張力減徑機(jī)不同傳動(dòng)系統(tǒng)剛度及響應(yīng)特性對(duì)比分析

王建輝，董海波，覃 宣

（中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司鋼管事業(yè)部，重慶 401122）

張力減徑機(jī)自發(fā)明以來(lái)，其設(shè)備結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)形式經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)［1］，形成了多種不同的形式。按照張力減徑機(jī)的軋輥機(jī)架分類(lèi)，可以分為內(nèi)傳動(dòng)和外傳動(dòng)兩種形式。針對(duì)這兩種機(jī)架結(jié)構(gòu)，主傳動(dòng)形式演變出了集中差速傳動(dòng)、單機(jī)架傳動(dòng)和單輥傳動(dòng)3種主要形式［1-6］。

內(nèi)傳動(dòng)形式的軋輥機(jī)架，每個(gè)機(jī)架有1個(gè)主動(dòng)軸，通過(guò)機(jī)架內(nèi)部的錐齒輪驅(qū)動(dòng)兩個(gè)從動(dòng)軸，其主傳動(dòng)可采用集中差速和單機(jī)架傳動(dòng)形式［7-9］。

外傳動(dòng)形式的軋輥機(jī)架，每個(gè)軋輥軸各自獨(dú)立，分別由傳動(dòng)軸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。每個(gè)軋輥均有獨(dú)立的1套傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)稱(chēng)為單輥單獨(dú)外傳動(dòng)；當(dāng)外傳動(dòng)式機(jī)架的主機(jī)座內(nèi)部設(shè)置轉(zhuǎn)向錐齒輪，分別驅(qū)動(dòng)3個(gè)單獨(dú)的軋輥軸時(shí)，每個(gè)機(jī)架只需要1個(gè)輸入，主傳動(dòng)也可采用單機(jī)架或集中差速傳動(dòng)形式。

對(duì)上述兩種機(jī)架形式和與之對(duì)應(yīng)的不同傳動(dòng)形式的剛度和響應(yīng)特性進(jìn)行對(duì)比分析，可為無(wú)縫鋼管生產(chǎn)線(xiàn)選擇合適的張力減徑機(jī)提供參考。

1 軋輥機(jī)架結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

張力減徑機(jī)軋輥機(jī)架有內(nèi)傳動(dòng)和外傳動(dòng)兩種形式，其結(jié)構(gòu)如圖1～2所示。內(nèi)傳動(dòng)式軋輥機(jī)架有1個(gè)輸入軸，通過(guò)機(jī)架內(nèi)部的兩對(duì)錐齒輪驅(qū)動(dòng)另外兩個(gè)從動(dòng)軸；外傳動(dòng)式軋輥機(jī)架的每個(gè)軋輥各自獨(dú)立，分別由傳動(dòng)軸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

圖1 張力減徑機(jī)內(nèi)傳動(dòng)式軋輥機(jī)架結(jié)構(gòu)示意

圖2 張力減徑機(jī)外傳動(dòng)式軋輥機(jī)架結(jié)構(gòu)示意

1.1 設(shè)計(jì)原則

內(nèi)傳動(dòng)式軋輥機(jī)架的軋輥直徑是根據(jù)軋制負(fù)荷，通過(guò)計(jì)算軸承和螺旋傘齒輪的嚙合強(qiáng)度來(lái)決定的。驅(qū)動(dòng)3個(gè)軋輥的傘齒輪設(shè)置在牌坊內(nèi)軋輥軸上，由于位置上的限制，螺旋傘齒輪外徑必須比第一機(jī)架的軋輥輪緣直徑小一定值；另外，為保證有足夠的傳遞扭矩，首先要設(shè)計(jì)確定軋輥的軸頭直徑，這就給螺旋傘齒輪的設(shè)計(jì)、制造帶來(lái)很大困難。為此，有兩種辦法：

（1）因軸承能力和軋輥軸尺寸所限，而適當(dāng)減小螺旋傘齒輪，則傳動(dòng)力矩降低，設(shè)備不能發(fā)揮能力，或經(jīng)常更換軸和傘齒輪備件；

（2）如果傘齒輪和軸頭強(qiáng)度足夠，則必須適當(dāng)加大軋輥直徑。

因?yàn)橹鲃?dòng)軸要傳遞整個(gè)機(jī)架的扭矩，載荷為其他兩根從動(dòng)軸的3倍。按照公式（1）可知，主動(dòng)軸的軸頭直徑約為從動(dòng)軸的1.44倍。但由于需要布置傘齒輪，軸頭直徑并不能充分加大，因此主動(dòng)軸軸頭為機(jī)架最薄弱的部分［10］。

式中d——軸端直徑，mm；

T——軸傳遞的扭矩，N·m；

p——許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，MPa。

外傳動(dòng)式軋輥機(jī)架的軋輥直徑只需根據(jù)軋制負(fù)荷，按照軋制鋼管的規(guī)格進(jìn)行確定，并適當(dāng)留有足夠軋輥套安裝孔位置即可。由于取消了主動(dòng)軸與從動(dòng)軸相互傳遞扭矩的螺旋傘齒輪，軸承選擇和軋輥軸設(shè)計(jì)沒(méi)有幾何結(jié)構(gòu)上的限制。由于3根軸均為主動(dòng)軸，3個(gè)軸系平均承受軋制扭矩和軋制力，受載狀況更均勻，因此軸承和軋輥軸的強(qiáng)度也更好。

1.2 對(duì)比分析

為了便于比較，對(duì)軋輥直徑相同的內(nèi)傳動(dòng)和外傳動(dòng)兩種形式進(jìn)行對(duì)比分析。

對(duì)于內(nèi)傳動(dòng)式軋輥機(jī)架，為了保證機(jī)架強(qiáng)度，考慮到傘齒輪和軸承的安裝，軋輥寬度要比外傳動(dòng)式的小約10%，并且軋輥中間安裝位置需要被切削，留出軸承的安裝空間（如果軋輥寬度相同，勢(shì)必將犧牲軸承能力和傘齒輪的強(qiáng)度）。以Φ180 mm機(jī)組為例，軋輥理想直徑為380 mm，內(nèi)傳動(dòng)式軋輥機(jī)架的軋輥寬度為160 mm或170 mm，而外傳動(dòng)式軋輥機(jī)架的軋輥寬度可達(dá)181 mm。

以下對(duì)內(nèi)、外傳動(dòng)形式張力減徑機(jī)可軋制范圍及對(duì)應(yīng)的機(jī)架強(qiáng)度情況進(jìn)行分析對(duì)比。表1為Φ380 mm軋輥，在軋輥強(qiáng)度相當(dāng)?shù)那疤嵯?，不同軋輥寬度可軋制的產(chǎn)品外徑范圍。從表1可知，在軋輥強(qiáng)度相當(dāng)?shù)那疤嵯拢堓亴挾仍酱?，可軋制的產(chǎn)品外徑范圍越寬。

表1 不同軋輥寬度可軋制的產(chǎn)品外徑范圍 mm

3種不同軋輥寬度的機(jī)架強(qiáng)度對(duì)比見(jiàn)表2。由表2可知：對(duì)內(nèi)傳動(dòng)式軋輥機(jī)架來(lái)說(shuō)，當(dāng)加大軋輥寬度，齒輪能傳遞的扭矩由19.8 kN·m下降到18.0 kN·m，軸承額定動(dòng)載荷由355 kN下降到310 kN。雖然產(chǎn)品范圍稍大，但設(shè)備能力不能充分發(fā)揮，也限制了軋制規(guī)格范圍。對(duì)于外傳動(dòng)式軋輥機(jī)架來(lái)說(shuō)，不管是軸承的額定動(dòng)載荷還是軸徑系數(shù)均較大，因而軋制范圍也較廣泛。

表2 不同軋輥寬度的軋輥機(jī)架強(qiáng)度對(duì)比

2 傳動(dòng)系統(tǒng)剛度及響應(yīng)能力分析

對(duì)應(yīng)上述兩種形式的軋輥機(jī)架，有3種典型的傳動(dòng)形式［7-8，11］，如圖 3 所示。圖 3（a）為單機(jī)架內(nèi)傳動(dòng)［12-13］，機(jī)架為內(nèi)傳動(dòng)式結(jié)構(gòu)；圖3（b）為單輥單獨(dú)外傳動(dòng)，機(jī)架為外傳動(dòng)式結(jié)構(gòu)；圖3（c）為單輥機(jī)械式外傳動(dòng)，集中差速形式，機(jī)架為外傳動(dòng)式結(jié)構(gòu)。現(xiàn)分別對(duì)這3種典型傳動(dòng)方式傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度和響應(yīng)特性進(jìn)行對(duì)比分析。

圖3 3種典型傳動(dòng)形式原理示意

2.1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是衡量傳動(dòng)系統(tǒng)剛性的一個(gè)重要參數(shù)，以下分析張力減徑機(jī)3種不同傳動(dòng)形式的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。在公式（2）~（4）中，J為各設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2），下角標(biāo)為設(shè)備名稱(chēng)。

（1）單機(jī)架內(nèi)傳動(dòng)方式，即每個(gè)機(jī)架由1個(gè)電機(jī)通過(guò)減速器驅(qū)動(dòng)，其折算到電機(jī)端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

式中 i1—單機(jī)架內(nèi)傳動(dòng)方式的減速器的減速比；J1—單機(jī)架內(nèi)傳動(dòng)方式折算到電機(jī)端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2。

（2）單輥單獨(dú)外傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，每個(gè)軋輥由1個(gè)電機(jī)通過(guò)減速器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，則其折算到每個(gè)電機(jī)端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

式中 i2—單輥單獨(dú)外傳動(dòng)方式時(shí)減速器的減速比；J2—單輥單獨(dú)外傳動(dòng)方式折算到電機(jī)端的轉(zhuǎn)

動(dòng)慣量，kg·m2。

（3）單輥機(jī)械式外傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，每個(gè)軋輥均為主動(dòng)輥，由主電機(jī)和疊加電機(jī)通過(guò)集中差速減速器驅(qū)動(dòng)1根輸入軸，然后通過(guò)設(shè)置在主機(jī)座內(nèi)的轉(zhuǎn)向傘齒輪分別驅(qū)動(dòng)每個(gè)軋輥，折算到主電機(jī)和疊加電機(jī)端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J3主、J3疊加為：

式中i3主——集中差速減速器對(duì)應(yīng)每個(gè)機(jī)架的主傳動(dòng)減速比；

i3疊加——疊加傳動(dòng)減速比。

每個(gè)機(jī)架的輸入轉(zhuǎn)速由主電機(jī)和疊加電機(jī)合成，則有：

式中N輸入——軋輥輸入轉(zhuǎn)速，r/min；

N主——主電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；

N疊加——疊加電機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min。

由傳動(dòng)和結(jié)構(gòu)原理分析可知，對(duì)同一個(gè)軋制規(guī)格而言，可知 J電機(jī)3∧J電機(jī)1∧J電機(jī)2。從機(jī)械結(jié)構(gòu)上看，對(duì)集中差速減速器每一個(gè)機(jī)架而言，減速器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為整個(gè)減速器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，傳動(dòng)鏈質(zhì)量最大，因而轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也最大；單機(jī)架內(nèi)傳動(dòng)減速器輸出轉(zhuǎn)矩為整個(gè)軋輥機(jī)架的軋制扭矩，是單輥單獨(dú)外傳動(dòng)的3倍，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也會(huì)比單輥單獨(dú)外傳動(dòng)大，因此 J減速器總3∧J減速器1∧J減速器2。對(duì)于單輥單獨(dú)外傳動(dòng)，由于空間限制，為了使機(jī)架間距更小，電機(jī)宜選擇額定轉(zhuǎn)速較大的非標(biāo)電機(jī)，其機(jī)座號(hào)更小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也更小。為了得到相同的軋輥轉(zhuǎn)速，就需要選用速比較大的減速器。綜上所述，結(jié)合式（2）～（5）可知：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J3∧J1∧J2。

2.2 電機(jī)的過(guò)載及傳動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)能力分析

對(duì)于單機(jī)架內(nèi)傳動(dòng)，電機(jī)的過(guò)載考慮整個(gè)軋輥機(jī)架的沖擊過(guò)載，而對(duì)于單輥單獨(dú)外傳動(dòng)，電機(jī)的過(guò)載考慮了單個(gè)軋輥的沖擊過(guò)載，由于3個(gè)軋輥的沖擊力矩并不相同，在考慮了整個(gè)軋輥機(jī)架力矩過(guò)載的情況下，還應(yīng)考慮一定量的偏載過(guò)載。因此單輥單獨(dú)外傳動(dòng)的裝機(jī)容量比單機(jī)架內(nèi)傳動(dòng)稍大，每個(gè)機(jī)架的過(guò)載能力也較大。

對(duì)于單輥機(jī)械式外傳動(dòng)，傳動(dòng)系統(tǒng)為集中差速傳動(dòng)［14］。主電機(jī)和疊加電機(jī)應(yīng)能滿(mǎn)足每個(gè)機(jī)架正常軋制的需要。因?yàn)槊總€(gè)機(jī)架沖擊并不是同時(shí)發(fā)生，因此，主電機(jī)不需要對(duì)所有機(jī)架設(shè)置過(guò)載，集中差速的主電機(jī)和疊加電機(jī)有足夠的過(guò)載系數(shù)滿(mǎn)足每個(gè)機(jī)架的過(guò)載沖擊，對(duì)每個(gè)機(jī)架的過(guò)載承受能力也最大。據(jù)測(cè)算，過(guò)載能力是單輥機(jī)械式外傳動(dòng)的2倍左右。

傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J3∧J1∧J2，在咬鋼時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊載荷T1，其對(duì)應(yīng)的速度降Δω為：

式中 ω0——軋制時(shí)的穩(wěn)定速度，r/min；

ω1——沖擊時(shí)的速度，r/min；

T1，T0——沖擊軋制力矩和穩(wěn)定軋制力矩，N·m；

J′——傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到輸入軸的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；

t—— 時(shí)間，min。

為了恢復(fù)到穩(wěn)定的軋制速度，電機(jī)將瞬時(shí)過(guò)載，瞬時(shí)過(guò)載時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速N1為：

式中N1——瞬時(shí)過(guò)載時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；

P——過(guò)載功率，kW；

k——過(guò)載倍數(shù)。

通過(guò)上述機(jī)械系統(tǒng)特征方程與電機(jī)及控制系統(tǒng)自身的響應(yīng)特征聯(lián)合求解［8］，可得3種不同傳動(dòng)形式的速度隨時(shí)間的響應(yīng)曲線(xiàn)，如圖4所示。

圖4 3種不同傳動(dòng)形式的速度響應(yīng)曲線(xiàn)

由圖4可知：在受到咬鋼沖擊時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小的單輥單獨(dú)外傳動(dòng)的速降最大，而集中差速單輥機(jī)械式外傳動(dòng)最小，速降僅為單輥單獨(dú)外傳動(dòng)的40%左右；同時(shí)，因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)慣量最小，單輥單獨(dú)外傳動(dòng)對(duì)速度的響應(yīng)也最靈敏，速度恢復(fù)時(shí)間最短，而集中差速傳動(dòng)的恢復(fù)時(shí)間最長(zhǎng)。

近年發(fā)展的動(dòng)態(tài)調(diào)整軋輥轉(zhuǎn)速來(lái)控制張力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管頭尾壁厚的控制，即CEC技術(shù)，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)要求較高，響應(yīng)越靈敏的傳動(dòng)系統(tǒng)，越有利于實(shí)現(xiàn)CEC控制。

3 機(jī)架間距及對(duì)切頭損失的影響

內(nèi)傳動(dòng)式軋輥機(jī)架由于機(jī)架內(nèi)有齒輪，機(jī)架間距最大。單輥單獨(dú)外傳動(dòng)和集中差速單輥機(jī)械式外傳動(dòng)的機(jī)架形式都為外傳動(dòng)形式。其中，對(duì)單輥單獨(dú)外傳動(dòng)形式而言，由于電機(jī)及減速器空間限制，機(jī)架間距比集中差速單輥機(jī)械式外傳動(dòng)稍大。以Φ168 mm機(jī)組為例，外傳動(dòng)機(jī)架的軋輥直徑為330 mm，對(duì)應(yīng)的集中差速單輥機(jī)械式傳動(dòng)的機(jī)架間距為285 mm，單輥單獨(dú)外傳動(dòng)的機(jī)架間距為310 mm；而軋制同規(guī)格的單機(jī)架內(nèi)傳動(dòng)的機(jī)架軋輥直徑為380 mm，機(jī)架間距為360 mm。

鋼管切頭尾長(zhǎng)度的計(jì)算公式為：

式中Lc——鋼管切頭尾長(zhǎng)度，mm；

Cd——機(jī)架間距，mm；

μΣ——總延伸系數(shù)。

從公式（9）可知，切頭尾長(zhǎng)度與機(jī)架間距成正比關(guān)系，所以?xún)?nèi)傳動(dòng)的切頭尾長(zhǎng)度最大，分組集中差速單輥傳動(dòng)的最短［15］。

4 建 議

通過(guò)對(duì)各種傳動(dòng)的機(jī)架結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)的剛性、強(qiáng)度和響應(yīng)速度進(jìn)行了對(duì)比分析。在選擇張力減徑機(jī)組時(shí)，要根據(jù)生產(chǎn)能力和水平，以及張力減徑機(jī)所占據(jù)的重要程度、作業(yè)率高低等具體情況來(lái)確定。一般講，Ф140 mm以上機(jī)組適合采用外傳動(dòng)形式的張力減徑機(jī)；對(duì)那些同時(shí)設(shè)置張力減徑機(jī)和定徑機(jī)的無(wú)縫鋼管機(jī)組，該張力減徑機(jī)負(fù)荷不滿(mǎn)，作業(yè)率低，僅生產(chǎn)偏小規(guī)格等，則采用內(nèi)傳動(dòng)形式的張力減徑機(jī)為宜。另外，對(duì)生產(chǎn)Ф114 mm以下的無(wú)縫鋼管時(shí)，選用內(nèi)傳動(dòng)為宜，因?yàn)?，一則，用外傳動(dòng)形式，其機(jī)架尺寸不同比例增加，很不相稱(chēng)；二則，本來(lái)生產(chǎn)的管徑較小，在相同延伸率情況下，切頭尾損失在一個(gè)范圍內(nèi)（直徑小、質(zhì)量?。┳兓?，其矛盾并不突出。

［1］殷偉勤.SRM275 J22M張力減徑機(jī)差動(dòng)齒輪箱的潤(rùn)滑改進(jìn)［J］.鋼管，2002，31（5）：33-35.

［2］殷國(guó)茂.中國(guó)鋼管飛速發(fā)展的10年［M］.成都：四川科學(xué)技術(shù)出版社，2009.

［3］殷國(guó)茂.中國(guó)鋼管50年［M］.成都：四川科學(xué)技術(shù)出版社，2004.

［4］李長(zhǎng)穆，丁大宇.集中變速傳動(dòng)的張力減少?gòu)綑C(jī)［J］.鋼管，1983，12（1）：68.

［5］謝麒麟，潘峰，鄭堅(jiān)敏，等.張力減徑機(jī)可調(diào)機(jī)架技術(shù)的應(yīng)用［J］.鋼管，2008，37（1）：48-50.

［6］郭方衛(wèi)，常蘇，郭國(guó)旗，等.微張力減徑機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用［J］.鋼管，2003，32（6）：32-34.

［7］金如崧.張力減徑技術(shù)的早期和近期發(fā)展（A1）——《無(wú)縫鋼管百年史話(huà)》［J］.鋼管，2003，32（4）：54-59；2003，32（5）：50-59.

［8］李偉，劉健.張力減徑機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分析［J］.一重技術(shù)，2011（4）：17-19.

［9］金如崧.三輥軋管機(jī)和張力減徑機(jī)（A1）——《無(wú)縫鋼管百年史話(huà)》［J］.鋼管，2000，29（6）：53-55.

［10］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

［11］黃學(xué)慶.軋鋼機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

［12］鄧星鐘.機(jī)電傳動(dòng)控制［M］.4版.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2007.

［13］冀文生，袁偉瑾.單獨(dú)傳動(dòng)（微）張力減徑機(jī)的特點(diǎn)與設(shè)計(jì)選型［J］.鋼管，2003，32（2）：20-24.

［14］邱永泰.集中差速傳動(dòng)微張力減徑機(jī)的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)［J］.鋼管，2007，36（2）：19-22；2007，36（3）：21-25.

［15］李國(guó)禎.現(xiàn)代鋼管軋制與工具設(shè)計(jì)原理［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2006.