轧钢机机架设计

1现代机械装备设计（上）王重阳2第四章

轧钢机机架内容：机架类型及结构、机架主要参数、机架强度计算、闭式机架变形计算、机架材料与许用应力掌握：机架特点、主要参数机架强度计算、闭式机架变形计算学时：13第一节

机架类型及主要结构参数

轧机机架是轧机工作机座中尺寸和重量最大部件，其重量占整个工作机座的45~50%。轧件作用于轧辊的全部轧制力和水平方向张力、惯性冲击及轧辊平衡装置中平衡力等最终都为机架所承受。机架受力后所产生的变形直接影响轧件尺寸精度，因此机架必须具有足够的强度和刚度，另外结构便于拆卸和换辊。正确计算和设计机架是十分必要的，安全系数n=10~15，机架是机座中最重要部件。4一、机架类型

根据轧钢机形式和工作要求分为：闭式机架、开式机架、焊接机架、组合机架

机架形式a.闭式机架b.开式机架c.焊接机架d.组合机架51、闭式机架：具有很高强度和刚度主要用于轧制力较大的初轧机、板坯轧机和板带轧机；对于某些小型型钢和线材轧机，为获得较好轧件质量，也采用闭式机架；另外多辊轧机、钢管轧机、矫直机等均采用闭式机架。换辊，沿轧辊轴线方向从机架中抽出或者装入，需要用专用换辊设备进行换辊。下面看实体结构：6操作侧机架7传动侧机架8机架装配9机架辊系装配102、开式机架：有机架立柱和上盖两部分组成。主要在横列式型钢轧机或者线材轧机上，轧辊从机架上方吊出或者装入。见书图5-2

几种常见开式机架结构（邹家祥）11螺栓连接结构简单、但螺栓较长，变形较大，机架刚度低，换辊拆卸

费时立销连接换辊比螺栓较方便，

其他特点一样12

套环连接换辊较方便，刚

度有所改善

圆销连接结构简单，圆销在冲击力作用下容易变形，拆

卸困难，刚度较大13斜楔连接与上述各开式机架相比具有以下优点：

上盖弹跳小，由于连接件少，变形小

连接件结构简单，连接坚固

机架立柱横向变形小

换辊方便

具有较高刚度故称之为半闭式机架综上所述：开式机架刚度低，影响机架刚度和换辊速度的主要是上盖的连接方式3、机架的结构虽然机架的形式很多，但它们具有很多共同特点，一般机架设计时要考虑以下问题：

机架上方中部镗有装压下螺母的孔，间隙配合

机架立柱中心线与轧辊轴承座中心线重合，对于经常压下情况，立柱内侧装有滑板

立柱外侧装有轴向固定装置

对现代化轧机，为换辊方便，弯辊缸放在机架上，在机架内侧增加附加支座

14增加凸台焊接或者螺栓

固定15二、机架主要结构参数机架主要结构参数：窗口宽度B、高度H、立柱断面尺寸机架结构161、机架窗口宽度B：根据轴承座尺寸确定a

对于二辊轧机闭式机架：B稍大于轧辊最大直径，便于换辊开式机架：取决于轴承座的宽度，从上方吊走轧辊b

对于四辊轧机：闭式机架B传动侧=（1.15~1.3）D2（支撑辊直径）B操作侧=B传动侧+(5~10)

便于换辊或者B=BZ+2S式中BZ——支撑辊轴承座宽度S——窗口滑板厚度，一般S=20~40172、窗口高度H

窗口高度取决于轧辊最大开口度、压下螺丝最小伸出端长度、轧辊数目、辊身直径、轴承座径向尺寸以及换辊要求等。

H=H1+H2+H3+S1+S2式中H1——两个（或者四个）轧辊接触时上下轴承座之间

最大距离

H2——安全臼（或者球面垫）或测压元件的高度

H3——下轴承座垫板厚度

S1——轧机换辊时最大开口度

S2——机架窗口高度余量，一般S2=150~250对于四辊轧机：

H=（2.6~3.5）(D1+D2)其中D1、D2分别为工作辊、支撑辊直径18轧机类型

开坯机其他轧机四辊轧机

备注按支撑辊辊颈计算

轧辊材料

铸铁

普碳钢

铬钢合金钢轧辊比值F/d^2

0.6~0.8

0.7~0.9

0.8~1.0

1.2~1.6

1.0~1.23、机架立柱断面尺寸：立柱应具有足够强度和刚度

根据强度条件确定机架立柱断面尺寸。

由于作用在辊颈与立柱中的力相同，而辊颈强度近似与其直径平方成正比，故机架立柱断面积与辊颈直径平方有关。

设计时，可根据F/d^2的经验数据确定机架立柱断面积，再进行强度效验，见表4-1。

机架立柱断面积与d^2关系19

机架立柱断面尺寸对机架刚度影响很大。板带轧机为提高轧件轧制精度，有逐渐增大立柱断面的趋势。

四辊厚板轧机立柱断面尺寸增至9000~10000cm^2，刚度700~800t/mm；

四辊热轧带钢轧机立柱断面尺寸增至7000~08000cm^2，刚度625t/mm；

四辊冷轧带钢轧机立柱断面尺寸增至6000~7000cm^2，刚度600t/mm；立柱断面形状有以下几种形式：正方形长方形工字形I最大安装

滑板方便T形轧制中

心线20三、机架结构特点1、闭式机架

1700热轧带钢连轧机精轧机座的机架

1.轨座6、8键

2、12.机架

3、10、13螺栓

4支承辊换辊小车7滑板

9箱型横梁

11支承辊轴向压板

14测压仪5横梁

15下横梁21图4-3所示a.由两片机架2、12组成b机架上方通过横梁9用12个M64螺栓10连接，并用键8定位c.机架下部则通过两个横梁15用16个M64螺栓13连接d.横梁5是支撑辊小车4的轨道底座，用16个M56螺栓与机架下部连接，并用键6定位e.横梁5中装有4个液压缸，升降成套轧辊组件，小车4与机架下横梁间装有测压仪14f.换辊侧，立柱上装有支撑辊固定压板11g.整个机架用8个M150螺栓固定在轨座1上，两个轨座1用8个M130地脚螺栓固定在地基上此轧机正常轧制力25MN，考虑轧制不锈钢或者发生卡钢事故等，每片机架按照承受20MN载荷设计。22上述机架结构特点：

机架窗口高度H与宽度B的比值达3.75，比一般轧机大

机架立柱断面采用近似方形，为节省金属，立柱宽度900，

厚度720，断面积6440cm^2

立柱内表面装有45＃滑板，防止磨损

换辊侧，机架窗口比传动侧大20

机架采用ZG35，焊接性能好，每片机架重130t，机架高

9250，总宽度3510

机架窗口底部圆角半径R，如图4-3所示半径R=150半径R=200双半径R1=150

R2=100

压下螺母镗孔圆角R

现代化轧机，机架窗口内侧有附加凸台，安装上支撑辊、

工作辊液压缸

23第一种方案第二种方案第三种方案24

650大型型钢二辊轧机工作机座1斜楔

2定位销

3双头螺栓和撑管

4铸造横梁

5起吊用中心销6侧支撑面7凸出部分8耐磨滑板2、开式机架

目前应用较多的是斜楔连接，图4-425结构特点：

由两个U型架3、12和一个上盖组成，用1：50斜楔4连接

上盖1与U型架立柱用销轴2轴向定位

上盖与U型架都装有安装压下、压上装置的齿轮壳体

由于中辊轴承座采用H形瓦架，上盖下部开有燕尾槽，便于安装H形瓦架

U形架立柱上装有支撑中辊轴承座的凸台

与下辊轴承座接触机架侧装有滑板7

机架采用ZG35

U形架下部通过中间梁10用螺栓连接，U形架上部通过横梁6和拉紧螺栓5连接

整个机架用8个M72螺栓固定在地脚板上26650型钢机架1机架上盖

2定位销轴

3U形架

4

斜楔

5拉紧螺丝

6铸造横梁

7凸台

8上鞍形垫板

9下鞍形垫板

10中间梁

11销子

12牌坊273、轨座结构机架安装在轨座上，轨座固定在地基上。

轨座要保证机座安装尺寸精度，并承受机座重量和倾翻力矩，轨座安装必须准确，并且具有足够的强度和刚度。

大型轧机，一般轨座采用与机架相同材料

小型轧机，则往往采用铸铁介绍常用几种轨座形式：28

单轨座具有矩形支撑面轨座

两个轨座铸造在一起型钢轧机轨座

用斜楔连接轨座轨座形状与其机架地脚连接形式1机架地脚2销钉3轨座4垫圈5、6上下斜楔29第二节

机架强度和变形计算主要介绍闭式机架和开式机架强度计算，介绍闭式机架的变形计算30轧钢机机架强度和变形计算，一般采用如下步骤：P941、将机架结构图简化成为刚架，即以机架各断面的中性轴连线组成框架，近似处理成直线或者规整的圆弧线段，并确定断面位置2、确定静不定阶数，如闭式机架是三次静不定，简化模型降低阶数，为一次静不定3、确定外力大小及作用点4、根据变形谐调条件，用材料力学方法求解静不定力哥力矩5、根据计算截面面积、惯性矩、中性轴线位置和承载情况，求出应力和变形31一、闭式机架确定计算

P94为便于计算，作如下简化：

每片机架在上下横梁中间断面处，有垂直力R作用，且大小相等，方向相反，作用在同一条直线上；

机架沿窗口垂直中心线对称，且不考虑上下横梁惯性矩不同而引起的水平内力；

上下横梁和立柱交界处（转角处）是刚性的，即机架变形后，机架转角仍保持不变

根据上述假设，机架外负荷、几何尺寸与机架窗口垂直中心线对称，将机架简化为立柱、上下横梁的中性轴组成的自由框架，即沿窗口垂直中心线剖开，作用有R/2和静不定力矩M1：32机架计算简图及弯矩图中性轴33求解静不定力矩M1：

对于I-I断面，转角

等于0，按照卡氏定理，即由M1引起的转角：式中x——I-I截面与计算截面间机架中性线长度

——机架计算截面上的弯矩

——惯性矩由图可知：式中y——垂直力相对于计算截面的力臂①②③34将②③代入①式得到：所以：35a.对于简单矩形断面：可将其简化为矩形框架根据以上公式计算M1：式中l1、l2——机架横梁、立柱中性线长度

I1——上横梁惯性矩

I2——立柱惯性矩

I3——下横梁惯性矩积分后得到：

3637假设上下横梁惯性矩相同，即I1=I3立柱上弯矩M2：由此可见：减少立柱惯性矩I2和增大横梁惯性矩I1，可以部分减少立柱弯矩M238b.对于复杂断面：将机架分成若干段，进行求和用图解法求力矩M139c.求机架应力横梁：内侧压应力：

外侧拉应力：立柱：

内侧拉应力：

外侧应力：式中——机架横梁内外侧断面系数——机架立柱内外侧断面系数F2——立柱断面积40d.机架立柱断面积选择

根据力矩分配条件，找到立柱断面积选取原则，常见立柱断面积形状：矩形、长方形、工字型、T形

设计机架，根据轧机类型、受力特点及制造条件等确定断面积形状。断面形状与力矩关系41

对于宽度较大二辊轧机，即l2/l1=1，特别是水平力较大轧机，由于M2较大，要求I2大，选择惯性矩较大工字钢

对于窄而高闭式轧机，即l2/l1=2，水平力不大，M2较小，要求I1大，可选择惯性矩较小的近似正方形断面，一般实际选择矩形断面二.闭式机架变形计算

机架弹性变形是由横梁的弯曲变形和立柱拉伸变形组成，影响轧件断面尺寸精度。

由于横梁的断面尺寸较其长度是很大的，应考虑横梁在横向切力作用下变形。机架的弹性变形：

由拉力引起立柱拉伸变形

由切力引起横梁弯曲变形由弯矩引起横梁弯曲变形

42增加43a.首先计算：由卡氏定理可知，两个横梁的弯曲变形

横梁受力图44因为：

所以：

积分后得到：式中E——机架弹性模量

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