四辊不可逆铝板冷轧机的设计

1、摘要我的设计题目为铝板冷轧机的设计，铝板轧机是轧铝车间的重要设备，在铝板生产中被广泛应用。铝板轧机是一个集机械、电气、液压、控制、传动为一体的复杂系统，并且在非常恶劣的环境下工作。本轧机其为典型的四辊不可逆冷轧机，所轧制的金属为典型的有色金属铝，因此该设计具有其独特性。本论文系统的阐述了四辊不可逆冷轧机的结构和新的计算理论，分章节的介绍了铝的轧制工艺及设备、轧制规程的制定、轧辊、轧辊轴承、轧辊的设计、轧机机架和轧机工作辊的校核、轧机的附属装置的设计、轧机的三维设计等。并对轧制力能参数、工作辊和工作辊轴承进行了重点设计计算。 由于作者的能力有限，在设计中借鉴了渤海铝业有限公司的四辊不可逆轧机的相

2、关设计资料。关键词四辊不可逆冷轧机 工作辊 轧制工艺AbstractThe topic of my design is cold aluminum strip mill. Strip mill is an important equipment in the aluminum-rolling workshop and is extensive used in strip aluminum manufacture. Strip mill is a set of mechanical, electrical, hydraulic, control, transmission as one of t

3、he complex system, and work in the very poor environment.This mill is a typical of 4-high non-reversing cold strip mill. Besides, the rolling material in the design is the typical of nonferrous metal-aluminum; therefore, this design has its specialty.This paper describes the structure of 4-high non-

4、reversing cold strip and new calculational theory and methods systemically. It gives a presentation of rolling technics and equipments of aluminum、roll、rolling bearing、milling house、outfit for adjusting and balancing roll etc.Especially, the author pays more attention to designing rolling parameter、

5、work roll and roll bearing.For the limited capacity of designer, in the process of the design, the author uses the design information of 4-high non-reversing cold strip mill (2200)designed by Davy McKee (Poole)Ltd for reference, which belongs to Bohai Aluminum Industries Ltd. Corporation.Keywords 4-

6、high non-reversing cold strip mill work roll rolling technics 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 铝及其合金的轧制工艺及设备21.2.1 铝及其合金板、带、箔材2 铝及其合金的轧制工艺简述21.2.3 铝及其合金的轧制设备31.2.4 冷轧机型式的选择41.3 本章小结6第2章 轧机轧辊72.1 轧机工作辊的基本参数72.1.1 工作辊辊身的长度和直径72.1.2 工作辊辊径的长度和直径72.1.3 工作辊轧辊头的长度和直径82.2 轧机支撑辊的基本参数92.2.1 支撑辊的辊身长度和直径92.2

7、.2 支承辊辊径直径和长度92.3 轧辊的挠度的公式推导102.3.1 工作辊相应挠度的公式推导102.3.2 支承辊相应挠度的公式推导112.3.3 轧辊辊身中部与边部压力差值的确定132.3.4 轧辊挠度的计算过程142.4 轧辊的校核162.5 本章小结18第3章 轧机的力能参数193.1 轧制工艺规程的设计193.1.1 轧制材料的确定193.1.2 轧制道次的确定193.1.3 轧制速度的选取193.1.4 平均单位压力和总轧制压力193.2 轧制力距和轧制功率的计算213.2.1 轧制力距的计算213.2.2 轧制功率的计算233.3 本章小结24第4章 轧机机架的设计254.1

8、机架的结构254.2 轧机机架尺寸参数的确定254.2.1 窗口宽度的确定264.2.2 窗口高度的确定274.2.3 机架立柱断面的确定274.3 ANSYS 有限元法274.3.1 有限元法简介274.3.2 ANSYS 功能简介294.3.3 ANSYS 分析的基本过程314.4 轧机机架的校核324.4.1 轧机机架的材料和受力分析324.4.2 轧机机架的网格划分334.4.3 施加载荷及约束334.4.4 轧机机架的结果分析344.5 本章小结38第5章 轧机工作机座的其他部分395.1 轧辊轴承395.1.1 轧辊轴承的特点395.1.2 轴承组件的装配要求395.1.3 四列圆

9、柱滚子轴承的寿命计算395.2 液压压下装置415.2.1 液压压下装置的特点415.2.2 液压压下装置的基本类型425.2.3 液压压下装置的控制方式435.2.4 液压压下油缸的选择435.3 轧制线调整装置445.4 液压平衡装置445.4.1 四辊轧机上轧辊平衡装置的特点455.4.2 平衡装置的型式455.5 液压弯辊装置455.6 主接轴结构475.7 本章小结48第6章 轧机的动力及传动机构496.1 轧机的主电机选择496.2 主减速器的选择496.3 齿轮机座496.3.1 齿轮机座的结构496.3.2 齿轮机座的轴承506.3.3 润滑及密封516.3.4 轮齿形式516

10、.4 连接轴516.5 本章小结51结论53参考文献55致谢57附录1 开题报告59附录2 文献综述69附录3 外文翻译79第1章 绪论1.1 课题背景中国的铝板带轧制工业始于1919年9月，上海益泰信记铝器厂用二辊小轧机轧制小铝片。真正的铝板带轧制是在新中国成立后发展起来的，1956年11月6日中国第一家大型综合铝业生产企业-东北轻合金有限责任公司（当时工厂代号为101厂）在苏联的援助下建成投产，开创了中国现代化铝板带轧制工业的先河，从此中国有了现代化的铝轧制企业。建国以后，中国大地上的铝轧制企业如雨后春笋般茁壮成长起来。1983年一重为西南铝业有限责任公司设计制造了中国首台360/1000

11、mm×1400mm四辊不可逆式冷轧机，轧制速度可达600m/min，产品最薄厚度为0.2mm，板厚偏差为±0.005mm。具有液压AGC系统、X射线测厚仪、轧制油板式精密过滤、可控硅供电、开卷机自动对中、快速换辊、自动灭火系统等。该技术水平基本与20世纪70年代中期的国际水平相当。该机于1986年10月正式投产1。2004年中色科技股份有限公司设计了的中国首台2050mm六辊不可逆冷轧机，该机的主要参数见下表1，与日本日立公司引进平辊六辊轧机相比，它的最大轧制速度低40%，主电机功率低25%，产品最薄厚度却小一倍，最大轧制力也高25%2。 表1-1 中国自行设计的六辊不可逆

12、式铝带冷轧机参数规格/mm480/1350×2050最大轧制速度/(m.min-1)900主电机功率/Kw2×1500最大轧制力/N20000来料最大厚度/mm12产品最薄厚度/mm0.2带卷最大外径/mm2500带卷最小外径/mm665目前世界上，典型的现代化大型冷轧机当属德国SMSDemag公司的三机架冷轧机组，最高轧制速度1524m/min，板宽2030mm,成品厚度公差±0.0038mm,设计能力300kt/a，仅用于铝罐毛料薄板的生产。世界上最先进的铝板带冷轧机的轧制速度可达到2400mm/min，意大利可米塔尔铝业公司扩建了一台由奥钢联提供的四辊冷轧机

13、，为工厂的铝箔轧机提供毛料，这台冷轧机中了当前铝带冷轧的各种先进技术，实质上是一台万能冷轧机，生产的产品范围广。 1.2 铝及其合金的轧制工艺及设备1.2.1 铝及其合金板、带、箔材铝及其合金产品是轻有色金属轧材的代表产品。按其厚度的不同，可以分为板、带、箔三种。见表1-2表1-2 铝合金轧材的分类轧材品种尺寸 mm厚度宽度长度热轧厚板5605002500200010000特厚板80以上5002500200010000冷轧薄板0.34.05002500200010000箔材0.0050.2510001.2.2 铝及其合金的轧制工艺简述常见的铝及其合金的生产流程包括铝锭铣面、铝锭蚀洗、包铝、加热

14、、热轧、预先退火、冷轧、中间退火、预剪、成品退火、淬火、人工时效、精整、涂油包装等工序。 与一般的轧钢工艺相比，铝及其合金板、带的生产流程有以下特点：1）铝锭要经过铣面（纯铝板锭除外），以清除表面缺陷，一般每边铣去812mm;2)由于铝锭铣面表面有润滑油脂，因而铣面后，铝锭需要去油，可在苛性钠槽中蚀洗，在硝酸槽中中和，然后进行水洗；3）纯铝具有耐腐蚀的特点，硬铝板强度高，但不耐腐蚀，因而硬铝铸锭在热轧加热前要包覆一层厚度为1020mm的纯铝板，这样可以提高硬铝板的耐蚀性，为防止热轧裂边，铸锭侧面也需要包铝；4）加热后的铝锭，由于晶粒较大，在安排热轧的压下规程时，前几道必须采用小压下量轧制，通常

15、压缩率控制在510%；此外，热轧温度也较低（500以下）；5）铝板表面划伤处对应力集中很敏感，故从热轧开始，各工序必须采取措施，防止铝板表面划伤。6）在有的大型铝加工厂，采用中温轧制工艺，铝带经热轧后不必卷取，直接送到冷轧机去温轧，这样可以简化工艺流程，降低生产成本；7）为提高硬铝合金的机械性能，铝合金板材在冷轧后要进行淬火、自然时效和人工时效等工艺处理；8）某些热轧后的特厚板和冷轧后的特薄板要进行张力矫正；9）轧制铝箔时，需要合卷和分卷。1.2.3 铝及其合金的轧制设备常用的铝及其合金的轧制设备如下：热轧设备、冷轧设备、剪切设备、退火设备、酸洗设备、铝箔的合卷和分卷设备、铝锭铣面设备。其中典

16、型的冷轧设备如下图1-1 图1-1 铝板冷轧机组生产流程图1-卸卷机；2-卷取机； 3-液压剪； 4-轧机工作机座； 5-导辊； 6-引料器； 7-直头机； 8-开卷机； 9-送料车冷轧机组的生产流程是：送料车将带卷运至直头机的双锥式开卷机上，带卷直头后，用引料器将带卷端头引出，经液压剪切头后送轧机轧制。当一卷料快轧到尾部时，轧机停车，用液压剪切尾，并将尾部喂入另一卷取机之钳口，然后进行轧制。1.2.4 冷轧机型式的选择常用的冷轧机的结构形式有二辊、四辊及多辊。按轧机操作方式有可逆式和不可逆式两种。选择冷轧机型式除一般原则，还可根据生产特点、轧制工艺要求、轧机结构特点等进行3。常用的冷轧机的各

17、种型式如图1-2所示。 2辊轧机 4辊轧机 6辊轧机 20辊轧机 6辊轧机 12辊轧机图1-2 常用冷轧机的各种型式1、按生产特点选择机型 冷轧机按生产特点，通常分为：1）块式生产的板材轧机，目前按大多数中小加工厂仍采用这种二辊不可逆轧机，则面临着设备改造与更新的迫切任务。只有少数工厂采用二辊及四辊可逆轧机；2）带式生产的带材轧机，一般采用四辊轧机，产量大品种较单一时采用冷连轧机，窄带材低速轧制也采用二辊轧机；3）箔材轧机，通常采用工作辊小的四辊及多辊轧机；4）平整轧机，也属精轧机，压下量很小，用于带材的平整和抛光，一般采用辊径较大，速度较低及功率较小的二辊轧机。2、按工艺要求选择机型 冷轧机

18、按工艺要求又可分为冷粗轧机、中轧机及精轧机三类，实现轧机专业化。从机型上既可以选择二辊和四辊，但粗轧机一般采用二辊，精轧机采用四辊或多辊轧机。对于产品较单一，产量较大的现代化加工厂，粗、中、精轧也有在一台轧机上完成的，为一机多用的冷轧机。近几年有少部分厂已经引进了这种现代化的冷轧机。国外普遍对冷轧机进行现代化技术改造。如铜及铜合金一般粗轧机，采用单机架四辊可逆或不可逆轧机；两机架四辊不可逆冷轧；三机架二辊连轧机。精轧多种机型，大多采用四辊可逆、12辊及20辊轧机。铝及铝合金，普遍采用36台四辊连轧。铝箔轧制，因塑形好、抗力低，轧制过程易断带不宜连轧，因此普遍采用单机不可逆式四辊轧机生产。轧机的

19、操作方式主要根据品种、产量多少考虑。小批量及多品种常采用不可逆及单机架冷轧机；大批量及品种单一常采用可逆及连续式的高速轧机。一般在满足产品品种及规格、产品质量要求时，宜优先选择辊数少的轧机。3、四辊冷轧机 四辊轧机有工作辊传动和支承辊传动两种方式。工作辊传动的四辊轧机，其辊径较大咬入能力较强，可增大压下量提高生产率，但工作辊受扭转强度限制，使其直径不能继续减少，以至轧出的最小厚度受限，因此，出现了支承辊传动的四辊轧机。采用支承辊传动其优点：可承受较大的扭矩、工作辊小有利于轧制更薄的产品，工作辊无接轴，换辊方便，而且其直径可在一定范围内变化，以适应轧制的要求。但工作辊和支承辊之间易出现打滑，而且

20、工作辊在水平方向有较大的侧向弯曲，影响轧制精度。轧机的工作制度按操作方式分为不可逆式和可逆式4。可逆式间歇时间短，生产效率高。但每改变一次轧制方向都必须调整压下、前后张力、工艺润滑及辊型等条件，才能轧出厚薄均匀及表面平直的带材。而且调整时速度难以提高，轧制条件难以保持稳定，人工操作影响更大。此外，轧机的结构复杂，造价较高。适于轧制时间较短，在同一台轧机上连续轧制多道次时采用。相反，不可逆轧机只能单向轧制，当调整某种轧制条件后，可实现多卷轧制，既减少调整工作量，又保证轧制条件的相对稳定性。其特点是结构简单，造价较低，采用输送装置返回带卷，轧辊和轧件的冷却条件好。与可逆··&#

21、183;轧制相比能提高轧制速度，带材质量更稳定。1.3 本章小结本章介绍了国内外铝板轧机的发展现状，介绍了铝及其合金的轧制工艺，详细的介绍了冷轧设备的生产流程。 第2章 轧机轧辊轧辊是轧钢机的主要部件。根据设计技术参数可知此轧辊类型为板轧机轧辊。冷轧板轧辊的辊身微凸，当它受力弯曲时，可保持良好的板型。轧辊由辊身、辊颈和轴头三部分组成。现就轧辊的设计作出说明。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。2.1 轧机工作辊的基本参数2.1.1 工作辊辊身的长度和直径根据工作辊辊身长度应与板、带材的宽度相适应的原则及所给的数据，可以用下式确定辊身的长度： （2-1）式中

22、 -辊身长度 -板带材的最大宽度；-随带材宽度而异的余量，当时，取；当，取。本次设计中因此：工作辊辊身直径的计算 （2-2）考虑到冷轧时轧辊的弹性压扁，冷轧板带轧机辊身的最大直径根据最小可轧厚度确定。带张力轧制时，其中，所以，考虑轧机轧辊的最大重车率：冷轧机：，故2.1.2 工作辊辊径的长度和直径辊颈尺寸是指辊径直径和辊颈长度，它与所选用轴承型式及工作载荷有关。辊径直径因轴承径向尺寸所限，致使辊径与辊身交界处通常为轧辊发生破坏的薄弱环节。因此，在轴承外围尺寸允许的条件下，应尽可能使辊径直径取得大一些。这需要视所选用的轴承而定5，本设计选用滚动轴承，由于其外围尺寸较大，辊径直径无法取得很大，根据

23、 （2-3）式中-辊径直径-辊身直径取辊径长度 （2-4）式中-辊径长度-辊身直径取辊径向辊身过渡处，为了减小应力集中，要做成圆角。圆角半径 （2-5）因此2.1.3 工作辊轧辊头的长度和直径辊头尺寸指的是轧辊传动端的辊头尺寸。采用万向接轴传动的辊头，其尺寸按下列关系确定 （2-6）式中-辊头的直径 -与辊头相连部分的辊径直径取平头的厚度 （2-7），取2.2 轧机支撑辊的基本参数2.2.1 支撑辊的辊身长度和直径支撑辊的辊身长度为2100mm （2-8） （2-9）综合考虑取考虑轧机轧辊的最大重车率：冷轧机：，故2.2.2 支承辊辊径直径和长度辊颈尺寸是指辊径直径和辊颈长度，它与所选用轴承型

24、式及工作载荷有关。辊径直径因轴承径向尺寸所限，致使辊径与辊身交界处通常为轧辊发生破坏的薄弱环节。因此，在轴承外围尺寸允许的条件下，应尽可能使辊径直径取得大一些。这需要视所选用的轴承而定，本设计选用滚动轴承，由于其外围尺寸较大，辊径直径无法取得很大，根据 (2-10)式中-辊径直径-辊身直径取辊径长度 (2-11)式中-辊径长度-辊身直径取辊径向辊身过渡处，为了减小应力集中，要做成圆角。圆角半径 因此2.3 轧辊的挠度的公式推导轧机的刚度很大程度的取决于轧辊（包括工作辊和支撑辊）的刚度。在评定轧机刚度和设计轧辊时，需要以下几个数据：即在轧制力作用下工作辊辊身边缘相对于中点的挠度、工作辊辊身和板材

25、边缘接触处相对于辊身中点的挠度。工作辊的挠度取决于支承辊的挠度、工作辊与支承辊间弹性压扁的不均匀性以及轧辊的实际凸度和凹度等因素6。2.3.1 工作辊相应挠度的公式推导 工作辊辊身边缘相对于辊身中点的挠度的计算简图见图2-1。工作辊辊身边缘相对于辊身中点的挠度可按下式求的： （2-12）式中 -工作辊材料的弹性模数和剪切模数； -工作辊辊身截面的惯性矩和面积。图(2-1) 确定时所用到的计算简图由所产生的弯矩为： （2-13）由所产生的剪力为： （2-14）由所产生的弯矩为： （2-15）由所产生的剪力为： 所求挠度之处作用的单位力引起的弯矩和剪力为： 将以上弯矩和剪力的计算式代入式2-12,

26、积分整理可得： （2-16）式中-工作辊辊身直径。同理可求出工作辊辊身与板材边缘接触处相对于辊身中点的挠度为： （2-17）2.3.2 支承辊相应挠度的公式推导支承辊挠度的计算支撑辊辊身边缘相对于辊身中点挠度的计算： （2-18）式中-支承辊材料的弹性模数和剪切模数；-支承辊辊身截面的惯性矩和面积； -考虑剪力分布不均的系数，相对于圆截面，可取。图(2-2) 确定时所用的计算简图弯曲力矩可按下式计算： 其中，代入积分后可得： （2-19）剪力可按下式计算： （2-20）所求挠度处作用的单位力引起大的弯矩和剪力为：将以上弯矩和剪力的计算式代入式2-18，且已知,积分并整理得： （2-21）式中：

27、-支承辊辊身直径； -支点处的摩擦阻力矩，。同理可求得支承辊辊身中点相对于支点的挠度: （2-22）式中：-支承辊辊径直径；。2.3.3 轧辊辊身中部与边部压力差值的确定 （2-23）式中， ， ，求得值并将式（2-16）、（2-17）、（2-20）、（2-21）做适当的简化，得到如下的计算公式:工作辊辊身边缘相对于辊身中点的挠度： （2-24） 工作辊辊身与板材边缘接触处相对于辊身中点的挠度: （2-25）支承辊辊身边缘相对于辊身中点的挠度： （2-26）支承辊辊身中点相对于支点的挠度： （2-27）2.3.4 轧辊挠度的计算过程已知：取工作辊和支承辊的弹性模量，工作辊和支承辊的剪切模量，工

28、作辊的辊身长度，工作辊四列轴承之间的跨度，支承辊辊四列轴承之间的跨度，支承辊直径，轧件的宽度，轧制力。 1、值的计算 将相关参数代入公式（2-23）求得 2、工作辊辊身边缘相对于辊身中点的挠度：3、工作辊辊身与板材边缘接触处相对于辊身中点的挠度:4、支承辊辊身边缘相对于辊身中点的挠度：5、支承辊辊身中点相对于支点的挠度： 2.4 轧辊的校核轧辊是轧机的加工工具，直接承受轧制压力，一般来说，轧辊是消耗性的零件，就轧机整体而言，轧辊的安全系数最小，因此轧辊的强度往往决定整个轧机的负荷能力7。假设铝板轧机轧辊的轧制力，可近似地看成是沿轧件宽度均布的载荷，并且左右对称，2、轴承的支持力近似看成集中力，

29、下支撑辊的受力如图2-3所示图2-3 支承辊的受力分析其中，356mm,根据计算算的最大轧制力为 （2-28）（5-2）辊身中央断面的弯曲力矩为 （2-29）弯曲应力为 （2-30）辊径危险断面上的弯矩为 （2-31）对于辊径上的弯曲应力和扭转应力分别为 （2-32） （2-33）以上计算出的应力只是名义应力，真正的应力应乘以轧辊辊身直径D、辊径直径d以及过渡圆角r有关的应力集中系数和8 代入求的轧辊辊径处的受力为弯曲和扭转的组合，在求的危险点的弯曲应力和之后，即可按强度理论计算合成应力。对于钢轧辊，则按第三或第四强度理论来计算辊径处的合成应力。根据第四强度理论 （2-34） 按照一般公式（即

30、不考虑疲劳现象）近似计算轧辊时，通常安全系数取为5，即冷轧机用的合金钢锻造轧辊，可以得到轧辊的强度足够。2.5 本章小结表2-1 本章中计算得到了下列设计参数轧辊的参数工作辊(mm)支承辊(mm)辊身长度辊身直径辊径直径辊径长度辊头直径-平头厚度-过渡圆角半径工作辊辊身边缘相对于辊身中点的挠度-工作辊辊身与板材边缘接触处相对于辊身中点的挠度-支承辊辊身边缘相对于辊身中点的挠度-支承辊辊身中点相对于支点的挠度- 第3章 轧机的力能参数3.1 轧制工艺规程的设计3.1.1 轧制材料的确定 轧机的轧制材料为：铝及其铝合金，制定轧制工艺规程选用的材料为1050A3.1.2 轧制道次的确定根据轧制道次的

31、计算公式9图(2-3) （3-1） 式中 -来料的横断面积 -成品的横断面积 -平均延伸系数 其中平均延伸系数 ，对于各种不同的轧制情况可根据经验资料确定之，根据计算来料8mm× 2000mm轧制成1.0mm 厚的板材，取1.5，经计算取6道次。3.1.3 轧制速度的选取根据1050A轧制的经验10，选取轧制速度为3.1.4 平均单位压力和总轧制压力表3-1 四辊不可逆式轧机1050A的轧机压下规程设计序号轧制道次1234561轧前厚度H,mm8.05.84.23.02.11.42轧后厚度h,mm5.84.23.02.11.41.03压下量，mm2.21.61.20.90.70.44

32、道次压下率，%27.527.628.630.033.328.65变形区长度，mm23.520.017.315.013.210.06变形区形状系数3.404.004.815.887.568.337前后张应力，MPa22/2627/3129/3331/3632/3032/30序号轧制道次1234568轧前的冷加工变形程度,%027.547.562.573.882.59轧后的冷加工变形程度,%27.547.562.573.882.587.510累计压下率的平均值，%16.539.556.569.379.085.511平均变形抗力，MPa9512314215215916012平均变形抗力，MPa109

33、.3141.5163.3174.8182.9184.013平均张应力， MPa24293134313114张力影响后的抗力, MPa85.3112.5132.3140.8151.9153.015摩擦系数0.100.100.100.080.080.0816计算系数0.340.400.480.470.600.6717计算系数0.0060.0130.0190.0230.0360.05318计算系数0.350.460.480.490.620.7019，mm24.1523.0017.3815.6213.5610.50201.1971.2701.2841.2901.3851.44821平均单位压力，Mpa

34、102.1142.9170.0181.6210.4221.522轧制总压力P,KN256434183073295029672419计算说明：（1）第35项，,，； （2）第7项，为轧后的屈服极限，由查得11。第14 道次，第56道次取，对控制板形有利12； （3）第810项，,，； （4）第1114项，平均变形抗力累计压下率的平均值查得， ,，; （5）第15项，摩擦系数查表3-2，煤油为基础油取=0.1，且考虑来料表面状况及速度不大，而后几道速度的提高，轧件表面有所改善，取； （6）第1620项，按斯通图解法求压扁后，由m、y值查得，然后由值计算，由查得；对于钢轧辊13，,mm/MPa; (

35、7)第2122项，,。表3-2 铝冷轧时的摩擦系数值合金润滑剂辊面状态铝及铝合金0.160.24无粗磨的淬活铬钢辊0.080.12煤油0.060.07轻机油0.240.32无粗磨的淬火铬钢辊、辊面粘铝0.140.18煤油与机油0.160.20乳液3.2 轧制力距和轧制功率的计算3.2.1 轧制力距的计算工作辊相对支承辊有偏移的四辊轧机辊系的受力，如图3-1。图3-1 工作辊相对支承辊有偏移的四辊轧机辊系的受力分析传动工作辊所需要的力矩为：轧制力距、工作辊带动支承辊的力矩与工作辊轴承中的摩擦力产生的摩擦力矩三部分之和。即： （3-2）式中 -轧制力； -支承辊给工作辊的反力； -工作辊轴承处的反

36、力，当时，当时，a-轧制力臂，其大小除决定于轧制力作用点位置外，还与前后张力大小有关：当时，当时，-工作辊、支承辊直径；-不考虑张力时轧制力作用点对应的轧辊中心角；-前后张力对轧制力方向影响的偏转角，当时，当时，；-工作辊与支承辊连心线与直线的夹角，-轧辊连心线与反力R的夹角，c-反力R对工作辊的力臂，e-工作辊轴线相对支承辊轴线的偏距-工作辊、支承辊摩擦圆半径式中-工作辊、支承辊轴承的摩擦系数； 工作辊、支承辊辊径半径。3.2.2 轧制功率的计算 （3-3）式中 N-轧制功率； -轧制力矩； 表3-2 轧制力矩和轧制功率的计算道次参数123456工作辊通用参数，e=4mm ,mm轧制力P,K

37、N256434183073295029672419前后张力对轧制力方向影响的偏转角,°0.01250.00940.01040.01360.00540.0066轧制力臂,mm15.757916.613916.325415.461619.157219.1514工作辊轴承处的反力,KN29.921624.651213.81176.858618.047919.5531支承辊给工作辊的反力，KN256434183073295029672419传动工作辊所需要的力矩，49.557.842.732.328.217.8轧制速度1.41.41.41.41.41.4轧制功率503.8482588.331

38、8434.6327328.7737287.0408181.18183.3 本章小结 本章完成了1050A的轧制工艺规程的制定，计算得到了最大轧制力3500KN，最大轧制力矩为60，最大的轧制功率取为600，轧制速度取为1.4第4章 轧机机架的设计机架是轧机设备中最大、最重要的构件，其强度和弹性变形直接影响着设备的可靠性和产品的尺寸精度。近年来，国内外轧机广泛采用低温轧制和大压下量轧制，同时随着部分铝及铝合金产品的轧制产量的提高，使轧制时轧机机架负荷明显加大，因此能够准确把握机架应力分布和变形情况对于轧机的设计与研发至关重要。4.1 机架的结构按结构型式分类，机架可分为整体式和组合式两种14。板

39、、带材轧机的机架要有尽可能大的刚度，因此，大都采用整体铸造结构。这种机架除刚性好外，制造精度也容易保证，制造费用也较低。本设计所采用的轧机机架，就是整体铸造结构。由于该轧机采用液压压下，机架上横梁不再有安装压下螺母的镗孔。因为窗口内要装设液压缸和测压头，所以机架串口高度尺寸比旧式轧机机架要大的多。机架的安装底面上只有一排孔。4.2 轧机机架尺寸参数的确定机架的基本尺寸取决于以下两个条件：1）机架窗口要足以容纳轧辊轴承座、测压元件等，并考虑轧机的最大开口度等。在采用液压压下的轧机上，在确定机架窗口高度时，还要考虑装设压下液压缸。2）机架立柱和上下横梁截面应满足机架受力时的强度和刚度要求。机架的主

40、要结构尺寸包括：机架窗口高度（H）和宽度（B）以及机架立柱断面尺寸（F=LB）如图4-1。图4-1 机架的基本尺寸4.2.1 窗口宽度的确定 B=（1.151.30） （4-1） 式中 支承辊直径，由第一章计算得，=1000mm。所以 B=（1.151.40）1000=11501400mm取传动端 B=1394mm。为了便于更换轧辊，在闭式机架中，换辊侧（非传动侧）的窗口宽度比传动侧的窗口宽度应大510毫米15。所以传动侧窗口宽度=1400mm。4.2.2 窗口高度的确定由文献可知 （4-2）式中 工作辊直径；支承辊直径；窗口高度。mm取 =4220mm 4.2.3 机架立柱断面的确定根据经验

41、确定机架立柱断面的形状为长方形16，尺寸为4.3 ANSYS 有限元法 4.3.1 有限元法简介 目前在工程实际应用中，常用的数值求解方法有：有限单元法、有限差分法、边界单元法和离散单元法，但就其实用性和应用的广泛性而言，主要还是有限单元法。有限元法在20世纪50年代起源于航空工程中飞机结构的矩阵分析。有限单元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联结在一起的单元，单元之间仅靠节点连接。单元内部点的待求量，可由单元节点量通过选定的函数关系插值求得。由于单元形状简单，易于由平衡关系或能量关系建立节点量之间的方程式，然后将各个单元方程“组集”在一起而形成总体代数方程组，计

42、入边界条件后即可对方程组求解。有限单元法的基本思想的提出，最早可追溯到Courant在1943年的工作，他第一次尝试应用定义在三角形区域上的分片连续函数和最小位能原理相结合的方法，来求解St.Venant扭转问题。现代有限单元法第一个成功的尝试，是将刚架位移法推广应用于弹性力学平面问题，这是美国的Turner，Clough等人于1956年在分析飞机结构时得到的成果。他们第一次给出了用三角形单元求得平面应力问题的正确解答。1960年Clough进一步处理了平面弹性问题，并第一次提出了“有限单元法”的名称。1963到1964年，Besseling，Melosh和Jones等人证明了有限单元法是基于

43、变分原理的里兹（Ritz）法的另一种形式，从而使里兹法分析的所有理论基础都适用于有限单元法，确认了有限单元法是处理连续介质问题的一种普遍方法。有限单元从20世纪50年代至今，经过几十年的发展，不断开拓新的应用领域，五十多年来，有限单元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定性问题、动力问题和波动问题，分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学电磁学等领域17。有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种计算方法。它是首先在连续体力学领域飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快

44、就广泛地应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。结构有限元法一般是以节点位移作为基本未知量，一旦得到单元结构节点的位移列阵，就能够求得该单元中任意的位移、应力和应变。由于单元刚度经过组集，可以得到整体刚度矩阵，进而便可以得到单元内任意点的位移、应力、应变以及单元节点力与单元节点之间的关系，进而可以解决结构的特征问题和响应问题。 有限元有许多优点： (1)概念浅显，容易掌握。可以在不同的水平上建立起对该法的理解；可以通过非常直观的物理概念来理解；也可以建立基于严格的数学分析的理论。 (2)适用性强，应用广泛，几乎适用于求解所有的连续介质和场问题。 (3)采用矩阵形式表达，便于编制计算机程

45、序，可以充分利用高速计算机所提供的方便。 有限元法分析问题的基本步骤： (1)结构的离散化。离散化就是将要分析的结构分割成有限个单元体，并在单元体的指定点设置节点，使相邻单元的有关参数具有一定的连续性，并构成一个单元的集合体以代替原来的结构。结构离散化时，划分的单元大小和数目应根据计算精度的要求和计算机的容量来决定。 (2)选择位移插值函数。为了能用节点位移表示单元体的位移、应变和应力，在分析连续体问题时，必须对单元中位移的分布作出一定的假设，即假定位移是坐标的某种简单的函数选择适当的位移函数是有限单元法分析中的关键。通常采用多项式作为位移函数。 (3)分析单元的力学特性。利用几何方程、本构方

46、程和变分原理最终得到单位刚度矩阵。 (4)集合所有单元的平衡方程，建立整体结构的平衡方程。先将各个单元刚度矩阵合成整体刚度矩阵，然后将各单元的等效节点力列阵集合成总的载荷列阵。 (5)由平衡方程组求解未知节点位移和计算单元应力。 4.3.2 ANSYS 功能简介 ANSYS公司是由美国匹兹堡大学力学系教授、有限元法的权威、著名的力学专家John Swanson博士于1970年创建而发展起来的，其总部位于美国宾夕法尼亚洲的匹兹堡市，目前是世界CAE行业最大的公司之一。 ANSYS软件的最初版本与今天的版本相比有很大的不同，最初版本仅仅提供了热分析及线性结构分析功能，而且是一个批处理程序，只能在大

47、型计算机上使用。20世纪70年代初加入了非线性、子结构等功能；20世纪70年代末，图形技术和交互操作方式应用到了ANSYS中，使得ANSYS的使用进入了一个全新的阶段。经过30多年的发展，如今的ANSYS软件更加趋于完善，功能更加强大，使用也更加方便。 ANSYS是一种应用广泛的通用有限元工程分析软件。功能完备的预处理器和后处理器（又称预处理模块和后处理模块）使ANSYS易学易用，强大的图形处理能力以及得心应手的实用工具使得使用者轻松愉快，奇特的多平台解决方案使用户物尽其用，且具有多种平台支持和异种异构网络浮动能力，各种硬件平台数据库兼容，使其功能一致，界面统一。目前，ANSYS已经广泛应用于

48、核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防、军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等工业及科学研究。 ANSYS软件含有多种分析能力，包括简单线性静态分析和复杂非线性动态分析。可用来求结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题的解答。它包含了预处理、解题程序以及后处理和优化等模块，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，己成为解决现代工程学问题必不可少的有力工具。 ANSYS软件能够提供的分析类型如下： (1)结构静力分析 用来求解外荷载引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构影响不显著的问题。ANSYS程序中的静力析不仅可以进行线

49、性分析，而且可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触问题的分析。 (2)结构动力分析 结构动力分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS可进行结构动态分析的类型包括瞬时动力分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。 (3)结构非线性分析 结构非线性问题包括分析材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。ANSYS程序可以求借静态和瞬态的非线性问题。 (4)结构屈曲分析 屈曲分析是用来确定结构失稳的载荷大小与特定的载荷下结构是否失稳问题。ANSYS中的稳定性分析主要分为线性分析和非线性分析两种