【《中厚板矫直机结构设计》17000字（论文）】

-PAGEIII--PAGEIV-中厚板矫直机结构设计摘要矫直技术是矫直辊的作用下让轧件或者板材达到弯曲的目的，在此期间会发生发生弹塑性变形，轧件或板材就会趋于平直。中厚板在我国有重要的地位，我们国家人民经济可持续发展要依靠钢铁，且离不开钢铁，它是国家工业化道路不可缺少的钢材品种之一。伴随着我国人民的经济和国家国防工业化的迅猛发展，我们国家对现在的中厚板的要求和需求日益增加。所以板材的矫直就成为中厚板在生产中的一道非常重要的精整工作内容，在中厚板生产过程之中，矫直机是保证板材品质的非常重要的设备之一。轧、控、冷，等一些技术被国内的制造商广泛应用，而且中厚板等一系列钢板的矫直温度随之下降，材料的屈服强度都会有所提高，矫直设备也因此会在刚度、强度、功能、自动化的程度等一系列方面提出了更高的要求。本次论文所设计的题目是4300mm十一辊中厚板矫直机压下系统的结构设计，说明了中厚板在轧制生产过程中究竟是什么原因产生的弯曲程度，常见矫直机的种类，中厚板矫直机的基本参数、确定力能参数确定，发展中的中厚板矫直技术等等。大概详细地介绍了解了包括矫直机的压下系统的详细设计；参数计算、结构设计和强度校核，矫直理论，矫直力的力能参数计算，这其中包含了矫直力、矫直力矩、矫直功率；运用了三维设计软件Solidworks做设计，直观、形象的表达了矫直机的结构组成和压下系统的详细结构；并且研究了矫直机的发展方向。关键词：中厚板；矫直机；压下结构；设计计算目录摘要 I目录 III第1章绪论 51.1课题背景 51.2辊式矫直机 61.34300mm中厚板热矫直机 61.3.1中厚板矫直机国外发展状况 71.3.2中厚板矫直机国内发展状况 81.4本课题研究的主要内容 9第2章矫直理论 102.1弹塑性弯曲的概念 102.1.1板材的弹塑性弯曲变形 102.1.2板材弹塑性弯曲过程的曲率分析 122.1.3弹塑性弯曲变形阶段应变和曲率之间的关系 132.1.4板材弹塑性弯曲阶段的外力矩 152.2十一辊热矫直机力能参数计算 162.2.1矫直力计算 162.2.2矫直力矩的计算 182.2.3矫直功率的确定 192.3本章小结 19第3章11辊中厚板热矫直机的力能参数计算 203.1中厚板热矫直机矫直力的计算 213.2中厚板热矫直机矫直力矩的计算 223.3中厚板热矫直机矫直功率的计算 233.4本章小结 23第4章中厚板热矫直机的结构组成 244.1十一辊中厚板热矫直机的结构组成 244.2十一辊中厚板热矫直机的压下系统 254.2.1压下框架 264.2.2液压缸 264.2.3偏心轴 274.3本章小结 28第5章强度和刚度分析 295.1偏心轴分析 295.2液压缸分析 295.3压下框架分析 295.4本章小结 29结论 30参考文献 31-PAGE3-第1章绪论1.1课题背景国家的经济快速发展和工业化进程过程中，离不开中厚钢板，世界钢铁工业的发展历程表明，中厚板生产水平的高低是一个国家钢铁材料发展水平的十分重要的标志。随着当今世界科技的飞速发展，用户对中厚板生产的质量提出了越来越严格的要求。板材平直、优秀的机械性能，高精度尺寸等，提高了中厚板的制造水平，品种也增加了，应用范围和领域也扩大了。那是不可或缺的钢铁种类它应用广泛，大跨度桥建设、海洋平台制造、制造船舶制造业、压力容器的制造、军事工业、制造机械制造、制造石油化工，军事工业等多领域。与此同时，决定板材品质的重要环节是矫正，所以深入研究矫正设备的结构和矫正过程在矫正时非常重要。钢铁工业是基础工业部门的重要组成部分，是国民经济发展和国防建设的重要物质基础，同時也是衡量一个国家工业化程度与否的重要标志。钢板属于钢材的一种，现按厚度分，薄板指厚度在4mm以下的钢板，厚板指厚度超過20mm的钢板，特厚板则指超過60mm的钢板。高强度的厚板、特厚板具有附加值高，制造难度大的特点[1]。我国中厚板的发展近几年来保持稳定持续的增长，主要得益于国民经济发展、船舶工业、石油化工、桥梁建设等方面的强大需求的支撑。在工业发达国家中中厚板需求量一般在14-16%之間，日本可达20%。我国中厚板需求量基本在12.5-15%之間，但是我国还处在重要发展阶段，未来需求将会继续保持增长，并且对于板材的平直度、板形以及强度等方面的性能也将提出更高的要求。现在一个突出问题是我国中板的产能分布与中板的下游产业不配套，此外国产中厚板在品种、規格和质量等方面与国外相比仍存在一定差距，每年仍需进口特殊規格、品种的高性能中厚板。目前国产中厚板在国内市场的份額占较大优势，锅炉容器板、钢结构板等都能滿足国内市场需求，但目前各大钢企重复建设严重，高附加值的关键鋼材品种相对不足。矫直机是板材生产中的重要设备，是现代板材生产中不可或缺的，矫直技术，因为钢铁材料具有弹性变形的性质，所以可以在很多保直辊之间交替弯曲使轧延平坦。，过多次弹性恢复后的轧件较大程度地减少了原有变形程度或者变直或者程度上原变形的程度减少、变直，进而发生与顺方向相反的弹塑性弯曲变形，横向的纤维和横向的断面也因弯曲而变直板材内部的纵向纤维和纵向断面也是同时通过弯曲变直的过程。钢板生产线所需的矫正机根据矫正钢板的温度分为热矫正机和冷矫正机，根据其机体构造分为压力矫正机和辊式矫正机两种。中厚板矫正机采用直接紧固或压延后控制冷却的热钢板。冷矫正机主要用于冷却后或热处理后离线矫正钢板。中厚板热矫正机通常配置在轧钢机的后面和凉床前参照图1-1）。本次设计的四重式全液压十一辊矫直机位于主轧机之后,在热状态下在线矫直轧后钢板或经过冷水的钢板,使其平直度和瓢曲度达到国家规定的标准或用户的需求。1.2辊式矫直机辊式矫直机的矫直辊上是下平行排列成布棋式或者交错排列。其轴线部分彼此平行，板材在上下矫直辊间做反复的弹塑性弯曲变形从而得到矫直。由于板材能以较高的速度在运动中得到矫直，因此生产效率高，易于实现机械化的流水作业。因此得到了广泛的应用。辊式矫直机它使矫直的效率成倍提高并且克服了传统压力矫直机工作断断续续的缺点，属于连续性反复弯曲的矫直设备，使矫直工序得以进入连续生产线。1.34300mm中厚板热矫直机在轧制线的轧机后方设置了热矫直机，一般情况在中厚板生产厂使用的辊式矫直机有三种：冷矫直机、热矫直机、热处理矫直机等。用来矫直温度高的钢板是设置在轧制线的轧机后方的热矫直机，用来矫直温度高的钢板；设在热处理炉的出口侧是热处理矫直机，用来矫直经过热处理后的钢板。用来矫直温度低的钢板是冷矫直机的精整工序。有些中厚板厂配备两台热矫直机，热矫直是板形平直过程必不可少的一道工序，用于轧制线上的中厚板矫直机一般有二重式和四重式两种。一台用来矫直较薄的钢板，另外一台用来矫直较厚的钢板。目前现代化中厚板厂为了满足高生产率和客户高质量的要求都改为安装一台四重辊式热矫直机，首秦4300mm热矫直机即属于这种矫直机。1.3.1中厚板矫直机国外发展状况国外从18世纪末开始研究矫正技术和矫正设备的制造。一直至到20世纪初，英国布朗克斯公司生产了第一台真正意义上的成型矫直机，五辊式纯机械型矫直机。它可以分别对2500mm（宽）×100mm（厚）和2500mm（宽）×75mm（厚）等尺寸的板材进行热矫直和冷矫直。此种矫直机一共有八个辊，其中有三个是上工作辊，两个是下工作辊，另三个是下支承辊，入口处和出口处的上工作辊还可以单独进行升降操作。该矫直机采用的是电动机对升降机构进行驱动，使用的是滚动轴承，可以进行往复矫直，矫直辊的上下辊系均是整体组装和拆卸模式。它成为了今后发展各类矫直机的基本模板。但是，第一代矫正机的低矫正效率和不满意的矫正品质，由于其应用不广泛，在20世纪40年代诞生了第二代矫正机。那是以第一代矫正机为基础的。在工作辊数量上进行了改动,从最初的5个工作辊除了被提高到9个或11个工作辊以外，通过支援辊系的改良支持能力也提高了。下机构依然采用电动式，具备位移传感器，通过测量保直辊的压下量，导出辊缝的位置。整体的支架从连接到横杆的门式支架变更为整体的焊接架，矫正力大幅提高。虽然在技术上只不过是超过了一个小小的步骤，但与第一代矫正机相比，其工作效率和矫正品质有了很大的提高。在国外，众所周知，日本德国是机械强国。近十多年来，在矫直机技术革新方面主要靠的是日本德国所推出的第三代矫直机。主要有具有等距矫直特性的等距矫直机；同时也研制出了能使矫直范围扩大到十多倍的组合式矫直机，但这种矫直机设备成本较高，体型较大；还有SMS公司研制出的HPL型冷矫直机，他采用可逆五分之九辊变辊数矫直机，最大矫直力达到三点五万千牛，这种矫直机与传统的矫直机相比，使得矫直机对所矫直的工件厚度扩大一倍；还有就是德国西马克公司研发出来的采用强力矫直方法的等辊距热矫直机，主要针对工件为热钢板的设备，最大矫直力达到了四点四万千牛，同时还可以满足对冷钢板的矫直。可以说，国外的矫直技术相比以前得到了很大的提升。国外第三代矫正机通过改进结构设计，如：采用矫正滚轮不同方向的前屈，消除钢板边缘的波浪或中心的葫芦曲。采用上保直滚轮，去除一侧波浪。矫正辊沿保直方向倾斜，调整辊的间隙。入、出口辊单独调整滚子的间隙，有利于钢板的输送。设置了过载保护、高速更换辊装置。通过辊径和辊距离的组合，扩大了保直范围，扩大了保直范围等。另外，下一代矫正机采用自动控制、电脑模型设定、液压AGC动态滚子缝调整的先进技术，提高中厚板的矫正品质。表1-2典型的第三代矫直机概况表1-2中记载了一些典型的第三代矫正机的概况，从表1-2可以看出，在这些典型的第三代中，板金矫正机可以矫正的中厚板厚度都很宽，最大的矫正力在30MN以上。像中厚板矫正机那样的机械性能基本上可以满足中厚板的矫正需求。随着各种技术的进步，应用于矫正机的技术也在不断更新。二十世纪七十年代第三我用TMCP代替了矫正机。（ThermoMechanicalControlProcess）ACC（AccellerateCooling）等新兴技术具有较强的功能，在运行和维护使用等方面完成了从人工到智能的转换。第三代滚轮式矫正机的矫正力强，油压技术和自动化集成度高，矫正辊的滚轮数大约采用9卷或11卷，支撑辊也变成了分段式的密排支撑辊。可以提高更大的矫正机的支持力。紧逼卡车的使用也将矫正力提高到了更高的水平。第三代矫正机最大的特点是增加了弯曲辊机构和油压技术，通过弯曲辊机构的使用，可以正确控制客户矫正板的形状。在压下系统中使用油压技术可以使保直辊的压下量更准确，有动态补偿机构。第三代中厚滚轮式矫正机的工作效率更高，板矫正后的品质更好，现在成为了世界范围钢铁制造企业不可或缺的设备之一。1.3.2中厚板矫直机国内发展状况我国最初的滚筒式矫正机以前是从苏联引进的。之后，从其他国家引进了各种类型的滚筒式矫正机。而且还生产了具有第二代矫正机水平的滚柱式矫正机。改革开放后，随着经济的快速发展，各行各业也迅速发展起来。与此同时，在各行各业对钢铁加工水平的要求不断提高的背景下，国内很多钢铁制造商开始从国外引进第三代矫正机。同时，中国的研究人员和钢铁设备制造商也开始了第三代矫正机的研发和自主生产。我国矫正设备技术的进步离不开钢铁企业的繁荣发展。随着上世纪中国钢铁企业的起步和伴随着发展的势头，我国的钢铁矫正技术也在不断发展。特别是改革开放后，我国在矫正设备方面不再只依赖外国进口了。国产的矫正机渐渐被国内的钢铁制造商所接受。在国内的矫正设备市场上也占有一定的市场份额。世界先进水平。1.4本课题研究的主要内容本课题所研究的是4300mm十一辊中厚板热矫直机压下系统的结构设计，其中主要包括了矫直机的总装配图及压下系统的详细设计;压下系统内容有参数计算、结构设计和强度校核等。其中，第2章主要介绍了矫直理论;第3章为矫直机的力能参数的计算，包括矫直力、矫直力矩、矫直功率等;第4章主要介绍矫直机的结构组成和压下系统详细结构;第5章对关键部件做了有限元分析，校核其强度、刚度。第2章矫直理论弯曲矫直主要是通过轧件产生弹塑性弯曲变形达到矫直板材的目的。这种方式斜辊矫直机、压力矫直机、平行辊矫直机和拉弯矫直机等得到应用。要想将一个弯曲的物体矫直，由于弹性变形的存在，就必须将该物体反向扳到另一侧再释放，才有可能矫直。古人通过实践认识到的矫直原理告诉我们矫枉必过正的的道理。我们所学习辊式矫直机就是应用了这一原理，使不均匀的曲率逐渐趋于一致，并逐渐减小，使钢板在矫直机中经过多次反向弯曲，最终得到满足客户要求且具有一定平直度要求的钢板材。2.1弹塑性弯曲的概念本章介绍轧件的反弯矫直原理及弹塑性弯曲的基本概念。在辊式矫直机中，轧件是经过很多次弹塑性反弯后矫直的。材料在外力作用下发生变形，其变形基本上可以分为弹性变形和塑性变形两种。弹性变形是可以撤回外力以恢复原始形状的变形。塑性变形在去除外力后不能恢复到原来的形状。矫正过程中的弯曲变形当然包括这两种变形。由于轧延由保直辊的外矩产生弯曲变形，所以板材的各层的纵向纤维以中性层为边界，在一部分上产生拉伸变形，在其他部分产生压缩变形。这个时候板的弯曲变形有弹性变形和塑形变形的弯曲，所以被称为弹塑性弯曲。2.1.1板材的弹塑性弯曲变形在理想的情况下，板被认为由平行的纵向纤维组成。当压头受外力力矩M的影响而弯曲变形时，中性层以上各层的纵向纤维发生拉伸变形，中性层以下各层的纵向纤维发生压缩变形，发生弯曲变形时，在压延中，各纵向纤维的变形遵循材料的拉伸压缩应力、应变规律，所以必须在板材中的中间保持一层纤维的长度不变。其他部分的纵向纤维会变短。中性层以上各层的纵向纤维产生拉伸变形，中性层以下各层的纵向纤维产生压缩变形（图2-1所示）。，几个纵向纤维发生弹性变形是因为纵向纤维的拉伸和压缩变形的程度不同，所以一定会产生一部分塑性变形。轧延有弹性变形层，也有塑性变形层。图2-1轧件弯曲变形示意图对于轧制件的横向弹塑性弯曲变形，与之对应的弹塑性弯曲应力外力矩达到最大值。除去外转矩后，各层纤维的变形只能部分恢复。分布规律如图2-2所示。轧延高度和支点间隔之比小的和高宽高比小的是矫正过程，轧延产生弯曲变形时，外矩增大，塑性变形区域从表层扩展到中性层的深度也变大。实验和理论分析表明，弹性弯曲时的平断面在塑性弯曲时也有效，断面上各层的纤维失真与到中性层的距离z呈直线关系，弯曲力矩引起的正应力起着主要作用，切断应力的影响较小可以无视。纤维的长度和缩短平行于中性层。灼热状态的钢材接近理想的弹塑性体。超过材料屈服点的变形属于塑性变形，因此，关于弹性弯曲的平面假设在教科书的材料力学中依然适用于塑性弯曲。超过材料屈服点的变形属于塑性变形。在塑性变形的情况下，材料的负荷和卸载的恢复是不同的。图2-2各种材料弹塑性弯曲应力状态a-理想材料；b、c、d、e-非理想材料h-轧件厚度；zε-2.1.2板材弹塑性弯曲过程的曲率分析描述板材弯曲过程中变形程度大小的参量主要有以下几个：钢板初始状态下的曲率称为原始曲率，以1/表示，是轧制的原始曲率半径，原曲率的方向以正、负区别ρ01/ρ在外力矩M作用下，轧件强制弯曲后的曲率称为反弯曲率表示板材在弯曲时的曲率变化量，用1/ρ表示。它是反弯曲率与原始曲率的代数和，它是轧件弯曲变形的曲率变形量，用1/rc即板材弹性恢复后的曲率，用1/r表示。如果板材被矫直，则1/r=0；板没有被矫正的情况下，这个残留曲率是连续弯曲期间下一次弯曲时的原曲率。为了除去残留曲率，需要（使板笔直）需要满足：1rc=1ρ外力力矩表示将板材弯曲到表层纤维上，达到塑性失真发生时的曲率，用1/表示。此时板材的总变形曲率为ρw1/ρw=2式中E Pa,材料的弹性模量Hm,表示板材厚度σs Pa,表示材料的屈服应力是将上述各曲率与投降率1/比较的值，即与各曲率对应的相对曲率。r2.1.3弹塑性弯曲变形阶段应变和曲率之间的关系用曲率表示板材在矫正过程中产生的弯曲变形的变形程度，如图2-3所示。具有原曲率的压头有与中性层垂直的截面，由于外扭矩的作用，在保直过程中，板材和保直辊的接触位置根据平截面的假设r0生成弹性压床时形成小面积，形成图中所示的l。进行机械分析可以使负荷简化为集中负荷。取微线段讨论板的曲率。图2-3弹塑性弯曲时曲率的变化及其与断面纤维应变的关系由图我们可以做出以下假定，Aw为受外力弯曲时反弯曲率，A0为板材初始状态时具有的原始曲率，Aw受外力弯曲时反弯曲率，AΣ=A0±A引入相对曲率C的概念，来描述板材弯曲曲率。相对曲率符号与弯曲曲率相同，但是在数值上等于弯曲曲率与弹性曲率的比值。根据上文所述，原始断面被反弯，纤维处于塑性变形状态，可以将板材看作是由众多平行于轴线的纵向纤维组成的，随着弯曲程度的增大，在产生弹塑性弯曲变形后且断面上将可能出现三种应力状态，位于中间的中性层不发生变形在板材的变形过程中，其上、下各层的纵向纤维产生拉应力相应就会产生拉应变是由于遵循了材料力学的规律受拉，产生压应力相应就会产生压应变是由于遵循了材料力学的规律受压。在现代矫直机矫直过程中，板材的温度并不是很高必须考虑材料的加工硬化现象。为了TMCP技术的一般应用，多数处于弹性塑性复合弯曲状态，在保直过程中板材的变形如图2-4所示。首先如果不施加外力，只有弹性变形的部分会恢复，施加外力的话，板就会开始弹性变形。随后，外力在数值上逐渐递增，其中一部分纵向纤维发生塑性变形，一部分残余应力和残余应就会在板材中产生。图2-4板材弯曲变形后不同厚度应力应变示意图在这个范围内部的横向和纵向纤维层变形可看作弹性变形，HfHf=H×εt线性关系变化如下式，应变与厚度：εz=2εℎH由上式可求得板材表面的应变：εH2=H2可得应变解析式如下，在弹性变形区内：σz=Eεz可得应变解析式，在弹区变形区外：σz=σt+式中E——弹性模量；E'——为强化模量，这里取E在矫直过程的中，可用塑性变形率的大小来表示板材发生塑形变形的程度，多数情况下使用塑性变形率记述板材的变形状况。据图2-4把H/2−Ht/2称为半断面塑性变形区高度，半断面的塑性变形区的高度与半断面H/2的比值可以用塑形变形率表示，如下式(2η=H/2−由公式（2-4）和变形曲率概念得弹性变形区的高度与总的相对变形曲率的关系式：CΣ=AΣA将上式代入式（2-7）可以得总相对变形曲率与塑性变形率的关系式：η=1−1CΣ2.1.4板材弹塑性弯曲阶段的外力矩在矫直机对板材进行矫直的过程中，矫直辊会对通过它的板材产生矫直力，这是因为矫直辊的压下装置，而且可以让板材产生弯曲变形。与此同时，板材产生的反作用力，即矫直力同样也会对矫直机的矫直辊产生反作用，同样的会使矫直机的矫直辊产生弯曲发生变形，这样下来就会影响到矫直辊辊缝，液压压下装置就可以解决。矫正机压力下的能量参数的计算大致包括矫正力的计算、矫正扭矩的计算、矫正电力的计算等。通过以上文章可得到以下结论，矫正机的弯曲力矩计算，弯度和弯曲曲率相关的是板的弯曲变形。由于板所承受的平衡力，压延材料截面层上各层的纤维应力引起的内力矩与在板上产生弹性塑性弯曲变形的外力矩平衡。为了获得弯曲的外形力矩，需要计算弯曲内力力矩。所谓的弯曲力矩。如图2-4所示，要想得到宽厚板轧件的外力矩M的计算式，可利用材料力学中积分的方法，以HtM=20H根据以上所述的各关系表达式（2-2）——（2-6），可得到如下的内力矩计算关系式：M=BH变形区域包括弹性变形和塑性变形。这是从弹性弯曲进入弹性塑性弯曲的临界总变形曲率，在上述讨论中，考虑到板在弯曲过程中的弹性弹性弹性塑性弯曲时的外角矩与轧制截面上各层的纤维应力引起的内力矩平衡。弯曲力矩仅通过弹性变形计算获得，弹性塑性变形是因为板仅产生弹性变形状态。式（2-11）可以简化为公式（2-12）如图所示M=BH式中B——板宽（mm）；H——板厚（mm）；Ht——弹性变形区厚度（mmσt——弹性极限强度（2.2十一辊矫直机力能参数计算本节论文课题是辊式矫直机的力能参数计算，这其中内容包括作用在矫直辊上的压力，即矫直力矩，矫直扭矩和矫直机的驱动功率等等。2.2.1矫直力计算求各滚轮矫正力的解。作用于矫正辊的压力可以根据轧制弯曲时所需的力矩来计算。为了计算板被矫正的滚子的压力，需要知道板弯曲时的力矩。由此得出矫直力。可以将各矫正辊对板的压力看作集中载荷，可以将中厚板材料看作材料力学中的连续梁。11根据辊的矫正机上的5个保直辊下的6个保直辊的工作辊的配置形态，中厚的板材的保直机的工作辊的作用下的弯曲力矩如图2-5所示。图2-5板材弯矩图根据板材断面力矩平衡条件，得到板材所受的矫直力为F1=2tMF2=2t(2F3=2t(F4=2t(F5=2t(F6=2t(F7=2t(F8=2t(F9=2t(F10=2t(2F11=2tM式中t——两矫直辊间的距离。由以上公式可得11辊热矫直机所受的总矫直力为：F=i=111由于下辊系与上辊系受到的大小相等、方向相反的矫直力为平衡力，可取式(2-25)的平均值为上其矫直力为：F上=F下上述各公式表示，具体计算时，各辊下的轧制转矩数值是必要的。只有知道各矫正辊所承受的弯曲力矩值，才能要求各矫正力。然而，弯曲变形量的大小是取决于弯曲力矩值的大小的关键。因此，通常可以使用一些简化的方法来精确地计算矫正弯曲矩值。各辊下弯曲力矩值没有具体数据时，根据以下假设，对保直力进行近似计算。可以采用适合这种情况的一般方法。对各弯曲力矩进行以下假设。MMMMM将上式代入（2-13——2-23）可得：F1=2tMF2=6tMF3=8tMF4=7MsF5=5MsF6=4MsF7=F8=F9=F10=F11=F=i=111从以上各公式可以得出，对钢板的矫直结果影响最大的是第3根矫直辊，其所受的作用力也最大，因此以受的作用力最大的矫直辊为研究对象。可按照钢板弯曲时所需的力矩来计算作用在各矫直辊上的压力。与此同时，受很多集中载荷的连续梁钢板，各个辊对钢板的压力大概就是这些集中载荷，轧件对辊子的压力它们在数值上相等，就是矫直力。轧件的额弹性弯曲力矩为：Mw=因为塑性力矩Ms与弹性力矩Me=Ms所以Ms=eMw所以M代入可得受最大矫直力的矫直辊的计算结果：F3作用在上、下排辊子上的压力总和为：F=152t2.2.2矫直力矩的计算轧延弯曲变形所需的力矩，是根据矫正时外力的作用和内力的工作同等条件而被要求的×D/2MnMn=Ms×D/2[1/r0+Kn×（式中,D—工作辊直径;Msr0—原始曲率半径h—板厚;E—弹性模数;δsKn—矫正方案系数。克服轧件、辊子，间滚动磨擦所需力矩Mk，克服轧件与辊子间滚动磨擦，可按下式计算Mk=fi=1n式中,f—轧件与辊子间滚动磨擦系数。克服滚子轴承的磨损，克服滚子轴承的磨损支撑辊和工作辊之间的官方假设条件是，前滚子的剩余曲率和本辊的剩余曲率相等，塑性变形曲率为两者之和。可以按滚动摩擦所需的力矩进行计算MMm=[c（U1式中,u,u1d,d1—工作辊和支承辊辊径直径f1—工作辊和支承辊间的滚动磨擦系数t—矫直机辊矩;Dg,D2.2.3矫直功率的确定辊式矫直机的电动机功率可按下式计算，矫直功率计算式如下：N=[Mn+Mm+Mk]×2v/D×102式中,v—矫直速度;η—机械效率;D—工作辊直径。2.3本章小结根据合理性假设，并且简化对矫直过程，简化为材料力学简支梁模型将中厚板材在压力矫直机矫直过程中的受弯曲作用力的力模型，矫直力的一部分理论之中的计算模型我们可以啊通过非实践的形式推导进而出。与此同时我们经过一些简化，进行相应的假设包括对矫直辊的弯曲力矩等等，由此我们可以计算并且得出了矫直力的具体的计算需要的公式，从这些公式之中我们可以得出来和我们想象的大相径庭，并非第一根矫直辊受力最大，而是第3根矫直辊的所受的矫直力最大，接下来下一章的具体的矫直辊对需要计算的轧件的弯曲压力变形的具体计算就可以以受力最大的矫直辊作为研究对象。第3章11辊中厚板热矫直机的力能参数计算本课题所要设计的矫直机为4300mm四重式全液压十一辊中厚板热矫直机，其中啊在矫直机的上辊系是五个矫直辊，这些矫直辊可以在液压压下机构的精确计算带动下作为整体向上或向下移动，与此同时同样的也可以使上辊系啊整体的倾斜调整；矫直机的下辊系是六个矫直辊，除此之外呢，在矫直机的下辊系的进口和出口都设有固定的导辊，这些导辊可以进行一些单独的调整，其目的就是为了满足需要，这些固定的导辊辊矩与中间的各工作辊间的辊矩也并不相等，矫直机的辊系分布情况如图3-1所示。另外，在矫直机辊系当中每一个工作辊都会有相对应的支承辊对其垂直支承。在本次设计计算的辊系部分的简要重要的基本尺寸有：工作辊辊身长度L=4300mm，工作辊直径Dw=285mm，支承辊直径Db=290mm,矫直板材厚度5mm−60mm，矫直辊辊距表3-14300mm矫直机主要参数图3-1十一辊矫直矫直过程的受力分析3.1中厚板热矫直机矫直力的计算通过阅读、学习中厚板矫直机的相关文献、书籍，计算矫直力、矫直扭矩和主机功率。轧件弹性弯曲力矩为：QUOTEQUOTE塑性力矩与弹性力矩的比值是：QUOTEQUOTE其中e为断面的形状参数，对于矩形轧件e=1.5QUOTE=333.3QUOTE=50KN轧件的矫直力：假设各辊子在断面的弯矩分配为：3.2中厚板热矫直机矫直力矩的计算QUOTE}D=285mm,n=113.3中厚板热矫直机矫直功率的计算N=[QUOTEf为辊子与轧件的滚动摩擦系数，f=0.0002QUOTE为辊子轴承的摩擦系数，QUOTED为辊子轴承处的直径，d=180mmQUOTE为传动效率，QUOTE∴N=【9+98572（0.0002+0.005QUOTE）】QUOTE3.4本章小结本章主要介绍了4300mm十一辊四重式全液压中厚板矫直机力模拟参数计算，通过上一章的介绍，建立了矫直弯矩、矫直力和压下量的数学模型，其中包括矫直力、矫直功率，矫直力矩等的具体参数代入计算。第4章中厚板热矫直机的结构组成4.1十一辊中厚板热矫直机的结构组成在当前的形势下，全世界，国外包括我们国家大部分中厚钢板生产商所使用的中厚板矫直机通常都是采用了如图4-1所示的结构的形式，图示的结构大致可分为以下几个主要的结构，主要包括：传动部分、机架部分、压下部分、辊系部分、弯辊部分和换辊轨道等。图4-1目前常用矫直机的结构形式图4-1是用三维制图软件Solidworks所设计的十一辊热矫直机三维总装图，其主体结构大概可以以下分为3部分（除去传动和换辊轨道部分）:辊系、压下系统（本次设计的主要结构内容）、机架和压上系统。这其中的辊系部分主要可以分为上矫直辊和下矫直辊，上面5个工作辊进行矫直，下面6个工作辊进行矫直，除此之外还有支承辊的辊座、导辊的支承辊;矫直机的机架部分和压上系统主要可以分为机架辊系、压上系统、机架等三部分。压下系统主要可以大致分为平衡缸、压下框架、液压压下和弯辊等四部分。其中压下框架处连接了压下系统和辊系;机架的底座可以将压下系统和机架进行机械性连接。四个底座各并不是完全一样的，它们是不相同的，这点在进行三维设计的时候要密切注意，四个底座其中的两个是带有蝶形的弹簧，这样设计的目的是可以顶住上面的机架，从而是防止机架的脱离。整个矫直机的连接主要是通过电焊焊接在一起的，而大多数零件材料采用的是不易变形的Q235,这种材料适合焊接且价格便宜。满足应力条件下同时又可以降低生产成本，以此来满足客户的需求。4.2十一辊中厚板热矫直机的压下系统用来调整矫直机压下量的是矫直机的压下系统，其结构设计也是本次设计的重点，矫直机压下系统调整的压下量先是传递到支承辊，再传递到到工作辊，经过精确的计算可以将每两个工作辊之间的缝隙调整到几乎相等的状态，这样就可以达到矫直钢板的目的。弯辊弯辊压下液压缸压下液压缸平衡缸平衡缸压下框架图4-2矫直机压下系统装配图图4-2为本次用三维软件Solidworks设计的结构，即矫直机的压下系统的装配图，压下系统主要部分可以分为弯辊、压下框架、液压压下缸、平衡缸和底座等五部分。首先粗略介绍一下矫直机压下框架，压下框架可以分为左右大概对称的两个部分，在矫直机框架的中部有一个铰接点，矫直机的结构之一，弯辊，其中的液压缸就可以通过压下框架的铰接点和偏心轴对机架中的上辊系弯辊进行精确的控制。这里我们可以引用矫直辊预先弯曲的方法。因为在弯曲钢板的负载的矫直压力的作用下，通过弯辊的液压缸由于矫直辊的形状是呈现数学几何中的抛物线形状，这使矫直辊的缝隙在中厚钢板宽度方向达到希望预期的平行度，本次设计的矫直机是采用全液压的压下控制方式，这种附加变形可以通过弯辊系统得到一些补偿。除此之外，有效的矫直镰刀弯、边浪、中浪等缺一系列的陷可以通过不同的弯辊方式进行矫直。矫直机的四个各不相同的底座来连接压下系统和矫直机是机架，同时矫直机的四个底座的连接方式也各不相同。矫直机的压下系统精确的计算并且施加一定的压下量，压下系统中的弯辊部分来补偿矫直机矫直辊的变形程度。矫直机的压下主液压缸由于只能够单方向的进行运动，所以就需要通过矫直机的弯辊座装载的具有复位功能的复位弹簀来使压下主液压缸进行复位运动。压下平衡缸可以通过与矫直机的机架进行机械连接，这样就可以做到平衡矫直机压下系统的重量。本次设计的特别之处是矫直机的压下框架的上半部分受的是拉力，矫直机的压下框架下半部分受的是压力，这其中最主要的原因是由于框架的中间铰接且施加了外部的载荷的状态下造成的，这也是是设计的独特点。4.2.1压下框架图4-3压下框架图4-3为一个大的焊接的矫直机的压下部分的框架的装配示意图，矫直机的压下框架可以分为左、右两个部分，凹凸两部分连接成了矫直机左、右两个上梁铸件，矫直机的上梁的铸件是用来安装压下偏心轴的。通过铰接连接在一起的是压下框架的下面，上梁铸件上面用来装复位弹簧的是的弯辊的座，这样受拉力的就是压下框架的上部分了，这样就会使得压下框架发生对称的变形。压下液压缸则是通过框架左右两面上的箱体上盖连接的。在矫直机压下框架的内部中间部分在那铰接的内部安装一个轴，这个轴与框架的铰接部分呢安装装有一个瓦套，这个瓦套是由耐磨的材料精选组成的，其目的是想要提高轴的耐磨度。固定矫直机偏心轴两侧的两个大端盖设计的很大的厚度是因为受很大的剪切力，4.2.2液压缸图4-4是用三维软件Solidworks所设计的矫直机压下液压缸的装配图，这个液压缸在矫直机中起到的作用是这增压，这个液压缸分为主液压缸（图示大的缸筒）和副液压缸（图示小的缸筒）两个部分，在这其中，副液压缸，也就是小的缸筒作为为增压液压缸缸，它可以通过减小受到的液压面积来实现增压的目的，进而可以精确地调整面积大的主液压缸。图4-4压下液压缸在矫直机液压缸的主油缸上面安装了有磁式传感器Temposonic，这个传感器的工作原理是当液压缸的活塞杆进行往复运动时，保证传感器自身不运动，矫直机的主液压缸上面的磁环进行运动，这样我们就可以测试出来液压缸的活塞杆进行运动时的最精确的距离。除此之外，在主液压缸上安装有一个导向杆，这是用来为了防止活塞杆沿缸筒转动，这也是起到了控制活塞杆的导向的作用。只有压下主液压缸在工作时压力不是很大时候;当需要更大的压力去矫直板材时，矫直机的压下副液压缸通油孔会打开，与此同时，压下主液压缸通油孔会进行关闭，这样就可以精确的控制液压缸活塞杆的往复运动，这是通过减小面积来实现增加压力。4.2.3偏心轴图4-8同样是采用三维软件Solidworks所设计的矫直机压下偏心轴结构图。在中厚板矫直机中，矫直机的弯辊就是通过偏心轴来实现对液压缸的控制的，所以设计计算偏心轴的结构尺寸是设计矫直机压下部分乃至整个矫直机都是非常重要的组成环节。键与弯辊部分固定连接是通过偏心轴内的键槽来实现的，如果需要拆卸就可以将偏心轴从直径较大的一端抽出，抽出的时候键需要从开通键槽的一边划出，这样就达到了拆卸的目的，非常的简单方便。图4-5偏心轴但出现的问题也随之而来，由于偏心轴的键槽开得太长，这样就会影响到偏心轴的强度，所以需要改进，可以在开通这端，将与偏心轴的键没有贯穿的部分进行热处理，可以对其采用淬火处理，这样在其表面就会形成淬硬层，这样做不仅提高了偏心轴的强度，而且也可以延长偏心轴的使用寿命，一举两得。.4.3本章小结本章主要介绍了4300mm十一辊中厚板热矫直机压下系统的详细结构参数以及各部分的具体尺寸等，其中包括压下框架、压下液压缸和弯辊部分的偏心轴等。为下一章对各个主要零件的受力做了准备，值得今后对矫直机的具体研究进行参考和借鉴。第5章强度和刚度分析首先要进行假设，然后进行理论计算，其次进行选合适的规格，最后打开Solidworks软件进行有限元分析对主要结构进行静力分析，由此得到相关的应力应变图、网络划分图及其最大变形位置和应力集中位置，理论上这样就可以校核压下部分的强度和刚度并且判断是否能达到实际工作强度要求。5.1有限元简要概述有限元法是的应用涉及学科领域十分广泛，其中可概括为静力学问题、平面问题、动力学问题、空间问题以及流体力学、结构力学、传热学等诸多问题，有限元也是综合利用的方法，随着时代的发展，科技的进步，有限元算法的求解精度通过软件逐步的在提高。利用有限元软件进行求解时，它为我们服务的领域也是十分广泛的，其中就包括例如国家进行的航空航天试验、本次所涉及到的机械领域、家庭必备的电器类、航海或军用的船舶、平时出门所需要的交通工具汽车等等，有限元软件在除了我国以外的很多国外的一些地区得都到了十分广泛的应用。除此之外，有限元软件还可以对接触、弹塑性、疲劳和耐久性、静态和准静态、断裂、冲击和碰撞等诸多的结构问题以及质量扩散、流固耦合、热电耦合、热固耦合、等耦合问题进行计算和分析。首先将一个弹性物体劳动边界上的离散关系定义成作为有限个不同的存在相互重叠的通过两个物体节点相互连接的子域，原来一个物体边界上的弹性物体劳动边界离散关系理论条件也就可能会转变成一个离散可以被量化的一个物体单元上的弹性物体劳动边界离散关系理论条件，然后我们可以利用北京大学专业弹性物体劳动关系理论专业课程教材中的物体弹性劳动思想，建立一个物体单元格上的一个节点与物体劳动力之间的物体边界离散关系，最后所有的单元格的关系式都联系起来，就会得到一组以节点的力与节点的位移之间的关系。求解这组有限方程式数组，及时精确求解一个物体上有限个空间节点的相应力与方向位移，也许这就是现代有限元数学思想的基本精华含义所在。有限元求出结果的方法：（1）离散，就是将连续的结构变成离散的单元，网络划分，通过求离散的单元节点的参量，就可以对整个的结构进行求解；（2）挑选出位移的形式，假设这一近似地可以表示实际的函数位移u=N式中[N]——形函数的矩阵；{d}{u}——每个单元中任意节点的位移向量。单元力学进行特性分析，由此应变—节点的位移的关系表示为：ε=B上式中ε——B节点位移—应力关系：σ=DB{d}上式中σ——为应力向量；D——为与材料的特性有关联的本构矩阵。这样我们就可以通过节点的位移来计算整个单元的应力、位移和应变。（3）建成整个单元的刚度线性代数矩阵，利用动力学所学的虚功原理，建立整个单元上的节点位移之间和节点力之间的关系式{f}e=k{d上式中{f}k——单元的刚度的矩阵。（4）计算等效的节点力。（5）根据平衡的一系列条件，由上式，集成整体的刚度的矩阵，进而可以组建整体节点的载荷和节点的位移方程组，进而我们可以求出节点的实际的位移：K{d上式中K——为总体的刚度线性矩阵；{d{F}——为整体节点的载荷的向量。（6）解出单元上未知的节点的节点力和位移。假设A、B两物体接触，则其平衡时的方程可表示为：[KA[KB上式中[KA][{FA}{{RA}{{uA}{通过十多年的研究发展，有限元元素分析法已发展成为建筑工程设计研究领域以及数学科研研究领域的一项重要的元分析科学技术和应用手段，为人们提供有效的计算手段，确切预测机械和工程结构中的应力和应变、位移情况。随着现代计算机科学技术的快速进步发展，有限元系统分析方法已经几乎可以普及所有化学工程技术领域的统计问题，成为一种目前应用广泛且十分实用的一种数值系统分析方法。5.2偏心轴分析偏心轴对于压下系统或者是整个矫直机都是十分重要的，所以它的强度大小和刚度大小都十分地重要。所以我们需要对其做有限元分析，图5-1为偏心轴网格的划分，偏心轴共划分网格19789个，左边绿色代表固定端，右边粉红色为施加的扭矩。图5-1网络生成图分析的结果为图5-2偏心轴的位移云图、图5-3偏心轴的Mises应力图和图5-4应变图。图5-2静态位移偏心轴受到的最大应力为3.5Mpa。从此偏心轴的位移云图和应力图可看出，偏心轴无论从刚度还是强度方面都满足设计要求。图5-3应力分析偏心轴的最大偏心量为32mm，可以完全补偿矫直辊的弯曲变形。图5-4应变分析5.3液压缸分析液压缸是实现压下的关键部件，本压下系统为全液压压下。1、主液压缸缸筒分析液压缸缸筒的材料为42CrMo，此材料的屈服强度为700MPa，使用的最大压力为52MPa。缸筒内径为470mm，柱塞行程为400mm。图5-5主液压缸网络生成图图5-6主液压缸位移分析图5-5为液压缸缸筒的网格划分图，共划分网格38042个，有限元分析的结果为图5-6缸筒的位移云图、图5-7缸筒的应力图和图5-8缸筒的应变图。从图上可以看出缸筒从强度、刚度上都满足要求。图5-7主液压缸静应力分析图5-8主液压缸应变分析经有限元分析可得液压缸的最大应力为317.5MPa（见图5-6），与材料的屈服应力620.4MPa相比，完全满足要求。1、副油缸缸筒分析副油缸缸筒材料也是42CrMo，材料屈服强度为700MPa，使用最大压力为52MPa。缸筒内径为200mm，柱塞行程为450mm。图5-12为液压缸缸筒的网格划分图，共划分网格34381个，有限元分析的结果为图5-9缸筒的位移云图、图5-10缸筒的应力图和图5-11缸筒的应变图。从图上可以看出缸筒从强度、刚度上都满足要求。图5-9副液压缸静态位移分析图5-10副液压缸静应力分析经有限元分析可得液压缸的屈服应力为220.6MPa，与分析得到的的材料的最大应力160.4MPa相比，完全满足要求。图5-11副液压缸应变分析图5-12副液压缸网络划分5.4压下框架分析图5-13为压下框架网格划分图，共划分网格24582个。压下框架的材料是Q235，比较适合焊接。图5-14为压下框架位移云图，从中可看出其最大变形位移为2.221mm，通过偏心轴弯辊完全那可以得到补偿，强度满足要求。图5-15为压下框架Mises应力图，最大应力416.5MPa左右，强度方面满足使用要求。5.5本章小结本章介绍了有限元分析方法，以及具体的关键部件为例进行有限元分析，通过设定材料参数，以及施加初始边界条件，通过SolidWorks软件有限元分析模块求解，最终得到了应力以及应变云图，通过云图可以清晰的看出应力应变分布情况，对进一步设计具有参考价值。本章主要对矫直机的关键部件做有限元分析，校核其强度、刚度，包括偏心轴、液压缸桶和压下框架。结论本文以4300m四重式全液压压下的十一辊中厚板热矫直机作为研究的主要内容，不仅成立了矫直辊弯曲变形与力的数学模型，而且讨论了矫直机的工作原理，根据材料力学中的假设合理性将板材在矫直过程中由复杂的变化受力进行了处理，简化为简支梁模型，进而得到了矫直机矫直力的理论设计计算模型。与此同时也对矫直辊工作时弯曲力矩进行了合理的简化，以便得出可靠的结论，由此我们就可以给出矫直机矫直力的具体的计算公式，为研究矫直辊对中厚板产生的力提供参考。本次课题完成了十一辊中厚板矫直机压下系统的结构尺寸设计计算，完成了对矫直辊的矫直力的分析，压下结构尺寸的设计等，在这其中结构合理性的表达是采用了三维设计软件Solidworks来完成的，不仅直观而且精确的表达了矫直机压下系统的详细结构，其中包括压下框架、压下液压缸、弯辊和平衡缸等结构。中厚板热矫直机在中厚板生产线