冷轧机机架优化设计

王蕾 常铁柱 江东海 王赤

（中冶京诚工程技术有限公司 北京100176）

1 前言

钢材的生产在国民经济中占有重要地位。轧机是轧钢生产线的核心设备。轧机牌坊的优劣决定了轧机的性能。机架框架作为机架的核心部件，用于固定内部各零部件并传递轧制力［1］。机架要承受轧制力，需要有足够的强度和刚度。怎样设计出即具备优良的性能又经济实惠的轧机牌坊是设计轧机首先要面对的问题。

2 机架类型

轧机机架是轧机中的重要零件［2］。根据轧钢机型式和工作要求，轧钢机机架分为闭式和开式两种。闭式机架是一个整体框架，具有较高的强度和刚度。闭式轧机主要用于轧制力较大的初轧机、板坯轧机和板带轧机等［3］。开式机架由机架本体和上盖两部分组成。优点是换辊方便，缺点是刚度较差。开式轧机主要用于横列式型钢轧机。目前国内外冷轧轧机基本都是采用闭式机架的结构形式。

3 主要结构参数及优化

机架的主要结构参数是窗口宽度、高度和立柱截面尺寸。

3.1 尺寸计算分析

在闭式机架中，机架窗口宽度应稍大于轧辊最大直径，窗口高度要根据轧辊最大开口度换辊等要求确定。

采用材料力学方法对闭式机架强度计算［4］，简化受力图如图1所示，经计算，机架立柱内侧的应力为：

图1 机架计算简图

机架立柱外侧的应力为：

式中：σn2、σα2—应力，Pa；

R—受力，N；

F2—机架立柱断面积，m2；

M2—力矩，N·m；

Wn2、Wα2—机架立柱内侧和外侧的断面系数，m3。

根据计算结果分析，机架立柱断面尺寸对机架刚度影响较大。如果机架刚度要求较大时，机架立柱一般采用矩形截面。

怎样在节省材料的同时增加机架受力，是机架设计需要面对的问题，通过实际工程中的牌坊受力分析比较，可以进一步确定影响机架的受力因素，得到更优化的机架外形。

3.2 实例受力分析

利用软件，对机架受力进行分析。在中间对称面施加对称约束，地脚螺栓的地面施加xyz三个方向的位移约束。根据铸钢材质，初步确定其材料性能参数如下：

（1）弹性模量为1.85x105MPa；

（2）泊松比为0.3；

（3）屈服应力270MPa；

（4）屈服强度500MPa；

（5）断裂延伸率18%。

以济南某工程为例，机架立柱截面尺寸为：600mm×720mm，横梁宽度1250mm。当轧制力取1800t时，单片牌坊轧制力为900t，其高度和宽度方向的位移如图2所示，高度方向的最大位移为0.4534mm，宽度方向的最大位移为0.3083mm。应力最大值为31.1MPa，如图3所示。

图2 机架位移图

图3 机架等效应力图

在竞争激烈的情况下，怎样设计最优化的机架形状，立柱截面尺寸和横梁的尺寸优化设计尤为重要。怎样对横梁和立柱进行配比使得机架受力更好，立柱截面宽厚比多少比较合适，需要进行分析。因此在保持机架总重不变的情况下，调节立柱形状和横梁厚度分别进行计算。

保持总体材料重量不变，调整横梁宽度和立柱形状。取机架立柱截面尺寸为：600mm×760mm，横梁宽度1000mm。当轧制力取1800t时，单片牌坊轧制力为900t，其高度和宽度方向的位移如图4所示，高度方向的最大位移为0.4956mm，宽度方向的最大位移为0.3684mm。应力最大值为32.86MPa，如图5所示。

图4 机架位移图

图5 机架等效应力图

取机架立柱截面尺寸为：600mm×600mm，横梁宽度2030mm。当轧制力取1800t时，单片牌坊轧制力为900t，高度方向的最大位移为0.4756mm，宽度方向的最大位移为0.2961mm。应力最大值为28.05MPa。

取机架立柱截面尺寸为：600mm×660mm，横梁宽度1620mm。当轧制力取1800t时，单片牌坊轧制力900t，高度方向的最大位移为0.4485mm，宽度方向的最大位移为0.2854mm。应力最大值为28.74MPa。

3.3 结构分析

通过实例受力分析，在轧制力1800t的情况下，机架重量一致，得到参数如表1所示。

由表1可知，在机架总重量不变的条件下，窗口大小受轧辊轴承座等内部零件尺寸制约，变化范围不大。本次实验中采取窗口尺寸不变，调节横梁厚度和立柱截面形状尺寸，分析受力和位移。

表1 轧机立柱形状及受力比较

在同等受力且总重不变的条件下，在一定范围内横梁越宽，最大应力越小，但是可以看到横梁也不是可以无限变宽的。从最后两组数据可以看出，横梁宽为2030mm时比横梁宽为1620mm时，机架的宽度方向变形和高度方向变形都要大。

将横梁和立柱结合一起考虑，立柱宽厚比为1.1∶1时，高度位移和宽度位移最小，最大应力适中，满足需求。在此重量下，横梁1620mm，立柱660mm×600mm尺寸最佳。

4 结论

通过对机架不同形状的分析计算得出，机架横梁尺寸和立柱断面尺寸对机架变形和最大应力影响较大。如果机架刚度要求较大时，机架立柱一般采用矩形截面。在同样的重量条件下，适当调整横梁尺寸，立柱宽厚比1.1左右比较合适。在设计机架形状时可以适当选取合适的宽厚比及横梁宽度，以节省成本。