第五章軋鋼機機架第一節(jié)機架的類型及主要參數(shù)第二節(jié)閉式機架的強度計算第三節(jié)軋機剛度軋機機架單向不可逆四輥冷軋機300噸重的唐鋼3.5m精軋機傳動側(cè)“牌坊”我國生產(chǎn)的最大軋機牌坊5米精軋機機架6輥軋機牌坊20輥、12輥軋機牌坊第一節(jié)機架的類型及主要參數(shù)機架的作用：①機架是軋鋼機工作機座中最大的部件；②機架承受軸承座傳來的全部軋制壓力，而且軋件尺寸精度要滿足規(guī)定要求，所以應(yīng)有足夠的強度和剛度；③機架由兩塊牌坊＋聯(lián)接兩塊牌坊的連接梁+位于牌坊窗口內(nèi)側(cè)的滑板等零部件組成，并通過軌座將其安裝在地基基礎(chǔ)上。安裝軋輥、軋輥軸承、軋輥調(diào)整裝置、導(dǎo)衛(wèi)裝置等工作機座中的全部零部件。一、類型由于牌坊是機架的主體部件，因此僅對牌坊的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和強度介紹。

（1）閉式機架：結(jié)構(gòu)：是一個整體的框架。大多是整體鑄造的。當(dāng)牌坊尺寸和重量太大，受到鑄造條件或運輸條件限制時，則采用電渣焊焊成。

優(yōu)點：具有較高的強度和剛度。加工相對簡單，便宜。

應(yīng)用：軋制力大的初軋機、鋼坯軋機；軋制力大并且軋制精度高的板帶軋機；精度高的小型軋機。

缺點：使用閉式牌坊的軋輥換輥時，軋輥沿軸向從牌坊的窗口中進(jìn)出。

圖是1700熱軋帶鋼連軋機精軋機座的機架結(jié)構(gòu)圖。兩片牌坊2和12的上部，通過箱形橫梁9用十二個M64的螺栓10聯(lián)接，并用鍵8定位。機架的下部則通過兩根橫梁15用十六個M64的螺栓13聯(lián)接。在換輥端的機架立柱上裝有支承輥軸向壓板11。整個機架用八個M150的螺栓3固定在軌座1上，兩個軌座1則各用八個M130的地腳螺栓固定在地基上。最大軋制力為25MN，考慮到軋制不銹鋼及發(fā)生卡鋼事故等情況，單片機架按承受最大軋制力20MN設(shè)計。每片機架130噸，機架總重327噸。（2）開式機架：組成：不是一個整體機架，是由機架本體和上蓋兩部分組成。優(yōu)點：換輥方便，只要上蓋打開，可以方便吊出或裝入。缺點：1）剛度較差；2）加工面較多，造價高。應(yīng)用范圍：橫列式軋機(由于受到相鄰機座和聯(lián)接軸的妨礙)聯(lián)接方式：影響開式機架剛度和換輥速度的主要關(guān)鍵是上蓋的聯(lián)接方式。常見的上蓋聯(lián)接方式有五種。

（2-1）螺栓聯(lián)接機架上蓋(上橫梁)用兩個螺栓與機架立柱聯(lián)接。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，缺點：1）因螺栓較長，變形較大，機架剛度較低。

2）換輥時拆裝螺母較費時。

（2-2）立銷和斜楔聯(lián)接換輥比螺栓聯(lián)接較方便。（2-3）套環(huán)和斜楔聯(lián)接取消了立柱和上蓋上的垂直銷孔，用套環(huán)代替螺栓或圓柱銷。套環(huán)的下端用橫銷鉸接在立柱上，套環(huán)上端用斜楔把上蓋和立柱連接起來。優(yōu)點1）換輥較為方便。2）由于套環(huán)的斷面可大于螺栓或圓柱銷，軋機剛性有所改善。（2-4）橫銷和斜楔聯(lián)接上蓋與立柱用橫銷聯(lián)接后，再用斜楔楔緊。優(yōu)點：是結(jié)構(gòu)簡單，聯(lián)接件變形較小。缺點：在楔緊力和沖擊力作用下，當(dāng)橫銷沿剪切斷面發(fā)生變形后，拆裝較為困難，使換輥時間延長。

（2-5）斜楔聯(lián)接（半閉式）

上蓋受力圖U型架受力圖優(yōu)點：1)上蓋彈跳值小。由于聯(lián)接件數(shù)量少、變形小，使上蓋彈跳值減少。

2)聯(lián)接件結(jié)構(gòu)簡單，聯(lián)接堅固。

3)機架立柱橫向變形小。在打緊斜楔后，機架立柱上部被斜楔和機蓋止口緊緊擠住，大大減小了立柱的橫向變形。（3）焊接機架（4）組合機架（5）預(yù)應(yīng)力機架預(yù)應(yīng)力機架：對機架施加預(yù)應(yīng)力，使軋制前就處于受力狀態(tài)。施加預(yù)應(yīng)力的方法很多，在開口式軋機中一般對機架立柱和機架蓋施加預(yù)應(yīng)力，如圖a所示，即在機架與立柱間加入一個帶螺絲扣的拉桿，上面旋有螺母，旋緊螺母就可以對整個機架施加一個壓力。在閉口式軋機或無牌坊軋機中，一般是在軸承座之間施加預(yù)應(yīng)力，在軸承座間對稱設(shè)置四個可調(diào)的頂桿(承受壓力)，作為預(yù)緊裝置或是在閉口式軋機的立柱內(nèi)孑L裝入尾端有螺紋的壓桿，旋動壓桿也可以產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，見圖中b所示。（5）預(yù)應(yīng)力機架預(yù)應(yīng)力機架：對機架施加預(yù)應(yīng)力，使軋制前就處于受力狀態(tài)。施加預(yù)應(yīng)力的方法很多，在開口式軋機中一般對機架立柱和機架蓋施加預(yù)應(yīng)力，如圖a所示，即在機架與立柱間加入一個帶螺絲扣的拉桿，上面旋有螺母，旋緊螺母就可以對整個機架施加一個壓力。在閉口式軋機或無牌坊軋機中，一般是在軸承座之間施加預(yù)應(yīng)力，在軸承座間對稱設(shè)置四個可調(diào)的頂桿(承受壓力)，作為預(yù)緊裝置或是在閉口式軋機的立柱內(nèi)孑L裝入尾端有螺紋的壓桿，旋動壓桿也可以產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，見圖中b所示。優(yōu)點：這種牌坊由于液壓螺母在未軋鋼前對牌坊已施加1.2～1.5倍軋制力的預(yù)應(yīng)力，因而在軋制時可減少牌坊的變形，提高軋件的精度。應(yīng)用：主要用于小型型鋼軋機和線材軋機上具有明顯的優(yōu)勢。二、主要參數(shù)的確定：窗口寬度、高度、立柱斷面積（1）窗口高度HH=A+d+2S+h+δA:上下軋輥中心矩最大值；d：輥徑直徑；S：軸承座徑向厚度；h-壓下螺絲調(diào)整量（上軋輥調(diào)整距離）；δ：安全臼等特殊裝置需要的高度。（2）窗口寬度B閉式機架:窗口寬度應(yīng)稍大于軋輥最大直徑,便于換輥;B=Dmax+Δ

開式機架:窗口寬度主要決定于軋輥軸承座寬度.B=軸承座寬度+Δ

四輥軋機機架窗口寬度一般為支承輥徑的1.15～1.30倍.

換輥側(cè)的機架窗口應(yīng)比傳動側(cè)窗口寬5～10mm.（3）立柱斷面尺寸機架立柱斷面尺寸對機架剛度影響較大。在現(xiàn)代板帶軋機上，為了提高軋件的軋制精度，有逐漸加大立柱斷面的趨勢。厚板軋機機架立柱斷面積已增至10000cm2；熱軋帶鋼軋機的機架立柱斷面積達(dá)7000cm2。常用立柱斷面形狀（1）近似正方形：慣性矩小，是用于受水平力不大的窄而高的閉式機架，如某些四輥軋機等。（2）工字、T形：慣性矩大，抗彎能力大，適用于受水平力較大的矮而短的閉式二輥軋機，如初軋機、板坯軋機等。（3）矩形：優(yōu)點同（2）。另外，如果機架要求剛度較大，機架立柱一般選此類型。長邊配置在沿軋制線方向，短邊配置在沿軋輥軸線方向。

立柱截面積根據(jù)強度條件確定。由于作用于軋輥輥頸和機架立柱的力相同，而輥頸中強度近似與其直徑（d)平方成正比,故機架斷面積與d有關(guān)。第二節(jié)閉式機架的強度計算

目的：

機架的牌坊是軋機的永久性零部件，因而對它的強度有很高的要求。在設(shè)計新軋機或?qū)εf軋機進(jìn)行強化軋制、擴大品種規(guī)格時，都必須對牌坊的強度進(jìn)行校核，并確保牌坊在軋輥折斷時不致產(chǎn)生塑性變形。計算方法：（1)實測法：電測法、光彈性實驗法——真應(yīng)力；（2）動態(tài)響應(yīng)計算：有限元、邊界元、板條元——真應(yīng)力場、應(yīng)變場；（3）材料力學(xué)粗算法——靜應(yīng)力按照材料力學(xué)方法計算機架強度步驟如下:①以機架各截面中性軸連線組成框架,將機架簡化成平面剛架;即以機架各斷面的中性軸的連線組成框架，近似地處理成直線或規(guī)整的圓弧線段，并確定求解斷面的位置；②確定外力的大小及作用點;③根據(jù)結(jié)構(gòu)和受力特點簡化模型,降低靜不定階數(shù);④根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件,用材料力學(xué)方法求解靜不定力;⑤根據(jù)計算截面的面積、慣性矩、承受彎矩、拉力大小,求出應(yīng)力,驗算強度.一、受力分析軋制中機架受力:①軋制力通過軸承、壓下螺絲、底座分別作用在機架上、下橫梁上;②軋件咬入或加、減速軋制時所產(chǎn)生的慣性力作用在機架立柱上;③帶張力軋制時,由前、后張力差引起的水平力作用于機架立柱上;④異徑軋制、異步軋制和單輥傳動的軋制方式,由于軋制力的傾斜而產(chǎn)生的水平分力作用于機架立柱上;⑤各種水平力所形成的傾翻力矩在機架下支撐面上所引起的反力.

簡單軋制帶張力軋制單輥驅(qū)動（下輥）上述各種作用力中，以軋制力為最大，其他相對較小，強度計算時一般忽略。因機架各截面形心位于同一平面,故,可把機架簡化為平面剛架.P——總軋制力R——作用在單片機架上的軋制力，（對板帶軋機,R=P/2）假設(shè)條件：簡單閉式機架（1）每片機架只在上下橫梁中間截面處作用有垂直力P，且在同一直線上。故不受傾翻力矩作用。（2）機架形狀上下左右對稱，故無需考慮上下橫梁慣性矩差引起的水平內(nèi)力；（3）上下橫梁和立柱轉(zhuǎn)角處是剛性的，即變形前后轉(zhuǎn)角不變。簡單閉式機架受力變形時,上、下橫梁中點撓角為零（a）,故,可將平面剛架進(jìn)一步簡化成懸臂支架(b),上橫梁中央截面作用有P1/2和靜不定力矩M0

.(c)M0計算簡圖及機架彎曲力矩圖二、靜不定力矩M0的計算根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件,M0應(yīng)保證上橫梁中央截面相對轉(zhuǎn)角為零.

則從變形協(xié)調(diào)條件θ=0出發(fā),即可求出靜不定力矩M0.M0計算簡圖及機架彎曲力矩圖

根據(jù)單位力法求變形(卡氏定理),可得:對于上、下橫梁:對于立柱:當(dāng)時,

式中,Mx為機架計算截面由力P1/2和M0產(chǎn)生的彎矩(N·mm);為單位力矩在計算截面產(chǎn)生的彎矩(N·mm/N·mm

);Ix為計算截面的慣性矩(mm4);E為機架材料的彈性模量(MPa);x為機架中心線至計算截面的水平距離(mm).將上述結(jié)果代入方程并積分,由上式積分求得靜不定力矩M0，式中,l1、l2為機架橫梁和立柱的軸線長度(mm);I1、I3、I2分別為機架上、下橫梁和立柱截面的慣性矩(mm4)。若上下橫梁截面相等,即I1=I3,則l1=B+2yc2l2=H+yc1+yc3P1=P/2三、閉式機架的彎矩圖上、下橫梁彎矩方程：立柱的彎矩M2：若上、下橫梁截面相等,即I1=I3,則四、閉式機架的強度校核（1）上、下橫梁受彎矩作用,橫梁中部外緣為危險截面,應(yīng)力為:

式中,σ1e、σ3e分別為上、下橫梁中部外緣拉應(yīng)力(MPa);Y1、Y3分別為上、下橫梁危險截面中性線距外緣距離(mm);W1e、W3e分別為上、下橫梁危險截面外緣的抗彎截面系數(shù)(mm3).（2）立柱受拉、彎組合變形,其內(nèi)側(cè)的合成拉應(yīng)力為:

式中,σ2i為立柱內(nèi)側(cè)合成拉應(yīng)力(MPa);Y2為立柱橫截面中性線距內(nèi)緣距離(mm);A2為立柱橫截面面積(mm2);W2i為立柱危險截面內(nèi)緣的抗彎截面系數(shù)(mm3).五、機架的材料及安全系數(shù)機架一般采用含碳量0.25%～0.40%ZG35,其強度極限σb為500～600MPa,屈服極限σs≥280MPa,伸長率δ為12%～16%,αK≥3.5×105N·m/m2.機架必須要有較大的強度儲備.機架安全系數(shù)為：通常,鑄鋼強度極限與屈服值比近似為2～2.5.當(dāng)軋輥安全系數(shù)為5時,機架安全系數(shù)取10～12.5.對于ZG35許用應(yīng)力[σ]采用以下數(shù)值：對于橫梁：[σ]≤70MPa；對于立柱：[σ]≤50MPa。

第三節(jié)軋機剛度一、軋機縱向剛度（1）軋機縱向剛度的概念軋制時產(chǎn)生的巨大軋制力,通過軋輥、軸承、壓下螺絲,最后傳遞到機架,由機架來承受.

軋機上所有這些受力部件都要產(chǎn)生彈性變形.

故,軋機受力時軋輥之間的實際間隙要比空載時為大.

將空載時軋輥間隙稱為理論原始輥縫

,把軋制時軋機輥縫彈性增大量稱為彈跳值。

用實際軋制過程中軋機彈-塑性曲線圖來了解軋制力變化對輥縫彈性增大量的影響.

縱坐標(biāo)表示軋制力P,橫坐標(biāo)表示軋輥開口度h.軋機彈性、塑性曲線(P-h)圖曲線斜率就是軋機的縱向剛性系數(shù),即,輥縫產(chǎn)生單位變化時,軋制力的增量,即：

式中,ΔP為軋制壓力的變化量(kN);Δf為彈跳值的改變量(mm);K為軋機剛度系數(shù)(kN/mm).

彈性變形曲線A與橫坐標(biāo)軸的交點,即為理論原始輥縫.

在軋制負(fù)荷較低時,有一非線性段,但在高負(fù)荷部分曲線斜率逐漸增加,趨于一固定值.

若軋機彈性變形曲線為一直線,則,軋出軋件厚度可用下式表示：

式中,h為軋件厚度(mm);f為軋機彈跳值(mm);S0為考慮預(yù)壓靠變形后的空載輥縫(mm).

在相同軋制力作用下,彈跳值越小,軋機剛性越好.

軋機剛性表示軋機抵抗彈性變形能力.

對于軋制薄板帶材有時即使采用預(yù)壓緊的辦法(如,軋機預(yù)壓靠力P0),軋機的彈跳值仍然大于其厚度,無法軋出較薄的板帶材.

軋機彈跳值大小將限制軋出軋件的最小厚度?。?）、軋機剛度的測定只要能測出對應(yīng)軋制壓力的軋機彈跳值,即可求出軋機剛性系數(shù).1）軋輥壓靠法增加一定壓靠量時,記錄下相應(yīng)的壓下調(diào)節(jié)量和軋制力,繪成縱坐標(biāo)為軋制力、橫坐標(biāo)為壓下調(diào)節(jié)量的關(guān)系曲線,即,軋機彈性曲線.—靜態(tài)剛度.由于兩軋輥間彈性壓扁與實際壓扁變形有區(qū)別,故,測量得到的軋制剛度大于實際剛度.2）軋制法保持輥縫一定時,用不同厚度軋件送入軋機,讀出軋制力,并測定軋制后軋件厚度,根據(jù)軋件厚度和原始輥縫的差值來確定軋機的彈跳值.

根據(jù)每一軋制壓力所對應(yīng)的彈跳值,可得到分段剛度,求平均值即可得到軋機剛度.—動態(tài)剛度.（3）、提高軋機縱向剛度的措施一般均希望盡可能增大軋機的剛性.提高軋機剛性可以從下面兩方面來采取措施.1）縮短軋機應(yīng)力回線長度在普通軋機中,軋機彈性變形f可近似用虎克定律來表示為各受力部件的變形之和.式中,E為軋機中零件的彈性模量(MPa);分別為上下橫梁、機架立柱、上輥軸承至上橫梁的長度、下輥軸承座高度(mm);分別為機架立柱、壓下螺絲、下輥軸承座的斷面積(mm2);I1為上下橫梁截面慣性矩(mm4);k為系數(shù).

在一定軋制力下,軋機彈性變形是受力零件長度和斷面積的函數(shù).

受力零件長度之和就是軋機應(yīng)力回線的長度,故,縮短軋機應(yīng)力回線長度,便能提高軋機剛性.

據(jù)此原理設(shè)計的軋機,稱為短應(yīng)力回線軋機.

可制成二輥、三輥、或四輥形式,用于型、線材、中厚板、直至板帶材軋機上.軋機的應(yīng)力回線a-有機架；b-無機架(短應(yīng)力線軋機)短應(yīng)力線軋機2）預(yù)應(yīng)力軋機若在軋制前對軋機施以預(yù)應(yīng)力,軋機在軋制時的變形量可大大減小,從而提高了軋機的剛性.

凡是未工作時就處于受力狀態(tài)的軋機,稱為預(yù)應(yīng)力軋機.

預(yù)應(yīng)力軋機目前主要用于連軋小型、線材、板帶材軋機.四輥液壓型閉式預(yù)應(yīng)力軋機（4）軋機剛度與軋件縱向厚度的關(guān)系軋機剛性對軋件縱向厚度有極為密切的關(guān)系.

影響縱向厚度精度的兩大因素:設(shè)備狀況變化;工藝因素波動.1)設(shè)備狀態(tài)變化時,軋機剛性與軋件縱向厚度精度的關(guān)系.

輥縫變化對板厚變化的影響:其中,稱為材料塑性剛度系數(shù).

其中,擾動影響系數(shù)為為了盡量減輕軋輥偏心、軸承油膜厚度波動等外擾量(輥縫變化)對軋件厚度的影響,應(yīng)采用剛性系數(shù)小的軋機!(2)工藝因素變化時,軋機剛性與軋件縱向厚度精度的關(guān)系.來料厚度、軋制溫度、摩擦系數(shù)、軋制速度、張力波動等,會引起軋制壓力變化.

僅由軋制力變化引起軋件厚度波動時,有：此時,擾動影響因素為.為了盡量減輕引起軋制力波動的工藝因素對軋件厚度的影響,應(yīng)采用剛性系數(shù)大的軋機!二、軋機橫向剛度（1）軋機橫向剛度概念板帶材橫向厚差、平直度與軋機橫向剛性密切相關(guān).

四輥軋機上,因支持輥的彎曲變形、支持輥與工作輥間不均勻接觸變形,使工作輥產(chǎn)生彎曲,軋出的板帶材沿板寬方向會出現(xiàn)厚差.

工作輥彎曲程度反映了軋機橫向剛性大小.

橫向剛度也是軋機抵抗橫向彈性變形的能力!

與縱向剛度不同的是,橫向剛度具有抵抗橫向彎曲變形的能力.Cp為軋機橫向剛性系數(shù)(kN/mm);P為軋制力(kN);δhb為板帶材中部與邊部的厚度差(mm).提高板帶材的平直度和縮小橫向厚差的途徑：①軋輥預(yù)先加工成凸形;②控制軋輥的熱凸度:用調(diào)節(jié)輥溫分布的方法來調(diào)整輥形;③機械彎輥:抵消軋輥軋制時的彎曲變形;④新型軋機,改善軋件平直度.

板帶材軋機中,廣泛采用各種板形控制軋機,配合液壓彎輥,對軋輥凸度進(jìn)行有效控制.四輥軋機軋輥變形情況比較a-一般四輥軋機；b-HC軋機（2）軋輥的輥型調(diào)節(jié)1）液壓彎輥裝置可分為三種類型：正彎工作輥下工作輥軸承座上裝有液壓缸,使上下工作輥軸承座間作用有彎輥力F.

彎輥力作用方向與軋制力同向,它對工作輥彎曲與軋制力引起的彎曲方向相反.

它使軋制時工作輥撓度減小—減小工作輥撓度的方法.四輥軋機彎輥受力圖a-正彎工作輥；b-負(fù)彎工作輥；c-正彎支持輥★★負(fù)彎工作輥工作輥軸承座和支承輥軸承座間裝上液壓缸,使其間作用有彎輥力F.

對工作輥來說,彎輥力作用方向與軋制力反向,它對工作輥的彎曲與軋制力引起的彎曲方向相同.

它使軋制時工作輥撓度增加—增加工作輥撓度的方法.四輥軋機彎輥受力圖a-正彎工作輥；b-負(fù)彎工作輥；c-正彎支持輥★彎曲支持輥

支持輥外伸輥頭上裝有液壓缸,使上下支持輥間作用有彎輥力F.

彎輥力作用方向與軋制力同向,對支持輥的彎曲與軋制力引起的彎曲方向相反,也稱正彎支持輥.

負(fù)彎工作輥效果較好,所需彎輥力也小,設(shè)備結(jié)構(gòu)也簡單.

彎曲工作輥調(diào)節(jié)靈敏度高.普通四輥軋機上以彎曲工作輥居多;

寬板帶軋機以彎曲支持輥效果為好.四輥軋機彎輥受力圖a-正彎工作輥；b-負(fù)彎工作輥；c-正彎支持輥2）UPC軋機德國西馬克和德馬克公司分別開發(fā)出工作輥橫移式UPC和CVC軋機.

二者工作原理相同.UPC軋輥呈雪茄形:沿整個輥身長度磨成偏離輥身中央凸度漸變的形狀;輥身最大直徑位于離輥身中央e處.上下工作輥反向配置,并可做相對的軸向移動;不同移動位置可形成不同的輥縫形狀;從而,可適應(yīng)較大范圍的板形控制.UPC軋機原理示意圖e-偏心值；S-移動行程3）CVC軋機CVC軋輥原理

CVC輥身曲線呈S形.

兩個形狀相同的軋輥相互倒置1800配置.

經(jīng)兩軋輥沿相反方向?qū)ΨQ移動,輥縫凸度可連續(xù)由最小值變到最大值;故,控制板形能力很強.

廣泛用于熱軋、冷軋板帶材中.CVC軋輥凸度控制原理a-零凸度；b-正凸度；c-負(fù)凸度4）HC軋機20世紀(jì)70年代由日立公司研制.六輥軋機:在四輥軋機工作輥和支承輥間增加軸向上可做相反移動的中間