張力減徑機(jī)的動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)的分析

方志承 羅佩文

摘 要：文章主要對三輥式張力減徑機(jī)進(jìn)行分析，主要分析張力減徑機(jī)的動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)原理，通過對張力減徑機(jī)的速度分析、轉(zhuǎn)速分析和速度控制來分析張力減徑機(jī)運(yùn)動學(xué)特征，通過對張力減徑機(jī)受力分析、軋制壓力和軋制力矩進(jìn)行分析張力減徑機(jī)的動力學(xué)特征分析。

關(guān)鍵詞：張力減徑機(jī)；運(yùn)動學(xué)；動力學(xué)；速度

張力減徑機(jī)是現(xiàn)代化的生產(chǎn)機(jī)組，其作用和優(yōu)越性使其在大規(guī)模無縫鋼管生產(chǎn)中不可缺少。隨著我國鋼管工業(yè)的發(fā)展張力減徑機(jī)組正被廣泛運(yùn)用。對三輥式張力減徑機(jī)進(jìn)行分析，該機(jī)組是90年代研制的，具有許多獨特的優(yōu)點。以下分析張力減徑機(jī)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)原理。

1.張力減徑機(jī)的 運(yùn)動學(xué)特征

1.1.運(yùn)動學(xué)特征

在張力減徑的過程中，要求各個機(jī)架的延伸系數(shù)和軋輥圓周協(xié)調(diào)一致，同時決定連軋機(jī)工作的基本條件要求通過每個機(jī)架的金屬的秒流量相等，即： F·V=常數(shù)

式中 F—從孔型中軋出的鋼管的截面積；

V—軋出的鋼管的速度；

對于理想過程的偏差程度可用系數(shù)C表示：

式中 ， 分別是第i機(jī)架中鋼管的截面積和出口速度

當(dāng)C>0時，機(jī)架間將產(chǎn)生拉力，而當(dāng)C<0時則產(chǎn)生推力。

在所有的機(jī)架都充滿金屬而C不等于0的情況下，對于每對軋輥在任意瞬間都遵守秒流量、相等的原則，這種相等可通過軋輥和金屬之間的滑移達(dá)到。因此當(dāng)C不等于0時，減徑機(jī)任何一個機(jī)架中的變形條件發(fā)生變化，都會影響其余機(jī)架中的變形條件，但由于連軋過程本身存在著相適應(yīng)，自相調(diào)整的過程，因此即使在這種相互作用的復(fù)雜關(guān)系中減徑過程仍然能夠在任一瞬間保持秒流量相等。但是當(dāng)差別較大時，必然會造成嚴(yán)重的拉鋼和推鋼，輕者不能獲得所需的鋼管尺寸，重者連軋過程不能建立，甚至出現(xiàn)事故，因此較為準(zhǔn)確的計算各機(jī)架轉(zhuǎn)速是很重要的。

1.2.張力減徑機(jī)的速度控制

當(dāng)軋管轉(zhuǎn)速確定后，必須采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行測定以控制軋輥的速度。無論是單獨傳動還是集體傳動的張力減徑機(jī)都要將速度控制在一定水平以內(nèi)才能保證正確的張力。

2.張力減徑機(jī)的動力學(xué)分析

2.1.張力減徑過程中的外作用力的分析

張力減徑實際上是無芯棒連軋。符合圓孔型中軋管時的外作用力關(guān)系。按力學(xué)原理，軋制工具給予金屬的外力主要是正壓力（垂直于工具表面）以及相對運(yùn)動而產(chǎn)生的摩擦力（垂直于正壓力）。

如圖1所示為張力減徑時孔型頂部受力分析，由于存在著前滑區(qū)和后滑區(qū)，從而在這兩個區(qū)中分別作用有 和 以及摩擦力 和 ，而且摩擦力方向是反向，還有前后張力 和 。

圖 1 張減受力分析

如果考慮沿孔槽寬度上各部位的受力情況就要復(fù)雜的多，不過還是兩個力——正壓力和摩擦力。如果認(rèn)為在穩(wěn)定過程中運(yùn)動是均勻的，也就是說沒有加速或減速，那么按照靜力平衡條件，作用于金屬的所有外力的矢量總和等于0，即：

（2—1）

2.2.張力系數(shù)的確定

在張力減徑機(jī)動力學(xué)分析計算平均單位壓力和總軋制力時需計算這些未知數(shù)。

張力值的大小是以張力系數(shù)來表示的。張力系數(shù)是縱向應(yīng)力 和變形應(yīng)力 的比。

從實際上講，張力值的大小的問題是一個減壁量的問題，因為最大張力值的問題也就是最大減壁量的問題。由金屬流動的基本方程式可知Z介于0.1—0.8這一范圍內(nèi)。采用張力減徑機(jī)的目的在于使鋼管減徑的同時產(chǎn)生減壁，從而Z值一般在0.5—0.8之間。最大張力系數(shù)除了受避免管子被拉斷的限制外，還受管子與軋輥間摩擦系數(shù)的限制。

在軋制軸線上作用有 （垂直壓力的軸向分量），前后張力以及軸向摩擦力 ，即：

（2—4）

圖2 張力系數(shù)分布

2.3.軋制力矩的計算

2.3.1.軋制力矩的計算

計算管子的張力減徑時的軋制力矩，可以根據(jù)切向接觸力確定軋制力矩和根據(jù)能耗確定軋制力矩這兩種方法，但效果都不是很好。

根據(jù)切向應(yīng)力可以推導(dǎo)出下面的公式：

（2-5）

利用此公式計算時一般用工作直徑 的一半代替 。一般計算張減軋制力矩時常用下面公式（三輥張力減徑機(jī)）：

式中 ——金屬和軋輥間的摩擦系數(shù)，取0.35—0.4

p——軋制壓力

d——孔型直徑（用鋼管直徑代替）

——軋輥理想直徑

——工作直徑特征角

2.3.2.電機(jī)功率的計算

根據(jù)軋制力矩可以得出計算電機(jī)功率的公式： （2-6）

式中 n——軋輥轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）

——軋制力矩（公斤 .米）

3. 結(jié)束語

通過對張力減徑機(jī)的運(yùn)動學(xué)特征和動力學(xué)分析與計算，分析了設(shè)備整體的運(yùn)行能力、設(shè)備運(yùn)行過程中的變形和設(shè)備運(yùn)行速度的控制。通過分析在今后設(shè)備的使用，保養(yǎng)，以及如何讓設(shè)備發(fā)揮最大性能生產(chǎn)最優(yōu)良的產(chǎn)品起到了很大的作用。計算結(jié)果符合現(xiàn)場實際情況，在今后的運(yùn)轉(zhuǎn)和計算中可以借鑒應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]《國外三輥穿孔和軋管》 冶金工業(yè)出版社

[2]《機(jī)械設(shè)計手冊》 化學(xué)工業(yè)出版社

[3]《張力減徑機(jī)》 機(jī)械工業(yè)出版社