2030五機架冷連軋機壓下規(guī)程及機架設(shè)計項目報告學 院：機械工程學院班 級： 組 員： 指導教師：謝紅飆 張立剛燕山大學專業(yè)綜合訓練（論文）任務書院（系）： 機械工程學院 基層教學單位：冶金系 小組成員 設(shè)計題目2030五機架冷連軋機組壓下規(guī)程設(shè)計及F1機座機架設(shè)計與分析設(shè)計技術(shù)參數(shù)1、原料： 1.0mm2.5mm1850mm；產(chǎn)品：0.20.5mm1850；材質(zhì)：Q235、Q195、合金鋼（20Cr）2、軋制速度v=13m/s;3、開卷機最大張力10噸，卷取機最大張力25噸設(shè)計要求1、制定軋制規(guī)程：計算道次壓下量，壓下率，軋制力，軋制力矩；2、根據(jù)要求畫機架三維圖，并對機架進行有限元分析；3、給出機架的工程圖4、完成一份不少于5000字的說明書工作量1、完成工程圖至少1張；2、完成設(shè)計計算說明書包括有限元分析報告；3、查閱文獻5篇以上。工作計劃1、12.2 準備參考資料；2、12.312.15 計算；畫草圖；3、12.16 中期檢查；4、12.1712.25 畫三維圖，出工程圖，分析，寫說明書；5、12.26、27 考核答辯；參考資料1、王海文主編 軋鋼機械設(shè)計 機械工業(yè)出版社 1986.62、王廷溥主編 金屬塑性加工學 冶金工業(yè)出版社 1988.53、機械設(shè)計手冊 機械工業(yè)出版社 2002.4、曹鴻德 主編塑性變形力學基礎(chǔ)與軋制原理 機械工業(yè)出版社5、劉相華等著軋制參數(shù)計算模型及其應用 化學工業(yè)出版社 2007指導教師張立剛、謝紅飆基層教學單位主任（簽字）目錄一、前言.4二、原料及成品尺寸.4三、軋輥尺寸的預設(shè)定.4四、壓下規(guī)程制定.54.1、壓下規(guī)程制定的原則及要求.54.2、壓下規(guī)程預設(shè)定.5五、軋制力能參數(shù)計算.75.1確定變形抗力.75.2確定前后張力.85.3單位平均壓力及軋制力的計算.95.4軋制力矩的計算.11六、機架參數(shù)的設(shè)計.136.1窗口寬度的計算.136.2機架窗口高度H.136.3機架立柱的斷面尺寸.13七、機架強度和剛度的校核.15八、心得體會.17參考文獻.19一、 前言冷軋方法生產(chǎn)帶鋼相對于熱軋方法有許多優(yōu)點，例如：帶鋼的板厚和板形精度高，表面質(zhì)量好，力學性能好等，冷軋帶鋼比熱軋帶鋼的用途更為廣泛。冷軋帶鋼生產(chǎn)的帶鋼的厚度范圍為0.013.5mm，最薄可達到0.001mm。帶鋼生產(chǎn)的軋機機型主要有兩種：連續(xù)式帶鋼冷軋機和可逆式帶鋼冷軋機。本設(shè)計題目為2030五機架冷連軋機，主要針對不同的材質(zhì)及不同的原料厚度和不同的成品厚度制定相應的壓下規(guī)程及進行機架的參數(shù)的設(shè)計計算及校核。二、 原料及成品尺寸Q235 來料尺寸1.5mm1850mm 成品尺寸0.5mm1850mmQ195 來料尺寸1.0mm1850mm 成品尺寸0.3mm1850mm20Cr 來料尺寸1.2mm1850mm 成品尺寸0.4mm1850mm三、軋輥尺寸的設(shè)定設(shè)計課題為“2030五機架冷連軋機組壓下規(guī)程設(shè)計及F1機座機架設(shè)計與分析”，則工作輥的輥身長度 L=2030mm，輥身長度確定后即可根據(jù)經(jīng)驗比例值法確定軋輥直徑，精軋機座設(shè)計時 其中L為輥身長度，為工作輥直徑，為支承輥直徑。取L/D1=2.6 D2/D1=2.7 圓整可取D1=780 D2=2110四、壓下規(guī)程制定4.1、壓下規(guī)程制定的原則及要求壓下規(guī)程設(shè)計的主要任務是確定由一定來料厚度的板坯經(jīng)過幾個道次后軋制成為用戶所需求的，滿足用戶要求的板帶產(chǎn)品。在此過程中確定所需采用的軋制方法，軋制道次及每個道次壓下量的大小，在操作上就是要確定各道次輥縫的位置和轉(zhuǎn)速。因此，還要涉及到各道次的軋制速度，軋制溫度，前后張力及道次壓下量的合理分配。在此過程中，主要考慮設(shè)備能力和產(chǎn)品質(zhì)量，設(shè)備能力主要包括咬入條件，軋輥強度和電機功率三個要素，而產(chǎn)品質(zhì)量主要包括幾何精度和力學性能。壓下規(guī)程制定的原則：在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，充分發(fā)揮軋機的設(shè)備生產(chǎn)能力，達到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。壓下規(guī)程制定的方法及步驟如下：1）為提高熱軋帶鋼的幾何尺寸精度和表面質(zhì)量，最后一架機座的相對壓下量要取得比較小，一般取10%15%。2）為保證金相組織和力學性能，要保證終軋溫度。3）負荷的合理分配是制定精軋機組壓下規(guī)程的關(guān)鍵，它直接影響到生產(chǎn)的穩(wěn)定性和產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。分配方法有：對數(shù)伸長率法，能耗曲線法，按最大生產(chǎn)率或最佳質(zhì)量的目標函數(shù)優(yōu)化法，動態(tài)規(guī)劃法，專家系統(tǒng)分配法。制定精軋機組壓下規(guī)程除合理的分配各工作機座的壓下量外，還需要給出各機座的速度分配和計算各機座的溫度變化。4.2、壓下規(guī)程預設(shè)定 =：壓下率：軋前厚度 mm：軋后厚度 mm: 絕對壓下量 mm五機架冷連軋機組的道次壓下率分配參考分配比表機架號12345參考分配比（%）322620148根據(jù)上表初步制定壓下規(guī)程：表1 Q235壓下規(guī)程設(shè)計道次012345壓下量h 單位mm0.370.290.2050.0950.04出口厚度h 單位mm1.51.130.840.6350.540.5壓下率24.70%25.70%24.40%15.00%7.40%表2 Q195壓下規(guī)程設(shè)計道次012345壓下量h 單位mm0.270.210.130.060.03出口厚度h 單位mm1.00.730.520.390.330.3壓下率27.00%28.77%25.00%15.38%9.09%表3 20Cr壓下規(guī)程設(shè)計道次012345壓下量h 單位mm0. 30.230.170.070.03出口厚度h 單位mm1.20.90.670.500.430.4壓下率25.00%25.56%25.37%14.00%6.98%五、軋制力能參數(shù)計算5.1確定變形抗力經(jīng)過查閱資料，可以得到計算冷軋過程中Q235、Q195、20Cr的變形抗力公式。對于Q235變形抗力計算公式為：對于Q195變形抗力計算公式為：對于20Cr變形抗力計算公式為：經(jīng)過計算可以得到各道次三種材料的變形抗力如表4：表4 變形抗力表（單位Mpa）第一道次第二道次第三道次第四道次第五道次Q235394.952399.990393.428342.287294.307Q195324.299328.394319.411290.617263.28620Cr580.911584.240583.153499.618416.8645.2確定前后張力采用較大的軋制張力是冷軋帶鋼的特點之一，采用張力軋制的優(yōu)點如下：（1）張力的拉伸作用會改變軋制時金屬的應力狀態(tài)，有利于金屬的塑形變形，降低變形抗力；（2）張力有利于減少軋件厚度，控制張力可以在一定范圍內(nèi)控制帶鋼厚度；（3）張力在一定程度上改善半板形；（4）張力軋制可以防止帶鋼在軋制過程中跑偏；（5）張力卷曲可以使帶卷卷的更緊密、整齊。軋制張應力大小在不超過屈服極限的范圍內(nèi)選擇，一般?。?.10.6）s。軋制帶材越薄，變形抗力越大，張應力應取較大值。但成品道次考慮到斷帶和罩式退火爐的粘卷問題，張應力不能取較大值，一般取50MPa。具體三種材料的張力數(shù)值見表5。表5 各道次的張力數(shù)值（單位t，前張力T1，后張力T0）第一道次第二道次第三道次第四道次第五道次T0T1T0T1T0T1T0T1T0T1Q2355101015151818171716Q195515152222202017171520Cr5101015151818171716所確定數(shù)值均滿足設(shè)計要求，即開卷機最大張力10噸，卷取機最大張力25噸。5.3單位平均壓力及軋制力的計算斯通在研究冷軋薄板的平均單位壓力計算問題時，考慮到軋輥直徑與板厚之比甚大，另外，由于冷軋時軋制壓力較大，軋輥發(fā)生顯著地彈性壓扁現(xiàn)象，近似的將薄板的冷軋過程看作為平行平板間的壓縮。斯通公式：公式中的l值，應以考慮軋輥彈性壓縮的變形區(qū)長度l帶入。（赫希柯克公式）式中，x0為在載荷不變的情況下軋輥間直接接觸時的接觸寬度的一半。L和l需要進行不斷地迭代計算，直到計算出的與上次計算出的之間的誤差不超過0.001。進行人工迭代計算繁瑣且易出錯，所以采取編程計算得方法。編程時使用Visual Basic進行，具體代碼為：Dim r#, h1#, h2#, l#, k2#, o#, x#, p0#, p1#r = Val(Text1.Text) 軋輥半徑h1 = Val(Text2.Text) 壓下量h2 = Val(Text3.Text) 平均厚度l = Val(Text4.Text) 變形區(qū)長度k2 = Val(Text5.Text) 變形抗力2ko = Val(Text6.Text) 平均水平法應力Don = n + 1p = (k2 - o) * (Exp(0.05 * l / h2) - 1) / (0.05 * l / h2) 斯通公式x = 8 * r * p * 1.58 * 10 -6 赫?？驴斯街衳的求法p0 = p * l * 900 / 1000000p1 = p0l = Sqr(r * h1 + x 2) + xp0 = p * l * 900 / 1000000Loop Until Abs(p1 - p0) / p0 < 0.001Text7.Text = lText8.Text = p 斯通公式Text9.Text = p0 計算軋制力Print nEnd Sub具體程序截圖如下：原始數(shù)據(jù)從表格中讀取，計算得出的單位平均壓力、接觸區(qū)弧長和總的軋制力直接在表格中進行輸出，大大的減少了工作量。5.4軋制力矩的計算現(xiàn)代化的連續(xù)式軋機多是驅(qū)動工作輥，隨著軋制速度的不斷提高，為了省去后面幾個機座傳動系統(tǒng)的增速裝置，有時亦采用由電動機直接驅(qū)動支承輥的方案。此外，當工作輥直徑很小時，軋輥軸頭承受不了軋制力矩，亦需驅(qū)動支承輥。本設(shè)計采用驅(qū)動工作輥的方式。傳動軋輥所需力矩為軋制力矩MZ，由工作輥帶動支承輥的力矩MR與工作輥軸承中摩擦力矩Mf1三部分之和，即：MK=MZ+MR+Mf1 其中，由于由工作輥帶動支承輥的力矩MR與工作輥軸承中摩擦力矩Mf1之和較小，相對于軋制力矩MZ來說可以忽略不計。直接計算軋制力矩MZ即可。軋制力矩的計算公式如下：MZ=Pa式中，P表示軋制力；a表示軋制力力臂，其大小與軋制力作用點及前后張力的大小有關(guān)。當T1>T0時，；當T1<T0時，；當T1=T0時，其中：D1為工作輥直徑；為不考慮張力時軋制力作用點對應的軋輥中心角；為前后張力對軋制力方向影響的偏轉(zhuǎn)角。當T1>T0時，；當T1<T0時，。具體的計算數(shù)值見表6。表6 各道次的軋制力矩（單位N*m）第一道次第二道次第三道次第四道次第五道次Q23537797.8831729.3322264.257022.4781647.066Q19522410.1115674.086115.123030.281300.2220Cr60901.2152518.6343499.7910984.102765.83六、機架參數(shù)的設(shè)計軋鋼機機架是工作機座的重要部件，軋輥軸承座及軋輥調(diào)整裝置等都安裝在機架上。機架要承受軋制力，必須有足夠的強度和剛度。根據(jù)軋鋼機型式和工作要求，軋鋼機機架分為閉式和開式兩種。閉式機架是一個整體框架，具有較高強度和剛度，主要用于軋制力比較大的初軋機、板坯軋機和板帶軋機等，在換輥時軋輥延其軸線方向從機架窗口中抽出或裝入，一般都設(shè)有專用的換輥裝置。開式機架由機架本體和上蓋兩部分組成，主要用在橫列式型鋼軋機上，主要優(yōu)點是換輥方便。綜上所述，本設(shè)計采用閉式機架。機架的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括窗口寬度、窗口高度和機架立柱的斷面尺寸6.1窗口寬度的計算四輥軋機機架窗口寬度一般為支承輥直徑的1.151.30倍。為換輥方便換輥側(cè)的機架窗口應比傳動側(cè)窗口寬510mm，本次設(shè)計選取窗口寬度B=2532mm。6.2機架窗口高度H對于四輥液壓壓下軋機，可取H=（4.04.2）（D1+D2）故取H=9248式中D1、D2工作輥、支承輥直徑，mm。6.3機架立柱的斷面尺寸機架立柱的斷面尺寸是根據(jù)強度條件確定的。由于作用于軋輥輥頸和機架立柱上的力相同，而輥頸強度近似地與其直徑平方()成正比，故機架立柱的斷面積()與軋輥輥頸（對于四輥軋機則是支承輥輥頸）的直徑平方()有關(guān)。在設(shè)計時，可根據(jù)比值(F/d2)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)確定機架立柱斷面積，再進行機架強度驗算。根據(jù)軋輥材料和軋鋼機類型，比值F/d2=1.01.2，可取F=1562500mm2。取機架立柱的斷面形狀:a、方形斷面b、長方形斷面、c、工字形斷面d、T字形斷面。查手冊可知一般四輥軋機選擇正方形斷面。故可得到斷面邊長為a=1250mm。其余尺寸根據(jù)老師給定的參考圖以及手冊中相關(guān)軋機機架的數(shù)據(jù)試給定，可以設(shè)計得到機架，具體二維工程圖見附圖，三維圖如下圖所示：七、 機架強度和剛度的校核由于機架式軋機中最貴重和最重要的零件，必須具較大的強度儲備。一般機架的系數(shù)不小于10，對于ZG270-500來說，橫梁的許用應力小于5070MPa，立柱的許用應力應小于4050MPa。此外，對于冷軋鋼板軋機，機架的允許變形為0.40.5mm。由于機架的重要性及其結(jié)構(gòu)復雜，在設(shè)計時采用了彈性力學有限單元法來進行計算。用這種方法進行計算，不但計算結(jié)果精確，還可以求出機架完整的應力場及應變場。為獲得合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以保證應力均勻，變形最小，還可以對機架圓角等處進行最優(yōu)化設(shè)計。有限單元法是根據(jù)變分原理（或虛功原理）求解數(shù)學、物理問題的一種數(shù)值解法。一般可將機架簡化為二維應力分析和三維應力分析問題，將彈性連續(xù)體（機架）離散為有限個單元組成的集合體。本次采用ansys軟件進行機架受力及變形的分析。具體的分析結(jié)果如下：首先先簡化結(jié)構(gòu)，并且取機架的一半進行分析，如圖劃分單元網(wǎng)格：給機架施加載荷和位移約束，計算，可以得到y(tǒng)方向的變形如下圖：橫梁部分的米塞斯應力云圖為：立柱部分米塞斯應力云圖為：由上述分析結(jié)果可知，橫梁處的最大等效應力為20.53MPa，小于等于50MPa，強度條件符合要求；立柱除的最大等效應力為5.12MPa，強度條件符合要求；機架的彈性變形量為0.31710-3mm，在允許變形范圍之內(nèi)。綜上所述，本次設(shè)計完成的機架強度、變形完全符合要求，可以應用。八、心得體會經(jīng)歷了將近一個月的課程設(shè)計，使我們學會了很多東西，認識到了團隊合作的重要性。由于有上次進行輥系設(shè)計的經(jīng)驗，我們從一開始就能很好的進行設(shè)計日程的安排。在進行軋制力計算得時候，由于變形抗力的大小需要查表，這為以后的調(diào)試工作增加了很大的困難，為了更加精確和簡化后續(xù)工作，我們沒有采取圖表的方法查取變形抗力，而是利用各種參考書等工具查取各種材料的變形抗力的回歸模型。雖然在查取回歸模型的時候浪費了一些時間，但是這樣使以后的調(diào)試工作變得極其簡便。在計算平均單位壓力的時候，由于需要不斷地進行迭代計算，這就使手工計算變得極其繁瑣，為了簡化工作，我們采用了編程的方式，并且將編程和excel表格結(jié)合起來，使迭代計算求解變得極其簡便。在整個設(shè)計的過程中，我們力爭做到每一個數(shù)據(jù)都有可靠地來源，不斷地翻閱參考資料，漸漸地培養(yǎng)了我們查閱資料的能力。在計算結(jié)束后采用等功率原則對不合理的規(guī)程進行了調(diào)試。在后期畫圖的過程中，我們雖然有老師給的例圖，但是有很多不理解的地方，但是經(jīng)過思考，尋味老師以及網(wǎng)上查閱，又學到了很多的知識。 通過這次課程設(shè)計，使我明白了很多，以前學到的知識也進行了鞏固，尤其是用vb語言進行編程的時候，終于在實踐中的到了具體的應用。也認識到自己以前學到的知識在實踐中有很多的不足，知道了以后具體的努力方向。最后，衷心的感謝每一位指導老師，有了他們的細心指導，才有我們最后的成果，謝謝老師。參考文獻1、許石民,孫登月主編.板帶材生產(chǎn)工藝及設(shè)備.冶金工業(yè)出版社2、鄒家祥主編,軋鋼機械.冶金工業(yè)出版社3、王海文主編.軋鋼機械設(shè)計.冶金工業(yè)出版社4、軋機軸承5、曹鴻德主編,塑性變形力學基礎(chǔ)與軋制原理.機械工業(yè)出版社6、劉相華著 ,軋制參數(shù)計算模型及其應用.機械工業(yè)出版社7、羅朝勝主編.visual basic 6.0 程序設(shè)計實用教程.清華大學出版社8、張文志主編.機械結(jié)構(gòu)有限元分析.哈爾濱工業(yè)大學出版社9、王廷溥主編.金屬塑性加工學.冶金工業(yè)出版社10、機械設(shè)計手冊.機械工業(yè)出版社11、邵曉榮,張艷主編.互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ).中國標準出版社