燕山大学五机架冷连轧机压下规程及机架设计项目报告剖析.docx

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燕山大学五机架冷连轧机压下规程及机架设计项目报告剖析

2030五机架冷连轧机压下规程及机架设计项目报告

学院：

机械工程学院

班级：

组员：

指导教师：

谢红飙张立刚

燕山大学专业综合训练（论文）任务书

院（系）：

机械工程学院基层教学单位：

冶金系

小组成员

设计题目

2030五机架冷连轧机组压下规程设计及F1机座机架设计与分析

设

计

技

术

参

数

1、原料：

1.0mm—2.5mm×1850mm；产品：

0.2—0.5mm×1850；

材质：

Q235、Q195、合金钢（20Cr）

2、轧制速度v=13m/s;

3、开卷机最大张力10吨，卷取机最大张力25吨

设

计

要

求

1、制定轧制规程：

计算道次压下量，压下率，轧制力，轧制力矩；

2、根据要求画机架三维图，并对机架进行有限元分析；

3、给出机架的工程图

4、完成一份不少于5000字的说明书

工

作

量

1、完成工程图至少1张；

2、完成设计计算说明书包括有限元分析报告；

3、查阅文献5篇以上。

工

作

计

划

1、12.2准备参考资料；

2、12.3～12.15计算；画草图；

3、12.16中期检查；

4、12.17～12.25画三维图，出工程图，分析，写说明书；

5、12.26、27考核答辩；

参

考

资

料

1、王海文主编《轧钢机械设计》机械工业出版社1986.6

2、王廷溥主编《金属塑性加工学》冶金工业出版社1988.5

3、《机械设计手册》机械工业出版社2002.

4、曹鸿德主编《塑性变形力学基础与轧制原理》机械工业出版社

5、刘相华等著《轧制参数计算模型及其应用》化学工业出版社2007

指导教师

张立刚、谢红飙

基层教学单位主任

（签字）

一、前言………………………………………………………………………...4

二、原料及成品尺寸……………………………………………………….…..4

三、轧辊尺寸的预设定…………………………………………………….…..4

四、压下规程制定……………………………………………………….……..5

4.1、压下规程制定的原则及要求……………………………………….……….5

4.2、压下规程预设定.……………………………………………………..…….5

五、轧制力能参数计算……………………………………………….………..7

5.1确定变形抗力………………………………………………………………...7

5.2确定前后张力……………………………………………...……………...….8

5.3单位平均压力及轧制力的计算…………………………...…………………..9

5.4轧制力矩的计算……………………………………………………………..11

六、机架参数的设计…………………………………………………………..13

6.1窗口宽度的计算……………………………………………………………..13

6.2机架窗口高度H……………………………………………………………..13

6.3机架立柱的断面尺寸…………………………….…………………………..13

七、机架强度和刚度的校核…………………………………………………..15

八、心得体会…………………………………………………………………..17

参考文献………………………………………………………………………..19

一、前言

冷轧方法生产带钢相对于热轧方法有许多优点，例如：

带钢的板厚和板形精度高，表面质量好，力学性能好等，冷轧带钢比热轧带钢的用途更为广泛。

冷轧带钢生产的带钢的厚度范围为0.01～3.5mm，最薄可达到0.001mm。

带钢生产的轧机机型主要有两种：

连续式带钢冷轧机和可逆式带钢冷轧机。

本设计题目为2030五机架冷连轧机，主要针对不同的材质及不同的原料厚度和不同的成品厚度制定相应的压下规程及进行机架的参数的设计计算及校核。

二、原料及成品尺寸

Q235来料尺寸1.5mm×1850mm

成品尺寸0.5mm×1850mm

Q195来料尺寸1.0mm×1850mm

成品尺寸0.3mm×1850mm

20Cr来料尺寸1.2mm×1850mm

成品尺寸0.4mm×1850mm

三、轧辊尺寸的设定

设计课题为“2030五机架冷连轧机组压下规程设计及F1机座机架设计与分析”，则工作辊的辊身长度L=2030mm，辊身长度确定后即可根据经验比例值法确定轧辊直径，精轧机座设计时

其中L为辊身长度，

为工作辊直径，

为支承辊直径。

取L/D1=2.6D2/D1=2.7圆整可取D1=780D2=2110

四、压下规程制定

4.1、压下规程制定的原则及要求

压下规程设计的主要任务是确定由一定来料厚度的板坯经过几个道次后轧制成为用户所需求的，满足用户要求的板带产品。

在此过程中确定所需采用的轧制方法，轧制道次及每个道次压下量的大小，在操作上就是要确定各道次辊缝的位置和转速。

因此，还要涉及到各道次的轧制速度，轧制温度，前后张力及道次压下量的合理分配。

在此过程中，主要考虑设备能力和产品质量，设备能力主要包括咬入条件，轧辊强度和电机功率三个要素，而产品质量主要包括几何精度和力学性能。

压下规程制定的原则：

在保证产品质量的前提下，充分发挥轧机的设备生产能力，达到优质高产。

压下规程制定的方法及步骤如下：

1）为提高热轧带钢的几何尺寸精度和表面质量，最后一架机座的相对压下量要取得比较小，一般取10%——15%。

2）为保证金相组织和力学性能，要保证终轧温度。

3）负荷的合理分配是制定精轧机组压下规程的关键，它直接影响到生产的稳定性和产品的产量和质量。

分配方法有：

对数伸长率法，能耗曲线法，按最大生产率或最佳质量的目标函数优化法，动态规划法，专家系统分配法。

制定精轧机组压下规程除合理的分配各工作机座的压下量外，还需要给出各机座的速度分配和计算各机座的温度变化。

4.2、压下规程预设定

ε=

=

ε：

压下率

：

轧前厚度mm

：

轧后厚度mm

:

绝对压下量mm

五机架冷连轧机组的道次压下率分配参考分配比表

机架号

1

2

3

4

5

参考分配比（%）

32

26

20

14

8

根据上表初步制定压下规程：

表1Q235压下规程设计

道次

0

1

2

3

4

5

压下量△h单位mm

0.37

0.29

0.205

0.095

0.04

出口厚度h单位mm

1.5

1.13

0.84

0.635

0.54

0.5

压下率ε

24.70%

25.70%

24.40%

15.00%

7.40%

表2Q195压下规程设计

道次

0

1

2

3

4

5

压下量△h单位mm

0.27

0.21

0.13

0.06

0.03

出口厚度h单位mm

1.0

0.73

0.52

0.39

0.33

0.3

压下率ε

27.00%

28.77%

25.00%

15.38%

9.09%

表320Cr压下规程设计

道次

0

1

2

3

4

5

压下量△h单位mm

0.3

0.23

0.17

0.07

0.03

出口厚度h单位mm

1.2

0.9

0.67

0.50

0.43

0.4

压下率ε

25.00%

25.56%

25.37%

14.00%

6.98%

五、轧制力能参数计算

5.1确定变形抗力

经过查阅资料，可以得到计算冷轧过程中Q235、Q195、20Cr的变形抗力公式。

对于Q235变形抗力计算公式为：

对于Q195变形抗力计算公式为：

对于20Cr变形抗力计算公式为：

经过计算可以得到各道次三种材料的变形抗力如表4：

表4变形抗力表（单位Mpa）

第一道次

第二道次

第三道次

第四道次

第五道次

Q235

394.952

399.990

393.428

342.287

294.307

Q195

324.299

328.394

319.411

290.617

263.286

20Cr

580.911

584.240

583.153

499.618

416.864

5.2确定前后张力

采用较大的轧制张力是冷轧带钢的特点之一，采用张力轧制的优点如下：

（1）张力的拉伸作用会改变轧制时金属的应力状态，有利于金属的塑形变形，降低变形抗力；

（2）张力有利于减少轧件厚度，控制张力可以在一定范围内控制带钢厚度；（3）张力在一定程度上改善半板形；（4）张力轧制可以防止带钢在轧制过程中跑偏；（5）张力卷曲可以使带卷卷的更紧密、整齐。

轧制张应力大小在不超过屈服极限的范围内选择，一般取（0.1～0.6）σs。

轧制带材越薄，变形抗力越大，张应力应取较大值。

但成品道次考虑到断带和罩式退火炉的粘卷问题，张应力不能取较大值，一般取50MPa。

具体三种材料的张力数值见表5。

表5各道次的张力数值（单位t，前张力T1，后张力T0）

第一道次

第二道次

第三道次

第四道次

第五道次

T0

T1

T0

T1

T0

T1

T0

T1

T0

T1

Q235

5

10

10

15

15

18

18

17

17

16

Q195

5

15

15

22

22

20

20

17

17

15

20Cr

5

10

10

15

15

18

18

17

17

16

所确定数值均满足设计要求，即开卷机最大张力10吨，卷取机最大张力25吨。

5.3单位平均压力及轧制力的计算

斯通在研究冷轧薄板的平均单位压力计算问题时，考虑到轧辊直径与板厚之比甚大，另外，由于冷轧时轧制压力较大，轧辊发生显著地弹性压扁现象，近似的将薄板的冷轧过程看作为平行平板间的压缩。

斯通公式：

公式中的l值，应以考虑轧辊弹性压缩的变形区长度l'带入。

（赫希柯克公式）

式中，x0为在载荷不变的情况下轧辊间直接接触时的接触宽度的一半。

L和l'需要进行不断地迭代计算，直到计算出的

与上次计算出的

之间的误差不超过0.001。

进行人工迭代计算繁琐且易出错，所以采取编程计算得方法。

编程时使用VisualBasic进行，具体代码为：

Dimr#,h1#,h2#,l#,k2#,o#,x#,p0#,p1#

r=Val（Text1.Text）'轧辊半径

h1=Val（Text2.Text）'压下量

h2=Val（Text3.Text）'平均厚度

l=Val（Text4.Text）'变形区长度

k2=Val（Text5.Text）'变形抗力2k

o=Val（Text6.Text）'平均水平法应力

Do

n=n+1

p=（k2-o）*（（Exp（0.05*l/h2）-1）/（0.05*l/h2））'斯通公式

x=8*r*p*1.58*10^-6'赫希柯克公式中x的求法

p0=p*l*900/1000000

p1=p0

l=Sqr（r*h1+x^2）+x

p0=p*l*900/1000000

LoopUntilAbs（p1-p0）/p0<0.001

Text7.Text=l

Text8.Text=p'斯通公式

Text9.Text=p0'计算轧制力

Printn

EndSub

具体程序截图如下：

原始数据从表格中读取，计算得出的单位平均压力、接触区弧长和总的轧制力直接在表格中进行输出，大大的减少了工作量。

5.4轧制力矩的计算

现代化的连续式轧机多是驱动工作辊，随着轧制速度的不断提高，为了省去后面几个机座传动系统的增速装置，有时亦采用由电动机直接驱动支承辊的方案。

此外，当工作辊直径很小时，轧辊轴头承受不了轧制力矩，亦需驱动支承辊。

本设计采用驱动工作辊的方式。

传动轧辊所需力矩为轧制力矩MZ，由工作辊带动支承辊的力矩MR与工作辊轴承中摩擦力矩Mf1三部分之和，即：

MK=MZ+MR+Mf1

其中，由于由工作辊带动支承辊的力矩MR与工作辊轴承中摩擦力矩Mf1之和较小，相对于轧制力矩MZ来说可以忽略不计。

直接计算轧制力矩MZ即可。

轧制力矩的计算公式如下：

MZ=Pa

式中，P表示轧制力；a表示轧制力力臂，其大小与轧制力作用点及前后张力的大小有关。

当T1>T0时，

；当T1

；当T1=T0时，

，其中：

D1为工作辊直径；β为不考虑张力时轧制力作用点对应的轧辊中心角；

为前后张力对轧制力方向影响的偏转角。

当T1>T0时，

；当T1

。

具体的计算数值见表6。

表6各道次的轧制力矩（单位N*m）

第一道次

第二道次

第三道次

第四道次

第五道次

Q235

37797.88

31729.33

22264.25

7022.478

1647.066

Q195

22410.11

15674.08

6115.12

3030.28

1300.22

20Cr

60901.21

52518.63

43499.79

10984.10

2765.83

六、机架参数的设计

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。

机架要承受轧制力，必须有足够的强度和刚度。

根据轧钢机型式和工作要求，轧钢机机架分为闭式和开式两种。

闭式机架是一个整体框架，具有较高强度和刚度，主要用于轧制力比较大的初轧机、板坯轧机和板带轧机等，在换辊时轧辊延其轴线方向从机架窗口中抽出或装入，一般都设有专用的换辊装置。

开式机架由机架本体和上盖两部分组成，主要用在横列式型钢轧机上，主要优点是换辊方便。

综上所述，本设计采用闭式机架。

机架的主要结构参数包括窗口宽度、窗口高度和机架立柱的断面尺寸

6.1窗口宽度的计算

四辊轧机机架窗口宽度一般为支承辊直径的1.15～1.30倍。

为换辊方便换辊侧的机架窗口应比传动侧窗口宽5～10mm，本次设计选取窗口宽度B=2532mm。

6.2机架窗口高度H

对于四辊液压压下轧机，可取H=（4.0～4.2）×（D1+D2）

故取H=9248

式中D1、D2——工作辊、支承辊直径，mm。

6.3机架立柱的断面尺寸

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，而辊颈强度近似地与其直径平方（

）成正比，故机架立柱的断面积（

）与轧辊辊颈（对于四辊轧机则是支承辊辊颈）的直径平方（

）有关。

在设计时，可根据比值（F/d2）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/d2=1.0～1.2，可取F=1562500mm2。

取机架立柱的断面形状:

a、方形断面b、长方形断面、c、工字形断面d、T字形断面。

查手册可知一般四辊轧机选择正方形断面。

故可得到断面边长为a=1250mm。

其余尺寸根据老师给定的参考图以及手册中相关轧机机架的数据试给定，可以设计得到机架，具体二维工程图见附图，三维图如下图所示：

七、机架强度和刚度的校核

由于机架式轧机中最贵重和最重要的零件，必须具较大的强度储备。

一般机架的系数不小于10，对于ZG270-500来说，横梁的许用应力小于50～70MPa，立柱的许用应力应小于40～50MPa。

此外，对于冷轧钢板轧机，机架的允许变形为0.4～0.5mm。

由于机架的重要性及其结构复杂，在设计时采用了弹性力学有限单元法来进行计算。

用这种方法进行计算，不但计算结果精确，还可以求出机架完整的应力场及应变场。

为获得合理的结构参数，以保证应力均匀，变形最小，还可以对机架圆角等处进行最优化设计。

有限单元法是根据变分原理（或虚功原理）求解数学、物理问题的一种数值解法。

一般可将机架简化为二维应力分析和三维应力分析问题，将弹性连续体（机架）离散为有限个单元组成的集合体。

本次采用ansys软件进行机架受力及变形的分析。

具体的分析结果如下：

首先先简化结构，并且取机架的一半进行分析，如图划分单元网格：

给机架施加载荷和位移约束，计算，可以得到y方向的变形如下图：

横梁部分的米塞斯应力云图为：

立柱部分米塞斯应力云图为：

由上述分析结果可知，横梁处的最大等效应力为20.53MPa，小于等于50MPa，强度条件符合要求；立柱除的最大等效应力为5.12MPa，强度条件符合要求；机架的弹性变形量为0.317×10-3mm，在允许变形范围之内。

综上所述，本次设计完成的机架强度、变形完全符合要求，可以应用。

八、心得体会

经历了将近一个月的课程设计，使我们学会了很多东西，认识到了团队合作的重要性。

由于有上次进行辊系设计的经验，我们从一开始就能很好的进行设计日程的安排。

在进行轧制力计算得时候，由于变形抗力的大小需要查表，这为以后的调试工作增加了很大的困难，为了更加精确和简化后续工作，我们没有采取图表的方法查取变形抗力，而是利用各种参考书等工具查取各种材料的变形抗力的回归模型。

虽然在查取回归模型的时候浪费了一些时间，但是这样使以后的调试工作变得极其简便。

在计算平均单位压力的时候，由于需要不断地进行迭代计算，这就使手工计算变得极其繁琐，为了简化工作，我们采用了编程的方式，并且将编程和excel表格结合起来，使迭代计算求解变得极其简便。

在整个设计的过程中，我们力争做到每一个数据都有可靠地来源，不断地翻阅参考资料，渐渐地培养了我们查阅资料的能力。

在计算结束后采用等功率原则对不合理的规程进行了调试。

在后期画图的过程中，我们虽然有老师给的例图，但是有很多不理解的地方，但是经过思考，寻味老师以及网上查阅，又学到了很多的知识。

通过这次课程设计，使我明白了很多，以前学到的知识也进行了巩固，尤其是用vb语言进行编程的时候，终于在实践中的到了具体的应用。

也认识到自己以前学到的知识在实践中有很多的不足，知道了以后具体的努力方向。

最后，衷心的感谢每一位指导老师，有了他们的细心指导，才有我们最后的成果，谢谢老师。

参考文献

1、许石民,孙登月主编.板带材生产工艺及设备.冶金工业出版社

2、邹家祥主编,轧钢机械.冶金工业出版社

3、王海文主编.轧钢机械设计.冶金工业出版社

4、轧机轴承

5、曹鸿德主编,塑性变形力学基础与轧制原理.机械工业出版社

6、刘相华著,轧制参数计算模型及其应用.机械工业出版社

7、罗朝胜主编.visualbasic6.0程序设计实用教程.清华大学出版社

8、张文志主编.机械结构有限元分析.哈尔滨工业大学出版社

9、王廷溥主编.金属塑性加工学.冶金工业出版社

10、机械设计手册.机械工业出版社

11、邵晓荣,张艳主编.互换性与测量技术基础.中国标准出版社