四辊冷轧机设计之轧辊系统设计说明书.doc

毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 专业 机械设计制造及其自动化 班级 姓名 下发日期 2011-3-6 题目题目 四辊冷轧机设计之一190/500 450 专题专题轧辊系统设计 主主 要要 内内 容容 及及 要要 求求 1.计算本设计道次（第一道次 2.75mm-1.80mm）的轧制力、轧辊的驱动力矩、 选择电动机； 2.该系统主要零部件强度、刚度校核并选取轧辊的轴承； 3.完成轧辊总图设计； 4.工作辊装配图设计； 5.撰写设计说明书，要求内容完整、编写规范。 主要技主要技 术参数术参数 1.轧制材料：Q235 2.原料规格：2.75200mmmm 3.轧制规程： 4.轧制速度：2.75 1.80 1.40 1.201.5/m s 进进 度度 及及 完完 成成 日日 期期 3 月 6 日3 月 19 日：山东石横特钢集团有限公司参观实习，写实习报告 及查阅相关资料。 3 月 20 日3 月 27 日： 比较各种结构，选择最优设计方案。 3 月 28 日4 月 10 日：对整机及部件进行设计计算。 4 月 11 日5 月 21 日：CAD 制图。 5 月 22 日6 月 4 日 : 编写设计说明书。 6 月 5 日6 月 20 日 : 毕业答辩审查准备。 教学院长签字日 期教研室主任签字日 期指导教师签字日 期 指 导 教 师 评 语 指导教师: 年 月 日 指 定 论 文 评 阅 人 评 语 评阅人: 年 月 日 答 辩 委 员 会 评 语 指导教师给定 成绩(30%) 评阅人给定 成绩(30%) 答辩成绩 （40%） 总 评 答辩委员会主席 签字 评 定 成 绩 本科毕业设计（论文）说明书 摘摘 要要 本轧机为小型四辊冷轧机，其特点是工作稳定、操作简单、轧制 190/500 450 板形好。本设计主要是针对此轧机的轧辊系统，考虑到产品的稳定性、结构布局、使 用寿命，进行轧辊的尺寸计算、刚强度校核、弯曲变形校核、轧辊轴承的选择和使用 寿命校核。同时采用了工作辊传动，这种形式对轧制过程比较有利。 设计中运用斯通公式计算轧制力，由于轴承座的固定性，轴承座要承受偏负荷， 轴承磨损严重不但减小使用寿命而且影响轧辊的外形进而对轧制板形产生极大的影响， 轧制力大时影响更明显。因此轧辊的尺寸设计、材料选择很重要而且必须对轧辊和轴 承进行必要的校核。 关键词：关键词：四辊冷轧机、轧辊、轧辊轴承、轧制力 本科毕业设计（论文）说明书 I Abstract The mill is small four-high cold rolling mill, characterized by 190/500 450 stability、simple in operation and good shape by rolling. This design main for the mills roller system, take the mills stability、configuration and the service life, its necessary to checkout the intensity、barely and distortion by bending of the rollers and the service life of the bearing besides calculate the sizes of the rollers and choosing the bearings. At the same time, drive work roll is the main drive mode for this mill, which form is more favorable for the rolling process. Its well-off during the design. In the design I have found that due to the fixity of the bearing chock, the biased load will appear in the bearing chock, and the bearings will fray badly, which leads to the short service life of the bearings and influences the rollers shape , and then influence of the sizes of the rolling steels, the infection will be strictness under the heavy roll force. Therefore, its important to design the rollers size and choose of the material, it is must to checkout the rollers and the bearings. Keywords：4-high cold rolling mill、roller、roller bearing、roll force 本科毕业设计（论文）说明书 II 前言前言 50 年代以来，我国的钢铁工业取得了巨大的成就，轧钢生产是将钢锭或钢坯轧制 成钢材的生产环节。用轧制方法生产钢材，具有生产率高、品种多、生产过程连续性 强、易于实现机械化和自动化等优点。因此，它比锻造、挤压、拉拔等工艺更广泛地 应用。目前，约有 90%的钢材都是经过轧制成材的。 到 20 世纪 70 年代初，轧机的轧辊直径已增大到了 1500mm。我国从 1959 年开始 自行设计制造开坯机，目前已制成 700mm，750mm，850mm，1150mm 初轧机。20 世 纪 80 年代以来，轧机得到了飞速发展，从过去单纯追求速度比产量过渡到同时对质量 的要求。 现在，轧制技术飞速发展，轧制设备趋向于方便、高效，尤其是板材轧制设备趋 于多样、适用、易改进等。因此，具有更加灵活性轧制品种多、使用要求低的四辊单 机座轧机也得到了不断的改进和发展，在中小型钢厂中得到广泛的应用。它具有如下 几个特点： 1. 工作稳定性要好； 2. 刚性要求要高一些； 3. 轧缝的控制简单、便利； 4. 轧制板材的质量高、板型好。 虽然冷轧板材的生产成本、投资费用虽然很高，但是冷轧板材的性能和质量都比 热轧好，在同样的用途下，可以节约金属材料达 30%，某些工业发达国家如美国使用 的薄板，几乎 100%是冷轧的，而冷轧板材的板形直接关系到板材的质量。板形的好坏 取决于金属在辊缝中塑性变形的一瞬间，而轧辊是直接与金属接触，相接触的部件， 所以轧辊的设计成功与否直接影响板形的好坏，轧辊的设计基本上说明了世界各主流 轧机板形的调控能力。 针对目前的现状和达到本次设计的目的，我有幸去济钢进行了实习，在具有先进 技术水平的中板厂、中厚板厂、冷连轧厂、热连轧厂等厂的参观学习中，掌握了一些 冶金机械知识并对轧机的结构、工作原理等有了一定的了解认识。 本次要做的是190/500 450mm 四辊冷轧机设计之一轧辊系统的设计，要求轧 制带宽 200mm，轧制速度 1.5m/s，将板带厚度由 2.75mm 轧制到 1.2mm。 本设计书共分四部分：总论部分、确定设计方案部分、设计计算部分和外文资料 本科毕业设计（论文）说明书 III 部分，并附参考资料、附录等，力求详尽的介绍本设计的内容。 在设计中，主要计算了轧制力、轧制力矩、轧机主电动机功率、校核轧辊刚度、 强度以及选择轧辊轴承并对轴承进行了校核。 新技术、新工艺、新设备的出现，使冶金生产发生了巨大的变化，中国的钢铁工 业也在迅速的发展，钢产量已跃居世界第一，但主要还是资源消耗式增长，离世界先 进的冶金水平还有一定的差距，这就要求我们要不断地对轧钢机械设备进行改进和创 新，只有这样才能使我国的钢铁工业走到世界的前列。 由于本人水平有限，错误在所难免，诚恳地欢迎老师指正批评。 本科毕业设计（论文）说明书 IV 目录目录 摘要摘要.I Abstract.II 前言前言III 目录目录 .V 第第 1 章章 绪论绪论 1 1.1 课题研究的意义及现状.1 1.2 冷轧机的类型、工作原理及其特点.2 1.3 冷轧带钢的生产工艺.5 1.4 轧钢技术的发展前景.8 1.5 论文主要研究内容.9 第第 2 章章 设计方案的确定设计方案的确定 10 2.1 工作制度.10 2.2 主传动形式.10 2.3 压下装置的结构形式.12 2.4 上辊平衡装置.13 2.5 轧辊轴承.14 2.6 设计方案的确定.14 第第 3 章章 设计计算设计计算 15 3.1 轧制力能参数的计算.15 3.2 咬入条件的校验.17 3.3 轧制力计算.17 3.4 轧制力在接触弧上作用点的位置.21 3.5 轧制力矩的计算.22 3.6 工作辊传动的四辊轧机轧辊的稳定性.24 3.7 轧机主电动机力矩与电动机功率.25 3.8 轧辊的基本尺寸及校核.26 3.9 轧辊轴承的选择及校核.37 第第 4 章章 结论结论 41 4.1 设计中存在的问题及改进方法.41 本科毕业设计（论文）说明书 V 4.2 价值及成本核算.41 毕业设计小结毕业设计小结 43 参考文献参考文献 43 致谢致谢 43 附录附录 45 附件附件 1 .47 附件附件 2 .52 本科毕业设计（论文）说明书 0 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 课题研究的意义及现状课题研究的意义及现状 20 年代，随着二辊可逆轧机的出现，轧制效率大大提高。四辊可逆轧机出现于 30 年代。60 年代末，随着二次冷轧机和箔材轧机，平整轧机光整轧机的出现，使冷轧的 可轧厚度大大减少，目前，最小可达 0.001mm。冷轧带钢生产始于 1660 年，在国民经 济中占有十分重要的地位。 随着容器包装、精密仪器、汽车的制造、房屋建设、机械制造和船舶工业的迅速 发展以及家用电器和各种日常生活的需求量成倍增长，对冷轧带钢的需求量也迅速增 加。冷轧带钢是在二辊轧机上进行的。自此以后，无论是国内还是国外，冷轧都得到 广泛应用，轧辊轴颈和轴承的改进也促进了冷轧机的应用。 板带冷轧钢的发展，只是在近代随着技术的进步，才真正得到了推动。冷轧钢板 及带钢今年来得到较大的发展。冷连轧机末架出口速度可达 2541.7m/s。为了提高产 量，冷卷卷重已达 60t。一套冷连轧机年产量可达 250 万 t。 由于冷轧带钢厚度公差要求高，为增加轧机压下装置的响应速度，在冷轧机上采 用了全液压压下装置及厚度自动控制装置。因此，在带钢冷连轧机上，广泛地采用液 压弯辊装置或抽动工作辊装置来改善板形。对于高速、高产量的带钢冷连轧机，实现 了计算机控制。 初轧机具有以下特点： 1）提高自动化程度，从均热炉到板坯精整均已实现自动控制。 2) 提高钢坯质量，改进精整工序，采用大吨位板坯剪切机及在线火焰清理机。 3）向重型化方向发展，轧制钢锭重量达 4570t，最高年产量达 500600 万 t。 4）万能式板坯初轧机迅速发展，轧机带有立辊，减少轧件翻钢道次和轧制时间。 连续铸钢技术的迅速发展，连铸比将达到 80%或更高。这样，初轧机将不会有更 大的发展，只能起到配合和补充连铸生产的作用，许多初轧厂都面临改造的任务。 进些年来冷轧带钢生产技术及设备又有新的发展： 1）板形控制技术。冷连轧及普遍应用了液压弯辊技术，设置板形仪及灵敏的液压 系统，改善工艺冷润技术，特别是研制出一批有效控制板形的新轧机，如 HC 轧机、 本科毕业设计（论文）说明书 1 CVC 轧机、UC 轧机等。 2）连续退火、全氢罩式退火技术的应用及多种涂镀生产技术的迅速发展，出现了 许多新的生产线及新的设备，使轧钢机械在这些领域得到发展。 3）酸洗冷轧联合机组。这种机组改变了传统冷轧生产将酸洗和轧钢两个工序分 开的方式，而联合为一个机组。这样可提高酸洗、冷轧工序的成材率 1%3%，提高 机时产量 30%50%，减少中间仓库 500010000，降低投资及生产成本等优点。 2 m 4）带钢连铸连轧工艺。带钢连铸机浇铸出的钢坯须经热轧或稍经热轧即可进入 冷轧机生产冷轧带钢，使这一工艺在今后经进一步完善和推广。 因此，冷轧带钢生产的大力发展，逐渐提高冷轧带钢在轧钢产品中的比重，迅速 提高冷轧带钢的质量，不断增加冷轧带钢的产品，满足各个工业部门的，特别是与人 民生活密切相关的，轻纺织工业和日用电器，生活用品等，以及外贸出口对冷轧带钢 急剧增加的需要，可以认为 HC 轧机是板带轧机改造和新建的主选优良机型，可提供 具有优良板形 的高精度板带满足工业领域对高精度的要求。HC 轧机正逐步代替具有 100 多年历史的普通四辊轧机。 1.2 冷轧机的类型、工作原理及特点冷轧机的类型、工作原理及特点 1.2.1 冷轧机的类型冷轧机的类型 冷轧机构造可以轧辊数目及其在机座中位置为特征进行分类为;具有水平轧辊 的轧机，具有互相垂直轧辊的轧机和呈斜角布置及其它的特殊轧机。按照轧辊的配 列方案分为二辊式、四辊式、多辊式三种。按机架排列方案分为单机可逆（不可逆） 式与连续多机轧制式两种。其灵活性大，适用中小型企业及科研教研学用。连轧机 生产效率高，轧制速度快，但产品单一，变动不大时，最能发挥其优越性。 其常用类型如图 1-1 所示： 本科毕业设计（论文）说明书 2 图 1-1 常用轧辊类型图 1.2.2 各类冷轧机的工作原理及其特点各类冷轧机的工作原理及其特点 由于轧辊的数目和布置不同，所以各类轧机的特点也不同： 1） 二辊式轧机：此轧机结构简单，工作可靠，有直流电动机驱动，用于二辊 可逆式初轧机，可将钢锭往复轧制成各种矩形抷。二辊可逆式轧机也可用于轧制轨 梁和中厚板。 2） 三辊式轧机：其在同一机座上轧件可两向轧制，而轧机无需反转，有一台 交流电动机经减速器和齿轮座驱动数台三辊式轧机，可实现轧件往复多道次轧制。 三辊轧机广泛应用于轨梁轧机、型钢轧机及小型开坯轧机。 3） 四辊式轧机：四辊式轧机是由两个较小工作辊和较大的两个支承辊组成。 机座是由四个位于同一垂直平面内的水平轧辊组成，轧制是在两个工作辊中间进行 的。支承辊的作用是增强辊系的刚度，所以其直径较工作辊要大上一倍以上。四辊 式轧机是带钢冷轧机中最通用的机组，这种轧机采用闭口式机架，两个牌坊有横梁 或其它轧机连接形成一个刚体，通常采用工作辊驱动， 但是近来趋向于支承辊驱 动。四辊式轧机广泛应用于钢板生产，如中厚板轧机、热轧钢板轧机、冷轧钢板及 带钢轧机等。 3） 六辊式轧机：工作辊靠另一侧卷行弹簧撑开，压下螺丝有电机通过齿轮 传动，工作辊轴承为抗磨式，而支承辊则采用油膜轴承。为使用直径相同的小直径 本科毕业设计（论文）说明书 3 工作辊并提供水平及垂直刚度。六辊式轧机得到了广泛应用通常靠弹簧压力平衡上 下辊组件及消除压下螺丝于轴承座间产生的松弛或松动。 近年来发展很快的是中间辊可以轴向抽动的六辊轧机，即 HC 轧机通过抽动中 间辊或工作辊来改善板形的控制能力，配合使用弯辊装置可使横向刚度无穷大。其 主要特点如下： (1) 具有好的控制性。 (2) 可显著提高带钢的平整度。 (3) 具有较大的刚度，稳定性。 (4) 压下量由于不受板形的控制而显著提高。 4） 偏八辊式轧机：其工作辊直径约为支承辊直径的六分之一，且中心线相对 上下支承辊中心连线有较大偏移。为防止工作辊水平弯曲，在出口方向设有侧中间 辊和侧支承辊，使机座水平刚度提高；结构简单，满足防止工作辊水平弯曲增加刚 度，通过调节个别支承辊改变工作辊的凸度，工作辊支承系统刚度大，换辊方便， 其工作辊直径可自由选择而轧制不同的品种。其轧制力小，压下率高，应用于薄带 材生产。 5） 多辊式轧机：为适应冷轧板带产品尺寸向高精度和大的宽厚比方向发展需 要，出现了十二辊、二十辊及复合式十二辊等多辊轧机型式。由于有多层中间辊和 支承辊支承，工作辊的直径可大大减小，而机座的刚度与强度都很高。一般都驱动 中间辊，使工作辊不承受扭转负荷。支承辊做成分段式的，可通过专门机构来调整 工作辊轴向挠度曲线。二十辊轧机多采用森吉米尔型和罗恩型。多辊轧机多用作生 产冷轧薄带钢。我国自主开发的二维中部支撑的多辊轧机，具有使轧制带材横向精 度高的特点。 1.3 冷轧带钢的生产工艺冷轧带钢的生产工艺 冷轧带钢的生产工艺主要体现在以下四点： 1.3.1 冷轧中采用张力轧制冷轧中采用张力轧制 张力轧制是冷却的一大特点。所谓“张力轧制” ，就是轧件在轧辊中的辗轧变形是 有一定的前张力与后张力作用下实现的。单位张力是作用在带材断面 A 上的平均张 z 本科毕业设计（论文）说明书 4 应力： () z T A 2 /Kg mm 式中 T总张力。 张力的主要作用有以下几个方面： （1）防止带钢在轧制过程中跑偏（即保证正确对中轧制） ； （2）降低轧件的变形抗力，便于轧制更薄的产品； （3）适当调整冷轧机主电机负荷的作用； （4）使所轧带钢保持平直（包括在轧制过程中的保持板形平直以及轧后板形良好） 。 防止轧件跑偏是冷轧操作中关系到能否实现轧制的一个重要问题。跑偏将破坏正 常板型，引起操作事故甚至设备事故，若不很好加以控制，将不能保证冷轧的正常进 行。因此，防止跑偏的方法有： （1）采用张力轧制； （2）采用凸形辊缝； （3）采用导板夹逼。 通过改变卷取机，开卷机及轧机主电机的转速以及各架压下可以使轧制力，张力 在较大的范围内变动。借助准确可靠的测试仪，并使之与自动控制系统结成闭环，可 以按要求实现恒张力控制，配备这种张力闭环控制系统是现代冷轧机的起码要求。 生产中张力的选择主要是平均单位，从理论上讲，单位张力似乎应当尽量选的 z 高一些，但是不应超过带钢的屈服极限，根据经验，一般轧机=（0.10.6）； s z s 而冷轧薄带刚=（0.10.3）。 z s 1.3.2 冷轧中产生加工硬化现象冷轧中产生加工硬化现象 在冷轧中，冷轧是在金属再结晶温度以下进行的轧制，金属的晶粒被破碎且不能 产生再结晶回复，导致金属产生加工硬化。由于加工硬化，使金属变形抗力增大，轧 制压力升高，金属的塑性降低，容易产生脆断。当钢种一定时，加工硬化程度与冷轧 的变形程度有关，变形程度愈大，加工硬化愈严重。加工硬化超过一定程度后，因金 属过于硬脆而不能继续轧制。因此板带经一定的冷轧总变形量之后，须经热处理（再 结晶退火或固溶处理） ，恢复塑性，降低变形抗力，以利于继续轧制。在冷轧生产过程 本科毕业设计（论文）说明书 5 中，每次软化退火之前完成的冷轧工作称为一个“轧程” ，在一定的条件下，钢质愈硬， 成品愈薄，所需之轧程愈多。 1.3.3 冷轧中采用工艺冷却冷轧中采用工艺冷却 冷轧过程中变形热与摩擦热使轧件和轧辊温度升高，故需要采用有效的人工冷却。 轧制速度越高，冷却问题显得尤为重要。如何合理的强化冷却过程的冷却已成为发展 现代冷轧机的重要的研究课题。实验研究与理论分析表明，冷轧板带钢的变形功有 84%88%转变为热能，使轧件与轧辊的温度升高。因此我们必须采取适当的措施吸走 或控制这部分热量，即便变形发热率，单位时间发出的热量 q 。其表达式为： B qh J A 式中 系数 = 0.840.88 小于 1 的修正系数； 所轧材的宽度；B 机械功的热当量；J 轧制时的平均单位压力； 轧制速度； 该道次的绝对压下量。h 油的冷却能力比水差得多。水是比较理想的冷却剂，因其比热大，吸热率比较高 且成本低廉。水的比热比油大一倍，热传导率为油的 3.75 倍，挥发潜热大 10 倍以上。 由于水具有如此优越的吸热的性能， （只有某些特殊的轧机，由于工艺润滑与轧辊轴承 共用一种润滑剂，才采用全部油冷，但为了保证冷却效果，需给予足够大油量。 ）固大 多数生产轧机都倾向与水或以水为主的冷却剂。从实现强大轧制的角度来看，我们所 关心的是如何提高冷却液的冷却能力，即提高冷却效果。有物理学可知一定质量的液 体在单位时间内所吸收的热量可表示为： 12 ()qmtt c 式中 单位时间所需冷却液的体积；m 比重； 本科毕业设计（论文）说明书 6 冷却液的比热；c 、 冷却液前后的温度。 2 t 1 t 由此可知，在冷却液种类和冷却系统均一定的情况下，为增加 q，只有增加流量 m，但这往往受到原有冷却设施的限制，所以通常是改变冷却液的种类和增加冷却液 的温度来增加其吸热能力。冷却液简单地喷浇在轧辊和轧件上，与高压冷却液雾化， 冷却效果大大不同，实际资料表明，即使在采用有效的工艺冷却的条件下，冷轧板卷 在卸卷后的温度优势仍达 130，甚至还要高，由此可见在轧制变形区的料温一150oc 定比这还要高，辊面温度过高会引起工作辊淬火层硬度的下降，并有可能促使淬火层 内发生组织分解（残余奥氏体的分解） ，使辊面出现附加的组织应力。 此外，从其对冷轧过程本身的影响来看，辊温的反常现象以及辊温分布规律的反 常或突变均导致正常辊面条件的破坏，直接有害于板形与轧制精度。同时，辊面过高 也会使冷轧工艺润滑剂失效（油膜破裂） ，使冷轧不能顺利进行。 因此，为了保证冷轧的正常生产，对轧辊和轧件必须应采取有效的冷却和控温措 施。 1.3.4 冷轧中的工艺润滑冷轧中的工艺润滑 生产实践与实验表明，采用天然油脂作为冷轧的工艺润滑剂在润滑效果上优于矿 物油，这是由于天然油脂与矿物油在分子的结构上与特性上有质的差别所致。 冷轧采用工艺润滑的主要作用是减少金属的变形抗力这不但有助于保证已有的设 备能力条件下实现更大的压力，而且还可使轧机能够经济上可行的地生产厚度更小的 产品。此外，采用有效的工艺润滑也直接对冷轧过程的发热率以及轧辊的温度起到了 良好的影响，在轧制某些产品时采用的工艺润滑还可以防止金属粘辊的作用。 冷轧润滑效果的优劣诚然是衡量工艺润滑剂的重要指标，但是一种真正有经济实 用价值的工艺润滑剂还应来源广，成本低，便于保存。并且易于轧后的板面去除，不 留任何影响质量的残渣等特点。目前还只有为数不多的几种工艺润滑剂能满足上述要 求。但是，冷轧过程中油的耗用量还是相当大的。 现在，可以通过乳化剂的作用把少量油于大量水混合起来制成乳状润液。可以较 好的解决油的循环使用问题，在这种情况下水是作为冷却剂与载油剂而起作用的。 本科毕业设计（论文）说明书 7 1.4 轧钢技术的发展前景轧钢技术的发展前景 轧钢工业的技术进步主要集中在生产工艺流程的缩短和简化上，最终形成轧材品 种规格多样化、性能高品质化、控制管理计算机化等。未来轧钢工艺和技术的发展主 要体现在以下几方面： (1) 轧制过程柔性化。板带热连轧生产中压力调宽技术和板形控制技术的应用， 实现了板宽的自由规程轧制。棒、线材生产的粗、中轧平辊轧制技术的应用，实现了 部分规格产品的自由轧制。冷弯和焊管机也可实现自由规格生产。这些新技术使轧制 过程柔性化。 (2) 铸轧体化。利用轧辊进行钢材生产，因其过程连续、高效、可控且便于计 算机等高新技术的应用，在今后相当一段时间内，以辊轧为特征的连续轧钢技术仍将 是钢铁工业钢材成型的主流技术。在2O世纪，由于连铸的发展，已经逐步淘汰初轧工 序。而连铸技术生产的薄带钢直接进行冷轧，又使连铸与热轧工序合二为一。铸轧的 一体化，将使轧制工艺流程更加紧凑。同时，低能耗、低成本的铸轧一体化，也是棒、 线、型材生产发展的方向。 (3) 轧制过程清洁化。在热轧过程中，钢的氧化不仅消耗钢材与能源，同时也带 来环境的污染，并给深加工带来困难。因此，低氧化燃烧技术和低成本氢的应用都成 为无氧化加热钢坯的基本技术。酸洗除鳞是冷轧生产中最大的污染源，新开发的无酸 清洁型(AFc)除鳞技术，可使带钢表面全无氧化物、光滑，并具有金属光泽。 (4) 钢材的延伸加工。在轧钢生产过程中，要不断扩大多种钢材的延伸加工产业， 如开发自润滑钢板用于各种冲压件生产，减少冲压厂润滑油污染；开发建筑带肋钢筋 焊网等，把钢材材料生产、服务延伸到各个钢材使用部门。随着工业的发展和轧钢技 术的进步，轧钢工艺的装备水平和自动控制水平不断提高，老式轧机也不断被各种新 型轧机所取代。按照我国走新型工业化道路的要求，轧钢技术发展的重点转移到可持 续发展上来。 (5) 高新技术的应用。轧钢技术取得重大进步的主要特征是信息技术的应用。板 形自动控制，自由规程轧制，高精度、多参数在线综合测试等高新技术的应用使轧钢 生产达到全新水平。轧机的控制已开始由计算机模型控制转向人工智能控制，并随着 信息技术的发展，将实现生产过程的最优化，使库存率降低，资金周转加快，最终降 低成本。 本科毕业设计（论文）说明书 8 1.5 论文主要研究内容论文主要研究内容 本设计主要对四辊冷轧机的轧辊系统，轧辊是轧钢机在工作中直190/500 450 接与轧件接触并使金属产生塑性变形的重要部件，是轧制板材的作用部件，轧辊的设 计制造好坏直接关系到产品的板形、质量以及整个轧钢机的外形尺寸、加工能力等一 系列问题。对所需要的尺寸参数进行计算确定，对轧辊进行必要的校核，并且根据轧 辊尺寸实际应用情况选择合适的轴承。结合所学知识设计 VB 计算程序，对轧制力的 计算建立了模型，使后续道次的计算简便准确。另外根据实习参观和结合以前经验绘 出工程图。 本科毕业设计（论文）说明书 9 第第 2 章章 设计方案的确定设计方案的确定 2.1 工作制度工作制度 对于单机座轧机，有可逆式和不可逆的工作制度。本设计为单机座轧机，现分述 如下： 2.1.1 可逆式工作制度可逆式工作制度 可逆式工作制度是当一道轧完之后，为了能在原来的轧辊间进行下一道轧制，将 轧辊反转，这样轧件便在轧辊间反复进行轧制。在这种工作制度下，轧件的咬入和抛 出也是在降低扎辊转速的情况下进行的。 目前，对单机座小型冷带轧机，采用可逆式有很多有优点，它能大大提高生产效 率，以减少板带钢的吊运与安装。 2.1.2 不可逆式轧机工作制度不可逆式轧机工作制度 不可逆式的工作制度应用最广，在这种工作制度下，每个轧辊的旋转方向不变， 而轧辊的转速则有不变与可变的两种。根据轧制速度来分析，不可逆式工作制度在实 际生产操作中有以下几种运转方式： （1）几乎保持严格不变的轧制速度； （2）轧件通过时，轧制速度稍微降低； （3）仅在轧机调整时才调节速度； （4）在轧件通过时，在较大范围内调节轧制速度。 2.2 主传动形式主传动形式 目前，小型四辊冷轧机的主转动方式有三种： （1） 传动工作辊 （2） 传动支撑辊 （3） 单辊传动 电机通过减速器与齿轮座来直接传递工作辊，这种形式对于轧制过程比较有利， 但是对于较小的轧机，它又受到工作辊辊颈和方向接轴所能传递的扭转力矩的限制， 而传递工作辊不能达到要求时，就需传递支撑辊，而传递支承辊是靠摩擦力来传递工 本科毕业设计（论文）说明书 10 作辊的。这样将会碰到关于工作辊力的传递问题，这就是要增大轧辊的传动部件。同 时还要考虑轧辊与轧件间的打滑问题。因此，为了解决上述问题，防止出现支承辊断 辊、工作辊方头扭断等现象，可采用异径轧制、单辊驱动等措施来解决。 本次设计由于轧制力与轧制力矩不是很大，故不需考虑此问题，但同时采用单辊 驱动又会带来一系列新的问题。由于采用单辊传动，使两个工作辊自然会产生一定的 速度差，从而使轧制力有所降低，据实际分析证明，当变形区长度上出现搓扎区，一 般可能使轧制压力下降约 520%。由于单传动轧制时上下辊速度的配合是自然的，过 程简单易行，无需复杂的控制系统。采用异径轧制，并尽可能的减小空转辊的直径， 充分发挥小辊的轧制可降低轧制压力的优点，以保证受力零件的正常工作，同时又有 利于增大压下量，减小道次，从而提高轧机的工作效率。 对于普通的四辊轧机，尽管其主机列通常是有主电机通过减速机和齿轮座传递两 个工作辊，但是在预压力作用下，由于工作辊径的差别等原因，给冷轧薄带钢轧机的 传动带来很大的影响，在薄带轧制中常出现量接轴传动力矩的分配不均，某个接触力 矩为零或趋近于零。由于辊颈差事实上不可能消除，使用较大的预压力亦是必要。可 以认为，轧辊的传动力矩在两轧辊上的分配并不总是大致想当相等的。在运转中的轧 机上，即从轧辊空转，压靠以至轧制阶段，辊颈稍大的轧辊接触中传动力矩永为正值， 而辊颈稍小者，其传动力矩可在负值至正值的广大范围内变化，者是薄带钢轧制的轧 机传动特点，对于这类轧机，在一定的条件下实际上是单辊传动的。一般看来，当轧 件较薄时使用预压力较大，直径稍小的轧辊上，其传动接触可能实际上不起作用，甚 至反而有害。另一方面，由于轧件较薄，又是成卷轧制的，咬入条件能够保证，有可 能实现单辊传动。 在主机列中，自然可将齿轮座从设计中取消，减小设备的投资，降低动力传传递 的能量消耗，从而取得一定的经济效果，并可充分利用换辊，在操作上也会有许多方 便。 本科毕业设计（论文）说明书 11 2.3 压下装置的结构形式压下装置的结构形式 压下装置目前有液压压下和电动压下两种结构型式。 2.3.1 液压压下液压压下 在冷轧机组和平整机上，可以采用“压下式”也可以采用“压上式” 。采用“压上 式”时，在轧机上部可以设置不带刚压下的电动压下机构以便做大行程的调整。 “压下 式”的液压缸设置在机架的上部，这种结构造价较高，所需的液压缸行程也很大，它 的悬挂装置较为复杂，而且为了适应磨损后的轧辊直径，许配备不同厚度的垫块。但 它的最大优点是电液伺服阀可装在液压缸附近，这不仅提高液压缸的反应速度，而且 伺服阀的工作条件好，维护也方便。 液压压下装置是用液压缸代替传统的压下螺丝、螺母来调整轧辊辊缝的。在这一 装置中，除液压缸外，还有与之配套的伺服阀、液压系统及检测仪表及运算控制系统。 与电动压下装置相比较，液压压下装置有如下特点： （1）快速响应性好，调整精度高； （2）机械传动效率高； （3）便于快速换辊，提高轧机作业率； （4）过载保护简单，可靠。 2.3.2 电动压下电动压下 电动压下是最常用的上辊调整装置。通常包括：电动机、减速器、制动器、压下 螺丝、压下螺母、压下位置指示器、球面垫块和测压仪等，在可逆式板轧机的压下装 置中，有的还安装有压下螺丝回松机构，以处理卡钢事故。 压下装置的结构与轧辊的移动距离、压下速度和动作频率等有密切的联系。按照 压下速度，电动压下装置可分为快速压下装置和板带压下装置两大类。 1. 快速压下装置 由于其压下速度一般大于 1mm/s，故称为快速压下装置。按照传动的布置形式， 快速压下装置有两种类型： （1）采用立式电动机，传动轴与压下螺丝平行的布置形式； （2）采用卧式电动机，传动轴与压下螺丝垂直交叉布置形式。 2. 板带轧机电动压下装置 本科毕业设计（论文）说明书 12 冷、热轧板带轧机的电动压下速度约为 0.020.1mm/s。由于板带轧机的轧件既薄 又宽又长，而且轧制速度快，轧制精度要求较高，这些工艺特征使其压下装置有如下 特点： （1）调整精度高； （2）轧辊调整量小； （3）动作快，灵敏度高； （4）轧辊平行度的调整要求严格； （5）经常的工作制度是“频繁的带钢压下” 。 3. 板带轧机电动压下的结构形式： 四辊冷轧机的电动压下大多采用圆柱蜗轮副传动或两级蜗轮副传动的形式。 在设计中选择压下装置的电动机和减速器配置方案是十分重要的。因为在设计压 下机构时，不仅应满足压下的工艺要求（压下速度、加速度、压下能力及压下螺 丝的单独调整方式等） ，而且还应考虑其他因素，如：电动机、减速器能否布置得 开；换辊、检修和处理事故时，吊车吊钩能否进入；设备检修是否方便等。 2.4 上辊平衡装置上辊平衡装置 平衡装置的作用是消除轧制系统间隙，提升上轧辊，用来大大降低咬入轧件时的 冲击和工作辊的频繁换辊。上滚平衡装置有重锤平衡、弹簧平衡、液压平衡三种形式。 轧机的型式不同，对平衡装置的要求也不一样。 液压平衡装置是由液压缸产生的推力来进行工作的，其优点是结构紧凑，工作灵 敏度高，平衡效果好，在小型冷轧机上广泛使用。 四辊板带轧机上轧辊平衡装置有一下特点： （1）由于工作辊和支承辊之间靠摩擦传动以及工作辊和支承辊的换辊周期不同， 故工作辊和支承辊应分别平衡； （2）上辊移动的行程较小（最大行程是按换辊决定的） ，移动的速度不高； （3）工作辊换辊频繁，平衡装置的设计需要使换辊方便； （4）在单张轧制的可逆四辊轧机上，工作辊平衡装置应满足空载加、减速时工作 辊和支承辊之间不打滑的要求。 本科毕业设计（论文）说明书 13 2.5 轧辊轴承轧辊轴承 轧辊轴承主要形式是滚动轴承与滑动轴承。滚动轴承主要是用双列球面滚子轴承， 四列圆锥滚子轴承。在某些情况下，由于受轧辊轴承尺寸的限制，可采用滚针轴承。 板带轧机上多用滚动轴承。 轧辊轴承与一般轴承的工作条件差别很大，其特点： （1）工作负荷大； （2）运转速度差别大； （3）工作环境恶劣。 2.6 设计方案的确定设计方案的确定 根据所设计的轧机类型、特点和使用实际情况，经综合比较考虑，本设计采用： 不可逆工作制度，驱动工作辊，压下装置为电动压下，上辊为单缸平衡，工作辊轴承 选用双列滚针轴承，支承辊轴承选用四列圆柱滚子轴承。 本科毕业设计（论文）说明书 14 第第 3 章章 设计设计计算计算 3.1 轧制力能主要参数的确定轧制力能主要参数的确定 第一道次加工过程中，钢坯厚度由 2.75mm 被轧制到 1.80mm. （1）本道次压下量 =2.75mm1.80mm=0.95mmh 01 hh （2）本道次压下率 =34.55% 0 h h 100% 0.95 2.75 mm mm 100% （3）平均压下率 由于存在加工硬化现象，在计算冷轧薄板平均单位压力 时，轧件材料变形阻力（对冷轧亦可称为屈服极限）需按考虑加工硬化后的选用。 由于存在加工硬化影响，各道次的变形阻力不仅与本道次变形程度有关，而且还与 前面各道次的总变形程度有关。对本道次来说，沿接触弧也是变化的，出口处比入 口处要大，计算时一般把变形区作为圆弧（或抛物线）变化来计算平均总变形程度 ,按此平均总变形程度来选取平均变形阻力。 m 平均总变形程度计算公式： 01m ab 式中 系数，一般取 0.250.4；a 系数，一般取 0.450.6。b （通常取0.3，0.5。 ）a b 本道入口处的总变形程度（从退火状态开始各道次变形程度的积累） ， 0 ； 0 0 Hh H 本道出口处的总变形程度，； 1 1 1 Hh H 退火状态坯料原始厚度；H 该道次轧制前轧件厚度； 0 h 该道次轧制后轧件厚度； 1 h （4） 金属材料的屈服极限 s 冷轧由于存在加工硬化，各道次的屈服极限不同，由图 3-1 查得低碳钢 Q235 在 本科毕业设计（论文）说明书 15 平均压下率为 20.7%时的屈服极限=460MPa。 s 图 3-1 冷态下变形阻力曲线 （5）无润滑剂时的摩擦系数 在一定的轧制条件下，轧件速度和轧辊圆周速度是不相等的，轧件出口速度比轧 辊圆周速度大，轧件入口速度比轧辊圆周速度小，从而产生前滑和后滑现象。摩擦力 将阻碍金属的变形，摩擦系数对轧制力影响较大，并且是变化的。为计算方便取为常 数，由表 3-1 查得取0.09 表 3-1 冷轧低碳钢时的摩擦系数 （6）金属材料变形抗力 1.15 460529 s kmMPaMPa 式中 m板带轧制时取 m=1.15。 （7）张应力 张力轧制是冷轧带钢的特点，也可以减小轧制力防止带钢跑偏。 本科毕业设计（论文）说明书 16 3 0 0 0 50 10 90.91 2.75 200 T MPa S 3 1 1 1 50 10 138.89 1.80 200 T MPa S 3.2 咬入条件的校验咬入条件的校验 进行轧制时，要经过自然咬入阶段和继续咬入阶段，为了完成正常连续的轧制过程， 轧件与轧辊之间需要满足一定的咬入角。只有轧件被轧辊咬入变形区，轧制过程才能 建立，可分为两个阶段，即开始咬入阶段和已经咬入阶段。根据经验，冷轧薄带钢是 允许咬入角为。由公式5 10 得 0.005 Then L = q * 9.5 n = n + 1 End If Next i Text7.Text = (Val(Text2.Text) * 1.15 - Val(Text3.Text) * (2.71828 (L * 0.09 / Hm) - 1) / (L * 0.09 / Hm) Text5.Text = L Text6.Text = n + 1 End Sub Private Sub Command2_Click() Text1.Text = “ Text2.Text = “ Text3.Text = “ Text4.Text = “ Text5.Text = “ Text6.Text = “ Text7.Text = “ End Sub 程序初始化窗口程序初始化窗口 本科毕业设计（论文）说明书 16 附件附件 1（资料（资料） 多辊轧机轴承的应用及失效对策多辊轧机轴承的应用及失效对策 钢铁轧制工业中, 板材和带材的生产比例已超过 50%, 合金薄带的需求也不断地 增长。在各种轧制设备中, 由于轧制过程中轧辊弹性变形和轧制力较大的原因, 四辊轧 机不适合轧制高强度钢和精密合金的冷轧薄板和薄带。在技术可行与经济性方面, 采用 多辊轧机冷轧薄板和薄带有着无可比拟的优越性。多辊轧机支撑辊轴承的精度和寿命 对轧制薄板带的生产及质量有相当重要的影响。 1 多辊轧机特点多辊轧机特点 与其他类型的冷轧机相比, 多辊轧机具备以下特点: 本科毕业设计（论文）说明书 17 (1) 为减小轧辊的弹性压扁值, 采用小直径的工作辊, 保证轧制薄板带的尺寸。 (2) 采用多辊辊系, 轧制力的分力由多个支点的支承辊传递给机座, 使刚性得到极大的 提高。 (3) 工作机座各部件和轧辊的制造精度高, 整个轧机的调整精度也相当高。 由于多辊轧机特别强调刚性和精度, 因而可以轧制出极薄的钢板, 并保证钢板有极 高的精度和表面质量, 如不锈钢板; 厚度为 0. 1 mm 甚至0 .002 mm的高精度电工硅钢 板等等。 自 1932 年出现第一台多辊轧机以来, 多辊轧机发展很快, 具有不同的结构形状和 几何尺寸, 机型有森吉米尔型、山特维克型, 按辊系可分为六辊、十二辊和二十辊轧机 等, 但最多的是二十辊轧机, 其中又以森吉米尔型为主导。为便于介绍, 以下提及的多 辊轧机均指森吉米尔型轧机。 森吉米尔型轧机的机座牌坊为内部装有成套轧辊的整体结构, 刚性极高, 能够充分 保证工作辊在轧制方向上的稳定性及补偿小直径工作辊的挠度。工作机座是一个复杂 块体, 工作机座包括牌坊、支承辊系、压下装置、磨损补偿机构、辊形控制和平衡机构、 传动装置、导卫、润滑和冷却参数控制系统等。 2 多辊轧机支承辊轴承的应用多辊轧机支承辊轴承的应用 2.1 轴承的结构特点和精度要求轴承的结构特点和精度要求 森吉米尔薄板轧机的支承辊轴承, 自身外圈就直接担负着支承辊的作用, 外圈的厚 度比普通的轴承外圈厚得多, 这种特殊结构使轴承能够具 有相当高的刚性。 支承辊轴承一般是圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承及滚针轴承等, 有单列和多列滚子、 带挡边和无挡边的结构; 滚子有满装和带保持架分隔的。轴承上有润滑孔, 有些轴承的 内圈有一道或多道环形槽。通常森吉米尔支承辊采用圆柱滚子轴承 , 因为其承载能力 要比圆锥滚子轴承高。无挡边或挡圈的圆柱滚子轴承不能承受轴向载荷, 因此需要在外 圈和支承鞍座侧面之间放置青铜或塑料止推垫圈。带有挡边( 或挡圈) 的圆柱滚子轴承 与圆锥滚子轴承能够承受同时作用的径向力和轴向力, 不需要止推垫圈。对于高速轧机,轴 承带有保持架可以分隔并引导滚子; 如果轴承转速较低, 采用满滚子的结构能使轴承在 外形尺寸小的情况下具有大的承载能力。装在同一根心轴上的一组轴承的个数取决于 轧机的尺寸。一根心轴上一般装有 5 7 套轴承。支承辊上各轴承承受轧制分力, 整 个心轴相当于一个刚性多支点梁。 本科毕业设计（论文）说明书 18 多辊轧机要求轴承有很高的制造精度, 一般为 P4 级以上。且安装在同一根心轴 上的轴承/ 有效截面 0 应全部相同, 以使载荷能均匀地分布于与之接触的中间辊和工作 辊的整个长度, 这也是保证薄钢带轧制精度的重要因素。轴承/ 有效截面 0 是指内外圈 厚度与滚子直径的总和。 根据多辊轧机的轧制精度和轴承的尺寸, 一 组轴承的截面高度必须控制在 0. 002 0. 01 mm 的范围内, 按照高度差异为 5 Lm 进行分组, 同时外径的相互差也应控制在 同样的范围内。轴承按截面高度分组后, 在轴承内外圈端面上标出厚度最大的点、轴承 组号和分组公差。注意对应的一组滚动体不能相互混杂。 支承辊轴承外圈为旋转圈, 转速为 150 850 r/ min, 甚至更高。内圈为非旋转圈, 与轴采取松配合, 滚道受载位置的应力循环次数远远大于外圈滚道。因此轴承的内圈应 定期调整位置, 使内圈滚道载荷区的部位不断变化, 延长轴承寿命。 2.2 载荷和寿命分析载荷和寿命分析 一般轴承的寿命计算只适用于安装在实心轴上并且置于刚性轴承座的轴承, 对多辊 轧机, 轴承外圈直接做支承辊, 外径的局部与中间辊接触, 在外载的作用下厚壁外圈会 发生一定的弹性弯曲变形 , 影响滚道上的载荷分布, 从而影响承载能力。 计算滚动体与滚道的接触变形时, 必须考虑外圈径向挠度的影响。按薄壁圆环的平 面弯曲理论,任意角位置 W 处的径向挠度微分方程为 d W/d W+ W= - MR / EI (1) 式中: W 为 W 角处径向挠度;EI 为弯曲刚度,M 为 W 处截面上弯矩;R 为曲率半径。 由（1)式可求解外圈的径向挠度 Ww(D) 又任意位置滚动体与滚道的接触变形 Dn 为 Dn=DrcosW+Ww(Dn) (2) 建立每个滚动体的变形方程, 再加上一个套圈的受力平衡方程, 共 n+ 1 个方程, 解以上的非线性方程组, 可求出各点的接触变形 Dn。 则各点的接触载荷为 Qn =kDn 1.1 (3) 式中: k 为轴承载荷变形常数。 按线接触的额定计算公式分别计算轴承内、外圈的额定载荷 Q ci、 Q ce ,