張力減徑機不同傳動系統剛度及響應特性對比分析

王建輝，董海波，覃 宣

（中冶賽迪工程技術股份有限公司鋼管事業部，重慶 401122）

張力減徑機自發明以來，其設備結構和傳動形式經過多次改進［1］，形成了多種不同的形式。按照張力減徑機的軋輥機架分類，可以分為內傳動和外傳動兩種形式。針對這兩種機架結構，主傳動形式演變出了集中差速傳動、單機架傳動和單輥傳動3種主要形式［1-6］。

內傳動形式的軋輥機架，每個機架有1個主動軸，通過機架內部的錐齒輪驅動兩個從動軸，其主傳動可采用集中差速和單機架傳動形式［7-9］。

外傳動形式的軋輥機架，每個軋輥軸各自獨立，分別由傳動軸進行驅動。每個軋輥均有獨立的1套傳動系統的結構稱為單輥單獨外傳動；當外傳動式機架的主機座內部設置轉向錐齒輪，分別驅動3個單獨的軋輥軸時，每個機架只需要1個輸入，主傳動也可采用單機架或集中差速傳動形式。

對上述兩種機架形式和與之對應的不同傳動形式的剛度和響應特性進行對比分析，可為無縫鋼管生產線選擇合適的張力減徑機提供參考。

1 軋輥機架結構對比分析

張力減徑機軋輥機架有內傳動和外傳動兩種形式，其結構如圖1～2所示。內傳動式軋輥機架有1個輸入軸，通過機架內部的兩對錐齒輪驅動另外兩個從動軸；外傳動式軋輥機架的每個軋輥各自獨立，分別由傳動軸進行驅動。

圖1 張力減徑機內傳動式軋輥機架結構示意

圖2 張力減徑機外傳動式軋輥機架結構示意

1.1 設計原則

內傳動式軋輥機架的軋輥直徑是根據軋制負荷，通過計算軸承和螺旋傘齒輪的嚙合強度來決定的。驅動3個軋輥的傘齒輪設置在牌坊內軋輥軸上，由于位置上的限制，螺旋傘齒輪外徑必須比第一機架的軋輥輪緣直徑小一定值；另外，為保證有足夠的傳遞扭矩，首先要設計確定軋輥的軸頭直徑，這就給螺旋傘齒輪的設計、制造帶來很大困難。為此，有兩種辦法：

（1）因軸承能力和軋輥軸尺寸所限，而適當減小螺旋傘齒輪，則傳動力矩降低，設備不能發揮能力，或經常更換軸和傘齒輪備件；

（2）如果傘齒輪和軸頭強度足夠，則必須適當加大軋輥直徑。

因為主動軸要傳遞整個機架的扭矩，載荷為其他兩根從動軸的3倍。按照公式（1）可知，主動軸的軸頭直徑約為從動軸的1.44倍。但由于需要布置傘齒輪，軸頭直徑并不能充分加大，因此主動軸軸頭為機架最薄弱的部分［10］。

式中d——軸端直徑，mm；

T——軸傳遞的扭矩，N·m；

p——許用扭轉剪應力，MPa。

外傳動式軋輥機架的軋輥直徑只需根據軋制負荷，按照軋制鋼管的規格進行確定，并適當留有足夠軋輥套安裝孔位置即可。由于取消了主動軸與從動軸相互傳遞扭矩的螺旋傘齒輪，軸承選擇和軋輥軸設計沒有幾何結構上的限制。由于3根軸均為主動軸，3個軸系平均承受軋制扭矩和軋制力，受載狀況更均勻，因此軸承和軋輥軸的強度也更好。

1.2 對比分析

為了便于比較，對軋輥直徑相同的內傳動和外傳動兩種形式進行對比分析。

對于內傳動式軋輥機架，為了保證機架強度，考慮到傘齒輪和軸承的安裝，軋輥寬度要比外傳動式的小約10%，并且軋輥中間安裝位置需要被切削，留出軸承的安裝空間（如果軋輥寬度相同，勢必將犧牲軸承能力和傘齒輪的強度）。以Φ180 mm機組為例，軋輥理想直徑為380 mm，內傳動式軋輥機架的軋輥寬度為160 mm或170 mm，而外傳動式軋輥機架的軋輥寬度可達181 mm。

以下對內、外傳動形式張力減徑機可軋制范圍及對應的機架強度情況進行分析對比。表1為Φ380 mm軋輥，在軋輥強度相當的前提下，不同軋輥寬度可軋制的產品外徑范圍。從表1可知，在軋輥強度相當的前提下，軋輥寬度越大，可軋制的產品外徑范圍越寬。

表1 不同軋輥寬度可軋制的產品外徑范圍 mm

3種不同軋輥寬度的機架強度對比見表2。由表2可知：對內傳動式軋輥機架來說，當加大軋輥寬度，齒輪能傳遞的扭矩由19.8 kN·m下降到18.0 kN·m，軸承額定動載荷由355 kN下降到310 kN。雖然產品范圍稍大，但設備能力不能充分發揮，也限制了軋制規格范圍。對于外傳動式軋輥機架來說，不管是軸承的額定動載荷還是軸徑系數均較大，因而軋制范圍也較廣泛。

表2 不同軋輥寬度的軋輥機架強度對比

2 傳動系統剛度及響應能力分析

對應上述兩種形式的軋輥機架，有3種典型的傳動形式［7-8，11］，如圖 3 所示。圖 3（a）為單機架內傳動［12-13］，機架為內傳動式結構；圖3（b）為單輥單獨外傳動，機架為外傳動式結構；圖3（c）為單輥機械式外傳動，集中差速形式，機架為外傳動式結構?，F分別對這3種典型傳動方式傳動系統的剛度和響應特性進行對比分析。

圖3 3種典型傳動形式原理示意

2.1 轉動慣量

轉動慣量是衡量傳動系統剛性的一個重要參數，以下分析張力減徑機3種不同傳動形式的轉動慣量。在公式（2）~（4）中，J為各設備的轉動慣量（kg·m2），下角標為設備名稱。

（1）單機架內傳動方式，即每個機架由1個電機通過減速器驅動，其折算到電機端的轉動慣量為：

式中 i1—單機架內傳動方式的減速器的減速比；J1—單機架內傳動方式折算到電機端的轉動慣量，kg·m2。

（2）單輥單獨外傳動結構，每個軋輥由1個電機通過減速器進行驅動，則其折算到每個電機端的轉動慣量為：

式中 i2—單輥單獨外傳動方式時減速器的減速比；J2—單輥單獨外傳動方式折算到電機端的轉

動慣量，kg·m2。

（3）單輥機械式外傳動結構，每個軋輥均為主動輥，由主電機和疊加電機通過集中差速減速器驅動1根輸入軸，然后通過設置在主機座內的轉向傘齒輪分別驅動每個軋輥，折算到主電機和疊加電機端的轉動慣量J3主、J3疊加為：

式中i3主——集中差速減速器對應每個機架的主傳動減速比；

i3疊加——疊加傳動減速比。

每個機架的輸入轉速由主電機和疊加電機合成，則有：

式中N輸入——軋輥輸入轉速，r/min；

N主——主電機轉速，r/min；

N疊加——疊加電機的轉速，r/min。

由傳動和結構原理分析可知，對同一個軋制規格而言，可知 J電機3∧J電機1∧J電機2。從機械結構上看，對集中差速減速器每一個機架而言，減速器的轉動慣量為整個減速器的轉動慣量，傳動鏈質量最大，因而轉動慣量也最大；單機架內傳動減速器輸出轉矩為整個軋輥機架的軋制扭矩，是單輥單獨外傳動的3倍，轉動慣量也會比單輥單獨外傳動大，因此 J減速器總3∧J減速器1∧J減速器2。對于單輥單獨外傳動，由于空間限制，為了使機架間距更小，電機宜選擇額定轉速較大的非標電機，其機座號更小，轉動慣量也更小。為了得到相同的軋輥轉速，就需要選用速比較大的減速器。綜上所述，結合式（2）～（5）可知：轉動慣量 J3∧J1∧J2。

2.2 電機的過載及傳動系統響應能力分析

對于單機架內傳動，電機的過載考慮整個軋輥機架的沖擊過載，而對于單輥單獨外傳動，電機的過載考慮了單個軋輥的沖擊過載，由于3個軋輥的沖擊力矩并不相同，在考慮了整個軋輥機架力矩過載的情況下，還應考慮一定量的偏載過載。因此單輥單獨外傳動的裝機容量比單機架內傳動稍大，每個機架的過載能力也較大。

對于單輥機械式外傳動，傳動系統為集中差速傳動［14］。主電機和疊加電機應能滿足每個機架正常軋制的需要。因為每個機架沖擊并不是同時發生，因此，主電機不需要對所有機架設置過載，集中差速的主電機和疊加電機有足夠的過載系數滿足每個機架的過載沖擊，對每個機架的過載承受能力也最大。據測算，過載能力是單輥機械式外傳動的2倍左右。

傳動系統轉動慣量J3∧J1∧J2，在咬鋼時會產生沖擊載荷T1，其對應的速度降Δω為：

式中 ω0——軋制時的穩定速度，r/min；

ω1——沖擊時的速度，r/min；

T1，T0——沖擊軋制力矩和穩定軋制力矩，N·m；

J′——傳動系統轉換到輸入軸的等效轉動慣量，kg·m2；

t—— 時間，min。

為了恢復到穩定的軋制速度，電機將瞬時過載，瞬時過載時電機轉速N1為：

式中N1——瞬時過載時電機轉速，r/min；

P——過載功率，kW；

k——過載倍數。

通過上述機械系統特征方程與電機及控制系統自身的響應特征聯合求解［8］，可得3種不同傳動形式的速度隨時間的響應曲線，如圖4所示。

圖4 3種不同傳動形式的速度響應曲線

由圖4可知：在受到咬鋼沖擊時，轉動慣量最小的單輥單獨外傳動的速降最大，而集中差速單輥機械式外傳動最小，速降僅為單輥單獨外傳動的40%左右；同時，因為轉動慣量最小，單輥單獨外傳動對速度的響應也最靈敏，速度恢復時間最短，而集中差速傳動的恢復時間最長。

近年發展的動態調整軋輥轉速來控制張力，從而實現對鋼管頭尾壁厚的控制，即CEC技術，對傳動系統的響應要求較高，響應越靈敏的傳動系統，越有利于實現CEC控制。

3 機架間距及對切頭損失的影響

內傳動式軋輥機架由于機架內有齒輪，機架間距最大。單輥單獨外傳動和集中差速單輥機械式外傳動的機架形式都為外傳動形式。其中，對單輥單獨外傳動形式而言，由于電機及減速器空間限制，機架間距比集中差速單輥機械式外傳動稍大。以Φ168 mm機組為例，外傳動機架的軋輥直徑為330 mm，對應的集中差速單輥機械式傳動的機架間距為285 mm，單輥單獨外傳動的機架間距為310 mm；而軋制同規格的單機架內傳動的機架軋輥直徑為380 mm，機架間距為360 mm。

鋼管切頭尾長度的計算公式為：

式中Lc——鋼管切頭尾長度，mm；

Cd——機架間距，mm；

μΣ——總延伸系數。

從公式（9）可知，切頭尾長度與機架間距成正比關系，所以內傳動的切頭尾長度最大，分組集中差速單輥傳動的最短［15］。

4 建 議

通過對各種傳動的機架結構和傳動系統的剛性、強度和響應速度進行了對比分析。在選擇張力減徑機組時，要根據生產能力和水平，以及張力減徑機所占據的重要程度、作業率高低等具體情況來確定。一般講，Ф140 mm以上機組適合采用外傳動形式的張力減徑機；對那些同時設置張力減徑機和定徑機的無縫鋼管機組，該張力減徑機負荷不滿，作業率低，僅生產偏小規格等，則采用內傳動形式的張力減徑機為宜。另外，對生產Ф114 mm以下的無縫鋼管時，選用內傳動為宜，因為，一則，用外傳動形式，其機架尺寸不同比例增加，很不相稱；二則，本來生產的管徑較小，在相同延伸率情況下，切頭尾損失在一個范圍內（直徑小、質量?。┳兓?，其矛盾并不突出。

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