轧钢机机架设计

2021/8/611现代机械装备设计（上）王重阳2021/8/622第四章 轧钢机机架内容：机架类型及结构、机架主要参数、机架强度计算、闭式机架变形计算、机架材料与许用应力掌握：机架特点、主要参数机架强度计算、闭式机架变形计算学时：12021/8/633第一节 机架类型及主要结构参数轧机机架是轧机工作机座中尺寸和重量最大部件，其重量占整个工作机座的4550%。轧件作用于轧辊的全部轧制力和水平方向张力、惯性冲击及轧辊平衡装置中平衡力等最终都为机架所承受。机架受力后所产生的变形直接影响轧件尺寸精度，因此机架必须具有足够的强度和刚度，另外结构便于拆卸和换辊。正确计算和设计机架是十分必要的，安全系数n=1015，机架是机座中最重要部件。2021/8/644一、机架类型根据轧钢机形式和工作要求分为：闭式机架、开式机架、焊接机架、组合机架机架形式a.闭式机架b.开式机架c.焊接机架d.组合机架2021/8/6551、闭式机架：具有很高强度和刚度主要用于轧制力较大的初轧机、板坯轧机和板带轧机；对于某些小型型钢和线材轧机，为获得较好轧件质量，也采用闭式机架；另外多辊轧机、钢管轧机、矫直机等均采用闭式机架。换辊，沿轧辊轴线方向从机架中抽出或者装入，需要用专用换辊设备进行换辊。下面看实体结构：2021/8/666操作侧机架2021/8/677传动侧机架2021/8/688机架装配2021/8/699机架辊系装配2021/8/610102、开式机架：有机架立柱和上盖两部分组成。主要在横列式型钢轧机或者线材轧机上，轧辊从机架上方吊出或者装入。见书图5-2 几种常见开式机架结构（邹家祥）2021/8/61111螺栓连接结构简单、但螺栓较长，变形较大，机架刚度低，换辊拆卸费时立销连接换辊比螺栓较方便，其他特点一样2021/8/61212套环连接换辊较方便，刚度有所改善圆销连接结构简单，圆销在冲击力作用下容易变形，拆卸困难，刚度较大2021/8/61313斜楔连接与上述各开式机架相比具有以下优点：上盖弹跳小，由于连接件少，变形小连接件结构简单，连接坚固机架立柱横向变形小换辊方便具有较高刚度故称之为半闭式机架综上所述：开式机架刚度低，影响机架刚度和换辊速度的主要是上盖的连接方式2021/8/6143、机架的结构虽然机架的形式很多，但它们具有很多共同特点，一般机架设计时要考虑以下问题：机架上方中部镗有装压下螺母的孔，间隙配合机架立柱中心线与轧辊轴承座中心线重合，对于经常压下情况，立柱内侧装有滑板立柱外侧装有轴向固定装置对现代化轧机，为换辊方便，弯辊缸放在机架上，在机架内侧增加附加支座14增加凸台焊接或者螺栓固定2021/8/61515二、机架主要结构参数机架主要结构参数：窗口宽度B、高度H、立柱断面尺寸机架结构2021/8/616161、机架窗口宽度B：根据轴承座尺寸确定a 对于二辊轧机闭式机架：B稍大于轧辊最大直径，便于换辊开式机架：取决于轴承座的宽度，从上方吊走轧辊b 对于四辊轧机：闭式机架B传动侧=（1.151.3）D2（支撑辊直径）B操作侧=B传动侧+(510) 便于换辊或者B=BZ+2S式中BZ支撑辊轴承座宽度S窗口滑板厚度，一般S=20402021/8/617172、窗口高度H窗口高度取决于轧辊最大开口度、压下螺丝最小伸出端长度、轧辊数目、辊身直径、轴承座径向尺寸以及换辊要求等。H=H1+H2+H3+S1+S2式中H1两个（或者四个）轧辊接触时上下轴承座之间最大距离H2安全臼（或者球面垫）或测压元件的高度H3下轴承座垫板厚度S1轧机换辊时最大开口度S2机架窗口高度余量，一般S2=150250对于四辊轧机：H=（2.63.5）(D1+D2)其中D1、D2分别为工作辊、支撑辊直径2021/8/61818轧机类型开坯机其他轧机四辊轧机备注按支撑辊辊颈计算轧辊材料铸铁普碳钢铬钢合金钢轧辊比值F/d20.60.80.70.90.81.01.21.61.01.23、机架立柱断面尺寸：立柱应具有足够强度和刚度根据强度条件确定机架立柱断面尺寸。由于作用在辊颈与立柱中的力相同，而辊颈强度近似与其直径平方成正比，故机架立柱断面积与辊颈直径平方有关。设计时，可根据F/d2的经验数据确定机架立柱断面积，再进行强度效验，见表4-1。机架立柱断面积与d2关系2021/8/61919机架立柱断面尺寸对机架刚度影响很大。板带轧机为提高轧件轧制精度，有逐渐增大立柱断面的趋势。四辊厚板轧机立柱断面尺寸增至900010000cm2，刚度700800t/mm；四辊热轧带钢轧机立柱断面尺寸增至700008000cm2，刚度625t/mm；四辊冷轧带钢轧机立柱断面尺寸增至60007000cm2，刚度600t/mm；立柱断面形状有以下几种形式：正方形长方形工字形I最大安装滑板方便T形轧制中心线2021/8/62020三、机架结构特点1、闭式机架1700热轧带钢连轧机精轧机座的机架1.轨座6、8键2、12.机架 3、10、13螺栓 4支承辊换辊小车7滑板 9箱型横梁 11支承辊轴向压板 14测压仪5横梁15下横梁2021/8/62121图4-3所示a.由两片机架2、12组成b机架上方通过横梁9用12个M64螺栓10连接，并用键8定位c.机架下部则通过两个横梁15用16个M64螺栓13连接d.横梁5是支撑辊小车4的轨道底座，用16个M56螺栓与机架下部连接，并用键6定位e.横梁5中装有4个液压缸，升降成套轧辊组件，小车4与机架下横梁间装有测压仪14f.换辊侧，立柱上装有支撑辊固定压板11g.整个机架用8个M150螺栓固定在轨座1上，两个轨座1用8个M130地脚螺栓固定在地基上此轧机正常轧制力25MN，考虑轧制不锈钢或者发生卡钢事故等，每片机架按照承受20MN载荷设计。2021/8/62222上述机架结构特点：机架窗口高度H与宽度B的比值达3.75，比一般轧机大机架立柱断面采用近似方形，为节省金属，立柱宽度900，厚度720，断面积6440cm2立柱内表面装有45滑板，防止磨损换辊侧，机架窗口比传动侧大20机架采用ZG35，焊接性能好，每片机架重130t，机架高9250，总宽度3510机架窗口底部圆角半径R，如图4-3所示半径R=150半径R=200双半径R1=150 R2=1002021/8/623压下螺母镗孔圆角R现代化轧机，机架窗口内侧有附加凸台，安装上支撑辊、工作辊液压缸23第一种方案第二种方案第三种方案2021/8/62424650大型型钢二辊轧机工作机座1斜楔 2定位销 3双头螺栓和撑管 4铸造横梁 5起吊用中心销6侧支撑面7凸出部分8耐磨滑板2、开式机架目前应用较多的是斜楔连接，图4-42021/8/62525结构特点：由两个U型架3、12和一个上盖组成，用1：50斜楔4连接上盖1与U型架立柱用销轴2轴向定位上盖与U型架都装有安装压下、压上装置的齿轮壳体由于中辊轴承座采用H形瓦架，上盖下部开有燕尾槽，便于安装H形瓦架U形架立柱上装有支撑中辊轴承座的凸台与下辊轴承座接触机架侧装有滑板7机架采用ZG35U形架下部通过中间梁10用螺栓连接，U形架上部通过横梁6和拉紧螺栓5连接整个机架用8个M72螺栓固定在地脚板上2021/8/62626650型钢机架1机架上盖 2定位销轴 3U形架 4 斜楔 5拉紧螺丝 6铸造横梁7凸台 8上鞍形垫板 9下鞍形垫板 10中间梁 11销子 12牌坊2021/8/627273、轨座结构机架安装在轨座上，轨座固定在地基上。轨座要保证机座安装尺寸精度，并承受机座重量和倾翻力矩，轨座安装必须准确，并且具有足够的强度和刚度。大型轧机，一般轨座采用与机架相同材料小型轧机，则往往采用铸铁介绍常用几种轨座形式：2021/8/62828单轨座具有矩形支撑面轨座两个轨座铸造在一起型钢轧机轨座用斜楔连接轨座轨座形状与其机架地脚连接形式1机架地脚2销钉3轨座4垫圈5、6上下斜楔2021/8/62929第二节 机架强度和变形计算主要介绍闭式机架和开式机架强度计算，介绍闭式机架的变形计算2021/8/63030轧钢机机架强度和变形计算，一般采用如下步骤：P941、将机架结构图简化成为刚架，即以机架各断面的中性轴连线组成框架，近似处理成直线或者规整的圆弧线段，并确定断面位置2、确定静不定阶数，如闭式机架是三次静不定，简化模型降低阶数，为一次静不定3、确定外力大小及作用点4、根据变形谐调条件，用材料力学方法求解静不定力哥力矩5、根据计算截面面积、惯性矩、中性轴线位置和承载情况，求出应力和变形2021/8/63131一、闭式机架确定计算 P94为便于计算，作如下简化：每片机架在上下横梁中间断面处，有垂直力R作用，且大小相等，方向相反，作用在同一条直线上；机架沿窗口垂直中心线对称，且不考虑上下横梁惯性矩不同而引起的水平内力；上下横梁和立柱交界处（转角处）是刚性的，即机架变形后，机架转角仍保持不变根据上述假设，机架外负荷、几何尺寸与机架窗口垂直中心线对称，将机架简化为立柱、上下横梁的中性轴组成的自由框架，即沿窗口垂直中心线剖开，作用有R/2和静不定力矩M1：2021/8/63232机架计算简图及弯矩图中性轴2021/8/63333求解静不定力矩M1：对于I-I断面，转角 等于0，按照卡氏定理，即由M1引起的转角：式中xI-I截面与计算截面间机架中性线长度机架计算截面上的弯矩惯性矩由图可知：式中y垂直力相对于计算截面的力臂2021/8/63434将代入式得到：所以：2021/8/63535a.对于简单矩形断面：可将其简化为矩形框架2021/8/636根据以上公式计算M1：式中l1、l2机架横梁、立柱中性线长度I1上横梁惯性矩I2立柱惯性矩I3下横梁惯性矩积分后得到：362021/8/63737假设上下横梁惯性矩相同，即I1=I3立柱上弯矩M2：由此可见：减少立柱惯性矩I2和增大横梁惯性矩I1，可以部分减少立柱弯矩M22021/8/63838b.对于复杂断面：将机架分成若干段，进行求和用图解法求力矩M12021/8/63939c.求机架应力横梁：内侧压应力：外侧拉应力：立柱：内侧拉应力：外侧应力：式中机架横梁内外侧断面系数机架立柱内外侧断面系数F2立柱断面积2021/8/64040d.机架立柱断面积选择根据力矩分配条件，找到立柱断面积选取原则，常见立柱断面积形状：矩形、长方形、工字型、T形设计机架，根据轧机类型、受力特点及制造条件等确定断面积形状。断面形状与力矩关系2021/8/64141对于宽度较大二辊轧机，即l2/l1=1，特别是水平力较大轧机，由于M2较大，要求I2大，选择惯性矩较大工字钢对于窄而高闭式轧机，即l2/l1=2，水平力不大，M2较小，要求I1大，可选择惯性矩较小的近似正方形断面，一般实际选择矩形断面2021/8/642二.闭式机架变形计算机架弹性变形是由横梁的弯曲变形和立柱拉伸变形组成，影响轧件断面尺寸精度。由于横梁的断面尺寸较其长度是很大的，应考虑横梁在横向切力作用下变形。机架的弹性变形：由拉力引起立柱拉伸变形由切力引起横梁弯曲变形由弯矩引起横梁弯曲变形42增加2021/8/64343a.首先计算：由卡氏定理可知，两个横梁的弯曲变形横梁受力图2021/8/64444因为：所以：积分后得到：式中E机架弹性模量横梁惯性矩立柱力矩横梁中性轴长度R横梁上作用力，钢板轧机R=P/22021/8/645b.计算由切力引起横梁弯矩：由卡氏定理或者莫尔积分计算F1横梁受力图452021/8/64646式中G机架剪切弹性模量K断面系数，对于矩形断面，K=1.2F1横梁断面积因为：所以：积分后得到：2021/8/64747c.立柱拉伸变形：立柱受力图2021/8/64848机架变形：上述三项之和为：对于钢板轧机：机架允许 冷轧机： =0.40.5四辊热轧机： =0.51.0机架变形：2021/8/64949三、开式机架强度计算 P91轧制时，轧辊受到垂直力R的作用，机架立柱上部向窗口内侧变形，将夹紧上辊轴承座（轴承座与机架窗口一般采用间隙配合），以T表示轴承座作用于机架立柱上的反作用力（水平方向）。T可根据立柱挠度f等于轴承座和立柱间隙确定2021/8/65050二辊开式机架计算简图2021/8/65151开式机架内力图a.弯矩图 b.轴力图c.切力图2021/8/65252a.T力作用下弯矩图b.R力作用下弯矩图2021/8/65353按照卡氏定理：立柱：横梁：立柱的挠度由立柱和横梁的弯矩引起的变形，即：2021/8/654积分化简得到：式中R作用在一片机架上的轧制力下横梁、立柱惯性矩轴承座与机架立柱之间的间隙下横梁长度注意：T只能为正或者零，不能为负。如果T是负的，即f小于， T是不存在的。542021/8/65555下面计算立柱和横梁中的应力：立柱的应力计算：按照T最大条件，即横梁应力计算：按照T=0计算下横梁最大弯矩：立柱最大弯矩：2021/8/65656立柱内表面应力：立柱外侧应力：立柱受力图2021/8/657下横梁内表面应力：M1下横梁下横梁外侧应力：572021/8/658四、机架材料和许用应力机架材料一般采用：ZG260500，含碳量为0.250.35% ，机架是轧钢机中最重要和最贵重零件，要求有较大强度，安全系数n不小于10。对于ZG260500，采用以下数值：对于横梁：对于立柱：582021/8/659为防止机架过载破坏，轧辊断裂时机架不产生塑性变形，根据这一要求，则：式中分别为机架、轧辊安全系数机架的强度极限、屈服极限一般情况下，所以，因为轧辊安全系数所以592021/8/66060五、用弹性力学有限元方法计算机架应力和变形（Pro/e）机架实体图2021/8/66161机架分析模型图2021/8/66262材料分配2021/8/66363加载与约束2021/8/66464网格划分2021/8/66565应力图2021/8/66666应变图2021/8/66767位移图2021/8/66868第四章 习题1 轧钢机机架类型，特点，应用范围？2 机架的主要结构参数有哪些?如何确定？3 两种机架结构特点？共同特点？4 闭式机架的强度和变形计算（影响辊缝的弹性变形）