张力减径机的动力学和运动学的分析

摘 要：文章主要对三辊式张力减径机进行分析，主要分析张力减径机的动力学和运动学原理，通过对张力减径机的速度分析、转速分析和速度控制来分析张力减径机运动学特征，通过对张力减径机受力分析、轧制压力和轧制力矩进行分析张力减径机的动力学特征分析。

关键词：张力减径机；运动学；动力学；速度

张力减径机是现代化的生产机组，其作用和优越性使其在大规模无缝钢管生产中不可缺少。随着我国钢管工业的发展张力减径机组正被广泛运用。对三辊式张力减径机进行分析，该机组是90年代研制的，具有许多独特的优点。以下分析张力减径机的运动学和动力学原理。

1.张力减径机的 运动学特征

1.1.运动学特征

在张力减径的过程中，要求各个机架的延伸系数和轧辊圆周协调一致，同时决定连轧机工作的基本条件要求通过每个机架的金属的秒流量相等，即： F・V=常数

式中 F―从孔型中轧出的钢管的截面积；

V―轧出的钢管的速度；

对于理想过程的偏差程度可用系数C表示：

式中 ， 分别是第i机架中钢管的截面积和出口速度

当C>0时，机架间将产生拉力，而当C

在所有的机架都充满金属而C不等于0的情况下，对于每对轧辊在任意瞬间都遵守秒流量、相等的原则，这种相等可通过轧辊和金属之间的滑移达到。因此当C不等于0时，减径机任何一个机架中的变形条件发生变化，都会影响其余机架中的变形条件，但由于连轧过程本身存在着相适应，自相调整的过程，因此即使在这种相互作用的复杂关系中减径过程仍然能够在任一瞬间保持秒流量相等。但是当差别较大时，必然会造成严重的拉钢和推钢，轻者不能获得所需的钢管尺寸，重者连轧过程不能建立，甚至出现事故，因此较为准确的计算各机架转速是很重要的。

1.2.张力减径机的速度控制

当轧管转速确定后，必须采用适当的方法进行测定以控制轧辊的速度。无论是单独传动还是集体传动的张力减径机都要将速度控制在一定水平以内才能保证正确的张力。

2.张力减径机的动力学分析

2.1.张力减径过程中的外作用力的分析

张力减径实际上是无芯棒连轧。符合圆孔型中轧管时的外作用力关系。按力学原理，轧制工具给予金属的外力主要是正压力（垂直于工具表面）以及相对运动而产生的摩擦力（垂直于正压力）。

如图1所示为张力减径时孔型顶部受力分析，由于存在着前滑区和后滑区，从而在这两个区中分别作用有 和 以及摩擦力 和 ，而且摩擦力方向是反向，还有前后张力 和 。

图 1 张减受力分析

如果考虑沿孔槽宽度上各部位的受力情况就要复杂的多，不过还是两个力――正压力和摩擦力。如果认为在稳定过程中运动是均匀的，也就是说没有加速或减速，那么按照静力平衡条件，作用于金属的所有外力的矢量总和等于0，即：

（2―1）

2.2.张力系数的确定

在张力减径机动力学分析计算平均单位压力和总轧制力时需计算这些未知数。

张力值的大小是以张力系数来表示的。张力系数是纵向应力 和变形应力 的比。

从实际上讲，张力值的大小的问题是一个减壁量的问题，因为最大张力值的问题也就是最大减壁量的问题。由金属流动的基本方程式可知Z介于0.1―0.8这一范围内。采用张力减径机的目的在于使钢管减径的同时产生减壁，从而Z值一般在0.5―0.8之间。最大张力系数除了受避免管子被拉断的限制外，还受管子与轧辊间摩擦系数的限制。

在轧制轴线上作用有 （垂直压力的轴向分量），前后张力以及轴向摩擦力 ，即：

（2―4）

图2 张力系数分布

2.3.轧制力矩的计算

2.3.1.轧制力矩的计算

计算管子的张力减径时的轧制力矩，可以根据切向接触力确定轧制力矩和根据能耗确定轧制力矩这两种方法，但效果都不是很好。

根据切向应力可以推导出下面的公式：

（2-5）

利用此公式计算时一般用工作直径 的一半代替 。一般计算张减轧制力矩时常用下面公式（三辊张力减径机）：

式中 ――金属和轧辊间的摩擦系数，取0.35―0.4

p――轧制压力

d――孔型直径（用钢管直径代替）

――轧辊理想直径

――工作直径特征角

2.3.2.电机功率的计算

根据轧制力矩可以得出计算电机功率的公式： （2-6）

式中 n――轧辊转速（转/分）

――轧制力矩（公斤 .米）

3. 结束语

通过对张力减径机的运动学特征和动力学分析与计算，分析了设备整体的运行能力、设备运行过程中的变形和设备运行速度的控制。通过分析在今后设备的使用，保养，以及如何让设备发挥最大性能生产最优良的产品起到了很大的作用。计算结果符合现场实际情况，在今后的运转和计算中可以借鉴应用。

参考文献

[1]《国外三辊穿孔和轧管》 冶金工业出版社

[2]《机械设计手册》 化学工业出版社

[3]《张力减径机》 机械工业出版社