四輥冷軋機設(shè)計之軋機機架設(shè)計說明書

#大學 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文） 題目 190/ 500*450 四輥冷軋機設(shè)計之四 -軋鋼機機架設(shè)計 學生姓名： 學生學號： 指導教師： 機械工程 學院 機械設(shè)計制造及其自動化 專業(yè) 班 2011 年 6 月 15 日 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務書 專業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 班級 姓名 下發(fā)日期 2011-3-6 題目 190/ 500 450四輥冷軋機設(shè)計之四 專題 軋機機架設(shè)計計算 主 要 內(nèi) 容 及 要 求 1、計算設(shè)計本道次（ 1.8mm 1.4mm）軋制力、驅(qū)動力矩，并選擇電動機； 2、機架的靜強度、剛度計算，有限元分析； 3、完成機架傳動側(cè)、操作側(cè)、機架裝配圖的設(shè)計； 4、單片機架（傳動側(cè)）結(jié)構(gòu)設(shè)計； 5、撰寫設(shè)計說明書，完成 2.5 張 #0 圖紙。 主要技術(shù)參數(shù) 1、軋制材料： 25Cr2MoVA； 2、原料規(guī)格： 3.1 200； 3、軋制規(guī)程： 3 . 1 2 . 7 5 2 . 4 2 . 0 1 . 8 1 . 4 ； 4、軋制速度： 2m/s。 進 度 及 完 成 日 期 3 月 14 日 3 月 16 日： 石橫特鋼參觀實習，寫實習報告及查閱相關(guān)資料 ； 3 月 17 日 4 月 09 日：比較各種結(jié)構(gòu)，選擇最優(yōu)設(shè)計方案； 4 月 10 日 4 月 19 日：對整機及部件進行設(shè)計計算； 4 月 20 日 5 月 24 日： CAD 制圖； 5 月 25 日 6 月 03 日：編寫設(shè)計說明說； 6 月 04 日 6 月 15 日：畢業(yè) 答辯審查準備； 6 月 15 日 6 月 21 日：審閱與答辯。 教學院長簽字 日 期 教研 室 主任簽字 日 期 指導 教師 簽字 日 期 指 導 教 師 評 語 指導教師 : 年 月 日 指 定 論 文 評 閱 人 評 語 評閱人 : 年 月 日 答 辯 委 員 會 評 語 評 定 成 績 指導教師給定 成績 (30%) 評閱人 給定 成績 (30%) 答辯成績 （ 40%） 總 評 答辯委員會主席 簽字 青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 I 摘要 本軋機為小型四輥冷軋機，重點設(shè)計了機架部分。機架是軋鋼機的重要部件，用來安裝整個輥系及軋輥調(diào)整裝置，并承受全部軋制力。因機架重量大、制造復雜一般給予很大安全系數(shù)，并作為永久使用的不更換零件來進行設(shè)計。 機架的設(shè)計步驟可分為以下幾步： 1） 初步確定機架的形狀和尺寸； 2）常規(guī)計算：利用材料力學、彈性力學等固體力學理論和計算公式，對機架進行強度、剛度和穩(wěn)定性等方面的校核； 3） 有限元靜態(tài)受力分析 。 本設(shè) 計主要采用了采利柯夫計算方法進行閉式機架的強度和變形計算，然后采用有限單元法校核機架的應力、變形及安全系數(shù)。用有限單元法可求出機架完整的應力場。在以往機架的設(shè)計中，安全系數(shù)取得很高但仍不能保證機架可靠工作。機架的破壞多在壓下螺母孔、機架窗口轉(zhuǎn)角處等應力集中大的部位。采利柯夫計算方法只能求得某些部位的應力值。而有限單元法不但能求出整個機架各部位的應力場，特別能真實地反映局部部位高應力水平的數(shù)值。 關(guān)鍵詞 ： 機架 ；設(shè)計步驟；計算方法；有限單元法 青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 II Abstract The mill is a small four-high cold rolling mill. The project is on the design of the Mill Housing. Mill Housing is one of the most important components which is used for installing the whole system of Roll, the device which regulates Mill Roll and supporting all of rolling pressure. Mill Housing has been designed the perpetual and unsubstitutive component for its large weight, complex technological process and high safety coefficient. Frame design steps can be divided into the following steps: 1) The frame is determined primarily shape and size 2) The conventional calculation: the material mechanics, mechanics of elasticity and other solid mechanics theory and calculation formula of cutter, the strength, stiffness and stability checking aspects. 3) Tinted element static and dynamic analysis and model test (or physical test) and the optimized design 4) Manufacturing technology and economy analysis. Strength and Deformation calculation of Close-top mill housing mainly adopt the Calculation Method of A.I.Tselikov, and then use the Finite Element Method to compare Housings Stress, Deformation and safety coefficient. We can gain the complete stress filed of Mill Housing through using the Finite Element Method. In the past design of Mill Housing, safety coefficient is bestowed with high number but it couldnt assure the reliability of Housing. The parts where are easily destroyed are distributed where stress concentrate such as the hole which is installed roll positioning nut, the corners of window of the Mill Housing and so on. The calculation method of A.I.Tselikov cloud only gain the stress of some places, but the Finite Element Method can specially and authentically reflect the level of high stresss numerical value of the partial. Key words: Mill Housing； Design steps； Calculation Method； Finite Element Method 青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 III 目錄 摘要 . I Abstract . II 目錄 . III 第 1 章 緒論 . 1 1.1 冷軋帶鋼生產(chǎn)概況和發(fā)展方向 . 1 1.2 冷軋機的類型、特點及工作原理 . 2 1.3 冷軋帶鋼 的生產(chǎn)工藝 . 3 第 2 章 設(shè)計方案的比較 . 8 2.1 主轉(zhuǎn)動方式 . 8 2.2 傳動型式 . 9 2.3 軋輥軸承 . 9 2.4 壓下裝置的結(jié)構(gòu)形式 . 10 2.5 軋輥平衡裝置 . 11 2.6 設(shè)計方案的確定 . 11 第 3 章 設(shè)計計算 .12 3.1 設(shè)計題目及要求 . 12 3.2 原始數(shù)據(jù) . 12 3.3 軋輥參數(shù)的確定 . 12 3.4 軋制力能計算 . 13 3.5 機架的設(shè)計計算 . 27 結(jié)論 .42 參考文獻 .43 致謝 .44 附件 1 .45 摘要 . 45 1 前言 . 45 青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 IV 2 閉式機架結(jié)構(gòu)及載荷分布特點 . 46 3 有限元分析 . 46 3.1 有限元模型的建立及模型載荷的處理 . 46 3.2 有限元計算結(jié)果與分析 . 48 3.2.1 變形分析 . 48 3.2.1 應力分析 . 49 3.2.1 機架強度與剛度分析 . 50 4 結(jié)論 . 51 5 參考文獻 . 51 附件 2 .52 附錄 1 .61 附錄 2 .63 附錄 3 .65 青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 1 第 1 章 緒論 1.1 冷軋帶鋼生產(chǎn)概況和發(fā)展方向 1.1.1 冷軋帶鋼生產(chǎn)在國民經(jīng)濟中的地位 冷軋帶鋼生產(chǎn)在國民經(jīng)濟中占有十分重要的地位。隨著汽車的制造、食品罐頭、容器包裝、精密儀器、房屋建設(shè)、機械制造和船舶工業(yè)的迅速發(fā)展以及家用電器和各種日常生活的需求量成倍增長，對冷軋帶鋼的需求量也迅速增加。 當前，大力 發(fā)展冷軋帶鋼的生產(chǎn)，逐漸提高冷軋帶鋼在軋鋼產(chǎn)品中的比重，迅速提高冷軋帶鋼的質(zhì)量，不斷增加冷軋帶鋼的產(chǎn)品，滿足各個工業(yè)部門的，特別是與人民生活密切相關(guān)的，輕紡織工業(yè)和日用電器，生活用具等。以及外貿(mào)出口對冷軋帶鋼急劇增加的需要，是重型機械制造和鋼鐵生產(chǎn)部門面臨的一項重要而有十分緊迫的任務。 1.1.2 冷軋帶鋼的生產(chǎn)歷史及發(fā)展方向 冷軋帶鋼生產(chǎn)始于 1660 年，當時是在二輥軋機上進行的。 冷軋帶鋼和薄板一般厚度為 0.1 3mm,寬度為 100 2000mm；均以熱軋帶鋼或鋼板為原料，在常溫下經(jīng)冷軋機軋制成材。冷軋帶鋼 和薄板具有表面光潔、平整、尺寸精度高和機械性能好等優(yōu)點，產(chǎn)品大多成卷，并且有很大一部分經(jīng)加工成涂層鋼板出廠。只有少量的非凡用途的冷軋合金鋼板采取單片軋制。冷軋帶鋼和薄板的產(chǎn)量在工業(yè)發(fā)達國家已占鋼材總產(chǎn)量的 30 左右。鋼種除普通碳鋼外，還有硅鋼、不銹鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼等。 近年來，冷軋帶鋼生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，主要是增加鋼卷的重量，加快機組速度，提高產(chǎn)品厚度精度，改善板形，提高自動化程度及改進軋機的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝，其典型有 WRS 軋機、 HC 軋機、 VC 軋機、 CVC 軋機、 HVC 軋機、 FFC 軋機，全數(shù)字控制高精度可逆式六輥冷軋 機組，或全數(shù)字控制高精度可逆式四輥冷軋機組等。 在帶鋼冷軋機上，廣泛的采用液壓彎輥裝置或抽動工作輥裝置來改善板形，由于冷軋帶鋼的厚度公差要求高，為增加軋機壓下裝置的響應速度，在冷軋機上采用了全液壓裝置及厚度自動控制裝置，對于高速高產(chǎn)量的帶鋼冷連軋機，實現(xiàn)計算機控制。 青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 2 1.2 冷軋機的類型、特點及工作原理 1.2.1 軋機的類型 軋鋼機構(gòu)造可以軋輥數(shù)目及其在機座中位置為特征進行分類為：二輥式軋機、三輥式軋機、三輥勞特式軋機、復二輥式軋機、四輥式軋機等。軋鋼機按布置分類可分為單機座式、橫一列式、連續(xù)式等。連軋機 生產(chǎn)效率高，軋制速度快，但產(chǎn)品單一，變動不大時，最能發(fā)揮其優(yōu)越性。 其類型如圖所示 1： 圖 1-1 軋輥類型圖 1.2.2 冷帶軋機各類的特點及工作原理 由于軋輥的輥數(shù)不同，則各類軋機的特點也不同： 1、二輥式軋機：此軋機結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，由直流電動機驅(qū)動，用于二輥可逆式初軋機，可將鋼錠往復軋制成各種矩形坯，也可用于軋制軌梁和中厚板。 2、三輥式軋機：其在同一機座上軋件可兩向軋制，而軋機無需反轉(zhuǎn)，由一臺交流電動機經(jīng)減速器和齒輪座驅(qū)動數(shù)臺三輥式軋機，可實現(xiàn)軋件往復多道次軋制。它用于開坯和型鋼生產(chǎn)，具有 設(shè)備簡單和投資少的特點。 3、三輥勞特式軋機：此軋機中輥直徑較上下輥為小，浮動在上下輥間。軋機由交青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 3 流馬達經(jīng)減速器和齒輪座驅(qū)動軋機上下兩輥，中輥靠摩擦力轉(zhuǎn)動，軋件可往復多道次軋制，用于軋制中厚板或薄板開坯。 4、復二輥式軋機：此軋機作用與三輥式相似，但軋輥調(diào)整、孔型配置較方便，用于橫列式中小型軋機。 5、四輥式軋機：是帶鋼冷軋機中最通用的機組，這種軋機采用閉口式機架，兩個牌坊有橫梁或其它軋機連接形成一個剛體，通常采用工作輥驅(qū)動， 但是近來趨向于支承輥驅(qū)動。 6、多輥式軋機：為適應冷軋板帶產(chǎn)品尺寸向高精度和大的 寬厚比方向發(fā)展需要，出現(xiàn)了六輥、十二輥和二十輥軋機。另外，為提高軋機剛度，簡化軋機結(jié)構(gòu)，又出現(xiàn)了各種類型多輥式軋機。 1.3 冷軋帶鋼的生產(chǎn)工藝 大型軋鋼車間生產(chǎn)鋼軌需要以下工序： 表面清理加熱軋制鋸切緩冷矯直銑頭鉆孔淬火檢查 冷軋帶鋼的生產(chǎn)工藝總的來看有以下三點： 1、加工溫度低，鋼板在軋制過程中，將產(chǎn)生不同程度的加工硬化現(xiàn)象。它使變形抗力增加，塑性降低。這樣就使軋制力增大，易發(fā)生脆裂。因此必須有軟化退火，使軋件恢復塑性，降低變形抗力，以便對軋件經(jīng)行繼續(xù)軋制。在冷軋生產(chǎn)過程中，每次軟化退火 之前完成的冷軋工作稱為一個“軋程”，在一定的條件下，鋼質(zhì)愈硬，成品愈薄，所需之軋程愈多（軟化處理，又稱在結(jié)晶退火或固溶處理）。 2、冷軋中采用工藝冷卻與潤滑 （ 1）工藝冷卻：在高速冷軋機上，金屬塑性變形產(chǎn)生大量的熱量，為保持軋輥所需輥型，軋輥表面需要冷卻。軋制速度越高，冷卻問題顯得尤為重要。如何合理的強化冷卻過程的冷卻已成為發(fā)展現(xiàn)代冷軋機的重要的研究課題。 青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 4 圖 1-2 冷連軋潤滑液和冷卻液供給系統(tǒng) 1 實驗表明，帶鋼冷軋時其變形功中約有 84%88%轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使工作輥表面可升溫?80 120 ， 支撐 輥表面溫度可達到 50 70 ， 工作輥輥身中部與邊部溫度差通常為 15 20 ，最高可達 30 40 。支撐輥輥身中部與邊部溫度差通常為5 8 ，最高可達 15 20 。因此冷軋過程中必須對軋輥和帶鋼進行冷卻。否則，軋輥表面會由于溫度過高引起淬火層硬度降低，從而影響帶鋼的表面質(zhì)量和軋輥壽命。另外，軋輥溫度升高和溫度的分布不均勻會破壞正常的輥型，直接影響帶鋼的板形和尺寸精度。同時軋輥溫度過高還會使冷軋潤滑劑失效，油膜破裂，影響冷軋過程的正常進行。 因此我們必須采取適當?shù)拇胧┪呋蚩刂七@部分熱量，即便變形發(fā)熱 率，單位時間發(fā)出的熱量 q。其表達式為： vhJ Bq 式中：系數(shù) 8.804.80 ； 小于 1 的修正系數(shù)； J 機械功的熱當量； B 所軋材的寬度； h 該道次的絕對壓下量； 軋制速度； 軋制時的平均單位壓力。 取 86.0 ； 5.0 ；所以 JJq /8.122200035.0/2.05.086.0 。 青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 5 實驗證明，水是一種比較理想的冷卻劑，它具有比熱大、吸收率高、成本低等優(yōu)點。因此通常情況下，冷連軋機組采用水或以水為主要成分的乳化液作為冷卻劑。只有某些特殊的軋機，由于工藝潤滑與軋輥軸承共用一種潤滑劑，才采用全部油冷，但為了保證 冷卻效果，需給予足夠大油量。 從實現(xiàn)強大軋制的角度來看，我們所關(guān)心的是如何提高冷卻液的冷卻能力，即提高冷卻效果。有物理學可知一定質(zhì)量的液體在單位時間內(nèi)所吸收的熱量可表示為： 12()q m t t c 式中： c 冷卻液的比熱； 比重； m 單位時間所需冷卻液的體積； 2t、1t 冷卻液前后的溫度。 由以上關(guān)系可知，在冷卻液種類和冷卻系統(tǒng)均一定的情況下，為增加 q，只有增加流量 m，但這往往受到原有冷卻設(shè)施的限制，所以通常是改變冷卻液的種類和增加冷卻液的溫度來增加其吸熱能力。冷卻液簡單地噴澆在軋輥和軋件上，與高壓冷卻液霧化，冷卻效果大大不同，實際資料表明，即使在采用有效的工藝冷卻的條件下，冷軋板卷在卸卷后的溫度優(yōu)勢仍達 130150oc ，甚至還要高，由此可見在軋制變形區(qū)的料溫一定比 這還要高，輥面溫度過高會引起工作輥淬火層硬度的下降，并有可能促使淬火層內(nèi)發(fā)生組織分解（殘余奧氏體的分解），使輥面出現(xiàn)附加的組織應力。 另外，從其對冷軋過程本身的影響來看，輥溫的反?，F(xiàn)象以及輥溫分布規(guī)律的反?；蛲蛔兙鶎е抡］伱鏃l件的破壞，直接有害于板形與軋制精度。同時，輥面過高也會使冷軋工藝潤滑劑失效（油膜破裂），使冷軋不能順利進行。 綜上所述，為了保證冷軋的正常生產(chǎn)，對軋輥和軋件必須應采取有效的冷卻和控溫措施。 （ 2）工藝潤滑：冷軋過程中，帶鋼與軋輥接觸表面存在摩擦。為了降低軋制力、減少摩擦的影響，需進行 工藝潤滑。工藝潤滑的作用包括： 1）通過潤滑劑在軋輥和帶鋼表面形成一層油膜，當潤滑劑滲入軋輥與帶鋼接觸表面的凸凹部時，可以把帶鋼與軋輥分隔開，從而降低接觸表面的摩擦系數(shù)，降低軋制負荷。 青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 6 2）冷軋過程中，由于劇烈的摩擦及變形功而產(chǎn)生很大的熱量，工藝潤滑劑可以防止粘輥的發(fā)生。 3）工藝潤滑對保護軋輥表面、改善帶鋼的表面質(zhì)量起著重要作用。一方面，在潤滑劑的保護下，可防止軋輥表面氧化。另一方面，帶有潤滑劑軋制對被軋帶鋼起到了“拋光”作用。 生產(chǎn)實踐與實驗表明，采用天然油脂作為冷軋的工藝潤滑劑在潤滑效果上優(yōu)于礦物油， 這是由于天然油脂與礦物油在分子的結(jié)構(gòu)上與特性上有質(zhì)的差別所致。 如表 1-1所示： 表 1-1 軋制油的組成 冷軋用乳化液應滿足如下要求： 1、高溫、高壓條件下，具有良好的潤滑特性和冷卻效果。 2、脫脂性能良好，潤滑劑軋后易于清除，保證成品帶鋼表面光潔。 3、具有良好的化學穩(wěn)定性，帶鋼不易生銹，不易腐蝕。 4、具有良好的乳化性能，使用方便。 5、成體低，廢液易處理，無環(huán)境污染。 冷軋過程中油的耗用量還是相當大的?，F(xiàn)在，可以通過乳化劑的作用把少量油于大量水混合起來制成乳狀潤液。可以較好的解決油的循環(huán)使用問題，在 這種情況下水是作為冷卻劑與載油劑而起作用的。此時乳化劑需滿足濃度、皂化值、 PH 值、鐵含量等要求。 （ 3）冷軋中采用張力軋制：張力軋制是冷卻的一大特點。所謂“張力軋制”， 就是軋件在軋輥中的輾軋變形是有一定的前張力與后張力作用下實現(xiàn)的 。單位張力z是青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 7 作用在帶材斷面 A 上的平均張應力 3： 2/ mmKgATZ 式中： T 總張力； 張力的主要作用有以下幾個方面： 1）防止帶鋼在軋制過程中跑偏（即保證正確對中軋制）。 2)使所軋帶鋼保持平 直（包括在軋制過程中的保持板形平直以及軋板型良好）。 3)降低軋件的變形抗力，便于軋制更薄的產(chǎn)品。 4)其適當調(diào)整冷軋機主電機負荷的作用。 防止軋件跑偏是冷軋操作中關(guān)系到能否實現(xiàn)軋制的一個重要問題。跑偏將破壞正常板型，引起操作事故甚至設(shè)備事故，若不很好加以控制，將不能保證冷軋的正常進行。 防止跑偏的方法有： 1)采用凸行輥縫； 2)采用導板夾逼； 3)采用張力軋制。 通過改變卷取機，開卷機及軋機主電機的轉(zhuǎn)速以及各架壓下可以使軋制力，張力在較大的范圍內(nèi)變動。借助準確可靠的測試儀，并使之與自動控制系統(tǒng)結(jié)成閉環(huán)， 可以按要求實現(xiàn)恒張力控制，配備這種張力閉環(huán)控制系統(tǒng)是現(xiàn)代冷軋機的起碼要求。 生產(chǎn)中張力的選擇主要是平均單位z，從理論上講，單位張力似乎應當盡量選的高一些，但是不應超過帶鋼的屈服極限s， 根據(jù)以往的經(jīng)驗，一般軋機sZ )6.01.0(；而冷軋薄帶剛sZ )3.01.0(。 青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 8 第 2 章 設(shè)計方案的比較 2.1 主轉(zhuǎn)動方式 目前，小型四輥冷軋機的主轉(zhuǎn)動方 式有如下三種：（ 1）傳動工作輥；（ 2）傳動支承輥；（ 3）單輥傳動。 一般是電機通過減速器與齒輪座來直接傳遞工作輥，這種形式對于軋制過程比較有利，但是對于較小的軋機，它又受到工作輥輥頸和方向接軸所能傳遞的扭轉(zhuǎn)力矩的限制，而傳遞工作輥不能達到要求時，就需傳遞支承輥，而傳遞支承輥是靠摩擦力來傳遞工作輥的。這樣將會碰到關(guān)于工作輥力的傳遞問題，這就是要增大軋輥的傳動部件。同時還要考慮軋輥與軋件間的打滑問題。 為了解決上述問題，防止出現(xiàn)支承輥斷輥、工作輥輥頭扭斷等現(xiàn)象，可采用異徑軋制、單輥驅(qū)動等措施來解決。本次設(shè)計由于 軋制力與軋制力矩不是很大，故不需考慮此問題，但同時采用單輥驅(qū)動又會帶來一系列新的問題。由于采用單輥傳動，使兩個工作輥自然會產(chǎn)生一定的速度差，從而使軋制力有所降低，據(jù)實際分析證明，當變形區(qū)長度上出現(xiàn)搓扎區(qū)，一般可能使軋制壓力下降約 520%。由于單傳動軋制時上下輥速度的配合是自然的，過程簡單易行，無需復雜的控制系統(tǒng)。采用異徑軋制，并盡可能的減小空轉(zhuǎn)輥的直徑，充分發(fā)揮小輥的軋制可降低軋制壓力的優(yōu)點，以保證受力零件的正常工作，同時又有利于增大壓下量，減小道次，從而提高軋機的工作效率。 在普通的四輥軋機工作中，盡管 其主機列通常是有主電機通過減速機和齒輪座傳遞兩個工作輥，但是在預壓力作用下，由于工作輥徑的差別等原因，給冷軋薄帶鋼軋機的傳動帶來很大的影響：在薄帶軋制中常出現(xiàn)量接軸傳動力矩的分配不均，某個接觸力矩為零或趨近于零。由于輥頸差事實上不可能消除，使用較大的預壓力亦是必要?？梢哉J為，軋輥的傳動力矩在兩軋輥上的分配并不總是大致想當相等的。在運轉(zhuǎn)中的軋機上，即從軋輥空轉(zhuǎn)，壓靠以至軋制階段，輥頸稍大的軋輥接觸中傳動力矩永為正值，而輥頸稍小者，其傳動力矩可在負值至正值的廣大范圍內(nèi)變化，者是薄帶鋼軋制的軋機傳動特點，對于這類 軋機，在一定的條件下實際上是單輥傳動的。一般看來，當軋件較薄時使用預壓力較大，直徑稍小的軋輥上，其傳動接觸可能實際上不起作用，甚至反而有害。 青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 9 另一方面，由于軋件較薄，又是成卷軋制的，咬入條件能夠保證，有可能實現(xiàn)單輥傳動。 在主機列中，自然可將齒輪座從設(shè)計中取消，減小設(shè)備的投資，降低動力傳傳遞的能量消耗，從而取得一定的經(jīng)濟效果并可充分利用換輥，在操作上也會有許多方便。 2.2 傳動型式 對于單機座軋機，有可逆式和不可逆的工作制度，現(xiàn)分述如下 1： 1、不可逆式軋機工作制度 小型冷帶軋機采用不可逆式工作制度最 多。當采用這種工作制度時，軋輥與軋件的運動方向始終不變，但軋制速度卻有可調(diào)和不可調(diào)兩種，軋制速度不需要調(diào)整的小型冷帶軋機，通常選用交流同步電動機和異步電機。在連續(xù)式冷帶鋼軋機上，為了保證通過每個機座的金屬秒流量相等，保持軋件張力的恒定，需要在軋制過程中不斷調(diào)整軋制速度。這類軋機，一般都采用調(diào)速范圍廣、超載能力大、慣性力矩小的直流電動機來傳動。 運轉(zhuǎn)方式可分為： 幾乎保持嚴格不變的軋制速度；軋件通過時，軋制速度稍微降低；僅在軋機調(diào)整時才調(diào)節(jié)速度；在軋件通過時，在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)軋制速度。 2、可逆式工作制度 用可逆 式冷軋機軋制時，軋輥既能逆轉(zhuǎn)又能調(diào)速。這類軋機采用調(diào)速范圍廣、慣性力矩小的直流電動機傳動。為提高軋機的生產(chǎn)能力，可逆式冷軋機一般都有快速啟動和制動的要求。 目前，對單機座小型冷軋機，采用可逆式有很多有優(yōu)點，它能大大提高生產(chǎn)效率，以減少板帶鋼的吊運與安裝。 2.3 軋輥軸承 軋輥軸承用來支承轉(zhuǎn)動的軋輥，并保持軋輥在機架中正確的位置。軋輥軸承與一般軸承的工作條件差別很大，其特點： 1、承受能力很高，這是因為軸承受外圍尺寸的限制和在較短的輥頸內(nèi)可用很大的許用應力所決定的； 2、運轉(zhuǎn)速度差別大； 青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 10 3、工作環(huán)境惡劣。 軋輥軸承的性能與摩擦功率的損耗成正比，表征了軸承的發(fā)熱率。其主要形式是滾動軸承與滑動軸承。滾動軸承主要是用雙列球面滾子軸承，四列圓錐滾子軸承。在某些情況下，由于受軋輥軸承尺寸的限制，可采用滾針軸承。板帶軋機上多用滾動軸承。 2.4 壓下裝置的結(jié)構(gòu)形式 壓下裝置目前就驅(qū)動方式而言有手動的、電動的和液壓的三種結(jié)構(gòu)型式 1。 1、手動壓下 其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，價格低。其缺點是體力勞動繁瑣，壓下速度和壓下能力較小。 2、電動壓下 電動壓下是最常用的上輥調(diào)整裝置。是電動機通過圓柱齒輪減速箱和渦輪減速箱傳遞運動的， 它可以用于所有的軋機上，如初軋機、板坯軋機、冷板帶軋機等。其優(yōu)點是移動距離可達較大的數(shù)值，壓下能力較大，缺點是結(jié)構(gòu)復雜、反應時間較慢、效率較低。 壓下裝置的結(jié)構(gòu)在很大程度上與軋輥的調(diào)整速度、調(diào)整距離、調(diào)整頻率、和調(diào)整精度有關(guān)。按照壓下速度的大小，電動壓下裝置可分為快速壓下裝置和慢速壓下裝置兩大類。 （ 1）快速壓下裝置 由于其壓下速度一般大于 1mm/s，故稱為快速壓下裝置。這類壓下裝置多用在初軋機、板坯軋機、中厚板軋機、連軋機組的可逆式粗軋機上。其工藝特點是： 1）工作時要求大行程、快速和頻繁的升降軋輥。 2）軋輥調(diào)整時，不“帶鋼”壓下，即不帶軋制負荷壓下。 （ 2）慢速壓下裝置 這類裝置通常用在熱軋或冷軋薄板和帶鋼軋機上，其軋制速度很高。軋制精度要求也高。所以這類壓下裝置具有以下特點： 1）較小的軋輥調(diào)整量與較高的調(diào)整精度； 2）帶鋼壓下； 3）必須動作快，靈敏度高； 4）軋輥平行度的調(diào)整要求嚴格。 3、液壓壓下 液壓壓下裝置是用液壓缸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的壓下螺絲、螺母來調(diào)整軋輥輥青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 11 縫的。在這一裝置中，除液壓缸外，還有與之配套的伺服閥、液壓系統(tǒng)及檢測儀表及運算控制系統(tǒng)。與電動壓下裝置相比較，液壓壓下裝置有如下特點： 1）快速響應性好，調(diào)整精度高； 2）過載保護簡單、可靠； 3）機械傳動效率高； 4）便于快速換輥，提高軋機作業(yè)率； 5）采用標準液壓元件，簡化了機械結(jié)構(gòu)，消耗的功率小，效率高。 2.5 軋輥平衡裝置 平衡裝置的作用是消除軋制系統(tǒng)間隙，避免沖擊。提升上軋輥，用來大大降低咬入軋件時的沖擊和工作輥的頻繁換輥。上輥平衡裝置有重錘平衡、彈簧平衡、液壓平衡三種形式?，F(xiàn)在在小型冷軋機上，廣泛使用液壓平衡裝置，它是由液壓缸產(chǎn)生的推力來進行工作的。液壓平衡優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，工作靈敏度高，平衡效果好。 2.6 設(shè)計方案的確定 本 設(shè)計采用：不可逆工作制度，電動驅(qū)動支撐輥，工作輥軸承選用雙列滾針軸承，支承輥軸承選用四列圓柱滾子軸承，壓下裝置為電動壓下，上輥為單缸平衡，輥型調(diào)整采用液壓壓下彎輥，直流電動機。 青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 12 第 3 章 設(shè)計計算 3.1 設(shè)計題目及要求 設(shè)計題目： 190/ 500 450mm 四輥冷軋機設(shè)計之四 軋鋼機機架設(shè)計。 設(shè)計要求： 1、在滿足生產(chǎn)工藝及強度、 剛度的條件下尺寸盡量小。 2、運用所學專業(yè)知識，完成冷軋機單體設(shè)計。 3、對已有設(shè)備進行綜合分析，提出最佳方案。 4、完成軋鋼機機架設(shè)計和有限單元法分析。 軋鋼機架類型如圖 3-1 所示： 圖 3-1 機架 3.2 原始數(shù)據(jù) 1.、軋制帶材 25Cr2MoVA(調(diào)質(zhì)處理 )； 2.、帶寬 B=200mm,帶厚0h=3.1mm,帶長 L=450mm,成品厚度1h=1.4mm； 3.、軋輥直徑 190/500mm； 4.、軋制速度 v=2m/s； 5.、張力0150T T K N。 3.3 軋輥參數(shù)的確定 1、工作輥直徑1D=190mm； 青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 13 2、支承輥直徑2D=500mm； 3、軋輥材料。 工作輥 ： 92rC Mo輥面硬度 HS=9095；支承輥 ： 92rC Mo輥面硬度 HS=6065。 3.4 軋制力能 計 算 3.4.1 主要參數(shù)的確定 1、本道次加工過程中，鋼板厚度由 3.1mm 被軋制為 2.75mm，鋼板材料為25Cr2MoVA。 （ 1） 本道次壓下量 mmhhh 35.075.21.310 （ 2）本道次壓下率 %3.11%1 0 01.3 35.0%1 0 00 h h (3-1) （ 3）金屬材料的屈服極限s 材料屈服極限是使試樣產(chǎn)生給定的永久變形時所需要的應力，金屬材料試樣承受的外力超過材料 的彈性極限時，雖然應力不再增加，但是試樣仍發(fā)生明顯的塑性變形，這種現(xiàn)象稱為屈服，即材料承受外力到一定程度時，其變形不再與外力成正比而產(chǎn)生明顯的塑性變形，產(chǎn)生屈服時的應力稱為屈服極限，圖 3-2 為屈服極限圖。 由圖 3-3 得：as MP515。 圖 3-2 屈服極限圖 圖 3-3 冷態(tài)下變形阻力曲線 青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 14 （ 4）變形抗力的確定 因為 1.15Sk ，所以得： as MPk 5 9 25 1 515.115.1 （ 5）摩擦系數(shù)的確定 冷軋時由于出口和入口軋件的速度與軋輥的速度不同步，從而產(chǎn)生前滑和后滑現(xiàn)象。摩擦力將阻礙金屬的變形，摩擦系數(shù)對軋制力影響較大，并且是變化的。為計算方便初步取其為常數(shù)。由參考資料取 08.0 。 （ 6）咬人條件的校核 由公式 co s 1 hD 得： 99 8.019 035.01c o s tan=3.48 ， tan3.48 =0.06 =0.08（ tan為摩擦系數(shù)） ,故能實現(xiàn)其自然咬入。 2、本道次加工過程中，鋼板厚度由 2.75mm 被軋制為 2.4mm。 （ 1） 本道次壓下量 mmhhh 35.04.2-75.210 （ 2）本道次壓下率 %7.12%1000 h h (3-1) （ 3）金屬材料的屈服極限s 由圖 3-3 得，as MP535。 （ 4）變形抗力的確定 因為 1.15Sk 所以得： as MPk 6 1 55 3 515.115.1 （ 5）摩擦系數(shù)的確定 同上，取 08.0 ； （ 6）軋件入口和出口斷面上作用的平均水平張力 012m 青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 15 式中：0 軋件入口斷面上作用的水平張力，此時帶寬 B=200mm,斷面厚度為0h=2.75mm； aa MPPAT 90.9000275.02.01050 3100 1 軋件出口斷面上作用的水平張力，此時帶寬 B=200mm,斷面厚度為0h=2.4mm； aa MPPAT 17.1040 0 2 4.02.01050 3211 則 am MP53.972 17.10490.90 （ 7）咬入條件的校核 由公式 co s 1 hD 得： co s 1 hD = 0.351 190 =0.998 03.48 ， ta n 3 .4 8 0 .0 6 =0.08；故能實現(xiàn)其自然咬入。 3、本道次加工過程中，鋼板厚度由 2.4mm 被軋制為 2.0mm。 （ 1） 本道次壓下量 mmhhh 40.0.02-4.210 （ 2）本道次壓下率 =0hh 100%= 0.402.4 100%=16.7% (3-1) （ 3）金屬材料的屈服極限s 由圖 3-3 得 ，as MP580。 （ 4）變形抗力的確定 因為 1.15Sk ，所以得： as MPk 6 6 75 8 015.115.1 （ 5）摩擦系 數(shù)的確定 同上，取 08.0 。 （ 6）軋件入口和出口斷面上作用的平均水平張力 *m 青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 16 012m 式中：0 軋件入口斷面上作用的水平張力，此時帶寬 B=200mm,斷面厚度為 0h=2.4mm； M P aPaAT 17.1040024.02.0 10503100 1 軋件出口斷面上作用的水平張力，此時帶寬 B=200mm,斷面厚度為 0h=2.0mm； M P aPaAT 125002.02.0 10503211 ； 則 1 0 4 . 1 7 1 2 51 1 4 . 5 92m M P a （ 7）咬人條件的校核 由公式 co s 1 hD 得 co s 1 hD = 0.401 190 =0.998 03.48 ， ta n 3 .4 8 0 .0 6 =0.08；故能實現(xiàn)其自然咬入。 4、本道次加工過程中，鋼板厚度由 2.0mm 被軋制為 1.8mm。 （ 1）本道次壓下量 mmhhh 20.0.81-0.210 （ 2）本道次壓下率 =0hh 100%= 0.202.0 100%=1 （ 3-1) （ 3）金屬材料的屈服極限s 由圖 3-3 得 ，as MP515。 （ 4）變形抗力的確定 因為 1.15Sk 所以得： as MPk 5 9 25 1 515.115.1 （ 5）摩擦系數(shù)的確定 同上，取 08.0 。 青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 17 （ 6）軋件入口和出口斷面上作用的平均水平張力 *m 012m 式中：0 軋件入口斷面上作用的水平張力，此時帶寬 B=200mm,斷面厚度為 0h=2.0mm； M P aPaAT 125002.02.0 10503100 1 軋件出口斷面上作用的水平張力，此時帶寬 B=200mm,斷面厚度為 0h=0.0018mm； M P aPaAT 89.1380018.02.0 10503211 則 1 2 5 1 3 8 . 8 91 3 1 . 9 52m M P a （ 7）咬人條件的校核 由公式 co s 1 hD 得： co s 1 hD = 0.201 190 =0.999 02.63 ， ta n 2 .6 3 0 .0 5 =0.08；故能實現(xiàn)其自然咬入。 5、本道次加工過程中，鋼板厚度由 1.8mm 被軋制為 1.4mm。 （ 1） 本道次壓下量 mmhhh 40.0.41-.8110 （ 2）本道次壓下率 =0hh 100%= 0.401.8 100%=22.2% (3-1) （ 3）金屬材料的屈服極限s 由圖 3-3 得，as MP610。 （ 4）變形抗力的確定 因為 1.15Sk 所以得 ： as MPk 5.70161015.115.1 青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 18 （ 5）摩擦系數(shù)的確定 同上，取 08.0 。 （ 6）軋件入口和出口斷面上作用的平均水平張力 *m 012m 式中：0 軋件入口斷面上作用的水平張力，此時帶寬 B=200mm,斷面厚度為 0h=0.0018mm； M P aPaAT 89.1380018.02.0 10503100 1 軋件出口斷面上作用的水平張力，此時帶寬 B=200mm,斷面厚度為 0h=0.0014mm； M P aPaAT 57.1780014.02.0 10503211 則 1 3 8 . 8 9 1 7 8 . 5 71 5 8 . 7 32m M P a （ 7）咬人條件的校核 由公式 co s 1 hD 得： co s 1 hD = 0.401 190 =0.998 03.48 ， ta n 3 .4 8 0 .0 6 =0.08；故能實現(xiàn)其自然咬入。 3.4.2 軋制力計算（計算板材從 1.8mm-1.4mm 的軋制力） 在軋制時軋輥加于軋件使之塑性變形的力。但通常把軋件作用于軋輥上并通過壓下螺絲傳遞給機架的力稱做軋制力，即是軋件加于軋輥的反作用力的垂直分量。軋制力在我國習慣稱做軋制壓力或 軋制總壓力。圖 3-4 給出軋輥加于軋件的力， Pr 為軋制力 ,它垂直于軋輥表面； T 為摩擦力； Lp 為變形區(qū)水平投影長度。軋制力是確定軋機強度的基礎(chǔ)。 青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 19 圖 3-4 為了便于分析，可把影響軋制力的因素分為兩類： 1、影響軋件材料在簡單應力狀態(tài)下變形抗力0的因素，如化學成分、組織、軋制溫度和速度、加工硬化等； 2、影響變形的應力狀態(tài)的因素 ,如軋輥直徑、軋件尺寸、表面摩擦、外力（張力或推力）等。 軋件對軋輥的總壓力 P 為軋制平均單位壓力mP與軋件和軋輥接觸面積 F 之乘積，即 FPPm； 接觸面積 F 的一般形式 5為： 2 10 bbF l 式中：0b、1b 軋制前、后軋件的寬度，此過程中0b=1b=200mm； l 接觸弧長度的水平投影。 計算接觸面積實質(zhì)上是計算接觸弧長度。 在不考慮軋輥彈性壓扁時，當兩個軋輥直徑相同 時，接觸弧長度的水平投影為 s i nl R R h 190( ) 0 . 4 6 . 1 62 mm (3-2) 式中： R 軋輥半徑； h 壓下量。 但在熱軋薄板及冷軋薄板時由于單位壓力 較高，因此軋輥產(chǎn)生局部彈性壓縮變形，它將使得接觸弧長度有較顯著的增加，如下圖 3-5； 軋機的輥縫彈跳量與軋制力的關(guān)系曲線稱為軋機彈性曲線圖 3-6。此曲線的斜率 (k)稱為軋機剛性系數(shù)，在其直線部分意義為產(chǎn)生單位彈跳量所需的軋制力。下 圖 3-5 軋輥彈性壓扁后接觸弧變化。 青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 20 圖 3-5 軋件受力分析 圖 3-6 軋機彈性曲線 斯通在研究冷軋薄板的平均單位壓力計算問題時，考慮到軋輥直徑與板厚之比甚大以及由于冷軋時軋制壓力較大，軋輥發(fā)生顯著的彈性壓扁現(xiàn) 象，近似的將薄板的冷軋過程看作為平行平板的壓縮（如圖 3-7），并假設(shè)接觸表面上的摩擦力符合干摩擦定律。 圖 3-7 變形區(qū)中單元體應力圖 5 平均單位壓力為 ： *1( ) ( )Xm m mep k k mX (3-3) 式中： k、 *m已知； mlXh l 考慮軋輥彈性壓扁后的接觸弧長度； 軋件與軋輥間的摩擦系數(shù)，主要根據(jù)軋制條件 確定（ 08.0 ）； m 考慮軋輥彈性壓扁接觸弧加長對單位壓力的影響系數(shù)（或稱壓力增加系數(shù)P.M.F.）： 1XemX 。 青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 21 根據(jù)希奇可克公式： 2 200l l x x 208 (1 )mmRx p C pE （ 3-4） 式中， R 軋輥半徑； E 軋輥彈性模數(shù)，對于鋼軋輥 E=2100MPa； 泊松比，對于鋼軋輥 =0.3； C 常數(shù)， 28 (1 )CRE，對于鋼軋輥 390900R mmC N。 將0x代入公式 2 200l l x x ，經(jīng)整理后得： 2 2 2( ) ( )mmm m m ml l C Cpph h h h （ 3-5） 將（ 3-3）代入式（ 3 5）經(jīng)整理 變換后，得： 其中 )1( klumehuL 2 * 2( ) 2 ( ) ( 1 ) ( )mlhmm m mllC k eh h h （ 3-6） 令 *2 ( )mCkmh =Y； 2()mlh =Z(l 為接觸弧長 度的水平投影 )； 則式（ 3-6）可寫為： ZYeX X )1(2 計算： 331 9 0 / 2 0 . 0 0 1 0 590900 m m m mC NN； 01 1 . 8 1 . 4 1 . 622m hhh m m ；（mh為平行平板壓縮時薄板的厚度） 057.06.1 08.0)73.1585.701(001 0 5.02 Y 095.06.1 16.608.0 2 ）（Z 青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 22 圖 3-8 決定壓扁后接觸弧長度諾謨圖 5 查圖 3-8 得： X=0.38。 則 22.138.0 1138.0 eXemX M P amkp mm 2.66222.1)73.1585.701()( 為了簡化計算，采用下式 l ql （ 3-7） 式中， l 不考慮壓扁時的接觸弧長； q 壓扁系數(shù)。 在冷軋薄板時 51 1 . 3 3 1 0 mpq 式中： 咬入角， 0 . 4 0 . 0 3 295hR 則 275.1032.0 2.66233.11 10 5 q mmqll 854.716.6275.11 。 循環(huán)一次： Y=0.057； 3 9 2.06.1 8 5 4.708.0 mhlX 青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 23 則 2 2 4.13 9 2.0 11392.0 eXemX M P amkp mm 35.664224.1)73.1585.701()( 276.1032.0 35.6641033.11 5 q mmqll 865.716.6276.12 循環(huán)兩次： Y=0.063； 3 9 4.06.1 8 6 5.708.0 mhlX 則 2 2 6.13 9 4.0 11394.0 eXemX M P amkp mm 44.665226.1)73.1585.701()( 277.1032.0 44.6651033.11 5 q mmqll 87.716.62 7 7.13 循環(huán)三次： Y=0.063； 3 9 5.06.1 87.708.0 mhlX 則 2 2 8.13 9 5.0 11395.0 eXemX M P amkp mm 52.666228.1)73.1585.701()( 278.1032.0 52.6661033.11 5 q mmqll 872.716.6278.14 再將 4l 代入計算公式，再求出mp； 又將 mP代入公式求出5l；如是循環(huán)， 當 1iill， 0.05 時，計算結(jié)束。 由于計算過程較復雜 ，故我們用 VB 編了個小程序（見附錄）。 最后算得： 2/64.722 mmKNPm ； mml 00.8 ，則軋件對軋輥的總壓力青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 24 KNSPP m 24.1 1 5 600.820064.722 。 3.4.3 軋制力矩的計算 對于傳動工作輥的四輥冷軋機，傳動軋輥所需力矩為軋制力矩zM，由工作輥帶動支承輥的力矩RM與工作輥軸承中摩擦力矩1fM三部分之和，即 1K z R fM M M M (3-8) 1、求軋制力矩zM zM Pa (3-9) 式中： P 軋制力； a 軋制力力臂，其大小與軋制力作用點及前后張力有關(guān)。 此軋制過程01TT， 此時 1sin2Da （前后張力對軋制力方向影響的偏轉(zhuǎn)角0 ）； 式中：1D 工作輥直徑； 不考慮張力時軋制力作用點對應的軋輥中心角。冷軋時，000= ( 0 . 3 0 . 4 5 ) = ( 0 . 3 0 . 4 5 ) 3 . 4 8 = 1 . 0 4 1 . 5 7 ，取 36.1 。 則 mma 25.22 36.1s in190 )(5.260125.224.1156 mmKNPaM Z 圖 3-9 當01TT帶張力軋制時四輥軋機軋輥受力圖 5 青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 25 2、求工作輥傳動支承輥的力矩RM CRM R (3-10) c o sc o s ( )PR (3-11) 式中： 前后張力對軋制力方向影響的偏轉(zhuǎn)角，01TT時 0 ； 工作輥與支承輥連心線與垂直線的夾角，12a r c s i n22eDD ； 由于工作輥偏移距 e 的數(shù)值（一般為 510mm）相對于工作輥和支撐輥的直徑來說很小，再計算傳動力矩時，為了簡化，可認為 e=0，即工作輥不偏移，此時計算結(jié)果誤差不超過 1%。則 0 ； 軋輥連心線與反力 R 的夾角， 22a r c s i n2mD ； 其中， m 在工作輥和支撐輥接觸處偏移的一個滾動摩擦力矩的距離（一般情況下 m = 0 .1 0 .3 m m，取 m=0.3mm ）。 2 支承輥摩擦圓半徑， rfv 2（ r 為四列圓柱滾子軸承內(nèi)徑的半徑r=160mm；vf為當量摩擦系數(shù)vf kf，當兩個接觸面沿整個半圓周均勻接觸時 k 取2，冷軋時圓柱滾子軸承摩擦系數(shù) =0.004）。 則 2 0 . 0 0 4 1 6 0 12k f r m m m m 2D 支承輥直徑； 故 1 0 . 3a r c s i n 0 . 3 05002 c 反力 R 對工作輥的力臂； 1c o s s i n2Dcm 001900 . 3 c o s 0 . 3 0 s i n 0 . 3 0 0 . 82 mm 則 KNKNR 24.1 1 5 6)3.00c o s ( 0c o s24.1 1 5 6 )(9258.024.1156 mmKNM R 青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 26 3、求工作輥軸承的摩擦力矩1fM 1 1fMF （ 3-12） 式中： F 工作輥軸承處的反力；當01TT時 KNRF 3.1162)3.00s i n (24.1156s i n ）（ 1 工作輥摩擦圓 半徑。 同上 11 0 . 0 0 4 5 5 0 . 3 52k f r m m 則 mmKNmmKNMf 41.035.03.1 1 6 2 綜合上述： 軋制力矩為 mmKNMMMM fRZK 91.3 5 2 641.09 2 55.2 6 0 1 傳動兩個工作輥總傳動力矩為 mmKNMM kK 82.7 0 5 391.3 5 2 622 3.4.4 軋機主電動機功率的確定與選擇 1、軋輥與電機的速比 軋制速度： 2/v m s ； 工作輥轉(zhuǎn)速：1 12 / 3 . 3 5 / 2 0 0 / m i n3 . 1 4 0 . 1 9vn r s r s rD ； 支承輥轉(zhuǎn)速：2 22 / 1 . 2 7 / 7 6 / m i n3 . 1 4 0 . 5vn r s r s rD ； 軋輥與電機的速比： 74.19761500 i （此時軋輥轉(zhuǎn)速為 1500r/min）。 2、軋輥與電機間的效率 電動機到工作輥之間要經(jīng)過人字齒輪座、減速器、萬向接軸。 齒輪座傳動效率1 0 .9 3 0 .9 6 ，取1 0.95 ； 減速器傳動效率2 0 .9 3 0 .9 6 ，取2 0.95 ； 青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 27 萬向接軸的傳動效率：3 0 . 9 6 0 . 9 8 ( 3 0 ) ，取3 0.97 ； 則總傳動效率1 2 3 0.875； 3、 電動機力矩 軋機主電機力矩 DM mNMM KD 4 0 874.198 7 5.0 82.7 0 5 3 若選電機驅(qū)動，則 mNMMDD 9 1 62主。 4、主電機的功率 DP 9550 nMP DD kwnMP DD 1449550查機械設(shè)計手冊單行本 （減速器電機與電器）22151P取主電動機型號 Z4-250-12（直流），額定功率 KWPN 160，最高轉(zhuǎn)速 2100r/min，重量 880kg。 3.5 機架的設(shè)計計算 1、機架的類型 軋鋼機機架是工作機座的重要部件，軋輥軸承座及軋輥調(diào)整裝置等都安裝在機架上。機架要承受全部軋制力，必 須有足夠的強度和剛度。 根據(jù)軋鋼機架結(jié)構(gòu)不同，軋鋼機機架分為閉式和開式兩種。 （ 1）閉式機架 如圖 3-10 所示，閉式機架是一個將上下橫梁與立柱鑄成一體的封閉式整體框架，具較強的強度和剛度，但換輥不便。它常用在受力大或要求軋件精度高而不經(jīng)常換輥的軋鋼，如軋制力較大的軋機、板坯軋機和板帶軋機等。對于板帶軋機來說，為提高軋制精度，需要有較高的機架剛度。采用閉式機架的工作機座，在換輥時，軋輥是沿其軸線方向從機架窗口中抽出或裝入，這種軋機一般都設(shè)有專用的換輥裝置。 青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 28 圖 3 10 閉式機架結(jié)構(gòu)及簡圖 （ 2）開式 機架 開式機架由機架本體和上蓋兩部分組成，如圖 3-11，它主要用在橫列式型鋼軋機上，其主要優(yōu)點是換輥方便。因為，在橫列式型鋼軋機上如果采用閉式機架，由于受到相鄰機座和連接軸的妨礙，沿軋輥軸線方向換輥是很困難得。采用開式機架，只要拆下上蓋，就可以很方便地將軋輥從上面吊出或裝入。開式機架主要缺點是剛度較差。影響開式機架剛度和換輥速度的主要關(guān)鍵是上蓋與 U 型架體的連接方式。常見的上蓋連接方式有四種。 （ a） 螺栓連接 (b)套環(huán)連接 (c)銷軸連接 (d)斜楔連接 圖 3-11 機架上蓋連接方式 因機架重量大、制造復雜，一般給予很大的安全系數(shù)，并作為永久使用的不更換零件來設(shè)計。本次設(shè)計中選用閉式機架。 2、機架的主要結(jié)構(gòu)參數(shù) 機架的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)是窗口寬度、窗口高度和立柱端面尺寸。 （ 1）機架窗口高度 H 機架窗口高度 H 與軋輥數(shù)目、輥身直徑、輥頸直徑，軸承、軸承座徑向厚度，以及上輥的調(diào)整距離等因素有關(guān)。主要根據(jù)軋輥最大開口度、壓下螺絲最小伸出端，以及換輥等要求確定。 青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 29 對于四輥軋機可取 mmDDH bw 2 4 1 51 7 9 4)5 0 01 9 0)(5.36.2()(5.36.2( ） 式中：wD、bD 工作輥、支承輥直徑， mm；取 H=2120mm。 （ 2）機架窗口寬度 B 在閉式機架中，機架窗口應稍大于軋輥最大直徑，以便于換輥。四輥軋機機架窗口寬度一般為支承輥直徑的 1.151.30 倍。 mmDB b 6 5 05 7 55 0 0)30.115.1()30.115.1( 為換輥方便，換輥側(cè)的機架窗口應比傳動側(cè)窗口寬 510mm， 亦可表示為 mmsBB z 5902525402 式中： B 機架窗口寬度 ； bD 支承輥直徑， mm； zB 支承輥軸承座寬度， mm，取 zB =540mm； s 窗口滑板厚度， mm，一般 s=2040mm，取 s=25； （ 3）機架端面尺寸 機架立柱的端面尺寸是根據(jù)軋鋼機類型、強度條件、機架受力特點等確定的。 查軋鋼機械第三版表 5-1 得：四輥軋機機架立柱斷面積與軋輥頸平方的比值：6.12.12 dF 。 則四輥軋機機架端面面積 2 2 21 . 2 1 . 6 ( 1 . 2 1 . 6 ) 2 6 0 8 1 1 2 0 1 0 8 1 6 0F d m m 對于四輥軋機，可選慣性矩較小的近似正方形斷面。實際上，一般都是選擇斷面尺寸小的矩形斷面，這對于減輕機架的重量是有利的。 所以根據(jù)經(jīng)驗值取端面尺寸為 360mm 270mm。 29 7 2 0 02 7 03 6 0 mmF 機架結(jié)構(gòu)簡圖如圖 3 12： 青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 30 圖 3-12 機架結(jié)構(gòu)簡圖 3、機架的材料和許用應力 12 軋鋼機機架一般采用含碳量為 0.25%0.35%的 ZG270 500，其強度極限5 0 0 6 0 0b M P a ，延伸率 %16%12s。 ZG270 500 是 大型鑄鋼件生產(chǎn)中最常用的碳素鑄鋼 ， 具有較好的鑄造性和焊接性，但易產(chǎn)生較大的鑄造應力引起熱裂 ， 廣泛應用于軋鋼 、 鍛壓、礦山等設(shè)備，如軋鋼機機架、輥道架、連軋機軌座、坯扎機立輥機架 等。 由于機架是軋機中最貴重和最重要的零件，必須具有較大的強度儲備。一般機架的安全 系數(shù)為 m=12.515； 對于 ZG270 500 來說，許用應力 采用以下數(shù)值： 對于橫梁 MPa7050 ； 對于立柱 MPa5040 ； 為了防止機架在過載時破壞，在軋輥斷裂時機架要不產(chǎn)生塑性變形。根據(jù)這一要求， 機架的安全系數(shù)為 bjgsnn 式中：jn 機架的安全系數(shù)； gn 軋輥的安全系數(shù)； 青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 31 b 機架材料的強度極限； s 機架材料的屈服極限。 在一般情況下，材料的強度極限與屈服極限的比值近似為 2，為了安全起見，可將機架安全系數(shù)取為： gj nn )5.22( 當軋輥安全系數(shù)gn取為 5 時，機架的安全系數(shù)jn為 1012.5。 4、機架強度和變形計算 軋鋼機機架強度和變形的計算，一般可采用如下步驟： （ 1）將機架結(jié)構(gòu)圖簡化成為平面剛架，可取出工作機架橫梁和立柱的軸線，把機架按長方形框架處理。也可近似地處理成直線或規(guī)整的圓弧線斷，并確定求解斷面的位置。 （ 2）確定靜不定階數(shù)，如一般閉式機架是三次靜不定問題，需作一系列假設(shè)來簡化模型，降低靜不定階數(shù)。 （ 3）確定外力的大小及作用點。 （ 4）根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件，用材料力學中任一種 方法（卡式定理，莫爾積分法，圖乘法，力法等）求解靜不定力和力矩。 （ 5）根據(jù)計算截面的面積、慣性矩、中性軸線的位置及承載情況，求出應力和變形。 用材料力學方法計算時，為了簡化計算，一般做以下假設(shè)： 1）每片機架只在上下橫梁的中間端面處受有垂直力 R，而且這兩個力大小相等、方向相反，作用在同一直線上，即機架的外負荷是對稱的。此時，機架沒有傾翻力矩，機架底腳不受力。應該指出，由于兩個軋輥直徑和速度的不同、軋制速度的變化和咬入時沖擊引起的慣性力，或在張力軋制時，軋制力方向都不是垂直的。由于水平分力的數(shù)值一般都較小， 約為垂直分力的 3%4%，故可以忽略不計。只有當水平分力較大時（例如，超過垂直分力的 15%），則應考慮水平分力的影響。 2）機架結(jié)構(gòu)對窗口的垂直中心線是對稱的，而且不考慮由于上下橫梁慣性矩不同所引起的水平內(nèi)力。 3）上下橫梁和立柱交界處（轉(zhuǎn)角處）是剛性的（一般機架轉(zhuǎn)角處的剛性都是比較青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 32 大的），即機架變形后，機架轉(zhuǎn)角仍保持不變。 將機架及其受力狀態(tài)進行簡化并畫彎矩圖， 如圖 3-13、圖 3-14； （ a）對稱力系 （ b）不對稱力系 （ c）對稱受力機架內(nèi)力（ d）不對稱受力機架內(nèi) 力 圖 3-13 機架的受力狀態(tài) 圖 3-14 機架受力彎矩圖 KNKNKNPR 57812.5782 24.11562 靜不定力矩 3322113322111122444IlIlIlIlIlIlRlM （ 3-13） 式中：1l 機架橫梁的中性線長度； 2l 機架立柱的中性線長度； 1I 機架上橫梁的斷面慣性矩； 2I 機架立柱的斷面慣性矩； 青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 33 3I 機架下橫梁的斷面慣性矩。 假設(shè)上下衡量慣性矩相同，即13II時，則力矩1M為： 221122111124IlIlIlIlRlM （ 3-14） 其中： （矩形截面 123bhI ） 3 94132 8 0 5 0 0 2 . 9 2 1 012I I m m 3 9422 8 0 3 7 0 1 . 1 8 1 012I m m 則 mm74.1 2 9 1 9 71018.126451092.29551018.126451092.22955495557899991 KNM 立柱上的彎矩 mmKNMRlM 76.879974.1291974 9555784 112 由上可知，減小立柱的慣性矩 2I 和增加橫梁的慣性矩 1I 可以部分地減少立柱中的彎矩 2M ，這對于減輕窄而高的機架重量是有利的。 危險截面應力：（62bhw ） 上 下橫梁最大彎曲應力： 222111 /12.1/011.0500628074.129197 mmkgmmKNWM 立柱的拉彎應力： 222222 mm/kg43.0mm/0042.0370628076.879910360025782 KNWMFR 青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 34 對于機架，安全系數(shù)一般不小于 10。 而對于 ZG270 500，橫梁的許用應力 21 5 7 /k g m m ，立柱的許用應力 22 4 5 /k g m m 。 11 、 22 故機架強度足夠。 5、機架變形計算 機架在垂直方向的變形是由橫梁 變形和立柱拉伸變形 3f兩部分組成的， 由于橫梁的端面尺寸較橫梁的長度來說是較大的， 所以橫梁變形又包括由彎曲力矩 3f所引起的變形和由切力 3f引起的變形兩項。 圖 3-15 機架橫梁的等效懸臂梁 機架的彈性變形是由橫 梁的彎曲和立柱的拉伸變形組成的。在計算橫梁的彎曲變形時，應考慮橫向切力的影響，即 3 3 3 3f f f f （ 3-15） 式中：3f 機架的彈性變形； 3f 由彎矩產(chǎn)生的橫梁彎曲變形； 3f 由切力產(chǎn)生的橫梁彎曲變形； 3f 由拉力產(chǎn)生的立柱拉伸變形。 圖 3-16 是閉式機架的橫梁受力圖 圖 3-16 閉式機架的橫梁受力 青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 35 根據(jù)卡氏定理，由彎矩產(chǎn)生的兩個橫梁的彎曲變形為： 2 1 1 231()2 4 4l R l Mf EI (3-16) 式中： E 機架材料的彈性模數(shù)， 62 .1 1 0E M P a ； 1I 橫梁的慣性矩； 1l 橫梁中性軸的長度； R 橫梁上的作用力，對于軋鋼機，一般 R 為軋制力的一半，即2PR； 2M 機架立柱中的力矩。 所以 mmmmf 59323 1081.5)476.8 7 9 924 280578(1092.2101.2 280 1312RlfKGF (3-17) 式中： G 機架材料的剪切彈性模數(shù)，取 48 .1 1 0G M P a ； 1F 橫梁的端面面積； K 橫梁的端面形狀系數(shù)，對于矩形端面，系數(shù) K 為 1.2。 所以 mmmmf33 105.8)500280(812 2805782.1 2322Rlf EF (3-18) 式中，2l 立柱中性軸 的長度； 2F 立柱的端面面積。 所以 mmf 43 1072.31 0 3 60 0101.22280578 機架的彈性變形 mmf 0 0 8 9.01076.3105.81081.5 4353 而對于鋼板軋機，機架的允許變形 3f為 0.40.5mm（冷軋機），故機架剛度滿足要求。 青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 36 6、機架的傾翻力矩計算 在軋制過程中，工作機架的傾翻力矩通常由兩部分組成，即 Q d hM M M (3-19) 式中：QM 機架總傾翻力矩； dM 傳動系統(tǒng)加于機架上的傾翻力矩（在正常軋制情況下dM =0）； hM 水平力引起的 傾翻力矩。 如圖 3-17 所示，水平力 Q 引起的傾翻力矩為 ck QM (3-20) 圖 3-17 水平力 Q 引起的傾翻力矩 式中： c 軋制中心線至軋制機座的距離。 由軋制速度的變化使軋件產(chǎn)生的慣性力，前、后張力差，以及在穿孔機上頂桿的作用力，都會在軋件上作用水平力。 在一般情況下，水平力 Q 是隨著各種軋制工藝條件的改變而變化的，其最大值可按下式計算 max 2 RMQ D (3-21) 故 m a x 2 Rh MMcD (3-22) 式中：RM 工作輥傳動支承輥的力矩； D 軋輥直徑。 則 mmNMMkQ 73m a x 101.11 1 3 51 9 0109 2 52。 青島理工大學 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 37 7、支座反力及地腳螺栓的強度計算 （ 1） 支座反力的計算 由圖 3-17 可知，在傾翻力矩的作用下，工作機座的兩個機架力圖從兩邊支座中的一個離開。這時，固定機架與軌座以及軌座與地基的螺栓 顯然承受拉緊力1R，其值可按下式確定 1 2QM GRb (3-23) 式中： b 支座間的距離； G 工作機座的重量。 則 NR 2 7 8 3 426 9 0 0 01 6 5 0101.171 即由于機架重量較大不會發(fā)生由水平力引起的傾翻現(xiàn)象。 應