900四輥可逆冷軋機壓下規(guī)程設(shè)計及機架設(shè)計與分析

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1200 四輥可逆冷軋機壓下規(guī)程設(shè)計及機架設(shè)計與分析 學(xué) 院：機械工程學(xué)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(dǎo)教師：許秀梅 王健 燕山大學(xué)專業(yè)綜合訓(xùn)練（論文）任務(wù)書 院（系）： 機械工程學(xué)院 基層教學(xué)單位：冶金系 小組成員 廉慧、祁福亮、張剛、付振沖、岳猛超 設(shè)計題目 1200 四輥可逆冷軋機壓下規(guī)程設(shè)計及機架設(shè)計與分析 設(shè) 計 技 術(shù) 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(shè) 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(shè)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(zhǔn) 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(shè)計》 機械工業(yè)出版社 、王廷溥主編 《金屬塑性加工學(xué)》 冶金工業(yè)出版社 、《機械設(shè)計手冊》 機械工業(yè)出版社 2002. 4、曹鴻德 主編《塑性變形力學(xué)基礎(chǔ)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(yīng)用》 化學(xué)工業(yè)出版社 2007 指導(dǎo)教師 許秀梅 王健 基層教學(xué)單位主任 （簽字） 一 、 原料及設(shè)計技術(shù)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(yù)設(shè)定 設(shè)計課題為“ 1200 四輥可逆冷軋機壓下規(guī)程設(shè)計及機架設(shè)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(shè)計的主要任務(wù)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(shè)備能力和產(chǎn)品質(zhì)量，設(shè)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(xué)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(shè)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(yīng)考慮到來料尺寸誤差，預(yù)留一定的軋制能力，末道次考慮板型和表面質(zhì)量，應(yīng)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(yù)設(shè)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(xué)指標(biāo)，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(shè)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(yīng) 力 （ 前 張 應(yīng) 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(shè)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(yīng)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(dāng)1 0 . 0 0 1m i m ? ? 時，計算結(jié)束。 由于計算過程較復(fù)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(guān)，仍是當(dāng)12，1 s )2 β 12，1 s )2 β +ψ；當(dāng)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(dāng)12， s i n s i P??γ ψ；當(dāng)12，s i n s i P??γ ψ；當(dāng)時 12， γ 。 支承輥與工作輥間反力 ψ 于是得：當(dāng)12， ( t a n c o s s i n )γ ψ ψ 當(dāng)12， ( t a n c o s s i n )γ ψ ψ 當(dāng)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(dāng)12， ? 取負號，相應(yīng)的 122 =12，? 取正號，相應(yīng)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(yīng)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(shè)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(yīng)考慮到來料尺寸誤差，預(yù)留一定的軋制能力，末道次考慮板型和表面質(zhì)量，應(yīng)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(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。 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(guān)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(fù)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。 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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力引起熱裂 ， 廣泛應(yīng)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=5； 對于 500來說，許用應(yīng)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(dāng)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(yīng)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(yù)擰緊力必須大于1R。一般為保險起見應(yīng)取地腳螺栓總預(yù)緊力)RR y ?（ 2）地腳螺栓的強度計算 首先按經(jīng)驗公式預(yù)選螺栓直徑 d。當(dāng)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(yīng)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(yīng)力和變形 過去機架的設(shè)計，基本上按材料力學(xué)中的能量法來確定機架中的應(yīng)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(yīng)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(yán)重的應(yīng)力集中，用材料力學(xué)的辦法就求不出這些應(yīng)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(shè)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(xué)、物理問題的一種數(shù)值解法。也在結(jié)構(gòu)和連續(xù)力學(xué)中的應(yīng)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(fù)雜的機架，在設(shè)計時都采用彈性力學(xué)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(fù)雜程度的影響。應(yīng)用有限單元法時，可將機架簡化成二維或三維應(yīng)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(dǎo)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(xué)的方法解決彈性力學(xué)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(yīng)劃分得小一些。機架的轉(zhuǎn)角及帶孔部位，由于應(yīng)力變化劇烈，所以這些地方單元也應(yīng)劃分得小一些。 經(jīng)驗指出，應(yīng)當(dāng)盡可能使每個單元各邊的長度接近相等，至少不應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(zhǔn)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(shè)想為同象性。線性靜態(tài)分析設(shè)想 ： 1)材料行為為線性，與 胡克 定律相符 ； 2)誘導(dǎo)位移很小以致由于載荷可忽略剛性變化 ； 3)載荷緩慢應(yīng)用以便忽略動態(tài)效果。 圖 3限單元法計算得出機架的應(yīng)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(xué)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力和變形，其結(jié)果比材料力學(xué)方法精確。能夠比較符合實際地找出機架的各個部位的應(yīng)力分布規(guī)律，能在機架應(yīng)力急劇變化的地方求出靜力作用下的應(yīng)力集中系數(shù)。因此在新軋機的設(shè)計中，可應(yīng)用這種方法，使用計算機對幾個方案迅速算出他們的應(yīng)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(yīng)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(yīng)用有限單元法進行應(yīng)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(shè)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(shè)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(chǔ)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(shù)的應(yīng)用是軋鋼生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的顯著特征。近幾十年以來，軋鋼生產(chǎn)的技術(shù)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(shù)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(shù)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(shè)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(shù)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(shè)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(shè)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(shè)備》等書籍。 在對其它系統(tǒng)進行了分析及設(shè)計后，最終確定設(shè)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(yīng)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(yīng)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(dāng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yán)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(yīng)力分布。其中圖 7 為機架外廓等效應(yīng)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(yīng)力大小 )；由圖可見，機架內(nèi)側(cè)等效應(yīng)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(yīng)力分布 (圖中壓應(yīng)力記為負值 )，其內(nèi)側(cè)水平壓應(yīng)力達 外側(cè)水平拉應(yīng)力為 9 為下橫梁對稱面上垂直方向的應(yīng)力分布，可見整個斷面在垂直方向承受壓應(yīng)力。圖 10 是機架整個斷面上的等效應(yīng)力分布圖。其中，等值線密集區(qū)域為應(yīng)力集中和變化梯度較大的部位。由此可見，在當(dāng)前的計算軋制載荷下，機架立柱等應(yīng)力線基本上呈現(xiàn)為平行分布，應(yīng)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(yīng)力等值線密集，表明應(yīng)力梯度變化大，當(dāng)?shù)赜写蟮膽?yīng)力集中，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(yīng)力值很大。因為圓角附近是拉應(yīng)力區(qū)，對應(yīng)力集中敏感，因此改善圓角處的應(yīng)力集中 是設(shè)計時應(yīng)注意的問題。 架強度與剛度分析 考慮到當(dāng)軋輥斷裂時，機架尚不應(yīng)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(yīng)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(yīng)力為 d=07柱處的最大應(yīng)力為710 見均在許用應(yīng)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(yīng)力分布 圖 8 下橫 梁縱向截面水平方向應(yīng)力分布 圖 9 下橫梁縱向截面垂直方向應(yīng)力分布 圖 10 機架等效應(yīng)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(xué)結(jié)構(gòu)分析途徑，并對一種閉式機架在工作載荷下的應(yīng)力與變形進行了平面應(yīng)力分析。獲得了熱軋過程中的機架變形、位移及應(yīng)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(shè)計及其工程分析提供了更為可靠的科學(xué)依據(jù)。 分析情況如下圖所示： 圖 a 結(jié)構(gòu)分析 圖 b 應(yīng)變云圖 圖 c 應(yīng)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(yīng)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(shè)計》 機械工業(yè)出版社 、 王廷溥 主編 《金屬塑性加工學(xué)》 冶金工業(yè)出版社 、 《機械設(shè)計手冊》 機 械工業(yè)出版社 5、 曹鴻德 主編 《塑形變形力學(xué)基礎(chǔ)與軋制原理》 機械工業(yè)出版社 6、 周紀(jì)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(shè)備》 冶金工業(yè)出版社 9、 《機械設(shè)計手冊（軟件版）