張力減徑機的動力學和運動學的分析

方志承 羅佩文

摘 要：文章主要對三輥式張力減徑機進行分析，主要分析張力減徑機的動力學和運動學原理，通過對張力減徑機的速度分析、轉速分析和速度控制來分析張力減徑機運動學特征，通過對張力減徑機受力分析、軋制壓力和軋制力矩進行分析張力減徑機的動力學特征分析。

關鍵詞：張力減徑機；運動學；動力學；速度

張力減徑機是現代化的生產機組，其作用和優越性使其在大規模無縫鋼管生產中不可缺少。隨著我國鋼管工業的發展張力減徑機組正被廣泛運用。對三輥式張力減徑機進行分析，該機組是90年代研制的，具有許多獨特的優點。以下分析張力減徑機的運動學和動力學原理。

1.張力減徑機的 運動學特征

1.1.運動學特征

在張力減徑的過程中，要求各個機架的延伸系數和軋輥圓周協調一致，同時決定連軋機工作的基本條件要求通過每個機架的金屬的秒流量相等，即： F·V=常數

式中 F—從孔型中軋出的鋼管的截面積；

V—軋出的鋼管的速度；

對于理想過程的偏差程度可用系數C表示：

式中 ， 分別是第i機架中鋼管的截面積和出口速度

當C>0時，機架間將產生拉力，而當C<0時則產生推力。

在所有的機架都充滿金屬而C不等于0的情況下，對于每對軋輥在任意瞬間都遵守秒流量、相等的原則，這種相等可通過軋輥和金屬之間的滑移達到。因此當C不等于0時，減徑機任何一個機架中的變形條件發生變化，都會影響其余機架中的變形條件，但由于連軋過程本身存在著相適應，自相調整的過程，因此即使在這種相互作用的復雜關系中減徑過程仍然能夠在任一瞬間保持秒流量相等。但是當差別較大時，必然會造成嚴重的拉鋼和推鋼，輕者不能獲得所需的鋼管尺寸，重者連軋過程不能建立，甚至出現事故，因此較為準確的計算各機架轉速是很重要的。

1.2.張力減徑機的速度控制

當軋管轉速確定后，必須采用適當的方法進行測定以控制軋輥的速度。無論是單獨傳動還是集體傳動的張力減徑機都要將速度控制在一定水平以內才能保證正確的張力。

2.張力減徑機的動力學分析

2.1.張力減徑過程中的外作用力的分析

張力減徑實際上是無芯棒連軋。符合圓孔型中軋管時的外作用力關系。按力學原理，軋制工具給予金屬的外力主要是正壓力（垂直于工具表面）以及相對運動而產生的摩擦力（垂直于正壓力）。

如圖1所示為張力減徑時孔型頂部受力分析，由于存在著前滑區和后滑區，從而在這兩個區中分別作用有 和 以及摩擦力 和 ，而且摩擦力方向是反向，還有前后張力 和 。

圖 1 張減受力分析

如果考慮沿孔槽寬度上各部位的受力情況就要復雜的多，不過還是兩個力——正壓力和摩擦力。如果認為在穩定過程中運動是均勻的，也就是說沒有加速或減速，那么按照靜力平衡條件，作用于金屬的所有外力的矢量總和等于0，即：

（2—1）

2.2.張力系數的確定

在張力減徑機動力學分析計算平均單位壓力和總軋制力時需計算這些未知數。

張力值的大小是以張力系數來表示的。張力系數是縱向應力 和變形應力 的比。

從實際上講，張力值的大小的問題是一個減壁量的問題，因為最大張力值的問題也就是最大減壁量的問題。由金屬流動的基本方程式可知Z介于0.1—0.8這一范圍內。采用張力減徑機的目的在于使鋼管減徑的同時產生減壁，從而Z值一般在0.5—0.8之間。最大張力系數除了受避免管子被拉斷的限制外，還受管子與軋輥間摩擦系數的限制。

在軋制軸線上作用有 （垂直壓力的軸向分量），前后張力以及軸向摩擦力 ，即：

（2—4）

圖2 張力系數分布

2.3.軋制力矩的計算

2.3.1.軋制力矩的計算

計算管子的張力減徑時的軋制力矩，可以根據切向接觸力確定軋制力矩和根據能耗確定軋制力矩這兩種方法，但效果都不是很好。

根據切向應力可以推導出下面的公式：

（2-5）

利用此公式計算時一般用工作直徑 的一半代替 。一般計算張減軋制力矩時常用下面公式（三輥張力減徑機）：

式中 ——金屬和軋輥間的摩擦系數，取0.35—0.4

p——軋制壓力

d——孔型直徑（用鋼管直徑代替）

——軋輥理想直徑

——工作直徑特征角

2.3.2.電機功率的計算

根據軋制力矩可以得出計算電機功率的公式： （2-6）

式中 n——軋輥轉速（轉/分）

——軋制力矩（公斤 .米）

3. 結束語

通過對張力減徑機的運動學特征和動力學分析與計算，分析了設備整體的運行能力、設備運行過程中的變形和設備運行速度的控制。通過分析在今后設備的使用，保養，以及如何讓設備發揮最大性能生產最優良的產品起到了很大的作用。計算結果符合現場實際情況，在今后的運轉和計算中可以借鑒應用。

參考文獻

[1]《國外三輥穿孔和軋管》 冶金工業出版社

[2]《機械設計手冊》 化學工業出版社

[3]《張力減徑機》 機械工業出版社