强力板材矫直机整体铸造闭式机架的设计与应用

赵　岽　吴庆君

(1．太原重工股份有限公司矫直机研究所，山西030024；

2．淮南市石油化工机械设备公司技术部，安徽232033)



强力板材矫直机整体铸造闭式机架的设计与应用

赵岽1吴庆君2

(1．太原重工股份有限公司矫直机研究所，山西030024；

2．淮南市石油化工机械设备公司技术部，安徽232033)

摘要：强力板材矫直机整体铸造闭式机架具有高强度、高刚度、承受矫直力大且变形小的特点，可有效地提高设备的可靠性和高强板材的矫直精度。本文参考轧机闭式机架的设计，结合矫直机的使用特点，介绍了矫直机整体铸造闭式机架的材料性能、技术要求、主要结构参数的选择、机架强度与弹性变形的计算。

关键词：矫直机；闭式机架；机架强度；弹性变形

随着现代宽厚板矫直设备向重载、高刚度、高精度的方向发展，强力板材矫直机承受矫直力更大，矫直精度要求更高。作为矫直机主要受力件的机架，要求具有足够的强度、刚度和稳定性。整体铸造闭式机架可以有效地减少机架受力后的弹性变形量，具有整体刚度大、稳定性高、抗负荷与抗冲击性能好、安装精度高的特点，有效地提高了设备的可靠性和高强板材的矫直精度。

1机架的主要结构参数与技术要求

以一台矫直钢板温度为600～1 100 ℃的4 300 mm宽厚板7辊预矫直机为例进行说明。

1.1设备参数

矫直机型式：四重式七辊矫直机

矫直辊规格：∅360 mm×4 500 mm，上三下四布置

矫直辊辊距t/mm：380

下矫直辊与下边辊之间辊距t1/ mm：480

矫直力P/ kN：30 000

最大开口度/mm：400

1.2机架装配的结构组成

机架装配主要由换辊侧机架、驱动侧机架、下框架和连接梁组成，如图1所示。机架为整体铸造闭式结构，下框架与连接梁为焊接结构件，通过高强度螺栓与两片机架连接为一体，增加了机架的稳定性。整个机架装配通过机架地脚螺栓与安装基础锚固，由两片机架与下横梁承受矫直力。

1.3机架的结构型式与尺寸确定

机架是一个形状规则的矩形弹性框架，矫直力垂直作用在机架的上、下横梁上，机架结构对窗口的垂直中心线是对称的。 机架的主要结构参数包括：窗口高度H、窗口宽度B、立柱断面面积F2和上下横梁断面面积F1。

1.3.1机架窗口宽度

为了方便更换矫直辊，窗口宽度尺寸B应大于下辊盒宽度B1，并满足安装与剖分梁配合滑板厚度s的尺寸。下辊盒宽度B1按下式计算：

式中，n下是下排矫直辊数量，n下=4；t是矫直辊辊距，t=380 mm；t1是下矫直辊与下边辊之间辊距，t1=480mm。

代入计算得B1=2 270～2 320mm,取B1=2 300 mm。

机架窗口宽度按下式计算：

B=B1+2×s

式中，s是滑板厚度，s=60 mm。

代入计算得：B=2 420 mm。

为了便于拆装剖分梁，换辊侧机架的窗口应比传动侧机架的窗口宽40 mm。因此，取B=2 460 mm。

1.3.2机架窗口高度

机架窗口高度与辊系参数、剖分梁高度、最大开口度、AGC缸的外形尺寸以及机架与下框架的安装方式等因素有关。

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

1—下框架　2—机架(换辊侧与驱动侧各有一片)

1.3.3机架立柱断面面积

闭式机架的立柱断面形状通常采用矩形和正方形两种。正方形断面的立柱惯性矩较大，可减小机架横梁所承受的弯曲力矩，使横梁的断面尺寸减少。但对于矫直机这种窄而高的闭式机架，当水平方向作用力不大时，综合考虑机架的强度和重量这两方面因素，采用矩形断面的立柱是比较合理的。虽然矩形立柱惯性矩较小，会增加横梁的弯曲力矩，使立柱所能承受的弯曲力矩相应减小，但由于立柱长度较大，立柱上所节省的材料将超过横梁上稍微增加的材料，因此在满足机架强度的条件下，采用矩形断面的立柱对于减轻机架重量是有利的。

机架立柱的断面尺寸对机架的刚度影响很大，为提高矫直精度，设计中立柱断面尺寸有增大的趋势。在本例中，机架立柱断面面积F2按下式计算：

F2=b×h2

式中，b是机架的厚度，b=320 mm；h2是立柱的宽度，h2=665mm。

代入计算得F2=212 800mm2。

1.3.4机架上下横梁断面面积

由于增加横梁的惯性矩I1可以部分地减小立柱中的弯矩M2，这对于减轻窄而高的机架重量是有利的，通常情况下机架上下横梁的断面面积F1约为立柱断面面积F2的2倍。机架上下横梁断面面积F1按下式计算：

F1=b×h1

式中，h1是横梁宽度，h1=1 450 mm。

代入计算得：F1=46 400 mm2。

1.3.5机架与地基间的连接结构

机架与地基间的连接刚度是设备总体刚度的重要组成部分，连接结构主要包括连接凸缘的结构形式，安装面与土建基础接触部分的面积，地脚螺栓的规格、数量、排列布置与预紧力的确定。

在本例中机架与地基间采用翻边式连接凸缘，机架底面均布四根规格为M100×6×2700，强度为5.6级的地脚螺栓，每根螺栓预紧力为1 430 kN，机架安装面与土建基础接触面积为1.5 m2。

综上所述，矫直机整体铸造闭式机架的结构尺寸如图2所示，机架重量：46 426 kg。

图2　矫直机整体铸造闭式机架结构尺寸

1.4机架技术要求

(1)铸造执行通用技术条件：JB/T 5000.6—1998；铸造一般公差：GB 6414 CT14。

(2)铸件不允许有影响机械强度的砂眼、气孔、裂纹及其它缺陷存在。

(3)机械加工后，表面要求进行超声检测与磁粉检测，按JB/T 5000.14 三级标准执行。

(4)机架窗口的四处圆角(图中I放大视图)要求进行超声检测，按 JB/T 5000.14 二级标准执行。

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

(6)所有连接面间均由R15 mm～R20 mm的圆角过渡。

2机架材料与安全系数

机架材料按德国DIN 17182—1992标准，选用焊接结构用低合金铸钢GS-20Mn5，具有较高的强度和塑性，铸造性、焊接及流动性良好的性能特点。GS-20Mn5低合金铸钢的化学成分如表1所示，力学性能如表2所示，与各国材料牌号近似对照如表3所示。

表1　GS-20Mn5低合金铸钢的化学成分(质量分数，%)

表2　GS-20Mn5低合金铸钢的力学性能

表3　与各国材料牌号近似对照表

机架铸钢材料的抗拉强度约为屈服强度的2～2.5倍，通常矫直机的矫直辊安全系数ng为2，此时选机架的安全系数nj为4～5。

3机架的强度计算

为简化计算，参考轧机机架强度计算并结合矫直机的实际工况，只考虑机架上的矫直力P1的作用，并假设上下横梁惯性矩I1相等，不考虑机架转角处圆弧R的影响。

假设每片机架只在上下横梁的中间断面处受到两个大小相等、方向相反、作用在同一直线上的垂直力P1，机架结构对窗口的垂直中心线是对称的，机架的外负荷是对称的，上下横梁惯性矩I1相等，由于上下横梁惯性矩不同所引起的水平分力影响忽略不计，上下横梁和立柱交界处是刚性的，即机架变形后，机架转角仍保持不变。

闭式机架受力变形简图如图3所示，受力弯矩图如图4所示。

图3　闭式机架的受力变形简图

3.1计算静不定力矩M1

式中，l1是机架上下横梁的中性线长度，l1=3 215 mm；l2是机架立柱的中性线长度，l2=6 902.5mm；p1是上下横梁的中间断面处所受垂直力，p1=p/2=15 000kN;I1是机架上下横梁的断面惯性矩，I1=b×h13/12=8.13×1010mm4;I2是机架立柱的断面惯性矩，I2=b×h23/12=7.84×109mm4。

图4　机架受力弯矩图

代入计算得：M1=11 797 948.61kN·mm

3.2计算立柱上的弯矩M2

3.3机架应力计算

3.3.1上下横梁中最大弯曲应力

式中，W1是上下横梁的断面系数，W1=b×h12/6=11.2×107mm2。

代入计算得：

σ1=0.105kN/mm2=105MPa

3.3.2立柱内侧表面应力

代入计算得：

σ2=0.046kN/mm2=46MPa

机架安全系数大于4，满足设计要求。

4机架的弹性变形计算

机架在垂直方向的弹性变形f包括：弯矩引起的横梁弯曲变形f1，横切力引起的横梁弯曲变形f2，轴向力引起的立柱拉伸变形f3。

f=f1+f2+f3

式中，E是机架材料的弹性模数，E=2.1×106MPa；K是横梁的断面形状系数，对于矩形断面，K=1.2；G是机架的剪切弹性模量，取G=8.1×104MPa。

代入计算得：f1=0.12 mm,f2=0.77mm, f3=0.11 mm,f=0.12+0.77+0.11=1 mm。

机架的弹性变形f小于钢板热轧机的许用[f]=0.5 mm～1.0 mm，故机架刚度满足要求。

5结论

整体铸造闭式机架的加工精度与安装精度高，具有高强度、高刚度、高稳定性的特点，有效地减少了机身弹跳，提高了高强板材的矫直精度，更好地满足了使用要求。

编辑陈秀娟

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

中图分类号：TG333.2+3

文献标志码：A