辊间的接触应力 四辊轧机（及有支承辊的其他类型轧机）支承辊和工作辊之间承载时有很大的接触应力，在轧辊设计及使用时应进行校核计算。如假设辊间作用力沿轴向均匀分布，由弹性力学知，辊间接触问题可简化成一个平面应变问题。 H赫茨认为，两个圆柱体在接触区内产生局部的弹性压扁，存在呈半椭圆形分布的压应力（图 半径方向产生的江西理工大学应用科学学院毕业设计 法向正应力在接触面的中部最大。最大压应力及接触区宽度 2b 可由下式计算 12m a x 21 2 1 22 q D + b K + K r r 1221 2 1 2q r + r=K + K r r（ 2 式中 q 加在接触表面单位长度上的负荷； 1D、2r 相互接触的两个轧辊的直径及半径； 1K、 2K 与轧辊材料有关的系数， 21111， 22221。 其中，1、2及1E、2 1 2 2 1122 q K + K D + D（ 2 若两辊泊松比相同并取12= = = 0 ，则式 2式 2简化成 12m a r + r q= 0 . 4 1 8 = 0 . 6 3 7r r b（ 2 1212q r 1 . 5 2 E r + r（ 2 辊 身端部的圆角 此应力虽然很大，但对轧辊不致产生很大的危险。因为在接触区，材料的变形处于三向压缩状态，能承受较高的应力。 在辊间接触区中，除了须校核最大正应力，对于轧辊体内的最大切应力也应进行校核。 一般称xy(为最大反复切应力： x y ( m a x ) m a x= 0 . 2 5 6（ 2 刘接华；四辊轧机虚拟样机设计及动力仿真分析 12 正应力和切应力的许用值 与轧辊表面硬度有关，按照支承辊便面硬度列出的许用值见表 2 表 2许用接触应力值 支承辊表面硬度 许用应力 / 许用应力 / 30 40 60 85 1600 2000 2200 240 490 610 670 730 D 1 、 E 1D 2 、 E 2工作辊与支承辊相接触 的情况 轧辊轴承与轴承座 辊轴承的工作特点 轧辊轴承室轧钢机工作机座中的重要部件。由于各类轧机的结构及工作条件差别很大，因而必须采用不同类型的轴承。和一般用途的轴承相比，轧辊轴承有以下特点：（ 1）工作负荷大。（ 2）运转速度差别大。（ 3）工作环境恶劣。 辊轴承的类型与特点 轧辊上使用的滚动轴承主要是双列球面滚子轴承，四列圆锥滚子轴承及多列圆柱滚子轴承。滚针轴承仅在个别情况下用于工作辊。滚动轴承的刚性大，摩擦系数较小，但抗冲击性能差、外形尺寸较大。它们多用在各种板带轧机和钢 坯连轧机上。 动轴承 滚动轴承的特点决定了它在轧机上的使用方式。由于轧辊轴承要在径向尺寸受到限制的条件下承受很大的轧制力，所以在轧机上使用的滚动轴承多采用多列滚子轴承。由于四辊冷轧机的轧制力都较大，轴向力较小，故采用四列圆柱滚子轴承承受轧制力，四辊冷轧机采用深槽单列向心球轴承承受轴向力。 承的选择 【 5】 支承辊上的轴承 分别选择轴承 678275/1、轴承 4956、轴承 61956、轴承 80206。工作辊上的轴承选择 分别选择轴承 8215、轴承 4544920。 江西理工大学应用科学学院毕业设计 承座的设计 （ 1）工作辊上的轴承座基本形状、尺寸见下图 图 工作辊上的轴承座基本尺寸 （ 2）上支承辊的轴承座基本形状、尺寸见下图 上支承辊轴承座的基本形状、尺寸 （ 3） 下支承辊轴承座基本形状、尺寸见下图 刘接华；四辊轧机虚拟样机设计及动力仿真分析 14 图 支承辊轴承座的基本形状、尺寸 架的类型及其主要参考参数 架的类型 （ 1）开式机架（ 2） 闭式机架（ 3）焊接机架（ 4）组合机架 本次设计选用闭式机架，闭式机架是一个整体框架，具有较高强度和刚度，主要用于轧制力较大的情形，为提高轧件的轧制精度，也往往采用闭式机架。 架的主要结构参数 机架的主要结构参数包括：机架窗口高度 H 和宽度 B 以及机架立柱断面面积 F（1F 对于四辊轧机，可取； ( 2 . 6 3 . 5 ) ( ) D（ 2 式中 , 分别为工作辊和支撑直径， 机架立柱断面面积 F 根据机架强度来确定的。预选时可由经验公司事先给定，而后再进行机架强度与刚度验算。 轧机机架不同形式的结构 板簧成形设