四輥中厚板精軋機(jī)機(jī)架的強(qiáng)度與剛度計(jì)算

1、四輥中厚板精軋機(jī)機(jī)架的強(qiáng)度與剛度計(jì)算摘要本軋機(jī)為四輥中厚板精軋機(jī)，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了機(jī)架部分。機(jī)架是軋鋼機(jī)的重要部件，用來(lái)安裝整個(gè)輥系及軋輥調(diào)整裝置，并承受全部軋制力。因機(jī)架重量大，制造復(fù)雜，一般給予很大安全系數(shù)，并作為永久使用的不更換零件來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此機(jī)架必須有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證其應(yīng)力分布均勻、變形盡可能小。由于軋機(jī)機(jī)架比較復(fù)雜、不規(guī)則，一般采用閉式機(jī)架的強(qiáng)度和變形計(jì)算然后采用有限單元法校核機(jī)架的應(yīng)力、變形及安全系數(shù)。在以往機(jī)架的設(shè)計(jì)中，安全系數(shù)取得很高但仍不能保證機(jī)架的可靠工作，機(jī)架的破壞多在壓下螺母孔、機(jī)架窗口轉(zhuǎn)角處等壓力集中大的部位，采列柯夫計(jì)算方法只能求得某些部位的應(yīng)力值，而有限單元

2、法能求出整個(gè)機(jī)架多部位的應(yīng)力場(chǎng)，對(duì)其進(jìn)行模擬計(jì)算，得出機(jī)架最危險(xiǎn)的地方和應(yīng)力分布規(guī)律，獲得其變形，計(jì)算出軋機(jī)機(jī)架的剛度。關(guān)鍵詞：軋機(jī)機(jī)架、閉式機(jī)架、強(qiáng)度、剛度目錄1、概述.11.1 軋機(jī)機(jī)架.11.2設(shè)計(jì)方案的確定.12設(shè)計(jì)要求.12.1設(shè)計(jì)題目及要求.12.2設(shè)計(jì)參數(shù).13. 機(jī)架的基本尺寸及校核.13.1機(jī)架的類型及結(jié)構(gòu).13.2機(jī)架的主要結(jié)構(gòu)參數(shù).23.3機(jī)架的材料和許用應(yīng)力.43.4機(jī)架強(qiáng)度計(jì)算.43.5機(jī)架的變形計(jì)算.93.6機(jī)架的剛度計(jì)算.114.結(jié)語(yǔ).12參考文獻(xiàn).131、概述1.1 軋機(jī)機(jī)架軋鋼機(jī)架是設(shè)備的一個(gè)重要大型部件，軋輥軸承座及軋輥調(diào)整裝置等都安裝在機(jī)架上，其尺寸和重量

3、最大，在軋制過(guò)程中承受和抵消其主要負(fù)荷，而且要求機(jī)架的變形要小，以滿足產(chǎn)品的質(zhì)量要求。因此機(jī)架必須有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證其應(yīng)力分布均勻、變形盡可能小。根據(jù)軋鋼機(jī)型式和工作要求，軋鋼機(jī)機(jī)架分為閉式和開(kāi)式兩種。閉式機(jī)架是一個(gè)整體框架，具有較高強(qiáng)度和剛度。閉式機(jī)架主要用于軋制力較大的初軋機(jī)、板坯軋機(jī)和板帶軋機(jī)等。對(duì)于板帶軋機(jī)來(lái)說(shuō)，為提高軋機(jī)精度，需要有較高的機(jī)架剛度，因此采用閉式機(jī)架。采用閉式機(jī)架的工作機(jī)座，在換輥時(shí)，軋輥是沿其軸線方向從機(jī)架窗口中抽出或裝入，這種軋機(jī)一般都設(shè)有專用的換輥裝置。1.2設(shè)計(jì)方案的確定本設(shè)計(jì)采用：輥為四缸平衡，機(jī)架為閉式機(jī)架。2設(shè)計(jì)要求2.1設(shè)計(jì)題目及要求設(shè)計(jì)題目：中

4、厚板精軋機(jī)機(jī)架的強(qiáng)度與剛度計(jì)算設(shè)計(jì)要求：對(duì)機(jī)架進(jìn)行強(qiáng)度校核和剛度校核，并畫(huà)出機(jī)架圖。2.2設(shè)計(jì)參數(shù) 工作輥直徑：1000mm；支撐輥直徑：1800mm；輥身長(zhǎng)度：4200mm；板柸厚度：16mm；板柸寬度：2800mm；板柸長(zhǎng)度：11000mm；最大柸重：12t；板柸年需要量: 140萬(wàn)t；材質(zhì)：普碳鋼；第一道制前溫度：1150；成品板厚：16mm3. 機(jī)架的基本尺寸及校核3.1機(jī)架的類型及結(jié)構(gòu)軋鋼機(jī)架是工作機(jī)座的重要部件，軋輥軸承座及軋輥調(diào)整裝置等都安裝在機(jī)架上。機(jī)架要承受軋制力，必須有足夠的強(qiáng)度和剛度。根據(jù)軋鋼機(jī)型式和工作要求，軋鋼機(jī)機(jī)架分為閉式和開(kāi)式兩種。1.閉式機(jī)架閉式機(jī)架是一個(gè)整體框

5、架（圖3-1），具有較高強(qiáng)度和剛度。閉式機(jī)架主要用于軋制力較大的初軋機(jī)、板坯軋機(jī)和板帶軋機(jī)等。對(duì)于板帶軋機(jī)來(lái)說(shuō)，為提高軋機(jī)精度，需要有較高的機(jī)架剛度。對(duì)于某些小型和線材軋機(jī)，也往往采用剛度較好的閉式機(jī)架，以獲得較好的軋機(jī)質(zhì)量。 采用閉式機(jī)架的工作機(jī)座，在換輥時(shí)，軋輥是沿其軸線方向從機(jī)架窗口中抽出或裝入，這種軋機(jī)一般都設(shè)有專用的換輥裝置。 2.開(kāi)式機(jī)架 圖3-1 閉式機(jī)架開(kāi)式機(jī)架由機(jī)架本體和上蓋兩部分組成（圖3-2）,它主要用在橫列式型鋼軋機(jī)上，其主要優(yōu)點(diǎn)是換輥方便。因?yàn)?，在橫列式型鋼軋機(jī)上如果采用閉式機(jī)架，由于受到相鄰機(jī)座和聯(lián)接軸的妨礙，沿軋輥軸線方向換輥是很困難的。采用開(kāi)式機(jī)架，只要拆下上蓋

6、，就可以很方便地將軋輥從上面吊出或裝入。開(kāi)式機(jī)架主要缺點(diǎn)是剛度較差。影響開(kāi)式機(jī)架剛度和換輥速度的主要關(guān)鍵是上蓋的聯(lián)接方式。常見(jiàn)的上蓋聯(lián)接方式有五種。圖3-2 開(kāi)式機(jī)架上蓋連接方式a螺栓聯(lián)接；b立銷和斜楔聯(lián)接；c套環(huán)和斜楔聯(lián)接；d橫銷和斜楔聯(lián)接；e斜楔聯(lián)接3.2機(jī)架的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)機(jī)架的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)是窗口寬度、高度和立柱斷面尺寸。在閉式機(jī)架中，機(jī)架窗口寬度應(yīng)稍大于軋輥?zhàn)畲笾睆?，以便于換輥；而開(kāi)式機(jī)架窗口寬度主要決定于軋輥軸承的寬度。四輥軋機(jī)機(jī)架窗口寬度一般為支承輥直徑的1.151.30倍。為換輥方便，換輥側(cè)的機(jī)架窗口應(yīng)比 傳動(dòng)側(cè)窗口寬510，亦可表示為式中 機(jī)架窗口寬度, ； 支承輥軸承座寬度，；

7、 窗口滑板厚度，一般取=2040，此處取=30；機(jī)架窗口高度主要根據(jù)軋輥?zhàn)畲箝_(kāi)口度、壓下螺絲最小伸出端（至少有23扣螺紋長(zhǎng)度），以及換輥等要求確定。對(duì)于四輥軋機(jī)，可取=(2.63.5)()= (2.63.5)（1000+1800）=72809800此時(shí)取H=9500；式中，、工作輥、支承輥直徑， ；機(jī)架立柱的斷面尺寸是根據(jù)強(qiáng)度條件確定的。由于作用于軋輥輥頸和機(jī)架立柱上的力相同，而輥頸強(qiáng)度近似的于其直徑平方（）比，故機(jī)架立柱的斷面積（）與軋輥輥頸的直徑平方（）有關(guān)。在設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)比值的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定機(jī)架立柱斷面積，再進(jìn)行機(jī)架強(qiáng)度驗(yàn)算。表3-1 機(jī)架立柱斷面積與軋輥輥頸直徑平方的比值由表3-1得，

8、當(dāng)軋輥材料為鑄鐵時(shí)，0.60.8，即=(0.60.8)(1000)=600000800000此時(shí)取=7001000。3.3機(jī)架的材料和許用應(yīng)力軋鋼機(jī)機(jī)架一般采用含碳量為0.250.35的ZG270500，其強(qiáng)度極限600，延伸率1216。為了防止機(jī)架在過(guò)載時(shí)破壞，在軋輥斷裂時(shí)機(jī)架要不產(chǎn)生塑性變形。根據(jù)這一要求，機(jī)架的安全系數(shù)為式中 機(jī)架的安全系數(shù)； 軋輥的安全系數(shù)； 機(jī)架材料的強(qiáng)度極限；機(jī)架材料的屈服極限。在一般情況下，材料強(qiáng)度極限與屈服極限的比值近似為2，為了安全起見(jiàn)，可將機(jī)架安全系數(shù)去為=（22.5）當(dāng)軋輥安全系數(shù)取為5時(shí)，機(jī)架的安全系數(shù)為1012.5。3.4機(jī)架強(qiáng)度計(jì)算軋鋼機(jī)機(jī)架強(qiáng)度和變

9、形計(jì)算，一般可采用如下步驟：將機(jī)架結(jié)構(gòu)圖簡(jiǎn)化成為剛架，即以機(jī)架各斷面的中性軸的連線組成框架，近似的處理成直線或規(guī)整的圓弧線段，并確定求解斷面的位置；確定靜不定階數(shù)，如一般閉式機(jī)架是三次靜不定問(wèn)題，需做一系列假設(shè)來(lái)簡(jiǎn)化模型，降低靜不定階數(shù)；確定外力的大小及作用點(diǎn)；根據(jù)變形諧調(diào)條件，用材料力學(xué)中任一種方法（卡氏定理，莫爾積分法，圖乘法，力法等）求解靜不定力和力矩；根據(jù)計(jì)算截面的面積、慣性矩、中型軸線的位置及承載情況，求出應(yīng)力和變形。用材料力學(xué)方法計(jì)算閉式機(jī)架的強(qiáng)度時(shí)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，一般做以下假設(shè):每片機(jī)架只在上下橫梁的中間斷面處受有垂直，而且這兩個(gè)力大小相等、方向相反，作用在同一直線上，即機(jī)架的外

10、負(fù)荷是對(duì)稱的。此時(shí)，機(jī)架沒(méi)有傾覆力矩，機(jī)架底腳不受力。應(yīng)該指出，由于兩個(gè)軋輥直徑和速度的不同、軋制速度的變化和咬入時(shí)沖擊引起的慣性力，或在張力軋制時(shí)，軋制力方向都不是垂直的。由于水平分力的數(shù)值一般都較小，約為垂直分力的34，故可以忽略不計(jì)。只有當(dāng)水平分力較大時(shí)（例如，超過(guò)垂直分力的15） ，則應(yīng)考慮水平分力的影響。機(jī)架結(jié)構(gòu)對(duì)窗口的垂直中心線是對(duì)稱的，而且不考慮由于上下橫梁慣性矩不同所引起的水平內(nèi)力。 上下橫梁和立柱交界處（轉(zhuǎn)角處）是剛性的（一般機(jī)架轉(zhuǎn)角處的剛性都是比較大的），即機(jī)架變形后，機(jī)架轉(zhuǎn)角仍保持不變。根據(jù)上述假設(shè)，機(jī)架外負(fù)載和幾何尺寸都與機(jī)架窗口垂直中心線對(duì)稱，故可將機(jī)架簡(jiǎn)化為一個(gè)由機(jī)

11、架立柱和上下橫梁的中性軸組成的自由框架。如將此框架沿機(jī)架窗口垂直中心線剖開(kāi)，則在剖開(kāi)的截面上，作用著垂直力和靜不定力矩(圖3-3)。由于機(jī)架左右對(duì)稱，所以力矩可由半個(gè)機(jī)架的彈性變形位能求出。此時(shí)，截面-的轉(zhuǎn)角等于零，按卡氏定理 式中 彈性模數(shù)； 截面-與計(jì)算截面間的機(jī)架中性線長(zhǎng)度；機(jī)架計(jì)算截面上的彎曲力矩；機(jī)架計(jì)算截面上的慣性矩。在斷面處的彎曲力矩為 圖3-3 機(jī)架計(jì)算簡(jiǎn)圖及彎曲力矩圖式中作用于機(jī)架上的垂直力,；垂直力相對(duì)于計(jì)算截面的力臂。力矩的導(dǎo)數(shù)為=-1 將上式代入下式，并將常數(shù)E取消后，得 由公式可得，可求出為 如果機(jī)架簡(jiǎn)化為如圖3-4所示的矩形自由框架，則式中的函數(shù)是簡(jiǎn)單函數(shù)關(guān)系：即對(duì)

12、于機(jī)架橫梁，而對(duì)于立柱，因此，為 圖3-4 矩形自由框架彎曲力矩圖式中 機(jī)架橫梁的中性線長(zhǎng)度,此處=3713；機(jī)架立柱的中性線長(zhǎng)度，此處=13162.5；機(jī)架上橫梁的慣性矩，；機(jī)架立柱的慣性矩，；機(jī)架下橫梁的慣性矩,。由上式積分后，得 如果假設(shè)上下橫梁慣性矩相同，即時(shí)，則力矩為 代入數(shù)據(jù)得根據(jù)公式作力矩圖時(shí)，在立柱上的彎矩為 代入數(shù)據(jù)得 代入，則 由此可看出，減小立柱的慣性矩和增加橫梁的慣性矩可以部分的減少立柱中的彎矩.在求出力矩和后，可用以下公式進(jìn)一步求解機(jī)架的應(yīng)力。 機(jī)架橫梁內(nèi)側(cè)的應(yīng)力為 代入數(shù)據(jù)得=31.57。機(jī)架橫梁外側(cè)的應(yīng)力為 代入數(shù)據(jù)得=36.28。機(jī)架立柱內(nèi)側(cè)的應(yīng)力為 代入數(shù)據(jù)得

13、=21.95。機(jī)架立柱外側(cè)的應(yīng)力為 代入數(shù)據(jù)得=21.95。式中 、分別為機(jī)架橫梁內(nèi)側(cè)和外側(cè)的斷面系數(shù)； 、分別為機(jī)架立柱內(nèi)側(cè)和外側(cè)的斷面系數(shù)；機(jī)架立柱斷面。由于機(jī)架是軋機(jī)中最貴重和最重要的零件，必須具有較大的強(qiáng)度儲(chǔ)備。一般機(jī)架的安全系數(shù)不小于10，對(duì)于ZG270500來(lái)說(shuō)，許用應(yīng)力采用一下數(shù)值對(duì)于橫梁 5070對(duì)于立柱 4050可見(jiàn)符合設(shè)計(jì)要求。在上式中，應(yīng)力為壓縮應(yīng)力，應(yīng)力和為拉伸壓力；應(yīng)力是拉伸應(yīng)力還是壓縮應(yīng)力，需根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定。根據(jù)力矩分配的條件，可以找到機(jī)架斷面形狀選擇的原則。常用的立柱斷面形狀有近似正方形、矩形和工字型三種。在斷面積相同的情況下，工字型斷面和矩形斷面有較大的慣性矩

14、，其抗彎能力較大。設(shè)計(jì)機(jī)架時(shí)，根據(jù)軋鋼機(jī)類型、機(jī)架受力特點(diǎn)以及制造條件等因素，確定機(jī)架立柱的斷面形狀。對(duì)于窄而高的閉式機(jī)架，如四輥軋機(jī)等，由于水平力作用不大，較小，而卻較大，要求較大，可選擇慣性矩較小的近似正方形斷面，實(shí)際上，一般都是選擇斷面尺寸小一些的矩形斷面。這樣一來(lái)，雖然立柱的慣性矩相對(duì)減小了，會(huì)增加橫梁的彎曲力矩，但是，在這種軋機(jī)上，立柱的高度比橫梁的長(zhǎng)度要大得多，從立柱上節(jié)省下來(lái)的材料超過(guò)了橫梁所需要增加的材料，對(duì)于減輕機(jī)架重量是有利的。3.5機(jī)架的變形計(jì)算機(jī)架的彈性變形是由橫梁的彎曲變形和立柱的拉伸變形組成的。由于橫梁的斷面尺寸較橫梁的長(zhǎng)度來(lái)說(shuō)是較大的，在計(jì)算衡量的彎曲變形時(shí)，應(yīng)考

15、慮橫向切力的影響，即 式中 機(jī)架的彈性變形；由彎矩產(chǎn)生的橫梁彎曲變形；由切力產(chǎn)生的橫梁彎曲變形； 由拉力產(chǎn)生的立柱拉伸變形。圖3-5是由閉式機(jī)架的橫梁受力圖。根據(jù)卡氏定理，由彎矩產(chǎn)生的兩個(gè)橫梁的彎曲變形為 圖3-5閉式機(jī)架橫梁受力圖彎曲力矩及其導(dǎo)數(shù)可用以下公式表示 經(jīng)積分整理后，上式為 代入數(shù)據(jù)得。式中 機(jī)架材料的彈性模數(shù)，；橫梁的慣性矩；橫梁中性軸的長(zhǎng)度；橫梁上的作用力，對(duì)于鋼板軋機(jī)，一般取為軋制力的一半，即。機(jī)架立柱中的力矩，。同理，由切力產(chǎn)生的兩個(gè)橫梁的彎曲變形為 剪力及其導(dǎo)數(shù)可用一下公式表示 =1 經(jīng)積分整理后，為 代入數(shù)據(jù)得。式中 機(jī)架材料的剪切彈性模數(shù)，；橫梁的斷面面積；橫梁的斷面

16、形狀系數(shù)，對(duì)于矩形斷面，系數(shù)為1.2。機(jī)架立柱的拉伸變形為 代入數(shù)據(jù)得。式中 立柱中性軸的長(zhǎng)度； 立柱的斷面面積。求出變形、和后，可根據(jù)式5-17計(jì)算機(jī)架的彈性變形，。對(duì)于鋼板軋機(jī)，機(jī)架允許的變形為 0.51.0，符合設(shè)計(jì)要求。3.6機(jī)架的剛度計(jì)算四輥軋機(jī)工作機(jī)座的彈性變形包括軋輥系統(tǒng)、支承輥軸承、支承輥軸承座和壓下螺絲間的受壓零件、壓下螺絲和螺母、以及機(jī)架等零件的彈性變形。機(jī)座的彈性變形就等于有關(guān)零件彈性變形之和。求出機(jī)座彈性變形后，可通過(guò)以下公式求出機(jī)座的剛度系數(shù)，即 式中，機(jī)座的剛度系數(shù)；軋制力；機(jī)座的彈性變形。在成品軋機(jī)中，機(jī)座剛度系數(shù)是一個(gè)重要指標(biāo)。機(jī)座剛度系數(shù)愈大，機(jī)座剛度愈好而機(jī)

17、座彈性變形愈小，可使軋件獲得較高的尺寸精度，這對(duì)板帶軋機(jī)尤為重要。由于機(jī)座各零件尺寸大致有一定的比例關(guān)系，一般都與支承輥的直徑和輥身長(zhǎng)度有關(guān)。因此，機(jī)座剛度系數(shù)可以近似的用支承輥直徑和輥身長(zhǎng)度來(lái)表示。由經(jīng)驗(yàn)可得工作機(jī)座剛度系數(shù)與支承輥直徑成一定的關(guān)系，且隨著支承輥直徑的增大，機(jī)座剛度系數(shù)也增大。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)于大型寬帶鋼熱軋機(jī)=(0.350.55)，此時(shí)取=0.5×1800=900。 4.結(jié)語(yǔ)軋機(jī)機(jī)架是軋制設(shè)備重要的基礎(chǔ)部件，軋輥軸承座和軋輥調(diào)整裝置以及其它裝置都安裝在機(jī)架上，機(jī)架直接承受軋制力。工作時(shí)，軋制力通過(guò)軋輥軸承、軸承座、壓下螺絲及螺母?jìng)鹘o機(jī)架，其強(qiáng)度和變形直接影響設(shè)備的可靠性

18、和產(chǎn)品的軋制精度，因此機(jī)架必須有足夠的強(qiáng)度和剛度。本文詳細(xì)介紹了4200中厚板精軋機(jī)機(jī)架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，因?yàn)槠涑叽绾椭亓看?，主要通過(guò)鑄造來(lái)完成。在機(jī)架的鑄造生產(chǎn)制造過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)有些機(jī)架的變形較大，需要重新熱處理來(lái)矯正，延長(zhǎng)了生產(chǎn)周期，增加了制造成本。為解決這個(gè)問(wèn)題，應(yīng)采取以下措施：1.須嚴(yán)格按鑄造工藝操作，在窗口內(nèi)合理放置疏松層，增加砂型的退讓性，減小鑄件在凝固收縮時(shí)的阻力，以避免鑄件在凝固時(shí)的變形，并相應(yīng)減小了鑄件的內(nèi)應(yīng)力。2.延長(zhǎng)鑄件的保溫時(shí)間，鑄件整體小于300時(shí)打箱落砂，并執(zhí)行切割冒口的工藝，從而避免鑄件由于急劇冷卻所造成的變形。3.機(jī)架在熱處理時(shí)合理設(shè)置附耦位置，使其記錄的溫度能夠反應(yīng)鑄件整體的受熱情況，以保證鑄件的受熱均勻，避免在熱處理過(guò)程中的變形。4.維修維護(hù)設(shè)備，以保證正常的工作需要。設(shè)計(jì)難免存在不足，在設(shè)備投入生產(chǎn)后針對(duì)出現(xiàn)的具體問(wèn)題進(jìn)行解決，相信設(shè)備會(huì)日臻完善。參考文獻(xiàn)1.黃華清.軋鋼機(jī)械，北京：冶金工業(yè)出版社，1979，419470.2.