四輥不可逆鋁板冷軋機的設計

1、摘要我的設計題目為鋁板冷軋機的設計，鋁板軋機是軋鋁車間的重要設備，在鋁板生產(chǎn)中被廣泛應用。鋁板軋機是一個集機械、電氣、液壓、控制、傳動為一體的復雜系統(tǒng)，并且在非常惡劣的環(huán)境下工作。本軋機其為典型的四輥不可逆冷軋機，所軋制的金屬為典型的有色金屬鋁，因此該設計具有其獨特性。本論文系統(tǒng)的闡述了四輥不可逆冷軋機的結(jié)構(gòu)和新的計算理論，分章節(jié)的介紹了鋁的軋制工藝及設備、軋制規(guī)程的制定、軋輥、軋輥軸承、軋輥的設計、軋機機架和軋機工作輥的校核、軋機的附屬裝置的設計、軋機的三維設計等。并對軋制力能參數(shù)、工作輥和工作輥軸承進行了重點設計計算。 由于作者的能力有限，在設計中借鑒了渤海鋁業(yè)有限公司的四輥不可逆軋機的相

2、關設計資料。關鍵詞四輥不可逆冷軋機 工作輥 軋制工藝AbstractThe topic of my design is cold aluminum strip mill. Strip mill is an important equipment in the aluminum-rolling workshop and is extensive used in strip aluminum manufacture. Strip mill is a set of mechanical, electrical, hydraulic, control, transmission as one of t

3、he complex system, and work in the very poor environment.This mill is a typical of 4-high non-reversing cold strip mill. Besides, the rolling material in the design is the typical of nonferrous metal-aluminum; therefore, this design has its specialty.This paper describes the structure of 4-high non-

4、reversing cold strip and new calculational theory and methods systemically. It gives a presentation of rolling technics and equipments of aluminum、roll、rolling bearing、milling house、outfit for adjusting and balancing roll etc.Especially, the author pays more attention to designing rolling parameter、

5、work roll and roll bearing.For the limited capacity of designer, in the process of the design, the author uses the design information of 4-high non-reversing cold strip mill (2200)designed by Davy McKee (Poole)Ltd for reference, which belongs to Bohai Aluminum Industries Ltd. Corporation.Keywords 4-

6、high non-reversing cold strip mill work roll rolling technics 目 錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1 課題背景11.2 鋁及其合金的軋制工藝及設備21.2.1 鋁及其合金板、帶、箔材2 鋁及其合金的軋制工藝簡述21.2.3 鋁及其合金的軋制設備31.2.4 冷軋機型式的選擇41.3 本章小結(jié)6第2章 軋機軋輥72.1 軋機工作輥的基本參數(shù)72.1.1 工作輥輥身的長度和直徑72.1.2 工作輥輥徑的長度和直徑72.1.3 工作輥軋輥頭的長度和直徑82.2 軋機支撐輥的基本參數(shù)92.2.1 支撐輥的輥身長度和直徑92.2

7、.2 支承輥輥徑直徑和長度92.3 軋輥的撓度的公式推導102.3.1 工作輥相應撓度的公式推導102.3.2 支承輥相應撓度的公式推導112.3.3 軋輥輥身中部與邊部壓力差值的確定132.3.4 軋輥撓度的計算過程142.4 軋輥的校核162.5 本章小結(jié)18第3章 軋機的力能參數(shù)193.1 軋制工藝規(guī)程的設計193.1.1 軋制材料的確定193.1.2 軋制道次的確定193.1.3 軋制速度的選取193.1.4 平均單位壓力和總軋制壓力193.2 軋制力距和軋制功率的計算213.2.1 軋制力距的計算213.2.2 軋制功率的計算233.3 本章小結(jié)24第4章 軋機機架的設計254.1

8、機架的結(jié)構(gòu)254.2 軋機機架尺寸參數(shù)的確定254.2.1 窗口寬度的確定264.2.2 窗口高度的確定274.2.3 機架立柱斷面的確定274.3 ANSYS 有限元法274.3.1 有限元法簡介274.3.2 ANSYS 功能簡介294.3.3 ANSYS 分析的基本過程314.4 軋機機架的校核324.4.1 軋機機架的材料和受力分析324.4.2 軋機機架的網(wǎng)格劃分334.4.3 施加載荷及約束334.4.4 軋機機架的結(jié)果分析344.5 本章小結(jié)38第5章 軋機工作機座的其他部分395.1 軋輥軸承395.1.1 軋輥軸承的特點395.1.2 軸承組件的裝配要求395.1.3 四列圓

9、柱滾子軸承的壽命計算395.2 液壓壓下裝置415.2.1 液壓壓下裝置的特點415.2.2 液壓壓下裝置的基本類型425.2.3 液壓壓下裝置的控制方式435.2.4 液壓壓下油缸的選擇435.3 軋制線調(diào)整裝置445.4 液壓平衡裝置445.4.1 四輥軋機上軋輥平衡裝置的特點455.4.2 平衡裝置的型式455.5 液壓彎輥裝置455.6 主接軸結(jié)構(gòu)475.7 本章小結(jié)48第6章 軋機的動力及傳動機構(gòu)496.1 軋機的主電機選擇496.2 主減速器的選擇496.3 齒輪機座496.3.1 齒輪機座的結(jié)構(gòu)496.3.2 齒輪機座的軸承506.3.3 潤滑及密封516.3.4 輪齒形式516

10、.4 連接軸516.5 本章小結(jié)51結(jié)論53參考文獻55致謝57附錄1 開題報告59附錄2 文獻綜述69附錄3 外文翻譯79第1章 緒論1.1 課題背景中國的鋁板帶軋制工業(yè)始于1919年9月，上海益泰信記鋁器廠用二輥小軋機軋制小鋁片。真正的鋁板帶軋制是在新中國成立后發(fā)展起來的，1956年11月6日中國第一家大型綜合鋁業(yè)生產(chǎn)企業(yè)-東北輕合金有限責任公司（當時工廠代號為101廠）在蘇聯(lián)的援助下建成投產(chǎn)，開創(chuàng)了中國現(xiàn)代化鋁板帶軋制工業(yè)的先河，從此中國有了現(xiàn)代化的鋁軋制企業(yè)。建國以后，中國大地上的鋁軋制企業(yè)如雨后春筍般茁壯成長起來。1983年一重為西南鋁業(yè)有限責任公司設計制造了中國首臺360/1000

11、mm×1400mm四輥不可逆式冷軋機，軋制速度可達600m/min，產(chǎn)品最薄厚度為0.2mm，板厚偏差為±0.005mm。具有液壓AGC系統(tǒng)、X射線測厚儀、軋制油板式精密過濾、可控硅供電、開卷機自動對中、快速換輥、自動滅火系統(tǒng)等。該技術水平基本與20世紀70年代中期的國際水平相當。該機于1986年10月正式投產(chǎn)1。2004年中色科技股份有限公司設計了的中國首臺2050mm六輥不可逆冷軋機，該機的主要參數(shù)見下表1，與日本日立公司引進平輥六輥軋機相比，它的最大軋制速度低40%，主電機功率低25%，產(chǎn)品最薄厚度卻小一倍，最大軋制力也高25%2。 表1-1 中國自行設計的六輥不可逆

12、式鋁帶冷軋機參數(shù)規(guī)格/mm480/1350×2050最大軋制速度/(m.min-1)900主電機功率/Kw2×1500最大軋制力/N20000來料最大厚度/mm12產(chǎn)品最薄厚度/mm0.2帶卷最大外徑/mm2500帶卷最小外徑/mm665目前世界上，典型的現(xiàn)代化大型冷軋機當屬德國SMSDemag公司的三機架冷軋機組，最高軋制速度1524m/min，板寬2030mm,成品厚度公差±0.0038mm,設計能力300kt/a，僅用于鋁罐毛料薄板的生產(chǎn)。世界上最先進的鋁板帶冷軋機的軋制速度可達到2400mm/min，意大利可米塔爾鋁業(yè)公司擴建了一臺由奧鋼聯(lián)提供的四輥冷軋機

13、，為工廠的鋁箔軋機提供毛料，這臺冷軋機中了當前鋁帶冷軋的各種先進技術，實質(zhì)上是一臺萬能冷軋機，生產(chǎn)的產(chǎn)品范圍廣。 1.2 鋁及其合金的軋制工藝及設備1.2.1 鋁及其合金板、帶、箔材鋁及其合金產(chǎn)品是輕有色金屬軋材的代表產(chǎn)品。按其厚度的不同，可以分為板、帶、箔三種。見表1-2表1-2 鋁合金軋材的分類軋材品種尺寸 mm厚度寬度長度熱軋厚板5605002500200010000特厚板80以上5002500200010000冷軋薄板0.34.05002500200010000箔材0.0050.2510001.2.2 鋁及其合金的軋制工藝簡述常見的鋁及其合金的生產(chǎn)流程包括鋁錠銑面、鋁錠蝕洗、包鋁、加熱

14、、熱軋、預先退火、冷軋、中間退火、預剪、成品退火、淬火、人工時效、精整、涂油包裝等工序。 與一般的軋鋼工藝相比，鋁及其合金板、帶的生產(chǎn)流程有以下特點：1）鋁錠要經(jīng)過銑面（純鋁板錠除外），以清除表面缺陷，一般每邊銑去812mm;2)由于鋁錠銑面表面有潤滑油脂，因而銑面后，鋁錠需要去油，可在苛性鈉槽中蝕洗，在硝酸槽中中和，然后進行水洗；3）純鋁具有耐腐蝕的特點，硬鋁板強度高，但不耐腐蝕，因而硬鋁鑄錠在熱軋加熱前要包覆一層厚度為1020mm的純鋁板，這樣可以提高硬鋁板的耐蝕性，為防止熱軋裂邊，鑄錠側(cè)面也需要包鋁；4）加熱后的鋁錠，由于晶粒較大，在安排熱軋的壓下規(guī)程時，前幾道必須采用小壓下量軋制，通常

15、壓縮率控制在510%；此外，熱軋溫度也較低（500以下）；5）鋁板表面劃傷處對應力集中很敏感，故從熱軋開始，各工序必須采取措施，防止鋁板表面劃傷。6）在有的大型鋁加工廠，采用中溫軋制工藝，鋁帶經(jīng)熱軋后不必卷取，直接送到冷軋機去溫軋，這樣可以簡化工藝流程，降低生產(chǎn)成本；7）為提高硬鋁合金的機械性能，鋁合金板材在冷軋后要進行淬火、自然時效和人工時效等工藝處理；8）某些熱軋后的特厚板和冷軋后的特薄板要進行張力矯正；9）軋制鋁箔時，需要合卷和分卷。1.2.3 鋁及其合金的軋制設備常用的鋁及其合金的軋制設備如下：熱軋設備、冷軋設備、剪切設備、退火設備、酸洗設備、鋁箔的合卷和分卷設備、鋁錠銑面設備。其中典

16、型的冷軋設備如下圖1-1 圖1-1 鋁板冷軋機組生產(chǎn)流程圖1-卸卷機；2-卷取機； 3-液壓剪； 4-軋機工作機座； 5-導輥； 6-引料器； 7-直頭機； 8-開卷機； 9-送料車冷軋機組的生產(chǎn)流程是：送料車將帶卷運至直頭機的雙錐式開卷機上，帶卷直頭后，用引料器將帶卷端頭引出，經(jīng)液壓剪切頭后送軋機軋制。當一卷料快軋到尾部時，軋機停車，用液壓剪切尾，并將尾部喂入另一卷取機之鉗口，然后進行軋制。1.2.4 冷軋機型式的選擇常用的冷軋機的結(jié)構(gòu)形式有二輥、四輥及多輥。按軋機操作方式有可逆式和不可逆式兩種。選擇冷軋機型式除一般原則，還可根據(jù)生產(chǎn)特點、軋制工藝要求、軋機結(jié)構(gòu)特點等進行3。常用的冷軋機的各

17、種型式如圖1-2所示。 2輥軋機 4輥軋機 6輥軋機 20輥軋機 6輥軋機 12輥軋機圖1-2 常用冷軋機的各種型式1、按生產(chǎn)特點選擇機型 冷軋機按生產(chǎn)特點，通常分為：1）塊式生產(chǎn)的板材軋機，目前按大多數(shù)中小加工廠仍采用這種二輥不可逆軋機，則面臨著設備改造與更新的迫切任務。只有少數(shù)工廠采用二輥及四輥可逆軋機；2）帶式生產(chǎn)的帶材軋機，一般采用四輥軋機，產(chǎn)量大品種較單一時采用冷連軋機，窄帶材低速軋制也采用二輥軋機；3）箔材軋機，通常采用工作輥小的四輥及多輥軋機；4）平整軋機，也屬精軋機，壓下量很小，用于帶材的平整和拋光，一般采用輥徑較大，速度較低及功率較小的二輥軋機。2、按工藝要求選擇機型 冷軋機

18、按工藝要求又可分為冷粗軋機、中軋機及精軋機三類，實現(xiàn)軋機專業(yè)化。從機型上既可以選擇二輥和四輥，但粗軋機一般采用二輥，精軋機采用四輥或多輥軋機。對于產(chǎn)品較單一，產(chǎn)量較大的現(xiàn)代化加工廠，粗、中、精軋也有在一臺軋機上完成的，為一機多用的冷軋機。近幾年有少部分廠已經(jīng)引進了這種現(xiàn)代化的冷軋機。國外普遍對冷軋機進行現(xiàn)代化技術改造。如銅及銅合金一般粗軋機，采用單機架四輥可逆或不可逆軋機；兩機架四輥不可逆冷軋；三機架二輥連軋機。精軋多種機型，大多采用四輥可逆、12輥及20輥軋機。鋁及鋁合金，普遍采用36臺四輥連軋。鋁箔軋制，因塑形好、抗力低，軋制過程易斷帶不宜連軋，因此普遍采用單機不可逆式四輥軋機生產(chǎn)。軋機的

19、操作方式主要根據(jù)品種、產(chǎn)量多少考慮。小批量及多品種常采用不可逆及單機架冷軋機；大批量及品種單一常采用可逆及連續(xù)式的高速軋機。一般在滿足產(chǎn)品品種及規(guī)格、產(chǎn)品質(zhì)量要求時，宜優(yōu)先選擇輥數(shù)少的軋機。3、四輥冷軋機 四輥軋機有工作輥傳動和支承輥傳動兩種方式。工作輥傳動的四輥軋機，其輥徑較大咬入能力較強，可增大壓下量提高生產(chǎn)率，但工作輥受扭轉(zhuǎn)強度限制，使其直徑不能繼續(xù)減少，以至軋出的最小厚度受限，因此，出現(xiàn)了支承輥傳動的四輥軋機。采用支承輥傳動其優(yōu)點：可承受較大的扭矩、工作輥小有利于軋制更薄的產(chǎn)品，工作輥無接軸，換輥方便，而且其直徑可在一定范圍內(nèi)變化，以適應軋制的要求。但工作輥和支承輥之間易出現(xiàn)打滑，而且

20、工作輥在水平方向有較大的側(cè)向彎曲，影響軋制精度。軋機的工作制度按操作方式分為不可逆式和可逆式4?？赡媸介g歇時間短，生產(chǎn)效率高。但每改變一次軋制方向都必須調(diào)整壓下、前后張力、工藝潤滑及輥型等條件，才能軋出厚薄均勻及表面平直的帶材。而且調(diào)整時速度難以提高，軋制條件難以保持穩(wěn)定，人工操作影響更大。此外，軋機的結(jié)構(gòu)復雜，造價較高。適于軋制時間較短，在同一臺軋機上連續(xù)軋制多道次時采用。相反，不可逆軋機只能單向軋制，當調(diào)整某種軋制條件后，可實現(xiàn)多卷軋制，既減少調(diào)整工作量，又保證軋制條件的相對穩(wěn)定性。其特點是結(jié)構(gòu)簡單，造價較低，采用輸送裝置返回帶卷，軋輥和軋件的冷卻條件好。與可逆··&#

21、183;軋制相比能提高軋制速度，帶材質(zhì)量更穩(wěn)定。1.3 本章小結(jié)本章介紹了國內(nèi)外鋁板軋機的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了鋁及其合金的軋制工藝，詳細的介紹了冷軋設備的生產(chǎn)流程。 第2章 軋機軋輥軋輥是軋鋼機的主要部件。根據(jù)設計技術參數(shù)可知此軋輥類型為板軋機軋輥。冷軋板軋輥的輥身微凸，當它受力彎曲時，可保持良好的板型。軋輥由輥身、輥頸和軸頭三部分組成。現(xiàn)就軋輥的設計作出說明。軋輥的基本尺寸參數(shù)是：軋輥名義直徑D，輥身長度L、輥頸直徑d和輥頸長度l。2.1 軋機工作輥的基本參數(shù)2.1.1 工作輥輥身的長度和直徑根據(jù)工作輥輥身長度應與板、帶材的寬度相適應的原則及所給的數(shù)據(jù)，可以用下式確定輥身的長度： （2-1）式中

22、 -輥身長度 -板帶材的最大寬度；-隨帶材寬度而異的余量，當時，??；當，取。本次設計中因此：工作輥輥身直徑的計算 （2-2）考慮到冷軋時軋輥的彈性壓扁，冷軋板帶軋機輥身的最大直徑根據(jù)最小可軋厚度確定。帶張力軋制時，其中，所以，考慮軋機軋輥的最大重車率：冷軋機：，故2.1.2 工作輥輥徑的長度和直徑輥頸尺寸是指輥徑直徑和輥頸長度，它與所選用軸承型式及工作載荷有關。輥徑直徑因軸承徑向尺寸所限，致使輥徑與輥身交界處通常為軋輥發(fā)生破壞的薄弱環(huán)節(jié)。因此，在軸承外圍尺寸允許的條件下，應盡可能使輥徑直徑取得大一些。這需要視所選用的軸承而定5，本設計選用滾動軸承，由于其外圍尺寸較大，輥徑直徑無法取得很大，根據(jù)

23、 （2-3）式中-輥徑直徑-輥身直徑取輥徑長度 （2-4）式中-輥徑長度-輥身直徑取輥徑向輥身過渡處，為了減小應力集中，要做成圓角。圓角半徑 （2-5）因此2.1.3 工作輥軋輥頭的長度和直徑輥頭尺寸指的是軋輥傳動端的輥頭尺寸。采用萬向接軸傳動的輥頭，其尺寸按下列關系確定 （2-6）式中-輥頭的直徑 -與輥頭相連部分的輥徑直徑取平頭的厚度 （2-7），取2.2 軋機支撐輥的基本參數(shù)2.2.1 支撐輥的輥身長度和直徑支撐輥的輥身長度為2100mm （2-8） （2-9）綜合考慮取考慮軋機軋輥的最大重車率：冷軋機：，故2.2.2 支承輥輥徑直徑和長度輥頸尺寸是指輥徑直徑和輥頸長度，它與所選用軸承型

24、式及工作載荷有關。輥徑直徑因軸承徑向尺寸所限，致使輥徑與輥身交界處通常為軋輥發(fā)生破壞的薄弱環(huán)節(jié)。因此，在軸承外圍尺寸允許的條件下，應盡可能使輥徑直徑取得大一些。這需要視所選用的軸承而定，本設計選用滾動軸承，由于其外圍尺寸較大，輥徑直徑無法取得很大，根據(jù) (2-10)式中-輥徑直徑-輥身直徑取輥徑長度 (2-11)式中-輥徑長度-輥身直徑取輥徑向輥身過渡處，為了減小應力集中，要做成圓角。圓角半徑 因此2.3 軋輥的撓度的公式推導軋機的剛度很大程度的取決于軋輥（包括工作輥和支撐輥）的剛度。在評定軋機剛度和設計軋輥時，需要以下幾個數(shù)據(jù)：即在軋制力作用下工作輥輥身邊緣相對于中點的撓度、工作輥輥身和板材

25、邊緣接觸處相對于輥身中點的撓度。工作輥的撓度取決于支承輥的撓度、工作輥與支承輥間彈性壓扁的不均勻性以及軋輥的實際凸度和凹度等因素6。2.3.1 工作輥相應撓度的公式推導 工作輥輥身邊緣相對于輥身中點的撓度的計算簡圖見圖2-1。工作輥輥身邊緣相對于輥身中點的撓度可按下式求的： （2-12）式中 -工作輥材料的彈性模數(shù)和剪切模數(shù)； -工作輥輥身截面的慣性矩和面積。圖(2-1) 確定時所用到的計算簡圖由所產(chǎn)生的彎矩為： （2-13）由所產(chǎn)生的剪力為： （2-14）由所產(chǎn)生的彎矩為： （2-15）由所產(chǎn)生的剪力為： 所求撓度之處作用的單位力引起的彎矩和剪力為： 將以上彎矩和剪力的計算式代入式2-12,

26、積分整理可得： （2-16）式中-工作輥輥身直徑。同理可求出工作輥輥身與板材邊緣接觸處相對于輥身中點的撓度為： （2-17）2.3.2 支承輥相應撓度的公式推導支承輥撓度的計算支撐輥輥身邊緣相對于輥身中點撓度的計算： （2-18）式中-支承輥材料的彈性模數(shù)和剪切模數(shù)；-支承輥輥身截面的慣性矩和面積； -考慮剪力分布不均的系數(shù)，相對于圓截面，可取。圖(2-2) 確定時所用的計算簡圖彎曲力矩可按下式計算： 其中，代入積分后可得： （2-19）剪力可按下式計算： （2-20）所求撓度處作用的單位力引起大的彎矩和剪力為：將以上彎矩和剪力的計算式代入式2-18，且已知,積分并整理得： （2-21）式中：

27、-支承輥輥身直徑； -支點處的摩擦阻力矩，。同理可求得支承輥輥身中點相對于支點的撓度: （2-22）式中：-支承輥輥徑直徑；。2.3.3 軋輥輥身中部與邊部壓力差值的確定 （2-23）式中， ， ，求得值并將式（2-16）、（2-17）、（2-20）、（2-21）做適當?shù)暮喕?，得到如下的計算公?工作輥輥身邊緣相對于輥身中點的撓度： （2-24） 工作輥輥身與板材邊緣接觸處相對于輥身中點的撓度: （2-25）支承輥輥身邊緣相對于輥身中點的撓度： （2-26）支承輥輥身中點相對于支點的撓度： （2-27）2.3.4 軋輥撓度的計算過程已知：取工作輥和支承輥的彈性模量，工作輥和支承輥的剪切模量，工

28、作輥的輥身長度，工作輥四列軸承之間的跨度，支承輥輥四列軸承之間的跨度，支承輥直徑，軋件的寬度，軋制力。 1、值的計算 將相關參數(shù)代入公式（2-23）求得 2、工作輥輥身邊緣相對于輥身中點的撓度：3、工作輥輥身與板材邊緣接觸處相對于輥身中點的撓度:4、支承輥輥身邊緣相對于輥身中點的撓度：5、支承輥輥身中點相對于支點的撓度： 2.4 軋輥的校核軋輥是軋機的加工工具，直接承受軋制壓力，一般來說，軋輥是消耗性的零件，就軋機整體而言，軋輥的安全系數(shù)最小，因此軋輥的強度往往決定整個軋機的負荷能力7。假設鋁板軋機軋輥的軋制力，可近似地看成是沿軋件寬度均布的載荷，并且左右對稱，2、軸承的支持力近似看成集中力，

29、下支撐輥的受力如圖2-3所示圖2-3 支承輥的受力分析其中，356mm,根據(jù)計算算的最大軋制力為 （2-28）（5-2）輥身中央斷面的彎曲力矩為 （2-29）彎曲應力為 （2-30）輥徑危險斷面上的彎矩為 （2-31）對于輥徑上的彎曲應力和扭轉(zhuǎn)應力分別為 （2-32） （2-33）以上計算出的應力只是名義應力，真正的應力應乘以軋輥輥身直徑D、輥徑直徑d以及過渡圓角r有關的應力集中系數(shù)和8 代入求的軋輥輥徑處的受力為彎曲和扭轉(zhuǎn)的組合，在求的危險點的彎曲應力和之后，即可按強度理論計算合成應力。對于鋼軋輥，則按第三或第四強度理論來計算輥徑處的合成應力。根據(jù)第四強度理論 （2-34） 按照一般公式（即

30、不考慮疲勞現(xiàn)象）近似計算軋輥時，通常安全系數(shù)取為5，即冷軋機用的合金鋼鍛造軋輥，可以得到軋輥的強度足夠。2.5 本章小結(jié)表2-1 本章中計算得到了下列設計參數(shù)軋輥的參數(shù)工作輥(mm)支承輥(mm)輥身長度輥身直徑輥徑直徑輥徑長度輥頭直徑-平頭厚度-過渡圓角半徑工作輥輥身邊緣相對于輥身中點的撓度-工作輥輥身與板材邊緣接觸處相對于輥身中點的撓度-支承輥輥身邊緣相對于輥身中點的撓度-支承輥輥身中點相對于支點的撓度- 第3章 軋機的力能參數(shù)3.1 軋制工藝規(guī)程的設計3.1.1 軋制材料的確定 軋機的軋制材料為：鋁及其鋁合金，制定軋制工藝規(guī)程選用的材料為1050A3.1.2 軋制道次的確定根據(jù)軋制道次的

31、計算公式9圖(2-3) （3-1） 式中 -來料的橫斷面積 -成品的橫斷面積 -平均延伸系數(shù) 其中平均延伸系數(shù) ，對于各種不同的軋制情況可根據(jù)經(jīng)驗資料確定之，根據(jù)計算來料8mm× 2000mm軋制成1.0mm 厚的板材，取1.5，經(jīng)計算取6道次。3.1.3 軋制速度的選取根據(jù)1050A軋制的經(jīng)驗10，選取軋制速度為3.1.4 平均單位壓力和總軋制壓力表3-1 四輥不可逆式軋機1050A的軋機壓下規(guī)程設計序號軋制道次1234561軋前厚度H,mm8.05.84.23.02.11.42軋后厚度h,mm5.84.23.02.11.41.03壓下量，mm2.21.61.20.90.70.44

32、道次壓下率，%27.527.628.630.033.328.65變形區(qū)長度，mm23.520.017.315.013.210.06變形區(qū)形狀系數(shù)3.404.004.815.887.568.337前后張應力，MPa22/2627/3129/3331/3632/3032/30序號軋制道次1234568軋前的冷加工變形程度,%027.547.562.573.882.59軋后的冷加工變形程度,%27.547.562.573.882.587.510累計壓下率的平均值，%16.539.556.569.379.085.511平均變形抗力，MPa9512314215215916012平均變形抗力，MPa109

33、.3141.5163.3174.8182.9184.013平均張應力， MPa24293134313114張力影響后的抗力, MPa85.3112.5132.3140.8151.9153.015摩擦系數(shù)0.100.100.100.080.080.0816計算系數(shù)0.340.400.480.470.600.6717計算系數(shù)0.0060.0130.0190.0230.0360.05318計算系數(shù)0.350.460.480.490.620.7019，mm24.1523.0017.3815.6213.5610.50201.1971.2701.2841.2901.3851.44821平均單位壓力，Mpa

34、102.1142.9170.0181.6210.4221.522軋制總壓力P,KN256434183073295029672419計算說明：（1）第35項，,，； （2）第7項，為軋后的屈服極限，由查得11。第14 道次，第56道次取，對控制板形有利12； （3）第810項，,，； （4）第1114項，平均變形抗力累計壓下率的平均值查得， ,，; （5）第15項，摩擦系數(shù)查表3-2，煤油為基礎油取=0.1，且考慮來料表面狀況及速度不大，而后幾道速度的提高，軋件表面有所改善，?。?（6）第1620項，按斯通圖解法求壓扁后，由m、y值查得，然后由值計算，由查得；對于鋼軋輥13，,mm/MPa; (

35、7)第2122項，,。表3-2 鋁冷軋時的摩擦系數(shù)值合金潤滑劑輥面狀態(tài)鋁及鋁合金0.160.24無粗磨的淬活鉻鋼輥0.080.12煤油0.060.07輕機油0.240.32無粗磨的淬火鉻鋼輥、輥面粘鋁0.140.18煤油與機油0.160.20乳液3.2 軋制力距和軋制功率的計算3.2.1 軋制力距的計算工作輥相對支承輥有偏移的四輥軋機輥系的受力，如圖3-1。圖3-1 工作輥相對支承輥有偏移的四輥軋機輥系的受力分析傳動工作輥所需要的力矩為：軋制力距、工作輥帶動支承輥的力矩與工作輥軸承中的摩擦力產(chǎn)生的摩擦力矩三部分之和。即： （3-2）式中 -軋制力； -支承輥給工作輥的反力； -工作輥軸承處的反

36、力，當時，當時，a-軋制力臂，其大小除決定于軋制力作用點位置外，還與前后張力大小有關：當時，當時，-工作輥、支承輥直徑；-不考慮張力時軋制力作用點對應的軋輥中心角；-前后張力對軋制力方向影響的偏轉(zhuǎn)角，當時，當時，；-工作輥與支承輥連心線與直線的夾角，-軋輥連心線與反力R的夾角，c-反力R對工作輥的力臂，e-工作輥軸線相對支承輥軸線的偏距-工作輥、支承輥摩擦圓半徑式中-工作輥、支承輥軸承的摩擦系數(shù)； 工作輥、支承輥輥徑半徑。3.2.2 軋制功率的計算 （3-3）式中 N-軋制功率； -軋制力矩； 表3-2 軋制力矩和軋制功率的計算道次參數(shù)123456工作輥通用參數(shù)，e=4mm ,mm軋制力P,K

37、N256434183073295029672419前后張力對軋制力方向影響的偏轉(zhuǎn)角,°0.01250.00940.01040.01360.00540.0066軋制力臂,mm15.757916.613916.325415.461619.157219.1514工作輥軸承處的反力,KN29.921624.651213.81176.858618.047919.5531支承輥給工作輥的反力，KN256434183073295029672419傳動工作輥所需要的力矩，49.557.842.732.328.217.8軋制速度1.41.41.41.41.41.4軋制功率503.8482588.331

38、8434.6327328.7737287.0408181.18183.3 本章小結(jié) 本章完成了1050A的軋制工藝規(guī)程的制定，計算得到了最大軋制力3500KN，最大軋制力矩為60，最大的軋制功率取為600，軋制速度取為1.4第4章 軋機機架的設計機架是軋機設備中最大、最重要的構(gòu)件，其強度和彈性變形直接影響著設備的可靠性和產(chǎn)品的尺寸精度。近年來，國內(nèi)外軋機廣泛采用低溫軋制和大壓下量軋制，同時隨著部分鋁及鋁合金產(chǎn)品的軋制產(chǎn)量的提高，使軋制時軋機機架負荷明顯加大，因此能夠準確把握機架應力分布和變形情況對于軋機的設計與研發(fā)至關重要。4.1 機架的結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)型式分類，機架可分為整體式和組合式兩種14。板

39、、帶材軋機的機架要有盡可能大的剛度，因此，大都采用整體鑄造結(jié)構(gòu)。這種機架除剛性好外，制造精度也容易保證，制造費用也較低。本設計所采用的軋機機架，就是整體鑄造結(jié)構(gòu)。由于該軋機采用液壓壓下，機架上橫梁不再有安裝壓下螺母的鏜孔。因為窗口內(nèi)要裝設液壓缸和測壓頭，所以機架串口高度尺寸比舊式軋機機架要大的多。機架的安裝底面上只有一排孔。4.2 軋機機架尺寸參數(shù)的確定機架的基本尺寸取決于以下兩個條件：1）機架窗口要足以容納軋輥軸承座、測壓元件等，并考慮軋機的最大開口度等。在采用液壓壓下的軋機上，在確定機架窗口高度時，還要考慮裝設壓下液壓缸。2）機架立柱和上下橫梁截面應滿足機架受力時的強度和剛度要求。機架的主

40、要結(jié)構(gòu)尺寸包括：機架窗口高度（H）和寬度（B）以及機架立柱斷面尺寸（F=LB）如圖4-1。圖4-1 機架的基本尺寸4.2.1 窗口寬度的確定 B=（1.151.30） （4-1） 式中 支承輥直徑，由第一章計算得，=1000mm。所以 B=（1.151.40）1000=11501400mm取傳動端 B=1394mm。為了便于更換軋輥，在閉式機架中，換輥側(cè)（非傳動側(cè)）的窗口寬度比傳動側(cè)的窗口寬度應大510毫米15。所以傳動側(cè)窗口寬度=1400mm。4.2.2 窗口高度的確定由文獻可知 （4-2）式中 工作輥直徑；支承輥直徑；窗口高度。mm取 =4220mm 4.2.3 機架立柱斷面的確定根據(jù)經(jīng)驗

41、確定機架立柱斷面的形狀為長方形16，尺寸為4.3 ANSYS 有限元法 4.3.1 有限元法簡介 目前在工程實際應用中，常用的數(shù)值求解方法有：有限單元法、有限差分法、邊界單元法和離散單元法，但就其實用性和應用的廣泛性而言，主要還是有限單元法。有限元法在20世紀50年代起源于航空工程中飛機結(jié)構(gòu)的矩陣分析。有限單元法的基本思想是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限個、且按一定方式相互聯(lián)結(jié)在一起的單元，單元之間僅靠節(jié)點連接。單元內(nèi)部點的待求量，可由單元節(jié)點量通過選定的函數(shù)關系插值求得。由于單元形狀簡單，易于由平衡關系或能量關系建立節(jié)點量之間的方程式，然后將各個單元方程“組集”在一起而形成總體代數(shù)方程組，計

42、入邊界條件后即可對方程組求解。有限單元法的基本思想的提出，最早可追溯到Courant在1943年的工作，他第一次嘗試應用定義在三角形區(qū)域上的分片連續(xù)函數(shù)和最小位能原理相結(jié)合的方法，來求解St.Venant扭轉(zhuǎn)問題?，F(xiàn)代有限單元法第一個成功的嘗試，是將剛架位移法推廣應用于彈性力學平面問題，這是美國的Turner，Clough等人于1956年在分析飛機結(jié)構(gòu)時得到的成果。他們第一次給出了用三角形單元求得平面應力問題的正確解答。1960年Clough進一步處理了平面彈性問題，并第一次提出了“有限單元法”的名稱。1963到1964年，Besseling，Melosh和Jones等人證明了有限單元法是基于

43、變分原理的里茲（Ritz）法的另一種形式，從而使里茲法分析的所有理論基礎都適用于有限單元法，確認了有限單元法是處理連續(xù)介質(zhì)問題的一種普遍方法。有限單元從20世紀50年代至今，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，不斷開拓新的應用領域，五十多年來，有限單元法的應用已由彈性力學平面問題擴展到空間問題、板殼問題，由靜力平衡問題擴展到穩(wěn)定性問題、動力問題和波動問題，分析的對象從彈性材料擴展到塑性、粘彈性、粘塑性和復合材料等，從固體力學擴展到流體力學、傳熱學電磁學等領域17。有限單元法是隨著電子計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種計算方法。它是首先在連續(xù)體力學領域飛機結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)特性分析中應用的一種有效的數(shù)值分析方法，隨后很快

44、就廣泛地應用于求解熱傳導、電磁場、流體力學等連續(xù)性問題。結(jié)構(gòu)有限元法一般是以節(jié)點位移作為基本未知量，一旦得到單元結(jié)構(gòu)節(jié)點的位移列陣，就能夠求得該單元中任意的位移、應力和應變。由于單元剛度經(jīng)過組集，可以得到整體剛度矩陣，進而便可以得到單元內(nèi)任意點的位移、應力、應變以及單元節(jié)點力與單元節(jié)點之間的關系，進而可以解決結(jié)構(gòu)的特征問題和響應問題。 有限元有許多優(yōu)點： (1)概念淺顯，容易掌握?？梢栽诓煌乃缴辖⑵饘υ摲ǖ睦斫?；可以通過非常直觀的物理概念來理解；也可以建立基于嚴格的數(shù)學分析的理論。 (2)適用性強，應用廣泛，幾乎適用于求解所有的連續(xù)介質(zhì)和場問題。 (3)采用矩陣形式表達，便于編制計算機程

45、序，可以充分利用高速計算機所提供的方便。 有限元法分析問題的基本步驟： (1)結(jié)構(gòu)的離散化。離散化就是將要分析的結(jié)構(gòu)分割成有限個單元體，并在單元體的指定點設置節(jié)點，使相鄰單元的有關參數(shù)具有一定的連續(xù)性，并構(gòu)成一個單元的集合體以代替原來的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)離散化時，劃分的單元大小和數(shù)目應根據(jù)計算精度的要求和計算機的容量來決定。 (2)選擇位移插值函數(shù)。為了能用節(jié)點位移表示單元體的位移、應變和應力，在分析連續(xù)體問題時，必須對單元中位移的分布作出一定的假設，即假定位移是坐標的某種簡單的函數(shù)選擇適當?shù)奈灰坪瘮?shù)是有限單元法分析中的關鍵。通常采用多項式作為位移函數(shù)。 (3)分析單元的力學特性。利用幾何方程、本構(gòu)方

46、程和變分原理最終得到單位剛度矩陣。 (4)集合所有單元的平衡方程，建立整體結(jié)構(gòu)的平衡方程。先將各個單元剛度矩陣合成整體剛度矩陣，然后將各單元的等效節(jié)點力列陣集合成總的載荷列陣。 (5)由平衡方程組求解未知節(jié)點位移和計算單元應力。 4.3.2 ANSYS 功能簡介 ANSYS公司是由美國匹茲堡大學力學系教授、有限元法的權威、著名的力學專家John Swanson博士于1970年創(chuàng)建而發(fā)展起來的，其總部位于美國賓夕法尼亞洲的匹茲堡市，目前是世界CAE行業(yè)最大的公司之一。 ANSYS軟件的最初版本與今天的版本相比有很大的不同，最初版本僅僅提供了熱分析及線性結(jié)構(gòu)分析功能，而且是一個批處理程序，只能在大

47、型計算機上使用。20世紀70年代初加入了非線性、子結(jié)構(gòu)等功能；20世紀70年代末，圖形技術和交互操作方式應用到了ANSYS中，使得ANSYS的使用進入了一個全新的階段。經(jīng)過30多年的發(fā)展，如今的ANSYS軟件更加趨于完善，功能更加強大，使用也更加方便。 ANSYS是一種應用廣泛的通用有限元工程分析軟件。功能完備的預處理器和后處理器（又稱預處理模塊和后處理模塊）使ANSYS易學易用，強大的圖形處理能力以及得心應手的實用工具使得使用者輕松愉快，奇特的多平臺解決方案使用戶物盡其用，且具有多種平臺支持和異種異構(gòu)網(wǎng)絡浮動能力，各種硬件平臺數(shù)據(jù)庫兼容，使其功能一致，界面統(tǒng)一。目前，ANSYS已經(jīng)廣泛應用于

48、核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防、軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學、輕工、地礦、水利、日用家電等工業(yè)及科學研究。 ANSYS軟件含有多種分析能力，包括簡單線性靜態(tài)分析和復雜非線性動態(tài)分析。可用來求結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題的解答。它包含了預處理、解題程序以及后處理和優(yōu)化等模塊，將有限元分析、計算機圖形學和優(yōu)化技術相結(jié)合，己成為解決現(xiàn)代工程學問題必不可少的有力工具。 ANSYS軟件能夠提供的分析類型如下： (1)結(jié)構(gòu)靜力分析 用來求解外荷載引起的位移、應力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結(jié)構(gòu)影響不顯著的問題。ANSYS程序中的靜力析不僅可以進行線

49、性分析，而且可以進行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應變及接觸問題的分析。 (2)結(jié)構(gòu)動力分析 結(jié)構(gòu)動力分析用來求解隨時間變化的載荷對結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。ANSYS可進行結(jié)構(gòu)動態(tài)分析的類型包括瞬時動力分析、模態(tài)分析、諧波響應分析及隨機振動響應分析。 (3)結(jié)構(gòu)非線性分析 結(jié)構(gòu)非線性問題包括分析材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。ANSYS程序可以求借靜態(tài)和瞬態(tài)的非線性問題。 (4)結(jié)構(gòu)屈曲分析 屈曲分析是用來確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的載荷大小與特定的載荷下結(jié)構(gòu)是否失穩(wěn)問題。ANSYS中的穩(wěn)定性分析主要分為線性分析和非線性分析兩種