四輥冷軋機設計之軋機機架設計說明書

1、青島理工大學 本科畢業(yè)設計（論文）說明書I摘要摘要本軋機為小型四輥冷軋機，重點設計了機架部分。機架是軋鋼機的重要部件，用來安裝整個輥系及軋輥調(diào)整裝置，并承受全部軋制力。因機架重量大、制造復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進行設計。機架的設計步驟可分為以下幾步：1）初步確定機架的形狀和尺寸；2）常規(guī)計算：利用材料力學、彈性力學等固體力學理論和計算公式，對機架進行強度、剛度和穩(wěn)定性等方面的校核；3）有限元靜態(tài)受力分析。本設計主要采用了采利柯夫計算方法進行閉式機架的強度和變形計算，然后采用有限單元法校核機架的應力、變形及安全系數(shù)。用有限單元法可求出機架完整的應力場。在以往機架的設

2、計中，安全系數(shù)取得很高但仍不能保證機架可靠工作。機架的破壞多在壓下螺母孔、機架窗口轉(zhuǎn)角處等應力集中大的部位。采利柯夫計算方法只能求得某些部位的應力值。而有限單元法不但能求出整個機架各部位的應力場，特別能真實地反映局部部位高應力水平的數(shù)值。關鍵詞關鍵詞：機架；設計步驟；計算方法；有限單元法青島理工大學 本科畢業(yè)設計（論文）說明書II目錄目錄摘要摘要.IAbstract .II目錄目錄.III第第 1 章章 緒論緒論 .11.1 冷軋帶鋼生產(chǎn)概況和發(fā)展方向.11.2 冷軋機的類型、特點及工作原理.21.3 冷軋帶鋼的生產(chǎn)工藝.3第第 2 章章 設計方案的比較設計方案的比較 .82.1 主轉(zhuǎn)動方式.

3、82.2 傳動型式.92.3 軋輥軸承.92.4 壓下裝置的結構形式.102.5 軋輥平衡裝置.112.6 設計方案的確定.11第第 3 章章 設計計算設計計算 .123.1 設計題目及要求.123.2 原始數(shù)據(jù).123.3 軋輥參數(shù)的確定.123.4 軋制力能計算.133.5 機架的設計計算 .27結論結論 .41參考文獻參考文獻 .42致謝致謝 .43附件附件 1 .44摘要 .441 前言.44青島理工大學 本科畢業(yè)設計（論文）說明書III2 閉式機架結構及載荷分布特點.453 有限元分析.453.1 有限元模型的建立及模型載荷的處理.453.2 有限元計算結果與分析.473.2.1 變

4、形分析 .473.2.1 應力分析 .483.2.1 機架強度與剛度分析 .494 結論.505 參考文獻.50附件附件 2 .51附錄附錄 1 .60附錄附錄 2 2 .62附錄附錄 3 3 .64青島理工大學 本科畢業(yè)設計（論文）說明書13.5 機架的設計計算機架的設計計算1、機架的類型軋鋼機機架是工作機座的重要部件，軋輥軸承座及軋輥調(diào)整裝置等都安裝在機架上。機架要承受全部軋制力，必須有足夠的強度和剛度。根據(jù)軋鋼機架結構不同，軋鋼機機架分為閉式和開式兩種。（1）閉式機架如圖 3-10 所示，閉式機架是一個將上下橫梁與立柱鑄成一體的封閉式整體框架，具較強的強度和剛度，但換輥不便。它常用在受力

5、大或要求軋件精度高而不經(jīng)常換輥的軋鋼，如軋制力較大的軋機、板坯軋機和板帶軋機等。對于板帶軋機來說，為提高軋制精度，需要有較高的機架剛度。采用閉式機架的工作機座，在換輥時，軋輥是沿其軸線方向從機架窗口中抽出或裝入，這種軋機一般都設有專用的換輥裝置。 圖 310 閉式機架結構及簡圖（2）開式機架開式機架由機架本體和上蓋兩部分組成，如圖 3-11，它主要用在橫列式型鋼軋機上，其主要優(yōu)點是換輥方便。因為，在橫列式型鋼軋機上如果采用閉式機架，由于受到相鄰機座和連接軸的妨礙，沿軋輥軸線方向換輥是很困難得。采用開式機架，只要拆下上蓋，就可以很方便地將軋輥從上面吊出或裝入。開式機架主要缺點是剛度較差。影響開式

6、機架剛度和換輥速度的主要關鍵是上蓋與 U 型架體的連接方式。常見的上蓋連接方式有四種。青島理工大學 本科畢業(yè)設計（論文）說明書2 （a）螺栓連接 (b)套環(huán)連接 (c)銷軸連接 (d)斜楔連接圖 3-11 機架上蓋連接方式因機架重量大、制造復雜，一般給予很大的安全系數(shù)，并作為永久使用的不更換零件來設計。本次設計中選用閉式機架。2、機架的主要結構參數(shù)機架的主要結構參數(shù)是窗口寬度、窗口高度和立柱端面尺寸。（1）機架窗口高度 H機架窗口高度 H 與軋輥數(shù)目、輥身直徑、輥頸直徑，軸承、軸承座徑向厚度，以及上輥的調(diào)整距離等因素有關。主要根據(jù)軋輥最大開口度、壓下螺絲最小伸出端，以及換輥等要求確定。對于四輥

7、軋機可取mmDDHbw24151794)500190)(5 . 36 . 2()(5 . 36 . 2(）式中：、工作輥、支承輥直徑，mm；取 H=2120mm。wDbD（2）機架窗口寬度 B在閉式機架中，機架窗口應稍大于軋輥最大直徑，以便于換輥。四輥軋機機架窗口寬度一般為支承輥直徑的 1.151.30 倍。mmDBb650575500)30. 115. 1 ()30. 115. 1 (為換輥方便，換輥側的機架窗口應比傳動側窗口寬 510mm，亦可表示為mmsBBz5902525402式中：B機架窗口寬度；支承輥直徑，mm；bD支承輥軸承座寬度，mm，取=540mm；zBzB窗口滑板厚度，mm

8、，一般 s=2040mm，取 s=25；s青島理工大學 本科畢業(yè)設計（論文）說明書3（3）機架端面尺寸機架立柱的端面尺寸是根據(jù)軋鋼機類型、強度條件、機架受力特點等確定的。查軋鋼機械第三版表 5-1 得：四輥軋機機架立柱斷面積與軋輥頸平方的比值：。6 . 12 . 12dF則四輥軋機機架端面面積2221.2 1.6(1.2 1.6) 26081120 108160Fdmm對于四輥軋機，可選慣性矩較小的近似正方形斷面。實際上，一般都是選擇斷面尺寸小的矩形斷面，這對于減輕機架的重量是有利的。所以根據(jù)經(jīng)驗值取端面尺寸為 360mm 270mm。297200270360mmF機架結構簡圖如圖 312：圖

9、 3-12 機架結構簡圖3、機架的材料和許用應力12軋鋼機機架一般采用含碳量為 0.25%0.35%的 ZG270500，其強度極限，延伸率。ZG270500 是大型鑄鋼件生產(chǎn)中最常用500 600bMPa%16%12s的碳素鑄鋼，具有較好的鑄造性和焊接性，但易產(chǎn)生較大的鑄造應力引起熱裂，廣泛應用于軋鋼、鍛壓、礦山等設備，如軋鋼機機架、輥道架、連軋機軌座、坯扎機立輥青島理工大學 本科畢業(yè)設計（論文）說明書4機架等。由于機架是軋機中最貴重和最重要的零件，必須具有較大的強度儲備。一般機架的安全系數(shù)為 m=12.515；對于 ZG270500 來說，許用應力采用以下數(shù)值：對于橫梁 ；MPa7050對

10、于立柱 ；MPa5040為了防止機架在過載時破壞，在軋輥斷裂時機架要不產(chǎn)生塑性變形。根據(jù)這一要求，機架的安全系數(shù)為bjgsnn式中：機架的安全系數(shù)；jn軋輥的安全系數(shù)；gn機架材料的強度極限；b機架材料的屈服極限。s在一般情況下，材料的強度極限與屈服極限的比值近似為 2，為了安全起見，可將機架安全系數(shù)取為：gjnn)5 . 22(當軋輥安全系數(shù)取為 5 時，機架的安全系數(shù)為 1012.5。gnjn4、機架強度和變形計算軋鋼機機架強度和變形的計算，一般可采用如下步驟：（1）將機架結構圖簡化成為平面剛架，可取出工作機架橫梁和立柱的軸線，把機架按長方形框架處理。也可近似地處理成直線或規(guī)整的圓弧線斷，

11、并確定求解斷面的位置。（2）確定靜不定階數(shù)，如一般閉式機架是三次靜不定問題，需作一系列假設來簡化模型，降低靜不定階數(shù)。（3）確定外力的大小及作用點。（4）根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件，用材料力學中任一種方法（卡式定理，莫爾積分法，圖乘法，力法等）求解靜不定力和力矩。（5）根據(jù)計算截面的面積、慣性矩、中性軸線的位置及承載情況，求出應力和變青島理工大學 本科畢業(yè)設計（論文）說明書5形。用材料力學方法計算時，為了簡化計算，一般做以下假設：1）每片機架只在上下橫梁的中間端面處受有垂直力 R，而且這兩個力大小相等、方向相反，作用在同一直線上，即機架的外負荷是對稱的。此時，機架沒有傾翻力矩，機架底腳不受力。應該指出，

12、由于兩個軋輥直徑和速度的不同、軋制速度的變化和咬入時沖擊引起的慣性力，或在張力軋制時，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 3%4%，故可以忽略不計。只有當水平分力較大時（例如，超過垂直分力的 15%） ，則應考慮水平分力的影響。2）機架結構對窗口的垂直中心線是對稱的，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。3）上下橫梁和立柱交界處（轉(zhuǎn)角處）是剛性的（一般機架轉(zhuǎn)角處的剛性都是比較大的） ，即機架變形后，機架轉(zhuǎn)角仍保持不變。將機架及其受力狀態(tài)進行簡化并畫彎矩圖，如圖 3-13、圖 3-14； （a）對稱力系 （b）不對稱力系 （c）對稱受力機架內(nèi)力（d）

13、不對稱受力機架內(nèi)力圖 3-13 機架的受力狀態(tài)圖 3-14 機架受力彎矩圖青島理工大學 本科畢業(yè)設計（論文）說明書6KNKNKNPR57812.578224.11562靜不定力矩 （3-13）3322113322111122444IlIlIlIlIlIlRlM式中：機架橫梁的中性線長度；1l機架立柱的中性線長度；2l機架上橫梁的斷面慣性矩；1I機架立柱的斷面慣性矩；2I機架下橫梁的斷面慣性矩。3I假設上下衡量慣性矩相同，即時，則力矩為：13II1M （3-14） 221122111124IlIlIlIlRlM其中：（矩形截面 ）123bhI 39413280 5002.92 1012IImm3

14、942280 3701.18 1012Imm則 mm74.1291971018. 126451092. 29551018. 126451092. 22955495557899991KNM立柱上的彎矩mmKNMRlM76.879974.12919749555784112由上可知，減小立柱的慣性矩和增加橫梁的慣性矩可以部分地減少立柱中的2I1I青島理工大學 本科畢業(yè)設計（論文）說明書7彎矩，這對于減輕窄而高的機架重量是有利的。2M危險截面應力：（）62bhw 上下橫梁最大彎曲應力：222111/12. 1/011. 0500628074.129197mmkgmmKNWM立柱的拉彎應力：222222

15、mm/kg43. 0mm/0042. 0370628076.879910360025782KNWMFR對于機架，安全系數(shù)一般不小于 10。而對于 ZG270500，橫梁的許用應力，立柱的許用應力 215 7/kg mm。、故機架強度足夠。 224 5/kg mm 11 225、機架變形計算機架在垂直方向的變形是由橫梁變形和立柱拉伸變形兩部分組成的，由于橫梁3f的端面尺寸較橫梁的長度來說是較大的，所以橫梁變形又包括由彎曲力矩所引起的3f變形和由切力引起的變形兩項。3f圖 3-15 機架橫梁的等效懸臂梁機架的彈性變形是由橫梁的彎曲和立柱的拉伸變形組成的。在計算橫梁的彎曲變形時，應考慮橫向切力的影響

16、，即 （3-15）3333ffff式中：機架的彈性變形；3f青島理工大學 本科畢業(yè)設計（論文）說明書8由彎矩產(chǎn)生的橫梁彎曲變形；3f由切力產(chǎn)生的橫梁彎曲變形；3f由拉力產(chǎn)生的立柱拉伸變形。3f圖 3-16 是閉式機架的橫梁受力圖圖 3-16 閉式機架的橫梁受力根據(jù)卡氏定理，由彎矩產(chǎn)生的兩個橫梁的彎曲變形為： (3-16)211231()244lRlMfEI式中：E機架材料的彈性模數(shù)，；62.1 10EMPa橫梁的慣性矩；1I橫梁中性軸的長度；1lR橫梁上的作用力，對于軋鋼機，一般 R 為軋制力的一半，即；2PR 機架立柱中的力矩。2M所以 mmmmf593231081. 5)476.87992

17、4280578(1092. 2101 . 2280 (3-17)1312RlfKGF式中：G機架材料的剪切彈性模數(shù)，?。?8.1 10GMPa橫梁的端面面積；1FK橫梁的端面形狀系數(shù)，對于矩形端面，系數(shù) K 為 1.2。青島理工大學 本科畢業(yè)設計（論文）說明書9所以 mmmmf33105 . 8)500280(8122805782 . 1 (3-18)2322RlfEF式中，立柱中性軸的長度；2l立柱的端面面積。2F所以 mmf431072. 3103600101 . 22280578 機架的彈性變形mmf0089. 01076. 3105 . 81081. 54353而對于鋼板軋機，機架的允

18、許變形為 0.40.5mm（冷軋機） ，故機架剛度滿足 3f要求。6、機架的傾翻力矩計算在軋制過程中，工作機架的傾翻力矩通常由兩部分組成，即 (3-19)QdhMMM式中：機架總傾翻力矩；QM傳動系統(tǒng)加于機架上的傾翻力矩（在正常軋制情況下 =0） ；dMdM水平力引起的傾翻力矩。hM如圖 3-17 所示，水平力 Q 引起的傾翻力矩為 (3-20)ck QM圖 3-17 水平力 Q 引起的傾翻力矩青島理工大學 本科畢業(yè)設計（論文）說明書10式中：c軋制中心線至軋制機座的距離。由軋制速度的變化使軋件產(chǎn)生的慣性力，前、后張力差，以及在穿孔機上頂桿的作用力，都會在軋件上作用水平力。在一般情況下，水平力

19、 Q 是隨著各種軋制工藝條件的改變而變化的，其最大值可按下式計算 (3-21)max2RMQD故 (3-22)max2RhMMcD式中：工作輥傳動支承輥的力矩；RMD軋輥直徑。則 。mmNMMkQ73max101 . 111351901092527、支座反力及地腳螺栓的強度計算（1）支座反力的計算由圖 3-17 可知，在傾翻力矩的作用下，工作機座的兩個機架力圖從兩邊支座中的一個離開。這時，固定機架與軌座以及軌座與地基的螺栓顯然承受拉緊力，其值1R可按下式確定 (3-23)12QMGRb式中：b支座間的距離；G工作機座的重量。則 NR278342690001650101 . 171即由于機架重量

20、較大不會發(fā)生由水平力引起的傾翻現(xiàn)象。應該注意：為保證機架地腳與軌座的配合表面始終不被分開，故對地腳螺栓的預擰緊力必須大于。一般為保險起見應取地腳螺栓總預緊力為：1RyR1)4 . 12 . 1 (RRy（2）地腳螺栓的強度計算首先按經(jīng)驗公式預選螺栓直徑 d。當軋輥直徑 D500mm 時青島理工大學 本科畢業(yè)設計（論文）說明書11 (3-24)0.0810dD則 0.08 500 1050dmm查表取 d=76mm，然后按強度條件對地腳螺栓進行校驗。 (3-25)1214 Rn d式中：地腳螺栓的最大拉力，取,令1R11)4 . 22 . 2(RR 113 . 2 RR 地腳螺栓的螺紋內(nèi)徑，mm

21、；1d地腳螺栓的許用應力，通常取=(7080)MPa (Q215、Q235 鍛鋼)。代入數(shù)據(jù)得：37. 311014. 32278343 . 242MPa故地腳螺栓強度符合要求。8、用有限單元法計算機架的應力和變形過去機架的設計，基本上按材料力學中的能量法來確定機架中的應力和變形，按靜強度計算時，取安全系數(shù)一般不小于 812。給這樣高的安全系數(shù)，也仍不能保證機架可靠的工作，有時照樣出現(xiàn)突眼破壞。其原因，除了制造工藝上存在缺陷等情況外，也反映出計算方法不精確，沒有找到機架的實際應力分布規(guī)律和薄弱部位。例如，對機架中轉(zhuǎn)角、帶孔等位置，受載后存在著嚴重的應力集中，用材料力學的辦法就求不出這些應力集中

22、的數(shù)值，實際中就往往在這些地方產(chǎn)生斷裂，因此研究新的精確的方法來設計計算軋鋼機機架是十分必要的。有限單元法是根據(jù)變分原理求解數(shù)學、物理問題的一種數(shù)值解法。也在結構和連續(xù)力學中的應用，近年來在我國已獲得廣泛的重視和推廣。凡是重要的和結構復雜的機架，在設計時都采用彈性力學有限單元法進行計算。因為這種方法計算結果精確，又不受機架復雜程度的影響。應用有限單元法時，可將機架簡化成二維或三維應力分析問題，將彈性連續(xù)體（機架）離散為有限個單元組成的集合體，再按照結構矩陣分析法或位移法來求解。由于通常計算工作量都很大，所以采用電子計算機進行計算，一般都可以取得滿意的結果。此次分析采用的是 Solidworks

23、 軟件的Simulation 功能。Simulation 是Solidworks 家族最熱銷的分析解決方案，尤其適合于那些有分析需求但是缺乏相關有限元專業(yè)知識的青島理工大學 本科畢業(yè)設計（論文）說明書12工程師們的需要。Simulation 集功能強大、計算精確和簡單好用三大特點為一身，能夠讓工程師們在一天之內(nèi)開始設計分析，并且迅速得到分析結果。Simulation 能夠提供廣泛的分析工具去檢驗和分析復雜零件和裝配，它能夠進行應力分析、應變分析、變形分析、熱分析、設計分析、線性和非線性分析。使用 Simulation，工程師可以最大限度的縮短設計周期，降低測試成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，加大利潤空間。

24、（1）材料：ZG270500 屬性如下：彈性模量2e+011N/2m泊松比0.32NA抗剪模量7.6e+010N/2m質(zhì)量密度7800Kg/3m張力強度4.8255e+008N/2m屈服強度2.4817e+008N/2m熱擴張系數(shù)1.2e-005/Kelvin熱導率30W/(m.k)比熱500J/(kg.k)表 3-1 材料屬性（2）網(wǎng)格屬性為了能用結構力學的方法解決彈性力學上的問題，我們可以把一個連續(xù)彈性體的軋鋼機機架變換成一個離散的結構物，它由有限個單元體并由其結點相互聯(lián)系組成。圖 3-18 機架網(wǎng)格劃分青島理工大學 本科畢業(yè)設計（論文）說明書13單元體得根據(jù)計算精度要求及計算機的容量大小

25、來決定。根據(jù)軋鋼機機架的特點，對壓下螺母孔周圍及下橫梁中間斷面，因是機架的重要部位，單元應劃分得小一些。機架的轉(zhuǎn)角及帶孔部位，由于應力變化劇烈，所以這些地方單元也應劃分得小一些。經(jīng)驗指出，應當盡可能使每個單元各邊的長度接近相等，至少不應使邊長相差過大。如果某單元最大與最小邊長之比達 3：1 或更大，則在該單元附近，應力和位移的真實狀態(tài)將不能在計算結果中正確的反映出來（除非在該單元附近，應力和位移的實際變化是很平緩的） 。（3）載荷和約束信息對平面問題，最簡單、最常用的是三角形單元，所有的單元體都取為鉸接。在某些節(jié)點其位移或其一個分量可以不計之處，就在這些結點上安置固定鉸支座（邊界條件） ，每一

26、個單元所受的載荷，都按靜力等效的原則移置到結點上，成為結點載荷。如圖 3-17。在確定軋鋼機機架有限單元法計算時，考慮到機架結構及受力的對稱性，以機架中心線為準取機架的一半作為計算單位。根據(jù)軋機的軋制負荷，我們選取總軋制力 1156.24KN 作為外載荷，即每個牌坊承受 578.12KN 的垂直載荷，按靜力等效原則將半個牌坊承受的 289.02KN 的載荷移置到載荷面上。（4）結果Solid Works Simulation 設計分析結果基于線性靜態(tài)分析，且材料設想為同象性。線性靜態(tài)分析設想：1)材料行為為線性，與胡克定律相符；2)誘導位移很小以致由于載荷可忽略剛性變化；3)載荷緩慢應用以便忽

27、略動態(tài)效果。青島理工大學 本科畢業(yè)設計（論文）說明書14圖 3-19 有限單元法計算得出機架的應力分布圖圖 3-20 有限單元法計算得出機架的變形分布圖材料力學計算方法和有限元分析結果的比較：從圖 3-19 可以看出，上下橫梁最大應力處的相對誤差為：%2 .224 .142 .11-4 .14從附錄 3 圖中查出并計算，機架立柱最大的拉彎應力的相對誤差為：%7 .407 . 26 . 1-7 . 2通過以上分析可以看出，有限單元法用來計算軋鋼機機架的應力和變形，其結果比材料力學方法精確。能夠比較符合實際地找出機架的各個部位的應力分布規(guī)律，能在機架應力急劇變化的地方求出靜力作用下的應力集中系數(shù)。

28、因此在新軋機的設計中，可應用這種方法，使用計算機對幾個方案迅速算出他們的應力和位移，進行對比分析，從中找出最佳結構方案。在舊軋機的改造中，通過此法對軋機機架應力和剛度進行分析的結果，可以校核其潛力和找出薄弱部位，便于提高生產(chǎn)和防止事故。同時應用有限單元法進行應力分析還可以改變過去那種盲目加大安全系數(shù)、造成結構笨重、浪費青島理工大學 本科畢業(yè)設計（論文）說明書15金屬材料的不良現(xiàn)象。因此我們認為在冶金機械的設計計算中，有限單元法是有很大推廣意義的。結論結論軋鋼機俗稱“牌坊” ，是軋鋼生產(chǎn)的主要機械設備，鋼鐵及有色金屬的 90%要通過軋機軋制成材，因此，軋機的裝備水平，對冶金的生產(chǎn)有著直接的影響。

29、軋機是最終承載載荷并且是要永久使用的部件,機架是軋機結構系統(tǒng)中最重、最大的部分。大型機架由于其體積龐大,通常整體鑄造成形,而后對窗口部分進行機械加工的方法成形,鑄造成形是大型軋機機架生產(chǎn)過程中最基礎和最重要的工序。由兩片“牌坊”組成以安裝軋輥軸承座和軋輥調(diào)整裝置 ，需有足夠的強度和鋼度承受軋制力。經(jīng)過六百多年的發(fā)展，現(xiàn)在軋機發(fā)展的趨向是自動化、連續(xù)化、專業(yè)化、產(chǎn)品質(zhì)量高、消耗低，其中高新技術的應用是軋鋼生產(chǎn)技術發(fā)展的顯著特征。近幾十年以來，軋鋼生產(chǎn)的技術進步取得了長足的發(fā)展，在板帶材生產(chǎn)發(fā)面，板厚和板型控制技術已趨于成熟。軋鋼的內(nèi)涵已經(jīng)突破了原有的界限，顯著的向著上、下工序拓展。為滿足青島理工

30、大學 本科畢業(yè)設計（論文）說明書16最終產(chǎn)品質(zhì)量的要求，上、下游工序的要求對軋鋼生產(chǎn)技術的發(fā)展及工藝規(guī)程的規(guī)定也起著越來越明顯的作用。本次設計的題目是四輥冷軋機軋鋼機機架。技術參數(shù)要求190/ 500 450mm是：1、軋制材料：25Cr2MoVA；2、原料規(guī)格：軋制帶寬 200；mm3、軋制規(guī)程：，即軋機會將板帶由 3.1mm 厚3.12.752.42.01.81.4軋制成 1.4mm 厚；4、軋制速度 2m/s。在設計中，主要計算了軋制力、驅(qū)動力矩、軋機主電動機功率、機架靜強度、剛度和有限元分析等，并完成了機架的材料及結構型式、軋機主電動機、軋輥軸承部分的確定。在計算時，主要參考了由鄒家祥

31、主編的軋鋼機現(xiàn)代設計理論 、黃華清主編的軋鋼機械和由劉寶珩主編的軋鋼機械設備等書籍。在對其它系統(tǒng)進行了分析及設計后，最終確定設計方案為：不可逆工作制度，電機驅(qū)動支撐輥，工作輥軸承選用雙列滾針軸承，支承輥軸承選用四列圓柱滾子軸承，壓下裝置為電動壓下，上輥為單缸平衡，輥型調(diào)整采用液壓壓下彎輥，直流電動機。參考文獻參考文獻1 劉寶衍.軋鋼機械設備M.北京:冶金工業(yè)出版社,1984.6.2 冶金工業(yè)部有色金屬加工設計研究院.板帶車間機械設備設計（上）M.北京:冶金工業(yè)出版社,1983.3.3 黃華清.軋鋼機械M.北京:冶金工業(yè)出版社,1980.12.4 王海文.軋鋼機械設計M.北京:機械工業(yè)出版社,1

32、983.6.5 鄒家祥.軋鋼機械M.北京:冶金工業(yè)出版社,2000.2. 6 王廷溥.軋鋼工藝學M.北京:冶金工業(yè)出版社,1981.7.7 鄒家祥.軋鋼機現(xiàn)代設計理論M.北京:冶金工業(yè)出版社,1991.5.9 張永茂.AutoCAD 2002 機械工程師使用指南M.北京:國防工業(yè)出版社,2002.9.青島理工大學 本科畢業(yè)設計（論文）說明書1710 袁康.軋鋼車間設計基礎M.北京:機械工業(yè)出版社,1986.10.11 陳于萍,周兆元.互換性與測量技術基礎M.北京:機械工業(yè)出版社,2005.10.12 劉鴻文.材料力學M.北京:高等教育出版社,2004.1.13 濮良貴,紀名剛.機械設計（第八版

33、）M.北京:高等教育出版社,2006.5.14 0JMSmith,Closed control of 1oops with dead time,ChemEngProg53(1957),P217.15 DSbarbaroHofer,DNeumerkel,and KHunt,Neural control of a steel rolling 附件附件 1軋鋼機機架剛度和強度的有限元分析軋鋼機機架剛度和強度的有限元分析崔立新 張家泉 陳素瓊 趙強(北京科技大學) (寶鋼集團)摘要摘要軋機機架載荷條件和結構形式比較復雜，借助大型有限元結構分析軟件MSCMARC。利用有限元分析的手段，對軋機機架進行了彈

34、性力學結構分析，得出了在軋鋼載荷下，其變形情 況與應力分布等詳細、直觀的分析結果，彌補了常用材料力學簡支梁簡化模型分析的不足。關鍵詞關鍵詞：有限單元法；軋機機架；強度分析1 前言前言軋機是軋鋼車間的核心設備，軋機機架作為軋鋼機的重要部件，是軋鋼機中一個主要的非更換的永久性零件。其結構、受力狀況及使用工況都比較復雜。軋機機架的變形、剛度和強度直接影響到軋機的工作安全性和所軋制產(chǎn)品的尺寸規(guī)格與精度。因此，對軋機進行準確的剛度特性計算和分析具有重要的實際意義。另一方面，在軋機設計階段，除要確保其使用過程的安全性和合理壽命外，還要考慮到制造工藝的簡化青島理工大學 本科畢業(yè)設計（論文）說明書18和設備成

35、本的降低。為此，在滿足軋鋼生產(chǎn)工藝要求、保證生產(chǎn)可靠性的前提下，應該盡量簡化設計以降低軋機的制造成本。有鑒于此，如何合理可靠地計算其強度和剛度是軋機機架設計時必須加以解決的重要問題。長期以來，機架力學分析的主要方法是基于材料力學的簡支梁簡化模型。該方法物理意義明確，能夠揭示機架的總體變形趨勢(如撓度)，但不能獲得其受力與變形的細節(jié)。隨著各種新式軋機的不斷出現(xiàn)，這種傳統(tǒng)力學分析方法已不能滿足設計人員對分析機架應力分布與變形細節(jié)日益提高的精確化要求。為此，基于連續(xù)介質(zhì)有限元法的現(xiàn)代計算機輔助結構分析技術在機架分析中日益受到重視。本文基于大型結構分析有限元軟件 MSC.MARC，對一種閉式軋機機架進

36、行了彈性力學結構分析，得出了其在軋鋼過程中的變形、應力分布等詳細直觀的計算結果，為軋機剛度與強度的設計與工程分析提供了科學依據(jù)。2 閉式機架結構及載荷分布特點閉式機架結構及載荷分布特點按結構不同，機架可分為閉式機架及開式機架兩大類。閉式機架可承受較大的軋制壓力，變形很小，具有較大的強度和剛度等優(yōu)點，因而可滿足產(chǎn)品尺寸精度的要求，在板坯軋機、板帶軋機以及線材和棒材軋機得到廣泛應用。按加工及運輸條件的不同，機架牌坊有整體式和組合式兩種。其中整體閉式鑄造機架應用得最為廣泛。本計算結構體是一個整體閉式板帶軋機機架。其實際厚度和受力分布都存在一定的不均勻性；此外，軋制過程中機架還可能承受橫向力的作用。為

37、了簡化計算，對其幾何結構作了適當簡化，如圖 1 所示。即：不計其厚度差異以及受力在厚度方向的不均勻性，按平面應力問題處理；不計橫向受力，只考慮軋制力，并將其看成作用于對稱軸附近的局部分布載荷。青島理工大學 本科畢業(yè)設計（論文）說明書19圖 1 板帶軋機閉式機架示意圖3 有限元分析有限元分析3.13.1 有限元模型的建立及模型載荷的處理有限元模型的建立及模型載荷的處理利用大型通用的有限元結構分析軟件 MSCMARC，根據(jù)結構的實際尺寸，并充分利用結構和受力的對稱性，取軋機機架的 1/2 作為計算域，如圖 2 所示。為保證其與原結構的力學條件的同一性，在對稱面法線方向上施加固定零位移。采用彈性力學

38、平面應力分析方案，并用四邊形單元進行離散。根據(jù)結構特點和計算精度的要求，采用不均勻網(wǎng)格剖分方法對計算域進行幾何模擬，最后得到的有限元模型單元總數(shù)為 275 個，節(jié)點總數(shù)為 336 個。如圖 3 所示邊界條件的定義包括約束條件和分布載荷：在對稱軸上各點水平方向的位移為零；在上螺絲的部位，垂直方向的位移為零；在對稱軸附近受分布載荷，其中取軋制力 P=1000N9.8106N，作用面積為 0.40.7=0.28，從2m而可得分布應力載荷應為 3.5107Pa。其中機架材料(鑄鋼)的彈性常數(shù)取值如下：彈性模量 E=2.061011Pa泊松比 y=0.3建立好結構的有限元模型后，利用 MARC 前處理界

39、面進行相應節(jié)點、單元和有關材料參數(shù)的定義工作。青島理工大學 本科畢業(yè)設計（論文）說明書20 圖 2 軋機機架的計算區(qū)域簡圖 圖 3 機架計算域有限元離散網(wǎng)格值得注意的是，根據(jù)有限元分析原理和 MARC 軟件的有關約定，在模型的前處理階段遵守了以下原則：(1)模型不規(guī)則區(qū)域若采用手工添加單元，單元的各節(jié)點必須逆時針編號，為保證面積為正。(2)應使每個單元的四條邊長度不要相差太大，避免單元畸變。(3)由于構件受有集中突變的局部分布載荷(如上下橫粱處)，所以應將這種部位的單元取得細密一些，并在載荷突變處設有節(jié)點，以使應力的突變得到一定程度的反映。(4)根據(jù)構件不同部位受力和結構的差異，相應采用不同大

40、小的單元進行非均勻化的網(wǎng)格剖分。比如，對于需要比較詳細了解應力及位移的重要部位，單元應當劃分得小一些。網(wǎng)格密一些；對于次要部位，單元可大一些，網(wǎng)格稀一些。對于應力和位移變化比較激烈的部位(譬如，在構件具有凹槽的部位，易產(chǎn)生應力集中，即該處的應力很大且變化激烈)，為了 正確反映此項應力，必須把該處的單元劃分的很小，網(wǎng)格很密。相反，在應力和位移較平緩的部位，單元可大一些?？傊?，有限元網(wǎng)格要做到疏密有致。(5)在網(wǎng)格中，任一單元的頂點，盡量同時也是相鄰單元的頂點。為此，在實際處理過程中。采用一定量的三角形單元，來實現(xiàn)與四邊形單元的銜接和過渡。(6)網(wǎng)格劃分完畢后(尤其是涉及手工添加單元操作的情況)，

41、應注意進行單元和結點的連續(xù)性檢查。保證最終結點編號不重、不漏、連續(xù)和相鄰單元的結點號差盡量小。以控制總體剛度矩陣大小，減小機器內(nèi)存占用量及計算時間。青島理工大學 本科畢業(yè)設計（論文）說明書213.23.2 有限元計算結果與分析有限元計算結果與分析采用彈性理論的平面應力模型對上述軋機機架的有限元分析結果如圖 4圖 8 所示。通過分析，可以了解結構變形和應力分布的特點，揭示其中的薄弱環(huán)節(jié)，并為結構的強度和剛度分析提供依據(jù)。3.2.1 變形分析變形分析節(jié)點位移反映了構件在受力前后各點位置發(fā)生的變化。圖 4圖 6 為軋機機架的變形圖，其中圖 4 為計算揭示的機架變形趨勢；從圖 5 和圖 6 可以看出，

42、在軋制過程中水平方向的變形較垂直方向的變形嚴重，其中最大變形發(fā)生在立柱中部。 圖 4 軋機機架的變形圖（放大 1000 倍） 圖 5 軋機機架水平的位移等值線圖 6 軋機機架垂直方向的位移等值線青島理工大學 本科畢業(yè)設計（論文）說明書223.2.1 應力分析應力分析有限單元法可求得軋機機架各個部位的各種應力分布。其中圖 7 為機架外廓等效應力及其相對大小分布(如內(nèi)外側的差異，其中圖中不同顏色代表不同的應力大小)；由圖可見，機架內(nèi)側等效應力高于外側。圖 8 為下橫梁典型斷面(對稱面)上水平方向的應力分布(圖中壓應力記為負值)，其內(nèi)側水平壓應力達 34.4MPa，而外側水平拉應力為 21.1MPa

43、。圖 9 為下橫梁對稱面上垂直方向的應力分布，可見整個斷面在垂直方向承受壓應力。圖 10 是機架整個斷面上的等效應力分布圖。其中，等值線密集區(qū)域為應力集中和變化梯度較大的部位。由此可見，在當前的計算軋制載荷下，機架立柱等應力線基本上呈現(xiàn)為平行分布，應力值由內(nèi)側向外側均勻的減小。而在下橫梁與立柱連接的圓角處，應力等值線密集，表明應力梯度變化大，當?shù)赜写蟮膽?，最大值發(fā)生在圓角中間偏上的位置，在不到 100mm 的范圍內(nèi)應力值很大。因為圓角附近是拉應力區(qū)，對應力集中敏感，因此改善圓角處的應力集中 是設計時應注意的問題。3.2.1 機架強度與剛度分析機架強度與剛度分析考慮到當軋輥斷裂時，機架尚不

44、應發(fā)生塑性變形，機架的靜載安全系數(shù)一般取 10-15，對于軋機所采用的鑄鋼材料，其許用應力為：對于橫梁 5-7Pa 710710對于立柱 4-5Pa 710710軋制力在 5.15MN 下，對于熱軋機的許用彈性變形一般取f30.61.0mm。由上有限元計算可知，橫梁處的最大應力為 d=2.5856107Pa，立柱處的最大應力為=1.85474pa?？梢娋谠S用應力之內(nèi)，因而，在給定的軋制壓力下，機架max710的強度能夠滿足工作要求。對于機架的變形，如圖 4 所示，最大的變形發(fā)生在機架的立柱處，其值為0.38mm，小于許用彈性變形，因此，在給定的軋制壓力下，機架的剛度也能夠滿3f足工作要求。青

45、島理工大學 本科畢業(yè)設計（論文）說明書23 圖 7 機架外輪廓等效應力分布 圖 8 下橫梁縱向截面水平方向應力分布 圖 9 下橫梁縱向截面垂直方向應力分布 圖 10 機架等效應力分布4 4 結論結論本文利用 MSC-MARC 建立了軋機機架的有限元彈性力學結構分析途徑，并對一種閉式機架在工作載荷下的應力與變形進行了平面應力分析。獲得了熱軋過程中的機架變形、位移及應力場分布等詳細的定量數(shù)據(jù)，由此不僅揭示了機架結構的薄弱環(huán)節(jié)，還為軋機剛度與強度設計及其工程分析提供了更為可靠的科學依據(jù)。5 參考文獻參考文獻l 朱伯芳.有限單元法原理與應用北京:中國水利水電出版社,1998.2 鄒家祥,施東成軋鋼機械

46、理論與結構設計北京:冶金工業(yè)出版社，1993.青島理工大學 本科畢業(yè)設計（論文）說明書24附件附件 2Mill frame stiffness and strength of finite element analysisCui li xin Zhang jia quan （Ben jing science and technology university）Chen su qiong Zhao qiang （Bao gang group）Abstract：Mill stands are complicated in structure and loading conditionsWith t

47、he aid of MSCARC，the elastic structure analysis of a closed mill stand has been made under a working load，which the deformation and stress distribution of the stand the load are revealed in through upon sevens detailsKey words：FEM; mill stand; strength analysis1 PrefaceMill is the core equipment of

48、steel rolling workshop，the rolling mill frame as an important components，is a major not rolling mill permanent replacement parts. Its structure, the stress state and operating conditions are more complicated. Mill frame deformation, stiffness and strength directly affect the work safety and rolling

49、product specification and precision. Therefore, on the mill in accurate rigidity, calculation and analysis has important practical significance. On the other hand, in the design stage, except to ensure the safety of the use of process and the reasonable life outside, to consider manufacturing proces

50、s simplification and equipment cost reduction. Therefore, satisfying steel-rolling production 青島理工大學 本科畢業(yè)設計（論文）說明書25requirement of process and ensure the production reliability premise, should try to simplify design to reduce mills manufacturing cost. In view of this, how to reasonably reliably calc

51、ulate its intensity and stiffness are rolling mill frame design must be addressed heaviest to problems.Long-term since, the main frame mechanics analysis method is based on the simplified model of the beam material mechanics. This method of physical meaning explicit, can reveal frames overall distor

52、tion trend (such as deflection), but cant get its stress and deformation details. With the new kinds of mill appear ceaselessly, this traditional mechanical analysis method to already cant meet the design personnel analysis frame stress distribution and deformation of the precision requirement incre

53、asing detail. Therefore, based on the continuum of the modern computer aided finite element method structure analysis technology in the frame analysis is valued. Based on the large-scale structure finite element software MSC. MARC, to a closed mill of elastic mechanics frame structure analysis, obta

54、ined the deformation in the rolling process, and should be force distribution and other detailed intuitive result of rolling mill stiffness and strength design and engineering analysis provides scientific basis.2 The frame structure and closed the load distribution characteristics According to the s

55、tructure is different, the frame can be divided into closed frame and open frame two kinds big. The closed frame may withstand the big rolling pressure, deformation is small, with greater intensity and rigidity etc, thus can meet the requirements, product precision in slab rolling mill, strip mill a

56、nd wire and bar mill widely used. According to the different processing and transportation conditions, frame arch has the whole asana and combined two kinds. Including whole most closed casting frame application widely.This calculation structures is a whole closed strip mill frame. The actual thickn

57、ess and the stress distribution have certain in homogeneity; In addition, in the process of rolling frame may also inherit lateral force. In order to simplify the calculation of its geometric structure, the simplified appropriate, as shown in figure 1 below. Namely: regardless of its thickness diffe

58、rence in thickness direction and stress, according to the in homogeneity of the plane stress dealing with problems; Regardless of the lateral stress, considering only rolling force, 青島理工大學 本科畢業(yè)設計（論文）說明書26and its effect on the axis of symmetry nearby as local distribution load.Figure1 Strip mill clos

59、ed frame diagram3 The finite element analysis3.1 Finite element model and model of treatment. LoadBased on the large general finite element analysis software MSC. MARC, according to the structure of the actual size, and make full use of structure and mechanical symmetry, take mill frame 1/2 of calcu

60、lation domain, as shown in figure 2. In order to ensure its and original structure of the mechanical condition of identity, in a symmetrical face normal direction of fixed zero displacement applied. Using elastic mechanics plane stress analysis method and discrete units of quadrilateral. According t