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1、1/44,7.轧制力矩及功率,安徽工业大学材料学院 2012.10.24,2/44,主要内容：7.1 主电机传动轧辊所需的力矩7.2 轧制力矩Mz的确定7.3 附加摩擦力矩Mf及空转力矩M0和动力矩Md的确定7.4 电机负荷图7.5 主电机功率的计算,目的及要求：了解确定轧机传动力矩及功率的意义。掌握确定轧机传动力矩的方法。掌握电机负荷图的绘制及功率计算。,4/44,7.1 主电机传动轧辊所需的力矩7.1.1 研究传动力矩的意义1.选择电机，满足工艺要求。(Mmax Nmax 选电机),2.校核电机，制定合理的工艺规程。(MjumMer；Mmax KGMer)总而言之，轧制力矩和功率是验算轧机
2、主电机能力、传动机构强度和设计新轧机的重要参数，故必须正确确定。,5/50,7.1.2 传动力矩的组成,电机,减速箱,齿轮座,轧机机架,6/44,1.传动力矩的组成：欲确定主电动机的功率，必须首先确定传动轧辊的力矩。轧制过程中，在主电动机轴上，传动轧辊所需力矩最多由下面四部分组成：MD=Mz/i+Mf+M0+MdMD：主电机轴上的传动力矩；Mz/i：折算到电机轴上的轧制力矩(M(轧制)、M)；Mz：轧制力矩，使轧件产生塑性变形所需的力矩；Mf：传至电动机轴上的附加摩擦力矩，用于克服轧制时发生在轧辊轴承、传动机构以及轧钢机其它部分中的附加摩擦力矩(Mm)。,7/44,M0：空转力矩，克服轧机空转
3、时，由于各转动件的重量所产生的摩擦力矩。Md：动力矩，克服轧制速度变化时各部件的惯性力所产生的力矩。i：主电机与轧辊之间的传动比。即减速箱的减速比(=电机转数/轧辊转数)。,MD=Mz/i+Mf+M0+Md,8/44,2.静力矩(轧机作匀速旋转时所需的力矩)：Mc=Mz/i+Mf+M0静力矩对任何轧机都是必不可少的。在一般情况下，以轧制力矩最大，只有在旧式轧机上，由于轴承中的摩擦损失过大，有时附加摩擦力矩才有可能大于轧制力矩。在静力矩中，轧制力矩Mz/i是有效力矩，虽然在轧制力矩中也包括了轧件与轧辊辊面间的摩擦损失，但这种损失是实现轧制过程中所不可避免的。附加摩擦力矩Mf和空转力矩M0是由于轧
4、机的零件和机构的不完善和摩擦损失引起的有害力矩或无效力矩。,9/44,3.轧机的效率(有效系数)：换算到主电动机轴上的轧制力矩与静力矩之比的百分数称为轧机的效率。0=Mz/i/Mc100%=(Mz/i)/(Mz/i+Mf+M0)100%0随轧制方式和轧机结构不同(主要是轧辊的轴承构造)在相当大的范围内变化，一般轧机的效率0=0.50.95，Mf 及M0的数值越小，轧机的有效系数越高。,10/44,7.2轧制力矩Mz的概念,轧制力(轧制总压力)和它对于两轧辊中心连线的垂直距离(力臂)的乘积称之为轧制力矩。如右图，如果去掉由水平力引起的力矩(考虑到水平力平衡)，则轧制力矩Mz可由单元体素对一个轧辊
5、作用的垂直力乘以相应的力臂来计算。,11/44,7.3轧制力矩Mz的确定,7.3.1 按轧制压力确定1.简单轧制,转动一个辊所需轧制力矩：Mz=Pa,转动两个辊所需轧制力矩：Mz=2Pa,a=Rsin：合力作用角，a：力臂。,12/44,2.单辊驱动(P1=P2=P)驱动辊的轧制力矩：Mz=Pa2 a2=(D+h)sin,13/44,3.力臂系数(合力作用点系数)令a=l，：力臂系数则=(合力作用角)/(咬入角)=a(力臂)/l(变形区长度),转动两个轧辊所需的力矩：,实际上，受很多因素的影响，综合一些研究资料，热轧时，=0.30.6；冷轧时，=0.20.4；热轧铸锭时，=0.550.60；热
6、轧板带时，=0.420.50；冷轧板带时，=0.330.42。,14/44,Sims认为：热轧扁钢及中厚板时=0.78+0.017R/h-0.163(R/h)1/2美国学者计算得到轧制不同断面形状轧件的力臂系数可取：热轧方坯：=0.5；热轧圆钢：=0.6；闭口孔型：=0.7；热带钢连轧机上，对前几个机座取0.48，对后几个机座取0.39。按轧制力计算：对板带材等矩形断面轧件和简单断面的型材计算较精确。,15/44,7.3.2 按摩擦力确定摩擦力产生的轧制力矩：Mz=2R(T1-T2)T1：后滑区摩擦力，T1=f R(-)T2：前滑区摩擦力，T2=f RMz=2 f R2(-2)角难以准确确定，
7、应用有一定困难。,T,16/44,7.3.3 按能耗曲线确定1.概念单位能耗曲线：表示每吨产品的能量消耗与总延伸系数(型、线材和钢坯轧制)或板带厚度(板带材)之间的关系。,17/44,2.能耗与力矩之间的关系,轧制所消耗的功A与轧制力矩Mz之间的关系为：,18/44,3.按能耗曲线确定轧制力矩,如图所示，an+1、an 分别为轧n+1、n道次后所对应的总单位能耗，则第n+1道次所对应的单位能耗为 an+1 an，kWh/t。,19/44,轧制时的能耗一般是以电机负荷大小测量的，所以这种曲线中包括轧辊轴承及轧机传动机构中的附加摩擦消耗，但除去了轧机的空转消耗。按能耗曲线确定的轧制力矩为折算到主电
8、机轴上的轧制力矩Mz和附加摩擦力矩Mf 之和。,设轧件重为G吨，在该道次的总能耗为A=(an+1-an)G kWh=3600(an+1-an)G kWs,20/44,由Mz=AR/vt 知，按能耗曲线确定的力矩(折算到电机主轴上)为：,21/44,4.单位能耗曲线的应用条件(能耗曲线选取遵循原则)1)能耗曲线上所确定的单位能耗，不包括空转力矩。单位能耗曲线所确定的力矩，包括折算到主电机轴上的轧制力矩M及附加摩擦力矩Mf，不包括空转力矩M0和动力矩Md；2)选取实验曲线应与所计算的轧机相类似。轧机结构型式及轴承种类都应尽可能一致，如轧制相同材料、相同尺寸规格轧件时用连续式轧机能耗就要低一些，用滚
9、动轴承比滑动轴承低10%60%；,22/44,3)来料的原始断面尺寸应尽可能相似，如差别较大，延伸系数差别就更大，造成误差也就很大；4)金属材料要选取同样材料或者相近似的材料，否则由于变形抗力的差别可能造成较大的误差；5)要有相同的轧制条件，对于热轧，温度是要谨慎选取的参数，对冷轧，应当有相接近的润滑条件和张力制度等。总之，要有相同的轧机型式、轧制条件、轧件材质和相似的坯料断面及成品断面。利用能耗曲线计算：用于计算各种非矩断面的轧制力矩计算，此方法在工厂广泛采用。,23/44,7.4 附加摩擦力矩Mf及空转力矩M0和动力矩Md 的确定7.4.1 附加摩擦力矩Mf 的确定轧制时，轧件通过辊间在轴
10、承内以及轧机传动机构中有摩擦力产生。附加摩擦力矩 Mf：是指克服在轴承内以及轧机传动机构中摩擦力(由轧制压力产生的)所需的力矩(轧制时在轴承、传动机构所增加的摩擦力矩)。Mf 的组成：1)轧辊轴承中的Mf 1；2)传动机构中的Mf 2。,24/44,1.轧辊轴承中的附加摩擦力矩Mf 1对上下两个轧辊(共四个轴承)而言，Mf 1=P/2f1d1/24=P f1d1P：轧制压力；d1：轧辊辊颈直径；f1：轧辊轴承中摩擦系数，取决于轴承构造和工作条件。滑动轴承金属衬热轧时 f1=0.070.10 滑动轴承金属衬冷轧时 f1=0.050.07 滑动轴承塑料衬 f1=0.010.03 液体摩擦轴承 f1
11、=0.0030.004 滚动轴承 f1=0.003,P/2,P/2,25/44,2.传动机构中的摩擦力矩Mf 2(减速箱、齿轮座和连接轴等)Mf 2 根据传动效率计算 Mf 2=(1/1-1)(M z+Mf 1)/iMf 2：换算到主电机轴上的传动机构中的摩擦力矩；1：传动机构效率，即从主电机到轧机的传动效率；一级齿轮传动的效率 0.960.98 皮带传动效率 0.850.90 换算到主电机轴上的附加摩擦力矩Mf Mf=Mf 1/i+Mf 2,26/44,7.4.2 空转力矩M0的确定空转力矩：是指克服空载转动轧机主机列时，旋转体的重量在各自不同的轴颈直径处产生的摩擦力矩(不轧钢时传动轧机主机
12、列所需的力矩，一般根据旋转零件的重量及其轴承中的摩擦圆半径来计算)(轧机空转时在轴承、传动机构所增加的摩擦力矩)。空转力矩应等于所有转动机件空转力矩之和，当换算到主电机轴上时，则转动每一个部件所需力矩之和为：M0=M0 i M0 i：换算到主电机轴上的转动每一个零件所需力矩。,27/44,如果用零件在轴承中的摩擦圆半径与力来表示M0 i M0 i=Gi fi di/2ii 则 M0=Gi fi di/2ii Gi：该零件在轴承中的重量；fi：该零件在轴承中的摩擦系数；di：该零件的轴颈直径；ii：电机与该零件间的传动比。,经验公式：M0=(0.030.06)MerMer：电动机的额定转矩。对新
13、式轧机取下限，对旧式轧机取上限。,28/44,7.4.3 动力矩Md 的确定动力矩只发生于用不均匀转动进行工作的几种轧机中，如在带飞轮或在轧制过程中可调速以及可逆轧制情况下，当轧制速度变化时，便产生克服惯性力的动力矩(轧机加速或减速时的惯性力矩)。Md=GD2/375(dn/dt)kg.m=GD2/38.2(dn/dt)N.mG：转动部分的重量，kg；D：转动部分的惯性直径，m；GD2：旋转部件的飞轮惯量，kg.m2；dn/dt：加速度或减速度。,29/44,7.5 负荷图1.概念：反映轧机负荷与时间变化关系的图称为负荷图。,2.分类：静负荷图(轧辊匀速转动)动负荷图(变速轧制),30/44,
14、7.5.1 静负荷图为了校核和选择主电动机，除知其负荷值外，还需知轧机负荷随时间变化的关系图。静力矩与时间变化的关系图称为静负荷图。绘制方法：首先确定出轧件在整个轧制过程中在主电机轴上的静负荷值(先绘空转力矩再静力矩)，其次确定各道次的纯轧时间和间隙时间，根据轧制图表确定一个轧制周期内的电机静负荷图。,31/44,轧制图表(轧机工作图表)：反映了轧制道次n与时间t之间关系的图表。通过轧制图表可看出：轧制过程中的轧制时间、各道次间的间隙时间、轧制一根钢所需要的总时间(TZ)、交叉轧制的情况以及轧件在任一时间所处位置。轧制图表中标明的轧制时间(T轧)、间隙时间(T间)、轧制节奏(T)和轧制周期(T
15、)称为轧制图表的特征时间，轧机的布置形式不同，轧制方式不同，轧制图表形式不同，轧制图表的特征时间变化规律不同。,32/44,轧制图表的特征时间：轧制时间T轧：即钢的纯轧时间，可以实际测定，也可以用公式计算：tz=Lh/vh，式中 Lh-轧件轧后长度；vh-轧件出辊速度(忽略前滑即为轧制速度或轧辊圆周速度)。间隙时间T间(t)：指相邻道次间的时间间隔，按间隙动作所需时间、轧制的具体情况或按现场数据选用。轧制节奏T(T轧+t)：指机组每轧一根钢所需要的时间(即轧制过程中开始轧制第一根钢到开始轧制第二根钢的时间间隔或延续时间)，它是决定轧机产量的主要因素。轧制周期T(TZ+t)：指轧制一根钢所用总时
16、间TZ(各道次轧制时间和间隙时间)和相邻两根钢之间空隙时间t。对于单机架轧机，轧制节奏即为轧制周期，如单机座可逆式轧机。,33/44,Mc=M(轧制)+Mf+M0,34/44,交叉轧制,35/44,7.5.2动负荷图(如可逆式轧机的负荷图)在可逆式轧机中，轧件通过轧辊的时间由3部分组成：加速期、稳定轧制期和减速期。,36/44,(1)空载加速期t1：M1=M0+Md1,(2)加速轧制期t2：M2=Mc+Md1,(3)等速轧制期t3：M3=Mc,(4)减速轧制期t4：M4=Mc-Md2,(5)空转减速期t5：M5=M0 Md2d1 GD2/38.2a d2 GD2/38.2b GD2:单位kg.
17、m2 M:单位 N.m,绘制根据速度图绘制，设主电机的加速度为a，减速度为b，则在各期间内的转动总力矩为：,37/44,7.6 主电机功率的计算目的：1.校核电机；2.选择电机。,1.校核电机：温升校核；过载校核。1)转速未超过额定转速，即 nner。,38/44,Mjum=(Mi2ti/ti)1/2,Mi：轧制周期内各段时间所对应的力矩；,ti：轧制周期内各段轧制时间和间隙时间；tz=Lh/vh，t间隙按现场定。,Mjum：等效力矩(均方根力矩)；,(1)温升校核：MjumMer,轧机工作时电动机的负荷是间断式的不均匀负荷，而电动机的额定力矩是指电动机在此负荷下长期工作，其温升在允许范围内的
18、力矩。为此，必须计算出负荷图中的等效力矩，其值按下式计算：,39/44,40/44,(2)过载校核：Mmax KG Mer,Mmax：轧制周期内负荷图中的最大力矩；,KG：电机允许的过载系数；对于直流电机2.02.5，交流电机2.53.0。电动机达到允许最大力矩KG Mer 时，其允许持续时间在15s以内，否则电动机温升将超过允许范围。,41/44,2)当实际转速超过电动机基本转速时nner,式中：M1-转速未超过基本转速的力矩；M-转速超过基本转速时乘以修正系数后的力矩，即M=M1n/ner。校核电机过载条件:Mmax n/ner KG Mer,对于斜线部分力矩：,应对超过基本转速部分对应的
19、力矩加以修正。,42/44,2.选择电机对新设计的电机，需根据等效力矩计算电机功率，根据电机功率选择电机。,电机功率的计算:Nj=(0.105 M jumn)/kW,Nj:电机功率 Mjum：等效力矩，N.m n：电机的转速，r/min；：由电机到轧机的传动效率。,43/44,复习题：名词解释：轧制力矩、空转力矩、附加摩擦力矩、能耗曲线、静力矩、动力矩、负荷图。作业题：1.P312 1)，2)2.简述能耗曲线的应用条件。,44/44,3.在四辊可逆轧机上一道次将坯料轧制成成品。此时Mz=700N.m，M0=80N.m，Mf=300N.m，GD2=38.2 kg.m2，加速度a=40转/分/秒，减速度b=60转/分/秒，轧制时速度图如下，试确定该轧机的传动力矩(传动比i=1)并画出力矩图。已知Mer=2000N.m，对电机进行过载校核。(K=2.5),
