燕山大学轧机设计理论项目.doc

轧机设计理论项目
900冷带钢精轧机设计计算

班级：

成员：

指导老师：谢红飙

日期：
目录
一、绪论……………………………………….…3
1、选题背景及目的…………………………..3
2、冷轧带钢生产在国民经济中的地位……..4
3、冷轧带钢的发展……………………….….4
3.1、带钢冷连轧机发展………………..…4
3.2、冷轧带钢的生产工艺………………..6
二、机架的结构尺寸确定及校核…………….…8.
1、工作辊与支承辊设计……………………..8
1.1、轧辊的参数计算…………………...10
1.2、材料的选择………………………...11
1.3、强度校核…………………………...11
2、机架设计……………………………….…12
2.1、窗口宽度的确定……………….…..12
2.2、窗口高度的确定…………………...13
2.3、断面尺寸的确定………………….…13
3、 机架强度计算……………………………14
3.1、1-1截面计算……………………… .15
3.2、2-2截面计算………………………. 17
3.3、3-3截面计算………………….….. 17

一、绪论
1、选题背景及目的
大学生活即将结束，为了检验我们的所学是否能够真正应用到实际当中，使我们认识到作为一个合格的设计人员应该具备的基本素质，老师为我们安排了这次轧机设计。设计开始，我们已经到过鞍山钢铁集团公司的冷轧厂，在那里我看到了四辊可逆轧机，并在师傅的带领下参观了国内先进的生产线，对整个轧钢设备有个初步了解。热轧厂的师傅细心的讲解了轧机的工作原理。轧机是现代钢厂中最常见的一种冶金设备。因此,轧机设备的好坏对轧钢厂的效益有很大的影响。我们的任务是通过所学的理论知识设计900冷带钢连轧机组的精轧机座。因为实际条件有限，我们的设计只是经过相关理论与经验公式的推导来设计我们所选的冶金设备,经过理论校核检验是否达到设计要求。
2、冷轧带钢生产在国民经济中的地位
冷轧带钢生产在国民经济中占有十分重要的地位。随着汽车的制造、食品罐头、容器包装、精密仪器、房屋建设、机械制造和船舶工业的迅速发展以及家用电器和各种日常生活的需求量成倍增长，对冷轧带钢的需求量也迅速增加。
当前，大力发展冷轧带钢的生产，逐渐提高冷轧带钢在轧钢产品中的比重，迅速提高冷轧带钢的质量，不断增加冷轧带钢的产品，满足各个工业部门的，特别是与人民生活密切相关的，轻纺织工业和日用电器，生活用具等，以及外贸出口对冷轧带钢急剧增加的需要，是重型机械制造和钢铁生产部门面临的一项重要而有十分紧迫的任务。

3冷轧带钢的发展
3.1带钢冷连轧机发展
世界第一套连续式钢板冷轧机于1924年在美国惠林钢铁公司投产。该轧机是四个机架，轧辊身长812毫米，轧制速度为1.8米/秒，主传动电机为760千瓦。冷连轧机获得广泛应用是在四十年代以后。
现代冷轧机上，广泛的采用液压弯辊装置以调整辊型来改善板型。由于冷轧带钢厚度公差要求较高，为增加轧机压下装置的反映速度，采用全液压压下装置、带钢厚度自动控制装置，以及采用快速自动换辊机构，实现电子计算机控制等。
冷轧钢板及带钢近年来得到较大发展。冷连轧机末架出口速度可达到25～41.7m/s。为了提高产量，冷卷卷重已达到60t。一套冷连轧机产量可达到250万t。
近十年冷轧带钢生产技术几设备有了新发展：1）酸洗-冷轧联合机组、2）板形控制技术、3）连续退火、全氢罩式退火技术的应用及多种涂镀生产技术的迅速发展、4）带钢连铸-冷轧工艺
3.2 冷轧带钢的生产工艺
大型轧钢车间生产钢轨需要以下工序：
表面清理→加热→轧制→锯切→缓冷→矫直→铣头钻孔→淬火→检查
冷轧带钢的生产工艺特点总的来看有以下三点：
1、加工温度低，钢板在轧制过程中，将产生不同程度的加工硬化现象。它使变形抗力增加，塑性降低。这样就使轧制力增大，易发生脆裂。因此必须有软化退火，使轧件恢复塑性，降低变形抗力，以便对轧件经行继续轧制。在冷轧生产过程中，每次软化退火之前完成的冷轧工作称为一个“轧程”，在一定的条件下，钢质愈硬，成品愈薄，所需之轧程愈多（软化处理，又称在结晶退火或固溶处理）。
2、冷轧中采用工艺冷却与润滑
（1）工艺冷却：在高速冷轧机上，金属塑性变形产生大量的热量，为保持轧辊所需辊型，轧辊表面需要冷却。轧制速度越高，冷却问题显得尤为重要。如何合理的强化冷却过程的冷却已成为发展现代冷轧机的重要的研究课题。
（2）冷轧过程中，由于剧烈的摩擦及变形功而产生很大的热量，工艺润滑剂可以防止粘辊的发生。
（3）工艺润滑对保护轧辊表面、改善带钢的表面质量起着重要作用。一方面，在润滑剂的保护下，可防止轧辊表面氧化。另一方面，带有润滑剂轧制对被轧带钢起到了“抛光”作用。
3、冷轧中采用张力轧制：张力轧制是冷却的一大特点。所谓“张力轧制”，就是轧件在轧辊中的辗轧变形是有一定的前张力与后张力作用下实现的。单位张力是作用在带材断面A上的平均张应力[3]：

式中：T——总张力；
张力的主要作用有以下几个方面：
1）防止带钢在轧制过程中跑偏（即保证正确对中轧制）。
2)使所轧带钢保持平直（包括在轧制过程中的保持板形平直以及轧板型良好）。
3)降低轧件的变形抗力，便于轧制更薄的产品。
4)其适当调整冷轧机主电机负荷的作用。

二、机架的结构尺寸确定及校核
1工作辊与支承辊设计
900冷带钢精轧机的轧辊分为工作辊和支承辊，工作辊用来直接完成轧制过程，其直径较小；大直径的为支撑辊（见图），其作用是改善工作辊的强度及刚度条件。每个轧辊都用辊身、辊颈及轧辊轴头三部分组成。

1.1轧辊的参数计算
①轧辊直径的计算
板带轧机轧辊的主要尺寸是辊身长度L和直径D。静定板带轧机轧辊尺寸时，应先确定辊身长度，然后再根据强度、刚度和有关工艺条件确定直径。
辊身长度L就是炸鸡的标称尺寸900mm。
查《轧钢机械》P80表3-3各种四辊轧机的L/D1，L/D2及D1/D2,选取L/D1=2.5，D1/D2=2.7。计算得出D1=360mm，D2=972mm取1000mm
②重车率
查《轧钢机械》P80表3-4各种轧机的轧辊重车率，取工作辊5%，支承辊10%
③轧辊辊颈尺寸d和l的确定
参照经验公式d=(0.5~0.55)D
取d1=0.5D1=180mm，d2=0.5D2=500mm
参照经验公式l/d=0.83~1.0
取l1=0.9d=162mm，l2=0.9d=450mm
④轴头样式与尺寸
万向轴头多用于初轧机，故我们选择梅花轴头。查《轧钢机械》P81表3-6轧辊梅花头尺寸，选择d1=160mm的梅花轴头，其他尺寸如下D3=176，r1=33，l2=105，l3=120
1.2材料的选择
常用的轧辊材料有合金锻钢、合金铸钢和铸铁等。
参照国家标准GB/T 13314-1991，从合金锻钢冷轧轧辊用钢中选择9Cr2Mo作为轧辊材料。辊身硬度HS=90~95，许用应力。
1.3强度校核
①支承辊弯曲校核
在辊颈的1-1断面和2-2断面上的弯曲应力均应满足条件，经计算得

支承辊辊身中部3-3断面处弯矩是最大的。认为轴承反力距离等于两个压下螺丝的中心距，而且把工作辊对支承辊的压力简化成均布载荷，可由下式计算弯矩。

由于有支承辊受弯曲力矩，仅计算传动端的扭转应力。
扭转应力τ=
2机架设计
机架的主要结构尺寸包括：机架窗口高度（H）和宽度（B）以及机架立柱断面尺寸（F=LB）。
2.1、窗口宽度的确定
由文献[1，5-152]可知，
B=（1.15～1.30）
式中 ——支承辊直径，由第一章计算得，=1000mm。
所以B=（1.15～1.30）1000=1150～1300mm
取传动端 B=1200mm。为了便于更换轧辊，在闭式机架中，换辊侧（非传动侧）的窗口宽度比传动侧的窗口宽度应大10毫米。所以传动侧窗口宽度=1210mm。
2.2、窗口高度的确定
由文献可知

式中 ——工作辊直径；
——支承辊直径；
——窗口高度。
mm
取 =4000mm
2.3、断面尺寸的确定
由文献可知，

式中 ——断面面积；
——支承辊辊径的直径。
300000~400000mm2
在现代化的板带轧机中，为了提高轧件的轧制精度，有加大立柱断面的趋势。其截面形状接近正方形,在实际的生产中也是这样用的，所选的断面积可以大于理论的计算值，但不能小于理论值。因此，长L=600mm；宽b=800mm；则=480000mm2。
3、 机架强度计算

3.1、1-1截面计算
1-1截面是上横梁中间截面，按此截面计算
（1）.确定形心
矩形Ⅰ：
600×800=450000

矩形Ⅱ：
450×60=27000
600-30=570 mm
矩形Ⅲ：

矩形Ⅳ：

=
=305.1 mm
∵左右两边对称，形心不变
∴
（2）.求1-1截面惯性矩

∴
3.2、2-2截面计算
2-2截面惯性矩：

其中b=600mm
2-2截面简图
h=800 mm
3.3、3-3截面计算
3-3截面惯性矩与2-2截面相同，
由于机架左、右对称，所以力矩可由半个机架的弹性变形位能求出，此时1-1截面的转角等于零。
按卡氏定理得

∴

对于机架横梁y=x y=
∴
式中 ——机架横梁的中性线长度，=2710mm；
——机架立柱的中性线长度，=8940mm；
——机架上横梁的惯性矩；
——机架立柱的惯性矩；
——机架下横梁的惯性矩。
积分后得

=
=
机架横梁内侧应力：

式中 ——内侧应力；
——机架横梁内侧的断面系数。

=-1.26MPa
其中

机架区横梁外侧应力

式中 ——机架横梁外侧应力；
——机架横梁外侧的断面系数。
==
机架立柱内侧应力：

式中 ——机架立柱内侧应力；
R ——轧制力；
——机架立柱断面积；
——机架立柱内侧的断面系数。
=
其中 R=N

机架的外侧应力

式中 ——机架立柱外侧应力；
R——轧制力；
——机架立柱断面积；
——机架立柱外侧的断面系数。

机架的材质为：ZG35
则强度极限
屈服极限

机架的变形计算：
机架的弹性变形是由横梁的弯曲变形和立柱的拉伸变形组成的，由于横梁的断面尺寸较横梁的长度来说是较大的，在计算横梁的弯曲变形时，应考虑横向切力的影响，即

式中 ——机架的弹性变形;
——由弯矩产生的横梁的弯曲变形；
——由切力产生的横梁的弯曲变形；
——由拉力产生的立柱拉伸变形。
根据卡氏定理，由弯矩产生的两横梁的弯曲变形为：
①
弯曲力矩极其导数可以由以下公式来表示：

=x
经积分整理后，①式为
=
式中 E——机架材料的弹性模量；
——横梁的惯性矩；
——横梁中性轴的长度；
R——横梁上的作用力，对于钢板轧机，一般取R为轧制力的一半，即；
——机架立柱中的力矩。
=
=
=0.005
同理，由切力产生的两个横梁的弯曲变形为
②
剪力极其导数可用以下公式表示
=
=1
经积分整理后，式②为

式中 G——机架材料的剪切弹性模量；
——横梁的断面面积；
K——横梁的断面形状系数，对于矩形断面，系数K=1.2。

其中 E=210000
G=81000
R=N
=600×800=480000
K=1.2
机架的拉伸变形为

式中 ——立柱中性轴长度；
——立柱的断面积。

则机架的弹性变形为

=0.015+0.265+0.216
=0.486mm
对于冷轧机，机架的允许变形[]为
[]=0.4～0.5mm
因此，机架变形在允许的范围内，满足要求。
具体结构见零件简图。
工作辊：

支承辊：

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