冷轧带材板形仪传动方案设计方法

摘要

本发明涉及一种冷轧带材板形仪传动方案设计方法，该方法通过对板形仪现场应用分析，提出了打滑因子概念，定量的表征了板形仪在带材上的打滑程度，并根据板形仪的具体结构参数，利用打滑因子确定其需要的主动或被动传动方式；由于生产现场环境限制，板形仪若无法采用主动传动方式消除打滑时，可利用打滑因子反算最小包角，重新调整板形仪与带材之间的包角，确保带材与板形仪之间的摩擦力矩能够克服轴承摩擦力矩与加减速力矩。本发明设计的板形仪在现场应用中需采用的传动方案，有助于减少带材与板形仪之间的磨损，能够提高板形仪的使用寿命。

说明书

技术领域

本发明属于冶金轧制技术领域，特别涉及一种冷轧带材板形仪传动方案设计方法。

背景技术

板形是冷轧带钢的重要质量指标之一。板形测控是带钢冷轧机的核心和高端技术，是生产高级冷轧带钢的必然选择。板形检测是实现板形测控的前提，冷轧带钢的板形检测装置通常称之为板形仪。板形仪实际应用时分为被动即无电机与主动两种方案。如果板形仪的传动方案设计不合理，就可能引起带材与辊身之间打滑，从而划伤带钢表面。相比于轧机、卷取机等设备而言，板形仪的相关扭矩要小的多，采用主动方案的话，其电机功率与造价也不会很高。因此，对于新建轧机而言，可以根据用户需要直接将其设计为主动或被动方案，但对于新增板形仪的现有轧机，其设备空间已经确定，如果选用主动方案的话可能涉及空间不够的问题，需要移除或切割其它辅助设备，因此如果没有必要的话，最好选用被动方案。

目前关于轧机传动系统已经发表了大量相关文献。例如：“2160mm热连轧机组F2精轧机振动机理及测试”(《钢铁》2015，51卷第12期：103-111)对轧机传动系统的振动进行了测试与分析；“UR轧机主传动装置的有限元分析”(《铸造技术》2017，38卷第6期：1460-1464)对轧机传动系统的应力应变进行了分析；“镁板轧机主传动系统的模糊免疫PID控制”(《机械制造与自动化》2017，第3期：208-211)对轧机传动系统的速度调整与控制进行了研究。但截至目前为止，仍未见到板形仪传动方案设计的相关文献。

发明内容

本发明的目的在于提供一种冷轧带材板形仪传动方案设计方法，本发明综合考虑带材与板形仪之间的摩擦力矩、板形仪轴承摩擦力矩与加减速力矩，以打滑因子判断冷轧带材板形仪的具体传动方案。如果现场环境受限板形仪必须采用被动方式，则通过打滑因子反算最小包角，确保带材与板形仪之间的摩擦力矩能够克服轴承摩擦力矩与加减速力矩。

本发明设计的一种冷轧带材板形仪传动方案设计方法，板形仪传动方案的设计步骤为：

a、收集设备参数与工艺参数，具体包括：a1、收集设备参数：板形仪与带材之间包角θ，板形仪重量N，板形仪材料密度ρ，板形仪轴承内径d，板形仪名义半径R，板形仪辊身与辊颈阶梯轴总段数n，每段板形仪是否空心标志S_i，i的取值范围是1～n，当S_i＝1时为空心，当S_i＝0时为实心，收集所有阶梯段长度l_i，当S_i＝0时收集该阶梯段半径r_i，当S_i＝1时收集该阶梯段外半径R_i与内半径r_i′；a2、收集工艺参数：最小张力T，带材与板形仪之间摩擦系数μ，板形仪轴承的摩擦系数μ₁，最大加速度α，最大轧制速度v；b、计算带材与板形仪之间的摩擦力矩M_d＝T(e^2μθ-1)R，其中，e为自然对数的底；c、计算轴承摩擦力矩d、计算加减速力矩M_p2；e、计算打滑因子f、根据打滑因子判别法判断是否采用主动方案，若采用主动方案，则转入g设计主动电机或重新调整板形仪与带材之间的包角，否则计算结束；g、如果现场环境允许，根据电机选择方法选择电机；如果现场环境受限，则根据冷轧带材板形仪最小包角设计方法，反算最小包角，重新调整板形仪与带材之间的包角，使调整后的打滑因子φ'＞1.2。

优选地，所述打滑因子判别法具体为：

基于上述步骤a～步骤e，若打滑因子φ≤1.2，表明带材与板形仪之间很可能会产生打滑，划伤带钢，则需要设计主动电机或重新调整板形仪与带材之间的包角；如果φ＞1.2，表明带材与板形仪之间的摩擦力矩能克服轴承摩擦力矩与加减速力矩，则计算结束。

优选地，所述主动电机的选择方法为：

基于上述步骤a～步骤d，根据额定扭矩与额定速度选择主动电机，电机额定扭矩必须大于1.2(M_p1+M_p2)，额定速度必须大于最大轧制速度v，以此为依据选择主动电机。

优选地，计算加减速力矩M_p2的步骤为：

d1、令i＝1，临时变量M_t＝0；d2、判断S_i＝0是否成立，如果成立，计算该阶梯段转动惯量并转入d4，否则转入d3；d3、计算该阶梯段转动惯量d4、令M_t＝M_t+J_i；d5、判断i＝n是否成立，如果成立，转入d6；否则令i＝i+1，转入d2；d6、计算加减速力矩M_p2＝M_tα/R。

优选地，冷轧带材板形仪最小包角设计方法步骤为：

基于上述步骤a～步骤g，如果φ≤1.2且现场环境存在限制，无法增加电机时，则进行最小包角的设计，计算确保不打滑时带材与板形仪之间的摩擦力矩M_dmin＝1.2(M_p1+M_p2)；

进而计算确保不打滑时的最小包角

本发明采用以上技术方案，其具有以下有益效果：本发明综合考虑了带材与板形仪之间的摩擦力矩、板形仪轴承摩擦力矩与加减速力矩的影响，通过本发明可以定量确定主动电机是否必要，如果环境受限确定必须采用被动方式时，可以定量计算出确保板形仪与带材之间不打滑时所需的最小包角，既满足实际生产需要，又可以避免设备投资的浪费。

附图说明

图1是本发明冷轧带材板形仪传动方案设计方法的逻辑框图；

图2是本发明传动方案设计方法的流程图；

图3是本发明最小包角设计方法的流程图；

图4是本发明实施例1板形仪结构剖视图；以及

图5是本发明实施例2板形仪结构主视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明综合考虑带材与板形仪之间的摩擦力矩、板形仪轴承摩擦力矩与加减速力矩，以打滑因子判断冷轧带材板形仪的具体传动方案。如果板形仪无法采用主动传动方式消除打滑，必须采用被动传动方式时，则通过打滑因子反算最小包角，重新调整板形仪与带材之间的包角，从而确保带材与板形仪之间的摩擦力矩能够克服轴承摩擦力矩与加减速力矩，逻辑框图如图1所示。

本发明的冷轧带材板形仪传动方案设计方法主要包括以下执行的步骤：

a、收集设备与工艺参数，具体包括：

a1、收集设备参数：板形仪与带材之间包角θ，板形仪重量N，板形仪材料密度ρ，板形仪轴承内径d，板形仪名义半径R，板形仪辊身与辊颈阶梯轴总段数n，每段板形仪是否空心标志S_i，i的取值范围是1～n，当S_i＝1时为空心，当S_i＝0时为实心，收集所有阶梯段长度l_i，当S_i＝0时收集该阶梯段半径r_i，当S_i＝1时收集该阶梯段外半径R_i与内半径r_i′；

a2、收集工艺参数：最小张力T，带材与板形仪之间摩擦系数μ，板形仪轴承的摩擦系数μ₁，最大加速度α，最大轧制速度v；

b、计算带材与板形仪之间的摩擦力矩M_d＝T(e^2μθ-1)R，其中，e为自然对数的底；

c、计算轴承摩擦力矩

d、计算加减速力矩M_p2，具体包括：

d1、令i＝1，临时变量M_t＝0；

d2、判断S_i＝0是否成立，如果成立，计算该阶梯段转动惯量并转入d4，如果不成立则转入d3；

d3、计算该阶梯段转动惯量

d4、令M_t＝M_t+J_i；

d5、判断i＝n是否成立，如果成立，转入d6；如果不成立，令i＝i+1，转入d2；

d6、计算加减速力矩M_p2＝M_tα/R；

e、计算打滑因子

f、判断是否采用主动方案，如果φ＞1.2，表明带材与板形仪之间的摩擦力矩可以克服轴承摩擦力矩与加减速力矩，带材与板形仪之间不会产生打滑，不必设计主动电机，计算结束；如果φ≤1.2，表明带材与板形仪之间很可能会产生打滑，划伤带钢，转入g；

g、现场环境允许，根据额定扭矩与额定速度选择电机，电机额定扭矩必须大于1.2(M_p1+M_p2)，额定速度必须大于v，以此为依据选择相应系列电机。

本发明的冷轧带材板形仪最小包角设计方法主要包括以下执行的步骤：

a、收集设备与工艺参数，具体包括：

a1、收集设备参数：板形仪与带材之间包角θ，板形仪重量N，板形仪材料密度ρ，板形仪轴承内径d，板形仪名义半径R，板形仪辊身与辊颈阶梯轴总段数n，每段板形仪是否空心标志S_i，i的取值范围是1～n，当S_i＝1时为空心，当S_i＝0时为实心，收集所有阶梯段长度l_i，当S_i＝0时收集该阶梯段半径r_i，当S_i＝1时收集该阶梯段外半径R_i与内半径r_i′；

a2、收集工艺参数：最小张力T，带材与板形仪之间摩擦系数μ，板形仪轴承的摩擦系数μ₁，最大加速度α，最大轧制速度v；

b、计算带材与板形仪之间的摩擦力矩M_d＝T(e^2μθ-1)R，其中，e为自然对数的底；

c、计算轴承摩擦力矩

d、计算加减速力矩M_p2，具体包括：

d1、令i＝1，临时变量M_t＝0；

d2、判断S_i＝0是否成立，如果成立，计算该阶梯段转动惯量并转入d4，如果不成立则转入d3；

d3、计算该阶梯段转动惯量

d4、令M_t＝M_t+J_i；

d5、判断i＝n是否成立，如果成立，转入d6；如果不成立，令i＝i+1，转入d2；

d6、计算加减速力矩M_p2＝M_tα/R；

e、计算打滑因子

f、判断是否采用主动方案，如果φ＞1.2，表明带材与板形仪之间的摩擦力矩可以克服轴承摩擦力矩与加减速力矩，带材与板形仪之间不会产生打滑，不必设计主动电机，计算结束；如果φ≤1.2，表明带材与板形仪之间很可能会产生打滑，划伤带钢，转入g；

g、现场环境限制，无法增加电机来消除打滑情况时，则反算最小包角，重新调整板形仪与带材之间的包角：

g1、计算确保不打滑时最小包角θ_min，具体包括：

g2、计算确保不打滑时带材与板形仪之间的摩擦力矩M_dmin＝1.2(M_p1+M_p2)；

g3、计算最小包角计算结束。

本发明的具体实施例如下：

实施例1

一种冷轧带材板形仪传动方案设计方法，某板形仪结构如图4所示，具体包括：

a、收集设备与工艺参数，具体包括：

a1、收集设备参数：板形仪与带材之间包角θ＝10.59°，板形仪重量N＝604kg，板形仪材料密度ρ＝7.808g/cm³，板形仪轴承内径d＝130mm，板形仪名义半径R＝140mm，板形仪辊身与辊颈阶梯轴总段数n＝5，第3段为空心，其余4段为实心，第1段长度为l₁＝84mm，第2段长度为l₂＝84mm，第3段长度为l₃＝1616mm，第4段长度为l₄＝84mm，第5段长度为l₅＝114mm，第1段半径r₁＝75mm，第2段半径为r₂＝140mm，第3段外半径R₃＝140mm、内半径r₃′＝84mm，第4段半径r₄＝140mm，第5段半径为r₅＝75mm；

a2、收集工艺参数：最小张力T＝10kN，带材与板形仪之间摩擦系数μ＝0.18，板形仪轴承的摩擦系数μ₁＝0.001，最大加速度α＝40m/min/s，最大轧制速度v＝1137转/min；

b、计算带材与板形仪之间的摩擦力矩M_d＝T(e^2μθ-1)R＝43.93Nm；

c、计算轴承摩擦力矩

d、计算加减速力矩M_p2，分别计算5段板形仪的转动惯量，结果如下：

最终得到加减速力矩M_p2＝35.63Nm；

e、计算打滑因子

f、判断是否采用主动方案，因为φ＝1.29＞1.2，所以带材与板形仪之间的摩擦力矩可以克服轴承摩擦力矩与加减速力矩，带材与板形仪之间不会产生打滑，不必设计主动电机，计算结束。

实施例2

一种冷轧带材板形仪传动方案设计方法，某板形仪结构如图5所示，具体包括：

a、收集设备与工艺参数，具体包括：

a1、收集设备参数：板形仪与带材之间包角θ＝11°，板形仪重量N＝862kg，板形仪材料密度ρ＝7.808g/cm³，板形仪轴承内径d＝130mm，板形仪名义半径R＝140mm，板形仪辊身与辊颈阶梯轴总段数n＝5，5段全部为实心，第1段长度为l₁＝140mm，第2段长度为l₂＝70mm，第3段长度为l₃＝1730mm，第4段长度为l₄＝70mm，第5段长度为l₅＝112mm，第1段半径r₁＝70mm，第2段半径为r₂＝90mm，第3段半径r₃＝140mm，第4段半径r₄＝90mm，第5段半径为r₅＝70mm；

a2、收集工艺参数：最小张力T＝10kN，带材与板形仪之间摩擦系数μ＝0.18，板形仪轴承的摩擦系数μ₁＝0.001，最大加速度α＝65m/min/s，最大轧制速度v＝1137转/min；

b、计算带材与板形仪之间的摩擦力矩M_d＝T(e^2μθ-1)R＝49.2Nm；

c、计算轴承摩擦力矩

d、计算加减速力矩M_p2，分别计算5段板形仪的转动惯量，结果如下：

最终得到加减速力矩M_p2＝64.47Nm；

e、计算打滑因子

f、判断是否采用主动方案，因为φ＝0.749≤1.2，表明带材与板形仪之间很可能会产生打滑，划伤带钢，转入g；

g、现场环境允许配置电机，电机额定扭矩必须大于1.2(M_p1+M_p2)＝78.804Nm，额定速度必须大于v＝1137转/min，选取西门子系列电机，则根据其电机样本可选择电机型号为1LG0166-4AA，该电机额定功率为15kW，额定转速为1460rpm，额定扭矩为98.1Nm。

实施例3

一种冷轧带材板形仪最小包角设计方法，板形仪结构如图5所示，具体包括：

a、收集设备与工艺参数，具体包括：

a1、收集设备参数：板形仪与带材之间包角θ＝11°，板形仪重量N＝862kg，板形仪材料密度ρ＝7.808g/cm³，板形仪轴承内径d＝130mm，板形仪名义半径R＝140mm，板形仪辊身与辊颈阶梯轴总段数n＝5，5段全部为实心，第1段长度为l₁＝140mm，第2段长度为l₂＝70mm，第3段长度为l₃＝1730mm，第4段长度为l₄＝70mm，第5段长度为l₅＝112mm，第1段半径r₁＝70mm，第2段半径为r₂＝90mm，第3段半径r₃＝140mm，第4段半径r₄＝90mm，第5段半径为r₅＝70mm；

a2、收集工艺参数：最小张力T＝10kN，带材与板形仪之间摩擦系数μ＝0.18，板形仪轴承的摩擦系数μ₁＝0.001，最大加速度α＝65m/min/s，最大轧制速度v＝1137转/min；

b、计算带材与板形仪之间的摩擦力矩M_d＝T(e^2μθ-1)R＝49.2Nm；

c、计算轴承摩擦力矩

d、计算加减速力矩M_p2，分别计算5段板形仪的转动惯量，结果如下：

最终得到加减速力矩M_p2＝64.47Nm；

e、计算打滑因子

f、判断是否采用主动方案，因为φ＝0.749≤1.2，表明带材与板形仪之间很可能会产生打滑，划伤带钢，此时必须选择主动方案，转入g；

g、现场环境限制，无法增加电机来消除打滑情况时，反算最小包角，重新调整板形仪与带材之间的包角：

g1、计算确保不打滑时带材与板形仪之间的摩擦力矩如下：

M_dmin＝1.2×(M_p1+M_p2)＝78.80Nm

g2、计算最小包角计算结束，当重新调整带材与板形仪之间的夹角大于18°时，打滑因子φ'＞1.2，此时带材与板形仪之间的摩擦力矩可以克服轴承摩擦力矩与加减速力矩，带材与板形仪之间不会产生打滑。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。