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500开坯线材轧机设计
1绪论
1.1 选题的背景和目的
线材生产的特点是轧制断面小，长度长。要求尺寸精度高及表面质量好。例如：在横列式轧机上生产的直径6.5，其钢坯断面33。其件长度为463。这样，轧件表面面积大，散热快，温降达200℃左右。
随着盘重增加，金属收得快而多，纯轧制时间增加会通条轧件尺寸波动大。机械性能差异大。给调整工作带来困难。往往头尾尺寸有耳子。另外，线材断面最小，总延伸系数也最大。所以，线材轧制次数也最多，温降也最大。为了节约能耗，提高产品质量，提高生产率，迫切需要钢坯一次成材。一般线材轧机分为：粗轧，中轧，精轧三个机组。所以，线材车间的轧机最多，为了保证终轧温度，在断面小，道次多的情况下，只有高速发展才可能解决温降大的矛盾。另外，轧机也极易冲击轧机的机会增加。所以，线材生产安全问题是提到特别位置上。温降大还带来对孔型和导位装置磨损快，损坏也快。所以，线材生产由横列式发展到连续式，而且向连续化，高速化，自动化和高精度化发展。相应出现了高速粗线材轧机，这些轧机不仅精度高，而且轧制速度快。在加上轧后控制冷却，使线材满足国民经济建设快速发展的线材需求量。因此，线材生产的线速度是衡量线材生产技术水平的主要标志之一。随着使原料加热，轧制和精整等工序都出现了新技术以满足高速轧制要求，生产出高质量的线材产品。
线材的用途很广，在国民经济各个部门中，线材占有重要地位。有的线材轧制后可直接使用，主要作钢筋混凝土的配筋，有的则作为再加工原料，经过再加工后再使用，如：经过拔丝成各种钢丝，在捻成钢丝绳或编织钢丝网，冷段 ，热锻铆钉，螺栓，冷锻和液压螺钉，以及经过各种切削加工机械零件和工具。除了用途很广泛以外，而且用量也很大。
据有关资料统计，各国线材产量占全部热轧总量的5.3～15.3﹪。近年来，要求对线材性能及表面质量越来越高。要求对线材化学成分，机械性能，晶粒组织及晶粒粒度都做检验，符合标准方可出厂。所以，对线材的要求决定了新轧机及其新技术的飞速发展。
选题的目的对线材粗轧机组部分进行改进设计，分为三道次可逆轧制，四道次连续轧制，进入中轧进一步轧制。这样，粗轧部分的温降可以降低。连轧部分采用二辊轧机投资少，二辊轧机调整容易，轧件较短时，采用三道可逆轧制，机组短，占地面积小。第一架是开坯轧机，相当于中等型钢轧制，采用500轧机大压下量，使温降少。因此，选择500开坯线材轧机设计，设计时采用一些新技术使轧材调整方便，精度提高，坯料满足以后轧制需要。
1.2 线材轧机在国内外的发展趋势
1.2.1 线材车间的轧机布置形式
线材车间的轧机布置形式有三种：横列式，复二重式（半连续式），连续式。随着线材生产的发展，轧制方法逐步由横列式向连续式发展。粗轧孔型系统采用平箱-立箱，六角-方型，菱-方型，椭圆-方型等几种孔型方案。但是，所选孔型系统应满足粗轧要求：第一，与粗轧的平均延伸系数相适应；第二，便于来料要入；第三，粗轧后劈头不太严重；第四，粗轧后轧制形状不太正确。由于箱形孔型是有变形均匀劈头小，咬入稳定等优点。所以，粗轧中前几道都采用平箱-立箱孔型。
1.2.2 多线轧制在生产中的大规模应用
在多线轧制中，中轧机与精轧机间设有自动活套。而且，粗，中轧机采用多线轧制，在高速无扭粗轧机上是单线轧制。这样中轧轧机和精轧机之间各线可以出现不同程度的延伸差。因此，在精轧机前设有立活套和侧活套，用形成活套方法来补偿这些差别。这是高速线材轧机的布置特点之一。
1.2.3 采用恒微张力轧制的好处
在高速无扭线材轧机之间采用恒微张力轧制，即保证微拉力与微堆相结合来消除推钢严重影响线材断面尺寸的问题。如果拉钢严重，设备负荷增加。对设备的薄弱环节如轧辊，减速箱，轴承的拉坯特别严重，增加设备故障，轧机作业率下降。因此，减少连轧机中拉钢是线材生产的工程技术人员，调整工的努力方向，也是线材轧机水平的重要标志之一。
1.2.4 适当提高机架刚度
为提高轧制的精度，降低机架的变形，提高传动系统的刚度。一般采用短线轧机，取消机架，上，下轴承座用二个大螺栓连接，消除传递的应力线，提高了轧制强度。
1.2.5 提高轧辊的耐磨性
轧辊材料采用碳化钨，耐磨性好，孔型形状不易变化，使产品比仅有较高的精度，而且表面质量好。同时，轧槽寿命好，每个轧辊重磨次数10～14次，有的达30次。每次重磨量为0.5，每磨一次平均可轧10000以上。轧辊平均寿命达20000～25000线材，由于碳化钨很贵，采用合金刚轧辊进行热喷涂，提高表面耐磨性，降低重磨次数。
1.2.6 现代化线材车间的发展
现代化车间都采用无扭精轧机组，头行高速无扭线材轧制，使线材生产向优质，高生产率，低消耗方向发展。高速无扭线材精轧机大都采用单线轧制和轧后控冷，并且在加热，轧制，精整方面都采用新的技术。高速无扭精轧机有：框架式45°无扭精轧机，45°悬臂式高速无扭粗轧机（莫根式精轧机）和Y型轧机等等。
1、框架式45°无扭精轧机（施罗曼式）
机架为闭口框架式，采用双支撑滚动轴承。其传动轴与地面成45°，各对轧辊相互成90°，传动箱与轧辊轴承上可伸缩的带安全销万向接轴相连。这种轧机的特点是：
（1）相邻的机架交错90°，但是轧制线不变，头尾无扭轧制。
（2）传动系统中减少接轴与联接轴，降低了传动件之间的振动，提高产品尺寸精度（一般能达到）。
（3）单线轧制轧辊弹跳稳定。因为事故停轧时，不受相邻轧制线的影响。
（4）成品线速度等达到50，生产率很高。
除了以上特点外，它的主要缺点是延伸力不好，而且部分构件制造困难，不方便维修，投资也很大。
2、悬臂式高速无扭精轧机组（莫根式精轧机）
悬臂式45°高速无扭精轧机是小辊径精轧机。传动轴与地面成45°，共由十个机架组成，采用单线轧制。其主要特点为：
(1) 轧制速度快（可以达到75），生产率大大提高。
(2) 用小辊径轧辊轧制提高了延伸率。
(3) 成品尺寸精度高，直径公差可达到±0.1，表面质量好。
(4) 换辊方便，设备磨损少。
(5) 实现无扭轧制，事故停工少，操作功率高。
该轧机是高速无扭线材轧机的代表，应用广泛，成为现代化线材轧机的样板。
3、Y型轧机
Y型轧机是一种三辊连轧机，每个机架安放三个轧辊。当采用下传动时，三个轧辊布置类似与英文字母Y，故称为Y型三辊轧机。特点：
(1) 相邻机架之间轧辊位置相互错开。在轧制时轧件位置经常变化，因此各部位温度比较均匀，变化也比较均匀。
(2) 相邻机架轧辊的中心线相互错开一个角度。所以轧件不必扭转，可以实现高速无扭轧制，成品线速度可达50～60，而且表面质量好，直径公差±0.1。
(3) 整体传动，结构紧凑。容易实现现代化。
Y型轧机的缺点是无法换辊，只能整体更换组合体，在特殊磨床上稳定孔型磨削加工，不易除去氧化铁皮，磨损大。
1.3 开坯线材轧机研究的主要内容和方法
1.3.1 线材生产车间的平面布置

1-500开坯线材轧机；2-400粗轧线材轧机；3-切头飞剪；
4-350中轧线材轧机；5-300线材精轧机（二重式）；6-250线材精轧机（二重式）；
图1.1 线材车间的平面布置图
1.3.2 粗轧机的作用
粗轧机的作用是120×120的方钢通过粗轧轧制成33×33的坯料，是中轧的主要原料。精轧机组成500开坯线材轧机和400二辊粗轧机连续机组。在前面采用了箱式孔型，后面采用了菱形-方形孔型设计。500开坯轧机将120×120坯料轧制成为68×104坯料。总共用了三个道次。开始时轧件比较短，采用连续轧机轧制可以减少车间的长度。由于其轧制速度不太大，因此更使用于中小型的企业。
1.3.3 线材车间的生产工艺（流程）
产品的规格是普碳钢，焊条钢以及优质的碳素钢。最小的直径是6.5毫米。但是通常轧制直径为10。主要的工艺包括：上料（包括原料的准备）——（步进式）加热炉加热——粗轧——分头轧制——中轧——精轧——喷水冷却——卷取——空冷——检验——打包——入库，大致经历了十多道工序。开坯用的主要设备是直径500的三辊轧机，粗轧机采用的是直径400的二辊轧机，随后的中轧是在350三辊轧机上完成的，最后的精轧是采用300和250二辊双重式轧机。
1.3.4 开坯线材轧机的研究方法和方向
开坯线材轧机的研究方法和方向不是唯一的，教条的。其中研究方法包括以下几条：
1、下厂实习，了解有关开坯机的轧制过程和生产中存在的问题。收集有关的技术性能参数以及有关的结构特点。
2、选择开坯机的设计方案和对方案进行评述。
3、进行必要的设计计算。
4、画出总装配图，部件图，主要的零件图。
5、对设备的控制方法提出要求选择润滑的方法和润滑选用的油料。
6、提出设备的安装方法和维修的过程。
7、对设备进行经济分析和评价。
2方案的选择和评价
2.1 方案的选择
线材开坯轧机是采用三辊驱动的线材开坯轧机，它可以在数量，品种和规格等方面全面满足需要。而且更能达到为后期的中轧和精轧机组提供原料的要求。充分发挥成品车间的生产能力，还能保证钢坯的内部组织结构和表面的质量。除了这些以外，线材开坯轧机还可以大大提高成品车间的成材率，将断面尺寸为120×120的来料轧成断面尺寸为33×33的小型钢坯。开坯轧机是独立的开坯轧制，采用了双层辊道进行中上、中下辊轧制。
2.2 开坯机的生产特点
在三辊开坯轧机中，轧辊按一定的方向固定的转动，在上，下轧制线上可以交差过钢，在同一个轧制线上可以几个孔型同时过钢，缩短了轧制的时间，加快了节奏，提高了质量。一般的开坯机都有飞轮的存在。
由于轧制中三辊开坯轧机的每个孔型只能过一次钢，所以辊身上需要布置多个孔型。允许利用辊身长度来减少机架的数量。孔型设计采用共轭系统。三辊轧机上中辊是固定不动的，用上辊的压下装置和下辊的压上装置来调节轧辊的位置，效果不错。同时需要注意控制轧辊的轴向位置，保证对准孔型。
值得一提的是，一般奇数道次通过的孔型都是布置在下轧制线上，当然偶尔也会出现在上孔轧制线上。与此同时，配合双层辊道和升降台来传递轧件，缩短了辅助轧制时间，加快了节奏，提高了产量。同时也大大改善了工人的劳动条件。
2.3 方案的评述
2.3.1 主传动设计方案：

1-电机；2-联轴器；3-人字齿轮座；4-万向接轴；
5-梅花轴头连轴器；6-开坯轧机轧辊；
图2.1 主传动示意图
主电机选择ZJD-6，功率为1000，转速，速比i=2.333。达到了降低电机容量的目的。齿轮座采用通常的人字齿轮座而梅花连接轴齿轮座侧采用滑块接头，轧机侧也选择梅花接头以便轧机换辊。轧辊轴承选择滚动轴承而没有用滑动式的，是因为滚动轴承精度高，这样可以保证轧制的精度。上轧辊平衡采用弹簧平衡，主要是出于轧辊调整量小的考虑。采用电动压下和压上，并且 采取有效措施防止氧化铁皮进入压下螺母中去，保证了压下工作灵活可靠。
2.3.2 轧辊调整装置的确定
轧辊的调整装置是轧机中关键的机构之一，其机构设计的好坏直接关系着轧件的产量和质量。通常轧机轧辊的调整一般均包括径向和轴向两个方向的调整。径向调整是轧钢机中的主要的必不可少的装置。调整装置的作用：
1、调整轧辊水平位置（调整辊缝），以保证轧件按给定的压下量轧出所要求的断面尺寸。尤其是在初轧机、板坯轧机、万能轧机上，几乎每炸一道次都需要调整轧辊辊缝；

2、调整轧辊与辊道水平面间的相互位置,在连轧机上，还要调整各机座间轧辊的相互位置，以保证轧线高度一致（调整下辊高度）；
3、调整轧辊轴向位置，以保证有槽轧辊对准孔型；
4、在板带轧机上要调整轧辊辊型，其目的是减少板带材的横向厚度差并控制板形。
根据各类轧机的不同要求，调整装置可分为：上辊调整装置（压下装置）、下辊调整装置（压上装置）、中辊调整装置、立辊调整装置和特殊轧机的调整装置。 压下装置用途很广，安装在所有的二辊、三辊、四辊和多辊轧机上。压下装置有手动的，电动的和液压的。
手动压下装置多用在型钢轧机上。长期以来，带钢轧机上使用的是电动压下装置。近年来随着工业的发展，带钢的轧制速度逐渐提高，产品的尺寸精度要求日趋严格，特别是采用AGC（Automatic Gauge Control）自动厚度控制系统后，电动压下装置由于有传动率低、运动部分的转动惯量大、反应速度慢、调整精度低等缺点，已经不能满足工艺要求。为了提高产品尺寸精度，在高速带钢轧机上采用液压压下装置。
考虑到线材开坯轧机的特点，同时采用上辊调整装置，下辊调整装置。并且用轴向压板控制轧辊的轴向位置。
2.3.3 轧辊平衡装置的确定
设置轧辊平衡装置的目的是，为了消除在轧制过程中因为工作机座中有关零件间隙所造成的冲击现象，保证轧件的轧制精度，改善咬入条件，以及防止工作辊与支撑辊之间产生打滑现象等原因，几乎在所有轧机上（叠轧薄板轧机除外）都有平衡装置。
由于轧机机座中各有关相互配合的零件（如压下螺丝与螺母、轴承与辊颈）存在着配合间隙。因此，在轧机空载情况下因为各个零件的自重作用，将会造成压下螺丝与螺母的螺纹之间、压下螺丝驱动轴与止推垫块之间、工作辊于支撑辊表面间以及辊颈与轴承之间均可能产生一定的间隙，而这种间隙必然会在轧制过程中产生强烈的冲击现象。其结果使轧机寿命降低，辊缝发生变化使轧件咬入不利。同时还会造成工作辊与支撑辊之间出现打滑现象，从而带材的质量大大的下降。另外，合理地选择平衡力，还可以消除平衡系统中的滞后现象，以便提高AGC的控制精度。
轧机上常常采用的平衡装置有：弹簧式、重锤式和液压式三种。
1、弹簧式平衡装置的特点是结构简单、造价低、维修方便，但是平衡力是变化的。仅用于上辊调节高度在50～100mm的中小型钢及线材轧机上。
2、重锤式平衡的特点是，a工作可靠、操作简单、调整行程大；b重锤质量很大，产生的惯性力也很大，容易造成平衡系统出现冲击现象，影响软件质量。
3、液压式平衡装置的特点，a、结构紧凑，适用于各种高度上的轧辊平衡；b、动作灵敏，能满足现代化的AGC板带自动控制的要求； c、在脱开压下螺丝的情况下，上辊可停在任何要求的位置，同时拆卸方便，加速了换辊过程； d、平衡装置被安排在地面以上，基础简单，维修方便，便于操作。其缺点是， a、调整高度不宜过多，否则制造维修困难。b、需要一套液压系统，增加了设备的投资。
比较这三种平衡装置，为了满足轧件的精度以及基建投资的要求，决定采用弹簧式平衡装置，它结构简单，基本能够满足开坯轧机的工作要求。
2.3.4 机架的形式的确定
在轧制过程中，被轧制的金属作用到轧辊上的全部轧制力通过轧辊轴承、轴承座、压下螺丝及螺母传递给机架，并且由机架全部吸收再传递给地基。也就是说轧钢机架是工作机座的重要部件，轧辊轴承及轧辊调整装置都安装在机架上。机架要承受轧制力，必须有足够的强度和刚度。
根据轧机形式和工作要求，轧钢机架分为开式、闭式和半闭式三种。其中，闭式机架是一个整体框架，具有较高的强度和刚度。闭式机架主要是用于轧制力较大的初轧机、板坯轧机和板带轧机等等。对于板带轧机来说，为了提高轧制精度，需要有较高的机架刚度。对于某些小型轧机或者线材轧机，也往往采用刚度较好的闭式机架，以获得较好的轧件质量。采用闭式机架的工作机座在换辊的时候轧辊是沿其轴线方向从机架窗口中抽出或装入。这种轧机一般都设有专用的换辊装置。
开式机架是由机架本体和上盖组成。它主要是用在横列式型钢轧机上，其主要的优点是换辊方便。开式机架的不足之处在于刚度比较差。影响开式机架的刚度和换辊速度的主要因素是上盖的联接方式。常见的上盖联接方式有五种。
1、 联接的开式机架，机架上盖（上横梁）用两个螺栓与机架立柱联接。这种联接方式结构简单，但是因为螺栓比较长，变形大，机架刚度较低。此外，换辊时拆装螺母较费时；
2、立销和斜楔联接的开式机架，其换辊比螺栓联接方便；
3、套环和斜楔联接的开式机架，与上述两种形式比较，取消了立柱和上盖上的垂直销孔，用套环代替螺栓或圆柱销。套环的下端用横销铰接在立柱上，套环上端用斜楔把上盖和立柱联接起来。这种结构换辊比较方便。由于套环的断面可大于螺栓或圆柱销，轧机刚性有所改善；
4、横销和斜楔联接的开式机架，上盖与立柱用横销联接后，再用斜楔楔紧。其优点是结构简单，联接件变形小。但是，在楔紧力与冲击力作用下，当横销沿着剪切力断面发生变形后，拆装比较困难，使换辊时间延长；
5、斜楔联接的开式机架，与上述各种形式的开式机架相比有以下优点：上盖弹跳值小；联接件结构简单，联接坚固；机架立柱横向变形小，机架立柱上部被斜楔和机盖止口紧紧挤住，大大减少了立柱的横向变形。
由以上可知，斜楔联接的开式机架，除了换辊方便以外，还具有较高的刚度，故称为半闭式机架。这种机架使用效果较好，得到了广泛使用。值得一提的是，这个课题所选用的就是半闭式机架。
3 主电机容量的选择
3.1 轧制力的计算
3.1.1 轧辊主要尺寸的确定
压下量=120-90=30；
咬入角=20°所以；
轧辊辊身直径
D===500 （3.1）
轧辊长度L根据实际工作情况，取为L=1500；
轧辊辊径的直径d和长度l：一般近似的认为轧辊辊径的直径与辊身的直径存在如下的关系：
d=（0.5～0.55）D （3.2）
所以d=0.5×500=250；而且l与d的关系是=（0.83～1.0）取l=250；
梅花接轴的轴头直径
d=d-（10～15） （3.3）
代入具体数值 d=250-10=240；
3.1.2 孔型布置
表3.1压下规程 单位：
道次

Ⅰ
120
90
30
18
Ⅱ
134
98
36
21.6
Ⅲ
108
68
40
24
注：
根据压下规程，设计孔型如下：

图2.2孔型布置图
3.1.3 轧制力计算
考虑到工作的环境温度是1050℃，又是线材轧制，所以选择艾克隆德公式（适用于热轧型钢轧机和线材轧机）计算平均单位轧制力。
P=（1+m）(k+) (3.4)
式中m-考虑外摩擦对单位压力的影响系数；
k-轧制材料在静压缩时变形阻力， MPa；
-轧件粘性系数,；
u-变形速度， s。
m，k，，u的计算公式
计算系数
（3.5）
式中-摩擦系数，对于钢轧辊，对于硬面铸铁轧辊，T为轧制温度；
h，h-轧制前后轧件的高度，；
R-轧辊半径，；
代入具体数值，得

计算变形阻力k
（3.6）
式中t-轧制温度，℃；
w-碳的质量分数，％；
w-锰的质量分数，％；
w-铬的质量分数，％。
代入数值，得

计算轧件粘性系数
（3.7）
式中c-考虑轧制速度对的影响系数，当轧制速度小于6时，c取1.0
带入具体数值：
；
；
带入公式(3.4)得
第一道次
；
第二道次
；
第三道次
。
在三个轧制道次中，第三道次平均单位压力最大。
轧辊与轧件的接触弧水平投影长度l，，可近似的认为；
；
；
；
那么，轧制力P
(3.8)；
；
；
。
3.2电机轴上力矩计算
轧制力的力臂a的计算
(3.9)；
式中 ，为轧制时的咬入角；
咬入角，
°十分接近20°跟前面的计算吻合
；
轧制力矩
(3.10)；
；
；
；
摩擦力矩，，其中（根据胶木瓦轴选取）
轧辊轴承处的摩擦阻力矩，
(3.11)；
；
；
。
3.3主电机选择
轧制速度
(3.12)；
代入具体数值，轧制速度
电机功率N
(圆整)
查电机手册 选择电机(基速750，功率1800KW)＞N 满足条件
速比 ；
主电机轴上的力矩
(3.12)；
式中 附加摩擦力矩；
(3.13)；
（取0.85）
空转力矩
； ；
动载力矩 由于轧件长度很长，所以动载力矩很小，，忽略不计
带入具体数值 得
（第一道次）；
（第二道次）；
（第三道次）；
4主要零件的强度计算
4.1轧辊的强度计算
轧辊的破坏取决于各种应力（其中包括弯曲应力，扭转应力，接触应力，由于温度分布不均匀或者交替变化引起的温度应力以及轧辊制止过程中形成的残余应力等）的综合影响。具体来说，轧辊的破坏可能由以下三方面原因造成：
1、轧辊的形状设计不合理或设计强度不够。例如：在额定负荷下，轧辊因为强度不够而断裂或接触疲劳超过许用值，使辊面疲劳剥落等；
2、 辊的材质、热处理或加工工艺不合要求。例如：轧辊的耐热裂性、耐粘附性及耐磨性差，材料中有夹杂或残余应力过大等；
3、 辊在生产过程中使用不合理。热轧轧辊在冷却不足或者冷却不均匀时，会因为热疲劳产生辊面热裂；冷轧时的事故黏附也会导致热裂甚至表层剥落；在冬季新换上的冷轧辊突然进行高负荷热轧或者冷轧机停车，轧热的轧辊骤然冷却，往往会因为温度应力过大，导致轧辊表面剥落甚至断辊；压下量过大或者因为工艺过程安排不合理造成过负荷也会造成轧辊破坏等等。
4、 棍抗弯断面系数比较大，即轧棍有很大的刚性。因此，轧制时由轧棍承担弯曲力矩。可以只计算轧辊辊身中部和辊颈断面的弯曲应力。
轧辊受到的弯曲应力如图4.1，

图4.1 轧辊弯曲应力图
由于2-2截面与1-1面面积 接近，现在只校核1-1、3-3断面的应力。
1- 1面只承受扭转力矩作用，所以
（4.1）
3-3截面除了受到扭转力矩以外，同时还有弯曲力矩作用，
（4.2）
（4.3）
根据第四强度理论：
（4.4）
式中P－第三道次的轧制力；
，－1-1，3-3断面的直径；
C－1-1，断面至支反力处的距离；
－许用弯曲应力；
4.2机架强度的计算
斜楔联接的开式机架，用于三辊式型钢轧机。在这种轧机上，一般来说，当中上辊轧钢时，中下辊就不扎轧钢了。相反，中下辊轧钢时，中上辊就不轧钢了。由于轧件在中上辊轧制时与中下辊轧制时基本相同，在进行机架刚度计算时，只考虑一种情况。
为了简化计算，假设机架上只作用两个大小相等、方向相反的垂直力R，而通过斜楔作用，在机架上盖和U形架上，还作用着一个反作用力F。力F可以分解为水平分力和垂直分力。此外，通过机架上盖止口的作用，在机架上盖和U型架上，作用着静不定力X。静不定力X的大小。可根据止口处变形谐调条件提出。止口处的变形谐调条件可以用以下公式表示
（4.5）
式中 E-机架材料弹性系数，；
－由于U形架立柱挠曲，一个立柱在机架上盖止口接触处的变形；
－由于U形架下横梁挠曲，一个立柱在机架上盖止口接触处的水平位移；
－机架上盖止口处原始间隙（对于新机架即为配合间隙）；
X－机架上盖止口处静不定力；
－机架上盖断面面积；
利用材料力学公式求出和后，代入式，得

式中 －立柱的惯性矩；
R-作用在机架上的垂直力；
-斜楔空斜角的正切，，为立柱斜楔孔斜度；
－作用力对立柱中性线的距离；
－力对立柱中性线的距离；
－力X对下横梁中性线的距离；
－力对下横梁中性线的距离；
－立柱凸台对下横梁中性线的距离；
－下横梁惯性矩；
－U形架两立柱中性线距离；
轧件在中上辊轧制时，机架的上盖和U型架的受力情况，如图4.2所示。

图4.2 中上辊轧制时的机架受力图
图4.3 中上辊轧制时U型架的弯曲图
（4.6）
e=350mm；=15；e＇=200mm；C=850mm；C＇=2500mm；=2700mm；=1250mm；=1600mm；（矩形）；（圆形）

B处的危险断面

图4.4 B-B面立柱图
;；;

图4.5 机架上盖受力分析及弯曲图
Ⅱ-Ⅱ处的受力情况

图4.6 Ⅱ-Ⅱ处的受力分析图

图4.7Ⅰ-Ⅰ处的剖视图

图4.8 Ⅱ-Ⅱ处的剖视图

立柱处B的惯性矩

下横梁惯性矩
危险断面静强度较核
;;；；截面强度满足要求。查表：材料ZG35，；
对于机架横梁有：
（4.7）
代入具体数值，得：

立柱校核
，（平移轴公式）

，，－各个小块图形的轴与每个小图形的轴距离；
4.3轧辊轴承的计算
轧辊轴承的工作特点：工作负荷大；转动速度差别大；工作环境恶劣；轴承所承受的大小，方向和性质是选择轴承类型的主要依据。根据载荷大小选择轴承时，由于滚子轴承中主要是线接触，宜用于承受较大的载荷，承载后的变形也小；而球轴承则主要是线接触，适宜用于承受较轻的或中等的载荷。考虑到轧机的工作特点，选择滚子轴承。轴承又受到的是纯径向载荷，所以选择胶木瓦滚子轴承。计算省略。
4.4齿轮座的计算
齿轮座是用来将电机的扭矩传递给轧辊。主要尺寸计算如下：
（4.8）
式中 －齿倾角，增大齿倾角能使传动平稳运转，而且噪音小，并且能提高齿轮的弯曲强度，但降低了接触强度，滑动磨损增大。通常，对人字齿取。这里，取。
中心矩的计算
（4.9）
（4.10）
齿宽系数
齿宽系数是用来表示齿轮传动的宽度尺寸和径向尺寸的比例，。闭式传动常取，所以。
齿顶圆直径
；

齿根圆直径

轮齿的受力分析
一般习惯上，对齿根计算弯曲疲劳强度，对齿面采用接触疲劳强度。
小齿轮传递的扭矩
（4.11）
式中 －输入的功率，kw;
-齿轮的转速，。代入具体数值
圆周力
（4.12）
径向力
（为压力角）
轴向力

正压力

齿面接触疲劳强度计算
（4.13）
式中 －节点区域影响系数，，数值列于；
－弹性影响系数，由得＝2.17；
；
大小齿轮均采用为材料，正火处理，表面硬度达到270HBS，精度等级达到8级。屈服极限达到380，强度极限达到700。
齿轮强度载荷系数K的计算
K包括使用系数；动载系数；齿间载荷系数以及齿向载荷分布系数，即：
式中 取1.5，根据齿轮座由电机驱动，受到中等冲击；
由查得，＝1.062；
由查得，＝1.4；
由查得，＝1.02；
所以
重合度的计算
齿轮基圆直径

端面齿顶压力角

重合度

重合度系数

计算齿面接触应力

齿根弯曲疲劳强度的验算
弯曲疲劳许用应力
（4.14）
式中 －试验齿轮的齿根弯曲疲劳极限，由得＝37.5Mpa；
－弯曲疲劳强度计算的最小安全系数，一般，取＝1.5；
－试验齿轮的应力修正系数，＝2；
－弯曲疲劳强度计算的寿命系数，得＝1.0；
所以，
齿根的弯曲疲劳强度

由得，；
由得，；
计算

计算

齿根弯曲应力计算

代入具体数值，得

所以，安全。

所以，安全。
4.5梅花轴头的计算
梅花轴套套筒的强度校
（）
，－轴的外径；－套筒梅花孔的直径，
5关于H型架的改方案
H型瓦架变形,断裂 为了调整和固定中辊，该机座使用了H型瓦架。由于H型瓦架腿部厚度受到机架窗口尺寸的限制，不能过于加大尺寸。当承受较大的弯矩后，极易变形，拆装不方便。另外，由于该机架座使用年限较长，引起尺寸发生了变化，造成H型瓦架难以固定，在强大的冲击载荷作用下，H型瓦架上腿根部断裂现象时有发生。这样不但影响力轧机的轧制作业时间，而且造成设备备件不及时，无法保障轧钢生产的稳定性。

图5.1 H架结构示意图
综上所述，该机架存在诸多问题，氶待解决。轧机轧制万吨后，H型瓦架就开始变形、甚至断裂。由于H型瓦架的变形，上辊轴承瓦盒的安装和拆装都非常困难，也增加了维修时间，降低了轧机作业率。曾经有人在结构上和材质做过改进。例如：将铸铁件改为锻钢件，45号钢改为65号钢等其他钢种。但是，都没有很好的抑制断裂现象发生。
经过和老师进行研究分析认为，引起H型瓦架变形，断裂的主要原因是轧机轧制过程中，由于H型瓦架受到上辊轴承瓦盒的侧向冲击而变形，以致应力集中到H型瓦架中部连接横梁处引起断裂。断裂处就是应力集中点。因此，我们在对断裂的H型瓦架进行修复时，决定将H型瓦架上部的两侧侧板由整体式改为活动式（如图）。这样，就将断裂处（应力集中点）作为侧板的活动点，采用铰链形式连接。上部的两侧侧板仍然保持H型瓦架原来的外形，仍然能够固定轴承瓦盒，抑制它的侧向，还能传递压力。
经过修复后的H型瓦架，预计能够每个月开坯2万吨，并且在这样的强度下很长时间不会产生变形，断裂现象。我采取的改进办法是简单可行的，修改费用也相对较少的。改进提高了轧机的作业率，也会取得很好的经济效率
6设备的可靠性及经济分析
机械设备的有效度
对于可修复的设备，由于发生故障之后，可以修理恢复到正常的状态。因此，从开始工作到发生故障经历的时间（即可靠度）。可靠度时间越长越好。另外，从发生故障到经过维修后恢复到正常的工作状态阶段的时间（即维修度）。把可靠度和维修度两者结合起来旧叫有效度（也叫有效利用率）。

MTBF-平均故障间隔期（h）
MTTR-平均维修时间（h）

表6.1
（单位：千万）
时间
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
投资
1.0
2.5

年收益

1.5
1.7
1.6
2.0
2.5
2.5
2.5
3.0
累计净收益
-1.0
-2.5
-3.0
-2.3
-0.7
1.3
3.8
6.3
8.8
11.8
投资回收期：

年
—行业投资回收期，重型机械年
因为
所以可以投资。
7润滑方法的选择
7.1轧辊轴承的润滑
1.对于工作辊轴承，采用脂润滑，它密封简单不必经常加换润滑脂，且润滑脂受温度影响不大，对载荷性质、运动速度变化有较大适应范围，因此，工作辊轴承采用润滑脂；
查[2]表25-3选用压延机用润滑脂（GB493-65）代号ZGN40-1
2.轧辊轴承采用干油作为润滑剂；
3.压下系统中的 压下螺母采用干油润滑；
7.2人字齿轮及支承轴承的润滑
由于齿轮座为立式齿轮座，且是三级人字齿轮传动，因此，齿轮采用油润滑，轴承也采用脂润滑。
查[2]中25-1选轧钢机油（GB442-64）润滑油循环使用轴润滑为压延机用润滑脂，代号ZGN40-1。
7.3轧辊的冷却
轧辊冷却采用乳化液冷却，有专门供油系统
8 试车方法和对控制系统的要求
8.1试车要求
1.组装完毕，须进行人工盘车，确无不良现象时方可试车；
2.空载试车至少两个小时，正反转各一小时以上；
3.试车应保证
（1）润滑系统，冷却系统正常；
（2）传动平稳，无周期性噪音；
（3）压下系统轻便灵活；
（4）各紧固零件联结可靠；
（5）各轴承温度不超过；
4.满足以上要求，方可试车；
8.2维护规程
1.一切正常方可开车；
2.停车后要检查主传动及压下系统中安全销、安全套、有无断和缺的并要补齐；
3.清理压下和主传动系统周围的脏物，经常保持清洁；
4.设备运转后按巡回检查制，按时定期检查设备的润滑声音、温度和振动以及运转状况，发现问题及时解决；
结论
经过设计中的计算可知，主传动系统中的部分零件和轧机中的一些主要零件全部通过强度计算。本设计中对于轧辊的设计以及H型架的改进设计是本论文的一个更好体现个人能力的章节。在完成设计任务的同时，回首走过的四个多月的时光，发现自己还有很多的知识需要学习，更加认识到了终身学习的重要性和必要性。由于学生水平有限，难免在设计上存在诸多问题，还希望各位老师多多斧正，谢谢！
致谢
本人能如期完成设计任务，是与学院老师的帮助分不开的。尤其要特别提到的是指导教师王德春教授，他给我提出了很多宝贵的建议。还有就是各位同学给我的帮助和关怀。在此，我仅代表我个人对设计过程中帮助过我的各位老师和同学致以衷心的感谢。
参考文献
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科技出版社 2005，4.
[4] 沈大林.Auto CAD机械设计案例教程.
中国铁道出版社， 2005，4.
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[6] 孙家骥.矿冶机械维修工程学.冶金工业出版社.
[7] 陈锡璞.工程经济.机械工业出版社.1994.
[8] 刘鸿文.材料力学.高等教育出版社.
[9] A.Seilinger, A.Mayrhofer,A.Kainz. SmartCrown—A New System for Improved Profile and Flatness Control in Rolling Mills[J] . la metallurg