5000mm热轧宽厚板四辊可逆式轧机辊系设计--毕业设计

太原科技大学本科毕业设计说明书太原科技大学本科毕业设计说明书 5000mm5000mm 热轧宽厚板四辊可逆式轧机辊系热轧宽厚板四辊可逆式轧机辊系 设计设计 Design of four roller reversible rolling mill of hot rolling heavy plate 5000mm 学 院 系 机械工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 冶机 学 生 姓 名 学 号 7 指 导 教 师 指 导 教 师 完 成 日 期 2014 年 6 月 1 日 太原科技大学 Taiyuan University of Science and Technology 摘 要 随着经济社会的发展 特别是战争年代 大型战舰 大型战机的制造需要 对钢材的尺寸要求也越来越大 这样就催生了人们对大型轧材的研究与探索 大型宽厚板应运而生 在航空母舰 大型水面战舰的制造上对 宽厚板 特别 是 5 米宽厚板的需求是巨大的 由此如雨后春笋般出现的的 5m 宽厚板轧机的 研究与投产更是越来越多 一个宽厚板生产流水线 包括开坯粗轧机 精轧机 保温坑 冷却装置 切割机等等 本设计主要只对轧机组进行设计 本设计主 要介绍了 5000mm 热轧宽厚板四辊可逆轧机的轧制力 支承辊与工作辊尺寸 轴承寿命和弯辊装置计算 本说明书按照设定的最大轧制力和产品规格参数设 计计算了 5000mm 宽厚板轧机的轧辊的尺寸参数 轴承寿命和的基本参数以及 校核 选择了轴承结构与类型 轧辊平衡装置也进行了相关设计计算 其中轧 辊尺寸确定是根据来料的规格尺寸确定的 轧辊轴承的确定根据轧机在轧制过 程中的受力状况 工作条件所确定的 轧制力的计算采用了艾克伦德公式 关键词 宽厚板 轧机设计 辊系设计 弯辊装置 5000 hot rolled heavy plate four reversing mill roll system design Abstract With the development of economy and society especially in wartime large warships large aircraft manufacturing needs the size requirements for steel is also growing This gave birth to the people to study and exploration of large rolled Large heavy plate came into being On aircraft carriers surface warships manufacturing right heavy plate especially 5 meter wide slab demand is huge thus mushroomed 5m heavy plate mill of the research and production is increasing A heavy plate production lines including the breakdown roughing mill finishing mill heat pits cooling devices cutting machine and so on The design of the main groups only mill design the design introduces a heavy plate rolling force 5000mm hot rolling four high reversing mill the size of the backup roll and work roll and roll bending device bearing life calculation In accordance with the instructions set maximum rolling force and product specifications designed to calculate the dimensions 5000mm heavy plate rolling mill rolls bearing life and the basic parameters and checking select the bearing structure and the type of roll balancing devices have also been relevant design calculations Determine which roll size is determined according to the size of the incoming specifications Roller bearing is determined during rolling mill according to the stress condition determined by the working conditions Rolling force calculation using the formula Ike Lund Key Words Heavy plate mill design roll system design roll bending device 目 录 摘 要 I Abstract II 1 文献综述 1 1 1 国内 1 1 1 1 国内宽厚板产业先驱 鞍钢股份有限公司 1 1 2 国外 2 2 轧辊设计 6 2 1 轧辊结构与尺寸 6 2 1 1 轧辊的结构 6 2 1 2 轧辊辊身尺寸 6 2 1 3 轧辊辊颈尺寸 d 和 l 的确定 7 2 2 轧辊力能参数计算 8 2 2 1 基本参数 8 2 3 轧辊材料选择 9 2 4 艾克伦德方法计算轧制时的平均单位压力 10 2 4 1 变形阻力 10 2 4 2 变形速度 10 2 4 3 轧制压力 11 2 5 轧辊传动力矩 12 2 6 小结 13 3 轧辊强度校核 14 3 1 影响轧辊强度的因素 14 3 2 小结 17 4 轧辊轴承 18 4 1 轴承的选择 18 4 2 轴承寿命计算 18 4 3 小结 19 5 轧辊弯辊装置 20 5 1 液压弯辊装置 21 参考文献 22 致 谢 24 1 1 文献综述 有句话是这么说的 战争年代 工业的发展速度和创新水平都能得到很大 的提高 宽厚板的发展也是如此 最初由于战舰 航空母舰等武器装备的发展 对于钢板的质量 强度以及厚度等要求越来越高 宽厚板轧机在这期间得到了 很大发展 和平年代 应大型桥梁 核电站 大型水坝 油田钻井平台 大型机械等 领域的需要 宽厚板得到了更广泛的应用 这也促进了宽厚板行业的迅猛发展 厚钢板产量从2004年的821 26万吨发展到2009年的1874 86万吨 增长了 128 3 而今年也继续保持增长趋势 前10个月的产量就已经达到1860 9万吨 特厚板的产量增长速度也比较快 从2004年的180 01万吨增至2009年的474 56 万吨 增长幅度达163 6 今天1 10月份的产量达393 1万吨 而在2000年的时 候 我国特厚板产量仅为71 43万吨 从2003年以后 随着我国经济的高速发展 国内也相继投产了一批具有世界先进水平的特宽厚板轧机 之后一直到2007年 我国特厚板的产量也以每年百分之三十几的速度增长 1 1 国内 1 1 1 国内宽厚板产业先驱 鞍钢股份有限公司 鞍钢集团总经理张晓刚曾说过 鞍钢发展史是中国钢铁工业发展的一个缩 影 可以说 只要有重大工程建设 就能看到鞍钢的身影 他这句话一点不 假 鞍钢是我国最早的钢铁生产基地 始建于1916年 前身为日伪时期的鞍山 制铁所和昭和制钢所 但新鞍钢公司是在1949年7月9日成立的 发展至今已有 六十多年的历史 作为钢铁长子 其发展也历经了涅槃般的重生 成为目前我 国四大钢铁集团之一 在这几十年的发展过程中 鞍钢创造了无数个第一 那 里诞生过新中国第一根无缝钢管 第一根重轨 第一座现代化高炉 伴随着 被誉为 世界轧机之王 的5500mm 特宽厚板轧机线投产 鞍钢又拥有了我国第 一条5000mm 以上宽厚板轧机 鞍钢始终把眼光放在长远发展上 可以说鞍钢是 我国中厚板尤其是宽厚板生产企业的先驱 鞍钢5米轧机生产线由中国一重集团与德国西马克 德马格 SMS Demag 公司联合设计 粗轧机 精轧机等核心设备由一重制造 冷床 翻板机 辊道 由中冶长城重机制造 采用了热装热送 板型控制等13项先进技术 轧制力为1 万吨 生产钢板尺寸宽度为900 5300mm 厚度为5 150mm 最厚可达450mm 长度 为3 25米 主要生产宽度4米以上军民用高强度宽厚船用钢板 舰艇板 核电用 特种钢板 耐大气腐蚀板 大口径油气焊管和模具板等高技术含量 高附加值 产品 该轧机的成功制造 有助于打破国外特种钢材对我国的封锁 将对推动 2 我国石油 天然气运输 造船及国防建设等领域起到重要作用 轧钢机是将钢坯钢锭轧制成钢材 管 板 型 丝 的成套设备 分为钢 管轧机 板带轧机 型钢轧机 线材轧机 薄板坯连铸连轧等类型 钢板是钢 材四大品种中用途最广泛的一种 按生产工艺分为热轧钢板和冷轧钢板 按厚 度可分为薄板 厚度20 60毫米 特厚板 厚度 60毫米 最厚达700毫米 在实际工作中 中板和厚板通称为 中厚板 中厚板生产属于热轧工艺 主要有中厚板轧机 热连轧机组和炉卷轧机等 三种方式 中厚板轧机是普遍采用的生产设备 通过轧机中的上下轧辊咬合碾 压经过加热的钢坯 最终轧制成钢板 轧机按照轧辊辊面宽度可分为 1800mm 2300mm 2800mm 3300mm 3800mm 4300mm 4800mm 以及5300mm 等8 个级别 每个级别可上下调整200mm 宽厚板轧机主要是指辊面宽度达到2800mm 以上的宽幅中厚板轧机 辊面宽度达到4800mm 以上的轧机 又被称为特宽厚板 轧机 最大规格可达5500mm 沙钢5000mm 轧机是我国第二条5米级厚板生产线 于2003年4月开始筹建 项目总投资42亿元 分两期建设 一期设计产能180万吨 二期提高到 200万吨 总体设计由中冶赛迪负责 主体设备由西门子奥钢联 ABB 提供 厂区占地55 万平方米 主车间厂房长1356米 宽276米 一期工程于 2006年12月投产 主 要设备包括 一台5050mm 带附着式立辊的四辊可逆式精轧机 最大轧制力 10000吨 机架牌坊重536吨 为拼焊结构 两座 245t h 步进式加热炉 一套 MULPIC 控制冷却系统 一台四重9辊全液压热矫直机 一台四重11辊全液压冷 矫直机 一座54 76m 冷床 一座宽 38 27m 冷床以及由切头分段剪 滚切式 双边剪 剖分剪 定尺剪组成的高效剪切线和配套设施 此外 湖南华菱湘潭钢铁集团 河南舞阳钢铁也都陆续投产5000mm 宽厚板 生产线 1 2 国外 轧钢机的出现和发展已经经历了几百年的时间 宽厚板轧机只是其中的一 个分支 据记载 1480 年意大利人达 芬奇 Leonardo da Vinci 曾设计出轧机 的草图 1766 年英国人帕内尔 J Purnell 在轧制铅片的手遥式轧机基础上 设计 出用于轧制熟铁棒材的双辊轧机 1783 年英国人科特 H Cort 制造出水轮驱动 的二辊式型材轧机 使得型材轧制很快发展起来 1779 年 J 皮卡德用蒸汽机 驱动轧机 极大提升了轧机的应用能力 1854 年欧洲建成用蒸汽机传动的二辊 可逆式中厚板轧机 1864 年美国建成三辊劳特式中厚板轧机 1891 年 美国钢 铁公司建成世界第一台四辊可逆式中厚板轧机 1897 年 德国人采用电动机取 代蒸汽机用以驱动轧机并取得成功 1910 年捷克维特科维采哥特瓦德钢铁公司 3 投产了一套 4500mm 二辊式厚板轧机 1912 年苏联日丹诺夫依里奇冶金工厂也 建成了一套同样的轧机 20 世纪的两次世界大战中 庞大的军火需求极大推动 了轧机发展 世界上陆续出现了双机架 半连续式 连续式中厚板轧机 二战 后进入冷战对抗 美国 苏联 德国 日本又相继建成一批 4100 55000m 的宽 厚板轧机 历史上 各个国家建设特宽厚板轧机的一个主要目的 是为航 空母舰 战列舰等武器供应造船用大尺寸宽厚钢板 由于航空母舰飞行甲板需 要承受战机降落时的强大冲击力 战列舰 巡洋舰等大型军舰都需要安装大面 积的装甲钢板 这就需要钢板尺寸尽量加长加宽 以减少焊接工作量 为此 美国 苏联 德国及日本等国家在战争推动 都建设了大型宽厚板轧机 早在 1918 年 美国为了建造航空母舰 在宾夕法尼亚州卢肯斯 Lukens 钢铁公司科茨维尔钢厂投产了一台当时世界最大的 5230mm 四辊式厚板轧机 这也是全球第一台 5 米以上特宽厚板轧机 为美国大批建造航母和战列舰提供 了优质大单重舰船用宽厚钢板 1922 年诺福克海军工厂用运煤船加装飞行甲板 改制成美国第一艘航空母舰 兰利号 从 1922 年至 1950 年间 美国凭借强 大的工业实力共新建改建了 46 艘航母及上百艘护航航母 最终赢得二战胜利 1935 年德国突破一战限制 开始建造俾斯麦级战列舰 其侧舷装甲高 8 4 米 采用克虏伯公司制造的 320 毫米 KCn A 表面渗碳硬化钢 全舰装甲钢板重 达 17450 吨 为建造更大型的 H 级战列舰 1938 年由克虏伯公司在多特蒙德的 赫尔德 Horde 钢厂建成一台 5000mm 四辊式特宽厚板轧机 以提供造船钢板 前苏联为了备战 于 1940 年在莫斯科镰刀和锤子 Serp i Molot 炼钢厂投产一 台 5300mm 四辊式厚板轧机 大量生产坦克和军舰用装甲钢板 在卫国战争中 做出了重要的贡献 1940 年前 意大利冶金公司特尔尼厂投产了一台 4600mm 二辊式厚板轧机 1941 年日本为扩大侵略战争 耗费巨资从德国进口了一台 1 4 万吨自由锻造水 压机 以及一台德国 DEMAG 公司制造的蒸汽机传动 5280mm 四辊式特宽厚板 轧机 安装在日本制钢所室兰工厂 用以加速建造航空母舰和巨型战列舰 其 整铸机架牌坊重达 230 吨 可轧制 350mm 厚的钢板 1937 年日本开始在吴海 军工厂三号船渠建造大和级战列舰 侧舷装甲采用 410 毫米维氏硬化钢 由万 吨水压机轧制 主炮防护盾正面装甲更是厚达 650 毫米 全舰装甲钢板重达 22895 吨 占全舰正常排水量的 33 在此期间 英国 法国 捷克及西班牙 等国家也相继投产了一批宽厚板轧机 由此掀起一个建造航母和大型战舰的高 潮 这是第二次世界大战中大西洋海战和太平洋海战的前奏 二次大战后 随着机械制造 造船 桥梁 建筑 高压容器及大直径油气 管线等行业的发展 世界共掀起过三次宽厚板轧机发展高潮 第一次在美国 朝鲜战争后期 美国撤销了二战后不再建造大型航母的决 定 1952 年美国为建造 福莱斯特 级航母 在印第安纳州的格里 Gary 钢厂 4 投产了一台 5335mm 厚板轧机 到上世纪 60 年代前后 美国共新建成 16 台以 160 英寸 4064mm 二辊式加四辊式双机架为主的中厚板轧机 其中 5 米以上级 特宽轧机 1 台 4064mm 轧机 7 台 3 米级轧机 4 台 以及 3 米以下中板轧机 4 台 另外有 8 台轧机经过现代化改造 其中 5 米以上特宽轧机 1 台 4064mm 轧机 2 台 3 米级轧机 3 台 以及 2 米级轧机 2 台 还淘汰了若干台三辊劳特 式中板轧机 10 年间使美国中厚板生产面貌发生了很大的变化 产量猛增 到 1957 年中厚板产量已提高至 1000 万吨以上 品种迅速扩大 生产出高强度船 板 高韧性潜艇用板 高耐候桥梁板以及 X80 大口径直缝焊管用板 带动了长 输管线的建设 在 1961 年至 1969 年间 新建成 8 套直径达 406 1219mm 的直 缝焊管机组 在此期间 美国先后建成 7 艘大型航母 为冷战时期建设一支全 球海军奠定了物质基础 前苏联为了加快海军的现代化 于 1946 年将从德国拆回的 5000mm 厚板轧 机在下塔吉尔钢厂迅速投产 并于 1984 年在伊诺尔斯克 Izhorskiye 钢厂投 产一台 5000mm 四辊式厚板轧机 专门生产航空母舰和各种大型舰船用厚板 1962 年法国敦克尔克钢厂新建一台 4320mm 单机架轧机 1984 年进行技术改造 时 新建一台 5000mm 精轧机 组成 4320mm 5000mm 双机架轧机 并于 1985 年投产 为戴高乐级航母提供了钢板生产条件 1970 年德国迪林根 Dillingen 钢厂新建一台 4300mm 精轧机 并预留出粗轧机位置 但 1985 年 扩建时增建一台 5500mm 粗轧机 德国 DEMAG 制造 发现粗精轧机尺寸差 太大 于是把 4300mm 精轧机换成 4800mm 组成 5500mm 加 4800mm 双机架 轧机 精整线也做了相应修改 上世纪七八十年代日本经济崛起 掀起了全球第二次中厚板轧机的建设高 潮 短短几年间便新建成 17 台 4700mm 以上级四辊式双机架轧机 其中包括 4 台世界最大规格的 5500mm 特宽轧机 5 台 4 7 米级轧机 l 台 4 2 米级轧机 还有 7 台 2 3 米级中板轧机 上世纪 50 年代日本中厚板年产量只有 200 多万吨 到 1974 年已经达到 2030 万吨 使日本中厚板生产走向现代化 促使日本机械 船舶 汽车 家电 交通及建筑等各个领域得到迅速发展 尤其是生产船用钢 板的 5 台 4 7 米级轧机 每台年产能达到 200 多万吨 有力地推动了日本造船 工业的发展 使日本造船吨位迅速达到 1000 万吨以上 攀上世界第一造船大国 的宝座 1970 1976 年间 世界油价高起 为降低运输成本 需要建造 30 50 万 吨级的超级油轮和长距离的大口径油气输送管线 日本四大钢铁公司一口气建 成 4 台世界最大规格的 5 5 米级特宽厚板轧机 分别安装在住友金属鹿岛厂 新日铁大分厂 川崎制铁水岛厂和日本钢管扇岛厂 主要生产特大油轮用宽板 和大口径直缝焊管 这类单机架轧机年产能高达 150 万吨上 使日本一举成为 5 全球钢材出口大国 30 多年过去了 这些轧机尽管已经老旧 但在日本企业不 断进行技术改造的条件下 依然保持着良好的产品声誉 2003 年开始 世界第三次中厚板轧机建设高潮在中国大地上掀起 至 2009 年 10 月末 全国共建成投产了 2800mm 至 5500mm 四辊式单机架或双机架中 厚板轧机共 35 台 其中 5000mm 以上级别轧机 4 台 4100 4300mm 轧机 9 台 3800mm 轧机 6 台 3500mm 轧机 12 台 含单机炉卷 3 台 另外还有 2800mm 级轧机 4 台 2003 年前已经投产的 26 台中厚板轧机也都经过了不同程度的技 术改造 此外规划建设的 5000mm 以上轧机还有 7 台 6 2 轧辊设计 2 1 轧辊结构与尺寸 2 1 1 轧辊的结构 轧辊是轧钢机的主要部件 轧辊由辊身 辊颈和轴头三部分组成 辊颈安 装在轴承中 并通过轴承座和压下装置把轧制力传给机架 轴头和连接轴相连 传递轧制扭矩 图2 1工作辊结构 图2 2 支承辊结构 1 辊身 2 辊颈 3 轴头 2 1 2 轧辊辊身尺寸 工作辊的辊颈主要以承受扭矩为主 需要有较高的强度 支承辊辊颈主要 是承受轧制压力 需要有较高的强度和刚度 一般的 现代中厚板轧机工作辊 辊颈直径取 板带轧机轧辊的 L 与 D 板带轧机轧辊的主要尺寸是辊身长度 L L 也标志着板带轧机的规格 和 直径 D 决定板带轧机轧辊尺寸时 应先确定辊身长度 然后再根据 强度 刚 度和有关工艺条件确定其直径 辊身长度 L 应大于所轧钢板的最大宽度 即 7 2 1 abL max 式中的 a 值视钢板的宽度而定 当 bmax 400 1200mm 时 a 100mm 当 bmax 1000 2500mm 时 a 150 200mm 当钢板更宽时 a 200 400mm 支承辊直径的确定主要考虑轧机辊系的刚度要求 支承辊直径小 会降低 辊系的刚度 增大轧件的横向厚度公差 还有可能使上下工作辊辊身边部压靠 产生啃边现象 造成轧辊非正常损坏 通常支承辊辊径与工作辊辊径之比为 1 6 2 0 为了保证轧辊的强度和刚度 在选择轧辊直径时应该同时考虑辊身长度的 影响 工作辊辊身长度与辊径之比通常取 3 2 4 5 支承辊辊身长度与辊径之 比通常取 1 3 2 5 不考虑窜辊时 工作辊辊身一般比支承辊辊身长 150 300mm 4900 200 400 5100 5300mm g L 取 L 5100mm 3 2 4 5 2 2 g L D 5100 3 2 4 5 Dg 1133 33 1593 75 g D 取 1200mm g D 1 6 2 0 2 3 zg DD 1200 1 6 2 0 Dz 1920mm 2400mm z D 取 Dz 2100mm 2 4 150 300 zg LL Lz 1950mm 4800mm 取 Lz 4900mm 2 1 3 轧辊辊颈尺寸 d 和 l 的确定 辊颈直径d和长度l与轧辊轴承型式及工作载荷有关 由于受轧辊轴承径 向尺寸的限制 辊颈直径比辊身直径小得多 因此辊颈与辊身过渡处 往往是 轧辊强度最差的地方 只要条件允许 辊颈直径和辊颈与辊身的过度圆角 r 均 应选大些 工作辊的辊颈主要以承受扭矩为主 需要有较高的强度 支承辊辊颈主要 是承受轧制压力 需要有较高的强度和刚度 一般的 现代中厚板轧机工作辊 辊颈直径取 8 2 5 0 6 0 65 dD 2 6 0 83 1 0 l d 支承辊辊颈直径取 2 7 0 75dD 2 8 0 75 0 9 l d 计算得 dg 720 780mm 取 dg 750mm lg 622 5mm 750mm dz 1575mm 取 dz 1540mm lz 1155 1386mm 2 9 0 6 0 65 dD 2 10 0 83 1 0 l d 支承辊辊颈直径取 2 11 0 75dD 2 12 0 75 0 9 l d 计算得 dg 720 780mm 取 dg 750mm lg 622 5mm 750mm dz 1575mm 取 dz 1540mm lz 1155 1386mm 轴头尺寸的确定 2 2 轧辊力能参数计算 2 2 1 基本参数 见图 2 2 9 图 2 2 变形区几何图形 轧辊直径 毫米 mm D 轧辊半径 毫米 mm R 轧制后轧件高度 毫米 mm 1 h 轧制前轧件高度 或称厚度 毫米 mm 0 h 压下量 或称绝对压下量 毫米 mm h 10 hhh 咬入角 2 D h 1cos 13 咬入弧 接触弧 水平投影长度 毫米 mm l 4 2 h hRl 已知 mm 轧制速度为 v 1 256m s 取 1200 g Dmm 80 0 h 1 30 g h D 则 mm 40h 1 24040200hmm 由 2 13 可得 cos1 2 h R 16 26 2 3 轧辊材料选择 常用的轧辊材料有合金锻钢 合金铸钢和铸铁等 其中热轧轧辊用钢有 552Mn 55 60 60CrCrMnMoSiMnMo 在热轧可逆轧制中所需要的性能主要是高硬度 耐磨性 耐压痕和抗热裂 其中 带钢热轧机的工作辊选择轧辊材料时 以辊面硬度要求为主 多采用铸 10 铁轧辊或在精轧机组前几架采用半钢轧辊以减缓辊面的糙化过程 而支承辊在 工作中主要受弯曲 且直径较大 要着重考虑强度和轧辊淬透性 因此 多选 用含合金锻钢 本轧机轧辊材料选择为 552MnCr 2 4 艾克伦德方法计算轧制时的平均单位压力 2 4 1 变形阻力 变形阻力 k 是材料本身抵抗塑性变形的能力 影响变形阻力的因素除材料 的化学成分外 主要是变形条件 变形温度 变形速度与变形程度 的影响 它与应力状态无关 计算公式为 140 01 1 40 3 ktCMnCr 2 14 式中 轧制温度 t 含碳量 C 含锰量 Mn 含铬量 Cr 宽厚板为碳钢 得知 2 0 5 0CMnCr 代入 2 14 公式可得 14 0 01 1100 1 4 2 0 5 4 275k 2 kg mm 2 4 2 变形速度 相对变形 变形程度 对时间的导数 即单位时间内的相对变形量称为变 形速度 用表示 计算公式为u 2 15 h vh u l H 2 16 lR h 其中 为变形区长度l 式中 轧件出口速度 h v mm s 11 最大压下量 h 轧辊半径 R 轧件出口速度 中厚板生产中由于轧件较长 为操作方便 可采用梯形速度图 咬入速度20 而轧制速度 1 256 1 n minr 60vDn m s 本轧机乃精轧机组轧机 根据来料和成品的规格尺寸 进料规格 320mm 1300mm 2600mm 成品规格 150mm 4800mm 25000mm 设定粗轧机的压下量为 80mm 精轧机压下量为 40mm 40 240 155h mmH mml mm 代入式 2 15 得 1 35u mm s 2 4 3 轧制压力 轧制总压力等于单位压力及单位摩擦力在合力方向上的投影沿接触弧的p 积分和 由于大多数情况下金属作用在轧辊上的总压力是垂直方向 或者倾斜 不大 因此可以近似地认为金属作用在轧件上的总压力等于其垂直分量 即等 于单位压力及单位摩擦力的垂直分量 即等于单位压力及单位摩擦力的垂直分 量沿接触弧的积分 艾克伦德方法提出了计算轧制时的平均单位压力 公式为 2 17 1 m Pm ku 式中 考虑外摩擦对单位压力的影响系数m 轧制材料在静压缩时变形阻力 k 轧件粘性系数 变形速度u 其中 2 18 9 8 140 011 4 KtCMn 2 19 2 h v R u Hh 2 20 0101 01 1 61 2 R hhhh m hh 2 21 0 1 140 01 t 12 根据上式 2 18 2 19 2 20 2 21 可得 41 895k 1 474u 0 721m 0 3s 由此可以用艾克伦德公式求出平均单位压力 72 86p MPa 轧制力 pPF 其中接触面积 根据已知数据可以计算出 2 B b FR h F 2 mm 5 53 104p KN 2 5 轧辊传动力矩 驱动一个轧辊的力矩为轧制力矩与轧辊承接处摩擦力矩之和 k M z M 1 f M 2 22 1 1kzf MMMP ap 2 23 sin 2 D a 2 24 11 2 D p 式中 轧制力p 轧制力力臂 即合理作用线距两个轧辊中心连线的垂直距离 a 轧辊轴承处摩擦圆半径 1 p 轧辊直径D 轧辊轴颈直径d 合力作用点的角度 轧辊轴承摩擦系数 1 工作辊为滚动轴承 0 004 1 13 将轧辊直径 1200带入上面三式得 mm 2 4 1 p mm 变形区长度155 总压力作用点在接触弧上的作用点在接触弧中心 l mm 简单轧制除了轧辊给轧件的力外 没有其他外力 所以两个轧辊对轧件的法向 力 和摩擦力 的合力必然是大小相等 方向相反 且作用在一 1 N 2 N 1 T 2 T 1 2 p p 条直线上 该直线垂直于轧制中心线 轧件才能平衡 所以 77 5 2 l a mm 由已知条件得 2 4 5 53 104 可得77 5amm 1 p mmP KN 4 42 109 K M N mm 2 6 小结 本章主要介绍了轧辊的结构形式 详细说明了以及工作辊支承辊的的尺寸参数 确定方式 确定了轧制过程中轧辊的受力参数 以及艾克伦德公式 14 3 轧辊强度校核 3 1 影响轧辊强度的因素 设计轧机时 通常是按工艺给定的轧制负荷和轧辊参数对轧辊进行校核 由于对影响轧辊强度的各种因素 如温度应力 残余应力 冲击载荷值等 很难准确计算 为此 设计时对轧辊的弯曲和扭转一般不进行疲劳校核 而是 将这些因素纳入轧辊的安全系数中 为了保护轧机其他重要部件 轧辊的安全 系数是轧机各部分中最小的 为防止四辊板带轧机轧辊面剥落 对工作辊和 支承辊的接触应力应该做疲劳校验 四辊轧机 由于有支承辊 给轧辊计算带来了新的特点 首先是工作辊与 支承辊之间有弯曲载荷分配问题 其次是工作辊与支承辊之间存在着相当大的 接触应力 四辊轧机的支承辊与工作辊直径之比一般在 1 5 到 2 9 范围内 显然 支承 辊的抗弯断面系数较工作辊大得多 即支承辊有很大的刚性 因此轧制时的弯 曲力矩绝大部分由支承辊承担 在计算支承辊时 通常接受全部轧制力的情况 考虑 由于四辊轧机一般是工作辊传动 因此对于支承辊只需计算辊身中部和 辊颈断面的弯曲应力 图 3 1 四辊轧机支承辊计算简图 支承辊的弯曲力矩和弯曲应力分布见图 3 1 在辊颈的 1 1 断面和 2 2 断 面上的弯曲应力均应满足强度条件 即 15 3 1 Rb d PC 3 11 1 1 1 2 0 3 2 Rb d PC 3 22 2 22 2 0 式中 P 总轧制压力 1 1 2 2 断面的直径 2211 dd 1 1 2 2 到断面支反力 P 2 处的距离 21 CC 许用弯曲应力 Rb 由于在计算轧辊强度时未考虑疲劳因素 故轧辊的安全系数 n 5 轧辊的 许用应力可参考以下数据 对于合金锻刚轧辊 当强度极限 750 时 许用应力700 b 2 mmN Rb 14 15 2 cmKN 对于铸铁轧辊 当 350 400时 许用应力 Rb 7 8 b 2 mmN 2 cmKN 辊身中部 3 3 断面的弯曲应力 3 3 Rb L l D P z 2 4 0 0 3 3 3 式中 个压下螺丝的中心距 6410 0 l 0 l mm 以重车后的最小直径代入 z D 将 mm mm 5 53 104 mm 2100mm 100 1 C500 2 Cp KN 1060 11 d 2 2 d mm 代入得20901102200 z D Rb 1 10 11 Rb 48 8 22 在计算时 认为支承辊两个轴承支反力间的距离 等于两个压下螺丝的中l 16 心距 而且把工作辊对支承辊的压力简化为均布载荷 0 l 由于支承辊承受弯曲力矩 故工作辊只考虑扭转力矩 即只计算扭转端的 扭转应力 扭转应力 3 4 k k W M 式中 作用在一个工作辊上的最大传动力矩 k M 工作辊传动端的扭转断面系数 k W 4 220593929 32 3 1 g k D W 四辊轧机在工作时 支承辊与工作辊两圆柱面之间有很大的接触应力 在 计算轧辊时 应对此交变局部应力进行疲劳强度校验 见图 3 4 图 3 2 轧辊接触应力与深度的关系 半径方向产生的法向正压力在接触表面的中部最大 其值可按赫茨方程式 求得 3 5 2121 2 21 max rrKK rrq 式中 加在接触表面单位长度上的负荷 q 相互接触的两轧辊的半径 1 r 2 r 与轧辊材料有关的系数 1 K 2 K 1 2 1 1 1 E K 2 2 2 2 1 E K 式中 两轧辊材料的泊松比和弹性模量 1 2 1 E 2 E 17 一般取 0 3 则公式 2 15 可简化为 3 6 21 21 418 0 max rr rrEq 将 43 GPa mm mm 代入 2 16 得q 2 mm N212 E 1 600r 2 1050r 2 cm 5 196maxKN 此应力虽然很大 但对轧辊不致产生很大的危险 因此在接触区 材料的 变形近似于三项压缩状态 能承受较高的应力 在接触区还存在切应力 为保证轧辊表面不产生疲劳破坏 应小于 max 许用值 3 7 max304 0 max 将代入 2 17 得 2 cm 5 196maxKN 7 59max 支承辊辊面硬度为45 50Hs 所以许用应力 61 2 cm KN 综上所述轧辊强度足够 3 2 小结 为了保证轧辊和轧机设计的可靠性和轧辊的安全性 在设计过程中必须进行轧 辊的校核 其中包括轧辊弯曲用力和接触应力 本章主要校核了轧辊的弯曲应 力和接触应力 18 4 轧辊轴承 4 1 轴承的选择 轧辊轴承分滚动轴承和滑动轴承两大类 滚动轴承包括双列球面滚子轴承 四列圆锥滚子轴承和多列圆柱滚子轴承 滑动轴承包括液体摩擦轴承和开式滑 动轴承 其中液体摩擦轴承又分为动压轴承 静压轴承和静动压轴承 开式滑 动轴承又分为开式金属瓦轴承和开式非金属瓦轴承 轧辊轴承是轧机的主要部 件之一 和一般用途轴承相比 轧辊轴承有以下一些工作特点 工作负荷大 通常轧辊轴承的单位压力比一般用途的轴承高 2 5 倍 甚至更高 而 PU 值是普通轴承的 3 20 倍 运转速度差别大 高速线材轧机的速度可达 140m s 以上 而有的轧制速度仅有 0 2m s 工作环境恶劣 热轧时有冷却水和氧化铁皮飞溅 而且温度高 冷扎时的工艺 润滑剂与轴承润滑剂容易相混 因此 对轴承的密封损失有较高的要求 轧辊轴承是轧钢工作机中的重要部件 由于各类轧机的工作条件与情况差 别很大 因而必须采用不同类型的轴承 轧辊轴承在径向尺寸受限制的情况下 承受很大的轧制力 因此 轧辊用的轴承都是多列的 此处选四列圆锥滚子轴 承 选工作辊轴承型号为 3810 750 750 1090 605dD T 选支承辊选用油膜轴承型号为ZYC1670 75 4 2 轴承寿命计算 计算轴承寿命要求符合轴承的实际寿命 必须准确地确定负荷 当量动负 荷与轴承寿命之间的关系可用下式表示 4 1 60 106 p c n Lh 其中 c 轴承额定动载荷N p 当量动负荷N n 轴承的转速 寿命指数 球轴承 3 滚子轴承 3 10 根据轧制速度 可推算轴承转速 75 36 minvm 19 4 2 12gz vD nD n 其中 工作辊直径 g D 支承辊直径 z D 1 n 工作辊转速 2 n 支承辊转速 代入数据得 20 1 n minr 2 11 43 minnr 工作辊 在实际计算中 轴承的当量动载荷应为 4 3 pra pfxFYF 在轧钢机中 轧辊承受强大冲击 1 83 0 p f 轧机工作辊 而根据四列圆锥滚子轴承 ar FFe 4 4 2 ra pFYF hLh270760 23 14 112 97 5 60 10 3 10 6 满足安全条件 设计可用 支承辊 KNLh750 2 1500 hLh41580 750 1360 39 2 60 10 3 10 6 满足安全条件 设计可用 4 3 小结 本章主要介绍了轧机工作辊与轧机支承辊轧辊的选择 以及他们的寿命计 算 20 5 轧辊弯辊装置 当轧辊间没有轧件时 由于 上轧辊及其轴承座的重力作用 在轴承座与压 下螺丝之间 压下螺丝与螺母的螺纹之间均会产生间隙 这样 当轧件咬入轧 辊时 会产生冲击 为防止出现这种情况 几乎所有的轧机 叠扎薄板轧机除 外 都设置上轧辊弯辊系统 使上轴承座紧贴压下螺丝端部并消除螺纹之间的 间隙 大多数轧机的弯辊系统兼有抬升上辊的作用 轧机的型式不同 对弯辊系统的要求也不一样 初轧机 板坯粗轧机的弯辊系统需适应上轧辊的快速 大行程 频繁移动 的特点 并且要求工作可靠 换辊和维修方便 在这种轧机上 广泛使用重锤 式或液压式弯辊系统 图 4 1 四辊板带轧机上轧辊弯辊系统有以下特点 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 最大行程是按换辊的需要决定的 移动的速 度不高 3 工作辊换辊频繁 弯辊系统的设计需使换辊方便 4 在单张力 轧制的可逆四辊轧机上 工作辊弯辊系统应满足空载加 减速时工作辊和支撑 辊之间不打滑的要求 由于以上特点 四辊板带轧机主要采用液压平衡 本设计采用液压弯辊系 统 图 4 1 为四辊可逆轧机的液压弯辊系统图 21 5 1 液压弯辊装置 液压弯辊系统是用液压推力来平衡上辊重量的 在液压系统中设有蓄势器 油泵只用来周期性地补充液体的漏损 液压弯辊系统结构紧凑 与其它平衡方 式比较 使用方便 易于操作 能改变油缸压力 而且可使上辊不受压下螺丝 的约束而上下移动 所有这些都有利于 换辊操作 采用液压平衡时 油缸的工作压力可按下式计算 5 1 2 4G pK n d 式中 G 被平衡零件的总重量 重力 N n 平衡缸的数量 d 液压柱塞直径 K 过平衡系数 K 1 2 1 4 考虑到液压缸的摩擦阻力 以取较大值 为宜 在计算四辊轧机工作辊平衡油缸时 被平衡零件应包括上工作辊辊系及上支撑 辊本体 G1 2185KN 取上工作辊平衡液压柱塞直径 d 160mm 平衡缸数量 n 4 计算得 p1 38MPa 计算支撑辊平衡油缸时 被平衡零件应包括上支撑辊辊系 压下螺丝 球面垫 及平衡机件等 G2 2136KN 取上支撑辊平衡液压柱塞直径 d 220mm 平衡缸数 量 n 4 计算得 p2 20MPa 轧辊轴承润滑 工作辊 全部采用脂润滑 支承辊 轴向轴承采用脂润滑 径向轴承采用油润滑 22 参考文献 1 大连理工大学工程图学教研室 编 机械制图 M 第六版 高等教育出版社 2 邹家祥 主编 轧钢机械 M 第 3 版 冶金工业出版社 3 张小平 秦建平 主编 轧制理论 M 冶金工业出版社 4 张超 于民治 编 新编钢材速查速算手册 M 化学工业出版社 5 常红 赵子龙 编 材料力学 M 科学出版社 6 牛学仁 戴保东 王灵卉 编 理论力学 M 国防工业出版社 7 陆凤仪 钟守炎 编 机械设计 M 第二版 机械工业出版社 8 成大先 王德夫 编 机械设计手册 M 化学工业出版社 9 姜周泰 四辊轧机的特点及其发展动向 J 冶金设备 1998 2 4 13 10 李海燕 付群 国产大型四辊热轧机简介 J 一重技术 2006 14 1 9 10 11 Kempen A T W Sommer F Mittemeijer E J The Kinetics of the AusteniteFerrite Phase Transformation of Fe Mn Differential Thermal Analysis During Cooling J Acta Materialia 2002 50 14 3545 12 Kang C G Kim Y D Model Experiments for the Determination of the Heat Transfer Coefficient and Transition Thermal Analysis in the I h e c t Rolling Process J Journal of Materials Processing Technology 1998 84 1 2 3 210 13 Donnay B Herman J C Leroy V Microstructure Evolution of C Mn Steels in the Hot Deformation Process the Stripcam Model J Materials Science and Technology 1990 6 1072 14 Atsuhiko Yoshie Masaaki Fujioka Yoshiyuki Watanabe et al Modelling of Microstructural Evolution and Mechanical Properties of Steel Plates Produced by Thermc Mechanical Control Process J ISIJISIJ International 1992 32 3 395 15 Ferreira Ivaldo L Spinelli Jose E Pires Jose C et al The Effect of Melt Temperature Profile on the Transient Metal Mold Heat Transfer Coefficient During Solidification J Materials Science and Engineering 2005 408A 1 2 317 16 Lakhdar Taleb Francois Sidoroff A Micromechanical Modelling of the Greenwood Johnson Mechanism in Transformation Induced Plasticity J International Journal of Plasticity 2003 19 10 1821 17 Al Abbasi F M Nemes J A Micromechanical Modelling of Dual Phase Steels J International Journal of Mechanical Sciences 2003 45 9 1449 23 18 Bontcheva N Petzov G Total Simulation Model of the T h e r mc Mechanical Process in Shape Rolling of Steel Rods J Computational Materials Science 2005 34 4 377 19 Cao J Lin J Dean T A Scaling Up Evolutionary Programming With Combined Method for Determining Unified Visccplastic Creep Constitutive Equations J International Journal of Mechanical Sciences 2005 12 678 20 Yang D Ning L Lin J et al A Set of Models for Predicting Phase Transformation During Continuous Cooling Transformation J International Journal of Mechanical Science 2008 6 89 24 致 谢 随着该毕业论文的完成 我的大学生活也将尘埃落定 本论文是在朱琳老 师的细心指导下完成的 从论文的选题 设计 数据处理直至撰写 恩师倾注 了大量的心血 在整个设计过程中 我获得了独立思考和学习的能力和发现问 题 分析问题 解决问题的能力 恩师渊博的知识 严谨的治学态度 求实创 新的工作作风和乐观向上的谨慎风范 令我肃然起敬 成为比知识更为重要的 财富 在设计过程中 通过运用三年来所学的知识 老师的指导 同学的帮助和 查阅大量的资料 使自己受益匪浅 对于我这