《轧制成形设备》课件：第4章.pptx

1、 轧机机架是轧机工作机痤中尺寸和重量最大的部件，其重量占整个机座重量的45-50%。轧辊轴承和轧辊的调整装置等部件都是安装在机架上，机架受轧制时巨大的轧制力作用。 通常机架的构成：左牌坊、右牌坊、上横梁、下横梁、滑板、轨座等组成。 轨座简介：轧机牌坊在安装在轨座上的，而轨座则固定在地基上，轨座又称地脚板。一对牌坊的要求足够的强度与刚度；结构简单，便于制造；换辊方便1、闭式牌坊 将牌坊的上、下横梁与立柱制成一体的封闭式整体框架。有小圆弧、大圆弧、矩形、多边形等形状。 闭式牌坊优点: (1) 具有较高强度和刚度；(2)造价低，主要是加工面少 闭式牌坊缺点：换辊不方便，需专用的换辊装置。应用：主要用

2、在受力大或要求轧件精度高而又不经常换辊的轧机上，如初轧机、板坯轧机、板带轧机、钢管轧机等。大多是整体铸造的，但由于牌坊重量太大，受到铸造条件或运输条件联合限制，则采用电渣焊焊接而成。如我国的4200四辊特厚板轧机其每片牌坊重达230吨，美国的5590四辊板材热轧机的牌坊重达590吨。牌坊通常分铸成四块，即两根立柱、上下横梁，再通过电渣焊焊接而成。大铸件铸造难度：熔炼炉容量，铸造工艺。 鞍钢5500mm四辊可逆式双机架宽厚板轧机，由中国一重集团与德国西马克德马格（SMS-Demag）公司联合设计，是目前世界最大规格的宽厚板轧机。由一台5500mm四辊式粗轧机和一台5000mm四辊式精轧机及其它设

3、备组成。两台轧机占地长200米、宽35米，高近20米，重达近7000吨。 5500mm宽厚板轧机仅一片轧机机架牌坊就重达400吨以上，轧机支承辊最大直径达到2400mm，重达250吨，整台轧机总重超过3000吨。所轧单块钢板重达200吨，是普通轧机的5倍以上，这些规格都远远大于中小型轧机。 轧制力为1万吨，生产钢板尺寸宽度为900-5300mm，厚度为5-150mm，最厚可达450mm,长度为3-25米。主要生产宽度4米以上军民用高强度宽厚船用钢板、舰艇板、核电用特种钢板、耐大气腐蚀板、大口径油气焊管和模具板等高技术含量、高附加值产品。 鞍钢5.5米粗轧机机架在中国一重集团公司通过5个钢水包合

4、浇成功。组织743吨钢水浇铸出一片机架牌坊，经过机床加工后，成品机架长15.91米，宽4.671米，厚2.3米，重达425吨，居亚洲之最 5米精轧机机架2、开式牌坊 非整体结构的框架，是由立柱顶端断开或由立柱中部断开的两部分联接而成。 优点：换辊方便； 缺点：强度、刚度差； 应用：轧制力小，换辊次数多的型钢轧机、轨梁轧机。 结构形式：斜楔联接、预应力牌坊、螺栓联接、立销和斜楔联接、套环和斜楔联接、横销和斜楔联接等形式。 螺栓联接：机架上盖（上横梁）用两个螺栓与机架立柱联接，结构简单，但因螺栓较长，变形较大，机架刚度低。换辊时拆装螺母较费时。 斜楔联接：是目前应用最多的一种联接方式；斜楔以较大的

5、接触面积承受压应力，故其变形小，从而提高了牌坊的刚度，该牌坊又有半闭式之称。拆装方便，有利于换辊。预应力牌坊：P66图2.4-4. 由液压螺母，拉杆、上下半牌坊组成；液压螺母在未轧钢之前对牌坊已施加约1.2-1.5倍轧制力的预应力，轧制时牌坊变形小，提高轧件精度。 用于小型型钢轧机和线材轧机。1、窗口宽度B闭式机架：B略大于轧辊最大直径，以便于换辊。开式机架：B取决于轧辊轴承座的宽度，B可小于Dmax。四辊轧机机架窗口宽度一般为支承辊直径的1.151.30倍，为了换辊方便，换辊侧的机架窗口应比传动侧窗口宽510mm。也可表示为：BBz+2s B：机架窗口宽度 Bz：支承辊（轧辊）轴承宽度 s：

6、窗口滑板厚度，一般取s=2040mm. 机架窗口高度H主要根据轧辊最大开口度、压下螺丝最小伸出端（至少有2-3扣螺纹长度），以及换辊等要求确定。HH1H2H3S1S2H1：两个（或四个）轧辊接触时，上、下轴承座间的最大距离；H2：安全臼，或测压元件以及均压块的高度；H3：下轴承座垫板厚度；S1：轧机换辊时最大开口度S2：机架窗口高度尺寸裕量，通常150-250mm。对四辊轧机，经验：H（2.6-3.5）（D1D2）mm式中D1、D2分别是工作辊、支承辊直径。2、窗口高度H（1）断面形状选用断面形状时应考虑以下因素： 牌坊类型； 牌坊受力情况； 制造条件。抗弯强度：工长方制造难度：工长方对高而窄

7、的闭式牌坊(如四辊轧机)，水平力较小，选用近似正方形的断面。对低而宽的二辊轧机（如初轧机、板坯轧机），水平力较大的轧机，易选用工字形或矩形断面。3、立柱断面形状及尺寸（2）断面尺寸立柱断面尺寸与机架的强度和刚度有关。一般选取立柱断面，再进行牌坊强度计算。由于作用在轧辊辊颈和牌坊立柱上的力在数值上相等，而轧辊辊颈强度大致与其直径的平方d2成正比，因此立柱断面面积F2可按下列关系选择：铸铁轧辊：F2（0.6-0.8）d2铸钢轧辊开坯机F2（0.65-0.9）d2其它轧机F2（0.8-1.0）d2合金钢轧辊F2（1.2-1.6）d2机架立柱断面尺寸对机架刚度影响较大。在现代板带轧机上，为了提高轧件的

8、轧制精度，有逐渐加大立柱断面的趋势。厚板轧机机架立柱断面积已增至10000cm2；热轧带钢轧机的机架立柱断面积达7000cm2。 轧机对牌坊的强度要求较高，在设计新轧机或旧轧机进行强化轧制、扩大品种规格时，都必须对牌坊的强度进行校核，以确保牌坊在轧辊折断时不致于产生塑性变形。计算方法：材料力学；有限元法；电测法；光弹性实验法等。 本节只采用材料力学法计算。（1）将牌坊结构简化为框架，即以牌坊的各断面中性轴的连线组成框架，近似地处理成直线或规则的圆弧线段，并确定求解断面的位置，计算时，一般只计算上、下横梁中部，立柱断面及其与横梁转角处的断面；（2）确定外力的大小及作用点；（3）确定静不定的阶数，

9、根据变形趋势及其约束条件，分析框架是几次静不定问题，然后利用材料力学中的任一种方法如卡氏定理、图乘法、力法、单位位移法等来求解静不定系统；（4）根据计算截面的面积F、惯性矩I、中性线轴的位置及承载情况，求出应力和变形；（5）材料许用应力的合理选择。1、假设（为简化计算）（1）受力假设正常轧制时，牌坊上承受的多种外力：简单轧制情况下，轧制力的方向是垂直方向；带材前后张力差引起的作用于立柱上的水平力；轧件轧制中，因加速、减速引起的作用于牌坊立柱上的水平惯性力；轧辊辊颈摩擦力矩通过轴承座在牌坊立柱上的水平反力；倾翻力矩引起固定牌坊与轨座的螺栓加于牌坊上的垂直力等。以上诸力中，轧制力最大，其它作用力一

10、律予以忽略，每片牌坊上的轧制力为P。一、闭式牌坊的强度粗略计算 立体的牌坊框架简化为平面框架，上、下横梁与立柱交界处为刚性结点，牌坊受力变形后，该转角处仍保持直角不变。（2）牌坊形状简化 为了确定牌坊横梁与立柱的内力以及弯矩图，对力学模型再度以分离体的形式表示，如下图所示，其中P是作用在每片牌坊上的轧制力，M2是立柱所受静不定内力矩。2、受力分析3、应力计算（1）横梁应力横梁受弯矩作用，危险断面在横梁中部外缘，其值：式中 ：横梁危险断面的外缘应力； ：横梁危险断面外缘的抗弯断面系数。（2）立柱应力立柱受弯矩和拉伸作用，危险断面位于立柱内缘，其值：式中 ：立柱内缘应力； ：立柱内缘的抗弯断面系数

11、； ：立柱断面积。1211/4PlMW外外（拉应力）外1外1W（拉应力）内内2222F2/PWM2F内2W内2（3）静不定力矩M2（材料力学中梁的变形及静不定梁部分） 可借助牌坊变形条件求出，将牌坊沿中部剖开，取其一半作计算图，如图所示， 从牌坊对称形状这一条件出发，可知II面的转角为零。 由卡氏定量，II面转角为零，有：式中 Jx：计算截面上的惯性矩； E：弹性模量； x ：截面II与计算截面间的牌坊中性线长度； E Jx：计算截面上的抗弯刚度； Mx：计算截面上的弯矩) 1 (01dxMMEJMxxx在x断面处的弯矩Mx为：式中 y：垂直力P/2相对于计算截面的力臂。 M1：等于所以把（2

12、）、（3）式代入（1）式，并将常数E取消后，得 对于牌坊横梁y=x，对于立柱y=l1/2，因此M1为：)2(21MyPMx214/MPl)3(11MMx)4(0)2(1xJdxMyP)5(111121122203022012030122011121121llllllxxdxJdxJdxJxdxJdxlJxdxJPJdxJdxyPM对于（6）式积分后可得：如果假设上下横梁惯性矩相同，即 时，则力矩M1为：根据弯矩图，立柱为上弯矩M2为：把（7）代入（8）式有：)7(242211221111JlJlJlJlPlM)8(4112MPlM)54 . 2(118211212JlJlPlM)6(22444

13、33221133221111JlJlJlJlJlJlPlM 当上横梁断面惯性矩J1不等于下横梁断面惯性矩J3时，立柱中的静不定力矩M2值为： 讨论：对（2.4-5）与（2.4-6）式，当立柱断面惯性矩J2立柱静不定内力矩M2，即在立柱断面相等的情况下，选择近似方形立柱断面可获得较小弯矩M2值，从而提高立柱的强度。因此对高而窄的牌坊，在保证立柱强度足够的条件下，选用方形断面可节约较多的材料。)64 .2(22111631221131212JlJlJlJJPlM二、半闭式牌坊的强度计算 半闭式牌坊常用于三辊型钢轧机上，通常上、下轧制线不同时走钢，故牌坊的强度计算可分上轧制线轧制和下轧制线轧制两种。

14、1、上轧制线轧制（1）受力分析 U形架主要受力：立柱每个牛腿上受轧制力P/2，作用在中辊上的轧制力 通过中辊轴承座传至立柱的牛腿上。作用在上盖上的P力通过联接件斜楔在U形架上产生垂直和水平的分力y、x，U形架立柱的变形，在上盖止口处产生水平力x。上盖主要受力：同样也受三部分力 P；y、x；x 由于上盖断面尺寸很大，仅在止口旁很短的一段受数值不大的拉力x作用，因此其强度不会存在问题。因此对半闭式牌坊进行强度验算时，通常只计算U形架而不计算上盖。 上轧制线轧制时牌坊的弯矩图（2）计算立柱危险断面计算 危险截面：由弯矩图可知，立柱弯矩较大的部位在b、c、d等处，由于d点只承受弯曲应力作用而无拉应力，

15、故实际危险断面可能在b或c的内表面。 立柱b点处的弯矩值：立柱c点的弯矩值为：)74.2()(222clxePMb)84 . 2()()(222ccxclxePMc所以，危险断面（b点或c点）处的应力为：式中 M2：立柱b或c点处的弯矩； W2：立柱b或c点处的抗弯断面系数。 F2：立柱b或c点处的断面面积。横梁受力计算U形架下横梁全长所受弯矩不变，其值为：则横梁所受应力为：式中W1：为下横梁中部有螺孔处断面外缘抗弯断面系数。)104 . 2()(221cxeePxlM)94.2(22222FPWM)114 . 2(111WM静不定力x上盖止口作用而产生的静不定力x可根据止口变形条件求出，即：

16、式中 f：在诸力作用下，一根立柱在其顶部x力作用向外产生 的弹性变形量； ：上盖与U型架立柱装配间隙之半； ：上盖受拉部分的弹性变形伸长量之半。经计算、整理、可得静不定力x为：式中 F3：上盖受拉部分的断面积； E：牌坊材料的弹性模数。)124.2(223lf223l)134 . 2(32)(2)2()2()3(21332321221212222211FlJlJllEeectgllclecclceclctgJJJPx上2、下轧制线轧制 作用在中辊上的轧制力通过H形瓦架和上盖，斜楔将力传至立柱上，作用在下辊上的轧制力通过轴承座作用在下横梁中部位置上。受力与弯矩图如下图：立柱应力计算 立柱B点弯矩

17、较大，其值为： 相应应力为：)144 . 2()(22clxePMb)154 . 2(2222FPWMbb下横梁应力计算U形架下横梁中部具有最大的弯矩，其值：式中Md：立柱d点（底端）的弯矩下横梁中部的应力值：式中W1：下横梁中部位置的外侧断面系数。)164 . 2(411dMPlM)174 . 2(22ePcxxlMd)184 . 2(111WM静不定力x同理，可由立柱的变形条件求得下轧制线轧制时的静不定力x：)194 . 2(32)4(2)2()3(23323212211212222211FlJlJllElectgllclceclctgcJJJPx下三辊预应力牌坊上下两部分基本对称，因而上

18、、下轧制线轧制时的受力情况相同。以上轧制线轧制为例分析牌坊上、下两部分和拉杆受力。 教材P77图2.4-14a、拉杆强度计算拉杆是强度计算的薄弱件，其应力值：)224 . 2(F2PP拉预拉3、预应力牌坊强度（自学）b、横梁强度计算横梁中部有最大的应力：式中W1外：横梁中部外缘的抗弯断面系数。c、立柱强度计算立柱应力：)234 . 2(4111外外WPl)244 . 2(F2P222预内PWe 牌坊通常用含碳量为0.25%-0.42%的ZG35铸钢，其： 500-600MPa, 12-16%。 为了防止断辊时损坏牌坊，在选择牌坊许用应力时，应保证牌坊不致产生塑性变形。通常为了安全起见，牌坊的安全系数为： n机架（2-2.5） n轧辊 n轧辊10-12.5 通常对横梁 50-70MPa，对立柱 40-50MPa。b4、牌坊许用应力选择