Φ190-Φ500-450四輥冷軋機設(shè)計之四-軋鋼機機架畢業(yè)設(shè)計

PAGE####大學畢業(yè)設(shè)計（論文）題目Φ190/Φ500*450四輥冷軋機設(shè)計之四--軋鋼機機架設(shè)計學生姓名：學生學號：指導教師：機械工程學院機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)班20畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書專業(yè)機械設(shè)計制造及其自動化班級姓名下發(fā)日期2011-3-6題目190/500450四輥冷軋機設(shè)計之四專題軋機機架設(shè)計計算主要內(nèi)容及要求1、計算設(shè)計本道次（1.8mm—1.4mm）軋制力、驅(qū)動力矩，并選擇電動機；2、機架的靜強度、剛度計算，有限元分析；3、完成機架傳動側(cè)、操作側(cè)、機架裝配圖的設(shè)計；4、單片機架（傳動側(cè)）結(jié)構(gòu)設(shè)計；5、撰寫設(shè)計說明書，完成2.5張圖紙。主要技術(shù)參數(shù)1、軋制材料：25Cr2MoVA；2、原料規(guī)格：3.1200；3、軋制規(guī)程：；4、軋制速度：2m/s。進度及完成日期3月14日—3月163月17日—4月09日：比較各種結(jié)構(gòu)4月10日—4月19日：對整機及部件進行設(shè)計計算；4月20日—5月24日：CAD制圖；5月25日—6月06月04日—6月15日—教學院長簽字日期教研室主任簽字日期指導教師簽字日期指導教師評語指導教師:年月日指定論文評閱人評語評閱人:年月日答辯委員會評語評定成績指導教師給定成績(30%)評閱人給定成績(30%)答辯成績（40%）總評答辯委員會主席簽字青島理工大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書PAGE70摘要本軋機為小型四輥冷軋機，重點設(shè)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(shè)計。機架的設(shè)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(shè)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(yīng)力、變形及安全系數(shù)。用有限單元法可求出機架完整的應(yīng)力場。在以往機架的設(shè)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(yīng)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(yīng)力值。而有限單元法不但能求出整個機架各部位的應(yīng)力場，特別能真實地反映局部部位高應(yīng)力水平的數(shù)值。關(guān)鍵詞：機架；設(shè)計步驟；計算方法；有限單元法AbstractThemillisasmallfour-highcoldrollingmill.TheprojectisonthedesignoftheMillHousing.MillHousingisoneofthemostimportantcomponentswhichisusedforinstallingthewholesystemofRoll,thedevicewhichregulatesMillRollandsupportingallofrollingpressure.MillHousinghasbeendesignedtheperpetualandunsubstitutivecomponentforitslargeweight,complextechnologicalprocessandhighsafetycoefficient.Framedesignstepscanbedividedintothefollowingsteps:1)Theframeisdeterminedprimarilyshapeandsize2)Theconventionalcalculation:thematerialmechanics,mechanicsofelasticityandothersolidmechanicstheoryandcalculationformulaofcutter,thestrength,stiffnessandstabilitycheckingaspects.3)Tintedelementstaticanddynamicanalysisandmodeltest(orphysicaltest)andtheoptimizeddesign4)Manufacturingtechnologyandeconomyanalysis.StrengthandDeformationcalculationofClose-topmillhousingmainlyadopttheCalculationMethodofA.I.Tselikov,andthenusetheFiniteElementMethodtocompareHousing’sStress,Deformationandsafetycoefficient.WecangainthecompletestressfiledofMillHousingthroughusingtheFiniteElementMethod.InthepastdesignofMillHousing,safetycoefficientisbestowedwithhighnumberbutitcouldn’tassurethereliabilityofHousing.Thepartswhereareeasilydestroyedaredistributedwherestressconcentratesuchastheholewhichisinstalledrollpositioningnut,thecornersofwindowoftheMillHousingandsoon.ThecalculationmethodofA.I.Tselikovcloudonlygainthestressofsomeplaces,buttheFiniteElementMethodcanspeciallyandauthenticallyreflectthelevelofhighstress’snumericalvalueofthepartial.Keywords:MillHousing;Designsteps;CalculationMethod;FiniteElementMethod目錄TOC\o"1-2"\h\z摘要 IAbstract II目錄 III第1章緒論 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2章設(shè)計方案的比較 82.1主轉(zhuǎn)動方式 82.2傳動型式 92.3軋輥軸承 92.4壓下裝置的結(jié)構(gòu)形式 102.5軋輥平衡裝置 112.6設(shè)計方案的確定 11第3章設(shè)計計算 123.1設(shè)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(shè)計計算 27結(jié)論 41參考文獻 42致謝 43附件1 44摘要 441前言 442閉式機架結(jié)構(gòu)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(jié)果與分析 473.2.1變形分析 473.2.1應(yīng)力分析 483.2.1機架強度與剛度分析 494結(jié)論 505參考文獻 50附件2 51附錄1 60附錄2 62附錄3 64第1章緒論1.1冷軋帶鋼生產(chǎn)概況和發(fā)展方向1.1.1冷軋帶鋼生產(chǎn)在國民經(jīng)濟中的地位冷軋帶鋼生產(chǎn)在國民經(jīng)濟中占有十分重要的地位。隨著汽車的制造、食品罐頭、容器包裝、精密儀器、房屋建設(shè)、機械制造和船舶工業(yè)的迅速發(fā)展以及家用電器和各種日常生活的需求量成倍增長，對冷軋帶鋼的需求量也迅速增加。當前，大力發(fā)展冷軋帶鋼的生產(chǎn)，逐漸提高冷軋帶鋼在軋鋼產(chǎn)品中的比重，迅速提高冷軋帶鋼的質(zhì)量，不斷增加冷軋帶鋼的產(chǎn)品，滿足各個工業(yè)部門的，特別是與人民生活密切相關(guān)的，輕紡織工業(yè)和日用電器，生活用具等。以及外貿(mào)出口對冷軋帶鋼急劇增加的需要，是重型機械制造和鋼鐵生產(chǎn)部門面臨的一項重要而有十分緊迫的任務(wù)。1.1.2冷軋帶鋼的生產(chǎn)歷史及發(fā)展方向冷軋帶鋼生產(chǎn)始于1660年，當時是在二輥軋機上進行的。冷軋帶鋼和薄板一般厚度為0.1～3mm,寬度為100～2000mm；均以熱軋帶鋼或鋼板為原料，在常溫下經(jīng)冷軋機軋制成材。冷軋帶鋼和薄板具有表面光潔、平整、尺寸精度高和機械性能好等優(yōu)點，產(chǎn)品大多成卷，并且有很大一部分經(jīng)加工成涂層鋼板出廠。只有少量的非凡用途的冷軋合金鋼板采取單片軋制。冷軋帶鋼和薄板的產(chǎn)量在工業(yè)發(fā)達國家已占鋼材總產(chǎn)量的30％左右。鋼種除普通碳鋼外，還有硅鋼、不銹鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼等。近年來，冷軋帶鋼生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，主要是增加鋼卷的重量，加快機組速度，提高產(chǎn)品厚度精度，改善板形，提高自動化程度及改進軋機的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝，其典型有WRS軋機、HC軋機、VC軋機、CVC軋機、HVC軋機、FFC軋機，全數(shù)字控制高精度可逆式六輥冷軋機組，或全數(shù)字控制高精度可逆式四輥冷軋機組等。在帶鋼冷軋機上，廣泛的采用液壓彎輥裝置或抽動工作輥裝置來改善板形，由于冷軋帶鋼的厚度公差要求高，為增加軋機壓下裝置的響應(yīng)速度，在冷軋機上采用了全液壓裝置及厚度自動控制裝置，對于高速高產(chǎn)量的帶鋼冷連軋機，實現(xiàn)計算機控制。1.2冷軋機的類型、特點及工作原理1.2.1軋機的類型軋鋼機構(gòu)造可以軋輥數(shù)目及其在機座中位置為特征進行分類為：二輥式軋機、三輥式軋機、三輥勞特式軋機、復二輥式軋機、四輥式軋機等。軋鋼機按布置分類可分為單機座式、橫一列式、連續(xù)式等。連軋機生產(chǎn)效率高，軋制速度快，但產(chǎn)品單一，變動不大時，最能發(fā)揮其優(yōu)越性。其類型如圖所示[1]：圖1-1軋輥類型圖1.2.2冷帶軋機各類的特點及工作原理由于軋輥的輥數(shù)不同，則各類軋機的特點也不同：1、二輥式軋機：此軋機結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，由直流電動機驅(qū)動，用于二輥可逆式初軋機，可將鋼錠往復軋制成各種矩形坯，也可用于軋制軌梁和中厚板。2、三輥式軋機：其在同一機座上軋件可兩向軋制，而軋機無需反轉(zhuǎn)，由一臺交流電動機經(jīng)減速器和齒輪座驅(qū)動數(shù)臺三輥式軋機，可實現(xiàn)軋件往復多道次軋制。它用于開坯和型鋼生產(chǎn)，具有設(shè)備簡單和投資少的特點。3、三輥勞特式軋機：此軋機中輥直徑較上下輥為小，浮動在上下輥間。軋機由交流馬達經(jīng)減速器和齒輪座驅(qū)動軋機上下兩輥，中輥靠摩擦力轉(zhuǎn)動，軋件可往復多道次軋制，用于軋制中厚板或薄板開坯。4、復二輥式軋機：此軋機作用與三輥式相似，但軋輥調(diào)整、孔型配置較方便，用于橫列式中小型軋機。5、四輥式軋機：是帶鋼冷軋機中最通用的機組，這種軋機采用閉口式機架，兩個牌坊有橫梁或其它軋機連接形成一個剛體，通常采用工作輥驅(qū)動，但是近來趨向于支承輥驅(qū)動。6、多輥式軋機：為適應(yīng)冷軋板帶產(chǎn)品尺寸向高精度和大的寬厚比方向發(fā)展需要，出現(xiàn)了六輥、十二輥和二十輥軋機。另外，為提高軋機剛度，簡化軋機結(jié)構(gòu)，又出現(xiàn)了各種類型多輥式軋機。1.3冷軋帶鋼的生產(chǎn)工藝大型軋鋼車間生產(chǎn)鋼軌需要以下工序：表面清理→加熱→軋制→鋸切→緩冷→矯直→銑頭鉆孔→淬火→檢查冷軋帶鋼的生產(chǎn)工藝總的來看有以下三點：1、加工溫度低，鋼板在軋制過程中，將產(chǎn)生不同程度的加工硬化現(xiàn)象。它使變形抗力增加，塑性降低。這樣就使軋制力增大，易發(fā)生脆裂。因此必須有軟化退火，使軋件恢復塑性，降低變形抗力，以便對軋件經(jīng)行繼續(xù)軋制。在冷軋生產(chǎn)過程中，每次軟化退火之前完成的冷軋工作稱為一個“軋程”，在一定的條件下，鋼質(zhì)愈硬，成品愈薄，所需之軋程愈多（軟化處理，又稱在結(jié)晶退火或固溶處理）。2、冷軋中采用工藝冷卻與潤滑（1）工藝冷卻：在高速冷軋機上，金屬塑性變形產(chǎn)生大量的熱量，為保持軋輥所需輥型，軋輥表面需要冷卻。軋制速度越高，冷卻問題顯得尤為重要。如何合理的強化冷卻過程的冷卻已成為發(fā)展現(xiàn)代冷軋機的重要的研究課題。圖1-2冷連軋潤滑液和冷卻液供給系統(tǒng)[1]實驗表明，帶鋼冷軋時其變形功中約有84%~88%轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使工作輥表面可升溫?0℃～120℃，支撐輥表面溫度可達到50℃～70℃，工作輥輥身中部與邊部溫度差通常為15℃～20℃，最高可達30℃～40℃。支撐輥輥身中部與邊部溫度差通常為5℃～8℃，最高可達15℃～20℃。因此冷軋過程中必須對軋輥和帶鋼進行冷卻。否則，軋輥表面會由于溫度過高引起淬火層硬度降低，從而影響帶鋼的表面質(zhì)量和軋輥壽命。另外，軋輥溫度升高和溫度的分布不均勻會破壞正常的輥型，直接影響帶鋼的板形和尺寸精度。同時軋輥溫度過高還會使冷軋潤滑劑失效，油膜破裂，影響冷軋過程的正常進行。因此我們必須采取適當?shù)拇胧┪呋蚩刂七@部分熱量，即便變形發(fā)熱率，單位時間發(fā)出的熱量q。其表達式為：式中：系數(shù)；——小于1的修正系數(shù)；——機械功的熱當量；——所軋材的寬度；——該道次的絕對壓下量；——軋制速度；——軋制時的平均單位壓力。取；；所以。實驗證明，水是一種比較理想的冷卻劑，它具有比熱大、吸收率高、成本低等優(yōu)點。因此通常情況下，冷連軋機組采用水或以水為主要成分的乳化液作為冷卻劑。只有某些特殊的軋機，由于工藝潤滑與軋輥軸承共用一種潤滑劑，才采用全部油冷，但為了保證冷卻效果，需給予足夠大油量。從實現(xiàn)強大軋制的角度來看，我們所關(guān)心的是如何提高冷卻液的冷卻能力，即提高冷卻效果。有物理學可知一定質(zhì)量的液體在單位時間內(nèi)所吸收的熱量可表示為：式中：——冷卻液的比熱；——比重；——單位時間所需冷卻液的體積；、——冷卻液前后的溫度。由以上關(guān)系可知，在冷卻液種類和冷卻系統(tǒng)均一定的情況下，為增加q，只有增加流量m，但這往往受到原有冷卻設(shè)施的限制，所以通常是改變冷卻液的種類和增加冷卻液的溫度來增加其吸熱能力。冷卻液簡單地噴澆在軋輥和軋件上，與高壓冷卻液霧化，冷卻效果大大不同，實際資料表明，即使在采用有效的工藝冷卻的條件下，冷軋板卷在卸卷后的溫度優(yōu)勢仍達130~，甚至還要高，由此可見在軋制變形區(qū)的料溫一定比這還要高，輥面溫度過高會引起工作輥淬火層硬度的下降，并有可能促使淬火層內(nèi)發(fā)生組織分解（殘余奧氏體的分解），使輥面出現(xiàn)附加的組織應(yīng)力。另外，從其對冷軋過程本身的影響來看，輥溫的反常現(xiàn)象以及輥溫分布規(guī)律的反?；蛲蛔兙鶎е抡］伱鏃l件的破壞，直接有害于板形與軋制精度。同時，輥面過高也會使冷軋工藝潤滑劑失效（油膜破裂），使冷軋不能順利進行。綜上所述，為了保證冷軋的正常生產(chǎn)，對軋輥和軋件必須應(yīng)采取有效的冷卻和控溫措施。（2）工藝潤滑：冷軋過程中，帶鋼與軋輥接觸表面存在摩擦。為了降低軋制力、減少摩擦的影響，需進行工藝潤滑。工藝潤滑的作用包括：1）通過潤滑劑在軋輥和帶鋼表面形成一層油膜，當潤滑劑滲入軋輥與帶鋼接觸表面的凸凹部時，可以把帶鋼與軋輥分隔開，從而降低接觸表面的摩擦系數(shù)，降低軋制負荷。2）冷軋過程中，由于劇烈的摩擦及變形功而產(chǎn)生很大的熱量，工藝潤滑劑可以防止粘輥的發(fā)生。3）工藝潤滑對保護軋輥表面、改善帶鋼的表面質(zhì)量起著重要作用。一方面，在潤滑劑的保護下，可防止軋輥表面氧化。另一方面，帶有潤滑劑軋制對被軋帶鋼起到了“拋光”作用。生產(chǎn)實踐與實驗表明，采用天然油脂作為冷軋的工藝潤滑劑在潤滑效果上優(yōu)于礦物油，這是由于天然油脂與礦物油在分子的結(jié)構(gòu)上與特性上有質(zhì)的差別所致。如表1-1所示：表1-1軋制油的組成冷軋用乳化液應(yīng)滿足如下要求：1、高溫、高壓條件下，具有良好的潤滑特性和冷卻效果。2、脫脂性能良好，潤滑劑軋后易于清除，保證成品帶鋼表面光潔。3、具有良好的化學穩(wěn)定性，帶鋼不易生銹，不易腐蝕。4、具有良好的乳化性能，使用方便。5、成體低，廢液易處理，無環(huán)境污染。冷軋過程中油的耗用量還是相當大的?，F(xiàn)在，可以通過乳化劑的作用把少量油于大量水混合起來制成乳狀潤液。可以較好的解決油的循環(huán)使用問題，在這種情況下水是作為冷卻劑與載油劑而起作用的。此時乳化劑需滿足濃度、皂化值、PH值、鐵含量等要求。（3）冷軋中采用張力軋制：張力軋制是冷卻的一大特點。所謂“張力軋制”，就是軋件在軋輥中的輾軋變形是有一定的前張力與后張力作用下實現(xiàn)的。單位張力是作用在帶材斷面A上的平均張應(yīng)力[3]：式中：T——總張力；張力的主要作用有以下幾個方面：1）防止帶鋼在軋制過程中跑偏（即保證正確對中軋制）。2)使所軋帶鋼保持平直（包括在軋制過程中的保持板形平直以及軋板型良好）。3)降低軋件的變形抗力，便于軋制更薄的產(chǎn)品。4)其適當調(diào)整冷軋機主電機負荷的作用。防止軋件跑偏是冷軋操作中關(guān)系到能否實現(xiàn)軋制的一個重要問題。跑偏將破壞正常板型，引起操作事故甚至設(shè)備事故，若不很好加以控制，將不能保證冷軋的正常進行。防止跑偏的方法有：1)采用凸行輥縫；2)采用導板夾逼；3)采用張力軋制。通過改變卷取機，開卷機及軋機主電機的轉(zhuǎn)速以及各架壓下可以使軋制力，張力在較大的范圍內(nèi)變動。借助準確可靠的測試儀，并使之與自動控制系統(tǒng)結(jié)成閉環(huán)，可以按要求實現(xiàn)恒張力控制，配備這種張力閉環(huán)控制系統(tǒng)是現(xiàn)代冷軋機的起碼要求。生產(chǎn)中張力的選擇主要是平均單位，從理論上講，單位張力似乎應(yīng)當盡量選的高一些，但是不應(yīng)超過帶鋼的屈服極限，根據(jù)以往的經(jīng)驗，一般軋機；而冷軋薄帶剛。第2章設(shè)計方案的比較2.1主轉(zhuǎn)動方式目前，小型四輥冷軋機的主轉(zhuǎn)動方式有如下三種：（1）傳動工作輥；（2）傳動支承輥；（3）單輥傳動。一般是電機通過減速器與齒輪座來直接傳遞工作輥，這種形式對于軋制過程比較有利，但是對于較小的軋機，它又受到工作輥輥頸和方向接軸所能傳遞的扭轉(zhuǎn)力矩的限制，而傳遞工作輥不能達到要求時，就需傳遞支承輥，而傳遞支承輥是靠摩擦力來傳遞工作輥的。這樣將會碰到關(guān)于工作輥力的傳遞問題，這就是要增大軋輥的傳動部件。同時還要考慮軋輥與軋件間的打滑問題。為了解決上述問題，防止出現(xiàn)支承輥斷輥、工作輥輥頭扭斷等現(xiàn)象，可采用異徑軋制、單輥驅(qū)動等措施來解決。本次設(shè)計由于軋制力與軋制力矩不是很大，故不需考慮此問題，但同時采用單輥驅(qū)動又會帶來一系列新的問題。由于采用單輥傳動，使兩個工作輥自然會產(chǎn)生一定的速度差，從而使軋制力有所降低，據(jù)實際分析證明，當變形區(qū)長度上出現(xiàn)搓扎區(qū)，一般可能使軋制壓力下降約5~20%。由于單傳動軋制時上下輥速度的配合是自然的，過程簡單易行，無需復雜的控制系統(tǒng)。采用異徑軋制，并盡可能的減小空轉(zhuǎn)輥的直徑，充分發(fā)揮小輥的軋制可降低軋制壓力的優(yōu)點，以保證受力零件的正常工作，同時又有利于增大壓下量，減小道次，從而提高軋機的工作效率。在普通的四輥軋機工作中，盡管其主機列通常是有主電機通過減速機和齒輪座傳遞兩個工作輥，但是在預壓力作用下，由于工作輥徑的差別等原因，給冷軋薄帶鋼軋機的傳動帶來很大的影響：在薄帶軋制中常出現(xiàn)量接軸傳動力矩的分配不均，某個接觸力矩為零或趨近于零。由于輥頸差事實上不可能消除，使用較大的預壓力亦是必要。可以認為，軋輥的傳動力矩在兩軋輥上的分配并不總是大致想當相等的。在運轉(zhuǎn)中的軋機上，即從軋輥空轉(zhuǎn)，壓靠以至軋制階段，輥頸稍大的軋輥接觸中傳動力矩永為正值，而輥頸稍小者，其傳動力矩可在負值至正值的廣大范圍內(nèi)變化，者是薄帶鋼軋制的軋機傳動特點，對于這類軋機，在一定的條件下實際上是單輥傳動的。一般看來，當軋件較薄時使用預壓力較大，直徑稍小的軋輥上，其傳動接觸可能實際上不起作用，甚至反而有害。另一方面，由于軋件較薄，又是成卷軋制的，咬入條件能夠保證，有可能實現(xiàn)單輥傳動。在主機列中，自然可將齒輪座從設(shè)計中取消，減小設(shè)備的投資，降低動力傳傳遞的能量消耗，從而取得一定的經(jīng)濟效果并可充分利用換輥，在操作上也會有許多方便。2.2傳動型式對于單機座軋機，有可逆式和不可逆的工作制度，現(xiàn)分述如下[1]：1、不可逆式軋機工作制度小型冷帶軋機采用不可逆式工作制度最多。當采用這種工作制度時，軋輥與軋件的運動方向始終不變，但軋制速度卻有可調(diào)和不可調(diào)兩種，軋制速度不需要調(diào)整的小型冷帶軋機，通常選用交流同步電動機和異步電機。在連續(xù)式冷帶鋼軋機上，為了保證通過每個機座的金屬秒流量相等，保持軋件張力的恒定，需要在軋制過程中不斷調(diào)整軋制速度。這類軋機，一般都采用調(diào)速范圍廣、超載能力大、慣性力矩小的直流電動機來傳動。運轉(zhuǎn)方式可分為：幾乎保持嚴格不變的軋制速度；軋件通過時，軋制速度稍微降低；僅在軋機調(diào)整時才調(diào)節(jié)速度；在軋件通過時，在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)軋制速度。2、可逆式工作制度用可逆式冷軋機軋制時，軋輥既能逆轉(zhuǎn)又能調(diào)速。這類軋機采用調(diào)速范圍廣、慣性力矩小的直流電動機傳動。為提高軋機的生產(chǎn)能力，可逆式冷軋機一般都有快速啟動和制動的要求。目前，對單機座小型冷軋機，采用可逆式有很多有優(yōu)點，它能大大提高生產(chǎn)效率，以減少板帶鋼的吊運與安裝。2.3軋輥軸承軋輥軸承用來支承轉(zhuǎn)動的軋輥，并保持軋輥在機架中正確的位置。軋輥軸承與一般軸承的工作條件差別很大，其特點：1、承受能力很高，這是因為軸承受外圍尺寸的限制和在較短的輥頸內(nèi)可用很大的許用應(yīng)力所決定的；2、運轉(zhuǎn)速度差別大；3、工作環(huán)境惡劣。軋輥軸承的性能與摩擦功率的損耗成正比，表征了軸承的發(fā)熱率。其主要形式是滾動軸承與滑動軸承。滾動軸承主要是用雙列球面滾子軸承，四列圓錐滾子軸承。在某些情況下，由于受軋輥軸承尺寸的限制，可采用滾針軸承。板帶軋機上多用滾動軸承。2.4壓下裝置的結(jié)構(gòu)形式壓下裝置目前就驅(qū)動方式而言有手動的、電動的和液壓的三種結(jié)構(gòu)型式[1]。1、手動壓下其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，價格低。其缺點是體力勞動繁瑣，壓下速度和壓下能力較小。2、電動壓下電動壓下是最常用的上輥調(diào)整裝置。是電動機通過圓柱齒輪減速箱和渦輪減速箱傳遞運動的，它可以用于所有的軋機上，如初軋機、板坯軋機、冷板帶軋機等。其優(yōu)點是移動距離可達較大的數(shù)值，壓下能力較大，缺點是結(jié)構(gòu)復雜、反應(yīng)時間較慢、效率較低。壓下裝置的結(jié)構(gòu)在很大程度上與軋輥的調(diào)整速度、調(diào)整距離、調(diào)整頻率、和調(diào)整精度有關(guān)。按照壓下速度的大小，電動壓下裝置可分為快速壓下裝置和慢速壓下裝置兩大類。（1）快速壓下裝置由于其壓下速度一般大于1mm/s，故稱為快速壓下裝置。這類壓下裝置多用在初軋機、板坯軋機、中厚板軋機、連軋機組的可逆式粗軋機上。其工藝特點是：1）工作時要求大行程、快速和頻繁的升降軋輥。2）軋輥調(diào)整時，不“帶鋼”壓下，即不帶軋制負荷壓下。（2）慢速壓下裝置這類裝置通常用在熱軋或冷軋薄板和帶鋼軋機上，其軋制速度很高。軋制精度要求也高。所以這類壓下裝置具有以下特點：1）較小的軋輥調(diào)整量與較高的調(diào)整精度；2）帶鋼壓下；3）必須動作快，靈敏度高；4）軋輥平行度的調(diào)整要求嚴格。3、液壓壓下液壓壓下裝置是用液壓缸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的壓下螺絲、螺母來調(diào)整軋輥輥縫的。在這一裝置中，除液壓缸外，還有與之配套的伺服閥、液壓系統(tǒng)及檢測儀表及運算控制系統(tǒng)。與電動壓下裝置相比較，液壓壓下裝置有如下特點：1）快速響應(yīng)性好，調(diào)整精度高；2）過載保護簡單、可靠；3）機械傳動效率高；4）便于快速換輥，提高軋機作業(yè)率；5）采用標準液壓元件，簡化了機械結(jié)構(gòu)，消耗的功率小，效率高。2.5軋輥平衡裝置平衡裝置的作用是消除軋制系統(tǒng)間隙，避免沖擊。提升上軋輥，用來大大降低咬入軋件時的沖擊和工作輥的頻繁換輥。上輥平衡裝置有重錘平衡、彈簧平衡、液壓平衡三種形式?，F(xiàn)在在小型冷軋機上，廣泛使用液壓平衡裝置，它是由液壓缸產(chǎn)生的推力來進行工作的。液壓平衡優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，工作靈敏度高，平衡效果好。2.6設(shè)計方案的確定本設(shè)計采用：不可逆工作制度，電動驅(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。第3章設(shè)計計算3.1設(shè)計題目及要求設(shè)計題目：190/500450mm四輥冷軋機設(shè)計之四——軋鋼機機架設(shè)計。設(shè)計要求：1、在滿足生產(chǎn)工藝及強度、剛度的條件下尺寸盡量小。2、運用所學專業(yè)知識，完成冷軋機單體設(shè)計。3、對已有設(shè)備進行綜合分析，提出最佳方案。4、完成軋鋼機機架設(shè)計和有限單元法分析。軋鋼機架類型如圖3-1所示：圖3-1機架3.2原始數(shù)據(jù)1.、軋制帶材25Cr2MoVA(調(diào)質(zhì)處理)；2.、帶寬B=200mm,帶厚=3.1mm,帶長L=450mm,成品厚度=1.4mm；3.、軋輥直徑190/500mm；4.、軋制速度v=2m/s；5.、張力。3.3軋輥參數(shù)的確定1、工作輥直徑=190mm；2、支承輥直徑=500mm；3、軋輥材料。工作輥：輥面硬度HS=90~95；支承輥：輥面硬度HS=60~65。3.4軋制力能計算3.4.1主要參數(shù)的確定1、本道次加工過程中，鋼板厚度由3.1mm被軋制為2.75mm，鋼板材料為25Cr2MoVA。（1）本道次壓下量（2）本道次壓下率(3-1)（3）金屬材料的屈服極限材料屈服極限是使試樣產(chǎn)生給定的永久變形時所需要的應(yīng)力，金屬材料試樣承受的外力超過材料的彈性極限時，雖然應(yīng)力不再增加，但是試樣仍發(fā)生明顯的塑性變形，這種現(xiàn)象稱為屈服，即材料承受外力到一定程度時，其變形不再與外力成正比而產(chǎn)生明顯的塑性變形，產(chǎn)生屈服時的應(yīng)力稱為屈服極限，圖3-2為屈服極限圖。由圖3-3得：。圖3-2屈服極限圖圖3-3冷態(tài)下變形阻力曲線（4）變形抗力的確定因為，所以得：（5）摩擦系數(shù)的確定冷軋時由于出口和入口軋件的速度與軋輥的速度不同步，從而產(chǎn)生前滑和后滑現(xiàn)象。摩擦力將阻礙金屬的變形，摩擦系數(shù)對軋制力影響較大，并且是變化的。為計算方便初步取其為常數(shù)。由參考資料取。（6）咬人條件的校核由公式得：tanθ=3.48°，tan3.48°=0.06﹤=0.08（tanθ為摩擦系數(shù)）,故能實現(xiàn)其自然咬入。2、本道次加工過程中，鋼板厚度由2.75mm被軋制為2.4mm。（1）本道次壓下量（2）本道次壓下率(3-1)（3）金屬材料的屈服極限由圖3-3得，。（4）變形抗力的確定因為所以得：（5）摩擦系數(shù)的確定同上，?。唬?）軋件入口和出口斷面上作用的平均水平張力式中：——軋件入口斷面上作用的水平張力，此時帶寬B=200mm,斷面厚度為=2.75mm；——軋件出口斷面上作用的水平張力，此時帶寬B=200mm,斷面厚度為=2.4mm；則（7）咬入條件的校核由公式得：==0.998，〈=0.08；故能實現(xiàn)其自然咬入。3、本道次加工過程中，鋼板厚度由2.4mm被軋制為2.0mm。（1）本道次壓下量（2）本道次壓下率=100%=100%=16.7%(3-1)（3）金屬材料的屈服極限由圖3-3得，。（4）變形抗力的確定因為，所以得：（5）摩擦系數(shù)的確定同上，取。（6）軋件入口和出口斷面上作用的平均水平張力式中：——軋件入口斷面上作用的水平張力，此時帶寬B=200mm,斷面厚度為=2.4mm；——軋件出口斷面上作用的水平張力，此時帶寬B=200mm,斷面厚度為=2.0mm；；則（7）咬人條件的校核由公式得==0.998，〈=0.08；故能實現(xiàn)其自然咬入。4、本道次加工過程中，鋼板厚度由2.0mm被軋制為1.8mm。（1）本道次壓下量（2）本道次壓下率=100%=100%=1（3-1)（3）金屬材料的屈服極限由圖3-3得，。（4）變形抗力的確定因為所以得：（5）摩擦系數(shù)的確定同上，取。（6）軋件入口和出口斷面上作用的平均水平張力式中：——軋件入口斷面上作用的水平張力，此時帶寬B=200mm,斷面厚度為=2.0mm；——軋件出口斷面上作用的水平張力，此時帶寬B=200mm,斷面厚度為=0.0018mm；則（7）咬人條件的校核由公式得：==0.999，〈=0.08；故能實現(xiàn)其自然咬入。5、本道次加工過程中，鋼板厚度由1.8mm被軋制為1.4mm。（1）本道次壓下量（2）本道次壓下率=100%=100%=22.2%(3-1)（3）金屬材料的屈服極限由圖3-3得，。（4）變形抗力的確定因為所以得：（5）摩擦系數(shù)的確定同上，取。（6）軋件入口和出口斷面上作用的平均水平張力式中：——軋件入口斷面上作用的水平張力，此時帶寬B=200mm,斷面厚度為=0.0018mm；——軋件出口斷面上作用的水平張力，此時帶寬B=200mm,斷面厚度為=0.0014mm；則（7）咬人條件的校核由公式得：==0.998，〈=0.08；故能實現(xiàn)其自然咬入。3.4.2軋制力計算（計算板材從1.8mm-1.4mm的軋制力）在軋制時軋輥加于軋件使之塑性變形的力。但通常把軋件作用于軋輥上并通過壓下螺絲傳遞給機架的力稱做軋制力，即是軋件加于軋輥的反作用力的垂直分量。軋制力在我國習慣稱做軋制壓力或軋制總壓力。圖3-4給出軋輥加于軋件的力，Pr為軋制力,它垂直于軋輥表面；T為摩擦力；Lp為變形區(qū)水平投影長度。軋制力是確定軋機強度的基礎(chǔ)。圖3-4為了便于分析，可把影響軋制力的因素分為兩類：1、影響軋件材料在簡單應(yīng)力狀態(tài)下變形抗力的因素，如化學成分、組織、軋制溫度和速度、加工硬化等；2、影響變形的應(yīng)力狀態(tài)的因素,如軋輥直徑、軋件尺寸、表面摩擦、外力（張力或推力）等。軋件對軋輥的總壓力P為軋制平均單位壓力與軋件和軋輥接觸面積F之乘積，即；接觸面積F的一般形式[5]為：式中：、——軋制前、后軋件的寬度，此過程中==200mm；——接觸弧長度的水平投影。計算接觸面積實質(zhì)上是計算接觸弧長度。在不考慮軋輥彈性壓扁時，當兩個軋輥直徑相同時，接觸弧長度的水平投影為(3-2)式中：——軋輥半徑；——壓下量。但在熱軋薄板及冷軋薄板時由于單位壓力較高，因此軋輥產(chǎn)生局部彈性壓縮變形，它將使得接觸弧長度有較顯著的增加，如下圖3-5；軋機的輥縫彈跳量與軋制力的關(guān)系曲線稱為軋機彈性曲線圖3-6。此曲線的斜率(k)稱為軋機剛性系數(shù)，在其直線部分意義為產(chǎn)生單位彈跳量所需的軋制力。下圖3-5軋輥彈性壓扁后接觸弧變化。圖3-5軋件受力分析圖3-6軋機彈性曲線斯通在研究冷軋薄板的平均單位壓力計算問題時，考慮到軋輥直徑與板厚之比甚大以及由于冷軋時軋制壓力較大，軋輥發(fā)生顯著的彈性壓扁現(xiàn)象，近似的將薄板的冷軋過程看作為平行平板的壓縮（如圖3-7），并假設(shè)接觸表面上的摩擦力符合干摩擦定律。圖3-7變形區(qū)中單元體應(yīng)力圖[5]平均單位壓力為：(3-3)式中：k、已知；——考慮軋輥彈性壓扁后的接觸弧長度；——軋件與軋輥間的摩擦系數(shù)，主要根據(jù)軋制條件確定（）；m——考慮軋輥彈性壓扁接觸弧加長對單位壓力的影響系數(shù)（或稱壓力增加系數(shù)P.M.F.）：。根據(jù)希奇可克公式：（3-4）式中，R——軋輥半徑；E——軋輥彈性模數(shù)，對于鋼軋輥E=2100MPa；——泊松比，對于鋼軋輥=0.3；C——常數(shù)，，對于鋼軋輥。將代入公式，經(jīng)整理后得：（3-5）將（3-3）代入式（3—5）經(jīng)整理變換后，得：其中（3-6）令=Y；=Z(為接觸弧長度的水平投影)；則式（3-6）可寫為：計算：；；（為平行平板壓縮時薄板的厚度）圖3-8決定壓扁后接觸弧長度諾謨圖[5]查圖3-8得：X=0.38。則為了簡化計算，采用下式（3-7）式中，——不考慮壓扁時的接觸弧長；q——壓扁系數(shù)。在冷軋薄板時式中：——咬入角，則。循環(huán)一次：Y=0.057；則循環(huán)兩次：Y=0.063；則循環(huán)三次：Y=0.063；則再將代入計算公式，再求出；又將代入公式求出；如是循環(huán)，當，時，計算結(jié)束。由于計算過程較復雜，故我們用VB編了個小程序（見附錄）。最后算得：；，則軋件對軋輥的總壓力。3.4.3軋制力矩的計算對于傳動工作輥的四輥冷軋機，傳動軋輥所需力矩為軋制力矩，由工作輥帶動支承輥的力矩與工作輥軸承中摩擦力矩三部分之和，即(3-8)1、求軋制力矩(3-9)式中：——軋制力；——軋制力力臂，其大小與軋制力作用點及前后張力有關(guān)。此軋制過程，此時（前后張力對軋制力方向影響的偏轉(zhuǎn)角）；式中：——工作輥直徑；——不考慮張力時軋制力作用點對應(yīng)的軋輥中心角。冷軋時，，取。則圖3-9當帶張力軋制時四輥軋機軋輥受力圖[5]2、求工作輥傳動支承輥的力矩(3-10)(3-11)式中：——前后張力對軋制力方向影響的偏轉(zhuǎn)角，時；——工作輥與支承輥連心線與垂直線的夾角，；由于工作輥偏移距e的數(shù)值（一般為5~10mm）相對于工作輥和支撐輥的直徑來說很小，再計算傳動力矩時，為了簡化，可認為e=0，即工作輥不偏移，此時計算結(jié)果誤差不超過1%。則；——軋輥連心線與反力R的夾角，；其中，m——在工作輥和支撐輥接觸處偏移的一個滾動摩擦力矩的距離（一般情況下，?。！С休伳Σ翀A半徑，（r為四列圓柱滾子軸承內(nèi)徑的半徑r=160mm；為當量摩擦系數(shù)，當兩個接觸面沿整個半圓周均勻接觸時k取，冷軋時圓柱滾子軸承摩擦系數(shù)?=0.004）。則——支承輥直徑；故——反力R對工作輥的力臂；則3、求工作輥軸承的摩擦力矩（3-12）式中：——工作輥軸承處的反力；當時——工作輥摩擦圓半徑。同上則綜合上述：軋制力矩為傳動兩個工作輥總傳動力矩為3.4.4軋機主電動機功率的確定與選擇1、軋輥與電機的速比軋制速度：；工作輥轉(zhuǎn)速：；支承輥轉(zhuǎn)速：；軋輥與電機的速比：（此時軋輥轉(zhuǎn)速為1500r/min）。2、軋輥與電機間的效率電動機到工作輥之間要經(jīng)過人字齒輪座、減速器、萬向接軸。齒輪座傳動效率，??；減速器傳動效率，?。蝗f向接軸的傳動效率：，?。粍t總傳動效率；3、電動機力矩軋機主電機力矩若選電機驅(qū)動，則。4、主電機的功率查機械設(shè)計手冊單行本（減速器電機與電器）取主電動機型號Z4-250-12（直流），額定功率，最高轉(zhuǎn)速2100r/min，重量880kg。3.5機架的設(shè)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(jié)構(gòu)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3—10閉式機架結(jié)構(gòu)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。影響開式機架剛度和換輥速度的主要關(guān)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。（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(shè)計。本次設(shè)計中選用閉式機架。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、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)。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，mm；取H=2120mm。（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1.15~1.30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5~10mm，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=540mm；——窗口滑板厚度，mm，一般s=20~40mm，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360mm270mm。機架結(jié)構(gòu)簡圖如圖3—12：圖3-12機架結(jié)構(gòu)簡圖3、機架的材料和許用應(yīng)力[12]軋鋼機機架一般采用含碳量為0.25%~0.35%的ZG270～500，其強度極限，延伸率。ZG270～500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=12.5~15；對于ZG270—500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：當軋輥安全系數(shù)取為5時，機架的安全系數(shù)為10~12.5。4、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(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）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，即時，則力矩為：（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ZG270～500，橫梁的許用應(yīng)力，立柱的許用應(yīng)力。、故機架強度足夠。5、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；——機架立柱中的力矩。所以(3-17)式中：G——機架材料的剪切彈性模數(shù)，??；——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，——立柱中性軸的長度；——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0.4~0.5mm（冷軋機），故機架剛度滿足要求。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)式中：——機架總傾翻力矩；——傳動系統(tǒng)加于機架上的傾翻力矩（在正常軋制情況下=0）；——水平力引起的傾翻力矩。如圖3-17所示，水平力Q引起的傾翻力矩為(3-20)圖3-17水平力Q引起的傾翻力矩式中：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)故(3-22)式中：——工作輥傳動支承輥的力矩；D——軋輥直徑。則。7、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，其值可按下式確定(3-23)式中：b——支座間的距離；G——工作機座的重量。則即由于機架重量較大不會發(fā)生由水平力引起的傾翻現(xiàn)象。應(yīng)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(yīng)取地腳螺栓總預緊力為：（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D＞500mm時(3-24)則查表取d=76mm，然后按強度條件對地腳螺栓進行校驗。(3-25)式中：——地腳螺栓的最大拉力，取,令——地腳螺栓的螺紋內(nèi)徑，mm；[σ]——地腳螺栓的許用應(yīng)力，通常取[σ]=(70~80)MPa(Q215、Q235鍛鋼)。代入數(shù)據(jù)得：故地腳螺栓強度符合要求。8、用有限單元法計算機架的應(yīng)力和變形過去機架的設(shè)計，基本上按材料力學中的能量法來確定機架中的應(yīng)力和變形，按靜強度計算時，取安全系數(shù)一般不小于8~12。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(yīng)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(yīng)力集中，用材料力學的辦法就求不出這些應(yīng)力集中的數(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(shè)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(jié)構(gòu)和連續(xù)力學中的應(yīng)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(jié)構(gòu)復雜的機架，在設(shè)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(jié)果精確，又不受機架復雜程度的影響。應(yīng)用有限單元法時，可將機架簡化成二維或三維應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)果。此次分析采用的是Solidworks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(guān)有限元專業(yè)知識的工程師們的需要。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(shè)計分析，并且迅速得到分析結(jié)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(yīng)力分析、應(yīng)變分析、變形分析、熱分析、設(shè)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(shè)計周期，降低測試成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，加大利潤空間。（1）材料：ZG270～500屬性如下：彈性模量2e+011N/泊松比0.32NA抗剪模量7.6e+010N/質(zhì)量密度7800Kg/張力強度4.8255e+008N/屈服強度2.4817e+008N/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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)物，它由有限個單元體并由其結(jié)點相互聯(lián)系組成。圖3-18機架網(wǎng)格劃分單元體得根據(jù)計算精度要求及計算機的容量大小來決定。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(yīng)劃分得小一些。機架的轉(zhuǎn)角及帶孔部位，由于應(yīng)力變化劇烈，所以這些地方單元也應(yīng)劃分得小一些。經(jīng)驗指出，應(yīng)當盡可能使每個單元各邊的長度接近相等，至少不應(yīng)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(yīng)力和位移的真實狀態(tài)將不能在計算結(jié)果中正確的反映出來（除非在該單元附近，應(yīng)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(jié)點上安置固定鉸支座（邊界條件），每一個單元所受的載荷，都按靜力等效的原則移置到結(jié)點上，成為結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)果SolidWorksSimulation設(shè)計分析結(jié)果基于線性靜態(tài)分析，且材料設(shè)想為同象性。線性靜態(tài)分析設(shè)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(yīng)用以便忽略動態(tài)效果。圖3-19有限單元法計算得出機架的應(yīng)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(jié)果的比較：從圖3-19可以看出，上下橫梁最大應(yīng)力處的相對誤差為：從附錄3圖中查出并計算，機架立柱最大的拉彎應(yīng)力的相對誤差為：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(yīng)力和變形，其結(jié)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(yīng)力分布規(guī)律，能在機架應(yīng)力急劇變化的地方求出靜力作用下的應(yīng)力集中系數(shù)。因此在新軋機的設(shè)計中，可應(yīng)用這種方法，使用計算機對幾個方案迅速算出他們的應(yīng)力和位移，進行對比分析，從中找出最佳結(jié)構(gòu)方案。在舊軋機的改造中，通過此法對軋機機架應(yīng)力和剛度進行分析的結(jié)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(yīng)用有限單元法進行應(yīng)力分析還可以改變過去那種盲目加大安全系數(shù)、造成結(jié)構(gòu)笨重、浪費金屬材料的不良現(xiàn)象。因此我們認為在冶金機械的設(shè)計計算中，有限單元法是有很大推廣意義的。結(jié)論軋鋼機俗稱“牌坊”，是軋鋼生產(chǎn)的主要機械設(shè)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。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(jié)構(gòu)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(chǔ)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(shù)的應(yīng)用是軋鋼生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的顯著特征。近幾十年以來，軋鋼生產(chǎn)的技術(shù)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(shù)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(shù)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(shè)計的題目是四輥冷軋機——軋鋼機機架。技術(shù)參數(shù)要求是：1、軋制材料：25Cr2MoVA；2、原料規(guī)格：軋制帶寬200；3、軋制規(guī)程：，即軋機會將板帶由3.1mm厚軋制成1.4mm厚；4、軋制速度2m/s。在設(shè)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(jié)構(gòu)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主編的《軋鋼機現(xiàn)代設(shè)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(shè)備》等書籍。在對其它系統(tǒng)進行了分析及設(shè)計后，最終確定設(shè)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[1]劉寶衍.軋鋼機械設(shè)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(shè)計研究院.板帶車間機械設(shè)備設(shè)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(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社,1983.6.[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(shè)計理論[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1991.5.[9]張永茂.AutoCAD2002機械工程師使用指南[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002.9.[10]袁康.軋鋼車間設(shè)計基礎(chǔ)[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(shù)基礎(chǔ)[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(shè)計（第八版）[M].北京:高等教育出版社,2006.5.[14]0．J．M．Smith,Closedcontrolof1oopswithdeadtime,Chem．Eng．Prog．53(1957),P．217.[15]D．Sbarbaro—Hofer,D．Neumerkel,andK．Hunt,Neuralcontrolofasteelrollingmill,IEEEControlShyest．1993,P．69.致謝長達四個月的畢業(yè)論文設(shè)計即將結(jié)束，之前因為我三月份就去簽約單位參加實習的緣故，所以從四月底才開始著手做畢業(yè)設(shè)計，所以在此衷心的感謝指導老師張建軍老師對我工作的支持與幫助。我設(shè)計的課題是四輥冷軋機——軋鋼機架設(shè)計，軋鋼機械設(shè)備是大四下學期開設(shè)的選修課程，對于這個課題還是比較熟悉的，但是涉及到設(shè)計的細節(jié)問題，在設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)還是有很多欠缺的。所以在課題設(shè)計過程中少不了指導老師的指導和小組同學的的幫助，衷心的感謝給予我?guī)椭娜恕．厴I(yè)設(shè)計是對大學期間所學知識的一個系統(tǒng)總結(jié)和運用的過程。通過畢業(yè)設(shè)計，對大學所學知識，尤其是專業(yè)方面的知識有了進一步的理解和加深，同時也對軋鋼機械行業(yè)的發(fā)展動態(tài)有了一個新的了解，提高了獨立設(shè)計、開發(fā)產(chǎn)品的能力，這些對以后的學習、工作都有很大的幫助。首先認真總結(jié)了從之前參觀實習中學得的知識，從感性認識提升到理性知識，然后查閱大量參考資料，獲取了部分相關(guān)知識，進行了比較全面的學習，使自己對整個機架、機架的設(shè)計工藝、機架的特性等基本知識有了一個比較系統(tǒng)的認識，并對設(shè)計過程有了比較明確的理解。設(shè)計到最后，用有限單元法用來計算軋鋼機機架的應(yīng)力和變形，讓我著實摸不到頭腦，也不了解這方面的知識。所以就通過我們班主任王優(yōu)強院長給我介紹正在我校就讀的研究生王美術(shù)和米鵬兩位學長，通過他的講解機分析，對有限元分析方法有了初步的認識，當然，熟練掌握此方法還是需要一定的時間的。再次對王院長及學長表示感謝。在設(shè)計過程中不但提高了自己對參考資料的借鑒能力，獨立思考及選擇方案的能力，而且更深層次的培養(yǎng)了鉆研和創(chuàng)新。小組同學在設(shè)計中的和諧共處、相互幫助，設(shè)計過程共同進步。我也體會到集體的力量和團隊合作能力的重要性。在此，對同學們表示感謝，祝同學們前程似錦。大學生活即將結(jié)束，我也馬上就要踏上社會，步入工作崗位，再次對幫助我的所有人表示最真摯的祝福與感謝！附件1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)摘要軋機機架載荷條件和結(jié)構(gòu)形式比較復雜，借助大型有限元結(jié)構(gòu)分析軟件MSC．MARC。利用有限元分析的手段，對軋機機架進行了彈性力學結(jié)構(gòu)分析，得出了在軋鋼載荷下，其變形情況與應(yīng)力分布等詳細、直觀的分析結(jié)果，彌補了常用材料力學簡支梁簡化模型分析的不足。關(guān)鍵詞：有限單元法；軋機機架；強度分析1前言軋機是軋鋼車間的核心設(shè)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(jié)構(gòu)、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(shè)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和設(shè)備成本的降低。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(yīng)該盡量簡化設(shè)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(shè)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(shè)計人員對分析機架應(yīng)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(jié)構(gòu)分析技術(shù)在機架分析中日益受到重視。本文基于大型結(jié)構(gòu)分析有限元軟件MSC.MARC，對一種閉式軋機機架進行了彈性力學結(jié)構(gòu)分析，得出了其在軋鋼過程中的變形、應(yīng)力分布等詳細直觀的計算結(jié)果，為軋機剛度與強度的設(shè)計與工程分析提供了科學依據(jù)。2閉式機架結(jié)構(gòu)及載荷分布特點按結(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)用得最為廣泛。本計算結(jié)構(gòu)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