帶材處理線張力輥設(shè)計(jì)與優(yōu)化探討

譚 剛

(中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司冶金裝備設(shè)計(jì)院，重慶 401122)

引 言

連續(xù)生產(chǎn)線的帶材必須在張力下運(yùn)行，張力的最基本作用是保證帶材的正常運(yùn)行，使帶材盡可能沿著生產(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]。文獻(xiàn)中關(guān)于張力輥設(shè)計(jì)計(jì)算的論文很多[2-4]，但大多只是利用經(jīng)典的歐拉公式對(duì)常見(jiàn)工況下的張力輥進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算，對(duì)連續(xù)帶材處理線中工況較復(fù)雜的頭、尾張力輥的推導(dǎo)計(jì)算方面的論述欠缺；此外帶材處理線所處理的帶材厚度一般為一個(gè)厚度區(qū)間，其運(yùn)行速度由其核心工藝設(shè)備決定，具有薄帶運(yùn)行速度高，所需張力小，而厚帶運(yùn)行速度低，所需張力大的特點(diǎn)。以往張力輥設(shè)計(jì)計(jì)算功率選取沒(méi)有考慮機(jī)組速度對(duì)電機(jī)功率的影響，電機(jī)工作在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速區(qū)域，而浪費(fèi)了電機(jī)的變頻調(diào)速區(qū)域的能力，這樣會(huì)使得所選取的電機(jī)功率大，傳動(dòng)系統(tǒng)較大，因此機(jī)組投資較高，能耗較高，不符合節(jié)能降耗的要求。

1 張力輥組設(shè)計(jì)計(jì)算

大多數(shù)處理機(jī)組具有生產(chǎn)連續(xù)性，入口設(shè)置有焊機(jī)，出口設(shè)置有分切剪，中間設(shè)置有活套，用于儲(chǔ)料緩沖。當(dāng)入口上一卷生產(chǎn)完后，需要與下一卷進(jìn)行焊接，這就要對(duì)前一卷的帶尾和下一卷的帶頭進(jìn)行定位，由于操作原因偶爾會(huì)出現(xiàn)帶頭超跑、定位不準(zhǔn)的情況，此時(shí)就需要入口張力輥將帶材反向送帶；而此時(shí)帶尾處于完全自由狀態(tài)，張力完全為“零”。出口當(dāng)完成分切后，帶頭張力為夾送輥產(chǎn)生的夾送力，此時(shí)需要在尾部張力輥和夾送輥的共同作用下完成穿帶工序。上述兩種工況均需要維持活套張力不變，為張力輥的特殊工況，其設(shè)計(jì)計(jì)算與普通工況有一定差別，需要特別指出。

以兩輥張力輥為例，頭部張力輥倒帶時(shí)的工況如圖1所示，此時(shí)，張力輥入口張力T1為壓輥正壓力P所產(chǎn)生的摩擦力，壓輥與帶材之間的摩擦系數(shù)為fu，張力T3為入口活套張力，根據(jù)前文所述，則每個(gè)輥?zhàn)拥膹埩Ψ糯笙禂?shù)k0為

(1)

則張力輥之間的張力值T1，T2，T3分別為

(2)

圖1 入口張力輥倒帶計(jì)算示意圖

根據(jù)文獻(xiàn)[2]中描述，張力輥傳動(dòng)功率主要由3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。若張力輥出口與入口的張力差為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(mén)合(N)，帶鋼運(yùn)行速度為v(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，各功率可表達(dá)為

(3)

則張力輥所需要的傳動(dòng)功率W為各功率損耗之和，即

W=W1+W2+W3

(4)

張力輥所受合力T合為帶鋼張力、張力輥?zhàn)灾氐暮狭?，?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。

由于R1入口的帶材處于自由狀態(tài)，其初始張力為“零”，完全依靠壓輥壓力產(chǎn)生的摩擦力和張力輥的摩擦力保持張力，所需要的功率完全需要由R1張力輥的傳動(dòng)電機(jī)提供(若壓輥不帶傳動(dòng))，因此在計(jì)算R1的張力放大所需功率時(shí)，其ΔT值應(yīng)為T(mén)2，而不是T2-T1，此處與普通張力輥的計(jì)算有著本質(zhì)差別，則根據(jù)式(5)可得，R1張力輥的張力放大所需功率W11、軸承摩擦損耗功率W12、帶材彎曲變形損耗功率W13分別為

(5)

則R2張力輥的張力放大所需功率W21、軸承摩擦損耗功率W22、帶材彎曲變形損耗功率W23分別為

(6)

需要注意的是，此時(shí)的速度v和角速度ω分別對(duì)應(yīng)為倒帶時(shí)的速度和角速度。

若R1輥的壓輥帶齒輪減速電機(jī)傳動(dòng)，則其傳動(dòng)需要的功率WR和力矩MR可計(jì)算為：

WR=Pfuv/η

(7)

MR=Pfur

(8)

式中r為壓輥的半徑，可以由式(7)和(8)計(jì)算得到壓輥電機(jī)需要的功率和力矩。此種情況下，由于壓輥傳動(dòng)齒輪減速電機(jī)提供了壓輥壓力所產(chǎn)生摩擦力的力矩，也即是提供了壓輥相應(yīng)的功率，因此R1傳動(dòng)裝置張力放大所需功率W11則可計(jì)算為

W11=(T2-Pfu)v/η

(9)

用式(9)替換式(5)中的W11的計(jì)算公式，然后代入公式(4)可以計(jì)算壓輥帶傳動(dòng)時(shí)張力輥R1的電機(jī)功率。

同理，可以計(jì)算出口張力輥不帶壓輥和帶壓輥情況下的傳動(dòng)功率以及壓輥傳動(dòng)齒輪減速電機(jī)功率，由于通常情況下，出口分切剪處夾送輥的夾送力較小，計(jì)算出口張力輥功率時(shí)通常忽略?shī)A送輥的夾送力。

2 張力輥組設(shè)計(jì)優(yōu)化

由于機(jī)組中不同規(guī)格帶材穩(wěn)定運(yùn)行所需的張力和速度各不相同，為了滿足不同規(guī)格帶材的張力和速度需要，以往計(jì)算中通常以最大張力和最大速度計(jì)算張力輥組所需的功率。實(shí)際生產(chǎn)中高速對(duì)應(yīng)薄帶材的生產(chǎn)，需要的張力較小，而大張力對(duì)應(yīng)的帶材厚度厚，而生產(chǎn)速度則較低。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展成熟，電機(jī)良好的變頻調(diào)速的特性被充分應(yīng)用，在基速以下具有恒定的轉(zhuǎn)矩，而在基速以上則具有恒定的功率，其轉(zhuǎn)矩隨著速度的升高呈反比例下降，這與帶材處理線的工藝制度較好的吻合，因此可以利用這一特性對(duì)張力輥組的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

通常設(shè)計(jì)中，張力輥組減速機(jī)減速比i以電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速和機(jī)組最大運(yùn)行速度對(duì)應(yīng)的輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速的比值確定，此種減速比的確定原則使得電機(jī)一直工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，浪費(fèi)了變頻電機(jī)的恒功率調(diào)速區(qū)域。為了充分利用電機(jī)的恒功率調(diào)速區(qū)域，則可以將計(jì)算的減速比i加大，在負(fù)載不變的情況下，減速比增大，則電機(jī)需要輸出的力矩則相應(yīng)減小，同時(shí)由于減速比加大，則對(duì)應(yīng)機(jī)組最高速的電機(jī)最高速度也相應(yīng)變大，負(fù)載曲線則會(huì)靠近水平軸，同時(shí)向水平軸右側(cè)移動(dòng)，如圖2所示。從圖中可以看出，運(yùn)用此種處理方法，原選型電機(jī)的富裕量增大，由此電機(jī)的額定功率則可以相應(yīng)減小，電氣變頻傳動(dòng)裝置可以相應(yīng)減小，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)、降低成本的目的。

圖2 電機(jī)-負(fù)載特性曲線圖

利用張力輥的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，可以減小機(jī)組的裝機(jī)容量，節(jié)約投資，達(dá)到節(jié)能降耗的目的，提高產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)例

已知：某鍍鋅線產(chǎn)品規(guī)格為帶鋼最大寬度b=1300 mm，帶鋼最大厚度h=2.0 mm，彈性模量E=2.1ⅹ105MPa，屈服極限σs=550 MPa，張力輥輥徑1200 mm，其4#張力輥出口張力T1和入口張力T3分別為96200 N和25100 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，效率η取值為0.9，軸承摩擦系數(shù)f取值為0.002，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1000 r/min。根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算方法，應(yīng)設(shè)計(jì)為3輥張力輥，按照傳統(tǒng)的計(jì)算方法，張力輥組減速機(jī)減速比i以電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速和機(jī)組最大運(yùn)行速度對(duì)應(yīng)的輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速，則計(jì)算出來(lái)的減速比約為20.94，可以按照《圓柱齒輪減速器標(biāo)準(zhǔn)》(JB/T 8853—2001)的ZSY-22.4選取，對(duì)應(yīng)各輥R1、R2、R3的功率選取為55，90，132 kW，電機(jī)工作最高轉(zhuǎn)速為1070 r/min。而按照優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，將減速機(jī)減速比加大，選取為ZSY-31.5，相應(yīng)各輥R1，R2，R3的功率選取為37，55，90 kW，電機(jī)工作最高轉(zhuǎn)速為1505 r/min。實(shí)例表明，運(yùn)用優(yōu)化方法，可以較大地減小機(jī)組裝機(jī)容量，節(jié)約業(yè)主一次投資。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文緊密結(jié)合連續(xù)帶材處理線實(shí)際生產(chǎn)工藝，給出了頭、尾張力輥功率的計(jì)算方法，并提出優(yōu)化張力輥組設(shè)計(jì)的方法；此方法已經(jīng)成功應(yīng)用于多條帶材處理線，達(dá)到了節(jié)約投資、節(jié)能降耗、提升產(chǎn)品核心競(jìng)爭(zhēng)力的目的。