譚 剛 陳 兵

(中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司冷軋事業(yè)部,重慶 400013)

冷軋后處理機(jī)組張力輥設(shè)計(jì)計(jì)算

譚 剛 陳 兵

(中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司冷軋事業(yè)部,重慶 400013)

從張力輥幾何參數(shù)和材質(zhì)確定、張力計(jì)算、傳動(dòng)功率計(jì)算、力矩校核等方面闡述后處理線張力輥設(shè)計(jì)計(jì)算,對(duì)后處理機(jī)組中獲得精確的張力值以及張力變化規(guī)律,合理匹配張力值,提高產(chǎn)品質(zhì)量和節(jié)能降耗有著重要意義。

張力輥 后處理機(jī)組 設(shè)計(jì)計(jì)算 功率分配

1 引言

連續(xù)生產(chǎn)線的帶鋼必須在張力之下運(yùn)行,張力的最基本作用是保證帶鋼的正常運(yùn)行,使帶鋼盡可能沿著生產(chǎn)線的中心線運(yùn)行,而不致因走偏而造成邊部刮傷甚至斷帶;同時(shí),糾偏輥也只有在張力足夠的情況下才能起到糾偏作用[1]。機(jī)組各段張力值的建立,是依靠在機(jī)組適當(dāng)位置設(shè)置的夾送輥和張力輥實(shí)現(xiàn)的。帶鋼包繞在張力輥上,在其包繞接觸處(包角處)產(chǎn)生摩擦力,正是這個(gè)摩擦力,使出口張力與入口張力按某種規(guī)律變化,借此改變張力值,對(duì)整條機(jī)組實(shí)現(xiàn)張力控制,因此張力輥是后處理機(jī)組連續(xù)運(yùn)行的重要設(shè)備組成單元[2]。如何正確地獲得精確的張力值及張力變化規(guī)律,更好的控制張力,使整個(gè)機(jī)組的張力得到合理的匹配,對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低機(jī)組的能耗有著重要的意義,因此張力輥的設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)組的正常連續(xù)運(yùn)行顯得尤為重要。本文從張力輥幾何參數(shù)和材質(zhì)確定、張力計(jì)算、傳動(dòng)功率計(jì)算、力矩校核等方面闡述后處理線張力輥的設(shè)計(jì)計(jì)算。

2 張力輥幾何、材質(zhì)確定

張力輥幾何參數(shù)和材質(zhì)確定主要是輥徑和輥身長(zhǎng)度的確定以及表面材質(zhì)的選定。為了防止帶鋼產(chǎn)生永久變形,張力輥輥徑確定以帶鋼包繞在張力輥上不產(chǎn)生塑性彎曲變形為原則,即是以帶鋼繞過張力輥的彎矩小于等于帶鋼彈性極限彎矩為準(zhǔn)則計(jì)算輥徑[2～7]。由此,得出張力輥輥徑計(jì)算公式:

式中D(m)為張力輥輥徑;E(MPa)為帶鋼彈性模量;hmax(m)為帶鋼最大厚度;σs(MPa)為帶鋼屈服極限。式(1)表明,張力輥輥徑取決于帶鋼的彈性模量、屈服極限和最大厚度。但實(shí)際中并不是輥徑越大越好,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品方案綜合考慮各種因素選擇合適的輥徑。

輥身長(zhǎng)度根據(jù)帶鋼寬度確定,通常是帶鋼寬度加上200～300 mm。

張力輥表面包覆材質(zhì)通常為聚氨酯橡膠,以增加輥?zhàn)优c帶鋼之間的摩擦力,同時(shí)可以避免帶鋼表面產(chǎn)生擦傷、印痕。

3 張力輥設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 張力放大系數(shù)計(jì)算

帶鋼包繞在張力輥上,在包繞接觸處產(chǎn)生摩擦力,使張力輥入口、出口張力按某種規(guī)律變化,以此改變機(jī)組張力值[2]。若張力輥處于“電動(dòng)”狀態(tài),即出口張力小于入口張力,如圖1所示,根據(jù)歐拉公式可得:

圖1 張力輥示意圖

其中:μ為輥?zhàn)优c帶鋼之間的摩擦系數(shù),其隨輥面材質(zhì)取值不同而不同,鋼輥取值為0.15～0.18,包膠輥取值為0.18～0.28[2～4,8],α為帶鋼在輥?zhàn)由系陌?由于帶鋼具有一定的剛性,張力輥出口和入口處的帶鋼往往不是完全緊貼在輥面上,因此實(shí)際包角α′小于理論包角α,實(shí)際計(jì)算中一般取α′為(0.8～0.9)α[2～4,8]。后處理機(jī)組中,我們一般取值μ為0.18,α′為0.85。

則每經(jīng)過一個(gè)張力輥,張力放大系數(shù)可表示為:

3.2 張力輥組輥數(shù)確定

張力輥組輥數(shù)是根據(jù)出口張力和入口張力的最大比值確定的,即根據(jù)張力遞增倍數(shù)的最大值kmax確定張力輥組輥數(shù)。

其中T出i和T入i表示第i種工況下的出口張力和入口張力,m為總工況數(shù)。

若1

若k

若k2

以此類推,若kn-1

3.3 張力輥組功率分配與張力計(jì)算

在張力放大系數(shù)以及張力輥輥數(shù)已經(jīng)確定的前提下,如何合理的分配張力輥組內(nèi)各輥的功率十分重要。通常采用下面的兩種分配方案[8]:

(1)根據(jù)每個(gè)張力輥所能承載的最大張力遞增倍數(shù)進(jìn)行分配,即按照張力放大系數(shù)進(jìn)行分配。

(2)根據(jù)最大張力遞增倍數(shù)kmax對(duì)每個(gè)張力輥進(jìn)行均分,即每個(gè)張力輥的張力放大倍數(shù)均小于等于k。

方案(1)可以為系統(tǒng)提供較大的張力放大倍數(shù),為生產(chǎn)操作提供便利,但由于每個(gè)張力輥所承載的張力放大系數(shù)較大,會(huì)使系統(tǒng)較早出現(xiàn)打滑現(xiàn)象,提前進(jìn)行輥面重磨,縮短輥?zhàn)訅勖?方案(2)中每個(gè)張力輥所承載的張力放大系數(shù)較小,可以減緩系統(tǒng)打滑的時(shí)間,延長(zhǎng)輥?zhàn)訅勖?。因?設(shè)計(jì)中我們一般采用第二種方案進(jìn)行張力輥功率分配。

確定了張力分配方案和每輥的張力放大系數(shù)后,可以逐次計(jì)算出每輥之間的張力值。

3.4 張力輥組功率計(jì)算、力矩校核

張力輥所需的傳動(dòng)功率主要由三個(gè)方面組成:(1)張力放大所需功率W1,(2)軸承摩擦損耗功率W2,(3)帶鋼彎曲變形損耗功率W3。

若張力輥出口和入口的張力差為ΔT(N),轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為ω(rad/s),直徑為D(m),張力輥所受合力為T合(N),帶鋼運(yùn)行速度為ν(m/s),帶鋼寬度和厚度分別為b(m)和h(m),帶鋼的屈服極限為σs(MPa),張力輥軸承處的摩擦系數(shù)為f,傳動(dòng)系統(tǒng)效率為η。計(jì)算推導(dǎo)所需的各功率可表達(dá)為:

則張力輥所需要的傳動(dòng)功率W(W)為各功率損耗之和,即:

其中,張力輥所受合力T合為帶鋼張力、張力輥?zhàn)灾氐暮狭?實(shí)際計(jì)算中,通常以張力輥出口張力和入口張力的數(shù)值和簡(jiǎn)化代替。

下面以兩輥張力輥為例,分析張力輥組功率計(jì)算。圖2所示為兩輥張力輥示意圖,張力輥處于“電動(dòng)”工作狀態(tài),入口張力T3大于出口張力T1,1#輥和2#輥之間的張力值為T2。

圖2 兩輥張力輥示意圖

根據(jù)張力輥功率分配方案(2),可得實(shí)際每個(gè)輥?zhàn)拥膹埩Ψ糯笙禂?shù)為:

則有:

根據(jù)式(5)可得,1#張力輥的張力放大所需功率W11、軸承摩擦損耗功率W12、帶鋼彎曲變形損耗功率W13分別為:

則1#張力輥所需的傳動(dòng)功率為:

同理,2#張力輥的張力放大所需功率W21、軸承摩擦損耗功率W22、帶鋼彎曲變形損耗功率W23分別為:

則2#張力輥所需的傳動(dòng)功率為:

根據(jù)計(jì)算的傳動(dòng)功率W1、W2選取合適的標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)功率P1、P2,使其滿足P1>W1,P2>W2。

選定好張力輥電機(jī)功率后,需要進(jìn)行力矩校核。若電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速分別為n1、n2,傳動(dòng)系統(tǒng)減速比為i,則可得電機(jī)所能為張力輥提供的正常工作力矩M1、M2分別為:

張力輥需要的工作力矩為克服出口、入口張力差需要的力矩MT、克服軸承摩擦需要的力矩Mf、克服帶鋼彎曲變形需要的力矩MM之和,其分別可由下式計(jì)算得出:

若M1>MT1+Mf1+MM1,M2>MT2+Mf2+MM2,則所選電機(jī)功率滿足要求,否則需要加大電機(jī)功率直至滿足要求為止。

同理,可以設(shè)計(jì)計(jì)算出“發(fā)電”狀態(tài)下的張力輥功率。

4 設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例

已知:某鍍鋅線產(chǎn)品規(guī)格為帶鋼寬度b=1250 mm,帶鋼厚度h=1.6 mm,彈性模量E=2.1×105MPa,屈服極限σs=800 MPa,其2#張力輥出口張力T1和入口張力T3分別為10690 N和32620 N,機(jī)組最大運(yùn)行速度為3 m/s,輥面襯層材質(zhì)為聚氨酯橡膠,傳動(dòng)系統(tǒng)減速比i為18,效率η取值為0.9,軸承摩擦系數(shù)f取值為0.002。

根據(jù)式(1)可得420 mm即可,但根據(jù)工藝綜合考慮,輥徑選擇為650 mm。包膠輥摩擦系數(shù)取值為0.18,輥?zhàn)永碚摪铅?、α2均為232°,則根據(jù)式(3)可得每個(gè)張力輥的放大系數(shù)k為2.07。

Kmax==3.05,由于2.07<3.05<2.072,因此選用兩輥兩傳動(dòng)張力輥,每個(gè)輥?zhàn)拥膶?shí)際放大系數(shù)k實(shí)為1.7468。計(jì)算可得T1,T2,T3分別為10690 N,18674 N,32620 N。

根據(jù)式(10)～(13)計(jì)算可得:W1=54 kW,W2=33 kW,則選取標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)功率P1、P2分別為55 kW,37 kW,額定輸出轉(zhuǎn)速為1500 r/min,根據(jù)式(14)、(15)可得電機(jī)能為張力輥提供的力矩M1、M2分別為5672 N·m和3816 N·m。

根據(jù)式(16)計(jì)算得到張力輥需要的工作力矩分別為:4992 N·m、3040 N·m,小于電機(jī)的額定輸出力矩,因此選型合理,滿足生產(chǎn)要求。

5 結(jié)論

本文從張力輥幾何參數(shù)和材質(zhì)確定、張力計(jì)算、傳動(dòng)功率計(jì)算、力矩校核等方面闡述后處理線張力輥的設(shè)計(jì)計(jì)算,結(jié)合實(shí)例驗(yàn)證了設(shè)計(jì)計(jì)算方法的有效性和實(shí)用性,對(duì)后處理機(jī)組中獲得精確的張力值以及張力變化規(guī)律,合理匹配張力值,提高產(chǎn)品質(zhì)量和節(jié)能降耗有著重要意義。

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DESIGN AND CALCULATION OF BRIDLE ROLLS IN COLD M ILL AFTERTREAT MENT L INE

Tan Gang,Chen Bing
(Cold Mill Department,CI SD I Engineering Co.,Ltd,MCC,Chongqing 400013,China)

Based on the determining of the geometry parameter and material choosing of bridle rolls,tension calculation,power calculation,Torque checking,the design and calculation of bridle rolls in after treatment lines is detailedly discussed here,this have important effect on accurately obtaining the value and the variation rule of the tension,setting reasonable tension,improving product quality and saving energy in after treatment lines.

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2010-02-24

譚剛,男,工程師。