強(qiáng)力板材矯直機(jī)整體鑄造閉式機(jī)架的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

趙　崠　吳慶君

(1．太原重工股份有限公司矯直機(jī)研究所，山西030024；

2．淮南市石油化工機(jī)械設(shè)備公司技術(shù)部，安徽232033)

?

強(qiáng)力板材矯直機(jī)整體鑄造閉式機(jī)架的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

趙崠1吳慶君2

(1．太原重工股份有限公司矯直機(jī)研究所，山西030024；

2．淮南市石油化工機(jī)械設(shè)備公司技術(shù)部，安徽232033)

摘要：強(qiáng)力板材矯直機(jī)整體鑄造閉式機(jī)架具有高強(qiáng)度、高剛度、承受矯直力大且變形小的特點(diǎn)，可有效地提高設(shè)備的可靠性和高強(qiáng)板材的矯直精度。本文參考軋機(jī)閉式機(jī)架的設(shè)計(jì)，結(jié)合矯直機(jī)的使用特點(diǎn)，介紹了矯直機(jī)整體鑄造閉式機(jī)架的材料性能、技術(shù)要求、主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇、機(jī)架強(qiáng)度與彈性變形的計(jì)算。

關(guān)鍵詞：矯直機(jī)；閉式機(jī)架；機(jī)架強(qiáng)度；彈性變形

隨著現(xiàn)代寬厚板矯直設(shè)備向重載、高剛度、高精度的方向發(fā)展，強(qiáng)力板材矯直機(jī)承受矯直力更大，矯直精度要求更高。作為矯直機(jī)主要受力件的機(jī)架，要求具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。整體鑄造閉式機(jī)架可以有效地減少機(jī)架受力后的彈性變形量，具有整體剛度大、穩(wěn)定性高、抗負(fù)荷與抗沖擊性能好、安裝精度高的特點(diǎn)，有效地提高了設(shè)備的可靠性和高強(qiáng)板材的矯直精度。

1機(jī)架的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)與技術(shù)要求

以一臺(tái)矯直鋼板溫度為600～1 100 ℃的4 300 mm寬厚板7輥預(yù)矯直機(jī)為例進(jìn)行說明。

1.1設(shè)備參數(shù)

矯直機(jī)型式：四重式七輥矯直機(jī)

矯直輥規(guī)格：?360 mm×4 500 mm，上三下四布置

矯直輥輥距t/mm：380

下矯直輥與下邊輥之間輥距t1/ mm：480

矯直力P/ kN：30 000

最大開口度/mm：400

1.2機(jī)架裝配的結(jié)構(gòu)組成

機(jī)架裝配主要由換輥側(cè)機(jī)架、驅(qū)動(dòng)側(cè)機(jī)架、下框架和連接梁組成，如圖1所示。機(jī)架為整體鑄造閉式結(jié)構(gòu)，下框架與連接梁為焊接結(jié)構(gòu)件，通過高強(qiáng)度螺栓與兩片機(jī)架連接為一體，增加了機(jī)架的穩(wěn)定性。整個(gè)機(jī)架裝配通過機(jī)架地腳螺栓與安裝基礎(chǔ)錨固，由兩片機(jī)架與下橫梁承受矯直力。

1.3機(jī)架的結(jié)構(gòu)型式與尺寸確定

機(jī)架是一個(gè)形狀規(guī)則的矩形彈性框架，矯直力垂直作用在機(jī)架的上、下橫梁上，機(jī)架結(jié)構(gòu)對(duì)窗口的垂直中心線是對(duì)稱的。 機(jī)架的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：窗口高度H、窗口寬度B、立柱斷面面積F2和上下橫梁斷面面積F1。

1.3.1機(jī)架窗口寬度

為了方便更換矯直輥，窗口寬度尺寸B應(yīng)大于下輥盒寬度B1，并滿足安裝與剖分梁配合滑板厚度s的尺寸。下輥盒寬度B1按下式計(jì)算：

式中，n下是下排矯直輥數(shù)量，n下=4；t是矯直輥輥距，t=380 mm；t1是下矯直輥與下邊輥之間輥距，t1=480mm。

代入計(jì)算得B1=2 270～2 320mm,取B1=2 300 mm。

機(jī)架窗口寬度按下式計(jì)算：

B=B1+2×s

式中，s是滑板厚度，s=60 mm。

代入計(jì)算得：B=2 420 mm。

為了便于拆裝剖分梁，換輥側(cè)機(jī)架的窗口應(yīng)比傳動(dòng)側(cè)機(jī)架的窗口寬40 mm。因此，取B=2 460 mm。

1.3.2機(jī)架窗口高度

機(jī)架窗口高度與輥系參數(shù)、剖分梁高度、最大開口度、AGC缸的外形尺寸以及機(jī)架與下框架的安裝方式等因素有關(guān)。

一般情況下H=(2～2.5)×B=5 535 mm，取H=5 540 mm。

1—下框架　2—機(jī)架(換輥側(cè)與驅(qū)動(dòng)側(cè)各有一片)

1.3.3機(jī)架立柱斷面面積

閉式機(jī)架的立柱斷面形狀通常采用矩形和正方形兩種。正方形斷面的立柱慣性矩較大，可減小機(jī)架橫梁所承受的彎曲力矩，使橫梁的斷面尺寸減少。但對(duì)于矯直機(jī)這種窄而高的閉式機(jī)架，當(dāng)水平方向作用力不大時(shí)，綜合考慮機(jī)架的強(qiáng)度和重量這兩方面因素，采用矩形斷面的立柱是比較合理的。雖然矩形立柱慣性矩較小，會(huì)增加橫梁的彎曲力矩，使立柱所能承受的彎曲力矩相應(yīng)減小，但由于立柱長(zhǎng)度較大，立柱上所節(jié)省的材料將超過橫梁上稍微增加的材料，因此在滿足機(jī)架強(qiáng)度的條件下，采用矩形斷面的立柱對(duì)于減輕機(jī)架重量是有利的。

機(jī)架立柱的斷面尺寸對(duì)機(jī)架的剛度影響很大，為提高矯直精度，設(shè)計(jì)中立柱斷面尺寸有增大的趨勢(shì)。在本例中，機(jī)架立柱斷面面積F2按下式計(jì)算：

F2=b×h2

式中，b是機(jī)架的厚度，b=320 mm；h2是立柱的寬度，h2=665mm。

代入計(jì)算得F2=212 800mm2。

1.3.4機(jī)架上下橫梁斷面面積

由于增加橫梁的慣性矩I1可以部分地減小立柱中的彎矩M2，這對(duì)于減輕窄而高的機(jī)架重量是有利的，通常情況下機(jī)架上下橫梁的斷面面積F1約為立柱斷面面積F2的2倍。機(jī)架上下橫梁斷面面積F1按下式計(jì)算：

F1=b×h1

式中，h1是橫梁寬度，h1=1 450 mm。

代入計(jì)算得：F1=46 400 mm2。

1.3.5機(jī)架與地基間的連接結(jié)構(gòu)

機(jī)架與地基間的連接剛度是設(shè)備總體剛度的重要組成部分，連接結(jié)構(gòu)主要包括連接凸緣的結(jié)構(gòu)形式，安裝面與土建基礎(chǔ)接觸部分的面積，地腳螺栓的規(guī)格、數(shù)量、排列布置與預(yù)緊力的確定。

在本例中機(jī)架與地基間采用翻邊式連接凸緣，機(jī)架底面均布四根規(guī)格為M100×6×2700，強(qiáng)度為5.6級(jí)的地腳螺栓，每根螺栓預(yù)緊力為1 430 kN，機(jī)架安裝面與土建基礎(chǔ)接觸面積為1.5 m2。

綜上所述，矯直機(jī)整體鑄造閉式機(jī)架的結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示，機(jī)架重量：46 426 kg。

圖2　矯直機(jī)整體鑄造閉式機(jī)架結(jié)構(gòu)尺寸

1.4機(jī)架技術(shù)要求

(1)鑄造執(zhí)行通用技術(shù)條件：JB/T 5000.6—1998；鑄造一般公差：GB 6414 CT14。

(2)鑄件不允許有影響機(jī)械強(qiáng)度的砂眼、氣孔、裂紋及其它缺陷存在。

(3)機(jī)械加工后，表面要求進(jìn)行超聲檢測(cè)與磁粉檢測(cè)，按JB/T 5000.14 三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

(4)機(jī)架窗口的四處圓角(圖中I放大視圖)要求進(jìn)行超聲檢測(cè)，按 JB/T 5000.14 二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

(5)力學(xué)性能要求：Rp0.2≥240 MPa；Rm=450 MPa～600 MPa；A5≥18%；KV≥30 J。

(6)所有連接面間均由R15 mm～R20 mm的圓角過渡。

2機(jī)架材料與安全系數(shù)

機(jī)架材料按德國(guó)DIN 17182—1992標(biāo)準(zhǔn)，選用焊接結(jié)構(gòu)用低合金鑄鋼GS-20Mn5，具有較高的強(qiáng)度和塑性，鑄造性、焊接及流動(dòng)性良好的性能特點(diǎn)。GS-20Mn5低合金鑄鋼的化學(xué)成分如表1所示，力學(xué)性能如表2所示，與各國(guó)材料牌號(hào)近似對(duì)照如表3所示。

表1　GS-20Mn5低合金鑄鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2　GS-20Mn5低合金鑄鋼的力學(xué)性能

表3　與各國(guó)材料牌號(hào)近似對(duì)照表

機(jī)架鑄鋼材料的抗拉強(qiáng)度約為屈服強(qiáng)度的2～2.5倍，通常矯直機(jī)的矯直輥安全系數(shù)ng為2，此時(shí)選機(jī)架的安全系數(shù)nj為4～5。

3機(jī)架的強(qiáng)度計(jì)算

為簡(jiǎn)化計(jì)算，參考軋機(jī)機(jī)架強(qiáng)度計(jì)算并結(jié)合矯直機(jī)的實(shí)際工況，只考慮機(jī)架上的矯直力P1的作用，并假設(shè)上下橫梁慣性矩I1相等，不考慮機(jī)架轉(zhuǎn)角處圓弧R的影響。

假設(shè)每片機(jī)架只在上下橫梁的中間斷面處受到兩個(gè)大小相等、方向相反、作用在同一直線上的垂直力P1，機(jī)架結(jié)構(gòu)對(duì)窗口的垂直中心線是對(duì)稱的，機(jī)架的外負(fù)荷是對(duì)稱的，上下橫梁慣性矩I1相等，由于上下橫梁慣性矩不同所引起的水平分力影響忽略不計(jì)，上下橫梁和立柱交界處是剛性的，即機(jī)架變形后，機(jī)架轉(zhuǎn)角仍保持不變。

閉式機(jī)架受力變形簡(jiǎn)圖如圖3所示，受力彎矩圖如圖4所示。

圖3　閉式機(jī)架的受力變形簡(jiǎn)圖

3.1計(jì)算靜不定力矩M1

式中，l1是機(jī)架上下橫梁的中性線長(zhǎng)度，l1=3 215 mm；l2是機(jī)架立柱的中性線長(zhǎng)度，l2=6 902.5mm；p1是上下橫梁的中間斷面處所受垂直力，p1=p/2=15 000kN;I1是機(jī)架上下橫梁的斷面慣性矩，I1=b×h13/12=8.13×1010mm4;I2是機(jī)架立柱的斷面慣性矩，I2=b×h23/12=7.84×109mm4。

圖4　機(jī)架受力彎矩圖

代入計(jì)算得：M1=11 797 948.61kN·mm

3.2計(jì)算立柱上的彎矩M2

3.3機(jī)架應(yīng)力計(jì)算

3.3.1上下橫梁中最大彎曲應(yīng)力

式中，W1是上下橫梁的斷面系數(shù)，W1=b×h12/6=11.2×107mm2。

代入計(jì)算得：

σ1=0.105kN/mm2=105MPa

3.3.2立柱內(nèi)側(cè)表面應(yīng)力

代入計(jì)算得：

σ2=0.046kN/mm2=46MPa

機(jī)架安全系數(shù)大于4，滿足設(shè)計(jì)要求。

4機(jī)架的彈性變形計(jì)算

機(jī)架在垂直方向的彈性變形f包括：彎矩引起的橫梁彎曲變形f1，橫切力引起的橫梁彎曲變形f2，軸向力引起的立柱拉伸變形f3。

f=f1+f2+f3

式中，E是機(jī)架材料的彈性模數(shù)，E=2.1×106MPa；K是橫梁的斷面形狀系數(shù)，對(duì)于矩形斷面，K=1.2；G是機(jī)架的剪切彈性模量，取G=8.1×104MPa。

代入計(jì)算得：f1=0.12 mm,f2=0.77mm, f3=0.11 mm,f=0.12+0.77+0.11=1 mm。

機(jī)架的彈性變形f小于鋼板熱軋機(jī)的許用[f]=0.5 mm～1.0 mm，故機(jī)架剛度滿足要求。

5結(jié)論

整體鑄造閉式機(jī)架的加工精度與安裝精度高，具有高強(qiáng)度、高剛度、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，有效地減少了機(jī)身彈跳，提高了高強(qiáng)板材的矯直精度，更好地滿足了使用要求。

編輯陳秀娟

Design and Application of Closed Housing by

Integral Casting for Strong Force Sheet Straightener

Zhao Dong, Wu Qingjun

Abstract：Closed housing with integral casting of strong force straightener possesses characteristics of higher strength, higher stiffness, higher strengthening force loading and lower deformation, which could efficiently improve equipment reliability and strengthening precision of high strength sheet. With reference to closed housing design of rolling mill and combing with usage features of straightener, mechanical property, technical requirement, selection of main structural parameters and calculation of housing strength and elastic deformation for closed housing by integral casting of straightener have been described.

Key words：straightener; closed housing; housing strength; elastic deformation

收稿日期：2015—04—10

中圖分類號(hào)：TG333.2+3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A