冷軋機(jī)機(jī)架優(yōu)化設(shè)計(jì)

王蕾 常鐵柱 江東海 王赤

（中冶京誠工程技術(shù)有限公司 北京100176）

1 前言

鋼材的生產(chǎn)在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。軋機(jī)是軋鋼生產(chǎn)線的核心設(shè)備。軋機(jī)牌坊的優(yōu)劣決定了軋機(jī)的性能。機(jī)架框架作為機(jī)架的核心部件，用于固定內(nèi)部各零部件并傳遞軋制力［1］。機(jī)架要承受軋制力，需要有足夠的強(qiáng)度和剛度。怎樣設(shè)計(jì)出即具備優(yōu)良的性能又經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的軋機(jī)牌坊是設(shè)計(jì)軋機(jī)首先要面對的問題。

2 機(jī)架類型

軋機(jī)機(jī)架是軋機(jī)中的重要零件［2］。根據(jù)軋鋼機(jī)型式和工作要求，軋鋼機(jī)機(jī)架分為閉式和開式兩種。閉式機(jī)架是一個整體框架，具有較高的強(qiáng)度和剛度。閉式軋機(jī)主要用于軋制力較大的初軋機(jī)、板坯軋機(jī)和板帶軋機(jī)等［3］。開式機(jī)架由機(jī)架本體和上蓋兩部分組成。優(yōu)點(diǎn)是換輥方便，缺點(diǎn)是剛度較差。開式軋機(jī)主要用于橫列式型鋼軋機(jī)。目前國內(nèi)外冷軋軋機(jī)基本都是采用閉式機(jī)架的結(jié)構(gòu)形式。

3 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及優(yōu)化

機(jī)架的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)是窗口寬度、高度和立柱截面尺寸。

3.1 尺寸計(jì)算分析

在閉式機(jī)架中，機(jī)架窗口寬度應(yīng)稍大于軋輥?zhàn)畲笾睆?，窗口高度要根?jù)軋輥?zhàn)畲箝_口度換輥等要求確定。

采用材料力學(xué)方法對閉式機(jī)架強(qiáng)度計(jì)算［4］，簡化受力圖如圖1所示，經(jīng)計(jì)算，機(jī)架立柱內(nèi)側(cè)的應(yīng)力為：

圖1 機(jī)架計(jì)算簡圖

機(jī)架立柱外側(cè)的應(yīng)力為：

式中：σn2、σα2—應(yīng)力，Pa；

R—受力，N；

F2—機(jī)架立柱斷面積，m2；

M2—力矩，N·m；

Wn2、Wα2—機(jī)架立柱內(nèi)側(cè)和外側(cè)的斷面系數(shù)，m3。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析，機(jī)架立柱斷面尺寸對機(jī)架剛度影響較大。如果機(jī)架剛度要求較大時，機(jī)架立柱一般采用矩形截面。

怎樣在節(jié)省材料的同時增加機(jī)架受力，是機(jī)架設(shè)計(jì)需要面對的問題，通過實(shí)際工程中的牌坊受力分析比較，可以進(jìn)一步確定影響機(jī)架的受力因素，得到更優(yōu)化的機(jī)架外形。

3.2 實(shí)例受力分析

利用軟件，對機(jī)架受力進(jìn)行分析。在中間對稱面施加對稱約束，地腳螺栓的地面施加xyz三個方向的位移約束。根據(jù)鑄鋼材質(zhì)，初步確定其材料性能參數(shù)如下：

（1）彈性模量為1.85x105MPa；

（2）泊松比為0.3；

（3）屈服應(yīng)力270MPa；

（4）屈服強(qiáng)度500MPa；

（5）斷裂延伸率18%。

以濟(jì)南某工程為例，機(jī)架立柱截面尺寸為：600mm×720mm，橫梁寬度1250mm。當(dāng)軋制力取1800t時，單片牌坊軋制力為900t，其高度和寬度方向的位移如圖2所示，高度方向的最大位移為0.4534mm，寬度方向的最大位移為0.3083mm。應(yīng)力最大值為31.1MPa，如圖3所示。

圖2 機(jī)架位移圖

圖3 機(jī)架等效應(yīng)力圖

在競爭激烈的情況下，怎樣設(shè)計(jì)最優(yōu)化的機(jī)架形狀，立柱截面尺寸和橫梁的尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)尤為重要。怎樣對橫梁和立柱進(jìn)行配比使得機(jī)架受力更好，立柱截面寬厚比多少比較合適，需要進(jìn)行分析。因此在保持機(jī)架總重不變的情況下，調(diào)節(jié)立柱形狀和橫梁厚度分別進(jìn)行計(jì)算。

保持總體材料重量不變，調(diào)整橫梁寬度和立柱形狀。取機(jī)架立柱截面尺寸為：600mm×760mm，橫梁寬度1000mm。當(dāng)軋制力取1800t時，單片牌坊軋制力為900t，其高度和寬度方向的位移如圖4所示，高度方向的最大位移為0.4956mm，寬度方向的最大位移為0.3684mm。應(yīng)力最大值為32.86MPa，如圖5所示。

圖4 機(jī)架位移圖

圖5 機(jī)架等效應(yīng)力圖

取機(jī)架立柱截面尺寸為：600mm×600mm，橫梁寬度2030mm。當(dāng)軋制力取1800t時，單片牌坊軋制力為900t，高度方向的最大位移為0.4756mm，寬度方向的最大位移為0.2961mm。應(yīng)力最大值為28.05MPa。

取機(jī)架立柱截面尺寸為：600mm×660mm，橫梁寬度1620mm。當(dāng)軋制力取1800t時，單片牌坊軋制力900t，高度方向的最大位移為0.4485mm，寬度方向的最大位移為0.2854mm。應(yīng)力最大值為28.74MPa。

3.3 結(jié)構(gòu)分析

通過實(shí)例受力分析，在軋制力1800t的情況下，機(jī)架重量一致，得到參數(shù)如表1所示。

由表1可知，在機(jī)架總重量不變的條件下，窗口大小受軋輥軸承座等內(nèi)部零件尺寸制約，變化范圍不大。本次實(shí)驗(yàn)中采取窗口尺寸不變，調(diào)節(jié)橫梁厚度和立柱截面形狀尺寸，分析受力和位移。

表1 軋機(jī)立柱形狀及受力比較

在同等受力且總重不變的條件下，在一定范圍內(nèi)橫梁越寬，最大應(yīng)力越小，但是可以看到橫梁也不是可以無限變寬的。從最后兩組數(shù)據(jù)可以看出，橫梁寬為2030mm時比橫梁寬為1620mm時，機(jī)架的寬度方向變形和高度方向變形都要大。

將橫梁和立柱結(jié)合一起考慮，立柱寬厚比為1.1∶1時，高度位移和寬度位移最小，最大應(yīng)力適中，滿足需求。在此重量下，橫梁1620mm，立柱660mm×600mm尺寸最佳。

4 結(jié)論

通過對機(jī)架不同形狀的分析計(jì)算得出，機(jī)架橫梁尺寸和立柱斷面尺寸對機(jī)架變形和最大應(yīng)力影響較大。如果機(jī)架剛度要求較大時，機(jī)架立柱一般采用矩形截面。在同樣的重量條件下，適當(dāng)調(diào)整橫梁尺寸，立柱寬厚比1.1左右比較合適。在設(shè)計(jì)機(jī)架形狀時可以適當(dāng)選取合適的寬厚比及橫梁寬度，以節(jié)省成本。