冷軋機機架優化設計

王蕾 常鐵柱 江東海 王赤

（中冶京誠工程技術有限公司 北京100176）

1 前言

鋼材的生產在國民經濟中占有重要地位。軋機是軋鋼生產線的核心設備。軋機牌坊的優劣決定了軋機的性能。機架框架作為機架的核心部件，用于固定內部各零部件并傳遞軋制力［1］。機架要承受軋制力，需要有足夠的強度和剛度。怎樣設計出即具備優良的性能又經濟實惠的軋機牌坊是設計軋機首先要面對的問題。

2 機架類型

軋機機架是軋機中的重要零件［2］。根據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，具有較高的強度和剛度。閉式軋機主要用于軋制力較大的初軋機、板坯軋機和板帶軋機等［3］。開式機架由機架本體和上蓋兩部分組成。優點是換輥方便，缺點是剛度較差。開式軋機主要用于橫列式型鋼軋機。目前國內外冷軋軋機基本都是采用閉式機架的結構形式。

3 主要結構參數及優化

機架的主要結構參數是窗口寬度、高度和立柱截面尺寸。

3.1 尺寸計算分析

在閉式機架中，機架窗口寬度應稍大于軋輥最大直徑，窗口高度要根據軋輥最大開口度換輥等要求確定。

采用材料力學方法對閉式機架強度計算［4］，簡化受力圖如圖1所示，經計算，機架立柱內側的應力為：

圖1 機架計算簡圖

機架立柱外側的應力為：

式中：σn2、σα2—應力，Pa；

R—受力，N；

F2—機架立柱斷面積，m2；

M2—力矩，N·m；

Wn2、Wα2—機架立柱內側和外側的斷面系數，m3。

根據計算結果分析，機架立柱斷面尺寸對機架剛度影響較大。如果機架剛度要求較大時，機架立柱一般采用矩形截面。

怎樣在節省材料的同時增加機架受力，是機架設計需要面對的問題，通過實際工程中的牌坊受力分析比較，可以進一步確定影響機架的受力因素，得到更優化的機架外形。

3.2 實例受力分析

利用軟件，對機架受力進行分析。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。根據鑄鋼材質，初步確定其材料性能參數如下：

（1）彈性模量為1.85x105MPa；

（2）泊松比為0.3；

（3）屈服應力270MPa；

（4）屈服強度500MPa；

（5）斷裂延伸率18%。

以濟南某工程為例，機架立柱截面尺寸為：600mm×720mm，橫梁寬度1250mm。當軋制力取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。應力最大值為31.1MPa，如圖3所示。

圖2 機架位移圖

圖3 機架等效應力圖

在競爭激烈的情況下，怎樣設計最優化的機架形狀，立柱截面尺寸和橫梁的尺寸優化設計尤為重要。怎樣對橫梁和立柱進行配比使得機架受力更好，立柱截面寬厚比多少比較合適，需要進行分析。因此在保持機架總重不變的情況下，調節立柱形狀和橫梁厚度分別進行計算。

保持總體材料重量不變，調整橫梁寬度和立柱形狀。取機架立柱截面尺寸為：600mm×760mm，橫梁寬度1000mm。當軋制力取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。應力最大值為32.86MPa，如圖5所示。

圖4 機架位移圖

圖5 機架等效應力圖

取機架立柱截面尺寸為：600mm×600mm，橫梁寬度2030mm。當軋制力取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。應力最大值為28.05MPa。

取機架立柱截面尺寸為：600mm×660mm，橫梁寬度1620mm。當軋制力取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。應力最大值為28.74MPa。

3.3 結構分析

通過實例受力分析，在軋制力1800t的情況下，機架重量一致，得到參數如表1所示。

由表1可知，在機架總重量不變的條件下，窗口大小受軋輥軸承座等內部零件尺寸制約，變化范圍不大。本次實驗中采取窗口尺寸不變，調節橫梁厚度和立柱截面形狀尺寸，分析受力和位移。

表1 軋機立柱形狀及受力比較

在同等受力且總重不變的條件下，在一定范圍內橫梁越寬，最大應力越小，但是可以看到橫梁也不是可以無限變寬的。從最后兩組數據可以看出，橫梁寬為2030mm時比橫梁寬為1620mm時，機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 結論

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