拉弯矫张力辊的设计计算

拉弯矫直机组设计中张力辊主要参数的计算

符可惠

（中色科技股份有限公司，河南洛阳471039）

[摘要]：本文介绍了拉弯矫直机组的工作原理，张力辊组在拉弯矫直机中的作用及张力辊组基本参数的计算。

[关键词]：张力辊、放大系数、功率、延伸率

近年来，随着轧制技术的快速发展，薄带材的平直度已经有了较大改善。然而，随着用户对板带材平直度的要求更加严格，矫直设备的需求也有了跨越式的发展，其中拉弯矫直设备是提升薄带材板型质量的重要设备之一，它是通过使带材产生一定的延伸量来消除带材波浪、获得良好板型。

拉弯矫直的工作原理：拉弯矫直机是综合了连续张力矫直机和辊式矫直机的特点，使带材在拉伸和弯曲的作用下，连续多次正反弯曲，在大变形矫正下，逐步产生塑性延伸并释放板材内应力，以消除板带材在冷加工时产生的波形、翘曲、侧弯和潜在的板型不良等缺陷，使厚度薄、材料硬的薄带材达到板型平整，满足高端用户的需求。

张力辊组是拉弯矫直机组中的重要设备，拉弯矫直所需的张力主要是靠张力辊组之间张力递增来实现；入口张力辊组最后一个辊和出口张力辊组第一个辊的速度差产生必要的延伸率。张力递增倍数与带材和张力辊之间的包角、摩擦系数有关。摩擦系数在实际运行当中也有许多变数，由于包胶辊在使用一段时间后辊面会被磨光，因此辊面与带材之间的摩擦系数会急剧下降，导致系统无法正常工作。所以，在设计张力辊时既要满足张力要求又要防止张力辊组与带材打滑现象的发生。

下面我们以无锡某厂700mm不锈钢拉弯矫直机组张力辊的参数选择加以说明。

1 张力辊辊径

张力辊组设计的基本要求是既要满足张力需要又要防止张力辊组与带材打滑现象的发生，带材包绕在张力辊上，在其包绕接触处产生摩擦力，正是这个摩擦力，使出口张力与入口张力按某种规律变化，借此改变张力值，对机组实现张力控制。

带材材质：不锈钢

带材的屈服极限：σs=205~510N/mm²

带材的弹性模量；E=206GPa

带材厚度：h= 0.08~0.6mm

带材宽度b≤550mm

机组速度v：0—100—150 m/min

T=30k N

最大开卷张力：

b

最大卷取张力： c T =35 kN

最大拉伸张力： n T =200kN

下面以入口张力辊组为例，进行主要主要参数的计算。

2.1 张力辊辊径的选择

张力辊辊径的选择是以带材最外层表面达到屈服极限为出发点，使带材经过张力辊时不产生塑性变形为原则。由公式

s Eh D σmax

= 可以得出mm D mm 6025.242≤≤

式中 D —张力辊辊径 mm

h max ——最大厚度 0.6mm

σs —材料的屈服极限205~510N/mm ²

E —材料的弹性模量 206GPa

由上式可知，D 的大小与带材最大厚度h max 和带材材质有关，但是，辊子的实际选取并非越大越好，应该考虑到不同材料的屈服极限合理选择，可D=Φ600mm

2.2 张力辊辊数、包角及辊距的选择

2.2.1 张力放大系数e μα的选择

张力放大系数e μα与张力辊和带材的包角α 、摩擦系数μ有关。

根据经验推荐，每根张力辊和带材的包角不应小于180º。由于带材具有一定的刚性，不是完全贴附在辊子表面上，因此实际包角α小于理论包角s α，一般来说实际包角与理论计算包角的关系为：α=0.8~0.9s α则理论计算包角取

s α=220º

。 摩擦系数μ的确定：张力辊辊面材料一般有橡胶、橡胶与氯丁二烯橡胶合成物或聚氨酯橡胶等几种，据报道，衬橡胶可以使用一周，衬聚氨酯橡胶可以使用四周，因此，辊面材料选用耐磨性好的聚氨酯橡胶，其与不锈钢的摩擦系数为0.18~0.28，取μ=0.25。

则 张力放大系数e μα=2.15

在现场实际生产中，一方面由于带材与辊子的摩擦系数在使用一段时间后会急剧下降，另一方面，由于薄带材在较高速度下运行时，带材对辊面的正压力较小，在入口处窜入带材的气体不能迅速排除，减小了带材与辊子的实际包角，这些因素都使张力放大倍数小于计算值，为了防止带材与辊子打滑，实际张力放大

系数e μα近似取为2较为合适。

2.2.2 张力辊辊数及辊距的选择

张力辊辊子数是根据矫直所需的最大拉伸张力与开卷张力之比、总包角∑α 及带材与辊子的摩擦系数μ确定的，即

b

n T T n ln 1

αμ∑= 现代拉弯矫直机组的张力辊辊子数多采用四到六根辊即可满足拉弯矫直所需的张力倍增倍数，根据同类设备类比，该设备张力辊辊子数n 取4，为S 辊。为了制造与安装方便，设计成四只辊与带材的包角相同，既α1=α2=α3=α4=s α。 如图1所示。

图1

根据张力辊辊数和包角的大小及传动系统的摆放位置，即可确定辊距L 为900mm 。

2.3 张力辊驱动力矩的选择

每个张力辊单独由直流电机驱动，这种传动的特点：每个辊子所用的力矩大小可调，每个张力辊的速度同步及前后张力辊组的速差可以调电机的速度来实现.

入口张力辊组是张力递增的过程，第一个入口张力辊的入口张力可视为开卷机的张力，根据欧拉公式：μαe T T b =1

则依次类推，αμ∑=e T T b 4

张力辊组之间张力递增来实现张力拉伸的需要，因此在第四只辊输出的张力T 4即为目标值—最大拉伸张力n T ，由于张力放大倍数e μα近似取为2，张力辊功率与张力分配如图2所示，

图2 张力辊功率与张力分配系数示意图

则 αμ∑==e T T T b n 14=16T b1

T b1=T n /16

驱动第一只辊所需的扭距：M 1=（T 1-T b1）*D/2 （M 1单位kN.m ），机组的速度V=100m/min ，辊子的转速n=53.05rpm 。

电机在额定转速900rpm 时，电机到辊子的转速比i=900/53.05=16.9，选择减速机，速比标准化后i 取18。

驱动第一只辊所需的电机功率：

N D1=π*M* n /（30i η） kW

式中 η—传动效率 取0.95

其它电机功率的分配，按照图2每个张力辊分配系数进行分配，即按照μαe 的计算值进行分配。

3 结束语

本文所数述的计算只对入口张力辊组布置当中的辊子包角、辊径、辊距、辊数及功率分配进行了设计计算，出口张力辊组张力和功率的选取与入口张力辊类似。所不同的是，入口张力辊电机是在“发电状态”下工作，出口张力辊电机是在“电动状态”下工作，且出口张力辊的张力变化是倍减的，其目标值T n ´为入口张力的目标值T n 和矫直单元消耗的张力之和，这里就不一一累述。

带材延伸率的控制是采用入口张力辊和出口张力辊在实际运行中速度差来进行控制，即出口张力辊组第一个辊子的圆周速度v n ´应当比入口张力辊组最后一个辊子的圆周速度v n 大一定的值，以便矫直时获得必要的延伸率ε，即满足下列方程式：ε=（v n ´-v n ）/v n 。这在电气控制上进行实现，以达到预定的张力和减少张力辊与带材的相对滑动，满足张力拉伸弯曲的需要。