段云輝，陳 勃，侯冬芳

(太原晉西春雷銅業(yè)有限公司，山西 太原 030008)

張力開卷、卷取機廣泛應(yīng)用于金屬板帶材加工生產(chǎn)線，在生產(chǎn)過程中依靠傳動系統(tǒng)可以建立前后張力，實現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)。我公司作為銅及銅合金板帶材生產(chǎn)企業(yè)，軋機、酸洗、連續(xù)退火、精整等生產(chǎn)線都運用到張力開卷、卷取機。近幾年新上生產(chǎn)線的產(chǎn)品規(guī)格比以前有了很大變化，產(chǎn)品寬度、厚度范圍均有所增加，卷重也增加至原來的兩倍，卷徑也相應(yīng)增大，這就要求生產(chǎn)設(shè)備開卷、卷取機張力的調(diào)節(jié)范圍較老的生產(chǎn)線更寬。同時新設(shè)備的生產(chǎn)速度有了很大提高，在保證速度和張力值均滿足要求的前提下，調(diào)節(jié)范圍的增大會加大機械傳動系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)配置的難度，配置過大增加投資及運行成本，配置過小難以同時保證速度和張力的要求，因此合理選擇傳動系統(tǒng)配置就顯得非常重要。

1 開卷、卷取張力的計算

開、卷取機在卷繞帶材時，必須具有一定張力，才能保證帶材卷緊卷齊，不致使料面在卷取過程中造成損傷，也便于后續(xù)生產(chǎn)。開卷、卷取張力值大小取決于產(chǎn)品狀態(tài)、規(guī)格和對產(chǎn)品的要求，張力過大會使傳動設(shè)備加大，增加投資;張力過小，容易造成帶材跑偏，影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此，卷取張力的選用應(yīng)十分慎重，設(shè)計時，一般可按經(jīng)驗公式初步計算，然后結(jié)合生產(chǎn)實踐的檢驗最后確定。

開卷、卷取張力值按經(jīng)驗公式計算為，T=kσsbh;式中，T為帶材張力，N;kσs為帶材單位張應(yīng)力，MPa;k為張力系數(shù);σs為帶材屈服極限，MPa;b為帶材寬度，mm;h為帶材厚度，mm。

帶材單位張應(yīng)力、張力系數(shù)根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備、產(chǎn)品狀態(tài)的不同來選擇，我們在實際生產(chǎn)中總結(jié)出的經(jīng)驗是，銅及銅合金產(chǎn)品張力系數(shù)K的選擇，清洗機組為0.025～0.035，軋機及連軋機組為0.10～0.40，連續(xù)退火爐機組為0.020～0.030。最后計算出的張力值將根據(jù)經(jīng)驗進行修正。

2 開卷、卷取機傳動力矩計算

計算開卷、卷取機傳動所需功率時，即要考慮生產(chǎn)中靜力矩的計算，也要考慮起動、制動時產(chǎn)生的動力矩的影響，避免在起動、制動時電機的發(fā)熱和尖鋒值超出電機允許的過載能力。

2.1 按卷筒上靜力矩來計算卷筒所需力矩

按靜力矩計算功率時，要考慮相應(yīng)卷徑帶材張力的作用力TR、彎曲被卷取帶材所需的彈塑性力矩M彈塑、卷筒在軸承處的摩擦力矩M摩擦。

即卷筒上靜力矩為，M靜=TR+M彈塑+M摩擦;式中，M靜為靜力矩，kN·m;T為帶材卷取張力，kN;R為帶材卷取半徑，m;M彈塑為彎曲被卷取帶材所需的彈塑性力矩，kN·m;M摩擦為卷筒在軸承處的摩擦力矩，kN·m。

一般情況下，M彈塑和M摩擦兩項之和為靜力矩值的5% ～10%，為簡化計算，設(shè)計時不計算這兩項，以系數(shù)K=1.0～1.15修正靜力矩值，即M靜=KTR。

2.2 按卷筒上動力矩來計算卷筒所需力矩

卷取機在啟動制動或升降速時，產(chǎn)生動力矩M動=Jε=(GD2÷4g)×(a÷R);式中，M動為動力矩，kN·m;J為轉(zhuǎn)動慣量;ε為角加速度;GD2為卷筒軸及電機和傳動系統(tǒng)折算到卷筒軸的飛輪矩，kN·m2;a為加速度，m/s2;g為重力加速度，9.81m/s2;R為質(zhì)點的轉(zhuǎn)動半徑，m。

綜上所述，即得到生產(chǎn)過程中卷筒所需力矩M卷筒=M靜+M動。

3 減速器速比計算

計算減速比時，設(shè)計者應(yīng)先確定所選取電機的類型、電機額定轉(zhuǎn)速ne及最高轉(zhuǎn)速nmax。我公司生產(chǎn)設(shè)備除軋機開卷卷取所用電機為直流電機外，其余均為四級交流變頻電機，這里以我公司使用較多的交流變頻電機來做設(shè)計計算。國內(nèi)通常使用電機的nmax/ne不超過2，而我公司產(chǎn)品的最大卷徑Dmax/Do均大于2，在相同電機轉(zhuǎn)速下，卷徑越小機組線速度越小，為保證各對應(yīng)卷徑的生產(chǎn)速度均能達到要求的最大值Vmax，以卷筒直徑Do、電機最高轉(zhuǎn)速nmax確定減速比。

根據(jù)(nmax÷i)×π ×Do=Vmax，得出 i=(nmax×π×Do)÷Vmax;式中，nmax為電機最高轉(zhuǎn)速，r/min;i為傳動系統(tǒng)總減速比;Do為卷筒直徑，即卷材最小直徑，m;Vmax為工藝要求的生產(chǎn)線最高線速度，m/s。

在金屬板帶材加工生產(chǎn)過程中，由于速度范圍變化很大，減速比一般也較大，因此傳動系統(tǒng)一般為多級傳動，如我公司的酸洗、連續(xù)退火、精整設(shè)備，開卷、卷取傳動均為一對鏈輪串一擺線針輪減速器來達到減速與傳動力矩的目的。

4 傳動電機功率計算

由計算開卷、卷取機所需力矩可知，相同張力條件下，卷徑越小卷筒所需力矩越小，反之卷徑越大時卷筒所需力矩越大，為保證各相應(yīng)卷徑卷筒所需力矩均能滿足最大張力要求值，以最大卷徑Rmax所需卷筒力矩來計算電機功率。

由(9550P÷ne)×i×η=TmaxRmax，得出 P=(Tmax×Rmax×ne)÷(9550iη);式中，P 為初選電機功率，kW;ne為電機額定轉(zhuǎn)速，r/min;i為傳動系統(tǒng)總減速比;η為傳動系統(tǒng)傳動效率，取0.85～0.90;Tmax為根據(jù)材料計算或工藝要求的最大張力，kN;Rmax為根據(jù)工藝要求的最大卷徑，m。

在機組起動運行加速至Vmax且以恒速運行過程中，開卷機卷筒帶材由最大卷徑逐漸減小至最小D0;電機轉(zhuǎn)速由小增大，電機運行狀態(tài)是先在額定轉(zhuǎn)速以下恒扭矩運行，輸出功率隨轉(zhuǎn)速成比例增大。當(dāng)開卷機帶材半徑為(nmax÷ne)×Do時，達到額定轉(zhuǎn)速。然后電機運行狀態(tài)轉(zhuǎn)為在額定轉(zhuǎn)速以上恒功率運行，輸出扭矩隨轉(zhuǎn)速成比例減小，而卷取機卷筒帶材由最小卷徑逐漸增加至最大，電機轉(zhuǎn)速由大減小，電機運行狀態(tài)是先在額定轉(zhuǎn)速以上恒功率運行，輸出扭矩隨轉(zhuǎn)速減小成反比例增大，當(dāng)帶材半徑增為(nmax÷ne)×Do時達到額定轉(zhuǎn)速，然后電機的運行狀態(tài)轉(zhuǎn)為在額定轉(zhuǎn)速以下恒扭矩運行，輸出功率隨轉(zhuǎn)速成比例減小。由于電機nmax/ne小于卷材Dmax/Do，因此在Dmax時計算的電機功率，在最小卷徑Do時電機輸出的扭矩可以滿足相應(yīng)卷徑卷筒所需的扭矩力。

由此可知，最大卷徑時電機轉(zhuǎn)速小于額定轉(zhuǎn)速ne，電機做功功率小于其名義功率。因此，電機選型時，其名義電機功率應(yīng)在理論計算的基礎(chǔ)上放大，放大倍數(shù) K=(Dmax/Do)/(nmax/ne)，即電機功率 =(Dmax/Do)(nmax/ne)TmaxRmaxne/9550iη。注意，剛 K≤1時，電機功率無需在計算計算功率基礎(chǔ)上放大。

5 結(jié)束語

計算所得的減速比和電機功率為初選值，根據(jù)電機與減速器的標準規(guī)格加以修正，選定后再以電機與減速器的參數(shù)校核是否能滿足要求的速度和張力范圍，相應(yīng)卷徑速度和張力不僅要滿足最大值的要求，還應(yīng)滿足最小值不低于電機額定轉(zhuǎn)速和扭矩的5%，以保證運行平穩(wěn)。在張力范圍特別大的情況下，為了保證小張力的控制精度，可采用多臺電機串聯(lián)，電機間利用機械離合器脫開，小張力時1臺電機工作，這樣即可保證控制精度，提高生產(chǎn)運行的平穩(wěn)性，也可減少投資及生產(chǎn)運行的能耗。因此，在張力開卷、卷取傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算中，不僅要合理選擇傳動系統(tǒng)，工藝要求范圍也應(yīng)合理，才能實現(xiàn)投資與生產(chǎn)運行的經(jīng)濟合理。