900四輥可逆冷軋機(jī)壓下規(guī)程設(shè)計(jì)和機(jī)架設(shè)計(jì)與分析

1200四輥可逆冷軋機(jī)壓下規(guī)

程設(shè)計(jì)及機(jī)架設(shè)計(jì)和分析學(xué)院：機(jī)械工程學(xué)院班級(jí)：09級(jí)軋鋼2班組員：岳猛超付振沖張剛廉慧祁福亮指導(dǎo)教師：許秀梅王健燕山大學(xué)專業(yè)綜合訓(xùn)練（論文）任務(wù)書院（系）：機(jī)械工程學(xué)院 基層教學(xué)單位：冶金系小組成員廉慧、祁福亮、張剛、付振沖、岳猛超設(shè)計(jì)題目1200四輥可逆冷軋機(jī)壓下規(guī)程設(shè)計(jì)及機(jī)架設(shè)計(jì)和分析設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)1、原料：2.5-4.2mmX1050mm；產(chǎn)品：0.6—0.9X1050；材質(zhì)：Q235、Q195、08F、352、軋制速度v=8m/s;3、開卷機(jī)最大張力6噸，卷取機(jī)最大張力35噸設(shè)計(jì)要求1、制定軋制規(guī)程：計(jì)算道次壓下量，壓下率，軋制力，軋制力矩；2、根據(jù)要求回機(jī)架三維圖，并對(duì)機(jī)架進(jìn)行有限兀分析；3、給出機(jī)架的工程圖工作1、完成工程圖至少1張；量2、完成設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書包括有限元分析報(bào)告；3、查閱文獻(xiàn)5篇以上。工作計(jì)劃1、2012.11.26 準(zhǔn)備參考資料；2、2012.11.27?12.10 計(jì)算；畫草圖；3、2012.12.10 中期檢查；4、2012.12.10?2012.12.19 畫三維圖，出工程圖，分析，寫說(shuō)明書；5、2012.12.20?2012.12.21考核答辯；參考資料1、王海文主編《軋鋼機(jī)械設(shè)計(jì)》 機(jī)械工業(yè)出版社1986.62、王廷溥主編《金屬塑性加工學(xué)》 冶金工業(yè)出版社1988.53、《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》 機(jī)械工業(yè)出版社2002.4、曹鴻德主編《塑性變形力學(xué)基礎(chǔ)和軋制原理》機(jī)械工業(yè)出版社5、劉相華等著《軋制參數(shù)計(jì)算模型及其使用》 化學(xué)工業(yè)出版社2007指導(dǎo)教師許秀梅王健基層教學(xué)單位主任（簽字）、原料及設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)原料：08F 來(lái)料尺寸4.2mmX1050mm成品尺寸0.6mmX1050mmQ235 來(lái)料尺寸4.2mmX1050mm成品尺寸0.6mmX1050mmQ195 來(lái)料尺寸3.5mmX1050mm成品尺寸0.65mmX1050mm成品出口速度v=8m/s。開卷機(jī)最大張力6噸，卷取機(jī)最大張力35噸。軋輥尺寸的預(yù)設(shè)定設(shè)計(jì)課題為“1200四輥可逆冷軋機(jī)壓下規(guī)程設(shè)計(jì)及機(jī)架設(shè)計(jì)和分析”，則工作輥的輥身長(zhǎng)度L=1200mm,輥身長(zhǎng)度確定后即可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)比例值法確定軋輥直徑，冷軋板帶軋機(jī)L/D=2.3~3.01常用比值為2.5~2.9；L/D=0.8~1.8,

2常用比值為0.9~1.4；D/D=2.3~3.5,21常用比值為2.5~2.9；對(duì)于支撐輥傳動(dòng)的四輥軋機(jī)，一般取D/D=3~4,

21其中L為輥身長(zhǎng)度，D為工作輥直徑，D為支承輥直徑。12取 L/D=2.5,D/D=3,1 12L=1200mm,D=480mm,D=1440mm12壓下規(guī)程制定壓下規(guī)程制定的原則及要求壓下規(guī)程設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是確定由一定來(lái)料厚度的板坯經(jīng)過(guò)幾個(gè)道次后軋制成為用戶所需求的，滿足用戶要求的板帶產(chǎn)品。在此過(guò)程中確定所需采用的軋制方法，軋制道次及每個(gè)道次壓下量的大小，在操作上就是要確定各道次輥縫的位置和轉(zhuǎn)速。因此，還要涉及到各道次的軋制速度，軋制溫度，前后張力及道次壓下量的合理分配。在此過(guò)程中，主要考慮設(shè)備能力和產(chǎn)品質(zhì)量，設(shè)備能力主要包括咬入條件，軋輥強(qiáng)度和電機(jī)功率三個(gè)要素，而產(chǎn)品質(zhì)量主要包括幾何精度和力學(xué)性能。壓下規(guī)程制定的原則：在考慮軋件塑性條件并保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，充分發(fā)揮軋機(jī)的設(shè)備生產(chǎn)能力，達(dá)到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。對(duì)于單機(jī)架可逆式冷軋機(jī)，第一道次應(yīng)考慮到來(lái)料尺寸誤差，預(yù)留一定的軋制能力，末道次考慮板型和表面質(zhì)量，應(yīng)給和較小的壓下量，其余道次可采用等功率原則分配壓下量。壓下規(guī)程預(yù)設(shè)定h—hAh

￡=-0 1=——hh00a=arccos￡：壓下率&:累計(jì)壓下率HH:原料原始厚度mmh:軋前厚度mm0h:軋后厚度mm1Ah:絕對(duì)壓下量mma：咬入角，radR:軋輥半徑，mm初步制定壓下規(guī)程：表一08F軋制道次n1234567軋前厚度h(mm)軋后厚度h(mm)壓下量Ah(mm)壓下率累計(jì)壓下率率咬入角a/rad

表二Q235軋制道次n1234567軋前厚度h(mm)軋后厚度h(mm)壓下量Ah(mm)壓下率累計(jì)壓下率)咬入角a/rad表三Q195軋制道次n1234567軋前厚度h(mm)軋后厚度h(mm)壓下量Ah(mm)壓下率累計(jì)壓下率)咬入角a/rad四、軋制力能參數(shù)計(jì)算4.1、變形抗力計(jì)算物體有保持其原有形狀而抵抗變形的能力，度量物體的這種

抵抗變形能力的力學(xué)指標(biāo)，我們定義為塑形變形抗力。變形抗力計(jì)算公式如下：08Fa=225.4+339￡。6Q235a=88.75+(69398.43&+6669.42)0.568Q195a=842.2(0.0114+￡')0.206其中￡'為累計(jì)壓下率計(jì)算得各種軋件軋制時(shí)各道次的變形抗力如下（單位Mpa）道次1道次12308FQ235Q19545674.2、前后張力計(jì)算本次設(shè)計(jì)的軋機(jī)采用張力軋制，其開卷機(jī)最大張力6噸，卷取機(jī)最大張力35噸。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取其前后張力T=ahb

a二（0.33—0.14h+0.02h2）ash:軋件厚度，mmb:軋件寬度計(jì)算時(shí)，根據(jù)前張力計(jì)算，然后取a（后張應(yīng)力）=0.2a（前張應(yīng)力）21計(jì)算結(jié)果如下

08F軋制道次n1234567O1/Mpa4/KNO2/MpaT2/KN軋制道次n1234567O]/Mpa4/KNO2/MpaT2/KN4.3、軋制力計(jì)算斯通在研究冷軋薄板的平均單位壓力計(jì)算問(wèn)題時(shí)，考慮到軋輯直徑和板厚之比甚大以及由于冷軋時(shí)軋制壓力較大，軋輻發(fā)生顯著的彈性壓扁現(xiàn)象，近似的將薄板的冷軋過(guò)程看作為平行平板的壓縮如圖，并假設(shè)接觸表面上的摩擦力符合干摩擦定律。//2^- //2變形區(qū)中單元體應(yīng)力圖平均單位壓力為：ex—1p=(2k—o)=-m mXX二此

h

m

hh+h

h=t om22k=1.15oso+o

o=-1 2m2式中：h:軋前厚度mm0h:軋后厚度mm1l，一一考慮軋輥彈性壓扁后的接觸弧長(zhǎng)度;軋件和軋輥間的摩擦系數(shù)，主要根據(jù)軋制條件確定(|LX=0.1);根據(jù)希奇可克公式：l=JR(h—h)% 0 1x二8R(1一丫2)p二Cp0 兀Emm88R(1-Y2)

C= 兀E式中，R——軋輥半徑；E——軋輥彈性模數(shù)，E=202GPa；Y——泊松比，對(duì)于鋼軋輥Y=0.3；TOC\o"1-5"\h\z將x代入公式r=JET+x，經(jīng)整理后得:0 0 0小l、 uC. NC()2+( )2P2+Phhmhm

m m m將l'代入計(jì)算公式，再求出p;又將P代入公式求出l';

0 m1 m1 1再將l'代入計(jì)算公式，再求出P；又將P代入公式求出l、如

1 m2 m2 2是循環(huán)，當(dāng)PmJPmi1<0.001時(shí)，計(jì)算結(jié)束。p

mi由于計(jì)算過(guò)程較復(fù)雜，故我們用EXCEL中的VB編輯器進(jìn)行計(jì)算，其程序框圖如下開始總軋制力 P=pl'bm計(jì)算結(jié)果如下軋制道次n1234567l'/mmp/MpamP/KNQ195軋制道次n1234567l'/mmp/MpamP/KN4.3、軋制力矩計(jì)算傳動(dòng)支承輥的軋輥受力如圖為了計(jì)算窗洞支承輥所需的力矩，首先分析工作輥上力的平衡，由于工作輥是不傳動(dòng)的，因而支承輥反力方向使工作輥上作用力所產(chǎn)生的力矩和為零，即Pa+Fp=Rc1力臂a和驅(qū)動(dòng)方式無(wú)關(guān)，仍是當(dāng)T>T時(shí)，a=2sin（B力）;12 2

當(dāng)T<T時(shí)，a=Tsin（B力）；當(dāng)時(shí)T=T,a=TsinB。TOC\o"1-5"\h\z1 2 2 i2 2其中 66a冷軋時(shí)6 ~ ，取6=a為咬入角工作輥軸承處作用力F可以從工作輥在水平方向力的平衡求得。當(dāng)T>T時(shí)，F(xiàn)=RsinY-Psin力；當(dāng)T<T時(shí)，12 12F=Rsiny+Psin力；當(dāng)時(shí)T=T,F=RsinY。12支承輥和工作輥間反力R的大小可以從工作輥在垂直方向力的平衡求得。R=P兇

cosy于是得：當(dāng)T>T時(shí)，F(xiàn)=P(tanycos4-sin4)12當(dāng)T<T時(shí)，F(xiàn)=P(tanYcos力+sin4)12當(dāng)時(shí)T=T,F=PtanYcos力12可求得力臂系數(shù)c的大小為Dc=-2_siny-mcosY整理得sin(B±4)+mcos^±Psin力1-P)cos力1當(dāng)T>T時(shí)，土取負(fù)號(hào)，相應(yīng)的力 Ts_2-；當(dāng)T<T時(shí)，12 2P 12±取正號(hào)，相應(yīng)的力±取正號(hào)，相應(yīng)的力T-TS i2PsinsinY+mcosY求得丫角后，則反力R對(duì)支承輥的力臂a為D

a'=—2

傳動(dòng)一個(gè)支承輥的力矩為M=R(a'+P)TOC\o"1-5"\h\zcosU/D.. .M=P (—2sinY+mcosY+P)k cosy2 2傳動(dòng)兩個(gè)支承輥的總力矩為M=2MkE k計(jì)算結(jié)果如下各道次的軋制力矩MkE（N.m）軋制道次123456708FQ235Q1954.4、軋制功率計(jì)算軋制過(guò)程中軋制功率等于支承輥角速度攻和作用于支承輥的軋制力矩M的乘積。因此計(jì)算軋制功率應(yīng)先計(jì)算出支承輥的角k速度攻。1）軋件前滑系數(shù)計(jì)算如下s=(1-—)絲2R 4h式中h式中h:軋件厚度，mR:工作輥半徑，mmAh:絕對(duì)壓下量，mmU：軋輥和軋件間的摩擦系數(shù)T,T：前后張力，KN12P:軋制力，KN2）工作輥圓周速度

式中V:軋件出口速度，m/ss：軋件前滑系數(shù)3)支承輥角速度攻工作輥和支承輥圓周線速度V，相等，則支承輥角速度V,R為支承輥半徑，m4)軋制功率計(jì)算傳動(dòng)一個(gè)支承輥的功率為傳動(dòng)兩個(gè)支承輥的總哦那個(gè)綠為N=2NkEk計(jì)算結(jié)果如下各道次的軋制功率N(KW各道次的軋制功率N(KW)kE軋制道次12308FQ235Q1954567五、壓下規(guī)程修訂分析軋制力,軋制力矩和軋制功率的計(jì)算結(jié)果可知初始分配軋制力不合理。壓下規(guī)程制定的原則：在考慮軋件塑性條件并保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，充分發(fā)揮軋機(jī)的設(shè)備生產(chǎn)能力，達(dá)到優(yōu)質(zhì)、.、,高產(chǎn)。對(duì)于單機(jī)架可逆式冷軋機(jī)，第一道次應(yīng)考慮到來(lái)料尺寸誤差，

預(yù)留一定的軋制能力，末道次考慮板型和表面質(zhì)量，應(yīng)給和較小的壓下量，其余道次可采用等功率原則分配壓下量。然后通過(guò)Excel表格進(jìn)行軋制力調(diào)整，得到以下優(yōu)化結(jié)果：08F來(lái)料尺寸4.2mmX1050mm成品尺寸0.6mmX1050mm軋制道次1234567h/mm0h/mmi壓下率￡累計(jì)壓下率￡咬入角a/rado/Mpas前張力T1/KN后張力T2/KN變形區(qū)長(zhǎng)度l'/mm總軋制力P/KN傳動(dòng)力矩Mk/(N.m)軋制功率N/KWQ235來(lái)料尺寸4.2mnX1050mm成品尺寸0.6mnX1050mm軋制道次1234567h/mmh/mm

壓下率￡累計(jì)壓下率￡咬入角a/rado/Mpas前張力T1/KN后張力T2/KN變形區(qū)長(zhǎng)度l'/mm總軋制力P/KN傳動(dòng)力矩Mk/(N.m)軋制功率N/KWQ195來(lái)料尺寸3.5mnX1050mm成品尺寸0.65mnX1050mm軋制道次1234567h/mmh/mm壓下率￡累計(jì)壓下率￡咬入角a/rado/Mpa前張力T1/KN后張力T2/KN變形區(qū)長(zhǎng)度l'/mm總軋制力P/KN傳動(dòng)力矩Mk/(N.m)軋制功率N/KW六機(jī)架設(shè)計(jì)計(jì)算1、機(jī)架的類型軋鋼機(jī)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)架要承受全部軋制力，必須有足夠的強(qiáng)度和剛度。根據(jù)軋鋼機(jī)架結(jié)構(gòu)不同，軋鋼機(jī)機(jī)架分為閉式和開式兩種。(1)閉式機(jī)架如圖所示，閉式機(jī)架是一個(gè)將上下橫梁和立柱鑄成一體的封閉式整體框架，具較強(qiáng)的強(qiáng)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(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)，為提高軋制精度，需要有較高的機(jī)架剛度。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。

閉式機(jī)架結(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)圖（2）開式機(jī)架開式機(jī)架由機(jī)架本體和上蓋兩部分組成，如圖，它主要用在橫列式型鋼軋機(jī)上，其主要優(yōu)點(diǎn)是換輯方便。因?yàn)椋跈M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)座和連接軸的妨礙,沿軋輻軸線方向換輯是很困難得。采用開式機(jī)架，只要拆下上蓋,就可以很方便地將軋輯從上面吊出或裝入。開式機(jī)架主要缺點(diǎn)是剛度較差。影響開式機(jī)架剛度和換輻速度的主要關(guān)鍵是上蓋和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）斜楔連接機(jī)架上蓋連接方式因機(jī)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(lái)設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)中選用閉式機(jī)架。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、窗口高度和立柱端面尺寸。(1)機(jī)架窗口高度H機(jī)架窗口高度H和軋輥數(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?zhàn)畲箝_口度、壓下螺絲最小伸出端，以及換輥等要求確定。對(duì)于四輥軋機(jī)可取H=(2.6~3.5)(D+D)=(2.6~3.5)(480+1440)=4992~6720mm12式中：D、D 工作輥、支承輥直徑，mm；取H=5500mm。12(2)機(jī)架窗口寬度B在閉式機(jī)架中，機(jī)架窗口應(yīng)稍大于軋輥?zhàn)畲笾睆?，以便于換輥。四輥軋機(jī)機(jī)架窗口寬度一般為支承輥直徑的1.15~1.30倍。B二(1.15~1.30)D=(1.15~1.30)x1440=1656~1872mm2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5~10mm，取操作側(cè)窗口寬度B=1760mm操傳動(dòng)側(cè)窗口寬度B=1750mm傳(3)機(jī)架立柱斷面尺寸機(jī)架立柱的端面尺寸是根據(jù)軋鋼機(jī)類型、強(qiáng)度條件、機(jī)架受力特點(diǎn)等確定的。F四輥軋機(jī)機(jī)架立柱斷面積和軋輥頸平方的比值：F=1.2~1.6。d2則四輥軋機(jī)機(jī)架端面面積

F=(1.2?1.6)辦=(1.2?1.6)x7202=622080?829440mmid為支承輻輻頸直徑d=(0.5?0.55)D2對(duì)于四輻軋機(jī)，可選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的矩形斷面，這對(duì)于減輕機(jī)架的重量是有利的。所以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取端面尺寸為850mmx950mm。F=850x950=807500mm2機(jī)架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3-12：匚 □-E 3-匚 □-E 3-圖3-12機(jī)架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖3、機(jī)架的材料和許用應(yīng)力[12]軋鋼機(jī)機(jī)架一般采用含碳量為0.25%~0.35%的ZG270?500,其強(qiáng)度極限°b=500~600MPa，延伸率5二12%~16%°ZG270?s500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，廣泛使用于軋鋼、鍛壓、礦山等設(shè)備，如軋鋼機(jī)機(jī)架、輥道架、連軋機(jī)軌座、坯扎機(jī)立輥機(jī)架等。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)為m=12.5~15；對(duì)于ZG270—500來(lái)說(shuō)，許用應(yīng)力[°]采用以下數(shù)值：對(duì)于橫梁 [°]<50~70MPa；對(duì)于立柱 [°]<40~50MPa；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°n>n—bjg°s式中：n——機(jī)架的安全系數(shù)；jn——軋輥的安全系數(shù)；g°——機(jī)架材料的強(qiáng)度極限；b°——機(jī)架材料的屈服極限。s在一般情況下，材料的強(qiáng)度極限和屈服極限的比值近似為2，為了安全起見，可將機(jī)架安全系數(shù)取為：n=(2~2.5)njg當(dāng)軋輥安全系數(shù)ng取為5時(shí)，機(jī)架的安全系數(shù)nj為10~12.5。6、機(jī)架的傾翻力矩計(jì)算在軋制過(guò)程中，工作機(jī)架的傾翻力矩通常由兩部分組成，即M=M+M (3-19)Qdh式中：M——機(jī)架總傾翻力矩；QM——傳動(dòng)系統(tǒng)加于機(jī)架上的傾翻力矩(在正常軋制情況d下M=0)；dM——水平力引起的傾翻力矩。h如圖3-17所示，水平力Q引起的傾翻力矩為M=Qxck(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(jī)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(jī)上頂桿的作用力，都會(huì)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(jì)算Qmax2M RD(3-21)故Mhmax2M RCD(3-22)式中：M——工作輥傳動(dòng)支承輥的力矩;RD——軋輥直徑。則2義925*103M=M= 義1135=1.1義107N-mm。Q kmax 1907、支座反力及地腳螺栓的強(qiáng)度計(jì)算(1)支座反力的計(jì)算由圖3-17可知，在傾翻力矩的作用下，工作機(jī)座的兩個(gè)機(jī)架力圖從兩邊支座中的一個(gè)離開。這時(shí)，固定機(jī)架和軌座以及軌座和地基的螺栓顯然承受拉緊力R，其值可按下式確定1MGR=―Q一一

1b2(3-23)式中：b——支座間的距離;G——工作機(jī)座的重量。1.1義107 69000R= - 1 1650 2=27834N即由于機(jī)架重量較大不會(huì)發(fā)生由水平力引起的傾翻現(xiàn)象。應(yīng)該注意：為保證機(jī)架地腳和軌座的配合表面始終不被分開，故對(duì)地腳螺栓的預(yù)擰緊力必須大于R。一般為保險(xiǎn)起見應(yīng)取地腳1螺栓總預(yù)緊力R為：R=(1.2~1.4)Ryy 1(2)地腳螺栓的強(qiáng)度計(jì)算首先按經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)選螺栓直徑d。當(dāng)軋輥直徑D>500mm時(shí)d=0.08D+10(3-24)則 d=0.08x500+10=50mm查表取d=76mm,然后按強(qiáng)度條件對(duì)地腳螺栓進(jìn)行校驗(yàn)。4R4R' 1-n兀d21<[O](3-25)式中：R 地腳螺栓的最大拉力，取R=(2.2~2.4)R,令1 11R=2.3R11d——地腳螺栓的螺紋內(nèi)徑mm；1［。］——地腳螺栓的許用應(yīng)力，通常?。?。］=(70?80)MPa(Q215、Q235鍛鋼)。代入數(shù)據(jù)得：4x4x2.3x278342x3.14x1102=3.37MPa<[o]故地腳螺栓強(qiáng)度符合要求。8、用有限單元法計(jì)算機(jī)架的應(yīng)力和變形過(guò)去機(jī)架的設(shè)計(jì)，基本上按材料力學(xué)中的能量法來(lái)確定機(jī)架中的應(yīng)力和變形，按靜強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，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(jī)架可靠的工作，有時(shí)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(jì)算方法不精確，沒(méi)有找到機(jī)架的實(shí)際應(yīng)力分布規(guī)律和薄弱部位。例如，對(duì)機(jī)架中轉(zhuǎn)角、帶孔等位置，受載后存在著嚴(yán)重的應(yīng)力集中，用材料力學(xué)的辦法就求不出這些應(yīng)力集中的數(shù)值，實(shí)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(lái)設(shè)計(jì)計(jì)算軋鋼機(jī)機(jī)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(xué)、物理問(wèn)題的一種數(shù)值解法。也在結(jié)構(gòu)和連續(xù)力學(xué)中的使用，近年來(lái)在我國(guó)已獲得廣泛的重視和推廣。凡是重要的和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)架，在設(shè)計(jì)時(shí)都采用彈性力學(xué)有限單元法進(jìn)行計(jì)算。因?yàn)檫@種方法計(jì)算結(jié)果精確，又不受機(jī)架復(fù)雜程度的影響。使用有限單元法時(shí)，可將機(jī)架簡(jiǎn)化成二維或三維應(yīng)力分析問(wèn)題，將彈性連續(xù)體（機(jī)架）離散為有限個(gè)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(lái)求解。由于通常計(jì)算工作量都很大，所以采用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，一般都可以取得滿意的結(jié)果。（1）材料：ZG270?500屬性如下:彈性模量2e+011N/m2泊松比0.32NA抗剪模量7.6e+010N/m2質(zhì)量密度7800Kg/m3張力強(qiáng)度4.8255e+008N/m2屈服強(qiáng)度2.4817e+008N/m2熱擴(kuò)張系數(shù)1.2e-005/Kelvin熱導(dǎo)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(xué)的方法解決彈性力學(xué)上的問(wèn)題，我們可以把一個(gè)連續(xù)彈性體的軋鋼機(jī)機(jī)架變換成一個(gè)離散的結(jié)構(gòu)物，它由有限個(gè)單元體并由其結(jié)點(diǎn)相互聯(lián)系組成。圖3-18機(jī)架網(wǎng)格劃分單元體得根據(jù)計(jì)算精度要求及計(jì)算機(jī)的容量大小來(lái)決定。根據(jù)軋鋼機(jī)機(jī)架的特點(diǎn)，對(duì)壓下螺母孔周圍及下橫梁中間斷面，因是機(jī)架的重要部位，單元應(yīng)劃分得小一些。機(jī)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(yàn)指出，應(yīng)當(dāng)盡可能使每個(gè)單元各邊的長(zhǎng)度接近相等，至少不應(yīng)使邊長(zhǎng)相差過(guò)大。如果某單元最大和最小邊長(zhǎng)之比達(dá)3：1或更大，則在該單元附近，應(yīng)力和位移的真實(shí)狀態(tài)將不能在計(jì)算結(jié)果中正確的反映出來(lái)(除非在該單元附近，應(yīng)力和位移的實(shí)際變化是很平緩的)。

（3）載荷和約束信息對(duì)平面問(wèn)題，最簡(jiǎn)單、最常用的是三角形單元，所有的單元體都取為較接。在某些節(jié)點(diǎn)其位移或其一個(gè)分量可以不計(jì)之處，就在這些結(jié)點(diǎn)上安置固定較支座（邊界條件），每一個(gè)單元所受的載荷，都按靜力等效的原則移置到結(jié)點(diǎn)上，成為結(jié)點(diǎn)載荷。如圖3-17o在確定軋鋼機(jī)機(jī)架有限單元法計(jì)算時(shí)，考慮到機(jī)架結(jié)構(gòu)及受力的對(duì)稱性，以機(jī)架中心線為準(zhǔn)取機(jī)架的一半作為計(jì)算單位。根據(jù)軋機(jī)的軋制負(fù)荷，我們選取總軋制力1156.24KN作為外載荷，即每個(gè)牌坊承受578.12KN的垂直載荷，按靜力等效原則將半個(gè)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(jì)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，和胡克定律相符；2）誘導(dǎo)位移很小以致由于載荷可忽略剛性變化；3）載荷緩慢使用以便忽略動(dòng)態(tài)效果。M401402.a.M401402.a.I力納?士。L0--U001I71,4?IKQIQE.g■*。。344口I>.72^^Ti4.5=國(guó)。6g。口.ud*QN辛加P_.^C-0Q3TP-ERH-iFDBQ4a.n圖3-19有限單元法計(jì)算得出機(jī)架的應(yīng)力分布圖圖3-20有限單元法計(jì)算得出機(jī)架的變形分布圖33：5-52:?-0CJ州圖3-19有限單元法計(jì)算得出機(jī)架的應(yīng)力分布圖圖3-20有限單元法計(jì)算得出機(jī)架的變形分布圖33：5-52:?-0CJ州11EMfe■電-01*3,材料力學(xué)計(jì)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(duì)誤差為:14.4-11.28= =22.2%14.4從附錄3圖中查出并計(jì)算，機(jī)架立柱最大的拉彎應(yīng)力的相對(duì)誤差為：2.7-1.68= =40.7%2.7通過(guò)以上分析可以看出，有限單元法用來(lái)計(jì)算軋鋼機(jī)機(jī)架的應(yīng)力和變形，其結(jié)果比材料力學(xué)方法精確。能夠比較符合實(shí)際地找出機(jī)架的各個(gè)部位的應(yīng)力分布規(guī)律，能在機(jī)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(jī)的設(shè)計(jì)中，可使用這種方法，使用計(jì)算機(jī)對(duì)幾個(gè)方案迅速算出他們的應(yīng)力和位移，進(jìn)行對(duì)比分析，從中找出最佳結(jié)構(gòu)方案。在舊軋機(jī)的改造中，通過(guò)此法對(duì)軋機(jī)機(jī)架應(yīng)力和剛度進(jìn)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(shí)使用有限單元法進(jìn)行應(yīng)力分析還可以改變過(guò)去那種盲目加大安全系數(shù)、造成結(jié)構(gòu)笨重、浪費(fèi)金屬材料的不良現(xiàn)象。因此我們認(rèn)為在冶金機(jī)械的設(shè)計(jì)計(jì)算中，有限單元法是有很大推廣意義的。結(jié)論軋鋼機(jī)俗稱“牌坊”，是軋鋼生產(chǎn)的主要機(jī)械設(shè)備，鋼鐵及有色金屬的90%要通過(guò)軋機(jī)軋制成材，因此，軋機(jī)的裝備水平，對(duì)冶金的生產(chǎn)有著直接的影響。軋機(jī)是最終承載載荷并且是要永久使用的部件,機(jī)架是軋機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中最重、最大的部分。大型機(jī)架由于其體積龐大,通常整體鑄造成形,而后對(duì)窗口部分進(jìn)行機(jī)械加工的方法成形,鑄造成形是大型軋機(jī)機(jī)架生產(chǎn)過(guò)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(qiáng)度和鋼度承受軋制力。經(jīng)過(guò)六百多年的發(fā)展，現(xiàn)在軋機(jī)發(fā)展的趨向是自動(dòng)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)的使用是軋鋼生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的顯著特征。近幾十年以來(lái)，軋鋼生產(chǎn)的技術(shù)進(jìn)步取得了長(zhǎng)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(duì)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(lái)越明顯的作用。本次設(shè)計(jì)的題目是軸90/。500x450mm四輥冷軋機(jī)一一軋鋼機(jī)機(jī)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200mm；3、軋制規(guī)程：3.1—2.75—2.4—2.0—1.8—1.4,即軋機(jī)會(huì)將板帶由3.1mm厚軋制成1.4mm厚；4、軋制速度2m/s。在設(shè)計(jì)中，主要計(jì)算了軋制力、驅(qū)動(dòng)力矩、軋機(jī)主電動(dòng)機(jī)功率、機(jī)架靜強(qiáng)度、剛度和有限元分析等，并完成了機(jī)架的材料及結(jié)構(gòu)型式、軋機(jī)主電動(dòng)機(jī)、軋輥軸承部分的確定。在計(jì)算時(shí)，主要參考了由鄒家祥主編的《軋鋼機(jī)現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論》、黃華清主編的《軋鋼機(jī)械》和由劉寶珩主編的《軋鋼機(jī)械設(shè)備》等書籍。在對(duì)其它系統(tǒng)進(jìn)行了分析及設(shè)計(jì)后，最終確定設(shè)計(jì)方案為：不可逆工作制度，電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)。2閉式機(jī)架結(jié)構(gòu)及載荷分布特點(diǎn)按結(jié)構(gòu)不同，機(jī)架可分為閉式機(jī)架及開式機(jī)架兩大類。閉式機(jī)架可承受較大的軋制壓力，變形很小，具有較大的強(qiáng)度和剛度等優(yōu)點(diǎn)，因而可滿足產(chǎn)品尺寸精度的要求，在板坯軋機(jī)、板帶軋機(jī)以及線材和棒材軋機(jī)得到廣泛使用。按加工及運(yùn)輸條件的不同，機(jī)架牌坊有整體式和組合式兩種。其中整體閉式鑄造機(jī)架使用得最為廣泛。本計(jì)算結(jié)構(gòu)體是一個(gè)整體閉式板帶軋機(jī)機(jī)架。其實(shí)際厚度和受力分布都存在一定的不均勻性；此外，軋制過(guò)程中機(jī)架還可能承受橫向力的作用。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)其幾何結(jié)構(gòu)作了適當(dāng)簡(jiǎn)化，如圖1所示。即：不計(jì)其厚度差異以及受力在厚度方向的不均勻性，按平面應(yīng)力問(wèn)題處理；不計(jì)橫向受力，只考慮軋制力，并將其看成作用于對(duì)稱軸附近的局部分布載荷。圖1板帶軋機(jī)閉式機(jī)架示意圖3.2有限元計(jì)算結(jié)果和分析采用彈性理論的平面應(yīng)力模型對(duì)上述軋機(jī)機(jī)架的有限元分析結(jié)果如圖4?圖8所示。通過(guò)分析，可以了解結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力分布的特點(diǎn)，揭示其中的薄弱環(huán)節(jié)，并為結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度分析提供依據(jù)。變形分析節(jié)點(diǎn)位移反映了構(gòu)件在受力前后各點(diǎn)位置發(fā)生的變化。圖4?圖6為軋機(jī)機(jī)架的變形圖其中圖4為計(jì)算揭示的機(jī)架變形趨勢(shì)；從圖5和圖6可以看出，在軋制過(guò)程中水平方向的變形較垂直方向的變形嚴(yán)重，其中最大變形發(fā)生在立柱中部。"abW"Mi-r■tl\，d圖4軋機(jī)機(jī)架的變形圖的位移等值線■IMDv-4i#4（放大1000倍）圖5軋機(jī)機(jī)架水平圖6軋機(jī)機(jī)架垂直方向的位移等值線3.2.1應(yīng)力分析有限單元法可求得軋機(jī)機(jī)架各個(gè)部位的各種應(yīng)力分布。其中圖7為機(jī)架外廓等效應(yīng)力及其相對(duì)大小分布（如內(nèi)外側(cè)的差異，其中圖中不同顏色代表不同的應(yīng)力大?。?；由圖可見，機(jī)架內(nèi)側(cè)等效應(yīng)力高于外側(cè)。圖8為下橫梁典型斷面（對(duì)稱面）上水平方向的應(yīng)力分布（圖中壓應(yīng)力記為負(fù)值），其內(nèi)側(cè)水平壓應(yīng)力達(dá)34.4MPa，而外側(cè)水平拉應(yīng)力為21.1MPa。圖9為下橫梁對(duì)稱面上垂直方向的應(yīng)力分布，可見整個(gè)斷面在垂直方向承受壓應(yīng)力。圖10是機(jī)架整個(gè)斷面上的等效應(yīng)力分布圖。其中，等值線密集區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中和變化梯度較大的部位。由此可見，在當(dāng)前的計(jì)算軋制載荷下，機(jī)架立柱等應(yīng)力線基本上呈現(xiàn)為平行分布，應(yīng)力值由內(nèi)側(cè)向外側(cè)均勻的減小。而在下橫梁和立柱連接的圓角處，應(yīng)力等值線密集，表明應(yīng)力梯度變化大，當(dāng)?shù)赜写蟮膽?yīng)力集中，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(yīng)力值很大。因?yàn)閳A角附近是拉應(yīng)力區(qū)，對(duì)應(yīng)力集中敏感，因此改善圓角處的應(yīng)力集中是設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題。3.2.1機(jī)架強(qiáng)度和剛度分析考慮到當(dāng)軋輥斷裂時(shí)，機(jī)架尚不應(yīng)發(fā)生塑性變形，機(jī)架的靜載安全系數(shù)一般取10-15，對(duì)于軋機(jī)所采用的鑄鋼材料，其許用應(yīng)力為：對(duì)于橫梁[對(duì)于橫梁[o]<5X107-7義107Pa對(duì)于立柱 [q]