機架橫樑

機架橫樑機是一種冶金的專業術語，是指型材成型機上橫樑和機架連線裝置，涉及型材成型機的設計和製造技術。

基本介紹

• 中文名：機架橫樑
• 外文名：Rack beams
• 描述：型材成型機上橫樑和機架連線裝置
• 套用：型材成型機
• 學科：建築工程

概念

機架橫樑是指在機架上固定連線軸，左、右機架上裝一根上橫樑，上橫樑套在連線軸上，在連線軸的卡槽中插有插板。通過無螺栓連線，拆卸插板，就能很方便地拆卸上橫樑，拆下上輥軸、下輥軸，完成換輥工作，可節省大量的換輥時間，降低勞動強度，提高工作效率。

閉式機架橫樑靜不定力矩的柔性轉角計算法

用材料力學方法計算閉式機架橫樑的靜不定力矩時，由於對機架建立的矩形自由框架模型假設機架橫樑與立柱轉角處是剛性的，忽略了機架轉角處的變形，計算結果偏離實際情況。研究提出一種柔性轉角計算法。考慮機架橫樑與立柱轉角處存在的角變形，並利用該角變形與所受彎矩的關係，求出橫樑靜不定力矩和角變形的關係，進而通過卡氏定理求解，得出橫樑靜不定力矩的函式表達式。本方法經過實例檢驗，計算數值結果有足夠高的精度，並且避免了冗長的數值運算，可以作為建立更複雜控制模型的基礎工具。

柔性轉角計算法

計算上橫樑中部的靜不定力矩時，因方法的差別而導致不同的結果，但是當靜不定力矩數值求解出來後，其他諸如各個特徵點的應力、應變和位移的計算過程，各種計算方法則大致相同。本方法認為機架轉角處存在附加的、相對的轉角變形，並且是可以計算出來的。轉角變形量的大小和立柱上的力矩直接相關，呈線性正比例關係。轉角變形量由四個部分組成，分別是力矩對上橫樑、立柱上部、立柱下部、下橫樑產生的變形。對應的變形值分別用θ₁、θ₂、θ₃和θ₄表示，如圖1所示。

圖1 橫樑與立柱轉角處變形分解示意圖

將機架橫樑看作純彎曲梁，受彎後的轉角和受彎時的中性層曲率半徑分別用下式計算。

圖2 機架尺寸圖

式中，l為彎曲梁長度；θ為彎曲梁受彎後的轉角，即角變形量；ρ為彎曲梁中性層曲率半徑；E為材料彈性橫量；I為慣性力矩；M為彎曲梁的彎矩。

上、下橫樑和立柱上、下部都可以看作特殊形式的純彎曲梁，呈倒三角形布置，其彎曲變形是由縱向平行側面構成的長方體純彎曲梁的二分之一，因而轉角變形量也相應減半。

計算實例

圖2為某軋鋼廠750 mm四輥冷軋機機架。研究分別用材料力學法、小圓弧法、精確圓弧法、有限元法以和柔性轉角法對該機架進行強度計算。計算結果見表1。

表1 計算結果

表1中用材料力學法和柔性轉角法計算的M₁與M₂的總和相同。柔性轉角法計算出的M₁比材料力學法小，因而M₂能大些。但是M₂更接近小圓弧法和精確圓弧法的計算結果。小圓弧法和精確圓弧法計算的M₁與M₂要小，導致計算出的橫樑外緣應力數據偏小。

由於材料力學法和柔性轉角法忽略了上下橫樑的形狀差異，應力計算結果表明上下橫樑內外緣應力數據為對稱分布，與實際情況有較大差別。小圓弧法和精確圓弧法可以如實地反映機架真實的形狀及變化過程，上橫樑內外緣應力數據應該和上橫樑內外緣應力數據有所不同，所以計算結果大部分與有限元法比較接近。

精確圓弧法計算的垂直方向變形最接近有限元法計算結果，而水平方向變形的計算則以柔性轉角法最為準確。

研究結論

柔性轉角法與材料力學法、小圓弧法和精確圓弧法都是閉式軋機機架的解析算法。材料力學法算法簡單，計算結果偏於保守; 小圓弧法和精確圓弧法計算過程冗長、模型分段複雜，計算結果相對準確; 柔性轉角法算法比較簡單，計算結果也比較準確，有一定的參考價值。

斜輥矯直機鑄焊式機架橫樑的最佳化分析

斜輥矯直機用於矯直鋼管與圓棒料，使軋件在螺旋前進過程中各斷面受到多次彈塑性彎曲，最終改善軋件的彎曲度和斷面的橢圓度。機架是斜輥矯直機的重要部件，也是矯直機中一個關鍵的、非更換的永久性部件，其結構、受力狀況和使用工況都比較複雜，承受著矯直機工作時的全部載荷。

斜輥矯直機通常採用組合式預應力機架，由上、下橫樑和立柱系統組成，其中上、下橫樑是矯直機機架的關鍵組成部分，其強度與剛度直接影響著矯直機的壽命與矯直產品的質量。橫樑的設計除要確保矯直機機架在使用過程中的安全性和合理的壽命外，還要考慮製造工藝的簡化。鑒於此，如何合理可靠地計算橫樑強度和剛度是矯直機機架設計時必須解決的重要問題。

圖3 矯直機機架模型

以往的矯直機上、下橫樑大多設計為鑄件，鑄件的製造周期長，單件生產成本高，又容易產生鑄造缺陷。多採用鑄焊結構，而因橫樑內部有很多筋板，計算較為複雜。設計時機架力學分析的主要方法是套用簡支梁簡化模型， 將橫樑的受力及截面進行簡化，雖然能夠得出橫樑大約尺寸（如橫樑厚度、上下板厚度等），但不能獲得其內部受力與變形分布的細節；因此，要想從設計環節提高產品質量，對上、下橫樑進行模擬仿真分析是十分必要的。

矯直機機架

以一條不鏽鋼鋼管六輥矯直機生產線的工程項目為例，通過有限元結構分析軟體ANSYS對矯直機機架模型進行模擬仿真分析及最佳化。該項目矯直機機架如圖3所示，其為立式結構，上橫樑裝有壓下機構及上矯直輥組，下橫樑裝有反彎機構及下矯直輥組。根據結構需要，下橫樑需設定地腳孔，使整個機架固定在地基上，故設計時其厚度比上橫樑厚很多。在上、下橫樑受力相同的前提下可以得出，該矯直機機架上橫樑的剛度、強度比下橫樑低；因此，本文只對上橫樑進行最佳化分析。

圖4 矯直機機架上橫樑模型

機架上橫樑三維模型及分析

（1）三維建模

根據要矯直的管棒材規格、材質等性能參數及矯直精度等要求，首先確定輥系型式為對輥六輥結構，然後確定輥距和立柱位置等結構參數，再進一步計算出矯直力。利用大型通用的有限元結構分析軟體ANSYS，根據結構的實際尺寸，建成如圖4所示的矯直機機架上橫樑模型。

圖5 矯直機機架的上橫樑受力情況

（2）對模型進行載入及約束

在上橫樑模型（圖4）中，分別在中間3個大圓筒的圓環面向上載入矯直力2500 kN，並分別將周邊安裝立柱的8個圓環面約束固定。在將上橫樑邊界條件及各參數設定後，開始利用ANSYS軟體進行單元格劃分及計算。

（3）模型分析

矯直機機架的上橫樑受力情況如圖5所示，可以看出橫樑在額定載荷條件下，最大等效應力為75.66 MPa（壓應力狀態）；因此，立柱孔附近的應力集中狀況可以不作強度分析的重點。另外，從矯直機機架上橫樑內部筋板受力情況（圖6）可以看出，橫樑中的部分筋板存在應力集中的情況，也有部分筋板基本上處於不受力的狀態，如圖6中標記的1、2筋板。雖然在設計的時候，對主要受力的筋板採用了較厚的鋼板，但其平均應力為35～42 MPa，橫樑的屈服強度為250 MPa，因此安全係數僅為6.0～7.1。通常設計要求安全係數為8.0～10.0，可見橫樑偏弱。

圖6 矯直機機架上橫樑內部筋板受力情況

機架上橫樑改進結構的模型及分析

（1）結構改進

從上述的計算結果可以看出， 矯直機機架上橫樑受力偏大，安全係數不夠，因此需要改進。

① 加強筋板厚度。從圖6中可以看出，筋板3為主要受力板，將此板加厚10 mm，重新分析計算，結果顯示筋板3的受力稍微減小，但改善效果不明顯。可以得出結論：不改變筋板布置、僅加強筋板厚度的辦法對橫樑的受力改善不大。

② 改變筋板布置。根據橫樑的受力與約束條件可以看出，當正常工作時，3個矯直輥全部受力，橫樑中間部分以立柱孔為固定點整體向受力方向彎曲，因而筋板3受力很大，筋板1、2幾乎不受力。改進措施：在不改變橫樑筋板厚度的前提下，將不受力的筋板與受力點或固定點連線起來，於是在筋板1與固定點（立柱筒）之間增加筋板、在筋板2與中間受力筒之間增加筋板， 模型如圖6所示。重新分析計算，結果是內部各筋板均受力，且受力更均勻，應力減小明顯。

（2）強度分析

在同樣的材料屬性和同樣的邊界條件下，對改進後的模型進行分析。

上橫樑改進之後的模型筋板受力狀況有了很大程度的改善，各個筋板得到充分利用，應力分布比較均勻。根據計算結果，筋板上的最大等效應力都在25～30 MPa之間，所以其安全係數為8.3～10.0，改進後的結構完全滿足設計要求的安全係數。

機架上橫樑改進前後性能對比

對矯直機機架上橫樑的筋板進行重新布置、最佳化後，在額定載荷條件下，其受力由原來的35～42MPa減小為25～30 MPa，強度性能大約提高了25%，並且受力分布也更加均勻。

上橫樑的筋板進行重新布置、最佳化後，橫樑在額定載荷條件下，最大位移由原來的0.339 mm變為0.276 mm，整體剛度提高了18.6%。

上橫樑的筋板進行重新布置、最佳化後，橫樑內部筋板的安全係數由原來的6.0～7.1提高到8.3～10.0，安全係數大大提高。