轧钢机械装备及其智能化技术 课件 第5章 轧钢机机架与工作机座

第5章

轧钢机机架与工作机座015.1机架的类型及主要结构参数轧制过程：高速（120m/s）、重载10000吨轧制力机架作用：承受巨大的轧制力、瞬间冲击力机架要求：足够的强度与刚度a）闭式机架b）开式机架c）焊接机架d）组合机架1、闭式机架:整体框架，由上下联结梁将左右两片机架联结在一起，并通过轨座将其安装在地基基础上。特点：强度、刚度大，整体性强，其侧边换辊。用途：轧制力大的初轧机、钢坯轧机；轧制力大并且轧制精度高的板带轧机；精度高的小型轧机。5.1.1机架的类型2、开式机架组成：机架本体、上盖优点：可卸下联接斜楔打开机架盖，用吊车从上面将机架盖连同辊系一起吊出U型架，换辊方便；缺点是刚度较差。用途：横列式型钢轧机影响开式机架刚度和换辊速度的主要关键是上盖的连接方式。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5.1.1机架的类型3、焊接机架机架由几部分焊接而成，属于老式机架，因其强度和刚度受焊缝质量影响较大，现代轧机极少使用该种形式的机架

5.1.1机架的类型4、组合机架组成：单片机架由上横梁、下横梁及左立柱、右立柱四部分通过拉杆预紧，形成一个封闭的矩形框架优点：单件质量小，铸造加工相对容易且运输安装方便。用途：5m级大型宽厚板轧机。5.1.1机架的类型1、机架的主要结构参数机架窗口高度H，宽度B和机架立柱断面尺寸F=l1*b。5.1.2机架的结构2、窗口宽度的确定闭式机架：为了便于更换轧辊，窗口的宽度B应稍大于轧辊最大直径D，而且在操作侧的窗口宽度比传动侧窗口宽度应大5～10mm；开式机架：窗口宽度B主要决定于轧辊轴承座的宽度。窗口宽度轧辊轴承座的宽度窗口滑板的厚度，20～40mm5.1.2机架的结构3、窗口高度的确定对四辊轧机H1:两个（或四个）轧辊接触时，上下轴承座之间的距离H2:安全臼或测压元件以及均压块的厚度H3:下轴承座垫板厚度S1:上下轧辊开口度S2:机架窗口高度余量5.1.2机架的结构4、立柱断面尺寸确定确定原则：依据强度条件，辊颈和立柱上的力相同，辊颈强度近似的与其直径成正比，故立柱断面积与辊颈直径有关。基本确定出立柱断面积后，必须进行强度校核，一般10-12.5倍安全系数。5.1.2机架的结构5、机架材料和许用应力材料：ZG270~500铸钢，其强度极限=500~600MPa，延伸率12%～15%。机架是轧钢机中最重要，且不可更换的零件，必须具有较大的强度、刚度以及较长的使用寿命，故安全系数取得最较大，一般为10～12.5。其许用应力采用下列数值：对于横梁[σ]≤50～70MPa；对于立柱[σ]≤40～50MPa。5.1.2机架的结构025.2机架的结构特点5.2.1闭式机架1—机架；2—上铸造横梁；3—耐磨滑板；4—下铸造横梁；5—轨座；6—轴向压板两片闭式机架1组成，机架上面通过铸钢横梁2来连接。窗口内侧镶有耐磨滑板3。机架下部是由铸造横梁4用螺钉连接。机架通过热装地脚螺钉牢固地与轨座5连接。5.2.2开式机架1—楔子；2—定位销；3—双头螺栓和撑管；4—铸造横梁；5—起吊用的中心轴；6—侧支承面；7—突出部分；8—耐磨滑板两片开式机架组成，两机架的上盖被铸成一体，称为机架盖。可通过中心轴5吊起机架盖和工作机座。机架盖与机架立柱通过楔子1连接，靠定位销2定位。两机架上面是通过双头螺栓和撑管3，下面由铸造横梁4和螺柱相连接。5.2.3组合机架1—左立柱；2—右立柱；3—上横梁；4—下横梁；5—斜键；6—大拉杆；7—大螺母；8—小拉杆；9—小螺母由左立柱、右立柱、上横梁、下横梁、大拉杆、小拉杆、大螺母、小螺母(大小拉杆螺母共2×8件)、斜键等连接件组成。轨座的结构作用：通过轨座将机座与地基紧紧连接在一起，保证机座的安装尺寸精确，承受机座的全部重量、倾翻力矩。材料：一般情况下轨座与机架的材料相同结构形式：具有矩形支承面，斜楔链接5.2.4轨座的结构1—机架地脚；2—销钉；3—轨座；4—垫圈；5、6—上、下斜楔轨座的结构具有矩形支承面：轨座与地脚通过螺钉、螺母紧固用于工作机座不需要轴向调整的初轧机、开坯机、板带轧机斜楔链接：通过销钉、斜楔固定轨座。用于需经常拆卸的基座上。5.2.4轨座的结构1—机架地脚；2—销钉；3—轨座；4—垫圈；5、6—上、下斜楔035.3机架的倾翻力矩5.3.1工作机座的倾翻力矩轧制过程中，倾翻力矩：1、计算M11）二辊轧机横列式：按力矩平衡条件

为传动装置传给轧辊的力矩；

为相邻机座传给轧辊的力矩。轧机传动装置或相邻机座加于机座上的力矩作用在轧件上的水平力引起的力矩总轧制力矩：其中，

轧件传给轧辊的总轧制力矩。单机轧制：一般情况，M1=M2，MⅠ=0单辊传动/一个传动接轴折断,接轴和传动系统中的相配合的传动零件之间产生了瞬时间隙时为最危险的情况如：在二辊叠轧薄板轧机上，传动装置仅带动下轧辊，上轧辊是空转的，靠轧件与轧辊间的摩擦带动。此时M1=0，则2）三辊轧机横列式：按力矩平衡条件

为传动装置传给轧辊的力矩；

为相邻机座传给轧辊的力矩。总力矩：单机架轧制：一般情况：危险情况：中间接轴折断或传动中辊的传动系统中产生了瞬时传动间隙以及中辊从动时，M2=02、计算MⅠⅠR——作用在轧件上的水平力，N；a——水平力R的作用线（轧制线）至轨座上平面的距离。作用在轧件上的水平外力：(1)和轧制方向相同的情况有：1)轧件咬入时，轧件的水平前进速度大于轧辊的咬入水平分速度所引起的惯性力；2)前张力大于后张力的张力差；3)在高速可逆轧机上，低速抛出轧件时所产生的惯性力。(2)与轧制方向相反的水平力的情况有：1)轧件前进的速度小于轧辊咬入速度时或低速咬入高速轧制时轧件所产生的惯性力；2)前张力小于后张力的张力差；3)穿孔机的顶杆作用力；4)在轧制线上的有关零件（如辊道、推床、翻钢机及盖板等）对轧件偶然产生的阻力。在计算水平R时，与轧制方向相同时一般应按实际情况进行计算；但与轧制方向相反时的水平力R应满足以下的关系式：R≤轧辊的剩余摩擦力计算轧辊的剩余摩擦力：与轧制方向相反的轧件上的水平力R最大不能超过轧制时的剩余摩擦力，否则轧制无法进行。轧机的最大倾翻力矩：最大水平力：5.3.2轨座支反力及地脚螺栓强度计算1、轨座支反力的计算：由牛顿定律：机座受力情况地脚螺栓上的最大压力：b—两轨座间地脚螺栓中心线之间的距离；G—机座的总重力.地脚螺栓所受最大拉力：为保证机座地脚与轨座的配合表面始终不被分开，要求对地脚螺栓的预拧紧力必须大于Q1。一般为保险起见应取地脚螺栓总预紧力：每一个地脚螺栓预紧力为：2、地脚螺栓的选择与强度检验（1）按以下的经验公式预选螺栓的直径d：当轧辊的直径D<500mm时：d=0.1D+(5～10)mm而轧辊直径D>500mm时：d=0.08D+10mm（2）按强度条件对地脚螺栓进行校验：

——地脚螺栓的最大拉力，一般取（2.2～2.4）Q1；d1——地脚螺栓的螺纹内径；[σ]——地脚螺栓的许用应力。地脚螺栓用Q215和Q235的锻钢制成，因此[σ]=70～80MPa.（3）地脚螺栓结构a-大型地脚螺栓，下面用螺帽固定在锚板上，而螺帽除拧在螺杆螺纹上外，还要焊于螺杆上。b-用于中、小型轧机上，下面为钩头螺杆。a—下面用螺帽固定在锚板上；b—下面作成弯尾的1—螺杆；2—锚板；3—螺帽045.4机架的强度和变形计算P——总轧制力R——作用在单片机架上的轧制力（对板带轧机,R=P/2）机架受力示意图5.4.1闭式机架强度计算计算思路：（1）将机架各断面的中性轴连线组成框架系统，加上外力；（2）确定其力学模型的静不定次数及相应的变形协调条件；（3）确定各断面上作用的弯矩、剪力；（4）根据截面的性质，可求出各点的应力与变形。

基本假设：（1）结构对称性——左右对称；（2）载荷对称性——左右对称；（3）假设水平力很小，忽略不计；（4）刚性很大，交接处的转角变化忽略。根据以上假设，将机架沿I-I截面剖开，即可得出简化的相当系统。在I-I截面上作用有R/2的垂直作用力（R实际是作用在一片机架上的轧制力，对板带轧机而言，R应为总轧制力的一半）与剖开后暴露出的内力矩M1（即所求的未知静不定力矩）。求静不定力矩M1由卡氏定理，I-I截面的转角可由下式求出：E—材料的弹性模量；x—计算截面与I-I截面间中性线长；Mx—计算截面x点的弯矩；Ix—计算截面x点的惯性矩。弹性杆件的应变能U对于杆件上某一荷载之变化率，就等于与该荷载相应的位移。将上式对M1求导数，可得出：弯矩的正方向：以顺时针为正。则在计算截面x点的弯矩为：求静不定力矩M1求静不定力矩M1——矩形框架假定上、下横梁等截面惯性矩为I1和I3，立柱为等截面其惯性矩为I2。对横梁：x点到I-I截面的距离y=x；对立柱：y=l/2。若上下横梁端面相同：积分后可得：求静不定力矩M1——矩形框架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。立柱上的弯矩：强度校核根据M1即可求出机架各点的弯矩，并作出机架的弯矩图。上下横梁受弯矩作用，立柱除受弯矩M2以外，还受有拉力R/2的作用，应予以合成。对于框架结构，其弯矩图规定画在受拉的面上。对于上下横梁外面受拉；对立柱，里面受拉，与拉伸应力合成后，里面所受拉力增加，外表所受压力减少。对机架其弯矩分布如右图所示。应力计算：机架横梁外侧（受拉）：

σ外1=M1/W外1

机架横梁内侧（受压）：

σ内1=M1/W内1

立柱：σ=R/2F2±M2/W2

，内正外负。

F2—立柱断面积，W2—立柱抗弯截面系数。强度校核立柱断面形状选择常用的立柱断面形状有近似正方形、矩形与工字形。对于高而窄的四辊轧机，常选用惯性矩较小的近似正方形截面。对于两辊轧机，其宽度相对较大,故立柱所受弯矩M2亦较大。一般选用惯性矩较大的矩形或工字形断面。工字形加工困难，但易于安装滑板。

机架的弹性变形由三部份组成，即由弯矩和剪力产生的上下横梁的弯曲变形f1、f2以及立柱的拉伸变形f3，即：

f=f1+f2+f35.4.2闭式机架变形计算由材料力学可知，横梁由弯矩和剪力引起的变形计算可由卡氏定理计算。设上下横梁惯性矩相等（I1），则由弯矩产生的上下横梁的总的弯曲变形f1为：力矩以顺时针为正：Mx=R/2*x-M2

对R/2微分：

代入上式并积分：由剪切力引起的上下横梁的总弯曲变形f2：

式中：fs—剪切形状系数，对矩形断面fs=1.2，F1—横梁断面面积

对拉伸变形：

F2——立柱断面积

对钢板轧机，其允许变形为：冷轧机：[f]=0.4~0.5mm

热轧机：[f]=0.5~1.0mm机架在轧制过程中承受巨大的轧制力及冲击，同时机架也时轧机工作机座中价值最为昂贵的零件，所以其安全系数较高（机架的安全系数n=10~12.5）。机架一般为铸钢件，采用ZG270—500（即原ZG35），其抗拉强度极限为500MPa。055.5工作机座刚度计算1.1工作机座的刚度轧件的反作用力使工作机座中的轧辊、轧辊轴承、轴承座、垫板、压下螺丝和螺母、机架等一系列零件相应产生弹性变形。通常将这一系列受力零件产生的弹性变形总和称为工作机座或轧机的弹跳值。1工作机座刚度板厚原始辊缝轧辊中部弹性变形值机座的弹性变形值轧辊的弯曲变形除轧辊弯曲变形以外的各受力零件的弹性变形弹跳方程轧制力刚度系数1工作机座刚度轧辊轴承、轴承座、垫板、压下螺丝和螺母、机架等机座的弹性变形值与轧制力有关。轧制力的波动，导致在一定原始辊缝下，机座的弹性变形及轧辊有载辊缝也有相应的波动。纵向厚度偏差厚度自动控制系统横向厚度偏差：板形辊型设计1工作机座刚度机座弹性变形对轧件厚度的影响低轧制力段，机座弹性变形和轧制力的关系为非线性；高轧制力段，机座弹性变形和轧制力关系趋近于线性。1工作机座刚度机座弹性变形与轧制力的关系原因零件之间存在接触变形和间隙，非线性区不稳定，换辊后有变化，特别是轧制力接近于零时的弹性变形很难精确测定。1工作机座刚度预压靠法：消除不稳定段的影响okP0gSP0fS弹性变形的可复现性，A和C完全对称，B是轧件的塑性曲线相对零位机座弹性变形量主要通过实测法轧制法：主要用于冷轧。在一定原始辊缝S0下，轧制不同厚度的轧件，测出轧制力P和轧后的轧件厚度h，将测得的数值绘制成机座弹性变形曲线。f=h-S0曲线gkl——弹跳曲线1工作机座刚度轧辊压靠法1工作机座刚度轧辊压靠——接触——压下螺丝下降——工作机座产生弹性变形。绘制出Ok’l’轧制力不大时，机座弹性变形与轧制力成曲线关系——机座各零件间存在间歇和接触不均匀。轧辊压靠法物理意义：使机座产生1mm弹性变形所需的轧制力。1工作机座刚度轧制力达到一定值后，机座弹性变形与轧制力成直线关系。机座刚度系数K(kN/mm):机座弹跳方程人工零位法1工作机座刚度轧辊预压靠力P0，设定人工零位，曲线gkl为机座弹跳曲线。机座弹跳方程压力辊缝指示器实际辊缝P00-S0S00S+S0S0影响轧机刚度因素：1、采用油膜轴承，在同一轧制力下，轧制速度越快，油膜厚度越大；对于同一轧制速度，轧制力越大，油膜厚度越小。2、轧件宽度，轧件宽度越窄，则轧机的刚度系数下降愈多。3、辊系弹性变形，工作辊和支承辊直径越大，则在同一轧制力下的辊系弹性变形越小。1工作机座刚度四辊轧机工作机座的弹性变形f

等于机座中一系列受力零件弹性变形的总和：f1——轧辊系统的弹性变形，mm；f2——轧辊轴承的弹性变形，mm；f3——轴承座的弹性变形，mm；f4——压下螺丝和螺母的弹性变形，mm；f5——支承辊轴承座和压下螺丝之间各受压零件的弹性变形，mm；f6——机架的弹性变形，mm。工作机座的刚度系数K按下式计算：2工作机座的刚度计算1、轧辊系统的弹性变形：由支承辊的弯曲变形、支承辊与工作辊之间的弹性压扁和工作辊与轧件间的弹性压扁三部分组成：f11——支承辊辊身的弯曲变形，mm；f12——支承辊与工作辊间的弹性压扁，mm；f13——工作辊与轧件间的弹性压扁，mm。2工作机座的刚度计算（1）支承辊的弯曲变形：f11

’——由弯矩引起的弯曲变形，mm；f11

’’——由横切力引起的弯曲变形，mm。2工作机座的刚度计算近似地认为工作辊与支承辊间的压力分布沿辊身全长是均匀的。考虑轧辊负荷的对称性，取支承辊的一半研究，支承辊的弯曲变形可用卡氏定理计算：Mx和Qx任意断面的弯矩和剪切力2工作机座的刚度计算在x=0~c之间，在x=c~a/2之间，q——作用在支承辊辊身上的单位负荷，2工作机座的刚度计算2工作机座的刚度计算同理，横切力引起的支承辊弯曲变形：（2）工作辊与支承辊间的弹性压扁根据赫兹定理，工作辊与支承辊间的弹性压扁值：接触半宽：2工作机座的刚度计算2工作机座的刚度计算其中（3）工作辊与轧件间的弹性压扁考虑轧辊弹性压扁时的轧辊接触弧长2工作机座的刚度计算2、轧辊轴承的弹性变形只考虑支承辊的弹性变形。在轧制力的作用下，轴承内圈与滚动体间、外圈与滚动体间都将产生弹性压扁，使内、外圈的中心线产生偏移值，即该轴承的弹性变形量。采用滚柱轴承时，偏移值：整个工作机座，支承辊轴承的弹性变形：2工作机座的刚度计算3、轴承座的弹性变形对于四辊轧机，只近似计算支承轴承座的弹性变形。将上支承辊轴承座将其受力部分简化成一个四棱锥体，其压缩变形量：hj—上轴承座变形部分的计算高度：Fs——一侧的上轴承座变形部分的平均面积2工作机座的刚度计算4、压下螺丝和压下螺母的弹性变形压下螺丝的弹性变形包括压下螺丝悬臂部分的压缩变形和压下螺丝与压下螺母相配合的螺纹部分的压缩变形。压下螺丝悬臂部分的压缩变形：—压下螺丝端部（无螺纹部分）高度—压下螺丝悬臂部分的螺纹高度2工作机座的刚度计算1—压下螺丝；2—压下螺母；3—止推球面垫；4—垫板；5—支承辊承座压下螺丝与压下螺母配合部分的压缩变形，按照螺纹中的压力分布曲线来确定：lm—压下螺母的高度。压下螺母的压缩变形：压下螺丝和压下螺母的总弹性变形：2工作机座的刚度计算5、支承辊轴承座和压下螺丝之间各受压零件的弹性变形（1）垫板的弹性变形hd——垫板受力部分的高度；Fd——垫板受力部分的面积；Ed——垫板的弹性模量。2工作机座的刚度计算1—压下螺丝；2—压下螺母；3—止推球面垫；4—垫板；5—支承辊承座（2）止推球面垫的弹性变形：hq——球面垫的高度；Dq——球面垫的直径；Eq——球面垫的弹性模量。（3）测压仪的弹性变形：2工作机座的刚度计算1—压下螺丝；2—压下螺母；3—止推球面垫；4—垫板；5—支承辊承座6、机架的弹性变形机架的弹性变形由三部份组成，即由弯矩和剪力产生的上下横梁的弯曲变形f61、f62以及立柱的拉伸变形f63，即：

f6=f61+f62+f63（1）弯矩产生的上下横梁的总的弯曲变形由材料力学可知，横梁由弯矩和剪力引起的变形计算可由卡氏定理计算。设上下横梁惯性矩相等（I1），则2工作机座的刚度计算力矩以顺时针为正：Mx=R/2*x-M2

对R/2微分：

代入上式并积分：4.2闭式机架变形计算

（2）由剪切力引起的上下横梁的总弯曲变形f62：

式中：K—剪切形状系数，对矩形断面K=1.2，F1—横梁断面面积

(3)立柱的拉伸变形：

F2——立柱断面积

4.2闭式机架变形计算工作机座的刚度工作机座各零件的弹性变形的总和，即为机座的弹性变形f：机座的刚度系数K：机座刚度系数越大，机座刚度越好而机座弹性变形越小，可使轧件获得较高的尺寸精度。现代板带轧机机座刚度系数一般为5500~6500kN/mm，有的宽带冷轧机的刚度系数达到7000~8970kN/mm。2工作机座的刚度计算要获得高精度的轧件，轧机必须具有足够的刚度。轧机刚度系数越大，对于克服由轧制力的波动而引起的板厚变化越有利。从轧机结构的设计来说，应尽量减少轧制过程中工作机座各受力零件的弹性变形，以提高轧机的刚度。提高轧机刚度的措施：合理确定各受力零件的尺寸；采用应力回线较短的轧机和结构；采用