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第 58頁 。
φ950可逆式軋機壓下裝置設計
1 緒論
1．1 畢業(yè)設計的意義
畢業(yè)設計是對大學期間的理論課程與實際相結合的一種綜合教學環(huán)節(jié)。使我們學到的專業(yè)理論和知識應用到工作中，培養(yǎng)獨立思考、分析和解決實際工作問題的能力，為以后的工作打下堅實的基礎。
1．2 軋鋼機械定義
軋鋼機械亦稱軋鋼機。一般把能將被加工材料在旋轉的軋輥間受壓力產生塑性變形即軋制加工的機器，稱為軋鋼機。在大多數情況下，軋材的生產過程要經過幾個軋制階段，還要完成一系列的輔助工序，如將原材料由倉庫運出、加熱、軋件送往軋輥、軋制、翻轉、剪切、矯直、打印、軋件的收集、卷曲成卷等等[1]。
1．3 初軋機的作用及生產要點
1. 作用：
初軋機是以最少的軋制道次，最短的時間，將鋼錠軋制成規(guī)定的尺寸及優(yōu)制高精度的坯材的一種軋機。
2. 生產要點：
在不產生裂紋的范圍內，盡可能增大壓下量，確定合適的鋼坯的尺寸關系，軸承的安裝維修和軋輥的調整精度要高。要使軋輥充分冷卻，但要防止鋼坯降溫，正確的孔型設計，操作要熟練。
1．4 軋鋼機及初軋機的發(fā)展情況
19世紀中葉軋鋼機械只是軋制一些熟鐵條的小型軋機，設備簡陋，產量不高；有的軋機是用原始的水輪來驅動。十九世紀五十年代以后，鋼的產量大增；各先進工業(yè)國的鐵路建設與遠洋航運的發(fā)展，蒸汽驅動的中型、大型軋機先后出現了。二十世紀的電氣化使功率更大的初軋機迅速發(fā)展起來。本世紀50~70年代末，由于汽車、石油、天然氣的輸送，鋼材生產是以薄板占優(yōu)勢為特征的。
至1970年止，世界上有初軋機達200多臺，擁有初軋機最多的國家為美國，達130臺，日本42臺，絕大部分為二輥可逆式軋機，開坯能力達3億噸以上，七十年代的初軋機軋輥直徑增大到1500毫米。
國外初軋機的發(fā)展可分為三個階段。1945年前的初軋機，一般稱為第一代初軋機。1945~1960年是初軋機發(fā)展的中期，稱為第二代初軋機。60年代后建的初軋機，稱為第三代初軋機。70年代初的初軋機軋輥直徑增大到1500mm，到如今的二十一世紀，初軋機的發(fā)展更是迅速。
我國擁有1000毫米以上大型初軋機七套，還有750—850毫米小型初軋機八套，主要用于合金鋼廠，為數不多的650毫米軋機是中小鋼廠的主要開坯設備。1959年我國開始自行設計制造開坯機，已制成的開坯機有700、750、825、850/650、1150等毫米初軋機。
1．5 初軋機的發(fā)展趨勢
目前初軋機的發(fā)展趨勢有如下幾點：
1. 萬能式板坯初軋機迅速發(fā)展。近20年來隨著熱連軋和中厚板軋機的發(fā)展，板坯需要量不斷增加。因此初軋機有半數以上是專門軋制板坯的高生產率的萬能式板坯初軋機，由于萬能式板坯初軋機帶有立輥，可以減少翻鋼道次、減少軋制時間，軋出的板坯質量好，易于實現自動控制。
2. 向重型化發(fā)展。初軋機的重型化是指大鋼錠、大輥徑、大功率。軋制鋼錠重量達45~70t，最高年產量達500~600萬。
3. 縮短軋機輔助機械工作時間。
4. 采用自動化控制。20年來，初軋機自動化發(fā)展較快，由均熱爐到板坯精整已逐步采用自動控制。初軋機的自動操作，已由電子計算機在線控制。
5．提高鋼坯質量，改進精整工序，采用大噸位板坯剪切機(剪切力可達40MN)及在線火焰清理機。
6. 九十年代及其以后的發(fā)展動向，隨著連鑄技術的發(fā)展，連鑄與軋機相結合的連續(xù)軋機組將進一步發(fā)展。
1．6 φ950可逆式軋機主傳動
軋鋼機主傳動裝置的作用是將電動機的運動和力矩傳遞給軋輥。
φ950可逆式軋機的主傳動裝置由電動機、聯(lián)軸器、齒輪座及聯(lián)接軸組成。
(1) 電動機：為軋機提供動力源。
(2) 聯(lián)軸器：聯(lián)接電動機與齒輪座。
(3) 齒輪座：當工作機座由一個電動機帶動時，通過齒輪座將電動機傳遞的運動和力矩分配給兩個軋輥。
(4) 聯(lián)接軸：軋鋼機電動機、齒輪座的運動和力矩都是通過聯(lián)接軸傳遞給軋輥的。
1．7 連軋生產工藝流程圖及Φ950可逆式軋機性能
1. 圖1.1為煉鋼廠連軋作業(yè)區(qū)生產工藝流程圖：
圖1.1 生產工藝流程圖
2.煉鋼廠連軋作業(yè)區(qū)Φ950可逆式軋機性能：
軋機型式：二輥可逆式軋機
原料規(guī)格：mm
軋輥直徑：Φ900～Φ1050mm
軋輥長度：5840mm
軋輥重量：22.747t
輥身長度：2500mm
輥頸直徑：Φ560mm
最大軋制力：9.81M·N
額定力矩：63.5t·m
軋制速度：0~5.5m/s
軋輥最大開口度：550mm
工作行程：500mm
下輥軸向調整量：5mm
壓下速度：50～100～120mm/s
軋輥平衡形式：液壓
軋輥材質：60CrMnMo鍛鋼
接軸扁頭重量：1.475t
接軸扁頭材質：40CrNiMo
軋輥轉速：0～70-120r/min
主電機功率：4560KW
軋輥軸承型號：四列滾子軸承FCD112164630
1．8 壓下螺絲的阻塞事故
快速電動壓下裝置由于壓下行程大，壓下速度高而且不帶鋼壓下，故在生產中易發(fā)生壓下螺絲阻塞事故，這通常是由于卡鋼，或者由于誤操作使兩輥過分壓靠或上輥超限提升造成的，此時壓下螺絲上的載荷超過了壓下電機允許的能力，電動機無法啟動，上輥不能提升。所以在軋機設計時，考慮發(fā)生阻塞事故時的回松措施是十分必要的，回松力可按每個壓下螺絲上最大軋制力的1.6～2.0倍考慮。
1．9 上輥平衡裝置的用途
由于上軋輥及其軸承座，以及壓下螺絲自重的影響，在軋件未進入軋輥之前，上軋輥及其軸承座與壓下螺絲之間，以及壓下螺絲和壓下螺母之間有間隙存在，這些間隙使軋件進入軋輥時產生很大的沖擊，惡化了軋件的工作條件。為了防止這種沖擊，幾乎所有軋機都設有上輥平衡裝置，Φ950可逆式軋機也設有上輥平衡裝置。
2 總體設計方案
φ950可逆式軋機的主要組成部分有：主傳動、機架、軋輥、軋輥軸承、萬向接軸、壓下裝置及平衡裝置。
2．1主傳動
φ950可逆式軋機主傳動裝置作用是把電動機的轉動傳遞給工作機座中的軋輥，使其旋轉，實現對金屬的軋制。
2．2機架
在軋制過程中，被軋制的金屬作用到軋輥上的全部軋制力，通過軋輥軸承、軸承座、壓下螺絲及螺母傳給機架。因此，機架必須有足夠的剛度和強度。
本設計φ950可逆式軋機機架采用閉式機架。
機架的材料選用ZG35鑄鋼。
2．3軋輥
軋輥是使軋件產生塑性變形的主要部件，在軋制過程中，軋輥承受著軋制壓力，并將此負荷傳給軸承。
軋輥選用的材料是60CrMnMo鍛鋼。
2．4軋輥軸承
軋輥軸承用來支承轉動的軋輥，并保持軋輥在機架中正確的位置。軋輥軸承應具有較小的磨損系數，足夠的強度和剛度，并便于更換軋輥。
軋輥軸承型號選用四列滾子軸承FCD112164630。
軋輥軸承的潤滑方式是自動干油潤滑。
2．5萬向接軸
φ950可逆式軋機的聯(lián)接軸選用滑塊式萬向接軸，它能傳遞很大的扭矩和允許有較大的傾角。
萬向接軸的扁頭選用開口式扁頭。
萬向接軸的等速條件：
1.主動軸與被動軸要平行
2.接軸（傳動軸）上的叉頭或鏜口要平行。
2．6壓下裝置
φ950可逆式軋機的壓下裝置采用快速電動壓下裝置。
1．壓下裝置的作用：
(1) 調整兩個軋輥之間的相互距離，以獲得需要的輥縫和給定的壓下量；
(2) 調整兩個軋輥的平行度；
(3) 在軋制過程中發(fā)生軋卡等事故時，能使軋輥迅速脫離軋件。
2．快速壓下裝置工藝特點：
(1) 工作時要求大行程、快速和頻繁地升降軋輥。
(2) 軋輥調整時，不“帶鋼”壓下，即不帶軋制負荷壓下。
為適應上述特點，要求傳動系統(tǒng)慣性小，以便在頻繁的啟動和制動情況下實現快速調整；由于工作條件繁重，要求有較高的傳動效率和工作可靠性。
2．7平衡裝置
φ950可逆式軋機的平衡裝置選用液壓式平衡裝置。液壓式平衡裝置是用液壓缸的推力來平衡上輥重量的。
1. 軋輥平衡的目的：為了消除在軋制過程中,因工作機座中有關零件間的配合間隙所造成的沖擊現象,以保證軋件的軋制精度,改善咬入條件,以及防止工作輥與支承輥之間產生打滑現象等原因所設置了軋輥平衡裝置.
2. 液壓式平衡裝置的特點:
優(yōu)點：(1) 結構緊湊,適于各種高度的上軋輥的平衡；
(2) 動作靈敏，能滿足現代化的板厚自動控制系統(tǒng)的要求；
(3) 在脫開壓下螺絲的情況下，上輥可停在任何要求的位置，同時拆卸方便，因此加速了換輥過程；
(4) 平衡裝置裝于地平面以上，基礎簡單、維修方便、便于操作。
缺點：(1) 調節(jié)高度不宜過高，否則制造、維修困難；
(2) 需要一套液壓系統(tǒng)，增加了設備投資。
現代化的軋鋼車間中，液壓已成了普遍采用的必不可少的動力。因此，缺點之二相對來說就不突出了。
3 力能參數的計算
3．1軋制力能參數
典型鋼件：20CrMnTiH
化學成份：C=0.20%，Mn=1.0%，Cr=1.2%，Ti=0.07%
如下表3.1為Φ950鋼坯軋制圖表：
表3.1 Ф950鋼坯軋制圖表 (mm)
鑄坯規(guī)格：280380
道次
孔型
指針
讀數
斷面尺寸
壓下量
寬展量
高度
寬度
0
380
280
1
I
180
330
50
2
I
120
270K
300
60
20
3
I
100
240
60
4
I
30
180K
300
60
30
5
III
110
240
60
6
III
60
190K
200
50
20
7
III
30
160
200
40
10
3．1．1 軋制時接觸弧上平均單位壓力
由于單位壓力在接觸弧上的分布是不均勻的，為便于計算，一般均以單位壓力的平均值——平均單位壓力來計算軋制總壓力。
由文獻[1]可知，利用艾克隆德公式計算軋制時的平均單位壓力：
p=(1+m)(k+u) (3.1)
式中：m——考慮外摩擦對單位壓力的影響系數；
k——軋制材料在靜壓縮時變形阻力，MPa；
——軋件粘性系數，kg·s/mm；
u——變形速度，s。
計算第一道次：
m= (3. 2)
式中：——摩擦系數。對鋼軋輥=1.05-0.0005t；
t——軋制溫度；
h、h——軋制前后軋件的高度，mm；
R——軋輥半徑，mm。
=1.05-0.00051120=0.49
R=950/2=475mm
h=380mm，h=330mm
數據代入公式(3.2)中得：
m=0.086
1. 利用L．甫培(Pomp)熱軋方坯的試驗數據，得到k(Mpa)的計算公式：
k=(14-0.01t) (3.3)
式中： t——軋制溫度，℃；
(C)——碳的質量分數，%；
(Mn)——錳的質量分數，%；
(Cr)——鉻的質量分數，%；
把數據代入公式(3.3)中：k81.222
2. 軋件粘度系數(kg·s/mm)按下式計算：
=0.01(14-0.01t)c (3.4)
式中：c——考慮軋制速度對的影響系數，由文獻[1]可知，其值如下：
軋制速度v/(m·s) <6 6—10 10—15 15—20
系數c 1.0 0.8 0.65 0.60
最大軋制速度nd=110r/min=110πD/60 m/s
=1103.140.95/60 m/s 5.469m/s<6m/s
取c=1.0
由公式(3.4)計算得=0.01(14-0.011120) 1.0
=0.028 kg·s/mm
3. 艾克隆德用(3.5)式計算變形速度：
u (3.5)
式中： v ——軋制速度，mm/s；
h,h——軋制前、后軋件的高度，mm；
R ——軋輥半徑，mm。
h= h-h=380-330=50mm
v=5.5m/s
數據代入(3.5)式得：u5.027 s
數據代入(3.1)式得：p=(1+m)(k+u)
=(1+0.086)(81.222+0.0285.027)=88.36MN
分別代入數據算出其它道次，列表3.2
表3.2 各道次數據
道次
m
k
(kg·s/mm)
U
(s)
p
(M·N)
1
0.086
81.222
0.028
5.027
88.36
2
0.105
87.024
0.030
6.516
96.378
3
0.122
92.826
0.032
7.240
104.411
4
0.163
98.627
0.034
9.308
115.071
5
0.132
104.429
0.036
7.240
118.509
6
0.170
110.230
0.038
8.30
129.338
7
0.204
116.032
0.040
8.867
143.973
3．1．2 軋制力的計算
由文獻[1]可知，軋件對軋輥的總壓力P為軋制平均單位壓力p與軋件和軋輥接觸面積F之乘積，即
P= pF (3.6)
接觸面積：
F=l (3.7)
式中：b,b——軋制前、后軋件的寬度；
l ——接觸弧長度的水平投影。
不考慮軋制時軋輥產生彈性壓扁現象，接觸弧長度的水平投影為：
l=Rsin (3.8)
式中； R——軋輥半徑；
——壓下量。
軋制力P：
P= pbl (3.9)
b= (3.10)
式中：b——軋件前后兩次平均寬度；
計算第一道次：
b=280mm b=280mm
h=50mm
由(3.10)式得：b= ==280mm
由(3.8)式得：l = ==154mm
由(3.9)式得：P= pbl =88.36280154=3.81MN
分別代入數據算出其它道次，列表3.3
表3.3 各道次數據 (mm)
道次
b
b
b
l
P= pbl (M·N)
1
280
280
280
50
154
3.81
2
280
300
290
60
169
4.723
3
270
270
270
60
169
4.764
4
270
300
285
60
169
5.542
5
180
180
180
60
169
3.605
6
180
200
190
50
154
3.784
7
190
200
195
40
138
3.874
3．1．3 軋制力矩的計算
軋制時，軋件在軋制壓力作用下產生塑性變形，與此同時軋件也給軋輥以大小相等的反作用力。軋件對軋輥的作用力P相對軋輥中心的力矩，稱為軋制力矩M，其值與軋制壓力P的方向及其在接觸弧上的作用點位置有關。
確定軋制總壓力方向，可以進一步確定軋制力矩。簡單軋制情況下，除了軋輥給軋件的力外，沒有其它的外力。這樣，兩個軋輥對軋件的法向力N、N和摩擦力T、T的合力P、P必然是大小相等而方向相反，且作用在一條直線上，該直線垂直于軋制中心線，軋件才能平衡，由文獻[1]可知，如圖3.1所示：
圖3.1 簡單軋制時作用在軋輥上的力
由文獻[1]可知，驅動一個軋輥的力矩M為軋制力矩M與軋輥軸承處摩擦力矩M之和；
M= M+ M=P(a+) (3.11)
a=sin
=
M=Pa
M=P
式中：P——軋制力；
a——軋制力臂，即合力作用線距兩個軋輥中心連線的垂直距離；
——軋輥軸承處摩擦圓半徑；
D——軋輥直徑；
d——軋輥軸頸直徑；
——合力作用點的角度；
——軋輥軸承摩擦系數：
φ950初軋機選用膠木瓦，=0.01—0.03，取=0.022
采列柯夫認為，由文獻[1]可知，熱軋時=0.5
式中：——力臂系數，假定總軋制壓力作用點在接觸弧的中心，用力臂系數表示；
——咬入角，=arcos(1-)
d=560mm
根據以上公式計算第一道次：
=arcos(1-)= arcos(1-)=18.672
===6.16
=0.518.672=9.336
sin=0.162
a=sin=sin=0.162=76.95
M=Pa=3.8176.95=2.93210N·m
M=P=3.816.16=0.23510N·m
一個軋輥驅動力矩為：M= M+ M=2.93210+0.23510=3.16710N·m
所以兩個軋輥驅動力矩為：=2 M=6.33410N·m
分別代入數據算出其它道次，列表3.4
表3.4 各道次數據
道次
(mm)
sin
P
(MN)
M
(10Nm)
M
(10Nm)
M
(10Nm)
(10Nm)
1
50
18.672
0.162
3.81
2.932
0.235
3.167
6.334
2
60
20.472
0.178
4.732
4.001
0.291
4.292
8.584
3
60
20.472
0.178
4.764
4.028
0.293
4.321
8.642
4
60
20.472
0.178
5.542
4.686
0.341
5.027
10.054
5
60
20.472
0.178
3.605
3.048
0.222
3.27
6.54
6
50
18.672
0.162
3.784
2.912
0.233
3.145
6.29
7
40
16.686
0.145
3.874
2.668
0.239
2.907
5.814
3．1．4 主電動機力矩
傳動軋輥時，由文獻[1]可知，主電動機軸上的力矩由四部分組成，即
M= (3.12)
=+M+MM
式中：M——主電動機力矩；
M——軋輥上的軋制力矩；
M——附加摩擦力矩，即當軋制時由于軋制力作用在軋輥軸承、傳動機構及其
它轉動件中的摩擦而產生的附加力矩，M=；
M——空轉力矩，即軋機空轉時，由于各轉動件的重量所產生的摩擦力矩及其他阻力矩；
M——動力矩，軋輥運轉速度不均勻時，各部件由于有加速或減速所引起的慣性力所產生的力矩；
i——電動機和軋輥之間的傳動比。
附加摩擦力矩M包括兩部分，其一是由于軋制總壓力在軋輥軸承上產生的附加摩擦力矩M，這部分已包括在軋輥傳動力矩M之內；另一部分為各轉動零件推算到主電動機軸上的附加摩擦力矩M。
M=()=() (3.13)
式中：——主電動機到軋輥之間的傳動效率，其中不包括空轉力矩M的損失。單
級齒輪傳動時取=0.97。
i ——電動機和軋輥之間的傳動比；i =1
由文獻[2]可知，M=5%
根據已知軋件加速度a=70rad/min，由文獻[1]可知，
M====24.3710N·m
GD=13.310kg·m
計算第一道次：
由公式(3.13)得：M=()=0.09810N·m
由公式(3.12)得：M==6.002N·m
式中：GD——各轉動件推算到電動機軸上的飛輪力矩；
a ——加速度或減速度；加速為正，減速為負；
代入數據算出其它各道次，列表3.5
表3.5 各道次數據 (10N·m)
道次
M
M
1
0.098
6.002
2
0.133
7.223
3
0.134
7.255
4
0.156
8.021
5
0.101
6.114
6
0.097
5.978
7
0.090
5.720
3．2 各道次軋件斷面和當量長度
在軋制過程中，金屬在軋輥間承受軋制壓力的作用而發(fā)生塑性變形。由于金屬變形時體積不變，變形區(qū)的金屬在垂直方向產生壓縮，在軋制方向產生延伸，在橫向產生寬展，而延伸和寬展受到接觸面上摩擦力的限制，使變形區(qū)內的金屬呈三向應力狀態(tài)。
變形區(qū)內各點的應力分布是不均勻的。在有前后張力軋制時，變形區(qū)中部呈三向壓應力狀態(tài)；靠近入口和出口處，由于張力的作用，金屬呈一向拉應力和兩向壓應力狀態(tài)。
由各道次軋件斷面圖，用網格法近似計算A
N=L/D (3.14)
L=V/A+l (3.15)
式中：N——當量長度
D——取軋輥名義直徑；
V ——毛坯體積；
l——變形長度，l=。
根據公式(3.14)、(3.15)計算第一道次：
V=280=8.0332mm
A=280330=92400mm
l==154.11mm
L=8.0332/92400+154.11=8848.05mm
N=8848.05/3.14950=2.97mm
代入數據算出其它各道次，列表3.6
表3.6 各道次軋件斷面和當量長度 (mm)
道次
A
N
1
92400
2.97
2
81000
3.38
3
72000
3.80
4
54000
5.04
5
43200
6.29
6
38000
7.14
7
32000
8.46
3．3 各道次軋制時間的確定
已知：軋件加速度a=70rad/min
軋件減速度b=100rad/min
軋件咬入速度n=20rad/min
軋件拋出速度n=40rad/min
1-7道次最大軋制速度n=110rad/min
由文獻[1]可知，計算公式：
1． 空載起動時間：t=n/a； (3.16)
2． 咬入后的加速時間：t=(n-n)/a； (3.17)
3． 等速軋制時間：t=60N/n-(n-n)/2an-(n-n)/2bn； (3.18)
4． 拋出減速時間：t=(n-n)/b； (3.19)
5． 空載減速時間：t=n/b。 (3.20)
將以上公式代入數據得：
1．1~7道次t=20/70=0.29s；
2．1~7道次t=(110-20)/70=1.29s；
3．t=602.97/110-(110-20)/270110-(110-20)/2100110=0.33s；
4．1~7道次t=(110-40)/100=0.7s；
6． 1~7道次t=40/100=0.4s。
代入數據算出其它各道次，列表3.7
表3.7 各道次軋制時間 (s)
道次
t
t
t
t
t
1
0.29
1.29
0.33
0.7
0.4
2
—
—
0.55
—
—
3
—
—
0.78
—
—
4
—
—
1.46
—
—
5
—
—
2.14
—
—
6
—
—
2.60
—
—
7
—
—
3.32
—
—
3．4 主電動機的選用
3．4．1 選擇電動機的原則：
正確選擇電動機的原則是：
在電動機能勝任機械設備負載要求的前提下，最經濟和最合理地確定電動機功率。也就是說，要能滿足機械設備對電動機提出的功率、力矩、轉速、過載能力以及啟動、調速、制動的要求下，電動機的溫升要小于國家標準規(guī)定的溫升值，使電動機能力在運行中能充分利用。
3．4．2 根據過載條件選擇電動機容量
由文獻[1]可知，如下公式
M= (3.21)
N= M= (3.22)
式中： M——載荷靜力矩，kN·m；
——靜負荷圖上的最大力矩；
——電機轉速，r/min；
K——電動機過載系數，取K=2.8；
由力矩的計算可知：
最大力矩為第四道次的力矩，把數據代入公式(3.21)、(3.22)計算得：
M===2.865Nm<6.2N·m
N===3299KW
由文獻[2]初選電機：ZJD285/155-14型可逆運轉的直流電動機。
額定功率P=4300KW
額定轉速n=110r/min
3．4．3 電動機的發(fā)熱校核
一般來說，預選電動機后，還應對電動機進行發(fā)熱驗算。
可逆運轉的電動機軋輥低速咬入軋件，然后增加速度，速度達到定值后則等速進行軋制。軋件軋制結束前，降低速度，在低速時軋輥把軋件拋出。由文獻[1]知，這種作業(yè)方式的電動機轉速和力矩與時間的關系如圖3.2所示：
圖3.2 可逆運轉電動機轉速和力矩與時間的關系圖
從圖中可以看出，電動機轉速和力矩與時間的關系可分為五段來研究。
空載起動階段：
轉速0→n（咬入軋件時的轉速），力矩M=M+M；
咬入軋件后的加速階段：
轉速n→n（穩(wěn)定運轉的轉速），力矩M=M+M；
穩(wěn)定速度軋制階段：
轉速n不變，力矩M=M；
帶有軋件的減速階段：
轉速n→n（拋出軋件時的轉速），力矩M= M-M；
制動階段：
轉速n→0，力矩M= M-M。
選取嚴重過載的第四道次校核：
M=M+M
=(0.401+2.437)=2.838N·m
M= M+M
=(8.021+2.437)=10.458N·m
M=M=8.021N·m
第四階段的M===3.482N·m
M= M-M
=(8.021-3.482)=4.539N·m
M= M-M
=(0.401-3.482)=- 3.081N·m
t=0.29s
t=1.29s
t=1.46s
t=0.7s
t=0.4s
等值力矩：
M= (3.23)
數據代入公式(3.23)中得：M==2.599N·m<9.88N·m
所以發(fā)熱條件滿足。
4 零件的強度計算和校核
4．1 機架的設計
機架的形式：
軋鋼機在軋制過程中，被軋制的金屬作用到軋輥上的全部軋制力，通過軋輥軸承、軸承座、壓下螺絲及螺母傳給機架，并由機架全部吸收不再傳給地基。因此，對機架必須要求有足夠的強度與剛度。
機架主要結構參數是窗口寬度、高度和立柱斷面尺寸。
按機架結構分，軋鋼機機架分為閉式和開式兩種。
1. 閉式機架
閉式機架是一個將上下橫梁與立柱鑄成一體的封閉式整體框架，因此，從材料力學的觀點看，具有較高的強度和剛度，但換輥不方便。采用閉式機架的工作機座，在換輥時，軋輥是沿其軸線方向從機架窗口中抽出或裝入，這種軋機一般都設有專用的換輥裝置。
2. 開式機架
開式機架由架本體和上蓋兩部分組成。開式機架的上蓋可以從U形架體上拆開，它的剛性不及閉式機架，但它換輥方便的優(yōu)點使它廣泛地應用在型鋼軋機上。
Φ950可逆式軋機選用閉式機架。由于機架是一個非經常更換的永久性的部件，設計時要保證使用壽命外，還要保證制造工藝簡化，成本降低，能滿足軋鋼生產工藝和產品方面的要求，以保證生產的可靠性。
4．1．1 機架強度的計算
閉式機架強度計算的假設：
1. 每片機架只在上下橫梁的中間斷面處受有垂直力R，而且這兩個力大小相等、方向相反，作用在同一直線上，即機架的外負荷是對稱的。
2. 機架結構對窗口的垂直中心線是對稱的，而且不考慮由于上下橫梁慣性矩不同所引起的水平內力。
3. 上下橫梁和立柱交界處（轉角處）是剛性的，即機架變形后，機架轉角仍保持不變。
根據上述假設，機架外負荷和幾何尺寸都與機架窗口垂直中心線對稱，故可將機架簡化為一個由機架立柱和上、下橫梁的中性軸組成的自由框架。如將此框架沿機架窗口垂直中心線剖開，則在剖開的截面上，作用著垂直力和靜不定力矩M。由文獻[1]可知，機架簡化為如圖(4.1)所示的矩形自由框架：
圖4.1 矩形自由框架彎曲力矩圖
由文獻[3]可知，對于機架橫梁y=x，而對于立柱y=，因此，M為
M=·=· (4.1)
式中：——機架橫梁的中性線長度；
——機架立柱的中性線長度；
——機架上橫梁的慣性矩；
——機架立柱的慣性矩；
——機架下橫梁的慣性矩。
上式積分后，得
M=· (4.2)
如果假設上下橫梁慣性矩相同，即時，則力矩M為
M=· (4.3)
因為在立柱上的彎矩M為
M=-M (4.4)
將(4.3)式代入(4.4)式，則
M=· (4.5)
由公式(4.5)可看出，減小立柱的慣性矩和增加橫梁的慣性矩可以部分地減少立柱中的彎矩M。這對于減輕窄而高的機架重量是有利的。
求慣性矩和：
=1880mm =5150mm
把橫梁看作圖4.2所示:
圖4.2 橫梁簡圖
(4.6)
把橫梁數據代入公式(4.6)中得：==0.082m
把立柱看作圖4.3所示:
圖4.3 立柱簡圖
把立柱數據代入公式(4.6)中得：==0.005m
由文獻[1]可知，初軋機d/D=0.55~0.7，取d/D=0.59
d=9500.59=560mm
由文獻[1]可知，=0.8~1.0，取=0.9
機架立柱斷面積：F=0.9(0.28)=0.071m
選擇軋制力最大的第四道次進行校核：
R===2.771MN
將以上數據代入公式(4.3)、(4.4)中，解得：
M=1.288MN·m
M=0.014MN·m
減小立柱斷面的慣性矩I和增加橫梁的慣性矩I，可以部分地減少立柱中的彎矩M，這對于減輕窄而高的機架重量是有利的。
4．1．2 機架應力的計算和校核
由文獻[1]可知，圖4.4為閉式機架中的應力圖，根據應力圖計算下列數據。
W=W= (4.7)
W=W= (4.8)
把公式(4.7)、(4.8)代入數據得：
W=W===0.143m
W=W===0.009m
式中：W、W——分別為機架橫梁內側和外側的斷面系數；
W、W——分別為機架立柱內側和外側的斷面系數。
圖4.4 閉式機架中的應力圖
由文獻[3]可知，機架一般采用含碳量0.25~0.35的鑄鋼，選用ZG35，對于ZG35來說，許用應力采用下列數值：
對于橫梁[σ]50~70MPa，
對于立柱[σ]40~50MPa。
由文獻[3]可知：
機架橫梁內側的應力σ為：
σ=- (4.9)
機架橫梁外側的就力為：
σ= (4.10)
機架立柱內側的應力為：
σ= (4.11)
機架立柱外側的應力為：
σ= (4.12)
把以上公式代入數據得：
σ=-MPa<[σ]=50～70MPa
σ==9.007MPa
σ===21.07MPa<[σ]=40～50MPa
σ==17.959MPa<[σ]=40～50MPa
所以，機架強度滿足。
4．2 軋輥強度的校核
軋輥是使軋件產生塑性變形的主要部件，在軋制過程中，軋輥承受著軋制壓力，并將此負荷傳給軸承。
軋輥由輥身、輥徑及軸頭三部分組成。
輥徑的基本尺寸參數是：軋輥的名義直徑D、輥身長度L、輥頸直徑d以及輥頸長度l。
初軋機的軋輥輥身是有軋型的，通常把初軋機輥環(huán)外徑作為名義直徑。為了避免孔型槽切入過深，輥子名義直徑與工作直徑的比值一般不大于1.4。
軋輥安裝在軸承中，并通過軸承座和壓下裝置把軋制力傳給機架，輥頭和聯(lián)接軸相連，傳遞軋制扭矩。
軋輥是軋鋼機中直接軋制軋件的主要部件。在軋制過程中，軋輥直接與軋件接觸，強迫軋件發(fā)生變形。與此同時，軋輥承受著巨大的軋制壓力的作用，并由于軋輥本身的旋轉而使其應力隨時間作周期性的變化。
4．2．1 軋件咬入條件的校核
只有軋件被軋輥咬入進入變形區(qū)，軋制過程才能建立。由文獻[1,27]頁可知，軋件咬入條件，可分為兩個階段，即開始咬入階段和已經咬入階段。
1． 開始咬入階段：
當軋件與旋轉著的軋輥接觸時，軋輥對軋件作用有正壓力N及摩擦力T，由文獻[1]可知，如圖4.5所示：
(a) (b)
圖4.5 開始咬入(a)及咬入后(b)作用于軋件上的力
并且：
N=Nsin
T=Ncos
T=N
式中：——摩擦系數。
當軋件與軋輥接觸瞬間，在力的作用下處于平衡狀態(tài)時，則
2Nsin+G-2Tcos=0
式中：G——為慣性力。
若慣性力G忽略不計，則其平衡條件為：
若使軋件能被自然咬入，必須T>N。因此，只有當>tan時，才能實現其自然咬入；若=tan時，則軋件處于平衡狀態(tài)，不能自然咬入；當
tan
所以軋件咬入條件滿足。
4．2．2輥身、輥頸強度的校核
軋輥是軋鋼車間中主要的、經常耗用的工具，其質量好壞直接影響著鋼材的質量和產量。因此對軋輥的性能的要求是很嚴格的，但因為軋機類型及所軋制鋼材種類的不同，對軋輥性能的具體要求有很大的差別。
軋輥的破壞決定于各種應力，其中包括彎曲應力、扭轉應力、接觸應力，由于溫度分布不均或交替變化引起的溫度應力以及軋輥制造過程中形成的殘余應力等的綜合影響。
設計軋機時，通常是按工藝給定的軋制負荷和軋輥參數對軋輥進行強度校核。由于對影響軋輥強度的各種因素（如溫度應力、殘余應力、沖擊載荷值等）很難準確計算，為此，設計時對軋輥的彎曲和扭轉一般不進行疲勞校核，而是將這些因素的影響納入軋輥的安全系數中，為了保護軋機其它重要部件，軋輥的安全系數是軋機各部件中最小的。
初軋機的軋輥，沿輥身長度上布置有許多孔型軋槽。此時，軋輥的外力（軋制壓力）可以近似地看成集中力。軋件在不同的軋槽中軋制時，外力的作用是變動的。所以要分別判斷不同軋槽過鋼時軋輥各斷面的應力，進行比較，找出危險斷面。
軋輥強度的計算內容、方法和它的用途、形狀以及工作條件等因素有關。通常對輥身僅計算彎曲，對輥頸則計算彎曲和扭轉。
如圖4.6所示，為軋輥的彎曲扭轉力矩圖。
圖4.6 軋輥的彎曲、扭轉力矩圖
1．輥身強度校核
由文獻[1]可知，L/D=2.2-2.7，取2.6。
L=2.6D=2.6950=2470mm=2.47m
由文獻[1]可知，l/d=1.0
前面選取d=560mm=0.56m，所以l=560mm=0.56m
M=(0.56+2.47)=4.2MN·m
截面的直徑為D的圓形，抗彎截面系數W為：
W===0.084m
σ==50MPa
由文獻[3]可知，對于碳鋼軋輥，許用應力[σ]=140～150MPa。
σ<[σ]
所以，軋輥輥身強度滿足。
2．輥頸強度校核
因為第四道次的軋制力最大，所以取第四道次的軋制力P=5.542N
R===2.771N
C==0.28m
M=5.027N·m
M=RC=2.771N·m
M——輥頸危險斷面處的彎矩；
M——輥頸危險斷面處的扭矩。
由文獻[3]可知：
σ==44.187MPa
τ==14.313MPa
由文獻[3]可知，采用鋼軋輥時，合成應力σ按第四強度理論計算：
σ= (4.13)
把數據代入公式(4.13)中得：σ==50.666MPa
σ<[σ]=140～150MPa
所以，軋輥輥頸強度滿足。
4．3 萬向接軸的選用及校核
選用滑塊式萬向接軸，接軸扁頭的材質選用40CrNiMo。
由文獻[1]可知，允許傾角是8o-10o，選=8o。
滑塊式萬向接軸是由軋輥端扁頭、帶叉頭的接軸、傳動端扁頭、襯瓦以及中間具有方形或圓形的銷軸組成。
滑塊式萬向接軸的主要結構尺寸是叉頭直徑D，叉頭直徑D為軋輥名義直徑的85%~95%，取86%。
D=95086%=817mm
滑塊式萬向接軸各部分的結構尺寸，由文獻[1]可知，根據叉頭直徑D按以下經驗關系選?。?
叉頭鏜孔直徑d：0.46~0.5D。取d=0.46D=8170.46=375.82mm
扁頭厚度S：0.25~0.28D。取S=0.26D=8170.26=212.42mm
扁頭長度l：0.415~0.5D。取l=0.42D=8170.42=343.14mm
接軸本體直徑d：0.5~0.6D。取d=0.52D=8170.52=424.84mm
4．3．1 開口式扁頭受力分析和強度計算
開式鉸鏈的扁頭具有一個長形切口，鉸鏈的一端可在此切口中沿著接軸中心線方向移動。這種鉸鏈一般用在軸向換輥的軋鋼機上。
Φ950可逆式軋機選用開口式扁頭。由文獻[1]可知，圖4.7。
由文獻[1]可知，月牙形滑塊作用在開口式扁頭上的負荷近似地按三角形分布（如圖4.7所示）。因此合力的作用點位于三角形的面積形心，即在離斷面邊緣b處。當萬向接軸傳遞的扭轉力矩為M時，合力P為：
P= (4.14)
式中：b——扁頭的總寬度；
b——扁頭一個分支的寬度。
圖4.7 開口式扁頭受力分析簡圖
N= (4.15)
M===3.735N·m
M=M/2==1.868N·m
當萬向接軸傾斜角為時，由圖4.7可求出合力P對斷面I－I的力臂x為： x=0.5()sin+x (4.16)
式中：x——萬向接軸鉸鏈中心至斷面I－I的距離。
x==171.57mm
b=260mm=0.26m
b=710mm=0.71m
把數據代入公式(4.16)、(4.14)中：
x=0.5()sin+x= 0.5()sin8°+171.57
=208.91mm=0.209m
P===3.481N
I－I斷面中的彎曲力矩等于：
M=P·x (4.17)
數據代入公式(4.17)計算得：M=P·x=3.4810.209=0.728N·m
I－I斷面中的扭轉力矩等于：
M=P· (4.18)
數據代入公式(4.18)計算得：M=P·=3.481=0.151N·m
彎曲應力與扭轉應力各等于：
(4.19)
(4.20)
式中：——計算矩形斷面抗扭斷面系數時的轉化系數，它決定于矩形斷面尺寸b與S之比。
b：S=260：212.42=1.22，由文獻[1]可知，取b：S=1，查得=0.208
數據代入公式(4.19)、(4.20)計算得：
==37.380MPa
==7.619MPa
計算應力等于：
(4.21)
計算得：==39.641MPa
由文獻[3]可知，扁頭的材質40CrNiMo的許用應力為[]=130~170MPa。
<[]
所以開口式扁頭校核合格。
4．3．2 閉口式扁頭受力分析和強度計算
閉式鉸鏈的扁頭上有一個圓孔，鉸鏈不同軸向移動，其裝拆是從側向進行的。閉式鉸鏈一般用在傾角不大的軋鋼機上，將它裝在接軸的傳動端，作為接軸的擺動支點，并承受不大的軸向力。
由文獻[1]可知，當萬向接軸傾角為時，在閉式扁頭上，可將萬向接軸傳遞的扭轉力矩M用矢量分解成兩個力矩M和M，如圖4.8所示
圖4.8 閉口式扁頭受力簡圖
M=Mcos (4.22)
M=Msin (4.23)
其中：M——對扁頭起扭轉作用；
M——對扁頭起彎曲作用。
數據代入公式(4.22)、(4.23)計算得：
M=Mcos=1.868cos8o=1.850N·m
M=Msin=1.868sin8o=0.260N·m
在扁頭I－I斷面上，扭轉應力與彎曲應力為：
(4.24)
(4.25)
式中：——計算矩形斷面抗扭斷面系數時的轉化系數，它決定于矩形斷面尺寸b與S之比。
b：S=710：212.42=3.34，由文獻[1]可知，取b：S=3，查得=0.801
把數據代入公式(4.24)、(4.25)計算得：
==4.889MPa
==24.240MPa
計算應力等于：
(4.26)
數據代入(4.26)計算得：==42.269MPa
<[]
所以閉口式扁頭校核合格。
4．3．3 叉頭受力分析和強度計算
由文獻[3]可知，按密葉洛奇的試驗，最大應力發(fā)生在叉頭顎板內表面的某一點上，其值可按下式計算：
(4.27)
式中：d——叉頭鏜孔直徑，cm；
D——叉頭外徑，cm；
M——接軸傳遞的扭矩，N·cm；
K——考慮接軸傾角的影響系數。
由文獻[1]可知，=8o，查得K=1.188。
數據代入公式(4.27)計算得：
=35
=3.565MPa
<[]
所以叉頭校核合格。
5 軋鋼機械的潤滑
5．1軋鋼機械潤滑的特點
1. 設備工作時受高溫、氧化鐵皮的影響，負荷沉重，往往是長時間的連續(xù)運轉；
2. 設備潤滑區(qū)域廣、面積大、潤滑點多、管路長。
5．2 潤滑的方法
為了保證軋鋼機械的安全運行，除了采取各項維護、保養(yǎng)措施外，還須保證各機械摩擦部分有可靠的潤滑。
軋鋼機械的潤滑系統(tǒng)可分為單獨式或集中式兩種。
按送油時間分：間歇潤滑和連續(xù)潤滑。
按供油方式分：無壓潤滑和壓力潤滑。
按油流情況分：流出潤滑和循環(huán)潤滑。
按潤滑劑種類分：干油潤滑和稀油潤滑。
5．3 潤滑的種類
二硫化鉬是一種新型的固體潤滑材料，一般都將二硫化鉬粉劑與潤滑油、潤滑脂混合在一起后使用。它有良好的潤滑性、耐溫性、抗壓耐磨性、抗化學腐蝕性及附著性等。因此適用于潤滑高速、高負荷、高溫及有腐蝕性等工作條件下的設備。目前在軋鋼機械的一些單體設備上使用，效果較好。如減速機的齒輪嚙合及軸承和受高溫烘烤的出爐輥道上，能防止漏油、改善潤滑。對于循環(huán)潤滑系統(tǒng)，由于二硫化鉬在使用中易沉淀，故很少采用。
油霧潤滑是稀油集中潤滑和干油集中潤滑方式以外的一種新型潤滑方式。潤滑油先在油霧器中，在3公斤/厘米的壓縮空氣作用下，使?jié)櫥挽F化成為直徑約0.003毫米左右的微粒，以0.02～0.026公斤/厘米的壓力用管道噴入需要潤滑的部位。由于油霧潤滑有良好的潤滑效果，近年來在各類軋鋼機械中得到了應用。
工藝潤滑是專門用于對軋輥連續(xù)供給潤滑劑的一種潤滑方式。在冷軋機上，采用工藝潤滑后，可以使軋輥具有良好的工作性能，散掉軋件獲得良好的表面質量。在熱軋機上，歷來都是用大量的冷卻水噴向軋輥，進行冷卻和潤滑的。目前，熱軋工藝潤滑用于鋼板軋機取得明顯效果為開端并被肯定以來，其應用范圍已擴展到型鋼、線材和鋼管的熱軋。采用熱軋工藝潤滑，可減小軋制力10～12%；減少軋輥磨損40～60%，并能改善成品表面質量。然而與冷軋工藝潤滑相比，畢竟還是不完善的。為確定適合熱軋機特點的潤滑劑、使用方式和用量，還必須經過不斷的試驗。
5．4 Φ950可逆式軋機部件的潤滑方式
部件的潤滑方式如下表5.1
表5.1 潤滑方式
序號
潤滑部位
潤滑方式
點數
1
壓下螺母
稀油循環(huán)
2
2
壓下裝置花鍵減速機
稀油循環(huán)
12
3
機架滑板
自動干油
4
4
上輥平衡梁及銷軸
手動干油
9
5
上輥軸向鎖緊
人工涂抹
2
6
下輥軸向鎖緊
人工涂抹
2
7
工作輥軸承
自動干油
8
8
上輥軸向鎖緊缸銷軸
手動干油
2
6 設計專題：壓下裝置的設計
壓下裝置是軋輥調整裝置，它的作用是調整軋輥在機架中的相對位置，