张力减径机不同传动系统刚度及响应特性对比分析

王建辉，董海波，覃 宣

（中冶赛迪工程技术股份有限公司钢管事业部，重庆 401122）

张力减径机自发明以来，其设备结构和传动形式经过多次改进［1］，形成了多种不同的形式。按照张力减径机的轧辊机架分类，可以分为内传动和外传动两种形式。针对这两种机架结构，主传动形式演变出了集中差速传动、单机架传动和单辊传动3种主要形式［1-6］。

内传动形式的轧辊机架，每个机架有1个主动轴，通过机架内部的锥齿轮驱动两个从动轴，其主传动可采用集中差速和单机架传动形式［7-9］。

外传动形式的轧辊机架，每个轧辊轴各自独立，分别由传动轴进行驱动。每个轧辊均有独立的1套传动系统的结构称为单辊单独外传动；当外传动式机架的主机座内部设置转向锥齿轮，分别驱动3个单独的轧辊轴时，每个机架只需要1个输入，主传动也可采用单机架或集中差速传动形式。

对上述两种机架形式和与之对应的不同传动形式的刚度和响应特性进行对比分析，可为无缝钢管生产线选择合适的张力减径机提供参考。

1 轧辊机架结构对比分析

张力减径机轧辊机架有内传动和外传动两种形式，其结构如图1～2所示。内传动式轧辊机架有1个输入轴，通过机架内部的两对锥齿轮驱动另外两个从动轴；外传动式轧辊机架的每个轧辊各自独立，分别由传动轴进行驱动。

图1 张力减径机内传动式轧辊机架结构示意

图2 张力减径机外传动式轧辊机架结构示意

1.1 设计原则

内传动式轧辊机架的轧辊直径是根据轧制负荷，通过计算轴承和螺旋伞齿轮的啮合强度来决定的。驱动3个轧辊的伞齿轮设置在牌坊内轧辊轴上，由于位置上的限制，螺旋伞齿轮外径必须比第一机架的轧辊轮缘直径小一定值；另外，为保证有足够的传递扭矩，首先要设计确定轧辊的轴头直径，这就给螺旋伞齿轮的设计、制造带来很大困难。为此，有两种办法：

（1）因轴承能力和轧辊轴尺寸所限，而适当减小螺旋伞齿轮，则传动力矩降低，设备不能发挥能力，或经常更换轴和伞齿轮备件；

（2）如果伞齿轮和轴头强度足够，则必须适当加大轧辊直径。

因为主动轴要传递整个机架的扭矩，载荷为其他两根从动轴的3倍。按照公式（1）可知，主动轴的轴头直径约为从动轴的1.44倍。但由于需要布置伞齿轮，轴头直径并不能充分加大，因此主动轴轴头为机架最薄弱的部分［10］。

式中d——轴端直径，mm；

T——轴传递的扭矩，N·m；

p——许用扭转剪应力，MPa。

外传动式轧辊机架的轧辊直径只需根据轧制负荷，按照轧制钢管的规格进行确定，并适当留有足够轧辊套安装孔位置即可。由于取消了主动轴与从动轴相互传递扭矩的螺旋伞齿轮，轴承选择和轧辊轴设计没有几何结构上的限制。由于3根轴均为主动轴，3个轴系平均承受轧制扭矩和轧制力，受载状况更均匀，因此轴承和轧辊轴的强度也更好。

1.2 对比分析

为了便于比较，对轧辊直径相同的内传动和外传动两种形式进行对比分析。

对于内传动式轧辊机架，为了保证机架强度，考虑到伞齿轮和轴承的安装，轧辊宽度要比外传动式的小约10%，并且轧辊中间安装位置需要被切削，留出轴承的安装空间（如果轧辊宽度相同，势必将牺牲轴承能力和伞齿轮的强度）。以Φ180 mm机组为例，轧辊理想直径为380 mm，内传动式轧辊机架的轧辊宽度为160 mm或170 mm，而外传动式轧辊机架的轧辊宽度可达181 mm。

以下对内、外传动形式张力减径机可轧制范围及对应的机架强度情况进行分析对比。表1为Φ380 mm轧辊，在轧辊强度相当的前提下，不同轧辊宽度可轧制的产品外径范围。从表1可知，在轧辊强度相当的前提下，轧辊宽度越大，可轧制的产品外径范围越宽。

表1 不同轧辊宽度可轧制的产品外径范围 mm

3种不同轧辊宽度的机架强度对比见表2。由表2可知：对内传动式轧辊机架来说，当加大轧辊宽度，齿轮能传递的扭矩由19.8 kN·m下降到18.0 kN·m，轴承额定动载荷由355 kN下降到310 kN。虽然产品范围稍大，但设备能力不能充分发挥，也限制了轧制规格范围。对于外传动式轧辊机架来说，不管是轴承的额定动载荷还是轴径系数均较大，因而轧制范围也较广泛。

表2 不同轧辊宽度的轧辊机架强度对比

2 传动系统刚度及响应能力分析

对应上述两种形式的轧辊机架，有3种典型的传动形式［7-8，11］，如图 3 所示。图 3（a）为单机架内传动［12-13］，机架为内传动式结构；图3（b）为单辊单独外传动，机架为外传动式结构；图3（c）为单辊机械式外传动，集中差速形式，机架为外传动式结构。现分别对这3种典型传动方式传动系统的刚度和响应特性进行对比分析。

图3 3种典型传动形式原理示意

2.1 转动惯量

转动惯量是衡量传动系统刚性的一个重要参数，以下分析张力减径机3种不同传动形式的转动惯量。在公式（2）~（4）中，J为各设备的转动惯量（kg·m2），下角标为设备名称。

（1）单机架内传动方式，即每个机架由1个电机通过减速器驱动，其折算到电机端的转动惯量为：

式中 i1—单机架内传动方式的减速器的减速比；J1—单机架内传动方式折算到电机端的转动惯量，kg·m2。

（2）单辊单独外传动结构，每个轧辊由1个电机通过减速器进行驱动，则其折算到每个电机端的转动惯量为：

式中 i2—单辊单独外传动方式时减速器的减速比；J2—单辊单独外传动方式折算到电机端的转

动惯量，kg·m2。

（3）单辊机械式外传动结构，每个轧辊均为主动辊，由主电机和叠加电机通过集中差速减速器驱动1根输入轴，然后通过设置在主机座内的转向伞齿轮分别驱动每个轧辊，折算到主电机和叠加电机端的转动惯量J3主、J3叠加为：

式中i3主——集中差速减速器对应每个机架的主传动减速比；

i3叠加——叠加传动减速比。

每个机架的输入转速由主电机和叠加电机合成，则有：

式中N输入——轧辊输入转速，r/min；

N主——主电机转速，r/min；

N叠加——叠加电机的转速，r/min。

由传动和结构原理分析可知，对同一个轧制规格而言，可知 J电机3∧J电机1∧J电机2。从机械结构上看，对集中差速减速器每一个机架而言，减速器的转动惯量为整个减速器的转动惯量，传动链质量最大，因而转动惯量也最大；单机架内传动减速器输出转矩为整个轧辊机架的轧制扭矩，是单辊单独外传动的3倍，转动惯量也会比单辊单独外传动大，因此 J减速器总3∧J减速器1∧J减速器2。对于单辊单独外传动，由于空间限制，为了使机架间距更小，电机宜选择额定转速较大的非标电机，其机座号更小，转动惯量也更小。为了得到相同的轧辊转速，就需要选用速比较大的减速器。综上所述，结合式（2）～（5）可知：转动惯量 J3∧J1∧J2。

2.2 电机的过载及传动系统响应能力分析

对于单机架内传动，电机的过载考虑整个轧辊机架的冲击过载，而对于单辊单独外传动，电机的过载考虑了单个轧辊的冲击过载，由于3个轧辊的冲击力矩并不相同，在考虑了整个轧辊机架力矩过载的情况下，还应考虑一定量的偏载过载。因此单辊单独外传动的装机容量比单机架内传动稍大，每个机架的过载能力也较大。

对于单辊机械式外传动，传动系统为集中差速传动［14］。主电机和叠加电机应能满足每个机架正常轧制的需要。因为每个机架冲击并不是同时发生，因此，主电机不需要对所有机架设置过载，集中差速的主电机和叠加电机有足够的过载系数满足每个机架的过载冲击，对每个机架的过载承受能力也最大。据测算，过载能力是单辊机械式外传动的2倍左右。

传动系统转动惯量J3∧J1∧J2，在咬钢时会产生冲击载荷T1，其对应的速度降Δω为：

式中 ω0——轧制时的稳定速度，r/min；

ω1——冲击时的速度，r/min；

T1，T0——冲击轧制力矩和稳定轧制力矩，N·m；

J′——传动系统转换到输入轴的等效转动惯量，kg·m2；

t—— 时间，min。

为了恢复到稳定的轧制速度，电机将瞬时过载，瞬时过载时电机转速N1为：

式中N1——瞬时过载时电机转速，r/min；

P——过载功率，kW；

k——过载倍数。

通过上述机械系统特征方程与电机及控制系统自身的响应特征联合求解［8］，可得3种不同传动形式的速度随时间的响应曲线，如图4所示。

图4 3种不同传动形式的速度响应曲线

由图4可知：在受到咬钢冲击时，转动惯量最小的单辊单独外传动的速降最大，而集中差速单辊机械式外传动最小，速降仅为单辊单独外传动的40%左右；同时，因为转动惯量最小，单辊单独外传动对速度的响应也最灵敏，速度恢复时间最短，而集中差速传动的恢复时间最长。

近年发展的动态调整轧辊转速来控制张力，从而实现对钢管头尾壁厚的控制，即CEC技术，对传动系统的响应要求较高，响应越灵敏的传动系统，越有利于实现CEC控制。

3 机架间距及对切头损失的影响

内传动式轧辊机架由于机架内有齿轮，机架间距最大。单辊单独外传动和集中差速单辊机械式外传动的机架形式都为外传动形式。其中，对单辊单独外传动形式而言，由于电机及减速器空间限制，机架间距比集中差速单辊机械式外传动稍大。以Φ168 mm机组为例，外传动机架的轧辊直径为330 mm，对应的集中差速单辊机械式传动的机架间距为285 mm，单辊单独外传动的机架间距为310 mm；而轧制同规格的单机架内传动的机架轧辊直径为380 mm，机架间距为360 mm。

钢管切头尾长度的计算公式为：

式中Lc——钢管切头尾长度，mm；

Cd——机架间距，mm；

μΣ——总延伸系数。

从公式（9）可知，切头尾长度与机架间距成正比关系，所以内传动的切头尾长度最大，分组集中差速单辊传动的最短［15］。

4 建 议

通过对各种传动的机架结构和传动系统的刚性、强度和响应速度进行了对比分析。在选择张力减径机组时，要根据生产能力和水平，以及张力减径机所占据的重要程度、作业率高低等具体情况来确定。一般讲，Ф140 mm以上机组适合采用外传动形式的张力减径机；对那些同时设置张力减径机和定径机的无缝钢管机组，该张力减径机负荷不满，作业率低，仅生产偏小规格等，则采用内传动形式的张力减径机为宜。另外，对生产Ф114 mm以下的无缝钢管时，选用内传动为宜，因为，一则，用外传动形式，其机架尺寸不同比例增加，很不相称；二则，本来生产的管径较小，在相同延伸率情况下，切头尾损失在一个范围内（直径小、质量小）变化，其矛盾并不突出。

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