机架管理（通用7篇）
机架管理 篇1
0 引言
ATCA (先进电信计算架构) 标准由PICMG (全球PCI工业计算机制造组织) 在2002年底发布。ATCA由一系列规范组成, 其中PICMG3.0核心规范定义了机械结构、电源、散热和系统管理部分。当不同厂商的ATCA板卡处于同一机架时, 如何对ATCA板卡进行统一管理, 和彼此间的有效通信, 是ATCA规范中机架管理软件所要解决的关键问题。
在PICMG规范中, 规定ATCA的机架管理采取IPMI (智能平台管理接口) 协议。在Linux平台下, 设计基于I2C总线的ATCA机架管理软件。
1 ATCA机架管理软件设计背景
ATCA机架管理逻辑如图1所示。ATCA机架中运行着各种智能板卡、风扇模块、电源模块, 分为Sh MC和IPMC两种, 它们都可以称为FRU (现场可置换单元) 。Sh MC是机架管理控制器, IPMC是其它的智能板卡控制器, ATCA机架管理软件运行在Sh MC上。智能板卡上载有温度和电压传感器, IPMC能够获取到自己板卡的温度和电压数据。Sh MC通过IPMI协议与IPMC的交互, 就可以采集到这些数据。IPMI协议的实体承载称为IPMB总线, 在ATCA机架中, 一般采用冗余的I2C总线。
2 ATCA机架管理软件功能
ATCA是一种开放的架构, 不同厂商的ATCA板卡在同一个ATCA机架中工作, 由于硬件上的差异, 在运行的时候存在以下几个问题:
(1) 电源。ATCA机架的供电能力由电源模块决定, 若是供电能力不足, 新插入的ATCA板卡不能上电;如果可以上电, 需要进行上电引导。同时这些事件要正确通知到外部管理员。
(2) 温度、电压。温度和电压反映了ATCA板卡的工作状态, 机架管理软件需要自动采集这类数据, 对异常情况做出正确处理, 并及时通知管理员。
(3) 风扇。风扇转速提高可以改善散热, 降低则可以减少功耗和噪声, 机架管理软件需要根据温度参数正确调节。
根据以上问题, 将对机架管理软件的需求划分为4个部分:
(1) 硬件管理:发现新板卡的插入, 引导其进入工作状态。
(2) 传感器的管理:实现板卡温度收集、风扇转速监控、电压传感器监视。
(3) 系统健康状态:收集各智能板卡的状态, 必要的时候改变其工作状态。
(4) 外部通道:使系统管理员能实时获取系统状态。
3 ATCA机架管理软件设计
3.1 Linux环境下I2C接口的编程
Linux操作系统为I2C接口的操作提供了完备的支持。Linux内核中涉及I2C的主要文件有i2c_core.c, i2c_dev.c和xlp_i2c.c, 其中xlp_i2c.c是机架管理控制器Sh MC的CPU芯片型号, 对应的接口对芯片的I2C接口寄存器进行操作。i2c_dev.c对I2C接口进行了注册, 主设备号为89, 次设备号为0~255。
在配置Linux内核驱动时选中I2C设备选项, 重新编译内核并执行lsmod|grep 89命令, 此时终端显示为I2C, 说明I2C已完成注册。应用程序通过“/dev/i2c-0”, “/dev/i2c-1”等设备名称, 就可以使用文件操作接口open () 打开I2C接口, 然后用write () 、read () 、ioctl () 和close () 等标准文件访问接口来访问这个设备。
在使用I2C接口编程时, 需要特别注意I2C的读写存在两种不同的时序, 如图2所示, S表示起始, W表示写标志, A表示确认信号, P表示停止。这里的字符设备文件访问接口只适合于图中第一种时序。
3.2 ATCA机架管理软件模块设计
软件采用主从构架通信方式, Sh MC作为Master, 所有的IPMI请求都从Sh MC发起;IPMC作为Slave, 对Sh MC的请求进行应答。
程序总体结构如图3所示, Sh MC每发起一次请求后, 就开始等待I2C接口上的数据到达, 并将流程指派给相应的处理模块;Sh MC发起的命令和各个模块的处理结果都发到了外部管理模块。应用层模块包括:
(1) 协议解析模块, 为核心模块, 完成对数据的IPMI消息封装或对总线的IPMI消息进行解析。
(2) 电源管理模块, 其流程如图4所示。Sh MC在开机运行后向电源模块的IPMC获取本机架电源模块的供电能力, 保存在局部缓存。当有新的ATCA板卡插入的时候, 向ATCA板卡询问其需要获取的电源功率, 并计算当前机架的剩余供电能力, 如果供电能力大于ATCA板卡需求才通知其上电, 否则将告知本机架电源能力不足不许上电。
(3) 温度、风扇管理模块, 控制原理如图5所示, 给机箱温度设定一个合理的范围值, 当实际测量的温度和设定温度值有偏差时, 启动风扇转速的调节。当机架内板卡的温度上升超过上限时, 提升风扇的转速以改善散热, 当温度下降时适当降低风扇转速, 降低功耗和噪声。
(4) 电压管理模块, 用于采集ATCA板卡的电压数据。
(5) 外部管理模块, 采用UDP通信方式, 接受来自外部管理员的实时命令, 并将缓冲管理模块中所有的IPMI交互数据全部发往UDP通道, 以便管理员监视。
(6) 缓冲管理模块, 用于缓存I2C总线的所有IP-MI消息帧, 供外部管理模块扫描发送使用。缓冲区采用环形缓冲结构, 解决系统内部IPMI消息产生速度和外部处理速度不一致的问题, 最大限度地保证不遗漏IPMI消息:
缓冲管理关键代码如下:
对于这种环形缓冲区, 如果队列为空, 读取者就无数据可以读取;如果队列满, 则生产者无法进行写入操作。因此判断队列的空或满是操作之前必须的操作。
判断空的接口:
判断满的接口:
电源管理、温度和风扇、电压管理模块是IPMI消息的产生者, 它们对缓冲区的操作代码为:
外部管理模块是IPMI消息的消费者, 对缓冲区的操作代码为:
3.3 软件运行效果
该软件采用Linux进程方式运行, 没有界面显示, 因此外部管理模块是获取系统运行状态的唯一途径。系统运行时, UPD的服务器端程序从外部管理模块获取的信息如图6所示。
4 结语
该软件已经在ATCA机架的Sh MC单板上长时间地稳定运行, 实现了状态检测、板卡上电管理、温度和转速联动等功能, 管理员能随时查看系统状态并进行管理。
摘要：根据ATCA规范, 基于Linux操作系统对I2C总线的支持, 设计机架管理软件, 实现机架管理控制器对ATCA板卡的智能监控。
关键词：ATCA,I2C总线,ShMC,IPMI,机架管理
参考文献
[1]Jan Wychowaniak, Dariusz Makowski, et al.Application for Supervisi on and Management of ATCA-based Systems[J].International Journal of Microelectronics and Computer Science, 2010, 2 (1) :131-132
[2]Jeft, Munch, 李瑞.PICMG3.0规范—先进的通信计算机架构 (ATCA) [C].中国compactpci/pxi技术年会, 2003
[3]李娜.基于IPMI技术的服务器管理系统的设计与实现[D].北京:北京邮电大学, 2009:18-25
[4]童燕.基于IPMI的智能平台管理系统的实现[D].上海:华东师范大学, 2008:5-8
[5]Kozak T, Predki P, Makowski D.Real-Time IPMI Protocol Analyzer[J].Nuclear Science IEEE Transactions on, 2010, 58 (4) :1857-1863
[6]裴骁衢, 张保稳, 银鹰, 等.智能管理平台接口研究及实现[J].计算机技术与发展, 2006, 16 (6) :4-6
机架管理 篇2
主机是快锻液压机组中最关键的设备, 而机架又是主机中的主要受力元件之一, 其强度和刚度直接影响整机的使用性能和加工精度。下拉式机架的主要结构特点是:压机的中间横梁为安装在设备基础的固定件, 以机架为运动部件, 工作主油缸或油缸组件安装在固定梁和机架之间。机架是下拉式快锻液压机组主机的主要受力部件, 承受着压机的全部载荷。机架与移动工作台中心线成一定角度摆放, 机架表面紧固有自润滑导板, 保证机架在运动状态下不受磨损。回程缸一般采用活塞缸, 缸体固定在固定梁上, 活塞杆固定在机架上。缸体与活塞杆、固定梁之间均采用球面联接, 以减小偏心锻造时导套与密封件的侧向力[2]。
本文分析比较三种机架设计方案, 在回程缸作用时各部件的受力状态, 得出最佳设计方案, 为以后该型机架的设计优化提供参考, 为后续标准件的选取提供理论依据。
1 几何模型的建立
本文分析在回程缸受力时, 机架的受力状态。此状态下回程缸内油压与机架、耳座和上砧的重力平衡, 故快锻压机机架模型包括:机架、上砧、回程缸支撑耳座、回程缸柱塞和安装螺栓等。
由于下拉式结构机架较为复杂, Solidworks作为一款拥有强大的参数化建模的三维CAD软件, 可以建立非常复杂的实体模型, 选用Solidworks创建机架三维几何模型。考虑到计算精度、收敛性和计算效率等因素, 对模型进行合理简化。去掉明显不影响结构强度和刚度的特征, 如:小的圆角、倒角、螺纹孔和销孔[3]。三维几何模型如图1所示。
三种分析机架设计方案分别为:采用整体铸造的原始方案;将单独加工的方形回程缸支座安装到机架上的更改方案1;将单独加工的圆形回程缸支座安装到机架上的更改方案1。
2 有限元模型的建立
2.1 网格划分
在Solidworks中建立三维模型后, 使用中间格式 (如IGES) 直接导入ANSYS中虽然很方便, 但导入后的模型往往会出现一些问题。对于复杂的模型, 不仅导入模型的时间长, 还会影响分析的精度和准确性[4]。为避免上述问题, 本文采用Hypermesh划分网格。将Solid Works建立的三维模型以step格式导入Hypermesh, 在Hypermesh中对机架部件进行有限元分析前处理。模型主要采用Solid185实体单元, 预紧力拉杆 (螺栓) 简化为3D杆单元, 安装螺母采用Mass21单元。机架原始方案模型共有747190个单元, 170348个节点;机架 (更改方案1) 模型共有1600339个单元, 356624个节点;机架 (更改方案2) 模型共有个1423411单元, 315546个节点[5]。三种机架有限元网格质量优秀。有限元模型如图2所示。
2.2 材料参数
仿真分析中机架、上砧何耳座的材料为ZG25Mn, 耳座和柱塞材料为45号钢, 材料参数见表1。
2.3 定义接触
机架各部件之间通过定义接触对来模拟双立柱下拉式整体机架零部件之间的连接关系。接触关系见表2。接触分析是比较复杂的非线性分析, ANSYS非线性分析中提供了7种接触类型, 其中标准接触 (standard) 包括法向接触闭合和分开, 该接触模式考虑了粘着摩擦和滑动摩擦。当施加外力后两个接触面慢慢靠在一起, 外力撤销后, 接触面又回到原来的分离状态。即标准接触行为概括为分开状态-闭合状态-分开状态。当两个接触面靠在一起时, 既存在正压力, 同时存在沿切向的摩擦力[6]。
注:摩擦系数0.3, 模拟各部件之间的接触状态。
2.4 边界条件和载荷
1) 位移边界条件:分析机架在回程缸作用时的受力状态时, 回程缸内的压力与机架、耳座和上砧的重力形成一对平衡力, 此处等效地将约束施加到回程缸柱塞上端面, 约束其xyz三个方向的位移。
2) 工作载荷的施加:在回程缸作用时, 考虑到缸内压力与重力的平衡关系, 工作载荷即为上述所有部件的自身重力[7]。
3 下拉式整体机架结构分析
基于此次分析的目的, 采用准静态的分析方法[8]。将Hypermesh中创建的有限元模型导入到ANSYS中, 进行分析计算。计算后机架及各部件的等效应力云图。
3.1 机架原始设计方案计算结果 (见图3、图4)
由以上云图可以看出, 在回程缸作用的工况下:机架最大等效应力出现在机架上柱塞与机架接触的边缘位置, 应力值为31.046MPa, 考虑到机架材料为ZG25Mn, 屈服极限为295MPa, 机架安全系数达到了9.5。
3.2 机架更改设计方案1计算结果 (见图5~8)
由以上云图可以看出, 在回程缸作用的工况下:机架最大等效应力出现在机架上机架与耳座接触的边缘位置, 应力值为57.406MPa, 机架材料为ZG25Mn, 屈服极限为295MPa, 其安全系数均达到了5;耳座最大应力为61.783MPa, 耳座材料为ZG25Mn, 屈服极限为295MPa, 安全系数为4.8, 且安装螺栓的应力为117.125MPa。
3.3 机架更改设计方案2计算结果 (见图9~12)
由以上云图可以看出, 在回程缸作用的工况下:机架最大等效应力出现在机架上机架与耳座接触的边缘位置, 应力值为67.630MPa, 机架材料为ZG25Mn, 屈服极限为295MPa, 其安全系数均达到4.4, 耳座最大应力为84.62MPa, 耳座材料为ZG25Mn, 屈服极限为295MPa, 其安全系数均达到了3.5;且安装螺栓的应力为117.125MPa。
4 结论及意见
1) 回程缸作用的工况下, 仅从实际工作需求方面考虑三种设计方案均能满足设计要求, 且安全系数较高;
2) 但从铸造和机加工艺难度及成本考虑, 设计方案2明显优于前两种设计方案;
3) 由图10可见, 最大等效应力值出现在耳座与机架接触的边缘位置, 但机架与耳座的台面接触位置应力值也较大, 则有明显的应力集中现象。建议机加工时, 对两者预留2~5mm间隙, 既方便耳座安装, 又可避免耳座上表面与机架台面直接接触而出现应力集中[9]。
参考文献
[1]高俊峰.我国快锻液压机的发展与现状[J].锻压技术, 2008, (6) :1-5.
[2]徐宇谨, 韩大卫, 黄新, 等.快速锻造液压机组主机结构型式与选型[J].重型机械, 2004, 06:45-47.
[3]张盛华, 快锻液压机机架的有限元分析[D].西北工业大学材料加工工程系, 2004:20-32.
[4]李吉萍, 薄板成型液压机全模型有限元分析[J].甘肃科技, 2014, 30 (21) :54-56.
[5]王亚军.大型结构整体建模及八万吨压机主机架分析与优化设计[D].中南大学机械设计及理论系, 2008, 60-68..
[6]侯晓望, 基于有限元分析的液压机结构优化[D].浙江大学化工过程机械系, 2005, 14-25.
[7]范玉林, 张营杰, 房志远, 牛勇.45/50MN快锻油压机本体结构设计分析[J].锻压装备与制造技术, 2011 (4) :24-26.
[8]闫红红, 李永堂, 刘兴, 等.80MN双柱斜置式快速锻造液压机有限元分析[J].锻压技术, 2013, 01:93-97.
轧机机架装载加固方案 篇3
9468mm×4000mm×730mm、货重121t、重心高1843mm。
(1) 重车综合重心高H
装载车:D17A落下孔, 自重Q车=44.5 t, 重心高920 m m;货物重量:Q1=121.5t, 货物重心高h1=2200 (2260) mm,
重车综合重心高
H= (Q车h车+Q1h1) / (Q车+Q1) =1843 (1900mm 20091204修改计算存在疑问) mm
2 准用货车:D17A
3 加固装置:支撑梁、纵向钢挡梁、横向顶固装置。
4 加固材料:横向钢挡、10mm厚橡胶垫。
5 装载方法
每车装载1件, 货物吊装在车辆两侧承载梁间, 利用两根钢制支撑梁穿过机架长方空担起货件, 支撑梁的两端分别落在两侧承梁指定位置上, 机架于支撑梁间加垫10mm厚的橡胶垫, 货物重心落在车辆的纵横中心线交叉点上。
6 加固方法:
6.1 支撑梁两端分别焊于车辆侧承梁上, 焊缝长度为10mm。
6.2 纵向在货物两端分别用钢挡架进行加固, 每个钢挡梁两端分别焊在车辆侧承梁上, 焊缝长度为10mm。
6.3 横向在货物支撑梁两侧分别用钢挡顶紧靠牢货件进行焊接加固每个钢挡焊缝长度10mm。
6.4 在货物下部与车辆间装有横向顶固装置, 横向顶固装置一端焊在车辆侧承梁上, 焊缝长度为10mm.另一端与货件顶紧靠牢。
7 货物加固
各种力的计算 (见图2)
7.1纵向惯性力
采用钢性加固
t0=26.69-0.13Q总=26.69-0.13×130=9.79 (k N/t)
T=t0Q=9.79×121=1184.59 (k N)
7.2横向惯性力
n0=2.82+2.2
N=n0Q=2.82×121=341.22k N
7.3垂直惯性力
Q垂=q垂Q=4.53×121=548.13 (k N)
q垂-每吨货物的垂直惯性力, 使用长大货物车装载时,
7.4风力
W=q F=0.49×11.24=5.51 (k N)
Q-侧向计算风压。受风面为平面q=0.49k N/m2;
F-侧向迎风面的投影面积, m2。
7.5摩擦力
纵向F摩纵=9.8μQ=9.8×0.5×121=592.9 (k N) 横向F摩横=μ (9.8Q-Q) =
横向F摩横=μ (9.8Q-Q垂) =0.5× (9.8×121-548.13) =318.83
0.5× (9.8×121-548.13) =318.835 (k N)
7.6货物水平移动的稳定性纵
在纵方向:ΔT=T-F摩纵=1184.59-592.9=591.69 (KN)
在横方向:ΔN=1.25 (N+W) -F摩横=1.25 (341.22+5.51) -318.835=114.578 (k N)
7.7根据计算, 货物纵向、横向均需加固。采用纵向、横向紧固装置加固。
货物每侧各安装4个横向装置。横向紧固装置采用外径为168mm、厚度为12mm的钢管和外径为140mm、厚度为12的钢管连接而成。连接焊缝高度为1cm, 长度为45cm, 许用剪切应力为141Mpa。
每侧两个横向紧固装置连接焊缝最大许用横向力:
R2=2×0.7×1×141×90/10=1776.6 341.22 (k N)
钢管最大允许压力:
因此货物横向不会移动, 是安全可靠的。
货物每端各安装1个纵向紧固装置。纵向紧固装置与车体的连接焊缝高度为0.6cm, 总长度为256cm, 许用剪切应力为141Mpa。
每个纵向紧固装置连接焊缝最大许用纵向力:
R1=0.7×0.6×141×256/10=15160 1184.59 (k N)
因此, 货物纵向不会移动, 是安全可靠的。
8 承载梁部分
8.1承载梁强度校核 (见图3)
承载梁材质为Q235-A
以承载梁为对象:
垂向静载荷为P=121/2=60.5 (MPa)
根据该车动力学试验结果, 大底架最大动荷系数为0.35, 承载梁取0.4偏于安全。
则垂向总载荷=60.5× (1+0.4) =84.7t=84700N
梁中部弯矩:M=L/4=84700×2.65/4=56113.75N.M
梁中部断面惯性距:
J=2 (0.55×0.0163/12+0.55×0.8542+0.012×1.6933/12) =0.0225m4
所以=Mh/J= (56113.75×1.125/2) /0.0225=14MPa<=147 MPa
因此, 承载梁强度满足要求。
9 横向紧固装置强度计算
横向紧固装置自身强度计算见3.1.7;
横向紧固装置于车体连接焊缝强度:
连接焊缝焊角高度为0.8cm, 焊缝长度为119cm, 纵向紧固装置重量为30kg
10纵向紧固装置强度计算
纵向紧固装置由Q235-A.F的钢板组焊而成, 许用应力=147Mpa
纵向紧固装置与车体连接焊缝强度见第3.1.7条;
因此, 承载梁强度满足要求。
11结论
预应力矫直机架的设计方法 篇4
辊式矫直机是中厚板生产中的重要设备, 轧件多次通过交错排列的转动着的辊子, 利用多次反复弯曲而得到矫正[1]。矫直机机架在矫直过程中承受矫直力、咬抛钢的冲击力及部分矫直力矩, 因此要求矫直机机架必须具有足够的强度与刚度。随着设备制造技术发展, 预应力机架由于在相同尺寸下, 结构刚度大, 重量轻, 同时制造和安装方便, 近年来得到广泛应用。笔者对目前普遍采用的预应力框架式矫直机架的设计作了相关分析, 为设备设计提供了一定的参考。
2 机架的刚度
1.拉杆2.液压螺母3.上横梁4.压下缸5.立柱6.底座7.下螺母
2.1 机架结构组成
图1是所示的矫直机机架主要包括:左右立柱, 预紧拉杆, 上横梁和底座。上横梁、左右立柱及底座通过预应力系统 (液压螺母及拉杆等) 以一定的预紧力联接成一个刚性的封闭式框架结构。预紧装配时, 拉杆的下端安装普通螺母, 另一端安装液压螺母。液压螺母通以高压油后, 拉杆被拉伸, 立柱压缩, 所有这些总变形量为预紧时所垫入垫片的厚度, 这样就给机架施加了预紧力P0。
2.2 机架刚度的计算
矫直机在非工作工况时, 机架在预紧力P0的作用下, 使拉杆受拉, 有一定的伸长量S1。而立柱相应受压, 有一定的压缩量S2。图2中三角形OAM反映了拉杆和立柱的受力与变形关系。
工作工况时, 矫直力P作用在机架上横梁上, 此时拉杆在预应力基础上又增加了拉力ΔP1, 与此相应的拉杆变形在S1的基础上又增加了ΔS, 随着拉杆的拉长, 立柱的压缩量也弹回了ΔS, 由于这个变化, 使残余预紧力由P0向P2作了新调整。从图2中看到正是由于预紧力P0的存在, 才使得矫直力P引起的变形为ΔS, 否则按照力与刚度的线性关系, 矫直力对拉杆引起的变形为ΔSp (ΔSp>ΔS) , 这也就是预应力矫直机能提高刚度的原因。
从图2中可得出, 拉杆的刚度系数C1为:
在预应力框架中, 在矫直力作用下, 拉杆和立柱作用力增量的绝对值等于工作载荷。即
由式 (1) ~ (3) 得:C1·ΔS+C2·ΔS=P
那么P/ΔS=C1+C2
以E1、E2、F1、F2、L1、L2分别表示拉杆和立柱的弹性模量、材料的断面积和有效长度, 则式 (4) 可表示为:
由式 (4) 可知, 机架刚度主要取决于拉杆和立柱刚度之和, 进一步由式 (5) 可知:当材料一定时, 刚度与拉杆和立柱的断面积及其有效长度有关。上式成立的前提条件是预紧可靠, 在预紧力和矫直力联合作用下, 立柱与被联接件 (上横梁与底座) 接合面始终保持有一定大小的预压力, 即仍然有残余预紧力, 否则起不到提高机座刚度的作用。
3 机架的主要结构参数选择
机架的主要结构参数包括窗口的宽度、高度、拉杆和立柱断面尺寸。机架窗口的宽度应稍大于矫直辊盒的最大宽度, 以便于换辊。机架窗口高度主要是根据矫直辊系最大开口度、上下矫直辊盒的高度、压下系统的高度、换辊等要求综合考虑确定。拉杆与立柱断面尺寸是根据强度条件选择的, 从上面的分析中可知, 工作时矫直力P在拉杆与立柱之间重新分配, 拉杆所受的拉力是增加的, 而立柱所受压力是减小的, 故设计时应尽可能使拉杆所受的拉力的增加量ΔP1尽可能小, 无疑对于拉杆与立柱的设计都有益处。
由式 (6) 可以看出:在矫直力P的作用下, 拉杆和立柱所受力的变化量与它们的刚度系数的大小成正比, 刚度系数大的部分所承受的矫直力的分量则大, 刚度系数小的部分所承受的矫直力的分量则小。
在设计拉杆和机架立柱时, 必须从它的实际受力情况出发, 使其既能满足使用要求, 又能较好的发挥机架的能力。在预紧力和矫直力联合作用下, 拉杆始终承受拉伸变载荷, 立柱承受压缩变载荷。由式 (3) 、 (5) 、 (6) 可得
如令e=E2/E1, n=F2/F1, r=L2/L1, 则
从式 (9) 中可以看出, e为常数, 与拉杆和立柱选用的材料有关, 故只需增加n值或减小r值便可以使ΔP1减小。
减小r值意味着L2/L1减小, 立柱有效长度短而拉杆有效长度增加, 一般应根据机组工艺要求酌情考虑。
增加n值, 即需增大立柱与拉杆的面积比即可。但n值又不宜取得过大, 因为意味着ΔP2增大, 导致残余预紧力P2减小, 同时也意味着立柱断面积增大, 使机架重量增加, 造成金属材料的浪费。一般建议取n=2~5, 即立柱断面积为拉杆断面积的2~5倍。这样, 在矫直机工作时, 拉杆增加的拉力约为矫直力的25.9%~12.3% (假设e=1, r=0.7) , 立柱等在受预紧力的基础上减小了74.1%~87.7%的矫直力, 由此可见, 在上述n值范围内, 矫直力主要由立柱承受, 这无疑对拉杆和立柱都是有好处的。
4 预紧力的确定
机架在矫直过程中, 立柱与被联接件 (上横梁与底座) 接合面始终保持有一定大小的残余预紧力, 才能保证一定的刚度, 否则机架刚度就会下降为拉杆的刚度, 变形量急剧增加。同时, 预紧力的取值是确定拉杆和立柱受力大小以及选择拉杆和立柱断面面积的重要参数。下面讨论如何选择合适的预紧力。
在文献[2]中建议 (C1+C2) /C2≤S2/ΔS≤2
根据前面分析当n=2~5, 假设当e=1, r=0.7时, P≤P0≤ (1.5~1.8) P, 可根据实际情况选取适当的预紧力。
5 矫直机的设计
某厂新上一个中厚板矫直机, 要求矫直力为单向7000k N。
根据以往的设计经验, 初选矫直机上横梁为铸钢ZG270-500。拉杆材料为锻钢34Cr2Ni2Mo, 弹性模量为E1=221000MPa, Rm≥800MPa, Rp0.2≥600MPa, 立柱和底座均由钢板焊接而成, 材质为Q345-A, σs≥345MPa, σb≥470MPa, 弹性模量为E2=211000MPa, 则e=E2/E1=0.95。
初选n=3, r=0.7则P0取值范围为[P, 1.6P], 取P0=1.4P=9800k N, 单根拉杆预应力为F0=2450k N。
工作时拉杆受力P1=P0+ΔP0=9800+0.26×7000=11620k N, 单根拉杆最大拉力为Fmax=2905k N。
拉杆受预紧力P0又受轴向载荷P, 根据螺栓联接强度理论, 静载时基本设计公式[3]为:式中, d1-拉杆最小直径, mm;Fmax-拉杆所受最大拉伸力, N;[σ]-拉杆联接的许用应力, MPa。
立柱用2块尺寸分别为40mm×320mm×3650mm和40mm×400mm×3650mm的钢板焊接而成, 断面积为4002-3202=57600mm2, 实际n=2.87。
由式 (5) 计算该机架刚度为:
C=E1F1/L1+E2F2/L2=803+3206=4010k N/mm
6 机架有限元校核
6.1 有限元模型简化与边界条件
忽略矫直机模型的操作侧、传动侧细微差异, 单独截取一侧模型进行有限元分析, 并设置中间联接横梁的截断面为对称面。采用四节点四面体单元自动划分网格。
边界条件为固定约束底座与机架底板接触的作用面, 并定义立柱与横梁、底座间为摩擦接触, 摩擦系数为0.2。在横梁下侧的两个油缸安装孔底面施加压下油缸支反力 (单缸1750k N) , 并在底座框架的顶部平板上施加下部辊盒对底板的压力 (一半模型为3500k N) ;对于预紧力载荷, 将拉杆及螺母简化为“工”字型整体件, 并在杆中部施加螺栓预紧力载荷2450k N, 约束关系使用默认的绑定约束。
6.2 计算结果与分析
由图3和图5可知, 在非工作工况下 (仅加载拉杆预紧力) , 除底座与立柱上安装拉杆的开孔附近有局部应力集中 (最高达110MPa) 外, 横梁、焊接底座其它各处应力水平很低 (小于35MPa) ;拉杆由于预应力载荷作用, 平均综合应力约125MPa, 机架立柱等处综合应力约为45MPa, 来源为拉杆预应力造成的立柱受压。
由图4和图6可知, 在工作工况下, 除底座下螺母安装孔附近有局部应力集中 (最高达155MPa) 外, 横梁、焊接底座其它各处应力均小于85MPa, 拉杆由于预应力载荷和矫直力载荷共同作用, 平均综合应力约150MPa, 机架立柱等处综合应力约为25MPa。
结构总体受力状态较好, 工作状态下应力水平低, 安全系数富裕量较大, 仅需对局部应力集中部位重新设计。
按照图7和图8所示的两种工况计算机架的竖直方向变形如下: (1) 非工作工况:横梁垂向位移约-0.97mm, 底板 (焊接底座顶部) 垂向位移约0.07mm; (2) 工作工况:横梁垂向位移约0.19mm, 底板 (焊接底座顶部) 垂向位移约-0.54mm;由上述数据可知:在加载矫直力P=7000k N (对应前述有限元计算模型中一半机架为3500k N) 后, 机架窗口竖直方向变形量约为ΔL=1.77mm
可近似计算机架的名义刚度为:C=F/ΔL=3955k N/mm。
与前面的计算结果相比, 有限元分析法考虑了横梁与底座的变形, 使得机架刚度稍小, 更能反映机架真实状况。
7 结论
本文分析了预应力矫直机架的刚度影响因素, 提出合理选择机架主要结构相关参数的方法, 给出了合适的预紧力选取范围, 通过有限元分析方法对整个机架结构分析验证, 为设备的优化设计提供了一定参考。
摘要：辊式矫直机一般采用预应力机架。文中分析了预应力矫直机架的刚度, 机架主要结构参数及预紧力选取的方法。并使用有限元分析软件Workbench对非工作工况与工作状况下机架的变形与应力分布进行了分析, 验证了设计的合理性, 提出了针对该机架的优化建议。
关键词：矫直机机架参数,预紧力,Workbench分析
参考文献
[1]邹家祥.轧钢机械[M].北京:冶金工业出版社, 2000:352.
[2]瞿志豪, 徐飚.预应力轧机的预载荷最大化与轧制力可靠性的分析研究[J].上海应用技术学院学报, 2002 (3) :149-153.
机架管理 篇5
步入新世纪我国经济进入了高速发展阶段, 尤其是伴随着房地产行业的快速发展, 对于钢材的需求量也越来也大, 我国有80多条的大型钢材生产线, 在这些生产线上广泛使用者轧机设备对钢材进行轧制, 从而生产出板材、管材等, 轧机机架是轧机中的组成部分, 其由于体积巨大、加工精度要求高等, 造成了对于轧机机架的生产较为困难, 文章将就轧机机架的生产工艺以及装配进行介绍。
1 轧机机架简介
轧机是实现金属轧制过程的设备。泛指完成轧材生产全过程的装备, 包括有主要设备、辅助设备、起重运输设备和附属设备等。轧机是由轧辊、轧机牌坊、轴承包、轴承、工作台、轧钢导卫、轨座、轧辊调整装置、上轧辊平衡装置和换辊装置等组成。由两片“牌坊”组成以安装轧辊轴承座和轧辊调整装置, 需有足够的强度和钢度承受轧制力。机架形式主要有闭式和开式两种。闭式机架是一个整体框架, 具有较高强度和刚度, 主要用于轧制力较大的初轧机和板带轧机等。开式机架由机架本体和上盖两部分组成, 便于换辊, 主要用于横列式型材轧机。
2 轧机机架的加工
轧机机架由于尺寸超大, 同时对于精度的要求较高, 因此对于其加工制造提出了不小的挑战, 进行轧机机架的加工需要使用精度高且加工范围大的数控机床作为其主要的加工设备, 由于需要加工的工件尺寸很大, 在加工过程中对于温度的影响过、装夹变形与加工变形都是需要考虑的问题, 这就为加工造成了极大的难度, 在进行轧机机架精加工之前首先需要进行粗加工, 在粗加工时可以使用牛头铣、端面铣等设备, 在粗加工后留有10~12mm左右的加工余量, 在粗加工完成后需要对轧机机架粗坯进行检验, 通过使用工业探伤仪检查粗坯, 检查工件内部是否存在裂纹, 如果没有裂纹则通过应力退火后就可以进入精加工环节。在进行精加工之前需要对加工所用的数控机床进行精度调整, 通过使用激光干涉仪、直尺、方尺等对于机床的定位精度、直线精度和方位精度等进行检查, 确保机床处于一个良好的工况, 同时将机床精度检测数据等得出报告, 并将这些误差补偿入机床中, 对镗铣加工精加工面在各个加工面留有的余量不超过0.5mm, 光刀余量为0.05mm, 在将轧机机架精加工完成后, 通过使用三测机或者是其他测量设备进行检测, 要求所有的工件误差都在图纸标注的加工公差范围内, 通过检测得出加工后的工件的形位公差的数据如下:机架窗口两侧面相对于机架垂直中心线的对称度及平行度为0.05mm, 窗口底面相对于窗口两侧的垂直度为0.04mm, 窗口顶面相对于窗口底面的平行度为0.06mm, 机架脚底面相对于窗口两侧面的垂直度要求为0.04mm每米, 所有测量数据都应满足图纸按要求。总体来说轧机机架的加工流程如下:毛坯件进行粗加工后用探伤仪进行检测, 检测内部没有裂纹后进入应力退火环节, 在退火完成后进行半精加工, 加工完成后继续使用探伤仪进行检测, 在合格后进入精加工环节, 在精加工时需要保证加工完成后的工件精度。在工件精加工完成后还需要在机架上刷上防锈漆, 做好轧机机架的保护工作。
加工过程中采取的防止变形的措施:在机架的加工过程中需要采取多种措施来防止机架的形变, 例如:增加焊筋来增加零件的强度和刚度, 从而防止变形, 或者是在机械加工操作采取多次装夹找正, 或者是采取多次时效处理 (可以采用自然时效、振动时效仪或者是热处理去应力的方法) 。在选用加工方案时, 在确定加工方案合理的基础上还需要考虑到降低操作难度、降低生产成本、缩短生产周期等问题, 这些可以通过使用计算机建立数学模型来进行分析, 从而使工艺设计人员能够更直观、快捷的确定加工方案, 从而大大简化了工艺设计的难度, 提高了生产效率。
3 轧机机架的装配
设备的装配工作对于保证机床的精度同样重要, 尤其是大型机械设备更是需要良好的装配, 大型轧机机架装配的重点和难点是轧机设备较为复杂、安装精度要求较高、机架的尺寸较大且重量很重, 需要使用吊车等进行吊装作业。对于轧机机架的装配主要分为两个部分, 一个是在设备出厂之前需要在工厂进行装配, 确保轧机在装配完成后能够达到精度要求, 而另一个则是在钢铁厂进行现场安装, 同时装配工艺应当轧机机架在工厂中的加工精度和在装配现场中的实际需要进行灵活确定, 由于轧机的重量很重, 因此对于轧机的地基要求很重要, 在进行装配之前需要对装机场地进行重量预压, 从而确保场地满足装配需要, 不会出现沉降, 同时根据沉降检测记录确定相应的装配工装, 工装需要具有足够的刚度, 确保吊装工作中不会出现变形等影响吊装正常进行, 在保证工装具有良好的刚性的同时还需要保证工装具有良好的稳定性和易调节性, 对于装配精度的设置应当比设备的的基础零件的安装精度和整机的安装精度高一个精度等级, 同时需要选用合适的测量工具, 在装配过程中使用测量工具进行检测时需要充分考虑测量器具应当不受环境影响, 从而对测量的数据产生一定的影响, 同时在装配过程中进行必要的功能部件的试验。
4 轧机机架的修复
轧机工作时环境恶劣, 在工作过程中, 轧制冷却水遇到红灼的钢坯迅速雾化, 夹带着从钢坯表面脱落的氧化铁粉末向四周喷射, 轧辊通过轴承座对机架牌坊造成较大的冲击, 使轧机机架牌坊内侧窗口面、机架牌坊底面等均出现不同程度的腐蚀磨损, 使轧机机架与轧辊轴承座间隙难以有效控制管理, 时常出现轧机机架与轧辊轴承座间隙超过管理极限值现象。轧机牌坊间隙增大恶化了轧机主传动系统的工作条件, 使主传动振动冲击大, 钢锭咬入时容易发生打滑, 影响到板形的控制, 对产品质量造成很大影响。随着科技的发展可采用高分子复合材料来解决轧机牌坊磨损, 其中以福世蓝金属修复材料应用效果最佳。高分子复合修复材料具备优越的粘着力, 可以牢固附着在金属基材表面, 长期工作而不会脱落;产品自身具有极高的抗压强度, 即使在高达1900吨的轧制力作用下, 材料也不会损坏;独特的高分子结构赋予材料良好的抗冲击性能, 可以吸收轴承座对牌坊的冲击, 避免了磨损的产生;同时产品具有良好的耐腐蚀性能, 可使牌坊表面免受冷却水的侵蚀。采用修复材料材料修复轧机牌坊磨损, 不用去除材料, 不影响牌坊整体强度和刚度, 更无补焊热应力造成的变形, 为企业很好的解决了多年无法解决的问题。
5 结束语
我国通过自主开发大型板材轧机的制造工艺的研究, 现今已经掌握了大型轧机机架的全部制造工艺, 从而为我国下一步独立建制大型轧机打下良好的基础, 在自行建制的基础上可以有效的降低生产线的建造成本, 通过统计, 自行建造的费用能够降低约15%的成本, 同时通过对建造完成后的轧机进行试车检验, 实现了轧机的各项指标达到并超过原先预期。
参考文献
[1]李贺增.2160mm热轧机R2机架的铸造[J].铸造技术, 1996.
[2]V·B金兹伯格.高精度板带材轧制理论与实践[M].冶金工业出版社, 2007.
[3]王一丁.数控中心的位置误差补偿模型[J].计量学报, 1995, 7.
辊压线水平机架快换机构 篇6
本文以我公司生产的汽车防撞梁辊压生产线为例,介绍一种能够实现快速更换水平机架底座的机构,该机构能够实现辊压成形机水平机架的快速更换。可以使用户通过更换不同水平机架及模具,实现不同规格样式防撞梁的生产,从而既缩短了零部件生产时间,又为用户降低了设备制造成本。
1 辊压成形机快换机构结构
辊压成形机主要由底座、水平机架、模具以及传动等部分组成。本文介绍的快换机构是在保留原成形机底座以及传动机构的基础上实现快速更换模具的方案。本方案中水平机架是安装于面板上,而不是传统的将水平机架安装于设备底座上。我公司设计的这套辊压成形机,主机底座上安放四个面板,用于固定水平机架,每个面板上均开有四个起吊螺纹孔,方便面板与水平机架的整体起吊,每个面板在底座上均采用三面固定基准,一面可活动基准进行定位调节,同时在面板的两端采用压板的方式将面板固定于底座上,如图1所示。用于定位面板的固定块均用螺栓固定于底座上,当需要更换水平机架时只需将顶紧板和压板的螺栓松开即可将面板吊起。
为了实现水平机架的快换功能,传动机构与水平机架的连接采用牙嵌式离合器[3]方式进行连接,如图2所示。根据工艺要求,水平机架采用下辊主动、上辊被动的转动方式,为方便轧辊下轴与传动换向器的快速脱开,设计了快速脱开机构。快速脱开机构包括牙嵌式离合器、摆块、支撑座、气缸、压缩弹簧、气缸支架以及摆臂等部件。
快速脱开机构各部分结构:牙嵌式离合器分为两部分,一部分固定于水平机架下轴,另一部分安装于换向器输出轴上,并可在轴上沿轴向顺畅滑动;安装于换向器轴上的离合器后端均匀地开三个圆孔用于安装三个压缩弹簧,将压缩弹簧一端深入离合器中,另一端与安装于换向器上的弹簧挡板接触;气缸依靠固定于底座上的气缸支架进行固定,气缸伸出杆通过Y型接头与摆臂铰接;摆臂下端穿插一长轴,此轴通过固定于底座上的支撑座保持稳定,在轴上对称安装两个固定摆块,两个摆块通过轴承与后离合器实现表面接触。
快速脱开机构工作方式:辊压线正常工作时,两个牙嵌式离合器依靠压缩弹簧的弹力紧紧结合在一起,换向器通过两个结合的离合器驱动水平机架下轴转动,此时气缸处于伸出状态,摆臂处于竖直状态,摆块未与离合器接触,弹簧处于伸长状态;当需要更换水平机架时需要将两个牙嵌式离合器脱开,此时气缸处于缩回状态,气缸缩回带动摆臂扭转,摆臂扭转通过轴带动摆块扭转,摆块扭转后作用于后牙嵌式离合器上,迫使后离合器克服弹簧弹力与前离合器脱开,这样就可以使水平机架与传动部分完全脱开,即可实现辊压线水平机架底座的快换。
2 实际使用效果
2.1 快速脱开机构
设备需要将水平机架与传动脱开时,应先将主电机断电停转,并且把辊压线中的板料全部取出,方可在控制面板上操作使气缸脱开。因为当板料在辊压线内部时,各轧辊均保持有一个旋转力矩作用于传动系统,此时两个牙嵌式离合器的接触处于受力状态,当使用气缸强迫两个离合器脱开后,会使脱开后的水平机架下轴发生转动,进而使原先相互啮合的两个牙嵌式离合器发生相对位置的转动,会产生两个离合器脱开后不能再重新啮合的现象。
设备在调试过程中,我们将辊压线内的板料全部取出,将主电机断电停转,然后操作脱开气缸动作,此时快换脱开机构能够顺利地使水平机架下轴与传动系统的换向器脱开,并且再重新啮合时也能够顺利啮合,实际情况证明本机构能够满足快换设计要求。
2.2 面板起吊
当快换脱开机构作用后,水平机架已经与传动部分完全脱开,此时将用于压紧面板的压板松开,并且把顶紧板上的两个顶紧螺栓松开,即可实现面板与水平机架的整体起吊。
2.3 水平机架与面板的重新装入
将更换模具的水平机架重新装入设备底座时,应严格按照原先面板顺序装入,因为每个面板的定位基准已经固定好,如果面板顺序改变就会发生水平机架上轧辊中心线的偏移,造成生产工件缺陷。将面板与水平机架整体安装于底座上之后,应先将面板的三个基准面与固定块接触,然后再通过顶紧板上的两个螺栓进行微调和固定,最后将两个压板压紧面板,完成面板在底座上的固定。此时快速脱开机构气缸处于缩回状态,将每个水平机架下轴上的固定离合器与换向器上的离合器牙槽对正,即可操作气缸使后离合器在弹簧力的作用下与前离合器结合,因为每个离合器均设计有锥度结构,因此即使两个离合器的牙槽有不对正现象,也能够正常啮合[4,5,6]。
3 结束语
实践证明该辊压线水平机架快换机构可大大节省轧辊换模时间。本机构以其简单的结构、新颖的设计,以及可为用户最大程度节省设备投资而深受用户欢迎。
参考文献
[1]姜忠贤.辊压成型及其在汽车工业中的应用[J].汽车技术,1992,(7).
[2]盈亮,贾治域,胡平,等.高强度钢板热冲压成形工艺的改进[J].锻压装备与制造技术,2013,48(4):75-78.
[3]成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社,2008.
[4]高波,朱先民,姜丁,等.牙嵌式离合器的传动特性研究[J].矿山机械,2012,(9).
[5]吴刚.牙嵌式离合器的防滑脱结构[J].化工设备与防腐蚀,1999,(4).
八辊五机架冷连轧控制系统 篇7
在整个八辊五机架冷连轧控制系统生产线当中, 按照生产环节的差异性可以分为开卷工作区、轧机工作区以及卷取工作区这三个方面。需要注意的一点是:由于在整个八辊五机架冷连轧控制系统当中采用了六层活套, 从而能够释实现对320m单位带钢的有效储存。从这一角度上来说, 在整个八辊五机架冷连轧全连续性生产作业过程当中, 开卷工作区以及轧机工作区控制系统的运行基本保持为独立状态。而对于卷取工作区而言, 控制形式需要表现为整体性形式。在整个八辊五机架冷连轧生产作业线当中, 经过酸洗处理之后的热轧原料钢卷需要经过开卷确认的方式转入下一工作步骤。带头经过校直、切头处理后, 与上一处理阶段中带钢材料的胃部重合, 并进行焊接处理, 在此基础之上进入活套内部。而活套小车则能够结合套量以及轧机工作区段的实际运行情况进行可选择性的充套处理, 按照此种方式可保障整个八辊五机架冷连轧机组轧制处理的连续性。与此同时, 在带钢材料离开活套之后, 将继续转入轧机工作区段。这一过程当中带钢能够严格按照预先设定的轧制工艺参数进行轧制处理, 从而确保出口位置所转出的带钢能够充分负荷冷连扎生产线产品性能基本要求。按照上述分析, 在当前技术条件支持下, 整个八辊五机架冷连轧控制系统的基本结构示意图如下图1所示。
二、八辊五机架冷连轧控制系统功能应用分析
1. 数据管理系统
在八辊五机架冷连轧控制系统当中, 数据管理系统的最主要工作任务在于完成整个生产过程当中所对应各项实时数据的采集、存取、管理以及再利用。按照数据类型以及数据属性的差异性, 可以将数据管理系统进一步划分为钢卷、轧制过程、轧辊、工程、轧制材料以及轧制策略这几个方面。上述几类数据管理子系统在过程值监控没款的作用之下, 以数据/图形的方式呈现相应的工艺擦书, 同时按照10ms~250ms单位为周期, 进行数据储存。借助于此种方式, 确保在八辊五机架冷连轧控制系统出现运行故障的情况下, 故障分析能够有所数据支持。
2. 数学模型系统
在八辊五机架冷连轧控制系统当中, 数学模型系统包括以下两个方面:其一是有关轧制过程中负荷分配的计算情况。建立在对八辊五机架冷连轧控制系统负荷分配算法优化的基础之上, 分配策略的制定需要综合考虑以下几个方面的问题: (1) 等负荷分配状态下所对应的max产量目标, 具体的计算方式应当如下所示; (2) 等压力分配状态下所对应的板形良好目标, 具体的计算方式应当如下所示; (3) 等热凸度分配状态下所对应的板型良好目标, 具体的计算方式应当如下所示。其二是建立在负荷分配基础之上所计算得出的各项工艺参数。一般意义上的工艺参数包括轧制力、辊缝间隙、轧制速度等指标。与此同时, 考虑到整个八辊五机架冷连轧控制系统运行特点表现为长时间且持续性作业, 因此还需要给出在过焊缝条件动态变化下所对应的辊缝与速度调整值。
等负荷分配状态下max产量目标=Σ (第a机架功率参数-Σ第a机架功率参数/Σ第a机架额定功率参数*第a机架额定功率参数) /2…… (1)
等压力分配状态下板形良好目标=Σ (第a机架轧制力参数-Σ第a机架轧制力参数/Σ第a机架额定轧制力参数*第a机架额定轧制力参数) /2…… (2)
等热凸度分配状态下板性良好目标=Σ (第a机架凸度参数-Σ第a+1机架凸度参数) /2…… (3)
3. 料流跟踪
相对于整个八辊五机架冷连轧控制系统而言, 料流跟踪系统是保障控制系统这一整体工作协调与有效的关键所在。与此同时, 料流跟踪功能的实现还能够将八辊五机架冷连轧生产线上带钢的运行状态实时且动态的反馈至计算机映像内部。与此同时, 还可以配合对轧机生产状态的判定, 面向包括设定计算、数据采集等在内的控制功能发出动作指令, 按照此种方式实现整个八辊五机架冷连轧生产作业的控制的自动性。
三、结束语
在当前技术条件支持下, 冷轧钢板所表现出的质量、外观、尺寸精度等指标均明显优于传统意义上的热轧钢板, 综合优势显著。而对于冷轧产品的应用也开始辐射至包括汽车制造、家用电器、仪表开关以及建筑施工等多个行业与领域当中, 值得重视。总而言之, 本文针对有关八辊五机架冷连轧控制系统相关问题做出了简要分析与说明, 希望能够引起各方工作人员的特别关注与重视。
参考文献
[1]魏立新, 李兴强, 李莹等.基于改进自适应遗传算法的冷连轧轧制规程优化设计[J].机械工程学报, 2010, 4 (616) :136-141.
[2]李勇, 刘建昌, 王昱等.改进权重自适应GA及冷连轧轧制规程多目标优化[J].控制理论与应用, 2009, 2 (66) :687-693.