《压力加工设备》第五章2013-5机架

第五章轧钢机机架第一节机架的类型及主要参数第二节闭式机架的强度计算第三节轧机刚度轧机机架单向不可逆四辊冷轧机300吨重的唐钢3.5m精轧机传动侧“牌坊”我国生产的最大轧机牌坊5米精轧机机架6辊轧机牌坊20辊、12辊轧机牌坊第一节机架的类型及主要参数机架的作用：①机架是轧钢机工作机座中最大的部件；②机架承受轴承座传来的全部轧制压力，而且轧件尺寸精度要满足规定要求，所以应有足够的强度和刚度；③机架由两块牌坊＋联接两块牌坊的连接梁+位于牌坊窗口内侧的滑板等零部件组成，并通过轨座将其安装在地基基础上。安装轧辊、轧辊轴承、轧辊调整装置、导卫装置等工作机座中的全部零部件。一、类型由于牌坊是机架的主体部件，因此仅对牌坊的结构、参数和强度介绍。

（1）闭式机架：结构：是一个整体的框架。大多是整体铸造的。当牌坊尺寸和重量太大，受到铸造条件或运输条件限制时，则采用电渣焊焊成。

优点：具有较高的强度和刚度。加工相对简单，便宜。

应用：轧制力大的初轧机、钢坯轧机；轧制力大并且轧制精度高的板带轧机；精度高的小型轧机。

缺点：使用闭式牌坊的轧辊换辊时，轧辊沿轴向从牌坊的窗口中进出。

图是1700热轧带钢连轧机精轧机座的机架结构图。两片牌坊2和12的上部，通过箱形横梁9用十二个M64的螺栓10联接，并用键8定位。机架的下部则通过两根横梁15用十六个M64的螺栓13联接。在换辊端的机架立柱上装有支承辊轴向压板11。整个机架用八个M150的螺栓3固定在轨座1上，两个轨座1则各用八个M130的地脚螺栓固定在地基上。最大轧制力为25MN，考虑到轧制不锈钢及发生卡钢事故等情况，单片机架按承受最大轧制力20MN设计。每片机架130吨，机架总重327吨。（2）开式机架：组成：不是一个整体机架，是由机架本体和上盖两部分组成。优点：换辊方便，只要上盖打开，可以方便吊出或装入。缺点：1）刚度较差；2）加工面较多，造价高。应用范围：横列式轧机(由于受到相邻机座和联接轴的妨碍)联接方式：影响开式机架刚度和换辊速度的主要关键是上盖的联接方式。常见的上盖联接方式有五种。

（2-1）螺栓联接机架上盖(上横梁)用两个螺栓与机架立柱联接。优点：结构简单，缺点：1）因螺栓较长，变形较大，机架刚度较低。

2）换辊时拆装螺母较费时。

（2-2）立销和斜楔联接换辊比螺栓联接较方便。（2-3）套环和斜楔联接取消了立柱和上盖上的垂直销孔，用套环代替螺栓或圆柱销。套环的下端用横销铰接在立柱上，套环上端用斜楔把上盖和立柱连接起来。优点1）换辊较为方便。2）由于套环的断面可大于螺栓或圆柱销，轧机刚性有所改善。（2-4）横销和斜楔联接上盖与立柱用横销联接后，再用斜楔楔紧。优点：是结构简单，联接件变形较小。缺点：在楔紧力和冲击力作用下，当横销沿剪切断面发生变形后，拆装较为困难，使换辊时间延长。

（2-5）斜楔联接（半闭式）

上盖受力图U型架受力图优点：1)上盖弹跳值小。由于联接件数量少、变形小，使上盖弹跳值减少。

2)联接件结构简单，联接坚固。

3)机架立柱横向变形小。在打紧斜楔后，机架立柱上部被斜楔和机盖止口紧紧挤住，大大减小了立柱的横向变形。（3）焊接机架（4）组合机架（5）预应力机架预应力机架：对机架施加预应力，使轧制前就处于受力状态。施加预应力的方法很多，在开口式轧机中一般对机架立柱和机架盖施加预应力，如图a所示，即在机架与立柱间加入一个带螺丝扣的拉杆，上面旋有螺母，旋紧螺母就可以对整个机架施加一个压力。在闭口式轧机或无牌坊轧机中，一般是在轴承座之间施加预应力，在轴承座间对称设置四个可调的顶杆(承受压力)，作为预紧装置或是在闭口式轧机的立柱内孑L装入尾端有螺纹的压杆，旋动压杆也可以产生预应力，见图中b所示。（5）预应力机架预应力机架：对机架施加预应力，使轧制前就处于受力状态。施加预应力的方法很多，在开口式轧机中一般对机架立柱和机架盖施加预应力，如图a所示，即在机架与立柱间加入一个带螺丝扣的拉杆，上面旋有螺母，旋紧螺母就可以对整个机架施加一个压力。在闭口式轧机或无牌坊轧机中，一般是在轴承座之间施加预应力，在轴承座间对称设置四个可调的顶杆(承受压力)，作为预紧装置或是在闭口式轧机的立柱内孑L装入尾端有螺纹的压杆，旋动压杆也可以产生预应力，见图中b所示。优点：这种牌坊由于液压螺母在未轧钢前对牌坊已施加1.2～1.5倍轧制力的预应力，因而在轧制时可减少牌坊的变形，提高轧件的精度。应用：主要用于小型型钢轧机和线材轧机上具有明显的优势。二、主要参数的确定：窗口宽度、高度、立柱断面积（1）窗口高度HH=A+d+2S+h+δA:上下轧辊中心矩最大值；d：辊径直径；S：轴承座径向厚度；h-压下螺丝调整量（上轧辊调整距离）；δ：安全臼等特殊装置需要的高度。（2）窗口宽度B闭式机架:窗口宽度应稍大于轧辊最大直径,便于换辊;B=Dmax+Δ

开式机架:窗口宽度主要决定于轧辊轴承座宽度.B=轴承座宽度+Δ

四辊轧机机架窗口宽度一般为支承辊径的1.15～1.30倍.

换辊侧的机架窗口应比传动侧窗口宽5～10mm.（3）立柱断面尺寸机架立柱断面尺寸对机架刚度影响较大。在现代板带轧机上，为了提高轧件的轧制精度，有逐渐加大立柱断面的趋势。厚板轧机机架立柱断面积已增至10000cm2；热轧带钢轧机的机架立柱断面积达7000cm2。常用立柱断面形状（1）近似正方形：惯性矩小，是用于受水平力不大的窄而高的闭式机架，如某些四辊轧机等。（2）工字、T形：惯性矩大，抗弯能力大，适用于受水平力较大的矮而短的闭式二辊轧机，如初轧机、板坯轧机等。（3）矩形：优点同（2）。另外，如果机架要求刚度较大，机架立柱一般选此类型。长边配置在沿轧制线方向，短边配置在沿轧辊轴线方向。

立柱截面积根据强度条件确定。由于作用于轧辊辊颈和机架立柱的力相同，而辊颈中强度近似与其直径（d)平方成正比,故机架断面积与d有关。第二节闭式机架的强度计算

目的：

机架的牌坊是轧机的永久性零部件，因而对它的强度有很高的要求。在设计新轧机或对旧轧机进行强化轧制、扩大品种规格时，都必须对牌坊的强度进行校核，并确保牌坊在轧辊折断时不致产生塑性变形。计算方法：（1)实测法：电测法、光弹性实验法——真应力；（2）动态响应计算：有限元、边界元、板条元——真应力场、应变场；（3）材料力学粗算法——静应力按照材料力学方法计算机架强度步骤如下:①以机架各截面中性轴连线组成框架,将机架简化成平面刚架;即以机架各断面的中性轴的连线组成框架，近似地处理成直线或规整的圆弧线段，并确定求解断面的位置；②确定外力的大小及作用点;③根据结构和受力特点简化模型,降低静不定阶数;④根据变形协调条件,用材料力学方法求解静不定力;⑤根据计算截面的面积、惯性矩、承受弯矩、拉力大小,求出应力,验算强度.一、受力分析轧制中机架受力:①轧制力通过轴承、压下螺丝、底座分别作用在机架上、下横梁上;②轧件咬入或加、减速轧制时所产生的惯性力作用在机架立柱上;③带张力轧制时,由前、后张力差引起的水平力作用于机架立柱上;④异径轧制、异步轧制和单辊传动的轧制方式,由于轧制力的倾斜而产生的水平分力作用于机架立柱上;⑤各种水平力所形成的倾翻力矩在机架下支撑面上所引起的反力.

简单轧制带张力轧制单辊驱动（下辊）上述各种作用力中，以轧制力为最大，其他相对较小，强度计算时一般忽略。因机架各截面形心位于同一平面,故,可把机架简化为平面刚架.P——总轧制力R——作用在单片机架上的轧制力，（对板带轧机,R=P/2）假设条件：简单闭式机架（1）每片机架只在上下横梁中间截面处作用有垂直力P，且在同一直线上。故不受倾翻力矩作用。（2）机架形状上下左右对称，故无需考虑上下横梁惯性矩差引起的水平内力；（3）上下横梁和立柱转角处是刚性的，即变形前后转角不变。简单闭式机架受力变形时,上、下横梁中点挠角为零（a）,故,可将平面刚架进一步简化成悬臂支架(b),上横梁中央截面作用有P1/2和静不定力矩M0

.(c)M0计算简图及机架弯曲力矩图二、静不定力矩M0的计算根据变形协调条件,M0应保证上横梁中央截面相对转角为零.

则从变形协调条件θ=0出发,即可求出静不定力矩M0.M0计算简图及机架弯曲力矩图

根据单位力法求变形(卡氏定理),可得:对于上、下横梁:对于立柱:当时,

式中,Mx为机架计算截面由力P1/2和M0产生的弯矩(N·mm);为单位力矩在计算截面产生的弯矩(N·mm/N·mm

);Ix为计算截面的惯性矩(mm4);E为机架材料的弹性模量(MPa);x为机架中心线至计算截面的水平距离(mm).将上述结果代入方程并积分,由上式积分求得静不定力矩M0，式中,l1、l2为机架横梁和立柱的轴线长度(mm);I1、I3、I2分别为机架上、下横梁和立柱截面的惯性矩(mm4)。若上下横梁截面相等,即I1=I3,则l1=B+2yc2l2=H+yc1+yc3P1=P/2三、闭式机架的弯矩图上、下横梁弯矩方程：立柱的弯矩M2：若上、下横梁截面相等,即I1=I3,则四、闭式机架的强度校核（1）上、下横梁受弯矩作用,横梁中部外缘为危险截面,应力为:

式中,σ1e、σ3e分别为上、下横梁中部外缘拉应力(MPa);Y1、Y3分别为上、下横梁危险截面中性线距外缘距离(mm);W1e、W3e分别为上、下横梁危险截面外缘的抗弯截面系数(mm3).（2）立柱受拉、弯组合变形,其内侧的合成拉应力为:

式中,σ2i为立柱内侧合成拉应力(MPa);Y2为立柱横截面中性线距内缘距离(mm);A2为立柱横截面面积(mm2);W2i为立柱危险截面内缘的抗弯截面系数(mm3).五、机架的材料及安全系数机架一般采用含碳量0.25%～0.40%ZG35,其强度极限σb为500～600MPa,屈服极限σs≥280MPa,伸长率δ为12%～16%,αK≥3.5×105N·m/m2.机架必须要有较大的强度储备.机架安全系数为：通常,铸钢强度极限与屈服值比近似为2～2.5.当轧辊安全系数为5时,机架安全系数取10～12.5.对于ZG35许用应力[σ]采用以下数值：对于横梁：[σ]≤70MPa；对于立柱：[σ]≤50MPa。

第三节轧机刚度一、轧机纵向刚度（1）轧机纵向刚度的概念轧制时产生的巨大轧制力,通过轧辊、轴承、压下螺丝,最后传递到机架,由机架来承受.

轧机上所有这些受力部件都要产生弹性变形.

故,轧机受力时轧辊之间的实际间隙要比空载时为大.

将空载时轧辊间隙称为理论原始辊缝

,把轧制时轧机辊缝弹性增大量称为弹跳值。

用实际轧制过程中轧机弹-塑性曲线图来了解轧制力变化对辊缝弹性增大量的影响.

纵坐标表示轧制力P,横坐标表示轧辊开口度h.轧机弹性、塑性曲线(P-h)图曲线斜率就是轧机的纵向刚性系数,即,辊缝产生单位变化时,轧制力的增量,即：

式中,ΔP为轧制压力的变化量(kN);Δf为弹跳值的改变量(mm);K为轧机刚度系数(kN/mm).

弹性变形曲线A与横坐标轴的交点,即为理论原始辊缝.

在轧制负荷较低时,有一非线性段,但在高负荷部分曲线斜率逐渐增加,趋于一固定值.

若轧机弹性变形曲线为一直线,则,轧出轧件厚度可用下式表示：

式中,h为轧件厚度(mm);f为轧机弹跳值(mm);S0为考虑预压靠变形后的空载辊缝(mm).

在相同轧制力作用下,弹跳值越小,轧机刚性越好.

轧机刚性表示轧机抵抗弹性变形能力.

对于轧制薄板带材有时即使采用预压紧的办法(如,轧机预压靠力P0),轧机的弹跳值仍然大于其厚度,无法轧出较薄的板带材.

轧机弹跳值大小将限制轧出轧件的最小厚度！（2）、轧机刚度的测定只要能测出对应轧制压力的轧机弹跳值,即可求出轧机刚性系数.1）轧辊压靠法增加一定压靠量时,记录下相应的压下调节量和轧制力,绘成纵坐标为轧制力、横坐标为压下调节量的关系曲线,即,轧机弹性曲线.—静态刚度.由于两轧辊间弹性压扁与实际压扁变形有区别,故,测量得到的轧制刚度大于实际刚度.2）轧制法保持辊缝一定时,用不同厚度轧件送入轧机,读出轧制力,并测定轧制后轧件厚度,根据轧件厚度和原始辊缝的差值来确定轧机的弹跳值.

根据每一轧制压力所对应的弹跳值,可得到分段刚度,求平均值即可得到轧机刚度.—动态刚度.（3）、提高轧机纵向刚度的措施一般均希望尽可能增大轧机的刚性.提高轧机刚性可以从下面两方面来采取措施.1）缩短轧机应力回线长度在普通轧机中,轧机弹性变形f可近似用虎克定律来表示为各受力部件的变形之和.式中,E为轧机中零件的弹性模量(MPa);分别为上下横梁、机架立柱、上辊轴承至上横梁的长度、下辊轴承座高度(mm);分别为机架立柱、压下螺丝、下辊轴承座的断面积(mm2);I1为上下横梁截面惯性矩(mm4);k为系数.

在一定轧制力下,轧机弹性变形是受力零件长度和断面积的函数.

受力零件长度之和就是轧机应力回线的长度,故,缩短轧机应力回线长度,便能提高轧机刚性.

据此原理设计的轧机,称为短应力回线轧机.

可制成二辊、三辊、或四辊形式,用于型、线材、中厚板、直至板带材轧机上.轧机的应力回线a-有机架；b-无机架(短应力线轧机)短应力线轧机2）预应力轧机若在轧制前对轧机施以预应力,轧机在轧制时的变形量可大大减小,从而提高了轧机的刚性.

凡是未工作时就处于受力状态的轧机,称为预应力轧机.

预应力轧机目前主要用于连轧小型、线材、板带材轧机.四辊液压型闭式预应力轧机（4）轧机刚度与轧件纵向厚度的关系轧机刚性对轧件纵向厚度有极为密切的关系.

影响纵向厚度精度的两大因素:设备状况变化;工艺因素波动.1)设备状态变化时,轧机刚性与轧件纵向厚度精度的关系.

辊缝变化对板厚变化的影响:其中,称为材料塑性刚度系数.

其中,扰动影响系数为为了尽量减轻轧辊偏心、轴承油膜厚度波动等外扰量(辊缝变化)对轧件厚度的影响,应采用刚性系数小的轧机!(2)工艺因素变化时,轧机刚性与轧件纵向厚度精度的关系.来料厚度、轧制温度、摩擦系数、轧制速度、张力波动等,会引起轧制压力变化.

仅由轧制力变化引起轧件厚度波动时,有：此时,扰动影响因素为.为了尽量减轻引起轧制力波动的工艺因素对轧件厚度的影响,应采用刚性系数大的轧机!二、轧机横向刚度（1）轧机横向刚度概念板带材横向厚差、平直度与轧机横向刚性密切相关.

四辊轧机上,因支持辊的弯曲变形、支持辊与工作辊间不均匀接触变形,使工作辊产生弯曲,轧出的板带材沿板宽方向会出现厚差.

工作辊弯曲程度反映了轧机横向刚性大小.

横向刚度也是轧机抵抗横向弹性变形的能力!

与纵向刚度不同的是,横向刚度具有抵抗横向弯曲变形的能力.Cp为轧机横向刚性系数(kN/mm);P为轧制力(kN);δhb为板带材中部与边部的厚度差(mm).提高板带材的平直度和缩小横向厚差的途径：①轧辊预先加工成凸形;②控制轧辊的热凸度:用调节辊温分布的方法来调整辊形;③机械弯辊:抵消轧辊轧制时的弯曲变形;④新型轧机,改善轧件平直度.

板带材轧机中,广泛采用各种板形控制轧机,配合液压弯辊,对轧辊凸度进行有效控制.四辊轧机轧辊变形情况比较a-一般四辊轧机；b-HC轧机（2）轧辊的辊型调节1）液压弯辊装置可分为三种类型：正弯工作辊下工作辊轴承座上装有液压缸,使上下工作辊轴承座间作用有弯辊力F.

弯辊力作用方向与轧制力同向,它对工作辊弯曲与轧制力引起的弯曲方向相反.

它使轧制时工作辊挠度减小—减小工作辊挠度的方法.四辊轧机弯辊受力图a-正弯工作辊；b-负弯工作辊；c-正弯支持辊★★负弯工作辊工作辊轴承座和支承辊轴承座间装上液压缸,使其间作用有弯辊力F.

对工作辊来说,弯辊力作用方向与轧制力反向,它对工作辊的弯曲与轧制力引起的弯曲方向相同.

它使轧制时工作辊挠度增加—增加工作辊挠度的方法.四辊轧机弯辊受力图a-正弯工作辊；b-负弯工作辊；c-正弯支持辊★弯曲支持辊

支持辊外伸辊头上装有液压缸,使上下支持辊间作用有弯辊力F.

弯辊力作用方向与轧制力同向,对支持辊的弯曲与轧制力引起的弯曲方向相反,也称正弯支持辊.

负弯工作辊效果较好,所需弯辊力也小,设备结构也简单.

弯曲工作辊调节灵敏度高.普通四辊轧机上以弯曲工作辊居多;

宽板带轧机以弯曲支持辊效果为好.四辊轧机弯辊受力图a-正弯工作辊；b-负弯工作辊；c-正弯支持辊2）UPC轧机德国西马克和德马克公司分别开发出工作辊横移式UPC和CVC轧机.

二者工作原理相同.UPC轧辊呈雪茄形:沿整个辊身长度磨成偏离辊身中央凸度渐变的形状;辊身最大直径位于离辊身中央e处.上下工作辊反向配置,并可做相对的轴向移动;不同移动位置可形成不同的辊缝形状;从而,可适应较大范围的板形控制.UPC轧机原理示意图e-偏心值；S-移动行程3）CVC轧机CVC轧辊原理

CVC辊身曲线呈S形.

两个形状相同的轧辊相互倒置1800配置.

经两轧辊沿相反方向对称移动,辊缝凸度可连续由最小值变到最大值;故,控制板形能力很强.

广泛用于热轧、冷轧板带材中.CVC轧辊凸度控制原理a-零凸度；b-正凸度；c-负凸度4）HC轧机20世纪70年代由日立公司研制.六辊轧机:在四辊轧机工作辊和支承辊间增加轴向上可做相反移动的中间