张春煜，白劳炼，祝根莲

（中冶陕压重工设备有限公司，陕西　西安　７１０１１９）

摘  要：以某不锈钢连续酸洗退火机组为例，介绍了连续处理机组入口张力辊在甩尾、回退、正常工作３种模式下变频电机的功率设计计算方法，讨论了传动辊压辊带齿轮电机传动对传动辊电机功率的影响。

关键词：张力辊；恒转矩负载；变频电机；电机功率；工作模式

１前言

连续处理机组入口张力辊位于焊机与入口活套或清洗段之间，对入口段和入口活套或清洗段进行张力分段控制，连续退火机组、连续镀锌机组、连续酸洗机组、不锈钢连续酸洗退火机组多采用此种形式［１，２］，见图１。该张力辊一般有３种运行工作模式：正常运行模式、甩尾模式、因焊缝断带需重新回退焊接的回退模式。下面就某不锈钢连续酸洗退火机组入口张力辊在３种模式下的传动设计计算进行介绍。

２初始条件

某不锈钢连续酸洗退火机组１＃张力辊位于入口活套与焊机之间，带钢从入口段上线或下经焊机焊接运行到入口活套，入口活套有足够套量，可保证因入口段减速焊接时工艺段的顺利运行。１＃张力辊设计时需要的初始条件见表１。

３设计计算

３．１张力辊径

张力辊辊径Ｄ的选择以带钢经过张力辊时不产生塑性变形为原则，计算公式如下：

式中，Ｅ为带钢弹性模量，取２０６ＧＰａ；ｈｍａｘ为带钢最大厚度，取４．０ｍｍ；óｓ为带钢屈服强度，取６００ＭＰａ。

由式（１）计算得，Ｄ≥Φ１３７３．３３ｍｍ，最终确定Ｄ＝Φ１２００ｍｍ。张力辊径的大小取决于其材质和带钢厚度，应根据综合性能进行选择。

３．２张力放大系数

张力放大系数ｅμα取决于在张力辊上的包角α和摩擦系数μ。一般在张力辊上的包角应大于１８０°，由于具有一定的刚性，不能完全贴附在辊面上，实际包角α小于理论包角

αｓ，一般取α＝（０．８～０．９）αｓ。本设计中，辊包角αｓ＝２３１°，取α＝

２００°。张力辊辊面采用聚氨酯材料，具有良好的耐磨性，与碳钢的摩擦系数取μ＝０．２，计算可得出ｅμα＝２．０１，实际计算时取ｅμα＝２。

３．３张力辊辊数

根据机组需要，采用辊式张力辊，１＃、２＃辊为传动辊，带压辊。

３．４减速机减速比

此张力辊工作状态为恒力矩工作，采用交流变频 传 动，选 用４极 电 机，电 机 同 步 转 速ｎ＝１５００ｒ／ｍｉｎ，辊子转速ｎ１＝Ｖ／πＤ＝２２０／（π×１．２）＝５．３８６ｒ／ｍｉｎ。则减速机减速比ｉ＝ｎ１＝１５００／５８．３８６＝２５．６９，选取标准减速机，速比为２５，则电机工作时最高转速为ｎ２＝ｉ×ｎ１＝２５×５８．３８６＝１４５９．６５ｒ／ｍｉｎ。

３．５张力辊的传动计算

考虑带钢反弯曲损失和拉直弯曲损失，则有：

平面变形弹性模量Ｅ０：

Ｅ０＝Ｅ／（１－ν２）          （２）

式中，Ｅ０为带钢平面变形弹性模量；Ｅ为带钢线弹性模量，Ｅ＝２０６ＧＰａ；ν为泊松比，ν＝０．３。

由式（２）计算得，Ｅ０＝２２６３７４ＭＰａ。

与带钢强度弹性模量厚度相关系数ＫＹ：

ＫＹ＝óｓ２ｔ／３Ｅ０             （３）

式中，óｓ为带钢的屈服极限，óｓ＝６００ＭＰａ；ｔ为带钢厚度，ｔ＝４ｍｍ。

由式（３）可得，ＫＹ＝２．１２Ｎ／ｍｍ，由此计算得带钢弹性变形极限时的弯曲直径ＤＹ＝Ｅ０ｔ／óｓ＝１５０９．６１ｍｍ。

反弯曲损失ΔＴＲＢ和拉直弯曲损失ΔＴｓ为：

式中，Ｗ为带钢宽度，Ｗ＝１６００ｍｍ。

由式（４）、式（５）计算得，ΔＴＲＢ＝１２５０Ｎ，ΔＴｓ＝１００Ｎ。

（１）甩尾模式下的张力辊功率

此张力辊组位于入口活套的入口侧，由变频电机传动，带钢尾部在横切剪剪掉带尾后，带尾向焊机方向运行，此段为甩尾运行模式。甩尾模式下，张力辊电机处于发电状态，即电机的传动力矩与带钢运动方向相反，由带钢张力拖动张力辊传动。张力分析见图２，由图２

有：

Ｔ６ａ＝Ｔｂ－ΔＴＳ＝４８０００－１００＝４７９００Ｎ

Ｔ５ａ＝Ｔ６ａ／ｅμα＝４７９００／２＝２３９５０Ｎ

Ｔ４ａ＝Ｔ５ａ－ΔＴＲＢ＝２３９５０－１２５０＝２２７００Ｎ

Ｔ３ａ＝Ｔ４ａ－ΔＴＳ＝２２７００－１００＝２２６００Ｎ

Ｔ２ａ＝Ｔ３ａ／ｅμα＝２２６００／２＝１１３００Ｎ

Ｔｃａ＝Ｔ２ａ－ΔＴＲＢ＝１１３００－１２５０＝１００５０Ｎ

在甩尾时，要建立初张力Ｔｃａ的电机功率应由１＃辊传动电机提供。１＃辊传动电机用于建立初张力提供压辊的电机功率为：

Ｐ１１ａ＝ＴｃａＶｍａｘ＝１００５０×２２０／６０＝３６．８５ｋＷ

１＃辊传动电机用于张力放大的电机功率为：

（２）回退模式张力辊功率带钢焊接后，若带钢运行一段后焊缝断裂，需将带钢拉回焊机进行重新焊接，为回退模式。该模式下，张力辊电机处于电动状态，即电机的传动力矩与带钢运动方向相同，张力分析见图３。由图３有：

Ｔ６ｂ＝Ｔｄ＋ΔＴＲＢ＝６００００＋１２５０＝６１２５０Ｎ

Ｔ５ｂ＝Ｔ６ｂ／ｅμα＝６１２５０／２＝３０６２５Ｎ

Ｔ４ｂ＝Ｔ５ｂ＋ΔＴＳ＝３０６２５＋１００＝３０７２５Ｎ

Ｔ３ｂ＝Ｔ４ｂ＋ΔＴＲＢ＝３０７２５＋１２５０＝３１９７５Ｎ

Ｔ２ｂ＝Ｔ３ｂ／ｅμα＝３１９７５／２＝１５９８７．５Ｎ

Ｔｃｂ＝Ｔ２ｂ＋ΔＴＳ＝１５９８７．５＋１００＝１６０８７．５Ｎ

在回退模式时，建立初张力Ｔｃｂ的电机功率应由１＃辊传动电机提供。１＃辊传动电机提供压辊的电机功率为：

（３）正常工作模式下的张力辊功率

正常运行时，开卷机与１＃张力辊建张运行，即为正常运行模式。在正常运行模式下，张力辊电机处于电动状态，即电机的传动力矩与带钢运动方向相同，张力分析见图４。正常运行时，张力辊的 入 口 张Ｔａ＝６４０００Ｎ，与 出 口 张 力Ｔｂ＝４８０００Ｎ的张力差小于甩尾模式和回退模式的张力差很多，所以此模式下采取每个辊子传递等力矩的控制方式，即：

Ｔ２ｃ－Ｔ３ｃ＝Ｔ５ｃ－Ｔ６ｃ

Ｔ２ｃ＝Ｔａ＋ΔＴＲＢ＝６４０００＋１２５０＝６５２５０Ｎ

Ｔ４ｃ＝Ｔ３ｃ＋ΔＴＳ＝Ｔ３ｃ＋１００Ｎ，

Ｔ５ｃ＝Ｔ４ｃ＋ΔＴＲＢ＝Ｔ３ｃ＋１３５０Ｎ

Ｔ６ｃ＝Ｔｂ－ΔＴＳ＝４８０００－１００＝４７９００Ｎ

由Ｔ２ｃ－Ｔ３ｃ＝ Ｔ５ｃ－Ｔ６ｃ计算可得，Ｔ３ｃ＝５５９００Ｎ，所以，１＃、２＃辊的电机功率为：

从以上３种张力辊工作模式对于张力辊传动电机功率的计算中可看出，回退模式所需要的传动辊电机功率最大，故取机械效率η＝０．９，因此１＃辊 的 电 机 功 率 为Ｐ１ｂ

／η＝１１９．２７／０．９＝１３２．５２ｋＷ，取电机功率为１３２ｋＷ。２＃辊的电机功率为Ｐ２ｂ／η＝１１５．４５／０．９＝１２８．２８ｋＷ，取电机功率为１１０ｋＷ，电机过载为１２８．２８／１１０＝１．１７，因回退模式时间很短，过载满足要求。

（４）１＃传动辊压辊带齿轮电机传动对１＃传动辊电机功率的影响

２＃传动辊的压辊主要是为在入口活套失张时建立初张力之用，可不带传动。现就１＃

传动辊压辊带齿轮电机传动对１＃传动辊的电机功率的影响进行讨论。

甩尾模式及回退模式下，带钢速度以穿带速度运行，即Ｖｓ＝０．５ｍ／ｓ，若压辊齿轮电机额定输出速度为Ｖｓ，则在甩尾模式下，压辊电机功率为：

Ｐａ＝ＴｃａＶｓ／η＝１００５０×０．５／０．９＝５．６ｋＷ

压辊齿轮电机功率取７．５ｋＷ，则１＃辊的电机功率为４２．６ｋＷ。

在回退模式下，压辊电机功率为：

Ｐｂ＝ＴｃｂＶｓ／η＝１６０８７．５×０．５／０．９＝８．９ｋＷ

压辊齿轮电机功率取１１ｋＷ，则１＃辊的电机功率为６０．２７ｋＷ。

所以，在压辊带传动齿轮电机时，１＃辊的电机功率为６０．２７／０．９＝６７ｋＷ，取电机功率７５ｋＷ即可满足要求。

综上所述，在计算连续机组焊机后的张力辊电机功率时，必须考虑以上因素，否则选取的电机功率是有问题的。为此，应合理选取配置，保证机组的连续运行。

参考文献：

［１］  张启富，刘邦津，黄建中．现代钢带连续热镀锌机组［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，２００７．

［２］  周国盈．带钢精整设备机械［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９７９．