毕业设计论文四辊可逆式冷轧机的机架设计.doc

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1、太原科技大学毕业设计（论文）目录目录I摘要IIIAbstractIII第1章 绪论31.1 轧钢生产在国民经济中的主要地位与作用31.2 冷轧带钢生产概况和发展方向31.2.1 冷轧带钢生产在国民经济中的地位31.2.2 冷轧带钢的生产历史及发展方向31.3 冷轧机的类型、特点及工作原理31.3.1 轧机的类型31.3.2 冷带轧机各类的特点及工作原理31.4 近年国产冷轧机生产情况31.5 国产板带冷轧机的技术特点3第2章 轧辊的设计参数32.1 轧辊主要参数32.2 轧机的选择与尺寸的确定3第 3 章 机架的工艺参数33.1 机架的主要结构参数33.2 断面尺寸33.3 轧制力33.3.1

2、 已知条件33.3.2 简单轧制过程33.3.3 轧制过程基本参数33.4 咬入角计算33.4.1绝对压下量33.4.2 相对压下量33.4.3 相对压下量计算33.4.4 接触弧长33.4.5 中性角33.4.6 前滑值33.4.7 采利克夫方法计算轧制时的平均单位压33.5 机架强度计算3参考文献3四辊可逆式冷轧机的机架设计摘要本文对薄板冷轧目前在我国的发展情况及轧制设备和工艺做出基本阐述，介绍了冷轧机得类型以及国产冷轧机得生产情况，重点介绍了四辊可逆冷轧的轧辊设计和机架工艺设计，机架结构设计。并且对其进行了详细的校核计算。关键词：薄板；冷轧；轧钢设备；机架Four-roller Reve

3、rsible cold rolling millof the rack designAbstractIn this paper, cold rolled sheet is currently in the development of our country and rolling equipment and technology to make the basic exposition was introduced type cold rolling mill and cold rolling mill was made production, focusing on the four-hi

4、gh reversing cold rolling mill roll design and rack Process design, structural design of the rack. And a detailed check of their calculations.Key words: plate; cold; rolling equipment; rack23第1章 绪论1.1 轧钢生产在国民经济中的主要地位与作用轧钢生产是将钢锭及连续铸坯轧制成材的生产环节。用轧制的方法生产钢 材，具有生产率高、品种多、生产过程连续性强、易于实现自动化等优点。钢材 的生产方法有轧制、锻造、

5、挤压、拉拔等。用轧制方法得到的钢材，具有生产过 程连续性、生产效率高、品种多、质量好、易与机械化、自动化等优点，因此得 到广泛的应用。目前，约有 90的钢都是经过轧制成材的。有色金属成材，主 要也用轧制的方法。 轧钢生产在国民经济中所起的作用是十分显著的。钢铁工业生产中，除少量 的钢用铸造或铸造方法制成零件外，炼钢厂生产的钢锭与连铸坯有 8590以 上要经过轧钢车间轧成各种钢材， 供应国民经济各部门。 可见在现代钢铁企业中， 作为使钢成材的轧钢生产，在整个国民经济中占据着异常重要的地位，对促进我 国经济快速发展起十分重要的作用。1.2 冷轧带钢生产概况和发展方向1.2.1 冷轧带钢生产在国民经

6、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、机械制造和传播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又十分紧迫的任务。1.2.2 冷轧带钢的生产历史及发展方向冷轧带钢生产始于1660年，当时是在二辊轧机上进行的

7、。但作为一个过程，板带钢冷轧的发展，只是在近代随着技术的进步，才真正得到了推动。自此以后，无论是国内还是国外，冷轧都的到广泛的应用。轧辊轴颈和轴承的改进也促进了冷轧机的应用。二十年代，随着二辊可逆轧机的出现，轧制效率大大提高。四辊可逆轧机出现于三十年代，六十年代末，随着二次冷轧和箔材轧机，平整轧机光整轧机的出现，使轧机的可扎厚度大大减少，目前，最小可达0.001mm。应该指出，自1979年开始，出现了全连续冷轧机这种轧机只需第一次引料穿带后，就可实现连续轧制，后续带的头部通过焊接机与前一带卷尾部焊在一起，炸成后用飞剪机分卷，并有两台卷取机交替卷曲带钢。全连续冷轧机记事在换辊时，带钢依然停留在轧

8、机内，换辊后可立即进行轧制。近年来，冷轧带钢生产技术的发展，主要是增加钢卷的重量，加快机组速度，提高产品厚度精度，改善板型，提高自动化程度及改进轧机的结构生产工艺，其典型有WRS轧机，HC轧机，VC轧机，CVC轧机，HVC轧机，FFC轧机，全数字控制高精度可逆式六辊轧机组。或全数字控制高精度可逆式四辊冷轧机租等。在带钢冷轧机上，广泛的采用液压弯辊装置或抽动工作辊装置来改善板形，由于冷轧带钢的厚度公差要求高，为增加轧机压力装置的响应速度，在冷轧机上采用了全液压装置及厚度自动控制装置，对于高速，高产量的带钢冷连轧机，实现计算机控制。目前，可以认为HC轧机是板带扎加改造和新建的主选优良机型，可提供具

9、有优良板型的高精度板带满足工业领域对高精度的要求。HC轧机正逐步代替具有100多年历史的普通四辊轧机。1.3 冷轧机的类型、特点及工作原理1.3.1 轧机的类型冷轧带钢机器按照轧辊的排列方案分为二辊式、四辊式、多辊式三种，按机架排列方案分为可逆（不可逆）式与连续多机轧制式两种。目前灵活性打，适用中小型企业及科研教研用。连轧机生产效率高、轧制速度快，但产品单一，变动不大时，最能发挥其优越性。其类型如题所示：图1.1 轧机类型图1.3.2 冷带轧机各类的特点及工作原理由于轧辊的辊数不同，则各类轧机的特点也不同：1） 二辊轧机：是冷带轧机的原始轧机，功用为消除凹痕折痕及某些缺陷，平整薄板。已基本淘汰

10、了。2） 普通的四辊轧机：是带钢冷轧机中最通用的机组，这种轧机采用闭口式机架，两个牌坊有横梁或其它轧机连接形成一个刚体，通常采用工作辊驱动，但是近来趋向于支撑辊驱动。3） 六辊轧机：为使用直径相同的小直径工作辊并提供水平及垂直刚度，六辊式轧机得到了广泛应用通常靠弹簧压力平衡上下辊组件及消除压力下螺丝与轴承座间产生的松弛或松动。工作辊靠另一侧卷行弹簧撑开，压下螺丝有电机通过齿轮传动，工作辊轴承为抗磨式，而支撑辊则采用油膜轴承。4） 偏八辊轧机：结构简单，满足防止工作辊水平弯曲增加刚度，通过调节个别支撑辊改变工作辊的凸度，工作辊支撑系统刚度大，结构简单，换辊方便，其工作辊直径可自由选择而轧制不同品

11、种。5） HC轧机：是高性能板型控制的简称。能有效地控制板型厚度，HC轧机是在四辊基础上在支撑辊之间加一可轴向窜动的轧辊，轧制时按所轧件宽度可轴向调整，其主要特点如下：（1） 具有较大的刚度，稳定性。即可通过中间辊的移动控制工作辊的凸度，使工作辊挠度不受轧制力的影响。（2） 具有好的控制性。即在较小的弯辊力作用下使钢板横向厚度差发生明显变化。（3） 可显著提高带钢的平整度。减小板带钢的边缘减薄，减少切边损失。（4） 压下量由于不受板型的控制而显著不断提高，而科技的发展又将出现新的更先进，实用的冷轧带钢设备和工艺，使冷轧带钢生产得以迅速的发展。1.4 近年国产冷轧机生产情况 截至2004年底,中

12、国拥有现代化四辊及六辊冷轧机108台,生产能力2100kt/a,二辊冷轧机约300台,生产能力450kt/a,总计冷轧板带生 产能力2550kt/a;截至2005年底,引进轧机的生产能力为1000kt/a,中国四辊轧机的生产能力为2120kt/a,二辊轧机的生产能力为 380kt/a,总计冷轧板带生产能力3500kt/a。有自制的辊宽800mm的四辊铝板带冷轧机约150台,其中1400mm级的达65台,占总数 的43%;2006年全国投产的冷轧机26台,形成板带生产能力725kt/a,是投产能力最多的一年。另外,2006年在建的冷连轧生产线有2条,四辊 及六辊单机架不可逆式冷轧机13台,总生产

13、能力1750kt/a。目前,我国自行设计和制造的板带冷轧机在低速、窄规格方面已经接近或达到国际板带冷轧机的专有技术水平。伴随着市场需求的不断增长和变化,国产板带冷轧机正在满足市场多样化要求,逐步向高精度化、宽幅化、高速化以及高水平和连续轧制的方向发展。在满足国内生产的同时,我国自行设计和制造的铝板带 冷轧机于2002年起开始陆续向国外出口,如涿神有色金属加工专用设备有限公司的380/9601800mm铝冷轧机首次于2002年底出口泰国;中 色科技股份公司向印度出口的一台380/9601750mm四辊不可逆式冷轧机;恒旭机械制造有限公司今年向俄罗斯出口一台260 /700900mm冷轧机等。1.

14、5 国产板带冷轧机的技术特点1.机组设备布置紧凑,总体功能齐全,整机自动化程度提高。现代化铝板带冷轧机的轧制形式均为不可逆轧制,配有卷材自动运输装置。20世纪末至21世纪初年设计的机组中,同时配备了带卷自动测量和上卷自动对中装置,可实现上卸卷的自动化操作,使操作强度逐步降低,提高成品率,增加竞争能力。2.轧制速度提高,单机产能增加。3.整机国产化程度提高,设备维护方便。随着国产装备业的发展,国内配套能力进一步提高,国产冷轧机以前主要靠引进的检测元件或控制系统逐步被质优价廉的国产元件或系统代替:如厚度自动控制系统 (AGC)、带材自动纠偏控制系统(EPC)、X射线测厚仪、板型自动控制系统(AFC

15、)等。同时,由于国产化的提高,设备维护费用越来越经济,产品更具 竞争力。4.液压和润滑系统更加完善和标准化。国产板带冷轧机液压系统主要为整体泵站和分散阀台布置,轧机控制更趋于全液压化。对中伺服液压系统、弯辊伺服液压控制、厚度伺服液压控制以及上卸卷测量及液压控制系统等均广泛用于轧机控制。5.电气传动系统有了比较大的发展。开卷机、卷取机和主传动电动机控制系统广泛采用全数字直流传动装置,供电全数字直流传动装置与交流传动装置相比,其优点在于造价较低,控制简单可靠、维护方便;交流传动与直流传动装置相比,其优点在于结构紧凑、维护量小、动态控制特性优良。6.电气控制更加完善。不管是自动控制部分还是传动部分,

16、国产现代化轧机近期发展采用三级控制系统:即0级自动化基础;1级闭环控制;2级过程控制。装配了多个CPU中央处理单元,系统的开放性很强,用户可以自己开发和自己修改。7.完善的厚度自动控制系统其控制系统包括:辊缝控制、前馈控制、反馈控制、弯辊力补偿及轧辊偏心补偿。8.板形自动控制系统应用越来越广泛。国产板形辊及板型自动控制系统的投入使用,将代替价格昂贵的进口板型控制系统。同时,产品质量又提高了档次。第2章 轧辊的设计参数2.1 轧辊主要参数根据成品宽：450，辊身长度应大于所轧钢板的最大宽度bmax，即L= bmax +a （3-1）式中a视钢宽而定，a=100400;初选a=254，辊身长 L=

17、704mm；工作辊直径 Dg ：L/ Dg =3.2 （3-2）得 Dg =L/3.2=600/3.2=220mm支撑辊直径 Dz ： L/ Dz =2 （3-3）Dz =L/2=600/1.28=550mm因Dz / Dg =0.4所以，在常用值范围内。合理。为加强轧辊强度，选取滑动轴承。工作辊辊径直径：d g =(0.670.75) Dg =110mm （3-4）支撑辊辊径直径：d z =(0.670.75) Dz =210mm (3-5)工作辊辊颈长度：l=0.83 d g =0.83*140=276mm (3-6)支撑辊辊颈长度：l=0.83 d z =0.83210=175mm (3

18、-7)2、轧辊材质及其技术性能指标:二辊粗轧机工作辊材质一般选用合金铸钢或锻钢。2.2 轧机的选择与尺寸的确定1）粗轧机的选择 粗轧机的水平轧机结构形式通常为二辊或四辊。粗轧机布置中，二辊式粗轧机布置在机组的前面部分，四辊式粗轧机布置在机组的后面部分。热轧带钢生产中， 粗轧机的水平轧机是把热轧板坯减薄成适合于精轧机轧制的中间带坯。板坯在粗轧 机上前几道次的轧制，因温度较高，有利于实现大压下，就需要轧辊具有较大的咬 入角；后几道次的轧制，需要为精轧机输送厚薄均匀的中间坯。二辊式粗轧机与四 辊式粗轧机相比，二辊式的工作辊直径大，具有较大的咬入角，可实现大的压下量； 四辊式的工作辊直径小，有利于带坯

19、的厚度控制，又因有支撑辊，减小了工作辊挠 度，可轧制较薄厚度均匀的中间坯。故选用四辊轧机。2）轧机机架的选用采用闭式机架。闭式机架是一个整体框架，具有较高的强度和刚度，主要用于 轧制力较大的粗轧机、板坯轧机和板带轧机等。线材轧机为了提高轧件轧制精度， 也往往采用闭式机架。工作辊直径D1=220mm支撑辊直径D2=550mm工作辊辊颈长度 275mm工作辊辊颈直径 110mm第 3 章 机架的工艺参数轧钢机架是轧机的重要部件，其尺寸和重量最大，机牌坊约为机架重量的70%80%，为工作机座重量得30%40%，为轧机主机列重量的2025%，轧辊轴承座及轧辊调整装置都安装在机架上。机架要承受轧制力，所

20、以，要有足够的强度和刚度。根据轧钢机型式和工作要求，轧钢机架分为闭式和开式两种，本设计机架采用闭式机架。结构如图：图3.1 机架示意图3.1 机架的主要结构参数机架的主要结构参数是窗口高度、宽度和断面尺寸。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应比传动侧窗口宽可表示为： mm （3-1）其中： 机架窗口宽度 支承辊轴承座宽度 窗口滑板厚度 一般取=20-40mm 取则有：mm （3-2） 这里取1.20， 换辊侧B=725mm 符合安全要求。窗口高度H:对于四辊轧机， （3-2） 取H=26003.2 断面尺寸机架立柱断面尺寸是根据强度条件确定的，由于作用于

21、轧辊辊颈和机架立柱上的力相同，而辊颈强度近似地与直径平方有关。在设计时，可根据比值的经验数据确定机架立柱断面面积，在进行机架强度验算。铬钢的四辊轧机： （3-3）其中支撑辊辊径直径d=275mm 故有： 机架立柱常用的断面形状有近正方形，矩形和工字形三种。闭式机架采用惯性矩较大的工字形或矩形断面立柱，可以减小横梁上承受的弯曲力矩。使横梁断面尺寸减小。对于四辊轧机用窄而高的闭式机架，在水平作用力不大时，机架立柱采用近正方形较为合理。虽然，近正方形断面的惯性矩小，会增加横梁的弯曲力矩，但是立柱的弯曲力矩也相应减小。在这种轧机上，由于立柱高度大于横梁的长度，已从立柱省下来的材料将超过横梁所需的材料，

22、对于减轻机架重量还是有利的，机架立柱断面尺寸对机架的刚度影响较大。在现代板带轧机设计中，为提高轧件的轧制精度，有逐渐加大立柱断面尺寸的趋势。 故取： 考虑到窗口面产生的弯曲变形大 故取： 3.3 轧制力3.3.1 已知条件工作辊直径：220mm;轧制前轧件厚度：4mm,宽度：450mm，；轧辊的轧制速度：轧制速度120m/min（20mm/s），压下速度0.076mm/S,轧件材料：Q235；摩擦系数：0.3；轧制温度：1100。3.3.2 简单轧制过程在轧制生产中，经过遇到不同轧辊组合的各种轧机，从被轧金属产生塑性变形来看，在大多数情况下，只是在一对工作辊中受到压力而产生塑性变形（除行星轧机

23、等特殊机构的轧机外）。所以为便于研究，一般都从简单的（即理想的）轧制过程作为研究的开端，通常把具有下列条件的轧制过程称为简单轧制过程：（1）两个轧辊都驱动；（2）两个轧辊直径相当；（3）两个轧辊转速相同；（4）被轧金属作等速运动；（5）被轧金属的机械性质是均匀的。 3.3.3 轧制过程基本参数轧辊直径，毫米（mm）轧辊半径，毫米 (mm)轧制前轧件高度（或称厚度），毫米 (mm)轧制后轧件高度，毫米 (mm)轧制前后轧件的平均高度，毫米 (mm),h压下量（或称绝对压下量），毫米 (mm) , 轧制前轧件宽度，毫米 (mm)轧制后轧件宽度，毫米 (mm)宽展量，毫米 (mm), 咬入角， 咬入

24、弧（接触弧）水平投影长度，毫米 (mm ), 临界角或称中性角。图3.2 压下示意图3.4 咬入角计算轧辊和轧件相互作用的矛盾运动过程是从轧辊咬入轧件开始的。轧辊咬入轧制的实现，接触摩擦起决定的作用，将轧件送向轧机，每个轧辊均对轧件作用一径向正压力N，同时由于轧辊相对轧件有切向滑动，还对轧件作用有切向摩擦力T。正压力N的水平分量和摩擦力T的水平分量，对轧制过程的建立起着不同的作用，正压力N的水平分量是将轧件推出辊缝。在轧件上没有其他的力作用的情况下，这两个力在数量上的大小就规定了这个事物的质的方面，即决定了轧辊能否咬入轧件。欲使轧辊咬入轧件必须使切向摩擦力T的水平分量大于正压力N的水平分量，即

25、满足条件 （3-4）随着咬入角的增大，正压力N的水平分量增大，而摩擦力的水平分量减小。当咬入角增大到一定的数值后，将失去建立轧制过程的可能性，即轧辊不能再将轧件曳入辊缝。见图2图3.3 咬入时的轧件受力图根据干摩擦定律，摩擦力T可能达到的最大数值为 （3-5）式中咬入摩擦系数将（3-4）值代入不等式（3-5）中，求得建立轧制过程所必须的力学条件，即所谓的咬入条件： （3-6）已知 得 所以因为咬入角与绝对压成正比，所以取=16.53.4.1绝对压下量（1）轧制时，以绝对压下量表示轧件高度方向的变形，它等于轧制前后轧件高度的差值。可以表示为： （3-7）绝对压下量与咬入角的关系为： （3-8）（

26、2）绝对压下量计算：由已知条件知，代入等式（3-8）得：3.4.2 相对压下量（1）绝对压下量与轧件原始高度之比值叫相对压下量（或称变形程度），用符号表示，则 （3-9）3.4.3 相对压下量计算由已知条件知：，将其带入等式（3-9）得3.4.4 接触弧长=3.4.5 中性角中性角是决定变形区内金属相对轧辊的运动速度的一个参量，在变形区内任一横断面上轧辊圆周速度的水平分量式中为轧辊的圆周速度。由所得公式知；在变形区内速度和按不同的函数关系单调变化。这两条速度曲线在变形区内相交于一点，交点的位置决定于轧件的平衡条件。交点所对应的断面将变形区分为两个部分；前滑区和后滑区，该断面在轧制理论中称为中性

27、面。由中性面与接触弧的交点所引的半径与轧辊中心连线的夹角称为中性角。如图3所示图3.4 变形区内金属流动速度的变化（1）中性角计算：公式为 （3-10）简单轧制时,时，上式即为计算中性角的埃克伦德公式得 （3-11）将，代入（3-11）得 （3-12）3.4.6 前滑值现场测定和实验室的大量研究都证明，在一般的轧制条件下轧辊圆周速度和轧件速度是不等的。轧件出口速度比轧辊圆周速度大，因此，轧件与轧、辊间在出口产生相对滑动，称为前滑。前滑值计算公式为 （3-12）代入（3-12）得3.4.7 采利克夫方法计算轧制时的平均单位压力（1）变形阻力4变形阻力是材料本身抵抗塑性变形的能力，影响变形阻力的因

28、素除材料的化学成分外，主要是变形条件（变形温度，变形速度与变形程度）的影响，它与应力状态无关。变形阻力 ； 已知材质为钢, T=,；; ();将代入（3-12）得：（2）相对变形（变形程度）对时间的导数，即单位时间内的相对变形量称为变形速度。（3） 轧制总压力等于单位压力即单位摩擦力咋合力作用方向上的投影沿接触弧的积分和。由于大多数情况下金属作用在轧辊上的总压力是指垂直方向，或着倾斜不大。因此可以近似地认为金属作用在轧件上的总压力等于其垂直分量，即等于单位压力及单位摩擦力的垂直分量沿接触弧的积分。（4）变形速度u （3-13）式中轧制速度，轧制前后轧件的高度变形区长度将代入（3-13）得：（5

29、）平均单位压力 （） （3-14）; 查表得;将，代入：（3-14）表3.1（6）轧制力: （3-16） 其中接触面积 （3-17） 简单轧制不考虑宽度将：；d代入（3-17）得轧制力：3.5 机架强度计算用材料力学方法计算时，为简化计算，一般做以下假设： (1) 每片机架只在上下横梁的中间断面处受有垂直力R，而且这两个力大小相等，方向相反，作用在同一直线上，即机架的外载荷是对称的。此时，机架没有倾翻力矩，机架座脚不受力。应指出：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方向都不垂直的。由于水平分力的数值一般较小，约为垂直分力的3%4%，故可忽略不计。（2

30、）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，即机架变形机架转角仍保持不变。机架的计算简图如下：图3.5 机架的计算简图窗口尺寸： ， I-I、II-II、III-III 为上横梁、立柱和下横梁的危险断面。机架强度计算在只考虑轧制力作用，且上下横梁惯性相等情况下进行的。图3.6 在轧制力F 作用下的机架弯矩图M图3.7 在单位力矩作用下的弯矩图M11 （3-18）=其中： 机架横梁的中性线长度， 机架立柱的中性线长度， 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 作用于机架上的重直力， （3

31、-19） （3-20） （3-21） （3-22） 则有： = = =机架横梁内侧的应力为： 机架横梁外侧的应力为： 机架立柱内侧的应力： 机架材料的强度极限 为防止机架在过载时破坏，在轧辊断裂时机架不产生塑性变形，按此要求，机架的安全系数,为轧辊的安全系数。当时， 对于立柱： 故，机架安全系数满足，所以机架是安全的。参考文献 1 黄庆学 编著 轧钢机械设计 冶金工业出版社，20072 曹鸿德塑性变形力学与轧制原理M，机械工业出版社，p1521533 刘宝衔轧钢机械设备M，冶金工业出版社，2008,p144 王运炎，朱莉机械工程材料（第三版）M，机械工业出版社2008，P1475 邹家祥 编著 轧钢机械 冶金工业出版社，20036 中国金属学会轧钢分会中厚板学术委员会 轧钢信息网中厚板网编著 中国中厚板轧制技术与装备 冶金工业出版社，2009