兩輥型張力輥組的張力模型分析【摘要】張力輥組是板材軋制過程一種重要的生產(chǎn)設(shè)備，我們通過對張力輥組的控制來實(shí)現(xiàn)對板材的張力控制。本文通過對張力輥組的結(jié)構(gòu)、受力等方面的分析，總結(jié)出張力輥組在運(yùn)行過程中的受力數(shù)學(xué)模型，為整個系統(tǒng)的力平衡模型提供了計算依據(jù)?！娟P(guān)鍵詞】張力輥組；張力；數(shù)學(xué)模型一、張力和張力控制的含義在板材軋制的過程中我們經(jīng)常會提到一個詞——張力，那么張力到底是什么呢？下面我們用一幅圖來說明張力到底是什么（見下圖1-1）。圖1-1卷輥張力示意圖如上圖所示，我們把沿著輥面的切線方向產(chǎn)生的力就叫做張力。同樣，我們把通過控制輥的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、輥徑的大小等其他相關(guān)因素來控制張力的大小變化的方法就叫做張力控制，簡單來說，張力控制就是使張力的實(shí)際值維持在設(shè)定的目標(biāo)值附近的過程，而其的作用就是在生產(chǎn)過程中，使張力保持在我們的生產(chǎn)需求范圍內(nèi)，抑制來自于外部干擾引起的張力波動，從而更好地保證產(chǎn)品的印刷、分切、卷取等質(zhì)量。提到張力控制，我就必須引入另一個張力控制的重要指標(biāo)：轉(zhuǎn)矩。如圖1-1中所示，轉(zhuǎn)矩與張力之間的關(guān)系就是：T=FD/2（1-1）式中：T表示轉(zhuǎn)矩，單位為?！っ譌表示張力，單位為牛D表示輥徑或卷徑，單位為米在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，我們通過張力檢測裝置來測量張力的大小變化，通過控制前后電機(jī)的速度差來控制張力的大小變化，而轉(zhuǎn)矩的大小控制就是靠輥道、卷取等設(shè)備的驅(qū)動電機(jī)的扭矩輸出來控制的。二、張力輥組的工作原理及其特點(diǎn)張力輥組在張力控制系統(tǒng)中是一種比較常見的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，俗稱S輥，在連續(xù)的帶材生產(chǎn)機(jī)組有著較為廣泛的應(yīng)用，如冷軋的酸連軋機(jī)組、鍍鋅機(jī)組、彩涂機(jī)組、重卷機(jī)組等。其主要作用就是實(shí)現(xiàn)整個帶鋼張力控制系統(tǒng)中的張力的分隔和調(diào)節(jié)。它是主要依靠帶鋼與輥面之間產(chǎn)生的摩擦力來工作的，當(dāng)帶鋼纏繞在張力輥上時，在其包角處會產(chǎn)生一個較大的摩擦力，這就就與張力輥的出、入口產(chǎn)生了張力差，當(dāng)我們改變棍子的包角、驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)矩等相關(guān)因素時，張力輥的出、入口張力值就會隨之改變，從而達(dá)到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)張力控制的目標(biāo)。首先我們來看一下張力輥組的受力分析圖（見上圖1-2），在上圖1-2中，帶鋼以V大小的速度沿著箭頭指示方向前進(jìn)，我們以1#輥為例，來說明張力輥組中帶鋼所受到張力的情況：圖1-2張力輥組受力分析圖在張力輥組的入口，帶鋼受到一個大小為F1、方向與帶鋼移動方向相反的力，此外還離心拉力F離和鋼帶彈塑拉力F彈塑，帶鋼離開1#輥時所受的力則是張力F、鋼帶彈塑拉力F彈塑和離心拉力F離。在實(shí)際的張力控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)中的力的方向不是一成不變的，以F彈塑的受力方向?yàn)槔?dāng)1#輥處于電動狀態(tài)時，其方向與帶鋼移動方向一致順時針繞輥旋轉(zhuǎn)，反之當(dāng)1#輥在發(fā)電狀態(tài)時，其方向則與帶鋼移動方向相反。2#輥的出入口受力情況與1#輥基本相同。張力輥的主要參數(shù)包括：張力輥的幾何尺寸、出入口張力、張力輥傳動力矩、傳動功率等。我們在選擇張力輥時，必須先確定這些相關(guān)的參數(shù)才能做到最優(yōu)。我們在選擇輥?zhàn)拥耐庑螏缀纬叽鐣r，是以帶鋼最外層表面達(dá)到屈服極限為出發(fā)點(diǎn)來考慮的，這樣可防止出現(xiàn)帶鋼永久變形。由此我們可以得到張力輥的最小半徑的計算公式：（1-2）式中：D表示張力輥直徑，單位為mmE帶鋼彈性模量，單位為MPahmax帶鋼最大厚度，單位為mmσs帶鋼的屈服極限，單位為MPa在實(shí)際設(shè)計時，我們在選取輥身尺寸一般是依據(jù)帶鋼的寬度并在其基礎(chǔ)上加上200—300mm。張力輥組的輥徑大小與設(shè)備的投入成本有比較密切的關(guān)系，因?yàn)樗蟮膹埩D(zhuǎn)矩等或電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨輥?zhàn)又睆降脑龃蠖龃螅瑐鲃釉O(shè)備的投資成本也隨之增加。在板材的連續(xù)生產(chǎn)機(jī)組中，根據(jù)生產(chǎn)對張力放大倍數(shù)的實(shí)際需求，人們發(fā)明了多種張力輥組，如兩輥、三輥、四輥張力輥組等，在同一張力輥組中，各個輥可以都是電機(jī)帶動的驅(qū)動輥，也可以是一個驅(qū)動輥帶一個甚至數(shù)個自由輥。在整個機(jī)組的張力控制系統(tǒng)中，一些張力輥組只是起到了分隔張力區(qū)并產(chǎn)生主令速度的作用，它們并不調(diào)節(jié)張力，我們稱之為主令速度張力輥組；還有一些張力輥組則是用于調(diào)節(jié)張力的，它們采用的是張力控制。在整個機(jī)組的同一運(yùn)行時間下，一部張力輥組工作在電動狀態(tài)（即入口張力大于出口張力），還有一部分的張力輥組處于發(fā)電狀態(tài)（出口張力大于入口張力）。需要注意的是：在機(jī)組的每一個區(qū)段，都設(shè)有各自的主令速度，也就是說在每一區(qū)段都會有有一個主令速度張力輥組，但是相鄰的兩組張力輥組不允許都是主令速度張力輥組，但可以采用張力控制。的設(shè)定借鑒于金屬材料加工中的冷軋帶鋼應(yīng)力計算部分，我們可以得到帶鋼的理論張力值的計算公式時：（1-3）其中：F表示帶鋼張力，單位為Nk表示張力系數(shù)a表示帶鋼帶鋼單位截面張力，單位為N/mm2b表示帶鋼厚度，單位為mmh表示帶鋼寬度，單位為mm通過上式可知，在帶鋼的材質(zhì)和截面尺寸已知的情況下，帶鋼張力的大小主要取決于張力系數(shù)。而張力系數(shù)主要是我們根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)出來的一組數(shù)據(jù)。三、張力輥組的數(shù)學(xué)模型簡析那么我們首先就以1個簡單的兩輥張力輥組為例來進(jìn)行張力模型開始計算，我們先來看看1#張力輥的受力簡圖（圖1-3）：圖1-3張力輥運(yùn)行狀態(tài)下張力簡圖在我們的實(shí)際應(yīng)用中，張力輥存在著兩種工作狀態(tài)，即發(fā)電狀態(tài)和電動狀態(tài)。當(dāng)張力輥處于發(fā)電狀態(tài)下，就需要在出口側(cè)加壓輥，當(dāng)其處于電動狀態(tài)時，則需要在入口側(cè)加壓輥，所以從結(jié)構(gòu)圖上可以看出，張力輥的出入口側(cè)均加有壓輥。我們依然按照其兩種工作情況下的不同情況來計算張力。當(dāng)張力輥處于發(fā)電狀態(tài)下時，這時假定出口壓輥沒有壓上，此時Fs1出>Fs1入，于是就有：（1-4）（1-5）假定上式中，以此來考慮。當(dāng)張力輥處于電動狀態(tài)下時，同樣假定入口壓輥沒有壓上，此時Fs1入>Fs1出，于是有：（1-6）（1-7）式中：我們假設(shè)兩個壓輥同時壓上，此時一個張力輥處于發(fā)電狀態(tài)，而另一個張力輥處于電動狀態(tài)。那么我們假定第一個棍子處于發(fā)電狀態(tài)，第二個棍子處于電動狀態(tài)時，我們可以按照式（1-4）和式（1-7）來考慮；反之如果我們假定第一個棍子處于電動狀態(tài)，而第二個棍子處于發(fā)電狀態(tài)，那么我們可以依照式（1-5）和式（1-6）來考慮。四、小結(jié)通過上述簡析我們可以清晰的看出兩輥張力輥組在進(jìn)行張力控制時的一些注意要素，更為構(gòu)建整個系統(tǒng)的力平衡提供了一些的計算依據(jù)。參考文獻(xiàn)：[1]李建軍，徐曉艷，