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机架的类型及其结构参数 5 1 机架的强度计算 5 2 第五章轧机机架 机架的的弹性变形计算 5 3 基本要求 重点与难点 了解轧机机架的类型及其结构 掌握机架强度验算及其弹性变形计算方法 能对机架进行结构选型并提出合理参数 机架结构选型 机架强度校核及其变形计算 机架是轧钢机工作机座中最大的部件 机架承受轴承座传来的全部轧制压力 应有足够的强度和刚度 机架由两块牌坊 连接梁组成 机架特点 5 1 1机架的类型 5 1机架的类型及其结构参数 图5 1机架的主要形式a 闭式机架 b 螺栓联接 c 斜楔联接1 U形架 2 柱楔 3 机架盖 4 联接螺栓 5 紧固螺母 闭式机架与开式机架 闭式机架是一个将上下横梁与立柱制成一体的封闭式整休框架 闭式机架大多是整体铸造的 闭式机架具有较高的强度和刚度 故主要用于轧制力较大或对轧件尺寸要求严格的轧机 如初轧机 板带材轧机 也在质量要求较高的高速线材轧机和型材轧机上得到了广泛应用 采用闭式机架的工作机座 在换辊时 轧辊沿其轴线方向从机架窗口抽出或装入 这种轧机一般设有专用的换辊装置 开式机架则为非整体结构的框架 由机架本体和上盖两部分连接而成 开式机架的结构型式很多 有用螺栓 套环 销轴 立销和斜楔将上盖和U型架连接的各种方式 目前应用最多的是螺栓和斜楔连接 主要用在横列式型材轧机上 开式机架的主要缺点是刚度较差 影响开式机架刚度的关键是上盖的联接方式 螺栓连接与斜楔连接 螺栓联接的开式机架 机架上盖用两个螺栓与机架联接 这种联接方式结构简单 但因螺栓较长 受力变形较大 机架刚度较低 斜楔联接的开式机架 半闭式机架 与上述形式的开式机架相比有以下优点 由于联接件数量少 变形小 使上盖弹跳值减少 联接件结构简单 联接坚固 机架立柱横向变形小 在打紧斜楔后 机架立柱上部被斜楔和机盖止口紧紧挤住 大大减小了立柱的横向变形 5 1 2机架的结构及其主要参数 5 1 2 1机架结构 闭式机架结构 图5 21700热轧带钢连轧机精轧机座机架1 轨座 2 12 机架 3 10 13 螺栓 4 支持辊换辊小车 5 横梁 6 8 键 7 滑板 9 箱形横梁 11 支持辊轴向压板 14 测压头 15 下横梁 开式机架结构 图5 4650型钢轧机斜楔联接的开式机架结构1 上盖 2 销钉 3 12 U型架 4 斜楔 5 拉紧螺栓 6 横梁 7 滑板 8 上鞍形垫板 9 下鞍型垫板 10 中间梁 11 销轴 预应力机架一液压螺母锁紧拉杆 连接上下半牌坊刚度较好 图5 5预应力机架 5 1 2 2机架的主要参数 图5 6机架的主要参数和立柱断面形状 1 机架窗口高度H 2 机架立柱的截面积 断面形状 正方形 矩形 工字形和T字形 断面尺寸与机架强度 刚度有关 由于辊颈上支反力等于牌坊立柱轴向受力 牌坊强度 立柱断面积A大 轧机刚度大 4 2机架的强度计算 1 计算方法 实测法 电测法 光弹性试验法 真应力 动态响应计算 有限元 边界元 板条元 真应力场 应变场 材料力学粗算 静应力 以机架各截面中性轴连线组成框架 将机架简化成平面刚架 确定外力的大小及作用点 根据结构和受力特点简化模型 降低静不定阶数 根据变形协调条件 用材料力学方法求解静不定力 根据计算截面的面积 惯性矩和承受弯矩 拉力大小求出应力 验算强度 2 材力法计算机架强度步骤如下 5 2 1闭式机架的强度计算 轧制力通过轧辊轴承 压下螺丝和底座分别作用在机架的上 下横梁上 轧件咬入或加 减速轧制所产生的惯性力作用在机架的立柱上 带张力轧制时 由前 后张力差所引起的水平力作用于机架的立柱上 异径轧制 异步轧制和单辊传动的轧制方式 由于轧制力的倾斜而产生的水平分力作用干机架的立柱上 各种水平力所形成的倾翻力矩在机架下支撑面上所引起的反力 1 作用在机架上的力 图5 7机架受力分析a 非对称力系 b 对称力系 简化模型 平面刚架 每片机架只是在上 下横梁的中间截面处作用有垂直力P 此两力大小相等方向相反 并作用在同一直线上 此时 由于机架外载荷对称 故不受倾翻力矩的作用 机架的形状以窗口的垂直中心线对称 且不考虑由于上 下横梁惯性矩的差别所引起的水平内力 上 下横梁和立柱的交界处 转角处 是刚性的 即机架变形后机架转角仍保持不变 2 为了简化机架强度计算 一般作以下假设 图5 8 M0计算简图及机架弯曲力矩图 5 2 1 1静不定力矩的计算 5 2 1 2闭式机架的弯矩图 由机架立柱所受弯矩M2的计算公式可以看出 增加横梁的惯性矩I1 减少立柱的惯性矩I2可降低M2的值 所以现场板带轧机机架立柱采用近似正方形的立柱截面 可节省机架的材料 5 2 1 3闭式机架的强度校核 上 下横梁受弯矩作用 横梁中部外缘为危险截面 应力为 立柱即受拉 弯组合变形 其内侧的合成拉应力为 5 2 2二辊开式机架的强度计算 图5 9二辊开式机架的弯矩计算图a 二辊机架结构及受力图 b 弯矩计算图 c 二辊轧机机架合成弯矩 静不定力根据下面变形条件决定 根据单位力法求变形可得下列积分方程 5 14 5 15 显然 下横梁的弯曲力矩 静不定力F 下横梁中间截面弯曲力矩最大 其值为 下横梁上的最大弯曲拉应力位于中间截面外缘 立柱上的弯曲力矩 立柱上最大弯曲力矩发生在下横梁与立柱的连接处 其值为 立柱同时承受拉 弯组合作用 立柱内侧最大拉应力 上横梁上的最大弯曲力矩也位于其中点 其值为 上横梁上的最大弯曲拉应力位于中间截面的外缘 5 2 3预应力机架的强度计算 图5 10三辊预应力机架受力图a 预应力机架轧制受力总图 b 预应力机架上 下框架弯矩图 拉杆是强度计算的薄弱环节 其应力值为 上横梁中部外缘有最大拉应力 下横梁中部外缘有最大拉应力 立柱的下部分外侧有最大拉应力 5 2 4机架强度计算的精确方法简介 有限单元法 把实际中的弹性连续体离散化为由有限个单元组成的集合体 按结构矩阵分析的力法或位移法求解 光弹性实验法 由光学和弹性理论相结合对复杂零件应力分析的实验方法 图5 11牌坊应力集中部位示意图a 闭式牌坊 b 半闭式牌坊 闭式机架 上横梁压下螺母孔的过渡园角处 图中A点 是机架应力集中最剧烈的部位窗口中立柱与横梁过渡处也是机架应力集中的另一个部位 半闭式机架 半闭式牌坊应力集中最严重的部位在楔槽转角处 当上轧制线轧制时 上盖楔槽转角c处应力集中最剧烈 当下轧制线轧制时 立柱楔槽转角d处应力集中最剧烈 其应力值为材料力学方法计算值的近4倍 牛腿根部的e点是应力集中的另一部位 其应力值为材料力学方法计算值的2倍 5 2 5机架的材料及安全系数 机架一般采用含碳碳量为0 25 0 40 ZG35材料 其强度极限 12 16 3 5 l05N m m2 500 600MPa 屈服极限 280MPa 延伸率 机架的安全系数为 通常 铸钢材料强度极限与其屈服限的比值近似为 2 2 5 当轧辊的安全系数取5时 则机架的安全系数取10 12 5 对于ZG35来说 许用应力 采用以下数值 5 3机架的的弹性变形计算 图5 12闭口机架变形计算示意图a 机架变形简图 b 机架横梁的等效悬臂梁 c 机架立柱的等效悬臂梁 5 3 1机架在垂直方向的变形 机架在垂直方向的变形是由弯矩产生的横梁弯曲变形 剪切力产生 和拉力产生的立柱拉伸变形 三部分组成 的横