四辊中厚板精轧机机架的强度与刚度计算

1、四辊中厚板精轧机机架的强度与刚度计算摘要本轧机为四辊中厚板精轧机，重点设计了机架部分。机架是轧钢机的重要部件，用来安装整个辊系及轧辊调整装置，并承受全部轧制力。因机架重量大，制造复杂，一般给予很大安全系数，并作为永久使用的不更换零件来进行设计，因此机架必须有足够的强度和刚度，以保证其应力分布均匀、变形尽可能小。由于轧机机架比较复杂、不规则，一般采用闭式机架的强度和变形计算然后采用有限单元法校核机架的应力、变形及安全系数。在以往机架的设计中，安全系数取得很高但仍不能保证机架的可靠工作，机架的破坏多在压下螺母孔、机架窗口转角处等压力集中大的部位，采列柯夫计算方法只能求得某些部位的应力值，而有限单元

2、法能求出整个机架多部位的应力场，对其进行模拟计算，得出机架最危险的地方和应力分布规律，获得其变形，计算出轧机机架的刚度。关键词：轧机机架、闭式机架、强度、刚度目录1、概述.11.1 轧机机架.11.2设计方案的确定.12设计要求.12.1设计题目及要求.12.2设计参数.13. 机架的基本尺寸及校核.13.1机架的类型及结构.13.2机架的主要结构参数.23.3机架的材料和许用应力.43.4机架强度计算.43.5机架的变形计算.93.6机架的刚度计算.114.结语.12参考文献.131、概述1.1 轧机机架轧钢机架是设备的一个重要大型部件，轧辊轴承座及轧辊调整装置等都安装在机架上，其尺寸和重量

3、最大，在轧制过程中承受和抵消其主要负荷，而且要求机架的变形要小，以满足产品的质量要求。因此机架必须有足够的强度和刚度，以保证其应力分布均匀、变形尽可能小。根据轧钢机型式和工作要求，轧钢机机架分为闭式和开式两种。闭式机架是一个整体框架，具有较高强度和刚度。闭式机架主要用于轧制力较大的初轧机、板坯轧机和板带轧机等。对于板带轧机来说，为提高轧机精度，需要有较高的机架刚度，因此采用闭式机架。采用闭式机架的工作机座，在换辊时，轧辊是沿其轴线方向从机架窗口中抽出或装入，这种轧机一般都设有专用的换辊装置。1.2设计方案的确定本设计采用：辊为四缸平衡，机架为闭式机架。2设计要求2.1设计题目及要求设计题目：中

4、厚板精轧机机架的强度与刚度计算设计要求：对机架进行强度校核和刚度校核，并画出机架图。2.2设计参数 工作辊直径：1000mm；支撑辊直径：1800mm；辊身长度：4200mm；板柸厚度：16mm；板柸宽度：2800mm；板柸长度：11000mm；最大柸重：12t；板柸年需要量: 140万t；材质：普碳钢；第一道制前温度：1150；成品板厚：16mm3. 机架的基本尺寸及校核3.1机架的类型及结构轧钢机架是工作机座的重要部件，轧辊轴承座及轧辊调整装置等都安装在机架上。机架要承受轧制力，必须有足够的强度和刚度。根据轧钢机型式和工作要求，轧钢机机架分为闭式和开式两种。1.闭式机架闭式机架是一个整体框

5、架（图3-1），具有较高强度和刚度。闭式机架主要用于轧制力较大的初轧机、板坯轧机和板带轧机等。对于板带轧机来说，为提高轧机精度，需要有较高的机架刚度。对于某些小型和线材轧机，也往往采用刚度较好的闭式机架，以获得较好的轧机质量。 采用闭式机架的工作机座，在换辊时，轧辊是沿其轴线方向从机架窗口中抽出或装入，这种轧机一般都设有专用的换辊装置。 2.开式机架 图3-1 闭式机架开式机架由机架本体和上盖两部分组成（图3-2）,它主要用在横列式型钢轧机上，其主要优点是换辊方便。因为，在横列式型钢轧机上如果采用闭式机架，由于受到相邻机座和联接轴的妨碍，沿轧辊轴线方向换辊是很困难的。采用开式机架，只要拆下上盖

6、，就可以很方便地将轧辊从上面吊出或装入。开式机架主要缺点是刚度较差。影响开式机架刚度和换辊速度的主要关键是上盖的联接方式。常见的上盖联接方式有五种。图3-2 开式机架上盖连接方式a螺栓联接；b立销和斜楔联接；c套环和斜楔联接；d横销和斜楔联接；e斜楔联接3.2机架的主要结构参数机架的主要结构参数是窗口宽度、高度和立柱断面尺寸。在闭式机架中，机架窗口宽度应稍大于轧辊最大直径，以便于换辊；而开式机架窗口宽度主要决定于轧辊轴承的宽度。四辊轧机机架窗口宽度一般为支承辊直径的1.151.30倍。为换辊方便，换辊侧的机架窗口应比 传动侧窗口宽510，亦可表示为式中 机架窗口宽度, ； 支承辊轴承座宽度，；

7、 窗口滑板厚度，一般取=2040，此处取=30；机架窗口高度主要根据轧辊最大开口度、压下螺丝最小伸出端（至少有23扣螺纹长度），以及换辊等要求确定。对于四辊轧机，可取=(2.63.5)()= (2.63.5)（1000+1800）=72809800此时取H=9500；式中，、工作辊、支承辊直径， ；机架立柱的断面尺寸是根据强度条件确定的。由于作用于轧辊辊颈和机架立柱上的力相同，而辊颈强度近似的于其直径平方（）比，故机架立柱的断面积（）与轧辊辊颈的直径平方（）有关。在设计时，可根据比值的经验数据确定机架立柱断面积，再进行机架强度验算。表3-1 机架立柱断面积与轧辊辊颈直径平方的比值由表3-1得，

8、当轧辊材料为铸铁时，0.60.8，即=(0.60.8)(1000)=600000800000此时取=7001000。3.3机架的材料和许用应力轧钢机机架一般采用含碳量为0.250.35的ZG270500，其强度极限600，延伸率1216。为了防止机架在过载时破坏，在轧辊断裂时机架要不产生塑性变形。根据这一要求，机架的安全系数为式中 机架的安全系数； 轧辊的安全系数； 机架材料的强度极限；机架材料的屈服极限。在一般情况下，材料强度极限与屈服极限的比值近似为2，为了安全起见，可将机架安全系数去为=（22.5）当轧辊安全系数取为5时，机架的安全系数为1012.5。3.4机架强度计算轧钢机机架强度和变

9、形计算，一般可采用如下步骤：将机架结构图简化成为刚架，即以机架各断面的中性轴的连线组成框架，近似的处理成直线或规整的圆弧线段，并确定求解断面的位置；确定静不定阶数，如一般闭式机架是三次静不定问题，需做一系列假设来简化模型，降低静不定阶数；确定外力的大小及作用点；根据变形谐调条件，用材料力学中任一种方法（卡氏定理，莫尔积分法，图乘法，力法等）求解静不定力和力矩；根据计算截面的面积、惯性矩、中型轴线的位置及承载情况，求出应力和变形。用材料力学方法计算闭式机架的强度时，为了简化计算，一般做以下假设:每片机架只在上下横梁的中间断面处受有垂直，而且这两个力大小相等、方向相反，作用在同一直线上，即机架的外

10、负荷是对称的。此时，机架没有倾覆力矩，机架底脚不受力。应该指出，由于两个轧辊直径和速度的不同、轧制速度的变化和咬入时冲击引起的惯性力，或在张力轧制时，轧制力方向都不是垂直的。由于水平分力的数值一般都较小，约为垂直分力的34，故可以忽略不计。只有当水平分力较大时（例如，超过垂直分力的15） ，则应考虑水平分力的影响。机架结构对窗口的垂直中心线是对称的，而且不考虑由于上下横梁惯性矩不同所引起的水平内力。 上下横梁和立柱交界处（转角处）是刚性的（一般机架转角处的刚性都是比较大的），即机架变形后，机架转角仍保持不变。根据上述假设，机架外负载和几何尺寸都与机架窗口垂直中心线对称，故可将机架简化为一个由机

11、架立柱和上下横梁的中性轴组成的自由框架。如将此框架沿机架窗口垂直中心线剖开，则在剖开的截面上，作用着垂直力和静不定力矩(图3-3)。由于机架左右对称，所以力矩可由半个机架的弹性变形位能求出。此时，截面-的转角等于零，按卡氏定理 式中 弹性模数； 截面-与计算截面间的机架中性线长度；机架计算截面上的弯曲力矩；机架计算截面上的惯性矩。在断面处的弯曲力矩为 图3-3 机架计算简图及弯曲力矩图式中作用于机架上的垂直力,；垂直力相对于计算截面的力臂。力矩的导数为=-1 将上式代入下式，并将常数E取消后，得 由公式可得，可求出为 如果机架简化为如图3-4所示的矩形自由框架，则式中的函数是简单函数关系：即对

12、于机架横梁，而对于立柱，因此，为 图3-4 矩形自由框架弯曲力矩图式中 机架横梁的中性线长度,此处=3713；机架立柱的中性线长度，此处=13162.5；机架上横梁的惯性矩，；机架立柱的惯性矩，；机架下横梁的惯性矩,。由上式积分后，得 如果假设上下横梁惯性矩相同，即时，则力矩为 代入数据得根据公式作力矩图时，在立柱上的弯矩为 代入数据得 代入，则 由此可看出，减小立柱的惯性矩和增加横梁的惯性矩可以部分的减少立柱中的弯矩.在求出力矩和后，可用以下公式进一步求解机架的应力。 机架横梁内侧的应力为 代入数据得=31.57。机架横梁外侧的应力为 代入数据得=36.28。机架立柱内侧的应力为 代入数据得

13、=21.95。机架立柱外侧的应力为 代入数据得=21.95。式中 、分别为机架横梁内侧和外侧的断面系数； 、分别为机架立柱内侧和外侧的断面系数；机架立柱断面。由于机架是轧机中最贵重和最重要的零件，必须具有较大的强度储备。一般机架的安全系数不小于10，对于ZG270500来说，许用应力采用一下数值对于横梁 5070对于立柱 4050可见符合设计要求。在上式中，应力为压缩应力，应力和为拉伸压力；应力是拉伸应力还是压缩应力，需根据计算结果确定。根据力矩分配的条件，可以找到机架断面形状选择的原则。常用的立柱断面形状有近似正方形、矩形和工字型三种。在断面积相同的情况下，工字型断面和矩形断面有较大的惯性矩

14、，其抗弯能力较大。设计机架时，根据轧钢机类型、机架受力特点以及制造条件等因素，确定机架立柱的断面形状。对于窄而高的闭式机架，如四辊轧机等，由于水平力作用不大，较小，而却较大，要求较大，可选择惯性矩较小的近似正方形断面，实际上，一般都是选择断面尺寸小一些的矩形断面。这样一来，虽然立柱的惯性矩相对减小了，会增加横梁的弯曲力矩，但是，在这种轧机上，立柱的高度比横梁的长度要大得多，从立柱上节省下来的材料超过了横梁所需要增加的材料，对于减轻机架重量是有利的。3.5机架的变形计算机架的弹性变形是由横梁的弯曲变形和立柱的拉伸变形组成的。由于横梁的断面尺寸较横梁的长度来说是较大的，在计算衡量的弯曲变形时，应考

15、虑横向切力的影响，即 式中 机架的弹性变形；由弯矩产生的横梁弯曲变形；由切力产生的横梁弯曲变形； 由拉力产生的立柱拉伸变形。图3-5是由闭式机架的横梁受力图。根据卡氏定理，由弯矩产生的两个横梁的弯曲变形为 图3-5闭式机架横梁受力图弯曲力矩及其导数可用以下公式表示 经积分整理后，上式为 代入数据得。式中 机架材料的弹性模数，；横梁的惯性矩；横梁中性轴的长度；横梁上的作用力，对于钢板轧机，一般取为轧制力的一半，即。机架立柱中的力矩，。同理，由切力产生的两个横梁的弯曲变形为 剪力及其导数可用一下公式表示 =1 经积分整理后，为 代入数据得。式中 机架材料的剪切弹性模数，；横梁的断面面积；横梁的断面

16、形状系数，对于矩形断面，系数为1.2。机架立柱的拉伸变形为 代入数据得。式中 立柱中性轴的长度； 立柱的断面面积。求出变形、和后，可根据式5-17计算机架的弹性变形，。对于钢板轧机，机架允许的变形为 0.51.0，符合设计要求。3.6机架的刚度计算四辊轧机工作机座的弹性变形包括轧辊系统、支承辊轴承、支承辊轴承座和压下螺丝间的受压零件、压下螺丝和螺母、以及机架等零件的弹性变形。机座的弹性变形就等于有关零件弹性变形之和。求出机座弹性变形后，可通过以下公式求出机座的刚度系数，即 式中，机座的刚度系数；轧制力；机座的弹性变形。在成品轧机中，机座刚度系数是一个重要指标。机座刚度系数愈大，机座刚度愈好而机

17、座弹性变形愈小，可使轧件获得较高的尺寸精度，这对板带轧机尤为重要。由于机座各零件尺寸大致有一定的比例关系，一般都与支承辊的直径和辊身长度有关。因此，机座刚度系数可以近似的用支承辊直径和辊身长度来表示。由经验可得工作机座刚度系数与支承辊直径成一定的关系，且随着支承辊直径的增大，机座刚度系数也增大。根据经验对于大型宽带钢热轧机=(0.350.55)，此时取=0.5×1800=900。 4.结语轧机机架是轧制设备重要的基础部件，轧辊轴承座和轧辊调整装置以及其它装置都安装在机架上，机架直接承受轧制力。工作时，轧制力通过轧辊轴承、轴承座、压下螺丝及螺母传给机架，其强度和变形直接影响设备的可靠性

18、和产品的轧制精度，因此机架必须有足够的强度和刚度。本文详细介绍了4200中厚板精轧机机架系统的设计过程，因为其尺寸和重量大，主要通过铸造来完成。在机架的铸造生产制造过程中，发现有些机架的变形较大，需要重新热处理来矫正，延长了生产周期，增加了制造成本。为解决这个问题，应采取以下措施：1.须严格按铸造工艺操作，在窗口内合理放置疏松层，增加砂型的退让性，减小铸件在凝固收缩时的阻力，以避免铸件在凝固时的变形，并相应减小了铸件的内应力。2.延长铸件的保温时间，铸件整体小于300时打箱落砂，并执行切割冒口的工艺，从而避免铸件由于急剧冷却所造成的变形。3.机架在热处理时合理设置附耦位置，使其记录的温度能够反应铸件整体的受热情况，以保证铸件的受热均匀，避免在热处理过程中的变形。4.维修维护设备，以保证正常的工作需要。设计难免存在不足，在设备投入生产后针对出现的具体问题进行解决，相信设备会日臻完善。参考文献1.黄华清.轧钢机械，北京：冶金工业出版社，1979，419470.2.