机架设计1218解读

机械工程学院
课程设计任务书
专业班级：
设计人同组人：
设计题目：万能轧机机架设计
设计参数：Q235 D W=500mm D b=850mm 最大轧制力
设计要求：通过本课程设计使学生了解轧钢机机架的结构及类型；熟悉轧钢机机架的主要结构参数；掌握轧钢机机架的强度校核方法及变形计算方法，为毕业设计及今后从事相关的专业打下必要的基础。

设计内容包括：1）主要结构参数的确定；2）机架强度校核；3）机架变形计算； 4）计算机绘制相关图纸；5）撰写说明书。

设计时间： 2014 年 12 月 15 日至 2015 年 01 月 02 日
设计人(签字)
指导教师(签字)
教研室主任（签字）
附注：本课程设计任务书由学生附入设计说明书内。

机架是轧机的主要承载部件之一，其力学性能直接影响产品的质量、轧制控制系统的精度和轧机的使用寿命。

本课程主要研究初轧机机架，首先介绍机架的类型、主要结构参数和结构特点，然后通过计算机架的强度、刚度和变形来对机架进行校核，并对机架的受力做了分析使其满足使用要求。

关键词：初轧机机架强度刚度变形
摘要 (1)
目录 (3)
第一章绪论 (4)
1.1万能轧机的介绍 (4)
1.2机架的主要结构参数 (5)
1.3机架的结构特点 (7)
第二章轧机机架强度和刚度计算 (9)
2.1轧钢机机架的强度和变形的计算步骤 (9)
2.2机架的设计计算 (9)
结论 (19)
参考文献 (20)
致谢 (21)
第一章绪论
1.1万能轧机的介绍
1.1.1万能轧机
万能轧机是由一对水平辊和一对立辊组成主机架，其四个辊的轴线在一个平面内，水平辊为主动辊，立辊为从动辊（有的轧机立辊也可驱动），可对轧件进行四面加工，并由二辊水平轧机做辅助机架（轧边机）。

[1]
1.1.2万能轧机的用途
万能轧机主要用来轧制各类型钢，例如：H型钢、钢轨、工字钢、槽钢、钢板桩、U型钢、L型钢、不等边角钢等各种类型的型钢，因其适用于多品种钢材轧制，故而得名“万能轧机”。

[3]
1.1.3万能轧机的优点
与常规轧制法相比，万能轧机轧制钢轨具有如下优点：由于可对钢轨头部和底部进行直接压下，对钢轨性能非常重要的头部与底部的加工硬化效果增大，可以得到良好的材料质量；通过轧制工序的各个部分，可以施加比较均匀的压下力而得到均匀的变形，从而得到高质量的钢轨；钢轨的轨底背部不发生缺陷，可获得平坦度及垂直度良好的钢轨；由于能够减轻轧辊局部的摩擦，可以保证产品良好的表面性能；轧辊的孔型设计方法得到简化，新精轧管产品开发周期得以缩短。

1.1.4机架的种类
图3—10 闭式机架结构及简图
开式机架
开式机架由机架本体和上盖两部分组成，如图3-11，它主要用在横列式型钢轧机上，其主要优点是换辊方便。

因为，在横列式型钢轧机上如果采用闭式机架，
由于受到相邻机座和连接轴的妨碍，沿轧辊轴线方向换辊是很困难得。

采用开式机架，只要拆下上盖，就可以很方便地将轧辊从上面吊出或装入。

开式机架主要缺点是刚度较差。

影响开式机架刚度和换辊速度的主要关键是上盖与U型架体的连接方式。

常见的上盖连接方式有四种。

[2]
（a）螺栓连接 (b)套环连接 (c)销轴连接 (d)斜楔连接
图3-11 机架上盖连接方式
因机架重量大、制造复杂，一般给予很大的安全系数，并作为永久使用的不更换零件来设计。

本次设计中选用闭式机架。

1.1.5万能轧机的发展方向
目前的万能轧机向着一机多用的方向发展，即轧机既可生产型钢，又可以生产轨梁及异型断面钢材。

下面就几种典型的万能轧机做一些介绍。

该万能轧机的水平辊多采用四辊轧机。

其工作机座包括：压下装置、平衡装置、轧辊轴承及轴承座、轧辊、机架和主传动装置。

水平轧辊的装置与一般的二辊式、四辊式轧机基本相同。

立辊是用来挤压钢坯表面氧化铁皮，控制板坯宽度，以保证轧件宽度准确，轧制齐边钢板。

同时减少了轧件翻钢次数，节省轧制时间。

立辊特点：轧辊的辊身较短，当轧件厚度小于1500mm 时，轧辊通常做成悬臂式，但当坯料厚度较大，或采用钢锭作为原料时，考虑到轧制力很大的情况下才做成非悬臂式。

在热带钢连轧车间内，立辊机座是用来从侧面压缩板坯，保证带钢侧边质量和调节带钢宽度规格，在初始道次，还起破鳞作用。

根据不同的使用要求，立辊可安设在独立的工作机架上，也可以和水平辊合拼在一个机座上。

把立辊和水平辊机座合拼为一个机座称为万能机座。

该万能机座的立辊，洗矿机一般都安设在水平辊的前面。

按立辊的传动型式，可分为下传动的立辊和上传动的立辊。

按结构可分悬臂式和框架式立辊。

1.2机架的主要结构参数
机架的主要结构参数是窗口宽度、高度和立柱截面尺寸。

在闭式机架中，机架窗口宽度应稍大于轧辊最大直径，以便于换辊；而开式机架窗口宽度主要决定于轧辊轴承座的宽度。

四辊轧机机架窗口宽度一般为支承辊直径的1.13~1.30倍。

为换辊方便，换辊侧的机架窗口应比传动侧窗口宽5~10mm ，亦可表示为
s B B z +=
式中 B ——机架窗口宽度；
z B ——支撑轴（轧辊）轴承座宽度，mm ；
S ——窗口滑板厚度，mm ，一般取s=20~40mm 。

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。

H=H 1+H 2+H 3+S 1+S 2
式中 H 1 —两个（或四个）轧辊接触时，上、下轴承座间的最大距离，mm ； H 2 ——安全臼或测压元件以及均压块的高度，mm ；
H 3 ——下轴承座底垫板厚度，mm ；
S 1 ——轧机换辊时最大开口度，mm ；
S 2 ——机架窗口高度尺寸裕量，通常S 2 =150~250mm 。

对于四辊轧机，可取
H=（2.6~3.5）（w D +D b ）
式中w D 、D b ——工作辊、支承辊直径，mm 。

机架立柱的断面尺寸是根据强度条件确定的。

由于作用于轧辊辊颈和机架立柱上的力相同，而轧颈强度近似地与其直径平方（d 2）成正比，故机架立柱的断面积（F ）与轧辊辊颈的直径平方（d 2）有关。

在设计时，可根据比值（F/d 2）的经验数据确定机架立柱断面积，再进行机架强度验算。

根据轧辊材料和轧钢机类型，比值（F/d 2）可按表1选取。

表1 机架立柱断面积与轧辊辊直径平方的比值
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10000cm 2；热轧带钢轧机的机架立柱断面积达7000cm 2。

1.3机架的结构特点
1.3.1闭式机架结构：
图3为1700热连轧机四辊万能机的水平轧辊机架。

它是由两片闭式机架1组成的，机架上面是通过铸钢横梁来连接。

由于机座采用五缸式平衡装置，因此，上横梁2的中部留的安装平衡缸的空腔。

两机架的压下螺丝中心距为2800mm 。

在窗口内侧镶有耐磨滑板3。

机架下部也是由铸造横梁4用螺钉连接在一起的。

整个机架是通过热装地脚螺钉牢固地与轨座5连接在一起的，轨座5与机架地脚的配合面为直角，以便加工、安装和校正，轨座5放在地基之上，并通过地脚螺钉固定。

轴向压板6用以防止轧辊轴向串动。

为了使机座起吊方便，在机架上铸
有四个耳环。

机架用ZG35II 整体铸造，其机械性能：b σ≥500MPa ；s σ≥280MPa ；
δ≥15％；k α≥350MPa 。

图3 1700热连轧机万能机座水平轧辊机架
1—机架 2—上铸造横梁 3—耐磨滑板 4—下铸造横梁 5—轨座 6—周向压板
第二章轧机机架强度和刚度计算
2.1轧钢机机架的强度和变形的计算步骤
（1）以机架各断面的中性轴的连线组成框架，近似地处理成直线或规整的圆弧线段，将机架结构图简化成为刚架；
（2）对轧机机架上所受的各种外力进行计算，确定所加外力的大小及外力在机架上的作用位置；
（3）确定静不定阶数，如一般式机架是三次静不定问题，需作一系列假设来简化模型，降低静不定阶数；
（4）根据变形协调条件，用材料力学中的图乘法、莫尔积分法、卡氏定理法、柔性转角计算法等求出轧机机架的静不定力和力矩；
（5）根据机架主要尺寸截面的面积、惯性矩、主要位置的承载情况和各种力的作用位置，求出机架各个部分的应力和变形。

[4]
2.2机架的设计计算
2.2.1机架的类型
轧钢机机架是工作机座的重要部件，轧辊轴承座及轧辊调整装置等都安装在机架上。

机架要承受全部轧制力，必须有足够的强度和刚度。

根据轧钢机架结构不同，轧钢机机架分为闭式和开式两种。

闭式机架
如图3-10所示，闭式机架是一个将上下横梁与立柱铸成一体的封闭式整体框架，具较强的强度和刚度，但换辊不便。

它常用在受力大或要求轧件精度高而不经常换辊的轧钢，如轧制力较大的轧机、板坯轧机和板带轧机等。

对于板带轧机来说，为提高轧制精度，需要有较高的机架刚度。

采用闭式机架的工作机座，在换辊时，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。

图3—10 闭式机架结构及简图
2.2.2机架的主要结构参数
机架的主要结构参数是窗口宽度、窗口高度和立柱端面尺寸。

（1）机架窗口高度H
机架窗口高度H 与轧辊数目、辊身直径、辊颈直径，轴承、轴承座径向厚度，以及上辊的调整距离等因素有关。

主要根据轧辊最大开口度、压下螺丝最小伸出端，以及换辊等要求确定。

对于四辊轧机可取
mm D D H b w 4725~3510)850500)(5.3~6.2()(5.3~6.2(=+=+=）
式中：w D 、b D ——工作辊、支承辊直径；D w =500mm D b =850mm
取H=4300mm 。

（2）机架窗口宽度B
在闭式机架中，机架窗口应稍大于轧辊最大直径，以便于换辊。

四辊轧机机架窗口宽度一般为支承辊直径的1.15~1.30倍。

mm D B b 1105~5.977850)30.1~15.1()30.1~15.1(=⨯==
为换辊方便，换辊侧的机架窗口应比传动侧窗口宽5~10mm ，亦可表示为
mm s B B z 10002529502=⨯+=+=
式中：B ——机架窗口宽度；
b D ——支承辊直径，mm ；
z B ——支承辊轴承座宽度，mm ，取z B =950mm ；
S ——窗口滑板厚度，mm ，一般s=20~40mm ，取s=25；
（3）机架端面尺寸
机架立柱的端面尺寸是根据轧钢机类型、强度条件、机架受力特点等确定的。

查轧钢机械第三版表5-1得：四辊轧机机架立柱断面积与轧辊颈平方的比值：6.1~2.12
=d F。

则四辊轧机机架端面面积
282240~211680420)6.1~2.1(d 6.1~2.1F 22=⨯==）（2mm
对于四辊轧机，可选惯性矩较小的近似正方形断面。

实际上，一般都是选择断面尺寸小的矩形断面，这对于减轻机架的重量是有利的。

所以根据经验值取端面尺寸为450550⨯mm 。

2247500450550mm F =⨯=
机架结构简图如图3—12：
图3-12 机架结构简图
2.2.3机架的材料和许用应力
轧钢机机架一般采用含碳量为0.25%~0.35%的ZG270～500，其强度极限 σb =500~600Mp a ，延伸率σs =12%~16%。

ZG270～500是大型铸钢件生产中最常用的碳素铸钢，具有较好的铸造性和焊接性，但易产生较大的铸造应力引起热裂，广泛应用于轧钢、锻压、矿山等设备，如轧钢机机架、辊道架、连轧机轨座、坯
扎机立辊机架等。

由于机架是轧机中最贵重和最重要的零件，必须具有较大的强度储备。

一般机架的安全系数为m=12.5~15；对于ZG270—500来说，许用应力[σ]采用以下数值：
对于横梁 [σ]MPa 70~50≤； 对于立柱 [σ]MPa 50~40≤；
为了防止机架在过载时破坏，在轧辊断裂时机架要不产生塑性变形。

根据这一要求，机架的安全系数为
b
j g
s n n σσ>
式中：j n ——机架的安全系数； g
n ——轧辊的安全系数；
b σ——机架材料的强度极限； s σ——机架材料的屈服极限。

在一般情况下，材料的强度极限与屈服极限的比值近似为2，为了安全起见，可将机架安全系数取为：
g
j n n )5.2~2(=
当轧辊安全系数n g 取为5时，机架的安全系数n j 为10~12.5。

2.2.4机架强度和变形计算
轧钢机机架强度和变形的计算，一般可采用如下步骤：
（1）将机架结构图简化成为平面刚架，可取出工作机架横梁和立柱的轴线，把机架按长方形框架处理。

也可近似地处理成直线或规整的圆弧线断，并确定求解断面的位置。

（2）确定静不定阶数，如一般闭式机架是三次静不定问题，需作一系列假设来简化模型，降低静不定阶数。

（3）确定外力的大小及作用点。

（4）根据变形协调条件，用材料力学中任一种方法（卡式定理，莫尔积分法，图乘法，力法等）求解静不定力和力矩。

（5）根据计算截面的面积、惯性矩、中性轴线的位置及承载情况，求出应
力和变形。

用材料力学方法计算时，为了简化计算，一般做以下假设：
1）每片机架只在上下横梁的中间端面处受有垂直力R，而且这两个力大小相等、方向相反，作用在同一直线上，即机架的外负荷是对称的。

此时，机架没有倾翻力矩，机架底脚不受力。

应该指出，由于两个轧辊直径和速度的不同、轧制速度的变化和咬入时冲击引起的惯性力，或在张力轧制时，轧制力方向都不是垂直的。

由于水平分力的数值一般都较小，约为垂直分力的3%~4%，故可以忽略不计。

只有当水平分力较大时（例如，超过垂直分力的15%），则应考虑水平分力的影响。

2）机架结构对窗口的垂直中心线是对称的，而且不考虑由于上下横梁惯性矩不同所引起的水平内力。

3）上下横梁和立柱交界处（转角处）是刚性的（一般机架转角处的刚性都是比较大的），即机架变形后，机架转角仍保持不变。

将机架及其受力状态进行简化并画弯矩图，如图3-13、图3-14；
（a）对称力系（b）不对称力系（c）对称受力机架内力（d）不对称受力机架内力
图3-13机架的受力状态
图3-14 机架受力弯矩图
KN
KN P R 77
1015.12102.32⨯=⨯==
静不定力矩 33
221133
221
11122444
I l I l I l I l I l
I
l Rl M ++++⨯= （3-13） 式中：
1l ——机架横梁的中性线长度； 2l ——机架立柱的中性线长度； 1I ——机架上横梁的断面惯性矩； 2I ——机架立柱的断面惯性矩； 3
I ——机架下横梁的断面惯性矩。

假设上下衡量惯性矩相同，即I 1=I 3时，则力矩M 1为：
22112
2
1
11124
I l I l I l
I l Rl M +
+⨯= （3-14）
其中：（矩形截面 12
3
bh I =）
4
103
31m m 1039.1125501000⨯=⨯==I I 4
93
2m m 1060.7124501000⨯=⨯=I
则
Mpa M 810
99
107
11025.21039.110001060.743001060.74300
1039.121000410001015.1⨯=⨯+
⨯⨯+
⨯⨯⨯⨯⨯=
立柱上的弯矩
Mpa M Rl M 89711210625.01025.24
10001015.14⨯=⨯-⨯⨯=-=
由上可知，减小立柱的惯性矩2I 和增加横梁的惯性矩1I 可以部分地减少立柱中的弯矩2M ，这对于减轻窄而高的机架重量是有利的。

危险截面应力：（6
2
bh w =）
上下横梁最大弯曲应力：
Mpa mm KN W M 46280.4/00446280.05506
10001025.222
9
111==⨯⨯==σ
立柱的拉弯应力：
Mpa KN W M F R 435.2mm /002435.04506
430010625.024*********.1222
9
7222==⨯⨯+⨯⨯=+=σ
对于机架，安全系数一般不小于10。

而对于ZG270～500，横梁的许用应力[]Mpa 7~51=σ，立柱的许用应力
[]Mpa 5~42=σ。

[]11σσ>、[]22σσ=故机架强度足够。

2.2.5机架变形计算
机架在垂直方向的变形是由横梁变形和立柱拉伸变形3f ''两部分组成的，由于横梁的端面尺寸较横梁的长度来说是较大的，所以横梁变形又包括由弯曲力矩
3f '所引起的变形和由切力3f ''引起的变形两项。

图3-15 机架横梁的等效悬臂梁
机架的弹性变形是由横梁的弯曲和立柱的拉伸变形组成的。

在计算横梁的弯曲变形时，应考虑横向切力的影响，即
''''''
3333f f f f =++ （3-15）
式中：
3f ——机架的弹性变形；
'3f ——由弯矩产生的横梁弯曲变形； ''3f ——由切力产生的横梁弯曲变形； '''
3f ——由拉力产生的立柱拉伸变形。

图3-16是闭式机架的横梁受力图
图3-16 闭式机架的横梁受力
根据卡氏定理，由弯矩产生的两个横梁的弯曲变形为：
2'112
3
1()
244l Rl M f EI =- (3-16)
式中：E ——机架材料的弹性模数，Mpa E 6101.2⨯=；
1
I ——横梁的惯性矩；
1
l ——横梁中性轴的长度；
R ——横梁上的作用力，对于轧钢机，一般R 为轧制力的一半，即2
P
R =
；
mm mm f 58
710
3231081.5)4
1006.42410001015.1(1039.1101.21000-⨯=⨯-⨯⨯⨯⨯⨯⨯=' ''1
312Rl f K
GF = (3-17)
式中：G ——机架材料的剪切弹性模数，取4
8.110G MPa =⨯；
F 1——横梁的端面面积；
K ——横梁的端面形状系数，对于矩形端面，系数K 为1.2。

所以
mm
mm f 33105.8)500280(812280
5782.1-⨯=⨯⨯⨯⨯⨯
=''
'''2
322Rl f EF =
(3-18)
式中，l 2——立柱中性轴的长度；
F 2——立柱的端面面积。

所以 mm f 43
1072.3103600
101.22280
578-⨯=⨯⨯⨯⨯=''' 机架的弹性变形
mm f 87.01072.3105.81081.54353=⨯+⨯+⨯=---
而对于钢板轧机，机架的允许变形[]3f 为0.5~1mm （热轧机），故机架刚度满足要求。

2.2.6机架的倾翻力矩计算
在轧制过程中，工作机架的倾翻力矩通常由两部分组成，即
Q d h
M M M =+ (3-19)
式中：M Q ——机架总倾翻力矩；
M d ——传动系统加于机架上的倾翻力矩（在正常轧制情
况下
d
M =0）；
M h ——水平力引起的倾翻力矩。

如图3-17所示，水平力Q 引起的倾翻力矩为
c k ⨯=Q M (3-20)
图3-17 水平力Q 引起的倾翻力矩
式中：c ——轧制中心线至轧制机座的距离。

由轧制速度的变化使轧件产生的惯性力，前、后张力差，以及在穿孔机上顶杆的作用力，都会在轧件上作用水平力。

在一般情况下，水平力Q 是随着各种轧制工艺条件的改变而变化的，其最大值可按下式计算
max 2R
M Q D =
(3-21)
故
max 2R
h M M c
D =
(3-22)
式中：
R
M ——工作辊传动支承辊的力矩；
D ——轧辊直径。

则 mm N M M k Q ⋅⨯=⨯⨯⨯==73max
101.11135190
109252。

结论
本次设计的题目是轧钢机机架的强度校核。

本文通过机架的受力情况的分析从而对轧机的机架进行了强度和钢度的校核。

本文还对轧机的工作辊和支持辊的选择给出了依据。

机架的允许变形[]3f 为0.4~0.5mm 因为本文3f =0.087，故机架刚度满足要求。

Mpa 46.41=σ, Mpa 435.22=σ,横梁的许用应力[]Mpa 7~51=σ，立柱的许用应力[]Mpa 5~42=σ。

[]11σσ>、[]22σσ=故机架强度足够。

总结本文我们可以对轧机机架的强度和刚度有一个简单的了解，我们为什么么要做这些工作。

参考文献
[1] 刘宝衍.轧钢机械设备[M].北京:冶金工业出版社,1984.6.
[2] 冶金工业部有色金属加工设计研究院.板带车间机械设备设计（上）[M].北京:
冶金工业出版社,1983.3.
[3] 黄华清.轧钢机械[M].北京:冶金工业出版社,1980.12.
[4] 王海文.轧钢机械设计[M].北京:机械工业出版社,1983.6.
太原科技大学课程设计
致谢
本次将近三个星期的课程设计中，由于时间紧迫，任务繁重，加上本人缺乏实际设计经验，故在资料准备，文献参考，工艺设计和孔型计算等方面有老师的指导。

感谢老师的精心指导，在此向王老师致以最崇高的敬意和最真诚的的谢意！课程设计中存在的不足之处望老师加以纠正和批评。