1200四辊可逆冷轧机压下规程设计及机架设计和分析学院机械工程学院班级09级轧钢2班组员岳猛超付振冲张刚廉慧祁福亮指导教师许秀梅王健燕山大学专业综合训练（论文）任务书院（系）机械工程学院基层教学单位冶金系小组成 员廉慧、祁福亮、张刚、付振冲、岳猛超设计题 目1200四辊可逆冷轧机压下规程设计及机架设计和分析设 计 技 术 参 数1、原料2.5-4.2 mml 050mm 产品0.6 0.9 XI 050; 材质Q235、Q195 08F、352、轧制速度v8m/s;3、开卷机最大张力 6吨，卷取机最大张力 35吨设 计 要 求1、制定轧制规程计算道次压下量，压下率，轧制力，轧制力矩；2、根据要求画机架二维图，并对机架进行有限兀分析；3、给出机架的工程图工 作1、完成工程图至少1张；量2、完成设计计算说明书包括有限兀分析报告；3、查阅文献5篇以上。工 作 计 划1、2012.11.26准备参考资料；2、2012.11.2712.10计算；画草图；3、2012.12.10中期检查；4、2012.12.102012.12.19画三维图，出工程图，分析，写说明书；5、2012.12.202012.12.21考核答辩；参 考 资 料1、王海文主编 轧钢机械设计机械工业出版社1986.62、王廷溥主编 金属塑性加工学冶金工业出版社1988.53、机械设计手册机械工业出版社2002.4、曹鸿德主编塑性变形力学基础和轧制原理机械工业出版社5、刘相华等著轧制参数计算模型及其使用化学工业出版社 2007指导教师许秀梅王健基层教学单位主任（签字）原料及设计技术参数1.1、原料08F来料尺寸 4.2mnrK 1050mm成品尺寸0.6mmx 1050mmQ235 来料尺寸 4.2mmx 1050mm成品尺寸0.6mmx 1050mmQ195 来料尺寸 3.5mmX 1050mm成品尺寸 0.65mm 1050mm1.2、成品出口速度v8m/s。1.3、开卷机最大张力6吨，卷取机最大张力 35吨。二、轧辊尺寸的预设定设计课题为“ 1200四辊可逆冷轧机压下规程设计及机架设计和分 析”则工作辊的辊身长度L1200mm辊身长度确定后即可根据 经验比例值法确定轧辊直径，冷轧板带轧机L/ D1 2.33.0常用比值为2.5 2.9 ；L/ D2 0.81.8,常用比值为0.9 1.4 ;D2/D,2.33.5,常用比值为2.5 2.9;对于支撑辊传动的四辊轧机，一般取D2 / D 3 4,其中L为辊身长度，Di为工作辊直径，D2为支承辊直径。取 L/D1 2.5，D1 /D3,L1200mm ,D1 480mm ,D2 1440mm三、压下规程制定3.1、压下规程制定的原则及要求压下规程设计的主要任务是确定由一定来料厚度的板坯经过 几个道次后轧制成为用户所需求的，满足用户要求的板带产品。
在此过程中确定所需采用的轧制方法，轧制道次及每个道次压下 量的大小，在操作上就是要确定各道次辊缝的位置和转速。因此,还要涉及到各道次的轧制速度，轧制温度，前后张力及道次压下 量的合理分配。在此过程中，主要考虑设备能力和产品质量，设 备能力主要包括咬入条件，轧辊强度和电机功率三个要素，而产 品质量主要包括几何精度和力学性能。压下规程制定的原则在考虑轧件塑性条件并保证产品质量 的前提下，充分发挥轧机的设备生产能力，达到优质高产。对于单机架可逆式冷轧机，第一道次应考虑到来料尺寸误差，预留一定的轧制能力，末道次考虑板型和表面质量，应给和较小 的压下量，其余道次可采用等功率原则分配压下量。3.2、压下规程预设定h0 -h|h _h0hi二 arccosh2R压下率J 累计压下率H 原料原始厚度 mm ho 轧前厚度 mm hi 轧后厚度mmLh 绝对压下量 mm咬入角，radR轧辊半径，mm初步制定压下规程表一 08F轧制道次n1234567轧前厚度ho mm轧后厚度h| mm压下量Ah mm压下率累计压下 率1咬入角a /rad表二 Q235轧制道次n1234567轧前厚度ho mm轧后厚度hi mm压下量Ah mm压下率累计压下 率1咬入角a /rad表三Q195轧制道次n1234567轧前厚度ho mm轧后厚度h| mm压下量Ah mm压下率累计压下 率1咬入角a /rad四、轧制力能参数计算4.1、变形抗力计算物体有保持其原有形状而抵抗变形的能力，度量物体的这种 抵抗变形能力的力学指标，我们定义为塑形变形抗力。变形抗力计算公式如下08F4225.4 3e30960.568Q2356 88.75 （69398.43e 6669.42）Q1956 842.2（0.0114严06其中为累计压下率计算得各种轧件轧制时各道次的变形抗力如下（单位Mpa）道次123456708FQ235Q1954.2、前后张力计算本次设计的轧机采用张力轧制，其开卷机最大张力6吨，卷取机最大张力35吨。根据经验取其前后张力T hb2;（0.33 -0.14h 0.02h ）6h 轧件厚度，mmb 轧件宽度计算时，根据前张力计算，然后取匚2（后张应力）02（前张应力）计算结果如下08F轧制道次n12345676 /MpaTKNo/Mpat2/knQ235轧制道次n1234567S /MpaTKN6/Mpat2/knQ195轧制道次n1234567Ci /MpaTKNcr2/Mpat2/kn4.3、轧制力计算斯通在研究冷轧薄板的平均单位压力计算问题时，考虑到轧 辊直径和板厚之比甚大以及由于冷轧时轧制压力较大，轧辊发生 显著的弹性压扁现象，近似的将薄板的冷轧过程看作为平行平板 的压缩如图，并假设接触表面上的摩擦力符合干摩擦定律。平均单位压力为hmhhi hohm 22k 1.15 二 s匸式中ho 轧前厚度mmhi 轧后厚度mml考虑轧辊弹性压扁后的接触弧长度;J轧件和轧辊间的摩擦系数，主要根据轧制条件确定心.1 ； 根据希奇可克公式l Xo 却冷1 ，一 Rgf8R1 - 2厂8R1 - 2X0Pm 二 CPmC式中，R轧辊半径；E202GPa；E轧辊弹性模数，泊松比，对于钢轧辊 0.3；将X0代入公式 I2 Xo2 Xo，经整理后得hm勺 2 JC 2 2 JC WpmTPm将l0代入计算公式，再求出Pmi ；又将Pml代入公式求出l1 ；再将l1代入计算公式，再求出Pm2 ；又将Pm2代入公式求出I2，如是循环，当 加仏0.001时，计算结束。Pmi由于计算过程较复杂，故我们用 EXCEL中的VB编辑器进 行计算，其程序框图如下开始总轧制力P二pm i b计算结果如下08F轧制道次n12345671l /mmPm /MpaP/KNQ235轧制道次n12345671l /mmPm /MpaP/KNQ195轧制道次n12345671l /mmPm /MpaP/KN4.3、轧制力矩计算传动支承辊的轧辊受力如图为了计算窗洞支承辊所需的力矩，首先分析工作辊上力的平 衡，由于工作辊是不传动的，因而支承辊反力方向使工作辊上作 用力所产生的力矩和为零，即Pa Fpi Rc力臂a和驱动方式无关，仍是当T,T2时，a二Rsinp -2当 Ti T2时，a 二 Dsin 帕；当时 二T,a 二 sinB。
其中 a冷轧时 0.350.45，取 0.4 a为咬入角工作辊轴承处作用力F可以从工作辊在水平方向力的平衡求得。当T1T2时，F 二FS i 幽-P i;当T1T2时，F 恳 i ytP s ；当时 TT2，F Rsin 丫。支承辊和工作辊间反力R的大小可以从工作辊在垂直方向力 的平衡求得。cosR于是得当T1 T2时,二 Ptan y cossin 当T1订2时,Ptan 丫 cos sin 当时TT2，Pta 门丫 cos可求得力臂系数c的大小为D1 .c sin 丫 一 mcosy2整理得丫 arcta nD12sin mcos psinD12 - pjcos当T1 T2时，一取负号，相应的 arcsin号；当时,二取正号，相应的 -arcsin 2P求得丫角后，则反力R对支承辊的力臂a上叭mcosY2传动一个支承辊的力矩为M k Ra p 2i cos* ,D2 .、kPcos-SinY mcoSY P2传动两个支承辊的总力矩为计算结果如下各道次的轧制力矩 M k工N.m轧制道次123456708FQ235Q1954.4、轧制功率计算轧制过程中轧制功率等于支承辊角速度 w和作用于支承辊的 轧制力矩Mk的乘积。因此计算轧制功率应先计算出支承辊的角 速度w。1轧件前滑系数计算如下h2R4h2口R P式中h 轧件厚度，mmR 工作辊半径，mmh 绝对压下量，mm卩轧辊和轧件间的摩擦系数Ti,T2 前后张力，KNP轧制力，KN2 工作辊圆周速度v 1 s式中V 轧件出口速度，m/ss 轧件前滑系数3 支承辊角速度w工作辊和支承辊圆周线速度V，相等，则支承辊角速度1w R2对于ZG270500 来说，许用应力；采用以下数值对于横梁二乞 50 70MPa ；对于立柱二乞 40 50MPa ；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njng式中nj机架的安全系数;ng 轧辊的安全系数;-b机架材料的强度极限；6 机架材料的屈服极限。在一般情况下，材料的强度极限和屈服极限的比值近似为 2,为了安全起见，可将机架安全系数取为山（2 2.5）ng当轧辊安全系数ng取为5时，机架的安全系数nj为1012.56机架的倾翻力矩计算在轧制过程中，工作机架的倾翻力矩通常由两部分组成，即Mq 二 Mh3-19式中M Q机架总倾翻力矩；md传动系统加于机架上的倾翻力矩 在正常轧制情况 下 Md 0；Mh水平力引起的倾翻力矩。如图3-17所示，水平力Q引起的倾翻力矩为M k Q c3-20图3-17水平力Q引起的倾翻力矩式中C轧制中心线至轧制机座的距离。由轧制速度的变化使轧件产生的惯性力，前、后张力差，以 及在穿孔机上顶杆的作用力，都会在轧件上作用水平力。在一般情况下，水平力Q是随着各种轧制工艺条件的改变而 变化的，其最大值可按下式计算2MrQmaxD3-21故3-22式中M r工作辊传动支承辊的力矩;Mhm2MaxD轧辊直径则M q M k max2 925 1031901135 1.1 107 N mm。7、支座反力及地脚螺栓的强度计算1 支座反力的计算由图3-17可知，在倾翻力矩的作用下，工作机座的两个机 架力图从两边支座中的一个离开。这时，固定机架和轨座以及轨 座和地基的螺栓显然承受拉紧力 R，其值可按下式确定3-23 式中b支座间的距离；J 一皿0 2783NG工作机座的重量。1 6502即由于机架重量较大不会发生由水平力引起的倾翻现象则3）载荷缓慢使用以便忽略动态效果。堆网 I.I440M02- OLafOl 2BT.4I01313 fl.竽00翱斗cJF20T14 5“O 晦 QQ oE4O425G 0I.2QQII41 5it.i图3-19有限单元法计算得出机架的应力分布图富 ft II0*.0L T3_Fl4U-oft.一卯J.I-52*一芜-3 r1041 .O败31-90 QiVMS图3-20有限单元法计算得出机架的变形分布图材料力学计算方法和有限元分析结果的比较从图3-19可以看出，上下横梁最大应力处的相对误差为14.4-11.214.4二 22.2从附录3图中查出并计算，机架立柱最大的拉弯应力的相对误差为2.7-1.62.7-40.7通过以上分析可以看出，有限单元法用来计算轧钢机机架的 应力和变形，其结果比材料力学方法精确。能够比较符合实际地 找出机架的各个部位的应力分布规律，能在机架应力急剧变化的地方求出静力作用下的应力集中系数。因此在新轧机的设计中，可使用这种方法，使用计算机对几个方案迅速算出他们的应力和 位移，进行对比分析，从中找出最佳结构方案。在旧轧机的改造 中，通过此法对轧机机架应力和刚度进行分析的结果，可以校核 其潜力和找出薄弱部位，便于提高生产和防止事故。同时使用有 限单元法进行应力分析还可以改变过去那种盲目加大安全系数、造成结构笨重、浪费金属材料的不良现象。因此我们认为在冶金机械的设计计算中，有限单元法是有很大推广意义的。结论轧钢机俗称“牌坊”，是轧钢生产的主要机械设备，钢铁及有 色金属的90要通过轧机轧制成材，因此，轧机的装备水平，对 冶金的生产有着直接的影响。轧机是最终承载载荷并且是要永久 使用的部件，机架是轧机结构系统中最重、最大的部分。大型机架 由于其体积庞大，通常整体铸造成形，而后对窗口部分进行机械加 工的方法成形，铸造成形是大型轧机机架生产过程中最基础和最 重要的工序。由两片“牌坊”组成以安装轧辊轴承座和轧辊调 整装置，需有足够的强度和钢度承受轧制力。经过六百多年的发展，现在轧机发展的趋向是自动化、连续 化、专业化、产品质量高、消耗低，其中高新技术的使用是轧钢 生产技术发展的显著特征。近几十年以来，轧钢生产的技术进步 取得了长足的发展，在板带材生产发面，板厚和板型控制技术已 趋于成熟。轧钢的内涵已经突破了原有的界限，显著的向着上、下工序拓展。为满足最终产品质量的要求，上、下游工序的要求 对轧钢生产技术的发展及工艺规程的规定也起着越来越明显的作 用。本次设计的题目是 190/ 500 450mm四辊冷轧机一一轧钢机机架。技术参数要求是1、轧制材料25Cr2MoVA ；2、原料规格轧制带宽 200 mm ；3、轧制规程3.1 2.75 2.4 2.0 1.8 1.4 ,即轧机会 将板带由3.1mm厚轧制成1.4mm厚；4、轧制速度2m/s。在设计中，主要计算了轧制力、驱动力矩、轧机主电动机功 率、机架静强度、刚度和有限元分析等，并完成了机架的材料及 结构型式、轧机主电动机、轧辊轴承部分的确定。在计算时，主 要参考了由邹家祥主编的轧钢机现代设计理论、黄华清主编 的轧钢机械和由刘宝珩主编的轧钢机械设备等书籍。在对其它系统进行了分析及设计后，最终确定设计方案为 不可逆工作制度，电机驱动支撑辊，工作辊轴承选用双列滚针轴 承，支承辊轴承选用四列圆柱滚子轴承，压下装置为电动压下，上辊为单缸平衡，辊型调整采用液压压下弯辊，直流电动机。2闭式机架结构及载荷分布特点按结构不同，机架可分为闭式机架及开式机架两大类。闭式 机架可承受较大的轧制压力，变形很小，具有较大的强度和刚度 等优点，因而可满足产品尺寸精度的要求，在板坯轧机、板带轧 机以及线材和棒材轧机得到广泛使用。按加工及运输条件的不同，机架牌坊有整体式和组合式两种。其中整体闭式铸造机架使用得 最为广泛。本计算结构体是一个整体闭式板带轧机机架。其实际厚度和 受力分布都存在一定的不均匀性；此外，轧制过程中机架还可能 承受横向力的作用。为了简化计算，对其几何结构作了适当简化，如图1所示。即不计其厚度差异以及受力在厚度方向的不均匀 性，按平面应力问题处理；不计横向受力，只考虑轧制力，并将 其看成作用于对称轴附近的局部分布载荷。a图1板带轧机闭式机架示意图3.2有限元计算结果和分析采用弹性理论的平面应力模型对上述轧机机架的有限元分析结果如图4图8所示。通过分析，可以了解结构变形和应力分 布的特点，揭示其中的薄弱环节，并为结构的强度和刚度分析提 供依据。3.2.1变形分析节点位移反映了构件在受力前后各点位置发生的变化。图4图6为轧机机架的变形图，其中图4为计算揭示的机架变形趋 势；从图5和图6可以看出，在轧制过程中水平方向的变形较垂 直方向的变形严重，其中最大变形发生在立柱中部。图6轧机机架垂直方向的位移等值线3.2.1应力分析有限单元法可求得轧机机架各个部位的各种应力分布。其中 图7为机架外廓等效应力及其相对大小分布（如内外侧的差异，其 中图中不同颜色代表不同的应力大小）；由图可见，机架内侧等效 应力高于外侧。图8为下横梁典型断面（对称面）上水平方向的应 力分布（图中压应力记为负值），其内侧水平压应力达 34.4MPa,而外侧水平拉应力为21.1MPa图9为下横梁对称面上垂直方向 的应力分布，可见整个断面在垂直方向承受压应力。
图10是机架 整个断面上的等效应力分布图。其中，等值线密集区域为应力集 中和变化梯度较大的部位。由此可见，在当前的计算轧制载荷下，机架立柱等应力线基本上呈现为平行分布，应力值由内侧向外侧 均匀的减小。而在下横梁和立柱连接的圆角处，应力等值线密集，表明应力梯度变化大，当地有大的应力集中，最大值发生在圆角 中间偏上的位置，在不到100mm勺范围内应力值很大。因为圆角 附近是拉应力区，对应力集中敏感，因此改善圆角处的应力集中 是设计时应注意的问题。3.2.1机架强度和刚度分析考虑到当轧辊断裂时，机架尚不应发生塑性变形，机架的静 载安全系数一般取10-15，对于轧机所采用的铸钢材料，其许用 应力为对于横梁5X 107-7 x 107 Pa对于立柱二4X io7-5 x 107 Pa轧制力在5.15MN下，对于热轧机的许用弹性变形一般取f3 0.6 1.0mm由上有限元计算可知，横梁处的最大应力为d2.5856 x107Pa,立柱处的最大应力为rmax1.85474x 107pa。可见均在许 用应力之内，因而，在给定的轧制压力下，机架的强度能够满足 工作要求。对于机架的变形，如图4所示，最大的变形发生在机架的立 柱处，其值为0.38mm小于许用弹性变形f3，因此，在给定的 轧制压力下，机架的刚度也能够满足工作要求。J WflMrltrri图7机架外轮廓等效应力分布 水平方向应力分布图8下横梁纵向截面t.1A UW**ITh WIii * nM-*i图9下横梁纵向截面垂直方向应力分布 效应力分布图10机架等4结论本文利用MSC-MAR建立了轧机机架的有限元弹性力学结构 分析途径，并对一种闭式机架在工作载荷下的应力和变形进行了 平面应力分析。获得了热轧过程中的机架变形、位移及