900四輥可逆冷軋機壓下規(guī)程設計及機架設計與分析

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1200 四輥可逆冷軋機壓下規(guī)程設計及機架設計與分析 學 院：機械工程學院 班 級： 09級軋鋼 2 班 組 員：岳猛超 付振沖 張 剛 廉 慧 祁福亮 指導教師：許秀梅 王健 燕山大學專業(yè)綜合訓練（論文）任務書 院（系）： 機械工程學院 基層教學單位：冶金系 小組成員 廉慧、祁福亮、張剛、付振沖、岳猛超 設計題目 1200 四輥可逆冷軋機壓下規(guī)程設計及機架設計與分析 設 計 技 術 參 數(shù) 1、原料： 050品： 050； 材質(zhì)： 08F、 35 2、 軋制 速度 v=8m/s; 3、開卷機最大張力 6 噸，卷取機最大張力 35 噸 設 計 要 求 1、制定軋制規(guī)程： 計算道次壓下量，壓下率，軋制力，軋制力矩； 2、 根據(jù)要求畫機架三維圖，并對機架進行有限元分析； 3、給出機架的工程圖 工 作 量 1、 完成 工程圖至少 1 張； 2、完成設計計算說明書 包括有限元分析報告 ； 3、查閱文獻 5 篇以上。 工 作 計 劃 1、 準 備參考資料； 2、 計算；畫草圖； 3、 中期檢查； 4、 畫三維圖，出工程圖，分析，寫說明書； 5、 考核答辯； 參 考 資 料 1、王海文主編 《軋鋼機械設計》 機械工業(yè)出版社 、王廷溥主編 《金屬塑性加工學》 冶金工業(yè)出版社 、《機械設計手冊》 機械工業(yè)出版社 2002. 4、曹鴻德 主編《塑性變形力學基礎與軋制原理》 機械工業(yè)出版社 5、劉相華等著《軋制參數(shù)計算模型及其應用》 化學工業(yè)出版社 2007 指導教師 許秀梅 王健 基層教學單位主任 （簽字） 一 、 原料及設計技術參數(shù) 原料： 08F 來料尺寸 1050品尺寸 1050235 來料尺寸 1050品尺寸 1050195 來料尺寸 1050品尺寸 1050成品出口速度 v=8m/s。 開卷機最大張力 6 噸，卷取機最大張力 35 噸。 二 、 軋輥尺寸的預設定 設計課題為“ 1200 四輥可逆冷軋機壓下規(guī)程設計及機架設計與分析 ”，則工作輥的輥身長度 L=1200身長度確定后即可根據(jù)經(jīng)驗比例值法確定軋輥直徑，冷軋板帶軋機 1L / 2 3 常用比值為 2L / 0 D ?常用比值為 21/ 2 . 3 ~ 3 . 5 ,常用比值為 對于支撐輥傳動的四輥軋機，一般取 21/ 3 ~ 4 ,中 L 為輥身長度，1 取 L/1D=2/ 3,=1200 1D=480 2D=1440 、 壓下規(guī)程制定 壓下規(guī)程制定的原則及要求 壓下規(guī)程設計的主要任務是確定由一定來料厚度的板坯經(jīng)過幾個道次后軋制成為用戶所需求的，滿足用戶要求的板帶產(chǎn)品。在此過程中確定所需采用 的軋制方法，軋制道次及每個道次壓下量的大小，在操作上就是要確定各道次輥縫的位置和轉(zhuǎn)速。因此，還要涉及到各道次的軋制速度，軋制溫度，前后張力及道次壓下量的合理分配。在此過程中，主要考慮設備能力和產(chǎn)品質(zhì)量，設備能力主要包括咬入條件，軋輥強度和電機功率三個要素，而產(chǎn)品質(zhì)量主要包括幾何精度和力學性能。 壓下規(guī)程制定的原則：在考慮軋件塑性條件并保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，充分發(fā)揮軋機的設備生產(chǎn)能力，達到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。 對于單機架可逆式冷軋機，第一道次應考慮到來料尺寸誤差，預留一定的軋制能力，末道次考慮板型和表面質(zhì)量，應給與較小的壓下量，其余道次可采用等功率原則分配壓下量。 壓下規(guī)程預設定 ε =010=0 ' 11 ε ?????? ??? s? ε：壓下率 'ε ：累計壓下率 H ：原料原始厚度 h：軋前 厚度 h：軋后厚度 mm h? : 絕對壓下量 ： 咬入角， :軋輥半徑， 步制定壓下規(guī)程： 表一 08F 軋制道次 n 1 2 3 4 5 6 7 軋前厚度0h(軋后厚度1h(壓下量h? (壓下率 ε 累計壓下率 'ε 咬入角? /二 制道次 n 1 2 3 4 5 6 7 軋前厚度0h(軋后厚度1h(壓下量h? (壓下率 ε 累計壓下率 'ε 咬入角? /三 制道次 n 1 2 3 4 5 6 7 軋前厚度0h(軋后厚度1h(壓下量h? (壓下率 ε 累計壓下率 'ε 咬入角? / 、 軋制力能參數(shù)計算 變形抗力計算 物體有保持其原有形狀而抵抗變形的能力，度量物體的這種抵抗變形能力的力學指標，我們定義為塑形變形抗力。 變形抗力計算公式如下： 08F ' 0 . 62 2 5 . 4 3 3 9s? ?? ε ' 0 . 5 6 88 8 . 7 5 ( 6 9 3 9 8 . 4 3 6 6 6 9 . 4 2 )s? ? ? ?ε ' 0 . 2 0 68 4 2 . 2 ( 0 . 0 1 1 4 )s? ??ε其中 'ε 為累計壓下率 計算得各種軋件軋制時各道次的變形抗力如下（單位 道次 1 2 3 4 5 6 7 08F 前后張力計算 本次設計的軋機采用張力軋制，其開卷機最大張 力 6 噸，卷取機最大張力35 噸。 根據(jù)經(jīng)驗取其前后張力 T 2 s( 0 . 3 3 0 . 1 4 0 . 0 2 )? ? ? h :軋件厚度， mm b ：軋件寬度 計算時，根據(jù)前張力計算，然后取21( ) 0 . 2???后 張 應 力 （ 前 張 應 力 ）計算結(jié)果如下 08F 軋制道次 n 1 2 3 4 5 6 7 1?/ 1T/ 2?/ 2T/ 制道次 n 1 2 3 4 5 6 7 1?/ 1T/ 2?/ 2T/ 制道次 n 1 2 3 4 5 6 7 1?/ 1T/ 2?/ 2T/ 軋制力計算 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，并假設接觸表面上的摩擦力符合干摩擦定律。 變形區(qū)中單元體應力圖 平均單位壓力為 ： 1( 2 ) ? ??? ' 102m ?2k s?? 122m ??? ??式中：0h：軋前厚度 h：軋后厚度 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（ ）； 根據(jù)希奇可克公式： ' 2 200l l x x? ? ?01()l R h h??208 (1 )p C ? ??? 28 (1 )? ??式中， R—— 軋輥半徑； E—— 軋輥彈性模數(shù)， E=202 ? —— 泊松比，對于鋼軋輥 ? = 將0 2 200l l x x? ? ?，經(jīng)整理后得： ' 2 2 2( ) ( )m m ml l C h h h? ? ? ?? ? ? 將 '0求出1又將11l；再 將 '1求出2又 將22l， 如是循環(huán)， 當1 0 . 0 0 1m i m ? ? 時，計算結(jié)束。 由于計算過程較復雜 ，故我們用 的 輯器進行計算，其程序框圖如下 開始 輸入 1 0 1 2, , , , , , ,sh h R E? ? ? ?γ ,01()l R h h??28 (1 )? ??' 2 2 2( ) ( )m m ml l C h h h? ? ? ?? ? ? '12'1(1 . 1 5 )2???? ??? 1 0 1m i m ? ?102m ? 輸出 'l ，是 總軋制力 'mP p 算結(jié)果如下 08F 軋制道次 n 1 2 3 4 5 6 7 'l /mm P / 制道次 n 1 2 3 4 5 6 7 'l /mm P / 制道次 n 1 2 3 4 5 6 7 'l /mm P / 軋制力矩計算 傳動支承輥的軋輥受力如圖 為了計算窗洞支承輥所需的力矩，首先分析工作輥上力的平衡，由于工作輥是不傳動的，因而支承輥反力方向使工作輥上作用力所產(chǎn)生的力矩和為零，即 1P a F R c??ρ力臂 a 與驅(qū)動方式無關，仍是當12，1 s )2 β 12，1 s )2 β +ψ；當時121 β。 其中 β=φα 冷軋時 ~φ = =φ α 為咬入角 工作輥軸承處作用力 F 可以從工作輥在水平方向力的平衡求得。當12， s i n s i P??γ ψ；當12，s i n s i P??γ ψ；當時 12， γ 。 支承輥與工作輥間反力 ψ 于是得：當12， ( t a n c o s s i n )γ ψ ψ 當12， ( t a n c o s s i n )γ ψ ψ 當時12 ta n c o γ ψ 可求得力臂系數(shù) c 的大小為 1 s i n c o γ γ 整理得 1111s i n ( ) c o s s i ) c o ? ??β ψ ψ ρ ψγ =當12， ? 取負號，相應的 122 =12，? 取正號，相應的 122 = 求得 γ 角后，則反力 R 對支承輥的力臂 'a 為 ' 2 s i n c o γ γ 傳動一個支承輥的力矩為 ' 2() a??ρ 2 2c o s ( s i n c o s )c o s 2k m?? ? ?ψ γ γ ρ傳動兩個支承輥的總力矩為 k 2 計算結(jié)果如下 各道次的軋制力矩 軋制道次 1 2 3 4 5 6 7 08F 軋制功率計算 軋制過程中軋制功率等于支承輥角速度 w 與作用于支承輥的軋制力矩此計算軋制功率應先計算出支承輥的角速度 w 。 1）軋件前滑系數(shù)計算如下 2121(1 ) 1 2 h h R P?? ???? ? ?????（ ）μ式中 h ：軋件厚度， ：工作輥半徑， mm h? ：絕對壓下量， ：軋輥與軋件間的摩擦系數(shù) 12前后張力， ：軋制力， ）工作輥圓周速度 , 1vv s? ? 式中 v ：軋件出口速度， m/s s ： 軋件前滑系數(shù) 3）支承輥角速度 w 工作輥與支承輥圓周線速度 ,v 相等，則支承輥角速度 ,2m 4）軋制功率計算 傳動一個支承輥的功率為 w?傳動兩個支承輥的總哦那個綠為 k 2 計算結(jié)果如下 各道次的軋制功率 軋制道次 1 2 3 4 5 6 7 08F 五 、 壓下規(guī)程修訂 分析軋制力 ,軋制力矩和軋制功率的計算結(jié)果可知初始分配軋制力不合理。壓下規(guī)程制定的原則：在考慮軋件塑性條件并保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，充分發(fā)揮軋機的設備生產(chǎn)能力，達到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。 對于單機架可逆式冷軋機，第一道次應考慮到來料尺寸誤差，預留一定的軋制能力，末道次考慮板型和表面質(zhì)量，應給與較小的壓下量，其余道次可采用等功率原則分配壓下量。 然后通過 格進行軋制力調(diào)整，得到以下優(yōu)化結(jié)果： 08F 來料尺寸 1050品尺寸 1050制道次 1 2 3 4 5 6 7 0h/h 累計壓下率ε 咬入角α/s 前張力N 后張力N 變形區(qū)長度 l'/軋制力P/動力矩軋制功率N/235 來料尺寸 1050品尺寸 1050制道次 1 2 3 4 5 6 7 0h/h 累計壓下率ε 咬入角α/s 前張力N 后張力N 變形區(qū)長度 l'/軋制力P/動力矩軋制功率N/195 來料尺寸 1050品尺寸 1050制道次 1 2 3 4 5 6 7 0h/h 累計壓下率ε 咬入角α/s 前張力 N 后張力N 變形區(qū)長度 l'/軋制力P/動力矩軋制功率N/ 機架設計計算 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，這種軋機一般都設有專用的換輥裝置。 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，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鍵是上蓋與 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 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計。本次設計中選用閉式機架。 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。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。 對于四輥軋機可取 12( 2 . 6 ~ 3 . 5 ) ( ( 2 . 6 ~ 3 . 5 ) ( 4 8 0 1 4 4 0 ) 4 9 9 2 ~ 6 7 2 0H D D m m? ? ? ? ?）式中：1D、2D—— 工作輥、支承輥直徑， H=5500 （ 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 。 2( 1 . 1 5 ~ 1 . 3 0 ) ( 1 . 1 5 ~ 1 . 3 0 ) 1 4 4 0 1 6 5 6 ~ 1 8 7 2B D m m? ? ? ?為換輥方便，換輥側(cè)的機架窗口應比傳動側(cè)窗口寬5~10 操作側(cè)窗口寬度 =1 7 6 0 m 1 7 5 0 m 3）機架立柱斷面尺寸 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。 四輥軋機機架立柱斷面積與軋輥頸平方的比值： 則四輥軋機機架端面面積 ? ? 2 2 21 . 2 ~ 1 . 6 ( 1 . 2 ~ 1 . 6 ) 7 2 0 6 2 2 0 8 0 ~ 8 2 9 4 4 0F d m m? ? ? ? d 為支承輥輥頸直徑 2( 0 . 5 ~ 0 . 5 5 )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 850950 28 5 0 9 5 0 8 0 7 5 0 0F m m? ? ? 機架結(jié)構(gòu)簡圖如圖 3— 12： 圖 3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 500，其強度極限 5 0 0 ~ 6 0 0b M P a? ? ，延伸率 %16~%12?s?。 00 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=5； 對于 500來說，許用應力 [? ]采用以下數(shù)值： 對于橫梁 [? ] 0? ； 對于立柱 [? ] 0? ； 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 ? 式中： 機架的安全系數(shù)； 軋輥的安全系數(shù)； 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 (?當軋輥安全系數(shù) 時，機架的安全系數(shù)0~ 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 M??(3式中： 機架總傾翻力矩； 傳動系統(tǒng)加于機架上的傾翻力矩（在正常軋制情況下）； 水平力引起的 傾翻力矩。 如圖 3示，水平力 Q 引起的傾翻力矩為 ? (3圖 3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 ?(3故 m a h 3式中： 工作輥傳動支承輥的力矩； D—— 軋輥直徑。 則 ??????? 73m a x 3 51 9 0 109 2 52。 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 2(3式中： b—— 支座間的距離； G—— 工作機座的重量。 則 7 8 3 426 9 0 0 01 6 5 ??? 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。 應該注意：為保證機架地腳與軌座的配合表面始終不被分開，故對地腳螺栓的預擰緊力必須大于1R。一般為保險起見應取地腳螺栓總預緊力)RR y ?（ 2）地腳螺栓的強度計算 首先按經(jīng)驗公式預選螺栓直徑 d。當軋輥直徑 D＞ 500 0 1 0 (3則 0 . 0 8 5 0 0 1 0 5 0d m m? ? ? ? 查表取 d=76后按強度條件對地腳螺栓進行校驗。 '1214 []? ?(3式中： '1R—— 地腳螺栓的最大拉力，取 11 )? ,令11 R ?? 1d—— 地腳螺栓的螺紋內(nèi)徑， [σ ]—— 地腳螺栓的許用應力，通常取 [σ ]=(70~80)鋼 )。 代入數(shù)據(jù)得： ][ 78 3 ????? ?? M P a 故地腳螺栓強度符合要求。 8、用有限單元法計算機架的應力和變形 過去機架的設計，基本上按材料力學中的能量法來確定機架中的應力和變形，按靜強度計算時，取安全系數(shù)一般不小于 8~12。給這樣高的安全系數(shù)，也仍不能保證機架可靠的工作，有時照樣出現(xiàn)突眼破壞。其原因，除了制造工藝上存在缺陷等情況外，也反映出計算方法不精確，沒有找到機架的實際應力分布規(guī)律和薄弱部位 。例如，對機架中轉(zhuǎn)角、帶孔等位置，受載后存在著嚴重的應力集中，用材料力學的辦法就求不出這些應力集中的數(shù)值，實際中就往往在這些地方產(chǎn)生斷裂，因此研究新的精確的方法來設計計算軋鋼機機架是十分必要的。 有限單元法是根據(jù)變分原理求解數(shù)學、物理問題的一種數(shù)值解法。也在結(jié)構(gòu)和連續(xù)力學中的應用，近年來在我國已獲得廣泛的重視和推廣。凡是重要的和結(jié)構(gòu)復雜的機架，在設計時都采用彈性力學有限單元法進行計算。因為這種方法計算結(jié)果精確，又不受機架復雜程度的影響。應用有限單元法時，可將機架簡化成二維或三維應力分析問題，將彈性連續(xù)體（機 架）離散為有限個單元組成的集合體，再按照結(jié)構(gòu)矩陣分析法或位移法來求解。由于通常計算工作量都很大，所以采用電子計算機進行計算，一般都可以取得滿意的結(jié)果。 （ 1）材料 ： 500 屬性如下： 彈性模量 2e+011 N/2m 泊松比 A 抗剪模量 10 N/2m 質(zhì)量密度 7800 m 張力強度 08 N/2m 屈服強度 08 N/2m 熱擴張系數(shù) 導率 30 W/(比熱 500 J/(表 3料屬性 （ 2）網(wǎng)格屬性 為了能用結(jié)構(gòu)力學的方法解決彈性力學上的問題，我們可以把一個連續(xù)彈性體的軋鋼機機架變換成一個離散的結(jié)構(gòu)物，它由有限個單元體并由其結(jié)點相互聯(lián)系組成。 圖 3架網(wǎng)格劃分 單元體得根據(jù)計算精度要求及計算機的容量大小來決定。根據(jù)軋鋼機機架 的特點，對壓下螺母孔周圍及下橫梁中間斷面，因是機架的重要部位，單元應劃分得小一些。機架的轉(zhuǎn)角及帶孔部位，由于應力變化劇烈，所以這些地方單元也應劃分得小一些。 經(jīng)驗指出，應當盡可能使每個單元各邊的長度接近相等，至少不應使邊長相差過大。如果某單元最大與最小邊長之比達 3： 1或更大，則在該單元附近，應力和位移的真實狀態(tài)將不能在計算結(jié)果中正確的反映出來（除非在該單元附近，應力和位移的實際變化是很平緩的）。 （ 3）載荷和約束信息 對平面問題，最簡單、最常用的是三角形單元，所有的單元體都取為鉸接。在某些節(jié)點其位移或其一個 分量可以不計之處，就在這些結(jié)點上安置固定鉸支座（邊界條件），每一個單元所受的載荷，都按靜力等效的原則移置到結(jié)點上，成為結(jié)點載荷。如圖3 在確定軋鋼機機架有限單元法計算時，考慮到機架結(jié)構(gòu)及受力的對稱性，以機架中心線為準取機架的一半作為計算單位。 根據(jù)軋機的軋制負荷，我們選取總軋制力 為外載荷，即每個牌坊承受 垂直載荷，按靜力等效原則將半個牌坊承受的 載荷移置到載荷面上。 （ 4）結(jié)果 計分析結(jié)果基于線性靜態(tài) 分析，且材料設想為同象性。線性靜態(tài)分析設想 ： 1)材料行為為線性，與 胡克 定律相符 ； 2)誘導位移很小以致由于載荷可忽略剛性變化 ； 3)載荷緩慢應用以便忽略動態(tài)效果。 圖 3限單元法計算得出機架的應力分布圖 圖 3限單元法計算得出機架的變形分布圖 材料力學計算方法和有限元分析結(jié)果的比較： 從圖 3以看出，上下橫梁最大應力處的相對誤差為： %4 ??? 從附錄 3 圖中查出并計算，機架立柱最大的拉彎應力的相對誤差為： % ??? 通過以上分析可以看出，有限單元法用來計算軋鋼機機架的應力和變形，其結(jié)果比材料力學方法精確。能夠比較符合實際地找出機架的各個部位的應力分布規(guī)律，能在機架應力急劇變化的地方求出靜力作用下的應力集中系數(shù)。因此在新軋機的設計中，可應用這種方法，使用計算機對幾個方案迅速算出他們的應力和位移，進行對比分析，從中找出最佳結(jié)構(gòu)方案。在舊軋機的改造中，通過此法對軋機機架應力和剛度進行分析的結(jié)果，可以校核其潛力和找出薄弱部位，便于提高生產(chǎn)和防止事故。同時應用有限單元法進行應力分析還可以改變過去那種盲目加大安全系數(shù) 、造成結(jié)構(gòu)笨重、浪費金屬材料的不良現(xiàn)象。因此我們認為在冶金機械的設計計算中，有限單元法是有很大推廣意義的。 結(jié)論 軋 鋼 機 俗稱“牌坊”，是軋鋼生產(chǎn)的主要機械設備，鋼鐵及有色金屬的 90%要通過軋機軋制成材，因此，軋機的裝備水平，對冶金的生產(chǎn)有著直接的影響。軋機是 最終承載載荷并且 是 要永久使用的部件 ,機架是軋機結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中最重、最大的部分。大型機架由于其體積龐大 ,通常整體鑄造成形 ,而后對窗口部分進行機械加工的方法成形 ,鑄造成形是大型軋機機架生產(chǎn)過程中最基礎和最重要的工序。 由兩片 “ 牌坊 ” 組成以安裝軋輥軸承座和軋輥調(diào)整 裝置 ， 需有足夠的強度和鋼度承受軋制力。 經(jīng)過六百多年的發(fā)展，現(xiàn)在軋機發(fā)展的趨向是自動化、連續(xù)化、專業(yè)化、產(chǎn)品質(zhì)量高、消耗低，其中高新技術的應用是軋鋼生產(chǎn)技術發(fā)展的顯著特征。近幾十年以來，軋鋼生產(chǎn)的技術進步取得了長足的發(fā)展，在板帶材生產(chǎn)發(fā)面，板厚和板型控制技術已趨于成熟。軋鋼的內(nèi)涵已經(jīng)突破了原有的界限，顯著的向著上、下工序拓展。為滿足最終產(chǎn)品質(zhì)量的要求，上、下游工序的要求對軋鋼生產(chǎn)技術的發(fā)展及工藝規(guī)程的規(guī)定也起著越來越明顯的作用。 本次設計的題目是 1 9 0 / 5 0 0 4 5 0 ? 四輥冷軋 機 —— 軋鋼機機架。技術參數(shù)要求是： 1、軋制材料： 25 2、原料規(guī)格：軋制帶寬 200 3、軋制規(guī)程： 3 . 1 2 . 7 5 2 . 4 2 . 0 1 . 8 1 . 4? ? ? ? ?，即軋機會將板帶由 4、軋制速度 2m/s。 在設計中，主要計算了軋制力、驅(qū)動力矩、軋機主電動機功率、機架靜強度、剛度和有限元分析等，并完成了機架的材料及結(jié)構(gòu)型式、軋機主電動機、軋輥軸承部分的確定。在計算時，主要參考了由鄒家祥主編的《軋鋼機現(xiàn)代設計理論》、 黃華清主編的《軋鋼機械》和由劉寶珩主編的《軋鋼機械設備》等書籍。 在對其它系統(tǒng)進行了分析及設計后，最終確定設計方案為：不可逆工作制度，電機驅(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 。 2 閉式機架結(jié)構(gòu)及載荷分布特點 按結(jié)構(gòu)不同，機架可分為閉式機架及開式機架兩大類。閉式機架可承受較大的軋制壓力，變形很小，具有較大的強度和剛度等優(yōu)點，因而可滿足產(chǎn)品尺寸精度的要求，在板坯軋機、板帶軋機以及線材和棒材軋機得到廣泛 應用。按加工及運輸條件的不同，機架牌坊有整體式和組合式兩種。其中整體閉式鑄造機架應用得最為廣泛。 本計算結(jié)構(gòu)體是一個整體閉式板帶軋機機架。其實際厚度和受力分布都存在一定的不均勻性；此外，軋制過程中機架還可能承受橫向力的作用。為了簡化計算，對其幾何結(jié)構(gòu)作了適當簡化，如圖 1所示。即：不計其厚度差異以及受力在厚度方向的不均勻性，按平面應力問題處理；不計橫向受力，只考慮軋制力，并將其看成作用于對稱軸附近的局部分布載荷。 圖 1 板帶軋機閉式機架示意圖 限元計算結(jié)果與分析 采用彈性理論的平面應力模型對上 述軋機機架的有限元分析結(jié)果如圖 4～圖 8 所示。通過分析，可以了解結(jié)構(gòu)變形和應力分布的特點，揭示其中的薄弱環(huán)節(jié)，并為結(jié)構(gòu)的強度和剛度分析提供依據(jù)。 形分析 節(jié)點位移反映了構(gòu)件在受力前后各點位置發(fā)生的變化。圖4～圖 6 為軋機機架的變形圖，其中圖 4為計算揭示的機架變形趨勢；從圖 5 和圖 6 可以看出，在軋制過程中水平方向的變形較垂直方向的變形嚴重，其中最大變形發(fā)生在立柱中部。 圖 4 軋機機架的變形圖（放大 1000 倍） 圖 5 軋機機架水平的位移等值線 圖 6 軋機機 架垂直方向的位移等值線 力分析 有限單元法可求得軋機機架各個部位的各種應力分布。其中圖 7 為機架外廓等效應力及其相對大小分布 (如內(nèi)外側(cè)的差異，其中圖中不同顏色代表不同的應力大小 )；由圖可見，機架內(nèi)側(cè)等效應力高于外側(cè)。圖 8 為下橫梁典型斷面 (對稱面 )上水平方向的應力分布 (圖中壓應力記為負值 )，其內(nèi)側(cè)水平壓應力達 外側(cè)水平拉應力為 9 為下橫梁對稱面上垂直方向的應力分布，可見整個斷面在垂直方向承受壓應力。圖 10 是機架整個斷面上的等效應力分布圖。其中，等值線密集區(qū)域為應力集中和變化梯度較大的部位。由此可見，在當前的計算軋制載荷下，機架立柱等應力線基本上呈現(xiàn)為平行分布，應力值由內(nèi)側(cè)向外側(cè)均勻的減小。而在下橫梁與立柱連接的圓角處，應力等值線密集，表明應力梯度變化大，當?shù)赜写蟮膽?，最大值發(fā)生在圓角中間偏上的位置，在不到 100范圍內(nèi)應力值很大。因為圓角附近是拉應力區(qū)，對應力集中敏感，因此改善圓角處的應力集中 是設計時應注意的問題。 架強度與剛度分析 考慮到當軋輥斷裂時，機架尚不應發(fā)生塑性變形，機架的靜載安全系數(shù)一般取 10于軋機所采用的鑄鋼材料，其許 用應力為： 對于橫梁 [? ]≤ 5× 710 710 對于立柱 [? ]≤ 4× 710 710 軋制力在 ，對于熱軋機的許用彈性變形一般取 [ 由上有限元計算可知，橫梁處的最大應力為 d=07柱處的最大應力為710 見均在許用應力之內(nèi)，因而，在給定的軋制壓力下，機架的強度能夠滿足工作要求。 對于機架的變形，如圖 4 所示，最大的變形發(fā)生在機架的立柱處，其值為 于許用彈性變形 [3f]，因此，在給定的軋制壓力下，機架的剛度也能夠滿足工作要求。 圖 7 機架外輪廓等效應力分布 圖 8 下橫 梁縱向截面水平方向應力分布 圖 9 下橫梁縱向截面垂直方向應力分布 圖 10 機架等效應力分布 4 結(jié)論 本文利用 立了軋機機架的有限元彈性力學結(jié)構(gòu)分析途徑，并對一種閉式機架在工作載荷下的應力與變形進行了平面應力分析。獲得了熱軋過程中的機架變形、位移及應力場分布等詳細的定量數(shù)據(jù)，由此不僅揭示了機架結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，還為軋機剛度與強度設計及其工程分析提供了更為可靠的科學依據(jù)。 分析情況如下圖所示： 圖 a 結(jié)構(gòu)分析 圖 b 應變云圖 圖 c 應力云圖 下圖是采用 圖 3架網(wǎng)格劃分 圖 3限單元法計算得出機架的應力分布圖 圖 3限單元法計算得出機架的變形分布圖 八 、 參考文獻 1、 孫一康 編著 《帶鋼熱連軋的模型與控制》 、 王海文 主編 《軋鋼機械設計》 機械工業(yè)出版社 、 王廷溥 主編 《金屬塑性加工學》 冶金工業(yè)出版社 、 《機械設計手冊》 機 械工業(yè)出版社 5、 曹鴻德 主編 《塑形變形力學基礎與軋制原理》 機械工業(yè)出版社 6、 周紀華 管克智 著 《金屬塑性變形阻力》 機械工業(yè)出版社 7、 鄒家祥 主編 《軋鋼機械》 8、 許石民 孫登月 主編 《板帶材生產(chǎn)工藝及設備》 冶金工業(yè)出版社 9、 《機械設計手冊（軟件版）