機架設(shè)計1218

1、機械工程學(xué)院課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書專業(yè)班級： 設(shè)計人 同組人： 設(shè)計題目： 萬能軋機機架設(shè)計 設(shè)計參數(shù)： Q235 DW=500mm Db=850mm 最大軋制力 設(shè)計要求： 通過本課程設(shè)計使學(xué)生了解軋鋼機機架的結(jié)構(gòu)及類型；熟悉軋鋼機機架的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)；掌握軋鋼機機架的強度校核方法及變形計算方法，為畢業(yè)設(shè)計及今后從事相關(guān)的專業(yè)打下必要的基礎(chǔ)。設(shè)計內(nèi)容包括：1）主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定；2）機架強度校核；3）機架變形計算； 4）計算機繪制相關(guān)圖紙；5）撰寫說明書。 設(shè)計時間： 2014 年 12 月 15 日 至 2015 年 01 月 02 日 設(shè)計人(簽字) 指導(dǎo)教師(簽字) 教研室主任（簽字

2、） 附注：本課程設(shè)計任務(wù)書由學(xué)生附入設(shè)計說明書內(nèi)。摘要機架是軋機的主要承載部件之一，其力學(xué)性能直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量、軋制控制系統(tǒng)的精度和軋機的使用壽命。本課程主要研究初軋機機架，首先介紹機架的類型、主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和結(jié)構(gòu)特點，然后通過計算機架的強度、剛度和變形來對機架進(jìn)行校核，并對機架的受力做了分析使其滿足使用要求。關(guān)鍵詞：初軋機機架 強度 剛度 變形目錄摘要1目錄2第一章緒論31.1萬能軋機的介紹31.2機架的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)41.3機架的結(jié)構(gòu)特點6第二章軋機機架強度和剛度計算82.1軋鋼機機架的強度和變形的計算步驟82.2機架的設(shè)計計算8結(jié)論18參考文獻(xiàn)19致謝20第一章緒論1.1萬能軋機的介紹萬能

3、軋機萬能軋機是由一對水平輥和一對立輥組成主機架，其四個輥的軸線在一個平面內(nèi)，水平輥為主動輥，立輥為從動輥（有的軋機立輥也可驅(qū)動），可對軋件進(jìn)行四面加工，并由二輥水平軋機做輔助機架（軋邊機）。1萬能軋機的用途萬能軋機主要用來軋制各類型鋼，例如：H型鋼、鋼軌、工字鋼、槽鋼、鋼板樁、U型鋼、L型鋼、不等邊角鋼等各種類型的型鋼，因其適用于多品種鋼材軋制，故而得名“萬能軋機”。 3萬能軋機的優(yōu)點與常規(guī)軋制法相比，萬能軋機軋制鋼軌具有如下優(yōu)點：由于可對鋼軌頭部和底部進(jìn)行直接壓下，對鋼軌性能非常重要的頭部與底部的加工硬化效果增大，可以得到良好的材料質(zhì)量；通過軋制工序的各個部分，可以施加比較均勻的壓下力而得到

4、均勻的變形，從而得到高質(zhì)量的鋼軌；鋼軌的軌底背部不發(fā)生缺陷，可獲得平坦度及垂直度良好的鋼軌；由于能夠減輕軋輥局部的摩擦，可以保證產(chǎn)品良好的表面性能；軋輥的孔型設(shè)計方法得到簡化，新精軋管產(chǎn)品開發(fā)周期得以縮短。1.1.4機架的種類 圖310 閉式機架結(jié)構(gòu)及簡圖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。影響開式機架剛度和換輥速度的主要關(guān)鍵是

5、上蓋與U型架體的連接方式。常見的上蓋連接方式有四種。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(fù)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(shè)計。本次設(shè)計中選用閉式機架。萬能軋機的發(fā)展方向目前的萬能軋機向著一機多用的方向發(fā)展，即軋機既可生產(chǎn) 型鋼，又可以生產(chǎn)軌梁及異型斷面鋼材。下面就幾種典型的萬能軋機做一些介紹。該萬能軋機的水平輥多采用四輥軋機。其工作機座包括： 壓下裝置、 平衡裝置、 軋輥軸承及軸承座、 軋輥、 機架和主傳動裝置。水平軋輥的裝置與一般的二輥式、 四輥式軋機基本相同。立輥是用來擠壓鋼坯表面氧化鐵皮

6、， 控制板坯寬度， 以保證軋件寬度準(zhǔn)確， 軋制齊邊鋼板。同時減少了軋件翻鋼次數(shù)， 節(jié)省軋制時間。立輥特點： 軋輥的輥身較短， 當(dāng)軋件厚度小于1500mm 時， 軋輥通常做成懸臂式， 但當(dāng)坯料厚度較大， 或采用鋼錠作為原料時， 考慮到軋制力很大的情況下才做成非懸臂式。在熱帶鋼連軋車間內(nèi)， 立輥機座是用來從側(cè)面壓縮板坯， 保證帶鋼側(cè)邊質(zhì)量和調(diào)節(jié)帶鋼寬度規(guī)格， 在初始道次， 還起破鱗作用。根據(jù)不同的使用要求， 立輥可安設(shè)在獨立的工作機架上， 也可以和水平輥合拼在一個機座上。把立輥和水平輥機座合拼為一個機座稱為萬能機座。該萬能機座的立輥，洗礦機一般都安設(shè)在水平輥的前面。按立輥的傳動型式， 可分為下傳動

7、的立輥和上傳動的立輥。按結(jié)構(gòu)可分懸臂式和框架式立輥。1.2機架的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)機架的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)是窗口寬度、高度和立柱截面尺寸。在閉式機架中，機架窗口寬度應(yīng)稍大于軋輥最大直徑，以便于換輥；而開式機架窗口寬度主要決定于軋輥軸承座的寬度。四輥軋機機架窗口寬度一般為支承輥直徑的1.131.30倍。為換輥方便，換輥側(cè)的機架窗口應(yīng)比傳動側(cè)窗口寬510mm，亦可表示為式中 機架窗口寬度； 支撐軸（軋輥）軸承座寬度，mm； S窗口滑板厚度，mm，一般取s=2040mm。機架窗口高度H主要根據(jù)軋輥最大開口度、壓下螺絲最小伸出端（至少有23扣螺紋長度），以及換輥等要求確定。H=H1+H2+H3+S1+S2式中 H

8、1 兩個（或四個）軋輥接觸時，上、下軸承座間的最大距離，mm； H2 安全臼或測壓元件以及均壓塊的高度，mm； H3 下軸承座底墊板厚度，mm； S1 軋機換輥時最大開口度，mm； S2 機架窗口高度尺寸裕量，通常S2 =150250mm。對于四輥軋機，可取H=（2.63.5）（+Db）式中 、Db工作輥、支承輥直徑，mm。機架立柱的斷面尺寸是根據(jù)強度條件確定的。由于作用于軋輥輥頸和機架立柱上的力相同，而軋頸強度近似地與其直徑平方（d2）成正比，故機架立柱的斷面積（F）與軋輥輥頸的直徑平方（d2）有關(guān)。在設(shè)計時，可根據(jù)比值（F/d2）的經(jīng)驗數(shù)據(jù)確定機架立柱斷面積，再進(jìn)行機架強度驗算。根據(jù)軋輥材

9、料和軋鋼機類型，比值（F/d2）可按表1選取。表1 機架立柱斷面積與軋輥輥直徑平方的比值機架立柱斷面尺寸對機架剛度影響較大。在現(xiàn)代板帶軋機上，為了提高軋件的軋制精度，有逐漸加大立柱斷面的趨勢。厚板軋機機架立柱斷面積已增至10000cm2；熱軋帶鋼軋機的機架立柱斷面積達(dá)7000cm2。1.3機架的結(jié)構(gòu)特點閉式機架結(jié)構(gòu)：圖3為1700熱連軋機四輥萬能機的水平軋輥機架。它是由兩片閉式機架1組成的，機架上面是通過鑄鋼橫梁來連接。由于機座采用五缸式平衡裝置，因此，上橫梁2的中部留的安裝平衡缸的空腔。兩機架的壓下螺絲中心距為2800mm。在窗口內(nèi)側(cè)鑲有耐磨滑板3。機架下部也是由鑄造橫梁4用螺釘連接在一起的

10、。整個機架是通過熱裝地腳螺釘牢固地與軌座5連接在一起的，軌座5與機架地腳的配合面為直角，以便加工、安裝和校正，軌座5放在地基之上，并通過地腳螺釘固定。軸向壓板6用以防止軋輥軸向串動。為了使機座起吊方便，在機架上鑄有四個耳環(huán)。機架用ZG35II整體鑄造，其機械性能：500MPa；280MPa；15；350MPa。 圖3 1700熱連軋機萬能機座水平軋輥機架1機架 2上鑄造橫梁 3耐磨滑板 4下鑄造橫梁 5軌座 6周向壓板第二章軋機機架強度和剛度計算2.1軋鋼機機架的強度和變形的計算步驟（1） 以機架各斷面的中性軸的連線組成框架，近似地處理成直線或規(guī)整的圓弧線段，將機架結(jié)構(gòu)圖簡化成為剛架；（2）

11、對軋機機架上所受的各種外力進(jìn)行計算，確定所加外力的大小及外力在機架上的作用位置；（3） 確定靜不定階數(shù)，如一般式機架是三次靜不定問題，需作一系列假設(shè)來簡化模型，降低靜不定階數(shù)；（4） 根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件，用材料力學(xué)中的圖乘法、莫爾積分法、卡氏定理法、柔性轉(zhuǎn)角計算法等求出軋機機架的靜不定力和力矩；（5） 根據(jù)機架主要尺寸截面的面積、慣性矩、主要位置的承載情況和各種力的作用位置，求出機架各個部分的應(yīng)力和變形。42.2機架的設(shè)計計算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(jié)構(gòu)不同，軋鋼機機架分為閉式和

12、開式兩種。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(shè)有專用的換輥裝置。 圖310 閉式機架結(jié)構(gòu)及簡圖機架的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)機架的主要結(jié)構(gòu)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(guān)

13、。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。對于四輥軋機可取式中：、工作輥、支承輥直徑；Dw=500mm Db=850mm取H=4300mm。（2）機架窗口寬度B在閉式機架中，機架窗口應(yīng)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。為換輥方便，換輥側(cè)的機架窗口應(yīng)比傳動側(cè)窗口寬510mm，亦可表示為式中：B機架窗口寬度；支承輥直徑，mm；支承輥軸承座寬度，mm，取=950mm；S窗口滑板厚度，mm，一般s=2040mm，取s=25；（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

14、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：。則四輥軋機機架端面面積對于四輥軋機，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mm。機架結(jié)構(gòu)簡圖如圖312： 圖3-12 機架結(jié)構(gòu)簡圖機架的材料和許用應(yīng)力軋鋼機機架一般采用含碳量為0.25%0.35%的ZG270500，其強度極限 b=500600Mpa，延伸率s=12%16%。ZG270500是大型鑄鋼件生產(chǎn)中最常用的碳素鑄鋼，具有較好的鑄造性和焊接性，但易產(chǎn)生較大的鑄造應(yīng)力引起熱裂，廣泛應(yīng)用于軋鋼、鍛壓、礦山等設(shè)備，如軋鋼機機架、輥道架、連軋機軌

15、座、坯扎機立輥機架等。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(yīng)力采用以下數(shù)值：對于橫梁 ；對于立柱 ；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)為式中：機架的安全系數(shù)；軋輥的安全系數(shù)；機架材料的強度極限；機架材料的屈服極限。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：當(dāng)軋輥安全系數(shù)ng取為5時，機架的安全系數(shù)nj為1012.5。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(jié)構(gòu)圖簡

16、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，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(shè)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(xué)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(yīng)力和變形。用材料力學(xué)方法計算時，為了簡化計算，一般做以下假設(shè)：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

17、外負(fù)荷是對稱的。此時，機架沒有傾翻力矩，機架底腳不受力。應(yīng)該指出，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(dāng)水平分力較大時（例如，超過垂直分力的15%），則應(yīng)考慮水平分力的影響。2）機架結(jié)構(gòu)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(jìn)行簡化并畫彎矩圖，如圖3-13、圖3-14； （a）對

18、稱力系 （b）不對稱力系 （c）對稱受力機架內(nèi)力（d）不對稱受力機架內(nèi)力圖3-13 機架的受力狀態(tài) 圖3-14 機架受力彎矩圖靜不定力矩 （3-13）式中：機架橫梁的中性線長度；機架立柱的中性線長度；機架上橫梁的斷面慣性矩；機架立柱的斷面慣性矩；機架下橫梁的斷面慣性矩。假設(shè)上下衡量慣性矩相同，即I1=I3時，則力矩M1為： （3-14） 其中：（矩形截面 ）則 立柱上的彎矩由上可知，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彎矩，這對于減輕窄而高的機架重量是有利的。危險截面應(yīng)力：（）上下橫梁最大彎曲應(yīng)力：立柱的拉彎應(yīng)力：對于機架，安全系數(shù)一般不小于10。而對于ZG270500，橫

19、梁的許用應(yīng)力，立柱的許用應(yīng)力。、故機架強度足夠。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變形和由切力引起的變形兩項。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(yīng)考慮橫向切力的影響，即 （3-15）式中：機架的彈性變形；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3-16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)式中：E機架材料的彈性模數(shù)，；橫梁的慣性矩；橫梁中性軸的長度；R橫梁上的作用力，對于軋鋼機，一般R為軋制力的一半，即； (3-17)式中：G機架材料的剪切彈性模數(shù)，??；F1橫梁的端面面積；K橫梁的端面形狀系數(shù)，對于矩形端面，系數(shù)K為1.2。所以 (3-18)式中，l2立柱中性軸的長度；F2立柱的端面面積。所以 機架的彈性變形而對于鋼板軋機，機架的允許變形為0.51mm（熱軋機），故機架剛度滿足要求。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)式中：MQ機架總傾翻力矩；Md傳動系統(tǒng)加于機架上的傾翻力矩（在正常軋制情況下 =0）；Mh水平力引