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1、1現(xiàn)代機(jī)械裝備設(shè)計(jì)（上）2第四章 軋鋼機(jī)機(jī)架內(nèi)容：機(jī)架類型及結(jié)構(gòu)、機(jī)架主要參數(shù)、機(jī)架強(qiáng)度計(jì)算、閉式機(jī)架變形計(jì)算、機(jī)架材料與許用應(yīng)力掌握：機(jī)架特點(diǎn)、主要參數(shù)機(jī)架強(qiáng)度計(jì)算、閉式機(jī)架變形計(jì)算學(xué)時(shí)：13第一節(jié) 機(jī)架類型及主要結(jié)構(gòu)參數(shù)軋機(jī)機(jī)架是軋機(jī)工作機(jī)座中尺寸和重量最大部件，其重量占整個(gè)工作機(jī)座的4550%。軋件作用于軋輥的全部軋制力和水平方向張力、慣性沖擊及軋輥平衡裝置中平衡力等最終都為機(jī)架所承受。機(jī)架受力后所產(chǎn)生的變形直接影響軋件尺寸精度，因此機(jī)架必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度，另外結(jié)構(gòu)便于拆卸和換輥。正確計(jì)算和設(shè)計(jì)機(jī)架是十分必要的，安全系數(shù)n=1015，機(jī)架是機(jī)座中最重要部件。4一、機(jī)架類型根據(jù)軋鋼機(jī)
2、形式和工作要求分為：閉式機(jī)架、開式機(jī)架、焊接機(jī)架、組合機(jī)架機(jī)架形式a.閉式機(jī)架b.開式機(jī)架c.焊接機(jī)架d.組合機(jī)架51、閉式機(jī)架：具有很高強(qiáng)度和剛度主要用于軋制力較大的初軋機(jī)、板坯軋機(jī)和板帶軋機(jī)；對(duì)于某些小型型鋼和線材軋機(jī)，為獲得較好軋件質(zhì)量，也采用閉式機(jī)架；另外多輥軋機(jī)、鋼管軋機(jī)、矯直機(jī)等均采用閉式機(jī)架。換輥，沿軋輥軸線方向從機(jī)架中抽出或者裝入，需要用專用換輥設(shè)備進(jìn)行換輥。下面看實(shí)體結(jié)構(gòu)：6操作側(cè)機(jī)架7傳動(dòng)側(cè)機(jī)架8機(jī)架裝配9機(jī)架輥系裝配102、開式機(jī)架：有機(jī)架立柱和上蓋兩部分組成。主要在橫列式型鋼軋機(jī)或者線材軋機(jī)上，軋輥從機(jī)架上方吊出或者裝入。見書圖5-2 幾種常見開式機(jī)架結(jié)構(gòu)（鄒家祥）11
3、螺栓連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、但螺栓較長(zhǎng)，變形較大，機(jī)架剛度低，換輥拆卸費(fèi)時(shí)立銷連接換輥比螺栓較方便，其他特點(diǎn)一樣12套環(huán)連接換輥較方便，剛度有所改善圓銷連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，圓銷在沖擊力作用下容易變形，拆卸困難，剛度較大13斜楔連接與上述各開式機(jī)架相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：上蓋彈跳小，由于連接件少，變形小連接件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，連接堅(jiān)固機(jī)架立柱橫向變形小換輥方便具有較高剛度故稱之為半閉式機(jī)架綜上所述：開式機(jī)架剛度低，影響機(jī)架剛度和換輥速度的主要是上蓋的連接方式3、機(jī)架的結(jié)構(gòu)雖然機(jī)架的形式很多，但它們具有很多共同特點(diǎn)，一般機(jī)架設(shè)計(jì)時(shí)要考慮以下問題：機(jī)架上方中部鏜有裝壓下螺母的孔，間隙配合機(jī)架立柱中心線與軋輥軸承座中心線重合，對(duì)于
4、經(jīng)常壓下情況，立柱內(nèi)側(cè)裝有滑板立柱外側(cè)裝有軸向固定裝置對(duì)現(xiàn)代化軋機(jī)，為換輥方便，彎輥缸放在機(jī)架上，在機(jī)架內(nèi)側(cè)增加附加支座14增加凸臺(tái)焊接或者螺栓固定15二、機(jī)架主要結(jié)構(gòu)參數(shù)機(jī)架主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：窗口寬度B、高度H、立柱斷面尺寸機(jī)架結(jié)構(gòu)161、機(jī)架窗口寬度B：根據(jù)軸承座尺寸確定a 對(duì)于二輥軋機(jī)閉式機(jī)架：B稍大于軋輥?zhàn)畲笾睆?，便于換輥開式機(jī)架：取決于軸承座的寬度，從上方吊走軋輥b 對(duì)于四輥軋機(jī)：閉式機(jī)架B傳動(dòng)側(cè)=（1.151.3）D2（支撐輥直徑）B操作側(cè)=B傳動(dòng)側(cè)+(510) 便于換輥或者B=BZ+2S式中BZ支撐輥軸承座寬度S窗口滑板厚度，一般S=2040172、窗口高度H窗口高度取決于軋輥?zhàn)畲箝_
5、口度、壓下螺絲最小伸出端長(zhǎng)度、軋輥數(shù)目、輥身直徑、軸承座徑向尺寸以及換輥要求等。H=H1+H2+H3+S1+S2式中H1兩個(gè)（或者四個(gè)）軋輥接觸時(shí)上下軸承座之間最大距離H2安全臼（或者球面墊）或測(cè)壓元件的高度H3下軸承座墊板厚度S1軋機(jī)換輥時(shí)最大開口度S2機(jī)架窗口高度余量，一般S2=150250對(duì)于四輥軋機(jī)：H=（2.63.5）(D1+D2)其中D1、D2分別為工作輥、支撐輥直徑18軋機(jī)類型開坯機(jī)其他軋機(jī)四輥軋機(jī)備注按支撐輥輥頸計(jì)算軋輥材料鑄鐵普碳鋼鉻鋼合金鋼軋輥比值F/d20.60.80.70.90.81.01.21.61.01.23、機(jī)架立柱斷面尺寸：立柱應(yīng)具有足夠強(qiáng)度和剛度根據(jù)強(qiáng)度條件確
6、定機(jī)架立柱斷面尺寸。由于作用在輥頸與立柱中的力相同，而輥頸強(qiáng)度近似與其直徑平方成正比，故機(jī)架立柱斷面積與輥頸直徑平方有關(guān)。設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)F/d2的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定機(jī)架立柱斷面積，再進(jìn)行強(qiáng)度效驗(yàn)，見表4-1。機(jī)架立柱斷面積與d2關(guān)系19機(jī)架立柱斷面尺寸對(duì)機(jī)架剛度影響很大。板帶軋機(jī)為提高軋件軋制精度，有逐漸增大立柱斷面的趨勢(shì)。四輥厚板軋機(jī)立柱斷面尺寸增至900010000cm2，剛度700800t/mm；四輥熱軋帶鋼軋機(jī)立柱斷面尺寸增至700008000cm2，剛度625t/mm；四輥冷軋帶鋼軋機(jī)立柱斷面尺寸增至60007000cm2，剛度600t/mm；立柱斷面形狀有以下幾種形式：正方形長(zhǎng)方形工字形
7、I最大安裝滑板方便T形軋制中心線20三、機(jī)架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1、閉式機(jī)架1700熱軋帶鋼連軋機(jī)精軋機(jī)座的機(jī)架1.軌座6、8鍵2、12.機(jī)架 3、10、13螺栓 4支承輥換輥小車7滑板 9箱型橫梁 11支承輥軸向壓板 14測(cè)壓儀5橫梁15下橫梁21圖4-3所示a.由兩片機(jī)架2、12組成b機(jī)架上方通過橫梁9用12個(gè)M64螺栓10連接，并用鍵8定位c.機(jī)架下部則通過兩個(gè)橫梁15用16個(gè)M64螺栓13連接d.橫梁5是支撐輥小車4的軌道底座，用16個(gè)M56螺栓與機(jī)架下部連接，并用鍵6定位e.橫梁5中裝有4個(gè)液壓缸，升降成套軋輥組件，小車4與機(jī)架下橫梁間裝有測(cè)壓儀14f.換輥側(cè)，立柱上裝有支撐輥固定壓板11g.整
8、個(gè)機(jī)架用8個(gè)M150螺栓固定在軌座1上，兩個(gè)軌座1用8個(gè)M130地腳螺栓固定在地基上此軋機(jī)正常軋制力25MN，考慮軋制不銹鋼或者發(fā)生卡鋼事故等，每片機(jī)架按照承受20MN載荷設(shè)計(jì)。22上述機(jī)架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：機(jī)架窗口高度H與寬度B的比值達(dá)3.75，比一般軋機(jī)大機(jī)架立柱斷面采用近似方形，為節(jié)省金屬，立柱寬度900，厚度720，斷面積6440cm2立柱內(nèi)表面裝有45滑板，防止磨損換輥側(cè)，機(jī)架窗口比傳動(dòng)側(cè)大20機(jī)架采用ZG35，焊接性能好，每片機(jī)架重130t，機(jī)架高9250，總寬度3510機(jī)架窗口底部圓角半徑R，如圖4-3所示半徑R=150半徑R=200雙半徑R1=150 R2=100壓下螺母鏜孔圓角R現(xiàn)代
9、化軋機(jī)，機(jī)架窗口內(nèi)側(cè)有附加凸臺(tái)，安裝上支撐輥、工作輥液壓缸23第一種方案第二種方案第三種方案24650大型型鋼二輥軋機(jī)工作機(jī)座1斜楔 2定位銷 3雙頭螺栓和撐管 4鑄造橫梁 5起吊用中心銷6側(cè)支撐面7凸出部分8耐磨滑板2、開式機(jī)架目前應(yīng)用較多的是斜楔連接，圖4-425結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：由兩個(gè)U型架3、12和一個(gè)上蓋組成，用1：50斜楔4連接上蓋1與U型架立柱用銷軸2軸向定位上蓋與U型架都裝有安裝壓下、壓上裝置的齒輪殼體由于中輥軸承座采用H形瓦架，上蓋下部開有燕尾槽，便于安裝H形瓦架U形架立柱上裝有支撐中輥軸承座的凸臺(tái)與下輥軸承座接觸機(jī)架側(cè)裝有滑板7機(jī)架采用ZG35U形架下部通過中間梁10用螺栓連接，U
10、形架上部通過橫梁6和拉緊螺栓5連接整個(gè)機(jī)架用8個(gè)M72螺栓固定在地腳板上26650型鋼機(jī)架1機(jī)架上蓋 2定位銷軸 3U形架 4 斜楔 5拉緊螺絲 6鑄造橫梁7凸臺(tái) 8上鞍形墊板 9下鞍形墊板 10中間梁 11銷子 12牌坊273、軌座結(jié)構(gòu)機(jī)架安裝在軌座上，軌座固定在地基上。軌座要保證機(jī)座安裝尺寸精度，并承受機(jī)座重量和傾翻力矩，軌座安裝必須準(zhǔn)確，并且具有足夠的強(qiáng)度和剛度。大型軋機(jī)，一般軌座采用與機(jī)架相同材料小型軋機(jī)，則往往采用鑄鐵介紹常用幾種軌座形式：28單軌座具有矩形支撐面軌座兩個(gè)軌座鑄造在一起型鋼軋機(jī)軌座用斜楔連接軌座軌座形狀與其機(jī)架地腳連接形式1機(jī)架地腳2銷釘3軌座4墊圈5、6上下斜楔29
11、第二節(jié) 機(jī)架強(qiáng)度和變形計(jì)算主要介紹閉式機(jī)架和開式機(jī)架強(qiáng)度計(jì)算，介紹閉式機(jī)架的變形計(jì)算30軋鋼機(jī)機(jī)架強(qiáng)度和變形計(jì)算，一般采用如下步驟：P941、將機(jī)架結(jié)構(gòu)圖簡(jiǎn)化成為剛架，即以機(jī)架各斷面的中性軸連線組成框架，近似處理成直線或者規(guī)整的圓弧線段，并確定斷面位置2、確定靜不定階數(shù)，如閉式機(jī)架是三次靜不定，簡(jiǎn)化模型降低階數(shù)，為一次靜不定3、確定外力大小及作用點(diǎn)4、根據(jù)變形諧調(diào)條件，用材料力學(xué)方法求解靜不定力哥力矩5、根據(jù)計(jì)算截面面積、慣性矩、中性軸線位置和承載情況，求出應(yīng)力和變形31一、閉式機(jī)架確定計(jì)算 P94為便于計(jì)算，作如下簡(jiǎn)化：每片機(jī)架在上下橫梁中間斷面處，有垂直力R作用，且大小相等，方向相反，作用
12、在同一條直線上；機(jī)架沿窗口垂直中心線對(duì)稱，且不考慮上下橫梁慣性矩不同而引起的水平內(nèi)力；上下橫梁和立柱交界處（轉(zhuǎn)角處）是剛性的，即機(jī)架變形后，機(jī)架轉(zhuǎn)角仍保持不變根據(jù)上述假設(shè)，機(jī)架外負(fù)荷、幾何尺寸與機(jī)架窗口垂直中心線對(duì)稱，將機(jī)架簡(jiǎn)化為立柱、上下橫梁的中性軸組成的自由框架，即沿窗口垂直中心線剖開，作用有R/2和靜不定力矩M1：32機(jī)架計(jì)算簡(jiǎn)圖及彎矩圖中性軸33求解靜不定力矩M1：對(duì)于I-I斷面，轉(zhuǎn)角 等于0，按照卡氏定理，即由M1引起的轉(zhuǎn)角：式中xI-I截面與計(jì)算截面間機(jī)架中性線長(zhǎng)度機(jī)架計(jì)算截面上的彎矩慣性矩由圖可知：式中y垂直力相對(duì)于計(jì)算截面的力臂34將代入式得到：所以：35a.對(duì)于簡(jiǎn)單矩形斷面：
13、可將其簡(jiǎn)化為矩形框架根據(jù)以上公式計(jì)算M1：式中l(wèi)1、l2機(jī)架橫梁、立柱中性線長(zhǎng)度I1上橫梁慣性矩I2立柱慣性矩I3下橫梁慣性矩積分后得到：3637假設(shè)上下橫梁慣性矩相同，即I1=I3立柱上彎矩M2：由此可見：減少立柱慣性矩I2和增大橫梁慣性矩I1，可以部分減少立柱彎矩M238b.對(duì)于復(fù)雜斷面：將機(jī)架分成若干段，進(jìn)行求和用圖解法求力矩M139c.求機(jī)架應(yīng)力橫梁：內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力：外側(cè)拉應(yīng)力：立柱：內(nèi)側(cè)拉應(yīng)力：外側(cè)應(yīng)力：式中機(jī)架橫梁內(nèi)外側(cè)斷面系數(shù)機(jī)架立柱內(nèi)外側(cè)斷面系數(shù)F2立柱斷面積40d.機(jī)架立柱斷面積選擇根據(jù)力矩分配條件，找到立柱斷面積選取原則，常見立柱斷面積形狀：矩形、長(zhǎng)方形、工字型、T形設(shè)計(jì)機(jī)架，
14、根據(jù)軋機(jī)類型、受力特點(diǎn)及制造條件等確定斷面積形狀。斷面形狀與力矩關(guān)系41對(duì)于寬度較大二輥軋機(jī)，即l2/l1=1，特別是水平力較大軋機(jī)，由于M2較大，要求I2大，選擇慣性矩較大工字鋼對(duì)于窄而高閉式軋機(jī)，即l2/l1=2，水平力不大，M2較小，要求I1大，可選擇慣性矩較小的近似正方形斷面，一般實(shí)際選擇矩形斷面二.閉式機(jī)架變形計(jì)算機(jī)架彈性變形是由橫梁的彎曲變形和立柱拉伸變形組成，影響軋件斷面尺寸精度。由于橫梁的斷面尺寸較其長(zhǎng)度是很大的，應(yīng)考慮橫梁在橫向切力作用下變形。機(jī)架的彈性變形：由拉力引起立柱拉伸變形由切力引起橫梁彎曲變形由彎矩引起橫梁彎曲變形42增加43a.首先計(jì)算：由卡氏定理可知，兩個(gè)橫梁的
15、彎曲變形橫梁受力圖44因?yàn)椋核裕悍e分后得到：式中E機(jī)架彈性模量橫梁慣性矩立柱力矩橫梁中性軸長(zhǎng)度R橫梁上作用力，鋼板軋機(jī)R=P/2b.計(jì)算由切力引起橫梁彎矩：由卡氏定理或者莫爾積分計(jì)算F1橫梁受力圖4546式中G機(jī)架剪切彈性模量K斷面系數(shù)，對(duì)于矩形斷面，K=1.2F1橫梁斷面積因?yàn)椋核裕悍e分后得到：47c.立柱拉伸變形：立柱受力圖48機(jī)架變形：上述三項(xiàng)之和為：對(duì)于鋼板軋機(jī)：機(jī)架允許 冷軋機(jī)： =0.40.5四輥熱軋機(jī)： =0.51.0機(jī)架變形：49三、開式機(jī)架強(qiáng)度計(jì)算 P91軋制時(shí)，軋輥受到垂直力R的作用，機(jī)架立柱上部向窗口內(nèi)側(cè)變形，將夾緊上輥軸承座（軸承座與機(jī)架窗口一般采用間隙配合），以T
16、表示軸承座作用于機(jī)架立柱上的反作用力（水平方向）。T可根據(jù)立柱撓度f(wàn)等于軸承座和立柱間隙確定50二輥開式機(jī)架計(jì)算簡(jiǎn)圖51開式機(jī)架內(nèi)力圖a.彎矩圖 b.軸力圖c.切力圖52a.T力作用下彎矩圖b.R力作用下彎矩圖53按照卡氏定理：立柱：橫梁：立柱的撓度由立柱和橫梁的彎矩引起的變形，即：積分化簡(jiǎn)得到：式中R作用在一片機(jī)架上的軋制力下橫梁、立柱慣性矩軸承座與機(jī)架立柱之間的間隙下橫梁長(zhǎng)度注意：T只能為正或者零，不能為負(fù)。如果T是負(fù)的，即f小于， T是不存在的。5455下面計(jì)算立柱和橫梁中的應(yīng)力：立柱的應(yīng)力計(jì)算：按照T最大條件，即橫梁應(yīng)力計(jì)算：按照T=0計(jì)算下橫梁最大彎矩：立柱最大彎矩：56立柱內(nèi)表面應(yīng)
17、力：立柱外側(cè)應(yīng)力：立柱受力圖下橫梁內(nèi)表面應(yīng)力：M1下橫梁下橫梁外側(cè)應(yīng)力：57四、機(jī)架材料和許用應(yīng)力機(jī)架材料一般采用：ZG260500，含碳量為0.250.35% ，機(jī)架是軋鋼機(jī)中最重要和最貴重零件，要求有較大強(qiáng)度，安全系數(shù)n不小于10。對(duì)于ZG260500，采用以下數(shù)值：對(duì)于橫梁：對(duì)于立柱：58為防止機(jī)架過載破壞，軋輥斷裂時(shí)機(jī)架不產(chǎn)生塑性變形，根據(jù)這一要求，則：式中分別為機(jī)架、軋輥安全系數(shù)機(jī)架的強(qiáng)度極限、屈服極限一般情況下，所以，因?yàn)檐堓伆踩禂?shù)所以5960五、用彈性力學(xué)有限元方法計(jì)算機(jī)架應(yīng)力和變形（Pro/e）機(jī)架實(shí)體圖61機(jī)架分析模型圖62材料分配63加載與約束64網(wǎng)格劃分65應(yīng)力圖66應(yīng)變圖67位移圖68第四章 習(xí)題1 軋鋼機(jī)機(jī)架類型，特點(diǎn)，應(yīng)用范圍？2 機(jī)架的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有哪些?如何確定？3 兩種機(jī)架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)？共同特點(diǎn)？4 閉式機(jī)架的強(qiáng)度和變形計(jì)算（影響輥縫的彈性變形）
軋鋼機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)
